KR20110089670A - 대용량의 전지팩 - Google Patents

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KR20110089670A
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Abstract

본 발명은, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀들이 3개 이하의 개수로 측면 방향으로 배열되어 있고, 상기 전지셀들은 각각 3 암페어(Ah) 이상의 전기 용량을 가지면서 서로 전기적 직렬 연결되어 있는 전지셀 배열체; 전지팩의 작동을 제어하기 위해 전지셀 배열체의 상단부에 연결되고, 전지셀 전압 불균형을 조절하기 위한 기능이 제거된 보호회로를 포함하는 보호회로 모듈(PCM); 및 상기 전지셀 배열체 및 보호회로 모듈이 탑재되는 팩 케이스를 포함하고 있는 전지팩을 제공한다.

Description

대용량의 전지팩 {Battery Pack of High Capacity}
본 발명은 대용량의 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지셀들이 3개 이하의 개수로 측면 방향으로 배열되어 있고, 전지셀들은 각각 3 암페어(Ah) 이상의 전기 용량을 가지면서 서로 전기적 직렬 연결되어 있는 전지셀 배열체; 전지팩의 작동을 제어하기 위해 전지셀 배열체의 상단부에 연결되고, 전지셀 전압 불균형을 조절하기 위한 기능이 제거된 보호회로를 포함하는 보호회로 모듈(PCM); 및 전지셀 배열체 및 보호회로 모듈이 탑재되는 팩 케이스를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
이차전지에는 각종 가연성 물질들이 내장되어 있어서, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 발열, 폭발 등의 위험성이 있으므로, 안전성 측면에서 큰 단점을 가지고 있다. 따라서, 이차전지에는 과충전, 과전류 등의 비정상인 상태를 효과적으로 제어할 수 있는 안전소자로서 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자, 보호회로 모듈(Protection Circuit Module: PCM) 등이 전지셀에 접속된 상태로 탑재되어 있다.
한편, 이차전지는 전지셀의 기술적 및 설비적 한계와 안전성 및 낮은 수율 등의 이유로 인해 현재까지 노트북용 전지팩은 비교적 낮은 저용량의 전지셀 여러 개를 직렬 또는 병렬로 연결하여 소망하는 전지팩의 용량을 획득하였다.
또한, 현재까지 2P(병렬)-2S(직렬), 2P-3S, 2P-4S 등의 노트북용 전지팩이 주로 개발되었으며, 그러한 전지팩의 용량은 약 28Wh에서 90Wh까지 다양하다.
즉, 전지팩을 구성하는 전지셀의 기술적 한계로 인해 대용량의 전지셀을 제작하기 어려우므로, 저용량의 전지셀들(예를 들어, 2.5 암페어) 여러 개를 연결하여(예를 들어, 2P-2S, 2P-3S, 2P-4S 등) 소망하는 전지팩의 용량을 도출하고 있다.
일 예로, 도 1에는 종래의 2P-2S 구조의 전지팩의 분해도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 전지팩(100)은 전지셀들(30) 4개가 2P-2S 구조로 전기적 연결되어 있고, 전지팩의 작동을 제어하기 위해 전지셀들의 상단부에 보호회로 모듈(40) 및 유연회로기판(FPCB, 42)이 연결되어 있다.
또한, 전지셀들(30) 사이와 전지셀(30)과 하부 케이스(10)의 사이에 양면 접착 테이프(34)가 부착되어 있고, 전지셀들(30), 보호회로 모듈(40), 및 유연회로 기판(42)은 상부 케이스(20)와 하부 케이스(10)에 의해 밀폐되어 있다.
더욱이, 보호회로 모듈(40)은 전지셀들의 전기적 병렬 연결에 따른 전지셀들의 전압 불균형을 조절하기 위해 별도의 소자(도시하지 않음)를 포함하고 있다.
그러나, 상기와 같은 전지팩 구조에 있어서 전지셀들을 병렬로 연결하므로 전지팩의 동작 중 병렬로 연결된 전지셀 사이의 셀 전압 불균형 상태를 고려해야 하고, 이는 보호회로의 설계가 복잡해지는 문제점을 초래한다. 또한, 이로 인해 회로 부품 추가에 따른 비용이 증가하고, 전지팩의 제조 원가를 상승시키는 문제점도 발생한다. 더욱이, 보호회로의 오동작 및 허용 범위를 넘어서는 셀 전압 불균형으로 인해, 전지팩 불량이 다수 발생하는 문제점도 초래된다.
