JP6334725B2 - レセプタクル構造の電圧センシング部材を含む電池モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、レセプタクル構造の電圧センシング部材を含む電池モジュールに関する。
近年、充放電可能な二次電池は、ワイヤレスモバイル機器のエネルギー源として広範囲に使用されている。また、二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン車両、ディーゼル車両などの大気汚染などを解決するための方案として提示されている電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−Ｉｎ ＨＥＶ）などの動力源としても注目されている。
小型モバイル機器には、デバイス１台当たり１個、又は２〜４個の電池セルが使用される一方、自動車などのような中型又は大型のデバイスは、高出力大容量の必要性により、多数の電池セルを電気的に接続した電池モジュールが使用される。
電池モジュールは、可能な限り、小さい大きさ及び重量で製造されることが好ましいので、高い集積度で充積することができ、容量対比重量が小さい角型電池、パウチ型電池などが中型又は大型の電池モジュールの電池セルとして主に使用されている。特に、アルミニウムラミネートシートなどを外装部材として使用するパウチ型電池は、重量が小さく、製造コストが低いなどの利点により、最近多くの関心を集めている。
また、電池モジュールは、多数の電池セルが組み合わされた構造となっているので、一部の電池セルが過電圧、過電流又は過発熱となる場合には、電池モジュールの安全性と作動効率において大きな問題となるため、これらを検出して制御するための手段が必要である。したがって、電圧センサなどを電池セルに接続してリアルタイム又は一定の間隔で作動状態を確認して制御しているが、このような検出手段の装着乃至接続は、電池モジュールの組立過程を非常に複雑にさせ、そのための多数の配線による短絡の危険性も存在する。また、二次電池の活用範囲の拡大により自動車などの動力源として使用されることによって、強い衝撃や振動が加えられる場合にも前記検出手段が安定した接触状態を維持できるようにする締結手段が必要である。
一般に、電池モジュールに装着される電圧センサは、電池セルの電極端子に溶接方式で接続されたり、又は電圧センサを電池セルの電極端子に密着させて接続する物理的接続構造を使用した。
しかし、溶接方式は、電極端子の損傷を起こすことがあり、溶接のための空間及び溶接過程の精密さを要求しており、それにより、製造工程性及び製造コストが上昇するという問題がある。
また、電圧センサが電極端子に密着した状態で固定させる過程でも様々な問題が発生している。すなわち、これらの安定した接続状態を維持させるために電極端子を押圧したり、又は電圧センサに電極端子を挿入する過程で電極端子が破損する問題が発生している。
これとは別途に、多数の電池セルを使用して電池モジュールを構成したり、又は所定単位の電池セルからなる単位モジュールを多数使用して電池モジュールを構成する場合、これらの機械的締結及び電気的接続のために一般的に多くの部材が必要であるため、このような部材を組み立てる過程は非常に複雑である。さらに、機械的締結及び電気的接続のための多数の部材の結合、溶接、ソルダリングなどのための空間が要求され、それにより、システム全体のサイズが大きくなる。このようなサイズの増加は、上述したような観点で好ましくなく、よりコンパクトで、構造的安定性に優れた電池モジュールに対する必要性が高い実情である。
したがって、本発明は、上記のような従来技術の問題点及び過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
具体的に、本発明の目的は、機械的締結及び電気的接続のために多数の部材を使用しなくても簡単な組立方法により製造できる電圧センシング部材を含む電池モジュールを提供することである。
本発明の他の目的は、電極端子に電圧センシング部材を締結及び接続する過程で発生する電極端子の破損を防止して、電池モジュールの製造時に不良率を減少させることで生産性及び安全性を向上させる構造の電池モジュールを提供することである。
このような目的を達成するための本発明に係る電池モジュールは、
直列及び／又は並列に接続された多数の電池セル又は単位モジュールが立てられた状態で側面方向に積層されている電池セル積層体と、
前記電池セル積層体の前面及び後面にそれぞれ位置した電池セルの電極端子連結部に電気的に接続されて電池セル又は単位モジュールの電圧を検出するための接続端子を端部に備えている電圧センシング部材と、
前記電池セル積層体の一側面端部と上端及び下端の一部を覆う構造であって、前記電圧センシング部材が挿入されて装着されるための装着部が備えられている上部ケースと、
前記電池セル積層体の他側面端部と上端及び下端の一部を覆いながら前記上部ケースと結合される構造であって、前面部に外部入出力端子が備えられている下部ケースと、
を含んでおり、
