JP7325889B2 - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents

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Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、2019年12月5日付韓国特許出願第10-2019-0160899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、改善されたセンシング連結部を含む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、両端のバスバーフレームを連結する連結部を含んで構成される。
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、従来の電池モジュール10は、複数の電池セルが積層された電池セル積層体20と、電池セル積層体20を収納するモノフレーム70と、モノフレームの開放された前後面を覆うエンドプレート80とを含む。
電池セル積層体20とエンドプレート80との間には、バスバーフレーム32、33、バスバー40と、絶縁部材60とが順に位置する。
電池セル積層体20の上部面には、電池セルの電圧センシングおよび温度センシングなどのためのフレキシブルプリント回路基板(FPC:Flexible printed circuit)50が位置することができる。
従来は両端のバスバーフレーム32、33をフレキシブルプリント回路基板50を通じて連結し、フレキシブルプリント回路基板50の上端にカバープレート31を設置して、モノフレーム70に収納される時に発生し得るフレキシブルプリント回路基板50の損傷を防止しようとしていた。
しかし、図1に示されるように、フレキシブルプリント回路基板50上に配置されたカバープレート31によりその厚さの分、電池モジュールの高さも増加し、モジュールの重量が増加するという問題点がある。
このように電池モジュールの大きさが増加する場合、電池モジュールの設置時に設置空間がより多く必要となり、車両に電池モジュールを設置する場合、車両の走行性能を減少させるという問題点がある。
また電池モジュールの重量が増加する場合、電池モジュールの活用性が全般的に減少し、同様に車両に重量がある電池モジュールを設置する場合、車両の走行性能が低下して燃費が減少するという問題点がある。
本発明が解決しようとする課題は、フレキシブルフラットケーブルで形成された連結部の自動組立が可能であり、空間活用度が向上した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。
ただし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、前述した課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張され得る。
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の下部面および両側面を覆う下部フレームと、前記電池セル積層体の上部面を覆う上部フレームと、前記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と、前記バスバーフレームを連結する連結部と、を含み、前記連結部は、フレキシブルフラットケーブル(Flexible Flat Cable:FFC)で形成されて前記上部フレームに付着される。
前記連結部と前記上部フレームとの間に接着部材が位置して、前記連結部が前記上部フレームに付着され得る。
前記接着部材は、両面テープであり得る。
前記連結部は、前記上部フレームと前記電池セル積層体との間に位置することができる。
前記連結部は、軟性の平らな形態で形成され得る。
前記連結部は、前記電池セル積層体の上部面に位置する連結本体と、前記連結本体の両端でバスバーフレーム方向にそれぞれ曲がって形成された連結ケーブルと、前記連結ケーブルと連結されて前記バスバーフレームとそれぞれ結合する連結部コネクタと、を含むことができる。
前記連結部コネクタは、前記バスバーフレームに形成された接続部と結合することができる。
前記上部フレームの下部面に前記連結部と対応する形態に湾入された溝が形成され、前記連結部が前記溝に付着され得る。
前記溝の内面と前記連結部との間に接着部材が位置することができる。
前記連結部は、前記複数の電池セルのうちの一つの電池セルの長さ方向と平行に形成され得る。
前記連結部は、前記バスバーフレームの間で直線形態に延びていることができる。
前記下部フレームは、上部面が開放され、前記下部フレームの開放された前記上部面を前記上部フレームが覆うことができる。
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、カバープレートの除去により電池モジュールの高さが縮小されることによって、電池モジュール自体のエネルギー密度を増加させ、電池モジュールの設置空間を確保することができる。したがって、車両にこのような電池モジュールまたは電池パックを設置時に走行性能を向上させる効果をもたらすことができる。
また、本発明の一実施形態による電池モジュールおよびこれを含む電池パックは、カバープレートの除去により電池モジュールの重量が減少することによって、電池モジュールの活用性を強化することができ、車両に電池モジュールを設置時に燃費を向上させる効果がある。
