JP6080242B2 - 自動車用バッテリーパックに含まれるバッテリーモジュール集合体 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリーモジュール集合体に関し、より詳しくは、自動車用バッテリーパックに含まれるバッテリーモジュール集合体におけるバッテリーモジュール間の機械的連結に関する。
本出願は、２０１３年４月２９日出願の韓国特許出願第１０−２０１３−００４７４７５号及び２０１３年５月３１日出願の韓国特許出願第１０−２０１３−００６３０８９号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。

二次電池は、製品群に応じた適用性が高く、且つ、高いエネルギー密度などの電気的特性を有するため、携帯用機器だけでなく、電気的駆動源によって駆動する電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）またはハイブリッド自動車（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle）などに適用されつつある。このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少できるという一次的な長所だけでなく、エネルギー使用に伴う副産物が全く生じないという点で、環境にやさしく、エネルギー効率を向上できるため、新しいエネルギー源として注目を集めている。
現在、広く使用される二次電池の種類としては、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などがある。このような単位二次電池セルの作動電圧は約２．５Ｖ〜４．２Ｖである。したがって、これよりさらに高い出力電圧が要求される場合、複数の二次電池セルを直列接続してバッテリーパックを構成する。また、バッテリーパックに要求される充放電容量によって複数の二次電池セルを並列接続してバッテリーパックを構成し得る。したがって、前記バッテリーパックに含まれる二次電池セルの数は、要求される出力電圧または充放電容量によって多様に設定し得る。
なお、複数の二次電池セルを直列・並列接続してバッテリーパックを構成する場合、バッテリーパックに含まれた二次電池セルは、電気的かつ機械的に堅固に接続される必要がある。したがって、このように二次電池セルの接続が堅固になされるようにする安定的かつ経済的なバッテリーパックケースのデザインが要求される。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、自動車用バッテリーパックに含まれるバッテリーモジュール集合体を提供することを目的とする。

上記の課題を達成するため、本発明によるバッテリーモジュール集合体は、複数の円筒型二次電池セル（以下、「セル」とする）が上部フレームと下部フレームとの間に挟まれた、４つのバッテリーモジュールを含むバッテリーモジュール集合体であって、前記４つのバッテリーモジュールのうち２つのバッテリーモジュールが並んで配置され、前記並んで配置された２つのバッテリーモジュールの上に、残りの２つのバッテリーモジュールが積層される。
本発明の一実施例によれば、前記バッテリーモジュールの上部フレームの上端部には突出部が形成され、前記下部フレームの下端部には前記突出部の形状及び位置に対応する凹溝部が形成されており、前記積層されるバッテリーモジュールのうちいずれか一つの前記突出部と、残りの一つの前記凹溝部とが結合される。
本発明の一実施例によれば、前記上部フレームまたは前記下部フレームの一側面には、他のバッテリーモジュールとの結合のための連結部が形成され、前記４つのバッテリーモジュールのうち、それぞれ並んで配置されるバッテリーモジュールは、前記連結部によって連結される。この際、前記連結部は、“「”形状または“」”形状を有し得る。

本発明の一実施例によれば、前記並んで配置された下方の２つのバッテリーモジュールは、下部に設けられたプレートによって連結される。この場合、前記下部に設けられたプレートは、前記並んで配置された下方の２つのバッテリーモジュールを合わせた面積よりも大きく、前記下部に設けられたプレートにおいて、前記並んで配置された下方の２つのバッテリーモジュールを越した部分は垂直に折り曲げられ、前記並んで配置された下方の２つのバッテリーモジュールの側面にねじで連結される。
本発明の一実施例によれば、前記並んで配置された下方の２つのバッテリーモジュールの上端部には、一部が垂直に折り曲げられたプレートが連結され、前記垂直に折り曲げられた部分が、前記並んで配置された下方の２つのバッテリーモジュールの上に積層された残りの２つのバッテリーモジュールにそれぞれ連結される。この際、前記上部フレーム及び下部フレームの側面には螺線が形成され、前記螺線とねじにより、前記垂直に折り曲げられたプレート部分が、前記上部フレームまたは前記下部フレームに連結される。

