JP7463014B2 - 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２０２０年４月２９日付韓国特許出願第１０－２０２０－００５２２５５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、組立性が改善され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優しいおよびエネルギー効率性向上のための新たなエネルギー源として注目されている。

小型モバイル機器にはデバイス１台当り一つまたは二つ三つ四つの電池セルが使用されるに対して、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できれば小型且つ軽量で製造されることが好ましいので、高い集積度で積層でき容量に対比して重量が小さい角型電池、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、セル積層体を外部衝撃、熱または振動から保護するために、前面と後面が開放されて電池セル積層体を内部空間に収納するフレーム部材を含むことができる。

図１は、従来のモジュールフレームを有する電池モジュールを示す斜視図である。図２は、図１のｘｚ平面に沿って切断した断面図を示す図である。

図１および図２を参照すれば、電池モジュールは、複数の電池セル１１が積層されて形成された電池セル積層体１２を覆うように前面と後面が開放されたモジュールフレーム１０、およびモジュールフレーム１０の前面と後面を覆うエンドプレート２０を含むことができる。モジュールフレーム１０は、Ｕ字型フレーム１０ａと、Ｕ字型フレーム１０ａの開放された上部を覆う上部プレート１０ｂを含むことができる。Ｕ字型フレーム１０ａは、電池セル積層体１２の下面を覆う底部１０ａ１と、底部１０ａ１の両側で上向に突出した構造の二つの側面部１０ａ２を含むことができる。エンドプレート２０は、モジュールフレーム１０の一側を覆う前面プレート２０ａと、モジュールフレーム１０の他の一側を覆う後面プレート２０ｂを含むことができる。

このような電池モジュールを形成するために、電池セル積層体１２がモジュールフレーム１０内部に装着された状態で、モジュールフレーム１０のＵ字型フレーム１０ａと上部プレート１０ｂを結合するために溶接などを行うことができる。この時、Ｕ字型フレーム１０ａの上に上部プレート１０ｂが載せられる組立過程で組立不良が発生することがある。特に、上部プレート１０ｂとＵ字型フレーム１０ａの側面部の間に溶接部（ＷＰ）形成時、組立整列のためのガイド不在で不良が発生することがある。

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。

本発明が解決しようとする課題は、組立性が改善され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ためのものである。

しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は上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ている電池セル積層体、前記電池セル積層体を囲むモジュールフレーム、前記モジュールフレームから露出される前記電池セル積層体の前後面を覆うバスバーフレーム、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、前記モジュールフレームは、前記電池セル積層体の下部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を覆う上部プレートを含み、前記上部プレートと結合する前記下部フレームの縁には少なくとも一つの組立ガイド部が形成される。

前記下部フレームは前記電池セル積層体の下部を支える底部と、前記底部の両端部で上向に延長された二つの側面部を含み、前記組立ガイド部は前記側面部の上端縁に形成できる。

前記組立ガイド部は、一方向に突出した突起形状の支持部と、前記支持部の両側に形成された陥没部を含むことができる。

前記陥没部は、前記下部フレームの側面部の上端縁が前記下部フレームの底部に向かう方向に凹んだ逃げ形状を有することができる。

前記上部プレートには、前記組立ガイド部の支持部が組立てられる溝部が形成できる。

前記溝部は、前記上部プレートの互いに対応する両縁が互いに対向する方向に陥没した構造を有することができる。

前記溝部両端に逃げ部が形成できる。

本発明の他の一実施形態による電池パックは、前述の電池モジュールを含む。

実施形態によれば、モジュールフレームに突出型組立ガイド構造を形成することによって、モジュールフレーム組立時に誤整列が発生するのを防止することができる。このような組立性改善を通じてモジュールフレーム溶接結合時に溶接不良が発生するのを防止することができる。

従来のモジュールフレームを有する電池モジュールを示す斜視図である。 図１のｘｚ平面に沿って切断した断面図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールを示す分解斜視図である。 図３の電池モジュールに含まれている下部フレームを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールで、上部プレートと下部フレームの組立部を示す部分斜視図である。

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することができるように詳しく説明する。本発明は様々の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ので、本発明が必ずしも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、図面において、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を示す分解斜視図である。

図３を参照すれば、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１１０が積層されている電池セル積層体１００、電池セル積層体１００を収容するモジュールフレーム２００、電池セル積層体１００の前後面に形成されたバスバーフレーム４００、および電池セル積層体１００を基準にしてバスバーフレーム４００の外側をカバーするエンドプレート６００を含む。

本実施形態による電池セル１１０は二次電池であって、パウチ型二次電池から構成できる。このような電池セル１１０は複数個で構成でき、複数個の電池セル１１０は相互電気的に連結され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。複数個の電池セル１１０はそれぞれ電極組立体、セル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。

