JP7643783B2

JP7643783B2 - 折曲形態のセンシングユニットを含む電池モジュール及びこれを含む電子機器

Info

Publication number: JP7643783B2
Application number: JP2022579838A
Authority: JP
Inventors: ヒョク・アン; サン・ウク・イム; テ・グン・キム; ジョン・ファ・チェ; ヒョン・スク・イ; ヨン・イル・ユン
Original assignee: LG Energy Solution Ltd
Current assignee: LG Energy Solution Ltd
Priority date: 2021-06-09
Filing date: 2022-06-09
Publication date: 2025-03-11
Anticipated expiration: 2042-06-09
Also published as: WO2022260444A1; KR102866485B1; CN115917865A; EP4164047A1; CN115917865B; ES3054266T3; EP4164047B1; EP4164047A4; JP2023534147A; US20230246256A1; KR20220166052A

Description

本出願は２０２１年６月９日付の韓国許出願第２０２１－００７４８８２号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国許出願の文献に開示されたすべての内容はこの明細書の一部として含まれる。

本発明は折曲形態のセンシングユニットを含む電池モジュール及びこれを含む電子機器に関するものである。具体的には、ハウジングの前面及び後面に付着するように折り曲げられた形態を有するセンシングユニットを含む電池モジュール及びこれを含む電子機器に関するものである。

高いエネルギー密度及び高出力のエネルギー源として使用可能なリチウム二次電池は、携帯用機器のような小型製品群に適用されるだけでなく、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、または電力貯蔵装置のような中大型製品群にも適用されている。

前記リチウム二次電池は、従来のエネルギー源として使われた化石燃料の使用を画期的に減少させることができるだけでなく、リチウム二次電池の使用の際に副産物がほとんど発生しない点で環境に優しいエネルギー源としても注目されている。

前記リチウム二次電池を中大型製品群に適用するために、大容量及び高出力の構造に対する必要性が高くなっている。よって、複数のリチウム二次電池を並列及び／または直列に連結して電池モジュールを構成し、前記電池モジュールのうちの一つ以上にその他の構成要素を追加することで電池パックを構成することができる。

前記電池モジュールに含まれる電池セルの個数、及び前記電池パックに含まれる電池モジュールの個数は装着されるデバイスに必要な出力電圧及び容量によって設定することができる。

リチウム二次電池を含むエネルギー源を使う場合、使用者の便宜性を向上させるために、電池モジュールの容量を増やすことだけではなく、充電時間を短縮することが主要課題になっている。

しかし、急速充電を遂行する場合、電池モジュールの発熱が問題点として指摘されている。これは安全性と直結される問題であるので、これに対する解決策として電極リードの幅を増加させる構造を代案として提示することができる。

しかし、従来の電池モジュールにおいては、ハウジングの一側面に、電池セルの電圧、電流及び温度などを測定するためのフレキシブルプリント回路基板（ＦＰＣＢ）を付け加えた構造を使うので、電極リードの幅を増加させるのに限界がある。

これに関連して、図１は従来の電池モジュールの部分斜視図である。

図１を参照すると、複数のパウチ型電池セル１００が密着して配列された電池セルスタックの一側面から電極リード１１０が突出しており、電極リード１１０はバスバー２００と電気的に連結されている。バスバー２００はハウジング３００に付着されて固定されており、ハウジング３００の外側面にはｙ方向及びｚ方向に折り曲げられた形態のセンシングユニット４００であるＦＰＣＢが取り付けられている。

このように、ｙ方向に沿って長く配置されるセンシングユニット４００の空間を確保するための構造は、電極リード１１０の幅Ｗ_Ｌ方向の大きさであるｙ方向の長さがハウジングの高さＨの５０％より小さい形態を有し、電極リードの幅を増やしにくい構造である。電極リードの幅が小さくなるほど温度増加率が大きくなることがあるので、急速充電の際に発生する電池モジュールの発熱問題を解決しにくい問題がある。

このように、電池モジュールの発熱を解決するための方法として、特許文献１は、バッテリーセル組立体の上側全体にわたって熱伝導性接着剤を均一に塗布する構造を提示する。これは、バッテリーセル組立体の下側だけではなく上側を介しての冷却も可能になった電池モジュールを開示する。

