JP2008533682A - リチウム電池システム - Google Patents

Abstract

リチウム電池モジュールが、複数のリチウム電池セルと、複数のリチウム電池セルの少なくとも一部分を通して流体を並列に通過させるように構成されたシステムとを含む。

Description

連邦政府の援助を受けた研究又は開発に関する記述
米国政府は、米国エネルギー省によって授与された契約書番号第ＤＥ−ＦＣ２６−９５ＥＥ５０４２５号に基づき、本発明の権利を有する。

関連特許出願の相互参照
本願は、２００５年３月１４日に出願された米国仮特許出願第６０／６６１，５７７号明細書、２００５年３月３０日に出願された米国仮特許出願第６０／６６６，５３３号明細書、および２００５年３月３０日に出願された米国仮特許出願第６０／６６６，６７８号明細書の利益を主張する。

以下の特許出願、すなわち、２００５年３月１４日に出願された米国仮特許出願第６０／６６１，５７７号明細書、２００５年３月３０日に出願された米国仮特許出願第６０／６６６，５３３号明細書、および２００５年３月３０日に出願された米国仮特許出願第６０／６６６，６７８号明細書の内容全体は、参照により本願明細書に援用されるものとする。
〔技術分野〕

本発明は、電池および電池システムに関する。特に、本発明は、リチウム電池（例えば、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池など）と、このような電池を使用したシステムとに関する。

自動車などの車両で使用するための電池を提供することが知られている。例えば、始動、点灯、および点火の用途で、鉛酸蓄電池が使用されてきた。ここ最近では、車両に電力を供給するために、電池（例えば、ニッケル水素電池）を他のシステム（例えば、内燃機関）と組み合わせて利用するハイブリッド車が生産されている。

一般に、リチウム電池は、ニッケル水素電池と異なる働きをすることが知られている。ある用途では、出力／性能が強化されたリチウム電池を得ることが望ましい場合がある。例えば、リチウム電池は、ニッケル水素電池より大きな比出力を供給することもある。しかしながら、リチウム電池技術の適用は、設計および工学の点で、従来のニッケル水素電池技術の適用において典型的に提示されるものより課題が多い場合がある。

ハイブリッド車に有益に利用されうるリチウム電池システムを設計し管理するには、電気性能のモニタリング、熱管理、および流出物（例えば、電池セルから排出されることがあるガス）の閉じ込めなどの点を考慮すべき場合もある。

本発明は、複数のリチウム電池セルを含むリチウム電池モジュールと、複数のリチウム電池セルの少なくとも一部分を通って流体を並列に通過させるために構成されたシステムに関する。

１つの例示的な実施形態によれば、リチウム電池またはセル（例えば、リチウムイオンセル、リチウムポリマーセルなど）が提供される。本願において、特定の例示的な実施形態を示し記載しているが、本願明細書に記載する特徴は、現在知られている任意の構成または将来開発される可能性がある他の構成のリチウム電池またはセルとともに利用されてもよい。

本願明細書に記載するものなどの１つ以上のリチウム電池またはセルが、１つの例示的な実施形態による複数のこのような電池を備えるアセンブリまたはモジュールに提供されてもよい。さらに、複数のリチウム電池を含むモジュールが提供される１つの例示的な実施形態によれば、モジュールは、現在知られている任意の他の構成または将来開発される可能性のある任意の構成の複数のリチウム電池モジュールを含むシステムに含まれてもよい。

２００４年１０月２８日に出願された米国特許出願第１０／９７６，１６９号明細書に、リチウム電池およびリチウム電池システムのさまざまな非排他的で例示的な実施形態が示され記載されており、その内容全体は、参照により本願明細書に援用されたものとする。本願明細書に記載する電池、モジュール、および他の特徴は、本願明細書を検討する当業者によって理解されるように、米国特許出願第１０／９７６，１６９号明細書に開示された特徴とともに使用されてもよい。

図１〜図２０に、リチウム電池および電池システムの特定の例示的な実施形態を示すが、さまざまな他の例示的な実施形態によれば、任意の種々のリチウム電池または電池システムが使用されてもよい。例えば、さまざまな例示的な実施形態によれば、個々のセルおよび／またはモジュールの物理構成は、設計目標および考慮すべき事項に従って変更されてもよい。１つの例示的な実施形態によれば、システムが、１２個のセルを有するモジュールを含んでもよい（例えば、図５を参照されたい）。他の例示的な実施形態によれば、モジュールには、異なる数のセルが含まれてもよい。

図１に示すように、１つの例示的な実施形態によれば、電池またはセル１００（例えば、リチウムイオンセル）が示されている。１つの例示的な実施形態によれば、セル１００は、およそ０〜５ボルト間のフル充電電圧を有するリチウムイオンセルである。

１つの例示的な実施形態によれば、セル１００は、容器１２０（例えば、キャニスタ、ハウジング、ケーシング、ホルダなどの形態で提供されてもよい）と、セルを封止するように作用することもあるセル１００の第１の端部１３０に設けられたカバー１３２（例えば、エンドカバー、カラー、キャップ、上部分、端部分を参照したものであってもよく、および／または、それらの形態で提供されてもよい）とを含む。図５に示すように、１つの例示的な実施形態によれば、セルの第２の端部にカバーは設けられていない（しかしながら、他の例示的な実施形態によれば、カバー１３２などのカバーが、セル１００の第２の端部１４０に設けられてもよい）。

