JP7246484B2 - 電池モジュール - Google Patents

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Description

関連出願との相互引用
本出願は２０１８年１２月１３日付韓国特許出願第１０－２０１８－０１６１２９８号に基づいた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全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、電池モジュールに関するものであって、より具体的には、安全性が改善されたバスバーを含む電池モジュールに関するものである。
二次電池は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しているため、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にやさしくエネルギー効率性向上のための新たなエネルギー源として注目されている。
上記電気自動車などに適用される電池パックは高出力を得るために複数の単位セルを含む多数のセル組立体を直列に連結した構造を有している。そして、上記単位セルは正極および負極集電体、セパレータ、活物質、電解液などを含んで構成要素間の電気化学的反応によって反復的な充放電が可能である。
一方、近来エネルギー貯蔵源としての活用をはじめとして大容量構造に対する必要性が高まるにつれて多数の二次電池が直列および／または並列に連結された多数の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。
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先に構成し、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の構成要素を追加して電池パックを構成する方法が一般的である。上記電池パックに含まれる電池モジュールの個数、または電池モジュールに含まれる電池セルの個数は要求される出力電圧または充放電容量によって多様に設定できる。このように設定された電池モジュールは相互積層される複数の電池セルおよび上記複数の電池セルの電極リードを電気的に連結するバスバーを含んで構成される。
このような中大型電池モジュールにおいて安全性確保のために電池セル内部の圧力が上昇するようになればセル内部のリードを溶かして電流を遮断するように設計されているが、セル内部圧力の上昇有無によって作動するため、パウチ型セルの場合、パウチ変形の問題がある。そのため、中大型電池モジュールにおいてもセル内部の温度が上昇する場合、電流を遮断して安定的に安全性を確保することができる手段の必要性が台頭している。
本発明が解決しようとする課題は、電池モジュールにおいて温度上昇による熱暴走などの異常状況で電流を遮断して安全性を確保することができ、同時に正常的な状況では抵抗が高くなくて既存性能を同一に維持することができるバスバーを含む電池モジュールを提供するためのものである。
しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は前述の課題に限定されず、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できる。
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、および前記複数の電池セルを電気的に連結するバスバーを含み、前記バスバーはバスバー本体、および前記バスバー本体の一部に挿入されてバスバー本体によって囲まれている安全部を含み、前記安全部は体積膨張樹脂、伝導性物質および接着剤を含む。
前記安全部は、前記バスバー本体と同一な厚さを有し得る。
前記体積膨張樹脂は、所定温度以上の環境でガスを発生させる物質を含むことができる。
前記体積膨張樹脂は、メラミンシアヌレート（ｍｅｌａｍｉｎｅ ｃｙａｎｕｒａｔｅ）を含むことができる。
前記安全部は、前記体積膨張樹脂、前記伝導性物質、および前記接着剤が混合されて形成できる。
前記所定温度以上の環境で体積膨張樹脂からガスが発生することによって前記安全部の抵抗が上昇して電流が遮断できる。
前記所定温度未満の環境で前記安全部は前記伝導性物質によって導電性を有し得る。
前記伝導性物質は、金属粉末または炭素粉末であってもよい。
前記所定温度は、１１０℃～１２０℃であってもよい。
前記バスバーは、前記バスバー本体に形成され、前記複数の電池セルから延長されたリードが挿入されるスリット、および前記バスバー本体の一端部から延長されて折り曲げられた形状を有する端子連結部を含み、前記安全部は前記スリットと前記端子連結部の間に配置されてもよい。
