JP2015028957A - モジュールの設計構造に柔軟性を有するバッテリーモジュール、並びにそのバッテリーモジュールを含む中型および大型のバッテリーパック - Google Patents

モジュールの設計構造に柔軟性を有するバッテリーモジュール、並びにそのバッテリーモジュールを含む中型および大型のバッテリーパック Download PDF

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Abstract

【課題】最小化された空間的制約および効果的な冷却構造を有する中型または大型のバッテリーパックを提供することができる構造で構成されるバッテリーモジュールを提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、複数の板状バッテリーセルが連続的に積層されたバッテリーモジュールに関する。バッテリーモジュールは、積層されかつ連続的に接続された少なくとも2つのバッテリーセルでバッテリーモジュールが構成されることと、バッテリーセルユニットが、互いに接触し、かつ並列に接続されて筐体の中に埋め込まれた少なくとも2つのバッテリーセルで構成されることと、バッテリーモジュールの外部の入力端子および出力端子であるモジュールアノード端子およびモジュールカソード端子が、バッテリーモジュールを構成するバッテリーセルユニットの数によって、バッテリーモジュールの同一側部に設置されるかまたはバッテリーモジュールの対向側部に設置されることを特徴とする。【選択図】図１０

Description

本出願は、その開示が参照により本明細書に組み込まれている、2009年4月1日に韓国特許商標庁に出願した韓国特許出願公開第2009-0027937号の優先権および利益を主張するものである。
本発明は、モジュールの構造の設計において柔軟性を有するバッテリーモジュールおよびそのバッテリーモジュールを含むバッテリーパックに関し、より詳細には、連続的に積み重ねられた複数の板状バッテリーセルを有するバッテリーモジュールであって、バッテリーセルユニットが積み重ねられた状態で2つ以上のバッテリーセルユニットが互いに直列に接続される構造でバッテリーモジュールが構成され、各バッテリーセルユニットが、2つ以上のバッテリーセルが互いに密接して筐体の中に装着される状態で互いに並列に接続される構造で構成され、バッテリーモジュールの外部入力端子および外部出力端子、すなわちモジュールカソード端子およびモジュールアノード端子が、バッテリーモジュールを構成するバッテリーセルユニットの数に応じて、バッテリーモジュールの同一側部（same side）または対向側部（opposite sides）に配置される、バッテリーモジュールに関する。
近年、充電および放電が可能な二次電池が、無線携帯装置(wireless mobile device)のためのエネルギー源として幅広く使用されている。また、二次電池は、化石燃料を使用する現存のガソリン車両およびディーゼル車両によって引き起こされる、大気汚染などの問題を解決するために開発されている電気車両(EV)、ハイブリッド電気車両(HEV)、およびプラグインハイブリッド電気車両(Plug-in HEV)の動力源として、かなり注目を引きつけている。
小型の携帯装置は、各装置に対して1つまたは複数のバッテリーセルを使用する。一方、車両などの中型または大型の装置は、高出力および大容量が、中型または大型の装置のために必要であるので、互いに電気的に接続された複数のバッテリーセルを有する中型または大型のバッテリーモジュールを使用する。
好ましくは、中型または大型のバッテリーモジュールは、できるだけ小型かつ軽量であるように製造される。このため、高い集積度で積み重ねが可能であり、かつ容量に対する重量の比が小さい角形のバッテリー(prismatic battery)またはパウチ形のバッテリー(pouch-shaped battery)が、通常、中型または大型のバッテリーモジュールのバッテリーセル(ユニットバッテリー)として使用される。特に、近年、パウチ形のバッテリーの重量は小さく、その製造コストは低く、その形状を改変することは容易であるので、外装部材(sheathing member)としてアルミニウムの積層板(laminate sheet)を使用するパウチ形のバッテリーに、多大の関心がよせられている。