さまざまな例示的な実施形態によれば、カバー１３２は、任意の適切な材料（例えば、金属、プラスチック、複合体など）から作られてもよい。１つの特定の例示的な実施形態によれば、カバー１３２は、ポリプロピレン、またはマサチューセッツ州ピッツフィールドのＧＥプラスチックス（ＧＥ Ｐｌａｓｔｉｃｓ（Ｐｉｔｔｓｆｉｅｌｄ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ））から市販されている「ノリル（Ｎｏｒｙｌ^ＴＭ）」などの適切なプラスチックまたは高分子材料から作られてもよい。

図１に示す１つの例示的な実施形態によれば、セル１００は、セル１００の内部から流出物（例えば、気体、液体、および／または他の材料）を逃がす（例えば、排出したり絞り出したりする）ことができるように構成された１つ以上のベント（例えば、ベント１３８として図示）を含む。ベント１３８は、カバー１３２から延伸するように設けられて示されている。

１つの例示的な実施形態によれば、ベント１３８は、流出物をセル１００から逃がすためのリリーフ弁やバースト弁などの弁である。図１に示すように、ベント１３８は、スリーブまたはリム１４１内に受け入れられる部材または要素１３９を備える。要素１３９に設けられた孔１４３が、セル１００の内部と流体連通状態にある。要素１３９が、通常の動作モードにあるとき、孔１４３は、リム１４１によって阻止される（すなわち、要素１３９は、リム１４１内へ下方に摺動する）。流出物が、所定のしきい値まで蓄積した場合、要素１３９は、上向きに移動して、流出物がセル１００から逃げないように孔１４３を露出する。１つの例示的な実施形態によれば、ベント１３８は、セル内の圧力が特定のしきい値に達すると（例えば、およそ３ｐｓｉ〜３０ｐｓｉの間の高圧しきい値）、ガスおよび／または他の材料がセルから逃げるように構成されてもよい。

ベント１３８（または同様の機能を果たすために利用された他の構造）は、セルおよび／またはこのようなセルが設けられたモジュールから離れた場所へ流出する他の材料を除去できるようにするために、電池モジュール内に設けられたチャネルまたは他の構造体などの経路または通路へ、セル１００内から流出物を抜くことができるように構成されてもよい。他の例示的な実施形態によれば、ベント１３８は、セルまたはこのようなセルが設けられたモジュールから離れた場所へ流出物を除去できるように構成された、管、ホース、または他の構造に結合されてもよい。

さまざまな例示的な実施形態によるセルの一方または両方の端部に、ベントが設けられてもよい。例えば、１つの例示的な実施形態による図５に示すように、ベント１３８は、セルの一端部のみに設けられる。図９に示す別の例示的な実施形態によれば、ベント１３８は、セルの両端部に設けられる。

２つの端子またはポスト１３４および１３６は、セル１００の第１の端部１３０から延伸し、２つの端子またはポスト１４４および１４６は、セル１００の第２の端部１４０から延伸する。１つの例示的な実施形態によれば、セル１００に関して、端子１３４および１３６は、プラス端子であり、端子１４４および１４６は、マイナスの端子である。１つのセルに対して、端子セットに複数の端子（例えば、２つ以上）をもたせることで、プラスの端子とマイナスの端子が１つずつしかないセルと比較した場合、熱伝導性の対称性が向上する（例えば、場合によっては、セル内の電流分布が向上する）ことが意図される。

１つの例示的な実施形態によれば、端子１３４、１３６、１４４、および１４６は、第１のセルからのプラスの端子が、別のセルのマイナスの端子に電気的に結合されてもよいように構成される。例えば、システム３００が第１のセル３１０および第２のセル３２０を含む図６に示す１つの例示的な実施形態によれば、セル３１０の端子３１２および３１４は、締め付け具３３０および３３２（例えば、ボルト、ねじなど）または何らかの他の締め付け機構を使用して、セル３２０の端子３２２および３２４のそれぞれに結合されてもよい。締め付け具を端子に電気的に結合できるように、端子に孔または穴が設けられてもよい（例えば、図１に示すように）。

図６に示すように、端子３１２および３１４は、セルが電気的に結合するように、端子３２２および３２４に対してオフセットに配置される。このようにして、プラスとマイナスのセルが、比較的単純かつ効率的な方法で結合されてもよい。図６に、締め付け具３３０および３３２およびさまざまな端子の特定の構成の使用を示すが、隣接するセルを電気的に結合するように、さまざまな他の例示的な実施形態により他の締め付け具および／または端子構成が使用されてもよいことを理解されたい。さらなる他の実施形態によれば、図１に示す端子は、任意の適切な位置に回転されてもよい。例えば、図７に示す１つの例示的な実施形態によれば、セル３２０の端子３２２および３２４は、図６に示すものに対して回転され、セル３１０の端子３１２および３１４と結合するようにより狭い間隔を空けて示されている。図８に示す別の例示的な実施形態によれば、端子１３６および１３４と、端子１４６および１４４は、セルが、半径方向または「Ｘ」方向（図８に示すように）にボルトまたは他の締め付け具によって締め付けられるように、９０度回転させて示されている。図６〜図８に示した構成は、電池セルが、より結合させやすいように、端子に種々の配向をもたせて作られてもよいことを示す。

