JP7456660B2 - 電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

（関連出願（ら）との相互引用）
本出願は、２０２０年３月６日付韓国特許出願第１０－２０２０－００２８５７３号および２０２１年２月２４日付韓国特許出願第１０－２０２１－００２４４９７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組み含まれる。

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、単純化された構造の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きな関心を受けている。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脚光を浴びている。

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り、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、複数個の電池セルを直列／並列に連結して電池パックを構成する場合、少なくとも一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一つの電池モジュールを利用し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、電池セル積層体を収容するフレームを含む。

図１は従来のＵ字型フレームを含む電池モジュールを示す図面である。

図１を参照すると、従来の電池セル積層体１０を覆うフレームは、電池セル積層体１０の下面および両側面を覆うＵ字型フレーム２０、電池セル積層体１０の上面を覆う上部プレート３０、および電池セル積層体１０の前後面を覆うエンドプレート４０で形成される。このように、電池セル積層体１０を保護するためのフレーム構造がＵ字型フレーム２０、上部プレート３０、二つのエンドプレート４０の多部品構造で形成されることによって、それぞれの部品を結合させるための組立工程が部品別に必要であり、部品別に材料に差異があり、電池モジュールの剛性が低減される虞がある。

本発明の解決しようとする課題は、より単純なフレーム構造を有する電池モジュールおよびその製造方法を提供することにある。

本発明の課題は、以上で言及した課題に制限されず、言及されていないまた他の課題は下記の記載から当業者に明確に理解され得るだろう。

前記課題を実現するための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；上面および前後面で形成されて前記電池セル積層体の上面および前後面を覆う第１フレーム；および下面および左右面で形成されて前記電池セル積層体の下面および左右面を覆う第２フレームを含み、前記第１フレームおよび前記第２フレームのうちの少なくとも一つにはガイドが突出形成され、前記第２フレームおよび／または前記第１フレームにおける前記ガイドに対応する部分には前記ガイドが挿入されるガイド挿入部が陥没形成され、前記第１フレームと前記第２フレームは、前記ガイドが前記ガイド挿入部に挿入されて形成された第１結合部と、前記第１フレームの縁部と前記第２フレームの縁部が溶接されて形成された第２結合部により互いに結合される。

また前記課題を実現するための本発明の一実施形態による電池モジュールの製造方法は、下部フレームの下面上に電池セル積層体を組み立てる段階；上部フレームを前記電池セル積層体が組み立てられた前記下部フレームに組み立てる段階；および前記上部フレームと前記下部フレームを溶接結合する段階を含み、前記上部フレームを前記下部フレームに組み立てる段階で、前記上部フレームおよび前記下部フレームのうちの少なくとも一つに突出形成されたガイドに合わせて前記上部フレームを前記下部フレームに組み立てる。

前記上部フレームの縁部と、前記上部フレームの縁部に対応する部分に位置する前記下部フレームの縁部とが互いに溶接結合され得る。

前記ガイドは前記下部フレームの左右面の上端の縁部に形成され、前記上部フレームの上面の両側端には前記ガイド挿入部が形成され得る。

前記ガイドは前記下部フレームの下面の前後端の縁部に形成され、前記上部フレームの前後面の下端には前記ガイド挿入部が形成され得る。

前記第２フレームの下面の前後端は前記上部フレームの前後面の下端とそれぞれ溶接結合され、前記下部フレームの左右面の前後端は前記上部フレームの前後面の両側端とそれぞれ溶接結合され、前記下部フレームの左右面の上端は前記上部フレームの上面の両側端とそれぞれ溶接結合され得る。

前記上部フレームと前記下部フレームは同一の材料で形成され得る。

前記上部フレームおよび前記下部フレームはプレス工法で製造され得る。

前記上部フレームと前記下部フレームを溶接する段階で、前記下部フレームの下面の前後端と前記上部フレームの前後面の下端、前記下部フレームの左右面の前後端と前記上部フレームの前後面の両側端、および前記下部フレームの左右面の上端と前記上部フレームの上面の両側端を一度に溶接することができる。

本発明の一実施形態による電池モジュールおよびその製造方法は、従来の多部品フレーム構造から二つのフレームのみで電池セル積層体を覆う構造を採用することによって、フレーム部品数を減少させ、フレーム部品の組立工程を減少させて生産性を向上させ、プレス工法を通じてフレームの剛性を増加させる効果を提供する。

本発明の効果は、以上で言及した効果に制限されず、言及されていないまた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得るだろう。

