WO2013119003A1 - 신규한 구조의 이차전지 팩 - Google Patents

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pcm
secondary battery
battery pack
coupled
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김희규
김정환
박건태
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery pack having a novel structure, and more particularly, a battery cell in which the electrode assembly is sealed inside the battery case together with the electrolyte and the first and second electrode terminals are formed on the top surface thereof;
  • An electrically insulating mounting member having an opening formed to expose the second electrode terminal of the battery cell and mounted on an upper surface of the battery cell;
  • a protective circuit is formed and includes a substrate (PCB) mounted on the mounting member, and a connection member (A) and a connection member (B) coupled to the lower surface of the PCB, respectively, and the connection member (A)
  • a protection device is connected to the first electrode terminal via a safety device, the connection member B is coupled to the second electrode terminal, and a through hole through which the connection member B can be exposed is drilled on the PCB.
  • a circuit module (PCM); And an insulating cap coupled to an upper end of the battery cell while surrounding the insulating mounting member while the connection members and the protection circuit board are mounted. It includes, and relates to a secondary battery pack having a total height of the PCM and the insulating cap is less than 3.0 mm.
  • 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.
  • the secondary battery may be used as a removable structure that can be inserted and detached freely depending on the type of external device in which the secondary battery is used, or may be used as a built-in structure that is embedded in an external device.
  • devices such as mobile phones and laptops can be inserted and removed according to user needs, while devices such as MP3 (MPEG Audio Layer-3) use internal battery packs due to their structure and capacity. This may be required.
  • MP3 MPEG Audio Layer-3)
  • 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 and the like are electrically connected to the battery cell by welding or soldering via a conductive nickel plate. That is, the nickel plate is connected to the electrode tab of the PCM by welding or soldering, respectively, and then the nickel plate is connected to the battery cell by welding or soldering the nickel plate to the electrode terminals of the battery cell, respectively, to manufacture a battery pack.
  • 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.
  • an object of the present invention is to provide a secondary battery pack that can reduce the number of parts required for the battery pack, simplify the assembly process to increase the capacity of the battery compared to the same standard.
  • Still another object of the present invention is to provide a PCM assembly and an insulating mounting member having a novel structure in which connection members are combined in a specific structure so that the secondary battery pack can be manufactured as described above.
  • An electrically insulating mounting member having an opening formed to expose the second electrode terminal of the battery cell and mounted on an upper surface of the battery cell;
  • a protective circuit is formed and includes a substrate (PCB) mounted on the mounting member, and a connection member (A) and a connection member (B) coupled to the lower surface of the PCB, respectively, and the connection member (A)
  • a protection device is connected to the first electrode terminal via a safety device, the connection member B is coupled to the second electrode terminal, and a through hole through which the connection member B can be exposed is drilled on the PCB.
  • An insulating cap coupled to an upper end of the battery cell while surrounding the insulating mounting member in a state where the connection members and the protection circuit board are mounted;
  • the total height of the PCM and the insulating cap is configured to be 3.0 mm or less.
  • connection member B exposed by the through hole on the PCB is electrically connected to the second electrode terminal of the battery cell from the upper side. Since the connection member (A) is electrically connected to the first electrode terminal is achieved, the electrical connection process can be performed by a simple connection as a whole, and the ease of operation can be improved to greatly improve the manufacturing processability.
  • the connecting member A extending from one end of the PCM is in a non-bending state, and the connecting member B does not need a separate mounting space, the connecting members are bent for electrical connection of safety devices in the prior art. It is possible to minimize the dead space caused, and to minimize the total height of the PCM and the insulating cap to manufacture a secondary battery pack of high energy density compared to the same standard.
  • the secondary battery pack according to the present invention can be made of a structure in which the total height of the PCM and the insulating cap is 3.0 mm or less.
  • the minimum value of the sum total height is not particularly limited and may be, for example, 1 mm.
  • the battery case may be a metal can of a rectangular shape, and preferably, an aluminum can or a stainless steel can.
  • the second electrode terminal may be a negative terminal and the first electrode terminal may be a positive 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 terminal and a positive electrode terminal, respectively, with an insulating member such as a gasket interposed therebetween to insulate each other. have.
  • the second electrode terminal may be a negative electrode terminal protruding from the top surface of the battery case
  • the first electrode terminal may be a positive electrode terminal formed on the top surface of the battery case except for the negative electrode terminal.
  • connection members and the PCM may be achieved in various ways, and preferably, may be coupled to the bottom surface of the PCB by a surface mount technology (SMT) method.
  • SMT surface mount technology
  • This SMT method is preferable because it prevents the paste from remaining on the lower surface of the PCB when soldering or the lower surface of the PCB during welding, and can be mutually coupled more accurately and reliably than conventional welding or soldering methods.
