JP7472270B2 - バッテリーパック及びそれを含む自動車 - Google Patents

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Description

本発明は、バッテリーパック及びそれを含む自動車に関し、より詳しくは、バッテリーモジュールを空間効率的に搭載可能な構造のバッテリーパック及びそれを含む自動車に関する。
本出願は、2019年10月8日付け出願の韓国特許出願第10-2019-0124812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。
二次電池とは、充電が不可能な一次電池と異なって、充・放電が可能な電池のことを称し、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車両(EV、Electric Vehicle)、ハイブリッド車両(HEV、Hybrid Electric Vehicle)などに適用されている。現在、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などの二次電池が広く使用されている。このような単位二次電池セル、すなわち、単位バッテリーセルの作動電圧は約2.5V~4.6Vである。したがって、これよりも高い出力電圧が要求される場合、複数のバッテリーセルを直列で接続してバッテリーパックを構成する。また、バッテリーパックに要求される充放電容量に応じて、複数のバッテリーセルを並列で接続してバッテリーパックを構成することもある。したがって、前記バッテリーパックに含まれるバッテリーセルの個数は、要求される出力電圧または充放電容量に応じて多様に設定され得る。
複数のバッテリーセルを直列/並列で接続してバッテリーパックを構成する場合、少なくとも一つのバッテリーセル、望ましくは複数のバッテリーセルからなるバッテリーモジュールをまず構成し、このようなバッテリーモジュールを少なくとも一つ用い、その他の構成要素を付け加えてバッテリーパックを構成する方法が一般的である。ここで、バッテリーモジュールは、複数のバッテリーセルが直列または並列で接続された構成要素を意味し、バッテリーパックは、容量及び出力などを高めるため、複数のバッテリーモジュールが直列または並列で接続された構成要素を意味する。
図1は従来のバッテリーパックにおけるバッテリーモジュールの配列を例示した概略図であり、図2は図1のII-II’に沿った従来のバッテリーパックの断面図であり、図3は図1のIII-III’に沿った従来のバッテリーパックの断面図である。
図1では、総8個のバッテリーモジュール20をXY平面でX方向(横、バッテリーモジュールの長手方向)×Y方向(縦、バッテリーモジュールの幅方向)に2×4行列で配置した例を示し、バッテリーモジュール20の配列を明確にするため一部の構成要素は図示していない。
図1~図3を参照して従来のバッテリーパック1を見れば、パックケース10の内部にバッテリーモジュール20が取り付けられ、バッテリーモジュール20は剛性構造であるクラッシュビーム(crashbeam)30によって保護されている。
パックケース10は、トレイ12及びトップカバー14からなる。バッテリーモジュール20は、複数のバッテリーセル22及びバッテリーセル22を収容するモジュールハウジング24を含む。トレイ12上にバッテリーモジュール20が搭載され、取付けボルト40によってバッテリーモジュール20とトレイ12とが締結される。トップカバー14とトレイ12の側壁12aとの間にはシーリング部材50が介在され、トップカバー14とトレイ12とが組み立てられる。
バッテリーモジュール20は、複数のバッテリーセル22が組み合わせられた構造であるため、一部のバッテリーセルに過電圧、過電流または過発熱が起きる場合は、バッテリーモジュール20の安全性と作動効率の問題につながるため、これ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、電圧センサなどをバッテリーセル22に連結してリアルタイムまたは一定の時間間隔で作動状態を確認し制御している。このような検出手段の取付けまたは連結は複数のワイヤによって行われ、従来はこのようなワイヤを含むワイヤハーネス60がバッテリーパック1の中央を横切ってバッテリーモジュール20同士の間に位置している。
従来はバッテリーモジュール20とパックケース10とが確実に区分された形態であり、バッテリーモジュール20は、バッテリーパック1を構成する基本単位としてパックケース10の内部に位置しながら、パックケース10の剛性構造によって保護を受けるバッテリーセル22を含む構造物である。パックケース10はバッテリーモジュール20を保護する剛性構造である。
電気自動車の場合、運行中に予期せぬ衝撃と振動がバッテリーパック1に加えられることがある。この場合、バッテリーモジュール20間の電気的接続が切れたり、バッテリーモジュール20を支持するパックケース10の変形が起きたりし得る。したがって、特に、電気自動車用バッテリーパックには、外部衝撃と振動に対する十分な耐久性が求められる。
その解決方案として、従来のバッテリーパック1では、パックケース10と一定の間隔dを置いてバッテリーモジュール20をトレイ12上に整列することで、バッテリーモジュール20を保護する。バッテリーパック1の外部衝撃からバッテリーモジュール20を保護するため、パックケース10の領域とバッテリーモジュール20の領域とを分離する意味で間隔dを設けるわけである。しかし、バッテリーモジュール20のモジュールハウジング24に取付けボルト40のための別途の空間が必要であり、間隔dを維持するための空間も必要であるため、バッテリーパック1の内部空間の活用に損失が発生する。
クラッシュビーム30もバッテリーパック1の機械的剛性の向上に使用されている。ここで、クラッシュビーム30は、パックケース10を構成するトレイ12に設けられるビーム形態の構造物であり、バッテリーモジュール20の左右方向、上下方向及び前後方向などの全ての方向に備えられて複数のバッテリーモジュール20同士の間毎に設けられ得る。クラッシュビーム30が設けられたトレイ12は、耐衝撃性が高くなって外部衝撃または振動にも容易に変形されない。しかし、クラッシュビーム30が占める面積、クラッシュビーム30とバッテリーモジュール20との間の間隔dなどを必要とするため、バッテリーモジュール20を搭載可能な空間がその分だけ減少する。さらに、ヒートシンク70などの必須な冷却装置構成をさらに付け加えれば、それを含むバッテリーパック1の容積率またはエネルギー密度がさらに低くなる問題がある。
