JP7139010B2 - 電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は２０１９年０６月１４日付韓国特許出願第１０－２０１９－００７０９７６号に基づいた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およびその製造方法に関し、より詳細にはフレーム組み立て工程を単純化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資源として、エネルギ使用による副産物が発生せず環境に優しいエネルギ源として脚光を浴びている。

最近、二次電池のエネルギ貯蔵源としての活用をはじめとして大容量二次電池構造に対する必要性が高まって、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。

一方、複数の電池セルを直列／並列に連結して電池パックを構成する場合、少なくとも一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一つの電池モジュールを利用してその他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ている電池セル積層体、電池セル積層体を保護するために前記電池セル積層体を覆うフレームを含む。

図１は従来の電池モジュール１０に対する分解斜視図である。

図１を参照すると、電池モジュール１０は、前面と後面が開放されてセル積層体２０を内部空間に収納するモノフレーム３０およびモノフレーム３０の前面と後面を覆うエンドプレート４０を含む。

ただし、このようなモノフレーム３０の場合、セル積層体２０がモノフレーム３０の開放された前面または後面に水平に組み立てられる形態であるので、モノフレーム３０の高さはセル積層体２０の最大高さと挿入過程での組み立て公差などを考慮して高く設計されるべきであり、それによって不要に浪費される空間が発生するしかない。

また、モノフレーム３０および二つのエンドプレート４０合計３個以上のフレーム溶接のためには溶接ジグのコンセプトが非常に重要になり、溶接時使われるジグに対する持続的な管理が求められる問題がある。

また、上記のように３個以上のフレーム溶接時、フレーム間の累積公差によって溶接時求められるギャップ条件を満たさない場合が発生し得るため、フレーム単品のサイズ管理をよりタイトにすべきあり、同時にそれによる時間およびコストが上昇する問題がある。

本発明の解決しようとする課題は、電池セル積層体を保護する外郭フレーム部品数を減少させ、フレーム組み立て工程を単純化させてそれによる電池モジュールの品質を向上させ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。

本発明の課題は以上で言及した課題に制限されず、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されるであろう。

前記課題を実現するための本発明の一実施例による電池モジュールは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体、前記電池セル積層体の下側面および両側面を覆う第１フレームおよび前記電池セル積層体の上側面および前後面を覆う第２フレームを含み、前記第２フレームは、第２フレーム上面、第２フレーム前面、および第２フレーム後面を含み、前記第２フレーム上面、前記第２フレーム前面、および前記第２フレーム後面は一体に形成される。

また、前記課題を実現するための本発明の一実施例による電池モジュールの製造方法は、下面および両側面で形成された第１フレームを製造する段階、プレス工法により上面および前後面が一体に形成された第２フレームを製造する段階、電池セル積層体に下面および両側面で形成された第１フレームを結合する段階、前記電池セル積層体に上面および前後面で形成された第２フレームを結合する段階、前記第１フレームと前記第２フレームを結合する段階を含む。

前記第１フレームおよび前記第２フレームはアルミニウムで形成され得る。

前記第１フレームおよび前記第２フレームはスチールで形成され得る。

前記第２フレーム上面、前記第２フレーム前面、および前記第２フレーム後面はフレーム連結部を介して互いに連結され得る。

前記フレーム連結部は、前記第２フレーム前面および前記第２フレーム後面にそれぞれ2個ずつ形成され、垂直方向に折り曲げ形成され、前記第２フレーム前面、および前記第２フレーム後面と前記第２フレーム上面を垂直に連結し得る。

前記第１フレームと前記第２フレームを結合する段階で、前記第１フレームと前記第２フレームは溶接により結合され得る。

前記第１フレームと前記第２フレームを結合する段階で、前記第２フレームに形成された縁と、前記第２フレームの前記縁と接する前記第１フレームの縁が互いに溶接接合され得る。

