JP2010108932A - 大型バッテリーパック用の改良された熱放散 - Google Patents

Abstract

【課題】サイクル寿命とカレンダー寿命を含むバッテリー寿命を改良するために、バッテリーの加熱を制御し制限する大型バッテリーパック用の改良された熱放散装置を提供する。
【解決手段】一実施形態は、フラットハウジングと、少なくとも一つの電極と、コレクターパネルに電気的かつ熱的に結合するためにハウジングを貫通する、電極に結合した導電性かつ熱伝導性のタブ４０４Ａ〜４０４Ｙであって、ハウジングから温度制御システムへ電流と相当量の熱の両方を伝導することができるタブと、を含む電池を含む。電池は、熱界面によって温度制御システムに界面で結合したコレクターパネル４１２を持つバッテリーを形成するために積み重ねられてもよい。バッテリーは電動車両などを推進し得る。
【選択図】図４Ａ

Description

本特許文献は概して車両の動力源に関し、より具体的には大型バッテリーパック用の改良された熱放散に関する。

内燃エンジンでの燃料の燃焼には、多数のマイナス面がある。こうしたマイナス面の中では、高コスト、汚染、天然資源の不必要な枯渇があげられる。輸送システムはこうしたエンジンに大きく依存している。こうしたエンジンの普及は、そのマイナス面を増加させる。

電気推進機関、または一部電気推進機関を持つ車両は、こうしたマイナス面に対処する。しかしながらその性能はバッテリーの性能に制限され得る。バッテリー性能を示す様々な尺度としては、バッテリーパワー能力、効率、容量、および寿命を含むが、限定はされない。バッテリー性能の尺度の一つはサイクル寿命とカレンダー寿命を含むバッテリー寿命であり、充放電中のバッテリーの加熱はバッテリー寿命を減少させ得る。バッテリー性能を改良するためには、バッテリーの加熱を制御し制限しなければならない。

一実施形態は、スタックに整列した複数の形状が類似した電池を含むバッテリーパックを含む。各電池は、エッジを含むフラットハウジングと、少なくとも一つの電極と、少なくとも一つの電極に結合した導電性かつ熱伝導性のタブとを含み、タブはハウジングから電流と相当量の熱の両方を伝導するようにハウジングの第一の側面のエッジを貫通する。

実施形態はまた、タブの各々に電気的かつ熱的に結合した第一の面と、第一の面の反対の第二の面とを含む導電性かつ熱伝導性のコレクターパネルも含む。実施形態では、電気絶縁性かつ熱伝導性の熱界面材料が、コレクターパネルの第二の面と熱的に接触する第一の面と、外部温度制御システムと熱的に接触するための第二の面とを含む。

別の実施形態は、エッジを持つフラットハウジングと、少なくとも一つの電極と、コレクターパネルに電気的かつ熱的に結合するためにハウジングのエッジを貫通する、電極に結合した導電性かつ熱伝導性のタブとを含む電池を含み、タブはハウジングから電流と相当量の熱の両方を伝導することができる。

さらなる実施形態は、電動車両を推進するように結合した電気モーターと、電気モーターに電力供給するように結合したバッテリーパックとを含む電動車両を含み、バッテリーパックは形状が類似した電池のスタックを含み、各電池は、エッジを含むフラットハウジングと、少なくとも一つの電極と、ハウジングから電流と相当量の熱の両方を伝導するためにハウジングの第一の側面のエッジを貫通する、少なくとも一つの電極に結合した導電性かつ熱伝導性のタブとを含む。実施形態はまた、タブの各々に電気的かつ熱的に結合した第一の面と、第一の面の反対の第二の面とを含む導電性かつ熱伝導性のコレクターパネルも含む。さらに実施形態は、電気絶縁性かつ熱伝導性の熱界面材料を含み、熱界面材料はコレクターパネルの第二の面と熱的に接触する第一の面と、第一の面の反対の第二の面とを含む。実施形態はまた、温度制御システムの一部である温度制御パネルも含み、温度制御パネルは熱界面材料の第二の面に結合し、温度制御システムは温度制御パネルを冷却するために流体を循環させる。

この「発明の概要」は、本出願の教示の一部の概要であり、本発明の主題を排他的もしくは包括的に扱うことを意図するものではない。本発明の主題についてのさらなる詳細は、「発明を実施するための形態」と添付の請求項に見られる。本発明の他の態様は、以下の「発明を実施するための形態」を読んで理解し、その一部をなす図面を参照することで、当業者に明らかとなるだろう。本発明の範囲は添付の請求項とその法的均等物によって規定される。

いくつかの実施形態に従う、バッテリーと、そのバッテリーによって駆動されるモーターとを含む車両を図示する。 いくつかの実施形態に従う電池の上面図を図示する。 図２Ａの電池の側面図を図示する。 本発明のいくつかの実施形態に従う、各部品上に記号を重ね合わせることで熱伝導度も図示している電池アセンブリの側面図を図示する。 いくつかの実施形態に従う複数の電池を含むバッテリーパックの等角図を図示する。 図４Ａの“４Ｂ”の拡大図を図示する。 いくつかの実施形態に従うバッテリーパックを組み立てる方法を図示する。 いくつかの実施形態に従うバッテリーパックの温度を制御する方法を図示する。 いくつかの実施形態に従うバッテリーパックから熱を伝導する方法を図示する。

