JP2023521136A - バッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車 - Google Patents
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Abstract
バッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車が開示される。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、バッテリーセル積層体が収納されるカバーと、バッテリーセル積層体に接触する緩衝部材と、を含み、緩衝部材は、内部の流体が移動可能に設けられる。
Description
本発明は、バッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車に関し、より詳しくは、バッテリーセルにスウェリングが発生したとき、バッテリーセルの全体に均一な圧力が作用するようにするバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車に関する。
本出願は、２０２０年１０月２０日出願の韓国特許出願第１０－２０２０－０１３６０７２号に基づく優先権を主張し、該当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。
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、このような正極活物質及び負極活物質がそれぞれ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されるセパレータ及び電解質で構成され、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。そして、多様な種類の二次電池は、バッテリーセルを保護するカバーが備えられ、複数のバッテリーセルが積層されてカバーに入られたバッテリーモジュールと、複数のバッテリーモジュールが含まれたバッテリーパックと、を含む。
バッテリーセルは、導電体であるバスバーによって互いに電気的に接続し得る。通常、正極電極リードはアルミニウム材質から製作され、負極電極リードは銅材質から製作され、バスバーも銅材質から製作される。
一方、バッテリーセルは、内部にガスが生成されて膨れ上がるスウェリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）現象が発生し得る。先行技術文献である特許文献１を参照すると、バッテリーセルのスウェリングによる体積膨張を吸収できるようにスウェリング吸収パッド１２１がモジュールケース２００の内部に配置される。
しかし、従来技術の場合、バッテリーセルの全体ではなくバッテリーセルの一部分でスウェリングが発生すると、スウェリングが発生した部分のみにスウェリング吸収パッド１２１を加圧するようになるため、バッテリーセルのうちスウェリングが発生した部分とスウェリングが発生していない部分との圧力が均一になれず、バッテリーセルのうちスウェリングが発生した部分で局部的に応力が集中してバッテリーセルが部分的に退化するという問題点がある。
本発明は、バッテリーセルにスウェリングが発生してもバッテリーセルの一部分に応力が集中することを防止することでバッテリーセルの全体に均一な圧力が作用するようにするバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車を提供することを目的とする。
本発明の一面によると、 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、前記バッテリーセル積層体が収納されるカバーと、前記バッテリーセル積層体に接触する緩衝部材と、を含み、前記緩衝部材は、内部の流体が移動可能に設けられることを特徴とするバッテリーモジュールが提供され得る。
また、前記緩衝部材は、第１シートと、前記第１シートに結合する第２シートと、前記第１シートと前記第２シートとの間に形成され、流体が充填される複数の流体緩衝層と、前記流体が前記複数の流体緩衝層の間を移動するように前記複数の流体緩衝層を互いに連結するチャンネルと、を含み得る。
そして、前記第１シート及び前記第２シートは、熱接着可能なフィルムシートで設けられ得る。
また、前記チャンネルは複数で設けられ、複数の前記チャンネルは前記流体緩衝層の四方に連結されるように設けられ得る。
そして、前記複数のチャンネルのうち第１チャンネルは、前記複数の流体緩衝層を互いに連結し、前記複数のチャンネルのうち第２チャンネルは、前記複数の流体緩衝層のいずれか一つの流体緩衝層と前記第１チャンネルを連結するように設けられ得る。
また、前記複数の流体緩衝層は、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルによって全て連通しており、前記バッテリーセルのスウェリング現象によって前記バッテリーセルが膨れ上がると、前記バッテリーセルから伝達される圧力によって前記複数の流体緩衝層のうち任意の流体緩衝層に存在する流体が前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルの少なくとも一つを介して他の流体緩衝層へ移動するように設けられ得る。
そして、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルは、垂直に連結され得る。
前記流体緩衝層は、前記第１シートと前記第２シートの結合部分を基準にして対称形状または非対称形状に形成され得る。
なお、本発明の他面によると、前述したバッテリーモジュールを含むバッテリーパックが提供され、また、前記バッテリーモジュールを含む自動車が提供され得る。
