JP2020507185A - バッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパック - Google Patents

バッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパック Download PDF

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Abstract

バッテリーモジュールが開示される。本発明の一実施例によるバッテリーモジュールは、複数のバッテリーセルが積層されるバッテリーセル積層体と、複数のバッテリーセルに各々備えられた電極リードが結合されたバスバーと、を含み、バスバーが電極リードを加圧してバスバーと電極リードとが電気的に接続されていることを特徴とする。

Description

本発明は、バッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックに関し、より詳しくは、電極リードを曲げることなくバスバーに結合させることができるバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックに関する。
本出願は、２０１７年９月２９日出願の韓国特許出願第１０−２０１７−０１２７４７５号に基づく優先権を主張し、当該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。
モバイル機器に関する技術開発及び需要が増加するにつれ、エネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加しつつあり、従来、二次電池としてニッケルカドミウム電池または水素イオン電池が用いられていたが、最近は、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ないため充電及び放電が自由であり、自己放電率が非常に低く、エネルギー密度が高いリチウム二次電池が広く用いられている。
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。
リチウム二次電池は、正極、負極及びこれらの間に介在されるセパレータ及び電解質からなり、正極活物質及び負極活物質に何を使用するかによって、リチウムイオン電池（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｙ，ＬＩＢ）、リチウムポリマー電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｙ，ＰＬＩＢ）などに分けられる。通常、これらのリチウム二次電池の電極は、アルミニウムまたは銅シート、メッシュ、フィルム、ホイルなどの集電体に、正極または負極活物質を塗布した後、乾燥することで形成される。
図１は、従来のバッテリーセルに備えられた電極リードとバスバーとが電気的に結合した様子を示した図である。図１を参照すれば、従来技術の場合、複数のバッテリーセル１０に各々備えられた電極リード２０を曲げてバスバー３０の面に接触させた後、溶接４０によって結合していたが、この場合、電極リード２０の曲げ形状を維持するために作業者による多数の手作業が要求され、金属材質の電極リード２０の弾性回復力によって電極リード２０とバスバー３０とが密着せず、また、複数の電極リード２０がバスバー３０の一箇所で重なった後に溶接４０されるので、最上部の電極リード２０に熱が集中して溶接性が劣るという問題点がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電極リードを曲げることなくバスバーに結合させることで電極リードとバスバーとの密着が可能なバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックを提供することを目的とする。
また、本発明は、溶接時に発生する熱が全ての電極リードに均一に分布されて溶接性が向上するバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックを提供することを他の目的とする。
また、電極リードを曲げるための手作業工程が省略されることにより、生産ラインの自動化比率が向上するバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックを提供することをさらに他の目的とする。
上記の課題を達成するため、本発明は、複数のバッテリーセルが積層されるバッテリーセル積層体と、前記複数のバッテリーセルに各々備えられた電極リードが結合されたバスバーと、を含み、前記バスバーが前記電極リードを加圧して前記バスバーと前記電極リードとが電気的に接続されていることを特徴とするバッテリーモジュールを提供する。
また、前記バスバーは、前記電極リードに電気的に接続されたベース部材と、前記ベース部材に回転可能に結合し、前記ベース部材との間に介在された前記電極リードを加圧する回転部材と、を含み得る。
そして、前記回転部材は、一対として設けられ、前記ベース部材の両側端部に各々結合され得る。
また、前記ベース部材は、横方向に形成される一対の横部材と、縦方向に形成され、前記一対の横部材を連結する縦部材と、を含み得る。
そして、前記横部材の横方向の長さが前記縦部材の横方向の長さよりも長く形成され、前記一対の横部材の各々の端部の間には空間が形成され、前記一対の回転部材が、前記空間に回転可能に配置され得る。
また、複数の電極リードが相互に結合した電極リード群が、前記ベース部材と前記回転部材との間に介在され得る。
そして、複数の電極リードは、超音波溶接によって結合されて前記電極リード群が形成され得る。
また、前記電極リードが介在された前記ベース部材と前記回転部材との間を溶接で結合し得る。
なお、本発明の他面によれば、前述のバッテリーモジュールを含むバッテリーパックを提供することができ、また、前記バッテリーモジュールを含む自動車を提供することができる。
本発明の実施例は、回転部材が電極リードを加圧することで電極リードとベース部材とが電気的に接続するため、電極リードを曲げることなくバスバーに結合して電極リードとバスバーとの密着が可能である効果を奏する。
また、電極リードが介在されたベース部材と回転部材との間を溶接するため、溶接時に発生する熱が全ての電極リードに均一に分布することで溶接性が向上する効果を奏する。
また、電極リードを曲げるための手作業工程が省略され、生産ラインの自動化比率が向上する効果を奏する。