また、バッテリーモジュール20の重量によってトレイ12の下部に垂れSが生じ得るため、重量を支持するための下部剛性構造の空間も必要になり、これも空間活用の損失を引き起こすという限界がある。
このようにバッテリーパックの機械的剛性とエネルギー密度の増大とを同時に達成し難いにも関わらず、近年の二次電池関連産業分野では構造的安定性、冷却性能の確保及び高エネルギー密度条件をすべて満たすバッテリーパックに対する要求が高まっている。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリーモジュールの構造的安定性を確保しながらもエネルギー密度を向上させることができるバッテリーパックを提供することを目的とする。
また、本発明は、このようなバッテリーパックを含む自動車を提供することを他の目的とする。
本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解でき、本発明の実施形態によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
上記の課題を達成するため、本発明によるバッテリーパックは、一つ以上のバッテリーモジュール、及び前記バッテリーモジュールを収納するためのパックケースを含み、前記バッテリーモジュールは、一つ以上のバッテリーセルが含まれたバッテリーセル積層体、及び前記バッテリーセルの長手方向の両側で前記バッテリーセル積層体の前後側に密着して備えられる一対のエンドプレートを含み、前記パックケースは、前記バッテリーモジュールが上面に載置されるトレイ、及び前記バッテリーモジュールを収納した状態で、外周が前記トレイの上面でトレイの外周と対面結合するトップカバーを含み、前記エンドプレートが前記バッテリーセルを保護する機械的支持力を提供する。
前記エンドプレートは、前記バッテリーセル積層体の前後側から加えられる衝撃から前記バッテリーセルを保護する。
一実施形態において、前記バッテリーモジュールは、前記バッテリーセル積層体の前後側に組み立てられるバスバーフレーム、前記バスバーフレームの外側に結合された絶縁カバー、及び前記バッテリーセル積層体の最外側のバッテリーセルに結合されたサイドプレートをさらに含み、前記エンドプレートは、前記絶縁カバーの外側に重ねられる板状構造物である。
本発明において、対面結合するトレイの外周とトップカバーの外周との間に介在されるシーリング部材をさらに含み得る。
前記トップカバーの外周には、前記トレイに対する締結のため、前記バッテリーパックの外側に折り曲げられて延びた締結延長部が形成され、前記締結延長部には締結部材が挿入され得る。
ここで、前記締結延長部に対応して、前記トレイの外周には前記バッテリーモジュールの載置部位から上方に折り曲げられた段差部が形成され、前記段差部上に位置した側壁で前記締結部材によって前記締結延長部と結合され得る。
また、ここで、前記一対のエンドプレートのいずれか一方にはフランジが形成され、前記フランジは、前記トップカバーの締結延長部と前記トレイの段差部との間の高さに位置するように前記側壁に置かれ、前記フランジには締結部材が挿入され得る。
さらに、ここで、前記一対のエンドプレートの他方の下部には締結座が形成され、前記トレイに設けられたブラケットに前記締結座を通して締結部材が挿入され得る。
望ましくは、前記トップカバーと側壁との間の空間にワイヤハーネスが配置される。
特に望ましくは、前記一対のエンドプレートは、複数のバッテリーモジュールを一体的に連結するように前記複数のバッテリーモジュール同士が共有する。
具体的な一例において、前記バッテリーモジュールは、XY平面でX方向(前記バッテリーセルの長手方向)×Y方向に2×n(nは1以上)行列で配置され、X方向に沿って並ぶバッテリーモジュール同士は互いの端子が対向する形態になるように配置され、前記Y方向に沿って載置されるバッテリーモジュール同士が一対のエンドプレートを共有する。
この場合、前記一対のエンドプレートのうち前記バッテリーパックの外側に設けられるエンドプレートにはフランジが形成され、前記フランジは前記トップカバーの締結延長部と前記トレイの段差部との間の高さに位置するように前記側壁に置かれ、前記フランジには締結部材が挿入され、前記一対のエンドプレートのうち前記バッテリーパックの内側に設けられるエンドプレートの下部には締結座が形成され、前記トレイに設けられたブラケットに前記締結座を通して締結部材が挿入されることが望ましい。
他の実施形態において、前記バッテリーモジュールは、前記バッテリーセル積層体の前後側に組み立てられるバスバーフレーム、前記バスバーフレームの外側に結合された絶縁カバー、及び前記バッテリーセル積層体の最外側のバッテリーセルに結合されたサイドプレートをさらに含み、二つの前記バッテリーモジュールがセンタープレートによって結合されて一つのラージモジュールを構成し、このようなラージモジュールの一つ以上が前記バッテリーパックに含まれる。
望ましくは、二つ以上の前記ラージモジュールを一方向に配列し、前記絶縁カバーの外側で前記一対のエンドプレートを共有してサブパックを構成する。
このとき、前記サブパックを前記バッテリーセルの長手方向に沿って二つ配列し得る。
前記サブパック内で互いに隣接したラージモジュールの間には空いた空間が形成されていることが望ましい。
前記一対のエンドプレートの少なくともいずれか一つの外側には、パックサイドビームがさらに結合され得る。
前記パックサイドビームが前記トレイの側壁になり得る。
また、本発明によれば、上述したバッテリーパックを含む自動車が提供される。前記自動車は、電気自動車(EV)またはハイブリッド自動車(HEV)を含み得る。
本発明の一態様によれば、バッテリーモジュールを空間効率的に搭載可能な構造のバッテリーパックが提供される。
本発明の他の態様によれば、バッテリーパックの剛性及び容積率を増加させることができる。従来に対比してバッテリーセル/バッテリーパックの容積率を9%以上増加させることができる。
本発明のさらに他の態様によれば、二つのバッテリーモジュールをアレイの一単位として取り扱い、一単位の拡張を通じて多様なアレイを駆使することで、多様な容量のバッテリーパックを自由に具現することができる。
