JP2012515418A - 電池システム用の2種類の金属で成るバスバー・ジャンパ及び関連した溶接方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この出願は、2009年1月12日に出願された「拡張縮小可能な構造を備えたプリズム状電池モジュール」と題する米国仮出願第61/143,976号;2009年12月1日に出願された「電池システム用の2種類の金属で成るバスバー・ジャンパ」と題する米国特許出願第12/628,780号;2009年12月1日に出願された「電池端子を溶接する方法」と題する米国特許出願第12/628,699号、に基づく優先権を主張するものであり、それらの内容全体は、参照することによりここに組み込まれる。
・2009年12月1日に出願された「拡張縮小可能な構造を備えた角柱状(プリズム状:prismatic)電池モジュールの構造」と題する米国特許出願第12/628,733号
・2009年12月1日に出願された「電池用の安全ベント機構」と題する米国特許出願第12/628,713号
・2009年12月1日に出願された「拡張縮小可能な構造を備えたプリズム状電池モジュール」と題する米国特許出願第12/628,809号
・2009年12月1日に出願された「電池セル用ヒューズ」と題する米国特許出願第12/628,796号
・2009年12月1日に出願された「電池システム用のバスバー支持体およびその使用方法」と題する米国特許出願第12/628,786号
本発明は、電池モジュール、及び電池モジュールを製造するための拡張縮小可能な構造に関する。
また、前記2種類の金属で成るバスバーは、少なくとも前記第1及び第2の屈曲部の範囲内に表面処理部を含んでおり、該処理部は、前記2種類の金属で成るバスバーの反射性を低減する役割を果たし、幾つかの実施形態では、前記処理部は、ニッケル及び錫の一つ若しくはそれ以上のコーティングで成っている。
前記第1セグメントは打ち抜き形成され、前記第2セグメントは押出形成されており、幾つかの実施形態では、前記第1セグメントは主として銅で製作され、前記第2セグメントは主としてアルミニウムで製作されている。また、前記第1セグメントと前記第2セグメントの少なくとも一方は押出形成されている。前記第1セグメントは、超音波溶接によって前記第2セグメントに接合されている。
これらの実施形態の幾つかにおいては、前記配線用クリップは一つ若しくはそれ以上の歯部を有しており、前記配線用クリップは、少なくとも一部において、前記バスバーに食い込む一つ若しくはそれ以上の歯部により、前記バスバーの前記第1セグメントに対して所定の位置に保持され、一方、他の実施形態においては、前記配線用クリップは締まり嵌め構造を備えて設計されており、前記配線用クリップは、少なくとも一部において、前記締まり嵌めにより、前記バスバーの前記第1セグメントに対して所定の位置に保持される。幾つかの実施形態では、前記配線用クリップはU字状の側面形状を有しており、一方、他の実施形態においては、前記配線用クリップはW字状の側面形状を有している。
これらの実施形態の幾つかにおいては、前記第1セグメントは打ち抜き形成され、前記第2セグメントは押出形成される。これらの或る実施形態の他のものにおいては、前記第1セグメントは主として銅で製作される一方、前記第2セグメントは主としてアルミニウムで製作され、これらの実施形態は、前記第1セグメントと前記第2セグメントの少なくとも一方は押出形成されるものを含んでいる。
これらの或る実施形態の更に他のものにおいては、前記電池端子を前記チャンネル内に位置決めする前記ステップは、前記電池セルを放熱板に取り付けるステップと;バスバー支持体を前記放熱板に取り付けるステップと;前記バスバーを前記バスバー支持体に取り付けるステップと、を備えている。
或る実施形態では、前記バスバーを前記電池セル端子に取り付けるに先立って、配線用クリップを前記バスバーに固定するステップを更に備えており、当該実施形態は、前記配線用クリップを前記バスバーに固定するに先立って、ワイヤを前記配線用クリップに取り付けるステップを更に備えてもよく、加えて、前記ワイヤは、超音波溶接を用いて前記配線用クリップに取り付けられてもよい。
これらの実施形態の幾つかにおいては、前記第1セグメントは打ち抜き形成され、前記第2セグメントは押出形成されている。これらの或る実施形態の他のものにおいては、前記第1セグメントは主として銅で製作され、前記第2セグメントは主としてアルミニウムで製作されており、また、これらの実施形態は、前記第1セグメントと前記第2セグメントの少なくとも一方が押出形成されているものを含んでいる。これらの或る実施形態の更に他のものは、前記放熱板に取り付けられたバスバー支持体を更に備え、前記バスバーは前記バスバー支持体に取り付けられている。
セル・サブアッセンブリ30は、圧力板50及び帯状体(バンド:band)51によって一つに纏められている。圧力板50は、電池モジュールのための取付機構としての役割を果たし、1つ若しくはそれ以上の取付通路52を包含しており、電池モジュール10を、例えば、様々の方位において、電池パック・エンクロージャ内に取り付け、或いは電池ステーションの棚部(ラック:rack)上に取り付けるための、ハードウェア(不図示)を受容できるようにしている。
