JP2018538655A - エネルギー貯蔵装置および関連方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2015年10月2日に出願された米国特許仮出願第62/236,512号の利益を主張する非仮特許出願であって、その全体が参照により本明細書に援用される。
連邦政府資金による研究開発の記載
この構成では、ハウジング/筐体の本体は、基部と基部の上方かつ周囲に延伸する外周側壁を提供して内部空洞を画定するために、形成操作(例えば、絞りしごき加工)を介して形成される。内部空洞は、複数のエネルギー貯蔵装置を収容するよう構成/十分にサイズ決めされる。
この構成では、個々のエネルギー貯蔵装置は、形成操作(例えば、二重巻締)を介して封止されるハウジング内に保持される。このインスタンスでは、ゼリーロールがハウジング内に置かれ、電解質がゼリーロール内に挿入されて、リチウムイオンコア部材を製造するために、充電/放電サイクルを終える。リチウムイオンコア部材はプライムされると(例えば、電気貯蔵、充電、および放電操作のために構成される)、ハウジングのリッドがハウジング本体の開放上端部上に位置付けられ、ハウジングの上端部上の外周リップ(例えはフランジ)にオーバーラップして、対応するフランジ/リップがリッド/カバーの外周上に位置付けられる。形成操作を通して、対応するフランジが結合されて二重巻締(例えば、層間に位置して密封封止を助けるシーリングコンパウンドを有する)が形成される。
この構成において、個々のエネルギー貯蔵装置はそれぞれスリーブに保持され、複数のエネルギー貯蔵装置は、エネルギー貯蔵装置の周り/辺りを封止(例えば、密閉封止)するよう構成されたより大きなハウジング/筐体にセットされる。
エネルギー貯蔵装置は、封止されたハウジングで構成され(例えば、金属基板、アルミニウム合金の)、このハウジングは、複数のエネルギー貯蔵装置をハウジング(例えば、本体とカバー)内に封入し、エネルギー貯蔵装置と製品形態/装置との間の電気的通信を可能とするよう構成される。エネルギー貯蔵装置は、図示かつ記載するように電流遮断装置と、そして図示かつ記載するように圧力ベントで構成される。
電池アセンブリを動作圧力(P1、例えば0〜5PSIの範囲)で動作させ(例えば、充電、放電)、この電池アセンブリは、製品形態および他の電池アセンブリのうちの少なくとも1つと電気的に通信するよう構成さえており、電池アセンブリの内部圧力が動作圧力を上回るP2(例えば、15〜25PSIの範囲)に達するときに、製品形態および他の電池アセンブリのうちの少なくとも1つを電気的通信から切断し(例えば、切断は電流遮断装置によって達成される)、電池アセンブリの内部圧力がP2を上回る圧力P3(例えば、35〜45PSIの範囲)に達するときに、電池アセンブリのハウジング内に構成されたベントを介して電池アセンブリを通気し(例えば、通気は電池アセンブリのハウジング上に位置するベント領域の円形カウンターシンク内に位置する半円形スコアベントを介して達成され、電池アセンブリは複数のリチウムイオンコア部材を収納するよう構成されている)、圧力がP4に達し(例えば、50〜60PSIの範囲)、P4がP3(例えば、ボックスが構造的完全性を維持しつつ耐えることができる上限厚浴)よりも大きいとき、構造的ベント(例えば、塞がれた筐体、ウェルド巻締、またはリッドの本体への取り付け部)を介して電池アセンブリを通気する。
加圧がどのように封止されたハウジングに影響するかを理解するために、いくつかのコンピュータモデルを生成して、動作圧力(例えば、最大3PSI)における封止されたハウジングの変位を見た/確認した。図35〜40を参照すると、厚みを変えた(例えば、0.5mm、0.75mm、1mm、および1.5mm)シーム-溶接ハウジング設計を、変位を理解するために動作圧力(例えば、3PSI)の一般的範囲の上限に向けてモデルした。図34〜39を参照すると、変化する変位がグレースケールで示され、図40は、正規化したボックスの体積に対する正規化した性能圧力の関係を示す。壁の厚みが増大すると、z方向で観察される変位量が低下する。
