KR20110016821A - 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

배터리 팩이 개시된다. 본 발명의 한 실시예에 따르면, 셀탭을 갖는 배터리 셀, 셀탭에 부착되는 내부 단자 및 이에 연결되는 양성온도소자를 갖는 보호회로모듈, 셀탭에 부착된 열전달부재로 이루어진 배터리 팩이 개시된다. 더욱이, 열전달부재는 셀탭 뿐만 아니라 양성온도소자에 함께 부착될 수 있다. 이와 같이 하여, 본 발명의 한 실시예에 따르면, 배터리 셀뿐만 아니라 셀탭 및 내부 단자에서 발생되는 열이 열전달부재를 통하여 양성온도소자에 빠르게 전달됨으로써, 배터리 셀의 고온 노출시 신속한 전류 차단이 이루어진다. 따라서, 배터리 팩의 안전성 및 신뢰성이 더욱 향상된다.

Description

배터리 팩{BATTERY PACK}
본 발명의 한 실시예는 배터리 팩에 관한 것이다.
일반적으로 배터리 팩은 재충전 가능한 배터리 셀과, 배터리 셀의 과충전 또는 과방전을 방지하는 보호회로모듈을 포함한다. 최근에는 배터리 셀로서 주로 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지가 이용되고 있다. 또한 보호회로모듈은 과충전이나 과방전을 방지하기 위한 다수의 회로 소자를 갖는다.
리튬 폴리머 전지는 유기 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지와, 유기 전해액을 함유하고 있는 겔(gel)형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 분류할 수 있다.
리튬 이온 폴리머 전지의 경우 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 비교할 때 전해액의 누출 현상이 작거나 발생하지 않는다. 따라서 리튬 이온 폴리머 전지에서는 금속 캔 대신 금속 포일과 절연층으로 이루어진 파우치를 외장재로 이용할 수 있다.
본 발명의 한 실시예는 배터리 셀뿐만 아니라 셀탭 및 내부 단자로부터 발생하는 열이 양성온도소자에 신속히 전달되도록 함으로써, 배터리 셀의 고온 노출시 신속한 전류 차단이 이루어지는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩은 셀탭을 갖는 배터리 셀; 상기 셀탭에 연결된 내부 단자와, 상기 내부 단자에 연결된 양성온도(PTC)소자로 이루어진 보호회로기판; 및, 상기 셀탭에 접촉하는 열전달부재를 포함한다.
상기 열전달부재는 상기 PTC 소자에 접촉한다.
적어도 상기 배터리셀과 상기 보호회로기판 사이에 위치된 프레임 케이스를 더 포함하고, 상기 열전달부재는 상기 프레임 케이스와 셀탭 사이에 위치된다. 상기 열전달부재는 상기 프레임 케이스에 접촉한다. 상기 열전달부재는 상기 프레임 케이스로부터 이격된다.
적어도 상기 배터리셀과 상기 보호회로기판 사이에 위치된 프레임 케이스를 더 포함하고, 상기 열전달부재는 상기 프레임 케이스와 셀탭 사이, 그리고 상기 프레임 케이스와 상기 PTC 소자 사이에 위치된다. 상기 열전달부재는 상기 프레임 케이스에 접촉한다. 상기 열전달부재는 상기 프레임 케이스로부터 이격된다.
상기 열전달부재는 상기 내부 단자에 접촉한다.
상기 열전달부재는 열도전성 아크릴릭 폼 테이프로 이루어진다. 상기 열도전성 아크릴릭 폼 테이프는 세라믹 입자들, 감압성 아크릴제, 및/또는 난연제로 이루어진다.
상기 열전달부재는 열도전층; 상기 열도전층과 상기 셀탭 사이에 위치된 접착층; 및 상기 배터리 셀을 향하는 상기 열도전층에 위치된 단열층(adiabatic insulating layer)을 포함한다.
상기 열전달부재는 상기 배터리 셀을 향하는 열도전층 위에 위치된 단열층을 더 포함함으로써, 상기 열도전층은 상기 단열층과 상기 셀 탭 사이에 위치된다. 상기 단열층은 0.03 W/m-K 내지 0.06 W/m-K의 열전도율을 갖는다. 상기 단열층은 발포 폴리스틸렌 절연재, 압축발포 폴리스틸렌판, 유리면, 암면, 발포 폴리에틸렌, 폴리우레탄폼, 질석 및/또는 퍼라이트로 이루어진다.
상기 열전달부재는 열도전층; 상기 열도전층 및 상기 셀 탭 사이에 위치된 제1접착층; 및 상기 제1접착층의 반대면인 상기 열도전층에 위치된 제2접착층을 포함한다.
