JP2010517244A - 少なくとも１つの電気化学セルを備えた装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの電気化学セル（１０）を備えた装置であって、前記電気化学セル（１０）がほぼフラットに構成されていて、電気的に接触させるための側方に突き出すターミナルラグ（２０，２２）を有している形式のものに関する。本発明によれば、各セル（１０）が２つのケース部分（３０，４０）間に閉じ込められていて、前記ケース部分がこれらのケース部分間で、前記セル（１０）を少なくとも部分的に押圧力によって緊締するようになっている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載した形式の電気化学セルを備えた装置に関する。

ハイブリッド自動車等の要求度の高い駆動システムにおいては、高性能の電池が必要とされる。このような高性能の電池としては、それぞれ電池ユニットとしての多数の個別ユニットを備えた複数のモジュールより構成されたニッケル−メタルハイドライド電池が公知である。安価で高性能の選択的実施例としては、例えばヨーロッパ特許公開第１５７７９７３号明細書に記載されているようなリチウム−イオン電池が公知である。この場合、いわゆる「コーヒーバッグ型」セルが、方形のフラットなセルとして構成されている。このような形式のセルにおいては、電極パッケージが、この電極パッケージに適合する、積層された金属箔内に配置されている。従ってこのようなセルは柔軟である。このようなセルは一般的な形式で複数のモジュールに統合されていて、電気的に並列及び／又は直列に接続されている。しかしながらこのようなセルは、１つのモジュールに統合される前に、適当なセルケース内に組み込む必要がある。

さらにまた、ある種の故障状態例えばセルの過充電において、セルが破壊される危険性がある。セルは、故障時に非常に激しく反応し、非常に大量の熱を放出する。１つのセルが故障しても、その他のセルは損傷を受けないか、又はその他のセルが巻き添えになるような、いわゆる「熱暴走（thermal Runaway）」を引き起こすことがないようにしなければならない。

発明の開示
本発明は、少なくとも１つの電気化学セルを備えた装置であって、前記電気化学セルがほぼフラットに構成されていて、電気的に接触させるための側方に突き出すターミナルラグを有している形式のものに関する。

本発明によれば、各セルが２つのケース部分間に閉じ込められていて、前記ケース部分がこれらのケース部分間で、前記セルを少なくとも部分的に押圧力によって緊締するようになっている。有利な形式で、セルは特に電極パッケージの領域内で面圧を受けるようになっている。これによって、電極パッケージが運転中に分離して、出力低下を招きひいてはセルが故障することは避けられる。セルは、その全耐用年数に亘って押圧状態に維持される。２つのケース部分は、締付によって又は溶接によって互いに結合される。ケース部分は、一定の間隔を保って又は一定の押圧力で接合される。当業者は、装置の具体的な使用条件に応じて適当な結合形式を選択することができる。

有利な形式で、特に振動による機械的な損傷にさらされる領域は、安定化される。ターミナルラグが外方に突き出している領域、並びにターミナルラグ自体も、振動負荷軽減される。セルの縁部に沿って設けられた溶接継ぎ目は同様に、押圧によって負荷軽減される。安全性の理由から所定の前提条件下で破壊させたい領域、例えばセルの目標破壊箇所を開けておくことができる。この目標破壊箇所は、その機能を保証するために、振動負荷軽減から除外される。

有利な実施態様によれば、セルの縁部側が押圧力によって負荷されている。これによって、一般的に環状に延在する、セルパッケージの溶接継ぎ目が保護される。有利な形式で、２つのケース部分は左右対称に構成されている。しかしながら、一方のケース部分がセルの縁部領域で環状の隆起部を有していて、他方のケース部分が前記隆起部に相補的に対応する溝を有していてもよい。それによって、セル縁部溶接部のシール性が高められる。特に有利には、隆起部及び溝、又は左右対称に構成された隆起部及び対抗隆起部が、セルの縁部領域でターミナルラグの突き出し部の外側に構成されている。ターミナルラグの領域では面圧だけが行われる。ターミナルラグは、一般的な形式で、１つの溝内にのみ押し込むことができる薄い材料厚を有しており、これに対して薄く環状に延在するシール縁部は、溝内に押し込むことができ、それによってシール性を高めることができる。

