KR20150037222A - 전기 절연성 부재를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전기 절연성 부재를 포함하는 전지팩으로서, 밀봉 잉여부를 포함하는 일측면에 음극단자 및 양극단자가 형성되어 있고, 전극단자들이 일측 방향으로 정렬되도록 평면 배열된 둘 이상의 판상형 전지셀들(battery cells); 상기 평면 배열된 판상형 전지셀들의 상면 및 하면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 감싸는 둘 이상의 전지셀 수납부들을 포함하고 있는 팩 프레임(pack frame); 상기 전지셀들의 일측 방향으로 정렬된 전극단자들에 전기적으로 연결되어 있고, 전지팩의 작동을 제어하는 보호회로 모듈(PCM); 상기 보호회로 모듈을 수납하고, 상기 밀봉 잉여부 상에 탑재되는 중간 몰드(middle mold); 상기 중간 몰드 및 보호회로 모듈이 상기 팩 프레임과 일체화 되도록, 상기 밀봉 잉여부 및 팩 프레임에 의해 형성되는 공간, 및 중간 몰드 및 보호회로 모듈 상에 적용되는 전기 절연성 부재; 및 상기 전지셀들과 팩 프레임 및 전기 절연성 부재를 감싸는 라벨(label);을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

전기 절연성 부재를 포함하는 전지팩 {Battery Pack Having Electric Insulating Member}
본 발명은 전기 절연성 부재를 포함하는 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 평면 배열된 둘 이상의 판상형 전지셀들, 둘 이상의 전지셀 수납부들을 포함하고 있는 팩 프레임, 전지팩의 작동을 제어하는 보호회로 모듈(PCM), 밀봉 잉여부 상에 탑재되는 중간 몰드, 전기 절연성 부재, 및 라벨을 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 특히 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있다. 도 1 및 도 2에는 파우치형 전지의 분해 사시도와 결합 상태의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 파우치형 전지(10)는, 일정 크기의 내부공간(21)이 형성되어 있는 파우치형 케이스(20); 파우치형 케이스(20)에 경첩식으로 연결되어 있는 커버(30)와; 양극판(41), 음극판(42) 및 분리막(43)으로 이루어져 파우치형 케이스(20)의 수납부(21)에 안착되는 전극 조립체(40); 전극 조립체(40)의 양극판(41)과 음극판(41)의 단부로부터 연장되어 있는 전극 탭(41a, 42a); 및 전극 탭(41a, 42a)과 연결되는 전극단자(50, 51)로 이루어져 있다.
파우치형 케이스(20)의 수납부(21) 상부 모서리에는 열융착을 위한 일정폭의 측면 연장부(22)가 형성되어 있으며, 전극 탭(41a, 42a)과 연결된 전극단자(50, 51)의 중앙에는 파우치형 케이스(20)의 측면 연장부(22)와 커버(30)의 측부(31)가 열융착기(도시하지 않음)에 의해 열융착될 때, 전극단자(50, 51) 간에 쇼트가 발생되지 않도록 절연성 물질의 단자 테이프(52)가 코팅되어 있다.
전술한 바와 같은 종래기술에 따른 파우치형 전지의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
우선, 다수의 양극판(41), 음극판(42) 및 분리막(43)으로 이루어지는 전극 조립체(40)를 파우치형 케이스(20)의 수납부(21) 안에 안착시킨 다음, 일정량의 전해액을 그 내부공간으로 주입한다. 이때, 전극 조립체(40)의 전극 탭(41a, 42a)은 중앙 부분이 단자 테이프(52)로 코팅된 해당 전극단자(50, 51)와 연결되어 있으며, 전극단자(50, 51)와 단자 테이프(52)의 일부는 파우치형 케이스(20)와 커버(30)의 외부로 돌출되어 있다.
그런 다음, 커버(3)를 파우치형 케이스(20)에 밀착시키고, 파우치형 케이스(20)의 측면 연장부(22)와 커버(30)의 측부(31)를 전해액이 누출되지 않도록 열용착기(도시하지 않음)를 이용하여 밀봉한다.
이러한 파우치형 전지가 내장되어 있는 대표적인 전지팩의 형상이 도 3에 도시되어 있고, 그것의 조립 전의 분리 상태도가 도 4에 모식적으로 도시되어 있다.
