特許 7463015 電池モジュールおよびこれを含む電池パック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-29

(45)【発行日】2024-04-08

(54)【発明の名称】電池モジュールおよびこれを含む電池パック

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/505 20210101AFI20240401BHJP

   H01M 50/211 20210101ALI20240401BHJP

   H01M 50/517 20210101ALI20240401BHJP

   H01M 50/503 20210101ALI20240401BHJP

   H01M 50/516 20210101ALI20240401BHJP

   H01M 50/289 20210101ALI20240401BHJP

   H01M 50/548 20210101ALN20240401BHJP

【ＦＩ】

H01M50/505

H01M50/211

H01M50/517

H01M50/503

H01M50/516

H01M50/289

H01M50/548 301

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2022543136

(86)(22)【出願日】2021-03-12

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-03-15

(86)【国際出願番号】 KR2021003078

(87)【国際公開番号】W WO2021221309

(87)【国際公開日】2021-11-04

【審査請求日】2022-07-14

(31)【優先権主張番号】10-2020-0052303

(32)【優先日】2020-04-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】521065355

【氏名又は名称】エルジー エナジー ソリューション リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(72)【発明者】

【氏名】スンファン・ジャン

(72)【発明者】

【氏名】ジュンヨプ・ソン

(72)【発明者】

【氏名】ソク・ジュン・バン

【審査官】前田 寛之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１１００８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２８９４２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０５５００５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ５０／２０－５０／２９８

Ｈ０１Ｍ５０／５０－５０／５９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

それぞれ電極リードを含む１つ以上の電池セルを含む電池セル積層体と、前記電極リードが突出した前記電池セル積層体の長手方向端部で前記電極リードと電気的に連結され、前記電池セル積層体の長手方向端部を覆うバスバーカバーとを含む複数のセルブロック、及び
前記複数のセルブロックを互いに電気的に連結する内部バスバー部材
を含む電池モジュールであって、
前記バスバーカバーは、導電性材質からなる板形状の部材であって、前記電極リードと電気的に連結されてバスバーの役割を果たすだけでなく、前記電池セル積層体の端部を保護するカバーの役割も果たす、電池モジュール。

【請求項2】

前記バスバーカバーと前記電池セル積層体との間には追加の絶縁フレームが配置されない、請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項3】

前記セルブロックそれぞれは、前記バスバーカバーによって覆われない前記電池セル積層体の外面を囲む絶縁カバーをさらに含む、請求項１又は２に記載の電池モジュール。

【請求項4】

前記内部バスバー部材は、両端部にホールを含む棒部材と、前記ホールに結合するボルト部材とを含む、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。

【請求項5】

前記棒部材は、前記複数のセルブロックのうち隣り合うセルブロックの前記バスバーカバーの間に延び、
前記バスバーカバーは、前記ボルト部材と結合するための締結ホールを含む、請求項４に記載の電池モジュール。

【請求項6】

前記電極リードと前記バスバーカバーは、溶接によって結合される、請求項１から５のいずれか一項に記載の電池モジュール。

【請求項7】

前記絶縁カバーと前記電池セル積層体との間に配置される膨張制御パッドをさらに含む、請求項３に記載の電池モジュール。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一項に記載の少なくとも１つの電池モジュールと、
前記少なくとも１つの電池モジュールをパッケージングするパックケースと
を含む電池パック。

【請求項9】

請求項８に記載の少なくとも１つの電池パックを含むデバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願との相互参照
本出願は、２０２０年４月２９日付の韓国特許出願第１０－２０２０－００５２３０３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。

【0002】

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、より具体的には、組立効率性が向上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。

【背景技術】

【0003】

製品群による適用の容易性が高く、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ることができるという一次的なメリットだけでなく、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、環境にやさしくおよびエネルギー効率性アップのための新たなエネルギー源として注目されている。

【0004】

小型モバイル機器には、デバイス１台あたり１個または２、３、４個の電池セルが用いられるのに対し、自動車などのような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用いられる。

【0005】

中大型電池モジュールは、できる限り小さい大きさと重量で製造されることが好ましいので、高い集積度で積層可能であり、容量対比重量の小さい角型電池、パウチ型電池などが中大型電池モジュールの電池セルとして主に用いられている。このような電池モジュールは、高出力を得るために、複数の単位電池セルを含む多数のセルアセンブリを直列に連結した構造を有している。そして、前記電池セルは、正極および負極集電体、セパレータ、活物質、電解液などを含み、構成要素間の電気化学的反応によって繰り返しの充放電が可能である。

