KR101472875B1 - 신규한 구조의 전지팩 제조 장치 - Google Patents

신규한 구조의 전지팩 제조 장치 Download PDF

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Abstract

양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고 전극단자가 전지케이스의 상단에 형성되어 있는 전지셀에 탑 캡 어셈블리를 장착하여 전지팩을 제조하는 장치로서, 상기 탑 캡 어셈블리는, 보호회로모듈(PCM)과, 상기 PCM의 외면을 감싸면서 전지셀 상단에 장착되는 전기 절연성의 탑 캡 하우징을 포함하고 있고, 상기 제조 장치는, PCM을 캐리어 모듈에 탑재한 상태에서 이송시키는 이송 컨베이어; 절연 테이프가 공급되는 절연 테이프 공급부; PCM의 접속부에 절연 테이프를 부착하는 절연 테이프 부착부; 탑 캡 하우징을 공급하는 탑 캡 하우징 공급부; 및 절연 테이프가 부착된 PCM을 전지셀 상에 안착시키는 탑 캡 하우징 장착부; 를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 장치를 제공한다.

Description

신규한 구조의 전지팩 제조 장치 {Manufacturing Apparatus of Battery Pack of Novel Structure}
본 발명은 신규한 구조의 전지팩 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고 전극단자가 전지케이스의 상단에 형성되어 있는 전지셀에 탑 캡 어셈블리를 장착하여 전지팩을 제조하는 장치로서, 상기 탑 캡 어셈블리는, 보호회로모듈(PCM)과, 상기 PCM의 외면을 감싸면서 전지셀 상단에 장착되는 전기 절연성의 탑 캡 하우징을 포함하고 있고, 상기 제조 장치는, PCM을 캐리어 모듈에 탑재한 상태에서 이송시키는 이송 컨베이어; 절연 테이프가 공급되는 절연 테이프 공급부; PCM의 접속부에 절연 테이프를 부착하는 절연 테이프 부착부; 탑 캡 하우징을 공급하는 탑 캡 하우징 공급부; 및 절연 테이프가 부착된 PCM을 전지셀 상에 안착시키는 탑 캡 하우징 장착부; 를 포함하는 전지팩 제조 장치에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
그러나, 리튬 이차전지에는 각종 가연성 물질들이 내장되어 있어서, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 발열, 폭발 등의 위험성이 있으므로, 안전성에 큰 단점을 가지고 있다. 따라서, 리튬 이차전지에는 과충전, 과전류 등의 비정상인 상태를 효과적으로 제어할 수 있는 안전소자로서 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자, 보호회로 모듈(Protection Circuit Module: PCM) 등이 전지셀에 접속된 상태로 탑재되어 있다.
일반적으로 PCM 등은 도전성 니켈 플레이트를 매개로 하여 용접 방식으로 전지셀에 연결된다. 즉, PCM의 전극 탭에 니켈 플레이트를 각각 용접하여 접속한 다음, 그러한 니켈 플레이트를 전지셀의 전극단자에 각각 용접하는 방식으로 PCM을 전지셀에 연결하여 전지팩을 제조한다.
이러한 PCM을 포함한 안전소자들은 전극단자와 전기적 접속을 유지하면서 동시에 전지셀의 다른 부분과는 전기적 절연상태를 유지하여야 하므로, 일반적으로 전극 단자에 절연성 테이프를 부착한다.
한편, PCM과 같은 보호회로부재 등의 부품을 전지셀의 상단에 결합하는 작업은 전지팩 조립 라인에서 이루어진다. 이러한 조립 라인의 구성은 필요에 따라 달라질 수 있으나, 일반적으로 금속 클래드, 절연성 장착부재, 보호회로모듈, 및 절연성 탑 캡 하우징의 장착 공정을 순차적으로 수행하는 라인으로 구성된다.
그러나, 상기와 같은 공정들 대다수가 수동으로 진행되므로, 많은 작업 인원이 필요하고, 그에 따라 전지의 제조비용이 증가하는 문제점이 있다.
