(57)【要約】中または大型バッテリーパック用のバッテリーモジュール  複数の単位電池を包含し、該単位電池が一般的に板状の単位電池であり、該単位電池がモジュールケースの中に、少なくとも２列及び少なくとも２段を構成するように配置された状態で、該単位電池が互いに電気的に接続される、中または大型バッテリーパック用のバッテリーモジュールを開示する。本発明により、バッテリーモジュールの一体性が大きく改良される。特に、バッテリーモジュールの垂直方向の機械的強度がさらに増加し、単位電池間の電気的接続に必要な接続部材の数が減少する。
2008541375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中型または大型バッテリーパック用のバッテリーモジュールであって、
複数の単位電池を備えてなり、
前記単位電池が一般的に板状の単位電池であり、
前記単位電池がモジュールケースの中に、少なくとも２列及び少なくとも２段を構成するように配置された状態で、前記単位電池が互いに電気的に接続されてなる、バッテリーモジュール。
【請求項２】
前記単位電池が、２ｘ２マトリックス、２ｘ３マトリックス、または３ｘ２マトリックスに配置されてなる、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
【請求項３】
前記板状単位電池が小袋形バッテリーである、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
【請求項４】
水平方向に配置された前記小袋形バッテリー（前記単位電池）が、少なくとも一個の接続部材を介して互いに電気的に接続され、
垂直方向に配置された前記小袋形バッテリーが、前記小袋形バッテリーの電極端子として作用する、前記小袋形バッテリーの電極タップまたは電極リード線を折り曲げ、かつ、前記小袋形バッテリーの前記折り曲げた電極タップまたは前記電極リード線を、少なくとも一個の追加接続部材を使用せずに、電気的に接触させることにより、互いに電気的に接続されてなる、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
【請求項５】
２個以上の、請求項１〜４のいずれか一項に記載のバッテリーモジュールを包含する、中型または大型バッテリーパック。
【請求項６】
前記バッテリーモジュールが、１ｘＮマトリックス、Ｎｘ１マトリックス、またはＮａｘＮｂマトリックス（ここでＮ、Ｎａ、及びＮｂは、それぞれ独立して２以上である）に配置されてなる、請求項５に記載のバッテリーパック。
【請求項７】
前記バッテリーモジュールが、Ｎｘ１マトリックスまたはＮａｘＮｂマトリックス（ここで、Ｎａ＜Ｎｂ）に配置されてなる、請求項６に記載のバッテリーパック。
【請求項８】
前記垂直方向バッテリーモジュールが、前記バッテリーモジュールの同じ電極端子が互いに隣接する、同じ向きの構造に配置されるか、或いは
前記垂直方向バッテリーモジュールが、前記バッテリーモジュールの逆の電極端子が互いに隣接する、交互に向いた構造に配置されてなる、請求項７に記載のバッテリーパック。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、中または大型バッテリーパック用のバッテリーモジュールに、より詳しくは、複数の単位電池を包含し、該単位電池が一般的に板状の単位電池であり、該単位電池がモジュールケースの中に、少なくとも２列及び少なくとも２段を構成するように配置された状態で、該単位電池が互いに電気的に接続され、それによって、バッテリーモジュールの一体性及び機械的強度が増加し、単位電池同士の間を電気的に接続するのに必要な接続部材の数が低減される、中または大型バッテリーパック用のバッテリーモジュール、及び該モジュールを使用して製造された中または大型バッテリーパックに関する。
【０００２】
発明の背景
最近、充電及び放電可能な二次バッテリーが、ワイヤレス携帯装置用のエネルギー供給源として広く使用されている。また、二次バッテリーは、化石燃料を使用する既存のガソリン及びディーゼル車により引き起こされる大気汚染のような問題を解決するために開発された電気自動車及びハイブリッド電気自動車用の動力源としても非常に大きな関心を集めている。
【０００３】
