JP2022546529A - 電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、電池セルのスウェリングを防止する電池モジュールおよびその製造方法に関し、本発明の一実施形態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；下面および左右面で形成されて前記電池セル積層体の下面および左右面を覆う第１フレーム；および上面および前後左右面が一体に形成されて前記電池セル積層体の上面と前後面および前記第１フレームの左右面を覆う第２フレームを含み、前記第１フレームの左右面は前記電池セル積層体が位置した方向に曲がった弾性部材で形成される。

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は、２０２０年３月６日付韓国特許出願第１０－２０２０－００２８５７５号に基づいた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本明細書の一部として組み含まれる。

本発明は、電池モジュールおよびその製造方法に関し、より詳しくはモジュール幅の変形を防止する電池モジュールおよびその製造方法に関する。

二次電池は、モバイル機器および電気自動車などの多様な製品群においてエネルギー源として大きな関心を受けている。このような二次電池は、化石燃料を使用する既存製品の使用を代替できる有力なエネルギー資源であって、エネルギー使用による副産物が発生せず、環境にやさしいエネルギー源として脚光を浴びている。

最近、二次電池のエネルギー貯蔵源としての活用をはじめとして大容量の二次電池構造に対する必要性が高まり、多数の二次電池が直列／並列に連結された電池モジュールを集合させたマルチモジュール構造の電池パックに対する需要が増加している。

一方、複数個の電池セルを直列／並列に連結して電池パックを構成する場合、少なくとも一つの電池セルからなる電池モジュールを構成し、このような少なくとも一つの電池モジュールを利用してその他の構成要素を追加して電池パックを構成する方法が一般的である。

このような電池モジュールは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体、電池セル積層体を収容するモジュールフレームを含む。

図１は従来の上下左右面で形成されたフレームを含む電池モジュールを示す図面である。

図１を参照すると、従来の電池セル積層体１０を覆うフレームは、電池セル積層体１０の上下左右面を覆うフレーム２０、および電池セル積層体１０の前後面を覆うエンドプレート３０で形成される。電池セルの充放電時、電池セルが膨らむスウェリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）現象が発生することがあり、電池セル積層体１０の積層方向に形成されたフレーム２０の両側面２１が電池セル積層体１０からスウェリングによる圧力を受けることがある。この時、一重で形成されたフレーム２０の両側面２１のみで電池セルのスウェリング圧力を耐えなければならないという問題がある。

本発明の解決しようとする課題は、電池セルのスウェリングの発生時、これに耐えることができるフレーム構造を有する電池モジュールおよびその製造方法を提供することにある。

本発明の課題は、以上で言及した課題に制限されず、言及されていないまた他の課題は下記の記載から当業者に明確に理解され得るだろう。

前記課題を実現するための本発明の一実施形態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；下面および左右面で形成されて前記電池セル積層体の下面および左右面を覆う第１フレーム；および上面および前後左右面が一体に形成されて前記電池セル積層体の上面と前後面および前記第１フレームの左右面を覆う第２フレームを含み、前記第１フレームの左右面は前記電池セル積層体が位置した方向に曲がった弾性部材で形成される。

また、前記課題を実現するための本発明の一実施形態による電池モジュールの製造方法は、下面および弾性を有する左右面で形成された第１フレーム上に電池セル積層体を組み立てる段階；前記第１フレームの左右面を前記電池セル積層体が位置した方向に縮める段階；前記第１フレームの左右面が縮められた状態で、上面および前後左右面が一体に形成された第２フレームを、前記電池セル積層体の上面と前後面および前記第１フレームの左右面を覆うように組み立てる段階；および前記第１フレームと前記第２フレームを溶接結合する段階を含む。

前記第１フレームの左右面は前記電池セル積層体の積層方向に沿って位置することができる。

前記弾性部材は板スプリングで形成され得る。

前記第２フレームの一面には前記弾性部材の上端を固定する弾性部材固定部が形成され、前記弾性部材固定部は前記第２フレームの一面から前記電池セル積層体と前記弾性部材の間に突出され得る。

