JP2024513804A - 電池モジュールおよびそれを含む電池パック - Google Patents

Abstract

本発明の一実施形態による電池モジュールは、第１方向に配列されて積層された複数の電池セルを含む電池セル積層体、前記電池セル積層体が収容されるモジュールハウジング、および前記複数の電池セルのうち最外側電池セルと前記モジュールハウジングとの間に配置される変形防止構造体を含み、前記モジュールハウジングは、前記最外側電池セルと隣り合うハウジングプレートを含み、前記変形防止構造体は、前記ハウジングプレートに固定されて前記電池セル積層体に支持される加圧プレート、前記加圧プレートと前記ハウジングプレートとの間に配置される板ばね、および前記加圧プレートに支持されて前記ハウジングプレートの外表面に突出する突出部を含む。

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は２０２１年１０月１４日付韓国特許出願第１０－２０２１－０１３６４２７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に関し、より具体的には電池セル積層体をモジュールハウジングに収容した電池モジュールに関する。また、本発明は上記した電池モジュールを含む電池パックに関する。

モバイル機器に関する技術開発と需要の増加によりエネルギ源としての二次電池の需要が急激に増加している。二次電池は携帯電話、デジタルカメラ、ノートパソコン、ウェアラブルデバイスなどのモバイル機器だけでなく、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの動力装置のエネルギ源としても使用されている。

小型モバイル機器にはデバイス１台当たり一つまたは複数の二次電池が使用されることに対して、電気自動車などのように中大型デバイスには二次電池を高出力大容量で備える必要がある。このために、多数の電池セルは、電気的に連結されて一つのモジュールとして構成されるか、複数のモジュールが電気的に連結されて構成されたパックとして製品に適用されることができる。

電池モジュールは、例えば、一方向に沿って整列した複数の電池セルの積層体を、モジュールハウジングを構成する部材で囲んで固定させて構成することができる。ここで、モジュールハウジングを構成する部材は、電池セルのスウェリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）現象によってモジュールハウジング、すなわち、電池モジュールの形状が変形されないように堅固な構造体として備えられることが求められる。

本発明が解決しようとする課題は、電池セルのスウェリング現象による電池セルの部位別の変位偏差を最小化できる電池モジュールおよびそれを含む電池パックを提供することにある。

しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、上述した課題に限定されず、本発明に含まれた技術的思想の範囲で多様に拡張することができる。

本発明の一実施形態による電池モジュールは、第１方向に配列されて積層された複数の電池セルを含む電池セル積層体と、前記電池セル積層体が収容されるモジュールハウジング、および前記複数の電池セルのうち最外側電池セルと前記モジュールハウジングとの間に配置される変形防止構造体を含む。前記モジュールハウジングは、前記最外側電池セルと隣り合うハウジングプレートを含む。前記変形防止構造体は、前記ハウジングプレートに固定されて前記電池セル積層体に支持される加圧プレートと、前記加圧プレートと前記ハウジングプレートとの間に配置される板ばね、および前記加圧プレートに支持されて前記ハウジングプレートの外表面に突出する突出部を含む。

前記ハウジングプレートは、前記電池セルの長手方向に沿って長く配置されるカバー本体と、前記カバー本体の両端に配置される支柱部と、を含み、前記加圧プレートは、前記カバー本体との間に間隔を置いて前記電池セルの長手方向に沿って長く配置されて前記最外側電池セルに支持される加圧本体と、前記加圧本体の両端に配置されて前記ハウジングプレートの支柱部に固定される固定部と、を含み得る。

収容部を有するリブが、前記加圧プレートに向う前記ハウジングプレートの面に提供され、前記突出部は、前記収容部に収容されて前記ハウジングプレートに貫通された開口を通じて部分突出する鋼球（またはボール）からなり得る。

前記板ばねは、前記ハウジングプレートの長手方向に沿って間隔を間に置いて複数配置され、前記突出部は、前記複数の板ばねの間ごとに配置され得る。

前記複数の板ばねのうち前記ハウジングプレートの両端部に隣り合って配置される板ばねの幅が、残りの板ばねの幅より広く、前記それぞれの幅は、前記ハウジングプレートの長手方向に沿った幅であり得る。

前記板ばねは、一対の山部と前記一対の山部との間に配置される谷部を含み、前記一対の山部は前記ハウジングプレートに支持され、前記谷部は前記加圧プレートに支持され得る。

前記突出部は、前記リブの長手方向に沿って複数配置され得る。

前記加圧プレートに向う前記リブの側面と前記加圧プレートとの間に、前記鋼球を前記加圧プレートに連結するための支持部材が配置され得、このような支持部材はゴムパッドを含み得る。