특히, 다수의 전지셀들의 전극 단자에 대해 순차적으로 절연성 테이프의 부착 작업을 수행하기 위해서는 작업자가 전지셀을 일정 간격으로 이동시켜 부착시켜야 하므로, 숙련된 기술이 요구되는 문제점이 있고, 이는 전지팩의 제조 공정을 자동화함에 있어서 큰 제약 요인들 중의 하나이다.
또한, 탑 캡 하우징과 PCM의 결합 공정은 조립 품질에 있어서 중요한 공정임에도 불구하고, 수동에 의해 작업이 이루어질 경우, 작업자 별 숙련도 차이로 인해 조립 불량이 많이 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점들을 해소하고, 간소하고 용이한 조립 라인을 구성하여 전지팩의 제조 공정성 및 생산성을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로 본 발명의 목적은 전지팩의 조립 품질이 향상되도록 PCM의 접속부에 절연 테이프의 부착 공정 및 PCM을 전지셀 상에 안착시키는 탑 캡 하우징의 장착 공정을 자동화할 수 있는 전지팩 제조 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩 제조 장치는,
양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고 전극단자가 전지케이스의 상단에 형성되어 있는 전지셀에 탑 캡 어셈블리를 장착하여 전지팩을 제조하는 장치로서,
상기 탑 캡 어셈블리는, 보호회로모듈(PCM)과, 상기 PCM의 외면을 감싸면서 전지셀 상단에 장착되는 전기 절연성의 탑 캡 하우징을 포함하고 있고,
상기 제조 장치는,
PCM을 캐리어 모듈에 탑재한 상태에서 이송시키는 이송 컨베이어;
절연 테이프가 공급되는 절연 테이프 공급부;
PCM의 접속부에 절연 테이프를 부착하는 절연 테이프 부착부;
탑 캡 하우징을 공급하는 탑 캡 하우징 공급부; 및
절연 테이프가 부착된 PCM을 전지셀 상에 안착시키는 탑 캡 하우징 장착부;
을 포함하는 구조로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩 제조 장치는 PCM의 접속부에 대한 절연 테이프의 부착 및 상기 절연 테이프가 부착된 PCM과 탑 캡 하우징의 결합을 자동화 공정에 의해 달성할 수 있으며, 상호간의 결합을 공고히 하여 전지팩의 조립 품질을 크게 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 PCM의 접속부에 대해 절연성 테이프를 부착하고 PCM과 탑 캡 하우징의 결합시 절연 테이프를 부착하며 탑 캡 하우징을 PCM 상단에서 가압하여 장착하는 공정은, 앞서 언급한 바와 같이, 불량이 많이 발생하는 공정이므로, 전지팩의 조립 품질 확보 측면에서 중요한 공정이다. 따라서, 전지팩의 우수한 품질을 확보하기 위해 절연 테이프 부착 및 가압 공정을 자동화하는 것이 바람직하다. 이러한 측면에서, 본 발명의 제조 장치를 상기 공정의 자동화를 가능하게 하여 전지팩의 조립 품질을 향상시킬 수 있다.
상기 캐리어 모듈은, 바람직하게는, 상부가 개방되어 있는 장방형의 구조로 이루어져 있고, 다수의 PCM들이 상부로 노출된 상태로 일정한 간격으로 장착될 수 있도록 내면에 장착 홈이 형성되어 있는 구조일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 전지팩 제조 장치는 이러한 캐리어 모듈을 사용하여 전지셀의 상부에 부품들을 결합하기 위한 부착 또는 기계적 체결 등을 연속적으로 수행할 수 있으므로, 자동화 또는 적어도 반자동화에 의한 연속 공정이 가능하다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 절연 테이프 공급부는 회전 롤러를 포함하고 있으며, 이형 필름에 부착된 절연 테이프가 상기 회전 롤러에 지지된 상태로 절연 테이프 부착부로 자동 이송되는 구조일 수 있다.
즉, 절연 테이프가 부착된 이형 필름은 상기 회전 롤러에 의해 상면이 지지되어 이송된 후, 절연 테이프가 제거된 이형 필름은 하단부로 되돌아간다.
