JP2014523079A - 再充電可能電気バッテリ - Google Patents

Abstract

本発明は、積層方向に連結されたバッテリセルの少なくとも２つのスタックを備える再充電可能電気バッテリであり、好ましくは電気自動車用の、特に高電圧バッテリである。本発明は、スタックがハウジング内で互いに隣接して配置され、冷却空気がハウジング内に積層方向に垂直に配置された冷却空気ダクトを流れ、冷却空気ダクトがバッテリを冷却するための閉冷却空気回路の一部であり、冷却空気回路が好ましくは少なくとも１つの冷却空気ファンと少なくとも１つの熱交換器を有する。バッテリの良好な冷却を可能にするため、少なくとも１つのバッテリセルがプラスチックセルケーシングによって包囲され、プラスチックセルケーシングは、好ましくはほぼセル中間平面の領域において、バッテリセルの短辺側に沿って周方向に配置された突出シーリングシームを有し、スタックの隣接するバッテリセルのシーリングシーム間には間隙が設けられる。

Description

本発明は、積層方向に一列に隣接配置された少なくとも２つのバッテリセルのスタックを備え、このスタックがハウジング内に隣接配置され、積層方向に対して垂直にハウジング内に配置された冷却空気チャネルを冷却空気が流れることができ、冷却空気チャネルがバッテリを冷却するための閉冷却空気回路の一部であり、好ましくは冷却空気回路が少なくとも１つの冷却空気ファン及び少なくとも１つの熱交換器を有する再充電可能電気バッテリ、好ましくは電気自動車用で、特に高電圧バッテリに関する。

高電圧バッテリ、特にリチウムイオンバッテリセルを採用しているものは、厳しく制限された温度範囲内でしか動作することができない。高電圧バッテリは、通常、閉冷却空気回路を用いて又は開冷却空気システムを用いて適温にされる。

国際公開第２０１０／０５３６８９号公報は、ハウジング及び隣接配置された複数のリチウムイオンセルを備えるバッテリ装置を記述している。熱伝導性の電気的に絶縁する流体が冷却目的でハウジングを流れる。液体によって冷却されるシステムは高冷却性能が可能になるが、このシステムは多くの被封止点を有するので漏洩のリスクが高い。漏洩した冷却材はバッテリ内外で短絡を引き起こす可能性がある。

国際公開第２０１０／０６７９４４号公報は、隣接配置されたバッテリセルのスタックを備えるバッテリを開示しており、バッテリセルは冷却空気によって冷却される。空気冷却されるバッテリは通常、開冷却空気回路において冷却される。冷却空気は周辺から引き込まれ、バッテリ周囲に及び／又はバッテリ内の冷却空気チャネルを通るように案内され、バッテリから放熱する。熱せられた冷却空気は周辺に戻される。しかし、温度変化、湿度変化、空気汚染などによって、冷却性能及びバッテリの寿命が悪影響を受ける可能性がある。

国際公開第２０１１／０６７４９０号公報は、ファンにより閉回路において冷却空気がバッテリセルの上方を案内される車両用バッテリ用の冷却装置を示している。冷却空気は次にバッテリの前側に送られ、熱交換器によって再び冷却される。

米国特許出願公開第２０１０２３６８４６号明細書及び欧州特許出願公開第２１３３９５２号明細書は、車両用バッテリの冷却デバイスを示しており、冷却空気が閉回路において案内される。冷却デバイスは、少なくとも１つの冷却空気ファン及び１つの熱交換器を含む。

国際公開第２０１０／０５３６８９号公報 国際公開第２０１０／０６７９４４号公報 国際公開第２０１１／０６７４９０号公報 米国特許出願公開第２０１０２３６８４６号明細書 欧州特許出願公開第２１３３９５２号明細書

本発明の目的は、上述の不利益を回避すること、及び環境による影響をほとんど受けずに最も簡単な手段でバッテリの効率的な冷却を容易にすることである。

本発明によれば、この目的は、少なくとも１つのバッテリセルが１つのプラスチックセルケーシングに封入されることによって達成され、プラスチックセルケーシングは、バッテリセルの短辺側に沿って配置された（好ましくはセル中間平面に）突出シーリングシームを有し、スタックの隣接するセルの各シーリングシーム間には空間が画定される。