従来のＵ字型フレームを含む電池モジュールを示す図面である。 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。 本発明の一実施形態による電池モジュールが組み立てられた様子を示す図面である。 本発明の一実施形態により第１、２フレームが溶接される部分を示す図面である。 図３のＡ部分で、本発明の一実施形態によるガイドを示す図面である。 本発明の他の一実施形態によるガイドが形成された電池モジュールを示す図面である。 本発明の一実施形態による電池セル積層体が下部フレームに組み立てられる様子を示す図面である。 図７を通じて組み立てられた構造に上部フレームが組み立てられる様子を示す図面である。 図８を通じて組み立てられた構造を溶接して上部フレームと下部フレームを結合する様子を示す図面である。

以下で説明される実施形態は、発明の理解のために例示として示したものであって、本発明はここで説明される実施形態とは異なるように多様に変形して実施され得ることが理解されるべきである。ただし、本発明を説明するに当たり、関連した公知の機能あるいは構成要素に対する具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にすると判断される場合、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の縮尺のとおり図示されたものでなく、一部の構成要素の寸法が誇張して図示され得る。

本出願で使用される第１、第２用語は、多様な構成要素を説明することに使用され得るが、構成要素は用語により限定されてはならない。用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで使用される。

また、本出願で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであって、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、文脈上明白に異なるように意味しない限り、複数の表現を含む。本出願で「含む」、「なる」または「構成される」などの用語は、明細書上に記載された特徴、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り、一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可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。

以下、図２乃至図６を参照して本発明の実施形態による電池モジュールについて説明する。

図２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は本発明の一実施形態による電池モジュールが組み立てられた様子を示す図面である。図４は本発明の一実施形態により第１、２フレームが溶接される部分を示す図面である。図５は図４のＡ部分で、本発明の一実施形態によるガイドを示す図面である。図６は本発明の他の一実施形態によるガイドが形成された電池モジュールを示す図面である。

図２乃至図６を参照すると、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１００、上面および前後面で形成されて電池セル積層体１００の上面および前後面を覆う第１フレーム２００、および下面および左右面で形成されて電池セル積層体１００の下面および左右面を覆う第２フレーム３００を含み、第１フレーム２００および第２フレーム３００のうちの少なくとも一つにはガイド４００が突出形成され、ガイド４００に対応する第２フレーム３００および／または第１フレーム２００部分にはガイド４００が挿入されるガイド挿入部５００が陥没形成され、ガイド４００はガイド挿入部５００に挿入され、第１フレーム２００と第２フレーム３００は溶接により結合される。

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得る。このような電池セルは、複数個で構成され得、複数個の電池セルは互いに電気的に連結され得るように互いに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。

本発明の一実施形態によると、電池セル積層体１００を覆う第１、２フレーム２００、３００を含む。第１フレーム２００は電池セル積層体１００の上面および前後面を覆うように形成され、第２フレーム３００は電池セル積層体１００の下面および左右面を覆うように形成される。

従来は電池セル積層体を覆うフレームとして、Ｕ字型フレーム、上部プレート、二つのエンドプレートの多くの部品を組み立てて電池セル積層体を覆う構造であったが、多くの部品を結合する従来の構造はフレームの剛性が低下する虞があり、多くの部品を全て組み立てなければならず、溶接またはボルト組立時に組立ラインが長くなって組立工程が複雑になるという短所があった。

そこで、本発明の一実施形態によると、二つの第１、２フレーム２００、３００のみで電池セル積層体１００を覆うように電池モジュール構造を形成することによって、フレーム構造を一体化および単純化させ、これによるフレーム部品数を減少させることができ、フレーム部品の組立工程を減少させることができるため、複雑な組立工程で発生し得る品質不良の問題を画期的に改善することができる。

また本発明の一実施形態による第１、２フレーム２００、３００は、プレス工法で形成され、第１、２フレーム２００、３００は同一の材料で形成され得る。これによって、フレーム部品の製造時、単一の工法で第１、２フレーム２００、３００の製造が可能であるため、製造工程を単純化することができ、品質不良を減少させることができる。

本実施形態による電池モジュールは、第１フレーム２００と電池セル積層体１００の間に位置する絶縁部材２５０をさらに含むことができる。絶縁部材２５０は、第１フレーム２００に絶縁コーティングして形成され、または電池セル積層体１００に一体形に結合された絶縁カバーであり得る。絶縁部材２５０は、電池セル積層体１００の電極リードの絶縁性を補完する役割を果たすことができる。

