JP2006515460A - リチウム二次電池モジュール - Google Patents

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Abstract

本発明は、リチウム二次電池モジュールであって、このリチウム二次電池モジュールは、一方向に並んで突出し、それぞれ孔が形成された陽極端子と陰極端子を有し、これらの端子が互い違いに配列される複数の単位リチウム二次電池と；単位リチウム二次電池の陽極端子と陰極端子のそれぞれを収容し、固定孔が形成された開放形凹部を有する非金属性単位収容モジュールを複数連結してなる収容モジュールと；単位収容モジュールの各凹部内に配置された単位電池の陽極端子と陰極端子の少なくとも一つに接触するように配置され、固定孔と外部に突出した折曲形接触プレートを備えた金属性ブロックと；前記収容モジュールに対応する形状を有し収容モジュール上に載置され、収容モジュールの凹部に対応する凹部の一側に前記金属性ブロックの接触プレートに接触する銅配線が形成された配線基板と；前記収容モジュールの凹部、この凹部に配置される単位電池の陽極端子と陰極端子、これらの端子の少なくとも一つに接触するように配置される金属性ブロックの孔を挿通し固定され、これらの要素を固定させる締付部材と；を含むことを特徴とする。

Description

発明の背景
１．発明の分野
本発明は、電気自動車や電気自転車等に使用される電池モジュールまたはパックに関し、より詳しくは、電池外部ケースがアルミニウムラミネートフィルム（Ａｌ Ｌａｍｉｎａｔｅｄ Ｆｉｌｍ）からなる単位リチウム二次電池が直列接続されたリチウム二次電池モジュールに関する。
本発明は、外部に突出した単位リチウム二次電池の陽極端子と陰極端子を金属ブロック、特に、アルミニウムブロックを介して接続することにより、電池の内部で発生した熱を外部に速やかに放出することで単位電池間の温度偏差を最小にし、温度偏差による性能の低下及び単位電池間の性能偏差による寿命及び性能の低下を最小化することができ、また、それぞれの電池の電圧を測定する道具として回路基板を使用することで電池モジュールの体積を最小化することによりエネルギー密度を向上し、高容量・高電圧を必要とする電気自動車のようなシステムへの使用に適するリチウム二次電池モジュールまたはパックに関する。
２．従来の技術の方法
最近、周知の如く、電気自動車は、現状において主流をなしている内燃機関装着車両の諸問題点のうちの環境問題を根本的に解決することができる自動車として排気ガスの発生がないということがその特徴である。即ち、前記したように、電気自動車は、車両の推進力を従来のように燃料の燃焼作用により得ることではなく、電池から提供される電力による推進力を得るものであるため、排気ガスの発生がないのである。従って、電気自動車においてその走行に必要とされる力を提供するための電池は必須とされており、ガソリン自動車と同様の充分な走行距離及び動力性能を有するためには、電池の性能が何より重要である。
電気自動車の走行距離は、車両に搭載されている電池の総エネルギーによって決められ、総エネルギーは、搭載されている電池の容量及び電圧によって決められる。車両の場合、電池の搭載空間が限られており、電池が車両の重量の多くの部分を占めるため、単位体積当たりの電気エネルギー及び単位重量当たりの電気エネルギーが電気自動車用電池において重要な要素になる。かかる理由から、最近に入ってエネルギー密度の高い電気自動車用のリチウム二次電池の開発が盛んに進められている。また、電気自動車の場合、高容量と共に高電圧を要求するため、このためには、高電圧が得られるように単位電池間の接続が容易であり、且つ取り扱いが簡単になるように電池が設計されなければならない。
一般に、電気を充・放電することができる１つの単位電池が取り扱い可能な電圧及び容量は低いため、電気自動車において要求される電圧及び容量を満たすためには、単位電池を用いての高電圧化及び高容量化が必要である。
