KR101082865B1 - 도전성 패턴이 형성된 보호회로 기판을 포함하는 전지팩 - Google Patents

도전성 패턴이 형성된 보호회로 기판을 포함하는 전지팩

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KR101082865B1
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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀, 및 상기 전지셀에 전기적으로 연결된 보호회로 기판(PCB)을 포함하고 있는 전지팩으로서, 상기 PCB 상에서 회로가 상호 연결되는 부위에는, 대전류의 통전시 용융 절단되어 전류를 차단하는 상대적으로 저항이 높은 용단부를 포함하는 도전성 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다. 따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 대전류 통전시 높은 저항의 용단부에서 발열량이 급격히 증가하여 도전성 패턴이 용융 절단됨으로써 전류를 차단할 수 있으므로 전지의 안전성을 효율적으로 확보할 수 있다. 또한, 별도의 과전류 차단을 위한 안전소자를 장착할 필요가 없으므로 전지의 내부공간을 효율적으로 활용할 수 있다는 장점이 있다.

Description

도전성 패턴이 형성된 보호회로 기판을 포함하는 전지팩 {Battery pack Containing Printed Circuit board Employed with Conductive Pattern}
본 발명은 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀, 및 상기 전지셀에 전기적으로 연결된 보호회로 기판(PCB)을 포함하고 있는 전지팩으로서, 상기 PCB 상에서 회로가 상호 연결되는 부위에는, 대전류의 통전시 용융 절단되어 전류를 차단하는 상대적으로 저항이 높은 용단부를 포함하는 도전성 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급증하고 있고, 그러한 이차전지 중 고에너지 밀도와 높은 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
특히, 리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 종류에 따라 리튬이온 전지와 리튬이온 폴리머 전지로 분류되기도 한다. 모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 특히 두께가 얇은 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 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. 즉, 리튬 이차전지는 고온에 노출되거나, 과충전, 외부단락, 침상(nail) 관통, 국부적 손상(local crush) 등에 의해 짧은 시간내에 큰 전류가 흐르게 될 경우, IR 발열에 의해 전지가 가열되면서 발화/폭발의 위험성이 있다.
전지의 온도가 상승하면 전해액과 전극 사이의 반응이 촉진된다. 그 결과, 반응열이 발생하여 전지의 온도는 추가적으로 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 따라서, 전지의 온도가 급격히 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 이러한 악순환에 의해, 전지의 온도가 급격히 상승하는 열폭주 현상이 일어나게 되고 온도가 일정 이상까지 상승하면 전지의 발화가 일어날 수 있다. 또한, 전해액과 전극 사이의 반응 결과, 가스가 발생하여 전지 내압이 상승하게 되며, 일정 압력 이상에서 리튬 이차전지는 폭발하게 된다. 이와 같은 발화/폭발의 위험성은 리튬 이차전지가 가지고 있는 가장 치명적인 단점이라 할 수 있다.
따라서, 리튬 이차전지의 개발에 필수적으로 고려해야 할 사항은 안전성을 확보하는 것이다. 이러한 안전성을 확보하기 위한 노력의 일환으로서, 셀 바깥쪽 에 안전소자를 장착하여 사용하는 방법과, 셀 내부의 물질을 이용하는 방법이 있다. 온도의 변화를 이용하는 PTC 소자, CID 소자, 전압의 변화를 이용하는 보호회로, 전지 내압의 변화를 이용하는 안전벤트(Safety Vent) 등이 전자에 해당하고, 전지 내부의 온도나 전압의 변화에 따라 물리적, 화학적, 전기화학적으로 변화할 수 있는 물질을 첨가하는 것이 후자에 속한다.
그러나, 셀 바깥쪽에 장착하는 안전소자들은 전지의 이상 발생으로 인해 가연성 가스가 이미 셀 내부에 충만한 상태에서는 안전성을 제공하지 못하며, CID 소자의 경우 원통형 전지에만 적용할 수 있다는 단점이 있다. 또한, 내부 단락, 침상 관통, 국부적 손상 등과 같이 빠른 응답시간이 요구되는 경우에는 제대로 보호역할을 하지 못하는 것으로 알려져 있다.
