JP7384530B2 - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents

Description

関連出願との相互引用
本出願は、２０１９年１１月１５日付の韓国特許出願第１０－２０１９－０１４６９２５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組み含まれる。

本発明は、電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関し、より具体的に溶接構造を改善した電池モジュールおよびこれ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、高いエネルギー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、電気的駆動源により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、エネルギー効率性の向上のための新しいエネルギー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台当たり１個または２～４個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連結した中大型電池モジュールが使用される。

一方、最近、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り、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。

電池モジュールは、互いに積層される複数の電池セル、および前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アセンブリーを含む。ここで、バスバーアセンブリーは、それぞれの電池セルの電極リードを通過させるリードスロットを有するバスバーフレーム、および前記バスバーフレームに装着され、リードスロットの個数に対応するように備えられるバスバースロットを有するか、またはバスバーの間の開口部が形成され、バスバースロットまたは開口部を通過した電極リードと溶接などで連結されるバスバーを含んで構成される（下記特許文献１を参照）。

電池モジュールにおいて電池セル積層体から突出した電極リードとバスバーを連結する時、溶接工程を行うことができる。この時、バスバーまたはバスバーフレーム構造により溶接不良が発生することがあるが、このような溶接不良を防止するためにバスバーまたはバスバーフレームのデザイン改善が必要である。
［特許文献１］国際公開第２０１９／１０７７３５号

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およびこれ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、前述した課題に限定されず、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され得る。

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と連結されるバスバーフレーム、前記電池セル積層体から突出し、前記バスバーフレームのリードスロットを通過する電極リード、および前記電極リードと電気的に連結されるバスバーを含み、前記バスバーフレームは、基本底部（ｂａｓｅ ｂｏｔｔｏｍ ｐｏｒｔｉｏｎ）、および前記基本底部から突出した第１リブ部（ｒｉｂ ｐｏｒｔｉｏｎ）を含み、前記第１リブ部は前記バスバーを支えている。

前記電極リードが前記バスバーフレームのリードスロットを通過した後に前記バスバー上に曲げられ、前記電極リードの曲げられた部分が前記バスバーと溶接され得る。

前記第１リブ部は、互いに隣接した第１サブリブ部と第２サブリブ部を含み、前記バスバーは、前記第１サブリブ部と前記第２サブリブ部のそれぞれが支えている第１部分と、前記第１サブリブ部と前記第２サブリブ部の間に位置する第２部分を含み、前記第２部分の上部面は前記基本底部に向かって陥没しているハーフブランキング（ｈａｌｆ ｂｌａｎｋｉｎｇ）形状を有することができる。

前記バスバーと前記電極リードが溶接された部分は、前記第１サブリブ部と前記第２サブリブ部の延長線上に位置することができる。

前記電極リードは、前記第１部分上で溶接され、前記電極リードは、前記溶接された部分から延長されて前記第２部分に向かって折られたダミー部を含むことができる。

前記ダミー部は前記第２部分の陥没部分の中へ折られ得る。

前記バスバーの第１部分と前記バスバーの第２部分は一体に形成され得る。

前記バスバーの第２部分は前記第１サブリブ部と前記第２サブリブ部のそれぞれから離隔し得る。

前記バスバーフレームは、互いに隣接したバスバーの間に位置する第２リブ部をさらに含み、前記第２リブ部の高さは、前記バスバー上に曲げられた前記電極リードの高さと同一であるか、または、前記バスバー上に曲げられた前記電極リードの高さよりも低くてもよい。

本発明の他の一実施形態による電池パックは、前述した電池モジュールを含む。

実施形態によれば、バスバーが装着されるバスバーフレーム部分にリブが形成されることによって、溶接時に溶接ジグによるバスバーが曲がることに対する剛性を強化させることができる。

また、互いに隣接したバスバーの間に位置し、バスバーフレームに形成された隔壁リブの高さを最外側電極リード表面の高さと同一であるかまたは低く形成することによって、溶接時に隔壁リブがベンディングブレードと干渉しないようにすることができる。

