JP2023514123A - 電池モジュールおよびそれを含む電池パック - Google Patents

電池モジュールおよびそれを含む電池パック Download PDF

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Abstract

本発明の一実施形態による電池モジュールは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体；前記電池セル積層体を収容するモジュールフレーム；前記電池セル積層体の前後面をカバーするバスバーフレーム；および前記バスバーフレームに取り付けられた複数のバスバーを含み、前記複数のバスバーの間には第１隔壁および第２隔壁が形成される。

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は２０２０年７月２１日付韓国特許出願第１０－２０２０－００９０３３０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それを含む電池パックに関し、より詳細にはバスバー間のショート防止構造が設けられた電池モジュールおよびそれを含む電池パックに関する。
二次電池はモバイル機器および電気自動車などの多様な製品群でエネルギ源として多くの関心を集めている。このような二次電池は化石燃料を使用する既存製品の使用に代える有力なエネルギ資源であって、エネルギ使用による副産物が発生しないため環境に優しいエネルギ源として脚光を浴びている。
最近二次電池のエネルギ貯蔵源としての活用をはじめとして大容量二次電池構造に対する必要性が高まるにつれ、多数の二次電池が直列／並列に連結された電池モジュールを集合させたマルチモジュール構造の電池パックに対する需要が増加している。
なお、複数の電池セルを直列／並列に連結して電池パックを構成する場合、少なくとも一つの電池セルからなる電池モジュールを構成し、このような少なくとも一つの電池モジュールを用いてその他構成要素を追加して電池パックを構成することが一般的な方法である。
このような電池モジュールは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体、前記電池セル積層体を収容するモジュールフレームおよび前記電池セル積層体の前後面をカバーするバスバーフレームを含む。
図１は従来の電池モジュール構造を示す図である。
図１を参照すると、従来の電池モジュールは、電池セル積層体を収容するモジュールフレーム２０、電池セル積層体の前後面をカバーするバスバーフレーム３０、バスバーフレームの外側面に取り付けられた複数のバスバー４０およびバスバーフレーム３０で突出形成されて複数のバスバー４０を区画する隔壁５０を含む。
この時、複数のバスバーのうち隣接するバスバー４０の間には一つの隔壁５０のみが形成されており、バスバー４０間の間隔も非常に狭く形成される。また、モジュールフレーム底部２１とバスバー４０との間の間隔も非常に狭く形成される。
電池モジュール内部では水分発生および電池セルからの電解液液漏れ現象が起き得、このような液体がバスバーを腐食させてバスバー間の沈殿物が連結されてバスバー間のショート（ｓｈｏｒｔ）現象が発生し得る。ショート現象が発生する場合、電池モジュールの発火可能性が高くなって安全性に問題が生じ得、結果的にバスバー間のショート現象を事前に防止できるバスバーおよびバスバーフレーム構造が必須として求められる。
本発明が解決しようとする課題は、バスバー間のショート現象を防止できる構造を有する電池モジュールおよびそれを含む電池パックを提供することにある。
本発明の課題は以上で言及した課題に制限されず、言及されていないまた他の課題は以下の記載から当業者に明確に理解されることができる。
前記課題を実現するための本発明の一実施形態による電池モジュールは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体；前記電池セル積層体を収容するモジュールフレーム；前記電池セル積層体の前後面をカバーするバスバーフレーム；および前記バスバーフレームに取り付けられた複数のバスバーを含み、前記複数のバスバーの間には、第１隔壁および第２隔壁が形成される。
前記第１隔壁および前記第２隔壁の間には、第１空間部が形成され得る。
前記バスバーの下端とエンドプレートの下面部との間には、第２空間部が形成され得る。
前記第２空間部の前方には、絶縁カバーが位置し、前記第２空間部の後方には、前記バスバーフレーム下側部が位置し得る。
前記第１隔壁および前記第２隔壁は、前記複数のバスバーのうち互いに対向する二つのバスバーの側面をそれぞれカバーし得る。
前記バスバーフレームは、前記複数のバスバーの下端と接触するように水平方向に延長形成された水平隔壁を含み得る。
前記水平隔壁で前方および上側に突出形成された突起部をさらに含み、前記突起部は、前記複数のバスバーの下端部を固定させ得る。
前記突起部は、前記複数のバスバーの下端部の両側端にそれぞれ形成され得る。
前記複数のバスバーは、両端に一つずつ形成された端子バスバーおよび二つの端子バスバーの間に形成された複数のセンシングバスバーを含み、前記センシングバスバー間の間隔は、前記端子バスバーと最も近い前記センシングバスバーの間の間隔よりさらに広くてもよい。
