JP2013524405A - 複数の個別セルを備えるバッテリ - Google Patents

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Abstract

本発明は、直列又は並列に相互接続された複数の個別セル（２）と、個別セル（２）の極側に配置された少なくとも１つの冷却プレート（３）と、を備えるバッテリ（１）に関し、個別セル（２）の電極の電流コレクタフラッグ（２．２、２．３）はこの冷却プレート（３）と熱的に接続され、これらの電流コレクタフラッグは冷却プレート（３）と平行に通るように曲げられている。
本発明に基づき、隣接する個別セル（２）の電流コレクタフラッグ（２．２、２．３）は、テンションエレメント（４）を用いて力結合及び／又はポジティブ結合によって電気的に接続され、力結合及び／又はポジティブ結合で冷却プレート（３）と圧着されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、直列又は並列に相互接続された複数の個別セルと、個別セルの極側に配置された少なくとも１つの冷却プレートと、を備えるバッテリに関し、個別セルの電極の電流コレクタフラッグはこの冷却プレートと熱的に接続され、これらの電流コレクタフラッグは冷却プレートと平行に通るように曲げられている。
通常、自動車、特にハイブリッド駆動、電気駆動を備える自動車、又は燃料電池車両に使用されるバッテリは、直列又は並列に接続された複数のバッテリセル（例えばリチウムイオンセルなど）からなるセルブロックを有している。
これらのバッテリセルは、発生する損失熱を排出するために冷却する必要がある。そのために、バッテリセルと熱的に接続されている冷却装置が使用される。
未公開の独国特許出願第１０２００８０３４８７４号から、直列又は並列に相互接続された複数の個別セルと、個別セルの極側に配置された冷却プレートとを備えるバッテリ（特にリチウムイオン電池）が知られている。この場合、電流コレクタフラッグとも呼ばれるコレクタフラッグは、個別セルの極によって冷却プレートに熱的に接続されている。さらに、コレクタフラッグは、これらがポジティブ結合及び／又は力結合によって冷却プレートに対し平行に配置されるように曲げられており、個別セルは、隣接する個別セルのコレクタフラッグに溶接によって電気的に相互接続されている。
本発明は、冷却性能が改善され、電気的故障（特にショート）に対する保護を強化した、簡単な方法で製造可能なバッテリ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を有するバッテリ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。
このバッテリは、直列又は並列に相互接続された複数の個別セルと、個別セルの極側に配置された少なくとも１つの冷却プレートと、を含み、個別セルの電極の電流コレクタフラッグはこの冷却プレートと熱的に接続され、これらの電流コレクタフラッグは冷却プレートと平行に通るように曲げられている。
本発明に基づき、隣接する個別セルの電流コレクタフラッグは、テンションエレメントを用いて力結合及び／又はポジティブ結合によって電気的に接続され、力結合及び／又はポジティブ結合で冷却プレートと圧着されている。隣接する個別セルの電気的接続及び電流コレクタフラッグと冷却プレートとの圧着とにテンションエレメントを同時に使用することにより、結果的に、特に有利な方法でバッテリの取付けが簡略化され、このことからコストの節約にもつながる。特殊な方法では、さらに、電流コレクタフラッグから冷却プレートへの熱伝導が改善される。というのも、電気的接続に溶接などの接着接合が用いられていないことから、電流コレクタフラッグは、平坦な表面と広い熱伝達表面積を有しているためである。さらに、電流コレクタフラッグと冷却プレートとの間に熱伝導シートが取り付けられる場合、電流コレクタフラッグの平坦な表面により、この熱伝導シートの損傷及び電気的ショートを回避することができる。
適切な方法では、簡単な電気的接続及び圧着のために、個別セルの電流コレクタフラッグは、隣接する個別セルの電流コレクタフラッグが重なり合うように、反対方向に９０度曲げられている。