결과적으로, 상기와 같은 전지팩의 제조기술은 저용량의 전지셀들 여러 개를 연결하여 전지팩을 구현하므로, 전지셀의 수량 증가에 따른 직렬 및 병렬 연결을 위한 배선이 복잡해지고, 이는 전지팩의 조립을 복잡하게 하여 생산성이 감소되고, 생산 중 조립 불량과 같은 불량율이 증가하게 된다.
따라서, 전지셀들의 병렬 연결을 필요로 하지 않으면서 대용량을 가질 수 있는 특정 구조의 전지팩이 매우 필요한 실정이다.
한편, 노트북 컴퓨터에 장착되는 전지팩은 고출력 및 대용량을 필요로 한다. 이를 위해, 종래에는 다수의 원통형 전지셀들로 구성된 원통형 전지팩이 주로 사용되었으나, 최근에는 노트북 컴퓨터가 경박단소화 되는 관계로, 슬림화된 전지팩이 매우 필요한 실정이다.
따라서, 슬림화된 전지팩을 제조하기 위해 고용량의 파우치형 전지셀들을 사용하여 전체적인 전기용량을 증가시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 병렬 연결 구조를 사용하지 않고도 대용량의 전지팩을 구현함과 동시에, 병렬 연결시 전지셀들 사이의 전압 불균형으로 인한 불량율을 감소시킬 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 간단하고 용이한 방법으로 제조되며, 부품수를 줄임으로써, 제조비용을 절감할 수 있는 대용량의 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,
(a) 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀들이 3개 이하의 개수로 측면 방향으로 배열되어 있고, 상기 전지셀들은 각각 3 암페어(Ah) 이상의 전기 용량을 가지면서 서로 전기적 직렬 연결되어 있는 전지셀 배열체;
(b) 전지팩의 작동을 제어하기 위해 전지셀 배열체의 상단부에 연결되고, 전지셀 전압 불균형을 조절하기 위한 기능이 제거된 보호회로를 포함하는 보호회로 모듈(PCM); 및
(c) 상기 전지셀 배열체 및 보호회로 모듈이 탑재되는 팩 케이스;
를 포함하고 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 3 암페어 이상의 전기용량을 가지는 전지셀들로 구성되므로, 2.5 암페어의 전기용량을 가지는 전지셀들 4개 이상으로 구성된 노트북용 전지팩과 비교하여, 전지셀 수량이 3개 이하로 적게되어 보다 간결한 방식으로 전지팩을 조립할 수 있다.
또한, 전지셀들을 전기적 직렬로만 연결하고 있으므로, 전지셀들의 전기적 병렬 연결을 포함하는 종래의 노트북용 전지팩과 비교하여, 전지셀들 사이의 전압 불균형으로 인한 전지팩의 불량을 감소시킬 수 있다.
더욱이, 전기적 병렬 연결을 사용하고 있지 않으므로, 종래의 전기적 병렬로 연결된 전지셀들 사이의 전압 불균형 방지를 위한 보호회로의 기능중 셀 전압 불균형 보정 기능을 제거할 수 있고, 이는 보호회로를 보다 간결하게 설계하고 회로 부품을 감소시키므로, 전지팩의 제조원가를 크게 절감할 수 있다.
상기 전기적 직렬 연결은 전기적 병렬 연결이 2개 이상 포함되는 구조가 아니면 특별한 제한은 없으며, 바람직하게는 1P(병렬)-2S(직렬) 또는 1P-3S로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기의 전기적 직렬 연결 구조는 3개 이하의 전지셀들로 구성되므로 대용량이면서 보다 콤팩트한 구조의 전지팩을 제조할 수 있다.
상기 전지팩은 충방전시 전지셀 배열체의 두께 증가에 따른 공간을 확보할 수 있도록, 팩 케이스와 전지셀 배열체 사이에 스페이서를 추가로 장착하고 있는 구조일 수 있다.