따라서, 절연 테이프의 부착 작업을 연속적으로 정밀하게 수행할 수 있으며, 자동화에 의한 생산성 및 품질 향상을 도모할 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 절연 테이프 부착부에서 절연 테이프가 부착된 PCM은 캐리어 모듈로부터 제거되어, 탑 캡 하우징의 외주면 형상에 대응하는 관통구가 형성되어 있는 탑 캡 하우징 장착부의 상단에 안착될 수 있다.
상기 관통구는 탑 캡 하우징의 외주면 형상에 대응하는 구조로 이루어져 있어서, PCM과 탑 캡 하우징의 결합 과정 중에 발생할 수 있는 PCM 및 탑 캡 하우징의 정위치 이탈을 방지할 수 있으므로 바람직하다.
또한, 상기 탑 캡 하우징 장착부는 탑 캡 하우징의 관통구를 통해 PCM 상부에 탑 캡 하우징을 위치시킨 뒤 가압하여 탑 캡 어셈블리를 조립할 수 있다.
즉, 상기 가압시 탑 캡 하우징의 관통구로 가압 부재를 정확하게 유도할 수 있으며, 가압 과정에서 다른 부위가 손상될 가능성을 근본적으로 방지할 수 있다.
또한, 상기 장착 및 가압 작업이 전지팩 제조 스팩에 따라 정해진 소정 시간보다 짧은 시간 동안 수행될 경우 소망하는 결합력을 확보하기 어려울 수 있고, 소정 시간보다 긴 시간 수행될 경우 공정의 효율성이 저하되고 탑 캡 어셈블리의 불량 가능성이 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 상기 가압은 소정 시간 동안 수행하기 위하여 타이머가 장착되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
한편, 탑 캡 어셈블리의 조립 이상 유무를 검사하는 조립 검사장치를 추가로 포함함으로써, 전지팩의 불량을 미연에 방지할 수 있다.
구체적으로, 상기 검사장치는 탑 캡 어셈블리의 길이, 폭, 두께, 무게 및 결합력으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 검사할 수 있다. 이는 제품의 생산성 및 품질을 크게 향상시킬 수 있으므로 바람직하다.
한편, 상기 자동 공정에 의해 완성된 탑 캡 어셈블리를 배출하는 배출기를 추가로 포함할 수 있다.
구체적으로, 배출기는 탑 캡 어셈블리의 상부에서 탑 캡 어셈블리가 순차적으로 인취될 수 있도록 그립퍼(grippers)로 이루어진 것일 수 있다.
따라서, 완성된 탑 캡 어셈블리를 상기 그립퍼에 의해 연속적으로 이송시켜 생산성을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 전지셀은 전극단자가 그것의 상부로 노출된 전지이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 음극단자 및 양극단자가 상단면에 형성되어 있는 각형 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 장치를 사용하여 제조된 전지팩을 제공한다.
또한, 상기 전지팩은 각형의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 각형 전지팩일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 장치를 사용하여 전지팩을 제조하는 방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 방법은,
(a) 상기 PCM을 캐리어 모듈에 탑재한 상태에서 이송 컨베이어에 위치시키는 과정;
(b) 절연 테이프 공급부에 의해 절연 테이프가 공급되는 과정;
(c) 상기 PCM의 접속부에 절연 테이프가 부착되는 과정;
(d) 상기 절연 테이프가 부착된 PCM을 탑 캡 하우징 장착부에 안착시키는 과정;
(e) 탑 캡 하우징 공급부에 의해 제공되는 탑 캡 하우징을 PCM 상단면에 결합하여 탑 캡 어셈블리를 조립하는 과정;
(f) 상기 탑 캡 어셈블리의 조립 이상 유무를 검사하는 과정; 및
(g) 상기 탑 캡 어셈블리를 배출하는 과정;
을 포함한다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩 제조 방법은 PCM의 접속부에 대한 절연 테이프의 부착 및 상기 절연 테이프가 부착된 PCM과 탑 캡 하우징의 결합을 자동화 공정에 의해 달성할 수 있으며, 상호간의 결합을 공고히 하여 전지팩의 조립 품질을 크게 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩 제조 장치는 PCM의 접속부에 절연 테이프의 부착 및 상기 절연 테이프가 부착된 PCM과 탑 캡 하우징의 결합을 자동화 공정에 의해 달성함으로써, 안정성이 향상된 구조로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 각형 이차전지의 사시도이다;
도 2는 본 발명의 PCM의 사시도이다;
도 3은 도 2의 PCM 및 절연 테이프의 사시도이다;
도 4는 도 3의 절연 테이프가 부착된 PCM 및 탑 캡 하우징의 사시도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 제조 장치의 사시도 및 절연 테이프가 부착된 PCM 및 탑 캡 어셈블리의 사시도이다;
도 6은 도 5의 전지팩 제조 장치의 상면도이다;
도 7은 도 5의 전지팩 제조 장치에서 사용되는 캐리어 모듈의 사진이다;
도 8 내지 도 14는 도 6에서의 전지팩 제조 장치에서 일부 과정들의 사진들이다.
