KR101451729B1 - 신규한 구조의 접속부재를 포함하고 있는 전지팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 둘 또는 그 이상의 원통형 전지셀들이 접속부재에 의해 전기적으로 연결된 상태로 팩 케이스에 장착되어 있는 전지팩으로서, 상기 접속부재는 각각의 원통형 전지셀의 전극단자에 접촉하도록 위치되어 있고, 전지셀 전극단자에 대한 접속부재의 용접점은 전지셀의 원통형 케이스 격벽에 대응하는 전극단자 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

신규한 구조의 접속부재를 포함하고 있는 전지팩 {Battery Pack Employed with Electrical Connecting Member of Noble Structure}

본 발명은 신규한 구조의 접속부재를 포함하고 있는 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 둘 또는 그 이상의 원통형 전지셀들이 접속부재에 의해 전기적으로 연결된 상태로 팩 케이스에 장착되어 있는 전지팩으로서, 상기 접속부재는 각각의 원통형 전지셀의 전극단자에 접촉하도록 위치되어 있고, 전지셀 전극단자에 대한 접속부재의 용접점은 전지셀의 원통형 케이스 격벽에 대응하는 전극단자 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다.

이차전지는 그것이 사용되는 외부기기의 종류에 따라, 단일 전지의 형태로 사용되기도 하고, 또는 다수의 단위전지들을 전기적으로 연결한 전지팩의 형태로 사용되기도 한다. 예를 들어, 휴대폰과 같은 소형 디바이스는 전지 1개의 출력과 용량으로 소정의 시간 동안 작동이 가능한 반면에, 노트북 컴퓨터, 휴대용 DVD(portable DVD), 소형 PC, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중형 또는 대형 디바이스는 출력 및 용량의 문제로 다수의 전지들을 내장한 전지팩의 사용이 요구된다.

이러한 전지팩은 다수의 단위전지(이차전지)들을 직렬 및/또는 병렬로 배열하여 연결한 코어 팩에 보호회로 등을 접속함으로써 제조된다. 단위전지로서 각형 또는 파우치형 전지를 사용하는 경우에는 넓은 면들이 서로 대면하도록 적층한 후 전극단자들을 버스 바 등의 접속부재에 의해 연결하여 제조할 수 있다. 따라서, 육면체 구조의 입체형 전지팩을 제조하는 경우에는 각형 또는 파우치형 이차전지가 단위전지로서 유리하다.

반면에, 원통형 이차전지는 일반적으로 각형 및 파우치형 이차전지보다 큰 전기용량을 가지지만, 원통형 이차전지의 외형적 특성상 적층구조로의 배열이 용이하지 않다. 그러나, 이차전지 팩의 형상이 전체적으로 선형 또는 판상형 구조일 때 각형 또는 파우치형 보다 구조적으로 잇점이 있다.

따라서, 노트북 컴퓨터, 휴대용 DVD, 소형 PC 등의 경우에는 다수의 원통형 이차전지들을 직렬방식 또는 병렬 및 직렬방식으로 연결한 전지팩이 많이 사용되고 있다. 그러한 전지팩에 사용되는 코어 팩의 구조로서, 예를 들어, 2P(병렬)-3S(직렬)의 선형 구조, 2P-3S의 판상형 구조, 2P-4S의 선형 구조, 2P-4S의 판상형 구조, 1P-3S의 선형 구조, 1P-3S의 판상형 구조 등이 사용되고 있다.

병렬방식의 연결 구조는, 전극단자들이 동일한 방향을 향하도록 배향한 상태에서 둘 또는 그 이상의 원통형 이차전지들을 그것의 측면방향으로 인접하게 배열하여, 접속부재로 용접함으로써 달성된다. 이러한 병렬방식의 원통형 이차전지들을 "뱅크(bank)"로 칭하기도 한다.

직렬방식의 연결구조는, 서로 반대 극성의 전극단자들을 연속되도록 둘 또는 그 이상의 원통형 이차전지들을 길게 배열하거나, 또는 전극단자들이 서로 반대 방향을 향하도록 배열한 상태에서 둘 또는 그 이상의 원통형 이차전지들을 측면방향으로 인접하게 배열하여, 접속부재로 용접함으로써 달성된다.

