JP2018533190A - 電池モジュールのポリマーパッケージングに金属部品を接合するためのシステム及び方法 - Google Patents

電池モジュールのポリマーパッケージングに金属部品を接合するためのシステム及び方法 Download PDF

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Abstract

本開示は、ある特定の電池モジュールのポリマーパッケージングに対して金属部品を接合又は封止することに関する。本開示は、内部及び外部を持つポリマーパッケージングと、ポリマーパッケージングの内部に配設される複数の電池セルとを有する電池モジュールを含む。電池モジュールは、ポリマーパッケージングの内部から外部に延在し、複数の電池セルの少なくとも一部と熱的又は電気的に接触する金属部品を含む。金属部品はポリマーパッケージングのオーバーモールド部に固定される接合面を備え、接合面は金属部品の接合面をポリマーパッケージングのオーバーモールド部に気密封止するマイクロ表面粗さを有する。

Description

関連出願の相互参照
この出願は、２０１５年１１月４日に出願された、米国仮特許出願第６２／２５０，６３２号明細書、発明の名称「アルミニウムコールドプレートに対するマイクロ表面処理」からの優先権及びその利益を主張し、あらゆる目的のためにその全てを引用して本明細書に組み込む。
本開示は、一般に、電池及び電池モジュールの分野に関する。より詳細には、本開示は、リチウムイオン電池モジュール等の電池モジュールのポリマーパッケージングに対して金属部品を接合又は封止することに関する。
本項では、以下に説明する本開示の様々な態様に関連する可能性のある技術の様々な態様を読者に対して紹介することを目的とする。この検討は、本開示の様々な態様の良好な理解を促進するよう読者に背景情報を提供することに有用であると考えられる。従って、これらの記載はこの観点から読み取られるべきであり、先行技術の容認として読み取られるべきではないことを理解すべきである。
車両のための原動力の全て又は一部を供給するための１つ以上の電池システムを用いる車両はｘＥＶと称され、ここで用語「ｘＥＶ」は本明細書中で、それらの車両原動力の全て又は一部のために電力を用いる以下の車両の全て又はその任意の変形例若しくは組み合わせを含むよう定義されている。例えば、ｘＥＶは全ての原動力のために電力を利用する電気自動車（ＥＶ）を含んでいる。当業者によって正しく認識されるように、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）は、ｘＥＶとも見なされ、内燃機関推進システムと、４８ボルト（Ｖ）又は１３０Ｖシステム等の電池式電気推進システムとを組み合わせている。用語ＨＥＶは、ハイブリッド電気自動車の任意の変形例を含んでいてもよい。例えば、フルハイブリッドシステム（ＦＨＥＶ）は、１つ以上の電気モータを用いて、内燃機関だけを用いて、又は両方を用いて、原動力及び他の電力を車両に供給してもよい。対照的に、マイルドハイブリッドシステム（ＭＨＥＶ）は、車両がアイドリングしている場合に内燃機関を無効にし、引き続き空気調節ユニット、ラジオ、又は他の電子機器に電力を供給するよう、並びに、推進力が所望される場合にエンジンを再始動するよう、電池システムを利用する。マイルドハイブリッドシステムは、例えば、加速中に、内燃機関を補うよう、あるレベルの動力補助を加えてもよい。マイルドハイブリッドは通常９６Ｖ〜１３０Ｖであり、ベルト又はクランク一体型始動発電機を介して制動エネルギーを回生させる。更に、マイクロハイブリッド電気自動車（ｍＨＥＶ）も、マイルドハイブリッドと類似の「アイドリングストップ」システムを用いるが、ｍＨＥＶのマイクロハイブリッドシステムは内燃機関に対して動力補助を供給するか又はしない可能性があり、６０Ｖ未満の電圧で動作する。この検討のために、ｍＨＥＶは、通常、クランクシャフト又はトランスミッションに直接供給される電力を車両の原動力のいずれかの部分のために技術的に用いないが、車両が無効化された内燃機関によりアイドリングし、一体型始動発電機を介して制動エネルギーを回生させる場合に車両の動力需要を補うために電力を用いることが明らかであるため、ｍＨＥＶは依然としてｘＥＶと見なされる可能性があることに留意されたい。加えて、プラグイン電気自動車（ＰＥＶ）は、壁コンセント等の外部電源から充電することができるいずれかの車両であり、充電式電池パックに貯蔵されたエネルギーは車輪を駆動するか、又は駆動することに寄与する。ＰＥＶは、全電気式又は電池式電気自動車（ＢＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）、並びに、ハイブリッド電気自動車及び従来の内燃機関自動車の電気自動車変換を含むＥＶの下位カテゴリである。
上で説明したようなｘＥＶは、内燃機関及び鉛蓄電池によって電力を供給される一般的な１２Ｖ系統の伝統的な電気系統のみを用いるより伝統的なガソリン車と比べて、多くの利点を提供できる。例えば、ｘＥＶは、望ましくない排出物の生成を少なくすることができ、伝統的な内燃機関自動車と比べてより大きい燃料効率を提示することができ、場合によっては、かかるｘＥＶは、ある特定種類のＥＶ又はＰＥＶの場合と同様に、ガソリンの使用を完全に無くすことができる。
ｘＥＶにおいて用いられるもののような電池モジュールは、通常、電池モジュールの内部コンポーネント（例えば、電池セル、ブスバー、制御回路）を収容し、外部環境から保護するパッケージングを含んでいる。このパッケージングは、ポリマーパッケージングが、低い生産コスト、高い強度重量比、及び電気的絶縁特性という点で特定の利点を提供するのであれば、異なる材料からできていてもよい。更に、電池モジュールのパッケージングは、例えば、ｘＥＶ又は他の自動車用途における電池モジュールの予想される使用に基づいて、他の目的の特性を有するよう設計されてもよい。従って、電池メーカーは、様々な環境及び動作条件の範囲（例えば、湿気、高温、低温、振動）に耐える間に電池モジュールの内部コンポーネントを効果的に保護することができるよう、ある特定の電池モジュールのパッケージングを設計してもよい。従って、パッケージングの表面に配設される任意の機能は、電池モジュールが品質管理試験に合格できるよう、十分に封止されなければならず、パッケージングは、それらの厳しい環境及び動作条件に曝露されるのにもかかわらず、電池モジュールとしてその完全性を保持するよう予想される。
