JP2015520925A - バッテリモジュールの熱管理および接続装置 - Google Patents

バッテリモジュールの熱管理および接続装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、平行に並べられ、互いに直列して接続されたセル（３）から構成されたバッテリモジュール（１）の熱管理および接続装置であって、各セル（３）は、正端子（４）および負端子（４）を備え、バッテリモジュール（１）は、端子（４）間に位置付けられる熱伝達流体用の入口（１２Ａ）および出口（１２Ｂ）を備える熱交換プレート（１０）と、端子（４）用の通路孔（２２）と、端子（４）を互いに２つずつ接続する手段（６）とを備える非伝導性接続プレート（２０）とを備え、接続プレート（２０）は、導体トラック（６０）を備えるプリント回路である熱管理および接続装置に関する。

Description

本発明は、バッテリの接続、管理、制御および熱調整に関し、特に、電気自動車およびハイブリッド車の分野におけるバッテリモジュールの熱管理および接続装置に関する。
バッテリ、特に、電気自動車やハイブリッド車の分野におけるバッテリの管理、電子制御および熱調整は重要な課題である。詳細には、熱調整の観点から言えば、バッテリが過度の低温にさらされると、バッテリの自律性が急激に低下することがあり、また、バッテリが過度の高温にさらされると、バッテリの破損を招きうる熱暴走の危険性がある。
バッテリの電子制御および管理に関する限り、特に、これらのバッテリの充放電を管理し、物理パラメータおよび電気パラメータを制御して、バッテリの自律性および耐久性を向上させるために、上記の点は重要である。
電気自動車およびハイブリッド車において、バッテリは、一般に、保護ケースに互いに平行に並べられたセルの形態のものであり、いわゆる、バッテリモジュールと呼ばれるものである。セルは、セルが互いに直列に簡単に接続可能なように、各セルの正端子と負端子とが交互になるように並置されてもよい。また、同じ極の端子をバッテリモジュールの同一側に配置させてセルを並置することも知られている。
セルの温度を調整するために、バッテリモジュールの温度を調整する装置を追加することは既知の慣例である。このような装置は、一般に、１つ以上のバッテリモジュールを含むハウジングに組み込まれ、ダクトの系統を通って、例えば、吐出されて循環する熱伝達流体を使用し、ダクトの前記系統は、特に、セルと直接接触した熱交換プレートの下または内部を通る。
このように、熱伝達流体は、例えば、加熱器または冷却器などの１つ以上の熱交換器でセルの冷却および熱の除去を行うために、セルが放出する熱を吸収できる。また、熱伝達流体は、必要であれば、例えば、セルが電気抵抗または正温度係数（ＰＴＣ）ヒータに接続されていれば、前記セルを暖めるために熱を供給してもよい。
一般に使用される熱伝達流体は、周囲空気または水もしくは水およびグリコール溶液などの液体である。液体は、気体よりも良好な伝熱体であるため、優れた効率性の面から液体のほうが好ましい解決策である。
一般に、セルと直接接触した状態の熱交換プレートは、１つ以上のバッテリモジュールを含むハウジングの底部に配置され、前記バッテリモジュールは、前記熱交換プレート上に載置される。別の既知の選択肢は、セル間に熱交換プレートを位置付けることである。しかしながら、熱交換プレートをこのような位置に設けることは、バッテリモジュールの最大加熱領域がセルの端子間に位置することになるため最適ではない。この問題を解消するための１つの解決策は、バッテリモジュールの端子間に熱交換プレートを位置付け、保持プレートを用いて熱交換プレートを適所に保持することである。
バッテリモジュールの制御を提供するために、バッテリモジュールは、一般に、電子制御装置に接続され、特に、バッテリモジュールの温度および電圧などの物理パラメータおよび電気パラメータを制御することが意図されたプリント回路基板に接続される。これらのデータは、処理ユニットへ送信され、処理ユニットによって処理され、この処理ユニットは、熱交換プレートを介してバッテリモジュールの温度を調整し、過充電および過度の充放電対策としてバッテリモジュールを保護することによって、バッテリモジュールの自律性および耐久性を高めるために、これらのパラメータに影響を与えうる。
電気自動車またはハイブリッド車内にバッテリモジュールの制御および熱調整を提供する機器を組み込むことが重要であるが、このような組み込みには、例えば、追加のバッテリを組み込むためにより有用に使用できた可能性のある車内空間を使用することになってしまう。さらに、このような機器を組み込むことで、車両の重量が増し、車両の自律性が低減する。
以上のことから、本発明の目的の１つは、従来技術の欠点を少なくとも部分的に解消することであり、制御および管理機器を備えた最適化されたバッテリモジュールを提案することである。
したがって、本発明は、平行に並べられ、互いに直列に接続されたセルから構成されたバッテリモジュールの熱管理および接続装置であって、各セルは、正端子および負端子を備え、前記バッテリモジュールは、端子間に位置付けられる熱伝達流体用の入口および出口を備える熱交換プレートと、端子用の通路孔と、前記端子を対にして接続する手段とを備える非伝導性接続プレートとをさらに備え、接続プレートは、伝導性トレースを備えるプリント回路である、熱管理および接続装置に関する。