バスバーフレーム４００にはバスバー４１１およびコネクタ５００が装着できる。コネクタ５００はバスバーフレーム４００に装着されたバスバーまたはサーミスタから電圧および温度をセンシングしてＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）に伝達することができる。電池セル積層体１００前後面に形成されたバスバーフレーム４００のうちの電池セル積層体１００の前面に位置するバスバーフレーム４００には第１コネクタ５１０が形成され、電池セル積層体１００の後面に位置するバスバーフレーム４００には第２コネクタ５２０が形成できる。

従来は、電池セル積層体１００の前後面に形成された二つのバスバーフレームのうちの一つのバスバーフレーム部分のみにコネクタが形成され、コネクタが形成されていないバスバーフレーム部分は軟性平板ケーブルを通じて電池セル積層体基準反対側に位置したコネクタに電圧および温度センシング情報を伝達した。この時、軟性平板ケーブルが電池セル積層体の上側に位置することによって軟性平板ケーブルを組み立てる工程および軟性平板ケーブルによる連結に問題がないか確認する工程が別途に必要であった。

本発明の一実施形態によれば、電池セル積層体１００の前後面に形成されたバスバーフレーム４００それぞれの一側に第１、２コネクタ５１０、５２０が別途に形成されることによって、軟性平板ケーブルを別途に組み立てる必要なく各バスバーフレーム４００に形成されたコネクタを通じてセンシングされた電圧および温度を両方向にＢＭＳに伝送することができる。これによって、電池モジュールの製造原価を節減することができ、電池モジュール構造を単純化することができる。また、軟性平板ケーブルの組立工程および連結不良確認工程が削除されて、電池モジュール製造工程を単純化することができる。

モジュールフレーム２００内に電池セル積層体１００が配置される。本実施形態によれば、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、電池セル積層体１００の上面をカバーする上部プレート２２０を含むことができる。

電池セル積層体１００の前後面にバスバーフレーム４００が装着された状態で電池セル積層体１００を下部フレーム２１０に配置することができる。その後、電池セル積層体１００の上部を覆うように上部プレート２２０を組み立てることができる。この時、上部プレート２２０と下部フレーム２１０の固定を通じて電池セル積層体１００がモジュールフレーム２００内で安定的に配置されるようにする。

電池セル積層体１００を収納するモジュールフレーム２００の下部フレーム２１０はＵ字型フレームであってもよい。Ｕ字型フレーム２１０は、底部２１０ａおよび底部２１０ａの両端部で上向に延長された二つの側面部２１０ｂを含むことができる。底部２１０ａは電池セル積層体１００の下面（ｚ軸反対方向）をカバーすることができ、側面部２１０ｂは電池セル積層体１００の両側面（ｘ軸方向とその反対方向）をカバーすることができる。

上部プレート２２０は、Ｕ字型フレーム２１０によって囲まれる前記下面および前記両側面を除いた残り上面（ｚ軸方向）を囲む一つの板状型構造に形成できる。上部プレート２２０とＵ字型フレーム２１０は互いに対応する縁部位が接触した状態で、溶接などによって結合されることによって、電池セル積層体１００を上下左右にカバーする構造を形成することができる。上部プレート２２０とＵ字型フレーム２１０を通じて電池セル積層体１００を物理的に保護することができる。このために、上部プレート２２０とＵ字型フレーム２１０は所定の強度を有する金属材料を含むことができる。

先に図１および図２を参照して説明した通り、電池セル積層体１００がモジュールフレーム２００内部に装着された状態で、モジュールフレーム２００のＵ字型フレーム２１０と上部プレート２２０を結合するために溶接などを行うことができる。この時、溶接部を形成するためには、Ｕ字型フレーム２１０の側面部２１０ｂと上部プレート２２０の接合面が互いに対応して位置するようにＵ字型フレーム２１０と上部プレート２２０を固定させる必要がある。但し、Ｕ字型フレーム２１０と上部プレート２２０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、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えられることがある。この時、Ｕ字型フレーム２１０の上に上部プレート２２０が載せられる組立過程で組立不良が発生すると、溶接ラインも誤整列され、この場合、溶接スパッタが非常に多く電池セルが位置する電池モジュール内部に流入するのでさらに大きな問題が発生することがある。

このような問題を減らすために、本実施形態による電池モジュールは、突出型組立ガイド構造を有する下部フレームを含むことによって、下部フレームと上部プレートの組立性を改善し、これによって溶接不良も防止することができる。これについて、図４および図５を参照して詳しく説明する。

図４は、図３の電池モジュールに含まれている下部フレームを示す斜視図である。図５は、本発明の一実施形態による電池モジュールで、上部プレートと下部フレームの組立部を示す部分斜視図である。