本発明の特にコンパクトな実施形態では、冷却空気ファン及び／又は熱交換器がハウジング内に配置されることが規定される。

この空間は第１及び／又は第２の冷却空気チャネルを形成することができる。

これに関連して、少なくとも１つの第１の冷却空気チャネルはバッテリの縦軸の方向に、少なくとも第２の冷却空気チャネルは縦軸に対して及び積層方向に対して垂直に延出するバッテリの横軸の方向に配置され得る。

閉冷却空気回路によって、バッテリは、温度及び湿度の変動、大気汚染などの不利な環境の影響をほとんど受けることなく冷却され得る。これにより、バッテリに関して一定の最適な動作条件が保証され、バッテリの寿命が延長される。

空気は第１の冷却空気チャネルを介して２つの隣接するスタック間の領域を流れて冷却する。冷却空気のフローを誘導する第２の冷却空気チャネルは、バッテリの上側に配置され、セル端子及び／又は電気セルコネクタを冷却する。後者は、２つの隣接するバッテリセルを電気的に接続するための好ましくは１つのＵ字形のプロファイル又はＹ字形のプロファイルを備える少なくとも１つのセルコネクタが第２の冷却空気チャネル内に突出する場合、特に良好に冷却され得る。

第１のスタックのバッテリセルの少なくとも１つのシーリングシームは、第２のスタックの２つの隣接するバッテリセルのシーリングシームによって画定される空間内に突出し得る。この空間の境界を形成し又はこの空間内に突出するシーリングシームは、冷却空気流のための案内表面を形成する。このように、冷却空気の搬送が改善される一方、冷却領域に接触する表面が拡大される。

記述された手段によって、冷却能力を高める及び／又は必要な設置空間を減らすことができ、体積エネルギー密度に対しても有益な影響が及ぶ。

本発明のバッテリを上方から見た斜視図で示す。 前記バッテリを図１におけるＩＩ‐ＩＩ線に対応する断面で示す。 前記バッテリを正面図で示す。 前記バッテリを下方から見た斜視図で示す。 前記バッテリを図４におけるＩＶａ‐ＩＶａ線に対応する断面で示す。 一実施形態における前記バッテリとハウジングを図４ａと同様な断面で示す。 前記バッテリのバッテリモジュールを斜視図で示す。 このバッテリモジュールを下方から見た斜視図で示す。 バッテリセルのスタックを斜視図で示す。 このスタックを側面図で示す。 バッテリモジュールのバッテリセルのスタックを斜視図で示す。 バッテリモジュールを図９におけるＸ‐Ｘ線に対応する断面で示す。 このバッテリモジュールの細部を図１０と同様な断面で示す。

本発明を、図面を参照して以下により詳細に記述する。

本実施形態における再充電可能バッテリ１は、７つのバッテリモジュール２を備え、各バッテリモジュール２は、隣接配置された締結されたバッテリセル５の２つのスタック３，４を有する。各バッテリモジュール２のスタック３，４は、例えばアルミニウム、又はプラスチック製の２枚の構造的に強固な波形プレート６間に配置され、プレート６はダイカスト部品から形成され得る。プレート６自体は、バッテリ１の前面及び後面上の２つの保定プレート７，８間に固定され、前面上の保定プレート７は、止めねじ９によって後面上の保定プレート８にしっかりと接続される。止めねじ９は、プレート６の領域内に配置される。保定プレート７，８とともに、プレート６はバッテリモジュール２用の保持フレーム１０を形成する。保定プレート７，８は、可能な限り重量を最小に抑えるために開口を備える。止めねじ９間に画定された（積層方向ｙに見られる）間隙によって、バッテリセル５が、正確な位置に、バッテリ１の寿命を通して略一定の特定のプリテンション力（初荷重）によって設置される。各プレート６と隣接するバッテリセル５との間には、例えば発泡体で作られた弾性的な絶縁層６ａが配置され、圧力が均等に且つ徐々に分散される。

