JP2022537828A - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents
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Abstract
本発明の一実施例による電池モジュールは、複数の電池セルが積層された電池セル積層体と、前記電池セルから延びた電極リードに連結された第１バスバーと、隣接した他の電池モジュールとの連結のために前記第１バスバーに連結された連結部材とを含み、前記第１バスバーは、前記電極リードに連結された第１部分と、前記連結部材に連結された第２部分とを含み、前記第１部分および前記第２部分のいずれか一方に、突出部が形成され、他方に、前記突出部が挿入される貫通口が形成され、前記貫通口に前記突出部が挿入されて前記第１部分と前記第２部分とが連結され、前記突出部は、温度が上昇すると、体積が収縮したり形態が変化したりする素材を含む。
Description
関連出願との相互参照
本出願は、２０１９年８月２３日付の韓国特許出願第１０－２０１９－０１０３７８１号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本出願は、２０１９年８月２３日付の韓国特許出願第１０－２０１９－０１０３７８１号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関し、より詳しくは、異常作動状態に対する安全性が向上した電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関する。
製品群による適用容易性が高く、高いエネルギー密度などの電気的特性を有する二次電池は、携帯用機器だけでなく、電気的駆動源によって駆動する電気自動車またはハイブリッド自動車、電力貯蔵装置などに普遍的に応用されている。このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少させることができるという一次的な長所だけでなく、エネルギーの使用による副産物が全く発生しないという点から、環境配慮およびエネルギー効率性アップのための新たなエネルギー源として注目されている。
小型機器に用いられる二次電池の場合、２－３個の電池セルが配置されるが、自動車などのような中大型デバイスに用いられる二次電池の場合は、多数の電池セルを電気的に連結した電池モジュール（Ｂａｔｔｅｒｙ ｍｏｄｕｌｅ）が用いられる。このような電池モジュールは、多数の電池セルが互いに直列または並列に連結されて電池セル積層体を形成することによって、容量および出力が向上する。また、１つ以上の電池モジュールは、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、冷却システムなどの各種制御および保護システムと共に装着されて電池パックを形成することができる。
この時、電池モジュールは、多数の電池セルが互いに直列または並列に連結されて電池セル積層体を形成するにあたり、電池セル間の電気的連結のためにバスバーが用いられる。各電池セルにおいて突出した電極リードがバスバーと接合されることによって、このような電気的連結が可能であった。
さらに、いずれか１つの電池モジュールのバスバーと他の電池モジュールのバスバーとが連結部材を介して電気的に連結されることによって、電池モジュール間の連結も可能であった。
図１は、従来の電池モジュールのバスバー３０および電極リード１５ａ、１５ｂを示す斜視図であり、説明の便宜のために必要な構成だけを示した。
図１を参照すれば、電池セル（図示せず）においてＸ軸方向に突出した電極リード１５ａ、１５ｂがＹ軸と反対方向を向くように折り曲げられてバスバー３０と接合される。特に、バスバー３０にスリット３５が形成され、一部の電極リード１５ｂは、このようなスリット３５を通過して折り曲げられた後にバスバー３０と接合される。他の電極リード１５ａは、スリット３５ではない、バスバー３０の一側面を通過できる。
また、バスバー３０は、上向延長された接続部３６を備えることができ、接続部３６には連結部材（図示せず）が連結される。連結部材は、他の電池モジュールのバスバー（図示せず）に連結されていて、連結部材を介して電池モジュール間の電気的連結が行われる。つまり、電池セル間の電気的連結だけでなく、電池モジュール間の電気的連結もバスバー３０によって行われる。
一方、二次電池は、高温に晒されたり、過充電、外部短絡、針状貫通、局部的損傷などによって短時間内に大きい電流が流れたりする場合、ＩＲ発熱によって電池が加熱しながら爆発が起こる危険性がある。つまり、電池の圧力や温度が上昇すると、活物質の分解反応と多数の副反応が進行し、これによって電池の温度が急激に上昇し、これは再び電解液と電極との間の反応を加速化させる。ついには電池の温度が急激に上昇する熱暴走現象が起こり、温度が一定以上まで上昇すると、電池の発火が起こることがあり、上昇した電池の内圧によって二次電池が爆発する。
