JP6025319B2 - バッテリモジュール - Google Patents

Description

本発明は、バッテリモジュールに関し、より詳細には、配置される空間に対する活用度を高めることができる横配置式バッテリモジュールに関する。

通常、二次電池は、充電が不可能な一次電池とは異なり、充電および放電によって再使用可能である。二次電池は、モバイル機器、電気自動車、ハイブリッド自動車、電気自転車、無停電電源供給装置（ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ）などのエネルギー源として使用され、適用される外部機器の種類によって単電池の形態で使用されたり、複数の電池を接続して１つの単位で束ねた電池モジュールの形態で使用されたりする。

携帯電話のような小型モバイル機器は、単電池の出力と容量で所定時間の間作動が可能であるが、電力消耗が多い電気自動車、ハイブリッド自動車のように長時間駆動、高電力駆動が必要な場合には、出力および容量の問題から電池モジュールが好まれる。電池モジュールは、出力および容量に応じて必要な数だけのバッテリを直列および並列に接続して使用する。

本発明の課題は、高さ自体を低くすることにより、自動車内部の配置空間に対する活用度を高めることができるバッテリモジュールを提供することにある。

本発明の一実施例によるバッテリモジュールは、バッテリセルを単位とするバッテリアレイと、固定部材とを含む。

まず、本発明のバッテリモジュールは、バッテリアレイを含むバッテリモジュールにおいて、前記バッテリアレイは、複数のバッテリセルを含み、前記バッテリセルは、電極端子が露出する第１端部の端子面と、前記第１端部に対向する第２端部の底面と、前記第１端部と第２端部との間に延びた側面とを含むが、前記複数のバッテリセルの第１および第２バッテリセルの底面は、互いに向かい合うことを特徴とするバッテリモジュールを提供する。

また、本発明において、前記バッテリセルの第１端部に隣接してバッテリアレイの対向する外側端部に位置し、電極端子を露出させる電極ホールを備えたエンドプレートと、前記エンドプレートを連結させる少なくとも１つの固定部材とをさらに含む。

さらに、本発明において、前記複数のバッテリセルの少なくとも１つの第１バッテリセルは、積層方向において他の第１バッテリセルと積層されるが、前記第１バッテリセルの側面は、互いに向かい合って配置され、前記複数のバッテリセルの少なくとも１つの第２バッテリセルは、積層方向において他の第２バッテリセルと積層されるが、前記第２バッテリセルの側面は、互いに向かい合って配置され、前記少なくとも１つの第１バッテリセルと第２バッテリセルの底面は、互いに向かい合って配置される。

また、本発明において、積層方向における前記バッテリアレイの高さは、第１端部と第２端部との間で延びる方向における複数のバッテリセルのいずれか１つのバッテリセルの高さより小さい。

さらに、本発明において、互いに隣接して積層された複数のバッテリセルの間には、絶縁プレートをさらに含む。

なお、本発明において、前記第１バッテリセルと第２バッテリセルの底面の間には、支持部材をさらに含む。

また、本発明において、前記バッテリセルの各々は六面体で、前記バッテリセルの各々は、第１側面と、前記第１側面に対向して前記第１端部と第２端部との間で延びた第２側面とをさらに含むが、前記バッテリモジュールは、積層されたバッテリセルの対向する第２側面に隣接する第１および第２固定部材をさらに含む。

さらに、本発明において、前記第１固定部材および第２固定部材の少なくとも１つは、複数のバーを含む。

また、本発明において、前記第１固定部材および第２固定部材の少なくとも１つは、プレートを含む。

さらに、本発明において、前記第１バッテリセルと第２バッテリセルとの間に支持部材をさらに含み、前記支持部材は、前記第１固定部材と第２固定部材との間で固定される。

また、本発明において、前記支持部材は、ねじ固定部を含み、前記第１および第２固定部材は、前記ねじ固定部に前記第１および第２固定部材を締結するための貫通ホールを備える。

