JP4571148B2 - Ｐｃｍ金型およびそれを有するバッテリー - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、保護回路を上に備えた保護回路プレートおよび接続端子および所望によりリード線を備えてなる保護回路モジュール（ＰＣＭ）インサート射出成形物、およびＰＣＭインサート射出成形物を有するバッテリーに関する。

発明の背景

一般的に、バッテリーは、バッテリーセルおよびＰＣＭを備えてなる。バッテリーセルは、正電極、負電極、およびセパレータから構成される電極組立構造、および電極組立構造を収容するケースを包含し、電極組立構造の電極端子がケースから突き出し、決められた量の電解質がケースの中に含まれている。ＰＣＭは、バッテリーセルの外側に設置され、バッテリーセルの電極端子に電気的に接続された保護回路を備えたプレート、および保護回路プレートのバッテリーセルと反対側に設置され、外部デバイス（例えばワイヤレス端子、ノート型コンピュータ、または電気自動車）に接続された外側入力／出力端子を包含する。

以下、図１、２および３を参照しながら、上記のバッテリーを製造する方法の一例を詳細に説明する。

互いに一体化されたＰＣＭ２およびバッテリーセル３を包含するバッテリー１は、溶融した樹脂を、上部金型４ａおよび底部金型４ｂの対を包含する金型の内側空間５中に、上部金型４ａの入口４ａａを通して、ＰＣＭ２の保護回路２ａの接続端子２ａａとバッテリーセル１のリード線３ａが接続される条件下で射出することにより、製造される。

しかし、電極組立構造を含むバッテリーセル３およびＰＣＭ２が金型の内側空間５中に位置し、溶融樹脂により固定される上記の従来方法には、下記のような幾つかの欠点がある。

第一に、回路が作動している間にバッテリーの製造が行われるので、バッテリーセル３およびＰＣＭ２が互いに一体化される時、バッテリーセル３およびＰＣＭ２が金型に接触し、それによって、短絡の可能性が増加する。

第二に、上部金型４ａおよび底部金型４ｂが、バッテリーセル３とＰＣＭ２が金型の内側空間５の中で一時的に互いに接続する条件下で接続される時、バッテリーセル３の外側表面に、特にバッテリーセル３の厚さに沿って圧力が作用することにより、バッテリーセル３の変形を引き起こす。

第三に、高温および高圧状態にある溶融樹脂が金型の内側空間５の中に射出されると、射出された溶融樹脂がバッテリーセル３およびＰＣＭ２の位置をずらし、破損を引き起こす。

第四に、金型中で高温に達するバッテリーセル３がバッテリーの特性を変化させ、バッテリーの爆発を引き起こす。さらに、圧力が金型中でバッテリーセル３のバッテリーケースに作用すると、その圧力が、バッテリー缶とバッテリー缶の上部キャップとの間の溶接部分に作用し、溶接部分に通気孔を生じる。

第五に、バッテリーの製造は、回路に電力が印加されている間に行われるので、出力端子は、短絡を防止するために被覆する必要があり、そのために作業者が不都合を蒙る。

従って、バッテリーを製造する従来の方法には上記の多くの問題があり、これらの問題を解決する技術が強く求められている。

発明の概要

従って、本発明は、上記の問題を考慮してなされたものであり、本発明の目的は、保護回路モジュール（ＰＣＭ）インサート射出成形物およびそれを有するバッテリーを提供することであり、金型中に射出される溶融樹脂で、バッテリーセルとは別にＰＣＭだけをインサート射出成形することにより、ＰＣＭインサート射出成形物を製造し、次いでバッテリーセルに接続してバッテリーを形成する。

本発明の一態様では、上記の、および他の目的は、保護回路が上に形成されているプレート、接続端子および所望によりリード線を包含する保護回路モジュール（ＰＣＭ）を、保護回路プレート、接続端子および所望によりリード線を電気的に接続した状態で、金型の内側空間中に挿入し、ＰＣＭがリード線を包含する場合には、リード線が部分的に外側に露出するように、あるいはＰＣＭがリード線を包含しない場合には、接続端子が部分的に外側に露出するように、溶融樹脂を金型の内側空間中に射出することにより製造された保護回路モジュールインサート射出成形物を提供することにより、達成される。