本発明の一側面によれば、複数の二次電池セルを含む安定的かつ経済的なバッテリーモジュール集合体を提供することができる。

本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。

本発明の一実施例によるバッテリーモジュール集合体を含むバッテリーパックを示す斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュール集合体を含むバッテリーパックの分解斜視図である。 本発明によるバッテリーモジュール集合体を構成するバッテリーモジュールの斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュール集合体に含まれる４つのバッテリーモジュールのうち、第１バッテリーモジュールの斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュール集合体に含まれる４つのバッテリーモジュールのうち、第２バッテリーモジュールの斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュール集合体に含まれる４つのバッテリーモジュールのうち、第１バッテリーモジュール及び第２バッテリーモジュールが連結された様子を示した分解斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュール集合体に含まれる４つのバッテリーモジュールのうち、第３バッテリーモジュール及び第４バッテリーモジュールが積層される様子を示した分解斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュール集合体の斜視図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
図１は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュール集合体５０を含むバッテリーパック１を示す斜視図である。
図１に示したバッテリーパック１は、自動車、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）などに設けられ得る自動車用バッテリーパック１である。
望ましくは、前記バッテリーパック１の大きさは、自動車用標準バッテリーの規格に準ずる。したがって、前記バッテリーパック１は、全体的に六面体の形状を有し得る。
また望ましくは、前記バッテリーモジュール集合体５０も、自動車用標準バッテリーの規格に準ずる大きさを有し得る。しかし、前記バッテリーパック１及び前記バッテリーモジュール集合体５０の大きさは、前記例に制限されず、実施例によって横、縦、高さの長さは多様に変更し得る。

図２は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュール集合体５０を含むバッテリーパック１の分解斜視図である。
本発明の一実施例によるバッテリーモジュール集合体５０は、内部ケース３０が連結され、上部パックケース１０と下部パックケース７０との間に収容されてバッテリーパック１を構成する。

図３は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュール集合体５０を構成するバッテリーモジュール６０の斜視図である。
図３を参照すれば、前記バッテリーモジュール６０は、複数の円筒型二次電池セル（６２、以下「セル」とする）が上部フレーム６１と下部フレーム６３との間に挟まれて構成される。説明の便宜上、上部フレーム６１側に露出したセル６２の電極を高電位電極（＋）、下部フレーム６３側に露出したセル６２の電極を低電位（−）と仮定する。そして、前記上部フレーム６１及び下部フレーム６３は、識別の容易さのために、上部フレーム６１は濃い色で、下部フレーム６３は薄い色で示した。
本発明の一実施例によるバッテリーパック１は、自動車用として１２Ｖの作動電圧を有し得る。そして、本発明の一実施例による二次電池セル６２は、３Ｖの作動電圧を有し得る。したがって、４つのバッテリーモジュール６０は、直列接続してバッテリーモジュール集合体５０を構成することができる。

以下、図３に示したバッテリーモジュール６０から構成されたバッテリーモジュール集合体５０について説明する。参考に、本明細書における上部、下部、上端及び下端とは、図面に沿って見た位置を示す用語である。
本発明の一実施例によるバッテリーモジュール集合体５０は、４つのバッテリーモジュール６０から構成される。以下、４つのバッテリーモジュール６０を区分するために順に番号を付けた。
図４は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュール集合体５０に含まれる４つのバッテリーモジュールのうち、第１バッテリーモジュール６０−１の斜視図である。
図４を参照すれば、図３に示したバッテリーモジュール６０の上部フレーム６１−１にプレート５１が加えられたことが分かる。前記プレート５１は金属であって、前記バッテリーモジュール６０−１の高電位端子に電気的に接続される。したがって、前記プレート５１によって前記バッテリーモジュール６０−１に含まれたセル６２−１の高電位端子が電気的に並列接続できる。

本発明の一実施例によれば、前記プレート５１の材質は、ニッケル、銅、黄銅及びニッケルめっきされた銅からなる群より選択されたいずれか一種であり得る。前記材質は、一例示に過ぎず、本発明が属する技術分野における通常の知識を持った者が容易に代替可能なすべての金属を含み得る。
本発明の一実施例によれば、前記プレート５１の厚さは、０．１〜０．４ｍｍである。前記厚さは、金属の性質による剛性、電気伝導性などを考慮して多様に設計可能である。
本発明の一実施例によれば、前記プレート５１と前記セル６２−１との連結は、抵抗溶接、超音波溶接、レーザー溶接または導電性接着剤によってなされる。
前記プレート５１の全体面積は、前記第１バッテリーモジュール６０−１の上部フレーム６１−１の面積よりも大きい。そして、前記プレート５１の一部、すなわち、前記第１バッテリーモジュール６０−１における上部フレーム６１−１の面積を越した部分５１−ａは、垂直に折り曲げられている。前記折り曲げ部分５１−ａは、後でバッテリーモジュール集合体５０を構成するにあたって、上部に積層されるバッテリーモジュール（図７の６０−３参照）との機械的連結及び電気的接続のための部分である。

