KR101717144B1 - 온도 센싱 부재를 포함하고 있는 보호회로 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

온도 센싱 부재를 포함하고 있는 보호회로 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자기기의 전압 또는 전류를 제어하는 보호회로가 형성되어 있는 보호회로 모듈(PCM)로서, 제 1 면과 상기 제 1 면의 대향 면(반대 면)인 제 2 면을 포함하고 있는 인쇄회로 기판(printed circuit board: PCB); 상기 PCB의 보호회로와의 전기적 연결을 이루기 위해 상기 제 2 면 상에 형성되어 있는 단자부들; 및 상기 전자기기의 온도를 실시간으로 측정하여 보호회로에 센싱 정보를 전송하기 위해 일측 단부가 상기 단자부에 전기적으로 연결되어 있는 온도 센싱 부재;를 포함하고 있으며,
상기 제 1 면과 제 2 면이 연통되는 하나 이상의 관통구를 포함하고 있고, 상기 관통구에 온도 센싱 부재의 적어도 일부가 삽입 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 보호회로 모듈을 제공한다.

Description

온도 센싱 부재를 포함하고 있는 보호회로 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 {Protection Circuit Module Including Temperature Sensing Member and Battery Pack Comprising the Same}
본 발명은 온도 센싱 부재를 포함하고 있는 보호회로 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
현대인들의 휴대가 가능한 소형 전자기기의 수요가 증가함에 따라 소형 전자기기의 수요 또한 급속히 증가하고 있는 추세이다. 특히, 고용량의 전력을 필요로 하는 전자기기들(예: 모바일 기기, 디지털 카메라)의 사용이 늘어나고 있고, 휴대 전자기기의 다양화로 인해 소비자가 휴대하는 기기의 종류 및 수가 증가되고 있는 바, 전자 기기의 수명과 안전성을 높이기 위해 전자 기기들의 전압 또는 전류를 제어하는 보호회로의 역할이 중요해지고 있다.
특히, 이러한 소형 전자기기에 전력을 공급하기 위해 리튬 이차전지가 널리 이용되고 있으며, 이러한 리튬 이차전지는 작동 과정에서 계속적인 충방전을 반복하게 되고, 이러한 충방전 과정에서 다량의 열을 발생하거나, 전지의 출력 전압 상태가 급 변화될 수 있다. 이러한 발열로 인한 온도 상승과, 출력 전압의 변화는 해당 전자기기의 오작동을 유발하고 작동 효율을 저하시킬 뿐만 아니라, 기기의 수명을 크게 단축시키는 원인이 된다.
이러한 전자기기의 전원으로 주로 이용되는 전지팩은, 다수의 전지셀들이 팩 케이스에 내장되어 있으므로 일부 전지셀들이 과전압, 과전류, 또는 과발열 되는 경우, 전지팩의 안전성과 작동효율이 크게 문제될 수 있다. 따라서, 이러한 전지셀들의 과전압, 과전류, 또는 과발열을 검출하기 위해 다양한 소자를 포함하는 보호회로 모듈이 전지셀들과 연결되어 실시간 또는 일정한 간격으로 작동 상태를 확인하여 전자기기의 전압 또는 전류를 제어하도록 하였다.
한편, 기존의 보호회로 모듈은, 전자기기가 과발열 되는 것을 방지하기 위해, 전자기기의 온도를 실시간으로 측정하여 보호회로에 센싱 정보를 전송하기 위해 온도 센서를 이용하였고, 이러한 온도 센서를 보호회로 기판에 장착 내지 부착하기 위해, 별도의 접착제 내지 고정 부재 등을 이용하였다.
도 1에는 종래의 온도 센서가 부착되어 있는 보호회로 모듈의 평면도 및 좌측면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 보호회로 모듈(10)은 보호회로기판(5) 상에 전지의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(30)를 포함하고 있고, 이때, 온도 센서(30)의 일단부는 보호회로기판(5) 상에 형성되어 있는 단자들(6, 7)과 솔더링(soldering)하여 전기적 연결을 이루고, 단자와의 결합력을 높이기 위해 접착 글루(8)를 단자들(6, 7) 상에 도포하여 경화시키기는 공정을 수행하였다.