상기 보호회로기판은 절연층; 상기 절연층의 내면 및 외면상에 각각 위치되고, 서로 도전 비아에 의해 연결된 내부 및 외부 연결 패턴들; 및, 상기 연결 패턴들을 덮는 보호층을 포함하고, 상기 내부 단자와 상기 PTC 소자는 상기 내부 연결 패턴에 의해 연결된다. 상기 열전달부재는 상기 셀탭, 상기 내부 단자 및 상기 셀탭과 내부 단자 주변의 보호층에 접촉한다. 상기 열전달부재는 상기 셀탭, 상기 내부 단자, 상기 PTC 소자 및 상기 셀탭, 상기 내부 단자, 상기 PTC 소자 주변의 보호층에 접촉한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩은 일면에 위치된 단자와, 타면에 위치되고 상기 단자와 연결된 양성온도(PTC)소자로 이루어진 보호회로기판; 자신의 전극과 상기 단자 사이에 연결된 셀탭을 갖는 배터리 셀; 및, 상기 셀탭에 접촉하는 열전달부재를 포함한다.
상기 셀탭은 상기 단자와 상기 배터리 셀 사이의 상기 단자 위에 위치된다.
상기 열전달부재는 상기 셀탭 및 상기 PTC 소자 양측에 모두 위치된다.
상기 단자는 상기 셀탭의 테두리를 초과하여 연장하고, 상기 열전달 부재는 상기 셀 탭 및 상기 단자에 모두 접촉한다. 상기 열전달부재는 상기 셀탭 및 상기 PTC 소자의 주변인 보호회로기판의 영역에 접촉한다.상기 단자는 상기 셀탭의 테두리를 초과하여 연장하고, 상기 열전달부재는 상기 셀탭, 상기 단자, 상기 PTC 소자 및 상기 셀탭, 상기 단자 및 상기 PTC 소자의 주변인 보호회로기판 영역에 접촉한다.
상기 배터리 셀과 상기 보호회로기판 사이에 위치된 프레임 케이스를 더 포함한다. 상기 열전달부재는 상기 프레임 케이스에 접촉한다.상기 열전달부재는 상기 프레임 케이스로부터 이격된다.
본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩은 배터리 셀뿐만 아니라 셀탭 및 내부 단자에에서 발생하는 열이 열전달부재를 통하여 양성온도소자에 신속하게 전달되도록 함으로써, 배터리 셀의 고온 노출시 신속한 전류 차단이 이루어지도록 한다. 따라서, 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩은 안전성 및 신뢰성이 향상된다.
도 1a는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 결합 사시도이고, 도 1b는 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩 중에서 보호회로모듈을 도시한 후면 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩 중에서 배터리 셀과 보호회로모듈이 전기적으로 연결된 상태를 도시한 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 3 영역을 확대 도시한 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩 중에서 셀탭과 양성온도소자에 열전달부재가 부착된 상태를 도시한 부분 확대 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 4-4선 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달부재의 부착 상태를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열전달부재의 부착 상태를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열전달부재의 부착 상태를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열전달부재의 부착 상태를 도시한 단면도이다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 여기서, 층, 필름, 영역 또는 기판과 같은 요소(element)들이 다른 요소에 연결되었다고 표현되는 것은, 전기적으로 또는 물리적으로 직접 다른 요소에 연결되는 것뿐만 아니라, 요소들 사이에 다른 개재물이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 반대로, 요소가 다른 요소에 직접 연결되었다고 표현되는 것은, 그 요소들 사이에 개재물이 없다고 이해하여야 한다.
도 1a는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 결합 사시도이고, 도 1b는 분해 사시도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 배터리 셀(110), 보호회로모듈(120), 프레임 케이스(130), 커버(140) 및 라벨(150)을 포함한다.
상기 배터리 셀(110)은 전하가 저장되거나 방출되며, 전극 조립체를 감싸는 케이스의 재질에 따라 캔형 및 파우치형 등으로 구분된다. 본 발명의 한 실시예에서는 파우치형 배터리 셀을 예로 든다. 그러나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
상기 배터리 셀(110)은 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체(미도시)와, 전극 조립체의 양극 및 음극 각각에 연결된 셀탭(112, 113)과, 상기 셀탭(112, 113)이 외부로 노출되도록 하면서 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 케이스(111)를 포함한다. 여기서, 상기 전극 조립체는 고체, 액체, 및/또는 겔 상태의 전해액을 포함할 수 있다. 또한 여기서, 파우치 케이스(111)에 접촉하는 셀탭(112, 113)에는 전기적인 단락을 방지하기 위해 절연 테이프(114,115)가 더 형성될 수 있다. 그러나, 이러한 절연 테이프(114,115)가 모든 실시예에서 사용될 필요는 없다. 또한, 상기 셀탭(112,113)은 파우치 케이스(111)의 외측으로 연장 및 절곡되어 보호회로모듈(120)에 연결될 수 있다.
