JP7158805B2 - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents

Description

関連出願との相互引用
本出願は、２０１９年０７月０１日付韓国特許出願第１０－２０１９－００７８７８３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全ての内容は本明細書の一部として組み含まれる。

本発明は、電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関し、より詳細には、二次電池の空間活用性を高めた電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関する。

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においてエネルギー源として大きな関心を受けている。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、環境にやさ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として大容量の二次電池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。

一方、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ている電池セル積層体、電池セル積層体の両端にそれぞれ形成されるバスバーフレーム、バスバーフレームに形成される端子バスバー、バスバーフレーム外郭に形成されるエンドプレート、エンドプレート内側に形成される絶縁カバー、端子バスバーと、電源、他のモジュールと連結されるバスバーまたは高電圧ケーブルとを連結するナットを含む。

図１は従来の電池モジュールにおけるバスバーフレーム、端子バスバー、ナット、絶縁カバー、エンドプレートの組み立て方向を示す分解斜視図である。図２は図１の部品が組み立てられた様子を示す断面である。

図１を参照すると、従来は電池セル積層体の外側にバスバーフレーム１０が設置され、バスバーフレーム１０の外側にはそれぞれ端子バスバー１１が設置され、端子バスバー１１の外側にはナット１２が設置され、ナット１２の外側に絶縁カバー２１とエンドプレート２０が電池モジュールの長さ方向に順次に設置される構造で形成された。

ただし、ナット１２が電池モジュールから離脱する恐れがあり、図示されているようにエンドプレート２０上にナットの挿入構造を別途に製作してナット１２を挿入させなければならなかったが、この時、ナット１２の形状もナット挿入構造に挿入され得るように多少複雑に形成せざるを得ないという問題点がある。

また図２を参照すると、電池モジュール内の端子バスバー１１の上端部が折り曲げ形成されており、ナット１２は端子バスバー１１の折り曲げ部分の右側に形成されるため、ナット１２とバスバー１１の上端部との間には空いている空間Ｓが形成される。空いている空間Ｓにはその他の電装品が設置されていないため、部品の配置などを変更して空間Ｓを活用する必要性がある。

本発明の解決しようとする課題は、よりコンパクトかつ単純な構造を有するナット固定構造を有する電池モジュールおよびこれを含む電池パックを提供することにある。

また本発明の解決しようとする課題は、電池モジュール内の残余空間を効率的に活用して部品配列を最適化し、よりコンパクトな構造を有する電池モジュールおよびこれを含む電池パック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、言及されていない他の課題は下記の記載から当業者に明確に理解され得るだろう。

前記課題を実現するための本発明の一実施形態による電池モジュールおよびこれを含む電池パックは、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の前後面に形成されたバスバーフレームと、前記電池セル積層体を基準として前記バスバーフレームの外側に形成されて外部の電源と電気的に連結される端子バスバーと、前記バスバーフレームを覆うエンドプレートとを含み、前記端子バスバーは、側面が陥没形成され、陥没形成された前記側面と前記バスバーフレームとが形成する陥没空間にナットが挿入される。

前記端子バスバーは、前記バスバーフレームと結合する本体部と、前記本体部の上側で前記バスバーフレームと垂直をなして外側に突出形成される突出部と、前記本体部と前記突出部を連結し、折り曲げ形成される折り曲げ部とを含み、前記折り曲げ部の側面は、陥没形成されてもよい。

前記突出部は、前記ナットの上側を覆うように形成されてもよい。

前記突出部の一側にはホール部が形成され、前記ホール部は、前記ナットの中空部と対応する位置に形成されてもよい。

前記エンドプレートは、前記電池セル積層体の長さ方向を基準として前記端子バスバーおよび前記ナットの外側に形成されて、前記バスバーフレームを覆うことができる。

前記エンドプレートは、前記端子バスバーおよび前記ナットと、前記エンドプレートとの間に形成された絶縁カバーをさらに含むことができる。

前記ナットは、正六面体形状を有してもよい。

前記ナットは、直六面体形状を有してもよい。

前記端子バスバーは、前記バスバーフレームの両側にそれぞれ形成され、前記両側の端子バスバーは、向き合う側の側面がそれぞれ陥没形成され、前記陥没空間のそれぞれにはナットが挿入されてもよい。