さらに、本発明において、前記支持部材は、絶縁物質を含み、前記ねじ固定部は、金属層を含む。

また、本発明において、前記バッテリセルの各々は、前記第１および第２端部の間と前記第１および第２側面の間で延び、互いに対向する一対の第３側面をさらに含み、前記バッテリモジュールは、積層されたバッテリセルの第３側面に隣接した第３固定部材をさらに含む。

さらに、本発明において、前記第３固定部材の各々は、長手方向に沿って離隔して配置された複数の放熱ホールを含む。

また、本発明において、前記バッテリセルの第１端部に隣接したバッテリアレイの互いに対向する外側端部には、エンドプレートがさらに備えられ、前記エンドプレートは、電極端子を露出する電極ホールをさらに含み、前記バッテリセルの各々は、第１端部にベントをさらに含み、前記エンドプレートは、前記ベントに対応する位置上に排気ホールをさらに含む。

なお、本発明において、前記バッテリモジュールは、電気自動車またはハイブリッド電気自動車のモータを駆動させるか、前記バッテリモジュールは、少なくとも１つの他のバッテリモジュールと電気的に接続できる。

本発明によれば、限定された高さを有する自動車などのバッテリ収納空間内に、出力および容量に符合するバッテリを効率的に備えることができる。

比較例によるバッテリモジュールの一部を示す斜視図である。 バッテリセルの一例を示す斜視図である。 一対のバッテリが配列された様子を示す斜視図である。 一対のバッテリが積層されたバッテリアレイの様子を示す分解斜視図である。 横配置式バッテリモジュールと縦配置式バッテリモジュールとの高さを比較するための概略図である。 エンドプレートの一例を示す斜視図である。 エンドプレートとバッテリセルとの間の連結構造の一例を示す側面図である。 上下固定部材の一例を示す斜視図である。 上下固定部材の一例を示す斜視図である。 側面固定部材の一例を示す正面図である。 垂直絶縁部材の一例を示す斜視図である。 図１１（ａ）の垂直絶縁部材の断面図である。 一実施例によるバッテリモジュールの様子を示す分解斜視図である。 図１２のバッテリモジュールが結合された様子を示す斜視図である。 バッテリモジュール間の接続構造の一例を示す正面図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施例を説明する。特別な定義や言及がない場合に、本説明における「上下左右」などの方向を表示する用語は、図面に表示された状態を基準とする。また、各実施例を通じて、同一の図面符号は同一の部材を指し示す。

一方、本発明の比較例および実施例を通じて、バッテリアレイは、一定の規則で配列および積層されたバッテリセルのバンドルを意味する用語として定義する。

＜比較例＞
図１を参照して、比較例によるバッテリモジュールを説明する。図１は、比較例によるバッテリモジュールの一部を示す斜視図である。

図１に示すように、比較例１のバッテリモジュール１００ａは縦配置式である。各バッテリは、上端に正極端子１１ｂおよび負極端子１１ａを備えている。各バッテリは、各電極端子１１ａ、１１ｂが一定の方向を有するように縦に配置および整列される。このような配置状態において、各電極端子１１ａ、１１ｂを、必要に応じて直列または並列に接続する。ユーザはこのような方式で必要とする出力や容量を有する縦配置式バッテリモジュール１００ａを実現するようになる。

一方、一般的に、電気自動車の場合、既存のガソリンまたはディーゼル燃料タンクの位置にバッテリモジュールを備えるようになる。しかし、重量配分または追加の積置空間を必要とする場合、自動車の座席下部などにまでバッテリモジュールを積置する場合が発生することがある。この場合、積載される空間の高さなどの制限によってバッテリモジュールの縦の高さが問題となり得る。

＜実施例＞
図２を参照して、一実施例によるバッテリセルについて説明する。図２は、バッテリセルの一例を示す斜視図である。

本実施例によるバッテリセル１０は、六面体形状に形成されることが好ましい。端子面１６には、両電極端子１１（正極端子１１ｂ、負極端子１１ａ）と、ベント部１７とが備えられている。