前記第１フレームの左右面下端と前記第２フレームの左右面下端および前記第１フレームの下面前後端と前記第２フレームの前後面下端が溶接結合され得る。

前記第１フレームの左右面下端にはガイドが突出形成され、前記ガイドと対応する前記第２フレームの左右面下端には前記ガイドが挿入されるガイド挿入部が陥没形成され、前記ガイドは前記ガイド挿入部に挿入され得る。

前記第１フレームの上面の幅が前記第２フレームの下面の幅より広く形成され得る。

前記第１フレームおよび前記第２フレームはプレス工法で形成され得る。

前記第１フレームと前記第２フレームを溶接結合する段階で、前記第１フレームの左右面下端と前記第２フレームの左右面下端および前記第１フレームの下面前後端と前記第２フレームの前後面下端を溶接することができる。

本発明の一実施形態による電池モジュールおよびその製造方法は、スウェリングが発生する方向に二重フレーム構造を形成し、内側に位置したフレームは弾性部材で形成されるようにして別途の追加構造なしにスウェリングを防止することができる効果を提供する。

本発明の効果は、以上で言及した効果に制限されず、言及されていないまた他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者に明確に理解され得るだろう。

上下左右面で形成されたフレームを含む電池モジュールを示す図面である。 本発明の一実施形態による電池モジュールを示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールが組み立てられた様子を示す図面である。 図３のＡ－Ａ部分で、本発明の一実施形態による電池モジュールの断面である。 図３のＡ－Ａ部分で、本発明の他の一実施形態による電池モジュールを示す図面である。 本発明のまた他の一実施形態による電池モジュールが組み立てられる様子を示す図面である。 本発明のまた他の一実施形態による電池モジュールが組み立てられた様子を示す図面である。 本発明の一実施形態による電池セル積層体が第１フレームに組み立てられる様子を示す図面である。 図８で組み立てられた第１フレームの左右面を縮める過程を示す図面である。 図９の組立体に第２フレームを組み立てる様子を示す図面である。 図１０の第１、２フレームを溶接する過程で溶接ラインを示す図面である。

以下で説明される実施形態は、発明の理解のために例示として示したものであって、本発明はここで説明される実施形態とは異なるように多様に変形して実施され得ることが理解されるべきである。ただし、本発明を説明するに当たり、関連した公知の機能あるいは構成要素に対する具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にすると判断される場合、その詳細な説明および具体的な図示を省略する。また、添付した図面は、発明の理解のために実際の縮尺のとおり図示されたものでなく、一部の構成要素の寸法が誇張して図示され得る。

本出願で使用される第１、第２用語は、多様な構成要素を説明することに使用され得るが、構成要素は用語により限定されてはならない。用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで使用される。

また、本出願で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであって、権利範囲を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なるように意味しない限り、複数の表現を含む。本出願で「含む」、「なる」または「構成される」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。

以下、図２乃至図４を参照して本発明の一実施形態による電池モジュールについて説明する。

図２は本発明の一実施形態による電池モジュールを示す分解斜視図である。図３は本発明の一実施形態による電池モジュールが組み立てられた様子を示す図面である。図４は図３のＡ－Ａ部分で、本発明の一実施形態による電池モジュールの断面である。

図２乃至図４を参照すると、本発明の一実施形態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１００、下面および左右面で形成されて電池セル積層体１００の下面および左右面を覆う第１フレーム２００、および上面および前後左右面が一体に形成されて電池セル積層体１００の上面と前後面および第１フレーム２００の左右面を覆う第２フレーム３００を含む。第１フレーム２００の左右面２１０は電池セル積層体１００が位置した方向に曲がった弾性部材で形成される。

電池セルは、二次電池であって、パウチ型二次電池で構成され得る。このような電池セルは、複数個で構成され得、複数個の電池セルは互いに電気的に連結され得るように互いに積層されて電池セル積層体１００を形成することができる。複数個の電池セルは、それぞれ電極組立体、セルケースおよび電極組立体から突出した電極リードを含むことができる。

本発明の一実施形態によると、電池セル積層体１００を覆う第１、２フレーム２００、３００を含む。第１フレーム２００は、第１フレーム左右面２１０および第１フレーム下面２２０で形成されて、電池セル積層体１００の下面および左右面を覆うように形成される。

