JP2023514286A - 熱収縮フィルムが適用されたバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車 - Google Patents

熱収縮フィルムが適用されたバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車 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、複数のバッテリーセルを含むセル積層体、及びセル積層体の長手方向の一側及び他側を覆うバスバーフレームアセンブリを含むセル積層体アセンブリと、セル積層体アセンブリを覆う熱収縮フィルムと、熱収縮フィルムによって覆われたセル積層体アセンブリを収容するモジュールハウジングと、モジュールハウジングの長手方向の一側及び他側にそれぞれ形成された開口部を覆うエンドプレートと、を含む。

Description

本発明は、熱収縮フィルムが適用されたバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車に関し、より具体的には、セル積層体アセンブリの外面を熱収縮フィルムで覆った構造を有するバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車に関する。
本出願は、2020年8月21日付け出願の韓国特許出願第10-2020-0105288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。
自動車用バッテリーパックに適用されるバッテリーモジュールは、複数のバッテリーセルを積層して形成されたセル積層体の長手方向の両側にバスバーフレームを結合してそれぞれのバッテリーセル同士を電気的に接続し、このようなセル積層体とバスバーフレームとが結合されたセル積層体アセンブリをモジュールハウジング内に収容した形態を有する。また、自動車用バッテリーパックに適用されるバッテリーモジュールは、モジュールハウジングの長手方向の両側にそれぞれエンドプレートが結合された形態を有する。
このような形態の自動車用バッテリーモジュールを製造する際、セル積層体アセンブリの絶縁のためには、セル積層体アセンブリを構成するセル積層体とモジュールハウジングとの接触を防止するための絶縁部品を適用する必要がある。また、セル積層体アセンブリの絶縁のためには、セル積層体アセンブリを構成するバスバーフレームとエンドプレートとの接触を防止するための絶縁部品を適用する必要がある。
このように、絶縁が求められる部位毎に個別的に絶縁部品を適用する場合、バッテリーモジュールの製造に必要な部品の個数が増加して製造コストの上昇が避けられず、増加した部品の個数ほど製造工程も複雑になるため、生産性の低下をもたらすようになる。
また、バッテリーモジュールにおいて、絶縁が必要な部位に絶縁部品を個別的に適用する場合、絶縁部品が覆う領域とそれに接した領域との境界に間隙が生じて完全な絶縁を実現し難い。
したがって、自動車用バッテリーパックに適用されるバッテリーモジュールにおいて、セル積層体とモジュールハウジングとの間の絶縁及びバスバーフレームとエンドプレートとの間の絶縁、そしてその他にバッテリーモジュールに適用される電気部品の絶縁の確実性を保証しながらも絶縁のための部品の個数を増加させない構造を有するバッテリーモジュールの開発が求められている。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリーモジュールを構成する部品同士の間の効果的な絶縁を可能にしながらも絶縁のための部品の個数を増加させない構造を有するバッテリーモジュールを提供することを一目的とする。
本発明が解決しようとする技術的課題は上記の課題に制限されず、その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。
上述した課題を解決するため、本発明の一態様によるバッテリーモジュールは、複数のバッテリーセルを含むセル積層体、及び前記セル積層体の長手方向の一側及び他側を覆うバスバーフレームアセンブリを含むセル積層体アセンブリと、前記セル積層体アセンブリを覆う熱収縮フィルムと、前記熱収縮フィルムによって覆われたセル積層体アセンブリを収容するモジュールハウジングと、前記モジュールハウジングの長手方向の一側及び他側にそれぞれ形成された開口部を覆うエンドプレートと、を含む。
前記バスバーフレームアセンブリは、前記セル積層体の長手方向の一側及び他側を覆うバスバーフレームと、前記バスバーフレーム上に固定されて前記バッテリーセルと電気的に接続される複数のバスバーと、を含み得る。
前記バッテリーモジュールは、前記セル積層体と電気的に接続され、前記バスバーフレーム上に固定される一対のモジュール端子をさらに含み得る。
前記一対のモジュール端子は、前記熱収縮フィルムの外側に露出し得る。
前記バッテリーモジュールは、前記熱収縮フィルムによって覆われた前記セル積層体アセンブリの長手方向の一側または他側に備えられ、前記バッテリーセルと電気的に接続されるセンシングコネクタをさらに含み得る。