따라서, 팩 케이스와 전지셀 배열체 사이에 장착되는 스페이서에 의해, 팩 케이스의 두께를 균일하게 하면서도 충방전시 전지셀 배열체의 두께 증가에 따른 공간을 확보할 수 있으므로, 전지팩 전체의 중량 및 크기 증가를 최소화할 수 있다.
더욱이, 팩 케이스의 두께를 국부적으로 얇게 성형하는 종래의 전지팩 구조와 비교하여, 팩 케이스의 두께를 균일하게 할 수 있으므로, 사출성형에 따른 불량을 최소화할 수 있다.
본 출원의 발명자들이 실험한 결과에 의하면, 이차전지는 충방전을 300 내지 500 사이클 수행하면 두께가 충방전 사이클 이전의 두께와 비교하여 5 내지 10% 증가하게 된다. 따라서, 이러한 전지의 두께 증가분을 상쇄시키기 위해, 스페이서의 두께는 전지셀 배열체의 두께를 기준으로 5 내지 10%의 크기로 이루어지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 7 내지 8%의 크기로 이루어질 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 팩 케이스는 플라스틱 소재로 이루어져 있고, 상기 스페이서는 시트 부재 또는 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 팩 케이스는 금속 케이스로 이루어진 팩 케이스와 비교하여, 전지팩의 무게를 감소시키고 복잡한 형상의 제품도 용이하게 구현할 수 있다.
상기 시트 부재는 바람직하게는 노맥스(Nomex) 소재로 이루어질 수 있다. 참고로 노맥스(Nomex)는 듀퐁사의 시판 제품이다.
한편, 상기 스페이서가 전지셀 배열체의 외면에 접착될 수 있도록, 스페이서의 상면 또는 하면에는 접착제가 부가되어 있는 구조로 이루어져 있어서, 스페이서가 정위치 이탈하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 이와는 달리, 스페이서가 양면 접착 테이프로 이루어질 수 있음은 물론이다.
상기 스페이서는, 바람직하게는, 전지셀의 4개의 모서리 중 2개 또는 그 이상의 모서리들의 상면과 하면에 소정의 폭으로 장착되어 있는 구조로 이루어질 수 있으며, 이러한 구조에서, 스페이서의 폭은 전지셀의 폭을 기준으로 5 내지 20%의 크기일 수 있다.
스페이서의 폭이 전지셀의 폭을 기준으로 5%의 크기보다 작으면 폭이 지나치게 좁아 스페이서가 파손될 가능성이 높은 문제점이 있고, 20%의 크기보다 크면 전지셀 배열체의 두께 증가를 상쇄하는 공간이 부족하게 되므로 바람직하지 않다.
하나의 바람직한 예로서, 상기 스페이서는 스트립 부재일 수 있다.
또 다른 하나의 바람직한 예로서, 상기 스페이서는 전지셀의 상면 또는 하면이 노출된 상태로 다수의 전지셀들에 동시에 장착될 수 있는 격자형 부재일 수 있다.
한편, 상기 보호회로 모듈은 전지셀들의 전극단자들과 저항용접에 의해 연결되는 접속단자, 전지셀들을 전기적 연결하는 금속 플레이트, 및 전지팩의 작동을 제어하는 보호회로를 포함하는 구조일 수 있다.
상기 구조의 하나의 바람직한 예로서, 전지셀들을 전기적 연결하기 위한 금속 플레이트가 보호회로 모듈의 상면에 형성되어 있는 구조일 수 있으며, 이러한 구조는 전지셀들을 전기적 연결하기 위해 PCM의 보호회로 내부의 레이어(layer)에 금속 배선을 형성한 종래의 전지팩 구조와 비교하여, PCM의 제조 및 전지팩의 조립이 용이하다.
상기 구조의 또 다른 예로서, 전지셀들의 양극단자와 보호회로 모듈의 전기적 접속부위는, 보호회로 모듈의 접속단자 상에 부착된 도전성 플레이트가 전지셀들의 양극단자를 감싸는 형태로 용접되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 구조의 전지팩은 특정한 구조의 도전성 플레이트에 의해 보호회로 모듈의 접속단자와 전지셀들의 양극단자들을 높은 용접 결합력으로 직접 연결하며, 보호회로 모듈에 포함된 금속 플레이트에 의해 전지셀들을 전기적 직렬 연결함으로써, 대용량을 가지는 전지팩을 간단한 방법으로 용이하게 제조할 수 있다.