【0006】

一方、近年、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。

【0007】

一方、複数の電池セルを直列／並列に連結して電池パックを構成する場合、少なくとも１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１つの電池モジュールを用い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。前記電池パックに含まれる電池モジュールの個数、または電池モジュールに含まれる電池セルの個数は、要求される出力電圧または充放電容量に応じて多様に設定可能である。

【0008】

ところが、このような電池パックを構成する電池モジュールの構成が複雑になり部品が増加する場合、これによって、電池パックの構成も複雑になり重量も増加する問題がある。特に、大容量／大面積構造に対する需要が増加しているにつれ、電池パックに含まれる電池モジュールの数も増加するが、それに伴い、電池モジュールの構造を簡単にして組立効率を向上させ、重量を減少させる必要性が高まっている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明が解決しようとする課題は、より簡単な構造を有して組立効率が向上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である。

【0010】

しかし、本発明の実施例が解決しようとする課題は上述した課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張可能である。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一実施例による電池モジュールは、それぞれ電極リードを含む１つ以上の電池セルを含む電池セル積層体と、前記電極リードが突出した前記電池セル積層体の長手方向端部で前記電極リードと電気的に連結され、前記電池セル積層体の長手方向端部を覆うバスバーカバーとを含む複数のセルブロック、及び前記複数のセルブロックを互いに電気的に連結する内部バスバー部材を含む。

【0012】

前記バスバーカバーと前記電池セル積層体との間には追加の絶縁フレームが配置されない。

【0013】

前記セルブロックそれぞれは、前記バスバーカバーによって覆われない前記電池セル積層体の外面を囲む絶縁カバーをさらに含むことができる。

【0014】

前記内部バスバー部材は、両端部にホールを含む棒部材と、前記ホールに結合するボルト部材とを含むことができる。

【0015】

前記棒部材は、前記複数のセルブロックのうち隣り合うセルブロックの前記バスバーカバーの間に延び、前記バスバーカバーは、前記ボルト部材と結合するための締結ホールを含むことができる。

【0016】

前記電極リードと前記バスバーカバーは、溶接によって結合される。

【0017】

前記バスバーカバーは、導電性材質からなる。

【0018】

前記絶縁カバーと前記電池セル積層体との間に配置される膨張制御パッドをさらに含むことができる。

【0019】

本発明の他の実施例による電池パックは、前記少なくとも１つの電池モジュールと、前記少なくとも１つの電池モジュールをパッケージングするパックケースとを含むことができる。

【0020】

本発明の他の実施例によるデバイスは、前記少なくとも１つの電池パックを含むことができる。

【発明の効果】

【0021】

本発明の実施例によれば、バスバーフレームを備えず、バスバーカバーを介して電池セル積層体の端部を保護すると同時に電気的連結を達成できることから、より簡単な構造で電池モジュールを形成することができる。これによって、部品数の減少によるコスト節減および重量減少の効果を得ることができる。

【0022】

また、フレキシブルなパウチケースを含むパウチセルに対してバスバーカバーおよび絶縁カバーを備えるようにすることで、パウチセルの寸法不安定性を補うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の一実施例による電池モジュールに対する斜視図である。

【図2】図１のセルブロックの１つに対する斜視図である。

【図3】図２のセルブロックに含まれている１つの電池セルを示す斜視図である。

【図4】図２のセルブロックにおけるバスバーカバー部分を拡大して示す図である。

【図5】図１に含まれているバスバーカバーを示す正面図である。

【図6】比較例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を示す正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、添付した図面を参照して、本発明の様々な実施例について、本発明の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。本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。

【0025】

本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、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す。

【0026】

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ので、本発明が必ずしも図示のところに限定されない。図面において様々な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。

【0027】

また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上に」あるとする時、これは、他の部分の「直上」にある場合のみならず、その中間にさらに他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分の「直上に」あるとする時には、中間に他の部分がないことを意味する。さらに、基準となる部分の「上に」あるというのは、基準となる部分の上または下に位置するものであり、必ずしも重力の反対方向に向かって「上に」位置することを意味するわけではない。

【0028】

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」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。

【0029】

なお、明細書全体において、「平面上」とする時、これは、対象部分を上からみた時を意味し、「断面上」とする時、これは、対象部分を垂直に切断した断面を横からみた時を意味する。

【0030】

図１は、本発明の一実施例による電池モジュールに対する斜視図であり、図２は、図１のセルブロックの１つに対する斜視図であり、図３は、図２のセルブロックに含まれている１つの電池セルを示す斜視図であり、図４は、図２のセルブロックにおけるバスバーカバー部分を拡大して示す図である。