個々の電池セルは、(以下に説明する)母線(バスバー:busbar)によって、並列に及び/又は直列に電気的に接続されている。バスバーは、セルをお互いに及び電池の端子に接続するもので、その全てが電池モジュールの片側にある。電池モジュール10のこの側は、1つ若しくはそれ以上のバスバー・カバー40で覆われている。
図3は、プリズム状電池セル300を示している。プリズム状セルは、上面306及び底面307(視認できない)の2つの広い平坦面を有しており、これら平坦面は、基本的に互いに平行で、機械的保持とモジュール内部の熱的管理のために用いられる。
セルの覆い(エンクロージャ)は、「小袋(ポーチ:pouch)」と呼ばれるかも知れない。というのは、エンクロージャは、折り畳まれ接合されて、費用効率の高い、周囲に対して密閉されたハウジング(housing)を構成する、非剛体の柔軟なシート(フレキシブル・シート:flexible sheet)だからである。ポーチの材料は、両面に高分子化合物の被覆(ポリマー・コーティング:polymer coating)が施された薄いアルミニウム箔(フォイル:foil)である。ポーチは、シール境界(seal boundary)303を与える底縁部で折り畳まれている。
ポリマー・コーティングされたポーチは、2つの側部で熱的に接合されたフランジ部を形成し、それらは2つの更なるシール境界304及び305を構成する。この配置構成は、正味性能の低下を伴うことなく、モジュールの物理的体積を低減するものである。側部フランジ部の寸法は、長期間にわたる頑健性を確保するように選定される。セルの側部フランジ部はコンパクトな幅を構成するために折り畳まれる。
端子は中心軸線315に関して対称に位置しており、また、端子は、好ましくは、電池セルの中央面にある。従って、電池セル300は、中心軸線315を中心にして180度「反転」される(flipped)ことができ、その結果、各端子は、(セル端子を含む縁部に面した、軸線315に沿ってセルを視認することに関して)セルを「反転(flipping)」させる前は逆性の端子が保持されていたのと同じ位置になる。この対称性は、負極が(中心軸線315に沿って見て)左側または右側の何れにあるかを考慮することなく、1個が一連のセルに積み重なることができるようにし、何れの方位においても、結果として得られた端子の列が各々真っ直ぐな列として並び、従って、互いに容易に相互結合されることができる。
特に、電池モジュールは、(1)隣接した電池セルの同じ左側/右側の端子が同じ極性または逆の極性の何れかを有するように、電池セルを選択的に指向させること、及び(2)これら隣接した端子が、直列構造を形成する逆極性の端子間の接続と並列構造を形成する同一極性の端子間の接続とを備えた、(以下に説明する)バスバー要素(busbar component)を用いること、により、直列接続および並列接続の異なる組み合わせを備えて、構成されることができる。
セルの化学的性質と内部構造のために、負極の材料は銅であり、正極の材料はアルミニウムである。端子の長さは、他の市販の設計のものに比して短くなっている。コンパクトな端子を用いる機会については、「バスバー要素」と題した項目において明確にされる。説明目的のために、補足的な負の記号および正の記号が、図3のセルに追記されている。
ジッパヒューズのスロット穴310及び円形穴311の幾何学形状,数および位置は、当該ヒューズが、隣接するセルへの、或いは可能性があるモジュール内の全てのセルへの、カスケード損傷モード(cascading failure mode)を防止する、所定の時間的期間内で作動するように、選定される。特に、ヒューズのスロット穴は、電流の「ホットスポット(hot spot)」を当該穴部の周囲領域の付近に集中させることにより、ヒューズ活性化の一貫したパターンを確保し、前述の領域内でヒューズ活性化が始まることを助長するのに役立つ。スロット穴に加えて円形穴を用いることは、とりわけ、ヒューズ活性化に先立って構造的な完全性を維持するのに役立つ。
スロット穴と円形穴の平行な2つの列の位置調整は、列と列との間に、端子の残余部分から部分的に熱的遮蔽された領域312を形成し、そのことは、ヒューズ活性化中に生じた熱を集中させて、活性化をより完全で一貫性があるものにする助けとなる。
図5は、サブアッセンブリ30a及び30bを含む一群のセル・サブアッセンブリを示している。サブアッセンブリ30aには、やはり2つの広い平坦面を有する電池セル300aと同様に、2つの広い平坦面を有する放熱板(ヒートシンク:heat sink)400aがある。電池セル300aは、当該電池セル300aの第2の広い平坦面が放熱板400aの第1の広い平坦面に隣接するように、放熱板400aに対して隣接して取り付けられている。
サブアッセンブリ30aは、また、2つの広い平坦面を有する柔軟性のある当て物(柔軟パッド:compliant pad)401a、及び2つの広い平坦面を有する第2の電池セル310aを包含している。柔軟パッド401aは、電池セル310aの第1の広い平坦面が当該柔軟パッド401aの第2の広い平坦面に隣接するように、電池セル300aに対して隣接して取り付けられている。柔軟パッド401aは、また、当該柔軟パッド401aの第1の広い平坦面が第2の電池セル310aの第2の広い平坦面に隣接するように、電池セル310aに対して隣接して取り付けられている。
