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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Vorrichtung betrifft ein Batteriemodul und einen Batteriepack.
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Hintergrundtechnik
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Im Allgemeinen stattet eine Batteriezelle, wie etwa eine Lithiumionen-Sekundärbatterie, ein Fahrzeug, wie etwa ein Hybridfahrzeug, aus, und eine Autobatterie wird konfiguriert, indem Elektrodenplatten und eine Elektrolytlösung in einem Zellengehäuse mit einer im Wesentlichen rechteckigen Parallelepipedform aufgenommen werden. Ein Paar von Elektroden, die mit den Elektrodenplatten elektrisch verbunden sind, ist auf der oberen Oberfläche der Batteriezelle angeordnet. Wie in 12 gezeigt, ist die Batteriezelle 101 im Allgemeinen derart angeordnet, dass das Paar von Elektrodenanschlüssen 102 nach oben gewandt ist. Die Batteriezelle 101 hat ein (nicht dargestelltes) explosionssicheres Ventil, um unnormales Gas, das sich im Inneren entwickelt, nach außen entweichen zu lassen, und ist derart konfiguriert, dass dieses explosionssichere Ventil nicht durch die Elektrolytlösung blockiert wird. Das Batteriemodul 100 wird durch Laminieren mehrerer dieser Batteriezellen 101 in einer Richtung konfiguriert. Benachbarte Elektrodenanschlüsse 102, 102 (positive Elektrode und negative Elektrode) benachbarter Batteriezellen 101, 101 sind durch eine Stromschiene 103, die aus einer Metallplatte, etc. besteht, elektrisch verbunden.
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Jedoch dehnt sich die Batteriezelle durch Laden und Entladen aus. Aus diesem Grund bestehen in einem Fall, in dem mehrere Batteriezellen, wie in 12 laminiert werden, Bedenken, dass der Abstand zwischen benachbarten Batteriezellen sich durch die Expansion der Batteriezellen verbreitert. Wenn der Abstand zwischen Batteriezellen breiter wird, wirken Spannungen auf die Stromschiene oder den Verbindungsteil zwischen der Stromschiene und dem Elektrodenanschluss, und es bestehen Bedenken bezüglich eines Bruchs oder Ähnlichem. Aus diesem Grund bindet ein herkömmliches Batteriemodul die Gesamtheit der mehreren laminierten Batteriezellen und ist konfiguriert, um die durch die Expansion der Batteriezelle auftretende Verbreiterung des Abstands der Batteriezellen zu unterdrücken.
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Außerdem erzeugt die Batteriezelle durch das Laden und Entladen Wärme. Aus diesem Grund sind die herkömmlichen Batterien im Allgemeinen konfiguriert, um jede Batteriezelle durch ein Kühlmedium zu kühlen, indem ein Kühlmediumkanal an der unteren Oberfläche (entgegengesetzte Oberfläche der vorstehenden Oberfläche des Elektrodenanschlusses) der Batteriezelle angeordnet wird.
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Patentdokument 1: japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2009-211998
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Offenbarung der Erfindung
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Probleme, die von der Erfindung gelöst werden sollen
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Im Allgemeinen werden die Elektrodenanschlüsse der Batteriezelle unter Berücksichtigung der Zellenstruktur und Anordnungseigenschaft, auf der oberen Oberfläche der Batteriezelle angeordnet, und somit nimmt die Höhe des Batteriemoduls zu. Als ein Ergebnis davon wird dies ein Faktor, wobei die Verringerung der Höhe des Fahrzeugs, das mit diesem Batteriemodul ausgestattet ist, erschwert wird.
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Außerdem wird die Bindekraft zur Unterdrückung der Ausdehnung der mehreren Batteriezellen derart angewendet, dass sie der Laminierungsrichtung der Elektrodenschichten innerhalb der Batteriezelle entgegengesetzt ist. Aus diesem Grund hat das herkömmliche Batteriemodul ein Problem in der Hinsicht, dass mehrere Batteriezellen in der gleichen Richtung wie die Laminierungsrichtung der Elektrodenschichten laminiert werden müssen, um das Binden mehrerer Batteriezellen auf einmal zu ermöglichen, und hat somit eine Beschränkung in der Anordnung von Batteriezellen.
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Außerdem ist der Kühlbereich der Batteriezellen auf die untere Oberfläche, die am weitesten von den Elektrodenanschlüssen mit dem größten Heizwert entfernt ist, auf der Außenseite der Batteriezelle beschränkt; daher hat das herkömmliche Batteriemodul ein Problem in der Hinsicht, dass der Kühlungswirkungsgrad der Batteriezellen schlecht ist.
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Daher hat die vorliegende Erfindung eine Aufgabe, ein Batteriemodul, das die Höhe des Batteriemoduls klein halten kann, so dass sie niedrig ist, die Freiheitsgrade in der Anordnung der Batteriezellen verbessern kann ebenso wie einen großen Kühlbereich der Batteriezellen sicherstellen kann; und einen Batteriepack, die aus diesen Batteriemodulen konfiguriert ist, bereitzustellen.
