JP2006080076A - バッテリーパック - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも部分的にプラスチックより成るハウジングを有していて、このハウジングが少なくとも１つのバッテリーセルを受容している形式の、電気機械の電源のためのバッテリーパックを改良して、高性能バッテリーによってハウジング内部において生ぜしめられる熱を導出するために十分な熱伝導率、並びにバッテリーパックハウジング材料として使用するための要求を満たす機械的な特性を有するだけではなく、さらに非常に安価であって、しかも一般的な成形法によって製作できるようにする。
【解決手段】前記プラスチックが、０．９３ｇ／ｃｍ^３よりも高い密度を有するポリエチレン（ＰＥ）より成っている（ＨＤ−ＰＥ）。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気機械特に電動工具の電源のためのバッテリーパックであって、少なくとも部分的にプラスチックより成るハウジングを有していて、このハウジングが少なくとも１つのバッテリーセルを受容している形式のものに関する。この場合に使用された概念としてのバッテリーセル及びバッテリーパックとは、再充電可能な蓄電池（Ａｋｋｕｓ）若しくは蓄電池パックも含んでいる。

電気機械例えば手持ち式の電動工具に電流を供給するためのバッテリーパックは、大部分がプラスチック材料より成っている一般的なハウジングを有している。一般的に、バッテリーパックハウジングのために使用されているプラスチック材料は、アクリロニトリルブタジエンスチロール（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）又はポリアミド（ＰＡ）例えばＰＡ６又はＰＡ１２を含んでいる。これらのプラスチック材料は、今日市販されているバッテリーセルのためのバッテリーパックハウジングとして使用するのに適している、良好な機械的特性及び十分な熱伝導率を有している。しかしながら新たなバッテリーにおいては、エネルギー交換を増大させる方向で開発が行われ、それによって電力損失も大きくなるので、ハウジング内でより多くの熱が解放され、この熱を、バッテリーセルの過熱を避けるために、迅速に周囲に放出する必要がある。また、湿気の侵入を避けるために、バッテリーパックのハウジングは一般的に気密に閉鎖されているので、熱の導出はハウジングの壁部を通して行われる。しかしながら、ＤＩＮ５２６１２に基づく、０．１７Ｗ／ｍＫ（ＡＢＳ）、０．２１Ｗ／ｍＫ（ＰＣ）、及び０．２９Ｗ／ｍＫ（ＰＡ６）の熱伝導率を有する、バッテリーパックハウジングのための前記一般的な材料は、もはやそれ以上蓄えがないので、熱導出を改善するための解決策を探し出す必要がある。

文献によれば、部分的に著しく高い熱伝導率を有する一連のプラスチック材料が公知であるが、これらのプラスチック材料はそのほとんどが、バッテリーパックハウジングのためには適していない。何故ならばこれらのプラスチック材料は、十分な機械的特性を有していないか、又はこれに使用するためには著しく高価だからである。

そこで本発明の課題は、冒頭に述べた形式のバッテリーパックを改良して、十分な熱伝導率を有していると共に、非常に安価で、一般的な成形法によって製作できるようなものを提供することである。

この課題を解決した本発明によれば、少なくとも部分的にプラスチックより成るハウジングを有していて、このハウジングが少なくとも１つのバッテリーセルを受容している形式の、電気機械特に電動工具の電源のためのバッテリーパックにおいて、前記プラスチックが、０．９３ｇ／ｃｍ^３よりも高い密度を有するポリエチレン（ＰＥ）、つまり高密度ポリエチレン（ＨＤ−ＰＥ）より成っているようにした。

本発明のバッテリーパックによれば、高性能バッテリーによってハウジング内部において生ぜしめられる熱を導出するために十分な熱伝導率、並びにバッテリーパックハウジング材料として使用するための要求を満たす機械的な特性を有するだけではなく、さらに非常に安価であって、しかも一般的な成形法によって製作できる、という利点を有している。