この配置は、電池セル,放熱板,もう一つの電池セル及び柔軟パッドの「カセット(cassette)」構造の後に、電池セル,放熱板,もう一つの電池セル及び柔軟パッドの別のグループなどが続く、繰り返しのカセット構造を形成している。柔軟パッド401aは、使用中にセルが膨張/収縮できるようにするだけでなく、サブアッセンブリが圧力板の間に互いにバンドで縛られた場合に、サブアッセンブリ間に圧力を分散させるのに役立つ。
同様に、サブアッセンブリ30bは、サブアッセンブリ30aに隣接して取り付けられている。サブアッセンブリ30bには、やはり2つの広い平坦面を有する電池セル300bと同様に、2つの広い平坦面を有する放熱板400bがある。放熱板400bは、電池セル310aの第1の広い平坦面が当該放熱板400bの第2の広い平坦面に隣接するように、電池セル310aに対して隣接して取り付けられている。電池セル300bは、当該電池セル300bの第2の広い平坦面が放熱板400bの第1の広い平坦面に隣接するように、放熱板400bに対して隣接して取り付けられている。
サブアッセンブリ30bは、また、2つの広い平坦面を有する柔軟パッド401b、及び2つの広い平坦面を有する第2の電池セル310bを包含している。柔軟パッド401bは、電池セル300bの第1の広い平坦面が当該柔軟パッド401bの第2の広い平坦面に隣接するように、電池セル300bに対して隣接して取り付けられている。
サブアッセンブリは、それ自体を事前組み立てし、その後に、サブユニット(sub-unit)として一緒に電池モジュールの主スタック内に組み込まれてもよく、或いはそうでなくてもよい。主スタックの組立は、全ての電池セルと放熱板と柔軟パッドとが1工程で一緒に組み立てられる1ステップ工程として成し遂げられることができる。「サブアッセンブリ」という概念は、電池モジュールの構造全体を説明するときには、構成要素の論理グループに対する便宜上の標識(ラベル:label)として用いられる。
電池セルのグループの他の方位性(例えば、電池セル310bを180度反転させて、その正極と負極とを位置変換する)は、端子に隣接したどのグループが、以下に説明するバスバー・ジャンパ及び端子によって電気的に接続されるかに応じて、端子間の直列または並列の接続の異なる組み合わせを許容する。
更に図6を参照すれば、サブアッセンブリ30が別のサブアッセンブリに隣接して積み重ねられた場合に、金属製の放熱板400は、2つのセル300及び310に接する。各セルは、伝導熱伝達または強制対流熱伝達によって熱管理を容易にするために、当該セルの2つの平坦面の1つを介して放熱板と接している。この結果、各セルについて放熱板を用いる場合に比して、モジュール毎に約半数の放熱板が必要とされるだけになる。幾つかのものは、より大きくてより複雑で手の込んだ放熱板を有している、他の市販のモジュールと比べて、出力対物理的体積の比が改善されたコンパクトなモジュール、が得られることが利点である。
例えば、図8を参照すれば、この第3のタイプの放熱板430は、最も下方の放熱板429の下側にあって、放熱板429と放熱板430との間に位置する単一の電池セル321を保護するのに役立っている。2つの柔軟パッド(不図示)は互いに隣接して取り付けられ、柔軟パッドの1つの片側は、モジュールのサブアッセンブリ主スタックの端部で、放熱板430に隣接して取り付けられる。
電気的な過負荷事象が起こった場合、セルの非剛体で柔軟なポーチは、急激な内部ガス発生により物理的に膨張することになる。ポーチが膨張するとき、内圧による力がポーチを歯部に対して押圧し、セルを穿刺し、制御された内圧解放をもたらす。電池セルは、その中でポーチが膨張することができる特定の領域を形成するのに役立つ穴部(ポート:port)を有しており、歯部の尖った先端もしくは縁部は、その領域の範囲内で、膨張時のポーチを少なくとも部分的に穿刺するように位置が定められている。
電池セルは多数の膨張経路に沿って膨張することができるけれども、前記ポートは、それらの経路の少なくとも1つに沿って膨張を規定し促進するのに役立つ。ポーチの膨張は、電池セルの残余の部分に対して膨張性が高められたポーチの領域を創り出すことにより、部分的に制御することもできる。幾つかの実施形態では、前記ポートは膨張性が高められた領域を露出させる。これらの実施形態の何れにおいても、歯部の尖った先端は、ポーチの膨張経路の少なくとも1つに沿って位置が定められる。
これらのタイプの歯部の各々において、チャンネルは、電池セルからガスが抜け出る経路をもたらすのに役立ち、ポーチが(穿刺にも拘わらず)不用意に自身を再封止して歯部に対して閉じることがないことを確実にするのに役立つ。また、尖った先端部とチャンネルの方位性および組み合わせも用いることができ、同様に、尖った縁部および/またはチャンネルの他の組み合わせも用いることができる。
図10は、圧力板50を示している。圧力板50は、モジュールのセルの主スタック,柔軟パッド及び放熱板に静的なクランプ力を加える剛構造(rigid structure)である。この構造は、また、モジュールが電池パックのエンクロージャの内部に取り付けられることができるための手段を与えるものである。この構成要素は、主要な作用を強調するために、「圧力板」と呼ばれることができる。圧力板の材料は、規定の温度暴露の等級(レーティング:rating)及び可燃性のレーティングを備えた、成形されたプラスチック・ポリマーである。圧力板は、モジュールの主スタックの一端と対になるために、周囲より高くなった平坦面を有しており、モジュールの主スタックは、両端部に2つの柔軟パッドを有しクランプ力を分散させて均一化するのに役立っている。
