JP4652415B2 - 新規な構造のバッテリーカートリッジ及びそれを含む開放型バッテリーモジュール - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、新規な構造を有するバッテリーカートリッジ及びそれを包含する開放型バッテリーモジュールに関し、より詳しくは、２個の外側フレーム部材及び該外側フレーム部材同士の間に配置された内側フレーム部材を備えてなり、該外側及び内側フレーム部材の間に一個以上の単位電池が取り付けられており、該内側フレーム部材が通し孔を有するバッテリーカートリッジ、及びそれを包含する開放型バッテリーモジュールに関する。

発明の背景

最近、充電及び電可能な二次バッテリーが、ワイヤレス携帯装置用のエネルギー供給源として広く使用されている。また、二次バッテリーは、化石燃料を使用する既存のガソリン及びディーゼル車により引き起こされる大気汚染のような問題を解決するために開発された電気自動車及びハイブリッド電気自動車用の動力源としても非常に大きな関心を集めている。

小型の可動装置は、各装置に一個以上の単位電池、例えば３または４個の単位電池、を使用している。対照的に、中または大型装置、例えば車両、には、高出力、大容量バッテリーが必要なので、互いに電気的に接続された複数の単位電池を備えてなる、中または大型バッテリー装置を使用する。

中または大型バッテリー装置用の単位電池として小袋形(pouch-shaped)二次電池が広く使用されているが、これは、一般的にアルミニウム及び重合体樹脂からなるラミネートシートから製造されたバッテリーケース中に包装されており、従って、小袋形二次電池の機械的強度は高くない。この理由から、複数の単位電池をバッテリーカートリッジ中に取り付け、単位電池同士を直列または並列に接続し、複数のバッテリーカートリッジを相互に電気的に接続し、バッテリーモジュールを構成する。

ハイブリッド電気自動車に広く使用されているバッテリーモジュールは、閉鎖構造を有し、その中で電解質は各単位電池（二次電池）から漏れることがない。すなわち、閉鎖型バッテリーモジュールには、電解質の漏れを防止する利点がある。しかし、閉鎖型バッテリーモジュールには、単位電池中に発生した熱が蓄積し、その蓄積した熱が電池の劣化を促進し、少数または多数の単位電池が正常に作動しない場合、それらの単位電池は過熱され、従って、単位電池が発火または爆発することがある、という問題がある。現在単位電池に大きな関心を集めているリチウム−イオン二次電池またはリチウム−イオン重合体二次電池は、それらの二次電池を充電及び放電する際に発熱する。そのような熱が単位電池中で連続的に蓄積すると、単位電池の劣化が促進され、従って、単位電池が発火または爆発することがある。

従って、機械的強度が低い単位電池を安定して取り付け、単位電池から熱を効果的に除去し、単位電池が正常に作動しなくても、単位電池が加熱するのを防止し、それによって、単位電池の耐用寿命及び安全性を改良することができる、中または大型バッテリー装置を提供することが必要である。

発明の概要

そこで、本発明の目的は、上に記載する従来技術の問題、ならびに以前から未解決の技術的問題を実質的に解決することである。

本発明の第一の目的は、構造的一体性及び機械的強度が高く、それによって、バッテリー装置のサイズを最小に抑え、機械的強度が低い単位電池を安定して取り付け、単位電池から発生する熱を効果的に除去し、単位電池の加熱を防止するバッテリーカートリッジを提供することである。

本発明の第二の目的は、複数のバッテリーカートリッジを包含するバッテリーモジュールであって、バッテリーカートリッジがバッテリーモジュール中に、熱を効果的に除去しながら、高い一体性及び機械的強度で取り付けられているので、高出力、大容量バッテリー装置に使用できるバッテリーモジュールを提供することである。

本発明により、上記の、及び他の目的は、単位電池を収容するための一対の外側フレーム部材（ａ、ｂ）、及び該外側フレーム部材（ａ、ｂ）同士の間に配置された内側フレーム部材（ｃ）を備えてなり、単位電池の一方が該第一外側フレーム部材（ａ）と該内側フレーム部材（ｃ）の間に取り付けられており、他方の単位電池が該第二外側フレーム部材（ｂ）と該内側フレーム部材（ｃ）の間に取り付けられており、該内側フレーム部材（ｃ）が複数の通し孔を有し、該単位電池を該外側フレーム部材と該内側フレーム部材との間に取り付けた状態で、該通し孔が外部と連絡する、バッテリーカートリッジを提供することにより、達成することができる。