したがって、二次電池が過電流状態や高温状態などの異常作動状態に置かれた時、電流を遮断するための電流遮断部材（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ；ＣＩＤ）を備えることができる。
しかし、多数の電池モジュールを含む中大型電池パックに電流遮断部材（ＣＩＤ）を適用するにあたり、次のようないくつかの問題点がある。
既存の小型電池で用いられる電流遮断部材（ＣＩＤ）の場合、電池セルの内圧が上昇すると、特定部位が断線して電流を遮断する原理により安全性を確保したものの、これを中大型電池パックに適用するには抵抗が過度に大きくなるという問題点がある。
また、中大型電池パックの角型電池セルに適用される電流遮断部材（ＣＩＤ）の場合、電池セルの内圧が上昇すると、強制的に外部短絡を発生させて電池セルの電極リードを溶かすことによって電流を遮断する方法を使用するが、これはＥＯＬ（Ｅｎｄ ｏｆ ｌｉｆｅ）区間中にセルの内圧が上昇する時にも作動するという問題点がある。
本発明の実施例は、従来提案された方法の上記の問題点を解決するために提案されたものであって、正常動作状態では抵抗を増加させることなく、異常動作状態では効果的に電流を遮断させることができる電池モジュールおよびこれを含む電池パックを提供することを目的とする。
ただし、本発明の実施例が解決しようとする課題は上述した課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張可能である。
本発明の一実施例による電池モジュールは、複数の電池セルが積層された電池セル積層体と、前記電池セルから延びた電極リードに連結された第１バスバーと、隣接した他の電池モジュールとの連結のために前記第１バスバーに連結された連結部材とを含み、前記第１バスバーは、前記電極リードに連結された第１部分と、前記連結部材に連結された第２部分とを含み、前記第１部分および前記第２部分のいずれか一方に、突出部が形成され、他方に、前記突出部が挿入される貫通口が形成され、前記貫通口に前記突出部が挿入されて前記第１部分と前記第２部分とが連結され、前記突出部は、温度が上昇すると、体積が収縮したり形態が変化したりする素材を含む。
前記突出部は、温度上昇により体積が収縮する形状記憶合金を含むことができる。
前記突出部は、温度上昇により形態が変化する形状記憶合金を含むことができる。
前記突出部は、温度上昇により形態が変化して、前記第２部分と平行な方向の幅が減少し、前記第２部分と垂直な方向の高さが増加し得る。
前記貫通口の内壁と前記突出部とが互いに密着できる。
前記突出部が前記貫通口に挿入されて、クリンチング（Ｃｌｉｎｃｈｉｎｇ）結合を形成することができる。
前記第２部分は、前記連結部材と接合される接続部を含むことができる。
前記突出部は、前記貫通口に対応する形状を有することができる。
前記突出部および前記貫通口それぞれは、２以上であってもよい。
前記第１部分にスリットが形成され、前記電極リードは、前記スリットを通過した後に折り曲げられて前記第１部分に連結される。
前記第１バスバーと前記電池セル積層体との間にバスバーフレームが位置し、前記第１バスバーは、前記バスバーフレームに装着される。
本発明の実施例によれば、連結部材と接合されたバスバーが突出部と貫通口との締結構造を具備することができ、このようなバスバーは、正常動作状態では抵抗を増加させないが、異常動作状態では効果的に電流を遮断させることができる。
以下、添付した図面を参照して、本発明の様々な実施例について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。
本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付す。
また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜のために任意に示したので、本発明が必ずしも図示のところに限定されない。図面において様々な層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして、図面において、説明の便宜のために、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。
さらに、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上に」あるとする時、これは、他の部分の「直上に」ある場合のみならず、その中間にさらに他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分の「直上に」あるとする時には、中間に他の部分がないことを意味する。なお、基準となる部分の「上に」あるというのは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の反対方向に向かって「上に」位置することを意味するわけではない。
また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。