従来では特に大量生産用プラスチックとして使用されており、技術的に高価値な製品を製作する際にはむしろ希にしか使用されないポリエチレンが、バッテリーパックハウジングのための材料として特に適していることが判明した。何故ならば、ポリエチレンは、熱伝導率が、冒頭に述べた従来のバッテリーパックハウジング材料よりも著しく高く、またバッテリーパックのために大抵の場合要求されているか又は望まれている頑丈さを考慮して劣っていることはなく、それどころかより高い破壊強さ（破壊に抗する強さ）を有しており、さらに著しく安価だからである。ポリエチレンの高い熱伝導率は、その他の修正されていない技術的なポリオレフィンが比較し得る熱伝導率を有していない限りにおいて、驚異的なものである。例えば０．２２Ｗ／ｍＫの値を有するポリプロピレン（ＰＰ）は、ポリカーボネート（ＰＣ）の熱伝導率よりもほんの少しだけ高い熱伝導率を有していて、ポリアミド６（ＰＡ６）よりも著しく低い熱伝導率を有している。さらにまた、ポリエチレンの種類に応じて、熱伝導率が著しく大きく異なっている。この場合、熱伝導率は、約０．３Ｗ／ｍＫのわずかな密度のポリエチレン（ＰＥーＬＤ）において最小であり、これに対して、高密度ポリエチレン（ＰＥ−ＨＤ）、高分子ポリエチレン（ＰＥ−ＨＭＷ），超高分子ポリエチレン（ＰＥ−ＵＨＭＷ）においては、熱伝導率は約０．４〜０．４２Ｗ／ｍＫである。有利には、本発明によるバッテリーパケットハウジングのための材料として高密度ポリエチレン（ＰＥ−ＨＤ）が使用される。何故ならば、高密度ポリエチレンの機械的な特性例えば破壊強さが、高分子ポリエチレン（ＰＥ−ＨＭＷ）および超高分子ポリエチレン（ＰＥ−ＵＨＭＷ）よりも良好であって、しかも材料コストが安価であり、バッテリーパケットハウジングのために、より適しているからである。

約０．４〜０．４２Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する高密度ポリエチレンを使用した場合のさらなる利点は、この熱伝導率が、バッテリーセル材料自体の最大熱伝導率にほぼ相当する、という点にある。これは、ハウジング壁部とセルとの間の絶縁されたエアギャップを避ける場合に、ハウジング材料の熱伝導率をさらに高くすることによるセルの過熱の危険性が必ずしも低くならないということを意味する。何故ならば、セルからの熱の導出は、過熱の危険性に関連した、セル内の最大エネルギー交換のための、過熱の危険性を制限するファクターを表しているからである。

ハウジング壁部とセルとの間の絶縁されたエアギャップを避けるために、本発明の別の有利な実施態様によれば、バッテリーセルを包囲する、ハウジングの外側壁が、この外側壁の内側の壁部表面の少なくとも半分で以て、バッテリーセルの隣接する周面に当接している。このように単数又は複数の各バッテリーセルの周面が大きな面積に亘ってハウジング外壁に当接するようにしたことによって、単数又は複数のセルと外壁との間の空気で満たされた中間室は、可能な限り避けられ、これによって単数又は複数の各セルからハウジング壁部への熱の伝達が改善され、それによってバッテリーセルと周囲との間の熱抵抗が減少される。

セルの周囲全体を巡って互いに上下に配置された単数又は複数の円筒形のバッテリーセルのための個別のセル横断面を有するバッテリーパックにおいては、セルの周面とハウジング壁とを形状結合（形状による束縛）式に当接させるように配慮するようになっている。しかしながらこれは、互いに隣接してハウジング内に挿入された複数の円筒形のバッテリーセルを有するバッテリーパックにおいては不可能であるので、有利には、隣接し合うバッテリーセル間のハウジング壁は、当接面を可能な限り大きくし、より大きい表面を得るために、内方に入り込む壁部領域を有している。

バッテリーセル及びハウジング壁の互いに向き合う当接面間に薄いエアギャップが発生するのを避けるために、バッテリーセル及びハウジング外壁は、当接面の領域内で有利な形式で互いに押しつけられ、それによってハウジング壁内への熱伝導がさらに改善される。このような押しつけは有利な形式で、セルを導入する際にハウジングのポリエチレン材料を弾性的に変形させることによって得られる。これは例えば、ハウジング内に挿入された互いに隣接する複数の円筒形のバッテリーセルを備えたバッテリーパックにおいて、有利な形式で隣接し合う２つのセル間で内方に入り込む壁部領域を弾性的に変形させることによって得られる。選択的に、同じ目的でセルを挿入した後で、コアを、隣接し合うセル間の空いている三角隅壁内に挿入してもよい。この三角隅壁は、セル又はセルの一部を、ハウジング外壁のコアに向き合う領域に押しつける。

