JP2011529245A - 車両用バッテリーのためのバッテリー冷却 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の基礎とする課題は、個別セルの冷却を改善するバッテリーを提供することである。
【解決手段】本発明は、バッテリーを温度調整するための冷却装置（３）を備えるバッテリーであって、並列および／または直列にセル接続体（２、２’）により相互に接続された複数の個別セル(１)を有するバッテリーに関する。本発明によれば、個別セル（１）がセル接続体（２、２’）によって、プリロード可能に冷却装置（３）に固定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリーハウジングと、バッテリーを温度調節するための冷却装置とを備えるバッテリー装置に関するものであり、このバッテリーは並列および／または直列にセル接続体により相互に接続された複数の個別セルを有する。

通例、自動車、とりわけハイブリッド駆動部を備える自動車または燃料電池車両に使用するためのバッテリーは、電気的に直列および／または並列に接続された複数の個別セル（個別電池とも称する）、例えばリチウムイオン電池を有する。

個別セルは、発生する損失熱を排熱するために冷却しなければならない。このために、個別セルと熱的に結合した冷却装置が使用される。

個別セルのいわゆるヘッド冷却の際には、冷却装置が個別セルの電気極接点がある極側に配置され、これらの個別セルはセル接続体により電気的に相互に接続されている。

この種のバッテリーはとりわけ、特許文献１、特許文献２、特許文献３、および特許文献４に開示されている。

特許文献１では、冷却装置が、冷却剤の通流可能な冷却パイプとして構成され、この冷却パイプが個別セルと、これらの間に配置されたヒートプレートを介して熱伝導接続されたバッテリーが提案されている。

特許文献２で提案されたバッテリーでは、冷却装置が、個別セルの極側に配置されたヒートプレートとして構成されており、このヒートパイプが個別セルの冷却のために個別セルの極接点のセル接続体と熱接触している。

特許文献３に提案されたバッテリーでは、冷却装置が、変形可能な伝熱材料からなる冷却ベローとして構成されている。この冷却ベローは、複数に褶曲して個別セルの周囲に置かれ、熱伝達媒体が通流可能であり、この熱伝達媒体を介して熱を個別セルから排熱することができる。

特許文献４から、冷却装置が多数の冷却チャネルを有するバッテリーが公知である。ここでは個別セルを冷却するために、個別セルの極接点と、これを電気的に接続するセル接続体が冷却チャネル内に配置されており、冷却チャネルを通流するガスによって対流冷却が可能である。セル接続体は、その冷却可能な表面を拡大するために、好ましくは冷却チャネルへ伸長する冷却フィンを有する。セル接続体は、極接点を冷却チャネルの壁に固定する雌ねじ用の下敷きエレメントとして構成されていることによって、同時に個別セルの固定にも用いられる。

米国特許第６５１２３４７号明細書 独国特許発明第１０００３７４０Ｃ１号明細書 独国特許出願公開第６０２１３４７４Ｔ２号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１７４０９２号明細書

本発明の基礎とする課題は、個別セルの冷却を改善したバッテリーを提供することである。

この課題は本発明により、請求項１に記載の特徴を有するバッテリーによって解決される。

本発明の有利な実施形態は、従属請求項の対象である。

バッテリーハウジングを備えるバッテリーは、本発明によれば並列および／または直列にセル接続体により相互に接続された複数の個別セルを含み、これらの個別セルは冷却装置に、セル接続体によってプリロード可能（予圧がかけられるよう）に固定されている。

ヘッド冷却を行う公知のバッテリーでは通例、極接点にそれぞれ及ぼされる力によって個別セルが冷却装置と接続されている。これに対して本発明では、個別セルがセル接続体のプリロード可能な接続を介して冷却装置に固定可能であり、このセル接続体は個別セルの極接点上に、または極接点に形状結合および力結合するよう配置されており、したがって極接点に支持されている。とりわけ個別セルは、負荷可能なセル接続体を介して、冷却装置に例えば冷却装置の下側に押圧される。このためにもたらすべき引張力が、ここではセル接続体を介して個別セルに導かれ、これにより極接点は機械的に負荷軽減される。個別セルを冷却装置に直接押し付けることによって、個別セルの冷却と、個別セルのセル接続体の安定性が改善される。加えて冷却装置と個別セルのプレス接合における持続的なプリロードが、バッテリーの寿命にわたって生じる。

