KR20090037769A - 기계적 접속방식에 기반한 이차전지 팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 이차전지 셀들이 격벽이 존재하지 않는 팩 케이스의 수납부에 장착된 상태에서 접속부재에 의해 전기적 연결을 이루고 있는 전지팩으로서, 상기 접속부재는 길이방향 또는 길이방향 및 폭방향으로 배열된 전지셀들 사이에 위치하고, 길이방향으로 전방 전지셀의 하부 전극단자 및/또는 후방 전지셀의 상부 전극단자에 기계적 결합방식으로 접속되어 있으며, 장착 상태에서 탄력적 가압 상태를 이루고 있는 전지팩을 제공한다.

Description

기계적 접속방식에 기반한 이차전지 팩 {Secondary Battery Pack Based on Mechanical Connection Manner}

본 발명은 기계적 접속방식에 기반한 이차전지 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다수의 이차전지 셀들이 격벽이 존재하지 않는 팩 케이스의 수납부에 장착된 상태에서 접속부재에 의해 전기적 연결을 이루고 있는 전지팩으로서, 상기 접속부재는 길이방향 또는 길이방향 및 폭방향으로 배열된 전지셀들 사이에 위치하고, 길이방향으로 전방 전지셀의 하부 전극단자 및/또는 후방 전지셀의 상부 전극단자에 기계적 결합방식으로 접속되어 있으며, 장착 상태에서 탄력적 가압 상태를 이루고 있는 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 1 개의 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 이차전지 팩의 사용이 요구된다.

이러한 이차전지 팩은 다수의 단위전지들을 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 이차전지 팩을 제조하는 경우에는 각형 또는 파우치형 전지가 단위전지로서 유리하다.

반면에, 원통형 전지는 일반적으로 각형 및 파우치형 전지보다 큰 전기용량을 가지지만, 원통형 전지의 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 전지들을 직렬방식 또는 병렬 및 직렬방식으로 연결한 이차전지 팩이 많이 사용되고 있다. 그러한 이차전지 팩에 사용되는 코어 팩 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 상태 에서 둘 또는 그 이상의 원통형 전지들을 그것의 측면방향으로 인접하게 배열하여, 접속부재로 용접함으로써 달성된다. 이러한 병렬방식의 원통형 전지들을 "뱅크(bank)"로 칭하기도 한다.

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

이러한 원통형 전지들의 전기적 연결에는 일반적으로 니켈 플레이트 등과 같은 얇은 접속부재(예를 들어, 금속 플레이트)를 사용하여 스팟 용접을 행하고 있다.

도 1에는 스팟 용접에 의한 전기적 연결작업을 완료한 상태에서 2P-3S의 판상형 구조의 이차전지 팩을 구성한 상태에서의 모식도가 도시되어 있다. 도 1은 이해의 편의를 위하여 그러한 2P-3S의 판상형 구조의 이차전지 팩의 결합 관계를 분해도로서 표시하였다.

도 1에서와 같이, 각각 병렬로 연결된 전지들(20, 21)의 3 개의 전지 쌍들은 금속 플레이트(30)를 통해 직렬로 연결되어, 코어 팩(10)을 형성한다.

도 2에는 조립이 완성된 상태의 이차전지 팩(50)의 모식도가 도시되어 있다. 설명의 편의를 위하여 팩 케이스는 생략하였다.

도 2에서 보는 바와 같이, 각각의 전지들(20, 21)은 금속 플레이트(30)에 연결된 양극 도선(60)과 음극 도선(70) 및 FPCB(80)를 통해 보호회로 모듈(90)에 연 결되어 있다. 금속 플레이트(30)에 대한 보호회로 모듈(90)의 전기적 연결은 주로 솔더링에 의해 행해진다.

일반적으로, 이차전지 팩은 사용 과정에서 수많은 충전과 방전을 반복적으로 수행하며, 외부 충격, 낙하, 침상 관통, 과충전, 과전류 등과 같은 조건에서 안전성에 문제가 있는 리튬 이차전지 등이 단위전지로서 사용되므로, 이러한 안전성 문제를 해결하기 위한 보호회로 모듈 등의 안전소자가 부가되어 있다. 상기 안전소자는 이차전지 팩의 해당 단자 접속부위에서 전압 등의 정보를 획득하여 소정의 안전화 과정을 수행함으로써 팩의 안전성을 담보한다. 따라서, 당해 부위의 접속상태가 가변적인 경우, 예를 들어, 진동 등에 의해 단자 접속부위의 저항값이 변화되는 경우, 검출 정보의 부정확성으로 인해, 안전소자는 소망하는 과정을 수행하지 못하게 된다. 따라서, 일반적으로 이차전지 팩에서 전지셀과 보호회로 간의 전기적 접속은 솔더링 등으로 이루어진다.