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 1에는 본 발명의 각형 이차전지의 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 PCM의 사시도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 PCM 및 절연 테이프의 사시도가 도시되어 있으며, 도 4에는 도 3의 절연 테이프가 부착된 PCM 및 탑 캡 하우징의 사시도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지셀(10)은 각형 이차전지로서, 전극조립체(도시하지 않음)가 전해액과 함께 전지케이스(11)의 내부에 밀봉되어 있고 전극단자(12, 13)가 전지케이스(11)의 상단에 형성되어 있으며, 전지셀(10)의 상단에 탑 캡 어셈블리(50: 도 5 참조)를 장착하여 전지팩을 제조한다.
탑 캡 어셈블리(50)는 보호회로모듈(PCM: 20)과, PCM(20)의 외면을 감싸면서 전지셀(10) 상단에 장착되는 전기 절연성의 탑 캡 하우징(30)을 포함한다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 제조 장치의 사시도 및 절연 테이프가 부착된 PCM 및 탑 캡 어셈블리의 사시도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 전지팩 제조 장치의 상면도가 도시되어 있으며, 도 7에는 도 5의 전지팩 제조 장치에서 사용되는 캐리어 모듈의 사진이 도시되어 있고, 도 8 내지 도 15에는 도 7의 제조 과정에 대한 사진들이 개시되어 있다.
이들 도면을 도 1 내지 도 4와 함께 참조하면, 전지팩 제조 장치(100)는, PCM(20)을 캐리어 모듈(80)에 탑재한 상태에서 이송시키는 이송 컨베이어(110); 절연 테이프(25)가 공급되는 절연 테이프 공급부(120); PCM(20)의 접속부(21)에 절연 테이프(25)를 부착하는 절연 테이프 부착부(130); 탑 캡 하우징(30)을 공급하는 탑 캡 하우징 공급부(140); 및 절연 테이프(25)가 부착된 PCM(20)을 전지셀(10) 상에 안착시키는 탑 캡 하우징 장착부(150); 탑 캡 어셈블리(50)의 조립 검사장치(160); 및 탑 캡 어셈블리(50)의 배출기(170);를 포함한다.
캐리어 모듈(80)은 상부가 개방되어 있는 장방형의 구조로 이루어져 있고, 다수의 PCM(20)들이 상부로 노출된 상태로 일정한 간격으로 장착될 수 있도록 내면에 장착 홈(82)이 형성되어 있다.
절연 테이프 공급부(120)는 회전 롤러(125)를 포함하고 있으며, 이형 필름(26)에 부착된 절연 테이프(25)가 상기 회전 롤러(125)에 지지된 상태로 절연 테이프 부착부(130)로 자동 이송(도 8 참조)되어 절연 테이프가 부착된다(도 2 및 도 9 참조).
절연 테이프(25)가 부착된 PCM(20)은 캐리어 모듈(80)로부터 제거되어, 탑 캡 하우징(30)의 외주면 형상에 대응하는 관통구(152)가 형성되어 있는 탑 캡 하우징 장착부(150)의 상단에 안착된다 (도 10 참조).
또한, 탑 캡 하우징 장착부(150)는 탑 캡 하우징의 관통구(152)를 통해 PCM(20) 상부에 탑 캡 하우징(30)을 위치시킨 뒤 조립 장치(154)에 의해 조립(도 11참조)되고, 가압부재(156)에 의해 가압하여 탑 캡 어셈블리(50)를 조립한다 (도 12 참조).
