JP4584317B2 - 二次電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、二次電池モジュールまたはパック用放熱構造物、それを含むスイッチングボード及び二次電池モジュールに関するもので、一層詳しくは、多数の単位電池が電気的に連結されて充放電可能な高出力・大容量の二次電池モジュールまたはパックにおいて、電池モジュールの過充電、過放電及び過電流などを制御するスイッチング素子の放熱を効果的に行える特定構造の放熱構造物と、前記放熱構造物及びスイッチング素子が印刷回路基板上に実装されたスイッチングボードと、このスイッチングボードを含んで構成された二次電池モジュールに関するものである。

最近、充放電可能な二次電池は、ワイヤレスモバイル機器のエネルギー源として広範囲に用いられている。また、二次電池は、化石燃料を用いる既存のガソリン車両、ディーゼル車両による大気汚染などを解決するために提示された電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの動力源としても注目を受けている。したがって、二次電池を用いるアプリケーションの種類は、二次電池の長所によって多様化されており、今後も、一層多くの分野及び製品に二次電池が適用されると予想される。

このように二次電池の適用分野及び製品が多様化されるにつれて、電池の種類も、それに適した出力及び容量を提供するように多様化されている。併せて、当該分野及び製品に適用される各電池には、小型軽量化が強力に要求されている。

例えば、携帯電話、ＰＤＡ、デジタルカメラ、ノートブックコンピュータなどの小型モバイル機器には、該当製品の小型軽薄化傾向に合わせて、デバイス１台当り１個または数個の小型軽量の電池セルが用いられている。その反面、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの中大型デバイスには、高出力・大容量の必要性によって、多数の電池セルを電気的に連結した電池モジュール（または電池パック）が用いられている。電池モジュールの大きさ及び重量は、当該中大型デバイスの収容空間及び出力などに直接的な関連性があるので、電池製造業者は、可能な限り小型でかつ軽量の電池モジュールを製造しようと努めている。また、電気自転車、電気自動車などのように外部から多くの衝撃及び振動を受けるデバイスは、電池モジュールを構成する各素子間の電気的連結状態と物理的結合状態が安定的であることが必要である。さらに、多数の電池を用いて高出力及び大容量を具現することが必要であるため、電池モジュールの安全性も重視されている。したがって、電池モジュールは、過充電、過放電及び過電流などを制御するためのスイッチング素子と、それを制御する回路とを含んでいる。

上述したように、中大型デバイス分野で二次電池を用いる製品が多様化されるにつれて、それに適した電気容量及び出力を提供できる多様な電池モジュールが必要であり、同一の製品群であっても製品の大きさが異なる場合、その大きさ別に要求される電気容量及び出力も異なるので、電池モジュールの設計を変更する必要がある。

従来の中大型二次電池モジュールは、所定の大きさのケース（ハウジング）内に収納された多数の単位電池が電気的に連結される構造となっており、そのケースの内部または外部には、前記各単位電池の電圧、電流及び温度などを検出して電池を制御する回路素子が連結される。しかしながら、上記のような電池モジュールの構造、特に、過充電、過放電及び過電流などを制御する構成要素には、次のような問題点があった。

過充電などの制御に用いるスイッチング素子は、多量の熱を発生させるので、一般的に別途の放熱構造物に連結された状態で電池モジュールの外部に設置されるが、所望の電気容量及び出力によって電池モジュールを拡張・縮小する場合、柔軟性のある拡張・縮小が困難であった。また、放熱構造物の大きさも、コンパクトな構造の電池モジュールを設計する場合に障害となっている。

したがって、本発明は、上記のような従来技術の問題点及び技術的課題を解決することを目的とする。

具体的に、本発明の目的は、スイッチング素子に連結されており、所望の電気容量及び出力によって柔軟性のある拡張及び縮小を容易に行える放熱構造物を提供することにある。

本発明の他の目的は、前記放熱構造物とスイッチング素子が印刷回路基板に装着されたスイッチングボードを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、前記スイッチングボードを含んで構成された電池モジュールを提供することにある。