前記安全部は、複数のストライプが集合された形状を有し得る。
本発明の他の一実施形態による電池パックは、前記少なくとも一つの電池モジュール、および前記少なくとも一つの電池モジュールをパッケージングするパックケースを含むことができる。
本発明の他の一実施形態によるデバイスは、前記少なくとも一つの電池パックを含むことができる。
実施形態によれば、電池モジュールにおいて温度上昇による熱暴走などの異常状況で電流を遮断して安全性を確保することができ、同時に正常的な状況では抵抗が高くなくて既存性能を同一に維持することができるバスバーを使用して電池モジュールの安全性を向上させることができる。
本発明の一実施形態による電池モジュールの一部を拡大して示した図である。 図１に示した電池モジュールのバスバーを示した正面図である。 図２に示したバスバーのＩＩＩ－ＩＩＩ’による断面を示した図である。 本発明の他の一実施形態によるバスバーを示した正面図である。
以下、添付した図面を参考として本発明の様々な実施形態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しく説明する。本発明は様々な互いに異なる形態に実現でき、ここで説明する実施形態に限定されない。
また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに含むことができるのを意味する。
また、明細書全体で、「平面上」という時、これは対象部分を上から見た時を意味し、「断面上」という時、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１は、本発明の一実施形態による電池モジュールの一部を拡大して示した図である。
図１を参照すれば、本発明の一実施形態による電池モジュール１０は、電池セル１００が複数個積層されている電池セル積層体および上記複数の電池セル１００を電気的に連結するバスバー２００を含む。
上記電池セル積層体を構成するそれぞれの電池セル１００は例えばパウチタイプ電池セルであって電極組立体をパウチケースに収容した形態を有することができ、これらは互いに電気的に連結できる。上記電極組立体は正極板、負極板およびセパレータを含んで構成でき、公知の構造を有する電極組立体を採択することができるので、ここでは詳しい説明を省略する。
電極組立体に連結された一対の電極リード１１０はパウチケースの外側に引出され、例えば互いに同一な方向または反対方向に引出されてもよい。本発明の図面では図面図示の便宜上、一対の電極リード１１０が互いに反対方向に引出された形態を有するパウチタイプ電池セル１００についてのみ示しているが、本発明による電池モジュールに適用される電池セル１００は必ずしもこれに限定されるのではなく、一対の電極リード１１０が互いに同一な方向に引出される場合も可能である。
上記電池セル１００は互いに同一な極性を有する電極リード１１０が同一な方向に位置するように積層される。これは、バスバー２００を用いて電極リード１１０を電気的に連結させる場合、同一な極性を有する電極リード１１０同士が連結されなければならないためである。このように同一な極性を有する電極リード１１０同士が電気的に連結されることによってそれぞれの電池セル１００は並列連結をなすようになる。
上記電極リード１１０としては、例えばニッケル（Ｎｉ）がコーティングされたアルミニウム（Ａｌ）材質の薄い金属プレートが使用でき、このような電極リード１１０とバスバー２００の結合のための溶接作業が円滑に行われるようにするために電極リード１１０の表面に錫（Ｓｎ）コーティングを行ってもよい。
バスバー２００はそれぞれの電池セル１００に備えられた電極リード１１０を電気的に連結させるためのものであって、電極リード１１０が挿入されるスリット２０２を含むことができる。スリット２０２に挿入された電極リード１１０を折り曲げて電極リード１１０とバスバー２００が面接触するようにした後、溶接などによって連結することによって電気的連結を達成することができる。
バスバー２００は、電池モジュール１０内の電池セル１００を並列連結するのに使用される第１バスバー２１０と、電池モジュール１０を外部の端子と電気的に連結するのに使用される第２バスバー２２０を含むことができる。第１バスバー２１０は、図１に示されているように、平板型のバスバー本体２１１とこれに形成されたスリット２０２を含むことができるが、その構造がこれに限定されるのではない。即ち、一つの本体に複数のスリットを含む形態や、電極リード以外の他の部品との結合のための追加のホールまたは突起などを含むこともでき、必要によって適切に変形することができる。第２バスバー２２０は、図１に示したように、スリット２０２を含むバスバー本体２２１と、上記バスバー本体２２１の一端から延長されて電池モジュール１００と反対方向に向かってバスバー本体２２１とほぼ垂直になるように折り曲げられて形成された端子連結部２２２を含むことができる。端子連結部２２２は、外部の端子と連結される一つ以上のホール２２３を含むことができる。
