JP5575761B2 - 安全性を改良した中型又は大型バッテリーパック - Google Patents

Description

本発明は、安全性を改良した（中型又は大型）バッテリーパックに関し、より詳しくは、
バッテリーモジュールアセンブリーと、該バッテリーモジュールアセンブリーは、複数のバッテリーモジュール、該複数のバッテリーモジュールの各々は、モジュールケース中に取り付けられた状態で互いに直列接続されている複数のバッテリーセルまたは単位モジュールを備えてなる、が横方向に配置されており、該バッテリーモジュール同士が互いに接触する構造に形成されており、一対の側方支持部材と、及び少なくとも一個の最上部接続部材とを包含する中型又は大型バッテリーパックであって、該側方支持部材の少なくとも一個が、体積膨脹に対して低い抵抗を示す区域(弱い部分)を有し、該弱い部分が、該側方支持部材の少なくとも一個に部分的に形成されており、膨潤が起きた時に、該バッテリーモジュールの局所的変形を誘発し、それによって、短絡を引き起こす、中型又は大型バッテリーパックに関する。

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。そのような二次バッテリーの中で、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)、携帯マルチメディアプレーヤー(PMP)、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型又は大型バッテリーパックは、中型又は大型装置、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示すが、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型又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、中型又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繰り返し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。中型又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製造さ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、各々の膨脹するバッテリーセルが制限された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、従来の中型又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、従来の中型又は大型バッテリーパック900は、バッテリーモジュールアセンブリー500と、該バッテリーモジュールアセンブリー500は、互いに電気的に接続された複数の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各々は、モジュールケース中に取り付けられた状態で互いに直列接続された複数のバッテリーセルまたは単位モジュールを各々包含する、バッテリーモジュールアセンブリー500の作動状態に関する情報を検出し、検出された情報に基づいてバッテリーモジュールアセンブリー500を制御するためのBMS 600と、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との間の接続または遮断を行うための電源スイッチ装置(継電器)700とを包含する。

BMS 600は、バッテリーモジュールアセンブリー500が正常作動している間は、電源スイッチ装置700オンに維持し、バッテリーモジュールアセンブリー500の作動が異常であることが検出されると、電源スイッチ装置700をオフにし、バッテリーモジュールアセンブリー500の充電及び放電を遮断する。他方、BMS 600が異常作動するか、または作動しない場合、BMS 600は制御を行わず、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の異常作動の際にも、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、中型又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。

技術的課題

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、バッテリーパックの体積膨脹に対する抵抗が低い区域が、少なくともバッテリーパックの側方支持部材上に部分的に形成される構造に形成されたバッテリーパックの場合、バッテリーパックの異常作動、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パックの充電及び放電により引き起こされるバッテリーパックの劣化により、バッテリーセルが膨潤した時に、その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低抵抗区域に集中し、その結果、バッテリーセルの局所的な変形が膨潤の発生により引き起こされ、従って、短絡が生じ、それによって、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中型又は大型バッテリーパックを提供することである。

技術的解決策

本発明の一態様により、上記の、及び他の目的は、(a)バッテリーモジュールアセンブリーと、該バッテリーモジュールアセンブリーは、複数のバッテリーモジュール、該複数のバッテリーモジュールのそれぞれが、モジュールケース中に取り付けられた状態で互いに直列接続されている複数のバッテリーセルまたは単位モジュールを備えてなる、または複数のバッテリーセルが、横方向に配置された状態で互いに電気的に接続され、該バッテリーモジュールまたは該バッテリーセルが互いに接触する構造に形成されており、(b)該バッテリーモジュールアセンブリーの最も外側にあるバッテリーモジュールまたは最も外側にあるバッテリーセルの側部を覆うための一対の側方支持部材と、及び(c)該側方支持部材を該バッテリーモジュールアセンブリーの最上部で接続するための、少なくとも一個の最上部接続部材とを包含する中型又は大型バッテリーパックであって、該側方支持部材の少なくとも一個が、体積膨脹に対して低い抵抗を示す区域(弱い部分)を有し、該弱い部分が、該側方支持部材の少なくとも一個に部分的に形成されており、膨潤が起きた時に、該バッテリーモジュールまたは該バッテリーセルの局所的変形を誘発し、それによって、短絡を引き起こす、中型又は大型バッテリーパックを提供することにより、達成される。

