WO2012074220A1 - 신규한 구조의 이차전지 팩 - Google Patents

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battery pack
electrode terminal
pcm
secondary battery
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백주환
류진현
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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery pack having a novel structure, and more particularly, the electrode assembly is sealed in the battery case together with the electrolyte, and the first electrode terminal and the second electrode terminal and a pair of fastening grooves Battery cells formed on the top of the battery case;
  • a protection circuit module including a substrate (PCB) on which a protection circuit is formed, connecting members (A, B) connected to the first and second electrode terminals, and a safety device;
  • An insulating mounting member configured to be inserted in a lateral direction while surrounding the top and bottom of the PCM;
  • an electrically insulating top cap mounted on an upper end of the battery cell while surrounding the insulating mounting member and having through grooves communicating with the fastening grooves, wherein the PCM is inserted into the upper end of the battery cell.
  • the present invention relates to a secondary battery pack having a structure in which a fastening member is coupled to a fastening groove of a battery cell through the through holes of the upper cap while the insul
  • lithium secondary batteries with high energy density, high operating voltage, and excellent storage and life characteristics are used for various mobile devices as well as various electronic products. It is widely used as an energy source.
  • a lithium secondary battery has a PTC (Positive Temperature Coefficient) element and a protection circuit module (PCM) connected to the battery cell as a safety device that can effectively control abnormal conditions such as overcharge and overcurrent. It is mounted.
  • PTC Physical Temperature Coefficient
  • PCM protection circuit module
  • PCM is connected to the battery cell by welding or soldering via a conductive nickel plate. That is, the battery pack is manufactured by connecting the PCM to the battery cell by welding or soldering a nickel plate to the electrode tab of the PCM, and then welding or soldering the nickel plate to the electrode terminal of the battery cell, respectively.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • Still another object of the present invention is to provide a secondary battery pack in which a safety device may immediately sense a temperature of a battery cell to improve safety.
  • a battery cell in which an electrode assembly having a cathode / separation membrane / cathode structure is sealed inside the battery case together with an electrolyte, and a first electrode terminal and a second electrode terminal and a pair of fastening grooves are formed on an upper end of the battery case;
  • a protection circuit module including a substrate (PCB) on which a protection circuit is formed, connection members (A, B) connected to the first and second electrode terminals, and a safety device;
  • An insulating mounting member configured to be inserted in a lateral direction while surrounding the top and bottom of the PCM
  • An electrically insulating upper cap mounted on an upper end of the battery cell while surrounding the insulating mounting member and having through holes communicating with the fastening grooves;
  • the fastening member is coupled to the fastening groove of the battery cell through the through grooves of the upper cap in a state where the insulating cap and the upper cap is mounted on the top of the battery cell.
  • the secondary battery pack since the PCM is inserted into the insulating mounting member, the secondary battery pack can not only maintain an electrically insulating state but also increase mechanical rigidity.
  • the "lateral direction” means a direction horizontal to the long axis when the PCM is composed of a long axis and a short axis on a plane. Therefore, "a structure inserted in the lateral direction” means a structure in which the insulating mounting member is inserted in the horizontal direction with respect to the long axis of the PCM. Therefore, the formation of the structure for maintaining the PCM insulated from the battery cell or the like can be achieved by a simple assembling process, and the structure itself in which the PCM is inserted into the insulating mounting member forms a very stable structure as a whole.
  • the battery case may be a metal can, preferably an aluminum can or a stainless steel can.
  • the first electrode terminal may be a positive electrode terminal and the second electrode terminal may be a negative electrode terminal.
  • the rectangular battery cell has a structure in which an electrode terminal and a battery case protruding from the upper surface thereof form a negative electrode terminal and a positive electrode terminal, respectively, and are interposed between insulating members such as a gasket therebetween. . Therefore, in the rectangular battery cell structure, the first electrode terminal may be a positive electrode terminal which is an upper surface of the battery case, and the second electrode terminal may be a negative electrode terminal which protrudes on the upper surface of the battery case.
  • the fastening grooves may be located on both ends of the upper end of the battery case, one fastening groove may be formed on the first electrode terminal, both fastening grooves are formed on the first electrode terminal It may be.
  • connection (electrical connection) of the connection member A and the PCB can be achieved in various ways, and preferably, the connection member A can be coupled to the lower surface of the PCB by soldering.
  • the PCM is connected to the connection member (A, B) in the state that is electrically connected to the battery cell electrode terminal is inserted into the opening of the insulating mounting member in a state exposed to the lower portion, the connection member
  • the cells A and B may be bent to have a structure mounted on the battery cell.
