JP6818054B2 - 電池モジュールキャリア、電池モジュール、および電池システムを含む自動車 - Google Patents

電池モジュールキャリア、電池モジュール、および電池システムを含む自動車 Download PDF

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Description

本発明は、電池モジュールキャリア、電池モジュールキャリアを含む電池システム、および電池システムを含む自動車に関する。
二次電池（ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ ｂａｔｔｅｒｙ）は、一次電池とは異なり、充電と放電作用を繰り返して行う電池であって、化学的エネルギーから電気的エネルギーにのみ非可逆的変換をする一次電池とは差異がある。低容量二次電池は、携帯電話機やノートパソコンおよびカムコーダのような小型電子装置に使用される反面、高容量二次電池はハイブリッド（ｈｙｂｒｉｄ）自動車などのモータ駆動用電源として使用され得る。
一般に、二次電池は正極と負極、そして正極と負極との間に介したセパレータを含む電極組立体、電極組立体が収容されるケース、電極組立体に電気的に連結された電極端子を含む。二次電池は、正極と負極、そしてケースの内部に注入された電解液の電気化学的反応により充電と放電作用を行うことになる。ケースは、使用目的に適するように例えば、円筒形または長方形であり得る。
二次電池は、比較的に高いエネルギー密度が要求される例えばハイブリッド車両のモータを駆動できるように、直列および／または並列連結された複数の単位電池セルを含む電池モジュールとして使用することができる。例えば、電池モジュールは、比較的に高出力二次電池モジュール（例：電気自動車）を実現するため、所望する電力量に合致する個数が備えられた複数の単位電池セルの電極端子を互いに連結して形成される。
電池モジュールは、ブロック型（ｂｌｏｃｋ）またはモジュール型（ｍｏｄｕｌａｒ）の方式で実現され得る。ブロック型の実現方式は、電池セルそれぞれが１つの共通集電構造と電池管理システムに結合され、ハウジングの内部に配置される。モジュール型の実現方式は、複数の電池セルがサブモジュールに連結され、多数のサブモジュールそれぞれが互いに連結されてモジュールを形成する。モジュール型の実現方式は、モジュールまたはサブモジュールのレベルに対して互いに異なる電池管理機能を実現でき、例えば互換性の側面から有利な点を提供する。
電池システムを形成するために、１つ以上の電池モジュールが熱管理システムを備え、機械的および電気的に統合され、１つ以上の電気消費装置と連通するように構成される。また、電池システムは、電池管理ユニット（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ、ＢＭＵ）および／または電池遮断ユニット（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ Ｕｎｉｔ、ＢＤＵ）を含むことができる。
本発明の実施形態は、電池モジュールキャリア、電池モジュールキャリアを含む電池システム、および電池システムを含む自動車に関し、モジュール型電池システムの組み立て／分解の容易性、容易なサービス／修理、および費用節減を提供する。
電池モジュールキャリア、電池システム、および電池システムを含む自動車に対する本発明の実施形態により従来の技術が有している一つ以上の短所を克服するかまたは減らすことができる。
本発明の一実施形態によれば、電池モジュールキャリアは、第１コンポーネントキャリアおよび第２コンポーネントキャリアを収容するように構成されるキャリアフレームを有し、前記第１コンポーネントキャリアは電子制御組立体および信号ポートを含み、前記第２コンポーネントキャリアは電池サブモジュールを収容するように構成される。前記キャリアフレームは、前記信号ポートを通して前記第１コンポーネントキャリアに外部に電気的連結を提供するように構成される。さらに、前記第１コンポーネントキャリアおよび前記第２コンポーネントキャリアそれぞれは、前記キャリアフレームに個別に着脱されるように構成される。前記第２コンポーネントキャリアは一体化した第２冷却剤ダクトを含むことができる。
本発明の一つ以上の一実施形態による前記電池モジュールキャリアは、相互交換可能な構成要素を有する電池システムのためのキャリアを構成するが、キャリアフレームから一つずつ（または分離または個別に）着脱可能なコンポーネントキャリアを提供する。前記第１および第２コンポーネントキャリアは異なる機能を提供することができる。前記第１コンポーネントキャリア（または電子部品キャリア）は電子制御組立体、例えば、電池管理システムまたは電池モニタリングユニットの部品を含むこともできる。前記第２コンポーネントキャリア（または電池セルキャリア）は、一つ以上電池サブモジュールおよび前記電池サブモジュールを前記第２コンポーネントキャリアに装着するために多数の装着部品を含むこともできる。コンポーネントキャリアは、前記キャリアフレームから個別に着脱が可能であるため、前記電池モジュールキャリアを完全に設置／解除せずとも、前記コンポーネントキャリアのうちの一つが前記電池モジュールキャリアから除去されることができる（例えば、自動車）。したがって、本発明の一つ以上の一実施形態による前記電池モジュールキャリアは、増進されたモジュール方式の電池システムのための機械的フレームを提供する。
