KR20070091880A - Ｐｔｃ 본체가 조립식으로 장착된 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 보호회로 모듈(PCM)의 탑재를 위해 전지셀의 상단에 장착되는 절연성 부재에 PTC의 장착을 위한 수납부가 형성되어 있고, 상기 수납부의 상단면에는 PTC에 접속되는 금속 플레이트가 설치되어 있으며, 전기적 연결용 수단이 부착되지 않은 상태의 PTC를 상기 수납부에 장착하여 접촉 방식으로 상기 제 1 금속 플레이트에 대한 접속과 전지셀의 전극단자에 대한 전기적 접속을 동시에 이루는 PTC, 및 그것을 내장하고 있는 전지팩을 제공한다.
상기 PTC는 PTC 상에 별도의 접속수단을 부착하지 않은 상태로 전기적 연결을 이룰 수 있도록 절연성 부재에 장착하는 것으로, 제조공정 상에서 발생하는 물리적 또는 전기화학적 영향으로부터 안전하면서, 제조공정을 크게 줄일 수 있으며, 또한 조립식으로 장착되는 PTC를 전지팩의 일 부분으로 구성함으로써 내부의 저항값을 줄여 전지팩 성능 및 안전성 향상에 기여한다는 장점을 가지고 있다.

Description

ＰＴＣ 본체가 조립식으로 장착된 전지팩 {Battery Pack Employed with PTC Body}
도 1a와 1b는 종래기술에 따른 PTC의 모식도이다;
도 2는 일반적인 PTC의 제조 공정에 대한 순서도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 PTC가 이차전지의 상단의 절연성 부재에 장착되는 과정을 나타낸 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 PTC가 장착되어 있는 절연성 부재의 단면 투시도이다.
본 발명은 PTC 본체가 조립식으로 장착된 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보호회로 모듈(PCM)의 탑재를 위해 전지셀의 상단에 장착되는 절연성 부재에 PTC의 장착을 위한 수납부가 형성되어 있고, 상기 수납부의 상단면에는 PTC에 접속되는 금속 플레이트가 설치되어 있으며, 전기적 접속수단이 부착되지 않은 상태의 PTC를 상기 수납부에 장착하여 접촉 방식으로 상기 금속 플레이트에 대한 접 속과 전지셀의 전극단자에 대한 전기적 접속을 동시에 이루는 것으로 구성된 전지팩을 제공한다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되는 바, 과전류 상태, 고온 상태 등의 비정상적인 작동 상태에 놓였을 때 이를 효과적으로 제어할 수 있는 다양한 안전소자들을 내장하고 있다.
그 중, PTC(Positive Temperature Coefficient)는, 전지셀의 전극조립체와 외부 입출력 단자의 사이에서 전기적으로 연결되어 있으면서, 정상적인 작동 상태의 온도에서는 낮은 저항을 유지하여 전류를 흘러 보내고 과전류 또는 고온 등의 비정상적인 상태에서는 온도 상승에 따라 저항이 급격히 높아져 단전 또는 미량의 전류만을 흘러 보냄으로써 과열 발생으로 인한 전지 내압의 상승을 억제하는 역할을 한다.
일반적으로 PTC는 폴리올레핀계의 결정성 고분자 기재에 카본블랙, 금속 미립자 등이 분산되어 있는 PTC 특성을 나타내는 복합체에 전기적 연결을 위한 두 개의 금속 플레이트가 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다.
이러한 PTC의 대표적인 구조가 한국 특허출원공개 제2004-16677호와 제2004-17095호에 개시되어 있다. 참고로, 도 1a 와 1b에는 종래기술에 따른 PTC들의 모식적 구조가 도시되어 있다.
도 1a을 참조하면, 종래의 PTC(100)는 PTC 특성을 나타내는 장방형의 고분자 복합체(이하에서는, "PTC 본체"로 칭함)(110)의 상단과 하단에 각각 금속 플레이트들(120, 130)이 부착되어 있는 구조로 이루어져 있다. 또 다른 예로서, 도 1b의 PTC(200)는 PTC 본체(210)와 금속 플레이트들(220, 230)의 결합 부위에 튜브(240)가 씌워져 있는 구조로 이루어져 있다.
