JP2016514345A - バッテリーハウジング - Google Patents

Abstract

バッテリーハウジングは、複数のバッテリーセルを保持するバッテリーフレームを含んでいる。各バッテリーセルは、一方の端部に正極端子と導電性構造体、反対側の端部に負極端子、および、負極端子を導電性構造体へ電気的に結合する導電性シェル、を含んでいる。配線は、各セルの導電性構造体または正極端子のいずれかを接触させることにより、２つのセル間の電気的接続を形成する。全てのセルは、正極端子、導電性構造体、および配線が、全てバッテリーフレームの同じ側にあるように配置されている。その結果、配線の長さを短くすることができる。

Description

本開示は、バッテリーハウジングに関し、特にバッテリーハウジング内のセル間の電気的配線、バッテリーハウジング内のセルを断熱すること、およびバッテリーハウジング内のセルの冷却システム、に関する。

バッテリーハウジングは、典型的に、所望のエネルギー容量と出力電圧を有するバッテリーシステムを形成するように直列および／または並列構成のバッテリーセルを接続する電気導体を含む。円筒形のバッテリーセルでは、正極端子および負極端子は、セルの両端に配置されている。従来、電気接点は、正極端子および負極端子の両方が直接導体に接続されるようにバッテリーハウジング内の各セルの両端に形成されていた。しかしながら、各セルの両端に電気接点を形成すると、接続システムにおける潜在的な故障点の数を増加させ、バッテリーハウジングの全体的なコストを増大させる。

一実施形態において、バッテリーハウジングは、複数のバッテリーセルを保持するバッテリーフレームを含む。各バッテリーセルは、第１の端部に正極端子および第１の端部と反対側の第２の端部に負極端子を有する。各バッテリーセルはまた、第１の端部の導電性構造体および第２の端部の負極端子を第１の端部の導電性構造体へ電気的に結合する導電性シェルを含む。バッテリーセルの両端に電気接点を形成するよりも、配線は、どちらもセルの第１の端部にある、正極端子と導電性構造体とを接触させる。導電性シェルは、導電性構造体を負極端子に電気的に結合するので、セルの圧着構造で接点を形成することは、配線をセルの負極端子に結合する効果を有する。

一実施形態では、２つのセル間の配線は、第１のバッテリーセルの導電性構造体と第２のバッテリーセルの正極端子とを接触させて、２つのセルを直列に接続する。他の実施形態では、第１の配線は２つのバッテリーセルの正極端子と接触し、第２の配線は同じ２つのバッテリーセルの圧着構造と接触して、２つのセルを並列に接続する。

セルは、各セルの第１の端部および配線が全てバッテリーフレームの同じ側にあり、各セルの第２の端部がバッテリーフレームの反対側にあるように配置されている。結果として、バッテリーセルの両端を接続するためにフレームの反対側との間に配線を延在する必要がないため、配線の長さを短くすることができる。短い配線は、材料および製造コストをより低くできるので、好都合である。短い配線は、バッテリーハウジング内の潜在的な故障点の数を減少させ、セル間の接続の全体的な複雑さを低減する。

一実施形態では、バッテリーフレームは、バッテリーセルを保持するように構成されているバッテリーセルの区画を含む。一実施形態では、各バッテリーセルの区画は、突出距離によって区画の内部表面から突出する複数のアライメント機構を含む。バッテリーセルがセルの区画に挿入されると、アライメント機構は、バッテリーセルの側面と接触して、セルの区画内のバッテリーセルを中心に集中させ、バッテリーセルの側面とセルの区画の内部表面との間にエアギャップを作成する。

エアギャップは、バッテリーセルの周囲の断熱を提供するのに十分な大きさの厚さを有するようにアライメント機構の突出距離を選択することができるが、エアギャップ内に発生する重大な対流を十分に防止するには小さい厚さを有する。これは、バッテリーセルから隣接するバッテリーセルへの熱伝達を減少させ、このことはバッテリーセルが故障して熱暴走中に大量の熱を放出する際に、隣接するバッテリーセルを有効に保護する。

一実施形態において、バッテリーハウジングは、フレーム側に配置されたヒートスプレッダ（heat spreader）およびヒートスプレッダの表面に接触するサーマルインターフェース（thermal interface）も含む。バッテリーセルがバッテリーフレームに挿入される場合、サーマルインターフェースおよびヒートスプレッダは、サーマルインターフェースがバッテリーセルの第二の端部とも接触するように、配向される。結果として、サーマルインターフェースは、バッテリーセルの第２の端部とヒートスプレッダの表面との間の熱的接続を確立し、熱がバッテリーセルとヒートスプレッダとの間で転送されることを可能にする。追加のバッテリーセルは、バッテリーフレームに挿入され、このようにヒートスプレッダと熱的に結合することができる。

いくつかの実施形態では、ヒートスプレッダは、また、装置を放散またはヒートスプレッダおよびバッテリーセルの温度を低減する冷却装置を加熱するために接続されている。例えば、ヒートスプレッダを、バッテリーハウジングの外部環境に露出されるバッテリー筐体に接続することができる。さらに、ヒートスプレッダの反対側には、熱伝達材料の部分に結合させることができる。

バッテリーセルの内部ゼリーロール（jelly roll）構造は、バッテリーセルにその負極端子で高い熱伝導率を持つことを生じさせるので、各バッテリーセル（すなわち、負極端子が付いている方）の第２の端部に熱的接続を行うことは有効である。従って、バッテリーセルの第２の端部で熱接続を行うと、セルからヒートスプレッダへの改善された熱伝達が可能になる。

明細書に記載の特徴および利点はすべてを包括したものではなく、特に、多くの追加の特徴および利点は、図面、明細書、および特許請求の範囲に鑑みて当業者には明らかであろう。また、明細書中で使用される言語は、主として読みやすさおよび使用説明目的のために選択された、本発明の範囲を限定するために選択されていないことに留意すべきである。

図面は、例示の目的のみのための種々の実施形態を示している。当業者は、本明細書に例示の構造および方法の代替的な実施形態を本明細書に記載の原理から逸脱することなく採用できることを、以下の説明から容易に認識するであろう。