特許文献１は電池モジュールの冷却性能を向上させるために熱伝導性接着剤を塗布する構造を提示しているが、急速充電の際に発熱を減少させるための代案として電極リードの幅を増加させることができる構造を開示することはできていない。

したがって、電池モジュールの急速充電の際に問題になる発熱を減少させるように電極リードの幅を増加させることができる構造の電池モジュールのモデルが必要である。

韓国登録特許第１０－２１５０６７９号公報

本発明は前記のような問題を解決するためのものであり、広幅を有する電極リードを使って電池セルの発熱を減少させることができるように、折曲形態のセンシングユニットを含む電池モジュール及びこれを含む電子機器を提供することを目的とする。

このような目的を達成するための本発明による電池モジュールは、パウチ型電池セルが積層された電池セルスタックと、前記パウチ型電池セルの電極リードと結合するバスバーと、前記バスバーを固定させるためのハウジングと、前記ハウジングに配置されるセンシングユニットとを含み、前記センシングユニットは、前記電池セルスタックと対面する前記ハウジングの第１面、及び前記第１面の反対側の外面である第２面に取り付けられる。

前記センシングユニットは、前記ハウジングの一側の外周辺を取り囲む形態を有することができる。前記センシングユニットは前記ハウジングの第２面で前記バスバーと電気的に連結されることができる。

前記電極リードの幅は前記ハウジングの高さの５０％～８０％の大きさを有することができる。

前記電極リードの幅は、前記パウチ型電池セルの全幅を基準に、６０％～８０％の大きさを有することができる。

前記センシングユニットはＦＰＣＢであってもよい。

前記センシングユニットの一部として、前記ハウジングの第２面に取り付けられる部分に端子コネクタが結合されることができる。

前記端子コネクタは、幅方向が前記ハウジングの幅方向と同じ方向になるように取り付けられることができる。

また、本発明は、前記電池モジュールをエネルギー源として含む電子機器を提供する。

また、本発明は前記課題の解決手段を多様に組み合わせた形態としても提供することができる。

以上で説明したように、本発明は、電極の大きさに比べて広い電極リードを使うことで、急速充電の際に問題になる発熱現象を著しく減少させることができる。

また、端子コネクタの幅方向がハウジングの幅方向と同一であるように前記端子コネクタをセンシングユニットに結合するので、電極リードの幅を大きく確保することができる。

また、折曲形態のセンシングユニットを含むから、ハウジングの両面に配置されるようにセンシングユニットを付け加えることができるので、センシングユニットのサイズを大きく確保することができる。よって、多数の電池セルの状態をセンシングすることができる。

このように、本発明は多数の電池セルをセンシングすることができながら電極リードの幅を増加させることができる構造を提示することにより、急速充電の際に問題になることがある発熱現象による電池モジュールの寿命低下及び出力減少の問題を防止することができる。

従来の電池モジュールの部分斜視図である。本発明による電池モジュールの部分斜視図である。図２の部分拡大図である。図３の電池モジュールを内側方向に見た部分拡大図である。電極タブに電極リードが連結された電極組立体の平面図である。パウチ型電池セルの平面図である。

以下、添付図面を参照して本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができる実施例を詳細に説明する。ただ、本発明の好適な実施例に対する動作原理を詳細に説明するにあたり、関連した公知の機能または構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにする可能性があると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。

また、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を使う。明細書全般で、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは直接的に連結されている場合だけではなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むというのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、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、構成要素を限定するか付け加えて具体化する説明は、特別な制限がない限り、すべての発明に適用可能であり、特定の発明に限定されない。

また、本発明の説明及び特許請求の範囲全般にわたって単数で表示したものは、別に言及しない限り、複数の場合も含む。

また、本発明の説明及び特許請求の範囲全般にわたって「または」は、別に言及しない限り、「及び」を含むものである。したがって、「ＡまたはＢを含む」はＡを含むか、Ｂを含むか、Ａ及びＢの両者を含む３種の場合を意味する。

