JP7405966B2 - ベンティング孔端子を備えるバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車 - Google Patents

Description

本発明は、ベンティング孔端子を備えるバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車に関し、より具体的には、ベンティング孔の役割とモジュール端子の役割とを共に果たすベンティング孔端子を備えるバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車に関する。

本出願は、２０２０年７月１４日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２０－００８６９３２号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。

電気自動車やハイブリッド自動車などに用いられるバッテリーパックを構成するバッテリーモジュールは、通常、複数のバッテリーセルをバスバーフレームを用いて互いに電気的に接続し、バッテリーセル積層体を構成する複数のバッテリーセルのうち最外郭に配置されたバッテリーセルと一対のモジュール端子とを電気的に接続した形態を有する。また、バッテリーモジュールにおいて、バッテリーモジュールに備えられた一対のモジュール端子は、モジュールハウジングの外側に露出した形態を有する。

一方、このような形態のバッテリーモジュールは、一般に、モジュール自体には別途のベンティング構造を備えていない。したがって、バッテリーモジュールの内部でセルベンティングが発生する場合、ベンティングガスを外部に排出する構造を設けるためには、モジュールハウジングに別途のベンティング孔を形成する必要がある。しかし、モジュールハウジングにベンティング孔を形成すれば、異物及び／または水分が浸透するおそれがある。

また、従来のバッテリーモジュールの構造によれば、複数のバッテリーモジュールを電気的に接続してバッテリーパックを製造するためには、互いに隣接したバッテリーモジュールのモジュール端子同士をコネクティングバーを用いて連結する別途の工程がさらに求められる。

したがって、ベンティングガスを排出可能でありながらも外部の異物及び／または水分が浸透できないベンティング構造をバッテリーモジュール自体に適用することが求められ、さらに複数のバッテリーモジュール同士の間の電気的接続工程が簡素化できるようにバッテリーモジュールの構造を改善する必要がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ベンティングガスを排出可能でありながらも外部の異物及び／または水分が浸透できないベンティング構造をバッテリーモジュール自体に適用し、さらに複数のバッテリーモジュール同士の間の電気的接続工程を簡素化することを目的とする。

本発明が解決しようとする技術的課題は上記の課題に制限されず、その他の課題は下記の発明の説明から当業者に明確に理解できるであろう。

上記の課題を達成するため、本発明の一態様によるバッテリーモジュールは、電気的に接続された複数のバッテリーセルを含むセル積層体と、セル積層体を収容し、一面に形成される一対のモジュール孔を備えるモジュールハウジングと、モジュール孔と連通する端子孔を備え、セル積層体と電気的に接続される一対のベンティング孔端子と、を含む。

一対のベンティング孔端子の一方はセル積層体の第１電極と接続され、一対のベンティング孔端子の他方はセル積層体の第２電極と接続され得る。

第１電極と第２電極とは、互いに逆極性を有し得る。

ベンティング孔端子は、端子孔の内周面上に固定される伝導性弾性部材を備え得る。

バッテリーモジュールは、セル積層体を構成する複数のバッテリーセル同士を直列、並列、または直列と並列とが混合された形態で接続するバスバーフレームをさらに含み得る。

上記の課題を達成するため、本発明の他の一態様によるバッテリーパックは、電気的に接続された複数のバッテリーセルを含むセル積層体、セル積層体を収容して一面に形成される一対のモジュール孔を備えるモジュールハウジング、及びモジュール孔と連通する端子孔を備えてセル積層体と電気的に接続される一対のベンティング孔端子を含むバッテリーモジュールを複数個含むモジュール集合体と、モジュール集合体を収容し、モジュール集合体の収容空間と連通する少なくとも一つのパック孔を備えるパックハウジングと、パックハウジングの内部収容空間の一面上に固定される流路ブラケットと、流路ブラケット上に固定されてモジュール孔及び端子孔に挿入される複数のベンティング孔スタッドと、を含む。

