(57)【要約】  電池システムは、整列した複数の電池セルを収容するように構成された複数の単一体のセルトレイと、それぞれのセルトレイにおいて、前記電池セルと前記セルトレイに連結されて、前記電池セルを前記セルトレイ内に維持させるように構成された複数のセル保持部と、前記複数のセルトレイが収容されるキャップ（ｃａｐ）タイプの電池システムキャリアと、それぞれのセルトレイにおいて、前記セルトレイと前記電池システムキャリアに連結されて、前記セルトレイを前記電池システムキャリアに設置するように構成された複数のトレイ締結部および前記電池セルの冷却のために前記電池システムキャリアに設けられた冷却チャンネルを含む。前記各セルトレイは、前記複数の電池セルを露出させる開口を含み、前記冷却チャンネルは、前記各セルトレイの開口に対向されて前記電池システムキャリアに設けられる。
2019525397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
整列した複数の電池セルを収容するように構成された複数の単一体のセルトレイと、
それぞれのセルトレイにおいて、前記電池セルと前記セルトレイに連結されて、前記電池セルを前記セルトレイ内に維持させるように構成された複数のセル保持部と、
前記複数のセルトレイが収容されるキャップ（ｃａｐ）タイプの電池システムキャリアと、
それぞれのセルトレイにおいて、前記セルトレイと前記電池システムキャリアに連結されて、前記セルトレイを前記電池システムキャリアに設置するように構成された複数のトレイ締結部と、
前記電池セルの冷却のために前記電池システムキャリアに設けられた冷却チャンネルと、を含み、
前記各セルトレイは前記複数の電池セルを露出させる開口を含み、前記冷却チャンネルは前記各セルトレイの開口に対向されて前記電池システムキャリアに設けられる、電池システム。
【請求項２】
前記冷却チャンネルは、前記電池システムキャリアの外側面に設けられる、請求項１に記載の電池システム。
【請求項３】
前記電池システムキャリアは、
任意の間隔をおいて配置される複数の縦断梁と、
任意の間隔で前記複数の縦断梁と交差配置される複数の横断梁と、
前記複数の縦断梁および前記複数の横断梁と共に結合体を構成して作られたフロアを含むグランドプレートと、
前記グランドプレートおよび前記複数の縦断梁または前記グランドプレートおよび前記複数の横断梁と連結される支持梁と、を含み、
前記冷却チャンネルは前記グランドプレートに設けられる複数の冷却パイプを含む、請求項１に記載の電池システム。
【請求項４】
前記複数の冷却パイプは、前記グランドプレートに設けられる注入分配パイプおよび排出分配パイプに連結される、請求項３に記載の電池システム。
【請求項５】
前記冷却パイプは前記横断梁に沿って配置され、前記注入分配パイプおよび前記排出分配パイプは前記縦断梁に沿って配置される、請求項４に記載の電池システム。
【請求項６】
前記トレイ締結部は前記支持梁に連結される、請求項３に記載の電池システム。
【請求項７】
前記セルトレイの前記開口は、前記セルトレイの長さ方向に沿って前記セルトレイの下部面に設けられた中央開口であり、前記冷却チャンネルは、前記各セルトレイの前記中央開口とそれぞれマッチングされて整列する、請求項３に記載の電池システム。
【請求項８】
前記セルトレイ、前記セル保持部および前記トレイ締結部は単一体である、請求項１に記載の電池システム。
【請求項９】
前記セルトレイ、前記セル保持部および前記トレイ締結部は、電気的非伝導性高分子材料をもって射出成形される、請求項８に記載の電池システム。
【請求項１０】
前記セルトレイ、前記セル保持部および前記トレイ締結部は、アルミニウムまたは炭素繊維強化プラスチックを含む、請求項８に記載の電池システム。
【請求項１１】
前記複数の電池セルそれぞれは、２つの対向する広い側面、２つの対向する狭い側面、および対向する上部面と下部面を有し、
前記セルトレイ内に、広い側面を互いに向き合うように複数の前記電池セルが共に積層される、請求項１に記載の電池システム。
【請求項１２】
前記セルトレイは、中央開口を含む下部面と前記中央開口を向き合う上部開口を含むボックス形態である、請求項１に記載の電池システム。
【請求項１３】
前記中央開口はセルトレイの長さ方向に沿って延びる、請求項１２に記載の電池システム。
【請求項１４】
前記セルトレイは下部面、第１側面、第２側面、前記第１側面の内側に垂直突出した第１支持枠および前記第２側面の内側に垂直突出した第２支持枠を含み、
前記第１支持枠および前記第２支持枠は前記電池セルを支持するように構成される、請求項１に記載の電池システム。
【請求項１５】
前記セルトレイは第１側面および第２側面を含み、
前記第１側面は第１下部および第１上部を有し、
前記第２側面は第２下部および第２上部を有し、
前記複数のセル保持部は、前記第１上部および前記第２上部の少なくとも１つから上側に延びて、それぞれの前記第１下部または前記第２下部に対して弾性的に連結された、複数の離隔した挟み部からなり、
前記挟み部それぞれは、前記セルトレイに収容される少なくとも１つの前記電池セルとクリップ方式で噛み合うように構成される、請求項１に記載の電池システム。
【請求項１６】
前記セルトレイは、第１縦断面および第２縦断面を含み、
前記第１縦断面および前記第２縦断面の少なくとも１つは補強構造を含む、請求項１に記載の電池システム。
【請求項１７】
前記補強構造はハニカム構造を含む、請求項１６に記載の電池システム。
【請求項１８】
請求項１に記載の電池システムを含む、自動車。
【請求項１９】
前記電池システムキャリアは、
任意の間隔をおいて配置される複数の縦断梁と、
任意の間隔で前記複数の縦断梁と交差配置される複数の横断梁と、