１つの可能な実施形態では、個別セルと冷却装置をプリロード可能に接続するためのセル接続体が弾性に、とりわけバネ弾性に構成されている。プリロード可能な接続をこのように構成することは、セル接続体を例えばネジを用いて相応に締め付けることによって、各個別セルに対するプリロードを個別に調整できるという利点を有する。これによりとりわけ有利に、製造に起因する個別セルの寸法差を調整することができる。

可能な１つの実施形態では、セル接続体がオメガ字状またはループ形状の縦断面を有する。ここでは、オメガ脚部からＯ字形または円形のオメガエレメントまでの間隔と、Ｏ字形または円形のオメガエレメントの空隙の高さによって、プリロードの大きさが決定される。例えばセル接続体は極接点の上に、これがバッテリーの縦断面ではヘッド上に起立するオメガとなり、そのオメガ脚部が、隣接する個別セルの極接点に固定されており、その円形のオメガエレメントが個別セルの端面側で形状結合し、取り付けられた状態では力結合して当接するように配置されている。

さらにセル接続体の高さは、それぞれの個別セルの極接点の、冷却装置から突き出る高さよりも大きいことが適切である。セル接続体を個別セルの極接点に取り付ける際には、セル接続体が冷却装置を、有利には個別セルの結合部に対して押し付け、これにより冷却装置とセル結合体との間の熱伝導接触が改善されるようにセル接続体がプリロードされる。

セル接続体が冷却装置と接触することによって、さらに有利には、個別セルで形成された損失熱の一部が、個別セルの極接点を介し、かつこの極接点に配置されており、冷却装置に当接するセル接続体を介して冷却装置に伝達される。

択一的な実施形態では、それぞれ１つのセル接続体に、弾性エレメントがそれぞれ１つ設けられている。言い替えると、セル接続体は、このセル接続体配置されており、個別セルの端面側の方向に配向された付加的な弾性エレメントを有する。

簡単で迅速な取付けのために、とりわけＳ字状の弾性エレメントが、形状結合および力結合して、とりわけ係止して対応するセル接続体に配置可能であり固定可能である。

冷却装置に対して電気絶縁するために、それぞれの弾性エレメントが少なくとも電気絶縁性の材料、例えばプラスチックから形成される。さらにそれぞれの弾性エレメントには、少なくとも耐熱性がある。

好ましくは冷却装置は、個別セルと熱伝導接触したヒートプレートである。これにより、バッテリーの、簡単で、構造空間を節約した構造が可能である。

セル接続体が弾性に構成されていることにより、このセル接続体はヒートプレートを、個別セルに対して簡単なやり方で押し付ける。

本発明の改善形態では、セル接続体が、ヒートプレートとして構成された冷却装置と熱伝導接触している。熱伝導を改善し、冷却装置をセル接続体に対して電気絶縁するために、本発明の有利な実施形態では冷却装置の上に、とりわけセル接続体の方向で上側に、電気絶縁された伝熱シートが配置されている。

冷却装置、とりわけヒートプレートは、個別セルの極接点の領域にこの極接点を引き込むための孔部および／または切込みを有するのが適切である。伝熱シートも極接点を引き込むために、切欠部を有するのが適切である。

付加的に、ヒートプレートと個別セルとの間に、熱伝導性で電気絶縁性の形状体を配置することができる。この形状体はとりわけ、個別セルの極接点の電気絶縁に用いられる。

最適の排熱のために、ヒートプレートは、チャネル構造体を通流する冷却剤のためのチャネル構造体を有することができる。例えばこのチャネル構造体は、車両のエアコン装置のクーラー循環路または冷却循環路に接続されており、冷却剤として例えば冷風またはエアコン装置の冷媒がヒートプレートのチャネル構造体を通流する。これにより冷却剤を介して、ヒートプレートに伝達される個別セルの損失熱をバッテリーから導くことができる。

さらにそれぞれの個別セルは好ましくはハニカム状のケースを有しており、このハニカム状のケースが電気絶縁性で、とりわけ良好な熱伝導性の材料から形成されてることにより、同様に最適の冷却が可能になる。

