JP4726691B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は二次電池に関し、より詳しくは、複数の単位電池とこれら単位電池の間に配置される隔壁を含んで成る電池モジュールに関するものである。

二次電池は充電が不可能な一次電池とは異なって充電及び放電が可能な電池である。低容量二次電池は携帯電話やノートパソコン及びキャムコーダーのような携帯が可能な小型電子機器に使用され、大容量二次電池はハイブリッド電気自動車などのモータ駆動用電源として幅広く使用されている。

前記二次電池は様々な形状に製造されている。この二次電池の代表的な形状としては円筒形、角形が挙げられる。大電力を必要とする機器、例えば、ハイブリッド電気自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ;ＨＥＶ、以下、ＨＥＶと言う）等のモータ駆動に用いることができるように、前記高出力二次電池は複数直列に連結されて大容量の二次電池を構成する。

このように一つの大容量二次電池（以下、明細書全般にわたって説明の便宜上電池モジュールと言う）は通常直列に連結される複数の二次電池（以下、明細書全般にわたって説明の便宜上単位電池と言う）で構成される。

前記各々の単位電池は正極と負極がセパレータを間において位置される電極組立体と、前記電極組立体が内蔵される空間部を備えるケースと、前記ケースに結合されて、これを密閉するギャップ組立体と、前記ギャップ組立体から突き出されて前記電極組立体に備えられる正極及び負極の集電体と電気的に連結される正極及び負極端子とを含む。

なお、各々の単位電池は通常角形電池の場合、ギャップ組立体上部に突き出された正極端子及び負極端子が隣接する単位電池の正極端子及び負極端子と交差するように各単位電池を交差配列し、ネジ加工された負極端子と正極端子との間にナットを媒介として導電体を連結設置し電池集合体を構成する。

前記電池集合体は熱伝達媒体が流通されるハウジング内に設置されて一つの電池モジュールを構成する。前記電池モジュールは数個から多くは数十個の単位電池を連結させて一つの電池モジュールを構成するため、各単位電池で発生する熱を容易に放出すべきであり、さらに前記ＨＥＶに適用される二次電池の場合、熱の放出は何より重要であると言える。

熱の放出がうまく行われない場合、例えば、各単位電池で発生する熱は電池モジュールの温度上昇を招き、結果的に前記電池モジュールが適用された機器の誤作動を発生させる虞がある。

特に、ＨＥＶ用電池モジュールの場合には大電流で充/放電されるので、使用状態に応じて二次電池の内部反応によって発生した熱により二次電池の熱が相当な温度まで上がるが、これがうまく管理できなければ、二次電池を含む電池モジュールはもちろん、これを有する機器の固有の特性を低下させることになる。

また、電池内部の化学的な反応によって電池の内部圧力が上昇すれば、それに伴って電池の形状が変化し、電池固有の特性に悪い影響を与えることもある。このような可能性はケースの構造的な特性上、角形電池でさらに起こる確率が多い。

そのために通常複数個の二次電池が内蔵される電池モジュールは、単位電池と単位電池との間に隔壁を設置することによって、単位電池間の冷却用空気流通のための間隔を確保し、構造的に単位電池の変形を防止する。

このため、前記隔壁は、冷却機能と電池形状維持機能を満足させられるように、十分な強度と効率的な放熱構造を持たなければならない。

しかし、従来の電池モジュールに提供される隔壁の場合、前記２種類の条件を十分に満足せず、隔壁の強度を確保する場合には製造費用が多くかかり、冷却用空気の通行流路の設計に制約がかかる問題があり、隔壁の冷却効率を上げる場合には構造的に弱く成る短所がある。

そこで、本発明は上述した問題を勘案して案出されたものであって、その目的は、単位電池の形状が維持できる十分な強度を確保するとともに、単位電池の効率的な温度制御が可能な電池モジュールを提供することにある。

本発明の電池モジュールは、間隔をおいて配列される複数の単位電池、及び前記複数の単位電池の間に設けられる隔壁を含む。前記隔壁は互いに間隔をおいて配列されるとともに、前記単位電池を支持することによって隣接する前記単位電池間に空気を流通させる隙間からなる空気流れ部を形成する複数の突起、及び前記隔壁の一方向に沿って形成されており、空気を流通させる空間からなる流路を有する強度強化部を含む。前記強度強化部は、前記隔壁の前記単位電池と向かい合う面の対向する両側辺部のみに沿って配置され、前記単位電池を支持し、前記複数の突起は、前記両側辺部に沿って対向して配置された前記強度強化部の間に配置される。前記複数の単位電池の配列方向の側端側に配置された隔壁から前記配列方向の中央側に配置された隔壁へ行くほど、前記強度強化部が形成された領域が次第に減るように形成されるとともに前記突起が形成された領域が次第に増えるように形成されている。