本明細書中に開示するある特定の実施形態の概要を以下で述べる。これらの態様は、単に、これらのある特定の実施形態の概要を読者に提供するよう提示され、これらの態様はこの開示の適用範囲を制限することを意図していないことは言うまでもない。実際、この開示は、以下で述べられていないかもしれない様々な態様を包含する可能性がある。
本開示は、内部及び外部を持つポリマーパッケージングと、ポリマーパッケージングの内部に配設される複数の電池セルとを有する電池モジュールに関する。電池モジュールは、ポリマーパッケージングの内部から外部に延在し、複数の電池セルの少なくとも一部と熱的又は電気的に接触する金属部品を含む。金属部品はポリマーパッケージングのオーバーモールド部に固定される接合面を備え、接合面は金属部品の接合面をポリマーパッケージングのオーバーモールド部に気密封止するマイクロ表面粗さを有する。
本開示は、また、金属部品の接合面を粗面化するようマイクロ表面処理を行うことを含む、電池モジュールを製造する方法にも関する。方法は、また、金属部品をポリマーパッケージング内に気密封止するよう、電池モジュールのポリマーパッケージングの一部を金属部品の接合面にオーバーモールドすることも含む。方法は、更に、ポリマーパッケージング内に複数の電池セルを配設することと、電池モジュールをもたらすよう複数の電池セルを金属部品に電気的又は熱的に結合することとを含む。
本開示は、また、ポリマーパッケージングと、ポリマーパッケージングの内部に配設される複数の電池セルとを含む電池モジュールにも関する。電池モジュールは、更に、複数の電池セルに電気的に結合される端子アセンブリを含む。端子アセンブリはポリマーパッケージングのオーバーモールド部に固定される接合面を有し、端子アセンブリの接合面は端子アセンブリの接合面をポリマーパッケージングのオーバーモールド部に気密封止するマイクロ表面粗さを備える。
この開示の様々な態様は、以下の詳細な説明を通読する際、及び、図面の参照時に良好に理解できる。
図１は、車両の様々なコンポーネントのための電力を供給するよう、本実施形態により構成される電池システムを有する車両の斜視図である。 図２は、本開示の態様による、図１の車両及び電池システムの実施形態の切り取り略図である。 図３は、本アプローチの実施形態による電池モジュールのポリマーパッケージングの底部の斜視図である。 図４は、本アプローチの実施形態によるマイクロ表面処理前の冷却板の斜視図である。 図５は、本アプローチの実施形態による、オーバーモールド化に備えた選択的マイクロ表面処理後の図４の冷却板の平面略図である。 図６は、本アプローチの実施形態による、オーバーモールド化に備えた選択的マイクロ表面処理後の端子アセンブリの斜視図である。 図７は、本アプローチの実施形態による電池モジュールのポリマーパッケージングに一体化される少なくとも１つのマイクロ表面処理された金属部品を含む電池モジュールを製造するための一例のプロセスを示すフロー図である。 図８は、本技法の実施形態による金属部品のマイクロ表面処理のためのプロセスの一例を示すフロー図である。
１つ以上の特定の実施形態を以下で説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供するために、実装の全ての特徴が明細書において説明されるものではない。いずれかの工学又は設計プロジェクトにおけるような、いずれかのかかる実装の開発において、ある実装から別の実装へと変化する可能性のあるシステム関連及びビジネス関連の制約への準拠等の開発者の具体的な目標を達成するために、数々の実装特有の決定が行われなければならないことは、正しく認識するべきである。その上、かかる開発作業は複雑で時間のかかるものであるが、それにもかかわらず、この開示の利益を有する当業者にとって設計、製作、及び製造に取り掛かる決まりきった過程であろうことは、正しく認識するべきである。
上で述べたように、電池メーカーは、電池モジュールのポリマーパッケージングが、埃及び湿気への曝露を含む様々な環境及び動作条件に耐えるのと同時に、電池モジュールの内部コンポーネントを効果的に保護することができることを望む可能性がある。加えて、電池メーカーは、様々な金属特徴（例えば、冷却板、端子アセンブリ）をポリマーパッケージングの様々な内側及び／又は外側部分に取り付けることを望む可能性がある。しかし、特にポリマーパッケージング全体に延在する金属特徴に対して、メーカーは、電池モジュールの内部コンポーネントを外部環境のある特定の態様（例えば、湿気、埃）から隔離及び保護するパッケージングの能力が金属部品の存在によって損なわれないように、金属部品がパッケージングに効果的に封止（例えば、接合、接着）されることを望む可能性がある。
従って、本実施形態は、電池モジュールの構造的完全性を損なうことなく、ポリマーパッケージングに部品を効果的に封止する方法で金属部品をオーバーモールドするためのシステム及び方法に向けられている。以下でより詳細に述べるように、本実施形態は、オーバーモールドする前に金属部品のこの部分の表面粗さを向上させるために金属部品の少なくとも接合面のマイクロ表面処理に関する。本明細書中で用いるように、金属部品の「接合面」は、ポリマーパッケージングのオーバーモールドされた部分に直接接触し、それに接合（例えば、接着、封止）する金属部品の表面の一部を指す。本明細書中で用いるように、「マイクロ表面改質」、「マイクロ表面処理」、又は「マイクロ粗面処理」は、概して、処理される面の表面粗さ／表面積を増加させるよう、概して本明細書中で「マイクロ表面粗さ」と呼ばれるミクロンスケール及び／又はサブミクロンスケール（例えば、ナノスケール）の変形（例えば、縁部、ピット、ピーク、リッジ、トラフ）を金属部品の少なくとも接合面に導入する表面処理を指す。このマイクロ表面処理が、電池モジュールのパッケージングの一部にオーバーモールドされる金属部品の接合及び封止を実質的に向上させ、向上した熱的接触等の他の利点も同様に与える可能性があることは、現在認識されている。このため、本技法は、ポリマーパッケージングの一部全体に延在する以下で検討する冷却板及び端子アセンブリ等のある特定の金属部品に対して特に適用でき、従って、本開示の欠如でパッケージングの所望の水密封止を損なう危険性に適用できる。本技法は、電池モジュールのポリマーパッケージングに固定される（例えば、接合される、内部に一体化される）ことによって利益を得る電池モジュールの任意の金属部品（例えば、端子、相互接続、構造支持）に適用できることは、正しく認識するべきである。