  • the PCM except for the battery cell connection members A and B is mounted on the battery cell while forming an electrically insulated state by the insulating mounting member, the PCM may contribute to the improvement of electrical and mechanical stability of the battery pack.
  • the connecting member (A) is coupled to the lower surface of the PCB in a state that extends laterally from one end of the PCB through the opening of the insulating mounting member
  • the connecting member (B) is a battery cell
  • the connection portion for the second electrode terminal of the may be made of a structure that is electrically connected to the second electrode terminal via the safety element in a state located on the lower surface of the PCB.
  • the connection member (B) included in the PCM together with the safety element is coupled to the second electrode terminal of the battery cell by a welding method and electrically connected in a state embedded in the insulating cap, and the connection member By the bending of (B) to form a structure mounted on the top of the battery cell.
  • the safety device is a device in which the resistance increases as the temperature rises, preferably a PTC device.
  • the PTC device serves to block the connection member B coupled with the PTC device to block current at the top of the battery pack.
  • the safety device is not limited to only the PTC device, and for example, bimetals, fuses, and the like can also be used.
  • the insulating mounting member may preferably have a structure in which a step is formed so that at least a part of the safety device may be exposed. Accordingly, the remaining parts of the battery cell, except for the electrode terminal connection portion and the safety element, can be kept insulated from the outside by the insulating mounting member, and the safety element exposed from the insulating mounting member toward the battery cell is the temperature of the battery cell. It can react more sensitively to, thereby greatly improving the safety of the battery pack. More preferably, the entire safety device may be a structure exposed from the insulating mounting member.
  • connection member A and the connection member B are not particularly limited as long as they are conductive materials.
  • connection member A and the connection member B may be nickel plates.
  • the fastening member coupled to the fastening groove of the battery cell through the through hole of the upper cap may be various, for example, may be a screw, but is not limited thereto.
  • an adhesive may be added to the inner excess portion of the through groove, and a separate sealing member may be preferably inserted.
  • a separate sealing member examples include a rubber stopper, but are not limited thereto.
  • the outer surface of the case of the battery cell may be a structure having an outer film attached. This protects the battery cell from external shock and maintains electrical insulation.
  • the secondary battery pack according to the present invention may be variously applied regardless of the type and appearance of the battery cell, and may be preferably applied to a battery pack including a rectangular lithium secondary battery as a battery cell.
  • the present invention also provides a protective circuit module assembly mounted to the battery cell,
  • a protective circuit module assembly in which an electrode assembly having a positive electrode / membrane / cathode structure is sealed inside an battery case together with an electrolyte solution, and the first electrode terminal and the second electrode terminal are mounted on a battery cell formed at an upper end of the battery case.
  • a protection circuit module including a substrate (PCB) on which a protection circuit is formed, connecting members (A, B) connected to the first and second electrode terminals, and a safety device;
  • An insulating mounting member configured to be inserted in a lateral direction while surrounding the top and bottom of the PCM
  • An electrically insulating upper cap mounted on an upper end of the battery cell with the insulating mounting member embedded therein and having through grooves communicating with the fastening grooves;
  • Consists of a structure that includes,
  • the protective circuit module assembly having such a structure is configured to couple the fastening member to the fastening groove of the battery cell through the through holes of the upper cap while the insulating mounting member and the upper cap are mounted on the top of the battery cell. It may be mounted on the battery cell.
  • the PCM assembly In the general assembly process of the battery pack, the PCM assembly is installed on the battery cell by a series of processes in which the connecting member, the PCM, and the like are sequentially coupled and mounted on the battery cell and the top cap is mounted while the insulating tape is attached. Therefore, although it is difficult to expect high mechanical rigidity and the assembly process is complicated, the PCM assembly according to the present invention is mounted on the battery cell by fastening by a fastening member in a state where the insulating cap and the top cap are inserted with the PCM. Therefore, the above problems can be solved at once.
  • the present invention also provides a method of manufacturing a secondary battery pack
  • connection member (B) (a) coupling the connection member (B) to one side of the safety device
  • connection member A manufacturing a PCM by connecting the connection member A in a state in which it protrudes in a transverse direction from one end of the lower surface of the PCB;
  • connection member B welding and coupling the connection member B and the second electrode terminal, and bending the connection member B to mount the top cap on the top of the battery cell;
  • It provides a method of manufacturing a secondary battery pack comprising a.
  • Such a manufacturing method may be omitted at the level of those skilled in the art as necessary, and other processes may be additionally included.
  • FIG. 1 is a partial perspective view of an insulating top cap on which an upper end and an insulating mounting member of a battery cell according to an embodiment of the present invention are mounted;
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the insulating cap and the top cap with the PCM inserted therein;
  • FIG. 3 is a schematic view of an insulating top cap and fastening members mounted on the top of a battery cell;
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the PCM and insulating mounting member of FIG. 2;
  • connection members A and B and a PTC element are coupled to a lower surface of the PCB;
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of a battery cell, an insulating lower cap, and an outer film.
