JP2018524770A - 熱可塑性樹脂による固定構造を含む電池パックの製造方法および製造装置 - Google Patents

熱可塑性樹脂による固定構造を含む電池パックの製造方法および製造装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、電極端子が相互に対面するように平面配列された板状型電池セルから構成された電池パックを製造する方法であって、(a)PCB(Protection Circuit Board)の電極端子接続部に電池セルの電極端子を電気的に連結する過程;(b)熱可塑性樹脂の射出口が2つ以上形成されている金型内に、PCBと連結された電池セルを安着させる過程;(c)射出口を通して熱可塑性樹脂を注入して、PCBおよび電池セルの外周辺に熱可塑性樹脂からなるモールディングフレームを形成する過程;および(d)モールディングフレームを固化させる過程を含む電池パックの製造方法に関するものである。

Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、2016年2月3日付の韓国特許出願第10−2016−0013346号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、熱可塑性樹脂による固定構造を含む電池パックの製造方法および製造装置に関するものである。
モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するに伴い、エネルギー源としての2次電池に対して需要が急激に増加しており、そのような2次電池の中でも、高いエネルギー密度と作動電位を示し、サイクル寿命が長く、自己放電率が低いリチウム2次電池が商用化されて広く使用されている。
一方、リチウム2次電池には各種可燃性物質が内蔵されているので、過充電、過電流、その他の物理的外部衝撃などによって発熱、爆発などの危険性があるため、安全性において大きな短所を有している。したがって、リチウム2次電池には、過充電、過電流などの異常な状態を効果的に制御できる安全素子として、PTC(Positive Temperature Coefficient)素子、保護回路モジュール(Protection Circuit Module:PCM)などが電池セルに接続されている。
このような2次電池は、小さなサイズおよび重量で製造することが望ましいので、容量対応重量の小さい角型電池、パウチ型電池などが2次電池の電池セルとして主に用いられている。特に、アルミニウムラミネートシートなどを外装部材として使用するパウチ型電池は、重量が小さく、製造コストが低いという利点から、最近多くの関心を集めている。
このようなパウチ型電池セルは、ケースに電池セルを装着した状態で電池セルの電極にPCMを連結して固定し、ケースの外面にラベルを付着して完成し、前記ケースは、例えば、電池セルの外面を囲む上部カバーおよび下部カバーの組み立て構造、または電池セルの角部位を固定する別途の固定部材などが使用された。
また、前記電池セルを適用製品に装着するためには、一般的にフレームを使って電池セルを収納して外部振動や衝撃から保護することが必要である。
しかし、モバイルデバイスの小型化および高性能化の傾向により使用される電池パックも小型化および高容量化が要求されているため、同一サイズで大容量を提供できる電池パックに対する必要性が増加している。
また、電池パックの製造段階を単純化して製造コストを低くすることができるだけでなく、外部衝撃から安定性が向上した電池パックを製造するための方法に対する必要性の高いのが実情である。
本発明は、前記のような従来技術の問題点と過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
本出願の発明者らは、鋭意研究と多様な実験を重ねた結果、後述するように、複数個の電池セルで構成される電池パックの製造時に熱可塑性樹脂からなるモールディングフレームを形成することによって、別途の組み立て構造を使わないために電池パックの組み立て過程を省略できて工程性が向上し、製造コストを節減できることを見出し、本発明を完成するに至った。
前記目的を達成するための本発明による電池パックの製造方法は、電極端子が相互に対面するように平面配列された板状型電池セルから構成された電池パックを製造する方法であって、
(a)PCB(Protection Circuit Board)の電極端子接続部に電池セルの電極端子を電気的に連結する過程;
(b)熱可塑性樹脂の射出口が2つ以上形成されている金型内に、PCBと連結された電池セルを安着させる過程;
(c)射出口を通して熱可塑性樹脂を注入して、PCBおよび電池セルの外周辺に熱可塑性樹脂からなるモールディングフレームを形成する過程;および
