JP2020535601A - 直/並列連結を容易にする構造を有するバッテリーモジュール及びそれを含むバッテリーパック - Google Patents

直/並列連結を容易にする構造を有するバッテリーモジュール及びそれを含むバッテリーパック Download PDF

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Abstract

本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールは、バッテリーセル、前記バッテリーセルに備えられた電極リードに取り付けられるバスバー、及び前記バッテリーセルのテラス部に取り付けられて電極リードとバスバーの少なくとも一部をその内側に収容するバスバーフレームを含む複数の単位モジュールが積層されて形成される単位モジュール積層体と、前記バスバーフレームに備えられたコネクタホルダによって固定されて前記バスバーと接触するコネクタとを含む。

Description

本発明は、直/並列連結を容易にする構造を有するバッテリーモジュール及びそれを含むバッテリーパックに関し、より詳しくは、それぞれの単位モジュール毎にバスバーが備えられ、多様な大きさのコネクタを用いて互いに隣接したバッテリーセルを2個または3個以上ずつ電気的に連結することで、所望の直/並列連結構造を自在に構成できるバッテリーモジュール及びそれを含むバッテリーパックに関する。
本出願は、2018年4月20日出願の韓国特許出願第10−2018−0046305号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
複数のバッテリーセルを含んで構成されるバッテリーモジュールは、それぞれのバッテリーセルの電極リード同士をバスバーを用いて連結することで、バッテリーセル間の電気的連結が具現される。
図1及び図2を参照すれば、従来のバッテリーモジュールの構造が示されている。
このような従来のバッテリーモジュールでは、複数のバッテリーセル1を積層してセル積層体2を構成した後、バスバー3を含むバスバーフレーム4をバッテリーセル積層体2の両側に結合することで、複数のバッテリーセル1の間に直列連結形態、並列連結形態または直列と並列とが混合された連結形態を具現することができる。
このような従来のバッテリーモジュールは、所望の電気的連結形態及びセル積層体2の大きさや形状に合わせた専用のバスバーフレーム4が個別的に求められるため、新たなモデルを開発する度にそれに応じたバスバーフレームを開発及び製作しなければならないという問題がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、新たなモデルのバッテリーモジュールを開発する度にそれに応じた専用バスバーフレームを製作する必要なく、所望の電気的連結関係に合わせてバッテリーセルの個数及びコネクタのサイズ/数量のみを変えて、容易に多様な形態のバッテリーモジュールを製作可能にすることを目的とする。
ただし、本発明が解決しようとする技術的課題は上述した課題に制限されず、他の課題は下記の発明の説明から当業者に明確に理解できるであろう。
上述した問題点を解決するため、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールは、バッテリーセル、前記バッテリーセルに備えられた電極リードに取り付けられるバスバー、及び前記バッテリーセルのテラス部に取り付けられて電極リードとバスバーの少なくとも一部をその内側に収容するバスバーフレームを含む複数の単位モジュールが積層されて形成される単位モジュール積層体と、前記バスバーフレームに備えられたコネクタホルダによって固定されて前記バスバーと接触するコネクタとを含む。
前記コネクタホルダによって前記コネクタの固定位置がブロック化され得る。
前記バスバーフレームは、前記テラス部の上面の少なくとも一部を覆う第1単位フレームと、前記テラス部の下面の少なくとも一部を覆い、前記第1単位フレームに結合される第2単位フレームとを含み得る。
前記第1単位フレームと第2単位フレームとはその形状が互いに点対称関係であり得る。
前記第1単位フレーム及び第2単位フレームは、それぞれ、対向面上に形成される少なくとも一つ以上の固定突起、及び前記固定突起に対応する大きさと形状を有する突起収容溝を備え得る。
前記第1単位フレームの結合面に形成された固定突起は、第2単位フレームの結合面に形成された突起収容溝に対応する大きさと形状で、対応する位置に形成され得る。
前記固定突起及び突起収容溝は、前記第1単位フレームと第2単位フレームそれぞれの対向面の反対側の面上にも形成され得る。
本発明の一実施形態によるバッテリーパックは、上述した本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールが複数個連結されて具現される。
一方、本発明の一実施形態による自動車は、このような本発明の一実施形態によるバッテリーパックを含む形態で具現される。
本発明の一実施形態によれば、新たなモデルのバッテリーモジュールを開発する度にそれに応じた専用バスバーフレームを製作する必要なく、所望の電気的連結関係に合わせてバッテリーセルの個数及びコネクタのサイズ/数量のみを変えて、容易に多様な形態のバッテリーモジュールを製作することができる。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施形態を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