이러한 기존의 보호회로 모듈은 온도 센서를 부착하고자 하는 부위에 접착제를 도포하거나, 부착된 온도 센서 위에 테이프를 부착하여 고정하는 과정을 거쳐야 하므로, 접착제의 경화시간에 많은 시간이 소요되었고, 추가된 공정으로 인해 전자기기의 제조과정을 번잡하게 하여 생산성을 떨어뜨리는 문제점이 있었다.
따라서, 상기 문제를 해결하고, 제조 공정시간을 단축하며 생산성을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 인쇄회로 기판의 제 1 면과 제 2 면이 연통되는 하나 이상의 관통구에 온도 센싱 부재를 삽입 고정시킴으로써, 접착 글루를 사용하여 고정하는 경우보다 결합 강도가 월등히 상승할 뿐만 아니라, 별도의 접착제 내지 고정 부재 등을 이용하여 고정하는 공정이 불필요해짐에 따라 공정 비용 및 시간을 효과적으로 줄일 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보호회로 모듈은,
전자기기의 전압 또는 전류를 제어하는 보호회로가 형성되어 있는 보호회로 모듈(PCM)로서,
제 1 면과 상기 제 1 면의 대향 면(반대 면)인 제 2 면을 포함하고 있는 인쇄회로 기판(printed circuit board: PCB);
상기 PCB의 보호회로와의 전기적 연결을 이루기 위해 상기 제 2 면 상에 형성되어 있는 단자부들; 및
상기 전자기기의 온도를 실시간으로 측정하여 보호회로에 센싱 정보를 전송하기 위해 일측 단부가 상기 단자부에 전기적으로 연결되어 있는 온도 센싱 부재;
를 포함하고 있으며,
상기 제 1 면과 제 2 면이 연통되는 하나 이상의 관통구를 포함하고 있고, 상기 관통구에 온도 센싱 부재의 적어도 일부가 삽입 고정되어 있는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 보호회로 모듈은, PCB의 제 1 면과 제 2 면이 연통되는 하나 이상의 관통구에 온도 센싱 부재를 삽입 고정함으로써, 상기 관통구와 온도 센싱 부재 간의 발생되는 마찰력에 의해 온도 센싱 부재가 외부충격으로 인해 탈리되는 것을 방지할 수 있는 바, 접착 글루를 사용하여 고정하는 경우보다 결합 강도가 대략 4배 이상 상승하여 전자기기의 내구성을 효과적으로 향상시키고, 별도의 접착제 내지 고정 부재 등을 이용하여 고정하는 공정이 불필요해짐에 따라 공정 비용 및 시간을 효과적으로 줄일 수 있다.
하나의 예에서, 상기 온도 센싱 부재는, PCB의 표면 형상에 따라 가변적으로 절곡 또는 변형이 가능한 구조로서, 온도 센싱 부재가 PCB에 보다 견고히 고정되기 위해 적어도 일부가 관통구에 삽입 고정된 상태에서 나머지 부위가 PCB의 제 2 면에 위치하는 구조로 형성될 수 있다.
구체적인 예에서, PCB의 제 1 면과 접하도록 절곡되어 있는 제 1 절곡부, 상기 제 1 절곡부로부터 연장된 상태로 관통구 내에 위치하는 삽입 고정부, 및 상기 삽입 고정부로부터 연장된 상태로 PCB의 제 2 면에 접하도록 절곡되어 있는 제 2 절곡부를 포함하는 구조일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 온도 센싱 부재는 상기 제 1 절곡부, 삽입 고정부 및 제 2 절곡부를 포함하는 구조로 형성되어 있으므로, PCB의 관통구와 접하고 있는 면에서 강한 마찰력이 발생되어 PCB 상에 단단히 고정될 수 있다.
