KR20180122844A - 배터리 팩 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 팩 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 파우치 형 배터리 셀에 연결된 PCB를 보호하기 위하여 후크 돌기가 있는 상단 캡이 구비된 배터리 팩 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

배터리 팩 및 이의 제조방법{BATTERY PACK AND METHOD FOR MANUFCTURING THE SAME}
본 발명은 배터리 팩 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 파우치 형 배터리 셀에 연결된 PCB를 보호하기 위하여 후크 돌기가 있는 상단 캡이 구비된 배터리 팩 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적인 배터리 팩은 리튬계 이차전지로써, 전지케이스의 형상에 따라 원통형, 각형, 파우치형으로 분류되고, 이중 파우치형 리튬 이차전지(이하, 배터리 팩)는 유연성을 가져 그 형상이 비교적 자유로우며 무게가 가볍고 안전성도 우수하여 휴대폰, 캠코더, 노트북 컴퓨터와 같은 휴대용 전자기기 전원으로 수요가 증가하고 있다.
한편, 상기 배터리 팩에는 각종 가연성 물질들이 내장되어 있어서, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 발열, 폭발 등의 위험성이 있으므로, 안전성에 큰 단점을 가지고 있다.
따라서, 상기 배터리 팩에는 전압, 전류, 온도 등의 값을 지속적으로 검출하고 검출된 값을 근거로 판단된 배터리 팩의 비정상인 상태를 효과적으로 제어할 수 있는 보호회로 모듈(Protection Circuit Module: PCM)과 퓨즈성 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자 및 TCO(Thermal Cut-out) 등의 안전소자가 구성되어 있다.
상기 보호회로 모듈(PCM)은 인쇄회로기판(Printed Circuit Board: PCB) 상에 형성되며, 인쇄회로기판(PCB)은 용접 또는 솔더링 방식으로 배터리 셀에 전기적으로 연결된다.
이러한 보호회로 모듈(PCM)을 포함한 안전소자들은 배터리 셀의 전극단자와 전기적 접속을 유지하면서 동시에 배터리 셀의 다른 부분과는 전기적 절연상태를 유지하여야 하므로 보호회로 모듈(PCM)을 비롯한 각각의 부재에 대해 절연성 테이프를 부착했었다.
그러나 이러한 절연 테이프 부착방법은 그 과정이 매우 복잡하고 절연 외에는 별다른 기능이 없었다.
따라서 이를 해결하기 위하여 종래에는 도 1과 같은 상단 케이스를 사용하였다.
도 1은 종래의 상단 케이스가 구비된 배터리 팩의 개략적인 구조도이다.
도 1을 참고하면, 종래의 배터리 팩에 구비된 상단케이스는 배터리 셀의 상단부에 연결된 인쇄회로기판(PCB)의 전면 및 후면을 둘러싸는 형태로 형성된다.
또한, 상기 상단 케이스는 전기절연성을 띄는 소재로 제작되어, 상기 절연테이프 부착방법과 달리 간단하게 배터리 셀 상단부에 탑재 내지는 부착시킬 수 있으며, 외부에서 충격이 가해질 경우에도 인쇄회로기판(PCB)을 보호할 수 있는 장점이 있다.
그러나 상기 상단 케이스는 윗면이 개방되어 이물질이 내부로 삽입될 수 있으며, 이 방법도 상기 절연테이프 부착방법과 같이 수작업으로 작업됨에 따라 배터리 팩을 생산하는 생산 시간(lead time)이 길어지는 문제가 있다.
따라서 인쇄회로기판(PCB)을 보호하는 상단 케이스 내부의 이물질 유입이 방지되고, 배터리 팩의 생산 시간을 감소시키는 기술 개발이 요구된다.
KR 1023898 B
본 발명은 인쇄회로기판(PCB)을 보호하며 생산 시간(lead time)이 종래보다 단축된 배터리 팩 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은 배터리 셀, 상단에 PCB 수용부 및 배터리 셀의 탭과 전기적으로 연결되는 케이스 리드부를 포함하여 구성되는 배터리 셀 케이스, 상기 배터리 셀의 작동을 제어하기 위한 보호 회로를 포함하여 상기 배터리 셀 케이스 상단의 PCB 수용부에 탑재되어 배터리 셀 케이스와 결합되는 인쇄회로 기판(PCB) 및 상기 인쇄회로 기판과 끼움 결합이 되도록 양끝단 측면에 한 쌍의 후크(Hook) 돌기가 구비되어 상기 PCB 수용부에 탑재되는 인쇄회로 기판의 전체면을 덮는 형태로 상기 PCB 수용부에 대향하여 인쇄회로 기판에 결합되는 전기절연성의 상단 캡을 포함하여 구성된다.
