JP6474836B2 - 電池モジュール及びそれを含む電池パック - Google Patents
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Description
本発明は、電池モジュール及びそれを含む電池パックに関する。
近年、充放電可能な二次電池は、ワイヤレスモバイル機器のエネルギー源又は補助電力装置などとして広範囲に使用されている。また、二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン車両、ディーゼル車両などの大気汚染などを解決するための方案として提示されている電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−Ｉｎ ＨＥＶ）などの動力源としても注目されている。
小型モバイル機器には、デバイス１台当たり１個、又は２〜４個の電池セルが使用される一方、補助電力装置又は自動車などのような中大型デバイスには、高出力大容量の必要性により、多数の電池セルを電気的に接続した電池モジュールが使用される。
電池モジュールは、可能な限り小さい大きさ及び重量で製造されることが好ましいため、高い集積度で充積することができ、容量に比べて重量の小さい角形電池、パウチ型電池などが中大型電池モジュールの電池セル（単位電池）として主に使用されている。特に、アルミニウムラミネートシートなどを外装部材として使用するパウチ型電池は、重量が小さく、製造コストが低く、形状の変形が容易であるという利点により、最近多くの関心を集めている。
一般に、多数の電池モジュールからなる高容量／高出力の電池パックは、多数の電池セル又は電池モジュールを隣接して積層した後、ベースプレートに固定する方法を使用してきた。このような構造では、電池モジュールをベースプレートに固定するための手段として、長ボルト、及び電池モジュールのフレームとベースプレートに面接触する別途の固定ブラケットが使用されてきた。
しかし、前記のような長ボルト及び固定ブラケットを用いた締結構造は、電池パックに過度な衝撃が発生するとき、電池セルの積層方向又は地面から垂直な方向に遊動が発生し得るため、電池の安全性に問題を発生させるおそれがある。また、別途の固定ブラケットによって電池パック内部の空間が狭くなるだけでなく、電池パックの重量が増加するという問題があり、固定ブラケットを別途に締結する過程は、全工程時間を遅延させる問題を引き起こすこともある。
したがって、上記のような問題点を解決するための新たな組立構造の電池モジュールの開発の必要性が高い実情である。
本発明は、上記のような従来技術の問題点及び過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
本発明の目的は、外部衝撃が発生する場合にも、電池モジュールの固定構造を強固に維持することができ、電池パック内に電池モジュールを固定するための別途の構造を必要としないため、電池パックの内部空間が増加する電池パックを提供することである。
本発明の他の目的は、電池パックの組立及び交換時に電池モジュールの着脱作業が容易に行われることによって全体の作業工程時間を短縮することができる電池パックを提供することである。
このような目的を達成するための本発明に係る電池モジュールは、
多数の電池セルを含む電池モジュールであって、
前記電池セルがカートリッジに装着されている構造の単位モジュールの多数個が地面を基準として上下に積層されており、前記カートリッジに１つ以上の貫通口が穿孔されている構造の単位モジュール積層体；
前記単位モジュール積層体の上端と下端をそれぞれ支持する上端プレート及び下端プレートであって、前記上端プレートには前記貫通口に連通する第１締結口が穿孔されており、前記下端プレートには前記貫通口に連通する第２締結口が穿孔されている構造の上端プレート及び下端プレート；
前記下端プレート上に装着された単位モジュール積層体の少なくとも１つ以上の側面及び下端プレートの下面を取り囲み、前記第２締結口に連通する第３締結口が穿孔されている構造のモジュールハウジング；
下記の第２締結部材が挿入される貫通孔が中心軸に沿って穿孔されており、前記第１締結口及び貫通口を通過した後、第２締結口に結合される第１締結部材；及び
前記第１締結部材の貫通孔に挿入されて前記第３締結口に結合される第２締結部材；
を含む構造からなることができる。
多数の電池セルを含む電池モジュールであって、