또한, 고출력, 대용량의 이차전지 팩을 구성하기 위해서는 다수의 전지셀들을 직렬 또는 병렬로 연결할 필요가 있으며, 이차전지 팩의 성능을 균일하게 유지하게 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 용접 또는 솔더링 공정 등은, 다음과 같은 문제점들을 가지고 있다. 구체적으로, 용접 또는 솔더링 공정은, 작업자의 숙련된 기술과 노하우를 필요로 하고, 용접의 강도를 결정하기 위한 파라미터들의 관리를 지속 적으로 수행하여야 하므로 생산 공정이 복잡해지고 비용이 증가하게 되어 생산 효율을 저해하는 요인으로 작용한다. 또한, 전지셀에 직접 용접 또는 솔더링을 행하는 과정에서 전지팩의 진동 또는 외부 충격으로 인하여 용접부위의 단락이 발생할 수 있고 전지셀과 연결부재 사이에 전기적 또는 열적 손상이 인가되므로 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, 전지의 안정성을 위협하고 복잡한 작업공정을 요구하는 용접, 솔더링 등을 통한 접속방식을 대체할 수 있으며, 동시에 전지셀 간의 안정적인 접속구조를 확보하면서 일부 전지셀(들)의 불량시 나머지 전지셀들을 재사용할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

한편, 일차전지를 사용하는 전지팩에서는 접속방식의 전기적 연결구조에 대한 다양한 시도들이 행해진 바 있다. 예를 들어, 한국 특허등록 제0413381호에는, 배터리의 전기적 연결을 위해 배터리 케이스의 좌우측 양단에 도전성 코일을 형성하는 기술 내용이 개시되어 있으며, 미국 특허등록 제525037호에는, 전지팩의 양단에 탄성을 가지도록 구부린 금속판을 설치하여 전기적 연결을 행하는 기술 내용이 개시되어 있다.

그러나, 상기 기술들은 전지셀을 고정하고 전극단자와의 안정적인 접속을 위해서는 접속부재가 충분한 탄성을 가지고 있어야 하므로, 그렇지 못한 소재에 대하여는 사용이 제한되는 문제점이 있다. 특히, 상기 도전성 코일을 사용하는 기술은 코일을 구성하는 와이어의 단면적이 좁고 접속길이가 상대적으로 길기 때문에 전기 저항이 커질 수 밖에 없으며, 증가된 저항은 전력 손실을 유발하고 발열량이 커지면서 전지의 안정적인 접속을 저해할 수 있다. 그리고, 상기 탄성을 갖도록 구부린 금속판을 사용하는 기술은, 전지셀을 팩 케이스에 삽입하는 과정에서 과도한 힘을 가하거나 반복적인 사용으로 인해, 금속판이 탄성을 잃게 되거나 파괴되면서, 전지셀에 외부 충격이 인가시 이탈되는 현상 또는 전기적 접속이 끊어지는 현상이 발생할 수 있다.

더욱이, 상기와 같은 접속부재는 해당 부위에서의 가변적인 접속상태로 인해, 앞서 설명한 바와 같은 이차전지 팩에 적용하기에는 한계가 있다.

또한, 용접 또는 솔더링 등에 의하지 않고 기계적 접촉방식으로 전기적 접속을 달성하기 위해서는, 상기 선행기술들에서와 같이, 접속부재가 팩 케이스에 장착되기 위한 격벽이 전지셀들 사이에 위치하는 것이 일반적으로 요구된다. 그러나, 격벽의 존재는 전지팩의 크기 증가를 초래하므로, 소형 경박화 되어가고 있는 최근의 경향에 바람직하지 않다.

이러한 측면에서, 격벽이 존재하지 않는 상태에서 기계적 접촉방식의 접속부재를 전지셀들 사이에 매우 높은 탄성 가압력으로 장착하는 방안도 고려할 수는 있지만, 팩 케이스를 구성하는 고분자 수지 등의 소재는 장기간의 사용 과정에서 응력에 의해 서서히 변형되는 현상, 즉, 크립프(creep) 현상이 발생한다. 따라서, 접속부재의 지나치게 높은 탄성 가압력은 팩 케이스에 응력을 초래하여 크립프 현상이 일어나게 되고, 결과적으로, 전지셀들 사이의 간격이 점차적으로 벌여지면서 전기적 접속상태가 불안정해진다. 이러한 현상은 특히 장기간의 사용이 요구되는 디바이스에서 심각할 수 있으므로, 일차전지에 기반한 접속방식을, 반복적인 충방전에 의해 장기간의 사용이 요구되는 이차전지 기반의 전지팩에 그대로 적용할 수는 없다.

따라서, 전지의 안전성을 위협하고 복잡한 작업공정을 요구하는 용접, 솔더링을 통한 접속방식을 대체할 수 있고, 전지팩의 크기 증가를 유발하지 않으면서 전지셀들 간의 안정적인 접속구조를 확보할 수 있는 전지팩에 대한 필요성이 높은 실정이다.

