JP2024504950A - センシング部材を含むパウチ型電池セル及びこれを含む電池モジュール - Google Patents

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Abstract

本発明によるパウチ型電池セルは、パウチ型電池ケースの内部に電極組立体を収容し、前記電極組立体は複数の正極及び複数の負極を含み、前記電極組立体の全長方向の両側端のそれぞれから正極タブ及び負極タブが互いに反対方向に延び、前記正極タブと結合された正極リード及び前記負極タブと結合された負極リードは前記パウチ型電池ケースのシーリング部に介在されて外側に突出し、前記パウチ型電池ケースは電圧検出のためのセンシング部材を内装することができる。

Description

本出願は2021年11月18日付の韓国特許出願第10-2021-0159066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この明細書の一部として含まれる。
本発明はセンシング部材を含むパウチ型電池セル及びこれを含む電池モジュールに関するものである。具体的には、パウチ型電池ケースに電圧検出のためのセンシング部材が内装されたパウチ型電池セル及びこれを含む電池モジュールに関するものである。
充放電可能なリチウム二次電池は、ワイヤレスモバイル機器(wireless mobile device)または身体に着用するウェアラブル機器(wearable device)のエネルギー源として広範囲に使われているだけではなく、大気汚染を引き起こす既存のガソリン車両及びディーゼル車両に対する代案として提示される電気自動車、ハイブリッド電気自動車などのエネルギー源としても使われている。
前記リチウム二次電池は、電池ケースの素材及び形態によって、金属缶に電極組立体を内装している円筒型電池セル及び角型電池セル、並びにラミネートシートからなる電池ケースに電極組立体を内装しているパウチ型電池セルに分類することができ、前記パウチ型電池セルは形態変形が自由であり、エネルギー密度が高いという利点がある。
一般的に、電気自動車用電池パックは車両の下部に配置されるので、電池パックの高さを最大限低く構成している趨勢である。それにもかかわらず、電池パックの容量を最大に確保することができるように長い形態の電池セルを製造している。
このように、パウチ型電池セルの厚さは減少し長さは増加する形態に開発されるのに伴い、正極リードと負極リードとが互いに反対方向に突出する両方向電池セルを含む電池モジュールにおいて、BMS(Battery Management System)がすべてのパウチ型電池セルの電圧を測定するために、追加的な部品や空間が必要であるという問題がある。
これに関連して、図1は従来の電池モジュールの垂直断面図を示している。
図1を参照すると、電池モジュール100は、複数のパウチ型電池セル110が積層されており、パウチ型電池セル110は正極リードと負極リードとが互いに反対方向に突出している両方向電池セルである。パウチ型電池セル110が積層された一側にBMSが配置されている。
BMSにおいて、すべてのパウチ型電池セルの電圧を測定するために電池セルと電気的連結が必要である。ところで、BMSに向かって突出した電極リードは直接BMSと容易に結合することができるが、BMSと反対方向に突出した電極リードはBMSからの距離が大きいので、BMSと連結するための別途の構造が必要である。
例えば、図1で、BMSと電極リードとの間の電気的連結のために、点線で表示した経路に配置され、板材とワイヤとから構成される別途の連結部材が必要である。また、前記連結部材をパウチ型電池セル110の間に配置するために一定の空間も必要である。
しかし、電池パックの高さを減らしている趨勢を考慮すると、図1のように別途の連結部材を付け加える場合、不必要に電池パックの高さが増加する問題が発生し得る。
これに関連して、特許文献1は、封筒型外装材の内部に収容され、正極タブと負極タブとが外装材から互いに反対方向に延びる両タブ型セルに関するものであり、正極タブ及び負極タブの少なくとも一方に配置され、前記一方のタブとは反対極性のタブ電圧を検出する電圧検出用端子を備えた両タブ型セルを開示する。
しかし、特許文献1は、電圧検出用端子を電池ケースの外側に延ばすために別途の空間を必要とする構造である。