【0031】

図１～図４を参照すれば、本発明の一実施例による電池モジュール１００は、それぞれ電極リード１１２を含む複数の電池セル１１０が積層された電池セル積層体と、電極リード１１２が突出した電池セル積層体の長手方向端部で電極リード１１２と電気的に連結され、電池セル積層体の長手方向端部を覆うバスバーカバー２３０を含む複数のセルブロック２００と、複数のセルブロック２００を互いに電気的に連結する内部バスバー部材２２０とを含む。

【0032】

まず、電池セル１１０は、パウチ型電池セルであることが好ましい。これに関連して図３を参照すれば、本実施例による電池セル１１０は、２つの電極リード１１２が互いに対向して電池本体１１３の一端部１１４ａと他の一端部１１４ｂからそれぞれ突出している構造を有する。電池セル１１０は、電池ケース１１４に電極組立体（図示せず）を収納した状態で、ケース１１４の両端部１１４ａ、１１４ｂと、これらを連結する両側面１１４ｃとを接着することによって製造される。言い換えれば、本実施例による電池セル１１０は、計３箇所のシーリング部１１４ｓａ、１１４ｓｂ、１１４ｓｃを有し、シーリング部１１４ｓａ、１１４ｓｂ、１１４ｓｃは、熱融着などの方法でシーリングされる構造であり、残りの他の一側部は連結部１１５からなる。電池ケース１１４の両端部１１４ａ、１１４ｂの間を電池セル１１０の長手方向と定義し、電池ケース１１４の両端部１１４ａ、１１４ｂを連結する一側部１１４ｃと連結部１１５との間を電池セル１１０の幅方向と定義することができる。

【0033】

連結部１１５は、電池セル１１０の一周縁に沿って長く延びている領域であり、連結部１１５の端部に電池セル１１０の突出部１１０ｐが形成される。突出部１１０ｐは、連結部１１５の両端部の少なくとも１つに形成され、連結部１１５が延びる方向に垂直な方向に突出できる。突出部１１０ｐは、電池ケース１１４の両端部１１４ａ、１１４ｂのシーリング部１１４ｓａ、１１４ｓｂのうちの１つと連結部１１５との間に位置することができる。

【0034】

電池ケース１１４は、一般に樹脂層／金属薄膜層／樹脂層のラミネート構造からなる。例えば、電池ケースの表面がＯ（ｏｒｉｅｎｔｅｄ）－ナイロン層からなる場合には、中大型電池モジュールを形成するために多数の電池セルを積層する時、外部衝撃によって滑りやすい傾向がある。したがって、これを防止し、電池セルの安定した積層構造を維持するために、電池ケースの表面に両面テープなどの粘着式接着剤または接着時の化学反応によって結合される化学接着剤などの接着部材を付着させて電池セル積層体を形成することができる。

【0035】

電池セル積層体は、このように単にパウチ型電池セル１１０を積層して形成された状態であるため、外部の寸法安定性がやや低い。つまり、電池セル１１０それぞれの外部は、電池ケース１１４によって定義されるが、上述のように、電池ケース１１４は、ラミネート構造のシートからなり、その内部には電解液などが満たされているため、外力によって形態が変形したり流動が発生しうる状態である。

【0036】

本発明の実施例では、電池セル１１０の電極リード１１２が突出した電池セル積層体の端部は、バスバーカバー２３０によって覆い、バスバーカバー２３０によって覆われない電池セル積層体の残りの４つの側面は、絶縁カバー２１０によって囲まれている構造を有する。このように電池セル積層体の両端部を覆うバスバーカバー２３０および電池セル積層体の側面を覆う絶縁カバー２１０は、それぞれ１つのセルブロック２００を構成する。

【0037】

バスバーカバー２３０は、導電性材質からなる板形状の部材であって、電極リード１１２に電気的に連結されると同時に、電池セル積層体の端部を保護するカバーの役割を果たす。この時、電極リード１１２は、溶接などの方法によってバスバーカバー２３０に結合される。具体的に図示しないが、バスバーカバー２３０には電極リード１１２が挿入されるスリットが含まれてもよいが、これに限定されるものではない。つまり、電極リード１１２は、スリットに挿入されてバスバーカバー２３０の外側で溶接によって結合されてもよく、またはスリット内で溶接によって結合されてもよい。

【0038】

このように、本発明の実施例では、バスバーカバー２３０が、電極リード１１２と電気的に連結されてバスバーの役割を果たすだけでなく、電池セル積層体の端部を保護するカバーの役割もともに行うため、従来の構成においてバスバーを固定するために追加的に備えられていたバスバーフレームなどの構成は必要でなくなる。したがって、部品数の減少を達成して、コスト節減および全体モジュールの重量減少を達成することができる。

【0039】

同時に、寸法安定性がやや低い電池セル１１０に対して、バスバーカバー２３０および絶縁カバー２１０によって外面を囲むように形成するため、規格化された一定サイズのセルブロック２００を製造することができる。したがって、寸法不安定性による工程ロスなどを減少させることができる。

