JP2019530186A - バッテリーモジュール、これを含むバッテリーパック及び自動車 - Google Patents

バッテリーモジュール、これを含むバッテリーパック及び自動車 Download PDF

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Abstract

本発明の一実施例によるバッテリーモジュールは、第１バッテリーセル及び第２バッテリーセルを含むセル積層体と、前記セル積層体と接続し、第１極性を有する第１バスバーと、前記セル積層体と接続し、前記第１極性と反対の第２極性を有する第２バスバーと、前記第１バッテリーセル及び前記第２バッテリーセルの体積増加による膨張力を受け、前記第１バスバー及び前記第２バスバーに向けて移動して前記第１バスバーと前記第２バスバーとを電気的に接続させて短絡を発生させる短絡部と、前記第１バスバー、前記第２バスバー及び前記短絡部の少なくとも一部を収容または支持するカートリッジと、を含む。

Description

本発明は、バッテリーモジュール、これを含むバッテリーパック及び自動車に関し、より詳しくは、バッテリーモジュールの過充電を防止して安全性が向上したバッテリーモジュール、これを含むバッテリーパック及び自動車に関する。
本出願は、２０１７年７月６日出願の韓国特許出願第１０−２０１７−００８５９９３号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
最近、ノートブックＰＣ、ビデオカメラ、携帯電話などのような携帯用電子製品の需要が急増し、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化するにつれ、反復的な充放電の可能な高性能二次電池についての研究が活発に進行しつつある。
現在、商用化し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り、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ー効果がほとんど起こらず、充放電が自由で、自己放電率が非常に低くてエネルギー密度が高いという長所から脚光を浴びている。
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各々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及び負極活物質が各々塗布された正極板及び負極板がセパレーターを挟んで配置された電極組立体と、電極組立体を電解液とともに封止して収納する外装材、即ち、電池ケースと、を備える。
通常、リチウム二次電池は、外装材の形状によって、電極組立体が金属缶に収納されている缶型の二次電池と、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収納されているパウチ型の二次電池に分けられる。
最近は、携帯型電子機器のような小型装置のみならず、自動車や電力貯蔵装置のような中・大型装置にも二次電池が広く用いられている。特に、炭素エネルギーが次第に枯渇され、環境についての関心が高まるにつれ、米国、欧州、日本、韓国を含めて全世界的にハイブリッド自動車と電気自動車についての関心が集中されている。このようなハイブリッド自動車や電気自動車において、最も核心的な部品は、車両モーターに駆動力を提供する二次電池パックである。ハイブリッド自動車や電気自動車は、二次電池パックの充放電によって車の駆動力が得られるため、エンジンのみを用いる自動車に比べて燃費にすぐれており、公害物質を排出しないか、減少させることができるなど、多くの面で長所を有することから使用者が次第に増加する実情である。そして、このようなハイブリッド自動車や電気自動車の二次電池パックには複数の二次電池が含まれ、このような複数の二次電池は、相互直列及び並列で接続することで容量及び出力を向上させる。
このような二次電池は、優れた電気的特性を有しているが、過充電、過放電、高温への露出、電気的短絡などの非正常の作動状態で電池の構成要素である活物質、電解質などの分解反応が誘発されて熱とガスが発生し、これによって二次電池が膨張する、いわゆるスウェリング現象が起こるという問題点がある。スウェリング現象は、このような分解反応を加速化して熱爆走現象による二次電池の爆発及び発火をもたらすこともある。
したがって、二次電池には、過充電、過放電、過電流時、電流を遮断する保護回路、温度上昇時に抵抗が大きく増加して電流を遮断するＰＴＣ素子（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｅｌｅｍｅｎｔ）、ガス発生による圧力上昇時に電流を遮断するか、またはガスを排気する安全ベントなどの安全システムが備えられている。
特に、従来にはスウェリング現象が発生しても電池パックの安全性を保障するために、二次電池の体積が膨張すれば、物理的変化によって断電する電気的接続部材に関わる研究が行われていた。
但し、このような電気的接続部材を用いるとしても二次電池が一定の体積以上に膨張するとき、断電を確実に担保にしにくいという問題点ある。
