JP7044897B2 - バッテリーモジュール、該バッテリーモジュールを含むバッテリーパック及び該バッテリーパックを含む自動車 - Google Patents

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Description

本発明は、バッテリーモジュール、該バッテリーモジュールを含むバッテリーパック及び該バッテリーパックを含む自動車に関する。
本出願は、２０１８年１２月２６日出願の韓国特許出願第１０－２０１８－０１６９９４７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。
製品群毎の適用性が高く、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（ＥＶ；Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）またはハイブリッド自動車（ＨＥＶ；Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などに普遍的に適用されている。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という一次的な長所だけでなく、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、エネルギー効率向上のための新たなエネルギー源として注目されている。
現在、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などの二次電池が広く使用されている。このような単位二次電池セル、すなわち、単位バッテリーセルの作動電圧は約２．５Ｖ～４．５Ｖである。したがって、これよりも高い出力電圧が求められる場合、複数のバッテリーセルを直列で接続してバッテリーパックを構成することがある。また、バッテリーパックに求められる充放電容量に合わせて、複数のバッテリーセルを並列で接続してバッテリーパックを構成することもある。したがって、前記バッテリーパックに含まれるバッテリーセルの個数は求められる出力電圧または充放電容量によって多様に設定され得る。
一方、複数のバッテリーセルを直列／並列で接続してバッテリーパックを構成する場合、少なくとも一つのバッテリーセルを含むバッテリーモジュールをまず構成し、このような少なくとも一つのバッテリーモジュールにその他の構成要素を付け加えてバッテリーパックを構成する方法が一般的である。
従来、バッテリーモジュールの場合、組み立て工程の際、電気的接続のためにバッテリーセルの電極リードとバスバーフレーム組立体に備えられるバスバーとを相互に溶接によって結合させる。このような溶接工程でバスバーフレーム組立体が揺れるなどの動きが生じる場合、溶接の正確性及び品質などが低下し得、また、電極リードとバスバーとの間の接続不良などの問題が生じるおそれがある。
そこで、バッテリーセルの電極リードとバスバーフレーム組立体のバスバーとの間の溶接結合工程において、バスバーフレーム組立体が動くことを防止できる方案が求められている。
したがって、本発明は、バッテリーセルの電極リードとバスバーフレーム組立体のバスバーとの間の溶接結合工程において、バスバーフレーム組立体の動きを防止することができるバッテリーモジュール、該バッテリーモジュールを含むバッテリーパック及び該バッテリーパックを含む自動車を提供することを目的とする。
上記の目的を解決するため、本発明は、複数のバッテリーセルと、前記複数のバッテリーセルを支持し、前記複数のバッテリーセルの電極リードと電気的に接続される複数のバスバーを備えるバスバーフレーム組立体と、前記バスバーフレーム組立体の上面及び底面に備えられ、前記複数のバッテリーセルの電極リードと前記複数のバスバーとの電気的接続のための溶接工程時に、前記バスバーフレーム組立体を固定するための溶接固定治具が挿入される複数の固定治具孔とを含むことを特徴とするバッテリーモジュールを提供する。
前記複数の固定治具孔は、前記バスバーフレーム組立体の底面に備えられ、前記溶接工程時に前記溶接固定治具が挿入されるベース治具孔と、前記バスバーフレーム組立体の上面に備えられ、前記溶接工程時に前記溶接固定治具が挿入されるトップ治具孔とを含み得る。
前記ベース治具孔は、前記バスバーフレーム組立体の各底面エッジに形成されるエッジ治具孔と、前記エッジ治具孔の間に備えられ、前記バスバーフレーム組立体の幅方向に沿って相互に所定の距離で離隔して配置される補助治具孔とを含み得る。
前記トップ治具孔は、前記バスバーフレーム組立体の各上面エッジに形成されるエッジ治具孔を含み得る。
前記バスバーフレーム組立体は、前記複数のバスバーを備えるフロントフレーム及びリアフレームと、前記フロントフレームと前記リアフレームとを連結するトップフレームとを含み、前記複数の固定治具孔は、前記フロントフレーム及び前記リアフレームの上面及び底面に備えられ得る。
