KR20080048851A

KR20080048851A - 배터리 팩

Info

Publication number: KR20080048851A
Application number: KR1020060119334A
Authority: KR
Inventors: 최홍석
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2006-11-29
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2008-06-03

Abstract

본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 본 발명에 따른 기술적 과제는 배터리 팩의 구조를 변경하여 여유 공간을 확보하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명의 배터리 팩은 복수개의 원통형 이차 전지가 서로 측면 결합되고, 전기적으로 접속된 전지 세트; 외부 접속 단자를 구비하며 상기 전지세트의 측면 주변에 각을 이루어 형성된 두 개 이상의 보호회로 기판; 및 상기 보호회로 기판들을 전기적으로 연결하고, 상기 원통형 이차 전지의 원주 방향 둘레에 구부러져 형성되는 플렉서블 배선체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

배터리 팩, 플렉서블 배선체

Description

배터리 팩{BATTERY PACK}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 실시예에 따른 도 2의 A-A선을 절개하여 본 배터리 팩의 부분 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 실시예에 따른 배터리 팩과 외부기기가 결합한 상태의 부분 측면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100; 원통형 이차전지 110; 전극 조립체

112; 양극판 113; 세퍼레이터

114; 음극판 116; 전극탭

130; 원통형 캔 132; 측면판

134; 하면판 136; 클립핑 부

138; 비딩부 150; 캡 조립체

152; 안전 밴트 153; 전류차단 수단

154; 이차보호소자 156; 캡업

157; 배출구 160; 개스킷

170; 튜브

200; 전지 세트 210; 전극판

300; 보호회로 기판 310; 제 1 기판

311; 보호회로부 320; 제 2 기판

321; 외부접속단자 330; 패드

400; 플렉서블 배선체

500; 외부기기 510; 배터리 수납공간

BP; 배터리 팩 Z; 여유 공간

본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전지 세트에 장착되는 보호회로 기판들을 장착하는 구조에 관한 것이다.

셀루라폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 휴대용 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 따라서, 휴대용 전기/전자 장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 상기 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충/방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 또한, 이차전지는 고밀도에너지와 고출력을 필요로 하는 하이브리드 자동차 배터리용으로도 각광받고 있으며 연구개발 및 제품생산 중에 있다.

이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd)전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 이차 전지 등이 있다.

특히, 리튬 이온 이차 전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 작동 전압이 약 3배나 높다. 또한, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 널리 사용되고 있다. 상기 리튬 이차 전지는 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해질의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.

이러한 이차 전지는 복수개의 원통형 이차 전지를 직렬 및 병렬 형태로 연결한 후, 보호회로 기판을 장착하여 배터리 팩을 제조한다. 이처럼, 복수개의 원통형 이차 전지가 배치된 배터리 팩은 출력 용량이 커지므로, 보호회로 기판에 실장된 전기소자 및 전기단자들과 보호회로 기판의 크기도 배터리 팩의 크기에 비례하여 커지게 된다.

휴대용 전자 제품의 배터리 팩 장착부는 배터리 팩의 외곽 크기에 장착 가능한 사이즈로 제작된다. 그러나, 이러한 종래 배터리 팩의 구조는 제품 양산 중에 배터리 팩 장착부와 배터리 팩 간에 조립 오차의 발생으로 인한 설계변경 및 기능 추가를 위한 설계 변경을 필요로 할 때, 여유 공간이 매우 협소하여 휴대용 컴퓨터의 설계 변경 및 기능 추가를 위한 공간이 필요한 문제가 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 기술적 과제는 배터리 팩의 구조를 변경하여 여유 공간을 확보하는 것에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 팩은 복수개의 원통형 이차 전지가 서로 측면 결합되고, 전기적으로 접속된 전지 세트; 외부 접속 단자를 구비하며 상기 전지세트의 측면 주변에 각을 이루어 형성된 두 개 이상의 보호회로 기판; 및 상기 보호회로 기판들을 전기적으로 연결하고, 상기 원통형 이차 전지의 원주 방향 둘레에 구부러져 형성되는 플렉서블(Flexible) 배선체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 플렉서블 배선체는 보호회로 기판들의 좁은 측면들을 연결할 수 있다.

또한, 상기 원통형 이차전지의 외측 표면 일부는 튜브로 감싸져 있을 수 있다.

