JP2011507159A - 温度制御装置を有する組電池 - Google Patents

温度制御装置を有する組電池 Download PDF

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Abstract

【解決手段】本発明の電池モジュールは、自動車および非自動車の応用分野で使用される重畳電池セルパッケージング構成および垂直積層電池セルパッケージング構成を含む様々な構成およびそれらに限らない様々な構成での利用に適応できる。電池モジュールは、電池ヒートシンクアセンブリ間に配置されたセルを有する複数の電池ヒートシンクアセンブリを有する。電池モジュールを形成するようにヒートシンクアセンブリとセルとをもう１つと共に固定するために、複数ロッドは各ヒートシンクアセンブリを貫き延伸する。
【選択図】図１

Description

[0001]
本発明はセルを有する電池パックに関し、特に、電池パックにセルを冷やす（または、暖める）ための冷却・システム（または、加熱システム）を有する電気自動車/ハイブリッド自動車用電池パックおよび電池パックにセルを保持する方法に関する。
[0002]
ハイブリッド車は、動力を供給するために複数の推進システム（ガソリン、電気、および電池駆動モーター）を使用する。走行時またはアイドリング時、内燃機関の出力の一部は、発電機（単に発電機モードで運転中の電動機）に供給され、その発電機は、電池を充電する電気を生み出す。これらのハイブリッド車はまた、回生制動で運動エネルギーを得ることによって、電池を再充電する。これは配電網のような外部電源で充電される電池を使用する全電気自動車、またはトレーラーに広がる機種と比較される。エタノールまたは植物ベースの油などのディーゼルおよび他の燃料の時々の使用も見られるが、ほとんどすべてのハイブリッド車は燃料源としてのガソリンをまだ必要とする。
[0003]
電池とセルは電極とそれらの間に配置されたイオン伝導電解質とを含む。リチウムイオン電池を含む電池パックは、自動車応用分野および種々の商用電子装置にますます普及してきている。というのは電池パックは、再充電可能であり、記憶効果を全く持っていないからである。最適な作動温度においてリチウムイオン電池を動作させることは、電池性能および寿命に大変重要である。
[0004]
リチウムイオン電池の特性のため、リチウムイオン電池は、−３０℃から６０℃の概算周囲温度範囲で作動するように通常指定される。しかし、この温度範囲での作動時でも、電池パックは、それが長期間極限温度に留まると、その充電または放電の容量または性能を失い始める可能性がある。それにもかかわらず、リチウムイオン電池は周囲温度がその温度範囲外で使用される事は、避けられない場合がある。
[0005]
重要な温度変化は１つのセルから次のセルへ起こりうる。これは電池パックの性能に有害である。全体の電池パックの長寿を促進するために、セルは所望の閾値温度以下でなければならない。パック性能を促進するために、電池パックのセル間の温度差は最小にされるべきである。しかしながら、周囲への熱経路により、異なったセルは異なった温度に達する。さらに、同じ理由で、異なったセルは充電過程で、異なった温度に達する。従って、もし１つのセルが他のセルに比べ高い温度であると、その充電または放電効率は異なり、従って、他のセルよりも速く充電または放電されるかもしれない。これは全体のパックの性能の衰退に通じる。
[0006]
当技術は冷却およびパッケージングシステムを有する電池パックの様々なデザインで満ちている。例えばジョーンズらへの米国特許番号5,071,652は、並列配置された複数円形セルモジュールを含む環状構造の外部圧力容器を含む金属酸化物水素電池を教示する。
[0007]
最適作動温度で組電池を維持するために適合された改良冷却加熱システムを有する改良された組電池が、定格容量、充電、および放電速度での可能な限り長いライフサイクルを伴うことを確実にする必要がある。
[0008]
本発明の電池モジュールは、自動車または非自動車応用に使用される水平方向または垂直方向に積層された電池セルのパッケージング構成を含むがそれに限定されない種々の構成の使用に適合される。電池モジュールは、例えば、フラットストックアルミニウム合金箔等の熱伝導性材料から形成された個別のヒートシンクに隣接した複数のセルを有する。
[0009]
