JP7701461B2 - バッテリーパック及びこれを含む自動車 - Google Patents

Description

本出願は、２０２１年０７月１５日に出願された韓国特許出願第１０－２０２１－００９３１１３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パック及びこれを含む自動車に関し、より詳細には、バスバーユニットの放熱が可能なバッテリーパック及びこれを含む自動車に関する。

最近のモバイル機器に対する技術の開発と需要の増加には目を見張るものがあり、これに伴い、エネルギー源としての二次電池へのニーズが急激に伸びている。従来、二次電池としてニッケルカドミウム電池または水素イオン電池が用いられていたが、最近には、ニッケル系列のバッテリーに比べてメモリ効果が殆ど起きないため充放電が自在であり、自己放電率が非常に低くエネルギー密度が高いリチウム二次電池が多用されている。

この種のリチウム二次電池は、主として、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用いる。リチウム二次電池は、このような正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された正極板と負極板がセパレーターを挟んで配置された電極組立体と、電極組立体を電解液と一緒に封入する外装材、すなわち、電池ケースと、を備える。

リチウム二次電池は、正極と、負極と、これらの間に挟持されるセパレーター及び電解質からなり、正極活物質と負極活物質としていかなるものを用いるかによって、リチウム二次電池（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｙ；ＬＩＢ）、リチウムポリマー電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｙ；ＰＬＩＢ）などに分けられる。通常、これらのリチウム二次電池の電極は、アルミニウムまたは銅シート（ｓｈｅｅｔ）、メッシュ（ｍｅｓｈ）、フィルム（ｆｉｌｍ）、箔（ｆｏｉｌ）などの集電体に正極または負極活物質を塗布した後に乾燥させることにより形成可能である。

バッテリーパックは、自動車などの対象物を駆動するためにバッテリーモジュールに接続されるバスバーと、バッテリーモジュールを充電するためにバッテリーモジュールに接続されるバスバーと、が分離されて設けられ得る。

ところが、高電流の使用によりバスバーの発熱量が増えると、バスバーの断面積が増大されなければならないため、これに伴い、バッテリーパックの重量が増大し、コストが高騰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、バスバーユニットが放熱可能なように設けられてバスバーの断面積を減少させ、これにより、バッテリーパックの軽量化とコストの節減が図れるバッテリーパック及びこれを含む自動車を提供することである。

本発明の一側面によれば、複数のバッテリーセルが配備されたバッテリーモジュールと、前記バッテリーモジュールが収容されるケースと、前記バッテリーモジュールに接続されるバスバーユニットと、を含み、前記バスバーユニットは、電気的な接続のみならず、放熱も可能なように設けられることを特徴とするバッテリーパックが提供され得る。

また、前記バスバーユニットは、対象物を駆動するために前記対象物と前記バッテリーモジュールとを接続する第１バスバー部材と、前記バッテリーモジュールを充電するための充電部材と前記バッテリーモジュールとを接続する第２バスバー部材と、前記第１バスバー部材と前記第２バスバー部材とを接続し、電気的に絶縁され、熱が伝わるように設けられた絶縁放熱部材と、を含み得る。

さらに、前記バッテリーパックは、前記バスバーユニットに結合されるリレー部材と、前記バスバーユニットを前記リレー部材に締め付ける締付部材と、をさらに含み、前記リレー部材の上側に前記第１バスバー部材及び前記第２バスバー部材が配置され、前記第１バスバー部材及び前記第２バスバー部材の上側に前記絶縁放熱部材が配置され得る。

さらにまた、前記リレー部材は、前記第１バスバー部材に結合される第１リレー部材と、前記第２バスバー部材に結合される第２リレー部材と、を含み、前記締付部材は、前記第１バスバー部材に結合される第１締付部材と、前記第２バスバー部材に結合される第２締付部材と、を含み、前記第１バスバー部材と前記第１リレー部材が前記第１締付部材により前記絶縁放熱部材の第１端部に締め付けられ、前記第２バスバー部材と前記第２リレー部材が前記第２締付部材により前記絶縁放熱部材の第２端部に締め付けられ得る。

さらにまた、前記絶縁放熱部材は、Ｈ字状に形成され得る。

さらにまた、前記絶縁放熱部材は、セラミック材質から形成され得る。

さらにまた、前記締付部材は、ボルトとして設けられ、前記ボルトと前記絶縁放熱部材との間にゴムリングが介在し得る。

さらにまた、前記締付部材は、ボルトとして設けられ、前記ボルトが嵌入可能なブッシング部材を含み得る。

さらにまた、前記ブッシング部材は、前記ボルトが嵌入する中空が形成された本体と、前記本体から前記ボルト側に向かって突出して前記ボルトに接触される突出部と、を含み得る。