셀 내부의 물질을 이용하는 방법의 하나로 전해액이나 전극에 안전성을 향상시키는 첨가제를 부가하는 방법이 있다. 화학적 안전장치는 추가공정 및 공간을 필요로 하지 않으며 모든 종류의 전지에 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있으나, 물질의 첨가로 인해 전지의 성능이 저하되는 문제점을 가지고 있다. 이러한 물질로는 전극에 부동막을 형성하는 물질, 온도 상승시 부피 팽창이 이루어지면서 전극의 저항을 증가시키는 물질 등이 보고되어 있다. 그러나, 이들 각각은 부동막 형성시 부산물이 발생하여 전지의 성능을 저하시키거나, 전지 내부에서 차지하는 부피가 커서 전지의 용량 감소를 가져오는 문제점을 안고 있으며, 확실한 안전성 보장이 이루어지지 않으므로 단독 수단으로는 사용되지 않고 있다.
이와 관련하여, 일본 특허출원공개 제2005-143160호에는 보호회로의 전위 입 력단자와의 사이에 접속되고, 이차전지의 단자전압을 보호회로에 공급하기 위한 단자전압 공급선, 상기 단자전압 공급선 중에 설치되고, 해당 단자전압 공급선을 흐르는 과전류를 제한하는 과전류 제한회로를 구비한 전 지팩에 관한 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 전지팩은 단자전압 공급선과 과전류 제한회로를 연결하기 위해 별도의 도전성 부재를 사용해야 하고, 이들의 연결 공정이 요구되며, 단자전압 공급선 중에 설치되는 과전류 제한회로 자체의 저항값에 의해 보호소자가 감지할 수 있는 전류 또는 전압의 임계치가 커져서, 전지셀의 안전성이 이미 임계 수준을 넘어선 폭발 직전의 단계에서 작동될 우려가 있으므로 안전성 확보에 한계가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, PCB 상에서 회로가 상호 연결되는 부위에, 대전류의 통전시 용융 절단되어 전류를 차단하는 상대적으로 저항이 높은 용단부를 포함하는 도전성 패턴을 형성하는 경우, 과전류 차단을 위해 소정의 부피를 갖는 안전 소자를 장착할 필요가 없으므로 전지 내부 공간을 효율적으로 사용할 수 있고, 대전류에 의한 반응속도가 매우 빨라서 효율적으로 전지의 안전성을 확보할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르 렀다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀, 및 상기 전지셀에 전기적으로 연결된 보호회로 기판(PCB)을 포함하고 있는 전지팩으로서, 상기 PCB 상에서 회로가 상호 연결되는 부위에는, 대전류의 통전시 용융 절단되어 전류를 차단하는 상대적으로 저항이 높은 용단부를 포함하는 도전성 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩으로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지팩은 과전류의 차단을 위한 도전성 패턴이 PCB 상에 인쇄되어 회로적으로 구현되고 있으므로, 소정의 부피를 갖는 별도의 안전소자의 장착을 위한 점유 공간이 불필요하다. 따라서, 전지의 내부 공간 낭비를 최소화할 수 있으므로 상대적으로 전지의 체적 밀도를 증가시킬 수 있고, 전지팩 조립 공정이 단순화될 수 있다. 또한, 상기 용단부는 대전류의 통전시 전류의 변화에 빠르게 대응하여 용융 절단됨으로써 즉시 전류의 흐름을 차단할 수 있으므로, 높은 작동 신뢰성으로 전지의 안전성을 담보할 수 있다.
본 발명은, 앞서 정의한 바와 같이, 상기 도전성 패턴에 상대적으로 높은 저항을 갖는 용단부가 포함되어 있는 점에 특징이 있다. 이러한 용단부의 높은 저항은 전지의 정상적인 작동 상태에서는 크게 문제시되지 않는 정도이지만, 비정상적인 작동 상태, 예를 들어, 수십 암페어의 대전류가 흐르는 외부 단락(external short)이 발생한 경우에는 상대적으로 큰 발열을 초래하고, 결과적으로 대전류 발생시 용융 절단되어 전지의 통전을 방지하므로, 전지셀의 안전소자로 작동한다. 이러한 원리를 상술하면 하기와 같다.
