JP5620570B2 - 二次電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、多数の単位電池を電気的に連結して、充放電が可能な高出力大容量の二次電池モジュールに関するもので、より詳細には、順次積層される個々の単位電池が放熱部材を含むことで、単位電池の体積膨張、破損及び亀裂を防止し、単位電池の冷却効率が向上した二次電池モジュールに関するものである。

最近、充放電の可能な二次電池は、無線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、化石燃料を用いる従来のガソリン車両、ディーゼル車両等の大気汚染等を解決するための案として提示されている電気自動車、ハイブリッド電気自動車等のエネルギー源としても注目されている。従って、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り非常に多様化しつつあり、今後は今よりも多くの分野及び製品に二次電池が適用されることが予想される。

このように、二次電池の適用分野及び製品が多様化するにつれ、電池の種類もまたそれに合った出力と容量を提供することができるよう多様化している。加えて、当該分野及び製品に適用される電池は、小型軽量化が強く求められている。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ような小型モバイル機器は、該当製品の小型軽薄化の傾向に伴って、それに相応するようにデバイス１台当たり１つまたは３、４個の小型軽量の電池セルが用いられている。

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ような中大型デバイスは、高出力大容量の必要性のため、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」とも称する）が用いられているが、電池モジュールの大きさと重量は、当該中大型デバイス等の収容空間及び出力等に直接的な関連性があるため、製造業者はできるだけ小型でありつつ軽量の電池モジュールを製造しようと努力している。

一方、それぞれの単位電池は、充電/放電の過程で多量のガスが発生すると共に、熱が発生する。この際、発生したガスは、単位電池の体積を膨張させて、ケースをふくらませ、また、発生した熱は電気化学的な性能を減少させるため、電池モジュールは迅速に冷却されなければならないが、従来の電池モジュールではこのための別途の手段を備えておらず、放熱性に劣るという問題点があった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためのものであって、個々の単位電池が単位電池と一体化した放熱板を備えることによって、小型且つ軽量でありながらも、単位電池から発生した熱が迅速に外部へ放出されて、冷却効率が改善した二次電池モジュールを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するための本発明による二次電池モジュールは、多数の単位電池を電気的に連結して、高出力大容量の電気を充放電できるモジュールであって、前記単位電池は、充放電が可能な電池セルと、前記電池セルを収容するセルケースと、前記電池セルのセルケースに収容される面と対向する面をカバーする放熱部材と、前記電池セルの端子部をカバーし、一方が前記放熱部材に摺動挿入される端子部絶縁カバーとを含むことで構成されている。

本発明の電池モジュールにおいて、前記電池セルは電極が外部に突出し、前記外部に突出した電極に折り曲げられたタブ端子が溶接されて構成される。

本発明の電池モジュールにおいて、前記セルケースは電池セルが水平方向に安着する凹溝部、前記電池セルに取り付けられたタブ端子の折曲部が嵌合されるタブ端子挿入部、前記放熱部材の上部折曲部及び下部折曲部が嵌合される放熱部材挿入部、並びに上下積層された複数の単位電池を連結する固定ボルトが通過する貫通口を含むことで構成されている。

本発明による二次電池モジュールにおいて、前記放熱部材は、放熱板と、前記放熱板から延び、前記電池セルの左右を覆うように折り曲げられる左右折曲部と、前記放熱板から延び、前記電池セルの上部を覆う上部折曲部と、前記放熱板から延び、前記電池セルの下部を覆う下部折曲部とで構成され、前記左右折曲部は前記セルケースの外方に嵌められ、前記上部折曲部と下部折曲部は前記セルケースに形成された放熱部材挿入部に嵌められることにより、前記電池セルを介して前記放熱部材が前記セルケースと結合することによって構成される。

本発明による二次電池モジュールにおいて、前記放熱部材の左右折曲部は、フラップ部をさらに含むことができ、前記フラップ部は、前記左右折曲部から水平方向に延びる複数の板状形態であるか、前記左右折曲部から垂直方向に延びる複数の板状形態で構成されている。

