WO2023234594A1 - 배터리모듈 및 그 조립방법 - Google Patents

배터리모듈 및 그 조립방법 Download PDF

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WO2023234594A1
WO2023234594A1 PCT/KR2023/006562 KR2023006562W WO2023234594A1 WO 2023234594 A1 WO2023234594 A1 WO 2023234594A1 KR 2023006562 W KR2023006562 W KR 2023006562W WO 2023234594 A1 WO2023234594 A1 WO 2023234594A1
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WO
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subframe
main frame
battery module
welding
cell block
Prior art date
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PCT/KR2023/006562
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English (en)
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Inventor
박진우
최윤호
이창제
김태욱
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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    • B23K26/20—Bonding
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module in which a cell block in which a plurality of battery cells are stacked (combined) is mounted inside a space where a subframe and a main frame are combined, and to an assembly method thereof, and more specifically, to a method for increasing cooling efficiency. It relates to a battery module and its assembly method that can make assembly and welding processes easier and prevent spatter generated during welding from entering the interior.
  • Secondary batteries with high energy density are installed not only in portable devices but also in electric vehicles (EVs) or hybrid vehicles (HEVs) driven by electrical drive sources.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid vehicles
  • Types of secondary batteries currently widely used include lithium ion batteries, lithium polymer batteries, nickel cadmium batteries, nickel hydrogen batteries, and nickel zinc batteries. And, the operating voltage of this unit battery cell, that is, the unit battery cell, is about 2.5V to 4.2V.
  • a secondary battery module is formed by connecting a plurality of individual battery cells, and a plurality of battery modules are assembled to form a battery pack.
  • the battery module is composed of cylindrical secondary batteries or pouch-shaped secondary batteries.
  • the battery module composed of pouch-type secondary batteries consists of a plurality of battery cells made of pouch-type secondary batteries stacked in a predetermined number, as shown in Figure 1, which shows a longitudinal cross-section of a conventional battery module.
  • the constructed cell block 1 is mounted in a frame 2 having a 'U'-shaped cross-sectional shape, and the frame 2 is open on the upper side and is provided to face the bottom and both sides of the cell block 1.
  • a plate-shaped cover 3 was placed on the open upper side of the frame 2 to close the open upper side of the frame 2.
  • the cover 3 was joined by welding by brazing while seated on the top of the frame 2.
  • a cooling unit (4) is installed under the bottom of the frame (2), in which refrigerant circulates to cool the cell block (1) and the frame (2).
  • the conventional battery module provided with the above configuration had the problem of lowering productivity and quality because the dimensions of flatness and bending angle had to be managed when the frame was bent into a 'U' shape.
  • the thickness of the frame (2) must be minimized in the area located between the cell block (1) and the cooling unit (4), but it is bent in a 'U' shape. Due to the processing characteristics of the frame (2), there was a problem that the thickness could not be partially reduced.
  • the present invention addresses the problems of conventional battery modules (problems of deformation and/or cracks of the frame, deterioration of cooling performance of the cooling part due to the thickness of the frame, spatter inside due to its own weight during welding).
  • the main purpose is to provide a battery module and its assembly method that can increase cooling efficiency to solve problems such as water inflow, etc., and make the assembly and welding processes easier and more reliable, thereby increasing production efficiency and lowering the defect rate. There is.
  • a method of assembling a battery module according to the present invention for achieving the above-described object includes a subframe providing step in which a subframe having a plate shape is provided; A cell block seating step of seating a cell block (consisting of a plurality of pouch-type battery cells stacked) on the upper surface of the subframe; A temporary assembly step of temporarily fixing a main frame having a 'U'-shaped cross-sectional shape with one side open and three sides closed to a subframe so that the cell block is accommodated therein; And a welding step of welding the point where the main frame and the subframe contact.
  • Fitting holes are drilled in the main frame at points facing both ends of the subframe, and protrusions that can enter the fitting holes are formed at both ends of the subframe, so that the protrusions enter the fitting holes, thereby connecting the main frame and the subframe. Temporary fixation is achieved by fitting.
  • Supports protrude downward from both sides on the lower surface of the subframe, and when the protrusions enter the fitting holes, the main frame comes into contact with the supports.
  • the support portion When the fitting hole is inserted into the protrusion, the support portion has a height that allows the end of the main frame to be spaced from the ground.
  • the jig pressurizing step may include a correction step of adjusting the direction in which the jig pressure is applied to suppress the occurrence of steps and twists between the main frame and the subframe.
  • the jig is perforated with a through hole through which the welding laser can pass, and while the jig applies pressure to the main frame and subframe, the welding laser is irradiated through the through hole to perform welding at the fitted point.
  • the present invention additionally provides a battery module that can be manufactured through the above battery module manufacturing method.
  • the battery module provided in the present invention includes a subframe having a plate shape; A cell block composed of a plurality of battery cells combined and seated on the upper surface of the subframe; And a main frame having a 'U'-shaped cross-sectional shape with one side open and three sides closed, the open side coupled to the subframe so that the subframe is closed, and the cell block accommodated therein,
  • the main frame and the subframe are characterized in that they are joined and fixed by welding.
  • Fitting holes are drilled in the main frame at points facing both ends of the subframe, protrusions that can enter the fitting holes are formed at both ends of the subframe, and the protrusions are inserted into the fitting holes.