従来のバッテリーセルに備えられた電極リードとバスバーとが電気的に結合した様子を示した図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールにおいて、回転部材が電極リードを加圧しないように回転された状態で電極リードとバスバーとが分離している様子を概略的に示した斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールにおいて、回転部材が電極リードを加圧しないように回転された状態で電極リードとバスバーとが結合している様子を示した側端面図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールにおいて、回転部材が電極リードを加圧するように回転された状態で電極リードとバスバーとが分離している様子を概略的に示した斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールにおいて、回転部材が電極リードを加圧するように回転された状態で電極リードとバスバーとが結合している様子を示した側端面図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールにおけるバスバーの正面図である。
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、本明細書及び請求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。
図面における各構成要素またはその構成要素をなす特定部分の大きさは、説明の便宜及び明確性のために誇張または省略されるか、概略的に示されることがある。したがって、各構成要素の大きさは、実際の大きさを完全に反映することではない。本発明に関連する公知の機能または構成についての具体的な説明が、本発明の要旨を不要にぼやかすと判断される場合、その説明を略する。
本明細書において使用される「結合」または「連結（接続）」という用語は、一つの部材と他の部材とが直接結合するか、または直接連結（接続）される場合のみならず、一つの部材が接続部材を介して他の部材に間接的に結合するか、または間接的に連結（接続）される場合も含む。
図２は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールにおいて、回転部材が電極リードを加圧しないように回転された状態で電極リードとバスバーとが分離している様子を概略的に示した斜視図であり、図３は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールにおいて、回転部材が電極リードを加圧しないように回転された状態で電極リードとバスバーとが結合している様子を示した側端面図であり、図４は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールにおいて、回転部材が電極リードを加圧するように回転された状態で電極リードとバスバーとが分離している様子を概略的に示した斜視図であり、図５は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールにおいて、回転部材が電極リードを加圧するように回転された状態で電極リードとバスバーとが結合している様子を示した側端面図であり、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おけるバスバーの正面図である。
図２〜図６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１０は、バッテリーセル積層体１００と、バスバー２００と、を含む。
バッテリーセル積層体１００は、複数のバッテリーセル１１０が積層されるように構成され得る（図２〜図５参照）。バッテリーセル１１０は、多様な構造を有し得、また、複数のバッテリーセル１１０は多様な方式で積層され得る。バッテリーセル１１０は、正極板／セパレーター／負極板の順に配列される単位セル（Ｕｎｉｔ Ｃｅｌｌ）、または、正極板／セパレーター／負極板／セパレーター／正極板／セパレーター／負極板の順に配列されたバイセル（Ｂｉ−Ｃｅｌｌ）を電池容量に合わせて複数個を積層した構造を有し得る。
バッテリーセル１１０には、電極リード１１１が備えら得る。電極リード１１１は、外部へ露出して外部機器に連結される一種の端子であって、伝導性材質であり得る。電極リード１１１は、正極電極リード及び負極電極リードを含み得る。正極電極リード及び負極電極リードは、バッテリーセル１１０の長手方向において相互逆方向に配置してもよく、または、正極電極リードと負極電極リードとがバッテリーセル１１０の長手方向において相互同じ方向に位置してもよい。
バッテリーセル積層体１００には、バッテリーセル１１０を収納する複数のカートリッジ（図示せず）が備えられ得る。各々のカートリッジ（図示せず）は、プラスチックの射出成形によって製造可能であり、バッテリーセル１１０を収納できる収納部が形成された複数のカートリッジ（図示せず）が積層され得る。複数のカートリッジ（図示せず）が積層されたカートリッジ組立体には、コネクター要素または端子要素が備えられ得る。コネクター要素は、例えば、バッテリーセル１１０の電圧または温度関連データを提供するＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ，図示せず）などに接続するための多様な形態の電気的接続部品または接続部材が含まれ得る。そして、端子要素は、バッテリーセル１１０に接続するメイン端子であって、正極端子及び負極端子を含み、端子要素は、ターミナルボルトが備えられて外部と電気的に接続し得る。なお、バッテリーセル１１０は、多様な形状を有し得る。
バスバー２００は、複数のバッテリーセル１１０に各々備えられた電極リード１１１に結合する。ここで、バスバー２００は電極リード１１１を加圧し、これによってバスバー２００と電極リード１１１とが電気的に接続する。電気的接続には直列または並列が含まれる。
バスバー２００は、ベース部材２１０及び回転部材２２０を含み得る。以下、ベース部材２１０及び回転部材２２０について説明する。
ベース部材２１０は、電極リード１１１に電気的に接続し（図３及び図５参照）、後述する回転部材２２０が結合し得る。ベース部材２１０は、多様な材質と形状に形成できる。ベース部材２１０は、電極リード１１１に電気的に接続できるように導電性材質であり得る。図６を参照すれば、ベース部材２１０には、例えば、横方向に形成されて上側と下側に相互離隔して配置される一対の横部材２１１ａ、２１１ｂが備えら得る。そして、ベース部材２１０には、例えば、縦方向に形成される縦部材２１２が備えられ得る。ここで、縦部材２１２は、相互離隔して配置された一対の横部材２１１ａ、２１１ｂの中心部を連結するように設けられ得る。そして、図６に示したように、ベース部材２１０は、横部材２１１の横方向の長さＬ１が縦部材２１２の横方向の長さＬ２よりも長く形成され得る。例えば、ベース部材２１０は、略「工」字状に形成され得る。そして、ベース部材２１０がこのような形状を有すれば、相互離隔して配置された一対の横部材２１１ａ、２１１ｂの各々の両側端部の間には空間２１３が形成され得る。そして、後述する一対の回転部材２２０ａ、２２０ｂは、前記空間２１３、即ち、一対の横部材２１１ａ、２１１ｂの各々の端部の間に形成された空間２１３に回転可能に配置され得る。