또한, 상기 보호회로 기판과 전지 세트의 측면 사이에는 패드가 개재되어 있을 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 1를 참조하여 원통형 이차 전지(100)에 대해 개략적인 설명을 하 면, 원통형 이차전지(100)는 전극 조립체(110)를 수용하는 원통형 캔(130)과 이를 밀봉하는 캡 조립체(150)를 포함한다.

전극 조립체(110)는 양극집전체의 표면에 양극활물질층이 코팅된 양극판(112)과 음극집전체의 표면에 음극활물질층이 코팅된 음극판(114)과 상기 양극판(112) 및 음극판(114) 사이에 위치하여 상기 양극판(112)과 음극판(114)을 전기적으로 절연시키는 세퍼레이터(113)가 젤리-롤 형상으로 권취되어 형성된다.

양극판(112)은 양극집전체(미도시)와 양극 활물질층(미도시)으로 이루어져 있다. 양극 활물질층은 리튬을 포함하고 있는 층상화합물과, 결합력을 향상시키는 바인더, 전도성을 향상시키는 도전재로 이루어질 수 있다. 양극집전체는 전극집전체 중 양극의 성질을 갖는 집전체를 말한다. 양극 집전체는 일반적으로 알루미늄이 사용되며 양극활물질층에서 발생하는 전하의 이동 통로가 되고 양극활물질층을 지지하는 역할을 하게 된다. 양극활물질층은 양극집전체의 넓은 면들에 부착되어 있으며 양극판의 일측단에는 양극활물질층이 형성되지 않은 양극무지부(미도시)가 형성되어 있다. 양극무지부에는 전극탭(116)이 접합되어 전극조립체(100) 상부로 돌출된다.

음극판(114)은 음극집전체(미도시)와 음극 활물질층(미도시)으로 이루어져 있다. 상기 음극활물질층은 탄소를 함유하며 일반적으로 많이 쓰이는 하드 카본과, 혹은 흑연, 활물질입자 사이의 결합력을 향상 시키는 바인더로 이루어질 수 있다. 음극집전체는 전극집전체 중 음극의 성질을 갖는 집전체를 말한다. 음극 집전체는 일반적으로 구리가 사용되며 음극활물질층에 발생하는 전하의 이동 통로가 되고 음 극활물질층을 지지하는 역할을 하게 된다. 음극활물질층은 음극판(120)의 넓은면에 형성되어 있는데 이때, 음극판(120)의 일측단에 음극활물층이 형성되지 않은 음극무지부(미도시)가 형성되어 있으며, 음극무지부에는 전극탭(118)이 접합되어, 전극조립체(110)의 하부로 일정 길이 돌출된다.

전극 조립체(110)의 상하에는 상, 하 절연판(121,122)이 놓여 외부 충격으로 인해 원통형 캔(110)과 캡 조립체(150)가 변형되거나 전극 조립체(110)가 유동될 때, 전극 조립체(110)의 쇼트를 방지한다.

세퍼레이터(113)는 양극판(112)과 음극판(114)의 사이에 개재되어 양극판(112)과 음극판(114)의 절연을 하고 양극판(112)과 음극판(114)의 이온들은 통과시킨다. 일반적으로 세퍼레이터(114)의 재질은 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 사용하지만 본 발명에서 재질을 한정하는 것은 아니다. 세퍼레이터는(113)는 전해질을 포함할 수도 있으며 액상이나 겔 형태로 구성될 수 있다.

원통형 캔(130)은 상기 원통형 전극조립체(110)가 수용될 수 있는 소정 공간이 형성되도록 일정 직경을 갖는 원통형 측면판(132)과 상기 원통형 측면판(132)의 하부를 밀폐하는 하면판(134)을 포함하여 형성되며, 상기 원통형 측면판(132)의 상부는 상기 전극조립체(110)를 삽입하기 위하여 개구(開口)되어 있다. 상기 원통형 캔(130)의 하면판(134) 중앙에 상기 전극조립체(110)의 음극 탭(118)이 접합됨으로써, 상기 원통형 캔(130) 자체는 음극 역할을 수행하게 된다. 또한, 상기 원통형 캔(130)은 일반적으로 알루미늄(Al), 철(Fe) 또는 이들의 합금으로 형성된다. 더불어 상기 원통형 캔(130)은 상부의 개구에 결합되는 상기 캡조립체(150)의 상부를 압박하도록 상단에서 내부로 휘어진 크리핑(clipping)부(136)가 형성된다. 또한, 상기 원통형 캔(130)은 상기 크리핑부(136)로부터 하방으로 상기 캡조립체의 두께에 대응되는 거리만큼 이격된 위치에 상기 캡조립체(150)의 하부를 압박하도록 안쪽으로 움푹 파인 비딩(beading)부(138)가 더 형성되어 있다.

