JP7434582B2 - 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

Description

本出願は、２０２０年１０月６日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２０－０１２９００１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。

本発明は、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、より詳しくは、電極リードが加圧されることを防止でき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する。

モバイル機器に対する技術開発及び需要の増加とともに、エネルギー源としての二次電池の需要が急増している。二次電池としては、従来、ニッケルカドミウム電池または水素イオン電池が使用されていたが、近年、ニッケル系の二次電池に比べてメモリ効果が殆ど起きず充放電が自在であって、自己放電率が非常に低くてエネルギー密度が高いリチウム二次電池が広く使用されている。

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それぞれ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が塗布された正極板と負極活物質が塗布された負極板とがセパレータを介在して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収納する外装材、例えば電池ケースを備える。

リチウム二次電池は、正極、負極、これらの間に介在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の種類によってリチウム二次電池（ＬＩＢ）、リチウムポリマー電池（ＰＬＩＢ）などに分けられる。通常、このようなリチウム二次電池の電極は、アルミニウムまたは銅のシート、メッシュ、フィルム、ホイルなどの集電体に正極活物質または負極活物質を塗布した後、乾燥することで製造する。そして、多様な種類の二次電池はバッテリーセルを保護するカバーを備え、複数のバッテリーセルが積層されてカバーに囲まれたバッテリーモジュール、及び複数のバッテリーモジュールが含まれたバッテリーパックを含む。

バッテリーセルは導電体であるバスバーを通じて互いに電気的に接続され得る。一般に、正極リードはアルミニウム材質から製作され、負極リードは銅材質から製作され、バスバーも銅材質から製作される。

図１は従来のバッテリーモジュールで複数のバッテリーセルの電極リード同士の段差が補正される前の様子を概略的に示した図であり、図２は図１の状態から段差補正ジグを使用して複数のバッテリーセルの電極リード同士の段差が補正された後の様子を概略的に示した図である。

図１を参照すると、バッテリーモジュール１は、カバー２、複数のバッテリーセル３、バスバーフレーム４及びバスバー５を含み、バッテリーセル３は正極リード６及び負極リード７を含む。

図１のように、複数のバッテリーセル３のそれぞれの電極リード６、７がバスバーフレーム４を通って突出されれば、複数の電極リード６、７同士の間に段差（図１のＸ部分を参照）が発生する。

しかし、従来のバッテリーモジュール１の場合、電極リード６、７とバスバー５とを溶接するため、段差補正ジグ８を使用して電極リード６、７同士の間に形成された段差Ｘを補正し、図２のＹのように電極リード６、７の高さを等しく調整する。

しかし、段差補正ジグ８を使用して電極リード６、７同士の間に形成された段差Ｘを補正する過程は、段差補正ジグ８で電極リード６、７を加圧して強制に高さ差をなくすことで、これによれば、バッテリーセル３と電極リード６、７との結合部分（図２のＺ部分を参照）にプレストレス（ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ）が発生し、これによりバッテリーセル３と電極リード６、７との結合部分が破損される問題がある。

また、バスバー５は、溶接によって電極リード６、７と接合されてバスバーフレーム４に固定される。ここで、バッテリーセル３の内部にガスが発生してバッテリーセル３が膨れ上がるスウェリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）現象が生じれば、電極リード６、７とバスバー５にも圧力が加えられるが、バスバー５がバスバーフレーム４に固定されているため電極リード６、７とバスバー５とが破断するという問題がある。

したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、バッテリーセルと電極リードとの結合部分にプレストレスが発生することを防止でき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を提供することである。

また、バッテリーセルにスウェリング現象が発生したとき電極リードとバスバーとの間に圧力が加えられることを防止でき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を提供することである。

本発明の一態様によれば、複数のバッテリーセルが積層されるバッテリーセル積層体と、前記複数のバッテリーセルにそれぞれ備えられた電極リードが結合されるバスバーと、前記バッテリーセル積層体が収納されるカバーとを含み、前記バスバーは、前記バスバーの少なくとも一部が前記電極リードの上面に接触するように設けられることを特徴とするバッテリーモジュールが提供される。

