JP2013161792A - バッテリパック - Google Patents

Abstract

【課題】安全性を向上させることができるバッテリパックを提供する。
【解決手段】本発明にかかるバッテリパックは、バッテリアレイと、サイドプレートと、トップカバーと、エンドプレートとを備える。バッテリアレイは、第１方向に整列される複数のバッテリセルを備える。バッテリアレイは、第１−１、第１−２、第２−１、第２−２、第３−１、第３−２面の六面体に形成される。トップカバーは、前記バッテリアレイの第１−１面に備えられ、前記第１方向を基準として両側に補強フレームを備える。補強フレームは、垂直フレームおよび水平フレームを含み、断面の形状が「Ｌ」状に形成される。エンドプレートは、第３−１面および第３−２面に備えられ、前記トップカバーに固定される。サイドプレートは、第２−１面および第２−２面に備えられ、それぞれ第１−１面のトップカバーの両側面を加圧する据置部が形成される。さらに、前記サイドプレートには少なくとも１つ以上の第１軽量化孔が形成できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、バッテリパックに関するものである。

二次電池は、充電および放電が可能で繰り返し使用可能な電池であり、１つのバッテリセルからなり、携帯電話、ノートパソコン、コンピュータ、カメラ、カムコーダなどの携帯用小型電子機器に使用され得る。また、複数のバッテリセルを含むバッテリパックからなり、高出力のハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）などのモータ駆動用電源としても使用され得る。

ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などに用いられるバッテリは、高出力、高容量を実現しなければならない。このような理由から、複数のバッテリを１つの単位としてバッテリパックを構成し、このようなバッテリパックの複数個を電気的に直列または並列に連結することにより、大容量および高出力の電源として駆動する。

一方、ハイブリッド電気自動車の特性上、内部に備えられるバッテリパックは、振動などによって任意に離脱しないように固定されなければならない。バッテリパックは、冷却効果などを考慮して多様な方式で自動車の底面などに固定される。また、水冷式の冷却をするＨＥＶ、ＰＨＥＶ、ＥＶ電池は、冷却部材との接触性によって冷却効率が左右される。特に、バッテリパックを構成する各セルと冷却部材との接触応力が異なる場合、セル間の温度偏差を大きく誘発することがある。したがって、基本的に冷却部材とそれぞれのセルが十分かつ均一な応力を受けることができる構造の開発の必要性が台頭している。

本発明の課題は、バッテリパックの歪みを防止し、バッテリパックと冷却部材との接触応力を増加させる手段を提供することである。

また、本発明の課題は、バッテリパックを固定する際に発生する荷重を内部に備えられる複数のバッテリセルに均一に分散させる手段を提供することである。

本発明の一実施形態によれば、複数のバッテリセルを含むバッテリアレイと、前記バッテリアレイの一端面に位置するエンドプレートと、前記バッテリアレイの一側面に位置するサイドプレートと、前記バッテリアレイの少なくとも１つの面に補強フレームが備えられたカバーとを含むバッテリパックを提供する。

本発明において、前記カバーは、前記バッテリアレイ上の第１カバーと、前記第１カバーに締結された第２カバーとを含む。

本発明において、前記第１カバーは、側壁を含み、前記側壁に前記補強フレームが備えられ、前記補強フレームは、前記側壁の全長に沿って延びたＬ字状の断面を有する。

本発明において、前記側壁は、第１領域と前記第１領域から垂直に延びたＬ字状となり、前記補強フレームは、前記第１領域および第２領域の少なくとも１つに位置する。

本発明において、前記サイドプレートは、本体部と、前記本体部から垂直に延び、前記バッテリアレイを向いた据置部とを含み、前記据置部は、前記バッテリセルの少なくとも一部を覆い、前記側壁の第２領域と接触する。

本発明において、前記補強フレームは、前記側壁から突出した突出部を備え、前記据置部は、前記突出部を収容する締結孔を備える。

本発明において、前記補強フレームは、Ｕ字状の断面を有する。

本発明において、前記サイドプレートは、前記本体部に垂直に延び、前記バッテリアレイの外側を向く固定部を含み、前記固定部は、前記据置部と離隔しており、前記固定部に冷却部材が結合できる。

本発明において、前記カバーは、長手方向に沿って延びたガス抜きガイド部を備え、前記ガス抜きガイド部は、ガスの放出のための開口部を両端に備えた閉鎖されたチャネルである。

