JP7123472B2 - 電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、２０１９年６月１１日付の韓国特許出願第１０－２０１９－００６８５７７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全ての内容は本明細書の一部として含まれる。

本発明は、電池モジュールおよびその製造方法に関し、より詳しくは、軟性回路基板を連結するコネクタを有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でエネルギー源として多くの関心を集めている。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、環境に優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、大容量の二次電池の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。

また、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１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１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た電池セル積層体、電池セル積層体の両端にそれぞれ設けられたバスバーフレーム、両端のバスバーフレームを連結する軟性回路基板（ＦＰＣＢ）を含んで構成される。

図１は、従来の電池モジュールでのフレーム、電池セル積層体および軟性回路基板が備えられた形状を示す図である。図２は、従来の電池モジュールでの軟性回路基板カバーおよび軟性回路基板に対する分解斜視図である。

図１および図２を参照すると、従来は前後面が開放された六面体形状のフレーム２０内部に電池セル積層体１０、バスバーフレーム３０および軟性回路基板（ＦＰＣＢ）４０を挿入して組み込み、エンドプレート６０にフレーム２０の前後面をカバーした。この時、軟性回路基板４０に取り付けられた軟性回路基板カバー５０および軟性回路基板カバー５０の両端に連結されるバスバーフレーム３０をそれぞれヒンジで組み立て、ヒンジで組み立てられたバスバーフレーム３０および軟性回路基板カバー５０を電池セル積層体１０に取り付けた後、電池セル積層体１０と一緒にフレーム２０に挿入して組み込んだ。

しかし、図１および図２に示すように、軟性回路基板４０をフレーム２０内部に挿入する時に軟性回路基板４０が損傷する恐れがあるため、軟性回路基板カバー５０に軟性回路基板４０を取り付けた状態でフレーム２０内部に挿入して組み込まなければならないし、軟性回路基板カバー５０によって電池モジュールの高さが１．０～１．２ｍｍ高くなるという問題がある。

また、電池セル積層体１０とバスバーフレーム３０とをヒンジ構造により組み立てた時、軟性回路基板カバー５０を電池セル積層体１０の上部に取り付けた後、両端のバスバーフレーム３０をヒンジを中心として回転して電池セル積層体１０の前後面と接触するように設けられる。この時、バスバーフレーム３０の回転時に電池セル積層体１０の前後面に突出して形成された電極リードの端部と回転により入るバスバーフレーム３０が干渉を引き起こすという問題がある。

また、電池セル積層体１０の積層時、電池セルの側面に形成された折り畳み部の重畳による累積公差が発生する場合、軟性回路基板カバー５０の容積による空間の狭さによって電池セルの相互に間に干渉現象を引き起こすという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、軟性回路基板カバーを除去してモジュール内に所定の空間を確保しつつ、軟性回路基板の設置時にその損傷を防止できる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。

本発明が解決しようとする課題は、以上で言及した課題に限定されず、言及されていないまた他の課題は、以下の記載から当業者に明確に理解できるであろう。

前記課題を解決するための本発明の電池モジュールは、複数の電池セルが積層された電池セル積層体と、前記電池セル積層体の前面および後面にそれぞれ設けられた第１バスバーフレームおよび第２バスバーフレームと、前記第１バスバーフレームおよび第２バスバーフレームを連結する軟性回路基板とを含み、前記軟性回路基板は、互いに分離された第１軟性回路基板部と第２軟性回路基板部とを含み、前記第１軟性回路基板部および前記第２軟性回路基板部はコネクタにより互いに連結される。

また、前記課題を実現するための本発明の電池モジュールの製造方法は、第１バスバーフレームは第１軟性回路基板部と結合し、第２バスバーフレームは第２軟性回路基板部と結合する段階と、前記第１バスバーフレームおよび第２バスバーフレームは電池セル積層体の前面および後面にそれぞれ結合する段階と、前記第１軟性回路基板部と前記第２軟性回路基板部とをコネクタにより連結する段階とを含む。

前記コネクタは、前記軟性回路基板の中央に形成され、前記第１軟性回路基板部および前記第２軟性回路基板部を連結することができる。

前記コネクタは、前記軟性回路基板の両端部のうちの一端に形成され、前記第１軟性回路基板部および前記第２軟性回路基板部を連結することができる。

前記電池セル積層体は、前記電池セル積層体の中央および両端に前記複数の電池セルを垂直な方向に固定する電池セル固定部を含み得る。

前記コネクタは、前記電池セル固定部上に配置することができる。

前記コネクタは、前記第１軟性回路基板部および第２軟性回路基板部の対向端部それぞれに形成され、前記第１軟性回路基板部および第２軟性回路基板部を連結することができる。

