JP2014525118A - 再充電可能電気バッテリ - Google Patents

Abstract

本発明は、積層方向（ｙ）に連結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）を備える、好ましくは電気自動車用の再充電可能電気バッテリ（１）、特に高電圧バッテリであって、スタック（３，４）が互いに隣接して且つ積層方向に対して垂直に配置され、互いに隣接配置された少なくとも２つのスタック（３，４）が互いに対して積層方向（ｙ）にずらして配置される再充電可能電気バッテリ（１）に関する。体積エネルギー密度を増加するために、スタック（３，４）の少なくとも１つのバッテリセル（５）が隣接するスタック（４，３）の少なくとも１つのバッテリセル（５）と少なくとも部分的に重なるように配置される。

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つのバッテリセルスタックを備え、このスタック同士が隣接して且つ積層方向に対して垂直に配置され、隣接配置された少なくとも２つのスタックが互いに対して積層方向にずらして配置された再充電可能電気バッテリ、好ましくは電気自動車用であり、特に高電圧バッテリに関する。

複数のリチウムイオンバッテリセルによって構成されたバッテリパックは、これらに加えて、セル締結システム、セル冷却システム、セル監視システム、セル接続システムなどの一連の他のサブシステムを含む。これらサブシステムの一体化のために、セル（電池）化学よって包囲された体積をはるかに超過する更なる設置空間が必要になる。これは、既に化石燃料の体積エネルギー密度よりも低い体積エネルギー密度に悪影響を及ぼす。

プラスチックのセルケーシングが活性セル化学の周囲に伸びる連続的な横方向のシーリングシームによって封止された多くの様々な既知のリチウムイオンポーチセルの構造的形状のため、複数のセルが隣接している場合、空の空間が形成される。これらの囲繞された空間は、バッテリセルの製造公差の結果として非常に大雑把にしか寸法を設定することができず、突出したシーリングシームによって別々の空間に分割されることがあるため、技術的に活用することが難しい。

独国特許出願公開第１０２００９０３５４６３号明細書（特許文献１）は、複数のフラットな略プレート状の個別のバッテリセルを備えるバッテリを開示している。個別のバッテリセルは、セルスタックを形成するように積層され、バッテリハウジングによって包囲される。バッテリの個別のセルは、金属シートと絶縁材料のフレームによって、フラットにフレームに包囲されるように形成される。

また、国際公開第２００８／０４８７５１号明細書（特許文献２）は、ハウジングに収容されたスタックにおいて隣接配置された複数のプレート状バッテリセルを備えるバッテリモジュールを開示している。

国際公開第２０１０／０５３６８９号明細書（特許文献３）は、ハウジングと、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開示している。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。

国際公開第２０１０／０６７９４４号明細書（特許文献４）は、バッテリセルが冷却空気によって冷却される、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する。

特開２００７−１０９５４６号公報（特許文献５）は、積層方向に互いにずれて隣接配置された２つのモジュールを備える再充電可能バッテリを記述している。

独国特許出願公開第１０２００９０３５４６３号明細書 国際公開第２００８／０４８７５１号明細書 国際公開第２０１０／０５３６８９号明細書 国際公開第２０１０／０６７９４４号明細書 特開２００７−１０９５４６号公報

本発明の目的は、上述の欠点を回避すること、及び冒頭で言及したタイプの電気バッテリの体積エネルギー密度を改善することである。

本発明によれば、この目的は、スタックの少なくとも１つのバッテリセルが、隣接するスタックの少なくとも１つのバッテリセルと少なくとも部分的に重なり合うように配置されることによって達成される。

２つのスタックのずれは、バッテリセルの厚みの約半分である。これにより、より密度の高いパッキングが容易になる。

残りの空隙を活用するために、隣接するスタックのバッテリセルの少なくとも１つの重なる領域間に少なくとも第１の冷却空気チャネルが形成される。

少なくとも１つのバッテリセルは、プラスチックセルケーシングに封止され、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うように配置された（好ましくはセル中間平面の領域に）突出シーリングシームを有する。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その都度空間が画定される。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。

製造を容易にするため、部分的に重なるバッテリセルを備える２つのスタックがその都度１つのバッテリモジュールを形成し、各バッテリモジュールが２つの好ましくは熱的且つ／又は電気的に絶縁するプレート間に配置されると有利である。

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。冷却空気流を誘導する第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及び／又は第２の冷却空気チャネルは、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得、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。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となる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。