本発明の他の一実施例において、本発明による二次電池モジュールの単位電池は、放熱補助部材をさらに含み、前記放熱補助部材は、前記電池セルを収容するセルケースの前記電池セルを収容する面と対向する面をカバーすることによって構成される。

本発明において、前記放熱補助部材は、放熱補助部材板と、前記放熱補助部材板から延び、前記電池ケースの左右を覆うように折り曲げられる左右折曲部と、前記放熱補助部材板から延び、前記電池ケースの上部を覆う上部折曲部と、前記放熱補助部材板から延び、前記電池ケースの下部を覆う下部折曲部とで構成され、前記左右折曲部は前記セルケースの外方に嵌められて、前記上部折曲部と下部折曲部は前記セルケースに形成された放熱部材挿入部に嵌められることにより、前記放熱補助部材が前記セルケースと一体的に結合するように構成される。

本発明による二次電池モジュールにおいて、前記放熱部材は、金属素材、カーボン素材、またはセラミック素材からなることを特徴とし、好ましくは、前記放熱部材はアルミ素材からなることにより構成される。

本発明による二次電池モジュールにおいて、前記放熱補助部材は、金属素材、カーボン素材、またはセラミック素材からなることを特徴とし、好ましくは前記放熱部材はアルミ素材からなることにより構成される。

本発明による二次電池モジュールにおいて、前記端子部絶縁カバーが前記放熱部材に摺動挿入される部分に接着テープが付着することにより構成される。

本発明による二次電池モジュールにおいて、前記二次電池モジュールは、前記セルケースに収容された電池セルの電圧、電流及び温度を測定して管理する基板を備えた回路ケースと、前記電池セルのタブ端子と回路ケースの基板との間に連結され、電池セルの電圧及び温度を感知することができるセンサーケーブルとを含むことにより構成される。

本発明による二次電池モジュールは、個々の単位電池と一体化した放熱板を備えることによって、各々の単位電池の体積膨張及び破損を防止し、個々の電池セルから発生した熱を外部へ迅速に放出させて、冷却効率を増加させる効果を有する。

ハイブリッド自動車や電気自動車に内蔵された中大型電池パックの場合、外部の衝撃や振動によって爆発の危険があるが、個々の単位電池と一体化した放熱板を備える本発明による二次電池モジュールは、耐久性の強化及び耐振性の効果を持って安全性を増加させる効果を有する。

図１は、本発明による二次電池モジュールの単位電池を構成する電池セルの斜視図である。 図２は、本発明による二次電池モジュールの単位電池を構成するセルケースの斜視図である。 図３は、本発明による二次電池モジュールの単位電池を構成する放熱部材の斜視図である。 図４は、本発明による二次電池モジュールの単位電池を構成する放熱部材の斜視図である。 図５は、本発明による二次電池モジュールの単位電池を構成する放熱部材の斜視図である。 図６は、本発明による二次電池モジュールの単位電池の分離斜視図である。 図７は、本発明による二次電池モジュールの単位電池が結合された状態の斜視図である。 図８は、本発明による二次電池モジュールの単位電池を構成する放熱補助部材を示す斜視図である。 図９は、本発明による二次電池モジュールの単位電池を構成する放熱補助部材とセルケースとの結合状態を示す斜視図である。 図１０は、本発明による二次電池モジュールを示す斜視図である。

以下、添付の図面を参照して本発明をより詳細に説明する。添付の図面は本発明の実施例を示したもので、これによって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。

図１は、本発明による二次電池モジュールを構成する電池セルの斜視図、図２は、本発明によるセルケースの斜視図、図３乃至図５は、本発明による二次電池モジュールを構成する放熱部材を示す斜視図であり、図６は、本発明による二次電池モジュールの単位電池の分離斜視図である。

これらの図面に示すように、本発明による二次電池モジュールの単位電池は、電池セル１０、前記電池セルが安着するセルケース２０、前記電池セルのセルケースに収容される面と対向する面をカバーする放熱部材３０、及び前記電池セルの端子部をカバーする端子部絶縁カバー４０からなる。