일반적으로 저항 및 전류와 발열량과의 관계는 하기 식 1로 표시된다.
W = I 2 x R (1)
상기 식에서, W는 발열량을 나타내고, I는 전류를 나타내며, R은 저항을 나타낸다.
또한, 저항은 하기의 식 2에서와 같이 단면적에 반비례한다.
R ∝ 1/A (2)
상기 식에서, R은 저항을 나타내고, A는 단면적을 나타낸다.
즉, 대전류 발생시 용단부의 발열량은 상기 식 1에서와 같이 저항이 클수록 급격히 증가하므로, 상기 용단부의 저항이 높을수록 발열량이 상승하여 대전류의 통전시 즉시 용융 절단될 수 있다. 따라서, 대전류의 통전에 의해 전지의 안전성이 임계 수준에 도달하기 전에 전류를 빠르게 차단할 수 있다.
이를 고려하여, 상기 용단부가 높은 저항값을 갖도록 구성할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 용단부는 낮은 전류 밀도를 갖도록 구성할 수 있고, 이를 위해 도전성 패턴의 단면적을 작게 하는 방법을 고려할 수 있다. 이와 관련하여, 도전성 패턴의 높이를 조절하는 것은 실질적으로 매우 어려우므로 도전성 패턴의 폭을 변화시키는 것이 보다 적절하다. 따라서, 상기 용단부는 도전성 패턴의 전체 폭에 대해 상대적으로 작은 폭으로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
즉, 과전류시 도전성 패턴의 발열량은 상기 식 1에서와 같이 급격히 증가하는데, 그러한 증가는 폭이 작은 부위인 용단부에서 배가된다. 따라서, 상기 용단부는 큰 발열량으로 쉽게 절단될 수 있어서, 전지의 이상 작동에 의한 과전류 환경에서의 전지 안전성을 담보할 수 있다.
다만, 용단부의 폭이 너무 작으면 높은 저항으로 인해 정상적인 작동 상태에서의 출력 손실이 크게 되어 비효율적이고, 비교적 낮은 발열량에 의해서도 쉽게 용융 절단될 수 있어서 작동 신뢰성이 낮아질 수 있다. 반대로 용단부의 폭이 너무 크면, 과전류 발생시 자동으로 절단되기 어려우므로 소망하는 효과를 달성하기 어렵다. 이를 고려하여, 상기 용단부의 폭은 도전성 패턴의 평균 폭에 대하여 10 ~ 90%일 수 있고, 바람직하게는 30 ~ 80%일 수 있다.
폭이 좁은 용단부 구조는 용단부의 한쪽 또는 양쪽 측면에 다양한 형상의 만입부를 형성하여 제작될 수 있다. 상기 만입부의 형상은 라운드형(round type), 노치형(notch type), 스퀘어형(square type) 등을 들 수 있지만, 그것만으로 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 용단부의 수는 특별히 제한되는 것은 아니고, 필요로 따라 둘 또는 그 이상으로 형성할 수도 있다.
상기 도전성 패턴은 PCB 상에 인쇄된 보호회로 패턴의 일부일 수 있으며, 전기전도도가 우수하여 보호회로 패턴에 통상 사용되는 금(Au)으로 이루어질 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 도전성 패턴은 PCB 상에 인쇄되어 있는 보호 회로 패턴보다 비저항이 높은 금속으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 용단부만이 비저항이 높은 금속으로 이루어질 수도 있다.