前記電池セルがカートリッジに装着されている構造の単位モジュールの多数個が地面を基準として上下に積層されており、前記カートリッジに１つ以上の貫通口が穿孔されている構造の単位モジュール積層体；
前記単位モジュール積層体の上端と下端をそれぞれ支持する上端プレート及び下端プレートであって、前記上端プレートには前記貫通口に連通する第１締結口が穿孔されており、前記下端プレートには前記貫通口に連通する第２締結口が穿孔されている構造の上端プレート及び下端プレート；
前記下端プレート上に装着された単位モジュール積層体の少なくとも１つ以上の側面及び下端プレートの下面を取り囲み、前記第２締結口に連通する第３締結口が穿孔されている構造のモジュールハウジング；
下記の第２締結部材が挿入される貫通孔が中心軸に沿って穿孔されており、前記第１締結口及び貫通口を通過した後、第２締結口に結合される第１締結部材；及び
前記第１締結部材の貫通孔に挿入されて前記第３締結口に結合される第２締結部材；
を含む構造からなることができる。
したがって、本発明に係る電池パックは、多数個の単位モジュールを含む単位モジュール積層体及び前記単位モジュール積層体の上下端を支持するように結合される上下端プレートをモジュールハウジングに固定させる特定の構造の第１及び第２締結部材によって、電池パックに対して外部衝撃などが発生する場合にも、電池モジュールの固定構造を強固に維持することができ、別途の装着固定部材を必要としないので、電池パックの内部空間を確保することができる。
一具体例において、前記第１締結部材は、前記第１締結口の内径よりも大きい外径を有するヘッド、前記第１締結口及び貫通口に挿入される締結バー（bar）、及び前記第２締結口に結合されるためのねじ山が外面に形成されている第１締結端を含んでおり、前記ヘッド、締結バー及び第１締結端の中心軸に沿って貫通孔が穿孔されている構造であり、前記第２締結部材は、前記第１締結部材の貫通孔の内径よりも大きい外径を有するヘッド、前記第１締結部材の貫通孔に挿入される挿入バー、及び前記第１締結部材の貫通孔の下端から突出し、第３締結口に結合されるためのねじ山が外面に形成されている第２締結端を含む構造からなることができる。
前記第１締結部材のヘッドには、第２締結部材のヘッドが導入装着されるための湾入部が形成されており、前記締結バーの上端内面にレンチングボルトの構造が形成されてもよい。
前記構造において、前記湾入部は、少なくとも第２締結部材のヘッドの高さ以上に湾入している構造であってもよい。
また、前記第２締結部材のヘッドにレンチングボルトの構造が形成されている構造であってもよい。
具体例において、前記カートリッジ、上端プレート及び下端プレートは、前記第１締結部材によって結合された後、前記第２締結部材が前記貫通孔を通して前記第３締結口に締結されて前記モジュールハウジングと結合される構造であってもよい。
前記構造において、前記第２締結口及び第３締結口には、前記第１締結部材及び第２締結部材の第１締結端と第２締結端が回転結合されるように、対応する形状のスクリュー構造が刻印されている構造であってもよい。
一方、本発明によれば、前記第１締結部材及び第２締結部材は金属素材からなる構造であってもよく、前記上下端プレートはそれぞれ金属素材であってもよいが、これに限定されるものではない。
一具体例において、前記カートリッジは、電池セルを装着できるように前記電池セルに対応する長方形構造であって、単位モジュール積層体を固定するための前記第１締結部材が挿入される貫通口が４つの角部に形成されている構造であってもよい。
前記電池セルは、例えば、樹脂層と金属層を含むラミネートシートの電池ケースに電極組立体が内蔵されている構造のパウチ型電池セルであってもよい。
具体的に、前記電池セルは、正極／分離膜／負極の構造の電極組立体が電解液と共に電池ケースの内部に密封されているパウチ型電池セルであって、全体的に幅に比べて厚さが薄い略直方体構造である板状型からなることができる。このようなパウチ型電池セルは、一般的にパウチ型の電池ケースからなることができ、前記電池ケースは、耐久性に優れた高分子樹脂からなる外部被覆層；水分、空気などに対して遮断性を発揮する金属素材からなる遮断層；及び熱融着可能な高分子樹脂からなる内部シーラント層が順次積層されているラミネートシート構造で構成されてもよい。
