JP2014532974A - バッテリセル、バッテリ、及び車両 - Google Patents

Abstract

そのバッテリセルハウジング（１６）が折り畳み構造（１８）の形態による構成を有するバッテリセル（１０）が記載される。さらに、そのバッテリセルハウジング（１６）が、中間層（２２）と２つのカバー層（２４）とを含むサンドイッチ構造（２０）の形態による構成を有するバッテリセル（１０）が記載される。さらに、そのバッテリセルハウジング（１６）が反転構造（２６）の形態による構成を有するバッテリセル（１０）が記載される。さらに、複数のバッテリセル（１０）を備えたバッテリ、及び、当該バッテリを備えた車両が記載される。【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリセルハウジングを備えたバッテリセル、複数のこのようなバッテリセルを備えたバッテリ、及び、当該バッテリを備えた車両に関する。

バッテリは、特に、例えば鉛蓄電池のようなより古い技術と比較して高いエネルギー密度又は出力密度をもたらすリチウムイオン二次電池の開発以来、車両内の駆動部のための移動式エネルギー源として益々普及している。新しいバッテリ技術は、例えばビデオカメラ又は携帯電話のような電子機器内での利用のために開発され、自動車分野のために開発されるバッテリとは全く異なった環境負荷への要求が突き付けられる。しかしながら、或るテーマでは、双方の適用分野のために同じ基準が利用される。即ち、事故の際にはバッテリに機械的な損傷を与えてはならず、ハウジング、又は、車両の場合シャシーは、内部のバッテリの損傷を回避するために、全ての力及び負荷を吸収しなければならない。しかしながら、対応する機械的損傷がバッテリセルに発生した場合には、当該セルはこのような場合のために設計されていないため、通常では連続反応を制御することが出来ない。しかしながら、エネルギー貯蔵器は、特に車両に実装される際には、衝突の場合に特に危険とならないように、最も高い安全基準を満たさなければならない。

個々のバッテリセルはバッテリモジュールへとまとめられ、バッテリモジュール自体はバッテリへとまとめられる。図１は、どのように個別のバッテリセル１０を、並列接続又は直列接続によって、バッテリモジュール１２へと、さらにバッテリ１４へと接続しうるかを示している。その際に、定義によれば、バッテリモジュール１２又はバッテリ１４は、少なくとも２つのバッテリセル１０で構成され、バッテリ、バッテリモジュールという概念は、同義語として利用されることが多い。

欧州特許出願公開第２１７２９９４号明細書では、複数のバッテリセルを備えるバッテリモジュールであって、上記複数のバッテリセルの（バッテリ極を含む）第１の末端が第１のカバー内のキャップ形状の収容部により把持される、上記バッテリモジュールが開示されている。キャップ形状の収容部内には、バッテリセルの極を伝導的に接続するために、セルコネクタが組み込まれている。バッテリセルの第２の末端は第２のカバー内で把持され、その際に、第２のカバーは上記末端を気密に包囲し、従って、この第２のカバーは、気体放出システムとして機能する。例えば、過負荷又は損傷の際に、バッテリセルからバッテリの気体が出る場合に、このバッテリの気体は、第２のカバーによって捉えられて、例えばチューブ管を介して、バッテリセル又は車両から排出される。

国際公報第２０１０／１１１６４７号明細書も同様に、複数のバッテリセル及び気体放出システムを備えたバッテリモジュールを記載しており、ここでは、バッテリの気体がそこから放出されるバッテリセルの両側が、気体放出システムと結合されている。しかしながら、欧州特許出願公開第２１７２９９４号明細書に対して、気体排出システムの対向する両側は、バッテリセルと結合されうる。

しかしながら、車両の事故の場合には、出て来るバッテリの気体を車両から安全に案内することだけ保証すればよいのではなく、さらに、バッテリセルの重大な損傷の防止を目指すのが価値あることである。