여기서, 비저항이 높은 금속이란, 비저항의 절대값이 높은 금속만을 의미하는 것은 아니고, PCB 상의 보호회로 패턴을 이루는 금속 또는 도전성 패턴의 다른 부위를 이루는 금속에 비해 상대적으로 비저항이 높은 금속을 포함하는 개념이다. 상기 비저항이 높은 금속은 전지의 정상적인 작동 상태에서 통전에 방해가 되지 않을 정도의 전기전도도를 갖는 것으로서, 바람직한 예로는 주석 또는 주석 합금을 들 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전성 패턴을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않으며 포토 리소그래피 등의 공지의 패턴 형성 방법에 의해 가능하다.
본 발명에 따른 전지팩의 구조는 전지셀 및 PCB를 포함하는 것이라면 특별히 제한되지 않으며 공지의 다양한 구조에 모두 적용될 수 있고, 특별히 제한이 없다. 상기 전지셀은 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등에서 모두 가능하고, 상기 PCB에는 각종 안전 소자 등이 탑재되어 보호회로 모듈(PCM)을 구성할 수 있다. 상기 PCM은 전류의 통전을 제어하는 스위칭 소자로서의 전계 효과 능동소자(FET; Field Effect Transistor)와, 전압 검출기, 저항, 축전기 등의 수동소자 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩의 하나의 바람직한 예로서,
상기 전지셀은 전극조립체가 전해액과 함께 금속 캔에 내장되어 있고, 금속 캔의 개방 상단은 탑 캡에 의해 밀봉되어 있으며;
PCM이 상부에 탑재되고 전지셀의 탑 캡에 장착되는 절연성 장착부재, 및 PCM이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡을 포함하고 있으며;
상기 탑 캡에는 전극조립체의 양극 및 음극에 각각 연결되어 있는 한 쌍의 돌출형 전극단자들(제 1 돌출형 전극단자 및 제 2 돌출형 전극단자)이 형성되어 있고, 상기 절연성 장착부재와 PCM에는 상기 돌출형 전극단자들에 대응하는 관통홈이 각각 형성되어 있으며, 상기 돌출형 전극단자들이 절연성 장착부재와 PCM의 관통홈들에 연속하여 삽입되어 고정됨으로써, 전지셀에 대한 절연성 장착부재 및 PCM의 결합이 이루어질 수 있다.
이러한 전지팩은 앞서 설명한 바와 같이, 과전류 차단을 위해 소정의 부피를 갖는 안전소자를 별도로 장착할 필요가 없을 뿐만 아니라, 각 구성 요소의 결합이 한 쌍의 돌출형 전극단자들이 절연성 장착부재 및 보호회로 모듈의 관통홈들에 연속하여 삽입되어 고정되는 것으로 달성될 수 있으므로 매우 콤팩트한 구조를 갖는다. 따라서, 불필요한 공간 낭비를 최소화함으로써 상대적으로 전지의 체적 밀도를 높일 수 있다. 또한, 간단한 결합 방식으로 조립될 수 있고, 기계적 체결이 용이하며, 제조 공정을 단순화시키고, 외부의 충격, 진동 등에 대해 매우 안정적인 결합구조를 달성할 수 있다.
상기 돌출형 전극단자의 단부는 보호회로 모듈의 상단면 상에 소정의 길이로 돌출된 상태에서 이를 압연하여 보호회로 모듈에 고정시킬 수 있다. 구체적으로, 한 쌍의 돌출형 전극단자를 각각 전지셀의 양극 및 음극과 연결되는 구조로 상기 탑 캡에 형성한 후, 절연성 장착부재 및 PCM의 관통홈들에 연속하여 삽입하고, PCM의 상단면으로부터 돌출된 전극단자의 단부를 압연하는 일련의 간단한 과정에 의해, 전지셀에 대한 절연성 장착부재 및 PCM의 결합과 전기적 접속을 동시에 달성할 수 있다.