図４を参照すれば、本実施形態によるＵ字型フレーム２１０の側面部２１０ｂの上端縁には組立ガイド部２１０Ｇが形成できる。組立ガイド部２１０Ｇは、Ｕ字型フレーム２１０の側面部２１０ｂの上端縁に少なくとも一つ形成できる。複数個の組立ガイド部２１０Ｇは一定の間隔を有して互いに離隔して形成できる。

本実施形態による組立ガイド部２１０Ｇは、ｚ軸方向に突出した突起形状の支持部２１０Ｐと、支持部２１０Ｐの両側に形成された陥没部２１０Ｄを含むことができる。陥没部２１０Ｄは、Ｕ字型フレーム２１０の側面部２１０ｂの上端縁がｚ軸反対方向に凹んだ逃げ形状を有することができる。

図５を参照すれば、本実施形態による上部プレート２２０には、Ｕ字型フレーム２１０に形成された組立ガイド部２１０Ｇに対応する溝部２２０Ｄが形成できる。溝部２２０Ｄは、Ｕ字型フレーム２１０の組立ガイド部２１０Ｇが上部プレート２２０と組立てられるように上部プレート２２０の両縁が互いに対向する方向に陥没した構造を有することができる。この時、溝部２２０Ｄ両端には逃げ部２２０Ｐが形成できる。逃げ部２２０Ｐは溝部２２０Ｄのギャップ（ｇａｐ）を最少化して組立ガイド部２１０Ｇの支持部２１０Ｐが正確に溝部２２０Ｄに結合されるようにする。

本実施形態によれば、ｘ軸方向およびｙ軸方向への位置固定をすることによって、組立性を向上させるだけでなく、電池モジュールの耐久性も向上させることができる。

図３に示したように、本発明の一実施形態による電池セル積層体１００のように積層される電池セル１１０の個数が図２に示された電池セル積層体１２での電池セル１１個数より多くなる大面積モジュールの場合、電池モジュールの水平方向の長さが長くなる。大面積モジュールでは電池モジュールの水平方向の長さが長くなった構造であるので、中心部位での荷重が大きくて曲げ変形の可能性が高まる。ここで、水平方向の長さとは、電池セルが積層された方向への長さを意味することになる。前記曲げ変形によってＵ字型フレーム２１０と上部プレート２２０の結合構造が電池モジュール使用条件によって歪むことがあるが、本実施形態によれば、ｘ軸方向およびｙ軸方向の両方向への強い位置固定によってＵ字型フレーム２１０と上部プレート２２０の結合維持力を向上させることができる。

再び図３を参照すれば、本実施形態による電池モジュールは、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６００をさらに含むことができる。前述のモジュールフレーム２００を通じて内部に配置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。エンドプレート６００は、電池セル積層体１００の前面（ｙ軸反対方向）および後面（ｙ軸方向）に配置できる。このようなエンドプレート６００は電池セル積層体１００をカバーするように形成されて、外部の衝撃から電池セル積層体１００およびその他電装品を物理的に保護することができる。

一方、具体的に図示しなかったが、電池セル積層体１００とエンドプレート６００の間には、バスバー４１１が装着されるバスバーフレーム４００および電気的絶縁のための絶縁カバーなどが配置できる。

一方、本発明の実施形態による電池モジュールは一つまたはそれ以上がパックケース内にパッケージングされて電池パックを形成することができる。電池パックは、一つ以上の電池モジュールが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形成できる。

前述の電池モジュールおよびこれを含む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およびこれを含む電池パック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り、これも本発明の権利範囲に属する。

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、次の請求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。

２００：モジュールフレーム
２１０：下部フレーム
２１０Ｇ：組立ガイド部
２１０Ｐ：支持部
２１０Ｄ：陥没部
２２０：上部プレート
２２０Ｄ：溝部
２２０Ｐ：逃げ部

Claims (6)

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を囲むモジュールフレーム、
   前記モジュールフレームから露出される前記電池セル積層体の前後面を覆うバスバーフレーム、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、
   前記モジュールフレームは、前記電池セル積層体の下部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を覆う上部プレートを含み、
   前記上部プレートと結合する前記下部フレームの縁には少なくとも一つの組立ガイド部が形成され、
   前記組立ガイド部は、一方向に突出した突起形状の支持部と、前記支持部の両側に形成された陥没部を含み、
   前記上部プレートには、前記組立ガイド部の前記支持部が組立てられる溝部が形成される、電池モジュール。
2. 前記下部フレームは、前記電池セル積層体の前記下部を支える底部と、前記底部の両端部で上向に延長された二つの側面部を含み、
   前記組立ガイド部は、前記側面部の上端縁に形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記陥没部は、前記下部フレームの前記側面部の前記上端縁が前記下部フレームの前記底部に向かう方向に凹んだ逃げ形状を有する、請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記溝部は、前記上部プレートの互いに対応する両縁が互いに対向する方向に陥没した構造を有する、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. 前記溝部の両端に逃げ部が形成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
6. 請求項１～５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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