JP7374306B2 - 電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

関連出願との相互参照
本出願は、２０２０年４月９日付の韓国特許出願第１０－２０２０－００４３２４５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の製造方法に関し、より詳しくは、バスバーフレーム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いなる関心を受けている。このような二次電池は、化石燃料を使用する既存の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、エネルギーの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注目されている。
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るにつれ、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用い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と、電池セル積層体を収容するモジュールフレームと、電池セル積層体の前後面をカバーするバスバーフレームとを含む。
図１は、従来のバスバーフレームが形成された電池モジュールを示す図である。図２は、従来のバスバーフレームの射出成形時の反り現象を示す図である。
図１および図２を参照すれば、従来の電池モジュールは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体１０と、電池セル積層体１０を収容する下部フレーム２１と、電池セル積層体の上面をカバーする上部プレート２２と、電池セル積層体の前後面をカバーするエンドプレート２３と、下部フレーム２１の下面に形成されて、電池セル積層体１０を冷却させるヒートシンク３０と、エンドプレート２３と電池セル積層体１０の前後面との間に形成されたバスバーフレーム４０とを含むことができる。
従来は、図１のように積層される電池セルの個数が増加するに伴い、バスバーフレームの幅が長くなるように製作するしかなかったが、バスバーフレームの幅方向の長さが長くなることによって、射出成形でバスバーフレームを製造する場合、金型コントロールが困難になって、図２に示されているように、バスバーフレーム４０の真ん中および両側に反対方向の圧力が作用して、製造されたバスバーフレームの反り現象が発生する問題があった。
本発明の解決しようとする課題は、バスバーフレームの反り現象を最小化させる構造を有するバスバーフレームが形成された電池モジュールを提供することである。
本発明の課題は上記の課題に制限されず、言及されていないさらに他の課題は下記の記載から当業者に明確に理解されるであろう。
上記の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と、前記電池セル積層体を収容するモジュールフレームと、前記電池セル積層体の前後面をカバーするバスバーフレームとを含み、前記バスバーフレームは、前記電池セル積層体の積層方向に沿って結合された第１バスバーフレームおよび第２バスバーフレームを含み、前記第１バスバーフレームの一側に突起部が形成され、前記第２バスバーフレームの一側に溝部が形成され、前記突起部が前記溝部に結合されることによって前記第１バスバーフレームと前記第２バスバーフレームとが連結される。
また、上記の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、モジュールフレームに電池セル積層体を収容する段階と、第１バスバーフレームと第２バスバーフレームとを組立ててバスバーフレームを形成する段階と、前記バスバーフレームを前記電池セル積層体の前後面に組立てる段階とを含む。
前記第１バスバーフレームの突起部は、第１幅を有する第１部分と、第２幅を有する第２部分とを含み、前記第２幅は、前記第１幅より大きい。
前記第２バスバーフレームの溝部は、第１間隔を有する第１領域と、第２間隔を有する第２領域とを含み、前記第２間隔は、前記第１間隔より広く、前記第１部分は、前記第１領域に挿入され、前記第２部分は、前記第２領域に挿入される。
前記第１バスバーフレームの前記突起部と前記第２バスバーフレームの前記溝部は、互いに摺動可能に結合することができる。
前記第１バスバーフレームと前記第２バスバーフレームとを組立てる段階において、前記第１バスバーフレームの一側に形成された突起部は、前記第２バスバーフレームの一側に形成された溝部に摺動可能に結合することができる。
本発明の他の実施例による電池パックは、前記電池モジュールを含む。
実施例によれば、第１、第２バスバーフレームを組立てる方式でバスバーフレームを形成することによって、金型費用を節減し、バスバーフレームの品質を向上させることができ、電池モジュールの不良率を減少させることができる効果を提供する。