また、前記バスバーは、前記電極リードの側面に配置される第１部材と、前記電極リードの上面に接触する第２部材とを含み得る。

そして、前記第１部材は、正極リードと負極リードとの間に配置され、前記第２部材は、前記第１部材から前記正極リード及び前記負極リードに向かってそれぞれ延び得る。

また、前記バスバーは、全体的に「Ｔ」字状に形成され得る。

そして、前記バスバーの前記第２部材は、前記電極リードの上部に載せられた状態でレーザー溶接で接合され得る。

また、前記正極リードはアルミニウム材質から製作され、前記負極リードは銅材質から製作され、前記バスバーはアルミニウム材質から製作されて、前記レーザー溶接時に前記アルミニウム材質のバスバーが溶融して異種材質である銅材質の電極リードと接合され得る。

そして、前記カバーには、前記電極リードが突出するように挿入開口が形成された支持フレームが備えられ、前記バスバーは、前記支持フレームとの間に緩衝空間が形成されるように配置され得る。

また、前記緩衝空間は、前記バッテリーセルで発生する引張力に対する緩衝のため前記バスバーの下側に設けられ得る。

一方、本発明の他の一態様によれば、上述したバッテリーモジュールを含むバッテリーパックが提供され、また、上述したバッテリーモジュールを含む自動車が提供される。

本発明の一態様によれば、バッテリーセルと電極リードとの結合部分にプレストレスが発生することを防止することができる。

また、バッテリーセルにスウェリング現象が発生したとき、電極リードとバスバーとの間に圧力が加えられることを防止することができる。

従来のバッテリーモジュールにおいて、複数のバッテリーセルの電極リード同士の段差が補正される前の様子を概略的に示した図である。 図１の状態から、段差補正ジグを使用して複数のバッテリーセルの電極リード同士の段差が補正された後の様子を概略的に示した図である。 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、バスバー及びバスバーフレームを示した全体斜視図である。 図３のＡ－Ａ’に沿った断面図である。 図４に示された電極リード同士の間に段差が生じた様子を示した断面図である。 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、バッテリーセルがセルスウェリングによって膨張する前の様子を概略的に示した図である。 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、バッテリーセルがセルスウェリングによって膨張した後の様子を概略的に示した図である。

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。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面に示された構成は、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。

図面において、各構成要素またはその構成要素を成す特定部分の大きさは、説明の便宜上及び明確性のため、誇張、省略または概略して示された。したがって、各構成要素の大きさは実際の大きさを専ら反映するものではない。また、関連する公知機能又は構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にし得ると判断される場合、その説明は省略する。

さらに、本明細書で使われる「結合」または「連結」との用語は、一つの部材と他の部材との直接結合または直接連結だけでなく、継ぎ部材を介在した一つの部材と他の部材との間接結合または間接連結も含む。

図３は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールでバスバー及びバスバーフレームを示した全体斜視図であり、図４は図３のＡ－Ａ’に沿った断面図であり、図５は図４に示された電極リード同士の間に段差が生じた様子を示した断面図であり、図６は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールでバッテリーセルがセルスウェリングによって膨張する前の様子を概略的に示した図であり、図７は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールでバッテリーセルがセルスウェリングによって膨張した後の様子を概略的に示した図である。

図面を参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１０は、バッテリーセル積層体１００、バスバー２００及びカバー３００を含む。

図６及び図７を参照すると、バッテリーセル積層体１００は、電極リード１１１、１１２が備えられたバッテリーセル１１０が複数個積層されて設けられる。バッテリーセル１１０に備えられる電極リード１１１、１１２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、伝導性材質が使用され得る。

電極リード１１１、１１２は、正極リード１１１及び負極リード１１２を含み得る。正極リード１１１と負極リード１１２とは、バッテリーセル１１０の長手方向で互いに反対側に配置されてもよく、同一側に位置してもよい。