従来のバッテリーモジュールの構造を示した図である。 従来のバッテリーモジュールの構造を示した図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールの一部を示した斜視図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールの一部を示した正面図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用される単位モジュール積層体を示した図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用される単位モジュールを示した分解斜視図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用されるバッテリーセルを示した斜視図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用される単位モジュールとバスバーとが結合された形態を示した正面図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用されるバスバーフレームを構成する単位フレームを示した斜視図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用されるバスバーフレームを構成する単位フレームを図9と異なる角度で示した斜視図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用されるバスバーフレームを構成する単位フレームを示した側面図である。 ブロック化されたコネクタ結合座に一種のバスバーを複数個用いて13個のバッテリーセルを1P/13Sタイプで連結する様子を示した図である。 ブロック化されたコネクタ結合座に一種のバスバーを複数個用いて13個のバッテリーセルを1P/13Sタイプで連結する様子を示した図である。 ブロック化されたコネクタ結合座に二種のバスバーを用いて12個のバッテリーセルを2P/6Sタイプで連結する様子を示した図である。 ブロック化されたコネクタ結合座に二種のバスバーを用いて12個のバッテリーセルを2P/6Sタイプで連結する様子を示した図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施形態及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
まず、図3〜図6を参照して本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールの全体的な構成について説明する。
図3は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールの一部を示した斜視図であり、図4は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールの一部を示した正面図である。また、図5は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用される単位モジュール積層体を示した図であり、図6は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用される単位モジュールを示した分解斜視図である。
図3及び図4を参照すれば、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールは、単位モジュール積層体10、コネクタ20及び外部端子30を含む形態で具現される。
図5及び図6を参照すれば、前記単位モジュール積層体10は、複数の単位モジュール100が積層されて具現される一つの積層体であり、それぞれの単位モジュール100は、バッテリーセル110、バッテリーセル110の電極リード114と連結されるバスバー120、及びバッテリーセル110のテラス部Tに取り付けられるバスバーフレーム130を含む形態で具現される。それぞれの単位モジュール積層体10は、互いに隣接したバッテリーセル110の広い面同士が対面するように積層されて形成されるものである。
前記コネクタ20は、互いに隣接した単位モジュール積層体10同士を電気的に連結するための部品であって、互いに隣接した単位モジュール積層体10にそれぞれ備えられたバスバー120同士を連結する。
前記外部端子30は、単位モジュール積層体10を構成する複数の単位モジュール100のうち最外側に配置される単位モジュール100に備えられるバスバー120と接触して、外部電子機器との電気的連結のための端子として機能する。
以下、図6とともに図7を参照して、本発明の一実施形態による単位モジュール100を構成するバッテリーセル110について説明する。
図6は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用される単位モジュールを示した分解斜視図であり、図7は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用されるバッテリーセルを示した斜視図である。
図6及び図7を参照すれば、前記バッテリーセル110としては、パウチ型バッテリーセルが適用され得る。前記バッテリーセル110は、電極組立体(図示せず)、セルケース111及び電極リード114を含む形態で具現される。
図示していないが、前記電極組立体は、交互に繰り返して積層された正極板と負極板との間にセパレータを介在させた形態を有し、両側の最外郭には絶縁のためにセパレータがそれぞれ位置することが望ましい。