本発明の１つの態様によれば、接続プレートは、セルを制御するための電子装置をさらに備え、前記電子装置は、伝導性トレースに接続される。
本発明の別の態様によれば、端子の接続手段は、バッテリモジュールの同一側に同じ極の端子を配設した状態でセルが並置される場合に前記端子が接続されるように位置付けられる。
本発明の別の態様によれば、端子の接続手段は、バッテリモジュールに互い違いの構成で異なる極の端子を配設した状態でセルが並置される場合に前記端子が接続されるように位置付けられる。
本発明の別の態様によれば、接続手段は、接続プレートの外面上、すなわち、バッテリモジュールと対面する表面と反対側の表面である接続プレートの表面上に位置付けられる。
本発明の別の態様によれば、接続手段は、接続プレートの厚みが増大した伝導性プレートと一体に製造される。
本発明の別の態様によれば、接続手段は、接続プレートの厚み内に位置付けられる。
本発明の別の態様によれば、接続手段の厚みは、接続プレートの厚み未満である。
本発明の別の態様によれば、接続手段の厚みは、接続プレートの厚み以上である。
本発明の別の態様によれば、接続プレートは、剛性材料から作られる。
本発明の別の態様によれば、接続プレートは、可撓性材料から作られる。
本発明の別の態様によれば、熱交換プレートは、接続プレートから独立したものである。
本発明の別の態様によれば、熱交換プレートは、接続プレートに直接組み込まれる。
本発明の別の態様によれば、接続プレートは、熱交換プレートおよび接続手段を電気的に絶縁する分離リブを備える。
本発明の別の態様によれば、接続プレートは、非制限的説明によって与えられている以下の記載を読むとともに、添付の図面を検討することからより明らかになるであろう。
一実施形態によるバッテリモジュールの熱管理および接続装置の分解概略斜視図。 別の実施形態によるバッテリモジュールの熱管理および接続装置の分解概略斜視図。 バッテリモジュール上に位置付けられた熱管理および接続装置の概略断面図。 第１の別の実施形態によるバッテリモジュール上に位置付けられた熱管理および接続装置の概略断面図。 第２の別の実施形態によるバッテリモジュール上に位置付けられた熱管理および接続装置の概略断面図。 第３の別の実施形態によるバッテリモジュール上に位置付けられた熱管理および接続装置の概略断面図。
さまざまな図において、同一の要素には同じ参照番号を付している。
図１および図２は、バッテリモジュール１と、バッテリモジュール１の熱管理および接続装置の分解斜視図を示す。バッテリモジュール１は、互いに平行に並べられたセル３を備える。各セル３は、端子４、すなわち、正端子を１つ、負端子を１つ備える。これらの図１および図２において、セル３は、端子が整列されるように位置付けられて、２つの整列された連続した端子４を形成する。
同一セル３の正端子と負端子とを区別することで、接続エラーを回避するために、異なる直径の端子４を有することが可能である。このように、例えば、各セル３の負端子の直径は、正端子より長く、または逆の場合も同様である。
さまざまなセル３をまとめて保持するために、通しボルトで接続された２つの端部プレート１３の間に前記セル３を締め付けることが可能である。
１つのセル３の正端子を隣接するセル３の１つの負端子に電気的に接続することによって、さまざまなセル３を直列に接続するために、熱管理および接続装置は、端子４を接続する手段６を備える非伝導性の接続プレート２０と、端子４が貫通する孔部２２とを備える。接続プレート２０は、バッテリモジュール１上に配置され、端子４にねじ留めされるナットなどの固定要素８によって適所に保持される。
接続手段６が接続プレート２０上に直接存在することで、特に、バッテリモジュール１の配線をより迅速に行うことができる。また、例えば、対応する直径の孔部２２を有する異なる直径の正端子および負端子を使用して、接続ポカヨケシステムを接続プレート２０に直接組み込むことも可能である。接続手段６は、一般に、金属製、特に、銅製の構成部品であり、十分な耐性と、２つの端子４間に効果的に電流を流しうる厚みを有するものである。接続手段６は、当業者に既知のさまざまな方法を用いることで、接続プレート２０内にエッチングされてもよく、接続プレート２０に付着されてもよく、または銅インサートの形態で製造されてもよい。銅インサートの形態で製造される場合、銅インサートは、接続プレート２０の材料に直接締め付けられるのではなく、接続プレート２０に付着した銅に直接締め付けられることが好ましい。
接続プレート２０は、セル３の正端子と負端子とを同様に接続する、例えば、銅製の伝導性トレース６０を備えるプリント回路であることが好ましい。別の形態において、接続プレート２０は、バッテリモジュール１を取り付けやすく、より剛性のものにする剛性材料で作られてもよい。さらなる別の形態によれば、接続プレート２０は、一方では、バッテリモジュール１をよりモジュラー式のものにするために、可撓性または半可撓性材料で作られてもよい。