【0040】

絶縁カバー２１０は、絶縁性材質、例えば、射出物などからなるカバーであってもよいし、特に限定されるものではない。また、寸法安定性のために、硬性の射出物であることが好ましい。同時に、絶縁カバー２１０は、絶縁性を有するため、電池セル積層体の側面と直接接触していてもよい。あるいは、絶縁カバー２１０と電池セル積層体の側面との間に、電池セル１１０の体積膨張を吸収できる膨張制御パッドをさらに含んでもよいし、特に限定されるものではない。このような膨張制御パッドとしては、ポリウレタン（ＰＵ）またはＥＰＤＭ（Ｅｔｈｌｅｎｅ ＰｒｏｐｙｌｅｎｅＤｉｅｎｅ Ｍｏｎｏｍｅｒ）などのようなソフトな弾性材料を含む素材を含むことができる。これらの素材は振動に対する吸収性および圧縮による反発力に優れているため、複数の電池セル１１０にセルスウェリング現象が発生しても、優れた寸法安定性を有する電池モジュール１００を提供できるようにガイドすることができる。

【0041】

それぞれのセルブロック２００は、内部バスバー部材２２０を介して隣り合うセルブロック２００と電気的に連結可能である。ここで、内部バスバー部材２２０は、両端部にホールを含む棒部材２２１と、棒部材２２１のホールに結合するボルト部材２２２とを含んでなる。また、図４に示すように、バスバーカバー２３０には、内部バスバー部材２２０のボルト部材２２２が挿入できる締結ホール２３１が形成される。つまり、棒部材２２１が隣り合うセルブロック２００にそれぞれ含まれている２つのバスバーカバー２３０にわたって配置され、棒部材２２１の端部に位置するホールと、バスバーカバー２３０の締結ホール２３１が整列された後に、棒部材２２１のホールと締結ホール２３１を貫通するようにボルト部材２２２を挿入することによって、セルブロック２００間の結合および電気的結合が達成できる。ただし、このような電気的連結は一つの例であって、セルブロック２００間の電気的連結のための他の手段が採用されても構わない。

【0042】

このように簡単な構造によって、セルブロック２００間の結合および電気的連結が達成できるので、組立効率が向上し、工程を簡素化することができる。特に、従来バスバーフレームを備えてバスバーを結合する構造に比べて工程が簡素である上に、必要な部品数も節減可能であり、必要に応じて多様な大きさの電池モジュール１００を完成することができる。

【0043】

図６は、比較例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を示す正面図である。図６を参照すれば、電池モジュールには、バスバーフレーム１３０にバスバー２８０が装着され、これに電極リード１１２が結合する構造が採用された。これによれば、バスバーフレーム１３０という追加の部品が必要であり、また、バスバー２８０とバスバーフレーム１３０との結合のための構造が別途に必要になる。それだけでなく、１つの電池セル積層体の大きさに対応して形成されたバスバーフレーム１３０の大きさが固定されているため、電池セルを追加的に備えようとする場合、他の設計のバスバーフレームを再び用意しなければならない問題があった。また、このようにバスバーフレーム１３０によってバスバー２８０が装着される場合、バスバーフレーム１３０の大きさだけ電池モジュール１００の大きさも増加し、モジュールの重量も増加するしかなくて、電池パックを構成する場合、空間の利用効率も減少してエネルギー密度も低下するしかない。

【0044】

これに対し、本発明の実施形態によれば、図５に示されているように、単位セルブロック２００を単に内部バスバー部材２２０を用いて必要なだけ連結することが可能なため、複雑な変形なくても多様な設計の変更が可能になる。

【0045】

一方、本発明の実施例による電池モジュールは、１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。電池パックは、１つ以上の電池モジュールがＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、冷却システムなどの各種制御および保護システムと共に装着されて形成される。

【0046】

特に、本発明の実施例では、セルブロック２００が連結されて形成された電池モジュール１００を用いて、別途のモジュールケースなどがなくても直接電池パックを構成できることから、電池パックの構造を簡素化することができ、また、電池パック内における空間の活用度も増大させることができる。また、電池モジュール１００内にバスバーフレームも存在しないため、電池モジュール１００の大きさおよび重量が減少して、電池パックを構成する場合、エネルギー密度を向上させることができる。

【0047】

上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可能である。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できるが、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。

【0048】

以上、本発明の好ましい実施例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、以下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。

【符号の説明】

【0049】

１１０：電池セル
２００：セルブロック
２１０：絶縁カバー
２２０：内部バスバー部材
２３０：バスバーカバー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】