特許 7562212 電池パックおよびこれを含むデバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-27

(45)【発行日】2024-10-07

(54)【発明の名称】電池パックおよびこれを含むデバイス

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/242 20210101AFI20240930BHJP

   H01M 50/291 20210101ALI20240930BHJP

【ＦＩ】

H01M50/242

H01M50/291

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023504857

(86)(22)【出願日】2021-12-27

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-08-22

(86)【国際出願番号】 KR2021019914

(87)【国際公開番号】W WO2022154315

(87)【国際公開日】2022-07-21

【審査請求日】2023-01-24

(31)【優先権主張番号】10-2021-0004508

(32)【優先日】2021-01-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】521065355

【氏名又は名称】エルジー エナジー ソリューション リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(72)【発明者】

【氏名】ジェフン・オ

(72)【発明者】

【氏名】ジンファン・シン

【審査官】鈴木 雅雄

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１１１１０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０３２５８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２０４２６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１７－００８５６８１（ＫＲ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１９－００６１３９０（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ５０／２４２

Ｈ０１Ｍ ５０／２４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の電池セルを含む電池モジュールと、
前記電池モジュールを収納するパックフレームと、
前記電池モジュールを前記パックフレームに固定するホールドダウンブラケットと
を含む電池パックであって、
前記ホールドダウンブラケットは、前記電池モジュールに締結される第１締結部、前記パックフレームに締結される第２締結部、前記第１締結部と前記第２締結部を連結する連結部、および前記連結部と結合される補強部材を含み、
前記連結部と前記補強部材が結合された垂直断面は、閉断面構造を有する電池パック。

【請求項2】

前記連結部は下向きに湾入されて上部が開放された構造であり、
前記連結部と前記補強部材が結合された垂直断面は、閉断面形態の二重板構造を形成する、請求項１に記載の電池パック。

【請求項3】

前記補強部材は、上向きに湾入されて下部が開放された構造である、請求項１又は２に記載の電池パック。

【請求項4】

前記連結部の側面部分と前記補強部材の側面部分が重ね合わされた状態で溶接接合される、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池パック。

【請求項5】

前記電池モジュールは、上部電池モジュールおよび下部電池モジュールを含み、
前記上部電池モジュールが前記下部電池モジュールの上に積層される、請求項１から４のいずれか一項に記載の電池パック。

【請求項6】

前記ホールドダウンブラケットの前記第１締結部が前記上部電池モジュールと締結される、請求項５に記載の電池パック。

【請求項7】

前記連結部は、上部方向に曲がる部分を含む、請求項６に記載の電池パック。

【請求項8】

前記第１締結部の幅が前記第２締結部の幅より広い、請求項１から７のいずれか一項に記載の電池パック。

【請求項9】

前記連結部は、前記第１締結部から前記第２締結部の方向に行くほど幅が狭くなる、請求項８に記載の電池パック。

【請求項10】

請求項１から９のいずれか一項に記載の電池パックを含むデバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願との相互引用
本出願は、２０２１年１月１３日付韓国特許出願第１０－２０２１－０００４５０８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。

【0002】

本発明は、電池パックおよびこれを含むデバイスに関し、より具体的には構造的安全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。

【背景技術】

【0003】

現代社会では、携帯電話、ノートパソコン、カムコーダ、デジタルカメラなどの携帯型機器の使用が日常的になることに伴い、このようなモバイル機器と関連した分野の技術に対する開発が活発になってきている。また、充放電が可能な二次電池は、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として、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利用されているところ、二次電池に対する開発の必要性が高まっている。

【0004】

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るが、このうちリチウム二次電池は、ニッケル系の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起こらず、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のため、脚光を浴びている。

【0005】

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間に置いて配置された電極組立体と、電極組立体を電解液と共に密封収納する電池ケースとを備える。

【0006】

一般的にリチウム二次電池は、外装材の形状により、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とに分類され得る。

【0007】

小型機器に利用さ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利用さ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）が利用される。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する。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。

【0008】

電池パックの内部が集積化され、多様な内部構成部品が位置することによって、電池パック内部に空間的な制約が発生して、電池パック内部に収納された電池モジュールを締結する構造物の剛性の確保が難しくなる場合が発生する。電池パックの制約された空間内で、電池パックの構造的安全性を向上させることができる技術方案が要求されている実情である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明が解決しようとする課題は、電池パックの制約された空間内で活用が可能であり、同時に耐久性を備えた電池モジュール締結構造を備えた電池パックおよびこれを含むデバイスを提供することにある。