現に電気自動車用電池として最も多用されているＮｉ−ＭＨ電池の場合、ステンレススチール製の電池ケースを主に使用しており、電池間の接続は、主にボルトとナットを用いる方法を採択している。Ｎｉ−ＭＨ電池の場合、水溶性電解液を使用しており、このため、電池の内部でガスが発生し、かかる内圧特性に耐えられるように電池ケースを設計する必要がある。前記理由から、電池ケースは、金属缶を使用しなければならず、主にステンレススチールを採択している。ステンレススチールの場合、電池の全体に対する重量百分率が２０％に近いという短所があるのに対し、アルミニウムラミネートフィルムを使用するリチウム二次電池の場合、重量百分率が５％以内と軽いことから、単位重量当たりのエネルギー貯蔵の側面において有利であるという長所を有している。
しかし、前記リチウム二次電池の場合、金属缶を使用しないため、モジュールまたはパックを構成するに当って電池間の接続が困難であるという短所がある。電池モジュールまたはパックを構成して性能を最適化するために考慮すべき事項としては、電池間の接続による接触抵抗を最小化し、体積及び重量の増大を最小化し、且つ電池から発生する熱を速やかに外部に放出しなければならない。
韓国公開特許第２００２−００１２３９７号に開示されているリチウム二次電池及びリチウム二次電池モジュールの場合、体積の増大を最小化するという長所はあるものの、電池間の接続において単に接触する形であるため接触が不完全になり、接触抵抗が大きく増大する可能性があり、陽極端子及び陰極端子を二度にかけて折り曲げるため、単位電池が損傷される可能性も大きい。また、電池モジュールまたはパックの装着される位置及び空間が限られているため、前記技術の場合、様々な形態での適用が困難である。
発明の要約
本発明は、前記のような従来の技術の問題点を解決するためになされたものであって、電池間の接続による接触抵抗を最小化し、且つ体積及び重量の増大を最小化し、電池から発生する熱を速やかに外部に放出することにより、エネルギー密度を向上し、電池間の偏差による性能の低下を最小化するリチウム二次電池モジュールを提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明は、リチウム二次電池モジュールであって、一方向に並んで突出し、それぞれ孔が形成された陽極端子と陰極端子を有し、これらの端子が互い違いに配列される複数の単位リチウム二次電池と；単位リチウム二次電池の陽極端子と陰極端子のそれぞれを収容し、固定孔が形成された開放形凹部を有する非金属性単位収容モジュールを複数連結してなる収容モジュールと；単位収容モジュールの各凹部内に配置された単位電池の陽極端子と陰極端子の少なくとも一つに接触するように配置され、固定孔と外部に突出した折曲形接触プレートを備えた金属性ブロックと；前記収容モジュールに対応する形状を有し収容モジュール上に載置され、収容モジュールの凹部に対応する凹部の一側に前記金属性ブロックの接触プレートに接触する銅配線が形成された配線基板と；前記収容モジュールの凹部、この凹部に配置される単位電池の陽極端子と陰極端子、これらの端子の少なくとも一つに接触するように配置される金属性ブロックの孔を挿通し固定され、これらの要素を固定させる締付部材と；を含むことを特徴とするリチウム二次電池モジュールを提供する。
本発明の一実施例によれば、前記単位電池の陽極端子と陰極端子をそれぞれ収容する金属性ブロックの二つの開放形凹部は、互いに逆向きにして開放されており、隣接する単位金属性ブロックの向かい合う開放形凹部間の結合により一つの収容溝が形成されることを特徴とする。
本発明の一実施例によれば、前記単位電池の本体の幅寸法、単位収容モジュールの幅寸法、前記隣接する単位金属性ブロックの開放形凹部間の結合により形成される収容溝の幅寸法は、実質的に同一であることを特徴とする。
本発明の一実施例によれば、前記金属性ブロックは、銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金のいずれか一種よりなることを特徴とする。
本発明の一実施例によれば、前記締付部材は、非金属性ボルト部材であることを特徴とする。
本発明の一実施例によれば、前記金属性ブロックの外部に突出した接触プレートは、配線基板の銅配線に融接されることを特徴とする。
本発明の一実施例によれば、前記金属性ブロックの外部に突出した接触プレートは、配線基板の銅配線にクランプ固定されることを特徴とする。
以下、添付した図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