前記両側の端子バスバーの間には複数のバスバーが形成され、前記バスバーフレームには、前記複数のバスバーを側面から覆うバスバーフレーム突出部が形成され、前記バスバーフレーム突出部は、前記端子バスバーの向き合う側の側面に陥没形成された空間に挿入された前記ナットの向き合う部分をそれぞれ支持することができる。

本発明の一実施形態による電池モジュールおよびこれを含む電池パックは、端子バスバーの側面が陥没形成され、陥没した部分とバスバーフレームが形成する空間にナットが挿入設置されることによって、別途のナット固定構造なしに既存のバスバー構造だけでもナットを支持および固定できるようになった。またナットの大きさを最小化することができ、ナットの形状を単純化させることができることによって、ナット生産時に原価を節減することができる利点を有する。

また本発明の一実施形態による電池モジュールおよびこれを含む電池パックは、従来の端子バスバーの折り曲げ部の側面に空間を形成し、前記空間にナットを挿入することによって、部品配列を最適化させ、端子バスバーとナットが電池モジュールの幅方向に並んで位置することによって、電池モジュールの長さを全体的に縮小させて電池モジュールの体積に対するエネルギー密度を増加させることができる効果を提供する。

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得るだろう。

従来の電池モジュールにおけるバスバーフレーム、端子バスバー、ナット、絶縁カバー、エンドプレートの設置位置を示す分解斜視図である。 図１の部品が組み立てられた様子を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるバスバーフレーム、端子バスバー、ナット、絶縁カバー、エンドプレートの設置位置を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態による端子バスバー、ナットおよび周辺構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態による端子バスバー、ナットおよび周辺構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態による端子バスバー、ナットおよび周辺構成を示す正面図である。 本発明の一実施形態による一つの端子バスバーおよびナットを示す図面である。

以下で説明される実施形態は、発明の理解のために例示として示したものであって、本発明はここで説明される実施形態とは異なるように多様に変形して実施され得ることが理解されるべきである。ただし、本発明を説明するに当たり、関連した公知の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、その詳細な説明および具体的な図示を省略する。また、添付した図面は、発明の理解のために実際の縮尺のとおり図示されたものでなく、一部の構成要素の寸法が誇張して図示され得る。

本出願で使用される第１、第２用語は、多様な構成要素を説明することに使用され得るが、構成要素は用語により限定されてはならない。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のみで使用される。

また、本出願で使用される用語は、単に特定の実施形態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、文脈上明白に異なるように意味しない限り、複数の表現を含む。本出願で「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ものであり、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乃至図７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バスバーフレーム、端子バスバー、ナット、絶縁カバー、エンドプレートの設置位置を示す分解斜視図である。図４は本発明の一実施形態による端子バスバー、ナットおよび周辺構成を示す斜視図である。図５は本発明の一実施形態による端子バスバー、ナットおよび周辺構成を示す断面図である。図６は本発明の一実施形態による端子バスバー、ナットおよび周辺構成を示す正面図である。図７は本発明の一実施形態による一つの端子バスバーおよびナットを示す図面である。

図３乃至図７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が積層されている電池セル積層体、電池セル積層体の前後面に形成されたバスバーフレーム２００、電池セル積層体を基準としてバスバーフレーム２００の外側に形成されて外部の電源と電気的に連結される端子バスバー２１０、端子バスバー２１０と、外部電源、他のモジュールと連結されるバスバーまたは高電圧ケーブルとを連結するナット２２０を含み、端子バスバー２１０は、側面が陥没形成され、ナット２２０は、端子バスバー２１０の陥没した側面とバスバーフレーム２００が形成する空間に挿入される。

電池セル１００は、二次電池であって、パウチ型二次電池で構成され得る。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、互に電気的に連結され得るように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（図示せず）を含むことができる。