したがって、長い形態のパウチ型電池セルを複数積層するとき、すべての電池セルの電圧測定のための連結構造をなすことができるとともに、パウチ型電池セルの容量が減少しないか体積が増加しない形態の連結方法の開発が必要である。
特許第3896911号公報
本発明は前記のような問題を解決するためのものであり、複数の両方向パウチ型電池セルが積層される場合、パウチ型電池セルの容量減少または体積増加なしにすべての電池セルの電圧を測定することができるようにセンシング部材を含むパウチ型電池セル及びこれを含む電池モジュールを提供することを目的とする。
このような目的を達成するための本発明は、パウチ型電池ケースの内部に電極組立体を収容するパウチ型電池セルであって、前記電極組立体は複数の正極及び複数の負極を含み、前記電極組立体の全長方向の両側端のそれぞれから正極タブ及び負極タブが互いに反対方向に延び、前記正極タブと結合された正極リード及び前記負極タブと結合された負極リードは前記パウチ型電池ケースのシーリング部に介在されて外側に突出し、前記パウチ型電池ケースは電圧検出のためのセンシング部材を内装している構成であり得る。
前記センシング部材は、センシングリード及びワイヤを含み、前記センシングリードは前記パウチ型電池ケースの外周辺から外側に延び、前記ワイヤは前記パウチ型電池ケースに内装されることができる。
前記パウチ型電池ケースは、外部被覆層、金属層、及び内部接着層を含み、前記ワイヤは、前記外部被覆層と前記金属層との間、または前記内部接着層と前記金属層との間に位置することができる。
前記ワイヤと前記金属層との間には絶縁層が介在されることができる。
前記センシングリードは、前記ワイヤの両側端のそれぞれに位置する第1センシングリード及び第2センシングリードを含むことができる。
前記パウチ型電池ケースの全長方向の両側端は第1末端及び第2末端を含み、前記第1センシングリードは前記第1末端でシーリング部に介在されて外側に延び、前記第2センシングリードは前記第2末端でシーリング部に介在されて外側に延びることができる。
前記正極リード及び第1センシングリードは前記第1末端でシーリング部に介在されて外側に延び、前記負極リード及び第2センシングリードは前記第2末端でシーリング部に介在されて外側に延び、前記第1センシングリードは前記正極リードと重畳しないように配置され、前記第2センシングリードは負極リードと重畳するように配置されることができる。
前記負極リード及び第1センシングリードは前記第1末端でシーリング部に介在されて外側に延び、前記正極リード及び第2センシングリードは前記第2末端でシーリング部に介在されて外側に延び、前記第1センシングリードは前記負極リードと重畳しないように配置され、前記第2センシングリードは正極リードと重畳するように配置されることができる。
前記第1センシングリード及び第2センシングリードのサイズは前記正極リード及び負極リードのサイズより小さいとすることができる。
前記センシング部材はヒューズを含むことができる。
本発明は、前記パウチ型電池セルを含む電池モジュールを提供し、前記電池モジュールは、複数のパウチ型電池セルが密着するように積層された電池セルスタックと、前記電池セルスタックを収容するモジュールハウジングと、前記電池セルスタックの全長方向の両側端の一つである第1末端の外側に配置されるBMSと、センシングリード及び電極リードと結合するバスバープレートとを含み、前記バスバープレートは、センシングリード溶接部及び電極リード溶接部を含むことができる。
前記BMSは前記センシングリード及び前記電極リードと連結されてパウチ型電池セルの電圧を測定することができる。
また、本発明は、前記課題の解決手段を多様に組み合わせた形態としても提供することが可能である。
以上で説明したように、本発明によるパウチ型電池セルは、パウチ型電池ケースの内部に電圧検出のためのセンシング部材を内装しているので、パウチ型電池セルの体積増加なしに電圧検出部材を備えることができる。
また、前記センシング部材が電圧測定装置と反対側に突出した電極端子と連結されるので、別途の連結部材がなくても前記センシング部材が前記電圧測定装置と連結されることで、一つの電池セルの正極及び負極が共に前記電圧測定装置と電気的に連結されることができる。
また、前記センシング部材にヒューズを備えることで、発火及び爆発を防止して安全性を向上させることができる。