그런 다음, 조립 검사장치(160)에 의해 탑 캡 어셈블리(50)의 조립 이상 유무를 검사한다. 조립 검사는 예를 들어, 탑 캡 어셈블리의 길이, 폭, 두께, 무게 및 결합력 등을 검사하게 된다 (도 13 참조).
이 후, 탑 캡 어셈블리(50)의 상부에서 탑 캡 어셈블리(50)가 순차적으로 인취될 수 있도록 그립퍼로 이루어진 배출기(170)에 의해 순차적으로 탑 캡 어셈블리(50)가 배출된다 (도 14 참조).
각형 전지셀과 PCM의 전기적 연결 방식 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (13)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고 전극단자가 전지케이스의 상단에 형성되어 있는 전지셀에 탑 캡 어셈블리를 장착하여 전지팩을 제조하는 장치로서,
    상기 탑 캡 어셈블리는, 보호회로모듈(PCM)과, 상기 PCM의 외면을 감싸면서 전지셀 상단에 장착되는 전기 절연성의 탑 캡 하우징을 포함하고 있고,
    상기 제조 장치는,
    PCM을 캐리어 모듈에 탑재한 상태에서 이송시키는 이송 컨베이어;
    절연 테이프가 공급되는 절연 테이프 공급부;
    PCM의 접속부에 절연 테이프를 부착하는 절연 테이프 부착부;
    탑 캡 하우징을 공급하는 탑 캡 하우징 공급부; 및
    절연 테이프가 부착된 PCM을 전지셀 상에 안착시키는 탑 캡 하우징 장착부;
    를 포함하고 있고,
    상기 캐리어 모듈은 상부가 개방되어 있는 장방형의 구조로 이루어져 있고, PCM 상부로 노출된 상태로 다수의 PCM들이 일정한 간격으로 장착될 수 있도록 내면에 장착 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 절연 테이프 공급부는 회전 롤러를 포함하고 있으며, 이형 필름에 부착된 절연 테이프가 상기 회전 롤러에 지지된 상태로 절연 테이프 부착부로 자동 이송되는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 절연 테이프가 부착된 PCM은 캐리어 모듈로부터 제거되어, 탑 캡 하우징의 외주면 형상에 대응하는 관통구가 형성되어 있는 탑 캡 하우징 장착부의 상단에 안착되는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 탑 캡 하우징 장착부는 탑 캡 하우징의 관통구를 통해 PCM 상부에 탑 캡 하우징을 위치시킨 뒤 가압하여 탑 캡 어셈블리를 조립하는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 탑 캡 어셈블리의 조립 이상 유무를 검사하는 조립 검사장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 검사장치는 탑 캡 어셈블리의 길이, 폭, 두께, 무게 및 결합력으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 검사하는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 탑 캡 어셈블리를 배출하는 배출기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 배출기는 탑 캡 어셈블리의 상부에서 탑 캡 어셈블리가 순차적으로 인취될 수 있도록 그립퍼(grippers)로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 각형 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 10 항 중 어느 하나에 따른 장치를 사용하여 전지팩을 제조하는 방법으로서,
    (a) 상기 PCM을 캐리어 모듈에 탑재한 상태에서 이송 컨베이어에 위치시키는 과정;
    (b) 절연 테이프 공급부에 의해 절연 테이프가 공급되는 과정;
    (c) 상기 PCM의 접속부에 절연 테이프가 부착되는 과정;
    (d) 상기 절연 테이프가 부착된 PCM을 탑 캡 하우징 장착부에 안착시키는 과정;
    (e) 탑 캡 하우징 공급부에 의해 제공되는 탑 캡 하우징을 PCM 상단면에 결합하여 탑 캡 어셈블리를 조립하는 과정;
    (f) 상기 탑 캡 어셈블리의 조립 이상 유무를 검사하는 과정; 및
    (g) 상기 탑 캡 어셈블리를 배출하는 과정;
    을 포함하고,
    상기 캐리어 모듈은 상부가 개방되어 있는 장방형의 구조로 이루어져 있고, PCM 상부로 노출된 상태로 다수의 PCM들이 일정한 간격으로 장착될 수 있도록 내면에 장착 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
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