캡 조립체(150)는 안전밴트(152), 전류차단수단(153)과 이차보호소자(154) 및 캡업(156)을 포함하여 형성된다. 상기 안전밴트(safety vent,152)는 판상으로 중앙에 하부로 돌출되는 돌출부가 형성되어 상기 캡조립체(150)의 하부에 위치하며, 이차전지의 내부에서 발생한 압력에 의하여 돌출부가 상부 방향으로 변형하게 된다. 상기 안전밴트(152)의 하면 소정위치에는 전극조립체(110)의 양극판(112) 및 음극판(114) 가운데 하나의 전극판에 대해 예를 들면, 양극판(112)에서 인출한 양극탭(116)이 용접되어 상기 안전밴트(152)와 전극조립체(110)의 양극판(112)이 전기적으로 연결된다. 여기서 양극판(112) 및 음극판(114) 중 나머지 전극판, 예를 들어 음극은 도시하지 않은 탭 혹은 직접 접촉 방식에 의해 캔(130)과 전기적으로 연결된다. 상기 안전밴트(152)의 돌출부가 상부 방향으로 변형되면 상기 안전밴트(152)의 상부에 위치한 전류차단수단(153)의 배선 패턴이 끊어져 전류가 차단되고 전지 내부의 압력 상승도 서서히 중지된다. 상기 캡업(156)은 전지 내부에서 발생한 가스를 배출하기 위해 배출구(157)가 다수개 형성되어 있다. 한편, 상기 캡조립체(150)와 캔(130)은 개스킷(160)에 의해 절연된다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 따른 상기 원통형 이차전지(100)를 포함하는 배 터리 팩(BP)은 복수개의 원통형 이차 전지(100)가 서로 측면 결합되고, 전기적으로 접속된 전지 세트(200)와 외부 접속 단자(321)를 구비하며 상기 전지세트(200)의 측면 주변에 각을 이루어 형성된 두 개 이상의 보호회로 기판(300) 및 상기 보호회로 기판(300)들을 전기적으로 연결하고, 상기 원통형 이차 전지(100)의 원주방향 둘레에 구부러져 형성되는 플렉서블 배선체(400)를 포함하여 형성될 수 있다.

상기 전지 세트(200)는 복수개의 도 1의 원통형 이차 전지(100)가 서로 측면 결합되고, 전기적으로 접속된다. 휴대용 전자 제품(미도시)의 경우에 요구되는 동작 전압이 0.5V 내지 60V까지 매우 다양하므로 전지세트(미도시)에 사용되는 원통형 이차 전지(미도시)는 전기선(미도시) 및 전극탭(미도시)에 의해 직렬 연결되어 사용될 수 있다. 또한, 휴대용 전자 제품의 사용시간 및 순간 출력을 높이기 위해 원통형 이차전지(미도시)를 병렬 연결하여 사용하기도 한다. 이러한 이유로 원통형 이차 전지(미도시)를 직렬 및 병렬 연결하여 전지세트(미도시)를 만들어 사용한다. 예를 들어 도 2를 참조하면, 복수개의 원통형 이차 전지(100)가 서로 측면 결합되어 있으며, 전극판(210)이 원통형 이차 전지(100)를 전기적으로 연결시켜 전지세트(200)를 형성하고 있다. 본 발명은 도 2에서 보이는 전지세트(200) 뿐만 아니라, 원통형 이차 전지(100)가 서로 측면 결합되어 형성된 모든 전지세트(미도시)를 포함하여 적용된다.

상기 보호회로 기판(300)은 외부 접속단자(321)를 구비하며 전지세트(200)의 측면 주변에 각을 이루어 두 개 이상이 형성될 수 있다.