また、二次電池は、非正常の作動状態ではなく正常の作動状態時にも一定の膨張と収縮とを繰り返すことから、正常範囲内における膨張時にも断電する恐れがあり、作動信頼性に問題点がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、過充電の発生時、バッテリーセルの体積増加による膨張力を受け、相異なる極性を有する第１バスバーと第２バスバーとが電気的に接続して短絡を発生させることで、一対のバスバーの少なくともいずれか一つに形成された破断部が破断して充電を中断する方式でバッテリーモジュールの過充電を防止することができるバッテリーモジュール、これを含むバッテリーパック及び自動車を提供することを目的とする。
本発明の目的は上述の目的に制限されず、本発明の他の目的及び長所は、下記する説明によって理解でき、本発明の実施例によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
上記の課題を達成するため、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールは、第１バッテリーセル及び第２バッテリーセルを含むセル積層体と、前記セル積層体と接続し、第１極性を有する第１バスバーと、前記セル積層体と接続し、前記第１極性と反対の第２極性を有する第２バスバーと、前記第１バッテリーセル及び前記第２バッテリーセルの体積増加による膨張力を受け、前記第１バスバー及び前記第２バスバーに向けて移動して前記第１バスバーと前記第２バスバーとを電気的に接続させて短絡を発生させる短絡部と、前記第１バスバー、前記第２バスバー及び前記短絡部の少なくとも一部を収容または支持するカートリッジと、を含む。
前記短絡部は、一端が前記カートリッジの内側に支持され、前記バスバーから離れる方向へ圧縮されて弾性エネルギーを貯蔵する弾性部材と、前記弾性部材の復元によって前記バスバーに向ける方向へ移動し、前記第１バスバーと前記第２バスバーとを電気的に接続させる短絡端子と、を含み得る。
前記短絡端子は、前記スライドバーの一側端部に備えられ、導電性材質からなり得る。
前記スライドバーの他側端部には、前記カートリッジに係合することによって前記弾性部材が圧縮された状態を維持させることで、前記スライドバーが前記第１バスバー及び前記第２バスバーから離隔した状態を維持可能にする係止部が備えられ得る。
前記係止部は、前記バッテリーセルのスウェリングによる膨張力を受けて係止状態が解除され、これによって前記スライドバーが前記第１バスバー及び前記第２バスバーに向けて移動され得る。
前記カートリッジは、内側に前記短絡部の外形に対応する形状の収容空間が形成され、前記短絡部を内側に収容し得る。
前記収容空間は、前記弾性部材の復元状態による前記短絡部のサイズ及び形状に対応するように形成され得る。
前記第１バスバー及び前記第２バスバーの少なくともいずれか一つは、前記短絡が発生する場合、破断して短絡電流を遮断する破断部を備え得る。
なお、本発明の一実施例によるバッテリーパックは、前記バッテリーモジュールを含み得、本発明による自動車は、このような本発明の一実施例によるバッテリーモジュールを含み得る。
本発明によれば、過充電の発生時にバッテリーセルの体積増加による膨張力を受け、相異なる極性を有する第１バスバーと第２バスバーとが電気的に接続して短絡が発生するようにすることで、一対のバスバーの少なくともいずれか一つに形成された破断部が破断して充電を中断させる方式でバッテリーモジュールの過充電を防止することができ、これによってバッテリーモジュールの安全性を向上させることができる。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
本発明の一実施例によるバッテリーモジュールを示す全体斜視図である。 本発明に適用されるセル積層体を示す斜視図である。 本発明に適用されるカートリッジ及び短絡部を示す分解斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールを示す部分平面図であって、スウェリングの発生前の状態を示す図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールを示す部分平面図であって、スウェリングの発生後の状態を示す図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールに適用されるバスバーの形態を示す斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの短絡発生前の状態を示す回路図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの短絡発生後の状態を示す回路図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールに発生した短絡によってバスバーが破断した状態を示す回路図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
