JP2022546526A - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents

Abstract

本発明は、電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関し、本発明の一実施例による電池モジュールは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体と、前記電池セル積層体を囲むモジュールフレームと、前記モジュールフレームから露出する前記電池セル積層体の前後面を覆うバスバーフレームと、前記バスバーフレームを覆うエンドプレートとを含み、前記モジュールフレームは、前記電池セル積層体の下部および両側面を覆う下部フレームと、前記電池セル積層体の上部を覆う上部プレートとを含み、前記上部プレートと結合する前記下部フレームの端部には少なくとも１つの組立ガイド部が形成される。

Description

（関連出願との相互参照）
本出願は、２０２０年４月２９日付の韓国特許出願第１０－２０２０－００５２２６４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すべての内容は本明細書の一部として含まれる。

本発明は、電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関し、より具体的には、組立性が改善された電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関する。

製品群による適用の容易性が高く、高いエネルギー密度などの電気的特性を有する二次電池は、携帯用機器だけでなく、電気的駆動源によって駆動する電気自動車またはハイブリッド自動車、電力貯蔵装置などに普遍的に応用されている。このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少させることができるという一次的なメリットだけでなく、エネルギーの使用による副産物が全く発生しないという点で環境にやさしくおよびエネルギー効率性アップのための新たなエネルギー源として注目されている。

小型モバイル機器にはデバイス１台あたり１個または２、３個の電池セルが用いられるのに対し、自動車などのような中大型デバイスには高出力大容量が必要である。したがって、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が用いられる。

中大型電池モジュールはできるだけ小さい大きさと重量で製造されることが好ましいので、高い集積度で積層可能であり、容量対比重量の小さい角形電池、パウチ型電池などが中大型電池モジュールの電池セルとして主に用いられている。一方、電池モジュールは、セル積層体を外部衝撃、熱または振動から保護するために、前面と後面が開放されて電池セル積層体を内部空間に収納するフレーム部材を含むことができる。

図１は、従来のモジュールフレームを有する電池モジュールを示す斜視図である。図２は、図１のｘｚ平面に沿った断面図を示す図である。

図１および図２を参照すれば、電池モジュールは、複数の電池セル１１が積層されて形成された電池セル積層体１２を覆うように前面と後面が開放されたモジュールフレーム１０と、モジュールフレーム１０の前面と後面を覆うエンドプレート２０とを含むことができる。モジュールフレーム１０は、Ｕ字状フレーム１０ａと、Ｕ字状フレーム１０ａの開放された上部を覆う上部プレート１０ｂとを含むことができる。Ｕ字状フレーム１０ａは、電池セル積層体１２の下面を覆う底部１０ａ１と、底部１０ａ１の両側から上方に突出した構造である２つの側面部１０ａ２とを含むことができる。エンドプレート２０は、モジュールフレーム１０の一側を覆う前面プレート２０ａと、モジュールフレーム１０の他の一側を覆う後面プレート２０ｂとを含むことができる。

このような電池モジュールを形成するために、電池セル積層体１２がモジュールフレーム１０の内部に装着された状態で、モジュールフレーム１０のＵ字状フレーム１０ａと上部プレート１０ｂとを結合するために溶接などを行うことができる。この時、Ｕ字状フレーム１０ａ上に上部プレート１０ｂが載せられる組立過程で組立不良が発生しうる。特に、上部プレート１０ｂとＵ字状フレーム１０ａの側面部との間に溶接部ＷＰを形成する時、組立整列のためのガイドの不在によって不良が発生しうる。特に、図２に示すように、電池セル１１の厚さ公差によってＵ字状フレーム１０ａの側面部１０ａ２が開いて組立不良の発生の可能性が大きい。

したがって、従来技術のこのような問題を解決できる技術が必要であるのが現状である。

本発明が解決しようとする課題は、組立性が改善された電池モジュールおよびこれを含む電池パックを提供することである。

しかし、本発明の実施例が解決しようとする課題は上述した課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張可能である。

本発明の一実施例による電池モジュールは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体と、前記電池セル積層体を囲むモジュールフレームと、前記モジュールフレームから露出する前記電池セル積層体の前後面を覆うバスバーフレームと、前記バスバーフレームを覆うエンドプレートとを含み、前記モジュールフレームは、前記電池セル積層体の下部および両側面を覆う下部フレームと、前記電池セル積層体の上部を覆う上部プレートとを含み、前記上部プレートと結合する前記下部フレームの端部には少なくとも１つの組立ガイド部が形成される。