上記のような目的を達成するための本発明に係る放熱構造物は、二次電池モジュールの充放電制御のためのスイッチング素子に連結される放熱構造物であり、充電用スイッチング素子と放電用スイッチング素子がそれぞれ締結される一対の側部フレームと、前記側部フレームを互いに連結する本体フレームと、前記本体フレームから上方に突出して平行に配列される多数の放熱リブと、を含んで構成されており、全体的に長方形のコンパクトな形状からなる。

前記スイッチング素子は、電池モジュールを構成する各単位電池に直列に接続されて電池に流れる電流を制御するスイッチング素子であり、電池の電圧及び／または電流を検出して前記スイッチング素子を制御する保護回路に連結されている。このスイッチング素子は、過充電、過放電及び過電流などを制御できる素子であれば特別に制限されることがなく、例えば、ＦＥＴ素子、トランジスタなどを用いるが、ＦＥＴ素子を用いることが好ましい。

前記充電用スイッチング素子は、電池の充電状態を制御するスイッチング素子を意味し、放電用スイッチング素子は、電池の放電状態を制御するスイッチング素子を意味する。一般的に、電池モジュールのスイッチング素子においては、上記のような充電用スイッチング素子と放電用スイッチング素子が一緒に用いられる。

スイッチング素子は、電池の電圧及び／または電流を検出してスイッチング素子を制御する制御回路に連結されるが、前記制御回路から出力された信号によってオン・オフ制御される。すなわち、正常状態であると、制御回路は、スイッチング素子（充電用スイッチング素子及び放電用スイッチング素子）をオン状態に維持する。その反面、電池を充電する間に異常な状態になると、充電用スイッチング素子がオフになって充電電流を遮断し、電池を放電する間に異常な状態になると、放電用スイッチング素子がオフになって放電電流を遮断する。また、充電中に電池の電圧が設定の最高電圧より高くなると、電池の過充電を防止するために充電用スイッチング素子をオフに切り替える信号を出力し、放電中に電池の電圧が設定の最低電圧より低くなると、電池の過放電を防止するために放電用スイッチング素子をオフに切り替える信号を出力する。制御回路は、電池の出力側が短絡されて電池に過電流が流れるか、異常な作動によって電池に高い充電電圧が加えられて過電流が流れると、これを検出してスイッチング素子をオフに切り替える信号を出力する。

本発明に係る放熱構造物は、上記のようなスイッチング素子の放熱のために、スイッチング素子に連結される構造物である。充電用スイッチング素子は、一対の側部フレームのうち一方の側部フレーム（ａ）に連結され、放電用スイッチング素子は、他方の側部フレーム（ｂ）に連結される。

側部フレームとスイッチング素子との物理的連結（接触）は、熱伝導による放熱を誘導する。側部フレームとスイッチング素子との連結は、多様な方法で達成されるが、一つの好ましい例として、側部フレームの縦方向（長さ方向）に締結溝が形成されており、前記締結溝に係合されるねじ部を有する締結部材でスイッチング素子を締結する方法が挙げられる。前記締結溝が側部フレームの縦方向に長く形成されるので、スイッチング素子は、任意の位置で側部フレームに締結される。

本発明に係る構造物を形成する本体フレーム、側部フレーム及び放熱リブは、一体に成形されることが好ましい。この成形物の素材は、優れた熱伝導性を有するものであれば特別に制限されることがなく、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなることが好ましい。

本体フレームから上方に突出された前記放熱リブは、効率的な放熱のために互いに平行に多数個形成されており、放熱リブの配列方向は、側部フレームに対して平行または垂直である。放熱リブの配列方向が側部フレームに対して平行な構造であることが好ましく、このような構造によって、放熱リブ間の空気流路が側面に開放されることにより、高い放熱効率を達成することができる。

