JP5192049B2 - 安全性を改良したバッテリーモジュール及びそれを含む中または大型バッテリーパック - Google Patents

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Description

発明の分野
本発明は、安全性を改良したバッテリーモジュールに関し、より詳しくは、複数のバッテリーセルまたは単位モジュールを包含し、該バッテリーセルまたは単位モジュールが、互いに緊密に接触した、または互いに隣接した状態で積み重ねられるように、互いに直列接続されている（高出力、大容量の）バッテリーモジュールであって、該バッテリーセルまたは該単位モジュールの充電及び放電時に該バッテリーセルまたは該単位モジュールの体積が変化しても、該バッテリーセルまたは該単位モジュールの積重状態が維持されるように、該バッテリーモジュールが固定されており、該バッテリーセル間または該単位モジュール間の電極端子接続区域の一部が、該バッテリーセルまたは該単位モジュールの体積膨脹に対して弱くなっているので、該バッテリーセルの膨潤により引き起こされる膨脹応力が該電極端子接続区域上に集中し、それによって、該膨潤が予め決められた値を超えた時に、該電極端子接続区域が破損し、従って、該電極端子接続区域で電気的切断が起こる、バッテリーモジュールに関する。
発明の背景
可動装置の開発が進み、そのような可動装置の需要が増加するにつれて、可動装置用のエネルギー供給源としての二次バッテリーの需要も急速に伸びている。特に、高エネルギー密度及び高放電電圧を有するリチウム二次バッテリーに多くの研究が行われ、リチウム二次バッテリーは、現在、商業的に広く使用されている。
二次バッテリーは、電力駆動装置、例えば電動自転車(E-バイク)、電気自動車(EV)、またはハイブリッド電気自動車(HEV)、用のエネルギー供給源、ならびに携帯ワイヤレス電子装置、例えば携帯電話、デジタルカメラ、パーソナルデジタルアシスタント(PDA)、及びラップトップコンピュータ、用のエネルギー供給源として、非常に大きな関心を集めている。
内部にバッテリーセルを装填した小型バッテリーパックは、小型装置、例えば携帯電話及びデジタルカメラ、に使用される。他方、互いに並列及び／または直列に接続された2個以上のバッテリーセル(以下、「マルチ-セル」と呼ぶことがある)を包含するバッテリーパックを内部に装填した中または大型バッテリーパックは、中または大型装置、例えばラップトップコンピュータ及び電気自動車、に使用される。
前に記載したように、リチウム二次バッテリーは、優れた電気的特性を有するが、リチウム二次バッテリーの安全性は低い。例えば、リチウム二次バッテリーの異常作動、例えば過充電、過放電、高温への露出、電気的短絡、が生じた時、バッテリーの構成成分である活性材料及び電解質の分解が引き起こされ、その結果、熱及びガスが発生し、熱及びガスの発生により引き起こされる高温及び高圧条件が上記の分解を促進する。最終的に、火災または爆発が起こることがある。
この理由から、リチウム二次バッテリーは、安全装置、例えばバッテリーの過充電、過放電、または過電流の際に電流を遮断するための保護回路、バッテリーの温度が増加した時に抵抗が大きく増加して電流を遮断する正温度係数(PTC)素子、及びガスの発生により圧力が増加した時に電流または排出ガスを遮断するための安全通気装置、を備えている。例えば小型円筒形二次バッテリーの場合、PTC素子及び安全通気装置は、通常、円筒形ケースに取り付けられた、カソード／セパレータ／アノード構造を有する電極アセンブリー(発電素子)の上部に配置される。他方、プリズム形または小袋形の小型二次バッテリーの場合、保護回路モジュール及びPTC素子は、通常、発電素子が内部に密封状態で取り付けられているプリズム形ケースまたは小袋形ケースの上側末端に取り付けられる。
リチウム二次バッテリーの安全性に関連する問題は、マルチ-セル構造を有する中または大型バッテリーパックでは、さらに深刻である。マルチ-セル構造バッテリーパックでは、複数のバッテリーセルが使用されているので、バッテリーセルの幾つかが異常作動すると、他のバッテリーセルの異常作動を引き起こすことがあり、その結果、火災または爆発が起こることがあり、大規模な事故につながることがある。この理由から、中または大型バッテリーパックは、バッテリーセルを過充電、過放電、及び過電流から保護するための安全装置、例えばヒューズ、バイメタル、及びバッテリー管理装置(BMS)を備えている。
しかし、リチウム二次バッテリーを連続的に使用するにつれて、すなわちリチウム二次バッテリーを連続的に充電及び放電するにつれて、発電素子及び電気的接続部材が次第に劣化する。例えば、発電素子の劣化は、電極材料及び電解質の分解につながり、それによってガスが発生する。その結果、バッテリーセル(円筒形、プリズム形、または小袋形ケース)が次第に膨脹する。リチウム二次バッテリーの正常状態では、安全装置、すなわちBMS、が過放電、過充電、及び過電流を検出し、バッテリーパックを制御／保護する。しかし、リチウム二次バッテリーの異常状態では、BMSが作動しない場合、危険の可能性が増加し、バッテリーパックを制御し、バッテリーパックの安全性を確保することが困難になる。中または大型バッテリーパックは、一般的に複数のバッテリーセルが予め決められたケース中に固定して取り付けられる構造に構築される。その結果、それぞれの膨脹するバッテリーセルがそれぞれのケース中でさらに加圧され、従って、バッテリーパックの異常作動条件下では、火災または爆発の可能性が大きく増加する。