도 3과 도 4를 참조하면, 전지팩(60)은, 양극, 음극 및 분리막의 전극 조립체와 전해액이 밀봉된 상태로 내장되어 있는 장방형의 전지(10), 전지(10)를 수납할 수 있는 내부공간을 가진 케이스 본체(70)와, 전지(10)가 수납되어 있는 케이스 본체(70) 위에 결합되어 전지(10)를 밀봉하는 상부 덮개(80)로 이루어져 있다. 케이스 본체(70)와 전지(10) 사이 및 상부 덮개(80)와 전지(10) 사이에는 양면 테이프(90)가 부착되어 있다.
일반적으로, 이러한 구조의 전지팩(60)은 각각 PC, ABS 등과 같은 플라스틱 재질로 되어 있는 케이스 본체(70)와 상부 덮개(80)를 초음파 용착법에 의해 상호 결합시킴으로써 조립된다. 상기 초음파 용착법(ultrasonic welding method)이란, 예를 들어, 20,000 Hz의 고주파를 이용한 진동으로 마찰열을 일으켜 두 피접착면을 용융 접착시키는 방법이다.
그러나, 더욱 얇은 두께의 전지팩에 대한 수요가 늘어남에 따라 최근에는 케이스 본체(70)와 상부 덮개(80)의 두께가 각각 0.3 ~ 0.35 mm로 까지 얇아지면서, 그에 따라 금형가공 및 사출성형에 어려움이 크고, 용착강도가 약해지는 등 용착 불량률이 높아지고 있다.
또한, 캔(can)을 케이스로 사용하는 전지의 경우, 캔의 구조적 특징으로 인해 얇은 두께의 케이스로도 외부충격에 대한 적정한 강도를 제공함에 반하여, 도 1에서와 같은 구조의 파우치형 전지(10) 등은 구조적으로 외부충격에 대한 강도가 작기 때문에 두께가 얇은 케이스의 적용에 한계가 있다.
더욱이, 외부충격의 인가시 양면 테이프(90)에 의한 결합에도 불구하고 전지(10)가 케이스 본체(70)와 상부 덮개(80)의 내부공간에서 상하로 이동되어 쇼트 또는 단전이 일어날 수 있다.
따라서, 제작이 용이하고, 얇은 두께의 케이스를 사용하면서도 외부충격에 적정한 강도를 제공하고 쇼트 내지 단전에 대한 안전성이 우수한 전지팩의 필요성이 높은 실정이다.
한편, 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, 태블릿 컴퓨터, 소형 PC, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중형 또는 대형 디바이스는 출력 및 용량의 문제로 다수의 전지들을 내장한 전지팩의 사용이 요구된다.
이차전지 중에서도 리튬 이차전지는 높은 출력 특성과 큰 용량으로 인해 많이 사용되고 있다.
이러한 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.
앞서 설명한 바와 같이, 소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다. 전지모듈의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등에 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 가능한 한 소형이면서 경량의 전지모듈을 제조하려고 노력하고 있다.
일반적으로는, 다수의 단위전지들이 직렬 또는 병렬로 연결된 상태에서 카트리지에 내장되고, 이러한 카트리지 다수 개를 전기적으로 연결하여 전지팩이 제작된다.
도 5에는 종래기술의 고출력/대용량 전지팩에서 단위전지들의 직렬 방식 연결이 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 단위전지(110)는 내부에 양극, 음극, 분리막 및 전해질이 내장된 상태로 케이스에 의해 밀봉되어 있고 그것의 상하부에 각각 양극 탭(120)과 음극 탭(130)이 돌출되어 있다. 첫 번째 단위전지(110)에서 양극 탭(120)이 상향으로 위치되어 있을 때, 인접한 두 번째 단위전지(111)는 양극 탭(121)이 하향으로 위치되도록 배치된다. 이들 단위전지들(110, 111)은 서로 반대의 전극이 인접한 상태에서 전극 리드(140)에 의해 전기적으로 연결되어 있다. 세 번째 단위전지(112) 역시 그러한 방식으로 배치된 상태로 두 번째 단위전지(111)와 직렬로 연결된다. 상기와 같은 직렬 방식으로 연결된 다수의 단위전지들로 이루어진 제 1 전지군에 인접하여, 도 5에는 도시되어 있지 않지만 동일한 방식으로 연결된 다수의 단위전지들로 이루어진 제 2 전지군이 도 5의 제 1 전지군에 인접하여 병렬로 연결되어 있다.
이와 같이 다수의 전지군들이 병렬 방식으로 연결된 상태에서, 각 전지군의 첫번째 단위전지(110)의 양극 탭(120)이 양극 외부 단자(150)에 연결되고 마지막 단위전지(115)의 음극 탭(133)이 음극 외부 단자(160)에 연결된 상태로 하우징(170)에 내장된다. 도 1의 단위전지(110)는 장축 방향에 전극 탭들(120, 130)이 형성되어 있지만, 경우에 따라서는 단축 방향으로 전극 탭들이 대향하여 형성된 구조도 개발되어 있다.
