KR20150069136A - 과전압 방지 단자 접속부재들을 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 단자들이 돌출되어 있는 전지셀들이 둘 이상의 개수로 측면 방향으로 배열되어 있는 전지셀 배열체, 및 상기 전지셀들의 전극 단자들과 연결되는 단자 접속부들이 형성되어 있으며 전지팩의 작동을 제어하는 BMU(Battery Management Unit)를 포함하고 있고, 상기 단자 접속부는, 상기 전극 단자의 하면과 접속되는 제 1 단자 접속부재 및 일측이 절곡되어, 상부 방향으로 돌출되어 있으며, 상기 제 1 단자 접속부재 상에 위치한 전극 단자의 상부를 감싸도록 상기 절곡되어 돌출된 일측을 덮어 전극 단자의 상면과 접속되는 제 2 단자 접속부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

과전압 방지 단자 접속부재들을 포함하는 전지팩 {Battery Pack Having Electrode Terminal Connecting Members with Over Voltage Protection Structure}
본 발명은 전지팩의 조립 과정에서 과전압을 방지하는 구조의 단자 접속부재들을 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
이차전지는 그것이 사용되는 외부기기의 종류에 따라, 삽입과 이탈이 자유로운 탈착식 구조로 사용되기도 하고, 또는 외부기기의 내부에 매립되는 형태의 내장형 구조로 사용되기도 한다. 예를 들어, 노트북과 같은 디바이스는 사용자의 필요에 따라 전지의 삽입과 이탈이 가능한 반면에, 일부 휴대폰, MP3(MPEG Audio Layer-3), 태블릿 PC, 스마트 패드 등과 같은 디바이스는 그 구조 및 용량의 문제로 내장형 전지팩의 사용이 요구되기도 한다.
한편, 최근 사용량이 급격히 증가하고 있는 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 전지팩의 작동을 제어하는 BMU(Battery Management Unit)에 포함되어 있다.
이러한 이차전지는 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 이차전지의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
한편, 디바이스에 따라서 고출력 또는 대용량의 전지가 요구되는 경우, 상기와 같은 전지셀 다수개를 연결한 전지팩을 사용하고 있다.
도 1에는 전지팩을 구성하기 위해 전지셀들이 장착되는 구조가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 A 부위에 관한 확대도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전지팩(10)은 다수의 전지셀들(22, 24, 26, 28)이 PCB(Printed Circuit Board: 30)에 전기적으로 접속된 구조로 이루어져 있으며, 각각의 전지셀(22, 24, 26, 28)의 전극 단자들은 PCB(30)의 단자 접속부재들(32, 34, 36, 38)에 결합된다.
구체적으로 전지셀들(22, 24, 26, 28)의 전극 단자들을 대략 ‘L’자 형으로 이루어진 단자 접속부재들(32, 34, 36, 38) 상에 위치시킨 후, 상부 방향으로 절곡된 부위를 전극 단자의 상면과 접하도록 덮고 용접을 수행하여 결합시키는 구조로 이루어져 있다.
이러한 전지팩(10)은 PCB(30)의 단자 접속부재들(32, 34, 36, 38) 상에 전극 단자들이 위치하도록 전지셀들(22, 24, 26, 28)을 배열하는 과정 이후, 각각의 단자 접속부재(32, 34, 36, 38)의 상부 방향으로 절곡된 부위를 덮는 과정, 및 용접 과정을 거쳐 전지셀들(22, 24, 26, 28)의 전극 단자들이 단자 접속부재들(32, 34, 36, 38) 에 결합된다.
그러나, 상기의 과정 중 단자 접속부재(32, 34, 36, 38) 상에 전극 단자가 위치하도록 전지셀들(22, 24, 26, 28)을 배열하는 과정에서, 급작스런 과전압이 인가되어 PCB(30)의 회로에 충격이 가해지는 문제점이 있었다. 이러한 과전압의 인가는 단락, 발화를 유발시킬 뿐 만 아니라, PCB를 훼손시키는 원인이 되고 있다. 따라서, 이를 방지하기 위해 단자 접속부재상에 절연 부위가 포함된 구조의 솔더 아이(Solder Eye)를 형성시킴으로써 전지셀들의 배열 과정에서는 전기적 접속이 이루어지지 않고, 전극 단자와 단자 접속부재의 결합 과정에서 전기적으로 접속되도록 하는 구조를 사용하는 기술이 개발되고 있으나, 이에 따른 재료 및 공정이 추가되어 제조비용이 상승하는 단점이 있다.