小型の可動装置は、各装置に一個または数個の小型電池を使用している。他方、中または大型装置、例えば車両、には、高出力及び大容量が必要なので、複数のバッテリーセルを互いに電気的に接続した、中または大型バッテリーパックを使用する。
【０００４】
中または大型バッテリーパックは、大まかに、円筒形バッテリー、長方形バッテリー、及び小袋形バッテリーに分類される。初期の中または大型バッテリーパックには、円筒形バッテリーが単位電池として使用された。例えば、日本国未審査(unexamined)特許出願第２００４−２４７３２０号明細書は、特殊な形状を有する固定板に円筒形バッテリーを取り付けた状態で円筒形バッテリーを水平方向で互いに電気的に接続し、接続リング及び絶縁リングを使用して円筒形バッテリーを垂直方向で互いに接続することにより、バッテリーパックを製造する方法を開示している。しかし、上記の出願には、複数の円筒形バッテリーを接続してバッテリーパックを製造するのに、円筒形バッテリーの構造的特性のために多くの接続部材が必要であり、したがって、バッテリーパックの組立工程が複雑になり、バッテリーパックの製造コストが大きく増加するという欠点がある。さらに、円筒形バッテリー同士の間に多くの無駄空間が存在する。この理由から、最近の、小型構造を有するバッテリーパックの需要を考えると、円筒形バッテリーには、根本的な限界がある。
【０００５】
そのため、少数の接続部材で容易に組み立てることができ、高密度で積み重ねることができる板状バッテリー、例えば長方形バッテリー及び小袋形バッテリー、に多くの研究がなされている。特に、軽量であり、低製造コストで製造できる小袋形バッテリーに高い関心が集まっている。
【０００６】
板状バッテリーには、少数の接続部材を使用してバッテリーパックを容易に製造でき、板状バッテリーの構造的特性により、無駄空間の大きさが大幅に低下する、という利点がある。しかし、板状バッテリー、特に小袋形バッテリー、は機械的強度が低い。これらの理由から、例えば１〜５個のバッテリーを、十分な機械的強度を有するケースの中に取り付けるか、またはバッテリーを別の部材で接続してバッテリーモジュールを構成し、所望の容量及び出力に応じて複数のバッテリーモジュールを互いに積み重ね、バッテリーパックを製造する。
【０００７】
そのようなバッテリーパックの典型的な例は、本出願者の名前で提出された韓国未審査特許出願第２００５−００３６７５１号明細書、日本国未審査特許出願第２００４−３１０４９号明細書、日本国未審査特許出願第２００４−５５４４９２号明細書、及び米国未審査特許出願第２００３−１７０５３５号明細書に開示されている。これらの出願には、単位電池として板状バッテリーを使用するバッテリーパックを構築する上で独自の利点を有する。これらの出願の開示によれば、板状単位電池を、垂直または水平方向に配置した状態で、機械的及び電気的に互いに接続してバッテリーモジュールを構成し、複数のバッテリーモジュールも水平または垂直方向に配置して中または大型バッテリーパックを構成する。
【０００８】
しかし、板状バッテリーを水平方向、すなわち板状バッテリーの横方向、にのみ配置してバッテリーモジュールを構成する場合、バッテリーモジュールは、薄い板状構造に形成される。その結果、バッテリーモジュールの機械的強度は低く、板状バッテリーの電極端子間の電気的接続に多数の部材（例えば母線）が必要になる。他方、板状バッテリーを垂直方向、すなわち板状バッテリーの厚さ方向、にのみ配置する場合、バッテリーパックを構成するためには、バッテリーモジュール同士の間の水平方向の機械的連結がさらに必要になる。その結果、バッテリーパックの組立工程が複雑になる。
【０００９】
したがって、容易に製造でき、十分な機械的強度を有し、バッテリーパックをより効率的に製造できるバッテリーモジュールが強く求められている。
【００１０】
発明の概要
そこで、本発明は、上記の問題、及び他の未解決の技術的問題を解決するためになされたものである。
【００１１】
特に、本発明の目的は、高い構造的一体性及び高い機械的強度を有し、バッテリーモジュールの単位電池同士の間を電気的に接続するための別の接続部材の使用を最少に抑えるバッテリーモジュールを提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、複数のバッテリーモジュールを包含し、それぞれのバッテリーモジュールが高い構造的一体性及び高い機械的強度を有し、高出力、大容量のバッテリー装置に使用するバッテリーパックを提供することである。