これに関して、図1は、従来の中または大型バッテリーパックを典型的に例示する回路図である。図1に関して、従来の中または大型バッテリーパック900は、複数のバッテリーセルにより構成されるバッテリーモジュールアセンブリー500、バッテリーモジュールアセンブリー500の作動を検出し、制御するためのBMS 600、及びBMS 600から来る作動指令に従って、バッテリーモジュールアセンブリー500と外部の入力及び出力回路(インバータ)800を相互に接続するか、またはバッテリーモジュールアセンブリー500と外部の入力及び出力回路800を相互から分離するための電源スイッチ装置(継電器)700を包含する。
BMS 600は、電源スイッチ装置700を、バッテリーモジュールアセンブリー500の正常作動状態に維持する。バッテリーモジュールアセンブリー500の異常が検出されると、BMS 600は、バッテリーモジュールアセンブリー500の充電及び放電が遮断されるように、電源スイッチ装置700をオフにする。他方、BMSが異常作動するか、または作動しない場合、制御は、BMS 600により全く行われず、従って、電源スイッチ装置700はオンに維持される。その結果、バッテリーモジュールアセンブリー500の正常(normal)作動条件でも、バッテリーモジュールアセンブリー500の充電及び放電作動が、連続的に行われる。
従って、上記の問題を解決し、中または大型バッテリーパックの安全性を根本的に確保することができる技術が強く求められている。
従って、本発明は、上記の問題及び他の未解決の技術的問題を解決するためになされたものである。
上記の問題を解決するための様々な広範囲で集中的な研究及び実験の結果、本発明者らは、バッテリーモジュールを、バッテリーセル間の電極端子接続区域の一部が、バッテリーセルの膨潤によるバッテリーセルの体積膨脹に対して弱い（脆弱な）構造に構築した場合、バッテリーセルの膨潤により引き起こされる膨脹応力がその弱い（脆弱な）部分に集中するので、バッテリーモジュールの異常作動、例えば過充電、過放電、または過電流、により、あるいは長期間にわたるバッテリーセルの充電及び放電により引き起こされるバッテリーセルの劣化により、バッテリーセルが膨潤した場合、電極端子接続区域が破損し、それによって、電極端子接続区域で電気的遮断が起こるので、バッテリーモジュールの安全性が望ましいレベルに確保されることを見出した。
従って、本発明の目的は、安全性を改良するための特殊な構造を有するバッテリーモジュール、及びそれを包含する（中型または大型）バッテリーパックを提供することである。
本発明の一態様により、上記の、及び他の目的は、複数のバッテリーセルまたは単位モジュールを包含し、該バッテリーセルまたは単位モジュールが、互いに緊密に接触した、または互いに隣接した状態で積み重ねられるように、互いに直列接続されている（高出力、大容量）バッテリーモジュールであって、該バッテリーセルまたは該単位モジュールの充電及び放電時に該バッテリーセルまたは該単位モジュールの体積が変化しても、該バッテリーセルまたは該単位モジュールの積重状態が維持されるように、該バッテリーモジュールが固定されており、該バッテリーセル間または該単位モジュール間の電極端子接続区域の一部が、該バッテリーセルまたは該単位モジュールの体積膨脹に対して弱くなっているので、該バッテリーセルの膨潤により引き起こされる膨脹応力が該電極端子接続区域上に集中し、それによって、該膨潤が予め決められた値を超えた時に、該電極端子接続区域が破損し、従って、該電極端子接続区域で電気的遮断（cut-off：切断）が起こる、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。
バッテリーセルまたは単位モジュールが積み重ねられた構造に構築されているバッテリーモジュールでは、上記のように、バッテリーモジュールの異常作動、例えば過充電、過放電、または過電流、あるいは長期間にわたるバッテリーセルの充電及び放電により引き起こされるバッテリーセルの劣化のために、バッテリーセルが膨潤し、バッテリーセルが膨脹するので、バッテリーモジュールの燃焼及び爆発が引き起こされる。
この理由から、本発明のバッテリーモジュールは、バッテリーセル間または単位モジュール間の電極端子接続区域が、バッテリーセルが膨潤した時のバッテリーセルの体積膨脹に対して弱い（脆弱な）構造に構築される。これによって、膨潤が予め決められた値、例えば限界値、を超えると、膨脹応力は電極端子接続区域に集中するので、電極端子接続区域は物理的に変形し、例えば破損する。電極端子接続区域の破損により、バッテリーモジュール中の電気的接続が遮断され、充電及び放電作動が停止するので、バッテリーセルまたは単位モジュールのさらなる膨潤が阻止される。従って、バッテリーモジュールの燃焼または爆発が防止され、バッテリーモジュールの安全性が大きく改良される。
代表的な例では、本発明のバッテリーモジュールを構成するバッテリーセルまたは単位モジュールはケースにより覆われ、ケースの、電極端子接続区域に対応する予め決められた区域に、バッテリーセルの膨潤が過剰になった時に破損する部分的な開口部またはノッチ（notch：切欠、切り込み、窪み）部が形成される。すなわち、ケースの、電極端子接続区域に対応する部分は、膨脹応力に対して弱い（英弱な）開口部またはノッチの形状に形成されるので、バッテリーセルの膨潤により引き起こされるバッテリーセルの過剰膨脹応力が、電極端子接続区域に対応する開口部区域またはノッチ区域に集中する。
ケースは、高強度ケースまたは密封部材でよい。密封部材の例としては、複数のバッテリーセルまたは単位モジュールを予め決められたフレーム部材の中に取り付け、密封部材をフレーム部材の外側に取り付ける。密封部材が断熱性材料から製造されている場合、バッテリーセルまたは単位モジュールの一部が外側に露出されることにより、バッテリーセルまたは単位モジュール間に温度差が生じるのを抑制することができる。
