JP2021524136A - 安全性が改善されたバッテリーモジュール、該バッテリーモジュールを含むバッテリーパック、及び該バッテリーパックを含む自動車 - Google Patents

安全性が改善されたバッテリーモジュール、該バッテリーモジュールを含むバッテリーパック、及び該バッテリーパックを含む自動車 Download PDF

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Abstract

温度上昇時に電流を遮断できることで、安全性が向上したバッテリーモジュール、該バッテリーモジュールを含むバッテリーパック、及び該バッテリーパックを含む自動車を提供する。本発明によるバッテリーモジュールは、長さと幅に比べて薄い厚さを有する略板状であり、長手方向に沿った左側面と右側面にそれぞれ線状の溝が設けられたバスバーと、前記バスバーの左側面と右側面にそれぞれ位置して前記溝にそれぞれの電極リードが嵌められて物理的に接触することで、前記バスバーを介して互いに電気的に接続されているバッテリーセルとを含み、前記溝は、一定温度以上で厚さ方向の大きさが増加して前記電極リードと前記バスバーとの間の物理的接触が解除されることで、前記バッテリーセル同士の電気的接続を解除することを特徴とする。

Description

本発明は、バッテリーモジュールに関し、より詳しくは、温度上昇時に電流の流れを遮断可能にしたバッテリーモジュールに関する。また、本発明は、このようなバッテリーモジュールを含むバッテリーパック、及び該バッテリーパックを含む自動車に関する。
本出願は、２０１８年１１月３０日出願の韓国特許出願第１０−２０１８−０１５２７８６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、すべて本出願に組み込まれる。
現在、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の二次電池が商用化している。中でもリチウム二次電池は、ニッケル系列の二次電池に比べてメモリ効果が殆ど起きず充放電が自在であり、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、正極活物質が正極集電体にコーティングされた正極板と、負極活物質が負極集電体にコーティングされた負極板とが、分離膜を介して配置された構造を有する単位セルを集合させた電極組立体、及び該電極組立体を電解液とともに密封収納する外装材、すなわち電池ケースを備える。リチウム二次電池は、電池ケースの形状によって、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からなるパウチに収納されているパウチ型二次電池とに分けられる。
近年、携帯型電子機器のような小型装置だけでなく、自動車や電力貯蔵装置（ＥＳＳ）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。このような中大型装置に用いられる場合、容量及び出力を高めるため、多数の二次電池が電気的に接続されてバッテリーモジュールやバッテリーパックを構成する。特に、このような中大型装置には積層が容易であって軽量であるというなどの長所からパウチ型二次電池が多く用いられる。パウチ型二次電池は、電極リードが接続された電極組立体がパウチケースに電解液とともに収納されて密封された構造を有する。電極リードの一部はパウチケースの外部に露出し、露出した電極リードは二次電池が装着される装置に電気的に接続されるか又は二次電池相互間を電気的に接続するのに使用される。
図１は、パウチ型バッテリーセル同士を連結して製造したバッテリーモジュールの一部を示している。例えば、２つのパウチ型バッテリーセルを直列で連結した状態を示した図である。
図１に示されたように、パウチ型バッテリーセル１０、１０’は、パウチケース３０の外部に引き出された２つの電極リード４０、４０’を備える。電極リード４０、４０’は、電気的極性によって正極（＋）リードと負極（−）リードとに区分され、パウチケース３０内に密封されている電極組立体２０に電気的に接続されている。すなわち、正極リードは電極組立体２０の正極板に、負極リードは電極組立体２０の負極板に電気的に接続されている。
バッテリーモジュール１内でバッテリーセル１０、１０’同士は様々な方式で連結されるが、図１は電極リード４０、４０’を折り曲げた後、バスバー５０上においてレーザー溶接で溶接処理することで、バッテリーセル１０の電極リード４０とバッテリーセル１０に隣接した他のバッテリーセル１０’の電極リード４０’との間を連結する方式を示している。
一方、リチウム二次電池は過熱されると、爆発するおそれがある。特に、電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ：Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ：Ｐｌｕｇ−ｉｎ ＨＥＶ）などを含む電気車両に適用するため、多数の高容量二次電池バッテリーセルを連結して使用するバッテリーモジュールやバッテリーパックでは、爆発時に非常に大きい事故につながり得ることから、安全性を確保することが主な課題のうち１つである。