그러나, 단위전지들(110, 111, 112, 113, 114, 115)이 전기적으로 연결된 전지팩에서, 동일한 다수의 단위전지들(110, 111, 112, 113, 114, 115)은 동일한 크기 또는 용량을 갖는 것으로 구성되어 전지팩이 형성되므로, 전지팩이 적용되는 디바이스의 디자인을 고려하여 가볍고 얇게 만들기 위해서는, 전지팩의 용량을 줄이거나 더 큰 크기로 디바이스의 디자인을 변경해야 하는 문제점이 있다. 또한, 이러한 디자인 변경 과정에서 전기적 연결 방식이 복잡해짐으로 인해 소망하는 조건을 만족하는 전지팩의 제작이 어려워지는 문제점도 있다.
따라서, 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 전지팩에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은, 다수의 전지셀을 특정한 방식으로 전기적 연결하여 전지팩에 수납함으로써, 다수의 단위전지들을 연결하여 전지팩의 용량을 유지하면서도 전지팩이 적용되는 디바이스의 모양에 따라 적용 가능한 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 특정 소재로 전지셀과 전지팩 프레임을 고정함으로써, 얇은 두께의 케이스를 사용하면서도 외부충격에 적정한 강도를 가지며 쇼트 내지 단전에 대해 안전성이 우수한 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,
밀봉 잉여부를 포함하는 일측면에 음극단자 및 양극단자가 형성되어 있고, 전극단자들이 일측 방향으로 정렬되도록 평면 배열된 둘 이상의 판상형 전지셀들(battery cells);
상기 평면 배열된 판상형 전지셀들의 상면 및 하면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 감싸는 둘 이상의 전지셀 수납부들을 포함하고 있는 팩 프레임(pack frame);
상기 전지셀들의 일측 방향으로 정렬된 전극단자들에 전기적으로 연결되어 있고, 전지팩의 작동을 제어하는 보호회로 모듈(PCM);
상기 보호회로 모듈을 수납하고, 상기 밀봉 잉여부 상에 탑재되는 중간 몰드(middle mold);
상기 중간 몰드 및 보호회로 모듈이 상기 팩 프레임과 일체화 되도록, 상기 밀봉 잉여부 및 팩 프레임에 의해 형성되는 공간, 및 중간 몰드 및 보호회로 모듈 상에 적용되는 전기 절연성 부재; 및
상기 전지셀들과 팩 프레임 및 전기 절연성 부재를 감싸는 라벨(label);
을 포함하고 있는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명의 전지팩은, 초음파 용착법에 의하지 않고 팩 프레임내에 전지를 안착시켜 고정할 수 있으므로 케이스의 크기 내지 구조가 크게 한정되지 않으며, 케이스의 내부공간에서 전지의 이동이 억제되므로 외부충격에 의한 쇼트 내지 단전을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지팩이 적용되는 디바이스의 디자인 형상에 대응하도록 전지셀들을 조합하여 전지팩의 구조를 형성함으로써, 고용량을 제공하면서도 디바이스의 다양한 형상에 맞도록 유연하게 적용할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 팩 프레임은 전지를 수납할 수 있는 내부공간을 가지면서 전지의 측면을 감싸는 형태라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 전지의 측면만을 감싸는 프레임형 부재일 수 있다.
또한, 팩 프레임의 소재는 내장되어 있는 전지를 보호할 수 있는 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들어, Polycarbonate(PC), Polyacrylonitrile-butadiene-styrene(ABS) 등의 플라스틱 소재나, 스테인리스 스틸(SUS) 등의 금속 소재일 수 있다.
상기 판상형 전지셀은 예를 들어 각형 이차전지 또는 파우치형 이차전지일 수 있다.
상기 각형 이차전지는 각형의 금속 케이스에 전극조립체가 밀봉되어 있는 구조일 수 있고, 상기 파우치형 이차전지는 구체적으로 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트에 전극조립체가 밀봉되어 있는 구조일 수 있다.
상기 이차전지는 바람직하게는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성의 리튬 이차전지일 수 있다. 이러한 리튬 이차전지의 기타 구성 요소들에 대하여 이하에서 상세히 설명한다.
일반적으로 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염 함유 비수 전해액 등으로 구성되어 있다.
양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 충진제를 더 첨가하기도 한다. 음극은 또한 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.