(d)モールディングフレームを固化させる過程;を含むことを特徴とする。
このように、本発明による電池パックの製造方法は、PCBおよび電池セルの外周辺に熱可塑性樹脂からなるモールディングフレームを形成する過程を含むため、従来に電池パックを組み立てたり外部デバイスに固定させるために別途の組み立て構造を必要とするといった問題を解決することができる。また、熱可塑性樹脂を利用したモールディングフレームの形成過程を短時間に行うことができ、電池パックの全体的な大きさを減らすことができるという長所があり、前記熱可塑性樹脂は所定の弾性を有するため、外部衝撃から電池パックを保護できる。
一具体例において、前記板状型電池セルは、電池セルの外形を考慮する時、パウチ型2次電池または角型2次電池であることもあるが、追加の固定部材なしにモールディングフレームだけで組み立ておよび固定が行われる点を考慮すれば、好ましくはパウチ型2次電池でありうる。
一方、前記電池パックは、PCBの両側面に位置した2つの電池セルそれぞれの電極端子が前記PCBの電極端子接続部に連結されているため、前記電極端子が相互に対面した状態で、板状型電池セルが平面配列された構造でありうる。この時、前記電池セルの個数は2つ以上であることもあり、PCBを中心として両側面に対称な構造に配置されることが望ましいので、偶数個形成されることができる。
前記熱可塑性樹脂は射出口を通して注入された後、電池セルの外周辺に移動してモールディングフレームを形成するため、電池セルの損傷を防止するために比較的に高くない温度で流動性を持たせなければならない。このような条件の熱可塑性樹脂の種類としては、例えば、ポリオレフィン系(polyolefin−based)樹脂、ポリ塩化ビニル系(polyvinylchloride−based)樹脂、EVA(Ethylene−Vinyl Acetate copolymer−based)系樹脂、およびシリコーンゴムからなる群より選択される1種以上であることができる。
一方、前記金型に形成された射出口の個数が少ない場合、熱可塑性樹脂の移動性が落ちて、モールディングフレームの厚さおよび形状に対する不良率が高くなるという問題が発生することができる。したがって、前記射出口は、電池セルの外周エッジ(edges)に対応する部位および電池セルの外周辺に対応する部位それぞれに少なくとも1つ以上形成されることが望ましい。
一具体例において、前記PCBが別途のケースに搭載されない状態でモールディングフレームによって電池セル本体に固定される場合、前記金型にはPCBに対応する部位に射出口がさらに形成されており、過程(c)で、前記射出口を通してPCB上にも熱可塑性樹脂が注入されてPCBの固定が安定的に行われる。
他の具体例において、前記PCBはPCBと電池セル本体との安定した固定のためにPCBケースに搭載された状態で過程(b)が行われるため、前記PCBケースはPCBが収納される下部ケースおよびPCBが安着された状態で下部ケースと結合される上部ケースからなる。
また、PCBの電極端子接続部に連結された電極端子を保護するために、前記熱可塑性樹脂がPCBケース内部に注入されなければならないので、前記PCBケースは両側端部が開放された構造からなり、これによって、熱可塑性樹脂がPCB内部に移動することができる。
一方、前記PCBには外部デバイスとの連結のための外部入出力端子が電気的に連結されているので、前記PCBケースには外部入出力端子を引出するための開口が上部ケース乃至下部ケースの一部に形成されている。
また、熱可塑性樹脂をPCBケース内部に隙間なく満たすため、PCBケースの開放された端部だけでなく、PCBケースの中心部からも注入する必要があるので、前記上部ケースおよび下部ケースには熱可塑性樹脂の注入のための貫通口が形成されている。
この時、金型で射出された熱可塑性樹脂がPCBケース内部に正確に注入されて固定部材の役割を果たすために、前記貫通口は、金型に形成された熱可塑性樹脂の射出口に対応する位置に形成されていることが望ましい。
このように、PCBケース内部に熱可塑性樹脂を注入するために、上部ケースおよび下部ケースに形成された貫通口の個数は2つまたはそれ以上でありうる。
前記PCBがPCBケースに搭載された状態で金型内に安着される場合、前記金型で射出された熱可塑性樹脂がPCBケース内部に正確に注入されるために、前記金型には前記PCBケースの開放された端部および貫通口に対応する部位それぞれに射出口がさらに形成されている。
一具体例において、前記モールディングフレームは、PCBを含む電池セルの外周辺を囲む構造からなるので、電池セルの外周辺に形成されるだけでなく、電池セルの間に位置するPCB乃至PCBケース内にも注入されるため、電池セルとPCB乃至PCBケースを固定することができ、電池パックをデバイスに固定させることもできる。