도 2를 참조하여 예를 들면, 보호회로 기판(300)은 외부 접속단자(321)와 다 수의 전기소자(미도시)가 실장된 제 1 기판(310)과 보호회로부(311)와 다수의 전기소자(미도시)가 형성된 제 2 기판(320)으로 이루어지며, 전지 세트(200)의 측면 주변에 각을 이루어 형성된다. 이러한 구조는 그 이유가 있다. 즉, 원통형 이차 전지(100)의 갯 수가 많아지게 되면, 보호회로 기판(300)에 실장된 외부 접속 단자(321)나 전기선 및 전기소자의 크기가 커지게 되고, 그에 따라 보호회로 기판(300)의 크기도 커지게 된다. 그래서 보호회로 기판(300)을 두 개 이상으로 나누어 전지세트(200)의 측면 주변에 형성하면 보호회로 기판(300)을 전지세트(200)의 측면 주변에 효율적으로 배치할 수 있게 된다. 이때, 전지세트(200)의 측면 주변에 형성된 두 개 이상의 보호회로 기판(300)은 효율적인 배치를 위해 각을 이루어 배치된다.

상기 보호회로부(311)는 이차전지의 제반상태를 관리하며 이차전지의 전지잔량을 체크하거나, 적절한 충전방식을 선택하여 충전하거나 충전을 금지시키고, 이차전지의 상태에 관한 전압, 전류, 온도, 전지잔량 등의 정보를 기억하였다가 외부 기기와 통신을 통해 정보를 내보내는 역할을 한다. 다수의 전기소자는 외부 기기와의 전기적 연결을 위한 스위치 역할을 하는 MOSFET, TR등의 능동소자나 저항이나 콘덴서와 같은 수동소자가 사용될 수 있으며, 이차전지의 상태를 측정하는 전압, 전류, 온도소자나 보호회로에 안정된 전원을 공급하기 위한 전력공급 회로소자가 사용될 수 있다. 또한, 과도한 온도 상승시에 전류를 차단하는 온도 퓨즈(Thermal fuse)나 온도 차단기(Thermal Breaker)가 사용될 수 있으며, 충/방전 상태를 표시하는 LED나 액정표시장치가 사용될 수 있다. 외부 접속 단자(321)는 보호회로 기 판(320)의 넓은 면에 형성되어 외부기기와의 충/방전과 외부기기와의 통신을 위한 접속 및 이차전지의 상태를 체크 하기 위한 전기적인 연결 통로로 이용된다. 이러한 보호회로부(311)와 전기소자 및 외부 접속 단자(321)의 기능들은 이차전지의 사용환경 또는 주문자의 요구에 따라, 그 기능을 더하거나 뺄 수 있도록 설계될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 플렉서블 배선체(400)는 상기 보호회로 기판(300)을 전기적으로 연결하고, 상기 원통형 이차 전지(100)의 원주방향 둘레에 구부러져 형성될 수 있다.

도 2를 참조하여 예를 들면, 플렉서블 배선체(400)는 제 1 기판(121)과 제 2 기판(122)을 전기적으로 연결하며, 플렉서블 배선체(400)는 제 1 기판(310)과 제 2 기판(320)의 회로 및 소자의 배치형태 또는 전력공급원과 신호원의 기능적인 구분 등으로 인해서, 제 1 플렉서블 배선체(410)와 제 2 플렉서블 배선체(420)으로 나뉘어져 형성될 수 있으며, 더 나뉘어져 형성될 수도 있다. 플렉서블 배선체(400)는 얇은 박막으로 형성된 다 수개의 동박에 폴리아미드의 재질로 이루어진 필름으로 다 수개의 동박을 넓게 코팅하여 형성한다. 또한, 계속해서 그 위에 또 다른 다 수개의 동박을 배치한 후 폴리아미드 필름으로 코팅하여 적층 할 수도 있다. 이러한 플렉서블 배선체(400)는 원통형 이차 전지(110)의 원주방향 둘레에 구부러져 형성된다. 플렉서블 배선체(400)가 원통형 이차 전지(100)의 원주 방향 둘레에 구부러져 형성될 때의 작용을 도 4를 참조하여 설명하면, 외부 기기(500)인 휴대용 전자 제품이나 배터리 케이스의 배터리 수납 공간(510)에 배터리 팩(BP)이 수용된 후 여 유 공간(Z)이 더 확보된다. 이러한 여유 공간(Z)이 형성되면, 외부기기(500) 및 배터리 팩(BP)의 설계가 변경되거나, 조립 오차 발생시에 여유 공간(Z)을 이용하여 외부기기(500)나 배터리 팩(BP)의 기능 추가 및 기구적인 오차 수정을 할 수 있다.

또한, 상기 플렉서블 배선체(400)는 보호회로 기판(300)들의 좁은 측면들을 연결할 수 있다.