また、フレキシブルフラットケーブルで形成された連結部が上部フレームに付着されたまま組立てられ、製造加工性が向上する。
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。
従来の電池モジュールに対する分解斜視図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールに対する分解斜視図である。 図2の電池モジュールに含まれている連結部とバスバーフレームを結合した状態を示す図面である。 図2の電池モジュールに含まれている連結部と上部フレームを示す斜視図である。 図4の切断線A-A’に沿って切断した断面図である。 上部フレームおよび連結部の組立方式を説明するための斜視図である。 図2の電池モジュールに含まれている連結部を上方から眺めた図面である。 図7のC部分を拡大して示す図面である。 本発明の一実施形態による連結ケーブルを上方から眺めた図面である。 本発明の一実施形態による連結ケーブルを前方から眺めた図面である。 本発明の一実施形態による連結ケーブルがバスバーフレームに設置された状態を示す図面である。 連結部と溝が形成された上部フレームを示す斜視図である。 図12の連結部と上部フレームをひっくり返して示した斜視図である。 図12の切断線B-B’に沿って切断した断面図である。
以下、添付した図面を参照して本発明の多様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することができるように詳細に説明する。本発明は、多様な異なる形態に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、説明上不要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付した。
また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは、説明の便宜のために任意に示したため、本発明が必ず図示されたところに限定されるのではない。図面において、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。そして図面において、説明の便宜のために、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。
また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上」にあるという時、これは他の部分の「直上」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。反対に、ある部分が他の部分の「直上」にあるという時には、中間にまた他の部分がないことを意味する。また、基準となる部分の「上」にあるということは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ず重力反対方向に向かって「上」に位置することを意味するのではない。
また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除外せず、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
また、明細書全体において、「平面状」という時、これは対象部分を上方から見た時を意味し、「断面状」という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を側方から見た時を意味する。
図2は本発明の一実施形態による電池モジュールの概略的な斜視図であり、図3は図2の電池モジュールに含まれている連結部400とバスバーフレーム300を結合した状態を示す図面である。
図2および図3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、電池セル積層体の下部面および両側面を覆う下部フレーム210と、電池セル積層体の上部面を覆う上部フレーム220と、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300と、バスバーフレームを連結する連結部400と、を含む。説明の便宜のために、連結部400と上部フレーム220を離隔して示したが、本実施形態で連結部400は、フレキシブルフラットケーブル(Flexible Flat Cable:FFC)で形成されて上部フレーム220に付着される。連結部400が上部フレーム220に付着された特徴については図4および図5と共に後述する。
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、複数個が構成されてもよく、複数の電池セル100は、互いに電気的に連結され得るように互いに積層されて電池セル積層体を形成することができる。具体的に図示していないが、複数の電池セルは、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。一方、図2で示したように、複数の電池セル100は、下部フレーム210の両側面部212と平行に配置されてy軸方向に沿って順次に積層され得る。
電池セル積層体は、下部面および両側面を覆う下部フレーム210、および上部面を覆う上部フレーム220で囲まれて形成される。下部フレーム210は、上部面(z軸方向)が開放されたU字型構造で形成され、底部211、および底部211の両端部で上向に延長された両側面部212を含むことができる。