バッテリーモジュールまたはバッテリーセルを包含するバッテリーパックでは、上記のように、バッテリーパックの異常作動、例えば過充電、過放電、または過電流、のために、あるいは長期間にわたるバッテリーパックの充電及び放電により引き起こされるバッテリーパックの劣化のために、バッテリーセルの膨潤によりバッテリーセルが膨脹し、このバッテリーセルの膨脹がバッテリーパックの燃焼及び爆発を引き起こす。

この理由から、本発明のバッテリーパックは、バッテリーパックの体積膨脹に対して低い抵抗を示す区域が、最も外側にあるバッテリーモジュールまたは最も外側にあるバッテリーセルの側部を覆うための側方支持部材の少なくとも一個に部分的に形成されるように構築される。従って、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、側方支持部材の少なくとも一個に形成された弱い部分に集中し、その結果、弱い部分が物理的に変形し、最後に破損する。そのような弱い部分の破損により、最も外側にあるバッテリーモジュールまたは最も外側にあるバッテリーセル中の電気的接続が遮断され、従って、充電及び放電作動が停止するので、バッテリーモジュールまたはバッテリーセルのさらなる膨潤が阻止される。従って、バッテリーパックの燃焼または爆発が防止され、バッテリーパックの安全性が大きく改良される。

また、側方支持部材の構造に弱い部分を形成するだけで、電気的装置、例えばセンサーまたは継電器、を追加することなく、膨潤が生じた時にバッテリーパックの安全性を確保することができる。さらに、この構造は、関連技術におけるように電気的信号を使用する代わりに、圧力増加を使用して短絡を引き起こすので、本発明によるバッテリーパックの作動信頼性は非常に高い。膨潤現象が起きない状態では、側方支持部材がバッテリーモジュール間の連結を改良し、従って、衝撃または振動条件下でバッテリーパックの堅固な構造を維持することができる。

弱い部分は、側方支持部材の一個に形成することができる。あるいは、弱い部分を、側方支持部材の各々に形成することができる。好ましくは、弱い部分を、側方支持部材の一個に形成する。この場合、膨潤の発生により、バッテリーモジュールまたはバッテリーセルの局所的変形が、一方向でのみ誘発され、その結果、短絡が起こる。従って、この場合は、弱い部分を側方支持部材の各々に形成する場合よりも、より効果的である。

好ましくは、弱い部分は、最も外側にあるバッテリーモジュールまたは最も外側にあるバッテリーセルの、直列接続区域またはそこに隣接する区域に対応する位置に形成し、短絡効果を最大限にする。従って、バッテリーセルの膨潤により、バッテリーセルの内圧が、最も外側にあるバッテリーモジュールまたは最も外側にあるバッテリーセルの直列接続区域に集中し、それによって、所望の短絡をより容易に引き起こす。

弱い部分には、その弱い部分が、膨潤発生時に体積膨脹により容易に変形する構造を有する限り、特に制限は無い。例えば、弱い部分は、直列接続区域が露出されるカットアウト部（cutout part;切取部：（電気）遮断部）または直列接続区域に対応する側方支持部材に形成されたノッチ(notch;切り込み)を有するノッチ部(notch part;切り込み部：)を包含することができる。

カットアウト部は、バッテリーモジュール間の直列接続区域、各バッテリーモジュールのバッテリーセル間の直列接続区域、各バッテリーモジュールの単位モジュール間の直列接続区域、またはバッテリーモジュール間の直列接続区域が開くように、側方支持部材に形成する。

同様に、ノッチ部は、バッテリーモジュール間の直列接続区域、各バッテリーモジュールのバッテリーセル間の直列接続区域、各バッテリーモジュールの単位モジュール間の直列接続区域、またはバッテリーモジュール間の直列接続区域が開くように、側方支持部材に形成する。