本発明の一実施形態による電池モジュールの一部を示す斜視図である。 図１の切断線Ａ－Ａ’に沿って切断した断面図である。 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。 図３の溶接構造を示す正面図である。 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５の溶接構造を示す正面図である。 本発明の他の一実施形態によるバスバーおよびバスバーフレーム構造を示す概略図である。 図７の比較例によるバスバーおよびバスバーフレーム構造を示す概略図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の多様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することができるように詳細に説明する。本発明は、多様な異なる形態に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、説明上不要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付した。

また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは、説明の便宜のために任意に示したため、本発明が必ず図示されたところに限定されるのではない。図面において、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。そして図面において、説明の便宜のために、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」にあるという時、これは他の部分の「直上」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。反対に、ある部分が他の部分の「直上」にあるという時には、中間にまた他の部分がないことを意味する。また、基準となる部分の「上」にあるということは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ず重力反対方向に向かって「上」に位置することを意味するのではない。

また、明細書全体において、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、他の構成要素を除外せず、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、明細書全体において、「平面状」という時、これは対象部分を上方から見た時を意味し、「断面状」という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を側方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示す斜視図である。図２は図１の切断線Ａ－Ａ’に沿って切断した断面図である。

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ってもよい。

電池セル１１０を覆うパウチから延長されたセルテラス１３５が形成され、セルテラス１３５から突出する電極リード１６０が会えて一つのリードスロット（図示せず）を通過することができる。隣接したセルテラス１３５の間の間隔が電池セル１１０から遠ざかることによって次第に狭くなり得る。この時、セルテラス１３５から突出する電極リード１６０は互いに同一の極性を有することができる。互いに隣接した電極リード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の間の間隔はむしろ電池セル１１０から遠ざかることによって次第に広くなり得る。

本実施形態によれば、最外側電池セル１１０とモジュールフレーム３００の側面部との間に圧縮パッド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することができる。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の変化を吸収することができる。圧縮パッド２００は、最外側電池セル１１０とモジュールフレーム３００の側面部との間だけでなく、隣接した電池セル１１０の間にも少なくとも一つが形成され得る。

バスバーフレーム１３０には、パスガイダー２６０が形成される。隣接した３個の電池セル１１０のそれぞれの電極リード１６０が延長され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であって、バスバーフレーム１３０の一側に形成され得る。具体的にバスバーフレーム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ー２６０を備えることができる。

このようなパスガイダー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が互いに近づけ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することができる。パスガイダー２６０は複数個が備えられ得る。ここで、複数個のパスガイダー２６０は、複数個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。そのために、複数個の電池セル１１０のうち、隣接した電極リード１６０は、３個ずつ対をなした後、それぞれのパスガイダー２６０を通じて電極リード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の正極および負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は図３の溶接構造を示す正面図である。

図３および図４を参照すると、比較例によるバスバー２８は、中央に開口部が形成され、電池セル１１と電極リード１５、１６を介して電気的に連結され得る。電極リード１５、１６は、それぞれ互いに異なる極性を有することができ、一つのバスバー２８を介して直列に連結され得る。電極リード１５、１６は、電池セル１１から突出して延長される方向でバスバー２８上に曲げられ、曲げられた電極リード１５、１６部分がバスバー２８と溶接され得る。溶接時に溶接ジグが前面から電極リード１５、１６とバスバー２８の重畳部分を加圧する時、バスバー２８が曲がり得る。このようにバスバー２８が曲がるようになると、電極リード１５、１６とバスバー２８の間にギャップ（Ｇａｐ）が発生して溶接不良が発生することがある。

