JP7171119B2 - フローティングナットを備えた端子連結構造を有する電池モジュールとそれを含む電池パック - Google Patents

フローティングナットを備えた端子連結構造を有する電池モジュールとそれを含む電池パック Download PDF

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Description

［関連出願との相互引用］
本出願は、２０１９年２月２１日付韓国特許出願第１０－２０１９－００２０７５１号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、電池モジュールと電池パックに関し、より具体的には端子連結構造により電気的に接続された電池モジュールを含む電池パックに関する。
二次電池は製品群ごとの適用容易性が高く、高いエネルギ密度などの電気的特性を有するので、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またはハイブリッド自動車、電力貯蔵装置などに普遍的に応用されている。このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少させることができる一次的な長所だけでなく、エネルギの使用による副産物が全く発生しない点で環境に優しくエネルギ効率性向上のための新たなエネルギ源として注目されていている。
前記電気自動車などに適用される電池パックは、高出力を得るために複数の単位セルを含む多数のセル組立体を直列に連結した構造を有している。そして、前記単位セルは陽極および陰極集電体、セパレータ、活物質、電解液などを含んで構成要素の間の電気化学的反応によって反復的な充放電が可能である。
一方、近来エネルギ貯蔵源としての活用をはじめとして大容量構造に対する必要性が高まるにつれ多数の二次電池が直列および／または並列に連結された多数の電池モジュールを集合させたマルチモジュール構造の電池パックに対する需要が増加している。
複数の電池セルを直列／並列に連結して電池パックを構成する場合、少なくとも一つの電池セルからなる電池モジュールを先に構成し、このような少なくとも一つの電池モジュールを利用し、その他の構成要素を追加して電池パックを構成する方法が一般的である。前記電池パックに含まれる電池モジュールの個数、または、電池モジュールに含まれる電池セルの個数は求められる出力電圧または充放電容量によって多様に設定することができる。
複数の電池モジュールを互いに連結するために端子連結構造物を互いに隣り合う電池モジュール間に締結することができ、このとき、ボルトおよびナット締結構造が適用されることができる。しかし、電池モジュールに完全に固定されたナットにボルトを組み立てるためには精密な位置制御が必要であり、これによって相対的なボルトの組立性が劣り、不良率が高くなる。
それだけでなくナットを電池モジュールに拘束するためにボンディング、溶接などの追加工程が必要であるため部品価格の上昇を招くこともあった。
本発明が解決しようとする課題は、電池モジュール間の端子連結構造におけるナットが浮動できる構造を作ってボルトとナットの組立性を向上させた電池モジュールを提供することにある。
また、浮動できるナット構造を有する複数の電池モジュールを端子連結構造物で互いに締結して構成された電池パックを提供することにある。
しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、上述した課題に限定されず本発明に含まれた技術的思想の範囲で多様に拡張されることができる。
本発明の一実施形態による電池モジュールは、少なくとも一つの電池セルを含むセル組立体、前記セル組立体の電極リードと電気的に接続される端子バスバーと、前記セル組立体の少なくとも一側面をカバーするバスバーフレームを含むバスバー組立体、および前記バスバー組立体を外側で覆う絶縁フレームを含み、前記端子バスバーに隣接すると共に前記絶縁フレームの内部の空間に設けられたナット挿入室内で浮動可能な大きさで設定され、前記ナット挿入室に実装されるナットを含み得る。
前記ナット挿入室は長方形の平坦面を有し、前記ナットの第１方向の幅は前記ナット挿入室の第１方向の幅より小さく形成され得る。
前記ナットの前記第１方向と交差する第２方向の幅は、前記ナット挿入室の第２方向の幅より小さく形成され得る。