直列接続区域は、電極端子が互いに直列接続される区域である。直列接続区域は、互いに接続された電極端子または接続部材、例えば電極端子を接続するワイヤまたは母線、でよい。

従って、膨潤が生じると、直列接続区域が、側方支持部材のカットアウト部を通して突き出るか、または側方支持部材のノッチ部を突き破る。そのような変形の際、直列接続区域は破壊され、その結果、短絡が起こる。

カットアウト部を通して露出される直列接続区域またはノッチ部に対応する位置にある直列接続区域は、膨潤発生時に意図する短絡を引き起こすサイズを有していれば、十分である。

従って、側方支持部材のカットアウト部またはノッチ部のサイズは、上に規定するサイズに基づいて決定する。例えば、カットアウト部は、側方支持部材の表面積の20〜80％に等しいサイズを有することができる。しかし、カットアウト部のサイズが、側方支持部材の表面積に対して小さすぎる場合、バッテリーモジュールの体積膨脹により直列接続区域の変形を引き起こすのが困難になる場合がある。反対に、カットアウト部のサイズが大きすぎる場合、バッテリーモジュールアセンブリーを外部力から保護するのに必要な強度を維持するのが困難になる場合がある。より好ましくは、カットアウト部は、側方支持部材の表面積の30〜70％に等しいサイズを有する。

ノッチ部の形状には、バッテリーセルまたは単位モジュールの体積膨脹により、ノッチ部が容易に破壊される限り、特に制限は無い。例えば、ノッチ部は、平らな「[」形状に形成することができる。この場合、ノッチ部を容易に形成し、バッテリーセルまたは単位モジュールの体積膨脹によるノッチ部の破壊特性(破壊可能性)を最大限にすることができる。

本願では、ノッチの構造には、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、ノッチ部が容易に破壊される限り、特に制限は無い。例えば、ノッチ部は、側方支持部材の、直列接続区域に対応する区域が、スリット形状または比較的小さな厚さを有する、狭く、長い溝構造に部分的に切断される構造に形成することができる。

一方、側方支持部材の各々は、その内側に、バッテリーモジュールアセンブリーを構成するバッテリーモジュール間の温度偏差を最少に抑えるための密封部材を備えることができる。

好ましくは、密封部材は、例えば断熱性材料から製造し、バッテリーモジュール間の冷却一様性をさらに向上させる。特に、密封部材は、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少に抑え、同時に断熱性を改良することができる。

上記の構造では、密封部材が、弱い部分に対応する形状に形成されたカットアウト部またはノッチ部を有し、ノッチ部又はカットアウト部は、密封部材の一部に形成することができる。すなわち、膨潤が生じた時にバッテリーモジュールの局所的変形を引き起こすために側方支持部材に形成された弱い部分と同一または類似の形状を有するカットアウト部またはノッチ部を、密封部材の、側方支持部材に形成された弱い部分に対応する区域に形成することができ、その結果、膨潤が生じた時に、バッテリーモジュールの電極端子接続区域の局所的変形をより容易に達成することができる。

一方、バッテリーモジュールアセンブリーは、バッテリーモジュールアセンブリーが、より小型で、安定した構造を有するように、ベースプレート上に取り付けることができ、最上部接続部材を、バッテリーモジュールアセンブリーの最上部の各側部に取り付けることができる。

この構造では、側方支持部材をベースプレートにその底部で固定した状態で、側方支持部材を、最上部接続部材に、その最上部の対向する側部で、連結することができる。

具体的には、上記の構造を有する中型又は大型バッテリーパックは、複数のバッテリーセルまたはバッテリーモジュールを縦方向及び/または横方向で積み重ね、バッテリーモジュールアセンブリーを構成する構造に形成され、バッテリーモジュールアセンブリーは、バッテリーモジュールアセンブリーの対向する側部が側方支持部材により覆われた状態で、ベースプレート上に取り付けられ、側方支持部材が、最上部接続部材により固定され、バッテリーパックのこれらの部品がパックハウジングにより取り囲まれる。従って、バッテリーパックの全体的な組立工程を簡素化することができる。