本発明において、前記一対のエンドプレートは、前記サイドプレートおよびカバーに連結される。

本発明において、前記補強フレームと前記カバーは、互いに異なる材料からなり、前記補強フレームは、ステンレス鋼、炭素鋼または鉄合金で製造できる。また、前記補強フレームは、少なくとも１つの孔を備えることができる。

本発明によれば、冷却部材とサイドプレートが直接固定されることにより、バッテリパックの歪みを防止し、バッテリパックと冷却部材との接触応力を増加させることができる。

また、本発明によれば、二重射出成形（特に、インサート射出成形）により補強フレームがトップカバーに備えられることにより、サイドプレートによる固定力が各バッテリセルに均一に分散されるようにする効果がある。

結論的に、本発明によれば、バッテリパックの歪みを防止して構造的安定性を向上させ、バッテリパックと冷却部材との接触応力を向上させることで冷却効率を増大させ、複数のバッテリセルの冷却効率を均一にすることにより、バッテリパックの寿命を増加させる効果がある。

バッテリアレイの態様を示す部分分解斜視図である。 バッテリパックの態様を示す分解斜視図である。 図２のバッテリパックの組立てられた態様を示す斜視図である。 補強フレームの多様な実施形態を示す斜視図である。 補強フレームの多様な実施形態を示す斜視図である。 補強フレームの多様な実施形態を示す斜視図である。 図４Ａないし図４Ｃの補強フレームが備えられたバッテリパックの態様を示す縦断面図である。 他の実施形態にかかる補強フレームの態様を示す斜視図である。 他の実施形態にかかる補強フレームの態様を示す斜視図である。 図６Ａの補強フレームに対応するサイドプレートの態様を示す斜視図である。 図６Ｂの補強フレームに対応するサイドプレートの態様を示す斜視図である。 図６Ａおよび図６Ｂの補強フレームが備えられたバッテリパックの態様を示す縦断面図である。 図６Ａの補強フレームが備えられたバッテリパックの態様を示す斜視図である。 図６Ｂの補強フレームが備えられたバッテリパックの態様を示す斜視図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。特別な定義や言及がない場合、本説明において、「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、各実施形態を通じて同一の図面符号は同一の部材を指し示す。

本発明にかかるバッテリパックは、バッテリアレイと、サイドプレートと、トップカバーと、エンドプレートとを備える。以下、各構成について詳細に説明する。

図１を参照して、本実施形態にかかるバッテリアレイを説明する。図１は、バッテリアレイの態様を示す分解斜視図である。

バッテリアレイは、第１方向（図中のＸ方向）に延びて整列される複数のバッテリセル１０を備える。バッテリセル１０は、第１電極端子１１と、第２電極端子１２とを備え、特定の状況で内部のガスを排出可能なベント部１３が形成されている。隣接するバッテリセル１０の間にはバリア１１５が介在し得る。バリア１１５にはスペーサ１１５ａが備えられ、隣り合わせの複数のバッテリセル１０を離隔させ、前記バッテリセル１０間の空間を形成させてバッテリセル１０を冷却させる冷媒の移動通路を提供することができる。一方、各バッテリセル１０は、隣接する他のバッテリセル１０の端子間を連結する。バッテリアレイ１００は、直方体状に配列される。以下では、説明の便宜のために、各バッテリセルの端子が整列されたＸＹ平面を第１−１面といい、第１−１面の対向面を第１−２面という。また、Ｘ軸方向を基準として第１−１面の両側面に沿って第１−２面まで形成されるＺＸ平面と平行な面を第２−１および第２−２面といい、Ｘ軸方向を基準として第１−１面の両端部から第１−２面まで形成されるＹＺ平面と平行な面を第３−１および第３−２面と仮定する。

図２および図３を参照して、エンドプレート、サイドプレートおよび冷却部材について説明する。

エンドプレート２００は、バッテリアレイ１００の第３−１面および第３−２面に備えられる。エンドプレート２００は、後述する冷却部材５００、トップカバー４００およびサイドプレート３００と固定される。固定方式には制限がない。例えば、ボルトやナットを用いて締結することができ、溶接により固定することもできる。