PCBサブアッセンブリは回路の基板および部品を含んでおり、部品の大多数は基板の片側にある。PCBサブアッセンブリは、部品側を下向きにして圧力板50に取り付けられる。電子部品の入れ子(nesting)は、貴重な空間(スペース:space)を確保し、圧力板でのコンパクトなモジュール長さに貢献し、このことは、優れた出力対物理的体積の比を達成するのに役立つ。
圧力板のポケット部は、また、モジュールの作動制御用PCBサブアッセンブリにはんだ付けされる多数の電子部品の上面をしっかりつかむ、振動緩衝エレメント用の容器として用いることができるので、この点においても貴重である。前記エレメントは、PCB上のはんだ接合部での過度の応力や疲労を防止する。好ましい振動緩衝エレメントとしては、エラストマ系の閉細胞型(closed-cell)で非含水性ポリウレタンフォーム材料および片側に感圧性の粘着材料を備え、両者は規定の温度暴露および可燃性のレーティングを有している、打ち抜きパッド(die-cut pad)が挙げられる。
モジュールの鋼製バンドが近辺を通っているので、バンドとPCBとの間での適切な電気的絶縁性を確保するために、予防措置がとられる。PCBの配線,貫通穴,部品を入れる区域(ゾーン:zone)及び部品を入れない区域は、電気的な干渉を回避するために、PCBの両側について注意深く定められる。モジュールの寿命性能は、隣接する低電流高インピーダンスの銅配線間での樹枝状結晶(デンドライト:dendrite)の成長を抑制する、シリコンをベースにした若しくはポリウレタンをベースにしたコンフォーマル・コーティング(conformal coating)をPCBの両側に施すことにより、改善し得る。
圧力板50は、また、柔軟性のある取付戦略を助長するために、円筒状スリーブ,座金(ワッシャ),ブッシング及び保持ボルトなどの締結要素を受け合う、(カウンターボア(counter-bore)とも呼ばれる)凹状の受け口(ソケット:socket)を備えた4つの通路を有している。この構成は、3つの取付方位の1つを通じて、電池パックのエンクロージャの内部または電池ステーションの棚部(ラック)の上に、モジュールを取り付けることができるようにし、このことは、既存の用途および予測される用途さらには顧客の要求の大多数に対して要求を満たす。
図11は、モジュールのセルの主スタック,柔軟パッド,放熱板および圧力板をくるむのに用いられる2本の鋼製バンド(steel band)の1つである、鋼製バンド530を示している。各構成バンド530は、圧力板50の浅い軌道501の1つ内に位置している。モジュールが76個もしくはそれよりも少ない個数のセルを有している場合には、2本のバンドで十分であり、3本ものバンドは不必要である。所望であれば、もっと多くのバンドを用いることもできる。
鋼製バンド530の長さは、主スタック内の全ての柔軟パッドを適切に圧縮するのに必要とされるクランプ力が定められ、バンド上に恒久的に圧着された、発売され要件を満たす既存の鋼製の締め金(バックル:buckle)531を介して維持される。バンドを引っ張りバックル531を圧着するのに、空圧アクチュエータを備えた手持ち式の空圧アプリケータ(applicator)を用いてもよく、また、このアプリケータは、バックル531が圧着された後に、バンドの余分な尾部(tail)を切り取る機構も有していてもよい。
非常に長い鋼製の締め付け金具(タイロッド:tie rod)と両端の保持ナットとを用いる代替的な手法と比べて、バンドとバックルとを用いるのは、よりコンパクトな手法である。全てのモジュールに対して同じバンド及びバックル更には同じ取付工程を用いることは、拡張縮小可能な構造を促進する。今一つの手法は、圧着されたバックルを用いる代わりに、バンドを引っ張り溶接することである。
圧力板50は、締め付けバンドバックルを収容し、バックルの領域で圧力をより一様に分散させるために、浅い軌道501内に平坦もしくは窪みのついた領域を包含していてもよい。圧力板50は、また、2本のバンドの真っ直ぐな部分で引張力が均等化されることを確かなものとするために、各軌道501に沿って4つの角丸み部を有していてもよい。
モジュールの隣接するセル間の電気的な相互接続は、重要な特徴であり、柔軟で壊れやすいセル端子の互いに関連した登録を含み、意図された用途のために電気的に接続されていない、隣接した端子間の偶発的な接触を防止することを含むものである。図2は、例えばセル端子101及び102を除いて、モジュールの主スタックにおいて、全てのセルが、どの様に互いに関連してしっかりと保持され登録されるかを示している。
1.7個の可撓タブ(フレックスタブ:flex tab)608(4個が示されている)、及び放熱板の2つのスロット部(図5における構成要素406)を掴むための2つの楔形の掛け金(ラッチ:latch)。
2.オーバモールドされた(over-molded)エラストマー製のグリップ部(grip)を有するサーミスタ(thermistor)605と結合する四角形の中央ポート部(central port)604。
3.4つのセル端子の同時の挿入および登録を許容する、4つのテーパ付きポート部601。