プラス端子とマイナス端子の構成はまた、セルがモジュール内で正確な向きに確実に設置されるように作用するものであってもよい（例えば、各端子セットの構成を別個のものにすると、モジュール内でセルを不適切に差し込むことができなくなり、プラス端子またはマイナス端子のいずれかと係合するように構成されたコネクタまたは他の特徴を含むこともある）。

１つの例示的な実施形態によれば、端子１３４、１３６、１４４、および１４６は、電池システムの一部として電気を通すことと、セル１００からの熱の除去を助けることの両方を行うように構成される。セル１００の内部に結合または接続された端子１３４、１３６、１４４、および１４６を通して、セル１００から比較的大量の熱が除去されてもよいと考えられる。熱流速は、セルの半径方向、いわゆる「Ｘ」方向に存在するものと比較すると、軸方向、いわゆる「Ｙ」方向（図１に示す）に比較的大量に存在することが分かった。

１つの例示的な実施形態によれば、端子１３４、１３６、１４４、および１４６は、金属（例えば、アルミニウム、銅、ニッケルめっき鋼、または他の適切な合金）などの伝導性材料から作られる。流体（例えば、空気などの気体、シリコーン油、フルオロケイ酸塩油、鉱油などの液体、または、現在知られているか、将来開発される、比較的非イオン系であり、比較的高い誘電率を有する別の適切な冷却剤）が、端子（セル１００内から熱を通す）の温度より低い温度の端子に流されると、流体の流れにおいて、端子から、ひいては、セル内から熱が除去されることもあると考えられる。１つの例示的な実施形態において、端子は、端子を冷却できるように、気体や液体などの流体を端子に流しうるチャネルなどの空間（例えば、電池モジュール内に設けられる）内に端子が位置決めされてもよい。別の例示的な実施形態によれば、端子を通して熱を伝達できるように、容器１２０に端子（例えば、プラス端子）が溶接されてもよい。

図１〜図４に示す１つの例示的な実施形態によれば、セル１００は、端子１３４、１３６、１４４、および１４６と接触した状態に設けられたブッシングの形態の部材または要素１５０、１５２、１６０、および１６２を含んでもよい。１つの例示的な実施形態によれば、ブッシング１５０、１５２、１６０、および１６２は、ゴムまたは他の高分子材料で作られ、セル内のガス圧力が所定の値（例えば、２０バール）に上昇した場合に備えて、セル１００内からガスを排出することができるように構成される。図４に示すように、端子１３４、１３６、１４４、および１４６は、ブッシング１５０、１５２、１６０、および１６２内に端子を摺動自在に受けるように配置される。セル１００内で圧力が上昇すると、セル内の流出物が逃げうるように、端子１３４、１３６、１４４、および１４６と、ブッシング１５０、１５２、１６０、および１６２との間で摺動運動が生じることもある。

１つの例示的な実施形態によれば、容器は、容器内に含まれた電極から電気的に絶縁（例えば、隔離）される。例えば、容器と電極との間に十分な絶縁が得られるように、容器に、プラスチック（または他の適切な絶縁材料）が配置されてもよい。

容器１２０は、金属、高分子材料、複合材料などの任意の適切な材料から作られてもよい。１つの例示的な実施形態によれば、容器１２０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から作られる。別の例示的な実施形態によれば、容器１２０は、鋼から作られる。さまざまな他の例示的な実施形態によれば、容器は、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金、および／または他の金属および金属合金などの他の金属から作られてもよい。

容器１２０は、種々の形状、サイズ、および構成の任意のものを有してもよい。例えば、容器は、八角形、円筒形、ほぼ扁平楕円形、八角楕円形、角柱形、または任意の種々の他の形状であってもよい。１つの例示的な実施形態によれば、セルは、性能および／または熱放散を最適化する（例えば、セル全体にわたって温度を均一にする）対称的な形状を有する。

図１から図４に示すように、１つの例示的な実施形態によれば、容器１２０は、ほぼ楕円形状またはプロファイルを有する。容器１２０をほぼ楕円形状にする１つの有益な特徴として、容器１２０の外表面１２２の表面積が、同様の円筒形状の容器のものより広いことで、セルから容器１２０を通して、より多くの熱を伝達しうるということがある。容器をほぼ楕円形状にする別の有益な特徴として、容器の厚みまたは幅が、円筒形のセルより小さい（すなわち容器の最短軸に相当する厚みまたは幅）ということがある。

図２は、容器１２０を取り外した状態にあり、要素１０２（例えば、少なくとも１つのプラス電極、少なくとも１つのマイナス電極、および１つ以上のプラスおよびマイナス電極の中間に設けられた少なくとも１つのセパレータを備える巻線螺旋電極セット）を有するセル１００を示す。電極およびセパレータは、セル要素を形成するために、ほぼ楕円または長円の形状（または、使用する容器の形状に応じて、他の形状）を有するように巻き付けられるか、または包まれる。

