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CN112055897B - 电池模块和包括其的电池组和车辆 - Google Patents

电池模块和包括其的电池组和车辆 Download PDF

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Abstract

根据本发明的一个实施方式的电池模块包括：通过堆叠多个电池电芯形成的电芯堆叠；汇流条框架组件，其包括覆盖电芯堆叠的两个纵向侧部的汇流条框架和固定在汇流条框架上并且电连接至电池电芯的多个汇流条；模块端子，其包括引线连接部分和头部，所述引线连接部分固定在所述汇流条框架上并且电连接至所述电池电芯，所述头部连接至所述引线连接部分并且从所述引线连接部分向上延伸；端子螺母，其位于头部下方；以及框架盖，其包括容纳端子螺母的螺母容纳部分和形成在螺母容纳部分下方并且容纳穿过头部和端子螺母的螺栓的螺栓容纳部分，框架盖覆盖汇流条框架组件，使得头部暴露于外。

Description

电池模块和包括其的电池组和车辆
技术领域
本公开涉及一种具有用于防止异物进入的结构的电池模块、以及包括该电池模块的电池组和车辆。更具体地，本公开涉及具有当应用螺栓/螺母紧固结构以将电子设备或另一电池模块的端子紧固到电池模块的端子时增强固定螺母的部分的刚性、增加选择插入螺母中的螺栓的长度的自由度并且还防止异物进入电池模块的结构的电池模块、包括该电池模块电池组和的车辆。
背景技术
为了使用电池模块或者连接多个电池模块的电池组将电能提供至诸如电动车辆应用，必须将电力线缆的端子或连接杆紧固至电池模块的模块端子。
当如上所述将外部端子(诸如，电力线缆的端子或连接杆)紧固至电池模块的模块端子时，可以应用螺栓/螺母固定结构。在螺栓/螺母固定结构中，端子螺母位于电池模块的模块端子的下部，而外部端子位于模块端子的上部。然后，如果将外部螺母插入螺栓中，然后沿着顺时针方向旋转，则端子螺母被紧密附着到模块端子的下表面，并且外部端子还附着并且固定在模块端子上。
例如，在应用于电动车辆的电池模块中，如果外部端子与模块端子之间的联接力变弱而导致外部端子与模块端子之间的接触故障，则电动车辆的组件部分地或者整体地不能正常地工作。因此，必须用非常强的力拧紧螺栓。
在这种情况下，围绕螺母外围的结构通常由用于绝缘的树脂注射材料制成，使得当旋转螺栓以用于紧固时螺母不会一起旋转。
另外，在螺栓/螺母固定结构中，为了获得高紧固力，必须在将螺栓紧固到螺母的状态下使螺栓充分旋转。然而，如果应用下表面被阻挡的螺母或者容纳螺母的注射材料在支承螺母的表面处具有被阻挡的结构，则螺栓可能无法充分旋转，因此可能不能充分确保模块端子和外部端子之间的联接力。
发明内容
技术问题
设计本公开以解决相关技术的问题，因此本公开旨在提供一种电池模块，该电池模块具有以下结构：通过增强固定螺母的部分的刚性，即使螺栓被强力地紧固，螺母也被稳定地固定。
另外，本公开还旨在提供一种电池模块，该电池模块具有用于容纳螺栓的附加空间，使得螺栓可以充分旋转，并且还具有能够防止异物(该异物可能由当通过强力旋转螺栓时螺栓与螺母之间的摩擦产生)进入电池模块的内部空间的结构。
然而，本公开要解决的技术问题不限于以上问题，并且本领域技术人员将从以下描述理解本文未提及的其它目的。
技术方案
在本公开的一个方面，提供了一种电池模块，该电池模块包括：电芯堆叠，其通过堆叠多个电池电芯形成；汇流条框架组件，其具有被构造成覆盖电芯堆叠的一个纵向侧部和另一个纵向侧部的汇流条框架和固定在汇流条框架上并且电连接至电池单元的多个汇流条；模块端子，其具有固定在汇流条框架上并且电连接至电池电芯的引线连接部分和连接至引线连接部分以在引线连接部分上方延伸的头部；端子螺母，其位于头部下方；以及框架盖，其具有被构造成容纳端子螺母的螺母容纳部分和形成在螺母容纳部分下方以容纳穿过头部和端子螺母的螺栓的螺栓容纳部分，框架盖被构造成覆盖汇流条框架组件，使得头部暴露于外部。
端子螺母可以是六角螺母。
螺母容纳部分可以具有与端子螺母对应的尺寸，并且螺母容纳部分的内壁可以与螺栓的侧表面接触以固定端子螺母，使得当螺栓旋转时，端子螺母不一起旋转。
