JP2022521496A - 薄板型モジュールハウジングを備えるバッテリーモジュール、及びそれを含むバッテリーパック - Google Patents

薄板型モジュールハウジングを備えるバッテリーモジュール、及びそれを含むバッテリーパック Download PDF

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Abstract

本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールは、複数のバッテリーセル、及びバッテリーセルを収容する内部空間を形成するモジュールハウジングを備えるバッテリーモジュールにおいて、モジュールハウジングは、モジュールハウジングの底面を形成するベースプレートと、モジュールハウジングの上面と両側面とを一体的に形成するカバープレートと、モジュールハウジングの両側面の上端領域から水平方向に延びる締結用フランジと、を含む。

Description

本発明は、バッテリーモジュール及びそれを含むバッテリーパックに関し、より詳しくは、空間活用性を増大させ、機械的剛性を確保するためのバッテリーモジュール及びそれを含むバッテリーパックに関する。
本出願は、２０１９年３月２１日付け出願の韓国特許出願第１０－２０１９－００３２４２２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。
充電が不可能な一次電池と区分して、充・放電が自在な電池のことを二次電池と称する。このような二次電池は、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ノートパソコンなどの小型先端電子機器分野だけでなく、エネルギー貯蔵システム（ＥＳＳ）、電気自動車（ＥＶ）またはハイブリッド自動車（ＨＥＶ）の動力源として使用されている。
現在、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などの二次電池が広く使用されている。このような単位二次電池セル、すなわち単位バッテリーセルの作動電圧は約２．５Ｖ～４．２Ｖである。したがって、これよりも高い出力電圧及びエネルギー容量が求められる場合、複数のバッテリーセルを直列で接続してバッテリーモジュールを構成するか、若しくは、バッテリーモジュールを二つ以上直列又は並列で接続し、その他の構成要素を付け加えてバッテリーパックを構成する。例えば、バッテリーモジュールは複数の二次電池を直列又は並列で接続した装置を意味し、バッテリーパックは容量及び出力などを高めるためバッテリーモジュールを直列又は並列で接続した構成を意味すると言える。
図１のように、バッテリーモジュール１は、バッテリーセルを内部に収納してパッケージングし、これらを外部の衝撃などから保護するモジュールハウジング２を含む。モジュールハウジング２は厚い鋼板から製作され、外部の衝撃からバッテリーセルを安全に保護する役割を果たす。
バッテリーパックは、バッテリーモジュールが載置される空間を提供する構造物としてパックトレイ３を含む。電気自動車用バッテリーパックは、運行中の衝撃による捩れなどの変形を防止するため、パックトレイ３は内部空間を横切るクロスビーム４を多く採用している。
従来のバッテリーモジュールはそれぞれ、例えば図２のように、クロスビーム４同士の間に配置され、前方角及び後方角にある総４ヶ所のモジュール／パック締結部に長ボルトＢを螺合してパックトレイ３の上面に締結固定されている。
しかし、従来のバッテリーパックでは、製造時の組立公差及び強度信頼性などを確報するため、バッテリーモジュール１とパックトレイ上のクロスビーム４との間に一定のクリアランス（clearance）を設けるが、これはパックトレイの空間活用度の面でマイナス要因になる。特に、硬いモジュールハウジング２を備えるバッテリーモジュールでバッテリーパックを組み立てる場合は、モジュールハウジングの厚さが占める空間のために、パックトレイ内のバッテリーモジュールの容積率またはエネルギー占有率が低下するという短所がある。
そこで、バッテリーモジュール／パックにおける構造物の大きさを減らしてバッテリーセルの空間を極大化すると同時にバッテリーセルを外部の衝撃などから安全に保護することができる方案が求められている。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリーセルを収容する空間を極大化し、機械的衝撃及び振動などからバッテリーセルを安全に保護することができる構造を有するバッテリーモジュール及びバッテリーパックを提供することを目的とする。
本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解でき、本発明の実施形態によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
本発明の一態様によれば、複数のバッテリーセル、及びバッテリーセルを収容する内部空間を形成するモジュールハウジングを備えるバッテリーモジュールにおいて、モジュールハウジングは、モジュールハウジングの底面を形成するベースプレートと、モジュールハウジングの上面と両側面とを一体的に形成するカバープレートと、モジュールハウジングの両側面の上端領域から水平方向に延びる締結用フランジと、を含む。