このようなバスバー２００はバスバーフレーム（図示せず）などに結合されて電池セル積層体を収容するモジュールフレーム（図示せず）とバスバーフレームが結合することによって電極リード１１０と結合することができるが、特に限定されるのではない。
図２は図１に示す電池モジュールのバスバーを示した正面図であり、図３は図２に示すバスバーのＩＩＩ－ＩＩＩ’による断面を示した図である。
図１、図２および図３を参照すれば、バスバー２００（本実施形態では第２バスバー２２０を例として挙げて説明する）はバスバー本体２２１の一部に挿入されてバスバー本体２２１によって囲まれている安全部２３０を含む。
安全部２３０は、体積膨張樹脂、伝導性物質および接着剤を含んで構成される。即ち、体積膨張樹脂、伝導性物質および接着剤が混合されているペースト状態の物質を、バスバー本体２２１に形成された空間（ホール）に満たした後、硬化させることによって安全部２３０が形成でき、このため、安全部２３０はバスバー本体２２１と同一な厚さを有し得る。
安全部２３０に含まれている体積膨張樹脂は、所定温度以上の環境、具体的には１１０℃～１２０℃以上の環境でガスを発生させる物質を含む。即ち、体積膨張樹脂は、１１０℃～１２０℃以上の温度で熱分解されてガスを発生させることができる物質である。このような体積膨張樹脂の例としては、メラミンシアヌレート（ｍｅｌａｍｉｎｅ ｃｙａｎｕｒａｔｅ）などが挙げられる。
安全部２３０に含まれている伝導性物質は導電性の粉末であってもよく、例えば金属粉末または炭素粉末を使用することができる。金属粉末の例としては銀、アルミニウム、金、鉛などが挙げられるが、特に限定されるのではない。このような導電性の粉末を接着剤と混合して使用するかまたは、市販のメタルペースト（ｍｅｔａｌ ｐａｓｔｅ）を上記体積膨張樹脂と後述の接着剤と共に混合して安全部２３０を形成することができる。安全部２３０はこのような伝導性物質を含むため、電池モジュールが正常に作動する時（即ち、非正常的な温度上昇が発生しない時）、安全部２３０によるバスバー２００の抵抗増加が発生することなく円滑に電流を伝達することができるようにする。
安全部２３０に含まれている接着剤は、体積膨張樹脂および伝導性物質と混合されてペースト形態を作り硬化できる樹脂であれば特に限定されず、例えばエポキシ樹脂などを使用することができる。
体積膨張樹脂、伝導性物質、および接着剤を混合してペースト形態に作った後、これをバスバー本体２２１に形成された空間（ホール）に満たした後に硬化させることによって安全部２３０を形成することができる。安全部２３０に含まれている体積膨張樹脂は、電池モジュール内の温度が非正常的に上昇（熱暴走）して１１０℃～１２０℃以上になる場合、熱分解されてガスを発生させる。例えば、体積膨張樹脂としてメラミンイソシアヌレートを使用する場合、熱分解によって窒素気体が発生する。このようにガスが発生すれば、安全部２３０が膨張して抵抗が増加するようになる。即ち、安全部２３０が抵抗層として作用するようになって安全部２３０を中心にして両側の間に抵抗が増加するため電流が流れないか、流れる電流の量が減少するようになる。したがって、非正常的な作動によって急激な温度上昇が発生する場合、効率的に電流を遮断して電池モジュールの安全性を向上させることができる。
また、図３に示されているように、体積膨張樹脂、伝導性物質、および接着剤を混合して安全部２３０を形成する場合、バスバー本体２２１と同一な厚さで安全部２３０を形成することができ、したがって、安全部２３０を付加しても従来のバスバー２００の構造自体の変更が発生しないため設計変更なく容易に安全部２３０の構成を採用することができる。
図２では第２バスバー２２０に含まれている安全部２３０を例として挙げて説明したが、安全部２３０は第１バスバー２１０に含まれてもよく、また電気的連結のために採用された他の部品の安全性のためにも採用されてもよく、特に限定されるのではない。但し、外部の端子と連結される端子連結部２２２近辺に安全部２３０が位置する場合、外部との電流流れが遮断されるため電池モジュール１０全体に対してより早くて効果的に電流遮断の効果を達成することができるという点から利点がある。即ち、図２に示されているように、安全部２３０はスリット２０２と端子連結部２２２の間に配置されてもよく、これによってより少量および小さな面積の安全部２３０によっても電池モジュール１０全体に対して外部からの電気的連結を速かに遮断することができる。
図４は、本発明の他の一実施形態によるバスバーを示した正面図である。
図４を参照すれば、本発明の他の実施形態によるバスバー２００は、複数のストライプが集合された形態に形成された安全部２３１を含むことができる。安全部２３１の形態を除いた他の構成は前述の実施形態と同様であるので、ここではその説明を省略する。