前記フロントフレーム及び前記リアフレームは、前記トップフレームに対して回転自在にヒンジ結合され得る。
前記トップフレームには、前記フロントフレーム及び前記リアフレームの前記トップフレームとのヒンジ結合時に、前記複数の固定治具孔との干渉を防止するための複数の干渉防止溝が形成され得る。
前記複数の干渉防止溝は、前記トップフレームの４つの角領域に備えられ得る。
また、本発明は、上述した本発明による少なくとも一つのバッテリーモジュールと、前記少なくとも一つのバッテリーモジュールをパッケージングするパックケースとを含むことを特徴とするバッテリーパックを提供する。
さらに、本発明は、上述した本発明によるバッテリーパックを含むことを特徴とする自動車を提供する。
本発明によれば、バッテリーセルの電極リードとバスバーフレーム組立体のバスバーとの間の溶接結合工程において、バスバーフレーム組立体の動きを防止できるバッテリーモジュール、該バッテリーモジュールを含むバッテリーパック及び該バッテリーパックを含む自動車を提供することができる。
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形態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説明するための図である。 図１のバッテリーモジュールの底面斜視図である。 図２のバッテリーモジュールの底面図である。 図１のバッテリーモジュールの樹脂注入工程を説明するための図である。 図４のバッテリーモジュールの多様な実施例による樹脂注入孔の形態を説明するための図である。 図４のバッテリーモジュールの多様な実施例による樹脂注入孔の形態を説明するための図である。 図１のバッテリーモジュールのモジュールケースを除去した様子を示した図である。 図７のバッテリーモジュールの分解斜視図である。 図７のバッテリーモジュールの底面図である。 図７のバッテリーモジュールの平面図である。 図７のバッテリーモジュールの電極リード溶接時の固定過程を説明するための図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーパックを説明するための図である。 本発明の一実施形態による自動車を説明するための図である。
本発明は、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とでより明らかになるであろう。ここで説明される実施形態は発明の理解を助けるための例示的なものであり、本発明はここで説明される実施形態と異なる多様な形態で変形されて実施可能であることを理解しなければならない。また、発明の理解を助けるため、添付された図面は実際の縮尺通りではなく、一部構成要素の寸法を誇張して図示し得る。
図１は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールを説明するための図であり、図２は図１のバッテリーモジュールの底面斜視図であり、図３は図２のバッテリーモジュールの底面図であり、図４は図１のバッテリーモジュールの樹脂注入工程を説明するための図であり、図５及び図６は図４のバッテリーモジュールの多様な実施例による樹脂注入孔の形態を説明するための図であり、図７は図１のバッテリーモジュールのモジュールケースを除去した様子を示した図であり、図８は図７のバッテリーモジュールの分解斜視図であり、図９は図７のバッテリーモジュールの底面図であり、図１０は図７のバッテリーモジュールの平面図であり、図１１は図７のバッテリーモジュールの電極リード溶接時の固定過程を説明するための図である。
図１～図１１を参照すると、バッテリーモジュール１０は、バッテリーセル１００、モジュールケース２００、バスバーフレーム組立体３００、電圧センシングユニット４００及び複数の固定治具孔５００を含むことができる。
前記バッテリーセル１００は、二次電池であって、パウチ型二次電池であり得る。前記パウチ型二次電池は、電極組立体、電解液及びパウチ外装材から構成され得る。パウチ外装材は、二つのパウチから構成され、そのうちの少なくとも一つには凹状の内部空間が形成され得る。電極組立体と電解液は前記パウチ外装材の内部空間に収納され得る。二つのパウチの外周面にはシーリング部が備えられ、シーリング部同士が融着されることで、電極組立体が収容された内部空間が密閉され得る。
前記バッテリーセル１００は、複数個が備えられ得る。前記複数のバッテリーセル１００は、相互電気的に接続されるように積層され得る。前記複数のバッテリーセル１００は、それぞれ、従来のバッテリーセルに比べて幅に対する長さがさらに長く形成されたロングセル（ｌｏｎｇ ｃｅｌｌ）である。例えば、ロングセルは幅に対する長さが略３～５倍以上であり得る。本発明による前記バッテリーモジュール１０において、このようなロングセル型のバッテリーセル１００を採用したことは、前記バッテリーモジュール１０の高さを低く維持しながらバッテリーの容量を増加させることで、高容量のバッテリーモジュールを自動車のシート下部やトランク下部などの位置に容易に取り付けるためである。ただし、このような事項に本発明の権利範囲が制限されることはない。