回転部材２２０は、ベース部材２１０に回転可能に結合し（図２及び図４参照）、回転部材２２０とベース部材２１０との間に介在された電極リード１１１を加圧する。回転部材２２０は一対が設けられ得、一対の回転部材２２０ａ、２２０ｂは、ベース部材２１０の両側端部、即ち、前述のベース部材２１０の一対の横部材２１１ａ、２１１ｂの各々の両側端部の間に形成された空間２１３に各々結合し得る。回転部材２２０は、一対の横部材２１１ａ、２１１ｂに各々結合する回転軸２３０に回転可能に結合し得る。図２及び図３を参照すれば、回転部材２２０は、電極リード１１１を加圧しない位置に存在する。ここで、電極リード１１１がベース部材２１０と回転部材２２０との間に形成された空間に挿入される。そして、図４及び図５を参照すれば、回転部材２２０は、回転して電極リード１１１を加圧する位置に存在する。ここで、回転部材２２０の加圧によって電極リード１１１がベース部材２１０に接触して電気的接続状態が維持される。
一方、複数の電極リード１１１は、図２〜図５を参照すれば、各々の電極リード１１１が相互結合した電極リード群１１２をなし、ベース部材２１０と回転部材２２０との間に介在され得る。即ち、複数の電極リード１１１が相互結合せず離れている状態でベース部材２１０と回転部材２２０との間に介在された後、回転部材２２０が回転して電極リード１１１を加圧しても、電極リード１１１同士の接触が円滑でないことがあり、この場合、電極リード１１１とバスバー２００との電気的接続に問題があり得る。そこで、複数の電極リード１１１をベース部材２１０と回転部材２２０との間に介する前、予め複数の電極リード１１１を相互結合して電極リード群１１２を形成し、このように形成された電極リード群１１２をベース部材２１０と回転部材２２０との間に介し、回転部材２２０の回転によって電極リード群１１２をベース部材２１０側へ加圧する。このために複数の電極リード１１１は、超音波溶接によって結合して電極リード群１１２を形成し得る。但し、必ずしも超音波溶接に限定されるのではなく、複数の電極リード１１１を結合できれば多様な方式が採用され得る。また、電極リード１１１とバスバー２００との電気的接続に問題がなければ、電極リード群１１２を形成せず、複数の電極リード１１１が相互結合しない状態でベース部材２１０と回転部材２２０との間に介在され得る。
そして、電極リード１１１、例えば、電極リード群１１２がベース部材２１０と回転部材２２０との間に介在されれば、ベース部材２１０と回転部材２２０との間を溶接、例えば、レーザー溶接３００(図５参照）で結合する。即ち、電極リード１１１は、超音波溶接などによって予め結合し、超音波溶接などによって電極リード１１１が結合して形成された電極リード群１１２は、ベース部材２１０と回転部材２２０との間に介在されてレーザー溶接３００などによってベース部材２１０及び回転部材２２０に結合する。これによって、電極リード１１１は、バスバー２００と電気的に接続する。
以下、図面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１０の作用及び効果について説明する。
図２〜図６を参照すれば、バスバー２００は、ベース部材２１０と、ベース部材２１０に回転可能に結合する回転部材２２０と、を備える。回転部材２２０は、ベース部材２１０に結合した回転軸２３０に結合して回転し、電極リード１１１がベース部材２１０と回転部材２２０との間に介在されれば、回転部材２２０が回転して電極リード１１１をベース部材２１０側へ加圧する。ここで、電極リード１１１は、例えば、超音波溶接などによって予め結合して電極リード群１１２を形成し、電極リード群１１２がベース部材２１０と回転部材２２０との間に介在され、回転部材２２０が回転して加圧すれば、電極リード群１１２がベース部材２１０側へ加圧されて接触し、ここで、ベース部材２１０と回転部材２２０との間を、例えば、レーザー溶接３００で結合して電極リード群１１２とバスバー２００とを電気的に結合する。
このような方式によれば、従来技術とは異なり、電極リード１１１を曲げることなくバスバー２００に結合するため、電極リード１１１がバスバー２００に密着可能である。そして、図５のように、例えば、レーザー溶接３００時に発生する熱がいずれか一つの電極リード１１１に集中せず、全ての電極リード１１１に均一に分布するので、溶接性が向上する。
一方、本発明の一実施例によるバッテリーパック（図示せず）は、前述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１０を一つ以上含み得る。また、前記バッテリーパック（図示せず）は、バッテリーモジュール１０に加え、このようなバッテリーモジュール１０を収納するためのケース、バッテリーモジュール１０の充放電を制御するための各種装置、例えば、ＢＭＳ、電流センサー、ヒューズなどをさらに含み得る。
一方、本発明の一実施例による自動車（図示せず）は、前述のバッテリーモジュール１０、またはバッテリーパック（図示せず）を含み得、前記バッテリーパック（図示せず）には、前記バッテリーモジュール１０が含まれ得る。そして、本発明の一実施例によるバッテリーモジュール１０は、前記自動車（図示せず）、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車のような電気を使用するように設けられる所定の自動車（図示せず）に適用することができる。
以上のように、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における通常の知識を持つ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。
本発明は、バッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックに関し、特に、二次電池関連産業に利用可能である。
１０ バッテリーモジュール
１００ バッテリーセル積層体
１１０ バッテリーセル
１１１ 電極リード
１１２ 電極リード群
２００ バスバー
２１０ ベース部材
２１１ 横部材
２１１ａ 横部材
２１１ｂ 横部材
２１２ 縦部材
２１３ 空間
２２０ 回転部材
２２０ａ 回転部材
２２０ｂ 回転部材
２３０ 回転軸
３００ レーザー溶接

