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技術 バッテリーパック

出願人 エルジー・ケム・リミテッド
発明者 チュル・キュ・イ
出願日 2016年7月11日 (3年0ヶ月経過) 出願番号 2017-562555
公開日 2018年4月5日 (1年3ヶ月経過) 公開番号 2018-509744
状態 特許登録済
技術分野 電池の接続・端子 電池及び電池容器の装着・懸架
主要キーワード 非導電性ケース 伝導素材 結合ホール 吸熱材 金属カン 溶接密封 容量電力 コネクティングバー
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2018年4月5日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (5)

課題・解決手段

本発明は、過電流時に発生する安全の問題から安定性を向上させることができるバッテリーパックに関する。さらに、本発明は、単位セル、前記単位セルと電気的に連結されて過電流により短絡されるバスバー、及び前記バスバーに設けられて前記バスバーの短絡の発生時にスパークを吸収する保護部を含むことを特徴とする。

概要

背景

充放電が可能な二次電池は、デジタルカメラ携帯電話ラップトップ(lap-top)PC、パワーツール電気自転車電気自動車ハイブリッド自動車、大容量電力貯蔵装置などの開発に伴って活発に研究が行われている。

特に、リチウム二次電池は、従来の鉛蓄電池ニッケルカドミウム電池ニッケル水素電池ニッケル亜鉛電池などの他の二次電池に比べ、単位重量当りエネルギー密度が高く、急速充電が可能であるため、使用が急激に増加している。
リチウム二次電池は、作動電圧が3.6V以上であって、携帯用電子機器電源として用いられるか、または多数の電池直列または並列に連結して高出力を要する電気自動車、ハイブリッド自動車、パワーツール、電気自転車、電力貯蔵装置UPSなどに用いられる。
リチウム二次電池は、ニッケル・カドミウム電池やニッケル水素化金属電池に比べて作動電圧が3倍高く、単位重量当りのエネルギー密度の特性に優れるため、その使用が急激に増加している。
リチウム二次電池は、電解質の種類によって、液体電解質を用いるリチウムイオンバッテリーと、高分子固体電解質を用いるリチウムイオンポリマー電池とに分けることができる。
また、リチウムイオンポリマー電池は、高分子固体電解質の種類によって、電解液が全く含まれていない完全固体型リチウムイオンポリマー電池と、電解液を含んでいるゲル型高分子電解質を用いるリチウムイオンポリマー電池とに分けることができる。
液体電解質を用いるリチウムイオンバッテリーの場合、大部分が円筒状や角形金属カン容器にして溶接密封した形態に用いられる。
このように金属カンを容器にして用いる二次電池はその形態が固定されるので、それを電源として用いる電気製品デザイン制約されるという欠点があり、体積を減らしにくい。
したがって、電極組立体と電解質をフィルムで製造したパウチ包装材に入れて密封したパウチ型二次電池が開発されて用いられている。

しかし、リチウム二次電池が過熱された場合は爆発の危険性があるため、安全性の確保が重要な課題の一つである。
リチウム二次電池の過熱は多様な原因で生じるところ、その一つとしてリチウム二次電池を介して限界以上の過電流が流れた場合を挙げることができる。
過電流が流れると、リチウム二次電池がジュール熱(Joule's Heat)によって発熱するため、電池の内部温度が急速に上昇する。
さらに、急速な温度の上昇は、電解液の分解反応を起こして熱爆走現象(thermal running)を発生させ、結局は電池の爆発にまで至るようになる。
過電流は、鋭くなった金属物体がリチウム二次電池を貫くか、正極と負極の間に介在したセパレーター収縮によって、正極と負極の間の絶縁破壊されるか、または外部に連結された充電回路負荷の異常によって突入電流(rush current)が電池に印加された場合などに発生する。

したがって、過電流の発生のような異常状況から電池を保護するため、リチウム二次電池は保護回路と結合されて用いられる。
一般に、保護回路には、過電流が発生したとき、充電または放電電流が流れる線路非可逆的断線させるヒューズ素子が含まれる。
特許文献1には、従来のバッテリーパック及びこれに適用されるコネクティングバーが開示されている。
しかし、従来のコネクティングバーは、バッテリーパックの外部短絡の発生時に発生するスパーク(spark)によってバッテリーパックが損傷され、発火が誘発されるなどの安全性の問題点がある。