前記下部フレームは、前記電池セル積層体の下部を支える底部と、前記底部の両端部から上方に延長された２つの側面部とを含み、前記組立ガイド部は、前記側面部の上端部に形成される。

前記組立ガイド部は、一方向に突出した突起形状の支持部を含むことができる。

前記上部プレートには、前記組立ガイド部の支持部が組立てられる溝部が形成される。

前記側面部の幅は、前記支持部の幅より広い。

前記溝部は、前記上部プレートの端部の一側の端が開放された構造を有することができる。

前記支持部は、前記側面部の水平方向の端部の一側に形成される。

前記支持部は、ベンディング部を含むことができる。

前記ベンディング部は、前記支持部が突出した方向で曲がって前記側面部と連結される。

本発明の他の実施例による電池パックは、上記で説明した電池モジュールを含む。

実施例によれば、モジュールフレームにスロット型組立ガイド構造を形成することによって、モジュールフレームの組立時に誤整列が発生するのを防止することができる。このような組立性の改善によりモジュールフレームの溶接結合時に溶接不良が発生するのを防止することができる。

従来のモジュールフレームを有する電池モジュールを示す斜視図である。 図１のｘｚ平面に沿った断面図である。 本発明の一実施例による電池モジュールを示す分解斜視図である。 図３の電池モジュールに含まれている下部フレームを示す斜視図である。 図３の電池モジュールに含まれている上部プレートを示す斜視図である。 本発明の一実施例による電池モジュールにおいて、上部プレートと下部フレームとの組立部を示す部分斜視図である。 本発明の他の実施例による電池モジュールにおいて、上部プレートと下部フレームとの組立部を示す部分斜視図である。 本発明のさらに他の実施例による電池モジュールにおいて、上部プレートと下部フレームとの組立部を示す部分斜視図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の様々な実施例について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。

本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付す。

また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜のために任意に示したので、本発明が必ずしも図示のところに限定されない。図面において様々な層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして、図面において、説明の便宜のために、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。

また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上に」あるとする時、これは、他の部分の「直上に」ある場合のみならず、その中間にさらに他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分の「直上に」あるとする時には、中間に他の部分がないことを意味する。さらに、基準となる部分の「上に」あるというのは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の反対方向に向かって「上に」位置することを意味するわけではない。

また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。

さらに、明細書全体において、「平面上」とする時、これは、対象部分を上から見た時を意味し、「断面上」とする時、これは、対象部分を垂直に切断した断面を横から見た時を意味する。

図３は、本発明の一実施例による電池モジュールを示す分解斜視図である。

図３を参照すれば、本発明の一実施例による電池モジュールは、複数の電池セル１１０が積層されている電池セル積層体１００と、電池セル積層体１００を収容するモジュールフレーム２００と、電池セル積層体１００の前後面に形成されたバスバーフレーム４００と、電池セル積層体１００を基準としてバスバーフレーム４００の外側をカバーするエンドプレート６００とを含む。

本実施例による電池セル１１０は、二次電池として、パウチ型二次電池で構成される。このような電池セル１１０は複数個で構成され、複数の電池セル１１０は、相互電気的に連結できるように相互積層されて電池セル積層体１００を形成することができる。複数の電池セル１１０はそれぞれ、電極組立体と、セルケースと、電極組立体から突出した電極リードとを含むことができる。

バスバーフレーム４００にはバスバー４１１およびコネクタ５００が装着される。コネクタ５００は、バスバーフレーム４００に装着されたバスバーまたはサーミスタから電圧および温度をセンシングしてＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）に伝達することができる。電池セル積層体１００の前後面に形成されたバスバーフレーム４００のうち、電池セル積層体１００の前面に位置するバスバーフレーム４００には第１コネクタ５１０が形成され、電池セル積層体１００の後面に位置するバスバーフレーム４００には第２コネクタ５２０が形成される。

従来は、電池セル積層体１００の前後面に形成された２つのバスバーフレームのうちの１つのバスバーフレーム部分にのみコネクタが形成され、コネクタが形成されていないバスバーフレーム部分は、軟性平板ケーブルを介して電池セル積層体を基準として反対側に位置したコネクタに電圧および温度センシング情報を伝達した。この時、軟性平板ケーブルが電池セル積層体の上側に位置することによって、軟性平板ケーブルを組立てる工程および軟性平板ケーブルを介した連結に問題がないかを確認する工程を別途に必要としていた。