상기 구조에서, 상기 온도 센싱 부재는 평면상으로 “U”자형의 와이어 구조로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 온도 센싱 부재의 종류나 측정하고자 하는 부위의 위치에 따라 다양한 형상으로 제조될 수 있다.
상기 온도 센싱 부재의 일측 단부는 단자부에 솔더링될 수 있고, 상기 일측 단부에 대향하는 타측 단부에는 센싱부가 형성될 수 있으며, 상기 센싱부는 온도의 측정이 필요한 전자기기에 접촉되는 구조일 수 있다.
또한, 상기 온도 센싱 부재는 외부와의 전기적 절연을 위해 비전도성 소재로 피복될 수 있으며, 이러한 비전도성 소재는, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리스틸렌 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)일 수 있다.
한편, 상기 온도 센싱 부재는 전자기기의 온도를 측정하기 위한 소자로서, 구체적인 예에서, 써머커플(Thermocouple) 또는 써미스터(Thermistor)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 써미스터는 미세한 온도변화에도 저항이 크게 변화되는 원리를 이용한 온도 측정용 센서로서, 예를 들면, 전지셀의 외면에 써미스터를 설치할 경우, 상기 써미스터로부터 전달되는 전기신호를 통해 전지셀의 온도를 실시간으로 측정할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 PCB는 평면상으로 직사각형 구조를 가질 수 있고, 상기 관통구는 온도 센싱 부재에 집중되는 외부 충격의 영향을 최소화하기 위해 PCB의 단자부와 인접한 부위에 형성되는 구조일 수 있다,
상기 관통구는 PCB를 평면상으로 관찰하였을 때, 원형, 타원형, 반달형, 다각형 또는 슬릿의 형태일 수 있으나 이에 한정되지 않음은 물론이다.
구체적인 예에서, 상기 관통구는 제 1 면에 접한 내경과 제 2 면에 접한 내경이 동일하거나 서로 상이한 구조일 수 있다. 구체적으로, 상기 관통구는 제 1 면에 접한 내경이 제 2 면에 접한 내경 보다 크거나, 또는 제 1 면에 접한 내경이 제 2 면에 접한 내경 보다 작고 내면이 테이퍼 구조로 이루어진 구조일 수 있다.
따라서, 본 발명의 관통구는 이러한 테이퍼 구조에 의해 온도 센싱 부재가 테이퍼 구조의 내경이 넓어지는 방향으로 이동되지 않도록 고정시킬 수 있다.
본 발명은 상기 보호회로 모듈을 포함하고 있는 전지팩을 제공한다.
구체적으로, 상기 전지팩은,
양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 셀 케이스의 내부에 밀봉되어 있는 최소 하나 이상의 전지셀과, PCB을 감싸는 형태로 전지셀의 상부에 결합되는 전기절연성의 상단 캡을 포함할 수 있고,
상기 PCB는 전지셀의 전극단자들에 연결된 상태에서 전지셀 상에 탑재되는 구조일 수 있다.
하나의 예에서, 상기 전지팩을 구성하는 전지셀의 셀 케이스는 각형의 금속 캔일 수 있으며, 이러한 각형 전지는 각형의 전지케이스 내부에 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체를 내장하고, 상단에 베이스 플레이트를 용접 등의 방법으로 장착한 뒤, 베이스 플레이트에 형성되어 있는 전해액 주입구를 통해 전지케이스 내부에 전해액을 주입하고, 금속 볼을 이용하여 밀봉하며, 그 위에 안전소자와 보호회로 부재 등을 실장한 뒤, 하우징(외부 케이스)으로 밀봉하여 제조될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로서 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.