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。
従来のバッテリーパック内のバッテリーモジュールの配列を例示した概略図である。 図1のII-II’に沿った従来のバッテリーパックの断面図である。 図1のIII-III’に沿った従来のバッテリーパックの断面図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーパック内のバッテリーモジュールの配列を例示した概略図である。 図4のV-V’に沿ったバッテリーパックの断面図である。 図5の組立て前の状態を示した分解図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーパックに含まれるバッテリーモジュールを説明するための図である。 従来のバッテリーパックと本発明の一実施形態によるバッテリーパックとを比べた図である。 本発明の他の実施形態によるバッテリーパックの上面図である。 図9のバッテリーパックに含まれるバッテリーモジュールを説明するための図である。 図10のバッテリーモジュールを二つ結合したラージモジュールを説明するための図である。 図11のラージモジュールを三つ結合したサブパックを説明するための図である。 本発明の他の一実施形態による自動車を説明するための図である。
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とで本発明をより明確にする。後述する実施形態は発明の理解を助けるため例示的に示されるものであり、本発明が後述する実施形態から多様に変形されて実施できることを理解せねばならない。また、発明の理解を助けるため、添付された図面は、実際の縮尺ではなく、一部構成要素の寸法が誇張して示され得る。
すなわち、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4は本発明の一実施形態によるバッテリーパック内のバッテリーモジュールの配列を例示した概略図であり、図5は図4のV-V’に沿ったバッテリーパックの断面図であり、図6は図5の組立て前の状態を示した分解図であり、図7は本発明の一実施形態によるバッテリーパックに含まれるバッテリーモジュールを説明するための図である。
図4には、総8個のバッテリーモジュール200がXY平面でX方向(横、バッテリーモジュールの長手方向)×Y方向(縦、バッテリーモジュールの幅方向)に2×4行列で配置された例が示されている。しかし、本発明のバッテリーパックが図4に示されたバッテリーパックAの配列に限定されることはない。本発明のバッテリーパックの2行4列の構造は、必要な容量及びバッテリーパックが搭載される対象構造物に応じて自在に変形可能である。2×n(nは1以上)行列の配置が基本である。
一方、バッテリーパックAには、バッテリーモジュール200の充放電を制御するための各種の装置(図示せず)、例えばBMS(Battery Management System:バッテリー管理システム)、電流センサ、ヒューズなどがさらに含まれ得る。図4において、バッテリーモジュール200の配列を明確に示すため一部の構成要素は図示を省略した。バッテリーモジュール200は端子tを含み、例えば同じ列に位置するバッテリーモジュール200は互いの端子t同士が対向するように配置され得る。すなわち、X方向に沿って並ぶバッテリーモジュール200は、互いの端子t同士が対向するように配置され得る。
図4~図7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Aを見れば、バッテリーパックAは、一つ以上のバッテリーモジュール200、及びこのようなバッテリーモジュール200を収納するためのパックケース100を含む。
図示された例においては、パックケース100の内部にバッテリーモジュール200がX方向に沿って二個取り付けられている。説明の便宜上、図面の左側に位置するバッテリーモジュールを第1バッテリーモジュール200a、右側に位置するバッテリーモジュールを第2バッテリーモジュール200bと称することにする。第1バッテリーモジュール200aは図4で第1行に配置されたバッテリーモジュールであり、第2バッテリーモジュール200bは図4で第2行に配置されたバッテリーモジュールである。それぞれのバッテリーモジュール200a、200bは、トレイに備えられる従来の剛性構造であるクラッシュビームを使用せず、同等の剛性を有するエンドプレート240が備えられた構造である。バッテリーモジュール200a、200bは、一つ以上のバッテリーセル212、及びバッテリーセル212の長手方向の両側に備えられる一対のエンドプレート240を基本的に含む。
図7に示されたように、具体的には、バッテリーモジュール200には一つ以上の、望ましくは複数のバッテリーセル212が含まれたバッテリーセル積層体214が含まれ、その他に各種の部品を含み得る。例えば、バッテリーセル212はパウチ型二次電池からなることができ、複数で備えられて互いに電気的に接続され得る。
それぞれのバッテリーセル212は、図示していないが、電極組立体、電極組立体を収容する電池ケース、及び電池ケースの外に突出して電極組立体と電気的に接続される電極リードなど多様な部品を含み得る。電極リードは正極リード及び負極リードを含み得、正極リードは電極組立体の正極板に接続され、負極リードは電極組立体の負極板に接続され得る。そして、双方向電池の場合、正極リードと負極リードとはバッテリーセル212の長手方向の両側にそれぞれ突出し得る。単方向電池の場合、正極リードと負極リードとはバッテリーセル212の長手方向の一側に並んで突出し得る。このような正極リードと負極リードとがバスバーのような連結構造物を通じて互いに連結されることで、複数のバッテリーセル212同士が電気的に接続されるのである。
バッテリーモジュール200は、パウチ型二次電池の積層及び保護のための積層用フレームをさらに含んでもよい。積層用フレームは二次電池を積層するための手段であって、二次電池を保持することでその移動を防止し、相互に積層可能に構成されて二次電池の組立てをガイドする役割を果たす。参考までに、積層用フレームはセルカバーまたはカートリッジなど他の多様な用語で代替され得る。