  • supports protrude downward from both sides, and the supports are formed to have a height that allows the ends of the main frame to be separated from the ground when the protrusions enter the fitting holes.
  • a protrusion is inserted into the fitting hole and welding is performed at the point where the main frame contacts the support.
  • the present invention which has the technical features described above, has a structure in which the cell block is seated on a plate-shaped subframe, so there is no need to apply excessive pressure to the side walls on both sides of the main frame, thereby suppressing deformation and defects. Accordingly, the dimensions of the subframe and main frame can be stabilized, and production efficiency can be further increased and optimized.
  • a fitting hole is formed in the main frame and a protrusion is formed in the subframe, and welding is performed while the protrusion is temporarily fixed by the fitting hole, so welding quality can be improved and uniform welding can be achieved.
  • a guide function can be provided when the main frame is combined.
  • a support portion is formed on the subframe, so that the weldable area can be increased, and the main frame can be maintained in close contact with the subframe. Additionally, since the support portion can support the load instead of the cooling portion coupled to the bottom of the subframe, it is possible to prevent the load from being applied to the cooling portion.
  • the cooling performance of the cooling part can be further increased by reducing the thickness of the subframe.
  • FIG. 1 is a diagram showing a longitudinal cross-section of a conventional battery module.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing the battery module according to the present invention disassembled.
  • Figure 3 is a perspective view of a battery module according to the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of portion A-A in FIG. 3.
  • Figure 5 is a diagram sequentially showing how assembly is performed according to the assembly method of the battery module provided by the present invention.
  • Figure 6 is an enlarged view of the parts where welding is performed in Figure 5.
  • the present invention relates to a battery module in which a cell block 10 provided by combining (stacking) a plurality of battery cells is mounted inside a space where a subframe 20 and a main frame 30 are combined, and a method of assembling the same.
  • the present invention provides a battery module as a first embodiment.
  • Figure 2 is an exploded perspective view showing the battery module according to the present invention disassembled
  • Figure 3 is a perspective view of the battery module according to the present invention
  • Figure 4 is a cross-sectional view of portion A-A in Figure 3.
  • the battery module provided in this embodiment includes a cell block 10 provided by stacking a plurality of battery cells, a subframe 20 having a plate shape, and a main unit welded to the subframe 20. Includes a frame 30.
  • the cell block 10 Since the cell block 10 is provided by stacking battery cells having a thin rectangular parallelepiped shape, the cell block 10 has an overall rectangular parallelepiped shape with a predetermined thickness. Then, the cell block 10 is seated on the upper surface of the subframe 10, which has a plate shape. The subframe 20 is provided in a rectangular shape with an area slightly larger than that of the cell block 10.
  • the main frame 30 has a 'U'-shaped cross-sectional shape with one side open and three sides closed, and is coupled to the subframe 20 with one open side facing downward. That is, the main frame 30 is coupled with the subframe 20 so that the open side is closed by the subframe 20. Accordingly, the main frame 30 has a flat upper surface 30b placed on the cell block 10 and a side wall surface 30a extending to both sides of the upper surface 30b and bent downward, and the main frame 30 The cell block 10 is accommodated in the internal space formed by 30 and the subframe 20.
  • main frame 30 and the subframe 20 are joined by welding at the point where they come into contact with each other.
  • the subframe 20 and the main frame 30 are configured to be fitted so that the subframe 20 and the main frame 30 can be temporarily fixed before welding.
  • a plurality of fitting holes 31 are drilled at the bottom of both side walls 30a of the main frame 30 at a distance from each other at points facing both ends of the subframe 20.
  • the fitting hole 31 may have a circular or other shape, but is provided in a rectangular shape (as shown in FIG. 2) so that it can be constantly adjusted in the up-down, left-right, and front-back directions when welding is performed.
  • the main frame 30 enters the fitting hole 31 at the point where the fitting hole 31 is located.
  • a possible protrusion 21 is formed. Accordingly, the main frame 30 and the subframe 20 can be temporarily fixed by inserting the protrusion 21 into the fitting hole 31.
  • support portions 22 protrude downward on both sides of the lower surface of the subframe 20 with a gap between them.
  • the support portion 22 has a height that allows the end of the main frame 30 (more precisely, the end of the side wall of the main frame) to be spaced from the ground when the protrusion 21 enters the insertion hole 31. It is formed to have
  • both side walls 30a of the main frame 30 can come into contact with the support portion 22, and welding can be performed at the abutting point. .
  • a cooling unit 40 may be coupled to the lower surface of the subframe 20 to cool the subframe 20 and the cell block 10 by exchanging heat with the subframe 20.
  • the present invention provides a method for assembling a battery module as a second embodiment.
  • Figure 5 is a diagram sequentially showing how assembly is performed according to the assembly method of the battery module provided by the present invention
  • Figure 6 is an enlarged diagram of the parts where welding is performed in Figure 5.
  • the method of assembling the battery module includes a subframe providing step, a cell block seating step, a temporary assembly step, and a welding step.
  • a subframe 20 having a plate shape is provided, and in the cell block seating step, a cell block 10 is provided on the upper surface of the subframe 20. It settles down.
  • the cell block 10 is located in the center so as not to deviate from the support portion 22 protruding on both sides from the bottom surface of the subframe 20.