以下の説明では本明細書の一部をなす添付の図面を参照し、その図面においては、実践され得る具体的な実施形態が例として示される。これらの実施形態は当業者が本発明を実践できるように充分詳細に説明され、当然のことながら他の実施形態が利用されてもよく、本発明の範囲から逸脱することなく、構造的、論理的、および電気的変更がなされてもよい。従って以下の実施形態例の説明は限定的な意味でとられるものではなく、本発明の範囲は添付の請求項によって規定される。

図１は本発明の主題の一実施形態に従う車両システム100を示す。様々な実施形態では、車両102は電動車両であり、車両推進バッテリー108と、回転運動などの機械的運動にバッテリーエネルギーを変換するための少なくとも一つの推進モーター106とを含む。様々なバッテリーが想定される。本発明の主題は、バッテリー108が化学物質や他の物質ではなく電気を使用して再充電可能な二次電池である実施形態を含む。様々な二次電池化学物質が想定され、リチウムポリマーなどのリチウムイオン系の物質、リン酸鉄リチウム、ニッケル水素、鉛酸、および他の化学物質を含む。

本発明の主題は、車両推進バッテリー108がエネルギー貯蔵システム（“ESS”）のサブコンポーネントである実施例を含む。バッテリー108は複数の電池を含むバッテリーパックを含む。バッテリー108は複数のバッテリーパックを含むことができる。ESSは車両推進バッテリー108とのエネルギーの伝達に関連する様々な部品を含み、安全部品、冷却部品、加熱部品、整流器、およびこれらの組み合わせを含むが限定はされない。車両推進バッテリー108の他の構成が可能であるように、本発明の主題は、本明細書に開示された構成に限定されると解釈されるべきではない。

様々な実施例では、バッテリー108は一つ以上の電池を含む。いくつかの実施例では、バッテリー108は並列接続および／または直列接続の複数のリチウムイオン電池を含む。バッテリーパックは、主要面と垂直に配置されたスタック状の複数のフラット電池を含む。

バッテリーパックは、電池を電気的かつ物理的に相互接続するために、複数の電池スタックと構造を含む。例えばバッテリーパックは一つ以上の母線もしくはコレクタープレートと並列に相互接続した電池のスタックを含む。バッテリーパックは随意に電池のスタック用のハウジングを含むことができる。複数のバッテリーパックの複数のコレクタープレートを電気的に接続することで、いくつかのバッテリーパックを随意に並列もしくは直列に接続できる。

フラット電池は互いにほぼ平行な主要な第一の面と第二の面を持つ物体である。フラット電池の厚さは第一の主要面と第二の主要面の間の距離である。この厚さは一般的に、第一の主要面もしくは第二の主要面のいずれかの周囲寸法よりも小さい。

スタックとは、電池が互いの上に整列して置かれるような電池の構成をあらわす。いくつかのスタックでは、電池の各々が周囲長を持ち、これらの周囲長の各々はほぼ同一の外延を持つ。

いくつかの実施例は、第一のバッテリーパックを画定するように並列接続された第一の複数の電池と、第二のバッテリーパックを画定するように並列接続された第二の複数の電池とを含み、第一のパックと第二のパックは直列接続される。いくつかの実施形態では、スタックはおよそ2から3個の電池を含む。そうしたスタックはシティカーにとって有用である。シティカーはサイズが小さく航続距離要件（range requirement）が限られた車である。シティカーの一実施例は、およそ3.4メートルから3.6メートルの長さの車である。いくつかのシティカーの実施例は、再充電が必要になる前に少なくとも40マイル走行する必要がある。いくつかのスタックは典型的な乗用車での使用用に構成される。これはシティカーよりも長い車である。これらの実施例では、パックは電気的に並列接続した最大で8個の電池を含むことができる。ここで述べた車のサイズ用の電池は、約73ワット時のエネルギーを貯蔵するように構成されるが、他のエネルギーレベルも可能である。

バッテリー電圧、従ってパック電圧は、使用中に約4.2ボルトから約2.8ボルトの範囲であることが多い。バッテリーの電圧が電池から電池まで変動することを一つの理由として、場合によっては定常電圧を維持するために電圧管理システムを含む。いくつかの実施形態は、モジュールを画定するように9個のバッテリーパックを直列に接続する。そうしたモジュールは約35ボルトを有する。場合によっては、ESSのバッテリーを画定するように11個のモジュールを直列に接続する。ESSは様々な実施例では約400ボルトを示す。

ESSはバッテリー108の充電状態をモニターするための充電状態回路を含んでもよい。充電状態回路は、クーロンやワット時を計数でき、あるいはバッテリー108にエネルギーがどれだけあるかを示す他の尺度を提供できる。いくつかの実施形態では、開回路バッテリー電圧、もしくは既知の負荷を駆動するバッテリー電圧のいずれかを測定することによって充電状態を計測できる。さらなる実施形態では、充電状態回路は、温度、エネルギー消費率、充電／放電サイクル数、およびバッテリー状態に関する他の情報など、さらなるバッテリー情報を随意に提供できる。