또한 과전압의 인가를 방지하기 위하여, 하나의 전지셀을 위치시킨 후 전지셀의 전극 단자를 접속하는 과정을 진행한 후 다른 하나의 전지셀을 위치시키고 전지셀의 전극 단자를 접속하는 과정을 반복하여, 순차적으로 전지셀들을 연결할 수 있으나, 공정의 효율이 떨어질 뿐 만 아니라, 쇼트 등을 방지하기 위해 작업 부위에 가림막을 설치하여야 하는 단점이 있다.
따라서, 상기 문제점들을 해결하여 전지팩을 구성하기 위한 전지셀의연결 시 안전성을 향상시키고 공정을 간소화할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전지팩을 구성하는 전지셀들의 장착 과정에서 BMU에 과전압이 인가되는 것을 방지하여 안전성을 향상시키고, 제조 공정성을 향상시킬 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은, 전극 단자들이 돌출되어 있는 전지셀들이 둘 이상의 개수로 측면 방향으로 배열되어 있는 전지셀 배열체, 및 상기 전지셀들의 전극 단자들과 연결되는 단자 접속부들이 형성되어 있으며 전지팩의 작동을 제어하는 BMU(Battery Management Unit)를 포함하고 있고,
상기 단자 접속부는,
상기 전극 단자의 하면과 접속되는 제 1 단자 접속부재; 및
일측이 절곡되어 상부 방향으로 돌출되어 있으며, 상기 제 1 단자 접속부재 상에 위치한 전극 단자의 상부를 감싸도록 상기 절곡되어 돌출된 일측을 덮어 전극 단자의 상면과 접속되는 제 2 단자 접속부재;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 단자 접속부는 전지셀의 전극 단자들이 제 1 단자 접속부에 위치한 상태에서는 BMU와 통전이 되지 않으며, 제 2 단자 접속부재를 덮었을 때 BMU와 통전되는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 다수의 전지셀들을 배열하여 전지셀들의 전극 단자들이 제 1 단자 접속부상에 위치하도록 하는 과정, 제 2 단자 접속부재를 덮는 과정, 및 용접 등으로 단자 접속부재들과 전극 단자들을 결합하는 과정이 순차적으로 수행 가능하므로 공정상의 효율이 향상될 수 있다.
이에 따라, 종래의 조립공정에서 발생하였던 문제, 즉 과전압에 의해 PCB회로에 충격이 인가되는 문제를 해결하여 안전성을 향상시킬 수 있다.
상기 전지셀은, 예를 들어, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조의 파우치형 전지셀일 수 있다.
구체적으로, 상기 파우치형 전지셀은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀로서, 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 대략 직육면체 구조인 판상형으로 이루어질 수 있다. 이러한 파우치형 전지셀은 일반적으로 파우치형의 전지케이스를 포함하고 있으며, 상기 파우치형 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 구성될 수 있다.
상기 파우치형 전지셀에서 케이스는 다양한 구조로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, 2 단위의 부재로서 상부 및/또는 하부 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체를 수납한 후 케이스 외주면의 상하부 접촉부위를 열융착하여 밀봉하는 구조 등을 들 수 있다. 상기와 같은 구조의 파우치형 전지셀은 본 출원인의 PCT 국제출원 제PCT/KR2004/003312호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다. 그러나, 전지케이스가 1 단위의 부재로서 상부 및/또는 하부 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체를 수납한 후 케이스 외주면의 상하부 접촉부위를 열융착하여 밀봉하는 구조일 수도 있음은 물론이다.
상기 전지셀들은 다수 개가 배열되었을 때 최적의 공간 활용을 위하여 서로 동일한 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 전지셀들은 다수가 배열되었을 때, 한정된 공간에서 전지셀들의 부피를 최대화하여 높은 용량을 제공할 수 있도록 판상형의 장방형 구조로 형성될 수 있으며, 이러한 전지셀들은 전극 단자가 형성되어 있는 방향을 기준으로 일측면이 서로 인접하도록 배열될 수 있다.
상기 전극 단자들은 판상형의 플레이트 구조로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 전극 단자들이 단자 접속부에 접속될 때 면접촉된 상태에서 결합되므로 안정적인 전기적 접속이 가능한 구조로 형성될 수 있다.
상기 BMU는 전지팩의 작동을 제어하는 모듈로서, PCB(Printed Circuit Board)를 포함하는 구조일 수 있다. 상기 단자 접속부들은 상기 PCB의 일면에 형성될 수 있으며, 따라서 상기 전지셀들의 전극 단자들은 단자 접속부와 연결됨으로써 PCB와 전기적으로 접속되는 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 단자 접속부재 및 제 2 단자 접속부재는 도전성의 플레이트 구조로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 제 1 단자 접속부재 상에 전극 단자를 위치시키고 제 2 단자 접속부재를 덮어 결합시키는 경우 전극 단자의 상면 및 하면이 각각 제 2 단자 접속부재 및 제 1 단자 접속부재와 전기적으로 접속되는 구조로 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 단자 접속부재 및 제 2 단자 접속부재는 전기적으로 분리된 구조일 수 있다. 구체적으로 상기 단자 접속부는 2 단위의 부재로서, 제 1 단자접속 부재 및 제 2 단자 접속부재를 포함하며, 이들이 전기적으로 분리된 상태에서 전지셀의 전극 단자와 연결시 통전되는 구조로 형성될 수 있다.