  • a temporary assembly step of temporarily fixing the main frame 30 to the subframe 20 is performed while the cell block 10 is seated on the subframe 20.
  • the main frame 30 is entered with the side wall surfaces 30a bent on both sides of the upper surface 30b slightly opened in an elastically deformed state, and when the force applied to the side wall surface 30a is released, it enters ⁇ c>. As shown, the side wall surface 30a is elastically restored, and the protrusion 21 of the subframe 20 is inserted into the fitting hole 31 formed in the main frame 30 to achieve temporary fixation.
  • the welding step is performed by welding the contact point between the main frame 30 and the subframe 20 as shown in ⁇ d>.
  • two support parts 22 protrude downward from the lower surface of the subframe 20 at a distance from each other, and when the protrusion 21 enters the fitting hole 31, , the side wall surface (30a) of the main frame (30) is in contact with the support portion (22).
  • the support portion 22 is spaced from the ground at the lower end of the side wall surface 30a of the main frame 30. It has a height that is acceptable.
  • the jig pressing step is performed before or at the same time as the welding step begins, and the jig 50 prevents shaking by applying pressure to the portion where the main frame 30 and the subframe 20 are temporarily fixed.
  • the jig 50 is fixed by continuously applying pressure while welding is in progress.
  • the jig pressing step may include a correction step of adjusting the direction in which the pressure of the jig 50 is applied to suppress the occurrence of steps and twists between the main frame 30 and the subframe 20.
  • welding is carried out with the protrusion 21 in contact with the upper side of the fitting hole 31 ( ⁇ I> state), or the protrusion 21 is in contact with the upper side of the insertion hole 31. ) can be applied so that welding progresses ( ⁇ II> state) in a state where it is in contact with the lower side of the fitting hole 31.
  • the jig 50 can be divided into two parts 50a and 50b that can move individually, and a space can be formed between them to allow the laser to pass through (a through hole can be formed).
  • the jig 50 has a space through which the welding laser can pass so that welding can be performed at the point where the side wall surface 30a of the main frame 30 and the support portion 22 of the subframe 20 come into contact.
  • the hole 51 is perforated, and while the jig 50 applies pressure to the main frame 30 and the subframe 20, a welding laser is irradiated through the through hole 51 to weld the fitted point. It can be accomplished.
  • a cooling unit joining step may be performed in which the cooling unit 40, which cools by exchanging heat with the subframe 20, is joined to the lower surface of the subframe 20.
  • the cooling unit 40 It can be mounted to be positioned between two supports (22).
  • the present invention which has the technical features described above, has a structure in which the cell block 10 is seated on the plate-shaped subframe 20, so it is necessary to apply excessive pressure to the side walls 30 ⁇ on both sides of the main frame 30. Since there is no deformation and defects, it is possible to suppress the occurrence of deformation and defects. Accordingly, the dimensions of the subframe 20 and the main frame 30 can be stabilized, and thus production efficiency can be increased.
  • a fitting hole 31 is formed in the main frame 30 and a protrusion 21 is formed in the subframe 20, and welding is performed while the protrusion 21 is temporarily fixed with the fitting hole 31. Quality can be improved and uniform welding can be achieved.
  • a guide function can be provided when the main frame 30 is coupled.
  • the support portion 22 is formed on the subframe 20, so that the weldable area can be increased, and the main frame 30 can be maintained in close contact with the subframe 20.
  • the support portion 22 can support the load instead of the cooling portion 40 coupled to the bottom of the subframe 20, it is possible to prevent the load from being applied to the cooling portion 40.
  • the cooling performance of the cooling unit 40 can be further increased by reducing the thickness of the subframe 20.

Abstract

본 발명에 따른 배터리모듈의 조립방법은, 판 모양을 갖는 서브프레임이 제공되는 서브프레임제공단계; 상기 서브프레임의 상부면 위에 복수 개의 배터리셀들이 결합된 셀블럭을 안착시키는 셀블럭안착단계; 상기 셀블럭이 내부에 수용되도록, 일측은 개방되고 삼면이 폐쇄된 단면형상을 갖는 메인프레임을 서브프레임에 가고정하는 가조립단계; 및 상기 메인프레임과 서브프레임이 접촉하는 지점을 용접하는 용접단계;를 포함한다. 본 발명에 따른 배터리모듈은, 판 모양을 갖는 서브프레임; 복수 개의 배터리셀들이 결합되어 구성되며 상기 서브프레임의 상부면 위에 안착되는 셀블럭; 및 일측은 개방되고 삼면이 폐쇄된 단면형상을 가지며, 개방된 측이 서브프레임에 의해 폐쇄되도록 상기 서브프레임과 결합되고, 내부에 상기 셀블럭을 수용하는 메인프레임;을 포함하고, 상기 메인프레임과 서브프레임은 용접으로 접합되어 고정된다.

Description

배터리모듈 및 그 조립방법
관련출원과의 상호인용
본 출원은 2022년 06월 02일자 한국특허출원 제10-2022-0067848호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 서브프레임과 메인프레임이 결합된 공간 내부에 복수 개의 배터리셀들이 적층된(결합된) 셀블럭이 탑재되는 배터리모듈 및 그 조립방법에 관한 것으로써, 더 상세하게는 냉각효율을 증대시킬 수 있고 조립공정 및 용접공정이 더 용이하게 이뤄질 수 있으며, 용접시 발생하는 스패터(Spatter)의 내부유입을 방지할 수 있는 배터리모듈 및 그 조립방법에 관한 것이다.
