JP7679485B2 - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents

Description

［関連出願との相互参照］
本出願は、２０２１年８月２５日付の韓国特許出願第１０－２０２１－０１１２４０８号に基づく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すべ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し、より具体的には、安全性が強化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。

モバイル機器に対する技術開発と需要の増加に伴い、エネルギー源として二次電池の需要が急激に増加している。特に、二次電池は、携帯電話、デジタルカメラ、ノートパソコン、ウェアラブルデバイスなどのモバイル機器だけでなく、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの動力装置に対するエネルギー源としても多くの関心がもたれている。

小型モバイル機器にはデバイス１台あたり１個、または２、３、４個の電池セルが用いられるのに対し、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用いられる。
中大型電池モジュールは、できるだけ小さいサイズと重量で製造されることが好ましいので、高い集積度で積層可能であり、容量に対する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用いられている。一方、電池モジュールは、電池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の分解斜視図である。図２は、図１の電池モジュールを構成する構成要素を結合した状態を示す斜視図である。図３は、図２の切断線Ａ－Ａ’に沿った断面図である。

図１～図３を参照すれば、従来の電池モジュール１０は、複数の電池セル１１が一方向に積層されている電池セル積層体１２と、電池セル積層体１２を収容するモジュールフレーム２５と、電池セル積層体１２の前後面をカバーするエンドプレート１５とを含む。この時、モジュールフレーム２５は、電池セル積層体１２の下部および両側面を覆う下部フレーム３０と、電池セル積層体１２の上面を覆う上部プレート４０とを含む。これとともに、電池セル積層体１２とエンドプレート１５との間にバスバーアセンブリ１３が形成される。

また、図３に示しているように、電池セル積層体１２において互いに隣り合う一対の電池セルの間に圧縮パッド２０が位置する。図２および図３を参照すれば、従来の電池モジュール１０に含まれる圧縮パッド２０は、電池セル１１の一面に接することができる。

電池セル１１がスウェリングされる場合、電池セル積層体１２が下部フレーム３０および上部プレート４０にストレスを加えることがあり、これによって、モジュールの剛性を低下させかねないので、電池モジュールの安定性の確保が難しい。この時、圧縮パッド２０は、スウェリング現象を一部吸収できるが、圧縮パッド２０だけでは充放電過程で発生する多量のスウェリング量を制御するのに限界が存在する。また、電池セル１１の厚さ差および公差が発生したり、未加圧部分が発生する恐れがあるので、初期加圧力の確保が必要な電池モジュールの場合、圧縮パッド２０だけでは初期加圧力を維持しにくい。特に、純シリコン（Ｓｉ）からなる電池セルまたは全固体電池セルの場合、初期にも一定の加圧力が維持される必要があり、充放電過程で従来の電池セルに比べて多量のスウェリングが発生するので、これを適切に制御できる構造が必要であり、スウェリングの発生を最小化するための追加構造を形成してモジュールの剛性の確保が必要である。

これによって、従来とは異なり、初期加圧力を有し、充放電時に発生する多量のスウェリング現象を吸収して内部圧力の制御が可能な電池モジュールおよび電池パックの開発の必要性がある。

本発明の解決しようとする課題は、初期加圧力の維持が可能であり、多量のセルスウェリングを吸収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。

本発明の解決しようとする課題が上述した課題に制限されるわけではなく、言及されていない課題は本明細書および添付した図面から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に明確に理解されるであろう。

本発明の一実施例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容するモジュールフレームと、前記複数の電池セルのうち互いに隣り合う電池セルの間に配置されるスライディングプレートとを含む。

前記スライディングプレートは、第１スライディングプレートおよび第２スライディングプレートを含み、前記第１スライディングプレートおよび前記第２スライディングプレートは、前記互いに隣り合う電池セルの間で互いに離隔するように形成される。

前記電池モジュールは、前記第１スライディングプレートおよび第２スライディングプレートの間に形成される連結部材を含み、前記連結部材は、前記第１スライディングプレートと前記第２スライディングプレートとを連結することができる。

前記連結部材は、スプリング部材を含むことができる。

前記連結部材は、前記第１スライディングプレートおよび前記第２スライディングプレートの間に複数形成される。

前記電池モジュールは、前記電池セル積層体の上部および下部に形成されるシャフト（ｓｈａｆｔ）部材を含み、前記シャフト部材は、前記スライディングプレートの末端部に連結される。