상기 단자 접속부는 전지셀들의 양극 단자들 및 음극 단자들 중 하나와 연결될 수 있으며, 양극 단자들 및 음극 단자들 모두 상기 단자 접속부에 연결될 수 도 있다.
상기 전극 단자와 단자 접속부의 결합은 한정되지 않고 다양한 방법으로 형성될 수 있으며, 하나의 예로, 전극 단자의 하면 및 상면에 각각 제 1 단자 접속부재 및 제 2 단자 접속부재를 위치시킨 상태에서 용접에 의해 상호 물리적 및 전기적으로 결합될 수 있다.
한편, 상기 제 2 단자 접속부재에는 안전성의 향상을 위하여 TCO(Thermal Cut-out)가 연결될 수 있다. TCO는 온도가 상승하여 소정의 값에 도달하였을 때 전류가 차단되는 부품이다.
상기 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 체적당 에너지 저장량이 큰 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 태블릿 PC, 및 넷북 등으로부터 선택되는 것일 수 있으나 이들만으로 한정되지는 않는다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당 업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 전지셀의 전극 단자들이 제 1 단자 접속부에 위치한 상태에서는 BMU와 통전이 되지 않고, 제 2 단자 접속부재를 덮었을 때 BMU와 통전되는 구조로 이루어져 있으므로, 종래의 조립공정에서 발생하였던 문제, 즉 과전압에 의해 PCB회로에 충격이 인가되는 문제를 해결하여 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 다수의 전지셀들을 배열하여 전지셀들의 전극 단자들이 제 1 단자 접속부상에 위치하도록 하는 과정, 제 2 단자 접속부재를 덮는 과정, 용접 등으로 단자 접속부재들과 전극 단자들을 결합하는 과정을 순차적으로 수행 가능하므로 공정상의 효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전지팩을 구성하기 위해 전지셀들이 장착되는 구조의 모식도이다;
도 2는 도 1의 A 부위에 관한 확대도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 전지셀 연결 구조에 관한 모식도이다;
도 4는 도 3의 B 부위에 관한 확대도이다;
도 5는 도 3의 전지셀의 확대도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여 일반적으로 전지팩에 포함되는 팩 케이스, 및 외부 입출력단자 등의 기타 구성요소는 생략하였다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 전지셀 연결 구조에 관한 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 B 부위에 관한 확대도가 도시되어 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 다수의 전지셀들(110, 120, 130, 140)은 측면 방향으로 배열되어 전지셀 배열체를 형성하고 있고, 전지셀들(110, 120, 130, 140)의 전극 단자들(112, 122, 132, 142)은 각각 PCB(150)에 접속되는 구조를 이루고 있다.
BMU를 구성하는 부품 중 하나인 PCB(150)에는 제 1 단자 접속부재(152) 및 제 2 단자 접속부재(154)가 형성되어 있고, 전지셀들(110, 120, 130, 140)의 전극 단자들(112, 122, 132, 142)은 제 1 단자 접속부재(152) 및 제 2 단자 접속부재(154) 사이에 위치한 상태에서 용접으로 상호 전기적 및 물리적 연결을 이룬다.
제 1 단자 접속부재(152) 및 제 2 단자 접속부재(154)는 도전성의 플레이트 구조로 이루어져 있으며, 제 1 단자 접속부재(152)는 PCB(150)의 일면에 밀착되어 있고, 제 2 단자 접속부재(154)는 일측이 PCB(150)의 일면에 밀착되어 있고 타측이 상부 방향으로 돌출되도록 절곡되어 있다.
또한, 제 1 단자 접속부재(152) 및 제 2 단자 접속부재(154)는 서로 분리되어 있으며, 이들은 전지셀(110)의 전극 단자(112)와 결합되면서 전기적으로 접속되는 구조로 이루어져 있다.
구체적으로, 제 1 단자 접속부재(152) 상에 전극 단자(112)를 위치시킨 후, 제 2 단자 접속부재(154)의 절곡되어 돌출된 부위를 덮어 결합시키는 경우 전극 단자(112)의 상면 및 하면이 각각 제 2 단자 접속부재(154) 및 제 1 단자 접속부재(152)와 전기적으로 접속되는 구조로 이루어져 있다.
