JP2011210716A - 二次電池パック及び二次電池パック用保護回路モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】二次電池パック及び二次電池パック用保護回路モジュールを提供する。
【解決手段】電極組立体、電極組立体を収容するケース、電極組立体と電気的に連結された第１電極タブ、及び第２電極タブを含む電池セルと、電池セルと結合された保護回路モジュールと、を含み、保護回路モジュールは、印刷回路基板と、印刷回路基板に内蔵された温度安全素子と、を含むことを特徴とする二次電池パックである。
【選択図】図３
【解決手段】電極組立体、電極組立体を収容するケース、電極組立体と電気的に連結された第１電極タブ、及び第２電極タブを含む電池セルと、電池セルと結合された保護回路モジュールと、を含み、保護回路モジュールは、印刷回路基板と、印刷回路基板に内蔵された温度安全素子と、を含むことを特徴とする二次電池パックである。
【選択図】図３
Description
本発明は、二次電池パック及び二次電池パック用保護回路モジュールに関する。
一般的に、二次電池は、充電不可能な一次電池とは異なり、充放電可能な電池である。二次電池は、ノート型パソコンや携帯電話のようなモバイル機器や、電気自動車や、ハイブリッド電気自動車や、電気自転車や、無停電電源供給装置（uninterruptible power supply）のようなエネルギー源として使われる。
一方、二次電池パックは、電池の安全性を確保するために、安全素子アセンブリを具備している。安全素子アセンブリは、温度安全素子、安全ベント（safety vent）、電流遮断デバイス（current interrupt device）、サーマルヒューズ、シャットダウン・セパレータなどを含む。
このうち、温度安全素子は、二次電池が一定温度以上に上昇すれば、温度安全素子の抵抗値が上昇することによって電流を遮断することになる。これにより、二次電池を保護することができる。
本発明は、電池セルの電極タブに係わる温度安全素子の電気的接続構造を改善し、電池セルの熱伝逹効率を向上させた二次電池パックと、二次電池パック用保護回路モジュールとを提供することを主な課題とする。
前記のような目的及びそれ以外の目的を達成するために、本発明の二次電池パックは、電極組立体、前記電極組立体を収容するケース、前記電極組立体と電気的に連結された第１電極タブ、及び第２電極タブを含む電池セルと、前記電池セルと結合された保護回路モジュールと、を含み、前記保護回路モジュールは、印刷回路基板と、前記印刷回路基板に内蔵された温度安全素子と、を含む。
例えば、前記温度安全素子は、前記第１電極タブまたは第２電極タブと熱的に結合されている。
例えば、前記二次電池パックは、前記印刷回路基板上のプレートをさらに含み、前記温度安全素子は、前記プレートを介して、第１電極タブまたは第２電極タブと電気的に結合される。
例えば、前記印刷回路基板は、前記プレートと温度安全素子との間に、少なくとも１つのオープニングを含み、前記オープニングは、導電性物質を収容する。
例えば、前記導電性物質は、クリーム・ソルダでありうる。
例えば、前記プレートは、金属でありうる。
例えば、前記金属は、ニッケルを含むことができる。
例えば、前記プレートの位置は、前記温度安全素子の位置に対応しうる。
例えば、前記プレートは、前記温度安全素子と直接接触しうる。
例えば、前記プレートは、前記温度安全素子からオフセットされており、前記温度安全素子は、回路連結部を介して、前記プレートに電気的に結合されうる。
例えば、前記回路連結部は、前記印刷回路基板に内蔵されうる。
例えば、前記第１電極タブまたは第２電極タブは、溶接によって前記プレートに接触しうる。
例えば、前記温度安全素子は、ポリマー系導電性複合体を含むことができる。
例えば、前記複合体は、ポリマーと導電性フィラとを含むことができる。
例えば、前記複合体は、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリプロピレン（ＰＰ）またはエチレン／ポリプロピレン重合体を含むことができる。
例えば、前記導電性フィラは、カーボンブラック、カーボンファイバ、金属または金属酸化物を含むことができる。