自動車での適用においては、３つの異なる種類のセル、即ち、円筒形状のセル、角柱形状のセル、及び軟性ハウジングを備えたセル（ポーチセル）が使用される。全てのセルは、力が加わった際に変形しうることが共通している。しかしながら、この変形において、セルのどの場所で変形が始まり、当該変形が更にハウジングに沿ってどのように広がるかを、通常では予測できないことが問題となる。最悪の場合には、変形によって、後に続く反応が例えば爆発という形態の非常に激しいものになりうる形で、セルの内部構造が損傷を受け又は破壊されるセルの箇所で、上記変形が始まる。

本発明の第１の実施形態によれば、バッテリセルハウジングを備えたバッテリセルが提供される。バッテリセルハウジングは、特徴として、折り畳み構造の形態による構成を有する。この折り畳み構造は一般に、折り畳みセグメントが繰り返されて構成され、バッテリセルハウジングのミクロ構造化（Ｍｉｋｒｏｓｔｒｕｋｔｕｒｉｅｒｕｎｇ）という形態により実現されうる。このようなミクロ構造は、例えば、バッテリセルハウジング内に刻み込まれ、又はレーザで刻み込まれる（ｅｉｎｌａｓｅｒｎ）。

本発明の第１の実施形態に係るバッテリセルには、力が加わった際に、予め定められた場所で変形が始まり、この変形が制御されながらバッテリセルハウジング上に広がるという利点がある。折り畳み構造では、所謂塑性ヒンジ（Ｆｌｉｅｓｓｇｅｌｅｎｋｅ）が、力の影響によって曲げられ、これにより、湾曲フロント（Ｂｉｅｇｅｆｒｏｎｔ）が、曲げられる構造に均一に通る。力の作用により、個々のミクロ構造は、定められたように塑性ヒンジの箇所で折り畳まれ、折り畳まれたバッテリセルハウジングの形状が、このような構造によって正確に予測されうる。さらに、車両衝突の際に吸収すべき運動エネルギーの一部が、車両のシャシーのみによって吸収されるのではなく、ミクロ機械的な構造化による、バッテリセルハウジングの機械的構成によっても吸収される。これにより、セルは、エネルギー貯蓄器としての自身の機能においては使用できないが、後に続くセルの反応（例えば、内部短絡、セルの開放、火災）が制御されうる。バッテリセルが変形した際の機械的な挙動が厳密に制御されうるため、後に続く反応が正確に予測されうる。

これにより、現在の先行技術に対して、バッテリセルの安全性が向上する。というのは、バッテリセルの機械的変形が予測可能であることによって、高いリスクが伴う連続反応がもはや起こり得ないようにセルの内部構造を形成出来るからである。さらに、バッテリセルハウジング内に設けられるミクロ構造にはさらに、バッテリセルハウジングの強度を上げられるという利点があり、これによって、起こりうる変形は、従来利用されたセルの場合よりも加わる力が大きい場合に初めて始まる。

本発明の好適な実施形態によれば、折り畳み構造は、横断面において、真直ぐで曲がっていない（ｇｅｒａｄｅ）連結ピースを有する波形構造を有する。その際に、真直ぐな連結ピースは、丸みが付けられ又は折り曲げられた移行領域であって、負荷の際に塑性ヒンジとして機能する上記移行範囲を介して互いに連結される。ピークピーク値（Ｓｐｉｔｚｅ−Ｓｐｉｔｚｅ−Ｗｅｒｔ）は、好適に、２．０ｍｍより小さく又は２．０ｍｍと等しく、折り畳みセグメントの縦の長さは、好適に、１．５ｍｍより小さく又は１．５ｍｍと等しく、その際、この値は、所望の折り畳み回数に依存する。

さらに、好適に、折り畳み構造は、横断面において、１８０°よりも小さい湾曲部を有する連続する波形構造を有する。ピークピーク値は、好適に２．０ｍｍより小さく又は２．０ｍｍと等しく、折り畳みセグメントの縦の長さは、好適に、１．５ｍｍより小さく又は１．５ｍｍと等しく、その際に、この値は、所望の折り畳み回数に依存する。横断面における連続する波形構造は、好適に、正弦波形状に形成されうる。さらに好適に、湾曲は１８０°と等しくてもよい。