즉, PCB(150)와 전지셀들(110, 120, 130, 140)을 전기적으로 연결하기 위하여 전지셀들(110, 120, 130, 140)을 배열하여 전극 단자들(112, 122, 132, 142)이 제 1 단자 접속부재(152) 상에 위치시킨 상태에서는 이들이 통전이 되지 않는다. 그러나, 제 2 단자 접속부재(154)를 덮어 용접 등으로 결합하는 경우 이들이 통전되는 구조로 형성되어 있다.
이러한 제 1 단자 접속부재(152) 및 제 2 단자 접속부재(15)와의 결합으로 통전되는 전극 단자(112)는 양극 단자(112a) 및 음극 단자(112b) 중 양극 단자(112a)이다.
또한, 전지셀(110)의 양극 단자(112a)와 연결되는 제 2 단자 접속부재(154)에는 TCO(Thermal Cut-out: 158)가 연결되어 있다. TCO(158)는 온도가 상승하여 소정의 값에 도달하였을 때 전류가 차단되는 부품으로서, 전지셀들 (110, 120, 130, 140)중 어느 하나 이상에서 단락 등의 오작동에 의해 온도가 상승하였을 때, 해당 전지셀과 PCB(150)의 전기적 연결을 해제하여 전지팩(100)의 안전성을 향상시키는 구조로 이루어져 있다.
도 5에는 도 3의 전지셀의 확대도가 도시되어 있다.
도 5를 도 3과 함께 참조하면, 전지셀(110)은 전극 단자들(양극단자: 112a, 음극단자: 112b)이 일측 단부에 형성되어 있는 판상형 전지셀(110)이다. 구체적으로 판상형 전지셀(110)은 금속층(도시하지 않음)과 수지층(도시하지 않음)을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스(115)에 전극조립체(도시하지 않음)를 내장하고, 열융착에 의해 실링부(116)를 형성한 구조이며, 통상적으로 이를 ‘파우치형 전지셀’로 통칭하기도 한다.
이러한 전지셀(110)은 전극 단자(112a)가 제 1 단자 접속부재(152) 및 제 2 단자 접속부재(154) 사이에서 면접촉되어 결합되도록 판상형의 플레이트 구조로 형성되어 있다.
또한, 다수의 전지셀들(110, 120, 130, 140)이 배열될 때 공간상의 효율을 향상시키기 위하여 양 측의 실링부들(116a, 116b)이 전지셀 본체에 밀착되도록 절곡되어 있다. 그리고 전지셀(110)은 다수 개가 배열되었을 때, 최적의 공간 활용을 위하여 서로 동일한 구조의 판상형의 장방형 형태로 이루어져 있으며, 이러한 전지셀들은 양 측 실링부들이 전지셀 본체에 밀착되도록 절곡되어 있는 방향으로 서로 인접하도록 배열되어 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (16)

  1. 전극 단자들이 돌출되어 있는 전지셀들이 둘 이상의 개수로 측면 방향으로 배열되어 있는 전지셀 배열체, 및 상기 전지셀들의 전극 단자들과 연결되는 단자 접속부들이 형성되어 있으며 전지팩의 작동을 제어하는 BMU(Battery Management Unit)를 포함하고 있고,
    상기 단자 접속부는,
    상기 전극 단자의 하면과 접속되는 제 1 단자 접속부재; 및
    일측이 절곡되어 상부 방향으로 돌출되어 있으며, 상기 제 1 단자 접속부재 상에 위치한 전극 단자의 상부를 감싸도록 상기 절곡되어 돌출된 일측을 덮어 전극 단자의 상면과 접속되는 제 2 단자 접속부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 케이스에 전극조립체를 내장한 후 외주면을 실링한 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들은 서로 동일한 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들은 판상형의 장방형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전지셀들은 전극 단자가 형성되어 있는 방향을 기준으로 일측면이 서로 인접하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 단자들은 판상형의 플레이트 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 BMU는 PCB(Printed Circuit Board)를 포함하고, 상기 단자 접속부들은 상기 PCB의 일면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 단자 접속부재 및 제 2 단자 접속부재는 도전성 플레이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 단자 접속부재 및 제 2 단자 접속부재는 전기적으로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 단자 접속부재 및 제 2 단자 접속부재는 전극 단자와 연결시 서로 통전되는 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 단자 접속부는 전지셀들의 양극 단자들 및 음극 단자들 중 적어도 하나와 연결되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 단자의 하면 및 상면에 각각 제 1 단자 접속부재 및 제 2 단자 접속부재를 위치시킨 상태에서 용접에 의해 상호 물리적 및 전기적으로 연결되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단자 접속부재에는 TCO(Thermal Cut-out)가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 태블릿 PC, 및 넷북으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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