예를 들어, 3개의 전지셀들로 전지팩을 구성하는 경우, 각각의 전지셀들을 측면 방향으로 배열하여 전지셀 배열체를 구성하고, 전지셀 배열체와 PCM을 팩 케이스에 탑재한 후, 전지셀들의 전극단자와 PCM의 접속단자를 저항용접에 의해 연결함으로써, 소망하는 전지팩을 제조할 수 있다.
구체적으로는, 상기 도전성 플레이트는 보호회로 모듈의 접속단자 상에 절곡 가능한 형상으로 부착되어 있고, 전지셀들의 양극단자가 도전성 플레이트 상에 위치한 상태에서 "ㄷ"자 형상으로 절곡된 후, 도전성 플레이트의 절곡면 상부로부터 저항 용접이 수행됨으로써, 보호회로 모듈의 접속단자와 전지셀들의 양극단자 사이에 물리적 결합 및 전기적 연결이 달성되는 구조일 수 있다.
상기 도전성 플레이트의 절곡 가능한 형상은 절곡이 용이한 형상이면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 보호회로 모듈의 접속단자 상에 부착된 상태에서 "L"자 형상일 수 있다.
상기 도전성 플레이트는 보호회로모듈의 접속단자 상에 부착된 제 1 접속부와 전지셀들의 양극단자 상면에 부착된 제 2 접속부로 이루어져 있어서, 전지셀들의 양극단자와 보호회로 모듈의 접속단자의 접속을 더욱 견고히 할 수 있고, 외력이 인가되는 경우 전지셀들의 양극단자와 보호회로 모듈의 전기적 접속부위가 변형되는 것을 방지할 수 있다.
상기 도전성 플레이트는 상기와 같은 용접 형태에 의해 높은 결합력을 제공하는 소재라면 그것의 종류가 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 니켈 플레이트일 수 있고, 이에 대응하여 전지셀들의 양극단자는 알루미늄 단자로 이루어질 수 있다.
따라서, 니켈 플레이트와 알루미늄 단자의 저항 용접시, 저항 용접봉의 전류가 저항이 높은 니켈 플레이트로부터 저항이 낮은 알루미늄 단자로 흐르게 되므로, 니켈 플레이트와 알루미늄 단자 사이에서 저항 용접이 용이하게 달성될 수 있다.
상기 팩 케이스는, 바람직하게는, 전지셀 배열체와 보호회로 모듈을 탑재하는 하부 케이스와, 상기 하부 케이스를 덮어 전지셀 배열체와 보호회로 모듈을 정위치 고정하기 위한 상부 케이스로 구성되어 있을 수 있다.
상기 하부 케이스는 전지셀들이 탑재되는 전지셀 장착부와 보호회로 모듈이 탑재되는 보호회로 모듈 장착부로 구획되어 있으며, 상기 전지셀 장착부와 보호회로 모듈 장착부가 접하는 부위에는 구획을 형성하기 위한 격벽이 형성되어 있고, 격벽 중 전지셀들의 전극단자와 보호회로 모듈의 전기적 접속부위에 대응하는 부위에는 전지셀들의 전극단자가 보호회로 모듈 방향으로 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 팩 케이스 구조는 전지셀 장착부와 보호회로 모듈 장착부가 접하는 부위에 구획을 형성하기 위한 격벽이 형성되어 있으므로, 전지셀들의 전극단자와 보호회로 모듈의 부품들이 접촉되는 것을 억제하고, 전지셀로부터 전해액이 누출되는 경우에도 보호회로 모듈 쪽으로 이동하는 것을 억제하여, 결과적으로 단락이 초래되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 격벽 중 전지셀들의 전극단자와 보호회로 모듈의 전기적 접속부위에 대응하는 부위에는 전지셀들의 전극단자가 보호회로 모듈 방향으로 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있으므로, 개구를 통해 노출된 전지셀들의 전극단자를 보호회로 모듈의 접속단자에 용이하게 용접할 수 있다.