例えば、前記温度安全素子の一面は、前記印刷回路基板の一面と実質的に同じ面をなすことができる。
例えば、前記温度安全素子と印刷回路基板との間に、空間が介在しうる。
一方、本発明の他の側面による二次電池パック用保護回路モジュールは、印刷回路基板と、前記印刷回路基板内に内蔵された温度安全素子と、を含むことができる。
例えば、前記二次電池パック用保護回路モジュールは、前記温度安全素子と電気的に連結されるプレートをさらに含むことができる。
本発明の二次電池パック及び二次電池パック用保護回路モジュールは、電池セルのタブに対して電気的に接続される印刷回路基板内に、温度安全素子が挿入されているので、電池セルの熱伝逹効率を向上させることができる。また、温度安全素子が外部に露出されている場合、伝達された熱が外部に発散されるので、温度安全素子を印刷回路基板内に埋め込んで熱伝逹効率を向上させることができる。
以下、添付された図面に図示された本発明に係わる実施形態を参照し、本発明の構成及び作用について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるポリマー電池セル１００を図示した図面である。前記ポリマー電池セルは、リチウムポリマー電池セルでありうる。
図面を参照すれば、前記ポリマー電池セル１００は、電極アセンブリ１１０と、前記電極アセンブリ１１０を収容するケース１２０とを含む。前記電極アセンブリ１１０は、正極板１１１並びに負極板１１２、前記正極板１１１と負極板１１２との間に介在されるセパレータ１１３を含む。
前記正極板１１１には、正極タブ１１４が電気的に連結されている。前記正極タブ１１４には、正極用絶縁テープ１１６が巻かれている。前記負極板１１２には、負極タブ１１５が電気的に連結されている。前記負極タブ１１５には、負極用絶縁テープ１１７が巻かれている。
前記ケース１２０は、金属ホイル１２０ａと、前記金属ホイル１２０ａの両面に積層された絶縁性フィルム１２０ｂ，１２０ｃとを含むものであり、柔軟性を有するポーチ型（pouched-type）ケースである。前記ケース１２０は、上部ケース１２１と、前記上部ケース１２１と結合される下部ケース１２２とを含む。前記上部ケース１２１及び下部ケース１２２は、少なくとも一面が一体に接合されて、ヒンジ構造を有することができる。
前記電極アセンブリ１１０は、ケース１２０内に形成された空間部１２３に位置する。前記正極用絶縁テープ１１６と負極用絶縁テープ１１７は、ケース１２０の密閉面１２４と共に熱融着される。前記正極タブ１１４の端部と負極タブ１１５の端部は、密閉されるケース１２０の外部に露出される。
図２は、図１のポリマー電池セル１００と、保護回路モジュール（ＰＣＭ：protection circuit module）とが結合された二次電池パック２００を分離図示したものであり、図３は、図２の温度安全素子２１３が設けられた部分を切開図示したところである。例えば、前記温度安全素子２１３は、ＰＴＣ素子（positive temperature coefficient device）、またはサーマルヒューズ（thermal fuse）でありうる。
以下、前記図示された図面と同じ参照番号は、同じ機能を行う同じ部材を指す。また、本実施形態による二次電池は、ポーチ型二次電池だけではなく、厚膜型の金属材からなる角形二次電池や、厚膜型の金属材からなる円筒形二次電池を含む。
図面を参照すれば、前記保護回路モジュール２１０は、印刷回路基板（printed circuit substrate）と、前記印刷回路基板２１１上に実装された複数の電子素子２１２と、安全素子の役割を行う温度安全素子２１３とを含む。
前記印刷回路基板２１１は、少なくとも１層以上の回路パターン層が積層された回路基板である。前記電子素子２１２は、ＩＣチップ（integrated circuit chip）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、抵抗器（resistor）、キャパシタなどを含む。
前記温度安全素子２１３は、ポリマーに、導電性粒子を含んだ素子を含む。
