JP7462772B2 - 改善された電極リード接続構造を有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 - Google Patents

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Description

本発明は、改善された電極リード接続構造を有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し、より具体的には、バスバーの使用量を最小化できるように電極リードの形状が変更された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８月１３日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２０－０１０１９５６号に基づく優先権を主張し、当該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。
通常、セル積層体を構成する複数のパウチ型バッテリーセル同士の間を電気的に接続するため、バスバー３を備えるバスバーフレーム２が用いられる。この場合、隣接したパウチ型バッテリーセルのそれぞれの電極リード１は、バスバーフレーム２に形成されたリードスリット２ａを通過し、リードスリット２ａを通った一対の電極リード１はバスバーフレーム２上に固定された伝導性材質のバスバー３にそれぞれ溶接によって結合される。これにより、隣接したバッテリーセル同士の間が電気的に接続される。
このとき、バスバー３は、一対の電極リード１がそれぞれ結合されるように分岐した一対のプレート３ａを備える。
このように分岐した一対のプレート３ａを備えるバスバー３を用いて一対の電極リード１同士を電気的に接続しようとする場合、電極リード１の個数ほどのプレート３ａが必要となって製造コストの上昇が避けられない。また、分岐した一対のプレート３ａのそれぞれに一対の電極リード１を一対一で結合させる場合は、一対の電極リード１同士の間に流れる電流の経路が長くなって抵抗値が上昇するため、それによるエネルギー損失のおそれも増加する。
したがって、バスバー３を構成する高価な伝導性金属材料の使用量を最小化し、隣接した一対の電極リード１同士の間に流れる電流の経路を最小化できるように構造的な改善が求められている。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリーセル同士の間を電気的に接続する際、十分な結合力を維持しながらもバスバーと電極リードとの間の結合面積を最小化することで、バスバーの製作に必要な伝導性金属材料の使用量を最小化し、これによってバッテリーモジュールの製造コストを節減することを一目的とする。
また、本発明は、一つのバスバーを介して電気的に接続される一対の電極リード同士の間に流れる電流の経路を最小化することで、抵抗の上昇によるエネルギー損失を防止することを一目的とする。
本発明が解決しようとする技術的課題は上記の課題に制限されず、その他の課題は下記の発明の説明から当業者に明確に理解できるであろう。
上述した課題を解決するため、本発明の一態様によるバッテリーモジュールは、第１電極リードを備える第１バッテリーセル、及び第２電極リードを備えて前記第１バッテリーセルと隣接する第２バッテリーセルを含むセル積層体と、前記第１電極リード及び前記第２電極リードが通過する一対のリード引出スリットを備えるバスバーフレームと、前記バスバーフレーム上に固定されるバスバーと、を含み、前記第１電極リードの長手方向の端部と第２電極リードの長手方向の端部とが噛み合った状態で前記バスバー上に配置され、前記第１電極リードと第２電極リードとの噛合領域には前記バスバーとの接合のための溶接部が形成される。
前記第１電極リードは、長手方向の端部から延設される複数の第１突出部を備え得る。
前記複数の第１突出部は、前記第１電極リードの幅方向に沿って相互に離隔して配置され得る。
前記第２電極リードは、長手方向の端部から延設される複数の第２突出部を備え得る。
前記複数の第２突出部は、前記第２電極リードの幅方向に沿って相互に離隔して配置され得る。
前記複数の第２突出部は、それぞれ、前記複数の第１突出部同士の間毎に形成される空間内に配置され得る。
前記溶接部は、前記複数の第１突出部及び前記複数の第２突出部上に形成され得る。
前記第１突出部及び第２突出部の長さは、前記バスバーの幅と同一であり得る。
前記溶接部は、前記第１突出部及び第２突出部の長手方向の全体にわたって形成され得る。
前記バスバーは、前記一対のリード引出スリット同士の間に配置され得る。
前記第１電極リードの長手方向の端部の表面と前記第２電極リードの長手方向の端部の表面とは、同一平面を成し得る。
