JP2023534471A

JP2023534471A - バッテリーモジュールのハウジング溶接部に対する疲労破損検証装置

Info

Publication number: JP2023534471A
Application number: JP2023502839A
Authority: JP
Inventors: ドン－ウク・キム; ヨン－イル・キム; ス－ハン・イ
Original assignee: LG Energy Solution Ltd
Current assignee: LG Energy Solution Ltd
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2021-11-09
Publication date: 2023-08-09
Also published as: US20230375449A1; EP4151982A1; WO2022103132A1; EP4151982A4; CN115698669A; KR20220063611A

Abstract

本発明の一実施例による疲労破損検証装置は、溶接部を備えるモジュールハウジングと、前記モジュールハウジングに収容される複数のバッテリーセルを含むセル積層体と、セル積層体の積層方向の中心部に介在される少なくとも一つのメインフレキシブルチューブと、前記メインフレキシブルチューブを収容し、前記メインフレキシブルチューブが前記バッテリーセルと対面するように両側に形成された一対の開口部を備えるメインフレキシブルチューブフレームと、前記メインフレキシブルチューブに流体を供給して前記メインフレキシブルチューブが前記バッテリーセルに加える圧力を調節するポンプと、を含む。

Description

本発明は、バッテリーモジュールのハウジング溶接部に対する疲労破損検証装置に関し、より詳しくは、バッテリーモジュールにおいてハウジングの内部に収容されるバッテリーセルのスウェリングによってハウジングに反復的に疲労が累積する現象を可能な限り実際に近く具現するように構成された疲労破損検証装置に関する。

本出願は、２０２０年１１月１０日出願の韓国特許出願第１０－２０２０－０１４９６６２号に基づく優先権を主張し、該当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。

バッテリーモジュールに対する充放電が反復されることによってバッテリーセルのスウェリング現象によるバッテリーセルの膨張及び収縮が反復的に発生し、これによってバッテリーセルを収容するハウジングの溶接部には疲労累積が発生して結局はハウジングの破損が発生し得る。このような溶接部の破損を防止するために、ハウジングを構成するプレート間の溶接部の材質、厚さ、溶接深さなどに対する設計がバッテリーセルのスウェリングを考慮して行われるべきであるが、充放電による疲労試験は非常に長い時間を要するので、実際と類似の条件が提供可能な検証装置の開発が求められる。

図１を参照すると、従来の溶接部疲労破損検証装置が示されている。このような従来の溶接部疲労破損検証装置は、ハウジング１の内部にバッテリーセル２及び緩衝パッド３を配置し、バッテリーセル積層体の中心部には小型油圧機器を配置した構造を有する。

このような構造を有する溶接部疲労破損検証装置は、バッテリーセル２の面方向の膨張及び収縮の反復による疲労累積を具現することで、溶接部１ａの破損有無に対するシミュレーションを通じてハウジング溶接部の設計に一部助けになることはある。

しかし、このような構造を有する溶接部疲労破損検証装置は、バッテリーセルの全体面積に対して均一な力を加えにくい構造であり、特に、バッテリーモジュールの大きさが小さい場合、非常に小さいサイズの油圧機器のみが設置可能であるため、十分な力を加えにくいという不具合も存在する。

そこで、従来の溶接部疲労破損検証装置と比較して、実際のバッテリーモジュールにおけるスウェリング発生環境により類似な環境が提供可能な溶接部疲労破損検証装置の開発が求められる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、実際のバッテリーモジュールにおけるスウェリング発生環境に類似な環境を提供することでモジュールハウジングの溶接部に対する設計が適切に行われるようにすることを目的とする。

但し、本発明が解決しようとする技術的課題は、前述の課題に制限されず、言及していないさらに他の課題は、下記する発明の説明から当業者にとって明確に理解されるであろう。

上記の課題を達成するための本発明の一実施例による疲労破損検証装置は、溶接部を備えるモジュールハウジングと、前記モジュールハウジングに収容される複数のバッテリーセルを含むセル積層体と、セル積層体の積層方向の中心部に介在される少なくとも一つのメインフレキシブルチューブと、前記メインフレキシブルチューブを収容し、前記メインフレキシブルチューブが前記バッテリーセルと対面するように両側に形成された一対の開口部を備えるメインフレキシブルチューブフレームと、前記メインフレキシブルチューブに流体を供給して前記メインフレキシブルチューブが前記バッテリーセルに加える圧力を調節するポンプと、を含む。