図1は、従来の代表的なパウチ形のバッテリーを典型的に示す斜視図である。図1に示すパウチ形のバッテリー10は、2つの電極端子11,12が、互いに対向しながら、バッテリー本体13の上端および下端からそれぞれ突出する構造で構成される。外装部材14は、上部外装部分と下部外装部分とを含む。すなわち、外装部材14は、2つのユニットからなる部材(two-unit member)である。電極組立体(図示せず)は、外装部材14の上部外装部分と下部外装部分との間に画定された受容部(receiving part)の中に受容される。外装部材14の上部外装部分の接触領域である対向側部14b、上端14aおよび下端14cと、下部外装部分の接触領域である対向側部14b、上端14aおよび下端14cとが互いに接着され（bonded）、それによってパウチ形のバッテリー10が製造される。外装部材14は、樹脂層/金属フィルム層/樹脂層の積層構造で構成される。その結果、外装部材14の上部外装部分の対向側部14b、上端14aおよび下端14cと、下部外装部分の対向側部14b、上端14aおよび下端14cとに互いに熱と圧力とをかけてそれらの樹脂層を互いに溶着することによって、互いに接触している外装部材14の上部外装部分の対向側部14b、上端14aおよび下端14cと、下部外装部分の対向側部14b、上端14aおよび下端14cとを接着することができる。状況に応じて、外装部材14の上部外装部分の対向側部14b、上端14aおよび下端14cと、下部外装部分の対向側部14b、上端14aおよび下端14cとは、接着剤を使用して互いに接着されてよい。外装部材14の対向側部14bに対して、外装部材14の上部外装部分および下部外装部分の同じ種類の樹脂層が、互いに直接、接触しており、それにより外装部材14の対向側部14bにおいて均一な密閉が、溶接によって達成される。その一方で、外装部材14の上端14aおよび下端14cに対して、電極端子11および電極端子12が、それぞれ、外装部材14の上端14aおよび下端14cから突出する。このため、外装部材14の密閉性を高めるために、電極端子11、12の厚さ、および電極端子11、12と外装部材14との間の材料の違いを考慮して、フィルム状のシール部材16が電極端子11、12と外装部材14との間に介挿されながら、外装部材14の上部外装部分の上端14aおよび下端14cと、下部外装部分の上端14aおよび下端14cとが、互いに熱的に溶接される。
しかし、外装部材14の機械的強度は低く、そのため安定的な構造を有するバッテリーモジュールを製造するために、複数のバッテリーセル(ユニットバッテリー)が、カートリッジ(cartridge)などのパックケース(pack case)の中に装着される。しかし、この場合、中型または大型のバッテリーモジュールが据え付けられる装置または車両は、限定された据え付け空間を有する。その結果、バッテリーモジュールのサイズが、カートリッジなどのパックケースの使用によって大きくなると、空間利用度が低くなる。また、バッテリーセルは、機械的強度が低いため、バッテリーセルの充放電の間に膨張と収縮とを繰り返し、結果として外装部材の熱的に溶接された領域が、互いに容易に分離されることがある。
一方で、そのような中型または大型のバッテリーモジュールを構成するバッテリーセルは、充電および放電が可能な二次電池である。その結果、バッテリーの充放電の間に、高出力で大容量の二次電池から、大量の熱が生成される。特にバッテリーモジュールの中で広く使用されるパウチ形のバッテリーそれぞれの積層板は、バッテリーの表面に塗布された、低熱伝導率を示すポリマー材料を有し、結果としてバッテリーセルの全体的な温度を効率的に低下させることは困難である。
バッテリーモジュールの充放電の間にバッテリーモジュールから生成された熱が、効率的に除去されない場合、熱はバッテリーモジュールの中に蓄積し、結果としてバッテリーモジュールの劣化が加速される。状況次第では、バッテリーモジュールが、着火または爆発する可能性がある。このため、高出力で大容量のバッテリーである車両用バッテリーパックにおいて、バッテリーパックの中に装着されたバッテリーセルを冷却するために、冷却システムが必要である。
中型または大型のバッテリーモジュールの中に装着される各バッテリーモジュールは、一般に、複数のバッテリーセルを高集積度で積み重ねることによって製造される。隣り合うバッテリーセルの電極端子は、互いに電気的に接続される。
図2は、従来の代表的なバッテリーモジュールの電気的接続構造を典型的に示す斜視図である。
図2を参照すると、バッテリーモジュール50は、複数のバッテリーセルユニット20が、積み重ね方式で互いに直列に接続され、かつ2つのバッテリーセル10が、それぞれのバッテリーセルユニット20の中で互いに直列に接続される構造で構成される。
このため、バッテリーモジュール50において、バッテリーモジュール40の電極端子11および電極端子12は、バッテリーセルユニット20の数に関係なく同じ側に配置され、結果としてバッテリーモジュール50は、制約のある形態で構成される。
また、バッテリーが、空冷方式で冷却される場合は、流れ空間が、バッテリーモジュールの構造を考慮して形成される。しかし、上述したように、電極端子が同一側部に配置されるバッテリーモジュールに対して、冷却構造もまた、制約を受ける。
一方、電気車両およびプラグインハイブリッド電気車両などの車両システムに対する需要のように、大容量バッテリーパックを要求することが増大しており、高出力で大容量のバッテリーモジュールに対する需要もまた、増大している。これに対し、図2に示すような構造を有するバッテリーモジュール50の全容量は、バッテリーセルユニット20を構成する各バッテリーセル10に基づいて実質的に決定され、結果として所望の大容量バッテリーパックを製造することは制限される。