前記センシングコネクタは、前記熱収縮フィルムの外側に露出し得る。
前記モジュールハウジングは、前記熱収縮フィルムによって覆われた前記セル積層体アセンブリを収容するUフレームと、前記Uフレームの上部から前記Uフレームに結合されるカバーフレームと、を含み得る。
前記バッテリーモジュールは、前記Uフレームの内側面と前記熱収縮フィルムによって覆われた前記セル積層体アセンブリの底面との間に介在される熱伝導部をさらに含み得る。
前記熱伝導部は、熱伝導性樹脂を含み得る。
前記熱収縮フィルムは、前記熱伝導部と対応する位置に形成される露出部を備え得る。
上述した課題を解決するため、本発明の他の一態様によるバッテリーパック及び自動車は、上述した本発明の一態様によるバッテリーモジュールを含む。
本発明の一態様によれば、バッテリーモジュールを構成する部品同士の間の効果的な絶縁を可能にしながらも絶縁のための部品の個数が増加せず、これにより製品品質の向上及び製造コストの節減を実現でき、またバッテリーモジュール製造工程上の便宜性を増加させることができる。
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って、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ものであるため、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。
本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールを示した図である。 図1に示されたバッテリーモジュールにおいて、エンドプレートを除去した状態を示した図である。 図2に示されたバッテリーモジュールにおいて、熱収縮フィルムを除去した状態を示した図である。 本発明によるセル積層体アセンブリの表面を熱収縮フィルムで覆った状態を示した図である。 本発明によるセル積層体アセンブリを示した図である。 図5に示されたセル積層体アセンブリにおいて、上部カバーを除去した状態を示した図である。 本発明によるセル積層体を示した図である。 本発明によるバッテリーセルを示した図である。 熱収縮フィルムによって覆われた状態のセル積層体アセンブリ及びモジュールハウジングを示した分解斜視図である。 熱収縮フィルムによって覆われた状態のセル積層体アセンブリの底面を示した図である。
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、本明細書及び特許請求の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。
図1~図6を参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールは、セル積層体100、バスバーフレームアセンブリ300、熱収縮フィルム10、モジュールハウジング500及びエンドプレート600を含む。前記バッテリーモジュールは、センシングコネクタアセンブリ200及び/またはモジュール端子400をさらに含み得る。
図7及び図8を参照すると、前記セル積層体100は、広い面同士が対面して積層された複数のバッテリーセル110を含む。前記バッテリーセル110は、パウチ型のバッテリーセルであり得る。前記パウチ型のバッテリーセル110は、電極組立体(図示せず)、一対の電極リード111及びセルケース112を含む。
前記一対の電極リード111は、それぞれ電極組立体の正極タブ(図示せず)及び負極タブ(図示せず)と連結されてセルケース112の外側に引き出される。前記セルケース112は、電極組立体収容部112a及び電極組立体収容部112aの周縁から外側に延びたシーリング部112bを含む。前記一対の電極リード111は、シーリング部112bを通ってセルケース112の外側に引き出される。
前記一対の電極リード111は、例えばバッテリーセル110の長手方向の一側及び他側にそれぞれ引き出され得る。すなわち、本発明に適用されるバッテリーセル110は、正極リードと負極リードとが互いに反対方向に引き出される両方向引き出し型バッテリーセルに該当し得る。
また、前記一対の電極リード111は、バッテリーセル110の幅方向(図7のZ軸方向)の中心部から一側に偏って位置し得る。具体的には、前記一対の電極リード111は、バッテリーセル110の幅方向の中心部から一側に偏って位置するが、セル積層体100の高さ方向(図6のZ軸方向)に沿って下部に偏って位置し得る。
このように、前記一対の電極リード111がバッテリーセル110の幅方向の中心部から一側に偏って位置する場合、後述するモジュール端子400を取り付けるための空間が形成されてバッテリーモジュールのエネルギー密度が向上できる。前記電極リード111が偏って設けられた構造による、このようなエネルギー密度の増加について詳しくは後述する。