상기 돌출형 전극단자들은, 예를 들어, 도전성 리벳 구조일 수 있으며, 보호회로 모듈 및 절연성 장착부재의 관통홈에 용이하게 삽입될 수 있는 형상이면 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 평면상 원형, 타원형 또는 사각형 등으로 이루어질 수 있으며, 돌출형 전극단자 단부의 압연은 전지셀에 대한 절연성 장착부재와 PCM의 결합력을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 돌출형 전극단자의 소재는 전극단자로서 전도성이 높은 소재라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 Cu, Ni 및/또는 Cr이 도금되어 있는 스틸, 스테인리스 스틸, 알루미늄, Al 합금, Ni 합금, Cu 합금 또는 Cr 합금 등으로 이루어질 수 있다. 돌출형 전극단자가 탑 캡에 일체로 형성되어 있는 경우에는 탑 캡과 동일한 소재로 되어 있음은 물론이다.
한편, 상기 돌출형 전극단자들은 보호회로 모듈과 절연성 장착부재를 전지셀 상단에 고정시켜 결합하는 역할 이외에, 부가적으로 전지셀의 제조를 용이하게 하고 구조를 간소화할 수 있는 역할을 수행할 수 있는 구조로 이루어질 수도 있다.
예를 들어, 상기 돌출형 전극단자들 중의 적어도 하나는 전지케이스 내부와 연통되는 관통로를 포함하는 중공 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 관통로는 전지셀 제조 과정 중 전지케이스에 전극조립체를 장착한 후 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구로 사용될 수 있다. 즉, 돌출형 전극단자 자체가 전해액 주입구로 활용됨으로써, 종래의 전지셀에서와 같이 탑 캡 상에 별도의 전해액 주입구를 형성할 필요가 없다. 따라서, 상기 관통로는 전해액 주입구로서 사용된 후, 예를 들어, 금속 볼에 의해 밀봉되는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 돌출형 전극단자들은 전지셀의 종류 및 외형에 관계없이 다양하게 적용가능 하나, 예를 들어, 각형 전지셀의 경우, 상기 제 1 돌출형 전극단자는 탑 캡과 전기적으로 연결된 상태에서 전지셀의 양극과 연결되어 있고, 상기 제 2 돌출형 전극단자는 탑 캡과 전기적으로 절연된 상태에서 전지셀의 음극과 연결되어 있는 구조일 수 있다. 따라서, 제 1 돌출형 전극단자는 양극단자, 제 2 돌출형 전극단자는 음극단자의 역할을 수행할 수 있다.
상기 구조에서 제 1 돌출형 전극단자는 바람직하게는 탑 캡과 일체형으로 형성되는 구조일 수 있다. 즉, 제 1 돌출형 전극단자는 탑 캡을 프레스 성형하여 제조하는 과정에서 탑 캡과 동시에 형성될 수 있다. 그러나, 별도로 준비된 돌출형 단자를 탑 캡에 결합시켜 형성할 수 있음은 물론이며, 예를 들어, 탑 캡에 별도의 돌출형 단자를 용접에 의해 결합시킬 수도 있다. 다만, 제조 공정성 등을 고려할 때, 전자의 프레스 성형에 의한 돌출형 전극단자의 형성 방법이 더욱 바람직하다.
또 다른 예에서, 상기 탑 캡에는 관통구가 형성되어 있고; 상기 제 2 돌출형 전극단자는, 판상형의 본체, 본체의 상부로 수직 연장되어 있는 상부 연장부, 및 상기 탑 캡의 관통구에 삽입되고 본체의 하부로 수직 연장되어 있는 하부 연장부로 이루어져 있으며; 상기 제 2 돌출형 전극단자의 하부 연장부가 탑 캡의 관통구에 삽입된 상태에서, 그것의 단부를 압연하여 제 2 돌출형 전극단자를 탑 캡에 결합시키는 구조로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 탑 캡과 돌출형 전극단자들의 결합 구조에 의해, 전극단자들을 탑 캡에 더욱 용이하고 안정적으로 결합할 수 있고, 돌출형 전극단자들의 상부 연장부 및 하부 연장부는 전지셀에 대한 보호회로 모듈과 절연성 장착부재들의 결합을 더욱 견고하고 안정적으로 유지할 수 있다.
상기 절연성 장착부재는 탑 캡에 더욱 안정적인 장착 상태를 담보할 수 있도록, 접착제를 이용한 접착방식에 의해 전지셀에 추가로 결합될 수도 있다.