前記パウチ型電池セルにおいてケースは、様々な構造からなることができ、例えば、２単位の部材として上部及び／又は下部内面に形成されている収納部に電極組立体を収納した後、ケースの外周面の上下部接触部位を熱融着して密封する構造などを挙げることができる。前記のような構造のパウチ型電池セルは、本出願人のＰＣＴ国際出願第ＰＣＴ／ＫＲ２００４／００３３１２号に開示されており、前記出願は、参照として本発明の内容に組み込まれる。しかし、電池ケースが、１単位の部材として上部及び／又は下部内面に形成されている収納部に電極組立体を収納した後、ケースの外周面の上下部接触部位を熱融着して密封する構造であってもよいことは勿論である。
具体例において、前記ラミネートシートは、熱融着の内部樹脂層、遮断性金属層、及び耐久性を発揮する外部樹脂層を含む構造からなることができる。
本発明はまた、前記電池モジュールを単位体として含む高出力大容量の中大型電池パックを提供する。前記中大型電池パックは、要求される容量又は出力に応じて、様々な個数の電池モジュールが電気的に接続された状態で装着されている構造からなることができる。
本発明はまた、前記電池パックを含むことを特徴とするデバイスを提供し、前記デバイスは、例えば、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、及び電力貯蔵装置のうち１つであってもよいが、これに限定されない。
このようなデバイスの構造及び作製方法は当業界に公知となっているので、本明細書では、それについての詳細な説明を省略する。
以下では、本発明の実施例に係る図面を参照して説明するが、これは、本発明のより容易な理解のためのものであり、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。
図１には、本発明の単位モジュールに装着される一つの例示的な電池セルの斜視図が模式的に示されており、図２には、図１の分解模式図が示されている。
これらの図面を参照すると、パウチ型電池セル２００は、パウチ型電池ケース１００の内部に、正極、負極及びこれらの間に配置される分離膜からなる電極組立体が、それの正極及び負極タブ２２０，２３０と電気的に接続される２つの電極端子２２２，２３２が外部に露出するように密封されている構造となっている。
電池ケース１００は、電極組立体２１０を装着できる凹状の収納部１４２を含むケース本体１４０、及びそのような本体１４０に一体に連結されているカバー１５０からなっている。
スタック型又はスタック／フォールディング型の構造を有する電極組立体２１０は、多数の正極タブ２２０と多数の負極タブ２３０がそれぞれ融着されて電極端子２２２，２３２に共に結合されている。また、ケース本体１４０の余剰部１４４とカバー１５０が熱融着機によって熱融着されるとき、そのような熱融着機と電極端子２２２，２３２との間にショートが発生することを防止し、電極端子２２２，２３２と電池ケース１００との密封性を確保するために、電極端子２２２，２３２の上下面に絶縁フィルム２４０が付着される。
ケース本体１４０とカバー１５０は、外側樹脂層１１０、遮断性金属層１２０及び内側樹脂層１３０で構成されており、内側樹脂層１３０は、ケース本体１４０の外面及びカバー１５０の外面に加えられる熱融着機（図示せず）からの熱と圧力によって密着固定され得るようになる。
電解液が含浸された電極組立体２１０を収納部１４２に装着した状態で、ケース本体１４０の余剰部１４４とカバー１５０との接触部位を熱融着させると、シーリング部が形成される。
図３には、本発明の一実施例に係る単位モジュール積層体の分解斜視図が示されており、図４には、図３の単位モジュール積層体の斜視図が模式的に示されており、図５には、本発明の一実施例に係る電池モジュールの分解斜視図が示されており、図６には、図５の電池モジュールの斜視図が模式的に示されている。
これらの図面を参照すると、本発明に係る電池モジュール５００は、電池セル２００がそれぞれ装着された状態で地面を基準として上下方向に積層されている多数個のカートリッジ２０を含む単位モジュール積層体３００、カートリッジ２０の最上端と最下端をそれぞれ支持する上端プレート１０及び下端プレート３０、及び下端プレート３０上に装着された単位モジュール積層体３００の側面と下端プレート３０の下面を取り囲む構造のモジュールハウジング７０を含んで構成されている。
カートリッジ２０には、４つの角部に貫通口２１が穿孔されており、上端プレート１０には、貫通口２１に連通するように対応する部位に第１締結口１１が穿孔されている。同様に、下端プレート３０には、貫通口２１に連通するように対応する部位に第２締結口（図示せず）が穿孔されている。