前記突起は一定の間隔をおいて形成されることができる。

前記隔壁の全領域における前記強度強化部が形成される領域の比率は１０〜３０％であり得る。

前記突起は前記隔壁に対して同一方向に突出形成することができる。

前記突起は円すい台形状とすることができる 。

前記流路は前記隔壁の前面及び後面に形成されることができる。

前記強度強化部は、前記隔壁が有する板材に任意の間隔をおいて突き出される複数のリブを含み、前記流路はこの複数のリブの間に形成される空間からなることができる。

前記リブは前記突起と同一方向に突出形成されることができる。

前記リブの幅は前記突起の最大直径と同じ大きさからなることができる。

前記隔壁は一対が備えられて、各々の強度強化部同士と突起同士とがそれぞれ対向するように配置されることができる。

前記一対の隔壁は溶接によって固定結合されてもよい。

本発明によれば、隔壁の構造を改善することによって隔壁の強度を確保して単位電池の変形を防止することができ、熱交換効率を上げることができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は多様で相異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施形態に限られない。

図１は本発明の実施形態による電池モジュールを概略的に示した斜視図である。

図１に示されているように、実施形態による電池モジュール１０は大容量の電池モジュールであって、一定間隔離隔して連続配置される複数の単位電池１１を含む。

本実施形態における前記単位電池１１としては角形の単位電池が使用される。

前記各々の単位電池１１は、セパレータを間においてその両側に正極と負極が配置される電極組立体を角形のケース内に備えて、既に設定された量の電力を充/放電する構造で備えられる。

このような単位電池１１の間には、これら単位電池１１の間の間隔を一定に維持し、この単位電池１１の間に冷却媒体を流通させるための隔壁２０が備えられる。

その結果、複数の単位電池１１は、隔壁２０によって一定の間隔をおいて離隔配列されながら、一つの電池集合体を構成する。

具体的に、前記電池集合体は、複数の単位電池１１とこれらの間に隔壁２０が配置された状態で、最外側に配置された単位電池１１の外側面にエンドプレート３５が各々密着され、このエンドプレート３５に連結された連結ロッド３０がナット３１によって固定されることによって形成される。

この電池集合体は任意の形態を有するハウジング１２内に設置され、ハウジング１２は前記冷却媒体（本実施形態では空気）が流入されるための流入口１３と、ハウジング１２の内部を通過しながら単位電池１１を冷却させた前記冷却媒体が排出されるための排出口１４とを有する。

本実施形態におけるハウジング１２は流入口１３と排出口１４とを対向配置した構造で形成される。

このようなハウジング１２の構造によって、温度制御用空気は流入口１３を通ってハウジング１２内部に流入されて単位電池１１の間に位置した隔壁２０を通り、この過程で前記温度制御用空気は単位電池１１と熱交換され、熱交換された空気は反対側に設けられたハウジング１２の排出口１４を通ってハウジング１２の外部に排出される。

ここで、前記ハウジング１２の具体的な構造と流入口１３及び排出口１４の位置及びハウジング１２内部における単位電池の配列構造については、前記空気の流れが行われる限り特に限られない。

上述した構造の電池モジュール１０において、本実施形態による隔壁２０は、図２に示されているように単位電池１１の側面と対応する大きさを有する板材２１からなり、その第１面には複数個の突起２３が一定の間隔をおいて一方向に突出形成されながら、空気流れ部２２を形成しており、前記板材２１の対向する両側辺部の各々には、複数のチャンネル２５から形成される強度強化部２４が形成される構造になっている。

本実施形態において、この強度強化部２４は、隔壁２０の長さ方向（Ｘ）に沿って長く配置されるストリップが作られるように、言い換えると、前記チャンネル２５が前記Ｘ方向に沿って隔壁２０の前/後面に交互に配置されるように、板材２１が複数回折り曲げられて形成される。

このような隔壁２０は、各突起２３の先端、強度強化部２４の各面、及び隔壁２０の前記第１面の反対側面である第２面が単位電池１１の側面に密着されながら、単位電池１１の間の間隔と単位電池１１の形態を維持させ、突起２３と突起２３との間で作られる空気流れ部２２を通って空気が円滑に排出され得る。

本実施形態によれば、前記突起２３の形態は、円すい台形状、すなわち側断面が傾いた台形をなしており、先端は円形をなす。突起２３の底部から先端までの高さは隔壁２０の高さ、つまり、単位電池１１と単位電池１１との間の間隔に影響を与えるので、電池モジュールの設計によって適当な高さに形成する（隔壁の高さは突起の高さと板材の厚さまで含まなければならないので、このように修正している）。