双方向電池の場合、正極リードと負極リードとが突出している側、すなわちバッテリーセル積層体214の前後側にバスバーフレーム220が組み立てられ得る。バスバーフレーム220は、フレームにバスバーが組み立てられているものであって、バッテリーセル212の電極リードに結合してバッテリーセル212同士の間を連結するためのものである。バスバーフレーム220の外側には絶縁カバー224がさらに結合され得る。絶縁カバー224は、電気絶縁性及び耐衝撃性に優れた強化プラスチックなどで製作され得る。
バッテリーセル積層体214の最外側のバッテリーセル212にはサイドプレート226がさらに結合され得る。サイドプレート226は、例えば、アルミニウム(Al)のような金属材質からなり得る。すべての金属材質を使用可能であるが、熱伝導性、加工性、コストなどを考慮したとき、鋼鉄系またはアルミニウム系を使用することが望ましく、軽いアルミニウムが特に望ましい。図2及び図3に示されたように、従来のバッテリーモジュール20はバッテリーセル22の全面を囲むモジュールハウジング24を必要とするが、本発明の一実施形態によるバッテリーパックAに含まれるバッテリーモジュール200はバッテリーセル積層体214の上面と下面は露出し、前後側と側面のみを覆う構造であるため、軽量化に有利である。
エンドプレート240は、バッテリーモジュール200内のバッテリーセル積層体214を保護し固定するための構成要素であって、複数のバッテリーセル212間の電気的接続部位に影響を与えないながら、バッテリーモジュール200で長手方向の両側に一対が備えられ得る。本実施形態では、バッテリーセル積層体214の前後側に密着して備えられる。説明の便宜上、図面で一対のエンドプレート240のうちバッテリーパックAの外側に設けられるエンドプレートを第1エンドプレート240aと称し、バッテリーパックAの内側に向かって設けられるエンドプレートを第2エンドプレート240bと称することにする。
エンドプレート240は、バッテリーモジュール200毎に個別的に備えられてもよく、複数のバッテリーモジュール200を一体的に連結するようにバッテリーモジュール200同士が共有する。例えば、図示した例において、第1バッテリーモジュール200aの一列に置かれる他の第1バッテリーモジュール、すなわち図4でY方向に沿って置かれる第1行のバッテリーモジュールが一対のエンドプレート240を共有する構造であり得る。同様に、第2バッテリーモジュール200bの一列に置かれる他の第2バッテリーモジュール、すなわち図4でY方向に沿って置かれる第2行のバッテリーモジュールが一対のエンドプレート240を共有する構造であり得る。
望ましくは、複数のバッテリーモジュール200が一対のエンドプレート240を共有するようにして、相互が一つの固まりになって構造的完結性を有するように構成する。これにより、複数のバッテリーモジュール200の取り扱いが容易になり、バッテリーパックAを容易に組み立てることができる。
エンドプレート240は、バッテリーモジュール200内のバッテリーセル積層体214の少なくとも一面、本実施形態では絶縁カバー224の外側に重ねられる板状構造物を意味し得る。このようなエンドプレート240は、機械的剛性が高くて熱伝導性に優れた金属材質で製作されることが望ましく、このようなエンドプレート240は従来のバッテリーパック構造におけるクラッシュビームの役割を代替することができる。すなわち、エンドプレート240がバッテリーセル212を保護する機械的支持力を提供するようになる。エンドプレート240は、アルミニウム系または鋼鉄系の金属材質からなることができ、押出材であることができ、その他の材料を用いてもよい。
パックケース100はトレイ110及びトップカバー140を含んでなる。トレイ110は、その上面にバッテリーモジュール200が載置される。トレイ110上にヒートシンク170が設けられ、その上にバッテリーモジュール200が載置され得る。バッテリーモジュール200自体の剛性が増加するため、従来のパックケースに比べて本発明のバッテリーパックに含まれるパックケース100はよりスリムに構成されてもよい。
詳しくは図示していないが、バッテリーモジュール200は、バッテリーセル212同士の間に介在される冷却フィンをさらに含み得る。冷却フィンは、アルミニウムのような熱伝導性を有する薄型の部材であり、端部が外側に延びてヒートシンク170のような熱吸収媒体に連結され、バッテリーセル212の熱を外部に伝達する役割を果たすことができる。
トレイ110は、複数のバッテリーモジュール200が載置される空間を提供する。トップカバー140は、トレイ110とともに、複数のバッテリーモジュール200を内蔵した状態でパッケージングして収納するための構成である。
トレイ110及びトップカバー140は、バッテリーモジュール200の載置部位111、141に広い面積を有するプレート状の部分を有することができ、トレイ110及びトップカバー140の断面は、いわゆる帽子型(hat shape)であり得る。トレイ110及びトップカバー140は、バッテリーモジュール200の下部及び上部にそれぞれ位置し、バッテリーモジュール200の下部及び上部を覆うことができる。
トップカバー140の外周には、トレイ110に対する締結のためにバッテリーパックAの外側に折り曲げられて延びた締結延長部142が形成され、締結延長部142には締結部材P1が挿入されるための複数の第1貫通口が穿孔され得る。締結部材P1としては、例えばボルトまたはリベットなどが用いられ得るが、それぞれのバッテリーモジュール200をパックケース100から取り出して整備する場合に備えてボルトを用いることが有利であり得る。
トレイ110の外周には、トップカバー140の締結延長部142に対応して、バッテリーモジュール200の載置部位111から上方に折り曲げられた段差部112が形成され得る。段差部112上には側壁112aが設けられ得る。段差部112の高さが高ければ、側壁112aは省略されてもよい。段差部112と側壁112aとは、一体の部品または部品同士の結合で具現され得る。側壁112aには、締結延長部142の第1貫通口に連通する複数の第2貫通口が穿孔され得る。第1貫通口と第2貫通口とに締結部材P1を挿入することでトップカバー140とトレイ110とを結合し得る。締結部材P1は、トップカバー140の上面からトップカバー140の締結延長部142、トレイ110の段差部112及び側壁112aの一部を加圧しながら、これらの間を固定するものであり得る。望ましくは、トップカバー140の締結延長部142とトレイ110の段差部112上の側壁112aとの間にシーリング部材150が介在され得る。このようにして、トップカバー140の外周がトレイ110の上面でトレイ110の外周と対面結合されるようになる。対面結合するトレイ110の外周とトップカバー140の外周との間にシーリング部材150が密接して含まれる構造である。シーリング部材150は、バッテリーパックAの側方からの浸水からワイヤハーネス160などを保護する。