4.セルのジッパヒューズ活性化事象中にバスバーを支持する本体部610。あらゆる残りの端子とバスバーとの間の分離性を維持することにより、バスバー支持体は、隣接するセルとカスケード損傷モード(cascading failure mode)を引き起こす可能性がある、間違ったセルのバスバーへの偶発的な接続を防止する。
5.セル端子へのバスバーのレーザ溶接中に2つの分離したバスバー要素を掴むための、2つの固定ラッチ602及び2つのフレックスラッチ603。この特徴は、特別なレーザ溶接用具の必要性を無くするのに役立つ。以下に説明するように、この特徴は、溶接前および溶接中に、セル端子と共に登録されているバスバー要素を動かないようにする組立治具として機能する。これらのラッチは、各バスバー要素を、放熱板および取り付けられた電池セルに関して実質的に固定された位置に保持する。テーパ付きのポート部および本体部は、電池セルの各々の端子を、放熱板およびバスバー要素に関して実質的に固定された位置に保持する。
6.任意のバスバーの電気的な接続リベットに対して適切な間隙を確保するための18個の浮き彫り部(レリーフ:relief)607。
7.モジュールの電圧検知ワイヤハーネス及びサーミスタのワイヤハーネスの経路を許容する中央の通路(チャンネル:channel)606。
8.バスバーの覆い(カバー:cover)が装着される前に、2つのワイヤハーネス(不図示)を保持する4つのフレックス・フィンガー部611。
9.バスバー・カバーの取付のための、端末部にある2個のネジ用ボス部612。
バスバー要素(busbar component)は、モジュールの隣接するセルに電気的に繋がるバスバー・ジャンパと、1つ若しくはそれ以上の電池セル端子を電池モジュールの外部端子の各々に電気的に接続するバスバー端子と、で構成されている。図14は、モジュールの寿命性能を高めるためにこれらのバスバー要素を用いた、堅牢でコンパクトで費用効率の高い内部接続手法を示している。この手法は、あらゆる電気的接続のためにネジ付きの締結具を用いることを回避し、その代わりに、適応可能な自動コンピュータ制御プロセスでもって創成される精密溶接を用いるものである。
セル端子に余りに多量のエネルギを加え、ひいてはセル内部の電気的な接続に損傷を及ぼす可能性がある超音波溶接の使用を回避する目的で、部分的に溶融させてバスバー・ジャンパを端子に冶金学的に接続するために、精密レーザ溶接が用いられる。バスバー・ジャンパの屈曲部703の外表面(内面部704の反対側)には、液体溶接処理が適用される。溶接中には、この面にレーザエネルギが当てられることになる。
この処理は、高い反射性表面を有するアルミニウム及び銅の両方についてレーザ溶接中の、レーザビーム(laser beam)の反射性を低減する表面仕上げを創り出す。この処理は、Nd−YAGレーザビーム波長のより良好な吸収性をもたらす、ニッケル若しくは錫(ティン:Tin)コーティングであってもよい。このことは、溶接に必要とされるエネルギを最小限にとどめることができるようにし、また、セル端子のシール(seal)の最高温度制限値を越えることなく、セル端子の溶接が行えるようにする。
レーザビームのエネルギはバスバーの180度の屈曲部703に浸透し、バスバー屈曲部の内面部704とセル端子(不図示)の先端部に溶融ビード(bead)を創り出す。溶接レーザは、電池端子の端末部に対し実質的に真正面の角度で、アタック(attack)708の角度によって図に示されるように屈曲部の外表面に向けて、バスバーの屈曲部に当てられる。
眺望740は、バスバーの屈曲部742の右側端部から左側へ移動するレーザ730を示しており、そこでは、レーザビーム733が屈曲部742に関して僅かな角度741をもって指向した状態で、また、レーザビームがレーザ光学系内に後方反射(backreflecting)して損傷を及ぼすことを防止するために、角度741がレーザ730の進行方向と反対に向けられた状態で、レーザビーム733がチャンネル部に平行な進行方向に移動している。この結果、レーザビーム733が、当該レーザビームの進行方向に対する垂直よりも僅かに小さい角度で方向付けられる。
溶接中、レーザ730は溶接されるバスバー及び電池端子に対して動くことができ、バスバー及び電池端子の組立体(アッセンブリ)はレーザに対して動くことができ、或いは、両者は互いに相対的に動くことができる。どの場合でも、バスバーと電池端子とは、当該電池端子が存するチャンネル部の長さに沿って、互いに取り付けられる結果となる。
以前に注記したように、バスバー支持体は溶接治具として作用する。このバスバー支持体は、バスバーが上述のように端子にレーザ溶接されるまで、バスバーの屈曲部によって形成されたスロット内にセル端子が入れられた状態で、バスバー要素を所定の位置に保持する。
バスバー端子は、圧力板50のソケット部508に取り付けられた鋼製のバスバーナットによって固定される。バスバー端子750は、電気的な過負荷事象の最悪のケースが起こった場合にモジュールのヒューズとしての役割を果たす、傾斜(テーパ:taper)が付いた中央部分751を有している。ヒューズは、電流密度が最高になると、狭い部分で溶ける傾向がある。モジュールの安全機能は、ジッパーのヒューズが電池セルの端子に一体化されている方法と同様の手法で、ジッパーのヒューズの穴部およびスロットをバスバー端子に追加して、2つのモジュール・ヒューズの作動応答時間を調節することにより、向上させることができる。