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

즉, 본 발명의 목적은, 솔더링, 용접 공정 등을 행하지 않고서도 둘 이상의 이차전지 셀들을 안정적으로 연결할 수 있으며, 전기적 연결이 가능하면서 조립공정이 용이하고 필요에 따라 탈부착이 자유로운 특정한 구조의 접속부재를 포함하는 이차전지 팩을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전지팩의 크기 증가를 초래하지 않으면서 장기간의 사용시에도 안정적인 접속상태를 유지할 수 있는 이차전지 팩을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지 팩은, 다수의 이차전지 셀들이 격벽이 존재하지 않는 팩 케이스의 수납부에 장착된 상태에서 접속부재에 의해 전기적 연결을 이루고 있는 전지팩으로서, 상기 접속부재는 길이방향 또는 길이방향 및 폭방향으로 배열된 전지셀들 사이에 위치하고, 길이방향으로 전방 전지셀의 하부 전극단자 및/또는 후방 전지셀의 상부 전극단자에 기계적 결합방식으로 접속되어 있으며, 장착 상태에서 탄력적 가압 상태를 이루고 있는 구조로 구성되어 있다.

본 발명에 따른 이차전지 팩은 전지셀들 사이에 접속부재의 장착을 위한 격벽을 필요로 하지 않으므로, 접속부재가 용접, 솔더링 등에 의하지 않고 전지셀의 전극단자에 접속되어 있음에도 불구하고, 전지팩의 크기 증가를 초래하지 않는다.

또한, 접속부재가 다소 가압된 상태에서 탄력적으로 전지셀의 전극단자에 접속되어 있으므로, 외부 충격 등이 전지팩에 인가되더라도 접속 부위의 저항 변화가 소망하는 신뢰수준을 벗어나지 않는다. 즉, 상기와 같은 구조는 BMU (Battery Management Unit)와 같은 제어부재가 전지셀의 온도, 전압 등에 대한 정확한 센싱을 가능하게 하도록 함으로써, 전지의 정상적인 작동 상태를 확보할 수 있다.

반면에, 상기와 같은 탄력적인 가압 상태는, 앞서 설명한 바와 같은, 팩 케이스의 크립프 현상을 초래할 정도로 크지는 않다. 즉, 접속부재가 적어도 일부에서 전지셀의 전극단자와 기계적 결합방식으로 접속되어 있으므로, 접속부재를 매우 높은 탄성 가압력으로 전지셀 상에 장착할 필요는 없다.

또한, 본 발명에 따른 이차전지 팩의 구조는 조립 작업을 용이하게 하고, 전지셀 전극단자들 간의 안정적인 결합력을 제공하며, 전지팩의 조립과정 또는 사용 중에 불량이 발생하였을 때, 전지셀을 용이하게 분리할 수 있으므로, 일부 전지셀 또는 접속부재의 불량으로 인해 전지팩을 구성하는 모든 전지셀을 폐기하여야 하는 문제점을 해소할 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 접속부재는 일측 전지셀의 전극단자에만 기계적 결합방식으로 접속되어 있고, 타측 전지셀의 전극단자에는 물리적 접촉방식으로 접속되어 있는 것일 수 있다.

일반적인 전지셀은 일측 전극단자가 돌출되어 있고 타측 전극단자는 미돌출 구조로 이루어진 경우가 많다. 따라서, 상기 접속부재를, 예를 들어, 전지셀(a)의 돌출 전극단자에 기계적 결합방식으로 접속시키고, 전지셀(b)의 미돌출 전극단자에 물리적 접촉방식으로 접속시키는 것이 가능하다.

구체적인 예에서, 접속부재는 전지셀 양극단자에 기계적 결합방식으로 접속되어 있고, 타측 전지셀의 음극단자에는 물리적 접촉방식으로 접속되는 구조로 이루어질 수 있다.

본 명세서에서 "기계적 결합방식으로 접속되어 있다"는 것은, 전극단자와 접속부재가 기계적 체결방식으로 결합되어 있음을 의미하며, "물리적 접촉방식으로 접속되어 있다"는 것은, 전극단자와 접속부재가 기계적 체결방식이 아닌 단순히 접촉되어 있음을 의미한다.

따라서, 전지셀들이 길이방향으로 배열된 전지팩에서, 접속부재의 한 쪽 면은 전방 전지셀의 하부 전극단자 또는 후방 전지셀의 상부 전극단자에만 기계적 결합방식으로 접속되어 있고, 다른 한쪽 면은 물리적 접촉방식으로 접속되어 있는 경우, 전지셀 전극단자들 간의 안정적인 결합력이 유지됨과 동시에, 전지팩과 전지셀의 결합 및 분리가 용이해지는 장점이 있다.

한편, 전지팩의 단위셀로서 일반적인 원통형 전지는, 앞서 예시적으로 설명한 바와 같이. 양극단자가 접속부재와 기계적 체결이 용이한 돌출형 양극단자로 형성되어 있다. 따라서, 이러한 돌출형 양극단자가 형성된 전지셀로 이루어진 전지팩에서, 접속부재는 전지셀의 양극단자와는 기계적 결합방식으로 접속하고, 타측 전지셀의 음극단자와는 물리적 접촉방식으로 접속하는 구조가 바람직하다.

접속부재가 전지셀의 전극단자와 기계적 결합방식으로 접속되기 위한 구조와 형태 등은 다양할 수 있다.