一実施形態によれば、前記第１コンポーネントキャリアおよび前記第２コンポーネントキャリアは、それぞれ基本的に単一体である。言い換えれば、前記第１および第２コンポーネントキャリアそれぞれは、前記電子制御組立体または一つ以上の電池サブモジュールを支持するために機械的な完全性を有する単一体への構成をなす。一実施形態によれば、前記第１コンポーネントキャリアおよび前記第２コンポーネントキャリアは、単一体の押出加工法によるプロファイルを有する。一例として、アルミニウム押出加工法によるプロファイルを有する。本実施形態によれば、前記コンポーネントキャリアの製造および前記電池システムの組み立ては、比較的簡単で費用が節減される。一実施形態によれば、前記電池モジュールキャリアは、一つの第１コンポーネントキャリアおよび複数の第２コンポーネントキャリアを収容するように構成される。また、一実施形態によれば、前記第２コンポーネントキャリアは積層された電池の一つの行を、例えば一つの電池サブモジュールまたは長さ方向に整列した複数の電池サブモジュールを収容するように構成される。
本発明の一実施形態による前記電池モジュールキャリアは、また増進されたモジュール性を有する電池システムの連結フレームワーク（ｆｒａｍｅｗｏｒｋ）、例えば、信号伝送、電力伝送、および冷却剤供給に対する連結フレームワークを提供する。本発明の一実施形態による前記電池モジュールキャリアは、電子制御組立体、信号ポート、および前記信号ポートによって前記第１コンポーネントキャリアと外部への電子的結合をなすようにキャリアフレームを提供することを含む第１コンポーネントキャリアからなる。したがって、前記電池モジュールキャリア一つで前記電池システム、例えば、前記電池サブモジュールと外部の電気的連結を通して制御信号を送受信することができる。
一実施形態によれば、前記キャリアフレームは、外部信号ポートおよび内部信号ポートが前記外部信号ポートに連結されて前記キャリアフレームを前記第１コンポーネントキャリアに電子的結合を構成するために信号ポートを備えられる。一実施形態によれば、前記キャリアフレーム、例えば前記外部信号ポートは外部制御ユニット、例えば、電池システムの制御ユニットまたは一つ以上の電気消費装置と連結されるように構成されることもできる。前記外部制御ユニットに受信された信号は、前記第１コンポーネントキャリアの前記電子制御組立体に提供されて、前記第２コンポーネントキャリアの前記電池サブモジュールを制御することもできる。一実施形態によれば、前記信号ポートは前記電子制御組立体に限定して含まれ、開口は前記キャリアフレームに含むこともできる。例えば、外部接続を提供するためにスリットを通して前記電子制御組立体の前記信号ポートが案内されて外部への電子的結合をなす。一実施形態によれば、前記キャリアフレームに含まれている前記信号ポートは省略されることもできる。
一実施形態によれば、前記キャリアフレームは、外部電源回路（例えば、電池システムの電源回路、電池管理システムまたは一つ以上の電気消耗品）を、外部電源ポートを通して一つ以上の前記第２コンポーネントキャリア、電池サブモジュールおよび前記第１コンポーネントキャリアの電源ポートと電気的に連結することができる。前記キャリアフレームは前記外部電源ポートに連結され、前記キャリアフレームを一つ以上の前記第２コンポーネントキャリアと前記第１コンポーネントキャリアの電池サブモジュールおよび電源ポートに電気的に連結するための内部電源ポートを構成して含む。前記内部電源ポートは、前記第１コンポーネントキャリアおよび／または前記電子制御組立体を一つ以上の第２コンポーネントキャリアおよび電池サブモジュール、または電池サブモジュールと直接的に連結することもできる。
一実施形態によれば、前記電池モジュールキャリア全体は外部電源回路（例えば、自動車の電源回路）に、例えば前記外部電源ポートを通して統合され得る。前記外部電源回路および前記外部電源ポートは前記第１コンポーネントキャリア（例えば、前記電子制御組立体）および前記複数の第２コンポーネントキャリア（例えば、前記第２コンポーネントキャリアの前記電池サブモジュール）それぞれと電気的に連結され得る。したがって、前記電池モジュールキャリアが組み立て状態の場合、前記第１コンポーネントキャリアおよび前記第２コンポーネントキャリアは互いに電気的に連結（例えば、電力要求に応じるために電流を送信するように連結）され、電気的にも結合（例えば、信号を伝送するように連結）される。前記第１コンポーネントキャリアは複数の第２コンポーネントキャリアそれぞれに連結されたり複数の相互連結された第２コンポーネントキャリアの隣接した前記第２コンポーネントキャリアと連結されたりすることもできる。一実施形態によれば、前記第２コンポーネントキャリアは前記外部電源ポートと電気的に連結されるが、前記第１コンポーネントキャリアとは連結されない。
本発明の一実施形態によれば、前記電池モジュールキャリアは、前記キャリアフレームに付着し冷却剤ダクトが連結されたり含まれたりするグランドプレートを有する。前記グランドプレートは、前記キャリアフレームの一部であってもよい。前記電池モジュールキャリア（例えば、前記キャリアフレーム）は、前記電池モジュールキャリア（例えば、前記キャリアフレームおよび／または前記グランドプレート）を外部冷却剤回路に連結するように構成された外部冷却剤ポートをさらに含んでもよい。前記グランドプレートの前記冷却剤ダクトは前記外部冷却剤ポート、例えば冷却剤分配ラインを通して連結されてもよい。したがって、前記電池モジュールキャリア全体は、外部冷却剤ポートを通して前記外部冷却剤回路と内部冷却剤回路が連結されてもよい。前記キャリアフレームに収容された前記第１および第２コンポーネントキャリアは前記グランドプレートと密着されるように配置され、そのために前記グランドプレートの内部冷却剤回路と熱交換して冷却されることもできる。前記電池サブモジュールの電池セルと前記グランドプレートの間には、前記電池セルと前記グランドプレートに接触する熱伝導パッドが配置され得る。