バッテリーは好ましくは車両バッテリー、とりわけハイブリッド駆動部を備える車両用のバッテリーまたは燃料電池車両用のバッテリーである。

本発明の実施例を、図面に基づき詳細に説明する。

平行に並置された個別セルの列を示す斜視図であり、個別セルは端面側でオメガ字状のセル接続体によって冷却装置にプリロードされて固定されている。 個別セルの列に対する別の実施例の分解図であり、個別セルはオメガ字状のセル接続体によって冷却装置にプリロードされて固定されている。 図１の個別セルの列の概略的縦断面図である。 オメガ字状のセル接続体に対する実施例を示す斜視図である。 平行に並置された個別セルの列の、本発明の択一的実施形態を示す斜視図であり、個別セルは端面側で、従来のセル接続体とこのセル接続体に配置することのできる弾性エレメントによって、冷却装置にプリロードされて固定されている。 図５の個別セルの列の概略的縦断面図である。 セル接続体に固定することのできる弾性エレメントに対する実施例を示す斜視図である。

すべての図面において相互に対応する部分には、同じ参照符合が付してある。

図１は、平行に並置された個別セル１の列を、概略的斜視図に示す。ここでは個別セル１のこのような複数の列を１つのセル結合体に接続することができ、このセル結合体は詳細に図示しないバッテリーを形成する。

隣接する個別セル１は極側で、セル接続体２によって直列および／または並列に相互に電気絶縁されている。このためにセル接続体２は、個別セル１の極接点１．１を隣接する個別セル１の極接点１．２と相互に電気接続する。ここで電気接続の形式−直列または並列−に応じて、同じ極性の極接点１．１、１．１または異なる極性の極接点１．１、１．２を相互に接続することができる。

個別セル１は冷却のために、端面側または極側で冷却装置３に、プリロード可能に固定されており、とりわけ押し付けられている。個別セル１は、冷却装置３の下方ではこれに配置されており、冷却装置３の上方では極接点１．１、１．２を介してセル接続体２によって相互に導電接続されている。

個別セル１はさらに、それぞれハニカム状の熱伝導性のセルハウジング１．３を有し、これにより熱を冷却装置３に導くことができる。

ここでそれぞれの個別セル１の極接点１．１、１．２は、冷却装置３を通って引き出されている。極接点１．１、１．２には、異なる電位（＝個別セル１のプラス極とマイナス極）が掛かっている。

冷却装置３は、ヒートプレート（冷却プレートとも称する）として実施されている。冷却装置３にはチャネル構造体３．１を設けることができ、このチャネル構造体３．１を通して冷却剤、例えばエアコン装置のクーラー循環路の冷媒を導くことができる。冷却装置３、とりわけヒートプレートに伝達された、個別セル１の損失熱を、冷却剤を介してバッテリーから導くことができる。

付加的に、セル接続体２と冷却装置３との間に、熱伝導性で電気絶縁性の伝熱シート４を配置することができる。伝熱シート４は択一的にマットとして構成することもできる。

個別セル１を冷却装置３に簡単かつ確実にプリロードして接続するために、セル接続体２は弾性に構成されている。好ましくはこれらはバネ弾性に実施されている。

図１には、弾性のセル接続体２に対する可能な実施例が示されている。これらは、側方のオメガ脚部２．１と中央の円形またはＯ字状のオメガエレメント２．２により、オメガ字状またはループ状に実施されている。実施例でセル接続体２は、別個の個別エレメントである。択一的に、これらをいわゆる１つのセル接続体ボードに組み込むことができ、このセル接続体ボードには例えばセル電圧監視および／またはセル電圧調整のための電気構成部材が組み込まれている。このようなセル接続体２が組み込まれたセル接続体ボードにより、とりわけ組み立てが簡単になる。

ここでは、オメガ脚部２．１からＯ字形または円形のオメガエレメント２．２までの間隔と、Ｏ字形または円形のオメガエレメント２．２の空隙の高さによって、プリロードの強さが決定される。例えばセル接続体２は、隣接する個別セル１の極接点１．１、１．２の上に配置されており、セル接続体２が個別セル１の縦断面ではヘッド上に起立するオメガとなり、そのオメガ脚部２．１が、隣接する個別セル１の極接点１．１、１．２に固定されており、その円形のオメガエレメント２．２が隣接する個別セル１の端面側で形状結合し、取り付けられた状態では力結合して当接するようになされている。