本発明により、第一外側フレーム部材（ａ）、第一単位電池、内側フレーム部材（ｃ）、第二単位電池、及び第二外側フレーム部材（ｂ）を、連続的に積み重ねた状態で相互に連結する。これによって、機械的強度が低い単位電池をバッテリーカートリッジ中に安定して取り付けることができる。さらに、上記の構造を有するバッテリーカートリッジ同士を、高一体性で積み重ねることができ、従って、バッテリー装置のサイズが最小に抑えられる。

本明細書では、「カートリッジ部材」は、各単位電池の形状に対応する長方形に形成された、その中に限定された中空部分を有する格子形状構造を意味する。

単位電池を、外側フレーム部材（ａ、ｂ）及び内側フレーム部材（ｃ）の連結構造中に取り付けた状態で、単位電池同士の間の空間は、内側フレーム部材（ｃ）に形成された通し孔を通して連絡している。また、単位電池のほとんど全表面が、外側フレーム部材（ａ、ｂ）の中空部分を通して外側に露出している。従って、内側フレーム部材の通し孔及び外側フレーム部材の中空部分を備えることにより、単位電池から発生する熱が効果的に放出される。

状況に応じて、内側フレーム部材（ｃ）の上側末端及び／または下側末端に溝を設け、内側フレーム部材（ｃ）を外側フレーム部材（ａ、ｂ）に連結した状態で、それらの溝により通し孔を形成する。

本明細書では、「通し孔」は、内側フレーム部材（ｃ）を外側フレーム部材（ａ、ｂ）に連結した時に、内側フレーム部材（ｃ）を通して直接形成される外気通路を包含する。

好ましい実施態様では、外側フレーム部材（ａ、ｂ）及び／または内側フレーム部材（ｃ）は、外側フレーム部材（ａ、ｂ）及び／または内側フレーム部材（ｃ）中に限定される中空部分を横切り、単位電池をより安定性良く支持するための、一本以上の支持棒を包含することができる。

第一外側フレーム部材（ａ）と内側フレーム部材（ｃ）との間に取り付けられる単位電池及び第二外側フレーム部材（ｂ）と内側フレーム部材（ｃ）との間に取り付けられる単位電池の数に、特に制限は無い。一個以上の単位電池をそれぞれのフレーム部材間に取り付けることができる。外側フレーム部材（ａまたはｂ）と内側フレーム部材（ｃ）との間に取り付ける単位電池の数が２個以上である場合、単位電池を、積み重ねるのではなく、隣り合わせに配置し、効果的な熱放出を達成する。また、２個以上の単位電池を外側フレーム部材（ａまたはｂ）と内側フレーム部材（ｃ）との間に取り付ける場合、単位電池を安定して支持する支持棒は、それらの支持棒が隣接する単位電池同士の間に配置されるように、外側フレーム部材及び／または内側フレーム部材に形成することができる。

単位電池を各バッテリーカートリッジの中に取り付けた状態で、複数のバッテリーカートリッジを連続的に積み重ねることができる。この場合、積み重ねたバッテリーカートリッジ同士の間に閉じた空間が限定される。閉じた空間は、隣接するフレーム部材と単位電池により形成される。従って、外側フレーム部材（ａ、ｂ）の外側表面に複数の溝を備え、外側フレーム部材（ａ、ｂ）が隣接するバッテリーカートリッジの外側フレーム部材と積み重ね様式で接続される時、それらの溝が空気通路を形成し、より効果的な熱放出を達成するのが好ましい。

内側フレーム部材（ｃ）を外側フレーム部材（ａ、ｂ）に連結した状態で、単位電池の電極リード線が外側フレーム部材（ａ、ｂ）と内側フレーム部材（ｃ）の連結区域で露出するように、外側フレーム部材（ａ、ｂ）及び／または内側フレーム部材（ｃ）は、単位電池の電極リード線の太さに対応する窪みを有する。

