JP7184439B2 - 電池パックの製造方法 - Google Patents

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Description

本出願は2019年1月10日付の韓国特許出願第2019-0003263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この明細書の一部として含まれる。
本発明は電池パックの製造方法に関するものであり、具体的に電池セルと電池パックハウジングとの間の熱伝導体の役割をする高分子樹脂の適切な注入量を測定す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。
最近、充放電の可能な二次電池はワイヤレスモバイル機器のエネルギー源として広範囲に使われている。また、二次電池は、化石燃料を使う既存のガソリン車両、ディーゼル車両などの大気汚染などを解決するための方案として提示されている電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、プラグインハイブリッド電気自動車(Plug-InHEV)などの動力源としても注目されている。
小型モバイル機器は1個のデバイスを作動させるのに必要な作動電圧が低い反面、自動車などの中大型デバイスは高出力及び大容量のエネルギー源が必要である。よって、多数の電池セルを電気的に連結した中大型電池モジュール及び電池パックが使われる。
前記中大型電池モジュール及び電池パックを構成する電池セルは充放電の可能な二次電池から構成することができる。前記二次電池は高出力及び大容量であるほど充放電過程で多量の熱を発生する。このように充放電過程で発生した熱を効果的に除去することができない場合、劣化現象を促進し、場合によっては発火又は爆発を誘発することがある。
よって、電池セルと電池パックハウジングとの間の空間に熱伝導性高分子樹脂を満たして電池パックの熱を除去する方法を使っているが、前記熱伝導性高分子樹脂の注入量があまりにも少なければ熱伝導機能を発揮しにくく、あまりにも多ければ過注入によって溢れる問題があるから好ましくない。
これに関連して、特許文献1は、電池セルの外面全体を取り囲むように互いに結合される第1カバー部材及び第2カバー部材の少なくとも一つは熱伝導性樹脂から構成され、電池セルで発生した熱が第1カバー部材及び第2カバー部材に伝導される構造を有する単位モジュール製造用モジュールハウジングに関するものである。
しかし、特許文献1は熱伝導性樹脂の注入量を設定する方法については開示していない。
特許文献2は、内部空間を形成する下部板及び側壁を有するモジュールケース、前記モジュールケースの内部空間に存在する複数のバッテリーセル、及び前記モジュールケースの内部空間に存在する樹脂層を含み、前記樹脂層は、前記複数のバッテリーセルと接触しており、かつ前記モジュールケースの下部板又は側壁と接触しているバッテリーモジュールに関するものである。
特許文献2は、前記樹脂層の形成材料を注入するための注入ホールを含み、前記注入ホールが形成されている下部板などの末端には観察ホールが形成され、注入された材料がよく注入されるかを観察することができるものを開示している。すなわち、特許文献2は樹脂層を形成する材料を注入しながら直接観察する方法を使っている。
特許文献3は、セル積層体が内部空間に収納されるモノフレームの両側面の少なくとも一側面に接着用樹脂を注液することができる樹脂注入ホールが形成されたバッテリーモジュールに関するものである。
特許文献3はモノフレームとセル積層体との間に接着用樹脂を注液する構造を開示しているが、前記接着用樹脂の注液量を決定する方法については開始していない。
このように、従来の電池パック及び電池モジュールをそのまま使いながらも、ハウジングとセル積層体との間に生じる空間を高分子樹脂で充填して電池パックの冷却効率性を向上させることができ、ハウジングとセル積層体との間に生じる空間を満たすのに必要な高分子樹脂の量を設定することができる技術の必要性が高い実情である。
韓国登録特許第1636378号公報 韓国公開特許第2016-0105354号公報 韓国公開特許第2018-0071800号公報
本発明は前記のような問題を解決するためのものであり、電池パックの冷却機能を向上させるために、セル積層体と平板型プレートとの間に生じる空間を満たす高分子樹脂の適切な注入量を設定することができる電池パックの製造方法を提供することを目的とする。
このような目的を達成するための本発明の一実施例は、(a)電池セルを積層してセル積層体を形成する段階と、(b)前記セル積層体とU形フレームを結合する段階と、(c)前記U形フレームと結合する平板型プレートとセル積層体との間の空間の容積を測定する段階と、(d)前記段階(c)で測定された容積の分だけの高分子樹脂を塗布する段階と、を含む電池パックの製造方法である。
具体的に、前記段階(d)は、前記平板型プレートの内側面に高分子樹脂を塗布する過程を含むことができる。
