JP7171584B2 - バッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパック - Google Patents

Description

本発明は、バッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックに関し、より詳しくは、バッテリーセルのスウェリング発生時、バッテリーセルに均一な圧力がかかるようにするバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックに関する。

本出願は、２０１７年９月１８日出願の韓国特許出願第１０－２０１７－０１１９７６４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各々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各々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からなり、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。

図１の（ａ）は、従来のバッテリーモジュールの部分側断面図であり、図１の（ｂ）は、従来のバッテリーモジュールにおいてバッテリーセルにスウェリングが発生してバッテリーセルとエンドプレートに不均一な圧力が形成される様子を示した部分側断面図である。

図１の（ａ）及び（ｂ）を参照すれば、バッテリーモジュール１には、複数のバッテリーセル２が積層され得る。ところが、バッテリーセル２の充電と放電過程でバッテリーセル２の内部でガスが発生することがあり、このように発生したガスによってバッテリーセル２が膨張及び収縮するスウェリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）現象が繰り返して発生し得る。一方、バッテリーセル２と一側端部のエンドプレート３とは相互接触しており、上記エンドプレート３の縁部は、上側及び下側エンドプレート４、５と連結され、上側及び下側エンドプレート４、５によって支持されるので、上記エンドプレート３の中心部に比べて相対的に剛性が高く、したがって、上記エンドプレート３は、上記エンドプレート３の中心部よりも上記エンドプレート３の縁部でバッテリーセル２をさらに加圧するようになる。即ち、相対的に大きい圧力に加圧されるバッテリーセル２の縁部よりも、相対的に小さい圧力で加圧されるバッテリーセル２の中心部にて膨張がよく起こり、これによって、図１の（ｂ）に示したように、バッテリーセル２のスウェリング発生時、バッテリーセル２の縁部よりもバッテリーセル２の中心部がさらに脹れ上がる。これに関して、圧力分布は、図１の（ｂ）の矢印を参照すれば、エンドプレート３の中心部からエンドプレート３の縁部へ進むほど圧力の大きさが増加するように、即ち、圧力分布が不均一に形成される。即ち、エンドプレート３の縁部では、バッテリーセル２が膨張できないため、圧力が過度にかかるようになる。

しかし、このようにバッテリーセル２のスウェリング発生時にバッテリーセル２に不均一な圧力分布が形成されると、バッテリーセル２の性能が低下して瞬間的に電気的接続が切られてしまうサドンデス（ｓｕｄｄｅｎ ｄｅａｔｈ）現象が発生するという問題点がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリーセルのスウェリング発生時、バッテリーセルに均一な圧力がかかるようにすることでバッテリーセルにおけるサドンデス現象を防止できるバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックを提供することを目的とする。

また、本発明は、バッテリーモジュールの設計時、バッテリーセルに作用する圧力を適切に調節できるバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックを提供することを他の目的とする。

上記の課題を達成するため、本発明の一面によれば、複数のバッテリーセルが設けられ、複数のバッテリーセルが相互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を囲むケーシングと、前記バッテリーセルのスウェリングの発生時に前記バッテリーセルに均一な圧力が形成されるように、前記バッテリーセルとの干渉を回避して前記ケーシングの内側に結合する弾性部材と、を含むバッテリーモジュールを提供することができる。

また、前記ケーシングは、複数のエンドプレートが結合して形成され、前記弾性部材は複数のばねとして設けられ、前記複数のばねは、前記ケーシングの両側に各々配置されたエンドプレートの縁部に結合し得る。

そして、前記ケーシングは、六つのエンドプレートが結合した六面体として形成され、前記弾性部材は、四つのばねとして設けられ、両側端部のエンドプレートの四つの縁部に結合し得る。

また、前記複数のエンドプレートのうち第１エンドプレートは、他のエンドプレートの間に配置されて移動可能に設けられ、前記第１エンドプレートには、前記複数のばねが結合し得る。

そして、前記第１エンドプレート及び前記第１エンドプレートの移動方向を基準として所定の位置に配置された第２エンドプレートは、相互離隔して配置され、前記第１エンドプレートの移動時、前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとが相互接触し得る。

また、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートの各々には、相互結合可能な結合突起及び結合溝の少なくとも一つが形成され得る。

なお、本発明の他面によれば、前述のバッテリーモジュールを含むバッテリーパックを提供することができ、また、前記バッテリーモジュールを含む自動車を提供することができる。

本発明の実施例は、弾性部材を用いてバッテリーセルにおけるスウェリングの発生時、バッテリーセルに均一な圧力がかかるようにすることでバッテリーセルにおいてサドンデス現象が発生することを防止することができる効果を奏する。