높은 에너지 밀도를 갖는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV: Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV: Hybrid Electric Vehicle) 등에 탑재되고 있다.
이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있으며 활발한 연구개발이 이뤄지고 있다.
현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 그리고, 이러한 단위 배터리셀, 즉, 단위 배터리셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.2V이다.
따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 개별 배터리셀들을 복수 개 연결하여 이차전지 배터리모듈을 구성하고, 복수 개의 배터리모듈들이 모여 배터리팩을 구성하도록 제조가 이뤄진다.
이 때, 배터리모듈은 원통형 이차전지들이 모여서 구성되거나 파우치형 이차전지들이 모여서 구성된다.
이 중, 파우치형 이차전지들로 구성된 배터리모듈은, 종래의 배터리모듈의 종단면 모습이 도시된 도 1에 도시된 바와 같이, 파우치형 이차전지로 제조된 복수 개의 배터리셀들이 미리정해진 갯수만큼 적층되어 구성된 셀블럭(1)이 'U'자형 단면 모양을 갖는 프레임(2) 내에 탑재되되, 상기 프레임(2)은 상측이 개방되고 상기 셀블럭(1)의 저면과 양측면들에 마주하도록 제공된다.
그리고, 상기 프레임(2)의 개방된 상측에는 판 모양의 덮개(3)가 안착되어 상기 프레임(2)의 개방된 상측을 폐쇄하였다. 상기 덮개(3)는 프레임(2)의 상단에 안착된 상태에서 브레이징(brazing) 방식으로 용접됨으로써 결합이 이뤄졌다.
아울러, 프레임(2)의 바닥면 아래에는 냉매가 순환하여 셀블럭(1) 및 프레임(2)을 냉각하는 쿨링부(4)가 결합되었다.
한편, 상기와 같은 구성으로 제공되는 종래의 배터리모듈은 프레임을 'U'자 형태로 절곡할 때, 평탄도 및 절곡 각도의 치수를 관리해야 하므로 생산성 및 품질 저하가 발생하는 문제가 있었다.
또한, 셀블럭(1)을 탑재할 때, 프레임(2)에 압력을 가해 (양측 측벽면을) 강제로 벌리게 되나 이 과정에서 프레임(2)의 변형 및/또는 크랙이 발생할 수 있었다.
그리고, 셀블럭(1)을 구성하는 배터리셀들의 스웰링 발생시 프레임(2)과 덮개(3)의 브레이징부위(용접부위)에서 크랙이 발생할 가능성이 있었다. 그리고, 쿨링부(4)의 냉각성능을 높이기 위해서는 셀블럭(1)과 쿨링부(4) 사이에 위치하는 부분에서 프레임(2)의 두께를 최소화하여야 하지만, 'U'자 모양으로 절곡이 이뤄지는 프레임(2)의 가공특성상 부분적으로 두께를 감소시킬 수 없는 문제가 있었다.
아울러, 상기 프레임(2)의 상단에 용접이 이뤄짐에 따라 용접시 발생하는 스패터가 상기 프레임(2) 내부로 유입되어 셀블럭(1)이 손상될 위험이 있었다.
따라서, 본 발명은 종래의 배터리모듈이 갖는 문제점들(프레임의 변형 및/또는 크랙이 발생하는 문제, 프레임의 두께에 의해 쿨링부의 냉각성능이 저하되는 문제, 용접시 자중에 의해 스패터가 내부로 유입되는 문제 등)을 해소할 수 있도록 냉각효율을 증대시킬 수 있고 조립공정 및 용접공정이 더 용이하게 신뢰성있게 이뤄져 생산효율을 증대시키고 불량률을 낮출 수 있는 배터리모듈 및 그 조립방법을 제공하는 것에 주목적이 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리모듈의 조립방법은, 배터리모듈의 조립방법으로써, 판 모양을 갖는 서브프레임이 제공되는 서브프레임제공단계; 상기 서브프레임의 상부면 위에 (복수 개의 파우치형 배터리셀들이 적층되어 구성된) 셀블럭을 안착시키는 셀블럭안착단계; 상기 셀블럭이 내부에 수용되도록, 일측은 개방되고 삼면이 폐쇄된 'U' 자형 단면형상을 갖는 메인프레임을 서브프레임에 가고정하는 가조립단계; 및 상기 메인프레임과 서브프레임이 접촉하는 지점을 용접하는 용접단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 메인프레임에는 서브프레임의 양끝단과 마주하게 되는 지점에 끼움홀이 타공되고 상기 서브프레임의 양끝단에는 상기 끼움홀로 진입가능한 돌출부가 형성되어, 상기 돌출부가 끼움홀로 진입함으로써 상기 메인프레임과 서브프레임의 끼워 맞춤으로써 가고정이 이뤄진다.
상기 서브프레임의 하부면에는 양측에서 아랫쪽으로 받침부가 돌출되고, 상기 돌출부가 끼움홀로 진입했을 때, 메인프레임은 받침부에 맞닿게 된다.
