KR20070075927A - 안전성이 향상된 소형 전지팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 판상형 전지셀이 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩으로서, 작동 중 발생하는 전지셀의 팽창을 기계적 방식으로 검출하여 임계값 이상으로의 팽창시 팽창 검출신호를 보호회로 모듈(PCM)로 송부하는 팽창 검출부재가 전지셀의 외면에 장착되어 있고, PCM은 상기 팽창 검출부재로부터의 팽창 검출신호에 의해 전지의 작동을 제어함으로써 안전성을 확보하는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

안전성이 향상된 소형 전지팩 {Small-sized Battery Pack of Improved Stability}

도 1은 대표적인 외장형 전지팩의 사시도이다;

도 2는 대표적인 내장형 전지팩의 사시도이다;

도 3은 소형 전지팩의 일반적인 내부 구조에 대한 분해 사시도이다;

도 4a 및 4b는 본 발명의 하나의 실시예 따라 팽창 검출부재로서 스위칭 소자가 내면에 장착되어 있는 전지팩 케이스의 평면도 및 사시도이다;

도 5a 및 5b는 본 발명의 또 다른 실시예 따라 팽창 검출부재로서 비신축성 밴드가 외면에 장착되어 있는 전지셀의 평면도 및 사시도이다.

본 발명은 안전성이 향상된 소형 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 판상형 전지셀이 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩으로서, 작동 중 발생하는 전지셀의 팽창을 기계적 방식으로 검출하여 임계값 이상으로의 팽창시 팽창 검출신호를 보호회로 모듈(PCM)로 송부하는 팽창 검출부재가 전지셀의 외면에 장착되어 있고, PCM은 상기 팽창 검출부재로부터의 팽창 검출신호에 의해 전지의 작동을 제어함으로써 안전성을 확보하는 전지팩을 제공한다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

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

휴대폰, 디지털 카메라 등과 같은 휴대용 디바이스에는 각형 전지, 파우치형 전지 등의 전지셀을 팩 케이스에 내장한 소형 전지팩이 사용된다. 이러한 소형 전지팩은 전지셀이 팩 케이스에 장착된 형태에 따라 외장형 전지팩(hard pack)과 내장형 전지팩(inner pack)으로 분류되기도 한다.

도 1 및 2에는 대표적인 외장형 전지팩과 내장형 전지팩이 각각 모식적으로 도시되어 있는 바, 이들 전지팩은 각각 나름의 장점과 단점을 가지고 있다.

도 1과 같은 외장형 전지팩(10)은 그것이 장착되는 외부기기(12)의 외형 일부를 형성하므로 사용시 외부기기(12)에 장착하기 용이한 장점을 가지지만, 전지셀(도시하지 않음)를 내장한 상태에서 케이스(하우징: 11)를 해당 외부기기의 종류에 맞추어 설계하여야 하므로 상대적으로 고가이고 호환성이 적은 단점을 가지고 있다.

반면에, 도 2와 같은 내장형 전지팩(20)은 외부기기의 내부에 장착한 상태에서 외부기기의 일부를 형성하는 덮개를 덮어 사용하므로, 장착이 상대적으로 번거로운 단점은 있지만, 설계가 용이하고 저렴하며 높은 호환성의 장점을 가지고 있다.

이러한 소형 전지팩들의 일반적인 내부 구조가 도 3에 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 전지팩(30)은, 일측에 예를 들어 양극단자가 마련되어 있고 타측에 음극단자가 형성되어 있는 전지셀(31)과; 전지셀(31)의 두 전극단자 중 하나와 접속되어 과열시 전지의 통전을 차단하는 PTC 소자(32)와; 니켈 플레이트(33)를 통해 PTC 소자(32)측 전극단자(양극단자 및 음극단자 중의 하나)와 니켈 플레이트(37)를 통해 나머지 전극단자와 접속되어 전지의 과충전, 과방전, 과전류 등을 제어하고 외측에는 해당 기기(도시되어 있지 않음)와 접속 가능하도록 외부 입출력 단자가 형성되어 있는 보호회로 모듈(PCM: 24)과; 전지셀(31), PTC 소자(32) 및 PCM(34)를 감싸는 상부 케이스(35) 및 하부 케이스(36)로 이루어져 있다.