図１Ａは、一実施形態に係るバッテリーハウジングの様々な視点を示す図である。 図１Ｂは、一実施形態に係るバッテリーハウジングの様々な視点を示す図である。 図１Ｃは、一実施形態に係るバッテリーハウジングの様々な視点を示す図である。 図２Ａは、一実施形態に係るバッテリーセルを示す図である。 図２Ｂは、一実施形態に係るバッテリーセルを示す図である。 図３Ａは、一実施形態に係る相互にバッテリーセルを連結するための相互接続を示す図である。 図３Ｂは、一実施形態に係る相互にバッテリーセルを連結するための相互接続を示す図である。 図４Ａは、一実施形態に係るバッテリーハウジングのセル区画内のアライメント機構を示す図である。 図４Ｂは、一実施形態に係るバッテリーハウジングのセル区画内のアライメント機構を示す図である。 図４Ｃは、一実施形態に係るバッテリーハウジングのセル区画内のアライメント機構を示す図である。 図５Ａは、一実施形態に係るバッテリーセルのための熱管理システムを示す図である。 図５Ｂは、一実施形態に係るバッテリーセルのための熱管理システムを示す図である。 図５Ｃは、一実施形態に係るバッテリーセルのための熱管理システムを示す図である。 図５Ｄは、一実施形態に係るバッテリーセルのための熱管理システムを示す図である。 図５Ｅは、一実施形態に係るバッテリーセルのための熱管理システムを示す図である。 図５Ｆは、一実施形態に係るバッテリーセルのための熱管理システムを示す図である。 図６は、一実施形態に係る電動二輪車に搭載されたバッテリーアセンブリを示す図である。

バッテリーハウジングの概要
図１Ａは、一実施形態に係るバッテリーハウジング１００の斜視図である。バッテリーハウジング１００は、回路基板１０２と、フレーム構造１０４と、ヒートスプレッダ１０６と、を含む。図１Ｂは、回路基板１０２を取り除いたバッテリーハウジング１００の斜視図である。図１Ｂに示すように、フレーム構造１０４は、バッテリーセル１０８のための区画を含む。図１Ｃは、フレーム構造１０４の内側のバッテリーセル１０８を示すバッテリーハウジング１００の側面断面図である。

回路基板１０２は、バッテリーセル１０８を電気的に接続するための回路を含む。一実施形態において、回路基板１０２は、並列−直列構成のバッテリーセル１０８を接続する。並列−直列構成では、バッテリーセル１０８を、各グループ内のセルが並列に接続され、それらのグループが直列に接続されたセルのグループに分けることができる。他の実施形態において、回路基板１０２は、異なる方法またはより洗練された方法でバッテリーセル１０８を接続することができる。例えば、セルのグループを直列に接続することができ、それら直列のグループを並列−直列−並列構成を形成するために、他の直列のグループと並列に接続することができる。あるいは、回路基板１０２は、直列−並列構成または直列−並列−直列構成のバッテリーセルを接続することができる。バッテリーセル１０８を接続するための構成例については、図３Ａおよび図３Ｂを参照して以下に詳細に説明する。

フレーム構造１０４は、バッテリーハウジング内のバッテリーセル１０８のための機械的支持を提供するセル区画を含む。図示された実施形態では、フレーム構造１０４のセル区画は左側部分と右側部分とに分離され、各部分のセル区画は、セルが互いに実質的に平行に配向されるように、バッテリーセル１０８を保持する。さらに、セル区画は、バッテリーセル１０８の充填効率を向上させ、フレーム構造１０４に使用される材料の量を低減するために、六角形のパターンに配置される。このように、フレーム構造１０４の外周上にない各セル区画は、６つの他のセル区画に隣接している。一実施形態において、フレーム構造１０４は、１２６のセル区画（それぞれの部分で、例えば、６３のセル区画）を含み、各セル区画は、単一のバッテリーセル１０８を保持する。本実施形態において、各セル区画は１７．３ｃｍ³（ｃｃ）の容積を有し、フレーム構造１０４に使用される材料は、約２６２ｃｃの容積を占める。全体として、フレーム構造１０４は、セル区画の容積および他の完全にまたは部分的に囲まれた領域の容積が含まれる場合に、約３，０００ｃｃの総容積を有する。他の実施形態において、フレーム構造１０４は、追加のまたはより少数のセル区画を含む。フレーム構造１０４は、単一のセルに障害が発生し、大量の熱を放出する場合、隣接するセルをオーバーヒートから防ぐために隣接したバッテリーセルから各バッテリーセル１０８を熱的に分離する機能を含むことができる。バッテリーセル間の熱的分離を達成する方法の一例については、図４Ａないし図４Ｃを参照して以下に説明する。

ヒートスプレッダ１０６は、熱をバッテリーセル１０８から一つまたは複数の熱放散装置に転送する熱伝導性材料で作られている。一実施形態において、ヒートスプレッダ１０６の一方の側面１０６Ａは、バッテリーセル１０８に熱的に結合され、ヒートスプレッダ１０６の他方の側面１０６Ｂは、他の熱放散装置に結合されている。ヒートスプレッダ１０６の縁部は、また、熱放散装置に結合することができる。バッテリーセル１０８で発生した熱を放散するためにヒートスプレッダ１０６を使用するための異なる構成の例については、図５Ａないし図５Ｃを参照して以下に詳細に説明する。

バッテリーセルの構造
図２Ａは、円筒形のバッテリーセル１０８の斜視図である。バッテリーセル１０８は、バッテリーハウジング１００に用いられるバッテリーセルを表す。バッテリーセル１０８は、セルの第１の端部に正極端子２０２およびセルの反対側の第２の端部に負極端子２０４を有している。バッテリーセル１０８は、構造的な支持を提供しバッテリーセル１０８の内部構成要素を収容する導電性シェル２０６を含む。導電性シェル２０６は、導電性材料（例えば、金属）から形成され、バッテリーセル１０８の第２の端部で負極端子２０４に電気的に接続されている。導電性シェル２０６は、負極端子２０４からバッテリーセル１０８の第１の端部の導電性構造体２０８の上方へ延びている。図２Ａおよび図２Ｂに示されている実施形態において、導電性構造体２０８は、バッテリーセル１０８の第１の端部の近くに圧着構造を備えている。非導電性リング２１０は、正極端子２０２と（導電性シェル２０６を介して負極端子２０４に電気的に結合されている）導電性構造体２０８との間の電気的導通を防止するために、導電性構造体２０８を正極端子２０２から分離する。

