JP7276996B2 - 電池モジュールおよびそ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１０月２５日付韓国特許出願第１０－２０１９－０１３３８０８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およびそれを含む電池パックに関し、より具体的には溶接に対する安全性が向上した電池モジュールおよびそれを含む電池パックに関する。

製品群による適用容易性が高く、高いエネルギ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またはハイブリッド自動車、電力貯蔵装置などに普遍的に応用されている。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得るという一次的な長所だけでなく、エネルギ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優しくかつエネルギ効率性向上のための新たなエネルギ源として注目されている。

現在の商用化された二次電池としては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、リチウム二次電池などがあるが、この中でリチウム二次電池はニッケル系の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起きず、充放電が自由で、自己放電率が非常に低くエネルギ密度が高い長所を有するため脚光を浴びている。

このようなリチウム二次電池は主にリチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と負極活物質として使用する。リチウム二次電池は、このような正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された陽極板と陰極板がセパレータを間に置いて配置された電極組立体と、電極組立体を電解液と共に密封収納する外装材、すなわち電池ケースを備える。

一般にリチウム二次電池は外装材の形状によって、電極組立体が金属缶に内蔵されている角形二次電池と電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに内蔵されているパウチ型二次電池に分類される。

小型モバイル機器にはデバイス１台当たり１個ないし３個の電池セルが使用されることに対し、自動車などのように中大型デバイスには高出力大容量が必要である。したがって、多数の電池セルを電気的に接続した中大型電池モジュールが使用される。

中大型電池モジュールは可能であれば小さい大きさと重量に製造されることが好ましいので、高い集積度で積層され得、容量に対して重量が小さい角形電池、パウチ型電池などが中大型電池モジュールの電池セルとして主に使用されている。

一方、電池モジュールは、複数の電池セルを外部衝撃、熱または振動から保護するために、複数の電池セルで構成された電池セル積層体を内部空間に収納するモジュールフレームを含み得る。

図１は従来の電池モジュール１０に対する斜視図である。

図１を参照すると、従来の電池モジュール１０は、電池セル積層体を内部に収納するモジュールフレーム２０およびモジュールフレーム２０の開放された前面（Ｙ軸方向）と他面（Ｙ軸逆方向）を覆うエンドプレート３０を含む。

図２は図１の切断線Ａに沿って切断した断面の一部を示す断面図である。

図２を参照すると、モジュールフレーム２０とエンドプレート３０を接合させるために、モジュールフレーム２０とエンドプレート３０を対向するように位置させた状態で接合面に溶接を実施する。

この時、前記溶接のためにレーザ溶接を実施できるが、溶接過程で貫通したレーザ自体や溶接スパッタ（weld spatter）によって電池セルをはじめとする内部部品に損傷が加わる。

そこで、このような従来技術の問題を解決できる技術が必要な実情である。

本発明の実施形態は従来に提案された方法の前記のような問題を解決するために提案されたものであって、溶接する間の内部部品に対する保護が可能な電池モジュールおよびそれを含む電池パックの提供をその目的とする。

ただし、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される。

本発明の一実施形態による電池モジュールは、複数の電池セルが積層された電池セル積層体と、前記電池セル積層体を収納し、互いに対向する前面および後面が開放されたモジュールフレームと、前記モジュールフレームの前記前面および前記後面それぞれを覆うエンドプレートと、前記電池セル積層体と前記エンドプレートの間に介在する絶縁部材と、を含み、前記モジュールフレームは、前記前面と前記後面それぞれを構成する辺に形成された第１接合面を含み、前記エンドプレートは前記第１接合面と接合される第２接合面を含み、前記絶縁部材は前記電池セル積層体が位置した方向に延びたリブを含む。

前記リブは、前記モジュールフレームの前記前面と前記後面それぞれを構成する辺の一つと平行な方向に沿って延びていてもよい。

前記リブは前記絶縁部材の上辺、下辺および両側辺の少なくとも一つから延び得る。

前記リブは、前記第１接合面と前記電池セル積層体の間に位置し得る。

前記リブは前記絶縁部材と一体化し得る。

前記絶縁部材はポリカーボネート、ポリプロピレンおよびポリエチレンテレフタレートの少なくとも一つを含み得る。

前記第１接合面と前記第２接合面は互いに溶接結合され得る。

前記リブは、前記第１接合面と離隔して前記電池セル積層体が位置した方向に延びた第１延長部および前記第１延長部の一端部から前記モジュールフレームの内側面に向かって延びた第２延長部を含み得る。

