KR101022632B1

KR101022632B1 - Ｐｔｃ 소자가 장착된 보호회로모듈을 포함하는 전지팩

Info

Publication number: KR101022632B1
Application number: KR1020070122711A
Authority: KR
Inventors: 박영선; 이정석; 안근표; 김춘연; 하정호; 마사유키 와케베
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2011-03-22
Also published as: KR20090055864A

Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀, 및 상기 전지셀에 전기적으로 연결된 보호회로 모듈(PCM)을 포함하고 있는 전지팩으로서, 상기 PCM에는 고온 발생시 전류를 차단하는 PTC 소자가 탑재되어 있으며, 상기 PTC 소자의 상면은 별도의 접속부재 없이 PCM에 직접 부착된 상태로 전기적으로 연결되어 있고, 하면은 그것에 부착되어 있는 접속부재에 의해 소정의 회로에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 PTC 소자와 PCM 및 전지셀을 용이하게 전기적으로 연결할 수 있으며, PCM과 PTC 소자의 연결 과정에서 발생하는 사공간(dead space)을 최소화할 수 있으므로, 팩의 체적 밀도를 높이면서 효율적으로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

Description

ＰＴＣ 소자가 장착된 보호회로모듈을 포함하는 전지팩 {Battery Pack Employed with PCM Mounting PTC Device thereon}

본 발명은 PTC 소자가 장착된 보호회로모듈(PCM)을 포함하는 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀, 및 상기 전지셀에 전기적으로 연결된 보호회로 모듈(PCM)을 포함하고 있는 전지팩으로서, 상기 PCM에는 고온 발생시 전류를 차단하는 PTC 소자가 탑재되어 있으며, 상기 PTC 소자의 상면은 별도의 접속부재 없이 PCM에 직접 부착된 상태로 전기적으로 연결되어 있고, 하면은 그것에 부착되어 있는 접속부재에 의해 소정의 회로에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급증하고 있고, 그러한 이차전지 중 고에너지 밀도와 높은 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사 용되고 있다.

특히, 리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 종류에 따라 리튬이온 전지와 리튬이온 폴리머 전지로 분류되기도 한다. 모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 특히 두께가 얇은 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있다.

그러나, 종래의 리튬 이차전지는 고온에 노출되거나, 과충전, 외부단락, 침상(nail) 관통, 국부적 손상(local crush) 등에 의해 짧은 시간내에 큰 전류가 흐르게 될 경우, IR 발열에 의해 전지가 가열되면서 발화/폭발의 위험성이 있다. 전지의 온도가 상승하면 전해액과 전극 사이의 반응이 촉진된다. 그 결과, 반응열이 발생하여 전지의 온도는 추가적으로 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 따라서, 전지의 온도가 급격히 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 이러한 악순환에 의해, 전지의 온도가 급격히 상승하는 열폭주 현상이 일어나게 되고, 온도가 일정 이상까지 상승하면 전지의 발화가 일어날 수 있다. 또한, 전해액과 전극 사이의 반응 결과, 가스가 발생하여 전지 내압이 상승하게 되며, 일정 압력 이상에서 리튬 이차전지는 폭발하게 된다. 이와 같은 발화/폭발의 위험성은 리튬 이차전지가 가지고 있는 가장 치명적인 단점이라 할 수 있다.

따라서, 리튬 이차전지의 개발에 필수적으로 고려해야 할 사항은 안전성을 확보하는 것이다. 이러한 안전성을 확보하기 위한 노력의 일환으로서, 셀 바깥쪽에 소자를 장착하여 사용하는 방법이 논의되고 있으며, 온도의 변화를 이용하는 PTC 소자, CID 소자, 전압 및 전류를 제어하는 보호회로, 전지 내압의 변화를 이용하는 안전벤트(Safety Vent) 등이 이에 해당한다.

예를 들어, 전지팩은 전지를 이차적으로 보호하고 외측의 디바이스와 접속 가능하도록 외부 입출력 단자가 형성되어 있는 PCM이 니켈 플레이트를 통하여 양극 단자 및 음극 단자에 접속되어 있고, 전지셀의 과전류, 과방전 및 과충전으로부터 전지를 일차적으로 보호하는 PTC 소자가 전극 단자에 접속되어 있다. PTC 소자에는 상면과 하면에 각각 니켈 플레이트가 부착되어 있고, 상면에 부착된 니켈 플레이트는 PCM과 전기적으로 연결되고, 하면에 부착된 니켈 플레이트는 전지셀의 전극 단자와 전기적으로 연결된다.