フレーム部材同士の連結には、特に制限は無い。例えば、フレーム部材同士の連結は、ボルト／ナット接続、リベット止め、溶接、接着剤、または雄と雌のネジ係合により達成することができる。

また、フレーム部材用の材料には、特に制限は無い。フレーム部材は、様々な材料、例えば可塑性樹脂または金属、から製造することができる。しかし、フレーム部材が金属製である場合、電極リード線の露出部分は電気的に絶縁する必要がある。

バッテリーカートリッジ中に取り付ける二次単位電池は、充電及び放電可能な電池である。好ましくは、大量（高密度）の電気を蓄積できる長方形電池または小袋形電池を単位電池として使用する。より好ましくは、小袋形電池を単位電池として使用する。

各単位電池は、アノード、カソード、分離フィルム、及び電解質が、密封された電池ケース中に取り付けられている。各単位電池は、薄膜形状のアノードとカソードとの間に微小多孔質分離フィルムを包含する電極アセンブリーが巻きつけられているゼリー−ロール型構造、またはアノード／分離フィルム／カソードの全電池または二重電池(bicell)が互いに積み重ねられた型の構造を有する。アノード及びカソードに塗布される活性材料には、特に制限は無い。好ましくは、アノード活性材料は、安全性が高いリチウムマンガン系酸化物からなり、カソード活性材料は炭素からなる。好ましい単位電池は、リチウム−イオン電池またはリチウム−イオン重合体電池である。

本発明は、相互に電気的に接続された複数のバッテリーカートリッジを包含するバッテリーモジュールも提供する。

具体的には、本発明のバッテリーモジュールは、２個以上の、上に記載するようなバッテリーカートリッジを包含するカートリッジアセンブリーと、該カートリッジアセンブリーを挿入し、取り付けるための、開いた前部及び内側空間を有する箱形ケースと、該ケースは、該ケースの上側末端、下側末端、左側、右側及び後部の少なくとも一つに複数のスリットを備えており、及び該ケースの該開いた前部に取り付けた前板とを備えてなる。

バッテリーカートリッジを互いに積み重ね、積み重ねられたバッテリーカートリッジをケースの内側空間中に取り付け、次いで、前板を、ケースの開いた前部に堅く取り付ける。これによって、単位電池から発生した熱は、ケース中に形成されたスリットを通してケースの中に導入される外気により、バッテリーモジュールから効果的に排出される。

バッテリーカートリッジ間の電気的接続は、カートリッジをケースに取り付ける前またはその後に行うことができる。例えば、バッテリーカートリッジをケース中に取り付けた状態で、前板の後表面とバッテリーカートリッジとの間に母線を配置し、次いで溶接工程を行い、バッテリーカートリッジ間に電気的接続を達成する。

好ましくは、バッテリーモジュールは、単位電池間の電位差を適切なレベルに維持し、単位電池の過充電及び／または過放電を阻止するための回路を包含するバッテリー管理装置（ＢＭＳ）、及び単位電池の電圧及び温度を測定するための回路を包含するプリント回路基板（ＰＣＢ）をさらに備えてなる。好ましい実施態様では、ＢＭＳをケースの側方表面に取り付け、ＰＣＢを前板の後表面に取り付ける。

複数のバッテリーモジュール同士を相互に電気的に接続し、高出力、大容量バッテリー装置（またはバッテリーパック）を製造することもできる。好ましくは、バッテリー装置は、バッテリーモジュール同士を効果的に連結するための追加の連結部材を包含することができる。

本発明のバッテリー装置は、高出力、大容量バッテリー装置として使用することができる。例えば、バッテリー装置は、電気自動車及びハイブリッド電気自動車、好ましくはハイブリッド電気自動車、用のバッテリー装置として使用することができる。

本発明の上記の、及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら記載する下記の詳細な説明により、より深く理解される。

好ましい実施態様の詳細な説明

ここで、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施態様を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、例示する実施態様に限定されるものではない。

図１は、本発明の好ましい実施態様による外側フレーム部材１００を例示する透視図であり、図２は、本発明の好ましい実施態様による内側フレーム部材２００を例示する透視図であり、図３は、一対の図１に示す外側フレーム部材と図２に示す内側フレーム部材との間に取り付けた２個の単位電池を例示する透視図である。