セル接続体２のこの種のオメガ形状によって、個別セル１が冷却装置３にプリロード可能に固定される。

図２は、個別セル１の列に対する別の実施例を分解図に示す。

付加的にこの実施例では、冷却装置３と個別セル１との間に、熱伝導性で電気絶縁性の形状体５を配置することができる。形状体５は、それぞれの個別セル１の極接点１．１と１．２を電気絶縁するために用いられ、極接点１．１、１．２に対応する切欠部５．１、５．２を有する。形状体５は少なくとも部分的に、冷却装置３の切取り部３．２まで伸長している。切欠部５．１、５．２と切取り部３．２を通して、極接点１．１と１．２、ならびにこれに装着可能な固定エレメント６、例えばネジまたはリベットを案内することができる。

組み立てられた状態で、したがって個別セル１を冷却装置３にプリロードして接続するために、固定手段６が、セル接続体２のオメガ脚部２．１の孔部２．３に、ならびに伝熱シート４の貫通開口部４．１、冷却装置３の切取り部３．２、ならびに形状体５の切欠部５．１、５．２を通って対応する極接点１．１、１．２に装着され、そこでネジ留めまたはクリップ留めされる。このために極接点１．１、１．２は、対応する内ネジまたは内側ノッチを有する。固定手段６を締め付けることにより、例えばネジを極接点１．１、１．２の内ネジにねじ込むことにより、それぞれの個別セル１が冷却装置３に押圧される。極接点１．１、１．２に例えばネジ留めによって固定されたオメガ字状のセル接続体２によって、十分な弾性変形が長手方向に達成され、したがってプリロードが達成される。

図３は、図２の個別セル１の列の概略的縦断面図である。

ここで第１の極接点１．１はそれぞれの個別セル１のセルハウジング１．４から、極接点１．１が絶縁性のパッキン７を介してセルハウジングカバー８に固定されることによって電気絶縁されている。

パッキン７を保護するために、パッキンの上にワッシャー９が配置されており、これは好ましくは金属製である。さらに第１の極接点１．１は、ワッシャー９の上方領域でリベット状に成形されており、これにより第１の極接点１．１を中心にリング状に周回する突出部１０が形成される。この突出部１０はワッシャー９の上に載置され、これにより第１の極接点１．１がセルハウジングカバー８内に確実に支持される。

第２の極接点１．２はセルハウジング１．４、およびとりわけセルハウジングカバー８と導電接続している。

図３の図示に基づいて分かるように、オメガ字状のセル接続体２は、冷却装置３から突き出るそれぞれの個別セル１の極接点１．１、１．２の高さよりも大きな高さｈを有する。セル接続体２を極接点１．１、１．１に取り付ける際には、セル接続体が冷却装置３を、有利には個別セル１の結合部に対して押し付け、これにより冷却装置３とセル結合体との間の熱伝導接触が改善されるように弾性のセル接続体２がプリロードされる。付加的にこのプリロードを、図示しないバッテリーカバーをセル結合体の上側に取り付けることにより支援することができる。

図４は、オメガ字状のセル接続体２に対する実施例の詳細を斜視図に示す。セル接続体２３は、中央の円形オメガエレメント２．２を有し、このオメガエレメント２．２からは２つのオメガ脚部２．１が側方に延びている。オメガ脚部２．１には孔部２．３が取り付けられており、その形状は固定手段６のシャフトの形状に対応しており、その横断面は固定手段６のシャフトの横断面よりも大きい。

図５は、平行に並置された個別セル１の列を備える本発明の択一的実施形態を斜視図に概略的に示すものであり、個別セル１の極接点１．１と１．２が端面側で、従来のセル接続体２’、例えば単純な長手の金属板によって相互に導電接続されている。

上にオメガ字状のセル接続体２に基づいて詳細に説明したように、個別セル１を冷却装置３にプリロードして接続するために、従来のセル接続体２’に弾性エレメント１１を付加的に配置することができる。実施形態に応じて、セル接続体２と弾性エレメント１１は別個の構成エレメントとすることができる。択一的にこれらは、１つの形状部材として構成されてもよい。