要素１０２の１つの有益な特徴として、製造時の巻線速度をより高めることができるように製造されてもよいということがある。要素１０２はまた、比較的きつく巻き付けた構成を有益に含むことで、容器内に要素をより効率的にパッケージングできることもある。

ストラップの形態の要素１０４が、単一の極性のタイプ（例えば、図２に示すようなプラス電極）の１つ以上の電極と、関連する端子（例えば、図２に示すような端子１３４および１３６）に結合されて、関連する電極および端子を結合し、セル１００内から電流および／または熱を集積または収集する。反対の極性の電極を関連する端子に結合するために、電池の反対の端部に、ストラップの形態の同様の要素が設けられてもよい。

例えば、図１〜図４に示す構成の１つの有益な特徴として、電極にタブを設けることなく、電池の電極またはプレートに端子が接続されてもよいということがある。１つの例示的な実施形態によれば、要素１０４は、適切な電極にレーザ溶接されてもよい。端子およびストラップ（例えば、要素１０４）の両方は、電流および熱伝導が最適化されるように構成されてもよい。

要素１０４のサイズ、形状、および構成は、さまざまな他の例示的な実施形態により図２に示すものとは異なるものであってもよく、電極間の電流の流れが最適化されるように選択されてもよい。例えば、１つの例示的な実施形態によれば、セルは、２００１年４月２４日に発行された、「薄膜金属電池用のストラップ（Ｓｔｒａｐ ｆｏｒ Ｔｈｉｎ Ｍｅｔａｌ Ｆｉｌｍ Ｂａｔｔｅｒｙ）」という発明の名称の米国特許第６，２２１，５２４号明細書、または２０００年４月１８日に発行された、「薄膜金属セル用の電池ケース（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃａｓｅ ｆｏｒ Ｔｈｉｎ Ｍｅｔａｌ Ｆｉｌｍ Ｃｅｌｌｓ）」という発明の名称の米国特許第６，０５１，３３６号明細書に記載されているタイプなどの三日月形状を有する要素（例えば、ストラップ）を使用してもよく、その内容全体は、参照により本願明細書に援用されたものとする。さまざまな例示的な実施形態によれば、ストラップは、溶接（例えば、レーザ溶接）、はんだ付け、熱融合、スポット溶接など（または任意の他の適切な結合方法）によって、セルに結合されてもよい。ストラップは、セルの各端部（例えば、巻いた電極の各端部）に結合されてもよい。

図５は、互いに電気的に結合された複数の電池またはセル２１０を含むモジュールまたはアセンブリ２０２を含む電池システム２００を示す。モジュール２０２は、米国特許出願第１０／９７６，１６９号明細書に示すもの（例えば、空気流および流出物を除去するためのチャネルなどを有する）などのモジュールに含まれてもよい。

図５に示す実施形態は、１２個のセル２１０を含むモジュール２０２を示しているが、特定のモジュール内に設けられるセルの数は、さまざまな例示的な実施形態に応じて異なるものであってもよい（例えば、モジュールが含むセルの数は、１２個より多くても少なくてもよい）。さらに、システム２００は、単一のモジュール２０２を含むように示されているが、電池システムは、任意の数の電池を含む任意の数のモジュールを含んでもよいことに留意されたい（例えば、電池システム内に３個のモジュールが設けられてもよく、それらのモジュールの各々は、任意の適切な数のセルを含んでもよい）。電池システムおよび／またはモジュールに利用される特定の構成は、さまざまな例示的な実施形態による特定の応用に合わせて電力を供給するように最適化されてもよい。モジュール２０２は、米国特許出願第１０／９７６，１６９号明細書に示すもの（例えば、空気流および流出物を除去するためのチャネルなどを有する）などのモジュールに含まれてもよい。

図５に示すように、隣接するセル２１０が、互いに対して逆さまになるように配置される。すなわち、第１の電池のマイナス端子２３４および２３６は、すぐ隣の電池のプラス端子２４４および２４６に隣接させて設けられる。このようにして、プラス端子が、コネクタ２５４（締め付け具２５５を使用して端子に固定された母線の形態で図示）によって、隣接するマイナス端子に電気的に接続または結合されてもよい。モジュール２０２内で隣接するセル２１０は、すべてのセル２１０が直列に接続されるように接続される。

１つの例示的な実施形態によれば、電圧がおよそ４０〜４８ボルト、定格で１２アンペア時であり、１２個のセルを含むモジュール（例えば、モジュール２０２）が設けられてもよい。このようなモジュールの寸法は、およそ幅９５ｍｍ×高さ１４３ｍｍ×長さ４２１ｍｍ、重量がおよそ７ｋｇのものであってもよい。さまざまな他の例示的な実施形態によれば、寸法、定格、または他の特性は、種々の望ましい特性の任意のものに応じて異なるものであってもよい。