モジュールハウジング７０には、前記第２締結口に連通するように対応する部位に第３締結口７１が穿孔されている。ここで、前記第２締結口及び第３締結口７１の内周面には、第１締結部材５０及び第２締結部材６０に形成されている下記の第１締結端５４（図７参照）と第２締結端６３（図７参照）が回転結合されるように、対応する形状のスクリュー構造（図示せず）が刻印されている。したがって、第１締結部材５０の第１締結端５４が下端プレート３０の前記第２締結口に結合され、第２締結部材６０の第２締結端６３がモジュールハウジング７０の第３締結口７１に容易に結合される。
図７には、本発明の一実施例に係る締結部材の斜視図が示されており、図８には、図７の締結部材の側面図、平面図及び底面図が模式的に示されており、図９には、本発明の一実施例に係る第２締結部材の斜視図が模式的に示されている。
これらの図面を図１乃至図６と共に参照すると、本発明に係る締結部材は第１締結部材５０及び第２締結部材６０を含んでいる。
第１締結部材５０には、内径Ｗ１よりも大きい外径Ｗ２を有するヘッド５１、第１締結口１１及び貫通口２１に挿入される締結バー５２、及び第２締結口に結合されるためのねじ山が外面に形成されている第１締結端５４が形成されており、中心軸に沿って貫通孔５５が穿孔されている構造となっている。
第１締結部材５０のヘッド５１には、第２締結部材６０のヘッド６１が安定的に装着されるための湾入部５７が形成されており、締結バー５２の上端内面には、締結を容易にするためのレンチングボルトの構造５６が形成されている。
また、第２締結部材６０は、前記第１締結部材５０の貫通孔５５の内径Ｗ３よりも大きい外径Ｗ１を有するヘッド６１、第１締結部材５０の貫通孔５５に挿入される挿入バー６２、及び貫通孔５５の下端から突出し、第３締結口７１に結合されるためのねじ山が外面に形成されている第２締結端６３が形成されており、ヘッド６１には、締結を容易にするためのレンチングボルトの構造６６が形成されている。
したがって、カートリッジ２０を含む単位モジュール積層体３００、上端プレート１０及び下端プレート３０は、第１締結部材５０がカートリッジ２０の貫通口２１、上端プレート１０の第１締結口１１及び下端プレート３０の第２締結口（図示せず）を順次貫通して装着され、第２締結部材６０が第１締結部材５０に干渉なしに挿入されながら、モジュールハウジング７０に形成されている第３締結口７１に第２締結部材６０の第２締結端６３が回転結合されることによって、単位モジュール積層体３００、上端プレート１０、下端プレート３０及びモジュールハウジング７０が強固に固定される。
以上、本発明の実施例に係る図面を参照して説明したが、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
以上で説明したように、本発明に係る電池モジュールは、ブッシング締結構造の締結部材によって、振動、落下などの外部衝撃が発生する場合にも電池モジュールの固定構造が強固に維持されることによって、安全性を向上させる効果がある。
また、電池モジュールをベースプレートに固定するための固定ブラケットなどの別途の手段を省略できるので、電池パックの内部空間が増加する効果がある。
１０ 上端プレート
１１ 第１締結口
２０ カートリッジ
３０ 下端プレート
７０ モジュールハウジング
７１ 第３締結口
２００ 電池セル
３００ 単位モジュール積層体
５００ 電池モジュール
１１ 第１締結口
２０ カートリッジ
３０ 下端プレート
７０ モジュールハウジング
７１ 第３締結口
２００ 電池セル
３００ 単位モジュール積層体
５００ 電池モジュール
Claims (15)
- 多数の電池セルを含む電池モジュールであって、
前記電池セルがカートリッジに装着されている構造の単位モジュールの多数個が地面を基準として上下に積層されており、前記カートリッジに１つ以上の貫通口が穿孔されている構造の単位モジュール積層体と、
前記単位モジュール積層体の上端と下端をそれぞれ支持する上端プレート及び下端プレートであって、前記上端プレートには前記貫通口に連通する第１締結口が穿孔されており、前記下端プレートには前記貫通口に連通する第２締結口が穿孔されている構造の上端プレート及び下端プレートと、
前記下端プレート上に装着された単位モジュール積層体の少なくとも１つ以上の側面及び下端プレートの下面を取り囲み、前記第２締結口に連通する第３締結口が穿孔されている構造のモジュールハウジングと、
下記の第２締結部材が挿入される貫通孔が中心軸に沿って穿孔されており、前記第１締結口及び貫通口を通過した後、第２締結口に結合される第１締結部材と、
前記第１締結部材の貫通孔に挿入されて前記第３締結口に結合される第２締結部材と、