先ず、図１〜図３を参照して、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの構成を説明する。
図１は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールを示す全体斜視図であり、図２は、本発明に適用されるセル積層体を示す斜視図であり、図３は、本発明に適用されるカートリッジ及び短絡部を示す分解斜視図である。
図１〜図３を参照すれば、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールは、セル積層体１００、一対のエンドプレート２００、カートリッジ３００、短絡部４００及びバスバー５００を含むように具現され得る。
図２を参照すれば、前記セル積層体１００は、少なくとも二つ以上のバッテリーセル１１０を含むものであって、複数のバッテリーセル１１０が、広い面が相互対向するように積層された形態を有する。
前記バッテリーセル１１０は、パウチ型のセルであって、正極板／セパレーター／負極板が少なくとも１回以上積層されて形成された電極組立体をパウチフィルムからなるパウチケース内に収容し、上下パウチケースが当接する周縁領域を熱溶着して封止した形態を有し得る。
ここで、前記電極組立体を構成する正極板及び負極板各々の端部における非コーティング部には、一対の電極リード１１１、１１２が接続し、パウチケースの封止領域を通して外部へ引き出される。
前記一対の電極リード１１１、１１２は、相異なる極性を有するようになり、このような一対の電極リード１１１、１１２は、相互反対方向へ延び得る。前記セル積層体１００を構成するバッテリーセル１１０は、相互隣接する電極リードが相互反対の極性を有するように配置され得、この場合、各々のバッテリーセル１１０は、相互直列接続し得る。
このように、前記セル積層体１００を構成するバッテリーセル１１０が相互直列に接続する場合、セル積層体１００の最外郭に配置される一対のバッテリーセル１１０各々は、同一の方向へ延びた相異なる極性を有する電極リード１１１、１１２を備える。
即ち、前記セル積層体１００の一側の最外郭に配置されたバッテリーセル１１０に備えられ、カートリッジ３００に向けて延びた電極リード１１１と、他側の最外郭に配置されたバッテリーセル１１０に備えられ、カートリッジ３００に向けて延びた電極リード１１２とは、相異なる極性を有する。
また、前記最外郭に配置される一対のバッテリーセル１１０の間に配置されるバッテリーセル１１０がさらに存在する場合、バッテリーセル１１０の接続関係が直列になるように、相互隣接するバッテリーセル１１０各々に備えられた相異なる極性を有する電極リード１１１、１１２同士が接触して一つのリード集合体１１３をなし得る。
前記電極リード１１１、１１２とリード集合体１１３は、後述のカートリッジ３００に形成された収容溝に各々挿入されて固定され、これについての詳細は後述する。
次に、図１を参照すれば、前記一対のエンドプレート２００は、セル積層体１００の両側に配置され、最外郭に配置されたバッテリーセル１１０の広い面を覆う。このような一対のエンドプレート２００各々は、周り領域に複数個が形成された締結孔Ｈによって相互締結されることでセル積層体１００を固定及び加圧できる。
図示していないが、前記締結孔Ｈによる一対のエンドプレート２００の締結は、ボルト組立構造やボルト／ナット組立構造など、公知の締結構造を多様に適用可能である。
このように、前記一対のエンドプレート２００の適用によってセル積層体１００は、バッテリーセル１１０のスウェリングが発生しても積層方向と平行な方向への動きが制限されるため、バッテリーセル１１０のスウェリングが発生してもバッテリーセル１１０の積層方向に沿ってはバッテリーセル１１０の体積膨張がほとんど起こらず、主に前記積層方向と垂直した方向に沿ってバッテリーセル１１０が膨張するようになる。
次に、図３を参照すれば、前記カートリッジ３００は、セル積層体１００の一側に位置し、セル積層体１００に備えられた電極リード１１１、１１２及びリード集合体１１３が延びた方向に位置し、その一側が一つのエンドプレート２００に固定され、その他側は他のエンドプレート２００に固定され得る。前記カートリッジ３００とエンドプレート２００との固定は、ボルトＢを用いて行われ得る。
前記カートリッジ３００は、後述する短絡部４００の形態に対応する形状を有する収容空間３１０を備え、短絡部４００の係止部４４０が係合可能に形成された支持部３２０を備える。また、前記カートリッジ３００は、バスバー５１０、５２０、リード集合体１１３及び電極リード１１１、１１２が各々挿入固定される第１収容溝３３０、第２収容溝３４０及び第３収容溝３５０を備える。
次は、図３と共に図４及び図５を参照して本発明に適用される短絡部４００について具体的に説明する。
図４は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールを示す部分平面図であり、図５は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールを示す部分平面図であり、スウェリング発生後の状態を示す図である。