상기 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 비수 전해액으로는 액상 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 집전체, 전극 활물질, 도전재, 바인더, 충진제, 분리막, 전해액, 리튬염 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
이러한 리튬 이차전지는 당업계에 공지되어 있는 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있다. 즉, 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 삽입하고 거기에 전해액을 주입하여 제조할 수 있다.
양극은, 예를 들어, 앞서 설명한 리튬 전이 금속 산화물 활물질과 도전재 및 결합제를 함유한 슬러리를 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다. 마찬가지로 음극은, 예를 들어, 앞서 설명한 탄소 활물질과 도전재 및 결합제를 함유한 슬러리를 얇은 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩에서, 상기 판상형 전지셀은 바람직하게는 전극단자들이 일측 방향으로 정렬되도록 2개의 판상형 전지셀들이 평면 배열되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 상기 전지셀들은 PCM을 경유하여 상호 전기적으로 병렬 연결 또는 직렬 연결되어 있는 구조일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 전지셀들의 평면 배열에 의해 대략 1개의 전지셀의 두께에 대응하는 두께를 가지는 바, 예를 들어, 전지셀의 두께와 동일하거나 그보다 1 내지 10% 큰 크기로 이루어질 수 있다.
상기 팩 프레임은 내부에 수납한 전지셀들의 유동을 방지하도록, 바람직하게는, 전지셀들이 서로 인접하는 일측면 사이에 위치하고 팩 프레임과 일체형으로 형성되어 있는 전지셀 분리벽을 포함하는 구조일 수 있다. 따라서, 전지셀들의 서로 인접하는 부위에 분리벽이 존재함으로써, 팩 프레임 내부에 수납된 전지셀을 더욱 견고하고 안정적으로 고정하여 수납할 수 있다. 또한, 이러한 분리벽은 각각의 전지셀 외곽 치수와 대응되는 크기로 형성되어 있어, 전지셀을 팩 프레임에 장착하는 조립 공정에 있어, 더욱 간소한 조립 공정을 제공할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 팩 프레임의 적어도 일측면에는, 상기 판상형 전지셀들의 평면 배열 방향과 평행한 방향으로 외부로 돌출되어 형성된 하나 이상의 체결부가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
이러한 체결부는, 팩 프레임을 적용 디바이스에 더욱 견고하고 안정적으로 고정할 수 있도록, 체결 고정부재 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 이러한 체결부는 적용 디바이스와 볼트와 너트에 의해 상호 체결 결합될 수 있으며, 리벳 또는 후크 구조에 의해 상호 체결 결합될 수 있음은 물론이다. 따라서, 이러한 팩 프레임에 수납된 전지셀들은 디바이스에 적용된 후에도 그 안정성을 보장받을 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 팩 프레임의 적어도 일측면에는, 상기 PCM으로부터 외부로 버스 바 또는 와이어가 도출될 수 있도록, 하나 이상의 개구부가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 상기 개구부는 팩 프레임의 측면들 중 어느 곳에든 형성될 수 있으나, 바람직하게는, 전지셀 밀봉 잉여부와 인접한 위치에 형성되어 있을 수 있다.
이러한 버스 바 또는 와이어는 PCM 접속 단자부에서 인출되어 외부 접속 단자부, 즉, 외부 디바이스의 회로와 전기적으로 접속되는 바, 팩 프레임에 수납된 전지셀의 충방전 및 센싱을 위한 전기적 도전 부재의 역할을 수행하도록 사용될 수 있다.
상기 PCM은 다양한 형태일 수 있으며, 예를 들어, 보호회로가 인쇄되어 있는 인쇄회로기판(PCB)일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지팩은, 팩 프레임 내부에 수납된 전지셀들의 전극단자들과 전기적으로 연결되고, 전지셀 밀봉 잉여부 상에 탑재되는 한 개의 PCM을 포함하는 구조일 수 있다.
구체적으로, 팩 프레임 내부에 수납된 여러 개의 전지셀들을 하나의 PCM과 전기적으로 연결시키고, 이러한 PCM을 전지셀 밀봉 잉여부 상에 탑재할 수 있으므로, 종래의 전지팩에 비해 보다 더 콤팩트한 구조의 전지팩을 제공한다. 또한, 하나의 PCM만을 적용하므로 종래의 전지팩에 비해 전반적으로 전기 배선을 간소화하게 하는 효과를 달성할 수 있다.
상기 PCM은 단독으로 전지셀 밀봉 잉여부 상에 탑재될 수 있으나, 바람직하게는, 중간 몰드에 장착된 후 밀봉 잉여부 상에 탑재될 수 있다. 구체적으로, 상기 중간 몰드의 크기는, 전지셀 밀봉 잉여부에 대응되는 형상과 크기이면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는, 팩 프레임 내부에 수납된 모든 전지셀들의 밀봉 잉여부 폭 길이와 대응되는 길이로 형성된 구조일 수 있다.