さらに、セルは、ターミナルラグの領域で押圧力によって負荷され、それによってターミナルラグの突き出し部領域もターミナルラグ自体も安定化され得る。有利な形式で、この領域における押圧力は面圧である。

少なくとも１つのケース部分が、セルを受容するための凹部を有している。これによって、押圧力を加えるための面が提供される。有利な形式で２つのケース部分は左右対称に構成されている。

有利な形式で、環状の縁部が設けられていて、該縁部が前記セルの縁部側を押圧力によって負荷するようになっている。場合によっては、目標破壊箇所、例えば弁のための切欠が設けられている。有利には、２つのケース部分が左右対称に構成されている。

また、段部が設けられていて、該段部がターミナルラグを押圧力で負荷するようになっていてもよい。有利には２つのケース部分は左右対称に構成されている。これによって、セルの受容部から、セルの縁部側を押圧するための第１の段部と、ターミナルラグの突き出し部領域を押圧するための第２の段部とが形成される。しかしながら、セルの縁部側を押圧するために、一方のケース半部に隆起部を設け、他方のケース半部に、前記隆起部に相補的に対応する溝を設けてもよい。

少なくとも１つのケース部分内に、冷却媒体用の間隙が設けられている。夕リア形式で２つのケース部分は左右対称に構成されている。従ってこれらのセルは、冷却媒体有利には空気を十分に冷却することができる。有利な形式でセル又はモジュールは、容易に交換することができる。これは特に大きいモジュールを自動車に組み込む際に好都合である。従って、故障したバッテリーモジュールは、容易に修理又は交換することができる。また、少なくとも一方のケース部分に冷却媒体用の複数の通路を設けることができる。

有利な実施態様によれば、ケースによって包囲された複数のセルが、積層方向で互いに上下に積み重ねられていて、互いに緊締されている。これによって、複数の個別のセルを備えたモジュールが構成される。これらの同形式の複数のモジュールから、より大きい複数のバッテリーユニットが構成される。１つのセルが故障すると、個別のセル又は個別のモジュールは、容易にかつ安価に交換することができる。セル面全体に面圧を維持するために、スタック端部に補強された端板が設けられており、及び／又は外側のセルのケース半部が適当に補強されている。ケースによって包囲されたセルに押圧力を加えるために、例えばねじ山付きピンとして構成された抗張ロッドが、ケース半部の対応する孔内に挿入され、かつねじ結合される。各セルを交換するために、抗張ロッドは簡単に外され、再びねじ結合される。このような積層構造では、場合によっては、ケース半部を個別に結合（クリップ結合、溶接）する作業は省かれる。何故ならば、押圧力は抗張ロッドによって供給されるからである。

有利な形式で、ケースによって包囲されたセル間に、それぞれ１つの熱的に絶縁された、かつ／又は断熱性の中間層が挿入されている。場合によっては、ケース半部は相応の材料より形成されているので、中間層を省くことができる。これによってスタックはより小さくなる。

有利には、ターミナルラグがケース半部から突き出していて、互いに直列及び／又は並列に電気的に接続されている。ターミナルラグは、安価な変化実施例として、互いに溶接されるか、又はターミナルラグを緊締及び電気的に接触させるために緊締装置によって緊締してもよい。緊締することによって、故障した個別のセルの交換が特に簡単である。

ケースによって包囲された複数のセルにおいて、ターミナルラグはケース部分の両側でそれぞれ緊締装置に緊締されていて、それぞれ外側のセルのそれぞれ１つのターミナルラグを除いて、少なくとも２つの同形式のターミナルラグが緊締装置でまとめられている。この場合も、各セルを簡単な形式で交換することができる。しかしながら安価な形式で、ターミナルラグを溶接によって結合してもよい。