サイドプレート３００は、バッテリアレイ１００の第２−１面および第２−２面に備えられる。サイドプレート３００は、本体３１０と、据置部３１１とを含む。本体３１０は、バッテリアレイ１００の第２−１面および第２−２面に密着して備えられ、バッテリセル１０が離脱すること、またはバッテリアレイ１００が横方向に歪むことを防止する機能を果たす。据置部３１１は、本体３１０の上端から第１−１平面に沿って延在する。据置部３１１は、後述する第１カバー４１０の側面部を冷却部材５００方向Ｄ１に加圧する。一方、サイドプレート３００の本体３１０は、前述したエンドプレート２００に固定される。先に説明したように、固定方式には制限がない。一方、サイドプレート３００には少なくとも１つ以上の第１軽量化孔３２０が形成できる。電気自動車用などに用いられるバッテリパックの場合、サイドプレート３００の役割は構成を支持することだけでなく、軽量化することも重要である。したがって、バッテリパック１０００の構造の維持に必要な強度を保つ限り、サイドプレート３００には、個数および大きさに制限なく第１軽量化孔３２０を形成することができる。また、サイドプレート３００の下部には延長部３５１が形成される。延長部３５１は、バッテリアレイ１００の第２−１面および第２−２面に沿って延在する。延長部３５１の下端から外側に固定部３５２が形成される。固定部３５２は、後述する冷却部材５００にボルトなどを用いて固定可能である。サイドプレート３００が冷却部材５００に固定されることにより、据置部３１１がより強固にトップカバー４００の両側面を加圧することができる。一方、延長部３５１にも軽量化のための孔（図示せず）が形成できる。

第１−２面には冷却部材５００が具備できる。冷却部材５００は、冷媒流出入口５０１を２つ以上備え、冷媒を流出入させてバッテリパックを冷却させる構成である。この場合、エンドプレート２００とサイドプレート３００は、冷却部材５００に固定可能である。この場合にも、固定方式には制限がない。

図２ないし図５を参照して、トップカバーおよび補強フレームについて説明する。図４Ａないし図４Ｃは、補強フレームの多様な実施形態を示す斜視図であり、図５は、図４Ａないし図４Ｃの補強フレームが備えられたバッテリパックの態様を示す縦断面図である。

トップカバー４００は、第１カバー４１０と、第２カバー４５０とからなる。第１カバー４１０は、バッテリアレイ１００の上部に接するように備えられ、両端部がエンドプレート２００と固定される。第１カバー４１０には、各バッテリセル１０から排出可能なガスを外部に排出するために、ガス抜き（ｄｅｇａｓｓｉｎｇ）ガイド部４１２と、ガス抜き孔４１１とが形成される。

各バッテリセル１０の電極端子１１、１２は、取り囲んでいる端子カバー４３０によって短絡などの危険状態が防止される。また、バッテリパック１０００のは、連結された端子同士を空間的に区分する第１区画壁４２３を備え、ボルト、ナットまたはその他のそれらの代替物が挿入されて第１および第２電極端子１１、１２間で短絡するのを防止する。また、端子カバー４３０の側面の外側には、トップカバーの長手方向に沿って第２区画壁４２０が備えられる。

第１カバー４１０の上部には、異物などが侵入されるのを防止するために第２カバー４５０を備えることができる。すなわち、第２カバー４５０は、ガス抜きのために内部に流路が形成されているガス抜きガイド部４１２または異物の侵入から保護されるべき端子カバー４３０を覆うプレート状に形成され、締結孔４５１を介して第１カバー４１０にボルトなどで締結される。

一方、第１カバー４１０の場合、絶縁および異物侵入の防止が主な目的であるため、合成樹脂などの材質で形成して軽量化することが好ましい。しかし、この場合、サイドプレート３００の据置部３１１によってトップカバーの両側面に加えられる応力は一部分に集中する。この応力によって、バッテリパック１０００に歪みまたは撓みが生じ、構造的な安定性が害されることもある。このような理由から、以下に説明する補強フレームを備える。

本発明の実施形態においては、前記第１カバーが長手方向に沿って延びたガス抜きガイド部を備えており、前記ガス抜きガイド部は、ガスの放出のための開口部を両端に備え、バッテリセルから放出されたガスが前記開口部に向かってのみ排出されるように閉鎖されたのチャネル形態または流路形態となる。