図５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６は図５の溶接構造を示す正面図である。

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に含まれているバスバー２８０は、ハーフブランキング（半抜き）形状を有する。ハーフブランキング形状とは、図６のバスバー２８０の上部面からバスバー２８０高さの約２／３程度まで打抜が行われた形態を指すことができる。具体的に、本実施形態によるバスバー２８０は、電極リード１６０と接触する第１部分２８０ａと、第１部分２８０ａの延長面を基準として陥没している第２部分２８０ｂを含む。バスバー２８０の第２部分２８０ｂは、後述するバスバーフレーム１３０の基本底部１３０ａに向かって陥没し得る。第１部分２８０ａと第２部分２８０ｂは一体に形成され得る。

本実施形態による電池モジュールに含まれているバスバーフレーム１３０は、基本底部１３０ａ、および基本底部１３０ａから突出した第１リブ部１３０ｂを含む。この時、第１リブ部１３０ｂはバスバー２８０を支えている。電極リード１６０ａ、１６０ｂは、バスバーフレーム１３０のリードスロットを通過した後、バスバー２８０上に曲げられ、電極リード１６０ａ、１６０ｂの曲げられた部分がバスバー２８０と溶接され得る。

本実施形態による第１リブ部１３０ｂは、互いに隣接した第１サブリブ部１３０ｂ１と第２サブリブ部１３０ｂ２を含む。バスバー２８０は、第１サブリブ部１３０ｂ１と第２サブリブ部１３０ｂ２のそれぞれが支えている第１部分２８０ａと、第１サブリブ部１３０ｂ１と第２サブリブ部１３０ｂ２の間に位置する第２部分２８０ｂを含む。この時、第２部分２８０ｂの上部面はバスバーフレーム１３０の基本底部１３０ａに向かって陥没しているハーフブランキング形状を有することができる。この時、バスバー２８０の第２部分２８０ｂは、第１サブリブ部１３０ｂ１と第２サブリブ部１３０ｂ２のそれぞれから離隔することができる。バスバー２８０と電極リード１６０ａ、１６０ｂが溶接された部分は、第１サブリブ部１３０ｂ１と第２サブリブ部１３０ｂ２の延長線上に位置することができる。第１サブリブ部１３０ｂ１と第２サブリブ部１３０ｂ２の延長線は、図６に示した第１サブリブ部１３０ｂ１と第２サブリブ部１３０ｂ２が上方に伸びている方向を有することができる。

図７は本発明の他の一実施形態によるバスバーおよびバスバーフレーム構造を示す概略図である。図８は図７の比較例によるバスバーおよびバスバーフレーム構造を示す概略図である。

図７を参照すると、電極リード１６０ａ、１６０ｂは、バスバーフレーム１３０のリードスロット１３８を通過した後にバスバー２８０上に曲げられ得る。図７で電極リード１６０ａ、１６０ｂが延長されてリードスロット１３８を貫通する部分は省略したが、切取線で表示した部分で電極リード１６０ａ、１６０ｂは延長されてリードスロット１３８を貫通することができる。

曲げられた電極リード１６０ａ、１６０ｂ部分は、バスバー２８０の第１部分２８０ａ上で溶接され、電極リード１６０ａ、１６０ｂは、溶接された部分から延長されてバスバー２８０の第２部分２８０ｂに向かって折られたダミー部１６０Ｄを含むことができる。ダミー部１６０Ｄは、第２部分２８０ｂの陥没部分の中へ折られ得る。追加的に、第１電極リード１６０ａに隣接した第２電極リード１６０ｂの端部はダミー部１６０Ｄが折られる方向と異なる方向に折られ得る。このように、本実施形態によるバスバー２８０がハーフブランキング（ｈａｌｆ ｂｌａｎｋｉｎｇ）形状を有することによって、電極リード１６０ａ、１６０ｂが長く形成される時、電極リード１６０ａ、１６０ｂ端部を陥没している第２部分２８０ｂに配置させることができる。したがって、バスバー２８０と電極リード１６０ａ、１６０ｂの溶接のための重畳部の密着が妨害されることを防止することができる。