本発明の一実施形態により、前記電池モジュールキャリア（例えば、前記キャリアフレーム）は、前記電池モジュールキャリアを外部冷却剤回路に連結されるように構成した外部冷却剤ポートおよび、一つ以上の前記第１コンポーネントキャリアおよび前記第２コンポーネントキャリアは第１または第２冷却剤ポートをそれぞれ含んでもよく、前記それぞれの第１または第２冷却剤ポートと連結され冷却剤ダクトが含まれている第１または第２グランドプレートおよび／または側面プレートを含んでもよい。したがって、前記第１および第２コンポーネントキャリアは、前記第１および第２グランドプレートおよび前記第１および第２グランドプレートそれぞれを含み、前記電池モジュールキャリアのグランドプレートと共に形成してもよい。前記第１および第２コンポーネントキャリアの前記第１および第２グランドプレートそれぞれは、前記コンポーネントキャリアと一体形に構成しているが、前記コンポーネントキャリアの追加構成要素とならないと考えられる。前記電池モジュールキャリア（例えば、前記キャリアフレーム）は、前記外部冷却剤ポートを一つ以上の前記第１コンポーネントキャリアおよび前記第２コンポーネントキャリアの前記第１または第２冷却剤ポートにそれぞれ連結することができる。例えば、前記電池モジュールキャリア（例えば、前記キャリアフレーム）は、冷却剤分配ラインを前記外部冷却剤ポートと一つ以上の前記第１コンポーネントキャリアおよび前記第２コンポーネントキャリアの前記冷却剤ポートに（例えば、流通するように）連結して構成することができる。したがって、前記電池モジュールキャリアの前記内部冷却剤回路は、前記第１コンポーネントキャリアおよび一つ以上の前記第２コンポーネントキャリアの内部冷却剤回路を構成することができる。
一実施形態によれば、前記キャリアフレームは一つの第１コンポーネントキャリアおよび複数の第２コンポーネントキャリアを収容し、前記電池モジュールキャリア（例えば、前記キャリアフレーム）の前記外部冷却剤ポートに（例えば、流通するように）連結する冷却剤分配ラインを構成することができる。前記冷却剤分配ラインは、前記第１コンポーネントキャリアおよび複数の前記第２コンポーネントキャリアそれぞれに形成された前記冷却剤ポート一つまたは全てに連結されることができる（例えば、一つまたは全ての前記第１冷却剤ポートおよび前記第２冷却剤ポート）。前記冷却剤分配ラインは、前記キャリアフレーム内に配置されたり外部部品として前記キャリアフレームに付着したりすることができる。前記冷却剤連結部および前記冷却剤分配ラインは、前記セルおよび前記電池モジュールキャリアに構成された電気消耗品の外部に配置することによって、冷却剤の漏出による短絡を防止したりその確率を減らしたりすることができる。
本発明の一実施形態による前記電池モジュールキャリアは、前記キャリアフレームを外部制御ユニットに電子的に結合するように構成された外部信号ポートを有する。前記外部制御ユニットは電池システム、電池管理システム、または一つ以上の電気消耗品の制御回路であり得る。一実施形態によれば、前記電子制御組立体は電池モニタリングユニットを含む反面、電池管理システムの他の機能は前記電池モジュールキャリアの外部に具現され得る。前記電子制御組立体はリレー、ヒューズ、電子部品および／または高電圧（ＨＶ）および／または低電圧（ＬＶ）配線を含むことができる。前記電子制御組立体は、次の機能中の一つ以上が提供されるように構成され得る。前記電池システムを損傷から保護し、前記電池システムの寿命を延ばし、アプリケーションで要求される機能が満たされるように前記電池システムを維持する。前記電子制御組立体は、次の機能中の一つ以上が提供されるように構成され得る。セル保護、充電制御、充電状態、健康状態、セルバランシング、ログブック機能、認証、セル識別および通信、前記第１コンポーネントキャリア、例えば、前記電子制御組立体は、一つ以上の前記第２コンポーネントキャリアおよび／または前記電池サブモジュールに電子的に結合され得る。
本発明の一実施形態による前記電池モジュールキャリアによれば、前記キャリアフレームは複数の縦断ビームおよび複数の横断ビームを含むことができる。前記キャリアフレームの前記縦断ビームおよび前記横断ビームは、アルミニウム押出成形されたプロファイルまたはプラスチック押出成形されたプロファイル（例えば、強化プラスチック押出プロファイル）をもって溶接、接着、締め、または互いに組み立てられて前記キャリアフレームを形成することができる。前記第１および第２コンポーネントキャリアは、またアルミニウム押出成形したプロファイル、プラスチック押出成形したプロファイル（例えば、強化プラスチック押出成形したプロファイル）または圧延および溶接鋼鉄から形成することができる。例えば、Ｕ字、Ｌ字、またはＴ字に形成することができる。前記コンポーネントキャリアは、前記縦断ビームまたは前記横断ビームに着脱されるように構成する連結部材、例えば、前記縦断ビームまたは前記横断ビームに対応する連結部材を含むことができる。前記コンポーネントキャリアは、グランドプレートおよび／または側壁内に統合された冷却剤ダクトまたは冷却剤チャンネルを有することができる。前記コンポーネントキャリアは、前記キャリアフレームにねじで装着されることができる。組み立てられた電池モジュールキャリアは、前記キャリアフレームに装着された前記コンポーネントキャリアを含むことによって、強靭で安定的な（または比較的に安定した）構造を提供することができる。
一実施形態によれば、前記第２コンポーネントキャリアは、多数のセルを支持するために押出成形されたアルミニウムプロファイルを含む（または構成する）ことができる。前記セルは、エンドプレートを有する前記第２コンポーネントキャリアの縦断方向に固定されることができる。プラスチック材質のセル固定部は、前記セルをｚ（−）方向に装着させることができる。エンドプレートと前記キャリアフレームまたは前記セルの間の空の空間は膨張抑制部で充填されてセルのスウェリングに対処（または収容）し構成要素（例えば、構成要素を堅く固定）を縦断方向に連結（例えば、全ての構成要素を連結）できることになる。本発明に係る前記電池モジュールキャリアを有する自動車が側面、前面、または後面に衝突する場合、このような強靭さが有利に作用される。