  • FIG. 1 is a partial perspective view of an insulating top cap on which an upper end portion and an insulating mounting member of a battery cell according to an embodiment of the present invention are mounted
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a PCM and an insulating mounting member.
  • FIG. 3 is a schematic view of an insulating top cap and a fastening member mounted on an upper end of a battery cell
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the PCM and the insulating mounting member of FIG. 2.
  • the secondary battery pack 100 includes a battery cell 110, a protective circuit module (PCM) 120, an insulating mounting member 130 into which the PCM 120 is inserted, and an insulating mounting member 130. It wraps around and consists of a structure including an upper cap 140 mounted on the top of the battery cell 110.
  • PCM protective circuit module
  • the battery cell 110 has an electrode assembly sealed with the electrolyte inside the battery case, and the positive terminal 111 and the negative terminal 112 and a pair of fastening grooves 113 and 114 are disposed on the top of the battery case. It consists of a structure that is formed.
  • the PCM 120 includes a substrate (PCB) 123 on which a protection circuit is formed, connecting members 121 and 122 connected to the positive terminal 111 and the negative terminal 112, and a PTC element 124. have.
  • the insulating mounting member 130 has a structure that is inserted in the side direction (arrow direction of Figure 4) while wrapping the top and bottom of the PCM (120).
  • the upper cap 140 is made of an electrically insulating material, and through holes 143 and 144 communicating with the fastening grooves 113 and 114 are formed at both end portions thereof.
  • the upper surface of the battery cell 110 is formed with a negative electrode terminal 112 protruding upward in an insulated state from the battery case made of a metal can, the portion except for the negative terminal 112 forms the positive terminal 111. do.
  • the electrolyte injection portion 116 sealed by the metal ball, the polymer resin, or the like is positioned at one side of the top surface of the battery cell 110.
  • the fastening members 151 and 152 penetrate the upper cap 130 while the insulating mounting member 130 and the upper cap 140 are mounted on the upper end of the battery cell 110. It is coupled to the fastening grooves 113 and 114 of the battery cell 110 through the grooves 133 and 134, and the sealing members 153 and 154 are inserted into the surplus portions of the through grooves 133 and 134, thereby mechanically A conclusion is made.
  • FIG. 5 schematically illustrates a perspective view in which connection members A and B and a PTC device are coupled to a lower surface of the PCB.
  • the insulating mounting member 130 has an opening 132 formed at one side thereof so that the PCM 120 can be inserted in the lateral direction.
  • Connection members A in a state where the PCM 120 is inserted in the lateral direction A and the PCM 120 is inserted in the insulating mounting member 130 while the electrode terminal connecting portions of the 121 and 122 are exposed.
  • B 121, 122 is bent to be mounted on the battery cell top 111.
  • the lower end of the insulating mounting member 130 is formed and formed with a structure having a step 135, so that the PTC element 124 may be directly exposed to the battery cell 110.
  • the PTC device 124 is a battery cell ( It may be sensitive to the heat generated in 110 to improve the safety.
  • connection member A 121 is coupled to the lower surface of the PCB 123 in a state in which it protrudes in a horizontal direction from one end of the PCB 123 through the opening 132 of the insulating mounting member 130.
  • connection member B 122 is electrically connected to the negative electrode terminal 112 of the battery cell 110 via the PTC element 124 with the connection portion for the negative electrode terminal 112 located on the bottom surface of the PCB 123. Connected.
  • FIG. 7 is an exploded view of the battery cell and the insulating lower cap, the outer film is schematically shown.
  • an insulating lower cap 150 coupled to a lower end of the battery cell 110 and an outer film 160 covering the outer surface of the case of the battery cell 110 are attached.
  • the outer film 160 which secures the electrical insulation state from the outside of the battery case and displays the information of the product is made of a heat shrinkable material, the outer film 160 is manufactured in the form of a tube to wrap the battery cell 110 It is attached to the structure in close contact with the contraction to the surface of the battery cell 110 by applying a.
  • the secondary battery pack according to the present invention may be manufactured in a structure having improved stability by a simple process of inserting a PCM, based on a specific structure of the insulating mounting member.