本実施形態によるバスバーフレーム１３０は、互いに隣接したバスバー２８０の間に位置する第２リブ部１３０ｃをさらに含むことができる。第２リブ部１３０ｃの高さはバスバー２８０上に曲げられた電極リード１６０ａ、１６０ｂの高さと同一であるかまたはより低くてもよい。言い換えると、電極リード１６０ａ、１６０ｂと第２リブ部１３０ｃの高さ差（ｈ）が同一であるかまたは高さ差が正の数を有することができる。このような構造によって、溶接機のベンディングブレードと干渉しないことによって溶接不良を防止することができる。具体的に図８を参照すると、２個の隣接したバスバー２８０の間に隔壁リブに該当する第２リブ部１３０ｃが配置され得る。この時、第２リブ部１３０ｃの高さが最外側電極リード１６０ａ、１６０ｂ表面の高さより高ければ、溶接時に電極リード１６０ａ、１６０ｂを押して電極リード１６０ａ、１６０ｂがバスバー２８０と密着するようにするベンディングブレード５００が第２リブ部１３０ｃと干渉してバスバー２８０と電極リード１６０ａ、１６０ｂが密着されず、溶接不良が発生することがある。

図２および図７を参照すると、複数の電極リード１６０が電池セル１１０を覆うパウチから延長されたセルテラス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が位置する方向にベンディングされ得る。ベンディングされた電極リード１６０は、同一のバスバー２８０に重畳し、複数の電極リード１６０とバスバー２８０が同時に溶接されてバスバー２８０の第１部分２８０ａでそれぞれ一つの溶接ポイントＷＤ１、ＷＤ２を形成することができる。

以上で説明した差異点以外に図５および図６の実施形態で説明した内容は本実施形態に適用され得る。

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することができる。

前述した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され得る。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得るが、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ず、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多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

１３０：バスバーフレーム
２８０：バスバー
１３０ａ：基本底部
１３０ｂ：第１リブ部
１３０ｃ：第２リブ部
１６０：電極リード

Claims (9)

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と連結されるバスバーフレーム、
   前記電池セル積層体から突出し、前記バスバーフレームのリードスロットを通過する電極リード、および
   前記電極リードと電気的に連結されるバスバーを含み、
   前記バスバーフレームは、基本底部、および前記基本底部から突出した第１リブ部を含み、
   前記第１リブ部は前記バスバーを支えており、
   前記バスバーと前記電極リードが溶接された部分は、前記第１リブ部の延長線上に位置する、電池モジュール。
2. 前記電極リードが前記バスバーフレームの前記リードスロットを通過した後に前記バスバー上に曲げられ、前記電極リードの曲げられた部分が前記バスバーと溶接されている、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記第１リブ部は、互いに隣接した第１サブリブ部と第２サブリブ部を含み、
   前記バスバーは、前記第１サブリブ部と前記第２サブリブ部のそれぞれが支えている第１部分と、前記第１サブリブ部と前記第２サブリブ部の間に位置する第２部分を含み、
   前記第２部分の上部面は前記基本底部に向かって陥没しているハーフブランキング形状を有する、請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記電極リードは前記第１部分上で溶接され、前記電極リードは、前記溶接された部分から延長されて前記第２部分に向かって折られたダミー部を含む、請求項３に記載の電池モジュール。
5. 前記ダミー部は前記第２部分の陥没部分の中へ折られた、請求項４に記載の電池モジュール。
6. 前記バスバーの前記第１部分と前記バスバーの前記第２部分は一体に形成される、請求項３に記載の電池モジュール。
7. 前記バスバーの前記第２部分は前記第１サブリブ部と前記第２サブリブ部のそれぞれから離隔している、請求項３に記載の電池モジュール。
8. 前記バスバーフレームは、互いに隣接した前記バスバーの間に位置する第２リブ部をさらに含み、
   前記第２リブ部の高さは、前記バスバー上に曲げられた前記電極リードの高さと同一であるか、または、前記バスバー上に曲げられた前記電極リードの高さよりも低い、請求項１から７のいずれか一項に記載の電池モジュール。
9. 請求項１に記載の電池モジュールを含む電池パック。

Images