本発明のリチウム二次電池モジュールは、陽極端子と陰極端子を有する複数の単位リチウム二次電池と；単位電池の陽極端子と陰極端子を収容する収容モジュールと；単位電池の陽極端子と陰極端子の間に配置されて端子間を電気的に直列接続する金属性ブロックと；この金属性ブロックの一部に接触してリチウム二次電池の電気量を測定するための配線基板と；単位電池の陽極端子と陰極端子、収容モジュール及び金属性ブロックを安定して固定させるための締付部材と；を含む。
単位リチウム二次電池の例が、図１ａ及び図１ｂに示されている。
これらの図面を参照すると、公知の如く、単位リチウム二次電池１０は、陽極板、陰極板及び分離膜からなる電極群組立体と、この電極群組立体を収納する電池ケース、及び前記陽極板と陰極板に接続し外部に突出する陽極端子１０ａと陰極端子１０ｂを含む。前記陽極端子及び陰極端子は、相互同一方向に並んで突出しており、固定孔が形成されている。
単位電池の陽極端子及び陰極端子を収容する非金属性収容モジュールは、複数の単位収容モジュールからなり、これについては、図２ａに示されている。
図２ａは、本発明のリチウム二次電池モジュールの一部を構成する単位収容モジュールとこの単位収容モジュール間の結合関係を示す斜視図である。
単位収容モジュール２０、２０′は、単位電池の陽極端子と陰極端子を収容するための凹部２０Ａ、２０Ｂ；２０Ａ′、２０Ｂ′を備え、各凹部には、固定孔２０ａ、２０ｂ；２０ａ′、２０ｂ′が形成されている。
単位収容モジュール２０、２０′の各凹部は、開放方向が互いに逆向きであり、隣接する単位収容モジュール間の結合は、矢印で示すように凹部の開放された部分が相互当接するように結合され、従って、隣接する単位収容モジュールとの結合により二つの凹部空間からなる収容溝が形成される。
単位電池の陽極端子と陰極端子が単位収容モジュールの凹部に収容される方式は、例えば、単位収容モジュール２０の凹部２０Ａ、２０Ｂにそれぞれ陽極端子と陰極端子を配置し、隣接する単位収容モジュール２０′の凹部２０Ａ′、２０Ｂ′にそれぞれ陰極端子と陽極端子を配置するという方式である。
単位収容モジュールの両端部側の上面には、後の金属性ブロックの一部分との結合のための固定孔２５ａが形成されている。
単位収容モジュールまたは収容モジュールは、電気的に不導体である非金属性として、プラスチックからなることが好ましい。
前記隣接する単位収容モジュール間の結合により形成される収容溝内に隣接する単位電池の各陽極端子と陰極端子が配置されている状態で、両端子の間に金属性ブロック３０を介在して両端子を接続する。
金属性ブロックを介在して単位電池の陽極端子または陰極端子、または端子間の電気的接続を果たし、銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金のいずれか１種からなることが好ましい。
金属性ブロックの一実施例が図２ｂに示されている。
金属性ブロック３０は、本体ブロックと、この本体ブロックに対し突出した形態の上部の電導性プレート３５からなる。本体ブロックと電導性プレート３５には、それぞれ固定孔３０ａ、３５ａが形成されている。
複数の単位収容モジュールを結合することにより形成された収容モジュールの両端部側は、単位電池の陽極端子または陰極端子が収容されたそれぞれ一つの開放凹部だけを有するため、この開放凹部には、前記金属性ブロック３０を多少変形した形態のものを収容することができる。
かかる変形された形態の金属性ブロック３０′は、薄型の本体ブロックとこの本体ブロックから突出する折曲形電導性プレート３５′からなり、本体ブロックと電導性ブロックには、それぞれ固定孔３０ａ′、３５ａ′が形成されている。
収容モジュール上には、収容モジュールの形態に対応する形態を有する配線基板４０が載置され、図２ｃにその構成が詳細に示されている。
この配線基板４０は、リチウム二次電池の陽極端子及び陰極端子に接続し、電池の電圧のような電気容量を測定することができる。
配線基板４０は、単位収容モジュール間の結合により形成される収容モジュールの形状に対応するため、凹部間の結合により形成される前述した収容モジュールの収容溝及び収容モジュールの凹部にそれぞれ対応する収容溝４３及び凹部４０Ａ、４０Ｂを備える。
これらの収容溝４３または凹部４０Ａ、４０Ｂの側方には、銅配線４５が形成され、それぞれの銅配線は、所定の位置（例えば、図２ｃの“Ａ”部分）に接続して、ソケット等のような素子を用いてリチウム二次電池の電気容量を測定することができる。
