JP6506309B2 - 絶縁性のモールディング部を含む電池モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、絶縁性のモールディング部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おり、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。
また、電気を貯蔵しておき、必要な時点に安定的に電力系統に再び供給する電力貯蔵装置に関する技術が開発されている。電力貯蔵装置は、電力需要が少ないときにエネルギーを貯蔵し、過負荷又は非常時に電力を供給する装置であって、電力品質及びエネルギー利用効率を向上させる効果を提供している。特に、家庭用電力貯蔵装置及び産業用又は商業用中型電力貯蔵装置は、スマートグリッド技術と結び付いて市場規模が急成長している。
一方、電池モジュールが所定の装置乃至デバイスで要求される出力及び容量を提供するためには、多数の電池セルを直列又は並列方式で電気的に接続して電池モジュールを構成しなければならず、電池モジュールの容量が大きくなるほど、拡張性が容易であり、且つ安定した構造を維持できなければならない。
一方、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などに使用される電池パックは、例えば、梅雨期のような多湿な条件及び長期間の使用時に様々な環境でも誤作動を誘発しないように耐久性を有しなければならない。
特に、ＢＭＳ（Battery Management System）又はＰＣＢ（Printed Circuit Board）は、コンパクトな電池パックの構造によって回路が密集しており、素子の搭載密度が非常に高いため、ＢＭＳ又はＰＣＢの内部に外部物質、特に、湿気などが流入する場合、それにより回路及び素子が腐食しやすい。
また、配列された電池セルの電気的接続構造に湿気が流入する場合、短絡が誘発されてしまい、電池パックの誤作動又は寿命が大きく低下することがある。
したがって、このような問題点を根本的に解決できる技術に対する必要性が高い実情である。
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。
本発明の目的は、電池モジュールに装着されるＰＣＢ及び電池セルの電気的接続部位に水分が浸透することを防止して不良率を低減し、安全性が向上した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、
少なくとも２つ以上の電池セルが互いに密着又は隣接するように配列されている電池セルアセンブリ；
前記電池セルアセンブリの最外側の電池セルをそれぞれ覆うように固定されている前面プレート及び後面プレート；
電池セルアセンブリの上端に装着され、前記電池セルの電極端子が貫通する貫通溝が形成されている電気絶縁性のカバー部材；
前記カバー部材の下面に装着されている回路基板（ＰＣＢ：Printed Circuit Board）；
前記カバー部材に装着された状態で配列されており、前記電池セルの電極端子及びＰＣＢにそれぞれ接続されて電池セルとＰＣＢとの電気的接続を行う導電性接続部；及び
前記カバー部材の下面でＰＣＢ上に位置し、前記ＰＣＢと導電性接続部との間の接続部を覆う下部モールディング部；
を含む構造で構成されてもよい。
少なくとも２つ以上の電池セルが互いに密着又は隣接するように配列されている電池セルアセンブリ；
前記電池セルアセンブリの最外側の電池セルをそれぞれ覆うように固定されている前面プレート及び後面プレート；
電池セルアセンブリの上端に装着され、前記電池セルの電極端子が貫通する貫通溝が形成されている電気絶縁性のカバー部材；
前記カバー部材の下面に装着されている回路基板（ＰＣＢ：Printed Circuit Board）；
前記カバー部材に装着された状態で配列されており、前記電池セルの電極端子及びＰＣＢにそれぞれ接続されて電池セルとＰＣＢとの電気的接続を行う導電性接続部；及び
前記カバー部材の下面でＰＣＢ上に位置し、前記ＰＣＢと導電性接続部との間の接続部を覆う下部モールディング部；
を含む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、電極端子が接続される導電性接続部及び前記導電性接続部が接続されたＰＣＢ上に絶縁性のモールディング部が位置することによって、電極端子間に発生するショートを防止し、電池セルの電気的接続部位及びＰＣＢに水分が浸透することを防止して、不良率を低減し、安全性を向上させる効果を提供する。