なお、明細書全体において、「平面上」とする時、これは、対象部分を上から見た時を意味し、「断面上」とする時、これは、対象部分を垂直に切断した断面を横から見た時を意味する。
図２は、本発明の一実施例による電池モジュール１００の分解斜視図である。
図２を参照すれば、本実施例による電池モジュール１００は、複数の電池セル１１０が積層された電池セル積層体１２０と、電池セル１１０から延びた電極リード１５０に連結されたバスバー３００、４００と、バスバー３００、４００が装着されるバスバーフレーム２１０とを含む。
バスバーフレーム２１０は、リードスロットを含み、前記リードスロットは、バスバー３００、４００に形成されたスロットに対応するように整列され、電極リード１５０は、バスバー３００、４００と電気的に連結可能である。具体的には、電極リード１５０がリードスロットおよびバスバー３００、４００のスロットを通過した後に折り曲げられてバスバー３００、４００に連結可能である。
電池セル１１０は二次電池であって、パウチ型二次電池で構成される。このような電池セル１１０は複数構成され、複数の電池セル１１０は、相互電気的に連結できるように相互積層されて電池セル積層体１２０を形成することができる。
一方、本実施例によるバスバー３００、４００は、金属物質からなる。
バスバー３００、４００のうち第１バスバー３００は、電極リード１５０だけでなく、連結部材５００とも連結され、連結部材５００は、他の電池モジュールのバスバー（図示せず）に連結される。つまり、本実施例の電池モジュール１００は、電池モジュールと電池モジュールとを連結するための連結部材５００を含む。
第１バスバー３００は、このような連結部材５００に連結されるものであるので、電池セル１１０を電気的連結するだけでなく、電池モジュールを電気的連結する役割を果たす。
図３は、図２の電池モジュール１００に含まれている第１バスバー３００に対する分解斜視図である。
図３を図２と共に参照すれば、第１バスバー３００は、電極リード１５０に連結される第１部分３１０と、連結部材５００に連結される第２部分３２０とを含む。
第１部分３１０には、電極リード１５０が通過できるようにスリット３５０が形成される。先に言及したように、電極リード１５０がバスバーフレーム２１０のリードスロットとスリット３５０を共に通過した後に折り曲げられて第１部分３１０に連結される。
第１部分３１０と電極リード１５０との連結は、電気的連結が可能であれば特別な制限はないが、互いに溶接結合できる。
第２部分３２０は、連結部材５００と接合される接続部３６０を含むことができ、接続部３６０は、連結部材５００と容易な接合のために、図３のように折り曲げられた構造を形成することができる。
また、接続部３６０にモジュール連結端子３６１が形成される。このようなモジュール連結端子３６１は、一種のナットの役割を果たす構成で、隣接した電池モジュール間の連結の役割を担う。連結部材５００と接続部３６０とが接触した状態で、モジュール連結端子３６１にボルトが締結されて、連結部材５００と接続部３６０とが物理的、電気的に連結される。１つのモジュール連結端子３６１だけを示したが、必要に応じて１つ以上のモジュール連結端子３６１が形成されてもよいことはもちろんである。
同時に、連結部材５００において、前記のようにボルトとナットが締結される部分を除いた領域は、絶縁コーティングが行われたり絶縁体が被せられたりして、外部と電気的に絶縁されることがより好ましい。
一方、図２の第２バスバー４００は、このような接続部３６０が形成されず、電池セル１１０から延びた電極リード１５０を電気的に連結する役割だけを担うことができる。
図２における連結部材５００は板材形状として示されているが、図３の接続部３６０に連結されて電池モジュール間の電気的連結を果たすものであれば、その形態や素材の制限はない。つまり、連結部材５００は、板材形状または導線形態であってもよいし、電気的連結を可能にする他の形状も可能であることはもちろんである。
一方、第１部分３１０および第２部分３２０のいずれか一方に、突出部が形成され、他方に、貫通口が形成される。図３では、第１部分３１０に貫通口３４０が形成され、第２部分３２０に突出部３３０が形成されたことを示したが、これは１つの例に相当するもので、第１部分３１０に突出部が形成され、第２部分３２０に貫通口が形成されてもよい。また、円形の貫通口３４０を示したが、第１部分３１０や第２部分３２０に穿孔された形態であればその形状は制限されないので、多角形の貫通口も可能である。
貫通口３４０に突出部３３０がＸ軸方向に沿って挿入されて第１部分３１０と第２部分３２０とが互いに連結される。このために、突出部３３０は、貫通口３４０に対応する位置に配置される。
また、突出部３３０は、貫通口３４０に対応する形状を有することが好ましい。例えば、図３のように、第１部分３１０に形成された貫通口３４０が円形の場合、突出部３３０は、円柱であることが好ましい。ただし、これは一つの例であり、図示しないが、多角形の貫通口が形成された場合、突出部は、それに対応する多角柱の形態であってもよい。