所望の電圧若しくは電気的な出力に応じて、ケースによって包囲された複数のセルは１つのバッテリーパッケージにまとめられ、それがさらに１つ又は複数のスタックにまとめられる。相応のバッテリーパッケージ内への、１つ又は複数のスタックの組み込み位置は、任意であってよい、つまり垂直方向でも、水平方向でも、横方向その他であってもよい。当業者は、与えられた使用条件にためにそれぞれ適当な組み込み位置を選択することができる。

本発明による装置は、特にハイブリッド自動車に使用するために適しており、また工業分野又はその他の分野に広く使用するために適している。例えば電動車椅子、電気的な補助駆動装置を備えた自転車（Mofas；Motor-Fahrrad）、フォークリフト又は無人搬送システムに使用するためにも適している。

２つのケース部分及び、これら２つのケース部分間に配置された１つのセルを有する装置の分解した平面図である。 いわゆる「コーヒーバッグ」型のセルの側面図である。 ケース部分の側面図である。 隆起部及び溝を備えたケース部分の選択的な実施例の概略図である。 補強された端板を備えた、ケースによって包囲されたセルを積層配置した、別の有利な装置の平面図である。 ターミナルラグのための緊締装置とケースによって包囲されたセルとが積層された配置、別の有利な装置の平面図である。

本発明のその他の利点を、以下に図面を用いて説明する。図面は、本発明の実施例を示す。当業者は、図面、実施例の説明及び請求項に記載された特徴の組み合わせを、有利な形式で単独でも、その他の組み合わせでも考慮することができる。

実際例
図面では、同じ構成部材又は同形式の構成部材には同じ符号が付けられている。

図１ａ乃至図１ｄは、ケースによって包囲されたセル１０を備えた、有利な装置１００の異なる状態を示す。図１ａには、装置１００の分解した平面図が示されている。第１のケース部分３０と第２のケース部分４０とが、フラット（扁平）な電気化学セル１０、有利にはリチウムイオン電池を包囲している。ケース部分３０，４０は、セル１０をシェル状に包囲している。

セル１０は、フラットセルとして、いわゆる「コーヒーバッグ」型セルとして構成されていて（図１ｂ）、ほぼ方形であって長手方向２８を有している。このようなセル１０の典型的な厚さは、数ミリメートルである。典型的な形式でこのようなセル１０はアルミニウム箔によって包囲されており、アルミニウム箔は、セル１０の内部で電極パックに適合されている。それに応じてセル１０は比較的柔軟に構成されている。

積層された縁部２６は、セル１０を外方に対してシールする１ｍｍの範囲内で環状に構成されている。この縁部２６は、弁２４を備えた箇所が目標破壊箇所として中断されている。セル１０の縁部２６の狭幅側（幅の狭い方の側）の各側面で、ブッシング２０ａ若しくは２２ａにおいてそれぞれ１つのターミナルラグ２０若しくは２２が、長手方向２８に沿って外方に突き出している。ターミナルラグ２０，２２（電流導出部）は、セル１０の電極を形成している。

ケース部分３０，４０は、例えば同形式に構成されている。ケース部分３０は中央に、セル１０に対応した切欠３６を有しており、この切欠３６は縁部３２によって包囲されている。縁部３２は、セル１０のための当接部を形成していて、組み立てた状態でセル１０の縁部に押圧力を加える。ケース部分３０の両長手方向側縁における枠部３４に、複数の間隙３４ａが形成されており、これらの間隙３４ａを通って冷却媒体（例えば空気）がケース部分３０，４０間でセル１０に供給される。複数の間隙３４ａは、押圧力を生ぜしめる縁部３２を通って外部から、セル１０のための切欠３６に達している。

組み立てた状態で、セル１０のターミナルラグ２０，２２に押圧力を加えることができるように、ケース部分３０の狭幅側には段部３８が形成されている。このような形式で、セルの縁部２６及びターミナルラグ２０，２２は、振動負荷軽減されている。ケース部分４０は、ケース部分３０と同様に構成されている。