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Abstract

양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고, 제 1 전극단자 및 제 2 전극단자와 한 쌍의 체결홈들이 전지케이스의 상단에 형성되어 있는 전지셀; PCB, 상기 제 1 및 제 2 전극단자들에 접속되는 접속부재들(A, B), 및 안전소자를 포함하고 있는 PCM; 상기 PCM의 상단 및 하단을 감싸면서 측면방향으로 삽입되는 구조로 이루어져 있는 절연성 장착부재; 및 상기 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단에 장착되며, 상기 체결홈들에 연통되는 관통홈들이 형성되어 있는 전기 절연성의 상단 캡;을 포함하고 있고, 상기 전지셀의 상단에 PCM을 삽입한 절연성 장착부재와 상단 캡을 탑재한 상태에서 체결부재를 상기 상단 캡의 관통홈들을 통해 전지셀의 체결홈에 결합시키는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지 팩을 제공한다.

Description

신규한 구조의 이차전지 팩
본 발명은 신규한 구조의 이차전지 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고, 제 1 전극단자 및 제 2 전극단자와 한 쌍의 체결홈들이 전지케이스의 상단에 형성되어 있는 전지셀; 보호회로가 형성되어 있는 기판(PCB), 상기 제 1 및 제 2 전극단자들에 접속되는 접속부재들(A, B), 및 안전소자를 포함하고 있는 보호회로모듈(PCM); 상기 PCM의 상단 및 하단을 감싸면서 측면방향으로 삽입되는 구조로 이루어져 있는 절연성 장착부재; 및 상기 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단에 장착되며, 상기 체결홈들에 연통되는 관통홈들이 형성되어 있는 전기 절연성의 상단 캡;을 포함하고 있고, 상기 전지셀의 상단에 PCM을 삽입한 절연성 장착부재와 상단 캡을 탑재한 상태에서 체결부재를 상기 상단 캡의 관통홈들을 통해 전지셀의 체결홈에 결합시키는 구조로 이루어지는 이차전지 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 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. 따라서, 이러한 접속 형태를 구성하기 위해서는, 일반적으로 전극단자 접속부위를 제외한 PCM에 절연 테이프를 접착하여 전기적 절연상태를 유지하게 된다.
그러나, 이 경우, 절연 테이프로 인해 안전소자가 전지셀의 온도를 즉각적으로 감지하기 어려울 뿐만 아니라, 외부의 충격으로부터 기계적 강성이 약하다는 문제점을 가지고 있다.
또한, 이러한 문제점을 해결하기 위해 다수 개의 절연성 장착부재 또는 다수의 부품들을 사용할 경우, 전지팩의 조립공정이 복잡해지는 문제점이 있다. 이는, 전지팩을 구성하기 위하여 다수의 용접 또는 솔더링을 수행하는 과정에서, 이차전지의 작은 구조로 인해 더욱 정밀한 작업을 요구하게 되므로, 그만큼 불량의 가능성이 높다.
따라서, 전지셀 상단부에 탑재되는 부재들을 상호간 안정적으로 결합시킴과 동시에, 조립공정을 간소화하고, 안전소자가 전지셀의 온도를 즉각적으로 감지하여 전지셀의 안정성을 향상시킬 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 전지팩의 기계적 강성 및 전기적 절연상태를 유지하면서, 간소화된 조립 고정에 의해 안정적인 조립 구조를 형성할 수 있는 이차전지 팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 안전소자가 전지셀의 온도를 즉각적으로 감지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 이차전지 팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지 팩은,
양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고, 제 1 전극단자 및 제 2 전극단자와 한 쌍의 체결홈들이 전지케이스의 상단에 형성되어 있는 전지셀;
보호회로가 형성되어 있는 기판(PCB), 상기 제 1 및 제 2 전극단자들에 접속 되는 접속부재들(A, B), 및 안전소자를 포함하고 있는 보호회로모듈(PCM);
상기 PCM의 상단 및 하단을 감싸면서 측면방향으로 삽입되는 구조로 이루어져 있는 절연성 장착부재; 및
상기 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단에 장착되며, 상기 체결홈들에 연통되는 관통홈들이 형성되어 있는 전기 절연성의 상단 캡;
을 포함하고 있고
상기 전지셀의 상단에 PCM을 삽입한 절연성 장착부재와 상단 캡을 탑재한 상태에서 체결부재를 상기 상단 캡의 관통홈들을 통해 전지셀의 체결홈에 결합시키는 구조로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지 팩은, PCM이 절연성 장착부재에 삽입되어 있으므로, 전기적으로 절연상태를 유지할 뿐만 아니라 기계적 강성을 높일 수 있다.
상기 "측면방향"은, 평면상으로 상기 PCM이 장축과 단축으로 구성될 때, 장축에 대해 수평인 방향을 의미한다. 따라서, "측면방향으로 삽입되는 구조"는 절연성 장착부재가 PCM의 장축에 대해 수평방향으로 삽입되는 구조를 의미한다. 따라서, PCM을 전지셀 등에 대해 절연 상태를 유지하기 위한 구조의 형성을 간소한 조립 공정에 의해 달성할 수 있으며, PCM이 절연성 장착부재에 삽입된 구조 자체가 전반적으로 매우 안정적인 구조를 형성하게 된다.