正極リード１１１及び負極リード１１２は、多様な材質から設けられ得、例えば、正極リード１１１はアルミニウム材質から製作され、負極リード１１２は銅材質から製作され得る。

電極リード１１１、１１２は、バスバー２００に電気的に結合され得る。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るバイセル（ｂｉ－ｃｅｌｌ）を電池容量に合わせて複数個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が互いに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は多様な構造を有し得、また、複数のバッテリーセル１１０同士は多様な方式で積層され得る。

バッテリーセル積層体１００には、それぞれのバッテリーセル１１０を収納するカートリッジ（図示せず）が複数個備えられ得る。それぞれのカートリッジ（図示せず）は、プラスチックの射出成形で製造され得、バッテリーセル１１０を収納可能な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の電圧または温度に関するデータを提供可能なＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ、図示せず）などに接続されるための多様な形態の電気的連結部品又は連結部材が含まれ得る。

そして、端子要素は、バッテリーセル１１０に連結されるメイン端子として正極端子及び負極端子を含み、ターミナルボルトを備えて外部と電気的に接続され得る。一方、バッテリーセル１１０は多様な形状を有し得る。

図６及び図７を参照すると、カバー３００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る。例えば、カバー３００は、バッテリーセル積層体１００を囲むように設けられ得る。

カバー３００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。

カバー３００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で形成され得る。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である場合、カバー３００もそれに対応するように六面体形状で設けられ得る。

カバー３００は、例えば、金属材質のプレートを折り曲げて製造されてもよく、プラスチック射出物によって製造されてもよい。そして、カバー３００は、一体型で製造されてもよく、分離型で製造されてもよい。

カバー３００には、上述したコネクター要素または端子要素が外部に露出可能な貫通部（図示せず）が形成され得る。すなわち、コネクター要素または端子要素は、外部の所定の部品または部材と電気的に接続され得るが、このような電気的接続がカバー３００によって妨害されないようにカバー３００に貫通部が形成され得る。

カバー３００は、上側カバー、下側カバー及び側面カバーから構成され得るが、これに限定されることはない。

カバー３００には、電極リード１１１、１１２が突出するように挿入開口４１０が形成された支持フレーム４００が備えられ得る。すなわち、電極リード１１１、１１２が支持フレーム４００に形成された挿入開口４１０を通ってカバー３００の外側に突出し、電極リード１１１、１１２の突出部分でバスバー２００と接合され得る。

図４及び図５を参照すると、バスバー２００は、複数のバッテリーセル１１０にそれぞれ備えられた電極リード１１１、１１２と結合され、それぞれの電極リード１１１、１１２を電気的に接続する。バスバー２００は、バスバー２００の少なくとも一部が電極リード１１１、１１２の上面に接触するように設けられる。すなわち、バスバー２００は、電極リード１１１、１１２の上面に載置された状態で溶接（図４及び図５のＷを参照）される。

バスバー２００は、第１部材２１０及び第２部材２２０を含み得る。第１部材２１０は電極リード１１１、１１２の側面に接触し、第２部材２２０は電極リード１１１、１１２の上面に接触し得る。

ここで、第１部材２１０は、正極リード１１１と負極リード１１２との間に配置され、第２部材２２０は、第１部材２１０から正極リード１１１及び負極リード１１２に向かってそれぞれ延びるように形成され得る。すなわち、バスバー２００は、全体的に略「Ｔ」字状に形成され得る。

バスバー２００が全体的に略「Ｔ」字状に形成される場合、水平部分、すなわち、第２部材２２０は正極リード１１１及び負極リード１１２の上面にそれぞれ接触し、垂直部分、すなわち、第１部材２１０は正極リード１１１及び負極リード１１２の側面に接触するように構成され得る。

ここで、上述したように、正極リード１１１がアルミニウム材質から製作され、負極リード１１２が銅材質から製作される場合、バスバー２００はアルミニウム材質から製作され得る。