本発明の効果は上記の効果に制限されず、言及されていないさらに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るであろう。
従来のバスバーフレームが形成された電池モジュールを示す図である。 従来のバスバーフレームの射出成形時の反り現象を示す図である。 本発明の一実施例による電池モジュールの分解斜視図である。 図３のＡ－Ａ部分で、第１、第２バスバーフレームが組立てられた構造を示す図である。 図４の第１、第２バスバーフレームの組立構造を説明するための分解図である。 本発明の一実施例による電池セル積層体にモジュールフレームおよびヒートシンクが組立てられる様子を示す図である。 本発明の一実施例による第１、第２バスバーフレームが摺動可能に結合する様子を示す図である。 本発明の一実施例による組立てられたバスバーフレームが電池セル積層体の前面に組立てられる様子を示す図である。
以下に説明される実施例は発明の理解のために例として示したものであり、本発明は、ここで説明される実施例と異なって多様に変形して実施できることが理解されなければならない。ただし、本発明を説明するにあたり、かかる公知の機能あるいは構成要素に関する具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにしうると判断された場合、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に縮尺通りに示されたものではなく、一部の構成要素の寸法が誇張されて示される。
本出願で使用される第１、第２という用語は多様な構成要素を説明するのに使用できるが、構成要素は用語によって限定されてはならない。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でのみ使用される。
また、本出願で使用される用語は単に特定の実施例を説明するために使用されたもので、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、文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本出願において、「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、部品またはこれらの組み合わせたものの存在または付加の可能性を予め排除しないことが理解されなければならない。
以下、図３～図５を参照して、本発明の一実施例によるバスバーフレームを含む電池モジュールの構造について説明する。
図３は、本発明の一実施例による電池モジュールの分解斜視図である。図４は、図３のＡ－Ａ部分で、第１、第２バスバーフレームが組立てられた構造を示す図である。図５は、図４の第１、第２バスバーフレームの組立構造を説明するための分解図である。
図３～図５を参照すれば、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１００と、電池セル積層体１００を収容するモジュールフレーム２００と、電池セル積層体１００の前後面をカバーするバスバーフレーム４００とを含み、バスバーフレーム４００は、電池セル積層体１００の積層方向に沿って結合された第１バスバーフレーム４１０および第２バスバーフレーム４２０を含み、第１バスバーフレーム４１０の一側に突起部４１１が形成され、第２バスバーフレーム４２０の一側に溝部４２１が形成され、突起部４１１が溝部４２１に結合されることによって第１バスバーフレーム４１０と第２バスバーフレーム４２０とが連結される。
本実施例による電池セルは二次電池であって、パウチ型二次電池で構成される。このような電池セルは複数構成され、複数の電池セルは、相互電気的に連結できるように相互積層されて電池セル積層体１００を形成することができる。複数の電池セルはそれぞれ、電極組立体と、セルケースと、電極組立体から突出した電極リードとを含むことができる。
モジュールフレーム２００は、電池セル積層体１００を収容する。本発明の一実施例によれば、モジュールフレーム２００は、電池セル積層体１００の下面および両側面をカバーする下部フレーム２１０と、電池セル積層体１００の上面をカバーする上部プレート２２０とを含むことができる。ただし、モジュールフレーム２００の構造はこれに制限されず、電池セル積層体１００の前後面を除いて４面で囲むモノフレーム形態であってもよい。
本実施例による電池モジュール２００は、電池セル積層体１００の前後面をカバーするエンドプレート２３０をさらに含むことができる。先に説明したモジュールフレーム２００を介して内部に収容された電池セル積層体１００を物理的に保護することができる。
ヒートシンク３００は、モジュールフレーム２００の底部上に形成される。ヒートシンク３００は、ヒートシンクの骨格を形成し、モジュールフレーム２００の底部と接触する下部プレート３１０と、ヒートシンクの一側に形成されて、外部からヒートシンクの内部に冷媒を供給するインレット３２０と、ヒートシンクの一側に形成されて、ヒートシンクの内部で流動した冷媒がヒートシンクの外部に流出するようにするアウトレット３３０と、インレット３２０とアウトレット３３０とを連結し、冷媒が流動する流路部３４０とを含むことができる。
