JP2015520924A - バッテリアッセンブリ - Google Patents

Abstract

本発明は、バッテリアッセンブリ（１００）であって、該バッテリアッセンブリ（１００）が、それぞれ１つの、好ましくは角柱状のセルケーシング（１６）を有する、互いに電気的に接続された複数のバッテリセル（１０）から成っており、各セルケーシング（１６）が、セル底面（１７）に少なくとも１つの固定突起（１８）を有しており、該固定突起（１８）が、セルケーシング（１６）に対する冷却プレート（１３）または冷却ケーシング（３５）として形成された冷却エレメント（１２）に設けられた開口（１９）を貫通しており、固定突起（１８）が、セルケーシング（１６）を冷却エレメント（１２）に対して締め付ける締付けエレメント（２２）と協働しているバッテリアッセンブリに関する。

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載のバッテリアッセンブリに関する。

背景技術
このようなバッテリアッセンブリは、独国特許出願公開第１０２０１００２９８７２号明細書に基づき公知である。この公知のバッテリアッセンブリは、同明細書では、ハイブリッド車両に使用するために設けられていて、互いに機械的にかつ電気的に接続された角柱状の多数のセルケーシングを有している。これらのセルケーシングは、それぞれ個々のバッテリセルを形成している。特に放電電流が高いかもしくは外温が比較的高い場合には、バッテリセルの放電時に発生した損失熱を効果的に導出して、バッテリセルの熱的な過負荷もしくは損傷を回避することが必要となる。このために、同明細書に基づき、セルケーシングを、冷却プレートに向けられたセル底面でもって冷却プレートに（可能な限り）全面で熱伝導接触させて配置することが公知である。このためには、公知のセルケーシングが複数の突起を有している。これらの突起は、冷却プレートに設けられた貫通孔を貫通していて、軸方向の引張り力を加えることによって冷却プレートに対して締め付けられる。このために、特に固定突起のリベット状の突起と協働するプラスチック層の形態の締付けエレメントが設けられている。さらに、同明細書に基づき、セルケーシングのセル底面と冷却エレメントとの間に、劣熱伝導特性を有する中間層が設けられていてよいことが公知である。これによって、バッテリセルから冷却エレメントへの伝達可能な熱流量が制限され、バッテリセルと冷却エレメントとの間の、場合により存在する寸法誤差が補償されるようになっている。

発明の開示
前述した公知先行技術を起点として、本発明の課題は、請求項１の上位概念部に記載のバッテリアッセンブリを改良して、冷却エレメントに対するバッテリセルの電気的な絶縁の改善が可能となるようにすることである。この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴部に記載の特徴を有するバッテリアッセンブリにおいて、セル底面が、セルケーシングおよび／または冷却エレメントの、場合により存在する被覆層に対して付加的に、冷却エレメントに対して、付加的に電気的に絶縁されていることによって解決される。したがって、本発明により提案された付加的な電気的な絶縁を行うことによって、セルケーシングに対する冷却エレメントの特に安全で確実な電気的な絶縁が可能となる。特にこれによって、場合によりセルもしくは冷却エレメントに存在する、たとえば品質の悪い被覆層による損傷を補償することができるかもしくはバッテリアッセンブリの電気的な特性にマイナスの損害が与えられないようになっている。

しかし、実際には、バッテリセルと冷却エレメントとの間の可能な限り良好な伝熱に加えて、付加的に、バッテリセルと冷却エレメントとの間に可能な限り良好で確実な電気的な絶縁体を形成することも必要となる。この場合、バッテリセル同士は互いに１つの絶縁体によってセル電圧（数ボルト）のオーダ内で絶縁されさえすればよいが、冷却エレメントに対するバッテリセルの絶縁はバッテリシステム電圧（数百ボルト）のオーダ内ある必要があることが考慮されなければならない。いま、確かに、公知先行技術に基づき、セルケーシングと冷却エレメントとを、電気的な絶縁体として作用する被覆層を備えて形成することが先行技術に基づき自体公知であるが、しかしながら、特に冷却エレメントに対するバッテリセルの、数百ボルトのオーダ内にあることが望ましい電気的な絶縁が必要な場合には、このような絶縁では、まだ最適化されているとは云えない。