일 예로, 상기 접속부재는 전지셀 양극단자의 가스 배출구 또는 체결용 개구에 가변적으로 결합되는 체결부를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다. 상기 양극단자의 가스 배출구 또는 체결용 개구는 주로 전지셀 양극단자의 외면에 형성될 수 있다.

일반적으로, 가스 배출구는 전지셀 내부의 이상 발생시 발생하는 고압 가스를 전지셀 외부로 배출하기 위해 주로 전극단자의 원주면 방향에 형성되어 있다. 따라서, 이러한 가스 배출구는 체결부위로서 활용할 수 있다.

또는, 상기 가스 배출구가 아닌 별도의 체결용 개구를 양극단자의 외면에 필 요에 따라 형성할 수도 있다. 이러한 체결용 개구는 접속부재와의 용이한 체결을 위해, 전극단자의 중앙 부위에 형성되는 것이 바람직하다. 체결용 개구는 접속부재의 체결부에 가변적으로 결합될 수 있는 구조로 형성됨으로써, 접속부재와의 체결을 간단하고 용이한 방법으로 달성할 수 있게 함과 동시에 상호간의 결합력을 더욱 공고히 할 수 있다.

접속부재의 상기 체결부는 전극단자의 가스 배출구 또는 체결용 개구와의 용이한 결합 및 분리가 가능할 수는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 접속부재의 본체로부터 탄력적으로 돌출되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.

접속부재는 일측 또는 양측 전지셀의 전극단자에 물리적 접촉방식으로 접속되는 부위에서 탄력적으로 가압되면서 접속되는 하나 또는 둘 이상의 보조 접속부를 포함하고 있는 것이 바람직한 바, 이러한 보조 접속부는 접속부재의 탄성력을 더욱 보강하고 전지팩에 진동 또는 굽힘 등과 같은 외력의 인가 시에도 접속 구조를 유지하여 전극단자가 순간적으로 단락하는 것을 방지할 수 있으며, 보조 접속부가 2 이상인 경우에는 상기와 같은 효과를 더욱 안정적으로 담보할 수 있다.

상기 접속부재의 몇가지 구체적인 예를 설명하면 하기와 같다.

첫 번째 실시예에서, 상기 접속부재는 다수의 이차전지 셀들을 전지팩 케이스에 장착할 때, 길이방향과 측면방향으로 각각 배열된 전지셀들을 기계적 접촉방식에 의해 전기적으로 연결하는 부재로서, 길이방향으로 배열된 전지셀들의 직렬 접속을 위한 각각의 단자 접속부는 측면방향으로 배열된 전지셀들의 병렬 접속을 동시에 달성할 수 있도록 상호 연결되어 있고, 상기 단자 접속부는,

(a) 하부에 위치하는 전지셀 전극단자의 외면 형상에 대응하여, 그것의 외주면 인근 부위에서 소정의 폭으로 하부 전지셀 전극단자에 접촉되는 외주면 접속부;

(b) 하부 전지셀에 대한 탄력적인 접지력을 제공할 수 있도록, 상기 외주면접속부에 대해 중심축 방향으로 상향 테이퍼된 구조로 연결되어 있는 상향 돌출부;

(c) 상기 상향 돌출부로부터 브릿지 구조로 연결되어 있고, 상부에 위치하는 전지셀의 소정 부위에 탄력적으로 결합될 수 있도록 돌출되어 있는 돌출 체결부; 및

(d) 상기 외주면 접속부의 내측으로 하향 또는 상향 테이퍼 구조로 연속되어 있는 다수의 보조 접속부들;

을 포함하는 구성으로 이루어져 있으며, 일측에 회로 연결용 단자부를 포함하고 있는 구조로 바람직하게 이루어질 수 있다.

구체적으로, 상기 접속부재는 길이방향(직렬 또는 병렬) 및 측면방향(병렬 또는 직렬)으로 각각 배열된 전지셀들을 팩 케이스에 내장하고 있는 구조의 전지팩에서, 각각의 전극단자들을 기계적 접촉방식을 이용하여 전기적으로 용이하게 연결시킬 수 있다.

따라서, 전지셀 전극단자들의 전기적 접속을 위해 솔더링, 용접 공정을 필요로 하지 않고, 조립식 접속부재의 결합만으로 안정적인 접속구조를 유지하게 되므로, 외부 충격 등에 의해서도 접속 부위의 저항 변화가 신뢰수준을 벗어나지 않으며, 동시에 전지팩의 조립공정을 용이하게 하고, 전지셀 전극단자들 간의 안정적인 결합력을 제공할 수 있다.

