JP7206002B2 - 電池モジュール、電池モジュールの製造方法および電池モジュールを含む電池パック - Google Patents

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は２０１９年１１月１４日付韓国特許出願第１０－２０１９－０１４５９７４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、電池モジュールの製造方法電池モジュールの製造方法および電池モジュールを含む電池パックに関し、より具体的には溶接構造を改善した電池モジュール、電池モジュールの製造方法および電池モジュールを含む電池パックに関する。

製品群による適用容易性が高く、高いエネルギ密度などの電気的特性を有する二次電池は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得るという一次的な長所だけでなく、エネルギの使用による副産物が全く発生しない点で環境に優しくエネルギ効率性の向上のための新たなエネルギ源として注目されている。

小型モバイル機器にはデバイス１台当り一つまたはいくつかの電池セルが使用されることに対し、自動車などのように中大型デバイスには高出力大容量が必要である。したがって、多数の電池セルを電気的に接続した中大型電池モジュールが使用される。

一方、近来エネルギ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くなるにつれ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。

一方、複数個の電池セルを直列／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利用してその他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。

電池モジュールで電池セル積層体とバスバーを連結する時、バスバーの位置が電池モジュールの大きさに大きな影響を及ぼす。のみならず、従来の電池モジュールでは、セルテラスと電池セルの個数が増えるとそれだけ電極リードの個数も増加する。したがって、電極リードとセルテラス形状をコンパクトに形成する必要性が生じる。また、電極リードのカッティング工程による電極リードのカッティング量の増加により費用損失が生じ得る。

本発明が解決しようとする課題は、溶接構造を改善した電池モジュール、電池モジュールの製造方法および電池モジュールを含む電池パックを提供することにある。

しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、上述した課題に限定されず、本発明に含まれた技術的思想の範囲で多様に拡張される。

本発明の一実施形態による電池モジュールは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体、前記電池セル積層体に連結されたバスバーフレーム、前記電池セル積層体に含まれた電池セルのうちで互いに隣り合う電池セルからそれぞれ突出したセルテラス、および前記セルテラスからそれぞれ突出して同じ極性を有する電極リードを含み、前記電極リードは同じバスバーと重なり、前記バスバーと前記電極リードの重畳部には少なくとも２個の溶接ポイントを有し得る。

前記電極リードはＮ個であり、前記Ｎ個の電極リードは同じバスバーと重なり、前記Ｎ個の電極リードの間が溶接されている第１溶接部と、前記Ｎ個の電極リードのうちのＮ－１個の電極リードの間および前記バスバーに最も隣接する電極リードと前記バスバーが溶接されている第２溶接部が形成され得る。

前記Ｎ個の電極リードは第１電極リード、第２電極リードおよび第３電極リードを含み、前記第１電極リード、前記第２電極リードおよび前記第３電極リードは、前記同じバスバーに向かって屈曲されており、屈曲される角度は前記第１電極リード、前記第２電極リードおよび前記第３電極リードの順に大きくてもよい。

前記バスバーと重なる前記第３電極リードの長さは、前記バスバーと重なる前記第１電極リードの長さより短くてもい。

互いに同じ極性を有する前記電極リードが突出している前記セルテラスは、前記電極リードの突出方向に向かって間隔が狭くなってもよい。

本発明の他の一実施形態による電池モジュールの製造方法は、複数の電池セルを積層して電池セル積層体を形成する段階、前記電池セルのうちで互いに隣り合う電池セルからそれぞれ突出した電極リードを同じバスバーに重畳させる段階、および前記電極リードと前記バスバーの重畳部のうちの互いに異なる少なくとも２個の位置で前記電極リードと前記バスバーを溶接させる段階を含む。

前記電極リードと前記バスバーを溶接させる段階は、互いに隣り合う電極リードを溶接する第１溶接部と、互いに隣り合う電極リードと前記バスバーを溶接する第２溶接部を形成する段階を含み得る。