前記放熱リブの最上端の高さは、側部フレームの最上端の高さとほぼ同一であることが好ましく、このような構造によって、相対的に弱い強度のリブが側部フレームによって保護される。

上記のような本発明に係る放熱構造物は、所望の容量及び出力で電池モジュールを設計するとき、長さ方向に適切に切断して用いるので、電池モジュールの設計変更による柔軟性のある適用が可能である。

また、本発明は、上記のような放熱構造物を含むスイッチングボードを提供する。

本発明に係るスイッチングボードは、各単位電池に電気的に連結される印刷回路基板と、前記印刷回路基板に実装されるスイッチング素子と、前記印刷回路基板に電気的に連結された状態で前記スイッチング素子に結合された放熱構造物と、を含んで構成される。

上記のようなスイッチングボードの印刷回路基板の底面は、電池モジュールの外面に付着される。この場合、電池モジュールは、高い放熱効率を有しながら全体的にコンパクトな構造で構成される。

前記印刷回路基板と放熱構造物との結合は、多様な方法で達成される。一つの好ましい例として、放熱構造物の側部フレームの下端面には、側部フレームの長手方向に延長された締結溝が形成されており、前記締結溝に係合されるねじ部を有する締結部材で印刷回路基板を締結する方法が挙げられる。

スイッチング素子を制御する制御回路は、前記印刷回路基板または別途の回路部材に含まれる。

また、本発明は、前記スイッチングボードを含んで構成された電池モジュールを提供する。この電池モジュールは、例えば、充放電可能な二次電池である多数の単位電池が積層されるプレートと、電池の作動を制御する回路部と、を含んで構成される。

前記プレートは、各単位電池が積層される構造であれば特別に制限されることがなく、各単位電池を容易に実装するために単位電池の大きさに相応する収納部が形成されたケース構造であり、このケースは、積層された各単位電池の上部と下部をそれぞれ覆う分離型構造である。

本発明に係る電池モジュールの好ましい例は、充放電可能な二次電池である多数の単位電池と；メーンボードアセンブリが付着される下端収納部と、前記各単位電池が順次積層される上端収納部と、を含む長方形の下部ケースと；前記下部ケース上に積層された各単位電池の上端を覆う下端収納部を含む長方形の上部ケースと;積層された各単位電池の電気的連結を行い、電池の電圧、電流及び温度などを検出するセンシングボードアセンブリを含み、各単位電池の電極リード方向に電池モジュールの側面に付着された第１回路部と;前記第１回路部と電気的に連結されており、電池モジュールを全般的に制御するメーンボードアセンブリを含み、前記下部ケースの下端収納部に装着された第２回路部と;前記第２回路部と電気的に連結されており、前記スイッチングボードを含み、前記第１回路部の対向側である電池モジュールの他側面に付着された第３回路部と;を含んで構成される。

本発明に係る電池モジュールは、全体的にコンパクトな構造で構成される。具体的に、完成された電池モジュールの幅は、単位電池とほぼ同一であるか、単位電池よりやや大きく、電池モジュールの長さは、両側面に付着される第１回路部及び第３回路部の幅だけ単位電池より長く、電池モジュールの厚さは、積層された各単位電池、第２回路部及び上・下部ケースの厚さの合計となる。したがって、従来の如何なる電池モジュールよりも小さいので、適用される外部機器または装置に効果的に装着される。

前記単位電池は、充放電可能な二次電池であれば特別に制限されることがなく、例えば、リチウム二次電池、ニッケル―水素（Ｎｉ―ＭＨ）電池、ニッケル―カドミウム（Ｎｉ―Ｃｄ）電池などを用いるが、これらのうち、重量対比高出力を提供するリチウム二次電池を用いることが好ましい。リチウム二次電池は、形態によって円筒形電池、角形電池、パウチ型電池などに区分されるが、これらのうち、高い集積度で積層される角形電池とパウチ型電池を用いることが好ましく、特に、重量が軽いパウチ型電池を用いることが好ましい。