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Mittel zur Lösung der Probleme
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Ein Batteriemodul (zum Beispiel das später beschriebene Batteriemodul 1A, 1B, 1C) gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst: mehrere Batteriezellen (zum Beispiel die später beschriebene Batteriezelle 2), die aus einer Feststoffbatterie bestehen, in der eine positive Elektrodenschicht (zum Beispiel die später beschriebene positive Elektrodenschicht 201), eine negative Elektrodenschicht (zum Beispiel die später beschriebene negative Elektrodenschicht 202), eine Feststoffelektrolytschicht (zum Beispiel die später beschriebene Feststoffelektrolytschicht 303) laminiert sind, wobei die Batteriezelle ein Paar Elektrodenanschlüsse (zum Beispiel den positiven Elektrodenanschluss 23a, den negativer Elektrodenanschluss 23b, die später beschrieben werden) hat, die jeweils von entgegengesetzten Seitenflächen (zum Beispiel der später beschriebenen Seitenfläche 22) der Batteriezelle vorstehen, wobei mehrere der Batteriezellen relativ zu den Laminierungsebenen der positiven Elektrodenschicht, der negativen Elektrodenschicht und der Feststoffelektrolytschicht parallel sind und derart angeordnet sind, dass die Elektrodenanschlüsse verschiedener Batteriezellen sich aneinanderreihen, und wobei die Elektrodenanschlüsse der Batteriezellen, die in einer Anordnungsrichtung benachbart sind, durch die Stromschiene (zum Beispiel die später beschriebene Stromschiene 3) elektrisch verbunden sind.
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Gemäß dem Batteriemodul, wie in dem ersten Aspekt beschrieben, ist es möglich, die Höhe des Batteriemoduls klein zu halten, so dass sie niedrig ist, den Freiheitsgrad in der Anordnung der Batteriezellen zu verbessern ebenso wie einen großen Kühlbereich der Batteriezellen sicherzustellen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in dem Batteriemodul, wie in dem ersten Aspekt beschrieben, eine Modulgruppe (zum Beispiel die später beschriebene Modulgruppe 10), die durch Anordnung mehrerer der Batteriezellen konfiguriert ist, mehrfach in einer Richtung orthogonal zu der Laminierungsrichtung laminiert.
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Gemäß dem Batteriemodul, wie in dem zweiten Aspekt beschrieben, ist es möglich, die Batteriezellen mit höherer Dichte anzuordnen, während die Höhe klein gehalten wird.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann in dem Batteriemodul, wie in dem zweiten Aspekt beschrieben, derart konfiguriert werden, dass die Stromschiene zwischen den Elektrodenanschlüssen der Batteriezellen, der in der Laminierungsrichtung benachbart zueinander sind, angeordnet ist, die Batteriezellen, die in der Laminierungsrichtung benachbart zueinander sind, durch die Stromschiene parallelgeschaltet werden, und die Elektrodenanschlüsse der Batteriezellen, die in einer Anordnungsrichtung in der Modulgruppe benachbart zueinander sind, durch die Stromschiene, welche die Batteriezellen, die in der Laminierungsrichtung benachbart zueinander sind, gemeinsam elektrisch verbindet, in Reihe geschaltet werden.
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Gemäß dem Batteriemodul, wie in dem dritten Aspekt beschrieben, ist es möglich, mehrere Batteriezellen durch eine kleine Anzahl von Stromschienen parallel und in Reihe zu schalten.
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Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung können in dem Batteriemodul, wie in dem dritten Aspekt beschrieben, die Stromschienen, die in der Anordnungsrichtung der Batteriezellen benachbart sind, durch ein strukturelles Kopplungselement (zum Beispiel das später beschriebene strukturelle Kopplungselement 6) mit einer Isoliereigenschaft integral gekoppelt werden.
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Gemäß dem Batteriemodul, wie in dem vierten Aspekt beschrieben, bilden die mehreren Batteriezellen in der Anordnungsrichtung eine Struktur, die durch die Stromschiene 3 und das strukturelle Kopplungselement integral gekoppelt wird, und der Anordnungszustand jeder Batteriezelle wird beibehalten.
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Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann in dem Batteriemodul, wie in jedem der ersten bis vierten Aspekte beschrieben, der Elektrodenanschluss in einer flachen Plattenform, die relativ zu der Laminierungsebene parallel ist, ausgebildet werden.
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Da die Elektrodenanschlüsse gemäß dem Batteriemodul, wie in dem fünften Aspekt beschrieben, flache Plattenformen sind, die relativ zu der Laminierungsebene der Elektrodenschichten parallel sind, wird die Höhe des Batteriemoduls von den Elektrodenanschlüssen nicht zunehmen, und sie können leicht mit benachbarten Elektrodenanschlüssen elektrisch verbinden.
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Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Stromschiene in dem Batteriemodul, wie in dem fünften Aspekt beschrieben, in einer flachen Plattenform ausgebildet werden, die relativ zu dem Elektrodenanschluss parallel ist.
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Da die Stromschiene gemäß dem Batteriemodul, wie in dem sechsten Aspekt beschrieben, ähnlich den Elektrodenanschlüssen ebenfalls eine flache Plattenform ist und relativ zu den Elektrodenanschlüssen parallel ist, wird die Höhe des Batteriemoduls durch die Stromschiene nicht zunehmen, und sie sind leicht und zuverlässig zur elektrischen Verbindung der Elektrodenanschlüsse und der Stromschiene fähig, indem Platten in Oberflächenkontakt gebracht werden.
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Einen Batteriepack (zum Beispiel der später beschriebene Batteriepack P1, P2) gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist mehrere der Batteriemodule, wie in einem der ersten bis sechsten Aspekte beschrieben, auf, die relativ zu einer Anordnungsrichtung der Batteriezellen parallel angeordnet sind.