前記正極板は、正極集電体及びその一面または両面上にコーティングされる正極活物質層からなり、その一端部には正極活物質がコーティングされていない正極無地部領域が形成されるが、このような正極無地部領域は電極リード114と連結される正極タブとして機能する。
同様に、前記負極板は、負極集電体及びその一面または両面上にコーティングされる負極活物質層からなり、その一端部には負極活物質がコーティングされていない負極無地部領域が形成されるが、このような負極無地部領域は電極リード114と連結される負極タブとして機能する。
また、前記セパレータは、正極板と負極板との間に介在されて、異なる極性を有する電極板同士が直接接触することを防止するが、正極板と負極板との間で電解質を媒介体にしたイオンの移動ができるように、多孔性材質からなり得る。
前記セルケース111は、電極組立体(図示せず)を収容する収容部112、及び収容部の周縁方向に延びて、電極リード114が外部に引き出された状態で熱融着され、セルケース111を密封させるシーリング部113の二つの領域を含む。
前記電極リード114は、正極タブに連結される正極リードと負極タブに連結される負極リードとに分けられ、正極リードと負極リードのそれぞれはセルケース111の外側に引き出されるが、互いに反対方向に引き出される。
一方、本発明では、前記収容部112の周縁に形成されるシーリング部113において、電極リード114が引き出される方向に位置するシーリング部113を特にテラス部Tと定義する。
以下、図6を再度参照して、本発明の一実施形態による単位モジュール100を構成するバスバー120について説明する。
図6を参照すれば、前記バスバー120は、バスバーフレーム130に固定された状態で電極リード114と溶接によって接合され、一部はバスバーフレーム130の内側に位置し、他の一部はバスバーフレーム130の外側に露出する。このようにバスバーフレーム130の外側に露出するバスバーフレーム130の一部は、上述したコネクタ20(図3及び図4を参照)に連結されることで、互いに隣接したバッテリー単位モジュール100同士の電気的連結を形成することができる。
より具体的には、前記バスバー120は、接合部121、露出部122及びフック部123を含む。
前記接合部121は、電極リード114に平行な方向、すなわち水平方向に延びて電極リード114と接触し、バスバーフレーム130の内側に位置する。前記露出部122は、接合部121から曲げられて接合部121と垂直な方向に延び、バスバーフレーム130の外側に引き出されて後述するバスバー載置部136上に載置される。
前記フック部123は、接合部121の端部から露出部122に平行な方向に延び、一つまたは二つ以上が備えられる。このようなフック部123は、バスバー120をバスバーフレーム130の内側に固定するものであって、バスバーフレーム130の内側面に備えられたフック固定部135に結合/固定される。
このように、前記バスバー120は、バスバーフレーム130の内部に固定され、その一部がバスバーフレーム130の外側に露出するように設けられる。バスバーフレーム130の内側に位置する部分である接合部121は、電極リード114の下面と接合し、バスバーフレーム130の外側に位置する部分である露出部122は、コネクタ20と連結されて隣接した単位モジュール10同士を電気的に連結する。
以下、図6とともに図8〜図11を参照して、本発明の一実施形態による単位モジュール100を構成するバスバーフレーム130について説明する。
図8は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用される単位モジュールとバスバーとが結合された形態を示した正面図であり、図9及び図10は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用されるバスバーフレームを構成する単位フレームをそれぞれ異なる角度で示した斜視図であり、図11は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用されるバスバーフレームを構成する単位フレームを示した側面図である。
まず、図6及び図8を参照すれば、前記バスバーフレーム130は、バッテリーセル110のテラス部Tに取り付けられ、上述したようにバスバー120の支持体として機能する。
前記バスバーフレーム130は、同じ形態を有する第1単位フレーム130Aと第2単位フレーム130Bとが結合されて具現される。すなわち、前記第1単位フレーム130Aと第2単位フレーム130Bとは、同じ形態を有する部品であって、第1単位フレーム130Aはテラス部Tの上面の少なくとも一部を覆い、第2単位フレーム130Bはテラス部Tの下面の少なくとも一部を覆いながら相互結合される。
一方、前記第1単位フレーム130Aと第2単位フレーム130Bとが相互結合して一つのバスバーフレーム130を形成したとき、第1単位フレーム130Aと第2単位フレーム130Bとは点対称関係をなす。
すなわち、完成された一つのバスバーフレーム130において、第1単位フレーム130Aを長さ方向の中心点を基準にして180度回転させれば、第2単位フレーム130Bと同じ形態になる。
このように互いに点対称関係をなしている一対の単位フレーム130A、130Bが結合するとき、結合面の隙間からバスバー120が引き出される。すなわち、前記バスバー120の露出部122は、第1単位フレーム130Aと第2単位フレーム130Bとの結合面の隙間を通って引き出される。