前記電池セル１０は、図１に示すように、先端に正極、負極電極１１，１２が突設されており、前記正極、負極電極１１，１２は銅またはアルミなどのような金属から作られる。また、前記電極１１，１２には、正極、負極タブ端子１３，１４が取り付けられ、前記タブ端子は、直角に折り曲げられて、水平部１３ａ，１４ａと垂直折曲部１３ｂ、１４ｂとを備えており、図１に示すように前記タブ端子１３，１４は、陽極と陰極とが同じ方向に折り曲げられて電極に取り付けられる。

前記電池セルが安着するセルケース２０は、ナイロンを用いて射出成形して作られるが、このようにナイロンを用いて作る理由は、ナイロンの溶融点が２００℃以上と高いためである。本発明によってモジュールを構成した後、充放電を行うとき、高い電流で充放電する場合、直列または並列に連結された端子で抵抗による熱が発生するが、高い電流条件のほど端子部で発生する温度が更に高くなるため、溶融点の低い材質を用いると、端子で発生する熱によってセルケース２０が変形したり溶けてしまう等の問題が生じるため、耐熱性のある材質を用いることが好ましい。

前記電池セルが安着するセルケース２０は、図２に示すように、前記電池セルが水平方向に安着する凹溝部２１、前記電池セルの電極に取り付けられた正極、負極タブ端子の垂直折曲部１３ｂ，１４ｂが嵌合するタブ端子挿入部２２，２３、前記放熱部材の結合突起が嵌合する放熱部材挿入部２４，２５，２８，２９、及び上下積層される複数の単位電池を連結する固定ボルトが貫通する貫通口２６，２７を備えている。

前記電池セルの凹溝部２１は、セルケース２０の全面積に亘って凹状に形成されており、前記セルケース２０の前記タブ端子挿入部２２，２３には電池セルに取り付けられた正極、負極タブ端子の垂直折曲部１３ｂ，１４ｂがネジを用いて嵌められることになる。

また、各々のセルケースに安着して上下に積層された上下電池セル１０のタブ端子は、直列連結端子（図示せず）によって直列に連結されることになる。前記直列連結端子は、ネジを用いてタブ端子１３，１４と締結させるが、このようにネジを用いて直列連結端子をタブ端子１３，１４に連結するために、タブ端子１３，１４に予めネジ孔を形成しておき、前記直列連結端子にもネジ孔を予め形成しておくことが好ましい。また、前記直列連結端子の露出による上下直列連結端子間のショートを防止するために、前記直列連結端子の外には端子カバーを嵌めて密封することが好ましい。

本発明の電池モジュールの単位電池において、前記電池セルのセルケースに収容される面と対向する面を放熱部材３０がカバーすることになる。
前記放熱部材３０は、図３で示す通り、放熱板３１、電池セル１０と密着した構造を形成し、前記セルケース２０と一体に結合するように電池セル１０の左右側面を覆う左右折曲部３２、電極端子が突出する上部を覆う上部折曲部３３、及びこれに対向する下部を覆う下部折曲部３４を備え、前記セルケース２０は前記放熱部材の上部折曲部及び下部折曲部に対応する位置に放熱部材挿入部２４，２５，２８，２９を備え、前記セルケースと前記放熱部材とが前記電池セル２０を介して結合することになる。

すなわち、前記放熱部材３０は、放熱板３１の他に前記セルケース２０に安着した電池セル１０の上下左右の側面を覆うように左右折曲部３２、上部折曲部３３及び下部折曲部３４を備え、放熱部材３０が電池セルと完全に密着した状態で積層されることによって、電池セル２０から発生した熱を放熱部材３０で効果的に吸収して放熱機能を効果的に行い、電池セル２０の短絡を防止して安全性をより効果的に確保することができる。

前記放熱部材の左右折曲部、上部折曲部及び下部折曲部の設置位置及び設置個数は限定されず、前記折曲部とケースとの結合方法は限定されないが、製造コストを節減し、組み立ての過程を簡素化するために、機械的締結構造を有することが好ましい。