バッテリ１は、底面プレート１１によって下方から封止されている。

取付けフレーム１０を含むバッテリ１は、ハウジング１２とバッテリ１との間に冷却空気流路が形成されるように、ハウジング１２内に配置される。冷却空気のフローを案内するために、図２及び４に示すように、ハウジング床面１２ａにフローガイド表面１３を一体化する。

各バッテリセル５は、プラスチックのケーシング１４に封止され、プラスチックのケーシング１４は、ほぼセルの中間平面１５の領域内で短辺側５ａに沿って封止目的の突出シーリングシーム１６を有する。その都度、スタック３，４の隣接するバッテリセル５のシーリングシーム１６間には空間１７が画定される。

設置空間を節約するため、隣接配置された各バッテリモジュール２の２つのスタック３，４は、互いに対して重なり且つずれるように設置される。ずれＶは、バッテリセル５の厚みＤの約半分である。一方のスタック３，４のバッテリセル５のシーリングシーム１６は、他方のスタック４，３の２つの隣接するバッテリセル５のシーリングシーム１６によって画定された空間１７内に突出する。このように、シーリングシーム１６の一部を収容することによって空間１７が少なくとも部分的に使用され得る。これは、構成された空間と体積エネルギー密度に対して非常に有益な効果を有する。２つのスタック３，４間のずれＶは、プレート６がバッテリ１の長手方向中間平面１ａの領域に段差２４を形成することを意味する。

Ｕ字形及びＹ字形のセルコネクタ１９，２０を介して接続されるセル端子１８は、上方の短辺側５ａでプラスチックケーシング１４から突出する。セルコネクタ１９，２０とセル端子１８との接続部は、クリンチング処理において１つ以上のクリンチ点２１ａを備えるクリンチ接続部２１として形成され得る。これにより、複数の接続点の結果としての特に高い通電性能だけでなく、更なる構造的要素を用いずに、気密に封止された接続点と、異なる材質とのセル端子１８の単純な接触（銅からアルミニウム及びその逆）による長期間の耐腐食性接続が容易になる。クリンチングにより同一のツールを用いて２つ乃至４つのシートを電気的に接続することができ、特に好適には、銅、アルミニウム、及び鋼材料の壁厚は、０．１ｍｍ乃至０．５ｍｍである。結果、必要に応じて、クリンチング処理の付加的な作業において同時にセルコネクタ１９，２０によってセル端子１８にセル電圧モニタリングケーブル２２を接続することができる。クリンチ接続部２１のクリンチ点２１ａの位置は例えばレーザ溶接された接続部よりも変動が可能であるため、比較的大きな公差補償能力が得られる。パラレルで多目的なツールを使用することによって、材料の壁厚や押圧などの数個の容易に制御可能な入力変数のみを伴う、より大規模な生産運転に対してより単純且つコスト効果の高い生産が可能になる。冷却空気チャネル２７内に突出したクリンチ点２１ａによってバッテリ１の放熱表面積が増し、これは、セル端子１８を直接空気冷却する場合に特別な意味を持つ。突出クリンチ点２１ａは、特に空気冷却の場合、乱流の増大、つまり熱伝達の改善にも寄与する。結果、冷却に対するクリンチ点２１ａの好影響は、設置空間の効率的活用の結果として体積エネルギー密度の増加にも寄与する。

特に良好な体積エネルギー密度を達成するためには、バッテリセル５を可能な限り近くに位置決めする必要がある。更に、隣接するバッテリセル５の熱的過負荷の際の「ドミノ効果」発生を防止するために、バッテリセル５間に可能な限り薄い熱的及び電気的な絶縁層２３、例えば絶縁箔が配置される。

それと共に、空間１７は、冷却空気チャネル２６，２７を作り出す。空間１７は、２つのスタック３，４の重なり部２５の領域、即ち、バッテリ１の長手方向中間平面１ａの領域に第１の冷却空気チャネル２６を形成し、前記チャネルは、バッテリ１の縦軸ｚの方向に配置される。シーリングシーム１６は、空気流のフロー案内表面及び放熱表面を形成する。縦軸ｚに対して及び積層方向ｙに対して垂直な横軸ｘの方向にバッテリセル５の上側に空間１７によってセル端子１８の領域には第２の冷却空気チャネル２７が形成される。