상기 격벽의 높이는, 바람직하게는, 전지셀 장착부와 보호회로 모듈 장착부를 상호 간에 완전히 차단하는 높이일 수 있다.
바람직하게는, 상기 보호회로 모듈 장착부는 전지셀의 전극단자와 보호회로 모듈의 전기적 접속부위를 지지하기 위한 지지부를 포함하는 구조일 수 있다.
상기 지지부는 전지셀의 전극단자와 보호회로 모듈의 전기적 접속부위를 용이하게 지지할 수 있는 구조이면 특별히 제한되는 것은 아니며, 하나의 예로서, 상향 돌기 구조로 하부 케이스 상에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 지지부는 바람직하게는 십자형 돌기 구조로 이루어져 있어서, 전지셀들의 전극단자와 보호회로 모듈의 저항용접시 전지셀의 전극단자와 보호회로 모듈의 전기적 접속부위를 보다 안정적으로 지지할 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩은, 전지셀의 종류 및 외형에 관계없이 다양하게 적용 가능하며, 바람직하게는 폭 대비 두께가 얇은 대략 직육면체 구조로 이루어진 파우치형 이차전지, 더욱 바람직하게는 파우치형 리튬 이차전지를 전지셀로서 포함하는 전지팩에 적용될 수 있다.
경우에 따라서는, 전지팩에 대한 전류의 입력 및 출력과 정보의 송수신을 행하는 외부 입출력 단자가 보호회로 모듈의 전면에 만입된 형태로 장착되어 있는 구조일 수 있다.
이러한 구조에서, 상기 외부 입출력 단자는 커넥터 구조로 이루어져 있어서, 전지팩이 장착되는 외부 디바이스와 안정적으로 연결될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 노트북 컴퓨터를 제공한다.
그러나, 본 발명에 따른 전지팩은 전지셀의 개수를 가변적으로 조절하여 디바이스가 소망하는 출력과 용량을 제공하도록 제조될 수 있으므로, 노트북 컴퓨터뿐만 아니라, 가변적인 전지 용량을 필요로 하는 다양한 디바이스에 적용될 수 있음은 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은, 대용량의 특성을 발휘할 수 있도록 각각 3 암페어 이상의 전기용량을 가지는 3개 이하의 전지셀들을 측면방향으로 전기적 직렬 연결한 구조로 이루어져 있으므로, 병렬 연결 구조를 사용하지 않고도 대용량의 전지팩을 구현함과 동시에 병렬 연결시 전지셀들 사이의 전압 불균형으로 인한 불량율을 크게 감소시킬 수 있다.
또한, 보호회로 모듈이 전지셀의 전압 불균형을 조절하는 소자를 포함하고 있지 않으므로, 간단하고 용이한 방법으로 제조되며, 부품수를 간소화함으로써 제조비용을 크게 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 2P-2S 구조의 전지팩의 분해도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 분해도이다;
도 3 및 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 분해도들이다;
도 5는 도 4에서 전지셀 배열체의 상단에 스페이서를 장착한 구조의 사시도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 분해도이다;
도 7은 도 6의 스페이서를 확대한 모식도이다;
도 8은 도 6의 A 부위를 확대한 모식도이다;
도 9는 도 6의 B 부위를 확대한 모식도이다;
도 10은 하부 케이스의 사시도이다;
도 11은 도 10의 C 부위를 확대한 모식도이다;
도 12는 본 발명의 저항용접 구조를 나타내는 모식도이다;
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 전지셀들을 전기적 연결하는 구조의 부분 사시도이다;
도 14는 도 13의 PCM을 확대한 평면 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 분해도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지팩(100a)은 각각 3 암페어의 전기 용량을 가지는 2개의 전지셀들(32a)이 측면 방향으로 배열되어 있고 서로 전기적 직렬 연결되어 있는 전지셀 배열체(30a)와, 전지셀 배열체(30a)의 상단부에 연결되는 보호회로 모듈(40a), 및 전지셀 배열체(30a)와 보호회로 모듈(40a)이 탑재되는 팩 케이스(10a, 20a)로 구성되어 있다.
보호회로 모듈(40a)은 전지셀 전압 불균형을 조절하기 위한 기능이 제거된 보호회로를 포함하고 있다.