さらに、パワーエレクトロニクスモジュール、すなわち“PEM” 104と呼ばれるエネルギー変換器が図示される。PEM 104は、車両推進バッテリー108からのエネルギーを、少なくとも一つの推進モーター106が使用可能なエネルギーに変換するシステムの一部である。場合によっては、エネルギーの流れは少なくとも一つの推進モーター106から車両推進バッテリー108に向かう。いくつかの実施例では、車両推進バッテリー108はエネルギーをPEM 104に伝達し、PEM 104は、電動車両を推進するために、そのエネルギーを少なくとも一つの推進モーター106が使用可能なエネルギーへと変換する。さらなる実施形態では、少なくとも一つの推進モーター106はPEM 108へと伝達されるエネルギーを生成する。これらの実施例では、PEM 108はエネルギーを車両推進バッテリー108に貯蔵できるエネルギーへと変換する。ある実施例では、エネルギー変換器104はトランジスタを含む。いくつかの実施例は一つ以上の電界効果トランジスタを含む。いくつかの実施例は金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを含む。いくつかの実施例はもう一つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含む。様々な実施例では、PEM 108は、車両推進バッテリー108からの直流（“DC”）電力信号を受信し、かつ車両推進モーター106に電力供給するために三相交流（“AC”）信号を出力するように構成された、スイッチバンクを含んでもよい。いくつかの実施例では、PEM 108は、車両推進モーター106からの三相信号を車両推進バッテリー108に貯蔵されるDC電力へと変換するように構成されてもよい。PEM 108のいくつかの実施例は、車両推進バッテリー108からのエネルギーを車両推進モーター106以外の電気負荷が使用可能なエネルギーへと変換する。これらの実施例のいくつかは、およそ390ボルトDCから14ボルトDCへとエネルギーを切り替える。

推進モーター106は三相AC誘導モーターであってよい。いくつかの実施例はそうしたモーターを複数含む。本発明の主題は、実施例によっては随意に変速機またはギアボックス110を含むことができる。いくつかの実施例は1段変速機を含むが、他の実施例も想定される。油圧、電気、もしくは電気油圧式のクラッチ作動のものなど、手動クラッチ変速機が想定される。いくつかの実施例は、変速中に第一のギアに結合した一方のクラッチから第二のギアに結合した他方のクラッチへと切り替わるデュアルクラッチシステムを採用する。様々な実施例では、回転運動が一つ以上の車軸114を介して変速機110から車輪112へと伝達される。

車両推進バッテリー108とPEM 104のうちの一つ以上を制御する車両管理システム116が随意に備えられる。ある実施例では、車両管理システム116は衝突センサーなどの安全システムをモニターする車両システムに結合する。いくつかの実施例では、車両管理システム116は加速度入力などの一つ以上の運転者入力に結合する。様々な実施形態では、車両管理システム116は車両推進バッテリー108とPEM 108のうちの一つ以上への電力を制御するように構成される。

温度制御システム150はバッテリー108の温度を制御するためのものであり、バッテリーを加熱もしくは冷却し得る。温度制御システムは随意にPEM 104および／またはモーター106の温度を制御できる。温度制御システム150は一つの部品として描かれている（すなわち部品104、106、108の冷却システムが一体化されている）が、バッテリー108、PEM 104、モーター106の各々が個別の温度制御システムを持つ実施形態も可能である。これらの部品のうちの二つの温度を制御する一体化された温度制御システムも可能である。

いくつかの実施形態は対流を用いて温度を制御できるフィンシステムを含む。さらなる実施形態は冷却システムを含み、循環液を用いてバッテリー108から熱を伝導する。温度制御システム150の冷却システムは、バッテリー108によって電力供給される電気モーターによって電力供給される圧縮機を含む。

いくつかの実施形態はバッテリー108を加熱する加熱システムを含む。加熱システムはバッテリー108によって電力供給される発熱体を含む。バッテリーの加熱は、気温が低くバッテリーが所定の温度を下回るような時にバッテリーを加熱するために有用である。

温度制御システム150は、冷却された空気または暖められた空気をダクト154のような一つ以上のダクトを通して吹き込むことなどにより、車両100のキャビン158を随意に冷却したりもしくは暖めたりできる。キャビン158の温度制御は、PEM 104、モーター106、およびESS 108を含むが限定はされない、車両のパワートレイン部品の温度制御と同時に起こり得る。

いくつかの実施形態では、温度制御システム150は熱を発散するためにキャビン158の外部に熱交換器152を含む。熱交換器152は冷却管156および156'を介して温度制御システム150の他の部分に結合する。この熱交換器152は冷却システムの一部であってもよく、あるいはパワートレイン部品のうちの一つ以上を冷却するために流体を循環させる流体冷却システムであってもよい。

様々な実施形態では、温度制御システム150はバッテリー108から熱を吸収する。温度制御システム150はバッテリー108に接触する一つ以上の冷却パネルを含み、この冷却パネルは、熱が電池から温度制御システム150の流体の中へと伝導されるように、電池よりも冷たい流体を、パネルを通過させかつバッテリー108の電池の近くを経由させることにより、バッテリー108を冷却する。