前記最外側電池セルと前記加圧プレートとの間に、ギャップ発生防止部材が配置され得る。

本発明の他の実施形態による電池パックは、前述した電池モジュールを含む。

前記電池パックは、前記電池モジュールが収容されるキャリアフレームを含み、前記キャリアフレームは、前記ハウジングプレートと隣り合うビーム部材を含み、前記ビーム部材と前記ハウジングプレートとの間の距離より前記ビーム部材と前記突出部との間の距離が近くてもよい。

実施形態によれば、電池セル積層体からスウェリング現象が起こる場合、変形防止構造体が電池セル積層体は勿論モジュールハウジングの変形を最小化することができる。

そのため、実施形態による電池モジュールは電池セルの寿命退化を抑制することができる。

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るものである。

本発明の実施形態による電池モジュールの斜視図である。 本発明の実施形態によるハウジングプレートと変形防止構造体の結合斜視図である。 図２の背面斜視図である。 図２の平面図である。 図２の部分分解斜視図である。 本発明の実施形態による変形防止構造体の鋼球がハウジングプレートの収容部と結合することを説明するために示す図である。 本発明の実施形態による変形防止構造体の加圧プレートとハウジングプレートとの間に配置された支持部材を説明するために示す図である。 本発明の実施形態による電池モジュールを含む電池パックを説明するために示す図である。

以下、添付する図面を参照して本発明の様々な実施形態について本発明が属する技術分野で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。本発明は様々な異なる形態で実現することができ、ここで説明する実施形態に限られない。

本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素に対しては同じ参照符号を付ける。

また、図面に示す各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜上任意に示したので、本発明は必ずしも示されたところに限られない。図面で複数の層および領域を明確に表現するために厚さを誇張して示した。そして、図面では、説明の便宜上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「上に」または「の上に」あるというとき、これは他の部分の「すぐ上に」ある場合だけでなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。逆にある部分が他の部分の「すぐ上に」あるというときには中間に他の部分が存在しないことを意味する。また、基準になる部分「上に」または「の上に」あるというのは基準になる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の逆方向に向かって「上に」または「の上に」位置することを意味するものではない。

また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を「含む」というとき、これは特に反対の意味を示す記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。

また、明細書全体で、「平面上」というとき、これは対象部分を上から見たときを意味し、「断面上」というとき、これは対象部分を垂直に切断した断面を横から見たときを意味する。

図１は本発明の実施形態による電池モジュールを示す斜視図である。図１に示すように、実施形態による電池モジュール１０は複数の電池セル１２，１２ａ，１２ｂが第１方向ｘに配列されて積層された電池セル積層体１４がモジュールハウジング１６に収容されて構成される。

本実施形態における電池セル１２は、パウチ型二次電池、例えば、パウチの内部空間に電極組立体を収納して電極組立体の正極および負極と電気的に連結されたそれぞれのリードが第１方向ｘと直交する第２方向ｙに配置されるようにパウチの外部に露出させて構成することができる。パウチは第２方向ｙに沿って長い略長方形の形状を有することができる。もちろん、本発明の電池セルは必ずしもこのような構成に限定されない。

モジュールハウジング１６は電池セル積層体１４を囲むように配置される一対のハウジングプレート（またはベースプレート）１６０と図示していないトッププレートおよび底プレートを含むことができる。このようなモジュールハウジング１６は、ハウジングプレート１６０、トッププレートおよび底プレートの相互間の結合（例：スナップフィットまたは溶接）により電池セル積層体１４が収容される内部空間を形成する。ハウジングプレート１６０、トッププレートおよび底プレートはモジュールハウジング１６の剛性のために金属材質で備えられるが、その材質は必ずしもこれに限定されるものではない。

第２方向ｙにモジュールハウジング１６の両端部には複数の電池セル１２の各端子を電気的に連結するバスバー（図示せず）を遮蔽させながらモジュールハウジング１６に結合されて上記した内部空間を密閉させる一対のカバープレート１８が配置されることができる。

このような電池モジュール１０において、モジュールハウジング１６のハウジングプレート１６０は、電池モジュール１０が製品（例：電気自動車）に適用されて使用中に電池セル積層体１４からスウェリング現象が起こる場合、電池セル１２，１２ａ，１２ｂの膨張力に対する反力が低下しないように構成される。