따라서, PCM은 중간 몰드에 의해 외력에 의한 충격으로부터 보호받을 수 있고, 전지셀 밀봉 잉여부에 대응되는 형상과 크기를 갖는 중간 몰드에 장착되므로, 더욱 안정적이고 견고하게 전지셀 잉여부에 탑재될 수 있다.
PCM을 장착한 중간 몰드가 전지셀 밀봉 잉여부 상에 탑재될 때, 일봉 잉여부와 중간 몰드 사잉에 절연 테이프가 추가로 부착될 수 있으며, 예를 들어, 상기 절연테이프는 양면 테이프일 수 있다.
따라서, 상기 PCM은 전지셀 밀봉 잉여부 상에 더욱 안정적이고 견고하게 탑재될 수 있으며, 절연 테이프의 특성에 의해 PCM 상에 장착된 회로 소자들과 전지셀 밀봉 잉여부와의 전기적 단락을 방지할 수 있다.
상기 전지셀은 기계적 강도가 떨어지지만 작은 중량과 두께로 제조될 수 있는 파우치형 전지가 특히 바람직하며, 그 중 전해액의 누액 가능성이 낮은 리튬 이온 폴리머 전지가 특히 바람직하다.
한편, 파우치형 전지는, 팩 프레임 내부공간에 안착되었을 때, 그것의 상단에 실장 내지 결합되어 있는 전극 단자, PCM(Protection Circuit Module), 절연재 등의 구성으로 인해 팩 프레임 상단 내면과의 사이에 빈 공간이 발생한다. 이러한 전지 상단부는 상대적으로 취약하여, 전지팩이 낙하하거나 또는 외부의 충격이 가해졌을 때 쉽게 변형이 유발되어 불량을 초래할 수 있다. 예를 들어, 낙하 또는 외부충격의 인가에 의해, 전지가 팩 프레임의 내부공간 상단쪽으로 이동하게 되면, 소자들간의 전기적 접촉에 의해 쇼트가 유발될 수 있으며, 반대로 전지가 팩 프레임의 내부공간 하단쪽으로 이동하게 되면, 전지 상단에 위치한 소자들의 전기적 연결이 단전될 수 있다.
본 발명의 특징들 중의 하나는, 밀봉 잉여부 및 팩 프레임에 의해 형성되는 내부공간, 중간 몰드 및 보호회로 모듈 상에 낙하, 외부충격 등에 대한 완충 역할 및 전기적 연결의 보완 역할을 할 수 있도록 절연성 부재가 적용되어 있다는 점이다.
상기 절연성 부재는 바람직하게는 열용융되어 상기 밀봉 잉여부 및 팩 프레임에 의해 형성되는 공간, 중간 몰드 및 보호회로 모듈 상에 인가된 후 고화되는 소재로 되어 있다. 이러한 소재의 구체적인 예로는 플라스틱 수지를 들 수 있지만, 그것만으로 한정되는 것은 아니다. 플라스틱 수지의 경우, 그것의 융점이 팩 프레임 상단 내면과 전지의 상단 사이에 위치하는 소자들의 변형을 유발하지 않는 온도 범위에 있는 열가소성 소재가 바람직할 수 있다. 그러나, 경우에 따라서는 상기 밀봉 잉여부 및 팩 프레임에 의해 형성되는 공간, 중간 몰드 및 보호회로 모듈 상에 인가된 후 화학적 반응, 물리적 반응 등에 의해 고화될 수 있는 기타의 소재들도 절연성의 것이라면 특별히 제한 없이 사용될 수 있다. 상기 화학적 반응은 열, 광(가시광선, 자외선 등), 촉매 등에 의한 경화에 의해 물질의 고화가 일어나는 반응 등을 포함하는 의미이며, 상기 물리적 반응은 용제(solvent)의 기화에 의해 물질의 고화가 일어나는 반응을 포함하는 의미이다.