リチウム二次電池の温度が急激に上昇する代表的な原因は、短絡電流が流れる場合である。短絡電流は、二次電池と連結された電子機器などで短絡が起きたとき主に発生し、リチウム二次電池に短絡が生じれば正極及び負極で急激な電気化学反応が起きて熱が発生するようになる。このように発生した熱によってバッテリーセルの温度が急激に上昇し、結局発火を引き起こす。特に、複数のバッテリーセルを含んでいるバッテリーモジュール又はバッテリーパックの場合は、いずれか１つのバッテリーセルで発生した熱が周囲のバッテリーセルに伝達され、他のバッテリーセルに影響を及ぼすため、さらに大きい危険になる。
二次電池内部の温度が上昇すれば電流を遮断して爆発を防止できる従来の手段として、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子、ヒューズなどが提案されている。しかし、これらはバッテリーモジュールやバッテリーパック内で別途の取り付け空間を必要とするという問題がある。
バッテリーモジュール又はバッテリーパックの爆発はそれが採用された電子機器または自動車などの破損をもたらすだけでなく、ユーザの安全を脅かし火災につながり得るため、安全性を確保することは非常に重要である。二次電池が過熱されれば爆発及び／または発火の危険が高まり、過熱による急激な燃焼や爆発は人命及び財産上の被害につながり得る。そこで、二次電池の使用上の安全性を十分に確保できる手段が求められている。
本発明は、温度上昇時に電流を遮断できることで、安全性が向上したバッテリーモジュール、該バッテリーモジュールを含むバッテリーパック、及び該バッテリーパックを含む自動車を提供することを目的とする。
本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解でき、本発明の実施形態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。
上記の目的を達成するため、本発明によるバッテリーモジュールは、長さと幅に比べて薄い厚さを有する略板状であり、長手方向に沿った左側面と右側面にそれぞれ線状の溝が設けられたバスバーと、前記バスバーの左側面と右側面にそれぞれ位置して前記溝にそれぞれの電極リードが嵌められて物理的に接触することで、前記バスバーを介して互いに電気的に接続されているバッテリーセルとを含み、前記溝は、一定温度以上で厚さ方向の大きさが増加して前記電極リードと前記バスバーとの間の物理的接触が解除されることで、前記バッテリーセル同士の電気的接続を解除することを特徴とする。
望ましくは、形状記憶合金板が間隔を置いて上下に積層された構成を通じて前記溝が設けられる。ここで、上下とは厚さ方向を示す。
望ましくは、前記溝に前記電極リードが嵌められて物理的に圧着されている。
一実施形態において、前記形状記憶合金板同士が対向する面に多数の突起が形成され得る。
他の実施形態において、前記溝に前記電極リードが嵌められて物理的に圧着され、前記突起は、物理的な圧着時に、上下の形状記憶合金板に形成された突起同士が噛み合うように備えられ得る。
前記バスバーの左側面の溝に嵌められる電極リードと右側面の溝に嵌められる電極リードとは反対極性であり得る。このとき、２つ以上のバッテリーセルから同じ極性の電極リードが集められて前記溝に嵌められ得る。
さらに他の実施形態において、前記溝は片面に２つ以上が設けられ、各溝毎に電極リードが嵌められる。
そして、本発明は、本発明による少なくとも１つのバッテリーモジュールと、前記少なくとも１つのバッテリーモジュールをパッケージングするパックケースとを含む、バッテリーパックを提供する。
さらに、本発明は、本発明による少なくとも１つのバッテリーパックを含む自動車を提供する。
本発明によれば、バッテリーセルは変更せず、バスバーのみを変更してバッテリーモジュールを構成する。バスバーは、温度上昇時に電極リードとの物理的接触が解除されることで、電気的接続を解除することができる。したがって、本発明によるバッテリーモジュールは、使用時に過熱されても、電極リードを通じた電流の流れを遮断できるため、異常状況での安全性を確保することができる。
本発明によれば、二次電池保護回路が動作しない場合であっても、電流の流れを遮断してそれ以上電流が流れないようにすること、例えば充電されないようにすることが可能であるため、バッテリーモジュールの安全性を高めることができる。このように本発明のバッテリーモジュールは、バスバーを改善することで温度上昇時に自動で電流の流れを遮断する手段を具現するため、二次電池保護回路の過充電防止機能とともに、バッテリーモジュールの安全性を二重で確保することができる。
本発明によれば、隣接したバッテリーセル同士の間を連結して電気的接続経路を構成するとき、安全性を確保可能なバスバーを用いたバッテリーモジュールを提供することができる。異常温度に到達する状況のようなイベントが発生したとき、バスバーと物理的に接触していた電極リードはバスバーの変形によって物理的接触が解除される。その結果、隣接したバッテリーセル同士の電気的接続も解除されて電流の流れが遮断されるため、バッテリーモジュールの安全性を確保することができる。