複数の第１電極と第２電極とが、セルを形成するために電気絶縁封筒に積み重ねられて、パッケージされる。上記についての暗示で、各ヒートシンクは熱伝導性材料から形成された平板を提供する。平板は熱伝達縁と端末端を定める。各平板は切抜部と前記切抜部に係合するスペーサとを定める。各平板は、電池パックを形成するためにお互いにヒートシンクを相互接続するためにその穴を通して延伸する複数ロッドを受け取るための複数穴を含む。端末端の１つは矩形断面を有する第１構成を提供するフィンに延伸する。もう片方の端末端はＬ形断面を有する第２構成を提供する別のフィンに延伸する。フィンは、冷間成形可能で、応用分野により、セルへ、または、セルから熱を伝達するように設計されている。セル保持装置は各ヒートシンクに接続される。セル保持装置は内部フレームセットと外部フレームセットとを含む。各セル保持装置の内部フレームはフレーム間にヒートシンクを挟持する。内部および外部フレームは、内部および外部フレームの中に角柱セルをロックするために互いに機械的に係合する複数の雄雌接続機能を提供する。分解目的のために角柱セルの取り外しを可能にするために、これらの機能を解放できる。これはセル保持および熱伝達アセンブリについて説明する。
[0010]
発泡材またはいかなる他の非硬質高分子材料などの材料層などの装置も、角柱セル間で挟持される。装置は実質的に角柱セルを覆っている。各ヒートシンクは、１組の内部フレームを持ち、ヒートシンクの反対側に接続され、セル保持および熱伝達アセンブリを形成するために中に各角柱セルを有する各外部フレームを機械的に噛み合わせる。この装置は、少なくとも２個のアセンブリ間で挟持され、電池パックを形成するために機械的に積み重ねられ電気的に相互接続される。アセンブリが電池パックを形成するために組み合わされるとき、装置は、典型的な充放電状態間に角柱セルの伸縮を許容し、したがって、セルに効率的な熱伝達のためのヒートシンクとの密な接触を維持させる。
[0011]
複数電池パックは皿部またはサポートトレーの中に収容される。皿部は自動車のフロアー・パンアセンブリまたは他の部分（図示せず）によって支持される。皿部はベースと複数側壁を提供する。側壁は、概略、ベースに垂直であり、わずかに傾いていてもよい。周辺リップ部は各壁から延伸する。また、壁は平行に壁の間に延びる橋部に平行に延びてもよい。橋部は最上部と、側壁に概略垂直に延びる側壁とを含む。橋部は、複数モジュールを収容するために皿部を2つの部分に分割する。側壁は、流体が皿部から流出することを許容するために複数スロットを提供する。
[0012]
第１および第２ブラケットは壁と一体で、壁から延びていて、最上部に整列する。ブラケットは同じものであってもよいし、なくてもよい。各ブラケットは、バイアス要素に接続された空気流逆支弁機能を含み、それによりパック圧に基づいて開閉するバルブ機能として作動可能にする。冷却空気が必要なとき、ファンシステムからの圧力により入口バルブが開く。圧力がもう存在していないとき、バネ張力は、バルブを閉じる。電池パックが内部超過圧を経験すると、入口バルブは閉じられ、排気弁は開けられる。入口バルブは、熱イベントからの蒸気やガスが乗客コンパートメントに入ることを妨げるのに追加的に役立つ。
[0013]
本発明の利点は、セルを取り囲み、固定する素晴らしい保持力を有する電池パックを提供することである。
[0014]
本発明の別の利点は、簡易組立法により製造コストを下げる電池パックを提供することである。
[0015]
本発明のさらに別の利点は、電池パックの性能と寿命に否定的に影響を与えるかもしれない急速充電または放電パルスの間、望まれない熱を効率的に取り除くことによって高電流を送り、受けるように電池パックを熱的に管理するための手段を提供することである。
[0016]
本発明のさらに別の利点は、デザイン的に簡単であり、少ない質量を有する電池パックを提供することである。
[0017]
本発明のさらに別の利点は、異なった応用分野には、容易に拡張可能な電池パックを提供することである。
[0018] １組の電池パックを有する電池モジュールの斜視図である。 [0019] １組の内部フレーム間に挟持されたヒートシンクを示す。 [0020] 図２に示されるような、内部フレーム間で挟持されたヒートシンクの部分斜視図である。 [0021] 図２の分解組立図。 [0022] 内部フレーム間で挟持されたヒートシンク、各内部フレームに延伸する各角柱セルを有するヒートシンクの両側に配置された１組の角柱セル、および各角柱セルに延伸する１組の外部フレームを有するセル保持要素の斜視図である。 [0023] 図５に示されたセル保持要素の分解組立図である。 [0024] 複数セル保持要素を含む電池モジュールの１つの斜視図および分解組立図である。 [0025] 入口および出口ポート付のカバーを有する電池モジュールの代替的実施例の斜視図である。 [0026] 電池パックのセルの温度を操作するために電池ハウジングを通して流体を循環させる入口バルブと出口バルブとを有する皿部の延長部の断面図である。 [0027] 複数の電池モジュールおよび電池モジュールを循環する空気流の方向を収容する電池の皿部の斜視図である。