前記電池モジュールの製造方法は、前記第１溶接部と前記第２溶接部を形成する段階以前に、固定ジグで前記電極リードを加圧して前記電極リードを固定する段階をさらに含み得る。

前記固定ジグは前記第１溶接部に対応する第１開口部と前記第２溶接部に対応する第２開口部を有し得る。

本発明の他の一実施形態による電池パックは、前記説明した電池モジュールを含む。

実施形態によれば、複数の電極リードを溶接する時バスバーと電極リードの重畳部の溶接ポイントを少なくとも２個形成することによって、不要な溶接機仕様の増大を減少させ、溶接品質の安定的な管理を可能にする。

また、電極リードカッティング工程を省略するか、カッティング量を減らすことによって費用損失を最小化し、バスバーフレームと電池セル積層体の間隔を最小化してコンパクトな電池モジュール構造を実現することができる。

本発明の一実施形態による電池モジュール一部を示す斜視図である。 図１の切断線Ａ－Ａ’に沿って切った断面図である。 比較例による電極リードとバスバーの溶接構造を概略的に示す平面図である。 本発明の一実施形態による電極リードとバスバーの溶接構造を概略的に示す平面図である。 図１におけるセルテラス、電極リードおよびバスバーの連結関係を拡大して示す図である。 図５のＰ領域を示す平面図である。 図５のＰ領域を示す正面図である。

以下、添付する図面を参照して本発明の様々な実施形態について本発明が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細に説明する。本発明は様々な異なる形態で実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。

本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素に対しては同じ参照符号を付ける。

また、図面に示す各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜上任意に示したので、本発明は必ずしも示されたところに限定されない。図面で複数の層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして図面で、説明の便宜上、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。

また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分「の上に」または「上に」あるという時、これは他の部分の「真上に」ある場合だけでなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。逆にある部分が他の部分の「真上に」あるという時には中間に他の部分が存在しないことを意味する。また、基準になる部分「の上に」または「上に」あるということは、基準になる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の逆方向に向かって「の上に」または「上に」位置することを意味するものではない。

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、これは特に反対の意味を示す記載がない限り、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み得ることを意味する。

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場合を意味し、「断面上」という時、これは対象部分を垂直に切った断面を横から見た場合を意味する。

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示す斜視図である。図２は図１の切断線Ａ－Ａ’に沿って切った断面図である。

図１および図２を参照すると、本実施形態による電池モジュール１００は、モジュールフレーム３００、モジュールフレーム３００内に挿入されている電池セル積層体１２０およびモジュールフレーム３００の開放された一側に位置し、電池セル積層体１２０と連結されるバスバーフレーム１３０を含む。電池セル積層体１２０は複数の電池セル１１０が一方向に積層されて形成される。

モジュールフレーム３００は電池セル積層体１２０の前面と後面を除いて４個の面を覆っているモノフレーム形態であり得る。モノフレームの内部に電池セル積層体１２０を挿入するために水平組立が必要な形態のフレームを意味する。ただし、モジュールフレーム３００はモノフレームに制限されず、上部面、前面および後面が開放されたＵ字型フレームと、電池セル積層体１２０の上部を覆う上部プレートを含む形態であり得る。

電池セル１１０を覆うパウチから延びたセルテラス１３５が形成され、セルテラス１３５から突出する電極リード１６０が接する一つのリードスロット（図示せず）を通過し得る。隣り合うセルテラス１３５の間の間隔が電池セル１１０から遠ざかることにより次第に狭くなる。この時、セルテラス１３５から突出する電極リード１６０は互いに同じ極性を有し得る。互いに隣り合う２個の電極リード１６０が互いに異なる極性を有する場合には、前記２個の電極リード１６０がそれぞれ突出するセルテラス１３５の間の間隔はかえって電池セル１１０から遠ざかることにより次第に広くなる。