  • SMT is widely used to mount surface-mount components on an electromagnetic board such as a printed circuit board (PCB).
  • the connecting member B made of a nickel plate may be coupled to the negative electrode terminal in an SMT manner, and the safety element may be coupled to the positive electrode terminal in an SMT manner.
  • connection member (B) may be a structure that is coupled to the bottom of the through hole of the PCB. That is, since the connection member B and the second electrode terminal may be coupled to each other by welding using the through hole, the assembly process may be further simplified and the thickness of the PCM may be minimized.
  • the safety device is a device that increases resistance when the current is broken when the overcurrent is energized or may be a PTC device.
  • the PTC device serves to block a current at the top of the battery pack when the temperature rises rapidly due to internal short circuiting 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 PTC element preferably includes a PTC body, a PCM coupling portion coupled to an upper surface of the PTC body, and a battery cell coupling portion coupled to a lower surface of the PTC body, wherein the battery cell
  • the coupling portion may be configured to protrude in a transverse direction from one end of the PCM assembly to be exposed from the upper side of the PCM assembly.
  • the insulating mounting member has a smaller size in the horizontal direction than the top surface of the battery cell to secure the portion connecting the connection member (A) to the battery cell, the case top protrusion of the battery cell ('sealed electrolyte injection portion ') May be formed in a structure in which a second opening is further formed.
  • the insulating mounting member is formed to have a smaller size in the horizontal direction than the top surface of the battery cell, the space for locating the connection member A between one end of the PCM assembly and one end of the battery cell top surface can be easily located. It can be secured.
  • the mounting member has a storage sidewall protruding upward from an upper surface thereof, and a fastening protrusion is formed in the longitudinal direction from the storage sidewall. It may be a structure.
  • the upper end portion of the side wall may be configured to be coupled while supporting the PCM assembly.
  • the vertically protruding protrusion structure increases the coupling force between the PCM assembly and the insulating mounting member, thereby effectively preventing the connection member A from being separated from the PCM assembly by external force, and preferably the storage sidewall.
  • the sum of the heights of the protrusions may be the same as the height of the PCB.
  • one or more fastening projections protrude downward on the lower surface of the mounting member, the upper surface of the battery cell for fastening corresponding to the fastening projections An indentation may be formed.
  • the coupling of the insulating mounting member to the top surface of the battery case may be separately coupled by, for example, a bonding method so as to secure an easy and more stable coupling state of the battery pack assembly process.
  • the insulating cap coupled to the upper end of the battery cell may be a structure that is equipped with a separate insulating cap (lower cap) in the lower end, it may be a structure in which the outer film is attached to the outer surface of the case of the battery cell. This protects the battery cell from external shock and maintains electrical insulation.
  • the exterior film may be attached to the structure surrounding the downward extension of the insulating cap.
  • 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 PCM assembly mounted on a battery cell, and is formed on a protection circuit module (PCM), connecting members (A, B) coupled to the bottom surface of the PCM in an SMT manner, and an upper surface of the PCM. And external connection input / output terminals, wherein the connection member (A) is connected to the first electrode terminal via a safety device, and the connection member (B) is coupled to the second electrode terminal, and the connection member (B) A through hole that may be exposed provides a PCM assembly assembly that is perforated on the PCB.
  • PCM protection circuit module
  • the PCM is mounted as a separate member and electrically connected to the upper end of the battery cell. Therefore, in order to mount such a PCM outside the battery cell, a difficult coupling process with the battery cell is performed, such as a plurality of welding or soldering operations, so a lot of defects occur and at the same time, problems such as requiring space for mounting are caused. do.
  • the connecting members are coupled by the SMT method, and the connecting member A is coupled in a state in which it protrudes in a transverse direction from one end of the PCM assembly, the conventional welding or Compared to the soldering method, the defect rate of the connection part is greatly reduced and the assembly process can be saved.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of an insulating 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 a partial perspective view of the insulating cap in FIG. 1; FIG.
  • FIG. 3 is a schematic view of an exterior film attached to an outer surface of the battery case of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a partial perspective view of the insulating mounting member mounted on the top of the battery cell
  • FIG. 5 is a partial perspective view of the PCM mounted in FIG. 4; FIG.
  • connection members are coupled to the bottom surface of the PCM assembly
  • FIG. 7 is a schematic side view of FIG. 6.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of an insulating cap mounted with an upper end portion and an insulating mounting member of a battery cell according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a partial perspective view showing an insulating cap mounted in FIG. 1.
  • 3 is a schematic diagram in which an outer film is attached to an outer surface of the battery case of FIG. 2.