상기 배터리 셀 케이스는, 상기 PCB 수용부와 중복되지 않는 영역에 배터리 셀이 수용되는 배터리 셀 수용영역을 가진다.
상기 상단 캡은, 상단 캡의 내주면에서 돌출되어 형성되며 상단 캡이 상기 인쇄회로 기판에 결합되는 경우, 인쇄회로 기판에 형성된 전자부품들 사이에 격벽을 형성하는 다수의 리브(rib)를 포함하여 구성된다.
상기 리브(rib)는, 상기 배터리 셀 케이스의 높이와 상기 PCB 수용부에 탑재되는 인쇄회로 기판(PCB)의 높이 간의 차에 대응하는 높이를 가진다.
상기 상단 캡의 후크(Hook) 돌기의 위치는, 상기 리브(rib)의 높이와 상기 PCB 수용부에 탑재되는 인쇄회로 기판(PCB)의 두께의 합에 대응하는 위치에 상기 후크 돌기가 위치하도록 결정된다.
상기 상단 캡은, 전면 부재, 측면 부재, 측면 부재 및 상면 부재를 포함하여 구성되며, 전면 부재에는, 외부 입출력단자가 외부로 연장되는 관통홈이 형성된다.
상기 상단 캡의 전면 부재에는, 배터리 셀 케이스의 양(+)극/음(-)극 리드로부터 발생하는 열을 방출하기 위한 열 방출 홀을 형성하고, 상기 열 방출 홀은, 양(+)극/음(-)극 리드가 외부로 돌출하여 이탈되는 것을 방지하도록 전면부재를 소정의 높이만큼 남겨놓고 형성된다.
상기 상단 캡은, 상기 배터리 셀과의 결합력을 증대시키기 위한 결합 보강부재로서 후면부재를 추가로 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 제조 방법은 배터리 팩을 제조하는 방법에 있어서, 밀봉된 파우치 형태의 배터리 셀을 생성하는 배터리 셀 생성단계, 상기 배터리 셀 생성단계에서 생성된 배터리 셀에 보호회로가 구성된 인쇄 회로 기판을 연결하는 인쇄 회로 기판 연결단계 및 상기 인쇄 회로 기판연결단계에서 상기 배터리 셀과 연결된 인쇄 회로 기판에 상단 캡을 끼움 결합하는 상단 캡 결합단계를 포함하여 구성된다.
상기 인쇄 회로 기판 연결단계 전에, 상기 인쇄 회로 기판에 외부 입출력 단자를 연결하는 입출력 단자 연결단계를 더 포함하여 구성된다.
상기 인쇄 회로 기판 연결단계 전에, 배터리 셀 수용부, 케이스 리드부와 PCB 수용부를 가지는 배터리 셀 케이스의 배터리 셀 수용부에 상기 배터리 셀 생성단계에서 생성된 배터리 셀을 탑재시키고, 탑재된 배터리 셀의 탭과 배터리 셀 케이스의 케이스 리드부를 전기적으로 결합시키는 배터리 셀 결합단계를 더 포함하여 구성된다.
상기 인쇄 회로 기판 연결단계 전에, 상기 배터리 케이스의 케이스 리드부를 PCB 수용부 내측으로 구부려 넣고, 그 위에 인쇄 회로 기판을 결합한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 및 이의 제조방법은 인쇄회로기판(PCB)을 보호하는 상단 케이스의 윗면을 생성함에 따라 내부에 이물질 유입이 방지되고, 상단 케이스의 양측면에 후크 돌기를 형성하여 자동화 공정이 가능해짐에 따라 배터리 팩이 빠르게 생산될 수 있도록 한다.