【0010】

しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、前述した課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張され得る。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一実施形態による電池パックは、複数の電池セルを含む電池モジュール、前記電池モジュールを収納するパックフレーム、前記電池モジュールを前記パックフレームに固定するホールドダウンブラケット（Ｈｏｌｄ Ｄｏｗｎ Ｂｒａｃｋｅｔ）を含む。前記ホールドダウンブラケットは、前記電池モジュールに締結される第１締結部、前記パックフレームに締結される第２締結部、前記第１締結部と前記第２締結部を連結する連結部、および前記連結部と結合される補強部材を含む。結合された前記連結部と前記補強部材は、閉じられた構造を有する。

【0012】

前記連結部は下向きに湾入されて上部が開放された構造であり得、前記補強部材が前記連結部上に結合して閉じられた形態の二重板構造を形成することができる。

【0013】

前記補強部材は、上向きに湾入されて下部が開放された構造であり得る。

【0014】

前記連結部の側面部分と前記補強部材の側面部分が重ね合わされた状態で溶接接合され得る。

【0015】

前記電池モジュールは、上部電池モジュールおよび下部電池モジュールを含むことができ、前記上部電池モジュールが前記下部電池モジュールの上に積層され得る。

【0016】

前記ホールドダウンブラケットの前記第１締結部が前記上部電池モジュールと締結され得る。

【0017】

前記連結部は、上部方向に曲がる部分を含むことができる。

【0018】

前記第１締結部の幅が前記第２締結部の幅より広くてもよい。

【0019】

前記連結部は、前記第１締結部から前記第２締結部の方向に行くほど幅が狭くなり得る。

【発明の効果】

【0020】

本発明の実施形態によれば、電池モジュール締結構造を閉じられた構造で作ることで、電池パック内部の制約された空間内でも前記電池モジュール締結構造の剛性を確保することができる。

【0021】

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。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の一実施形態による電池パックを示す部分斜視図である。

【図2】図１の電池パックに含まれている電池モジュールを示す斜視図である。

【図3】図２の電池モジュールに含まれている電池セルを示す斜視図である。

【図4】図１の電池パックに含まれているホールドダウンブラケットを示す斜視図である。

【図5】図４のホールドダウンブラケットの分解斜視図である。

【図6】図４の切断線Ａ－Ａに沿って切断した断面を示す断面図である。

【図7】図１の電池パックをｘｚ平面に沿って切断した断面を示す断面図である。

【図8】本発明の比較例によるホールドダウンブラケットを示す斜視図である。

【図9】図８のホールドダウンブラケットが装着された電池パックをｘｚ平面に沿って切断した断面を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、添付した図面を参照して本発明の多様な実施形態について本発明が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細に説明する。本発明は、多様な異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。

【0024】

本発明を明確に説明するために、説明上不要な部分は省略し、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した。

【0025】

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ため、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、複数の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。

【0026】

また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「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。反対に、ある部分が他の部分の「直上」にあるという時には中間にまた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「上」に位置することを意味するのではない。

【0027】

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、他の構成要素を除外せず、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

【0028】

また、明細書全体において、「平面上」という時、これは対象部分を上方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側方から見た時を意味する。

【0029】

図１は本発明の一実施形態による電池パックを示す部分斜視図である。図２は図１の電池パックに含まれているホールドダウンブラケットを示す斜視図である。図３は図２のホールドダウンブラケットの分解斜視図である。

【0030】

図１乃至図３を参照すれば、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１１０を含む電池モジュール１００、電池モジュール１００を収納するパックフレーム２００、および電池モジュール１００をパックフレーム２００に固定するホールドダウンブラケット（Ｈｏｌｄ Ｄｏｗｎ Ｂｒａｃｋｅｔ）３００を含む。

【0031】

電池モジュール１００は、複数の電池セル１１０がモジュールフレーム１２０内部に収納されて形成され得る。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、本実施形態による電池セル１１０は、二つの電極リード１１１、１１２が互いに対向してセル本体１１３の一端部１１４ａと他の一端部１１４ｂからそれぞれ突出している構造を有する。より詳細には、電極リード１１１、１１２は電極組立体（図示せず）と連結され、電極組立体（図示せず）から電池セル１１０の外部に突出する。

【0032】

一方、電池セル１１０は、セルケース１１４に電極組立体（図示せず）を収納した状態でセルケース１１４の両端部１１４ａ、１１４ｂと、これらを連結する一側部１１４ｃとを接着することによって製造され得る。言い換えると、本実施形態による電池セル１１０は、総３ヶ所のシーリング部１１４ｓａ、１１４ｓｂ、１１４ｓｃを有し、シーリング部１１４ｓａ、１１４ｓｂ、１１４ｓｃは、熱融着などの方法によりシーリングされる構造であり、他の一側部はベンディング部１１５からなることができる。セルケース１１４は、樹脂層と金属層を含むラミネートシートからなることができる。