従来の電池モジュールの垂直断面図である。 本発明によるパウチ型電池セルの平面図である。 図2の分解斜視図である。 一実施例によるパウチ型電池ケースの分解斜視図である。 他の一実施例によるパウチ型電池ケースの分解斜視図である。 本発明による電池モジュールの平面図である。 本発明による電池モジュールの斜視図である。 本発明によるバスバープレートの平面図である。
以下、添付図面を参照して本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができる実施例を詳細に説明する。ただし、本発明の好適な実施例に対する動作原理を詳細に説明するにあたり、関連した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必要にあいまいにする可能性があると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。
また、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を使う。明細書全般で、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは直接的に連結されている場合だけでなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むというのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
また、構成要素を限定するか付け加えて具体化する説明は、特別な制限がない限り、すべての発明に適用可能であり、特定の発明に限定されない。
また、本発明の説明及び特許請求の範囲全般にわたって単数で表示したものは、別に言及しない限り、複数の場合も含む。
また、本発明の説明及び特許請求の範囲全般にわたって「または」は、別に言及しない限り、「及び」を含むものである。したがって、「AまたはBを含む」はAを含むか、Bを含むか、またはA及びBの両者を含む3種の場合を意味する。
本発明を図面に基づいて詳細な実施例と一緒に説明する。
図2は本発明によるパウチ型電池セルの平面図であり、図3は図2の分解斜視図である。
図2及び図3を参照すると、本発明によるパウチ型電池セル110は、電極組立体201をパウチ型電池ケース240の内部に収容し、パウチ型電池ケース240は、電極組立体収納部が形成された下部ケース242、及び下部ケース242と熱融着する上部ケース241を含む。
図3に示すものとは違い、電極組立体収納部は上部ケースに形成された構成であり得るかまたは上部ケース及び下部ケースのそれぞれに形成された構成であり得る。また、図3は上部ケース241と下部ケース242とが分離された形態を示しているが、これとは違い、上部ケース及び下部ケースのいずれかの一側外周辺で連結され、連結された部分で折り曲げられて熱融着する形態を有することができる。
電極組立体201は複数の正極及び複数の負極を含み、電極組立体の全長方向(x)の両側端のそれぞれから正極タブ211及び負極タブ221が互いに反対方向に延び、正極タブ211と結合された正極リード210、及び負極タブ221と結合された負極リード220はパウチ型電池ケース240のシーリング部244に介在されて外側に突出し、パウチ型電池ケースは電圧検出のためのセンシング部材230を内装している。
センシング部材230は、第1センシングリード231、第2センシングリード232、及びワイヤ233を含み、第1センシングリード231及び第2センシングリード232はワイヤ233の両側端のそれぞれに位置する。第1センシングリード231及び第2センシングリード232はパウチ型電池ケース240の外周辺から外側に延び、ワイヤ233はパウチ型電池ケースに内装されている。
図2及び図3は、説明の便宜のために、センシング部材のワイヤが外部から見えるもののように示しているが、ワイヤはパウチ型電池ケースの内部に内装された形態である。
パウチ型電池ケース240の全長方向(x)の両側端は、第1末端251及び第2末端252を含み、第1センシングリード231は第1末端251でシーリング部244に介在されて外側に延び、第2センシングリード232は第2末端252でシーリング部244に介在されて外側に延びる。
