JP2012256597A - 交換可能なセル素子を有する電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電池ラック内に収容される二次電池のポーチの製造方法及び交換方法及び、ラックの構成を提供する。
【解決手段】複数のポーチ３０を支持する電池ラック１００はベース部分に複数のポーチ受け入れ部３３を備えてなり、複数のポーチ受入れ部３３のそれぞれは複数のポーチ３０の少なくとも一つを受け入れるとともに機械的に支持するための取り外し可能な締結要素４０を備えてなる。ポーチ３０の中の電気化学セルと接触するために一組の電気接点素子を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は電池用の構成部材、電池の製造方法及びその方法で製造された電池に関する。特に、本発明は有用な二次電池、及び二次電池の構成部材の組み立て及び交換方法に関する。

二次電池は配電網用のシステムバッファはもちろん自動車用途のエネルギー貯蔵としてますます重要になってきており、また現代エネルギー技術での役割もますます重大となってきている。今日、高容量の二次電池は比較的費用がかかり、寿命も限定的なため二次電池の用途を限定してしまう。したがって、二次電池の寿命を長くすることがこの分野の研究開発の一つの主要な関心事である。

二次電池は通常、所望の電池容量及び/又は所望の電圧を達成するためにスタックされた複数の電気化学セルから構成される。それぞれの電気化学セルは、少なくとも二つの電極、カソード及びアノードを備えてなり、それらは例えばセパレータによって電気的に互いが隔離されている。

前記電極、カソード及びアノードはそれぞれ電流コレクター及び少なくとも一つの電気化学的に有効な電極材料を備えてなる。多くの異なる電気化学的に活性な電極材料は当技術分野で公知であり、これらは、電気化学的に活性なカソード材料又は電気化学的に活性なアノード材料の何れとしても使用できる。電気化学的に活性な電極材料は、使用される電解液及び電池の用途に応じて選択される。

複数の電気化学セルはスタック状に組み立てられ、電池ケースに搭載される。ヒートシンク、冷却及び電子装置などの付加的な構成部材は電池の状態や機能を制御するために付加される。

リチウム系電池はしばしばポーチ型のセルに基づいており、複数の薄くて柔軟な電気化学セルがパックされ、密閉されたポーチに予め組み立てられる。ポーチは通常負電極及び正電極接点を有する。ポーチは機械的に変形可能で通常電池ケースの中に固定される。

最先端の製造工程では、電気化学セル又はポーチのスタックが電池ケース又は電池モジュールに配置され、ヒートシンク、冷却システム及び電子モジュールは電池ハウジングが閉じられる前に電池スタックに取り付けられる。

国際公開第2009/073225号公報は電気化学セルのスタッキング方法及びシステムを記述しており、電気化学セルを含む複数のポーチは支持フレームの中で固定される。フレーム中のポーチは電池ケースに搭載され熱的及び電気的に接続される。

これらの公知の製造方法は電池の組み立てを速くするが、電池の交換は不可能である。

本発明は先行技術の欠点を克服することを目的とする。

本発明は複数のポーチを支持するための電池用の電池ラックを提案する。前記複数のポーチのそれぞれ一つは少なくとも一つの電気化学セルを含む。前記電池ラックは複数のポーチ受け入れ部を備えてなり、前記複数のポーチ受け入れ部のそれぞれ一つは前記複数のポーチの少なくとも一つを取り外し可能に固定して機械的に支持するための取り外し可能な締結要素を備えてなる。前記電池ラックは、ポーチがそれぞれのポーチ受け入れ部に配置されたときに、前記複数のポーチの少なくとも一つの中の少なくとも一つの電気化学セルと電気的に接触するための少なくとも一対の電気接点要素も備えてなる。前記締結要素は少なくとも一つのポーチを可逆的に取り付けるために取り外し可能である。前記締結要素によって一つ以上のポーチを簡単で効果的な方法で取り外して交換することが可能となり、有用な電池を実現することができる。これは特に二次電池に有利である。欠陥のある電気化学セルを含むポーチ又は寿命サイクルが終了したセルを含むポーチは、簡単に交換することができる。締結要素はクリックインメカニズムでよく、又はスクリューもしくは他の取り外し可能な取付又は固定手段を備えてもよい。複数の受け入れ部を備えてなる電池ラックは、ポーチの機械的な支持を可能にするベースであると考えてもよい。同時に電池ラックは少なくとも一つのポーチに機械的な支持、位置合わせ及び電気接点を提供する。