본 발명에 따른 전지팩은 고온 안전성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 이러한 디바이스의 상세한 예로는 모바일 전자기기, 전지 기반 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장장치 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 보호회로 모듈은, 전자기기의 전압 또는 전류를 제어하는 보호회로가 형성되어 있는 보호회로 모듈(PCM)로서, 인쇄회로 기판의 제 1 면과 제 2 면이 연통되는 하나 이상의 관통구에 온도 센싱 부재를 삽입 고정시킴으로써, 접착 글루를 사용하여 고정하는 경우보다 결합 강도가 월등히 상승할 뿐만 아니라, 별도의 접착제 내지 고정을 위한 부재 등을 이용하여 고정하는 공정이 불필요해짐에 따라 공정 비용 및 시간을 효과적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 온도 센서가 부착되어 있는 보호회로 모듈의 모식적인 평면도 및 좌측면도이다;
도 2는 하나의 실시예에 따른 온도 센서를 포함하고 있는 보호회로 모듈의 모식적인 평면도이다;
도 3은 도 2의 보호회로 모듈의 모식적인 A-A’ 단면도이다;
도 4 및 도 5는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 보호회로 모듈의 모식적인 단면도이다.
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 2에는 하나의 실시예에 따른 온도 센서를 포함하고 있는 보호회로 모듈이 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 보호회로 모듈의 A-A’ 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 보호회로 모듈(100)은 제 1 면(151)과 제 2 면(152)으로 이루어진 인쇄회로 기판(PCB, 150)을 포함하고 있고, 이러한 PCB(150) 상에는 전자기기(도시하지 않음)의 전압 또는 전류를 제어하는 보호회로(120)가 형성되어 있다.
PCB(150)에는 제 1 면(151)과 제 2 면(152)이 연통되는 관통구(155)가 형성되어 있고, 관통구(155)에 평면상으로 “U”자형의 와이어 구조로 이루어진 온도 센싱 부재(130)가 삽입 고정되어 있다.
보호회로(120)와의 전기적 연결을 이루기 위한 단자부들(106, 107)이 제 2 면(152) 상에 형성되어 있으며, 전자기기의 온도를 실시간으로 측정하여 보호회로(120)에 센싱 정보를 전송하기 위해 온도 센싱 부재(130)의 일측 단부가 단자부들(106, 107)에 솔더링(Sordering)되어 전기적인 연결을 이루고 있다.
이러한 구조에서, 온도 센싱 부재(130)의 타측 단부에는 센싱부(135)가 형성되어 있으므로, 센싱부(135)는 온도 측정이 필요한 전자기기에 접촉되어 온도를 측정하고 감지된 온도에 따라 전기 신호를 보호회로(120)에 전달한다.
또한, 온도 센싱 부재(130)는 PCB(150)의 제 1 면(151)과 접하도록 절곡되어 있는 제 1 절곡부(131), 제 1 절곡부(131)로부터 연장된 상태로 관통구(155) 내에 위치하는 삽입 고정부(133) 및 삽입 고정부(133)로부터 연장된 상태로 PCB(150)의 제 2 면(152)에 접하도록 절곡되어 있는 제 2 절곡부(132)가 형성되어 있다.
따라서, 본 발명의 보호회로 모듈(100)은 제 1 절곡부(131), 제 2 절곡부(132) 및 삽입 고정부(133)와 PCB(150)의 관통구(155)가 접하고 있는 면에서 강한 마찰력을 발생시킬 수 있는 바, 온도 센싱 부재(130)가 PCB(150)로부터 분리되지 않도록 단단히 고정시킬 수 있다.
도 4 및 도 5에는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 보호회로 모듈의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
먼저 도 4를 참조하면, 보호회로 모듈(200)은 제 1 면(251)에 접한 내경(253)이 제 2 면(252)에 접한 내경(152) 보다 큰 구조의 관통구(255)가 형성되어 있고, 이러한 관통구(255)의 내면은 테이퍼 구조로 형성되어 있다.
