TWI420728B - 具優異結構穩定性之電池模組 - Google Patents

Description

具優異結構穩定性之電池模組

本發明係關於一種具有優異結構穩定性之電池模組，尤其更關於一種包含有二次電池或單元模組之中型或大型之電池模組，其中每一單元模組係包含有二或多個二次電池設置於其中，且係垂直豎起並層疊。電池模組更包括有底盤、一對端末盤、以及支撐桿。其中，該每一端末盤係包括：一主體，係與對應之一個單元模組接觸；以及由主體周緣向外突出之一上壁、一下壁、及一對側壁。每一側壁之厚度係以由上壁往下壁增加。因此，可將由單元模組及支撐桿而來之壓力(彎曲載荷)分散。

車輛使用石化燃料(例如，汽油以及柴油)所造成之最大問題之一係產生空氣污染。而使用可充電及放電之二次電池作為車輛之電力來源，則被視為可解決上述問題之一辦法，而吸引許多人之注意。因此，開發出了僅使用電池之電動車(electric vehicles,EV)，以及將電池以及傳統引擎混用之複合動力車(hybrid electric vehicles,HEV)。而目前市面上已有販售電動車以及複合動力車。電動車(EV)以及複合動力車(HEV)中，主要係使用鎳氫電池(Ni-MH)二次電池作為電力來源，而近年來也有嘗試使用鋰離子二次電池作為電力來源。

作為電動車(EV)以及複合動力車(HEV)之電力來源的二次電池，必須具有高功率以及大容量之特性。為此，係將多個小尺寸之二次電池(單元電池(Unit Cell))彼此間串聯連接而形成一電池模組。而依照狀況，小尺寸之二次電池(單元電池(Unit Cell))彼此間係以串聯及並聯之方式連接而形成電池模組。

一般而言，電池模組之結構需可以保護單元模組，該每一單元模組係設置有二次電池於其中。電池模組的結構係根據車輛種類之不同、或電池模組於車輛中之設置位置不同而有所變化。其中，能有效將大容量單元模組固定之結構係為支撐桿及端末盤。此結構之優點在於，即使負載施於支撐桿，仍可將單元模組之移動量降至最小。然而，為此必需有效地確保支撐桿及端末盤之強度。

尤其，端末盤之所在位置係與負載施加之方向垂直，而單元模組之重量所產生之彎曲載荷係施於端末盤。因此，端末盤之結構需可將彎曲載荷分散。若端末盤之結構無法適當的將彎曲載荷(bending load)分散，則端末盤之較脆弱之區域，例如端末盤之耦合區域或是端末盤之轉角，容易嚴重破損。

例如，如圖2所示，當端末盤30中之轉角33為開啟時，端末盤30完全無法承受彎曲。因此，當支撐桿及單元模組之重量施於圖2之端末盤30時，端末盤30會嚴重地變形，因此造成端末盤30之彎曲部位受損。

如圖3所示之端末盤30a中，端末盤30a之轉角35係整合相連，以形成如圖2之端末盤30，因此較不會像圖2結構一般，有圖3之端末盤30a彎曲部位受損的情形發生。然而，彎曲載荷會集中於端末盤30a的耦合區域37，因此會使耦合區域37受損。

此外，當電池模組組裝於車輛之殼體內時，經常會由於殼體內部空間配置需求而使一部分底盤需裝設於輪胎上方之空間。亦即，電池模組會以一非對稱結構裝設。因此當行走於崎嶇不平之路面而造成震動時，會對電池模組產生扭曲的載荷，而此扭曲載荷會移轉至端末盤，因而造成端末盤容易受損。

因此，本領域極需一種垂直堆疊型電池模組，使其結構可穩定維持單元模組之堆疊結構，並適當地分散彎曲載荷，使得即使由支撐桿及單元模組而來之壓力施於端末盤時，端末盤之耦合區域或彎曲部位亦不會受損。

因此，本發明係為了解決上述問題、以及其他技術性方面的問題而提出。

本發明之一目的在於提供一電池模組，其端末盤具有一特殊結構，可使端末盤不受變形並具有較佳的應力抵抗性以對抗彎曲載荷，並可穩定地維持單元模組之堆疊結構(其每一單元模組中係設有二次電池)，並可將端末盤之彎曲部位或耦合區域的傷害減至最低。

本發明之另一目的在於提供一種電池模組，其中該電池模組之一部分結構係使用車輛之形狀之一部分來形成，因此電池模組可穩定地裝設於車輛中，且可將於車輛中之電池模組的體積降至最小。