본 발명은 또한, 전지셀의 과충전, 과방전, 과전류를 제어하는 보호회로가 형성되어 있는 보호회로 기판(PCB)으로서, 회로가 상호 연결되는 부위에, 대전류의 통전시 용융 절단되어 전류를 차단하는 상대적으로 저항이 높은 용단부를 포함하는 도전성 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 보호회로 기판에 관한 것이다.
이를 통해, 전지의 체적 밀도에 영향을 주지 않고 효율적으로 전지셀의 안전성을 확보할 수 있으며, 용단부의 높은 저항을 통해 대전류 통전시 빠른 속도로 전류의 흐름을 차단할 수 있다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀에 장착되는 보호회로 모듈(PCM)의 정면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 보호회로 모듈(PCM; 150)은 보호회로 기판(PCB, Printed Circuit Board; 200), 보호회로 기판(200) 상에 인쇄된 보호회로(210), FET, 전압 검출기, 저항, 축전기 등의 각종 소자(300) 및 용단부(410)가 형성된 도전성 패턴(400)으로 이루어져 있다.
보호회로 기판(200)은, 탑재된 소자들을 전기적으로 연결하고 전지의 과충전, 과방전, 과전류 등을 제어하기 위한 보호회로(210)가 에폭시 복합체의 장방형 구조물에 인쇄되어 있는 구조로 이루어져 있다. 보호회로 기판(200)에는 또한, 전지셀(도시하지 않음)의 전극단자와 결합될 수 있는 단자 접속부(220)가 형성되어 있다. 단자 접속부(220)는 직접 전극단자와 결합될 수도 있고, 니켈 플레이트 등의 별도의 도전성 접속부재(도시하지 않음)에 의해 전극단자와 결합될 수도 있다.
보호회로 기판(200)에 인쇄된 모든 보호회로(210)는 궁극적으로 외부 입출력 단자(도시하지 않음) 및 단자 접속부(220)와 전기적으로 연결된다.
도전성 패턴(400)은 보호회로 기판(200) 상에 보호회로(210)의 일부로서 인쇄되어 있으므로 과전류의 발생시 회로에서의 전류의 흐름이 차단됨으로써 외부 입출력 단자와 전지셀 사이의 통전을 차단할 수 있다. 본 도면에서 도전성 패턴(400)은 예시적으로 일 단부가 단자 접속부(220)에 직접 연결되어 있는 회로로 표현하였으나, 외부 입출력 단자와 단자 접속부(200)가 상호 연결된 회로 상의 임의의 부위에 형성되어 있을 수 있음은 물론이다.
도전성 패턴(400)은 양 측면에 타원형의 용단부(410)를 포함하고 있으며, 용단부(410)는 전체 폭에 비해 상대적으로 작은 폭으로 형성되어 있다. 이러한 구조의 용단부(410)는 상대적으로 전류밀도가 낮고 저항이 높으므로 대전류 통전시 발 열량이 높다. 따라서, 대전류의 통전시 용단부(410)는 이러한 발열에 의해 용융 절단되는 바 전류를 차단함으로써 전지의 안전성을 확보할 수 있게 된다. 한편, 도전성 패턴(400)은 전도성이 우수한 금(Au)으로 이루어질 수도 있고, 주석 등의 상대적으로 비저항 값이 높은 금속으로 이루어질 수도 있다. 또한, 용단부의 형태는 노치형, 사각형, 원형 등 다양할 수 있고, 용단부의 개수 역시 1 개 또는 2 개 이상일 수 있다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩(100)의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전지팩(100)은, 본 발명에 따른 전지팩(100)은, 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀(130), 전지케이스의 개방된 상단을 밀봉하는 탑 캡(120), 보호회로가 형성되어 있는 PCB 구조의 보호회로 모듈(150), 전지셀(130)의 탑 캡(120)에 장착되는 절연성 장착부재(140), 보호회로 모듈(150)이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재(140)를 감싸면서 전지셀(130)의 상단부에 결합되는 절연성 캡(160), 전지셀(130)의 하단부에 장착되는 하단 캡(170) 등으로 구성되어 있다.