本発明の電池モジュールは、上部ケースと下部ケースが互いに分離されるので、必要によって容量及び出力を変更する場合、上部ケースと下部ケースとの間に単位電池を追加または除去することで柔軟な設計が可能である。

上部ケースと下部ケースの全体の大きさは、単位電池の大きさに相応する。したがって、単位電池が収納される下部ケースの上端収納部と上部ケースの下端収納部は、単位電池の本体の大きさに相応する。

前記第１回路部は、単位電池の電極リード方向に付着されている。また、第１回路部は、各単位電池を並列または直列に連結するための連結端子と、各単位電池から電圧及び電流信号を受信し、各単位電池の温度を検出するためのセンシングボードアセンブリと、を含んでいる。温度は、センシングボードアセンブリで電池全体の温度として測定される。

前記連結端子の構成は、各単位電池を並列または直列方式で連結する構造であれば特別に制限されることはないが、前記各連結端子の間に過電流または過熱が発生したときに電流を遮断する安全素子が連結された構造であることが好ましい。この安全素子の例としては、フューズ、バイメタル、ＰＴＣ素子などが挙げられる。

前記センシングボードアセンブリは、ＰＣＢからなることが好ましく、各単位電池に電気的に連結された構造である。

各単位電池は、第１回路部を経由して下部ケースの下端収納部に装着された第２回路部に電気的に連結され、電池の作動は、第２回路部のメーンボードアセンブリで制御される。

第１回路部が装着された電池モジュール側面の対向側面には、前記第２回路部に電気的に連結された第３回路部が装着されており、前記第３回路部は、電池の過充電、過放電及び過電流などを制御し、外部機器に接続されるモジュールの最終素子である。過充電、過放電及び過電流などの制御は、第３回路部に含まれたスイッチング素子によって実行される。

上述したように、本発明に係る電池モジュールは、電池の作動と関連した各回路部がモジュールを取り囲む形態で連結されており、モジュールの全体の大きさが大幅に縮小される。

本発明に係る電池モジュールは、高出力・大容量の中大型電池システムに用いることが好ましく、前記高出力・大容量の範囲は特別に限定されることがない。

例えば、本発明に係る電池は、電気自転車（Ｅ−ｂｉｋｅ）、電気オートバイ、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの車両の動力源を含む多様な分野及び製品の電源として用いられる。特に、本発明に係る電池モジュールは、コンパクトな構造などによって電気自転車の動力源として好ましく用いられる。

本発明に係る放熱構造物は、所望の電気容量及び出力によって柔軟性のある拡張及び縮小を容易に行い、コンパクトな構造を有しながらも高い放熱効率を提供する。したがって、上記のような放熱構造物がＦＥＴなどのスイッチング素子に連結されたスイッチングボードと、このスイッチングボードを含んで構成された二次電池モジュールは、所望の電池容量及び出力に合わせてモジュールの設計変更が容易に行われ、全体的にコンパクトでかつ安定的な構造を有するので、電気自転車、電気自動車及びハイブリッド電気自動車などの中大型電池モジュールに多様に適用される。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳しく説明するが、これは、本発明の理解を助けるためのものに過ぎず、この実施例によって本発明の範囲が限定されることはない。

図１〜図３は、本発明の一つの実施例に係る放熱構造物を含むスイッチングボードを示す斜視図、垂直断面図及び底面図である。

図１〜図３に示すように、スイッチングボード１００において、長方形の放熱構造物２００は、スイッチング素子である４個のＦＥＴ素子３００，３１０，３２０，３３０に連結された状態で印刷回路基板（ＰＣＢ）４００上に装着されている。

放熱構造物２００において、両側部フレーム２１０，２２０の側面には、ＦＥＴ素子３００，３１０，３２０，３３０が締結されており、多数の放熱リブ２４０は、側部フレーム２１０，２２０を一体に連結する本体フレーム２３０から上方に突出している。