カットアウト（cutout：切り出し、切り取り、切り抜き、切り欠き：回路を遮断できる安全装置）部分を通して露出された電極端子接続区域またはノッチ部分に対応する位置に配置された電極端子接続区域は、バッテリーセルまたはバッテリーモジュールが膨潤した時に意図する電気的遮断を引き起こすサイズを有していれば十分である。従って、電極端子接続区域全体が露出されていてよい。あるいは、電極端子接続区域の一部だけが露出されていてもよい。
本願では、ノッチの構造には、バッテリーセルまたは単位モジュールが膨潤した時に、ノッチが容易に破損する限り、特に制限は無い。例えば、ノッチは、ケースまたは密封部材の電極端子接続区域に対応する部分を、比較的小さな厚さを有するスリットまたは細く、長い溝構造の形状に部分的に切断することにより形成される構造に製造することができる。
構造の具体例として、単位モジュールのそれぞれは、電極端子が互いに直列に接続され、電極端子間の接続部分が屈曲している積み重ねられた構造に構築されているバッテリーセル、及びバッテリーセルの、電極端子を除いた外側表面を覆うように互いに連結した一対の高強度セルカバーを包含し、バッテリーセルが膨潤した時にバッテリーセルの局所的な変形を誘発する形状に設計されたカットアウト部分またはノッチ部分が、セルカバーの少なくとも一方の、電極端子接続区域に隣接する予め決められた区域に形成されている。
例えば、バッテリーセルは、合成樹脂または金属から製造された高強度セルカバーで覆い、単位モジュールを構成することができる。高強度セルカバーは、強度が低いバッテリーセルを保護し、同時に、バッテリーセルの充電及び放電の際の、バッテリーセルの反復的な膨脹及び収縮における変動を抑制し、それによって、各バッテリーセルの密封区域の破損を防止する。バッテリーセルの膨潤により引き起こされる膨脹応力が、セルカバーのカットアウト部分またはノッチ部分に対応する電極端子接続区域に集中するように、所望の形状を有するカットアウト部分またはノッチ部分を、セルカバーの少なくとも一個の、電極端子接続区域に隣接する部分に形成する。
例えば、バッテリーモジュールは、バッテリーケースの前及び後側に形成された電極端子をそれぞれ有する板形状のバッテリーセルをそれぞれ包含する、複数の単位モジュールを包含することができる。この構造で、単位モジュールが相互に予め決められた空間を置きながら横方向で直立し、その空間中を冷却剤が流れ、単位モジュールを冷却することができるように、ケースの中に単位モジュールを取り付けることができる。この構造では、カットアウト部分またはノッチ部分を、最も外側にある単位モジュールのセルカバーに形成することができる。従って、バッテリーセルの異常作動によるバッテリーセルの膨脹応力が、最も外側にある単位モジュールのセルカバーに形成されたカットアウト部分またはノッチ部分上に集中する結果、最も外側にある単位モジュールのバッテリーセル間の電極端子接続区域が破損し、充電及び放電のための電気的接続が遮断される。
カットアウト部分またはノッチ部分のサイズは、電極端子接続区域の破損設定条件に応じて変えることができる。好ましくは、カットアウト部分またはノッチ部分のサイズは、バッテリーセルの膨潤が、各バッテリーセルの厚さの1.5〜5倍に等しいバッテリーセルの体積増加をもたらした時に電極端子接続区域が破損するように設定する。設定範囲は、望ましいバッテリーモジュールの安全性試験標準に基づいて、変えることができる。しかし、カットアウト部分またはノッチ部分サイズが大きすぎると、セルカバーにより達成されるバッテリーセルの機械的強度が低下し、バッテリーセルの膨脹を正常な作動状態で適切に抑制できない場合がある。従って、カットアウト部分またはノッチ部分のサイズを、上記の点を考慮して適切な範囲内に設定する必要がある。
本発明の別の態様により、上記のバッテリーモジュールを包含する中または大型バッテリーパックを提供する。
具体的には、本発明の（中または大型）バッテリーパックは、バッテリーモジュール、バッテリーモジュールの作動を検出及び制御するためのバッテリー管理装置(BMS)、及びバッテリーモジュールと外部の入力及び出力回路との間に配置された電源スイッチ装置を包含し、電源スイッチ装置は、BMSから来る作動指令に従い、バッテリーモジュールと外部の入力及び出力回路とを互いに接続する、及びバッテリーモジュールと外部の入力及び出力回路とを相互から分離する。バッテリーモジュールと電源スイッチ装置との間の接続は、異常作動状態では、BMSから独立して遮断される。
従来の中または大型バッテリーパックでは、前に図1に関して説明したように、バッテリーモジュール中に過電流または過電圧が生じた場合、バッテリーモジュールと外部の入力及び出力回路との間の接続が、BMSの制御により、電源スイッチ装置により遮断される。
しかし、BMSが異常作動するか、または作動しない場合、BMSは電源スイッチ装置を制御することができないので、異常状態にあるバッテリーモジュールが外部の入力及び出力回路に接続され、深刻な状態に陥る。
一方、本発明の中または大型バッテリーパックは、バッテリーモジュールと電源スイッチ装置との間の接続が、異常作動状態にあるBMSから独立して遮断される構造に構築されている。従って、バッテリーモジュールの異常作動、例えば過充電、過放電、または過電流、が起きると、前に説明したように、バッテリーセルの膨潤によるバッテリーセルの膨脹応力により電極端子接続区域が破損し、短絡するので、バッテリーモジュールへの電力供給が遮断される。その結果、BMSが異常作動するか、または作動しない場合でも、バッテリーモジュールと外部の入力及び出力回路との間の通電が阻止される。