이러한 배터리 셀(110)은 보호회로모듈(120)이 배치되는 상측부(110a), 상측부(110a)와 연결되는 한쌍의 단측부(110b, 110c)와 한쌍의 장측부(110d, 110e), 및 상측부(110a)와 마주보며 측부들(110b, 110c, 110d, 110e)과 연결되는 하측부(110f)를 포함한다. 여기서, 한 쌍의 단측부(110b, 110c)는 배터리 셀(110)의 상측부(110a)와 연결되는 측부들(110b, 110c, 110d, 110e) 중 폭이 좁은 측부들이며, 한 쌍의 장측부(110d, 110e)는 배터리 셀(110)의 측부들(110b, 110c, 110d, 110e) 중 폭이 넓은 측부들이다.
상기 보호회로모듈(120)은 배터리 셀(110)의 상측부(110a)에 배치되어, 배터리 셀(110)과 전기적으로 연결되어 배터리 셀(110)의 충ㆍ방전 상태를 제어한다. 이러한 보호회로모듈(120)은 회로 기판(121), 외부 단자들(122), 내부 단자들(미도시), 양성온도소자(미도시) 및 체결홈(126)을 포함한다.
상기 외부 단자들(122)은 회로 기판(121)의 상면에 설치되며, 회로 기판(121)과 외부 장치(미도시)를 전기적으로 연결하는 역할을 한다. 상기 체결홈(126)은 회로 기판(121)의 장측 외주연에 형성되어, 보호회로모듈(120)과 프레임 케이스(130)를 물리적으로 체결하는 역할을 한다. 이러한 보호회로모듈(120)에 대해서는 아래에서 더욱 상세히 설명한다.
상기 프레임 케이스(130)는 배터리 셀(110)과 보호회로모듈(120) 사이에 배터리 셀(110)을 감싸며, 보호회로모듈(120)과 물리적으로 결합된다. 이러한 프레임 케이스(130)는 배터리 셀(110)의 상측부(110a)와, 하측부(110f)와, 한쌍의 단측부(110b, 110c)를 각각 커버하되, 배터리 셀(110)중 한쌍의 장측부(110d, 110e)가 외부로 노출되도록 하면서 한쌍의 장측부(110d, 110e)의 측면 모서리부는 덮어지도록 한다. 이러한 구성에 의해 프레임 케이스(130)는 배터리 셀(110)의 수용 공간 (S1)을 갖는다.
구체적으로, 상기 프레임 케이스(130)는 배터리 셀(110)의 상측부(110a), 한쌍의 단측부(110b, 110c) 및 하측부(110f)를 커버하는 평면부(131, 132, 133, 134)와, 배터리 셀(110)중 한쌍의 장측부(110d, 110e)의 모서리부를 커버하도록 상기 모서리부와 평행한 평면부(131, 132, 133, 134)의 단부로부터 절곡되어 배터리 셀(110)중 한쌍의 장측부(110d, 110e)를 향해 연장된 연장부(131a, 132a, 133a, 134a)를 포함한다.
또한, 상기 프레임 케이스(130)는 평면부(131)에 형성되는 지지부(135), 체결 돌기(136) 및 리브(137)를 포함할 수 있다.
상기 지지부(135)는 평면부(131)의 가장 자리 및 중간 영역에서 보호회로모듈(120)쪽으로 돌출된다. 이러한 지지부(135)는 보호회로모듈(120)이 평면부(131)의 상부에 배치될 때 보호회로모듈(120)을 지지하는 역할을 하며, 평면부(131)와 보호회로모듈(120) 사이에 셀탭들(112, 113), 내부 단자들(미도시) 및 양성온도소자(미도시)가 배치될 공간을 제공하는 역할을 한다.
상기 체결 돌기(136)는 보호회로모듈(120)의 체결홈(126)에 대응되는 지지부(135)로부터 보호회로모듈(120)쪽으로 돌출된다. 이러한 체결 돌기(136)는 체결홈(126)에 끼워져 보호회로모듈(120)과 프레임 케이스(130)를 물리적으로 체결한다.
상기 리브(137)는 지지부(135)의 측부에 돌출된다. 이러한 리브(137)는 후술되는 커버(140)의 리브 결합홀(147)에 끼워져, 프레임 케이스(130)와 커버(140)를 물리적으로 체결하는 역할을 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 프레임 케이스(130)는 사출 성형 공정에 의해 일체로 형성될 수 있으며, PC(Polycarbonate), PETG(Polyethylene Terephthalate Glycol), PE(PolyEthylene), PP(PolyPropylene), 및 ABS(Acronitrile-Butadiene-Styren) 중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 커버(140)는 배터리 셀(110)의 상측에 결합되며, 내부 공간에 보호회로모듈(120)을 수용한다. 이러한 커버(140)는 커버 플레이트(141)와, 커버 플레이트(141)로부터 보호회로모듈(120)쪽으로 연장된 측벽(142)을 포함한다.
상기 커버 플레이트(141)는 회로 기판(121)과 대략 유사한 형상으로 형성될 수 있다. 상기 커버 플레이트(141)의 내면은 회로 기판(121)의 상면과 마주 접한다. 커버 플레이트(141)는 외부 단자들(122)과 대응하는 영역에 관통홀(143)이 형성된다. 이러한 관통홀(143)은 외부 단자들(122)을 외부로 노출시켜, 배터리 팩(100)과 외부 장치(미도시)가 전기적으로 연결되도록 한다.