概要

本発明は、過電流時に発生する安全の問題から安定性を向上させることができるバッテリーパックに関する。さらに、本発明は、単位セル、前記単位セルと電気的に連結されて過電流により短絡されるバスバー、及び前記バスバーに設けられて前記バスバーの短絡の発生時にスパークを吸収する保護部を含むことを特徴とする。

目的

しかし、リチウム二次電池が過熱された場合は爆発の危険性があるため、安全性の確保が重要な課題の一つである

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

単位セル10;前記単位セル10と電気的に連結されて過電流により短絡されるバスバー20;及び前記バスバー20に設けられて前記バスバー20の短絡の発生時にスパークを吸収する保護部30;を含むことを特徴とするバッテリーパック

請求項2

前記保護部30は、前記バスバー20が短絡される箇所に設けられることを特徴とする請求項1に記載のバッテリーパック。

請求項3

前記保護部30は、前記バスバー20を包囲しながらスパークを吸収する吸収部材31と、前記吸収部材31を内部に密閉するとともに、前記バスバー20の一部を保護するケース部材32と、前記ケース部材32の内部に注入され、前記吸収部材31と前記ケース部材32の間の空間に収容される吸熱材33と、を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のバッテリーパック。

請求項4

前記バスバー20には過電流によって短絡されるノッチ部21が形成され、前記吸収部材31は前記ノッチ部21を包囲することを特徴とする請求項3に記載のバッテリーパック。

請求項5

前記吸収部材31は、アラミド繊維(aramid fiber)、セラミック繊維(ceramic fiber)、炭化ケイ素繊維(silicon carbide fiber)のうちいずれか一つ以上であることを特徴とする請求項3に記載のバッテリーパック。

請求項6

前記吸熱材33は、シリカ(silica)と水からなることを特徴とする請求項3に記載のバッテリーパック。

請求項7

前記ケース部材32は、多角形または円柱状であることを特徴とする請求項3に記載のバッテリーパック。

請求項8

前記ケース部材32は、プラスチック強化ガラスゴムのうちいずれか一つ以上の非伝導素材で形成されることを特徴とする請求項3に記載のバッテリーパック。

技術分野

0001

関連出願との相互引用
本出願は、2015年9月2日付韓国特許出願第10-2015-0124200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ている全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
技術分野
本発明は、バッテリーパックに関し、さらに詳しくは、過電流時に発生する安全の問題から安定性を向上させることができるバッテリーパックに関する。

背景技術

0002

充放電が可能な二次電池は、デジタルカメラ携帯電話ラップトップ(lap-top)PC、パワーツール電気自転車電気自動車ハイブリッド自動車、大容量電力貯蔵装置などの開発に伴って活発に研究が行われている。

0003

特に、リチウム二次電池は、従来の鉛蓄電池ニッケルカドミウム電池ニッケル水素電池ニッケル亜鉛電池などの他の二次電池に比べ、単位重量当りエネルギー密度が高く、急速充電が可能であるため、使用が急激に増加している。
リチウム二次電池は、作動電圧が3.6V以上であって、携帯用電子機器電源として用いられるか、または多数の電池直列または並列に連結して高出力を要する電気自動車、ハイブリッド自動車、パワーツール、電気自転車、電力貯蔵装置UPSなどに用いられる。
リチウム二次電池は、ニッケル・カドミウム電池やニッケル水素化金属電池に比べて作動電圧が3倍高く、単位重量当りのエネルギー密度の特性に優れるため、その使用が急激に増加している。
リチウム二次電池は、電解質の種類によって、液体電解質を用いるリチウムイオンバッテリーと、高分子固体電解質を用いるリチウムイオンポリマー電池とに分けることができる。
また、リチウムイオンポリマー電池は、高分子固体電解質の種類によって、電解液が全く含まれていない完全固体型リチウムイオンポリマー電池と、電解液を含んでいるゲル型高分子電解質を用いるリチウムイオンポリマー電池とに分けることができる。
液体電解質を用いるリチウムイオンバッテリーの場合、大部分が円筒状や角形金属カン容器にして溶接密封した形態に用いられる。
このように金属カンを容器にして用いる二次電池はその形態が固定されるので、それを電源として用いる電気製品デザイン制約されるという欠点があり、体積を減らしにくい。
したがって、電極組立体と電解質をフィルムで製造したパウチ包装材に入れて密封したパウチ型二次電池が開発されて用いられている。