図１０〜図１４は、モジュールのセルの少なくとも一部分（例えば、端子）上を並列に通過する冷却流体（例えば、空気）を供給するように構成されたマニホルド冷却システム４１０を有する電池モジュール４００を示す。すなわち、冷却流体は、電池のすべてのセルを通過せず（１つのセルから次のセルへ空気が進むにつれ、熱を蓄積してしまう）、１つまたは２つのセルだけを通過するように導かれる。図１０〜図１４に示すように、空気を２つのセルに導くマニホルドシステムが設けられ（１２個のセルが図示され、６個のチャネルが、各チャネルが流体を２つのセルに導くように設けられる）、説明上、線４２０、４５２、および４５３で示す空気の流れは、セルの１つに対してのみ空気の流路をたどっているが、本願を検討した当業者であれば、セルを比較的に効率良く冷却するために、任意の数のセル（例えば、２個、３個のセルなど）を通して空気または別の流体を導くマニホルドシステムが設けられてもよいことを理解するであろう。モジュール４００は、一般に、円筒状の電池セルを利用するが、図１に示すものなどの他のタイプのセルが、他の例示的な実施形態により利用されてもよい。

図１０に示すように、例えば、チャネルを空気圧で封止するために、チャネル（例えば、図１１に示すチャネル４１２）を冷却するカバーを設けるために、マニホルド４１０の上方に、カバー４０２が設けられる。図１０〜図１４に示す線４２０、４５２、および４５３で、流体（例えば、空気）の流れを表す。流体は、モジュールから離れた位置にある（例えば、モジュールの外部にある）ソースからチャネル（例えば、チャネル４１２）を通って方向付けられ、モジュールのセルの１つの方へ導かれる。チャネル４１２の端部４１３で、流体は、セルの方へ方向付けられる。図１０〜図１４に示す１つの例示的な実施形態によれば、空気は、（線４５２で示すように）バッテリに沿って下向きに流れ（例えば、端子を横切り、セルのハウジングに沿って下方に）、その後、空気は、モジュール４００のベース４３０で排気される（線４５３で示す）。説明上、流体の流れは、１つの例示的な実施形態によるさまざまなコンポーネントに対して空気の流れを示すように、図１０〜図１４のすべてに示している。

図１０〜図１４は、チャネルが６個しか設けられていない（例えば、２つの隣接するセル間で空気の流れを共有する）マニホルドシステムを示しているが、他の例示的な実施形態によれば、空気の流れを各個々のセルに導き（例えば、１２個のセルに対して１２個のチャネル）、または空気を異なる数のセルに導くシステムが設けられてもよい。

入口４４０で、適切なソースからマニホルド内に空気を引き込むことができる。このシステムでは、ソースから冷却空気を引き込み、電池端子の露出端部に空気を流し、車両の外側にある空気を排出することによって、個々の電池セルを冷却する。空気のソースは、車両キャビンからであってもよく、これにより、キャビンと同じＨＶＡＣシステム、別の独立したＨＶＡＣシステム、または任意の他の適切な冷却空気ソースを使用する。独立したＨＶＡＣシステムの場合、独立したハードウェア、制御装置、電源などが必要になる。

図１０〜図１４に示すように、端子を冷却するために、入口４４０から、電池端子上に流体（例えば、空気）が導かれる。冷却効果を最大限に高めるために、空気は、個々の電池セルを並列に通過し、言い換えれば、冷却空気は、排出される前に、１つまたは２つの端子セット（例えば、１個のセル）のみを通過する。これにより、空気が端子を通るときに加熱されることで、冷却ラインの後方でセルに及ぼす冷却効果が低下するという問題である、多数の端子セットに冷却空気を直列に通過させる問題がなくなる。

図１３に示す１つの例示的な実施形態によれば、冷却流体（例えば、空気）は、電池セルの外表面の周りに均等に分配される。電池セルを覆う容器４５０には、流体４２０が流れる孔４５１がある（容器４５０は、セルに隣接した位置に、孔４５１に整列された流体の流れ用のチャネルを規定するように、セルの外表面と当接するリブを含む）。流体は、セルの上部から引き込まれるか、押し進められ、孔４５１を通って均一に流れるようにされる。孔４５１は、同等に冷却するように電池セルの周辺に均等に分布される。これは、図１３に、孔４５１を通る個々の流体ライン４５２および４５３で示されている。流体４２０の同等の部分が、各孔４５１を通って流れることで、各電池セルの周囲を均等に冷却する。電池セルの端子（例えば、図１の端子１３４および１３６）を収容するために、容器４５０に、孔４５４および４５５が設けられる。

図１４は、ベース４３０上での冷却流体の排出を示す。流体４２０（例えば、空気）が、電池を冷却しながら電池上を流れた後（ライン４５２）、各電池のベース４５８上にわたって放出される（ライン４５３）。

図１０〜図１４の記載において、入口４４０から電池内への冷却流体の流れについて記載されているが、同じ冷却プロセスは、引き込み機構を介して効果的でありうる。例えば、冷却流体（例えば、空気）は、電池を通って入口４４０へ引き込まれてもよい。流体は、ライン４５３からライン４５２の後にライン４２０へと、反対方向に流れ、同じ並列冷却効果を有する。