二次電池モジュールの構成のために、相互密着式または隣接式で積層されている単位電池の場合、単位電池本体から発生した熱をより効果的に外部に発散させるために、前記放熱部材の左右折曲部がフラップ部をさらに備えても良い。このようなフラップ部を備えた本発明の放熱部材の実施例を図４及び図５に示す。図４及び図５で示すように、前記放熱部材３０の左右折曲部３２の部分がセル外部に延びたフラップ部３５，３５’を備え、図４の場合、フラップ部３５が水平方向に延びる複数個の板状形態であり、図５の場合は、フラップ部３５’が垂直方向に延びる複数個の板状形態である。このようなフラップ部を有する場合、前記放熱部材がセル外部と接する面積を大きくして、電池セルから発生した熱をさらに効果的に放出することができるようになる。

図６は、本発明によるセルケース２０と放熱部材３０との間で電池セル１０が安着する状態を示す分離斜視図であり、図７は、本発明による二次電池モジュールの単位電池が結合された状態１００の斜視図である。

前記セルケースと結合された放熱部材が前記電池セルの端子部と接する部分には、端子部絶縁カバー４０が取り付け可能である。前記端子部絶縁カバー４０は、前記電池セルから突出した陽極端子及び陰極端子の部分をカバーする部分４１，４２と、貫通口の部分をカバーする部分４３，４４とを含み、上下に積層される単位電池において、上下電極端子間のショートを防止する。前記端子部絶縁カバーは、図６で示すように、垂直方向における放熱部材３０と電池セル１０との間で且つ、水平方向における放熱部材の上部折曲部３３同士の間に摺動挿入される部分４５をさらに含む。該部分４５が前記放熱部材に摺動挿入されて結合され、挿入された端子部絶縁カバーの流動を防止するために、前記端子部絶縁カバーと前記放熱部材とがテープ５０で固定されても良い。また、図７に示すように、該部分４５が放熱部材３０の上に積層されて、テープ５０で固定されてもよい。すなわち、本願発明による二次電池モジュールの単位電池を組み立てるにあたって、前記放熱部材に端子部絶縁カバーをまずテープで付着させた後、前記放熱部材を電池セルが安着したセルケースに結合させることができる。

本発明のもう１つの実施例として、本発明の単位電池は放熱効率を高めるための放熱補助部材をさらに含んでも良い。

前記放熱補助部材６０は、図８で示すように、放熱板６１、セルケース２０と一体に結合されるように前記セルケース２０の左右側面を覆う左右折曲部６２、電極端子が突出する上部を覆う上部折曲部６３、及びこれに対向する下部を覆う下部折曲部６４を備え、前記セルケース２０は前記放熱補助部材の上部折曲部及び下部折曲部に対応する位置に上下方向にていずれも貫通可能な放熱部材挿入部２４，２５，２８，２９を備えるので、放熱部材挿入部を介して前記セルケースと前記放熱補助部材とが一体的に結合することになる。本発明の実施例によって放熱部材及び放熱補助部材を同時に備えることができる。

前記放熱補助部材とセルケースとの結合状態を図９に示す。図９で示すように、前記放熱補助部材６０は左右折曲部６２が前記セルケース２０の上下左右の側面を覆うように結合され、上部折曲部６３及び下部折曲部６４は、セルケースの下部側にて、前記セルケース２０に形成された前記放熱部材挿入部２４，２５，２８，２９に結合することになる。

前記放熱補助部材の左右折曲部、上部折曲部及び下部折曲部の設置位置及び設置個数は限定されず、前記放熱補助部材の折曲部とセルケースとの結合方法は限定されないが、製造コストを節減し、組み立ての過程を簡素化するために、機械的締結構造を有することが好ましい。

上記のように製造された各々の単位電池は、製造しようとする電池モジュールの大きさに応じて必要な個数だけ積載した後、セルケース２０の最上端には回路ケース（図示せず）を結合する。本発明による電池モジュールは、複数個の単位電池と回路ケースが積載された状態で、揺れずに堅く結束させるために、セルケースの前方部分は図１０で図示すように積層されたセルケースを上下に貫通挿入した固定ボルト７０で固定されることになる。前記固定ボルトは、セルケースの前方部分に上下に貫通形成された結合孔に固定ボルトを上下順番に貫通挿入して、ナットで固定させる。

