JP7416518B2 - 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１０月１０日付韓国特許出願第１０－２０１９－０１２５３１０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するものであって、より具体的には、生産性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に関するものである。

製品群による適用容易性が高く、高いエネルギー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ることができるという一次的な長所だけでなくエネルギー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やさしいおよびエネルギー効率性引き上げのための新たなエネルギー源として注目されている。

現在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り、このうちのリチウム二次電池はニッケル系列の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起こらなくて充放電が自由であり、自己放電率が非常に低くエネルギー密度が高いという長所で脚光を浴びている。

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正極板と負極板がセパレータを挟んで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、即ち、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、電極組立体が金属カンに内装されているカン型二次電池と、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装されているパウチ型二次電池とに分類できる。

小型モバイル機器にはデバイス１台当り１個～３個の電池セルが使用されるのに反し、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連結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な大きさと重量で製造されるのが好ましいので、高い集積度で積層でき容量に比べて重量の小さい角型電池、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、複数の電池セルから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むことができる。

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を参照すれば、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軸反対方向）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を参照すれば、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、前記溶接のためには、モジュールフレーム２０とエンドプレート３０の接合面が互いに対応して位置するようにモジュールフレーム２０とエンドプレート３０を固定させる必要がある。但し、モジュールフレーム２０とエンドプレート３０が互いに綿密に対応するように固定することに限界があり、これによって前記溶接が円滑に行われない問題がある。

また、前記溶接のためにレーザ溶接を実施することができるが、溶接過程で貫通され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えられることがある。

したがって、従来技術のこのような問題を解決することができる技術が必要であるのが実情である。

本発明の実施形態は既存に提案された方法の前記のような問題点を解決するために提案されたものであって、モジュールフレームとエンドプレートの仮組立性が向上され、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これを含む電池パックを提供することをその目的とする。

但し、本発明の実施形態が解決しようとする課題は前述の課題に限定されず、本発明に含まれている技術的思想の範囲で多様に拡張できる。

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のそれぞれを覆うエンドプレートとを含み、前記モジュールフレームは、前記前面と前記後面のそれぞれを構成する辺に位置する第１接合面を含み、前記エンドプレートは、前記第１接合面に接合される第２接合面と、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、前記モジュールフレーム方向に突出したリブとを含む。

前記リブは、前記エンドプレートと一体化されてもよい。

前記リブは、前記エンドプレートの辺と平行な方向に沿って伸びていてもよい。

前記リブには、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を向上させるための面取り部が形成できる。

前記面取り部は、前記リブの角のうちの前記モジュールフレームの内側面と接する角に形成できる。

前記リブは、前記第１接合面および前記第２接合面と隣接して配置できる。

前記第１接合面と前記第２接合面は互いに溶接結合できる。

前記エンドプレートの辺のうちの上辺に位置した前記リブの厚さと前記エンドプレートの辺のうちの下辺に位置した前記リブの厚さが互いに異なってもよい。

前記リブの側面にはリブ溝が形成され、前記モジュールフレームには前記リブ溝に挿入されるリブ溝係止部が形成され、前記リブ溝係止部は前記リブ溝に係合できる。

前記リブ溝係止部は、前記モジュールフレームの内側面に位置して、三角形の断面を形成することができる。

前記リブ溝係止部は、前記第１接合面が位置した方向の傾斜が前記第１接合面が位置した方向と反対方向の傾斜より緩やかであってもよい。

前記リブ溝は、前記リブ溝係止部と対応する形状に湾入していてもよい。

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されたモノフレームであってもよい。

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字型フレームおよび前記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を含むことができる。

本発明の実施形態によれば、エンドプレートに形成されたリブを通じて溶接以前にモジュールフレームとエンドプレートの仮組立性を向上させることができる。

また、前記リブを通じて貫通されたレーザや溶接スパッタが内部部品を損傷させるの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４のエンドプレートを示す斜視図である。 リブ溝およびリブ溝係止部を備えた電池モジュールに対する断面図である。 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、添付した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の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しく説明する。本発明は様々な異なる形態に実現でき、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必要な部分は省略し、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な参照符号を付けるようにする。

また、図面で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ので、本発明が必ずしも図示されたところに限定されない。図面で、様々な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、説明の便宜のために、一部層および領域の厚さを誇張されるように示した。

また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分“の上に”または“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。逆に、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”にまたは“上に”あるというのは基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力反対方向に向かって“の上に”または“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、これは特に反対になる記載がない限り、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むことができるのを意味する。

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の斜視図であり、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を参照すれば、本実施形態での電池モジュール１００は、電池セル積層体、電池セル積層体を収納し互いに対向する前面（Ｙ軸方向）および後面（Ｙ軸反対方向）が開放されたモジュールフレーム２００およびモジュールフレーム２００の前記前面および前記後面のそれぞれを覆うエンドプレート３００を含む。

図４で具体的に表示されなかったが、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って、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って、電池セル積層体を外部から保護することができる。