さらに好適に、折り畳み構造は、横断面において、１８０°よりも大きい湾曲部を有する曲がりくねった波形構造を有する。ピークピーク値は、好適に、２．０ｍｍより小さく又は２．０ｍｍと等しく、折り畳みセグメントの縦の長さは、好適に、１．５ｍｍより小さく又は１．５ｍｍと等しく、その際に、この値は、所望の折り畳み回数に依存する。

本発明の第２の実施形態によれば、バッテリセルハウジングを備えた更なる別のバッテリが提供される。特徴として、バッテリセルハウジングは、中間層と２つのカバー層とを含むサンドイッチ構造の形態による構成を有する。従って、バッテリセルハウジングは、一層で実現されるのではなく、複数の金属層で実現され、その際に、個々の金属層は、安定した構造を有して互いに接合される。

本発明の第２の実施形態に係るバッテリセルには、上記構造に圧力が掛かった際に、バッテリセルの内部に損傷を与えることなく、変形によりエネルギーを吸収するという利点がある。これにより、中間層の空隙のみが押し潰される。例えば衝突の際の力の作用により中間層が変形し、これにより、中間層はエネルギー吸収のために寄与する。

好適に、サンドイッチ構造の中間層は蜂の巣構造を有する。この蜂の巣構造は、蜂の巣房と同様に、互いに隣接して並んだ複数の六角形を形成する。

さらに好適に、サンドイッチ構造の中間層は、互いに平行に配置され互いに接合されただけの管で構成される。好適に、上記管は、予め設定された空間に予め設定された管直径で、可能な限り多くの管のために場所が確保されるように配置される。即ち、上記管は列を作って互いに交互に配置され、即ち、１つの列は、次の列に対して、管直径の半分だけ整列方向にずれて配置される。

本発明の第３の実施形態によれば、バッテリセルハウジングを備える更なる別のバッテリセルが提供される。特徴として、バッテリセルハウジングは、反転構造の形態による構成を有する。このような反転構造は、例えば、運動エネルギー吸収のために変形する中空体と、当該変形を引き起こすピストン（Ｓｔｅｍｐｅｌ）と、で構成される。変形の際には、ピストンが中空体内へと押圧され、これに続いて、中空体の壁が、裏返しになってくるくると巻ける。従って、バッテリセルハウジングは一層では実現されず、むしろ、互いに隣接して並ぶ複数の反転構造によって形成される。

本発明の第３の実施形態に係るバッテリセルには、裏返しになった壁の裏返し半径（Ｕｍｓｔｕｅｌｐｒａｄｉｕｓ）に従って、変形のために様々な量のエネルギーを必要とする軟性又は硬性の構造が生成されうるという利点がある。

さらに好適に、本発明の第１の実施形態、第２の実施形態、及び第３の実施形態のバッテリセルは、リチウムイオン二次電池である。リチウムイオン技術を利用することによって、特に高いエネルギー密度を実現することが可能であり、特に電子モビリティ（Ｅｌｅｋｔｒｏｍｏｂｉｌｉｔａｅｔ）の分野での更なる別の利点に繋がる。

バッテリセルハウジングの材料として、例えば金属、特にアルミニウム及び鉄が適している。

さらに、本発明に係る複数のバッテリセルを備えたバッテリが提供される。

さらに、本発明に係るバッテリを備えた車両が提供され、その際に、バッテリは通常、車両の電気的な駆動システムの電力供給のために設けられる。

本発明の有利な発展形態は、従属請求項に示され、又は、本明細書の以下の記載から読み取れる。

本発明の実施例が、図面、及び、以下の明細書の記載により詳細に解説される。
（従来技術の）バッテリセルの接続を示す。 折り畳み構造を示す。 折り畳み構造を示す。 折り畳み構造を示す。 蜂の巣構造の中間層、及び、サンドイッチ構造を示す。 蜂の巣構造の中間層、及び、サンドイッチ構造を示す。 蜂の巣構造の中間層、及び、サンドイッチ構造を示す。 管構造の中間層、及び、サンドイッチ構造を示す。 管構造の中間層、及び、サンドイッチ構造を示す。 管構造の中間層、及び、サンドイッチ構造を示す。 反転構造を示す。 反転構造を示す。