상기 돌출부에 끼움홀이 끼워졌을 때, 상기 받침부는 메인프레임의 끝단이 지면에서 이격될 수 있는 정도의 높이를 갖는다.
상기 메인프레임과 서브프레임이 끼워 맞춰진 지점에서 갭(gap)이 없어지도록 지그를 통하여 압력을 가해 밀착시키는 지그가압단계;를 더 포함하고, 상기 지그가압단계는 용접단계가 시작되기 전에(또는 용접단계의 시작과 동시에) 이뤄지고, 용접이 진행되는 동안 상기 지그는 메인프레임과 서브프레임이 가고정된 부분에 압력을 가해 고정시킨다.
상기 지그가압단계는, 상기 메인프레임과 서브프레임 사이의 단차 및 비틀림 발생을 억제하도록 상기 지그의 압력이 가해지는 방향을 조정하는 보정단계를 포함할 수 있다.
상기 지그에는 용접용 레이저가 통과가능한 관통홀이 타공되고, 상기 지그가 메인프레임과 서브프레임에 압력을 가하는 동안 관통홀을 통해 용접용 레이저가 조사되어 끼워 맞춰진 지점의 용접이 이뤄진다.
상기 서브프레임의 하부면에 상기 서브프레임과 열교환하여 냉각시키는 쿨링부를 접합하는 쿨링부접합단계;를 더 포함한다.
아울러, 본 발명은 위와 같은 배터리모듈 제조방법을 통해 제조될 수 있는 배터리모듈을 추가적으로 제공한다.
본 발명에서 제공되는 배터리모듈은, 판 모양을 갖는 서브프레임; 복수 개의 배터리셀들이 결합되어 구성되며 상기 서브프레임의 상부면 위에 안착되는 셀블럭; 및 일측은 개방되고 삼면이 폐쇄된 'U'자형 단면형상을 가지며, 개방된 측이 서브프레임에 의해 폐쇄되도록 상기 서브프레임과 결합되고, 내부에 상기 셀블럭이 수용되는 메인프레임;을 포함하고, 상기 메인프레임과 서브프레임은 용접으로 접합되어 고정된 것을 특징으로 한다.
상기 메인프레임에는 서브프레임의 양끝단과 마주하게 되는 지점에 끼움홀이 타공되고 상기 서브프레임의 양끝단에는 상기 끼움홀로 진입가능한 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부가 상기 끼움홀에 삽입된다.
상기 서브프레임의 하부면에는 양측에서 아랫쪽으로 받침부가 아랫쪽으로 돌출되고, 상기 받침부는 끼움홀에 돌출부가 진입했을 때 메인프레임의 끝단이 지면에서 이격될 수 있는 정도의 높이를 갖도록 형성된다.
상기 끼움홀에 돌출부가 삽입되어 메인프레임이 받침부와 맞닿은 지점에서 용접이 이뤄진다.
상기 서브프레임의 하부면에 결합되어 상기 서브프레임을 냉각시키는 쿨링부를 더 포함한다.
상술한 바와 같은 기술적 특징을 갖는 본 발명은, 셀블럭이 판 형상의 서브프레임 위로 안착되는 구조이므로 메인프레임의 양측 측벽면에 무리한 압력을 가할 필요가 없어 변형 및 불량 발생을 억제할 수 있다. 이에 따라, 서브프레임과 메인프레임의 치수 안정화를 도모할 수 있으므로, 생산 효율을 더욱 증대시켜 최적화할 수 있다.
상기 메인프레임에는 끼움홀이 형성되고 서브프레임에는 돌출부가 형성되어 상기 끼움홀로 돌출부가 가고정된 상태에서 용접이 이뤄지므로 용접품질이 향상되고 균일한 용접이 이뤄질 수 있다. 상기 끼움홀과 돌출부의 형성에 의해 메인프레임의 결합시 가이드 기능을 제공할 수 있다.
그리고, 서브프레임에는 받침부가 형성되어 용접가능한 영역이 증대될 수 있으며, 메인프레임이 서브프레임에 밀착된 상태를 유지할 수 있다. 또한, 서브프레임 저면에 결합된 쿨링부를 대신하여 받침부가 하중을 지지할 수 있으므로, 상기 쿨링부에 하중이 가해지는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 서브프레임의 두께를 줄여 쿨링부의 냉각성능을 더 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 지그에 형성된 관통홀을 통해 레이저 용접이 이뤄지므로, 용접시 발생하는 스패터가 내부로 유입되는 문제를 해소할 수 있다.
도 1 은 종래의 배터리모듈의 종단면 모습이 도시된 도면.
도 2 는 본 발명에 따른 배터리모듈이 분해된 모습이 도시된 분해사시도.
도 3 은 본 발명에 따른 배터리모듈의 사시도.
도 4 는 도 3 에서 A-A 부분의 단면모습이 도시된 도면.
도 5 는 본 발명에서 제공하는 배터리모듈의 조립방법에 따라 조립이 이뤄지는 모습들이 순차적으로 도시된 도면.
도 6 은 도 5 에서 용접이 이뤄지는 부분들이 확대되어 도시된 도면.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 서브프레임(20)과 메인프레임(30)이 결합된 공간 내부에 복수 개의 배터리셀들이 결합되어(적층되어) 제공된 셀블럭(10)이 탑재되는 배터리모듈 및 그 조립방법에 관한 것으로써, 이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에서 제공하는 실시예들을 더욱 상세히 설명한다.