경우에 따라서는, 상기 절연성 부재가 전지의 외면과 팩 프레임 내면의 기타 이격 공간에도 더 적용될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전지팩을 제조하는 방법을 제공하는 바, 본 발명에 따른 전지팩을 제조하는 방법은,
(a) 전지셀들을 전극단자들이 일측 방향으로 정렬되도록 평면 배열하는 단계;
(b) 전지셀의 전극단자를 용접에 의해 PCM에 연결하는 단계;
(c) PCM에 중간 몰드를 장착하는 단계;
(d) 중간 몰드를 전지셀의 밀봉 잉여부상에 탑재하는 단계;
(e) 전지셀을 팩 프레임에 장착하는 단계;
(f) 중간 몰드 및 PCM 상에 전기 절연성 부재를 적용하는 단계; 및
(e) 전지셀을 포함한 팩 프레임에 라벨을 부착하는 단계;
를 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 용접은 전지셀의 전극단자와 PCM의 전기적 연결을 달성할 수 있는 용접이라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 바람직하게는 스폿(spot) 용접일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 모바일 디바이스를 제공한다.
본 발명에 따른 전지팩이 사용될 수 있는 모바일 디바이스의 구체적인 예로는, 노트북 컴퓨터, 넷북, 태플릿 PC, 스마트 패드 등과 같은 모바일 디바이스를 들 수 있다.
이러한 모바일 디바이스는 한번 충전으로 장시간 사용의 가능하고 경박단소화 된 디자인이 요구되는 최근의 경향을 고려할 때, 그에 따라 크기 대비 용량이 크고 두께가 얇은 구조의 전지팩이 요구된다. 그러나, 이러한 요건을 동시에 만족하기 위한 전지팩이 장착되는 모바일 디바이스의 내부 공간은 종래와는 달리 일정한 크기, 예를 들어, 규격화된 직육면체 형상을 갖기 어려운 실정이다. 즉, 두께가 얇은 모바일 디바이스는 이를 구성하는 부품들의 장착 위치 등으로 인해, 전지팩이 장착될 수 있는 공간이 매우 제한적이고 규격화되기 어려운 측면이 있다. 반면에, 본 발명에 따른 전지팩은 다양한 크기 내지 용량을 가진 전지군들에 의해 전지셀의 배치에 유연성이 매우 높으므로, 이러한 문제점들을 일거에 해결할 수 있다.
상기와 같은 디바이스 내지 장치들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 초음파 용착법에 의하지 않고도 얇은 두께의 전지팩의 제조가 가능하므로 정밀하고 고가의 초음파 용착기의 사용을 필요로 하지 않고, 조립 과정이 매우 간단하며, 전지의 상단과 전지팩의 상단 내면의 공간에 절연성 부재가 충진되어 고화되어 있으므로 전지의 낙하 또는 외부충격의 인가시에도 전지의 이동에 따른 쇼트 내지 단전을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지팩은 디바이스의 디자인 형상에 대응하도록 전지셀들을 조합하여 전지팩의 디자인을 구성함으로써, 고용량 성능을 유지하면서도 디바이스의 다양한 형상에 맞도록 유연하게 적용할 수 있다.
도 1은 일반적인 파우치형 전지의 분해 사시도이다;
도 2는 도 1의 파우치형 전지의 결합 상태의 사시도이다;
도 3은 파우치형 전지가 내장되어 있는 종래기술의 전지팩의 사시도이다;
도 4는 도 3의 전지팩의 분리 사시도이다;
도 5는 종래기술에 따른 4개의 단위전지들이 내장된 상태에서의 카트리지의 사시도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도이다;
도 7은 도 6에 도시된 전지팩의 분해 사시도이다;
도 8 내지 도 12는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩을 제조하는 공정을 나타내는 모식도들이다.
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 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도가 도시되어 있으며, 도 7에는 도 6에 도시된 전지팩의 분해 사시도가 도시되어 있다.
우선, 도 6을 참조하면, 전지팩(800)은 2개의 전지셀들(210, 220)을 팩 프레임(500)에 수납하고, 라벨(700)이 팩 프레임(500)의 4개의 측면들과 2개의 전지셀들(210, 220)의 일부를 감싸고 있으며, 라벨(700)이 감싸지 않은 전지셀들(210, 220)의 상부면에 바코드 라벨(710)이 추가로 부착되어 있다.
또한, 팩 프레임(500)의 양측변에는 팩 프레임(500) 내부에 수납된 전지셀들(210, 220)의 평면 배열 방향과 평행한 방향으로 외부로 돌출되어 형성된 4개의 체결부들(520)이 형성되어 있고, 팩 프레임(500)의 상단 일측에는 외부입출력단자 역할을 수행하는 와이어들(310)이 도출될 수 있도록, 개구부(530)가 형성되어 있다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 전지팩(800)은 크게 총 6개의 부재들(전지셀들(210, 220), 팩 프레임(500), PCM(300), 중간 몰드(400), 플라스틱 수지(600), 라벨(700))로 구성되어 있다. 또한, 이에 더하여 2개의 부재들(절연 테이프(410), 바코드 라벨(710))이 추가로 구성되어 있다.