為達到上述目的，根據本發明之一態樣，其係提供一種包含有二次電池或單元模組之中型或大型之電池模組，其中每一單元模組係包含有二或多個二次電池設置於其中，且係垂直豎起並層疊。電池模組更包括有底盤、一對端末盤、以及支撐桿，單元模組係垂直豎起並層疊於底盤上，端末盤係與最外側之單元模組之外表面緊密接觸且端末盤之底部係固定於底盤，且支撐桿係將端末盤之上部分或側部分之相對側面連接，以支撐該端末盤。其中，該每一端末盤係包括：一主體，係與對應之一個單元模組接觸；以及由主體周緣向外突出之一上壁、一下壁、及一對側壁。每一側壁之厚度係以由上壁往下壁增加。因此，可將由單元模組及支撐桿而來之壓力(彎曲載荷)分散。於此，「向外」係指與壓力方向相反之方向，亦即與單元模組以及支撐桿位於端末盤主體之基底的方向相反之方向。

本發明之電池模組中，單元模組層疊於該底盤上方，且係藉由端末盤而彼此間緊密接觸，且端末盤係透過支撐桿而固定，因此可防止單元模組於厚度方向的移動或膨脹。並且，可提升電池模組之安全性並有效防止電池模組效能的劣化。

並且，每一端末盤包括：一主體，主體係與對應之一個單元模組接觸；以及由主體周緣向外突出之一上壁、一下壁、及一對側壁。每一側壁之厚度係以由上壁往下壁之方向增加。因此，由單元模組及支撐桿而來之壓力(彎曲載荷)則可由單元模組及支撐桿分散至上壁、下壁、及側壁。

本發明中，每一單元模組可為一二次電池或包含有二或多個二次電池設置於其中之小尺寸模組。包含有二或多個二次電池設置於其中之單元模組之例子係可參考韓國專利申請第2006-12303號，係由與本申請案同樣之申請人提出申請。上述專利申請所揭示之內容中，單元模組係具有二個二次電池，此二個二次電池係配置於一框架單元，框架單元具有一入口端以及出口端，使該些二次電池彼此間緊密接觸。

另一單元模組之例子可參考韓國專利申請第2006-20772號、以及第2006-45444號，係由與本申請案同樣之申請人提出申請。上述專利申請所揭示之內容中，單元模組係具有二個二次電池，此二個二次電池係覆蓋有一對高強度電池殼體，以使該些二次電池彼此間互相緊密接觸。上述專利申請所揭示之內容係一併列入參考。當然，本發明之電池模組中之每一單元模組之結構，並不僅限於上述申請案中所述之單元模組。

本發明之電池模組中，每一端末盤可具有各種不同結構，以有效地將由單元模組及支撐桿而來之彎曲載荷分散出去。

本發明之電池模組之結構之例子中，當以側視角度觀看時，每一側壁之邊緣可呈現直線，且每一側壁可呈現約為直角三角形之形狀。

因此，藉由此結構，相較於側視角度觀看時大致為矩形之結構(如圖2及3所示之端末盤之結構)，可更有效地支撐由單元模組以及支撐桿所來之彎曲載荷。

雖然難以正確地將端末盤之每一側壁的形狀與可支撐之彎曲載荷之關係定義出來；然而，藉由模擬結果(後續將更詳細說明)可知，將每一端末盤之轉角一體成型，可防止每一端末盤之彎曲部位的受損；且將固定每一端末盤位置之面積增加、使支撐彎曲載荷之每一側壁之厚度係以由上壁往下壁之方向增加、並於側視角度觀看時使側壁呈現直角三角形之形狀，則可將累積於每一端末盤之耦合區域的荷載分散至側壁及下壁。

本發明之電池模組之結構之另一例子中，每一側壁之邊緣可呈現拋物線之形狀。相較於每一側壁之邊緣為直線形狀之結構，於每一側壁之邊緣呈現拋物線之形狀之結構中，可更緩慢地吸收由單元模組及支撐桿而來之彎曲載荷

在此，拋物線之形狀可為不同。例如，拋物線之形狀可為由最外側該單元模組之之一者之底部轉角向外突出之形狀。若每一端末盤具有此形狀，可達到抑制電池模組體積之最佳效果，並最有效地吸收彎曲載荷，因此具有此結構之端末盤係特別合宜。