전지셀(31)의 측면과 니켈 플레이트(33), 그리고 PCM(34)과 니켈 플레이트(37) 사이에는 절연시트(38)가 배치되어 있어서, 각 니켈 플레이트(33, 37)와 인접한 전지셀(31) 또는 보호회로부(34) 간의 불필요한 접촉으로 단락을 방지하여 준다.

또한, 전지셀(31)과 하부 케이스(36) 사이에는 양면테이프(39)가 배치되어 있어서 전지셀(31)이 하부 케이스(36)의 바닥면에 밀착되게 고정될 수 있게 된다. 따라서, 상부 및 하부 케이스(35, 36) 내에 전지셀(31)가 수용되면 전지셀(31)은 상부 및 하부 케이스(35, 36) 내에 안정되게 고정될 수 있게 된다.

전지셀(31)이 수납된 하부 케이스(36)에 상부 케이스(35)를 결합시킨 후 케이스(35, 36) 상호간의 결합력을 더욱 높이고 외부의 이물질이 결합부위 또는 케이스 내부로 유입되는 것을 막기 위하여 포장 라벨(40)을 감싸기도 한다.

따라서, 소형 전지팩은 PCM에서 과충전, 과방전, 과전류 등을 제어함으로써 전지의 안전성을 보장하고 경우에 따라서는 PTC 소자에 의해 과열시의 안전성을 보장한다.

그럼에도 불구하고, 이러한 안전소자들의 비정상적인 작동, 급격한 외부 충격 등 다양한 원인에 의해 전지셀은 위험상태에 놓일 수 있으며, 경우에 따라서는 전해질의 분해가 급속히 촉진되어 폭발에 이르는 위험성도 존재한다. 또한, 상기 안전소자들이 감지하지 못할 정도의 느린 과정에 의해 전지셀의 팽창이 유발될 수도 있으므로, 상기와 같은 안전소자들 만으로는 이러한 문제점을 근본적으로 해결하지 못한다. 전지셀의 발화와 폭발은 전지의 안전성을 저해하는 가장 심각한 문제이며, 이를 해결하기 위한 많은 연구가 행해져 왔다.

일반적으로, 원통형 전지는 내압 상승시 이를 해소하기 위한 장치를 장착하기 위한 내부 공간을 확보하기가 용이하지만, 각형 또는 파우치형 전지셀은 전지팩의 구조상 그것이 용이하지 못하다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 몇몇 시도들이 있어 왔다.

예를 들어, 한국 특허등록 제369,069호에서는 파우치형 전지셀에서 일측 단자가 전지셀의 외면을 감싸도록 연장되어 있고 그것의 중간부에 노치를 형성하여 전지셀의 팽창시 상기 노치가 파열됨으로서 단전을 이루는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 구성은 몇가지 문제점을 가지고 있는 바, 첫째, 단자의 길이가 늘어남으로 인해 내부 저항이 크게 증가되고, 둘째, 소정의 임계 압력(팽창도)에서 신뢰성 있게 파열될 수 있는 노치의 크기 설정이 용이하지 않으며, 셋째, 전극단자가 전지셀의 외면을 감쌈으로써 단락의 위험성이 높다는 문제점을 가지고 있다.

또한, 미국 특허등록 제6,136,464호에는 전지셀 케이스 상에 내부로 만입된 오목부를 형성하고 그러한 오목부에 절단부재를 위치시키며 그 상부에 단자가 지나가도록 하여 전지셀의 팽창시 오목부가 상승하면서 그것 내부의 절단부재가 단자의 취약 부분을 절단하도록 구성한 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 구성은 복잡한 구조를 바탕으로 하고 있으므로 제조비용이 높고 신뢰성 있는 안전성을 제공하지 못하는 단점을 가지고 있다.

따라서, 보다 간단한 구조에 의해 높은 신뢰성으로 전지의 안전성을 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

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

본 출원의 발명자들은 전지셀의 팽창을 기계적 방식으로 검출하여 이를 바탕 으로 PCM에서 전지의 작동을 제어하도록 구성하는 경우에는 내부저항을 증가시키지 않으면서 높은 신뢰성으로 전지의 안전성을 확보할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 소형 전지팩은, 판상형 전지셀이 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩으로서, 작동 중 발생하는 전지셀의 팽창을 기계적 방식으로 검출하여 임계값 이상으로의 팽창시 팽창 검출신호를 보호회로 모듈(PCM)로 송부하는 팽창 검출부재가 전지셀의 외면에 장착되어 있고, PCM은 상기 팽창 검출부재로부터의 팽창 검출신호에 의해 전지의 작동을 제어함으로써 안전성을 확보하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 전지팩은 전지셀의 팽창을 팽창 검출부재에서 기계적 방식으로 검출하고 그에 따라 PCM이 전지의 작동을 제어함으로써, 내부 저항의 증가를 최대한 억제하고 높은 신뢰성으로 전지의 작동을 제어한다는 점에 특징이 있다.

