JP7466977B2 - 電池パックおよびこれを含むデバイス - Google Patents

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は２０２０年４月１４日付韓国特許出願第１０－２０２０－００４４９６９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、電池パックおよびこれを含むデバイスに関するものであって、より具体的には製造工程性が向上した電池パックおよびこれを含むデバイスに関するものである。

現代社会では携帯電話機、ノートパソコン、キャムコーダー、デジタルカメラなどの携帯型機器の使用が日常化するにつれて、前記のようなモバイル機器関連分野の技術に対する開発が活発になっている。また、充放電の可能な二次電池は化石燃料を使用する既存のガソリン車両などの大気汚染などを解決するための方案であって、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐ－ＨＥＶ）などの動力源として用いられているところ、二次電池に対する開発の必要性が高まっている。

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、および電極組立体を電解液と共に密封収納する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装されている缶型二次電池と、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に分類できる。

小型機器に用いられる二次電池の場合、２、３個の電池セルが配置されるが、自動車などのような中大型デバイスに用いられる二次電池の場合は、多数の電池セルを電気的に連結した電池モジュール（Ｂａｔｔｅｒｙ ｍｏｄｕｌｅ）が用いられる。このような電池モジュールは多数の電池セルが互いに直列または並列に連結されて電池セル積層体を形成することによって容量および出力が向上される。また、一つ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は、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体および前記電池セル積層体を収容するフレームを含むことができる。

図１は従来の複数の電池モジュールがパックフレームに収納された電池パックを示した図であり、図２は図１のパックフレームに固定するために二つの電池モジュールに必要な締結ポイントの個数を表示した平面図である。特に、図２は、一対に構成された二つの電池モジュール１０にカバーが覆われた様子を上から見た平面図である。

図１および図２を参照すると、従来の電池パックは、複数の電池モジュール１０がパックフレームに収納されて形成される。高出力および大容量のためにパックフレーム内に複数の電池モジュール１０をコンパクトに配置することが重要であるが、電池パック内の電池モジュール１０の個数が増加することによって、必要な部品数が増え内部構造および組み立て工程が複雑になるしかない。具体的には、図２に表示された部分のように、二つの電池モジュール１０をパックフレームに固定させるために多数の締結ポイントが必要である。多数の電池モジュール１０それぞれごとにこのような多数の締結ポイントが必要なので、従来の電池パックは必要な部品が増え、組み立て工程はさらに複雑になるしかない。

高出力および大容量の電池パックに対する要求が続いているので、必要な部品の個数を減らし組み立て工程を改善しながらもこのような要求事項を共に満たすことができる電池モジュールを開発することが実質的に必要であると言える。

本発明の実施形態は従来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、容量増大と共に組み立て工程が改善された電池パックおよびこれを含むデバイスの提供をその目的とする。

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パックは、複数の電池セルが積層された電池セル積層体を含む電池モジュール、および前記電池モジュールを収納するパックフレームを含み、前記パックフレームは、前記電池モジュールが位置する底部、および前記底部から上向突出したガイドピンを含み、前記電池モジュールは、ガイドホールが形成されたガイド部および前記電池モジュールの固定のためのマウンティング部を含み、前記電池モジュールが前記パックフレームに収納時、前記ガイドピンが前記ガイドホールを通過する。

前記マウンティング部を通じて前記電池モジュールが前記パックフレームに固定できる。

前記マウンティング部にマウンティングホールが形成され、前記パックフレームの底部に前記マウンティングホールと対応する位置に締結ホールが形成され、前記電池パックは、前記マウンティングホールを通過して前記締結ホールに結合されるマウンティングボルトを含むことができる。

前記ガイド部と前記マウンティング部は前記底部と平行な方向に沿って突出し、前記ガイドホールおよび前記マウンティングホールは前記底部と垂直な方向に沿って貫通されて形成できる。

前記ガイド部と前記マウンティング部はそれぞれ、複数個で構成できる。

前記ガイド部と前記マウンティング部は、前記電池モジュールの前面および後面に形成できる。

前記電池モジュールは、前記電池セル積層体を収納するモジュールフレームおよびエンドプレートを含むことができ、前記エンドプレートは前記電池セル積層体の前面および後面に配置できる。