本発明の一実施例によれば、流路部３４０は、モジュールフレーム２００の底部に相当する下部フレーム２１０の下面と接触する下部プレート３１０が下側に陥没形成される。流路部３４０の上側は開放されることによって、流路部３４０とモジュールフレーム２００の下面との間に流路が形成され、前記流路を通して冷媒が流動することができる。つまり、本実施例による電池モジュールは、ヒートシンク３００がモジュールフレーム２００の底部に一体に形成された冷却一体型構造を有することができる。
従来は、モジュールフレームの下側に冷媒が流れる構造が別途に形成されていて、モジュールフレームを間接的に冷却するしかなかったので冷却効率が低下し、別途の冷媒流動構造が形成されていて、電池モジュールおよび電池モジュールが装着された電池パック上の空間活用率が低くなる問題があった。しかし、本発明の一実施例によれば、モジュールフレーム２００の下面にヒートシンク３００を一体化させた構造を採用して、冷媒が流路部３４０とモジュールフレーム２００の下面との間に直接流動可能になることによって、直接冷却による冷却効率が上昇し、ヒートシンク３００がモジュールフレーム２００の下面と一体化された構造により、電池モジュールおよび電池モジュールが装着された電池パック上の空間活用率をより向上させることができる。
バスバーフレーム４００は、電池セル積層体１００の前後面をカバーすることができる。本発明の一実施例によるバスバーフレーム４００は、電池セル積層体１００の積層方向に沿って結合された第１バスバーフレーム４１０および第２バスバーフレーム４２０を含む。
従来より積層される電池セルの個数が多く増加する大面積電池モジュールの場合、バスバーフレームは、電池セル積層体の積層方向に沿って長さが長くなりうる。バスバーフレームの長さが長くなることによって、バスバーフレームの射出成形時に金型コントロールが困難になり、結果として、製造されたバスバーフレームが反る問題が発生することがある。バスバーフレームが反る場合、バスバーフレームの組立が困難になり、全般的な電池モジュールの品質が低下する問題が発生することがある。
そこで、本発明の一実施例によれば、電池セル積層体１００の積層方向に沿って配置された第１、第２バスバーフレーム４１０、４２０を別途に製作した後、第１、第２バスバーフレーム４１０、４２０を互いに組立てて電池セル積層体１００に装着することによって、射出成形時にバスバーフレームの反り現象を最小化し、長さが長くなったバスバーフレームの成形のための金型費用が節減可能であり、電池モジュールの品質が確保され不良率が減少できる。
図４および図５に示されたところによれば、第１バスバーフレーム４１０の一側には突起部４１１が形成され、第２バスバーフレーム４２０の一側には溝部４２１が形成され、突起部４１１が溝部４２１に結合されることによって第１バスバーフレーム４１０と第２バスバーフレーム４２０とが連結される。第１バスバーフレーム４１０の突起部４１１と第２バスバーフレーム４２０の溝部４２１は、互いに摺動可能に結合することができる。このように第１バスバーフレーム４１０と第２バスバーフレーム４２０との間の突起部－溝部の結合構造により、第１バスバーフレーム４１０と第２バスバーフレーム４２０との間の部分の剛性が確保できる。
第１バスバーフレーム４１０の突起部４１１は、第１幅ｗ１を有する第１部分４１１ａと、第２幅ｗ２を有する第２部分４１１ｂとを含み、第２幅ｗ２は、第１幅ｗ１より大きい。第２バスバーフレーム４２０の溝部４２１は、第１間隔ｄ１を有する第１領域４２１ａと、第２間隔ｄ２を有する第２領域４２１ｂとを含み、第２間隔ｄ２は、第１間隔ｄ１より広く、第１部分４１１ａは、第１領域４２１ａに挿入され、第２部分４１１ｂは、第２領域４２１ｂに挿入される。
以下、図６～図８を参照して、本発明の一実施例によるバスバーフレームを含む電池モジュールの製造方法について説明する。
図６は、本発明の一実施例による電池セル積層体にモジュールフレームおよびヒートシンクが組立てられる様子を示す図である。図７は、本発明の一実施例による第１、第２バスバーフレームが摺動可能に結合する様子を示す図である。図８は、本発明の一実施例による組立てられたバスバーフレームが電池セル積層体の前面に組立てられる様子を示す図である。
図６～図８を参照すれば、本発明の一実施例による電池モジュールの製造方法は、モジュールフレーム２００に電池セル積層体１００を収容する段階（図６）と、第１バスバーフレーム４１０と第２バスバーフレーム４２０とを組立ててバスバーフレーム４００を形成する段階（図７）と、バスバーフレーム４００を電池セル積層体１００の前後面に組立てる段階（図８）とを含む。
モジュールフレーム２００に電池セル積層体１００を収容する段階において、モジュールフレーム２００を形成する下部フレーム２１０に電池セル積層体１００を収納し、電池セル積層体１００の上面に上部プレート２２０をカバーするように組立てて、モジュールフレーム２００に電池セル積層体１００を収容できる。