상기 측벽(142)은 커버(140)의 길이방향 양 끝단에 위치하는 양단부들(144, 145)과, 단부(144)와 단부(145)를 연결하는 연결부들(146)을 포함한다. 여기서, 양단부들(144, 145)과 연결부들(146)의 일부는 후술되는 라벨(150)에 의해 커버된다.
또한, 측벽(142)은 연결부(146) 중 프레임 케이스(130)의 리브(137)와 대응되는 영역에 형성되는 리브 결합홀(147)을 포함할 수 있다. 이러한 리브 결합홀(147)은 프레임 케이스(130)의 리브(137)가 끼워져, 프레임 케이스(130)와 커버(140)을 물리적으로 체결하는 역할을 한다.
상기 라벨(150)은 배터리 셀(110)의 측부들(110b, 110c, 110d, 110e)을 감싸도록 부착된다. 라벨(150)은 커버(140)의 양단부(144, 145)의 일부와 연결부(146)들의 일부를 덮는다. 이러한 라벨(150)은 배터리 셀(110), 프레임 케이스(130) 및 커버(140)의 결합력을 높이는 역할을 한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩 중에서 보호회로모듈을 도시한 후면 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 보호회로모듈(120)중 회로 기판(121)은 주로 절연층으로 이루어지며, 배터리 셀(110)의 충전 전압, 방전 전압 및 전류를 감지하는 회로(127a), 과충전 전압, 과방전 전압 또는 과전류시에 전류를 차단하는 스위치(127b) 등을 포함한다.
또한, 상기 회로 기판(121)에는 배터리 셀을 향하는 내부 단자들(123, 124)이 형성되며, 이들은 배터리 셀의 셀탭과 직접 용접에 의해 전기적으로 연결된다. 여기서, 내부 단자(123)와 셀탭은 보호회로모듈(120)의 양극 배선 패턴(미도시)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 내부 단자(124)와 셀탭은 양성온도소자(125)를 경유하여 보호회로모듈(120)의 음극 배선 패턴(미도시)과 연결될 수 있다.
상기 양성온도소자(125)는 상기 회로기판(121)에 실장(mount)되며, 이는 내부 단자(124)와 전기적으로 연결되어, 배터리 셀의 온도가 허용 온도 이상이 되면 전류를 차단함으로써, 배터리 셀의 발열로 인한 이상 현상을 방지하도록 한다. 여기서, 상기 양성온도소자(125)는 내부 단자(124) 대신 내부 단자(123)에 연결될수도 있다.
더불어, 상기 양성온도소자(125)는 상온 저항이 수백옴이고, 동작 온도가 75 내지 120℃이며, 회로기판(121)에 표면 실장(surface mount)이 가능한 칩 PTC 써미스터일 수 있으나, 이러한 종류로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
더불어, 아래에서 더욱 상세하게 설명하겠지만 상기 셀탭 및 내부 단자(124)에서 발생하는 열이 상기 양성온도소자(125)로 더욱 신속하게 전달되도록, 상기 셀탭, 내부 단자(124) 및 양성온도소자(125)에 일체의 열전달부재(미도시)가 부착된다.
도 3a는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩 중에서 배터리 셀과 보호회로모듈이 전기적으로 연결된 상태를 도시한 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 3 영역을 확대 도시한 사시도이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 보호회로모듈(120)중 회로기판(121)에 형성된 내부 단자(123)에는 배터리 셀(110)의 셀탭(112)이 접속된다. 예를 들면, 셀탭(112)이 초음파 용접, 저항 용접 또는 레이저 용접에 의해 상기 내부 단자(123)에 접속된다. 또한, 보호회로모듈(120)중 회로기판(121)에 형성된 내부 단자(124)에는 배터리 셀(110)의 셀탭(113)이 접속된다. 접속 방식은 상술한 바와 같다.
한편, 양성온도소자(125)는 내부 단자(124)에 전기적으로 접속되며, 상기 내부 단자(124)가 셀탭(113)에 전기적으로 접속되므로, 상기 양성온도소자(125)는 상기 셀탭(113)과도 전기적으로 연결된다.
여기서, 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있지는 않지만, 실질적으로 배터리 셀(110)과 보호회로모듈(120) 사이에는 프레임 케이스(130)의 평면부(131, 도 1b 참조)가 개재된다. 상기 프레임 케이스(130)는 통상 열전도성이 좋지 않은 수지이므로, 상기 배터리 셀(110)의 열이 상기 양성온도소자(125)로 신속하게 전달되지 않는다. 따라서, 배터리 셀(110)의 온도가 허용 온도 이상이 된 경우에도 상기 양성온도소자(125)가 신속하게 동작하지 않을 수 있다.
