JP2021525441A - 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、２つ以上のバッテリーセルを含むバッテリーモジュールであって、前記バッテリーセルは、反対極性の電極リードの一端部が両端にそれぞれ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密封された構造を有し、前記電極リードの他端部が前記パウチケースの外部に露出しているパウチ型二次電池であり、前記バッテリーセルのうち第１バッテリーセルと第２バッテリーセルとの間を電気的に接続するために、前記電極リードとバスバーとが連結され、前記バスバーは金属層と、普段は導電性であるが温度が上昇すれば抵抗として作動可能な物質層とを含んでなり、前記物質層は一定温度以上で分解されてガスを発生させることで抵抗を増加させるガス発生材料を含んで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１２月７日出願の韓国特許出願第１０−２０１８−０１５７５５６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、分離膜を介在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。
二次電池の内部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。
本発明によるバッテリーモジュールは、２つ以上のバッテリーセルを含むバッテリーモジュールであって、前記バッテリーセルは、反対極性の電極リードの一端部が両端にそれぞれ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密封された構造を有し、前記電極リードの他端部が前記パウチケースの外部に露出しているパウチ型二次電池であり、前記バッテリーセルのうち第１バッテリーセルと第２バッテリーセルとの間を電気的に接続するために、前記電極リードとバスバーとが連結され、前記バスバーは金属層と、普段は導電性であるが温度が上昇すれば抵抗として作動可能な物質層とを含んでなり、前記物質層は一定温度以上で分解されてガスを発生させることで抵抗を増加させるガス発生材料を含んでいることを特徴とする。
前記物質層は、前記ガス発生材料、伝導性物質及び接着剤を含み得る。
前記ガス発生材料は、メラミンシアヌレート（ｍｅｌａｍｉｎｅ ｃｙａｎｕｒａｔｅ）であることが望ましい。
前記接着剤によって前記伝導性物質が互いに連結及び固定され、前記ガス発生時に前記伝導性物質の連結が解除されて抵抗が増加し得る。
前記バスバーは、前記電極リードと連結される部分が、前記バスバーの本体と分離されて前記本体内に埋め込まれ、表面は外部に露出するブロックからなり、前記本体とブロックとの間に前記物質層が介在され得る。
前記バスバーは、前記第１バッテリーセルの電極リードと連結される第１ブロック、及び前記第２バッテリーセルの電極リードと連結される第２ブロックを含み、前記第１バッテリーセルから前記第２バッテリーセルへの電流経路は、前記第１バッテリーセルの電極リード、前記第１ブロック、前記本体と第１ブロックとの間に介在された物質層、前記本体、前記本体と第２ブロックとの間に介在された物質層、前記第２ブロック及び前記第２バッテリーセルの電極リードの順に形成され得る。
前記第１バッテリーセルと前記第２バッテリーセルとは前記バスバーを通じて直列で連結され得る。前記第１バッテリーセルと前記第２バッテリーセルとは、それぞれの電極リードが反対極性になるように積層され、前記第１バッテリーセルの電極リードの他端部と前記第２バッテリーセルの電極リードの他端部とは積層方向に沿って相互に向かって折り曲げられ、それぞれの電極リードの折り曲げられた部分の間に前記バスバーが前記積層方向と平行に置かれてそれぞれの電極リードの間が連結され得る。
前記バスバーは、長さと幅に比べて薄い厚さを有する略板状であり、前記電極リードが貫通する溝が形成され得る。
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、温度上昇時に抵抗が増加することでバスバーを通じた電流の流れを遮断することができる。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。
バスバーの抵抗増加構成としては、バスバー内にガス発生材料を含む物質層を含ませて、ガス発生材料が分解される温度に到達すると、電流の流れが遮断されるようにする。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、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、バスバー内の物質層に含まれたガス発生材料が分解されながら抵抗が増加することになる。その結果、バッテリーセル同士の電気的接続が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る点のみが異なり、従来のバッテリーモジュール製造工程はそのまま用いることができるため、比較的に工程に対する変更なく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。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類似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上面図である。 本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールを概略的に示した断面図である。 図５のバッテリーモジュールに含まれる第１バスバー部分の上面図である。 図５のバッテリーモジュールに含まれる第１バスバー部分の断面図である。 図５のバッテリーモジュールに含まれる第２バスバー部分の上面図である。 図５のバッテリーモジュールに含まれる第２バスバー部分の断面図である。 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上面図である。