参考のため、外部の入力及び出力回路は、外部装置、例えば車両のモーターまたは電子装置、に接続することができる。例えば、外部の入力及び出力回路は、直流電気を交流電気に変換するためのインバータでよい。また、電源スイッチ装置は継電器でよい。
代表的な実施態様では、中または大型バッテリーパックは、複数のバッテリーモジュールがフレーム部材により固定され、最も外側にあるバッテリーモジュールが、フレーム部材に固定された密封部材により覆われ、バッテリーモジュールが膨潤した時にバッテリーモジュールの局所的な変形を誘発する形状に設計されたカットアウト部分またはノッチ部分が、密封部材の、電極端子接続区域に隣接する予め決められた区域に形成される構造に構築される。
すなわち、予め決められた形状のカットアウト部分または予め決められた形状のノッチ部分が、密封部材の、電極端子接続区域に隣接する予め決められた区域に形成されるので、バッテリーモジュールの膨潤により引き起こされる膨脹応力が密封部材のカットアウト部分またはノッチ部分に集中する。
従って、それぞれの最も外側にあるバッテリーモジュールのバッテリーセルまたは単位モジュール間の電極端子接続区域が、対応するカットアウト部分を通して、または破損したノッチ部分を通して外側に突き出る。突き出る電極端子接続区域の膨潤体積は連続的に増加し、膨潤体積が予め決められた臨界破損値に到達すると、電極端子接続区域が破損し、その結果、電極端子間の接続が遮断され、それによって、バッテリーパックの安全性が確保される。
上記の構造では、密封部材を断熱性材料から製造し、バッテリーモジュール間の均一性をさらに高めることができる。特に、密封部材をフォーム樹脂から製造し、バッテリーパックの総重量を最小に抑え、同時に、断熱性を改良することができる。
そのような構造の具体的な例として、バッテリーパックは、複数の（長方形）バッテリーモジュールを包含するバッテリーモジュールアセンブリー、バッテリーモジュールのそれぞれは、互いに直列接続され、横方向(垂直方向)及び高さ方向(水平方向)で2個以上ずつ積み重ねられた複数のバッテリーセルまたは単位モジュールを包含し、バッテリーセルまたは単位モジュールが〔一般的に六面体構造(六面体積重構造)〕に構築され、（六面体）積重構造の外側縁部がフレーム部材により固定されており、及び入力及び出力端子の配置(orientation)表面、配置表面に対向する表面、または配置表面の側部にある表面に取り付けられた、バッテリーモジュールの作動を制御するためのBMSを包含する。（長方形）バッテリーモジュールのそれぞれにおけるバッテリーセルまたは単位モジュールは、（六面体）積重構造の一対の対向する表面(a、d)に対して平行に配置され、カットアウト部分またはノッチ部分を有する密封部材が、（六面体）積重構造の対向する表面(a、d)の少なくとも一方に取り付けられている。
中または大型バッテリーパックでは、複数の長方形バッテリーモジュールが垂直方向及び水平方向に積み重ねられて六面体積重構造を構成し、その六面体積重構造はフレーム部材により固定される。従って、中または大型バッテリーパックは、一般的に緊密で、安定した構造に構築される。また、中または大型バッテリーパックの機械的連結及び電気的接続は、多数の部材を使用せずに達成される。
六面体積重構造を構成する長方形バッテリーモジュールのそれぞれは、前に説明したように、複数のバッテリーセルまたは単位モジュールが互いに直列接続された構造に構築される。例えば、2個以上の板形状バッテリーセルを積み重ね、各長方形バッテリーモジュールを構成する。好ましくは、2個以上の単位モジュールを積み重ね、各長方形バッテリーモジュールを構成する。
また、バッテリーモジュールの作動を制御するための装置であるBMSは、入力及び出力端子が位置する表面(端子配置表面)、配置表面に対向する表面、または小佐野側部にある表面に取り付ける。従って、BMSと入力及び出力端子の接続が容易に達成され、それらの電気的接続構造及び組立工程がさらに簡単になり、電気的接続部材の長さが短くなることにより内部抵抗の増加が抑えられ、外部衝撃による接続部材短絡の可能性が低くなる。
各長方形バッテリーモジュールにおける単位モジュールのバッテリーセルは、高い空間利用率を達成するために、六面体積重構造の対向表面(a、d)の対に対して平行に配置されるので、長方形バッテリーモジュールも、六面体積重構造の対向表面(a、d)の対に対して平行に配置され、カットアウト部分またはノッチ部分は、対向表面(a、d)に取り付けられた密封部材に形成され、それによって、膨潤するバッテリーモジュールの局所的な変形が、電極端子接続区域で容易に誘発される。
上記の構造では、長方形バッテリーモジュールにより構成される六面体積重構造の外側縁部を固定するためのフレーム部材は、様々な構造に構築することができる。例えば、フレーム部材は、複数のフレーム片が、各フレーム片が六面体積重構造の12縁部の対応する1個を固定するように、互いに一体的に連結される構造に、または複数のフレームが、各フレームが同じ平面上で六面体積重構造の少なくとも4縁部を固定するように、互いに一体的に連結される構造に構築することができる。
具体的には、六面体積重構造の対向する側部に位置する4縁部を横方向で固定するフレームは、一体化された構造に構築され、残りの個別フレーム片は、一体化されたフレームに連結される。この連結構造では、例えば、上側列の長方形バッテリーモジュールは2個の個別フレーム片により固定され、下側列の長方形バッテリーモジュールは、残りの2個の個別フレーム片により固定され、2個の一体化されたフレームは4個の個別フレーム片に連結される。このようにして、バッテリーモジュールアセンブリーの製造が容易に達成され、製造効率が改良される。