도 4a는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩 중에서 셀탭과 양성온도소자에 열전달부재가 부착된 상태를 도시한 부분 확대 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 4-4선 단면도이다. 여기서, 도 4a에는 이해의 편의를 위해 프레임 케이스가 도시되어 있지 않고, 도 4b에는 프레임 케이스중에서 평면부(131)가 도시되어 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 내부 단자(124)에는 셀탭(113)이 접속되고, 상기 셀탭(113) 및 양성온도소자(125)에는 일체의 판상형 열전달부재(160)가 부착되어 있다. 실질적으로 셀탭(113)에서 내부 단자(124)로 또는 내부 단자(124)에서 셀탭(113)으로 전류가 흐를 때, 상기 셀탭(113) 및 내부 단자(124)의 접촉 영역에서 접촉 저항이 상대적으로 크기 때문에, 다량의 열이 발생한다. 특히, 과전류가 흘러 배터리 셀(110)이 발열하는 경우, 상기 셀탭(113) 및 내부 단자(124) 역시 상당히 많은 열을 발생시킨다. 이 경우, 상기 셀탭(113) 및 내부 단자(124)에서 발생한 열은 상기 열전달부재(160)를 통하여 직접 상기 양성온도소자(125)로 신속하게 전달된다. 따라서, 비록 배터리 셀(110)과 양성온도소자(125) 사이에 열전도성이 좋지 않은 평면부(131)가 개재되어 있다고 해도, 상기와 같이 셀탭(113) 및 내부 단자(124)에서 발생한 열이 상기 열전달부재(160)를 통하여 직접 양성온도소자(125)로 전달됨으로써, 상기 양성온도소자(125)가 신속하게 동작한다. 즉, 상기 배터리 셀(110)의 과열시 전류가 신속하게 차단된다. 이에 따라, 배터리 셀(110)의 안전성 및 신뢰성이 더욱 향상된다. 더불어, 상기 열전달부재(160)는 일면이 상기 셀탭(113), 내부 단자(124) 및 양성온도소자(125)에 접착 또는 밀착되고, 타면은 상기 프레임 케이스중에서 평면부(131)에 밀착되거나 이격될 수 있다. 바람직하기로, 상기 열전달부재(160)는 배터리 셀(110)에 대한 열 감응성이 향상되도록, 상기 프레임 케이스중에서 평면부(131)에 밀착됨이 좋다.
한편, 상기 회로기판(121)은, 도 4b에 도시된 바와 같이, 판상의 절연층(121a)과, 상기 절연층(121a)의 표면에 형성된 배선패턴들(121b, 121c, 121d)과, 상기 배선패턴(121c) 및 상기 배선패턴(121d)을 전기적으로 연결하는 도전성 비아(121e)와, 상기 배선패턴들(121b, 121c) 및 상기 배선패턴(121d)을 덮는 보호층(121f, 121g)을 포함한다. 여기서, 상기 회로기판(121)은 비록 이층 구조를 예로 하였으나, 이는 다층 구조도 가능하다.
상기 배선패턴(121b)에 내부 단자(124)가 접속된다. 물론, 상기 내부 단자(124)에는 셀탭(113)이 접속된다. 또한, 상기 양성온도소자(125)는 단자들(125a, 125b)과 양성온도소자재료(125c)로 이루어지며, 일측 단자(125a)가 상기 배선패턴(121b)에 접속되고, 타측 단자(125b)가 상기 배선패턴(121c)에 접속된다. 더불어, 도시되지는 않았으나, 상기 배선패턴(121d)은 외부 단자(예를 들면 음극 단자)에 전기적으로 연결될 수 있다. 더욱이, 상기 내부 단자(124)는 상기 배선패턴(121b)과 일체로 형성될 수도 있다. 또한, 상기 내부 단자(124)는 배선패턴(121b)에 도금층이 두껍게 형성되어 이루어질 수도 있다.
이러한 구조에 의해, 실질적으로 셀탭(113)과 내부 단자(124)에서 발생한 열은 배선패턴(121b)을 통하여 양성온도소자(125)에 전달되기도 한다. 그러나, 상기 배선패턴(121b)은 두께가 얇아 상기 열전달부재(160)만큼 효율 좋게 열을 전달하지는 않는다. 따라서, 상기 배선패턴(121b)을 통한 열전달 효율을 향상시키기 위해서, 상기 배선패턴(121b)의 두께는 상대적으로 두꺼워질 수 있다.
상기 양성온도소자(125)에 전달되는 열은 크게 세가지 경로를 갖는다. 첫째, 배터리 셀로(110)부터 프레임 케이스의 평면부(131)를 통하여 양성온도소자(125)로 전달되는 경로, 둘째, 셀탭(113) 및 내부 단자(124)로부터 배선 패턴(121b)을 통하여 양성온도소자(125)로 전달되는 경로, 셋째, 셀탭(113) 및 내부 단자(124)로부터 열전달부재(160)를 통하여 양성온도소자(125)로 전달되는 경로이다.