側部フレーム２１０，２２０とＦＥＴ素子３００，３１０，３２０，３３０との締結部位には、両側部フレーム２１０，２２０の長手方向に延長された水平締結溝２５０が形成されている。したがって、締結用ボルト５００がＦＥＴ素子３００，３１０，３２０，３３０の延長部３０２を介して水平締結溝２５０に挿入されることで、ＦＥＴ素子３００，３１０，３２０，３３０と側部フレーム２１０，２２０とが結合される。さらに、水平締結溝２５０が側部フレーム２１０，２２０の縦方向に連続的に形成されるので、ＦＥＴ素子３００，３１０，３２０，３３０は、任意の位置で側部フレーム２１０，２２０に締結される。

一方、ＰＣＢ４００と放熱構造物２００との締結のために、側部フレーム２１０，２２０の下端にも、両側部フレーム２１０，２２０の長手方向に延長された垂直締結溝２６０が形成されている。したがって、締結用ボルト５００がＰＣＢ４００を介して締結溝２６０に挿入されることで、ＰＣＢ４００と放熱構造物２００とが結合される。垂直締結溝２６０が側部フレーム２１０，２２０の縦方向に連続的に形成されるので、水平締結溝２５０の場合と同一の効果を得られる。

放熱構造物２００とＰＣＢ４００との接触面積が大きい場合、ＦＥＴ素子３００，３１０，３２０，３３０から発生した熱が放熱構造物２００を通ってＰＣＢ４００に伝達されるので、可能な限り接触面積を減少させることが好ましい。したがって、本体フレーム２３０は、ＰＣＢ４００から所定距離だけ離隔した状態で側部フレーム２１０，２２０の下部に連結される。また、両側部フレーム２１０，２２０の下端のうち垂直締結溝２６０を除いた部分のみがＰＣＢ４００に接触するので、放熱構造物２００からＰＣＢ４００への熱伝逹が最小化される。

各放熱リブ２４０は、側部フレーム２１０，２２０に対して平行に配列されており、各リブ２４０間の流路２７０が側面に開放されるので、高い放熱効率を得られる。

ＦＥＴ素子３００，３１０，３２０，３３０は、充電状態を制御するための充電用素子３００，３１０と、放電状態を制御するための放電用素子３２０，３３０と、からなる。一層高い出力の電池モジュールを設計する場合、追加的にＦＥＴ素子が任意の位置で放熱構造物２００に装着される。

ＰＣＢ４００には、ＦＥＴ素子３００，３１０，３２０，３３０を単位電池（図示せず）に電気的に連結するための回路が印刷されており、ＦＥＴ素子３００，３１０，３２０，３３０の作動を制御するための回路は、ＰＣＢ４００またはＰＣＢ４００に電気的に連結された他の回路部材（図示せず）に形成される。

本発明に係る放熱構造物２００は、一体に成形されることが好ましく、例えば、図４に示すように、縦方向にＬ_２の長さに製造した後、必要な長さＬ１に切断して用いることができる。すなわち、所望の容量及び出力で電池モジュールを設計するとき、それに合わせてＦＥＴ素子３００，３２０の数を選択し、選択されたＦＥＴ素子３００，３２０によって放熱構造物２００の長さを決定した後、その長さに切断して用いることができる。

図５及び図６は、本発明の一つの実施例に係るスイッチングボードを含んで構成された電池モジュール６００の斜視図及び側面図である。

図５及び図６に示すように、電池モジュール６００は、上部ケース６１０、下部ケース６２０、多数の単位電池６３０、第１回路部６４０、第２回路部６５０及び第３回路部６６０を含んで構成される。各単位電池６３０は、互いに分離された上部ケース６１０と下部ケース６２０との間に積層されており、電池モジュール６００の正面には第１回路部６４０が位置し、電池モジュール６００の底面には第２回路部６５０が位置し、電池モジュール６００の背面には第３回路部６６０が位置する。