先ず図１に関して、外側フレーム部材１００は、その中に限定された中空部分１２０を有する長方形フレーム１１０及び長方形フレーム１１０に取り付けた、中空部分１２０を横切る支持棒１３０を包含する。例えば、小袋形単位電池（図には示していない）をフレーム１１０の上に載せ、単位電池の縁部をフレーム１１０の内側部分１４０に配置する。

図２に関して、内側フレーム部材２００は、その中に限定された中空部分２２０を有する長方形フレーム２１０及び長方形フレーム２１０に取り付けた、中空部分２２０を横切る支持棒２３０を包含する。フレーム２１０の左側、すなわち左フレーム部分２１１、及びフレーム２１０の右側、すなわち右フレーム部分２１２、に、複数の通し孔２４０が形成されている。フレーム２１０の上側末端、すなわち上側フレーム部分２１３、には、２個の窪み２５０が形成されており、そこから電極リード線（図には示していない）が突き出る。

本発明により、一対の外側フレーム部材（図１参照）同士を、互いに対向するように、内側フレーム部材（図２参照）が外側フレーム部材同士の間に配置されるように並べ、単位電池を内側フレーム部材と外側フレーム部材との間に取り付け、次いで、各フレーム部材を互いに堅く連結させ、バッテリーカートリッジを製造する。

図３は、上記のようにして製造された、本発明の好ましい実施態様によるバッテリーカートリッジ３００を例示する。

図３に関して、バッテリーカートリッジ３００は、第一外側フレーム部材１００及び第二外側フレーム部材１０１が互いに連結され、単位電池４００がフレーム部材間に取り付けられるように、内側フレーム部材が第一と第二外側フレーム部材１００と１０１の間に配置されている構造を有する。１個の単位電池が、第一外側フレーム部材１００と内側フレーム部材２００との間に取り付けられ、もう一つの単位電池が、内側フレーム部材２００と第二外側フレーム部材１０１との間に取り付けられる。従って、２個の単位電池がバッテリーカートリッジ３００に取り付けられる。しかし、上記のように、第一外側フレーム部材１００と内側フレーム部材２００との間に取り付けられる単位電池の数は２個以上でよい。同様に、第二外側フレーム部材１０１と内側フレーム部材２００との間に取り付けられる単位電池の数も２個以上でよい。

第一外側フレーム部材１００と内側フレーム部材２００との間に取り付けられた第一単位電池４００は、バッテリーカートリッジ３００の上側末端で露出しているアノードリード線４１０及びカソードリード線４２０を有する。第二外側フレーム部材１０１と内側フレーム部材２００との間に取り付けられた第二単位電池（図には示していない）は、やはりバッテリーカートリッジ３００の上側末端で露出しているアノードリード線４１１及びカソードリード線４２１を有する。第一単位電池４００のアノードリード線４１０は、第二単位電池のカソードリード線４２１に接続され、第一単位電池４００のカソードリード線４２０は、バッテリーカートリッジ３００の上に積み重ねられる別のバッテリーカートリッジＡの単位電池のリード線に接続され、それによって、単位電池同士が互いに直列に接続される。同様に、第二単位電池のアノードリード線４１１は、バッテリーカートリッジＡの上に積み重ねられるさらに別のバッテリーカートリッジＢの単位電池のカソードリード線に接続される。

図４は、外側フレーム部材１００及び１０１と内側フレーム部材２００との間の連結を例示する部分拡大図である。

図４に関して、外側フレーム部材１００及び１０１と内側フレーム部材２００との間の連結により単位電池４００間に限定される空間は、通し孔２４０を通して外部と連絡する。従って、通し孔２４０を通してバッテリーカートリッジ中に導入される外部の冷却空気が、単位電池から発生する熱を効果的に除去し、次いで、通し孔２４０を通して外部に排出される。また、単位電池４００の外側表面は、外側フレーム部材の中空部分１２０（図１参照）を通して露出しており、従って、熱は効果的に排除される。