本発明の中または大型バッテリーパックは、バッテリーパックの設置効率及び構造的安定性を考慮して、設置空間が限られており、振動及び強い衝撃に頻繁にさらされる電気自動車、ハイブリッド電気自動車、等の電力供給源として使用することができる。
本発明の別の態様により、高出力、大容量バッテリーモジュールまたはバッテリーパック、該バッテリーモジュールは、複数のバッテリーセルまたは単位モジュールを包含し、該バッテリーセルまたは単位モジュールが、互いに緊密に接触した、または互いに隣接した状態で積み重ねられるように、互いに直列接続されており、該バッテリーパックは、互いに直列または並列に接続された複数のバッテリーモジュールを包含する、の安全性を確保する方法を提供するが、該方法では、該バッテリーセルが過度に膨潤した時に、膨脹応力を、バッテリーセルまたは単位モジュール間の電極端子接続区域に集中させ、それによって、該電極端子接続区域を破損させ、従って、該電極端子接続区域で電気的遮断を起こす。
この方法を使用することにより、前に説明したように、バッテリーモジュールの過剰使用の結果、バッテリーモジュールが異常作動するか、またはバッテリーモジュールがその適切な作動状態から逸脱した場合に、充電及び放電を制御する装置であるBMSが作動しなくても、または異常作動しても、バッテリーモジュール中の電気的接続構造を破壊し、バッテリーパックの燃焼または爆発を阻止することができる。
本発明の別の態様により、互いに直列または並列に接続された（高出力、大容量）バッテリーモジュールを包含し、該バッテリーモジュールのそれぞれが、複数のバッテリーセルまたは単位モジュールを包含し、該バッテリーセルまたは単位モジュールが、互いに緊密に接触した、または互いに隣接した状態で積み重ねられるように、互いに直列接続されているバッテリーパックであって、該バッテリーパックが、該バッテリーセルが過充電された時に該バッテリーセル中に発生する圧力が該バッテリーセルまたは単位モジュールの弱い（脆弱な）部分に集中し、該弱い部分が破損し、従って、該弱い部分に電気的遮断が起こり、それによって、バッテリーパックの安全性が確保される構造に構築される、バッテリーパックを提供する。
このバッテリーパックは、特殊な構造に構築された弱い部分を包含するので、バッテリーセルが過充電された時に、バッテリーセルの内部圧力がこの弱い部分に誘発され、その結果、弱い部分に電気的遮断が起こり、それによって、バッテリーパックの安全性が大きく改良される。
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。
図１は、従来の中または大型バッテリーパックを典型的に例示する回路図である。 図２は、本発明の代表的な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３は、単位モジュールを構成するバッテリーセルとセルカバーの対を例示する透視図である。 図４は、単位モジュールを構成するバッテリーセルとセルカバーの対を例示する透視図である。 図５は、単位モジュール積重構造を例示する透視図である。 図６は、本発明の別の代表的な実施態様によるバッテリーモジュールアセンブリーを例示する透視図である。 図７は、バッテリーモジュールアセンブリーを取り除いた中または大型バッテリーパックを例示する透視図である。 図８は、本発明の別の代表的な実施態様による中または大型バッテリーパックを典型的に例示する回路図である。 図９は、電極端子が膨潤により破壊された状態を例示する中または大型バッテリーパックの実験写真である。 図１０は、本発明の別の代表的な実施態様による中または大型バッテリーパックを例示する透視図である。 図１１は、図１０の密封部材を例示する透視図である。 図１２は、図１１の区域Ａを例示する垂直断面図である。
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2は、本発明の代表的な実施態様によるバッテリーモジュールを典型的に例示する透視図である。
図2に関して、バッテリーモジュール100'は、単位モジュール積重構造200が、互いに垂直に組み立てられた上側ケース120と下側ケース130の間に、単位モジュール積重構造200がそれらの側部に直立している状態で取り付けられる構造に構築されている。上側ケース120の前部には入力及び出力端子140が形成されている。下側ケース130の前部には、入力及び出力端子140に電気的に接続された母線150が形成されている。下側ケース130の後部には、電圧及び温度センサーが接続されているコネクタ160が取り付けられている。
単位モジュール積重構造200には、カットアウト部分212が、最も外側にある単位モジュール210のセルカバーの中に形成されている。従って、バッテリーセルが、バッテリーセルの短絡または過充電によりバッテリーセル中で発生したガスにより膨潤した場合、カットアウト部分212にバッテリーセルの局所的な変形が誘発される。
図3及び4は、単位モジュールを構成するバッテリーセルとセルカバーの対を例示する透視図である。
単位モジュール(図には示していない)は、2個のバッテリーセル302及び304が互いに直列に接続され、バッテリーセル302及び304が、電極端子305及び306が屈曲した状態で、高強度セルカバー310により覆われる構造に構築される。セルカバー310は、互いに連結し、バッテリーセル302及び304の、電極端子305及び306を除いた外側表面を覆う。セルカバー310の、バッテリーセル302及び304の電極端子接続区域314に隣接する区域には、対応するセルカバー310の部分を切り取ることにより得られるカットアウト部分312が形成されている。従って、バッテリーセル302及び304が膨潤すると、電極端子接続区域314はカットアウト部分312の外に突き出し、変形する。