高圧(例えば、>3〜50PSI)に比べて通常の動作圧力(例えば、0〜3PSI)における密封封止されたボックスの膨張をより理解するために、異なる壁厚を有する電池アセンブリのハウジングにおいて一組の実験を行った。ボックスにおける内部圧力の関数として変位を測定した。2つの異なる壁厚を評価したが、ハウジングは0.8mmの厚み(試験#1の「缶1〜4」)、または1.5mmの厚み(試験#2の「缶5〜8」)を含んでいた。あるいは、ハウジングは、同一の設計基準を共有しており、これは、基部厚みが1.5mm、リッド厚みが2mm、そしてボックスの基部寸法が175.2mm x 118.69mm x 56.06mmであった。ハウジングは、3003−H14アルミニウムで作成された。製造したハウジング上のレーザ溶接密封封止を、製造した本体の「缶全体のヘリウム漏れ試験」を介して評価したところ、全てのハウジングがパスした。缶には、完全に封止された窒素ガス入口を装備した(窒素ガスを封止されたハウジングに入れて内部圧力を高めるために)。
一連の座屈実験を平坦なシート(カウンターシンクがなく、バッキングイニシエータがない)上で行った。平坦な円形シート上で9回の通気テストを行ったが、シートそれぞれは、ヒンジを画定する非スコア領域を有する円周方向/楕円形スコアで構成した。スコアをパネル(カウンターシンクなし)上に直接置いた。31.75mmの丸いディスクサンプルを、所望の残留スコアを満たすようにストロークを制御したシングルアクション機械プレスで生成した。AA3104材料をスコアベントに対して使用した。材料の厚みは250ミクロン、残留スコアは50ミクロンであった(38〜60ミクロンの範囲)。
スコア設計と、加圧および結果としての圧力ベントの通気に対する制御を評価するために、一連の実験を異なるスコア特徴を有するいくつかのシェルに対して行った。設計パラメータそれぞれについて、ベント構成変更の性能/影響を適切に比較するのに十分なサンプルサイズを有するよう、5回以上で最大10回のランを、可変構成それぞれにおいて行った。ベント構成および結果としてのシェル/ディスクにおける通気伝播の影響をよりよく理解するために、実施例8で利用されたのと同一の加圧機器をこれらのテストでも利用した。
有限要素モデルを生成して、ディスク/ベント構造の性能および通気特徴における、直径、材料強度、ベント厚み、および残厚の影響および関係性について判定した。より具体的には、ベント特徴における変数およびその座屈圧力への影響を評価するために、溶接された端部を有する円周方向カウンターシンク(スコアなし)を備え、加圧を受けるベント基板(例えば、AA3003 H14)においてコンピュータモデリングテストを実施した(スコアがないため通気なし)。
図41〜44は、スコアベント部と非スコアヒンジ部を装備された円周方向カウンターシンクを有するベント構成のコンピュータモデリングデータを示す。これらのプロットはこの特定の構成を示しており、ベント圧力領域(A1+A2)に対するベント開口領域(A2)の比、ベント開口領域(A2)に対するベントスコアの長さ(L)の比、ベント開口領域(A2)に対するヒンジの長さ(c)の比、およびスコアの長さ(L)に対するヒンジの長さ(c)の比の間の関係性を以下に提供する。図に示すように、プロットは、90〜120度の角度(θ)を提供する。また、プロットに提供されるように、この特定の構成について、スコアの長さに対するヒンジの長さの比は、約0.2〜0.65の間で変化する。
有限要素モデルを生成して、電流遮断装置のドーム構成要素(アクチュエータ)の性能および変位/飛び移り性能特徴における、直径、材料強度、ベント厚み、および残厚の影響および関係性について判定した。この一連のFEMモデルについて、ドーム作動を、電流遮断装置の他の構成要素の不在において評価した。
例えばハウジング(例えば、ハウジングの材料、強度、厚み、形成)、電流遮断装置(例えば、ドーム作動、ヒューズ切断)、および圧力ベント(例えば、圧力の維持、座屈開始、スコア伝播、ベントのサイズ)を含む、ハウジングおよびエネルギー貯蔵装置の構成要素における増大する圧力を評価するために、エネルギー貯蔵装置の全体においてコンピュータモデリングを実施した。
実施例8に簡潔に示すように、フレームアレスタをスコアベントシェルアセンブリに応じてテストし、約70psiで通気するよう加圧した。フレームアレスタはベントの基部に固着された30メッシュの銅線とした。通気時、フレームアレスタを所定の位置に維持した。このランにおいて、通気ガスは可燃性がなく、腐食種を含まなかったことに留意されたい。フレームアレスタの評価において、フレームアレスタは、ベントが圧力下に開いたときにベントを裂開または吹き抜けなかった。しかし、プロキシとして、選択されたメッシュは天然ガスとプロパン両方のフレームアレスタとして試験に成功した。