이러한 원통형 이차전지들의 전기적 연결에는 일반적으로 금속 플레이트 등과 같은 얇은 접속부재를 사용하여 스팟 용접을 행하고 있다.

도 1 및 도 2에는 금속 플레이트를 사용하여 다수의 전지를 연결하는 과정의 도면들이 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 우선 지그(10)에 전지들(20, 21)을 고정하고 전지(20)의 단자상에 금속 플레이트(30)를 위치시킨 뒤 용접 팁(40)으로 스폿 용접을 행한다. 이들 전지들(20, 21)은 병렬방식으로 연결된다. 그런 다음, 도 2에서와 같이, 다른 쌍의 병렬 전지들(22, 23)을 스폿 용접하게 된다. 병렬 전지 쌍들(20,21,22,23)을 직렬로 연결하기 위해서는, 이들을 90 도로 위치시킨 다음, 금속 플레이트(30)도 90 도로 꺾어 용접하여야 하고, 이러한 작업은 다른 쌍의 병렬 전지들(24, 25)에 대해서도 마찬가지다.

고출력, 대용량의 전지팩을 구성하기 위해서는 다수의 전지셀들을 직렬 또는 병렬로 연결할 필요가 있으며, 전지팩의 성능을 균일하게 유지하기 위하여, 단자 접속부위의 저항 변화를 최소화하기 위한 안정적인 결합방식이 요구된다. 이러한 전지셀들 간의 전기적 연결은 솔더링 또는 용접, 바람직하게는 스팟 용접을 통해 이루어지는 것이 일반적이다.

그러나, 전지셀들 사이의 스팟 용접 또는 솔더링 공정 등은 다음과 같은 문제점들을 가지고 있다.

구체적으로, 스팟 용접 또는 솔더링 공정은, 작업자의 숙련된 기술과 노하우를 필요로 하고, 용접의 강도를 결정하기 위한 파라미터들의 관리를 지속적으로 수행하여야 하므로, 생산 공정이 복잡해지고 비용이 증가하게 되어 생산 효율을 저해하는 요인으로 작용한다.

또한, 전지셀에 직접 스팟 용접 또는 솔더링을 행하는 과정에서, 전지팩의 진동 또는 외부 충격으로 인하여 용접부위의 단락(쇼트)이 발생할 수 있고, 전지셀과 연결부재 사이에 전기적 또는 열적 손상이 가해지므로, 전지의 안전성을 위협하고 제품의 불량률을 높이는 원인이 된다. 더욱이, 제조과정 또는 사용 중에 일부 전지셀(들)에 불량이 발생하였을 때, 전지팩을 구성하는 모든 전지셀을 폐기하여야 하는 문제점도 존재한다.

따라서, 상기와 같은 문제점들을 해결하면서 근본적으로 전지셀 간의 안정적인 접속구조 및 외력에 대한 전극 손상 등을 방지하여 전지의 안전성을 담보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

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

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 원통형 전지셀들의 전극단자와 접속부재가 상호 용접으로 접촉되는 용접점을 전지셀의 원통형 케이스 격벽에 대응하는 부위에 형성시킴으로써, 용접으로 발생되는 열이 격벽으로 전달되어 내부 전극 및 분리막에 손상을 방지할 수 있는 전지팩을 개발하기에 이르렀다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은, 둘 또는 그 이상의 원통형 전지셀들이 접속부재에 의해 전기적으로 연결된 상태로 팩 케이스에 장착되어 있는 전지팩으로서, 상기 접속부재는 각각의 원통형 전지셀의 전극단자에 접촉하도록 위치되어 있고, 전지셀 전극단자에 대한 접속부재의 용접점은 전지셀의 원통형 케이스 격벽에 대응하는 전극단자 부위에 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전지팩은, 원통형 전지셀들의 전극단자와 접속부재가 상호 용접으로 접촉되는 용접점을 전지셀의 원통형 케이스 격벽에 대응하는 부위에 형성시킴으로써, 용접으로 발생되는 열이 격벽으로 전달되어 격벽을 통해 외부로 발산되므로, 내부 전극 및 분리막에 손상을 방지할 수 있다.