また、前記段階(c)は、透視撮影装置を用いてセル積層体の輪郭線を撮影する過程を含むことができる。
また、前記段階(c)は、セル積層体の最大突出部と最小突出部の位置を撮影して突出部の突出長公差を求める過程を含むことができる。
また、前記段階(c)は、セル積層体の輪郭線からU形フレームの端部までの長さを測定する過程を含むことができる。
また、前記段階(c)は、前記平板型プレートとセル積層体との間の長さを測定して補正長を求め、前記補正長にセル積層体の面積を掛ける過程を含むことができる。
また、前記平板型プレートとセル積層体との間の補正長Z’は下記のような式によって定義される平板型プレートとセル積層体との間の長さに公差範囲を反映した最大値と最小値の平均値であり得る。
Z=(M0+M1-M2)
前記式で、Zは平板型プレートとセル積層体との間の長さ、M0はセル積層体の最大突出部と最小突出部との間の間隔、M1はセル積層体の最大突出部からU形フレームの側壁端までの長さ、M2は平板型プレートにおいて高分子樹脂が塗布される部分とU形フレームが結合される部分との間の段差である。
前記段階(b)は、前記U形フレームが前記セル積層体の上面と側面を取り囲むようにセル積層体と結合する過程を含むことができ、前記U形フレームと結合したセル積層体は、U形フレームのベース部が地面と対面するように配置することができる。
また、前記電池パックの製造方法は、(e)U形フレームと平板型プレートを溶接する段階をさらに含むことができる。
前記溶接する段階は、前記平板型プレートを下方に押圧してU形フレームの端部と密着するように配置した状態で行うことができる。
前記平板型プレートを下方に押圧する過程は、U形フレームの第1側壁及び第2側壁が互いに向かう方向に圧縮する過程を含むことができる。
前記高分子樹脂は熱伝導性高分子樹脂であってもよい。
また、本発明は、前記電池パックの製造方法によって生産された電池パックを提供する。
前記電池パックは、複数の電池セルが積層されて構成されたセル積層体と、前記セル積層体を内部に収納するU形フレームと、前記U形フレームの両側壁の長軸方向の端部と結合する平板型プレートと、前記U形フレームの両側壁の短縮方向の端部及びベース部と結合するエンドプレートと、を含み、前記平板型プレートとセル積層体との間には高分子樹脂が満たされており、前記平板型プレートとセル積層体との間の補正長Z’は下記のような式によって定義される平板型プレートとセル積層体との間の長さに公差範囲を反映した最大値と最小値の平均値である電池パックである。
Z=(M0+M1-M2)
前記式で、Zは平板型プレートとセル積層体との間の長さ、M0はセル積層体の最大突出部と最小突出部との間の間隔、M1はセル積層体の最大突出部からU形フレームの側壁端までの長さ、M2は平板型プレートにおいて高分子樹脂が塗布される部分とU形フレームが結合される部分との間の段差である。
電池パックの斜視図である。 従来の高分子樹脂の注入状態を示すための垂直断面図である。 図1のA-A線についてのセル積層体の垂直断面図である。 透視撮影装置を使ってセル積層体の輪郭線を撮影した写真である。 本発明による高分子樹脂の注入量計算式の変数を示すための電池パックの部分垂直断面図である。 本発明による電池パックの製造方法を順に示す図である。
以下、添付図面に基づき、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができる実施例を詳細に説明する。ただし、本発明の好適な実施例の動作原理を詳細に説明するにあたり、関連した公知の機能又は構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにする可能性があると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。
また、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を使う。明細書全般にわたり、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは、直接的に連結されている場合だけではなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むというのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
本発明を図面に基づいて詳細な実施例と一緒に説明する。
図1は電池パックの斜視図である。
図1を参照すると、電池パック100は、内部に単位セルが積層されたセル積層体を収納しており、前記セル積層体の両側面及び下面を取り囲むU形フレーム110、U形フレーム110の上部に結合する平板型プレート120、及びセル積層体の電極リードと連結され、U形フレームと平板型プレート結合体の開放面を密封するエンドプレート140を含む。U形フレーム110、平板型プレート120、及びエンドプレート140の具体的な形態は図1に示す構造に限定されない。