前記第１バスバーフレームおよび第２バスバーフレームが前記電池セル積層体に結合する段階で、前記第１バスバーフレームおよび第２バスバーフレームは、前記電池セル積層体の前面および後面にそれぞれ垂直な方向に結合することができる。

前記第１バスバーフレームおよび第２バスバーフレームが前記第１軟性回路基板部および第２軟性回路基板部とそれぞれ結合する段階で、前記第１バスバーフレームおよび第２バスバーフレームと前記第１軟性回路基板部および第２軟性回路基板部はそれぞれ垂直な方向に結合することができる。

請求項１に記載の電池モジュールを含む電池パックを提供する。

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、軟性回路基板の中間あるいは周縁にコネクタを適用することによって、軟性回路基板カバーを除去可能で、半製品の運送およびＩｎ－Ｌｉｎｅ作業時に軟性回路基板の損傷を防止することができる。

また、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、バスバーフレームの組立時にヒンジによる回転組み立てではなく、電池セル積層体の前後面と垂直な方向に組み立てて設置することによって、組立時に発生する電極リードとバスバーフレームとの干渉問題を解決することができる。

また、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、ヒンジ構造の未使用によるヒンジの変形および離脱現象が発生しないので、製造工程の作業性が向上することができる。

また、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、軟性回路基板カバーの設置およびヒンジ組み立て工程の不要で製品の製作時にコスト削減の効果がある。

また、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、軟性回路基板カバーの除去によって電池モジュールの高さの縮小により、空間の効率性を確保することができ、モジュール自体のエネルギー密度を向上させることができる利点がある。

本発明の効果は、以上で言及した効果に限定されず、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できるであろう。

従来の電池モジュールでのフレーム、電池セル積層体および軟性回路基板が備えられた形状を示す分解斜視図である。 図１の軟性回路基板カバーおよび軟性回路基板に対する分解斜視図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールを示す斜視図である。 図３のバスバーフレームおよび軟性回路基板の組み立て前の形状を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態による電池モジュールを示す斜視図である。

以下に説明された実施例は本発明の理解を助けるために例示的に示したものであって、本発明は、ここで説明される実施例に限定されず、多様に変形して実施できることを理解すべきである。ただし、本発明を説明するにあたって、関連した公知機能または構成要素に対する具体的な説明が本発明の要旨を曇ることができると判断される場合には、その詳細な説明および具体的な図示は省略する。また、添付した図面は本発明の理解を助けるために縮尺通りに描いたものではなく、一部の構成要素のサイズが誇張表示され得る。

本明細書で使用される第１、第２などの用語は、多様な構成要素を説明するのに使用されることができるが、上記構成要素は上記用語によって限定されてはいけない。上記用語は、１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、本明細書で使用された用語は単に特定の実施例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、文脈からして明白に異なる意味でない限り、複数の表現を含む。明細書において「含む」、「なる」または「構成される」などの用語は、明細書上に記載した特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを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って、１つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものなど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３および図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３は、本発明の一実施形態による電池モジュールを示す斜視図である。図４は、図３のバスバーフレームおよび軟性回路基板の組み立て前の形状を示す斜視図である。

図３および図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１００が積層された電池セル積層体、電池セル積層体の両側面にそれぞれ設けられたバスバーフレーム２００、およびバスバーフレームを連結する軟性回路基板３００を含む。

電池セル１００は二次電池として、パウチ型二次電池で構成される。このような電池セル１００は複数構成することができ、複数の電池セル１００は相互に電気的に連結されるように相互に積層されて電池セル積層体を形成することができる。このような複数個の電池セルはそれぞれ、電極組立体、電池ケース、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。

電池セル積層体は、図３に示すように、電池セル積層体の中央および両端に複数個の電池セル１００を垂直な方向に固定する電池セル固定部１１０を含むことができる。

電池セル積層体の前面および後面にはそれぞれ、バスバーフレーム２００を設けることができる。バスバーフレーム２００はバスバーおよびセル連結ボードを含み、複数個の電池セル１００の電極リードを電気的に連結することができるように、前記電池セル積層体の前面および後面をカバーして設けられ得る。

