KR100968052B1 - 메카니칼 퓨즈가 장착되어 있는 전지팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 판상형 전지셀이 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩으로서, 전지셀의 외면을 감싸는 낮은 신장도의 유연한 선형부재, 및 전지셀의 팽창시 부피 변화에 따른 인장력이 집중되어 절단될 수 있도록 양 단부가 상기 선형부재에 연결된 상태로 전극단자에 접속되어 있는 메카니칼 퓨즈를 포함하는 것으로 구성되어 있는 전지팩을 제공한다.

이러한 전지팩은 내부저항을 증가시키지 않으면서 높은 신뢰도로 전지셀의 팽창시 파괴되어 전지의 작동을 멈춤으로써 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Description

메카니칼 퓨즈가 장착되어 있는 전지팩 {Battery Pack Employed with Mechanical Fuse}

도 1은 대표적인 외장형 전지팩의 사시도이다;

도 2는 대표적인 내장형 전지팩의 사시도이다;

도 3은 소형 전지팩의 일반적인 내부 구조에 대한 분해 사시도이다;

도 4 및 5는 본 발명의 하나의 실시예 따라 메카니칼 퓨즈가 외면에 장착되어 있는 전지셀의 평면도 및 사시도이다;

도 6은 본 발명에 따라 전지셀의 외면에 메카니칼 퓨즈가 장착되어 있는 상태의 모식적 수직 단면도이다.

본 발명은 판상형 전지셀이 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지셀의 외면을 감싸는 낮은 신장도의 유연한 선형부재, 및 전지셀의 팽창시 부피 변화에 따른 인장력이 집중되어 절단될 수 있도록 양 단부가 상기 선형부재에 연결된 상태로 전극단자에 접속되어 있는 메카니칼 퓨즈를 포함하는 것으로 구성되어 있는 전지팩을 제공한다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 종류에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다. 모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 특히 두께가 작은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있다.

휴대폰, 디지털 카메라 등과 같은 휴대용 디바이스에는 각형 전지, 파우치형 전지 등의 전지셀을 팩 케이스에 내장한 소형 전지팩이 사용된다. 이러한 소형 전지팩은 전지셀이 팩 케이스에 장착된 형태에 따라 외장형 전지팩(hard pack)과 내장형 전지팩(inner pack)으로 분류되기도 한다.

도 1 및 2에는 대표적인 외장형 전지팩과 내장형 전지팩이 각각 모식적으로 도시되어 있는 바, 이들 전지팩은 각각 나름의 장점과 단점을 가지고 있다.

도 1과 같은 외장형 전지팩(10)은 그것이 장착되는 외부기기(12)의 외형 일부를 형성하므로 사용시 외부기기(12)에 장착하기 용이한 장점을 가지지만, 전지셀(도시하지 않음)를 내장한 상태에서 케이스(하우징: 11)를 해당 외부기기의 종류에 맞추어 설계하여야 하므로 상대적으로 고가이고 호환성이 적은 단점을 가지고 있다.

반면에, 도 2와 같은 내장형 전지팩(20)은 외부기기의 내부에 장착한 상태에서 외부기기의 일부를 형성하는 덮개를 덮어 사용하므로, 장착이 상대적으로 번거로운 단점은 있지만, 설계가 용이하고 저렴하며 높은 호환성의 장점을 가지고 있다.

이러한 소형 전지팩들의 일반적인 내부 구조가 도 3에 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 전지팩(30)은, 일측에 예를 들어 양극단자가 마련되어 있고 타측에 음극단자가 형성되어 있는 전지셀(31)과; 전지셀(31)의 두 전극단자 중 하나와 접속되어 과열시 전지의 통전을 차단하는 PTC 소자(32)와; 니켈 플레이트(33)를 통해 PTC 소자(32)측 전극단자(양극단자 및 음극단자 중의 하나)와 니켈 플레이트(37)를 통해 나머지 전극단자와 접속되어 전지의 과충전, 과방전, 과전류 등을 제어하고 외측에는 해당 기기(도시되어 있지 않음)와 접속 가능하도록 외부 입출력 단자가 형성되어 있는 보호회로 모듈(PCM:34)과; 전지셀(31), PTC 소자(32) 및 PCM(34)를 감싸는 상부 케이스(35) 및 하부 케이스(36)로 이루어져 있다.