第２フレーム３００は、第２フレーム左右面３１０、第２フレーム前後面３２０および第２フレーム上面３３０が一体に形成されて、電池セル積層体１００の上面と前後面および第１フレーム２００の左右面２１０を覆うように形成される。

本発明の一実施形態によると、第２フレーム左右面３１０が第１フレーム左右面２１０を覆うために、第２フレーム上面３３０の幅が第１フレーム下面２２０の幅より広く形成され得る。

従来は電池セル積層体の積層方向に沿って位置する電池セル積層体の左右面に対応するように形成されるフレーム構造が単一のフレーム構造で形成されてスウェリングの発生時に電池モジュールの変形を防止することに困難があった。

したがって、本発明の一実施形態によると、電池セル積層体１００の積層方向に沿って位置する第１フレーム２００の左右面２１０および第２フレーム３００の左右面３１０の二重フレーム構造が形成されて、スウェリングによる力が作用する電池セルの積層方向に強化された二重フレーム構造が形成されることによって、電池セルのスウェリングの発生時に電池モジュールの変形を効果的に防止することができる。

また従来は電池セル積層体を覆うフレームとして、Ｕ字型フレーム、上部プレート、二つのエンドプレートの多くの部品を組み立てて電池セル積層体を覆う構造、または比較例として、上下左右面で形成されたフレーム、二つのエンドプレートの多くの部品を組み立てて電池セル積層体を覆う構造が開示されているが、多くの部品を結合する従来の構造は、フレームの剛性が低下する虞があり、多くの部品を全て組み立てなければならず、溶接またはボルト組立時に組立ラインが長くなって組立工程が複雑になるという短所があった。

したがって、本発明の一実施形態によると、二つの第１、２フレーム２００、３００のみで電池セル積層体１００を覆うように電池モジュール構造が形成されることによって、フレーム構造を一体化および単純化させ、エンドプレートを第２フレーム３００の前後面３２０が代替することができ、上部プレートを第２フレーム３００の上面３３０が代替することができるため、フレーム部品数を減少させることができ、フレーム部品の組立工程を減少させることができるため、複雑な組立工程で発生し得る品質不良の問題を画期的に改善することができる。

また本発明の一実施形態によると、第１フレーム２００の左右面２１０は、電池セル積層体１００の電池セルの積層方向に曲がった弾性部材で形成されて、弾性部材が電池セル積層体の積層方向、つまり、スウェリングの影響を受ける部分に形成されることによって、電池セルから発生するスウェリングを弾性部材で形成された第１フレーム２００の左右面２１０が吸収することができる。これによって、電池モジュールの左右面方向のモジュール幅を維持することができるようになり、スウェリング現象が発生するにも拘らず、電池モジュールの体積変化を防止することができるため、電池モジュールの使用性を強化することができる。

本発明の一実施形態によると、弾性部材２１０は、板スプリングで形成され得る。したがって、電池セルのスウェリングの発生時、スウェリングによる圧力を受ける部分に位置した板スプリングが縮小されながら電池セルのスウェリングを吸収することができる。

本発明の一実施形態によると、第１フレーム２００と第２フレーム３００は、溶接で結合され得る。この時、第１フレーム２００の左右面下端と第２フレーム３００の左右面下端および第１フレーム２００の下面前後端と第２フレーム３００の前後面下端が溶接結合することができる。

第１フレーム２００と第２フレーム３００のフレーム面の厚さは同一であり得る。第１フレーム２００の左右面２１０および第２フレーム３００の左右面３１０は、電池セル積層体１００の積層方向と垂直になるように配置され得る。

図５は図３のＡ－Ａ部分で、本発明の他の一実施形態による電池モジュールを示す図面である。

図５を参照すると、本実施形態による電池モジュールは、第２フレーム３００の上面３３０には弾性部材２１０の上端を固定する弾性部材固定部３３１が形成され得る。本実施形態によると、第２フレーム３００の上面３３０には弾性部材２１０の上端を固定する弾性部材固定部３３１が形成され、弾性部材固定部３３１は、第２フレーム３００の上面３３０から電池セル積層体１００と弾性部材２１０の間に突出され得る。