電流コレクタフラッグ及び／又は冷却プレートは、テンションエレメントを固定するため、好ましくはテンションエレメントに対応する開口部を有している。
本発明の発展形態によれば、テンションエレメントが、それぞれボルト、リベット及び／又はスプリングエレメントを有しているため、電流コレクタフラッグの冷却プレートとの確実な圧着と個別セルの確実な電気的接続とを実現することができる。
好ましくは、テンションエレメントが、それぞれプレッシャプレートとボルトとから形成され、プレッシャプレートはボルトに対応するネジ穴を有している。この場合、ボルトは、冷却プレートの開口部及び重なり合う電流コレクタフラッグの開口部から、電流コレクタフラッグの下部に配置されているプレッシャプレートのネジ穴の中に通されている。このテンションエレメントの実施形態により、均等かつ平坦に力が加えられることによって、電流コレクタフラッグと冷却プレートとの圧着も同様に均等かつ平坦に行われ、電流コレクタプレートの圧着と電気的接続とが、特に簡単な方法で１つの作業工程の中で実施可能になっている。このテンションエレメントは再び外すことができるため、バッテリの簡単な取外し及び個別セルのより簡単な交換及び／又は廃棄処分も可能である。電流コレクタフラッグのこの実施形態により、バッテリを取り付ける前、特に電流コレクタフラッグを冷却プレートに固定及び圧着する前も、個別セルの位置合わせ及び許容誤差調整が可能である。
電流コレクタプレートと、特に金属から形成されている冷却プレートとの間の熱移行を改善し、電流コレクタフラッグを冷却プレートから電気的に絶縁するため、電流コレクタプレートと冷却プレートとの間には、電気的に絶縁を行う熱伝導体又は電気的に絶縁を行う熱伝導シートが配置されている。
電流コレクタフラッグと冷却プレートとの間のボルト部分において、圧着による熱伝導シートの変形及び損傷を回避するため、有利な方法では、さらに、電流コレクタフラッグと冷却プレートとの間にスペーサエレメントが配置されている。適切な方法では、このスペーサエレメントが、ボルト、冷却プレートの開口部及び電流コレクタフラッグの開口部に対応する開口部を有している。さらに、スペーサエレメントは、特に機械的に硬質の材料から形成され、電流コレクタフラッグと冷却プレートとの間に配置されている熱伝導シートの圧着が規定どおりに行われるようにサイズが決められている。
テンションエレメントと電流コレクタフラッグとの間及び／又はテンションエレメントと冷却プレートとの間の電気的接触及び電気的ショートを回避するためにも、本発明の発展形態に従って、テンションエレメントと電流コレクタフラッグとの間及び／又はテンションエレメントと冷却プレートとの間には電気的絶縁エレメントが配置されている。
本バッテリの有利な発展形態では、電流コレクタフラッグが、少なくとも重なり合う部分に腐食防止層を有しており、腐食を防止することができるため、結果的に、電流コレクタフラッグ間の一定の電気的な接触抵抗を、バッテリの全寿命期間にわたって実現することができる。
さらに、同様に電気的接触抵抗の増加と電気的ショートとを引き起こすおそれのある外部物質、特に汚れの粒子及び湿気の侵入を防止するため、電流コレクタフラッグの少なくとも重なり合い部分が外部物質の侵入に対してシールされている。このために、特に電気的に絶縁を行うシールエレメント、塗装、シリコン及び／又は注形コンパウンドが設けられている。
好ましいのは、個別セルが互いに平行に配置されているため、個別セルの電流コレクタフラッグが少なくとも２列に配置されることである。バッテリの重量を最小化し、同時に個別セルの効率的な冷却を確実に行うため、電流コレクタフラッグの各列にはそれぞれ１つの冷却プレートが割り当てられており、この冷却プレートはそれぞれ、特に、重なり合って一列に配置されている電流コレクタフラッグを形成する表面上にわたって広がっている。
このバッテリは、本発明の実施形態に基づき、車両バッテリであり、特に電気駆動、ハイブリッド駆動を備える車両又は燃料電池車両用のバッテリである。好ましくは、このバッテリはリチウムイオンバッテリである。軽量であること、高い安全性を有し、低コストであるという理由から、このバッテリは、好ましくは車両での適用に適している。