前記疲労破損検証装置は、前記モジュールハウジングの上部プレートとセル積層体との間及び前記モジュールハウジングの上部プレートとメインフレキシブルチューブフレームとの間と、前記モジュールハウジングの下部プレートとセル積層体との間及び前記モジュールハウジングの下部プレートとメインフレキシブルチューブフレームとの間に各々介在される一対のサブフレキシブルチューブをさらに含み得る。

前記ポンプは、前記メインフレキシブルチューブ及びサブフレキシブルチューブに供給される流体の量を個別的にコントロールし得る。

前記疲労破損検証装置は、一対の支持壁の間に配置され、前記疲労破損検証装置は、前記モジュールハウジングの長手方向の一側と支持壁との間、及び前記モジュールハウジングの長手方向の他側と支持壁との間に各々介在される複数の変位センサーをさらに含み得る。

前記疲労破損検証装置は、前記セル積層体の積層方向における両側の最外郭に各々備えられる一対の緩衝パッドをさらに含み得る。

前記メインフレキシブルチューブは複数個が備えられ、複数の前記メインフレキシブルチューブは、前記メインフレキシブルチューブフレーム内で前記バッテリーセルの幅方向に沿って積層され得る。

前記メインフレキシブルチューブは、複数個が備えられ、複数の前記メインフレキシブルチューブが、前記メインフレキシブルチューブフレーム内で前記バッテリーセルの長手方向に沿って積層され得る。

前記メインフレキシブルチューブは、複数個が備えられ、複数の前記メインフレキシブルチューブは、前記メインフレキシブルチューブフレーム内で前記バッテリーセルの幅方向及び長手方向に沿って積層され得る。

前記ポンプは、複数の前記メインフレキシブルチューブに供給される流体の量を個別的にコントロールし得る。

前記疲労破損検証装置は、前記モジュールハウジングの上部プレート及び下部プレートと前記セル積層体との間と、前記モジュールハウジングの上部プレート及び下部プレートと前記メインフレキシブルチューブフレームとの間に各々介在される一対のサブフレキシブルチューブをさらに含み、前記ポンプは、複数の前記メインフレキシブルチューブ及び前記一対のサブフレキシブルチューブに供給される流体の量を個別的にコントロールし得る。

本発明の一面によれば、実際のバッテリーモジュールにおけるスウェリング発生環境と類似の環境を提供することでモジュールハウジングの溶接部に対する設計が適切に行われるようにすることができる。

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例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。

従来の溶接部疲労破損検証装置を示す図である。本発明の第１実施例による疲労破損検証装置を示す図である。本発明の第１実施例による疲労破損検証装置を示す図である。本発明の第１実施例による疲労破損検証装置を示す図である。本発明の第２実施例による疲労破損検証装置を示す図である。本発明の第２実施例による疲労破損検証装置を示す図である。本発明の第３実施例による疲労破損検証装置を示す図である。本発明の第３実施例による疲労破損検証装置を示す図である。本発明の第４実施例による疲労破損検証装置を示す図である。本発明の第４実施例による疲労破損検証装置を示す図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。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例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例に過ぎず、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２～図４を参照すると、本発明の第１実施例による疲労破損検証装置は、モジュールハウジング１０と、複数のバッテリーセル２０を含むセル積層体と、メインフレキシブルチューブ３１と、ポンプ３５と、メインフレキシブルチューブフレーム４０と、を含む。前記疲労破損検証装置は、上述した構成要素の他に、一対のサブフレキシブルチューブ５０及び／または一対の緩衝パッド６０及び／または複数の変位センサー７０をさらに含み得る。

前記モジュールハウジング１０は、複数のプレートが互いに溶接されて形成され、これによってその一部に形成された溶接部１０ａを備える。

前記セル積層体は、モジュールハウジング１０内に収容される。前記セル積層体をなすバッテリーセル２０は、例えば、パウチ型のバッテリーセルであり得る。前記バッテリーセル２０は、モジュールハウジング１０内でモジュールハウジング１０の幅方向（Ｙ軸に平行な方向）に沿って延びた形態を有する。