第1エンドプレート240aにはフランジ242が形成されていることが望ましい。このようなフランジ242は、トップカバー140の締結延長部142とトレイ110の段差部112との間の高さに位置し、側壁112aに置かれるように形成され得る。フランジ242には締結部材P2が挿入されるための第3貫通口が穿孔され得る。そして、側壁112aには第2貫通口よりもバッテリーパックAの内側に、フランジ242の第3貫通口に連通する第4貫通口が穿孔され得る。締結部材P2の挿入によって第1エンドプレート240aとトレイ110とを結合し得る。締結部材P2としては、例えばボルトまたはリベットなどが用いられ得るが、それぞれのバッテリーモジュール200をパックケース100から取り出して整備する場合に備えてボルトを用いることが有利であり得る。締結部材P2は、フランジ242の上面からフランジ242、トレイ110の段差部112及び側壁112aの一部を加圧しながら、これらの間を固定することができる。フランジ242の大きさ及び高さは、フランジ242が置かれる側壁112aに合わせて調節され得る。
第2エンドプレート240bの下部には締結座246が形成されることができ、例えばトレイ110の略中央部の締結座246と対応する位置にブラケット180を設け、締結部材P3を挿入することで第2エンドプレート240bとトレイ110とを結合し得る。締結部材P3としては、例えばボルトまたはリベットなどが用いられ得るが、それぞれのバッテリーモジュール200をパックケース100から取り出して整備する場合に備えてボルトを用いることが有利であり得る。締結部材P3は、トレイ110の上面から締結座246及びブラケット180を加圧しながら、第2エンドプレート240bとトレイ110とを固定することができる。
一方、トレイ110は、個別部品である側壁112a及びブラケット180を組み立ててアセンブリ型のトレイにしてもよいが、最初から一体的に成形された構造であってもよい。一体成形の場合、部品数、組立工程の数が減少してコスト節減を図ることができる。
パックケース100は、プラスチック樹脂などで製造され得る。この場合、射出成形法で製造され得る。射出成形の場合、原材料を液化した後、金型に注入して固体形状を製造するため、トップカバー140の締結延長部142と第1貫通口、トレイ110の段差部112、側壁112a、第2貫通口、第4貫通口を容易に製造し得る。真空成形によってもパックケース100を製造し得る。トレイ110及びトップカバー140の断面が帽子型と簡単であるため、均一な厚さの固体シートである原材料を金型上に載せた後、真空を通じて成形し得る。
パックケース100は、高張力鋼板のような鋼鉄などの金属材質からも製造し得る。この場合、ドローイング(drawing)方式の冷間成形で製造し得る。トレイ110及びトップカバー140の断面が帽子型と簡単であるため、均一な厚さの高張力鋼板を金型上に載せた後、一回以上のドローイングを通じて成形し得る。
バッテリーモジュール200は、複数のバッテリーセル212が組み合わせられた構造であるため、一部のバッテリーセルに過電圧、過電流または過発熱が起きる場合は、バッテリーモジュール200の安全性及び作動効率の問題につながるため、これ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、電圧センサなどをバッテリーセル212に連結してリアルタイムまたは一定の時間間隔で作動状態を確認し制御しなければならない。このような検出手段の取付けまたは連結は複数のワイヤによって行われ、本発明では従来と異なって、このようなワイヤを含むワイヤハーネス160をバッテリーモジュール200同士の間であるバッテリーパックAの中央に設けず、バッテリーモジュール200の外側に両分して位置させることができる。特に、ワイヤハーネス160は、トップカバー140と側壁112aとの間の空間に配置される。
本発明では、バッテリーモジュール200のエンドプレート240a、240bが従来のバッテリーパックのクラッシュビームに代替する。外側に位置した第1エンドプレート240aにT字状構造のようにフランジ242を適用することで、トップカバー140の外周をそれに合わせてトレイ110側に下げることができる。すなわち、締結延長部142がトレイ110側に下がり得る。その位置で締結部材P1を締結し得る。このような構造によってワイヤハーネス160をバッテリーモジュール200の外側に両分して位置させることが可能になる。
エンドプレート240は、従来のパックケースに代替してバッテリーモジュール200に対する機械的支持力を提供し、バッテリーモジュール200を外部の衝撃などから保護する役割を果たすことができる。特に、エンドプレート240は、バッテリーセル積層体214の前後側から加えられる衝撃からバッテリーセル212を保護することができる。トレイ110及びトップカバー140はカバーとして気密機能を維持する程度であればよい。
従来は剛性をパックケースのみが提供して内部のバッテリーモジュールを保護する概念であるが、本発明ではバッテリーモジュール200自体にエンドプレート240を通じて剛性を付与する。バッテリーモジュール200のエンドプレート240がバッテリーパックAの各方向の剛性構造を成す。
このように、本発明によれば、バッテリーモジュール200自体がバッテリーパックAの剛性の一部構造を成し、バッテリーパックAの構造物としての役割を果たすことができる。パックケース100はカバーとして気密機能を維持できる程度であればよい。したがって、部品/構造の製作を簡素化できる。本発明によれば、剛性の統合によってバッテリーパックとバッテリーモジュールとの剛性/空間が統合されるため、従来パックケースとバッテリーモジュールとの間で必要とされた間隔、クラッシュビームのような構造物を省略した結果、容積率を極大化する効果が奏される。
図8は、従来のバッテリーパック1と本発明の一実施形態によるバッテリーパックAとを比べた図である。