図６は、図５の個別セル１の列を縦断面図で概略的に示し、図７は、セル接続体２’に固定可能な弾性エレメント１１に対する実施例を概略的に斜視図に示す。

弾性エレメント１１は、長手伸長方向に弾性のプロフィール構造体１１．１、例えばＳ字形のプロフィール構造体を有する。この弾性プロフィール構造体１１．１により、上に説明したように個別セル１を冷却装置３にプリロードして接続することができる。弾性エレメント１１をセル接続体２’に固定するために、弾性エレメント１１は、例えばロックフック１１．２または適切な解除可能手段を含む。

弾性エレメント１１が少なくとも電気絶縁性のプラスチック製であれば適切であり、好ましくは耐熱性の熱伝導材料から形成される。

１ 個別セル
１．１、１．２ 極接点
１．３ セルハウジング
２ セル接続体
２．１ オメガ脚部
２．２ オメガエレメント
２．３ 孔部
２’ 従来のセル接続体
３ 冷却装置
３．１ チャネル構造体
３．２ 切取り部
４ 伝熱シート
４．１ 貫通開口部
５ 形状体
５．１ 切欠部
６ 固定手段
７ パッキン
８ セルハウジングカバー
９ ワッシャー
１０ 突出部
１１ 弾性エレメント
１１．１ プロフィール構造体
１１．２ ロックフック
ｈ セル接続体の高さ

Claims (18)

1. バッテリーを温度調整するための冷却装置（３）を備えるバッテリーであって、該バッテリーは並列および／または直列にセル接続体（２、２’）により相互に接続された複数の個別セル(１)を有し、
   個別セル（１）がセル接続体（２、２’）によって、プリロード可能に冷却装置（３）に固定されている、ことを特徴とするバッテリー。
2. セル接続体（２）は弾性、とりわけバネ弾性に構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリー。
3. セル接続体（２）はオメガ字形の長手方向断面を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリー。
4. セル接続体（２）の高さ（ｈ）は、冷却装置（３）から突き出る、それぞれの個別セル（１）の極接点（１．１、１．２）の高さよりも大きい、ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリー。
5. それぞれ１つのセル接続体（２’）に弾性エレメント（１１）が１つ設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリー。
6. Ｓ字状のそれぞれの弾性エレメント（１１）が、形状結合および力結合して、対応するセル接続体（２’）に、係止して取り付けられている、ことを特徴とする請求項５に記載のバッテリー。
7. それぞれの弾性エレメント（１１）は、少なくとも電気絶縁性のプラスチックから形成されている、ことを特徴とする請求項５に記載のバッテリー。
8. それぞれの弾性エレメント（１１）は、少なくとも耐熱性である、ことを特徴とする請求項５に記載のバッテリー。
9. 冷却装置（３）は、個別セル（１）と熱伝導接触したヒートプレートである、ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリー。
10. セル接続体（２、２’）は、個別セル（１）に対してヒートプレートを押し付ける、ことを特徴とする請求項９に記載のバッテリー。
11. セル接続体（２、２’）は、ヒートプレートと熱伝導接触している、ことを特徴とする請求項９に記載のバッテリー。
12. ヒートプレートは、個別セル（１）の極接点（１．１、１．２）の領域に、極接点（１．１、１．２）を引き込むための孔部および／または切込みを有する、ことを特徴とする請求項９に記載のバッテリー。
13. セル接続体（２、２’）とヒートプレートとの間には、電気絶縁性の熱伝導シート（４）が配置されている、ことを特徴とする請求項９に記載のバッテリー。
14. 熱伝導シート(４)は、極接点（１．１、１．２）を引き込むための切欠部（４．１）を有する、ことを特徴とする請求項１３に記載のバッテリー。
15. ヒートプレートと個別セル（１）との間に、熱伝導性で電気絶縁性の形状体（５）が配置されている、ことを特徴とする請求項９に記載のバッテリー。
16. ヒートプレートは、チャネル構造体（３．１）を通流する冷却剤のためにチャネル構造体（３．１）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。
17. それぞれの個別セル（１）は、ハニカム状のケースを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリー。
18. バッテリーは、車両バッテリーとして、とりわけハイブリッド駆動部を備える車両または燃料電池により駆動される車両に使用することができる、ことを特徴とする請求項１から１７までのいずれか１項に記載のバッテリー。

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