  • the secondary battery pack 100 includes a battery cell 110, an electrically insulating mounting member 120 mounted on an upper surface of the battery cell 110, a protection circuit module (PCM) 130, and insulating mounting.
  • the insulating cap 140 is mounted on the top of the battery cell 110 while wrapping the member 120, and the exterior film 160 is formed to surround the outer surface of the case of the battery cell 110.
  • the battery cell 110 includes a cathode terminal 111 and a cathode terminal 111 in which an electrode assembly having a cathode / separation membrane / cathode structure is sealed inside a battery case made of an aluminum material together with an electrolyte solution, and protrudes from the center of the top surface. Except for consisting of a positive electrode terminal 112 is formed on the top surface of the battery cell 110 is formed.
  • the opening 121 is drilled in the insulating mounting member 120 to expose the negative electrode terminal 111 of the battery cell 110.
  • the fastening protrusion 124 protrudes downward on the lower surface of the mounting member 120, the battery cell 110
  • the fastening indentation part 114 corresponding to the fastening protrusion 124 is formed in the upper surface of the ().
  • the PCM 130 may include a connection member 132 and a connection member 136, each having a protection circuit formed thereon and coupled to a lower surface of the PCB 133 and the PCB 133 mounted on the mounting member 120, respectively.
  • the connection member 136 is connected to the positive electrode terminal 112 via the PTC element 137, the connection member 132 is coupled to the negative electrode terminal 111, the connection member 132 is exposed A through hole 134 may be drilled on the PCB 133.
  • the insulating cap 140 is formed of an electrically insulating material, and is formed to surround the insulating mounting member 120 in a state where the connection members 132 and 136 and the protection circuit board 133 are mounted. In addition, bonding of the insulating cap 140 to the top surface of the battery case is achieved by a bonding (Bonding) method.
  • the outer surface of the battery case is attached to the outer film 160 to secure the electrical insulation state and display the product information.
  • the outer film 160 made of a heat-shrinkable material is manufactured in the form of a tube, wrapped around the battery cell 110, and then applied with heat to be adhered to the battery cell 110 case surface while being contracted.
  • FIG. 4 schematically illustrates a partial perspective view of an insulating mounting member mounted on an upper end of a battery cell.
  • the insulating mounting member 120 is wider than the top surface L of the battery cell 110 so as to secure a portion where the connection member 136 is connected to the battery cell 110.
  • Direction has a small size (l), and the second opening 123 is formed to expose the sealed electrolyte injection portion 113 of the battery cell 110 from the top.
  • the receiving side wall 125 protrudes upward from the top surface, and the receiving side wall ( Fastening projections 126, 127, 128, and 129 are formed in the longitudinal direction from 125. As shown in FIG.
  • connection members 132 and 136 are coupled to the bottom surface of the PCB 133 by a surface mount technology (SMT) method, and the connection member 132 is connected to the PCB (PCB).
  • PCB PCB
  • 133 is coupled to the lower surface of the through hole 134.
  • the PTC element 137 includes a PTC body 1371, a PCM coupling portion 1372 coupled to the top surface of the PTC body 1372, and a battery cell coupling portion coupled to the bottom surface of the PTC body 1372. 1373, wherein the battery cell coupling part 1373 extends in a horizontal direction from one end of the PCM assembly 130 so that the battery cell coupling part 1373 can be exposed from the upper side of the PCM assembly 130.
  • FIG. 7 is a schematic side view of FIG. 6. Referring to FIG. 7 together with FIGS. 1 to 6, the sum H of the storage sidewall 125 and the protrusion heights 126, 127, 128, and 129 of the insulating mounting member 120 is the height H of the PCB. Is the same as
  • the secondary battery pack 100 has the PCM 130 mounted on the insulating mounting member 120, and the connection member 136 has the positive electrode terminal 112 via the PTC element 137. ),
  • the connection member 132 is electrically connected to the cathode terminal 111 by the through hole 137 on the PCB, so that the electrical connection process can be performed by a simple connection method, the PCM 130 And the total height of the insulating cap 140 is configured to be 3 mm or less to manufacture a secondary battery pack of high energy density compared to the same standard.
  • the connecting member A protrudes in a horizontal direction from one end of the PCM assembly and is coupled to the lower surface of the PCM, and the connecting member B is formed on its upper surface. Since it is made of a specific structure coupled in the exposed state by the through hole of the PCB, it is possible to reduce the number of work processes, and to manufacture a more compact battery pack. In addition, this structure can reduce the size of the upper space in which the PCM assembly and the insulating mounting member is mounted in the battery pack, it is possible to increase the battery capacity compared to the same standard.