ベンティング孔スタッドは、モジュール孔及び端子孔と連通するスタッド孔を備え得る。

流路ブラケットは、スタッド孔と連通する複数のブラケット孔を備え得る。

流路ブラケットは、長手方向に沿って形成されたベンティングガス流路を備え、ベンティングガス流路は複数のブラケット孔のそれぞれと連通し得る。

ベンティングガス流路は、パック孔と連通し得る。

ベンティング孔スタッドと流路ブラケットとの間には絶縁部材が介在され得る。

上記の課題を達成するため、本発明のさらに他の一態様による自動車は、上述したような本発明の一態様によるバッテリーモジュール及び／またはバッテリーパックを含む。

本発明の一態様によれば、バッテリーモジュール自体において、ベンティングガスが排出可能でありながらも外部の異物及び／または水分が浸透できなくなり、また複数のバッテリーモジュール同士の間の電気的接続工程が簡素化できる。

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形態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ものであるため、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。
本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールの内部構造を示した概念図である。 図１に示されたバッテリーモジュールの底面図である。 本発明に適用されるベンティング孔端子を示した図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーパックを示した斜視図である。 図４に示されたバッテリーパックの内部構造を示した概念図である。 本発明に適用される流路ブラケット及びベンティング孔スタッドを示した図である。 本発明のベンティング孔スタッドを用いてバッテリーモジュールを載置する工程を示した図である。 本発明に適用される絶縁部材を示した図である。 本発明に適用される流路ブラケットとパック孔との連結関係を示した図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求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形態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形態に過ぎず、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～図３を参照して本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１００を説明する。

バッテリーモジュール１００は、複数のバッテリーセル１０、一対のベンティング孔端子３０及びモジュールハウジング４０を含む。バッテリーモジュール１００は、複数のバッテリーセル１０同士の間の電気的接続のためのバスバーフレーム２０をさらに含み得る。また、バッテリーモジュール１００は、モジュールハウジング４０の形態に応じてエンドプレート５０をさらに含んでもよい。

バッテリーセル１０としては、例えばパウチ型バッテリーセルが用いられ得、この場合、それぞれのバッテリーセル１０は互いに逆極性を有する一対の電極リード１１を備える。複数のバッテリーセル１０は、対面して積層されて一つのセル積層体を構成する。複数のバッテリーセル１０は。互いに直列、並列、または直列と並列とが混合された形態で接続され得る。

バスバーフレーム２０は、バッテリーセル１０に備えられた一対の電極リード１１が同じ方向に引き出されるか、または、それぞれ反対方向に引き出されるかに応じて、セル積層体の長手方向（Ｘ軸に平行な方向）の一側のみに備えられてもよく、セル積層体の長手方向の一側と他側の両方に備えられてもよい。具体的には図示していないが、バスバーフレーム２０は、少なくとも一つのバスバーを備える。バスバーは、隣接したバッテリーセル１０の電極リード１１同士の間を連結する。

一方、バッテリーモジュール１００において、バスバーフレーム２０は省略されてもよい。すなわち、複数のバッテリーセル１０同士の電気的接続は、必ずしもバスバーフレーム２０を通じて行われなくてもよく、少なくとも一つのバスバーによって行われてもよく、電気的接続のための媒介体なく、隣接したバッテリーセル１０の電極リード１１同士を直接接触させる方式で行われてもよい。

ベンティング孔端子３０は、セル積層体と電気的に接続されてモジュールハウジング４０の一面上に配置される。ベンティング孔端子３０は、例えばモジュールハウジング４０の底面上に配置され得る。ベンティング孔端子３０は、モジュールハウジング４０の一面を貫通して形成されたモジュール孔４０ａと連通する端子孔３０ａを備える。ベンティング孔端子３０は一対で備えられる。一対のベンティング孔端子３０の一方はセル積層体の第１電極と接続され、他方はセル積層体の第２電極と接続される。第１電極と第２電極とは、互いに逆極性を有する電極である。例えば、一対のベンティング孔端子３０の一方は、積層方向（Ｙ軸に平行な方向）の一側最外郭に位置するバッテリーセル１０に備えられた一対の電極リード１１のうち第１極性を有する電極リード１１（以下、第１電極リードと称する）と結合することでセル積層体と電気的に接続され得る。同様に、一対のベンティング孔端子３０の他方は、セル積層体の積層方向の他側最外郭に位置するバッテリーセル１０に備えられた一対の電極リード１１のうち第１極性と逆極性である第２極性を有する電極リード１１（以下、第２電極リードと称する）と結合することでセル積層体と電気的に接続され得る。これと異なり、ベンティング孔端子３０は、バスバーフレーム２０に備えられたバスバー（図示せず）を通じてセル積層体と電気的に接続されてもよい。

