JP6228296B2 - カートリッジフレームに装着された電池セルを含む二次電池パック - Google Patents

カートリッジフレームに装着された電池セルを含む二次電池パック Download PDF

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Description

本発明は、カートリッジフレームに装着された電池セルを含む二次電池パックに係り、より詳細には、電極端子が一側端部に形成されており、前記端部に熱融着余剰部が形成されている2つ以上の電池セルが側面配列された構造の電池セル配列体、保護回路が形成されている保護回路基板(PCB)、前記PCBの保護回路に接続されている外部入出力端子、及び前記PCBが装着されるPCMケースを含んでおり、前記電池セルに電気的に接続された状態で、電池セルの前記熱融着余剰部上に搭載されるPCM、前記電池セルを固定できるように、電池セルの外周面にそれぞれ対応するフレーム状の電池セル装着部が2つ以上形成されているカートリッジフレーム、及び前記PCMが接続された電池セルがカートリッジフレームに固定された状態で、これらを覆うように付着される外装ラベルを含むことを特徴とする二次電池パックに関する。
二次電池は、それが使用される外部機器の種類によって、挿入と離脱が自由な着脱式構造で使用されたり、外部機器の内部に埋め込まれる形態の内蔵型構造で使用されたりする。例えば、ノートパソコンのようなデバイスは、ユーザの必要によって電池の挿入及び離脱が可能である一方、一部の携帯電話、MP3(MPEG Audio Layer−3)、タブレットPC、スマートパッドなどのようなデバイスは、その構造及び容量の問題により内蔵型電池パックの使用が要求されることもある。
一方、最近使用量が急増しているリチウム二次電池には、各種可燃性物質が内蔵されているので、過充電、過電流、その他の物理的な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欠点を有している。したがって、リチウム二次電池には、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。
このような二次電池は、小さい大きさ及び重量で製造されることが好ましいので、容量対比重量が小さい角型電池、パウチ型電池などが二次電池の電池セルとして主に使用されている。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などの利点によって最近多くの関心を集めている。
しかし、上記のようにパウチ型電池を使用して電池モジュールまたは電池パックを構成するとき、パウチ型電池の電極端子間を溶接などで接続する過程で多くの困難と問題点が導出されており、また、パウチ型電池ケースの構造的特性上、落下または振動などの外部衝撃によってクラックが発生しやすいという欠点があった。
上記の問題を解決するために、パウチ型電池セルの上面及び下面にセルカバーを装着したり、それぞれのパウチ型電池セルを固定するカートリッジを使用する構造、または2つ以上の電池セルを接着テープで接続する構造などが研究されているが、部品の数が増加するに伴い、製造コストが高くなり、製造工程性が低下するだけでなく、パウチ型電池セルが接続された構造の電池パックまたは電池モジュールの体積が大きくなるという点でまた他の問題点が発生している。
したがって、前記問題点を解決してコンパクトであり、構造的安定性が向上した二次電池に対する必要性が増加しており、さらに、軽薄短小化する傾向のデバイスの開発動向を考慮して、同一の大きさにおいて大きい容量を提供できる電池パックに対する必要性が高い実情である。
本発明は、上記のような従来技術の問題点及び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。
具体的に、本発明の目的は、外部衝撃に対して構造的安定性に優れた二次電池を提供することである。
本発明の他の目的は、電池セルを接続して電池パックを構成したとき、全体の体積を増加させずに構造的安定性を向上させることができる二次電池を提供することである。
このような目的を達成するための本発明に係る二次電池パックは、
電極端子が一側端部に形成されており、前記一側端部に熱融着余剰部が形成されている2つ以上の電池セルが側面配列された構造の電池セル配列体;
保護回路が形成されている保護回路基板(PCB)、前記PCBの保護回路に接続されている外部入出力端子、及び前記PCBが装着されるPCMケースを含んでおり、前記電池セルに電気的に接続された状態で電池セルの前記熱融着余剰部上に搭載されるPCM;
前記電池セルを固定できるように、電池セルの外周面にそれぞれ対応するフレーム状の電池セル装着部が2つ以上形成されているカートリッジフレーム;及び
前記PCMが接続された電池セルがカートリッジフレームに固定された状態で、これらを覆うように付着する外装ラベル;