エンドプレート140にはセル積層体の電極リードと連結された電極端子141が外部に露出されており、電極端子141は外部デバイスと電気的に連結することができる。
電池パック100は平板型プレート120とセル積層体との間に離隔空間が形成される構造である。前記離隔空間が空間として維持されれば、電池パックの内部にある電池セルの充放電過程で発生して蓄積される熱エネルギーを外部に排出しにくい状態になる。
よって、前記離隔空間を高分子樹脂で満たして熱エネルギーが円滑に排出されるようにすることが好ましい。
電池パック内部の熱エネルギーの排出効果を向上させるために、前記高分子樹脂は熱伝導性高分子樹脂であることが好ましい。
これに関連して、図2は従来の高分子樹脂の注入状態を示すための垂直断面図である。
図2を参照すると、複数のパウチ型電池セル231が密着して配列されてセル積層体230を構成し、セル積層体230はU形フレーム210のベース部211、第1側壁212、及び第2側壁213のそれぞれの内側面に密着して配列されている。
セル積層体230と平板型プレート220との間には高分子樹脂250を満たすことができる。図2は高分子樹脂250の厚さZをセル積層体230の最小突出部232から平板型プレート220までの長さに設定し、これにセル積層体230の面積を掛けたものを高分子樹脂の体積として計算して適用した状態を示している。
すなわち、図2は高分子樹脂の余分厚さDの分だけ高分子樹脂が過注入された状態である。
図2のように熱伝導性高分子樹脂250の厚さZを設定する場合は熱伝導性高分子樹脂の注入量が最大の場合であり、電池パックの密封の際、平板型プレートとセル積層体との間の離隔空間に収容されなかった余剰樹脂が周辺に残存して密封性が低下することがあり、前記余剰樹脂が電池パックの外部に流出すれば、これを除去する過程が追加的に必要になることがある。
一方、熱伝導性高分子樹脂250の厚さZをセル積層体230の最大突出部233から平板型プレート220までの長さに設定する場合は熱伝導性高分子樹脂の注入量が最小の場合であり、セル積層体230と平板型プレート220との間の離隔空間を完全に満たすことができなくて空間が残存することになる。このような場合には、電池パックの熱伝導性が低い問題を解決することができない問題がある。
すなわち、セル積層体230の面積が一定であると仮定すると、平板型プレート220からセル積層体230までの長さとしてどの値を使うかによって注入される熱伝導性高分子樹脂の量が変わることがある。
よって、本発明による電池パックの製造方法は、熱伝導性高分子樹脂の注入量を精密に設定するために、U形フレームと結合する平板型プレートとセル積層体との間の空間の容積を測定する段階を含む。
これに関連して、図3は図1のA-A線についてのセル積層体の垂直断面図、図4は透視撮影装置を使ってセル積層体の輪郭線を撮影した写真である。
図3及び図4を参照すると、透視撮影装置を使って図3のセル積層体330の上部の一部を撮影して図4の輪郭線335を得ることができる。
前記透視撮影装置の種類は当該技術分野で使われるものであれば特に限定されない。
図3及び図4に示すように、セル積層体330の輪郭線335は直線形態ではなく、突出部と凹部が連続的に羅列される形態であり、セル積層体の最大突出部333と最小突出部332との間の間隔M0の大きさが0以上であり得る。
このように、セル積層体330の輪郭線335が水平線ではない形態であるから、適切な高分子樹脂注入量を設定するのに困難があるが、本発明のような方法を使う場合には、注入される高分子樹脂の量を精密に測定することができる。
すなわち、図4に示すように、測定されたセル積層体330の輪郭線からU形フレームの側壁端までの長さの補正値を求め、セル積層体の面積を掛ければ、高分子樹脂を注入するための空間の容積に対応する高分子樹脂注入量を得ることができる。
図5は本発明による高分子樹脂の注入量計算式の変数を示すための電池パックの部分垂直断面図を示している。
図5を参照すると、U形フレーム410と平板型プレート420が結合された状態で内部にセル積層体430が収納されている。
セル積層体430と平板型プレート420との間の空間に高分子樹脂450が満たされている。前記空間の容積と同一である高分子樹脂450の量は、図5に示すM0、M1、及びM2の長さで表現されたU形フレーム410の側壁端とセル積層体との間の長さZに公差範囲を反映した最大値と最小値の平均値で求めた補正長Z’を用いて求めることができる。具体的な計算式は下記の通りである。
Z=(M0+M1-M2)
前記式で、ZはU形フレームの側壁端とセル積層体との間の長さ、M0はセル積層体430の最大突出部433と最小突出部432との間の間隔、M1はセル積層体の最大突出部433からU形フレームの側壁端までの長さ、M2は平板型プレートにおいて高分子樹脂が塗布される部分422とU形フレームが結合される部分421との間の段差である。