상기 접속부재는 전지셀과 전기적으로 연결이 용이한 도전성 플레이트로서, 바람직하게는, 금속 플레이트일 수 있는 바, 이러한 금속 플레이트는, 예를 들어, 니켈, 구리, 알루미늄 등과 같은 순수한 금속 또는 구리에 니켈 등의 금속이 도금된 얇은 판상체로 이루어질 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 접속부재는 금속 플레이트 본체에 부식 방지을 방지하기 위해 도금층이 형성되는 구조일 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 도금층은 플레이트 본체의 일면 또는 양면의 전부 또는 일부에 형성되어 있는 구조일 수 있으며, 플레이트 본체의 산화 및 부식 방지 효과를 최대화하기 위해 플레이트 본체 양면의 전부에 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 용접점은 바람직하게는 레이저 용접에 의해 수행될 수 있는 바, 상기 레이저 용접은 비접촉 방식에 의해 용접이 달성된다.

원통형 전지셀은 바닥면의 편평도 차이로 인하여 접속부재와의 밀착도 확보가 용이하므로, 레이저 용접은 밀착도 확보를 위한 별도의 추가 기구가 요구되지 않을 뿐만 아니라, 종래의 스팟 용접에서와 같이 접속부재에 슬릿을 형성시키기 위한 추가적인 공정이 요구되지 않는다. 레이저 용접은 금속들의 접한 분야에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

본 발명에서, 용접점이 전지셀의 원통형 케이스 격벽에 대응하는 전극단자 부위에 형성되어 있다는 것은 용접점이 원통형 케이스 격벽 인근의 전극단자 부위에 형성되어 있음을 의미한다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 용접점은 원통형 케이스 격벽에 대응하는 가상 원으로부터 내측 방향으로, 상기 가상 원의 반경을 기준으로 0 내지 40% 크기의 범위에서, 전극단자 부위에 형성되어 있는 구조일 수 있다. 용접점이 상기 범위를 넘어서는 경우에는 용접 강도가 저하되거나 본 발명에 따른 효과를 발휘하기 어려울 수 있으므로 바람직하지 않다. 더욱 바람직한 범위는 상기 가상 원의 반경을 기준으로 5 내지 30% 크기의 범위일 수 있다.

상기 구조에서, 용접점은 바람직하게는 원통형 케이스 격벽를 따라 호형상으로 전극단자 부위에 둘 이상의 개수로 형성되어 있다.

더욱 바람직하게는, 상기 용접점이 원통형 케이스 격벽에 대응하는 가상 원의 중심을 기준으로 양측 단부에 각각 둘 이상의 개수로 형성되어 있는 구조일 수 있다. 다만, 용접점의 개수 및 모양이 특별히 제한되지 않음은 물론이다.

상기 양측 단부의 용접점들은 전극단자와 접속부재 사이의 접촉면의 편평도 차이로 인해 서로 이격되어 있는 구조일 수 있다.

따라서, 전극단자와 접속부재 사이의 접촉면의 밀착도 확보가 용이하여, 열 분산 효과가 우수하고 대용량 전지팩의 연속 용접이 가능하다.

본 발명은, 둘 또는 그 이상의 원통형 이차전지들이 접속부재에 의해 전기적으로 연결된 상태로 팩 케이스에 장착되어 있는 전지팩을 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 전지팩은 고출력 대용량을 필요로 하는 휴대용 DVD, PMP, PSP, 소형 PC 등과 같은 무선 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 노트북 컴퓨터의 전원으로 사용될 수 있다.