상기 전지케이스는 가공상의 용이성과 일정 수준 이상의 기계적 강도가 요구되므로, 금속 소재의 캔일 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 캔 또는 스테인리스 스틸 캔일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 제 1 전극단자는 양극단자이고 제 2 전극단자는 음극단자일 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 체결홈들은 바람직하게는, 전지케이스 상단의 양측 단부상에 위치할 수 있으며, 한 개의 체결홈이 제 1 전극단자 상에 형성될 수도 있고 두 개의 체결홈 모두가 제 1 전극단자 상에 형성될 수도 있다.
상기 접속부재(A)와 PCB의 결합(전기적 접속)은 다양한 방법으로 달성될 수 있으며, 바람직하게는, 솔더링에 의해 PCB의 하면에 접속부재(A)를 결합시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 PCM은, 접속부재들(A, B)의 전지셀 전극단자에 전기적으로 연결되는 부위가 하부로 노출된 상태로 절연성 장착부재의 개구에 삽입된 상태에서, 상기 접속부재들(A, B)를 절곡하여 전지셀 상에 탑재되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 전지셀 접속부재들(A, B)을 제외한 PCM은 상기 절연성 장착부재에 의해, 전기적 절연 상태를 이루면서 전지셀 상에 탑재되므로, 전지팩의 전기적, 기계적 안정성 향상에 기여할 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 접속부재(A)는 절연성 장착 부재의 개구를 통해 PCB의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장된 상태로 PCB의 하면에 결합되어 있고, 상기 접속부재(B)는 전지셀의 제 2 전극단자에 대한 접속 부위가 PCB의 하면에 위치한 상태로 안전소자를 경유하여 제 2 전극단자와 전기적으로 연결되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 구조에서, 안전소자와 함께 PCM에 포함되어 있는 접속부재(B)는, 절연성 캡에 내장된 상태에서, 전지셀의 제 2 전극단자와 용접 방식에 의해 결합되어 전기적으로 연결되고, 상기 접속부재(B)의 절곡에 의해 전지셀의 상단에 장착되는 구조를 이룬다.
하나의 예에서, 상기 안전소자는 온도 상승에 따라 저항이 증가하는 소자로서, 바람직하게는 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. 그러나, 안전소자가 PTC 소자 만으로 한정되지 않음은 물론이며, 예를 들어, 바이메탈, 퓨즈 등의 사용도 가능하다.
특히, 본 발명에 따른 이차전지 팩에서, 상기 안전소자의 적어도 일부가 노출될 수 있도록, 상기 절연성 장착부재는 바람직하게는 단차가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 따라서, 전지셀의 전극단자 접속부위 및 안전소자를 제외하고 나머지 부위는, 절연성 장착부재에 의해 외부로부터 절연 상태를 유지할 수 있으며, 절연성 장착부재로부터 전지셀 방향으로 노출된 안전소자는 전지셀의 온도에 더욱 민감하게 반응할 수 있어서, 전지팩의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다. 더욱 바람직하게는, 안전소자 전체가 절연성 장착부재로부터 노출된 구조일 수 있다.
상기 접속부재(A)와 접속부재(B)는 전도성 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 니켈 플레이트일 수 있다.
상단 캡의 관통홈을 통해 전지셀의 체결홈에 결합되는 체결부재는 다양할 수 있으며, 예를 들어, 나사일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이러한 결합 방식에 의해, 전지셀의 상단에 대한 상단 캡의 결합이 이루어지므로, 전지팩의 안정적인 결합 상태를 확보할 수 있다.
체결부재가 삽입된 상태에서 관통홈의 내부 잉여 부위에는 접착제가 부가될 수도 있고, 바람직하게는 별도의 밀폐부재가 삽입될 수도 있다. 상기 밀폐부재의 예로는 고무 마개를 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 전지셀의 상단에 결합되는 절연성 상단 캡 이외에 하단에도 별개의 절연성 하단 캡이 장착되는 구조일 수 있으며, 상기 전지셀의 케이스 외면에는 외장 필름이 부착되어 있는 구조일 수 있다. 이를 통해 외부 충격으로부터 전지셀을 보호하고 전기적 절연상태를 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 팩은, 전지셀의 종류 및 외형에 관계없이 다양하게 적용 가능하며, 바람직하게는 각형의 리튬 이차전지를 전지셀로서 포함하는 전지팩에 적용될 수 있다.