前記端子バスバーに締結穴が形成され、前記ナットはねじ穴が前記締結穴と少なくとも一部分において重なるように前記ナット挿入室内に実装され得る。
前記端子バスバーの締結穴の直径は、前記ナットのねじ穴の直径より大きく形成され得る。
前記ナット挿入室は、前記絶縁フレームの平面方向の両側に一つずつ配置され得る。
前記ナットは、前記ナット挿入室の入口に向かうねじ穴の縁が傾斜するように削られて形成され得る。
前記絶縁フレームは、前記バスバー組立体と隣接するように位置する絶縁カバーと、前記絶縁カバーを覆って端子連結構造物が固定される外郭カバーを含み、前記ナット挿入室は前記絶縁カバーに備えられ得る。
本発明の他の一実施形態によれば、前記複数の電池モジュールと、前記端子バスバーの締結穴を貫いて前記ナットのねじ穴にねじ結合されるボルトを含む電池パックが提供され得る。
前記電池パックは隣接する前記電池モジュールの端子バスバーを連結するモジュール間バスバーを備えた端子連結構造物を含み、前記ボルトは前記モジュール間バスバーを貫いて前記ナットに結合され得る。
前記ボルトは、前記ナットのねじ穴を貫いて前記絶縁フレームに固定され得る。
本発明のまた他の一実施形態によれば、前記少なくとも一つの電池パックを含むデバイスが提供され得る。
実施形態によれば、電池モジュールの外側端子連結部にナットが実装されて浮動できる空間を確保することによって隣り合う電池モジュールとの連結のためのボルトとの締結容易性を向上させることができる。
それだけでなく、ボルトとナットの精密な位置制御が必要でないために組み立て速度を向上させ得、組み立てのエラーによる不良率を減らすことができる。
さらに、ナットを電池モジュールの外側に拘束するための追加工程が不要であるので、部品価格の上昇を予防することができる。
本発明の一実施形態による電池モジュールを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールのバスバー組立体、絶縁カバーおよび外郭カバーを示す分解斜視図である。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿って切って示す断面図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールに端子連結構造物が締結された状態を示す斜視図である。 図４のＶ－Ｖ線に沿って切って示す断面図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールに端子連結構造物が締結された状態でボルト端部、端子バスバーの締結穴およびナットのねじ穴の相対的な位置を示す模式図である。隣り合う電池モジュール間の締結時ボルトが定位置に位置する場合である。 本発明の一実施形態による電池モジュールに端子連結構造物が締結された状態でボルト端部、端子バスバーの締結穴およびナットのねじ穴の相対的な位置を示す模式図である。ボルトの位置が端子バスバーの締結穴の中心から外れた場合を示す。 従来のボルト締結構造におけるボルト端部、端子バスバーの締結穴およびナットのねじ穴の相対的な位置を示す模式図である。 従来のボルト締結構造におけるボルト端部、端子バスバーの締結穴およびナットのねじ穴の相対的な位置を示す模式図である。
発明を実施のための形態
以下、添付する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で実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。
また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対の意味を示す記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。
図１は本発明の一実施形態による電池モジュールを示す斜視図であり、図２は本発明の一実施形態による電池モジュールのバスバー組立体、絶縁カバーおよび外郭カバーを示す分解斜視図である。