本発明の実施例を、図に基づいて以下に詳しく説明する。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。
複数の個別セルを備えるバッテリの斜視図である。 図１によるバッテリの展開図である。 図１によるバッテリのセル結合体の図である。 図１に基づくバッテリの、隣接して配置されている２つの個別セルの第１の展開図である。 図１に基づくバッテリの、隣接して配置されている２つの個別セルの第２の展開図である。 冷却プレート部分とテンションエレメントの面における図１によるバッテリの長手方向断面図である。 冷却プレート部分とテンションエレメントの面以外の図１によるバッテリの長手方向断面図である。 冷却プレート部分とテンションエレメントの面における図１によるバッテリの横断面図である。 冷却プレートと電流コレクタフラッグとの間に配置されているスペーサエレメントを備えるバッテリの展開図である。 冷却プレート部分とテンションエレメントの面における図９によるバッテリの横断面図である。
図１及び２には、バッテリ１が異なる図で示されている。このバッテリ１は、この場合、複数の個別セル２から形成されている、図３に示されたセル結合体Ｚを有しており、個別セル２はこのセル結合体Ｚに対して電気的に直列又は並列に接続されている。
個別セル２はフラットセルとして形成され、セル内部には、詳しく示されていない方法で、電気化学的に作用する箔を交互に重ね合わせたセルコアがそれぞれ１つ取り付けられている。個別セル２のセルコアは、それぞれセルハウジング２．１によって少なくとも部分的に取り囲まれている。
ここに示されている実施例では、個別セル２が、いわゆるコーヒーバッグ型セル又はポーチ型セルであり、この場合、セルハウジング２．１は電気的に絶縁を行う薄い箔から形成されており、この箔によってセルコアが覆われている。この絶縁箔は、真空引き後に箔溶接によって周辺のエッジに封印されている。
個別セル２の上部エッジでは、セルハウジング２．１を２つの電流コレクタフラッグ２．２、２．３が通り抜け、セル内部において、個別セル１のセルコアのそれぞれ１つの電極と接続されている。電流コレクタフラッグ２．２、２．３は、熱伝導性及び導電性のある材料、例えば銅から形成されているため、これらの電流コレクタフラッグは、個別セル１の電気的接続と同時に、作動中に個別セル２に生じる損失熱をセル内部から排出するためにも設けられている。電流コレクタフラッグ２．２、２．３の腐食を防止するため、これらの電流コレクタフラッグには少なくとも部分的に、例えばニッケル、スズ又は金からなる腐食防止層が取り付けられている。
図示されているセル結合体Ｚを形成するために、複数の個別セル２は互いに平行に配置されており、直列に接続するため、個別セル２は、それらの長手方向の軸を１８０度回転させられている。つまり、個別セル２の陰極は次の個別セル２の陽極と電流コレクタフラッグ２．２、２．３によって電気的に接続されていることになる。並列に接続する場合、個別セル２はそれぞれ同じ方向に前後して配置されているため、それぞれの個別セル２の陰極は次の個別セル２の陰極と、個別セル２の陽極は次の個別セル２の陽極と、電流コレクタフラッグ２．２、２．３によって電気的に接続されている。
このような個別セル２の配置から、バッテリ１には、同じタイプの個別セル２を使用することができる。なぜならば、隣接する個別セル２のそれぞれ平行に配置された電流コレクタフラッグ２．２、２．３は、電気的に直列にも並列にも相互接続することができるからである。個別セル２は互いに平行に前後して配置されているため、個別セル２の電流コレクタフラッグ２．２、２．３は、セル結合体Ｚが形成された状態では、２列に配置されている。
電気的接続のため、個別セル２の電流コレクタフラッグ２．２、２．３は、反対方向に９０度曲げられているため、隣接する個別セル２のそれぞれの電流コレクタフラッグ２．３と２．３とが重なり合う。セル結合体Ｚの最初の個別セル２の塞がっていない電流コレクタフラッグ２．３とセル結合体Ｚの最後の個別セル２の塞がっていない電流コレクタフラッグ２．２とは、それぞれバッテリ１の高電圧コンタクトとして用いられ、この目的のために、これらの個別セル２の電流コレクタフラッグ２．２、２．３のそれぞれ１つが延長されて形成されている。高電圧コンタクトは、図示されていない車両の電気消費装置及び／又は電源とバッテリ１とを電気的に接続するために設けられている。