本発明の別の実施態様では、ＰＣＭインサート射出成形物中の接続端子の露出した部分をバッテリーセルの対応する電極端子に直接接続する工程、または所望によりリード線の露出した部分をバッテリーセルの対応する電極端子に接続する工程を含んでなる、バッテリーの製造方法を提供する。

本発明のさらに別の態様では、ＰＣＭインサート射出成形物を備えてなるバッテリーを提供する。

ＰＣＭは、保護回路およびバッテリーセルが接続されない、即ちバッテリーに電力が印加されない条件下でインサート射出成形することにより製造され、従って、ＰＣＭは一般的な樹脂を使用して成形することができ、電気的に安定しており、短絡を防止するための被覆工程を必要とせず、電気的な損傷をほとんど受けない。従って、ＰＣＭを、高温および高圧状態の溶融樹脂ならびに低温および低圧状態の溶融樹脂で成形しても、ＰＣＭの損傷がほとんど生じない。即ち、低温および低圧状態の成形樹脂、例えばポリアミド樹脂またはポリオレフィン樹脂、および高温および高圧状態の成形樹脂、例えばポリエチレン樹脂またはエポキシ樹脂を本発明のインサート射出成形方法に使用できる。さらに、電気的絶縁特性を有する他の一般的な樹脂も本発明のインサート射出成形方法に使用できる。

その上、ＰＣＭの損傷が生じた場合、ＰＣＭをバッテリーセルから簡単に分離し、次いで修理することができる。バッテリーセルおよび回路部分は別個に製造されるので、生産性が改良される。さらに、ＰＣＭがバッテリーセルとは別に成形されるので、バッテリーセルとＰＣＭを同時に成形する場合にバッテリーセルに熱または物理的な圧力が作用する時に発生するバッテリーの安定性の問題が解決され、バッテリーセルを固定するために指定されたサイズを有する金型から、バッテリーセルサイズの公差のために発生する製品損傷も防止される。

本発明の上記の、および他の目的、特徴および他の優位性は、添付の図面を参照する下記の詳細な説明から、より明確に理解される。

本発明の好ましい実施態様の詳細な説明

ここで、添付の図面を参照しながら本発明の好ましい実施態様を詳細に説明する。幾つかの図面では、分かり易く例示するために、インサート射出成形物を、保護回路ボード、接続端子およびそのリード線から分離してある。

図４は、本発明の一実施態様によるバッテリーの分解組立透視図である。図４に関して、バッテリーセル１０、例えばリチウムイオン二次バッテリー、は実質的にカソード端子１１ａ、アノード端子１１ｂ、および所望により安全弁（図には示していない）を包含する。

カソード端子１１ａは、バッテリーセル１０の、一般的にアルミニウム製の外側缶自体、または外側缶に取り付けたＡｌ−Ｎｉから製造されたクラッド金属プレートでよい。他方、アノード端子１１ｂは、突き出た形状を有する端子であり、外側缶の周囲に配置された絶縁体により外側缶から電気的に隔離されている。外部圧力が指定された値を超えて増加すると、安全弁が壊れ、バッテリーセル１０の中で発生したガスを外側に排出する。

ＰＣＭインサート射出成形物２０は、ＰＣＭ２６がその中に挿入される条件下で形成される。ＰＣＭ２６は、実質的に、保護回路２２が上に形成されている保護回路プレート２１、および接続端子２４ａおよび２４ｂ、および所望により安全素子２５を包含する。

保護回路プレート２１は樹脂から製造されており、バッテリーセル１０が充電および／または放電される際に、バッテリーセル１０を過充電および／または過放電から保護するための保護回路２２が保護回路プレート２１の主表面上に形成されている。保護回路２２は、接続端子２４ａおよび２４ｂに電気的に接続されている。好ましくは、保護回路プレート２１は、バッテリーセル１０の上部表面にほぼ対応するサイズの長方形状を有する。

コネクタに接続された外側入力／出力端子２３、または接続コードが、保護回路プレート２１の、保護回路２２が形成されている主表面と反対側の表面上に形成されている。保護回路２２および外側入力／出力端子２３は、保護回路プレート２１を厚さ方向で貫通する穴（図には示していない）に電気的に接続されている。