前記電池セルアセンブリは、電池セルがそれぞれカートリッジに固定された構造が側面配列されるように積層されている構造であってもよい。例えば、前記カートリッジの間に電池セルが介在する形態で固定される構造であるか、又は、１つ又は２つ以上の電池セルがカートリッジに装着された構造で形成され、これらが積層されている構造であってもよい。
前記カートリッジには、電池セルアセンブリを固定するための締結部材が挿入される締結口が形成されていてもよい。前記締結口は、カートリッジの角部位に形成することができ、前記締結口に締結部材を挿入してカートリッジの積層構造を固定する構造からなることができる。
前記電池セルは、例えば、樹脂層と金属層を含むラミネートシートの電池ケースに電極組立体を内蔵した後、外周面をシールした構造からなっているパウチ型電池セルであってもよい。
前記電池セルは、電池モジュール又は電池パックの構成時、高電圧及び高電流を提供することができる電池であれば、特に制限されず、例えば、体積当たりのエネルギー貯蔵量が大きいリチウム二次電池であってもよい。
前記導電性接続部は、カバー部材の貫通溝に対応するように配列された状態で、カバー部材に機械的に結合されていてもよい。具体的に、前記カバー部材には、積層配列されている電池セルの電極端子がそれぞれ貫通して突出する貫通溝が配列されており、前記導電性接続部は、それぞれ前記貫通溝を通して突出した電極端子と接続されるために、貫通溝と隣接する部位に位置する構造であってもよい。このような導電性接続部は、前記カバー部材に様々な方式で固定されてもよく、例えば、ボルト、ナット、嵌合などの機械的結合で固定されてもよい。
前記カバー部材の下面には、ＰＣＢを定位置で固定するために、前記ＰＣＢが装着されるように湾入しているＰＣＢ装着部が形成されていてもよい。
前記電池セルアセンブリは、電池セルの正極端子及び負極端子が上部方向に突出するように電池セルが配列されており、前記ＰＣＢは、正極端子と負極端子との間に位置する構造であってもよい。すなわち、ＰＣＢの両側にそれぞれ導電性接続部が配列され、前記導電性接続部は、電池セルの正極端子及び負極端子とそれぞれ接続された状態でＰＣＢに接続される構造で形成されてもよい。
このとき、前記導電性接続部は、ＰＣＢに接続される部位が、カバー部材の上面から下面を通過する構造で延びてＰＣＢに接続される構造であってもよい。
したがって、前記導電性接続部とＰＣＢとが接続される部位はカバー部材の下面に位置し、前記カバー部材の下面に付加された下部モールディング部によって、前記導電性接続部とＰＣＢとの接続部位に水分が浸透することを防止することができる。
一方、最外側に位置した導電性接続部には、電池モジュールの外部入出力端子と接続されるバスバーが結合されてもよい。
一具体例において、前記下部モールディング部は、導電性接続部とＰＣＢとの接続部位を外部の水分から遮断（water seal）する密閉構造からなる構造であってもよい。具体的に、外部衝撃及び水分浸透に対して安全性を確保するように、下部モールディング部が前記導電性センシング部とＰＣＢとの接続部位を覆うように付加されてもよい。
より具体的に、前記ＰＣＢはカバー部材の下面に装着され、下部モールディング部は前記ＰＣＢ上に付加されてもよい。
また、前記下部モールディング部は絶縁性樹脂からなっているので、溶融された状態でＰＣＢ上に付加された状態で硬化することによって、前記導電性接続部とＰＣＢとの接続部位に対して安定した結合力を発揮するようになる。
このとき、前記下部モールディング部は、導電性接続部の接続部位だけでなく、前記ＰＣＢ全体に付加されることによって、外部の水分から前記ＰＣＢを完全に遮断する密閉構造からなることができ、安全性を向上させることができる。
また、水分の浸透を防止するために、前記カバー部材の上面に上部モールディング部がさらに付加されてもよい。
前記モールディング部を構成する絶縁性樹脂は、様々な素材で形成することができ、例えば、ポリオレフィン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
一方、本発明に係る電池モジュールは、電池モジュールの作動を制御するＢＭＳ（Battery Management System）がさらに含まれてもよく、前記ＢＭＳは、前記カバー部材の上部に装着することができる。