図２Ｂは、図２Ａに示されたバッテリーセル１０８の内部を示す断面図である。バッテリーセル１０８の内部には、ゼリーロール２１２を含み、放熱を助けるための通気管、電流遮断装置、およびゼリーロール２１２の端部の絶縁体のような他の成分を任意に含むことができる。ゼリーロール２１２は、電気エネルギーを蓄えて放出する電気化学的構成要素である。

一実施形態において、バッテリーハウジング１００に使用されるバッテリーセル（例えば、図２Ａおよび図２Ｂに示されたバッテリーセル１０８）は、満充電時の間に２．０ボルト（Ｖ）と４．２ボルト（Ｖ）との間の電圧を生成することができる。また、バッテリーセルは、−９アンペア（Ａ）と２０アンペア（Ａ）との間の電流を生成することができる。バッテリーセルの電圧および電流の能力は、セルが放電されるように低下することがある。さらに、一実施形態においてバッテリーセルは、円筒形状因子を有するエネルギー密度の高いリチウムイオン電池である。他の実施形態において、バッテリーセルは、異なる出力電圧と電流、異なる電池化学、および異なる形状因子のような、異なる電気的、化学的、および機械的性質を有することができる。

従来から、電気導体は、バッテリーセル１０８の両端で正極端子２０２および負極端子２０４に直接接続され、熱導体は、バッテリーセル１０８の円筒状の表面に接続されている。しかしながら、ゼリーロール２１２の構造は、ゼリーロール２１２が充放電されている間に、バッテリーセル１０８の第２の端部の底面（すなわち、負極端子２０４）に著しく高い熱伝導率をもたらすので、バッテリーセル１０８と電気的および熱的接触を作るこれらの従来の方法は好ましくない。一方、導電性シェル２０６の円筒面およびバッテリーセル１０８の第１の端部の上面（すなわち、正極端子２０２）は、比較的低い熱伝導率を有する。

バッテリーセル１０８の両端に電気接点を作る代わりに、正極端子および負極端子の両方の電気接点をバッテリーセル１０８の第１の端部に形成することができる。導電性シェル２０６は負極端子２０４に結合されるので、導電性シェル２０６または導電性構造体２０８の任意の部分に結合された電気導体も、負極端子２０４に結合される。したがって、バッテリーセル１０８の第１の端部で導電性構造体２０８の一部に接触する導電体は、導電性シェル２０６を介して負極端子に結合される。これは、セルの正極端子２０２と他のセルの負極端子２０４との間の電気的な配線をセルの第１の端部に沿ってバッテリーフレーム１０４と同じ側に配置することができ、セルの第２の端部（すなわち、熱伝導率が高い場所）をバッテリーフレーム１０４と反対側で（電気的に配線に結合されるよりもむしろ）放熱システムに熱的に結合することができるので、特に有利である。さらに、熱的接触は、バッテリーセル１０８の円筒面よりもむしろバッテリーセル１０８の第２の端部に形成されている場合、障害（例えば、熱暴走）発生時に、セルから隣接するセルに大量の熱が伝達することを防止するために、断熱システムを円筒面２０６に隣接して追加することができる。

片面の電気的な配線（Interconnects）
図３Ａは、隣接する２つのバッテリーセル１０８Ａと１０８Ｂとの間の相互接続を示す側面断面図である。バッテリーセル１０８Ａおよび１０８Ｂは、両バッテリーセル１０８Ａおよび１０８Ｂの第１の端部がフレーム構造１０４の第１の側面で互いに整列されるように、フレーム構造１０４に配向される。一実施形態において、配線３０２は、バッテリーセル１０８Ａおよび１０８Ｂを電気的に接続する。配線３０２は、第１のバッテリーセル１０８Ａを第１のバッテリーセル１０８Ａに隣接する第２のバッテリーセル１０８Ｂへ電気的に接続する導電性材料（例えば、銅またはアルミニウムワイヤ）を含む。配線３０２は、第１の接点３０４で第１のバッテリーセル１０８Ａに接続され、第２の接点３０６で第２のバッテリーセル１０８Ｂに接続される。接点３０４および３０６は、バッテリーセル１０８に対応する端子と配線３０２との間の電気的接続を確立する。例えば、接点３０４および３０６を、ステッチボンド（stitch bonds）とすることができる。

図示された実施形態において、第１の接点３０４は、第１のバッテリーセル１０８Ａの導電性構造２０８Ａに形成され、第２の接点３０６は、第２のバッテリーセル１０８Ｂの正極端子２０２Ｂに形成されている。したがって、配線３０２は、直列にバッテリーセル１０８Ａおよび１０８Ｂを接続するため、第１のバッテリーセル１０８Ａの負極端子を第２のバッテリーセル１０８Ｂの正極端子に結合する。他の実施形態において、配線３０２は、２つのセル間の並列接続を作成するために、（例えば、２つのセルの導電性構造体に形成された接点で）２つの負極端子および／または（例えば、２つのセルの正極端子に形成された接点で）２つの正極端子を電気的に結合するように構成することができる。配線３０２は、さらに、直列−並列接続および並列−直列接続のような、複数のセル間のより洗練された接続を作成するために、上述の方法で組み合わせることができる。さらに他の実施形態において、配線３０２は異なる形状を有していてもよく、例えば、金または銀のような種々の材料から形成されていてもよい。