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Gemäß dem Batteriepack, wie in dem siebten Aspekt beschrieben, ist es möglich, einen Batteriepack, der aus Batteriemodulen konfiguriert ist, zu erhalten, welche die Höhe des Batteriemoduls klein halten kann, so dass sie niedrig ist, die Freiheitsgrade in der Anordnung der Batteriezellen verbessern ebenso wie einen großen Kühlbereich der Batteriezellen sicherstellen kann.
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Gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Batteriepack, wie in dem siebten Aspekt beschrieben, ferner eine Kühleinrichtung (zum Beispiel den später beschriebenen Wassermantel 4) umfassen, welche die Batteriezelle in einer unteren Oberflächenseite des Batteriemoduls kühlt.
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Gemäß dem Batteriepack, wie in dem achten Aspekt beschrieben, ist es möglich, die Batteriezellen jedes Batteriemoduls effektiv zu kühlen.
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Ergebnisse der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Batteriemodul, das die Höhe des Batteriemoduls klein halten kann, so dass sie niedrig ist, die Freiheitsgrade in der Anordnung der Batteriezellen verbessern kann, ebenso wie einen großen Kühlbereich der Batteriezellen sicherstellen kann; und einen Batteriepack, der aus diesen Batteriemodulen konfiguriert wird, bereitzustellen.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Perspektivansicht, die eine grundlegende Konfiguration eines Batteriemoduls gemäß der vorliegenden Erfindung, die durch In-Reihe-Schalten mehrerer Batteriezellen hergestellt wird, zeigt;
- 2 ist eine Perspektivansicht, die eine Ausführungsform einer Batteriezelle, die in dem Batteriemodul gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, zeigt;
- 3 ist eine Querschnittansicht, welche die Struktur einer in der Batteriezelle aufgenommenen Elektrodenplatte zeigt;
- 4 ist eine Perspektivansicht, welche die grundlegende Konfiguration eines Batteriemoduls gemäß der vorliegenden Erfindung, die durch Parallelschalten mehrerer Batteriezellen hergestellt wird, zeigt;
- 5 ist eine Draufsicht, die eine Ausführungsform eines Batteriepacks zeigt, der durch Batteriemodule gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist, die durch In-Reihe-Schalten mehrerer Batteriezellen hergestellt wird;
- 6 ist eine Querschnittansicht entlang der Linie VI-VI in 5;
- 7 ist eine Perspektivansicht, die eine grundlegende Konfiguration eines Batteriemoduls zeigt, das durch Laminieren von Batteriezellen in zwei Schichten in der z-Richtung hergestellt wird;
- 8 ist eine Seitenansicht, die entlang der x-Richtung in 7 auf das Batteriemodul schaut;
- 9 ist eine Querschnittansicht entlang der Linie IX-IX in 7;
- 10 ist eine Draufsicht, die eine Ausführungsform eines Batteriepacks zeigt, der durch Batteriemodule konfiguriert ist, die durch Laminieren von Batteriezellen in zwei Schichten in der z-Richtung hergestellt wird;
- 11 ist eine Querschnittansicht entlang der Linie XI-XI in 10; und
- 12 ist eine Perspektivansicht, die ein Beispiel eines herkömmlichen Batteriemoduls zeigt.
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Bevorzugte Art zur Ausführung der Erfindung
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Hier nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine Perspektivansicht, die eine grundlegende Konfiguration eines Batteriemoduls gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein in 1 gezeigtes Batteriemodul 1A wird durch Anordnen von vier Batteriezellen 2 in der y-Richtung in der Zeichnung konfiguriert. 1 ist jedoch eine Ansicht, die lediglich die grundlegende Konfiguration des Batteriemoduls 1A erklärt, und die Anzahl von Batteriezellen 2 ist nicht auf vier beschränkt, solange sie mehrere ist. Es sollte bemerkt werden, dass in den Richtungen in jeder nachstehend gezeigten Zeichnung die jeweiligen Richtungen x, y, z Richtungen anzeigen, die orthogonal zueinander sind. Die x-Richtung zeigt die Breitenrichtung der Batteriezelle 2 (Richtung, in der das Paar des positiven Elektrodenanschlusses 23a und des negativen Elektrodenanschlusses, die später beschrieben werden, vorstehen) an. Die y-Richtung zeigt die Anordnungsrichtung der Batteriezellen 2 an. Die z-Richtung zeigt die Dickenrichtung der Batteriezellen 2 an. In der vorliegenden Ausführungsform zeigt die Richtung, die durch die z-Richtung angezeigt wird, eine Richtung an, die der Schwerkraftrichtung folgt.
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Die in der vorliegenden Ausführungsform gezeigte Batteriezelle 2 besteht aus einer Feststoffbatterie, die keine Elektrolytlösung enthält, und eine Elektrodenplatte 20 (siehe 3) innerhalb eines Zellengehäuses 21 aus Aluminium, Aluminiumlegierung oder Ähnlichem aufnimmt. Wie in 2 gezeigt, ist das Zellengehäuse 21 ein rechteckiger Parallelepipedkasten, der in der z-Richtung flach ist. Das in der vorliegenden Ausführungsform gezeigte Zellengehäuse 21 ist in einer länglichen Form ausgebildet, die in der x-Richtung länger als in der y-Richtung ist. Auf der entgegengesetzten Seitenfläche der Batteriezelle 2, d.h. auf einer Seitenfläche 22 von zwei Seitenflächen22, 22, die auf beiden Enden in der Breitenrichtung (x-Richtung) der Batteriezelle 2 angeordnet sind, ist ein positiver Elektrodenanschluss 23 bereitgestellt, um vorzustehen, und ein negativer Elektrodenanschluss 23b ist bereitgestellt, um auf der anderen Seitenfläche 22 vorzustehen. Der positive Elektrodenanschluss 23a und der negative Elektrodenanschluss 23b sind alle flache Elektrodenanschlüsse, die in der z-Richtung dünn sind, die durch ein Metallelement aus Kupfer oder Ähnlichem ausgebildet sind.