도 1은 종래의 상단 케이스가 구비된 배터리 팩의 개략적인 구조도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 내 상단 캡의 전체 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 내 상단 캡의 내측 사시도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 내 후크 돌기의 확대도.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 제조 방법의 모식도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 내 상단 캡의 결합 측면도.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 실시 예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 단지 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 식별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
<실시 예 1>
다음으로 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은 배터리 셀, 보호회로가 구성된 PCB 및 PCB와 끼움 결합되는 후크 돌기가 형성된 윗면이 막힌 상단 캡으로 구성되어 외부충격으로부터 PCB 손상을 방지할 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩의 분해도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩(100)은 배터리 셀(111), 상단에 PCB 수용부 및 배터리 셀의 탭과 전기적으로 연결되는 케이스 리드부를 포함하여 구성되는 배터리 셀 케이스(110), 배터리 셀(110)의 작동을 제어하기 위한 보호 회로를 포함하여 상기 배터리 셀 케이스(110) 상단의 PCB 수용부에 탑재되어 배터리 셀 케이스와 결합되는 인쇄회로 기판(PCB, 120) 및 인쇄회로 기판(120)과 끼움 결합이 되도록 양끝단 측면에 한 쌍의 후크(Hook) 돌기가 구비되어 상기 PCB 수용부에 탑재되는 인쇄회로 기판의 전면을 덮는 형태로 상기 PCB 수용부에 대향하여 결합되는 전기절연성의 상단 캡(130)을 포함하여 구성된다.
또한, 하기에서 배터리 팩의 각 구성을 더욱 상세하게 설명한다.
상기 배터리 셀(111)은 일반적으로 리튬계 이차전지를 사용하므로 배터리 셀의 구조는 다수의 양극전극(알루미늄 호일)과 음극전극(구리 호일)을 분리막을 사이에 두고 적층되어, 양극전극에는 양극탭, 음극전극에는 음극탭이 용접된 후, 알루미늄 파우치로 감싸 밀봉한 형태로 구성된다.
또한, 상기 전극 중합체를 감싸는 필름은 연성이 높고 얇은 알루미늄 금속층을 기반으로 제조되기 때문에, 배터리 셀(111)은 추가적으로 배터리 셀 케이스(110)를 장착하여 전극 중합체의 형태를 유지하며 외부의 충격으로부터 내부가 보호될 수 있도록 한다.
또한, 상기 배터리 셀 케이스(110)는 상단에 PCB 수용부(112) 및 배터리 셀의 탭과 전기적으로 연결되는 케이스 리드부(113)를 포함하는 구성으로서, PCB 수용부(112)는 배터리 셀 케이스 상단에 PCB가 안착될 수 있도록 배터리 셀 케이스 상단의 좌우측이 PCB보다 길게 연장되어 형성된다.
또한, 상기 배터리 셀(111)은 상기 PCB 수용부(112)와 중복되지 않은 영역에 구성된 상기 배터리 셀 케이스(110) 내 배터리 셀 수용영역에 수용된다.
또한, 상기 PCB 수용부(112)는 내부에 절연 테이프 등과 같은 절연성 물질이 도포되어 절연상태가 유지될 수 있도록 한다.
또한, 상기 배터리 셀 케이스의 케이스 리드부(113)는 상기 배터리 셀의 탭과 전기적으로 연결되는 구성으로서, 케이스 리드부(113)로부터 배터리 셀 케이스 내부에 연장된 구성과 배터리 셀의 탭을 용접시켜 배터리 셀과 케이스가 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.
상기 인쇄회로 기판(PCB, 120)은 상기 배터리 셀(111)의 작동을 제어하기 위한 보호 회로를 포함하여 상기 배터리 셀 케이스(110) 상단의 PCB 수용부(112)에 탑재되는 구성으로서, 상기 배터리 셀(111)과 전기적으로 연결되어 배터리 셀(111)의 과충전, 과방전, 또는 과전류로 인해 발생되는 과열 및 폭발을 예방한다.
또한, 상기 인쇄회로 기판(PCB, 120)은 저항 및 콘덴서와 같은 수동소자나 전계 트랜지스터와 같은 능동소자로 이루어지는 안전 소자 또는 집적 회로들이 형성된 보호소자 및 상기 배터리 팩(100)으로부터 전력을 공급받는 외부 장치와 전기적으로 연결을 형성할 수 있는 외부 입출력 단자(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 외부 입출력 단자(140)의 형상은 도 2에 한정되지 않고 사용자의 요구에 따라 다양하게 변형시켜 사용할 수 있다.