ベント部１７が端子面１６の中央に形成されている。ベント部１７は、バッテリセル１０の内部で発生したガスを排出できるように形成される。ベント部１７の両側面には、電極端子１１が備えられる。両電極端子１１は、バッテリセル１０の内部で生成された電流が外部と接続される通路の役割を果たす。一方、バッテリセル１０内部の電極集合体（図示せず）やキャップ組立体（図示せず）など、バッテリセル１０内部の構成は、本発明の核心ではないので、詳細な説明を省略する。また、以下では、バッテリセルにおいて、電極端子が露出する面を第１端部の端子面といい、前記第１端部に対向する第２端部の第２面を底面１５という。

さらに、前記バッテリセルは、前記第１端部と第２端部との間に延びた側面を含むが、前記側面は、第１側面に対向する第２側面を含む。

図３ないし図５を参照して、本実施例によるバッテリアレイについて説明する。図３は、一対のバッテリが配列された様子を示す斜視図であり、図４は、一対のバッテリが積層されたバッテリアレイの様子を示す分解斜視図であり、図５は、縦配置式バッテリモジュールとの高さを比較するための概略図である。

図３に示すように、バッテリセル１０は、２つのバッテリセル１０が第２端部の第２面である底面１５が向かい合うように横に配置される。このとき、各電極端子１１は、外側に向かうように配置される。このように配置された一対のバッテリセル１０は、図４に示すように、２層以上に積層される。すなわち、前記複数のバッテリセルの少なくとも１つの第１バッテリセルは、積層方向において他の第１バッテリセルと積層されるが、前記第１バッテリセルの側面は、互いに向かい合って配置され、前記複数のバッテリセルの少なくとも１つの第２バッテリセルは、積層方向において他の第２バッテリセルと積層されるが、前記第２バッテリセルの側面は、互いに向かい合って配置される。そして、前記少なくとも１つの第１バッテリセルと第２バッテリセルの底面は、互いに向かい合って配置される。このとき、積層された上部および下部のバッテリセル１０の電極端子１１は、その極性を一致させることもでき、反対の極性を有するように備えることもできる。これに関しては、本実施例によるバッテリモジュール間の接続に関する説明で詳細に説明する。

また、上下に積層されたバッテリセル１０の間には、電気的絶縁のために絶縁プレート６００を備えることができる。絶縁プレート６００は、接するバッテリセル１０間の直接的な接触を防止し、電気的に絶縁させることでバッテリセル１０間の短絡が生じるのを防止する。

図５に示すように、一般的なバッテリセルは、内部の電極集合体（図示せず）などの構成によって、縦長さＨ１が横長さＨ２の２倍ないし３倍程度に達するようになる。すなわち、２層にバッテリセルを積層する横配置式バッテリモジュールの場合、縦配置式バッテリモジュールに比べて、バッテリモジュール自体の高さが低くなる。一方、３層にバッテリセルを積層する横配置式バッテリモジュールの場合にも、縦配置式バッテリモジュールの電極端子１１および各電極端子１１を接続する接続部材（図示せず）や絶縁部材（図示せず）を考慮すると、高さの面で有利であり得る。すなわち、本発明においては、積層方向における前記バッテリアレイの高さが、バッテリセルの第１端部と第２端部との間で延びる方向におけるバッテリセルのいずれか１つのバッテリセルの高さより小さくなるように形成される。

図６および図７を参照して、エンドプレートを説明する。図６は、エンドプレートの一例を示す斜視図であり、図７は、エンドプレートとバッテリセルとの間の連結構造の一例を示す側面図である。

エンドプレート２００は、前記積層されたバッテリセル１０を固定するための固定部材の一種である。エンドプレート２００は、積層されたバッテリセル１０の端子面１６（図４参照）に備えられ、他の構成とともに、バッテリセル１０を固定させる役割を果たす。本実施例では、２層に積層された横配置式バッテリモジュールに用いられるエンドプレート２００を説明する。