이중에서, 상기 열전달부재(160)를 통한 열 전달 효율이 가장 우수하고, 다음으로 배선패턴(121b) 및 프레임 케이스의 평면부(131)를 통한 열 전달 효율이 우수하다.
상기 열전달부재(160)는 전기적으로 절연성이고, 열적으로 도전성인 것이면 어떤 것을 사용해도 좋다. 일례로, 상기 열전달부재(160)는 세라믹 입자와 감압성 아크릴제 및 난연제로 이루어진 열전도성 아크릴릭 폼 테이프(Thermally Conductive Acrylic Foam Tape)일 수 있으나, 이로서 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 실질적으로 상기 열전달부재(160)는 열전도부(161)와 접착부(162)로 이루어질 수 있다. 즉, 통상적으로 열전도부(161)는 접착성이 없기 때문에, 표면에 얇은 접착부(162)가 형성될 수 있다. 상기 접착부(162)는 상기 열전도부(161)의 일면 또는 양면에 형성될 수 있다. 즉, 상기 열전달부재(160)는 열전도부(161)를 중심으로 양면에 접착부(162)가 형성된 양면 접착 테이프 형태일 수 있다. 물론, 추후 기술이 발전하여 상기 열전도부(161) 자체가 접착성을 갖게 된다면, 상기 열전도부(161)의 표면에 별도의 접착부(162)가 형성될 필요는 없다.
도 4b에서는 열전도부(161)의 일면에만 접착부(162)가 형성되어, 상기 셀탭(113) 및 양성온도소자(125)에 접착된 열전달부재(160)가 도시되어 있다.
추가적으로, 상기 열전달부재(160)에는 열이 잘 방출되지 않는 단열부(163)가 더 형성될 수도 있다. 상기 단열부(163)는 상기 셀탭(113)으로부터 상기 열전도부(161)에 열이 흡수된 이후, 상기 열이 외부로 잘 빠져나가지 않도록 한다. 따라서, 상기 셀탭(113)을 통하여 한번 흡수된 열은 상기 열전도부(161)에 오래 머무름으로써, 상기 양성온도소자(125)에의 열전도율이 더욱 향상된다. 이러한 단열부(163)는 열전도율이 0.03~0.06 W/m-k인 발포 폴리스틸렌 절연재(Foam Polystyrene Thermal Insulation Material), 압축발포 폴리스틸렌판(Extruded Foam Polystyrene Board), 고발포 폴리스틸렌, 유리면((Thermal Insulation Material Made of Glass Wool), 암면(Thermal Insulation Material Made of Rock Wool), 발포 폴리에틸렌(Foam polyethylene Thermal Insulation Material), 폴리우레탄폼, 질석(Vermiculite), 퍼라이트(Perlite, Pearl stone) 및 그 등가물중에서 선택된 어느 하나가 가능하나, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 더불어, 이러한 단열부(163)는 배터리 셀(110)로부터 평면부(131)를 통하여 전달되는 열이 열전달부재(160)에 양호하게 전달되기를 원할 경우에는, 생략될 수도 있다. 이하의 설명에서도 상기 단열부는 생략 가능하다.
한편, 상기 열전달부재(160), 특히 열전달부(161) 및 접착부(162)로 이루어진 열전달부재(160)는 대한민국 소재 삼도산업에서 제공되는 모델명 SD-AT090, SD-AT040C, SD-AT045, STC-2400, STC-2250 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 일례로, 상기 STC-2250의 물성을 기재하면 다음과 같다.
Figure pat00001
여기서, 초기 점착력은 KSA 1529(대한민국 공인규격)를 기본으로하여 180도 당겨 벗김법으로 점착력을 측정한 것이다.
- 방치 시간: 30분
- 측정속도: 300mm/min
- 측정폭: 10mm
또한, 상기 상태 점착력은 초기 점착력과 같은 방법으로 하되, 열전달부재의 부착후 방치 시간을 1일(24시간)로 하여 측정한 것이다.
또한, 상기 HCR은 SUS(Stainless Steel Panle)에 25 x 25mm 크기로 붙인 후 500g 추를 매달고 20분에 10℃씩 올려가며 추가 떨어지는 온도 또는 밀린 거리를 측정한 것이다.
이러한 열전달부재(160)는 높은 열전도계수(K > 0.8 W/m-K)와 낮은 열저항, 그리고 열의 균일한 분산 효과(온도의 균일성)가 있고, 또한 고온에 대한 기계적 강도(전단 인장강도)가 크며, 고온에 대한 점착력의 유지력이 우수하다.
따라서, 상기 열전달부재(160)는 과전류로 인하여 셀탭(113)과 내부 단자(124)가 과열될 경우, 이러한 열을 신속하게 양성온도소자(125)로 전달할 뿐만 아니라, 상기 열전달부재(160)는 고온의 환경에서도 기계적 강도 및 점착력이 떨어지지 않아, 본 발명의 한 실시예인 배터리 팩에 적용하기에 적합하다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달부재의 부착 상태를 도시한 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는, 열전달부재(260)가 셀탭(113)에만 접착될 수 있다. 즉, 접착부(262), 열전도부(261) 및 단열부(263)로 이루어진 열전달부재(260)가 오직 셀탭(113)에만 접착된다.
