JP7154652B2 - 電池パックおよびこれを含むデバイス - Google Patents

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は、２０１９年１月１７日付韓国特許出願第１０－２０１９－０００６２２５号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として組み含まれる。
本発明は、電池パックおよびこれを含むデバイスに関し、ターミナルボルトを含む電池パックおよびこれを含むデバイスに関する。

現代社会では、携帯電話、ノートパソコン、カムコーダ、デジタルカメラなどの携帯型機器の使用が日常的になることに伴い、このようなモバイル機器と関連した分野の技術に対する開発が活発になってきている。また、充放電が可能な二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン車両などの大気汚染などを解決するための方案として、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（Ｐ－ＨＥＶ）などの動力源として利用されているので、二次電池に対する開発の必要性が高まっている。

現在、商用化された二次電池としては、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、リチウム二次電池などがあるが、このうち、リチウム二次電池は、ニッケル系の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起こらず、充放電が自由であり、自己放電率が非常に低く、エネルギー密度が高いという長所のため、脚光を浴びている。

このようなリチウム二次電池は、主にリチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と負極活物質として使用する。リチウム二次電池は、このような正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された正極板と負極板がセパレータを間に置いて配置された電極組立体と、電極組立体を電解液と共に密封収納する外装材、つまり、電池ケースを備える。

一般にリチウム二次電池は、外装材の形状により、電極組立体が金属カンに内装されているカン型二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに内装されているパウチ型二次電池に分類され得る。

小型機器に利用される二次電池の場合、２～３個の電池セルが配置されるが、自動車などのような中大型デバイスに利用される二次電池の場合は、多数の電池セルを電気的に連結した電池パックが利用される。

このような電池パックには通常、多数の二次電池が含まれ、このような多数の二次電池は互いに直列および並列に連結されることによって容量および出力を向上させる。このような電池パックは、多数の二次電池が積層された形態で備えられた電池モジュール（battery module）、電池モジュールを内部空間に収納する電池モジュールフレーム（battery module frame）およびこれを囲む上部ハウジング（upper housing）を含む。また、このような電池パックを使用するためには、電池パックと外部の装置との間が連結用ワイヤーなどの連結部材を通じて電気的に連結されなければならないが、このような連結のために、電池パックには接続端子としてターミナル（terminal）が設けられ得る。

従来はターミナルの結合のために、追加ボルトを利用してターミナルを固定させる方法、ボンディング結合でターミナルを結合させる方法などを利用した。ただし、追加ボルトを使用する場合、ボルトとターミナルとの間に追加的にシーリング（sealing）部材が必要となって構造が複雑になり、費用が増加するという問題があり、ボンディング結合の場合には、別途の硬化時間が必要であり、ボンディングの形状によりシーリング部材が異なるという問題がある。

本発明の実施例が解決しようとする課題は、このような問題点を解決するためのものであって、ターミナルの固定に追加的なボルトやナットが不要となり、工程を簡素化することができ、別途の内部空間がなくてもターミナルの締結が可能であるため、内部空間の効率的な活用が可能な電池パックおよびこれを含むデバイスを提供することにある。

本発明の一実施例による電池パックは、電池モジュールを収納する電池モジュールフレーム；少なくとも一つ以上の貫通口を含み、前記電池モジュールフレームの上部を覆う上部ハウジング；前記電池モジュールフレームの上部に位置し、前記電池モジュールの電極リードと連結されたバスバー；前記電池モジュールフレームの上部に位置し、前記貫通口を通じて上部方向に突出し、前記バスバーと連結された内部ボルト；および前記貫通口を通過して前記バスバーおよび前記内部ボルトと連結されるターミナルを含み、前記ターミナルは、前記内部ボルトと締結されるナット形状の締結部を含む。

前記バスバーは、前記バスバーに形成された貫通ホールを含み、前記内部ボルトは、前記貫通ホールを通過して前記ターミナルの前記締結部と締結される本体部、および前記バスバーの下面と接触する延長部を含むことができる。

前記貫通ホールの直径は、前記貫通口の直径より小さく、前記本体部の直径より大きく、前記締結部は、前記貫通ホールの直径と対応する第１外径部、および前記貫通口の直径と対応する第２外径部を含むことができる。