구체적으로, 2개의 전지셀들(210, 220)은 밀봉 잉여부(211, 221)를 포함하는 일측면에 음극단자(212, 222) 및 양극단자(213, 223)가 형성되어 있다.
또한, 팩 프레임(500)에는 2개의 전지셀들(210, 220)을 수납할 수 있는 내부공간을 가지고 전지셀들(210, 220)의 측면만을 감싸는 프레임 구조로 되어 있다. 팩 프레임(500)의 양측면에는 체결구멍(521)을 포함하는 체결구들(520)이 형성되어 있다. 또한, 팩 프레임(500)의 중앙부분에는, 전지셀들(210, 220)을 내부에 수납했을 때 전지셀들(210, 220)의 상호 인접부(230) 사이로 개재되어 고정되는 분리벽(510)이 형성되어 있다.
또한, PCM(300)의 일측부에는 외부입출력 단자부(311)에 접속되어 외부로 도출되는 와이어들(310)이 형성되어 있다.
한편, 도 7에 도시된 플라스틱 수지(600)는 전지팩(800)의 구성부재들을 이해하기 용이하도록 단순히 펼쳐 보인 상태로 도시되어 있으며, 실제 플라스틱 수지(600)는 PCM(300) 및 중간 몰드(400)와 함께 팩 프레임(500)에 일체화되어 있다.
구체적으로, 플라스틱 수지(600)는, 전지셀들(210, 220)이 PCM(300) 및 중간 몰드(400)와 함께 팩 프레임(500)에 장착된 후, 열용융되어 전지셀 밀봉 잉여부(211, 221) 및 팩 프레임(500)에 의해 형성되는 공간, 및 중간 몰드(400) 및 PCM(300) 상에 적용된 후 고화된다.
도 8 내지 도 12에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩을 제조하는 공정을 나타내는 모식도들이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 첫 번째 단계(A)에서, 전지셀들(210, 220)은 양측에 형성된 밀봉 잉여부(214, 224)를 상향으로 절곡(240)한 후, 전극단자들(212, 213, 222, 223)이 일측 방향으로 정렬되도록 일측면(상호 인접부: 230)이 상호 접하면서 평면 배열되어 있다.
두 번째 단계(B)에서, 외부입출력단자 역할을 하는 와이어들(310)이 외부입출력 단자부(311)에 연결되어 있는 PCM이, 전지셀들(220, 210)과 연결되고 있다. 구체적으로, 전지셀들(210, 220)의 전극단자들(223, 222, 213, 212)은 PCM(300)의 단자 접속부들(301, 302, 303, 304)에 각각 스폿 용접(320)에 의해 연결된다.
세 번째 단계(C)에서, 중간 몰드(400)에 절연 테이프(410)를 부착(411)한다.
네 번째 단계(D)에서, 절연 테이프(410)를 부착한 중간 몰드(400)를 PCM(300)상에 장착한다.
다섯 번째 단계(E)에서, PCM(300)을 내부에 장착한 중간 몰드(400)가, 전지셀 밀봉 잉여부 상에 탑재되도록 전극단자들(223, 222, 213, 212)을 절곡(413)한다. 이때, 양면 테이프 역할을 동시에 수행하는 절연 테이프(410)에 의해, 중간 몰드(400)는 전지셀 밀봉 잉여부 상에 견고히 탑재된다.
여섯 번째 단계(F)에서, 전지셀들(210, 220)이 PCM(300) 및 중간 몰드(400)와 함께 팩 프레임(500)에 장착된다. 이때, 팩 프레임(500)의 중앙 부위에 형성되어 있는 분리벽(510)이 전지셀들(210, 220)의 상호 인접부(230) 사이로 개재되어 2개의 전지셀들(210, 220)을 견고히 고정하고 있다.
일곱 번째 단계(G)에서, 플라스틱 수지(600)가 열용융되어 전지셀 밀봉 잉여부(211, 221) 및 팩 프레임(500)에 의해 형성되는 공간(400), 및 중간 몰드(400) 및 PCM(300) 상에 적용된 후 고화된다.
여덟 번째 단계(H)에서, 라벨(700)이 팩 프레임(500)의 4개의 측면들과 2개의 전지셀들(210, 220)의 일부를 감싸고 있다.
마지막으로, 아홉 번째 단계(I)에서, 라벨(700)이 감싸지 않은 전지셀들(210, 220)의 상부면에 바코드 라벨(710)이 추가로 부착된다.