전지셀(31)의 측면과 니켈 플레이트(33), 그리고 PCM(34)과 니켈 플레이트(37) 사이에는 절연시트(38)가 배치되어 있어서, 각 니켈 플레이트(33, 37)와 인접한 전지셀(31) 또는 보호회로부(34) 간의 불필요한 접촉으로 단락을 방지하여 준다.

또한, 전지셀(31)과 하부 케이스(36) 사이에는 양면테이프(39)가 배치되어 있어서 전지셀(31)이 하부 케이스(36)의 바닥면에 밀착되게 고정될 수 있게 된다. 따라서, 상부 및 하부 케이스(35, 36) 내에 전지셀(31)가 수용되면 전지셀(31)은 상부 및 하부 케이스(35, 36) 내에 안정되게 고정될 수 있게 된다.

전지셀(31)이 수납된 하부 케이스(36)에 상부 케이스(35)를 결합시킨 후 케이스(35, 36) 상호간의 결합력을 더욱 높이고 외부의 이물질이 결합부위 또는 케이스 내부로 유입되는 것을 막기 위하여 포장 라벨(40)을 감싸기도 한다.

따라서, 소형 전지팩은 PCM에서 과충전, 과방전, 과전류 등을 제어함으로써 전지의 안전성을 보장하고 경우에 따라서는 PTC 소자에 의해 과열시의 안전성을 보장한다.

그럼에도 불구하고, 이러한 안전소자들의 비정상적인 작동, 급격한 외부 충격 등 다양한 원인에 의해 전지셀은 위험상태에 놓일 수 있으며, 경우에 따라서는 전해질의 분해가 급속히 촉진되어 폭발에 이르는 위험성도 존재한다. 또한, 상기 안전소자들이 감지하지 못할 정도의 느린 과정에 의해 전지셀의 팽창이 유발될 수도 있으므로, 상기와 같은 안전소자들 만으로는 이러한 문제점을 근본적으로 해결하지 못한다. 전지셀의 발화와 폭발은 전지의 안전성을 저해하는 가장 심각한 문제이며, 이를 해결하기 위한 많은 연구가 행해져 왔다.

일반적으로, 원통형 전지는 내압 상승시 이를 해소하기 위한 장치를 장착하기 위한 내부 공간을 확보하기가 용이하지만, 각형 또는 파우치형 전지셀은 전지팩의 구조상 그것이 용이하지 못하다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 몇몇 시도들이 있어 왔다.

예를 들어, 한국 특허등록 제369,069호에서는 파우치형 전지셀에서 일측 단자가 전지셀의 외면을 감싸도록 연장되어 있고 그것의 중간부에 노치를 형성하여 전지셀의 팽창시 상기 노치가 파열됨으로서 단전을 이루는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 구성은 몇가지 문제점을 가지고 있는 바, 첫째, 단자의 길이가 늘어남으로 인해 내부 저항이 크게 증가되고, 둘째, 전극단자가 전지셀의 외면을 감쌈으로써 단락의 위험성이 높으며, 셋째, 팽창시의 인장력이 노치에 집중되기는 하지만 전지셀을 감싸는 전극단자 자체가 동일한 소재로 이루어져 있어서 전반적인 인장을 초래하므로 소정의 임계 압력(팽창도)에서 신뢰도 있게 파열되기 어렵다는 문제점을 가지고 있다.

또한, 미국 특허등록 제6,136,464호에는 전지셀 케이스 상에 내부로 만입된 오목부를 형성하고 그러한 오목부에 절단부재를 위치시키며 그 상부에 단자가 지나가도록 하여 전지셀의 팽창시 오목부가 상승하면서 그것 내부의 절단부재가 단자의 취약 부분을 절단하도록 구성한 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 구성은 복잡한 구조를 바탕으로 하고 있으므로 제조비용이 높고 신뢰도 있는 안전성을 제공하지 못하는 단점을 가지고 있다.