전지셀들(32a)은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 파우치형 이차전지로서, 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 대략 직육면체 구조인 판상형으로 이루어져 있다. 이러한 파우치형 이차전지는 일반적으로 파우치형의 전지케이스로 이루어져 있으며, 상기 전지케이스는 내구성이 우수한 고분자 수지로 이루어진 외부 피복층; 수분, 공기 등에 대해 차단성을 발휘하는 금속 소재로 이루어진 차단층; 및 열융착될 수 있는 고분자 수지로 이루어진 내부 실란트층이 순차적으로 적층되어 있는 라미네이트 시트 구조로 구성되어 있다.
팩 케이스는 전지셀 배열체(30a)와 보호회로 모듈(40a)을 탑재하는 하부 케이스(10a)와, 하부 케이스(10a)를 덮어 전지셀 배열체(30a)와 보호회로 모듈(40a)을 정위치 고정하기 위한 상부 케이스(20a)로 구성되어 있다.
도 3 및 도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 분해도들이 모식적으로 도시되어 있다.
먼저 도 3을 참조하면, 도 3의 전지팩(100b)은 전지셀들(32b) 3개가 전기적 직렬 연결되어 있는 구조를 제외하고는 도 2의 구조와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
다음으로 도 4를 참조하면, 도 4의 전지팩(100c)에서, 상부 케이스(20c)와 하부 케이스(10c)는 플라스틱 소재로 이루어져 있고, 스페이서들(50c, 52c)은 노맥스 소재의 양면 접착테이프로 이루어져 있다.
스페이서들(50c, 52c)은 전지셀 배열체(30c)의 상면에 장착되는 상부 스페이서(52c)와 하부 스페이서(50c)로 구성되어 있고, 두께가 전지셀(32c)의 두께를 기준으로 약 8%의 크기로 이루어져 있다.
도 5에는 도 4에서 전지셀 배열체의 상단에 스페이서를 장착한 구조의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 상부 스페이서(52c)는 폭(w)이 전지셀(32c)의 폭(W)을 기준으로 약 20%의 크기인 제 1 상부 스페이서들(523c, 524c)과 약 10%의 크기인 제 2 상부 스페이서들(521c, 522c)로 구성되어 있다.
따라서, 충방전시 전지셀(32c)의 증가된 두께는 제 1 상부 스페이서들(523c, 524c)과 제 2 상부 스페이서들(521c, 522c) 사이의 공간(S)에서 상쇄되어, 전지팩 전체의 두께 변화를 초래하지 않는다.
또한, 제 1 상부 스페이서들(523c, 524c)과 제 2 상부 스페이서들(521c, 522c)은 전지셀(32c)의 4개의 모서리 중 2개 모서리들의 상면에 장착되어 있고, 가늘고 긴 스트립 부재의 형상을 가지고 있다.
도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 분해도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 7에는 도 6의 스페이서를 확대한 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 스페이서들(50d, 52d)은 전지셀(32d)의 4개의 모서리 중 4개 모서리들의 상면과 하면에 장착되어 있고, 전지셀(32d)의 상면 또는 하면이 노출된 상태로 다수의 전지셀들(32d)에 동시에 장착될 수 있는 격자형 부재로 이루어져 있다.
도 8에는 도 5의 A 부위를 확대한 모식도가 도시되어 있고, 도 9에는 도 5의 B 부위를 확대한 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 도 5와 함께 참조하면, 하부 케이스(10c)는 전지셀들(32c)이 탑재되는 전지셀 장착부(12c)와 보호회로 모듈(40c)이 탑재되는 보호회로 모듈 장착부(14c)로 구획되어 있다.
전지셀 장착부(12c)와 보호회로 모듈 장착부(14c)가 접하는 부위에는 구획을 형성하기 위한 격벽(16c)이 형성되어 있고, 격벽(16c) 중 전지셀(32c)의 음극단자(34c)와 보호회로 모듈(40c)의 전기적 접속부위에 대응하는 부위에는 전지셀(32c)의 음극단자(34c)가 보호회로 모듈(40c) 방향으로 노출될 수 있도록 개구(18c)가 형성되어 있다.