本実施形態によれば、最外郭の電池セル１１０とモジュールフレーム３００の側面部の間に圧縮パッド２００が形成されている。圧縮パッド２００はポリウレタン系の素材を使用して形成し得る。圧縮パッド２００は電池セル１１０のスウェリングによる厚さ変形および外部衝撃による電池セル１１０の変化を吸収し得る。圧縮パッド２００は最外郭の電池セル１１０とモジュールフレーム３００の側面部の間だけでなく隣り合う電池セル１１０の間にも少なくとも一つ形成され得る。

バスバーフレーム１３０にはパスガイダ２６０が形成される。隣接する３個の電池セル１１０それぞれの電極リード１６０が延びるようにするセルテラス１３５を形成する前に、電極リード１６０がリードスロットを通過するようにガイドするためのものとして、バスバーフレーム１３０の一側に形成され得る。具体的にはバスバーフレーム１３０は、電池セル１１０から離隔して位置するバスバーフレーム１３０の後面内側にパスガイダ２６０を備え得る。

このようなパスガイダ２６０は、リードスロットを通過する前に３個の電極リード１６０およびセルテラス１３５が互いに近づくことができるようにバスバーフレーム１３０の後面で所定のガイド空間を形成し得る。パスガイダ２６０は複数設けられる。ここで、複数のパスガイダ２６０は複数のリードスロットの個数に対応するように備えられ得る。そのため、複数の電池セル１１０のうちの隣接する電極リード１６０は、３個ずつ対をなした後それぞれのパスガイダ２６０を介して電極リード１６０がリードスロットを通過して電極リード１６０群を形成することができる。

電極リード１６０群を形成する電極リード１６０の個数は３個に限定されず、電池セル１１０の陽極および陰極の電極リードの配置により変形され得る。

図３は比較例による電極リードとバスバーの溶接構造を概略的に示す平面図である。図４は本発明の一実施形態による電極リードとバスバーの溶接構造を概略的に示す平面図である。

図３を参照すると、複数の電極リード１６０が電池セル１１０覆うパウチで延びたセルテラス１３５から突出している。セルテラス１３５から突出した電極リード１６０はバスバー２８０が位置する方向に屈曲され得る。屈曲された電極リード１６０は同じバスバー２８０に重なり、複数の電極リード１６０とバスバー２８０が同時に溶接されて一つの溶接ポイントＷＰを形成する。この時、複数の電極リード１６０を同時に溶接するために次のような制約が発生する。第一に、電極リード１６０が重なることによって厚くなった電極リード１６０を溶接するために溶接機の仕様は高くならなければならない。第二に、互いに重なる電極リード１６０の個数が多くなるほど溶接機の仕様は高くならなければならない。第三に、互いに重なる電極リード１６０の個数が多くなるほど各電極リード１６０層の溶接偏差が大きくなることによって溶接品質が落ち得る。すなわち、溶接機に最も隣接する電極リード１６０層は過溶接され、溶接機から最も遠く離れて位置する電極リード１６０層は弱溶接され得る。

図４を参照すると、本発明の一実施形態による電池モジュールに含まれた電池セル１１０それぞれの電極タブと電極リード１６０が連結される。複数の電極リード１６０が電池セル１１０を覆うパウチで延びたセルテラス１３５から突出している。セルテラス１３５から突出した電極リード１６０はバスバー２８０が位置する方向に屈曲され得る。屈曲された電極リード１６０は同じバスバー２８０に重なり、複数の電極リード１６０が一つのバスバー２８０に溶接され得る。この時、本実施形態によれば、一つのバスバー２８０と電極リード１６０の重畳部には少なくとも２個の溶接部ＷＰ１，ＷＰ２が形成される。