도 5를 참조하면, 보호회로 모듈(300)에는 제 1 면(351)에 접한 내경(353)이 제 2 면(352)에 접한 내경(354) 보다 작은 구조의 관통구(355)가 형성되어 있고, 관통구(355)의 내면은 테이퍼 구조로 형성되어 있으므로, 보호회로 모듈들(200, 300)은 이러한 테이퍼 구조에 의해 온도 센싱 부재가 테이퍼 구조의 내경이 넓어지는 방향으로 이동되지 않도록 고정될 수 있다.
따라서, 보호회로 모듈은 관통구에 온도 센싱 부재를 삽입 고정시킴으로써, 접착 글루를 사용하여 고정하는 경우보다 결합 강도가 월등히 상승되는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 전자기기의 전압 또는 전류를 제어하는 보호회로가 형성되어 있는 보호회로 모듈(PCM)로서,
    제 1 면과 상기 제 1 면의 대향 면(반대 면)인 제 2 면을 포함하고 있는 인쇄회로 기판(printed circuit board: PCB);
    상기 PCB의 보호회로와의 전기적 연결을 이루기 위해 상기 제 2 면 상에 형성되어 있는 단자부들; 및
    상기 전자기기의 온도를 실시간으로 측정하여 보호회로에 센싱 정보를 전송하기 위해 일측 단부가 상기 단자부에 전기적으로 연결되어 있는 온도 센싱 부재;
    를 포함하고 있으며,
    상기 제 1 면과 제 2 면이 연통되는 하나 이상의 관통구를 포함하고 있고, 상기 관통구에 온도 센싱 부재의 적어도 일부가 삽입 고정되어 있고,
    상기 온도 센싱 부재는 PCB의 제 1 면과 접하도록 절곡되어 있는 제 1 절곡부, 상기 제 1 절곡부로부터 연장된 상태로 관통구 내에 위치하는 삽입 고정부, 및 상기 삽입 고정부로부터 연장된 상태로 PCB의 제 2 면에 접하도록 절곡되어 있는 제 2 절곡부를 포함하고 있으며,
    상기 관통구는 제 1 면에 접한 내경이 제 2 면에 접한 내경 보다 크고 내면이 테이퍼 구조로 이루어지거나, 또는 상기 관통구는 제 1 면에 접한 내경이 제 2 면에 접한 내경 보다 작고 내면이 테이퍼 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 보호회로 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 온도 센싱 부재는 평면상으로 “U”자형의 와이어 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 보호회로 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 온도 센싱 부재의 일측 단부는 단자부에 솔더링 되어 있는 것을 특징으로 하는 보호회로 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 일측 단부에 대향하는 타측 단부에는 센싱부가 형성되어 있고, 상기 센싱부는 온도의 측정이 필요한 전자기기에 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 보호회로 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 온도 센싱 부재는 외부와의 전기적 절연을 위해 비전도성 소재로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 보호회로 모듈.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 비전도성 소재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리스틸렌 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)인 것을 특징으로 하는 보호회로 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 온도 센싱 부재는 써머커플(thermocouple) 또는 써미스터(thermistor)인 것을 특징으로 하는 보호회로 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 PCB은 평면상으로 직사각형 구조를 가지고, 상기 관통구가 PCB의 단자부와 인접한 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 보호회로 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 관통구는 평면상으로 원형, 타원형, 반달형, 다각형 또는 슬릿의 형태인 것을 특징으로 하는 보호회로 모듈.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 1 항, 및 제 4 항 내지 제 11 항 중 어느 하나에 따른 보호회로 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 전지팩은,
    양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 셀 케이스의 내부에 밀봉되어 있는 최소 하나 이상의 전지셀과, PCB을 감싸는 형태로 전지셀의 상부에 결합되는 전기절연성의 상단 캡을 포함하고 있고,
    상기 PCB은 전지셀의 전극단자들에 연결된 상태에서 전지셀 상에 탑재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 전지셀의 셀 케이스는 각형의 금속 캔인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 16 항에 따른 전지팩을 전원으로서 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 디바이스는 모바일 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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