그러나, 이러한 구조의 전지팩을 조립하기 위해서는, PTC 소자와 PCM 및 전극단자들을 전기적으로 연결하기 위하여 수 차례의 용접 작업이 요구되며, 더욱이, PTC 소자 및 니켈 플레이트가 정위치에 놓이지 않은 상태에서 용접이 이루어질 경우, 전지팩의 조립과정 또는 사용 중에 단락이 유발되거나 접속부위가 분리될 수도 있다. 또한, PCM과 전지셀에 각각 PTC 소자를 연결하여야 하므로 긴 길이의 니켈 플레이트가 사용되어야 하고, PCM이 전지셀에 탑재되는 형태를 이루도록 니켈 플레이트를 절곡하여야 하므로, 그러한 절곡 공간만큼 사공간이 발생하여, 상대적으로 전지팩의 체적 밀도는 작아지는 문제점이 있다. 더욱이, 니켈 플레이트를 절곡하는 과정에서 응력이 발생하여 니켈 플레이트 자체 또는 PTC 내부에 균열이 생길 수 있다.

이와 관련하여, 한국 특허출원공개 제2004-0037547호에는 PTC가 표면 실장 등의 방법으로 회로 기판(PCB)에 탑재되어 있는 이차전지가 개시되어 있다. 그러나, 상기 기술은 PTC 소자와 그것이 연결되는 회로와의 전기적 접속 방식을 구체적으로 제시하지 못하고 있다. 즉, PTC 소자가 고온에서의 전류 차단이라는 본래의 기능을 다하기 위해서는, 통전되는 전류가 PTC 소자를 관통하는 방식으로 경유하여야 하지만, PTC 소자가 일반적인 소자들처럼 보호회로 모듈 상에 단순히 탑재된 형태로 연결되는 경우에는, 최저 저항 경로로 전류가 흐르게 되므로, 상기의 목적하는 기능을 충분히 발휘하지 못한다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, PTC 소자의 상면이 별도의 접속부재 없이 PCM에 직접 부착된 상태로 전기적으로 연결되고, 하면은 그것에 부착되어 있는 접속부재에 의해 소정의 회로에 전기적으로 연결되는 경우, PTC 소자를 용이하게 전기적으로 연결함으로써 효율적인 작동을 담보할 수 있고, PCM과 PTC 소자의 연결 과정에서 발생하는 사공간(dead space)을 최소화할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 전지팩은, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀, 및 상기 전지셀에 전기적으로 연결된 보호회로 모듈(PCM)을 포함하고 있는 전지팩으로서, 상기 PCM에는 고온 발생시 전류를 차단하는 PTC 소자가 탑재되어 있으며, 상기 PTC 소자의 상면은 별도의 접속부재 없이 PCM에 직접 부착된 상태로 전기적으로 연결되어 있고, 하면은 그것에 부착되어 있는 접속부재에 의해 소정의 회로에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩으로 구성되어 있다.

즉, 본 발명의 전지팩은 PTC 소자의 상면이 PCM에 전기적으로 연결된 상태에서 그것의 하면에 부착되어 있는 접속부재에 의해 전지셀, PCM의 작동 회로 등 전지팩의 작동과 관련되어 있는 회로와 전기적으로 연결되므로, 전류가 PTC 소자를 관통하는 방식으로 그것을 경유하여 외부 입출력 단자와 전지셀 사이를 흐르게 된다.

이러한 구조의 본 발명에 따른 전지팩은 니켈 플레이트 등의 별도의 접속부재를 없이 PTC 소자의 상면이 PCM에 직접 부착되어 있으므로 니켈 플레이트 등의 용접을 통해 연결하는 경우에 조립과정 등에서 발생할 수 있는 단락 또는 접속부위 분리 등의 문제가 근본적으로 방지될 수 있다. 또한, PCM과 PTC 소자의 연결 과정에서 접속부재 등이 점유하는 내부 공간을 줄이고, 그와 같이 줄어든 공간을 최대한 활용할 수 있게 됨으로써 동일 규격 대비 전지셀의 체적 밀도를 높일 수 있다. 앞서 정의한 바와 같이, PTC 소자는 그것의 하면에 부착되어 있는 접속부재에 의해 소정의 회로와 전기적으로 연결된다. 상기 접속부재와 전기적으로 연결되 는 소정의 회로는 전지셀일 수 있고, 이러한 연결 구조를 이하에서는 때때로 제 1 실시예로 지칭하기도 한다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 접속부재는 전지셀의 전극단자에 연결되며, 그에 따라 고온 발생시 전지셀과 PCM 사이의 전류가 차단될 수 있다. 즉, PCT 소자는 상기 접속부재에 의해 전지셀과 직접적으로 연결될 수 있다.

상기 접속부재와 전극단자의 연결은, 구체적인 예에서, 금속 캔의 전지케이스를 포함하는 전지팩에서 전지셀의 상단 중앙에 금속 캔과 절연된 상태로 돌출단자가 형성되어 있고, 상기 PTC 소자의 접속부재는 상기 돌출단자에 연결되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 접속부재와 전기적으로 연결되는 소정의 회로는 PCM의 작동 회로일 수도 있으며, 이러한 연결 구조를 이하에서는 때때로 제 2 실시예로 지칭하기도 한다.