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って、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ってもよく、エンドプレート３００が電極リードやバスバーと接触され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の間に介されてもよい。

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と共に参照すれば、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って、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軸反対方向）を構成する辺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、溶接によって第１接合面２５０と第２接合面３５０が接合される。即ち、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、レーザ溶接を行うのが好ましい。

但し、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を透過して、電池セル積層体や他の内部部品に損傷を与えることがある。また、溶接過程で仮組立性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与えることがある。

よって、本実施形態でのエンドプレート３００は、第２接合面３５０よりエンドプレート３００の中央側に位置し、モジュールフレーム２００方向に突出したリブ（Ｒｉｂ）３６０を含む。

リブ３６０はエンドプレート３００の辺と平行な方向に沿って伸びている形態であって、透過され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のを遮断することができる。

同時に、モジュールフレーム２００とエンドプレート３００は互いに定められた位置に対応するように固定された状態で溶接が行われるのが好ましい。本実施形態ではエンドプレート３００がモジュールフレーム２００に結合される時、リブ３６０がモジュールフレーム２００の内側空間に挿入されるため、エンドプレート３００がずれなく正しい位置に結合できる。即ち、リブ３６０は、モジュールフレーム２００とエンドプレート３００間の仮組立性を向上させる役割を担当する。

また、溶接が行われる間にも、リブ３６０によってエンドプレート３００が定められた位置に固定できる。

このようなリブ３６０が図５のように第１接合面２５０および第２接合面３５０と隣接して位置してこそ、エンドプレート３００の離脱防止や固定が効果的であり得る。

追加的に、リブ３６０構造は発生する熱によって溶接部分で歪みが発生するのを防止することができ、若干の歪みが発生しても、溶接部分での歪んだところや突出したところが電池セル積層体や他の内部部品に影響を与えるのを防止することができる。

図６は、図４のエンドプレート３００を示す斜視図である。

図６を参照すれば、図４での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３００の四つの辺３１０、３２０、３３０、３４０に第２接合面３５０が位置する。

リブ３６０は、このような第２接合面３５０よりエンドプレート３００の中央側に位置する。

リブ３６０はエンドプレート３００の四つの辺３１０、３２０、３３０、３４０のうちの少なくとも一箇所に形成できるが、図６のように四つの辺３１０、３２０、３３０、３４０全てに形成されるのが好ましい。四つの辺３１０、３２０、３３０、３４０全てに形成されてこそ先に説明したエンドプレート３００の正位置や固定が効果的に行われるためである。

また、リブ３６０は、エンドプレート３００の四つの辺３１０、３２０、３３０、３４０のうちの一つと平行な方向に沿って伸びている形態である。

一方、リブ３６０はエンドプレート３００と一体化された構造であってもよく、リブ３６０を備えたエンドプレート３００は加工成形で製造できる。予め設定しておいたリブ形状のプレートを接合するのではないので、別途の接合工程が必要ない。

また、上辺３１０、下辺３４０および両側辺３２０、３３０それぞれのリブ３６０の厚さを互いに異なるように設定することができて自由度が向上される。特に、エンドプレート３００の辺３１０、３２０、３３０、３４０のうちの上辺３１０に位置したリブ３６０の厚さと下辺３４０に位置したリブ３６０の厚さが互いに異なってもよい。

具体的に、エンドプレート３００内部の他の部品とリブ３６０間の干渉や近距離区間に対する公差（Ｃｌｅａｒａｎｃｅ）確保のためにリブ３６０のサイズ、特に厚さをそれぞれ異なるように設定しなければならない必要性がある。この時、本発明の場合、予め設定されたリブ形状のプレートを接合するのではないので、リブ３６０の変更がより自由であり、溶接範囲を大きいか小さくするのが容易である。

前記加工成形の場合、製造されるエンドプレート３００の形状の自由度が高いため後述の面取り構造やリブ溝構造を実現しやすい。また、押出成形などに比べて薄い厚さで製造が可能である。

一方、図５および図６を共に参照すれば、リブ３６０にはエンドプレート３００とモジュールフレーム２００の組立性を向上させるための面取り部（Ｃｈａｍｆｅｒ）３６１が形成できる。具体的には、このような面取り部３６１は、リブ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できる。

先に言及したように、リブ３６０は第１接合面２５０および第２接合面３５０と隣接して配置することができ、これによって、リブ３６０をモジュールフレーム２００の内側空間に挿入させるのに困難があることがある。面取り部３６１はこれを防止し、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。

図７は、変形実施形態であって、リブ溝およびリブ溝係止部を備えた電池モジュールに対する断面図である。

図７を参照すれば、リブ３６０ａの側面にはリブ溝３６２が形成され、モジュールフレーム２００ａにはリブ溝３６２に挿入されるリブ溝係止部２６２が形成され、リブ溝係止部２６２はリブ溝３６２に係合される。