第１バスバーフレーム４１０と第２バスバーフレーム４２０とを組立てる段階において、第１バスバーフレーム４１０の一側に形成された突起部４１１は、第２バスバーフレーム４２０の一側に形成された溝部４２１に摺動可能に結合することができる。摺動可能に結合することにより、摺動する第１バスバーフレーム４１０と第２バスバーフレーム４２０と交わる全区間で結合が形成されて、第１バスバーフレーム４１０と第２バスバーフレーム４２０とがより強固に締結できる。
第１、第２バスバーフレーム４１０、４２０の結合により形成されたバスバーフレーム４００は、電池セル積層体１００の前後面に組立てられる。図８には、電池セル積層体１００の前面に組立てられる様子が示されているが、バスバーフレーム４００は、電池セル積層体１００の後面にも同様に組立てられる。
バスバーフレーム４００が電池セル積層体１００の前後面に組立てる段階の後、図３に示されたエンドプレート２３０を、電池セル積層体１００を基準としてバスバーフレーム４００の外郭に組立てることができる。また、図３に示されたヒートシンク３００を下部フレーム２１０の下面の下側に装着することができる。
上述した電池モジュールは電池パックに含まれる。電池パックは、本実施例による電池モジュールを１つ以上まと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ってもよい。
前記電池パックは、多様なデバイスに適用可能である。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できるが、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、本発明の好ましい実施例について図示および説明したが、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の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であ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な思想や展望から個別的に理解されてはならない。
１０：電池セル積層体
４０：バスバーフレーム
１００：電池セル積層体
２００：モジュールフレーム
２１０：下部フレーム
２２０：上部プレート
２３０：エンドプレート
３００：ヒートシンク
４００：バスバーフレーム
４１０：第１バスバーフレーム
４１１：突起部
４１１ａ：第１部分
ｗ１：第１幅
４１１ｂ：第２部分
ｗ２：第２幅
４２０：第２バスバーフレーム
４２１：溝部
４２１ａ：第１領域
ｄ１：第１間隔
４２１ｂ：第２領域
ｄ２：第２間隔

Claims (7)

  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収容するモジュールフレームと、
    前記電池セル積層体の前後面をカバーするバスバーフレームと、を含み、
    前記バスバーフレームは、前記電池セル積層体の積層方向に沿って結合された第１バスバーフレームおよび第２バスバーフレームを含み、
    前記第１バスバーフレームの一側に突起部が形成され、前記第２バスバーフレームの一側に溝部が形成され、前記突起部が前記溝部に結合されることによって前記第１バスバーフレームと前記第２バスバーフレームとが直列に連結される電池モジュール。
  2. 前記第１バスバーフレームの前記突起部は、第１幅を有する第１部分と、第２幅を有する第２部分とを含み、前記第２幅は、前記第１幅より大きい、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記第２バスバーフレームの前記溝部は、第１間隔を有する第１領域と、第２間隔を有する第２領域とを含み、前記第２間隔は、前記第１間隔より広く、
    前記第１部分は、前記第１領域に挿入され、前記第２部分は、前記第２領域に挿入される、請求項２に記載の電池モジュール。
  4. 前記第１バスバーフレームの前記突起部と前記第２バスバーフレームの前記溝部は、互いに摺動可能に結合する、請求項１～３の何れか一項に記載の電池モジュール。
  5. モジュールフレームに電池セル積層体を収容する段階と、
    第１バスバーフレームと第２バスバーフレームとを、前記電池セル積層体の積層方向に沿って、溝部と突起部とで直列に結合してバスバーフレームを形成する段階と、
    前記バスバーフレームを前記電池セル積層体の前後面に組立てる段階と、を含む電池モジュールの製造方法。
  6. 前記第１バスバーフレームと前記第２バスバーフレームとを結合する段階において、前記第１バスバーフレームの一側に形成された突起部は、前記第２バスバーフレームの一側に形成された溝部に摺動可能に結合する、請求項５に記載の電池モジュールの製造方法。
  7. 請求項１に記載の電池モジュールを含む電池パック。
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