前記貫通ホールの直径は、前記貫通口の直径より小さく、前記本体部の直径と同一であり、前記締結部は、前記貫通口の直径と対応する外径部を含むことができる。

前記バスバーの下面と前記延長部は、溶接結合された構造であってもよい。

前記ナット形状の締結部には前記本体部が挿入され得る湾入構造が形成され、前記本体部の外面と前記湾入構造の内面にはねじ線が形成されてもよい。

前記電池モジュールフレームと前記上部ハウジングとの間に位置する回路制御ボードをさらに含み、前記バスバーおよび前記内部ボルトは、前記回路制御ボードの上面に配置されてもよい。

前記ターミナルは、前記上部ハウジングの外部に露出される多角形形状のシーリング部を含むことができる。

前記シーリング部は、前記貫通口より大きい面積で前記上部ハウジングに密着してもよい。

前記シーリング部は、前記シーリング部と前記上部ハウジングとの間に位置するシーリングパッドを含むことができる。

前記多角形は、八角形であってもよい。

前記ターミナルは、前記シーリング部の上面に位置する上部突出部をさらに含むことができる。

前記締結部、前記シーリング部および前記上部突出部は、一体形に形成されてもよい。

本発明の実施例によれば、ナット形状の締結部を有するターミナルを通じて追加的なボルトやナットなしにターミナルを固定させることができるため、組み立て構造を単純化してその製造工程を簡素化することができる。

また、固定された内部ボルトにナット形状の締結部が締結されて別途の内部空間がなくてもターミナルの締結が可能であるため、内部空間の効率的な活用が可能である。

本発明の一実施例による電池パックを示す斜視図である。 図１の電池パックに対する分解斜視図である。 図１のＡ－Ａ’方向の断面図である。 図３のターミナルを示した図面である。 本発明の他の一実施例による電池パックに対する断面図である。 図５のターミナルを示した図面である。 図３のターミナルを方向を異にして示した図面である。

以下、添付した図面を参照して本発明の多様な実施例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することができるように詳細に説明する。本発明は、多様な異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施例に限定されない。

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した。

また、図面に示され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ため、本発明が必ず図示されたところに限定されるのではない。図面において、複数の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。そして図面において、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。

また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上」にあるという時、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。反対に、ある部分が他の部分の「直上」にあるという時には中間にまた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」にあるということは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ず重力反対方向に向かって「上」に位置することを意味するのではない。

また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除外せず、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

図１は本発明の一実施例による電池パックを示す斜視図であり、図２は図１の電池パックに対する分解斜視図である。

図１および図２を参照すると、本発明の一実施例による電池パック１０は、電池モジュール２００を収納する電池モジュールフレーム１００、電池モジュールフレーム１００の上部を覆う上部ハウジング４００、電池モジュールフレーム１００の上部に位置し、電池モジュール２００の電極リード（図示せず）と連結されたバスバー５００、電池モジュールフレーム１００の上部に位置し、バスバー５００と連結された内部ボルト６００、および電池パック１０を外部装置と電気的に連結するためのターミナル７００を含む。より具体的に、ターミナル７００は、電池パック１０を外部装置と電気的に連結するためにバスバー５００および内部ボルト６００と連結される。

一方、回路制御ボード３００が電池モジュールフレーム１００と上部ハウジング４００との間に位置してもよく、バスバー５００および内部ボルト６００は回路制御ボード３００の上面に配置されてもよい。

図３は図１のＡ－Ａ’方向の断面図である。

図２および図３を参照すると、上部ハウジング４００は、回路制御ボード３００を覆う形態であって、回路制御ボード３００やバスバー５００などが外部に露出されることを防止する。ただし、上部ハウジング４００には、少なくとも一部が外部に露出されているターミナル７００がバスバー５００などと電気的に連結され得るように、少なくとも一つ以上の貫通口４１０が形成されてもよく、内部ボルト６００は貫通口４１０を通じて上部方向に突出し、ターミナル７００が少なくとも一つ以上の貫通口４１０を通過してバスバー５００および内部ボルト６００と連結される。

従来は電池パックに接続端子としてターミナルを連結するために、追加ボルトを利用してターミナルを固定させる方法やボンディング結合でターミナルを結合させる方法などを利用した。ただし、追加ボルトを使用する場合、ボルトとターミナルとの間に追加的にシーリング（sealing）部材が必要となって構造が複雑になり、費用が増加するという問題があり、ボンディング結合の場合には、別途の硬化時間が必要であり、ボンディング結合が必要な構成物の形状によりシーリング部材が異なるという問題が提起されてきており、ボルトが下部に向かったまま電池パックと締結されるため、電池パック内部に締結のための追加的な空間が必要であった。