좀더 구체적으로 설명하면, 상기 접착부(262)가 셀탭(113)에만 접착되며, 그 표면에 열전도부(261)가 형성된다. 또한, 상기 열전도부(261)에는 단열부가 형성된다. 따라서, 상기 열전달부재(260)는 실질적으로 상기 셀탭(113)으로부터 열을 흡수하여, 외부로 잘 방출되지 않도록 한다. 결과적으로, 상기 셀탭(113)으로부터 발생된 열은 주로 배선패턴(121b)을 통하여 양성온도소자(125)에 전달된다. 즉, 상기 열전달부재(260)가 셀탭(113)과 양성온도소자(125)를 직접 연결하고 있는 것은 아니므로, 상기 열전달부재(260)에 축적되는 열은 셀탭(113)과 양성온도소자(125)를 전기적으로 연결하는 배선패턴(121b)을 통하여 상기 양성온도소자(125)로 전달된다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열전달부재의 부착 상태를 도시한 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 또다른 실시예에서는, 열전달부재(360)가 상기 셀탭(113), 내부단자(124) 및 양성온도소자(125)를 완전히 덮는다. 심지어 상기 열전달부재(360)는 상기 셀탭(113), 내부단자(124) 및 양성온도소자(125)의 외주연인 회로기판(121)의 일부 영역도 덮는다.
좀더 구체적으로 설명하면, 접착부(362)가 상기 셀탭(113), 내부단자(124), 양성온도소자(125) 및 그 외주연의 회로기판(121)에 접착된다. 물론, 열전도부(361)는 상기 접착부(362)에 형성된다. 마지막으로, 단열부(363)가 상기 열전도부(361)에 형성된다. 이와 같이 하여, 접착부(362), 열전도부(361) 및 단열부(363)는 상기 셀탭(113) 및 양성온도소자(125)의 표면을 완전히 덮을 뿐만 아니라, 그 외주연의 회로기판(121)도 덮는다.
따라서, 상기 셀탭(113)에서 발생된 열은 열전도부(361)를 통하여 양성온도소자(125)에 효율 좋게 전달되고, 상기 단열부(363)에 의해 열전도부(361)의 열이 외부로 방출되지 않는다. 따라서, 셀탭(113)의 발열시 상기 양성온도소자(125)가 매우 신속하게 동작한다. 실질적으로, 이와 같이 열전달부재(360)가 셀탭(113) 및 양성온도소자(125)의 표면까지 완전히 덮는 경우, 상기 열전달부재(360)의 열 전달 효율이 가장 좋다.
도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열전달부재의 부착 상태를 도시한 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 또다른 실시예에서는, 열전달부재(460)가 상기 셀탭(113) 및 내부단자(124)만을 완전히 덮는다. 더불어, 상기 열전달부재(460)는 상기 셀탭(113)의 외주연인 회로기판(121)의 일부 영역도 덮는다.
좀더 구체적으로 설명하면, 접착부(462)가 상기 셀탭(113) 및 내부 단자(124)및 그 외주연의 회로기판(121)에 접착된다. 물론, 열전도부(461)가 상기 접착부(462)에 형성된다. 마지막으로, 단열부(463)가 상기 열전도부(461)에 형성된다. 이와 같이 하여, 상기 셀탭(113)에서 발생된 열은 열전도부(461)를 통하여 흡수되고, 상기 단열부(463)에 의해 상기 열이 외부로 방출되지 않는다. 따라서, 셀탭(113)으로부터 발생된 열은 주로 배선패턴(121b)을 통하여 상기 양성온도소자(125)에 더욱 신속하게 전달된다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열전달부재의 부착 상태를 도시한 단면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 또다른 실시예에서는, 열전달부재(560)가 셀탭(113), 내부 단자(124) 및 내부 단자(124)의 외주연에 위치된 배선패턴(121b)도 덮는다.
좀더 구체적으로 설명하면, 내부 단자(124)의 외주연과 대응되는 배선패턴(121b)은 보호층(121f)이 형성되지 않는다. 따라서, 내부 단자(124)의 외주연과 대응되는 배선패턴(121b)은 노출된다.
또한, 열전달부재(560)의 접착부(562)가 상기 셀탭(113) 및 내부 단자(124)뿐만 아니라 그 외주연의 배선패턴(121b)에 접착된다. 물론, 열전도부(561)가 상기 접착부(562)에 형성된다. 마지막으로, 단열부(563)가 상기 열전도부(561)에 형성된다.