本発明に係るバッテリアッセンブリの有利な改良態様は、従属請求項に記載してある。本発明の範囲内には、特許請求の範囲、明細書および／または図面に開示した複数の特徴のうちの少なくとも２つを組み合わせた全ての特徴が含まれる。

本発明の第１の基本的な態様では、セル底面と冷却エレメントとの間に、非導電性のかつ良熱伝導性の別体の第１の絶縁エレメントが配置されていることが提案される。本発明のこのような態様では、所望の電気的な絶縁に加えて、同時に特に良好な熱導出が可能となる。

比較的簡単に製造することができ、所望の電気的な絶縁特性と良熱伝導特性とを有する第１の絶縁エレメントの具体的な態様では、この第１の絶縁エレメントが、固定突起に対する少なくとも１つの貫通孔を備えてプレート状に形成されていて、好ましくはプラスチックまたはセラミックスから成っていることが提案される。

バッテリセルと冷却エレメントとの間の高い（電気的な）絶縁特性が付加的に可能となる、良熱伝導特性を有する機械的に特に安定したバッテリアッセンブリは、冷却エレメントが、金属から成っており、固定突起と締付けエレメントとが、金属から成っており、固定突起と冷却エレメントとの間に、第２の絶縁エレメントが配置されている場合に得られる。この態様では、この第２の絶縁エレメントによって、冷却エレメントに対する、この冷却エレメントの貫通孔内の固定突起の電気的な絶縁が達成される。

第２の絶縁エレメントが、絶縁ブシュとして形成されていて、冷却エレメントと締付けエレメントとの間に配置されたフランジ状に全周にわたって延びる縁部を有していると全く特に好適である。これによって、付加的な構成部材なしに、締付けエレメントと冷却エレメントとの間の電気的な絶縁が可能となる。

冷却エレメントを、特に金属から製造する上述した根本的な可能性のほかに、さらに、本発明の択一的な態様では、冷却エレメントを良熱伝導性のプラスチックから形成する可能性が存在する。冷却エレメントを良熱伝導性のプラスチックから形成することは、すでに材料の選択によって電気的な絶縁特性が得られ、これによって、通常、バッテリセルと冷却エレメントとの間の電気的な絶縁のための付加的な手段が不要になるという利点を有している。

バッテリセルのセルケーシングと冷却エレメントとの間の特に良好な伝熱を可能にするためには、冷却エレメントが、底領域に一体に成形された少なくとも１つ、好ましくは２つの側壁を有しており、この側壁が、セルケーシングの少なくも１つの側壁に面接触していることが提案される。これによって、セル底面しか冷却エレメントに結合されていない解決手段に比べて、より大きな伝熱面積が得られ、特にバッテリセルの局所的な熱的な過負荷も回避される。

セルケーシングの相応の面への側壁の特に良好なもしくは確実な当付けは、２つの側壁が設けられており、冷却エレメントが、先細形状の横断面を有している場合に得られる。

さらに、基本的には、冷却エレメント内に複数の冷却通路が形成されていると、冷却エレメントでの熱導出の改善を達成することができる。

バッテリセルのセルケーシングの、特殊に形成された締付けエレメントを使用しない特に簡単な固定は、固定突起が、相応の（規格化された）締付けナットと協働もしくは螺合するねじ山を有している場合に達成される。

本発明の更なる特徴、利点および詳細は、以下の好適な実施の形態の説明ならびに図面に基づき明らかである。

一部断面して示す本発明の第１の実施の形態に係るバッテリアッセンブリの斜視的な部分図である。 図１に対して変更して絶縁ブシュを使用した実施の形態の固定突起の領域におけるバッテリアッセンブリの縦断面図である。 図１に対して変更してプラスチックから成る槽状の冷却ケーシングを使用したバッテリアッセンブリの斜視的な断面図である。