バッテリーセル１０８の両端子の接点３０４および３０６は、バッテリーセル１０８の第１の端部に形成されているので、全体の配線３０２は、フレーム構造１０４の第１の側面に配置されている。したがって、配線３０２は、従来のバッテリーハウジング内の配線よりも長さを短くすることができる。彼らはより安い材料および製造コストを可能とするため、より短い配線３０２は有益である。さらにコスト削減のために、配線３０２は、導電性材料の単一片から形成することができる。例えば、配線３０２は一本のワイヤとすることができる。

図３Ｂは、隣接するバッテリーセル１０８の間の３つの配線３０２を示すバッテリーハウジング１００の斜視図である。図３Ｂはまた、回路基板１０２上の導電性トレース３０８を示し、それはフレーム構造１０４の第１の側面に配置されている。バッテリーセル１０８の間の追加の接続を形成するために、配線３０２を導電性トレース３０８に接続することができる。一実施形態において、超音波溶接プロセスは、配線３０２と導電性トレース３０８との間の電気的接続を形成するために使用される。接続は、代替的に、抵抗溶接、レーザー溶接、または機械的な結合部や留め具（例えば、ねじ）のような、異なる方法を用いて形成することができる。導電性トレース３０８は、このように配線３０２と直列に接続されているバッテリーセル１０８のグループとの間に並列接続を確立するために用いることができる。一実施形態において、導電性トレース３０８は、バッテリーセル１０８の電圧を監視する電圧監視システムにも接続されている。

３つの配線３０２のみが図３Ｂに示されているが、配線３０２および導電性トレース３０８は、フレーム構造１０４内のすべてのバッテリーセル１０８を接続するために上述の方法で用いることができる。一実施形態において、単一のフレーム構造１０４で相互接続されたバッテリーセル１０８は、満充電時に５２．２Ｖと５５．２Ｖとの間の総出力電圧を提供し、−５４Ａと１２０Ａとの間の総出力電流を提供する。

２つのバッテリーセル１０８の間の配線３０２は、電流が配線３０２を介してバッテリーハウジング１００の他の電気部品に損傷を与える閾値電流を超えた場合、２つのバッテリーセル１０８の間に形成する電気的接続を壊す（すなわち、切断する）ヒューズとしての機能を任意に果たすことができる。例えば、閾値電流よりも大きい任意の電流によって発生する熱が配線３０２を溶融または他の方法で切断させるように、材料および配線３０２の断面を選択することができる。このように機能するために配線３０２を構成すると、専用のヒューズや他の電流調整装置の必要性を減少または排除することによって、バッテリーハウジング１００の材料コストをさらに削減することができる。一実施形態において、バッテリーハウジング１００内の各配線３０２は、このように、ヒューズとして機能するように構成されている。他の実施形態において、配線３０２の一部のみがヒューズとして機能するように構成されている。

断熱
図４Ａは、一実施形態に係る、フレーム構造１０４内のセル区画（cell compartment）４０２を示している。セル区画４０２は、セル区画４０２の上部と下部に、セル区画４０２内のバッテリーセル１０８と接触させる複数のアライメント機構（alignment feature）４０４（またはリブ）を含む。一実施形態において、各アライメント機構４０４は、突出距離４０５によってセル区画４０２の内部表面から突出する。セル間の望ましくない電気または熱伝導を防止するために、フレーム構造１０４およびアライメント機構４０４は、低い電気伝導率および低い熱伝導率の材料で作製されている。例えば、フレーム構造１０４およびアライメント機構４０４は、プラスチックで作製することができる。

図４Ｂは、セル区画４０２の内側でアライメント機構４０４と接触しているバッテリーセル１０８の側面断面図であり、図４Ｃは、セル区画４０２の内側のバッテリーセル１０８の上面図である。図４Ｂおよび図４Ｃに示すように、アライメント機構４０４は、バッテリーセル１０８がアライメント機構４０４に接触する場合に、バッテリーセル１０８とセル区画４０２の内部表面との間にエアギャップ４０６を作成する。エアギャップ４０６の厚さは、アライメント機構４０４の突出距離４０５によって定義される。一実施形態において、エアギャップの厚さは、突出距離４０５と同じである。アライメント機構４０４は、エアギャップ４０６がバッテリーセル１０８の円筒形の表面全体の周りに一貫した厚さを有するように、セル区画４０２のバッテリーセル１０８をセンタリングしている。

図示された実施形態において、３つのアライメント機構４０４の第１のセットは、（フレーム構造１０４の第１の側で）セル区画の第１の端部に形成され、３つのアライメント機構４０４の第２のセットは、（フレーム構造１０４の第２の側で）セル区画の第２の端部に形成されている。両方のセットでは、３つのアライメント機構４０４は、バッテリーセル区画の長手方向に沿って延び、互いに１２０°離間されている。他の実施形態において、アライメント機構４０４の異なる数、間隔、または方向を用いることができる。例えば、セル区画４０２は、セル区画４０２の第１の端部から第２の端部へ延びる３つのアライメント機構４０４を含むことができる。

突出距離４０５は、エアギャップ４０６の厚さを定義するので、得られるエアギャップ４０６が、バッテリーセル１０８とフレーム構造１０４との間の断熱を提供する空気のための十分な大きさであるが、対流のかなりの量がエアギャップ４０６内で発生しないほど十分に小さい厚さを有するように、突出距離４０５を選択することができる。一実施形態において、アライメント機構４０４は、０．１ｍｍを超えるが０．５ｍｍ以下である突出距離４０５を有し、このように、バッテリーセル１０８の円筒面とセル区画４０２の内面との間の厚さとほぼ同じ厚さのエアギャップ４０６を作成する。別の実施形態において、アライメント機構４０４は、２ｍｍ以下の突出距離４０５を有している。