一対のベンティング孔端子３０は、それぞれバッテリーモジュール１００の正極端子及び負極端子として機能するとともに、モジュールハウジング４０内でバッテリーセル１０のベンティングによるガスが発生する場合、ガスをモジュールハウジング４０の外部に排出するための通路として機能する。

ベンティング孔端子３０は、伝導性の金属材質からなり、高さ方向（Ｚ軸に平行な方向）に沿って形成された端子孔３０ａを備える中空の円筒状であり得る。ベンティング孔端子３０は、端子孔３０ａの内周面上に固定される伝導性弾性部材３１を備え得る。伝導性弾性部材３１は、略中心部が貫通したドーナツ状であり得、このような伝導性弾性部材３１としては、例えば一般に使用される接触バネ（ｃｏｎｔａｃｔ ｓｐｒｉｎｇ）が用いられ得る。伝導性弾性部材３１は、複数のバッテリーモジュール１００を電気的に接続するため中空管状の外部端子が端子孔３０ａ内に挿入されたとき、挿入された端子の外周面を押し付けて固定する。

モジュールハウジング４０は、セル積層体、バスバーフレーム２０及び一対のベンティング孔端子３０を内部に収容する。モジュールハウジング４０は、上述したようにその底面の幅方向（Ｙ軸と平行な方向）の両側に形成された一対のモジュール孔４０ａを備える。一対のモジュール孔４０ａは、端子孔３０ａに対応する位置に形成され、これによりモジュールハウジング４０の内部空間と外部空間とが端子孔３０ａ及びモジュール孔４０ａを通じて連通する。

以下、図４～図９を参照して本発明の一実施形態によるバッテリーパックを説明する。

本発明の一実施形態によるバッテリーパックは、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１００を複数個含むモジュール集合体、パックハウジング２００、流路ブラケット３００及び複数のベンティング孔スタッド４００を含む。

パックハウジング２００は、モジュール集合体、流路ブラケット３００及びベンティング孔スタッド４００を内部に収容する。パックハウジング２００は、バッテリーモジュール１００から排出されたベンティングガスを外部に排出するための少なくとも一つのパック孔２００ａを備える。図面にはパック孔２００ａがパックハウジング２００の側面（Ｘ－Ｚ平面と平行な面）に形成された場合のみが示されているが、パック孔２００ａの形成位置はこれに限定されない。

流路ブラケット３００は、バッテリーパックの幅方向（Ｙ軸と平行な方向）に沿って延びた形態を有し、内部にベンティングガスが移動可能な空いた空間、すなわちベンティングガス流路Ｐを備える。ベンティングガス流路Ｐは、流路ブラケット３００の長手方向の両端の間を貫通して形成される。

流路ブラケット３００は、複数のバッテリーモジュール１００を載置するためのブラケットとして機能し、これとともにバッテリーモジュール１００から排出されたベンティングガスの移動通路としても機能する。流路ブラケット３００は、このようなベンティングガスの移動通路として機能できるように、長手方向に沿ってその上面に形成された複数のブラケット孔３００ａを備える。複数のブラケット孔３００ａは、それぞれベンティングガス流路Ｐと連通する。複数のブラケット孔３００ａは、流路ブラケット３００上に載置される複数のバッテリーモジュール１００の下面に形成された複数のモジュール孔４０ａに対応する位置にそれぞれ形成される。