例証することを助けるために、図１は、回生ブレーキシステムを利用してもよい車両１０の実施形態の斜視図である。以下の検討は回生ブレーキシステムを有する車両に関して提示されているが、本明細書中で説明する技法は、電気自動車及びガソリン車を含んでもよい、電池により電気エネルギーを取り込み／貯蔵する他の車両に適用できる。
上で検討したように、電池システム１２にとって、従来の車両設計と大部分の互換性があることが望ましい。従って、電池システム１２は、従来の電池システムを収容している車両１０内の位置に載置されてもよい。例えば、図示するように、車両１０は、一般的な燃焼機関車両の鉛蓄電池と同様に（例えば、車両１０のボンネット下に）位置決めされる電池システム１２を含んでいてもよい。更に、以下でより詳細に説明するように、電池システム１２は、電池システム１２の温度管理を容易にするよう位置決めされてもよい。例えば、幾つかの実施形態において、電池システム１２を車両１０のボンネット下に位置決めすることにより、エアダクトが電池システム１２の上の空気の流れを通し、電池システム１２を冷却することを可能にしてもよい。
電池システム１２のより詳細な図を図２で説明する。図示するように、電池システム１２は、点火システム１４、オルタネータ１５、車両コンソール１６、及び任意に電気モータ１７に結合されるエネルギー貯蔵コンポーネント１３を含んでいる。一般に、エネルギー貯蔵コンポーネント１３は、車両１０内で生成された電気エネルギーを取り込み／貯蔵し、車両１０内の電気装置に電力を供給するよう電気エネルギーを出力してもよい。
言い換えれば、電池システム１２は、ラジエータ冷却ファン、空気調和システム、電気式パワーステアリングシステム、アクティブサスペンションシステム、自動駐車システム、電気式オイルポンプ、電気式スーパー／ターボチャージャー、電気式ウォーターポンプ、加熱式フロントガラス／デフロスター、パワーウインドウモータ、バニティランプ、タイヤ圧監視システム、サンルーフモータ制御、パワーシート、警報システム、インフォテインメントシステム、ナビゲーション機能、車線逸脱警報システム、電気式パーキングブレーキ、外部ライト、又はそれらの任意の組み合わせを含んでいてもよい車両の電気系統のコンポーネントに対して電力を供給してもよい。例示として、図示する実施形態において、エネルギー貯蔵コンポーネント１３は、内燃機関１８を始動させる（例えば、クランクを回転させる）ために用いられてもよい、車両コンソール１６及び点火システム１４に電力を供給する。
加えて、エネルギー貯蔵コンポーネント１３は、オルタネータ１５及び／又は電気モータ１７によって生成される電気エネルギーを取り込んでもよい。幾つかの実施形態において、オルタネータ１５は、内燃機関１８が動作している間に電気エネルギーを生成してもよい。より詳細には、オルタネータ１５は、内燃機関１８の回転によって生じる力学的エネルギーを電気エネルギーに変換してもよい。加えて又は代替として、車両１０が電気モータ１７を含む場合、電気モータ１７は、車両１０の移動（例えば、車輪の回転）によって生じる力学的エネルギーを電気エネルギーに変換することによって、電気エネルギーを生成してもよい。従って、幾つかの実施形態において、エネルギー貯蔵コンポーネント１３は、回生制動中にオルタネータ１５及び／又は電気モータ１７によって生成される電気エネルギーを取り込んでもよい。このため、オルタネータ１５及び／又は電気モータ１７は、概して、本明細書中で回生ブレーキシステムと称する。
電気エネルギーを取り込み、供給することを容易にするため、エネルギー貯蔵コンポーネント１３は母線１９を介して車両の電気系統に電気的に結合されてもよい。例えば、母線１９は、エネルギー貯蔵コンポーネント１３が、オルタネータ１５及び／又は電気モータ１７によって生成された電気エネルギーを受けることを可能にしてもよい。加えて、母線１９は、エネルギー貯蔵コンポーネント１３が、点火システム１４及び／又は車両コンソール１６に電気エネルギーを出力することを可能にしてもよい。従って、１２ボルト電池システム１２が用いられる場合、母線１９は、通常８〜１８ボルトの間の電力を伝えてもよい。
加えて、図示するように、エネルギー貯蔵コンポーネント１３は多数の電池モジュールを含んでいてもよい。例えば、図示する実施形態において、エネルギー貯蔵コンポーネント１３は、本実施形態による（例えば、第１の）リチウムイオン電池モジュール２０と、（例えば、第２の）鉛蓄電池モジュール２２とを含み、ここで各電池モジュール２０、２２は１つ以上の電池セルを含んでいる。他の実施形態において、エネルギー貯蔵コンポーネント１３は任意の数の電池モジュールを含んでいてもよい。加えて、リチウムイオン電池モジュール２０及び鉛蓄電池モジュール２２は互いに隣接して図示しているが、それらは車両周辺の異なる領域に位置決めされてもよい。例えば、鉛蓄電池モジュール２２は車両１０の内側に、若しくは、その周りに位置決めされてもよい一方で、リチウムイオン電池モジュール２０は車両１０のボンネット下に位置決めされてもよい。
幾つかの実施形態において、エネルギー貯蔵コンポーネント１３は、多数の異なる電池化学を利用するため、多数の電池モジュールを含んでいてもよい。例えば、リチウムイオン電池モジュール２０が用いられる場合、リチウムイオン電池の化学作用は、概して、鉛蓄電池の化学作用よりも高いクーロン効率及び／又は高い電力充電受容率（例えば、高い最大充電電流又は充電電圧）を有するため、電池システム１２の性能は向上する可能性がある。このため、電池システム１２の取り込み、貯蔵、及び／又は配電効率が向上する可能性がある。