前記第２フレームを製造する段階後、前記電池モジュールを取り付けるためのモジュールマウンティング部を前記第２フレームに結合する段階をさらに含み得る。

前記モジュールマウンティング部は、前記第２フレームに溶接により接合され得る。

前記第２フレームを製造する段階で、前記第２フレームの前後面をフォーミングする段階をさらに含み得る。

前記第１フレームを製造する段階および前記第２フレームを製造する段階で、前記第１、２フレームはアルミニウムで形成され得る。

前記第２フレームを製造する段階で、前記第２フレームに形成されたフレーム連結部をプレス工法により折り曲げて前記第２フレームの上面および前後面を形成し得る。

前記第１フレームを製造する段階および前記第２フレームを製造する段階で、前記第１フレーム及び前記第２フレームはスチールで形成され得る。

本発明の一実施例による電池モジュールおよびその製造方法は、電池セル積層体を保護する外郭フレームの部品数を第１フレーム及び第２フレームの二つに減少させ、フレーム組み立て工程を単純化させ、組み立て工程単純化による電池モジュールの品質向上に寄与する。

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請求範囲の記載から当業者に明確に理解されるであろう。

従来の電池モジュールに対する分解斜視図である。 本発明の一実施例による電池セル積層体に組み立てられる二つのフレームを示す分解斜視図である。 本発明の一実施例による電池セル積層体を第１フレームに結合する姿を示す斜視図である。 図３の組立体に第２フレームを結合する姿を示す斜視図である。 図４の結合によってフレーム組み立てが完了した姿を示す斜視図である。

以下で説明される実施例は発明の理解を深めるために例示的に示すものであり、本発明はここで説明される実施例と異なるように多様に変形して実施し得ることを理解しなければならない。ただし、本発明を説明することにおいて関連した公知機能あるいは構成要素に対する具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にすると判断される場合はその詳細な説明および具体的な図示を省略する。また、添付する図面は発明の理解を深めるために実際縮尺したとおりに図示されたものでなく一部の構成要素のサイズを誇張して示す場合もある。

本出願で使われる第１、第２用語は多様な構成要素を説明するために使われ得るが、構成要素は用語によって限定されない。用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にのみ使用される。

また、本出願で使われる用語は単に特定の実施例を説明するために使われたものであり、権利範囲を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明白に異なる意味を示さない限り、複数の表現を含む。本出願において「含む」、「からなる」または「構成される」等の用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせたものが存在することを指定しようとするためであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせたものなどの存在または付加の可能性をあらかじめ排除しないと理解しなければならない。

以下、図２を参照して本発明の一実施例による電池モジュールについて説明する。

図２は本発明の一実施例による電池セル積層体に組み立てられる二つのフレームを示す分解斜視図である。

図２を参照すると、本発明の一実施例による電池モジュールは、複数の電池セル１００が積層されている電池セル積層体、下面および両側面で形成されて電池セル積層体の底面および両側面を覆う第１フレーム２００、上面および前後面で形成されて電池セル積層体の上側面および前後面を覆う第２フレーム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とができる。このような電池セル１００は複数個で構成され得、複数の電池セル１００は相互電気的に接続されるように相互積層されて電池セル積層体を形成し得る。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み得る。

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１１０が形成され得る。バスバーフレーム１１０はバスバーおよびセル接続ボードを含み、複数個の電池セル１００の電極リードを電気的に接続できるように前記電池セル積層体の前面および後面を覆って形成され得る。

電池セル積層体の前後面にそれぞれ配置されたバスバーフレーム１１０はＦＰＣＢ（フレキシブル回路基板）またはＦＦＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｆｌａｔ ｃａｂｌｅ）等を介して相互間に電気的に接続され得る。このようにＦＰＣＢまたはＦＦＣ等を介してセンシングされた電池セル１００に対する情報はバッテリ管理システム（ＢＭＳ，Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）に伝達され、バッテリ管理システムでは前記電池セル１００に対する情報に基づいて複数の電池セル１００を制御および管理し得る。