ポリマー系導電性複合体は、ポリマー、導電性フィラ、酸化防止剤及び過酸化物架橋剤の混合物によって構成されうる。ポリマーには、溶融指数１ないし１０である高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリプロピレン（ＰＰ）またはエチレン／ポリプロピレン重合体のような高分子化合物が使われうる。
導電性フィラは、カーボンブラックや、カーボンファイバや、またはニッケルなどの金属材や、金属酸化物が使われうる。
ポリマーは、一般的に絶縁剤であるが、導電性フィラによって、温度安全素子２１３が、常温や低温で導電性粒子が相互連結されて導電経路を提供するので、優秀な導電性を有する。
もし電池セル１００が特定の温度を越えて上昇したり、過電流が流れれば、前記温度安全素子２１３内のポリマーが膨脹することによって、導電性粒子間の間隔が広くなって導電経路が遮断される。ここで、前記温度安全素子２１３内のポリマーが膨脹することによって、温度安全素子２１３が埋め込まれたり内蔵される印刷回路基板２１１には、所定の余裕空間を確保し、膨脹する温度安全素子２１３を正常に作動させることができる。前記印刷回路基板２１１内に埋め込まれたり内蔵された温度安全素子２１３は、全面で印刷回路基板２１１と接触するか、または少なくとも１面以上の面で、印刷回路基板２１１から離隔されうる。
前記ケース１２０から引き出された正極タブ１１４は、前記印刷回路基板２１１に形成された第１端子２１４に電気的に連結されている。前記ケース１２０から引き出された負極タブ１１５は、前記印刷回路基板２１１に形成された温度安全素子２１３に電気的に連結されている。
ここで、前記温度安全素子２１３は、前記負極タブ１１５と対向する前記印刷回路基板２１１の一面２１１ａに内蔵（embedded）されている。
さらに詳細に説明すれば、次の通りである。
前記温度安全素子２１３は、前記印刷回路基板２１１内に挿入（embedded）されている。前記温度安全素子２１３は、前記負極タブ１１５と対向する印刷回路基板２１１の一面２１１ａから、所定深さ挿入されている。前記温度安全素子２１３は、前記負極タブ１１５とおおむね整列されるように配されている。
このとき、前記温度安全素子２１３と負極タブ１１５との間には、プレート、例えば、金属プレート２１５が設けられている。すなわち、前記印刷回路基板２１１の一面２１１ａには、金属プレート２１５が付着されている。前記金属プレート２１５は、前記温度安全素子２１３とおおむね整列されるように、前記印刷回路基板２１１の一面２１１ａに付着されている。前記金属プレート２１５の上面には、負極タブ１１５が、スポット溶接または他の方式で固定される。前記金属プレート２１５は、導電性にすぐれる金属材、例えば、ニッケル・プレートが望ましい。
前記金属プレート２１５は、前記温度安全素子２１３に対して、オープニング２１１ｂを介して、電気的に連結されている。すなわち、前記印刷回路基板２１１の一面２１１ａから前記温度安全素子２１３の表面まで、オープニング２１１ｂが形成されている。前記オープニング２１１ｂには、クリーム・ソルダ（cream solder）のような導電材３１１が充填されてある。
これによって、前記金属プレート２１５の一表面は、前記導電材３１１によって、前記温度安全素子２１３に電気的に連結されている。一方、前記金属プレート２１５の他の表面は、前記負極タブ１１５に電気的に連結されている。
前記のような構成を有する二次電池パック２００は、駆動中に、電池セル１００内部の電極アセンブリ１１０の温度が上昇すれば、電池セル１００→負極タブ１１５→金属プレート２１５→導電材３１１→温度安全素子２１３の順に熱が伝達することになる。
このとき、電池セル１００内部の温度が、基準温度、例えば、８０℃を越えて上昇すれば、前記温度安全素子２１３の抵抗値が上昇して電流を遮断させる。これによって、電池セル１００の破損を未然に防止できる。
図４は、本発明の他の実施形態による温度安全素子４１３が設けられた部分を切開図示したものである。
図面を参照すれば、温度安全素子４１３は、印刷回路基板４１１内に挿入されている。このとき、図３の実施形態のように、前記温度安全素子４１３は、前記印刷回路基板４１１内に完全に埋め込まれず、前記温度安全素子４１３の一面４１３ａが外部に露出されている。前記温度安全素子４１３の一面４１３ａが露出された面は、実質的に、前記印刷回路基板４１１の一面４１１ａと同じ面をなすことができる。