Claims (10)

  1. 複数のバッテリーセルが積層されるバッテリーセル積層体と、
    前記複数のバッテリーセルに各々備えられた電極リードが結合されたバスバーと、
    を含み、
    前記バスバーが前記電極リードを加圧することで前記バスバーと前記電極リードとが電気的に接続されていることを特徴とするバッテリーモジュール。
  2. 前記バスバーは、
    前記電極リードに電気的に接続されたベース部材と、
    前記ベース部材に回転可能に結合し、前記ベース部材との間に介在された前記電極リードを加圧する回転部材と、
    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. 前記回転部材は、一対として設けられ、前記ベース部材の両側端部に各々結合されてい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. 前記ベース部材は、
    横方向に形成される一対の横部材と、
    縦方向に形成され、前記一対の横部材を連結する縦部材と、
    を含むことを特徴とする、請求項２又は３に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記横部材の横方向の長さが前記縦部材の横方向の長さよりも長く形成され、前記一対の横部材の各々の端部の間には空間が形成され、
    前記一対の回転部材が、前記空間に回転可能に配置され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. 複数の電極リードが相互に結合した電極リード群が、前記ベース部材と前記回転部材との間に介在されることを特徴とする、請求項２から５のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  7. 複数の電極リードが、超音波溶接によって結合されて前記電極リード群が形成されてい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. 前記電極リードが介在された前記ベース部材と前記回転部材との間を溶接で結合することを特徴とする、請求項２から７のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の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８の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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