본 발명은 또한, 전지셀에 장착되는 보호회로모듈 어셈블리로서,
양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고, 제 1 전극단자 및 제 2 전극단자가 전지케이스의 상단에 형성되어 있는 전지셀에 장착되는 보호회로모듈 어셈블리로서,
보호회로가 형성되어 있는 기판(PCB), 상기 제 1 및 제 2 전극단자들에 접속되는 접속부재들(A, B), 및 안전소자를 포함하고 있는 보호회로모듈(PCM);
상기 PCM의 상단 및 하단을 감싸면서 측면방향으로 삽입되는 구조로 이루어져 있는 절연성 장착부재; 및
상기 절연성 장착부재를 내장한 상태로 전지셀의 상단에 장착되며, 상기 체결홈들에 연통되는 관통홈들이 형성되어 있는 전기 절연성의 상단 캡;
을 포함하는 구조로 이루어져 있고,
이러한 구조의 보호회로모듈 어셈블리는, PCM을 삽입한 절연성 장착부재와 상단 캡을 전지셀의 상단에 탑재한 상태에서 체결부재를 상기 상단 캡의 관통홈들을 통해 전지셀의 체결홈에 결합시키는 방식으로 전지셀에 장착될 수 있다.
일반적인 전지팩의 조립 과정에서는 접속부재, PCM 등을 전지셀 상에 순차적으로 결합 및 탑재하고 절연성 테이프를 부착한 상태에서 상단 캡을 장착하는 일련의 과정으로 전지셀 상에 PCM 어셈블리를 설치한다. 따라서, 높은 기계적 강성을 기대하기 어렵고 조립 공정이 복잡하지만, 본 발명에 따른 PCM 어셈블리는, PCM을 삽입한 절연성 장착부재와 상단 캡을 탑재한 상태에서 체결부재에 의한 체결에 의해 전지셀 상에 장착되므로, 상기와 같은 문제점들을 일거에 해결할 수 있다.
이러한 PCM 어셈블리는 그 자체로 당업계에서 신규한 부재이다.
본 발명은 또한, 이차전지 팩을 제조하는 방법으로서,
(a) 안전소자의 일측에 접속부재(B)를 결합하는 과정;
(b) 보호회로가 형성되어 있는 기판(PCB)의 하면에 상기 안전소자의 타측을 결합하는 과정;
(c) 접속부재(A)를 PCB 하면의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장된 상태로 결합하여 PCM을 제조하는 과정;
(d) 접속부재(A)의 제 1 전극단자 접속부위와 접속부재(B)의 제 2 전극단자 접속부위가 개방된 형태의 절연성 장착부재에 PCM을 삽입하는 과정;
(e) PCM을 절연성 상단캡에 내장하는 과정;
(e) 접속부재(B)와 제 2 전극단자를 용접하여 결합한 뒤, 상기 접속부재(B)를 절곡하여 상단 캡을 전지셀 상단에 장착하는 과정;
(g) 상단 캡과 전지셀을 나사결합에 의하여 체결하여 제 1 전극단자와 접속부재(A)가 전기적 연결 및 기계적 결합을 이루는 과정;
(h) 전지셀 하단과 절연성 하단 캡을 접착제에 의해 결합하는 과정;
(i) 나사결합 방식으로 이루어진 상단 캡의 관통홈 상에 접착제를 투여하거나 밀폐부재를 삽입하는 과정; 및
(j) 외장 필름으로 전지팩의 외면을 감싸는 과정;
을 포함하는 것으로 이루어진 이차전지 팩의 제조방법을 제공한다.
따라서, 종래의 이차전지 팩의 공정과 비교하여, 기계적 강성 및 안정성이 크게 향상된 전지팩을 제조할 수 있다.
이러한 제조방법은 당업자의 수준에서 일부 공정이 필요에 따라 생략될 수 있고, 기타 공정이 부가적으로 포함될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 상단부 및 절연성 장착부재가 탑재된 절연성 상단 캡의 부분 사시도이다;
도 2는 PCM을 삽입한 절연성 장착부재 및 상단 캡의 분해 사시도이다;
도 3은 전지셀 상단에 장착된 절연성 상단 캡 및 체결부재들의 모식도이다;
도 4는 도 2의 PCM 및 절연성 장착부재의 분해 사시도이다;
도 5는 PCB 하면에 접속부재들(A, B) 및 PTC 소자가 결합된 사시도이다;
도 6은 전지셀과 절연성 하단 캡, 외장필름의 분해 사시도이다.