下部フレーム210の底部211上に電池セル積層体が挿入され、その後、上部フレーム220を通じて電池セル積層体の上部面を覆う方法で電池セル積層体がフレーム内部に装着され得る。
下部フレーム210および上部フレーム220は、互いに結合されてフレーム内部に位置する電池セル積層体を収容する。この時、二つのフレームは溶接を通じて接合され得るが、ただし、フレームの接合方式はこれに限定されず、多様な実施形態を通じて具現され得る。
電池セル積層体の前後面には、それぞれバスバーフレーム300が形成される。バスバーフレーム300は、バスバーおよびセル連結ボードを含み、バスバーフレーム300に装着されたバスバーを通じて複数の電池セル100の電極リードを電気的に連結することができる。具体的には、電池セル100の電極リードがバスバーフレーム300に形成されたスリットを通過した後に曲がってバスバーと連結され得る。
バスバーフレーム300は、電池セル積層体の一側面に形成された第1バスバーフレーム310、電池セル積層体の他側面に形成された第2バスバーフレーム320で形成されて、電池セル積層体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。
結合された下部フレーム210および上部フレーム220の開放された前後面にエンドプレート311、312が結合され得る。つまり、第1バスバーフレーム310、第2バスバーフレーム320をエンドプレート311、312が覆うことができる。
エンドプレート311、312は、外部の衝撃から第1バスバーフレーム310、第2バスバーフレーム320に備えられた多くの電装品を保護し、同時に第1バスバーフレーム310、第2バスバーフレーム320と外部電源間の電気的連結を案内することができる。エンドプレート311、312と第1バスバーフレーム310、第2バスバーフレーム320との間には絶縁部材(図示せず)が挿入され、バスバーフレーム(第1バスバーフレーム310、第2バスバーフレーム320)とエンドプレート311、312との不要な電気的連結を遮断することができる。
連結部400は、第1バスバーフレーム310、第2バスバーフレーム320の間に備えられて二つのバスバーフレームを電気的に連結する。従来はバスバーフレームの間にフレキシブルプリント回路基板(FPC:Flexible printed circuit)が備えられて、二つのバスバーフレームが前記フレキシブルプリント回路基板を通じて連結され、フレキシブルプリント回路基板の上端にはフレキシブルプリント回路基板の損傷を防止するようにカバープレートが設置された。しかし、本発明の一実施形態によれば、フレキシブルプリント回路基板を保護および支持するカバープレートを除去し、フレキシブルプリント回路基板の代わりに、カバープレートなどの保護部材を必要としない平らなケーブルで形成されたフレキシブルフラットケーブル(FFC:Flexible Flat Cable)で形成されたケーブルを使用して第1バスバーフレーム310、第2バスバーフレーム320を連結する。
このようにFFCによる二つのバスバーフレームの連結を通じて、電池モジュールの高さが縮小されてバッテリー自体のエネルギー密度を増加させ、電池モジュールの設置空間の確保が可能であり、自動車に電池モジュールを設置時に走行性能および燃費を向上させることができる。
本発明の一実施形態によりフレキシブルフラットケーブル(FFC)で形成された連結部400は、上部フレーム220と電池セル100積層体との間に位置する。より詳細には、電池セル100積層体の上部面には絶縁フィルム(図示せず)が形成され、連結部400は絶縁フィルム(図示せず)と上部フレーム220との間に位置する。
連結部400は、複数の電池セル100のうちの一つの電池セルの長さ方向(x軸方向)と平行に形成され得る。本発明の一実施形態によれば、連結部400は、複数の電池セル100のうちの一側の最外側電池セルを基準として16番目の電池セルに対応する位置で前記電池セルの長さ方向と平行に形成され得る。このように連結部の位置を電池セルのうちの一つと対応させることによって、連結部400の組立がより容易に行われ得る。
連結部400は、軟質のケーブルで形成されて曲がり得、バスバーフレーム間の電気的連結のための回路はケーブル内部に挿入されているため、外部の衝撃に対処することが容易である。
また連結部400は、軟性の平らな形態、つまり、フラット(flat)な形態で形成され得る。したがって、曲がりに対する反力が強いワイヤータイプのセンシング回路の場合に比べて柔軟に曲がり得るため、自動組立時に一定の位置を設定することが容易である。またワイヤータイプの場合、ワイヤーを保護する追加の構造物が必要であり、直ちに電池モジュールに適用するのではなく、別途の組立過程が必要であるが、フレキシブルフラットケーブルは別途の保護構造物なしに直ちに電池モジュール組立への適用が可能である。
図4は図2の電池モジュールに含まれている連結部400と上部フレーム220を示す斜視図であり、図5は図4の切断線A-A’に沿って切断した断面図である。
図4および図5を参照すると、前述したように、連結部400は、フレキシブルフラットケーブル(FFC)で形成されて上部フレーム220に付着される。特に、連結部400と上部フレーム220との間に接着部材500が位置して、連結部400が上部フレーム220に付着され得る。この時、接着部材500は、接着性を有する物質を含むことができ、両面テープであり得る。