このような前記複数のバッテリーセル１００にはそれぞれ一対の電極リード１５０が備えられ、前記バッテリーモジュール１０の前後方向にそれぞれ突出し得る。
前記一対の電極リード１５０は、バッテリーセル１００の幅方向の中心部から一側に偏って位置するが、前記バッテリーモジュール１０の高さ方向に沿って下部に偏って位置する。
このように、前記一対の電極リード１５０がバッテリーセル１００の幅方向の中心部から一側に偏って位置することは、後述するコネクタ部材４２０などを取り付けるための空間を提供することで前記バッテリーモジュール１０のエネルギー密度を向上させるためである。
前記モジュールケース２００は、前記複数のバッテリーセル１００を収容し、前記バッテリーモジュール１０の外観を形成し得る。そのため、前記モジュールケース２００には前記バッテリーセル１００を収容可能な所定大きさの空間が設けられ得る。
このような前記モジュールケース２００は、四角管状で提供される。前記モジュールケース２００内の空間は、バッテリーセル１００と後述するバスバーフレーム組立体３００を密に収容可能な程度の体積である。このような前記モジュールケース２００は、バッテリーモジュールの重量と体積を低減させることができる。
前記モジュールケース２００の一面には、熱伝導性樹脂Ｌを注入可能な少なくとも一つの樹脂注入孔２１０が形成される。ここで、前記モジュールケース２００の一面はバッテリーセル１００の底面部に対応する底面であり得る。
具体的には、前記樹脂注入孔２１０は、前記モジュールケース２００の底面のうち長さ方向に沿った中心領域と両端領域との間に複数個が位置する。そして、前記中心領域及び両端領域には複数のチェック孔２２０がさらに形成され得る。前記チェック孔２２０は、該当領域まで樹脂Ｌが注入されたかを確認する用途である。例えば、前記チェック孔２２０で樹脂Ｌが確認されれば、樹脂Ｌの注入を中止して樹脂Ｌの注入量を調節することができる。
一方、前記樹脂注入孔２１０及び前記チェック孔２２０は、図５に示されたように、四角形の断面を有するか、または、図６に示されたように、前記樹脂Ｌが前記モジュールケース２００内部により円滑に流入できるように、台形の断面を有し得る。
前記バスバーフレーム組立体３００は、前記モジュールケース２００内に摺動自在に挿入され、前記複数のバッテリーセル１００を支持することができる。
このような前記バスバーフレーム組立体３００は、フロントフレーム３１０、リアフレーム３２０、トップフレーム３３０及び複数のバスバー３５０を含むことができる。
前記フロントフレーム３１０及び前記リアフレーム３２０は、前記複数のバスバー３５０を備え得る。前記トップフレーム３３０は、前記フロントフレームと前記リアフレームとを連結し得る。
具体的には、前記フロントフレーム３１０、リアフレーム３２０及びトップフレーム３３０は、それぞれバッテリーセル１００の前面部、後面部、上面部に対応するサイズで該当部位を覆うことができる。
ここで、前記フロントフレーム３１０及びリアフレーム３２０は、トップフレーム３３０に対して回転自在に設けられる。これは、バッテリーセル１００と前記バスバーフレーム組立体３００との組み立てを容易にするためである。
そのため、前記フロントフレーム３１０及び前記リアフレーム３２０は、前記トップフレーム３３０に対して回転自在にヒンジ結合され得る。すなわち、前記フロントフレーム３１０及び前記リアフレーム３２０は、それぞれ、前記トップフレーム３３０の一端部及び他端部にヒンジ結合され得る。
一方、前記トップフレーム３３０は、干渉防止溝３３５を含むことができる。
前記干渉防止溝３３５は、複数個が備えられ得る。前記複数の干渉防止溝３３５は、前記トップフレーム３３０の４つの角領域に備えられ得る。このような前記複数の干渉防止溝３３５は、前記フロントフレーム３１０及び前記リアフレーム３２０の前記トップフレーム３３０とのヒンジ結合時に生じ得る後述する複数の固定治具孔５００との干渉を防止することできる。
前記複数のバスバー３５０は、前記フロントフレーム３１０及び前記リアフレーム３２０に備えられ、前記複数のバッテリーセル１００の前記電極リード１５０と電気的に接続され得る。
そのため、前記複数のバスバー３５０は、前記複数のバッテリーセル１００の前記電極リード１５０と溶接結合などによって相互電気的に接続され得る。
前記電圧センシングユニット４００は、前記バッテリーセル１００の電圧情報などをセンシングするためのものであって、ＦＰＣＢ部材４１０、コネクタ部材４２０、温度センサ４３０及びセンシング端子４４０、４５０を含むことができる。
前記ＦＰＣＢ部材４１０は、トップフレーム３３０とバッテリーセル１００の上面との間で前記バッテリーセル１００の長さ方向に沿って延びて配置され得る。前記ＦＰＣＢ部材４１０は、フレキシブルプリント回路基板（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）で具現され得る。
