KR20130047184A - 신규한 구조의 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제 1 전극단자 및 제 2 전극단자를 포함하고 있는 전지셀; 보호회로가 형성되어 있고 안전소자가 장착되어 있는 기판(PCB), 및 상기 전지셀의 제 1 및 제 2 전극단자들에 접속되는 접속부재들(A, B)를 포함하고 있는 보호회로모듈(PCM); 상기 전지셀이 장착되는 구조로 이루어져 있고 상기 PCB가 상단에 장착되는 절연성 장착부가 형성되어 있는 전기 절연성의 팩 프레임; 상기 PCM를 감싸면서 전지셀의 상단에 장착되는 전기 절연성의 상단 캡; 상기 전지셀의 적어도 일면에 장착되어 있고 PCM에 접속되어 있는 전자기 유동 방식의 충전용 코일; 및 상기 전지셀과 충전용 코일 사이에 개재되어 있는 차폐부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

신규한 구조의 전지팩 {Battery Pack of Novel Structure}
본 발명은 무선 충전식 전지팩으로서, 더욱 상게하게는, 제 1 전극단자 및 제 2 전극단자를 포함하고 있는 전지셀; 보호회로가 형성되어 있고 안전소자가 장착되어 있는 기판(PCB), 및 상기 전지셀의 제 1 및 제 2 전극단자들에 접속되는 접속부재들를 포함하고 있는 보호회로모듈(PCM); 상기 전지셀이 장착되는 구조로 이루어져 있고 상기 PCB가 상단에 장착되는 절연성 장착부가 형성되어 있는 전기 절연성의 팩 프레임; 상기 PCM를 감싸면서 전지셀의 상단에 장착되는 전기 절연성의 상단 캡; 상기 전지셀의 적어도 일면에 장착되어 있고 PCM에 접속되어 있는 전자기 유동 방식의 충전용 코일; 및 상기 전지셀과 충전용 코일 사이에 개재되어 있는 차폐부재;를 포함하는 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 1개의 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 전지팩의 사용이 요구된다.
이차전지 중에서도 리튬 이차전지는 높은 출력 특성과 큰 용량으로 인해 많이 사용되고 있다.
그러나, 리튬 이차전지에는 각종 가연성 물질들이 내장되어 있어서, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 발열, 폭발 등의 위험성이 있으므로, 안전성에 큰 단점을 가지고 있다. 따라서, 리튬 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.
일반적으로 PCM 등은 도전성 니켈 플레이트를 매개로 하여 용접 또는 솔더링 방식으로 전지셀에 연결된다. 즉, PCM의 전극 탭에 니켈 플레이트를 각각 용접 또는 솔더링하여 접속한 다음, 그러한 니켈 플레이트를 전지셀의 전극단자에 각각 용접 또는 솔더링하는 방법으로 PCM을 전지셀에 연결하여 전지팩을 제조한다.
이러한 PCM을 포함한 안전소자들은 전극단자와 전기적 접속을 유지하면서 동시에 전지셀의 다른 부분과는 전기적 절연상태를 유지하여야 한다. 이러한 접속 형태를 구성하기 위해서는 다수의 부품들이 요구되므로, 전지팩의 조립공정을 복잡하게 만들고 상대적으로 전지셀을 수납하는 공간이 감소하게 되는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 종래의 전지셀을 이용하고 종래의 조립방식을 최대한 활용하면서, 전지셀의 상단에 장착되는 부재들의 수를 감소시키도록 전지팩의 구조설계를 최적화하여, 전지셀 상단부에 탑재되는 부재들을 상호간 안정적으로 결합시킴과 동시에 전지셀의 용량 또한 증가시킬 수 있는 전지팩에 대한 필요성이 높다.
한편, 전지팩의 유선 충전 방식의 문제점 내지 단점을 해소하는 측면에서, 최근에는 무선 충전 방식의 전지팩에 대한 필요성이 증가하고 있다. 전지팩의 무선 충전 방식으로는 나란히 마주한 2개의 금속 코일 사이에 발생하는 전류/전자기 상호 작용에 의해 전자기 유도 방식이 주로 시도되고 있다.