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 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 상단부 및 절연성 장착부재가 탑재된 절연성 상단 캡의 부분 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 PCM 및 절연성 장착부재의 분해 사시도가 도시되어 있으며, 도 3에는 전지셀 상단에 장착된 절연성 상단 캡 및 체결부재들의 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 2의 PCM 및 절연성 장착부재의 분해 사시도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 이차전지 팩(100)은 전지셀(110), 보호회로모듈(PCM: 120), PCM(120)이 삽입되어 있는 절연성 장착부재(130), 및 절연성 장착부재(130)를 감싸면서 전지셀(110)의 상단에 장착되는 상단 캡(140)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
전지셀(110)은 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고, 양극 단자(111) 및 음극 단자(112)와 한 쌍의 체결홈들(113, 114)이 전지케이스의 상단에 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.
PCM(120)은 보호회로가 형성되어 있는 기판(PCB: 123), 양극 단자(111) 및 음극 단자(112)에 접속되는 접속부재들(121, 122), 및 PTC 소자(124)를 포함하고 있다.
절연성 장착부재(130)는 PCM(120)의 상단 및 하단을 감싸면서 측면방향(도 4의 화살표 방향)으로 삽입되는 구조로 이루어져 있다.
상단 캡(140)은 전기 절연성 소재로 이루어져 있고, 양측 단부 부위에 체결홈들(113, 114)과 연통되는 관통홈들(143, 144)이 형성되어 있다,
전지셀(110)의 상단면에는 금속 캔으로 이루어진 전지케이스와 절연된 상태에서 상부로 돌출된 음극 단자(112)가 형성되어 있고, 음극 단자(112)를 제외한 부위는 양극 단자(111)를 형성한다. 전지셀(110)의 상단면 일측에는 금속볼 및 고분자 수지 등에 의해 밀봉된 전해액 주입부(116)가 위치하고 있다.
따라서, 전지셀(110)의 상단에 PCM(120)을 삽입한 절연성 장착부재(130)와 상단 캡(140)을 탑재한 상태에서 체결부재들(151, 152)을 상단 캡(130)의 관통홈들(133, 134)을 통해 전지셀(110)의 체결홈(113, 114)에 결합시키고, 관통홈들(133, 134)의 내부 잉여 부위에 밀폐부재(153, 154)를 삽입하여 기계적 체결을 이룬다.
도 5에는 PCB 하면에 접속부재들(A, B) 및 PTC 소자가 결합된 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 도 1 및 3과 함께 참조하면, 절연성 장착부재(130)는 PCM(120)이 측면방향으로 삽입될 수 있도록 일 측면에 개구(132)가 형성되어 있어서, 접속부재들(A, B: 121, 122)의 전극단자 접속부위가 노출된 상태로 PCM(120)이 측면방향(A)으로 삽입되고, PCM(120)이 절연성 장착부재(130)에 삽입된 상태에서 접속부재들(A, B: 121, 122)을 절곡하여 전지셀 상단(111)에 장착된다. 또한, 절연성 장착부재(130)의 하단은 단차(135)를 가진 구조로 형성되어 형성하고 있어서, PTC 소자(124)가 전지셀(110)에 직접적으로 노출될 수 있다.
따라서, PCM(120)이 절연성 장착부재(130)에 삽입된 상태에서 전지셀(110)에 장착되므로, 전체적인 기계적 강성을 향상시키고 안정적인 구조를 형성할 수 있으며, PTC 소자(124)는 전지셀(110)에서 발생하는 열에 민감하게 반응하여 안전성을 향상시킬 수 있다.
접속부재(A: 121)는 절연성 장착 부재(130)의 개구(132)를 통해 PCB(123)의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장된 상태로 PCB(123)의 하면에 결합된다.
접속부재(B: 122)는 음극단자(112)에 대한 접속 부위가 PCB(123)의 하면에 위치한 상태로 PTC 소자(124)를 경유하여 전지셀(110)의 음극단자(112)와 전기적으로 연결된다.
도 7에는 전지셀과 절연성 하단 캡, 외장필름의 분해도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 전지셀(110)의 하단부에 결합되는 절연성 하단 캡(150), 및 전지셀(110) 케이스의 외면을 감싸며 부착되는 외장 필름(160)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스의 외면에서 외부와 전기적 절연상태를 확보하고 제품의 정보를 표시하는 외장 필름(160)은 열수축성 소재로 이루어진 외장 필름(160)은 튜브 형태로 제조되어 전지셀(110)을 감싼 후 열을 가하여 전지셀(110) 케이스 표면에 수축되면서 밀착되는 구조로 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.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지 팩은 절연성 장착부재의 특정한 구조를 기반으로, PCM을 삽입하는 간단한 공정에 의해 보다 안정성이 향상된 구조로 제조될 수 있다.