様々な実施例では外部電源118がPEM 104に提供される。PEM 104はエネルギーをバッテリー108が貯蔵できるエネルギーへと変換する。様々な実施形態では、外部電源118は都市電力網に結合した充電所を含む。ある実施例では、充電所は110V AC電源からの電力を車両推進バッテリー108が貯蔵できる電力へと変換する。さらなる実施例では、充電所は120V AC電源からの電力を車両推進バッテリー108が貯蔵できる電力へと変換する。いくつかの実施形態は、エネルギーを変換するためにPEM 104を用いて、都市電力網が使用可能な電力へとバッテリー108からのエネルギーを変換することを含む。本発明の主題は、外部電源からのエネルギーを車両100が利用できるエネルギーへと変換するための変換器が車両100の外側にある実施例に限定されず、他の実施例も想定される。

いくつかの実施例は車両ディスプレイシステム126を含む。いくつかの実施例では、車両ディスプレイシステム126はシステム100の情報の可視的表示器を含む。いくつかの実施形態では、車両ディスプレイシステム126はシステム100に関する情報を含むモニターを含む。車両ディスプレイシステム126は車両充電状態に関する情報を含むことができる。

図２Ａはいくつかの実施形態に従う電池200の上面図を図示する。図２Ｂは図２Ａの電池の側面図を図示する。いくつかの実施形態では電池200は電気化学バッテリーである。これはパウチセル（pouch cell）もしくはフラットセルなどと様々に呼ばれる。電池200は第一の電池ハウジング層204と第二の電池ハウジング層206の間に挟まれた電極スタックもしくはバンク202を含む。導電性かつ熱伝導性のタブ208がハウジング210を貫通する。

電極バンク202は少なくとも一つのアノードと少なくとも一つのカソードを含む。アノードとカソードの間には、アノードとカソードを互いに物理的かつ電気的に分離する分離器がある。いくつかの実施形態では、電極バンク202は電極バンク202に折り畳まれたアノードリボンとカソードリボンを含む。従って折り目を通してとられたバンクの断面はジグザグのパターンを示すだろう。

さらなる実施形態では、電極バンク202は複数の個々のまたは別々のアノード層と、個々のまたは別々のカソード層とを含む。これらの実施形態では、電極バンク202はアノード層もしくはカソード層の折り畳みを含まない。例えばピックアンドプレースプロセスで、アノード層、そしてアノード層の上に分離層、そして分離層の上にカソードを積み重ねることができる。このプロセスは電極バンク202を組み立てるまで繰り返すことができる。このプロセスは、層のエッジに沿った周囲長が互いに同一の外延を持つように、電極バンク202の層を随意に整列させることができる。一般的にバンク202の層は矩形であり、一対の主要面と一対の主要面間に広がるエッジとを持ち、エッジは主要面の長さもしくは幅のいずれかの寸法と比べて小さい。矩形でないバンクもまた可能である。他の電極バンク構成が可能であり、本発明の主題と併用できる。さらに、キャパシタと同じくらい速く充電する急速充電バッテリーを含むが限定はされない、ハイブリッドのキャパシタと電源を本発明の主題と併用できる。

電極バンク202はハウジング210内に配置される。ハウジング210は、第一の主要面218と第二の主要面220が、第一の主要面218と第二の主要面220の間に広がるエッジ216とおよそ平行になっている、ほぼ六面体の形状を含む。いくつかの実施形態では、ハウジング210は第一の電池ハウジング層204と第二の電池ハウジング層206を含む。これらは継ぎ目212で結合される。継ぎ目212は第一の電池ハウジング層204と第二の電池ハウジング層206の隣接面を含む。この隣接は電極バンク202を取り囲み、フランジ214を画定する。

フランジ214と継ぎ目212を通り、第一の電池ハウジング層204と第二の電池ハウジング層206の間に、タブ208がのびている。タブ208はハウジング210のハウジングエッジ216から離れてのびる。さらなる構成としては、タブが電池ハウジング層204、206のうちの一方の中の密封された開口部を貫通し、密封が少なくとも電池電解質の流れを制限するために充分な程度に抑制的であるような構成を含むが、限定はされない。タブ208は電極バンク202の少なくとも一つの電極に接続される。タブ208は一つ以上の電極に隣接し、溶接、はんだ付け、もしくはその他の方法で電極に接続される。いくつかの実施例では、タブ208は電極バンク202のエッジ217に沿ってのびることができるように曲げられる。

タブ208は熱伝導性であり、タブ208が接続される一つ以上の電極は熱伝導性である。これらの電極は、分離器および電池200の電解質よりも充分に伝導性が高い。従って、D₁方向の熱伝導はD₂方向の熱伝導よりも充分に大きい。タブ208を用いて熱を伝導するのは、このことを利用している。

アルミニウム、チタン、もしくはスチールなどの様々な剛体ハウジング材料を使用できる。しかしながら、電池200は概して可撓性の電池ハウジング層204と206を用いる。これらの層は熱伝導性であるが、電極バンク202から電池ハウジング層204、206を通して熱を伝導し、その後、熱放射もしくは対流でこれらの層を冷却することは、不充分な冷却をもたらす。これは、空気の流れが出入りするのを制限するために密封されたさらなるハウジング内に電池200が置かれる実施形態では特に当てはまる。