本発明によれば、バッテリーモジュールのバスバーの改善を通じて安全性が確保される。従来のバスバーの代りに本発明で提案するバスバーを用い、従来の溶接の代りに物理的圧着を用いるなど、比較的に簡単な工程変更を通じてバッテリーモジュールの安全性を確保できるという長所がある。本発明で提案するようにバスバーを形状記憶合金から形成する場合、本来の形状に復元される温度を予め設定し、それに応じた合金を用いることができ、電流遮断が必要な温度に合わせてバスバーを製造してバッテリーモジュール仕様毎に好適に適用することができる。バッテリーセル自体は従来の製造工程をそのまま用いるため、工程変更や量産プロセスに対する調整を必要としない。
このように、本発明によれば、正常な状況では電流の流れを確保して従来と同様のバッテリーモジュール性能を発現しながらも、異常状況によって一定以上の温度に上昇するときは、電流の流れを遮断し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。したがって、バッテリーモジュール、これを含むバッテリーパック、そしてこのバッテリーパックを含む自動車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形態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ものであるため、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。
従来のバッテリーモジュールを概略的に示した図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールを概略的に示した図である。 図２におけるバスバーと電極リードとの結合状態を示した断面図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに含まれるバスバーの斜視図である。 図２のバッテリーモジュールにおいて、バスバーと電極リードとの結合が解除された状態を示した断面図である。 本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールにおいて、バスバーと電極リードとの結合状態を示した断面図である。 本発明のさらに他の実施形態によるバッテリーモジュールにおいて、バスバーと電極リードとの結合状態を示した断面図である。 さらに他の実施形態によるバッテリーモジュールにおいて、バスバーと電極リードとの結合状態を示した断面図である。 さらに他の実施形態によるバッテリーモジュールにおいて、バスバーと電極リードとの結合状態を示した断面図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーパックを説明するための図である。 本発明の一実施形態による自動車を説明するための図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。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形態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形態に過ぎず、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。
以下の実施形態において、二次電池はリチウム二次電池を指す。ここで、リチウム二次電池とは、充電及び放電が行われる間にリチウムイオンが作動イオンとして作用して正極板と負極板で電気化学的反応を誘発する二次電池を総称する。
一方、リチウム二次電池に使われた電解質や分離膜の種類、二次電池を包装するのに使われた電池ケースの種類、リチウム二次電池の内部または外部の構造などによって二次電池の名称が変更されても、リチウムイオンが作動イオンとして使われる二次電池であれば、全てリチウム二次電池の範疇に含まれると解釈すべきである。
本発明は、リチウム二次電池の以外に他の二次電池にも適用可能である。したがって、作動イオンがリチウムイオンでなくても、本発明の技術的思想が適用可能な二次電池であれば、その種類に関わらず、全て本発明の範疇に含まれると解釈すべきである。
以下、本発明の一実施形態について図２〜図５を参照して説明する。
図２は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールを概略的に示した図であり、図３は図２におけるバスバーと電極リードとの結合状態を示した断面図であり、図４は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに含まれるバスバーの斜視図である。図５は、図２のバッテリーモジュールにおいて、バスバーと電極リードとの結合が解除された状態を示した断面図である。
