JP2010519713A - バッテリー用電気化学的個別セルおよびバッテリー - Google Patents

Abstract

本発明は、バッテリー用の電気化学的個別セルと、複数の個別セルを用いて製造されたバッテリーに関するものである。この個別セルは、１つの熱伝導バーの周りに巻き付けられ、および／または、１つの熱伝導バーの周りに折り重ねられた電極セットを有する。個別セルの温度調節のため、この熱伝導バーは、電極セットの方に向けられた表面が、少なくとも部分的に、熱伝導性に優れた素材から製造されており、かつ固体材料として形成されている。このバッテリーの場合、費用もかからず、しかも簡単な方法により、バッテリーの温度制御を確実に行うため、熱伝導バーが熱伝導的に温度調節ユニットと接続されている。

Description

本発明は、請求項１の前提部分と請求項９の前提部分に記載された、バッテリー用の電気化学的個別セルと、そのような種類の個別セルから構成されたバッテリーに関するものであり、これらは、例えば特許文献１により知られている。

特許文献１より、とくに高性能バッテリーを製造するために利用されるような、バッテリー用の電気化学的個別セルが周知である。そのような種類のバッテリーは、好ましくは、例えば乗用車またはバスといった旅客輸送車両の、少なくとも部分的な駆動のために使用される。好ましいバッテリー・システムとしては、とくに、リチウムイオンバッテリーおよび／またはニッケル水素バッテリーが重要であり、これらのバッテリーの場合には、複数の個別セルが並列に、および／または直列に相互に接続される。既知の個別セルの場合には、２つの電極フォイルとその間に配置されたセパレートフォイルを有し、好ましくはアルミニウム／セパレータ／銅というように構成されている多層の電極（電極セット）が、１つの冷却パイプの周りに巻きつけられている。この場合、冷却パイプは、取付け補助装置としてすでに使用されている。冷却パイプの周りに電極セットを巻きつける方法とは別に、電極セットを冷却パイプの周りに折り重ねることもまた可能である。電極フォイルと導電的に接続するために、冷却パイプは、その電極セットの方に向いた表面で、少なくとも部分的に、導電性に優れた素材から製造されている。後に熱伝導的な接続を行うために、円筒状の冷却パイプの内部には冷却用ダクトが配置されている。この冷却用ダクトは、有効な方法では、温度に応じて位相変換する、とくに揮発性の材料によって満たされており、熱伝導的に個別セルの外側部分と接続されている。

特許文献２から、個別セルが好ましくは正６角形の断面を有するバッテリーが周知である。６つの各個別セルの内部には、それぞれ１つの冷却用ダクトが取り付けられている。この場合、この冷却用ダクトは個別セルの壁によって形成され、これらの壁は、直接に接触し合った状態で冷却用ダクトを取り囲むように立てられている。したがって、この冷却用ダクトの断面は、その形状および寸法に関して個別セルの断面に対応している。冷却用ダクトがこのように構成されていることによって、各冷却用ダクトに隣接する６つの個別セルは、それぞれ、その外側が冷却用ダクトに接触している。個別セルの温度調節、とくにそれらの冷却は、この冷却用ダクトを介して行われる。

これらの２つの場合では両方とも、温度調節のために、冷却用ダクトを複雑に構成する必要が生じるか、そうでなければ、利用可能なスペースが別に必要となる。従って、既知の発明は、少なくとも費用を要するものである。

独国特許出願公開１０３５８５８２Ａ１号明細書 米国特許出願公開２００２／００６４７０７Ａ１号明細書

本発明の課題は、できる限りコスト効率が良く、できる限り省スペースでの、バッテリーの温度調節を可能にすることである。

この課題は、請求項１の特徴を備えた個別セルによって、または請求項９の特徴を備えたバッテリーによって解決される。本発明に基づいて、バッテリー用の電気化学的個別セルの場合、固体材料から成る１つの熱伝導バーが利用される。この熱伝導バーの素材の熱伝導断面積を大きくすることによって、効果的かつスペースに対する要求の小さな個別セルからの熱伝導が保証される。２つの電極フォイルの中間にセパレートフォイルを配置した電極の層（電極セット）は、熱伝導する固体材料から製造された熱伝導バーの周りに巻きつけられ、および／または、この熱伝導バーのまわりに折り畳まれる。この熱伝導バーは、電極セットの方に向けられたその表面で、少なくとも部分的に導電性に優れた、および／または、熱伝導性に優れた素材から製造されている。