図6は上部フレームおよび連結部の組立方式を説明するための斜視図である。図6を参照すると、前述したように、下部フレーム210は、上部面(z軸方向)が開放され、下部フレーム210の底部211上に電池セル積層体が挿入された状態で下部フレーム210の開放された上部面(z軸方向)を上部フレーム220が覆うことができる。下部フレーム210および上部フレーム220は、溶接などの方法で接合され得る。
この時、本実施形態によれば、連結部400が上部フレーム220に付着されているため、下部フレーム210および上部フレーム220の接合と同時に電池セル積層体上に連結部400を位置させることができる。
従来の電池モジュールとは異なり、本実施形態では、連結部400をフレキシブルフラットケーブル(FFC)で形成し、連結部400の上にカバープレートを除去することができ、連結部400を上部フレーム220に直ちに付着させることができる。したがって、上部フレーム220と連結部400を同時に組み立てて電池モジュールを完成することができるため、製造加工性が向上する。
連結部400が上部フレーム220に付着された状態で組み立てられるため、組立過程で連結部400が電池セル積層体上に予定位置を逸脱して誤って位置する可能性を低減させることができる。
また、本実施形態での接着部材500は、従来のカバープレートと比較して、厚さが遥かに薄いため、完成された電池モジュールの高さを減らすことができ、これによって電池モジュール自体のエネルギー密度を増加させ、電池モジュールの設置空間を確保することができる。したがって、車両にこのような電池モジュールまたは電池パックを設置時に走行性能を向上させる効果をもたらすことができる。
また、カバープレートの除去により電池モジュールの重量が減少することによって、電池モジュールの活用性を強化することができ、車両に電池モジュール設置時に燃費を向上させる効果がある。
図7は図2の電池モジュールに含まれている連結部400を上方から眺めた図面であり、
図8は図7のC部分を拡大して示す図面である。
図7および図8を参照すると、連結部400は、複数の電池セル100の長さ方向(x軸方向)と平行に形成されて、連結部400がバスバーフレーム300の間で直線形態に延びている形態であり得る。これによって、連結部400の長さを最小化することができ、連結部の製作に要する原価を節減することができ、バスバーフレーム300との連結時に垂直方向に容易に連結することができる。
一方、具体的に図示していないが、電池セル100積層体の上部面には絶縁フィルム(図示せず)が形成され、連結部400が前記絶縁フィルム(図示せず)上に位置することができる。
一方、本実施形態によれば、連結部400は、電池セル100積層体の上部面に位置する連結本体410、連結本体410の両端で第1バスバーフレーム310、第2バスバーフレーム320方向にそれぞれ曲がって形成された連結ケーブル420、および連結ケーブル420と連結されてバスバーフレーム300とそれぞれ結合する連結部コネクタ430を含むことができる。
以下、図9~図11を参照して本発明の一実施形態による第1、2、3連結ケーブルおよび連結ケーブルコネクタの構成について説明する。
図9は本発明の一実施形態による連結ケーブルを上方から眺めた図面である。図10は本発明の一実施形態による連結ケーブルを前方から眺めた図面である。図11は本発明の一実施形態による連結ケーブルがバスバーフレームに設置された状態を示す図面である。
図9~図11を参照すると、連結ケーブル420は、下側方向に形成された第1連結ケーブル421と、第1連結ケーブル421から電池セル100積層体の積層方向のうちの一方向に曲がって形成された第2連結ケーブル422と、前記第2連結ケーブル422から電池セル100積層体の積層方向のうちの他方向に曲がって形成された第3連結ケーブル423と、を含むことができる。連結ケーブル420は、軟性の平らな形態で形成されて、平らな面を中心として曲がって設置され得る。
連結部コネクタ430は、第3連結ケーブル423と連結されて、バスバーフレーム300の一側に形成されている接続部440と結合することができる。より詳細には、接続部440は、第1連結ケーブル421を基準として第2連結ケーブル422の反対側に形成され、第3連結ケーブル423は、第2連結ケーブル422よりも長く形成される。
したがって、連結本体410と連結された連結ケーブル420は、まず、バスバーフレーム300のフレーム面に沿って第1連結ケーブル421を通じて下側垂直方向に延長され、接続部440が位置する高さに到達した時、第2連結ケーブル422を通じて90度に折られて接続部440の反対方向に水平延長され、第2連結ケーブル422が所定の長さの分、延長された後に再び第3連結ケーブル423を通じて180度方向に曲がって接続部440が位置する方向に水平延長される構造を有することができる。
また第1連結ケーブル421と接続部440との間の距離よりも、第2連結ケーブル422と第3連結ケーブル423の長さの合計がより長くてもよい。このように連結ケーブル420が曲がった部分を形成し、第2連結ケーブル422と第3連結ケーブル423が余分の長さを確保することによって、連結部400が引張される時、バスバー間の電気的連結ルートを安定的に運用することができる。
以下、図12~図14と共に、本発明の変形された実施形態として、溝221が形成された上部フレーム220について説明する。