バスバーフレーム２００は、電池セル積層体の前後面にそれぞれ形成される。バスバーフレーム２００は、複数個の電池セル１００の電極リードを電気的に連結できるように前記電池セル積層体の前後面を覆って形成され得る。

端子バスバー２１０は、電池セル積層体を基準としてバスバーフレーム２００の外側に形成される。端子バスバー２１０は、バスバーフレーム２００の両側にそれぞれ形成されて、電池セル１００と連結されたバスバーフレーム２００と外部の電源とを電気的に連結する。

エンドプレート３００は、電池セル積層体の長さ方向を基準として端子バスバー２１０およびナット２２０の外側に形成されて、バスバーフレーム２００を覆うことができる。エンドプレート３００は、外部の衝撃からバスバーフレーム２００およびこれと連結された多くの電装品を保護し、フレームの構成要素として電池モジュールマウンティング構造を有し、同時にエンドプレート３００に形成された開口部３００ａを通じて端子バスバー２１０およびナット２２０が外部に突出されるようにすることによって、バスバーフレーム２００と外部電源間の電気的連結を導くことができる。

絶縁カバー３１０は、端子バスバー２１０およびナット２２０と、エンドプレート３００との間に形成されて、バスバーフレーム２００と外部との不要な電気的連結を遮断することができる。

端子バスバー２１０は、本体部２１１、本体部２１１の上側でバスバーフレーム２００と垂直をなして外側に突出形成された突出部２１３、および本体部２１１と突出部２１３を連結し、折り曲げ形成される折り曲げ部２１２を含むことができる。

本体部２１１は、垂直の板状で形成されてバスバーフレーム２００と結合することができる。これによって、電池セル１００から伝達された電気的信号を突出部２１３に伝達することができる。

突出部２１３は、エンドプレートの開口部３００ａを通じて外部に突出形成されて外部の電源と電気的に連結され得る。突出部２１３の一側にはホール部２１３－１が形成され、ナット２２０の中空部はホール部２１３－１と貫通されて、前記貫通空間にボルトを挿入してナット２２０と端子バスバー２１０を結合することができる。

折り曲げ部２１２は、側面が陥没形成され、ナット２２０は、折り曲げ部２１２の陥没した部分、および内側に位置したバスバーフレーム２００のフレーム面が形成する空間に挿入されて位置することができる。

従来は、端子バスバーの外側にナットが位置して、ナットを固定および支持するためのナット挿入構造がエンドプレートに別途に設けられなければならず、ナットの形状も多少複雑で、かつ相対的に大きく製作せざるを得なかった。本発明の一実施形態によると、ナット２２０は、折り曲げ部２１２の側面が陥没形成され、前記陥没した部分に形成された空間部にナット２２０が挿入され、バスバーフレーム２００、端子バスバー２１０および後述するバスバーフレーム突出部２４０およびエンドプレート３００などにより固定および支持されるため、別途のナット挿入構造をエンドプレートに設ける必要がなくなった。またナット２２０を単純な形態で製作することができるので、本発明の一実施形態によると、ナット２２０は正六面体形状の単純な構造で形成され得る。またナット２２０は、直六面体形状の構造でも形成され得る。直六面体形状で形成される場合、ナットの大きさをより減らすことができる。

また従来は、端子バスバーの折り曲げ部が形成する空間とは別途に、折り曲げ部外側にナットが位置するようになり、折り曲げ部が形成する空間およびナットが占める空間を合わせた分だけ、電池モジュールの長さが増加する短所があったが、本発明の一実施形態によると、ナット２２０が折り曲げ部２１２が形成する側面の陥没空間に挿入され得るようになり、従来の折り曲げ部の形成空間の分だけ、電池モジュールの長さを縮小できるようになった。

シミュレーション結果によると、従来の電池モジュール全体の長さに対する電池セルの長さの比率は約９３．０４％であったが、本発明の一実施形態による電池モジュール全体長さに対する電池セルの長さの比率は９４．４８％となり、電池セル長さに対する電池モジュールの長さを縮小設計できるようになった。このように部品配列の最適化を通じて電池モジュールの長さを縮小できるようになることによって、電池モジュールの体積に対するエネルギー密度を高めることができる。