第１及び第２の冷却空気チャネル２６，２７は、バッテリ１を冷却するための閉冷却空気回路２８の一部であり、冷却空気回路２８は、少なくとも１つの冷却空気ファン２９と少なくとも１つの熱交換器３０を有する。

図４ａに概略的に示す実施形態において、ハウジング１２は冷却空気流入路３１及び冷却空気流出路３２を備え、冷却空気流入路３１及び冷却空気流出路３２は、ここでは、バッテリ１の同一の第１の長手方向側面１ａ（前側）の領域に配置されている。冷却空気（冷却空気ファン２９及び熱交換器３０から来る）は、図４ａにおける矢印Ｓに対応する冷却空気流入路３１を介してハウジング１２内に送られ、バッテリ１の上側１ｂの領域におけるバッテリセル５のセル端子１８の領域における第２の冷却空気チャネル２７を介して、第１の長手方向側面１ａの反対側に面するバッテリの第２の長手方向側面１ｃ（後側）へ送られる。空気の一部Ｓ１はバッテリ１の第２の長手方向側面１ｃとハウジング１２との間を流れてバッテリ１の底面１ｄに到達し、バッテリ１の基板１１とハウジング１２との間に形成されたメインコレクタ３３における底面１ｄの領域においてバッテリ１の第１の長手方向側面１ａに戻り、冷却空気流出路３２に流れる。冷却空気の他の一部Ｓ２は、２つのスタック３，４間の第１の冷却空気チャネル２６を通ってバッテリセル５からバッテリ１の底面１ｄへと流れ、同様にメインコレクタ３３に到達する。

冷却空気は、従って、第２の冷却空気チャネル２７を流れ、セル端子１８及びセルコネクタ１９，２０を冷却する。その後、冷却空気の一部が第１の冷却空気チャネル２６に到達し、第１の冷却空気チャネル２６は冷却空気を縦軸ｚの方向に下方案内する。空気はバッテリ１の全空隙及び空間１７を流れ、蓄積された熱が取り出される。残りの冷却空気は、バッテリ１の第１の長手方向側面１ａ（前側）の保定プレート７とハウジング１２の間を流れてハウジング１２のハウジング床１２ａに到達し、そこでフローガイド面１３によって車両の長手方向中間平面εまで案内され、収集される。冷却空気は、次に、冷却空気流出路３２を通ってハウジング１２から流出し、冷却空気ファン２９によって再び吸引され、バッテリ１の閉冷却回路２８内に再び送り込まれる前に熱交換器３０によって冷却される。

図４ｂに示すように、冷却空気ファン２９及び熱交換器３０は、バッテリ１のハウジング１２内にも配置され得、前記ハウジングは封止される。図示の実施形態において、冷却空気ファンは、熱交換器３０よりも上流に配置された２つのブロワを備える。熱交換器３０は、空気／水熱交換器として形成され、熱交換器３０には冷却水供給及び排水ライン３４，３５が接続される。冷却空気Ｓのためのフローガイド表面を参照符号３６で示す。

Claims (11)