リチウム二次電池の電気容量の測定のために、金属性ブロック３０、３０′の突出した電導性プレート３５、３５′が前記銅配線４５に接触し、安定した接触のために各電導性プレート３５、３５′の固定孔３５ａ、３５ａ′からクランプを用いて銅配線と電導性プレートとを堅固に締め付けるか、または溶接等の方法を用いて電導性プレートと銅配線とを接合することができる。
本発明のリチウム二次電池モジュールの複数の主要部品、即ち、隣接する単位電池の各陽極端子１０ａと陰極端子１０ｂ、単位収容モジュール２０、２０′及び金属性ブロック３０、３０′は、図２ｄに示すような所定の締付部材５０により一体に組立固定される。
締付部材５０は、ヘッド５０ａを有するボルトでよく、向かい合うように配置される陽極端子１０ａ及び陰極端子１０ｂの固定孔、収容モジュールの固定孔２０ａ、２０ａ′；２０ｂ、２０ｂ′、金属性ブロック３０、３０′の固定孔３０ａ、３０ａ′を挿通し、ナット等のようなネジ止め部材でネジ止めすることにより、リチウム二次電池モジュールの組立を完了する。
このようなリチウム二次電池モジュールの組立状態が、図３に示されている。
図３に示すように、複数の単位電池１０は、その陽極端子１０ａ及び陰極端子１０ｂが互い違いに並べられ、陽極端子及び陰極端子は、それぞれ単位収容モジュール２０の各凹部内に配置される。
隣接する単位収容モジュール２０間の結合により、収容モジュールには凹部間の結合により形成される収容溝と収容モジュールの両端側の凹部が形成され、これらの収容溝と収容モジュールの両端の凹部には、それぞれ金属性ブロック３０と変形された金属性ブロック３０′が配置されている。
収容モジュールの上部には、収容モジュールに対応する形状の配線基板４０が載置され、配線基板４０の銅配線４５に接触するように金属性ブロック３０、３０′の電導性プレート３５、３５′が配置されている。
隣接する単位電池の各陽極端子１０ａ及び陰極端子１０ｂと、収容モジュール２０、金属性ブロック３０、３０′は、ボルトのような締付部材５０で締め付けることにより一体に組み立てられる。
本発明のリチウム二次電池モジュールの組立は、次のように行なうことができる。
まず、複数の単位電池を、その陽極端子及び陰極端子が互い違いになるように並ばせる。
その後、互いに逆向きにして開放された形態の凹部を有する複数の単位収容モジュール２０、２０′を凹部の開放された部分を互いに当接させて結合することにより一つの収容モジュールを形成する。この時、収容モジュールには、凹部間の結合により形成される収容溝と収容モジュールの両端側にそれぞれ凹部が形成される。
次いで、複数の単位電池の陽極端子及び陰極端子が前記収容モジュールの収容溝と凹部に収容されるように収容モジュールを配置し、収容モジュール上に配線基板４０を載置する。
次いで、前記収容モジュール及びその上に載置された配線基板の対応する収容溝及び前記陽極端子または陰極端子が収容されている凹部に、電導性プレートが配線基板の銅配線に接触するように金属性ブロックを挿入した後、締付部材を陽極端子、陰極端子、収容モジュール、金属ブロックの孔を挿通し締め付けることにより、本発明のリチウム二次電池モジュールの組立を完了する。
組立が完了した状態で、本発明のリチウム二次電池モジュールは、単位電池の本体の幅寸法、単位収容モジュールの幅寸法、前記隣接する単位金属性ブロックの開放形凹部間の結合により形成される収容溝の幅寸法が実質的に同一であるため、寸法の標準化による製品のコンパクト化が可能である。
一方、電気自動車に使用する電池の場合、高率放電が非常に必要とされる特性の一つであり、この場合、電池から熱が発生する。かかる現象は、電池の寿命等の性能に悪影響を及ぼし、特に、それぞれの電池の温度が均一でない場合、温度偏差により電池の性能偏差が発生し、この結果、電池モジュールまたはパックの性能を低下させる。
アルミニウムラミネートフィルムを使用するリチウム二次電池の場合、電池外部ケースの特性上、熱伝達が主に陽極端子と陰極端子から行われる。前記理由から、直列接続のための金属性ブロックは、それぞれの端子から発生した熱を熱伝達により速やかに外部に放出させる。