第１フレーム２００は電池セル１００積層体の底面および両側面を覆うように形成される。したがって、電池セル積層体が第１フレーム２００上に安定的に取り付ける。

本発明の一実施例によれば、第２フレーム３００は上面および前後面が一体に形成され、電池セル積層体の上側面および前後面を覆うように形成される。

従来には、電池セル積層体の上側面を覆う上部フレーム、電池セル積層体の底面および両側面を覆う下部フレーム以外に、電池セル積層体の前後面を覆う二つのエンドフレームを別に組み立てて、フレーム組み立て時３個軸の軸方向による公差管理が難しく、フレーム間の溶接時利用されるジグに対する持続的管理が求められ、フレーム間の累積公差によってフレーム単品のサイズ管理が難しい短所があった。

しかし、本発明の一実施例による第２フレーム３００は、上面および前後面が一体に形成され、前記電池セル積層体の上側面および前後面を一度に覆い得る。このように電池セル積層体の外郭を形成するフレーム部品を第１フレーム２００及び第２フレーム３００の二つに減らすことによって、溶接複雑性が減少して組み立てにかかる時間が減少し、製品の量産性を確保することができる。また、溶接ラインの縮小により、溶接不良による不良品が発生する確率が減り、フレーム単品の公差管理部位が縮小され、それによる製品の生産性が向上することができる。そして、単品入庫単位縮小によって製品の管理が容易になり、フレーム部品の原価が減少する効果も有することができる。

第２フレーム３００は、電池セル積層体の上側を覆う第２フレーム上面３１０、電池セル積層体の前方を覆う第２フレーム前面３２０、電池セル積層体の後方を覆う第２フレーム後面３３０、第２フレーム上面３１０と第２フレーム前後面３２０，３３０を連結するフレーム連結部３４０を含み得る。

第２フレーム３００はプレス工法で製造されてプレス工法で製造が容易なアルミニウム材質で形成され得る。プレス工法で製造時、フレーム連結部３４０に圧力を加えてフレーム連結部３４０を折り曲げさせることによって、電池セル積層体の前後方を覆う第２フレーム前面３２０および第２フレーム後面３３０が電池セル積層体の形状と対応するように第２フレーム上面３１０と垂直をなすように形成され得る。

従来には上部フレームと前後面エンドフレームを別に製作し、上部フレームは押出工法により、エンドフレームは鋳造工法により製造し、フレーム別に他の工法により各位置のフレームを製作した。しかし、本発明の一実施例による第２フレーム３００は、プレス工法により上面および前後面が一体に製造され、製造工程を単純化させ得、それにより製造工程管理が容易になり製造による製品の原価を節減することができる。

また、従来にはエンドフレームが鋳造工法で製作されることによって、製造されたエンドフレームが一定水準の厚さを有するしかない構造であったが、本発明の第２フレーム３００は、プレス工法で製作されることによって、鋳造工法時製造されたエンドフレームの厚さよりさらに薄い厚さを有する第２フレームの前後面３２０，３３０を製作できるようになった。これにより電池モジュールの容積を減少させ得、それにより電池モジュールのエネルギ密度を上昇させ得、電池モジュールのコンパクト化による装着性向上に寄与することができる。

従来の実施例によれば、鋳造工法によりエンドフレームを成形する時基本厚さが普通４．５ｍｍ以上になるべきであった。しかし、本発明の実施例による第２フレーム３００はプレス工法により第２フレーム前後面３２０，３３０の厚さを２ｍｍまで減少させ得る。

ただしフレームの厚さが薄くなることによって、フレームの剛性が弱くなる問題があるが、本発明の実施例によれば、電池セル積層体の前後面に形成された電極リードおよびバスバーフレーム１１０の形状に対応できるように第２フレーム前後面３２０，３３０を追加的にフォーミングし得、前記フォーミング作業により第２フレーム前後面３２０，３３０の必要剛性を確保することができる。