前記端子バスバーと隣接する第１隔壁の高さは、前記端子バスバーと最も近い前記センシングバスバーと隣接する第２隔壁の高さよりさらに高くてもよい。
本発明の他の一実施形態による電池パックは、前記電池モジュールを含み得る。
本発明の一実施形態による電池モジュールおよびそれを含む電池パックは、バスバー間の間隔確保構造、バスバー間の二重隔壁構造およびバスバーとモジュールフレーム底部との間の空間確保構造によりバスバー間のショート現象を防止して電池モジュールの安定性を確保できる。
本発明の効果は、以上で言及した効果に制限されず、言及されていないまた他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者に明確に理解されることができる。
従来の電池モジュール構造を示す図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールの分解斜視図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールのバスバーフレームおよびバスバーが取り付けられた様子を示す正面図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールのバスバーフレームおよびバスバーが取り付けられた様子を示す斜視図である。 図３のＡ－Ａ部分を示す断面図である。 図４のＢ部分を拡大した図である。
以下で説明される実施形態は発明の理解を深めるために例示的に示すものであり、本発明はここで説明される実施形態とは異に多様に変形して実施できることが理解されなければならない。ただし、本発明を説明するにあたり関連する公知機能あるいは構成要素に係る具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にすると判断される場合はその詳細な説明および具体的な図示を省略する。また、添付する図面は発明の理解を深めるために実際の縮尺のとおり図示されたものでなく一部構成要素の寸法を誇張して示す場合もある。
本出願で使用される第１、第２の用語は多様な構成要素を説明するために使用できるが、構成要素は用語によって限定されるべきではない。用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にのみ使用される。
また、本出願で使用される用語は単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであり、権利範囲を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明白に異なる意味を示さない限り、複数の表現を含む。本出願で「含む」、「からなる」または「構成される」などの用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせたものが存在することを指定するためであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせたものの存在または付加の可能性をあらかじめ排除しないものとして理解されなければならない。
以下、図２ないし図４を参照して本発明の一実施形態による電池モジュールについて説明する。
図２は本発明の一実施形態による電池モジュールの分解斜視図である。図３は本発明の一実施形態による電池モジュールのバスバーフレームおよびバスバーが取り付けられた様子を示す正面図である。図４は本発明の一実施形態による電池モジュールのバスバーフレームおよびバスバーが取り付けられた様子を示す斜視図である。
図２ないし図４を参照すると、本発明の一実施形態による電池モジュールは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体１００、電池セル積層体１００を収容するモジュールフレーム２００、電池セル積層体１００の前後面をカバーするバスバーフレーム３００およびバスバーフレーム３００に取り付けられた複数のバスバー４００を含む。
電池セルは二次電池として、パウチ型二次電池で構成される。このような電池セルは複数で構成され、複数の電池セルは相互電気的に連結されるように相互積層されて電池セル積層体１００を形成する。このような複数の電池セルはそれぞれ電極組立体、電池ケースおよび電極組立体から突出した電極リードを含む。
モジュールフレーム２００は電池セル積層体１００を収容する。モジュールフレーム２００は本実施形態のように上下左右面で形成されることもでき、Ｕ字型フレームおよび上部プレートが結合された形態で形成されることもできる。モジュールフレーム２００は電池セル積層体１００の上下左右の四面をカバーする。モジュールフレーム２００によりモジュールフレーム２００の内部に収容された電池セル積層体１００を物理的に保護する。
バスバーフレーム３００は電池セル積層体１００の前後面をカバーするように形成され、電池セル積層体１００の前後面で複数の電池セルから突出形成された電極リードと連結される。より詳細には、バスバーフレームに取り付けられた複数のバスバー４００にバスバーフレーム３００を貫通して延長した電極リードが結合されることによって電池セルとバスバー４００が電気的に連結される。バスバーフレーム３００の上側にはコネクタが形成される。コネクタは電池セルからセンシングされた情報を電池パック上に形成されたＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）に伝送する。