シーリング部材50とシーリング部材150との位置を比較してみると、本発明の一実施形態によるバッテリーパックAのシーリング部材150の位置が従来のバッテリーパック1よりも外側の下方に位置し得る。従来はワイヤハーネス60がバッテリーモジュール20の間に位置したが、本発明ではワイヤハーネス160が両分されてバッテリーモジュール200の外側に位置する。
従来はシーリング部材50がパックケースの側壁12aの上端に位置した。シーリング部材50が気密性を有するためには、部材自体がある程度の面積を占めなければならないため、従来はそれを支持する側壁12aの大きさを縮小することができなかった。本発明では、エンドプレート240のフランジ242を適用することで、シーリング部材150の位置を従来よりも下方に移動させることができる。これにより、トップカバー140と側壁112aとの間に新たな空いた空間が生じる。従来はクラッシュビーム30の間に(統合)ワイヤハーネス60が位置したため、中央に広い空いた空間を必要とした。本発明では、ワイヤハーネス160を二つに分けてそれぞれを外側に配置し、トップカバー140と側壁112aとの間に生じた新たな空いた空間に配置することができる。これにより、バッテリーパックA内部の中央の空いた空間を減らすことができる。バッテリーパック1とバッテリーパックAとの大きさが等しければ、バッテリーモジュール200の大きさをバッテリーモジュール20に比べてより増大できるという効果がある。特に、本発明では、バッテリーモジュール200のエンドプレート240a、240bが従来のバッテリーパック1のクラッシュビーム30に代替することで、バッテリーパック1の中央に位置するクラッシュビーム30の除去による空間も活用することができる。したがって、図8に示されたように、従来のバッテリーモジュール20の長さがL1であれば、本発明によるバッテリーモジュール200の長さはL2になって、L1とL2とを比較したとき、バッテリーモジュール200の空間が画期的に増加できることを確認可能である。
このような本発明によれば、エンドプレート240及び締結部材P2、P3を用いてバッテリーモジュール200をトレイ110上に容易に位置固定及び載置できると同時に、エンドプレート240を通じてバッテリーモジュール200自体の機械的剛性を増大させることができる。また、パックケース100内のワイヤハーネス160が位置する空間を従来よりも効率的に処理することができる。これにより、バッテリーパックA内にバッテリーモジュール200を空間効率的に搭載でき、空間活用性を向上させることができる。バッテリーモジュール200の長さL2が従来に比べて増加するなど、バッテリーモジュール200が占める空間を増やすことができるため、バッテリーパックAの容積率を増加させることができる。
以下、図9~図12を参照して本発明の他の実施形態によるバッテリーパックを説明する。図面及び説明において、上述した実施形態と同じ部材については同じ部材番号を付し、繰り返される説明は省略する。
図9は、本発明の他の実施形態によるバッテリーパックの上面図である。
図9を参照すると、バッテリーパックBは、図4に比べて列が2列増加した、2×6行列で配置されたバッテリーモジュール200’を含む。バッテリーモジュール200’はトレイ110上に配置されている。トレイ110の外周にはシーリング部材150が設けられている。シーリング部材150は、例えばガスケットである。
図10は、図9のバッテリーパックに含まれるバッテリーモジュールを説明するための図である。
図10を参照すると、バッテリーモジュール200’は、バッテリーモジュール200と同様に、バッテリーセル212、バスバーフレーム220、絶縁カバー224及びサイドプレート226を含む。
図11は、図10のバッテリーモジュール200’を二つ結合したラージモジュール250を示している。ラージモジュール250は、二つのバッテリーモジュール200’をY方向に並べて配置したものである。二つのバッテリーモジュール200’の間には空いた空間を含むセンタープレート230が含まれ得る。センタープレート230は、二つのバッテリーモジュール200’の間を一定に離隔させながら、両者を結合させる役割を果たすことができる。センタープレート230は空いた空間を含み、この空間が縮まりながらセルスウェリングを吸収することもできる。
従来のバッテリーパック1では、バッテリーモジュール20が1個ずつを単位にして複数で配置されるが、本発明の他の実施形態によるバッテリーパックBでは二つのバッテリーモジュール200’がセンタープレート230によって結合されて構成された一つのラージモジュール250が基本単位になる。したがって、従来よりも2倍のバッテリーセルの個数がアレイの基本単位になり得る。例えば、一つのバッテリーモジュール20、200’に含まれるバッテリーセルの個数が24個であれば、ラージモジュール250は48個のバッテリーセルを含む。
図12は、図11のラージモジュール250を結合したサブパック260を説明するための図である。
サブパック260は、ラージモジュール250を一方向に、本実施形態ではY方向に、二つ以上配列してなり得る。本実施形態では、2×6配列を完成するため、三つのラージモジュール250を配列した例を挙げている。すなわち、サブパック260は、アレイの基本単位であるラージモジュール250を確張したものであり、六つのバッテリーモジュール200’を統合したものである。サブパック260において、隣接したラージモジュール250の間には空いた空間gが形成されている(図9を参照)。したがって、外部からバッテリーパックBに衝撃が加えられても、その衝撃がラージモジュール250の間を横切って伝達されることは殆どないため、バッテリーモジュール200’の内部が損傷されなくなる。また、このような空いた空間gによって、一つのラージモジュール250で発火などのイベントが発生しても、他のラージモジュール250側に広がることを防止できるため、バッテリーパックBの使用上の安全性も確保することができる。
Y方向に沿って配列されたラージモジュール250において、Y方向に沿った両側面には一対のエンドプレート240が結合されている。複数のバッテリーモジュール200が一対のエンドプレート240を共有できると上述したが、その場合に該当する。一対のエンドプレート240は、各バッテリーモジュール200’の絶縁カバー224の外側で共有されている。また、ここでは剛性を補強するため、一対のエンドプレート240の少なくとも一方にパックサイドビーム270がさらに結合される例も提示している。特に、バッテリーパックBの外側に向かって設けられるパックサイドビーム270は、上述した実施形態におけるトレイ110の側壁112aにもなり得る。パックサイドビーム270及び側壁112aがともに設けられるか、または、パックサイドビーム270と側壁112aとが形合わせられて構成される場合ももちろん可能である。