図6を参照すると、前記センシングコネクタアセンブリ200は、センシングライン210及びセンシングコネクタ220を含む。前記センシングライン210は、バッテリーモジュールの長手方向(Y軸方向)に沿って延びてセル積層体100の上面の少なくとも一部を覆い、両側端部が折り曲げられてバスバーフレームアセンブリ300上に位置する。折り曲げられた前記センシングライン210の両側端部には接続端子211が備えられ、このような接続端子211はバスバー320及び/またはモジュール端子400と接続されてセンシングライン210をバッテリーセル110と電気的に接続させる。前記センシングライン210は、FPCB(flexible printed circuit board、フレキシブルプリント回路基板)であり得る。
前記センシングコネクタ220は、モジュールハウジング500の外側に露出してバスバーフレームアセンブリ300に向かって折り曲げられたセンシングライン210上に取り付けられる。前記センシングコネクタ220は、電極リード111の偏りによって電極リード111の上部に形成される空間に配置され得る。このようなセンシングコネクタ220の配置位置は、センシングコネクタ220を取り付けることによるバッテリーモジュールの体積増加を最小化し、これによりバッテリーモジュールのエネルギー密度を増加させることができる。
前記センシングコネクタ220は、センシングライン210を通じてバッテリーセル110と電気的に接続される。また、前記センシングコネクタ220にはバッテリー管理システム(Battery Management System:BMS)などの制御装置(図示せず)が接続されて、このような制御装置はバッテリーセル110の電圧に関する情報などを受信し、これを参照してバッテリーモジュールに対する充放電を制御する。
一方、前記センシングコネクタアセンブリ200は、セル積層体100の上面(X-Y平面に平行な面)上でセンシングライン210上に取り付けられる温度センサ230をさらに含み得る。このような温度センサ230は、FPCB形態で提供されるセンシングライン210の一部が切り抜かれて形成された温度センサ載置部上に取り付けられ得る。前記温度センサ載置部の長手方向の一端部は固定端として形成され、他端部は自由端として形成される。これにより、前記温度センサ載置部は、ある程度の剛性を有するFPCBの特性にもかかわらず、上下に自在に動き得る。これにより、前記温度センサ載置部に取り付けられた温度センサ230は、温度センサ載置部を通じて間接的にセル積層体100に密着してセル積層体100の温度を正確に測定することができる。
図3を参照すると、前記バスバーフレームアセンブリ300は、セル積層体100の長手方向の一側及び他側を覆うバスバーフレーム310、及びバスバーフレーム310上に固定されてバッテリーセル110と電気的に接続される複数のバスバー320を含む。
前記バスバーフレーム310は、例えば樹脂のような絶縁性を有する材質からなり得、バッテリーセル110の電極リード111と対応する位置に突設されたバスバー載置部311を備える。前記バスバー載置部311は、電極リード111と同様に、セル積層体100の高さ方向(Z軸方向)の中心部から下側に偏った位置に形成される。このようなバスバー載置部311の偏りは、電極リード111の偏りと同様に、部品の取付け空間を確保するためである。
前記バスバー載置部311は、電極リード111と対応する位置に形成される複数のリードスリットSを備える。このようなリードスリットSを通って電極リード111がバスバーフレーム310の外側に引き出され、引き出された電極リード111は折り曲げられてバスバー320上に溶接などによって固定される。
前記外部端子400は、一対で備えられ、それぞれの外部端子400はセル積層体100の幅方向(X軸方向)に沿って両側の最外郭に位置するバッテリーセル110の電極リード111とそれぞれ連結される。
前記外部端子400は、上述したセンシングコネクタ220と同様に、電極リード111の偏りによって電極リード111及びバスバー載置部311の上側に形成される空間に位置する。このような外部端子400の形成位置は、電極リード111が偏って設けられることで形成される空間を活用することにより、外部端子400の取付けによって増加するバッテリーモジュールの体積を最小化するためである。
図5を参照すると、本発明のセル積層体アセンブリ1は、セル積層体100及びバスバーフレームアセンブリ300を含む。前記セル積層体アセンブリ1は、センシングコネクタアセンブリ200及び/またはモジュール端子400をさらに含み得る。前記セル積層体アセンブリ1は、セル積層体100の上面(X-Y平面と平行な面)を覆う上部カバー450をさらに含み得る。前記上部カバー450は、一対のバスバーフレーム310とそれぞれヒンジ結合され得る。この場合、前記上部カバー450とバスバーフレーム310との締結部位には隙間が形成され、セル積層体100の長手方向(Y軸方向)に沿ってセル積層体100の上面を横切るセンシングライン210がこのような隙間を通って上部カバー450の外側に引き出される。
前記センシングコネクタ220は、上部カバー450とバスバーフレーム310との締結部位に形成された隙間を通って上部カバー450の外側に引き出されたセンシングライン210上に取り付けられる。