バッテリーセル１０８の円筒面とセル区画４０２の内面との間のエアギャップ４０６は、フレーム構造１０４内の隣接するバッテリーセル１０８間の伝導または対流による熱伝達を低減する。加えて、各セル区画の内部表面が対応するバッテリーセル１０８の円筒状の表面を囲んでいるので、熱伝達をさらに低減する。結果として、フレーム構造１０４は、隣接するバッテリーセル１０８の間の物理的障壁を提供し、バッテリーセル１０８の間の熱放射を低減する。熱暴走時など、セルに障害が発生し大量の熱を放出する場合、隣接するバッテリーセル１０８の間の熱伝達を低減することは、隣接するセルを保護するので有利である。その代わりに、以下の図５Ａないし５Ｆに記載されるように、熱障害がバッテリーセル１０８で発生する場合に生成される余分な熱は、ヒートスプレッダ１０６へ転送され、次いで、より均一な方法で他のセルに余分な熱を分配し放熱面を加熱するために熱を伝達する。このように、アライメント機構４０４によって作成されたエアギャップ４０６は、単一のバッテリーセル１０８の熱障害が発生した場合に隣接するセルへの損傷の可能性が低減し、フレーム構造１０４内のセルのより高い充填密度を可能にする。

サーマルインターフェースおよび熱管理システム
図５Ａは、一実施形態に係る、バッテリーセル１０８とヒートスプレッダ１０６との間のサーマルインターフェース（thermal interface）５０２を示す側面断面図である。一実施形態において、ヒートスプレッダ１０６は、回路基板１０２および配線３０２と反対側のバッテリーフレーム１０４の第２の側に配置される。サーマルインターフェース５０２は、バッテリーセル１０８の第２の端部およびヒートスプレッダ１０６の第１の側面１０６Ａと接触して、バッテリーセル１０８をヒートスプレッダ１０６に熱的に接続する。バッテリーセル１０８は、第２の端部が実質的に同一平面上になるように配置され、サーマルインターフェース５０２がヒートスプレッダ１０６と接続された各バッテリーセル１０８との間にほぼ同じ厚さを有することを可能にする。

サーマルインターフェース５０２は、バッテリーセル１０８をヒートスプレッダ１０６に熱的に接続しているので、サーマルインターフェース５０２は、熱がバッテリーセル１０８からヒートスプレッダ１０６に転送されることを可能にする。サーマルインターフェース５０２は、バッテリーセル１０８とヒートスプレッダ１０６との間の、熱伝達を容易にするための高い熱伝導率および電気伝導を阻害するための低い導電性を有する任意の材料で作ることができる。一実施形態において、サーマルインターフェース５０２の材質はエポキシ樹脂である。代替的に、ポッティングコンパウンド（potting compound）、サーマルペースト（thermal paste）、または熱界面材料（例えば、サーマルパッドまたはカーボンシート）をサーマルインターフェース５０２として用いることができる。図３Ａおよび３Ｂを参照して上述した、サーマルインターフェース５０２が片側の電気的配線３０２に関連して使用される実施形態において、サーマルインターフェース５０２は、セルの第２の端部の負極端子に電気的に接続するために材料の追加層を必要とすることなく、材料の単一層からなることができる。例えば、サーマルインターフェース５０２は、エポキシ樹脂の単一層とすることができる。サーマルインターフェース５０２のために有益に材料の単一層を使用することは、バッテリーセルの第２の端部とヒートスプレッダ１０６との間の材料コストを低減し、サーマルインターフェース５０２を適用するプロセスを簡素化する。

他の実施形態において、サーマルインターフェース５０２は、より高い導電率を有する材料で作られ、ヒートスプレッダ１０６は、バッテリーセル１０８とヒートスプレッダ１０６との間の電気伝導を阻害するための非導電性のメッキまたはコーティングを有する。例えば、ヒートスプレッダ１０６は、陽極酸化アルミニウムから形成することができる。

同様に、ヒートスプレッダ１０６も、高い熱伝導性の材料で作られる。しかしながら、サーマルインターフェース５０２はバッテリーセル１０８とヒートスプレッダ１０６との間の電気伝導を阻害する低導電性を有するので、ヒートスプレッダ１０６に使用される材料の導電率にわずかな制約がある。一実施形態において、ヒートスプレッダ１０６は、アルミニウムで形成されている。別の実施形態において、ヒートスプレッダ１０６は、銅などの高い熱伝導率を有する異なる材料で形成されている。さらに別の実施形態において、ヘッドスプレッダは、２つの異なる物質の状態中に熱伝達材料を含む二相の熱伝達装置（例えば、ヒートパイプ）である。

ヒートスプレッダ１０６の第２の側面１０６Ｂは、ヒートスプレッダ１０６を他の熱調節装置に結合するように使用可能なくぼみ５０４を任意に含むことができる。図５Ｂの斜視図および図５Ｃの側面図で示されるように、例えば、ヒートスプレッダ１０６よりも高い熱伝導率を有する複数片の熱伝達材料５０６（例えば、銅）を、ヒートスプレッダ１０６の異なる位置の間の熱伝達を改善させるためにくぼみ５０４に配置することができる。一実施形態において、サーマルペーストまたはいくつかの他の熱伝達媒体は、二つの構成要素１０６および熱伝達材料５０６の間の改善されたサーマルインターフェースを提供するために、熱伝達材料５０６とヒートスプレッダ１０６との間に追加される。代替的に、サーマルペーストが（例えば、材料または組立コストを削減するために）省略され、熱伝達材料５０６の表面は、ヒートスプレッダ１０６の表面に物理的に接触して配置される。

図５Ｄは、一実施形態に係るバッテリーアセンブリ（battery assembly）５０８の斜視図である。バッテリーアセンブリ５０８は、バッテリー筐体５１０の内側に一つまたは複数のバッテリーハウジング１００を含む。さらに、ヒートスプレッダ１０６の有効性を改善するために、ヒートスプレッダ１０６は、バッテリーセル１０８からバッテリーアセンブリ５０８の外側に熱伝導経路を提供するためのバッテリー筐体５１０に熱的に結合されることができる。図６に示すようにバッテリーアセンブリ５０８が電動二輪車の一部である場合などのように、バッテリーアセンブリ５０８が頻繁に空気の移動にさらすことができる移動体に使用される場合、ヒートスプレッダ１０６をバッテリー筐体５１０に結合することは、特に有利である。移動体を空気の移動にさらすことは、バッテリー筐体５１０の外表面に大きな対流熱伝達を可能にするからである。