本発明の一実施形態によると、第１フレーム２００の縁部と、第１フレーム２００の縁部に対応する部分に位置する第２フレーム３００の縁部とが互いに溶接結合され得る。より詳しくは、図４を参照すると、第２フレーム３００の下面の前後端３１０は第１フレーム２００の前後面の下端２１０とそれぞれ溶接結合され、第２フレーム３００の左右面の前後端３２０は第１フレーム２００の前後面の両側端２２０とそれぞれ溶接結合され、第２フレーム３００の左右面の上端３３０は第１フレーム２００の上面の両側端２３０とそれぞれ溶接結合され得る。本実施形態によると、第１フレーム２００の前後面の下端２１０にはパックマウンティング構造６００が形成され得る。パックマウンティング構造６００は、本実施形態による電池モジュールを電池パックに装着時に結合部の役割を果たすことができる。

図５を参照すると、本発明の一実施形態によるガイド４００は第２フレーム３００の左右面の上端の縁部に形成され、第１フレーム２００の上面の両側端にはガイド挿入部５００が形成され得る。したがって、第１フレーム２００を電池セル積層体１００が組み立てられた第２フレーム３００に組立時、第２フレーム３００に形成されたガイド４００に合わせて第１フレーム２００を第２フレーム３００に組み立てることができる。

図６を参照すると、本発明の他の実施形態によるガイド４００は第２フレーム３００の下面の前後端の縁部に形成され、第１フレーム２００の前後面の下端にはガイド挿入部５００が形成され得る。したがって、第１フレーム２００を電池セル積層体１００が組み立てられた第２フレーム３００に組立時、第２フレーム３００に形成されたガイド４００に合わせて第１フレーム２００を第２フレーム３００に組み立てることができる。

本実施形態によると、第１フレーム２００と第２フレーム３００は、ガイド４００がガイド挿入部５００に挿入されて形成された第１結合部と、第１フレーム２００の縁部と第２フレーム３００の縁部が溶接されて形成された第２結合部により互いに結合されることによって、溶接区間および溶接長さを最適化することができる。また、互いに異なる結合方式の組み合わせにより結合強度を向上させることができる。また、本実施形態によると、従来にストレス状況で構造的に脆弱なエンドプレートとフレーム部材との溶接部位を省略することができるため、破断部位を補完する利点がある。

以下、図７乃至図９を参照して本発明の一実施形態による電池モジュールの組立方法について説明する。

図７は本発明の一実施形態による電池セル積層体が下部フレームに組み立てられる様子を示す図面である。図８は図７を通じて組み立てられた構造に上部フレームが組み立てられる様子を示す図面である。図９は図８を通じて組み立てられた構造を溶接して上部フレームと下部フレームを結合する様子を示す図面である。

図７乃至図９を参照すると、本発明の一実施形態による電池モジュールの組立方法は、下部フレーム３００の下面上に電池セル積層体１００を組み立てる段階（図７）、上部フレーム２００を電池セル積層体１００が組み立てられた下部フレーム３００に組み立てる段階（図８）、上部フレーム２００と下部フレーム３００を溶接結合する段階（図９）を含み、上部フレーム２００を下部フレーム３００に組み立てる段階で、上部フレーム２００および／または下部フレーム３００に突出形成されたガイド４００に合わせて上部フレーム２００を下部フレーム３００に組み立てる。

上部フレーム２００と下部フレーム３００が上部フレーム２００および／または下部フレーム３００に形成されたガイド４００に合わせて組み立てられることによって、組立正確度が向上し、突出形成されたガイド４００により組立剛性が強化され得る。ガイド４００は、ガイドが形成されたフレームに対応する縁部に陥没形成されたガイド挿入部５００に挿入されて固定され、上部フレーム２００と下部フレーム３００を互いに結合させることができる。

本発明の一実施形態によると、上部フレーム２００と下部フレーム３００を溶接する段階で、下部フレーム３００の下面の前後端３１０と上部フレーム２００の前後面の下端２１０、下部フレーム３００の左右面の前後端３２０と上部フレーム２００の前後面の両側端２２０、および下部フレーム３００の左右面の上端３３０と上部フレーム２００の上面の両側端２３０のそれぞれを一度に溶接することができる。

従来は電池セル積層体をＵ字型フレーム内部に挿入し、電池セル積層体の上側に上部プレートを組み立て、上部プレートとＵ字型フレームを溶接し、第１エンドプレートを組み立て、第１エンドプレートとＵ字型フレームおよび上部プレートを溶接し、第２エンドプレートを組み立て、第２エンドプレートとＵ字型フレームおよび上部プレートを溶接する複雑な組立過程を経てフレーム構造を組み立てなければならないという問題があった。