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部を覆うフレーム部材と、前記電池セル積層体の上部を覆う上部プレートとを含み、前記シャフト部材は、前記上部プレートと平行に形成される。

前記シャフト部材は、複数形成され、前記シャフト部材は、前記フレーム部材の各側面部に固定設置され、前記シャフト部材は、前記第１スライディングプレートおよび前記第２スライディングプレートにそれぞれ連結される。

前記シャフト部材は、前記第１スライディングプレートに連結される第１シャフト部材と、前記第２スライディングプレートに連結される第２シャフト部材とを含むことができる。

前記第１シャフト部材は、前記第１スライディングプレートの上側末端部に連結される第１－１シャフト部材と、前記第１スライディングプレートの下側末端部に連結される第１－２シャフト部材とを含み、前記第２シャフト部材は、前記第２スライディングプレートの上側末端部に連結される第２－１シャフト部材と、前記第２スライディングプレートの下側末端部に連結される第２－２シャフト部材とを含むことができる。

本発明の他の実施例による電池モジュールは、前記モジュールフレームの側面部に形成されるマウンティング部を含むことができる。

前記マウンティング部は、前記電池セルの長手方向に沿って形成される。

本発明のさらに他の実施例による電池パックは、前述した電池モジュールを含む。

本発明の実施例によれば、互いに隣り合う一対の電池セルの間に介在するスライディングプレートおよび連結部材の構造を介して初期加圧力の維持が可能であり、充放電により発生するスウェリング現象を制御することができる。

特に、スライディングプレート、連結部材およびシャフト部材を介してセルスウェリングの発生による圧力変化を制御することができる。

また、モジュールフレーム上に形成されるマウンティング部を介してスウェリングの発生を抑制することができる。

本発明の効果が上述した効果に制限されるわけではなく、言及されていない効果は本明細書および添付した図面から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に明確に理解されるであろう。

従来の電池モジュールの分解斜視図である。 図１の電池モジュールを構成する構成要素を結合した状態を示す斜視図である。 図２の切断線Ａ－Ａ’に沿った断面図である。 本発明の電池モジュールの斜視図である。 図４の切断線Ｂ－Ｂ’に沿ってｘｚ平面に平行に切断した断面図であって、本発明の一実施例による電池モジュールの断面図である。 本発明の他の実施例による電池モジュールの断面図である。 図５および図６の電池セル積層体に含まれている１つの電池セルを示す斜視図である。 本発明のさらに他の実施例による電池パックの分解斜視図である。

以下、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、本発明の実施例について詳細に説明する。しかし、本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。

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の参照符号を付す。

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のものに限定されない。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、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。

また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上に」あるとする時、これは、他の部分の「直上に」ある場合のみならず、その中間にさらに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」あるとする時には、中間に他の部分がないことを意味する。さらに、基準となる部分の「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、必ずしも重力の反対方向に向かって「上に」位置することを意味するのではない。

また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに包含できることを意味する。

さらに、明細書全体において、「平面上」とする時、これは対象部分を上から見た時を意味し、「断面上」とする時、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。

以下、図４、図５および図７を参照して、本発明の一実施例による電池モジュールについて説明する。

図４は、本発明の電池モジュールの斜視図である。図５は、図４の切断線Ｂ－Ｂ’に沿ってｘｚ平面に平行に切断した断面図であって、本発明の一実施例による電池モジュールの断面図である。図７は、図５の電池セル積層体に含まれている１つの電池セルを示す斜視図である。

図４および図５を参照すれば、本実施例による電池モジュール１００は、複数の電池セル１１０が積層された電池セル積層体１２０と、電池セル積層体１２０を収容するモジュールフレーム２００と、電池セル積層体１２０の前後面を覆うエンドプレート１５０とを含む。

電池セル１１０は、パウチ型電池セルであることが好ましい。例えば、図７を参照すれば、本実施例による電池セル１１０は、２つの電極リード１１１、１１２が互いに対向して電池本体１１３の一端部１１４ａと他端部１１４ｂからそれぞれ突出している構造を有する。電池セル１１０は、電池ケース１１４に電極組立体（図示せず）を収納した状態で電池ケース１１４の一端部１１４ａおよび他端部１１４ｂと、これらを連結する両側面１１４ｃとを接着することによって製造される。言い換えれば、本実施例による電池セル１１０は、計３箇所のシーリング部１１４ｓａ、１１４ｓｂ、１１４ｓｃを有し、シーリング部１１４ｓａ、１１４ｓｂ、１１４ｓｃは、熱融着などの方法でシーリングされる構造であり、残りの他の一側部は、連結部１１５からなる。電池ケース１１４の一端部１１４ａおよび他端部１１４ｂの間が電池セル１１０の長手方向と定義し、電池ケース１１４の一端部１１４ａおよび他端部１１４ｂを連結する一側部１１４ｃと連結部１１５との間を電池セル１１０の幅方向と定義することができる。