を含む構造で構成されている。
すなわち、本発明に係る二次電池パックは、カートリッジフレームに電池セルが装着され、前記カートリッジフレームが二次電池パックの外周面を保護する構造となっているので、構造的剛性を向上させることができる。
また、前記カートリッジフレームの電池セル装着部にそれぞれ電池セルが装着されたとき、前記電池セルがそれぞれ隔離されて電池セル間の干渉を防止することによって、安全性を向上させることができる。
前記電池セルは、例えば、樹脂層と金属層を含むラミネートシートの電池ケースに電極組立体が内蔵されている構造のパウチ型電池セルであってもよい。
具体的に、前記電池セルは、正極/分離膜/負極構造の電極組立体が電解液と共に電池ケースの内部に密封されているパウチ型電池セルであって、全体的に幅対比厚さが薄い略直方体構造である板状型からなっている。このようなパウチ型電池セルは、一般的にパウチ型の電池ケースからなっており、前記電池ケースは、耐久性に優れた高分子樹脂からなる外部被覆層;水分、空気などに対して遮断性を発揮する金属素材からなる遮断層;及び熱融着され得る高分子樹脂からなる内部シーラント層が順次積層されているラミネートシート構造で構成されている。
前記パウチ型電池セルにおいて、ケースは、様々な構造からなることができ、例えば、2単位の部材として上部及び/又は下部内面に形成されている収納部に電極組立体を収納した後、ケースの外周面の上下部接触部位を熱融着して密封する構造などを挙げることができる。前記のような構造のパウチ型電池セルは、本出願人のPCT国際出願第PCT/KR2004/003312号に開示されており、前記出願は、参照として本発明の内容に組み込まれる。しかし、電池ケースが、1単位の部材として上部及び/又は下部内面に形成されている収納部に電極組立体を収納した後、ケースの外周面の上下部接触部位を熱融着で密封する構造であってもよいことは勿論である。
このようなパウチ型電池セルは、一般に、絶縁のために密封部位に絶縁テープを付着している。しかし、本発明に係る二次電池パックでは、絶縁性素材でカートリッジフレームを製造し、前記カートリッジフレームに電池セルを装着させることによって、別途の絶縁テープの付着なしに密封部位の絶縁を達成することができる。
前記電池セルは、多数個が配列されたとき、最適の空間活用のために互いに同一の構造からなることができる。また、前記電池セルは、多数個が配列されたとき、限定された空間で電池セルの体積を最大化して高い容量を提供できるように、板状型の長方形構造で形成することができ、このような電池セルは、電極端子が形成されている方向を基準として一側面が互いに隣接するように配列することができる。
このとき、前記カートリッジフレームは、前記一側面が互いに隣接するように配列された電池セルが装着されるように、電池セル配列体の外周面に位置する外側熱融着余剰部が装着される外側フレームと、電池セル間の内側熱融着余剰部が装着される隔壁フレームとを含む構造で形成され得る。
また、前記カートリッジフレームの外側フレームには、側面に外向きに突出した構造の締結部が形成されることで、前記締結部と外部デバイスが結合される構造で形成され得る。前記締結部は、外部デバイスと安定的に結合されるように2つ以上が形成された構造からなることができる。
前記締結部は、外部デバイスに結合される構造であれば特に限定されず、様々な構造で形成されてもよい。例えば、前記締結部は、外側フレームから外向きに突出した突起と、前記突起に穿孔されている締結孔とを含む構造で形成することができ、前記締結孔にボルトが挿入されて外部デバイスに結合され得る。
一方、本発明に係る二次電池パックは、PCMケースにPCBなどを挿入した構造のPCMを電池セルの熱融着余剰部上に搭載した構造で形成することができ、このとき、前記PCMの外面には、熱融着余剰部との接着のための両面接着テープを付着することで、構造的安定性をより向上させることができる。
また、前記PCMが前記電池セルの熱融着余剰部上に装着された状態で、ホットメルティング(hot−melting)工程を通じて装着状態をさらに固定させることができる。
一具体例において、前記電池セル配列体は、2つの電池セルを含む構造で形成することができる。これら2つの電池セルは、上述したように、電極端子が形成されている方向を基準として一側面が互いに隣接するように配列され得る。配列された電池セルは、二次電池パックの容量を向上させるように並列に接続され得る。しかし、必要に応じて、前記2つの電池セルが直列に接続されてもよく、また、電池セルの数をさらに拡張して3つ以上の電池セルが電気的に接続された構造で形成してもよい。このとき、前記カートリッジフレームも、電池セルの数に対応して装着部が形成され得る。
一具体例において、前記PCMケースは、外部入出力端子を除いてPCBを取り囲んでいる構造となっているので、外部衝撃からPCBを容易に保護することができる。