前記温度安全素子４１３の一面４１３ａと負極タブ１１５との間には、金属プレート４１５が設けられている。前記金属プレート４１５の一表面は、前記温度安全素子４１３の一面４１３ａに直接的に電気的に連結されている。一方、前記金属プレート４１５の他の表面は、前記負極タブ１１５にスポット溶接されている。
前記のような構成を有する温度安全素子４１３は、負極タブ１１５と金属プレート４１５とを経由して伝達した熱による電池セル１００（図１）の温度の上昇を検出し、電流フローを選択的に遮断する。
図５は、本発明の他の実施形態による二次電池パック５００を図示したものである。
図面を参照すれば、前記保護回路モジュール５１０は、印刷回路基板５１１と、前記印刷回路基板５１１上に実装された複数の電子素子５１２と、温度安全素子５１３とを含む。
ケース１２０から引き出された正極タブ１１４は、前記印刷回路基板５１１に形成された第１端子５１４に電気的に連結されている。前記ケース１２０から引き出された負極タブ１１５は、前記印刷回路基板５１１に形成された温度安全素子５１３に電気的に連結されている。
前記温度安全素子５１３は、前記印刷回路基板５１１に内蔵されている。前記温度安全素子５１３は、負極タブ１１５と対向する印刷回路基板５１１の一面５１１ａから、所定深さ挿入されている。前記温度安全素子５１３は、前記負極タブ１１５と対応しない位置に配列されている。すなわち、図３または図４の実施形態では、負極タブと温度安全素子とが互いに対向する構造で形成されているが、図５の実施形態では、負極タブ１１５と温度安全素子５１３とが互い対向しない。すなわち、温度安全素子５１３が、負極タブ１１５と整列されていない。
このとき、前記負極タブ１１５は、前記印刷回路基板５１１に形成された第２端子５１５に電気的に連結されている。前記温度安全素子５１３は、回路連結部、例えば、回路配線５１６によって、前記第２端子５１５に電気的に連結されている。前記回路配線５１６は、前記印刷回路基板５１１内に埋め込まれており、前記回路配線５１６の一端は、温度安全素子５１３に接続されており、他端は、第２端子５１５に接続されている。
代案としては、前記温度安全素子５１３は、前記第２端子５１５なしに、印刷回路基板５１１にパターン化された回路配線５１６によって、前記負極タブ１１５に連結されうるなど、金属プレートなしに、前記温度安全素子５１３が負極タブ１１５に電気的に接続される構造であるならば、いずれか一つに限定されるものではない。
前記のような構成を有する温度安全素子５１３は、第２端子５１５と回路配線５１６とを経由して伝達した熱による電池セル１００の温度の上昇を検出し、電流フローを選択的に遮断する。
図６は、本発明の他の実施形態による温度安全素子２１３が設けられた部分を切開図示したものであり、図１の変形された実施形態を図示したものである。図面を参照すれば、印刷回路基板５１１と温度安全素子２１３との間には、所定の余裕空間Ｓが確保されている。印刷回路基板５１１内に埋め込まれた温度安全素子２１３は、内部ポリマーの膨脹による体積膨脹を起こすことがあり、前記余裕空間Ｓは、温度安全素子２１３の膨脹を受容することによって、温度安全素子２１３の正常な作動を保証する。
以上で説明した実施形態は、温度安全素子が負極タブに対して電気的に連結される構成に係わるものであるが、本発明は、それらに限定されるものではない。すなわち、温度安全素子素子が正極タブと連結される構成も本発明の範疇に含まれる。
一実施形態として、正極タブ及び負極タブは、充放電動作を選択するためのスイッチ素子（図示せず）と、電池セル１００の充放電状態をモニタリングして制御するためのＢＭＳ（ＢＭＳ：battery management system；図示せず）とを介して、外部端子と電気的に連結されうる。ここで、外部端子とは、外部電源供給装置の端子、または外部負荷の電源端子が電気的に連結されうる端子であり、印刷回路基板に形成されうる。