【００１３】
本発明の一態様で、上記の、及び他の目的は、複数の単位電池を備えてなり、該単位電池が一般的に板状の単位電池であり、該単位電池がモジュールケースの中に、少なくとも２列及び少なくとも２段を構成するように配置された状態で、該単位電池が互いに電気的に接続されている、中または大型バッテリーパック用のバッテリーモジュールを提供することにより、達成することができる。
【００１４】
本発明のバッテリーモジュールでは、複数の単位電池が、モジュールケースの中に少なくとも２ｘ２マトリックスで配置される。その結果、バッテリーモジュールは、水平及び垂直方向で予め決められた厚さを有する。したがって、バッテリーモジュールの全体的な機械的強度が増加し、単位電池同士の間を電気的に接続するのに必要な部材の数が低減される。
【００１５】
本発明では、用語「段」は、板状バッテリーの厚さ方向を意味し、用語「段」は、「垂直方向」と表現されることがある。他方、用語「列」は、板状バッテリーの横方向を意味し、用語「列」は、「水平方向」と表現されることがある。したがって、４個の板状バッテリーを、従来技術におけるように平面上に連続的に配置する場合、これらの４個の板状バッテリーは平面上に１列及び４段を構成するように配置され、１ｘ４マトリックスにより表現される。
【００１６】
本発明により、板状バッテリーは、モジュールケース中に、２列以上及び２段以上を構成するように配置される。したがって、単位電池は、２ｘ２マトリックス、２ｘ３マトリックス、２ｘ４マトリックス、２ｘ５マトリックス、３ｘ２マトリックス、３ｘ３マトリックス、等に配置することができる。より好ましくは、単位電池は、２ｘ２マトリックス、２ｘ３マトリックス、または３ｘ２マトリックスに配置する。
【００１７】
板状バッテリーは、幅が大きく、厚さが小さい。したがって、例えば、バッテリーモジュールの単位電池を従来技術におけるように１ｘ４マトリックスで配置すると、バッテリーモジュールの水平方向長さ（幅）は、４単位電池の幅の合計に対応し、バッテリーモジュールの垂直方向長さ（厚さ）は、１単位電池の厚さに対応する。その結果、バッテリーモジュールは幅が大きく、厚さが小さい、すなわちバッテリーモジュールは薄い構造に構築され、したがって、バッテリーモジュールの機械的強度が低下する。他方、本発明では、バッテリーモジュールの厚さは、少なくとも２個、またはそれより多くの単位電池の厚さの合計に対応する。したがって、バッテリーモジュールの機械的強度が増加する。
【００１８】
本発明により、板状バッテリーは単位電池として使用される。板状バッテリーの典型的な例は、長方形バッテリー及び小袋形バッテリーである。これらのバッテリーは、充電及び放電できる電極アセンブリーが長方形のケースまたは小袋形ケースの中に密封された状態で取り付けられている構造に構築される。電極アセンブリーは、積重型構造またはゼリーロール型構造に構築されており、微細孔質セパレータが対応するカソードとアノードとの間に配置されている。より好ましくは、軽量で、安価であり、電解質が漏れる可能性が低い小袋形バッテリーを板状バッテリーとして使用する。
【００１９】
板状バッテリーでは、電極端子が一般的に板状バッテリーのバッテリーセルの片側から突き出ている。あるいは、電極端子は、バッテリーセルの２つの異なった側部、例えば上側及び下側末端から、もしくはバッテリーセルの右及び左側から突き出ていてもよい。例えば、小袋形バッテリーの電極端子は、電極アセンブリーから突き出し、板状バッテリーのバッテリーケースの外側に露出している電極タップでも、電極タップに接続され、板状バッテリーのバッテリーケースの外側に露出している電極リード線でもよい。
【００２０】