螺栓容纳部分可以具有形成在螺母容纳部分的底表面处的凹槽形状。
框架盖可以包括形成在螺栓容纳部分和汇流条框架组件之间的阻挡物(barrier)，以防止在紧固螺栓和端子螺母时产生的异物进入汇流条框架组件。
电池模块还可以包括被构造成覆盖框架盖的端板。
电池模块还可以包括在对应于螺母容纳部分的位置处插置在端板和框架盖之间的加强框架。
电池单元可以包括：电极组件；一对电极引线，其连接至电极组件以沿电池电芯的纵向方向在相反方向上延伸；以及电芯壳体，其被构造成容纳电极组件并且被密封，使得电极引线被暴露于外部。
一对电极引线可以形成在电芯堆叠的高度方向上从电芯堆叠的中部向下偏置的位置处。
由于电极引线的偏置，模块端子可以设置在电极引线上方形成的空间中。
在本公开的另一方面，还提供一种电池组和车辆，所述电池组和车辆包括根据本公开的实施方式的电池模块。
有益效果
根据本公开的实施方式，即使用强力拧紧螺栓以将外部端子紧固到模块端子，螺母也可以被稳定地固定。
另外，根据本公开的另一个实施方式，由于提供了用于容纳在螺母下方突出的螺栓的额外空间，因此螺栓可以被充分地旋转。而且，可以防止在强力旋转螺栓时由于螺栓和螺母之间的摩擦产生的异物进入电池模块的内部空间。
附图说明
附图示出了本公开的优选实施方式，并且附图与前述公开一起用于提供对本公开的技术特征的进一步理解，因此本公开不被解释为限于附图。
图1是示出根据本公开的实施方式的电池模块的立体图。
图2是示出根据本公开的实施方式的从电池模块移除端板的状态的立体图。
图3是示出根据本公开的实施方式的从电池模块移除端板和框架盖的状态的立体图。
图4是示出根据本公开的实施方式的应用于电池模块的电芯堆叠的立体图。
图5是示出根据本公开的实施方式的应用于电池模块的电池电芯的平面图。
图6是示出根据本公开的实施方式的从电池模块移除了单一框架、上盖、端板和框架盖的状态的侧视图。
图7是示出图2所示的电池模块中的模块端子所在的区域的局部放大图。
图8是沿着图2的线X-X'截取的截面图。
图9是沿着图1的线Y-Y′截取的截面图。
图10是用于示出应用于根据本公开的实施方式的电池模块的螺母根据螺栓的旋转而移动的原理的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本公开的优选实施方式。在描述之前，应该理解的是，说明书和所附权利要求中使用的术语不应被解释为限于一般含义和词典含义，而应基于允许发明人适当定义术语以用于最佳解释的原则，基于与本公开的技术方面相对应的含义和概念来解释。因此，本文提出的描述仅是出于说明目的的优选示例，而不旨在限制本公开的范围，因此应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对其做出其它等同替换和修改。
参照图1至图4，根据本公开的实施方式的电池模块可以包括电芯堆叠100、FPCB组件200、汇流条框架组件300、模块端子400、上盖450、单一框架500、框架盖600和端板700。
如图4所示，电芯堆叠100包括多个电池电芯110，所述多个电池电芯被堆叠成在其宽表面处彼此面对。电芯堆叠100可以包括至少一个缓冲垫P，所述至少一个缓冲垫P被插入在最外侧电池电芯110处和/或在相邻电池电芯110之间。
即，电芯堆叠100可以在与汇流条框架组件300、模块端子400和上盖450联接的状态下被插入到单一框架500中。此时，为了在确保电芯堆叠100的最大体积的同时容易地插入电芯堆叠100，可以另外施加由诸如海绵的弹性材料制成的缓冲垫P。
参考图5，示出了电池电芯110的具体结构。可以将袋型电池电芯应用为电池电芯110。袋型电池电芯110包括电极组件(未示出)、一对电极引线111和电芯壳体112。
尽管在附图中未示出，但是电极组件具有如下形式：在交替重复堆叠的正极板和负极板之间插入隔膜，并且隔膜优选位于两个最外侧以用于绝缘。
正极板包括正极集流体和涂覆在正极集流体的一侧上的正极活性材料层，并且在正极板的一侧端部形成有未涂覆正极活性材料的正极未涂覆区域。正极未涂覆区域用作正极接头。
负极板可以包括负极集流体和涂覆在负极集流体的一个表面或两侧上的负极活性材料层，并且在负极板的一侧端部处形成未涂覆有负极活性材料的负极未涂覆区域。负极未涂覆区域用作负极接头。