前記第１延長部は前記モジュールフレームの内側面と平行であり、前記第２延長部は前記モジュールフレームの内側面と垂直であり得る。

前記エンドプレートは、前記第２接合面より前記エンドプレートの中央側に位置して前記電池セル積層体が位置した方向に突出した突出部を含み得る。

前記リブは、前記第１接合面と離隔して前記電池セル積層体が位置した方向に延びた第１延長部および前記第１延長部の一端部から前記モジュールフレームの内側面に向かって延びた第２延長部を含み、前記突出部は前記第１延長部および前記第２延長部と接触し得る。

前記突出部は、前記第１延長部と接触する下面、前記第２延長部と接触する側面および前記モジュールフレームの内側面と接触する上面を含み得る。

前記突出部には前記エンドプレートと前記モジュールフレームの組立性向上のためのチャンファが形成され得る。

前記モジュールフレームは、上面、下面、および両側面が一体化したモノフレームであり得る。

前記モジュールフレームは、前面、後面、および上面が開放されたＵ字型フレームと、前記Ｕ字型フレームの開放された前記上面を覆う上部カバーとを含み得る。

本発明の実施形態によれば、絶縁部材に形成されたリブを介して貫通したレーザや溶接スパッタが内部部品を損傷させることを予防することができる。

従来の電池モジュールに対する斜視図である。 図１の切断線Ａに沿って切断した断面の一部を示す断面図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールに対する斜視図である。 図３の電池モジュールに対する分解斜視図である。 図３の切断線Ｂに沿って切断した断面の一部を示す断面図である。 図３の切断線Ｂに沿って切断した断面のモジュールフレームと絶縁部材のみを示す斜視図である。 突出部を備えたエンドプレートを示す斜視図である。 突出部を備えたエンドプレートがモジュールフレームと結合した姿を示す断面図である。 モノフレームを示す斜視図である。 Ｕ字型フレームおよび上部カバーを示す斜視図である。

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における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定されない。

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すので、本発明は必ずしも示されたところに限定されない。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拡大して示した。そして図面で、説明の便宜上、一部の層および領域の厚さを誇張して示す。

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」あるという時、これは他の部分「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」あるという時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しない。

また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を「含む」という時、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」という時、これは対象部分を上から見た時を意味し、「断面上」という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を横から見た時を意味する。

図３は本発明の一実施形態による電池モジュール１００に対する斜視図であり、図４は図３の電池モジュール１００に対する分解斜視図である。

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１００は、電池セル積層体、電池セル積層体を収納して互いに対向する前面（Ｙ軸方向）および後面（Ｙ軸逆方向）が開放されたモジュールフレーム２００、モジュールフレーム２００の前記前面および前記後面それぞれを覆うエンドプレート３００および電池セル積層体とエンドプレート３００の間に介在する絶縁部材４００を含む。

図４で具体的に示していないが、電池セル積層体は複数の電池セルが積層された構造体であり、モジュールフレーム２００に収納される。

モジュールフレーム２００は互いに対向する前記前面および前記後面が開放された形態の構造物であり、電池セル積層体を外部から保護し得る。

エンドプレート３００はモジュールフレーム２００の前記前面および後面を覆い、電極リードやバスバーを保護することができる。この時、エンドプレート３００は所定の強度を有する金属板であり得、エンドプレート３００が電極リードやバスバーと接触して短絡などの危険が発生することを防止するために絶縁部材４００が電池セル積層体とエンドプレート３００の間に介在する。

図５は図３の切断線Ｂに沿って切断した断面の一部を示す断面図である。

図５を図４とともに参照すると、モジュールフレーム２００の第１接合面２５０とエンドプレート３００の第２接合面３５０が互いに当接した状態で溶接を行い、モジュールフレーム２００にエンドプレート３００を接合させる。

モジュールフレーム２００の前面（Ｙ軸方向）および後面（Ｙ軸逆方向）をそれぞれ構成する辺（２１０，２２０，２３０，２４０）に第１接合面２５０が位置する。このような、第１接合面２５０と対応するようにエンドプレート３００の辺にも第２接合面３５０が備えられ、溶接により第１接合面２５０と第２接合面３５０が接合される。すなわち、第１接合面２５０と第２接合面３５０は互いに溶接結合される。