好ましい例では、本発明の中型又は大型バッテリーパックを構成するバッテリーモジュールを、バッテリーセルまたは単位モジュールを充電及び放電する際のバッテリーセルまたは単位モジュールの体積変化が一様であるために、バッテリーセルまたは単位モジュールの積み重ねた状態が維持されるように、固定することができ、膨潤によるバッテリーセルの膨脹応力が、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し、電極端子接続区域を、体積膨脹に対して低い抵抗を有する構造に形成し、膨潤が予め決められた値を超えた時に、電極端子接続区域が破壊され、それによって、短絡を引き起こすようにすることができる。

従って、バッテリーモジュールは、バッテリーセルまたは単位モジュールの膨潤時に、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、バッテリーセルまたは単位モジュールの体積膨脹に対して低い抵抗を有する構造に形成される。従って、膨潤が予め決められた値、すなわち限界値を超えると、膨脹応力が電極端子接続区域に集中し、その結果、電極端子接続区域が物理的に変形し、破壊される。

この構造では、バッテリーセルまたは単位モジュールをケースで取り囲むことができ、バッテリーセルの過剰膨潤により破壊されるように形成された電極端子接続区域が開くか、またはケースに形成されたノッチを有することができる。

すなわち、単位モジュールは、電極端子接続区域の一部が、膨脹応力に対する抵抗が低い構造、例えば開放構造またはノッチを有する構造、を有し、それによって、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、電極端子接続区域の開放区域またはノッチ区域に集中するように製造される。

上記構造の具体的な例として、単位モジュールの各々が、バッテリーセルの電極端子が互いに直列接続され、バッテリーセルが積み重ねられるように電極端子間の接続部分が曲げられるように形成されたバッテリーセルと、及び互いに連結され、バッテリーセルの外側表面を、電極端子を除いて覆うように形成された一対の高強度セルカバーとを包含することができ、セルカバーの一方が、その、電極端子接続区域に隣接する区域に、膨潤の際にバッテリーセルの局所的変形を誘発する形状に形成されたカットアウト部またはノッチ部を備えるように形成される。

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、機械的強度が低いバッテリーセルを保護し、同時に、バッテリーセルを充電及び放電する際のバッテリーセルの反復する膨脹及び収縮における変化を抑制し、それによって、各バッテリーセルの密封区域の破壊を阻止するのに役立つ。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またはノッチ部に集中するように、所望の形状を有するカットアウト部または所望の形状を有するノッチ部を、セルカバーの、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の各々は、複数の単位モジュールを包含し、各単位モジュールが板形状バッテリーセルを包含し、各板形状バッテリーセルが、バッテリーケースの前及び後側部に形成された電極端子を有することができる。この構造では、単位モジュールをバッテリーケース中に、冷却剤が流れて単位モジュールを冷却できるように、単位モジュールが横方向で直立し、互いに予め決められた間隔を置いて配置される構造に取り付けることができる。

上記の構造では、最も外側にある単位モジュールの各々のセルカバーの対応する一個に、カットアウト部またはノッチ部を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は、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またはノッチ部に集中し、その結果、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壊され、それによって、充電及び放電のための電気的接続が容易に遮断される。

カットアウト部またはノッチ部のサイズは、電極端子接続区域の破壊設定条件に応じて変えることができる。好ましくは、カットアウト部またはノッチ部のサイズは、バッテリーセルの膨潤により、バッテリーセルの体積が、各バッテリーセルの厚さの1.5〜5倍に増加した時に電極端子接続区域が破壊されるように設定する。そのような設定範囲は、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、カットアウト部またはノッチ部のサイズが大きすぎる場合、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、正常な作動条件におけるバッテリーセルの膨脹が適切に抑制されないことがある。従って、カットアウト部またはノッチ部のサイズは、上記の必要条件を考慮して適切な範囲内に設定することが必要である。

ノッチ部の形状には、セルカバーの対応する一個の電極端子接続区域に隣接する区域にノッチ部が形成される限り、特に制限は無い。例えば、ノッチ部は、直線的形状に形成することができる。