電気エネルギーの取り込み及び貯蔵を制御することを容易にするため、電池システム１２は制御モジュール２４を追加で含んでいてもよい。より詳細には、制御モジュール２４は、エネルギー貯蔵コンポーネント１３、オルタネータ１５、及び／又は電気モータ１７内部のリレー（例えば、スイッチ）等の電池システム１２内のコンポーネントの動作を制御してもよい。例えば、制御モジュール２４は、各電池モジュール２０又は２２によって取り込まれる／供給される電気エネルギー量を（例えば、電池システム１２の定格出力を下げ、定格出力を再設定するよう）調整し、電池モジュール２０及び２２間のロードバランシングを行い、各電池モジュール２０又は２２の充電状態を判断し、各電池モジュール２０又は２２の温度を判断し、オルタネータ１５及び／又は電気モータ１７によって出力される電圧を制御する等を行ってもよい。
従って、制御ユニット２４は１つ以上のプロセッサ２６及び１つ以上のメモリ２８を含んでいてもよい。より詳細には、１つ以上のプロセッサ２６は１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、１つ以上のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、１つ以上の汎用プロセッサ、又はそれらの任意の組み合わせを含んでいてもよい。加えて、１つ以上のメモリ２８は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等の揮発性メモリ、及び／又は読出し専用メモリ（ＲＯＭ）等の不揮発性メモリ、光学式ドライブ、ハードディスクドライブ、又はソリッドステートドライブを含んでいてもよい。幾つかの実施形態において、制御ユニット２４は車両制御ユニット（ＶＣＵ）及び／又は別体の電池制御モジュールの一部を含んでいてもよい。
前述を念頭に置いて、図３は、本アプローチの実施形態によるポリマーパッケージング３０を有する電池モジュール２０の斜視図を示している。ある特定の実施形態において、ポリマーパッケージング３０はポリプロピレン、ガラス繊維を有するポリプロピレン、ナイロン６６、又は別の適切なポリマーを含んでいる。より詳細には、図３は、電池モジュール２０のポリマーパッケージング３０の底部３４（基部）を示している。従って、図３において略図的に示す電池セル３１はポリマーパッケージングの内部に配設される一方で、図３において略図的に示す端子アセンブリ３２は電池モジュール２０の上部（例えば、カバー）に配設される。電池モジュール２０は、概して、底部３４に座するか、載置されるよう設計されるため、図示の電池モジュール２０は、概して底面３４から垂直に延在し、概して電池モジュール２０の長さに対して垂直に延在する多くのポリマーフィン３６（例えば、フーチング）を含んでいる。
図３に示す実施形態に対して、ポリマーフィン３６は、概して、電池モジュール２０がポリマーパッケージング３０の底部３４に直接平らに載置されないように、電池モジュール２０の重量を協働して支持するよう設計される。このため、ポリマーフィン３６は、空気の流れ３８が電池モジュール２０の底部３４の下を通過することを可能にし、これにより作動中に電池モジュール２０の冷却を容易にしている。ある特定の実施形態において、空気の流れ３８は、本開示により能動的（例えば、外部ファンを介して）又は受動的に（例えば、対流を介して）生成されてもよい。
ポリマーフィン３６に加えて、図３に示す電池モジュール２０は、ポリマーパッケージング３０の底部３４に沿って互いの傍らに位置決めされる２つの金属製冷却板４０を含んでいる。他の実施形態において、任意の数の冷却板４０が用いられてもよい。ある特定の実施形態において、冷却板４０は、銅、アルミニウム、又はニッケル、若しくはそれらの組み合わせ（例えば、ニッケルめっきを施した銅）からできていてもよい。以下でより詳細に検討するように、図示する冷却板４０は、冷却板４０をパッケージング３０に接合又は封止するそれらの縁部に沿って電池モジュール２０のポリマーパッケージング３０にオーバーモールドされる。このため、ある特定の実施形態において、電池モジュール２０の発熱するコンポーネント（例えば、電池セル、制御回路、電力変圧回路）は、冷却板４０の内面と直接的に物理的及び／又は熱的接触するよう位置決めできる。特定の実施例により、ある特定の実施形態において、電池モジュール２０の各電池セルの底面は冷却板４０の内面と直接接触してもよい。ある特定の実施形態において、サーマルエポキシ又は熱ギャップパッド等の１つ以上の伝熱層又は伝熱材料は、伝熱を向上させるか、振動を低減させるか、又はそれらの組み合わせを行うよう、電池セルと冷却板４０の内面との間に直接配設されてもよい。
図示の冷却板４０はそれぞれ、冷却板４０の正面４４（例えば、外面）から略垂直に起立する多数の熱用フィン４２を含んでいる。冷却板４０の熱用フィン４２は、概して、電池モジュール２０の内部コンポーネントが生じる熱を周囲環境に放散するよう機能する。このため、ポリマーフィン３６によって通される空気の流れ３８は、熱用フィン４２を横断して流れ、熱用フィン４２から過剰な熱エネルギーを吸収し、除去し、電池モジュール２０を効果的に冷却する。
述べたように、冷却板４０はそれらの縁部又は外周部に沿って電池モジュール２０のポリマーパッケージング３０にオーバーモールドされる。図４は、本アプローチの実施形態によるマイクロ表面処理前の冷却板４０の斜視図を示している。図３に関して検討したように、図４に示す冷却板４０の実施形態は、冷却板４０の正面４４（例えば、外面）から略垂直に延在する熱用フィン４２を含んでいる。図３では見えなかったが、図４は、また、冷却板４０の外周部に沿って通るフランジ５０も示している。このフランジ５０は、電池モジュール２０のポリマーパッケージング３０がこのフランジ５０をオーバーモールドしており、それを視野から遮っているため、図３では見えていないことに留意されたい。図４の図示の実施形態に対して、フランジ５０は、それがオーバーモールドプロセス中に電池モジュール２０のポリマーパッケージング３０と直接接触する（例えば、接合する、接着される）範囲であるため、冷却板４０の接合面５２と称してもよい。他の実施形態は、フランジ５０を含んでいなくてもよいが、しかし、フランジ５０は、冷却板４０が向上した伝熱のための厚い中央部分５３を有する一方で、パッケージング３０への接合のための比較的薄いフランジ５０を有することを可能にするという観点から有益であってもよい。