図5は、単位モジュール積重構造を典型的に例示する透視図である。
図5に関して、単位モジュール積重構造200は、バッテリーセルが対応するセルカバーにより覆われる構造にそれぞれ製造された4個の単位モジュール202、203、204、及び205が、単位モジュール202、203、204、及び205が互いに直列に接続された状態で、ジグザグ様式で積み重ねられる構造に構築される。単位モジュール202、203、204、及び205の中で最も外側にある単位モジュール202を覆うセルカバーには、電極端子接続区域に隣接する区域318に配置された、予め決められた形状を有するカットアウト部分316が形成されている。
図6は、本発明の別の代表的な実施態様によるバッテリーモジュールアセンブリーを典型的に例示する透視図であり、図7は、バッテリーモジュールアセンブリーを取り除いた中または大型バッテリーパックを典型的に例示する透視図である。
これらの図に関して、中または大型バッテリーパックは、電源スイッチ装置600及びバッテリー管理装置(BMS)700が、バッテリーモジュールアセンブリー500'の片側に取り付けられ、そのバッテリーモジュールアセンブリーは、6個の長方形バッテリーモジュール101、102、103、104、105、及び106により構成される六面体積重構造400、及びその六面体積重構造400の外側縁部を固定するためのフレーム部材510を包含する構造に構築される。中または大型バッテリーパックは、一般的に長方形平行六面体の形状に形成される。
6個の長方形バッテリーモジュール101、102、103、104、105、及び106は、各2個のバッテリーモジュールが水平方向に積み重ねられ、各3個のバッテリーモジュールが垂直方向に積み重ねられる様式で積み重ねられる。また、長方形バッテリーモジュール101、102、103、104、105、及び106は、バッテリーモジュールの片側表面に形成された入力及び出力端子240が互いに隣接するように、対向する配置構造に積み重ねられる。すなわち、上側列バッテリーモジュール101、102、及び103は、対応する下側列バッテリーモジュール104、105、及び106の上に、上側列バッテリーモジュール101、102、及び103が逆転した状態で積み重ねられるので、上側列バッテリーモジュール101、102、及び103及び対応するが下側列バッテリーモジュール104、105、及び106が想像上の中央線に沿って対称的になる。
フレーム部材510は、複数のフレームが互いに連結し、六面体積重構造400の12個の外側縁部を安定して固定する。六面体積重構造400がフレーム部材510の中に取り付けられた状態では、六面体積重構造400の6個の表面が外側に露出される。
必要に応じて、充電及び放電作動を行うために電流を導くのに役立ち、バッテリー装置の作動開始時に、またはバッテリー装置が分解する際に、電圧を適切に下げるのに役立ち、長方形バッテリーモジュール101、102、103、104、105、及び106を電気的に相互接続するのに役立ち、過電流、過電圧、等から回路を保護するのに役立つ電源スイッチ装置600及びBMS 700は、六面体積重構造400の、入力及び出力端子240が配置されている前部に取り付けられている。長方形バッテリーモジュール101、102、103、104、105、及び106の入力及び出力端子240は、互いに隣接している。従って、入力及び出力端子240と電源スイッチ装置600との間の接続を容易に達成し、電気的接続用部材の長さを大幅に短くすることができる。
中にカットアウト部分522が形成されている密封部材520が、六面体積重構造400の電源スイッチ装置600が取り付けられている前部の片側にあるフレームの開口部中に取り付けられている。従って、最も外側にあるバッテリーモジュール101の膨潤がカットアウト部分522の開口部中に誘発され、最も外側にあるバッテリーモジュール101の、カットアウト部分522に隣接する電極端子接続区域524が、最も外側にあるバッテリーモジュール101の膨潤により破損または短絡し、それによって、中または大型バッテリーパックの安全性が確保される。
図8は、本発明の別の代表的な実施態様による中または大型バッテリーパックを典型的に例示する回路図である。
図8に関して、中または大型バッテリーパック910は、バッテリーモジュールアセンブリー500'、バッテリーモジュールアセンブリー500'の作動を検出及び制御するためのBMS 600、外部装置に接続された外部の入力及び出力回路800、及びバッテリーモジュールアセンブリー500'と外部の入力及び出力回路800との間に配置された、BMS 600から来る作動指令に従って、バッテリーモジュールアセンブリー500'と外部の入力及び出力回路800を互いに接続する、またはバッテリーモジュールアセンブリー500'と外部の入力及び出力回路800を相互から分離するための電源スイッチ装置700を包含する。
中または大型バッテリーパック910は、図2のカットアウト部分212が中に形成されているか、または図6のカットアウト部分522が中に形成されている、最も外側にあるセルカバーを包含する。従って、バッテリーセルの膨潤厚さがバッテリーセルの本来の厚さの2倍以上になると、電極端子接続区域がカットアウト部分212または522の中に突き出し、従って、バッテリーセルは短絡する。その結果、バッテリーモジュールアセンブリー500'と電源スイッチ装置700との間の電気的接続が遮断され、それによって、バッテリーモジュールアセンブリー500'と外部の入力及び出力回路800との間の通電が阻止される。
本発明者らは、図6の構造に基づいて中または大型バッテリーパックを製造し、製造した中または大型バッテリーパックに対する過充電実験を行い、本発明の中または大型バッテリーパックを構築することにより得られる効果を実際に確認した。実験結果を図9に示す。