カバープレートは、０．１ｍｍ～１ｍｍの厚さを有する薄板型で形成され得る。
カバープレートは、モジュールハウジングの上面を形成する上面部と、モジュールハウジングの両側面を形成する第１側面部及び第２側面部とを含み、第１側面部及び第２側面部の少なくとも一つの外面に衝撃吸収体がさらに付着され得る。
衝撃吸収体は、第１側面部の外面及び第２側面部の外面にそれぞれ付着される板ばねであり、板ばねは、中心部が凸状に湾曲し、中心部を基準にして上端部及び下端部が第１側面部の外面または第２側面部の外面に溶接され得る。
板ばねは、締結用フランジと一体的に形成され、締結用フランジは、板ばねの上端部分で板ばねと交差する方向に折り曲げられて設けられ、少なくとも一つの孔を備え得る。
本発明の他の態様によれば、上述した少なくとも一つのバッテリーモジュールと、少なくとも一つのバッテリーモジュールを載置する空間を提供するパックトレイと、を含み、パックトレイは、バッテリーモジュールの両側面部を支持する複数の剛性ビームを備えるバッテリーパックが提供される。
バッテリーモジュールは、二つの剛性ビームの間に載置され、締結用フランジは剛性ビームの上端面に結合され得る。
パックトレイと相互に結合してバッテリーモジュールの上部を覆うパックカバーをさらに含み得る。
パックカバーと締結用フランジと剛性ビームとは、締結部材によって相互に一体的に結束され得る。
パックカバーの底面に付着されて締結用フランジを面加圧するスペーサをさらに含み得る。
パックカバーの底面に付着されてモジュールハウジングの上面に接着される緩衝パッドをさらに含み得る。
少なくとも一つのバッテリーモジュールの底面に配置されるヒートシンクをさらに含み得る。
本発明の一態様によれば、モジュールハウジングを薄板型で形成することで、従来よりもセル容積率が高くて軽量化されたバッテリーモジュールを提供することができる。
本発明の他の態様によれば、薄板型のモジュールハウジングを備えるバッテリーモジュールに機械的剛性を与え、バッテリーモジュールを空間効率的に固定可能なバッテリーパックを提供することができる。
従来のバッテリーモジュールのモジュールハウジングを概略的に示した斜視図である。 従来のバッテリーモジュールとパックトレイとの組立例を概略的に示した図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールのモジュールハウジングを示した斜視図である。 図３のモジュールハウジングのカバープレートを示した斜視図である。 図４の部分拡大図である。 図４の衝撃吸収体を図４のＡ方向から眺めた図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーパックの構成を概略的に示した斜視図である。 図７のバッテリーパックの部分分解斜視図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールとパックトレイとの組立構造を示した断面図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。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、本発明のもっとも望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３は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールのモジュールハウジングを示した斜視図であり、図４は図３のモジュールハウジングのカバープレートの斜視図である。
本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１０は、複数のバッテリーセル（図示せず）、及び複数のバッテリーセルを内部空間に収容するモジュールハウジング１１を含む。
複数のバッテリーセルは、充電及び放電が可能なリチウムイオン二次電池であって、エネルギー密度が高くて積層が容易なパウチ型二次電池であり得る。便宜上図示していないが、複数のパウチ型二次電池は、互いに重ねられて一方向に積層された形態でモジュールハウジング１１内に収納され得、インターコネクションボード（Ｉｎｔｅｒ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｂｏｒａｄ：ＩＣＢ）を介して、求められる出力電圧または充放電容量に応じて直列及び／または並列で接続され得る。
バッテリーセルは、パウチ型のリチウムイオン二次電池に限定されず、例えば、缶型のリチウムイオン二次電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などを適用してもよい。
図３及び図４を参照すると、モジュールハウジング１１は、薄板からなる四角管状であって、ベースプレート１２及びカバープレート１３を含む。