ケース部分４０は中央に、セル１０に適合した切欠４６を有しており、この切欠４６は縁部４２によって包囲されている。縁部４２は、セル１０のための当接部を形成していて、組み立てられた状態でケース部分３０と共にセル１０の縁部に押圧力を加えるようになっている。ケース部分４０の両長手方向側の枠４４内に、冷却媒体のための間隙４４ａが形成されていて、これらの間隙４４ａは、押圧力を生ぜしめる縁部４２を通って外部からセル１０のための切欠４６に通じている。ケース部分４０の狭幅側に段部４８が形成されていて、これらの段部４８は、組み立てられた状態でセル１０のターミナルラグ２０，２２に押圧力を加えるようになっている。枠部３４及び／又は４４内に、安全弁、セル換気等のための切欠を設けてもよい。

ケース３０，４０は、種々異なる形式、例えばクリップ結合又は溶接によって互いに接合されていてよい。ケース３０と４０との間に挿入されたセル１０はその内部の、有利な形式で図示していない電極パッケージ（Elektrodenpack）の領域内で面圧を受ける。これによって、電極パッケージはセル１０の耐用年数中に分離することはなく、常に押圧された状態に保たれる。セルケースは、一定の間隔を保って又は一定の押圧力で接合される。この場合、間隙３４ａ．４４ａは、十分な冷却を保証する。

第１のケース部分３０の側面図が図１ｃに示されている。ケース部分３０は、切欠３６を備えたほぼ方形に構成されており、この切欠３６は縁部３６によって包囲されている。狭幅側１６で段部３８の外側に孔１８が設けられており、これらの孔１８によって、組み付けられたセル１０を備えた複数のケース部分３０，４０を、例えばねじ山付きロッドによって互いにねじ結合することができる。

ケース部分３０，４０の選択的な実施例の詳細が、図１ｄに示されている。この実施例の構成は、前記実施例の構成にほぼ相当するが、一方のケース部分３０は縁部３２としての隆起部を有していて、他方のケース部分４０は、この縁部に対応する縁部４２として相補的な溝４２ａを有しており、これによって、組み立てた状態でセル１０の縁部２６は前記溝４２ａ内に押し込まれるようになっている。これに対してターミナルラグ２０，２２は、前記段部３８と４８との間に面状に押し込まれている。この場合、前述のように、場合によって、弁として構成された安全装置のための切欠が設けられている。

ケース部分３０，４０は、硬く構成されていて、場合によっては電気的な臨界箇所に適当な電気的絶縁部を備えた金属より成っているか、又はプラスチックより成っていてよい。

図２の実施例は、図１ａ乃至図１ｄに記載されているような、ケースによって包囲された複数のセル１００を備えた有利な装置１１０を示している。ケースによって包囲された複数のセル１００の詳細については、図１ａ乃至図１ｄが参照される。例えばケースによって包囲された３つのセル１００が、積層方向５６で互いに互いに接合されていて、それぞれ熱的に絶縁された中間層５４を備えている。ケースによって包囲されたセル１００より成るスタック（積み重ね）の端部に補強された端板（エンドプレート）が設けられており、ケースによって包囲されたセル１００は、有利な形式でねじ山付きロッドとして構成されたピン６４が孔１８（図１ｃ）内に導入され、ねじ固定されると、前記端板によって押し付けられる。

有利な装置１２０の別の実施態様は、図３に示されており、この場合、ケースによって包囲された複数のセル１００が、積層方向５６で互いに接合されて１つのスタック（積み重ね）を形成しており、熱的に絶縁された中間層５４によって分離されている。ターミナルラグ２０，２２は、図１におけるのと同様に、詳しく図示していないケース部分から突き出している。スタックの同じ側から突き出すターミナルラグ２０，２２は、それぞれ外側のケースによって包囲されたセル１００のそれぞれ１つのターミナルラグ２０ａ及び２２ａを除いて、互いに１対で電気的に接続されている。これらのターミナルラグ２０ａ及び２２ａは、タップ７０及び７２に接続されており、これらのタップ７０及び７２においてスタックの電圧が読み取られ、消費機に供給される。

この実施態様では、ターミナルラグ２０，２２が穿孔されていて、隣接するセルの対応するターミナルラグ２０，２２が、絶縁されたスペーサ６６ａ〜６６ｄ若しくは６８ａ〜６８ｄ、並びに貫通案内されたねじを介して押し付けられている。この押し付けによって、電気的なコンタクトが確実に得られる。