即ち、本明細書において、バッテリーセル２０の長手方向（Ｙ軸に平行な方向）とモジュールハウジング１０の幅方向（Ｙ軸に平行な方向）は、互いに同じ方向を意味する。前記バッテリーセル２０は、その長さ方向（Ｙ軸に平行な方向）に沿って互いに同じ方向または互いに反対方向へ引き出される一対の電極リード２１を備える。

前記メインフレキシブルチューブ３１は、セル積層体の積層方向（Ｘ軸に平行な方向）の中心部に介在される。即ち、前記メインフレキシブルチューブ３１は、セル積層体をなす複数のバッテリーセル２０のうち中心部に位置する一対のバッテリーセル２０の間に介在される。前記メインフレキシブルチューブ３１は、ポンプ３５から供給される流体によって膨脹し、これによってメインフレキシブルチューブ３１の両側に位置するバッテリーセル２０をモジュールハウジング１０の側壁に向かう方向へ加圧する。図２～図４に示した本発明の第１実施例による疲労破損検証装置は、一つのメインフレキシブルチューブ３１を備える。

前記ポンプ３５は、モジュールハウジング１０の外側に備えられ、メインフレキシブルチューブ３０に流体を供給してメインフレキシブルチューブ３１が対面するバッテリーセル２０に加える圧力を調節する。

一方、後述するように、本発明による疲労破損検証装置は、メインフレキシブルチューブ３１の他に一対のサブフレキシブルチューブ５０をさらに含み得る。この場合、前記ポンプ３５は、メインフレキシブルチューブ３１とサブフレキシブルチューブ５０に供給される流体の量を各々個別的に調節し得る。

また、後述すように、本発明による疲労破損検証装置は、メインフレキシブルチューブ３２、３３、３４を複数個備え得る。この場合、前記ポンプ３５は、複数のメインフレキシブルチューブ３２、３３、３４に供給される流体の量を各々個別的に調節し得る。本発明による疲労破損検証装置がメインフレキシブルチューブ３２、３３、３４を複数個含み、これに加えて一対のサブフレキシブルチューブ５０をさらに備える場合、ポンプ３５は、複数のメインフレキシブルチューブ３２、３３、３４と一対のサブフレキシブルチューブ５０に供給される流体の量を各々個別的に調節し得る。

前記ポンプ３５は、上述したように複数のフレキシブルチューブに供給される流体の量を個別的にコントロールするために、互いに物理的に分離した複数のユニットポンプを含み得る。

前記メインフレキシブルチューブフレーム４０は、モジュールハウジング１０内にメインフレキシブルチューブ３１を収容する。前記メインフレキシブルチューブフレーム４０は、メインフレキシブルチューブ３１がバッテリーセル２０と対面するように両側に形成された一対の開口部を備える。

前記メインフレキシブルチューブフレーム４０は、開口部が形成された方向、即ち、セル積層体の積層方向（Ｘ軸に平行な方向）を除いた残りの方向へはフレキシブルチューブフレーム４０が膨脹できないようにフレキシブルチューブフレーム４０の体積膨張方向を制限する。前記フレキシブルチューブフレーム４０を適用することで、メインフレキシブルチューブ３１は、対面するバッテリーセル２０をセル積層体の積層方向（Ｘ軸に平行な方向）のみへ加圧する。即ち、前記メインフレキシブルチューブ３１は、バッテリーセル２０のスウェリング時に発生するバッテリーセル２０の厚さ方向（Ｘ軸に平行な方向）への膨張による加圧力を発生させるための構成要素である。

前記サブフレキシブルチューブフレーム５０は、メインフレキシブルチューブ３１とは異なり、バッテリーセル２０のスウェリング時に発生するバッテリーセル２０の幅方向（Ｚ軸に平行な方向）への膨張による加圧力を発生させるための構成要素である。パウチ型のバッテリーセルを含むセル積層体において、スウェリングによる体積膨張はほとんど積層方向に沿って発生するが、バッテリーセル２０の幅方向（Ｚ軸に平行な方向）に沿って発生する体積膨張も一部存在する。このようなことを勘案し、本発明による疲労破損検証装置は、サブフレキシブルチューブフレーム５０を含み得る。