図２に示されたように、バッテリーモジュール１００はバッテリーセル１１０、１１０’及びバスバー１８０を含む。バッテリーモジュール１００にはさらに多くのバッテリーセルが含まれ得るが、図示の便宜上、そのうち一部を図示することにする。例えば、２つのパウチ型バッテリーセル１１０、１１０’を直列で連結した状態を示した。しかし、これは例示に過ぎず、本発明がこのような連結方式に限定されることはない。
バッテリーセル１１０、１１０’は、二次電池であって、パウチケース１３０の外側に引き出された２つの電極リード１４０、１４０’を備える。電極リード１４０、１４０’は、電気的極性によって正極（＋）リードと負極（−）リードとに区分され、パウチケース１３０内に密封されている電極組立体１２０に電気的に接続されている。すなわち、正極リードは電極組立体１２０の正極板に、負極リードは電極組立体１２０の負極板に電気的に接続されている。
図３にも示したように、バッテリーモジュール１００では、バッテリーセル１１０の電極リード１４０、及びそれに隣接した他のバッテリーセル１１０’の電極リード１４０’を折り曲げた後、バスバー１８０両側面の溝１８３にそれぞれ嵌め込み、必要であれば圧着し、バッテリーセル１１０の電極リード１４０と他のバッテリーセル１１０’の電極リード１４０’との間をバスバー１８０を媒介にして連結している。
図４をさらに参照すると、バスバー１８０は長さＬと幅Ｗに比べて厚さＴが薄い略板状である。従来のバスバーと特に異なる点は、長さＬ方向に沿った左側面１８１と右側面１８２にそれぞれ線状の溝１８３が設けられていることである。
バスバー１８０は、多様な電気的接続関係を具現するため、形状、大きさが自在に変わり得る。そして、通常、バスバー１８０単独で用いられるより、配線関係を考慮してプラスチック材質からなるフレーム上に電気伝導性の、例えば金属からなるバスバーが組み合わせられたＩＣＢ組立体という部品としてバッテリーモジュールの製造工程に適用される。フレームの形態及びフレームに組み合わせられるバスバーの形態は、バッテリーモジュールの連結関係によって多様である。したがって、本発明の多様な変形例が可能であることを当業者であれば分かるであろう。
本実施形態では、図２及び図３に示されたように、バスバー１８０の左側面１８１に１つのバッテリーセル１１０が位置し、右側面１８２に他のバッテリーセル１１０’が位置する。溝１８３にそれぞれの電極リード１４０、１４０’が嵌められ、バスバー１８０と電極リード１４０、１４０’との間が物理的接触及び電気的接触をなしている。このようにすることで、バスバー１８０を介してバッテリーセル１１０、１１０’同士を電気的に接続することができる。電気的に接続されている状態で、例えば溝１８３の大きさはｓ１であり、そこにぴったりと電極リード１４０、１４０’が物理的に接触し得る。電極リード１４０、１４０’は、バスバー１８０の溝１８３に嵌められることでバスバー１８０の内側面と接触し、バスバー１８０と電極リード１４０、１４０’をすべて電気伝導性材質から構成すれば、隣接したバッテリーセル１１０、１１０’同士が電気的に接続されることになる。
溝１８３は、嵌められる電極リード１４０、１４０’に対応する形状を有するものであり得る。換言すれば、パウチケース１３０の外部に引き出された電極リード１４０、１４０’の端部を略水平面上で嵌めて挿入できるように、電極リード１４０、１４０’の幅に対応する長さ、電極リード１４０、１４０’の厚さに対応する大きさを有し得る。
異常状況、例えば一定温度以上で、溝１８３は、図５のように厚さＴ方向の大きさが増加して（ｓ２＞ｓ１）、電極リード１４０、１４０’とバスバー１８０との物理的接触が解除される。これによって、バッテリーセル１１０、１１０’同士の電気的接続も解除される。
すなわち、溝１８３は、バッテリーモジュール１００の一般的な使用状況では電極リード１４０、１４０’と接触した状態を維持し、過電流などによって温度が一定温度以上に上昇すれば、溝１８３が大きくなる様相に変形を起こすことで、電極リード１４０、１４０’との接触が解除される性質を有する。
望ましくは、溝１８３の大きさが温度によって変化できるように、バスバー１８０のうち少なくとも溝１８３周辺の材料は温度によって変形自在な形状記憶合金からなることが良く、これによって電極リード１４０、１４０’と接触するか又は接触解除することができる。特に、本実施形態において、形状記憶合金板１８４が間隔を置いて上下に積層された構成を通じて溝１８３を設ければ、一定温度以上で形状記憶合金板１８４が本来記憶された形状に復元されながら、溝１８３の大きさを増加させることができる。ここで、上下とは厚さＴ方向を指す。
形状記憶合金は、形状記憶効果を有する合金を称するものであるが、ここで形状記憶効果とは、高温における形状を記憶させることで、低温で酷い変形が加えられても一定温度以上の環境になれば、直ちに本来の形状に戻る現象を意味する。このような形状記憶合金は、高温における相と低温における相とが有する結晶配列が著しく異なるため、低温で変形を加えても一定温度以上の環境になれば、本来の形状に回復するようになる。このような形状記憶合金には、ニッケル−チタン合金（ニチノール）、銅−亜鉛合金、銅−亜鉛−アルミニウム合金、金−カドミウム合金、インジウム−タリウム合金などがある。