한 쌍의 돌출형 단자들(112, 114)은 탑 캡(120)의 상단부 양측에 상부 방향으로 돌출되어 있는 제 1 돌출형 전극단자(112)와 제 2 돌출형 전극단자(114)로 이루어져 있다. 절연성 장착부재(140)에는 돌출형 전극단자들(112, 114)의 하단부에 대응하는 형상 및 크기로 이루어진 관통홈들(142, 144)이 형성되어 있고, 보호회로 모듈(150)에는 돌출형 전극단자들(112, 114)의 상단부에 대응하는 형상 및 크기로 이루어진 관통홈들(152, 154)이 형성되어 있다.
제 1 돌출형 단자(112)는 탑 캡(120)과 전기적으로 연결된 상태에서 전지셀(130)의 양극(도시하지 않음)과 연결되고, 제 2 돌출형 단자(114)는 탑 캡(120)과 전기적으로 절연된 상태에서 전지셀(130)의 음극(도시하지 않음)과 연결되어 있다.
전지셀(130)에 대한 절연성 장착부재(140) 및 보호회로 모듈(150)의 결합은, 돌출형 전극단자들(112, 114)을 절연성 장착부재(140)의 양 측부에 형성되어 있는 관통홈들(142, 144)과 보호회로 모듈(150)의 양 측부에 형성되어 있는 관통홈들(152, 154)에 삽입한 후, 돌출형 전극단자들(112, 114)의 단부를 압연함으로써 달성된다. 탑 캡(120)에 대한 절연성 장착부재(140)의 결합은 그 사이에 부가된 접착제에 의해 더욱 향상될 수도 있다.
절연성 캡(160)은 보호회로 모듈(150)이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재(140)를 감싸면서 전지셀(130)의 상단부에 결합되고, 전지셀(130) 상단부의 외측면을 감쌀 수 있도록 소정의 길이로 하향 연장되어 있다. 전지셀(150)의 하단에는 하단 캡(170)이 부착된다.
이러한 구조의 전지팩(100)에서, PCM(150)은 별도의 접속부재 없이 직접 전극 단자와 전기적으로 연결될 수 있고, PCM(150)의 하면에는 도 1에서와 같이 과전류시 전류를 차단하기 위한 도전성 패턴(도시하지 않음)이 보호회로의 일부로서 인쇄되어 있으므로 소정의 부피를 갖는 과전류 차단을 위한 안전소자를 장착할 필요가 없다. 즉, 본 발명의 전지팩(100)은 전기적 접속과 안전소자의 장착으로 인해 낭비되는 공간을 없앰으로써, 매우 콤팩트한 구조를 가질 수 있고, 상대적으로 전지의 체적 밀도를 높일 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 전지팩은 저항이 높은 용단부가 형성된 도전성 패턴이 형성되어 있어서 대전류에 의한 반응속도가 매우 빠르며, 대전류의 통전시 용단부의 용융 절단에 의해 전지의 안전성을 효율적으로 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩에서 보호회로 모듈(PCM)의 정면도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 분해 사시도이다.