前記ＢＭＳの装着構造に関する一例として、前記ＰＣＢには、１つ又は２つ以上のＢＭＳ連結部がＰＣＢから上部方向に突出しており、前記ＢＭＳは、ＢＭＳ連結部に電気的に結合される構造であってもよい。具体的に、前記ＰＣＢには、１つ又は２つ以上のＢＭＳ連結部がＰＣＢから上部方向に突出しており、前記カバー部材には、ＢＭＳ連結部が貫通してＢＭＳに接続される貫通状締結口が形成されているため、前記ＢＭＳ連結部と貫通状締結口が結合しながら、ＰＣＢにＢＭＳが装着及び接続される構造で形成され得る。また、前記貫通状締結口は、ＢＭＳ連結部が上向きに突出した構造からなっており、内部にナットが挿入されている構造であってもよい。
一方、前記カバー部材の縁部には、前面又は後面プレートの上部を覆うように下向きに折り曲げられた構造で延びている２つ以上の固定部が形成されていてもよい。すなわち、前記電池セルアセンブリの前面及び後面にそれぞれ前面プレート及び後面プレートが固定されている状態で、前記カバー部材が装着される場合、前記固定部が前記前面又は後面プレートの上部部位の一部を覆うように装着されることによって、定位置で安定的に固定される構造からなることができる。
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、２つ以上が電気的に接続されている構造の高出力大容量の電池パックを提供する。
本発明はまた、前記電池パックを電源として含んでいるデバイスを提供し、前記デバイスは、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、及び電力貯蔵装置などから選択されるものであってもよい。
これらデバイスの構造及びその作製方法は当業界に公知となっているので、本明細書では、それについての詳細な説明を省略する。
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、本発明の一実施例に係る電池モジュールの斜視図が示されており、図２には、図１の電池モジュールを分解した構造の分解斜視図が示されており、図３には、図１のカバー部材に導電性接続部が装着されている構造の斜視図が示されている。
図１乃至図３を参照すると、電池モジュール１００は、電池セルアセンブリ１３０、前面プレート１４２及び後面プレート１４４、カバー部材１５０、導電性接続部１６０、及びＢＭＳ１８０を含む構造で構成されている。
電池セルアセンブリ１３０は、多数の電池セル１１０が互いに隣接するように側面配列されており、それぞれカートリッジ１２０に固定された状態で側面積層されて電池セルアセンブリ１３０を形成している。そして、カートリッジ１２０は、電池セル１１０の外周面シーリング部を固定するフレーム構造で形成されており、角部にはそれぞれ、電池セルアセンブリ１３０を固定するための締結口１２１が形成されている。すなわち、締結口１２１を貫通する締結部材１２５によって、カートリッジ１２０の側面配列された積層構造を固定する構造からなっている。
電池セルアセンブリ１３０を保護する前面プレート１４２及び後面プレート１４４は、それぞれ電池セルアセンブリ１３０の前面及び後面で最外側に位置した電池セルを覆うように固定されており、締結部材１２５によってカートリッジ１２０と共に固定される。
電池セル１１０の間には冷却部材１２４が介在している。
冷却部材１２４は、両面が電池セル１１０にそれぞれ対面した状態で電池セル１１０の間に介在している板状型の放熱部１２２、及び放熱部１２２の外縁に沿って形成されている冷媒流動部１２３を含む構造からなっている。
一方、カバー部材１５０の上部には、電池モジュール１００の作動を制御するＢＭＳ１８０が装着されている。
電池セルアセンブリ１３０の電池セルは、図５に示されたように、一側に電極端子１１２，１１４が突出している構造からなっており、電池セルアセンブリ１３０の上端に電極端子１１２，１１４が位置するように積層配列されている。
電池セルアセンブリ１３０の上端には電気絶縁性のカバー部材１５０が装着されており、カバー部材１５０には、電池セル１１０の電極端子１１２，１１４が貫通する貫通溝が形成されている。
カバー部材１５０上には、電池セル１１０の電極端子と接続される多数の導電性接続部１６０が装着されており、カバー部材１５０の中央部位の上面には、ＢＭＳ１８０が装着されるＢＭＳ連結部１７２が形成されている。
カバー部材１５０の中央部位の上面には２つのＢＭＳ連結部１７２が形成されており、ＢＭＳ１８０はＢＭＳ連結部１７２に電気的に結合され、ＢＭＳ連結部１７２は、ＢＭＳ１８０との連結のために、カバー部材１５０を貫通した状態で上部方向に突出している。
導電性接続部１６０は、カバー部材１５０の貫通溝に対応するように配列された状態で、カバー部材１５０上にボルト１６２によって結合されている。すなわち、導電性接続部１６０は、貫通溝を通して外側に突出した電極端子がそれぞれ接続できるように、貫通溝に隣接する位置でそれぞれ固定されている。