도 3을 참조하여 예를 들면, 플렉서블 배선체(400)는 보호회로 기판(300)의 좁은 측면에 형성된 그루브(groove)에 개재되어 제 1 기판(121)과 제 2 기판(122)이 전기적으로 연결되어 있다. 그 연결 방법은 제 1 기판(121)과 제 2 기판(122)의 두께 부위에 개재한 후, 개재된 부위를 관통시켜 홀을 뚫고, 홀 내측에 납땜이나 도금을 이용하여 전기적인 연결을 할 수도 있다. 이러한 제 1 기판(121)과 제 2 기판(122)의 좁은 측면들에 연결된 플렉서블 배선체(400)는 여유 공간(Z)를 더욱 넓게 해주는 이점이 있다. 만약, 플렉서블 배선체(400)가 제 1 기판(121)의 넓은 면 상부와 제 2 기판(122)의 넓은 면 상부를 납땜 등의 결합방법으로 연결하게 되면, 여유 공간(Z)가 좁아지게 된다.

한편, 상기 원통형 이차전지(100)의 외측 표면 일부는 튜브(170)로 감싸져 있을 수 있다.

도 3을 참조하여 예를 들면, 원통형 이차전지(100)의 외측 표면 일부는 튜브(170)에 의해 감싸져 있다. 이러한 튜브(170)는 원통형 이차전지(100)의 과열로 인한 온도 상승시 열 전도가 잘 되지 않게 하여 보호회로 기판의 소자나 납땜이 열에 대한 영향을 적게 받게 한다. 또는 플라스틱의 재질로 형성된 외부 기기가 원통 형 이차전지(100)의 과열로 인해 녹는 것을 방지한다. 또한, 원통형 이차 전지(100)가 내압 상승이나 과열로 인해 원통형 이차 전지(100)가 개봉되었을 때에 흘러나오는 전해질이 고일 수 있는 공간을 형성하여, 다른 구성요소가 전해질로 오염되는 것을 방지한다. 튜브(170)의 재질은 염화 비닐이나 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylenterephthalate; PET)의 재질로 형성될 수 있으며, 본 발명에서 튜브의 재질을 한정하는 것은 아니다. 도 4를 참조하면, 이러한 튜브(미도시)가 감싸진 원통형 이차전지(100)를 사용하여도 여유 공간(Z)로 인해 외부기기(500)의 설계를 변경할 필요가 없어진다.

또한, 상기 보호회로 기판(300)과 상기 전지 세트(200)의 측면 사이에는 패드가 개재될 수 있다.

도 2를 참조하여 예를 들면, 보호회로 기판(310)(320)의 전지 세트(200)의 측면 사이에는 패드(330)가 개재되어 있으며, 패드(330)의 넓은 면에는 접착제나 패드 자체의 점성으로 전지 세트(200)와 보호회로 기판(300) 사이에 부착되기도 한다. 이러한, 패드(330)는 원통형 이차전지(100)가 과열되었을 때, 열로부터 보호회로 기판(300)을 보호하고, 보호회로 기판(300)이 충격을 받았을 때 완충시키는 역할도 한다. 도 4를 참조하면, 이러한 패드(170)가 보호회로 기판(300)과 원통형 이차전지(100) 사이에 개재되어도 여유 공간(Z)로 인해 외부기기(500)의 설계를 변경할 필요가 없어진다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예나 도면에 기재된 내용에 그 기술적 사상이 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 본 발명의 청구범위 내에 있게 된다.

본 발명의 효과는 보호회로 기판들을 플렉서블 배선체로 연결하였을 때 발생한다. 그에 따른 효과는 외부기기나 배터리팩의 설계 변경 및 기능 추가를 위한 여유 공간이 배터리 팩에 확보되는 효과가 있다.

Claims

복수개의 원통형 이차 전지가 서로 측면 결합되고, 전기적으로 접속된 전지 세트;

외부 접속 단자를 구비하며 상기 전지세트의 측면 주변에 각을 이루어 형성된 두 개 이상의 보호회로 기판; 및

상기 보호회로 기판들을 전기적으로 연결하고, 상기 원통형 이차 전지의 원주 방향 둘레에 구부러져 형성되는 플렉서블 배선체를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 1 항에 있어서,

상기 플렉서블 배선체는 상기 보호회로 기판들의 좁은 측면들을 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 1 항에 있어서,

상기 원통형 이차전지의 외측 표면 일부는 튜브로 감싸져 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 1 항에 있어서,

상기 보호회로 기판과 전지 세트의 측면 사이에는 패드가 개재되어 있는 것 을 특징으로 하는 배터리 팩.