このような溶接の方法に制限はないが、レーザ溶接を行うことが好ましい。

ただし、溶接のためにレーザビームを照射する場合、このようなレーザビームがモジュールフレーム２００とエンドプレート３００を透過し、電池セル積層体や他の内部部品に損傷を加え得る。また、溶接過程で溶接火花が四方に飛散する溶接スパッタ（weld spatter）現象が発生し、溶接スパッタも電池セル積層体や他の内部部品に損傷を加え得る。

そこで、本実施形態における絶縁部材４００は電池セル積層体が位置した方向に延びるリブ４１０を含む。

リブ４１０は、絶縁部材４００の上辺、下辺、および両側辺の少なくとも一つから延び得、モジュールフレーム２００の前面（Ｙ軸方向）および後面（Ｙ軸逆方向）それぞれを構成する辺２１０，２２０，２３０，２４０の一つと平行な方向に沿って延びている形態であり得る。図４および図５では一つの例示として、絶縁部材４００の上辺から延びたリブ４１０がモジュールフレーム２００の前面（Ｙ軸方向）での上辺２１０と平行な方向に沿って延びている様子を示した。

上記のようなリブ４１０の構造により、透過したレーザビームや溶接スパッタが電池セル積層体や他の内部部品に影響を与えることを遮断することができる。

特に、図５に示すように、リブ４１０が第１接合面２５０と電池セル積層体の間に位置する場合のみ、溶接スパッタを効果的に遮断することができる。すなわち、リブ４１０が互いに溶接結合される第１接合面２５０および第２接合面３５０と電池セル積層体の間に位置し得る。

図６は図３の切断線Ｂに沿って切断した断面のモジュールフレーム２００と絶縁部材４００のみを示す斜視図である。

図６を参照すると、絶縁部材４００のリブ４１０は、第１接合面２５０と離隔して電池セル積層体が位置する方向に延びた第１延長部４１１および第１延長部４１１の一端部からモジュールフレーム２００の内側面に向かって延びた第２延長部４１２を含み得る。この時、第１延長部４１１はモジュールフレーム２００の内側面と平行であり、第２延長部４１２はモジュールフレーム２００の内側面と垂直であり得る。

リブ４１０は第１延長部４１１と第２延長部４１２を含み、一種のかごのような形状を形成し得る。このようなリブ４１０が第１接合面２５０と第２接合面３５０の溶接部位を囲むように配置され、溶接火花が四方に飛散する溶接スパッタをより効果的に遮断することができる。

さらに、このようなリブ４１０の構成は、以下で説明する図７に示すエンドプレートの突出部を容易に囲む構造であり得る。

以下、図７と図８において、本発明の他の一実施形態として、突出部３６０、エンドプレート３００ａおよびこのような突出部３６０がリブ４１０に囲まれた構成について説明する。

図７は突出部３６０を備えたエンドプレート３００ａを示す斜視図である。

図７を参照すると、図３に示すモジュールフレーム２００の四つの辺２１０，２２０，２３０，２４０とそれぞれ対応するエンドプレート３００ａの四つの辺３１０，３２０，３３０，３４０に第２接合面３５０が位置する。

この時、エンドプレート３００ａは第２接合面３５０よりエンドプレート３００ａの中央側に位置し、電池セル積層体が位置した方向に突出した突出部３６０を含み得る。突出部３６０はエンドプレート３００ａの四つの辺３１０，３２０，３３０，３４０の少なくとも一つに形成されてもよく、図７のように四つの辺３１０，３２０，３３０，３４０すべてに形成されてもよい。

このような突出部３６０はエンドプレート３００ａの四つの辺３１０，３２０，３３０，３４０の一つと平行な方向に沿って延びている形態であり、溶接のために透過したレーザビームや溶接スパッタが電池セル積層体や他の内部部品に影響を与えることを遮断することができる。

また、エンドプレート３００ａがモジュールフレーム２００に結合される時、突出部３６０がモジュールフレーム２００の内側空間に挿入されるのでエンドプレート３００ａがずれることなく正しい位置に結合され得る。すなわち、突出部３６０は、モジュールフレーム２００とエンドプレート３００ａの間の仮組立性を向上させる役割を担当することができる。