他の具体例において、前記モールディングフレームは、電池セルの上面および下面の外周端部を含んで電池セルの中心方向に延長されるように形成される。このように、モールディングフレームが電池セルの中心方向に延長形成される場合、電池セルの外周辺から印加される衝撃から電池パックを保護できる。
本発明は、前記製造方法により製造された電池パックの製造装置を提供するものであって、相互結合される下部金型と上部金型とを含み、前記下部金型および上部金型のうち少なくともいずれか一つにPCBを含む電池セルの外形に対応する構造が刻印されており、前記金型には熱可塑性樹脂を注入できる射出口が形成されている構造からなる電池パックの製造装置を提供する。
一般に、金型に形成されている射出口の個数が少ない場合には、熱可塑性樹脂が金型内で不均一に拡散するため、不良率が高くなる。また、熱可塑性樹脂を注入する時、高い圧力が必要になり、高圧成形時に電池セルに衝撃が加わるという問題がある。
これに、本発明による電池パックの製造装置に使用される金型は、電池セルの外周エッジに対応する部位および電池セルの外周辺に対応する部位それぞれに少なくとも1つ以上の射出口が形成されている構造からなっている。
例えば、2つの電池セルの間にPCBが位置する場合、一つの電池セルでPCB方向を除いた3つの外周辺、およびPCBが位置した反対側の2つの外周エッジ部それぞれに1つ以上の射出口が形成される。したがって、熱可塑性樹脂の移動距離が短くなれば全体的に均一に分布できるので、モールディングフレームの不良率を低くすることができる。
一方、前記金型は、PCBに対応する部位またはPCBケースに形成された熱可塑性樹脂の貫通口に対応する部位に射出口が形成されている構造であるため、電池セルに対するPCBの装着がより安定的に行われる。
また、前記モールディングフレームは、PCBを含む電池セルの上面および下面の外周端部を含んで電池セルの中心方向に延長されるように形成されるため、このようなモールディングフレームを形成できるように、前記金型は、電池セルの上面および下面の外周端部から電池セルの中心方向に延長されたモールディングフレームが形成されるように傾いた構造からなっている。
本発明はまた、前記方法で製造された電池パックおよび前記電池パックを電源として含むデバイスを提供する。
具体的に、前記電池パックは、高温安全性、長いサイクル特性および高いレート特性などが要求されるデバイスの電源として使用することができ、このようなデバイスの具体的な例としては、モバイル電子機器、電池基盤モータによって動力を受けて動くパワーツール(power tool);電気自動車(Electric Vehicle、EV)、ハイブリッド電気自動車(Hybrid Electric Vehicle、HEV)、プラグインハイブリッド電気自動車(Plug−in Hybrid Electric Vehicle、PHEV)などを含む電気車;電気自転車(E−bike)、電気スクーター(E−scooter)を含む電気二輪車;電気ゴルフカート(electric golf cart);電力貯蔵用システムなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。
これらデバイスの構造およびその製作方法は当業界に公知されているので、本明細書ではこれに対する詳しい説明は省略する。
一実施例による金型に安着されたPCBと連結された電池セルを示す平面図である。 他の実施例による金型に安着されたPCBと連結された電池セルを示す平面図である。 PCBケースに搭載されたPCBを示す分解斜視図である。 一実施例によるモールディングフレームが形成された電池パックを示す平面図である。 他の実施例によるモールディングフレームが形成された電池パックを示す平面図である。
以下、本発明の実施形態による図面を参照して説明するが、これは本発明をさらに容易に理解するためのものであって、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。
図1および図2は、本発明の電池パックの製造方法に使用される金型にPCBと連結された電池セルが安着された状態を模式的に示す平面図である。図1および図2を参照すれば、金型100にはPCB120を間において両側に配置された板状型電池セル101、102が平面配列された状態で安着されている。電池セル101、102の電極端子103、104はPCBの電極端子接続部121と連結されており、前記PCBは別途の部材なしに電極端子接続部を通して電池セルと連結されている。
金型100には熱可塑性樹脂を注入するための複数の射出口111、112が形成されているが、電池セルの外周辺に対応する部位それぞれに射出口112が形成されており、電池セルの外周エッジ113に対応する部位に射出口111が形成されている。図1には、電池セルの外周辺それぞれに1つの射出口が示されているが、それぞれの外周辺ごとに2つまたは2つ以上の射出口が形成されることもある。