前記マウンティング部と前記ガイド部は前記エンドプレートに形成できる。

前記電池モジュールの前面および後面にそれぞれ二つのマウンティング部が配置され、前記ガイド部は、前記二つのマウンティング部の間または前記二つのマウンティング部の外側に配置できる。

前記電池モジュールの前面が隣接の他の電池モジュールと対向し、前記電池モジュールの前面に位置したガイド部は前記二つのマウンティング部の間に配置でき、前記電池モジュールの後面に位置したガイド部は前記二つのマウンティング部の外側に配置できる。

本発明の実施形態によれば、含まれている電池セルの個数を増やした大容量電池モジュールを提供することができると同時に、ガイドピン構造を通じて前記大容量電池モジュールをパックフレームに収納することにおいて、製造工程性を向上させることができる。

また、固定用部品の個数を減らすことができて、原価節減が可能であり組み立て工程を簡素化することができる。

従来の複数の電池モジュールがパックフレームに収納された電池パックを示した図である。 図１のパックフレームに固定するために二つの電池モジュールに必要な締結ポイントの個数を表示した平面図である。 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。 本発明の一実施形態による電池パックに対する斜視図である。 図４の「Ａ」部分を拡大して示した部分図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールの配置形態を上から見た平面図である。

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に対する斜視図である。図４は、図３の電池モジュールがパックフレームに収納された電池パックに対する斜視図である。図５は、図４の「Ａ」部分を拡大して示した部分図である。特に、図３は説明の便宜のために上部カバー３１０が分離された様子を示した。

図３～図５を参照すると、本発明の一実施形態による電池パック１０００は、複数の電池セル１１０が積層された電池セル積層体２００を含む電池モジュール１００および電池モジュール１００を収納するパックフレーム１１００を含む。パックフレーム１１００は、電池モジュール１００が位置する底部１１１０および底部１１１０から上向突出したガイドピン１１１１を含む。電池モジュール１００はガイドホール４１０が形成されたガイド部４００および電池モジュール１００の固定のためのマウンティング部５００を含み、電池モジュール１００がパックフレーム１１００に収納時、ガイドピン１１１１がガイドホール４１０を通過する。ガイドピン１１１１およびガイドホール４１０の構造については図５と共に後で詳しく説明することにする。

まず、電池セル１１０は、パウチ型電池セルであることが好ましい。電極組立体を樹脂層と金属層を含むラミネートシートのパウチケースに収納した後、前記パウチケースのシーリング部を熱融着して製造することができる。このような電池セル１１０は、長方形のシート型構造に形成できる。

このような電池セル１１０は複数個で構成でき、複数の電池セル１１０は相互電気的に連結されるように積層されて電池セル積層体２００を形成する。特に、図３に示されているように、ｘ軸と平行な方向に沿って複数の電池セル１１０が積層されてもよい。

この時、本発明の一実施形態による電池セル積層体２００は、電池セル１１０の個数が従来よりも多くなる大面積モジュールであってもよい。一例として、１個の電池モジュール１００当り４８個の電池セル１１０が含まれてもよい。このような大面積モジュールの場合、電池モジュールの水平方向長さが長くなる。ここで、水平方向長さとは、電池セル１１０が積層された方向、即ち、ｘ軸と平行な方向への長さを意味することができる。

電池モジュール１００は、電池セル積層体２００を収納するモジュールフレーム３００およびエンドプレート６００を含むことができる。

電池セル積層体２００を収納するモジュールフレーム３００は、上部カバー３１０およびＵ字型フレーム３２０を含むことができる。

Ｕ字型フレーム３２０はＵ字型構造のフレームであって、電池セル積層体２００の下面（ｚ軸反対方向（－ｚ軸方向））および両側面（ｘ軸方向およびその反対方向（－ｘ軸方向））をカバーすることができる。

上部カバー３１０は、Ｕ字型フレーム３２０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。上部カバー３１０とＵ字型フレーム３２０は互いに対応する角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２００を上下左右にカバーする構造を形成することができる。上部カバー３１０とＵ字型フレーム３２０を通じて電池セル積層体２００を物理的に保護することができる。このために、上部カバー３１０とＵ字型フレーム３２０は所定の強度を有する金属材質を含むことができる。