PTC는 전지의 대용량화 및 소형화로 인해 더욱 작아지고 있으며, 전지의 조립 과정에서 그것의 금속 탭들을 전지의 해당 구성요소들에 용접하여 전지 내에 설치하게 되는데, 구체적인 PTC의 제조과정은 도 2에 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 제조된 PTC 본체의 저항은 솔더링 과정(저항용접 공정)에서 상승하게 되므로 이를 만회하기 위해 Aging 공정(전기적 충격 등을 가해 저항을 낮추는 과정) 등을 별도로 거치게 된다. 이러한 PTC의 제조과정은 다단계로서 제품의 비용 상승을 유발할 뿐만 아니라, 도 1a 및 1b의 PTC들(100, 200)은 그러한 조립과정에서 무리한 힘을 받아 형태 변형에 의한 손상을 받기 쉽고 화학적 환경에 노출되었을 때 직접적인 영향을 받기 쉬운 구조로 되어 있다.
도 1b의 PTC(200)는 도 1a의 PTC(100)와 비교하여 상대적으로 상기와 같은 문제점은 적지만 튜브(240)의 장착 과정에서 소자의 정밀도 내지 치수 안정성이 손상될 수 있으며, 제조공정이 추가되는 문제점을 가지고 있다. 또한, 도 1a 및 1b의 PTC(100, 200)는 전지의 조립 과정에서, 예를 들어, 금속 플레이트들(120, 130, 220, 230)을 절곡하거나 기타 소자에 용접을 통해 결합시킬 때, PTC 본체(110, 210)에 물리적 힘이 가해져 내부에 크랙이 발생하는 경우가 많은데, 이러한 크랙은 저항의 변화를 유발하여 PTC 본래의 기능을 저해하는 요소로 작용하는 문제점도 가 지고 있다.
더욱이, 도 1a 및 1b에서와 같은 PTC(100, 200)는 다단계의 제조공정으로 인해 제품의 단가가 높아 궁극적으로 전지팩의 제조비용을 상승시키는 요인으로 작용한다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 PTC 본체 상에 별도의 전기적 접속수단을 부착하지 않고 그대로 전지팩 제조용 절연성 부재에 장착하여 전기적 연결을 이룸으로써, 전지팩의 제조공정상에서 발생하는 물리적 또는 전기ㅇ화학적 영향으로부터 안전하면서 제조공정을 크게 줄일 수 있는 구조의 전지팩을 제공하는 것이다. 이러한 PTC 본체 만의 사용은 궁극적으로 전지팩의 제조비용을 절감하는 효과도 유발한다.
본 발명의 또 다른 목적은 PTC 본체 자체로 전지팩에 조립방식으로 장착함으로써 내부의 저항값의 상승을 억제하여 성능이 향상된 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은, PTC가 조립방식으로 장착되는 전지팩으로서, 보호회로 모듈(PCM)의 탑재를 위해 전지셀의 상단에 장착되는 절연성 부재에 PTC의 장착을 위한 수납부가 형성되어 있고, 상기 수납부의 상 단면에는 PTC에 접속되는 금속 플레이트("제 1 금속 플레이트")가 설치되어 있으며, 전기적 접속수단이 부착되지 않은 상태의 PTC를 상기 수납부에 장착하여 접촉 방식으로 상기 제 1 금속 플레이트에 대한 접속과 전지셀의 전극단자에 대한 전기적 접속을 동시에 이루는 것으로 구성되어 있다.
본 명세서에서는 절연성 부재에 장착되는 상기 PTC를, 전기적 접속수단이 부착된 종래기술의 PTC와 명료하게 구별될 수 있도록, "PTC 본체"로서 칭하기도 한다.
기존의 전지팩에서 사용하는 PTC는 PTC 본체에 납을 이용한 저항용접 공정을 통해 제 1 금속 플레이트를 고정하는 구조로 이루어져 있다. 이러한 각 공정 중에서 PTC 본체의 초기 내부저항은 30 ~ 40 mΩ이며, 저항용접 공정을 거친 후 50 ~ 100 mΩ을 유지하다가 Aging 공정을 거친 후, 25 ~ 40 mΩ 정도의 내부저항 값으로 변화가 된다. 이러한 공정들은 매우 번잡하여 제조비용의 상승을 유발할 뿐만 아니라, 그로 인해 전지팩의 내부저항이 높아지면 충방전 성능이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 반면에, 본 발명에서의 전지팩은 PTC 본체 만을 사용함으로써, 내부저항 값이 초기 PTC 본체 저항 값 대비 20 ~ 30% 정도 감소하게 되어 전지팩의 충방전 성능이 향상되는 잇점이 있다.