本発明のように高分子樹脂の注入量を精密に設定するために、前記式で計算されたZ値にM0、M1、及びM2の公差範囲を反映して最大値と最小値を求め、前記最大値と最小値の平均値を求める。すなわち、前記平均値が平板型プレートとセル積層体との間の長さZの補正長Z’となる。前記補正長Z’にセル積層体の面積を掛ければ、平板型プレートとセル積層体との間の空間の容積を求めることができ、前記空間の容積の分だけの高分子樹脂を注入すれば、平板型プレートとセル積層体との間の余剰空間を前記高分子樹脂で完全に満たすことができる。特に、前記高分子樹脂として熱伝導性高分子樹脂を使う場合、セル積層体で発生した熱エネルギーを外部に排出する機能を発揮する電池パックを提供することができる。
本発明のように透視撮影装置を用いてセル積層体の輪郭線を撮影する過程を含む電池パックの製造方法を図6に順に示している。
図6を参照すると、図6の(I)のように電池セルを垂直に立てた状態で積層し、密着配列してセル積層体530を形成する。図6の(II)のようにセル積層体530を地面に置いた状態でU形フレーム510のベース部がセル積層体530の上面と接し、U形フレーム510の第1側壁及び第2側壁がセル積層体530の側面と接するように、セル積層体530を取り囲み、セル積層体530とU形フレーム510が結合する。
U形フレームのベース部が地面と対面し、セル積層体530の露出面が上方に向かうように、セル積層体530とU形フレーム510結合体を図6の(III)のように地面に対して180度回転させる。
図6の(IV)のような状態で、透視撮影装置を用いてセル積層体530の露出面がある上部の輪郭線を撮影して、セル積層体530の最大突出部と最小突出部の突出長公差M0を求める。また、セル積層体530の最大突出部からU形フレーム510の第1側壁及び第2側壁端までの長さM1を測定する。
また、別途に、平板型プレートにおいて高分子樹脂が塗布される部分とU形フレームが結合される部分の段差M2を測定する。
このように熱伝導性高分子樹脂の注入量を計算した後、図6の(V)のように平板型プレート520に高分子樹脂550を塗布する。
前記高分子樹脂は、熱伝導性の高い樹脂であれば、特にその種類は限定されるものではなく、1種からなる形態、又は2種以上が混合された形態であり得る。
前記高分子樹脂の種類を挙げれば、主に熱伝導性パッド(pad)及びギャップ充填材(gap filler)などに使われるシリコン、ウレタン及びアクリルからなる群から選択される1種以上の素材からなることができる。
前記平板型プレート520を、U形フレームに収納されたセル積層体530の露出面に向けて配置した後、U形フレーム510と平板型プレート520が接する部分を溶接して結合する。
この際、平板型プレートの上面でセル積層体の方向に押圧して溶接面を一致させる過程を含むことができ、前記押圧によってU形フレームの第1側壁及び第2側壁が広がることを防止するために、第1側壁及び第2側壁の外側にはセル積層体の方向に圧縮するか、あるいは広がることを抑制するための支持部551を配置することができる。
以下では、本発明の実施例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5に示すように、M0、M1、及びM2の値を測定した。特に、セル積層体の最小突出部と最大突出部との間の間隔M0とセル積層体の最大突出部からU形フレームの側壁端までの長さM1はコグネックス社のビジョンを用いて測定した。
前記公差はセル積層体及びU形フレームなどの製品自体の公差であり得、組立工程で発生する公差でもあり得る。
測定されたM0、M1、及びM2の値と公差範囲は下記表1の通りであり、公差分析結果の最小値である1.8はM0、M1が最小値であり、M2が最大値の場合であり、公差分析結果の最大値である3.1はM0、M1が最大値であり、M2が最小値の場合である。
また、補正長Z’は前記最大値と最小値の平均値である。
Figure 0007184439000001
前記で求めた公差分析結果にセル積層体の面積を掛けた場合、熱伝導性高分子樹脂の注入量を求めた結果は下記の通りである。
Figure 0007184439000002
前記表2の結果を分析すれば、従来の方式のように最大値を用いて熱伝導性高分子樹脂の注入量を設定する場合には803gが必要であるが、本発明のように補正長を使用する場合には634gを使えば密閉ができるので、約21%の節減が可能である。
したがって、不必要に浪費されることがある熱伝導性高分子樹脂の量を減らすのみならず、余剰の熱伝導性高分子樹脂によって電池パックの密閉性が問題となることを防止することができる。
本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば、前記内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形をなすことが可能であろう。
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は、セル積層体と電池パックハウジングフレームとの間に生じる空間を充填する高分子樹脂の注入量を精密に設定することができる。
したがって、前記高分子樹脂の注入量が少なくて電池パックの発熱効果が低くなることを防止することができ、過注入された高分子樹脂が溢れる問題を解決することができる。