상기 판상형 전지셀은 양극/분리막/음극의 전극조립체가 케이스에 내장된 형태가 판상 구조를 가진 전지셀로서, 바람직하게는 각형 전지셀과 파우치형 전지셀을 들 수 있다. 각형 전지셀은 일반적으로 각형 금속캔에 전극조립체를 내장하여 밀봉한 전지이고, 파우치형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트(예를 들어, 알루미늄 라미네이트 시트)의 파우치형 케이스에 전극조립체를 내장하여 밀봉한 전지이다. 파우치형 전지셀은 중량이 작고 제조비가 저렴하며 변형이 용이하다는 장점 이외에, 각형 금속캔에 비해 팽창에 대한 내성이 낮으므로, 본 발명의 전지팩에 특히 바람직하다.

상기 팽창 검출부재의 기계적 방식의 검출은 다양한 구조에 의해 실현될 수 있다.

첫 번째 예시적인 구조는 전지셀과 팩 케이스 사이의 공간에 장착되며 전지셀의 팽창시 기계식으로 접속되는 스위칭 소자를 들 수 있다. 이러한 스위칭 소자는, 예를 들어, 각각 PCM의 해당 부위에 전기적으로 연결되어 있는 두 개의 접속단자가 탄력적으로 이격되어 있어서 전지셀이 소정의 임계값 이상으로 팽창하였을 때 두 접속단자가 접속되면서 그에 따른 검출 신호가 PCM으로 전달되는 구조로 구성될 수 있다. 바람직하게는 이러한 스위칭 소자는 전지셀의 중앙에 위치함으로써, 팽창 정도에 민감하게 반응할 수 있다.

두 번째 예시적인 구조는 전지셀을 감싸고 있고 전지셀의 팽창시 절단되는 하나 또는 그 이상의 노치가 형성되어 있는 도전성부를 포함하고 있으며 노치를 중심으로 도전성부의 양측은 각각 PCM의 해당 부위에 전기적으로 연결되어 있는 비신축성 밴드를 들 수 있다. 따라서, 전지셀이 임계값 이상으로 팽창할 때에는 상기 도전성부의 노치가 절단되면서 그에 따른 신호가 PCM으로 전달된다. 상기 밴드는 비신축성이므로 전지셀의 팽창시 노치에 장력이 집중되어 절단이 용이하게 일어날 수 있다. 바람직하게는, 상기 비신축성 밴드는 전지셀의 중간부위를 수평으로 감싸도록 위치함으로써, 팽창 정도에 민감하게 반응할 수 있다.

상기 두 예시적인 구조는 기계적 방식에 의해 전지셀의 팽창을 검출하고 그 러한 팽창 검출신호가 PCM에 전달된다는 측면에서는 서로 동일하지만, 상기 팽창 검출신호가 각각 전류의 통전 및 단전에 의해 PCM으로 전달된다는 측면에서는 서로 다르다.

그러나, 상기 예시적인 구조들 이외에 기타의 구성도 가능할 수 있는 바, 이들은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

상기 PCM은 팽창 검출부재로부터 전지셀의 팽창 검출신호를 바탕으로 전지셀의 작동을 제어하여 안전성을 추구하는 바, 예를 들어, 팽창 검출신호가 수신되었을 때 전지셀의 작동을 중단시키거나, 및/또는 강제 방전시켜 전지셀 내부에 축적된 에너지를 빠르게 소모시키는 작동을 하도록 회로적으로 구성할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예들에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 4a 및 4b에는 본 발명의 하나의 실시예 따라 팽창 검출부재로서 스위칭 소자가 내면에 장착되어 있는 전지팩 케이스의 평면도 및 사시도가 각각 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지팩 케이스(100)는 전지셀(도시하지 않음)이 내장될 수 있는 수납부(110)를 포함하고 있는 장방형 박스 구조로 이루어져 있고, 그것의 중앙부에 스위칭 소자(200)가 부착되어 있다. 스위칭 소자(200)에는 두 개의 와이어(210, 212)가 양측에 연결되어 있고, PCM(도시하지 않음)에 접속되는 접속부재(220)로까지 각각 연장되어 있다. 전지셀과 PCM이 팩 케이스(100)에 장착될 때, 스위칭 소자(200)는 전지셀의 외면에 접하게 되고 접속부재(220)는 PCM에 전기적으로 연결되게 된다.