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。

図1は、従来の中型又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、本発明の一実施態様による中型又は大型バッテリーパックを例示する透視図である。 図3は、図2の中型又は大型バッテリーパックの側方支持部材を例示する透視図である。 図4は、図2の中型又は大型バッテリーパックの側方支持部材を例示する透視図である。 図5は、図2の中型又は大型バッテリーパックに使用す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2の中型又は大型バッテリーパックに使用するバッテリーモジュール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単位モジュールを構成する一対のバッテリーセル及びセルカバーを各々例示する透視図である。 図8は、図5に示すバッテリーモジュールの単位モジュールを構成する一対のバッテリーセル及びセルカバーを各々例示する透視図である。 図9は、単位モジュール積重構造を例示する透視図である。 図10は、膨潤により破壊された電極端子を例示するバッテリーモジュール実験の写真である。 図11は、図6のバッテリーモジュールの区域Ａを典型的に例示する垂直断面図である。

最良の様式

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、本発明の一実施態様による中型又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3及び4は、図2の中型又は大型バッテリーパックの側方支持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、中型又は大型バッテリーパック902は、バッテリーモジュール502及び504が互いに接触するように、横方向に配置された状態で互いに電気的に接続された9個のバッテリーモジュール502及び504を包含するバッテリーモジュールアセンブリー500、最も外側にあるバッテリーモジュール502及び504の側部を各々覆うための一対の側方支持部材510及び520、及びバッテリーモジュールアセンブリー500の最上部で側方支持部材510及び520に接続された一対の最上部接続部材530及び532を包含する。

バッテリーモジュールアセンブリー500の左側に配置された側方支持部材510の一部には、最も外側にあるバッテリーモジュール502の局所的変形が容易に達成されるように、カットアウト部512が形成されており、そこを通して、最も外側にあるバッテリーモジュール502が部分的に露出している。

カットアウト部512は、側方支持部材510の表面積の約30％に等しいサイズを有する。カットアウト部512は、最も外側にあるバッテリーモジュール502の直列接続区域に対応する位置およびそこに隣接する位置に配置されている。

また、バッテリーモジュール502及び504間の冷却一様性を確保するための断熱性材料から製造され密封部材528が、各側方支持部材510及び520の内側に取り付けられている。側方支持部材510及び520及び最上部接続部材530及び532間を接続するための連結孔514、516、524、及び526が、各側方支持部材510及び520の最上部の対向側部に形成されている。

密封部材528の位置を合わせるためのスリット522が、バッテリーモジュールアセンブリー500の右側に配置された側方支持部材520に形成されている。しかし、側方支持部材520の強度は低いので、側方支持部材520は、バッテリーモジュールアセンブリー500の膨潤により、容易に破壊される。状況に応じて、側方支持部材510のカットアウト部512に対応するカットアウト部またはノッチ部を密封部材528に形成し、側方支持部材520を容易に破壊することができる。

図5及び6は、図2の中型又は大型バッテリーパックに使用す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5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が横方向で直立し、互いに組み立てられた上側ケースと下側ケース130との間に単位モジュール積重構造200が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に電気的に接続するための母線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を接続するためのコネクタが取り付けられている。

単位モジュール積重構造200の最も外側にある単位モジュール210には、カットアウト部212が形成されている。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から発生したガスにより膨潤した場合、カットアウト部212により、バッテリーセルの局所的な変形が誘発される。

図6のバッテリーモジュール102は、最も外側にある単位モジュール211の対応するセルカバーの、電極端子接続区域に隣接する区域にノッチ部（Ｖ字型切り込み部）214が直線的形状で形成されている以外は、図5のバッテリーモジュール100と同一であり、従って、詳細な説明は行わない。

図7及び8は、図5に示すバッテリーモジュールの単位モジュールを構成する一対のバッテリーセル及びセルカバーを各々例示する透視図である。

これらの図に関して、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の電極端子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、電極端子接続区域314に隣接する区域には、カットアウト部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、バッテリーセル302及び304間の電極端子接続区域314が、カットアウト部312を通して外に突き出し、変形する。