バッテリーが充電および／または放電される際に、バッテリーを過充電および／または過放電からより安全に保護するために、保護回路２２に加えて、安全素子２５を保護回路プレート２１の上にさらに取り付けることができる。安全セル２５は、例えばヒューズ、バイメタル、ＰＴＣ、等を包含するが、これらに限定するものではない。好ましくは、ＰＴＣを安全セル２５として使用し、温度が指定された範囲を超えた時に電流を迅速に遮断し、温度が対応する範囲に戻った時に電流を迅速に再開し、バッテリーのサイズを最小に抑えることができる。

以下に、本発明の好ましい実施態様により上記ＰＣＭ２６のインサート射出成形物２０を使用するバッテリーの製造方法を説明する。

先ず、所望により安全素子２５をアノード接続端子２６ｂに固定し、そのアノード接続端子２６ｂを、保護回路プレート２１の、保護回路２２が上に形成されている方の表面の対応する部分に固定し、カソードニッケルクラッド２４ａを、保護回路プレート２１の他方の表面の対応する部分に固定し、それによって、ＰＣＭ２６を製造する。アノード接続端子２４ｂおよびカソードニッケルクラッド２４ａを、保護回路プレート２１の対応する部分に、指定された装置から供給される接着剤、溶融樹脂、または雄および雌の係合構造または材料、もしくは溶接法を使用する物理的または化学的接続方法により固定する。

次いで、ＰＣＭ２６を金型（図には示していない）の内側空間中にバッテリーセル１０から離して配置し、溶融樹脂を金型の内側空間中に、保護回路２１に固定された接続端子２４ａおよび２４ｂが部分的に外側に露出する条件下で注入し、それによって、ＰＣＭインサート射出成形物２０を製造する。

ＰＣＭインサート射出成形物２０の製造とは別に、バッテリーセル１０を製造する。次いで、バッテリーセル１０を、ＰＣＭインサート射出成形物２０の接続端子２４ａおよび２４ｂの露出部分がバッテリーセル１０の２個の端子１１ａおよび１１ｂに接続されるように配置し、２個の接続端子２４ａおよび２４ｂの少なくとも一方を、バッテリーセル１０の対応する端子１１ａおよび１１ｂに、ＰＣＭインサート射出成形物２０の接続端子２４ａおよび２４ｂの上側表面の開口部を通して金型の内側空間中に挿入されたスポット溶接機械（図には示していない）の溶接チップにより溶接する。

好ましい実施態様では、接続端子２４ａおよび２４ｂの少なくとも一方は、バッテリーセル１０の対応する端子１１ａおよび１１ｂに、ＰＣＭインサート射出成形物２０とバッテリーセル１０との間の接続により、追加の溶接工程無しに、電気的に接続される。

例えば、成形物２０から露出しているこれらの接続端子２４ａおよび２４ｂの一方の端子、例えばカソード端子２４ａは、バッテリーセル１０の対応する端子１１ａに接続されるので、他方の端子、例えばアノード接続端子２４ｂは、弾性力により対応する端子１１ｂに電気的に接続することができ、成形物２０も、カソード端子２４ａと対応する端子１１ａとの間の溶接力により、バッテリーセル１０に一体的に固定することができる。より詳しくは、図５に示すように、成形物２０のカソードニッケルクラッド２４ａは、バッテリーセル１０の少なくとも一つの外側表面を包み、カソード端子として作用し、成形物２０をバッテリーセル１０に電気的に接続し、成形物２０をバッテリーセル１０に、より堅く物理的に固定し、バッテリーセル１０の外側表面にスポット溶接される。その結果、成形物２０およびバッテリーセル１０は、好ましくない外部の衝撃により互いに分離することがない。

成形物２０とバッテリーセル１０との間の接続は、成形物２０の接続端子２４ａとバッテリーセル１０との間の溶接によってのみ達成される必要はない。例えば、成形物２０とバッテリーセル１０との間の接続は、様々な方法、例えば接着剤を使用する取付、溶融樹脂を使用する取付、および成形物２０およびバッテリーセル１０の上にそれぞれ形成された固定手段を使用する接続、により達成することができ、これらの方法も本発明の範囲内に入ると解釈すべきである。