另外，在正极板和负极板之间插入隔膜，以防止具有不同极性的电极板彼此直接接触。隔膜可以由多孔材料制成，使得可以使用电解液作为介质使离子在正极板和负极板之间移动。
一对电极引线111分别连接到正极接头(未示出)和负极接头(未示出)，并且从电芯壳体112引出。一对电极引线111分别在电池电芯111的一个纵向侧部和另一纵向侧部引出。即，应用于本公开的电池电芯110对应于正极引线和负极引线沿相反方向引出的双向引出电池电芯。
另外，一对电极引线111被定位成在宽度方向(图5的Z轴方向)上从电池电芯110的中部向一侧偏置。具体地，一对电极引线111被定位成在宽度方向上从电池电芯110的中部向一侧偏置，优选地沿着电芯堆叠100的高度方向(图4的Z轴方向)向下偏置。
如果如上所述将一对电极引线111定位成在宽度方向上从电池电芯110的中部向一侧偏置，则可以给出用于安装模块端子400(稍后描述)的空间，使得可以提高电池模块的能量密度。稍后将详细描述由于电极引线111安装成被偏置的结构而导致的能量密度的增加。
电芯壳体112包括两个区域，即，容纳电极组件的容纳部分和沿该容纳部分的周缘方向延伸并且在电极引线111被引出的状态下被热熔以密封电芯壳体112的密封部分。
尽管在图中未示出，但是通过附贴并热熔由多层袋膜制成的上壳体和下壳体的边缘部分来密封电芯壳体112，在多层袋膜中，按顺序堆叠树脂层、金属层和树脂层。
在密封部分中，与位于沿电极引线111被引出的方向上的区域相对应的平台部分112a具有锥形形状，使得平台部分112a的两侧被切开，以使其宽度沿着电极引线111的引出方向逐渐减小。如上所述，如果平台部分112a的宽度朝向电池电芯110的外部方向逐渐减小，则电极引线111可以设置成被偏置，并且可以提高电池模块的能量密度。
另外，应用于本公开的电池电芯110是宽度(W)与长度(L)的比率为大约3以上且12以下的长电芯。在根据本公开的电池模块中，如果采用长电芯型电池电芯110，则可以在使电池模块的高度增加最小化的同时提高电池的容量，这使得易于在车辆的座椅或后备箱的下部安装电池模块。
参考图3，FPCB组件200可以被实现为包括柔性印刷电路板(FPCB)210和连接器220。
FPCB 210沿着电池模块的纵向方向(图3的Y轴方向)延伸以覆盖电芯堆叠100的顶表面的至少一部分，并且FPCB 210的两端弯曲并且被放置在汇流条框架组件300上。连接端子211设置在弯曲的FPCB 210的两端处，并且连接端子211连接至汇流条320和模块端子400，以将FPCB 210电连接至电池电芯110。
连接器220从上盖450和单一框架500中露出，并且被安装在朝向汇流条框架组件300弯曲的FPCB 210上。连接器220设置在由于电极引线111的偏置而在电极引线11上方形成的空间中，类似于上述模块端子400的安装位置。连接器220的布置位置由于连接器220的安装而使电池模块的体积增加最小化，从而增加了电池模块的能量密度。
连接器220通过FPCB 210电连接至电池电芯110。另外，诸如BMS的控制装置(未示出)连接到连接器220，并且控制装置接收关于电池电芯110的电压的信息，并且参考该信息来控制电池模块的充电和放电。
参考图3，汇流条框架组件300可以被实现为包括被构造成覆盖电芯堆叠100的一个纵向侧部和另一纵向侧部的汇流条框架310和固定在汇流条框架310上并且电连接至电池电芯110的多个汇流条320。
汇流条框架310例如可以由诸如树脂的绝缘材料制成，并且包括形成为在与电池电芯110的电极引线111相对应的位置处突出的汇流条放置部分311。像电极引线111一样，在高度方向(图3和图4的Z轴方向)上在从电芯堆叠100的中部向下偏置的位置处形成汇流条放置部分311。类似于电极引线111的偏置，汇流条放置部分311的偏置确保用于安装诸如连接器220或模块端子400的组件的空间。
汇流条放置部分311具有在与电极引线111相对应的位置处形成的多个引线狭缝S。通过引线狭缝S，将电极引线111从汇流条框架组件300中引出，并且引出的电极引线111弯曲并且通过焊接等固定在汇流条320上。
参考图3，模块端子400成对设置，并且每个模块端子400包括引线连接部分410和头部420。