このような係合のために、リブ溝３６２はリブ溝係止部２６２と対応する形状に湾入していてもよい。

リブ溝係止部２６２がリブ溝３６２に係合されることによって、エンドプレート３００ａとモジュールフレーム２００ａの結束をより強化することができる。これは、溶接以前にエンドプレート３００ａの仮組立性を向上させることができ、溶接途中のエンドプレート３００ａの離脱を防止することができる。

リブ溝係止部２６２はモジュールフレーム２００ａの内側面に位置して、三角形の断面を形成することができる。

また、リブ溝係止部２６２は、方向による傾斜を異なるように設定することができる。具体的に、リブ溝係止部２６２は、エンドプレート３００ａが容易に挿入されるように第１接合面２５０ａが位置した方向（Ｙ軸方向）の傾斜を緩やかに相対的に設定することができ、エンドプレート３００ａとモジュールフレーム２００ａの結束を強化するために第１接合面２５０ａが位置した方向と反対方向（Ｙ軸反対方向）の傾斜を相対的に急に設定することができる。

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字型フレームであってもよい。図８と図９はこれを説明するためのものであって、図８はモノフレーム２００ｂ）を示す斜視図であり、図９はＵ字型フレーム２００ｃおよび上部カバー２１０ｃを示す斜視図である。説明の便宜のために他の構成は図示を省略した。

まず、図８を参照すれば、本発明でのモジュールフレームはモノフレーム２００ｂであってもよい。

モノフレーム２００ｂは前面（Ｙ軸方向）および後面（Ｙ軸反対方向）が開放され、上面（Ｚ軸方向）、下面（Ｚ軸の反対方向）および両側面（Ｘ軸方向とその反対方向）が一体化された金属板材構造であってもよい。モノフレーム２００ｂの開放された前面および後面は前述のエンドプレートが結合される。

その次、図９を参照すれば、本発明でのモジュールフレームはＵ字型フレーム２００ｃおよび上部カバー２１０ｃを含むことができる。

Ｕ字型フレーム２００ｃは、前面（Ｘ軸方向）、後面（Ｘ軸反対方向）および上面（Ｚ軸方向）が開放されて、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）に延長された両側面部２１２を備えた構造であってもよい。

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

Ｕ字型フレーム２００ｃは、溶接結合によって上部カバー２１０ｃと結合できる。

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のが好ましく、特にアルミニウム合金を含むのが好ましい。より詳しくは、モジュールフレーム２００はＡｌ５０５２のようなＡｌ－Ｍｇ系合金やＡｌ６０６３のようなＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系の合金を含むことができ、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むことができる。

前述の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るのではなく、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用い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のである。

１００：電池モジュール
２００、２００ａ：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
３６０：リブ
３６１：面取り部
４００：絶縁部材

Claims (14)

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のそれぞれを覆うエンドプレートと
   を含む電池モジュールであって、
   前記モジュールフレームは、前記前面と前記後面のそれぞれを構成する辺に位置する第１接合面を含み、
   前記エンドプレートは、前記第１接合面に溶接される第２接合面と、前記第１接合面と前記第２接合面の溶接部分より前記エンドプレートの中央側に位置し、前記溶接部分よりも前記モジュールフレームの方向に突出したリブとを含み、前記エンドプレートと前記モジュールフレームは、前記第１接合面と前記第２接合面においてのみ溶接されている、電池モジュール。
2. 前記リブは、前記エンドプレートと一体化された、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記リブは、前記エンドプレートの辺と平行な方向に沿って伸びている、請求項１又は２に記載の電池モジュール。
4. 前記リブには、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を向上させるための面取り部が形成された、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. 前記面取り部は、前記リブの角のうちの前記モジュールフレームの内側面と接する角に形成された、請求項４に記載の電池モジュール。
6. 前記リブは、前記第１接合面および前記第２接合面と隣接して位置する、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. 前記エンドプレートの辺のうちの上辺に位置した前記リブの厚さと前記エンドプレートの辺のうちの下辺に位置した前記リブの厚さが互いに異なる、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. 前記リブの側面にはリブ溝が形成され、
   前記モジュールフレームには前記リブ溝に挿入されるリブ溝係止部が形成され、
   前記リブ溝係止部は前記リブ溝に係合される、請求項１から７のいずれか一項に記載の電池モジュール。
9. 前記リブ溝係止部は、前記モジュールフレームの内側面に位置して、三角形の断面を形成する、請求項８に記載の電池モジュール。
10. 前記リブ溝係止部は、前記第１接合面が位置した方向の傾斜が前記第１接合面が位置した方向と反対方向の傾斜より緩やかである、請求項８又は９に記載の電池モジュール。
11. 前記リブ溝は、前記リブ溝係止部と対応する形状に湾入している、請求項８から１０のいずれか一項に記載の電池モジュール。
12. 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されたモノフレームである、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。
13. 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字型フレームおよび前記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を含む、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。
14. 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を一つ以上含む電池パック。

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