一具体例で、正極リード210及び第1センシングリード231は第1末端251でシーリング部244に介在されて外側に延び、負極リード220及び第2センシングリード232は第2末端252でシーリング部244に介在されて外側に延び、第1センシングリード231は正極リード210と重畳しないように配置され、第2センシングリード232は負極リード220と重畳するように配置される。ここで、第2センシングリード232と負極リード220とは溶接によって結合されることができる。
このように、第2センシングリード232と負極リード220とが結合されて電気的に連結された状態になるので、負極リード220の電圧を第2センシングリード232及びワイヤ233を介して第1センシングリード231で測定することができる。
一方、正極リード及び負極リードの外面に、パウチ型電池ケースとの密着力を確保するための絶縁性保護フィルムを付加することができる。このような場合には、第2センシングリードのx方向の長さが前記絶縁性保護フィルムのx方向の長さよりも延びる形態を有するようにすることで、第2センシングリードの末端が負極リードと結合するようにすることができる。
図2及び図3で、正極リードと負極リードの位置が互いに取り替えられた形態であり、前記負極リード及び第1センシングリードは前記第1末端でシーリング部に介在されて外側に延び、前記正極リード及び第2センシングリードは前記第2末端でシーリング部に介在されて外側に延び、前記第1センシングリードは前記負極リードと重畳しないように配置され、前記第2センシングリードは正極リードと重畳するように配置される。ここで、第2センシングリードと正極リードとは溶接によって結合されることができる。
このように、第2センシングリードと正極リードとが結合されて電気的に連結された状態になるので、正極電圧を第2センシングリード及びワイヤを介して第1センシングリードで測定することができる。
第1センシングリード及び第2センシングリードを通しては大電流が流れず、単純にBMSで電圧を測定するためのごく少ない電流のみ流れる。したがって、第1センシングリード及び第2センシングリードのサイズは正極リード及び負極リードのサイズより小さい形態であり得る。
図4は一実施例によるパウチ型電池ケースの分解斜視図である。
図4を参照すると、パウチ型電池ケースは図3に示す上部ケース241である。
パウチ型電池ケースは、外部被覆層241a、金属層241b、及び内部接着層241cを含む。
前記外部被覆層は外部から電池セルを保護する役割を果たすので、外部環境に対する優れた耐性を有しなければならず、厚さに比べて優れた引張強度及び耐候性などが要求される。例えば、ポリエチレンテレフタレート(polyethyleneterephthalate;PET)、ポリブチレンテレフタレート(polybuthyleneterephthalate;PBT)、ポリエチレンナフタレート(polyethylenenaphthalate;PEN)などのポリエステル系樹脂、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン系樹脂、ポリスチレンなどのポリスチレン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリ塩化ビニリデン系樹脂などを使うことができる。このような素材は、単独でまたは2種以上混合して使うことができ、ONy(延伸ナイロンフィルム)を多く使っている。
前記金属層は、ガス、湿気などの異物の流入または電解液の漏出を防止する機能の他にも電池ケースの強度を向上させる機能を発揮することができるように、アルミニウム(Al)またはアルミニウム合金を使うことができ、アルミニウム合金としては、例えば、合金番号8079、1N30、8021、3003、3004、3005、3104、3105などを挙げることができ、これらは単独でまたは2種以上の組合せで使うことができる。
前記内部接着層は、熱融着性を有し、電解液に対する吸湿性が低く、電解液によって膨張するか浸食されない高分子樹脂を使うことができ、より好ましくは、無延伸ポリプロピレンフィルム(CPP)からなることができる。
ワイヤ233は外部被覆層241aと金属層241bとの間に位置し、第1センシングリード231及び第2センシングリード232は外部被覆層241a及び金属層241bの外周辺の外側に延びる。
ワイヤ233と金属層241bとの間には絶縁層236が介在されているので、パウチ型電池ケースを成形する過程、脱ガス過程などで金属層が露出されても、金属層とワイヤとが接触することを防止することができる。