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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고 상단면에 제 1 및 제 2 전극단자들이 형성되어 있는 전지셀; 상기 전지셀의 제 2 전극단자가 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고, 전지셀의 상단면에 장착되는 전기절연성의 장착부재; 보호회로가 형성되어 있고 상기 장착부재 상에 탑재되는 기판(PCB), 및 상기 PCB의 하면에 각각 결합되어 있는 접속부재(A)와 접속부재(B)를 포함하고 있고, 접속부재(A)는 안전소자를 경유하여 제 1 전극단자에 접속되어 있고, 접속부재(B)는 제 2 전극단자에 결합되며, 상기 접속부재(B)가 노출될 수 있는 관통구가 상기 PCB 상에 천공되어 있는 보호회로모듈(PCM); 및 상기 접속부재들과 보호회로 기판이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡; 을 포함하고 있으며, 상기 PCM 및 절연성 캡의 전체 높이 합이 3.0 mm 이하인 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 상단면에 제 1 및 제 2 전극단자들이 형성되어 있는 전지셀; 상기 전지셀의 제 2 전극단자가 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고, 전지셀의 상단면에 장착되는 전기절연성의 장착부재; 보호회로가 형성되어 있고 상기 장착부재 상에 탑재되는 기판(PCB), 및 상기 PCB의 하면에 각각 결합되어 있는 접속부재(A)와 접속부재(B)를 포함하고 있고, 접속부재(A)는 안전소자를 경유하여 제 1 전극단자에 접속되어 있고, 접속부재(B)는 제 2 전극단자에 결합되며, 상기 접속부재(B)가 노출될 수 있는 관통구가 상기 PCB 상에 천공되어 있는 보호회로모듈(PCM); 및 상기 접속부재들과 보호회로 기판이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡; 을 포함하고 있으며, 상기 PCM 및 절연성 캡의 전체 높이 합이 3.0 mm 이하인 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.
이차전지는 그것이 사용되는 외부기기의 종류에 따라, 삽입과 이탈이 자유로운 탈착식 구조로 사용되기도 하고, 또는 외부기기의 내부에 매립되는 형태의 내장형 구조로 사용되기도 한다. 예를 들어, 휴대폰, 노트북과 같은 디바이스는 사용자의 필요에 따라 전지의 삽입과 이탈이 가능한 반면에, MP3(MPEG Audio Layer-3)와 같은 디바이스는 그 구조 및 용량의 문제로 내장형 전지팩의 사용이 요구되기도 한다.
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 전기적으로 연결된다. 즉, PCM의 전극 탭에 니켈 플레이트를 각각 용접 또는 솔더링하여 접속한 다음, 그러한 니켈 플레이트를 전지셀의 전극 단자에 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 다수 개의 절연성 장착부재 또는 다수의 부품들이 요구되므로, 전지팩의 조립공정을 복잡하게 만든다. 특히, 이러한 PCM 및 절연성 캡을 결합한 전체 높이 합은 일반적으로 3 mm에 이르므로, 상대적으로 전지셀을 수납하는 공간이 감소하게 되는 문제점을 가지고 있다.
또한, 전지팩을 구성하기 위하여 다수의 용접 또는 솔더링이 요구되며, 이러한 용접 등은 이차전지의 작은 구조로 인해 매우 정밀한 작업으로 진행되어야 하므로, 그만큼 불량의 가능성이 높다. 더욱이, 제품의 제조공정 중에 이러한 공정의 추가로 인하여 제품단가가 상승하는 요인으로 작용한다.