有利な方法では、前記の熱伝導バーが、個別セルの外部ではあるが、しかし、好ましくは個別セルに付属するバッテリーボックスの内部で、熱伝導的に集熱ユニットと結合され、および／または、温度調節ユニットと接続される。並列および／または直列に相互に接続された複数の個別セルを有するバッテリーの場合には、前記の集熱ユニットが、熱伝導バーの側で集熱ユニットに向かって送り出された熱量を集める。この熱量は、場合によっては、別のコンポーネントを用いて集熱ユニットから取り除かれる。温度調節ユニットを利用する場合には、この温度調節ユニットが、伝導するべき熱量を熱伝導バーから受け取り、取り除くことによって、および／または、必要な熱量を熱伝導バーに供給することによって温度を制御する。

さらなる形態では、前記の温度調節ユニットが１つのエバポレータプレートを有し、このエバポレータプレートの側では、エバポレータプレートが１つの冷却チューブと適切な方法で接続されている。

別の形態では、前記の熱伝導バーの素材が、容易に入手可能な金属または合金、とくにアルミニウムあるいはアルミニウム合金および／または銅または銅合金である。

個別セルを密に積み上げるために、本発明のもう１つの形態では、熱伝導バーの断面が３〜８角形であり、好ましくは正３角形から正８角形までの形に形成されている。しかしながら、原則的には全ての角柱状または長円形の断面が考えられる。

もう１つの形態では、電極積層が、好ましくは金属製のセルハウジングの中に配置されている。これによって、とくに、個別セルを、このセルハウジングを介して電気的に接続することが可能であり、および／または、このセルハウジングを介して追加的に温度調節を行うことが可能である。

さらなる形態では、電極積層が導電性のセルハウジングの中に配置され、熱伝導バーが電極セットの一つの電極タイプと導電的に接続されている。さらに、このセルハウジングは、他の電極タイプと導電的に接続されており、セルハウジングと熱伝導バーとは電気的に相互に遮断されている。これによって、個別セルの２つの極が、熱伝導バーと個別セルのセルハウジングによって形成される。

本発明に基づく個別セルは、とくに高性能バッテリーのために、とくに、旅客輸送車両の少なくとも部分的な駆動のために利用されることが可能である。その他の効果的な形態は、別の下位請求項から得ることができる。次に、図に示された実施例に基づいて、本発明をさらに詳しく説明する。

丸型の個別セルから形成され、エバポレータプレートと冷却チューブとを有するバッテリーである。 図１に基づいた個別セルの縦断面図である。 正６角形の断面を有する個別セルの縦断面図である。 図３に基づく複数の個別セルのスタックを上から見た図である。 図３に基づく個別セルの断面図である。 ハウジングを有さない複数の個別セルを備えた一体型バッテリーである。

図１は、とくに、電気的に相互接続された複数の個別セル７を有するバッテリー８を示している。個別セル７は、とくに、完全に閉じられたバッテリーハウジング１１の中に配置されている。この個別セル７は、金属プレートとして形成された熱伝導ユニット２の上に配置される。熱伝導ユニット２上の個別セル７は、それらの縦軸が相互に平行になるように配置され、この場合、個々の個別セル７の熱伝導バー１は熱伝導ユニット２と熱伝導的に接続されている。

熱伝導ユニット２は、１つの基板９および２つのプレート；ユニット２、基板９の間に配置された１つの冷却チューブ１０と組み合わされて、バッテリー８の個別セル７の少なくとも一部のために温度調節ユニット３を形成する。温度調節ユニット３を用いることによって、この温度調節ユニット３と熱伝導的に接続された個別セル７の内部温度を、簡単かつ費用のかからない方法で制御することが可能となる。