즉, 상기 접속부재는 전지팩의 충방전 작동을 위해 PCM에서 전기적 연결이 요구되는 회로('작동 회로')에 연결됨으로써, 전류가 PCM에서 PTC 소자를 경유하여 흘러서 전지팩의 정상적인 충방전 작동이 이루어질 수 있다. 따라서, 고온 발생시 PTC 소자가 PCM 회로의 전류를 차단함으로써 궁극적으로 전지셀과 외부 입출력 단자와의 연결을 단전시킬 수 있다.

한편, 상기 PTC 소자의 상면은 별도의 접속부재 없이 PCM에 직접 부착된 상태로 전기적으로 연결되어 있다. 이 때, PTC 소자와 PCM의 기판, 즉, PCB와의 결합을 용이하게 하고 전기적 연결 상태를 향상시키기 위해, 상기 PTC 소자는 바람직 하게는 PCB 상에 형성된 금(Au) 코팅부에 부착될 수 있다.

상기 PTC 소자의 상면과 PCM의 연결 및/또는 PTC 소자와 접속부재의 연결은 접착, 용접, 솔더링 등 다양한 방식을 통해 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 솔더링에 의해 달성될 수 있다.

상기 접속부재는, 가변성의 전도성 소재라면 특별히 제한되지 않고 그 형태 또한 다양할 수 있으며, 바람직하게는 니켈 플레이트일 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 접속부재는 접속부재 전체의 평균 수평 단면적 대비 10 ~ 90%의 수평 단면적을 갖는 과전류 차단부를 포함할 수 있다. 이 경우 접속부재의 일부 단면적은 다른 단면적에 비해 좁게 된다.

앞서 설명한 바와 같이, PTC 소자는 하면에 부착된 접속부재를 통해 전지셀, 전지셀과 연결되어 있는 PCB 상의 작동 회로 등의 회로와 전기적으로 연결되어 있다. 이러한 구조의 접속부재는 그 자체에 상기와 같은 과전류 차단부를 포함하고 있어서, 전지의 비작동 상태에서의 과전류 발생시 자동으로 절단되어 전류의 흐름을 차단하는 기능을 수행할 수 있다. 특히, 상기 과전류 차단부는 전지의 물리적 형태 변화에 의하지 않고 전류의 변화에 응답하여 작동되므로 빠른 응답속도를 가지는 등의 효과를 나타낸다.

따라서, 이러한 구조의 접속부재를 부착한 PTC 소자는 전지의 이상 고온 상태에서 전류를 차단하는 역할 뿐만 아니라 과전류의 발생시 전류를 차단하는 역할을 동시에 수행할 수 있으므로, 다른 안전소자들의 부품 수를 줄이고 공정 효율성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

상기 과전류 차단부의 저항은 전지의 정상적인 작동 상태에서는 크게 문제시되지 않는 정도이지만, 비정상적인 작동 상태, 예를 들어, 수십 A의 과전류가 흐르는 외부 단락(external short)으로 인한 과전류의 통전 시 상대적으로 큰 발열이 초래되면서 자동적으로 절단되어 전지의 통전을 방지하므로, 일종의 안전소자로서 작동한다. 이러한 원리를 상술하면 다음과 같다.

일반적으로 저항 및 전류와 발열량과의 관계는 하기 식 1로 표시된다.

W = I² x R (1)

상기 식에서, W 는 발열량을 나타내고, I 는 전류를 나타내며, R 은 저항을 나타낸다.

또한, 저항은 하기의 식 2에서와 같이 단면적에 반비례한다.

R ∝ 1/A (2)

상기 식에서, R 은 저항을 나타내고, A 는 단면적을 나타낸다.

접속부재 전체의 평균 수평 단면적 대비 10 ~ 90%의 수평 단면적을 가지는 상기 접속부재는 과전류시 상기 식 1에서와 같이 단면적이 작은 부위에서 발열량이 급격히 증가하게 된다. 따라서, 과전류 차단부는 큰 발열량으로 인해 손쉽게 절단될 수 있으며, 이를 통해 고온에서의 전지 안정성 뿐만 아니라 전지의 이상 작동에 의한 과전류 환경에서의 전지 안정성 역시 담보할 수 있게 된다.

과전류 차단부의 형상은 상기와 같은 조건을 만족하는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들어, 양극 리드의 폭을 좁힌 구조, 양극 리드의 두께를 줄인 구조, 양극 리드의 중앙을 천공한 구조 등이 사용될 수 있으며, 경우에 따라서는 이들의 둘 또는 그 이상의 조합으로 구성될 수도 있다.