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。このようにバッテリーセル１１０、１１０’は、反対極性の電極リード１４０、１４０’の一端部が両端にそれぞれ接続された電極組立体１２０がパウチケース１３０に電解液とともに収納密封された構造を有し、電極リード１４０、１４０’の他端部がパウチケース１３０の外部に露出しているパウチ型二次電池である。
図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ’に沿った断面に該当する。図３にも示したように、バッテリーモジュール１００では第１バッテリーセル１１０と第２バッテリーセル１１０’との間を電気的に接続するためにバスバー１８０を用いる。具体的には、バッテリーセル１１０の電極リード１４０、及びこ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に連結する。第１バッテリーセル１１０と第２バッテリーセル１１０’とはそれぞれの電極リード１４０、１４０’が反対極性になるように積層され、第１バッテリーセル１１０の電極リード１４０の他端部と第２バッテリーセル１１０’の電極リード１４０’の他端部とは積層方向に沿って相互に向かって折り曲げられている。それぞれの電極リード１４０、１４０’の折り曲げられた部分の間にバスバー１８０が上記積層方向と平行に置かれてそれぞれの電極リード１４０、１４０’の間が連結されている。連結は当業界で通常用いられる方法によって行われ、例えば、超音波溶接によって結合及び連結され得るが、ここに限定されることはない。
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。ブロック１８４にはそれぞれの電極リード１４０、１４０’が連結され、バスバー１８０を通じて電極リード１４０、１４０’同士の間は電気的に接続されている。特に、第１バッテリーセル１１０と第２バッテリーセル１１０’とはバスバー１８０を通じて直列で連結されている。
より具体的には、バスバー１８０は、第１バッテリーセル１１０の電極リード１４０と連結される第１ブロック１８４ａ、及び第２バッテリーセル１１０’の電極リード１４０’と連結される第２ブロック１８４ｂを含む。第１バッテリーセル１１０から第２バッテリーセル１１０’への電流経路は、第１バッテリーセル１１０の電極リード１４０、第１ブロック１８４ａ、本体１８３と第１ブロック１８４ａとの間に介在された物質層１８５、本体１８３、本体１８３と第２ブロック１８４ｂとの間に介在された物質層１８５、第２ブロック１８４ｂ及び第２バッテリーセル１１０’の電極リード１４０’の順に形成されている。
図３とともに図４をさらに参照すると、バスバー１８０は、長さと幅に比べて薄い厚さを有する略板状である。従来のバスバーと特に異なる点は、電極リード１４０、１４０’と連結される部分にある。該部分はブロック１８４になっている。ブロック１８４は、バスバー１８０の本体１８３と分離されている部分であって、本体１８３内に埋め込まれ、表面は外部に露出している。そして、本体１８３とブロック１８４との間には物質層１８５が介在されている。
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単独に用いられるより、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。
バスバー１８０において、本体１８３とブロック１８４は金属層である。本体１８３とブロック１８４とは互いに同じ材料であり得る。そして、物質層１８５は、普段は導電性であるが、温度が上昇すれば抵抗として作動可能な材料である。このように物質層１８５は、金属層である本体１８３とブロック１８４との間に挟持された形態である。
物質層１８５は、一定温度以上で分解されてガスを発生させることで抵抗を増加させるガス発生材料を含んでいる。望ましくは、物質層１８５は、このようなガス発生材料、伝導性物質及び接着剤を含んでいる。接着剤によって伝導性物質が互いに連結及び固定され、ガス発生材料からガス発生すると、伝導性物質の連結が解除されて抵抗が増加することができる。
ガス発生材料は、メラミンシアヌレート（ｍｅｌａｍｉｎｅ ｃｙａｎｕｒａｔｅ）であることが望ましい。メラミンシアヌレートは、窒素とリンとが結合された窒素−リン系難燃成分として使用される物質であって、多様なメーカーから数十μｍレベルの平均粒径を有する原料状態で入手可能である。
通常、難燃用途で使用されるメラミンシアヌレートは、約３００℃を超過する吸熱分解を伴う。メラミンシアヌレートはメラミンとシアヌル酸とに分解される。気化されたメラミンは非活性窒素ガスを放出する。メラミンシアヌレートの分子量を調節すれば、分解温度を調節することができる。メラミンシアヌレートの構造式は次のようである。
［構造式］
Figure 2021525441
伝導性物質は導電性を有するものであれば特に制限されず、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛；カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック類；炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維；フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末；酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などを使用できる。