一方、PCBの電極端子接続部に電池セル101、102の電極端子が接続される形態乃至方法は本明細書で特に限定されないが、一つの電極端子接続部に連結される電極端子の電極が同一の構造になるように、電極端子の方向を異にする電池セルを使用したり、電池セルの配置乃至設計などを多様に設定できるだろう。
図2には、PCB220を中心に両側に配置された2つの電池セル201、202がPCBに連結された状態で金型200に安着された状態を示しており、図1の金型100と比較する時、PCB220に対応する部位に射出口223がさらに形成されている点で差がある。このように、PCBと対応する部位に射出口をさらに形成する場合、熱可塑性樹脂をPCBの中心部まで移動させてPCBと電池セルの間に安定した連結をなすことができる。
図3には、PCB220が上部ケース230および下部ケース240からなるPCBケースに収納された状態の分解斜視図を模式的に示している。
図3を参照すれば、PCBケース250は、PCB220の上面に位置する上部ケース230およびPCB220の下面に位置する下部ケース240から構成されており、熱可塑性樹脂がPCBケース内部に注入されるためにPCBケース250の両端は開放された構造242からなっている。
電極端子接続部を含むPCBは、電極端子が電極端子接続部221に結合された状態で、PCBケースに搭載された状態で金型内に安着できるので、上部ケース230には電極端子接続部221と連結された外部入出力端子(図示せず)を引出するための開口232が形成されており、上部ケース230および下部ケース240には熱可塑性樹脂の注入のための貫通口231がそれぞれ2つずつ形成されている。
図4および図5には、モールディングフレームが形成された電池パックの平面図を模式的に示している。
図4および図5を参照すれば、電池パック300は、PCBまたはPCBケース320と連結された2つの電池セル301、302の外周辺にモールディングフレーム360が形成されている。モールディングフレーム360は、PCBの電極端子連結部と連結された電極端子が安定的に固定され、電池セルに対するPCBの安定した装着が可能であるように形成されるため、PCBの上面および下面を囲みながら電池セルとの連結をなすように一定の厚さを有するフレーム構造に形成されたり、または熱可塑性樹脂がPCBケースの外周辺を囲みながらPCBケースの内部空間にも隙間なく注入されることができる。
電池パック400は、電池パック300のように、電池セル401、402の上面および下面の外周端部を囲むようにモールディングフレーム460が形成されており、さらには、電池セルの上面および下面の外周端部から電池セルの中心方向に延長された構造からなっている。このように、電池セルの中心方向にモールディングフレームが延長されて形成される場合、電池セルおよびPCBの安定した固定が行われるだけでなく、モールディングフレームが形成された部分は外部衝撃を緩和する効果を得ることができて、電池パックを衝撃から保護することができる。
本発明の属する分野で通常の知識を有する者であれば、前記の内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用および変形を行えるだろう。
以上で説明したように、本発明による電池パックの製造方法および電池パックの製造装置は、複数の電池セルで構成される電池パックに別途の組み立て構造を使わないため、電池パックの組み立て過程を省略でき、高容量の電池パックを提供することができる。
また、熱可塑性樹脂からなるモールディングフレームが形成されるため、外部衝撃が緩和される効果があって、安全性が向上した電池パックを提供することができる。
100 金型
101 板状型電池セル
102 板状型電池セル
103 電極端子
104 電極端子
111 射出口
112 射出口
113 外周エッジ
120 PCB
121 電極端子接続部
200 金型
201 電池セル
202 電池セル
220 PCB
221 電極端子接続部
223 射出口
230 上部ケース
231 貫通口
232 開口
240 下部ケース
242 構造
250 PCBケース
300 電池パック
301 電池セル
302 電池セル
320 PCBケース
360 モールディングフレーム
400 電池パック
401 電池セル
402 電池セル
460 モールディングフレーム

Claims (21)

  1. 電極端子が相互に対面するように平面配列された板状型電池セルから構成された電池パックを製造する方法であって、