いくつかの実施形態において、バッテリー筐体５１０の外部表面は、複数の外部隆起部および他の高められたパターンを含む。これは、バッテリー筐体５１０の外部表面積を増大させ、改善された熱放散を可能にする。

ヒートスプレッダ１０６を第２のバッテリーハウジングのヒートスプレッダに熱的に結合するように、熱伝達材料５０６をさらに用いることができる。図５Ｅは、熱伝達材料５０６と一緒に熱的に結合された２つのバッテリーハウジング１００Ａおよび１００Ｂを含むバッテリーアセンブリ５０８の側面図であり、図５Ｆは、バッテリーアセンブリ５０８の斜視図である。図５Ｅに示すように、一つのヒートスプレッダの第２の側（すなわち、バッテリーセルとは反対側）は、他のヒートスプレッダの第２の側に熱的に結合されている。両方のヒートスプレッダの第２の側は、また、熱伝達材料の部分に結合させることができる。一実施形態において、ヒートスプレッダは、放熱グリス（thermal grease）、サーマルパッド、または他の熱界面材料で互いに熱的に結合されている。別の実施形態において、熱界面材料が省略され、ヒートスプレッダの第２の側は、互いに物理的に接触して配置されている。

２つのバッテリーハウジングが（例えば、より大きな総記憶容量のバッテリーアセンブリ５０８のために）所望される実施形態において、図５Ｅおよび５Ｆに示す方法で、２つのバッテリーハウジング１００Ａおよび１００Ｂのヒートスプレッダ１０６を熱的に結合することは有利である。その結合は、両方のバッテリーハウジングのバッテリーセル１０８の間の熱伝導経路を形成するからである。このように、バッテリーセル１０８によって生成された熱を放散することに加えて、両ハウジング内のバッテリーセル１０８の温度を一緒に近くに保持ことができる。

そのうえ、さらに大きな総容量のバッテリーシステムが所望される場合、複数のバッテリーアセンブリ５０８のバッテリー筐体５１０を（例えば、上面５１２および下面５１４で）熱的に結合することができる。これは、複数のバッテリーアセンブリ５０８のバッテリーセル１０８間の熱伝導経路を形成し、バッテリーアセンブリ５０８の間の熱伝達を可能にする。

他の実施形態において、追加のまたは異なる温度調節装置をバッテリーアセンブリ５０８に組み込むことができる。例えば、活性液体または空気冷却システムを、ヒートスプレッダ１０６、バッテリー筐体５１０、またはバッテリーアセンブリ５０８の他の構成要素に熱的に結合することができる。同様に、ヒートシンク、ヒートパイプ、またはヒートスプレッダのような追加の受動冷却装置を、バッテリーアセンブリ５０８の構成要素に結合することができる。さらに他の実施形態において、バッテリーアセンブリ５０８は、さらに、バッテリーアセンブリ５０８全体の温度を監視し、特定の温度を維持するために能動的冷却システムを調整する、フィードバック温度制御装置を含むことができる。

図６は、一実施形態に係る、電動二輪車６００に搭載されたバッテリーアセンブリ５０８を示す図である。図６に示す電動二輪車６００において、バッテリーアセンブリ５０８は、電動二輪車６００および電動二輪車６００の速度を制御するスロットルを駆動するために使用される電動機のように、電動二輪車６００の他の構成要素に電力を供給するために十分な電力を供給する。上述のように、バッテリー筐体は電動二輪車６００が移動中に空気の移動にさらされるので、バッテリーアセンブリ５０８の内側でヒートスプレッダに結合されているバッテリー筐体とバッテリーアセンブリ５０８を使用することは有利である。

図６に示すバッテリーアセンブリ５０８は、電動二輪車６００のフレームに適合するように構成されているが、本明細書に記載のバッテリーアセンブリ５０８を他の用途に代替的に用いることができる。例えば、バッテリーアセンブリ５０８は、電気自動車、飛行機の一部として用いてもよいし、固定発電機によって生成される電気エネルギーを保存するために用いてもよい。加えて、バッテリーハウジング１００およびバッテリーアセンブリ５０８に関して本明細書で説明される特徴の各々を、本明細書に記載の他の独立した特徴を有する他の装置にも適用することができる。例えば、図３Ａおよび３Ｂを参照して説明した片面の電気的な配線は、図４Ａないし４Ｃを参照して説明したアライメント機構または図５Ａないし５Ｆを参照して説明した放熱機能、を含まない装置のバッテリーセルを接続するために使用することができる。

本開示を読むことにより、当業者は、依然としてバッテリーハウジングの追加の代替設計を理解するであろう。こうして、特定の実施形態および本発明の用途を図示し説明してきたが、本発明は、本明細書に開示された正確な構成および構成要素に限定されるものではなく、当業者には明らかであろう様々な修正、変更および変形は、配置、操作および本明細書に開示された本発明の方法および装置の詳細においてなされ得ることが、理解されるであろう。

Claims (54)