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Wie in 3 gezeigt, hat die Elektrodenplatte 20 mehrere positive Elektrodenschichten 210, mehrere negative Elektrodenschichten 203, mehrere Feststoffelektrolytschichten 203, mehrere positive Stromkollektoren 204a und mehrere negative Stromkollektoren 204b, und diese sind entlang der z-Richtung laminiert und integriert. Die positive Elektrodenschicht 201 hat ein positives elektrodenaktives Material und ist auf beide Seiten des positiven Elektrodenstromkollektors 204a beschichtet. Die negative Elektrodenschicht 202 hat ein negatives elektrodenaktives Material und ist auf beide Seiten des negativen Elektrodenstromkollektors 204b beschichtet. Die Feststoffelektrolytschicht 203 hat einen Feststoffelektrolyten mit Ionenleitfähigkeit und ist zwischen der positiven Elektrodenschicht 201 und der negativen Elektrodenschicht 202 eingefügt. Der positive Elektrodenstromkollektor 204a und der negative Elektrodenstromkollektor 204b bestehen aus Metallfolie, wie etwa Aluminium, Kupfer oder SUS. Die Elektrodenplatte 20, die aus diesen jeweiligen Schichten konfiguriert ist, wird in der z-Richtung durch eine vorgegebene Last (Anfangslast), die in der Laminierungsrichtung angewendet wird, komprimiert. Die komprimierte Elektrodenplatte 20 wird zusammen mit einem Isolierbeutel in einem Zustand, in dem sie in dem nicht dargestellten Isolierbeutel aufgenommen ist, in dem Zellengehäuse 21 aufgenommen.
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Der positive Elektrodenanschluss 23a und der negative Elektrodenanschluss 23b, die nach außerhalb der Batteriezelle 2 vorstehen, sind mit dem positiven Elektrodenstromkollektor 204a oder dem negativen Elektrodenstromkollektor 204b der Elektrodenplatte 20 elektrisch verbunden. Der positive Elektrodenanschluss 23a und der negative Elektrodenanschluss 23b, die in der vorliegenden Ausführungsform gezeigt sind, sind in einer flachen Plattenform ausgebildet, die parallel zu der Laminierungsebene der positiven Elektrodenschicht 201, der negativen Elektrodenschicht 202 und der Feststoffelektrolytschicht 203 der Elektrodenplatte 20 ist. Mit anderen Worten sind der positive Elektrodenanschluss 23a und der negative Elektrodenanschluss 23b aus einer Plattenform hergestellt, die in der z-Richtung dünn ist. Aus diesem Grund ist es in Kombination damit, dass die Gesamtheit der Batteriezellen 2 in der z-Richtung flach ist, möglich, die Dicke (Höhe in der z-Richtung) der Batteriezellen 2 aufs Äußerste klein zu halten. Da es überdies nach dem elektrischen Verbinden der positiven Elektrodenanschlüsse 23a und der negativen Elektrodenanschlüsse 23b benachbarter Batteriezellen 2 möglich ist, die flachen Oberflächen des positiven Elektrodenanschlusses 23a und des negativen Elektrodenanschlusses 23b als elektrisch verbindende Oberflächen zu verwenden, ist die elektrische Verbindung einfach.
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Es sollte bemerkt werden, dass die Laminierungsebene der positiven Elektrodenschicht 201, der negativen Elektrodenschicht 202 und der Feststoffelektrolytschicht 203 jeweils die Grenzfläche zwischen der positiven Elektrodenschicht 201, der Feststoffelektrolytschicht 203 und dem positiven Elektrodenstromkollektor 204a und jeweils die Grenzfläche zwischen der negativen Elektrodenschicht 202, der Feststoffelektrolytschicht 203 und dem negativen Elektrodenstromkollektor 204b ist. Diese Laminierungsebene erstreckt sich in der xy-Richtung in 1, und erstreckt sich in der Links/Rechtsrichtung und einer Vertikalrichtung relativ zu der Papierebene von 3.
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Vier der Batteriezellen 2 sind derart angeordnet, dass sie parallel zu der y-Richtung sind, indem die Anordnungsrichtung des positiven Elektrodenanschlusses 23a und des negativen Elektrodenanschlusses 23b in der x-Richtung, wie in 1 gezeigt, ausgerichtet wird. Insbesondere werden die vier Batteriezellen 2 derart angeordnet und aneinandergereiht, dass sie relativ zu der Laminierungsebene der positiven Elektrodenschicht 201, der negativen Elektrodenschicht 202 und der Feststoffschicht 203 der Elektrodenplatte 20 parallel sind. Die vier Batteriezellen 2 werden derart angeordnet, dass die positiven Elektrodenanschlüsse 23a und negativen Elektrodenanschlüsse 23b verschiedener Batteriezellen 2 in der y-Richtung ausgerichtet werden. Die positiven Elektrodenanschlüsse 23a oder negativen Elektrodenanschlüsse 23b von vier Batteriezellen 2 werden auf einer geraden Linie entlang der y-Richtung angeordnet.