さらにまた、前記本体には、前記突出部の間に貫通孔状の複数の切欠部が形成され得る。

これらに加えて、前記ブッシング部材と前記ボルトとの間に緩衝空間が形成され得る。

一方、本発明の他の側面によれば、前述したバッテリーパックを含む自動車が提供され得る。

本発明の実施形態は、バスバーユニットが放熱可能なように設けられてバスバーの断面積を減少させ、これにより、バッテリーパックの軽量化とコストの節減が図れるという効果がある。

本発明の一実施形態によるバッテリーパックにおいて、内部が示された平面図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーパックにおけるバスバーユニットの斜視図である。 図２のバスバーユニットの平面図である。 図３におけるＡ－Ａ’矢視断面図である。 図４のブッシング部材の斜視図である。 図５のＢ－Ｂ’矢視断面図である。 図４のＸ部分の拡大図である。 図５のブッシング部材の他の実施形態による斜視図である。 図８のＣ－Ｃ’矢視断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。これに先立ち、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、本発明の最も好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。

図中、各構成要素またはその構成要素をなす特定の部分の大きさは、説明のしやすさ及び明確性のためにやや誇張して表現されたり、省略されたり、概略的に示されたりしている。したがって、各構成要素の大きさは、実際の大きさを正確に反映するものではない。関連する公知の機能もしくは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を余計に曖昧にする虞があると認められる場合にはその詳細な説明を省略する。

本明細書中で使用される「結合」または「接続」という用語は、ある一つの部材と他の部材とが直接的に結合されたり直接的に接続されたりする場合だけではなく、ある一つの部材が継ぎ部材を介して他の部材に間接的に結合されたり間接的に接続されたりする場合も含む。

図１は、本発明の一実施形態によるバッテリーパックにおいて、内部が示された平面図であり、図２は、本発明の一実施形態によるバッテリーパックにおけるバスバーユニットの斜視図であり、図３は、図２のバスバーユニットの平面図であり、図４は、図３におけるＡ－Ａ’矢視断面図であり、図５は、図４のブッシング部材の斜視図であり、図６は、図５のＢ－Ｂ’矢視断面図であり、図７は、図４のＸ部分の拡大図であり、図８は、図５のブッシング部材の他の実施形態による斜視図であり、図９は、図８のＣ－Ｃ’矢視断面図である。

同図を参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリーパック１０は、バッテリーモジュール１００と、ケース２００と、バスバーユニット３００と、を含む。

図１を参照すると、バッテリーモジュール１００は、複数のバッテリーセル１１０を備える。バッテリーセル１１０は、正極板－セパレーター－負極板の順に並べられる単位セル（Ｕｎｉｔ Ｃｅｌｌ）または正極板－セパレーター－負極板－セパレーター－正極板－セパレーター－負極板の順に並べられたバイセル（Ｂｉ－Ｃｅｌｌ）を電池の容量に合うように複数積み重ねた構造を有し得る。

そして、バッテリーセル１１０には、電極リードが配備され得る。電極リードは、外部に露出されて外部機器に接続される一種の端子であって、伝導性材質が使用され得る。

電極リードは、正極電極リードと負極電極リードを含み得る。正極電極リードと負極電極リードは、バッテリーセル１１０の長手方向に対して互いに反対の方向に配置されることもあれば、正極電極リードと負極電極リードがバッテリーセル１１０の長手方向に対して互いに同じ方向に位置することもある。

一方、バッテリーモジュール１００には、バッテリーセル１１０を収容する複数のカートリッジが配備され得る。それぞれのカートリッジは、プラスチックの射出成形により製造され得、バッテリーセル１１０を収容可能な収容部が形成された複数のカートリッジが積層され得る。

複数のカートリッジ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配備され得る。

コネクター要素には、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バッテリー管理システム（ＢＭＳ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）（図示せず）などに接続されるための様々な形態の電気的な接続部品ないし接続部材が含まれ得る。

そして、端子要素は、バッテリーセル１１０に接続されるメイン端子であって、正極端子と負極端子を含み、端子要素にはターミナルボルトが配備されて外部と電気的に接続され得る。