弾性部材固定部３３１が弾性部材２１０の上端を固定することによって弾性部材で形成された第１フレームの左右面２１０を第２フレーム３００に固定させることができ、電池セルのスウェリングの発生時により効果的にスウェリングを吸収することができる。

図６は本発明のまた他の一実施形態による電池モジュールが組み立てられる様子を示す図面である。図７は本発明のまた他の一実施形態による電池モジュールが組み立てられた様子を示す図面である。

図６および図７を参照すると、本実施形態による電池モジュールは、第１フレーム２００の左右面下端にガイド４００が突出形成され、ガイド４００と対応する第２フレーム３００の左右面下端にはガイド４００が挿入されるガイド挿入部５００が陥没形成され、ガイド４００はガイド挿入部５００に挿入され得る。

したがって、第２フレーム３００を電池セル積層体１００が組み立てられた第１フレーム２００に組立時、第１フレーム２００に形成されたガイド４００に合わせて第２フレーム３００を第１フレーム２００に組み立てることができる。ガイド４００を通じた組立により、組立正確度が向上し、突出形成されたガイド４００により組立剛性が強化され得る。

以下、図８乃至図１１を参照して本発明の一実施形態による電池モジュールの組立方法について説明する。

図８は本発明の一実施形態による電池セル積層体が第１フレームに組み立てられる様子を示す図面である。図９は図８で組み立てられた第１フレームの左右面を縮める過程を示す図面である。図１０は図９の組立体に第２フレームを組み立てる様子を示す図面である。図１１は図１０の第１、２フレームを溶接する過程で溶接ラインを示す図面である。

図８乃至図１１を参照すると、本発明の一実施形態による電池モジュールの組立方法は、下面および弾性を有する左右面で形成された第１フレーム２００上に電池セル積層体１００を組み立てる段階（図８）、第１フレーム２００の左右面２１０を電池セル積層体１００が位置した方向に縮める段階（図９）、第１フレーム２００の左右面２１０が縮められた状態で、上面および前後左右面が一体に形成された第２フレーム３００を、電池セル積層体１００の上面と前後面および第１フレーム２００の左右面を覆うように組み立てる段階（図１０）および第１フレーム２００と第２フレーム３００を溶接結合する段階（図１１）を含む。

本発明の第１フレーム左右面２１０は、弾性部材で形成されて、第１フレーム２００上に電池セル積層体１００を組み立てた後、第１フレーム左右面２１０が電池セル積層体１００の側面と密着せずに外側に広がり得る。第１フレーム左右面２１０の外側部分に第２フレーム左右面３１０が位置するように第２フレーム２００を組み立てなければならないため、第１フレーム左右面２１０を電池セル積層体１００が位置した方向に縮めた状態で第２フレーム２００を第１フレーム左右面２１０を覆うように組み立てることができる。

本発明の一実施形態によると、第１フレーム２００および第２フレーム３００は、プレス工法で形成され得る。第１、２フレーム２００、３００は同一の材質で形成され得る。これによって、フレーム部品の製造時、単一の工法で第１、２フレーム２００、３００の製造が可能であるため、製造工程を単純化することができ、品質不良を減少させることができる。

本発明の一実施形態によると、第１フレーム２００と第２フレーム３００を溶接結合する段階で、第１フレーム２００の左右面下端と第２フレーム３００の左右面下端および第１フレーム２００の下面前後端と第２フレーム３００の前後面下端を溶接することができる。溶接ラインに対する内容は図１０に示されている。

従来は電池セル積層体をＵ字型フレーム内部に挿入し、電池セル積層体の上側に上部プレートを組み立て、上部プレートとＵ字型フレームを溶接し、第１エンドプレートを組み立て、第１エンドプレートとＵ字型フレームおよび上部プレートを溶接し、第２エンドプレートを組み立て、第２エンドプレートとＵ字型フレームおよび上部プレートを溶接する複雑な組立過程を経てフレーム構造を組み立てなければならないという問題があった。また上下左右面で形成されたフレームの場合、電池セル積層体を上下左右面で形成されたフレーム内部に挿入し、電池セル積層体の前後面にエンドプレートを組み立てた後、エンドプレートとフレームを溶接する複雑な組立過程を経てフレーム構造を組み立てなければならないという問題があった。