連結部１１５は、電池セル１１０の一縁に沿って長く延びている領域であり、連結部１１５の端部に電池セル１１０の突出部１１０ｐが形成される。突出部１１０ｐは、連結部１１５の両端部の少なくとも１つに形成され、連結部１１５が延びる方向に垂直な方向に突出できる。突出部１１０ｐは、電池ケース１１４の一端部１１４ａおよび他端部１１４ｂのシーリング部１１４ｓａ、１１４ｓｂのうちの１つと連結部１１５との間に位置することができる。

電池ケース１１４は、一般に、樹脂層／金属薄膜層／樹脂層のラミネート構造からなる。例えば、電池ケースの表面がＯ（ｏｒｉｅｎｔｅｄ）－ナイロン層からなる場合には、中大型電池モジュールを形成するために多数の電池セルを積層する時、外部衝撃によって滑りやすい傾向がある。したがって、これを防止し、電池セルの安定した積層構造を維持するために、電池ケースの表面に両面テープなどの粘着式接着剤または接着時の化学反応によって結合される化学接着剤などの接着部材を付着させて電池セル積層体１２０を形成することができる。

モジュールフレーム２００は、上部面、前面および後面が開放されて電池セル積層体１２０の下部および両側部を覆うフレーム部材３００と、電池セル積層体１２０の上部を覆う上部プレート４００とを含む。ただし、モジュールフレーム２００はこれに限定されるものではなく、Ｌ字状フレームまたは前後面を除いて電池セル積層体１２０を囲むモノフレームのような他の形状のフレームに代替されてもよい。モジュールフレーム２００を介してモジュールフレーム２００の内部に収容された電池セル積層体１２０を物理的に保護することができる。この時、フレーム部材３００は、電池セル積層体１２０の下部を支える底部３００ａと、底部３００ａの両端部からそれぞれ上向延長された側面部３００ｂとを含むことができる。

上部プレート４００は、モジュールフレーム２００の開放された上側面をカバーすることができる。エンドプレート１５０は、モジュールフレーム２００で開放されている電池セル積層体１２０の前後面を覆うことができる。エンドプレート１５０は、上部プレート４００の前後端角およびモジュールフレーム２００の前後端角と溶接により結合できる。

従来の電池モジュールは、電池セルの間に介在する圧縮パッドを含むことによって、セルスウェリングを吸収しようとした。しかし、セルスウェリングの程度が非常に大きい純シリコン（Ｓｉ）を含む電池セルおよび全固体電池セルの場合、従来の圧縮パッドだけではセルスウェリングの吸収に限界が存在していた。特に、前記電池セルは、一定の初期加圧力の維持も必要であるが、従来の圧縮パッドだけでは初期加圧力の形成に限界があった。

したがって、図５を参照すれば、本実施例による電池モジュール１００は、複数の電池セル１１０のうち互いに隣り合う電池セル１１０の間に配置されるスライディングプレート５００を含む。この時、スライディングプレート５００は、第１スライディングプレート５１０および第２スライディングプレート５２０を含むことができ、第１スライディングプレート５１０および第２スライディングプレート５２０は、互いに隣り合う電池セル１１０の間で互いに離隔するように形成される。

本実施例による電池モジュールは、第１スライディングプレート５１０および第２スライディングプレート５２０の間に形成される連結部材６００を含むことができる。この時、連結部材６００は、スライディングプレート５００の移動を制限しない範囲で制限なく選択可能であり、具体的には、連結部材６００は、スプリング部材を含むことができる。連結部材６００は、第１スライディングプレート５１０と第２スライディングプレート５２０とを連結することができる。

この時、連結部材６００は、第１スライディングプレート５１０および第２スライディングプレート５２０の間に形成されることによって、初期加圧力を形成することができる。特に、連結部材６００は、セルスウェリングの発生時には圧縮されて第１スライディングプレート５１０および第２スライディングプレート５２０の移動を可能にすることによって、セルスウェリングによる圧力の制御が可能な効果を達成することができる。