一方、前記外装ラベルの外面には、二次電池パックの製造会社、製造年月日、種類などの製品情報が入力されたバーコードラベルを付着することができる。場合によって、前記バーコードは、外装ラベルの外面にプリント方式で形成されてもよい。
前記電池セルは、その種類が特に限定されず、例えば、体積当たりのエネルギー貯蔵量が大きいリチウム二次電池であってもよい。
本発明はまた、前記二次電池パックを電源として含むデバイスを提供する。
前記デバイスの代表的な例としては、携帯電話、携帯用コンピュータ、スマートフォン、スマートパッド、タブレットPC、及びネットブックなどを挙げることができるが、これらのみに限定されるものではない。
前記のようなデバイスの構造及びその作製方法は当業界に公知となっているので、本明細書では、それについての詳細な説明を省略する。
本発明はまた、前記二次電池パックを製造する方法を提供する。
具体的に、前記二次電池パックは、
(a)側面配列された2つ以上の電池セルの電極端子を、PCBに形成されている電極端子接続部に電気的に接続する過程;
(b)PCBをPCMケースに装着したPCMの外面に両面接着テープを付着する過程;
(c)電池セルの電極端子を折り曲げてPCMを電池セルの熱融着余剰部上に装着する過程;
(d)PCMが接続された電池セル配列体をカートリッジフレームに固定する過程;
(e)電池セルの熱融着余剰部上に装着されたPCMにホットメルティング(hot−melting)を行う過程;及び
(f)PCMが装着された電池セルがカートリッジフレームに固定された構造を、ラベルで覆う過程;
を含む方法で製造することができる。
このような製造方法は、従来の二次電池パックの製造工程と比較して、電池セルが二次電池パックに安定的に搭載された構造を形成することができ、したがって、構造的安定性が向上した二次電池パックを提供することができる。
本発明の一実施例に係る二次電池パックの模式図である。 図1の分解斜視図である。 図2のカートリッジフレームの斜視図である。 二次電池パックの製造過程を示す模式図である。 二次電池パックの製造過程を示す模式図である。 二次電池パックの製造過程を示す模式図である。 二次電池パックの製造過程を示す模式図である。 二次電池パックの製造過程を示す模式図である。 二次電池パックの製造過程を示す模式図である。 二次電池パックの製造過程を示す模式図である。
以下では、本発明の実施例に係る図面を参照して説明するが、これは本発明のより容易な理解のためのものであり、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には、本発明の一実施例に係る二次電池パックの模式図が示されており、図2には、図1の分解斜視図が示されている。
図1及び図2を参照すると、二次電池パック100は、電池セル配列体110、PCM120、カートリッジフレーム130、及び外装ラベル140を含む構造で構成されている。
電池セル配列体110は、電極端子113,114が一側端部に形成されており、このような一側端部に熱融着余剰部115が形成されている電池セルの2つが側面配列された構造で形成されている。
PCM120は、保護回路が形成されている保護回路基板(PCB)122、及びPCB122が装着されるPCMケース126を含む構造となっており、電池セル112,116に電気的に接続された状態で電池セル112,116の熱融着余剰部115,119上に搭載されている。
2つの電池セル112,116は、互いに同一の構造となっており、板状型の長方形構造で形成されている。このような電池セル112,116は、電極端子113,114が形成されている方向を基準として一側面が互いに隣接するように配列されている。
カートリッジフレーム130は、2つの電池セル112,116をそれぞれ固定できるように2つの電池セル装着部132,136が形成されており、電池セル112,116の外周面を固定するフレーム構造となっている。
外装ラベル140は、PCM120が接続された電池セル112,116がカートリッジフレーム130に固定された状態で、これらを覆うように付着している。
図3には、図2のカートリッジフレームの斜視図が示されている。
図3を図2と共に参照すると、カートリッジフレーム130は、板状型の長方形構造からなる2つの電池セル112,116を固定できるように、2つの電池セル装着部132,136が形成されている。
具体的に、カートリッジフレーム130は、一側面が互いに隣接するように配列された電池セル112,116が装着されるように、電池セル配列体の外周面に位置する外側熱融着余剰部に装着される四角形の外側フレーム134と、電池セル112,116の間の内側熱融着余剰部が装着される隔壁フレーム135とを含む構造で形成されている。
また、カートリッジフレーム130の外側フレーム134には、側面に外向きに突出した構造の締結部137が形成されることで、締結部137と外部デバイス(図示せず)が結合される構造で形成されている。締結部137は、外向きに突出した突起138、及び突起138に穿孔されている締結孔139を含む構造で形成されており、締結孔139と外部デバイスとはボルトによって結合される。