図６は、本発明の別の実施態様によるバッテリーの分解組立透視図であり、図７は、図６に示すバッテリーの、ＰＣＭのリード線がそのプレートに取り付けられている状態を示す分解組立透視図である。図６および７の、図４と同じ番号は、同じ部品を示す。

図６および７に関して、バッテリーは、バッテリーセル１０のカソード端子１１ａおよびアノード端子１１ｂと、保護回路プレート２１の接続端子２７ａおよび２７ｂとの間の電気的接続を強化し、溶接によりそれらの間の機械的接続も強化するためのリード線２８ａおよび２８ｂをさらに備えてなる。しかし、いずれの場合も、接続端子２７ａと２７ｂおよびリード線２８ａと２８ｂは、互いに一体化することができる。

保護回路プレート２１の接続端子２７ａおよび２７ｂが、バッテリーセル１０の対応する端子１１ａおよび端子１１ｂに、リード線２８ａと２８ｂを経由して電気的に接続されている限り、リード線２８ａおよび２８ｂの形状および数に制限は無い。特に、成形物２０中に含まれる接続端子２７ａと２７ｂおよびリード線２８ａと２８ｂは、様々な形状を有し、バッテリーセル１０のカソードおよびアノード端子１１ａおよび１１ｂとの接続を強化することができる。

保護回路用の接続端子は、接続端子２７ａおよび２７ｂを保護回路プレート２１上に、表面取り付け技術（ＳＭＴ）により取り付けることにより、得られる。好ましくは、リード線２８ａおよび２８ｂと接続端子２７ａ、２７ｂ、１１ａおよび１１ｂとの間の接続は、溶接、例えばスポット溶接またはレーザー溶接、により達成することができる。しかし、上記のように、そのような接続は、それらに限定するものではなく、あらゆる電気的接続方法により達成することができる。例えば、リード線２８ａおよび２８ｂと接続端子２７ａ、２７ｂ、１１ａおよび１１ｂとの間の接続は、バッテリーセル１０と成形物２０との間の物理的または化学的接続により達成することができる。

ＰＣＭの接続端子２７ａおよび２７ｂおよびリード線２８ａおよび２８ｂは、ニッケルまたはＡｌ−Ｎｉクラッド材料から製造することができる。Ａｌ−Ｎｉクラッド金属は、接続端子２７ａおよび２７ｂおよびリード線２８ａおよび２８ｂがバッテリーセル１０の外側缶に直接接触する場合、高い接着力を有するので、接続端子２７ａおよび２７ｂおよびリード線２８ａおよび２８ｂがＡｌ−Ｎｉクラッド金属から製造されるのが好ましい。

外側入力／出力端子２３ａおよび２３ｂは、保護回路プレート２１の他の表面上に形成され、保護回路プレート２１を厚さ方向で貫通する穴により、保護回路に電気的に接続されている。

図６の保護モジュールインサート射出成形物の製造方法は、リード線２８ａおよび２８ｂが図６の保護モジュールインサート射出成形物中に含まれる以外は、図４の製造方法と同じである。より詳しくは、ＰＣＭに順次接続されている、保護回路が上に形成されている保護回路プレート２１、接続端子２７ａおよび２７ｂ、およびリード線２８ａおよび２８ｂを包含するＰＣＭが金型（図には示していない）の内側空間中に挿入され、リード線２８ａおよび２８ｂが部分的に外側に露出した状態で、溶融樹脂が内側空間中に注入される。次いで、保護モジュールインサート射出成形物が射出成形により形成される。ここで、接続端子２７ａと２７ｂおよびリード線２８ａと２８ｂが溶接（例えばスポット溶接）により一時的に接続されている保護回路プレート２１を金型中に設置するか、または保護回路プレート２１、接続端子２７ａおよび２７ｂ、およびリード線２８ａおよび２８ｂを、一時的に接続せずに、金型中の指定された位置に設置することができる。保護回路が上に形成されている保護回路プレート２１、接続端子２７ａおよび２７ｂ、およびリード線２８ａおよび２８ｂを、溶融樹脂を固化させることにより、固定し、密封する。

成形物２０をインサート射出成形により形成する場合、リード線２８ａおよび２８ｂの一部および外側入力／出力端子２３ａおよび２３ｂの少なくとも一部は、金型の内側空間中で溶融樹脂から隔離し、それによって、溶融樹脂で被覆されないようにする。