接着剤は、ガス発生材料と伝導性物質などとの結合、及び本体１８３とブロック１８４との結合に助力する成分である。このような接着剤の例としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレンン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンテルポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム、多様な共重合体などが挙げられる。
異常状況によって一定以上の温度に上昇したとき、例えば３００℃以上に上昇したとき、本体１８３とブロック１８４との間に挿入された物質層１８５でメラミンシアヌレートが分解されてＮ２ガスが発生する。これによって物質層１８５は抵抗が増加し、抵抗層として働くようになる。また、体積膨張を通じて電気的接続を解除する役割も果たすことができる。
バスバー１８０の全体的な大きさは従来のバスバーと同じであり得る。本体１８３及びブロック１８４の材料は従来のバスバー材料と同じであり得る。物質層１８５の普段の電気伝導度は、物質層１８５内の伝導性物質を従来のバスバーと同じくするか又はより高くすることで、従来のバスバーの電気伝導度と類似にすることができる。
したがって、正常な状況ではバスバー１８０内の物質層１８５の導電性が維持され、従来のバスバーと類似のバッテリーモジュール性能を発現することができる。異常状況によって一定以上の温度に上昇したときは、物質層１８５の抵抗が増加するため電流の流れを遮断可能な程度になる。これによって、温度が上昇すれば、物質層１８５が抵抗として作動して電流を遮断するため、これを含んで製造されたバッテリーセルを含む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。
具体的には、物質層１８５のガス発生材料が分解される一定温度では、物質層１８５から本体１８３に電流が流れなくなる。また、物質層１８５から第１ブロック１８４ａまたは第２ブロック１８４ｂに電流が流れなくなる。したがって、物質層１８５のガス発生材料が分解される一定温度では、第１バッテリーセル１１０から第２バッテリーセル１１０’への電流経路、そして第２バッテリーセル１１０’から第１バッテリーセル１１０への電流経路が遮断される。
このように本発明では、バッテリーセル１１０、１１０’の間で温度が上昇すると抵抗が増加するバスバー１８０を構成することで、バッテリーモジュール１００の使用時に過熱されてバスバー１８０内の物質層１８５のガス発生材料が分解される温度に到達すれば、バスバー１８０を通じた電流の流れが遮断されるようになる。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。
特に、本実施形態では、バスバー１８０を単なる層状積層構造にする代りに、本体１８３内にブロック１８４が埋め込まれる構造にする。このように埋め込まれたブロック１８４は、単に層状積層構造にする場合より、本体１８３から離脱し難く、スリップ（ｓｌｉｐ）のように滑って分離される問題がないため、構造的に堅固である。
このように本発明によれば、バッテリーモジュール１００のバスバー１８０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を製造すれば良く、従来のバッテリーセル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とも長所である。
このように本発明によれば、正常な状況ではバスバー１８０内の物質層１８５の導電性が維持されて従来のバッテリーモジュールと類似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、電流の流れを遮断してバッテリーモジュール１００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１００、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。
図５は、本発明の他の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断面図である。図６は図５のバッテリーモジュールに含まれる第１バスバー部分の上面図であり、図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ’に沿った断面図である。図８は図５のバッテリーモジュールに含まれる第２バスバー部分の上面図であり、図９は図８のＩＸ−ＩＸ’に沿った断面図である。
図５のバッテリーモジュール１０００は４Ｐ３Ｓ連結例を図示する。すなわち、４つのバッテリーセル２１０を並列（Ｐ）連結したセルバンク２１１を３つ直列（Ｓ）連結したものである。それぞれのバッテリーセル２１０は、図２などに示したようなパウチ型バッテリーセルであり、バッテリーセル２１０はバッテリーセル１１０と同じ構造を有し得る。
バッテリーセル２１０は、その両端に電極リード２４０が突出している。並列で連結されるセルバンク２１１内で、これら電極リード２４０は互いに同じ極性が横に位置するように積層されている。そして、セルバンク２１１同士は互いに反対極性になるように積層されている。電極リード２４０が連結される方式は様々であり得るが、図５〜図９では電極リード２４０の他端部を左側または右側に曲がった形態で折り曲げて平たい接触面を形成した後、これを互いに重なるようにして溶接によって連結する構成を示している。