複数のバッテリーカートリッジ３００を互いに積み重ね、バッテリーモジュールを製造する場合、積み重ねられたバッテリーカートリッジ３００同士の間に限定される空間は閉鎖されるので、単位電池４００から発生する熱は、バッテリーモジュール中に蓄積することがある。この理由から、複数の溝１５０及び１５１を外側フレーム部材１００及び１０１の外側表面に形成し、積み重ねられたバッテリーカートリッジ３００同士の間に限定される空間を外部と連絡させる。

図５は、本発明の好ましい実施態様によるバッテリーモジュール５００を例示する透視図である。図６は、バッテリーモジュール５００のケース６００を例示する透視図であり、図７は、バッテリーモジュール５００の前板７００を例示する透視図である。

先ず、図６に関して、ケース６００は、開いた前部６１０及び複数のバッテリーカートリッジ３００（図３参照）を収容するための内側空間６２０を包含する。ケース６００は、ほぼ箱の形状に形成されている。ケース６００は、その上側末端６３０及び下側末端６４０に、内側空間６２０と連絡する複数のスリット６００を備えている。状況に応じて、スリット６００は、ケース６００の後部（図には示していない）にも形成することができる。ケース６００の側部６５０には、バッテリー管理装置（ＢＭＳ）を取り付けるが、これは図には示していない。

図７に関して、前板７００は、ケース６００の開いた前部６１０（図６参照）のサイズに対応するサイズを有するので、前板７００をケース６００の開いた前部６１０に取り付けることができる。前板７００は、ほぼ板の形状に形成されている。前板７００の後表面には母線（図には示していない）を取り付け、単位電池４００（図３参照）同士の間を電気的に接続する、及び／またはバッテリーカートリッジ３００（図４参照）同士の間を電気的に接続できるようにする。前板７００を通して複数の開口部７１０が形成されており、それらの開口部を通して、母線を前板７００の後表面に取り付ける。前板７００の後表面には、プリント回路基板（ＰＣＢ）も取り付けるが、これは図には示していない。ＰＣＢは、単位電池４００同士の間の電位差及び／または単位電池４００の温度を測定するための回路を包含する。

図５に関して、複数のバッテリーカートリッジ（図には示していない）をケース６００の内側空間６２０の中に取り付けた状態で、前板７００をケース６００に取り付け、ＢＭＳをケース６００上に取り付けた状態で、ＢＭＳカバー８００をケース６００に取り付け、それによって、バッテリーモジュール５００が完成する。母線７２０は、前板７００の開口部７１０を通して部分的に露出する。好ましくは、ＢＭＳカバー８００は、ＢＭＳを外部の電磁波及び物理的な衝撃から保護するために、金属シートから製造する。

複数の図５に示すようなバッテリーモジュール５００を、バッテリーモジュール５００同士を互いに電気的に接続した状態で、連続的に積み重ね、高出力、大容量のバッテリーパック（図には示していない）を製造する。このバッテリーパックは、電気自動車、特にハイブリッド電気自動車用の電源として非常に有用である。

本発明の好ましい実施態様を例示のために開示したが、当業者には明らかなように、請求項に記載する本発明の範囲及び精神から離れることなく、様々な修正、追加及び置き換えが可能である。

上記の説明から明らかなように、バッテリーカートリッジ及びそのバッテリーカートリッジを包含するバッテリーモジュールは、構造的一体性及び機械的強度が高い。従って、本発明には、バッテリー装置のサイズを小さくし、機械的強度が低い単位電池を安定して取り付け、単位電池から発生する熱を効率的に除去する効果がある。

図１は、本発明の好ましい実施態様による外側フレーム部材を例示する透視図である。 図２は、本発明の好ましい実施態様による内側フレーム部材を例示する透視図である。 図３は、一対の図１に示す外側フレーム部材と図２に示す内側フレーム部材との間に取り付けた２個の単位電池を例示する透視図である。 図４は、図３に示す外側フレーム部材と内側フレーム部材との間の連結を例示する部分拡大図である。 図５は、本発明の好ましい実施態様によるバッテリーモジュールを例示する透視図である。 図６は、図５に示すバッテリーモジュールのケースを例示する透視図である。 図７は、図５に示すバッテリーモジュールの前板を例示する透視図である。

符号の説明

１００ 外側フレーム部材 ２００ 内側フレーム部材
３００ バッテリーカートリッジ ４００ 単位電池
５００ バッテリーモジュール ６００ ケース
７００ 前板 ８００ ＢＭＳカバー