前記電圧センシング部は、上部から電極端子連結部に嵌められるレセプタクル構造で形成されており、前記装着部は、電極端子連結部が挿入される方向に幅が狭くなる構造で構成されてもよい。
すなわち、本発明に係る電池モジュールは、電圧センシング部材が上部ケースの前面及び後面に位置した装着部に挿入されて装着された状態で、電池セル積層体の前面及び後面にそれぞれ位置した電池セルの電極端子連結部に電気的に接続される構造で構成されているので、全体的に組立過程が簡素であり、コンパクトであり、安定的に電圧検出が可能な構造を有する。
また、電池セルの電圧を検出するための部材が、モジュール化された電圧センシング部材からなっているので、このような電圧センシング部材を電池モジュールの前面及び後面に容易に装着することができ、電圧検出構造の中間連結部を最小化して電圧検出の信頼性を向上させることができる。
また、電圧センシング部材の異常発生時に、従来の電池モジュール構造と比較して、電池モジュールの内部を分解せずに電池モジュールの前面と後面に装着された電圧センシング部材のみを交換すればよいので、電池モジュールのメンテナンス性も大きく向上する。
前記単位モジュールの内部又は単位モジュール相互間の電池セルは、電気的接続部位の少なくとも一部が直列に接続されており、電池セルを、それの電極端子が互いに隣接するように配列した状態で前記電極端子を結合させた後、所定の単位でセルカバーによって覆うことによって多数の単位モジュールを製造することができる。このような製造過程は、一部の順序が変更されてもよいことは勿論である。例えば、多数の単位モジュールをそれぞれ製造した後、単位モジュール間の電気的接続を行うこともできる。
電極端子が互いに接続されており、高い密集度で充積された前記電池セル積層体は、組立式締結構造で結合される上下分離型のケースに垂直に装着される。
前記上下部ケースは、電池セル積層体を上下部ケースに装着した後、上下部ケースを互いに組み立てた状態で、電池セル積層体の容易な放熱のために電池セル積層体の外周面のみを覆い、それの外面がケースの外部に露出する構造からなることができる。すなわち、上部ケースは、電池セル積層体の一側面端部と上端及び下端の一部を覆う構造からなっており、下部ケースは、電池セル積層体の他側面端部と上端及び下端の一部を覆う構造からなることができる。
また、前記電圧センシング部材の接続端子は、上部から電極端子連結部に嵌められるレセプタクル（ｒｅｃｅｐｔａｃｌｅ）型構造からなっているので、外部衝撃の印加時にも、電圧センシング部材の接続端子と電池セルの電極端子連結部とは安定した電気的接続状態を維持することができる。
前記電池セルは、例えば、電極端子が上端及び下端にそれぞれ形成されている板状型電池セルであってもよい。
前記電圧センシング部材は、電池セルの電極端子連結部に電気的に接続されて電池セル又は単位モジュールの電圧を容易に検出できる構造であれば特に限定されない。例えば、電池セル積層体の前面に位置した電極端子連結部と接続される前方センシング部材、及び電池セル積層体の後面に位置した電極端子連結部と接続される後方センシング部材を含む構造からなることができる。
したがって、前方センシング部材及び後方センシング部材は、上部ケースの装着部にそれぞれ挿入されることによって、電池セル積層体の前面と後面に位置した電極端子連結部に電気的に容易に接続される。
具体的に、前記前方センシング部材及び後方センシング部材は、それぞれ中空状構造のコネクタ形状からなる本体部、及び前記本体部内に挿入された状態で電池セルの電極端子の直列連結折り曲げ部位（電極端子連結部）に接続される接続端子で構成されている構造からなることができる。
前記構造の一例として、本体部は、電極端子連結部別に、接続端子が挿入され得るように下部が分岐状構造からなることができ、下部の分岐状構造に挿入された電圧センシング部材の接続端子は、電池セル積層体の前面と後面にそれぞれ位置した電池セルの電極端子連結部別に容易に電気的に接続され得る。
前記前方センシング部材及び後方センシング部材の本体部の下部の分岐個数は、電池モジュールを構成する単位モジュールの個数、単位モジュールの直列及び／又は並列接続構造、又はバスバーの形状によって変わり得、例えば、４個の単位モジュール（８個の電池セル）が立てられた状態で側面方向に積層された電池セル積層体の場合、電池セル積層体の前面と後面にそれぞれ位置した電極端子連結部に対応して接続され得るように、前方センシング部材の本体部は、下部が３つに分岐されており、後方センシング部材の本体部は、下部が４つに分岐されている構造であってもよい。
前記接続端子は、電極端子連結部の両側面に弾力的に接続される２つ以上の接続部を含む構造からなることができる。
前記接続端子は、電極端子連結部に接続されていない場合、前記電極端子連結部の両側面に接続される接続部の間の幅は、電極端子連結部の幅よりも大きい構造からなっていてもよい。このとき、前記接続部の間の幅は、電極端子連結部の幅の１０５％〜２００％の大きさで形成されてもよい。
そして、前記接続部は、電極端子連結部が挿入されながら、電極端子連結部の両側面に密着するように接続部の間の幅が狭くなる構造からなることができる。