図中、同一の構成部材もしくは同一の機能を有する構成部材には、同じ符号が付してある。

図１には、特に、しかしながら、限定することなしに、ハイブリッド車両に設けられた給電の構成要素として、少なくとも１つの電動式の駆動モータへのエネルギ供給のために使用されるような本発明に係る第１のバッテリアッセンブリ１００が示してある。このバッテリアッセンブリ１００は、一般的に同一に形成された多数のバッテリセル１０を有している。これらのバッテリセル１０は、要求に応じて、セルコネクタ１１によって電気的に直列にもしくは並列に接続されている。当然ながら、同じく互いに電気的に接続された複数のバッテリアッセンブリ１００が設けられていてもよい。実際、ハイブリッド車両に設けられたエネルギ供給装置は、たとえば互いに協働する約１００個のバッテリセル１０から成っていてよい。

特に電流消費時にバッテリセル１０から発生した、化学的な過程により生じた損失熱を個々のバッテリセル１０から導出し、これによって、これらのバッテリセル１０の熱的な損傷もしくは過負荷を回避するためには、金属製の冷却プレート１３の形態の冷却エレメント１２が設けられている。なお、冷却プレート１３は、たとえば自動車のボディに自体公知の形式で結合されていてよい。さらに、図２には、冷却プレート１３の内部に選択的に配置された複数の冷却通路１４を認めることができる。これらの冷却通路１４を通して、冷却空気または好適には液状の冷媒が案内される。

個々のバッテリセル１０を冷却エレメント１２もしくは冷却プレート１３に結合するためには、バッテリセル１０の、好ましくは角柱状のセルケーシング１６が、冷却プレート１３に面した下面であるセル底面１７にピン状の固定突起１８を有している。ここで、セルケーシング１６もしくは固定突起１８は金属から成っていることを述べておく。セルケーシング１６は固定突起１８と共に、たとえば衝撃押出し成形によって一体に製造されている。個々のバッテリセル１０と冷却プレート１３との結合は、自動車の内部へのバッテリセル１０の機械的な固定に加えて、特にバッテリセル１０と冷却プレート１３との間での良好な熱伝達もしくは伝熱のためにも役立つ。このためには、セルケーシング１６もしくはセル底面１７を可能な限り全面で冷却プレート１３に載置することが必要となる。このことは、セルケーシング１６と冷却プレート１３との間に軸方向の締付け力を加えることによって可能になる。このためには、冷却プレート１３に設けられた相応の貫通孔１９を貫通する固定突起１８が、それぞれ雄ねじ山２０を有している。この雄ねじ山２０は、締付けナット２１として形成された締付けエレメント２２と協働、つまり、相互作用する。締付けナット２１と冷却プレート１３の下面との間には、さらに、座金２３が設けられていてよい。

バッテリセル１０と冷却プレート１３との間での可能な限り良好な伝熱に加えて、付加的に、金属から成る冷却エレメント１２に対するバッテリセル１０の電気的な絶縁が必要となる。このために、場合によっては、セルケーシング１６がもしくは冷却プレート１３の、少なくともバッテリセル１０に向けられた面が、相応の絶縁層によって被覆されていてよい。本発明によれば、冷却プレート１３もしくは冷却エレメント１２と、バッテリセル１０のセル底面１７との間に、付加的な第１の絶縁エレメント２５が配置されている。図２に特に良好に認めることができる付加的なこの第１の絶縁エレメント２５は、プレート状に形成されていて、固定突起１８の領域に孔２６を有している。図示の実施の形態では、付加的な絶縁エレメント２５がセルケーシング１６を越えて縁領域２７，２８において突出している。付加的な絶縁エレメント２５は、ただ１つのバッテリセル１０のサイズに適合されていてもよいし、バッテリアッセンブリ１００内に配置された全てのバッテリセル１０またはそのうちの一部分量が、１つの共通の付加的な第１の絶縁エレメント２５を介して冷却プレート１３に対して電気的に絶縁されるようなサイズを有していてもよい。付加的な絶縁エレメント２５の材料は、所望の電気的な絶縁特性に加えて、さらに、可能な限り良熱伝導性でなければならない。このために、付加的な絶縁エレメント２５には、特に良熱伝導性のプラスチックもしくはセラミック材料が適している。