その結果、高出力および大容量をもたらし、制限された空間および冷却構造に基づいて柔軟に構成されるバッテリーモジュールに対する高い必要性がある。
このために、本発明は、上記の問題、およびこれから解決されるべき他の技術的問題を解決するためになされた。
本発明の第1の目的は、互いに並列に接続されたバッテリーセルをそれぞれ有する複数のバッテリーセルユニットが、バッテリーモジュールが種々の形態で構成されるように互いに直列に接続され、その結果、最小化された空間的制約および効果的な冷却構造を有する中型または大型のバッテリーパックを提供することができる構造で構成されるバッテリーモジュールを提供することにある。
本発明の第2の目的は、バッテリーセルの低い機械的強度を効果的に補強しながら、バッテリーモジュールの重量およびサイズの増加を最小化するバッテリーセルユニットを含むバッテリーモジュールを提供することにある。
本発明の第3の目的は、上記のように構成されたバッテリーモジュールを含む中型または大型のバッテリーパックを提供することにある。
本発明の一態様によれば、上記および他の目的は、連続的に積み重ねられた複数の板状バッテリーセルを有するバッテリーモジュールであって、バッテリーセルユニットが積み重ねられた状態で2つ以上のバッテリーセルユニットが互いに直列に接続される構造でバッテリーモジュールが構成され、各バッテリーセルユニットが、2つ以上のバッテリーセルが互いに密接して筐体の中に装着される状態で互いに並列に接続される構造で構成され、バッテリーモジュールの外部入力端子および外部出力端子、すなわちモジュールカソード端子およびモジュールアノード端子が、バッテリーモジュールを構成するバッテリーセルユニットの数に応じて、バッテリーモジュールの同一側部または対向側部に配置される、バッテリーモジュールを提供することにより達成される。
一般に、バッテリーモジュールは、バッテリーセルユニットが互いに直列に接続される状態で積み重ねられる構造で構成され、各バッテリーセルユニットは、バッテリーセルが互いに直列に接続される構造で構成される。しかし、この構造では、バッテリーモジュールの外部入力端子および外部出力端子が、バッテリーモジュールの同一側部に配置され、その結果としてバッテリーモジュールの全体構造およびバッテリーモジュールの冷却構造を柔軟に設計することはできない。また、バッテリーモジュールの容量は、1つのバッテリーセルの容量に基づいて実質的に決定され、その結果として大容量のバッテリーモジュールを製造することは制限される。
これに対し、本発明によるバッテリーモジュールは、バッテリーセルユニットが互いに直列に接続され、バッテリーセルユニットのそれぞれを構成するバッテリーセルが互いに並列に接続される構造で構成される。したがって、バッテリーモジュールの外部入力端子および外部出力端子を、バッテリーセルユニットの数に応じて、バッテリーモジュールの同一側部または対向側部に配置することができる。その結果、バッテリーモジュールを所望の構造に基づいて容易に構成することができる。また、バッテリーモジュールの容量は、バッテリーセルユニットのそれぞれを構成するバッテリーセルの数に比例して決定され、その結果、大容量のバッテリーモジュールを製造することができる。
各板状バッテリーセルは、板状バッテリーセルが積み重ねられてバッテリーモジュールを構成する場合に、板状バッテリーセルの全体的なサイズを最小化するのに十分な、小さい厚みならびに比較的大きな幅および長さを有する二次電池である。
好ましい一例では、各板状バッテリーセルは、樹脂層および金属層を含む積層板で形成されるバッテリーケースの中に装着された、カソード/セパレータ/アノード構造の電極組立体を含む二次電池であってよく、二次電池は、カソード端子およびアノード端子がバッテリーケースの対向端から突出する構造で構成されてよい。具体的には、各板状バッテリーセルは、電極組立体が、アルミニウムの積層板で形成されたパウチ形のケースの中に装着される構造で構成されてよい。また、上記の構造を有する二次電池は、パウチ形のバッテリーセルと称されてよい。
別の好ましい例では、各板状バッテリーセルは、気密にシールされた状態で電解液と共に角形の容器の中に設置された、カソード/セパレータ/アノード構造の電極組立体を含む、角形のバッテリーセルであってよい。この場合、角形のバッテリーセルはまた、カソード端子およびアノード端子が角形の容器の対向端から突出する構造で構成されてよい。
一方、上記のように、各バッテリーセルユニットは、2つ以上のバッテリーセルが互いに並列に接続される状態で筐体の中に装着される構造で、構成されてよい。好ましくは、各バッテリーセルユニットは、2つのバッテリーセルが互いに並列に接続される構造で、構成される。バッテリーセルユニットのそれぞれが6面体構造で構成されることが、好ましい。
好ましい一例では、筐体が、互いに結合され、バッテリーセルのカソード端子およびアノード端子を除いて、互いに密接する2つ以上のバッテリーセル(バッテリーセル積層体)の外側全体を取り囲む構造で、構成されてよい。筐体は、機械的強度が低いバッテリーセルを保護し、バッテリーセルの充放電の間にバッテリーセルが膨張と収縮とを繰り返すことによるバッテリーセルの変形を抑制し、各バッテリーセルのシール部が互いに分離されることを防止する。したがって、筐体の材料は、筐体が上記のような効果をもたらす限り、特には限定されない。好ましくは、筐体は金属で作製される。