於另一例子中，拋物線之形狀可為一由最外側單元模組之一者之底部轉角朝內凹下之形狀。

根據本發明之發明人所作之實驗結果，確定了相較於拋物線之形狀為最外側單元模組之底部轉角向外突出的形狀，此朝內凹下之結構每一端末盤具有較大的應力；但相較於側壁邊緣為直線的結構，此朝內凹下之結構每一端末盤具有較小的應力。

依照所需，端末盤之每一側壁之邊緣部份可去角。

每一端末盤之面積可為由上壁、側壁、及下壁之順序增加，藉此可藉由此結構力學輕易地承受由支撐桿以及單元模組而來之壓力。

上述結構中，每一側壁之面積可為超過下壁之40%至90%或以上。

若每一側壁之面積少於下壁之40%，則每一側壁將難以支撐由支撐桿以及單元模組而來之彎曲載荷。此外，若每一側壁之面積多於下壁之90%，會使得電池模組整體的體積增加。

更佳地，每一側壁之面積係為下壁之55%至75%。當每一側壁之面積符合此範圍時，則可使電池模組之體積增加得以最小化，並輕易地承受彎曲載荷。

於一較佳實施例中，每一側壁可具有珠粒，使可具有更完美的耐久性以及結構穩定性以對抗外力，如扭力或震動。珠粒之形狀並無特殊限制，只要可提供結構穩定性使對抗外力即可。例如，珠粒可為：條形珠粒，可具有凸形狀及凹形狀並具有大的長寬比；凹下形珠粒；或是突出形珠粒。

同時，每一端末盤之主體的上部分可具有一對貫穿孔，可使支撐桿插入該些相對的貫穿孔中。如此，支撐桿插入至端末盤之貫穿孔，而可輕易地組設支撐桿及端末盤。

於此些狀況中，每一端末盤之邊緣可經焊縫(fillet)處理，以有效防止壓力的集中。

因此，每一端末盤之邊緣可具有焊縫結構，使可將每一端末盤邊緣之壓力累積減到最小。

支撐桿可連接端末盤上部位或側部位之相對側面。

當支撐桿連接於端末盤上部位之相對側面間時，每一端末盤之上壁可由最外側單元模組之一者之頂部突出，而使支撐桿容設於端末盤之主體。如此，當裝設於單元模組上方時，支撐桿可與端末盤連接。

每一端末盤之上壁的突出高度可為最外側之單元模組之一者之高度的2至20%。若每一端末盤之上壁的突出高度少於最外側之單元模組之高度的2%時，則難以將支撐桿設置於端末盤，或是必須使用相對尺寸的支撐桿，但如此會造成支撐桿整體強度減少。另一方面，若每一端末盤之上壁的突出高度多於最外側之單元模組之高度的20%時，電池模組的體積會大幅增加，而此為不希望發生的事情。

每一端末盤係固定於底盤，其中每一端末盤之下壁係與底盤連接。因此，則難以防止外部衝擊施與端末盤時，端末盤由底盤脫落的現象。

例如，每一端末盤之下壁的部位可形成有一對連接孔洞，可將栓子插入至該連接孔洞中，使端末盤可固定至底盤。另外，端末盤與底盤之間的連接亦可藉由焊接達成。

根據本發明之另一實施態樣，係提供一種使用上述電池模組作為電力來源之電動車、複合動力車、或插電式複合電動車(plug-in hybrid electric vehicle)，使用上述電池模組可符合裝設的空間限制，並可抵抗頻繁的震動以及強力衝擊。

當然，該作為車輛之電力來源的電池模組可依據所需之功率及容量互相結合並生產。

於此，車輛可為電動車、複合動力車、或插電式複合電動車，其車輛之殼體中係設有本發明之電池模組。

該些使用本發明之電池模組作為電力來源之電動車、複合動力車、或插電式複合電動車可為習知之車輛，因此其詳細描述則不在此多加贅述。

如上所述，本發明之電池模組，其中端末盤係不變形且對於彎曲載荷具有較佳的抵抗能力。因此，可穩定維持單元模組(其每一係具有二次電池設置其中)之層疊結構，並使端末盤之彎曲部位或耦合區域的受損減至最小。