エンドプレート２００の上端および下端には、ねじ方式などの締結のための第１締結ホール２２１がそれぞれ一対ずつ形成される。このとき、第１締結ホール２２１を容易に形成するために、エンドプレート２００の上端および下端から直角方向に延設された第１延長部２２０をさらに形成することができる。第１締結ホール２２１が第１延長部２２０の上下を貫通するように形成される。

同様に、エンドプレート２００の両側面には、ねじ方式などの締結のための第２締結ホール２３１がそれぞれ一対ずつ形成される。このとき、第２締結ホール２３１を容易に形成するために、エンドプレート２００の両側面から前記第１延長部２２０と同方向に第２延長部２３０を延設することができる。第２締結ホール２３１は、第２延長部２３０の左右を貫通するように形成される。

また、エンドプレート２００の上部中央および下部中央には、排気ホール２１１が形成される。排気ホール２１１は、前記ベント部１７（図３参照）に対応する形態に形成され、対応する位置に備えられる。

さらに、排気ホール２１１それぞれの両側面には、電極ホール２１２が形成される。本実施例のように、２層に積層されたバッテリモジュールの場合、電極ホール２１２は合わせて４個が備えられる。図７に示すように、各電極ホール２１２を介してバッテリセル１０の電極端子１１が露出する。このとき、電極端子１１の外周面に雄ねじを加工し、エンドプレート２００の両側面でナットを締めることにより、各バッテリセル１０とエンドプレート２００とを固定させることができる。

一方、図６に示すように、前記各々の電極ホール２１２と排気ホール２１１との間には、検針ホール２１３が形成できる。検針ホール２１３は、バッテリモジュールを形成する各バッテリセルの電圧などをテストするために、各種装置の探針部（図示せず）が出入する役割を果たすようになる。

図８および図９を参照して、上下固定部材を説明する。図８および図９は、それぞれ上下固定部材の一例を示す斜視図である。上下固定部材は、バッテリアレイの上部および下部に備えられて固定させる役割を果たす。

まず、前記上下固定部材は、それぞれ第１固定部材と第２固定部材と称することができる。前記上下固定部材は、図８に示すように、一定の長さを有するバーを含む２つの固定フレーム３００ａで形成されてもよく、図９に示すように、一定の長さを有する固定プレート３００ｂで形成されてもよい。２つの場合とも、固定フレーム３００ａや固定プレート３００ｂの両端に、それぞれ２つの第１貫通ホール３１０が形成される。各第１貫通ホール３１０は、前記第１締結ホール２２１（図６参照）に対応するものであって、同じくねじ締結方式などで固定される。また、各固定フレーム３００ａと固定プレート３００ｂの中央部には、第２貫通ホール３１１が形成される。第２貫通ホール３１１は、第１貫通ホール３１０と同様に、他の部材との締結に用いられる。

図１０を参照して、側面固定部材を説明する。図１０は、側面固定部材の一例を示す正面図である。

本発明において、前記側面固定部材は、第３固定部材と称することができる。すなわち、側面固定部材４００は、バッテリアレイの両側面に備えられて固定させる役割を果たす。側面固定部材４００は、一定の長さを有するフレーム形状に形成できる。側面固定部材４００の両端には、一対の第３貫通ホール４１０が形成される。第３貫通ホール４１０は、前記第２締結ホール２３１（図６参照）に対応するものであって、同じくねじ締結方式などで固定される。

一方、側面固定部材４００には、放熱および重量減少のための放熱ホール４２０が形成できる。

図１１（ａ）、図１１（ｂ）、および図１２を参照して、垂直絶縁部材および水平絶縁部材を説明する。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、垂直絶縁部材の一例を示す斜視図および断面図であり、図１２は、一実施例によるバッテリモジュールの様子を示す分解斜視図である。

図１２に示すように、垂直絶縁部材は、バッテリアレイの底面１５の間に備えられて絶縁をするための構成であり、水平絶縁部材６００は、積層されたバッテリセル１０の間に備えられて絶縁をするための構成である。前記垂直絶縁部材は、支持部材の形態を有している。