前記複数の縦断梁と前記複数の横断梁と連結されてフロアを構成するグランドプレートと、
前記グランドプレート、前記複数の縦断梁および／または前記複数の横断梁と連結される支持梁と、を含み、
前記グランドプレートが自動車ボディーに着脱可能に固定される、請求項１８に記載の自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池サブモジュールキャリア、電池サブモジュールキャリアを含む電池サブモジュール、電池サブモジュールを含む電池システム、および電池システムを含む自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池（ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ  ｂａｔｔｅｒｙ）は、一次電池とは異なり、充電と放電作用を繰り返して行う電池であって、化学的エネルギーから電気的エネルギーにのみ非可逆的変換をする一次電池とは差異がある。低容量二次電池は、携帯電話機やノートパソコンおよびカムコーダのような小型電子装置に使用される反面、高容量二次電池はハイブリッド（ｈｙｂｒｉｄ）自動車などのモータ駆動用電源として使用され得る。
【０００３】
一般に、二次電池は正極と負極、そして正極と負極との間に介されたセパレータを含む電極組立体、電極組立体が収容されるケース、電極組立体に電気的に連結された電極端子を含む。二次電池は、正極と負極、そしてケースの内部に注入された電解液の電気化学的反応により充電と放電作用を行うことになる。ケースは、使用目的に適するように例えば、円筒形または長方形であり得る。
【０００４】
二次電池は、比較的に高いエネルギー密度が要求される例えばハイブリッド車両のモータを駆動できるように、直列および／または並列連結された複数の単位電池セルを含む電池モジュールとして使用することができる。例えば、電池モジュールは、比較的に高出力二次電池モジュール（例：電気自動車）を実現するため、所望する電力量に合致する個数が備えられた複数の単位電池セルの電極端子を互いに連結して形成される。
【０００５】
電池モジュールは、ブロック型（ｂｌｏｃｋ）またはモジュール型（ｍｏｄｕｌａｒ）の方式で実現され得る。ブロック型の実現方式は、電池セルそれぞれが１つの共通集電構造と電池管理システムに結合され、ハウジングの内部に配置される。モジュール型の実現方式は、複数の電池セルがサブモジュールに連結され、多数のサブモジュールそれぞれが互いに連結されてモジュールを形成する。モジュール型の実現方式は、モジュールまたはサブモジュールのレベルに対して互いに異なる電池管理機能を実現でき、例えば互換性の側面から有利な点を提供する。
【０００６】
電池システムを形成するために、１つ以上の電池モジュールが熱管理システムを備え、機械的に且つ電気的に統合され、１つ以上の電気消費装置と連結されるように構成される。また、電池システムは、電池管理ユニット（Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｕｎｉｔ、ＢＭＵ）および／または電池遮断ユニット（Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ  Ｕｎｉｔ、ＢＤＵ）のような電子アセンブリーを含むことができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の実施形態は、振動、衝撃、および電池セルの変形に強くて、組み立て／運転中に電池セルを簡単な方法で固定させることができ、電池セルに対する冷却が可能な電池サブモジュールキャリア、電池サブモジュールキャリアを含む電池サブモジュール、電池サブモジュールを含む電池システム、および電池システムを含む自動車を提供する。
【０００８】
電池サブモジュールキャリア、電池サブモジュール、電池システムおよび自動車に対する本発明の実施形態により従来の技術が有している１つ以上の短所を克服するかまたは減らすことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態による電池システムは、整列した複数の電池セルを収容するように構成された複数の単一体のセルトレイと、それぞれのセルトレイにおいて前記電池セルと前記セルトレイに連結されて前記電池セルを前記セルトレイ内に維持させるように構成された複数の電池セル保持部と、前記複数のセルトレイが収容されるキャップタイプの電池システムキャリアと、それぞれのセルトレイにおいて前記セルトレイと前記電池システムキャリアに連結されて前記セルトレイを前記電池システムキャリアに設置するように構成された複数のトレイ締結部と、前記電池セルの冷却のために前記電池システムキャリアに設けられた冷却チャンネルとを含む。前記各セルトレイは、前記複数の電池セルを露出させる開口を含み、前記冷却チャンネルは、前記各セルトレイの開口に対向して前記電池システムキャリアに設置され得る。
【００１０】
前記冷却チャンネルは、前記キャリアの外側面に設けられ得る。
【００１１】
前記電池システムキャリアは、任意の間隔をおいて配置される複数の縦断梁と、任意の間隔で前記複数の縦断梁と交差配置される複数の横断梁と、前記複数の縦断梁および前記複数の横断梁と共に結合体を構成して作られたフロアを含むグランドプレートおよび前記グランドプレートおよび前記複数の縦断梁または前記グランドプレートおよび前記複数の横断梁と連結される支持梁を含み、前記冷却チャンネルは、前記グランドプレートに設けられる複数の冷却パイプを含むことができる。
【００１２】
前記複数の冷却パイプは、前記グランドプレートに設けられる注入分配パイプおよび排出分配パイプに連結され得る。
【００１３】