図50は、典型的なスコアナイフ形状をパラメトリック形式で示す。図50に示すように、開力または圧力は残留スコアに直接関係する。本開示の1つ以上の実施形態において、ベント構成要素上に特に構成されたスコア部分を提供して所定の閾値を上回る加圧時に通気を提供するために、スコアナイフ(および/またはスコアプロセス)を変えてもよい。
参照符号
製品形態/装置10
電気配線および接続12
積層シェルフ154(例えば、電池アセンブリを隣接させて/互いに垂直に積層して位置付けるために)
電池アセンブリ(例えば、マルチコアアレイ、エネルギー貯蔵装置)100
電池セル(例えば、リチウムコア部材、リチウムイオンセル、平坦積層部材、エネルギー貯蔵部材)102
導電タブ(カソード)104
導電タブ(アノード)106
カソードバスバー108
開口(例えば、コア部材スリーブがカソードバスバー内に嵌合、位置するように構成された)164
アノードバスバー110
負極端子112
陽極端子114
ハウジング/容器(例えば、マルチコア筐体)116
支持構造体120
円筒形空洞(例えば、支持部内に位置する)122
開口126
共有環境128
電池セル/リチウムイオンコア領域118
スリーブ(リチウムイオンコア部材/電池セルを保持するための)121
封止されたスリーブ/スリーブ上の封止(リチウムイオンコア部材を封入するための)103
開口126
電池セル上部キャップ170
電池セル底部キャップ172
モノシリック空洞ライナー
基板130
カバー/リッド132
本体134
底部136
側壁138
取り付け装置(例えば、カバーを本体に取り付ける)140
巻締(例えば、形成装置を介した)144
ウェルド142
取り付け領域(例えば、本体の上部リップ)148
機械的取り付け(例えば、のり、ボンド、接着剤、ねじ、スナップ)
本体への取り付け領域(例えば、形成操作を介した、局部的に薄い上部リム/上部リップ)160
カバーへの取り付け領域(例えば、形成操作を介した、局部的に薄い外周縁部)162
カバーシーラント(例えば、形成操作を介した封止筐体/クロージャの生成を支援する)156
カバー内の孔/ビア部分(例えば、電池を保持するよう構成され、電池の電解質充填とカバーから上方に延伸する電気接続/配線を可能にするよう構成された)152
カバー内の孔用プラグ(例えば、金属ボール、プラグ、ガスケット、または封止)162
フレームアレスタ260
ベント領域222(例えば、ベントとベント取り付け構成要素、あるいは、通気のために構成された容器本体内の局部的に薄い領域)
ベント220
スコア/スコアパターン224
カウンターシンク226
起動イニシエータ228
ベントパネル230
ベントリム232
ヒンジ234
ベント取り付け構成要素236
ウェルド238
ガスケット/ボンド/のり239
電流遮断装置240
可撓性部材(例えば、ストリップレバー/レグ)244
レバー/レグ/可撓性ストリップ用の接続部位248
ヒューズ250
ヒューズ上のブリッジ254
短絡回路/ヒューズの断絶252
ヒューズ絶縁体ホルダ246
ヒューズ絶縁体258
ヒューズホルダ256
リベット168
絶縁体封止リング166
振動シート212
絶縁シート210
変位装置(例えば、ドーム)242
仕切り壁(例えば、ハウジング内に構成された電池セル間の)300
エネルギー吸収材料130
Claims (22)
- 複数のエネルギー貯蔵装置を収納し、容器の電気的通信を可能にするよう構成される封止された容器、
前記容器の一部に沿って構成されるベント装置であって、前記ベント装置は、
基板の縁部の外周方向に隣接して延伸して中央パネル、カウンターシンク、および外縁部を画定する、円形カウンターシンク、および
前記容器が前記カウンターシンクによってトリガされる飛び移り座屈イベントを介して通気するよう構成されるように、前記基板の外表面上に構成され、前記カウンターシンク内に位置付けられるスコアであって、前記カウンターシンクは、前記容器内の圧力が所定の値を超えるときに前記スコア領域に沿って前記スコアを破断するよう構成されるスコア、を含むベント装置、ならびに、
電流遮断装置であって、
外周カウンターシンクを有するドームであって、前記ドームは、前記ドームが前記容器の内部に向かって延伸するよう前記容器上に位置付けられ、そのために、前記容器の内部圧力が前記ドームの内表面に作用する、ドーム、
第一の端部を介して第一の端子および前記容器の少なくとも一方に取り付けられ、そして第二の端部において前記ドームの外表面に取り付けられている可撓性部材であって、前記可撓性部材は、前記第一の端子と電気的に通信するよう構成される、可撓性部材、および