本発明の一実施形態によれば、前記コンポーネントキャリアは、複数のボルトを通して機械的に相互連結される。前記ボルトは簡便な着脱機能を提供し、コンポーネントキャリアそれぞれの間に電気的および信号連結が成立（または提供）されることができる。例えば、前記ボルトは、前記第１コンポーネントキャリアを前記第２コンポーネントキャリアおよび／または前記電池サブモジュールに電気的連結および電子的結合を構成することができる。一実施形態によれば、前記コンポーネントキャリアは、前記キャリアフレームにねじを通して結合され得る。前記ねじは前記キャリアの下部面から接近することができる。
本発明の他の一実施形態による電池システムは、上述した本発明の一つ以上の一実施形態による電池モジュールキャリアを含むように提供する。本発明の一つ以上の実施形態による前記電池システムは、第１コンポーネントキャリア、第２コンポーネントキャリア、および外部信号ポートを含むキャリアフレームを含むことができる。前記第１コンポーネントキャリアは電子制御組立体と信号ポート、および電池サブモジュールを有する前記第２コンポーネントキャリアを含む。前記電池システムの前記キャリアフレームは、前記外部信号ポートおよび前記第１コンポーネントキャリアの前記信号ポートに電子的に結合される内部信号ポートをさらに含むことができる。一実施形態によれば、前記キャリアフレームは開口を含み、例えば前記第１キャリアフレームの前記信号ポートが外部に伝達されるようにスリットが提供され得る。本発明の一つ以上の一実施形態によれば、前記電池システムは、前記第１コンポーネントキャリアおよび前記第２コンポーネントキャリアそれぞれが個別に前記キャリアフレームから脱着され得る。前記第２コンポーネントキャリアは一体化した第２冷却剤ダクトを含むことができる。
本発明の他の一実施形態は自動車に関し、上述した本発明の一実施形態による電池システムを有している（例えば、電池モジュールキャリアを有する電池システム）。本発明の一つ以上の一実施形態による前記自動車は、多数の電池セルを含む電気自動車（ＥＶ）またはプラグイン型ハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）であることができる。一実施形態によれば、前記電池システムは前記自動車のフロアの下に位置することができる。一実施形態によれば、前記電池モジュールキャリアの前記キャリアフレームは前記自動車のフロアに、例えば車両アンダーボディーに装着された構造で設置され得る。一つ以上の前記第１コンポーネントキャリアおよび前記第２コンポーネントキャリアは、前記自動車のフロアで前記キャリアフレームの設置解除をしなくても前記キャリアフレームを除去することができる。
前記自動車に付着された前記電池システムは、車両フロアに遮断板と前記電池モジュールキャリアの上部にカバーを設置してガス−気密構造を有することができる。本発明の一つ以上の一実施形態による電池システムは、車両に付着（または装着）され、全ての連結部材（例えば、ボルトまたはねじなど）は自動車のアンダーボディーを対向する底面から接近しなければならない。キャリアに統合された冷却剤ダクトの場合、前記冷却剤分配ラインはコンポーネントキャリアから脱着する前に分離しなければならない。したがって、前記冷却剤分配ラインも前記自動車の下部面から接近することができる。
本発明の実施形態によれば、サブモジュールの前面プレートは、電池サブモジュールに強靭さと機械的安定性を向上させることができる。また、ハニカム構造を有する膨張抑制部を通して、電池セルのスウェリングを収容（または制限）することができ、全ての構成要素を堅く連結することができる。また、コンポーネントキャリアはキャリアフレームから個別に着脱可能であるため、電池モジュールキャリアを完全に設置／解除しなくてもコンポーネントキャリアのうちの一つが電池モジュールキャリアから除去されることができる。また、押出成形の構造によってコンポーネントキャリアの製造および電池システムの組み立ては比較的簡単で費用が節減される。また、冷却剤連結部および冷却剤分配ラインはセルおよび電池モジュールキャリアに構成された電気消耗品が外部に配置されることによって、冷却剤の漏出による短絡を防止したりその確率を減らしたりすることができる。また、本発明に係る自動車が衝突する場合、電池モジュールキャリアが有する強靭さが有利に作用される。
本発明の特徴は添付した図面を参照した様々な実施形態の詳細な説明により本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されるであろう。
本発明の望ましい一実施形態による電池システムの斜視図である。 本発明の望ましい一実施形態による電池システムから第２コンポーネントキャリアを除去した斜視図である。 本発明の望ましい一実施形態による電池システムから第１コンポーネントキャリアを除去した斜視図である。 本発明の望ましい一実施形態により２つの電池サブモジュールを収容する第２コンポーネントキャリアの部分拡大図である。 本発明の望ましい一実施形態により組み立てられた電池モジュールキャリアの下部面の斜視図である。
以下、添付した図面を参照して本発明の様々な実施形態について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は様々な異なる形態に実現でき、ここで説明する実施形態に限定されない。
本発明を明確に説明するために説明上不要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付ける。
図面に示した各構成の大きさおよび厚さは、説明の便宜のために任意に示したものであり、本発明が必ずしも示されたところに限定されるものではない。図面において、多様な層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。また、説明の便宜のために、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。