バスバー１８０全体をこのような形状記憶合金から製造するか、または、特に形状記憶合金板１８４を積層してバスバー１８０の一部を構成すれば、例えば、一定温度以上の高温で形状記憶合金を用いて電極リード１４０、１４０’の厚さよりも大きい大きさ（例えば、ｓ２）を有する溝１８３を形成するようにバスバー１８０を製造した後、溝１８３が電極リード１４０、１４０’の厚さに対応する大きさ（ｓ１）を有するように低温で変形を加える工程を施した後、溝１８３に電極リード１４０、１４０’を嵌め込んで電気的接続を完成することができる。それとも、溝１８３に電極リード１４０、１４０’を嵌め込んだ後、物理的に圧着してバスバー１８０の内側面と電極リード１４０、１４０’とが当接して物理的接触をなすようにしてもよい。物理的圧着は小型圧着機を用いて実施可能である。小型圧着機によっても１ｃｍ２当り５００ｋｇの圧力も加えることができるため、圧着力は十分である。したがって、十分な圧着力によって圧着を通じた電気的接触状態を維持できるため、物理的圧着だけでも十分であり、溶接のような工程が必要ではない。
このような工程において、工程上の多様な条件、すなわち用いられる合金の種類、合金の組成、製品の成形温度、製品に変形を加えるときの温度や圧力などの条件を多様に変化させることで、製品の変形の程度、変形が起きる温度及び様相などを決定することができる。
したがって、バスバー１８０を製作する際、バッテリーモジュール１００をなすバッテリーセル１１０、１１０’が耐えられる温度などに鑑みて工程上の多様な条件を決定することで、バスバー１８０が適切な温度で電流遮断機能を果たせるようにすることができる。例えば、約２００℃での形状を覚えて変化する合金を用いてバスバー１８０を製作すれば、バッテリーモジュール１００が過熱するとき、２００℃程度で電流遮断機能を果たすことができる。
バッテリーモジュール１００でバッテリーセル１１０、１１０’が互いに直列で連結される方式は様々であり得るが、図２及び図３には電極リード１４０、１４０’をそれぞれ折り曲げた後、バスバー１８０両側面の溝１８３にそれぞれ嵌めて、溶接なしにバッテリーセル１１０の電極リード１４０と他のバッテリーセル１１０’の電極リード１４０’との間を連結する方式が示されている。本実施形態では、バスバー１８０の左側面１８１の溝１８３に嵌められる電極リード１４０と右側面１８２の溝１８３に嵌められる電極リード１４０’とは極性が反対である。もし、バスバー１８０の左側面１８１の溝１８３に嵌められる電極リード１４０と右側面１８２の溝１８３に嵌められる電極リード１４０’とが同じ極性であれば、並列連結になる。
このように本発明では、隣接したバッテリーセル１１０、１１０’同士を、温度上昇時に溝１８３の大きさが増加可能なバスバー１８０を用いて電極リード１４０、１４０’と連結する。これによって、バッテリーモジュール１００の使用時に過熱されると、バスバー１８０の溝１８３の変形を通じて電流の流れを遮断する。したがって、二次電池保護回路が動作しない場合であっても、電流の流れを遮断してそれ以上電流が流れないようにすること、例えば充電されないようにすることが可能であるため、バッテリーモジュール１００の安全性を高めることができる。このように本発明のバッテリーモジュール１００は、バスバー１８０を改善することで温度上昇時に自動で電流の流れを遮断する手段を具現するため、二次電池保護回路の過充電防止機能とともに、バッテリーモジュール１００の安全性を二重で確保できる効果もある。そして、このようなバッテリーモジュール１００を含むバッテリーパック、及びこのバッテリーパックを含む自動車の安全性を向上させることができる。
図１に示されたような従来のバスバー５０を用いる代りに、本発明によるバスバー１８０を用いてバッテリーモジュール１００を製造すれば、より容易に且つさらに安全性が向上したバッテリーモジュール１００を製造でき、バッテリーセル１１０、１１０’に対する変更はないため、従来のバッテリーセルの製造工程はそのまま用いることができる。したがって、既に確立された工程に対する変更や量産プロセスに対する調整を必要としないという長所もある。
図６は、本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールにおいて、バスバーと電極リードとの結合状態を示した断面図である。
図２〜図５を参照して上述した実施形態と同様に、バスバー１８０は、形状記憶合金板１８４が間隔を置いて上下に積層された構成を通じて溝１８３が設けられたものである。ここでは、形状記憶合金板１８４同士が対向する面に多数の突起１８５が形成されている。突起１８５の形状は、半球、円錐、円錐台、多角柱、円錐、多角錐などの多様な形状であり得る。
突起１８５は、電極リード１４０、１４０’の上下で物理的接触点又は圧力点として作用できる。溝１８３に電極リード１４０、１４０’を嵌めて物理的圧着を通じてバスバー１８０と電極リード１４０、１４０’とを物理的及び電気的接続するとき、突起１８５の狭い面積に加えられる圧着力は、突起１８５がないときに比べて、より大きい圧力で印加されるため、バスバー１８０と電極リード１４０、１４０’との間をより確実に接触及び連結することができる。