ベースプレート１２は、モジュールハウジング１１の底面を形成する部分であって、全般的に扁平な面を有する板状体であるが、その端部はカバープレート１３との接合のために上向きに折り曲げられ得る。ベースプレート１２の素材としては、熱伝導性に優れたアルミニウムのような金属またはアルミニウム合金を採用し得る。このようなベースプレート１２の下面にヒートシンクを配置することで、バッテリーモジュール１０を間接水冷式で冷却することができる。
本実施形態では、ベースプレート１２の厚さを１ｍｍ以下の薄板型で製作することで、モジュールハウジング１１の熱伝導性及び軽量化を図ることができる。ただし、ベースプレート１２の厚さが薄板型に制限されることはない。ベースプレート１２は、バッテリーセルの重量を支える部分であるため、その剛性を高めるために３ｍｍ以上の厚さを有する重板又は厚板で製作することでモジュールハウジング１１の底面安定性を確保してもよい。
カバープレート１３は、モジュールハウジング１１の上面と両側面とを一体的に形成する部分であって、断面が略コ字状であるカバー形態であり、厚さが０．１ｍｍ～１ｍｍである薄板から形成され得る。以下、カバープレート１３のうちの、モジュールハウジング１１の上面を形成する部分を上面部１４、モジュールハウジング１１の右側面及び左側面をそれぞれ形成する部分を第１側面部１５及び第２側面部１６と定義する。
カバープレート１３の第１側面部１５及び第２側面部１６とベースプレート１２の両端部分とが溶接方式で接合されることで、四角管状のモジュールハウジング１１が形成され得る。このようなモジュールハウジング１１内に、例えばパウチ型バッテリーセルは、広い面が垂直に立てられた形態で挿入され得る。
本発明によるモジュールハウジング１１は、上述したように、厚さ１ｍｍ以下の薄板から形成されているため、従来の同一サイズのモジュールハウジング１１に比べて機械的剛性が弱いが、その厚さが減った分だけ相対的に軽く、内部空間の拡張によってセル容積率がより高く、製造コストもさらに低いという長所を有する。
このような薄板型のモジュールハウジング１１の足りない剛性は、バッテリーモジュール１０をパックトレイ２０に載置するとき、パックトレイ２０によって補強することができる。詳細については後述する。
本実施形態によるバッテリーモジュール１０は、モジュールハウジング１１の両側面部に対する緩衝手段としての衝撃吸収体１８、及びモジュールハウジング１１をパックトレイ２０に固定する手段としての締結用フランジ１７をさらに含むことができる。
衝撃吸収体１８は、第１側面部１５の外面及び第２側面部１６の外面にそれぞれ付着され、該当部位に加えられる衝撃を緩衝する役割を果たすことができる。衝撃吸収体１８としては、メモリーフォームまたはゴムパッド、ばねのような弾性体を適用できるが、本実施形態では体積が小さく軽量である板ばね１８を適用した。
板ばね１８は、図４～図６に示されたように、中心部１８ａが凸状に湾曲し、中心部１８ａを基準にしてその上端部１８ｂ及び下端部１８ｃが第１側面部１５の外面または第２側面部１６の外面に溶接によって付着され得る。このような板ばね１８は、外部衝撃の際、湾曲している中心部１８ａが凹状に変形することで、モジュールハウジング１１に加えられる衝撃を緩衝する作用を果たすことができる。
また、本実施形態による板ばね１８は、第１側面部１５及び第２側面部１６に対応する面積を有し、厚さが約０．５Ｔであり、その中心部１８ａとモジュールハウジング１１の側面部とのギャップＧが約１．２ｍｍに設計されているため、板ばね１８の付着によるバッテリーモジュール１０の幅増加は大きくない。
締結用フランジ１７は、板ばね１８と一体的に形成され得る。図４～図６を再度参照すると、締結用フランジ１７は、板ばね１８の上端部分で板ばね１８と交差する方向に折り曲げられた形態で板ばね１８と一体的に設けられることで、モジュールハウジング１１の両側面の上端領域から水平方向に延びて配置され、その板面にボルトを螺合可能な少なくとも一つの孔Ｈを備える。本実施形態では、４個の締結用フランジ１７を板ばね１８の長手方向に沿って一定間隔を置いて設けたが、その個数は加減され得る。参考までに、締結用フランジ１７の位置は、バッテリーモジュール１０が載置されるパックトレイ２０に設けられる剛性ビーム２１の高さに対応し得る。
代案的に、締結用フランジ１７をカバープレート１３と一体的に形成してもよい。ただし、この場合、カバープレート１３に締結用フランジ１７の構造を付け加えることで、製作工程がより複雑になるという短所がある。そこで、本実施形態では、カバープレート１３の構造は薄板型にしてできるだけ単純化し、締結用フランジ１７と板ばね１８とを一体的に製作してからカバープレート１３に付着する方式を採用した。また、このような方式によれば、カバープレート１３の側面部に備えた板ばね１８の大きさ及びその付着位置を調整することで、締結用フランジ１７の相対的位置、すなわち高低を容易に設定することができる。
図７は本発明の一実施形態によるバッテリーパックの構成を概略的に示した斜視図であり、図８は図７のバッテリーパックの部分分解斜視図であり、図９は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１０とパックトレイ２０との組立構造を示した断面図である。