様々な実施形態では、電池ハウジング層204と206の材料は熱可塑性ポリマーである。いくつかの実施例では、これは自身をヒートシールできる。考えられる材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、PVC、ナイロン、FEP、およびPFAを含むが限定はされない。材料の厚さは様々であってよい。いくつかの実施例ではおよそ0.002インチの厚さである。密封された第一の電池ハウジング層204と第二の電池ハウジング層206は、密封された内部を画定する。様々な実施形態では、内部は電解質で充填される。

本明細書で使用されるハウジングエッジ216とは、ハウジングの主要面218もしくは220ではない面のいずれかをあらわす。任意のタブ222をエッジ216に沿って配置し、電極に接続できる。このタブ222は別のタブ208と同様のサイズであってよいが、本発明の主題はそれに限定されない。この第二のタブ222は継ぎ目212を介してハウジング210を通り、ハウジング210から離れてのびることができるが、他の構成も可能である。第一のタブ208と第二のタブ222は電池200の異なる極の端子として使用されてもよい。例えば、タブ208はアノードに接続でき、タブ222はカソードに接続できる。

寸法W_Bは電池200の幅をあらわす。寸法L_Bは電池200の長さをあらわす。寸法T_Bは電池200の厚さに関する。図示の通り寸法はバンク202の厚さとハウジング部分204および206を反映するが、長さL_Bと幅W_Bを測定する上ではフランジを無視する。一実施形態では、電池の幅W_Bは216ミリメートルであり、電池の長さL_Bは129ミリメートルであり、電池の厚さT_Bは7.4ミリメートルである。電池の長さL_Bと幅W_Bは電池の厚さT_Bよりも充分に大きい。電池の幅が電池の厚さのおよそ30倍であり、かつ電池の長さが電池の厚さのおよそ17倍であるようないくつかの実施形態が想定される。このサイズを有する様々な電池200は、およそ20.5アンペア時の容量を持つ。72ワット時のエネルギーを持つものもある。

第一のタブ208は、W_T1の幅、L_T1の長さ、およびT_T1の厚さを持つ。第二のタブ218は、W_T2の幅、L_T2の長さ、およびT_T2の厚さを持つ。銅、アルミニウム、およびこれらの合金を含むが限定はされない、様々な材料がタブの一方もしくは両方に使用される。タブが電気と相当量の熱の両方を、バンク202から、かつハウジング210から外へ伝導するように、タブはバンク202の一つ以上の電極に結合する。タブ208は電極バンク202から相当量の熱を奪うようなサイズである。タブ208の熱伝導特性は図３と併せて説明されるが、図３は電池200の側面図を図示し、電池200およびいくつかの追加構造302、304の熱伝導度を図示する図表記号を含む。

タブ208は、電池200が必要とする充放電量を満たすために必要なタブよりも大きくなるようなサイズであってよい。様々な実施例では、電池200の通常の充電速度はその容量を3で割ったものである。これは1時間以上に及ぶ。この充電速度は“C/3”と呼ばれる。様々な実施形態では、放電速度は1時間にわたって枯渇する電池200の容量である。これは“1C”である。

充放電必要量を満たすためには、タブ208の電気抵抗が電池200のDCインピーダンスと比較して小さくなければならない。タブ208の一実施例は電池200の電気抵抗の10%である抵抗を持ち得、1％以下にまで低くすることができる。電池200はおよそ5.8ミリオームの電気抵抗を持つ。タブの電気抵抗は式１で与えられる。

Rはタブ208の電気抵抗をあらわす。“l”はタブの長さをあらわす。“ρ”はタブ208の抵抗率をあらわす。“A”はタブ208の断面積（すなわちW_T1 ＊ T_T1）をあらわす。20℃で銅製のタブ208はおよそ1.72 E-8オームメートルの抵抗率を持つ。0.018メートルの幅W_T1と0.01メートルの長さL_T1、0.001メートルの厚さT_T1を持つタブの場合は、タブはおよそ9.5 E-4ミリオームの抵抗率を持つ。これは電池200の抵抗のごくわずかである。従ってこうした寸法を持つタブ208は電池200の放電を促進するために充分な伝導性を有する。例え面積“A”が倍になっても、電池200とタブ208の抵抗比に大きく影響することはない。

最低レベルの伝導性を満たすようなサイズのタブは使用中に裂けたり壊れたりしやすいので、多くの実施例ではタブ208の機械的要件がそのサイズを制約する。今までのところ、電池200から相当量の熱を除去するようなサイズという制約があるタブは設計されていない。

バッテリーパックからの熱流に対する全抵抗は以下の通りである。

R_{TOTAL_THERMAL}は電池200から離れたバッテリーシステム熱伝導路の熱抵抗である。熱抵抗の単位の例は℃/Wである。R_INPLANEは軸D₂に沿った熱伝導に対する抵抗である。R_TABはタブ208の熱抵抗である。R_PANELはタブ208が接続される母線もしくはコレクターパネル302の抵抗である。タブ208とコレクターパネル302の間の接続は、超音波溶接もしくは他の接続によるものであってよい。R_TIMはコレクターパネル302に直面する熱界面材料304の熱抵抗である。この直面関係では、コレクターパネル302は熱界面材料304の表面305に面する表面307を含む。直面関係において、コレクターパネル302と熱界面材料304は接触する必要はない。こうした場合、温度制御は対流もしくは放射に頼ることになる。しかしながら、いくつかの実施形態では、熱界面材料304はコレクターパネル302に隣接する。