具体的には、本実施形態によれば、電極リード１６０はＮ個であり、Ｎ個の電極リード１６０は同じバスバー２８０と重なってもよい。Ｎは自然数であり、最小２であり得る。Ｎ個の電極リード１６０は同じ極性を有する。屈曲された電極リード１６０は同じバスバー２８０に重なり、複数の電極リード１６０がバスバー２８０に溶接されて溶接ポイントを形成し得る。この時、溶接ポイントは少なくとも２個の溶接部ＷＰ１，ＷＰ２を含み、第１溶接部ＷＰ１はＮ個の電極リード１６０の間が溶接されている部分であり、第２溶接部ＷＰ２はＮ個の電極リードのうちのＮ－１個の電極リード１６０の間およびバスバー２８０に最も隣接する電極リード１６０とバスバー２８０が溶接されている部分である。

より詳細には、前記Ｎ個の電極リード１６０は第１電極リード１６０ａ、第２電極リード１６０ｂおよび第３電極リード１６０ｃを含む。第１電極リード１６０ａ、第２電極リード１６０ｂおよび第３電極リード１６０ｃは、同じバスバー２８０を向かっ屈曲されており、屈曲される角度は第１電極リード１６０ａ、第２電極リード１６０ｂおよび第３電極リード１６０ｃ順に大きい。本実施形態でバスバー２８０と重なる第３電極リード１６０ｃの長さは、バスバー２８０と重なる第１電極リード１６０ａの長さより短い。ここで、第１溶接部ＷＰ１は第１電極リード１６０ａ、第２電極リード１６０ｂおよび第３電極リード１６０ｃが同時溶接された部分、または第２電極リード１６０ｂおよび第３電極リード１６０ｃが同時溶接された部分であり、第２溶接部ＷＰ２は第１電極リード１６０ａ、第２電極リード１６０ｂおよびバスバー２８０が同時溶接された部分であり得る。

このように、本実施形態によれば、複数の電極リード１６０を溶接する時、バスバー２８０と電極リード１６０の重畳部の溶接ポイントを少なくとも２個形成することによって、溶接機仕様の不要な増大を減少させ、溶接品質の安定的な管理を可能にする。また、バスバー２８０と重なる第３電極リード１６０ｃの長さを第１電極リード１６０ａの長さに比べて短く形成することによって、電極リードのカッティング工程を省略するか、カッティング量を減らすことによって費用損失を最小化し、バスバーフレームと電池セル積層体の間隔を最小化してコンパクトな電池モジュール構造を実現することができる。

以下では図５ないし図７を参照し、本発明の他の一実施形態による電池モジュールの製造方法について説明する。

図５は図１におけるセルテラス、電極リードおよびバスバーの連結関係を拡大して示す図である。図６は図５のＰ領域を示す平面図である。図７は図５のＰ領域を示す正面図である。

図５は図２のバスバーフレーム１３０を除去した図面を示す。

図２、図５および図６を参照すると、本実施形態による電池モジュールの製造方法は、複数の電池セル１１０を積層して電池セル積層体１２０を形成する段階、電池セル１１０のうちで互いに隣り合う電池セル１１０からそれぞれ突出した電極リード１６０を同じバスバー２８０に重複させる段階、および電極リード１６０とバスバー２８０の重畳部のうちの互いに異なる少なくとも２個の位置で電極リード１６０とバスバー２８０を溶接させる段階を含む。

図６および図７を参照すると、電極リード１６０とバスバー２８０を溶接させる段階は、互いに隣り合う電極リード１６０を溶接する第１溶接部ＷＰ１と、互いに隣り合う電極リード１６０とバスバー２８０を溶接する第２溶接部ＷＰ２を形成する段階を含み得る。具体的には、図６に示すように、第１電極リード１６０ａ、第２電極リード１６０ｂおよび第３電極リード１６０ｃを同時溶接、または第２電極リード１６０ｂおよび第３電極リード１６０ｃを同時溶接して第１溶接部ＷＰ１を形成し、第１電極リード１６０ａ、第２電極リード１６０ｂおよびバスバー２８０を同時溶接して第２溶接部ＷＰ２を形成し得る。この時、第１溶接部ＷＰ１と第２溶接部ＷＰ２を形成する段階以前に、固定ジグ１６０ＦＭで電極リード１６０を加圧して電極リード１６０を固定し得る。図７に示すように、固定ジグ１６０ＦＭは第１溶接部ＷＰ１に対応する第１開口部ＡＰ１と第２溶接部ＷＰ２に対応する第２開口部ＡＰ２を有し得る。