それに加え、冷却チューブ１０は、有効な方法でそのジョイント部１２、１３を介して、車両の中にすでに搭載されているエアコン（図に示されていない）に接続されることが可能であり、熱の面で少なくとも部分的にこのエアコンから供給を受けることができる。この熱供給は、例えば共通の熱伝導媒体、とりわけ液体によって直接エアコンと接続することができ、また、熱交換器によって間接的にエアコンと相互作用させることも可能である。好ましい方法では、この熱伝導媒体が、温度調節されている車内から漏れ出る空気であってもよく、および／または、この空気とともに供給されるということも可能である。

図２では、図１に基づく個別セル７の縦断面図が示されている。発明に基づく個別セル７は、その中央に、円形の断面を備えた熱伝導バー１を有し、この熱伝導バーの周りには、電気化学的に活性な多層フォイルから成る電極の束（電極セット）４が巻きつけられている。熱伝導バー１は、熱伝導性に優れた固体材料から製造されており、その場合に、この熱伝導性に優れた固体材料は、モノリシックでコンパクトな、かつ連続的に形成された固体であるだけではなく、例えば鋳造体または焼結体のような、多孔質の固体であることも可能である。熱伝導バー１のための素材としては、好ましくは金属が選択され、とくに好ましくはアルミニウムおよび／または銅、またはそのような種類の合金が選択される。

コアとしての熱伝導バー１を備え、巻きつけられた電極セット４は、１つの閉じられたセルハウジング５内部に配置されている。電極セット４の２つの電極は、電導のために、周知の方法で電導ケーブル（図示されていない）を介して、それぞれの電極端子１４と結合されている。このような形態では、熱伝導バー１とセルハウジング５は両方とも、電極セット４の２つの電極に対して電気的に絶縁されている。熱伝導バー１は、有効な方法では、同時にセルハウジング５の底面として形成されており、エバポレータプレート６として形成された温度調節ユニットの上で熱伝導するような方法でに、好ましくは固定的に据え付けられている。

電極端子１４を介した電導の他に、電極セット４の電極は、セルハウジング５と、および／または、熱伝導バー１と接続されることも可能である。その場合には、このために、セルハウジング５と熱伝導バー１が両方とも、少なくとも部分的には電導性の素材から製造されていなければならない。ところで、その場合、セルハウジング５と熱伝導バー１は相互に絶縁されている必要があり、必要に応じて、その他の従来から知られている処置または明白かつ自明の処置を施す必要がある。

そのような、従来の技術に属するエバポレータプレート６は、個別セル７の範囲内に配置されたエバポレータ部分および凝結部分を有し、この凝結部分は、バッテリーハウジング１１の外部に存在する。この凝結部分は、ダクト１５を介してエバポレータ部分と結合されている。このダクトは、全体として１つの閉じられたダクトシステムを形成しており、このダクトシステムは規定された液体容量の熱伝導媒体で充填されている。ダクト１５の壁は、毛細管作用を有する繊維によって内側を覆われており、この繊維は、液状の熱伝導媒体を凝結部分からエバポレータ部分まで運搬するために働く。

個別セル７の冷却、およびそれによるバッテリー８の冷却は、熱が個々の個別セル７の内部から、これらの個別セルの熱伝導バー１を介して伝導されることによって行われ、この熱伝導バー１の側からは、電導されるべき熱がエバポレータプレート６に供給される。エバポレータ部分では、供給された熱によって液状の熱伝導媒体が揮発し、凝結部分の中へ流入し、この中では熱伝導媒体が凝結によって熱を外部へ発散する。この熱伝導媒体は、この時点で再び液状となり、毛細管作用を有する繊維を用いて、再びエバポレータ部分の方向へと運搬され、このエバポレータ部分で再度気化する。