図８および９は、上記の方法により製造されるＰＣＭインサート射出成形物の底部および上部をそれぞれ示す透視図である。図８に示すように、リード線２８ａおよび２８ｂの一部は成形物２０の底部から露出しているので、バッテリーセルのカソードおよびアノード端子がリード線２８ａおよび２８ｂの露出している部分に接続される。他方、リード線２８ａおよび２８ｂを含まない構造では、接続端子（図６および７の２７ａおよび２７ｂ）の一部が成形物２０の底部から露出している。

再度図６および７に関して、本発明のバッテリーは、ＰＣＭインサート射出成形物２０を、アルミニウム製の外側缶であるカソード端子１１ａおよび突き出た形状の端子であるアノード端子１１ｂを包含するバッテリーセル１０に取り付けることにより、製造される。バッテリーを製造するための上記の方法を以下に説明する。

先ず、Ａｌ−Ｎｉ製のカソードクラッド金属プレート１２および絶縁部材１３（例えば、絶縁性両面接着剤テープまたは絶縁性接着剤）を外側缶に取り付ける。

次いで、安全素子としてバイメタル１４を含むバイメタルモールドブロック１５を絶縁部材１３上に取り付け、アノード端子１１ｂに電気的に接続する。バイメタルモールドブロック１５は、アノード端子１１ｂを他の部品から隔離する、と共にアノード端子１１ｂをバイメタル１４に電気的に接続するのに役立ち、バッテリーセル１０および射出成形物２０を正確な位置に固定するための中間コネクタとしても役立つ。次いで、リード線１６ａをカソードクラッド金属プレート１２に取り付け、リード線１６ｂをバイメタル１４の対応する露
出部分に取り付ける。

次に、ＰＣＭインサート射出成形物２０（図８）を指定された位置に配置する。リード線２８ａおよび２８ｂの、成形物２０から露出している部分を、対応するリード線１６ａおよび１６ｂに溶接により電気的に接続する。例えば、ＰＣＭのリード線２８ａおよび２８ｂは、逆転させたＬ字形状を有するので、リード線２８ａおよび２８ｂの逆転したＬ字形状の垂直に曲がった部分が外側に露出される。リード線２８ａおよび２８ｂの逆転したＬ字形状の垂直に曲がった部分およびバッテリーセルのリード線１６ａおよび１６ｂのＬ字形状の垂直に曲がった部分が互いに表面接触し、次いで溶接される。リード線２８ａおよび２８ｂの逆転したＬ字形状の垂直に曲がった部分と、リード線１６ａおよび１６ｂのＬ字形状の垂直に曲がった部分との間の接触部分は、成形物２０（図８）の側方開口部２０ａを通して外側に露出するので、それらの接触部分を、側方開口部２０ａ中に挿入された溶接チップ（図には示していない）を使用して溶接し、次いで、側方キャップ３１ａおよび３１ｂを挿入することにより、側方開口部２０ａを閉鎖する。

底部キャップ３２をバッテリーセル１０に取り付け、バッテリーセル１０の周りにラベル３３を巻き付ける。最後に、テストポイントラベル３４を、保護回路プレート２１のテストポイント２３ｃを外側に露出する部分２９に取り付ける。これによって、本発明のバッテリーの製造が完了する。

別の実施態様では、接着剤を使用し、ＰＣＭインサート射出成形物とバッテリーセルとの間の物理的および化学的接続を強化することができるか、または接続された端子またはリード線の形状を変形させ、端子またはリード線の寸法を増加することができる。

本発明は、様々な種類のバッテリーに応用することができ、リチウムイオン二次バッテリーまたはリチウムイオン重合体バッテリーに応用するのが好ましい。

上記の説明から明らかなように、本発明は、保護回路モジュール（ＰＣＭ）インサート射出成形物およびそれを有するバッテリーを提供するが、その際、ＰＣＭは、保護回路およびバッテリーセルが接続されない、即ちバッテリーに電力が印加されない条件下でインサート射出成形することにより製造されるので、ＰＣＭは一般的な樹脂を使用して成形することができ、電気的に安定しており、短絡を防止するための被覆工程を必要とせず、電気的に損傷をほとんど受けない。さらに、ＰＣＭの損傷が生じた場合、ＰＣＭをバッテリーセルから簡単に分離し、次いで修理することができる。バッテリーセルおよび回路部分は別個に製造されるので、生産性が改良される。さらに、ＰＣＭがバッテリーセルとは別に成形されるので、バッテリーセルとＰＣＭを同時に成形する場合にバッテリーセルに熱または物理的な圧力が作用する時に発生するバッテリーの安定性の問題が解決され、バッテリーセルを固定するために指定されたサイズを有する金型から、バッテリーセルサイズの公差のために発生する製品損傷も防止される。