１つの例示的な実施形態によれば、さまざまなチャネルを通る空気を押したり引いたりするために、１つ以上のファンが設けられてもよい。

図１５〜図１９は、電池セルを並列冷却するように構成された別の例示的な実施形態による電池モジュール５００を示す。冷却流体（例えば、空気）が、モジュールのセルの少なくとも一部分上を並列に通過する。言い換えれば、冷却流体は、電池のすべてのセルを通過せず（１つのセルから次のセルへ空気が進むにつれ、熱を蓄積してしまう）、１つまたは２つのセルだけを通過するように導かれる。冷却流体は、モジュールの下側カバー５７０にある孔５７４（図１７）に入り、個々の電池セルを通って上向きに流れる。電池セルには、冷却流体が流れる別々の孔５５１があるため、冷却流体は、電池セルを１つだけ冷却した後に、マニホルドアセンブリ５０２の上部から放出される。

図１９は、電池モジュール５００の下側カバー５７０を示す。個々の電池セルは、ベース５７２上に載置され、孔５７４を通して冷却流体を引き入れる。孔５７４を通して冷却流体（例えば、空気）を均等に引き込むことによって、各個々の電池セルに、等量の冷却流体を供給することができる。

１つの例示的な実施形態によれば、図１７は、並列冷却向けの電池セル容器５４０を示す。下側カバー５７０には、冷却流体（例えば、空気）を電池セル内に引き込むための孔５７４がある。冷却流体は、孔５７４内に押したり引いたりされうる。個々の電池セル容器５５０には、冷却流体（例えば、空気）が同等に流れるように、電池セルの周辺に等距離の位置に設けられた孔５５１がある。孔５５１が、電池セルの周辺で等距離の間隔にあるため、等量の冷却流体が、電池セルの周辺全体を冷却する。図１８は、電池セル容器５５０の周辺全体の周りにある孔５５１の等距離レイアウトを示す電池セル容器５４０の底面図を示す。流体（例えば、空気）は、下側カバー５７０の孔５７４内に引き込まれ、個々の電池セル容器５５０の孔５５１を通って上向きに流れることで、個々の電池セルを冷却する。冷却流体（例えば、空気）が、孔５５１を通って上向きに流れるにつれ、電池セルの熱を奪う。各電池セルには、冷却流体用の独自の孔５５１があるため、電池は、並列して冷却され、冷却流体は、通過しながら１つの電池から熱を奪えばよい。

図１７は、電池セルの端子５５２および５５４と、ベント５５６用の孔を含む個々の電池セル容器５５０を示す。フィン５５８は、逆帯電した端子５５２および５５４を互いから絶縁するように含まれる。圧力スイッチ５６０は、電池モジュール５００の圧力を測定し、圧力があるしきい値を超えて上昇すると、車両の電力システムからモジュールを除去する。

図１５および図１６は、電池セル容器５５０の上方の位置にあるマニホルドアセンブリ５０２を示す。冷却流体（例えば、空気）は、孔５５１（図１７）を出ると、マニホルドアセンブリのセルノズル５３０内に流れる。マニホルドアセンブリ５０２は、モジュール５００の１つの電池セルにつき１つのセルノズル５３０があるように作られる。流体は、セルノズル５３０から出た後、共通のチャネル５１０内に流れる。図示していないカバーが、マニホルドアセンブリ５０２を空気圧で封止する。次いで、流体は、マニホルドアセンブリ５０２のカバー（図示せず）にある孔を通って共通のチャネルから上向きに流れる。次いで、ファン（図示せず）が、モジュール５００から冷却流体を引いたり押したりする。

図１７に示すシステムバーストプラグ５４２が、マニホルドアセンブリ５０２の孔５２０に含まれる。バーストプラグ５４２は、ガス圧があるしきい値を超えれば、モジュール５００から圧力を解放する。

図１５〜図１９は、冷却流体を上向きに引き込むように構成された電池モジュール５００を示すが、冷却プロセスは、流体が、マニホルドアセンブリ５０２から始まって下向きに押されると、効果的なこともある。同じ並列冷却効果が適用され、本発明の範囲内である。

他の例示的な実施形態により、電池モジュールの異なる構成に対応するために、入口と排出の場所は、マニホルドの周辺の種々の場所や、モジュール内の他の場所に設けられてもよい。さらに、冷却システムは、電池モジュールの一端部または両端部に取り付けられてもよい。さらなる構成が可能であり、各システムの所望の動作特性に応じる。

他の例示的な実施形態によれば、マニホルドシステムに異なる構成が使用されてもよいことにも留意されたい。例えば、１つの例示的な実施形態によれば、マニホルド内に、主流体供給チャネルが設けられてもよい（例えば、マニホルドの中央に沿って伸びる単一のチャネル、またはマニホルドの側部に沿って伸びる１つ以上のチャネル）。空気がさまざまなセルを並列に流れることができる供給チャネルに、孔または開口が設けられてもよい。この場合も、チャネルを通して空気を押したり引いたりするために、１つ以上のファンが設けられてもよい。