図１については、既に従来技術を解説するために述べた。

図２、３、及び４は、バッテリセルハウジング１６の、本発明に係る３つの異なる折り畳み構造１８を概略的に示しており、この折り畳み構造１８は、図示するように、例えば、回転対称的であってもよい。バッテリセルハウジング１６の中央領域に示される折り畳み構造１８は、分かり易いように強調して描かれており、その際に、バッテリセルハウジング１６の上方の領域には、力Ｆによって開いた折り畳み構造１８が示されている。折り畳み構造１８は、示されるように、バッテリセルハウジング１６の一部のみをカバーしてもよく、又は、バッテリセルハウジング１６の外表面全体をカバーしてもよい。力Ｆがバッテリセルハウジング１６に対して加えられると、バッテリセルハウジング１６は、折り畳み構造１８に基づいて、予め定められた形態により折り畳まれ、これにより、バッテリセルの内部の寿命の破壊が予測可能である。

図２は、横断面において、真直ぐな連結ピースを有する波形構造をした折り畳み構造１８を示している。ピークピーク値ｈは、好適に、２．０ｍｍよりも小さく又は２．０ｍｍと等しく、折り畳みセグメントの縦の長さｋは、好適に、１．５ｍｍよりも小さく又は１．５ｍｍと等しく、その際に、この値は、所望の折り畳み回数に依存する。折り畳み構造１８が開いた（Ａｕｆｆａｌｔｅｎ）際には、箇所Ｐは塑性ヒンジとして機能し、変形後には、湾曲半径が約１８０°の折り畳まれた構造が生じる。

図３は、横断面において、連続する波形構造をした折り畳み構造１８を示している。ピークピーク値ｈは、好適に、２．０ｍｍよりも小さく又は２．０ｍｍと等しく、折り畳みセグメントの縦の長さｋは、好適に、１．５ｍｍよりも小さく又は１．５ｍｍと等しく、その際に、この値は、所望の折り畳み回数に依存する。折り畳まれた際には、１８０°よりも大きい湾曲半径が形成される。

図４は、横断面において、曲がりくねった波形構造を有する折り畳み構造１８を示している。ピークピーク値ｈは、好適に、２．０ｍｍよりも小さく又は２．０ｍｍと等しく、折り畳みセグメントの縦の長さｋは、好適に、１．５ｍｍよりも小さく又は１．５ｍｍと等しく、その際に、この値は、所望の折り畳み回数に依存する。折り畳まれた際には、１８０°よりも大きい湾曲半径が形成される。

図５は、蜂の巣の形態によるサンドイッチ構造２０の中間層２２を示す。

図６は、中間層２２と２つのカバー層２４とを備えたサンドイッチ構造２０を示し、その際に、カバー層２４は、蜂の巣状の小孔の開口部が閉鎖されるように配置される。本発明によれば、このサンドイッチ構造２０は、バッテリセルハウジング１６のための材料として機能する。サンドイッチ構造２０に対して、力によって当該サンドイッチ構造２０の平面状の広がりに対して垂直に負荷が掛かる際には、中間層２２が互いに食い込みながら潰れて、変形によりエネルギーを吸収し、その際に、バッテリセルの内部に損傷が加えられることはない。

図７も同様に、中間層２２と２つのカバー層２４とを備えるサンドイッチ構造２０を示し、その際に、カバー層２４は、蜂の巣の外表面に沿って配置される。サンドイッチ構造２０に対して、力によって当該サンドイッチ構造２０の平面状の広がりに対して垂直に負荷が掛かる際には、中間層２２が互いに食い込みながら潰れて、変形により運動エネルギーを吸収する。追加的に、加えられた力Ｆに対して垂直に及び個々の六角形の軸に対して垂直に働く力の要素が発生する。この力の構成要素によって、エネルギー吸収のための更なる可能性がもたらされる。