高密度ポリエチレン（ＰＥ−ＨＤ）のかき傷に対する強さは、冒頭に述べた従来形式のバッテリーパックハウジングのかき傷に対する強さに相当するので、ハウジングを製作する際に、２０μｍより小さく有利には１０μｍよりも小さい粒子の大きさを有する、パウダー状又は小プレート状の物質としての充填材が、ハウジングのプラスチック材料内に混合される。充填材を適当に選択することによって及び、プラスチック材料内における充填材の重量配分又は容積配分を適当に選択することによって、場合によっては、ハウジングのプラスチック材料の熱伝導率をさらにやや高めるか、若しくはバッテリーセルの熱伝導率に適合させることができる。これは、例えばアルミニウム、酸化アルミニウム等の金属粉末又はパウダー状の金属酸化物としての充填材を使用するこによって得られる。

本発明を以下に図示の実施例を用いて詳しく説明する。

図面に示したバッテリーパック２は、電気機械、例えば手持ち式電動工具用の電源として用いられる。このバッテリーパック２は、主に、上側の端部が開放するハウジング４と、該ハウジング４内に相並んで配置されたバッテリーセル６の単数又は複数の層（図面では最上位の層しか示されていない）と、セル６の最上位にある層の端部においてハウジング４を密閉する閉鎖部材とから成っている。原則として電気機械の一部によって形成された閉鎖部材は２つの接点を有しており、これらの接点は、ハウジング４を閉鎖する際にバッテリーパック２の端子接点と接触して、ハウジング４内に収容された、直列接続又は並列接続されたセル６を電気機械の消費器の電流回路に接続する。

ハウジング４は、高密度ポリエチレン（ＰＥ−ＨＤ）より射出成形で一体的に製作されており、この場合、ハウジング４は、底壁（図示せず）及び周壁８の外側に、周壁８の一方側に一体成形されたロック及び接続部１０（詳しく説明されていない）を有している。このロック及び接続部１０は、バッテリーパック２を電気機械に解除可能に固定するために、及びセル６と電気機械の消費器の電流回路との間の電気的な接続を形成するために用いられる。ハウジング４を製作するために使用される高密度ポリエチレン（ＰＥ−ＨＤ）は、ＩＳＯ１１８３に基づく約０．９６ｇ／ｃｍ^３の密度、ＤＩＮ５２６１２に基づく約０．４２Ｗ／ｍＫの熱伝導率、ＩＳＯ５２７に基づく約１３５０ＭＰａの弾性係数を有している。

図示のバッテリーパック２においては、ハウジング４は、セル６の各層毎に全部で１０個の円筒形のバッテリーセル６を有しており、これらのバッテリーセル６は、それぞれ２つのセル６毎にまとめた５つの列の形で相並んで配置されており、この場合、スペースを最適に利用するために、隣接し合う列のセル６は、横方向で左側及び右側に交互にずらされている。セル６の上端部の上側には、導電性の金属薄板より成る、輪郭が十字状の２つのセル接続部材１２が設けられている。これらのセル接続部材１２は、それぞれ隣接し合う４つのセル６の同種の極を互いに接続する。

ハウジング４の周壁８を、各層のセル６の接続部を外側輪郭形状に、できるだけ密接するように適応させるために、周壁８は、隣接し合う列をずらすことによって形成される、間隔を保って配置された２つのセル列の外側のセル６間の隙間１４内に、及び隣接し合う２つのセル６間で外方に広がる三角隙間１６内に、内方に入り込むように変形され挿入される。このような適応によって、一方では、セル６と周壁８との間の当接面の大きさを最大にすることができるので、周壁８は、セル６の円筒形の横断面にも拘わらず少なくともその周面の半分に亘って、バッテリーセル６の周面２２に当接せしめられる。他方では、セル６の周面２２と周壁８との間の、空気で満たされた絶縁された中間室は最小にされ、ハウジング４の外側表面は増大され、それによってセル６から周囲への熱導出がさらに改善される。