図５〜図９を参照すると、第１バスバー２８０は１つのセルバンク２１１内で同じ極性の電極リード２４０同士を連結するためのものであり、第２バスバー２９０は２つのセルバンク２１１の間で異なる極性の電極リード２４０同士も連結するためのものである。
第１バスバー２８０と第２バスバー２９０には電極リード２４０が貫通する溝２８６、２９６が形成されている。その他に第１バスバー２８０と第２バスバー２９０は、上述した実施形態のバスバー１８０と類似する。すなわち、第１バスバー２８０は、本体２８３、ブロック２８４、物質層２８５を含み、第２バスバー２９０も本体２９３、ブロック２９４、物質層２９５を含む。
物質層２８５、２９５は、上述した物質層１８５と同様に、普段は導電性であるが温度が上昇すれば抵抗として作動でき、バッテリーセル２１０同士の電気的接続を遮断することができる。その他に本実施形態に対しては、上述した実施形態で説明した事項をそのまま援用できる。
リチウム二次電池の温度が急激に上昇して安全性を低下させる代表的な原因は、短絡電流が発生することであり、多くのバッテリーセルを連結したバッテリーモジュール又はバッテリーパックの安全性の面で短絡時の安全性を確保することは非常に重要である。短絡抵抗が低いほど高い短絡電流が流れて多量の熱が発生するようになり、バッテリーセルが耐えられなくなれば発火が起きる。短絡抵抗が非常に低いときも一部安全な結果が得られるが、高電流が流れながら発生した熱が６６０℃を超えることで電極リードが溶融し、それによって電流の流れが遮断されて安全性を確保した場合である。発生した温度がこれよりも低い場合、電極リードが溶融せず、電流が流れ続けながら高熱が蓄積されて、バッテリーセルが耐えられずに発火が起きるようになる。一方、正常な状況でも高電流が流れる場合がある。電気車両において、急速充電や急加速、始動などの状況でバッテリーモジュールに大きい電流が流れるようになり、それによって電極リードに高温が発生するが、このような正常な状況では作動してはならない。これを防止するため、約２５０℃以上の温度で電流の流れを遮断することが必要である。
本実施形態では、バッテリーモジュール１０００が約３００℃に到達したとき、物質層２８５、２９５でガスが発生して物質層２８５、２９５の抵抗が増加するようにする。これにより、正常な高電流範囲では作動せず、実際に短絡が発生してそれ以上の温度に過熱されるときのみに作動することで、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、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１２００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、例えば一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１２１０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１２００は、このようなバッテリーモジュール１００とパックケース１２１０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１２００は、自動車１３００の燃料源として自動車１３００に備えられ得る。例えば、バッテリーパック１２００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１２００を燃料源として利用可能なその他の方式で自動車１３００に備えられ得る。
望ましくは、自動車１３００は電気自動車であり得る。バッテリーパック１２００は、電気自動車のモータ１３１０に駆動力を提供して自動車１３００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１２００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１２００は、モータ１３１０及び／または内燃機関の駆動により、インバータ１３２０によって充電または放電できる。バッテリーパック１２００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１２００は、インバータ１３２０を通じて自動車１３００のモータ１３１０に電気的に接続され得る。
上述したように、バッテリーパック１２００にはＢＭＳも含まれている。ＢＭＳは、バッテリーパック１２００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１２００を管理する。例えば、バッテリーパック１２００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１２００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１２００の充電または放電を制御し、さらにはバッテリーパック１２００の交替時期推定も可能である。
ＥＣＵ１３３０は、自動車１３００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１３１０の出力をトルク情報に応じて制御する。また、ＥＣＵ１３３０は、ＢＭＳから伝達されたバッテリーパック１２００のＳＯＣ、ＳＯＨなどの状態情報に基づいてバッテリーパック１２００が充電または放電できるように、インバータ１３２０に制御信号を伝送する。インバータ１３２０は、ＥＣＵ１３３０の制御信号に基づいてバッテリーパック１２００を充電または放電させる。モータ１３１０は、バッテリーパック１２００の電気エネルギーを用いてＥＣＵ１３３０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１３００を駆動する。