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Das in 1 gezeigte Batteriemodul 1A sorgt dafür, dass die Orientierung des positiven Elektrodenanschlusses 23a und des negativen Elektrodenanschlusses 23b einer Batteriezelle 2 sich von den benachbarten Batteriezellen 2 unterscheiden. Mit anderen Worten werden die positiven Elektrodenanschlüsse 23a und die negativen Elektrodenanschlüsse 23b der vier Batteriezellen 2 abwechselnd entlang der y-Richtung angeordnet. Dann werden die positiven Elektrodenanschlüsse 23a und die negativen Elektrodenanschlüsse 23b der zwei Batteriezellen 2, 2, die in der Anordnungsrichtung (y-Richtung) benachbart zueinander sind, jeweils durch eine Stromschiene 3 verbunden, wodurch die vier Batteriezellen 2 in Reihe geschaltet werden.
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Die Stromschiene 3 ist durch ein Metallmaterial, wie etwa Aluminium, nichtrostenden Stahl oder Kupfer, in einer dünnen, flachen Plattenform ausgebildet. Bei dem in 1 gezeigten Batteriemodul A sind drei Stromschienen derart angeordnet, dass sie relativ zu den positiven Elektrodenanschlüssen 23a und den negativen Elektrodenanschlüssen 23b parallel sind, und eine ist derart angeordnet, dass sie über den positiven Elektrodenanschluss 23a und den negativen Elektrodenanschluss 23b von zwei benachbarten Batteriezellen 2, 2 laminiert ist. Die Stromschiene 3 ist zum Beispiel durch eine Lötverbindung, Klebung mit einem leitenden Klebstoff oder Befestigung durch eine Schraube oder Ähnliches an dem positiven Elektrodenanschluss 23a und dem negativen Elektrodenanschluss 23b befestigt und verbindet den positiven Elektrodenanschluss 23a und den negativen Elektrodenanschluss 23b elektrisch. Mit dem positiven Elektrodenanschluss 23a einer der Batteriezellen 2, 2 an beiden Enden in der y-Richtung des Batteriemoduls 1A und dem negativen Elektrodenanschluss 23b der anderen ist ein (nicht dargestellter Kabelbaum) und /oder eine Stromschiene für die Verbindung mit einem anderen Batteriemodul 1A oder einer (nicht dargestellten) externen elektrischen Schaltung elektrisch verbunden.
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Gemäß dem Batteriemodul 1A, das auf diese Weise konfiguriert ist, ist es aufgrund der Ausrichtung, so dass mehrere Batteriezellen, die in der z-Richtung flach sind, ausgerichtet werden, möglich, die Höhe des Batteriemoduls 1A klein zu halten, so dass sie niedrig ist. Da die Batteriezelle 2 aus einer Feststoffbatterie besteht, besteht keine Notwendigkeit, die Orientierung der Batteriezellen wie bei einer Batteriezelle, die Elektrolytlösung enthält, zu berücksichtigen, und somit ist es möglich, die Freiheitsgrade in der Anordnung der Batteriezellen 2 zu verbessern. Da überdies die flache Oberfläche der Batteriezelle 2 (Fläche senkrecht zu der in 1 und 2 gezeigten z-Richtung) auf einer Ebene aneinandergereiht ist, ist es möglich, die Batteriezellen 2 unter Verwendung dieser Oberfläche zu kühlen. Daher ist es gemäß diesem Batteriemodul 1A möglich, einen großen Kühlbereich jeder Batteriezelle 2 sicherzustellen. Dadurch, dass die Batteriezelle 2 eine flache Form ist, wird der Kühlwirkungsgrad ebenfalls erhöht, da der Abstand zwischen der Oberfläche der Batteriezelle 2, die als die Kühlfläche dient, und dem positiven Elektrodenanschluss 23a, dem negativen Elektrodenanschluss 23b eng ist.
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Außerdem ist die in der vorliegenden Ausführungsform gezeigte Stromschiene 3 ähnlich dem positiven Elektrodenanschluss 23a und dem negativen Elektrodenanschluss 23b flach und ist derart konfiguriert, dass sie relativ zu diesem positiven Elektrodenanschluss 23a und dem negativen Elektrodenanschluss 23b parallel ist; daher bestehen keine Bedenken darüber, dass die Höhe des Batteriemoduls 1a durch die Stromschiene 3 zunimmt. Überdies sind die Stromschiene 3, der positive Elektrodenanschluss 23a und der negative Elektrodenanschluss 23b einfach und zuverlässig zu einer elektrischen Verbindung fähig, indem die Platten in Oberflächenkontakt gebracht werden.
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Das Batteriemodul ist nicht auf die In-Reihe-Schaltung mehrerer Batteriezellen 2 beschränkt. Zum Beispiel kann es wie in dem in 4 gezeigten Batteriemodul 1B mehrere Batteriezellen 2 parallelschalten. Mit anderen Worten werden in dem in 4 gezeigten Batteriemodul 1B vier Batteriezellen 2 angeordnet, wobei die Orientierung der positiven Elektrodenanschlüsse 23a und die Orientierung der negativen Elektrodenanschlüsse 23b alle in der gleichen Richtung sind. Daher werden in den vier Batteriezellen 2 die vier positiven Elektrodenanschlüsse 23a entlang der y-Richtung an einem Ende in der x-Richtung angeordnet, und die vier negativen Elektrodenanschlüsse 23b werden entlang der y-Richtung an dem anderen Ende in der x-Richtung angeordnet. Dann werden alle der positiven Elektrodenanschlüsse 23a der vier Batteriezellen 2 in der Anordnungsrichtung (y-Richtung) durch eine Stromschiene 3 elektrisch verbunden, und alle der negativen Elektrodenanschlüsse 23b werden durch eine Stromschiene 3 elektrisch verbunden. Das Batteriemodul 1B, in dem mehrere der Batteriezellen 2 auf diese Weise parallelgeschaltet sind, hat die gleichen Ergebnisse wie das vorstehend erwähnte Batteriemodul 1A.