図７は、本発明のさらに他の実施形態によるバッテリーモジュールにおいて、バスバーと電極リードとの結合状態を示した断面図である。
図６を参照して上述した実施形態と同様に、バスバー１８０は、形状記憶合金板１８４が間隔を置いて上下に積層された構成を通じて溝１８３が設けられたものであり、さらに、形状記憶合金板１８４同士が対向する面に多数の突起１８５が形成されている。突起１８５は、物理的な圧着時に、上下の形状記憶合金板１８４に形成された突起１８５同士が噛み合うように備えられている。すなわち、電極リード１４０、１４０’を基準にして、上側に位置する突起１８５と下側に位置する突起１８５とがずれて形成されている。
したがって、図７の（ａ）のように、溝１８３に電極リード１４０、１４０’を嵌めてから突起１８５が電極リード１４０、１４０’を物理的及び電気的に接続する程度だけ圧着してもよく、（ｂ）のように、さらに圧着を行って、上下の形状記憶合金板１８４に形成された突起１８５同士が噛み合うようにしてもよい。図７の（ｂ）のようにすれば、電極リード１４０、１４０’と形状記憶合金板１８４との接触面積が図７の（ａ）よりも増加し、外部から衝撃が加えられても電極リード１４０、１４０’と形状記憶合金板１８４との間の凸凹した接触界面を通じた摩擦力の増加によって物理的接触状態が不意に解除されることが少なくなる。
図８は、さらに他の実施形態によるバッテリーモジュールにおいて、バスバーと電極リードとの結合状態を示した断面図である。
図７を参照して上述した実施形態と同様に、バスバー１８０は、形状記憶合金板１８４が間隔を置いて上下に積層された構成を通じて溝１８３が設けられたものであり、さらに、形状記憶合金板１８４同士が対向する面に多数の突起１８５が形成されている。
ここでは、２つ以上のバッテリーセル１１０ａ、１１０ｂから同じ極性の電極リード１４０を集め、他の２つ以上のバッテリーセル１１０ｃ、１１０ｄから同じ極性の電極リード１４０’を集めて、バスバー１８０両側面の溝１８３に嵌めた例を挙げる。バッテリーモジュール１００内における複数のバッテリーセル１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ同士の電気的接続は、直列、並列または直列と並列とが混合された方式で行われ得る。同じ極性の電極リードを集めれば、そのバッテリーセル同士は並列になる。集められた電極リードを異なる極性で集められた電極リードと連結すれば、それらは直列になる。図８は、バスバー１８０を中心に右側にあるバッテリーセル１１０ａ、１１０ｂ同士は並列、左側にあるバッテリーセル１１０ｃ、１１０ｄ同士も並列、そしてバッテリーセル１１０ａ、１１０ｂとバッテリーセル１１０ｃ、１１０ｄとの間は直列である場合に該当する。
図９は、さらに他の実施形態によるバッテリーモジュールにおいて、バスバーと電極リードとの結合状態を示した断面図である。
図８と同様に、２つ以上のバッテリーセル１１０ａ、１１０ｂの電極リード１４０がバスバー１８０の左側面に、他の２つ以上のバッテリーセル１１０ｃ、１１０ｄの電極リード１４０’がバスバー１８０の右側面に連結される。図８では同じ極性の電極リード同士が集められて１つの溝１８３に嵌められる例を挙げたが、本実施形態では電極リードの個数だけの溝１８３ａ、１８３ｂ、１８３ｃ、１８３ｄが設けられ、それぞれの溝１８３ａ、１８３ｂ、１８３ｃ、１８３ｄに各電極リード１４０、１４０’が嵌められて圧着される例を挙げている。
以上の実施形態において、例えば１つのバッテリーセル１１０と他のバッテリーセル１１０’との間の電気的接続は、バッテリーモジュール１００が約２００℃のような一定温度に到達したとき、バスバー１８０の変形によるバスバー１８０と電極リード１４０、１４０’との間の物理的接触解除を通じて解除されるようにする。これによって正常な電流範囲、そしてそれによる正常な温度範囲では正常な電流経路を形成し、過電流などによって２００℃程度に達する異常温度に到達すると、電流経路が遮断される。このように過熱時のみにバスバー１８０と電極リード１４０、１４０’との接触が解除されることで、異常温度による火災、爆発などに対する安全性を確保することができる。さらに、他の安全性改善用装置であるＰＴＣ素子やヒューズのようにモジュール内で空間を占めないため、エネルギー密度を減少させないという長所がある。
本発明によれば、バッテリーセルは変更せず、バスバーのみを変更してバッテリーモジュールを構成する。バスバーは、温度上昇時に電極リードとの物理的接触が解除されることで電気的接続を解除することができる。したがって、本発明によるバッテリーモジュールは、使用時に過熱されても、電極リードを通じた電流の流れを遮断できるため、異常状況での安全性を確保することができる。
本発明によれば、二次電池保護回路が動作しない場合であっても、電流の流れを遮断してそれ以上電流が流れないようにすること、例えば充電されないようにすることが可能であるため、バッテリーモジュールの安全性を高めることができる。このように本発明のバッテリーモジュールは、バスバーを改善することで温度上昇時に自動で電流の流れを遮断する手段を具現するため、二次電池保護回路の過充電防止機能とともに、バッテリーモジュールの安全性を二重で確保することができる。