上述した課題を解決するため、本発明の他の一態様によるバッテリーパックは、上述した本発明の一態様によるバッテリーモジュールを含む。
上述した課題を解決するため、本発明のさらに他の一態様による自動車は、上述した本発明の一態様によるバッテリーモジュールを含む。
本発明の一態様によれば、バッテリーセル同士の間を電気的に接続する際、十分な結合力を維持しながらもバスバーと電極リードとの間の結合面積を最小化することで、バスバーの製作に必要な伝導性金属材料の使用量を最小化することができ、これによってバッテリーモジュールの製造コストを節減することができる。
また、本発明の一態様によれば、一つのバスバーを介して電気的に接続される一対の電極リード同士の間に流れる電流の経路が著しく短縮されるため、抵抗の上昇によるエネルギー損失を防止することができる。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施形態を例示するものであって、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするものであるため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
従来のバッテリーモジュールの構造を示した図である。 従来のバッテリーモジュールの構造を示した図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールを示した図である。 本発明のセル積層体を示した図である。 本発明のバスバーフレーム及びバスバーを示した図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールにおいて、一対の電極リードとバスバーとの結合部位を示した部分拡大図である。 本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールにおいて、一対の電極リードとバスバーとの結合部位を示した部分拡大図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。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形態及び図示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施形態に過ぎず、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。
以下、図３～図７を参照して本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールを説明する。図３～図７を参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールは、セル積層体１０、バスバーフレーム２０及びバスバー３０を含む。
前記セル積層体１０は、隣接する第１バッテリーセル１１と第２バッテリーセル１２とを含む複数のバッテリーセルが積層されて形成される。前記セル積層体１０を構成するバッテリーセルは、例えばパウチ型バッテリーセルであり得、この場合、互いに逆極性を有する一対の電極リードは互いに反対方向に引き出される。
互いに対面する第１バッテリーセル１１と第２バッテリーセル１２とは、第１バッテリーセル１１の長手方向の一側から延びる第１電極リード１１ａと、第１バッテリーセル１１に隣接する第２バッテリーセル１２の長手方向の一側から延びて第１電極リード１１ａと隣接する第２電極リード１２ａとが互いに逆極性を有するように積層される。
このようなセル積層体１０の積層配列は、第１バッテリーセル１１及び第２バッテリーセル１２を含む複数のバッテリーセル同士を互いに直列で接続するためである。すなわち、互いに逆極性を有する第１電極リード１１ａと第２電極リード１２ａとが電気的に接続されることで、隣接した第１バッテリーセル１１と第２バッテリーセル１２とは直列で接続される。
前記バスバーフレーム２０は、プレートの形状が略長方形であり、セル積層体１０の長手方向（Ｙ軸方向）の一側及び他側にそれぞれ配置される。前記バスバーフレーム２０は、後述する複数のバスバー３０同士の間の絶縁のため、非伝導性材質からなることが望ましい。前記セル積層体１０を構成する複数のバッテリーセル同士を直列で接続するため、バスバーフレーム２０は一対で備えられる。
前記バスバーフレーム２０は、少なくとも一つのリード連結領域Ｓを備える。前記リード連結領域Ｓが複数個備えられる場合、複数のリード連結領域Ｓはバスバーフレーム２０の長手方向（Ｘ軸方向）に沿って相互に離隔して位置する。それぞれのリード連結領域Ｓ内には、一対のリード引出スリット２１が形成される。前記リード引出スリット２１は、一つの電極リードが通過できるように、電極リードの幅と対応する長さ及び電極リードの厚さと対応する幅を有し、バスバーフレーム２０の幅方向（Ｚ軸方向）に沿って延設される。また、前記一対のリード引出スリット２１は、バスバーフレーム２０の長手方向（Ｘ軸方向）に沿って相互に離隔して形成される。