端子バスバー２１０は、バスバーフレーム２００の両側にそれぞれ形成され得る。図６を参照すると、端子バスバー２１０ａ、２１０ｂは、左側の端子バスバー２１０ａと右側の端子バスバー２１０ｂで形成され得る。

左側端子バスバー２１０ａは、本体部２１１ａ、本体部２１１ａの上側でバスバーフレーム２００と垂直をなして外側に突出形成された突出部２１３ａ、および本体部２１１ａと突出部２１３ａを連結し、折り曲げ形成される折り曲げ部２１２ａを含むことができる。

右側端子バスバー２１０ｂは、本体部２１１ｂ、本体部２１１ｂの上側でバスバーフレーム２００と垂直をなして外側に突出形成された突出部２１３ｂ、および本体部２１１ｂと突出部２１３ｂを連結し、折り曲げ形成される折り曲げ部２１２ｂを含むことができる。

図７では右側端子バスバー２１０ｂの構造についてより詳細に示している。左側端子バスバー２１０ａは、右側端子バスバー２１０ｂと対称的な構造で形成されており、右側端子バスバー２１０ｂの構造を通じて左側端子バスバー２１０ａの構造を把握することができる。

ナットの位置および固定構造について図６を参照すると、端子バスバー２１０ａ、２１０ｂは、バスバーフレーム２００の両側にそれぞれ形成され、端子バスバー２１０ａ、２１０ｂの向き合う側の側面がそれぞれ陥没形成され得る。したがって、二つの端子バスバー２１０ａ、２１０ｂの向き合う側の側面に二つのナット２２０ａ、２２０ｂがそれぞれ位置することができる。

より詳細には、左側端子バスバー２１０ａの折り曲げ部２１２ａの－ｘ軸方向部分が陥没形成され得、前記陥没部分にナット２２０ａが挿入され得る。また右側端子バスバー２１０ｂの折り曲げ部２１２ｂのｘ軸方向部分が陥没形成され得、前記陥没部分にナット２２０ｂが挿入され得る。

二つの端子バスバー２１０ａ、２１０ｂは同一の形状で互いに対称的に形成され得る。これに対応できるように二つのナット２２０ａ、２２０ｂの形状は同一に形成され得る。

両側の端子バスバー２１０ａ、２１０ｂの間にはバスバーフレーム２００と結合された複数のバスバー２３０が形成され得る。またバスバーフレーム２００には複数のバスバー２３０の側面を覆うようにバスバーフレーム２００から突出形成されたバスバーフレーム突出部２４０が形成され得る。

バスバーフレーム突出部２４０のうち、二つの端子バスバー２１０ａ、２１０ｂとそれぞれ隣接した最外郭突出部分は、端子バスバー２１０ａ、２１０ｂの向き合う側の側面に陥没形成された空間に向き合うように位置した二つのナット２２０ａ、２２０ｂの向き合う部分をそれぞれ支持するように形成され得る。

より詳細には、左側端子バスバー２１０ａの陥没空間に挿入されたナット２２０ａは、ナット２２０ａの右側に形成されたバスバーフレーム突出部２４０を通じてナット２２０ａの右側が支持され、右側端子バスバー２１０ｂの陥没空間に挿入されたナット２２０ｂは、ナット２２０ｂの左側に形成されたバスバーフレーム突出部２４０を通じてナット２２０ｂの左側が支持され得る。

結果として、左側に位置したナット２２０ａは、ナット２２０ａを基準として－ｙ軸方向でナット２２０ａを支持するバスバーフレーム２００、ｚ軸方向でナット２２０ａの上側を固定する突出部２１３ａ、ｘ軸方向および－ｚ軸方向でナット２２０ａを支持する折り曲げ部２１２ａ、－ｘ軸方向および－ｚ軸方向でナット２２０ａを支持するバスバーフレーム突出部２４０を通じて、外部電装との連結方向（ｙ軸方向）を除いたナット２２０ａのｘｙｚ軸方向で既存部品を活用してナット２２０ａを支持および固定することができる。