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Als Nächstes wird ein Batteriepack, der durch die Batteriemodule mit einer derartigen Konfiguration konfiguriert wird, erklärt. 5 zeigt einen Batteriepack P1, der unter Verwendung mehrerer der Batteriemodule 1A, in denen mehrere Batteriezellen in Reihe geschaltet sind, konfiguriert ist. 6 ist eine Querschnittansicht entlang der Linie VI-VI in 5. Der Batteriepack P1 wird in einer Draufsicht durch in 5 gezeigte Rahmelemente 11, 12, die in der xy-Richtung angeordnet sind, auf eine rechteckige Form festgelegt. Die durch die Rahmenelemente 11, 12 festgelegte Innenseite wird durch zwei Querstreben 13, 13, die derart angeordnet sind, dass sie die zwei Rahmenelemente 11, 11, die sich in der x-Richtung erstrecken, überspannen, verstärkt und wird in drei Räume unterteilt. Es sollte bemerkt werden, dass die obere Fläche und die untere Fläche der Batteriepack P1, wie in 6 gezeigt, von der oberen Platte 14 und der unteren Platte 15 bedeckt werden.
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Dieser Batteriepack P1 ist derart angeordnet, dass vier Batteriemodule 1A angeordnet sind, um die Dickenrichtung der Batteriezelle 2 in jedem durch Trennelemente 13 unterteilten Raum in der Oben/Untenrichtung (der z-Richtung folgende Richtung) zu orientieren. In 5 hat jedes Batteriemodul 1A sechs Batteriezellen 2. Der positive Elektrodenanschluss 23a und der negative Elektrodenanschluss 23b der Batteriezellen 2,2, die an Enden in der y-Richtung der Batteriemodule 1A, 1A, die in der x-Richtung von 5 benachbart sind, angeordnet sind, sind durch einen (nicht dargestellten) Kabelbaum und/oder eine Stromschiene elektrisch verbunden. In dem Batteriepack P1 ist ein Satz von sechs Batteriemodulen 1A auf einer Seite entlang der y-Richtung in 5 in Reihe geschaltet, und ein Satz von sechs Batteriemodulen 1A auf der Unterseite ist, wie durch Pfeile in 5 gezeigt, in Reihe geschaltet.
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Wie in 6 gezeigt, ist ein Wassermantel 4 auf der unteren Platte 15 angeordnet. Der Wassermantel 4 hat einen (nicht dargestellten) Kühlmediumkanal, in dem Kühlmittel oder Gas (Luft) strömt, und ist jeweils in jedem durch die Trennelemente 13 unterteilten Raum angeordnet. Jedes Batteriemodul 1a wird direkt oder indirekt über eine Lage oder Ähnliches (nicht dargestellt) mit einer Wärmeübertragungseigenschaft und Isoliereigenschaft auf die obere Fläche des Wassermantels 4 laminiert. Dieser Wassermantel 4 entspricht der Kühleinrichtung der vorliegenden Erfindung. Es sollte bemerkt werden, dass dieser Wassermantel 4 durch die untere Platte 15 konfiguriert werden kann.
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Da dieser Batteriepack 15 konfiguriert wird, indem mehrere der vorstehend erwähnten Batteriemodule 1A angeordnet werden, ist es möglich, die Höhe des Batteriepacks P1 klein zu halten, so dass sie niedrig ist. Da das Batteriemodul 1A durch die Batteriezellen 2 konfiguriert wird, die aus Feststoffbatterien bestehen, besteht keine Notwendigkeit, die Orientierung der Batteriezellen wie in dem Fall der Verwendung von Batteriezellen, die Elektrolytlösung enthalten, zu berücksichtigen, und somit ist es möglich, die Freiheitsgrade in der Anordnung der Batteriezellen 2 zu verbessern. Überdies reiht sich die flache Oberfläche der Batteriezellen 2 (Fläche vertikal in der in 1 und 2 gezeigten z-Richtung) in jedem Batteriemodul 1A auf der gleichen Ebene aneinander und es ist möglich, die untere Flächenseite dieser Batteriezelle 2 durch den Wassermantel 4 zu kühlen; daher ist es möglich, einen großen Kühlbereich jeder Batteriezelle 2 sicherzustellen. Daher verbessert sich gemäß dieser Batteriepack P1 der Kühlwirkungsgrad jeder Batteriezelle 2. Es sollte bemerkt werden, dass der Batteriepack P1 unter Verwendung mehrerer der Batteriemodule 1B konfiguriert werden kann, in denen mehrere der Batteriezellen 2 parallelgeschaltet werden.