本発明の実施例は、内部で流体が移動可能に設けられた緩衝部材によって、バッテリーセルにスウェリングが発生してもバッテリーセルの一部分に応力が集中することを防止してバッテリーセルの全体に均一な圧力が作用するようにする効果を奏する。
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」、「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、または直接接続する場合のみならず、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、または間接的に接続する場合も含む。
図１は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの概略的な断面図であり、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緩衝部材を概略的に示した斜視図であり、図３は、図２の緩衝部材の一部分の拡大図であり、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流体緩衝層の第１シート及び第２シートが対称形状に形成されたことを概略的に示した図であり、図５は、図４の他の実施例において流体緩衝層の第１シート及び第２シートが非対称形状に形成されたことを概略的に示した図であり、図６は、図４においてバッテリーセルの一側端部にスウェリングが発生した場合を概略的に示した図であり、図７は、図４においてバッテリーセルの中心部にスウェリングが発生した場合を概略的に示した図である。
図面を参照すると、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、カバー２００と、緩衝部材３００と、を含む。
図１を参照すると、バッテリーセル積層体１００は、電極リードが備えられたバッテリーセル１１０が複数で設けられて積層される。バッテリーセル１１０に備えられる電極リードは、外部に露出して外部機器に接続する一種の端子であって、伝導性材質で設けられ得る。
電極リードは、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の長手方向に対して互いに反対方向に配置されるか、または正極電極リード及び負極電極リードがバッテリーセル１１０の長手方向に対して互いに同じ方向に位置し得る。
正極電極リードと負極電極リードは、多様な材質で設けられ得、例えば、正極電極リードはアルミニウム材質から製作され、負極電極リードは銅材質から製作され得る。
電極リードは、バスバーに電気的に結合し得る。バッテリーセル１１０は、正極板／セパレータ／負極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／負極板／セパレータ／正極板／セパレータ／負極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積層した構造を有し得る。
バッテリーセル積層体１００は、複数のバッテリーセル１１０が互いに積層されるように構成され得る。ここで、バッテリーセル１１０は、多様な構造を有することができ、複数のバッテリーセル１１０は、多様な方式で積層され得る。
バッテリーセル積層体１００は、各々のバッテリーセル１１０を収納するカートリッジ（図示せず）が複数で備えられ得る。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を収納す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の電圧または温度に関わるデータを提供できるＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ，図示せず）などに接続され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に接続されるメイン端子とし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され得る。一方、バッテリーセル１１０は、多様な形状を有し得る。
図１を参照すると、カバー２００には、バッテリーセル積層体１００、またはバッテリーセル積層体１００が収納されたカートリッジ組立体が収納される。例えば、カバー２００は、バッテリーセル積層体１００を囲むように設けられ得る。
カバー２００は、バッテリーセル積層体１００または複数のカートリッジ組立体の全体を囲み、これによって外部の振動や衝撃からバッテリーセル積層体１００またはカートリッジ組立体を保護する。
カバー２００は、バッテリーセル積層体１００またはカートリッジ組立体の形状に対応する形状に形成され得る。例えば、バッテリーセル積層体１００またはカートリッジ組立体が六面体形状で設けられた場合、カバー２００もこれに対応するように六面体形状で設けられ得る。
カバー２００は、例えば、金属材質のプレートを折り曲げて製造されるか、またはプラスチック射出物によって製造され得る。そして、カバー２００は、一体型に製造されるか、または分離型に製造され得る。
カバー２００に、前述したコネクター要素または端子要素が外部に露出され得る貫通部（図示せず）が形成され得る。即ち、コネクター要素または端子要素は、外部の所定部品または部材と電気的に接続可能であり、このような電気的接続がカバー２００によって干渉されないようにカバー２００に貫通部が形成され得る。
カバー２００は、一体型に形成されるか、または上部カバー２００と、下部カバー２００と、側面カバー２００と、を含んで構成され得るが、これに限定されない。
緩衝部材３００は、バッテリーセル積層体１００に接触し、緩衝部材３００の内部の流体４００（図４参照）が移動可能に設けられる。