垂直絶縁部材５００は、プレート形状などの形態に関係なく、各バッテリセル１０の底面１５の間を絶縁させるように具備できる。一方、各バッテリセル１０は、充電および放電を繰り返す場合、ある程度膨脹するようになる。このとき、本実施例によるバッテリモジュールは、１層に配置された両端子面１６間の距離が遠く、上下固定部材３００ａが各バッテリセル１０を十分に圧迫できない場合が発生することがある。このような問題が発生することを防止するために、垂直絶縁部材５００を、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示されたＨ型ビームで形成することができる。Ｈ型ビームは、断面がＨ型に形成されたビームを意味する。Ｈ型ビームの上端および下端には、上下固定部材３００ａと連結できるように、ねじ締結部５１０を形成することができる。このとき、ねじ締結部５１０の強度を補強するために、二重射出によって形成される金属層５１１をさらに形成することができる。本実施例の組立段階において、ねじ締結部５１０と前記第２貫通ホール３１１とをねじ締結方式で締結する。

水平絶縁部材６００は、プレート形状に形成され、上下に積層されたバッテリセル１０の間に備えられる。水平絶縁部材６００は、上下に積層された２つのバッテリセル１０の直接的な接触を防止することで絶縁させる。

図１２および図１３を参照して、各構成の結合関係および作用を具体的に説明する。図１２は、一実施例によるバッテリモジュールの様子を示す分解斜視図であり、図１３は、図１２のバッテリモジュールが結合された様子を示す斜視図である。

上述したように、各バッテリセル１０は、底面１５が対向するように備えられる一対のバッテリセル１０を積層してバッテリアレイを形成する。このとき、積層された上下のバッテリセル１０の間には、水平絶縁部材６００が備えられて絶縁され、底面１５が対向するように配置されたバッテリセル１０の間には、垂直絶縁部材５００が備えられて絶縁される。

このようなバッテリアレイの両端の端子面１６には、エンドプレート２００が結合される。このとき、各バッテリセル１０の電極端子１１は、エンドプレート２００の電極ホール２１２を介して外部に露出する。また、各ベント部１７が開放される場合、対応する各排気ホール２１１と当該ベント部１７が連続した排気通路を形成するようになる。

上下固定部材３００ａは、上述したように、バッテリアレイの上端および下端でバッテリアレイの両端のエンドプレート２００および垂直絶縁部材５００と連結および固定される。また、側面固定部材４００は、バッテリアレイの両側面に備えられ、エンドプレート２００と連結および固定される。このとき、放熱ホール４２０を介して各バッテリセル１０から発生する熱を容易に排出するようになる。

このような方式で組立られた状態のバッテリモジュール１００を、図１３に示した。

図１４を参照して、各バッテリモジュール間の接続関係を説明する。図１４は、バッテリモジュール１００間の接続構造の一例を示す正面図である。

各バッテリモジュール１００の電極間を、一定の導電性接続部材２０を用いて接続する。図１４に示されたバッテリモジュール間の接続は、直列接続の一例を示している。まず、各バッテリモジュール１００は、上部には、左側に正極端子１１ｂが、右側に負極端子１１ａが配置されるように、内部のバッテリセルを備える。また、各バッテリモジュール１００の下部では、左側に負極端子１１ａが配置され、右側に正極端子１１ｂが配置されるように、内部のバッテリセルを備える。すなわち、各バッテリモジュール１００の電極端子１１は、上部および下部が反対方向に形成されるようにしなければならない。

次いで、隣接するバッテリモジュール１００間の電極端子１１を、導電性接続部材２０を用いて互いに接続させる。それ以上隣接する電極端子１１がない場合には、上部および下部に備えられた電極端子１１間を接続することで１つの電気的パスを形成する。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明の技術的思想が上述した好ましい実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって具体化された本発明の技術的思想を逸脱しない範疇で多様なバッテリモジュールで実現可能である。