を含むことを特徴とする、電池モジュール。 - 前記第１締結部材は、
前記第１締結口の内径よりも大きい外径を有するヘッドと、
前記第１締結口及び貫通口に挿入される締結バー（bar）と、
前記第２締結口に結合されるためのねじ山が外面に形成されている第１締結端と、
を含んでおり、前記ヘッド、締結バー及び第１締結端の中心軸に沿って貫通孔が穿孔されている構造からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。 - 前記第２締結部材は、
前記第１締結部材の貫通孔の内径よりも大きい外径を有するヘッドと、
前記第１締結部材の貫通孔に挿入される挿入バーと、
前記第１締結部材の貫通孔の下端から突出し、第３締結口に結合されるためのねじ山が外面に形成されている第２締結端と、
を含む構造からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。 - 前記第１締結部材は、
前記第１締結口の内径よりも大きい外径を有するヘッドと、
前記第１締結口及び貫通口に挿入される締結バー（bar）と、
前記第２締結口に結合されるためのねじ山が外面に形成されている第１締結端と、
を含んでおり、前記ヘッド、締結バー及び第１締結端の中心軸に沿って貫通孔が穿孔されている構造からなり、
前記第２締結部材は、
前記第１締結部材の貫通孔の内径よりも大きい外径を有するヘッドと、
前記第１締結部材の貫通孔に挿入される挿入バーと、
前記第１締結部材の貫通孔の下端から突出し、第３締結口に結合されるためのねじ山が外面に形成されている第２締結端と、
を含む構造からなり、
前記第１締結部材のヘッドには、第２締結部材のヘッドが導入装着されるための湾入部が形成されており、前記締結バーの上端内面にレンチングボルトの構造が形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電池モジュール。 - 前記湾入部は、少なくとも第２締結部材のヘッドの高さ以上に湾入している構造からなることを特徴とする、請求項４に記載の電池モジュール。
- 前記第２締結部材のヘッドにレンチングボルトの構造が形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の電池モジュール。
- 前記カートリッジ、上端プレート及び下端プレートは、前記第１締結部材によって結合された後、前記第２締結部材が前記貫通孔を通して前記第３締結口に締結されて、前記モジュールハウジングと結合されることを特徴とする、請求項２又は３に記載の電池モジュール。
- 前記第２締結口及び第３締結口には、前記第１締結部材及び第２締結部材の第１締結端と第２締結端が回転結合されるように、対応する形状のスクリュー構造が刻印されていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の電池モジュール。
- 前記第１締結部材及び第２締結部材は金属素材からなることを特徴とする、請求項２又は３に記載の電池モジュール。
- 前記上下端プレートはそれぞれ金属素材であることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
- 前記カートリッジは、
電池セルを装着できるように前記電池セルに対応する長方形構造であって、前記単位モジュール積層体を固定するための前記第１締結部材が挿入される貫通口が４つの角部に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。 - 前記電池セルは、樹脂層と金属層を含むラミネートシートのケースに電極組立体が内蔵されているパウチ型電池セルであることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
- 前記ラミネートシートは、熱融着の内部樹脂層、遮断性金属層、及び耐久性を発揮する外部樹脂層を含む構造からなることを特徴とする、請求項１２に記載の電池モジュール。
- 請求項１から１３のいずれか一項に記載の電池モジュールを２つ以上含んでいる、電池パック。
- 前記電池パックは、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、または電力貯蔵装置の電源として使用されることを特徴とする、請求項１４に記載の電池パック。
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