前記冷却パイプは前記横断梁に沿って配置され、前記注入分配パイプおよび前記排出分配パイプは前記縦断梁に沿って配置され得る。
【００１４】
前記セルトレイの前記開口は、前記トレイの長さ方向に沿って前記トレイの下部面に設けられた中央開口であり、前記冷却チャンネルは、前記各セルトレイの前記中央開口とそれぞれマッチングして整列され得る。
【００１５】
本発明の一実施形態による電池サブモジュールキャリアは、単一体で構成された前記セルトレイを含んでおり、そのため電池サブモジュール組立体は、基本的に二次電池セルを単一体で構成された前記セルトレイに挿入されるように構成している。したがって、前記電池サブモジュールを組み立てることが比較的に容易で急速に行われる。
【００１６】
さらに、本発明の一実施形態によれば、前記電池セルは、複数の電池セル保持部を通して前記セルトレイ内に維持されるように構成される。一実施形態によれば、前記電池セル保持部は前記セルトレイに複数の前記二次電池セルの全てが一度に挿入されて維持されることができるように構成される。一実施形態によれば、前記電池セル保持部は、前記セルトレイに収容される個別的な電池セルまたは複数の電池グループ（例えば、２つ乃至４つの電池セルグループ）を維持するように構成される。これにより、欠陥電池セルは個別的にまたは相対的に少ない数で除去および交替が可能である。
【００１７】
前記セルトレイを電池システムキャリアに装着するための複数の前記トレイ締結部は、複数の電池セル（例えば、電池サブモジュール）が満たされたセルトレイを電池システムキャリアに設置するように構成される。前記電池システムキャリアは、前記電池モジュールに対して機械的な完全性および安定性を提供する。一実施形態によれば、前記トレイ締結部は、電池モジュールを形成するために、電池セルで満たされた複数の前記セルトレイを互いに組み立てるように構成される。一実施形態によれば、軽くて製造が容易なセルトレイを提供するために、前記電池モジュールは優れた機械的完全性を提供する電池システムキャリアを含んでもよい。前記トレイ締結部は前記セルトレイに１つ以上の表面（例えば、前記セルトレイの側面）から延びるように、１つ以上の突出部を含んでもよく、前記電池システムキャリアのコネクタに対応するように結合するコネクタ（例えば、ねじ孔および／またはフック）を含んでもよい。
【００１８】
一実施形態によれば、前記セルトレイ、前記電池セル保持部、および前記トレイ締結部は単一体で構成される。例えば、１つのブロックを構成する要素は複数の整列した電池セル収容して前記電池セルを維持し、電池システムキャリアに装着されるように構成される。これにより、電池サブモジュールおよび電池モジュールの組み立ておよび分解は、比較的に簡単で急速に行われる。一実施形態によれば、前記セルトレイ、前記電池セル保持部、および前記トレイ締結部は電気的非伝導性高分子材料をもって射出成形によって形成されるか、アルミニウムまたは炭素繊維強化プラスチックのような軽量素材から形成されることができる。そのため、前記サブモジュールキャリアは、大量生産によって容易でかつ低費用で製造でき、単一工程を基本にすることができる。上述した実施形態によれば、前記電池サブモジュールキャリア、電池サブモジュール、およびモジュールを生産するための材料および製造費用を削減することができる。
【００１９】
一実施形態によれば、前記電池サブモジュールキャリアの前記セルトレイは、複数の角型電池セルを収容するように構成される。前記それぞれの電池セルは、２つの対向する広い側面、２つの対向する狭い側面、および対向する上部面と下部面を有する。複数の前記電池セルは広い側面を互いに向き合うように共に積層されることができる。このような角型電池セルの積層構造は基本的に長方形の形態を提供する。例えば、本発明の実施形態による前記セルトレイは、積層した二次電池セルの長方形ブロックを収容するように構成される。一実施形態によれば、セルトレイそれぞれは１つの積層された二次電池セルを収容するように構成される。材料使用の効率性を達成するために、前記セルトレイは長方形の形状を基本に有することができる。上述した実施形態による前記電池サブモジュールキャリアは、空間を節約でき、複数の電池サブモジュールキャリアは共通面に簡単に配置されるか、上下に複数の層をなすように積層することもできる。
【００２０】
一実施形態によれば、前記電池サブモジュールキャリアの前記セルトレイは、幅方向による断面が基本的にＵ字型となるようにして、複数の角型電池セルを収容するように構成される。例えば、前記セルトレイは、Ｕ字型断面の開放面を通して電池セルを挿入してこれを収容するように構成される。例えば、前記セルトレイは前記電池セルの最終積層方向と垂直になるように前記電池セルを挿入して収容するように構成される。前記セルトレイのぴったり合うように設けられた側壁は、電池セルに維持力を提供可能に構成され、これにより前記セルトレイは相対的にコンパクトな大きさを有することができる。また、前記セルトレイは中央開口を含む下部面と前記中央開口と向き合う上部開口を含むボックス形態からなる。
【００２１】
一実施形態による前記電池サブモジュールキャリアは、前記セルトレイに長さ方向（例えば、積層された複数の電池セルの積層方向）に沿って延びる中央開口を有する下部面を含む。基本的にＵ字型断面を有する前記セルトレイにおいて、前記下部面は前記Ｕ字型の開放側の対向面である。前記中央開口が備えられることによって、前記セルトレイの材料費および重量をさらに削減することができる。前記中央開口は、前記電池セルのベントホールと整列したベント経路または冷却インターフェース（例えば、収容された電池セルが冷却チャンネルと密着すること）をさらに提供することができる。
【００２２】
