JP2013524404A - 並列又は直列に電気的に相互接続された規定数の個別セルを備えるセル結合体 - Google Patents

Abstract

本発明は、並列又は直列に電気的に相互接続された規定数の個別セル（３）を備えるセル結合体（１）に関する。本発明に基づき、力計（２）がセル結合体（１）の中に組み込まれて配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１の前提部分に基づく、並列又は直列に電気的に相互接続された規定数の個別セルを備えるセル結合体に関する。

車両に使用するためのバッテリ、特にハイブリッドに使用するためのバッテリは、直列又は並列に接続された複数の個別セルからなり、セル結合体とも呼ばれ、通常は、付属のエレクトロニクス及び冷却装置と同一のバッテリハウジング内にある。個別セルの極は、例えば、ハウジング部品に接続された電流コレクタフラッグによって直接ハウジング部品により、又は極コンタクト（いわゆる接続ターミナル）によって形成することができる。

従来のバッテリは、損傷時（事故、電解質の腐食など）において強い負荷又は過負荷が生じた場合（例えば過充電又はショート時などでの高すぎる放電電流）、もしくは正常に作動している場合でも、外部からの強い加熱によって熱的に制御不能な状態に陥るおそれがある。この場合、バッテリが過熱すると、危険な内部圧力（セル内圧とも呼ぶ）の上昇により、セル及びハウジングの破裂又は爆発を引き起こすおそれがあり、それによって危険物質が放出される。特に現在のリチウム電池又はリチウムイオン電池では、これらのバッテリが液体の可燃性有機電解質を含んでいるため、とりわけ危険性が高い。これらのバッテリは、不利な状況では火災に至る可能性があり、安全性に関連する問題となる。従って、従来のバッテリには、セーフティバルブが組み込まれており、このセーフティバルブはバッテリの圧力を制御しながら逃すため、作動するとバッテリの火災又は熱による損傷は防止される。これにより、従来のバッテリは不可逆的に損傷し、交換が必要となる。

本発明は、並列又は直列に電気的に相互接続された規定数の個別セルを備える改良されたセル結合体を提供するという課題に基づいている。

この課題は、本発明に基づき、請求項１に示されている特徴によって解決される。

本発明の有利な発展形態は、従属請求項の対象である。

本発明に基づく、並列又は直列に電気的に相互接続された規定数の個別セルを備えるセル結合体の場合、本発明に基づき、力計（力センサ）がセル結合体に組み込まれている。

組み込まれた力計を用いることにより、バッテリの負荷又は過負荷によって引き起こされるセル内圧の上昇が確実に検知されるようになる。

この力計によってセル内圧の上昇が検知されると、有利にはバッテリを電力消費装置及び／又はチャージャから切り離すことができる。

これにより、バッテリは、より確実かつ継続的にその性能限界近くで作動することができる。

セル内圧の上昇が検知された場合に、バッテリが消費装置及び／又はチャージャから切り離されることによって、バッテリの火災又は爆発は確実に回避される。電池、特にリチウム電池又はリチウムイオン電池には、液体の可燃性有機電解質が含まれているため、これらのバッテリでは、例えば、セル内圧が上昇してバッテリが破裂することにより、この電解質が流出して火災を引き起こすおそれがある。

本発明の実施例を図に基づいて詳しく説明する。

力計を備えるセル結合体の斜視図である。 力計の正面の配置の断面図である。 タイロッド及びカップスプリングセットの断面図である。 センタに力計を備えるポーチ型セルからなるセル結合体の断面図である。

互いに対応する部品は、全ての図の中で同一の記号が付されている。

図１には、正面中央に配置された力計２を備えるセル結合体１の斜視図が示されている。

車両に使用するための高圧バッテリは、直列又は並列に接続された複数の個別セル３からなり、付属のエレクトロニクス及び冷却装置と一緒に同一のバッテリハウジング内に配置されている。取付けスペースをとりわけ有効に活用するためにフラットセルが用いられる。フラットセルは、セル結合体１を形成するために、例えば側面に前後して配置される。

可能な実施形態では、個別セル３の間に熱伝導プレートが配置されている。

個別セル３は、好ましくは、２極のフレームフラットセルとして形成されている。

セル結合体１の機械的形成と電気的直列接続のため、２極のフレームフラットセルは相前後して配置される。セル結合体１の両方の正面には、いわゆる極プレート４．１及び４．２が配置されている。