Claims (16)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고, 제 1 전극단자 및 제 2 전극단자와 한 쌍의 체결홈들이 전지케이스의 상단에 형성되어 있는 전지셀;
    보호회로가 형성되어 있는 기판(PCB), 상기 제 1 및 제 2 전극단자들에 접속되는 접속부재들(A, B), 및 안전소자를 포함하고 있는 보호회로모듈(PCM);
    상기 PCM의 상단 및 하단을 감싸면서 측면방향으로 삽입되는 구조로 이루어져 있는 절연성 장착부재; 및
    상기 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단에 장착되며, 상기 체결홈들에 연통되는 관통홈들이 형성되어 있는 전기 절연성의 상단 캡;
    을 포함하고 있고
    상기 전지셀의 상단에 PCM을 삽입한 절연성 장착부재와 상단 캡을 탑재한 상태에서 체결부재를 상기 상단 캡의 관통홈들을 통해 전지셀의 체결홈에 결합시키는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속 캔인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극단자는 양극단자이고 제 2 전극단자는 음극단자인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 체결홈들은 전지케이스 상단의 양측 단부 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재(A)는 솔더링에 의해 PCB의 하면에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 PCM은, 접속부재들(A, B)의 전지셀 전극단자에 전기적으로 연결되는 부위가 하부로 노출된 상태로 절연성 장착부재의 개구에 삽입된 상태에서, 상기 접속부재들(A, B)를 절곡하여 전지셀 상에 탑재되는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 접속부재(A)는 절연성 장착 부재의 개구를 통해 PCB의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장된 상태로 PCB의 하면에 결합되어 있고,
    상기 접속부재(B)는 전지셀의 제 2 전극단자에 대한 접속 부위가 PCB의 하면에 위치한 상태로 안전소자를 경유하여 제 2 전극단자와 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 안전소자는 PTC 소자인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 장착부재는, 안전소자의 적어도 일부가 노출될 수 있도록, 단차가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재(A)와 접속부재(B)는 각각 니켈 플레이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 체결부재는 나사인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 전지셀에 대한 체결을 위해 체결부재가 삽입된 관통홈에는 밀봉부재를 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스 외면에는 외장 필름이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 각형의 리튬 이차전지 셀인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  15. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고, 제 1 전극단자 및 제 2 전극단자가 전지케이스의 상단에 형성되어 있는 전지셀에 장착되는 보호회로모듈 어셈블리로서,
    보호회로가 형성되어 있는 기판(PCB), 상기 제 1 및 제 2 전극단자들에 접속되는 접속부재들(A, B), 및 안전소자를 포함하고 있는 보호회로모듈(PCM);
    상기 PCM의 상단 및 하단을 감싸면서 측면방향으로 삽입되는 구조로 이루어져 있는 절연성 장착부재; 및
    상기 절연성 장착부재를 내장한 상태로 전지셀의 상단에 장착되며, 상기 체결홈들에 연통되는 관통홈들이 형성되어 있는 전기 절연성의 상단 캡;
    을 포함하고 있고,
    상기 전지셀의 상단에 PCM을 삽입한 절연성 장착부재와 상단 캡을 탑재한 상태에서 체결부재를 상기 상단 캡의 관통홈들을 통해 전지셀의 체결홈에 결합시키는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 보호회로모듈 어셈블리.
  16. 이차전지 팩을 제조하는 방법으로서,
    (a) 안전소자의 일측에 접속부재(B)를 결합하는 과정;
    (b) 보호회로가 형성되어 있는 기판(PCB)의 하면에 상기 안전소자의 타측을 결합하는 과정;
    (c) 접속부재(A)를 PCB 하면의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장된 상태로 결합하여 PCM을 제조하는 과정;
    (d) 접속부재(A)의 제 1 전극단자 접속부위와 접속부재(B)의 제 2 전극단자 접속부위가 개방된 형태의 절연성 장착부재에 PCM을 삽입하는 과정;
    (e) PCM을 절연성 상단캡에 내장하는 과정;
    (e) 접속부재(B)와 제 2 전극단자를 용접하여 결합한 뒤, 상기 접속부재(B)를 절곡하여 상단 캡을 전지셀 상단에 장착하는 과정;
    (g) 상단 캡과 전지셀을 나사결합에 의하여 체결하여 제 1 전극단자와 접속부재(A)가 전기적 연결 및 기계적 결합을 이루는 과정;
    (h) 전지셀 하단과 절연성 하단 캡을 접착제에 의해 결합하는 과정;
    (i) 나사결합 방식으로 이루어진 상단 캡의 관통홈 상에 접착제를 투여하거나 밀폐부재를 삽입하는 과정; 및
    (j) 외장 필름으로 전지팩의 외면을 감싸는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조방법.
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