前記サブフレキシブルチューブフレーム５０は、一対が備えられ得る。一対のサブフレキシブルチューブフレーム５０のうち一つは、モジュールハウジング１０の上部プレートとセル積層体との間及びモジュールハウジング１０の上部プレートとメインフレキシブルチューブフレーム４０との間に介在される。一対のサブフレキシブルチューブフレーム５０のうち残りの一つは、モジュールハウジング１０の下部プレートとセル積層体との間及びモジュールハウジング１０の下部プレートとメインフレキシブルチューブフレーム４０との間に介在される。

前記一対の緩衝パッド６０は、セル積層体の積層方向（Ｘ軸に平行な方向）両側の最外郭に各々備えられる。

前記変位センサー７０は、モジュールハウジング１０の長手方向の一側及び他側に各々複数個が備えられ得る。前記疲労破損検証装置は、一対の支持壁Ｗの間に配置され得る。この場合、複数の変位センサー７０は、各々モジュールハウジング１０の長手方向の一側と支持壁Ｗとの間及びモジュールハウジング１０の長手方向の他側と支持壁Ｗとの間に介在される。

前記変位センサー７０は、メインフレキシブルチューブフレーム４０が膨張による加圧力によってモジュールハウジング１０の長手方向（Ｘ軸に平行な方向）の両側に位置する一対の側壁が変形される場合、その変形量を測定する。

図５及び図６に示した本発明の第２実施例による疲労破損検証装置、図７及び図８に示した本発明の第３実施例による疲労破損検証装置、図９及び図１０に示した本発明の第４実施例による疲労破損検証装置は、上述した実施例と比較して、メインフレキシブルチューブ３２、３３、３４の具備個数及びメインフレキシブルチューブフレーム４０内における配置形態が相違するだけであり、残りの構成要素は実質的に同一であり、それによる作用効果も実質的に非常に類似である。

したがって、本発明の第２～４実施例による疲労破損検証装置を説明するに際し、メインフレキシブルチューブ３２、３３、３４の具備個数及び配置形態を中心にして説明し、第１実施例と重複する説明は省略する。

先ず、図５及び図６を参照すると、本発明の第２実施例による疲労破損検証装置は、複数のメインフレキシブルチューブ３２を含み、複数のメインフレキシブルチューブ３２は、メインフレキシブルチューブフレーム４０内でバッテリーセル２０の幅方向（Ｚ軸に平行な方向）に沿って積層される。この場合、前記ポンプ３５は、各々のメインフレキシブルチューブ３２に供給される流体の量を個別的にコントロールできる。これによって、前記複数のメインフレキシブルチューブ３２は、バッテリーセル２０の幅方向に沿って位置毎に異なる力で加圧可能である。実際にバッテリーセル２０のスウェリング発生時にバッテリーセル２０の幅方向に沿って位置毎にスウェリングによる体積膨張の程度が相違に示されることがあり、本発明の第２実施例による疲労破損検証装置は、複数のメインフレキシブルチューブ３２が相異なる力でバッテリーセル２０を加圧できるので、実際のスウェリング発生時と類似の環境を作ることができるのである。

次に、図７及び図８を参照すると、本発明の第３実施例による疲労破損検証装置は、複数のメインフレキシブルチューブ３３を含み、複数のメインフレキシブルチューブ３３は、メインフレキシブルチューブフレーム４０内でバッテリーセル２０の長手方向（Ｙ軸に平行な方向）に沿って積層される。この場合、前記ポンプ３５は、各々のメインフレキシブルチューブ３３に供給される流体の量を個別的にコントロールできる。これによって、前記複数のメインフレキシブルチューブ３３は、バッテリーセル２０の長手方向に沿って位置毎に異なる力で加圧可能である。実際にバッテリーセル２０のスウェリング発生時にバッテリーセル２０の長手方向に沿って位置毎にスウェリングによる体積膨張の程度が相違に示されることがあり、本発明の第３実施例による疲労破損検証装置は、複数のメインフレキシブルチューブ３３が相異なる力でバッテリーセル２０を加圧可能できるので、実際のスウェリング発生時と類似の環境を作ることができる。