1. 複数のバッテリーセルを含むバッテリーフレームであって、各バッテリーセルは、第１の端部および第１の端部と反対側の第２の端部を有し、各バッテリーセルは、
   前記バッテリーセルの第１の端部に配置された正極端子と、
   前記バッテリーセルの第１の端部に配置され、電気的に前記正極端子から分離された 、導電性構造体と、
   前記バッテリーセルの第２の端部に配置された負極端子であって、電気的に前記導電 性構造体に結合された、負極端子と、を含み、
   前記バッテリーセルの少なくとも一部は、前記バッテリーセルの第１の端部が互いに 整列されるように、前記バッテリーフレームに配向されている、バッテリーフレームと、
   電気的に前記バッテリーセルを接続する複数の配線であって、前記バッテリーセルの正極端子および導電性構造体に電気的に接続する、配線と
   を備えることを特徴とするバッテリーハウジング。
2. 少なくとも１つの配線は、導電性材料の単一片で構成することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーハウジング。
3. 前記導電性構造体が圧着構造を備えることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーハウジング。
4. さらに、各バッテリーセルは、前記負極端子を前記圧着構造に電気的に結合する導電性シェルをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のバッテリーハウジング。
5. 前記配線の少なくとも一部を圧着構造に取り付ける第１のステッチボンドと、
   前記配線の少なくとも一部を前記正極端子に取り付ける第２のステッチボンドと
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーハウジング。
6. 前記バッテリーセルの第１の端部に近接して位置される回路基板であって、２つ以上の前記バッテリーセルに電気的に結合された導電性トレースを含む回路基板をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーハウジング。
7. 前記導電性トレースは、電圧モニタにも電気的に結合されていることを特徴とする請求項６に記載のバッテリーハウジング。
8. 前記配線は、少なくとも２つのバッテリーセルの間に直列接続を作成することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーハウジング。
9. 前記配線は、少なくとも２つのバッテリーセルの間に並列接続を作成することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーハウジング。
10. 前記配線は、少なくとも２組のバッテリーセルのグループ間に直列接続を作成し、前記配線は、各グループ内のバッテリーセルの間に並列接続をさらに作成することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーハウジング。
11. 前記配線は、少なくとも２組のバッテリーセルのグループ間に並列接続を作成し、前記配線は、各グループ内のバッテリーセルの間に直列接続をさらに作成することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーハウジング。
12. 少なくとも１つの配線は、閾値電流を超える前記配線を流れる電流に応じてその電気的な接続を切断するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーハウジング。
13. 前記バッテリーフレームは、少なくとも１２６のバッテリーセルを含むことを特徴とする請求項１に記載のバッテリーハウジング。
14. 前記相互接続されたバッテリーセルは、５２．２Ｖと５５．２Ｖとの間の電圧を生成できることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーハウジング。
15. 前記相互接続されたバッテリーセルは、−５４Ａと１２０Ａとの間の電流を生成できることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーハウジング。
16. 前記バッテリーセルは、バッテリーフレーム内に六角形にパックされていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーハウジング。
17. 前記バッテリーセルは、バッテリーセルの第２の端部が同一平面上になるようにバッテリーフレームに配向されていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーハウジング。
18. 前記バッテリーセルの形状が円筒形であることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーハウジング。
19. 前記バッテリーハウジングは、自動二輪車のフレームに適合するように構成され、前記バッテリーセルは、前記自動二輪車に十分な電力を供給することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーハウジング。
20. 前記バッテリーセルがリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーハウジング。
21. 電動二輪車を駆動するために使用される電動モータと、
    前記電動モータに電力を供給するバッテリーアセンブリであって、
    複数のバッテリーセルと、
    複数のバッテリーセル区画を備えるバッテリーフレームであって、各バッテリーセル 区画は、前記バッテリーセルの一つを保持し、各バッテリーセル区画は、
    前記バッテリーセル区画内に保持された前記バッテリーセルに面する内部表面と、
    前記内部表面に形成された複数のアライメント機構であって、前記内部表面から前 記バッテリーセルに接触するように突出し、それによって前記内部表面と前記バッテ リーセルとの間のエアギャップを形成する複数のアライメント機構とを有する、バッ テリーフレームと、を有するバッテリーアセンブリと
    を備えることを特徴とする電動二輪車。
22. 複数のバッテリーセル区画を備えるバッテリーフレームであって、各バッテリーセル区画は、バッテリーセルを保持するように構成され、各バッテリーセル区画は、
    前記バッテリーセル区画内に保持された前記バッテリーセルに面する内部表面と、
    前記内部表面に形成された複数のアライメント機構であって、前記内部表面から前 記バッテリーセルに接触するように突出し、それによって前記内部表面と前記バッテ リーセルとの間のエアギャップを形成する複数のアライメント機構とを有する、
    ことを特徴とするバッテリーフレーム。
23. 前記アライメント機構は、０．１ｍｍより大きく２．０ｍｍ以下の突出距離で内部表面から突出することを特徴とする請求項２２に記載のバッテリーフレーム。
24. 前記複数のアライメント機構は、
    前記バッテリーセル区画の第１の端部に向かって形成されたアライメント機構の第１のセットと、
    前記バッテリーセル区画の第１の端部とは反対側の第２の端部に向かって形成されたアライメント機構の第２のセットと
    を備えることを特徴とする請求項２２に記載のバッテリーフレーム。