個別セル２を同時に力結合及び／又はポジティブ結合によって電気的に接続し、電流コレクタフラッグ２．２、２．３を介して、これらに対向する側に２つの冷却プレート３を力結合及び／又はポジティブ結合によって熱的に接続するため、本発明に基づき、テンションエレメント４が設けられている。この場合、電流コレクタフラッグ２．２、２．３の各列には、それぞれ１つの冷却プレート３が割り当てられており、この冷却プレートの幅は電流コレクタフラッグ２．２、２．３の幅と一致し、冷却プレートの長さは少なくともセル結合体Ｚの長さに一致するか、又は図示されている実施例のようにこのセル結合体よりも長い。
冷却プレート３は、特に、金属及び熱伝導性に優れた材料から形成されている。電流コレクタフラッグ２．２、２．３と冷却プレート３との間の電気的接触及び個別セル２の電気的ショートを回避するために、電流コレクタフラッグ２．２、２．３の列と冷却プレート３との間には、電気的に絶縁を行う材料から作られた熱伝導シート５がそれぞれ１つ配置されており、この熱伝導シートは冷却プレート３を電流コレクタフラッグ２．２、２．３から電気的に絶縁し、個別セル２とそれぞれの冷却プレート３との間の熱伝導を最適化する。
電流コレクタフラッグ２．２、２．３の冷却プレート３への圧着と電流コレクタフラッグ２．２、２．３に隣接する個別セル２の電気的接続のため、本実施例ではテンションエレメント４がそれぞれ１つのプレッシャプレート４．１を有しており、このプレッシャプレートは重なり合う電流コレクタフラッグ２．２、２．３の下部に配置されている。
テンションエレメント４はそれぞれ２つのボルト４．２を有しており、これらのボルトは、冷却プレート３の開口部３．１（図４に詳しく図示されている）を通過し、熱伝導シート５の開口部５．１を通過し、重なり合っている電流コレクタフラッグ２．２、２．３の開口部２．２．１、２．３．１を通って、電流コレクタフラッグ２．２、２．３の下部に配置されているプレッシャプレート４．１のネジ穴４．１．１（図５に詳しく図示されている）の中に通されている。これらのネジ穴４．１．１には、電流コレクタフラッグ２．２、２．３が力結合及びポジティブ結合で電気的に互いに接続され、それぞれの冷却プレート３に力結合及びポジティブ結合で圧着されるようにボルト４．２が固定されている。
電気的及び熱的接続をこのように形成することは、特に、ボルト４．２を締め付ける前に、電流コレクタフラッグ２．２、２．３を互いに横にずらすことが可能であるため、個別セル２又はその構成部品の許容誤差を調整できるという利点がある。
外部物質、特に湿気及び汚れの粒子が電流コレクタフラッグ２．２、２．３間の接合部及び電流コレクタフラッグ２．２、２．３と各冷却プレート３との間の接合部に侵入するのを防止するため、詳しく示されない方法で、さらに、注形コンパウンド、塗装及び／又はシールエレメントを配置することによって、これら接合部が外部物質の侵入に対して保護される。
個別セル２の効率的な冷却のため、冷却プレート３は、冷却媒体が通るための冷却ダクトＫをそれぞれ有している。冷却媒体は、気体状の冷却媒体でも、液状の冷却媒体でもあり得る。このバッテリ１は、特に車両バッテリであり、特に電気駆動、ハイブリッド駆動を備える車両又は燃料電池車両用のバッテリ１であり、特に、バッテリ１の冷却プレート３が車両の冷却回路内、とりわけ車両エアコンのクーラント回路内に取り付けられている場合は有利である。代替又は追加の方法として、空気による冷却も可能である。
図４及び５は、バッテリ１の、それぞれ隣接して配置された２つの個別セル２の様々な展開図を示している。ボルト４．２の電気的接触、及び電流コレクタフラッグ２．２、２．３の開口部２．２．１、２．３．１、冷却プレート３の開口部３．１、熱伝導シート５の開口部５．１、ねじ穴４．１への外部物質の侵入を防ぐため、ボルトヘッドと各冷却プレート３との間には、それぞれ１つの絶縁エレメント６が配置されている。