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7 bis 9 zeigen eine andere Ausführungsform für die grundlegende Konfiguration des Batteriemoduls. Bei diesem Batteriemodul 1C werden die in 1 gezeigten Batteriemodule 1A als eine Modulgruppe 10 eingerichtet, und diese Modulgruppe 10 hat eine Konfiguration, die in zwei Schichten in der z-Richtung laminiert ist. Es sollte bemerkt werden, dass in 7 von den mehreren Batteriezellen 2, die in der Modulgruppe 10 der oberen Schicht angeordnet sind, nur drei Batteriezellen 2 gezeigt sind. In den mehreren Batteriezellen 2 der Modulgruppen 10, 10 der oberen Schicht und der unteren Schicht sind der positive Elektrodenanschluss 23a und der negative Elektrodenanschluss 23b derart angeordnet, dass sie ähnlich dem Batteriemodul 1A in der y-Richtung abwechselnd aneinandergereiht sind. Die Orientierungen des positiven Elektrodenanschlusses 23a und des negativen Elektrodenanschlusses 23b von zwei Batteriezellen 2, 2, die darüber und darunter laminiert sind, sind derart ausgerichtet, dass sie identisch sind.
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Wie in 7 und 8 gezeigt, ist eine Trenneinrichtung 5 mit einer Isoliereigenschaft zwischen den zwei Batteriezellen 2, 2, die in der Laminierungsrichtung benachbart zueinander sind, eingefügt. Die Trenneinrichtung 5 hat einen Trenneinrichtungshauptkörper 51, der zwischen den zwei Batteriezellen 2, 2, die in der Laminierungsrichtung benachbart sind, angeordnet ist, und einen Stromschienen-anliegenden Teil 52, der an beiden Enden in der X-Richtung dieses Trenneinrichtungshauptkörpers 51 angeordnet ist, so dass er orthogonal zu dem Trenneinrichtungshauptkörper 51 ist. Die Stromschienen-anliegenden Teile 52 sind über den Seitenflächen 22, 22 bereitgestellt, an denen die positiven Elektrodenanschlüsse 23a und die negativen Elektrodenanschlüsse 23b der laminierten Batteriezellen 2, 2 bereitgestellt sind, so dass sie, wie in 9 gezeigt, von dem Trenneinrichtungshauptkörper 51 vorstehen. Der Stromschienen-anliegende Teil 52 ist jeweils zwischen den oberen und unteren positiven Elektrodenanschlüssen 23a, 23a und zwischen den negativen Elektrodenanschlüssen 23b, 23b angeordnet.
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Die zwei Batteriezellen 2, 2, die oberhalb und unterhalb (z-Richtung) laminiert sind, und die zwei Batteriezellen 2, 2, die in der Anordnungsrichtung (y-Richtung) der Batteriezellen 2 in der gleichen Schicht benachbart sind, sind durch gemeinsame Stromschienen 3 verbunden. Insbesondere sind die positiven Elektrodenanschlüsse 23a, 23a oder die negativen Elektrodenanschlüsse 23b, 23b von zwei Batteriezellen 2, 2, die in der Laminierungsrichtung benachbart zueinander sind, durch eine Stromschiene 3 elektrisch verbunden, die zwischen den zwei positiven Elektrodenanschlüssen 23a, 23a oder den zwei negativen Elektrodenanschlüsse 23b, 23b angeordnet ist. Aus diesem Grund werden die zwei Batteriezellen 2, 2, die in der Laminierungsrichtung benachbart sind, durch die Stromschiene 3 parallelgeschaltet. Gleichzeitig damit wird die vorstehend erwähnte Stromschiene 3, welche die Batteriezellen 2, 2, die in der Laminierungsrichtung benachbart sind, parallelschaltet, derart angeordnet, dass sie den positiven Elektrodenanschluss 23a und den negativen Elektrodenanschluss 23b von zwei Batteriezellen 2, 2, die in der Anordnungsrichtung benachbart sind, überspannt, wodurch die zwei Batteriezellen 2, 2, die in der Anordnungsrichtung benachbart sind, durch die vorstehend erwähnte gemeinsame Stromschiene in Reihe geschaltet werden. Daher wird die eine Stromschiene 3 mit den positiven Elektrodenanschlüssen 23a und negativen Elektrodenanschlüssen 23b von insgesamt vier Batteriezellen, die in der Laminierungsrichtung und Anordnungsrichtung benachbart sind, elektrisch verbunden. Aus diesem Grund ist es möglich, mehrere Batteriezellen 2 durch eine kleine Anzahl von Stromschienen 3 parallel und in Reihe zu schalten. Jede Stromschiene 3 ist derart angeordnet, dass sie nahe an dem Stromschienen-anliegenden Teil 52 der Trenneinrichtung 5 ist oder daran anliegt, wird aber nicht direkt von der Batteriezelle 2 berührt.
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Die zwei Stromschienen 3, 3, die in der Anordnungsrichtung der Batteriezellen 2 benachbart sind, sind durch ein strukturelles Kopplungselement 6 integral gekoppelt. Das strukturelle Kopplungselement 6 ist aus einem isolierenden Material, wie etwa Harz oder Keramik, ausgebildet und koppelt die zwei benachbarten Stromschienen 3, 3, durch Kleben oder Befestigen mit einer Schraube oder Ähnlichem integral. Die Batteriezellen 2, 2, in der Laminierungsrichtung und mehrere Batteriezellen 2, 2 in der Anordnungsrichtung bilden dadurch eine Struktur, die durch die Stromschiene 3 und das strukturelle Kopplungselement 6 integral gekoppelt wird, und der Laminierungszustand und der Anordnungszustand der Batteriezelle 2 werden beibehalten.