このような構造は、前記装着部が、電極端子接続部が挿入される方向に幅が狭くなる構造によって達成される。すなわち、前記接続部の間に電極端子接続部が挿入されながら、前記装着部の幅が狭くなる構造によって装着部の内側に密着した接続部の間の幅も狭くなることによって、接続部が電極端子連結部の両側面に密着する構造からなることができる。
前記装着部は、上部ケースの前面と後面に上向き開放構造でそれぞれ形成されているので、電池モジュールの組み立てを完成した後に電圧センシング部材を上部から装着部に挿入することによって、電圧センシング部材と電極端子連結部との電気的接続を達成することができる。
場合によっては、絶縁性素材の前面カバーが、上方に開放された電圧センシング部材を外部から密閉している構造であってもよい。これとは異なり、電圧センシング部材を密閉するためのカバーを別途の部品として構成せず、上部ケースに一体型に形成してもよい。
前記電池セル積層体は、電極端子が上端及び下端にそれぞれ形成されている板状型電池セルを含んでいる多数個の単位モジュールからなることができる。前記単位モジュールは、電極端子が直列及び／又は並列に互いに接続されている２つ又はそれ以上の電池セル、及び前記電池セルの電極端子部位を除いて電池セル積層体の外面全体を覆うように互いに結合される一対の高強度セルカバーを含んで構成されてもよい。
前記において、電極端子を直列に互いに接続する構造は、電極端子の電気的接続が容易な構造であれば特に制限されず、例えば、電極端子を溶接によって直接接続したり、バスバーを用いて接続してもよい。
一方、本発明に係る電池モジュールは、全体的にコンパクトな構造を有し、多数の部材を使用しなくても構造的に安定した機械的締結と電気的接続を達成することができる。また、所定の単位、例えば、４個、６個、８個、１０個などの電池セル又は単位モジュールで電池モジュールを構成することによって、電池モジュールを必要な数だけ限定された空間内に効果的に装着することができる。
本発明はまた、前記電池モジュールを単位体として使用して製造される高出力大容量の中型又は大型の電池パックを提供する。
一具体例において、前記中型又は大型の電池パックは、電池モジュールが側面方向に積層されており、前記電池モジュールは、それぞれ電圧センシング部材を含んでいる構造からなることができる。
また、前記電圧センシング部材は、それぞれワイヤリングハーネスによってＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）に接続されてもよく、前記ＢＭＳは、電圧センシング部材から入力された電圧検出値を用いて電池パックを制御する構造からなることができる。
本発明に係る中型又は大型の電池パックは、所望の出力及び容量に応じて電池モジュールを組み合わせて製造することができ、上述したような装着効率性、構造的安定性などを考慮するとき、限定された装着空間を有し、頻繁な振動と強い衝撃などに露出される電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車などの電源として好ましく使用することができる。
前記中型又は大型の電池パックが装着されている電気自動車、ハイブリッド電気自動車、及びプラグインハイブリッド電気自動車の一般的な構造は当業界に公知となっているので、それについての詳細な説明は本明細書で省略する。
電池モジュールに装着される板状型電池セルの斜視図である。 本発明の一実施例に係る電池モジュールの斜視図である。 図２の電池モジュールの分解模式図である。 図３の電池モジュールにおける電池セル積層体の斜視図である。 接続端子が電極端子連結部に接続される過程に関する模式図である。
以下では、本発明の実施例に係る図面を参照して説明するが、これは、本発明のより容易な理解のためのものであり、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。
図１には、本発明の単位モジュールに装着される一つの例示的な板状型電池セルの斜視図が模式的に示されている。
図１を参照すると、板状型電池セル１０は、２つの電極リード１１，１２が互いに対向して電池本体１３の上端部と下端部にそれぞれ突出している構造となっている。外装部材１４は、上下２単位からなっており、その内面に形成されている収納部に電極組立体（図示せず）を装着した状態で、相互接触部位である両側面１４ｂと上端部１４ａ及び下端部１４ｃを付着させることによって電池セル１０が製造される。
外装部材１４は、樹脂層／金属箔層／樹脂層のラミネート構造となっているため、互いに接する両側面１４ｂと上端部１４ａ及び下端部１４ｃに熱と圧力を加えて樹脂層を相互融着させることによって付着させることができ、場合によって、接着剤を使用して付着することもできる。両側面１４ｂは、上下の外装部材１４の同一の樹脂層が直接接するので、溶融によって均一な密封が可能である。