層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上に」または「上部に」あるとするとき、これは他の部分の「直上に」ある場合だけでなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分の「直上に」あるとする時には、中間に他の部分がないことを意味する。また、基準となる部分の「上に」または「上部に」あるとするのは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の反対方向に「上に」または「上部に」位置することを意味するものではない。
明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。
モジュール型のデザインを有する電池モジュールが電気的統合構造をなすために、互いに並列連結された複数の電池セルが含まれたサブモジュールを互いに直列（ＸｓＹｐ）連結するか、または互いに直列連結された複数の電池セルが含まれたサブモジュールを互いに並列（ＸｐＹｓ）連結して構成することができる。ＸｓＹｐ類型のサブモジュールは、比較的に高出力が可能であるが、それぞれの電池セルの電圧を個別に制御しなければならない。したがって、ＸｓＹｐ類型のサブモジュールは、相対的に複雑な配線構造を有する。ＸｐＹｓ類型のサブモジュールは、互いに並列連結された電池セルそれぞれの電圧が自動的にバランスを取っているので、電圧制御はサブモジュール水準で行われても十分である。したがって、ＸｐＹｓ類型のサブモジュールは、配線の複雑度が減少した構造を有する。電池セルが互いに並列連結されたサブモジュールは、キャパシタンス（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）容量が合算されるため、これによりＸｐＹｓ類型のサブモジュールには、通常低いキャパシタンスの電池セルを使用することになる。熱管理システムは、電池モジュールの安全な使用のため、二次電池の熱を効率的に排出、放出、および／または発散させる。仮に十分な熱排出／放出／発散が行われなければ、電池セルの間に温度偏差が発生し、所望する量の電力を生成することができなくなる。また、二次電池の内部温度が上昇すると、内部の異常反応につながることができるため、これにより二次電池の充放電の性能が悪化して二次電池の寿命が短縮できる。したがって、二次電池の効率的な熱排出／放出／発散のために冷却装置が提供されることが多い。
電池システムと連結された各種電気消費装置の多様な電力要求を充足させるため（例えば、電子回路または電子デバイス）、電源出力および充電に対する受動的（ｓｔａｔｉｃ）制御方法は十分でない場合もある。したがって、電池システムと電気消費装置のコントローラとの間に持続的な情報交換が行われるように実現できる。電池システムに実質的に重要な情報、例えば電池システムの実際充電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：ＳｏＣ）、潜在的電気的性能、充電能力、および内部抵抗だけでなく、余剰電池消費装置の実質的または予想される要求電力を交信することができる。電池モジュールの機械的統合をなすことは、個別の構成要素それぞれが互いに機械的に連結されることと電動システムの構造をなすことをいう（例えば、自動車のような電気的情報を提供するシステム）。このような連結構造は、電池システムの平均寿命と電動装置（例えば、自動車）が使用される間の機能と安全が維持されるように設計されなければならない。また、設置空間および互換性の要求事項は、特にモバイルアプリケーションで考慮しなければならない事項である。
電池モジュールの機械的統合は、キャリアプレート（例えば、グランドプレート）を提供し、それぞれの電池セルまたはサブモジュールをここに配置することができる。電池セルまたはサブモジュールをキャリアプレートに固定させるため、ボルトやねじなどの機械的連結部材を介して電池セルまたはサブモジュールをキャリアプレートの陥没した空間に嵌め込んで固定させたり収納させたりすることができる。収納する方法は、側面プレートをキャリアプレートの側面に締結または／および電池セルの上に第２キャリアプレートまたはサブモジュールを提供し、第１キャリアプレートおよび／または側面プレートに固定させることができる。これにより、多層構造の電池モジュールを構成することができ、キャリアプレートおよび／または側面プレートは冷媒ダクトを含み電池セルまたはサブモジュールを冷却させることができる。
バッテリーサブモジュールの機械的統合は、一般に、組み立てておいた複数の電池セルを機械的に強化した電気コネクタを介して互いに連結するが、側面および／または前面プレートを電池セル周囲に締結するか、電池セルおよび電気コネクタにキャリアビームまたは支え台を付着することによって達成することができる。
図１を参照すると、本発明の望ましい一実施形態による電池システム２００は、電池モジュールキャリア１００を含むものを示している。電池モジュールキャリア１００は、複数の縦断ビーム１６（例えば、２つの縦断ビーム）および複数の横断ビーム１７（例えば、２つの横断ビーム）からなるキャリアフレーム１０を含む。グランドプレートフレーム５０はビーム１６、１７に付着して、電池モジュールキャリア１００の下部に枠を形成する。電池モジュールキャリア１００を、一例として、自動車のアンダーボディーに付着する連結部材（例：ねじ孔）はビーム１６、１７から外部に突出するグランドプレートフレーム５０の一部に配置される。
縦断ビーム１６の一つは、外部信号ポート１１のようにキャリアフレーム１０の開口を通して延びて（または到達する）外部制御ユニットに連結されるように構成された第１コンポーネントキャリア２０の信号ポート２２を含む。横断ビーム１７の一つは、外部電源回路に連結されるように構成された外部電源ポート１２を含む。電池モジュールキャリア１００は、外部冷却剤回路に連結されるように構成された外部冷却剤ポートをさらに含む。キャリアフレーム１０内に、第１コンポーネントキャリア２０および複数の第２コンポーネントキャリア３０（例えば、６つの第２コンポーネントキャリア３０）が収容される。複数の第２コンポーネントキャリア３０それぞれは、複数のセル１をそれぞれ有する一つ以上の電池サブモジュール４０（例えば、２つの電池サブモジュール４０）を含む。ここで、第１コンポーネントキャリア２０および第２コンポーネントキャリア３０はそれぞれ、Ｕ字型、Ｌ字型またはＴ字型のプロファイルを有することができる。