エンドプレート９００は電池セル積層体１００を基準としてバスバーフレーム３００の外側にそれぞれ形成され、電池セル積層体１００およびバスバーフレーム３００をカバーするように形成される。エンドプレート９００は外部の衝撃からバスバーフレーム３００、電池セル積層体１００およびこれと連結された複数の電装品を保護し、同時に電池セル積層体１００と外部電源との電気的連結を案内する。
エンドプレート９００とバスバーフレーム３００との間には絶縁カバー８００が挿入される。絶縁カバー８００はバスバーフレーム３００と外部との電気的連結を遮断して電池モジュールの絶縁性能を確保する。
本実施形態によれば、複数のバスバー４００の間には第１隔壁５１０および第２隔壁５２０が形成され、第１隔壁および第２隔壁の間には第１空間部６００が形成される。第１隔壁５１０および第２隔壁５２０は、複数のバスバー４００のうち互いに対向する二つのバスバーの側面をそれぞれカバーする。
従来には複数のバスバー間をそれぞれ区分する一つの隔壁だけが存在し、バスバーとバスバーとの間の間隔も非常に狭くて沈殿物形成時バスバー間のショート現象が発生する恐れが高かった。
しかし、本発明の一実施形態によれば、バスバー４００間に第１空間部６００が形成され、第１空間部６００は一定の幅Ｓ１，Ｓ２を有するように形成される。これによりバスバー４００間の間隔を確保でき、電解液および水分によるバスバーの腐食および沈殿物の連結によるバスバー間のショート発生を最小化できる。
また、複数のバスバー間には第１隔壁５１０および第２隔壁５２０が形成されてバスバー間の二重隔壁構造を形成することによって、沈殿物によるバスバー間の連結可能性を未然に防止してバスバー間の電気的連結によるショート発生を最小化できる。また、第１空間部６００は第１隔壁５１０および第２隔壁５２０の間に形成され、第１隔壁５１０および第２隔壁５２０を越えなかった電解液または水分がバスバーと接する前に先に第１空間部６００に流入し得る。これにより第１空間部６００を介して電解液または水分の貯蔵容量を確保すると同時にバスバー４００と電解液または水分との接触が遮断されてバスバー４００の腐食現象を基本的に遮断できる。
バスバー４００は、バスバーフレーム３００の両側端に一つずつ位置した端子バスバー４２０および端子バスバー４２０の間に位置したセンシングバスバー４１０を含む。端子バスバー４２０は電池パック内部の電池モジュールを直列または並列に連結して電池モジュールの間の電流パスを形成する。センシングバスバー４１０は電池モジュール内部の電池セルを直列または並列に連結して電池セルの間の電流パスを形成する。
センシングバスバー４１０の間には追加隔壁が形成される。第１隔壁５１０および第２隔壁５２０以外に追加隔壁が形成されることによって、沈殿物によるセンシングバスバー４１０間の連結がより難しくなる。
以下、図３ないし図５を参照して、本発明の一実施形態による第２空間部について説明する。
図５は図３のＡ－Ａ部分を示す断面図である。
図３ないし図５を参照すると、本実施形態による電池モジュールは、バスバー４００の下端とエンドプレート９００の下面部９００ａとの間には第２空間部７００が形成される。より詳細には、図５に示すように、第２空間部７００の前方には絶縁カバー８００が位置し、後方には一定の高さ有するバスバーフレーム３００の下側部３１０が位置し得る。
より詳細には、第２空間部７００の前方および下方には絶縁カバー８００が形成されており、第２空間部７００の上方には水平隔壁３２０が、後方にはバスバーフレーム下側部３１０が形成される。したがって、第２空間部７００はバスバーフレーム３００と絶縁カバー８００により囲まれた空間で定義される。
従来には水平方向に配列されたバスバーとエンドプレート下面部またはモジュールフレームの底部との間の空間が殆どなく、電池セルから漏出した電解液または水分がすぐに満ちてきてバスバーが電解液または水分によって浸水し、浸水によるバスバーの腐食現象が発生し、腐食による沈殿物がバスバーを連結することによってバスバー間の電気的連結によるショート現象が容易に発生した。
しかし、本発明の一実施形態によれば、バスバー４００の下端とエンドプレート９００の下面部９００ａとの間に十分な容積を有する第２空間部７００が形成されることによって、電池モジュール内部で発生した電解液または水分が第２空間部７００に保存され、第２空間部７００が電解液または水分を収容できる容積を有するように形成されることによって電解液または水分が第２空間部７００の上側に位置したバスバー４００と接触する可能性を最小化できる。これによりバスバーが電解液または水分によって腐食する可能性を最小化でき、腐食現象により発生する沈殿物がバスバーを連結してショート現象が発生する可能性も最小化させることができる。
図３を参照すると、バスバーフレーム３００は、複数のバスバー４００の下端と接触するように水平方向に延長形成された水平隔壁３２０を含む。水平隔壁３２０は第２空間部７００とバスバー４００との間に突出形成され、第２空間部７００に保存された電解液または水分がバスバー４００と接触する可能性を最小化させることができる。