各層のセル６間の中間室内には電気的に絶縁されたスペーサホルダ２４が配置されており、このスペーサホルダ２４は、例えばセル６が振動することによる破損に基づく短絡を阻止するために、隣接し合うセル６の互いに向き合う周面２２を互いに小さい間隔を保って。スペーサホルダ２４は、弾性的に可撓性の、薄い壁厚を有する帯状体より成っており、この帯状体は２重壁状に構成されていて、セル６の部分の周面２２に密着していて、他方のセル６の周面２２と共に、それぞれ１つの半月状の中空室２６を制限している（仕切っている）。３角形状に配置されたそれぞれ３つの隣接し合うセル６間の三角隙間２８内で、２重壁状のスペーサホルダ２４は、横断面がほぼ３角形状の中空室３０を制限しており、この中空室３０は、横断面が半月状の中空室２６に隣接している。セル６をハウジング４内に挿入した後で、中空室３０のすべての部分又は一部に円筒形のコア３２が挿入される。このコア３２の外側の横断面寸法は、中空室３０の内側の横断面寸法よりもやや大きい。コア３２の導入は、中空室２６の丸味の付けられた壁部の領域内でスペーサホルダ２４を弾性的に変形することによって可能である。コア３２を挿入した後で、コア３２はセル６を互いに離れる方向に押しやる。この場合、セル６は、直径方向でコア３２とは反対側の円筒形の外周面２２が、この外周面２２に対して相補的に成形された、隣接するハウジング周壁８の区分３４に押し付けられるようになっているので、セル６は、ハウジング周壁８の区分３４に対して形状結合（形状による束縛）式に、かつエアギャップなしで当接する。これには、周壁８のプラスチック材料固有の弾性も貢献する。このプラスチック材料固有の弾性は、場合によっては存在するセル６の直径公差も考慮する。

バッテリーセル６は、図示のバッテリーパック２において、円形横断面を有する単独セルとして構成されているので、バッテリーパック２のハウジング４は、別の横断面形状を有するセル６を使用する場合に、この別の横断面形状に適応した形状を有している。有利には、バッテリーパック２は、Ｌｉ−Ｉｏｎｅｎ（リチウムイオン）−バッテリーパック６のために使用される。

複数のバッテリーセルを備えたバッテリーパックの平面図である。

符号の説明

２ バッテリーパック、 ４ ハウジング、 ６ バッテリーセル、 ８ 周壁、 １０ ロック及び接続部、 １２ セルコネクタ、 １４ 隙間、 １６ 三角隅壁、 １８，２０ 壁部区分、 ２２ 周面、 ２４ スペーサホルダ、 ２６ 中空室、 ２８ 三角隅壁、 ３０ 中空室、 ３２ コア、 ３４ 区分

Claims (9)

1. 電気機械の電源のためのバッテリーパックであって、少なくとも部分的にプラスチックより成るハウジングを有していて、このハウジングが少なくとも１つのバッテリーセルを受容している形式のものにおいて、
   前記プラスチックが、０．９３ｇ／ｃｍ^３よりも高い密度を有するポリエチレン（ＰＥ）より成っている（ＨＤ−ＰＥ）ことを特徴とする、バッテリーパック。
2. バッテリーセル（６）を包囲する、ハウジング（４）の外側の制限壁（８）が、ポリエチレンより成っている、請求項１記載のバッテリーパック。
3. 前記制限壁（８）が、少なくともその壁面の半分に亘ってバッテリーセル（６）に当接している、請求項２記載のバッテリーパック。
4. 制限壁（８）とバッテリーセル（６）とが互いに押し付けられるようになっている、請求項２又は３記載のバッテリーパック。
5. 請求項１から４までのいずれか１項記載のバッテリーパックにおいて、
   ハウジング（４）が複数のバッテリーセル（６）を受容しており、隣接し合うバッテリーセル（６）の間でコア（３２）がハウジング（４）内に挿入されており、該コア（３２）がバッテリーセル（６）を互いに、かつ／又はハウジング（４）の隣接し合う外側の制限壁（８）に押し付けるようになっていることを特徴とする、バッテリーパック。
6. ハウジング（４）が、複数のバッテリーセル（６）を受容しており、ハウジング（４）の外側の制限壁（８）が、隣接し合うバッテリーセル（６）間で内方に入り込む壁部区分（３４）を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載のバッテリーパック。
7. ポリエチレンが少なくとも１つの充填材を含有している、請求項１から６までのいずれか１項記載のバッテリーパック。
8. 前記充填材が、パウダー状の鉱物充填材又は金属充填材である、請求項８記載のバッテリーパック。
9. 前期充填材が、２０μｍより小さい、有利には１０μｍより小さい粒子の大きさを有している、請求項７又は８記載のバッテリーパック。

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