一実施形態によれば、前記セルトレイは第１側面の内側に垂直突出する第１支持枠および第２側面の内側に垂直突出する第２支持枠を含む下部面を有する。例えば、前記セルトレイは基本的にＨ字形状の長い脚の内側に突出して、Ｈ字形状の水平線に対して平行な２つの支持枠を有するＨ字形断面を有する。一実施形態によれば、前記第１支持枠および前記第２支持枠は、複数の整列した前記角型電池セルを支持するように構成される。例えば、前記第１支持枠および前記第２支持枠は、少なくとも一方向で、前記電池トレイに収容された前記複数の電池セルを支持するための十分な機械的支持機能を共に提供する。
【００２３】
前記電池サブモジュールキャリアの一実施形態において、前記セルトレイは第１側面および第２側面を含む。前記第１側面は複数の前記電池セルの狭い第１側面に沿って（例えば、前記セルトレイに収容される複数の電池セルの前記狭い第１側面に沿って）延びるように構成される。前記第１側面は、前記第１狭い側面を覆うように構成された第１上部と第１下部を有する。前記第２側面は、複数の前記電池セルの狭い第２側面に沿って（例えば、前記セルトレイに収容される複数の電池セルの前記狭い第２側面に沿って）延びるように構成される。前記第２側面は、前記第２狭い側面を覆うように構成された第２上部と第２下部を有する。前記側面の少なくとも１つの前記上部（例えば、前記第１上部および前記第２上部のうちの少なくとも１つ）は、前記それぞれの下部から上側に延びて離隔した挟み部を含む。各挟み部は前記下部それぞれに弾性的に連結され、前記セルトレイに収容される１つ以上の前記電池セルにクリップ型閉鎖部を提供するセル保持部として構成される。
【００２４】
一実施形態によれば、前記弾性的連結は、前記下部で前記挟み部に切り換える部位に対する前記各側面の局部的ネッキング（ｎｅｃｋｉｎｇ）によって提供される。一実施形態によれば、前記クリップ型閉鎖部は突出した形状を有する前記挟み部で提供され、前記二次電池セルの場合、上部の隙や凹部に合うように形成される。一実施形態によれば、前記挟み部は、第１セグメントおよび第２セグメントを含む。前記第１セグメントは、基本的に前記セルトレイの側面と平行をなし、前記セルトレイに収容される前記電池セルの狭い側面に沿って延びられる。または前記第１セグメントは、基本的に前記セルトレイの側面と平行をなすか、前記セルトレイに収容される前記電池セルの狭い側面に沿って延びられる。
【００２５】
第２セグメントは、第１セグメントと角をなすように構成され、基本的に前記セルトレイに収容される前記電池セルの上部面に沿って延びられ、前記セルトレイに収容された前記電池セルの上部面と接触することもできる。または前記第２セグメントは、基本的に前記セルトレイに収容される前記電池セルの上部面に沿って延びられるか、前記セルトレイに収容された前記電池セルの上部面と接触することもできる。前記第２セグメントは、収容された電池セルの上部面に対応する特徴部と互いに噛み合う突出したフックを含んでもよい。一実施形態によれば、前記セルトレイは、予め設けられた挟み部をもって製造できるが、挟み部は前記二次電池セルがセルトレイに挿入可能に曲がるように構成される。挟み部は中立的な位置でセルトレイに挿入された前記電池セルを維持させるようにする。
【００２６】
前記電池サブモジュールキャリアの一実施形態において、前記セルトレイは第１最外郭電池セルの広い側面を覆うか大体的に覆う第１縦断面、および第２最外郭電池セルの広い側面を覆うか大体的に覆う第２縦断面を含む。１つ以上の前記第１縦断面および前記第２縦断面は補強構造を含むことができる。しかし、一部の実施形態によれば、前記側面および前記セルトレイの下部面も補強構造を含むことができる。前記セルトレイは、組み立ておよび運転中に前記電池セルおよびその他の部品に固定されるように構成される反面、前記電池フレームおよび／または前記電池システムキャリアによる機械的負荷が現れる。
【００２７】
しかし、一部の実施形態において、前記セルトレイそのものが機械的負荷を吸収するように構成される。前記セルトレイは衝撃が発生するとき（例えば、車両衝突時）、運動エネルギーを吸収することができる。また、電池セルは膨潤または過膨潤が制限されなければならない。前記セルトレイは膨潤を吸収したり制限したりする補強構造を含むことができる。一実施形態によれば、前記補強構造はハニカム構造からなっていてもよい。
【００２８】
本発明の他の一実施形態によれば、電池サブモジュールは、本発明の一実施形態による電池サブモジュールキャリアと前記セルトレイに内蔵される複数の整列した電池セルとを含む。一実施形態によれば、前記電池セルは、前記電池セル保持部を通して前記セルトレイに維持され、前記電池セル保持部は一実施形態によれば、セルトレイと単一体をなす。
【００２９】
本発明の他の実施形態による電池システムは、上述した（例：本発明の一実施形態による前記電池サブモジュールキャリアを含む複数の前記電池サブモジュール）電池システムキャリアおよび複数の前記電池サブモジュールを含む。前記トレイ締結部は、前記電池システムキャリアに付着することができる。一実施形態によれば、前記トレイ締結部は、前記セルトレイと単一体をなす。前記電池システムキャリアは、複数の前記電池サブモジュールの機械的完全性を向上させるように構成され、電池管理システム、前記電池サブモジュールを相互連結するための構成要素、前記サブモジュールと接触するための外部ポート、前記モジュールキャリアを他の構造、例えば自動車と連結するように構成を含むことができる。
【００３０】