しかし、本発明の一実施形態によると、第１、２フレーム２００、３００の二つのフレーム部品のみで電池セル積層体１００を覆うことができる構造を有しているため、電池セル積層体１００を下部フレーム３００に挿入し、上部フレーム２００を下部フレーム３００に組み立てた後、上部フレーム２００と下部フレーム３００を互いに溶接するといった簡単な組立過程を通じて電池モジュールフレーム構造を形成することができるため、従来の技術に比べて溶接工程及び製造工程が単純化されることによって製品の不良率が減少することができる。

前述した電池モジュールは、電池パックに含まれ得る。電池パックは、本実施形態による電池モジュールを一つ以上集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り得る。

前記電池パックは、多様なデバイスに適用され得る。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され得るが、本発明はこれに制限されず、電池モジュール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。

以上では本発明の好ましい実施形態について図示して説明したが、本発明は前述した特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱せずに当該発明が属する技術分野における通常の知識を有する者により多様な変形実施が可能であることはもちろん、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
１００：電池セル積層体
２００：第１フレーム（上部フレーム）
２１０：第１フレーム前後面の下端
２２０：第１フレーム前後面の両側端
２３０：第１フレーム上面の両側端
３００：第２フレーム（下部フレーム）
３１０：第２フレーム下面の前後端
３２０：第２フレーム左右面の前後端
３３０：第２フレーム左右面の上端
４００：ガイド
５００：ガイド挿入部

Claims (9)

1. 複数の電池セルが積層されている電池セル積層体；
   上面および前後面で形成されて前記電池セル積層体の上面および前後面を覆う第１フレーム；および
   下面および左右面で形成されて前記電池セル積層体の下面および左右面を覆う第２フレームを含み、
   前記第１フレームおよび前記第２フレームのうちの少なくとも一つにはガイドが突出形成され、
   前記第２フレームおよび／または前記第１フレームにおける前記ガイドに対応する部分には前記ガイドが挿入されるガイド挿入部が陥没形成されており、前記ガイド挿入部は前記第２フレームおよび／または前記第１フレームの縁部に形成された切欠溝であり、
   前記第１フレームと前記第２フレームは、前記ガイドが前記ガイド挿入部に挿入されて形成された第１結合部と、前記第１フレームの縁部と前記第２フレームの縁部が溶接されて形成された第２結合部により互いに結合される電池モジュールであって、前記第１フレームの縁部と、前記第１フレームの縁部に対応する部分に位置する前記第２フレームの縁部とが互いに溶接結合される、電池モジュール。
2. 前記ガイドは前記第２フレームの前記左右面の上端の縁部に形成され、前記第１フレームの前記上面の両側端には前記ガイド挿入部が形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記ガイドは前記第２フレームの前記下面の前後端の縁部に形成され、前記第１フレームの前記前後面の下端には前記ガイド挿入部が形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
4. 前記第２フレームの前記下面の前後端は前記第１フレームの前記前後面の下端とそれぞれ溶接結合され、
   前記第２フレームの前記左右面の前後端は前記第１フレームの前記前後面の両側端とそれぞれ溶接結合され、
   前記第２フレームの前記左右面の上端は前記第１フレームの前記上面の両側端とそれぞれ溶接結合される、請求項１に記載の電池モジュール。
5. 前記第１フレームと前記第２フレームは同一の材料で形成される、請求項１～４の何れか一項に記載の電池モジュール。
6. 請求項１から５の何れか一項に記載の電池モジュールの製造方法であって、
   下面および左右面で形成された下部フレームの下面上に電池セル積層体を組み立てる段階；
   上面および前後面で形成された上部フレームを前記電池セル積層体が組み立てられた前記下部フレームに組み立てる段階；および
   前記上部フレームと前記下部フレームを溶接結合する段階を含み、
   前記上部フレームを前記下部フレームに組み立てる段階で、前記上部フレームおよび前記下部フレームのうちの少なくとも一つに突出形成されたガイドに合わせて前記上部フレームを前記下部フレームに組み立てる電池モジュールの製造方法。
7. 前記上部フレームおよび前記下部フレームはプレス工法で製造される、請求項６に記載の電池モジュールの製造方法。
8. 前記上部フレームと前記下部フレームを溶接する段階で、
   前記下部フレームの前記下面の前後端と前記上部フレームの前記前後面の下端、前記下部フレームの前記左右面の前後端と前記上部フレームの前後面の両側端、および前記下部フレームの前記左右面の上端と前記上部フレームの前記上面の両側端を一度に溶接する、請求項６に記載の電池モジュールの製造方法。
9. 請求項１に記載の電池モジュールを含む電池パック。

Images