따라서, 전지셀의 임계값 이상으로 팽창되었을 때, 스위칭 소자(200)의 접속단자들이 접촉되면서 통전이 일어나고 PCM은 이러한 통전을 바탕으로 전지의 작동을 제어하게 된다.

도 5a 및 5b에는 본 발명의 또 다른 실시예 따라 팽창 검출부재로서 비신축성 밴드가 외면에 장착되어 있는 전지셀의 평면도 및 사시도가 각각 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 우선, 파우치형 전지셀(300)은 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 전극조립체가 내장된 상태에서 밀봉함으로써 제조된다. 그러한 밀봉 과정에서 양측 실링부(310)와 상단 실링부(320)가 형성되는데, 양측 실링부(310)는 수직으로 상향 절곡하여 본체(330)에 밀착시키고, 상부 실링부(320)에는 PCM(400)이 탑재된다. PCM(400)은 전지셀(300)의 전극단자들이 연결되고 외부 입출력 단자들을 포함하고 있다.

비신축성 밴드(500)는 전지셀(300)의 중간 부위를 수평으로 감싸고 있으며, 전지셀(300)의 팽창시 쉽게 파괴될 수 있는 노치(510)가 형성되어 있는 도전성부(520)를 포함하고 있다. 또한, 노치(510)를 중심으로 양측의 도전성부(a, b)는 각각 와이어(530, 532)를 통해 PCM(400)에 연결되어 있다.

따라서, 정상적인 상태에서는 도전성부(520)가 통전을 이루고 있지만, 전지셀(300)의 팽창시에는 노치(510)가 절단됨으로써 단전이 일어나고 그에 따른 팽창 신호가 PCM(400)으로 전달되어 전지의 작동을 제어하게 된다.

이상, 본 발명에 따른 몇몇 실시예들을 참조하여 발명의 내용을 상술하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 내부저항을 증가시키지 않으면서 높은 신뢰성으로 전지셀의 팽창을 검출하여 PCM에 의해 전지의 작동을 제어함으로써 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 판상형 전지셀이 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩으로서, 작동 중 발생하는 전지셀의 팽창을 기계적 방식으로 검출하여 임계값 이상으로의 팽창시 팽창 검출신호를 보호회로 모듈(PCM)로 송부하는 팽창 검출부재가 전지셀의 외면에 장착되어 있고, PCM은 상기 팽창 검출부재로부터의 팽창 검출신호에 의해 전지의 작동을 제어함으로써 안전성을 확보하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 각형 전지셀 또는 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지팩.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 팽창 검출부재는 전지셀과 팩 케이스 사이의 공간에 장착되며 전지셀의 팽창시 기계식으로 접속되는 스위칭 소자인 것을 특징으로 하는 전지팩.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 스위칭 소자는 각각 PCM의 해당 부위에 전기적으로 연결되어 있는 두 개의 접속단자가 탄력적으로 이격되어 있어서 전지셀이 소정의 임계값 이상으로 팽창하였을 때 두 접속단자가 접속되면서 그에 따른 검출 신호가 PCM으로 전달되는 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 스위칭 소자는 전지셀의 중앙 위치에서 팩 케이스 내면 또는 전지셀 외면에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 팽창 검출부재는 전지셀을 감싸고 있고 전지셀의 팽창시 절단되는 하나 또는 그 이상의 노치가 형성되어 있는 도전성부를 포함하고 있으며 노치를 중심으로 도전성부의 양측은 각각 PCM의 해당 부위에 전기적으로 연결되어 있는 비신축성 밴드인 것을 특징으로 하는 전지팩.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 비신축성 밴드는 전지셀의 중간부위를 수평으로 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 PCM은 팽창 검출부재로부터 전지셀의 팽창 검출신호가 수신되었을 때 전지셀의 작동을 중단시키거나, 및/또는 강제 방전시켜 전지셀 내부에 축적된 에너지를 빠르게 소모시키는 작동을 하도록 회로적으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.

Images