１０：バッテリセル
１１：電極端子
１５：底面
１６：端子面
１７：ベント部
１００：バッテリモジュール
２００：エンドプレート
２１１：排気ホール
２１２：電極ホール
２１３：検針ホール
２２０、２３０：延長部
４００：側面固定部材
５００：垂直絶縁部材
６００：水平絶縁部材
３００ａ、３００ｂ：上下固定部材

Claims (13)

1. バッテリアレイを含むバッテリモジュールにおいて、
   前記バッテリアレイは、複数のバッテリセルを含み、前記バッテリセルの各々は六面体で、電極端子が露出する第１端部の端子面と、前記第１端部に対向する第２端部の底面と、前記第１端部と第２端部との間に延びた一対の幅広側面及び一対の幅狭側面とを含むが、前記複数のバッテリセルの第１および第２バッテリセルの底面は、互いに向かい合っており、
   前記複数のバッテリセルの少なくとも１つの第１バッテリセルは、積層方向において他の第１バッテリセルと積層されるが、前記第１バッテリセルの幅広側面は、互いに向かい合って配置され、
   前記複数のバッテリセルの少なくとも１つの第２バッテリセルは、積層方向において他の第２バッテリセルと積層されるが、前記第２バッテリセルの幅広側面は、互いに向かい合って配置され、
   前記少なくとも１つの第１バッテリセルと第２バッテリセルの底面は、互いに向かい合って配置され、
   前記バッテリモジュールは、最上段の前記第１バッテリセル及び前記第２バッテリセルの幅広側面に隣接する第１固定部材、並びに最下段の前記第１バッテリセル及び前記第２バッテリセルの幅広側面に隣接する第２固定部材をさらに含み、
   前記第１固定部材および第２固定部材の少なくとも１つは、複数のバーを含むことを特徴とするバッテリモジュール。
2. 前記バッテリセルの第１端部に隣接してバッテリアレイの対向する外側端部に位置し、電極端子を露出させる電極ホールを備えたエンドプレートと、前記エンドプレートを連結させる少なくとも１つの固定部材とをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のバッテリモジュール。
3. 積層方向における前記バッテリアレイの高さは、第１端部と第２端部との間で延びる方向における複数のバッテリセルのいずれか１つのバッテリセルの高さより小さいことを特徴とする請求項１に記載のバッテリモジュール。
4. 互いに隣接して積層された複数のバッテリセルの間には、絶縁プレートをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のバッテリモジュール。
5. 前記第１バッテリセルと第２バッテリセルの底面の間には、支持部材をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のバッテリモジュール。
6. 前記第１バッテリセルと第２バッテリセルとの間に支持部材をさらに含み、前記支持部材は、前記第１固定部材と第２固定部材との間で固定されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリモジュール。
7. 前記支持部材は、ねじ固定部を含み、前記第１および第２固定部材は、前記ねじ固定部に前記第１および第２固定部材を締結するための貫通ホールを備えることを特徴とする請求項６に記載のバッテリモジュール。
8. 前記支持部材は、絶縁物質を含み、前記ねじ固定部は、金属層を含むことを特徴とする請求項７に記載のバッテリモジュール。
9. 前記バッテリモジュールは、積層されたバッテリセルの前記幅狭側面に隣接した第３固定部材をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のバッテリモジュール。
10. 前記第３固定部材の各々は、長手方向に沿って離隔して配置された複数の放熱ホールを含むことを特徴とする請求項９に記載のバッテリモジュール。
11. 前記バッテリセルの第１端部に隣接したバッテリアレイの互いに対向する外側端部には、エンドプレートがさらに備えられ、前記エンドプレートは、電極端子を露出する電極ホールをさらに含み、
    前記バッテリセルの各々は、第１端部にベントをさらに含み、前記エンドプレートは、前記ベントに対応する位置上に排気ホールをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のバッテリモジュール。
12. 前記バッテリモジュールは、電気自動車またはハイブリッド電気自動車のモータを駆動させることを特徴とする請求項１に記載のバッテリモジュール。
13. 前記バッテリモジュールは、少なくとも１つの他のバッテリモジュールと電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリモジュール。

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