제1실시예
본 발명은 배터리모듈을 제1실시예로써 제공한다.
도 2 는 본 발명에 따른 배터리모듈이 분해된 모습이 도시된 분해사시도이며, 도 3 은 본 발명에 따른 배터리모듈의 사시도이고, 도 4 는 도 3 에서 A-A 부분의 단면모습이 도시된 도면이다.
도면들을 참조하면, 이 실시예에서 제공되는 배터리모듈은 복수개의 배터리셀들이 적층되어 제공된 셀블럭(10), 판 모양을 갖는 서브프레임(20), 상기 서브프레임(20)에 용접으로 결합되는 메인프레임(30)을 포함한다.
상기 셀블럭(10)은 얇은 직육면체 형상을 갖는 배터리셀들이 적층되어 제공되므로 전체적으로 소정의 두께를 갖는 직육면체 형상을 갖는다. 그리고, 상기 셀블럭(10)은 판 모양을 갖는 서브프레임(10)의 상부면 위로 안착된다. 상기 서브프레임(20)은 셀블럭(10)의 면적 보다 약간 더 큰 면적을 갖는 직사각형 형태로 제공된다.
상기 메인프레임(30)은 일측은 개방되고 삼면이 폐쇄된 'U'자형 단면 형상을 갖되, 개방된 일측이 아래를 향한 상태에서 상기 서브프레임(20)과 결합된다. 즉, 상기 메인프레임(30)은 개방된 측이 서브프레임(20)에 의해 폐쇄되도록 상기 서브프레임(20)과 결합된다. 이에 따라, 상기 메인프레임(30)은 셀블럭(10) 위에 놓이는 평평한 상부면(30b) 및 상기 상부면(30b)의 양측으로 연장되어 아랫쪽으로 절곡된 측벽면(30a)을 가지며, 상기 메인프레임(30)과 서브프레임(20)이 형성하는 내부 공간에 셀블럭(10)이 수용된다.
그리고, 메인프레임(30)과 서브프레임(20)은 서로 맞닿게 되는 지점에서 용접으로 접합이 이뤄진다.
한편, 본 발명에서는 용접이 이뤄지기 전에 서브프레임(20)과 메인프레임(30)의 가고정이 이뤄질 수 있도록 상기 서브프레임(20)과 메인프레임(30)은 끼워맞춰지는 구조로 구성된다.
즉, 상기 메인프레임(30)의 양쪽 측벽면(30a)의 하단에는 서브프레임(20)의 양끝단과 마주하게 되는 지점에서 서로 간에 간격을 두고 복수 개의 끼움홀들(31)이 타공된다. 상기 끼움홀(31)은 원형이나 다른 모양을 가질 수 있으나, 용접이 이뤄질 때, 상하, 좌우, 전후 방향으로 일정하게 조절될 수 있도록 (도 2 에 도시된 바와 같이) 직사각형 모양으로 제공된다.
그리고, 상기 서브프레임(20)의 양측 끝단에는 (길이방향을 따라 양측 변에서) 상기 메인프레임(30)이 진입했을 때 끼움홀(31)이 위치하게 되는 지점에서 상기 끼움홀(31)로 진입가능한 돌출부(21)가 형성된다. 이에 따라, 상기 메인프레임(30)과 서브프레임(20)은 돌출부(21)가 끼움홀(31)에 삽입됨으로써 가고정이 이뤄질 수 있다.
아울러, 상기 서브프레임(20)의 하부면에는 양측으로 서로 간에 간격을 두고 받침부(22)가 아랫쪽으로 돌출된다. 상기 받침부(22)는 끼움홀(31)에 돌출부(21)가 진입했을 때 메인프레임(30)의 끝단(더 정확히는 메인프레임의 측벽면의 끝단)이 지면에서 이격될 수 있는 정도의 높이를 갖도록 형성된다.
그리고, 상기 끼움홀(31)에 돌출부(21)가 삽입됐을 때, 메인프레임(30)의 양쪽 측벽면(30a)은 받침부(22)에 맞닿을 수 있고, 맞닿은 지점에서 용접이 이뤄질 수 있다.
아울러, 서브프레임(20)의 하부면에는 상기 서브프레임(20)과 열교환하여 상기 서브프레임(20)과 셀블럭(10)을 냉각시키는 쿨링부(40)가 결합될 수 있다.
제2실시예
본 발명은 배터리모듈의 조립방법을 제2실시예로써 제공한다.
도 5 는 본 발명에서 제공하는 배터리모듈의 조립방법에 따라 조립이 이뤄지는 모습들이 순차적으로 도시된 도면이며, 도 6 은 도 5 에서 용접이 이뤄지는 부분들이 확대되어 도시된 도면이다.
도 5, 6 을 참조하면, 이 실시예에서 제공되는 배터리모듈의 조립방법은, 서브프레임제공단계, 셀블럭안착단계, 가조립단계 및 용접단계를 포함하여 구성된다.
즉, <a> 에 나타난 바와 같이, 상기 서브프레임제공단계에서는 판 모양을 갖는 서브프레임(20)이 제공되며, 셀블럭안착단계에서는 상기 서브프레임(20)의 상부면 위에 셀블럭(10)이 안착된다.