引线连接部分410被固定在汇流条框架310的汇流条放置部分311上，并且连接至沿着电芯堆叠100的宽度方向(图3和图4的X轴方向)位于两个最外侧的电极引线111。头部420连接到引线连接部分410并且在引线连接部分410上方延伸。头部420具有供螺栓B插入的端子孔421，应用该螺栓B以将外部端子(未示出)紧固到模块端子400。
参考图6以及图3，由于电极引线111的偏置(基于图3和图5沿Z轴向上)，因此模块端子400的头部420位于电极引线111和汇流条放置部分311上方形成的空间中。头部420的形成位置通过利用由电极引线111的偏置安装而形成的空间，使由于模块端子400的安装而增加的电池模块的体积最小化。
一起参照图3和图4，上盖450对应于覆盖电芯堆叠100的顶表面(平行于图4的X-Y平面的表面)的部分。上盖450分别与一对汇流条框架310铰接。因此，该一对汇流条框架310可以基于铰接部分相对于上盖450旋转。
参照图7至图10以及图2，框架盖600覆盖汇流条框架组件300，使得模块端子400的头部420暴露于外部。框架盖600包括螺母容纳部分610、螺栓容纳部分620和阻挡物630。
螺母容纳部分610容纳位于模块端子400的头部420下方的端子螺母N。为了通过使用电池模块或者连接多个电池模块的电池组向诸如电动车辆的应用供应电能，必须将外部端子T(诸如，在车辆中提供的电力线缆的连接杆或端子)紧固到电池模块的模块端子400(参见图10)。如上所述，为了将外部端子T紧固到电池模块的模块端子400，根据本公开的实施方式的电池模块使用螺栓/螺母固定结构。
即，端子螺母N位于模块端子400的头部420下方，外部端子T位于头部420上方，然后插入螺栓B(参见图10)以顺序地穿过外部端子T和头部420并且顺时针旋转。在这种情况下，螺栓B沿着形成在端子螺母N上的螺纹向下移动，并且相反，端子螺母N向上移动(图10中的箭头方向)。因此，外部端子T被固定在螺栓B和头部420之间。随着螺栓B进一步顺时针旋转，固定力变得更强。
这样，为了使端子螺母N随着螺栓B的旋转而向上移动，端子螺母N必须被固定，而不随螺栓B的旋转一起旋转。即，螺母容纳部分610的内壁与端子螺母N的侧表面接触以固定端子螺母N，使得端子螺母N不随着螺栓B的旋转而旋转。
为此，螺母容纳部分610具有与端子螺母N相对应的尺寸。具体地，螺母容纳部分610和端子螺母N可以形成为具有相同的宽度(D1)和相同的竖直宽度(D2)，并且端子螺母N可以是截面近似是六边形的六角螺母。
随着螺栓B的顺时针旋转，当螺栓B穿过端子螺母N向下突出到端子螺母N下方时，螺栓容纳部分620容纳螺栓B的突出部分。螺栓容纳部分620具有在螺母容纳部分610的底表面处形成的凹槽形状。
阻挡物630形成在螺栓容纳部分620和汇流条框架组件300之间以形成螺栓容纳部分620的内壁。阻挡物630防止螺栓容纳部分620和汇流条框架组件300彼此连通，从而防止异物(诸如，在螺栓B和端子螺母N被紧固时产生的金属粉末)进入汇流条框架组件300。
通过如上所述防止异物(诸如，金属粉末)进入汇流条框架组件300，可以防止由于异物引起在电极引线111之间发生不必要电连接从而导致诸如短路的问题。
一起参照图1和图9，端板700覆盖框架盖600，使得模块端子400的头部420暴露于外部。另外，如图9所示，根据本公开的实施方式的电池模块还可以包括插置在框架盖600和端板700之间的加强框架F。
参考图10以及图9，加强框架F插置在与框架盖600的螺母容纳部分610相对应的位置处，以增强螺母N的固定力。即，框架盖600可以由用于绝缘的树脂材料制成。在这种情况下，如果强力旋转并且拧紧螺栓B，则螺母容纳部分610的内壁可能弯曲或损坏，从而无法固定端子螺母N。
为了防止发生这种情况，加强框架F可以由比树脂具有更高刚性的金属材料制成，并且可以通过应用加强框架F以加强外部端子T与头部420之间的紧固力来强力地紧固螺栓B。
如上所述，由于使用由电极引线111的偏置形成的空间来布置模块端子400的头部420，因此根据本公开的实施方式的电池模块可以使由于模块端子400的安装导致的电池模块的体积增加最小化，因此提高了能量密度。