0004

しかし、リチウム二次電池が過熱された場合は爆発の危険性があるため、安全性の確保が重要な課題の一つである。
リチウム二次電池の過熱は多様な原因で生じるところ、その一つとしてリチウム二次電池を介して限界以上の過電流が流れた場合を挙げることができる。
過電流が流れると、リチウム二次電池がジュール熱(Joule's Heat)によって発熱するため、電池の内部温度が急速に上昇する。
さらに、急速な温度の上昇は、電解液の分解反応を起こして熱爆走現象(thermal running)を発生させ、結局は電池の爆発にまで至るようになる。
過電流は、鋭くなった金属物体がリチウム二次電池を貫くか、正極と負極の間に介在したセパレーター収縮によって、正極と負極の間の絶縁破壊されるか、または外部に連結された充電回路負荷の異常によって突入電流(rush current)が電池に印加された場合などに発生する。

0005

したがって、過電流の発生のような異常状況から電池を保護するため、リチウム二次電池は保護回路と結合されて用いられる。
一般に、保護回路には、過電流が発生したとき、充電または放電電流が流れる線路非可逆的断線させるヒューズ素子が含まれる。
特許文献1には、従来のバッテリーパック及びこれに適用されるコネクティングバーが開示されている。
しかし、従来のコネクティングバーは、バッテリーパックの外部短絡の発生時に発生するスパーク(spark)によってバッテリーパックが損傷され、発火が誘発されるなどの安全性の問題点がある。

先行技術

0006

韓国公開特許公報第10−2013−0080023号

発明が解決しようとする課題

0007

したがって、本発明は、前記のような問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の課題は、過電流時に発生するスパークによるダメージ縮小または吸収することができるバッテリーパックを提供することである。

課題を解決するための手段

0008

本発明に係るバッテリーパックは、単位セル、前記単位セルと電気的に連結されて過電流により短絡されるバスバー、及び前記バスバーに設けられて前記バスバーの短絡の発生時にスパークを吸収する保護部を含むことを特徴とする。
前記保護部は、前記バスバーが短絡される箇所に設けられてよい。
前記保護部は、前記バスバーを包囲しながらスパークを吸収する吸収部材と、前記吸収部材を内部に密閉するとともに前記バスバーの一部を保護するケース部材と、前記ケース部材の内部に注入されて前記吸収部材と前記ケース部材の間の空間に収容される吸熱材とを含むことができる。
前記バスバーには、過電流によって短絡されるノッチ部が形成され、前記吸収部材は前記ノッチ部を包囲することができる。
前記吸収部材は、アラミド繊維(aramid fiber)、セラミック繊維(ceramic fiber)、炭化ケイ素繊維(silicon carbide fiber)のうちいずれか一つ以上であってよい。
前記吸熱材は、シリカ(silica)と水からなってよい。
前記ケース部材は、多角形または円柱状であってよい。
前記ケース部材は、プラスチック強化ガラスゴムのうちいずれか一つ以上の非伝導素材であってよい。

発明の効果

0009

本発明によれば、バスバーにアラミド繊維が含まれている保護部を設け、バスバーの短絡時に発生するスパークによる損傷を吸収するという効果がある。
本発明によれば、バスバーにアラミド繊維と吸熱材が含まれている保護部を設け、バスバーの短絡時に発生するスパークを除去するという効果がある。
本発明によれば、バスバーに吸熱材が含まれている保護部を設け、バスバーの短絡時に発生する発熱を制御するという効果がある。
本発明によれば、バスバーに非導電性ケース部材が含まれている保護部を設け、バスバーのノッチ部を保護するという効果がある。

図面の簡単な説明

0010

本発明の一実施形態に係るバッテリーパックの重要部を正面から概略的に示した図である。
図1において、バッテリーモジュールバッテリーカバーを取り除いて内部が見えるように示した斜視図である。
図1において、バスバーだけを拡大して示した拡大図である。
図3のバスバーに保護部が設けられていることを示した図である。