이러한 전자기 유도 방식의 구현을 위해서는 충전용 코일을 전지팩에 추가로 장착하여야 하는데, 전지팩의 제한된 공간 내에서 어려움이 크다. 즉, 충전용 코일의 장착으로 인해 전지팩의 크기 증가가 불가피하고, 전지팩의 조립 공정이 극히 복잡해지는 문제점이 있다. 또한, 충전용 코일의 장착으로 인해 PCM에 대한 간섭 현상도 초래된다.
따라서, 전자기 유도 방식에 의한 무선 충전이 가능하면서도 전지팩의 크기 증가를 억제하면서 조립 공정의 실현하고 간섭 현상을 초래하지 않는 전지팩의 개발에 대한 필요성이 높다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 전지팩의 구조설계를 최적화 하도록 충전소자를 집적화하여 크기를 감소시키면서도 용량을 향상시킬 수 있는 무선 충전식 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,
제 1 전극단자 및 제 2 전극단자를 포함하고 있는 전지셀;
보호회로가 형성되어 있고 안전소자가 장착되어 있는 기판(PCB), 및 상기 전지셀의 제 1 및 제 2 전극단자들에 접속되는 접속부재들(A, B)를 포함하고 있는 보호회로모듈(PCM);
상기 전지셀이 장착되는 구조로 이루어져 있고 상기 PCB가 상단에 장착되는 절연성 장착부가 형성되어 있는 전기 절연성의 팩 프레임;
상기 PCM를 감싸면서 전지셀의 상단에 장착되는 전기 절연성의 상단 캡;
상기 전지셀의 적어도 일면에 장착되어 있고 PCM에 접속되어 있는 전자기 유동 방식의 충전용 코일; 및
상기 전지셀과 충전용 코일 사이에 개재되어 있는 차폐부재;
를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 특정한 형상의 팩 프레임에 의해 효율적으로 PCM을 장착하면서도 전체적으로 콤팩트한 구조를 제공하고, 충전용 코일에 의해 전자기 유도 방식을 사용하여 전지셀의 무접점 충전을 수행할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전지셀은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고, 제 1 전극단자 및 제 2 전극단자가 전지케이스의 상단에 형성되는 구조일 수 있다.
상기 전지케이스는 바람직하게는 금속 캔으로 형성될 수 있고, 가공상의 용이성과 일정 수준 이상의 기계적 강도를 제공하는 측면에서 알루미늄 캔 또는 스테인리스 스틸의 캔일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 전극단자는 양극단자이고 제 2 전극단자는 음극단자로 구성될 수 있다. 예를 들어, 각형 전지셀은 그것의 상단면에 돌출된 전극단자와 전지케이스가 각각 음극단자와 양극단자를 형성하는 구조로 이루어져 있고, 이들 사이에는 가스켓 등의 절연부재가 개재되어 상호 절연을 이루고 있다. 따라서, 이러한 각형 전지셀 구조에서, 제 1 전극단자는 전지케이스의 상단면인 양극단자이고 제 2 전극단자는 상기 전지케이스 상단면에 돌출된 음극단자일 수 있다.
상기 팩 프레임은 바람직하게는 판상형의 전지셀의 양면이 개방된 상태로 외주면을 감싸는 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 판상형 전지셀의 외주면 만을 팩 프레임이 감싸면서 전지팩이 장착되는 구조에 의해, 전지팩 전체의 두께 증가를 최소화하고, 충전용 코일과 차폐부재의 장착에 따른 공간 확보가 가능해진다.