本発明の一実施例による電池パック１０は、このような問題点を解決するためのものであって、ターミナル７００の締結構造を改善して追加的なボルトやナットなしにターミナル７００を固定することができるため、組み立て構造が単純化し、製造工程が簡素化される。それだけでなく、別途の内部空間がなくてもターミナルの締結が可能であるため、内部空間の効率的な活用が可能である。以下、本発明の一実施例によるターミナル７００の構造を具体的に説明する。

図４は図３のターミナル７００を示す斜視図である。

図２乃至図４を参照すると、ターミナル７００は、内部ボルト６００と締結されるナット形状の締結部７１０、上部ハウジング４００の外部に露出される多角形形状のシーリング部７２０、およびシーリング部７２０の上面に位置する上部突出部７３０を含むことができる。

特に、締結部７１０、シーリング部７２０および上部突出部７３０が一体形に形成されてもよい。したがって、別途の追加部材なしに締結部７１０の締結だけで、外部環境からの密封および外部デバイスとの連結が全て可能なターミナル７００を実現することができる。締結部７１０、シーリング部７２０および上部突出部７３０のそれぞれについては詳細に後述する。

また、バスバー５００は、バスバー５００に形成された貫通ホール５１０を含み、ターミナル７００の締結部７１０は、上部ハウジング４００の貫通口４１０だけでなく、バスバー５００の貫通ホール５１０を通過してバスバー５００および内部ボルト６００と連結されてもよい。特に、ターミナル７００の締結部７１０は、ナット形状を形成して内部ボルト６００と締結される。ナット形状とは、ターミナル７００の締結部７１０に内部ボルト６００が挿入され得る湾入構造が形成され、湾入構造の内面にねじ線が形成されたことを意味する。

より具体的に、内部ボルト６００は、バスバー５００の貫通ホール５１０を通過してターミナル７００の締結部７１０と締結される本体部６１０、およびバスバー５００の下面と接触する延長部６２０を含むことができ、ボルト形状の本体部６１０にナット形状の締結部７１０が嵌合されることによって、内部ボルト６００にターミナル７００が締結され得る。本体部６１０と締結部７１０には締結のためのねじ線が形成されてもよい。つまり、本体部６１０の外面にねじ線が形成されてもよく、ナット形状の締結部７１０には本体部６１０が挿入される湾入構造の内面にねじ線が形成されてもよい。

内部ボルト６００の延長部６２０は、内部ボルト６００をバスバー５００に連結するためのものであって、バスバー５００の下面と延長部６２０が接触して互いに連結され、このような連結は延長部６２０とバスバー５００の下面との間の物理的、電気的連結が可能であればその方法に制限はないが、溶接が行われることが好ましい。つまり、延長部６２０とバスバー５００の下面は溶接結合された構造であることが好ましい。

内部ボルト６００の延長部６２０がバスバー５００の下面と溶接などを通じて接触すると同時に、内部ボルト６００の本体部６１０がバスバー５００の貫通ホール５１０を通過した状態で回路制御ボード３００に安着する。その後、上部ハウジング４００を結合した後、上部ハウジング４００の貫通口４１０を通過したターミナル７００の締結部７１０は、内部ボルト６００の本体部６１０と締結されることによって、バスバー５００、内部ボルト６００およびターミナル７００の物理的、電気的連結が完成される。このような結合構造を通じて、ターミナル７００を追加的なボルトやナットなしにもバスバー５００および内部ボルト６００により簡潔に締結することができ、ターミナル７００がナット形状を形成するため、別途の内部空間がなくても電池パック１０に締結され得るため、電池パック１０内部の空間を効率的に利用することができる。

図３および図４を再び参照すると、本発明の一実施例によるターミナル７００の締結部７１０の外面は階段形状の段差を形成することができる。具体的に、バスバー５００の貫通ホール５１０の直径Ｘは、上部ハウジング４００の貫通口４１０の直径Ｙより小さくてもよく、内部ボルト６００の本体部６１０の直径Ｚより大きくてもよい。