実施例

0011

以下、図面を参照しながら本発明を説明する。本発明は、多様な変更を加えることができ、幾多の実施形態を有することができるところ、特定の実施形態が図面に例示され、それと係わる詳細な説明が本明細書に記載されている。ところが、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更及び/または均等物ないし代替物を含むものとして理解されなければならない。図面の説明と関連し、類似の構成要素に対しては類似の参照符号が用いられた。

0012

図1は、本発明の一実施形態に係るバッテリーパックの重要部を正面から概略的に示した図である。図2は、図1において、バッテリーモジュールのバッテリーカバーを取り除いて内部が見えるように示した斜視図である。
図1から図2に示されているところのように、本発明の一実施形態に係るバッテリーパック1は、単位セル10、前記単位セル10と電気的に連結されて過電流により短絡されるバスバー20、及び前記バスバー20に設けられて前記バスバー20の短絡の発生時にスパーク(spark)を吸収する保護部30を含む。

0013

本発明に係るバッテリーパック1は、使用用途に従って互いに直列または並列に連結された複数個のバッテリーモジュール100からなってよい。
本発明の図1では、二つのバッテリーモジュール100が互いに直列に連結された場合のみを示している。
しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、必要に応じて適した個数のバッテリーモジュール100が互いに直列または並列に連結され得るのは自明なことである。

0014

バッテリーモジュール100は、少なくとも一つの単位セル10、及び単位セル10を包囲するバッテリーカバー120からなる。
前記単位セル10は、外装材に収容された電極組立体(図示省略)、及び前記電極組立体の第1電極板無地部、第2電極板の無地部とそれぞれ連結され、外装材の一側及び他側方向にそれぞれ引き出される第1電極リード111及び第2電極リード112を含む。

0015

本発明では、前記第1電極板、第2電極板がそれぞれ正極板及び負極板の場合を例に挙げて説明する。これに伴い、第1電極リード111、第2電極リード112はそれぞれ正極リード及び負極リードの場合で説明する。
前記正極板である第1電極板はアルミニウム(Al)材質であり、負極板である第2電極板は銅(Cu)材質からなるのが一般的である。
したがって、前記電極板と電極リード111、112の間の溶接性及び電気抵抗の最小化の側面で、前記正極リード111は、正極板と同一のアルミニウム(Al)材質からなり、負極リード112は、負極板と同一の銅(Cu)材質、またはニッケル(Ni)がコーティングされた銅(Cu)材質からなることが好ましい。

0016

前記単位セル10が複数個の場合において、単位セル10相互間の連結は、バッテリーの用途に従って直列または並列に連結可能であるが、本発明では直列連結の場合を例に挙げて説明する。
つまり、本発明で、前記単位セル10相互間の連結は、一つの単位セル10の正極リード111と隣接した単位セル10の負極リード112が互いに結合されることによってなされる。
この場合、後面部の最外側に位置する単位セル10の正極リード111と、前面部の最外側に位置する単位セル10の負極リード112とは、それぞれ前記バスバー20と結合される。
一方、単位セル10の個数は図面に限定するものではなく、その個数は、二次電池の使用用途などに従って変わり得るものであるのは自明なことである。

0017

図3は、図1において、バスバーだけを拡大して示した拡大図である。
図3に示されているところのように、バスバー20は薄い板状の合金で形成される。
そして、バスバー20は両側にそれぞれ結合ホール23が穿孔され、中央にノッチ部21が形成される。
ノッチ部21は、バスバー20中央の厚さ方向の外側から内側に向かって一定の深さに形成される。
前記ノッチ部21が形成された深さだけバスバー20の断面積が縮小され、ノッチ部21が形成された部分の電気抵抗が大きくなる。
したがって、前記ノッチ部21が形成されたバスバー20は、過電流が流れるときに容易に破断されるという効果を有する。

0018

一方、バッテリーモジュール100の最外側に位置した単位セル10の正極リード111、及び前面部の最外側に位置した単位セル10の負極リード112にはそれぞれ外部端子113が突出して形成される。
そして、図1に示されているところのように、バスバー20をバッテリーモジュール100に設けるとき、バスバー20の結合ホール23に外部端子113を嵌合して設ける。
つまり、一つのバッテリーモジュール100の正極リード111に形成された外部端子113に、バスバー20の一側に穿孔された結合ホール23を結合し、他の一つのバッテリーモジュール100の負極リード112に形成された外部端子113に、バスバー20の他側に穿孔された結合ホール23を結合して、二つのバッテリーモジュール100に電気的に連結されるようにバスバー20を設ける。