本発明によれば、隣接したバッテリーセル同士の間を直列で連結して電気的接続経路を構成するとき、安全性を確保可能なバスバーを用いたバッテリーモジュールを提供することができる。異常温度に到達する状況のようなイベントが発生したとき、バスバーと物理的に接触していた電極リードはバスバーの変形によって物理的接触が解除される。その結果、隣接したバッテリーセル同士の電気的接続も解除されて電流の流れが遮断されるため、バッテリーモジュールの安全性を確保することができる。
本発明によれば、バッテリーモジュールのバスバーの改善を通じて安全性が確保される。従来のバスバーの代りに本発明で提案するバスバーを用い、従来の溶接の代りに物理的圧着を用いるなど、比較的に簡単な工程変更を通じてバッテリーモジュールの安全性を確保することができる。バスバーを形状記憶合金から形成する場合、本来の形状に復元される温度を調節できて、電流遮断が必要な温度に合わせてバスバーを製造してバッテリーモジュール仕様毎に好適に適用することができる。バッテリーセル自体は従来の製造工程をそのまま用いるため、工程変更や量産プロセスに対する調整を必要としない。
このように、本発明によれば、正常な状況では電流の流れを確保して従来の電極リードと同様のバッテリーセル性能を発現しながらも、異常状況によって一定以上の温度に上昇するときは、電流の流れを遮断し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。したがって、バッテリーモジュール、これを含むバッテリーパック、そしてこのバッテリーパックを含む自動車の安全性を向上させることができる。
本発明によるバッテリーモジュールは、優れた安全性を有するため、高温安定性及び長いサイクル特性、高いレート特性などが求められる中大型装置の電源としての使用にも適している。上記中大型装置の望ましい例としては、電気的モータによって動力を受けて動くパワーツール（ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）；ＥＶ、ＨＥＶ、ＰＨＥＶなどを含む電気自動車；電気自転車（Ｅ−ｂｉｋｅ）、電気スクーター（Ｅ−ｓｃｏｏｔｅｒ）を含む電気二輪車；電気ゴルフカート（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ）；及びＥＳＳなどが挙げられるが、これらに限定されることはない。
図１０は、本発明の一実施形態によるバッテリーパックを説明するための図である。図１１は、本発明の一実施形態による自動車を説明するための図である。
図１０及び図１１を参照すると、バッテリーパック２００は、上述した実施形態による少なくとも１つのバッテリーモジュール、例えば二番目の実施形態のバッテリーモジュール１００及びそれをパッケージングするパックケース２１０を含むことができる。また、本発明によるバッテリーパック２００は、このようなバッテリーモジュール１００とパックケース２１０の外に、バッテリーモジュール１００の充放電を制御するための各種の装置、例えばＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、電流センサ、ヒューズなどをさらに含むことができる。
このようなバッテリーパック２００は、自動車３００の燃料源として自動車３００に備えられ得る。例えば、バッテリーパック２００は、電気自動車、ハイブリッド自動車、及びその他のバッテリーパック２００を燃料源として利用可能なその他の方式で自動車３００に備えられ得る。
望ましくは、自動車３００は電気自動車であり得る。バッテリーパック２００は、電気自動車のモータ３１０に駆動力を提供して自動車３００を駆動させる電気エネルギー源として使用できる。この場合、バッテリーパック２００は、１００Ｖ以上の高い公称電圧を有する。ハイブリッド自動車用であれば、２７０Ｖに設定されている。
バッテリーパック２００は、モータ３１０及び／または内燃機関の駆動により、インバータ３２０によって充電または放電できる。バッテリーパック２００は、ブレーキ（ｂｒａｋｅ）と結合された回生充電装置によっても充電できる。バッテリーパック２００は、インバータ３２０を通じて自動車３００のモータ３１０に電気的に接続され得る。
バッテリーパック２００にはＢＭＳも含まれている。ＢＭＳは、バッテリーパック２００内のバッテリーセルの状態を推定し、推定した状態情報を用いてバッテリーパック２００を管理する。例えば、バッテリーパック２００のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）、ＳＯＨ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）、最大入出力電力許容量、出力電圧などのバッテリーパック２００の状態情報を推定し管理する。そして、このような状態情報を用いてバッテリーパック２００の充電または放電を制御し、さらにはバッテリーパック２００の交替時期の推定も可能である。