本実施形態のバスバー２００に含まれている安全部２３１は複数のストライプが集合された形態であって、バスバー本体２２１にパターン形状の孔を複数で形成した後、これを前述の体積膨張樹脂、伝導性物質および接着剤を混合して得られたペーストで満たして硬化することによって形成できる。これによれば、ペーストによって満たされる各領域が狭いため、ペーストの粘度が多少緩くてもこれの影響を受けず安全部２３１を形成することができるようになって加工性が向上される。
また、このような形状によっても、非正常的に温度が上昇する場合、安全部２３１が形成された領域で体積膨張樹脂による熱分解が十分に起こるため、安全部２３１による電流遮断効果は同一に達成できる。
一方、本発明の実施形態による電池モジュールは、一つまたはそれ以上がパックケース内にパッケージングされて電池パックを形成することができる。
前述の電池モジュールおよびこれを含む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、電池モジュールおよびこれを含む電池パックを使用することができる多様なデバイスに適用可能であり、これも本発明の権利範囲に属する。
以上で本発明の好ましい実施形態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のではなく、次の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を用いた当業者の色々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属するのである。
１０：電池モジュール
１００：電池セル
１１０：電極リード
２００：バスバー
２１０：第１バスバー
２２０：第２バスバー
２３０、２３１：安全部
２０２：スリット
２１１、２２１：バスバー本体
２２２：端子連結部
２２３：ホール

Claims (13)

  1. 複数の電池セル、および
    前記複数の電池セルを電気的に連結するバスバーを含み、
    前記バスバーは、開口が形成されたバスバー本体、および前記バスバー本体の前記開口に挿入されてバスバー本体によって囲まれている安全部を含み、
    前記安全部は、体積膨張樹脂、伝導性物質および接着剤を含む、電池モジュール。
  2. 前記安全部は、前記バスバー本体と同一な厚さを有する、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記体積膨張樹脂は、所定温度以上の環境でガスを発生させる物質を含む、請求項１または２に記載の電池モジュール。
  4. 前記体積膨張樹脂は、メラミンシアヌレートを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  5. 前記安全部は、前記体積膨張樹脂、前記伝導性物質、および前記接着剤が混合されて形成される、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  6. 前記所定温度以上の環境で体積膨張樹脂からガスが発生することによって前記安全部の抵抗が上昇して電流が遮断される、請求項３に記載の電池モジュール。
  7. 前記所定温度未満の環境で前記安全部は前記伝導性物質によって導電性を有する、請求項３または６に記載の電池モジュール。
  8. 前記伝導性物質は、金属粉末または炭素粉末である、請求項１～７のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  9. 前記所定温度は、１１０℃～１２０℃である、請求項３、６、または７に記載の電池モジュール。
  10. 前記バスバーは、前記バスバー本体に形成され、前記複数の電池セルから延長されたリードが挿入されるスリット、および前記バスバー本体の一端部から延長されて折り曲げられた形状を有する端子連結部を含み、前記安全部は前記スリットと前記端子連結部の間に位置する、請求項１～９のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  11. 前記安全部は、複数のストライプが集合された形状を有する、請求項１～１０のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  12. 請求項１～１１のうちのいずれか一項による少なくとも一つの電池モジュール、および
    前記少なくとも一つの電池モジュールをパッケージングするパックケース
    を含む、電池パック。
  13. 請求項１２による少なくとも一つの電池パックを含む、デバイス。
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