격벽(16c)의 높이(h)는 전지셀 장착부(12c)와 보호회로 모듈(40c) 상호간을 완전히 격리하는 높이로 형성되어 있다. 경우에 따라서는, 상기와 같은 격리를 위해, 상부 케이스(도시하지 않음)에 대응하는 격벽이 형성되어 있는 구조일 수도 있다.
보호회로 모듈(40c)은 전지셀(32c)의 양극단자(33c)와 저항용접에 의해 연결되는 접속단자(42c), 접속단자(42c) 상호간을 전기적 연결하는 금속 플레이트(도시하지 않음), 및 전지팩의 작동을 제어하는 보호회로(도시하지 않음)를 포함하고 있다.
전지셀(32c)의 양극단자(33c)와 보호회로 모듈(40c)의 전기적 접속부위(B)는, 보호회로 모듈(40c)의 접속단자(42c) 상에 부착된 도전성 플레이트(41c)가 전지셀의 양극단자(33c)를 감싸는 형태로 이루어져 있다.
또한, 니켈 플레이트인 도전성 플레이트(41c)는 보호회로 모듈(40c)의 접속단자(42c) 상에 부착된 제 1 접속부(43c)와 알루미늄 단자인 전지셀의 양극단자 상면에 부착되는 제 2 접속부(44c)로 이루어져 있다.
구체적으로는, 도전성 플레이트(41c)는 보호회로 모듈(40c)의 접속단자(42c) 상에 'L'자 형상으로 부착되어 있고, 전지셀(32c)의 양극단자(33c)가 도전성 플레이트(41c)의 제 1 접속부(43c) 상에 위치한 상태에서 "ㄷ"자 형상으로 절곡된 후, 도전성 플레이트(41c)의 절곡면인 제 2 접속부(44c)의 상부로부터 저항 용접이 수행된다.
한편, 전지팩에 대한 전류의 입력 및 출력과 정보의 송수신을 행하는 외부 입출력 단자인 커넥터(46c)는 보호회로 모듈(40c)의 전면에 만입된 형태로 장착되어 있다.
도 10에는 하부 케이스의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 11에는 도 10의 C 부위를 확대한 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 도 5 및 도 9와 함께 참조하면, 하부 케이스(10c)의 보호회로 모듈 장착부(14c)에는 전지팩에 대한 전류의 입력 및 출력과 정보의 송수신을 행하는 외부 입출력 단자(46c)를 탑재하기 위한 외부 입출력 단자 장착부(15c)가 형성되어 있다.
또한, 전지셀(32c)의 양극단자(33c)와 보호회로 모듈(40c)의 전기적 접속부위를 지지하기 위한 지지부(13c)가 상향 십자형 돌기 구조로 하부 케이스(10c) 상에 격벽(16c)에 연결된 상태로 형성되어 있다. 이러한 지지부(13c)는 저항 용접 과정에서 양극단자(33c) 상에 위치하게 될 용접용 팁(도시하지 않음)에 의해 가해지는 하향 압력을 적절히 지지하여 높은 용접력을 제공한다.
도 12에는 본 발명의 저항용접 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 12를 참조하면, 보호회로 기판(410)의 상면에 위치한 니켈 플레이트(430)와 알루미늄 단자(420)의 저항 용접시 저항 용접봉(440)으로부터 발생한 전류가, 저항이 높은 니켈 플레이트(430)로부터 저항이 낮은 알루미늄 단자(420)로 흐른 후 다시 니켈 플레이트(430)로 흐르는 과정에서, 알루미늄 단자(420)와 니켈 플레이트(430) 사이의 계면에서 저항차로 인한 열이 발생하여, 니켈 플레이트(430)와 알루미늄 단자(420)의 저항 용접이 용이하게 달성된다.
도 13에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 전지셀들을 전기적 연결하는 구조의 부분 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 14에는 도 13의 PCM을 확대한 평면 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지셀들(32d, 34d, 36d)을 전기적 연결하기 위해 금속 플레이트(402d)가 제 1 전지셀(32d)의 음극단자(324d)와 제 2 전지셀(34d)의 양극단자(342d)를 직렬 연결하는 구조로 보호회로 모듈(40d)의 상면에 형성되어 있다.