본 발명에 있어서 상기 PTC 본체의 하단은, 바람직하게는, 전지셀의 전극단자에 연결되어 있는 접속부재에 접촉 방식으로 전기적 접속을 이룬다. 이러한 접촉 방식의 전기적 접속은 종래의 솔더링 또는 용접 공정을 거치지 않음으로써, 공정의 단순화와 함께 이러한 과정에서 발생하는 내부저항의 증가를 방지할 수 있는 잇점이 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 접속부재는 전지셀의 전극단자에 용접되는 금속 플레이트("제 2 금속 플레이트")와, 상기 제 2 금속 플레이트의 외면 일부에 부착되어 있으며 PTC 본체가 장착된 상태에서 상기 수납부에 결합되는 성형체로 이루어진 구조일 수 있다. 이러한 성형체는 PTC 본체를 장착한 상태에서 다양한 방식으로 절연성 부재의 수납부에 결합될 수 있는 바, 바람직하게는 상기 성형체와 수납부는 상호 형성된 체결구조에 의해 결합될 수 있다.
앞서 설명한 제 1 금속 플레이트는 PTC 본체를 접촉 방식에 의해 PCM에 연결하는 역할을 하며, 바람직하게는 수납부의 상단에 장착된 본체와 그것의 일측으로부터 연장되어 상향 돌출된 수직 연장부로 이루어진 구조일 수 있다.
경우에 따라서는, PTC와의 탄력적 접촉을 제공할 수 있도록 제 1 금속 플레이트의 상단에 압축 스프링 또는 판 스프링이 추가로 설치될 수 있다. 상기 스프링으로 인해 PTC와 제 1 금속 플레이트는 더욱 안정적인 전기적 접속을 이룰 수 있는 바, 예를 들어, 외부로부터 충격이 인가되는 경우에도 전기적 접속상태가 그대로 유지될 수 있다. 여기서, "전기적 접속"은 금속 플레이트가 전극단자에 직접적으로 연결되는 경우 뿐만 아니라 다른 구성 요소를 경유하여 간접적으로 연결되는 경우를 모두 포함하는 개념이다.
결과적으로, 본 발명에 따르면, PTC 본체 만을 절연성 부재에 장착하고, 그러한 과정에서 전지셀의 일측 단자 및 PCM의 해당 부위에 접속방식으로 전기적 접속이 달성되므로, 적어도 전지셀의 일측 단자에 대한 전기적 접속시 용접 내지 솔 더링을 행하지 않을 수 있다.
경우에 따라서는, 전지셀의 타측 전극단자에 대한 전기적 연결과 관련하여, 상기 PTC에 대한 전기적 접속방식과 유사한 접촉방식으로 전기적 접속이 이루어지는 또 다른 금속 플레이트가 절연성 부재에 추가로 장착될 수 있다. 이와 같이 전지셀의 전극단자들과 PCM의 전기적 연결이 모두 접촉방식으로 달성되는 경우에는, 전기적 연결을 위한 용접 내지 솔더링 공정을 완전히 배재할 수 있다.
앞서 설명한 금속 플레이트들은 전기적 접속을 이루는 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 니켈 플레이트가 특히 바람직하다.
본 발명의 전지팩은 종래에 도 1a 또는 1b와 같은 PTC를 사용하는 각형 전지셀과 파우치형 전지셀을 사용하는 전지팩에 적합하게 사용될 수 있으며, 특히 각형의 금속 캔에 전극조립체가 내장되어 있는 각형 전지셀에 대해 바람직하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 발명의 내용을 상술하지만 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3과 도 4에는, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 보호회로 모듈(PCM)의 탑재를 위해 전지셀의 상단에 장착되는 절연성 부재(이하 qqq절연성 부재qqq로 약칭)에 PTC가 장착되는 과정을 나타낸 모식도와 그러한 장착 상태에서의 단면 투시도가 도시되어 있다.
우선, 도 3을 참조하면, 절연성 부재(300)는 그것이 장착된 전지셀(도시하지 않음)에 대응하는 폭과 길이를 가지며, 상단에 PCM(도시하지 않음)이 안정적으로 장착될 수 있는 구조로 이루어져 있다.
절연성 부재(300)의 일측 하단부에는 아래쪽을 향해 개방되어 있는 PTC 수납부(310)가 형성되어 있으며, 그러한 수납부(310)의 내측 상단에 제 1 금속 플레이트로서의 니켈 플레이트(320)가 위치하고 있다. 수납부(310)는 대략적으로 PTC(400)에 대응하는 크기로 형성되어 있어서, PTC(400)가 안정적으로 장착되어 니켈 플레이트(320)과 전기적 접속을 이룰 수 있다.
PTC(400)는 실질적으로 도 1a에서의 PTC 본체(110)에 해당하며 전기적 접속수단이 연결되어 있지 않다.
PTC(400)가 수납부(310)에 장착된 상태에서 그것의 하단에 접속부재(500)를 장착하게 된다.