따라서, 보다 간단한 구조에 의해 높은 신뢰도로 전지의 안전성을 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 낮은 신장도의 선형부재로 전지셀의 외면을 감싸고 그러한 선형부재 중간에 메카니컬 퓨즈를 장착한 구조의 전지팩은, 내부 저항의 증가를 크게 억제하면서, 전지셀의 비정상적인 팽창시 높은 신뢰도로서 전지의 작동을 중지시켜 안전성을 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 전지팩은, 판상형 전지셀이 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩으로서, 전지셀의 외면을 감싸는 낮은 신장도의 유연한 선형부재, 및 전지셀의 팽창시 부피 변화에 따른 인장력이 집중되어 절단될 수 있도록 양 단부가 상기 선형부재에 연결된 상태로 전극단자에 접속되어 있는 메카니칼 퓨즈를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

즉, 본 발명에 따른 전지팩은 전지셀의 비정상적인 작동으로 인한 팽창시 메카니칼 퓨즈에 인장력이 집중되어 단전을 이루며, 퓨즈의 장착으로 인한 내부 저항의 증가를 최대한 억제하면서 높은 신뢰도로 전지의 안전성을 확보할 수 있다는 점에 특징이 있다.

상기 판상형 전지셀은 양극/분리막/음극의 전극조립체가 케이스에 내장된 형태가 판상 구조를 가진 전지셀로서, 바람직하게는 각형 전지셀과 파우치형 전지셀을 들 수 있다. 각형 전지셀은 일반적으로 각형 금속캔에 전극조립체를 내장하여 밀봉한 전지이고, 파우치형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트 (예를 들어, 알루미늄 라미네이트 시트)의 파우치형 케이스에 전극조립체를 내장하여 밀봉한 전지이다. 파우치형 전지셀은 중량이 작고 제조비가 저렴하며 변형이 용이하다는 장점 이외에, 각형 금속캔에 비해 팽창에 대한 내성이 낮으므로, 본 발명의 전지팩에 특히 바람직하다.

상기 선형부재는 낮은 신장도의 소재로 이루어져 있어서 전지셀의 팽창시 길이 변화를 거의 겪지 않는다. 반면에, 상기 부재는 선형의 형태로서 유연하므로 전지셀의 외면에 밀착된 상태로 그것을 감쌀 수 있고, 전지셀의 팽창시에도 전지셀의 외면 형상에 따라 밀착된 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 전지셀의 팽창으로 인한 부피 증가시, 인장력은 메카니컬 퓨즈에 집중될 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 선형부재는 낮은 신장도와 유연한 선형의 전기절연성 소재로 이루어진 밴드로서, 전지셀의 중간부위를 수평으로 감싸도록 장착 위치가 설정되어 있다. 전지셀의 팽창시 가장 부피 변화가 큰 부위는 중간부위이므로 팽창에 민감하게 반응할 수 있다.

상기 메카니컬 퓨즈는 앞서 설명한 바와 같이 그것의 양 단부가 선행부재에 연결된 상태에서 전극단자에 접속되어 있다. 이러한 접속방식은 다양할 수 있는 바, 전지셀의 전극단자 중의 하나(양극단자 또는 음극단자)가 메카니켈 퓨즈를 경유한 후 보호회로 모듈(PCM)에 접속되어 있는 구조이거나, 전지셀의 양극단자와 음극단자가 각각 PCM에 접속된 상태에서 PCM의 양극과 음극이 메카니컬 퓨즈를 경유하여 접속되어 있는 구조일 수 있다.

상기 메카니컬 퓨즈의 구조 역시 다양할 수 있는 바, 예를 들어, 상대적으로 얇은 두께의 금속 시트, 중간 부위에 노치 또는 슬릿이 형성되어 있는 금속 박편 등을 들 수 있다. 이러한 구조의 퓨즈는 인장력의 인가시 기계적으로 파손된다는 측면에서 열 퓨즈와 구별된다.

메카니컬 퓨즈는 그것의 양 단부가 선형부재에 연결되어 그 자체로서 전지셀의 외면에 장착될 수 있으며, 경우에 따라서는, 양면 테이프를 사용하여 전지셀의 외면에 더욱 안정적으로 부착될 수 있다.