図9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9に関して、単位モジュール積重構造200は、セルカバーにより覆われたバッテリーセルを各々包含する4個の単位モジュール202、203、204、及び205が、ジグザグに積み重ねられ状態で、互いに直列に接続される構造に構築されている。4個の単位モジュール202、203、204、及び205の最も外側にある一個、すなわち単位モジュール202、を覆うための対応するセルカバーの、電極端子接続区域に隣接する区域318に、予め決められた形状のカットアウト部316が形成されている。

図10は、膨潤により破壊された電極端子を例示するバッテリーモジュール実験の写真である。

本発明者らは、図6の構造を有するバッテリーモジュールを製造し、製造したバッテリーモジュールに対して過充電実験を行い、本発明の効果を確認した。実験結果を図10に示す。

図6と共に図10に関して、バッテリーモジュール104を過充電した時に、バッテリーセル302及び304が膨潤した。そのような膨潤によるバッテリーセル302及び304の膨潤は、最も外側にある単位モジュール211のセルカバーの一個に部分的に形成されたノッチ部214に集中した。その結果、ノッチ部214におけるバッテリーセル302及び304の膨潤は、通常のバッテリーセルの厚さの約3倍に等しかった。そのような膨潤により、バッテリーセル302及び304間の電極端子接続区域が破壊され、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、短絡が生じた。このため、さらなる充電は行われなかった。

参照のため、図10のバッテリーモジュール104は、最も外側にある単位モジュール211のセルカバー構造を、バッテリーモジュールの右側に配置された最も外側にある単位モジュールのセルカバーに適用した以外は、図6のバッテリーモジュール102と同じ構造に製造した。

図11は、図6のバッテリーモジュールの区域Ａを典型的に例示する垂直断面図である。

図6と共に図11に関して、ノッチ部は、最も外側にある単位モジュール211の一部を、スリット形状または厚さが比較的小さい、狭く、長い溝構造216に部分的に切断した構造124に形成することができる。

上記の説明から明らかなように、本発明のバッテリーパックは、体積膨脹に対して低い抵抗を有する区域が側方支持部材の一個に形成されるように構築される。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るバッテリーモジュールの充電及び放電により引き起こされるバッテリーモジュールの劣化により、バッテリーセルまたは単位モジュールが膨脹した時、体積膨脹に対して低い抵抗を有する区域が破壊され、それによって、バッテリーモジュールの安全性が大きく向上する。

また、本発明の中型又は大型バッテリーパックは、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電気的接続が、BMSに関係なく、電源スイッチ装置により行われる構造に形成される。従って、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、それによって、バッテリーパックの信頼性を向上させることができる。

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 (16)