図６には、電流コレクタフラッグ２．２、２．３と冷却プレート３との圧着、電流コレクタフラッグ２．２、２．３の電気的接続及びテンションエレメント４の構造を明確にするために、冷却プレート３の部分とテンションエレメント４の面におけるバッテリ１の長手方向の断面図が示されている。
絶縁エレメント６は、図示されている実施例に見られるように、ボルト４．２と冷却プレート３との間に電気的接触がないように形成されており、ボルト４．２によって冷却プレート３の開口部の中に押し入れられている。
図７は、冷却プレート３の部分とテンションエレメント４の面以外のバッテリ１の長手方向断面図である。この断面図では、電流コレクタフラッグ２．２、２．３の間のポジティブ結合、並びに電流コレクタフラッグ２．２、２．３と冷却プレート３との間のポジティブ結合が明確に示されており、電流コレクタフラッグ２．２、２．３の間には僅かな電気的接触抵抗が生じ、電流コレクタフラッグ２．２、２．３と冷却プレート３との間には僅かな熱的接触抵抗が生じ得る。また、電流コレクタフラッグ２．２、２．３間の広い電流伝導面と、電流コレクタフラッグ２．２、２．３と冷却プレート３との間の広い熱伝達面とが得られる。結果として、有利な方法で、高い電気的効率と高い冷却効率とが生じる。
図８には、一方の冷却プレート３の部分とテンションエレメント４の面における図１によるバッテリの横断面の拡大図が示され、冷却プレート３の幅は、電流コレクタフラッグ２．２、２．３の幅とちょうど同じ大きさである。
図９及び図１０は、複数の個別セル２を備えるバッテリ１の様々な図を示している。
電流コレクタフラッグ２．２、２．３と冷却プレート３との間のボルト４．２部分において、圧着による熱伝導シート５の変形及び損傷を回避するため、電流コレクタフラッグ２．２、２．３と冷却プレート３との間にはスペーサエレメント７が配置されている。このスペーサエレメント７は、機械的に硬質で、電気的に絶縁を行う材料から形成されている。さらに、このスペーサエレメント７は、ボルト４．２、冷却プレート３の開口部３．１、及び電流コレクタフラッグ２．２、２．３の開口部２．２．１、２．３．１に対応する開口部７．１を有しているため、ボルト４．２はこれらの開口部を突き抜けることができる。
スペーサエレメント７の厚さは、この場合、電流コレクタフラッグ２．２、２．３と冷却プレート３との間に配置されている熱伝導シート５の圧着が規定どおりに行われるように、すなわちこの熱伝導シートが損傷しないように決められている。熱伝導シート５は、スペーサエレメント７を使用する場合、スペーサエレメント間の部分に広がっている。
１ バッテリ
２ 個別セル
２．１ セルハウジング
２．２ 電流コレクタフラッグ
２．２．１ 開口部
２．３ 電流コレクタフラッグ
２．３．１ 開口部
３ 冷却プレート
３．１ 開口部
４ テンションエレメント
４．１ プレッシャプレート
４．１．１ ネジ穴
４．２ ボルト
５ 熱伝導シート
５．１ 開口部
６ 絶縁エレメント
７ スペーサエレメント
７．１ 開口部
Ｚ セル結合体
Ｋ 冷却ダクト

Claims (15)

  1. 直列又は並列に相互接続された複数の個別セル（２）と、前記個別セル（２）の極側に配置された少なくとも１つの冷却プレート（３）と、を備え、前記個別セル（２）の電極の電流コレクタフラッグ（２．２、２．３）が前記冷却プレート（３）と熱的に接続され、前記電流コレクタフラッグは前記冷却プレート（３）と平行に通るように曲げられている、バッテリ（１）であって、隣接する前記個別セル（２）の前記電流コレクタフラッグ（２．２、２．３）は、テンションエレメント（４）を用いて力結合及び／又はポジティブ結合によって電気的に接続され、力結合及び／又はポジティブ結合で前記冷却プレート（３）と圧着されていることを特徴とするバッテリ（１）。
  2. 個別セル（２）の前記電流コレクタフラッグ（２．２、２．３）は、隣接する前記個別セル（２）の前記電流コレクタフラッグ（２．２、２．３）が重なり合うように、反対方向に９０度曲げ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（１）。