述べたように、本実施形態は、パッケージング３０の一部を金属部品の接合面５２の周りでオーバーモールドする前に、金属部品の少なくとも接合面５２（例えば、冷却板４０のフランジ５０）を粗面化するためにマイクロ表面処理を用いることを含んでいる。オーバーモールドする前に金属部品の接合面にマイクロ表面処理を行うことは、接合強度を極めて増加させ、金属部品２０とポリマーパッケージング３０との間のシール（例えば、水密シール、気密又はハーメチックシール）の品質を向上させることが現在認識されている。金属部品の粗面化された接合面５２の増加した表面積は、オーバーモールドプロセス中の粗面化された接合面５２とポリマーパッケージング３０との間の高い相互作用を可能にし、ポリマーパッケージング３０と金属部品２０との間の丈夫な水密及び／又は気密シールをもたらすことができると考えられる。
図５は、本アプローチの実施形態による、オーバーモールド化に備えたマイクロ表面処理を介して選択的に粗面化された図４の冷却板４０の一部を示す平面略図である。図５のクロスハッチングによって示すように、マイクロ表面処理後、フランジ５０は実質的に高いマイクロ表面粗さを有している。すなわち、マイクロ表面処理中、冷却板４０は、フランジ５０に沿った冷却板４０の正面４４（例えば、外面）、並びに、背面又は内面（図示せず）の両方で特に粗面化されている。このため、ポリマーパッケージング３０が冷却板４０の周りに実質的にオーバーモールドされる場合、ポリマーパッケージング３０は、フランジ５０に沿った冷却板４０の正面４４（例えば、外面）及び背面又は内面（図示せず）の両方に直接接触する。以下で検討するように、ある特定の実施形態において、冷却板４０全体又は側面全体（例えば、内面）は、追加として、ポリマーパッケージング３０のオーバーモールドの前にマイクロ表面処理を受けてもよい。
図６は、本アプローチの実施形態による、オーバーモールド化に備えたマイクロ表面処理を介して選択的に粗面化された端子アセンブリ３２の斜視図である。ある特定の実施形態において、端子アセンブリ３２は、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼、又はそれらの組み合わせを含んでいてもよい。加えて、端子アセンブリ３２は、全ての目的のためにその全体を引用して組み込む２０１６年５月１８日出願の米国特許出願第１５／１５８，３２１号明細書、発明の名称「電池モジュールのオーバーモールド化端子ポストのシステム及び方法」に開示された端子アセンブリであるか、その特徴を含んでいてもよい。図示の端子アセンブリ３２は、電池モジュール２０のポリマーパッケージング３０の一部（例えば、電池モジュール２０のカバー又は側面部）から部分的に上方に延在し、パッケージング３０の内側に配設される電池セル３１に電気的に結合するよう設計されている。このため、図示の端子アセンブリ３２がオーバーモールドされる場合、図６に示す端子アセンブリ３２のドット部分によって示される端子アセンブリ３２の接合面５２は、オーバーモールド中に電池モジュール２０のポリマーパッケージング３０の一部に直接接合される。代替として、ある特定の実施形態において、端子アセンブリ３２は、ポリマーパッケージング３０を形成するよう、他のポリマー片に実質的に接合（例えば、接着、溶接）されてもよい別体のポリマーインサートに接合されるか又はオーバーモールドされてもよい。
図６に示す端子アセンブリ３２は、ブスバー６６内に固定される端子ポスト６４を含んでいる。図示の端子ポスト６４は、端子ポスト６４の基部７２がブスバー６６の中央部分７０の下面に対して固定されるように、ブスバー６６の中央部分７０内の開口６８を通って延在（例えば、通過、螺通）する。更に、図示の端子ポスト６４の基部５２は、基部７２の縁部の周りで折り返されるか又は丸められて基部７２又は端子ポスト６４の移動（例えば、垂直移動、回転）を妨げるか又は防止するブスバー６６の多数の折返し部７４によって所定位置に保持される。図示の端子ポスト６４は、また、端子アセンブリ３２への電気コネクタの固着を可能にするようねじ山７６を含んでいる。他の実施形態において、端子アセンブリ３２が、本開示の実施形態により、非ねじ端子ポスト６４を含んでいてもよく、異なる形状を有する基部７２を持つ端子ポスト６４を含んでいてもよく、異なる形状を有するブスバー６６を含んでいてもよく、及び／又は、端子ポスト６４をブスバー６６内部に固定するための他の機構を含んでいてもよいことは、正しく認識されてもよい。
図６に示すように、端子アセンブリ３２の接合面５２は、オーバーモールド化に備えてマイクロ表面処理を介して選択的に粗面化されている。例えば、ある特定の実施形態において、端子アセンブリ３２の接合面５２だけが（例えば、ブスバー６６の一部だけが）、金属部品４０とオーバーモールドされるポリマー（例えば、パッケージング３０、又はパッケージング３０の一部を形成するポリマーインサート）との間の接合を向上させるよう、開示するマイクロ表面処理を受けてもよい。ある特定の実施形態において、端子アセンブリ３２の一部は、製造プロセス中に異なる点においてマイクロ表面処理を介して粗面化されてもよい。例えば、ある特定の実施形態において、端子ポスト６４がブスバー６６に搭載される前に、ブスバー６６は端子アセンブリ３２の接合面５２上にマイクロ表面処理を受けてもよい。他の実施形態において、ブスバー６６の表面全体は、端子ポスト６４がブスバー６６に搭載される前に、マイクロ表面処理を受けてもよい。更に他の実施形態において、端子アセンブリ３２全体（例えば、ブスバー６６及び端子ポスト６４）は、端子ポスト６４がブスバー６６に搭載され、固定される前または後に、マイクロ表面処理によって粗面化されてもよい。