また、すべての数値範囲は、はっきりと除くという記載がない限り、両端の値とその間のすべての中間値とを含む。

図面を参照して詳細な実施例に基づいて本発明を説明する。

図２は本発明による電池モジュールの部分斜視図であり、図３は図２の部分拡大図であり、図４は図３の電池モジュールを内側方向に見た部分拡大図である。

図２～図４を参照すると、本発明による電池モジュールは、ｘ方向に沿って積層された複数のパウチ型電池セル１００から構成される電池セルスタック、パウチ型電池セル１００から突出した電極リード１１０と電気的に結合するバスバー２００、バスバー２００を固定させるためのハウジング３００、及びハウジングに配置されるセンシングユニット４００を含む。

ハウジング３００は、電池セルスタックと対面する第１面、及び前記第１面の反対側外面である第２面を含み、センシングユニット４００は前記折り曲げられた形態を有し、第１面及び第２面に取り付けられる構造である。

具体的には、センシングユニット４００はハウジング３００の一側外周辺を取り囲む形態を有することができる。例えば、図２～図４では、ハウジング３００のｙ方向の端部の外周辺を取り囲む形態として取り付けられる。

したがって、図１に示す従来の電池モジュールにおいてセンシングユニットがｙ方向に沿って第２面にのみ配列される構造と比較すると、センシングユニットのｙ方向の長さが５０％程度に小さくなることができる構造になる。このように、センシングユニットのｙ方向の長さが減少した分だけ、電極リードの幅Ｗ_Ｌであるｙ方向の長さを増加させることができる形態になる。

パウチ型電池セルは電極リードの幅を最大化するための構造であることを考慮すると、正極リードと負極リードとが互いに反対方向に突出する両方向電池セルであり得る。電極リードはバスバーにあるスリットを貫通して外側に延びた状態で、バスバーに結合するために折り曲げられる。

図１は正極リードと負極リードとが重畳しないようにバスバーに結合された形態を示し、図２は正極リードと負極リードとが重畳するように配置された状態でバスバーに結合された形態を示している。

すなわち、電極リードとバスバーとの結合形態は多様な形態が適用可能である。

センシングユニット４００は電気絶縁性素材のボードに回路が印刷されているＦＰＣＢであり、センシングユニット４００であるＦＰＣＢはハウジングの第２面でバスバー２００と電気的に連結され、電池モジュールを構成している複数のパウチ型電池セル１００のそれぞれと連結されることで、これらの温度、電圧及び電流をセンシングするように構成されることができる。

本発明による電極リード１１０は、ｙ方向の長さである電極リードの幅Ｗ_Ｌが従来の電池モジュールより大きくなった形態である。例えば、電極リードの幅Ｗ_Ｌはハウジングの高さＨの５０％～８０％の大きさを有することができる。具体的には、ハウジングの高さＨが１１０ｍｍの場合、幅が６０ｍｍ～８０ｍｍの電極リードを使うことができる。従来、ハウジングの高さが１１０ｍｍの場合、幅が４０ｍｍ～５０ｍｍの電極リードを使った構成と比較すると、電極リードの幅が約２０％～１００％まで増加した形態を適用することができる。

電池モジュールのセンシングユニットで測定されたデータを伝送するための連結部として、端子コネクタ５００がセンシングユニット４００に付着されることができる。図２～図４は、ハウジングの第２面に配置されるセンシングユニット４００上に端子コネクタ５００が結合した形態を示す。端子コネクタ５００は一方向に長い形態を有する。このような形態の場合、長い端子コネクタの幅Ｗ_５００の方向がｙ方向に平行に配置されれば、電極リードの幅Ｗ_Ｌが減少する。よって、端子コネクタ５００は、端子コネクタの幅Ｗ_５００の方向がハウジングの幅方向であるｘ方向と同じ方向になるように設けられる。

図５は電極タブに電極リードが連結された電極組立体の平面図である。

図５を参照すると、右側に電極タブ１２０が突出した板状の電極板１２１が示されている。電極板１２１は２個以上が積層された形態を有することができ、電極タブ１２０の個数は積層された電極板１２１の個数と同じに構成されることができる。

電極組立体は、バイセルまたはモノセルから構成されるユニットセルが分離膜シートに配置されてから巻き取られたスタック／フォルディング型電極組立体、または前記ユニットセルが分離膜を間に介在して積層されたラミネーション／スタック型電極組立体であり得る。

前記バイセルは隣接した電極の極性が相異なる３個の電極板が分離膜を間に介在して積層された形態を有し、前記モノセルは極性の相異なる２個の電極板が分離膜を間に介在して積層された形態を有する。