また、弾性部材のばね定数を調整することで、バッテリーモジュールの設計時、バッテリーセルに作用する圧力を適切に調節することができる効果を奏する。

（ａ）は、従来のバッテリーモジュールの部分側断面図であり、（ｂ）は、従来のバッテリーモジュールにおいてバッテリーセルにスウェリングが発生してバッテリーセル及びエンドプレートに不均一な圧力が形成される様子を示した部分側断面図である。 本発明の第１実施例によるバッテリーモジュールにおいてセルスウェリングが発生する前の様子を概略的に示した断面図である。 本発明の第１実施例によるバッテリーモジュールにおいてセルスウェリングが発生したときの様子を概略的に示した断面図である。 本発明の第２実施例によるバッテリーモジュールにおいてセルスウェリングが発生する前の様子を概略的に示した断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２実施例によるバッテリーモジュールにおいてセルスウェリングが発生したとき、第１エンドプレートが移動して第２エンドプレートに接触する様子を概略的に示した断面図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求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」または「連結（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、または直接連結（接続）される場合のみならず、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、または間接的に連結（接続）される場合も含む。

図２は、本発明の第１実施例によるバッテリーモジュールにおいてセルスウェリングが発生する前の様子を概略的に示した断面図であり、図３は、本発明の第１実施例によるバッテリーモジュールにおいてセルスウェリングが発生したときの様子を概略的に示した断面図である。

図２及び図３を参照すれば、本発明の第１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、ケーシング２００と、弾性部材３００と、を含む。

バッテリーセル積層体１００には、電極リードが備えられるバッテリーセル１１０が複数で設けられる。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連結される一種の端子であって、伝導性材質であり得る。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の長手方向において相互逆方向に配置してもよく、または、正極電極リードと負極電極リードとがバッテリーセル１１０の長手方向において相互同じ方向に位置してもよい。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／負極板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／負極板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を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が相互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、また、複数のバッテリーセル１１０は、多様な方式で積層可能である。

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を収納でき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の電圧または温度関連データを提供するＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ，図示せず）などに接続す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に接続するメイン端子であって、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し得る。なお、バッテリーセル１１０は、多様な形状を有し得る。

ケーシング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得る。ケーシング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。

ケーシング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に設けられる場合、ケーシング２００も、これに対応して六面体形状に設けられ得る。ケーシング２００は、例えば、金属材質のプレートを折り曲げて製造でき、または、プラスチック射出物によって製造することもできる。そして、ケーシング２００は、一体型に製造することもでき、または、分離型に製造することもできる。ケーシング２００には、前述のコネクター要素または端子要素が外部に露出する貫通部（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、外部の所定部品ないし部材と電気的に接続でき、このような電気的接続がケーシング２００によって妨げられないようにケーシング２００に貫通部を形成してもよい。

ケーシング２００は、複数のエンドプレート２１０が結合して形成され得る。ここで、エンドプレート２１０の個数は多様にすることができ、例えば、ケーシング２００は、六つのエンドプレート２１０が結合した六面体として形成され得る。但し、ケーシング２００が必ずしも六つのエンドプレート２１０で構成される必要はなく、エンドプレート２１０の個数は多様にすることができ、ケーシング２００の形状も六面体に限定されず、ケーシング２００の形状はより多様であり得る。但し、以下では、説明の便宜のために、ケーシング２００が六つのエンドプレート２１０から形成された六面体形状である場合を中心に説明する。

弾性部材３００は、バッテリーセル１１０との干渉を回避してケーシング２００の内側に結合し、これによってバッテリーセル１１０におけるスウェリング発生時、バッテリーセル１１０に均一な圧力が形成される。ここで、図２を参照すれば、弾性部材３００は多様に設けられ得、例えば、複数のばねであり得る。そして、複数のばねは、六面体ケーシング２００の両側端部に各々配置されたエンドプレート２１０の端部に結合し得る。弾性部材３００を、例えば、四つのばねにして両側端部のエンドプレート２１０の四つの縁部に結合し得る。このように、複数のばねがケーシング２００の両側端部のエンドプレート２１０に各々結合する場合、ケーシング２００の両側端部のエンドプレート２１０の間に介されたバッテリーセル１１０に対して均一な力を提供することができる。即ち、前述のとおり、図１の（ａ）及び（ｂ）を参照すれば、従来のバッテリーセル２の場合、バッテリーセル２のスウェリング発生時、バッテリーセル２の縁部よりもバッテリーセル２の中心部がさらに脹れ上がるため、バッテリーセル２のスウェリング発生時、バッテリーセル２に不均一な圧力分布が形成され、これによって、バッテリーセル２の性能が低下し、瞬間的に電気的接続が切られてしまうサドンデス（ｓｕｄｄｅｎ ｄｅａｔｈ）現象が発生するという問題点がある。しかし、本発明の第１実施例によるバッテリーモジュール１０の場合、図２を参照すれば、ケーシング２００の両側端部のエンドプレート２１０の縁部、即ち、バッテリーセル１１０の中心部よりも大きい圧力がかかるバッテリーセル１１０の縁部に対応するエンドプレート２１０の縁部にばねが各々結合しており、エンドプレート２１０の縁部に弾性力が提供されるため、バッテリーセル１１０のスウェリング発生時、バッテリーセル１１０には、図３に示したように均一な圧力分布が形成され、これによって、バッテリーセル１１０においてサドンデス現象が発生することを防止することができる。