そして、バスバー２００の第２部材２２０が電極リード１１１、１１２の上部に載せられた状態で溶接、例えば、レーザー溶接で接合されるが、レーザー溶接時にアルミニウム材質のバスバー２００が溶融して異種材質である銅材質の電極リードと接合されるように構成され得る。

これに関連して、通常同種材質同士の溶接による接合は比較的容易であるが、異種材質の溶接はそれ程容易ではなく、２種の材質のうち相対的に反射率の低い材質を溶融させて反射率の高い材質に接合させる。

すなわち、銅及びアルミニウムのうちアルミニウムが銅に比べて相対的に反射率が低いため、銅とアルミニウムとの溶接は相対的に反射率が低いアルミニウムを溶融させて銅に接合させる。

図１及び図２を参照すると、従来のバッテリーモジュール１の場合、バスバー５が四角形の断面を有するように形成されて正極リード６と負極リード７との間に配置される。そして、正極リード６がアルミニウム材質から製作され、負極リード７が銅材質から製作され、バスバー５は銅材質から製作される。

すなわち、従来のバッテリーモジュール１の場合、同種材質である銅材質のバスバー５と銅材質の負極リード７とは容易に接合可能であるが、正極リード６とバスバー５との接合の場合、アルミニウム材質の正極リード６を溶融させて銅材質のバスバー５と接合する。

従来のバッテリーモジュール１の場合、構造的な問題から上述したような方式で溶接が行われた。

しかし、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１０の場合、バスバー２００はアルミニウム材質から製作され、バスバー２００の第２部材２２０が電極リードの上部に載せられているため、アルミニウム材質であるバスバー２００の第２部材２２０部分を溶融させて正極リード１１１及び負極リード１１２の両方と接合させることができる。

すなわち、バスバー２００の構造的な変化を通じてバスバー２００をアルミニウム材質から製作でき、それによって、バスバー２００を溶融させてバスバー２００と電極リードとを接合させることができる。銅電極リードに比べてアルミニウム電極リードが安価であるため、コストを節減できるという効果がある。

ここで、従来のバッテリーモジュール１と異なり、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１０は、電極リード１１１、１１２の段差を補正するためのジグが不要である。

上述したように、従来のバッテリーモジュール１の場合、段差補正ジグ８を使用して電極リード６、７同士の間の段差Ｘを補正することで電極リード６、７の高さを同一に調整する。それにより、バッテリーセル３と電極リード６、７との結合部分（図２のＺ部分を参照）にプレストレスが発生し、バッテリーセル３と電極リード６、７との結合部分が破損される問題がある。

しかし、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１０の場合、電極リード１１１、１１２同士の間の段差を補正することなく、図５のように電極リード１１１、１１２同士の間に段差が生じた状態のままで、バスバー２００を電極リード１１１、１１２の上部に載せると、バスバー２００が電極リード１１１、１１２の上部に載せられた状態で溶接が行われるため、バッテリーセル１１０と電極リード１１１、１１２との結合部分にプレストレスが発生せず、結合部分の破損の問題が防止されるという効果がある。

図４のように、電極リード１１１、１１２同士の間に段差が生じない場合にもそのまま溶接することができる。

一方、図４及び図５を参照すると、バスバー２００は、支持フレーム４００との間に緩衝空間５００が形成されるように配置され得る。ここで、緩衝空間５００は、バッテリーセル１１０で発生する引張力に対する緩衝のためバスバー２００の下側に設けられ得る。

上述したように、従来のバッテリーモジュール１の場合、バスバー５は溶接によって電極リード６、７と接合されてバスバーフレーム４に固定されるため、バッテリーセル３にスウェリング現象が発生すれば、電極リード６、７とバスバー５とが破断される問題がある。

しかし、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１０の場合、バッテリーセル１１０にスウェリング現象が発生しても、バスバー２００が緩衝空間５００に移動するため、電極リード１１１、１１２とバスバー２００との破断を防止することができる。