접속부재의 폭을 좁힌 구조는 접속부재의 한쪽 또는 양쪽 측면에 다양한 형상의 만입부를 형성하여 제작될 수 있다. 상기 만입부의 형상은 라운드형(round type), 노치형(notch type), 스퀘어형(square type) 등을 들 수 있지만, 그것만으로 한정되는 것은 아니다. 접속부재의 중앙을 천공한 구조는 중앙에 다양한 형상의 관통구를 형성하여 제작될 수 있다. 상기 관통구의 형상은 원형, 타원형, 사각형, 삼각형 등을 예로 들 수 있지만, 그것만으로 한정되는 것은 아니다. 과전류 차단부의 형성은 그것의 형상에 따라 다양한 방법이 가능하며, 예를 들어, 단조, 압연, 펀칭 등의 방법을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩은 전지셀과 연결된 PCM을 포함하는 것이라면, 구조는 특별히 제한되지 않으며, 하나의 바람직한 예에서, 상기 전지팩은,

상기 PTC 소자의 하면에 부착된 접속부재가 PCM의 작동 회로에 연결되어 있고;

상기 전지셀은 전극조립체가 전해액과 함께 금속 캔에 내장되어 있고, 금속 캔의 개방 상단은 탑 캡에 의해 밀봉되어 있으며;

PCM이 상부에 탑재되고 전지셀의 탑 캡에 장착되는 절연성 장착부재, 및 PCM이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡을 포함하고 있고;

상기 탑 캡에는 전극조립체의 양극 및 음극에 각각 연결되어 있는 한 쌍의 돌출형 전극단자들(제 1 돌출형 전극단자 및 제 2 돌출형 전극단자)이 형성되어 있으며,

상기 절연성 장착부재와 PCM에는 상기 돌출형 전극단자들에 대응하는 관통홈이 각각 형성되어 있고, 상기 돌출형 전극단자들이 절연성 장착부재와 PCM의 관통홈들에 연속하여 삽입되어 고정됨으로써, 전지셀에 대한 절연성 장착부재 및 PCM의 결합이 이루어지는 구조일 수 있다.

이러한 구조의 전지팩에서는, 전지팩 구성 요소의 결합이 한 쌍의 돌출형 전극단자들이 절연성 장착부재 및 보호회로 모듈의 관통홈들에 연속하여 삽입되어 고정되는 것으로 달성된다.

이 때, 상기 접속부재와 돌출형 단자의 전기적 연결은 용접 등의 방식으로 수행될 수도 있으나, 돌출형 단자와 보호회로모듈 사이에 단순히 삽입함으로써 수행할 수도 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 이후 도면을 참조하여 상술한다.

상기 구조의 전지팩은 또한, 간단한 결합 방식으로 조립함으로써 이루어질 수 있고, 기계적 체결이 용이하며, 제조 공정을 단순화시키고, 외부의 충격, 진동 등에 대해 매우 안정적인 결합구조를 달성할 수 있다는 장점이 있다.

상기 돌출형 전극단자의 단부는 보호회로 모듈의 상단면 상에 소정의 길이로 돌출된 상태에서 이를 압연하여 보호회로 모듈에 고정시킬 수 있다. 구체적으로, 한 쌍의 돌출형 전극단자를 각각 전지셀의 양극 및 음극과 연결되는 구조로 상기 탑 캡에 형성한 후, 절연성 장착부재 및 PCM의 관통홈들에 연속하여 삽입하고, PCM의 상단면으로부터 돌출된 전극단자의 단부를 압연하는 일련의 간단한 과정에 의 해, 전지셀에 대한 절연성 장착부재 및 PCM의 결합과 전기적 접속을 동시에 달성할 수 있다.

상기 돌출형 전극단자들은 예를 들어, 도전성 리벳 구조일 수 있으며, 보호회로 모듈 및 절연성 장착부재의 관통홈에 용이하게 삽입될 수 있는 형상이면 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 평면상 원형, 타원형 또는 사각형 등으로 이루어질 수 있으며, 돌출형 전극단자 단부의 압연은 전지셀에 대한 절연성 장착부재와 PCM의 결합력을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 돌출형 전극단자의 소재는 전극단자로서 전도성이 높은 소재라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 Cu, Ni 및/또는 Cr이 도금되어 있는 스틸, 스테인리스 스틸, 알루미늄, Al 합금, Ni 합금, Cu 합금 또는 Cr 합금 등으로 이루어질 수 있다. 돌출형 전극단자가 탑 캡에 일체로 형성되어 있는 경우에는 탑 캡과 동일한 소재로 되어 있음은 물론이다.

한편, 상기 돌출형 전극단자들은 보호회로 모듈과 절연성 장착부재를 전지셀 상단에 고정시켜 결합하는 역할 이외에, 부가적으로 전지셀의 제조를 용이하게 하고 구조를 간소화할 수 있는 역할을 수행할 수 있는 구조로 이루어질 수도 있다.

예를 들어, 상기 돌출형 전극단자들 중의 적어도 하나는 전지케이스 내부와 연통되는 관통로를 포함하는 중공 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 관통로는 전지셀 제조 과정 중 전지케이스에 전극조립체를 장착한 후 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구로 사용될 수 있다. 즉, 돌출형 전극단자 자체가 전해액 주입구로 활용됨으로써, 종래의 전지셀에서와 같이 탑 캡 상에 별도의 전해액 주입구를 형성 할 필요가 없다. 따라서, 상기 관통로는 전해액 주입구로서 사용된 후, 예를 들어, 금속 볼에 의해 밀봉되는 구조로 이루어질 수 있다.