並且，電池模組之結構部位係使用車輛之形狀之一部分來形成，因此電池模組可穩定地裝設於車輛中，且可將於車輛中之電池模組的體積降至最小。

以下將伴隨圖示詳細解說本發明之實施例。然而，應注意本發明之範疇並不僅限於下述之實施例的範圍。

圖1係本發明一較佳實施例之電池模組之示意圖。

如圖1所示，電池模組100包括有：單元模組10，每一單元模組10係包括有二次電池設置於其中；一底盤20；一對端末盤30；以及支撐桿40。

該些單元模組10係垂直豎起並層疊於該底盤上方。端末盤30係固定於底盤20上方，且端末盤30係與最外側之單元模組10之外表面緊密接觸。

支撐桿40係連接於端末盤30上部分間，以支撐該端末盤30。

每一端末盤30係包括：一主體32，係與對應之一個單元模組10接觸；以及由主體32周緣向外突出之一上壁34、一下壁36、及一對側壁38。每一側壁38之厚度係以由上壁34往下壁36之方向增加。因此，由單元模組10及支撐桿40而來之彎曲載荷則可由主體32分散至每一端末盤30之側壁38及下壁36。

每一端末盤30之下壁36經由焊接而固定於底盤20。

圖4至6係為本發明之端末盤之各種實施態樣之示意圖。

如圖4以及圖1所示，端末盤30b之側壁38之邊緣係呈直線，且由側邊觀看，每一側壁38係呈現約為直角三角形之形狀。

端末盤30b中，依據上壁34、側壁38、至下壁36之順序，其端末盤30b面積係逐漸增加。每一側壁38的面積係約為下壁36的面積的60%。

此外，一對貫穿孔302係形成於端末盤30b之主體32的上部分，可使支撐桿40插入該些貫穿孔302中。端末盤30b之邊緣係經焊縫處理，以有效防止由支撐桿40及單元模組10而來之壓力集中於端末盤30b之邊緣。

端末盤30b之上壁34由最外側之單元模組10之頂部突出，且其突出高度為最外側之單元模組10之高度H的10%，使支撐桿40可輕易地設置於端末盤30b上部位之相對側邊。

如圖5及圖1所示，端末盤30c之側壁38之邊緣係從最外側單元模組10之底部轉角呈拋物線凹下。

最後，請參閱圖6及圖1，端末盤30d之每一側壁38之邊緣係從最外側單元模組10之底部轉角呈拋物線突出。

圖2至圖6中所示之端末盤係固定於如圖1中所示之電池模組，並對於應力以及最大壓力進行模擬，以確定圖2至圖6中所示之端末盤之結構之連接區域之所受應力。

圖7至11係示出了端末盤的正確尺寸以及形狀，並同時示出其應力分佈情形。此外，下表1係顯示如圖3至6(圖8至11)之端末盤結構之相關應力以及最大壓力之結果，而此結果係假設以圖2(圖7)所示之端末盤30結構所得到之應力以及最大壓力為100.00%。

如圖7至圖11所示，如圖2所示之端末盤30以及如圖3所示之端末盤30a其主體之下部位、每一側壁之下部位、以及下壁大致上皆具有高應力分布。特別是，下壁部分出現了非常高的應力分布，其中下壁係與底盤相接。該具高應力分佈之區域會因受到外部力量的施與而輕易地破裂。

此外，表1係顯示圖4之端末盤30b具有1.84%的應力以及11.20%的最大壓力，此係遠小於圖2及3之端末盤30及30a的應力及最大壓力。

再者，可看到圖6之端末盤30b具有1.80%的應力以及11.20%的最大壓力，此圖6之端末盤30b的應力係小於圖4及5之端末盤30b及30c的應力。

將圖4至6所示之端末盤4於相同模擬條件下所得到之數值進行比較，結果如表2所示。此圖5及6之相對應力以及最大壓力之比較值(圖10及11)，係假設圖4之端末盤30b結構之應力以及最大壓力(圖7)之值為100.00%。

如上表2所示，圖6之端末盤30d具有97.92%的應力以及99.67%的最大壓力，其係小於圖4及5之端末盤30b及30c的應力以及最大壓力。雖然難以正確地將端末盤之每一側壁的形狀與所受應力(與最大壓力)之關係定義出來，但可看出圖6之端末盤30d係為用於支撐如圖1所示之電池模組之支撐桿及單元模組而來之彎曲載荷之最佳(最優秀)的端末盤。如此，藉由僅將端末盤之側壁的形狀部分改變(改成由上壁至下壁係厚度增加之狀態)，即可降低應力及最大壓力，而此為非一般可預期得到之結果。