ＥＣＵ３３０は、自動車３００の状態を制御する電子的制御装置である。例えば、アクセラレータ、ブレーキ、速度などの情報に基づいてトルク情報を決定し、モータ３１０の出力をトルク情報に応じて制御する。また、ＥＣＵ３３０は、ＢＭＳから伝達されたバッテリーパック２００のＳＯＣ、ＳＯＨなどの状態情報に基づいてバッテリーパック２００が充電または放電できるように、インバータ３２０に制御信号を伝送する。インバータ３２０は、ＥＣＵ３３０の制御信号に基づいてバッテリーパック２００を充電または放電させる。モータ３１０は、バッテリーパック２００の電気エネルギーを用いてＥＣＵ３３０から伝達される制御情報（例えば、トルク情報）に基づいて自動車３００を駆動する。
このような自動車３００は、本発明によるバッテリーパック２００を含み、バッテリーパック２００は上述したように安全性が向上したバッテリーモジュール１００を含む。したがって、バッテリーパック２００の安定性が向上し、このようなバッテリーパック２００は、安定性に優れて長期間使用可能であるため、これを含む自動車３００は安全であって運用が容易である。
また、バッテリーパック２００は、自動車３００の外にも、二次電池を用いるＥＳＳ、ＢＭＳなどのその他の装置や器具及び設備などにも備えられることは言うまでもない。
このように、本実施形態によるバッテリーパック２００、及び自動車３００のようなバッテリーパック２００を備える装置や器具及び設備は、上述したバッテリーモジュール１００を含むため、上述したバッテリーモジュール１００による長所をすべて有するバッテリーパック２００及びこのようなバッテリーパック２００を備える自動車３００などの装置や器具及び設備などを具現することができる。
以上、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が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。
１ バッテリーモジュール
１０ バッテリーセル
１０’ バッテリーセル
２０ 電極組立体
３０ パウチケース
４０ 電極リード
４０’ 電極リード
５０ バスバー
１００ バッテリーモジュール
１１０ バッテリーセル
１１０’ バッテリーセル
１２０ 電極組立体
１３０ パウチケース
１４０ 電極リード
１４０’ 電極リード
１８０ バスバー
１８１ 左側面
１８２ 右側面
１８３ 溝
１８４ 形状記憶合金板
１８５ 突起
２００ バッテリーパック
２１０ パックケース
３００ 自動車
３１０ モータ
３２０ インバータ

Claims (10)

  1. 長さと幅に比べて薄い厚さを有する略板状であり、長手方向に沿った左側面と右側面にそれぞれ線状の溝が設けられたバスバーと、
    前記バスバーの左側面と右側面にそれぞれ位置して前記溝にそれぞれの電極リードが嵌められて物理的に接触することで、前記バスバーを介して互いに電気的に接続されているバッテリーセルとを含み、
    前記溝は、一定温度以上で厚さ方向の大きさが増加して前記電極リードと前記バスバーとの間の物理的接触が解除されることで、前記バッテリーセル同士の電気的接続を解除する、バッテリーモジュール。
  2. 前記溝は、形状記憶合金板が間隔を置いて上下に積層された構成を通じて設けられる、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記溝に前記電極リードが嵌められて物理的に圧着されている、請求項１又は２に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記形状記憶合金板同士が対向する面に多数の突起が形成されている、請求項２に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記溝に前記電極リードが嵌められて物理的に圧着され、前記突起は、物理的な圧着時に、上下の形状記憶合金板に形成された突起同士が噛み合うように備えられている、請求項４に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記バスバーの左側面の溝に嵌められる電極リードと右側面の溝に嵌められる電極リードとが反対極性である、請求項１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. ２つ以上のバッテリーセルから同じ極性の電極リードが集められて前記溝に嵌められる、請求項６に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記溝は片面に２つ以上が設けられ、各溝毎に電極リードが嵌められる、請求項１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. 少なくとも１つの請求項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と、
    前記少なくとも１つのバッテリーモジュールをパッケージングするパックケースとを含む、バッテリーパック。
  10. 少なくとも１つの請求項９に記載のバッテリーパックを含む、自動車。
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