図12は連結部400と溝221が形成された上部フレーム220aを示す斜視図であり、図13は図12の連結部400と上部フレーム220aをひっくり返して示した斜視図であり、図14は図12の切断線B-B’に沿って切断した断面図である。
図12~図14を参照すると、上部フレーム220aの下部面に連結部400と対応する形態で湾入された溝221が形成され、連結部400が溝221に付着され得る。
特に、溝221の内面と連結部400との間に接着部材500が位置して、連結部400が溝221に付着され得る。この時、接着部材500は、接着性質を有する物質を含むことができ、両面テープであり得る。
溝221は、連結部400と対応する形態で湾入され得るが、連結部400の付着が容易になるように、湾入された部分の幅は連結部400の幅よりも若干長いことが好ましい。ここで湾入された部分の幅と連結部400の幅は、y軸方向の長さを意味する。
上部フレーム220aに予め溝221形態を設けた後、連結部400をその溝221に付着したまま、電池セル積層体および下部フレーム210に組み立てるため、電池モジュールの製造において連結部400を予め設定された部分に誤差なしに配置することが容易である。
また、湾入された部分の分、完成された電池モジュールの高さをさらに減らすことができるため、このような溝221構造は、電池モジュールのエネルギー密度および空間効率性をより向上させる効果をもたらすことができる。
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装着さ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、ハイブリッドなどの運送手段に適用され得るが、これに制限されず、二次電池を使用することができる多様なデバイスに適用可能である。
以上で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ず、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多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。
100:電池セル
210:下部フレーム
220、220a:上部フレーム
221:溝
300:バスバーフレーム
310:第1バスバーフレーム
320:第2バスバーフレーム
311、312:エンドプレート
400:連結部
410:連結本体
420:連結ケーブル
421:第1連結ケーブル
422:第2連結ケーブル
423:第3連結ケーブル
430:連結部コネクタ
440:接続部
500:接着部材

Claims (12)

  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下部面および両側面を覆う下部フレームと、
    前記電池セル積層体の上部面を覆う上部フレームと、
    前記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と、
    前記バスバーフレームを連結する連結部と、
    を含み、
    前記連結部は、フレキシブルフラットケーブル(Flexible Flat Cable:FFC)で形成されて前記上部フレームに付着されており、前記連結部と前記上部フレームとの間に接着部材が位置して、前記連結部が前記上部フレームに付着されている電池モジュール。
  2. 前記接着部材は、両面テープである、請求項に記載の電池モジュール。
  3. 前記連結部は、前記上部フレームと前記電池セル積層体との間に位置する、請求項1または2に記載の電池モジュール。
  4. 前記連結部は、軟性の平らな形態で形成されている、請求項1からのいずれか一項に記載の電池モジュール。
  5. 前記連結部は、
    前記電池セル積層体の上部面に位置する連結本体と、
    前記連結本体の両端でバスバーフレーム方向にそれぞれ曲がって形成された連結ケーブルと、
    前記連結ケーブルと連結されて前記バスバーフレームとそれぞれ結合する連結部コネクタと、
    を含む、請求項1からのいずれか一項に記載の電池モジュール。
  6. 前記連結部コネクタは、前記バスバーフレームに形成された接続部と結合する、請求項に記載の電池モジュール。
  7. 前記上部フレームの下部面に前記連結部と対応する形態に湾入された溝が形成されており、
    前記連結部が前記溝に付着されている、請求項1からのいずれか一項に記載の電池モジュール。
  8. 前記溝の内面と前記連結部との間に接着部材が位置する、請求項に記載の電池モジュール。
  9. 前記連結部は、前記複数の電池セルのうちの一つの電池セルの長さ方向と平行に形成された、請求項1からのいずれか一項に記載の電池モジュール。
  10. 前記連結部は、前記バスバーフレームの間で直線形態に延びている、請求項1からのいずれか一項に記載の電池モジュール。
  11. 前記下部フレームは、上部面が開放され、
    前記下部フレームの開放された前記上部面を前記上部フレームが覆っている、請求項1から10のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  12. 請求項1から11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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