1. 中型又は大型バッテリーパックであって、
   (a)バッテリーモジュールアセンブリーと、
   前記バッテリーモジュールアセンブリーが、
   複数のバッテリーモジュールの各々が、モジュールケース中に取り付けられた状態で互いに直列接続されている複数のバッテリーセルまたは単位モジュールを備えてなり、或いは、複数のバッテリーセルが、横方向に配置された状態で互いに電気的に接続され、前記バッテリーモジュール又は前記バッテリーセルが互いに接触する構造に構築されてなり、
   (b)前記バッテリーモジュールアセンブリーの最も外側にあるバッテリーモジュールまたは最も外側にあるバッテリーセルの側部を覆うための一対の側方支持部材と、及び
   (c)前記側方支持部材を前記バッテリーモジュールアセンブリーの最上部で接続するための、少なくとも一個の最上部接続部材とを備えてなるものであり、
   前記側方支持部材の少なくとも一個が、体積膨脹に対して低い抵抗を示す区域(弱い部分)を有してなり、
   前記弱い部分が、前記側方支持部材の少なくとも一個に部分的に形成されてなり、
   前記体積膨脹が限界値を超えると、前記弱い部分が破損し、最も外側にあるバッテリーモジュールまたは最も外側にあるバッテリーセル中の電気的接続が遮断されてなる、中型又は大型バッテリーパック。
2. 前記弱い部分が、前記側方支持部材の一個に形成されてなる、請求項１に記載の中型又は大型バッテリーパック。
3. 前記弱い部分が、最も外側にある前記バッテリーモジュールまたは最も外側にある前記バッテリーセルの、直列接続区域または直列接続区域に隣接する区域に対応する位置に形成されてなる、請求項１に記載の中型又は大型バッテリーパック。
4. 前記弱い部分が、直列接続区域が露出されるカットアウト部、または前記直列接続区域に対応する前記側方支持部材に形成されたノッチを有するノッチ部を備えてなる、請求項１に記載の中型又は大型バッテリーパック。
5. 前記カットアウト部が、前記側方支持部材の表面積の20〜80％に等しいサイズを有する、請求項４に記載の中型又は大型バッテリーパック。
6. 前記ノッチ部が、Ｖ字型切り込み、スリット形状又は溝構造に形成されてなる、請求項４に記載の中型又は大型バッテリーパック。
7. 前記側方支持部材の各々が、前記側方支持部材の内側に、密封部材を備えてなる、請求項１に記載の中型又は大型バッテリーパック。
8. 前記密封部材が、前記弱い部分に対応する形状に形成されたカットアウト部又はノッチ部を有してなり、
   前記カットアウト部又は前記ノッチ部が、前記密封部材の一部に形成されてなる、請求項７に記載の中型又は大型バッテリーパック。
9. 前記バッテリーモジュールアセンブリーが、ベースプレート上に取り付けられてなり、
   前記最上部接続部材が、前記バッテリーモジュールアセンブリーの最上部の各側部に取り付けられてなる、請求項１に記載の中型又は大型バッテリーパック。
10. 前記側方支持部材が、前記ベースプレートに、前記ベースプレートの底部で固定された状態で、前記側方支持部材が、前記最上部接続部材に、前記側方支持部材の最上部の対向する側部で連結されてなる、請求項９に記載の中型又は大型バッテリーパック。
11. 前記バッテリーモジュールが固定され、前記バッテリーセルまたは前記単位モジュールを充電及び放電する際、前記バッテリーセルまたは前記単位モジュールの体積変化が一様であるために、前記バッテリーセルまたは前記単位モジュールの積み重ねた状態が維持され、膨潤による前記バッテリーセルの膨脹応力が、前記バッテリーセルまたは前記単位モジュール間の電極端子接続区域に集中してなり、並びに、前記電極端子接続区域が、体積膨脹に対して低い抵抗を有する構造に形成され、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壊され、それによって、充電及び放電のための電気的接続が遮断されてなる、請求項１に記載の中型又は大型バッテリーパック。
12. 前記バッテリーセルまたは前記単位モジュールが、強度ケースにより取り囲まれてなり、
    前記バッテリーセルの過剰膨潤により破壊されるように形成された前記電極端子接続区域が、部分的に開くか、またはノッチを有する、請求項１１に記載の中型又は大型バッテリーパック。
13. 前記単位モジュールの各々が、バッテリーセルの電極端子が互いに直列接続され、バッテリーセルが積み重ねられるように前記電極端子間の接続部分が曲げられるように形成されたバッテリーセルと、及び互いに連結され、前記バッテリーセルの外側表面を、前記電極端子を除いて覆うように形成された一対の強度セルカバーとを備えてなり、
    前記セルカバーの一方が、前記セルカバーの、前記電極端子接続区域に隣接する区域に、膨潤の際に前記バッテリーセルの局所的変形を誘発する形状に形成されたカットアウト部またはノッチ部を備えてなる、請求項１２に記載の中型又は大型バッテリーパック。
14. 前記カットアウト部またはノッチ部が、最も外側にある前記単位モジュールの各々の前記セルカバーの対応する一個に形成されてなる、請求項１３に記載の中型又は大型バッテリーパック。
15. 前記カットアウト部またはノッチ部が、前記バッテリーセルの膨潤により、各バッテリーセルの厚さの1.5〜5倍に相当する体積膨脹が引き起こされる時、前記電極端子接続区域が破壊されるようなサイズを有してなる、請求項１３に記載の中型又は大型バッテリーパック。
16. 前記ノッチ部が、前記セルカバーの対応する一個の、前記電極端子接続区域に隣接する区域に、直線的形状で形成される、請求項１３に記載の中型又は大型バッテリーパック。

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