ターミナル７００の締結部７１０は、本体部６１０と締結されながら貫通ホール５１０の直径Ｘおよび貫通口４１０の直径Ｙと合わされるために、貫通ホール５１０の直径Ｘと対応する第１外径部７１１、および貫通口４１０の直径Ｙと対応する第２外径部７１２を含むことができる。つまり、締結部７１０の第１外径部７１１および第２外径部７１２は、互いに直径が異なる貫通ホール５１０の直径Ｘと貫通口４１０の直径Ｙとそれぞれ同一の直径を形成して、ターミナル７００が上部ハウジング４００とバスバー５００に結合時、その組立性を向上させることができる。また、第１外径部７１１および第２外径部７１２を通じて外面に階段形状の段差を形成するため、ターミナル７００の締結時、バスバー５００と上部ハウジング４００間の整列誤差を締結を通じて正すことができ、さらには組み立て構造の締結性を向上させることができる。

図５は本発明の他の一実施例による電池パックに対する断面図であり、図６は図５のターミナルを示した斜視図である。

図５および図６を参照すると、本発明の他の一実施例による電池パックは、上部ハウジング４００、バスバー９００、内部ボルト６００およびターミナル８００を含む。

ターミナル８００およびバスバー９００を除外した上部ハウジング４００および内部ボルト６０などは前述した一実施例と同一乃至類似の構造を形成して、これに対する説明は前述した内容と反復する内容であるため省略する。

バスバー９００の貫通ホール９１０の直径Ｘ’は、上部ハウジング４００の貫通口４１０の直径Ｙ’より小さく、内部ボルト６００の本体部６１０の直径Ｚ’と同一であってもよく、ターミナル８００の締結部８１０は、貫通口４１０の直径Ｙ’と対応する外径部８１１を含むことができる。これに加えて、バスバー９００の貫通ホール９１０は、内部ボルト６００の本体部６１０との締結のために本体部６１０の外面と対応するねじ線をその内面に形成することができる。

このような結合構造を通じて、内部ボルト６００の延長部６２０はバスバー９００の下面とより広い面積で接触して溶接結合された構造を形成することができるため、内部ボルト６００とバスバー９００間の結合力が上昇するばかりか、接触抵抗が減少する効果がある。また、バスバー９００の貫通ホール９１０が本体部６１０の外面と対応するねじ線を形成して締結性を向上させることができる。

図３および図４を再び参照すると、本発明の一実施例によるターミナル７００は、上部ハウジング４００の外部に露出される多角形形状のシーリング部７２０を含むことができる。

シーリング部７２０は、上部ハウジング４００の貫通口４１０より大きい面積で上部ハウジング４００に密着する構造であってもよく、シーリング部７２０と上部ハウジング４００との間に位置するシーリングパッド７２１をさらに含むことができる。

前記のような特徴により、ターミナル７００とバスバー５００との間に上部ハウジング４００が位置する構造を形成することができるため、ターミナル７００の締結時、ボルト／ナット結合による締結方向への力と締結方向への力により上部ハウジング４００がシーリング部７２０に作用する垂直抗力間の均衡を通じてターミナル７００と上部ハウジング４００が密着してより堅固に密封され得る。

また、上部ハウジング４００を電池モジュールフレーム１００に固定するに当たり、多数のボルトを使用することができるが、前記のようなシーリング部７２０の構造的特徴があれば、ターミナル７００の締結が単にターミナル７００を電池パック１０に連結することに止まらず、上部ハウジング４００を電池モジュールフレーム１００に固定することに役に立てる。

これに加えて、シーリング部７２０と上部ハウジング４００との間にシーリングパッド７２１を位置させることによって、ターミナル７００と上部ハウジング４００間の密封のレベルを向上させて機械部品間の組み立てで発生し得る位置公差を吸収することができ、外部の物質が電池パック内部に流入することを防止することができる。シーリングパッド７２１は、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ：ethylene propylene diene monomer）およびウレタン素材のうちの少なくとも一つを含むことが好ましい。

一方、本実施例によるターミナル７００は、シーリング部７２０の上面に位置する上部突出部７３０をさらに含む。上部突出部７３０が連結部材などを通じて外部デバイスと電気的に連結されて、最終的に電池パックに収納された電池セルが外部デバイスと連結され得る。

図７は図４のターミナル７００を方向を異にして示した斜視図である。

図７を参照すると、本発明の一実施例によるターミナル７００は、多角形形状のシーリング部７２０を含むことができ、形状は大きく制限されないが、八角形のシーリング部７２０を含むことが好ましい。

シーリング部７２０が多角形、特に八角形の形状を有するため、ターミナル７００の締結工程のためにはこれに適合した特殊な装備、例えば前記多角形と一致する形状のナットドライバーが使用されなければならず、ターミナル７００の解体の場合も同様である。したがって、このような特殊な装備のない一般使用者はターミナル７００を簡単に解体することができない。