前記電池システムの一実施形態によれば、前記電池システムキャリアは、複数の縦断梁および複数の横断梁を含むことができる。前記縦断梁および前記横断梁は、キャリアフレームを構成する。前記モジュールキャリアは、前記キャリアフレームに付着したグランドプレートをさらに含んでもよい。一実施形態によれば、前記電池システムの下部面は、複数の前記電池サブモジュールの前記セルトレイの下部面として形成される。前記電池システムキャリアは、前記グランドプレートおよび／または前記縦断梁または前記横断梁に付着した複数の支持梁をさらに含んでもよい。前記横断梁は前記縦断梁または前記横断梁と平行であってもよい。上述した実施形態によれば、前記トレイ締結部は前記支持梁に連結される。一実施形態によれば、前記電池システムに内蔵された電池サブモジュールそれぞれは、２つの隣接した支持梁の間に配置され、サブモジュールそれぞれは前記セルトレイの両側面から外部に突出するトレイ締結部を含む。
【００３１】
前記電池システムの一実施形態によれば、前記冷却チャンネルは前記電池システムの前記グランドプレートに内蔵されるように一体に形成されるか、または前記電池システムの前記グランドプレートに付着する。前記冷却チャンネルは、多数の冷却領域（例えば、熱交換領域）を形成し、複数の巻き取られた前記冷却チャンネルを含むことができる。一実施形態によれば、サブモジュールそれぞれはセルトレイを有し、前記セルトレイは長さ方向に沿って延びるように中央開口を有する下部面を含むことができる。一実施形態によれば、前記中央開口が前記冷却領域と整列して前記電池サブモジュールのための冷却インターフェースを形成する。一実施形態によれば、前記電池システムは、各電池サブモジュールのための冷却領域を有することができる。
【００３２】
本発明の他の一実施形態によれば、上述した本発明の一実施形態による電池システム、上述した本発明の一実施形態による電池サブモジュール、および／または上述した本発明の一実施形態による電池サブモジュールキャリアを含む自動車を提供することができる。
【００３３】
本発明の更なる他の側面は、後述する図面および／または図面に対する説明により自明になるだろう。
【００３４】
本発明の実施形態によれば、前記電池サブモジュールを組み立てるのは比較的に容易でかつ急速に行われる。また、個別または比較的に少ない数の二次電池を除去して不良電池セルを除去および交替することができる。さらに、軽くて製造が容易なセルトレイを提供するために、前記電池モジュールは優れた機械的完全性を提供する電池システムキャリアを提供する。また、前記サブモジュールキャリアは、単一工程によって容易で安価に大量生産に容易性を有する。また、複数の電池サブモジュールキャリアは、共通面に簡単に配置されるかまたは上下に複数の層をなすように積層することもでき、空間を節約することができる。また、前記セルトレイそのものが機械的負荷を吸収するように構成されて、車両衝突のような衝撃が発生する場合に運動エネルギーを吸収できて電池を安全に保護できる。また、前記電池システムキャリアの冷却チャンネルは、前記グランドプレートに統合されて、複数の巻き取られた前記冷却チャンネルを形成して広い熱交換領域を提供する。
【００３５】
本発明の特徴は添付した図面を参照した様々な実施形態の詳細な説明により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に明確に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】一般的な電池サブモジュールの斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による電池サブモジュールの斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による電池サブモジュールの断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による電池システムの斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態による電池システムの断面図である。
【図６】本発明の一実施形態による電池システムを示す部分切開斜視図である。
【図７】本発明の一実施形態による電池システムを示す部分切開背面斜視図である。
【図８】本発明の一実施形態による電池システムを示す背面斜視図である。
【図９】本発明の一実施形態による電池システムが自動車に適用された例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、添付した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に実現でき、ここで説明する実施形態に限定されない。
【００３８】
本発明を明確に説明するために説明上、不要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付ける。
【００３９】
図面に示した各構成の大きさおよび厚さは、説明の便宜のために任意に示したものであり、本発明が必ずしも示されたものに限定されるものではない。図面において、多様な層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。また、説明の便宜のために、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。
【００４０】
層、膜、領域、板などの部分が他の部分の‘上に’または‘上部に’あるとするとき、これは他の部分の‘直上に’ある場合だけでなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分の‘直上に’あるとする時には、中間に他の部分がないことを意味する。また、基準となる部分の‘上に’または‘上部に’あるとするのは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の反対方向に‘上に’または‘上部に’位置することを意味するものではない。