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し得る。

上述した電池モジュールおよびそれを含む電池パックは多様なデバイスに適用されることができる。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されるが、本発明はこれに制限されず電池モジュールおよびそれを含む電池パックを使用できる多様なデバイスへの適用が可能であり、これもまた本発明の権利範囲に属する。

以上、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ものではなく、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利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

１００ 電池モジュール
１３５ セルテラス
１６０ 電極リード
１６０ＦＭ 固定ジグ
２８０ バスバー
ＷＰ１，ＷＰ２ 溶接部

Claims (8)

1. 複数の電池セルが積層されている電池セル積層体、
   前記電池セル積層体に連結されたバスバーフレーム、
   前記電池セル積層体に含まれた電池セルのうちで互いに隣り合う電池セルからそれぞれ突出したセルテラス、および
   前記セルテラスからそれぞれ突出して同じ極性を有する電極リードを含む電池モジュールであって、
   前記電極リードは同じバスバーと重なり、前記バスバーと前記電極リードの重畳部には少なくとも２個の溶接ポイントを有し、
   前記電極リードはＮ個であり、前記Ｎ個の電極リードは同じバスバーと重なり、
   前記Ｎ個の電極リードの間が溶接されている第１溶接部と、前記Ｎ個の電極リードのうちのＮ－１個の電極リードの間および前記バスバーに最も隣接する電極リードと前記バスバーが溶接されている第２溶接部が形成される、電池モジュール。
2. 前記Ｎ個の電極リードは第１電極リード、第２電極リードおよび第３電極リードを含み、
   前記第１電極リード、前記第２電極リードおよび前記第３電極リードは、前記同じバスバーに向かって屈曲されており、屈曲される角度は前記第１電極リード、前記第２電極リードおよび前記第３電極リードの順に大きい、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記バスバーと重なる前記第３電極リードの長さは、前記バスバーと重なる前記第１電極リードの長さより短い、請求項２に記載の電池モジュール。
4. 互いに同じ極性を有する前記電極リードが突出している前記セルテラスは、前記電極リードの突出方向に向かって間隔が狭くなる、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
5. 複数の電池セルを積層して電池セル積層体を形成する段階、
   前記電池セルのうちで互いに隣り合う電池セルからそれぞれ突出した電極リードを同じバスバーに重畳させる段階、および
   前記電極リードと前記バスバーの重畳部のうちの互いに異なる少なくとも２個の位置で前記電極リードと前記バスバーを溶接させる段階を含み、
   前記電極リードと前記バスバーを溶接させる段階は、互いに隣り合う電極リードを溶接する第１溶接部と、互いに隣り合う電極リードと前記バスバーを溶接する第２溶接部を形成する段階を含み、
   前記電極リードはＮ個であり、前記Ｎ個の電極リードは同じバスバーと重なり、
   前記第１溶接部において、前記Ｎ個の電極リードの間を溶接し、
   前記第２溶接部において、前記Ｎ個の電極リードのうちのＮ－１個の電極リードの間および前記バスバーに最も隣接する電極リードと前記バスバーを溶接する、電池モジュールの製造方法。
6. 前記第１溶接部と前記第２溶接部を形成する段階以前に、固定ジグで前記電極リードを加圧して前記電極リードを固定する段階をさらに含む、請求項５に記載の電池モジュールの製造方法。
7. 前記固定ジグは、前記第１溶接部に対応する第１開口部と前記第２溶接部に対応する第２開口部を有する、請求項６に記載の電池モジュールの製造方法。
8. 請求項１から４のいずれか一項による電池モジュールを含む、電池パック。

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