前記可撓性部材をその第二の端部において前記ドームの前記外表面に取り付けて前記可撓性部材を前記ドーム上に保持するよう構成された接続部材、で構成されたアクチュエータと、
ヒューズ要素であって、前記ヒューズ要素は前記第二の端子と電気的に通信しており、さらに、前記ヒューズ要素は前記アクチュエータから所定の距離に位置付けられる、ヒューズ要素と、を含む電流遮断装置、を備え、
前記ドームは、前記容器の所定の値を超える内部圧力によって開始される飛び移り座屈イベントを受けるよう特に設計され、前記飛び移り座屈イベントは前記可撓性部材を前記ヒューズ要素と電気的に通信させて、前記容器内に電気短絡を開始させるよう構成される、装置。 - 本体と形成操作を介して封止されたカバーとを含む容器であって、
前記容器は複数のエネルギー貯蔵装置を収納するよう構成され、
前記容器は、前記複数のエネルギー貯蔵装置と前記容器の外側に位置する2つの端子との間の電気的通信を可能にするよう構成され、前記2つの端子は第一の端子と第二の端子を含み、前記2つの端子は対向する分極で構成される、容器、および、
電流遮断装置であって、
外周カウンターシンクを有するドームであって、前記ドームが、前記ドームが前記容器の内側に向かって延伸するように前記容器上に位置付けられ、前記ドームが、内部圧力が前記ドームの内表面に作用するように前記容器の内側と通信するように構成される、ドーム、
第一の端部を介して第一の端子および前記容器の少なくとも一方に取り付けられ、そして第二の端部において前記ドームの前記外表面に取り付けられている可撓性部材であって、前記可撓性部材は、前記第一の端子と電気的に通信するよう構成される、可撓性部材、および、
前記可撓性部材を前記ドーム上に保持するために、前記可撓性部材をその第二の端部において前記ドームの前記外表面に取り付けるよう構成された接続部材、で構成されるアクチュエータと、
ヒューズ要素であって、前記ヒューズ要素は前記第二の端子と電気的に通信しており、さらに、前記ヒューズ要素は前記アクチュエータから所定の距離に位置付けられる、ヒューズ要素と、を含む電流遮断装置、を備え、
前記ドームは前記容器の所定の値を超える内部圧力によって開始される飛び移り座屈イベントを受けるよう特に設計/構成され、
前記飛び移り座屈イベントは、前記可撓性部材を前記ヒューズ要素と電気的に通信させて前記容器内に電気短絡を開始するように構成される、装置。 - 複数のエネルギー貯蔵装置を収納し、容器の電気通信を可能にするよう構成される封止された容器と、
前記容器の一部に沿って構成されるベント装置であって、前記ベントは、
前記容器の内部と通信するよう構成された第一の表面および前記容器の外側上に構成された第二の表面を含む、概して対向した2つの表面を有する基板であって、円形カウンターシンクで構成されたパネルは前記基板の外周に延伸して中央パネルを画定する、基板、および、
前記容器が前記カウンターシンクによってトリガされる飛び移り座屈イベントを介して通気するよう構成されるように、前記基板の前記外表面上に構成され、かつ前記カウンターシンク内に位置付けられるスコアであって、前記カウンターシンクが、前記容器内の圧力が所定の値を超えるときに前記スコア領域に沿って前記スコアを破断するよう構成される、スコアを含むベント装置と、を備える、装置。 - 前記スコアは前記カウンターシンクの一部に沿って延伸して、スコア部分と非スコア部分を画定するよう構成される、請求項3に記載の装置。
- 前記ベント装置は前記基板の第一の表面上の座屈イニシエータで構成される、請求項3に記載の装置。
- 前記座屈イニシエータは、前記カウンターシンク上に構成される、請求項5に記載の装置。
- 前記座屈イニシエータは、スコアを有する前記カウンターシンク領域と交差するように構成される、請求項5に記載の装置。
- 前記ベント装置は、溶接操作を介して前記容器に取り付けられる、請求項3に記載の装置。
- 前記ベント装置は、前記容器に一体化される、請求項3に記載の装置。
- 前記容器は支持マトリックスを保持するよう構成され、前記支持マトリックスは複数のリチウムイオン電池を収納し、互いに離間した関係で前記電池を維持するよう構成される、請求項3に記載の装置。
- 前記支持マトリックスは、エネルギー吸収材料と火炎防止材料の少なくとも一方を含む、請求項3に記載の装置。