두 번째 실시예에서, 접속부재는, 다수의 이차전지 셀들을 전지팩 케이스에 장착할 때, 길이방향으로 배열된 전지셀들을 기계적 접촉방식에 의해 전기적으로 연결하는 접속부재로서,

(a) 하부에 위치하는 전지셀 전극단자의 외면 형상에 대응하여, 그것의 외주면 인근 부위에서 소정의 폭으로 하부 전지셀 전극단자에 접촉되는 외주면 접속부;

(b) 하부 전지셀에 대한 탄력적인 접지력을 제공할 수 있도록, 상기 외주면 접속부에 대해 중심축 방향으로 상향 테이퍼된 구조로 연결되어 있는 상향 돌출부;

(c) 상기 상향 돌출부로부터 브릿지 구조로 연결되어 있고, 상부에 위치하는 전지셀의 소정 부위에 탄력적으로 결합될 수 있도록 돌출되어 있는 돌출 체결부; 및

(d) 상기 외주면 접속부의 내측으로 하향 또는 상향 테이퍼 구조로 연속되어 있는 다수의 보조 접속부들;

을 포함하는 구성으로 이루어져 있으며, 일측에 회로 연결용 단자부를 포함하고 있는 것으로도 바람직하게 구성될 수 있다.

이러한 접속부재는 길이방향으로 직렬 또는 병렬 연결된 다수의 전지셀들을 팩 케이스에 내장하고 있는 구조의 전지팩에서, 전지셀들의 전극단자들을 기계적 접촉방식에 의해 전기적으로 용이하게 연결할 수 있다.

경우에 따라서는, 물리적 접촉방식의 접속부재가 추가로 사용될 수도 있다. 이러한 접속부재는, 예를 들어, 둘 또는 그 이상의 이차전지 셀들을 전지팩에 장착 할 때, 측면방향으로 배열된 둘 또는 그 이상의 전지셀들을 물리적 접촉방식에 의해 전기적으로 연결하는 접속부재로서,

(a) 전지셀 단자의 외면 형상에 대응하여, 그것의 외주면 인근 부위에서 소정의 폭으로 전지셀 단자에 접촉되는 주 접속부;

(b) 전지셀에 대한 탄력적인 접지력을 제공할 수 있도록, 상기 주 접속부에 대해 중심축 방향으로 상향 테이퍼되어 있는 구조의 탄성 돌출부; 및

(c) 전극단자에 대한 탄력적인 접속이 가능할 수 있도록, 상기 주 접속부의 내측으로부터 하향 테이퍼된 구조의 보조 접속부;

를 포함하는 구성의 단자 접속부들이 측면 배열의 전지셀 수에 대응하여 전기적으로 연결되어 있고, 일측에 회로 연결용 단자부를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.

상기 추가적인 접속부재는 다수의 전지셀들이 전기적 연결을 이루며 2열 이상 측면으로 배열되어 있는 전지열(row)이 팩 케이스에 내장되어 있는 구조의 전지팩에서, 전지열 단부의 측면방향(병렬 또는 직렬)으로 각각 배열된 전지셀들의 전극단자들을 물리적 접촉방식에 의해 전기적으로 용이하게 연결할 수 있다.

이상의 접속부재들은, 일측 단부에 양극단자가 돌출되어 있고, 이와 절연된 상태에서 전지케이스 전체가 음극단자를 형성하는 것으로 구성된 원통형 전지셀에 특히 바람직하게 사용될 수 있으며, 이 경우, 상기 접속부재의 외주면 접속부, 주 접속부, 돌출 체결부, 탄성 돌출부, 상향 돌출부 등은 전체적으로 동심원 구조로 이루어져 있어서, 원통형 전지셀의 전극단자 면의 형상에 대응되므로, 상호간의 접촉면을 극대화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전지팩은 고출력 대용량을 필요로 하는 휴대용 DVD, 소형 PC 등과 같은 가정용 전자기기의 전원으로 사용될 수 있지만, 적용 분야가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

특히 바람직하게는 노트북 컴퓨터의 전원으로 사용될 수 있으므로, 본 발명은 또한 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 노트북 컴퓨터를 제공한다.

노트북 컴퓨터의 일반적인 구조와 그것의 제조방법 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 이에 대한 추가적인 설명을 본 명세서에서는 생략한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 3 및 도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 조립과정을 나타낸 사시도들이 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지팩(100)은, 전지셀들 사이에 격벽이 없는 팩 케이스(200)에, 다수의 원통형 전지들(300, 302, 304, 306)이 소정의 접속부재들(100, 102)에 의해 전기적 접속을 이루고 있는 구조로 이루어져 있다.

구체적으로, 2 종류의 접속부재들(100, 102)과 4 개의 원통형 전지들(300, 302, 304, 306)이 위치되어 있고, 접속부재(100)의 돌출 체결부(130)에 양극단자들이 기계적 결합방식으로 접속되도록 4 개의 원통형 전지들(300, 302, 304, 306)을 밀착시키면서 팩 케이스(200)의 수납부에 장착한 구조로 이루어져 있다.

따라서, 원통형 전지들(306, 308)의 양극단자들은 탄력적인 가압 상태를 유지하면서 돌출 체결부(130)가 형성된 접속부재(100)와 기계적 결합방식으로 접속되고, 원통형 전지들(302, 304)의 음극단자들은 접속부재(100)와 물리적 접속방식으로 결합되므로, 전지팩을 용이하게 조립할 수 있고 전지셀 전극단자들 간의 접속구조를 안정적으로 유지할 수 있다.