또한, 상기 상단 캡(130)은 상기 인쇄회로 기판과 끼움 결합이 되도록 양끝단 측면에 한 쌍의 후크(Hook) 돌기(131)가 구비되어 상기 PCB 수용부(112)에 탑재되는 인쇄회로 기판의 전면을 덮는 형태로 상기 PCB 수용부(112)에 대향하여 결합되는 구성으로서, 전기절연성의 소재를 이용하여 제조한다.
좀 더 상세하게 설명한다면, 상기 상단 캡(130)은 전도성이 낮은 고분자 물질 또는 종이로 이루어질 수 있는데, 고분자 물질의 경우, 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리스타이렌(polystyrene, PS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET, 페트), 폴리아미드(polyamides, PA,　나일론), 폴리에스터(polyester, PES), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 폴리우레탄(polyurethanes, PU), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride, PVDC), 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE,　테플론), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK,　폴리케톤) 및 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI,　울템)에서 적어도 하나 이상을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 상단 캡(130)의 장축은 상기 배터리 셀 케이스(110)보다 작은 길이로 형성하고, 단축은 상기 인쇄회로 기판(PCB, 120)의 단축의 길이보다 큰 길이로 형성한다.
또한, 이러한 상단 캡(130)의 구성은 종래에 금형 1개당 4~8개 생산 가능한 수량을 금형 1개당 16개 생산으로 증대시켜 생산 비용이 절감될 수 있도록 한다.
또한, 상기 상단 캡(130)의 각 구성은 도 3 내지 5를 들어 좀 더 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 내 상단 캡의 전체 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 내 상단 캡의 내측 사시도이며, 구조적인 이해를 돕기 위하여 도 3에서의 상단 캡(130) 부재들이 후면 부재(d)를 제외하고 결합된 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 내 후크 돌기의 확대도이다.
도 3을 참고하면, 상기 상단 캡(130)은 전면 부재(a), 상면 부재(b), 측면 부재(c) 및 후면 부재(d)를 포함하여 구성된다.
이러한 도 3의 각각의 부재들은 끼움 결합이나 용접, 접착제 접합 등 통상의 조립 방법으로 도 4와 같이 조립된다.
또한, 도 4를 참고하면, 상기 상단 캡(130)은 상기 측면 부재(c)에 형성된 한 쌍의 후크(Hook) 돌기(131), 상기 상면 부재(b)와 전면 부재(a)의 내측에 형성된 다수의 리브(rib, 132), 상기 전면 부재(a)에 형성된 관통홈(133) 및 상기 전면 부재(a)에 형성된 한 쌍의 열 방출 홀(134)을 포함하여 구성된다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 상기 한 쌍의 후크(Hook) 돌기(131)는 상기 상단 캡(130)을 상기 인쇄회로 기판(PCB, 120)에 안정적으로 고정시키는 구성으로서, 배터리 팩(100) 낙하 시 인쇄회로 기판(PCB, 120)의 이탈빈도가 감소됨에 따라 종래보다 안정적으로 인쇄회로 기판(PCB, 120)을 보호할 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 후크(Hook) 돌기(131)의 위치는 상기 측면 부재(c)에 대칭으로 형성되어 있으며, 그 형상은 상단 캡 내측 방향으로 돌출되어 있는 삼각형의 형태이지만, 이에 그 형태는 한정되지 않는다.
또한, 상기 후크(Hook) 돌기의 위치는 상기 리브(rib, 132)의 높이와 상기 PCB 수용부(112)에 탑재되는 인쇄회로 기판(PCB, 120)의 두께와의 합에 대응하는 위치에 상기 후크 돌기가 위치하도록 결정한다. 여기서 상기 후크(Hook) 돌기가 위치는 후크(Hook) 돌기의 아랫면(도 5에서의 삼각형의 아랫면)의 위치를 의미한다.
또한, 상기 다수의 리브(rib, 132)는 상기 상면 부재(b)와 전면 부재(a)의 내측에 돌출되어 형성되며 상단 캡이 상기 인쇄회로 기판(PCB, 120)에 결합되는 경우, 인쇄회로 기판(PCB, 120)에 형성된 전자부품들 사이에 격벽을 형성하는 구성으로서, ESD (Electrostatic Discharge, 정전기 방전)를 수행한다.