- 本体であって、前記本体は底部、および基部に接続されて基部から上方に延伸して外周リムと閉鎖下端部とを有する開放上端部を画定する少なくとも1つの外周側壁を含む本体と、
外周縁部を有するカバーであって、前記カバーは前記開放上端部内に位置して前記外周リムと協働するよう構成される、カバーと、
前記カバーと前記外周リムとの間に構成された封止であって、前記封止は形成操作を介して構成される密封封止を含む、封止と、を含む金属容器、であって、
前記金属容器は、前記容器の前記本体と前記カバーの少なくとも一方上の電気端子で構成され、
さらに、前記金属容器は、
複数のリチウムイオン電池、
前記複数のリチウムイオン電池を収納し、互いに離間した関係で前記電池を維持するよう構成された支持マトリックス、および
前記リチウムイオン電池を前記端子に接続して前記リチウムイオン電池と前記端子との間の電気的通信を促進するよう構成された対応する電気接続、を保持するよう構成される、金属容器、を備える装置。 - 他の構成要素と電気的に通信するよう構成され、第一の分極を有するアクチュエータと、
第二の分極を有する部材であって、前記第一の分極と第二の分極とは対向して分極されている(例えば、正の分極および負の分極)、部材と、を備え、
前記アクチュエータは外周カウンターシンクで構成されたドームを含み、前記ドームは第一の位置と第二の位置とを有するよう構成され、
前記第一の位置は、前記部材から離れて延伸するよう構成され、電気アークを防止するために前記部材から距離を有するドームを含み、
前記第二の位置は、変位された位置にあり、前記部材と接触して電気短絡を生じる(例えば、2つの対向して分極された構成要素を接触させることで)前記ドームを含み、
前記装置は、加圧イベントを介して作動されて前記ドームの飛び移り座屈を開始し、前記ドームを前記第一の位置から前記第二の位置に変位させる、装置。 - エネルギー貯蔵アセンブリを動作させることであって、前記エネルギー貯蔵アセンブリは封止され、所定の圧力P1を超えない内部圧力で動作するよう構成される、動作させることと、
前記エネルギー貯蔵装置の前記内部圧力がP1を超えるときに前記エネルギー貯蔵アセンブリへの電流を遮断することであって、動作圧力を上回る前記内部圧力はP2と定義される、遮断することと、
前記エネルギー貯蔵アセンブリの前記内部圧力がP3と定義される閾値通気圧力を超えるときに前記エネルギー貯蔵アセンブリの前記内部圧力を通気することと、を含む、方法。 - 前記遮断ステップは、エネルギー貯蔵アセンブリを、製品形態または他のエネルギー貯蔵アセンブリのうちの少なくとも1つとの電気的通信から電気的に切断することをさらに含み、前記電気的切断は、電流遮断装置を介して構成される、請求項14に記載の方法。
- 前記通気ステップは、スコアベントに近接して構成されたドームの飛び移り座屈イベントを介して前記スコアベントの穿孔を伝播させることをさらに含む、請求項14に記載の方法。
- 前記エネルギー貯蔵装置の前記内部圧力が、P4として定義されるハウジングの故障圧力を超えるときに、前記エネルギー貯蔵アセンブリの壁とリッドとの間の位置を介して前記エネルギー貯蔵アセンブリを通気することをさらに含む、請求項14に記載の方法。
- 前記カバーは形成操作を介して前記本体に封止される、請求項14に記載の方法。
- 前記カバーは溶接操作を介して前記本体に封止される、請求項14に記載の方法。
- 形成操作を介してハウジングを形成することと、
電流遮断装置を前記ハウジングの一部の上に取り付けることと、
ベントを前記ハウジングの一部内に構成することと、
支持マトリックスを前記ハウジング内に挿入することと、
リチウムイオン貯蔵装置を前記支持マトリックス内に構成することと、
前記リチウムイオン貯蔵装置を前記ハウジングに取り付けて前記ハウジングと前記リチウムイオン貯蔵装置との間の電気的通信を可能にする、取り付けることと、
前記ハウジングを封止して、前記リチウムイオン貯蔵装置、支持マトリックス、および電解質をその内部に封入する、封止することと、を含む方法。 - 封止することは、形成操作を介して前記リッドと前記ハウジングとを封止することを含む、請求項20に記載の方法。
- 前記リチウムイオン貯蔵装置を構成することが、
リチウムイオン貯蔵装置それぞれを前記支持マトリックスのビア内に位置付けること、および、
前記リチウムイオン貯蔵装置を電解質でプライミングすること、をさらに含む、請求項20に記載の方法。
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