熱界面層は比較的薄い材料層を含んでもよい。この材料は、固体、グリース、もしくは液体であってもよい。熱界面層は高い熱伝導性を持つが、導電性は低い。いくつかの実施例では熱界面層は誘電性である。熱界面材料の一実施例はセラミック充填シリコーンゴムを含む。いくつかの実施例は1 W/mKの熱伝導率を持つアルミナ充填シリコーンゴムを含む。熱界面材料の別の実施例は熱グリースを含み、これは熱化合物、ヒートペースト、伝熱化合物、熱ペースト、もしくはヒートシンク化合物とも呼ばれる。熱グリースは一つ以上の異なる熱伝導性物質を使用できる。セラミックベースの熱グリースは好ましい熱伝導率を持ち、液体もしくはゼラチン状のシリコーン化合物に懸濁したセラミック粉末から構成され得る。いくつかの実施例とその熱伝導率は、W/m・Kの単位で、酸化ベリリウムが218、窒化アルミニウムが170、酸化アルミニウムが39、酸化亜鉛が21、および二酸化ケイ素が1である。金属ベースの熱グリースは金属粒子を含んでもよい。炭素ベースの材料はダイヤモンド粉末もしくは炭素短繊維を用いてもよい。液体金属ベースのものは、ガリウムなどの液体金属合金から形成され得る。様々な化合物は、好ましい熱導体であるシリコーングリースを媒体として用いるが、いくつかの実施形態は鉱油を用いる。

使用中に電池200によって生成される熱量は、そのアプリケーションによって予め決定される。例えば車両では、生成される熱量は設計者が車両を設計し試験した後でわかる。1時間の放電にわたって生成される熱は、電池200の1時間の放電電流の二乗に電池200の電気インピーダンスを乗ずることで近似できる。アプリケーションは、熱界面材料304の表面306における温度が、使用のために規定された範囲内の所定の温度であることを必要とし得る。この範囲は、標準機構もしくは自動車メーカーなどの別の関係団体によって規定され得る。電池200と表面306の温度差はΔTであらわされる。この入力を用いて、電池からのびる伝導路にとって望ましい熱抵抗を決定できる。これは次式であらわされる。

アプリケーションの目標は次の通りである。

従ってアプリケーションの目標は次式となる。

タブの熱抵抗は次式であらわされる。

従って次式となり、k_TABはタブ208の熱伝導率である。

様々な実施形態では、タブ208の長さL_T1と、タブの長さL_T1に垂直な断面積（すなわちT_T1 ＊ W_T1）との比率は、電池の充電もしくは放電の最大速度に必要な速度で電気エネルギーを伝導するような、つまり上述の電気抵抗を持つようなサイズの長さと、その長さに垂直な断面積とのさらなる比率よりも著しく大きい。タブ208は電気伝導の要件を容易に満たすことができるので、タブのサイズは必要なΔTに基づいて選択される。より長いタブが使用される場合、より大きな断面積が必要となる、など。従って、タブ208と222のうちの一方もしくは両方は、所定の最大電池放電速度で電流を伝導するために必要な質量よりも充分に大きな質量を持つ。この質量は少なくとも10%増、最大で100%増もしくは100%増を超える可能性がある。さらなる実施形態では、タブは所定の最大電池放電速度で電流を伝導するために必要なものよりも改良された熱伝導率および／または導電率を持つ材料で形成できる。

電池200は様々な熱伝導特性を持つ。これは実施形態によっては非等方性である。いくつかの実施例では軸D₁に沿った面内の熱伝導率は軸D₂に沿った熱伝導率よりも小さい。いくつかの実施例ではD₁に沿った伝導率はおよそ1.2 W/m・Kである。いくつかの実施例ではD₂に沿った伝導率はおよそ25 W/m・Kである。本発明の主題は、最大熱伝導率を持つ軸に沿って熱を伝導することで電池の非等方性の性質を利用する。

タブ208の改良された機能を示す一実施例では、タブ208は電池200の主要面218、220のうちの一方に隣接するパネルよりも高い体積エネルギー密度を持ち、電池200の長さと幅（すなわちフランジ214を含まない）と同一の外延を持つ長さと幅を持つ。いくつかの実施例では、0.0005メートル×0.01メートル×0.180メートルの寸法を持つ銅製のタブ208は、電池200の主要面のうちの一方に接触する0.129メートル×0.007メートル×0.216メートルの寸法を持つ面よりもおよそ13.5%向上した体積エネルギー密度を持つ。重量エネルギー密度の向上はおよそ15.0%である。熱伝導を用いて熱を除去するタブのやり方は、温度制御パネルが電池の主要面218、220のうちの一方に接しているパネルの実施形態よりも性能が優れている。