또한, 돌출 체결부(130)를 포함하고 있지 않은 접속부재(102)가 팩 케이스와 원통형 전지들(306, 308)의 음극단자들이 접하는 부위에 장착됨으로써 측면으로 배열된 원통형 전지들(306, 308)의 음극단자들을 상호간에 전기적으로 병렬 연결하는 구조로 이루어져 있다.

조립된 상태에서 이차전지 팩(400)의 형상을 도 4를 통해 확인할 수 있는 바, 이를 참조하면, 이차전지 팩(400)은 2 개의 원통형 전지들(300)이 측면방향으로 접하면서 장착되어 있고, 동시에 길이방향으로 2 개의 원통형 전지들(300)이 장착되어 있어서, 2P-2S의 판상형 구조를 이루고 있다.

도 5에는 도 3에서 접속부재(100)의 확대 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 6에는 그것의 평면 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 접속부재(100)는 두 개의 단자 접속부(100A, 100B)가 상호 연결되어 있고, 외부 회로에 연결하기 위한 회로 연결용 단자부(150)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

각각의 단자 접속부(100A)는 소정의 폭(w)을 가지고 하부 전지셀(도시하지 않음)의 전극단자와 전기적으로 연결되는 외주면 접속부(110), 외주면 접속부(110) 에 대해 단자 접속부의 중심축(180) 방향으로 상향 테이퍼된 구조의 상향 돌출부(120), 상향 돌출부(120)와 브릿지(160)로 연결되고 상향으로 돌출된 돌출 체결부(130), 외주면 접속부(110)의 내측으로 상향 또는 하향 테이퍼 구조로 연속된 보조 접속부들(140, 142)로 이루어져 있다.

외주면 접속부(110)에서 하부 전지셀의 전극단자와 접촉되는 접촉 폭(w)은 단자 접속부의 반경(W)을 기준으로 대략 10%의 크기이며, 하부에 위치하는 전지셀 전극단자의 외면에 대응하는 동심원 형상으로 이루어져 있다.

돌출 체결부(130)의 높이는 접속부재(100)의 전체 높이를 기준으로 대략 50%의 크기이고, 상향 돌출부(120)의 상단은 수직 단면 상으로 대략 "∩" 형상을 가진다. 또한, 돌출 체결부(130)의 내측면에는 단자 접속부의 중심축(180) 방향으로 체결돌기(132)가 돌출되어 있어서, 접속부재가 상부 전지셀의 전극단자의 소정 부위와 결합된 후 상호간에 탈리되는 것을 방지하여 준다. 이 때, 상향 돌출부(120) 및 브릿지(160)는 상부 전지셀 전극단자의 중심부위와 접촉되어 전기적으로 연결된다.

돌출 체결부(130)와 상향 돌출부(120)를 연결하는 4 개의 브릿지들(160)은 방사형으로 대칭 구조를 이루는 형상으로 이루어져 있다. 즉, 소정의 간격으로 상호 이격된 브릿지들(160)이 상향 돌출부(120)와 돌출 체결부(130)를 연결하는 형상이며, 브릿지(160) 자체가 상향 돌출되어 있다.

또한, 각각의 브릿지들(160)과 외주 접속면(110) 사이의 공간에는 4 개의 보조 접속부들(140)이 외주 접속면(110)으로부터 상향으로 약 1 mm의 높이까지 경사 지어 있고, 다른 4 개의 보조 접속부들(142)은 외주 접속면(110)으로부터 하향으로 약 1 mm의 높이까지 테이퍼되어 있다. 이러한 보조 접속부들(140)의 단부는 해당 보조 접속부의 상향 테이퍼 방향에 대해 하향으로 절곡되어 있고, 다른 보조 접속부들(142)의 단부는 해당 보조 접속부의 하향 테이퍼 방향에 대해 상향으로 절곡되어 있다. 따라서, 접속부재(100)를 하부 전지셀(도시하지 않음)의 양극 또는 음극 단자에 장착하는 과정에서, 보조 접속부들(140, 142)은 탄력적으로 가압되면서 하부 전지셀 또는 상부 전지셀의 전극단자에 접속되게 된다.

이러한 보조 접속부들(140, 142)은 다소 낮은 탄성계수를 나타내지만 4 개의 부위들이 각각 독립적으로 하부 전지셀의 전극단자에 접속되므로, 진동 등과 같은 외부 요인으로부터 전지셀의 순간적인 단락을 방지하여 전지셀들 간의 전기적인 연결을 지속적으로 유지시켜 준다.

또한, 도 6에서 보는 바와 같이, 단자 접속부의 외주면 접속부(110)는 동심원 형상이고, 2 개의 상향 돌출부(120) 및 돌출 체결부(130)를 각각 연결하면 가상의 동심원 형상을 이루게 되며, 전체적으로 동심원 구조를 형성하므로, 원통형 전지셀 전극단자들의 외주면과의 접촉면적 및 상호간의 밀착력을 향상시킨다.

도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양극단자 접속부재의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 8에는 그것의 평면 모식도가 도시되어 있다.