図７は、本アプローチの実施形態による電池モジュール２０のポリマーパッケージング３０に一体化される少なくとも１つの金属部品（例えば、冷却板４０及び／又は端子アセンブリ３２）を含む、図３に示したような電池モジュール２０を製造するための一例のプロセス８０を示すフロー図である。図示のプロセス８０は、マイクロ表面処理（ブロック８２）により開始されて、金属部品の少なくとも接合面（例えば、冷却板４０又は端子アセンブリ３２の接合面５２）を粗面化する。以下で詳細に検討するように、ある特定の実施形態において、マイクロ表面処理は、金属部品の少なくとも接合面５２をエッチングすることを含んでいてもよい。述べたように、一般には、マイクロ表面処理は、露出面の粗さを実質的に増加させ、ポリマーオーバーモールド中の接合を向上させるミクロンスケール及び／又はサブミクロンスケールの特徴（例えば、規則的又は不規則な特徴）を含むマイクロ表面粗さを結果として生じる。
図示のプロセス８０は引き続き、電池モジュール２０のポリマーパッケージング３０の一部を金属部品の粗面化された接合面５２の上にオーバーモールドすること（ブロック８４）を行う。例えば、ある特定の実施形態において、ポリプロピレンポリマーが金属部品の粗面化された接合面５２の周りにオーバーモールドされて電池モジュール２０のパッケージング３０の一部を形成してもよい。図５で示したように、ある特定の実施形態において、金属部品の接合面５２は正面４４（例えば、外面）及び背面（例えば、内面、図示せず）を含んでいてもよく、オーバーモールドされたポリマーは、部品の正面４４及び背面の両方に配設される接合面５２の両方を被覆し、それに接着して、オーバーモールドされたポリマーの２つの層（例えば、内層及び外層）の間に金属部品２０の接合面５２を効果的に挟持してもよい。ある特定の実施形態において、電池モジュール２０は、本技法によりポリマーパッケージング３０に接合される多数の金属部品（例えば、冷却板４０及び端子アセンブリ３２）を含んでいてもよい。
図示のプロセス８０は引き続き、電池モジュール２０の内部コンポーネント（例えば、電池セル、制御回路、電気相互接続）をポリマーパッケージング３０の内側に配設し（ブロック８６）、電池モジュール２０をもたらすようポリマーパッケージング３０を封止することを行う。上で述べたように、図３〜５に示す冷却板４０の例のために、オーバーモールド化は、更に、金属部品の接合面（例えば、フランジ５０の両面）を電池モジュール２０のポリマーパッケージング３０に或いはその内部に気密封止してもよい。例えば、図３に示す冷却板４０は電池モジュール２０の底部３４に配設される。従って、開示する技法を用いて、冷却板４０上に載置されるコンポーネント（例えば、電池セル）の重量が冷却板４０にポリマーパッケージング３０から移動させるか又は抜け出させる原因とならないように、冷却板４０は電池モジュール２０に対して十分に固定されてもよい。上で述べたように、ある特定の実施形態において、サーマルエポキシ、熱パッド、又は別の適切な伝熱材料が、２つのコンポーネント間の熱的結合を向上させるよう、電池モジュール２０の電池セルと冷却板４０との間に配設されてもよい。
更に、本アプローチによりポリマーパッケージング３０に一体化されている開示する金属部品（例えば、冷却板４０又は端子アセンブリ３２）は、それらの意図する機能（例えば、電池モジュール２０の電池セルに電気的に接続すること、電池モジュール２０の電池セルを冷却すること）を提供するよう電池セルの内部コンポーネントに熱的又は電気的に結合されてもよい。例えば、電池モジュール２０の組み立てが完了した後、電池モジュール２０は、電池モジュール２０が冷却板４０とポリマーパッケージング３０との間のシールの水密性及び／又は気密性を評価するために高圧水を噴射され、水中に浸漬される両方の品質管理試験に合格するよう期待されてもよい。ある特定の実施形態において、電池モジュール２０は、冷却板４０及び端子アセンブリ３２等の多数の金属部品を含んでいてもよい。かかる実施形態に対して、各金属部品は、電池モジュール２０のパッケージング３０が電池メーカーの所望する基準を満たすよう十分に強く、水密であることを確実にするために品質管理試験を受けてもよい。
図８は、本技法の実施形態による金属部品（例えば、図５の冷却板４０又は図６の端子アセンブリ３２）のマイクロ表面処理のための一例のプロセス９０を示すフロー図である。ある特定の実施形態において、図示のプロセス９０は、金属部品の表面の一部がマイクロ表面処理を受けないよう保護するためにマスキング材料を塗布すること（ブロック９２）により開始される。例えば、マスキング材料は、マイクロ表面処理条件に対して略不活性であるか又は耐性があってもよく、金属部品の接合面（例えば、接合面５２）だけが露出し、マイクロ表面処理によって粗面化されるように金属部品の非接合面の上に配設されてもよい。他の実施形態において、ブロック９２のマスキングステップは省略されてもよく、金属部品の全ての表面はマイクロ表面処理によって粗面化され、マイクロ表面処理の前に金属部品のマスキング部分に関連する追加の時間及びコストを回避してもよい。
図８に示すプロセス９０は引き続き、エッチャントを金属部品の少なくとも接合面５２に塗布すること（ブロック９４）が行われる。述べたように、ある特定の実施形態において、金属部品の表面全体がマイクロ表面処理を受けてもよい。ある特定の実施形態において、エッチャントは、塩酸、硫酸、酢酸、硝酸、フッ化水素酸、又はそれらの組み合わせ等の酸を含んでいてもよい。他の実施形態において、金属部品の接合面５２はレーザエッチングによって粗面化されてもよく、ここで電磁放射がエッチャントとしての機能を果たしている。一般に、エッチャントは、金属部品の露出面のミクロンスケールの粗さを実質的に増加させる適切なミクロンスケール及び／又はサブミクロンスケール（例えば、ナノスケール）の特徴を提供する任意のエッチャントであってもよい。特にレーザエッチングに対して、レーザの制御を介して金属部品のどの部分がエッチャントによって接触されるかを制御しやすい可能性があり、これは、ブロック９２において説明したマスクを用いることなく、金属部品の接合面５２だけの選択的マイクロ表面処理を可能にしてもよい。