前述した構成によれば、本発明のリチウム二次電池モジュールは、電池間の接続による接触抵抗を最小化し、且つ体積及び重さの増大を最小化し、電池から発生する熱を速やかに外部に放出させることにより、エネルギー密度を向上し、電池間の偏差による性能の低下を最小化する優れた効果を奏する。また、本発明は、モジュールの製作が簡単であり、且つ電池の電圧をチェックするための配線がないため、見かけ上好ましい。
以上、詳細な説明及び図面に基づいて説明し図示した部分は、本発明の好適な実施例を例示的に示したものであって、本発明は、これに限定されるものではなく、種々の変形及び変更が可能である。
単位リチウム二次電池の斜視図。 単位リチウム二次電池の斜視図。 本発明のリチウム二次電池モジュールの一部を構成する単位収容モジュールとこの単位収容モジュール間の結合関係を示す斜視図。 本発明のリチウム二次電池モジュールの一部を構成する金属性ブロックの一実施例を示す斜視図。 本発明のリチウム二次電池モジュールの一部を構成する配線基板の一実施例を示す斜視図。 本発明のリチウム二次電池モジュールの一部を構成する締付部材の一実施例を示す斜視図。 本発明のリチウム二次電池モジュールが組み立てられた状態を示す正面図、平面図、及び平面図に対する側面図。

Claims (7)

  1. リチウム二次電池モジュールであって、
    一方向に並んで突出し、それぞれ孔が形成された陽極端子と陰極端子を有し、これらの端子が互い違いに配列される複数の単位リチウム二次電池と；
    単位リチウム二次電池の陽極端子と陰極端子のそれぞれを収容し、固定孔が形成された開放形凹部を有する非金属性単位収容モジュールを複数連結してなる収容モジュールと；
    単位収容モジュールの各凹部内に配置された単位電池の陽極端子と陰極端子の少なくとも一つに接触するように配置され、固定孔と外部に突出した折曲形接触プレートを備えた金属性ブロックと；
    前記収容モジュールに対応する形状を有し収容モジュール上に載置され、収容モジュールの凹部に対応する凹部の一側に前記金属性ブロックの接触プレートに接触する銅配線が形成された配線基板と；
    前記収容モジュールの凹部、この凹部に配置される単位電池の陽極端子と陰極端子、これらの端子の少なくとも一つに接触するように配置される金属性ブロックの孔を挿通し固定され、これらの要素を固定させる締付部材と；
    を含むことを特徴とするリチウム二次電池モジュール。
  2. 前記単位電池の陽極端子と陰極端子をそれぞれ収容する金属性ブロックの二つの開放形凹部は、互いに逆向きにして開放されており、隣接する単位金属性ブロックの向かい合う開放形凹部間の結合により一つの収容溝が形成されることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池モジュール。
  3. 前記単位電池の本体の幅寸法、単位収容モジュールの幅寸法、前記隣接する単位金属性ブロックの開放形凹部間の結合により形成される収容溝の幅寸法は、実質的に同一であることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウム二次電池モジュール。
  4. 前記金属性ブロックは、銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金のいずれか一種よりなることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウム二次電池モジュール。
  5. 前記締付部材は、非金属性ボルト部材であることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池モジュール。
  6. 前記金属性ブロックの外部に突出した接触プレートは、配線基板の銅配線に融接されることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウム二次電池モジュール。
  7. 前記金属性ブロックの外部に突出した接触プレートは、配線基板の銅配線にクランプ固定されることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウム二次電池モジュール。
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