次に、図９及び図１０を参照すると、本発明の第４実施例による疲労破損検証装置は、複数のメインフレキシブルチューブ３４を含み、複数のメインフレキシブルチューブ３４は、メインフレキシブルチューブフレーム４０内でバッテリーセル２０の長手方向及び幅方向に沿って積層される。この場合、前記ポンプ３５は、各々のメインフレキシブルチューブ３４に供給される流体の量を個別的にコントロールできる。これによって、前記複数のメインフレキシブルチューブ３４は、バッテリーセル２０の長手方向及び幅方向に沿って位置毎に異なる力で加圧可能である。実際にバッテリーセル２０のスウェリング発生時にバッテリーセル２０の長手方向及び幅方向に沿って位置毎にスウェリングによる体積膨張の程度が相違に示されることがあり、本発明の第４実施例による疲労破損検証装置は、複数のメインフレキシブルチューブ３４が相異なる力でバッテリーセル２０を加圧できるので、実際のスウェリング時と類似の環境を作ることができる。

以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野におけり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モジュールハウジング
１０ａ溶接部
２０バッテリーセル
２１電極リード
３０～３４メインフレキシブルチューブ
３５ポンプ
４０メインフレキシブルチューブフレーム
５０サブフレキシブルチューブ
６０緩衝パッド
７０変位センサー

Claims

溶接部を備えるモジュールハウジングと、
前記モジュールハウジングに収容される複数のバッテリーセルを含むセル積層体と、
セル積層体の積層方向の中心部に介在される少なくとも一つのメインフレキシブルチューブと、
前記メインフレキシブルチューブを収容し、前記メインフレキシブルチューブが前記バッテリーセルと対面するように両側に形成された一対の開口部を備えるメインフレキシブルチューブフレームと、
前記メインフレキシブルチューブに流体を供給して前記メインフレキシブルチューブが前記バッテリーセルに加える圧力を調節するポンプと、を含む、疲労破損検証装置。
前記疲労破損検証装置が、
前記モジュールハウジングの上部プレートとセル積層体との間及び前記モジュールハウジングの上部プレートとメインフレキシブルチューブフレームとの間と、前記モジュールハウジングの下部プレートとセル積層体との間及び前記モジュールハウジングの下部プレートとメインフレキシブルチューブフレームとの間に各々介在される一対のサブフレキシブルチューブをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の疲労破損検証装置。
前記ポンプは、
前記メインフレキシブルチューブ及びサブフレキシブルチューブに供給される流体の量を個別的にコントロールすることを特徴とする、請求項２に記載の疲労破損検証装置。
前記疲労破損検証装置が、一対の支持壁の間に配置され、
前記疲労破損検証装置が、前記モジュールハウジングの長手方向の一側と支持壁との間、及び前記モジュールハウジングの長手方向の他側と支持壁との間に各々介在される複数の変位センサーをさらに含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の疲労破損検証装置。
前記疲労破損検証装置が、
前記セル積層体の積層方向における両側の最外郭に各々備えられる一対の緩衝パッドをさらに含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の疲労破損検証装置。
前記メインフレキシブルチューブは複数個が備えられ、
複数の前記メインフレキシブルチューブが、前記メインフレキシブルチューブフレーム内で前記バッテリーセルの幅方向に沿って積層されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の疲労破損検証装置。
前記メインフレキシブルチューブは、複数個が備えられ、
複数の前記メインフレキシブルチューブが、前記メインフレキシブルチューブフレーム内で前記バッテリーセルの長手方向に沿って積層されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の疲労破損検証装置。
前記メインフレキシブルチューブは、複数個が備えられ、
複数の前記メインフレキシブルチューブが、前記メインフレキシブルチューブフレーム内で前記バッテリーセルの幅方向及び長手方向に沿って積層されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の疲労破損検証装置。
前記ポンプが、複数の前記メインフレキシブルチューブに供給される流体の量を個別的にコントロールすることを特徴とする、請求項６から８のいずれか一項に記載の疲労破損検証装置。
前記疲労破損検証装置は、
前記モジュールハウジングの上部プレート及び下部プレートと前記セル積層体との間と、前記モジュールハウジングの上部プレート及び下部プレートと前記メインフレキシブルチューブフレームとの間に各々介在される一対のサブフレキシブルチューブをさらに含み、
前記ポンプは、
複数の前記メインフレキシブルチューブ及び前記一対のサブフレキシブルチューブに供給される流体の量を個別的にコントロールすることを特徴とする、請求項９に記載の疲労破損検証装置。