図３〜図５を参照すれば、前記短絡部４００は、スウェリングの発生によるバッテリーセル１１０の膨張力を用いて第１バスバー５１０と第２バスバー５２０とが電気的に接続するようにして短絡を発生させる構成要素である。
このような短絡部４００は、スライドバー４１０、弾性部材４２０、短絡端子４３０及び一対の係止部４４０を含むように具現され得る。
前記スライドバー４１０は、カートリッジ３００の収容空間３１０内に配置され、スウェリングによる膨張力が短絡部４００に印加されたときにバッテリーセル１１０からバスバー５１０、５２０に向けて移動する。
前記スライドバー４１０は、バネなどの弾性部材４２０が圧縮されてから復元するときの力によってバスバー５１０、５２０に向けて移動する。前記スライドバー４１０が移動したとき、一対のバスバー５１０、５２０が電気的に接続するようにスライド短絡部４００は、スライドバー４１０の一側端部に形成される伝導性材質の短絡端子４３０を備える。
また、前記短絡部４００は、弾性部材４２０が圧縮された状態を維持できるようにスライドバー４１０の一側端部に形成される係止部４４０を備え、このような係止部４４０は、例えば、かぎ形状を有し、カートリッジ３００の支持部３２０に係合され得る。
このように、前記短絡部４００は、スウェリングが発生していない状況では、係止部４４０が支持部３２０に係合した状態を維持し、これによって弾性部材４２０は圧縮された状態で弾性エネルギーを貯蔵する。
一方、前記短絡部４００は、バッテリーセル１１０にスウェリングが発生してバッテリーセル１１０の膨張力が係止部４４０に印加されれば、係止部４４０と支持部３２０との係合状態が解除され、弾性部材４２０の復元力によってスライドバー４１０がバスバー５１０、５２０に向けて移動し、相異なる極性を有する一対のバスバー５１０、５２０を電気的に接続させて短絡を発生させるように構成される。
次は、図３〜図５と共に、図６を参照して本発明に適用されるバスバー５００の構造について具体的に説明する。
図６は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールに適用されるバスバーの形態を示す斜視図である。
図６を参照すれば、本発明に適用されるバスバー５１０、５２０は、カートリッジ３００に形成された第１収容溝３３０内に収容及び固定され、その一側端部は、カートリッジ３００の第３収容溝３５０内でセル積層体１００の最外側に配置されたバッテリーセル１１０の電極リード１１１、１１２と接触する。
即ち、一対のバスバー５１０、５２０は、セル積層体１００と電気的に接続して各々第１極性及び第１極性と反対の第２極性を有するようになり、バッテリーモジュールの外部端子として機能できる。したがって、前記一対のバスバー５１０、５２０は、各々充電装置や電気エネルギーで駆動される電子機器のような外部器機の正極及び負極に各々接続し、充電電流の供給を受けるか、充電電流を供給することができる。
一方、このような本願発明の一対のバスバー５１０、５２０の少なくともいずれか一つは、短絡による過電流の発生時、迅速に破断されて電流の流れを完全に遮断できるように破断部５１１、５２１を備え得る。
前記破断部５１１、５１２は、図６に示したように、切り欠きの形成によって周辺領域に比べて断面積がより小さい形態を有し得る。但し、前記破断部５１１、５１２としては、このような切り欠きの形態の他にも、周辺領域に比べて融点がより低い金属が適用された形態など、ヒューズの機能を果たすものであれば、制限なく適用することができる。
次は、図７〜図９を参照して、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールに過充電などによるスウェリング現象が発生する前と後の回路構成について説明する。
図７は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールに短絡が発生する前の状態を示す回路図であり、図８は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールに短絡が発生した後の状態を示す回路図であり、図９は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールに発生した短絡によってバスバーが破断した状態を示す回路図である。
先ず、図７を参照すれば、本発明によるバッテリーモジュールに過充電などによるスウェリングが発生していない場合には、バッテリーセル１１０の体積が増加しないため、回路に短絡が発生しない。
しかし、図８に示したように、本発明によるバッテリーモジュールに過充電などによるスウェリングが発生する場合、短絡部４００は、バッテリーセル１１０の膨張力を受けて第１バスバー５１０と第２バスバー５２０とが電気的に接続するようにし、これによって回路に短絡を発生させることができ、回路には非正常の高電流が流れるようにすることができる。
その後、高電流による熱の発生によって少なくとも一つのバスバーに形成された破断部５１１、５２１が破断することで、外部電圧源からバッテリーモジュールへ供給される電流またはバッテリーモジュールから外部の電子機器へ供給される電流の流れが遮断され、バッテリーモジュールの発火及び爆発などを予め遮断することができる。