図２０は、複数の電池モジュール６０２、６０４、および６０６（例えば、図１に示すものや、任意の他の既知のシステム、または将来開発される可能性のあるシステムに類似したもの）、および１つの例示的な実施形態によるガス収集システムとを含む電池システム６００の略図である。図２０に示す各モジュール６０２、６０４、および６０６は、６個のセル（楕円形の点線で示す）を含むが、セルの数は、さまざまな他の例示的な実施形態により異なるものであってもよい。

１つの例示的な実施形態によれば、電池セルからガスの放出を処理するためのシステム６１０が設けられる。図２０に示すように、１つの例示的な実施形態による電池システムの側面（例えば、モジュールの各々の短い辺の１つ）に、システム６１０が設けられる。他の例示的な実施形態によれば、システムは、別の場所に設けられてもよい。

有毒ガスの可能性のあるガスの排出を制御し、セルからのガス放出による圧力蓄積の可能性を管理するために、ガスを適切に処理することが望まれる場合がある。システム６１０は、図２０に示すように、個々の電池セルからのガス放出を捕獲し、車両内にありながらガスを適切に処理し、ガスを安全に排出できる。

システム６１０は、電池システム６００の端部に設けられた空気圧密封デバイスを含む。各モジュール６０２、６０４、および６０６は、各モジュールに隣接して設けられた複数のチャンバを含む。例えば、モジュール６０２は、このモジュールに隣接して設けられたチャンバ６１２および６２２を有し、モジュール６０４は、このモジュールに隣接して設けられたチャンバ６１４および６２４を有し、モジュール６０６は、このモジュールに隣接して設けられたチャンバ６１６および６２６を有する。

チャンバ６１２、６１４、および６１６は、それらのモジュールのそれぞれに含まれたセルと流体連通状態にある。例えば、モジュールが、セルから放出された流出物を方向付けるためのチャネルまたは通路を含む場合、このチャネルまたは通路は、チャンバ（例えば、チャンバ６１２、６１４、または６１６）と流体連通状態にあってもよい。このようなチャンバは、流出物の流れから有害材料の可能性がある材料を除去するための乾燥促進材料を含んでもよい。

チャンバ６１２、６１４、および６１６を通って進んだ後、流出物は、チャンバ６２２、６２４、および６２６のそれぞれの中に導かれてもよく、その場所でガスが収集されてもよい。このようなチャンバは、凝縮物貯蔵部と呼ばれることもある。チャンバ６２２、６２４、および６２６は、共通の領域にガスを放出できるようにする弁（図示せず）を含んでもよい。共通の領域は、この場合も、車両から排気されるガスの解放を制御する弁に取り付けられる。

図２０に示すように、モジュールの各々は、ガス収集用の独立した貯蔵部を含む。弁は、貯蔵部内の圧力レベルがある一定のレベルに達すると、ガスを解放するように構成されることで、電池パック領域内での圧力蓄積の発生を低減させる。また、個々のモジュールの放出は、余分なガスを一貫して放出している任意のモジュールをシステムが遮断できるようにモニタされてもよい。

ガスは、貯蔵部から解放されると、共通の領域に進み、この領域は、モジュールに隣接して、または任意の他の適切な位置に据え付けられる。共通の領域は、独立したモジュール貯蔵部のすべてから解放されたガスを収集する。共通の領域はまた、共通の領域の内部の圧力レベルが、あるレベルに達すると、排出するためにガスを解放するように構成された弁を有する。

次いで、ガスは、共通領域から解放されると、車両から安全に排出されるように導かれる。所望の正確な特性に応じて、システム全体の構成およびそのサブコンポーネントは変更されてもよい。

図２０は、他の例示的な実施形態により、個々のモジュールの各々に対して別のチャンバが設けられる実施形態を示すが、モジュールは、チャンバを共有してもよいことに留意されたい（例えば、さまざまなモジュールは、ドライヤチャンバおよび凝縮物貯蔵部を共有するように、電池システム全体に対して、１つのドライヤチャンバおよび１つの凝縮物貯蔵部が設けられてもよい）。

留意すべき重要な点は、さまざまな例示的な実施形態において示すシステムの構造および配列は、説明的なものにすぎないことである。本発明のいくつかの実施形態のみが本願明細書において詳細に記載されてきたが、本願明細書を検討する当業者であれば、特許請求の範囲に記載された主題の新規な教示および利点から著しく逸脱することなく、多くの修正が可能であることを容易に認識するであろう（例えば、さまざまな要素のサイズ、寸法、構造、形状、および比、パラメータ値、取り付け配置、材料の使用量、色、向きなど）。例えば、一体に形成させて示した要素は、複数部品または要素で作られてもよく、要素の位置は、反転させても、変更してもよく（例えば、電池のマイナス端子に隣接して、可変温度抵抗器が設けられてもよく）、別個の要素または位置の性質または数が変えられ、または変更されてもよい（例えば、単一の抵抗器の変わりに、複数の抵抗器が設けられてもよい）。したがって、このような修正はすべて、添付の特許請求に範囲に規定されるような本発明の範囲内に含まれることが意図されている。任意のプロセスまたは方法のステップの順序または並び方は、別の実施形態に応じて変更され、または並び直されてもよい。本発明の範囲から逸脱することなく、さまざまな例示的な実施形態のデザイン、動作条件、および配列に、他の代用、修正、変化、および省略がなされてもよい。