더욱이, PCB가 상단에 장착되는 절연성 장착부가 일체로 형성되어 있어서, 전지팩의 조립 공정을 대폭 축소할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 상단 캡은 팩 프레임에 체결홈과 체결돌기의 조립에 의해 결합되는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상단 캡은 하나 이상의 체결홈이 형성되어 있는 하향 연장부를 포함하고 있고, 팩 프레임 중 절연성 장착부의 외면에는 상기 체결홈에 대응하는 하나 이상의 체결돌기가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 상단 캡의 체결홈과 상기 팩 프레임의 체결돌기가 상호간에 체결되는 방식으로 상단 캡과 팩 프레임이 결합되므로, 전지팩의 제조 공정을 간소화할 수 있다.
팩 프레임 및/또는 상단 캡의 소재는 절연성 소재라면 그것의 종류가 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 플라스틱 소재일 수 있다. 상기 플라스틱 소재의 종류는, 예를 들어, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리카보네이트 수지, ABS 수지, 고무 수지, 아라미드 계의 노맥스(nomax) 등 다양할 수 있다. 금속 소재로 이루어진 경우에는, 바람직하게는 내면이 절연성 코팅으로 도포될 수도 있다.
한편, 상기 충전용 코일의 단부는 접속을 위해 PCM에 용접 또는 솔더링에 의해 결합될 수 있으며, 예를 들어, 초음파 용접 또는 레이저 용접에 의해 달성될 수 있다.
상기 PCM은 바람직하게는 안전소자와 충전회로를 집적화한 칩을 포함하는 구조일 수 있다. 따라서, 전지셀의 크기를 감소시킬 수 있고, 부품 공간 감소로 인하여 전지셀 내의 공간이 확대되므로, 전지의 용량이 증가된다.
바람직하게는, 상기 안전소자는 PTC 소자일 수 있다. 이러한 PTC 소자는, 전지팩이 내부 단락 등의 원인으로 온도가 급상승할 경우, PTC 소자와 결합된 접속부재(B)가 전지팩의 상단에서 전류를 차단하는 역할을 수행한다.
상기 접속부재(A)와 접속부재(B)는 전도성 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 니켈 플레이트로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩은, 전지셀의 종류 및 외형에 관계없이 다양하게 적용 가능하며, 바람직하게는 각형의 리튬 이차전지 셀에 적용될 수 있다.
본 발명은 또한, 전지팩을 제조하는 방법으로서,
(a) 차폐부재의 일면에 충전용 코일을 탑재하고 상기 충전용 코일의 단부를 PCM의 접속단자에 솔더링에 의해 결합하는 과정;
(b) 전지셀의 상단에 메탈 클래드를 스팟 용접하는 과정;
(c) 양면 테이프를 전지셀의 부착하는 과정;
(d) 전지셀을 팩 프레임에 장착하는 과정;
(e) 팩 프레임의 절연성 장착부의 상단에 PCM을 장착하고 PCM의 접속부재들을 전지셀의 전극단자들에 스팟 용접하는 과정;
(f) PCM을 감싼 상태로 상단 캡을 전지셀에 장착하는 과정; 및
(g) 팩 프레임을 포함하여 전지셀의 외면을 라벨로 감싸는 과정;
을 포함하고 있다.
따라서, 상기 제조과정을 통해 제조된 전지팩은 간단한 조립 공정에 의해 전체적으로 콤팩트하고 제한된 규격의 전지팩에서 전지의 용량을 향상시킬 수 있으며, 충전용 코일의 전자기 유도 방식에 의해 무접점 충전이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 무선 충전식 전지팩은 특정한 형상의 팩 프레임에 의해 효율적으로 PCM을 장착하면서도 전체적으로 콤팩트한 구조를 제공하고, 충전용 코일에 의해 전자기 유도 방식을 사용하여 전지셀의 무접점 충전을 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전지팩의 분해 사시도이다;
도 2는 PCM 및 팩 프레임의 사시도이다;
도 3은 본 발명에 따른 전지팩 및 부분 단면도이다;
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지팩의 사시도이다;
도 5는 본 발명 실시예에 따른 전지팩의 조립 과정을 나타내는 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 1에는 전지팩의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 PCM 및 팩 프레임의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1 및 도 2을 참조하면, 전지팩(100)은 전지셀(110), 보호회로모듈(PCM: 150), 및 PCM(150)을 감싸면서 전지셀(110)의 상단에 장착되는 상단 캡(140)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
전지셀(110)은 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고, 이러한 판상형 전지셀(110)에는 팩 프레임(120)이 전지셀(110) 양면이 개방된 상태로 외주면을 감싸는 형태로 장착된다. 전지셀(110)의 상단에는 보호회로모듈(PCM: 150)과 전기적으로 접속되도록 메탈 클레드(160)가 스팟 용접된다.