또한, 상기 다수의 리브(rib, 132)는 상기 인쇄회로 기판(PCB, 120)에 형성된 안전소자 및 보호소자가 위치하지 않은 부분에 형성되므로, 상기 리브(rib, 132)의 위치는 상기 인쇄회로 기판(PCB, 120)에 형성되는 안전소자 및 보호소자의 종류, 개수 및 형성된 위치에 따라 변경될 수 있다.
또한, 상기 다수의 리브(rib, 132)의 높이는 상기 배터리 셀 케이스(110)의 높이와 상기 PCB 수용부(112)에 탑재되는 인쇄회로 기판(PCB, 120)의 높이 간의 차에 대응하는 높이를 가져 상기 배터리 셀 케이스(110)와 상기 상단 캡(130)의 평탄도가 맞춰질 수 있도록 한다.
또한, 상기 다수의 리브(rib, 132)의 개수는 일 실시 예로서, 4개로 형성하지만 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 관통홈(133)은 인쇄회로 기판(PCB, 120)에 연결된 외부 입출력 단자(140)가 상기 상단 캡(130) 외부로 통과될 수 있도록 상기 전면 부재(a)에 형성된다.
또한, 상기 한 쌍의 열 방출 홀(134)은 배터리 셀 케이스의 양(+)극/음(-)극 리드로부터 발생하는 열이 방출되도록 상기 전면 부재(a)에 형성된다.
이는 일반적으로 양(+)극/음(-)극 리드에서의 발열에 의하여 완전 개방된 홈의 일부가 양(+)극/음(-)극 리드에 일부 걸리도록 상기 전면 부재(a)를 소정의 높이만큼 남겨놓는 형태로 형성된다.
따라서 상기 열 방출 홀(134)은 양(+)극/음(-)극 리드에서의 발열도 감소시키고, 배터리 팩(100) 낙하 등과 같은 다양한 사유에 의하여 발생되는 양(+)극/음(-)극 리드의 외부돌출이 발생되는 것을 방지한다.
또한, 상기 상단 캡(130)은, 상기 배터리 셀과의 결합력을 증대시키기 위한 결합 보강부재로서 후면부재(d)를 추가로 포함하여 구성된다.
또한, 상기 후면 부재(d)의 단축의 길이는 상기 리브(rib, 132)의 높이와 인쇄회로 기판(PCB, 120)의 자체 두께와의 합을 단축의 길이로 설정하여 상단 캡(130)과 인쇄회로 기판(PCB, 120)의 결합이 보다 안정적으로 체결될 수 있도록 한다.
<실시 예 2>
다음으로 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 제조 방법은 배터리 셀을 생성하고, 생성된 배터리 셀에 인쇄회로 기판을 접합시키며, 접합된 인쇄회로 기판에 상단 캡을 끼움 결합함에 따라 인쇄회로 기판을 보호하는 배터리 팩을 제조할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 제조 방법의 모식도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 제조 방법은 우선 밀봉된 파우치 형태의 배터리 셀을 생성하고(배터리 셀 생성단계: S510), 배터리 셀 생성단계(S510)에서 생성된 배터리 셀에 보호회로가 구성된 인쇄 회로 기판을 연결한다(인쇄 회로 기판 연결단계: S520).
상기 인쇄 회로 기판연결단계(S520)에서 배터리 셀과 연결된 인쇄 회로 기판에 상단 캡을 끼움 결합한다(상단 캡 결합단계: S530).
또한, 상기 배터리 팩 제조방법의 각 단계는 하기에서 더욱 상세하게 설명한다.
상기 배터리 셀 생성단계(S510)는 밀봉된 파우치 형태의 배터리 셀을 생성하는 단계로서, 리튬이온 전지뿐만 아니라 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등의 다양한 파우치형 배터리 셀을 생성할 수 있다.
한편, 리튬이온 전지 생성과정을 예로 들자면, 일단 상기 배터리 셀은 복수 개의 양극전극(알루미늄 호일)과 음극전극(구리 호일)을 분리막을 사이에 두고 적층함과 아울러, 양극전극에 양극탭을, 음극전극에 음극탭을 용접한 후, 알루미늄 파우치로 감싸 밀봉한 구조를 갖는다.