図示のプロセス９０は引き続き、所定期間にエッチャントが金属部品の接合面５２を粗面化することを可能にすること（ブロック９６）が行われる。例えば、レーザエッチングが略瞬間的である一方で、化学エッチング（例えば、酸を用いる）は拡散によって制限される。従って、化学エッチャントが用いられる実施形態に対して、エッチャントは、金属部品の露出面に対して所望の表面粗さを与えるよう、所定期間に（例えば、数秒から数分のオーダーで）金属部品の露出面と反応する十分な時間で提供されてもよい。
図示のプロセス９０は引き続き、残留するエッチャント及び金属、並びにいずれかの残ったマスキング材料を除去するよう、金属部品の粗面化された表面を（例えば、水、洗剤、有機溶剤を用いて）洗浄すること（ブロック９８）を行う。すなわち、レーザエッチングが金属部品の表面から除去される金属を蒸発させる可能性がある一方で、化学エッチング（例えば、酸を用いる）は残留エッチャント及び／又は金属残渣を金属部品の表面上に残す恐れがある。このため、ある特定の実施形態において、金属部品の表面は水又は適切な有機溶剤で洗浄されて、これらの残留物、並びに、ブロック９２において金属部品の表面から導入されたいずれかの残ったマスキング材料を除去してもよい。ブロック９８の洗浄ステップは、概して、これらの残留物が図７のブロック８４に関して説明したような後続のオーバーモールド中にポリマーパッケージング３０への接合又は接着を妨げないよう防止している。ある特定の実施形態において、金属部品は、本開示によるオーバーモールドのために金属部品を準備するよう、多数のエッチング、洗浄、及び／又は乾燥ステップを受けてもよい。レーザエッチングを含む実施形態等のある特定の実施形態において、ブロック９８の洗浄ステップは全体的に省略されてもよい。
金属部品の組成に応じて、マイクロ表面処理によって提供される粗面化効果は、マイクロ表面特徴の遅い酸化に起因することと同様に、マイクロ表面特徴が実質的に腐食する前の短期間（例えば、数時間から数日又は数週間）であってもよいことが、現在認識されている。従って、ある特定の実施形態において、金属部品にとって、金属部品の表面を粗面化する所定期間内に（例えば、数分から数時間、又は数日から数週間のオーダーで）オーバーモールドされることが望ましくてもよい。加えて、たとえ金属部品の非接合面がマイクロ表面処理によって粗面化されたとしても、ある特定種類の金属部品に対して、オーバーモールド中にポリマーパッケージング３０の下に埋設される接合面５２は略粗面化された状態で残る一方で、金属部品の表面の残りに加えられたマイクロ表面特徴は時間が経つにつれて次第に腐食する可能性があることは、正しく認識されてもよい。このため、図８のブロック９２において説明したような、金属部品をマスキングすることは、追加のコスト、時間、及び複雑さをマイクロ表面処理プロセスに加えるため、ある特定の金属部品にとって、金属部品の表面全体を粗面化し、ポリマーパッケージングにより金属部品の接合面５２をオーバーモールドし、そして、部品表面の残りの粗さが次第に弱まることを可能にすることに対する費用対効果がより大きくなる可能性がある。更に、ある特定の実施形態において、マイクロ表面処理によって粗面化される金属部品の非接合面上に配設されるある特定の機能に対して有利になる可能性もある。例えば、述べたように、ある特定の実施形態において、冷却板４０の内面は接合面５２と共にマイクロ表面処理を受けてもよく、その後、電気化学セル３１がパッケージング３０内部に配設される前にサーマルエポキシで被覆されてもよい。かかる実施形態に対して、冷却板４０の内面の増加した表面積／粗さは、概して、接合強度及び／又はサーマルエポキシと冷却板４０との間の伝熱を向上させ、冷却板４０の効果を向上させてもよい。更なる実施例によって、ある特定の実施形態において、図３〜５に示す冷却板４０の熱用フィン４２は、これらの熱用フィン４２の表面積を増加させるようマイクロ表面処理プロセスによって有利に粗面化されてもよく、周囲環境に熱を放散させるそれらの能力を向上させている。
開示する実施形態のうちの１つ以上、単独、若しくは組み合わせは、電池モジュールのポリマーパッケージングの一部に接合される金属特徴（例えば、冷却板、端子アセンブリ）を有する電池モジュールの製造を含む１つ以上の技術的効果を提供してもよい。本実施形態は、金属部品を電池モジュールのポリマーパッケージングの一部に効果的に封止する（例えば、その間の水密及び／又は気密シールを形成する）よう、金属部品の一部をオーバーモールドするための方法を可能にしている。開示する実施形態は、接合面の周りにポリマーをオーバーモールドする前に金属部品の少なくとも接合面のマイクロ表面改質を含んでいる。本技法は、ポリマーオーバーモールド化に適した電池モジュールの任意の金属部品（例えば、端子、相互接続、構造支持）に適用できる。明細書中の技術的効果及び技術的課題は例示であり、制限するものではない。なお、明細書中で説明した実施形態は他の技術的効果を有してもよく、他の技術的課題を解決できることに留意されたい。
上で説明した特定の実施形態は一例として示しており、これらの実施形態が様々な変形及び代替形態を受けやすいことは言うまでもない。更に、特許請求の範囲は開示した特定の形態に制限されることを意図していないが、むしろ本開示の精神及び適用範囲内に入る全ての変形例、同等例、及び代替例をカバーするよう意図されていることは言うまでもない。

Claims (25)

  1. 電池モジュールであって、
    内部及び外部を有するポリマーパッケージングと、
    前記ポリマーパッケージングの前記内部に配設される複数の電池セルと、
    前記ポリマーパッケージングの前記内部から前記外部に延在し、前記複数の電池セルの少なくとも一部と熱的又は電気的に接触する金属部品であって、前記金属部品は前記ポリマーパッケージングのオーバーモールド部に固定される接合面を備え、前記接合面は前記金属部品の前記接合面を前記ポリマーパッケージングの前記オーバーモールド部に気密封止するマイクロ表面粗さ(microsurface roughness)を有する、金属部品と、を備える、