その結果、単位電池１１と単位電池１１との間に前記隔壁２０を設置すれば、突起２３が単位電池１１を支持して単位電池１１が変形して外側に膨張する場合、前記突起２３がその荷重を支えて隔壁２０の変形を防止するようになる。

これとともに、板材２１の両側部に形成された前記強度強化部２４は、単位電池１１を支持すると共に隔壁２０に供給された冷却用空気をチャンネル２５を通って流通させることにより、単位電池１１で発生した熱を冷却して放熱させる。

図３は本発明の他の実施形態による隔壁を示している。

図３に示されているように、隔壁１２０は単位電池の側面と対応する大きさを有する板材１２１を含み、その長さ方向（Ｘ）に沿って一表面に複数個の突起１２３を一定の間隔をおいて一方向に突出形成して空気流れ部１２２を構成し、前記板材１２１の外側部にはリブ１２６で形成された強度強化部１２４を形成している。

ここで、リブ１２６は一定の間隔をおいて板材１２１の対向する両側辺部に前記Ｘ方向に沿って形成されながら、それらの間にチャンネル１２５を形成している。

この時、リブ１２６の具体的な形状は特に限られない。たとえば、リブ１２６の幅は突起１２３が有する最大直径と同じ大きさであってもよい。

さらに、リブ１２６の間の間隔は同一であってもよく異なっていてもよい。リブ１２６の幅、もまた同一であてもよく異なっていてもよい。

このような隔壁１２０が電池モジュールを構成する時、単位電池と単位電池の間に設置されれば、リブ１２６の先端及び突起１２３の先端が前記単位電池の側面に接しながら単位電池を支持するようになり、チャンネル１２５を通じて隔壁１２０に流入された冷却用空気が流通できる。

もちろん、隔壁１２０に流入された冷却用空気は、チャンネル１２５よりは前記空気流れ部１２２へさらに多くの量で流れるが、これは通常単位電池を充/放電する時、この単位電池の周辺部に比べて中央部でさらに多くの量の熱が発生するという点を考慮したものである。

これに対し、隔壁１２０の側辺部に形成された強度強化部１２４は、突起１２３よりも相対的に折曲に対する応力に強い特性を持っているが、これは前述した実施形態を通じて説明したように、電池モジュールを構成する時、エンドプレートに連結ロッドを設置し、これをナットで固定する時に、ナットの締め力によってエンドプレートに局部的に発生する応力集中により生じる隔壁１２の変形を防止する役割を果たす。

ここで、本実施形態によれば、隔壁１２０の全領域にあって突起１２３が形成される領域の比率は９０〜７０％であり、強度強化部１２４が形成される領域の比率は１０〜３０％であるが、これは特に限定されるわけではない。

前記で突起１２３についての領域比率が９０％以上である場合には隔壁１２０の全体的な強度が低下し、強度強化部１２４についての領域比率が３０％以上である場合には隔壁１２０の全体的な冷却効率特性が低下することがある。

このような構造の隔壁１２０は、突起やチャンネル（またはストリップ）タイプの強度強化部を有する隔壁に比べて単位電池に対する冷却効率特性だけでなく、さらに強度特性も強化させて安定した電池モジュールを構成することができる。

このような結果は図１および図２に示した隔壁２０にも同様に適用できる。

図４と図５は本発明の他の実施形態による電池の隔壁を示している。

この実施形態によれば、隔壁は前記で言及したように空気流れ部と強度強化部とを有する二つのサブ隔壁が互いに対向するように接して、一つの隔壁をなす構造になっている。

この時、各サブ隔壁の空気流れ部と強度強化部の構造は互いに同一な形態にすることができる。

図４に示されている隔壁２２０は、図２に示された実施形態による隔壁と同一のサブ隔壁２３０の二つが対称に対向して、その強度強化部２４０同士と突起２５０同士とをそれぞれ接触させて形成される。

図５に示されている隔壁３２０は、図３に示された実施形態による電池の隔壁と同一のサブ隔壁３３０の二つが対称に対向して、その強度強化部３４０同士と突起３５０同士とをそれぞれ接触させて形成される。

前記でサブ隔壁２３０、３３０はレーザー溶接等によって固定結合できる。

このようにサブ隔壁２３０、３３０が接合されて隔壁２２０、３２０を形成すれば、冷却用空気の流れ通路を倍加することができるので、さらに向上した冷却効率を期待することができる。