図６を参照すると、ベンティング孔スタッド４００は、流路ブラケット３００上に固定され、モジュール孔４０ａ及び端子孔３０ａに挿入固定されてベンティング孔端子３０と電気的に接続される。これにより、ベンティング孔スタッド４００は、セル積層体と電気的に接続される。

ベンティング孔スタッド４００は、流路ブラケット３００の上面に結合されるベース部４１０、及びモジュール孔４０ａ及び端子孔３０ａに挿入固定される挿入部４２０を含む。ベンティング孔スタッド４００は、ベース部４１０及び挿入部４２０の中心部を高さ方向（Ｚ軸に平行な方向）に沿って貫通して形成されるスタッド孔４００ａを備える。スタッド孔４００ａは、モジュール孔４０ａ及び端子孔３０ａと連通する。また、スタッド孔４００ａはブラケット孔３００ａとも連通する。すなわち、複数のベンティング孔スタッド４００のそれぞれは、複数のブラケット孔３００ａに対応する位置に配置される。

複数のベンティング孔スタッド４００のうち、隣接する一対のバッテリーモジュール１００のうち一方のバッテリーモジュール１００に形成されたモジュール孔４０ａに挿入されるベンティング孔スタッド４００と他方のバッテリーモジュール１００に形成されたモジュール孔４０ａに挿入されるベンティング孔スタッド４００とは、互いに電気的に接続される。隣接する一対のベンティング孔スタッド４００の電気的接続には、例えば、金属バー形態のコネクタ５００が用いられ得る。コネクタ５００は、一対のベンティング孔スタッド４００と一体的に形成されたものであってもよい。このように隣接する一対のベンティング孔スタッド４００同士を電気的に接続することは、隣接するバッテリーモジュール１００同士を直列で接続するためである。流路ブラケット３００の長手方向（Ｙ軸と平行な方向）に沿って互いに離隔して配置される複数のベンティング孔スタッド４００のうち、両側最外郭に位置する一対のベンティング孔スタッド４００は、それぞれバッテリーパックの正極端子及び負極端子として機能し、残りのベンティング孔スタッド４００は、複数のバッテリーモジュール１００を接続するためのコネクティングバーとして機能する。

図８を参照すると、ベンティング孔スタッド４００のベース部４１０と流路ブラケット３００の上面との間には、絶縁部材６００が介在され得る。これは、流路ブラケット３００が剛性を確保するため金属材質からなる場合、伝導性金属材質からなる複数のベンティング孔スタッド４００の全てが通電することを防止するためである。絶縁部材６００は、例えば伝導性材質の流路ブラケット３００の表面にコーティングされた形態で提供され得る。流路ブラケット３００が非伝導性材質からなる場合は、絶縁部材６００の適用が省略されてもよい。

図９を参照すると、流路ブラケット３００の長手方向の一側及び／または他側の端部は、パック孔２００ａが形成されたパックハウジング２００の側壁に密着し得、パック孔２００ａと連通し得る。このように流路ブラケット３００に形成されたベンティングガス流路Ｐとパック孔２００ａとが直接連通する場合、問題が発生してガスを排出したバッテリーモジュール１００以外の他のバッテリーモジュール１００に高温のベンティングガスが接触せず迅速にバッテリーパックの外部に排出されることで、バッテリーパックの使用上の安全性を向上させることができる。

一方、本発明の他の一態様による自動車は、動力源として上述したような本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１００及び／またはバッテリーパックを含む。

上述したように、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１００はベンティング孔端子３０を備え、また本発明の一実施形態によるバッテリーパックはスタッド孔４００ａを備えることで、バッテリーパック製造のための複数のバッテリーモジュール１００の載置と電気的接続、そしてベンティングガス排出のための流路の形成をすべて同時に行うことができる。また、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１００は、モジュール端子として機能するベンティング孔端子３０が電極リード１１の引き出し方向と略垂直方向に位置することで、バッテリーセル１０のベンティング時に高温のベンティングガスによる問題発生の危険性を最小化することができる。すなわち、本発明のベンティング孔端子３０は、バッテリーモジュール１００の高電位端子として機能するが、発熱が集中し得る高電位端子が高温のベンティングガスの噴出方向に位置しないようにすることで、バッテリーモジュール１００の使用上の安全性を向上させることができる。