図２～図４を共に参照すると、緩衝部材３００は、第１シート３１０と、第２シート３２０と、流体緩衝層３３０と、チャンネル３４０と、を含んで構成され得る。
第１シート３１０及び第２シート３２０は、例えば、熱接着可能なフィルムシートで設けられ得る。そして、第１シート３１０及び第２シート３２０は、図４に示したように互いに上下結合し得る。
流体緩衝層３３０は、複数が形成され、第１シート３１０と第２シート３２０が結合する場合、第１シート３１０と第２シート３２０との間に形成される。ここで、図３を参照すると、流体緩衝層３３０は、上方と下方へ膨らんだ形状であり得る。
流体緩衝層３３０には、流体４００（図４参照）が充填され、流体４００、例えば、空気が流体緩衝層３３０に充填されてバッテリーセル１１０のスウェリングの発生時にバッテリーセル１１０を緩衝するように設けられる。
そして、チャンネル３４０は、複数の流体緩衝層３３０を互いに連結するように設けられる。チャンネル３４０によって複数の流体緩衝層３３０が互いに連結される場合、バッテリーセル１１０にスウェリングが発生してバッテリーセル１１０が複数の流体緩衝層３３０のうち一部を加圧すると、バッテリーセル１１０によって加圧される流体緩衝層３３０に存在する流体４００が、加圧されない他の流体緩衝層３３０へ移動する。
即ち、チャンネル３４０は、流体４００が複数の流体緩衝層３３０の間を移動するように複数の流体緩衝層３３０同士を互いに連結する。
例えば、図６を参照すると、図６を基準にしてバッテリーセル１１０の左側でスウェリングが発生した場合、左側でバッテリーセル１１０に接触している流体緩衝層３３０がバッテリーセル１１０によって加圧され、左側の流体緩衝層３３０から加圧されない右側の流体緩衝層３３０へ流体４００が移動する。
そして、図７を参照すると、図７を基準にしてバッテリーセル１１０の中心でスウェリングが発生した場合、中心でバッテリーセル１１０に接触している流体緩衝層３３０がバッテリーセル１１０によって加圧され、中心の流体緩衝層３３０から加圧されない左側と右側の流体緩衝層３３０へ流体４００が移動する。
図２を参照すると、流体緩衝層３３０は、四角形状の第１シート３１０と第２シート３２０との間に複数個が縦横に配列されており、ある一部分で流体緩衝層３３０に加圧が発生しても、加圧されない縦横位置の多様な流体緩衝層３３０へ流体４００が移動し得る。
これは、エアーマットレスのように、ある一部分が加圧される場合、他の部分へエアが移動しながら緩衝される方式と類似である。
説明の便宜のために、図６及び図７では、流体４００の移動による流体緩衝層３３０の大きさの変化が過度に示されているが、バッテリーセル１１０のある一部分が膨張して当該部分の流体緩衝層３３０が加圧され、その流体緩衝層３３０に存在する流体４００が他の流体緩衝層３３０へ移動するとしても、実際の流体緩衝層３３０の大きさの変化は、図６及び図７ほど過度ではない。
その理由は、図２のように、複数の流体緩衝層３３０は、縦横方向へ複数が配列されているため、いずれか一つの流体緩衝層３３０が加圧されるか、または当該部分の幾つかの流体緩衝層３３０が共に加圧されても、加圧された流体緩衝層３３０に存在する流体４００は、複数のチャンネル３４０、即ち、第１チャンネル３４１及び第２チャンネル３４２を介して縦横方向の複数の流体緩衝層３３０へ分散するため、実際の流体緩衝層３３０の形状変化は微小である。
一方、バッテリーセル１１０でスウェリングが発生し、その部分でバッテリーセル１１０によって加圧された流体緩衝層３３０の最初の絶対サイズが、例えば「５」と仮定すると、加圧された流体緩衝層３３０の流体４００がスウェリングが発生していない部分の他の流体緩衝層３３０へ移動した後には、最初に加圧された流体緩衝層３３０の絶対サイズは「３」に減少し得る。
そして、バッテリーセル１１０においてスウェリングが発生していない部分の流体緩衝層３３０のバッテリーセル１１０によって加圧された最初の絶対サイズが、例えば「１」と仮定すると、バッテリーセル１１０にスウェリングが発生して加圧された流体緩衝層３３０からスウェリングが発生していない部分の流体緩衝層３３０へ流体４００が移動した後のスウェリングが発生していない部分の流体緩衝層３３０の絶対サイズは３に増加し得る。
即ち、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１１０のスウェリングの発生時、バッテリーセル１１０によって加圧された流体緩衝層３３０から、複数のチャンネル３４０を介して、加圧されていない他の複数の流体緩衝層３３０へ流体４００が分散して多様な方向へ移動するため、バッテリーセル１１０でスウェリングが発生した部分とスウェリングが発生していない部分との全体に作用する圧力が同一になる。
そして、これによって、バッテリーセル１１０のある一部分に応力が集中することを防止することで、バッテリーセル１１０の部分的な退化を防止する効果を奏する。
図２及び図３を参照すると、チャンネル３４０は、複数が設けられ、複数のチャンネル３４０は、流体緩衝層３３０の四方へ連結され得る。
例えば、複数のチャンネル３４０のうち第１チャンネル３４１は、複数の流体緩衝層３３０を互いに連結し、複数のチャンネル３４０のうち第２チャンネル３４２は、複数の流体緩衝層３３０のうちいずれか一つの流体緩衝層３３０と第１チャンネル３４１を連結するように設けられ得る。
ここで、第１チャンネル３４１及び第２チャンネル３４２は、垂直に連結され得る。このように、複数の流体緩衝層３３０は、第１チャンネル３４１及び第２チャンネル３４２によって全てが連通できる。
これによって、バッテリーセル１１０のスウェリング時に加入された流体緩衝層３３０に存在する流体４００は、他の複数の流体緩衝層３３０へ分散して移動できる。