図4乃至図10には、図1の二次電池パックの製造過程を示す模式図が順次示されている。
まず、図4を参照すると、2つの電池セル112,116が側面配列されて電池セル配列体110を形成しており、それぞれの電池セル112,116は、ラミネートシートの電池ケースに電極組立体が内蔵されている構造のパウチ型電池セルで構成されている。このような電池セル112,116は、コンパクトな構造のために、両側の密封部117,118を電極組立体が収納される収納部111と対面するように垂直に折り曲げる。
図5には、図4の電池セル112,116にPCB122を結合した構造が示されている。図5を参照すると、それぞれの電池セル112,116は、一側に正極端子113及び負極端子114が形成されている同一の構造からなり、このような電池セル112,116の正極端子113及び負極端子114はそれぞれPCB122に接続され、電池セル112,116間に並列構成を形成している。
図6には、PCMケースの模式図が示されており、図7には、図5のPCM構造にPCMケースが装着された構造の模式図が示されている。
これら図面を参照すると、PCMケース126は、PCB122を取り囲む構造で装着されてPCB122を保護し、電池セル112,116の電極端子113,114とPCB122が接続された状態でPCB122の外面に装着される。また、電池セル112,116の熱融着余剰部115上にPCMケース126が位置するように、電池セル112,116の電極端子113,114を折り曲げる。このとき、PCMケース126に両面テープ128を付加し、熱融着余剰部115にPCMケース126が固定される構造を形成する。
図8には、図7の構造をカートリッジフレームに装着した構造の模式図が示されており、図9には、図8の構造にホットメルティング(hot−melting)工程を行った構造の模式図が示されている。
図8及び図9を参照すると、2つの長方形の板状型電池セル112,116を固定する構造のカートリッジフレーム130に、PCM120が接続された電池セル112,116を装着した後、PCM120の部位にホットメルティング工程を行うことで、PCM120が電池セル112,116の熱融着余剰部上に装着された状態をさらに固定させ、また、PCM120をカートリッジフレーム130に固定させる構造を形成する。
図10には、図9の構造に外装ラベルを付着した構造が示されており、図10を参照すると、外装ラベル140は、カートリッジフレーム130に電池セル112,116が装着された構造の一面を覆っており、反対面を一部覆っている。すなわち、外装ラベル140を一面に付着した後、外装ラベル140の外側に延びた部位142を折り曲げて反対面に付着する構造で形成されている。
図10の構造にバーコードラベル150をさらに付着し、図1の二次電池パック100を完成する。
本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
以上で説明したように、本発明に係る二次電池パックは、カートリッジフレームに電池セルが装着され、カートリッジフレームが二次電池パックの外周面を保護する構造となっているので、構造的剛性を向上させる効果を提供する。また、カートリッジフレームの電池セル装着部にそれぞれ電池セルが装着されたとき、電池セルがそれぞれ隔離されて電池セル間の干渉を防止することによって、安全性を向上させる効果を提供する。
100 二次電池パック
110 電池セル配列体
111 収納部
112 電池セル(板状型電池セル)
113 電極端子(正極端子)
114 電極端子(負極端子)
115 熱融着余剰部
116 電池セル(板状型電池セル)
117 密封部
118 密封部
119 熱融着余剰部
126 ケース
128 両面テープ
130 カートリッジフレーム
132 電池セル装着部
134 外側フレーム
135 隔壁フレーム
136 電池セル装着部
137 締結部
138 突起
139 締結孔
140 外装ラベル
150 バーコードラベル

Claims (18)

  1. 熱融着余剰部が一側端部に形成されており、前記一側端部に沿った第1方向と略垂直な第2方向に前記熱融着余剰部の端部から突出するように電極端子が形成されている2つ以上の電池セルが、前記第1方向に一側面が互いに隣接するように配列された構造の電池セル配列体と、
    保護回路が形成されている保護回路基板(PCB)、前記PCBの保護回路に接続されている外部入出力端子、及び前記PCBが装着される保護回路モジュール(PCM)ケースを含んでおり、2つ以上の前記電池セルの前記電極端子に電気的に接続された状態で電池セルの前記熱融着余剰部上に搭載される保護回路モジュール(PCM)と、
    前記電池セルを固定できるように、電池セルの外周面にそれぞれ対応するフレーム状の電池セル装着部が2つ以上形成されているカートリッジフレームと、