ケース２００には、少なくとも１つのバッテリーモジュール１００が収容される。バッテリーモジュール１００が複数で設けられる場合、複数のバッテリーモジュール１００はケース２００の内部に積層され得、あるいは、様々な方式により配列され得る。

ケース２００は、複数のバッテリーモジュール１００を収容して保護するように設けられる。すなわち、ケース２００は、バッテリーモジュール１００の全体を取り囲み、これにより、外部の振動や衝撃からバッテリーモジュール１００を保護する。

ケース２００は、バッテリーモジュール１００の形状に対応する形状に形成され得る。例えば、積層されたバッテリーモジュール１００の全体の形状が六面体の形状に設けられる場合、ケース２００もまたこれに対応するように六面体の形状に設けられ得る。但し、これに何ら限定されるものではない。

ケース２００は、例えば、金属材質のプレートを折り曲げて製造され得、これにより、ケース２００は、一体形に製造され得る。ここで、ケース２００が一体形に製造される場合、結合工程が簡単になり、しかも、単純化するという効果がある。

あるいは、ケース２００が取り外し型に製造されて溶接、リベット、ボルト、ピン、ブラケットまたはモーメント接合方式などの様々な方式を用いて結合されるように設けられ得る。なお、バッテリーパック１０には、バッテリーモジュール１００の充放電を制御するための各種の装置、つまり、ＢＭＳ、電流センサー、ヒューズなどが含まれ得る。

バスバーユニット３００は、バッテリーモジュール１００に接続される。バスバーユニット３００は、バッテリーモジュール１００と電気的に接続されるのみならず、放熱が可能なように設けられる。

図２及び図３を参照すると、バスバーユニット３００は、第１バスバー部材３１０と、第２バスバー部材３２０と、絶縁放熱部材３３０と、を含んでなり得る。

第１バスバー部材３１０は、対象物９１０（図１参照）を駆動するために、対象物９１０とバッテリーモジュール１００とを接続するように設けられる。第１バスバー部材３１０は、接続端子２１０を介して対象物９１０に接続され得る。ここで、バッテリーモジュール１００に接続される対象物９１０は、種々であり得る。

例えば、対象物９１０は、電気自動車であり得、対象物９１０が電気自動車である場合、第１バスバー部材３１０は、電気自動車の駆動に用いられる電気エネルギーがバッテリーモジュール１００から電気自動車へと移動可能なように構成される。

但し、対象物９１０が電気自動車に限定されるものではなく、説明のしやすさのために、以下では、対象物９１０が電気自動車である場合について説明する。

第２バスバー部材３２０は、バッテリーモジュール１００を充電するための充電部材９２０（図１参照）とバッテリーモジュール１００とを接続するように設けられる。第２バスバー部材３２０は、充電端子２２０を介して充電部材９２０に接続され得る。

すなわち、対象物９１０が電気自動車である場合、電気自動車を駆動するための電気エネルギーは、第１バスバー部材３１０を介してバッテリーモジュール１００から電気自動車へと移動し、電気自動車の駆動が終わった後にバッテリーモジュール１００が充電されるとき、充電のための電気エネルギーは、第２バスバー部材３２０を介して充電部材９２０からバッテリーモジュール１００へと移動する。

絶縁放熱部材３３０は、電気的に絶縁され、熱が伝わるように設けられ、第１バスバー部材３１０と第２バスバー部材３２０とを接続する。このために、絶縁放熱部材３３０は、セラミック材質から形成され得る。

但し、絶縁放熱部材３３０の材質がセラミックに限定されることはなく、絶縁と放熱の特性を有する様々な材質が絶縁放熱部材３３０の材質として使用可能である。

前述したように、電気自動車が駆動される場合、電気エネルギーは、バッテリーモジュール１００から第１バスバー部材３１０を介して電気自動車へと移動するため、第１バスバー部材３１０には熱が生じる。特に、電気自動車の場合、高電流を用いるため、発熱量が増えてしまう。

ここで、第１バスバー部材３１０を介して電気エネルギーが移動する間に、第２バスバー部材３２０は用いられていないので、第１バスバー部材３１０に生じた熱が絶縁放熱部材３３０を介して第２バスバー部材３２０へと移動して外部に放出可能である。

このとき、絶縁放熱部材３３０は、電気的に絶縁されるため、第１バスバー部材３１０から第２バスバー部材３２０へと熱は伝わるものの、電気は移動しない。以下、第２バスバー部材３２０から第１バスバー部材３１０へと熱が伝わるときにも、同様に電気は移動しない。