圖12係本發明另一較佳實施例之端末盤之側視圖。

除了側壁38e之邊緣31e區域係去了一角以外，圖12所示之端末盤30e係與如圖4至6中所示之端末盤30b、30c、30d結構相同，因此其他特徵不在此贅述。

圖13係本發明又一較佳實施例之端末盤之示意圖。

圖13之端末盤30f中，每一側壁38f係形成有珠粒39，故可具有更佳的耐久性以及結構穩定性以對抗外力，如扭力或震動。

珠粒39可形成於每一側壁38f之整個表面或是每一側壁38f之部分表面。此外，珠粒39可為條形珠粒39a，具有凸形狀或凹形狀，以及大的長寬比。或是，珠粒39可包括有複數獨立的凹形珠粒39b或是複數獨立的凸形珠粒(圖未示)。當然，珠粒39可具有其他各種形狀。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。

100．．．電池模組

10．．．單元模組

20．．．底盤

30．．．端末盤

30a

30b．．．端末盤

30c．．．端末盤

30d．．．端末盤

30e．．．端末盤

30f．．．端末盤

302．．．貫穿孔

31．．．邊緣

31e．．．邊緣

32．．．主體

33．．．轉角

34．．．上壁

35．．．轉角

36．．．下壁

37．．．耦合區域

38．．．側壁

38c．．．側壁

38d．．．側壁

38e．．．側壁

38f．．．側壁

39．．．珠粒

39a．．．條形珠粒

39b．．．凹形珠粒

40．．．支撐桿

H．．．高度

為讓本發明之上述與其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，配合所附圖式加以說明，其中：

圖1係本發明一較佳實施例之電池模組之示意圖。

圖2及3係一習知端末盤之示意圖。

圖4至6係為本發明之端末盤之各種實施態樣之示意圖。

圖7至11係圖2至圖6中所示之端末盤之結構之連接區域示意圖。

圖12及13係本發明另一較佳實施例之端末盤之側視圖。

100．．．電池模組

10．．．單元模組

20．．．底盤

30．．．端末盤

32．．．主體

34．．．上壁

36．．．下壁

38．．．側壁

40．．．支撐桿

H．．．高度

Claims (17)

1. 一種中型或大型之電池模組，其係包含有二次電池或單元模組，該每一單元模組係包含二或多個垂直豎起並層疊之二次電池設置於其中，且該電池模組包括：一底盤，該單元模組係垂直豎起並層疊於該底盤上；一對端末盤，係與最外側之該單元模組之外側表面緊密接觸，且該端末盤之底部係固定於該底盤；以及支撐桿，係連接於該端末盤之上部分或側部分之相對側面間，以支撐該端末盤；其中，該每一端末盤係包括：一主體，係與對應之該單元模組之一接觸；以及由該主體周緣向外突出之一上壁、一下壁、及一對側壁，該每一側壁之厚度係以由該上壁往該下壁增加，以分散該單元模組及該支撐桿而來之壓力(彎曲載荷)。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中，該每一側壁之邊緣係呈現一直線，且於側視角度觀看時，該每一側壁係呈現約為直角三角形之形狀。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中，該每一側壁之邊緣係呈現一拋物線之形狀。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電池模組，其中，該拋物線之形狀係包括一由最外側之該單元模組之一者之一底部轉角向外突出之形狀。
5. 如申請專利範圍第3項所述之電池模組，其中，該拋物線之形狀係包括一由最外側之該單元模組之一者之一底部轉角朝內凹下之形狀。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中，該每一端末盤之面積係為由該上壁、該側壁、及該下壁之順序增加。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電池模組，其中，該每一側壁之面積係為超過該下壁之面積之40%至90%或以上。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電池模組，其中，該每一側壁之面積係為該下壁之面積之55%至75%。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中，該每一側壁係設有珠粒，以提升結構穩定性以對抗外力。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電池模組，其中，該珠粒係為：條形珠粒，具有一凸形狀及一凹形狀並具有大的長寬比；凹下形珠粒；或是突出形珠粒。
11. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中，該每一端末盤之該主體之上部分係具有一對貫穿孔，使該支撐桿插入相對之該貫穿孔。
12. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中，該每一端末盤之邊緣係經焊縫處理，以防止壓力集中。
13. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中，該每一端末盤之該上壁係由最外側之該單元模組之一者之一頂部突出，使該支撐桿容設於該端末盤之該主體。
14. 如申請專利範圍第13項所述之電池模組，其中，該每一端末盤之該上壁之突出高度係為最外側之該單元模組之一者之高度的2至20%。
15. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中，該每一端末盤係固定於底盤，且該每一端末盤之該下壁係與該底盤連接。
16. 複合動力車、或插電式複合電動車，係使用如申請專利範圍第1項所述之電池模組作為一電力來源。
17. 如申請專利範圍第16項所述之電動車、複合動力車、或插電式複合電動車，其中，該電池模組係裝設於該車輛之殼體中。