これら図面を参照すると、本発明によるバッテリーパック１００は、上述した少なくとも一つのバッテリーモジュール１０、パックトレイ２０、及びパックカバー３０を含むことができる。
パックトレイ２０は、バッテリーモジュール１０を載置する空間を提供する構成品であって、壁体を形成する複数の剛性ビーム２１を備える。
剛性ビーム２１は、パックトレイ２０の剛性を維持させる役割、及びバッテリーモジュール１０の両側面部を支持してバッテリーモジュール１０の不足な剛性を補強する役割を果たす。
図７及び図８に示されるように、本実施形態によるパックトレイ２０は、二つのバッテリーモジュール１０を載置できるように構成されているが、パックトレイ２０は一つまたは三つ以上のバッテリーモジュール１０を載置できるように構成されてもよい。すなわち、パックトレイ２０は、バッテリーモジュール１０の個数に対応してその大きさ及び剛性ビーム２１の個数が自在に変更され得る。
具体的には、バッテリーモジュール１０は、パックトレイ２０の二つの剛性ビーム２１の間にそれぞれ載置され、締結用フランジ１７が剛性ビーム２１の上端面にボルト締結されて固定され得る。
そして、バッテリーモジュール１０の上部は、パックカバー３０で覆われて保護され得る。パックカバー３０は、その端部が締結用フランジ１７とともに剛性ビーム２１の上端面にボルト（締結部材）で締結されることで、パックトレイ２０に固定結合され得る。
また、図８及び図９に示されたように、本実施形態によるバッテリーパック１００は、パックカバー３０の端部と締結用フランジ１７との間に介在されるスペーサ４０、及びパックカバー３０とモジュールハウジング１１の上面との間に介在される緩衝パッド５０をさらに含む。
スペーサ４０は、ボルト締結時に締結用フランジ１７を損傷から保護し、パックカバー３０と締結用フランジ１７との高低差による組立公差を吸収する役割を果たす構成である。スペーサ４０は、所定の厚さを有するゴム材質のバンド状で設けられ、パックカバー３０の底面で両側のエッジ線に沿って予め付着され得る。
例えば、厚さが約０．５Ｔである薄い締結用フランジ１７は、ボルト締結時に損傷され易く、パックカバー３０及び剛性ビーム２１との接触性が良くないため固定力も弱くなり得る。しかし、スペーサ４０を使用すると、スペーサ４０がボルトの軸力を分散させ、締結用フランジ１７を面圧で固定するため、上記のような問題を容易に解消できる。
緩衝パッド５０は、モジュールハウジング１１の上面に対応する面積を有するパッド状で設けられ、パックカバー３０の底面で中央領域に予め付着され得る。パックカバー３０をバッテリーモジュール１０上に載置したときパックカバー３０の位置がずれないように、緩衝パッド５０の底面にはバッテリーモジュール１０の上面に接着可能な接着性テープがさらに設けられ得る。
緩衝パッド５０は、パックカバー３０とバッテリーモジュール１０の上面との間に介在されることで、上部から加えられる衝撃からバッテリーモジュール１０を保護すると同時に、バッテリーモジュール１０を上下左右方向に拘束する役割を果たす。
単位バッテリーモジュール１０において、モジュールハウジング１１の両側面に位置する合計８個の締結用フランジ１７は、剛性ビーム２１にボルト締結されるが、薄板の締結用フランジ１７は衝撃が加えられると変形され易い。そこで、本実施形態では、緩衝パッド５０が付着されたパックカバー３０でモジュールハウジング１１の上部を面加圧し、緩衝パッド５０とモジュールハウジング１１の上面とを接着させることによって、バッテリーモジュール１０の上下、左右、及び前後への動きを防止することで締結用フランジ１７による固定力を補完した。
一方、パックトレイ２０の上面とバッテリーモジュール１０の底面との間にはヒートシンク６０がさらに介在され得る。ヒートシンク６０は、内部流路に冷媒を通過させることで、熱接触によってバッテリーモジュール１０から熱を吸収して間接冷却する役割を果たす構成品である。
流路に流れる冷媒としては、流路で流れ易く、冷却性に優れた流体であれば特に限定されない。例えば、潜熱が高くて冷却効率性を極大化できる水であり得る。しかし、これに限定されず、流れが発生するものであれば、不凍液、ガス冷媒、空気なども適用可能である。
ヒートシンク６０は、熱伝導性の高いアルミニウムまたはアルミニウム合金素材で製作できるが、これらに限定されることはない。例えば、銅、金、銀も使用可能である。金属の他に窒化アルミニウム、炭化ケイ素のようなセラミック物質も可能である。
上述したように本発明によるバッテリーモジュール１０は、バッテリーセルのための空間はできるだけ最大化し、モジュールハウジング１１の重量は最小化できるように、モジュールハウジング１１が１ｍｍ以下の薄板で形成されている。このようなバッテリーモジュール１０の弱い剛性は、パックトレイ２０に取り付けることで補強することができる。以下、詳しく説明する。
図９を参照すると、バッテリーモジュール１０は、緩衝パッド５０が付着されたパックカバー３０によってその上部が外部の衝撃から保護され、残りの面は剛性構造のパックトレイ２０内に拘束されて外部の衝撃から保護できる。