図２は、本発明の望ましい一実施形態による電池システム２００から第２コンポーネントキャリア３０を除去した斜視図であり、図４は、本発明の望ましい一実施形態により２つの電池サブモジュール４０を収容する第２コンポーネントキャリア３０の部分拡大図である。図２および図４を参照すると、第２コンポーネントキャリア３０は、第２グランドプレート３２および第２グランドプレート３２の側端から上側方向に延びる一対の側壁３４を含む。第２グランドプレート３２の第１表面（または前面）にはそれぞれの冷却剤ダクトの開口を形成する第２冷却剤ポート３１（例えば、３つの第２冷却剤ポート）が提供される。第２コンポーネントキャリア３０は、キャリアフレームの縦断ビーム１６に対応して付着する連結部材（例えば、ねじ孔）を含む。第２コンポーネントキャリア３０は、電池システム２００内の第２コンポーネントキャリア３０と他の第２コンポーネントキャリア３０または第１コンポーネントキャリア２０と電気的連結および電子的結合のための連結部材をさらに含む。
図４を参照すると、本発明の望ましい一実施形態による電池サブモジュール４０は複数のセル１（例えば、複数の整列した二次電池セル１）を含み、セルそれぞれはほぼ角型形状を有する。一対のサブモジュール前面プレート４３は、それぞれ最外郭の電池セル１の表面（例えば、前面）を対向するように提供される。サブモジュール前面プレート４３は、電池セル１の側面を対向する一対の側壁３４に溶接などによって機械的に固定される。したがって、複数の電池セル１の電池セル１は互いに固定される。サブモジュール前面プレート４３は、電池サブモジュール４０に強靭さと機械的安定性を提供する。さらに、サブモジュール前面プレート４３は、積層されて整列した電池セル１のスウェリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）を抑制する機能を有することができる。また、第２コンポーネントキャリア３０には多数の積層セル１を含む電池サブモジュール４０が複数配置されるので、電池セル１から発生したスウェリングフォースは一層増大できる。このスウェリングフォースを抑制するために、第２コンポーネントキャリア３０は膨張抑制部４２を含むことができる。
ハニカム構造を有する膨張抑制部４２はサブモジュール前面プレート４３に付着し、積層電池セル１とキャリアフレーム１０の間に介することによって、電池セル１のスウェリングを収容（または制限）し、全ての構成要素を縦断方向に沿って連結（例えば、電池サブモジュール４０の全ての構成要素を堅く連結）する。
積層電池セル１の上端縁に沿って、垂直方向に（電池セルケースの底から電極端子に向かった方向またはその反対方向）電池セル１が流動することを防止するために、サブモジュールサイドビーム４１が電池セル１の上端を支持するように提供され得る。
第２グランドプレート３２と電池セル１の間には弾性的な熱伝導パッド３５（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）（ｏｒ ｇａｐ ｆｉｌｌｅｒ）が配置され得る。熱伝導パッド３５は第２グランドプレート３２と電池セル１の間に提供され、第２コンポーネントキャリア３０の組み立て公差や第２コンポーネントキャリア３０の構成要素が有する製造公差を補完する。つまり、電池セル１は、第２コンポーネントキャリア３０に収容されるように組立の際、その下部に配置された熱伝導パッド３５によってケースの外側底面を熱伝導パッド３５だけでなく、第２グランドプレート３２に緊密に接触させることができる。これによって、電池セル１は第２グランドプレート３２に配置された冷却剤ダクトを流れる冷媒による冷却効果を確実に得られる。さらに、熱伝導パッド３５は電池セル１に伝えられる外部衝撃を緩和させることもできる。
サブモジュール前面プレート４３、サブモジュールサイドビーム４１、およびセル１は、電池サブモジュール４０の必須的な自己（ｓｅｌｆ）支持体を構成する。電池サブモジュール４０は、固定部材によって第２コンポーネントキャリア３０に機械的に固定される。
図３は、本発明の望ましい一実施形態による電池システム２００から第１コンポーネントキャリア２０を除去した斜視図である。第１コンポーネントキャリア２０は、第１グランドプレート２５およびこれから上側方向に延びる側壁を含む。第１グランドプレート２５の第１表面（または前面）にはそれぞれの第１冷却剤ダクト（または冷却剤チャンネル）の開口を形成する第１冷却剤ポート２４（例えば、３つの第１冷却剤ポート）が提供される。第１コンポーネントキャリア２０は信号ポート２２、電源ポート２３、および制御電子組立体２１を含む。制御信号は、信号ポート２２（キャリアフレーム１０の開口１３を通じて案内される）を通した外部制御回路と第１コンポーネントキャリア２０の制御電子組立体２１の間で発生する。追加的に、信号がキャリアフレーム１０の外部信号ポート１１を通じて外部制御ユニットで発生し、信号線を通して制御電子組立体２１から発生することができる。