ポーチは一般的に当技術分野において公知である電池パック又は電気化学セルのパックでよく、特にリチウムイオン二次電池のパックがよい。本発明は特にホイル型ポーチ、すなわち電流コレクター及び/又は電極ホイルを有する電気化学セルを備えてなるポーチに有用である。

ポーチは機械的な安定性をポーチに与えるポーチ支持フレーム又は他のサポート構造の中に配置してもよい。これは、ホイル材料から作られたそれ自体機械的に安定でない電気化学セルを使用するときに特に有用である。支持フレーム自体の使用は当技術分野において公知である。ポーチ支持フレームが使用される場合、締結要素は、ポーチ支持フレームを受け入れるとともに機械的に支持するように構成することができる。この場合、ポーチはポーチ支持フレームに可逆的又は不可逆的に固定できる。

ポーチが支持フレームに機械的に支持されると、電池ラックが支持フレームの位置合わせをするとともに、支持フレームを機械的に支持するので、それに伴ってポーチも支持される。締結要素が支持フレームを受け入れるとともに機械的に支持し、ポーチが支持フレームによって機械的に支持されるように構成することもできる。支持フレームは単一のポーチ又は複数のポーチを支持するために使用することができる。単一のポーチ用の支持フレーム及び二つのポーチ用の支持フレームはそれ自体が当技術分野において公知である。

別法として、支持フレームの使用を省略することができ、ポーチを直接電池ラックで支持することができる。

電池ラックは剛構造から作られてよく、プラスチック、金属、他の材料又は異なる材料の組み合わせなど様々な材料で作られてもよい。電池ラックはヒートシンクを備えてもよく、ヒートシンクは少なくとも一つのポーチと熱的接触してよい。ヒートシンクにより、効率的な熱輸送及びポーチの中の電気化学セルの冷却が可能となる。

ヒートシンクは剛構造から作られてよく、複数のポーチを機械的に支持するための剛構造を電池ラックに与えることができる。この場合、受け入れ部分は複数のポーチを機械的及び安定的に支持するにはそれ自体十分強固又は安定でない構造を有する軽量の材料から作られてもよい。

電池ラックはさらに少なくとも一つのポーチの中の少なくとも一つの電気化学セルを制御するための電子回路を備えてなる。電子回路は電気化学セルの充電及び放電制御、温度制御及び他のパラメータ制御の少なくとも一つに関与することができる。一つのポーチにつき一つの電子回路が提供されるか、又は、全て若しくは複数のポーチを制御するために電子回路を使用してもよい。

電池ラックはさらに複数のポーチに接触するための複数の接点素子を備えてもよい。接点素子は異なるポーチの二つ以上の電極接点に接触するように構成することができる。これにより、ニーズによってポーチを直列又は並列に接続して電池の構成を調整することが可能になる。電気接点要素は電極接点、すなわちアノード接点又はカソード接点に可逆的に接触することができる。これにより、電池の用途が変わったときに電池を改変することもできる。

電気接点要素はバスバーとして実施することができる。電気接点要素はヒートシンクと熱的接触をしてもよい。これにより、電気接点要素からの効率的な熱輸送が可能となり、それによって一定の温度範囲で電気化学セルを保つために電気化学セルの電極からの効率的な熱輸送も可能となる。

電池ラックはさらに電気化学セル及びポーチの温度又は電池の他のパラメータを制御するための一つ以上のセンサーを備えてよい。

本発明はまた電池ラックを備えてなる二次電池に関する。二次電池はさらに電池ラックに締結された複数のポーチを備えてなる。ポーチは取り外し可能に締結され、簡単に交換することができる。これにより、複数の電池ラックのために設計し得るモジュラーバッテリーシステムが提供される。

二次電池は電池ラック及び複数のポーチを保護するハウジングを備えてもよい。

本発明はまた二次電池の製造方法に関する。この製造方法は、予め組み立てられた電池ラックを用意すること及び少なくとも一つのポーチを電池ラックに可逆的方法で取り付けることを含んでなる。ポーチは電池ラックに固定的には接続されず、電池ラックの利便性を上げるために簡単に取り外すことができるようになっている。