このために、本実施形態の電池モジュール１０にはハウジングプレート１６０と電池セル積層体１４の最外側電池セル１２ａ，１２ｂとの間に変形防止構造体２０が配置される。変形防止構造体２０はスウェリング現象によって電池セル積層体および／またはモジュールハウジングが変形されることを防止する。換言すれば、変形防止構造体２０は電池セル積層体１４でスウェリング現象が起こらない場合の電池セル積層体１４に対するハウジングプレート１６０の反力と、電池セル積層体１４でスウェリング現象が起こる場合の電池セル積層体１４に対するハウジングプレート１６０の反力に対する偏差を最小化させ、スウェリング現象によって電池セル積層体１４とハウジングプレート１６０が変形されないようにするか、電池セル積層体１４またはハウジングプレート１６０が変形されないようにする。

本実施形態における変形防止構造体２０は、一対のハウジングプレート１６０にそれぞれ結合されたアセンブリで構成されることができる。このアセンブリは同一構造からなるので、以下の説明では便宜上、片方（図１の左に配置されたハウジングプレート）のハウジングプレート１６０を基準に説明する。

図２は本発明の実施形態によるハウジングプレート１６０と変形防止構造体２０の結合斜視図であり、図３は図２の背面斜視図であり、図４は図２の平面図であり、図５は図２の部分分解斜視図である。

図２ないし図５を参照すると、ハウジングプレート１６０は、電池モジュール１０または電池セル積層体１４の長手方向（または第２方向、ｙ）に沿って長く配置される形状を有して電池セル積層体１４の最外側電池セル１２ａ，１２ｂに隣り合って配置される。

本実施形態におけるハウジングプレート１６０は、第２方向（ｘ）に沿って長く配置されるカバー本体１６０ａと、このカバー本体１６０ａの両端に配置される支柱部１６０ｂを含む。カバー本体１６０ａは任意の長さと厚さを有し、金属材質（例：アルミニウム）からなる。支柱部１６０ｂのカバー本体１６０ａの両端に一体で設けられ、その内部に貫通孔１６００ｂを形成することができる。この支柱部１６０ｂの厚さはカバー本体１６０ａの厚さより厚く形成され、ハウジングプレート１６０が剛性構造を維持できるように適正の体積を有する柱体として備えられる。このようなハウジングプレート１６０は押出成形により製造することができる。ハウジングプレート１６０の一面（電池セル積層体と対向する面）は全体的に平坦であり、ハウジングプレート１６０の他の一面（電池セル積層体と対向する面）も全体的に平坦であるが、この他の一面には後述するリブ１６０ｃが第１方向ｘおよび第２方向ｙに対して垂直な第３方向ｚに沿って提供される。

本実施形態における変形防止構造体２０は、ハウジングプレート１６０に結合されて電池セル積層体１４に支持される加圧プレート２００を含む。加圧プレート２００は電池セル積層体１４の長手方向（ｙ）に沿って長く配置される加圧本体２００ａと加圧本体２００ａの両端に配置されてハウジングプレート１６０の支柱部１６０ｂに結合される固定部２００ｂを含む。加圧プレート２００は金属材質（例：ステンレススチール）からなる。

加圧プレート２００の加圧本体２００ａはハウジングプレート１６０のカバー本体１６０ａと類似の形状を有することができる。加圧プレート２００の固定部２００ｂは支柱部１６０ｂの外郭形状に対応する形状が内側に作られるように屈曲した形状からなり、その終端は固定部２００ｂが弾性を持つように自由端で形成されることができる。加圧プレート２００は固定部２００ｂをハウジングプレート１６０の支柱部１６０ｂに嵌挿結合してハウジングプレート１６０と結合されることができる。固定部２００ｂの自由端が密着する支柱部１６０ｂ部位と加圧本体２００ａとの間には段差を有し得る。

そのため、加圧プレート２００の加圧本体２２０ａはハウジングプレート１６０のカバー本体１６０ａとの間に一定間隔を維持しながら堅固に配置されることができる。

固定部２００ｂが支柱部１６０ｂに結合された状態で第２方向ｙに固定部２００ｂと支柱部１６０ｂとの間には空間部３０が作られるのが良いが、これは電池セル積層体１４のスウェリングによって、ハウジングプレート１６０が変位される時、支柱部１６０ｂ側に応力が集中することを防止するためのマージンとして作用することができる。

変形防止構造体２０は加圧プレート２００とハウジングプレート１６０との間に配置され、これらに弾性力を付加する板ばね４０を含む。本実施形態における板ばね４０は、高剛性ばねであって、ステンレススチールのような金属や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）のようなプラスチック材質からなる。

板ばね４０は複数の山部４０ａとこの複数の山部４０ａとの間に谷部４０ｂが配置された形状を有するが、本実施形態における板ばね４０は二つの山部４０ａの間に一つの谷部４０ｂを含む。このような板ばね４０は第３方向ｚに沿って長く配置される、すなわち、第３方向に沿って高さｈが第２方向に沿った幅ｗより大きい略四角体の外形を有することができる。