    電池モジュール。
  2. 前記マイクロ表面粗さは、前記ポリマーパッケージングの前記オーバーモールド部への前記金属部品の前記接合面の前記気密封止を容易にするミクロンスケールの特徴、サブミクロンスケールの特徴、又はそれらの組み合わせを備える、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記金属部品は、前記電池モジュールの前記内部に配設される前記複数の電池セルと電気的に接触する端子アセンブリを備える、請求項１に記載の電池モジュール。
  4. 前記金属部品は、前記ポリマーパッケージングの前記内部に配設される前記複数の電池セルの少なくとも一部と熱的に接触する冷却板を備え、前記冷却板は前記ポリマーパッケージングの前記外部で空気と熱的に接触する請求項１に記載の電池モジュール。
  5. 前記冷却板の前記接合面は、前記冷却板の外周部にそって延在するフランジから本質的になる、請求項４に記載の電池モジュール。
  6. 前記冷却板は前記マイクロ表面粗さも含む内面を備え、前記電池モジュールは、前記冷却板の前記内面及び前記ポリマーパッケージングの前記内部の前記複数の電池セルと直接接触するサーマルエポキシを備える、請求項４に記載の電池モジュール。
  7. 前記金属部品は、アルミニウム、ニッケル、又は銅、若しくはそれらの組み合わせを備える、請求項１に記載の電池モジュール。
  8. 前記ポリマーパッケージングはポリプロピレンから本質的になる、請求項１に記載の電池モジュール。
  9. 前記接合面を含む前記金属部品の表面全体は前記マイクロ表面粗さを含む、請求項１に記載の電池モジュール。
  10. 電池モジュールを製造する方法であって、
    金属部品の少なくとも接合面を粗面化するようマイクロ表面処理を行うことと、
    前記金属部品をポリマーパッケージングの一部に気密封止するよう、電池モジュールの前記ポリマーパッケージングの前記一部を前記金属部品の前記接合面にオーバーモールドすることと、
    前記ポリマーパッケージング内に複数の電池セルを配設することと、
    前記電池モジュールをもたらすよう前記複数の電池セルを前記金属部品に電気的又は熱的に結合することと、を含む、
    電池モジュールを製造する方法。
  11. マイクロ表面処理を行うことは、前記金属部品の少なくとも前記接合面を粗面化するよう酸エッチングを行うことを含む、請求項１０に記載の方法。
  12. マイクロ表面処理を行うことは、前記金属部品の少なくとも前記接合面を粗面化するようレーザエッチングを行うことを含む、請求項１０に記載の方法。
  13. マイクロ表面処理を行うことは、オーバーモールド中に前記ポリマーパッケージングと接触しない前記金属部品の非接合面を粗面化することを含む、請求項１０に記載の方法。
  14. マイクロ表面処理を行うことは、前記金属部品の前記接合面を粗面化するよう前記金属部品の正面の一部及び背面の対応する部分を粗面化することを含む、請求項１０に記載の方法。
  15. マイクロ表面処理を行うことは、前記金属部品の縁部に沿って延在するフランジの前記正面及び前記背面を粗面化することを含む、請求項１４に記載の方法。
  16. マイクロ表面処理を行うことは、前記金属部品の全ての表面を粗面化することを含む、請求項１０に記載の方法。
  17. マイクロ表面処理を行うことは、端子アセンブリのブスバーの少なくとも一部を粗面化することを含み、更に、前記マイクロ表面処理後且つオーバーモールド前に前記ブスバー内の前記端子アセンブリの端子ポストを固定することを含む、請求項１０に記載の方法。
  18. 前記金属部品は冷却板であり、電気的又は熱的に結合することは前記複数の電池セルを前記冷却板に熱的に結合することを含む、請求項１０に記載の方法。
  19. 熱的に結合することは、前記冷却板の内面上に直接サーマルエポキシを配設し、次いで、前記ポリマーパッケージング内部の前記サーマルエポキシ内に前記複数の電池セルを配設することを含む、請求項１８に記載の方法。
  20. マイクロ表面処理を行うことは、前記冷却板の前記内面と前記サーマルエポキシとの間の熱的接触を向上させるよう前記冷却板の前記内面の少なくとも一部を粗面化することを含む、請求項１９に記載の方法。
  21. 前記金属部品は端子アセンブリであり、電気的又は熱的に結合することは前記複数の電池セルを前記端子アセンブリに電気的に結合することを含む、請求項１０に記載の方法。
  22. 電池モジュールであって、
    ポリマーパッケージングと、
    前記ポリマーパッケージング内に配設される複数の電池セルと、
    前記複数の電池セルに電気的に結合される端子アセンブリであって、前記端子アセンブリは前記ポリマーパッケージングのオーバーモールド部に固定される接合面を備え、前記端子アセンブリの前記接合面は前記端子アセンブリの前記接合面を前記ポリマーパッケージングの前記オーバーモールド部に気密封止するマイクロ表面粗さを備える、端子アセンブリと、を備える、
    電池モジュール。
  23. 前記電池モジュールは、前記ポリマーパッケージングの底面に結合され、且つ、前記複数の電池セルに熱的に結合されるコールドプレートを備え、前記コールドプレートは前記ポリマーパッケージングの第２の部分によってオーバーモールドされる接合面を含み、前記コールドプレートの前記接合面は、前記コールドプレートの前記接合面が前記ポリマーパッケージングの前記オーバーモールド部に気密封止することを可能にするマイクロ表面粗さを備える、請求項２２に記載の電池モジュール。
  24. 前記ポリマーパッケージングの前記オーバーモールド部は、前記ポリマーパッケージングの残りに接合される別体のポリマーインサートである、請求項２２に記載の電池モジュール。
  25. 前記電池モジュールはｘＥＶに電力を供給するよう構成される、請求項２２に記載の電池モジュール。
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