좀 더 상세하게 설명하자면, 배터리 셀의 제조 공정은 전극, 조립, 활성화 등 크게 3개 공정으로 나뉘며, 전극공정은 양극과 음극을 만드는데 재료를 적당한 비율로 섞어(Mixing), 양극은 알루미늄, 음극은 동박(Copper foil)으로 코팅(coating)하고, 롤 프레스(Roll Press)를 통해 일정한 두께로 압착해 평평하게 만든 뒤, 전극 사이즈에 맞게 자르는 슬리팅(slitting) 공정을 수행한다.
또한, 조립공정은 전극에서 불필요한 부분을 제거하는 노칭(Notching)을 거쳐 양극재, 분리막, 음극재를 번갈아 층층이 쌓은 뒤 이를 전지 용량에 맞춰 여러 차례 접는 스택 앤드 폴딩(stack & folding) 과정 또는 전극과 분리막을 겹치고 둘둘 마는 와인딩(winding) 과정을 수행하고, 알루미늄 필름 포장재로 포장한 뒤, 전해질을 투입하고 진공상태로 밀봉하는 공정이다.
마지막 활성화(formation) 공정은 조립된 배터리 셀의 충/방전을 반복하면서 배터리 셀을 활성화시키고, 활성화 시 배터리 셀에 발생된 가스를 배출시키는 탈기(degassing) 과정을 수행하는 공정이다.
또한, 배터리 셀을 생성한 후, 배터리 셀 수용부, 케이스 리드부(113)와 PCB 수용부(112)를 가지는 배터리 셀 케이스의 배터리 셀 수용부에 상기 배터리 셀 생성단계(S510)에서 생성된 배터리 셀을 탑재시키고, 탑재된 배터리 셀의 탭과 배터리 셀 케이스의 케이스 리드부(113)를 전기적으로 결합시키는 배터리 셀 결합단계를 추가로 수행한다.
이는 배터리 셀 케이스가 단순히 알루미늄 필름 포장재로 감싼 전극 중합체의 형태를 유지시키며 외부의 충격으로부터 내부를 보호시킬 수 있으므로 배터리 셀에 셀 케이스를 장착한다.
따라서 배터리 셀 케이스 아랫부분의 배터리 셀 수용부에 배터리 셀을 탑재시키고 배터리 셀에서 나온 탭을 배터리 셀 케이스에 있는 케이스 리드부에 용접 등으로 연결시킨 후, 배터리 셀 케이스 윗부분을 덮어 완성시킨다.
또한, 상기 인쇄 회로 기판연결단계(S520)는 상기 배터리 셀 생성단계(S510)에서 생성된 배터리 셀에 보호회로가 구성된 인쇄회로 기판(PCB, 120)을 연결하는 단계로서, 상기 배터리 셀 케이스(110)로부터 나온 리드를 상기 인쇄회로 기판(PCB, 120)에 스팟 용접(Spot welding) 또는 솔더링(Soldering)을 이용하여 결합한다.
좀 더 상세하게 설명하자면, 우선 상기 배터리 셀 케이스 내 PCB 수용부(112)에 인쇄회로 기판(PCB, 120)이 안착되어야 하므로 상기 배터리 셀 케이스 내 케이스 리드부(113)의 양(+)극/음(-)극 리드는 PCB 수용부(112) 쪽으로 구부린다.
리드의 구부린 내부에는 전기절연체로 높이를 조정해준 후, 상기 인쇄회로 기판(PCB, 120)을 결합시킨다.
또한, 상기 인쇄회로 기판(PCB, 120)을 연결하기 전에, 인쇄회로 기판(PCB, 120)에 구성되는 외부 입출력 단자(140)를 미리 연결하는 입출력 단자 연결단계를 수행하여 공정을 빠르게 수행할 수 있도록 한다.
또한, 상기 상단 캡 결합단계(S530)는 상기 인쇄 회로 기판연결단계(S520)에서 상기 배터리 셀과 연결된 인쇄회로 기판(PCB, 120)에 상단 캡을 끼움 결합하는 단계로서, 하기에서 도 7을 참고하여 좀 더 상세하게 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 내 상단 캡의 결합 측면도이다.
도 7을 참고하면, 상기 상단 캡(130)은 인쇄회로 기판(PCB, 120)에 끼움 결합되는 것으로 이는 지그(JIG)를 이용한 자동화 체결방식을 통해 생산될 수도 있고 수작업을 통해서 생산될 수도 있다.