이때, 상기 셀블럭(10)은 서브프레임(20)의 바닥면에서 양측으로 돌출된 받침부(22)를 벗어나지 않도록 중앙에 위치된다.
그리고, <b> 에 나타난 바와 같이, 상기 서브프레임(20) 위로 셀블럭(10)이 안착된 상태에서 메인프레임(30)을 서브프레임(20)에 가고정하는 가조립단계가 이뤄진다.
상기 메인프레임(30)은 상부면(30b)의 양쪽에서 각각 절곡된 측벽면(30a)이 탄성변형된 상태로 약간 벌어져 진입하고, 측벽면(30a)에 가해졌는 힘이 해제되면 <c> 에 나타난 바와 같이 상기 측벽면(30a)는 탄성 복원되며 상기 메인프레임(30)에 형성된 끼움홀(31)에 서브프레임(20)의 돌출부(21)가 끼워지며 가고정이 이뤄진다.
상기 서브프레임(20)과 메인프레임(30)의 가고정이 이뤄진 상태에서 상기 메인프레임(30)과 서브프레임(20)이 접촉하는 지점을 <d> 에 나타난 바와 같이 용접함으로써 용접단계가 수행된다.
그리고, 전술한 바와 같이, 상기 서브프레임(20)의 하부면에는 서로간에 간격을 두고 아랫쪽으로 두 개의 받침부(22)가 돌출되고, 상기 돌출부(21)가 끼움홀(31)로 진입했을 때, 메인프레임(30)의 측벽면(30a)은 받침부(22)에 맞닿게 된다.
이때, 상기 돌출부(21)에 끼움홀(31)이 끼워졌을 때, 도 4 에 나타난 바와 같이, 상기 받침부(22)는 메인프레임(30)의 측벽면(30a)의 하단이 지면에서 이격될 수 있는 정도의 높이를 갖는다.
한편, 용접단계가 수행되기 전에(또는 용접단계가 수행됨과 동시에), 상기 메인프레임(30)과 서브프레임(20)이 끼워 맞춰진 지점에서 갭(gap)이 없어지도록 지그(50)를 통하여 압력을 가해 밀착시키는 지그가압단계가 이뤄진다.
상기 지그가압단계는 용접단계가 시작되기 전 또는 시작과 동시에 이뤄지며, 상기 지그(50)는 메인프레임(30)과 서브프레임(20)이 가고정된 부분에 압력을 가해 흔들림을 방지한다. 상기 지그(50)는 용접이 진행되는 동안 계속적으로 압력을 가하여 고정한다.
상기 지그가압단계는, 상기 메인프레임(30)과 서브프레임(20) 사이의 단차 및 비틀림 발생을 억제하도록 상기 지그(50)의 압력이 가해지는 방향을 조정하는 보정단계를 포함할 수 있다.
즉, 도 6 에 나타난 바와 같이, 상기 메인프레임(30)의 위치에 따라서, 돌출부(21)가 끼움홀(31)의 상측에 맞닿은 상태로 용접이 진행되거나(<I> 상태), 돌출부(21)가 끼움홀(31)의 하측에 맞닿은 상태로 용접이 진행(<II> 상태)되도록 압력을 가할 수 있다.
다만, 두 경우 모두(<I> 상태 및 <II> 상태 모두) 측벽면(30a)의 최하단이 돌출부(21)에 밀착되도록 측방향(도면에서 좌우방향)으로 압력이 작용하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 지그(50)는 개별적으로 거동이 가능한 두 부분(50a, 50b)으로 나눠질 수 있고, 그 사이에는 레이저가 통과할 수 있도록 공간이 형성될 수 있다(관통홀이 형성될 수 있다).
즉, 상기 메인프레임(30)의 측벽면(30a)과 서브프레임(20)의 받침부(22)가 맞닿는 지점에서 용접이 이뤄질 수 있도록 상기 지그(50)에는 용접용 레이저가 통과 가능한 공간으로써 관통홀(51)이 타공되고, 상기 지그(50)가 메인프레임(30)과 서브프레임(20)에 압력을 가하는 동안 상기 관통홀(51)을 통해 용접용 레이저가 조사되어 끼워 맞춰진 지점의 용접이 이뤄질 수 있다.
그리고, 상기 서브프레임(20)의 하부면에 상기 서브프레임((20)과 열교환하여 냉각시키는 쿨링부(40)를 접합하는 쿨링부접합단계가 이뤄질 수 있다. 이때, 상기 쿨링부(40)는 두 개의 받침부들(22) 사이에 위치하도록 장착될 수 있다.
상술한 바와 같은 기술적 특징을 갖는 본 발명은, 셀블럭(10)이 판 형상의 서브프레임(20) 위로 안착되는 구조이므로 메인프레임(30)의 양측 측벽부(30ㅁ)에 무리한 압력을 가할 필요가 없어 변형 및 불량 발생을 억제할 수 있다. 이에 따라, 서브프레임(20)과 메인프레임(30)의 치수 안정화를 도모할 수 있으므로 생산 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 메인프레임(30)에는 끼움홀(31)이 형성되고 서브프레임(20)에는 돌출부(21)가 형성되어 상기 끼움홀(31)로 돌출부(21)가 가고정된 상태에서 용접이 이뤄지므로 용접품질이 향상되고 균일한 용접이 이뤄질 수 있다. 상기 끼움홀(31)과 돌출부(21)의 형성에 의해 메인프레임(30)의 결합시 가이드 기능을 제공할 수 있다.