一方、第１部分３１０と第２部分３２０との強固な締結のために、突出部３３０は、貫通口３４０に挿入されて、クリンチング（Ｃｌｉｎｃｈｉｎｇ）結合がなされる。このような結合のために、突出部３３０の面積のうち、突出部３３０の挿入方向と垂直な平面の面積が、貫通口３４０が形成する面積より若干広いことが好ましい。言い換えれば、図３にて、円柱形態の突出部３３０が備えた円の面積が、円形の貫通口３４０が形成する円の面積より若干広いことが好ましい。
よって、突出部３３０が貫通口３４０に嵌合しながら挿入されると、貫通口３４０の内壁と突出部３３０とが互いに密着した構造を形成し、正常な作動状態で第１部分３１０と第２部分３２０とが強固に締結可能である。これは、以下、図５で再び説明する。
図４は、図３の第１バスバー３００の第１部分３１０および第２部分３２０が互いに締結された状態を示す斜視図である。つまり、図３にて、第２部分３２０の突出部３３０が第１部分３１０の貫通口３４０に挿入されて、第１部分３１０と第２部分３２０とが締結された状態を示す斜視図である。
正常な作動状態では、図４のように一体化された第１バスバー３００が連結部材に連結されて、電池モジュールを電気的に連結する。
図５は、図４の切断線Ａ－Ａ’に沿った切断断面図である。特に、正常作動状態における断面図である。
図５を参照すれば、先に言及したように、クリンチング（Ｃｌｉｎｃｈｉｎｇ）結合によって突出部３３０が貫通口３４０に嵌合しながら挿入されると、貫通口３４０の内壁３４１と突出部３３０とが互いに密着した構造を形成することができる。
これによって、第１部分３１０と第２部分３２０とが強固に締結可能であり、正常作動状態で第１バスバー３００が抵抗に影響を与えないようにして電池モジュール間の電流を円滑に伝達することができる。
また、突出部３３０および貫通口３４０それぞれは個数に対する制限はないが、第１部分３１０と第２部分３２０との強固な締結のためには２以上であることが好ましい。
突出部３３０は、温度が上昇すると、体積が収縮したり形態が変化したりする素材を含む。つまり、電池モジュールが過電流状態や高温状態などの異常な作動状態に置かれた時、突出部３３０の温度が上昇し、体積が収縮したり形態が変化したりする。以下、図６および図７を通じて詳しく説明する。
図６および図７それぞれは、図５の第１バスバーに対する異常作動状態における断面図である。具体的には、図６は、温度上昇により体積が収縮する突出部３３０ａを備えた第１バスバー３００に対する断面図であり、図７は、温度上昇により形態が変化する突出部３３０ｂを備えた第１バスバー３００に対する断面図である。
まず、図６を参照すれば、過電流状態、高温状態などの異常作動状態が発生した場合、本実施例の突出部３３０ａは、温度が上昇し、一定の温度以上になると、体積が収縮し得る。
このために、突出部３３０ａは、温度上昇により体積が収縮する素材を含むことができ、体積が収縮する素材として、形状記憶合金を含むことができる。より詳しくは、前記形状記憶合金が第２部分３２０と溶接された後にニッケルメッキされて突出部３３０ａを構成することができる。正常作動状態では、ニッケルメッキにより電気伝導性を維持し、異常作動状態では、温度上昇により一定の温度以上になると、前記形状記憶合金の体積が減少して突出部３３０ａの体積が減少し得る。
この時、形状記憶合金の体積収縮が起こる温度は、異常作動状態に対する安全性確保のために、摂氏１００度～１２０度であることが好ましい。
図６に示されているように、突出部３３０ａの体積が収縮するため、突出部３３０ａが貫通口３４０の内壁３４１と離れて突出部３３０ａと貫通口３４０との間の結合が緩やかになる。結局、第１部分３１０と第２部分３２０との間の結合力が減少して互いに分離できる。このような原理により、電池モジュールの内部に流れる電流を遮断して、異常作動状態に対する安全性を向上させることができる。
図７を参照すれば、突出部３３０ｂは、温度が上昇すると、形態が変化する素材を含むことができる。例えば、一定の温度を超えるにつれて形態が変化する形状記憶合金を含むことができる。
同様に、前記形状記憶合金が第２部分３２０と溶接された後にニッケルメッキされて突出部３３０ｂを構成することができる。正常作動状態では、ニッケルメッキにより電気伝導性を維持し、異常作動状態では、温度上昇により一定の温度以上になると、前記形状記憶合金の形態が変化して突出部３３０ｂの形態が変化し得る。
特に、異常作動状態によって突出部３３０ｂの温度が上昇すると、突出部３３０ｂは、第２部分３２０と平行な方向（Ｙ軸方向）の幅が減少し、第２部分３２０と垂直な方向（Ｘ軸方向）の高さが増加し得る。
突出部３３０ｂが円柱形状の時には、第２部分３２０と平行な方向（Ｙ軸方向）の幅の減少は、円柱の直径が減少するものであってもよく、第２部分３２０と垂直な方向（Ｘ軸方向）の高さの増加は、円柱の高さが増加するものであってもよい。