そして、カバー部材１５０上には、導電性接続部１６０が装着された状態で、電極端子間のショート及びＰＣＢに接続される導電性接続部１６０の部位に対する水密性の確保のために、絶縁性樹脂からなる上部モールディング部が付加されてもよい。
最外側に位置した導電性接続部１６０には、電池モジュール１００の外部入出力端子１９０と接続されるバスバー１８２が接続されている。
図４には、図３の底面図が示されている。
図４を図１と共に参照すると、カバー部材１５０の縁部には、前面プレート１４２及び後面プレート１４４の上部を覆うように折り曲げられた構造で延びている固定部１５２が形成されている。すなわち、電池セルアセンブリ１３０の前面及び後面にそれぞれ前面プレート１４２及び後面プレート１４４が固定されている状態で、固定部１５２が前面プレート１４２及び後面プレート１４４の上部部位の一部を覆うように装着されることによって、カバー部材１５０が定位置で安定的に固定される構造からなっている。
カバー部材１５０の下面には、ＰＣＢ１７０を装着した状態で固定できるように湾入しているＰＣＢ装着部１５４が形成されている。
ＰＣＢ装着部１５４にはＰＣＢ１７０が装着されており、カバー部材１５０の上面から貫通した導電性接続部の部位１６４と連結されている。
導電性接続部１６０の部位１６４は、カバー部材１５０を上面から下面方向に貫通する構造で結合されて、カバー部材１５０の下面に位置したＰＣＢに電気的に接続されている。
前記構造によって、カバー部材１５０、ＰＣＢ１７０、導電性接続部及びＢＭＳは一体に結合された形態であって、電池モジュールの上部に装着される一つの部材として作製することができ、電池モジュールの欠陥による異常作動時、前記部材のみを別途に交換又は分離することによって、より容易に修理することができる。
カバー部材１５０の下面において、ＰＣＢ１７０上には、電極端子間のショート及びＰＣＢ１７０に対する水密性の確保のために、絶縁性樹脂からなる下部モールディング部１５６が付加されている。
図５には、図１の電池モジュールに含まれる電池セルの斜視図が示されている。
図５を参照すると、電池セル１１０は、ラミネートシートの電池ケース１１６に電極組立体（図示せず）を電解液（図示せず）と共に内蔵し、外周面１１８をシールした構造からなっている。電極端子１１２，１１４は電池ケース１１６の一側に形成されており、積層されたときに効率的な積層構造を形成するために、長方形の板状型構造からなっている。
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は、電極端子が接続される導電性接続部及び前記導電性接続部が接続されたＰＣＢ上に絶縁性のモールディング部を形成することによって、電極端子間に発生するショートを防止し、電池セルの電気的接続部位及びＰＣＢに水分が浸透することを防止して、不良率を低減し、安全性を向上させる効果を提供する。
１００ 電池モジュール
１１０ 電池セル
１１２、１１４ 電極端子
１２０ カートリッジ
１２１ 締結口
１２４ 冷却部材
１２５ 締結部材
１３０ 電池セルアセンブリ
１４２ 前面プレート
１４４ 後面プレート
１５０ カバー部材
１５２ 固定部
１５４ ＰＣＢ装着部
１５６ 下部モールディング部
１６０ 導電性接続部
１６４ 導電性接続部の部位
１７０ ＰＣＢ
１８０ ＢＭＳ
１１０ 電池セル
１１２、１１４ 電極端子
１２０ カートリッジ
１２１ 締結口
１２４ 冷却部材
１２５ 締結部材
１３０ 電池セルアセンブリ
１４２ 前面プレート
１４４ 後面プレート
１５０ カバー部材
１５２ 固定部
１５４ ＰＣＢ装着部
１５６ 下部モールディング部
１６０ 導電性接続部
１６４ 導電性接続部の部位
１７０ ＰＣＢ
１８０ ＢＭＳ
Claims (19)
- 少なくとも２つ以上の電池セルが互いに密着又は隣接するように配列されている電池セルアセンブリと、
前記電池セルアセンブリの最外側の電池セルをそれぞれ覆うように固定されている前面プレート及び後面プレートと、
電池セルアセンブリの上端に装着され、前記電池セルの電極端子が貫通する貫通溝が形成されている電気絶縁性のカバー部材と、
前記カバー部材の下面に装着されている回路基板（ＰＣＢ：Printed Circuit Board）と、
前記カバー部材に装着された状態で配列されており、前記電池セルの電極端子及びＰＣＢにそれぞれ接続されて電池セルとＰＣＢとの電気的接続を行う導電性接続部と、