図4及び図5を参照すると、前記セル積層体アセンブリ1は、熱収縮フィルム10によってその表面が覆われ得る。前記熱収縮フィルム10は、絶縁性を有し、且つ、一定水準以上の熱が加えられたときに収縮する性質を有するものであって、例えばPVC(polyvinyl chloride)フィルムであり得る。
前記熱収縮フィルム10は、セル積層体アセンブリ1の外面をすべて覆うように備えられ得る。すなわち、前記熱収縮フィルム10は、セル積層体100の上面、下面、両側面を覆い、また、セル積層体100の前面及び後面(X-Z平面と平行な面)に結合されるバスバーフレームアセンブリ300の表面を覆う。前記セル積層体アセンブリ1が上部カバー450を含む場合であれば、熱収縮フィルム10は、セル積層体100の上面を覆う代わりに、上部カバー450を覆うようになる。
一方、前記センシングコネクタ220及び/または一対のモジュール端子400は、熱収縮フィルム10の外側に露出する。すなわち、前記熱収縮フィルム10は、センシングコネクタ220及び/またはモジュール端子400と対応する位置が開放された形態を有する。
前記熱収縮フィルム10は、セル積層体アセンブリ1の表面を覆い、金属材質のモジュールハウジング500とセル積層体100との間の絶縁を保証する。また、前記熱収縮フィルム10は、バスバーフレーム310上に配置された電極リード111及びバスバー320を金属材質のエンドプレート600から絶縁させる機能も果たす。すなわち、前記熱収縮フィルム10を適用することで、絶縁のために適用される部品の省略が可能になる。
また、前記熱収縮フィルム10は、バッテリーモジュールの発熱時に収縮してセル積層体100を構成するバッテリーセル110同士を結束することができ、セル積層体100とバスバーフレームアセンブリ300との締結力及びセル積層体100と上部カバー450との締結力も強化させることができる。
図9を参照すると、前記モジュールハウジング500は、Uフレーム510及びカバーフレーム520を含む。前記Uフレーム510は、その断面が略U字状である。前記Uフレーム510は、熱収縮フィルム10によって覆われたセル積層体アセンブリ1を収容する。前記Uフレーム510は、熱収縮フィルム10によって覆われたセル積層体アセンブリ1の底面(X-Y平面と平行な面)を支持するベースプレート511、及び熱収縮フィルム10によって覆われたセル積層体アセンブリ1の側面(Y-Z平面と平行な面)を覆う一対のサイドプレート512を含む。前記ベースプレート511と一対のサイドプレート512とは一体に形成され得る。これと異なり、前記ベースプレート511と一対のサイドプレート512とが個別的に提供され、相互に結合されることでUフレーム510を形成してもよい。
前記カバーフレーム520は、熱収縮フィルム10によって覆われたセル積層体アセンブリ1の上面(X-Y平面と平行な面)を覆い、Uフレーム510の上部からUフレーム510に結合される。すなわち、前記モジュールハウジング500は、ツーパーツ(two parts)構造を有し得る。したがって、前記熱収縮フィルム10によって覆われたセル積層体アセンブリ1をUフレーム510内に載置した後、カバーフレーム520を溶接などによってUフレーム510に結合し得る。
一方、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールは、Uフレーム510のベースプレート511と熱収縮フィルム10によって覆われた状態のセル積層体アセンブリ1の底面との間に介在される熱伝導部20をさらに含み得る。前記熱伝導部20は、熱伝導性樹脂(thermal resin)を含み得る。例えば、前記熱伝導部20は、ベースプレート511上に熱伝導性樹脂ペーストを塗布することで形成し得る。または、前記熱伝導部20は、熱伝導性樹脂を含むパッド形態で提供され得る。前記熱伝導部20は、熱収縮フィルム10によって覆われたセル積層体アセンブリ1とベースプレート511との間の接触面積を極大化するために適用される。このような熱伝導部20を適用することで、セル積層体100で発生する熱がモジュールハウジング500の下面から外部に円滑に排出できる。
前記熱伝導部20は、例えば複数個備えられ得、複数の熱伝導部20はセル積層体100の長手方向(Y軸方向)に沿って離隔して配置され得る。前記熱伝導部20が複数個備えられる場合、少なくとも一対の熱伝導部20はベースプレート511の長手方向(Y軸方向)の両側端部にそれぞれ位置し得る。これは、発熱量が大きい電極リード111と近い領域に対する冷却を円滑にすることで、冷却の効率を高めるためである。一方、前記セル積層体アセンブリ1の底面のうち長手方向(Y軸方向)の中心部には熱伝導部20が適用されなくてもよい。これは、相対的に発熱量が大きい領域に集中して熱伝導部20を適用することで、熱伝導部20の形成のために適用される熱伝導性樹脂の使用量を最小化するためである。
図9とともに図10を参照すると、前記バッテリーモジュールが熱伝導部20を備える場合、熱収縮フィルム10は熱伝導部20と対応する位置に形成される露出部11を備える。前記熱伝導部20は、露出部11から露出するセル積層体アセンブリ1の底面(X-Y平面と平行な面)と接触するようになる。