上記のように積層された単位電池の上端には、回路ケースを設け、前記回路ケースに電池モジュールの制御に必要な回路基板等を設けた後、カバーを覆って二次電池モジュールが完成する。

Claims (13)

1. 多数の単位電池を電気的に連結して、高出力大容量の電気を充放電することができるモジュールであって、
   前記単位電池は、充放電が可能な電池セルと、
   前記電池セルを収容するセルケースと、
   前記電池セルのセルケースに収容される面と対向する面をカバーする放熱部材と、
   前記電池セルの端子部をカバーし、一側が前記放熱部材に摺動挿入される端子部絶縁カバーとを含み、
   放熱部材は、放熱板と、前記放熱板から延び、前記電池セルの左右を覆うように折曲する左右折曲部と、前記放熱板から延び、前記電池セルの上部を覆う複数の上部折曲部と、前記放熱板から延び、前記電池セルの下部を覆う下部折曲部とで構成され、
   前記セルケースは、前記電池セルが水平方向に安着する凹溝部と、前記電池セルに取り付けられたタブ端子の折曲部が嵌合するタブ端子挿入部と、前記放熱部材の上部折曲部及び下部折曲部が嵌合する放熱部材挿入部と、上下積層された複数個の単位電池を連結する固定ボルトが貫通する貫通口を含み、
   前記端子部絶縁カバーは、前記電池セルの端子部をカバーする部分（４１、４２）と、前記セルケースの貫通口をカバーする部分（４３、４４）と、垂直方向における前記放熱部材と前記電池セルとの間で且つ、水平方向における前記放熱部材の上部折曲部（３３）同士の間に摺動挿入される部分（４５）とを含むことを特徴とする二次電池モジュール。
2. 前記電池セルは、電極が外部に突出し、前記外部に突出した電極に、折り曲げられたタブ端子が各々溶接されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池モジュール。
3. 前記放熱部材の左右折曲部は、前記セルケースの外側に嵌められ、前記上部折曲部と下部折曲部は、前記セルケースに形成された放熱部材挿入部に嵌められることにより、前記電池セルを介して前記放熱部材が前記セルケースと結合されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池モジュール。
4. 前記放熱部材の左右折曲部は、フラップ部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の二次電池モジュール。
5. 前記フラップ部は、前記左右折曲部から水平方向に延びる複数の板状形態であることを特徴とする、請求項４に記載の二次電池モジュール。
6. 前記フラップ部は、前記左右折曲部から垂直方向に延びる複数の板状形態であることを特徴とする、請求項４に記載の二次電池モジュール。
7. 前記単位電池は、放熱補助部材をさらに含み、
   前記放熱補助部材は、前記電池セルを収容するセルケースの前記電池セルを収容する面と対向する面をカバーする放熱補助部材であることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池モジュール。
8. 前記放熱補助部材は、放熱補助部材板と、前記放熱補助部材板から延び、前記電池ケースの左右を覆うように折り曲げられる左右折曲部と、前記放熱補助部材板から延び、前記電池ケースの上部を覆う上部折曲部と、前記放熱補助部材板から延び、前記電池ケースの下部を覆う下部折曲部とで構成され、
   前記左右折曲部は、前記セルケースの外側に嵌められ、前記上部折曲部と下部折曲部は、前記セルケースに形成された放熱部材挿入部に嵌められることにより、前記放熱補助部材が前記セルケースと一体的に結合されることを特徴とする、請求項７に記載の二次電池モジュール。
9. 前記放熱部材は、金属素材、カーボン素材、またはセラミック素材からなることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池モジュール。
10. 前記放熱部材は、アルミ素材からなることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池モジュール。
11. 前記放熱補助部材は、金属素材、カーボン素材、またはセラミック素材からなることを特徴とする、請求項７に記載の二次電池モジュール。
12. 前記放熱補助部材は、アルミ素材からなることを特徴とする、請求項７に記載の二次電池モジュール。
13. 前記端子部絶縁カバーが前記放熱部材に摺動挿入される部分に接着テープが付着されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池モジュール。