도 7 및 도 8의 접속부재(101)는, 도 5 및 도 6과 비교하여 단자 접속부가 1 개로 이루어져 있다는 점을 제외하고는, 외주면 접속부(110), 상향 돌출부(120), 돌출 체결부(130, 132), 보조 접속부들(140, 142), 회로 연결용 단자부(150), 브릿 지(160) 등이, 도 5 및 도 6에서와 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

도 9에는 도 3에서 접속부재(102)의 확대 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 10에는 그것의 평면 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 접속부재(102)는 두 개의 단자 접속부(102A, 102B)가 상호 연결되어 있고, 접속부재의 일측에는 외부 회로에 연결하기 위한 회로연결용 단자부(152)가 위치하는 측면 연장부(150)가 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.

각각의 단자 접속부들(102A, 102B)은 소정의 폭(w)을 가지고 하부 전지셀(도시하지 않음)의 전극단자와 전기적으로 연결되는 주 접속부(110), 주 접속부(110)에 대해 단자 접속부의 중심축(180) 방향으로 상향 테이퍼되어 브릿지로 연결된 구조의 탄성 돌출부(130), 주 접속부(110)의 내측으로 하향 테이퍼 구조로 연속된 보조 접속부들(140)로 이루어져 있다.

주 접속부(110)에서 하부 전지셀의 전극단자와 접촉되는 접촉 폭(w)은 단자 접속부의 반경(W)을 기준으로 대략 10%의 크기이며, 하부에 위치하는 전지셀 전극단자의 외면에 대응하는 동심원 형상으로 이루어져 있다.

탄성 돌출부(130)의 높이(h)는 접속부재(102)의 전체 높이(H)를 기준으로 대략 60%의 크기로 이루어져 있으며, 탄성 돌출부(130)의 4 개의 브릿지들은 십자형의 대칭구조를 이루는 형상으로 이루어져 있다.

또한, 탄성 돌출부(130)와 주 접속부(110) 사이의 공간에는 단자 접속부의 중심축(180)을 기준으로 방사 대칭형을 이루는 4 개의 보조 접속부들(140)이 주 접속부(110)으로부터 하부 방향으로 테이퍼되어 있다. 이러한 보조 접속부들(140)의 단부는 해당 보조 접속부의 하향 테이퍼 방향에 대해 상향으로 절곡(144)되어 있다. 따라서, 접속부재(102)를 하부 전지셀(도시하지 않음)의 음극 단자에 장착하는 과정에서, 보조 접속부들(140)은 탄력적으로 가압되면서 접속부재(102)의 하부에 위치하는 전지셀의 전극단자에 접속되게 된다.

이러한 보조 접속부들(140)은 다소 낮은 탄성계수를 나타내지만 4 개의 부위들이 각각 독립적으로 하부 전지셀의 전극단자에 접속되므로, 진동 등과 같은 외부 요인으로부터 전지셀의 순간적인 단락을 방지하여 전지셀 간의 전기적인 연결을 지속적으로 유지시켜 준다.

또한, 단자 접속부의 주 접속부(110)는 전체적으로 원의 형상이고, 4 개의 탄성 돌출부들(130) 및 보조 접속부들(140)을 각각 연결하면 가상의 동심원 형상을 이루게 되며, 전체적으로 동심원 구조를 형성하므로, 단자 접속부와 원통형 전지셀 전극단자들의 외주면과의 접촉면적 및 상호간의 밀착력을 향상시킨다.

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 전지셀 전극단자들의 전기적 접속을 위해 용접, 솔더링 공정 등을 필요로 하지 않으므로 용접과정에서 발생할 수 있는 전지의 단락 가능성을 방지하고 불량률을 크게 감소시킬 수 있으며, 이차전지 셀의 전극단자들 간의 안정적인 결합구조에 의해 접속부위의 저항 변화를 최소화 할 수 있고, 생산효율을 현저하게 향상시킬 수 있으며, 전지팩에 낙하, 진동 등과 같은 외력이 인가되는 경우에도 전지셀을 외력으로부터 보호할 수 있는 효과가 있다. 더욱이, 용접 등을 사용하지 않은 전기적 접속방식으로 이루어져 있음에도 불구하고, 전지팩의 크기 증가를 유발하지 않으면서, 장기간의 사용에도 안정적인 접속상태를 유지할 수 있다.

도 1은 종래의 접속부재인 금속 플레이트에 의해 전기적으로 연결된 전지들의 결합 방식을 보여주는 분해도이다;

도 2는 금속 플레이트와 보호회로가 연결된 상태의 전지팩의 모식도이다;

도 3 및 도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 조립과정을 나타낸 모식도들이다;

도 5는 도 3에서 양극단자 접속부재를 확대한 사시도이고, 도 6은 그것의 평면 모식도이다;

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양극단자 접속부재의 사시도이고, 도 8은 그것의 평면 모식도이다;

도 9는 도 3에서 음극단자 접속부재를 확대한 사시도이고, 도 10은 그것의 평면 모식도이다.