따라서, 이러한 종래기술의 문제점을 해소하면서, 전지셀의 상단에 장착되는 부재들의 수를 감소시켜 조립공정을 단순화하고, 용접 공정수를 줄여 불량의 발생을 감소시키며, 전지셀 상단부에 탑재되는 부재들을 상호간 안정적으로 결합시킴과 동시에 전지셀의 용량을 증가시킬 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 전지팩에 소요되는 부품 수를 줄이고, 조립공정을 단순화하여 동일 규격 대비 전지의 용량을 증가시킬 수 있는 이차전지 팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 이차전지 팩의 제조가 가능할 수 있도록 접속부재들이 특정한 구조로 결합되어 있는 신규한 구조의 PCM 어셈블리 및 절연성 장착부재를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지 팩은,
양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고 상단면에 제 1 및 제 2 전극단자들이 형성되어 있는 전지셀;
상기 전지셀의 제 2 전극단자가 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고, 전지셀의 상단면에 장착되는 전기절연성의 장착부재;
보호회로가 형성되어 있고 상기 장착부재 상에 탑재되는 기판(PCB), 및 상기 PCB의 하면에 각각 결합되어 있는 접속부재(A)와 접속부재(B)를 포함하고 있고, 접속부재(A)는 안전소자를 경유하여 제 1 전극단자에 접속되어 있고, 접속부재(B)는 제 2 전극단자에 결합되며, 상기 접속부재(B)가 노출될 수 있는 관통구가 상기 PCB 상에 천공되어 있는 보호회로모듈(PCM); 및
상기 접속부재들과 보호회로 기판이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡;
을 포함하고 있으며,
상기 PCM 및 절연성 캡의 전체 높이 합이 3.0 mm 이하인 구조로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지 팩은 전기절연성의 장착부재 상에 PCM 을 탑재한 상태에서, PCB 상의 관통구에 의해 노출되어 있는 접속부재(B)가 상측으로부터 전지셀의 제 2 전극단자에 전기적으로 연결되고 접속부재(A)가 제 1 전극단자에 전기적 연결이 달성되므로, 전체적으로 간단한 연결 방식으로 전기적 연결 과정이 수행될 수 있고, 작업의 용이성이 향상되어 제조 공정성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, PCM의 일측 단부로부터 연장된 접속부재(A)는 비절곡 상태이고, 접속부재(B)는 별도의 탑재공간을 필요로 하지 않으므로, 종래기술에서 안전소자의 전기적 연결을 위해 접속부재들이 절곡되면서 초래되는 사공간(dead space)을 최소화할 수 있고, PCM 및 절연성 캡의 전체 높이 합을 최소화하여 동일 규격 대비 높은 에너지 밀도의 이차전지 팩을 제조할 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 이차전지 팩은 PCM 및 절연성 캡의 전체 높이 합이 3.0 mm 이하인 구조로 만들어질 수 있다. 상기 전체 높이 합의 최소값은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 1 mm 일 수 있다.
상기 전지케이스는 가공상의 용이성과 일정 수준 이상의 기계적 강도가 요구되므로, 각형의 금속 소재의 캔일 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 캔 또는 스테인리스 스틸 캔일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 제 2 전극 단자는 음극 단자이고 제 1 전극 단자는 양극 단자일 수 있다. 예를 들어, 각형 전지셀은 그것의 상단면에 돌출된 전극 단자와 전지케이스가 각각 음극 단자와 양극 단자를 형성하는 구조로 이루어져 있고, 이들 사이에는 가스켓과 같은 절연부재가 개재되어 상호 절연을 이루고 있다. 따라서, 이러한 각형 전지셀 구조에서, 제 2 전극 단자는 상기 전지케이스 상단면에 돌출된 음극 단자고, 제 1 전극 단자는 음극 단자를 제외하고 전지케이스의 상단면에 형성되어 있는 양극 단자일 수 있다.
상기 접속부재들과 PCM의 결합(전기적 접속)은 다양한 방법으로 달성될 수 있으며, 바람직하게는, 표면실장기술(SMT) 방식에 의해 PCB의 하면에 결합되어 있을 수 있다. 이러한 SMT 방식은 솔더링시 페이스트가 PCB의 하면에 남아 있거나 용접시 PCB의 하면이 열에 의해 파손되는 것을 방지하고, 종래의 용접 또는 솔더링 방식보다 정확하고 신뢰성 있게 상호간 결합할 수 있으므로 바람직하다. 참고로, SMT는 인쇄회로기판(PCB)과 같은 전자기판 위에 표면실장형 부품을 장착하는데 많이 사용되고 있다.
하나의 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 이차전지 팩은 음극 단자에 니켈 플레이트로 구성된 접속부재(B)가 SMT 방식으로 결합되어 있고, 양극단자에 안전소자가 SMT 방식으로 결합되어 있을 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 접속부재(B)는 PCB의 관통구 하면에 결합되어 있는 구조일 수 있다. 즉, 상기 관통구를 이용하여 접속부재(B)와 제 2 전극 단자가 용접에 의해 상호간 결합될 수 있으므로, 조립 공정을 더욱 간소화하고 PCM의 두께를 최소화할 수 있다.
상기 안전소자는 과전류의 통전시 파단되거나 온도 상승에 따라 저항이 증가하는 소자로서, 바람직하게는 PTC 소자일 수 있다. 이러한 PTC 소자는, 전지팩이 내부 단락 등의 원인으로 온도가 급상승할 경우, PTC 소자가 전지팩의 상단에서 전류를 차단하는 역할을 수행한다. 그러나, 안전소자가 PTC 소자 만으로 한정되지 않음은 물론이며, 예를 들어, 바이메탈, 퓨즈 등의 사용도 가능하다.