그리고, 서브프레임(20)에는 받침부(22)가 형성되어 용접가능한 영역이 증대될 수 있으며, 메인프레임(30)이 서브프레임(20)에 밀착된 상태를 유지할 수 있다. 또한, 서브프레임(20) 저면에 결합된 쿨링부(40)를 대신하여 받침부(22)가 하중을 지지할 수 있으므로, 상기 쿨링부(40)에 하중이 가해지는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 서브프레임(20)의 두께를 줄여 쿨링부(40)의 냉각성능을 더 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 지그(50)에 형성된 관통홀(51)을 통해 레이저 용접이 이뤄지므로, 용접시 발생하는 스패터가 내부공간으로 유입되는 문제를 해소할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
[부호의 설명]
10: 셀블럭
20: 서브프레임
21: 돌출부
22: 받침부
30: 메인프레임
31: 끼움홀
40: 쿨링부

Claims (13)

  1. 배터리모듈의 조립방법에 있어서,
    판 모양을 갖는 서브프레임이 제공되는 서브프레임제공단계;
    상기 서브프레임의 상부면 위에 복수 개의 배터리셀들이 결합된 셀블럭을 안착시키는 셀블럭안착단계;
    상기 셀블럭이 내부에 수용되도록, 일측은 개방되고 삼면이 폐쇄된 단면형상을 갖는 메인프레임을 서브프레임에 가고정하는 가조립단계; 및
    상기 메인프레임과 서브프레임이 접촉하는 지점을 용접하는 용접단계;를 포함하는 배터리모듈의 조립방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인프레임에는 서브프레임의 양끝단과 마주하게 되는 지점에 끼움홀이 타공되고 상기 서브프레임의 양끝단에는 상기 끼움홀로 진입가능한 돌출부가 형성되어,
    상기 돌출부가 끼움홀로 진입함으로써 상기 메인프레임과 서브프레임의 끼워 맞춤으로써 가고정이 이뤄지는 배터리모듈의 조립방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 서브프레임의 하부면에는 양측에서 아랫쪽으로 받침부가 돌출되고, 상기 돌출부가 끼움홀로 진입했을 때, 메인프레임은 받침부에 맞닿게 되는 배터리모듈의 조립방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 돌출부에 끼움홀이 끼워졌을 때, 상기 받침부는 메인프레임의 끝단이 지면에서 이격될 수 있는 정도의 높이를 갖는 배터리모듈의 조립방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인프레임과 서브프레임이 끼워 맞춰진 지점에서 갭(gap)이 없어지도록 지그를 통하여 압력을 가해 밀착시키는 지그가압단계;를 더 포함하고,
    상기 지그가압단계는 용접단계가 시작되기 전에 이뤄지고, 용접이 진행되는 동안 상기 지그는 메인프레임과 서브프레임이 가고정된 부분에 압력을 가해 고정시키는 배터리모듈의 조립방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 지그가압단계는, 상기 메인프레임과 서브프레임 사이의 단차 및 비틀림 발생을 억제하도록 상기 지그의 압력이 가해지는 방향을 조정하는 보정단계를 포함하는 배터리모듈의 조립방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 지그에는 용접용 레이저가 통과가능한 관통홀이 타공되고, 상기 지그가 메인프레임과 서브프레임에 압력을 가하는 동안 관통홀을 통해 용접용 레이저가 조사되어 끼워 맞춰진 지점의 용접이 이뤄지는 배터리모듈의 조립방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 서브프레임의 하부면에 상기 서브프레임과 열교환하여 냉각시키는 쿨링부를 접합하는 쿨링부접합단계;를 더 포함하는 배터리모듈의 조립방법.
  9. 배터리모듈에 있어서,
    판 모양을 갖는 서브프레임;
    복수 개의 배터리셀들이 결합되어 구성되며 상기 서브프레임의 상부면 위에 안착되는 셀블럭; 및
    일측은 개방되고 삼면이 폐쇄된 단면형상을 가지며, 개방된 측이 서브프레임에 의해 폐쇄되도록 상기 서브프레임과 결합되고, 내부에 상기 셀블럭을 수용하는 메인프레임;을 포함하고,
    상기 메인프레임과 서브프레임은 용접으로 접합되어 고정된 배터리모듈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 메인프레임에는 서브프레임의 양끝단과 마주하게 되는 지점에 끼움홀이 타공되고 상기 서브프레임의 양끝단에는 상기 끼움홀로 진입가능한 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부가 상기 끼움홀에 삽입된 배터리모듈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 서브프레임의 하부면에는 양측에서 아랫쪽으로 받침부가 아랫쪽으로 돌출되고, 상기 받침부는 끼움홀로 돌출부가 진입했을 때 메인프레임의 끝단이 지면에서 이격될 수 있는 정도의 높이를 갖는 배터리모듈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 끼움홀에 돌출부가 삽입되어 메인프레임이 받침부와 맞닿은 지점에서 용접이 이뤄진 배터리모듈.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 서브프레임의 하부면에 결합되어 상기 서브프레임을 냉각시키는 쿨링부를 더 포함하는 배터리모듈.
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