상기와 같은 전지팩과 이를 포함하는 디바이스는 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 원통형 전지셀들의 전극단자와 접속부재가 상호 용접으로 접촉되는 용접점을 전지셀의 원통형 케이스 격벽에 대응하는 부위에 형성시킴으로써, 용접으로 발생되는 열이 원통형 전지셀의 격벽으로 전달되므로 내부 전극 및 분리막에 발생하는 손상을 방지할 수 있는 특징을 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 전지팩은 바람직하게는 레이저에 의한 비접촉 용접 방식이 수행됨으로써, 별도의 추가 가공 및 장비가 필요하지 않으므로, 용접 공정 및 부품을 간소화할 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래기술에 따라 금속 플레이트를 사용하여 다수의 전지를 연결하는 과정의 모식도들이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 금속 플레이트에 의해 연결된 다수의 전지들의 측면도이다;
도 4는 본 발명에 따른 원통형 전지의 전극단자에 금속 플레이트가 레이저 용접된 상태의 저면도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 금속 플레이트에 의해 연결된 다수의 전지들의 측면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명에 따른 원통형 전지의 전극단자에 금속 플레이트가 레이저 용접된 상태의 저면도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지팩(100)은 한 쌍의 원통형 전지셀들(110,120)의 전극단자들(-)이 금속 플레이트(200)에 의해 레이저 용접 방식으로 결합되어 있다.

한 쌍의 원통형 전지셀들(110, 120)과 금속 플레이트(200)가 상호 접촉하는 부위에는 용접점들(115, 125)이 각각 형성되어 있고, 용접점들(115, 125)은 원통형 전지셀들(110, 120)의 전극단자(-)인 호형상의 격벽(111, 121)과 대응하는 부위에 레이저 용접에 의해 형성되어 있다.

용접점들(115, 125)은, 금속 플레이트(200)와 상호 중첩되는 부분 중에서, 원통형 전지셀들(110, 120)의 케이스 격벽을 따라 가상 원(A)의 중심을 기준으로, 원통형 전지셀(110, 120)의 양측 단부에 형성된다.

구체적으로, 용접점들(115, 125)은 원통형 케이스 격벽에 대응하는 가상 원(A)으로부터 내측 방향으로, 가상 원(A)의 반경(r)을 기준으로 0 내지 40%, 바람직하게는, 5 내지 30% 크기에 대응한 거리 범위(L)에 형성되어 있다.

또한, 용접점들(115, 125)은 지그 또는 용접 팁 등과 같은 별도의 추가적인 장비가 없이 비접촉 방식으로 수행되며, 전극단자(-)와 금속 플레이트(200)의 접속면의 편평도 차이로 인하여 서로 이격되면서 자연스럽게 이격부들(112, 122)이 형성된다.

이격부들(112,122)은 전극단자(-)와 금속 플레이트(200) 사이에 소정의 공간으로 형성되고 용접과정에 발생되는 열이 격벽으로 분산되므로, 전극단자(-)를 통해 전지 내부로 직접적으로 전달되는 것을 방지 한다.

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.

Claims (12)

1. 둘 또는 그 이상의 원통형 전지셀들이 접속부재에 의해 전기적으로 연결된 상태로 팩 케이스에 장착되어 있는 전지팩으로서,
   상기 접속부재는 각각의 원통형 전지셀의 음극단자에 접촉하도록 위치되어 있고, 전지셀 음극단자에 대한 접속부재의 용접점은 전지셀의 원통형 케이스 격벽에 대응하는 음극단자 부위에 형성되어 있고,
   상기 용접점은 레이저 용접에 의해 형성되어 있으며,
   원통형 케이스 격벽를 따라 호형상으로 음극단자 부위에 둘 이상의 개수로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재는 금속 플레이트로 구성된 것을 특징으로 하는 전지팩.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재는 금속 플레이트 본체에 부식 방지용 도금층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 용접은 비접촉 방식에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 용접점은 원통형 케이스 격벽에 대응하는 가상 원으로부터 내측 방향으로, 상기 가상 원의 반경을 기준으로 0 내지 40% 크기의 범위에서, 음극단자 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 용접점은 원통형 케이스 격벽에 대응하는 가상 원으로부터 내측 방향으로, 상기 가상 원의 반경을 기준으로 5 내지 30% 크기의 범위에서, 음극단자 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
8. 삭제
9. 제 1 항에 있어서, 상기 용접점은 원통형 케이스 격벽에 대응하는 가상 원의 중심을 기준으로 양측 단부에 각각 둘 이상의 개수로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 양측 단부의 용접점들은 음극단자와 접속부재 사이의 접촉면의 편평도 차이로 인해 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
11. 제 1 항에 따른 전지팩을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 무선 디바이스.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 무선 디바이스는 노트북 컴퓨터인 것을 특징으로 하는 무선 디바이스.

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