一方、本発明の他の実施形態によれば、図６に示されているように、本電池モジュール４００は図１に示した電池モジュールと基本的な構成を共にし、但し、各隔壁４０２は両サイドから中央へ行くほど強度強化部４０４が形成された領域は次第に減り、突起４０６が形成された領域は次第に増える。

これは電池モジュール４００を構成する時、ナット４０８によってエンドプレート４１０に付加される応力が、電池モジュール４００の外側から内側行くほど減るので、電池モジュール４００の外側へ行くほど隔壁４０２に強度強化部４０４を次第に増やして強度特性を強化させ、隔壁４０２が変形することを防止するためである。

さらに、前記隔壁４０２の配列構造は、電池モジュール４００の中央側へ行くほど相対的に高い温度の発熱特性を示す単位電池４１２に対する冷却効率を向上させて、電池モジュール４００を構成する単位電池４１２全体に対する均一な冷却効率を期待することができる。

このような隔壁の構造は、図３、４、５に示した隔壁を有する電池モジュールにも適用することが可能である。

このような電池モジュールは高出力特性を要するハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、無線掃除機、電動自転車、電動スクーターなどのように、モータを使用して作動する機器に有用に用いることができる。

前記では本発明の望ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これもまた本発明の範囲に属することは当然である。

例えば、図７及び８に示したように、強度強化部５００、５０２は前述した実施形態でのように隔壁５０４、５０６の長さ方向（Ｘ）に沿ってのみ形成されず、この長さ方向（Ｘ）に垂直な方向（Ｙ）に沿っても形成されることができる。

本発明の実施形態による電池モジュールの構成を示した概略的な斜視図である。 本発明の実施形態による電池モジュールの電池隔壁を示した斜視図である。 本発明の他の実施形態による二次電池モジュールの電池隔壁を示した斜視図である。 本発明の他の実施形態による隔壁を示した側面図である。 本発明の他の実施形態による隔壁を示した側面図である。 本発明の他の実施形態による電池モジュールを示した側面図である。 本発明の他の実施形態による隔壁を示した側面図である。 本発明の他の実施形態による隔壁を示した側面図である。

符号の説明

１０，４００ 電池モジュール、
１１，４１２ 単位電池、
１２ ハウジング、
１３ 流入口、
１４ 排出口、
２０，２３０，３３０ 隔壁、
２１ 板材、
２２，１２２ 空気流れ部、
２３，１２３，４０６ 突起、
２４，１２４，４０４，５００，５０２ 強度強化部、
２５ チャンネル（流路）、
３０ 連結ロッド、
３１，４０８ ナット、
３５，４１０ エンドプレート、
１２０，３２０，４０２，５０４，５０６ 隔壁、
１２６ リブ。

Claims (11)

1. 間隔をおいて配列される複数の単位電池と、
   前記複数の単位電池の間に設けられる隔壁とを含み、
   前記隔壁は、
   互いに間隔をおいて配列されるとともに、前記単位電池を支持することによって隣接する前記単位電池間に空気を流通させる隙間からなる空気流れ部を形成する複数の突起と、
   前記隔壁の一方向に沿って形成されており、空気を流通させる空間からなる流路を有する強度強化部とを含み、
   前記強度強化部は、前記隔壁の前記単位電池と向かい合う面の対向する両側辺部のみに沿って配置され、前記単位電池を支持し、
   前記複数の突起は、前記両側辺部に沿って対向して配置された前記強度強化部の間に配置され、
   前記複数の単位電池の配列方向の側端側に配置された隔壁から前記配列方向の中央側に配置された隔壁へ行くほど、前記強度強化部が形成された領域が次第に減るように形成されるとともに前記突起が形成された領域が次第に増えるように形成される、電池モジュール。
2. 前記突起は一定の間隔をおいて形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記隔壁の全領域における前記強度強化部が形成される領域の比率が１０〜３０％である、請求項１または請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記突起は前記隔壁に対して同一方向に突き出されて形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池モジュール。
5. 前記突起は円すい台形状である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池モジュール。
6. 前記流路が前記隔壁の前面及び後面に形成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電池モジュール。
7. 前記強度強化部は、前記隔壁が有する板材に任意の間隔をおいて突き出される複数のリブを含み、前記流路は前記複数のリブの間に形成される空間からなる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電池モジュール。
8. 前記リブは前記突起と同一方向に突き出されて形成される、請求項７に記載の電池モジュール。
9. 前記リブの幅は前記突起の最大直径と同一である、請求項７または請求項８に記載の電池モジュール。
10. 前記隔壁は一対が備えられて、各々の強度強化部同士と突起同士とがそれぞれ対向するように配置される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電池モジュール。
11. 前記一対の隔壁が溶接によって固定結合される、請求項１０に記載の電池モジュール。

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