そして、電気自動車が充電される場合、電気エネルギーは、充電部材９２０から第２バスバー部材３２０を介してバッテリーモジュール１００へと移動するため、第２バスバー部材３２０に熱が生じる。

ここで、第２バスバー部材３２０を介して電気エネルギーが移動する間に、第１バスバー部材３１０は用いられていないので、第２バスバー部材３２０に生じた熱が絶縁放熱部材３３０を介して第１バスバー部材３１０へと移動して外部に放出可能である。

すなわち、第１バスバー部材３１０と第２バスバー部材３２０のうちのどちらか一方が用いられれば、残りの他方は用いられず、用いられるバスバー部材から発せられた熱は、絶縁放熱部材３３０を介して用いられていないバスバー部材へと移動して外部に放出可能である。

図２及び図４を参照すると、リレー部材４００は、バスバーユニット３００に結合され得る。リレー部材４００の上側には、第１バスバー部材３１０と第２バスバー部材３２０が配置され得る。なお、第１バスバー部材３１０と第２バスバー部材３２０の上側には、絶縁放熱部材３３０が配置され得る。

リレー部材４００は、第１バスバー部材３１０に結合される第１リレー部材４１０と、第２バスバー部材３２０に結合される第２リレー部材４２０と、を含んでなり得る。

締付部材５００は、バスバーユニット３００をリレー部材４００に締め付ける。締付部材５００としては、種々のものが設けられ得、例えば、ボルト及びナットが設けられ得る。ナットは、リレー部材４００に結合されることもあれば、リレー部材４００それ自体にナットが一体形に形成されることもある。

しかしながら、締付部材５００がボルトとナットに限定されることはなく、公知の種々の構造が締付部材５００に含まれ得る。但し、説明のしやすさのために、以下では、締付部材５００が、ボルトとリレー部材４００に一体形に形成されたナットである場合について説明する。

締付部材５００は、第１バスバー部材３１０に結合される第１締付部材５１０と、第２バスバー部材３２０に結合される第２締付部材５２０と、を含んでなり得る。

第１バスバー部材３１０と第１リレー部材４１０は、第１締付部材５１０により絶縁放熱部材３３０の第１端部３３１に締め付けられ得る。なお、第２バスバー部材３２０と第２リレー部材４２０は、第２締付部材５２０により絶縁放熱部材３３０の第２端部３３２に締め付けられ得る。

ここで、図２及び図３を参照すると、絶縁放熱部材３３０は、Ｈ字状に形成され得る。但し、絶縁放熱部材３３０の形状は、Ｈ字状に何ら限定されるものではない。

前述したように、絶縁放熱部材３３０は、電気的な絶縁と伝熱が上手く行われるように、セラミック材質から形成され得る。しかしながら、セラミック材質は、脆性により破損され易い可能性がある。

ここで、セラミック材質の絶縁放熱部材３３０の破損を防ぐために、ゴムリング６００とブッシング部材７００が配備され得る。

図４を参照すると、ゴムリング６００は、締付部材５００であるボルトと絶縁放熱部材３３０との間に介在する。ゴムリング６００は、上下方向の衝撃や振動から絶縁放熱部材３３０を保護する。

そして、ブッシング部材７００には、締付部材５００であるボルトが嵌入するように設けられる。ブッシング部材７００は、左右方向の衝撃や振動から絶縁放熱部材３３０を保護する。

図５から図７を参照すると、ブッシング部材７００は、本体７１０と突出部７２０を含むように構成され得る。

本体７１０には中空７１１が形成され、本体７１０の中空７１１にボルトが嵌入する。本体７１０には、突出部７２０の間に貫通孔状の複数の切欠部７１２が形成され得る。

突出部７２０は本体７１０に形成され、本体７１０からボルト側に向かって突出して、図７でのように、ボルトに接触される。このように、突出部７２０がボルトに接触されて左右方向の衝撃や振動を緩和させる。

一方、図７を参照すると、ブッシング部材７００と締付部材５００であるボルトとの間に緩衝空間８００が形成され得る。ここで、緩衝空間８００は、ボルトから発せられる振動が絶縁放熱部材３３０へと直接的に伝わることを防いで、絶縁放熱部材３３０を保護する。

図５及び図６の他の実施形態として、図８及び図９を参照すると、本体７１０に突出部７２０が形成されており、図５及び図６とは異なり、複数の切欠部７１２は形成されていない。