したがって、連結部材６００は、第１スライディングプレート５１０および第２スライディングプレート５２０の間に少なくとも１つ以上形成され、より具体的には、複数形成されることによって、連結部材６００の弾性力による初期加圧力の維持およびセルスウェリングの吸収効果を達成することができる。

一方、初期加圧力の維持のために、連結部材６００と共に固定部材が形成されてもよいし、前記固定部材は、初期加圧力の形成のために連結部材６００の位置を固定した後、除去される。

一方、本実施例による電池モジュール１００は、電池セル積層体１２０の上部および下部に形成されるシャフト（ｓｈａｆｔ）部材７００を含むことができる。特に、シャフト部材７００は、スライディングプレート５００の末端部に連結される。この時、前記連結のために、スライディングプレート５００にホールを形成して前記ホールを介してシャフト部材７００を挿入および固定するか、スライディングプレート５００とシャフト部材７００との間に接着部材をさらに形成することができる。また、前記方法に制限されず、多様な方法でスライディングプレート５００とシャフト部材７００とを連結することができる。

一方、本実施例による電池モジュール１００内にシャフト部材７００が形成される時、シャフト部材７００は、上部プレート４００と平行に形成される。具体的には、図４および図５を参照すれば、シャフト部材７００は、電池セルの積層方向であるｘ軸および－ｘ軸方向に沿って形成され、前記方向に沿って形成されると同時に、上部プレート４００と平行に形成される。

また、シャフト部材７００は、複数形成され、シャフト部材７００は、フレーム部材の各側面部３００ｂに固定設置され、シャフト部材７００は、第１スライディングプレート５１０および第２スライディングプレート５２０にそれぞれ連結される。

つまり、図５を参照すれば、シャフト部材７００は、第１スライディングプレート５１０に連結される第１シャフト部材７１０と、第２スライディングプレート５２０に連結される第２シャフト部材７２０とを含むことができる。この時、第１シャフト部材７１０は、第１スライディングプレート５１０の上側末端部に連結される第１－１シャフト部材７１１と、第１スライディングプレート５１０の下側末端部に連結される第１－２シャフト部材７１２とを含むことができる。また、第２シャフト部材７２０は、第２スライディングプレート５２０の上側末端部に連結される第２－１シャフト部材７２１と、第２スライディングプレート５２０の下側末端部に連結される第２－２シャフト部材７２２とを含むことができる。このため、スライディングプレート５００の両末端部にシャフト部材７００が形成され、セルスウェリング時、スライディングプレート５００が一方向に偏ることなく円滑に移動できる。

本実施例による電池モジュール１００上で電池セル１１０のスウェリングが発生する場合、スライディングプレート５００に隣接する電池セル１１０がスライディングプレート５００に圧力を加えることができる。この時、スライディングプレート５００の間に位置する連結部材６００は、前記圧力によって圧縮され、前記圧縮によってスライディングプレート５００は連結部材６００方向に移動し、同時にスライディングプレート５００に連結されたシャフト部材７００がスライディングプレート５００の移動により延びることができる。

そのため、スライディングプレート５００に加えられた圧力によって連結部材６００が圧縮されることによって、セルスウェリングの吸収が可能であり、同時にスライディングプレート５００の移動およびシャフト部材７００が延びることによって、スウェリングによる圧力の制御が可能である。また、セルスウェリング現象の最小化および前記スウェリングの吸収効果が増大することによって、電池モジュールの安定性が向上できる。

以下、図６を参照して、本発明の他の実施例による電池モジュールを説明する。この時、上記で説明した内容と重複する内容が存在するので、上記で説明した内容と異なる部分だけを説明する。

図６は、本発明の他の実施例による電池モジュールの断面図である。

図６を参照すれば、本実施例による電池モジュールは、モジュールフレーム２００の側面部に形成されるマウンティング部８００を含むことができる。具体的には、マウンティング部８００は、フレーム部材３００の側面部３００ｂ上に形成される。

この時、図４及び図６を参照すれば、マウンティング部８００は、電池セル１１０の長手方向であるｙ軸および－ｙ軸方向に沿って側面部３００ｂ上に形成される。つまり、電池セル１１０の長手方向に沿って発生するセルスウェリング現象の方向にマウンティング部８００が形成される。また、マウンティング部８００は、側面部３００ｂから突出と湾入を繰り返す形状を有するように形成される。