冷却プレート１３に対するバッテリセル１０の特に良好な電気的な絶縁は、図２に相応して、固定突起１８に対する貫通孔１９の開放横断面内に、第２の絶縁エレメントとして作用する絶縁ブシュ３０が挿入されていることによって達成される。この絶縁ブシュ３０は、固定突起１８をその全周において貫通孔１９に対して電気的に絶縁している。絶縁ブシュ３０が、締付けナット２１に面した側に、フランジ状に全周にわたって延びる縁部３１を有していると特に好適である。この縁部３１には、冷却プレート１３に対するバッテリセル１０の軸方向の締付け時に締付けナット２１が接触する。したがって、絶縁ブシュ３０もしくは縁部３１によって、付加的な座金２３を省略することが可能となる。縁部３１への締付けナット２１の全面接触によって、冷却プレート１３に対する、金属から成る締付けナット２１の電気的な絶縁が可能となる。

図３に示した変更された本発明の実施の形態では、冷却プレート１３の代わりに、冷却エレメント１２としてバケット状のもしくは槽状の冷却ケーシング３５が使用されている。この冷却ケーシング３５は、平らな底壁３６と、この底壁３６から一体に上方に突出した２つの側壁３７，３８とを有している。好適には、両側壁３７，３８は垂線に対して僅かに傾けられて配置されており、したがって、冷却ケーシング３５の横断面は先細形状に形成されている。側壁３７，３８は、垂線に対して、たとえば１°〜５°の僅かな角度だけ垂直に配置されていれば十分である。冷却ケーシング３５内には、好ましくは、底壁３６だけでなく、両側壁３７，３８の領域にも、複数の冷却通路１４が形成されている。このように形成された冷却ケーシング３５によって、伝熱面積の拡大が可能となる。なぜならば、バッテリセル１０のセル底面１７だけでなく、バッテリセル１０の側壁３９，４０も、冷却エレメント１２に作用結合されて配置されているからである。冷却ケーシング３５は、良熱伝導性を有する電気的に絶縁性のプラスチックから成っている。冷却ケーシング３５を電気的に良絶縁性のプラスチックから、固定突起１８に対する底壁３６に設けられた相応の貫通孔１９を備えて形成することによって、絶縁ブシュ３０によって可能となるような、冷却ケーシング３５に対する固定突起１８の付加的な電気的な絶縁が不要となる。むしろ、金属から成る締付けナット２１と、金属から成る座金２３とを使用することができる。

これまで説明してきたバッテリアッセンブリ１００は、本発明の思想から逸脱することなしに、多種多様な形で変更もしくは修正されてよい。

図３に示した変更された本発明の実施の形態では、冷却プレート１３の代わりに、冷却エレメント１２としてバケット状のもしくは槽状の冷却ケーシング３５が使用されている。この冷却ケーシング３５は、平らな底壁３６と、この底壁３６から一体に上方に突出した２つの側壁３７，３８とを有している。好適には、両側壁３７，３８は垂線に対して僅かに傾けられて配置されており、したがって、冷却ケーシング３５の横断面は先細形状に形成されている。側壁３７，３８は、垂線に対して、たとえば１°〜５°の僅かな角度だけ傾けられて配置されていれば十分である。冷却ケーシング３５内には、好ましくは、底壁３６だけでなく、両側壁３７，３８の領域にも、複数の冷却通路１４が形成されている。このように形成された冷却ケーシング３５によって、伝熱面積の拡大が可能となる。なぜならば、バッテリセル１０のセル底面１７だけでなく、バッテリセル１０の側壁３９，４０も、冷却エレメント１２に作用結合されて配置されているからである。冷却ケーシング３５は、良熱伝導性を有する電気的に絶縁性のプラスチックから成っている。冷却ケーシング３５を電気的に良絶縁性のプラスチックから、固定突起１８に対する底壁３６に設けられた相応の貫通孔１９を備えて形成することによって、絶縁ブシュ３０によって可能となるような、冷却ケーシング３５に対する固定突起１８の付加的な電気的な絶縁が不要となる。むしろ、金属から成る締付けナット２１と、金属から成る座金２３とを使用することができる。