電極板１２１から突出した電極タブ１２０の幅Ｗ_Ｔは電極リード１１０の幅Ｗ_Ｌより大きく形成される。一般的に、電極リード１１０を中心に幅方向にそれぞれ５ｍｍずつ電極タブ１２０がさらに延びる大きさを有する点を考慮すると、電極リードの幅が増加する構造において、電極タブの幅もこれに対応して増加することができる。

例えば、電極リード１１０の幅Ｗ_Ｌが６０ｍｍ～８０ｍｍの場合、電極タブ１２０の幅Ｗ_Ｔは７０ｍｍ～９０ｍｍであり得る。

すなわち、本発明で使われるパウチ型電池セルは従来の電極組立体の電極タブより大きい電極タブを使うので、幅が大きくなった電極リードと結合することで、急速充電の際に問題になる発熱現象を減少させることができる。

図６はパウチ型電池セルの平面図である。

図６を参照すると、パウチ型電池ケースに電極組立体が収容され、図面の右側に電極リード１１０が突出したパウチ型電池セル１００を示している。

パウチ型電池セル１００において、電極リードの幅Ｗ_Ｌは、パウチ型電池セル１００の全幅Ｗ_Ｃを基準に、６０％～８０％の大きさを有することができる。具体的には、電池セルの全幅Ｗ_Ｃが１００ｍｍの場合、幅が６０ｍｍ～８０ｍｍの電極リードを使うことができる。すなわち、従来、電池セルの全幅Ｗ_Ｃが１００ｍｍの場合、幅が４０ｍｍ～５０ｍｍの電極リードを使ったものと比較すると、電極リードの幅が約２０％～１００％増加した形態を適用することができる。

このように、本発明は、折曲形態のセンシングユニットを付け加え、端子コネクタの配置方向をハウジングの幅方向と同じになるようにすることで電極リードの幅を増加させることができるので、急速充電の際、電池セルの発熱現象を最小化して電池セルの性能を向上させることができる。

本発明は、前記電池モジュールをエネルギー源として含む電子機器を提供する。

前記電子機器は、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、電気自転車、電気カート、または電力貯蔵装置であり得る。これらは公知の形態を有することができるので、その詳細な構造の説明は省略する。

本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば前記内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形が可能であろう。

１００パウチ型電池セル
１１０電極リード
１２０電極タブ
１２１電極板
２００バスバー
３００ハウジング
４００センシングユニット
５００端子コネクタ
Ｈハウジングの高さ
Ｗ_Ｃパウチ型電池セルの全幅
Ｗ_Ｌ電極リードの幅
Ｗ_Ｔ電極タブの幅
Ｗ_５００端子コネクタの幅

Claims

パウチ型電池セルが積層された電池セルスタックと、
前記パウチ型電池セルの電極リードと結合するバスバーと、
前記バスバーを固定させるためのハウジングと、
前記ハウジングに配置されるセンシングユニットと、
を含み、
前記センシングユニットは、前記電池セルスタックと対面する前記ハウジングの第１面、及び前記第１面の反対側の外面である第２面の両方に接して取り付けられるように折り曲げられた形態を有するフレキシブルプリント回路基板（ＦＰＣＢ）であり、
前記センシングユニットは、前記ハウジングの高さ方向における一側の外周辺を取り囲む形態を有する、
電池モジュール。
前記センシングユニットは前記ハウジングの第２面で前記バスバーと電気的に連結される、
請求項１に記載の電池モジュール。
前記電極リードの幅は前記ハウジングの高さの５０％～８０％の大きさを有する、
請求項１に記載の電池モジュール。
前記電極リードの幅は、前記パウチ型電池セルの全幅を基準に、６０％～８０％の大きさを有する、
請求項１に記載の電池モジュール。
前記センシングユニットの一部として、前記ハウジングの第２面に取り付けられる部分に端子コネクタが結合される、
請求項１に記載の電池モジュール。
前記端子コネクタは、幅方向が前記ハウジングの幅方向と同じ方向になるように取り付けられる、
請求項５に記載の電池モジュール。
請求項１～６のいずれか一項に記載の電池モジュールをエネルギー源として含む、電子機器。