本発明の好ましい実施態様を例示目的で説明したが、当業者には明らかなように、請求項で開示される本発明の範囲および精神から離れることなく、様々な修正、追加および置き換えが可能である。

図１は、従来のバッテリーの正面図である。 図２は、図１に示す従来のバッテリーの側面図である。 図３は、ＰＣＭおよびバッテリーセルを金型の内側空間中に配置し、金型の内側空間中に溶融樹脂を射出することにより、インサート射出成形を行う工程を示し、部分的に拡大した断面図も含む、縦方向断面図である。 図４は、本発明の一実施態様によるバッテリーの分解組立透視図である。 図５は、図４に示すバッテリーを組み立てた正面図である。 図６は、本発明の別の実施態様によるバッテリーの分解組立透視図である。 図７は、図６に示すバッテリーの、ＰＣＭのリード線が保護回路プレートに取り付けられた状態にある分解組立透視図である。 図８は、図６に示すバッテリーの、ＰＣＭインサート射出成形物の底部の透視図である。 図９は、図７に示すバッテリーの、ＰＣＭインサート射出成形物の上部の透視図である。

Claims (8)

1. バッテリーを製造する方法であって、
   保護回路が上に形成されているプレート、及び接続端子を包含する保護回路モジュール（ＰＣＭ）を、前記保護回路プレート、及び電気的に接続した接続端子と一緒に、金型の内側空間中に挿入し、
   前記金型の内側空間中に溶融樹脂を射出し、前記接続端子がＰＣＭインサート射出成形物の外側に部分的に露出させ、ＰＣＭインサート射出成形物を形成してなり、及び
   前記ＰＣＭインサート射出成形物の底部から部分的に露出された、露出された前記接続端子の一部分を、バッテリーセルの対応する接続端子に直接接続することを含んでなる、製造方法。
2. 前記２個の接続端子の一方が、バッテリーセルの外側表面を部分的に包んで、前記成形物を前記バッテリーセルに電気的に接続し、
   前記成形物を前記バッテリーセルに固定し、
   前記成形物が前記バッテリーセルに接続された時に、前記接続端子を前記バッテリーセルの前記外側表面に物理的に接続してなることを含んでなる、請求項１に記載のバッテリーを製造する方法。
3. 前記物理的接続が、溶接、接着剤を使用する取付、溶融樹脂を使用する取付、または前記成形物と前記バッテリーセルとの間の固定部材により達成されてなる、請求項２に記載のバッテリーを製造する方法。
4. 前記接続端子と、およびリード線が一時的に接続されている前記保護回路プレートを前記金型中に設置するか、或いは
   前記保護回路プレートと、接続端子と、およびリード線を、一時的に接続せずに、前記金型中の指定された位置に設置してから、インサート射出成形を行うことを含んでなる、請求項１に記載のバッテリーを製造する方法。
5. 前記接続端子がクラッド金属プレートから製造されてなる、請求項１に記載のバッテリーを製造する方法。
6. 前記リード線がクラッド金属プレートから製造されてなる、請求項４に記載のバッテリーを製造する方法。
7. リード線を保護回路プレート接続端子と一緒に、前記金型の内側空間中に挿入し、前記保護回路プレートと、前記接続端子と、前記リード線を電気的に接続し、及び
   金型の内側空間中に溶融樹脂を射出し、前記リード線が前記接続端子の代わりに外側に部分的に露出されてなることを含んでなる、請求項１に記載のバッテリーを製造する方法。
8. 前記バッテリーがリチウムイオン二次バッテリーまたはリチウムイオン重合体二次バッテリーである、請求項７に記載のバッテリーを製造する方法。

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