상기 구조에서, PTC 소자는, 바람직하게는, PTC 본체, 상기 PTC 본체의 상면에 결합되어 있는 PCM 결합부, 및 상기 PTC 본체의 하면에 결합되어 있는 전지셀 결합부를 포함하고 있고, 그 중 전지셀 결합부가 PCM 어셈블리의 상측으로부터 노출될 수 있도록 PCM 어셈블리의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 절연성 장착부재는 접속부재(A)가 전지셀에 연결되는 부위를 확보할 수 있도록 전지셀의 상단면보다 가로방향으로 작은 크기를 가지며, 전지셀의 케이스 상단 돌출부('밀봉된 전해액 주입부')가 상부로부터 노출되는 제 2 개구가 추가로 형성된 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 절연성 장착부재가 전지셀의 상단면 보다 가로방향으로 작은 크기로 형성되어 있으므로, 상기 PCM 어셈블리의 일측 단부와 전지셀 상단면의 일측 단부 사이에 접속부재(A)를 위치시킬 공간을 용이하게 확보할 수 있다.
상기 절연성 장착부재에 대한 PCM 어셈블리의 안정적인 장착 상태를 확보할 수 있도록, 바람직하게는, 장착부재에는 상단면으로부터 수납용 측벽이 상향 돌출되어 있고, 상기 수납용 측벽으로부터 세로방향으로 체결용 돌기가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
즉, 상기 측벽의 상단부가 PCM 어셈블리를 지지하면서 결합되는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 세로방향으로 돌출된 돌기 구조는, PCM 어셈블리와 절연성 장착부재 간의 결합력을 높여, 외력에 의해 접속부재(A)가 PCM 어셈블리로부터 분리되는 것을 효과적으로 방지할 수 있으며, 바람직하게는 상기 수납용 측벽 및 돌기 높이의 합이 PCB의 높이와 동일한 것일 수 있다.
한편, 상기 전지셀에 대한 절연성 장착부재의 안정적인 장착 상태를 확보할 수 있도록, 장착부재의 하면에는 하나 이상의 체결용 돌기가 하향 돌출되어 있고, 전지셀의 상면에는 상기 체결용 돌기에 대응하는 체결용 만입부가 형성되어 있을 수 있다.
상기 전지케이스 상단면에 대한 절연성 장착부재의 결합은, 전지팩 조립 공정의 용이성 및 더욱 안정적인 결합 상태를 확보할 수 있도록, 예를 들어, 접착(Bonding) 방식에 의해 별도로 결합될 수 있다.
상기 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡 이외에 하단부에도 별개의 절연성 캡(하단 캡)이 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. 바람직하게는 상기 외장 필름은 절연성 캡의 하향 연장부를 감싸는 구조로 부착될 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 PCM 어셈블리로서, 보호회로모듈(PCM)과, 상기 PCM의 하면에 SMT 방식으로 결합되어 있는 접속부재들(A, B), 및 상기 PCM의 상면에 형성되어 있는 외부 입출력 단자들을 포함하고 있으며, 접속부재(A)는 안전소자를 경유하여 제 1 전극단자에 접속되어 있고, 접속부재(B)는 제 2 전극단자에 결합되며, 상기 접속부재(B)가 노출될 수 있는 관통구가 상기 PCB 상에 천공되어 있는 PCM 어셈블리 어셈블리를 제공한다.
일반적으로, PCM은 별도의 부재로서 전지셀 상단부에 전기적으로 연결된 상태로 장착된다. 따라서, 이러한 PCM을 전지셀 외부에 장착하기 위해서는, 다수의 용접 또는 솔더링 작업 등 전지셀과의 까다로운 결합공정이 행해지므로 불량이 많이 발생하고 그와 동시에 장착을 위한 공간이 요구되는 등의 문제점들이 유발된다.
이와는 달리, 본 발명에 따른 PCM 어셈블리는, SMT 방식에 의해 접속부재들이 결합되어 있고, PCM 어셈블리의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장된 상태로 접속부재(A)가 결합되어 있으므로, 종래의 용접 또는 솔더링 방식에 비해 접속부위의 불량률이 많이 감소되고 조립과정을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 상단부 및 절연성 장착부재가 탑재된 절연성 캡의 분해 사시도이다;
도 2는 도 1에 절연성 캡을 장착한 부분 사시도이다;
도 3은 도 2의 전지케이스 외면에는 외장 필름을 부착한 모식도이다.
도 4는 전지셀의 상단에 절연성 장착부재를 장착한 부분 사시도이다;
도 5은 도 4에 PCM을 장착한 부분 사시도이다;
도 6는 PCM 어셈블리 하면에 접속부재들이 결합된 구조의 모식도이다;
도 7은 도 6의 측면 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 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 상단부 및 절연성 장착부재가 탑재된 절연성 캡의 분해 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1에 절연성 캡을 장착한 부분 사시도가 도시되어 있으며, 도 3에는 도 2의 전지케이스 외면에는 외장 필름을 부착한 모식도이다.