一方、本発明によるバッテリーパックは、上述のバッテリーモジュールを一つ以上含む。また、前記バッテリーパックには、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールに加え、このようなバッテリーモジュールを収納するためのケース、バッテリーモジュールの充放電を制御するための各種装置、例えば、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、電流センサー、ヒューズなどをさらに含み得る。
特に、本発明の一実施例によるバッテリーパックは、バッテリーパックを構成するバッテリーモジュールごとに、第１バスバー、第２バスバー、短絡部及びカートリッジを備え、バッテリーセルの非正常の膨張時、第１バスバーを破断させて外部電圧源から供給される電力を遮断することで、過充電防止をバッテリーモジュールごとに行うことができる。
本発明によるバッテリーモジュールは、電気自動車やハイブリッド自動車のような自動車に適用可能である。即ち、本発明による自動車は、本発明によるバッテリーモジュールを含むことができる。
以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
１００ セル積層体
１１０ バッテリーセル
１１１ 電極リード
１１２ 電極リード
１１３ リード集合体
２００ エンドプレート
３００ カートリッジ
３１０ 収容空間
３２０ 支持部
３３０ 第１収容溝
３４０ 第２収容溝
３５０ 第３収容溝
４００ スライド短絡部
４１０ スライドバー
４２０ 弾性部材
４３０ 短絡端子
４４０ 係止部
５００ バスバー
５１０ 第１バスバー
５１１ 破断部
５１２ 破断部
５２０ 第２バスバー
５２１ 破断部
Ｂ ボルト
Ｈ 締結孔

Claims (10)

  1. 第１バッテリーセル及び第２バッテリーセルを含むセル積層体と、
    前記セル積層体と接続し、第１極性を有する第１バスバーと、
    前記セル積層体と接続し、前記第１極性と反対の第２極性を有する第２バスバーと、
    前記第１バッテリーセル及び前記第２バッテリーセルの体積増加による膨張力を受け、前記第１バスバー及び前記第２バスバーに向けて移動して前記第１バスバーと前記第２バスバーとを電気的に接続させて短絡を発生させる短絡部と、
    前記第１バスバー、前記第２バスバー及び前記短絡部の少なくとも一部を収容または支持するカートリッジと、を含む、バッテリーモジュール。
  2. 前記短絡部が、
    一端が前記カートリッジの内側に支持され、前記バスバーから離れる方向へ圧縮されて弾性エネルギーを貯蔵する弾性部材と、
    前記弾性部材の復元によって前記バスバーに向ける方向へ移動し、前記第１バスバーと前記第２バスバーとを電気的に接続させる短絡端子と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記短絡端子が、
    前記スライドバーの一側端部に備えられ、導電性材質であることを特徴とする、請求項２に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記スライドバーの他側端部には、前記カートリッジに係合することによって前記弾性部材が圧縮された状態を維持させることで、前記スライドバーが前記第１バスバー及び前記第２バスバーから離隔した状態を維持可能にする係止部が備えられることを特徴とする、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記係止部は、前記バッテリーセルのスウェリングによる膨張力を受けて係止状態が解除され、これによって前記スライドバーが前記第１バスバー及び前記第２バスバーに向けて移動するようにすることを特徴とする、請求項４に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記カートリッジは、
    内側に前記短絡部の外形に対応する形状の収容空間が形成され、前記短絡部を内側に収容することを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記収容空間が、
    前記弾性部材の復元状態による前記短絡部のサイズ及び形状に対応するように形成されることを特徴とする、請求項６に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記第１バスバー及び前記第２バスバーの少なくともいずれか一つは、前記短絡が発生する場合、破断して短絡電流を遮断する破断部を備えることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  9. 請求項１から請求項８のうちいずれか一項によるバッテリーモジュールを含む、バッテリーパック。
  10. 請求項１から請求項８のうちいずれか一項に記載のバッテリーモジュールを含む、自動車。
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