本発明の一実施例によれば、電池セル積層体１００の前後面に形成されたバスバーフレーム４００それぞれの一側に第１、第２コネクタ５１０、５２０が別途に形成されることによって、軟性平板ケーブルを別途に組立てる必要なく各バスバーフレーム４００に形成されたコネクタを介してセンシングされた電圧および温度を双方向にＢＭＳに伝送することができる。これによって、電池モジュールの製造コストを節減することができ、電池モジュールの構造が単純化できる。また、軟性平板ケーブルの組立工程および連結不良確認工程が省かれて電池モジュールの製造工程が単純化できる。

モジュールフレーム２００内に電池セル積層体１００が配置される。本実施例によれば、モジュールフレーム２００は、電池セル積層体１００の下面および両側面をカバーする下部フレーム２１０と、電池セル積層体１００の上面をカバーする上部プレート２２０とを含むことができる。

電池セル積層体１００の前後面にバスバーフレーム４００が装着された状態で電池セル積層体１００を下部フレーム２１０に配置することができる。以後、電池セル積層体１００の上部を覆うように上部プレート２２０を組立てることができる。この時、上部プレート２２０と下部フレーム２１０の固定により電池セル積層体１００がモジュールフレーム２００内で安定的に配置できるようにする。

電池セル積層体１００を収納するモジュールフレーム２００の下部フレーム２１０は、Ｕ字状フレームであってもよい。Ｕ字状フレーム２１０は、底部２１０ａと、底部２１０ａの両端部から上方に延長された２つの側面部２１０ｂとを含むことができる。底部２１０ａは、電池セル積層体１００の下面（ｚ軸の反対方向）をカバーすることができ、側面部２１０ｂは、電池セル積層体１００の両側面（ｘ軸方向とその反対方向）をカバーすることができる。

上部プレート２２０は、Ｕ字状フレーム２１０によって囲まれる前記下面および前記両側面を除いた残りの上面（ｚ軸方向）を囲む１つの板状型構造で形成される。上部プレート２２０とＵ字状フレーム２１０は、互いに対応する端部が接触した状態で、溶接などによって結合されることによって、電池セル積層体１００を上下左右にカバーする構造を形成することができる。上部プレート２２０とＵ字状フレーム２１０を介して電池セル積層体１００を物理的に保護できる。このために、上部プレート２２０とＵ字状フレーム２１０は、所定の強度を有する金属材料を含むことができる。

先に図１および図２を参照して説明したように、電池セル積層体１００がモジュールフレーム２００の内部に装着された状態で、モジュールフレーム２００のＵ字状フレーム２１０と上部プレート２２０とを結合するために溶接などを行うことができる。この時、溶接部を形成するためには、Ｕ字状フレーム２１０の側面部２１０ｂと上部プレート２２０の接合面が互いに対応して位置するようにＵ字状フレーム２１０と上部プレート２２０を固定させる必要がある。ただし、Ｕ字状フレーム２１０と上部プレート２２０とが互いに綿密に対応するように固定することに限界があり、これによって前記溶接が円滑に行われない問題がある。

また、前記溶接のためにレーザ溶接を実施できるが、溶接過程で貫通したレーザ自体や溶接のスパッタ（ｗｅｌｄ ｓｐａｔｔｅｒ）によって電池セルをはじめとする内部部品に損傷が加えられることがある。この時、Ｕ字状フレーム２１０上に上部プレート２２０が載せられる組立過程で組立不良が発生すると、溶接ラインも誤整列されて溶接不良が発生しうる。それだけでなく、溶接スパッタがはるかに多く電池セルの位置する電池モジュールの内部に流入するので、より大きな問題が発生しうる。

このような問題を低減するために、本実施例による電池モジュールは、スロット型組立ガイド構造を有する下部フレームを含むことによって、下部フレームと上部プレートとの組立性を改善し、これによって溶接不良も防止することができる。これについて、図４～図６を参照して詳しく説明する。

図４は、図３の電池モジュールに含まれている下部フレームを示す斜視図である。図５は、図３の電池モジュールに含まれている上部プレートを示す斜視図である。図６は、本発明の一実施例による電池モジュールにおいて、上部プレートと下部フレームとの組立部を示す部分斜視図である。

図４を参照すれば、本実施例によるＵ字状フレーム２１０の側面部２１０ｂの上端部には組立ガイド部２１０Ｇが形成される。組立ガイド部２１０Ｇは、Ｕ字状フレーム２１０の側面部２１０ｂの上端部に少なくとも１つ形成される。複数の組立ガイド部２１０Ｇは、一定の間隔を有しかつ、互いに離隔して形成される。