一方、図２を再び参照すると、電池モジュール２００を収納する電池モジュールフレーム１００は、電池モジュールフレーム１００の側面に配置されるポートプレート１１０および側面カバープレート１２０をさらに含むことができる。

また、回路制御ボード３００は、電池パック１０に装着されて、電流流れの開閉機能を担当し、保護回路が組立され、電池パック１０の電源を遮断できる装置であって、代表的にＢＤＵ（Battery Disconnected Unit）ハウジングに該当し得る。ＢＤＵ（Battery Disconnected Unit）ハウジングなどの回路制御ボード３００は、電池内部に流出または流入される電流が設定範囲を越える状況になれば、電池パック１０の電源を遮断することができる。

前述した電池パックは、多様なデバイスに適用可能である。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッドなどの運送手段に適用可能であるが、これに制限されず、二次電池を使用することができる多様なデバイスに適用可能である。

以上で本発明の好ましい実施例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ず、特許請求の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多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

１０：電池パック
１００：電池モジュールフレーム
２００：電池モジュール
３００：回路制御ボード
４００：上部ハウジング
５００、９００：バスバー
６００：内部ボルト
７００、８００：ターミナル

Claims (13)

1. 電池モジュールを収納する電池モジュールフレームと、
   少なくとも一つ以上の貫通口を含み、前記電池モジュールフレームの上部を覆う上部ハウジングと、
   前記電池モジュールフレームの上部に位置し、前記電池モジュールの電極リードと連結されたバスバーと、
   前記電池モジュールフレームの上部に位置し、前記貫通口を通じて上部方向に突出し、前記バスバーと連結された内部ボルトと、
   前記貫通口を通過して前記バスバーおよび前記内部ボルトと連結されるターミナルと、
   を含み、
   前記ターミナルは、前記内部ボルトと締結されるナット形状の締結部を含み、
   前記ターミナルは、前記上部ハウジングの外部に露出されたシーリング部を含み、
   前記ターミナルは、前記シーリング部の上部に位置する上部突出部をさらに含み、
   前記締結部、前記シーリング部、および前記上部突出部は、一体形に形成された、電池パック。
2. 前記バスバーは、前記バスバーに形成された貫通ホールを含み、
   前記内部ボルトは、前記貫通ホールを通過して前記ターミナルの前記締結部と締結される本体部、および前記バスバーの下面と接触する延長部を含む、請求項１に記載の電池パック。
3. 前記貫通ホールの直径は、前記貫通口の直径より小さく、前記本体部の直径より大きく、
   前記締結部は、前記貫通ホールの直径と対応する第１外径部、および前記貫通口の直径と対応する第２外径部を含む、請求項２に記載の電池パック。
4. 前記貫通ホールの直径は、前記貫通口の直径より小さく、前記本体部の直径と同一であり、
   前記締結部は、前記貫通口の直径と対応する外径部を含む、請求項２に記載の電池パック。
5. 前記バスバーの下面と前記延長部は、溶接結合された構造である、請求項２から４のいずれか一項に記載の電池パック。
6. 前記ナット形状の締結部には前記本体部が挿入され得る湾入構造が形成され、
   前記本体部の外面と前記湾入構造の内面にはねじ線が形成されている、請求項２から５のいずれか一項に記載の電池パック。
7. 前記電池モジュールフレームと前記上部ハウジングとの間に位置する回路制御ボードをさらに含み、
   前記バスバーおよび前記内部ボルトは、前記回路制御ボードの上面に配置される、請求項１から６のいずれか一項に記載の電池パック。
8. 前記ターミナルは、前記上部ハウジングの外部に露出される多角形の形状の前記シーリング部を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の電池パック。
9. 前記シーリング部は、前記貫通口より大きい面積で前記上部ハウジングに密着する、請求項８に記載の電池パック。
10. 前記シーリング部は、前記シーリング部と前記上部ハウジングとの間に位置するシーリングパッドを含む、請求項９に記載の電池パック。
11. 前記多角形は、八角形である、請求項８から１０のいずれか一項に記載の電池パック。
12. 前記ターミナルは、前記シーリング部の上部としての上面に位置する前記上部突出部をさらに含む、請求項８から１１のいずれか一項に記載の電池パック。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の電池パックを電源として含むデバイス。

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