[0028]
図を参照すると、似たような符号は同等または対応する部品を示す。本発明の組電池は概略、ハウジング１４に配置された１２で一般に示された１対の電池パックを有する図１において１０で示される。電池パック１２は自動車および非自動車の応用分野で使用される水平または垂直に積み重ねられた電池セルパッケージング構成を含む構成およびそれらに限られない様々な構成での利用に適応できる。各電池パック１２は複数のセル（図１に図示せず）を含む。セルは、図６によりよく示される。望ましくは、各セル１６は、角柱構成を有するリチウムイオンセルである。
[0029]
図6を参照して、各セル１６は側縁部１８および２０を提供する。第一端子または屈曲部２２は、正極端子を提供し、縁部１８の１つから延伸する。第二端子または屈曲部２４は負極端子を提供し、他の縁部２０から延伸する。各屈曲部２２と２４は少なくとも９０度の角度を画定する。 角度は、度数が変化可能で、最大９０度になるように構成されてもよい。代替的に、第一と第二端子は平面構成を提供してもよい。各屈曲部２２と２４は１対の半円開口部２６を提供する。
[0030]
図２から６を参照して、各電池パックは、参照番号３０で一般に示された複数のセル保持要素を含み、電池パック１２を形成するために互いに脱着可能に接続される。図７は、電池パック１２の分解組立図を示す。セル保持要素３０（図２および４を参照）はヒートシンク３２を含む。ヒートシンク３２は、アルミニウム、銅などの熱伝導材料から形成された平板３４を提供する。各ヒートシンク３２は、図４に参照番号３６および３８で一般に示された、向かい合って互いに間隔をおかれたフィン部分で区切られる。フィン部分３８は長方形の、または、管状の断面４０を提供する。他のフィン部分３６は平面４２を提供する。フィン部分３６と３８はゲート形状を含んでもよく、ひだをつけてもよく、平面でもよく、複数のスロットまたは穴を提供してもよく、ヒーター毛布および/または冷却要素を含むがこれらに限られない外部加熱または冷却装置用の熱境界面を提供するために屈曲部として形成されてもよい。フィン部分３６と３８は、冷却または加熱媒体のために表面を提供する。液体、固体、または気体などの媒体は、フィン部分３６と３８とに導入してもよい。平板３４は、複数のロッド４８（図７参照）を受け入れる為に平板３４の両側部４６で複数のスロット４３と半円切抜き部４４とを画定する。ロッド４８は、電池パック１２を形成するためセル保持要素３０を相互接続するためにセル保持要素３０などを貫いて延伸する。
[0031]
セル保持要素のフレームアセンブリは図４から図７に示されている。各フレームアセンブリは、内部フレーム５０と５２との間で挟持された平板３４を固定する内部フレーム５０と５２の第一セット、およびセル１６を固定するための外部フレーム５４と５６の第２セットを含む。セル１６の１つは、内部フレーム５０の１つおよび外部フレーム５４の１つの間に固定される。他の内部および外部フレーム５２と５６とは、セル１６の別のものを固定する（図６を参照）。
[0032]
図４に最も良く示されるように、内側フレーム５０の１つは、周辺端部５８と側壁６０と６２（図6を参照）とを提供する。側壁６２の１つは、セル１６の屈曲部２２または２４を係合するために１対のピン６４および６６を含む。複数の穴または雌コネクタ（図示せず）は内側フレーム５０で画定される。複数の雄コネクタまたはフック７０は、内側フレーム５０（図２を参照）の周辺端部５８からおよび周辺で形成され、一体的に延伸する。フック７０は逆方向に延伸し、平板３４から離れる。複数のスタッド７２は、他の内側フレーム５２とその間に挟持された平板３４とを機械的に係合するためにフック７０から反対方向に内側フレーム５０から延伸する。
[0033]
図６で最も良く示されるように、他の内側フレーム５２は、内側フレーム５２の構成と同様の構成を提供する。 内側フレーム５２は周辺端部８０と側壁８２とを含む。側壁８２の１つはまた、セル１６の屈曲部２２または２４を係合させるために、１対のピン（図示せず）を含んでもよい。複数の穴または雌コネクタ８６はフレーム５２で画定される。複数の雄コネクタまたはフック８８は、フレーム５０の周辺端部５８からおよび５８の周りから形成され、一体的に延伸する。フック８８は、平板３４から離れ且つ３４に対し垂直に延伸する。複数のスタッド８９は、内側フレーム５０とその間に挟持された平板３４とを機械的に係合させるためにフック８８から反対方向に内側フレーム５２から延伸する。フレーム５０と５２は高分子材料から成形される。