一方、突出部３６０はエンドプレート３００ａと一体化した構造であり得、突出部３６０を備えたエンドプレート３００ａは加工成形で製造される。あらかじめ設定したリブ形状のプレートを接合するのではないので、別途の接合工程は必要ない。

このような突出部３６０は、かご形状のリブ４１０が形成する空間に配置されるが、これは下記図８で詳しく説明する。

図８は突出部３６０を備えたエンドプレート３００ａがモジュールフレーム２００と結合した様子を示す断面図である。

図８を図６および図７と共に参照すると、第１延長部４１１と第２延長部４１２を含むリブ４１０が形成する空間にエンドプレート３００ａの突出部３６０が配置される。

したがって、突出部３６０は、第１延長部４１１と接触する下面、第２延長部４１２と接触する側面およびモジュールフレーム２００の内側面と接触する上面を含み得る。

本実施形態での電池モジュールは、リブ４１０と突出部３６０をすべて含むので、第１接合面２５０と第２接合面３５０の溶接過程で透過し得るレーザや溶接スパッタをより効果的に遮断することができる。

具体的には、第１接合面２５０と第２接合面３５０で透過するレーザを一次的に突出部３６０が遮断することができ、突出部３６０とモジュールフレーム２００の内側面の間の隙間に飛散する溶接スパッタを絶縁部材４００のリブ４１０が二次的に遮断することができる。

一方、図７で、突出部３６０にはエンドプレート３００ａとモジュールフレーム２００の組立性向上のためのチャンファ（chamfer）３６１が形成される。特に、このようなチャンファ３６１は突出部３６０の角のうちのモジュールフレーム２００の内側面と接する角に形成される。

突出部３６０は第１接合面２５０および第２接合面３５０と隣接して位置し得るが、それによって突出部３６０をモジュールフレーム２００の内側空間に挿入させることに困難がある。チャンファ３６１によりこれを防止し、エンドプレート３００とモジュールフレーム２００の組立性を向上させることができる。

一方、リブ４１０は絶縁部材４００と一体化した構造であり得、プラスチック射出成形で製造される。そのため、リブ４１０の厚さや形状は適用される電池モジュールに応じて自由に変形することができる。

また、絶縁部材４００は、エンドプレート３００が電極リードやバスバーと接触して短絡などの危険が発生することを防止するためのものであり、電気的絶縁性を示す素材を含むことが好ましい。このような電気的絶縁性を示す素材はポリカーボネート（ＰＣ：ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ポリプロピレン（ＰＰ：ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）およびポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ：ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）の少なくとも一つを含み得る。

一方、本発明でのモジュールフレーム２００はモノフレームまたはＵ字型フレームであり得る。図９と図１０はこれを説明するためのものであり、図９はモノフレーム２００ａを示す斜視図であり、図１０はＵ字型フレーム２００ｂおよび上部カバー２１０ｂを示す斜視図である。説明の便宜上他の構成は図示を省略した。

まず、図９を参照すると、本発明におけるモジュールフレームはモノフレーム２００ａであり得る。

モノフレーム２００ａは前面（Ｙ軸方向）および後面（Ｙ軸逆方向）が開放され、上面（Ｚ軸方向）、下面（Ｚ軸の逆方向）、および両側面（Ｘ軸方向とその逆方向）が一体化した金属板材構造であり得る。モノフレーム２００ａの開放された前面および後面は前述したエンドプレート３００が結合される。

次の図１０を参照すると、本発明でのモジュールフレームはＵ字型フレーム２００ｂおよび上部カバー２１０ｂを含み得る。

Ｕ字型フレーム２００ｂは、前面（Ｘ軸方向）、後面（Ｘ軸逆方向）および上面（Ｚ軸方向）が開放され、底部２１１および底部２１１の対向する両端部で上部方向（Ｚ軸方向）に延びた両側面部２１２を備えた構造であり得る。

Ｕ字型フレーム２００ｂの開放された上面は上部カバー２１０ｂが結合され、Ｕ字型フレーム２００ｂの開放された前面および後面はそれぞれ前述したエンドプレートが結合される。