図１および図２を参照すると、本実施形態による電池モジュール１００はセル組立体とこれを収容して電池モジュール１００の外観を形成するモジュールケース１３５の少なくとも一側にバスバー組立体１５０と絶縁フレーム１６０を含む。バスバー組立体１５０は、セル組立体の電極リードが引き出される方向の側面に位置したバスバーフレーム１５５にバスバー１５１が外側に向かって固定されて構成されることができる。セル組立体の電極リードはバスバーフレーム１５５に形成されたスリットを通過してバスバー１５１と電気的に接続され得る。絶縁フレーム１６０は、バスバー組立体１５０の外側に位置する絶縁カバー１６３と外郭カバー１６５を含み得る。絶縁カバー１６３は、バスバー組立体１５０と隣接するように位置し、外郭カバー１６５は絶縁カバー１６３を覆ってその外側に位置する。
絶縁フレーム１６０を構成する絶縁カバー１６３と外郭カバー１６５、およびバスバーフレーム１５５はそれぞれ非伝導性射出物からなる。
セル組立体を構成する電池セルは、パウチ型二次電池として備えられ得、セル組立体内に複数積層されて備えられ得る。前記複数の電池セルは、互いに電気的に接続され得、電池セルそれぞれは電極組立体とこれを収容する電池ケースおよび前記電池ケースの外に突出して前記電極組立体と電気的に接続される電極リードを含み得る。
また、電池モジュール１００は、各種電装部品を含み得、一例としてＩＣＢ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）およびＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）等を含み得る。前記ＩＣＢおよびＢＭＳボードなどの電装部品は、前記複数の電池セルと電気的に接続され得る。
電池モジュール１００は、複数が互いに隣り合って電気的に結合されるようにモジュール端子部を形成し得る。本実施形態で電池モジュール１００はバスバーフレーム１５５に固定されるバスバーのうち両側最外郭に位置した端子バスバー１５３を備える。端子バスバー１５３は上段でバスバーフレーム１５５の主な面に対して垂直に折り曲がるプレートを含み、前記プレートに締結穴が形成され得る。
図３は図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿って切って示す断面図である。
絶縁カバー１６３内に端子バスバー１５３と隣接してナット挿入室１６８が備えられる。ナット挿入室１６８にはナット１７３が実装されるように空間が設けられ、ナット１７３はナット挿入室１６８内で浮動可能な大きさに設定され得る。本実施形態でナット挿入室１６８は略長方形の平坦面を有し、ナット１７３の第１方向の幅はナット挿入室１６８の第１方向の幅より小さく形成され得る。ここで第１方向は絶縁カバー１６３の長辺に並ぶ方向に定義され得る。したがって、図３に示すように、ナット１７３とナット挿入室１６８との間は間隔Ｇ１，Ｇ２を置いて互いに離隔され得、ナット１７３は絶縁カバー１６３に拘束されていないためにナット挿入室１６８内で浮動し得る。さらに、第１方向と交差する方向を第２方向というとき、ナット１７３の第２方向の幅はナット挿入室１６８の第２方向の幅より小さく形成され得る。したがって、ナット１７３はナット挿入室１６８内で四方に浮動することができ、これによりナット１７３の自由度（Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ）は高めることができる。
ナット１７３が実装されたナット挿入室１６８の上部には端子バスバー１５３が位置し得る。これは端子バスバー１５３が固定されたバスバー組立体１５０とナット挿入室１６８が備えられた絶縁カバー１６３が互いに結合するとき位置が設定される。端子バスバー１５３には締結穴が形成されるが、ボルトが端子バスバー１５３を貫いてナット１７３に締結されるとき前記締結穴を介して締結され得る。この時、端子バスバー１５３の締結穴の直径ＤＴはナット１７３のねじ穴の直径ＤＮより大きく形成され得、ナット１７３はナット挿入室１６８の入口に向かうねじ穴の縁１７３ａが傾斜するように削られて形成され得る。そして、ナット１７３はねじ穴が前記締結穴と少なくとも一部分において重なるようにナット挿入室１６８内に実装される。これにより電池モジュール間の電気的接続のためにボルトをナット１７３に挿入する時、締結容易性を向上させ得る作業速度を高めることができる。これについては模式図を活用して後述する。