상기 돌출형 전극단자들은 전지셀의 종류 및 외형에 관계없이 다양하게 적용 가능하나, 예를 들어, 각형 전지셀의 경우, 상기 제 1 돌출형 전극단자는 탑 캡과 전기적으로 연결된 상태에서 전지셀의 양극과 연결되어 있고, 상기 제 2 돌출형 전극단자는 탑 캡과 전기적으로 절연된 상태에서 전지셀의 음극과 연결되어 있는 구조일 수 있다. 따라서, 제 1 돌출형 전극단자는 양극단자, 제 2 돌출형 전극단자는 음극단자의 역할을 수행할 수 있다.

상기 구조에서, 바람직하게는, 제 1 돌출형 전극단자는 탑 캡과 일체형으로 형성되는 구조일 수 있다. 즉, 제 1 돌출형 전극단자는 탑 캡을 프레스 성형하여 제조하는 과정에서 탑 캡과 동시에 형성될 수 있다. 그러나, 별도로 준비된 돌출형 단자를 탑 캡에 결합시켜 형성할 수 있음은 물론이며, 예를 들어, 탑 캡에 별도의 돌출형 단자를 용접에 의해 결합시킬 수도 있다. 다만, 제조 공정성 등을 고려할 때, 전자의 프레스 성형에 의한 돌출형 전극단자의 형성 방법이 더욱 바람직하다.

또 다른 예에서, 상기 탑 캡에는 관통구가 형성되어 있고; 상기 제 2 돌출형 전극단자는, 판상형의 본체, 본체의 상부로 수직 연장되어 있는 상부 연장부, 및 상기 탑 캡의 관통구에 삽입되고 본체의 하부로 수직 연장되어 있는 하부 연장부로 이루어져 있으며; 상기 제 2 돌출형 전극단자의 하부 연장부가 탑 캡의 관통구에 삽입된 상태에서, 그것의 단부를 압연하여 제 2 돌출형 전극단자를 탑 캡에 결합시 키는 구조로 이루어질 수 있다.

상기와 같은 탑 캡과 돌출형 전극단자들의 결합 구조에 의해, 전극단자들을 탑 캡에 더욱 용이하고 안정적으로 결합할 수 있고, 돌출형 전극단자들의 상부 연장부 및 하부 연장부는 전지셀에 대한 보호회로 모듈과 절연성 장착부재들의 결합을 더욱 견고하고 안정적으로 유지할 수 있다.

상기 절연성 장착부재는 탑 캡에 안정적으로 장착될 수 있도록, 바람직하게는, 접착제 등을 이용한 접착방식에 의해 전지셀에 결합될 수 있다.

본 발명은 또한, 전지셀의 과충전, 과방전, 과전류를 제어하는 보호회로가 형성되어 있고 PTC 소자가 탑재되어 있는 보호회로 모듈(PCM)로서, 상기 PTC 소자의 상면은 별도의 접속부재 없이 PCM에 직접 부착된 상태로 전기적으로 연결되어 있고, 하면은 그것에 부착되어 있는 접속부재에 의해 PCM의 작동 회로에 연결되어 있어서, 고온 발생시 PCM 회로 상의 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 보호회로 모듈에 관한 것이다.

이러한 보호회로 모듈은 PTC 소자가 PCM에 직접 부착되어 있어서, PCM과 PTC 소자의 결합을 위한 별도의 접속부재의 사용 및 용접 공정이 불필요하므로 공정 효율성이 높다. 또한, PCM과 PTC 소자의 연결시 접속부재 등의 점유 공간을 활용할 수 있고, 특히 PTC 소자에 부착된 접속부재가보호회로 모듈에 형성된 회로와 전기적으로 연결되는 경우 전지셀과 PTC 소자를 결합시키는 경우에 비해 활용 가능한 내부 공간이 더욱 증가하게 됨으로써, 이를 전지팩에 사용하는 경우 팩의 체적 밀도를 현저히 높일 수 있다.

도 1에는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전지셀에 장착되는 PCM의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 보호회로 모듈(PCM; 150)은 보호회로 기판(PCB, Printed Circuit Board; 200), 보호회로 기판(200)의 하면에 인쇄된 보호회로(212), 보호회로의 단부(211)에 상단면이 부착되어 있는 PTC 소자(300), 및 PTC 소자(300)의 하면에 부착되어 있는 접속부재(310)로 이루어져 있다.

보호회로 기판(200)은 전지의 과충전, 과방전, 과전류 등을 제어하고 전지셀과 외부 입출력 단자와의 전기적 연결을 위한 보호회로(212)가 에폭시 복합체의 장방형 구조물에 인쇄되어 있는 구조로 이루어져 있다. 보호회로 기판(200)에 인쇄되어 있는 회로 중 외부 입출력 단자와 전기적으로 연결되는 회로(212) 상의 일 단부(211)에는 PTC 소자(300)의 상면이 솔더링 등의 방식으로 직접 부착되어 있다.