이와 같이 하여, 셀탭(113)으로부터 발생된 열은 열전달부재(560)를 통하여 배선패턴(121b)으로 신속하게 전달되고, 상기 열은 상기 배선패턴(121b)에 의해 상기 양성온도소자(125)에 신속하게 전달된다.
본 발명의 한 실시예는 첨부된 도면에 도시된 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 배터리 팩 110: 배터리 셀
120: 보호회로모듈 130: 프레임 케이스
140: 커버 150: 라벨
160; 열전달부재

Claims (28)

  1. 셀탭을 갖는 배터리 셀;
    상기 셀탭에 연결된 내부 단자와,
    상기 내부 단자에 연결된 양성온도(PTC)소자로 이루어진 보호회로기판; 및,
    상기 셀탭에 접촉하는 열전달부재를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전달부재는 상기 PTC 소자에 접촉함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    적어도 상기 배터리셀과 상기 보호회로기판 사이에 위치된 프레임 케이스를 더 포함하고,
    상기 열전달부재는 상기 프레임 케이스와 셀탭 사이에 위치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열전달부재는 상기 프레임 케이스에 접촉함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 열전달부재는 상기 프레임 케이스로부터 이격된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제2항에 있어서,
    적어도 상기 배터리셀과 상기 보호회로기판 사이에 위치된 프레임 케이스를 더 포함하고,
    상기 열전달부재는 상기 프레임 케이스와 셀탭 사이, 그리고 상기 프레임 케이스와 상기 PTC 소자 사이에 위치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열전달부재는 상기 프레임 케이스에 접촉함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 열전달부재는 상기 프레임 케이스로부터 이격된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열전달부재는 상기 내부 단자에 접촉함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열전달부재는 열도전성 아크릴릭 폼 테이프로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열도전성 아크릴릭 폼 테이프는 세라믹 입자들, 감압성 아크릴제, 및/또는 난연제로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 열전달부재는
    열도전층;
    상기 열도전층과 상기 셀탭 사이에 위치된 접착층; 및
    상기 배터리 셀을 향하는 상기 열도전층에 위치된 단열층(adiabatic insulating layer)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 열전달부재는
    상기 배터리 셀을 향하는 열도전층 위에 위치된 단열층을 더 포함함으로써, 상기 열도전층은 상기 단열층과 상기 셀 탭 사이에 위치됨을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 단열층은 0.03 W/m-K 내지 0.06 W/m-K의 열전도율을 가짐을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 단열층은 발포 폴리스틸렌 절연재, 압축발포 폴리스틸렌판, 유리면, 암면, 발포 폴리에틸렌, 폴리우레탄폼, 질석 및/또는 퍼라이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 열전달부재는
    열도전층;
    상기 열도전층 및 상기 셀 탭 사이에 위치된 제1접착층; 및
    상기 제1접착층의 반대면인 상기 열도전층에 위치된 제2접착층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 보호회로기판은
    절연층;
    상기 절연층의 내면 및 외면상에 각각 위치되고, 서로 도전 비아에 의해 연결된 내부 및 외부 연결 패턴들; 및,
    상기 연결 패턴들을 덮는 보호층을 포함하고,
    상기 내부 단자와 상기 PTC 소자는 상기 내부 연결 패턴에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 열전달부재는 상기 셀탭, 상기 내부 단자 및 상기 셀탭과 내부 단자 주변의 보호층에 접촉함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 열전달부재는 상기 셀탭, 상기 내부 단자, 상기 PTC 소자 및 상기 셀탭, 상기 내부 단자, 상기 PTC 소자 주변의 보호층에 접촉함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  20. 일면에 위치된 단자와, 타면에 위치되고 상기 단자와 연결된 양성온도(PTC)소자로 이루어진 보호회로기판;
    자신의 전극과 상기 단자 사이에 연결된 셀탭을 갖는 배터리 셀; 및,
    상기 셀탭에 접촉하는 열전달부재를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 셀탭은 상기 단자와 상기 배터리 셀 사이의 상기 단자 위에 위치됨을 특징으로 하는 배터리 팩.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 열전달부재는 상기 셀탭 및 상기 PTC 소자 양측에 모두 위치됨을 특징으로 하는 배터리 팩.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 단자는 상기 셀탭의 테두리를 초과하여 연장하고, 상기 열전달 부재는 상기 셀 탭 및 상기 단자에 모두 접촉함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 열전달부재는 상기 셀탭 및 상기 PTC 소자의 주변인 보호회로기판의 영역에 접촉함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 단자는 상기 셀탭의 테두리를 초과하여 연장하고, 상기 열전달부재는 상기 셀탭, 상기 단자, 상기 PTC 소자 및
    상기 셀탭, 상기 단자 및 상기 PTC 소자의 주변인 보호회로기판 영역에 접촉함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  26. 제20항에 있어서,
    상기 배터리 셀과 상기 보호회로기판 사이에 위치된 프레임 케이스를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 열전달부재는 상기 프레임 케이스에 접촉함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 열전달부재는 상기 프레임 케이스로부터 이격된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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