図５は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュール集合体５０に含まれる４つのバッテリーモジュールのうち、第２バッテリーモジュール６０−２の斜視図である。
図５を参照すれば、第２バッテリーモジュール６０−２は、図３に示したバッテリーモジュール６０が覆された様子を示している。そして、前記第２バッテリーモジュール６０−２の下部フレーム６３−２にプレート５２が加えられたことが分かる。前記プレート５２は金属であって、前記バッテリーモジュール６０−２の低電位端子に電気的に接続される。したがって、前記プレート５２によって前記第２バッテリーモジュール６０−２に含まれたセル６２−２の低電位端子が電気的に並列接続できる。
前記プレート５２の材質、厚さ及び溶接方式は、図４に示したプレート５１と同一である。
前記プレート５２の全体面積は、前記第２バッテリーモジュール６０−２の下部フレーム６３−２の面積よりも大きい。そして、前記プレート５２の一部、すなわち、前記第２バッテリーモジュール６０−２の下部フレーム６３−２を越した部分５２−ａは、垂直に折り曲げられている。前記垂直に折り曲げられた部分５２−ａは、後でバッテリーモジュール集合体５０を構成するにあたって、上部に積層されるバッテリーモジュール（図７の６０−４参照）との機械的連結及び電気的接続のための部分である。

図６は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュール集合体５０に含まれる４つのバッテリーモジュールのうち、第１及び第２バッテリーモジュール（６０−１、６０−２）が連結された様子を示した分解斜視図である。
図６を参照すれば、前記第１及び第２バッテリーモジュール（６０−１、６０−２） の下端にプレート５３が配置されたことが分かる。
前記プレート５３は金属であって、前記第１バッテリーモジュール６０−１の低電位端子に電気的に接続される。したがって、前記プレート５３によって前記第１バッテリーモジュール６０−１に含まれたセル６２−１の低電位端子が電気的に並列接続できる。なお、前記プレート５３は金属であって、前記第２バッテリーモジュール６０−２の高電位端子に電気的に接続される。したがって、前記プレート５３によって前記第２バッテリーモジュール６０−２に含まれたセル６２−２の高電位端子が電気的に並列接続できる。同時に、前記プレート５３は、前記第１バッテリーモジュール６０−１及び前記第２バッテリーモジュール６０−２を全て含む面積を有している。したがって、前記第１バッテリーモジュール６０−１の低電位端子と、第２バッテリーモジュール６０−２の高電位端子とが電気的に直列接続できる。
前記プレート５３の材質、厚さ及び溶接方式は、図４に示したプレート５１と同一である。

本発明の一実施例によれば、前記プレート５３の全体面積は、前記第１バッテリーモジュール６０−１及び第２バッテリーモジュール６０−２を合わせた面積よりも大きい。そして、前記プレート５３の一部、すなわち、前記第１バッテリーモジュール６０−１及び第２バッテリーモジュール６０−２を合わせた面積を越した部分５３−ａは、垂直に折り曲げられている。そして、前記第１バッテリーモジュール６０−１の側面及び第２バッテリーモジュール６０−２の側面には、螺線６８が形成されている。したがって、前記垂直に折り曲げられた部分５３−ａに螺線を形成し、前記螺線６８及びねじによって前記プレート５３は、第１バッテリーモジュール６０−１及び第２バッテリーモジュール６０−２に機械的に連結できる。
本発明の一実施例によれば、前記バッテリーモジュール６０は、前記上部フレーム６１または前記下部フレーム６３の一側面には、他のバッテリーモジュールとの結合のための連結部６７、６７−１が形成されている。

再度、図３を参照すれば、前記バッテリーモジュール６０の前記上部フレーム６１及び前記下部フレーム６３の側面に形成された連結部６７、６７−１を確認することができる。上述のように、本発明の一実施例によるバッテリーパック１は、４つのバッテリーモジュール６０がバッテリーモジュール集合体５０を構成する（図２、参照番号５０参照）。この際、バッテリーモジュール６０は、前記連結部６７、６７−１を通じて側面に隣接配置された他のバッテリーモジュール６０に機械的に結合できる。
本発明の一例によれば、前記連結部６７、６７−１は、“「”または“」”形状を有する。前記“「”形状の連結部６７と“」”形状の連結部６７−１とが相互連結されて前記バッテリーモジュール６０の水平方向における離脱を防止することができる。このために、後でバッテリーモジュール集合体５０を構成するにあたって、相互隣接されるバッテリーモジュール６０には、前記“「”形状の連結部６７と“」”形状の連結部６７−１とが相互連結されるように配置され得る。