また、高分子樹脂の過注入によって電池パックの重さが必要以上に増加することを防止することができる。
100 電池パック
110、210、410、510 U形フレーム
120、220、420、520 平板型プレート
140 エンドプレート
141 電極端子
211 ベース部
212 第1側壁
213 第2側壁
230、330、430、530 セル積層体
231 パウチ型電池セル
232、332、432 最小突出部
233、333、433 最大突出部
335 セル積層体の輪郭線
250、450、550 高分子樹脂
421 U形フレームが結合される部分
422 高分子樹脂が塗布される部分
551 支持部
Z 平板型プレートとセル積層体との間の長さ
Z’ 平板型プレートとセル積層体との間の長さの補正長
D 高分子樹脂の余分厚さ
M0 セル積層体の最小突出部と最大突出部との間の間隔
M1 セル積層体の最大突出部からU形フレームの側壁端までの長さ
M2 平板型プレートにおいて高分子樹脂が塗布される部分とU形フレームが結合される部分との間の段差

Claims (10)

  1. (a)電池セルを積層してセル積層体を形成する段階と、
    (b)前記セル積層体とU形フレームを結合する段階と、
    (c)前記U形フレームと結合する平板型プレートとセル積層体との間の空間の容積を測定する段階と、
    (d)前記段階(c)で測定された容積の分だけの高分子樹脂を前記平板型プレートの内側面に塗布する段階と、
    を含み、
    前記段階(c)は、前記平板型プレートとセル積層体との間の長さを測定して補正長を求め、前記補正長にセル積層体の面積を掛ける過程を含み、
    前記平板型プレートとセル積層体との間の補正長Z’は下記のような式(1)によって定義される平板型プレートとセル積層体との間の長さに公差範囲を反映した最大値と最小値の平均値である、電池パックの製造方法。
    Z=(M0+M1-M2)…式(1)
    前記式(1)で、前記Zは前記平板型プレートと前記セル積層体との間の長さ、前記M0は前記セル積層体の最大突出部と最小突出部との間の間隔、前記M1は前記セル積層体の最大突出部から前記U形フレームの側壁端までの長さ、前記M2は前記平板型プレートにおいて高分子樹脂が塗布される部分と前記U形フレームが結合される部分との間の段差である。
  2. 前記段階(c)は、透視撮影装置を用いてセル積層体の輪郭線を撮影する過程を含む、請求項に記載の電池パックの製造方法。
  3. 前記段階(c)は、セル積層体の最大突出部と最小突出部の位置を撮影して突出部の突出長公差を求める過程を含む、請求項に記載の電池パックの製造方法。
  4. 前記段階(c)は、セル積層体の輪郭線からU形フレームの端部までの長さを測定する過程を含む、請求項1からのいずれか一項に記載の電池パックの製造方法。
  5. 前記段階(b)は、前記U形フレームが前記セル積層体の上面と側面を取り囲むようにセル積層体と結合する過程を含み、
    前記U形フレームと結合したセル積層体は、U形フレームのベース部が地面と対面するように配置される、請求項1からのいずれか一項に記載の電池パックの製造方法。
  6. (e)U形フレームと平板型プレートを溶接する段階をさらに含む、請求項1からのいずれか一項に記載の電池パックの製造方法。
  7. 前記溶接する段階は、前記平板型プレートを下方に押圧してU形フレームの端部と密着するように配置した状態で行う、請求項に記載の電池パックの製造方法。
  8. 前記平板型プレートを下方に押圧する過程は、U形フレームの第1側壁及び第2側壁が互いに向かう方向に圧縮する過程を含む、請求項に記載の電池パックの製造方法。
  9. 前記高分子樹脂は熱伝導性高分子樹脂である、請求項1からのいずれか一項に記載の電池パックの製造方法。
  10. 複数の電池セルが積層されて構成されたセル積層体と、
    前記セル積層体を内部に収納するU形フレームと、
    前記U形フレームの両側壁の長軸方向の端部と結合する平板型プレートと、
    前記U形フレームの両側壁の短縮方向の端部及びベース部と結合するエンドプレートと、
    を含み、
    前記平板型プレートとセル積層体との間には高分子樹脂が満たされており、
    前記平板型プレートとセル積層体との間の補正長Z’は下記のような式(2)によって定義される平板型プレートとセル積層体との間の長さに公差範囲を反映した最大値と最小値の平均値である電池パック。
    Z=(M0+M1-M2)…式(2)
    前記式(2)で、前記Zは前記平板型プレートと前記セル積層体との間の長さ、前記M0は前記セル積層体の最大突出部と最小突出部との間の間隔、前記M1は前記セル積層体の最大突出部から前記U形フレームの側壁端までの長さ、前記M2は前記平板型プレートにおいて高分子樹脂が塗布される部分と前記U形フレームが結合される部分との間の段差である。
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