プレス物は自重および外部荷重などにより曲げおよびねじりが発生しやすいが、このような意図しない変形を抑制して剛性を補強するためにビードを適用する。フォーミングは前記ビードのような形状を提供するものであり、フォーミングにより第２フレーム前後面３２０，３３０にビードのような形状を実現して剛性を確保し、同時にフォーミングにより形成された屈曲とバスバーフレーム１１０の凹凸部が対応するようにしてバスバーフレーム１１０および電池セル積層体が第２フレーム３００に安定的に取り付けさせ得る。

以下、図３ないし図５を参照して本発明の一実施例による電池モジュールの製造方法について説明する。

図３は本発明の一実施例による電池セル積層体を第１フレームに結合する姿を示す斜視図である。図４は図３の組立体に第２フレームを結合する姿を示す斜視図である。図５は図４の結合によってフレーム組み立てが完了した姿を示す斜視図である。

図３ないし図５を参照すると、本発明の一実施例による電池モジュールの製造方法は、第１フレーム２００を製造する段階、プレス工法により第２フレーム３００を製造する段階、電池セル積層体に第１フレーム２００を結合する段階、前記電池セル積層体に第２フレーム３００を結合する段階、第１フレーム２００と第２フレーム３００を結合する段階を順次行う。

第２フレーム３００を製造する段階後、電池モジュールを取り付けるためのモジュールマウンティング部３２０，３３０を第２フレーム３００に結合する段階をさらに含み得る。この時、前記モジュールマウンティング部３２０，３３０は第２フレーム３００の上面３１０に溶接により接合され得る。第２フレーム上面３１０の前後側にモジュールマウンティング部３２０，３３０を溶接結合し、上面および前後面で形成された一体型の第２フレーム３００を製造し、これを電池セル積層体に結合して組み立てることができる。モジュールマウンティング部３２０，３３０は押出または加工等によりすべてのマウンティングに適用可能な共通形状一つに簡単に製作することができる。

第１フレーム２００と第２フレーム３００を結合する段階で、第１フレーム２００と第２フレーム３００は溶接により接合され得る。より詳細には、図５に示すように、第２フレーム３００の前面３２０に形成された三つの縁と第１フレーム２００が接する部分が溶接により接合され得、第２フレーム３００の後面３３０に形成された三つの縁と第１フレーム２００が接する部分も同様に溶接により接合され得る。

従来には電池セル積層体の下側面および両側面を覆う下部フレーム、電池セル積層体の上側面を覆う上部フレームおよび電池セル積層体の前後面それぞれを覆うエンドプレートにより電池セル積層体の外郭構造を形成したが、前記のようなフレーム構成によりフレームを溶接組み立てる時には、一つの頂点に３個以上の部品が集まって接合されるので頂点付近の精巧な溶接が難しいこともあり、３個の軸方向すべて溶接接合が行われるので、それぞれの軸方向による部品の公差を一度に管理することが難しい問題があった。

また、３個以上のフレーム溶接のためには溶接ジグに対する持続的な管理が伴われ、多重フレーム間の累積公差によって溶接時求められるギャップ条件を満たさない場合が発生し、フレーム部品のサイズ管理が難しい問題があった。

しかし、本発明の一実施例によれば、フレーム組み立て時第２フレーム前面３２０の三つの縁および第２フレーム後面３３０の三つの縁合計6個の縁のみ溶接すれば電池セル積層体の外郭フレーム構造が完成されるので、従来に比べてフレーム間溶接個数を減らし得、第１、２フレーム２００，３００二つのフレームだけで電池モジュールフレーム構造を形成できるので、製造過程におけるフレーム部品管理が容易になって、溶接ラインが縮小されることによって、公差によって溶接時求められる部品間のギャップ条件を満たしやすくなる。