板ばね４０はハウジングプレート１６０の長手方向ｘに沿って間隔を置いて複数配置される。本実施形態では６個の板ばね４０がハウジングプレート１６０と加圧プレート２００との間に配置されるが、６個の板ばね４０のうち、ハウジングプレート１６０の両端、すなわち、各支柱部１６０ｂに隣り合って配置される２個の板ばね４０はその幅ｗ１を残りの４個の板ばね４０の幅ｗ２より広く構成する。

このような板ばね４０がハウジングプレート１６０と加圧プレート２００との間に配置される時、各板ばね４０は、板ばね４０の山部４０ａがハウジングプレート１６０のカバー本体１６０ａに接触して支持されるようにし、谷部４０ｂは加圧プレート２００の加圧本体２００ａに接触して支持されるようにする。

板ばね４０と板ばね４０との間にはリブ１６０ｃが提供される。リブ１６０ｃもまた、板ばね４０の形状に対応して第３方向ｚに沿って長い形を有することができる。本実施形態でリブ１６０ｃは６個の板ばね４０の間ごとにそれぞれ配置されるが、このようなリブ１６０ｃはハウジングプレート１６０の押出成形によりカバー本体１６０ａと一体で構成することができる。

一方、カバー本体１６０ａの内部にはハウジングプレート１６０の軽量化および剛性構造のために、その両端が開口された中空部１６０ｄが形成されるが、本実施形態で中空部１６０ｄは一つの板ばね４０に対して２個ずつ対応するようにカバー本体１６０ａに形成される。

変形防止構造体２０は加圧プレート２００に支持されてハウジングプレートの外表面、すなわち、電池セル積層体１４と対向するハウジングプレートの表面から突出する突出部５０を含む。この突出部５０は電池セル積層体１４のスウェリング時、ハウジングプレート１６０の変形を抑制する役割をするが、これは後述する。

本実施形態における突出部５０は、一定の直径を有する鋼球（またはボール）５００からなる。鋼球５００はリブ１６０ｃに提供された収容部１６００ｃに収容されてハウジングプレート１６０のカバー本体１６０ａに貫通された開口１６００ａを通じて部分露出する（図６を参照）。すなわち、本実施形態における突出部５０は、ハウジングプレート１６０から部分露出した鋼球５００の部位で構成される。

鋼球５００において露出部位に対向する他の部位は加圧プレート２００の加圧本体２００ａに支持される。この時、リブ１６０ｃの側面と加圧本体２００ａとの間には支持部材６０が配置される。この支持部材６０は鋼球５００の公差を補償して鋼球５００が加圧本体２００ａに安定的に支持され、これはゴムパッドで備えられる（図７を参照）。

本実施形態において、鋼球５００による突出部５０は、５個のリブ１６０ｃのうち奇数番目のリブ１６０ｃに第３方向ｚに沿って間間隔を置いて複数で、たとえば、３個で備えられる。そのため、本実施では合計９個の突出部５０がハウジングプレート１６０に均一に配置される。

このように構成される変形防止構造体２０は、板ばね４０がリブ１６０ｃの間にハウジングプレート１６０のカバー本体１６０ａに配置され、鋼球５００が開口１６００ａを通じて部分露出するようにリブ１６０ｃの収容部１６００ｃに安着し、リブ１６０ｃの側面に支持部材６０が鋼球５００をカバーして配置されるようにした状態で、加圧プレート２０が固定部２００ｂをハウジングプレート１６０の支持部１６０ｂに嵌挿結合されることにより、ハウジングプレート１６０と組み立てられる。

変形防止構造体２０と組み立てられたハウジングプレート１６０は、トッププレートおよび底プレートと結合されてモジュールハウジング１６を構成することができ、モジュールハウジング１６は、内部空間に電池セル積層体１４を収容して、カバープレート１８と結合されて電池モジュール１０を構成することができる。この時、変形防止構造体２０の加圧プレート２００と電池セル積層体１４の最外側電池セル１２ａ，１２ｂとの間には図８に示すように、ギャップ（間隙）が発生しないようにギャップ発生防止部材８０が配置される。ギャップ発生防止部材８０としては多様な材質のパッドを使用することができ、特に限定されるものではない。

図８は実施形態による電池モジュール１０を含む電池パックを示す図である。電池パックはキャリアフレームを構成するビーム部材（例：垂直ビーム，７０）を含み得、電池モジュール１０はキャリアフレームに少なくとも１個で備えられて設けられる。電池モジュール１０がキャリアフレームに設けられるとき、ハウジングプレート１６０はビーム部材７０に数ｍｍの間隔を置いて配置されることができる。