一方、上端部１４ａと下端部１４ｃには電極リード１１，１２が突出しているため、電極リード１１，１２の厚さ及び外装部材１４の素材との異質性を考慮して、密封性を高めることができるように電極リード１１，１２との間にフィルム状のシーリング部材１６を介在した状態で熱融着させた構造で構成されている。
図２には、本発明の一実施例に係る電池モジュールの斜視図が模式的に示されており、図３には、図２の電池モジュールの分解模式図が示されており、図４には、図３の電池セル積層体の斜視図が模式的に示されている。
これら図面を参照すると、電池モジュール１００は、電池セル積層体１１０、電圧センシング部材１２２，１２４、上部ケース１３０、及び下部ケース１４０で構成されている。
電池セル積層体１１０は、直列に接続された４個の単位モジュール１１２が立てられた状態で側面方向に積層されており、電池セル１１４の電極端子を下部ケース１４０の外部入出力端子１４２に接続するためのバスバー１１６が前面部に備えられいる。
電圧センシング部材１２２，１２４は、電池セル積層体１１０の前面と後面にそれぞれ位置した単位モジュール１１２の電極端子連結部１１８，１１９に電気的に接続されて単位モジュール１１２の電圧を検出するための接続端子１２３，１２５を備えている。
電圧センシング部材１２２，１２４は、電池セル積層体１１０の前面に位置した電極端子連結部１１８と電気的に接続される前方センシング部材１２４、及び電池セル積層体１１０の後面に位置した電極端子連結部１１９と接続される後方センシング部材１２２からなっている。
上部ケース１３０は、電池セル積層体１１０の一側面端部と上端及び下端の一部を覆う構造であって、電圧センシング部材１２２，１２４が挿入されて装着されるための装着部１３２を前面部と後面部にそれぞれ備えている。
下部ケース１４０は、電池セル積層体１１０の他側面端部と上端及び下端の一部を覆いながら上部ケース１３０と結合される構造であって、前面部に外部入出力端子１４２を備えている。
電池セル積層体１１０は、電極端子が上端及び下端にそれぞれ形成されている板状型電池セル１１４が２個で構成された、単位モジュール１１２が４個からなっている。
単位モジュール１１２は、電極端子が直列に互いに接続されており、電極端子連結部１１８，１１９が折り曲げられて積層構造をなしている２個の電池セル１１４、及び電池セル１１４の電極端子部位を除いて電池セル１１４の外面全体を覆うように互いに結合される一対の高強度セルカバー１１５で構成されている。
図５には、接続端子が電極端子連結部に接続される過程に関する模式図が示されている。
図５を図２と共に参照すると、上部ケース１３０の装着部１３２に挿入されている電圧センシング部材１２４は、中空状構造の本体部１２８、及び本体部１２８内に挿入された状態で電極端子連結部１１８に接続される接続端子１２５で構成されている。
接続端子１２５の下部には、電極端子連結部１１８の両側面に弾力的に接続される接続部１２６が形成されている。このような接続端子１２５は、電極端子連結部１１８に接続されていない状態で、接続部１２６の間の幅Ｗ１は、電極端子連結部１１８の幅Ｗ２よりも大きい構造となっており、電圧センシング部材１２４が電極端子連結部１１８の方向に移動しながら電極端子連結部１１８の両側面に接続部１２６が密着するように接続部１２６の間の幅が狭くなる構造となっている。
すなわち、装着部１３２が電極端子連結部１１８の挿入方向に幅が狭くなる構造によって、電圧センシング部材１２４が電極端子連結部１１８の方向に移動しながら、装着部１３２の内側に密着された本体部１２８と接続部１２６との間の幅も狭くなることによって、接続部１２６が電極端子連結部１１８の両側面に密着して接続される構造となっている。
本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
以上で説明したように、本発明に係る電池モジュールに含まれるレセプタクル構造の電圧センシング部材は、機械的締結及び電気的接続のために多数の部材を使用せずに簡単な組立方法により電極端子連結部に接続されることによって、電池モジュールの全般的な製造コストを低減し、外部から強い衝撃や振動が加えられる場合にも安定した電圧検出が可能である。
また、本発明に係る電池モジュールの電圧センシング部材は、電圧検出のために電極端子連結部に嵌める過程で発生する電極端子連結部の破損を防止することによって、電池モジュールの製造過程での不良率を低減し、安全性を向上させる効果を提供する。
１ デバイス
１０ 電池セル（板状型電池セル）
１１ 電極リード
１２ 電極リード
１３ 電池本体
１４ 外装部材
１４ａ 上端部
１４ｂ 両側面
１４ｃ 下端部
１６ シーリング部材
１００ 電池モジュール
１１０ 電池セル積層体
１１２ 単位モジュール
１１４ 電池セル（板状型電池セル）
１１５ 高強度セルカバー
１１６ バスバー
１１８ 電極端子連結部
１１９ 電極端子連結部
１２２ 電圧センシング部材（後方センシング部材）
１２３ 接続端子
１２４ 電圧センシング部材（前方センシング部材）
１２５ 接続端子
１２６ 接続部
１２８ 本体部
１３０ 上部ケース
１３２ 装着部
１４０ 下部ケース