Claims (10)

1. バッテリアッセンブリ（１００）であって、該バッテリアッセンブリ（１００）が、それぞれ１つの、好ましくは角柱状のセルケーシング（１６）を有する、互いに電気的に接続された複数のバッテリセル（１０）から成っており、各セルケーシング（１６）が、セル底面（１７）に少なくとも１つの固定突起（１８）を有しており、該固定突起（１８）が、セルケーシング（１６）に対する冷却プレート（１３）または冷却ケーシング（３５）として形成された冷却エレメント（１２）に設けられた開口（１９）を貫通しており、固定突起（１８）が、セルケーシング（１６）を冷却エレメント（１２）に対して締め付ける締付けエレメント（２２）と協働しているバッテリアッセンブリにおいて、
   セル底面（１７）が、セルケーシング（１６）および／または冷却エレメント（１２）の、場合により存在する被覆層に対して付加的に、冷却エレメント（１２）に対して、付加的に電気的に絶縁されていることを特徴とする、バッテリアッセンブリ。
2. セル底面（１７）と冷却エレメント（１２）との間に、非導電性のかつ良熱伝導性の別体の第１の絶縁エレメント（２５）が配置されている、請求項１記載のバッテリアッセンブリ。
3. 第１の絶縁エレメント（２５）が、固定突起（１８）に対する少なくとも１つの貫通孔（２６）を備えてプレート状に形成されていて、特にプラスチックまたはセラミックスから成っている、請求項２記載のバッテリアッセンブリ。
4. 冷却エレメント（１２）が、金属から成っており、固定突起（１８）と締付けエレメント（２２）とが、金属から成っており、固定突起（１８）と冷却エレメント（１２）との間に、第２の絶縁エレメントが配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のバッテリアッセンブリ。
5. 第２の絶縁エレメントが、絶縁ブシュ（３０）として形成されていて、冷却エレメント（１２）と締付けエレメント（１８）との間に配置されたフランジ状に全周にわたって延びる縁部（３１）を有している、請求項４記載のバッテリアッセンブリ。
6. 冷却エレメントが、横断面で見て槽状の冷却ケーシング（３５）として形成されており、かつ／または良熱伝導性のプラスチックから成っている、請求項１記載のバッテリアッセンブリ。
7. 冷却ケーシング（３５）が、底壁（３６）に一体に成形された少なくとも１つ、好ましくは２つの側壁（３７，３８）を有しており、該側壁（３７，３８）が、セルケーシング（１６）の少なくも１つの側壁（３９，４０）に面接触している、請求項６記載のバッテリアッセンブリ。
8. ２つの側壁（３７，３８）が設けられており、冷却ケーシング（３５）が、先細形状の横断面を有しており、両側壁（３７，３８）が、垂線に対して傾けられて配置されている、請求項７記載のバッテリアッセンブリ。
9. 冷却エレメント（１２）内に複数の冷却通路（１４）が形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のバッテリアッセンブリ。
10. 固定突起（１８）が、雄ねじ山（２０）を有しており、締付けエレメント（２２）が、締付けナット（２１）である、請求項１から９までのいずれか１項記載のバッテリアッセンブリ。

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