図9に関して、中または大型バッテリーパックを過充電した時に、バッテリーセル302及び304の膨潤が観察された。この膨潤は、密封部材520のカットアウト部分522に集中したのに対し、フレーム部材510に固定された密封部材520では著しく抑制されていた。その結果、カットアウト部分522におけるバッテリーセル302及び304の膨潤は、それぞれのバッテリーセルにおける通常厚さの約3倍に達した。バッテリーセル302及び304のそのような膨潤により、バッテリーセル302及び304の電極端子接続区域318が破損し、その結果、バッテリーセル302と304との間の直列接続が遮断され、従って、電気的な切断が生じた。このため、充電作動は最早行われなかった。
図10は、本発明の別の代表的な実施態様による中または大型バッテリーパックを典型的に例示する透視図であり、図11は、図10の密封部材を典型的に例示する透視図である。
これらの図に関して、中または大型バッテリーパック910は、6個の長方形バッテリーモジュールが全体的に六面体構造(六面体積重構造)に構築されるように、6個の長方形バッテリーモジュールを、横方向(垂直方向)で3個ずつ(three by three)配置された状態で、2階構造に積み重ねたバッテリーモジュールアセンブリー502を包含し、六面体積重構造の外側縁部は、フレーム部材510'により固定され、フレーム部材510'の、バッテリーモジュールの作動を制御するためのBMS 700'が、入力及び出力端子に対応する片側に取り付けられている。
また、ほぼ「[」の形状に形成されたノッチ522'を有する密封部材520'が、BMS 700'が配置されているフレーム部材510'に取り付けられている。従って、バッテリーセルが過度に膨潤すると、密封部材520'のノッチ522'が破損し、従って、最も外側にあるバッテリーモジュールのバッテリーセルが外側に突き出る。その結果、バッテリーセル間の電極端子接続区域で電気的切断が起こる。
図12は、図11の区域Aを典型的に例示する垂直断面図である。
図12に関して、ノッチは、密封部材520'の一部を、スリットまたは厚さが比較的小さい、細く、長い溝構造524'の形状に部分的に切断することにより形成された構造522'に構築することができる。
上記の説明から明らかなように、本発明のバッテリーモジュールは、バッテリーセル間の電極端子接続区域の一部が、バッテリーセルの膨潤によるバッテリーセルの体積膨脹に対して弱い構造に構築される。その結果、バッテリーモジュールの異常作動、例えば過充電、過放電、または過電流、により、または長期間にわたってバッテリーセルを充電及び放電することにより引き起こされるバッテリーセルの劣化により、バッテリーセルが膨潤した時、電極端子接続区域が破損し、短絡が起きる。従って、本発明には、バッテリーモジュールの安全性を大きく改良するという効果がある。
また、本発明の中または大型バッテリーパックは、バッテリーモジュールと電源スイッチ装置との間の電気的接続が、BMSから独立して遮断される構造に構築される。従って、本発明には、BMSが異常作動しても、または作動しなくても、バッテリーパックの安全性を確保し、さらに、バッテリーパックの信頼性を大きく向上させるという効果がある。
本発明の代表的な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。

Claims (11)

  1. 高出力、大容量の、バッテリーパックであって、
    少なくとも一個のバッテリーモジュールと、
    前記少なくとも一個のバッテリーモジュールの作動を検出及び制御するためのバッテリー管理装置(BMS)と、及び
    電源スイッチ装置を備えてなり、
    前記少なくとも一個のバッテリーモジュールが、
    互いに直列接続されてなる複数のバッテリーセル又は単位モジュールを備えてなり、前記バッテリーセル又は前記単位モジュールが、互いに緊密に接触した状態で、又は互いに隣接した状態で積み重ねられてなり、
    前記バッテリーモジュールが固定されて、前記バッテリーセル又は前記単位モジュールの充電時及び放電の際に、前記バッテリーセル又は前記単位モジュールの体積が変化した場合、前記バッテリーセル又は前記単位モジュールの前記積み重ね状態が維持されてなり、
    前記バッテリーセル間又は前記単位モジュール間の電極端子接続区域の一部が、前記バッテリーセル又は前記単位モジュールの体積膨脹に対して脆弱であり、前記バッテリーセルの膨潤により引き起こされる膨脹応力が前記電極端子接続区域上に集中し、それによって、前記膨潤が予め決められた値を超えた時に、前記電極端子接続区域が破損し、前記電極端子接続区域で電気的遮断が起こるものであり、
    前記電源スイッチ装置が、前記少なくとも一個のバッテリーモジュールと、外部の入力及び出力回路との間に配置されてなり、かつ、前記BMSから来る作動指令に従って、前記少なくとも一個のバッテリーモジュールと、前記外部の入力及び出力回路とを互いに接続し、或いは、前記少なくとも一個のバッテリーモジュールと、前記外部の入力及び出力回路とを相互から分離するものであり、
    前記少なくとも一個のバッテリーモジュールと前記電源スイッチ装置との間の接続が、異常作動状態では、前記BMSから独立して遮断されるものである、バッテリーパック。
  2. 高出力、大容量の、バッテリーモジュールであって、
    前記バッテリーモジュールが、
    互いに直列接続されてなる複数のバッテリーセル又は単位モジュールを備えてなり、前記バッテリーセル又は前記単位モジュールが、互いに緊密に接触した状態で、又は互いに隣接した状態で積み重ねられてなり、