【００４１】
明細書全体において、ある部分がある構成要素を‘含む’とするとき、これは特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。
【００４２】
モジュール型のデザインを有する電池モジュールが電気的統合構造をなすために、互いに並列連結された複数の電池セルが含まれたサブモジュールを互いに直列（ＸｓＹｐ）連結するか、または互いに直列連結された複数の電池セルが含まれたサブモジュールを互いに並列（ＸｐＹｓ）連結して構成することができる。ＸｓＹｐ類型のサブモジュールは、比較的に高出力が可能であるが、それぞれの電池セルの電圧を個別に制御しなければならない。したがって、ＸｓＹｐ類型のサブモジュールは、相対的に複雑な配線構造を有する。ＸｐＹｓ類型のサブモジュールは、互いに並列連結された電池セルそれぞれの電圧が自動的にバランスを取っているので、電圧制御はサブモジュール水準で行われても十分である。したがって、ＸｐＹｓ類型のサブモジュールは、配線の複雑度が減少した構造を有する。電池セルが互いに並列連結されたサブモジュールは、容量（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）が合算されるため、これによりＸｐＹｓ類型のサブモジュールには、通常低い容量の電池セルを使用することになる。熱管理システムは、電池モジュールの安全な使用のため、二次電池の熱を効率的に排出、放出、および／または発散させる。仮に十分な熱排出／放出／発散が行われなければ、電池セルの間に温度偏差が発生し、所望する量の電力を生成することができなくなる。また、二次電池の内部温度が上昇すると、内部の異常反応につながることができるため、これにより二次電池の充放電の性能が悪化して二次電池の寿命が短縮できる。したがって、二次電池の効率的な熱排出／放出／発散のために冷却装置が提供されることが多い。
【００４３】
電池システムと連結された各種電気消費装置の多様な電力要求を充足させるため（例えば、電子回路または電子デバイス）、電源出力および充電に対する受動的（ｓｔａｔｉｃ）制御方法は十分でない場合もある。したがって、電池システムと電気消費装置の制御部（controller）との間に持続的な情報交換が行われるように実現できる。電池システムに実質的に重要な情報、例えば電池システムの実際充電状態（Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ：ＳｏＣ）、潜在的電気的性能、充電能力、および内部抵抗だけでなく、余剰電池消費装置の実質的または予想される要求電力を交信することができる。電池モジュールの機械的統合をなすことは、個別の構成要素それぞれが互いに機械的に連結されることと電動システムの構造をなすことをいう（例えば、自動車のような電気的情報を提供するシステム）。このような連結構造は、電池システムの平均寿命と電動装置（例えば、自動車）の使用時の機能と安全性が維持されるように設計されなければならない。また、設置空間および互換性の要求事項は、特にモバイルアプリケーションで考慮しなければならない事項である。
【００４４】
電池モジュールの機械的統合は、キャリアプレート（例えば、グランドプレート）を提供し、それぞれの電池セルまたはサブモジュールをここに配置することができる。電池セルまたはサブモジュールをキャリアプレートに固定させるため、ボルトやねじなどの機械的連結部材を介して電池セルまたはサブモジュールをキャリアプレートの陥没した空間に嵌め込んで固定させたり収納させたりすることができる。収納する方法は、側面プレートをキャリアプレートの側面に締結または／および電池セルの上に第２キャリアプレートまたはサブモジュールを提供し、第１キャリアプレートおよび／または側面プレートに固定させることができる。これにより、多層構造の電池モジュールを構成することができ、キャリアプレートおよび／または側面プレートは冷媒ダクトを含み、電池セルまたはサブモジュールを冷却させることができる。
【００４５】
バッテリーサブモジュールの機械的統合は、一般に、組み立てておいた複数の電池セルを機械的に強化した電気コネクタを介して互いに連結し、側面および／または前面プレートを電池セル周囲に締結するか、電池セルおよび電気コネクタにキャリア梁または支え台を付着することによって達成することができる。
【００４６】
図１を参照すると、電池サブモジュール１５は、整列した複数のほぼ角型の二次電池セル１０からなる。電池セル１０それぞれは正極端子３、負極端子４、およびベント開口（例えば、ベントホール）を含む。一対のモジュール最先頭プレート１は、電池セル１０の前面（例えば、広い面）を対向するように設けられる（例えば、最外郭に配置された電池セル１０の前面に直接に面するように設けられる）。モジュール最先頭プレート１は、電池セル１０を対向する一対のモジュール側面プレート２に形成された側面（例えば、狭い側面）と機械的結合をなす。モジュール最先頭プレート１およびモジュール側面プレート２は、複数の電池セル１０を固定するために互いに組み立てられる。これにより、複数の電池セル１０は相互固定される。電池サブモジュール１５は、モジュール最先頭プレート１およびモジュール側面プレート２と機械的結合された上端プレートをさらに含んでもよい。モジュール最先頭プレート１、モジュール側面プレート２、およびモジュール上端プレートは、共に電池サブモジュール１５の自立型ボディーを提供する。
【００４７】