更に、打ち抜き形成された銅製のバスバーナット架橋部(ブリッジ:bridge)780が、バスバー端子750に接続されてもよく、また、バスバーナット760bを介して圧力板のソケット部508bにも接続されてもよい。バスバーナット760bは、圧力板のソケット部508b内に配置された鋼製の留め具を握持する中央穴部を介して、圧力板50に固定されている。前記ブリッジ部は、モジュール対モジュール(module-to-module)の高出力ワイヤハーネス用の随意的な取付部位を許容する付属品(アクセサリ:accessory)である。
図18は、例えば電圧検知用ワイヤハーネスなどの配線を、バスバー端子およびバスバー・ジャンパに取り付けるのに用いられる、2つの形態が異なる留め具(クリップ:clip)を備えたバスバー端子750を示している。片側から見れば、クリップ791はU字形で実質的に凸状であり、一方、クリップ790はW字形である。クリップ790及び791の何れか一方もしくは両方は、配線を接続するのに用いることができる。電圧検知用配線(ワイヤ:wire)は、クリップをバスバー構成要素に取り付ける前に、当該クリップに超音波を用いて溶接される。
クリップは、バスバー・ジャンパ或いは端子に食い込む1つ若しくはそれ以上の歯部793を有しており、レーザ溶接作業がクリップをバスバーに留めるまで、当該クリップを所定の位置に位置決めして保持することができる。クリップは、それが取り付けられることになるバスバーのタイプに対応した互換性のある、打ち抜き形成された銅製もしくはアルミニウム製のものである。クリップは、自動視認システム(automatic vision system)を用いた製造用に、クリップのタイプを表すために、1つの金属タイプ用のノッチ部792を有している。
これらのクリップは、バスバー要素が電池セルに溶接されるのと同時に、バスバー要素に対してレーザ溶接され、共通の溶接部を分有する。バスバー要素を電池端子に取り付けるための前述の溶接技法と同様の溶接技法を用いて、レーザは、クリップとその下側にあるバスバー要素とを通って方向付けられ、バスバー要素のU字形の曲げ部内に在る端子の端末部に向けられる。そうする中で、単一の溶接作業が、3つの全ての部品(クリップ,バスバー要素および電池端子)を同時に溶接する。U字形のクリップが、共通の溶接部を分有することなく、バスバー要素に対してレーザ溶接されるようにしてもよい。
図1は、3つのバスバー・カバー40を示している。電池モジュールは、一群の成形されたプラスチック製のカバーを使用しており、モジュールのバスバー、並びに、電圧検知用のワイヤハーネス及びサーミスタ用のワイヤハーネス等の他の内部の構成要素を、特にそれらが金属製のものである場合に、外部の異物とのあらゆる偶発的な接触から保護している。
バスバー・カバーはモジュールのバスバーを包んでおり、電気的な過負荷事象の最悪のケース或いは激しい車両衝突の間に、隣接するバスバーが互いに接触して電気的な短絡経路を生じさせることを防止するのに役立っている。或るリブ、例えばリブ802は、他のリブよりも深く電池モジュール内へ延びており、また、バスバー・ジャンパ間では、リブ803が隣接するバスバー間の接触を防止するのに役立っており、一方、例えばリブ803などのリブは、バスバー端子,バスバー・ジャンパ又はセル端子への力の分配を回避するために、深さがより浅い。この代わりに、電池モジュールは、重なり継ぎ手を有し上下方向の接触タブがより少ない、低コストでより簡素なカバーを用いるようにしてもよい。この後者の手法の不利な点は、上下方向の外力に耐えるモジュールの頑健さが低下するかも知れないことである。
上述の特徴は、拡張縮小可能な構造(scalable architecture)をもたらす。「拡張縮小可能な構造」なる用語は、数量が異なる電池セル,並列に電気的接続をされたセルを備えたサブグループ、及び直列に電気的接続をされたサブグループを有する電池モジュールの、迅速なエンジニアリング(engineering),開発,認定および製作を容易にする、柔軟性のある(フレキシブル:flexible)構造を指称するものである。この柔軟性は、電池供給業者が、数多くの異なるモジュールの電気的特性を調整し、多様な顧客の性能上の仕様を満足させることを可能にする。
例えば、「3P」構造を備えたA123システムのプリズム状電池モジュール・ファミリ(family)が、図22に示されている。このファミリの7つの要素(メンバー:member)は、23S3P,22S3P,16S3P,13S3P,11S3P,6S3P及び1S3Pモジュールであり、図22においては、それぞれ符号907,906,905,904,903,902及び901で特定されている。
Claims (54)
- 順番に並べられた複数の電池セルであって、各電池セルは第1の電圧端子と第2の電圧端子とを有し、複数の第1の電圧端子は列を成して配置されている、電池セルと、
第2セグメントに接合された第1セグメントを有する2種類の金属で成るバスバーであって、前記第1セグメントは第1の金属で製作され、前記第2セグメントは、前記第1の金属とは異なる第2の金属で製作されている、バスバーと、
を備え、
前記第1セグメントは、前記複数の電池セルのうちの1つの前記第1の端子が内部に配置される第1チャンネルを形成する第1のU字状屈曲部を含み、