本実施形態によれば、水平隔壁３２０で前方および上側に突出形成された突起部３２１をさらに含み、突起部３２１は複数のバスバー４００の下端部を固定させる。突起部３２１は、複数のバスバー４００の下端部の両側端にそれぞれ形成される。突起部３２１は第２空間部７００とバスバー４００との間で水平隔壁３２０よりさらに突出するように形成されることによって、バスバーの下側に収容される電解液または水分がバスバー４００と接触する可能性をより低下させることができる。
以下、図３、図４および図６を参照して、本発明の一実施形態による隔壁の高さの差異について説明する。
図６は図４のＢ部分を拡大した図である。
図４を参照すると、センシングバスバー４１０間の間隔Ｓ１は、端子バスバー４２０および端子バスバー４２０と最も近いセンシングバスバー４１０の間の間隔Ｓ２より広く形成される。また、図６を参照すると、センシングバスバー４１０と端子バスバー４２０との間に形成された二つの隔壁５１０’，５２０’で、第１隔壁５１０’は第２隔壁５２０’より高く形成される。
センシングバスバー４１０の間の間隔Ｓ１より、センシングバスバー４１０と端子バスバー４２０との間の間隔Ｓ２がさらに狭いことの代わりに、端子バスバー４２０と隣接する部分に位置した第１隔壁５１０’が第２隔壁５２０’より間隔Ｇだけさらに高く形成されることによって、沈殿物によるバスバー４００の間の連結を防いでバスバー間のショート現象を防止できる。
前述した電池モジュールは電池パックに含まれ得る。電池パックは、本実施形態による電池モジュールを一つ以上集めて電池の温度や電圧などを管理する電池管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ；ＢＭＳ）と冷却装置などを追加してパッキングした構造であり得る。
前記電池パックは多様なデバイスに適用できる。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの運送手段に適用できるが、本発明はこれに制限されず電池モジュールを使用できる多様なデバイスに適用することが可能であり、これもまた本発明の権利範囲に属する。
以上では本発明の好ましい実施形態について図示して説明したが、本発明は上述した特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく当該発明が属する技術分野における通常の知識を有する者によって多様な変形実施が可能であることは勿論であり、このような変形実施は本発明の技術的思想や展望から個別に理解されるべきではない。
２００ モジュールフレーム
２１０ モジュールフレーム下面部
３００ バスバーフレーム
３１０ バスバーフレーム下側部
３２０ 水平隔壁
３２１ 突起部
４００ 複数のバスバー
４１０ センシングバスバー
４２０ 端子バスバー
５１０ 第１隔壁
５２０ 第２隔壁
６００ 第１空間部
７００ 第２空間部
８００ 絶縁カバー
９００ エンドプレート

Claims (11)

  1. 複数の電池セルが積層されている電池セル積層体；
    前記電池セル積層体を収容するモジュールフレーム；
    前記電池セル積層体の前後面をカバーするバスバーフレーム；および
    前記バスバーフレームに取り付けられた複数のバスバーを含み、
    前記複数のバスバーの間には、第１隔壁および第２隔壁が形成される、電池モジュール。
  2. 前記第１隔壁および前記第２隔壁の間には、第１空間部が形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記バスバーの下端とエンドプレートの下面部との間には、第２空間部が形成される、請求項１または２に記載の電池モジュール。
  4. 前記第２空間部の前方には、絶縁カバーが位置し、前記第２空間部の後方には、前記バスバーフレームの下側部が位置する、請求項３に記載の電池モジュール。
  5. 前記第１隔壁および前記第２隔壁は、前記複数のバスバーのうち互いに対向する二つのバスバーの側面をそれぞれカバーする、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  6. 前記バスバーフレームは、前記複数のバスバーの下端と接触するように水平方向に延長形成された水平隔壁を含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  7. 前記水平隔壁で前方および上側に突出形成された突起部をさらに含み、
    前記突起部は、前記複数のバスバーの下端部を固定させる、請求項６に記載の電池モジュール。
  8. 前記突起部は、前記複数のバスバーの下端部の両側端にそれぞれ形成される、請求項７に記載の電池モジュール。
  9. 前記複数のバスバーは、両端に一つずつ形成された端子バスバーおよび二つの端子バスバーの間に形成された複数のセンシングバスバーを含み、
    前記センシングバスバー間の間隔は、前記端子バスバーと最も近い前記センシングバスバーの間の間隔よりさらに広い、請求項１～８のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  10. 前記端子バスバーと隣接する第１隔壁の高さは、前記端子バスバーと最も近い前記センシングバスバーと隣接する第２隔壁の高さよりさらに高い、請求項９に記載の電池モジュール。
  11. 請求項１～１０のいずれか一項に記載の電池モジュールを含む、電池パック。
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