ケース部分から突き出すターミナルラグ２０，２２は、スタックの各側で緊締装置６６，６８によって、ターミナルラグ２０，２２を緊締及び電気的に接触させるために、緊締されている。このために、内側のケースによって包囲されたセル１００のターミナルラグ２０は、それぞれ１対で、スペーサ６６ｃと６６ｂとの間、及び６６ｂと６６ａとの間で緊締されている。スペーサ６６ａから６６ｄを通って、詳しく図示してないピン、例えばねじ山付きピンがガイドされていて、このピンの両端部がナットによってねじ固定されている。外側のケースによって包囲されたセル１００の一方のコンタクト２０ａは、唯一のコンタクトとしてスペーサ６６ｃと６６ｄとの間で緊締されていて、外部から接触され得るようになっている。

ケースによって包囲された内側のセル１００のターミナルラグ２２は、同様にそれぞれ１対でスペーサ６８ｃと６８ｂとの間、並びに６８ｂと６８ａとの間で緊締されている。互いに反対側に位置する、ケースによって包囲された外側のセル１００の一方のコンタクト２２ａは、単独のコンタクトとしてスペーサ６８ａと６６ｂとの間で緊締されていて、外部から接触され得るようになっている。

緊締装置６６，６８のスペーサ６６ａ〜６６ｄ及び６８ａ〜６８ｄを通って、詳しく図示していないピン例えばねじ山付きピンがガイドされていて、両端部においてナットでねじ固定されている。

勿論、装置１２０のスタックは、図２に示した実施例と同様に端板によって、押し付けられていてよい。

Claims (12)

1. 少なくとも１つの電気化学セル（１０）を備えた装置であって、前記電気化学セル（１０）がほぼフラットに構成されていて、電気的に接触させるための側方に突き出すターミナルラグ（２０，２２）を有している形式のものにおいて、
   各セル（１０）が２つのケース部分（３０，４０）間に閉じ込められていて、前記ケース部分がこれらのケース部分間で、前記セル（１０）を少なくとも部分的に押圧力によって緊締するようになっていることを特徴とする、少なくとも１つの電気化学セル（１０）を備えた装置。
2. 前記セル（１０）の縁部側が押圧力によって負荷されている、請求項１記載の装置。
3. 前記ターミナルラグ（２０，２２）が押圧力で負荷されている、請求項１又は２記載の装置。
4. 少なくとも１つのケース部分（３０，４０）が、前記セル（１０）を受容するための凹部（３６，４６）を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 環状の縁部（３２，４２，４２ａ）が設けられていて、該縁部が前記セル（１０）の縁部側を押圧力によって負荷する、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 一方のケース部分（３０）が隆起部を有していて、他方のケース部分（４０）が前記隆起部に相補的に対応する溝を有している、請求項５記載の装置。
7. ターミナルラグ（２０，２２）を押圧力で負荷する段部（３８，４８）が設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 少なくとも１つのケース部分（３０，４０）内に、冷却媒体用の間隙（３４ａ，４４ａ）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 少なくとも１つのケース部分（３０，４０）内に、冷却媒体用の通路が設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. ケースによって包囲された複数のセル（１００）が、積層方向（５６）で互いに上下に積み重ねられていて、互いに緊締されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 前記ターミナルラグ（２０，２２）が前記ケース部分（３０，４０）から突き出していて、互いに直列及び／又は並列に電気的に接続されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. ケースによって包囲された複数のセル（１００）において、前記ターミナルラグ（２０，２２）が、前記ケース部分（３０，４０）の両側でそれぞれ、ターミナルラグ（２０，２２）を電気的に接触及び緊締するための緊締装置（６６，６８）によって緊締されていて、それぞれ外側のセル（１０）のそれぞれ１つのターミナルラグ（２０ａ，２２ａ）を除いて、少なくとも２つの同形式のターミナルラグ（２０，２２）が前記緊締装置（６６，６８）によって１つにまとめられている、請求項１１記載の装置。

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