このようなナット挿入室１６８とこれに挿入されるナット１７３は絶縁カバー１６３の平面方向の両側、すなわち第１方向に両側に一つずつ配置され得る。両側に配置されたナット１７３にそれぞれ端子連結構造物がボルトを介して締結されて両側に隣り合う電池モジュールとの電気的接続に利用され得る。
図４は本発明の一実施形態による電池モジュールに端子連結構造物が締結された状態を示す斜視図であり、図５は図４のＶ－Ｖ線に沿って切って示す断面図である。
図４を参照すると、隣接する電池モジュール１００の締結のためにモジュール端子部に端子連結構造物１８０が締結され得る。端子連結構造物１８０は絶縁フレーム１６０の外郭カバー１６５に固定され得る。モジュール端子部は端子バスバー１５３とナット挿入室１６８に実装されるナット１７３を含み得る。外郭カバー１６５は絶縁カバー１６３およびバスバー組立体１５０と結合してバスバー組立体１５０に固定された端子バスバー１５３を露出させ、外郭カバー１６５に固定される端子連結構造物１８０が端子バスバー１５３に結合されることにより隣り合う電池モジュールとの結合を達成することができる。
図５を参照すると、端子連結構造物１８０は隣り合う電池モジュール間の電気的接続を提供するモジュール間バスバー１８５とこのモジュール間バスバー１８５を各電池モジュール１００の端子バスバー１５３と結合させるボルト１８３を含み得る。すなわち、ボルト１８３はモジュール間バスバー１８５および端子バスバー１５３を貫いてナット１７３のねじ穴にねじ結合され得る。この時ボルト１８３はモジュール間バスバー１８５の締結穴と端子バスバー１５３の締結穴をそれぞれ通過してナット挿入室１６８内に実装されたナット１７３に結合され得る。そして、このようなボルト１８３はナット１７３のねじ穴を貫いて外郭カバー１６５に固定され得る。
図６Ａおよび図６Ｂは本発明の一実施形態による電池モジュールに端子連結構造物が締結された状態でボルト端部、端子バスバーの締結穴１５３ａおよびナットのねじ穴１７３ａの相対的な位置を示す模式図である。図６Ａは隣り合う電池モジュール間の締結時ボルトが定位置に位置する場合であり、図６Ｂはボルトの位置が端子バスバーの締結穴１５３ａの中心から多少外れた場合を示す。
ボルト１８３の位置が定位置で多少歪むとき、ボルト１８３の端部は端子バスバー１５３の締結穴１５３ａ内で一方に偏って挿入され得る。この場合、ナット挿入室１６８内でナット１７３は浮動できる大きさに設定されるのでナット１７３はボルト１８３の挿入位置に沿って多少移動し得る。したがって、隣り合う電池モジュール１００の電気的接続のためにボルト１８３を端子バスバー１５３とナット１７３に締結するために精密な制御をしなくても良い。端子バスバー１５３の締結穴１５３ａ内にボルト１８３の端部を挿入することによってナット１７３がナット挿入室１６８内で移動してナット１７３のねじ穴１７３ａがボルト１８３の端部と整列してボルト１８３とナット１７３との間に干渉なしで締結され得る。すなわち、ナット１７３の自由度を増加させることによってボルト１８３の公差および組み立て公差を吸収してボルト１８３とナット１７３の締結性を保障することができる。
図７Ａおよび図７Ｂは従来のボルト締結構造におけるボルト端部、端子バスバーの締結穴およびナットのねじ穴の相対的な位置を示す模式図である。
従来にはナット７３がレーザ溶接などにより電池モジュールの端子バスバーに固定されて浮動できなくなっていた。この場合、図７Ａに示すように、ボルト８３が定位置に位置する場合にはナット７３のねじ穴７３ａ、端子バスバーの締結穴５３ａおよびボルト８３が整列して締結に問題が発生しない。しかし、図７Ｂに示すように、ボルト８３が定位置を外れて歪む場合にはボルト８３が端子バスバーの締結穴５３ａ内に位置してもナット７３は固定されて動くことができないので、ナット７３のねじ穴７３ａから外れて位置してボルト８３とナット７３が干渉されて締結が不可能になる。再びボルト８３を動かして定位置を探す過程で作業時間が遅延され得、結果的に締結性が劣る。
一方、本発明の実施形態による電池モジュールは、一つまたはそれ以上が端子連結構造物を介して互いに電気的に接続されることによりパックケース内にパッケージングされて電池パックを形成することができる。すなわち、互いに隣接する電池モジュールの端子バスバーを連結するモジュール間バスバーを、ボルトを利用して固定することによって複数の電池モジュールを電気的に接続することができ、これにより電池パックを構成することができる。