少なくとも一つのポーチを可逆的に取り付けることは、少なくとも一つのポーチをフレームの中に置くこと、及び、少なくとも一つのフレームを電池ラックに可逆的に取り付けることを含んでなる。

本発明はまた二次電池のポーチを交換する方法に関する。この交換方法は、ポーチが可逆的に取り付けられた電池ラックから交換すべき電気化学セルを含むポーチを取り外すこと、及び、電池ラックに取替え用のポーチを取り付けることを含んでなる。交換すべきポーチと取替え用のポーチはポーチ支持フレームによって支持されてもよい。

図1は本発明によるラックを備えた組立品を示している。 図2は反対側から見た図1のラックを示している。 図3a-3cは本発明によるラックの組立てを示している。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。ここで説明される発明の態様及び側面は単なる例示に過ぎず、請求の範囲の保護範囲を限定するものではない。本発明は請求項及びそれらと同等なものにより規定される。発明の一つの側面又は態様の特徴は本発明の異なる側面及び/又は具体例の特徴と組み合わせることができるものと理解される。
図1は電池モジュール2を示し、これは単独又は他の電池モジュールと組み合わせて一次又は二次電池中で使用することができる。電池モジュール2は電池セル及び電子部品を保護するためにハウジング内に配置され使用される。ハウジングは標準的な電池ハウジングでよく、図示されていない。

電池モジュール2は複数のポーチ20が搭載された電池ラック又はベース100を備えてなる。各ポーチ20はポーチ支持フレーム30の中に搭載される。図1に示される例では、それぞれが一つのポーチ20を備えてなる合計5つのポーチ支持フレーム30がラック100に搭載されている。この支持フレームの数はあくまで例示を目的として示されたものであり、異なる数のポーチ及びポーチ支持フレーム30をラック100に搭載することができる。ベース100に取り付けられるポーチの典型的な数は一つのポーチから約数百個のポーチにわたる。実際に使用されるポーチの数は電池の用途及び必要とされる特性によって異なる。ポーチは約1000V(ボルト)までの最終電圧及び300A(アンペア)の電流を提供するのに選択される。しかしながら、ポーチ及びセルの数は2, 4, 6又はそれ以上の因数を容易に乗じることができる。

ポーチ20は複数の電気化学セルを備えてなり、それぞれのセルは少なくとも一つのアノード、カソード及びセパレータを含んでなる。電気化学セルを備えたポーチ20自体が当業界で公知であり、本発明の開示内容ではいずれの従来のポーチを使用することができる。ポーチの代わりに、他の型の電池パック又は電気化学セルを使用してもよい。

それぞれのポーチ20は少なくとも二つの電極接点を有し、正極接点12及び負極接点14は電気化学セルのそれぞれの電極に電気的に接触している。図示の例では、電極接点12, 14の両方がポーチ20の同じラック向き側21に配置されている。電極接点を他の配置、例えばポーチの反対側に配置することもできる。

ポーチ支持フレーム30はポーチ20及び少なくとも4つの辺を囲っており、ポーチ20を機械的に安定に保持する。このようにして、ポーチはゆがみ及び他の機械的な力やダメージから保護される。しかしながら、支持フレーム30は違うように配置され、ポーチ20のある一部分だけを被覆するものであってもよい。さらに、支持フレーム30をポーチの形に適合させてもよい。支持フレーム30は電極接点を備えてよく又は備えなくてもよい。図示の例では、支持フレーム30はポーチ20に機械的な安定性を提供し、いずれの電極接点も制御も含まない。

それぞれの支持フレーム30は電池ラック100のラック要素130のポーチ受け入れ部133の中に挿入される。ラック要素130は複数のポーチ受け入れ部133を有し、それぞれのポーチ受け入れ部133は一つの支持フレーム30を取り入れて固定することができる。ポーチ受け入れ部133は支持フレーム30のフィッティング部分33に相補的な形状を有する。スクリュー40はポーチ20を含む支持フレーム30をラック要素130に固定するための締結要素として使用できる。スクリュー40をはずすと、対応するフレーム30をラック100から取り外すことができ、代替えポーチ20を有する代替えフレームを対応する受け入れ部133に挿入し、スクリュー40を使用して締結することができる。このように、欠陥のあるポーチ20を容易に交換することができる。スクリュー40以外の取り外し可能な他の締結要素を、ポーチ20をラック100に取り付けるために使用することができる。例えば、ノッチ又はスナップヒンジを使用してもよい。