    (a)PCB(Protection Circuit Board)の電極端子接続部に電池セルの電極端子を電気的に連結する過程;
    (b)熱可塑性樹脂の射出口が2つ以上形成されている金型内に、PCBと連結された電池セルを安着させる過程;
    (c)射出口を通して熱可塑性樹脂を注入して、PCBおよび電池セルの外周辺に熱可塑性樹脂からなるモールディングフレームを形成する過程;および
    (d)モールディングフレームを固化させる過程;を含むことを特徴とする電池パックの製造方法。
  2. 前記板状型電池セルは、パウチ型2次電池または角型2次電池であることを特徴とする請求項1に記載の電池パックの製造方法。
  3. 前記電極端子が相互に対面した状態で、2つの板状型電池セルが平面配列されていることを特徴とする請求項1に記載の電池パックの製造方法。
  4. 前記熱可塑性樹脂は、ポリオレフィン系(polyolefin−based)樹脂、ポリ塩化ビニル系(polyvinylchloride−based)樹脂、EVA(Ethylene−Vinyl Acetate copolymer−based)系樹脂、およびシリコーンゴムからなる群より選択される1種以上であることを特徴とする請求項1に記載の電池パックの製造方法。
  5. 前記金型に形成された射出口は、電池セルの外周エッジ(edges)に対応する部位および電池セルの外周辺に対応する部位それぞれに少なくとも1つ以上形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電池パックの製造方法。
  6. 前記金型には、PCBに対応する部位に射出口がさらに形成されており、過程(c)で、前記射出口を通してPCB上にも熱可塑性樹脂が注入されることを特徴とする請求項1に記載の電池パックの製造方法。
  7. 前記PCBは、PCBケースに搭載された状態で過程(b)が行われることを特徴とする請求項1に記載の電池パックの製造方法。
  8. 前記PCBケースは、PCBが収納される下部ケースおよびPCBが安着された状態で下部ケースと結合される上部ケースからなることを特徴とする請求項7に記載の電池パックの製造方法。
  9. 前記PCBケースは、両側端部が開放された構造であることを特徴とする請求項7に記載の電池パックの製造方法。
  10. 前記PCBケースには、外部入出力端子を引出するための開口が形成されていることを特徴とする請求項7に記載の電池パックの製造方法。
  11. 前記上部ケースおよび下部ケースには、熱可塑性樹脂の注入のための貫通口が形成されていることを特徴とする請求項8に記載の電池パックの製造方法。
  12. 前記貫通口は、金型に形成された熱可塑性樹脂の射出口に対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項11に記載の電池パックの製造方法。
  13. 前記貫通口は、2つ以上であることを特徴とする請求項11に記載の電池パックの製造方法。
  14. 金型には、前記PCBケースの開放された端部および貫通口に対応する部位それぞれに射出口がさらに形成されていることを特徴とする請求項7に記載の電池パックの製造方法。
  15. 前記モールディングフレームは、PCBを含む電池セルの外周辺を囲む構造に形成されることを特徴とする請求項1に記載の電池パックの製造方法。
  16. 前記モールディングフレームは、電池セルの上面および下面の外周端部を含んで電池セルの中心方向に延長されるように形成されることを特徴とする請求項1に記載の電池パックの製造方法。
  17. 請求項1乃至16のいずれか一項に記載の電池パックの製造方法による電池パックの製造装置であって、
    相互結合される下部金型および上部金型を含み、
    前記下部金型および上部金型のうち少なくともいずれか一つには、PCBを含む電池セルの外形に対応する構造が刻印されており、
    前記金型には、熱可塑性樹脂を注入できる射出口が形成されていることを特徴とする電池パックの製造装置。
  18. 前記金型は、電池セルの外周エッジに対応する部位および電池セルの外周辺に対応する部位それぞれに少なくとも1つ以上の射出口が形成されていることを特徴とする請求項17に記載の電池パックの製造装置。
  19. 前記金型には、PCBに対応する部位またはPCBケースに形成された熱可塑性樹脂の貫通口に対応する部位に射出口が形成されていることを特徴とする請求項17に記載の電池パックの製造装置。
  20. 請求項1乃至16のいずれか一項に記載の方法で製造されたことを特徴とする電池パック。
  21. 請求項20に記載の電池パックを電源として含むことを特徴とするデバイス。
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