各筐体は、バッテリーセル積層体の外形に対応する内部構造を有する。好ましくは、筐体は、付加的な結合部材が使用されない組み立て方式で、互いに結合される。例えば、筐体は、筐体が互いに面する状態で互いに接触状態になると筐体のセクション結合部分が互いに結合される構造で、構成されてよい。好ましくは、筐体は、互いに面するように互いに接触する状態で筐体に力が加えられた場合に、筐体のセクション結合部分が弾性結合により互いに係合される雌雄連結構造(male and female coupling structure)で、構成される。雌雄連結構造の具体例を、図5に示すが、本発明は図５に限定されるものではない。
一方、二次電池の充放電の間に熱が二次電池から生成され、生成された熱を二次電池から効果的に放出することが、二次電池の寿命を延ばすことにおいて非常に重要である。このため、各筐体は、高い熱伝導率を示す金属板で作製され、それによって筐体の中に装着されたバッテリーセルから生成された熱は、容易に外部に放出される。
好ましい一例では、各筐体には、筐体の外側に、複数の直線的な隆起部(protrusion)が設けられてもよく、該複数の直線的な隆起部は、互いに各筐体の長手方向に隔置される。好ましくは、1つの突起部(projection)が上端の隆起部において形成され、上端の隆起部において形成された突起部の形状と逆の形状に形成された別の突起部が、下端の隆起部において形成される。したがって、複数のバッテリーモジュールが積み重ねられると、1つのバッテリーモジュールの突起部が、隣り合うバッテリーモジュールの突起部に合致し、それによりバッテリーモジュールの積み重ねられる位置が反転されるか、または、ずれることが防止される。
この構造では、個々の突起部を有する隆起部のそれぞれは、突起部のうちの対応する1つの周りで不連続となる構造で構成されることが好ましい。その結果、冷却剤(例えば、空気)は、バッテリーモジュールが積み重ねられた状態で筐体の横方向だけでなく、長手方向にも流れることができ、それにより冷却効率がさらに向上される。
状況に応じて、隆起部の大部分は、長手方向の空気の流れが更に加速されるように、各隆起部の対向端の間の距離が各筐体の幅より小さい構造で、構成されてよい。
筐体は、バッテリーモジュールが所定のフレーム部材に結合されるときに、バッテリーモジュールの容易な取り付けを達成するために、筐体の対向側部には段(step)が設けられてよい。好ましくは、バッテリーモジュールの容易な取り付けを達成するために、所定のサイズをそれぞれ有する段が、筐体の上端および下端に隣り合う筐体の対向側部に、形成される。状況に応じて、段は、筐体の左端および右端に隣り合う筐体の対向側部に、形成される。より好ましくは、モジュールをより確実に取り付けるために、段は、筐体の上端および下端だけでなく、左端および右端にも形成される。
一方、バッテリーモジュール中のバッテリーセルが互いに直列に接続され、1つのバッテリーモジュールのバッテリーセルと、別の隣り合うバッテリーモジュールの別のバッテリーセルとが互いに直列に接続される。好ましい一例では、複数のバッテリーモジュールを製造するために、所定の数の筐体によって取り囲まれるバッテリーセルユニットの隣り合う電極端子が、バッテリーセルユニットが積み重ねられた状態で互いに結合される。
したがって、前述したように、バッテリーモジュールの外部入力端子および外部出力端子は、バッテリーセルユニットの数に応じて柔軟に配置されてよい。例えば、バッテリーモジュールが奇数のバッテリーセルユニットを含む場合、モジュールカソード端子およびモジュールアノード端子は、バッテリーモジュールの対向側部に配置されてよい。一方、バッテリーモジュールが偶数のバッテリーセルユニットを含む場合、モジュールカソード端子およびモジュールアノード端子は、バッテリーモジュールの同一側部に配置されてよい。
バッテリーセルの電極端子は、溶接、はんだ付けおよび機械的結合など、種々の方法を使用して互いに結合されてよい。好ましくは、バッテリーセルの電極端子は、溶接によって互いに結合される。
一方、中型または大型のバッテリーパックは、高出力と大容量とを確実にするために、複数のバッテリーモジュールを使用する。限定された据え付け空間の中でバッテリーパックの安全性を確実にするために、バッテリーパックを構成するバッテリーモジュールは、より高い据え付け効率、より高い構造安定性、およびより高い熱拡散効率を示すことが必要である。
したがって、本発明の別の態様によれば、所望の出力および容量に基づいてバッテリーモジュールを組み合わせることによって製造される中型または大型のバッテリーパックが提供される。