前記第2セグメントは、前記複数の電池セルのうちの他の1つの前記第1の端子が内部に配置される第2チャンネルを形成する第2のU字状屈曲部を含む、
ことを特徴とする電池システム。 - 前記第1のU字状屈曲部は、前記第1チャンネルの底部に第1底部内側角部を形成しており、前記第1チャンネル内の第1の端子は、金属の再凝固層により、前記第1底部内側角部で前記第1セグメントに冶金学的に取り付けられている、ことを特徴とする請求項1に記載の電池システム。
- 前記2種類の金属で成るバスバーは、少なくとも前記第1及び第2の屈曲部の範囲内に表面処理部を含んでおり、該処理部は、前記2種類の金属で成るバスバーの反射性を低減する役割を果たす、ことを特徴とする請求項1に記載の電池システム。
- 前記処理部は、ニッケル及び錫の一つ若しくはそれ以上のコーティングで成る、ことを特徴とする請求項3に記載の電池システム。
- 前記第1セグメントは打ち抜き形成され、前記第2セグメントは押出形成されている、ことを特徴とする請求項1に記載の電池システム。
- 前記第1セグメントは主として銅で製作され、前記第2セグメントは主としてアルミニウムで製作されている、ことを特徴とする請求項5に記載の電池システム。
- 前記第1セグメントと前記第2セグメントの少なくとも一方は押出形成されている、ことを特徴とする請求項1に記載の電池システム。
- 前記第1セグメントは、超音波溶接によって前記第2セグメントに接合されている、ことを特徴とする請求項1に記載の電池システム。
- 前記第1端子は、レーザ溶接によって前記第1セグメントに取り付けられている、ことを特徴とする請求項2に記載の電池システム。
- 前記バスバーの前記第1セグメントに取り付けられた配線用クリップを更に備え、前記配線用クリップは、当該配線用クリップに接合されたワイヤを含んでいる、ことを特徴とする請求項1に記載の電池システム。
- 前記配線用クリップは、金属の再凝固層により、前記第1セグメントに冶金学的に取り付けられている、ことを特徴とする請求項10に記載の電池システム。
- 前記配線用クリップは、前記第1のU字状屈曲部の範囲内において、金属の再凝固層により、前記第1セグメントに冶金学的に取り付けられている、ことを特徴とする請求項11に記載の電池システム。
- 前記配線用クリップは一つ若しくはそれ以上の歯部を有しており、前記配線用クリップは、少なくとも一部において、前記バスバーに食い込む一つ若しくはそれ以上の歯部により、前記バスバーの前記第1セグメントに対して所定の位置に保持される、ことを特徴とする請求項10に記載の電池システム。
- 前記配線用クリップはU字状の側面形状を有している、ことを特徴とする請求項13に記載の電池システム。
- 前記配線用クリップはW字状の側面形状を有している、ことを特徴とする請求項13に記載の電池システム。
- 前記配線用クリップは締まり嵌め構造を備えて設計されており、前記配線用クリップは、少なくとも一部において、前記締まり嵌めにより、前記バスバーの前記第1セグメントに対して所定の位置に保持される、ことを特徴とする請求項10に記載の電池システム。
- 前記配線用クリップはU字状の側面形状を有している、ことを特徴とする請求項16に記載の電池システム。
- 前記配線用クリップはW字状の側面形状を有している、ことを特徴とする請求項16に記載の電池システム。
- チャンネルを形成するU字状部分を有し、該U字状部分の一端の屈曲角部によって特徴付けられるバスバーであって、少なくとも前記屈曲角部の近傍において反射性低減処理部を有するバスバーを供給するステップと、
単一の電池端子を、当該端子の上端部が前記屈曲角部に近接するように、前記U字状部分によって形成された前記チャンネル内に位置決めするステップと、
前記U字状部分の屈曲角部にレーザビームを指向させるステップと、
前記レーザビームを用いて、前記屈曲角部で前記バスバーを溶融し、当該バスバーと前記単一の端子との間に冶金学的な結合部を形成するステップと、
を備える、ことを特徴とする電池製造方法。 - 前記バスバーはレーザ溶接を用いて前記電池セル端子に取り付けられ、前記レーザビームは、主として、反射性が低減された領域に向けられる、ことを特徴とする請求項19に記載の電池製造方法。
- 前記レーザビームは、前記電池セル端子の端末部に対して実質的に真正面の角度で方向付けられる、ことを特徴とする請求項20に記載の電池製造方法。
- 前記レーザビームは、前記チャンネルと平行な進行方向に移動する、ことを特徴とする請求項21に記載の電池製造方法。
- 前記レーザビームは、前記進行方向に対する垂直よりも僅かに小さい角度で方向付けられる、ことを特徴とする請求項22に記載の電池製造方法。
- 前記処理部は、ニッケル及び錫の一つ若しくはそれ以上のコーティングで成る、ことを特徴とする請求項21に記載の電池製造方法。
- 第1バスバー・セグメントを第2バスバー・セグメントに接合することによって前記バスバーを形成するステップを更に備え、前記第1セグメントは第1の金属で製作され、前記第2セグメントは、前記第1の金属とは異なる第2の金属で製作される、ことを特徴とする請求項21に記載の電池製造方法。
- 前記バスバーを前記端子に取り付けるに先立って、前記第1バスバー・セグメントは、超音波を用いて、前記第2バスバー・セグメントに溶接される、ことを特徴とする請求項25に記載の電池製造方法。