１４２ 外部入出力端子

Claims (14)

  1. 直列及び／又は並列に接続された多数の電池セル又は単位モジュールが立てられた状態で側面方向に積層されている電池セル積層体と、
    前記電池セル積層体の前面及び後面にそれぞれ位置した電池セルの電極端子連結部に電気的に接続されて電池セル又は単位モジュールの電圧を検出するための接続端子を端部に備えている電圧センシング部材と、
    前記電池セル積層体の一側面端部と上端及び下端の一部を覆う構造であって、前記電圧センシング部材が挿入されて装着されるための装着部が備えられている上部ケースと、
    前記電池セル積層体の他側面端部と上端及び下端の一部を覆いながら前記上部ケースと結合される構造であって、前面部に外部入出力端子が備えられている下部ケースと、
    を含んでおり、
    前記電圧センシング部材は、上部から電極端子連結部に嵌められるレセプタクル構造で形成されており、前記装着部は、電極端子連結部が挿入される方向に幅が狭くなる構造からなっており、
    前記接続端子は、電極端子連結部の両側面に弾力的に接続される２つ以上の接続部を含み、
    前記電極端子連結部の両側面に接続される接続部の間の幅は、電極端子連結部の幅よりも大きく、
    前記接続部は、電極端子連結部が挿入されながら、電極端子連結部の両側面に密着するように接続部の間の幅が前記装着部の幅によって狭くなる構造からなることを特徴とする、電池モジュール。
  2. 前記電池セルは、電極端子が上端及び下端にそれぞれ形成されている板状型電池セルであることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記電圧センシング部材は、電池セル積層体の前面に位置した電極端子連結部と接続される前方センシング部材、及び電池セル積層体の後面に位置した電極端子連結部と接続される後方センシング部材を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  4. 前記前方センシング部材及び後方センシング部材は、それぞれ中空状構造のコネクタ形状からなる本体部と、前記本体部内に挿入された状態で電池セルの電極端子の直列連結折り曲げ部位（電極端子連結部）に接続される接続端子とで構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の電池モジュール。
  5. 前記本体部は、電極端子連結部別に、接続端子が挿入可能なように下部が分岐状構造からなることを特徴とする、請求項４に記載の電池モジュール。
  6. 前記前方センシング部材の本体部は、下部が３つに分岐されており、後方センシング部材の本体部は、下部が４つに分岐されていることを特徴とする、請求項５に記載の電池モジュール。
  7. 前記接続部の間の幅は、電極端子連結部の幅の１０５％〜２００％であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  8. 前記装着部は、上部ケースの前面及び後面に上向き開放構造でそれぞれ形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  9. 絶縁性素材のカバーが、上方に開放された電圧センシング部材を外部から密閉していることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  10. 前記電池セル積層体は、電極端子が上端及び下端にそれぞれ形成されている板状型電池セルを含んでいる多数個の単位モジュールからなっており、前記単位モジュールは、
    電極端子が直列及び／又は並列に互いに接続されている２つ又はそれ以上の電池セルと、
    前記電池セルの電極端子部位を除いて電池セル積層体の外面全体を覆うように互いに結合される一対の高強度セルカバーと、
    を含む構成となっていることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の電池モジュールを単位体として使用して製造される高出力大容量の中型又は大型の電池パック。
  12. 前記電池パックは、電池モジュールが側面方向に積層されており、前記電池モジュールは、それぞれ電圧センシング部材を含んでいることを特徴とする、請求項１１に記載の中型又は大型の電池パック。
  13. 前記電圧センシング部材は、それぞれワイヤリングハーネスによってＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）に接続されていることを特徴とする、請求項１２に記載の中型又は大型の電池パック。
  14. 前記電池パックは、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、又はプラグインハイブリッド電気自動車の電源として使用されることを特徴とする、請求項１１に記載の中型又は大型の電池パック。
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