Claims (11)

1. 다수의 이차전지 셀들이 격벽이 존재하지 않는 팩 케이스의 수납부에 장착된 상태에서 접속부재에 의해 전기적 연결을 이루고 있는 전지팩으로서, 상기 접속부재는 길이방향 또는 길이방향 및 폭방향으로 배열된 전지셀들 사이에 위치하고, 길이방향으로 전방 전지셀의 하부 전극단자 및/또는 후방 전지셀의 상부 전극단자에 기계적 결합방식으로 접속되어 있으며, 장착 상태에서 탄력적 가압 상태를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재는 일측 전지셀의 전극단자에만 기계적 결합방식으로 접속되어 있고, 타측 전지셀의 전극단자에는 물리적 접촉방식으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 접속부재는 전지셀 양극단자에 기계적 결합방식으로 접속되어 있고, 타측 전지셀의 음극단자에는 물리적 접촉방식으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재는 전지셀 양극단자의 가스 배출구 또는 체결용 개구에 가변적으로 결합되는 체결부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 체결부는 접속부재의 본체로부터 탄력적으로 돌출되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재는 일측 또는 양측 전지셀의 전극단자에 물리적 접촉방식으로 접속되는 부위에서 탄력적으로 가압되면서 접속되는 하나 또는 둘 이상의 보조 접속부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재는 다수의 이차전지 셀들을 전지팩 케이스에 장착할 때, 길이방향과 측면방향으로 각각 배열된 전지셀들을 기계적 접촉방식에 의해 전기적으로 연결하는 부재로서,

   길이방향으로 배열된 전지셀들의 직렬 접속을 위한 각각의 단자 접속부는 측면방향으로 배열된 전지셀들의 병렬 접속을 동시에 달성할 수 있도록 상호 연결되어 있고, 상기 단자 접속부는,

   (a) 하부에 위치하는 전지셀 전극단자의 외면 형상에 대응하여, 그것의 외주면 인근 부위에서 소정의 폭으로 하부 전지셀 전극단자에 접촉되는 외주면 접속부;

   (b) 하부 전지셀에 대한 탄력적인 접지력을 제공할 수 있도록, 상기 외주면 접속부에 대해 중심축 방향으로 상향 테이퍼된 구조로 연결되어 있는 상향 돌출부;

   (c) 상기 상향 돌출부로부터 브릿지 구조로 연결되어 있고, 상부에 위치하는 전지셀의 소정 부위에 탄력적으로 결합될 수 있도록 돌출되어 있는 돌출 체결부; 및

   (d) 상기 외주면 접속부의 내측으로 하향 또는 상향 테이퍼 구조로 연속되어 있는 다수의 보조 접속부들;

   을 포함하는 구성으로 이루어져 있으며, 일측에 회로 연결용 단자부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재는, 다수의 이차전지 셀들을 전지팩 케이스에 장착할 때, 길이방향으로 배열된 전지셀들을 기계적 접촉방식에 의해 전기적으로 연결하는 접속부재로서,

   (a) 하부에 위치하는 전지셀 전극단자의 외면 형상에 대응하여, 그것의 외주면 인근 부위에서 소정의 폭으로 하부 전지셀 전극단자에 접촉되는 외주면 접속부;

   (b) 하부 전지셀에 대한 탄력적인 접지력을 제공할 수 있도록, 상기 외주면 접속부에 대해 중심축 방향으로 상향 테이퍼된 구조로 연결되어 있는 상향 돌출부;

   (c) 상기 상향 돌출부로부터 브릿지 구조로 연결되어 있고, 상부에 위치하는 전지셀의 소정 부위에 탄력적으로 결합될 수 있도록 돌출되어 있는 돌출 체결부; 및

   (d) 상기 외주면 접속부의 내측으로 하향 또는 상향 테이퍼 구조로 연속되어 있는 다수의 보조 접속부들;

   을 포함하는 구성으로 이루어져 있으며, 일측에 회로 연결용 단자부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은, 둘 또는 그 이상의 이차전지 셀들을 전지팩에 장착할 때, 측면방향으로 배열된 둘 또는 그 이상의 전지셀들을 물리적 접촉방식에 의해 전기적으로 연결하는 접속부재를 추가로 포함하고 있으며, 상기 접속부재는,

   (a) 전지셀 단자의 외면 형상에 대응하여, 그것의 외주면 인근 부위에서 소정의 폭으로 전지셀 단자에 접촉되는 주 접속부;

   (b) 전지셀에 대한 탄력적인 접지력을 제공할 수 있도록, 상기 주 접속부에 대해 중심축 방향으로 상향 테이퍼되어 있는 구조의 탄성 돌출부; 및

   (c) 전극단자에 대한 탄력적인 접속이 가능할 수 있도록, 상기 주 접속부의 내측으로부터 하향 테이퍼된 구조의 보조 접속부;

   를 포함하는 구성의 단자 접속부들이 측면 배열의 전지셀 수에 대응하여 전기적으로 연결되어 있고, 일측에 회로 연결용 단자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 원통형 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
11. 전원으로서 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 포함하고 있는 노트북 컴퓨터.

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