特に、バッテリーモジュール１０の両側面部に該当するカバープレート１３の第１側面部１５及び第２側面部１６は、パックトレイ２０の剛性ビーム２１が保護壁として作用して一次的に保護され、さらに板ばね１８が衝撃を吸収して二次的に保護され得る。また、板ばね１８は、バッテリーモジュール１０をパックトレイに取り付けるとき、モジュールハウジング１１を剛性ビーム２１同士の間に緊密に挿入し固定するのに役立ち得る。
一方、上述した本発明によるバッテリーパックは、バッテリーモジュールの充放電を制御するための各種の装置、例えばバッテリー管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ：ＢＭＳ）、電流センサ、ヒューズなどをさらに含むことができる。バッテリーパックは、電気自動車やハイブリッド自動車のような自動車に適用できるだけでなく、その他のＩＴ製品群などにも適用できる。
以上、本発明の望ましい実施形態を図示して説明したが、本発明が上述した特定の望ましい実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱することなく当業者であれば多様に変形実施することができ、そのような変更が特許請求の範囲の範囲内にあることは言うまでもない。
一方、本明細書において、上、下、左、右などのように方向を示す用語が使われたが、このような用語は説明の便宜上用いられたものに過ぎず、観測者の位置や対象の位置などによって変わり得ることは当業者にとって自明である。
１０ バッテリーモジュール
１１ モジュールハウジング
１２ ベースプレート
１３ カバープレート
１７ 締結用フランジ

Claims (12)

  1. 複数のバッテリーセル、及び前記バッテリーセルを収容する内部空間を形成するモジュールハウジングを備えるバッテリーモジュールにおいて、
    前記モジュールハウジングは、
    前記モジュールハウジングの底面を形成するベースプレートと、
    前記モジュールハウジングの上面と両側面とを一体的に形成するカバープレートと、
    前記モジュールハウジングの両側面の上端領域から水平方向に延びる締結用フランジと、
    を含む、バッテリーモジュール。
  2. 前記カバープレートは、０．１ｍｍ～１ｍｍの厚さを有する薄板型で形成された、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記カバープレートは、
    前記モジュールハウジングの上面を形成する上面部と、
    前記モジュールハウジングの両側面を形成する第１側面部及び第２側面部と、
    を含み、
    前記第１側面部及び第２側面部の少なくとも一つの外面に衝撃吸収体がさらに付着される、請求項１または２に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記衝撃吸収体は、前記第１側面部の外面及び前記第２側面部の外面にそれぞれ付着される板ばねであり、
    前記板ばねは、中心部が凸状に湾曲し、前記中心部を基準にして上端部及び下端部が前記第１側面部の外面または前記第２側面部の外面に溶接される、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記板ばねは、前記締結用フランジと一体的に形成され、
    前記締結用フランジは、前記板ばねの上端部分で前記板ばねと交差する方向に折り曲げられて設けられ、少なくとも一つの孔を備える、請求項４に記載のバッテリーモジュール。
  6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の、少なくとも一つのバッテリーモジュールと、
    前記少なくとも一つのバッテリーモジュールを載置する空間を提供するパックトレイと、
    を含み、
    前記パックトレイは、前記バッテリーモジュールの両側面部を支持する複数の剛性ビームを備える、バッテリーパック。
  7. 前記バッテリーモジュールは、二つの前記剛性ビームの間に載置され、前記締結用フランジは前記剛性ビームの上端面に結合される、請求項６に記載のバッテリーパック。
  8. 前記パックトレイと相互に結合して前記バッテリーモジュールの上部を覆うパックカバーをさらに含む、請求項７に記載のバッテリーパック。
  9. 前記パックカバーと前記締結用フランジと前記剛性ビームとは、締結部材によって相互に一体的に結束される、請求項８に記載のバッテリーパック。
  10. 前記パックカバーの底面に付着されて前記締結用フランジを面加圧するスペーサをさらに含む、請求項８に記載のバッテリーパック。
  11. 前記パックカバーの底面に付着されて前記モジュールハウジングの上面に接着される緩衝パッドをさらに含む、請求項８に記載のバッテリーパック。
  12. 前記少なくとも一つのバッテリーモジュールの底面に配置されるヒートシンクをさらに含む、請求項６から１１のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
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