即ち、バッテリーセル１１０のスウェリング現象によってバッテリーセル１１０が膨れ上がると、バッテリーセル１１０から伝達される圧力によって複数の流体緩衝層３３０のうち任意の流体緩衝層３３０に存在する流体４００が第１チャンネル３４１または第２チャンネル３４２を通して他の流体緩衝層３３０へ移動する。
一方、流体緩衝層３３０は、第１シート３１０と第２シート３２０との結合部分を基準にして図４のように対称形状に形成されるか、または図５のように非対称形状に形成され得る。
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。
本発明の一実施例によるバッテリーモジュール１０のカバー２００には、緩衝部材３００が備えられる。緩衝部材３００は、複数の流体緩衝層３３０がチャンネル３４０を介して縦横方向へ互いに連結されるように設けられ、バッテリーセル１１０のスウェリングによっていずれか一つの流体緩衝層３３０が加圧されると、その流体緩衝層３３０に存在する流体４００が、加圧されていない他の流体緩衝層３３０へ分散して移動するため、バッテリーセル１１０の全体に均一な圧力が作用する。
これによって、バッテリーセル１１０のある一部分に応力が集中することを防止することでバッテリーセル１１０が部分的に退化することを防止する効果を奏する。
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、前述した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の加え、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、前述した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）を含むことができ、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）に適用可能である。
以上、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。
本発明は、バッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車に関し、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
１２１ スウェリング吸収パッド
２００ カバー
３００ 緩衝部材
３１０ 第１シート
３２０ 第２シート
３３０ 流体緩衝層
３４０ チャンネル
３４１ 第１チャンネル
３４２ 第２チャンネル
４００ 流体
１００ バッテリーセル積層体
１１０ バッテリーセル
１２１ スウェリング吸収パッド
２００ カバー
３００ 緩衝部材
３１０ 第１シート
３２０ 第２シート
３３０ 流体緩衝層
３４０ チャンネル
３４１ 第１チャンネル
３４２ 第２チャンネル
４００ 流体
Claims (10)
- 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、
前記バッテリーセル積層体が収納されるカバーと、
前記バッテリーセル積層体に接触する緩衝部材と、を含み、
前記緩衝部材は、内部の流体が移動可能に設けられることを特徴とする、バッテリーモジュール。 - 前記緩衝部材は、
第１シートと、
前記第１シートに結合する第２シートと、
前記第１シートと前記第２シートとの間に形成され、流体が充填される複数の流体緩衝層と、
前記流体が前記複数の流体緩衝層の間を移動するように前記複数の流体緩衝層を互いに連結するチャンネルと、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。 - 前記第１シート及び前記第２シートは、熱接着可能なフィルムシートで設けられ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。
- 前記チャンネルは複数で設けられ、複数の前記チャンネルは前記流体緩衝層の四方に連結されることを特徴とする、請求項２または３に記載のバッテリーモジュール。
- 前記複数のチャンネルのうち第１チャンネルは、前記複数の流体緩衝層を互いに連結し、
前記複数のチャンネルのうち第２チャンネルは、前記複数の流体緩衝層のいずれか一つの流体緩衝層と前記第１チャンネルを連結す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。 - 前記複数の流体緩衝層は、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルによって全て連通しており、
前記バッテリーセルのスウェリング現象によって前記バッテリーセルが膨れ上がると、前記バッテリーセルから伝達される圧力によって前記複数の流体緩衝層のうち任意の流体緩衝層に存在する流体が前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルの少なくとも一つを介して他の流体緩衝層へ移動することを特徴とする、請求項５に記載のバッテリーモジュール。 - 前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルは、垂直に連結されることを特徴とする、請求項５または６に記載のバッテリーモジュール。
- 前記流体緩衝層は、前記第１シートと前記第２シートの結合部分を基準にして対称形状または非対称形状に形成され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。
- 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。
- 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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