또한, 보호회로모듈(40d)은 과충전, 과방전, 과전류를 제어하는 보호회로가 형성되어 있는 PCM 본체(401d), 전지셀들(32d, 34d, 36d)에 대한 직접적인 전기적 연결을 위해, 전지셀들(32d, 34d, 36d)의 전극단자에 대응하는 위치에 형성되어 있는 접속단자들(404d, 407d), 접속단자들(404d, 407d)의 전기적 연결을 위해 상면에 형성되어 있는 금속 플레이트들(405d), 및 전지팩에 대한 전류의 입력 및 출력과 정보의 송수신을 수행하기 위해 전면에 만입된 형태로 장착되어 있는 외부 입출력 단자(403d)로 구성되어 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (18)

  1. (a) 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀들이 3개 이하의 개수로 측면 방향으로 배열되어 있고, 상기 전지셀들은 각각 3 암페어(Ah) 이상의 전기 용량을 가지면서 서로 전기적 직렬 연결되어 있는 전지셀 배열체;
    (b) 전지팩의 작동을 제어하기 위해 전지셀 배열체의 상단부에 연결되고, 전지셀 전압 불균형을 조절하기 위한 기능이 제거된 보호회로를 포함하는 보호회로 모듈(PCM); 및
    (c) 상기 전지셀 배열체 및 보호회로 모듈이 탑재되는 팩 케이스;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전기적 직렬 연결은 1P(병렬)-2S(직렬) 또는 1P-3S로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 충방전시 전지셀 배열체의 두께 증가에 따른 공간을 확보할 수 있도록, 팩 케이스와 전지셀 배열체 사이에 스페이서를 추가로 장착하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 스페이서의 두께는 전지셀 배열체의 두께를 기준으로 5 내지 10%의 크기인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 팩 케이스는 플라스틱 소재로 이루어져 있고, 상기 스페이서는 시트부재 또는 플라스틱 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 스페이서는 전지셀 배열체의 외면에 접착될 수 있도록, 스페이서의 상면 또는 하면에는 접착제가 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 스페이서는 전지셀의 4개의 모서리 중 2개 또는 그 이상의 모서리들의 상면과 하면에 소정의 폭으로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 보호회로 모듈은 전지셀들의 전극단자들과 저항용접에 의해 연결되는 접속단자, 전지셀들을 전기적 연결하는 금속 플레이트, 및 전지팩의 작동을 제어하는 보호회로를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전지셀들을 전기적으로 연결하기 위한 금속 플레이트가 보호회로 모듈의 상면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 전지셀들의 양극단자와 보호회로 모듈의 전기적 접속부위는, 보호회로 모듈의 접속단자 상에 부착된 도전성 플레이트가 전지셀들의 양극단자를 감싸는 형태로 용접되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 도전성 플레이트는 보호회로 모듈의 접속단자 상에 부착된 제 1 접속부와 전지셀들의 양극단자 상면에 부착된 제 2 접속부로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 도전성 플레이트는 니켈 플레이트이고 전지셀들의 양극단자는 알루미늄 단자인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 케이스는 전지셀 배열체와 보호회로 모듈을 탑재하는 하부 케이스와, 상기 하부 케이스를 덮어 전지셀 배열체와 보호회로 모듈을 정위치 고정하기 위한 상부 케이스로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 하부 케이스는 전지셀들이 탑재되는 전지셀 장착부와 보호회로 모듈이 탑재되는 보호회로 모듈 장착부로 구획되어 있으며,
    상기 전지셀 장착부와 보호회로 모듈 장착부가 접하는 부위에는 구획을 형성하기 위한 격벽이 형성되어 있고, 격벽 중 전지셀들의 전극단자와 보호회로 모듈의 전기적 접속부위에 대응하는 부위에는 전지셀들의 전극단자가 보호회로 모듈 방향으로 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 보호회로 모듈 장착부는 전지셀의 전극단자와 보호회로 모듈의 전기적 접속부위를 지지하기 위한 지지부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 파우치형 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 1 항에 있어서, 전지팩에 대한 전류의 입력 및 출력과 정보의 송수신을 행하는 외부 입출력 단자가 보호회로 모듈의 전면에 만입된 형태로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 1 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 노트북 컴퓨터.
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