まず、図４Ａに示されるように、補強フレーム４４０は、垂直フレーム４４１と、水平フレーム４４２とからなる。垂直フレーム４４１は、水平フレーム４４２の一側面から垂直に延在し、縦断面の形状が「Ｌ」状となるように形成される。一方、補強フレームの場合にも、軽量化のための孔を形成することができる。図４Ｂおよび図４Ｃに示されるように、四角形や円形などの第２軽量化孔４４３ａ、４４３ｂを少なくとも１つ以上形成することができる。すなわち、サイドプレート３００と同様に、補強フレーム４４０ａ、４４０ｂの最小強度を維持する限り、第２軽量化孔４４３ａ、４４３ｂは個数、大きさおよび形態に限定されず形成することができる。

補強フレームは、一定強度以上を維持するように金属材質で形成されることができ、特に、ステンレス鋼、炭素鋼、アルミニウム（Ａｌ）合金のうちのいずれか１つの金属材質で形成されるか、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）のうちの少なくともいずれか１つを含む特殊鋼で形成され得る。この場合、二重射出成形方式で補強フレーム４４０と第１カバー４１０を製造することが好ましい。特に、図５に示されるように、インサート射出成形方式によって垂直フレーム４４１が第１カバー４１０の第２区画壁４２０の内部に備えられ、水平フレーム４４２が第１カバー４１０の第２区画壁４２０の外側に延びた側面端部側４２１の内部に備えられることが好ましい。この時、前記第２区画壁４２０は、側壁の形態を有し、前記側壁は、第１領域と前記第１領域から垂直に延びたＬ字状となり得る。そして、前記補強フレームは、前記第１領域および第２領域の少なくとも１つに位置することも可能である。本発明の実施形態において、前記第１領域は前記第２区画壁４２０からなり、第２領域は前記側面端部側４２１からなる。

また、補強フレーム４４０の長さ、特に、水平フレーム４４２の長さは、前述した据置部３１１による応力を効率的に分散させるように、据置部３１１の長さより長く形成することが好ましい。

結論的に、補強フレーム４４０、４４０ａ、４４０ｂは、共通に垂直フレーム４４１および水平フレーム４４２が備えられることにより、バッテリアレイ１００またはバッテリパック１０００が垂直方向に撓むのを防止し、サイドプレート３００の据置部３１１による応力を各バッテリセル１０に均一に分散させる効果を得ることができる。

図６Ａないし図９Ｂを参照して、他の実施形態にかかるトップカバーおよび補強フレームについて説明する。図６Ａおよび図６Ｂは、他の実施形態にかかる補強フレームの態様を示す斜視図であり、図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ図６Ａおよび図６Ｂの補強フレームに対応するサイドプレートの一態様の斜視図である。また、図８は、図６Ａおよび図６Ｂの補強フレームが備えられたバッテリパックの態様を示す縦断面図であり、図９Ａおよび図９Ｂは、それぞれ図６Ａおよび図６Ｂの補強フレームが備えられたバッテリパックの一態様の斜視図である。

水平フレーム４４２の端部から上方に突出部４４５ａ、４４５ｂが形成できる。図６Ａに示されるように、単一の突出部４４５ａが形成されることができ、図６Ｂに示されるように、２つ以上の突出部４４５ｂが形成されることも可能である。この場合、補強フレーム４４０ｃ、４４０ｄがインサート射出成形方式により第１カバー４１０ａ、４１０ｂ内に備えられるため、突出部４４５ａ、４４５ｂは、第１カバー４１０ａ、４１０ｂを構成する合成樹脂によって取り囲まれて絶縁される。

また、図７Ａおよび図７Ｂに示されるように、サイドプレート３００の据置部３１１には、前述した突出部４４５ａ、４４５ｂに対応する締結孔３１２ａ、３１２ｂが形成される。すなわち、サイドプレート３００の据置部３１１には、突出部４４５ａ、４４５ｂの位置、大きさおよび個数に対応するように締結孔３１２ａ、３１２ｂが形成される。組立の際には、突出部４４５ａ、４４５ｂが締結孔３１２ａ、３１２ｂを貫通して突出した状態となる。突出部４４５ａ、４４５ｂと締結孔３１２ａ、３１２ｂとが締結されることにより、バッテリパックの構造的安定性が向上し、歪み現象がより低減される。また、先に説明したように、補強フレーム４４０ｃ、４４０ｄは、共通に垂直フレーム４４１および水平フレーム４４２が備えられることにより、バッテリアレイまたはバッテリパックが垂直方向に撓むのを防止し、サイドプレート３００ａ、３００ｂによる垂直方向の応力を各バッテリセル１０に均一に分散させる効果を得ることができる。