エンドプレート240及びパックサイドビーム270は、例えばボルト280締結を通じて、複数のラージモジュール250を一遍に締結し得る。エンドプレート240が剛性材質であるため、サブパック260は基本的にバッテリーパックと見なしてもよい程度の剛性を有する単位構造になって取り扱いが容易になるため、バッテリーパックBを容易に組み立てることができる。
従来、バッテリーモジュールをトレイに載置するときや交換するとき、パックケース及びクラッシュビームに対して各バッテリーモジュールの位置を前後左右方向から調整しながら作業しなければならず作業性が悪い。しかし、本発明によると、サブパック260単位で取り扱いが容易であるため、作業性に優れる。
本実施形態では、2×6配列を完成するため、二つのサブパック260がX方向、すなわちバッテリーセルの長手方向に沿って並んで置かれる。当業者は、2×6配列以外の他の配列を構成するため、サブパックの個数、サブパックに含まれるラージモジュールの個数を変更できるであろう。このように本発明では、二つのバッテリーモジュール200’からなるラージモジュールをアレイの一単位にし、一単位の拡張を通じて多様なアレイを構成することで、多様な容量のバッテリーパックを自由に具現することができる。
上述したように、本実施形態では、特にサブパック260内でエンドプレート240によってバッテリーモジュール200’同士を連結することで、バッテリーパックBで必要な剛性構造がサブパック260単位で完成される。上述した実施形態と同様に、バッテリーパックBは、カバーとして気密機能を維持可能な程度のパックケース100をさらに含んで構成され得る。したがって、部品/構造、特にパックケース100の部品/構造の製作が簡素化できる。
上述したように従来のバッテリーパック1では、バッテリーモジュール20同士の間隔、またバッテリーモジュール20とパックケース10との間の間隔確保によって空間損失が発生する限界があった。本発明ではこのような間隔の確保を必要としない。ラージモジュール250が48個のバッテリーセルを含む場合、バッテリーモジュール20が24個のバッテリーセルを含む従来のバッテリーパック1と比べて、容積率が9%増加したシミュレーション結果が得られた。このように、本発明によれば、バッテリーパックの剛性及び容積率を増加させることができる。
図13は、本発明の他の一実施形態による自動車を説明するための図である。
図13を参照すると、自動車Cは、上述した実施形態のバッテリーパックAまたはバッテリーパックBを含み得る。図示した例では、バッテリーパックAを含んでいる。このような自動車Cは、電気自動車またはハイブリッド自動車、その他のバッテリーパックAを燃料源として備える自動車であり得る。
本実施形態による自動車Cは、上述した実施形態のバッテリーパックAを含むため、上述した実施形態のバッテリーパックAの長所をすべて含む。バッテリーパックAは、自動車Cの外にも、バッテリーパックAをエネルギー源とする電力貯蔵装置やその他の装置や器具などにも備えられ得る。
以上のような多様な実施形態によって、エネルギー密度を向上できるバッテリーパック及びこのようなバッテリーパックを含む自動車を提供することができる。
以上、本発明の望ましい実施形態を図示し説明したが、本発明が上述した特定の実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱することなく発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって多様な変形実施が可能であり、このような変更も特許請求の範囲内に含まれることは言うまでもない。
一方、本明細書において、上、下、前、後、左、右などのように方向を表す用語が使われたが、このような用語は説明の便宜上使用されたものであって、観測者の位置や対象になる物の位置などによって変わり得ることは本発明の当業者にとって自明である。
1 バッテリーパック
10 パックケース
12 トレイ
12a 側壁
14 トップカバー
20 バッテリーモジュール
22 バッテリーセル
50 シーリング部材
60 ワイヤハーネス
100 パックケース
110 トレイ
111 載置部位
112 段差部
112a 側壁
140 トップカバー
141 載置部位
142 締結延長部
150 シーリング部材
160 ワイヤハーネス
180 ブラケット
200,200’,200a,200b バッテリーモジュール
212 バッテリーセル
214 バッテリーセル積層体
220 バスバーフレーム
224 絶縁カバー
226 サイドプレート
230 センタープレート
240,240a,240b エンドプレート
242 フランジ
246 締結座
250 ラージモジュール
260 サブパック
270 パックサイドビーム
A,B バッテリーパック
P1,P2,P3 締結部材

Claims (17)

  1. 一つ以上のバッテリーモジュール、及び前記バッテリーモジュールを収納するためのパックケースを含み、
    前記バッテリーモジュールは、
    一つ以上のバッテリーセルが含まれたバッテリーセル積層体と、
    前記バッテリーセルの長手方向の両側で前記バッテリーセル積層体の前後側に密着して備えられる一対のエンドプレートと、を含み、
    前記パックケースは、
    前記バッテリーモジュールが上面に載置されるトレイと、
    前記バッテリーモジュールを収納した状態で、外周が前記トレイの上面で前記トレイの外周と対面結合するトップカバーと、を含み、
    前記一対のエンドプレートが、剛性を有するとともに前記トレイに締結されている、バッテリーパックであって、
    前記エンドプレートには、締結部材の挿入によって前記エンドプレートと前記トレイとが結合されるように、前記締結部材が挿入されるための貫通口が穿孔されたフランジ、又は、締結部材が挿入されるための締結座が形成されている、バッテリーパック
  2. 前記バッテリーモジュールは、
    前記バッテリーセル積層体の前後側に組み立てられるバスバーフレームと、
    前記バスバーフレームの外側に結合された絶縁カバーと、