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 (25)

  1. 밀봉 잉여부를 포함하는 일측면에 음극단자 및 양극단자가 형성되어 있고, 전극단자들이 일측 방향으로 정렬되도록 평면 배열된 둘 이상의 판상형 전지셀들(battery cells);
    상기 평면 배열된 판상형 전지셀들의 상면 및 하면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 감싸는 둘 이상의 전지셀 수납부들을 포함하고 있는 팩 프레임(pack frame);
    상기 전지셀들의 일측 방향으로 정렬된 전극단자들에 전기적으로 연결되어 있고, 전지팩의 작동을 제어하는 보호회로 모듈(PCM);
    상기 보호회로 모듈을 수납하고, 상기 밀봉 잉여부 상에 탑재되는 중간 몰드(middle mold);
    상기 중간 몰드 및 보호회로 모듈이 상기 팩 프레임과 일체화 되도록, 상기 밀봉 잉여부 및 팩 프레임에 의해 형성되는 공간, 및 중간 몰드 및 보호회로 모듈 상에 적용되는 전기 절연성 부재; 및
    상기 전지셀들과 팩 프레임 및 전기 절연성 부재를 감싸는 라벨(label);
    을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 각형 이차전지 또는 파우치형 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 파우치형 이차전지는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트에 전극조립체가 밀봉되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 전극단자들이 일측 방향으로 정렬되도록 2개의 판상형 전지셀들이 평면 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들은 PCM을 경유하여 상호 전기적으로 병렬 연결 또는 직렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 프레임의 두께는 전지셀의 두께와 동일하거나 10% 이하의 크기로 큰 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 프레임은, 내부에 수납한 전지셀들의 유동을 방지하도록, 전지셀들이 서로 인접하는 일측면 사이에 위치하고, 팩 프레임과 일체형으로 형성되어 있는 전지셀 분리벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 프레임의 적어도 일측면에는, 상기 판상형 전지셀들의 평면 배열 방향과 평행한 방향으로 외부로 돌출되어 형성된 하나 이상의 체결부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 프레임의 적어도 일측면에는, 상기 PCM으로부터 외부로 버스 바 또는 와이어가 도출될 수 있도록, 하나 이상의 개구부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 개구부는 팩 프레임의 측면들 중 전지셀 밀봉 잉여부와 인접한 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 PCM은 보호회로가 인쇄되어 있는 인쇄회로기판(PCB)인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은, 팩 프레임 내부에 수납된 전지셀들의 전극단자들과 전기적으로 연결되고, 전지셀 밀봉 잉여부 상에 탑재되는 한 개의 PCM을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 중간 몰드는, 팩 프레임 내부에 수납된 모든 전지셀들의 밀봉 잉여부 폭 길이와 대응되는 길이로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉 잉여부와 중간 몰드 사이에 절연 테이프가 추가로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 절연 테이프는 양면 테이프인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 절연성 부재는, 열용융되어 상기 밀봉 잉여부 및 팩 프레임에 의해 형성되는 공간, 및 중간 몰드 및 보호회로 모듈 상에 적용된 후 고화되는 소재로 되어있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 소재는 플라스틱 수지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 플라스틱 수지는 그것의 융점이 팩 프레임 상단 내면과 PCM에 위치하는 소자들의 변형을 유발하지 않는 온도 범위에 있는 열가소성 수지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 절연성 부재는, 상기 밀봉 잉여부 및 팩 프레임에 의해 형성되는 공간, 및 중간 몰드 및 보호회로 모듈 상에 적용된 후 화학적 반응 또는 물리적 반응에 의해 고화되는 소재인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 절연성 부재는 전지셀의 외면과 팩 프레임 내면의 기타 이격 공간에도 더 적용되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 제조하는 방법으로서,
    (a) 전지셀들을 전극단자들이 일측 방향으로 정렬되도록 평면 배열하는 단계;
    (b) 전지셀의 전극단자를 용접에 의해 PCM에 연결하는 단계;
    (c) PCM에 중간 몰드를 장착하는 단계;
    (d) 중간 몰드를 전지셀의 밀봉 잉여부상에 탑재하는 단계;
    (e) 전지셀을 팩 프레임에 장착하는 단계;
    (f) 중간 몰드 및 PCM 상에 전기 절연성 부재를 적용하는 단계; 및
    (e) 전지셀을 포함한 팩 프레임에 라벨을 부착하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 용접은 스폿(spot) 용접인 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 방법.
  24. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 모바일 디바이스.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 모바일 디바이스는 노트북 컴퓨터, 넷북, 태플릿 PC 또는 스마트 패드인 것을 특징으로 하는 모바일 디바이스.
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