一方、弾性部材３００をばねにする場合、ばね定数を適切に調整することができ、これによって、使用者が希望する程度の圧力がバッテリーセル１１０に加えられるように、バッテリーモジュール１０の設計時、バッテリーセル１１０に作用する圧力を適切に調節することができる。

以下、図面を参照して本発明の第１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。

図２及び図３を参照すれば、ケーシング２００には、バッテリーセル積層体１００が収納され、弾性部材３００に備えられた複数のばねがケーシング２００の内側縁部に結合する。そして、バッテリーセル１１０のスウェリング発生時、エンドプレート２１０の中心部に比べて相対的に大きい圧力がかかるエンドプレート２１０の縁部にばねの弾性力が提供され、これによって、エンドプレート２１０の縁部からエンドプレート２１０の中心部にかけて全体的に均一な圧力分布が形成される。

図４は、本発明の第２実施例によるバッテリーモジュールにおいて、セルスウェリングが発生する前の様子を概略的に示した断面図であり、図５の（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２実施例によるバッテリーモジュールにおいて、セルスウェリングが発生したとき、第１エンドプレートが移動して第２エンドプレートに接触する様子を概略的に示した断面図である。

以下、図面を参照して本発明の第２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が、本発明の第１実施例によるバッテリーモジュール１０で説明した内容と共通する部分は前述の説明を以って代わりにする。

本発明の第２実施例の場合、第１エンドプレート２１１が移動して第２エンドプレート２１２に接触できるという点で第１実施例と相違する。

図４を参照すれば、ケーシング２００の一側端部には、一つの固定された第３エンドプレート２１３が設けられており、ケーシング２００の他側端部には移動可能に設けられる第１エンドプレート２１１と、第１エンドプレート２１１から離隔して固定配置される第２エンドプレート２１２と、が設けられている。ここで、第１エンドプレート２１１は、ケーシング２００の一側端部に固定された第３エンドプレート２１３と第２エンドプレート２１２との間に配置されて移動可能に設けられ、第１エンドプレート２１１及び第３エンドプレート２１３に複数のばねが各々結合する。第１エンドプレート２１１は、第２エンドプレート２１２に向けて移動可能に設けられ、バッテリーセル１１０のスウェリング時、第１エンドプレート２１１が移動して第２エンドプレート２１２に接触できる。ここで、第１エンドプレート２１１及び第２エンドプレート２１２各々には、相互結合可能な結合突起２１５及び結合溝２１６が形成され、バッテリーセル１１０のスウェリング時、第１エンドプレート２１１が第２エンドプレート２１２側へ移動する場合、第１エンドプレート２１１及び第２エンドプレート２１２各々に形成された結合突起２１５と結合溝２１６とが相互結合すれば、第１エンドプレート２１１と第２エンドプレート２１２との接触部分が継続的に接触維持されるため、エンドプレート２１０の縁部からエンドプレート２１０の中心部にかけて全体的に均一な圧力分布が形成されるだけでなく、均一な圧力分布が継続的に維持される効果を奏する。

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、前述の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、上記バッテリーパック（図示せず）は、このようなバッテリーモジュール１０に加え、このような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、前述の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）を含み得、上記バッテリーパック（図示せず）には、上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、上記自動車（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）に適用することができる。

以上のように、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、本発明の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。

本発明は、バッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックに関し、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
２００ ケーシング
２１０ エンドプレート
２１１ 第１エンドプレート
２１２ 第２エンドプレート
２１３ 第３エンドプレート
２１５ 結合突起
２１６ 結合溝
３００ 弾性部材

Claims (5)

1. 複数のバッテリーセルが設けられ、複数のバッテリーセルが相互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を囲むケーシングと、
   前記バッテリーセルとの干渉を回避して前記ケーシングの内側に結合する弾性部材と、
   を含む、バッテリーモジュールであって、
   前記ケーシングは、複数のエンドプレートが結合して形成され、
   前記弾性部材は複数のばねとして設けられ、前記複数のばねは、前記ケーシングの両側に各々配置されたエンドプレートの縁部に結合し、
   前記複数のエンドプレートのうち第１エンドプレートは、他のエンドプレートの間に配置されて移動可能に設けられ、前記第１エンドプレートには、前記複数のばねが結合し、
   前記第１エンドプレート及び前記第１エンドプレートの移動方向を基準として所定の位置に配置された第２エンドプレートは、相互離隔して配置され、前記第１エンドプレートの移動時、前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとが相互接触可能である、バッテリーモジュール。
2. 前記ケーシングは、六つのエンドプレートが結合した六面体として形成され、前記弾性部材は、四つのばねとして設けられ、両側端部のエンドプレートの四つの縁部に結合する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。
3. 前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートの各々には、相互結合可能な結合突起及び結合溝の少なくとも一つが形成された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。
4. 請求項１から請求項３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。
5. 請求項１から請求項３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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