本発明のモジュールケースには、単位電池をモジュールケースに一単位として連結できる限り、特に制限は無い。例えば、モジュールケースは、本出願者の名前で提出されている韓国未審査特許出願第２００５−００３６７５１号明細書に開示されているカートリッジ構造で構築することができる。上記出願の開示全文をここに参考として含める。しかし、本発明のモジュールケースは、単位電池がバッテリーモジュール中に少なくとも２ｘ２マトリックスで配置されており、したがって、モジュールケースの厚さが、その出願に開示されているカートリッジの厚さの２倍以上大きい点で、その出願に開示されているカートリッジとは異なっている。さらに、本発明のモジュールケースは、単位電池を一単位として連結できる。したがって、単位電池の一部だけをモジュールケースに接続し、単位電池とモジュールケースとの間の機械的連結を達成することができる。
【００２１】
本発明のバッテリーモジュールでは、単位電池同士の間の電気的接続を、単位電池の直列接続及び／または並列接続に応じて様々に達成することができる。単位電池を水平方向で配置する場合、単位電池は、電極端子間で大きな間隔を置いて配置されるので、単位電池同士の間の電気的接続を、接続部材、例えば母線またはプリント回路基板（ＰＣＢ）、を使用して達成することができる。接続は、様々な様式で、例えば溶接、はんだ付け、及び機械的連結により、行うことができる。単位電池を垂直方向で配置する場合も、上記の接続部材及び上記の電気的接続を単位電池に応用することができる。しかし、後者の場合、単位電池は電極端子間に小さな間隔を置いて配置され、したがって、単位電池が小袋形バッテリーである場合、電極端子として作用する電極タップまたは電極リード線を曲げて互いに接触させ、次いで、電極タップまたは電極リード線の接触部分を、溶接、はんだ付け、または機械的連結により互いに堅く固定することにより、単位電池間の電気的接続が達成される。したがって、バッテリーモジュールの電気的接続に必要な接続部材の数が大幅に減少する。
【００２２】
上記の説明で、ＰＣＢを使用する接続とは、単位電池の電極端子を、単位電池の電極端子用の接続回路が同時に印刷されているＰＣＢに、溶接、はんだ付け、または機械的連結により、電気的に接続することを意味する。
【００２３】
本発明の別の態様では、２個以上の上記のバッテリーモジュールを包含する中または大型バッテリーパックを提供する。
【００２４】
バッテリーモジュールは一般的に長方形構造に構築されるので、バッテリーモジュールを高密度で積み重ね、中または大型バッテリーパックを構成することができる。本発明のバッテリーパックは、所望の容量及び出力に基づいてバッテリーモジュールの数を決定し、バッテリーモジュールを配置し、バッテリーモジュール同士を電気的に接続することにより、製造される。バッテリーモジュールの配置には、特に制限は無い。例えば、バッテリーモジュールを１ｘＮマトリックスに、Ｎｘ１マトリックスに、またはＮａｘＮｂマトリックスに配置できる（ここでＮ、Ｎａ、及びＮｂは、それぞれ独立して２以上である）。好ましくは、バッテリーモジュールは、Ｎｘ１マトリックスに、またはＮａｘＮｂマトリックスに配置（ここで、Ｎａ＜Ｎｂ）し、これによって、バッテリーパックの空間的利用率(spatial use)が増加する。
【００２５】
バッテリーモジュールは、バッテリーパック中に、様々な様式で電気的に接続することができる。例えば、バッテリーモジュールをＮｘ１マトリックスに、またはＮａｘＮｂマトリックスに配置する場合、垂直方向バッテリーモジュールを、バッテリーモジュールの同じ電極端子が互いに隣接する、同じ向きの構造に配置することができるか、または垂直方向バッテリーモジュールを、バッテリーモジュールの逆の電極端子が互いに隣接する、交互に向いた構造に配置することができる。バッテリーモジュールを、同じ向きの構造で互いに直列に接続する場合、接続部材がバッテリーモジュール間で斜めに交差する状態で、接続部材、例えば母線、を電極端子間で接続する。バッテリーモジュールを、交互に向いた構造で互いに直列に接続する場合、接続部材がバッテリーモジュール間で垂直に交差する状態で、接続部材を電極端子間で接続する。
【００２６】
他方、バッテリーモジュールを、１ｘＮマトリックスに、またはＮａｘＮｂマトリックスに水平方向で互いに直列に接続する場合、バッテリーモジュールの電極端子は、バッテリーモジュールの逆の電極端子が互いに隣接するようにバッテリーを向けた状態で、接続部材、例えば母線、を使用して互いに接続する。
【００２７】
バッテリーモジュールは、他の様々な構造及び向きに配置することができるが、これは、本発明の範疇に入ると解釈しなければならない。