前記スイッチ素子は、電池セル１００の充放電動作を選択的にターンオン／ターンオフさせるための切り替え機能を行い、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）によって構成されうるが、これにのみ限定されるものではなく、他種のスイッチ可能を行う電気素子によって構成されもする。
前記ＢＭＳは、電池セル１００を保護するために、充放電電圧や電流のような状態情報を入手し、電池セル１００が異常現象（過充電、過放電など）を示す場合、充放電スイッチ素子をターンオフさせて電池セル１００を保護することができる。一方、前記スイッチ素子及びＢＭＳは、印刷回路基板に装着されたり、あるいは印刷回路基板と別途に構成されもする。
以下、本出願人の実験による過充電テスト結果について説明すれば、次の通りである。
図７は、従来の温度安全素子を有する二次電池パックの過充電テスト結果を図示したグラフであり、図８は、本発明の一実施形態による温度安全素子を有する二次電池パックの過充電テスト結果を図示したグラフである。
ここで、従来の場合は、印刷回路基板上に温度安全素子と電極端子とがそれぞれ実装されて露出されており、温度安全素子と電極端子は、回路配線によって連結され、電池セルの電極タブは、電極端子に連結されている構造である。従って、電池セルの熱伝達経路は、電池セルの電極タブ→印刷回路基板の電極端子→回路配線→温度安全素子である。
本実施形態の場合、印刷回路基板２１１内に温度安全素子２１３が埋め込まれており、温度安全素子２１３は、オープニング２１１ｂに充填されている導電材３１１によって、金属プレート２１５に電気的に連結され、電池セルの負極タブ１１５は、金属プレート２１５に連結された構造である。従って、電池セルの熱伝達経路は、負極タブ１１５→金属プレート２１５→導電材３１１→温度安全素子２１３の順に熱が伝えられる。
図７を参照すれば、従来の二次電池パックは、駆動中に上昇する電池セルの温度を感知する温度安全素子が正常に作動せず、設定温度である８０℃に達しても電流を遮断させられず、２００℃まで上がる。例えば、電池セルは、ほぼ１２０℃に達すると膨らんで破裂することが見い出された。
一方、図８を参照すれば、本発明の一実施形態による二次電池パックは、上昇する電池セルの温度を感知する温度安全素子２１３が作動し、設定温度である８０℃に達すると、電流のフローを遮断させる。これによって、電池セルの破裂が防止される。
前記の通り、本発明の一以上の実施形態による二次電池パック及び二次電池パック用保護回路モジュールは、電池セルの負極タブに対して電気的に接続される印刷回路基板内に、温度安全素子が挿入されているので、電池セルの熱伝逹効率を向上させることができる。すなわち、温度安全素子が最も効率的に作動するためには、電池セルで発生した熱が１００％近く伝達されねばならず、このために、温度安全素子が負極タブと整列されるように位置するわけで、相対的に近く位置しうる。また、温度安全素子が外部に露出されている場合、伝達された熱が外部に発散しうるので、温度安全素子を印刷回路基板内に埋め込んで熱伝逹効率を向上させることができる。
本発明は、図面に図示された一実施形態を参考にして説明したが、それらは例示的なものに過ぎず、本技術分野の当業者であるならば、それらから多様な変形及び均等な他実施形態が可能であるという点を理解することができるであろう。よって、本発明の真の技術的保護範囲は、登録請求の範囲の技術的思想によって決まるものである。
１００ 電池セル
１１０ 電極アセンブリ
１１１ 正極板
１１２ 負極板
１１３ セパレータ
１１４ 正極タブ
１１５ 負極タブ
１１６ 正極用絶縁テープ
１１７ 負極用絶縁テープ
１２０ ケース
１２０ａ 金属ホイル
１２０ｂ，１２０ｃ 絶縁性フィルム
１２１ 上部ケース
１２２ 下部ケース
１２３ 空間部
１２４ ケースの密閉面
２００，５００ 二次電池パック
２１０，５１０ 保護回路モジュール
２１１，４１１，５１１ 印刷回路基板
２１１ａ，５１１ａ 印刷回路基板の一面
２１１ｂ オープニング
２１２，５１２ 電子素子
２１３，４１３，５１３ 温度安全素子
２１４，５１４ 第１端子
２１５，４１５ 金属プレート
３１１ 導電材
４１３ａ 温度安全素子の一面
５１５ 第２端子
５１６ 回路配線
Ｓ 余裕空間
１１０ 電極アセンブリ
１１１ 正極板