極プレート４．１及び４．２には、それぞれ１つのコレクタフラッグが、セル結合体１の高圧接続部５．１及び５．２として配置されている。

極プレート４．１と４．２との間に配置されている個別セル３は、両方の極プレート４．１と４．２に反対方向の力を作用させることにより圧着され、この場合、極プレート４．１に作用する力は極プレート４．２の方向に向けられ、極プレート４．２に作用する力は極プレート４．１の方向に向けられている。

この力を生み出すための手段として、例えば、セル結合体１の回りに少なくとも１つのテンションベルト（図示されていない）が配置されている。

もう１つの有利な実施形態では、セル結合体１に複数のタイロッド６が配置されている。

このために、例えば正方形又は長方形に形成されている個別セル３の４つの角のエッジ側にそれぞれに開口部７が配置されている。セル結合体１のそれぞれの個別セル３には同じ位置に開口部７が配置されているため、セル結合体１の個別セル３が側面で隣り合って配置されている場合、個別セル３のそれぞれの開口部７が一致するようになっている。

開口部７はタイロッド６の外周に対応するように形成されているため、一致するように配置されている開口部７にはそれぞれ１つのタイロッド６を通して、配置できるようになっている。

個別セル３の外部寸法に対応するように正方形又は長方形に形成されている極プレート４．１及び４．２は、同様にエッジ側に開口部８を有し、これらの開口部は、タイロッド６の外周に対応するように形成され、個別セル３のそれぞれの開口部７と一致するように配置されている。

セル結合体１の正面には、プレッシャプレート１２が配置されている。このプレッシャプレート１２は、個別セル３及び極プレート４．１、４．２に対応するように正方形又は長方形に形成され、エッジ側に開口部１３を有し、これらの開口部は、タイロッド６の外周に対応するように形成され、個別セル３のそれぞれの開口部７と極プレート４．１及び４．２の開口部８と一致するように配置されている。

可能な実施形態では、開口部７及び８の中にスリーブ１０が配置されている。この場合、開口部７及び８は、スリーブ１０の外周に対応するように形成され、スリーブ１０の内径は、タイロッド６がスリーブ１０の中に配置できるように、タイロッド６の外径に比べ大きく形成されている。

タイロッド６は、一方の端部に、従来のボルトヘッド、例えば六角ボルトヘッド又は六角穴付きボルトヘッドを有している。反対側の端部には、外ネジを備えるタイロッド６（図示されていない）が装備されている。この外ネジは、図４に示されている従来のナット１７の内ネジに対応して形成されている。

セル結合体１を組み立てた状態では、個別セル３が互いに一致するように並べられ、極プレート４．１及び４．２はそれぞれセル結合体１の正面に配置されている。極プレート４．２には、プレッシャプレート１２が配置されている。一致するように配置されている開口部７、８及び１３の中には、タイロッド６が配置されている。この場合、個別セル３と極プレート４．２はタイロッド６上で移動可能に保持されている。タイロッド６のボルトヘッド１１とプレッシャプレート１２との間には、従来の平形ワッシャ１４が配置されている。極プレート４．１と４．２、個別セル３及びプレッシャプレート１２をタイロッド６に配置した後、従来のナット１７が、外ネジを備えるタイロッド６の端部に締め付けられる。従って、セル結合体１は４つのタイロッド６の間で確実に圧着され、保持されている。

それぞれタイロッド６の軸上に配置された複数のカップスプリング９は、カップスプリングセットとして形成することができ、これにより、個別セル３を軸方向に圧着することが可能である。セル結合体１を組み立てた状態では、個別セル３及び極プレート４．１及び４．２が、プレッシャプレート１２に支持されているカップスプリング９によって規定の力で互いに圧着される。カップスプリング９及び／又はカップスプリングセットの上端と下端には、それぞれ１つのセンタリング装置１５が配置されている。これらの２つのセンタリング装置１５は、一方ではプレッシャプレート１２とこのプレッシャプレート１２に対向するカップスプリング９の端部との間に配置され、他方では極プレート４．２とこの極プレート４．２に対向するカップスプリング９の端部との間に配置されて、カップスプリング９をセンタリングする。このセンタリング装置１５は、環状のエッジを備える平形ワッシャとして形成されており、センタリング装置１５の環状のエッジの内径はカップスプリング９の外径と対応しており、センタリング装置１５の環状のエッジは、それぞれカップスプリング９の方向に向けられている。