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する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。

隣接するバッテリセルの過熱を可能な限り防止するため、少なくとも１つのスタックの２つの隣接するバッテリセル間に熱的且つ電気的な絶縁層が設けられ、好ましくはこの絶縁層は絶縁箔によって形成される。

上述した手段によれば、必要な設置空間は減少され、体積エネルギー密度は増加され得る。

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に沿う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。クリンチングによって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、特に適切には、銅、アルミニウム、及び鋼材料の壁圧は、０．１ｍｍ乃至０．５ｍｍである。結果、必要に応じて、クリンチング処理における付加的な作業で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が接続され得る。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、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、乱流を増大させること、つまり熱伝達を改善することにも寄与する。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。冷却空気（冷却空気ファン２９及び熱交換器３０から来る）は、バッテリ１の後部及び／又は上部の保定プレート９の領域又はセル端子１８の領域でハウジング１２内に搬入される。冷却空気は、第２の冷却空気チャネル２７を通過して流れ、セル端子１８及びセルコネクタ１９，２０を冷却する。その後、冷却空気の少なくとも一部は、縦軸ｚの方向に冷却空気を下方案内する第１の冷却空気チャネル２６に達する。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の前側の保定プレート８とハウジング１２と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表面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、冷却空気ファン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。

Claims (13)

1. 積層方向（ｙ）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）が隣接して且つ前記積層方向に対して垂直に配置され、隣接配置された少なくとも２つのスタック（３，４）が互いに対して前記積層方向（ｙ）にずらして配置された再充電可能電気バッテリ（１）、好ましくは電気自動車用で、特に高電圧バッテリであって、スタック（３，４）の少なくとも１つのバッテリセル（５）が隣接するスタック（４，３）の少なくとも１つのバッテリセル（５）と少なくとも部分的に重なるように配置されることを特徴とするバッテリ。
2. 前記２つのスタック（３，４）のずれ（Ｖ）が、バッテリセル（５）の厚み（Ｄ）の約半分であることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ（１）。
3. 少なくとも１つの第１の冷却空気チャネル（２６）が、前記重なり（２５）の領域において形成され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. 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）によって封止され、前記プラスチックセルケーシング（１４）が、前記バッテリセル（５）の短辺側（５ａ）に沿って、好ましくはセル中間平面（１５）の領域において、突出シーリングシーム（１６）を有し、スタック（３，４）の隣接するバッテリセル（５）の各前記シーリングシーム（１６）間に空間（１７）が画定され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. 少なくとも１つの空間（１７）が、第１及び／又は第２の冷却空気チャネル（２６，２７）を形成することを特徴とする請求項４に記載のバッテリ（１）。
6. 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５に記載のバッテリ（１）。
7. 前記一方のスタック（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、前記他方のスタック（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）によって画定される空間（１７）内に突出することを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載のバッテリ（１）。
8. 少なくとも１つのスタック（３，４）の２つの隣接するバッテリセル（５）間に熱的且つ電気的な絶縁層（２３）が配置され、前記絶縁層（２１）が絶縁箔によって形成され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. 少なくとも１つの空間（１７）が冷却空気チャネル（２６，２７）を形成し、前記空間（１７）の境界を形成する又は前記空間（１７）内に突出する前記シーリングシーム（１６）が前記冷却空気流のための案内表面を形成することを特徴とする請求項４乃至８のいずれか一項に記載のバッテリ（１）。
10. 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）（好ましくはＵ字形のプロファイル又はＹ字形のプロファイルを有する）が第２の冷却空気チャネル（２７）内に突出することを特徴とする請求項５乃至９のいずれか一項に記載のバッテリ（１）。
11. 前記第１及び／又は第２の冷却空気チャネル（２６，２７）が前記バッテリ（１）を冷却するための閉冷却空気回路（２８）の一部であり、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）を有することを特徴とする請求項３乃至１０のいずれか一項に記載のバッテリ（１）。
12. 部分的に重なるバッテリセル（５）を備える各２つのスタック（３，４）がバッテリモジュール（２）を形成し、好ましくは各バッテリモジュール（２）が２つの好ましくは熱的及び／又は電気的に絶縁するプレート（６）間に配置されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のバッテリ（１）。
13. 前記プレート（６）が前記重なり（２５）の領域に段差（２４）を備えることを特徴とする請求項１２に記載のバッテリ（１）。

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