前記のように、第２部分３２０と平行な方向（Ｙ軸方向）の幅が減少するため、突出部３３０ｂは、貫通口３４０の内壁３４１と離れて第１部分３１０との結合が緩やかになる。結局、第１部分３１０と第２部分３２０との間の結合力が減少して互いに分離されやすい。
また、第２部分３２０と垂直な方向（Ｘ軸方向）の高さが増加するため、突出部３３０ｂが第２部分３２０を第１部分３１０から押し出す効果を有して、電流遮断により有利であり得る。
この時、突出部３３０ｂの体積に対する制限はないので、このような幅の減少および高さの増加により突出部３３０ｂの体積は減少、増加または維持できる。
一方、前記形状記憶合金の形態変化が起こる温度は、異常作動状態に対する安全性確保のために、摂氏１００度～１２０度であることが好ましい。
また、本発明は、異常な作動状態が発生した時、電池パック全体の取替ではない、図６や図７のように第１部分３１０と第２部分３２０との締結が分離された電池モジュールのみ取替可能で、より効率的である。
一方、具体的に示さないが、本発明の電池モジュールは、電池セル積層体などを収納して外部から保護するモジュールフレームとエンドプレートの構成を含むことができる。
上述した本実施例による１つまたはそれ以上の電池モジュールは、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、冷却システムなどの各種制御および保護システムと共に装着されて電池パックを形成することができる。
前記電池モジュールや電池パックは多様なデバイスに適用可能である。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッドなどの運送手段に適用可能であるが、これに限定されず、二次電池を使用できる多様なデバイスに適用可能である。
以上、本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。
１００：電池モジュール
２１０：バスバーフレーム
３００：第１バスバー
３１０：第１部分
３２０：第２部分
３３０：突出部
３４０：貫通口
３６０：接続部
４００：第２バスバー
５００：連結部材
２１０：バスバーフレーム
３００：第１バスバー
３１０：第１部分
３２０：第２部分
３３０：突出部
３４０：貫通口
３６０：接続部
４００：第２バスバー
５００：連結部材
Claims (12)
- 複数の電池セルが積層された電池セル積層体と、
前記電池セルから延びた電極リードに連結された第１バスバーと、
隣接した他の電池モジュールとの連結のために前記第１バスバーに連結された連結部材とを含む電池モジュールであって、
前記第１バスバーは、前記電極リードに連結された第１部分と、前記連結部材に連結された第２部分とを含み、
前記第１部分および前記第２部分のいずれか一方に、突出部が形成され、他方に、前記突出部が挿入される貫通口が形成され、
前記貫通口に前記突出部が挿入されて前記第１部分と前記第２部分とが連結され、
前記突出部は、温度が上昇すると、体積が収縮したり形態が変化したりする素材を含む電池モジュール。 - 前記突出部は、温度上昇により体積が収縮する形状記憶合金を含む、請求項１に記載の電池モジュール。
- 前記突出部は、温度上昇により形態が変化する形状記憶合金を含む、請求項１に記載の電池モジュール。
- 前記突出部は、温度上昇により形態が変化して、前記第２部分と平行な方向の幅が減少し、前記第２部分と垂直な方向の高さが増加する、請求項１又は３に記載の電池モジュール。
- 前記貫通口の内壁と前記突出部とが互いに密着した、請求項１から４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記突出部が前記貫通口に挿入されて、クリンチング（Ｃｌｉｎｃｈｉｎｇ）結合を形成する、請求項１から５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記第２部分は、前記連結部材と接合される接続部を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記突出部は、前記貫通口に対応する形状を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記突出部および前記貫通口それぞれは、２以上である、請求項１から８のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記第１部分にスリットが形成され、
前記電極リードは、前記スリットを通過した後に折り曲げられて前記第１部分に連結される、請求項１から９のいずれか一項に記載の電池モジュール。 - 前記第１バスバーと前記電池セル積層体との間にバスバーフレームが位置し、
前記第１バスバーは、前記バスバーフレームに装着される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電池モジュール。 - 請求項１から１１のいずれか一項に記載の電池モジュールを１つ以上含む電池パック。
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