따라서, PTC 소자(300)와 PCM(150)과의 전기적 연결을 위해 별도의 접속부재를 사용하지 않으므로, 내부 공간을 감소시킬 수 있으므로, 동일 규격 대비 전지셀의 크기를 크게 할 수 있으며, 용접 공정을 생략할 수 있어서 공정 효율성이 높다. 한편, PTC 소자(300)의 하면에는 접속부재(310)가 솔더링 등의 방법으로 부착되어 있다. 이러한 접속부재(310)는 전지셀(도시하지 않음)의 전극단자와 용접, 솔더링 등의 방식으로 결합됨으로써 전지셀과 PTC 소자(300)를 전기적으로 연결한다.

이러한 구조에 의해, 전류는 전지셀로부터 접속부재(310)를 통해 PTC 소자(300)를 경유하여 보호회로 기판(200) 상의 회로(212)로 연결되어 흐르게 된다. 따라서, 전지셀에 과열 현상이 발생하여 전지 온도가 급격히 상승하는 경우, 예를 들어, PTC 소자(300)에 의해 회로(212)를 통해 유입되는 전류를 차단함으로써 전지의 안전성을 담보할 수 있다.

도 2에는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전지셀에 장착되는 PCM의 정면도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, PTC 소자(300)는 도 1에서와 마찬가지로, 외부입출력 단자와 전기적으로 연결되는 회로(212)의 일 단부(211)에 직접 결합되어 있다. 또한, PTC 소자(300)의 하면에는 접속부재(310)가 부착되어 있고, 접속부재(310)는 PCB(200) 상의 또 다른 회로, 즉, 전지팩의 작동에 필요한 작동 회로(222)의 일 단부(221)에 결합되어 있다.

이러한 구조에서는, 예를 들어, 전류가 전지셀로부터 PCB(200) 상의 작동 회로(222)로 전달되고 접속부재(310)를 통해 PTC 소자(300)를 경유하여 외부입출력 단자와 연결된 회로(212)로 흐르게 된다. 따라서, 전지셀의 내부 온도 상승시 PTC 소자(300)에 의해 회로(212)로 유입되는 전류를 차단함으로써 전지의 안전성을 담보할 수 있다.

도 3에는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전지셀에 장착되는 PCM의 정면도가 도시되어 있다. 도 3에서 PTC 소자에 부착된 접속부재의 형태를 제외하고는 도 2와 동일하므로, 접속부재를 제외한 기타의 구성요소에 대해서는 설명을 생략한다.

도 3을 참조하면, PTC 소자의 상면에 부착된 접속부재(311)에는 부분적으로 양 쪽에 만입부(321)가 형성되어 있는 과전류 차단부(320)가 형성되어 있다. 만입부(321)로 인해 과전류 차단부(320)는 접속부재(311)의 다른 부위에 비해 상대적으로 작은 폭을 가진다. 앞서의 설명과 같이 저항값(R)은 단면적에 반비례함을 고려할 때, 두께가 동일한 조건의 접속부재(311)에서 과전류 차단부(320)의 저항값은 접속부재(311)의 다른 부위에 비해 상대적으로 높다. 따라서, 과전류가 발생하여 전지가 비정상적인 작동상태에 놓였을 때, 과전류 차단부(320)의 발열량은 커져서 쉽게 절단될 수 있다. 특히, 폭이 좁은 W 부위는 과전류 시 절단될 가능성이 매우 높다.

이러한 구조의 접속부재(311)는 전지셀 또는 PCB 상에 형성된 회로와의 전기적 연결을 가능하게 할 뿐만 아니라, 과전류 시에는 그 자체가 절단됨으로써, 전류를 차단하는 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 별도의 과전류 차단을 위한 보호 소자를 장착할 필요가 없으므로 부품 수를 줄이고, 공정이 용이하므로 생산 효율이 높다는 장점이 있다.

한편, 과전류 차단부(320)의 만입부(321)는 본 도면에서와 같이 접속부재(311)의 양쪽 측면에 모두 형성될 수도 있으나, 어느 일 측면에만 형성될 수도 있고, 만입부(321)의 형상은 역시 라운드형 이외에도, 노치형, 스퀘어형 등 다양할 수 있음은 물론이다.

도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩(100)의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전지팩(100)은, 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀(130), 전지케이스의 개방된 상단을 밀봉하는 탑 캡(120), 보호회로가 형성되어 있는 판상형의 보호회로 모듈(150), 전지셀(130)의 탑 캡(120)에 장착되는 절연성 장착부재(140), 보호회로 모듈(150)이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재(140)를 감싸면서 전지셀(130)의 상단부에 결합되는 절연성 캡(160), 전지셀(130)의 하단부에 장착되는 하단 캡(170) 등으로 구성되어 있다.

한 쌍의 돌출형 단자들(112, 114)은 탑 캡(120)의 상단부 양측에 상부 방향으로 돌출되어 있는 제 1 돌출형 전극단자(112)와 제 2 돌출형 전극단자(114)로 이루어져 있다. 절연성 장착부재(140)에는 돌출형 전극단자들(112, 114)의 하단부에 대응하는 형상 및 크기로 이루어진 관통홈들(142, 144)이 형성되어 있고, 보호회로 모듈(150)에는 돌출형 전극단자들(112, 114)의 상단부에 대응하는 형상 및 크기로 이루어진 관통홈 들(152, 154)이 형성되어 있다.