一方、図９Ａに示されるように、長さが長く形成された単一の突出部４４５ａは、据置部３１１ａの上部に突出した状態で他の垂直フレームのように機能することにより、構造的な安定性をより向上させる効果があり、図９Ｂに示されるように、第１カバー４１０ｂに複数の突出部４４５ｂが形成された場合には、サイドプレート３００ｂの据置部３１１ｂと第１カバー４１０ｂとの締結力を付加することにより、構造的な安定性を向上させる効果をさらに得ることができる。

一方、このように組立てられたバッテリパックは、外部端子４３１を介して隣接するバッテリパック同士が連結され、より大きい単位でバッテリモジュールを形成する。

以上、本発明の好ましい実施形態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形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に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パックで実現可能である。

１００：バッテリアレイ
２００：エンドプレート
３００：サイドプレート
３１０：サイドプレート本体
３１１：据置部
４００、４００ａ、４００ｂ：トップカバー
４１０、４１０ａ、４１０ｂ：第１カバー
４５０：第２カバー
４４０、４４０ａ、４４０ｂ、４４０ｃ、４４０ｄ：補強フレーム
１０００：バッテリパック

Claims (17)

1. 複数のバッテリセルを含むバッテリアレイと、
   前記バッテリアレイの一端面に位置するエンドプレートと、
   前記バッテリアレイの一側面に位置するサイドプレートと、
   前記バッテリアレイの少なくとも１つの面に補強フレームが備えられたカバーと、を含むことを特徴とするバッテリパック。
2. 前記カバーは、前記バッテリアレイ上の第１カバーと、前記第１カバーに締結された第２カバーとを含むことを特徴とする請求項１に記載のバッテリパック。
3. 前記第１カバーは、側壁を含み、前記側壁に前記補強フレームが備えられたことを特徴とする請求項２に記載のバッテリパック。
4. 前記補強フレームは、前記側壁の全長に沿って延びていることを特徴とする請求項１〜３に記載のバッテリパック。
5. 前記補強フレームは、Ｌ字状の断面を有することを特徴とする請求項１〜４に記載のバッテリパック。
6. 前記側壁は、第１領域と前記第１領域から垂直に延びたＬ字状となり、前記補強フレームは、前記第１領域および第２領域の少なくとも１つに位置することを特徴とする請求項３〜５に記載のバッテリパック。
7. 前記サイドプレートは、本体部と、前記本体部から垂直に延び、前記バッテリアレイを向いた据置部とを含み、前記据置部は、前記バッテリセルの少なくとも一部を覆うことを特徴とする請求項１〜６に記載のバッテリパック。
8. 前記サイドプレートの据置部は、前記側壁の第２領域と接触することを特徴とする請求項７に記載のバッテリパック。
9. 前記補強フレームは、前記側壁から突出した突出部を備えることを特徴とする請求項３〜７に記載のバッテリパック。
10. 前記据置部は、前記突出部を収容する締結孔を備えることを特徴とする請求項７〜９に記載のバッテリパック。
11. 前記補強フレームは、Ｕ字状の断面を有することを特徴とする請求項１〜１０に記載のバッテリパック。
12. 前記サイドプレートは、前記本体部に垂直に延び、前記バッテリアレイの外側を向く固定部を含み、前記固定部は、前記据置部と離隔していることを特徴とする請求項７〜１１に記載のバッテリパック。
13. 前記固定部に冷却部材が結合されたことを特徴とする請求項１２に記載のバッテリパック。
14. 前記エンドプレートは、前記サイドプレートおよび前記カバーに連結されたことを特徴とする請求項１〜１３に記載のバッテリパック。
15. 前記補強フレームと前記カバーは、互いに異なる材料からなることを特徴とする請求項１〜１４に記載のバッテリパック。
16. 前記補強フレームは、ステンレス鋼、炭素鋼または鉄合金からなることを特徴とする請求項１〜１５に記載のバッテリパック。
17. 前記補強フレームは、少なくとも１つの孔を備えたことを特徴とする請求項１〜１６に記載のバッテリパック。