同様に右側に位置したナット２２０ｂは、ナット２２０ｂを基準として－ｙ軸方向でナット２２０ｂを支持するバスバーフレーム２００、ｚ軸方向でナット２２０ｂの上側を固定する突出部２１３ｂ、－ｘ軸方向および－ｚ軸方向でナット２２０ｂを支持する折り曲げ部２１２ｂ、ｘ軸方向および－ｚ軸方向でナット２２０ｂを支持するバスバーフレーム突出部２４０を通じて、外部電装との連結方向（ｙ軸方向）を除いたナット２２０ｂのｘｙｚ軸方向で既存部品を活用してナット２２０ｂを支持および固定することができる。

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、本実施形態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得る。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、電池モジュールを用いることができ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形態について図示して説明したが、本発明は前述した特定の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に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り多様な変形実施が可能であることはもちろん、このような変形実施は本発明の技術的な思想や展望から個別的に理解されてはならない。

１０：バスバーフレーム
１１：端子バスバー
１１：バスバー
１２：ナット
２０：エンドプレート
２１：絶縁カバー
１００：電池セル
２００：バスバーフレーム
２１０：端子バスバー
２１０ａ：端子バスバー
２１０ｂ：端子バスバー
２１１：本体部
２１１ａ：本体部
２１１ｂ：本体部
２１１－１：ホール部
２１２：折り曲げ部
２１３：突出部
２１３ａ：突出部
２１３ｂ：突出部
２１３－１：ホール部
２２０：ナット
２２０ａ：ナット
２２０ｂ：ナット
２３０：バスバー
２４０：バスバーフレーム突出部
３００：エンドプレート
３００ａ：開口部
３１０：絶縁カバー
Ｓ：空間
ｘ：突出部
ｘ：折り曲げ部
ｚ：バスバーフレーム

Claims (10)

1. 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前後面に形成されたバスバーフレーム、
   前記電池セル積層体を基準として前記バスバーフレームの外側に形成されて外部の電源と電気的に連結される端子バスバー、および
   前記バスバーフレームを覆うエンドプレートを含み、
   前記端子バスバーは、前記バスバーフレームの両側にそれぞれ形成され、
   前記両側の端子バスバーは、向き合う側の側面に陥没部が形成されており、前記陥没部と前記バスバーフレームとが形成する陥没空間にナットが挿入されており、
   前記端子バスバーは、
   前記バスバーフレームと結合する本体部、
   前記本体部の上側で前記バスバーフレームと垂直をなして外側に突出形成される突出部、および
   前記本体部と前記突出部を連結し、折り曲げ形成される折り曲げ部を含み、
   前記折り曲げ部の側面に前記陥没部が形成されている電池モジュール。
2. 前記突出部は、前記ナットの上側を覆うように形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記突出部の一側にはホール部が形成され、前記ホール部は、前記ナットの中空部と対応する位置に形成される、請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記エンドプレートは、前記電池セル積層体の長さ方向を基準として前記端子バスバーおよび前記ナットの外側に形成されて、前記バスバーフレームを覆う、請求項１～３の何れか一項に記載の電池モジュール。
5. 前記エンドプレートは、前記端子バスバーおよび前記ナットと、前記エンドプレートとの間に形成された絶縁カバーをさらに含む、請求項４に記載の電池モジュール。
6. 前記ナットは、正六面体形状を有する、請求項１～５の何れか一項に記載の電池モジュール。
7. 前記ナットは、直六面体形状を有する、請求項１～５の何れか一項に記載の電池モジュール。
8. 前記陥没空間のそれぞれにはナットが挿入される、請求項１～７の何れか一項に記載の電池モジュール。
9. 前記両側の端子バスバーの間には複数のバスバーが形成され、
   前記バスバーフレームには、前記複数のバスバーを側面から覆うバスバーフレーム突出部が形成され、
   前記バスバーフレーム突出部は、前記陥没空間に挿入された前記ナットの向き合う部分をそれぞれ支持する、請求項８に記載の電池モジュール。
10. 請求項１～９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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