図示の例では、ポーチ支持フレーム30及びポーチ20は平行に一直線に並びラック100に対して本質的に垂直である。しかしながら、ラック100に対するポーチ20を他の配置も可能である。

図2は図1の電池モジュール2を反対側から見たもので、電子装置160及びヒートシンク150を示し、これらについては図3a-3cに関連してさらに詳細に説明する。

図3aは本発明の開示内容と共に使用できるヒートシンク又は冷却装置150を示している。ヒートシンク150はヒートシンクを熱輸送手段に接続するための熱的接続部152, 153, 154, 155を有する。熱的接続部152, 153, 154, 155はヒートシンク150を通って流れることができる冷却材などの冷却媒体のための流体コネクタを備えてもよい。別法としては、接点152, 153, 154, 155は使用時に電気化学セルによって生じる熱の熱輸送のための金属接点である。ヒートシンク150はベース又はラック100のための剛性のあるバックボーンを形成する。複数の受け入れ要素133を有する受け入れ部130はラック100を形成するヒートシンク150の上に配置される。それぞれの受け入れ要素133はラック100上でフレーム30を案内し、機械的に支持して位置決めするための案内手段135を有する。さらに、ラック100上に複数の電子回路160が配置されている。電子部品は例えば、電気化学セルの温度、電流、電圧及び他のパラメータなどを制御する役を担う。他の機能を電子部品160で行ってもよい。

図3cは図3bのラック100上に配置されている複数の電気接点素子又はバスバー122, 124を表している。バスバー122, 124はラック要素130の中に配置し、ポーチの電極接点素子12及び14を有する電気接点を形成するようにしてもよい。バスバー122, 124はヒートシンク150と付加的に熱的接触をもってもよい。電気的絶縁性の熱伝導性材料を、ヒートシンク上での電気的ポテンシャルを避けるためにヒートシンク150及びバスバー122, 124との間に使用でき、その一方で、電気化学セルの効率的な冷却を得ることができる。

バスバー122, 124は異なるサイズを有することができ、また、バスバー122, 124の配置に応じてポーチ20直列又は並列に電気的に接触するように配置することができる。ポーチの電極接点12, 14を直列及び/又は並列にどのように組み合わせて接触させるかは、最終電池のニーズに応じて調整することができる。例えば、ある程度の数のポーチ20をグループ化し、容量を増やすためにこのグループの全てのポーチ20を並列に電気的に接続することは有益であろう。それから、いくつかのポーチのグループを要求に応じて電池の各目上の電圧を増やすために直列に接続してもよい。バスバー122, 124はポーチ20を接続するいかなる形態に対しても使用することができる。各目上の電圧を増やすためにグループの全てのポーチ20をひとまとめにして電気的に直列に接続することも可能であるし、直列及び並列をどのように組み合わせでポーチを接続してもよい。もし電池の寿命中に電池の必要条件又は用途が変わったら、必要であればバスバーを異なる配置に並べかえることもできる。このようにして、電池は異なる用途に適合でき、異なる各目上の電圧を得ることができる。

ラック100のアイテムを再調整又は交換するためにポーチ20を取り除くことができることは有利な点である。これは二次電池の寿命を延長するために各部品を容易に交換することができる有用な電池モジュールを可能にする。電池の全てのポーチを、例えば寿命の最後に交換し、この新しいポーチとともにベースを再利用することができる。

ラック要素130の各ポーチ受け入れ部133はバスバー122, 124の固定に利用できる開口112, 114を備えてなる。ラック要素130上にバスバー122, 124を配置するために、スナップインメカニズム、スクリュー又は他のリバーシブルな固定手段を使用することができる。