【0033】

また、ベンディング部１１５は、電池セル１１０の一縁に沿って長く伸びられており、ベンディング部１１５の端部にはバットイヤー（ｂａｔ－ｅａｒ）と呼ばれる電池セル１１０の突出部１１０ｐが形成され得る。電池セル１１０は、複数個で構成され得、複数の電池セル１１０が積層されて互いに電気的に連結される。

【0034】

一方、本実施形態による電池パックにおいて電池モジュール１００は、複数で構成されてパックフレーム２００に収納され得る。また複数の電池モジュール１００がパックフレーム２００に収納される時、二層構造を形成することができる。言い換えると、電池モジュール１００は、上部電池モジュール１００ａおよび下部電池モジュール１００ｂを含むことができ、上部電池モジュール１００ａが下部電池モジュール１００ｂの上に積層され得る。下部電池モジュール１００ｂは、パックフレーム２００上に積層され得る。

【0035】

一方、電池モジュール１００は、マウンティング部１００Ｍａ、１００Ｍｂを含むことができる。具体的に、上部電池モジュール１００ａがマウンティング部１００Ｍａを含むことができ、下部電池モジュール１００ｂもマウンティング部１００Ｍｂを含むことができる。下部電池モジュール１００ｂのマウンティング部１００Ｍｂにボルトなどが挿入されてパックフレーム２００に締結され得る。上部電池モジュール１００ａは、下部電池モジュール１００ｂの上に位置するため、直ちにパックフレーム２００に締結されるのではなく、別途の締結部材であるホールドダウンブラケット３００により締結され得る。

【0036】

以下、本実施形態によるホールドダウンブラケット３００について詳細に説明する。

【0037】

図４は図１の電池パックに含まれているホールドダウンブラケットを示す斜視図である。図５は図４のホールドダウンブラケットの分解斜視図である。図６は図４の切断線Ａ－Ａに沿って切断した断面を示す断面図である。図７は図１の電池パックをｘｚ平面に沿って切断した断面を示す断面図である。

【0038】

図１および図４乃至図７を参照すれば、本実施形態によるホールドダウンブラケット３００は、電池モジュール１００に締結される第１締結部３１０、パックフレーム２００に締結される第２締結部３２０、第１締結部３１０と第２締結部３２０を連結する連結部３３０、および連結部３３０と結合される補強部材４００を含む。この時、結合された連結部３３０と補強部材４００は閉じられた構造を有する。

【0039】

第１締結部３１０にボルトＢ１が挿入され得る少なくとも一つの第１貫通ホール３１０Ｈが形成され得る。第１貫通ホール３１０Ｈを通過したボルトＢ１が電池モジュール１００と結合される方式で、第１締結部３１０が電池モジュール１００に締結され得る。この時、第１締結部３１０が電池モジュール１００のうち上部電池モジュール１００ａに締結され得、第１貫通ホール３１０Ｈを通過したボルトＢ１が上部電池モジュール１００ａのマウンティング部１００Ｍａに結合され得る。つまり、二層構造を形成する電池モジュール１００のうち上部に位置した上部電池モジュール１００ａは、ホールドダウンブラケット３００によりパックフレーム２００に締結され得る。

【0040】

第２締結部３２０にボルトが挿入され得る少なくとも一つの第２貫通ホール３２０Ｈが形成され得る。第２貫通ホール３２０Ｈを通過したボルトＢ２がパックフレーム２００と結合される方式で、第２締結部３２０がパックフレーム２００に締結され得る。

【0041】

一方、図４および図５に示されているように、本実施形態による連結部３３０は、下向きに湾入されて上部が開放された構造であり得、一重からなることができる。つまり、一重からなっているため、上部や下部が開放された形態となる。一方、補強部材４００は、上向きに湾入されて下部が開放された構造であり得る。このような補強部材４００が連結部３３０上に結合して閉じられた形態の二重板構造を形成することができる。

【0042】

連結部３３０と補強部材４００の結合において、図６に示されているように、連結部３３０の側面部分と補強部材４００の側面部分とが重ね合わされた状態で溶接接合され得る。

【0043】

一方、前述したとおり、ホールドダウンブラケット３００の第１締結部３１０と第２締結部３２０がそれぞれ上部電池モジュール１００ａとパックフレーム２００に締結され得るが、これによって第１締結部３１０と第２締結部３２０を連結する連結部３３０は上部方向に曲がる部分を含むことができる。前記上部方向に曲がる部分に補強部材４００が結合され得る。