- 前記第1セグメントは打ち抜き形成され、前記第2セグメントは押出形成される、ことを特徴とする請求項26に記載の電池製造方法。
- 前記第1セグメントは主として銅で製作され、前記第2セグメントは主としてアルミニウムで製作される、ことを特徴とする請求項26に記載の電池製造方法。
- 前記第1セグメントと前記第2セグメントの少なくとも一方は押出形成される、ことを特徴とする請求項28に記載の電池製造方法。
- 前記バスバーを前記電池セル端子に取り付けるに先立って、配線用クリップを前記バスバーに固定するステップを更に備えている、ことを特徴とする請求項21に記載の電池製造方法。
- 前記配線用クリップ,前記バスバー及び前記電池セル端子は、一緒に、レーザ溶接を用いて同時に取り付けられる、ことを特徴とする請求項30に記載の電池製造方法。
- 前記配線用クリップを前記バスバーに固定するに先立って、ワイヤを前記配線用クリップに取り付けるステップを更に備えている、ことを特徴とする請求項31に記載の電池製造方法。
- 前記ワイヤは、超音波溶接を用いて前記配線用クリップに取り付けられる、ことを特徴とする請求項30に記載の電池製造方法。
- 前記単一の電池端子を前記チャンネル内に位置決めするステップは、
前記電池セルを放熱板に取り付けるステップと、
バスバー支持体を前記放熱板に取り付けるステップと、
前記バスバーを前記バスバー支持体に取り付けるステップと、
を備えている、ことを特徴とする請求項19に記載の電池製造方法。 - 前記単一の電池端子を前記チャンネル内に位置決めするステップは、
前記電池セルを放熱板に取り付けるステップと、
バスバー支持体を前記放熱板に取り付けるステップと、
前記バスバーを前記バスバー支持体に取り付けるステップと、
を備えている、ことを特徴とする請求項26に記載の電池製造方法。 - 前記電池セルはプリズム状の電池セルである、ことを特徴とする請求項19に記載の電池製造方法。
- 電圧端子を有する電池セルと、
チャンネルを形成するU字状部分を有し、該U字状部分の一端の屈曲角部によって特徴付けられるバスバーであって、少なくとも前記屈曲角部の近傍において反射性低減処理部を有しており、前記電池端子は、前記U字状部分によって形成された前記チャンネル内に延び、前記屈曲角部に近接した上端部を有している、バスバーと、
前記屈曲角部で、前記端子の上端部と前記チャンネル内のバスバーとの間に形成された冶金学的な結合部と、
を備える、ことを特徴とする電池。 - 前記冶金学的な結合部はレーザ溶接を用いて形成され、前記レーザビームは、主として、反射性が低減された領域に向けられる、ことを特徴とする請求項37に記載の電池。
- 前記冶金学的な結合部は、前記電池セル端子の端末部に対して実質的に真正面の角度で方向付けられたレーザビームによって形成されている、ことを特徴とする請求項38に記載の電池。
- 前記冶金学的な結合部は、前記チャンネルと平行な進行方向に移動させられるレーザビームによって形成されている、ことを特徴とする請求項39に記載の電池。
- 前記レーザビームは、前記進行方向に対する垂直よりも僅かに小さい角度で方向付けられている、ことを特徴とする請求項40に記載の電池。
- 前記処理部は、ニッケル及び錫の一つ若しくはそれ以上のコーティングで成る、ことを特徴とする請求項39に記載の電池。
- 前記バスバーは、第2バスバー・セグメントに接合される第1バスバー・セグメントを備えており、前記第1セグメントは第1の金属で製作され、前記第2セグメントは、前記第1の金属とは異なる第2の金属で製作されている、ことを特徴とする請求項39に記載の電池。
- 前記第1バスバー・セグメントは、超音波を用いて、前記第2バスバー・セグメントに溶接されている、ことを特徴とする請求項43に記載の電池。
- 前記第1セグメントは打ち抜き形成され、前記第2セグメントは押出形成されている、ことを特徴とする請求項44に記載の電池。
- 前記第1セグメントは主として銅で製作され、前記第2セグメントは主としてアルミニウムで製作されている、ことを特徴とする請求項44に記載の電池。
- 前記第1セグメントと前記第2セグメントの少なくとも一方は押出形成されている、ことを特徴とする請求項46に記載の電池。
- 前記バスバーに固定された配線用クリップを更に備えている、ことを特徴とする請求項39に記載の電池。
- 前記配線用クリップ,前記バスバー及び前記電池セル端子は、一緒に、同じ冶金学的接合部に取り付けられている、ことを特徴とする請求項48に記載の電池。
- 前記配線用クリップに取り付けられたワイヤを更に備えている、ことを特徴とする請求項49に記載の電池。
- 前記ワイヤは、超音波を用いて前記配線用クリップに溶接されている、ことを特徴とする請求項50に記載の電池。
- 前記放熱板に取り付けられたバスバー支持体を更に備え、前記バスバーは前記バスバー支持体に取り付けられている、ことを特徴とする請求項37に記載の電池。
- 前記放熱板に取り付けられたバスバー支持体を更に備え、前記バスバーは前記バスバー支持体に取り付けられている、ことを特徴とする請求項44に記載の電池。
- 前記電池セルはプリズム状の電池セルである、ことを特徴とする請求項37に記載の電池。
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