前記第１バッテリーモジュール６０−１及び前記第２バッテリーモジュール６０−２の側面に連結部６７、６７−１が形成された場合、前記第１バッテリーモジュール６０−１及び前記第２バッテリーモジュール６０−２は、前記連結部６７、６７−１によって機械的に連結できる。前記連結部６７、６７−１は、バッテリーモジュール集合体５０を構成するバッテリーモジュール６０間の機械的結合力を向上させる。

図７は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュール集合体５０に含まれる４つのバッテリーモジュールのうち、第３及び第４バッテリーモジュール６０−３、６０−４が積層される様子を示した分解斜視図である。
図７を参照すれば、前記第３バッテリーモジュール６０−３の高電位端子にはプレート５４が結合される。そして、前記第３バッテリーモジュール６０−３の低電位端子にはプレート５５が結合される。前記プレート５４、５５によって前記第３バッテリーモジュール６０−３に含まれたセル６２−３は電気的に並列接続できる。
前記第４バッテリーモジュール６０−４の高電位端子には、プレート５６が結合される。そして、前記第４バッテリーモジュール６０−３の低電位端子にはプレート５７が結合される。前記プレート５６、５７によって前記第４バッテリーモジュール６０−４に含まれたセル６２−４は電気的に並列接続できる。
図７を参照すれば、並んで配置された第１バッテリーモジュール６０−１及び第２バッテリーモジュール６０−２の上にそれぞれ第３バッテリーモジュール６０−３及び第４バッテリーモジュール６０−４が積層されることが分かる。

前記第３バッテリーモジュール６０−３は、前記第１バッテリーモジュール６０−１に電気的に直列接続される。したがって、前記第３バッテリーモジュール６０−３の低電位端子が前記第１バッテリーモジュール６０−１の高電位端子に隣接するように積層される。
そして、前記第４バッテリーモジュール６０−４は、前記第２バッテリーモジュール６０−２に電気的に直列接続される。したがって、前記第４バッテリーモジュール６０−４の高電位端子が前記第２バッテリーモジュール６０−２の低電位端子に隣接するように積層される。
本発明の一実施例によれば、前記バッテリーモジュール６０の前記上部フレーム６１の上端部には突出部６６が形成され、前記下部フレーム６３の下端部には前記突出部６６の形状及び位置に対応する凹溝部６６−１が形成されている。

再度、図３ないし図５を参照すれば、本発明の一実施例による前記上部フレーム６１の上端部には突出部６６が形成され、前記下部フレーム６３の下端部には前記突出部６６に対応する形状及び位置に凹溝部６６−１が形成されたことが分かる。
上述のように、本発明の一実施例によるバッテリーパック１は、４つのバッテリーモジュール６０がバッテリーモジュール集合体５０を構成する（図２、参照番号５０参照）。この際、前記突出部６６及び凹溝部６６−１は、前記バッテリーモジュール（６０−１ないし６０−４）が垂直に積層されるとき、上部に配置したバッテリーモジュール及び下部に配置したバッテリーモジュールの位置を固定することができる。また、前記突出部６６及び凹溝部６６−１によってバッテリーモジュール（６０−１ないし６０−４）が積層されるとき、バッテリーモジュール６０が容易に積層され得、上部バッテリーモジュール６０及び下部バッテリーモジュール６０が、正位置から外れることを防止することができる。
前記第１及び第３バッテリーモジュール６０−１、６０−３に前記突出部６６及び前記凹溝部６６−１が形成された場合、前記第１バッテリーモジュール６０−１及び前記第３バッテリーモジュール６０−３は、前記突出部６６及び凹溝部６６−１によって機械的に連結できる。また、前記第２及び第４バッテリーモジュール６０−２、６０−４に前記突出部６６及び前記凹溝部６６−１が形成された場合、前記第２バッテリーモジュール６０−２及び前記第４バッテリーモジュール６０−４は、前記突出部６６及び凹溝部６６−１によって機械的に連結できる。