一方、図５及び図６の実施形態と図８及び図９の実施形態において共通する説明は、前述した説明を援用する。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態によるバッテリーパック１０の作用及び効果について説明する。

バッテリーパック１０には、電気エネルギーを伝達するために、第１バスバー部材３１０と第２バスバー部材３２０が配備される。ここで、どちらか一方のバスバー部材を介して電気エネルギーが伝達されながら生じた熱は、絶縁放熱部材３３０を介して残りの他方のバスバー部材へと移動して外部に放出される。

そして、絶縁放熱部材３３０は、脆性のセラミック材質から形成され得、ボルトの振動から破損されることを防ぐために、ゴムリング６００とブッシング部材７００が配備され得る。

このような放熱構造を通してバスバーの断面積を減少させることができ、かつ、バッテリーパック１０の軽量化とコストの節減が図れるという効果が生じる。

一方、本発明の一実施形態による自動車（図示せず）は、前述したバッテリーパック１０を含み得る。前記バッテリーパック１０は、電気を用いる様々な機械または装置などに使用され得、例えば、電気自動車、特に、電気自動車のアンダーフロア（Ｕｎｄｅｒ Ｆｌｏｏｒ）に配置され得る。ここで、電気自動車は、純粋に電気によってのみ駆動される電気自動車のみならず、他のエネルギーと電気エネルギーを併用するハイブリッド自動車を網羅し得る。

以上、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、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する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様々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、バッテリーパック及びこれを含む自動車に関するものであり、特に、二次電池と関わる産業に利用可能である。

Claims (10)

1. 複数のバッテリーセルが配備されたバッテリーモジュールと、
   前記バッテリーモジュールが収容されるケースと、
   前記バッテリーモジュールに接続されるバスバーユニットと、
   前記バスバーユニットに結合されるリレー部材と、
   前記バスバーユニットを前記リレー部材に締め付ける締付部材と、
   を含んでなるバッテリーパックにおいて、
   前記バスバーユニットは、電気的な接続のみならず、放熱も可能であり、
   前記バスバーユニットは、
   対象物を駆動するために前記対象物と前記バッテリーモジュールとを接続する第１バスバー部材と、
   前記バッテリーモジュールを充電するための充電部材と前記バッテリーモジュールとを接続する第２バスバー部材と、
   前記第１バスバー部材と前記第２バスバー部材とを接続する絶縁放熱部材であって、前記第１バスバー部材と前記第２バスバー部材とを電気的に絶縁し、熱が伝わる絶縁放熱部材と、
   を含み、
   前記リレー部材の上側に前記第１バスバー部材及び前記第２バスバー部材が配置され、
   前記第１バスバー部材及び前記第２バスバー部材の上側に前記絶縁放熱部材が配置されている、バッテリーパック。
2. 前記リレー部材は、前記第１バスバー部材に結合される第１リレー部材と、前記第２バスバー部材に結合される第２リレー部材と、を含み、
   前記締付部材は、前記第１バスバー部材に結合される第１締付部材と、前記第２バスバー部材に結合される第２締付部材と、を含み、
   前記第１バスバー部材と前記第１リレー部材とが前記第１締付部材により前記絶縁放熱部材の第１端部に締め付けられ、
   前記第２バスバー部材と前記第２リレー部材とが前記第２締付部材により前記絶縁放熱部材の第２端部に締め付けられている、請求項１に記載のバッテリーパック。
3. 前記絶縁放熱部材は、Ｈ字状に形成されている、請求項２に記載のバッテリーパック。
4. 前記絶縁放熱部材は、セラミック材質から形成されている、請求項１に記載のバッテリーパック。
5. 前記締付部材は、ボルトとして設けられ、
   前記ボルトと前記絶縁放熱部材との間にゴムリングが介在している、請求項４に記載のバッテリーパック。
6. 前記締付部材は、ボルトとして設けられ、
   前記ボルトが嵌入可能なブッシング部材を含む、請求項４に記載のバッテリーパック。
7. 前記ブッシング部材は、
   前記ボルトが嵌入する中空が形成された本体と、
   前記本体から前記ボルト側に向かって突出して前記ボルトに接触される突出部と、
   を含む、請求項６に記載のバッテリーパック。
8. 前記本体には、前記突出部の間に貫通孔状の複数の切欠部が形成されている、請求項７に記載のバッテリーパック。
9. 前記ブッシング部材と前記ボルトとの間に緩衝空間が形成されている、請求項７に記載のバッテリーパック。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載のバッテリーパックを含む、自動車。

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