[0034]
図６で最も良く示されるように、外側フレーム５４の１つは、屈曲部２２および/または２４を係合させるように構成された各切抜部分をそれぞれ提供する周辺端部９０および側壁９２を提供する。複数の穴または雌コネクタ１００はフレーム５４で画定される。複数の雌コネクタ１０２は、フック７０を係合するため周辺端部９０で形成され、スナップインターフェースで角柱状セル１６の１つをその間に固定するために内側フレーム５０から延伸する。外側フレーム５４および内側フレーム５０は、セル１６の隆起部１０４を囲むために開口部を画定し、セル１６の周縁リップ部１０６をその間に挟持する。図７に最も良く示されているように、他の隆起部１０４は、隣接するセル保持要素によって保持された他のセル１６の隆起部１０４を摩擦によって係合させるが、各セル１６の隆起部１０４の１つは平板３４を摩擦によって係合させる。
[0035]
図７に最も良く示されるように、非硬質高分子材料１１０などの装置または層は、角柱状セル１６の隆起部１０４の間に挟持される。材料層は、好ましくはポリエステルポリウレタン発泡材である。装置１１０は実質的に角柱状セル１６の隆起部１０４をカバーする。代替的に、装置１１０は、装置１１０をセル保持要素３０とともに機械的に保持するためにセル１６の周縁リップ部１０６および上側フレーム５４の間に挟持される。セル保持要素３０が電池パック１２を形成するために互いに組み立てられるとき、１つのセル保持要素３０のセル１６は、隣接セル保持要素３０のセル１６に隣接して置かれるので、装置１１０は角柱状セル１６の間に挟持される。装置１１０は、典型的な充放電状態の間、角柱状セル１６の伸縮を許容し、したがって、セル１６に電池パック１２および/または組電池１０内の効率的な熱伝達のためヒートシンク３４と密接触を維持させる。
[0036]
他の外側フレーム５６は、周辺縁部１１２、および側壁１１４および１１６を提供し、各側壁は屈曲部２２および/または２４を係合させるように寸法的に構成された切抜部１１８および１２０を提供する。複数の穴または雌コネクタ１２２は、フレーム５６で画定される。複数のコネクタ１２４は、角柱状セル１６の１つを固定するために内側フレーム５２から延伸するフック８８を係合するため周辺端部１１２で形成されるので、フック８８はコネクタ１２４にぱちんと適合する。外側フレーム５６および内側フレーム５２は、他の角柱状セル１６の隆起部１０４を囲むために開口部を画定し、角柱状セル１６の周縁リップ部１０６をその間に挟持する。
[0037]
図７に最も良く示されているように、他の隆起部１０４は、隣接するセル保持要素によって保持された他のセル１６の隆起部１０４を摩擦によって係合させる一方、角柱状セル１６の隆起部１０４の１つは平板３４を摩擦によって係合させる。外側フレーム５４および５６は高分子材料から成形される。
[0038]
図８から図１０に最も良く示されるように、電池パック１２は、一般に２００（図１０を参照）で示された、皿部またはサポートトレーに収容される。皿部２００は自動車のフロアー・パンアセンブリまたは他の部品（図示せず）によって支持される。皿部は、そこから延伸する、ベース２０２と複数の側壁（２個の壁のみが２０４と２０６で図１０に示される）を提供する。側壁２０４は、ベース２０２に対し一般的に垂直であってもよく、わずかに傾きがあるかもしれない。周縁リップ部２０８は各壁２０４と２０６から延伸する。壁２０４と２０６は、一般に２１０で示された橋部に平行に延伸する。リップ部２０８は、電池パック１２から延伸する舌部（図示せず）などの複数の第１ロッキング要素を含み、それにより皿部２００に電池パック１２を固定する。
[0039]
上記についての暗示で、橋部２１０は壁の間を延伸する。複数の電池パック１２を収納するため、橋部２１０は皿部２００を２つのセクション２３０と２３２に分割する。吸気ポート２４２を提供するカバー部２４０とスロット２４４で画定されたエスケープポートとを有する電池パック１２に流体通路を提供するために、橋部２１０は複数スロット（図示せず）を提供する。バルブ装置（１つのみ図９と図１０に２５０で示される）は皿部２００のベースおよび側壁間に配置される。
[0040]
第１および第２部ブラケット（１つのみ２６０で示される）は、側壁２０４と一体で側壁２０４から延伸する。各ブラケット２６０は、バイアス要素に接続された空気流逆支弁機能２７０を含み、それによりパック圧に基づいてバルブ２７０を開閉可能とする。
[0041]