【００２８】
本発明の上記の、及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら記載する下記の詳細な説明により、より深く理解される。
【００２９】
好ましい実施態様の詳細な説明
ここで、添付の図面を参照しながら本発明の好ましい実施態様を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、例示する実施態様に限定されるものではない。
【００３０】
図１は、本発明の好ましい実施態様によるバッテリーモジュールを例示する典型的な図である。バッテリーモジュールを構成する単位電池の配置、及び単位電池間の電気的接続を図１に明確に示す。
【００３１】
図１に関して、バッテリーモジュール１００を、４個の単位電池２００、２０１，２０２、及び２０３がモジュールケース１１０の中に取り付けられた構造で構築する。第一単位電池２００及び第二単位電池２０１は水平方向に配置されている。第一単位電池２００及び第三単位電池２０２は垂直方向に配置されており、第二単位電池２０１及び第四単位電池２０３も垂直方向に配置されている。つまり、４個の単位電池２００、２０１，２０２、及び２０３は、２ｘ２マトリックスに配置され、一体的なバッテリーモジュール１００を構築する。したがって、バッテリーモジュール１００の垂直長さ（厚さ）は、少なくとも、２個の単位電池の厚さの合計よりも大きい。上記の厚さを有するバッテリーモジュールは、単位電池２００、２０１，２０２、及び２０３が水平方向にのみ、すなわち１ｘ４マトリックスに、配置された構造に構築された別のバッテリーモジュールよりも高い機械的強度を与える。
【００３２】
図１に示すバッテリーモジュール１００では、単位電池２００、２０１，２０２、及び２０３が、直列接続構造に互いに電気的に接続される。具体的には、第一単位電池２００のアノード端子２１０が第二単位電池２０１のカソード端子２２１に母線３００を介して接続される。
【００３３】
他方、単位電池２００、２０１，２０２、及び２０３が小袋形バッテリーであり、したがって、各小袋形バッテリーの電極タップまたは電極リード線がバッテリーセルの外側表面から外側に突き出ている場合、第一単位電池２００と第三単位電池２０２との間の電気的接続及び第二単位電池２０１と第四単位電池２０３との間の電気的接続は、追加の母線を使用せずに達成できる。
【００３４】
例えば、図１に示すように、第一単位電池２００及び第三単位電池２０２が垂直方向に配置され、第一単位電池２００の上側表面が第三単位電池２０２の下側表面と向き合い、第一単位電池２００及び第三単位電池２０２が交互に向く構造に配置され、第一単位電池２００のカソード端子２２０が第三単位電池２０２のアノード端子２１２に隣接する場合、電極端子２２０及び２１２を曲げることにより、電極端子２２０及び２１２を互いに直接接触させることができる。電極端子２２０及び２１２の接触区域は、溶接、はんだ付け、または機械的連結により堅く固定することができ、それによって、電極端子２２０と２１２との間の電気的接続が維持される。これは、第二単位電池２０１のアノード端子２１１と第四単位電池２０３のカソード端子２２３との間の電気的接続にも、同じ様式で適用される。したがって、使用する母線の数が大幅に低減される。
【００３５】
他方、第三単位電池２０２のカソード端子２２２及び第四単位電池２０３のアノード２１３は、外部の入力及び出力端子２４０及び２３０にそれぞれ接続される。
【００３６】
図２は、本発明の好ましい実施態様による中または大型バッテリーパックを例示する典型的な図である。
【００３７】
図２に関して、バッテリーパック４００は、４個の、図１にその一つを示すバッテリーモジュール１００、１０１、１０２、１０４が垂直方向に、すなわち４ｘ１マトリックスに配置される構造に構築される。それぞれのバッテリーモジュール１００、１０１、１０２、及び１０３は、バッテリーモジュールの同じ電極端子が互いに隣接するように、同じ向きの構造に配置される。具体的には、第一バッテリーモジュール１００のカソード端子１２０が第二バッテリーモジュール１０１のカソード１２１に隣接する。したがって、バッテリーモジュール１００、１０１、１０２、及び１０３が互いに直列に接続される場合、バッテリーモジュール１００、１０１、１０２、及び１０３間で母線３１０が斜めに横切るように、反対の電極端子間に母線３１０を接続する。