図4は絶縁層がワイヤに対応する部分にのみ付加された形態を示しているが、これとは違い、外部被覆層及び金属層の面積と同じ面積の絶縁層を付加することができ、またはワイヤを取り囲む形態を有する絶縁層を使うことができるというのは言うまでもない。
前記絶縁層の素材としては、化学的な変化を引き起こさず、絶縁性を確保することができるものであれば特に限定されない。例えば、塩化ビニル、エポキシ樹脂、シリコン、エチレンプロピレンゴム、マイカ、またはセラミックを使うことができる。
図5は他の一実施例によるパウチ型電池ケースの分解斜視図である。
図5を参照すると、センシング部材230において、ワイヤ233が内部接着層241cと金属層241bとの間に位置し、ワイヤ233と金属層241bとの間に絶縁層236が位置する。これを除き、図4を参照する説明に記載された内容を同様に適用することができる。
一方、センシング部材は、ワイヤの一部にヒューズを含むことができる。例えば、ワイヤを構成する導電体の一部区間の厚さまたは形状を変更することで、特定の電流のみ許すように構成されることができ、過電流が流れる場合、前記導電体が切れて電気的連結を遮断することができる。
図6は本発明による電池モジュールの平面図である。
図6を参照すると、複数のパウチ型電池セル110は図2~図5に示すセンシング部材を含むパウチ型電池セルである。複数のパウチ型電池セル110が直列に連結されるように積層されており、複数のパウチ型電池セル110の一側にBMSが配置される。
複数のパウチ型電池セル110は正極リードと負極リードとが互いに反対方向に突出する両方向電池セルであり、BMSと反対方向に突出した電極リードとBMSとの電気的連結のために、BMSに向かって突出した電極リードに隣接してセンシング部材が突出するように構成される。図6で、BMSとセンシング部材との間の電気的連結は点線で示し、BMSと電極リードとの連結は実線で示している。
図7は本発明による電池モジュールの斜視図である。
図7を参照すると、電池モジュールは、図2~図5に示すセンシング部材を含むパウチ型電池セル110が密着するように積層された電池セルスタック、電池セルスタックを収容するモジュールハウジング101、電池セルスタックの全長方向(x)の両側端の一つである第1末端251の外側に配置されるBMS260(点線で示す)、及びセンシングリード及び電極リードと結合するバスバープレート271、272(点線で示す)を含む。第1センシングリード231及び正極リード210はバスバープレート271と結合し、第2センシングリード232と負極リード220とは互いに重畳するように結合した状態でバスバープレート272と結合する。
BMS260は、センシングリード231、232、正極リード210及び負極リード220と連結され、すべてのパウチ型電池セルの電圧を測定する。
図8は本発明によるバスバープレートの平面図である。
図8を参照すると、バスバープレート271は、互いに重畳しないように形成されたセンシングリード溶接部274及び電極リード溶接部278を含む。センシングリード溶接部274に隣接して形成された貫通口273をセンシングリードが通過してバスバープレートの外側に突出した後、直角に折り曲げられてセンシングリード溶接部274に溶接され、電極リード溶接部278に隣接して形成された貫通口277を電極リードが通過してバスバープレートの外側に突出した後、直角に折り曲げられて電極リード溶接部278に溶接される。
図7に示すバスバープレート272は、互いに重畳して結合されたセンシングリード及び電極リードがバスバープレートに溶接され、図8に示す貫通口277及び電極リード溶接部278に対応する構成のみを含む形態である。
このように、本発明によるパウチ型電池セルはパウチ型電池ケースの内部にセンシング部材を含んでいるので、両方向電池セルの場合にも一側外周辺にあるBMSのような抵抗測定装置と正極及び負極の両者とが電気的連結状態を形成することで、すべての電池セルの抵抗測定が可能となる。
本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば前記内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形をなすことが可能であろう。
100 電池モジュール
101 モジュールハウジング
110 パウチ型電池セル