本発明の様々な態様を上記してきたが、それらは単なる例示の提供に過ぎず、イミテーションではない。当業者にとって、本発明の範囲を逸脱することなく細部について様々な変更や変形を行い得ることは正に明らかである。したがって、本発明は上記の例示的態様の何れによっても限定されるべきではなく、下記の請求項およびその均等物によってのみに従って規定されるべきである。

Claims (12)

1. 少なくとも一つの電気化学セルを含むポーチ(20)の複数を支持する電池ラック(100)であって、
   ‐それぞれのポーチ(20)を取り外し可能に固定して支持する取り外し可能な締結要素(40)を有する複数のポーチ受け入れ部(133)、及び
   ‐前記ポーチ受け入れ部(133)中に配置された前記複数のポーチの少なくとも一つの中の少なくとも一つの電気化学セルと電気的に接触するための少なくとも一対の電気接点要素(122, 124) 、
   を備え、前記ポーチ(20)はポーチ支持フレーム(30)に配置され、前記締結要素(40)は前記ポーチ支持フレーム(30)を受け入れるとともに、機械的に支持するように構成されている、電池ラック。
2. 前記電池ラック(100)は、前記ポーチが前記電池ラック(100)に取り付けられているとき、前記複数のポーチ(20)の少なくとも一つの中の前記少なくとも一つの電気化学セルの少なくとも一つの電極と熱接触するヒートシンク(150)を備えてなる請求項１に記載の電池ラック(100)。
3. 前記ラック要素(130)及び前記ヒートシンク(150)は共に剛構造を形成する請求項２に記載の電池ラック(100)。
4. 前記電池ラック(100)は前記少なくとも一つの電気化学セルを制御するために少なくとも一つの電子回路(160)を備えてなる請求項１乃至３の何れか１項に記載の電池ラック(100)。
5. 少なくとも一つの電気接点要素(122, 124)が前記複数のポーチの少なくとも二つのうちの少なくとも一つの電気化学セルと電気接触している請求項１乃至４の何れか１項に記載の電池ラック(100)。
6. 前記電池ラック(100)はさらに少なくとも一つのセンサーを備えてなる請求項１乃至５の何れか１項に記載の電池ラック(100)。
7. a．請求項１乃至６の何れか１項に記載の少なくとも一つの電池ラック(100)、及び
   b．前記少なくとも一つの電池ラック(100)に固定された複数のポーチ(20)、
   を備えてなる二次電池。
8. さらにハウジングを備え、前記ハウジングの中に前記少なくとも一つの電池ラック(100)及び前記複数のポーチ(20)が配置されている請求項７に記載の二次電池。
9. a．請求項１乃至７の何れか１項に記載の予め組み立てられた電池ラック(100)を用意すること、
   b．少なくとも一つのポーチ(20)を前記電池ラック(100)に可逆的に取り付けること、
   を含み、前記少なくとも一つのポーチ(20)を前記電池ラック(100)に可逆的に取り付けることは、前記少なくとも一つのポーチ(20)をポーチ支持フレーム(30)中に配置し、前記ポーチ支持フレーム(30)の少なくとも一つを前記電池ラック(100)に可逆的に取り付けることを含む二次電池の製造方法。
10. 前記少なくとも一つのポーチ(20)を前記予め組み立てられた電池ラック(100)に前記可逆的に取り付けることは、電気接触を確立すること、熱接触を確立すること、及び、電池ラック(100)によって少なくとも一つのポーチ機械的に支持することの少なくとも一つを包含する請求項９又は１０に記載の二次電池の製造方法。
11. さらに、少なくとも一つの電気接点要素(122, 124)が二つ以上のポーチ(20)の二つ以上の電極接点(12, 14)に電気接触するように前記電気接点要素(122, 124)を配置することを含む請求項９乃至１１の何れか１項に記載の二次電池の製造方法。
12. a．請求項１乃至７の何れか１項に記載の可逆的にポーチが取り付けられた電池ラック(100)から交換すべき電気化学セルを含むポーチ(20)を取り外すこと、
    b．前記電池ラック(100)に取替え用のポーチを取り付けること、
    を含み、前記少なくとも一つのポーチ(20)及び前記取替え用のポーチ(20)がポーチ支持フレーム(30)中に配置され、前記ポーチ支持フレーム(30)は取り外し可能な機械的固定具を備えてなる二次電池の電気化学セルの交換方法。

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