バスバーフレーム２００は、電池セル積層体の一側面に設けられた第１バスバーフレーム２１０と、電池セル積層体の他側面に設けられた第２バスバーフレーム２２０とで構成され、電池セル積層体の両側の電極リードをそれぞれ電気的に連結することができる。

軟性回路基板（ＦＰＣＢ）３００は、第１バスバーフレーム２１０および第２バスバーフレーム２２０を互いに連結するように形成され、電池セル積層体の上側面から電池セル１００の長さ方向に沿って配置される。このような軟性回路基板３００は、第１バスバーフレーム２１０および第２バスバーフレーム、２２０それぞれに備えられたバスバーと電気的に連結され、複数の電池セル１００を感知することができるように設けられた。このように軟性回路基板３００により感知された電池セル１００に関する情報は、バッテリ管理システム（ＢＭＳ、Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）に伝えられて複数の電池セル１００を管理および制御することができる。

本発明の一実施形態による電池モジュールは、従来の軟性回路基板を保護するために存在する軟性回路基板カバーを除去して製造される。軟性回路基板カバーを除去して、電池モジュールの高さを軟性回路基板カバーの厚さおよび公差を含みほぼ１．０～１．２ｍｍ程度に縮小できるようになった。これにより、電池モジュールのコンパクト化によるモジュールのエネルギー密度を向上させることができ、また、軟性回路基板カバーを製作するのにかかる費用を節減することができる。

しかし、上述のように軟性回路基板カバーを除去すれば、軟性回路基板が外部に露出して、半製品の運送および大量生産のためのＩｎ－Ｌｉｎｅ工程時に軟性回路基板が外部の物体によって損傷する危険が存在する。

このような問題を解決するために、本発明の一実施形態によると、軟性回路基板を二つに分離し、バスバーフレームを電池セル積層体にまず溶接した後、分離された二つの軟性回路基板をコネクタによって連結する組み立て方式を採用した。

より詳しくは、本発明の一実施形態による軟性回路基板３００は、互いに分離された第１軟性回路基板部３１０と第２軟性回路基板部３２０とで構成され、前記第１軟性回路基板部３１０および第２軟性回路基板部３２０はコネクタ４００によって互いに連結される。コネクタ４００は軟性回路基板３００の中央に設けられ、同じ長さに形成された第１軟性回路基板部３１０および第２軟性回路基板部３２０を互いに連結することができる。

従来は軟性回路基板と両側のバスバーフレームとをヒンジ構造により結合しているため、軟性回路基板およびバスバーフレームを電池セル積層体に装着時にまず軟性回路基板を電池セル積層体の上面に取り付けられた後、両側のバスバーフレームをヒンジ回転により電池セル積層体の両側面に結合させる方法でバスバーフレームおよび軟性回路基板を設けたが、ヒンジ構造による組立時にはバスバーフレームを回転して設置する際に、回転するバスバーフレームと電極リードの端部とが相互に干渉して電極リードが損傷する問題があった。また、ヒンジ構造自体の変形および離脱により組み立てが正常に行われない問題もあった。

しかし、本発明の実施形態では、第１バスバーフレーム２１０および第２バスバーフレーム２２０が電池セル積層体の前後面にそれぞれ垂直に結合することによって、組立時の電極リードとバスバーフレームとの干渉現象を防止することができ、ヒンジ構造を適用しないため、ヒンジ構造による変形および離脱現象を防止することができ、ヒンジ構造の組み立て工程を無くすことで、それによるコスト削減の効果も有する。

前述のように、第１バスバーフレームおよび第２バスバーフレーム２１０、２２０を電池セル積層体に垂直な方向に結合した後、第１軟性回路基板部３１０は第１バスバーフレーム２１０に、第２軟性回路基板部３２０は第２バスバーフレーム２２０に結合し、第１軟性回路基板部３１０および第２軟性回路基板部３２０はコネクタ４００により連結する。

コネクタ４００は、第１軟性回路基板部３１０と第２軟性回路基板部３２０とを結合させ、電池セル１００が損傷しないように大きさを最小化して設けられる。本発明の一実施形態によると、複数の電池セルを垂直な方向に固定する電池セル固定部１１０上にコネクタ４００を配置することで、コネクタ４００と複数の電池セル１００間の物理的衝撃を最小化することができる。

以下、図５を参照して本発明の他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５は、本発明の他の一実施形態による電池モジュールを示す斜視図である。