中型または大型のバッテリーパックは、バッテリーモジュールを種々の形で配置することによって、種々の構造で構成されてよい。すなわち、バッテリーモジュールのそれぞれの外部入力カソード端子および外部出力カソード端子(モジュールカソード端子)ならびにバッテリーモジュールのそれぞれの外部入力アノード端子および外部出力アノード端子(モジュールアノード端子)が、バッテリーモジュールのそれぞれの同一側部に配置される場合は、バッテリーモジュールは、バッテリーモジュールのそれぞれの横方向に配置されてよい。一方、モジュールカソード端子およびモジュールアノード端子が、バッテリーモジュールのそれぞれの対向側部に配置される場合は、バッテリーモジュールは、バッテリーモジュールのそれぞれの長手方向に配置されてよい。また、バッテリーパックは、バッテリーモジュールが、バッテリーモジュールのそれぞれの横方向および長手方向に同時に配置される構造で構成されてよい。
バッテリーモジュールが、バッテリーモジュールのそれぞれの長手方向に配置されてよい構造で構成された中型または大型のバッテリーパックでは、バッテリーパックは、空冷式冷却構造で構成されることが好ましい。より好ましくは、冷却剤の駆動力は、吸引ファンでもたらされてよい。
すなわち、バッテリーモジュールが、バッテリーモジュールのそれぞれの長手方向に配置されてよい構造では、横方向に配置される従来のバッテリーパックに対して密閉性および冷却剤の流れの方向のために適用できない吸引式冷却構造を、容易に使用することができ、それゆえ、吹き出し式冷却構造で引き起こされる大きな騒音の発生を防止できる。
前述したように、本発明によるバッテリーパックは、空冷式冷却構造で構成されるので、バッテリーモジュールの特性および構築(construction)に応じて、バッテリーモジュールの長手方向および横方向におけるバッテリーモジュールの柔軟な配置が可能である。バッテリーモジュールのそのような柔軟な構築は、冷却ファンおよび空気流構造の据え付け位置に関連する要因に対して種々の設計を可能にし、そのことは極めて好ましい。
状況に応じて、バッテリーパックは、冷却剤の駆動力が吸引ポンプでもたらされる水冷式冷却構造で構成されてよい。
本発明による中型または大型のバッテリーシステムは、所望の出力および容量に基づいてバッテリーパックを組み合わせることによって製造されてよい。バッテリーシステムは、据え付け効率、構造的安定性、および冷却効率を考慮して、限られた据え付け空間を有する電気車両、ハイブリッド電気車両、またはプラグインハイブリッド電気車両に使用されてよい。特に、本発明によるバッテリーシステムは、高出力および大容量を必要とする電気車両またはプラグインハイブリッド電気車両において、より好適に用いられる。
本発明の上記および他の目的、特徴および他の利点は、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明から、より明確に理解される。
従来の代表的なパウチ形のバッテリーを示す斜視図である。 従来の代表的なバッテリーモジュールの電気的接続構造を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るバッテリーユニットセルを組み立てるための一連の工程を示す典型的な図である。 本発明の一実施形態に係るバッテリーユニットセルを組み立てるための一連の工程を示す典型的な図である。 本発明の一実施形態に係るバッテリーユニットセルを組み立てるための一連の工程を示す典型的な図である。 本発明の一実施形態に係るバッテリーユニットセルを組み立てるための一連の工程を示す典型的な図である。 本発明の一実施形態に係るバッテリーモジュールを示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る、互いに結合された偶数のバッテリーセルユニットを有するバッテリーモジュールの電気的接続構造を示す典型的な図である。 バッテリーパックフレームに装着された図8のバッテリーモジュールを示す斜視図である。 本発明の別の実施形態に係る、互いに結合された奇数のバッテリーセルユニットを有するバッテリーモジュールの電気的接続構造を示す典型的な図である。 バッテリーパックフレームに装着された図10のバッテリーモジュールを示す斜視図である。 バッテリーモジュールのうちの1つが図9に示される複数のバッテリーモジュールを積み重ねることによって製造された中型または大型のバッテリーパックを示す斜視図である。 バッテリーモジュールのうちの1つが図11に示される複数のバッテリーモジュールを積み重ねることによって製造された中型または大型のバッテリーパックを示す斜視図である。
次に、本発明の例示的な実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、示された実施形態によって限定されないことに留意されたい。
図3〜図6は、本発明の一実施形態に係るバッテリーユニットセルを組み立てるための一連の工程を典型的に示す図である。
最初に図3を参照すると、2つのパウチ形のバッテリーセル100aおよびバッテリーセル100bは、カソード端子110aおよびカソード端子110bが重ね合わされ、アノード端子120aおよびアノード端子120bが重ね合わされ、重ね合わされた電極端子が溶接によって互いに並列に接続されるように、積み重ねられる。