前記信号に基づいて（例えば、実際的な電力要求信号）、制御電子組立体２１は、第２コンポーネントキャリア３０の電池サブモジュール４０を制御することによって、実際の電力需要を満たす電力を提供する。したがって、制御電子組立体２１は、第１コンポーネントキャリア２０に電気的に連結され電子的にも結合され、これは隣接した第２コンポーネントキャリア３０および第２コンポーネントキャリア３０に付着した電池サブモジュール４０とも電気的に連結され電子的にも結合され、さらに隣接した第２コンポーネントキャリア３０などに電気的に連結され電子的にも結合される。電子的結合を通して、制御電子組立体２１は電池サブモジュール４０を制御するための制御信号を転送する。電池サブモジュール４０から提供された電流信号は、電気的連結を通して第１コンポーネントキャリア２０に転送され、第１コンポーネントキャリア２０から電源ポート２３および外部電源ポート１２を通じて電力消耗品に転送される。一実施形態によれば、制御信号は、第１コンポーネントキャリア２０および第２コンポーネントキャリア３０または電池サブモジュール４０の間の電流または電圧に基づいて変調される。
図５は、本発明の望ましい一実施形態による組み立てられた電池モジュールキャリア１００の下部面に対する斜視図である。図５を参照すると、一実施形態による２つの横断ビーム１７および２つの縦断ビーム１６を組み立ててキャリアフレーム１０を形成する。ビーム１６、１７は、図１を参照して詳述したとおり、それぞれ外部方向に延びてグランドプレートフレームを形成する。一つの横断ビーム１７は、外部電源ポート１２および外部信号ポート１１を含み、第１コンポーネントキャリア２０と隣接している。複数の第２コンポーネントキャリア３０はキャリアフレーム１０に収容され、連結部材（例えば、ねじ孔）および固定部材（例えば、ねじ）を通じて縦断ビーム１６に付着する。第２コンポーネントキャリア３０はそれぞれ第２グランドプレート３２、およびここに統合された第２冷却剤ダクト３３（または冷却剤チャンネル、例えば、３つの冷却剤ダクト）を含む。第２冷却剤ダクト３３は、第２グランドプレート３２にＵ字型のプロファイルを有するように突出して形成され得るが、例えば、押出成形で第２グランドプレート３２と一体に形成されることができる。ここで、第２冷却剤ダクト３３の形状は、前記のものに限定されるものではない。第２冷却剤ダクト３３は第２グランドプレート３２に一体に形成され、電池セル１の冷却のための最適の冷却剤回路を構成できれば、いかなる形状（例：断面形状が円形、四角形またはスター型）でも可能である。前記第１コンポーネントキャリア２０の第１冷却剤ダクトも第２冷却剤ダクト３３の形状および構造に従うことができる。
冷却剤分配ライン１５は電池モジュールキャリア１００（例えば、冷却剤分配ラインの端部）の外部冷却剤ポートを通して外部冷却剤回路と流通し、複数の連結部材を含む。連結部材それぞれは、冷却剤分配ライン１５をそれぞれの第２コンポーネントキャリア３０それぞれの第２冷却剤ポート３１を通じて第２冷却剤ダクト３３と連結する。
図１および図５を参照すると、冷却剤は外部冷却剤回路（例：自動車冷却回路）で縦断ビーム１６に沿って延びる冷却剤分配ライン１５を通じて提供される。冷却剤分配ライン１５を通じて、冷却剤は第１コンポーネントキャリア２０および第２コンポーネントキャリア３０（例えば、６つの第２コンポーネントキャリア３０の第１および第２冷却剤ポート２４、３１にそれぞれ提供され、それぞれの第１および第２冷却剤ダクトを通してそれぞれの第１および第２グランドプレート２５、３２に流通して、図示していない出口を通して排出するワンウェイ方式で電池モジュールキャリアを循環することができる。
以上で本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるのではなく、次の請求範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属するものである。
１：二次電池セル
１０：キャリアフレーム
１１：外部信号ポート
１２：外部電源ポート
１３：開口
１５：冷却剤分配ライン
１６：縦断ビーム
１７：横断ビーム
２０：第１コンポーネントキャリア
２１：制御電子組立体
２２：信号ポート
２３：電源ポート
２４：第１冷却剤ポート
２５：第１グランドプレート
３０：第２コンポーネントキャリア
３１：第２冷却剤ポート
３２：第２グランドプレート
３３：第２冷却剤ダクト
４０：電池サブモジュール
４１：サイドビーム
４２：膨張抑制部
４３：前面プレート
５０：グランドプレートフレーム
１００：電池モジュールキャリア
２００：電池システム

Claims (17)

  1. 電子制御組立体および信号ポートを含む第１コンポーネントキャリアと、電池サブモジュールを収容する第２コンポーネントキャリアとを収容するように構成されたキャリアフレームを含み、
    前記キャリアフレームは、前記信号ポートを通して前記第１コンポーネントキャリアに外部への電子的結合をもたらし、
    前記第１コンポーネントキャリアと前記第２コンポーネントキャリアそれぞれは前記キャリアフレームから個別に着脱されるように構成され、
    前記第１コンポーネントキャリアは、前記第１コンポーネントキャリアと一体に構成された第１冷却剤ダクトを含み、
    前記第２コンポーネントキャリアは、前記第２コンポーネントキャリアと一体に構成された第２冷却剤ダクトを含む、電池モジュールキャリア。
  2. 前記キャリアフレームは、前記第２コンポーネントキャリア、前記電池サブモジュール、および前記第１コンポーネントキャリアの電源ポートのうち少なくとも一つに外部電源回路を電気的に連結した外部電源ポートを含む、請求項１に記載の電池モジュールキャリア。
  3. 前記第１コンポーネントキャリアは、前記第２コンポーネントキャリアおよび前記電池サブモジュールのうち少なくとも一つに電子的および電気的のうちの一つで連結される、請求項１に記載の電池モジュールキャリア。
  4. 前記キャリアフレームは、外部制御ユニットに前記電池モジュールキャリアを電子的に連結するように構成される外部信号ポートを含む、請求項１に記載の電池モジュールキャリア。
  5. 前記電子制御組立体は電池モニタリングユニットを含む、請求項１に記載の電池モジュールキャリア。
  6. 外部冷却剤回路に前記電池モジュールキャリアを連結し、前記キャリアフレームに連結され、或いは、前記キャリアフレームと一体に構成される、外部冷却剤ポートをさらに含み、