本実施例による組立ガイド部２１０Ｇは、ｚ軸方向に突出した突起形状の支持部２１０Ｐを含むことができる。

図５を参照すれば、本実施例による上部プレート２２０には、Ｕ字状フレーム２１０に形成された組立ガイド部２１０Ｇに対応する溝部２２０Ｓが形成される。溝部２２０Ｓは、Ｕ字状フレーム２１０の組立ガイド部２１０Ｇが上部プレート２２０と組立てられるように上部プレート２２０の両角に隣接した部分から上部プレート２２０をｚ軸方向に貫通する構造を有することができる。溝部２２０Ｓは、組立ガイド部２１０Ｇの支持部２１０Ｐに対応する形状に形成され、長方形、円形などの多様な形態を有することができる。

図５および図６を参照すれば、下部フレーム２１０の側面部２１０ｂに形成された支持部２１０Ｐが上部プレート２２０に形成された溝部２２０Ｓに挿入される。側面部２１０ｂと上部プレート２２０の一側面が一致した状態で組立てられるようにｘ軸方向に沿って定義される支持部２１０Ｐの幅は、ｘ軸方向に沿って定義される下部フレーム２１０の側面部２１０ｂの幅より狭い。本明細書上で用いられるｘ軸方向は、図３の電池セル１１０が積層される方向と同一であってもよく、ｙ軸方向は、電池セル１１０が積層される方向と垂直であってもよいし、ｚ軸方向は、ｘｙ平面に垂直であってもよい。

本実施例によれば、ｘ軸方向およびｙ軸方向への位置固定をすることにより、組立性を向上させるだけでなく、電池モジュールの耐久性も向上させることができる。

図３に示すように、本発明の一実施例による電池セル積層体１００のように積層される電池セル１１０の個数が、図２に示された電池セル積層体１２での電池セル１１の個数より多くなる大面積モジュールの場合、電池モジュールの水平方向の長さが長くなる。大面積モジュールでは、電池モジュールの水平方向の長さが長くなった構造であるので、中心部位での荷重が大きくて反り変形の可能性が高まる。ここで、水平方向の長さとは、電池セルが積層された方向への長さを意味することができる。前記反り変形によってＵ字状フレーム２１０と上部プレート２２０との結合構造が電池モジュールの使用条件によって歪むことがあるが、本実施例によれば、ｘ軸方向およびｙ軸方向の両方向への強い位置固定によってＵ字状フレーム２１０と上部プレート２２０との結合保持力を向上させることができる。

再び図３を参照すれば、本実施例による電池モジュールは、電池セル積層体１００の前後面をカバーするエンドプレート６００をさらに含むことができる。先に説明したモジュールフレーム２００を介して内部に配置された電池セル積層体１００を物理的に保護できる。エンドプレート６００は、電池セル積層体１００の前面（ｙ軸の反対方向）および後面（ｙ軸方向）に位置することができる。このようなエンドプレート６００は、電池セル積層体１００をカバーするように形成されて、外部の衝撃から電池セル積層体１００およびその他の電装品を物理的に保護できる。

一方、具体的に示さないが、電池セル積層体１００とエンドプレート６００との間には、バスバー４１１が装着されるバスバーフレーム４００および電気的絶縁のための絶縁カバーなどが位置することができる。

図７は、本発明の他の実施例による電池モジュールにおいて、上部プレートと下部フレームとの組立部を示す部分斜視図である。

図７を参照すれば、下部フレームの側面部２１０ｂ’を部分加工してｙｚ平面上で切断した断面がＬ字状である側面部２１０ｂ’を形成することができる。側面部２１０ｂ’は、組立ガイド部として、側面部２１０ｂ’の上端部に形成された突起形状の支持部２１０Ｐ’を含むことができる。本実施例による上部プレート２２０’にはｙ軸方向への一側に溝部２２０Ｓ’が形成され、溝部２２０Ｓ’は、ｙ軸方向への一側部が開放された構造を有することができる。言い換えれば、溝部２２０Ｓ’は、上部プレート２２０’の端部の一側の端が開放される。

本実施例による支持部２１０Ｐ’は、ｙ軸方向への側面部２１０ｂ’の一側に形成され、ｙ軸方向の反対方向に側面部２１０ｂ’を移動しながら支持部２２０Ｐ’が上部プレート２２０’の溝部２２０Ｓ’に組立てられるようにできる。この時、側面部２１０ｂ’と上部プレート２２０’の一側面とが一致した状態で組立てられる。言い換えれば、支持部２１０Ｐ’は、側面部２１０ｂ’の水平方向の端部の一側に形成される。ここで、水平方向とは、ｙ軸方向と同一であってもよい。