이들 도면을 참조하면, 이차전지 팩(100)은 전지셀(110), 전지셀(110)의 상단면에 장착되는 전기절연성의 장착부재(120), 보호회로모듈(PCM: 130), 절연성 장착부재(120)를 감싸면서 전지셀(110)의 상단에 장착되는 절연성 캡(140) 및 전지셀(110) 케이스의 외면을 감싸며 부착되는 외장 필름(160)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
전지셀(110)은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 알루미늄 소재로 이루어진 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고, 상단면 중앙에 돌출되어 있는 음극 단자(111)와 음극 단자(111)를 제외하고 전지셀(110)의 상단면에 형성되어 있는 양극 단자(112)가 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.
절연성 장착부재(120)에는 전지셀(110)의 음극 단자(111)가 노출될 수 있도록 개구(121)가 천공되어 있다.
이 때, 전지셀(110)에 대한 절연성 장착부재(120)의 안정적인 장착 상태를 확보할 수 있도록, 장착부재(120)의 하면에는 체결용 돌기(124)가 하향 돌출되어 있고, 전지셀(110)의 상면에는 체결용 돌기(124)에 대응하는 체결용 만입부(114)가 형성되어 있다.
PCM(130)은 보호회로가 형성되어 있고 장착부재(120) 상에 탑재되는 기판(PCB: 133), PCB(133)의 하면에 각각 결합되어 있는 접속부재(132)와 접속부재(136)를 포함하고 있고, 접속부재(136)는 PTC 소자(137)를 경유하여 양극단자(112)에 접속되어 있고, 접속부재(132)는 음극단자(111)에 결합되며, 접속부재(132)가 노출될 수 있는 관통구(134)가 상기 PCB(133) 상에 천공되어 있다.
절연성 캡(140)은 전기 절연성 소재로 이루어져 있고, 접속부재들(132, 136)과 보호회로 기판(133)이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재(120)를 감싸면서 형성되어 있다. 또한, 전지케이스 상단면에 대한 절연성 캡(140)의 결합은 접착(Bonding) 방식에 의해 달성된다.
전지케이스의 외면에는 외부와 전기적 절연상태를 확보하고 제품의 정보를 표시하는 외장 필름(160)이 부착되어 있다. 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.
도 4에는 전지셀의 상단에 절연성 장착부재를 장착한 부분 사시도가 모식적을 도시되어 있다.
도 4를 도 1과 함께 참조하면, 절연성 장착부재(120)는 접속부재(136)가 전지셀(110)에 연결되는 부위를 확보할 수 있도록 전지셀(110)의 상단면(L)보다 가로방향으로 작은 크기(l)를 가지며, 전지셀(110)의 밀봉된 전해액 주입부(113)가 상부로부터 노출되는 제 2 개구(123)가 형성되어 있다.
또한, 절연성 장착부재(120)에 대한 PCM 어셈블리(130)의 안정적인 장착 상태를 확보할 수 있도록, 장착부재(120)에는 상단면으로부터 수납용 측벽(125)이 상향 돌출되어 있고, 수납용 측벽(125)으로부터 세로방향으로 체결용 돌기(126, 127, 128, 129)가 형성되어 있다.
도 5에는 도 4에 PCM을 장착한 부분 사시도가 도시되어 있고, 도 6에는 PCM 어셈블리 하면에 접속부재들이 결합된 구조의 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 도 1 내지 도 4와 함께 참조하면, 접속부재들(132, 136)은 표면실장기술(SMT) 방식에 의해 PCB(133)의 하면에 결합되어 있고, 접속부재(132)는 PCB(133)의 관통구(134) 하면에 결합되어 있다.
또한, PTC 소자(137)는, PTC 본체(1371), PTC 본체(1371)의 상면에 결합되어 있는 PCM 결합부(1372), 및 PTC 본체(1372)의 하면에 결합되어 있는 전지셀 결합부(1373)를 포함하고 있고, 그 중 전지셀 결합부(1373)가 PCM 어셈블리(130)의 상측으로부터 노출될 수 있도록 PCM 어셈블리(130)의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장되어 있다.