    前記バッテリーモジュールが固定されて、前記バッテリーセル又は前記単位モジュールの充電時及び放電の際に、前記バッテリーセル又は前記単位モジュールの体積が変化した場合、前記バッテリーセル又は前記単位モジュールの前記積み重ね状態が維持されてなり、
    前記バッテリーセル間又は前記単位モジュール間の電極端子接続区域の一部が、前記バッテリーセル又は前記単位モジュールの体積膨脹に対して脆弱であり、前記バッテリーセルの膨潤により引き起こされる膨脹応力が前記電極端子接続区域上に集中し、それによって、前記膨潤が予め決められた値を超えた時に、前記電極端子接続区域が破損し、前記電極端子接続区域で電気的遮断が起こるものであり、
    前記バッテリーセル又は前記単位モジュールがケースにより覆われてなり、
    部分的な開口部又はノッチ部が前記電極端子接続区域に対応する前記ケースの予め決められた区域に形成され、前記バッテリーセルの膨潤が過剰になった時に破損する、バッテリーモジュール。
  3. 前記単位モジュールの各々が、バッテリーセルと、一対の高強度セルカバーとを包含してなり、
    前記バッテリーセルが、互いに直列に接続された電極端子を有してなり、前記電極端子間の接続部分が屈曲して積み重ねられた構造で構築されてなるものであり、
    前記一対の高強度セルカバーが、前記電極端子を除いた前記バッテリーセルの外側表面を覆うように互いに連結されてなるものであり、
    前記バッテリーセルが膨潤した時に前記バッテリーセルの局所的な変形を誘発する形状に構築されたカットアウト部分又はノッチ部分が、前記電極端子接続区域に隣接する、前記セルカバーの少なくとも一方の予め決められた区域に形成されてなる、請求項２に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記カットアウト部分又はノッチ部分が、最も外側にある単位モジュールのセルカバーに形成される、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記カットアウト部分又は前記ノッチ部分のサイズが、前記バッテリーセルの膨潤により、前記バッテリーセルの体積増加が各バッテリーセルの厚さの１．５〜５倍に等しくなった時に前記電極端子接続区域が破損するように設定される、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
  6. 中型又は大型バッテリーパックであって、
    少なくとも一個の、請求項２に記載のバッテリーモジュールと、
    前記少なくとも一個のバッテリーモジュールの作動を検出及び制御するためのバッテリー管理装置(BMS)と、及び
    電源スイッチ装置を備えてなり、
    前記電源スイッチ装置が、前記少なくとも一個のバッテリーモジュールと、外部の入力及び出力回路との間に配置されてなり、かつ、前記BMSから来る作動指令に従って、前記少なくとも一個のバッテリーモジュールと、前記外部の入力及び出力回路とを互いに接続し、或いは、前記少なくとも一個のバッテリーモジュールと、前記外部の入力及び出力回路とを相互から分離するものであり、
    前記少なくとも一個のバッテリーモジュールと前記電源スイッチ装置との間の接続が、異常作動状態では、前記BMSから独立して遮断されるものである、中型又は大型バッテリーパック。
  7. 複数のバッテリーモジュールがフレーム部材により固定されてなり、
    最も外側にあるバッテリーモジュールが、前記フレーム部材に固定された密封部材により覆われてなり、
    前記バッテリーモジュールが膨潤した時に前記バッテリーモジュールの局所的な変形を誘発する形状に構築されたカットアウト部分又はノッチ部分が、電極端子接続区域に隣接する、前記密封部材における予め決められた区域に形成される、請求項１又は６に記載のバッテリーパック。
  8. 前記密封部材が断熱性材料から製造されてなる、請求項７に記載のバッテリーパック。
  9. バッテリーパックであって、
    複数の長方形バッテリーモジュールを包含するバッテリーモジュールアセンブリーと、及び
    前記バッテリーモジュールのそれぞれが、互いに直列接続され、横方向(垂直方向)及び高さ方向(水平方向)で2個以上ずつ積み重ねられた複数のバッテリーセル又は単位モジュールを包含してなり、前記バッテリーセル又は前記単位モジュールが一般的に六面体構造(六面体積重構造)に構築されてなり、前記六面体積重構造の外側縁部が前記フレーム部材により固定されてなり、
    入力及び出力端子の配置表面、前記配置表面に対向する表面、又は前記配置表面の側部にある表面に取り付けられた、前記バッテリーモジュールの作動を制御するためのBMSとを備えてなり、
    前記長方形バッテリーモジュールのそれぞれにおける前記バッテリーセル又は前記単位モジュールが、前記六面体積重構造の一対の対向する表面に対して平行に配置されてなり、かつ、前記カットアウト部分又は前記ノッチ部分を有する密封部材が、前記六面体積重構造の前記対向する表面に取り付けられてなる、請求項７に記載のバッテリーパック。
  10. 前記フレーム部材が、複数のフレームを包含してなり、
    前記複数のフレームが、各フレームが前記六面体積重構造の12縁部の対応する1個を固定するか、或いは、各フレームが、同じ平面上で前記六面体積重構造の少なくとも4縁部を固定するように、互いに一体的に連結されてなる、請求項９に記載のバッテリーパック。
  11. 電源として、請求項１又は６に記載のバッテリーパックを包含してなる、電気自動車又はハイブリッド電気自動車。
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