前記コネクタ部材４２０は、前記ＦＰＣＢ部材４１０と電気的に接続され、前記温度センサ４３０及びセンシング端子４４０、４５０で得たデータなどをバッテリー管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ：ＢＭＳ）に伝送することができる。
前記温度センサ４３０は、前記ＦＰＣＢ部材４１０に備えられ、前記バッテリーセル１００の両端付近に位置し得る。一般に、前記バッテリーセル１００は電極リード１５０周辺の温度が最も高いため、前記温度センサ４３０はバッテリーセル１００の両端に位置することが望ましい。
前記センシング端子４４０、４５０は、フロントフレーム３１０に位置したバスバー３５０毎に取り付けられる第１センシング端子４４０、及びリアフレーム３２０に位置したバスバー３５０毎に取り付けられる第２センシング端子４５０を含み、それぞれのバスバー３５０における電圧値をセンシングすることができる。
前記複数の固定治具孔５００は、前記バスバーフレーム組立体３００の上面及び底面に備えられ、前記複数のバッテリーセル１００の前記電極リード１５０と前記複数のバスバー３５０との電気的接続のための溶接工程時に、前記バスバーフレーム組立体３００を固定するための溶接固定治具Ｇが挿入できる。
このような前記複数の固定治具孔５００は、前記フロントフレーム３１０及び前記リアフレーム３２０の上面及び底面に備えられ、ベース治具孔５１０及びトップ治具孔５２０を含むことができる。
前記ベース治具孔５１０は、前記バスバーフレーム組立体３００の底面に備えられ、前記溶接工程時に前記溶接固定治具Ｇが下方から挿入できる。
このような前記ベース治具孔５１０は、エッジ治具孔５１２及び補助治具孔５１４を含むことができる。
前記エッジ治具孔５１２は、前記バスバーフレーム組立体３００の各底面エッジに形成され得る。具体的には、前記エッジ治具孔５１２は、前記バスバーフレーム組立体３００の前記フロントフレーム３１０及び前記リアフレーム３２０の各底面エッジに形成され得る。
前記補助治具孔５１４は、前記エッジ治具孔５１２の間に備えられ、前記バスバーフレーム組立体３００の幅方向、具体的には、前記バスバーフレーム組立体３００の前記フロントフレーム３１０及び前記リアフレーム３２０の幅方向に沿って相互に所定の距離で離隔して配置され得る。
前記トップ治具孔５２０は、前記バスバーフレーム組立体３００の上面に備えられ、前記溶接工程時に前記溶接固定治具Ｇが上方から挿入できる。
このような前記トップ治具孔５２０は、前記バスバーフレーム組立体３００の各上面エッジに形成されるエッジ治具孔を含むことができる。具体的には、前記トップ治具孔５２０は、前記バスバーフレーム組立体３００の前記フロントフレーム３１０及び前記リアフレーム３２０の各上面エッジに形成され得る。
本実施形態においては、このような前記複数の固定治具孔５００を通じて、前記複数のバッテリーセル１００の前記電極リード１５０と前記複数のバスバー３５０との電気的接続のための溶接工程時に、前記溶接固定治具Ｇが前記バスバーフレーム組立体３００の上下方の両方から前記バスバーフレーム組立体３００に挿入されて前記バスバーフレーム組立体３００を固定することができる。
これによって、本実施形態では、前記溶接工程時に、前記バスバーフレーム組立体３００の上下方向の動き及び左右方向の動きを全て効果的に防止し、前記バスバーフレーム組立体３００が揺れるなどの動きを最小化させることができる。
したがって、本実施形態では、前記複数の固定治具孔５００を通じて、前記溶接工程時の溶接正確性及び溶接品質などを著しく改善でき、前記電極リード１５０とバスバー３５０との間の接続品質も著しく高めることができる。
図１２は本発明の一実施形態によるバッテリーパックを説明するための図であり、図１３は本発明の一実施形態による自動車を説明するための図である。
図１２及び図１３を参照すると、バッテリーパック１は、上述した実施形態による少なくとも一つのバッテリーモジュール１０及び前記少なくとも一つのバッテリーモジュール１０をパッケージングするパックケース５０を含むことができる。
このような前記バッテリーパック１は、自動車Ｖの燃料源として自動車Ｖに備えられ得る。例えば、前記バッテリーパック１は、電気自動車、ハイブリッド自動車、及びその他のバッテリーパック１を燃料源として利用可能なその他の方式で自動車Ｖに備えられ得る。
もちろん、前記バッテリーパック１は、前記自動車の外にも、二次電池を用いる電力貯蔵装置（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）などのその他の装置や機具及び設備などにも備えられ得る。