팩 프레임(120)의 상부에는 절연성 장착부(130)가 일체로 형성되어 있고, 절연성 장착부(130)의 상면에 기판(PCB)이 안착된다. 절연성 장착부(130)의 측면에는 다수 개의 체결돌기들(131)이 형성되어 있고, 상단 캡(140)에는 절연성 장착부(130)와 결합되는 방향으로 하향 연장부(145)가 형성되어 있다. 하향 연장부(145)에는 절연성 장착부(130)에 형성된 체결돌기(131)와 대응하는 위치에 체결홈(141)이 형성되어 있다.
따라서, 상단 캡(140)과 절연성 장착부(130)가 서로 대면하도록 접촉시킨 상태로 가압하였을 때 탄력적인 결합에 의해 맞물리게 되며, 이러한 과정이 용이할 수 있도록, 체결돌기(131)의 상단은 하향 테이퍼 구조로 이루어져 있다.
전지셀(110)의 개방된 일면에는 충전용 코일(200)이 장착되고, 전지셀(110)과 충전용 코일(200)의 사이에는 자계장의 영향을 최소화하고 와전류로 야기되는 발열을 감소시키기 위해 차폐부재(210)가 개재된다.
라벨(170)은 전지셀(110)을 포함한 팩 프레임(120)의 외면에서 외부와 전기적 절연상태를 확보하도록 열수축성 소재로 이루어진 튜브 형태로 제조되고, 팩 프레임(120)을 감싼 후 열이 가해짐으로써, 코일(200) 및 차폐부재(210)를 포함한 팩 프레임(120)의 표면에 수축되면서 부착된다.
또한, 전지셀(110)의 전극단자(도시하지 않음)에는 보호회로모듈(PCM: 150)과 전기적으로 연결되도록 접속부재들이(180, 190) 각각 연결된다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 전지셀의 부분 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 도 1 및 도 2와 함께 참조하면, 상단 캡(140)은 절연성 장착부(130)와 결합되는 방향으로 하향 연장부(145)가 형성되고, 하향 연장부(145)에는 길이방향으로 다수개의 체결홈(141)이 형성되어 있다. 상단 캡(140)에는 하향 연장부(145)의 체결홈(141)과 대응되는 부위에 다수개의 체결돌기(131)가 형성되어 있다.
구체적으로, 상단 캡(140)의 하향 연장부(145)에는 체결홈(141)이 형성되고, 하향 연장부(145)와 결합되는 절연성 장착부(130)에는 체결홈(141)과 맞물리는 부위에 체결돌기(131)가 형성됨으로써, 상단 캡(140)과 절연성 장착부(130)를 서로 결합할 경우, 서로 대면하도록 접촉시킨 상태로 가압하였을 때 탄력적인 결합에 의해 맞물리게 된다.
체결돌기(131)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 일측이 호형상의 테이퍼 형태로 이루어져 있으므로, 체결홈(141)에 용이하게 장착되면서도 이탈되지 않는다.
또한, 절연성 장착부(130)의 단부는 길이방향으로 단차부(132)가 형성되어 있으므로, 상단 캡(140)의 체결홈(141)에 장착된 하향 테이퍼 형상의 체결돌기(131)와 함께 상단 캡(140)의 하향 연장부(145)의 단부가 밀착되어 고정된다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 조립 과정을 나타내는 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 도 1 내지 도 4와 함께 참조하면, 전지셀(110)에는 자계장의 영향을 최소화 하도록 차폐부재(210)가 장착되고, 차폐부재(210)의 일면에는 충전용 코일(200)을 탑재한다. 그런 다음, 충전용 코일(200)의 단부를 보호회로모듈(PCM: 150)의 접속단자에 솔더링 결합한다.