Claims (17)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀, 및 상기 전지셀에 전기적으로 연결된 보호회로 기판(PCB)을 포함하고 있는 전지팩으로서, 상기 PCB 상에서 회로가 상호 연결되는 부위에는, 대전류의 통전시 용융 절단되어 전류를 차단하는 용단부를 포함하는 도전성 패턴이 형성되어 있고, 상기 도전성 패턴은 PCB 상에 인쇄되어 있는 보호회로 패턴보다 상대적으로 비저항이 높은 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 용단부는 도전성 패턴의 전체 폭에 대해 상대적으로 작은 폭으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 용단부의 폭은 도전성 패턴의 전체 폭에 대하여 10 내지 90%인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 패턴은 PCB 상에 금(Au)으로 인쇄된 보호회로 패턴의 일부인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 금속은 주석(Sn) 또는 주석 합금인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지셀은 전극조립체가 전해액과 함께 금속 캔에 내장되어 있고, 금속 캔의 개방 상단은 탑 캡에 의해 밀봉되어 있고;
    PCM이 상부에 탑재되고 전지셀의 탑 캡에 장착되는 절연성 장착부재, 및 PCM이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡을 포함하고 있으며;
    상기 탑 캡에는 전극조립체의 양극 및 음극에 각각 연결되어 있는 한 쌍의 돌출형 전극단자들(제 1 돌출형 전극단자 및 제 2 돌출형 전극단자)이 형성되어 있고, 상기 절연성 장착부재와 PCM에는 상기 돌출형 전극단자들에 대응하는 관통홈이 각각 형성되어 있으며, 상기 돌출형 전극단자들이 절연성 장착부재와 PCM의 관통홈들에 연속하여 삽입되어 고정됨으로써, 전지셀에 대한 절연성 장착부재 및 PCM의 결합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 돌출형 전극단자의 단부가 보호회로 모듈의 상단면 상에 소정의 길이로 돌출된 상태로 압연되어 보호회로 모듈에 고정되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 돌출형 전극단자들 중의 적어도 하나는 전지케이스 내부와 연통되는 관통로를 포함하는 중공 구조로 이루어져 있고, 상기 관통로는 전해액 주입구로서 사용된 후 금속 볼에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 돌출형 전극단자는 탑 캡과 전기적으로 연결된 상태에서 전지셀의 양극과 연결되어 있고, 상기 제 2 돌출형 전극단자는 탑 캡과 전기적으로 절연된 상태에서 전지셀의 음극과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 돌출형 전극단자는 탑 캡과 일체형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 탑 캡에는 관통구가 형성되어 있고,
    상기 제 2 돌출형 전극단자는, 판상형의 본체, 상부의 상부로 수직 연장되어 있는 상부 연장부, 및 상기 탑 캡의 관통구에 삽입되고 본체의 하부로 수직 연장되어 있는 하부 연장부로 이루어져 있으며,
    상기 제 2 돌출형 단자와 탑 캡의 관통구의 계면에는 상호간의 절연을 위한 전기절연성 가스켓이 개재된 상태에서, 상기 하부 연장부의 단부를 압연하여 돌출형 전극단자를 탑 캡에 결합시키는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 절연성 장착부재는 접착방식에 의해 전지셀에 결합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 전지셀의 과충전, 과방전, 과전류를 제어하는 보호회로가 형성되어 있는 보호회로 기판(PCB)로서, 회로가 상호 연결되는 부위에, 대전류의 통전시 용융 절단되어 전류를 차단하는 용단부를 포함하는 도전성 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 보호회로 기판.
  17. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀, 및 상기 전지셀에 전기적으로 연결된 보호회로 기판(PCB)을 포함하고 있는 전지팩으로서, 상기 PCB 상에서 회로가 상호 연결되는 부위에는, 대전류의 통전시 용융 절단되어 전류를 차단하는 상대적으로 저항이 높은 용단부를 포함하는 도전성 패턴이 형성되어 있으며,
    상기 전지셀은 전극조립체가 전해액과 함께 금속 캔에 내장되어 있고, 금속 캔의 개방 상단은 탑 캡에 의해 밀봉되어 있고;
    PCM이 상부에 탑재되고 전지셀의 탑 캡에 장착되는 절연성 장착부재, 및 PCM이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡을 포함하고 있으며;
    상기 탑 캡에는 전극조립체의 양극 및 음극에 각각 연결되어 있는 한 쌍의 돌출형 전극단자들(제 1 돌출형 전극단자 및 제 2 돌출형 전극단자)이 형성되어 있고, 상기 절연성 장착부재와 PCM에는 상기 돌출형 전극단자들에 대응하는 관통홈이 각각 형성되어 있으며, 상기 돌출형 전극단자들이 절연성 장착부재와 PCM의 관통홈들에 연속하여 삽입되어 고정됨으로써, 전지셀에 대한 절연성 장착부재 및 PCM의 결합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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