図１に示す実施例において、複数のセル３は、１つのセル３の正端子４がこのセル３に隣り合う並置された１つまたは複数のセルの負端子４と対面して位置付けられるように互いに平行に並べられる。したがって、正端子および負端子４は、２つの整列された連続する端子４を形成する互い違いの構成に配設され、接続手段６は、反対の極の前記端子４を接続するように接続プレート２０の側縁部に位置付けられる。
図２に示す実施例において、セル３は、バッテリモジュール１の同一側に並置された同様の極の端子４と互いに平行に並べられる。反対の極の端子４を接続するために、接続手段６は、接続プレート２０の幅方向に交差する。
また、熱管理および接続装置は、セル３を制御するための１つ以上の電子装置（図示せず）を備え、これらの電子装置は、接続プレート２０上に配置され、さらに詳細に言えば、接続トレース６０に接続される。これらの電子装置は、バッテリモジュール１の温度および電圧などの物理パラメータおよび電気パラメータを管理および制御する。電子装置は、接続プレート２０上に配置されることで、包括的にバッテリモジュール１を管理および制御してもよく、あるいは、独立してセル３を管理および制御してもよい。このように、バッテリモジュール１を構成する各セル３を個別にモニタすることが可能となる。
バッテリモジュール１の温度を調整するために、熱管理および接続装置は、図１および図２に示すように、整列された連続の端子４の間に配置された熱交換プレート１０を備える熱管理装置に接続される。一般に、金属製の熱交換プレート１０は、熱交換プレート内に熱伝達流体回路を含み、バッテリモジュール１と外部熱管理回路との間で熱エネルギーの交換が可能である。このようにして、熱交換プレート１０は、熱伝達流体用の入口１２ａおよび出口１２ｂを備え、これらは、外部熱管理回路に接続される。熱伝達流体入口１２ａおよび出口１２ｂは、取り付けや接続が容易になるように、熱交換プレート１０の同一側に位置付けられてもよい。
整列された連続する端子４の間に熱交換プレート１０を位置付けることで、このような熱管理が必要とされる場所でバッテリモジュール１の熱管理を行うことができる。なぜなら、前記バッテリモジュール１の使用時に最大の熱量が発せられる領域が、セル３内の電気化学反応により、端子４の間の領域であるためである。さらに、強い電流が接続手段６を流れ、この電流の流れに対する接続手段６の抵抗により熱が発生され、この熱の発生は、熱交換プレート１０があることにより調整されうる。
接続プレート２０は、熱交換プレート１０とバッテリモジュール１の接続手段６との間に電気絶縁を与える。詳細には、これらの要素は金属製のものであるため、導電体であり、接触すると、短絡を起こし危険でありうる。接続プレート２０は、さらに、固定要素８により、バッテリモジュール１へ均一な圧力を印加しうる。
図１および図２に示す第１の実施形態によれば、熱交換プレート１０は、接続プレート２０から独立したものであり、端子４を備えるバッテリモジュール１の面と接続プレート２０との間に位置付けられる。電気絶縁を与えるために、接続プレート２０は、絶縁分離要素２４を備えてもよい。この絶縁分離要素２４は、２つのリブ２４から構成されてもよく、２つのリブ２４は、接続プレート２０の一体部品として形成され、端子４と熱交換プレート１０との間に位置付けられる。
図示されていない第２の実施形態によれば、熱交換プレート１０は、接続プレート２０内に直接組み込まれる。
接続手段６は、さまざまなセル３の端子４間に電気を通す以外にも、熱交換プレート１０と端子４との間の伝熱性を高めることができるという２つの機能を実行する。このように、熱交換プレート１０によって実行される熱調整は、熱調整が必要とされる前記端子４の位置で良好になる。
図３から図６は、接続手段６および接続トレース６０が存在する端子４の領域におけるバッテリモジュール１の概略断面図である。さまざまな図３から図６において、セル３は、端子４を互い違いにして並置されている。
図３は、これらの手段が接続プレート２０の外面、すなわち、バッテリモジュール１と対面する表面の反対側の表面に配置された接続手段６の第１の実施形態を示す。この実施形態により、接続手段６を接続プレート２０に容易に取り付けることができる。
図４は、接続手段６が伝導性トレース６０と一体に、すなわち、単一のコンポーネントを形成するように製造された接続手段６の第２の実施形態を示す。このように、伝導性トレース６０は、熱伝導性を高め、端子４間の電圧に耐性であるようにするために増大された厚みを有する。この実施形態により、特に、接続プレート２０の製造に伴うステップ数を減らすことによって、製造コストを軽減することができる。
図５は、接続プレート２０の厚み内に接続手段６が配置されているが、接続手段６の厚みが、前記接続プレート２０の厚みより低減された、接続手段６の第３の実施形態を示す。この実施形態により、特に、接続プレート２０の厚みを低減し、接続手段６が接続プレート２０に保護されるため、接続手段６の保護を高めることができる。
最後に、図６は、接続手段６が接続プレート２０の厚み内に配置された接続手段６の最後の実施形態を示す。この実施形態において、接続手段６は、接続プレート２０の厚み以上の厚みを有する。また、この実施形態により、接続手段６を良好に保護し、インサートの形態の前記接続手段６を接続プレート２０に容易に取り付けることができる。