上述した電池モジュールおよびそれを含む電池パックは多様なデバイスに適用することができる。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの運送手段に適用されるが、本発明はこれに制限されず電池モジュールおよびそれを含む電池パックを使用できる多様なデバイスに適用可能であり、これもまた本発明の権利範囲に属する。
以上、本発明の好ましい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ものではなく、次の特許請求の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また、本発明の権利範囲に属する。
５３ａ 締結穴
７３ ナット
７３ａ ねじ穴
８３ ボルト
ＤＴ 直径
１００ 電池モジュール
１３５ モジュールケース
１５０ バスバー組立体
１５１ バスバー
１５３ 端子バスバー
１５３ａ 締結穴
１５５ バスバーフレーム
１６０ 絶縁フレーム
１６３ 絶縁カバー
１６５ 外郭カバー
１６８ ナット挿入室
１７３ ナット
１７３ａ ねじ穴
１８０ 端子連結構造物
１８３ ボルト

Claims (11)

  1. 少なくとも一つの電池セルを含むセル組立体；
    前記セル組立体の電極リードと電気的に接続される端子バスバーと、前記セル組立体の少なくとも一側面をカバーするバスバーフレームを含むバスバー組立体；および
    前記バスバー組立体を外側で覆う絶縁フレーム
    を含み、
    前記端子バスバーに隣接すると共に前記絶縁フレームに設けられたナット挿入室内で浮動可能な大きさで設定され、前記ナット挿入室に浮動可能に実装されるナットを含み、
    前記端子バスバーに締結穴が形成され、
    前記ナットはねじ穴が前記締結穴と少なくとも一部分において重なるように前記ナット挿入室内に実装されている、電池モジュール。
  2. 前記ナット挿入室は長方形の平坦面を有し、
    前記ナットの第１方向の幅は前記ナット挿入室の第１方向の幅より小さく、
    前記ナットの第１方向と前記ナット挿入室の第１方向は同じ方向である、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記ナットの前記第１方向と交差する第２方向の幅は、前記ナット挿入室の第２方向の幅より小さく、
    前記ナットの第２方向と前記ナット挿入室の第２方向は同じ方向である、請求項２に記載の電池モジュール。
  4. 前記端子バスバーの前記締結穴の直径は、前記ナットのねじ穴の直径より大きく形成されている、請求項１に記載の電池モジュール。
  5. 前記ナット挿入室は、前記絶縁フレームの平面方向の両側に一つずつ配置されている、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  6. 前記ナットは、前記ナット挿入室の入口に向かうねじ穴の縁が傾斜するように削られて形成されている、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  7. 前記絶縁フレームは、前記バスバー組立体と隣接するように位置する絶縁カバーと、前記絶縁カバーを覆って端子連結構造物が固定される外郭カバーを含み、
    前記ナット挿入室は、前記絶縁カバーに備えられている、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  8. 請求項１ないし７のいずれか一項による複数の電池モジュールを含む電池パックにおいて、
    前記端子バスバーの前記締結穴を貫いて前記ナットのねじ穴にねじ結合されるボルトを含む、電池パック。
  9. 隣接する前記電池モジュールの前記端子バスバーを連結するモジュール間バスバーを備える端子連結構造物を含み、
    前記ボルトは前記モジュール間バスバーを貫いて前記ナットに結合されている、請求項８に記載の電池パック。
  10. 前記ボルトは、前記ナットのねじ穴を貫いて前記絶縁フレームに固定されている、請求項８に記載の電池パック。
  11. 請求項８による少なくとも一つの電池パックを含む、デバイス。
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