図３は、個別セルの縦断面図を示している。この個別セル７は、大抵の部分では図２による個別セル７に類似して構成されている。しかしながら、この場合、個別セル７と異なっているのは、個別セルおよび熱伝導バー１が６角形の断面である点であり、この場合、６角形（図５を参照）断面は、とくに、長さの等しい辺を有する。このような断面は、図３による積み重なった複数の個別セル７を上から見た図である図４によって明らかなように、積み重ねるのにとりわけ適している。

図６では、ハウジングを有さない複数の個別セル７を備えた一体型バッテリーが示されている。本実施例では、熱伝導バー１の周りに電極セット４が巻きつけられている。しかしながら、前述の実施例における個別セル１とは異なり、電極セット４はセルハウジングを有さない。このような配置の場合には、例えば動作の際に電極セット４が決して電気的にショートしないように、熱伝導バー１が熱伝導ユニット２に固定されており、とくに、接着および／またはボルト止めされている。ここで説明された形態は、１つのバッテリーハウジングの中に収納され、電極セットは、それらの電荷に応じて適切な電極と接続される。このようなバッテリーの構成によって、バッテリー重量を軽減することが可能となる。

Claims (12)

1. 冷却パイプの周りに巻きつけられ、または、冷却パイプの周りに重ねられた電極セットを有し、前記冷却パイプが、電極セットの方に向けられたその表面で、少なくとも部分的に熱伝導性の素材から構成されているバッテリー用の電気化学的個別セルにおいて、
   前記冷却パイプが熱伝導バー（１）として形成され、該熱伝導バー（１）が熱伝導性に優れた素材から成ることを特徴とする、バッテリー用の電気化学的個別セル。
2. 前記熱伝導バー（１）の素材が金属であることを特徴とする、請求項１に記載の個別セル。
3. 前記熱伝導バー（１）の素材がアルミニウムまたは銅であることを特徴とする、請求項１に記載の個別セル。
4. 前記熱伝導バー（１）の断面が円形であることを特徴とする、請求項１に記載の個別セル。
5. 前記熱伝導バー（１）の断面が３乃至８角形であり、実質的に長さの等しい辺を有する正３角形乃至正８角形であることを特徴とする、請求項１に記載の個別セル。
6. 前記熱伝導バー（１）が、熱伝導ユニット（２）および／または温度調節ユニット（３）と熱伝導的に接続されるために準備されていることを特徴とする、請求項１に記載の個別セル。
7. 巻き付けられた／折り重ねられた前記電極セット（４）が１つのセルハウジング（５）の中に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の個別セル。
8. 巻きつけられ、または折り重ねられた前記電極セット（４）が１つの導電性のセルハウジング（５）の中に配置され、前記熱伝導バー（１）が前記電極セット（４）の一つの電極タイプと導電的に接続され、前記セルハウジング（５）が他電極タイプと導電的に接続され、前記セルハウジング（５）と前記熱伝導バー（１）が電気的に相互に絶縁されていることを特徴とする、請求項１に記載の個別セル。
9. 並列または直列に相互接続された複数の電気化学的個別セルを有し、これら個別セルが、それぞれ１つの冷却パイプおよび該冷却パイプの周りに巻き付けられている、または、該冷却パイプの周りに折り重ねられている多層電極セットを有し、それぞれの冷却パイプが、少なくとも部分的に熱伝導性の素材から製造されているバッテリーであって、
   前記冷却パイプが前記熱伝導バー（１）として形成され、前記熱伝導バー（１）が、熱伝導性に優れた素材から製造されている固体材料であり、前記熱伝導バー（１）が熱伝導ユニット（２）および／または温度調節ユニット（３）と熱伝導的に接続されていることを特徴とするバッテリー。
10. 前記温度調節ユニット（３）が１つのエバポレータプレート（６）を有することを特徴とする、請求項９に記載のバッテリー。
11. 旅客輸送車両を少なくとも部分的に駆動するための高性能バッテリーの個別セル（７）としての、請求項１〜８のいずれか１項に記載の個別セルの使用。
12. 旅客輸送車両を少なくとも部分的に駆動するための高性能バッテリーとして、請求項９又は１０に記載のバッテリーの使用。

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