上部ケース６１０と下部ケース６２０とが分離されるので、積層される単位電池６３０の数は、上部ケース６１０と下部ケース６２０によって限定されることがない。すなわち、単位電池６３０の積層数によって第１回路部６４０及び第３回路部６６０のみを変更することにより、所望の電気容量及び出力の電池モジュール６００を容易にデザインすることができる。また、各単位電池６３０が露出されるので、充放電時に各単位電池６３０の放熱を効率的に行うことができる。

第１回路部６４０は、単位電池６３０の電極端子方向に電池モジュール６００の側面に付着される。また、第１回路部６４０は、各単位電池６３０を並列または直列に連結するための端子連結部材と、各単位電池６３０から電圧及び電流信号を受信し、各単位電池６３０の温度を感知するためのセンシングボードアセンブリとを含んでいる。

第２回路部６５０は、第１回路部６４０に電気的に連結されており、電池モジュール６００を全般的に制御するメーンボードアセンブリを含み、下部ケース６２０の下端収納部に装着される。第２回路部６５０には、第３回路部６６０のスイッチングボード１００の作動を制御するための回路が含まれる。

第３回路部６６０は、第２回路部６５０に電気的に連結されており、過充放、過放電及び過電流を防止しながら外部出力端子に連結される本発明に係るスイッチングボード１００を含み、第１回路部６４０の対向側である電池モジュール６００の他側面に付着される。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて説明してきたが、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、上記の内容に基づいて本発明の範囲内で多様に応用及び変形が可能であろう。

本発明の一つの実施例に係るスイッチングボードを示す模式的斜視図である。 図１のスイッチングボードを示す垂直断面図である。 図１のスイッチングボードを示す下方斜視図である。 本発明の一つの実施例に係る放熱構造物を示す斜視図である。 本発明に係る二次電池モジュールを示す模式的斜視図である。 図５の二次電池モジュールを示す側面図である。

符号の説明

１００ スイッチングボード
２００ 放熱構造物
３００ ＦＥＴ素子
４００ ＰＣＢ
５００ ボルト
６００ 二次電池モジュール

Claims (5)

1. 二次電池モジュールであって、
   積層された単位電池の上部及び下部を、ケースにより覆う分離された構造で構築された前記ケースと、
   電池の作動を制御するスイッチングボードを有する回路部とを備えてなり、
   前記スイッチングボードが、前記二次電池モジュールを構成する単位電池に電気的に連結される印刷回路基板と、
   過充電、過放電及び過電流を防止するために前記印刷回路基板に実装されてなるスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子に連結され、前記印刷回路基板に実装されてなる放熱構造物とを備えてなり、
   前記放熱構造物が、前記スイッチング素子がそれぞれ締結された一対の側部フレームと、
   前記側部フレームを互いに連結する本体フレームと、
   前記本体フレームから上方に突出し、相互に平行に配列された多数の放熱リブを備えてなり、これにより、前記印刷回路基板に実装されてなる前記放熱構造物の表面が、前記実装された垂直方向の上部から見て長方形形状をなし、
   前記側部フレームが、前記側部フレームの長手方向に延長された締結溝を有してなり、
   前記スイッチング素子が、前記締結溝に係合されるねじ部を有する締結部材により前記放熱構造物に締結されてなり、
   前記放熱構造物の前記側部フレームが、前記側部フレームの下端面に、前記側部フレームの長手方向に延長された締結溝が形成されており、
   前記放熱構造物が、前記締結溝に係合されるねじ部を有する締結部材により前記印刷回路基板に締結されてなるものである、二次電池モジュール。
2. 前記スイッチング素子が、ＦＥＴ素子である、請求項１に記載の二次電池モジュール。
3. 前記本体フレーム、側部フレーム及び放熱リブが、一体成形されてなる、請求項１に記載の二次電池モジュール。
4. 前記一体成形された成形物の素材が、アルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項３に記載の二次電池モジュール。
5. 前記放熱リブが、前記側部フレームに対して平行である、請求項１に記載の二次電池モジュール。

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