【００３８】
図３は、図２に示すバッテリーパックの変形を例示する典型的な図であり、バッテリーパックのバッテリーモジュールが、交互に向いた構造に配置されている。
【００３９】
図３に関して、バッテリーパック４０１は、バッテリーパックのバッテリーモジュール１００、１０１、１０２、及び１０３が４ｘ１マトリックスに配置される点で、図２に示すバッテリーパック４００と同等であるが、バッテリーパック４０１は、バッテリーモジュールが交互に向いた構造で配置され、反対の電極端子が互いに隣接する点で、バッテリーパック４００とは異なっている。したがって、母線３２０が、対応する電極端子間で接続されるように、母線３２０が、それぞれのバッテリーモジュール１００、１０１、１０２、及び１０３を垂直に横切る。
【００４０】
図４は、本発明の別の好ましい実施態様によるバッテリーパックを例示する典型的な図である。
【００４１】
図４に関して、バッテリーパック４０２は、４ｘ２マトリックスに配置された８個のバッテリーモジュールを備えてなる。具体的には、４個のバッテリーモジュール１００、１０１、１０２、及び１０３が垂直方向に配置されて第一段４１０を構成し、４個のバッテリーモジュール１０４、１０５、１０６、及び１０７も垂直方向に配置されて第二段４２０を構成する。第一及び第二段４１０及び４２０は、水平方向に配置され、単一の列を構成する。第一段４１０のバッテリーモジュール１００、１０１、１０２、及び１０３は、図３と同じ交互に向いた構造に配置され、第二段４２０のバッテリーモジュール１０４、１０５、１０６、及び１０７も、図３と同じ交互に向いた構造に配置され、それによって、図３と同じ電気的接続が達成される。
【００４２】
第一段４１０と第二段４２０との間の電気的接続は、第一段４１０に属する第四バッテリーモジュール１０３のカソード端子１２３と、第二段４２０に属する第八バッテリーモジュール１０７のアノード端子１１７とを、母線３３０を使用して互いに接続することにより、達成される。第一バッテリーモジュール１００のアノード端子１１０及び第五バッテリーモジュール１０４のカソード端子１２４は、バッテリーパック４０２の外部の入力及び出力端子（図には示していない）に接続される。
【００４３】
本発明の好ましい実施態様を例示のために開示したが、当業者には明らかなように、請求項に記載する本発明の範囲及び精神から離れることなく、様々な修正、追加及び置き換えが可能である。
【００４４】
産業上の利用可能性
上記の説明から明らかなように、本発明のバッテリーモジュールは、板状単位電池がバッテリーモジュールのケース中に、単位電池が垂直及び水平方向に、すなわちマトリックスパターンに、配置された状態で取り付けられる構造に構築される。それによって、バッテリーモジュールの一体性が大きく改良される。特に、バッテリーモジュールの垂直方向の機械的強度がさらに増加し、単位電池間の電気的接続に必要な接続部材の数が減少する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施態様によるバッテリーモジュールを例示する典型的な図である。
【図２】図２は、本発明の好ましい実施態様によるバッテリーパックを例示する典型的な図であり、該バッテリーパックは、図１に示すバッテリーモジュールを、複数個、同じ向きの構造に配置している。
【図３】図３は、本発明の別の好ましい実施態様によるバッテリーパックを例示する典型的な図であり、該バッテリーパックは、図１に示すバッテリーモジュールを、複数個、交互に向いた構造に配置している。
【図４】図４は、本発明のさらに別の好ましい実施態様によるバッテリーパックを例示する典型的な図である。
【図１】
2008541375.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008541375.tif 000005
【図４】
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【国際調査報告】
2008541375.tif 000007
2008541375.tif 000008