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Da die Batteriezellen 2 bei diesem Batteriemodul 1C eine flache Form haben, wird die Höhe des Batteriemoduls 1C selbst, wenn mehrere der Batteriezellen 2 laminiert werden, nicht übertrieben größer. Aus diesem Grund ist es gemäß diesem Batteriemodul 1C möglich, die Batteriezellen 1 mit höherer Dichte anzuordnen, während die Höhe klein gehalten wird.
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10 zeigt ein Batteriepack P2, der unter Verwendung mehrerer Batteriemodule 1C konfiguriert ist. 11 ist eine Querschnittansicht entlang der Linie XI-XI in 10. Die Teile mit der gleichen Bezugszahl wie der in 5 und 6 gezeigte Batteriepack P1 sind Teile der gleichen Konfiguration; daher wird die detaillierte Beschreibung dieser sich auf die vorstehende Erklärung berufen und wird hier weggelassen. In diesem Batteriepack P2 ist ein Satz aus zwei Batteriemodulen 1C in jedem der drei Räume, die durch die Querstreben 13 unterteilt sind, angeordnet. Jedes Batteriemodul 1C ist durch insgesamt achtundzwanzig Batteriezellen 2 mit vierzehn Batteriezellen 2 pro einer Schicht konfiguriert. Jedes Batteriemodul 1C ist direkt oder indirekt über eine (nicht dargestellte) Lage oder Ähnliches mit einer Wärmeübertragungseigenschaft und Isoliereigenschaft auf die obere Fläche des Wassermantels 4 laminiert.
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Der positive Elektrodenanschluss 23a und der negative Elektrodenanschluss 23b der Batteriezellen 2, 2, die auf dem gleichen Ende in der y-Richtung der Batteriemodule 1C, 1C angeordnet sind, die in der x-Richtung in 10 benachbart sind, sind durch einen (nicht dargestellten) Kabelbaum und/oder eine Stromschiene elektrisch verbunden. Bei dem Batteriepack P2 ist, wie durch die Pfeile in 10 gezeigt, ein Satz von sechs Batteriemodulen 1C in Reihe geschaltet.
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Gemäß diesem Batteriepack P2 ist es neben dem, dass sie ähnliche Ergebnisse wie der Batteriepack P1 hat, da jedes Batteriemodul 1C durch Laminieren von Batteriezellen 2 in zwei Schichten konfiguriert ist, relativ zu der gleichen Installationsfläche wie bei dem Batteriepack P1 möglich, die Batteriezellen 2 doppelt mit hoher Dichte anzuordnen, ohne die Höhe übermäßig zu vergrößern.
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Die Batteriemodule und Batteriepacks gemäß der vorliegenden Erfindung können mit dem Schutzbereich des technischen Konzepts der vorliegenden Erfindung verschiedene Modifikationen verwenden. Zum Beispiel nimmt die Batteriezelle 2 in den vorstehenden Ausführungsformen die Elektrodenplatte 20 in einem aus Metall hergestellten Zellengehäuse 21 auf; jedoch kann die Elektrodenplatte 20 anstelle der Verwendung des Zellengehäuses 21 in einer Laminatpack aus einem Harzfilm aufgenommen werden.
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Außerdem können in dem in 1 gezeigten Batteriemodul A1 die Stromschienen 3, 3, die in der Anordnungsrichtung (y-Richtung) der Batteriezelle 2 benachbart sind, ähnlich 7 bis 9 durch das strukturelle Kopplungselement 6 integral gekoppelt werden.
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Außerdem sind der positive Elektrodenanschluss 23a, der negative Elektrodenanschluss 23b und die Stromschiene 3 nicht darauf beschränkt, in einer einfachen Plattenform ausgebildet zu sein. Der positive Elektrodenanschluss 23a, der negative Elektrodenanschluss 23b und die Stromschiene 3 können, wenngleich nicht dargestellt, eine oder mehrere Rippen zur Festigkeitsverbesserung an einer anderen Oberfläche als der elektrischen Verbindungsfläche haben. Da insbesondere durch Bereitstellen von Rippen entlang der Parallelrichtung benachbarter Batteriezellen 2, 2, an der Stromschiene 3 die Kraft, welche die zwei Batteriezellen 2, 2, integral hält, durch die Stromschiene 3 durch die Festigkeitsverbesserung der Stromschiene 3 stärker wird, verbessert sich die Formbeständigkeit der Batteriemodule 1A, 1B, 1C weiter.
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Bezugszeichenliste
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- 1A, 1B, 1C
- Batteriemodul
- 2
- Batteriezelle
- 22
- Seitenfläche (entgegengesetzte Batteriezelle)
- 23a
- positiver Elektrodenanschluss (Elektrodenanschluss)
- 23b
- negativer Elektrodenanschluss (Elektrodenanschluss)
- 201
- positive Elektrodenschicht
- 202
- negative Elektrodenschicht
- 203
- Feststoffelektrolytschicht
- 3
- Stromschiene
- 4
- Wassermantel (Kühleinrichtung)
- 5
- Trenneinrichtung
- 51
- Trenneinrichtungshauptkörper
- 52
- Stromschienen-anliegender Teil
- 6
- strukturelles Kopplungselement
- 10
- Modulgruppe
- 11, 12,
- Rahmenelement
- 13
- Querstrebe
- 14
- obere Platte
- 15
- untere Platte
- P1, P2
- Batteriepack