도 7에는 도 6의 측면 모식도가 도시되어 있다. 도 7을 도 1 내지 도 6과 함께 참조하면, 절연성 장착부재(120)의 수납용 측벽(125) 및 돌기 높이(126, 127, 128, 129)의 합(H)이 PCB의 높이(H)와 동일하다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지 팩(100)은 절연성의 장착부재(120) 상에 PCM(130)을 탑재한 상태에서, 접속부재(136)는 PTC 소자(137)를 경유하여 양극단자(112)에 접속되어 있고, 접속부재(132)는 PCB 상의 관통구(137)에 의해 음극단자(111)에 전기적 연결이 달성되므로, 간단한 연결 방식으로 전기적 연결 과정이 수행될 수 있고, PCM(130) 및 절연성 캡(140)의 전체 높이 합이 3 mm 이하로 구성하여 동일 규격 대비 높은 에너지 밀도의 이차전지 팩을 제조할 수 있다.
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, 접속부재(A)가 PCM 어셈블리의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장되어 PCM의 하면에 결합되어 있고, 접속부재(B)가 그것의 상면이 PCB의 관통구에 의해 노출된 상태로 결합되어 있는 특정한 구조로 이루어져 있으므로, 작업공정 수를 감소시키고, 보다 콤팩트한 전지팩을 제조할 수 있다. 또한, 이러한 구조는 전지팩에서 PCM 어셈블리 및 절연성 장착부재가 장착되는 상부 공간의 크기를 감소시켜, 동일 규격 대비 전지 용량을 증가시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고 상단면에 제 1 및 제 2 전극단자들이 형성되어 있는 전지셀;
    상기 전지셀의 제 2 전극단자가 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고, 전지셀의 상단면에 장착되는 전기절연성의 장착부재;
    보호회로가 형성되어 있고 상기 장착부재 상에 탑재되는 기판(PCB), 및 상기 PCB의 하면에 각각 결합되어 있는 접속부재(A)와 접속부재(B)를 포함하고 있고, 접속부재(A)는 안전소자를 경유하여 제 1 전극단자에 접속되어 있고, 접속부재(B)는 제 2 전극단자에 결합되며, 상기 접속부재(B)가 노출될 수 있는 관통구가 상기 PCB 상에 천공되어 있는 보호회로모듈(PCM); 및
    상기 접속부재들과 보호회로 기판이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡;
    을 포함하고 있으며,
    상기 PCM 및 절연성 캡의 전체 높이 합이 3.0 mm 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 각형의 금속 캔인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 전극 단자는 전지셀의 상단면 중앙에 돌출되어 있는 음극 단자이고 상기 제 1 전극 단자는 음극 단자를 제외하고 전지셀의 상단면에 형성되어 있는 양극 단자인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재들은 표면실장기술(SMT) 방식에 의해 PCB의 하면에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재(B)는 PCB의 관통구 하면에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 안전소자는 PTC 소자인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 PTC 소자는 PTC 본체, 상기 PTC 본체의 상면에 결합되어 있는 PCM 결합부, 및 상기 PTC 본체의 하면에 결합되어 있는 전지셀 결합부를 포함하고 있고, 그 중 전지셀 결합부가 PCM 어셈블리의 상측으로부터 노출될 수 있도록 PCM 어셈블리의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 장착부재는 접속부재(A)가 전지셀에 연결되는 부위를 확보할 수 있도록 전지셀의 상단면보다 가로방향으로 작은 크기를 가지며, 전지셀의 케이스 상단 돌출부('밀봉된 전해액 주입부')가 상부로부터 노출되는 제 2 개구가 추가로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 장착부재에 대한 PCM 어셈블리의 안정적인 장착 상태를 확보할 수 있도록, 장착부재에는 상단면으로부터 수납용 측벽이 상향 돌출되어 있고, 상기 수납용 측벽으로부터 세로방향으로 체결용 돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 수납용 측벽 및 돌기 높이의 합이 PCB의 높이와 동일한 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀에 대한 절연성 장착부재의 안정적인 장착 상태를 확보할 수 있도록, 장착부재의 하면에는 하나 이상의 체결용 돌기가 하향 돌출되어 있고, 전지셀의 상면에는 상기 체결용 돌기에 대응하는 체결용 만입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스 상단면에 대한 절연성 캡의 결합은 접착(Bonding) 방식에 의해 달성되는 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. 전지셀에 장착되는 PCM 어셈블리로서,
    보호회로모듈(PCM)과, 상기 PCM의 하면에 SMT 방식으로 결합되어 있는 접속부재들(A, B), 및 상기 PCM의 상면에 형성되어 있는 외부 입출력 단자들을 포함하고 있으며,
    접속부재(A)는 안전소자를 경유하여 제 1 전극단자에 접속되어 있고, 접속부재(B)는 제 2 전극단자에 결합되며, 상기 접속부재(B)가 노출될 수 있는 관통구가 상기 PCB 상에 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 PCM 어셈블리.
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