메카니컬 퓨즈는 전지셀의 팽창에 대한 민감도를 높이기 위하여 둘 이상 포함시킬 수도 있는 바, 예를 들어, 전지셀의 전면과 배면의 중앙에 각각 위치시킨 상태에서 선형부재로 이들을 연결할 수도 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예들에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 4 및 5에는 본 발명의 하나의 실시예 따라 메카니컬 퓨즈가 전지셀의 전면 중앙에 부착되어 있는 구조의 평면도 및 사시도가 각각 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 우선, 파우치형 전지셀(100)은 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 전극조립체가 내장된 상태에서 밀봉됨으로써 제조된다. 그러한 밀봉 과정에서 양측 실링부(110)와 상단 실링부(120)가 형성되는데, 양측 실링부(110)는 수직으로 상향 절곡하여 본체(130)에 밀착시키고, 상부 실링부(120)에는 PCM(200)이 탑재된다. PCM(200)에는 전지셀(100)의 전극단자들이 연결 되어 있고 외부 입출력 단자들이 포함되어 있다.

메카니칼 퓨즈(300)는 전지셀(100)의 중간 부위를 수평으로 감싸고 있는 밴드(310)에 연결된 상태로 전지셀(100)의 외면에 장착되어 있다.

전지셀(100)의 전극단자들(도시하지 않음)은 PCM(200)에 연결되어 있고, PCM(200)의 양극단자(210)와 음극단자(220)는 와이어(320, 322)를 통해 메카니칼 퓨즈(300)를 경유하여 접속되어 있다. 따라서, 메카니칼 퓨즈(300)가 파괴되는 경우에는 전지의 작동이 중지된다.

도 6에는 본 발명에 따라 전지셀의 외면을 감싸고 있는 선형부재와 그것에 연결된 메카니칼 퓨즈의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 6을 참조하면, 선형부재로서의 밴드(310)는 전지셀(100)의 하부면 전체와 양측면 및 상면부의 일부를 감싸고 있고, 메카니칼 퓨즈(300)는 그것의 양 단부가 밴드(310)에 연결된 상태로 전지셀(100)의 상부면 중앙에 위치하여 있다.

밴드(310)는 얇은 소재의 선형부재이므로 유연하여 전지셀(100)의 외면에 밀착되어 있지만, 신장도가 매우 낮은 소재로 이루어져 있어서 전지셀(100)의 팽창시에는 길이 변화없이 전지셀(100)의 외면 형상에 따라 변화되면서 밀착 상태를 유지한다. 따라서, 전지셀(100)의 팽창에 따른 인장력이 메카니컬 퓨즈(300)에 집중되어 파괴가 일어나게 된다.

이상, 본 발명에 따른 몇몇 실시예들을 참조하여 발명의 내용을 상술하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 내부저항을 증가시키지 않으면서 높은 신뢰도로 전지셀의 팽창시 파괴되어 전지의 작동을 멈춤으로써 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 판상형 전지셀이 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩으로서, 전지셀의 외면을 감싸는 유연한 선형부재, 및 전지셀의 팽창시 부피 변화에 따른 인장력이 집중되어 절단될 수 있도록 양 단부가 상기 선형부재에 연결된 상태로 전극단자에 접속되어 있는 메카니칼 퓨즈를 포함하는 것으로 구성되어 있으며, 상기 선형부재는 전지셀의 팽창시 길이 변화 없이 전지셀의 외면 형상에 따라 변화되면서 밀착 상태를 유지할 수 있는 신장도와 유연한 선형의 전기절연성 소재로 이루어진 밴드로서, 전지셀의 중간부위를 수평으로 감싸도록 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 각형 전지셀 또는 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지팩.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀의 전극단자 중의 하나는 메카니켈 퓨즈를 경유한 후 보호회로 모듈(PCM)에 접속되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지팩.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀의 양극단자와 음극단자가 각각 PCM에 접속된 상태에서 PCM의 양극과 음극이 메카니컬 퓨즈를 경유하여 접속되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지팩.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 메카니컬 퓨즈는 금속 시트, 또는 중간 부위에 노치 또는 슬릿이 형성되어 있는 금속 박편인 것을 특징으로 하는 전지팩.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 메카니컬 퓨즈는 양면 테이프를 사용하여 전지셀의 외면에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 메카니컬 퓨즈는 전지셀의 전면과 배면의 중앙에서 선형부재에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.

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