図４Ａはいくつかの実施形態に従う複数の電池を含むバッテリーパックの等角図を図示する。図４Ｂは“４Ｂ”と標識された図４Ａの部分の拡大図を図示する。個々の電池402A、…402Yはスタックに配列されて示されている。図２Ａ、図２Ｂ、図３の電池は図４Ａ、図４Ｂの実施例と互換性がある。25個の電池が図示されているが、他の数も可能である。様々な実施形態では、電池は形状が類似した電池である。電池の各々は、電池の少なくとも一つの電極に結合した少なくとも一つの導電性かつ熱伝導性のタブ404A、…404Yを含む。タブ404A、…404Yは電池のハウジングから電流と相当量の熱の両方を伝導する。説明図では、タブの第一のセット404A、…404Yがバッテリーパックの一側面406に整列し、タブの第二のセット408A、…408Yが第二の側面410に整列している。熱伝導は411で示される。電流伝導は413で示される。いくつかの実施例では、電池402A、…402Yのフラットハウジングは空隙を介して互いに間隔をあけている。

バッテリーパックは導電性かつ熱伝導性のコレクターパネル412を含む。タブ404A、…404Yは折り畳まれ、コレクターパネル412に結合している。温度制御パネルはタブの各々に電気的かつ熱的に結合した第一の平面414を含む。温度制御パネル412は第一の面414の反対の第二の面416をさらに含む。温度制御パネル412は金属であってもよいし、銅とその合金、アルミニウムとその合金、これらの組み合わせ、または、他の金属もしくは導電性かつ熱伝導性の材料で形成されてもよい。

バッテリーパック400は電気絶縁性かつ熱伝導性の熱界面材料418をさらに含む。熱界面材料はコレクターパネルの第二の面416に熱的に接触する第一の面420を含む。熱界面材料418は外部温度制御システムと熱的に接触する温度制御パネルと接触する第二の面422をさらに含む。タブの第二のセット408A、…408Yは、第二のコレクターパネル424、第二の熱界面材料426、および第二の温度制御パネル428に結合するように示されている。

様々な実施形態では、温度制御パネル423と428は図１に開示されたシステム150のような温度制御システムと流体連通する。想定される温度制御システムは特定温度の流体を循環させ得る。いくつかの実施例では流体は気温である。温度制御パネル423は温度制御システム150によって設定されたある温度の流体によって加熱もしくは冷却される。温度制御パネル423と熱界面材料418の温度差により、コレクターパネル412に向かって、もしくはコレクターパネル412から熱が流れる。コレクターパネル412は低い熱抵抗を持ち、タブ404A、…404Yで熱を伝導し、これらのタブを加熱もしくは冷却させる。

温度制御システムは温度制御パネル423を加熱もしくは冷却するために流体を循環させることができる。いくつかの実施形態では、温度制御パネルは一連の管腔を画定するパネルである。いくつかのさらなる実施形態では、温度制御パネルは、例えば溶接やはんだ付けなどによってパネルに結合した複数の熱伝導管を持つパネルである。いくつかの実施例では、温度制御パネルはタブ404A、…404Yの幅Wに沿ってのびる温度制御経路450を画定する。これらの実施形態の一部では、少なくとも一つの温度制御経路450がタブの面452によって二等分される。

図５はいくつかの実施形態に従うバッテリーパックを組み立てる方法を図示する。502では、方法は複数のフラット電池をスタックに積み重ねるステップを含む。504では、方法は特定の放電速度での複数のフラット電池の放電中に、フラット電池のスタックによって生成される熱を計測するステップを含む。506では、方法は複数のフラット電池を個別のタブを介して電流コレクターに結合するステップを含み、各タブは、電流コレクターと複数のフラット電池の温度差が閾値を下回るように選択された、個別の長さと、長さに垂直な個別の断面積とを含む。

図６はいくつかの実施形態に従うバッテリーパック温度制御システムを組み立てる方法を図示する。602では、方法は複数の電池をスタックに積み重ねるステップを含み、各電池は個別のタブに結合し、個別のタブはスタックの一側面に沿って整列する。604では、方法は個別のタブを電流コレクターに結合するステップを含む。606では、方法は断熱材を電流コレクターと温度制御パネルの間に挟むステップを含む。608では、方法は温度制御パネルの温度制御を含む。

図７はいくつかの実施形態に従うバッテリーパックから熱を伝導する方法を図示する。702では、方法は全電池に共通のコレクターパネルに熱と電気の両方を伝導する単一素子を通して、複数の電池のスタックから電池と相当量の熱の両方を伝導するステップを含む。704では、方法はコレクターパネルに接触する熱界面材料を通して、電池の外部にある温度制御システムへ熱を伝導するが電気は伝導しないステップを含む。

要約は、読者が技術的開示の本質と要旨を迅速に確認できるよう、37 C.F.R. §1.72(b)に従って提供される。要約は請求項の範囲もしくは意味を解釈するためや限定するために使用されるものではないという理解の下に提出される。

Claims (20)