図9及び図10とともに図3及び図8を参照すると、前記熱収縮フィルム10は、セル積層体アセンブリ1の底面のうちバスバーフレーム310と対応する領域及びバッテリーセル110のシーリング部112bと対応する領域を完全に覆い、また、シーリング部112bに隣接した電極組立体収容部112aの一部を覆う。このような熱収縮フィルム10の適用範囲によって、Uフレーム510の内側面上に熱伝導性樹脂を塗布した後、熱収縮フィルム10によって覆われたセル積層体アセンブリ1をUフレーム510内に載置する段階で、熱伝導性樹脂が電極リード111側に広がることを防止することができる。
図1を参照すると、前記エンドプレート600は、モジュールハウジング500の長手方向(Y軸方向)の一側及び他側にそれぞれ形成された開口部を覆う。前記エンドプレート600は、モジュールハウジング500と結合され得る。前記センシングコネクタ220及びモジュール端子400は、エンドプレート600の外側に露出する。前記エンドプレート600は、バッテリーモジュールの剛性を確保するため、金属材質から形成され得る。このようにエンドプレート600が金属材質からなっても、エンドプレート600と対面するバスバーフレームアセンブリ300の表面は熱収縮フィルム10で覆われるため、絶縁性を確保することができる。
一方、本発明の一実施形態によるバッテリーパックは、上述したような本発明によるバッテリーモジュールを少なくとも一つ含む。また、本発明の一実施形態による自動車は、上述したような本発明によるバッテリーパックを少なくとも一つ含む。
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。
1 セル積層体アセンブリ
10 熱収縮フィルム
11 露出部
20 熱伝導部
100 セル積層体
110 バッテリーセル
220 センシングコネクタ
300 バスバーフレームアセンブリ
310 バスバーフレーム
320 バスバー
400 モジュール端子
500 モジュールハウジング
520 カバーフレーム
600 エンドプレート

Claims (12)

  1. 複数のバッテリーセルを含むセル積層体、及び前記セル積層体の長手方向の一側及び他側を覆うバスバーフレームアセンブリを含むセル積層体アセンブリと、
    前記セル積層体アセンブリを覆う熱収縮フィルムと、
    前記熱収縮フィルムによって覆われたセル積層体アセンブリを収容するモジュールハウジングと、
    前記モジュールハウジングの長手方向の一側及び他側にそれぞれ形成された開口部を覆うエンドプレートと、を含む、バッテリーモジュール。
  2. 前記バスバーフレームアセンブリは、
    前記セル積層体の長手方向の一側及び他側を覆うバスバーフレームと、
    前記バスバーフレーム上に固定されて前記バッテリーセルと電気的に接続される複数のバスバーと、を含む、請求項1に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記バッテリーモジュールは、
    前記セル積層体と電気的に接続され、前記バスバーフレーム上に固定される一対のモジュール端子をさらに含む、請求項2に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記一対のモジュール端子は、前記熱収縮フィルムの外側に露出する、請求項3に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記バッテリーモジュールは、
    前記熱収縮フィルムによって覆われた前記セル積層体アセンブリの長手方向の一側または他側に備えられ、前記バッテリーセルと電気的に接続されるセンシングコネクタをさらに含む、請求項1から4のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記センシングコネクタは、前記熱収縮フィルムの外側に露出する、請求項5に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記モジュールハウジングは、
    前記熱収縮フィルムによって覆われた前記セル積層体アセンブリを収容するUフレームと、
    前記Uフレームの上部から前記Uフレームに結合されるカバーフレームと、を含む、請求項1から6のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記バッテリーモジュールは、
    前記Uフレームの内側面と前記熱収縮フィルムによって覆われた前記セル積層体アセンブリの底面との間に介在される熱伝導部をさらに含む、請求項7に記載のバッテリーモジュール。
  9. 前記熱伝導部は、熱伝導性樹脂を含む、請求項8に記載のバッテリーモジュール。
  10. 前記熱収縮フィルムは、
    前記熱伝導部と対応する位置に形成される露出部を備える、請求項8または9に記載のバッテリーモジュール。
  11. 請求項1から10のいずれか一項に記載のバッテリーモジュールを含むバッテリーパック。
  12. 請求項1から10のいずれか一項に記載のバッテリーモジュールを含む自動車。
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