전지셀(110)의 상단에 메탈 클레드(160)를 스팟 용접한 후, 전지셀(110)의 외주면에 양면 접착 테이프를 부착한다. 그런 다음, 전지셀(110)의 양측면이 개방되게 되는 팩 프레임(120)을 장착한다. 여기서, 팩 프레임(120)의 절연성 장착부(130) 상단에는 보호회로모듈(PCM: 150)을 장착하고, 보호회로모듈(PCM: 150)의 접속부재들(180,190)을 전지셀(110)의 전극단자에 각각 스팟 용접한다.
최종적으로, 보호회로모듈(PCM: 150)을 감싼 상태로 상단 캡(140)을 전지셀(110)에 장착하고, 팩 프레임(120)을 포함하여 전지셀(110)의 외면을 라벨(170)로 감쌈으로써, 전지팩(100)의 제조과정이 완료된다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (14)

  1. 제 1 전극단자 및 제 2 전극단자를 포함하고 있는 전지셀;
    보호회로가 형성되어 있고 안전소자가 장착되어 있는 기판(PCB), 및 상기 전지셀의 제 1 및 제 2 전극단자들에 접속되는 접속부재들(A, B)를 포함하고 있는 보호회로모듈(PCM);
    상기 전지셀이 장착되는 구조로 이루어져 있고 상기 PCB가 상단에 장착되는 절연성 장착부가 형성되어 있는 전기 절연성의 팩 프레임;
    상기 PCM를 감싸면서 전지셀의 상단에 장착되는 전기 절연성의 상단 캡;
    상기 전지셀의 적어도 일면에 장착되어 있고 PCM에 접속되어 있는 전자기 유동 방식의 충전용 코일; 및
    상기 전지셀과 충전용 코일 사이에 개재되어 있는 차폐부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고, 제 1 전극단자 및 제 2 전극단자가 전지케이스의 상단에 형성되어 있는 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속 캔인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극단자는 양극단자이고 제 2 전극단자는 음극단자인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 프레임은 판상형의 전지셀의 양면이 개방된 상태로 외주면을 감싸는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 상단 캡은 팩 프레임에 체결홈과 체결돌기의 조립에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 상단 캡은 하나 이상의 체결홈이 형성되어 있는 하향 연장부를 포함하고 있고, 상기 팩 프레임 중 절연성 장착부의 외면에는 상기 체결홈에 대응하는 하나 이상의 체결돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 프레임 및/또는 상단 캡은 플라스틱 소재인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 충전용 코일의 단부는 PCM에 용접 또는 솔더링에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 PCM은 안전소자와 충전회로를 집적화한 칩을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 안전소자는 PTC 소자인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재(A)와 접속부재(B)는 각각 니켈 플레이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 각형의 리튬 이차전지 셀인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 전지팩을 제조하는 방법으로서,
    (a) 차폐부재의 일면에 충전용 코일을 탑재하고 상기 충전용 코일의 단부를 PCM의 접속단자에 솔더링에 의해 결합하는 과정;
    (b) 전지셀의 상단에 메탈 클래드를 스팟 용접하는 과정;
    (c) 양면 테이프를 전지셀에 부착하는 과정;
    (d) 전지셀을 팩 프레임에 장착하는 과정;
    (e) 팩 프레임의 절연성 장착부의 상단에 PCM을 장착하고 PCM의 접속부재들을 전지셀의 전극단자들에 스팟 용접하는 과정;
    (f) PCM을 감싼 상태로 상단 캡을 전지셀에 장착하는 과정; 및
    (g) 팩 프레임을 포함하여 전지셀의 외면을 라벨로 감싸는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조방법.
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