前記カバー部材の下面でＰＣＢ上に位置し、前記ＰＣＢと導電性接続部との間の接続部を覆う下部モールディング部と、
電池モジュールの作動を制御するＢＭＳ（Battery Management System）と、
を含み、
カバー部材の上部にＢＭＳが装着され、
前記導電性接続部は、前記ＰＣＢに接続される部位が、前記カバー部材の上面から下面を通過する構造で延びて前記ＰＣＢに接続されることを特徴とする、電池モジュール。 - 前記電池セルアセンブリは、電池セルがそれぞれカートリッジに固定された構造が側面配列されるように積層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。
- 前記カートリッジには、電池セルアセンブリを固定するための締結部材が挿入される締結口が形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の電池モジュール。
- 前記電池セルは、樹脂層と金属層を含むラミネートシートのケースに電極組立体が内蔵されているパウチ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。
- 前記電池セルはリチウム二次電池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。
- 前記導電性接続部は、カバー部材の貫通溝に対応するように配列された状態で、カバー部材に機械的に結合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。
- 前記カバー部材の下面には、ＰＣＢが装着されるように湾入しているＰＣＢ装着部が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。
- 前記電池セルアセンブリは、電池セルの正極端子及び負極端子が上部方向に突出するように電池セルが配列されており、前記ＰＣＢは、正極端子と負極端子との間に位置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。
- 最外側に位置した導電性接続部には、電池モジュールの外部入出力端子と接続されるバスバーが結合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。
- 前記下部モールディング部は、導電性接続部とＰＣＢとの接続部位を外部の水分から遮断（water seal）する密閉構造からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
- 前記カバー部材の上面に付加される上部モールディング部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
- ＰＣＢには、１つ又は２つ以上のＢＭＳ連結部がＰＣＢから上部方向に突出しており、前記ＢＭＳは、ＢＭＳ連結部に電気的に結合されることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
- ＰＣＢには、１つ又は２つ以上のＢＭＳ連結部がＰＣＢから上部方向に突出しており、前記カバー部材には、ＢＭＳ連結部が貫通してＢＭＳに接続される貫通状締結口が形成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の電池モジュール。
- 前記貫通状締結口は、ＢＭＳ連結部が上向きに突出した構造からなっており、内部にナットが挿入されている構造であることを特徴とする、請求項１３に記載の電池モジュール。
- 前記カバー部材の縁部には、前面又は後面プレートの上部を覆うように下向きに折り曲げられた構造で延びている２つ以上の固定部が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。
- 前記下部モールディング部は絶縁性樹脂からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
- 請求項１から１６のいずれか一項に記載の電池モジュールを含む、高出力大容量の電池パック。
- 請求項１７に記載の電池パックを含んでいる、デバイス。
- 前記デバイスは、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、または電力貯蔵装置であることを特徴とする、請求項１８に記載のデバイス。
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