通常の電池モジュールに含まれている電池セルの個数は、数百個の電池セルに到達することができるので、比較的に多くの数の電池サブモジュールが前記電池モジュールに含まれることもできる。前記電池モジュールの組み立て前に、複数の前記電池サブモジュールを組み立てる工程は多くの材料と時間が要求されるため、電池モジュールの製造費用が増加することになる。さらに、不良が発生した１つの電池を電池モジュールから交替するためには、電池モジュールから電池サブモジュールに対する除去および分解が要求され、このような過程で電池モジュールは機械的無欠性を喪失することになる。
【００４８】
図２を参照すると、本発明の一実施形態による電池サブモジュール１００は、それぞれがほぼ角型の複数の整列した二次電池セル１０を含み、これら電池セル１０は電池サブモジュールキャリアに挿入または収容される。図２に示すように、電池セル１０それぞれは角型（または長方形）セルであり、電池セル１０の広くて平らな側面を通して共に積層されて（例えば、互いに対向するように積層される）電池サブモジュール１００を形成する。電池セル１０は、複数個（数個乃至数十個）で１つのグループをなし、少なくとも２つのグループが電池サブモジュールキャリアに配置されることができる。本実施形態で電池セル１０はその数を９個にして１つのグループをなし、２つのグループが電池サブモジュールキャリアに配置される。２つのグループ間には隔壁が配置されることができる。さらに、電池セル１０それぞれは、電極アセンブリーおよび電解質を収容するように構成された電池ケースを有する。電池ケースは、密封されており、互いに異なる極性を有する正極端子３と負極端子４およびベント開口５（例えば、ベントホール）が設けられる。ベント開口５は電池セル１０の安全デバイスであり、電池セル１０で発生するガスが外部に排出されるように通路の役割を果たす。電池セル１０の間に不要な電気的接触を防止するため、隣接する電池セル１０の間に絶縁フィルムが配置される。
【００４９】
電池サブモジュールキャリアは、第１側面２５（例えば、広い側面）およびこれに対向する第２側面２６（図３参照）、第１縦断面２３およびこれに対向する第２縦断面２４、開放された上部面（例えば、開放された上部の側面）、および下部面をなすセルトレイ２０を含む。電池セル１０が収容されるセルトレイ２０は、ほぼＵ字型の断面を有することができる。第１側面２５はセルトレイ２０に挿入される電池セル１０の狭い側面を覆う第１下部２７と、離隔配置された挟み部２９のような複数の電池セル保持部３０を含む第１上部２８を含む。これにより、第１側面２５の第１上部２８は、第１上部２８に延びながら第１下部２７に弾性的に連結されたフック形状の挟み部２９によって分割され、隣接した挟み部２９の間には凹部が形成される。第２側面２６は第１側面２５と類似した構造、つまり、第１下部と第１上部に対応する第２下部と第２上部を有する。サブモジュール電池キャリアは、セルトレイ２０の側面から突出し（例えば、第１側面２５および第２側面２６から突出）、一実施形態は、第１、第２側面２５、２６の第１下部２７および第１上部２８間で変化する位置に配置されるように構成されたトレイ締結部４０をさらに含む。トレイ締結部４０は、電池システムキャリアに対応するコネクタ、例えばねじと整列するようにねじ孔を含むことができる。
【００５０】
一方、第１縦断面２３および第２縦断面２４にはセルトレイ１０の強度を強化させることができる補強構造が設けられ得る。本実施形態では図２に示すように、ハニカム構造からなる補強構造が設けられるが、必ずしもこれに限定されるのではない。
【００５１】
図２および図３を参照すると、電池セル１０は広い側面が互いに隣接するようにセルトレイ２０の開放された上部面を通して挿入され、クリップ方式によって噛み合う挟み部２９によってセルトレイ２０に維持される。挟み部２９は、電池セル１０がセルトレイ２０に挿入されるとき、セルトレイ２０の側壁２５、２６（例えば、前記第１、第２側面）から圧縮応力を形成し、セルトレイ２０に挿入される電池セル１０に対して遠くなる側、例えば、電池セル１０を内蔵するセルトレイ２０の収容空間から遠くなる側に曲がる。
【００５２】
挟み部の中立位置（電池セルがセルトレイに挿入される前の挟み部の位置）で挟み部２９は電池セル１０を維持させる。このために、挟み部２９は電池セルの側面に沿って大体的に延びる第１セグメント２９ａおよび第１セグメント２９ａからセルトレイ２０の内側に垂直突出してほぼ電池セル１０の上面に沿って大体的に延びる第２セグメント２９ｂを含む。図２および図３に示す実施形態によれば、セルトレイ２０、挟み部２９、およびトレイ締結部４０は、電気的に非伝導性の高分子材料で射出成形された単一体構成からなる。単一体のセルトレイ、挟み部およびトレイ締結部は、軽量素材のアルミニウムまたは炭素繊維強化プラスチックからなることもできる。
【００５３】
図３を参照すると、セルトレイ２０は、その長さ方向、例えば、図３を基準にして図３に垂直な方向に沿って延びる中央開口２２を有する下部面２１をさらに含む。下部面２１は、第１側面２５から内側に垂直突出する第１支持枠２１ａおよび第２側面２６から内側に垂直突出する第２支持枠２１ｂを含む。第１支持枠２１ａおよび第２支持枠２１ｂは、セルトレイ２０に挿入される電池セル１０を共に支持する。
【００５４】