しかし、本発明の一実施形態によると、第１、２フレーム２００、３００の二つのフレーム部品のみで電池セル積層体１００を覆うことができる構造を有しているため、電池セル積層体１００を第１フレーム２００に挿入し、弾性を有する第１フレーム左右面２１０を縮めた後、第２フレーム３００を第１フレーム２００に組み立て、第１、２フレーム２００、３００を互いに溶接する簡単な組立過程を通じて電池モジュールフレーム構造を形成することができるため、従来の技術に比べて溶接工程が単純化され、製造工程が単純化されることによって製品の不良率が減少することができる。

前述した電池モジュールは、電池パックに含まれ得る。電池パックは、本実施形態による電池モジュールを一つ以上集めて電池の温度や電圧などを管理する電池管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ；ＢＭＳ）と冷却装置などを追加してパッキングした構造であり得る。

前記電池パックは、多様なデバイスに適用され得る。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され得るが、本発明はこれに制限されず、電池モジュールを使用することが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。

以上では本発明の好ましい実施形態について図示して説明したが、本発明は前述した特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱せずに当該発明が属する技術分野における通常の知識を有する者により多様な変形実施が可能であることはもちろん、このような変形実施は本発明の技術的な思想や展望から個別的に理解されてはならない。

１００：電池セル積層体
２００：第１フレーム
２１０：第１フレーム左右面（弾性部材）
２２０：第１フレーム下面
３００：第２フレーム
３１０：第２フレーム左右面
３２０：第２フレーム前後面
３３０：第２フレーム上面
３３１：弾性部材固定部
４００：ガイド
５００：ガイド挿入部

Claims (11)

1. 複数の電池セルが積層されている電池セル積層体；
   下面および左右面で形成されて前記電池セル積層体の下面および左右面を覆う第１フレーム；および
   上面および前後左右面が一体に形成されて前記電池セル積層体の上面と前後面および前記第１フレームの左右面を覆う第２フレームを含み、
   前記第１フレームの左右面は前記電池セル積層体が位置した方向に曲がった弾性部材で形成される電池モジュール。
2. 前記第１フレームの左右面は前記電池セル積層体の積層方向に沿って位置する、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記弾性部材は板スプリングで形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
4. 前記第２フレームの一面には前記弾性部材の上端を固定する弾性部材固定部が形成され、
   前記弾性部材固定部は前記第２フレームの一面から前記電池セル積層体と前記弾性部材の間に突出された、請求項１に記載の電池モジュール。
5. 前記第１フレームの左右面下端と前記第２フレームの左右面下端および前記第１フレームの下面前後端と前記第２フレームの前後面下端が溶接結合される、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
6. 前記第１フレームの左右面下端にはガイドが突出形成され、
   前記ガイドと対応する前記第２フレームの左右面下端には前記ガイドが挿入されるガイド挿入部が陥没形成され、
   前記ガイドは前記ガイド挿入部に挿入される、請求項１に記載の電池モジュール。
7. 前記第１フレームの上面の幅が前記第２フレームの下面の幅より広く形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
8. 下面および弾性を有する左右面で形成された第１フレーム上に電池セル積層体を組み立てる段階；
   前記第１フレームの左右面を前記電池セル積層体が位置した方向に縮める段階；
   前記第１フレームの左右面が縮められた状態で、上面および前後左右面が一体に形成された第２フレームを、前記電池セル積層体の上面と前後面および前記第１フレームの左右面を覆うように組み立てる段階；および
   前記第１フレームと前記第２フレームを溶接結合する段階を含む電池モジュールの製造方法。
9. 前記第１フレームおよび前記第２フレームはプレス工法で形成される、請求項８に記載の電池モジュールの製造方法。
10. 前記第１フレームと前記第２フレームを溶接結合する段階で、前記第１フレームの左右面下端と前記第２フレームの左右面下端および前記第１フレームの下面前後端と前記第２フレームの前後面下端を溶接する、請求項８に記載の電池モジュールの製造方法。
11. 請求項１に記載の電池モジュールを含む電池パック。

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