一方、具体的に図示しなかったが、変形例によるモジュールフレーム３００は、上面、下面、および両側面が一体化された金属板材形態のモノフレームであってもよい。即ち、Ｕ字型フレーム３２０と上部カバー３１０が相互結合される構造ではなく、押出成形で製造されて上面、下面、および両側面が一体化された構造であってもよい。

エンドプレート６００は、モジュールフレーム３００の開放された第１側（ｙ軸方向）と第２側（ｙ軸反対方向（－ｙ軸方向））に位置して電池セル積層体２００をカバーするように形成できる。このようなエンドプレート６００は、外部の衝撃から電池セル積層体２００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２００とエンドプレートとの間には、バスバーが装着されるバスバーフレームおよび電気的絶縁のための絶縁カバーなどが配置されてもよい。

エンドプレート６００は、電池セル積層体２００の前面（ｙ軸反対方向）および後面（ｙ軸方向）に配置されてもよい。このようなエンドプレート６００は電池セル積層体２００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２００およびその他電装品を物理的に保護することができる。

図５を参照すると、前述の通り、電池モジュール１００は、ガイドホール４１０が形成されたガイド部４００および電池モジュール１００の固定のためのマウンティング部５００を含む。この時、ガイド部４００およびマウンティング部５００は電池モジュール１００の前面（ｙ軸反対方向（－ｙ軸方向））および後面（ｙ軸方向）に形成でき、より詳しくは、エンドプレート６００に形成できる。

マウンティング部５００にマウンティングホール５１０を形成することができる。マウンティング部５００はパックフレーム１１００の底部１１１０と平行な方向に沿って突出し、マウンティングホール５１０はパックフレーム１１００の底部１１１０と垂直な方向（ｚ軸方向）に沿って貫通されて形成できる。

パックフレーム１１００の底部１１１０には、マウンティングホール５１０と対応する位置に締結ホール１１１２を形成することができる。

本実施形態による電池パック１０００は、マウンティングホール５１０を通過して締結ホール１１１２に結合されるマウンティングボルト７００をさらに含むことができる。即ち、マウンティングボルト７００がマウンティングホール５１０を通過して締結ホール１１１２とボルト・ナット結合して、電池モジュール１００がパックフレーム１１００に固定できる。効果的な固定のために各電池モジュール１００ごとに適用されるマウンティング部５００とマウンティングボルト７００は複数個で構成されることが好ましい。

本実施形態による電池モジュール１００は大面積モジュールであって、従来の電池モジュールに比べて体積や重量が増加するためマウンティング部５００を通じた電池モジュール１００の装着および固定に困難があることがある。

よって、本実施形態による電池モジュール１００はガイド部４００を備えて、大面積モジュールである電池モジュール１００をパックフレーム１１００に収納することにおいて、その組み立て工程を簡素化しようとした。前述の通り、ガイド部４００にはガイドホール４１０が形成される。ガイド部４００はパックフレーム１１００の底部１１１０と平行な方向に沿って突出し、ガイドホール４１０はパックフレーム１１００の底部１１１０と垂直な方向（ｚ軸方向）に沿って貫通されて形成できる。

具体的に、マウンティング部５００を通じた固定に先立ち、電池モジュール１００をパックフレーム１１００に収納する時、パックフレーム１１００の底部１１１０から上向突出したガイドピン１１１１がガイドホール４１０を通過するようにする。これによって体積や重量が増加した電池モジュール１００をより正確で安定的にパックフレーム１１００上の予め設定されたところに位置させることができ、マウンティングホール５１０と締結ホール１１１２を互いに対応させるにも容易である。正確な位置設定のために各電池モジュール１００ごとに適用されるガイド部４００は複数個で構成されることが好ましい。

一方、大面積モジュールである本実施形態による電池モジュール１００は体積が大きいため同一な大きさのパックフレーム１１００であっても従来に比べてパックフレーム１１００に収納される電池モジュール１００の個数が減る。即ち、電池モジュール１００の個数が少なくなっても同一な容量および出力を有する電池パック１０００の製造が可能である。この時、電池パック１０００内の電池モジュール１００の個数が減るため、電池パック１０００において要求されるマウンティングボルト７００などの固定用部品の総個数が減る。即ち、原価節減および組み立て工程の簡素化が可能になる。