なお、前記第１バッテリーモジュール６０−１及び前記第３バッテリーモジュール６０−３は、プレート５１における垂直に折り曲げられた部分５１−ａによって機械的連結及び電気的接続できる。また、前記第２バッテリーモジュール６０−２及び前記第４バッテリーモジュール６０−４は、プレート５２における垂直に折り曲げられた部分５２−ａによって機械的に連結できる。この際、前記第３バッテリーモジュール６０−３の下部フレームに形成された螺線６８、前記プレート５１における垂直に折り曲げられた部分５１−ａ及びねじによって機械的に連結できる。同様に、前記第４バッテリーモジュール６０−４の上部フレームに形成された螺線６８、前記プレート５１における垂直に折り曲げられた部分５１−ａ及びねじによって機械的に連結できる。

図８は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュール集合体５０の斜視図である。
図８を参照すれば、図４ないし図７を参照して説明したバッテリーモジュール（６０−１ないし６０−４）が機械的連結及び電気的接続された様子を確認することができる。
本発明の一実施例によれば、前記垂直に積層されるバッテリーモジュール６０の間、すなわち、前記第１バッテリーモジュール６０−１と前記第３バッテリーモジュール６０−３との間、及び前記第２バッテリーモジュール６０−２と前記第４バッテリーモジュール６０−４との間は、バスバー５８を介して電気的に直列接続される。前記バスバー５８も、ねじによって前記第１バッテリーモジュール６０−１と前記第３バッテリーモジュール６０−３との間、及び前記第２バッテリーモジュール６０−２と前記第４バッテリーモジュール６０−４との間に連結できる。
本発明によれば、複数の二次電池セルを含む安定的かつ経済的なバッテリーモジュール集合体を提供することができる。
以上のように、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。

１ バッテリーパック
１０ 上部パックケース
５０ バッテリーモジュール集合体
５８ バスバー
６０ バッテリーモジュール
６１ 上部フレーム
６２ 円筒型二次電池セル
６３ 下部フレーム
７０ 下部パックケース

Claims (7)

1. 複数の円筒型二次電池セル(以下、「セル」とする)が上部フレームと下部フレームとの間に挟まれた、４つのバッテリーモジュールを含むバッテリーモジュール集合体であって、
   前記４つのバッテリーモジュールのうち２つのバッテリーモジュールが並んで配置され、前記並んで配置された２つのバッテリーモジュールの上に、残りの２つのバッテリーモジュールが積層され、
   前記バッテリーモジュールの上部フレームの上端部には突出部が形成され、前記下部フレームの下端部には前記突出部の形状及び位置に対応する凹溝部が形成されており、
   前記積層されるバッテリーモジュールのうちいずれか一つの前記突出部と、残りの一つの前記凹溝部とが結合されることを特徴とするバッテリーモジュール集合体。
2. 前記上部フレームまたは前記下部フレームの一側面には、他のバッテリーモジュールとの結合のための連結部が形成され、
   前記４つのバッテリーモジュールのうち、それぞれ並んで配置されるバッテリーモジュールは、前記連結部によって連結されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール集合体。
3. 前記連結部は、“「”形状または“」”形状を有することを特徴とする請求項２に記載のバッテリーモジュール集合体。
4. 前記並んで配置された下方の２つのバッテリーモジュールは、下部に設けられたプレートによって連結されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール集合体。
5. 前記下部に設けられたプレートは、前記並んで配置された下方の２つのバッテリーモジュールを合わせた面積よりも大きく、
   前記下部に設けられたプレートにおいて、前記並んで配置された下方の２つのバッテリーモジュールを越した部分は垂直に折り曲げられ、前記並んで配置された下方の２つのバッテリーモジュールの側面にねじで連結されることを特徴とする請求項４に記載のバッテリーモジュール集合体。
6. 前記並んで配置された下方の２つのバッテリーモジュールの上端部には、一部が垂直に折り曲げられたプレートが連結され、
   前記垂直に折り曲げられた部分が、前記並んで配置された下方の２つのバッテリーモジュールの上に積層された残りの２つのバッテリーモジュールにそれぞれ連結されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール集合体。
7. 前記上部フレーム及び下部フレームの側面には螺線が形成され、
   前記螺線とねじにより、前記垂直に折り曲げられたプレート部分が、前記上部フレームまたは前記下部フレームに連結されることを特徴とする請求項６に記載のバッテリーモジュール集合体。

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