図５を参照すると、本発明の他の一実施形態による電池モジュールは、コネクタ４００’が軟性回路基板３００’の両端部のうちのいずれか一端に形成され、軟性回路基板部の二つの部分を連結することができる。

また、コネクタ４００’の位置は、前述のような中央または両端部に限定されず、コネクタの位置に関係なく、コネクタが軟性回路基板の一部分に形成され、前記コネクタを中心として両側に分離された二つの軟性回路基板部を連結する構造も可能である。

本実施形態による電池モジュールにおいて、コネクタ４００’の設置位置以外の他の内容は、上述した本発明の一実施形態による電池モジュールに対する内容と同様に適用される。

前記電池モジュールは電池パックに含まれる。電池パックは、本実施形態による電池モジュールを１つ以上集めて、電池の温度や電圧などを管理するバッテリ管理システム（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るが、本発明はこれらに限定されず、電池モジュールが用いられ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例について図示し説明したが、本発明は前記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当該発明が属する技術分野で通常の知識を有する者により、多様な変形実施が可能なことは勿論、このような変形の実施は、本発明の技術思想や展望から個別的に理解されてはならないことである。

１０：電池セル積層体
２０：フレーム
３０：バスバーフレーム
４０：軟性回路基板
１００：電池セル
１１０：電池セル固定部
２００：バスバーフレーム
２１０：第１バスバーフレーム
２２０：第２バスバーフレーム
３００：軟性回路基板
３１０：第１軟性回路基板部
３２０：第２軟性回路基板部
４００，４００’：コネクタ

Claims (10)

1. 複数の電池セルが積層された電池セル積層体と；
   前記電池セル積層体の前面および後面にそれぞれ垂直に結合された第１バスバーフレームおよび第２バスバーフレームと；
   前記第１バスバーフレームおよび前記第２バスバーフレームを連結する軟性回路基板とを含み、
   前記軟性回路基板は、互いに分離された第１軟性回路基板部と第２軟性回路基板部とを含み、前記第１軟性回路基板部および前記第２軟性回路基板部はコネクタにより連結される、電池モジュール。
2. 前記コネクタは、前記軟性回路基板の中央に形成され、前記第１軟性回路基板部と前記第２軟性回路基板部とを連結する、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記コネクタは、前記軟性回路基板の両端部のうちの一端に形成され、前記第１軟性回路基板部と前記第２軟性回路基板部とを連結する、請求項１または２に記載の電池モジュール。
4. 前記電池セル積層体から電極リードが突出しており、
   前記電池セル積層体は、前記電池セル積層体の中央および両端において前記複数の電池セルを前記電池セル積層体からの前記電極リードの突出方向に対して垂直な方向に固定する電池セル固定部を含む、請求項１～３の何れか一項に記載の電池モジュール。
5. 前記コネクタは、前記電池セル固定部上に配置する、請求項４に記載の電池モジュール。
6. 前記コネクタは、前記第１軟性回路基板部および前記第２軟性回路基板部の対向端部それぞれに形成され、前記第１軟性回路基板部および前記第２軟性回路基板部を連結させる、請求項１～５の何れか一項に記載の電池モジュール。
7. 第１バスバーフレームおよび第２バスバーフレームを電池セル積層体の前面および後面にそれぞれ垂直に結合する段階と、
   第１軟性回路基板部は前記第１バスバーフレームに結合し、第２軟性回路基板部は前記第２バスバーフレームに結合する段階と、
   前記第１軟性回路基板部および前記第２軟性回路基板部はコネクタにより連結される段階とを含む、電池モジュールの製造方法。
8. 前記第１バスバーフレームおよび前記第２バスバーフレームが前記電池セル積層体に結合する段階で、前記第１バスバーフレームおよび前記第２バスバーフレームは、前記電池セル積層体の前記前面および前記後面にそれぞれ垂直な方向に結合する、請求項７に記載の電池モジュールの製造方法。
9. 前記第１バスバーフレームおよび前記第２バスバーフレームが前記第１軟性回路基板部および前記第２軟性回路基板部とそれぞれ結合する段階で、前記第１バスバーフレームおよび前記第２バスバーフレームと前記第１軟性回路基板部および前記第２軟性回路基板部はそれぞれ垂直に結合する、請求項７または８に記載の電池モジュールの製造方法。
10. 請求項１～６の何れか一項に記載の電池モジュールを含む、電池パック。

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