このように、本発明による熱管理および接続装置により、接続プレート２０がプリント回路、特に、電子制御装置と熱導体とを備えるプリント回路であるため、バッテリモジュール１の包括的な制御および管理が最適化されるとともに、セル３の個別の制御および管理が最適化されることが明らかに分かりうる。さらに、これらのさまざまな要素を同一の装置に組み込むことで、バッテリモジュール１の小型化および軽量化を図ることができる。また、車内にバッテリモジュール１を設置するさいのモジュール性を高めることができる。詳細には、各モジュール１は独自の熱管理および接続装置を有しているため、必要に応じて、車両において利用可能なリセスおよびボリュームにバッテリモジュールを配置することが容易である。

Claims (14)

  1. 平行に並べられ、互いに直列に接続されたセル（３）から構成されたバッテリモジュール（１）の熱管理および接続装置であって、各セル（３）は、正端子（４）および負端子（４）を備え、前記バッテリモジュール（１）は、前記端子（４）間に位置付けられる熱伝達流体用の入口（１２ａ）および出口（１２ｂ）を備える熱交換プレート（１０）と、前記端子（４）用の通路孔（２２）と、前記端子（４）を対にして接続する手段（６）とを備える非伝導性接続プレート（２０）とを備え、前記接続プレート（２０）は、伝導性トレース（６０）を備えるプリント回路であることを特徴とする熱管理および接続装置。
  2. 前記接続プレート（２０）は、前記セル（３）を制御するための電子装置をさらに備え、前記電子装置は、前記伝導性トレース（６０）に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の熱管理および接続装置。
  3. 前記端子（４）を接続する前記手段（６）は、前記バッテリモジュール（１）の同一側に同じ極の前記端子（４）を配設して前記セル（３）が並置されるとき、前記端子（４）が接続されるように位置付けられることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱管理および接続装置。
  4. 前記端子（４）を接続する前記手段（６）は、前記バッテリモジュール（１）上に互い違いの構成で異なる極の前記端子（４）を配設して前記セル（３）が並置されるとき、前記端子（４）が接続されるように位置付けられることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱管理および接続装置。
  5. 前記接続手段（６）は、前記接続プレート（２０）の外面上、すなわち、前記バッテリモジュール（１）と対面する表面とは反対側の表面である前記接続プレートの表面上に位置付けられることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱管理および接続装置。
  6. 前記接続手段（６）は、前記接続プレート（２０）の、厚みが増大した前記伝導性トレース（６０）と一体に製造されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱管理および接続装置。
  7. 前記接続手段（６）は、前記接続プレート（２０）の厚み内に位置付けられることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱管理および接続装置。
  8. 前記接続手段（６）は、前記接続プレート（２０）の厚み未満の厚みを有することを特徴とする、請求項７に記載の熱管理および接続装置。
  9. 前記接続手段（６）は、前記接続プレート（２０）以上の厚みを有することを特徴とする、請求項７に記載の熱管理および接続装置。
  10. 前記接続プレート（２０）は、剛性材料から作られることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の熱管理および接続装置。
  11. 前記接続プレート（２０）は、可撓性材料から作られることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の熱管理および接続装置。
  12. 前記熱交換プレート（１０）は、前記接続プレート（２０）から独立したものであることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の熱管理および接続装置。
  13. 前記熱交換プレート（１０）は、前記接続プレート（２０）に直接組み込まれることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の熱管理および接続装置。
  14. 前記接続プレート（２０）は、前記熱交換プレート（１０）および前記接続手段（６）を電気的に絶縁する分離リブ（２４）を備えることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の熱管理および接続装置。
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