図２にはセル結合体１における力計２の正面の配置の断面図が示されている。

図３には、タイロッド６及びカップスプリング９の断面図が示されている。

本発明の代替の実施形態では、図４に示されているカップスプリング９がコイルスプリング１６として形成されている。

個別セル３に過充電又はショートが生じた場合、個別セル３の内部に超過圧力が生じる。個別セル３の内部における熱暴走とも呼ばれる発熱反応及び／又は爆発を防止するため、個別セル３内の超過圧力は、規定の限界を超えてから、例えば従来の破裂開放によって個別セル３を開放することによって制御しながら圧力を逃がすか、又は特定の圧力を超過した場合、個別セル３及び／又はセル結合体１への電流を中断するかのどちらかを行う必要がある。

個別セル３の従来の破裂開放の作動により、個別セル３の破壊が生じるため、個別セル３は再び使用することができなくなる。

個別セル３及びセル結合体１のそのような破壊を防ぐため、本発明に基づき、セル結合体１の締まり嵌めアセンブリの中にセンタの力計２が組み込まれている。この場合、セル結合体１の軸方向のプレス力はそれぞれの箇所で同じ大きさであり、セル結合体１の任意の個別セル３で圧力が上昇し、そのことによって膨張が生じると、セル結合体１の軸方向の力が上昇するという作用が利用される。力測定の際に、評価エレクトロニクス（詳しく図示されていない）がカップスプリング９によって生じるセル結合体１のプリロードを考慮することによって、個別セル３内に発生している圧力を検出することができる。

力計２は正面のセンタにあり、例えば極プレート４．２とプレッシャプレート１２との間の中央に配置されている。この力計２は、例えばロードセルとして形成されている。プレッシャプレート１２に開口部１８が配置され、この中に力計２の部分を配置することができる。このことと、セル結合体１の軸方向のプレス力とにより、力計２はセル結合体１の中に確実に保持される。

詳しく図示されていないが、この力計２は、例えばバッテリエレクトロニクス内に組み込むことのできる評価エレクトロニクスと電気的に接続されている。

代替の実施形態では、力計２が抵抗線ひずみゲージ（詳しく図示されていない）として形成されている。プレッシャプレート１２はこれに応じて形成される。

セル結合体１のセル内圧が特定の値を上回った場合、バッテリは、評価エレクトロニクスによって制御されながら、消費装置及び／又はチャージャから切り離される。これにより、セル結合体１及び／又はバッテリ（詳しく図示されていない）は、より確実かつ継続的にその性能限界近くで作動することができる。

別の表現を用いると、セル結合体１の作動中には、１つ又は複数の個別セル３のセル内圧の変化により、セル結合体１の軸方向の力が変化する。なぜなら、場合により個別セル３の内部で生じる超過圧力によって、個別セル３の比較的薄いカバーパネルが膨張するからである。セル結合体１の軸方向の力の変化は、極プレート４．２によって力計２に伝達され、力計２によって測定され、評価エレクトロニクスに伝送される。セル結合体１のセル内圧が設定可能な値を上回った場合、バッテリは、消費装置及び／又はチャージャから切り離される。

図４には、センタに力計２を備えるいわゆるポーチ型セルからなるセル結合体の代替の実施形態の断面図である。コーヒーバッグ型セルとも呼ばれるポーチ型セルの場合、電気化学的に作用するセル含有物がフォイルによって包まれている。

１ セル結合体
２ 力計
３ 個別セル
４．１、４．２ 極プレート
５．１、５．２ 高圧接続部
６ タイロッド
７ 開口部
８ 開口部
９ カップスプリング
１０ スリーブ
１１ ボルトヘッド
１２ プレッシャプレート
１３ 開口部
１４ 平形ワッシャ
１５ センタリング装置
１６ コイルスプリング
１７ ナット
１８ 開口部

Claims (5)

1. 力計（２）がセル結合体（１）の中に組み込まれて配置されていることを特徴とする、並列又は直列に電気的に相互接続された規定数の個別セルを備えるセル結合体（１）。
2. 前記力計（２）が、ロードセルとして形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のセル結合体(１）。
3. 前記力計（２）が、抵抗線ひずみゲージとして形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のセル結合体(１）。
4. 前記力計（２）が、前記セル結合体（１）の正面のセンタに配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のセル結合体（１）。
5. 前記力計（２）が、極プレート（４．２）とプレッシャプレート（１２）との間に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセル結合体（１）。

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