另外，根据本公开的实施方式的电池模块包括螺栓容纳部分620，该螺栓容纳部分620容纳在端子螺母N下方突出的螺栓B，从而增加了选择螺栓B的长度的自由度。因此，通过使用具有足够长的长度以穿过端子螺母N的螺栓B，可以进一步加强外部端子T与模块端子400的头部420之间的紧固力。
另外，根据本公开的实施方式的电池模块包括插置在螺栓容纳部分620和汇流条框架组件300之间的阻挡物，使得螺栓容纳部分620和汇流条框架组件300不能彼此连通。通过这样做，可以防止异物(诸如，金属粉末)进入汇流条框架组件300并且防止引起诸如短路的事件。
已经详细描述了本公开。然而，应当理解，详细说明和特定示例虽然描述了本公开的优选实施方式，但是仅以例示的方式给出，因为对于本领域技术人员而言，在本公开的范围内的各种改变和修改从该详细描述将是显而易见的。
本申请要求于2018年12月26日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2018-0169968的优先权，其公开内容通过引用合并于此。

Claims (13)

1.一种电池模块，所述电池模块包括：
电芯堆叠，所述电芯堆叠通过堆叠多个电池电芯而形成；
汇流条框架组件，所述汇流条框架组件具有汇流条框架和多个汇流条，所述汇流条框架被构造成覆盖所述电芯堆叠的一个纵向侧部和另一个纵向侧部，所述多个汇流条被固定在所述汇流条框架上并且电连接至所述电池电芯；
模块端子，所述模块端子具有引线连接部分和头部，所述引线连接部分固定在所述汇流条框架上并且电连接至所述电池电芯，所述头部连接至所述引线连接部分以在所述引线连接部分上方延伸；
端子螺母，所述端子螺母位于所述头部下方；以及
框架盖，所述框架盖具有螺母容纳部分和螺栓容纳部分，所述螺母容纳部分被构造成容纳所述端子螺母，所述螺栓容纳部分形成在所述螺母容纳部分下方以容纳穿过所述头部和所述端子螺母的螺栓，所述框架盖被构造成覆盖所述汇流条框架组件，使得所述头部暴露于外部，
其中，所述框架盖包括形成在所述螺栓容纳部分与所述汇流条框架组件之间的阻挡物，以防止在紧固所述螺栓和所述端子螺母时产生的异物进入所述汇流条框架组件。
2.根据权利要求1所述的电池模块，
其中，所述端子螺母是六角螺母。
3.根据权利要求1所述的电池模块，
其中，所述螺母容纳部分具有与所述端子螺母相对应的尺寸，并且所述螺母容纳部分的内壁与所述螺栓的侧表面接触以固定所述端子螺母，使得当所述螺栓旋转时，所述端子螺母不一起旋转。
4.根据权利要求1所述的电池模块，
其中，所述螺栓容纳部分具有形成在所述螺母容纳部分的底表面处的凹槽形状。
5.根据权利要求1所述的电池模块，所述电池模块还包括：
端板，所述端板被构造成覆盖所述框架盖。
6.根据权利要求5所述的电池模块，所述电池模块还包括：
加强框架，所述加强框架在与所述螺母容纳部分相对应的位置处插置在所述端板与所述框架盖之间。
7.根据权利要求1所述的电池模块，
其中，所述电池电芯包括：
电极组件；
一对电极引线，所述一对电极引线连接至所述电极组件，以沿着所述电池电芯的纵向方向在相反方向上延伸；以及
电芯壳体，所述电芯壳体被构造成容纳所述电极组件并且被密封，使得所述电极引线暴露于外部。
8.根据权利要求7所述的电池模块，
其中，所述一对电极引线形成在所述电芯堆叠的高度方向上从所述电芯堆叠的中部向下偏置的位置处。
9.根据权利要求8所述的电池模块，
其中，所述模块端子被设置在由于所述电极引线的偏置而形成在所述电极引线上方的空间中。
10.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述电池电芯是宽度与长度的比率为3以上且12以下的长电芯。
11.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述汇流条框架包括汇流条放置部分，所述汇流条放置部分形成在所述电芯堆叠的高度方向上从所述电芯堆叠的中部向下偏置的位置处。
12.一种电池组，所述电池组包括根据权利要求1至11中任一项所述的电池模块。
13.一种车辆，所述车辆包括根据权利要求1至11中任一项所述的电池模块。
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