제 1 돌출형 단자(112)는 탑 캡(120)과 전기적으로 연결된 상태에서 전지셀(130)의 양극(도시하지 않음)과 연결되고, 제 2 돌출형 단자(114)는 탑 캡(120)과 전기적으로 절연된 상태에서 전지셀(130)의 음극(도시하지 않음)과 연결되어 있다.

전지셀(130)에 대한 절연성 장착부재(140) 및 보호회로 모듈(150)의 결합은, 돌출형 전극단자들(112, 114)을 절연성 장착부재(140)의 양 측부에 형성되어 있는 관통홈들(142, 144)과 보호회로 모듈(150)의 양 측부에 형성되어 있는 관통홈 들(152, 154)에 삽입한 후, 돌출형 전극단자들(112, 114)의 단부를 압연함으로써 달성된다. 또한, 탑 캡(120)에 대한 절연성 장착부재(140)의 결합은 접착제에 의해 달성될 수 있다.

절연성 캡(160)은 보호회로 모듈(150)이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재(140)를 감싸면서 전지셀(130)의 상단부에 결합되고, 전지셀(130) 상단부의 외측면을 감쌀 수 있도록 소정의 길이로 하향 연장되어 있다. 전지셀(150)의 하단에는 하단 캡(170)이 부착된다.

이러한 구조의 전지팩(100)에서, PTC 소자(도시하지 않음)의 상면은 보호회로 모듈(150)의 하면에 부착되어 있고, PTC 소자의 하면은 거기에 결합된 접속부재를 통해 돌출형 전극 단자(112, 114)와 직접 결합되어 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 접속부재는 보호회로 모듈(150)의 기판 상에 인쇄되어 있는 보호회로 상에 직접 전기적으로 연결될 수도 있음은 물론이다.

전자의 예에서와 같이, PTC 소자가 접속부재를 통해 전극단자와 직접 결합된 상태에서의 전지팩 상부의 수직 단면도가 도 5에 도시되어 있다.

도 5를 도 4와 함께 참조하면, 이차전지 팩(100)의 상부에 제 1 돌출형 전극단자(112)와 일체형으로 형성되어 있는 탑 캡(120)에 절연성 장착부재(140) 및 보호회로 모듈(150)이 순차적으로 장착되어 있다.

제 1 돌출형 전극단자(112)는 중앙부위에 전해액을 주입하기 위한 관통로(1121)가 형성되어 있고, 탑 캡(120)과 일체형으로 형성되어 있다. 반면에, 제 2 돌출형 전극단자(114)는 그것의 하부 연장부(1146)가 탑 캡(120)의 관통구(122) 에 상부로부터 삽입 및 장착되어 있고, 제 2 돌출형 전극단자(114)와 탑 캡(120)의 계면에는 상호간의 절연을 위해 전기절연성 가스켓(124)이 장착되어 있다. 또한, 제 2 돌출형 전극단자(114)의 상부 연장부(1144)와 하부 연장부(1146)의 단부에는 만입홈들(1143, 1145)이 각각 형성되어 있다.

PTC 소자(300)는 보호회로 모듈(150)의 하면에 직접 부착되어 있고, PTC 소자(300)의 하면에 부착되어 있는 접속부재(310)가 제 2 돌출형 전극단자(114)와 연결되어 있다. 접속부재(310)는 제 2 돌출형 전극단자(114)와 용접 등의 방법으로 결합될 수도 있으나, 가스켓(124)과 제 2 돌출형 전극단자(114)의 사이에 단순히 삽입되어 밀착된 상태에서도 안정적으로 전기적 연결이 가능하다. 특히 후자의 경우에는, 추가적으로 용접 공정을 생략할 수 있어서 공정 효율성이 우수할 뿐만 아니라 접속부재(310)의 장착을 위해 낭비되는 공간이 실질적으로 없으므로 더욱 콤팩트한 전지의 제조가 가능하다는 장점이 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 PCM과 PTC 소자를 용이하게 전기적으로 연결할 수 있으며, PCM과 PTC 소자의 연결 과정에서 발생하는 사공간을 최소화할 수 있으므로, 팩의 체적 밀도를 높이면서 효율적으로 전지의 안 전성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전지셀에 장착되는 PCM의 사시도이다;

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전지셀에 장착되는 PCM의 정면도이다;
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전지셀에 장착되는 PCM의 정면도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 분해 사시도이다;

도 5는 도 4에 따른 전지팩 상부의 수직단면도이다.