前記バスバー３０は、伝導性材質の金属からなり、リード連結領域Ｓの個数ほど備えられる。前記バスバー３０は、リード連結領域Ｓ内に位置する一対のリード引出スリット２１同士の間に固設される。前記バスバー３０は、バスバーフレーム２０の幅方向（Ｚ軸方向）に沿って長く延びた形態を有し得る。
同じ方向に平行に延びた前記第１電極リード１１ａと第２電極リード１２ａとは、一つのリード連結領域Ｓ内に形成された一対のリード引出スリット２１と一対一で対応するように位置する。
図６を参照すると、前記第１電極リード１１ａは、リード引出スリット２１を通過してバスバー３０に向かって折り曲げられる。同様に、前記第２電極リード１２ａは、リード引出スリット２１を通過してバスバー３０及び第１電極リード１１ａに向かって折り曲げられる。
前記第１電極リード１１ａの長手方向の端部と第２電極リード１２ａの長手方向の端部とは噛み合った状態でバスバー３０上に配置される。このとき、前記第１電極リード１１ａの長手方向の端部の表面と第２電極リード１２ａの長手方向の端部の表面とは同一平面を成し得る。すなわち、前記第１電極リード１１ａと第２電極リード１２ａとは互いに重畳しなくてもよい。このような結合構造によれば、第１電極リード１１ａとバスバー３０との間の溶接及び第２電極リード１２ａとバスバー３０との間の溶接時に、溶接対象物の厚さ増加による溶接不良の発生可能性を大幅に減少させることができる。前記第１電極リード１１ａと第２電極リード１２ａとの噛合領域にはバスバー３０との接合のための溶接部Ｗが形成される。すなわち、前記第１電極リード１１ａ及び第２電極リード１２ａは、それぞれ、バスバー３０と溶接される。
前記第１電極リード１１ａと第２電極リード１２ａとの噛合のため、第１電極リード１１ａは長手方向の端部から延設される複数の第１突出部Ｐ１を備え、第２電極リード１２ａは長手方向の端部から延設される複数の第２突出部Ｐ２を備える。前記第１突出部Ｐ１は、第１電極リード１１ａの長手方向の端部から前記第１電極リード１１ａの長手方向に沿って延びた形態を有し得る。同様に、前記第２突出部Ｐ２は、第２電極リード１２ａの長手方向の端部から前記第２電極リード１２ａの長手方向に沿って延びた形態を有し得る。これにより、前記第１突出部Ｐ１と第２突出部Ｐ２とは互いに向かって延びた形態を有し得る。前記複数の第１突出部Ｐ１は、第１電極リード１１ａの幅方向に沿って相互に離隔して配置され、同様に複数の第２突出部Ｐ２は、第２電極リード１２ａの幅方向に沿って相互に離隔して配置される。前記複数の第２突出部Ｐ２のそれぞれは、複数の第１突出部Ｐ１同士の間毎に形成される空間を満たすように配置される。このとき、前記第１突出部Ｐ１と第２突出部Ｐ２とは、互いに密着した状態でそれぞれの表面が同一平面を成すように配置され得る。
前記溶接部Ｗは、複数の第１突出部Ｐ１及び複数の第２突出部Ｐ２上に形成され得る。図６には、前記溶接部Ｗが点形態で第１突出部Ｐ１及び第２突出部Ｐ２の全体面積のうち一部分のみに形成されている場合が示されているが、これは例示に過ぎず、第１電極リード１１ａ及び第２電極リード１２ａをバスバー３０上に堅固に固定するため、第１電極リード１１ａとバスバー３０とが重畳する面積全体及び第２電極リード１２ａとバスバー３０とが重畳する面積全体にかけて溶接部Ｗが形成されてもよい。または、溶接作業の容易性のため、第１突出部Ｐ１の長手方向（Ｘ軸方向）の中心部と第２突出部Ｐ２の長手方向（Ｘ軸方向）の中心部とを通るように、バスバー３０の長手方向（Ｚ軸方向）に沿って溶接部Ｗが長く形成されてもよい。
前記第１突出部Ｐ１及び第２突出部Ｐ２は、バスバー３０の上部から眺めたとき、図示されたように台形状であり得、これと異なって長方形、三角形、長手方向の端部がラウンド処理された形状などであってもよい。
一方、図７を参照すると、第１電極リード１１ａとバスバー３０との間の結合力及び第２電極リード１２ａとバスバー３０との間の結合力を強化するため、第１突出部Ｐ１及び第２突出部Ｐ２は、それぞれ、その長さＤがバスバー３０の幅と対応するように形成され得る。すなわち、前記第１突出部Ｐ１及び第２突出部Ｐ２のそれぞれの長さＤは、バスバー３０の幅と略等しく形成され得る。この場合、前記溶接部Ｗは、第１突出部Ｐ１の長手方向（Ｘ軸方向）の全体及び第２突出部Ｐ２の長手方向の全体にかけて形成されることが望ましい。