  3. 前記電流コレクタフラッグ（２．２、２．３）が、前記テンションエレメント（４）に対応する開口部（２．２．１、２．３．１）を有していることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリ（１）。
  4. 前記冷却プレート（３）が、前記テンションエレメント（４）に対応する開口部（３．１）を有していることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリ（１）。
  5. 前記テンションエレメント（４）が、それぞれボルト（４．２）、リベット及び／又はスプリングエレメントを有していることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリ（１）。
  6. 前記テンションエレメント（４）が、それぞれプレッシャプレート（４．１）とボルト（４．２）とから形成され、前記プレッシャプレート（４．１）は前記ボルト（４．２）に対応するネジ穴（４．１．１）を有していることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリ（１）。
  7. 前記ボルト（４．２）は、前記冷却プレート（３）の前記開口部（３．１）及び重なり合っている前記電流コレクタフラッグ（２．２、２．３）の前記開口部（２．２．１、２．３．１）から前記電流コレクタフラッグ（２．２、２．３）の下部に配置されている前記プレッシャプレート（４．１）の前記ネジ穴（４．１．１）の中に通されていることを特徴とする、請求項６に記載のバッテリ（１）。
  8. 少なくとも前記ボルト（４．２）の部分において、前記電流コレクタフラッグ（２．２、２．３）と前記冷却プレート（３）との間にスペーサエレメント（７）が配置されていることを特徴とする、請求項６に記載のバッテリ（１）。
  9. 前記スペーサエレメント（７）は、前記ボルト（４．２）、前記冷却プレート（３）の前記開口部（３．１）及び前記電流コレクタフラッグ（２．２、２．３）の前記開口部（２．２．１、２．３．１）に対応する開口部（７．１）を有していることを特徴とする、請求項８に記載のバッテリ（１）。
  10. 前記テンションエレメント（４）と前記電流コレクタフラッグ（２．２、２．３）との間及び／又は前記テンションエレメント（４）と前記冷却プレート（３）との間に電気的絶縁エレメント（６）が配置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（１）。
  11. 前記電流コレクタフラッグ（２．２、２．３）が、少なくとも重なり合う部分に腐食防止層を有していることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリ（１）。
  12. 前記電流コレクタフラッグ（２．２、２．３）の少なくとも重なり合う部分が、外部物質の侵入に対してシール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（１）。
  13. 前記電流コレクタフラッグ（２．２、２．３）と前記冷却プレート（３）との間には、電気的に絶縁を行う熱伝導体又は電気的に絶縁を行う熱伝導シート（５）が配置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（１）。
  14. 前記個別セル（２）が互いに平行に配置されているため、前記個別セル（２）の前記電流コレクタフラッグ（２．２、２．３）が少なくとも２列に配置されており、前記電流コレクタフラッグ（２．２、２．３）のそれぞれの列には、それぞれ１つの冷却プレート（３）が割り当て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（１）。
  15. 前記バッテリ（１）が車両バッテリであり、特に電気駆動、ハイブリッド駆動を備える車両又は燃料電池車両用のバッテリ（１）であることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリ（１）。

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