1. 積層方向（ｙ）に一列に隣接配置されたバッテリセル（５）の少なくとも２つのスタック（３，４）を備え、前記スタック（３，４）がハウジング（１２）内に隣接配置され、前記ハウジング（１２）内で前記積層方向に対して垂直に配置された冷却空気チャネル（２６，２７）を冷却空気が流れることができ、前記冷却空気チャネル（２６，２７）がバッテリ（１）を冷却するための閉冷却空気回路（２８）の一部である再充電可能前記電気バッテリ（１）であって、特に高電圧バッテリで、好ましくは電気自動車用であり、好ましくは前記冷却空気回路（２８）が少なくとも１つの冷却空気ファン（２９）及び少なくとも１つの熱交換器（３０）を有しており、少なくとも１つのバッテリセル（５）がプラスチックセルケーシング（１４）に封入され、前記プラスチックセルケーシング（１４）は、前記バッテリセル（５）の短辺側（５ａ）に沿って配置された突出したシーリングシーム（１６）を有し、シーリングシーム（１６）が好ましくはセル中間平面（１５）の領域において配置され、スタック（３，４）の前記隣接するバッテリセル（５）の各前記シーリングシーム（１６）の間に空間（１７）が画定されることを特徴とする再充電可能電気バッテリ（１）。
2. 少なくとも第１の冷却空気チャネル（２６）が前記バッテリ（１）の縦軸（ｚ）の方向に配置され、少なくとも第２の冷却空気チャネル（２７）が前記縦軸（ｚ）に対して垂直に且つ前記積層方向（ｙ）に対して垂直に延出する前記バッテリ（１）の横軸（ｘ）の方向に配置されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ（１）。
3. 前記空間（１７）が前記第１及び／又は第２の冷却空気チャネル（２５，２６）を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のバッテリ（１）。
4. 一方のスタック（３，４）のバッテリセル（５）の少なくとも１つのシーリングシーム（１６）が他方のスタック（４，３）の２つの隣接するバッテリセル（５）の前記シーリングシーム（１６）によって画定された空間（１７）内に突出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のバッテリ（１）。
5. 前記空間（１７）の境界を形成し又は前記空間（１７）内に突出するシーリングシーム（１６）は、前記冷却空気流のための案内表面を成すことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のバッテリ（１）。
6. ２つの隣接するバッテリセル（５）を電気的に接続するための少なくとも１つのセルコネクタ（１９，２０）は、第２の冷却空気チャネル（２７）内に突出し、好ましくはＵ字形のプロファイル及又はＹ字形のプロファイルを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のバッテリ（１）。
7. 前記ハウジング（１２）が少なくとも１つの冷却空気流入路（３１）及び少なくとも１つの冷却空気流出路（３２）を備え、好ましくは冷却空気流入路（３１）及び冷却空気流出路（３２）が前記バッテリ（１）の同一の第１の長手方向側面（１ａ）の領域に配置されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のバッテリ（１）。
8. 前記冷却空気流入路（３１）から来る前記冷却空気が、前記バッテリ（１）の上側の領域における前記バッテリセル（５）の前記セル端子（１８）の領域における前記第２の冷却空気チャネル（２７）を介して送られ、少なくとも部分的には前記第１の長手方向側面の反対側に面する前記バッテリ（１）の第２の長手方向側面に達し、前記バッテリ（１）の前記第２の長手方向側面と前記ハウジング（１２）との間を通り、前記バッテリ（１）の底面に達し、前記バッテリ（１）の基板（１１）と前記ハウジング（１２）との間の前記バッテリ（１）の前記底面に達し、前記バッテリ（１）の前記第１の長手方向側面（１ａ）に達し、前記冷却空気流出路（３２）に達することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のバッテリ（１）。
9. 前記冷却空気の少なくとも一部が、前記第２の冷却空気チャネル（２７）から前記第１の冷却空気チャネル（２６）を介して前記バッテリ（１）の前記底面（１ｄ）に及び前記バッテリ（１）の基板（１１）と前記ハウジング（１２）との間の前記バッテリ（１）の前記底面（１ｄ）に達し、前記バッテリ（１）の前記第１の長手方向側面（１ａ）に及び前記冷却空気流出路（３２）に達するように案内されることを特徴とする請求項８に記載のバッテリ（１）。
10. 前記バッテリ（１）の前記基板（１１）と前記ハウジング（１２）との間に少なくとも１つのメインコレクタ（３３）が形成され、好ましくは前記メインコレクタ（３３）が、前記フローに対して長手方向に形成された前記基板（１１）上及び／又は前記ハウジング（１２）上のフィンによって形成された少なくとも１つのフローガイド表面（１３）を有することを特徴とする請求項８又は９に記載のバッテリ（１）。
11. 前記冷却空気ファン（２９）及び／又は前記熱交換器（３０）が前記ハウジング（１２）内に配置されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のバッテリ（１）。

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