図4は、図3のバッテリーセル積層体100の外側全体を取り囲むように構成された、高強度金属筐体を示す。金属筐体200は、機械的強度が低いバッテリーセルを保護し、バッテリーセルの充放電の間にバッテリーセルが繰り返し膨張および収縮することによるバッテリーセルの変形を抑制し、それぞれのバッテリーセルのシール部が、互いに分離されるのを防止する。金属筐体200は、一対の左筐体211および右筐体212を含む。左筐体211および右筐体212は、追加の結合部材を使用することなく、互いに結合されてよい。
金属筐体200の結合構造を、図5に詳細に示す。図5は、金属筐体200の部分的拡大図を含む金属筐体200の斜視図である。図5を参照すると、金属筐体211および金属筐体212が互いに面するように互いに接触する状態で、金属筐体211および金属筐体212に力が加えられると、金属筐体211および金属筐体212は、弾性結合によって互いに係合される雌雄連結構造で互いに結合される。
雌雄連結構造は、図5(A)に示されるように、構成することができ、金属筐体212に形成された四角形の結合隆起部222aが、金属筐体211に形成された四角形の結合穴221aの中で結合されている。あるいは、雌雄連結構造は、図5(B)に示されるように、構成することができ、金属筐体212に形成された半球状の結合隆起部222bが、金属筐体211に形成された円形の結合穴221bの中で結合されている。
金属筐体間で結合する間、四角形の結合隆起部222aまたは半球状の結合隆起部222bは、四角形の結合穴221aまたは円形の結合穴221bの中に係合され、結果として四角形の結合隆起部222aまたは半球状の結合隆起部222bが、四角形の結合穴221aまたは円形の結合穴221bの中にしっかりと結合され、それにより高い結合力がもたらされる。その結果、金属筐体211および金属筐体212を組み立てるために、追加の結合部材を設けることなく、または追加的な結合部材製造工程を実施することなく、金属筐体間で強い機械的結合を達成することができる。そのような簡単な結合構造は、大量生産に特に適している。
しかし、雌雄連結構造は、図5(A)および図5(B)に示されるような形状に限定されないことに留意されたい。
図6は、本発明の一実施形態に係る例示的なバッテリーセルユニットを示す斜視図である。
図6を参照すると、バッテリーセルユニット300は、積み重ねられたバッテリーセル100を含むバッテリーセル積層体が、バッテリーセル100の低い機械的強度を補うために、金属筐体200の中に装着される構造で構成される。各バッテリーセルの一方側において、個別のバッテリーセルのカソード端子120が、溶接によって互いに並列に接続され、かつ「[」形に曲げられている。各バッテリーセルの他方側において、個別のバッテリーセルのアノード端子121が、隣り合うバッテリーセルユニットの対応する電極端子に結合されるように、外側に向けて曲げられている。
金属筐体200は、バッテリーセル積層体100の外側全体が、バッテリーセルの電極端子を除いて金属板で取り囲まれる方式で互いに結合される、一対の高強度金属板を含む。金属筐体200は、バッテリーセルユニットの容易な取り付けを達成するために、金属筐体200の左側部および右側部には、段240が設けられる。また、金属筐体200は、バッテリーセルユニットの容易な取り付けを達成するために、金属筐体200の上端および下端には、段250が設けられる。さらに、金属筐体200には、バッテリーセルユニットの容易な積み重ねを達成するために、金属筐体200の上端および下端に隣り合う領域には、横向きの取り付け部260が設けられる。金属筐体200の外側に、バッテリーセルユニットの長手方向に互いに隔置された、複数の直線状の隆起部が形成される。突起部231が、上端の隆起部において形成される。突起部231の形状と反対の形状に構成された別の突起部232が、下端の隆起部において形成される。
図7は、複数の積み重ねられたバッテリーセルユニット300を含むバッテリーモジュール400を示す斜視図である。
図7を参照すると、本発明によるバッテリーモジュール400は、4つのバッテリーセルユニット300、すなわち8つのバッテリーセル100を含む。
図8は、互いに結合された偶数のバッテリーセルユニットを有するバッテリーモジュールの電気的接続構造を示す典型的な図であり、図9は、バッテリーパックフレームに装着された図8のバッテリーモジュールを典型的に示す斜視図である。
これらの図を参照すると、バッテリーモジュール400aは、4つのバッテリーセルユニット300を含む。個別のバッテリーセルユニット300は、モジュールカソード端子410およびモジュールアノード端子420が、バッテリーモジュール400aの同一側部に配置されるように、互いに直列に接続される。
図10は、互いに結合された奇数のバッテリーセルユニットを有するバッテリーモジュールの電気的接続構造を示す典型的な図であり、図11は、バッテリーパックフレームに装着された図10のバッテリーモジュールを典型的に示す斜視図である。