前記のようにマウンティング部８００を形成することによって、セルスウェリングによるモジュールフレーム２００の変形の可能性を最小化する効果を達成することができる。特に、セルスウェリング方向に沿って形成されたマウンティング部８００は、セルスウェリングの発生を抑制する効果を達成することができる。

以下、図８を参照して、本発明のさらに他の実施例による電池パックを説明する。

図８は、本発明のさらに他の実施例による電池パックの分解斜視図である。

図８を参照すれば、本実施例による電池パック１０００は、上述した電池モジュールが１つまたはそれ以上の数でパックケース内にパッケージングされて電池パック１０００を形成することができる。特に、上部パックケース１１００および下部パックケース１２００によってパッケージングされて電池パック１０００を形成することができ、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ってもよい。この時、本実施例による電池パックは、セルスウェリングを吸収および最小化できる構造を含むことによって、安定性が向上できる。

また、上述した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可能である。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、本発明の好ましい実施例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ものではなく、以下の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用し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。

１１０：電池セル
１２０：電池セル積層体
２００：モジュールフレーム
３００：フレーム部材
４００：上部プレート
５００：スライディングプレート
６００：連結部材
７００：シャフト部材
８００：マウンティング部
１０００：電池パック

Claims (7)

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容するモジュールフレームと、
   前記複数の電池セルのうち互いに隣り合う電池セルの間に配置されるスライディングプレートとを含む電池モジュールであって、
   前記スライディングプレートは、第１スライディングプレートおよび第２スライディングプレートを含み、
   前記第１スライディングプレートおよび前記第２スライディングプレートは、前記互いに隣り合う電池セルの間で互いに離隔するように形成され、
   前記電池モジュールは、前記第１スライディングプレートおよび前記第２スライディングプレートの間に形成される連結部材を含み、
   前記連結部材は、前記第１スライディングプレートと前記第２スライディングプレートとを連結し、
   前記電池モジュールは、前記電池セル積層体の上部および下部に形成されるシャフト部材を含み、
   前記シャフト部材は、前記スライディングプレートの末端部に連結され、
   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部を覆うフレーム部材と、前記電池セル積層体の上部を覆う上部プレートとを含み、
   前記シャフト部材は、前記上部プレートと平行に形成され、
   前記シャフト部材は、複数形成され、
   前記シャフト部材は、前記フレーム部材の各側面部に固定設置され、
   前記シャフト部材は、前記第１スライディングプレートおよび前記第２スライディングプレートにそれぞれ連結され、
   前記シャフト部材は、前記第１スライディングプレートに連結される第１シャフト部材と、前記第２スライディングプレートに連結される第２シャフト部材とを含み、
   前記第１スライディングプレート及び前記第２スライディングプレートの一方に隣接する前記電池セルのスウェリングが発生する場合、スウェリングが発生した前記電池セルが、前記第１スライディングプレート及び前記第２スライディングプレートの前記一方に圧力を加え、前記連結部材は前記圧力によって圧縮され、圧縮によって前記第１スライディングプレート及び前記第２スライディングプレートの前記一方は前記連結部材に向かう方向に移動し、同時に前記第１スライディングプレート及び前記第２スライディングプレートの前記一方に連結された前記第１シャフト部材及び前記第２シャフト部材の一方が延びる、電池モジュール。
2. 前記連結部材は、スプリング部材を含む、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記連結部材は、前記第１スライディングプレートおよび前記第２スライディングプレートの間に複数形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
4. 前記第１シャフト部材は、前記第１スライディングプレートの上側末端部に連結される第１－１シャフト部材と、前記第１スライディングプレートの下側末端部に連結される第１－２シャフト部材とを含み、
   前記第２シャフト部材は、前記第２スライディングプレートの上側末端部に連結される第２－１シャフト部材と、前記第２スライディングプレートの下側末端部に連結される第２－２シャフト部材とを含む、請求項１に記載の電池モジュール。
5. 前記モジュールフレームの側面部に形成されるマウンティング部を含む、請求項１に記載の電池モジュール。
6. 前記マウンティング部は、前記電池セルの長手方向に沿って形成される、請求項５に記載の電池モジュール。
7. 請求項１に記載の電池モジュールを含む電池パック。

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