접속부재(500)는 전지셀의 전극단자에 용접되는 제 2 금속 플레이트로서의 니켈 플레이트(510)과, 그러한 니켈 플레이트(510)의 외면을 감싸고 있고 전기절연성 성형체(520)로 이루어져 있다. 성형체(520)는 PTC(400)가 장착된 수납부(310)에 결합됨으로써, 절연성 부재(300)에 대한 PTC(400)의 안정적인 장착과, 니켈 플레이트(510)를 통한 전지셀 전극단자와의 전기적 접속을 도모하게 된다. 특히, PCM과의 전기적 연결을 위한 니켈 플레이트(320)와 전지셀 전극단자와의 전기적 연결을 위한 니켈 플레이트가 PTC(400)에 대해 접촉 방식으로 전기적 접속을 이루게 되므로, 전지팩 조립공정을 크게 단축할 수 있다.
도 4를 참조하면, 수납부(310)의 상단에 설치된 니켈 플레이트(320)는 PTC(400)의 상단면에 접하는 본체(322)와 그것의 일측으로부터 연장되어 상향 돌출된 수직 연장부(324)의 구조로 이루어져 있다. 수직 연장부(324)는 PCM(도시하지 않음)의 해당 단자에 접속되어 전기적 연결을 이룬다.
한편, 절연성 부재(300)에는 전지셀의 나머지 전극단자와 PCM을 전기적으로 연결하기 위한 제 3 금속 플레이트로서의 니켈 플레이트(330)가 설치되어 있다. 전지셀의 나머지 전극단자는 예를 들어 돌출단자로서, 개구(340: 도 3 참조)를 통해 니켈 플레이트(330)의 본체(332)와 접속된다. 즉, 절연성 부재(300)를 전지셀에 장착하는 과정에서 전지셀의 돌출단자가 개구(340)에 삽입되고, 개구(340)의 내측 상단에 설치되어 있는 니켈 플레이트 본체(332)와 접하게 된다. 이렇게 전지셀의 돌출단자와 접속된 니켈 플레이트(330)는 그것의 일측에 상향 돌출되어 있는 수직 연장부(324)를 통해 PCM에 접속하게 된다.
이상, 본 발명에 따른 몇몇 실시예들을 참조하여 발명의 내용을 상술하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 PTC 상에 별도의 접속수단을 부착하지 않은 상태, 즉, PCT 본체 상태로 전기적 연결을 이룰 수 있도록 절연성 부재에 장착되므로, 제조공정 상에서 발생하는 물리적 또는 전기ㅇ화학적 영향으로 부터 안전하면서, 제조공정을 크게 줄일 수 있다는 장점을 가진다. 또한, 조립식으로 장착되는 PTC를 전지팩의 일 부분으로 구성함으로써 내부의 저항값을 줄여 전지팩 성능향상에 기여할 수 있다.

Claims (9)

  1. 보호회로 모듈(PCM)의 탑재를 위해 전지셀의 상단에 장착되는 절연성 부재에 PTC의 장착을 위한 수납부가 형성되어 있고, 상기 수납부의 상단면에는 PTC에 접속되는 금속 플레이트("제 1 금속 플레이트")가 설치되어 있으며, 전기적 접속수단이 부착되지 않은 상태의 PTC를 상기 수납부에 장착하여 접촉 방식으로 상기 제 1 금속 플레이트에 대한 접속과 전지셀의 전극단자에 대한 전기적 접속을 동시에 이루는 것으로 구성된 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 PTC의 하단은 전지셀의 전극단자에 연결되어 있는 접속부재에 접촉되어 전기적 접속을 이루는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 접속부재는 전지셀의 전극단자에 용접되는 금속 플레이트("제 2 금속 플레이트")와, 상기 제 2 금속 플레이트의 외면 일부에 부착되어 있고 PTC가 장착된 상태에서 상기 수납부에 결합되는 성형체로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 성형체와 상기 PTC 수납부는 그것에 상호 형성된 체결구조에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 금속 플레이트는 수납부의 상단에 장착되는 본체와, 그것의 일측으로부터 연장되어 상향 돌출된 수직 연장부로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 금속 플레이트의 상단에는 PTC와의 탄력적 접촉을 제공하는 압축 스프링 또는 판 스프링이 추가로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 부재에는 전지셀의 나머지 전극단자에 접촉방식으로 전기적 접속이 이루어지는 또 다른 금속 플레이트("제 3 금속 플레이트")가 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 금속 플레이트, 제 금속 플레이트 및 제 3 금속 플레이트는 니켈 플레이트인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 각형의 금속 캔에 전극조립체가 내장되어 있는 각형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지팩.
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