    前記バッテリーセル積層体の最外側のバッテリーセルに結合されたサイドプレートと、をさらに含み、
    前記エンドプレートは、前記絶縁カバーの外側に重ねられる板状構造物である、請求項1に記載のバッテリーパック。
  3. 対面結合する前記トレイの外周と前記トップカバーの外周との間に介在されるシーリング部材をさらに含む、請求項1に記載のバッテリーパック。
  4. 一つ以上のバッテリーモジュール、及び前記バッテリーモジュールを収納するためのパックケースを含み、
    前記バッテリーモジュールは、
    一つ以上のバッテリーセルが含まれたバッテリーセル積層体と、
    前記バッテリーセルの長手方向の両側で前記バッテリーセル積層体の前後側に密着して備えられる一対のエンドプレートと、を含み、
    前記パックケースは、
    前記バッテリーモジュールが上面に載置されるトレイと、
    前記バッテリーモジュールを収納した状態で、外周が前記トレイの上面で前記トレイの外周と対面結合するトップカバーと、を含み、
    前記一対のエンドプレートが、剛性を有するとともに前記トレイに締結されている、バッテリーパックであって、
    前記トップカバーの外周には、前記トレイに対する締結のため、前記バッテリーパックの外側に折り曲げられて延びた締結延長部が形成され、前記締結延長部には締結部材が挿入される、バッテリーパック。
  5. 前記締結延長部に対応して、前記トレイの外周には前記バッテリーモジュールの載置部位から上方に折り曲げられた段差部が形成され、前記段差部上に位置した側壁で前記締結部材によって前記締結延長部と結合される、請求項4に記載のバッテリーパック。
  6. 前記一対のエンドプレートのいずれか一方にはフランジが形成され、前記フランジは、前記トップカバーの前記締結延長部と前記トレイの前記段差部との間の高さに位置するように前記側壁に置かれ、前記フランジには締結部材が挿入される、請求項5に記載のバッテリーパック。
  7. 前記一対のエンドプレートの他方の下部には締結座が形成され、前記トレイに設けられたブラケットに前記締結座を通して締結部材が挿入される、請求項6に記載のバッテリーパック。
  8. 前記トップカバーと側壁との間の空間にワイヤハーネスが配置される、請求項6に記載のバッテリーパック。
  9. 前記一対のエンドプレートは、複数のバッテリーモジュールを一体的に連結するように前記複数のバッテリーモジュール同士が共有する、請求項1から8のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
  10. 前記バッテリーモジュールは、XY平面でX方向(前記バッテリーセルの長手方向)×Y方向に2×n(nは1以上)行列で配置され、X方向に沿って並ぶバッテリーモジュール同士は互いの端子が対向する形態になるように配置され、前記Y方向に沿って載置されるバッテリーモジュール同士が前記一対のエンドプレートを共有する、請求項9に記載のバッテリーパック。
  11. 一つ以上のバッテリーモジュール、及び前記バッテリーモジュールを収納するためのパックケースを含み、
    前記バッテリーモジュールは、
    一つ以上のバッテリーセルが含まれたバッテリーセル積層体と、
    前記バッテリーセルの長手方向の両側で前記バッテリーセル積層体の前後側に密着して備えられる一対のエンドプレートと、を含み、
    前記パックケースは、
    前記バッテリーモジュールが上面に載置されるトレイと、
    前記バッテリーモジュールを収納した状態で、外周が前記トレイの上面で前記トレイの外周と対面結合するトップカバーと、を含み、
    前記一対のエンドプレートが、剛性を有するとともに前記トレイに締結されている、バッテリーパックであって、
    前記一対のエンドプレートは、複数のバッテリーモジュールを一体的に連結するように前記複数のバッテリーモジュール同士が共有し、
    前記バッテリーモジュールは、XY平面でX方向(前記バッテリーセルの長手方向)×Y方向に2×n(nは1以上)行列で配置され、X方向に沿って並ぶバッテリーモジュール同士は互いの端子が対向する形態になるように配置され、前記Y方向に沿って載置されるバッテリーモジュール同士が前記一対のエンドプレートを共有し、
    前記一対のエンドプレートのうち前記バッテリーパックの外側に設けられるエンドプレートにはフランジが形成され、前記フランジは前記トップカバーの締結延長部と前記トレイの段差部との間の高さに位置するように前記段差部上に位置した側壁に置かれ、前記フランジには締結部材が挿入され、
    前記一対のエンドプレートのうち前記バッテリーパックの内側に設けられるエンドプレートの下部には締結座が形成され、前記トレイに設けられたブラケットに前記締結座を通して締結部材が挿入される、バッテリーパック。
  12. 前記バッテリーモジュールは、
    前記バッテリーセル積層体の前後側に組み立てられるバスバーフレームと、
    前記バスバーフレームの外側に結合された絶縁カバーと、
    前記バッテリーセル積層体の最外側のバッテリーセルに結合されたサイドプレートと、をさらに含み、
    二つの前記バッテリーモジュールがセンタープレートによって結合されて一つのラージモジュールを構成し、該ラージモジュールの一つ以上が前記バッテリーパックに含まれる、請求項1から11のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
  13. 二つ以上の前記ラージモジュールを一方向に配列し、前記絶縁カバーの外側で前記一対のエンドプレートを共有してサブパックを構成する、請求項12に記載のバッテリーパック。
  14. 前記サブパックを前記バッテリーセルの長手方向に沿って二つ配列した、請求項13に記載のバッテリーパック。
  15. 前記サブパック内で互いに隣接したラージモジュールの間には空いた空間が形成されている、請求項13に記載のバッテリーパック。
  16. 前記一対のエンドプレートの少なくともいずれか一つの外側には、パックサイドビームがさらに結合されている、請求項13に記載のバッテリーパック。
  17. 請求項1から16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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