１つの例示的な実施形態によるリチウム電池またはセルの斜視図である。 １つの例示的な実施形態による、外側ハウジングまたはケーシングを取り外した図１に示す電池の斜視図である。 １つの例示的な実施形態による図１に示す電池の分解斜視図である。 １つの例示的な実施形態による図１に示す電池の断面図である。 １つの例示的な実施形態による図１に示すもののような複数の電池を利用したアセンブリまたはモジュールの斜視図である。 １つの例示的な実施形態による２つのリチウム電池またはセルのアセンブリを示す。 別の例示的な実施形態による２つのリチウム電池またはセルのアセンブリを示す。 別の例示的な実施形態による２つのリチウム電池またはセルのアセンブリを示す。 １つの例示的な実施形態による複数の電池を利用したアセンブリまたはモジュールの斜視図である。 １つの例示的な実施形態による電池システムまたはモジュールの斜視図である。 モジュールの流路を示す、図１０に示す電池モジュールのマニホルドの斜視図である。 モジュールの流路を示す、図１０に示す電池モジュールの平面図である。 モジュールの流路を示す、図１０に示す電池モジュールの一部分の斜視図である。 モジュールの流路を示す、図１０に示す電池モジュールの一部分の斜視図である。 別の例示的な実施形態による電池モジュールのマニホルドの斜視図である。 １つの例示的な実施形態による図１５に示すマニホルドの別の斜視図である。 図１５に示すマニホルドを利用するように構成された別の例示的な実施形態による電池モジュールの一部分の斜視図である。 図１７に示す部分および図１５に示すマニホルドを利用するように構成された別の例示的な実施形態による電池モジュールの一部分の底面図である。 図１８に示す電池モジュールの一部分の底面図である。 １つの例示的な実施形態による、複数の電池モジュールおよびガス収集システムを含む電池システムの略図である。

Claims (19)

1. 複数のリチウム電池セルと、
   前記複数のリチウム電池セルの少なくとも一部分を通って流体を並列に通過させるように構成されたシステムと、
   を備えるリチウム電池モジュール。
2. 前記流体が空気を含む、請求項１に記載のリチウム電池モジュール。
3. 流体を通過させるように構成された前記システムがマニホルドを含む、請求項１に記載のリチウム電池モジュール。
4. 前記流体が、前記マニホルドから押し流されて前記複数の電池セルを通過する、請求項３に記載のリチウム電池モジュール。
5. 前記流体が、前記複数の電池セルを通過したあと、前記マニホルド内に引き込まれる、請求項３に記載のリチウム電池モジュール。
6. 前記マニホルドが、前記流体を電池セルの方へ導くために、複数の孔が延伸するチャネルを含む、請求項１に記載のリチウム電池モジュール。
7. 前記流体を導くように構成された底部分を含む、請求項１に記載のリチウム電池モジュール。
8. １２個のリチウム電池セルを備える、請求項１に記載のリチウム電池モジュール。
9. 前記複数のリチウム電池セルの各々が、複数のプラス端子と、複数のマイナス端子とを含む、請求項１に記載のリチウム電池モジュール。
10. 前記複数のリチウム電池セルの各々の端子が、別のリチウム電池セルの端子と結合するように構成された、請求項１に記載のリチウム電池モジュール。
11. 前記複数のリチウム電池セルの各々の断面形状が、ほぼ楕円形である、請求項１に記載のリチウム電池モジュール。
12. 前記複数のリチウム電池セルの各々が、前記セル内からガスを解放するための少なくとも１つのベントを含む、請求項１に記載のリチウム電池モジュール。
13. 前記複数のリチウム電池セルが母線と電気的に結合され、前記母線が、前記複数のリチウム電池セルの第１のもののプラス端子を、前記複数のリチウム電池セルの第２のもののマイナス端子に結合する、請求項１に記載のリチウム電池モジュール。
14. 前記複数のリチウム電池セルが、前記電池セルのプラス端子が、隣接する電池セルの隣接するマイナス端子であるように交互に配置される、請求項１に記載のリチウム電池モジュール。
15. 前記複数のリチウム電池セル用のハウジングを備える、請求項１に記載のリチウム電池モジュール。
16. 前記ハウジングが、前記複数のリチウム電池セルを受け入れるための複数の容器を含み、前記複数の容器が、前記流体が流れ得る空間を規定するための複数のリブを含む、請求項１５に記載のリチウム電池モジュール。
17. 車両で使用するように構成された、請求項１に記載のリチウム電池モジュール。
18. 前記リチウム電池システムが、リチウム電池システムを形成するために、複数の他のリチウム電池モジュールとともに組み立てるように構成された、請求項１に記載のリチウム電池モジュール。
19. 前記リチウム電池システムが、互いに流体連通状態にある少なくとも３つのリチウム電池モジュールを含む、請求項１８に記載のリチウム電池システム。

Images