１１２ 負極板
１１３ セパレータ
１１４ 正極タブ
１１５ 負極タブ
１１６ 正極用絶縁テープ
１１７ 負極用絶縁テープ
１２０ ケース
１２０ａ 金属ホイル
１２０ｂ，１２０ｃ 絶縁性フィルム
１２１ 上部ケース
１２２ 下部ケース
１２３ 空間部
１２４ ケースの密閉面
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２１４，５１４ 第１端子
２１５，４１５ 金属プレート
３１１ 導電材
４１３ａ 温度安全素子の一面
５１５ 第２端子
５１６ 回路配線
Ｓ 余裕空間
Claims (20)
- 電極組立体、前記電極組立体を収容するケース、前記電極組立体と電気的に連結された第１電極タブ、及び第２電極タブを含む電池セルと、
前記電池セルと結合された保護回路モジュールと、を含み、
前記保護回路モジュールは、
印刷回路基板と、
前記印刷回路基板に内蔵された温度安全素子と、を含むことを特徴とする二次電池パック。 - 前記温度安全素子は、前記第１電極タブまたは第２電極タブと熱的に結合されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池パック。
- 前記印刷回路基板上のプレートをさらに含み、前記温度安全素子は、前記プレートを介して、第１電極タブまたは第２電極タブと電気的に結合されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池パック。
- 前記印刷回路基板は、前記プレートと温度安全素子との間に、少なくとも１つのオープニングを含み、前記オープニングは、導電性物質を収容することを特徴とする請求項３に記載の二次電池パック。
- 前記導電性物質は、クリーム・ソルダであることを特徴とする請求項４に記載の二次電池パック。
- 前記プレートは、金属であることを特徴とする請求項３に記載の二次電池パック。
- 前記金属は、ニッケルを含むことを特徴とする請求項６に記載の二次電池パック。
- 前記プレートの位置は、前記温度安全素子の位置に対応することを特徴とする請求項３に記載の二次電池パック。
- 前記プレートは、前記温度安全素子と直接接触することを特徴とする請求項３に記載の二次電池パック。
- 前記プレートは、前記温度安全素子からオフセットされており、前記温度安全素子は、回路連結部を介して、前記プレートに電気的に結合されることを特徴とする請求項３に記載の二次電池パック。
- 前記回路連結部は、前記印刷回路基板に内蔵されることを特徴とする請求項１０に記載の二次電池パック。
- 前記第１電極タブまたは第２電極タブは、溶接によって前記プレートに接触することを特徴とする請求項３に記載の二次電池パック。
- 前記温度安全素子は、ポリマー系導電性複合体を含むことを特徴とする請求項１に記載の二次電池パック。
- 前記複合体は、ポリマーと導電性フィラとを含むことを特徴とする請求項１３に記載の二次電池パック。
- 前記複合体は、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリプロピレン（ＰＰ）またはエチレン／ポリプロピレン重合体を含むことを特徴とする請求項１３に記載の二次電池パック。
- 前記導電性フィラは、カーボンブラック、カーボンファイバ、金属、または金属酸化物フィラを含むことを特徴とする請求項１３に記載の二次電池パック。
- 前記温度安全素子の一面は、前記印刷回路基板の一面と実質的に同じ面をなすことを特徴とする請求項１に記載の二次電池パック。
- 前記温度安全素子と印刷回路基板との間に、空間が介在されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池パック。
- 印刷回路基板と、
前記印刷回路基板内に内蔵された温度安全素子と、を含む二次電池パック用保護回路モジュール。 - 前記温度安全素子と電気的に連結されるプレートをさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の二次電池パック用保護回路モジュール。
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