1. スタックに整列した複数の形状が類似した電池を含むバッテリーパックであって、各電池が、
   エッジを含むフラットハウジングと、
   少なくとも一つの電極と、
   前記少なくとも一つの電極に結合した導電性かつ熱伝導性のタブであって、前記ハウジングから電流と相当量の熱の両方を伝導するように前記ハウジングの第一の側面の前記エッジを貫通するタブと、
   を含む、バッテリーパックと、
   前記タブの各々に電気的かつ熱的に結合した第一の面と、前記第一の面の反対の第二の面とを含む導電性かつ熱伝導性のコレクターパネルと、
   前記コレクターパネルの前記第二の面に熱的に接触する第一の面と、外部温度制御システムと熱的に接触するための第二の面とを含む電気絶縁性かつ熱伝導性の熱界面材料と、
   を含む装置。
2. 各電池がさらなる電極と、前記エッジを貫通する導電性かつ熱伝導性のさらなるタブとを含み、かつ、第一の面と前記第一の面の反対の第二の面とを含む導電性かつ熱伝導性のさらなるコレクターパネルを含み、前記さらなるコレクターパネルの前記第一の面が前記さらなるタブの各々に電気的かつ熱的に結合することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記コレクターパネルの前記第二の面に熱的に接触する第一の面と、前記外部温度制御システムと熱的に接触するための第二の面とを含むさらなる熱界面材料をさらに含む、請求項２に記載の装置。
4. 前記熱界面材料の前記第二の面が、前記外部温度制御システムの温度制御パネルに直面し、前記外部温度制御システムが前記温度制御パネルから熱を伝達するために前記温度制御パネルを通して流体を循環させることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記温度制御パネルが液体を連通するための少なくとも一つの温度制御経路を画定することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記温度制御パネルが前記タブの各々の面によって二等分される経路を画定することを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記フラットハウジングが各空隙で互いに間隔をあけていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 各電池が複数のほぼ平面のアノードと複数のほぼ平面のカソードを含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記熱界面材料が熱グリースを含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記熱界面材料がセラミック充填シリコーンゴムを含むことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
11. エッジを持つフラットハウジングと、
    少なくとも一つの電極と、
    コレクターパネルに電気的かつ熱的に結合するために前記ハウジングの前記エッジを貫通する、前記電極に結合した導電性かつ熱伝導性のタブであって、前記ハウジングから電流と相当量の熱の両方を伝導することができるタブと、
    を含む電池。
12. 前記タブが、所定の最大電池放電速度で電流を伝導するために必要な所定の質量よりも充分に大きい質量を持つことを特徴とする、請求項１１に記載の電池。
13. 前記タブの長さと、前記タブの長さに垂直な断面積との比率が、前記電池の最大放電速度に必要な速度でエネルギーを伝導するようなサイズの長さと、長さに垂直な断面積とのさらなる比率よりも著しく大きいことを特徴とする、請求項１２に記載の電池。
14. 前記電池が前記エッジの側面のうちの一つに沿ってのびる幅を持ち、第一のタブは各幅のおよそ85%の幅であることを特徴とする、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の電池。
15. 前記少なくとも一つの電極がリチウムを含むことを特徴とする、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の電池。
16. 前記電池のハウジングが前記少なくとも一つの電極を挟む第一のシートと第二のシートを有するパウチを含み、前記シートは前記エッジに沿った継ぎ目に沿って密封されることを特徴とする、請求項１１から１５のいずれか一項に記載の電池。
17. 電動車両を推進するように結合した電気モーターと、
    形状が類似した電池のスタックを含み、前記電気モーターに電力供給するように結合したバッテリーパックであって、各電池が、
    エッジを含むフラットハウジングと、
    少なくとも一つの電極と、
    前記ハウジングから電流と相当量の熱の両方を伝導するために前記ハウジングの第一の側面の前記エッジを貫通する、前記少なくとも一つの電極に結合した導電性かつ熱伝導性のタブと、を含む、バッテリーパックと、
    前記タブの各々に電気的かつ熱的に結合した第一の面と、前記第一の面の反対の第二の面とを含む導電性かつ熱伝導性のコレクターパネルと、
    電気絶縁性かつ熱伝導性の熱界面材料であって、
    前記コレクターパネルの前記第二の面と熱的に接触する第一の面と、
    前記第一の面の反対の第二の面と、
    温度制御システムの一部である温度制御パネルであって、前記温度制御パネルが前記熱界面材料の前記第二の面に結合し、前記温度制御システムが前記温度制御パネルを冷却するために流体を循環させる、温度制御パネルと、
    を含む、熱界面材料と、
    を含む電動車両。
18. 前記温度制御システムが、暖房、換気、および空調（“HVAC”）熱交換器に結合した液体温度制御システムを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の電動車両。
19. 各電池が、さらなる電極と、前記ハウジングの前記第一の側面と反対の前記ハウジングの第二の側面のエッジを貫通する導電性かつ熱伝導性のさらなるタブとを含み、かつ、第一の面と前記第一の面と反対の第二の面とを含む導電性かつ熱伝導性のさらなるコレクターパネルを含み、前記さらなるコレクターパネルの前記第一の面が前記さらなるタブの各々に電気的かつ熱的に結合し、前記さらなるコレクターパネルが、前記温度制御システムに熱を伝達するために前記温度制御システムに結合したさらなる温度制御パネルに結合することを特徴とする、請求項１７から１８のいずれか一項に記載の電動車両。
20. 前記温度制御システムが熱交換器に結合することを特徴とする、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の電動車両。