上述した本発明によるバッテリーモジュールによれば、一対の電極リード１１ａ、１２ａが噛み合った状態でバスバー３０上に位置し、噛合領域に溶接部Ｗが形成された構造が適用されることで、バスバー３０の幅を最小化しながらも、電極リード１１ａ、１２ａとバスバー３０との間の接合領域の幅が減少することは阻止できる。これにより、伝導性金属材質のバスバー３０に必要な材料費を最小化するとともに電極リード１１ａ、１２ａとバスバー３０との間の結合力も確保することができ、生産性及び製品品質の向上を同時に実現することができる。
一方、本発明の一実施形態によるバッテリーパックは、上述したような本発明によるバッテリーモジュールを少なくとも一つ含む。また、本発明の一実施形態による自動車は、上述したような本発明によるバッテリーモジュールまたは本発明の一実施形態によるバッテリーパックを少なくとも一つ含む。
以上のように、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で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。
１ 電極リード
２ バスバーフレーム
２ａ リードスリット
３ バスバー
３ａ プレート
１０ セル積層体
１１ 第１バッテリーセル
１１ａ 第１電極リード
１２ 第２バッテリーセル
１２ａ 第２電極リード
２０ バスバーフレーム
２１ リード引出スリット
３０ バスバー
Ｐ１ 第１突出部
Ｐ２ 第２突出部
Ｓ リード連結領域
Ｗ 溶接部

Claims (13)

  1. 第１電極リードを備える第１バッテリーセル、及び第２電極リードを備えて前記第１バッテリーセルと隣接する第２バッテリーセルを含むセル積層体と、
    前記第１電極リード及び前記第２電極リードが通過する一対のリード引出スリットを備えるバスバーフレームと、
    前記バスバーフレーム上に固定されるバスバーと、を含み、
    前記第１電極リードの長手方向の端部と第２電極リードの長手方向の端部とが重畳しないで噛み合った状態で、前記第１電極リードおよび前記第２電極リードが前記バスバーの同一平面上に配置され、前記第１電極リードと第２電極リードとの噛合領域には前記バスバーとの接合のための溶接部が形成される、バッテリーモジュール。
  2. 前記第１電極リードは、長手方向の端部から延設される複数の第１突出部を備える、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記複数の第１突出部は、
    前記第１電極リードの幅方向に沿って相互に離隔して配置される、請求項２に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記第２電極リードは、長手方向の端部から延設される複数の第２突出部を備える、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記複数の第２突出部は、
    前記第２電極リードの幅方向に沿って相互に離隔して配置される、請求項４に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記複数の第２突出部は、それぞれ、前記複数の第１突出部同士の間毎に形成される空間内に配置される、請求項５に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記溶接部は、
    前記複数の第１突出部及び前記複数の第２突出部上に形成される、請求項６に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記第１突出部及び第２突出部の長さは、前記バスバーの幅と対応する、請求項６又は７に記載のバッテリーモジュール。
  9. 前記溶接部は、
    前記第１突出部及び第２突出部の長手方向の全体にわたって形成される、請求項６から８のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  10. 前記バスバーは、
    前記一対のリード引出スリット同士の間に配置される、請求項１から９のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  11. 前記第１電極リードの長手方向の端部の表面と前記第２電極リードの長手方向の端部の表面とは同一平面を成す、請求項１から１０のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  12. 請求項１から１１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。
  13. 請求項１から１１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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