例えば、図６のようにバッテリーセル１１０にスウェリング現象が発生する前は、バスバー２００と支持フレーム４００との間に十分な空間、すなわち緩衝空間５００が形成されている。そして、バッテリーセル１１０にスウェリング現象が発生して電極リード１１１、１１２に引張力が加えられると、図７のようにバスバー２００が緩衝空間５００に移動することで、電極リード１１１、１１２とバスバー２００とに加えられる圧力が緩和されて破断が防止できる。

以下、図面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１０の作用及び効果について説明する。

本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１０のバスバー２００は、アルミニウム材質から製作されて電極リードの上部に載せられた状態で、例えば、レーザー溶接などを通じて正極リード１１１及び負極リード１１２の両方に接合され得る。

すなわち、アルミニウム材質のバスバー２００が溶融して正極リード１１１と負極リード１１２に接合される。

このとき、バッテリーセル１１０で発生する引張力に対する緩衝のため、バスバー２００の下側であって支持フレーム４００との間に、緩衝空間５００が形成されるようにバスバー２００が配置され得る。

このような構成を通じて、バッテリーセル１１０と電極リード１１１、１１２との結合部分にプレストレスが発生せず結合部分の破損が防止される効果があり、また、バッテリーセル１１０にスウェリング現象が発生して電極リード１１１、１１２に引張力が加えられる場合にも、バスバー２００が緩衝空間５００に移動して電極リード１１１、１１２とバスバー２００に加えられる圧力が緩和され破断が防止される効果がある。

一方、本発明の一実施形態によるバッテリーパック（図示せず）は、上述したような本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１０を一つ以上含む。また、前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の他に、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の装置、例えばＢＭＳ、電流センサ、ヒューズなどをさらに含み得る。

一方、本発明の一実施形態による自動車（図示せず）は、上述した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、前記バッテリーパック（図示せず）には前記バッテリーモジュール１０が含まれ得る。そして、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１０は、前記自動車（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所定の自動車（図示せず）に適用可能である。

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。

本発明は、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、特に、バッテリー関連産業に適用可能である。

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
１１１ 電極リード（正極リード）
１１２ 電極リード（負極リード）
２００ バスバー
２１０ 第１部材
２２０ 第２部材
３００ カバー
４００ 支持フレーム
４１０ 挿入開口
５００ 緩衝空間

Claims (9)

1. 複数のバッテリーセルが積層されるバッテリーセル積層体と、
   前記複数のバッテリーセルにそれぞれ備えられた電極リードが結合されるバスバーと、
   前記バッテリーセル積層体が収納されるカバーとを含むバッテリーモジュールであって、
   前記バスバーは、前記バスバーの少なくとも一部が前記電極リードの上面に接触するように設けられ、
   前記カバーには、前記電極リードが突出するように挿入開口が形成された支持フレームが備えられ、
   前記バスバーは、前記支持フレームとの間に緩衝空間が形成されるように配置される、バッテリーモジュール。
2. 前記バスバーは、
   前記電極リードの側面に接触する第１部材と、
   前記電極リードの上面に接触する第２部材とを含む、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
3. 前記第１部材は、正極リードと負極リードとの間に配置され、前記第２部材は、前記第１部材から前記正極リード及び前記負極リードに向かってそれぞれ延びる、請求項２に記載のバッテリーモジュール。
4. 前記バスバーの、前記バスバーの長手方向に対して垂直な断面は、全体的にＴ字状に形成される、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
5. 前記バスバーの前記第２部材が前記電極リードの上部に載せられた状態で、前記バスバーが前記電極リードにレーザー溶接で接合される、請求項３又は４に記載のバッテリーモジュール。
6. 前記正極リードはアルミニウム材質から製作され、前記負極リードは銅材質から製作され、
   前記バスバーは、アルミニウム材質から製作され、前記レーザー溶接時に前記アルミニウム材質のバスバーが溶融して異種材質である銅材質の電極リードと接合される、請求項５に記載のバッテリーモジュール。
7. 前記緩衝空間は、前記バッテリーセルで発生する引張力に対する緩衝のため前記バスバーの下側に形成されている、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
8. 請求項１～７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。
9. 請求項１～７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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