Ｕ字型フレーム２００ｂは溶接結合によって上部カバー２１０ｂと結合される。

一方、本実施形態でのモジュールフレーム２００とエンドプレート３００は所定の強度を有する金属板材であることが好ましく、特にアルミニウム合金を含むことが好ましい。より詳細にはモジュールフレーム２００はＡｌ ５０５２のようなＡｌ－Ｍｇ系合金やＡｌ ６０６３のようなＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系の合金を含み得、エンドプレート３００はＡＤＣ１２合金のようなＡｌ－Ｓｉ－Ｃｕ系合金やＳｉｌａｆｏｎｔ－３６（登録商標）合金のようにＡｌ－Ｓｉ系合金にＭｇおよびＭｎが添加された合金を含み得る。

前述した本実施形態による一つまたはそれ以上の電池モジュールは、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、冷却システムなどの各種制御および保護システムと共に取り付けられて電池パックを形成することができる。

前記電池モジュールや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には、電気自転車、電気自動車、ハイブリッドなどの運送手段に適用できるが、これに制限されず二次電池を使用できる多様なデバイスへの適用が可能である。

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。

１００ 電池モジュール
２００ モジュールフレーム
２５０ 第１接合面
３００ エンドプレート
３５０ 第２接合面
４００ 絶縁部材
４１０ リブ

Claims (15)

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を収納し、互いに対向する前面および後面が開放されたモジュールフレームと、
   前記モジュールフレームの前記前面および前記後面それぞれを覆うエンドプレートと、
   前記電池セル積層体と前記エンドプレートの間に介在する絶縁部材と、
   を含み、
   前記モジュールフレームは、前記前面と前記後面それぞれを構成する辺に形成された第１接合面を含み、
   前記エンドプレートは前記第１接合面と接合される第２接合面を含み、
   前記絶縁部材は前記電池セル積層体が位置する方向に延びたリブを含み、
   前記第１接合面と前記第２接合面とは互いに溶接結合されており、
   前記リブは、前記第１接合面と前記第２接合面との溶接結合過程が少なくとも前記電池セル積層体に影響を与えることを遮断した電池モジュール。
2. 前記リブは、前記モジュールフレームの前記前面と前記後面のそれぞれを構成する辺の一つと平行な方向に沿って延びている、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記リブは、前記絶縁部材の上辺、下辺、および両側辺のうちの少なくとも一つから延びている、請求項１または２に記載の電池モジュール。
4. 前記リブは、前記第１接合面と前記電池セル積層体との間に位置する、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. 前記リブは、前記絶縁部材と一体化している、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。
6. 前記絶縁部材は、ポリカーボネート、ポリプロピレン、およびポリエチレンテレフタレートのうちの少なくとも一つを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
7. 前記リブは、
   前記第１接合面と離隔して前記電池セル積層体が位置した方向に延びた第１延長部と、
   前記第１延長部の一端部から前記モジュールフレームの内側面に向かって延びた第２延長部と、
   を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の電池モジュール。
8. 前記第１延長部は前記モジュールフレームの内側面と平行であり、前記第２延長部は前記モジュールフレームの内側面と垂直である、請求項７に記載の電池モジュール。
9. 前記エンドプレートは、前記第２接合面より前記エンドプレートの中央側に位置し、前記電池セル積層体が位置した方向に突出した突出部を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の電池モジュール。
10. 前記リブは、
    前記第１接合面と離隔して前記電池セル積層体が位置した方向に延びた第１延長部と、
    前記第１延長部の一端部から前記モジュールフレームの内側面に向かって延びた第２延長部と、
    を含み、
    前記突出部は、前記第１延長部および前記第２延長部と接触する、請求項９に記載の電池モジュール。
11. 前記突出部は、前記第１延長部と接触する下面、前記第２延長部と接触する側面、および前記モジュールフレームの内側面と接触する上面を含む、請求項１０に記載の電池モジュール。
12. 前記突出部には、前記エンドプレートと前記モジュールフレームの組立性向上のためのチャンファが形成されている、請求項９に記載の電池モジュール。
13. 前記モジュールフレームは、上面、下面、および両側面が一体化したモノフレームである、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電池モジュール。
14. 前記モジュールフレームは、
    前面、後面、および上面が開放されたＵ字型フレームと、
    前記Ｕ字型フレームの開放された前記上面を覆う上部カバーと、
    を含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載の電池モジュールを一つ以上含む、電池パック。

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