    前記第２コンポーネントキャリアは、前記第２冷却剤ダクトおよび前記第２冷却剤ダクトに連結される第２冷却剤ポートを含む第２グランドプレートを含み、前記第２冷却剤ポートは前記外部冷却剤ポートに連結されている、請求項１に記載の電池モジュールキャリア。
  7. 前記第１コンポーネントキャリアは、前記第１冷却剤ダクトおよび前記第１冷却剤ダクトに連結される第１冷却剤ポートを含む第１グランドプレートを含み、前記第１冷却剤ポートは前記外部冷却剤ポートに連結されている、請求項６に記載の電池モジュールキャリア。
  8. 外部冷却剤回路に前記電池モジュールキャリアを連結し、前記キャリアフレームに連結され、或いは、前記キャリアフレームと一体に構成される、外部冷却剤ポートをさらに含み、
    前記第１コンポーネントキャリアは、前記第１冷却剤ダクトおよび前記第１冷却剤ダクトに連結される第１冷却剤ポートを含む第１グランドプレートを含み、前記第１冷却剤ポートは前記外部冷却剤ポートに連結され、
    前記第２コンポーネントキャリアは、前記第２冷却剤ダクトおよび前記第２冷却剤ダクトに連結される第２冷却剤ポートを含む第２グランドプレートを含み、前記第２冷却剤ポートは前記外部冷却剤ポートに連結されている、請求項１に記載の電池モジュールキャリア。
  9. 前記第２コンポーネントキャリアは複数に備えられ、
    前記キャリアフレームは、前記外部冷却剤ポートと連結される冷却剤分配ラインを含み、或いは、前記外部冷却剤ポートに連結され、
    前記冷却剤分配ラインは、前記第１コンポーネントキャリアの多数の前記第１冷却剤ポートのうち少なくとも一つに連結され、複数の前記第２コンポーネントキャリアの前記第２冷却剤ポートそれぞれに連結されるように構成されている、請求項８に記載の電池モジュールキャリア。
  10. 前記キャリアフレームに付着し冷却剤ダクトと連結され、或いは、冷却剤ダクトを含むグランドプレート；および
    外部冷却剤回路に前記電池モジュールキャリアを連結するように構成される外部冷却剤ポートをさらに含み、
    前記外部冷却剤ポートは、前記グランドプレートの前記冷却剤ダクトに連結されている、請求項１に記載の電池モジュールキャリア。
  11. 前記キャリアフレームは複数の縦断ビームと複数の横断ビームとを含み、
    前記第１コンポーネントキャリアおよび第２コンポーネントキャリアそれぞれは、前記縦断ビームまたは前記横断ビームに付着するように構成される連結部材を含む、請求項１に記載の電池モジュールキャリア。
  12. 前記第１コンポーネントキャリアおよび第２コンポーネントキャリアはＵ字型、Ｌ字型、またはＴ字型のプロファイルを有する、請求項１に記載の電池モジュールキャリア。
  13. 前記第１コンポーネントキャリアおよび前記第２コンポーネントキャリアは複数のボルトによって機械的に相互連結され、
    複数の前記ボルトは、前記第１コンポーネントキャリアと前記第２コンポーネントキャリアおよび前記電池サブモジュールのうち少なくとも一つとの間に電気的連結および電子的連結のうち少なくとも一つをもたらす、請求項１に記載の電池モジュールキャリア。
  14. 前記電池サブモジュールの電池セルと前記第２グランドプレートの間には、前記電池セルと前記第２グランドプレートに接触する熱伝導パッドが配置される、請求項６に記載の電池モジュールキャリア。
  15. 電子制御組立体および信号ポートを含む第１コンポーネントキャリア；および
    電池サブモジュールを含む第２コンポーネントキャリアを含むキャリアフレームを含み、
    前記キャリアフレームは、前記第１コンポーネントキャリアの前記信号ポートに外部の電子的結合を提供するように構成され、前記第１コンポーネントキャリアおよび前記第２コンポーネントキャリアそれぞれは、前記キャリアフレームから個別に分離可能であり、
    前記第１コンポーネントキャリアは、前記第１コンポーネントキャリアと一体に構成された第１冷却剤ダクトを含み、
    前記第２コンポーネントキャリアは、前記第２コンポーネントキャリアと一体に構成された第２冷却剤ダクトを含む、電池システム。
  16. 電池システムを含む自動車において、
    前記電池システムは、
    電子制御組立体および信号ポートを含む第１コンポーネントキャリア；および
    電池サブモジュールを含む第２コンポーネントキャリアを含むキャリアフレームを含み、
    前記キャリアフレームは、前記第１コンポーネントキャリアの前記信号ポートに外部の電子的結合を提供するように構成され、前記第１コンポーネントキャリアおよび前記第２コンポーネントキャリアそれぞれは、前記キャリアフレームから個別に分離可能であり、
    前記第１コンポーネントキャリアは、前記第１コンポーネントキャリアと一体に構成された第１冷却剤ダクトを含み、
    前記第２コンポーネントキャリアは、前記第２コンポーネントキャリアと一体に構成された第２冷却剤ダクトを含む、自動車。
  17. 電池モジュールキャリアを含む自動車において、
    前記電池モジュールキャリアは、
    電子制御組立体および信号ポートを含む第１コンポーネントキャリアおよび電池サブモジュールを含む第２コンポーネントキャリアを収容するように構成されるキャリアフレームを含み、
    前記キャリアフレームは、前記信号ポートによって前記第１コンポーネントキャリアに外部の電子的結合を提供するように構成され、前記第１コンポーネントキャリアおよび前記第２コンポーネントキャリアそれぞれは、前記キャリアフレームから個別に着脱可能であるように構成され、
    前記第１コンポーネントキャリアは、前記第１コンポーネントキャリアと一体に構成された第１冷却剤ダクトを含み、
    前記第２コンポーネントキャリアは、前記第２コンポーネントキャリアと一体に構成された第２冷却剤ダクトを含む、自動車。
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