このように、本実施形態による前記バッテリーパック１及び前記自動車Ｖのような前記バッテリーパック１を備える装置や機具及び設備は、上述した前記バッテリーモジュール１０を含むことで、上述したバッテリーモジュール１０による長所をすべて有するバッテリーパック１及びこのようなバッテリーパック１を備える自動車Ｖなどの装置や機具及び設備などを具現することができる。
以上のような多様な実施形態によって、前記バッテリーセル１００の前記電極リード１５０と前記バスバーフレーム組立体３００の前記バスバー３５０との間の溶接結合工程時に、前記バスバーフレーム組立体３００の動きを防止できる前記バッテリーモジュール１０、このような前記バッテリーモジュール１０を含む前記バッテリーパック１、及びこのような前記バッテリーパック１を含む自動車Ｖを提供することができる。
以上のように、本発明の望ましい実施形態を図示して説明したが、本発明は上述した特定の実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱せずに本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者によって多様に変形実施可能であり、このような変形実施は本発明の技術的思想や見込みから個別的に理解されてはならない。
１ バッテリーパック
１０ バッテリーモジュール
５０ パックケース
１００ バッテリーセル
１５０ 電極リード
２００ モジュールケース
２１０ 樹脂注入孔
２２０ チェック孔
３００ バスバーフレーム組立体
３１０ フロントフレーム
３２０ リアフレーム
３３０ トップフレーム
３３５ 干渉防止溝
３５０ バスバー
４００ 電圧センシングユニット
４１０ ＦＰＣＢ部材
４２０ コネクタ部材
４３０ 温度センサ
４４０ 第１センシング端子
４５０ 第２センシング端子
５００ 固定治具孔
５１０ ベース治具孔
５１２ エッジ治具孔
５１４ 補助治具孔
５２０ トップ治具孔

Claims (9)

  1. 複数のバッテリーセルと、
    前記複数のバッテリーセルを支持し、前記複数のバッテリーセルの電極リードと電気的に接続される複数のバスバーを備えるバスバーフレーム組立体と、
    前記バスバーフレーム組立体の上面及び底面に備えられ、前記複数のバッテリーセルの前記電極リードと前記複数のバスバーとの電気的接続のための溶接工程時に、前記バスバーフレーム組立体を固定するための溶接固定治具が挿入される複数の固定治具孔とを含み、
    前記バスバーフレーム組立体が、
    前記複数のバスバーを備えるフロントフレーム及びリアフレームと、
    前記フロントフレームと前記リアフレームとを連結するトップフレームとを含み、
    前記複数の固定治具孔が、
    前記フロントフレーム及び前記リアフレームの前記上面及び前記底面に備えられる、バッテリーモジュール。
  2. 前記複数の固定治具孔が、
    前記フロントフレーム及び前記リアフレームの前記底面に備えられ、前記溶接工程時に前記溶接固定治具が挿入されるベース治具孔と、
    前記フロントフレーム及び前記リアフレームの前記上面に備えられ、前記溶接工程時に前記溶接固定治具が挿入されるトップ治具孔とを含む、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記ベース治具孔が、
    前記フロントフレーム及び前記リアフレームの各底面エッジに形成されるエッジ治具孔と、
    前記エッジ治具孔の間に備えられ、前記バスバーフレーム組立体の幅方向に沿って相互に所定の距離で離隔して配置される補助治具孔とを含む、請求項２に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記トップ治具孔が、前記フロントフレーム及び前記リアフレームの各上面エッジに形成されるエッジ治具孔を含む、請求項２に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記フロントフレーム及び前記リアフレームが、前記トップフレームに対して回転自在にヒンジ結合される、請求項４に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記トップフレームには、前記フロントフレーム及び前記リアフレームの前記トップフレームとのヒンジ結合時に、前記複数の固定治具孔との干渉を防止するための複数の干渉防止溝が形成される、請求項５に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記複数の干渉防止溝が、前記トップフレームの４つの角領域に備えられる、請求項６に記載のバッテリーモジュール。
  8. 少なくとも一つの請求項１に記載のバッテリーモジュールと、
    少なくとも一つの前記バッテリーモジュールをパッケージングするパックケースとを含む、バッテリーパック。
  9. 請求項８に記載のバッテリーパックを含む、自動車。
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