図８は、本発明のさらに他の実施例による電池モジュールにおいて、上部プレートと下部フレームとの組立部を示す部分斜視図である。

図８の実施例は、図７の実施例と大部分同一であり、以下では差異がある部分についてのみ説明する。下記の差異を除いて図７の実施例で説明した内容は、本実施例にすべて適用可能である。

図８を参照すれば、本実施例による下部フレームの側面部２１０ｂ’は、曲げ加工によりベンディング部２１０Ｂを有する支持部２１０Ｐ’を含むことができる。ベンディング部２１０Ｂは、支持部２１０Ｐ’が突出した方向で曲がって側面部２１０ｂ’と連結される。側面部２１０ｂ’は、組立ガイド部として、側面部２１０ｂ’の上端部に形成された突起形状の支持部２１０Ｐ’を含むことができる。本実施例による上部プレート２２０’にはｙ軸方向への一側に溝部２２０Ｓ’が形成され、溝部２２０Ｓ’は、ｙ軸方向への一側部が開放された構造を有することができる。

本実施例による支持部２１０Ｐ’は、ｙ軸方向への側面部２１０ｂ’の一側に形成され、ｙ軸方向の反対方向に側面部２１０ｂ’を移動しながら支持部２２０Ｐ’が上部プレート２２０’の溝部２２０Ｓ’に組立てられるようにできる。この時、側面部２１０ｂ’と上部プレート２２０’の一側面とが一致した状態で組立てられる。

一方、本発明の実施例による電池モジュールは、１つまたはそれ以上がパックケース内にパッケージングされて電池パックを形成することができる。電池パックは、１つ以上の電池モジュールがＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、冷却システムなどの各種制御および保護システムとともに装着されて形成される。

上記で説明した電池モジュールおよびこれを含む電池パックは、多様なデバイスに適用可能である。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの運送手段に適用可能であるが、本発明はこれに制限されず、電池モジュールおよびこれを含む電池パックを使用できる多様なデバイスに適用可能であり、これも本発明の権利範囲に属する。

以上、本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

１０：モジュールフレーム
１０ａ１：底部
１０ａ２：側面部
１０ｂ：上部プレート
１１：電池セル
１２：電池セル積層体
２０：エンドプレート
１００：電池セル積層体
１１０：電池セル
２００：モジュールフレーム
２１０：下部フレーム
２１０ａ：底部
２１０ｂ：側面部
２１０Ｂ：ベンディング部
２１０ｂ’：側面部
２１０Ｇ：組立ガイド部
２１０Ｐ：支持部
２１０Ｐ’：支持部
２２０Ｐ’：支持部
２２０：上部プレート
２２０’：上部プレート
２２０Ｓ：溝部
２２０Ｓ’：溝部
４００：バスバーフレーム
４１１：バスバー
６００：エンドプレート

Claims (10)

1. 複数の電池セルが積層されている電池セル積層体と、
   前記電池セル積層体を囲むモジュールフレームと、
   前記モジュールフレームから露出する前記電池セル積層体の前後面を覆うバスバーフレームと、
   前記バスバーフレームを覆うエンドプレートとを含み、
   前記モジュールフレームは、前記電池セル積層体の下部および両側面を覆う下部フレームと、前記電池セル積層体の上部を覆う上部プレートとを含み、
   前記上部プレートと結合する前記下部フレームの端部には少なくとも１つの組立ガイド部が形成される電池モジュール。
2. 前記下部フレームは、前記電池セル積層体の下部を支える底部と、前記底部の両端部から上方に延長された２つの側面部とを含み、
   前記組立ガイド部は、前記側面部の上端部に形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記組立ガイド部は、一方向に突出した突起形状の支持部を含む、請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記上部プレートには、前記組立ガイド部の支持部が組立てられる溝部が形成される、請求項３に記載の電池モジュール。
5. 前記側面部の幅は、前記支持部の幅より広い、請求項４に記載の電池モジュール。
6. 前記溝部は、前記上部プレートの端部の一側の端が開放された構造を有する、請求項４に記載の電池モジュール。
7. 前記支持部は、前記側面部の水平方向の端部の一側に形成される、請求項６に記載の電池モジュール。
8. 前記支持部は、ベンディング部を含む、請求項６に記載の電池モジュール。
9. 前記ベンディング部は、前記支持部が突出した方向で曲がって前記側面部と連結される、請求項８に記載の電池モジュール。
10. 請求項１～９の何れか一項に記載の電池モジュールを含む電池パック。

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