これらの図を参照すると、バッテリーモジュール400bは、5つのバッテリーセルユニット300を含む。各バッテリーセルユニット300は、モジュールカソード端子410およびモジュールアノード端子420が、中型または大型のバッテリーモジュール400bの対向側部に配置されるように、互いに直列に接続される。
したがって、バッテリーモジュール400a、400bの外部入力端子および外部出力端子、すなわちモジュールカソード端子410およびモジュールアノード端子420を、バッテリーモジュール400a、400bを構成するバッテリーセルユニット300の数に応じて柔軟に配置することができる。
図12は、バッテリーモジュールのうちの1つが図9に示される複数のバッテリーモジュールを相互接続することによって製造された中型または大型のバッテリーパックを典型的に示す斜視図である。
図12を参照すると、中型または大型のバッテリーパック500aは、互いに隣り合って配置された2つのバッテリーモジュール400aを含む。各バッテリーモジュール400aのモジュールカソード端子410およびモジュールアノード端子420は、各バッテリーモジュール400aの同一側部に配置される。バッテリーモジュール400aは、各バッテリーモジュール400aの横方向Wに配置された状態で、互いに接続される。
図13は、バッテリーモジュールのうちの1つが図11に示される複数のバッテリーモジュールを積み重ねることによって製造された中型または大型のバッテリーパックを示す斜視図である。
図13を参照すると、中型または大型のバッテリーパック500bは、互いに隣り合って配置された4つの中型または大型のバッテリーモジュール400bを含む。各バッテリーモジュール400bのモジュールカソード端子410およびモジュールアノード端子420は、バッテリーモジュール400bのそれぞれの対向側部に配置される。バッテリーモジュール400bは、中型または大型のバッテリーモジュール400bのそれぞれの横方向Wおよび長手方向Lに配置された状態で、互いに接続される。
この構造では、中型または大型のバッテリーパック500bは、冷却剤が流れる方向と同じ方向の長手方向Lに配置され、結果として横方向Wに配置された中型または大型のバッテリーパック500bには適用できない吸引式冷却構造(図示せず)を容易に使用することができ、したがって所望の冷却構造を提供しつつ低騒音の中型または大型のバッテリーパックを製造することができる。
また、複数のバッテリーモジュール400a，400bを、所望の構造にしたがって互いに接続することができ、それにより高出力および大容量を有する中型または大型のバッテリーパックが製造される。
本発明の例示的な実施形態を、例示を目的として開示してきたが、添付の特許請求の範囲に開示するような本発明の要旨および趣旨を逸脱することなく、種々の変更形態、付加形態および置換形態が可能であることは、当業者には理解されよう。
上記の説明から明らかなように、本発明に係るバッテリーモジュールは、バッテリーセルが互いに並列に接続されて、バッテリーセルの低い機械的強度を効果的に補強しながらバッテリーモジュールの重量およびサイズの増大を最小化するバッテリーセルユニットを構成し、複数のバッテリーセルユニットが互いに直列に接続されて、バッテリーセルユニットの数に応じてバッテリーモジュールの横方向およびバッテリーモジュールの長手方向に柔軟な構造を有するバッテリーモジュールを構成し、それにより空間的制約を最小化しかつ効果的な冷却構造を設けながら、高出力および大容量をもたらすことができるバッテリーパックを提供する構造で、構成される。
10 バッテリー
11、12 電極端子
13 バッテリー本体
14 外装部材
14a 外装部分の上端
14b 外装部分の対向側部
14c 外装部分の下端
16 シール部材
20 バッテリーセルユニット
40、50 バッテリーモジュール
100 バッテリーセル積層体
100a、100b バッテリーセル
110a、110b カソード端子
120 カソード端子
120a、120b アノード端子
121 アノード端子
200、211、212 金属筐体
221a 四角形の結合穴
221b 円形の結合穴
222a 四角形の結合隆起部
222b 半球状の結合隆起部
231、232 突起部
240、250 段
260 横向きの取り付け部
300 バッテリーセルユニット
400、400a、400b バッテリーモジュール
410 モジュールカソード端子
420 モジュールアノード端子
500a、500b バッテリーパック

Claims (19)

  1. 連続的に積み重ねられた複数の板状バッテリーセルを有するバッテリーモジュールであって、
    バッテリーセルユニットが積み重ねられた状態で2つ以上のバッテリーセルユニットが互いに直列に接続される構造で前記バッテリーモジュールが構成され、
    前記バッテリーセルユニットのそれぞれが、2つ以上のバッテリーセルが互いに密接して筐体の中に装着される状態で互いに並列に接続される構造で構成され、
    前記バッテリーモジュールの外部入力端子および外部出力端子、すなわちモジュールカソード端子およびモジュールアノード端子が、前記バッテリーモジュールを構成する前記バッテリーセルユニットの数に応じて、前記バッテリーモジュールの同一側部または対向側部に配置される、バッテリーモジュール。