図４を参照すると、本発明の他の一実施形態による電池システム２００は、図２および図３に示す複数の電池サブモジュール１００を含む。電池サブモジュール１００の複数の行（例えば、２つの行）それぞれは、電池システムキャリア５０内に配置される。電池システムキャリア５０は、キャリアフレームをなすために任意の間隔をおいて配置される複数の縦断梁５１（例えば、２つの縦断梁５１）および任意の間隔をおいて前記複数の縦断梁５１と交差配置される複数の横断梁５２（例えば、２つの横断梁５２）を含む。複数の縦断梁５１と複数の横断梁５２は、溶接などによって結合されることができる。このキャリアフレームにはグランドプレート５３が溶接などによって結合され、これによって作られた結合体はフロアを含むキャップ形状の電池システム５０で備えられる。電池システムキャリア５０は、複数の支持梁５４をさらに含み、各電池サブモジュール１００の締結部４０は、支持梁５４に連結される。図４に示す複数の支持梁５４は、複数の縦断梁５１、複数の横断梁５２およびグランドプレート５３に全て連結されて溶接などで結合される。複数の横断梁５２に沿って配列される支持梁５４は電池サブモジュール１００の両側に配置される。
【００５５】
図４および図５を参照すると、電池システムキャリア５０のグランドプレート５３は、統合された冷却チャンネル５５（例えば、冷却チャンネル５５はグランドプレート５３に一体的に形成）を有する。冷却チャンネル５５は、大面積の熱交換領域を提供するための複数の巻き取り部をもって冷却領域を形成する。電池サブモジュール１００は、電池システムキャリア５０にセルトレイ２０の中央開口２２が冷却チャンネル５５によって形成された冷却領域と整列するように配置される。他の実施形態によれば、冷却チャンネルは、電池システムキャリア５０に付着した外部冷却チャンネルであってもよい。
【００５６】
図６は、本発明の実施形態による電池システムを示す部分切開斜視図である。図６に示すように、電池システムキャリア５０は前述したとおり、複数の縦断梁（図示せず）、複数の横断梁５２およびグランドプレート５３が溶接などによって結合された構造体からなる。グランドプレート５３のフロア５３０には電池サブモジュール１００が複数の列に配列され、１つの列において、電池サブモジュール１００の両側には支持梁５４が配置されて電池サブモジュール１００を支持する。
【００５７】
グランドプレート５３のフロア５３０の外側面には冷却チャンネル５５が位置する。冷却チャンネル５５は冷却パイプからなることができる。具体的には、冷却チャンネル５５は、冷却水が流れることができる板状のパイプが備えられてグランドプレート５３に溶接などによって固設される。この時、冷却チャンネル５５は、各電池サブモジュール１００のセルトレイが有する開口、つまり、中央開口に対向配置されることができる。
【００５８】
本実施形態ではセルトレイの中央開口がセルトレイの底面、つまり、グランドプレート５３のフロアに向かうように電池サブモジュール１００が電池システムキャリア５０に設置されるので、冷却チャンネル５５がグランドプレート５３のフロアに設けられる。他の実施形態で、セルトレイにおいて中央開口がセルトレイの側面に設けられる場合、冷却チャンネルはこのようなセルトレイの中央開口に対向するようにキャリア５０に設置され得る。
【００５９】
図７には、電池システムキャリア５０に設けられる電池サブモジュール１００の各列に対応して冷却チャンネル５５がそれぞれ配置される構造を示している。図７では電池サブモジュール１００の１つの列に対して１つの冷却チャンネル５５が配置されたものを示しているが、電池サブモジュール１００の１つの列に対応していくつかの冷却チャンネルが配置されることができ、この時、いくつかの冷却チャンネルは互いに分離された形態（例：ストライプ型）や互いにつながる形態（例：メアンダー型）いずれも可能である。
【００６０】
図８には、複数の冷却チャンネル５５に冷却注入パイプ５７と冷却排出パイプ５９が連結された構造を示す。冷却注入パイプ５７の注入口５７０を通じて入っている冷却水（例：自動車用冷却水）は、各冷却チャンネル５５を通過しながら電池サブモジュール１００の電池セルに対して冷却が行われ、次いで冷却排出パイプ５９の排出口５９０を通じて一定の場所に排出される。
【００６１】
このため、冷却チャンネル５５は横断梁５２に沿って配置され、冷却注入パイプ５７および冷却排出パイプ５９は縦断梁５１に沿って配置されてグランドプレート５０のフロア５３０の外側面に固設され得る。
【００６２】
図９は、本発明の実施形態による電池システムが適用された装置、例えば自動車に適用されたものを示す概略図である。図９に示すように、電池システム２００は自動車のフレーム９９の一部分、例えば、アンダーボディー９９０にグランドプレート５３を着脱可能に設置して自動車に適用され得る。
【００６３】
以上で本発明の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のではなく、次の請求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本発明の権利範囲に属するものである。
【符号の説明】
【００６４】
１  モジュール最先頭プレート
２  モジュール側面プレート
３  正極端子
４  負極端子
５  ベント開口
１０  二次電池セル
１５  電池サブモジュール
２０  セルトレイ
２１a  第１支持枠
２１ｂ  ２支持枠
２３  第１縦断面
２４  第２縦断面
２５  第１側面
２６  第２側面
２７  第１下部
２８  第１上部
３０  電池セル保持部
４０  締結部
５０  キャリア
５１  縦断梁
５２  横断梁
５３  グランドプレート
５４  支持梁
５５  冷却チャンネル
５７  冷却注入パイプ
５９  冷却排出パイプ
９９  自動車のフレーム
１００  電池サブモジュール
２００  電池システム
５３０  フロア
５７０  注入口
５９０  排出口
９９０  アンダーボディー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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