Claims (11)

1. バッテリーカートリッジであって、
   単位電池を収容するための一対の外側フレーム部材（ａ、ｂ）と、及び
   前記外側フレーム部材（ａ、ｂ）同士の間に配置された内側フレーム部材（ｃ）とを備えてなり、
   前記単位電池の一方が、前記第一外側フレーム部材（ａ）と前記内側フレーム部材（ｃ）の間に取り付けられており、
   他方の単位電池が、前記第二外側フレーム部材（ｂ）と前記内側フレーム部材（ｃ）の間に取り付けられており、
   前記内側フレーム部材（ｃ）が、複数の通し孔を有し、前記単位電池を前記外側フレーム部材と前記内側フレーム部材との間に取り付けた状態で、前記通し孔が外部と連絡するものであり、
   前記外側フレーム部材（ａ、ｂ）及び／または前記内側フレーム部材（ｃ）が、前記単位電池の前記電極リード線の太さに対応する窪みを有してなり、前記内側フレーム部材（ｃ）を前記外側フレーム部材（ａ、ｂ）に連結した際に、前記単位電池の電極リード線が前記外側フレーム部材（ａ、ｂ）と前記内側フレーム部材（ｃ）の連結区域で露出するようにされてなる、バッテリーカートリッジ。
2. 前記通し孔が、前記内側フレーム部材（ｃ）を通して形成された外気通路である、請求項１に記載のバッテリーカートリッジ。
3. 前記内側フレーム部材（ｃ）が、前記内側フレーム部材（ｃ）の上側末端及び／または下側末端に溝が備えられてなり、
   前記通し孔が、前記内側フレーム部材（ｃ）を前記外側フレーム部材（ａ、ｂ）に連結した状態で、前記溝により形成される外気通路である、請求項１に記載のバッテリーカートリッジ。
4. 前記外側フレーム部材（ａ、ｂ）及び／または前記内側フレーム部材（ｃ）が、前記外側フレーム部材（ａ、ｂ）及び／または前記内側フレーム部材（ｃ）中に限定される中空部分を横切り、前記単位電池をより安定性良く支持するための一本以上の支持棒を包含する、請求項１に記載のバッテリーカートリッジ。
5. 前記外側フレーム部材（ａ、ｂ）が、前記外側フレーム部材（ａ、ｂ）の外側表面に複数の溝が備えられてなり、前記外側フレーム部材（ａ、ｂ）が、隣接するバッテリーカートリッジの外側フレーム部材と積み重ね様式で接続される時、前記溝が空気通路を形成する、請求項１に記載のバッテリーカートリッジ。
6. 前記単位電池が小袋形リチウム−イオン重合体電池である、請求項１に記載のバッテリーカートリッジ。
7. バッテリーモジュールであって、
   請求項１に記載のバッテリーカートリッジを２個以上包含するカートリッジアセンブリーと、
   前記カートリッジアセンブリーを挿入し、取り付けるための、開いた前部及び内側空間を有する箱形ケースと、及び
   前記ケースの前記開いた前部に取り付けた前板とを備えてなり、
   前記ケースが、前記ケースの上側末端、下側末端、左側、右側及び後部の少なくとも一つに複数のスリットを備えてなる、バッテリーモジュール。
8. 前記単位電池間の電位差を適切なレベルに維持し、かつ、前記単位電池の過充電及び／または過放電を阻止するための回路を包含するバッテリー管理装置（ＢＭＳ）、及び／または、
   前記単位電池の電圧及び温度を測定するための回路を包含するプリント回路基板（ＰＣＢ）をさらに備えてなる、請求項７に記載のバッテリーモジュール。
9. 前記ＢＭＳが、前記ケースの側方表面に取り付けられており、
   前記ＰＣＢが、前記前板の後表面に取り付けられている、請求項７に記載のバッテリーモジュール。
10. 請求項７に記載の複数のバッテリーモジュール同士を電気的に接続することにより製造される、高出力、大容量バッテリー装置。
11. 前記バッテリー装置がハイブリッド車両に使用される、請求項１０に記載のバッテリー装置。

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