第１フレーム２００および第２フレーム３００はすべてアルミニウムで形成され得る。また、第１フレーム２００および第２フレーム３００はスチールで形成されることもできる。

前述した電池モジュールは電池パックに含まれ得る。電池パックは、本実施例による電池モジュールを一つ以上集めて電池の温度や電圧などを管理する電池管理システム（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とができる。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得るが、本発明はこれに制限されず電池モジュールを使用できる多様なデバイスに適用可能であり、これもまた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て説明したが、本発明は上述した特定の実施例に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく当該発明が属する技術分野における通常の知識を有する者によって多様な変形実施が可能になることはもちろんであり、このような変形実施は本発明の技術的思想や展望から個別に理解されるべきではない。

１００ 電池セル
１１０ バスバーフレーム
２００ 第１フレーム
３００ 第２フレーム
３１０ 第２フレーム上面
３２０ 第２フレーム前面
３３０ 第２フレーム後面
３４０ フレーム連結部

Claims (11)

1. 複数の電池セルが積層されている電池セル積層体と、
   前記電池セル積層体を覆う外郭フレームとを含み、
   前記外郭フレームは、
   前記電池セル積層体の下側面および両側面を覆う第１フレームと、
   前記電池セル積層体の上側面および前後面を覆う第２フレームと
   で構成され、
   前記第２フレームは、第２フレーム上面、第２フレーム前面、および第２フレーム後面を含み、前記第２フレーム上面、前記第２フレーム前面、および前記第２フレーム後面は一体に形成され、
   前記第２フレーム上面、第２フレーム前面、および第２フレーム後面は、フレーム連結部が垂直に折り曲げられて互いに連結される、電池モジュール。
2. 前記第１フレームおよび前記第２フレームは、アルミニウムで形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記第１フレームおよび前記第２フレームは、スチールで形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
4. 前記フレーム連結部は、前記第２フレーム前面および前記第２フレーム後面にそれぞれ２個ずつ形成され、垂直方向に折り曲げ形成され、前記第２フレーム前面および前記第２フレーム後面と前記第２フレーム上面を垂直に連結する、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
5. 下面および両側面で形成された第１フレームを製造する段階と、
   プレス工法により上面および前後面が一体に形成された第２フレームを製造する段階と、
   電池セル積層体に下面および両側面で形成された第１フレームを結合する段階と、
   前記電池セル積層体に上面および前後面で形成された第２フレームを結合する段階と、
   前記第１フレームと前記第２フレームを結合する段階と
   を含み、
   前記第１フレームおよび前記第２フレームは、前記電池セル積層体を覆う外郭フレームを構成し、
   第２フレーム上面、第２フレーム前面、および第２フレーム後面は、フレーム連結部が垂直に折り曲げられて互いに連結される、電池モジュールの製造方法。
6. 前記第１フレームと前記第２フレームを結合する段階で、前記第１フレームと前記第２フレームは溶接により結合される、請求項５に記載の電池モジュールの製造方法。
7. 前記第１フレームと前記第２フレームを結合する段階で、前記第２フレームに形成された縁と、前記第２フレームの前記縁と接する前記第１フレームの縁が互いに溶接接合される、請求項６に記載の電池モジュールの製造方法。
8. 前記第２フレームを製造する段階で、前記第２フレームの前後面をフォーミングする段階をさらに含む、請求項５から７のいずれか一項に記載の電池モジュールの製造方法。
9. 前記第１フレームを製造する段階および前記第２フレームを製造する段階で、前記第１フレーム及び第２フレームはアルミニウムで形成される、請求項５から８のいずれか一項に記載の電池モジュールの製造方法。
10. 前記第１フレームを製造する段階および前記第２フレームを製造する段階で、前記第１フレーム及び前記第２フレームはスチールで形成される、請求項５から８のいずれか一項に記載の電池モジュールの製造方法。
11. 請求項１から４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。

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