또한, 상기 상단 캡 결합단계(S530) 후, 배터리 팩(100)은 상기 배터리 셀의 외면을 라벨로 감싸는 라벨 랩핑(wrapping)단계를 수행하여 배터리 팩의 상태를 외부로부터 정전기유입이 방지되는 절연 상태로 유지시키고, 전체적인 배터리 팩의 구성이 고정될 수 있도록 한다.
100: 배터리 팩
110: 배터리 셀 케이스
111: 배터리 셀
112: PCB 수용부
113: 케이스 리드부
120: 인쇄회로 기판(PCB)
130: 상단 캡
131: 후크 돌기
132: 리브
133: 관통홈
134: 열 방출 홀

Claims (12)

  1. 배터리 셀;
    상단에 PCB 수용부 및 배터리 셀의 탭과 전기적으로 연결되는 케이스 리드부를 포함하여 구성되는 배터리 셀 케이스;
    상기 배터리 셀의 작동을 제어하기 위한 보호 회로를 포함하여 상기 배터리 셀 케이스 상단의 PCB 수용부에 탑재되어 배터리 셀 케이스와 결합되는 인쇄회로 기판(PCB); 및
    상기 인쇄회로 기판과 끼움 결합이 되도록 양끝단 측면에 한 쌍의 후크(Hook) 돌기가 구비되어 상기 PCB 수용부에 탑재되는 인쇄회로 기판의 전체면을 덮는 형태로 상기 PCB 수용부에 대향하여 인쇄회로 기판에 결합되는 전기절연성의 상단 캡;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 셀 케이스는, 상기 PCB 수용부와 중복되지 않는 영역에 배터리 셀이 수용되는 배터리 셀 수용영역을 가지는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 상단 캡은, 상단 캡의 내주면에서 돌출되어 형성되며 상단 캡이 상기 인쇄회로 기판에 결합되는 경우, 인쇄회로 기판에 형성된 전자부품들 사이에 격벽을 형성하는 다수의 리브(rib)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 리브(rib)는, 상기 배터리 셀 케이스의 높이와 상기 PCB 수용부에 탑재되는 인쇄회로 기판(PCB)의 높이 간의 차에 대응하는 높이를 가진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 상단 캡의 후크(Hook) 돌기의 위치는, 상기 리브(rib)의 높이와 상기 PCB 수용부에 탑재되는 인쇄회로 기판(PCB)의 두께의 합에 대응하는 위치에 상기 후크 돌기가 위치하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 상단 캡은, 전면부재, 측면부재 및 상면부재를 포함하여 구성되며,
    전면부재에는, 외부 입출력단자가 외부로 연장되는 관통홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 상단 캡의 전면부재에는, 배터리 셀 케이스의 양(+)극/음(-)극 리드로부터 발생하는 열을 방출하기 위한 열 방출 홀을 형성하고,
    상기 열 방출 홀은, 양(+)극/음(-)극 리드가 외부로 돌출하여 이탈되는 것을 방지하도록 전면부재를 소정의 높이만큼 남겨놓고 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 상단 캡은, 상기 배터리 셀과의 결합력을 증대시키기 위한 결합 보강부재로서 후면부재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 배터리 팩을 제조하는 방법에 있어서,
    밀봉된 파우치 형태의 배터리 셀을 생성하는 배터리 셀 생성단계;
    상기 배터리 셀 생성단계에서 생성된 배터리 셀에 보호회로가 구성된 인쇄 회로 기판을 연결하는 인쇄 회로 기판 연결단계; 및
    상기 인쇄 회로 기판연결단계에서 상기 배터리 셀과 연결된 인쇄 회로 기판에 상단 캡을 끼움 결합하는 상단 캡 결합단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판 연결단계 전에, 상기 인쇄 회로 기판에 외부 입출력 단자를 연결하는 입출력 단자 연결단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판 연결단계 전에, 배터리 셀 수용부, 케이스 리드부와 PCB 수용부를 가지는 배터리 셀 케이스의 배터리 셀 수용부에 상기 배터리 셀 생성단계에서 생성된 배터리 셀을 탑재시키고, 탑재된 배터리 셀의 탭과 배터리 셀 케이스의 케이스 리드부를 전기적으로 결합시키는 배터리 셀 결합단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판 연결단계 전에, 상기 배터리 케이스의 케이스 리드부를 PCB 수용부 내측으로 구부려 넣고, 그 위에 인쇄 회로 기판을 결합하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
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