0019

図4は、図3のバスバーに保護部が設けられていることを示した図である。
図4に示されているところのように、バスバー20には保護部30が設けられ、ただし、前記保護部30はバスバー20のノッチ部21を包囲するように設けられる。
このように保護部30がノッチ部21に設けられる理由は、バスバー20の短絡時、保護部30が、バスバー20の短絡で発生するスパークを吸収及び除去してバッテリーモジュール100の損傷及び発火などを防止させるためである。
つまり、バッテリーパック1に過電流が発生するとき、バスバー20からノッチ部21が短絡されて過電流を遮断することになる。
このとき、ノッチ部21が短絡されながらスパークが発生し得るところ、保護部30がこのようなスパークを吸収及び除去してバッテリーパック1の安全性を保障することになる。
前記保護部30は、バスバー20のノッチ部21を包囲しながらノッチ部21の短絡時に発生するスパークを吸収する吸収部材31と、吸収部材31を内部に密閉するとともに、前記バスバー20のノッチ部21を保護するケース部材32と、ケース部材32の内部に注入されて吸収部材31とケース部材32の間の空間に収容され、ノッチ部21の短絡時に発生する発熱を制御してスパークを除去する吸熱材33とを含む。

0020

吸収部材31は、耐熱性に優れたアラミド繊維(aramid fiber)、セラミック繊維(ceramic fiber)、炭化ケイ素繊維(silicon carbide fiber)のうちいずれか一つ以上からなるようにして、効果的にノッチ部21の短絡時に発生するスパークを吸収及び除去して発熱を防止する。
吸熱材33は、シリカ(silica)と水からなるようにして、効果的にノッチ部21の短絡時に発生する発熱を制御してスパークを除去する。
前記吸熱材33を一実施形態を挙げて説明すれば、吸熱材33の全体含有量においてシリカを10%、水を90%の割合で製造することができるが、これに限定されることなく、必要に応じて吸熱材33においてシリカと水の含有量の割合を変更することもできる。
ケース部材32は多角形または円柱状であってよいが、バスバー20のノッチ部21を内部に収容して保護するとともに、ノッチ部21を包囲する吸収部材31を内部に密閉し、内部に収容された吸熱材33が外部に漏れないように密閉することができれば、その形状は限定されない。
さらに、ケース部材32の素材は、プラスチック、強化ガラス、ゴムのうちいずれか一つ以上の非伝導素材で形成されてよいが、これに限定されることなく、前述した素材以外の既知の非伝導素材で形成されてもよい。

0021

保護部30をバスバー20に設ける方法を説明する。
内部が開放されたケース部材32の中に吸収部材31を巻き込む
そして、バスバー20を吸収部材31の中に入れて吸収部材31がバスバー20のノッチ部21を包囲するようにする。
また、ケース部材32の内部に吸熱材33を充填してケース部材32と吸収部材31の間に吸熱材33が満たされるようにする。
さらに、ケース部材32の内部が密閉されるようにケース部材32を閉鎖する。

0022

前述したところのような構成を有する本発明に係るバッテリーパックは、バスバーにアラミド繊維が含まれている保護部を設け、バスバーの短絡時に発生するスパークによる損傷を吸収するという効果がある。
本発明によれば、バスバーにアラミド繊維と吸熱材が含まれている保護部を設け、バスバーの短絡時に発生するスパークを除去するという効果がある。
本発明によれば、バスバーに吸熱材が含まれている保護部を設け、バスバーの短絡時に発生する発熱を制御するという効果がある。
本発明によれば、バスバーに非導電性ケース部材が含まれている保護部を設け、バスバーのノッチ部を保護するという効果がある。

0023

以上のように、本発明に係るバッテリーパックを、例示された図面を参考しながら説明したが、本発明は、以上で説明された実施形態と図面によって限定されず、特許請求の範囲内で本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者によって多様な実施が可能である。

0024

1バッテリーパック
10単位セル
20バスバー
30 保護部
31吸収部材
32ケース部材
33 吸熱材

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