図８は、サンドイッチ機能２０の更なる別の中間層２２を示している。ここでは、中間層２２は、蜂の巣形状に形成されず複数の管を含んでいる。図示するように、管は、一直線上に互いに並列に並べられ、各隣接する列が、管直径の半分だけ列の縦方向にずらされうる。安定性が向上するように、個々の管が互い接合されてもよい。

複数の管から成る中間層２２が示される図９及び図１０に関しては、図３ｂ及び図３ｃに関するのと同様の考察が有効である。

図１１には、変形していない状態での反転構造２６が示されている。この反転構造２６は、中空体２８、例えば、横断面が四角形の中空の筒と、これに対して調整されたピストン（Ｓｔｅｍｐｅｌ）３０であって、例えば、底辺が四角形のピラミッド型の上記ピストン３０と、で構成される。バッテリセルハウジング１６の上に、複数のこのような構造を設けることにより、バッテリハウジング１６は、車両の衝突の際にそらすべき運動エネルギーの一部を吸収することが出来る。

図１２は、力Ｆにより変形した後の図５ａの反転構造の図である。ピストン３０が、中空体２８内へと入り込むと、中空体２８は自身の角に沿って裂け、斜めに切られたピストン面に接して湾曲し、これにより、中空体２８の壁は、裏返し半径ｒを有してくるくると巻ける。裏返し半径ｒに従って、変形のために必要な様々な量のエネルギーを必要とする軟性又は硬性の構造が発生する。

複数の管から成る中間層２２が示される図９及び図１０に関しては、図６及び図７に関するのと同様の考察が有効である。

図１２は、力Ｆにより変形した後の図１１の反転構造の図である。ピストン３０が、中空体２８内へと入り込むと、中空体２８は自身の角に沿って裂け、斜めに切られたピストン面に接して湾曲し、これにより、中空体２８の壁は、裏返し半径ｒを有してくるくると巻ける。裏返し半径ｒに従って、変形のために必要な様々な量のエネルギーを必要とする軟性又は硬性の構造が発生する。

Claims (10)

1. バッテリセルハウジング（１６）が、折り畳み構造（１８）の形態による構成を有することを特徴とする、前記バッテリセルハウジング（１６）を備えたバッテリセル（１０）。
2. 前記折り畳み構造（１８）は、横断面において、真直ぐな連結ピースを有する波形構造を有する、請求項１に記載のバッテリセル（１０）。
3. 前記折り畳み構造（１８）は、横断面において、１８０°よりも小さい湾曲部を有する連続する波形構造を有する、請求項１に記載のバッテリセル（１０）。
4. 前記折り畳み構造（１８）は、横断面において、１８０°よりも大きい湾曲部を有する曲がりくねった波形構造を有する、請求項１に記載のバッテリセル（１０）。
5. バッテリセルハウジング（１６）が、中間層（２２）と２つのカバー層（２４）とを含むサンドイッチ構造（２０）の形態による構成を有することを特徴とする、前記バッテリセルハウジング（１６）を備えたバッテリセル（１０）。
6. 前記サンドイッチ構造（２０）の前記中間層（２２）は、蜂の巣構造を有する、請求項５に記載のバッテリセル（１０）。
7. 前記サンドイッチ構造（２０）の前記中間層（２２）は、互いに平行に配置され互いに接合された管で構成される、請求項５に記載のバッテリセル（１０）。
8. バッテリセルハウジング（１６）が、反転構造（２６）の形態による構成を有することを特徴とする、前記バッテリセルハウジング（１６）を備えたバッテリセル（１０）。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の複数のバッテリセル（１０）を備えたバッテリ。
10. 請求項９に記載のバッテリを備えた車両。
    

Images