以上のように、本発明を限定された実施形態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。

１０ バッテリーセル
１１ 電極リード
２０ バスバーフレーム
３０ ベンティング孔端子
３０ａ 端子孔
３１ 伝導性弾性部材
４０ モジュールハウジング
４０ａ モジュール孔
５０ エンドプレート
１００ バッテリーモジュール
２００ パックハウジング
２００ａ パック孔
３００ 流路ブラケット
３００ａ ブラケット孔
４００ ベンティング孔スタッド
４００ａ スタッド孔
４１０ ベース部
４２０ 挿入部
５００ コネクタ
６００ 絶縁部材

Claims (12)

1. 電気的に接続された複数のバッテリーセルを含むセル積層体と、
   前記セル積層体を収容し、一面に形成される一対のモジュール孔を備えるモジュールハウジングと、
   前記モジュールハウジングの内面に取り付けられて前記モジュールハウジングの内部に位置する一対のベンティング孔端子であって、前記モジュール孔と連通する端子孔を備え、前記セル積層体と電気的に接続される一対のベンティング孔端子と、
   を含み、
   前記一対のモジュール孔は、中空状の外部端子が前記モジュールハウジングの外部から前記モジュール孔および前記端子孔に挿入可能なように、前記一面上で外部に露出されている、バッテリーモジュール。
2. 前記一対のベンティング孔端子の一方は、前記セル積層体の第１電極と接続され、
   前記一対のベンティング孔端子の他方は、前記セル積層体の第２電極と接続される、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
3. 前記第１電極と第２電極とが、互いに逆極性を有する、請求項２に記載のバッテリーモジュール。
4. 前記ベンティング孔端子が、前記端子孔の内周面上に固定される伝導性弾性部材を備える、請求項１から３のうちいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
5. 前記バッテリーモジュールが、前記セル積層体を構成する複数のバッテリーセル同士を直列、並列、または直列と並列とが混合された形態で接続するバスバーフレームをさらに含む、請求項１から４のうちいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
6. 電気的に接続された複数のバッテリーセルを含むセル積層体、前記セル積層体を収容して一面に形成される一対のモジュール孔を備えるモジュールハウジング、及び前記モジュール孔と連通する端子孔を備えて前記セル積層体と電気的に接続される一対のベンティング孔端子を含むバッテリーモジュールを複数個含むモジュール集合体と、
   前記モジュール集合体を収容し、前記モジュール集合体の収容空間と連通する少なくとも一つのパック孔を備えるパックハウジングと、
   前記パックハウジングの内部収容空間の一面上に固定される流路ブラケットと、
   前記流路ブラケット上に固定されて前記モジュール孔及び端子孔に挿入される複数のベンティング孔スタッドと、
   を含むバッテリーパック。
7. 前記ベンティング孔スタッドが、前記モジュール孔及び端子孔と連通するスタッド孔を備える、請求項６に記載のバッテリーパック。
8. 前記流路ブラケットが、前記スタッド孔と連通する複数のブラケット孔を備える、請求項７に記載のバッテリーパック。
9. 前記流路ブラケットは、長手方向に沿って形成されたベンティングガス流路を備え、
   前記ベンティングガス流路は、前記複数のブラケット孔のそれぞれと連通する、請求項８に記載のバッテリーパック。
10. 前記ベンティングガス流路が、前記パック孔と連通する、請求項９に記載のバッテリーパック。
11. 前記ベンティング孔スタッドと流路ブラケットとの間には絶縁部材が介在される、請求項６から１０のうちいずれか一項に記載のバッテリーパック。
12. 請求項１から５のうちいずれか一項に記載のバッテリーモジュールまたは請求項６から１１のうちいずれか一項に記載のバッテリーパックを含む自動車。

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