本発明は好ましい１実施例への参照と共に記述されるが、本発明の範囲から逸脱せずに、様々な変更が行われてもよく、同等物が本発明の要素に代用されてもよいことは当業者により理解されるであろう。加えて、本発明の不可欠の範囲から逸脱せずに、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために複数の変更が為されてもよい。したがって、本発明は開示された特定の実施例に限定されないことが意図されるが、本発明の範囲は添付クレームの範囲で決定されることを意図する。

Claims (19)

  1. 電池ハウジングと、
    前記ハウジングに配置された複数の電池パックであって、各前記電池パックが各前記電池パックに配置された複数のセルを有し且つカバー部に収納された複数の電池パックと、
    流体が入口ポートを通り各前記電池ハウジングに入り、エスケープポートを通して前記電池ハウジングからの流出時、前記電池パックから熱を除去することにより、各前記電池パックの温度を流体が操作し、流体が前記ハウジングから流出することを可能にするために、流体が各前記カバー部分で画定された吸気ポートおよび前記電池ハウジングで画定された少なくとも１つの出口を通って各前記電池パックに入る時、前記ハウジングに導入された流体を受けるために前記電池ハウジングの少なくとも１つの入口ポートによって画定された流体循環システムと、
    を含む組電池。
  2. 前記ハウジングが底部と最上部とを含み、前記底部は橋部により半分に分離される請求項１に記載された組電池。
  3. 各前記エスケープポートがスロットによってさらに画定される請求項２に記載された組電池。
  4. 各前記セルが角柱セルである請求項３に記載された組電池。
  5. 各前記セルがリチウムイオンセルである請求項４に記載された組電池。
  6. ２つの前記角柱セルの間に延伸し、機械装置の１つが前記角柱セルを機械的に係合し前記装置の他方が前記角柱セルの他方を機械的に係合した状態で１対の機械装置を提供し、それによりセル保持要素で前記角柱セルをロックし且つ前記少なくとも１つのセル保持要素を通じ前記角柱セルの温度を操作するために前記少なくとも１つのセル保持要素と前記角柱セルとの間に接触を形成する、
    少なくとも１つのセル保持要素を含む請求項５に記載の組電池。
  7. 前記機械装置の１つが少なくとも１つの熱伝導性材料から形成された平板によってさらに画定される請求項６に記載された組電池。
  8. 前記少なくとも１つのセル保持要素は、第１組のフレーム間に挟持された前記平板を有する前記第１組のフレームによりさらに画定される請求項７に記載された組電池。
  9. 各前記第１フレームが周辺縁部、各前記第１フレームから延伸する複数の雄コネクタ、各前記第１フレームにおいて画定された複数の雌コネクタを含む請求項８に記載された組電池。
  10. 各前記第１フレームは少なくとも１本のピンを含み、ピンは前記第１フレームの他方において画定された前記雌コネクタの１つを機械的に係合させるために各前記第１フレームから延伸し、それにより前記第１フレーム間に前記平板を挟持する請求項９に記載された組電池。
  11. 前記第１フレームが少なくとも１つの高分子材料および非高分子材料から製造される請求項１０に記載された組電池。
  12. 各前記角柱セルが周縁リップ部分に延伸する隆起部、負端子、および正端子を含む請求項１１に記載された組電池。
  13. 前記正端子および前記負端子の少なくとも１つを係合させるために、各前記第１フレームが各前記第１フレームの前記周辺縁部から延伸する１組のスタッドを含む請求項１２に記載された組電池。
  14. 前記機械装置のもう１つが第２フレームの組によりさらに画定される請求項１３に記載された組電池。
  15. 各前記第２フレームが周辺縁部と各前記第２フレームで画定された複数の雌コネクタとを含む請求項１４に記載された組電池。
  16. 前記角柱セルの２つを各前記角柱セルの隆起部に係合する前記平板に保持するために、各前記第２フレームが各前記第１フレームに各々機械的に係合される請求項１５に記載された組電池。
  17. 各前記第２フレームが少なくとも１つの高分子材料および非高分子材料から製造される請求項１６に記載された組電池。
  18. 各前記セル保持要素間に挟持された装置を含む組電池であって、その装置は充電および放電状態の間、前記角柱セルの伸縮を許容し、それ故前記角柱セルが効率的な熱伝達のため前記平板との密な接触を維持する請求項１７に記載された組電池。
  19. 前記装置は、各前記角柱セルの前記隆起部分を実質的にカバーする拡張可能な材料層によりさらに画定された請求項１８に記載された組電池。
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