図６は、本発明の一実施形態による電池モジュールの配置形態を上から見た平面図である。説明の便宜のために電池モジュール以外の他の構成の図示を省略した。

図６を参照すれば、前述の通り、ガイド部４００およびマウンティング部５００は、電池モジュール１００の前面（ｙ軸反対方向）および後面（ｙ軸方向）に形成できる。

電池モジュール１００ａの前面および後面にそれぞれ二つのマウンティング部５００が配置され、ガイド部４００は二つのマウンティング部５００の間または二つのマウンティング部５００の外側に配置されてもよい。

より具体的に、電池モジュール１００ａの前記前面が隣接した他の電池モジュール１００ｂと対向し、電池モジュール１００ａの前記前面に位置したガイド部４００は二つのマウンティング部５００の間に位置し、電池モジュール１００ａの前記後面に位置したガイド部４００は二つのマウンティング部５００の外側に配置されてもよい。

本実施形態で前、後、左、右、上下のような方向を示す用語が使用されたが、このような用語は説明の便宜のためのものに過ぎず、対象になる事物の位置や観測者の位置などにより変わることがある。

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。具体的には、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、これに限定されず、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るのではなく、次の特許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。

１００：電池モジュール
１１０：電池セル
２００：電池セル積層体
３００：モジュールフレーム
４００：ガイド部
４１０：ガイドホール
５００：マウンティング部
５１０：マウンティングホール
６００：エンドプレート
７００：マウンティングボルト

Claims (11)

1. 複数の電池セルが積層された電池セル積層体を含む電池モジュール、および
   前記電池モジュールを収納するパックフレームを含み、
   前記パックフレームは、前記電池モジュールが位置する底部、および前記底部から上向突出したガイドピンを含み、
   前記電池モジュールは、ガイドホールが形成されたガイド部および前記電池モジュールの固定のためのマウンティング部を含み、
   前記電池モジュールが前記パックフレームに収納時、前記ガイドピンが前記ガイドホールを通過する、
   前記ガイドホールは、前記パックフレームの底部に対して垂直な方向に沿って、前記ガイド部を貫通した状態で、形成されている、電池パック。
2. 前記マウンティング部を通じて前記電池モジュールが前記パックフレームに固定される、請求項１に記載の電池パック。
3. 前記マウンティング部にマウンティングホールが形成され、
   前記パックフレームの底部に前記マウンティングホールと対応する位置に締結ホールが形成され、
   前記マウンティングホールを通過して前記締結ホールに結合されるマウンティングボルトを含む、請求項２に記載の電池パック。
4. 前記ガイド部および前記マウンティング部は、前記底部と平行な方向に沿って突出し、
   前記ガイドホールおよび前記マウンティングホールは、前記底部と垂直な方向に沿って貫通されて形成される、請求項３に記載の電池パック。
5. 前記ガイド部と前記マウンティング部はそれぞれ、複数個で構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の電池パック。
6. 前記ガイド部および前記マウンティング部は、前記電池モジュールの前面および後面に形成された、請求項１から５のいずれか一項に記載の電池パック。
7. 前記電池モジュールは、前記電池セル積層体を収納するモジュールフレームおよびエンドプレートを含み、
   前記エンドプレートは前記電池セル積層体の前面および後面に位置する、請求項１から６のいずれか一項に記載の電池パック。
8. 前記マウンティング部および前記ガイド部は前記エンドプレートに形成された、請求項７に記載の電池パック。
9. 電池モジュールを収納するパックフレームを含み、
   前記パックフレームは、前記電池モジュールが位置する底部、および前記底部から上向突出したガイドピンを含み、
   前記電池モジュールは、ガイドホールが形成されたガイド部および前記電池モジュールの固定のためのマウンティング部を含み、
   前記電池モジュールが前記パックフレームに収納時、前記ガイドピンが前記ガイドホールを通過する、電池パックであって、
   前記電池モジュールの前面および後面にそれぞれ二つのマウンティング部が配置され、
   前記ガイド部は、前記二つのマウンティング部の間または前記二つのマウンティング部の外側に位置する、電池パック。
10. 前記電池モジュールの前面が隣接の他の電池モジュールと対向し、
    前記電池モジュールの前面に位置したガイド部は前記二つのマウンティング部の間に位置し、
    前記電池モジュールの後面に位置したガイド部は前記二つのマウンティング部の外側に位置する、請求項９に記載の電池パック。
11. 請求項１から１０のいずれか一項による電池パックを含むデバイス。

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