また、引き出されたバスバー120は、第1単位フレーム130Aまたは第2単位フレーム130Bに向かって曲げられて第1単位フレーム130Aまたは第2単位フレーム130Bに形成されたバスバー載置部136に載置されるが、曲げ方向は第1単位フレーム130Aと接する単位モジュール100及び第2単位フレーム130Bと接する単位モジュールのうち何れと電気的な連結関係を成そうとするかによって決定される。
上述したように、一対の単位フレーム130A、130Bは、互いに同じ形態を有する部品であるため、バスバーフレーム130の具体的な構造は、図9〜図11を参照して、一つの単位フレーム(130Aまたは130B)を基準にして説明する。
図9〜図11を参照すれば、前記単位フレーム130A、130Bは、固定突起131、突起収容溝132、溶接スリット133、フック収容溝134、フック固定部135、バスバー載置部136、コネクタホルダ137を含むことができる。
前記固定突起131及び突起収容溝132は、それぞれの単位フレーム130A、130Bの結合面及びその反対側の面上に少なくとも一つ以上形成され、固定突起131と突起収容溝132とは単位フレーム130A、130Bそれぞれの対向面の対応する位置に対を成して形成される。すなわち、第1単位フレーム130Aの結合面に形成された固定突起131は、第2単位フレーム130Bの結合面に形成された突起収容溝132に対応する大きさと形状で、対応する位置に形成される。同様に、第1単位フレーム130Aの結合面に形成された突起収容溝132は、第2単位フレーム130Bの結合面に形成された固定突起131に対応する大きさと形状で、対応する位置に形成される。
このように対を成して固定突起131と突起収容溝132とを形成することで、第1単位フレーム130Aと第2単位フレーム130Bとを互いに結合/固定することができる。
また、このような固定突起131及び突起収容溝132は、単位フレーム130A、130Bそれぞれの対向面だけでなく、その反対側の面にも形成されるため、互いに隣接した単位モジュール(100A、100B)(図4及び図5を参照)同士もこのような固定突起131及び突起収容溝132を用いて結合することができる。
図9及び図11を参照すれば、前記溶接スリット133は、単位フレーム130A、130Bの接合面と垂直な面に形成され、バスバーフレーム130の内部に位置する電極リード114(図5を参照)及びバスバー120の接合部位の溶接を実行可能にする。前記溶接スリット133は、電極リード114とバスバー120との接合部位の全体幅にわたって溶接が行われるように、電極リード114とバスバー120との接合部位の幅と対応する長さで形成され得る。
前記バスバーフレーム130は、バッテリーセル110に取り付けられて単位モジュール100を構成する要素であって、その内部に固定/結合されたバスバー120が電極リード114と密着するように加圧する加圧ジグとしての機能も果たし、また、溶接スリット133を備えることで、溶接空間を確保するための別途の作業なしに容易に溶接を実行できるようにする。
前記フック収容溝134は、溶接スリット133から延設され、バスバー120のフック部123が収容される空間を提供する。このような機能を考慮して、前記フック収容溝134は、フック部123と同じ個数で形成され得る。
前記フック固定部135は、フック収容溝134の内壁面上に形成されるものであって、フック部123と締結できるように対応する形状を有する。すなわち、前記フック固定部135は、フック収容溝134上に形成された溝の形態または突出した突起の形態など多様な形態で形成され得る。
前記バスバー載置部136は、バスバー120のうちバスバーフレーム130の外側に露出した部分である露出部122が揺れることなく載置できるように、露出部122に対応する大きさと形状でバスバーフレーム130の外側面上に凹をなして形成される。
前記バスバー載置部136は、その表面に長さ方向に沿って凹んだ溝状に形成された損傷防止溝136aが備えられるが、これはバスバー120とコネクタ20(図3及び図4を参照)との結合のため溶接が行われる過程でバスバー載置部136が損傷されることを防止するためである。
すなわち、前記バスバーフレーム130は、樹脂射出物からなり得るが、この場合、バスバー載置部136上に載置されたバスバー120の露出部122とコネクタ20との結合のために溶接が行われる過程でバスバー載置部136が熱によって損傷される可能性が高い。
したがって、溶接が行われる溶接線に対応する位置に溝を形成して、部分的にバスバー120とバスバー載置部136とを接触させないことで、溶接による熱伝導によって樹脂射出物が融けることを防止することができる。
以下、図3及び図4とともに図8〜図11を参照して、前記コネクタホルダ137について説明する。
前記コネクタホルダ137は、単位フレーム130A、130Bのバスバー載置部136と同じ面に突出した形態で形成され、単位フレーム130A、130Bの長さ方向の一側及び/または他側に少なくとも一つが形成される。
前記コネクタホルダ137は、コネクタ20とバスバー120との接合のための溶接時にコネクタ20を固定する構成要素である。すなわち、前記コネクタホルダ137によってコネクタ20の固定位置がブロック化され、コネクタホルダ137に対応する大きさと形状でコネクタ20に形成された挿入孔にコネクタホルダ137が挿入されてコネクタ20を固定させることで、別途の固定ジグを用いなくても、コネクタ20とバスバー120との接合のための溶接を実行することができる。