  2. 前記板状バッテリーセルのそれぞれが、樹脂層および金属層を含む積層板で形成されたバッテリーケースの中に装着されたカソード/セパレータ/アノード構造の電極組立体を含むパウチ形のバッテリーセルであり、前記パウチ形のバッテリーセルが、カソード端子およびアノード端子が前記バッテリーケースの対向端から突出する構造で構成される、請求項1に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記板状バッテリーセルのそれぞれが、気密にシールされた状態の電極と共に角形の容器の中に設置されたカソード/セパレータ/アノード構造の電極組立体を含み、カソード端子およびアノード端子が、前記角形の容器の対向端から突出する構造で構成された、角形のバッテリーセルである、請求項1に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記バッテリーセルユニットのそれぞれが、2つのバッテリーセルが互いに並列に接続される構造で構成される、請求項1に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記筐体が互いに結合されて、前記バッテリーセルのカソード端子およびアノード端子を除いて、前記2つ以上のバッテリーセルで構成されるバッテリーセル積層体の外側全体を取り囲む、請求項1に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記筐体のそれぞれが、前記バッテリーセル積層体の外形に対応する内部構造を有し、前記筐体が、組み立て方式で互いに結合される、請求項5に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記筐体が、互いに面する状態で互いに接触状態になると前記筐体のセクション結合部分が互いに結合される構造で構成される、請求項6に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記筐体が、互いに面するように互いに接触する状態で前記筐体に力が加えられた場合に前記筐体の前記セクション結合部分が弾性結合によって互いに係合される雌雄連結構造で構成される、請求項7に記載のバッテリーモジュール。
  9. 前記筐体のそれぞれが、高い熱伝導率を示す金属板で作製される、請求項1に記載のバッテリーモジュール。
  10. 前記バッテリーモジュールが奇数のバッテリーセルユニットを含み、かつ前記モジュールカソード端子および前記モジュールアノード端子が、前記バッテリーモジュールの前記対向側部に配置される、請求項1に記載のバッテリーモジュール。
  11. 前記バッテリーモジュールが偶数のバッテリーセルユニットを含み、かつ前記モジュールカソード端子および前記モジュールアノード端子が、前記バッテリーモジュールの前記同一側部に配置される、請求項1に記載のバッテリーモジュール。
  12. 前記バッテリーセルの隣り合う電極端子同士が、溶接またははんだ付けによって互いに結合される、請求項1に記載のバッテリーモジュール。
  13. 出力および容量に基づいて、2つ以上の請求項1に記載のバッテリーモジュールを含む、中型または大型のバッテリーパック。
  14. 前記バッテリーパックが、前記バッテリーモジュールが互いに隣り合って配置される構造で構成され、かつ前記バッテリーモジュールが、モジュールカソード端子およびモジュールアノード端子が前記各バッテリーモジュールの前記同一側部に配置される場合に、前記各バッテリーモジュールの横方向に配置される、請求項13に記載の中型または大型のバッテリーパック。
  15. 前記バッテリーパックが、前記バッテリーモジュールが互いに隣り合って配置される構造で構成され、前記バッテリーモジュールが、モジュールカソード端子およびモジュールアノード端子が前記各バッテリーモジュールの対向側部に配置される場合に、前記各バッテリーモジュールの縦方向に配置される、請求項13に記載の中型または大型のバッテリーパック。
  16. 前記バッテリーパックが、前記バッテリーモジュールが前記各バッテリーモジュールの横方向および縦方向に同時に配置される構造で構成される、請求項15に記載の中型または大型のバッテリーパック。
  17. 前記バッテリーパックが、冷却剤を駆動する力が吸引ファンによってもたらされる空冷式冷却構造で構成される、請求項15に記載の中型または大型のバッテリーパック。
  18. 前記バッテリーパックが、冷却剤を駆動する力が吸引ポンプによってもたらされる水冷式冷却構造で構成される、請求項15に記載の中型または大型のバッテリーパック。
  19. 前記バッテリーパックが、電気車両、ハイブリッド電気車両、またはプラグインハイブリッド電気車両の動力源として使用される、請求項13に記載の中型または大型のバッテリーパック。
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