本実施形態による電池モジュール１０は、電気自動車のような高容量の電源を必要とする装置に適用して使用することができ、電池セル積層体１４からスウェリング現象が起こる場合にも電池モジュール１０の変形を最小化することができる。

これは電池セル積層体１４のスウェリングによる電池セルの変形量が大きくなっても電池セル積層体１４とハウジングプレート１６０との間で変形防止構造体２０の板ばね４０が弾性を発揮して対抗できるからである。さらに、ハウジングプレート１６０がスウェリングによって第１方向ｘに変形されてもハウジングプレート１６０より変形防止構造体２０の突出部５０が先にビーム部材７０に接触して支持されるので、電池セル積層体１４のスウェリングに対するハウジングプレート１６０の反力を低下させない。

前述した電池モジュールおよびそれを含む電池パックは多様なデバイスに適用することができる。このようなデバイスは、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できるが、本発明はこれに制限されず、電池モジュールおよびそ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することが可能であり、これもまた本発明の権利範囲に属する。

以上、本発明の好ましい実施形態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、次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 電池モジュール
１２ 電池セル
１４ 電池セル積層体
１６ モジュールハウジング
２０ 変形防止構造体
４０ 板ばね
５０ 突出部
１６０ ハウジングプレート
２００ 加圧プレート

Claims (12)

1. 第１方向に配列されて積層された複数の電池セルを含む電池セル積層体、
   前記電池セル積層体が収容されるモジュールハウジング、および
   前記複数の電池セルのうち最外側電池セルと前記モジュールハウジングとの間に配置される変形防止構造体
   を含み、
   前記モジュールハウジングは、前記最外側電池セルと隣り合うハウジングプレートを含み、
   前記変形防止構造体は、
   前記ハウジングプレートに固定されて前記電池セル積層体に支持される加圧プレート、
   前記加圧プレートと前記ハウジングプレートとの間に配置される板ばね、および
   前記加圧プレートに支持されて前記ハウジングプレートの外表面に突出する突出部
   を含む、電池モジュール。
2. 前記ハウジングプレートは、前記電池セルの長手方向に沿って長く配置されるカバー本体と、前記カバー本体の両端に配置される支柱部と、を含み、
   前記加圧プレートは、前記カバー本体との間に間隔を置いて前記電池セルの長手方向に沿って長く配置されて前記最外側電池セルに支持される加圧本体と、前記加圧本体の両端に配置されて前記ハウジングプレートの支柱部に固定される固定部と、を含む、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 収容部を有するリブが、前記加圧プレートに向う前記ハウジングプレートの面に提供され、
   前記突出部は、前記収容部に収容されて前記ハウジングプレートに貫通された開口を通じて部分突出する鋼球からなる、請求項１に記載の電池モジュール。
4. 前記板ばねは、前記ハウジングプレートの長手方向に沿って間隔を間に置いて複数配置され、
   前記突出部は、前記複数の板ばねの間ごとに配置される、請求項３に記載の電池モジュール。
5. 前記複数の板ばねのうち前記ハウジングプレートの両端部に隣り合って配置される板ばねの幅が、残りの板ばねの幅より広く、
   それぞれの幅は、前記ハウジングプレートの長手方向に沿った幅である、請求項４に記載の電池モジュール。
6. 前記板ばねは、複数の山部と前記複数の山部との間に配置される谷部を含み、前記複数の山部は前記ハウジングプレートに支持され、前記谷部は前記加圧プレートに支持される、請求項５に記載の電池モジュール。
7. 前記突出部は、前記リブの長手方向に沿って複数配置される、請求項３に記載の電池モジュール。
8. 前記加圧プレートに向う前記リブの側面と前記加圧プレートとの間に、前記鋼球を前記加圧プレートに連結するための支持部材が配置される、請求項３に記載の電池モジュール。
9. 前記支持部材は、ゴムパッドを含む、請求項８に記載の電池モジュール。
10. 前記最外側電池セルと前記加圧プレートとの間に、ギャップ発生防止部材が配置される、請求項１に記載の電池モジュール。
11. 請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の電池モジュールを含む、電池パック。
12. 前記電池パックは、前記電池モジュールが収容されるキャリアフレームを含み、前記キャリアフレームは、前記ハウジングプレートと隣り合うビーム部材を含み、前記ビーム部材と前記ハウジングプレートとの間の距離より前記ビーム部材と前記突出部との間の距離が近い、請求項１１に記載の電池パック。

Images