201 電極組立体
210 正極リード
211 正極タブ
220 負極リード
221 負極タブ
230 センシング部材
231 第1センシングリード
232 第2センシングリード
233 ワイヤ
236 絶縁層
240 パウチ型電池ケース
241 上部ケース
241a 外部被覆層
241b 金属層
241c 内部接着層
242 下部ケース
244 シーリング部
251 第1末端
252 第2末端
260 BMS
271、272 バスバープレート
273、277 貫通口
274 センシングリード溶接部
278 電極リード溶接部

Claims (12)

  1. パウチ型電池ケースの内部に電極組立体を収容するパウチ型電池セルであって、
    前記電極組立体は複数の正極及び複数の負極を含み、
    前記電極組立体の全長方向の両側端のそれぞれから正極タブ及び負極タブが互いに反対方向に延び、
    前記正極タブと結合された正極リード及び前記負極タブと結合された負極リードは前記パウチ型電池ケースのシーリング部に介在されて外側に突出し、
    前記パウチ型電池ケースは電圧検出のためのセンシング部材を内装している、パウチ型電池セル。
  2. 前記センシング部材は、センシングリード及びワイヤを含み、
    前記センシングリードは前記パウチ型電池ケースの外周辺から外側に延び、前記ワイヤは前記パウチ型電池ケースに内装されている、請求項1に記載のパウチ型電池セル。
  3. 前記パウチ型電池ケースは、外部被覆層、金属層、及び内部接着層を含み、
    前記ワイヤは、前記外部被覆層と前記金属層との間、または前記内部接着層と前記金属層との間に位置する、請求項2に記載のパウチ型電池セル。
  4. 前記ワイヤと前記金属層との間には絶縁層が介在されている、請求項3に記載のパウチ型電池セル。
  5. 前記センシングリードは、前記ワイヤの両側端のそれぞれに位置する第1センシングリード及び第2センシングリードを含む、請求項2に記載のパウチ型電池セル。
  6. 前記パウチ型電池ケースの全長方向の両側端は第1末端及び第2末端を含み、
    前記第1センシングリードは前記第1末端で前記シーリング部に介在されて外側に延び、
    前記第2センシングリードは前記第2末端で前記シーリング部に介在されて外側に延びる、請求項5に記載のパウチ型電池セル。
  7. 前記正極リード及び前記第1センシングリードは前記第1末端で前記シーリング部に介在されて外側に延び、前記負極リード及び前記第2センシングリードは前記第2末端で前記シーリング部に介在されて外側に延び、
    前記第1センシングリードは前記正極リードと重畳しないように配置され、前記第2センシングリードは前記負極リードと重畳するように配置される、請求項6に記載のパウチ型電池セル。
  8. 前記負極リード及び前記第1センシングリードは前記第1末端で前記シーリング部に介在されて外側に延び、前記正極リード及び前記第2センシングリードは前記第2末端で前記シーリング部に介在されて外側に延び、
    前記第1センシングリードは前記負極リードと重畳しないように配置され、前記第2センシングリードは前記正極リードと重畳するように配置される、請求項6に記載のパウチ型電池セル。
  9. 前記第1センシングリード及び前記第2センシングリードのサイズは前記正極リード及び前記負極リードのサイズより小さい、請求項5に記載のパウチ型電池セル。
  10. 前記センシング部材はヒューズを含む、請求項1に記載のパウチ型電池セル。
  11. 請求項1~10のいずれか一項に記載のパウチ型電池セルを含む電池モジュールであって、
    複数の前記パウチ型電池セルが密着するように積層された電池セルスタックと、
    前記電池セルスタックを収容するモジュールハウジングと、
    前記電池セルスタックの全長方向の両側端の一つである第1末端の外側に配置されるBMSと、
    センシングリード及び電極リードと結合するバスバープレートと、
    を含み、
    前記バスバープレートは、センシングリード溶接部及び電極リード溶接部を含む、電池モジュール。
  12. 前記BMSは前記センシングリード及び前記電極リードと連結されて前記パウチ型電池セルの電圧を測定する、請求項11に記載の電池モジュール。
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