25. 前記アライメント機構の第１のセットが３つ以上のアライメント機構を含み、前記アライメント機構の第２のセットが３つ以上のアライメント機構を含むことを特徴とする請求項２４に記載のバッテリーフレーム。
26. 前記アライメント機構は、前記バッテリーセル区画の長手方向に沿って延びていることを特徴とする請求項２２に記載のバッテリーフレーム。
27. 前記バッテリーセル区画は、個々の前記バッテリーセル間の物理的障壁を提供することを特徴とする請求項２２に記載のバッテリーフレーム。
28. 前記内部表面が前記バッテリーセルを囲む内壁を備えることを特徴とする請求項２２に記載のバッテリーフレーム。
29. 前記バッテリーセル区画が六角形のパターンに配置されていることを特徴とする請求項２２に記載のバッテリーフレーム。
30. 前記バッテリーフレームが自動二輪車のフレームに適合するように構成されていることを特徴とする請求項２２に記載のバッテリーフレーム。
31. 前記バッテリーフレームは、少なくとも１２６のバッテリー区画を備えることを特徴とする請求項２２に記載のバッテリーフレーム。
32. 前記バッテリーフレームは、３，０００ｃｍ³以下の容積を有することを特徴とする請求項２２に記載のバッテリーフレーム。
33. 前記バッテリーセルをさらに備えることを特徴とする請求項２２に記載のバッテリーフレーム。
34. 前記バッテリーフレームの前記バッテリーセルが２．０Ｖと４．２Ｖとの間の電圧を生成できることを特徴とする請求項３３に記載のバッテリーフレーム。
35. 前記バッテリーフレームの前記バッテリーセルが−９Ａと２０Ａとの間の電流を生成できることを特徴とする請求項３３に記載のバッテリーフレーム。
36. 前記バッテリーセル区画の形状が円筒形であることを特徴とする請求項２２に記載のバッテリーフレーム。
37. バッテリー手段と、
    前記バッテリー手段を保持する区画手段であって、前記バッテリー手段と前記区画手段の残りの部分との間のエアギャップを生成するための整列手段を含む区画手段と
    を備えることを特徴とするバッテリーアセンブリ。
38. 電動二輪車を駆動するために使用される電動モータと、
    前記電動モータに電力を供給するバッテリーアセンブリであって、
    複数のバッテリーセルであって、各バッテリーセルは、前記バッテリーセルの第１の 端部に正極端子および前記バッテリーセルの第２の端部に負極端子を有し、前記第２の 端部は前記第１の端部と反対側にある、複数のバッテリーセルと、
    熱伝導性材料で形成されたヒートスプレッダと、
    前記バッテリーセルの第２の端部と前記ヒートスプレッダとの間に位置されるサーマ ルインターフェースであって、前記バッテリーセルの第２の端部を前記ヒートスプレッ ダに熱的に結合する材料の単一層を有するサーマルインターフェースと、を有するバッ テリーアセンブリと
    を備えることを特徴とする電動二輪車。
39. 複数のバッテリーセルであって、各バッテリーセルは、前記バッテリーセルの第１の端部に正極端子および前記バッテリーセルの第２の端部に負極端子を有し、前記第２の端部は前記第１の端部と反対側にある、複数のバッテリーセルと、
    熱伝導性材料で形成されたヒートスプレッダと、
    前記バッテリーセルの第２の端部と前記ヒートスプレッダとの間に位置されるサーマルインターフェースであって、前記バッテリーセルの第２の端部を前記ヒートスプレッダに熱的に結合する材料の単一層を有するサーマルインターフェースと
    を備えることを特徴とするバッテリーアセンブリ。
40. 前記サーマルインターフェースは、前記バッテリーセルの第２の端部と接触し、実質的に非導電性の材料を備えることを特徴とする請求項３９に記載のバッテリーアセンブリ。
41. 前記サーマルインターフェースは、
    前記バッテリーセルの第２の端部と接触し、実質的に導電性の材料と、
    前記材料と前記ヒートスプレッダとの間のコーティングであって、前記バッテリーセルと前記ヒートスプレッダとの間の電気伝導を阻害するコーティングと
    を備えることを特徴とする請求項３９に記載のバッテリーアセンブリ。
42. 前記ヒートスプレッダは、第１の側面および第２の側面を有する熱伝導性材料の実質的に平坦な部分を含み、前記第１の側面が前記サーマルインターフェースに接触することを特徴とする請求項３９に記載のバッテリーアセンブリ。
43. 前記ヒートスプレッダは、
    第１の側面および第２の側面を有する熱伝導性材料の実質的に平坦な部分であって、前記第１の側面は前記サーマルインターフェースと接触し、前記第２の側面は１つまたは複数のくぼみを含む、実質的に平坦な部分と、
    くぼみに位置された１つまたは複数の熱伝達材料の部分であって、前記熱伝達材料は前記熱伝導性材料よりも高い熱伝導率を有する、熱伝達材料の部分と
    を含むことを特徴とする請求項３９に記載のバッテリーアセンブリ。
44. 前記ヒートスプレッダは、二相の熱伝達装置であることを特徴とする請求項３９に記載のバッテリーアセンブリ。
45. 第２の複数のバッテリーセルであって、各バッテリーセルは、前記バッテリーセルの第１の端部に正極端子および前記バッテリーセルの第２の端部に負極端子を含み、前記第２の端部は第１の端部と反対側にある、第２の複数のバッテリーセルと、
    前記第２のバッテリーセルの第２の端部と前記ヒートスプレッダとの間に位置された第２のサーマルインターフェースであって、前記第２のバッテリーセルの第２の端部を前記ヒートスプレッダに熱的に結合する第２のサーマルインターフェースとを備え、
    前記ヒートスプレッダは、２つの側面を有し、前記２つのサーマルインターフェースは、前記ヒートスプレッダの別々の側面に熱的に結合されていることを特徴とする請求項３９に記載のバッテリーアセンブリ。
46. ヒートスプレッダに熱的に結合されたバッテリー筐体をさらに備え、前記バッテリーセルは、前記バッテリー筐体の内側に位置されていることを特徴とする請求項３９に記載のバッテリーアセンブリ。
47. 前記バッテリー筐体は、前記バッテリー筐体の外部表面に形成された複数の隆起部を備えることを特徴とする請求項４６に記載のバッテリーアセンブリ。
48. 前記バッテリーアセンブリは、少なくとも１２６のバッテリーセルを含むことを特徴とする請求項３９に記載のバッテリーアセンブリ。
49. 前記バッテリーセルは、２．０Ｖと４．２Ｖとの間の電圧を生成できることを特徴とする請求項３９に記載のバッテリーアセンブリ。
50. 前記バッテリーセルは、−９Ａと２０Ａとの間の電流を生成できることを特徴とする請求項３９に記載のバッテリーアセンブリ。
51. 前記バッテリーセルが六角形にパックされていることを特徴とする請求項３９に記載のバッテリーアセンブリ。
52. 前記バッテリーセルは、前記バッテリーセルの第２の端部が同一平面上になるように位置されていることを特徴とする請求項３９に記載のバッテリーアセンブリ。
53. 前記バッテリーアセンブリは、自動二輪車のフレームに適合するように構成され、前記バッテリーセルは、前記自動二輪車に十分な電力を供給することを特徴とする請求項３９に記載のバッテリーアセンブリ。
54. 負極端子手段を有するバッテリー手段と、
    熱を拡散する手段と、
    前記負極端子手段と前記熱拡散手段との間に位置されたサーマルインターフェース手段であって、前記負極端子手段を前記熱拡散手段へ熱的に結合するサーマルインターフェース手段と
    を備えることを特徴とするバッテリーアセンブ。