【0044】

一方、第１締結部３１０の幅が第２締結部３２０の幅より広くてもよい。一例として図４に示されているように、第１締結部３１０は４個の第１貫通ホール３１０Ｈが形成され得る程度に相対的に幅が広い反面、第２締結部３２０は１個の第２貫通ホール３２０Ｈだけ形成される程度に相対的に幅が狭い。締結部の幅や貫通ホールの個数に特別な制限はなく、設計により変わり得るが、前述のように第１締結部３１０の幅が第２締結部３２０の幅より広くてもよい。そのために、本実施形態による連結部３３０は、第１締結部３１０から第２締結部３２０の方向に行くほど幅が狭くなる形態を有することができる。

【0045】

電池パックの小型化やエネルギー密度向上などのような要求を充足させるために電池パック内部は多数の部品が集約的に配置されるしかなく、電池パック内部の空間活用は電池パックの性能に直結する要素となっている。このような背景で、パックフレーム２００に固定される第２締結部３２０の幅を減らすことによって、内部空間の活用性を高めることができる。反面、電池モジュール１００と直接的に締結される第１締結部３１０は、電池モジュール１００の安定した装着のために、電池モジュール１００の幅とある程度対応する幅を有することが好ましい。そのために、本実施形態によるホールドダウンブラケット３００は、電池パック内部の空間活用性に対する要求と電池モジュール１００の安定した固定に対する要求間の均衡のために第１締結部３１０の幅が第２締結部３２０の幅より広い形態を有することができる。

【0046】

以下、本実施形態による補強部材４００が有する機能について本発明の比較例によるホールドダウンブラケット３０と比較して詳細に説明する。

【0047】

図８は本発明の比較例によるホールドダウンブラケットを示す斜視図である。図９は図８のホールドダウンブラケットが装着された電池パックをｘｚ平面に沿って切断した断面を示す断面図である。

【0048】

まず、図８を参照すれば、本発明の比較例によるホールドダウンブラケット３０は、第１締結部３１、第２締結部３２および連結部３３を含む。連結部３３に補強部材が結合されないことを除き、本実施形態によるホールドダウンブラケット３００と類似の構造を有する。

【0049】

図８および図９を共に参照すれば、本比較例によるホールドダウンブラケット３０を利用して電池モジュール１００をパックフレーム２００に固定することができる。特に、電池モジュール１００は、二層構造の上部電池モジュール１００ａと下部電池モジュール１００ｂを含むことができ、ホールドダウンブラケット３０の第１締結部３１が、ボルトＢ１により上部電池モジュール１００ａのマウンティング部１００Ｍａと結合され得る。ホールドダウンブラケット３０の第２締結部３２は、ボルトＢ２によりパックフレーム２００に結合され得る。

【0050】

外部衝撃や振動などにより電池パック内部に配置された電池モジュール１００が上下方向の挙動が発生することがあり、このような挙動により第１締結部３１と第２締結部３２を連結する連結部３３に荷重が集中することがある。この時、下向きに湾入されて上部が開放された連結部３３は特に剛性が脆弱であるため、荷重の集中によりこのような連結部３３が損傷する問題が発生することがある。

【0051】

反面、図１および図７を参照すれば、本実施形態によるホールドダウンブラケット３００は、連結部３３０に結合される補強部材４００を含む。前述したとおり、下向きに湾入され、上部が開放されて剛性が脆弱な連結部３３０に電池モジュール１００の挙動による荷重が集中することがある。剛性の補完のために単純に連結部の厚さを増やす方向を考慮してみることができるが、厚さの増加だけでは限界がある。そのために、上向きに湾入されて下部が開放された補強部材４００を連結部３３０と結合させることで、閉じられた形態の二重板構造を形成することによって、連結部３３０の剛性を確保することができる。

【0052】

特に、本実施形態例による連結部３３０は、前述したとおり、上部方向に曲がる部分を含み、第１締結部３１０から第２締結部３２０方向に行くほど幅が狭くなる形態を有することができる。これは連結部３３０の剛性を阻害する要因になり得るが、本実施形態では、補強部材４００を結合することによって、連結部３３０の剛性を補完した。この時、補強部材４００は、図５に示されているように、上部方向に曲がる部分を含むことができ、第１締結部３１０から第２締結部３２０方向に行くほど幅が狭くなる形態を有することができる。つまり、補強部材４００の形態は、連結部３３０の形態と対応するように構成され得る。

【0053】

一方、前述した本実施形態による電池パックは、電池モジュール以外に、ＢＤＵ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ Ｕｎｉｔ）、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を含むことができる。

【0054】

本実施形態による電池パックは、多様なデバイスに適用され得る。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され得るが、これに制限されず、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。

【0055】

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ているが、このような用語は説明の便宜のためのものに過ぎず、対象となる事物の位置や観測者の位置などにより変わり得る。

【0056】

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ず、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多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

【符号の説明】

【0057】

１００：電池モジュール
２００：パックフレーム
３００：ホールドダウンブラケット
４００：補強部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】