    前記PCMが接続された電池セルがカートリッジフレームに固定された状態で、これらを覆うように付着する外装ラベルと、
    を含み、
    前記電極端子は、前記第1方向及び前記第2方向と略垂直な第3方向から見たとき、前記PCMとともに前記熱融着余剰部と重畳するように、折り返されていることを特徴とする、二次電池パック。
  2. 前記電池セルは、金属層と樹脂層を含むラミネートシートのケースに電極組立体を内蔵した後、外周面をシールした構造からなることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池パック。
  3. 前記電池セルは、互いに同一の構造からなることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池パック。
  4. 前記電池セルは、板状型の長方形構造からなることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池パック。
  5. カートリッジフレームは、電池セル配列体の外周面に位置する外側熱融着余剰部が装着される外側フレーム、及び電池セル間の内側熱融着余剰部が装着される隔壁フレームを含んでいることを特徴とする、請求項に記載の二次電池パック。
  6. 前記カートリッジフレームの外側フレームには、外部デバイスに対する結合が容易なように、側面に外向きに突出した構造の2つ以上の締結部が形成されていることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池パック。
  7. 前記締結部は、外側フレームから外向きに突出した突起、及び前記突起に穿孔されている締結孔を含んでいることを特徴とする、請求項に記載の二次電池パック。
  8. 前記締結部は、締結孔にボルトが挿入されて外部デバイスに結合されることを特徴とする、請求項に記載の二次電池パック。
  9. 前記PCMの外面には、熱融着余剰部との接着のための両面接着テープが付着していることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池パック。
  10. 前記電池セルの熱融着余剰部上に装着されたPCMは、ホットメルティング(hot−melting)によって装着状態が固定されていることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池パック。
  11. 前記電池セル配列体は2つの電池セルを含んでいることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池パック。
  12. 前記電池セル配列体の電池セルは電気的に並列に接続されていることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池パック。
  13. 前記PCMケースは、外部入出力端子を除いてPCBを取り囲んでいることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池パック。
  14. 前記外装ラベルの外面にはバーコードラベルが付着していることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池パック。
  15. 前記電池セルはリチウム二次電池であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池パック。
  16. 請求項1〜15のいずれかに記載の電池パックを電源として含んでいることを特徴とする、デバイス。
  17. 前記デバイスは、携帯電話、携帯用コンピュータ、スマートフォン、スマートパッド、タブレットPC、及びネットブックから選択されることを特徴とする、請求項16に記載のデバイス。
  18. 請求項1〜15のいずれかに記載の二次電池パックを製造する方法であって、
    (a)側面配列された2つ以上の電池セルの電極端子を、PCBに形成されている電極端子接続部に電気的に接続する過程と、
    (b)PCBをPCMケースに装着したPCMの外面に両面接着テープを付着する過程と、
    (c)電池セルの電極端子を折り曲げてPCMを電池セルの熱融着余剰部上に装着する過程と、
    (d)PCMが接続された電池セル配列体をカートリッジフレームに固定する過程と、
    (e)電池セルの熱融着余剰部上に装着されたPCMにホットメルティング(hot−melting)を行う過程と、
    (f)PCMが装着された電池セルがカートリッジフレームに固定された構造を、ラベルで覆う過程と、
    を含むことを特徴とする、二次電池パックの製造方法。
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