このような自動車１３００は、本発明によるバッテリーパック１２００を含み、バッテリーパック１２００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１２００の安定性が向上し、このようなバッテリーパック１２００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１３００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１２００は、自動車１３００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１２００、及び自動車１３００のようなバッテリーパック１２００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１２００及びこのようなバッテリーパック１２００を備える自動車１３００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 第１バッテリーセル
１１０’ 第２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 本体
１８４ ブロック
１８４ａ 第１ブロック
１８４ｂ 第２ブロック
１８５ 物質層
２１０ バッテリーセル
２１１ セルバンク
２４０ 電極リード
２８０ 第１バスバー
２８３ 本体
２８４ ブロック
２８５ 物質層
２８６ 溝
２９０ 第２バスバー
２９３ 本体
２９４ ブロック
２９５ 物質層
２９６ 溝
１０００ バッテリーモジュール
１２００ バッテリーパック
１２１０ パックケース
１３００ 自動車
１３１０ モータ
１３２０ インバータ

Claims (11)

  1. ２つ以上のバッテリーセルを含むバッテリーモジュールであって、
    前記バッテリーセルは、反対極性の電極リードの一端部が両端にそれぞれ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密封された構造を有し、前記電極リードの他端部が前記パウチケースの外部に露出しているパウチ型二次電池であり、
    前記バッテリーセルのうち第１バッテリーセルと第２バッテリーセルとの間を電気的に接続するために、前記電極リードとバスバーとが連結され、
    前記バスバーは、金属層と、普段は導電性であるが温度が上昇すれば抵抗として作動可能な物質層とを含んでなり、
    前記物質層は、一定温度以上で分解されてガスを発生させることで抵抗を増加させるガス発生材料を含んでいる、バッテリーモジュール。
  2. 前記物質層は、前記ガス発生材料、伝導性物質及び接着剤を含んでいる、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記ガス発生材料は、メラミンシアヌレートである、請求項１又は２に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記接着剤によって前記伝導性物質が互いに連結及び固定され、前記ガス発生時に前記伝導性物質の連結が解除されて抵抗が増加する、請求項２に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記バスバーは、前記電極リードと連結される部分が、前記バスバーの本体と分離されて前記本体内に埋め込まれ、表面は外部に露出するブロックからなり、前記本体とブロックとの間に前記物質層が介在されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記バスバーは、前記第１バッテリーセルの電極リードと連結される第１ブロック、及び前記第２バッテリーセルの電極リードと連結される第２ブロックを含み、前記第１バッテリーセルから前記第２バッテリーセルへの電流経路は、前記第１バッテリーセルの電極リード、前記第１ブロック、前記本体と第１ブロックとの間に介在された物質層、前記本体、前記本体と第２ブロックとの間に介在された物質層、前記第２ブロック及び前記第２バッテリーセルの電極リードの順に形成される、請求項５に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記第１バッテリーセルと前記第２バッテリーセルとは、前記バスバーを通じて直列で連結されている、請求項１から６のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記第１バッテリーセルと前記第２バッテリーセルとは、それぞれの電極リードが反対極性になるように積層され、前記第１バッテリーセルの電極リードの他端部と前記第２バッテリーセルの電極リードの他端部とは積層方向に沿って相互に向かって折り曲げられ、それぞれの電極リードの折り曲げられた部分の間に前記バスバーが前記積層方向と平行に置かれてそれぞれの電極リードの間が連結されている、請求項７に記載のバッテリーモジュール。
  9. 前記バスバーは、長さと幅に比べて薄い厚さを有する略板状であり、前記電極リードが貫通する溝が形成されている、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。
  10. 少なくとも１つの請求項１から９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。
  11. 少なくとも１つの請求項１０に記載のバッテリーパックを含む、自動車。
JP2020565814A 2018-12-07 2019-11-07 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 Active JP7150881B2 (ja)

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