Claims

양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀, 및 상기 전지셀에 전기적으로 연결된 보호회로 모듈(PCM)을 포함하고 있는 전지팩으로서,

상기 PCM에는 고온 발생시 전류를 차단하는 PTC 소자가 탑재되어 있으며,

상기 PTC 소자의 상면은 별도의 접속부재 없이 PCM에 직접 부착된 상태로 전기적으로 연결되어 있고, 하면은 그것에 부착되어 있는 접속부재에 의해 소정의 회로에 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 접속부재는 접속부재 전체의 평균 수평 단면적 대비 10 ~ 90%의 수평 단면적을 가진 과전류 차단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 접속부재는 전지셀의 전극단자에 연결되어 있어서, 고온 발생시 전지셀과 PCM 사이의 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 접속부재는 PCM의 작동 회로에 연결되어 있어서, 고온 발생시 PCM 회로 상의 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 2 항에 있어서, 상기 전지팩의 전지케이스는 금속 캔이며, 상기 전지셀의 상단 중앙에는 금속 캔과 절연된 상태로 돌출단자가 형성되어 있고, 상기 PTC의 접속부재는 상기 돌출단자에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 PTC 소자의 상면은 PCM의 기판에 형성된 금 코팅부에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, (i) PTC 소자의 상면과 PCM의 연결, 또는 (ii) PTC 소자와 접속부재의 연결, 또는 (iii) PTC 소자의 상면과 PCM의 연결 및 PTC 소자와 접속부재의 연결은 솔더링에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 접속부재는 니켈 플레이트인 것을 특징으로 하는 전지팩.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 과전류 차단부의 형상은, 접속부재의 폭을 좁힌 구조, 접속부재의 두께를 줄인 구조, 및 접속부재의 중앙을 천공한 구조로 이루어진 군에서 선택된 하나의 구조 또는 둘 또는 그 이상의 조합 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서,

상기 PTC 소자의 접속부재는 PCM의 작동 회로에 연결되어 있고;

상기 전지셀은 전극조립체가 전해액과 함께 금속 캔에 내장되어 있고, 금속 캔의 개방 상단은 탑 캡에 의해 밀봉되어 있으며;

PCM이 상부에 탑재되고 전지셀의 탑 캡에 장착되는 절연성 장착부재, 및 PCM이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡을 포함하고 있으며;

상기 탑 캡에는 전극조립체의 양극 및 음극에 각각 연결되어 있는 한 쌍의 돌출형 전극단자들(제 1 돌출형 전극단자 및 제 2 돌출형 전극단자)이 형성되어 있고, 상기 절연성 장착부재와 PCM에는 상기 돌출형 전극단자들에 대응하는 관통홈이 각각 형성되어 있으며, 상기 돌출형 전극단자들이 절연성 장착부재와 PCM의 관통홈들에 연속하여 삽입되어 고정됨으로써, 전지셀에 대한 절연성 장착부재 및 PCM의 결합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 10 항에 있어서, 상기 돌출형 전극단자의 단부가 보호회로 모듈의 상단면 상에 소정의 길이로 돌출된 상태로 압연되어 보호회로 모듈에 고정되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 10 항에 있어서, 상기 돌출형 전극단자들 중의 적어도 하나는 전지케이스 내부와 연통되는 관통로를 포함하는 중공 구조로 이루어져 있고, 상기 관통로는 전해액 주입구로서 사용된 후 금속 볼에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 10 항에 있어서, 상기 제 1 돌출형 전극단자는 탑 캡과 전기적으로 연결된 상태에서 전지셀의 양극과 연결되어 있고, 상기 제 2 돌출형 전극단자는 탑 캡과 전기적으로 절연된 상태에서 전지셀의 음극과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 10 항에 있어서, 상기 제 1 돌출형 전극단자는 탑 캡과 일체형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 10 항에 있어서, 상기 탑 캡에는 관통구가 형성되어 있고,

상기 제 2 돌출형 전극단자는, 판상형의 본체, 본체의 상부로 수직 연장되어 있는 상부 연장부, 및 상기 탑 캡의 관통구에 삽입되고 본체의 하부로 수직 연장되어 있는 하부 연장부로 이루어져 있으며,

상기 제 2 돌출형 단자와 탑 캡의 관통구의 계면에는 상호간의 절연을 위한 전기절연성 가스켓이 개재된 상태에서, 상기 하부 연장부의 단부를 압연하여 돌출형 전극단자를 탑 캡에 결합시키는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 10 항에 있어서, 상기 절연성 장착부재는 접착방식에 의해 전지셀에 결합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
전지셀의 과충전, 과방전, 과전류를 제어하는 보호회로가 형성되어 있고 PTC 소자가 탑재되어 있는 보호회로 모듈(PCM)로서,

상기 PTC 소자의 상면은 별도의 접속부재 없이 PCM에 직접 부착된 상태로 전기적으로 연결되어 있고, 하면은 그것에 부착되어 있는 접속부재에 의해 PCM의 작동 회로에 연결되어 있어서, 고온 발생시 PCM 회로 상의 전류를 차단하며, 상기 접속부재는 접속부재 전체의 평균 수평 단면적 대비 10 ~ 90%의 수평 단면적을 가진 과전류 차단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 보호회로 모듈.