図3及び図4を参照すれば、互いに隣接した一対の単位モジュール(100A、100B)または3個以上の単位モジュール100のそれぞれに備えられたコネクタホルダ137は、一つのコネクタ20と同時に締結され、これによって互いに向かって曲げられた第1単位モジュール100Aのバスバー120と第2単位モジュール100Bのバスバー120とが、一つのコネクタ20と共通して接触し、一対の単位モジュール(100A、100B)または3個以上の単位モジュール100同士が電気的に連結される。
以下、図12〜図15を参照して、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールの多様な電気的連結形態について説明する。
図12及び図13は、ブロック化されたコネクタ結合座に一種のバスバーを複数個用いて13個のバッテリーセルを1P/13Sタイプで連結する様子を示した図であり、図14及び図15は、ブロック化されたコネクタ結合座に二種のバスバーを用いて12個のバッテリーセルを2P/6Sタイプで連結する様子を示した図である。
まず、図12及び図13を参照すれば、前記単位モジュール積層体10を構成するそれぞれの単位モジュール100は互いに直列に連結されている。このようにすべての単位モジュール100が互いに直列に連結されている場合、互いに隣接した一対の単位モジュール100同士を連結するために適用される複数のコネクタ20は、すべて同じサイズ及び/または形状を有し得る。
図14及び図15を参照すれば、一部の単位モジュール100同士は並列で連結されて並列連結グループを成し、互いに隣接した並列連結グループ同士は直列連結を成す。このように直列/並列連結が混合された形態で電気的連結がなされる場合は、並列連結に用いられる第1コネクタ20Aと直列連結に用いられる第2コネクタ20Bとが異なるサイズ及び/または形状を有し得る。
すなわち、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールは、単位モジュール積層体10を成すそれぞれの単位モジュール100毎にコネクタ20の固定のためのコネクタホルダを備えているため、コネクタ20が固定される部分がブロック化されている。これによって、単に前記コネクタ20のサイズ及び形態を変えて適用するだけで、所望の電気的連結形態を具現することができ、単位モジュール100の連結個数を調節することによって所望の容量及び電圧を得ることができる。
以上のように、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
10 単位モジュール積層体
20 コネクタ
20A 第1コネクタ
20B 第2コネクタ
30 外部端子
100 単位モジュール
100A 第1単位モジュール
100B 第2単位モジュール
110 バッテリーセル
111 セルケース
112 収容部
113 シーリング部
114 電極リード
120 バスバー
121 接合部
122 露出部
123 フック部
130 バスバーフレーム
130A 第1単位フレーム
130B 第2単位フレーム
131 固定突起
132 突起収容溝
133 溶接スリット
134 フック収容溝
135 フック固定部
136 バスバー載置部
136a 損傷防止溝
137 コネクタホルダ
T テラス部

Claims (9)

  1. バッテリーセル、前記バッテリーセルに備えられた電極リードに取り付けられるバスバー、及び前記バッテリーセルのテラス部に取り付けられて前記電極リードと前記バスバーの少なくとも一部をその内側に収容するバスバーフレームを含む複数の単位モジュールが積層されて形成される単位モジュール積層体と、
    前記バスバーフレームに備えられたコネクタホルダによって固定されて前記バスバーと接触するコネクタとを含むバッテリーモジュール。
  2. 前記コネクタホルダによって前記コネクタの固定位置がブロック化される、請求項1に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記バスバーフレームは、前記テラス部の上面の少なくとも一部を覆う第1単位フレームと、前記テラス部の下面の少なくとも一部を覆い、前記第1単位フレームに結合される第2単位フレームとを含む、請求項1又は2に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記第1単位フレームと前記第2単位フレームとはその形状が互いに点対称関係である、請求項3に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記第1単位フレーム及び前記第2単位フレームは、それぞれ、
    対向面上に形成される少なくとも一つ以上の固定突起、及び前記固定突起に対応する大きさと形状を有する突起収容溝を備える、請求項3又は4に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記第1単位フレームの結合面に形成された前記固定突起は、前記第2単位フレームの結合面に形成された前記突起収容溝に対応する大きさと形状で、対応する位置に形成される、請求項5に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記固定突起及び前記突起収容溝は、前記第1単位フレームと前記第2単位フレームそれぞれの前記対向面の反対側の面上にも形成される、請求項5又は6に記載のバッテリーモジュール。
  8. 請求項1から7のいずれか一項に記載のバッテリーモジュールが複数個連結されて具現されるバッテリーパック。
  9. 請求項8に記載のバッテリーパックを含む自動車。
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