JP2021136238A - エネルギー蓄積装置の積層バスバー - Google Patents
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Abstract
【課題】円筒型電池の相互接続のための改良されたバスバーを提供する。【解決手段】エネルギー蓄積装置を相互接続するための積層バスバー(12)は、絶縁層と、絶縁層の上に配置された少なくとも一つの導電帯であって、少なくとも一つの導電帯は、一連の繰り返しの導体(22)のパターンを備え、各導体のパターンは、エネルギー蓄積装置に接続するための第1の端子(222)及び第2の端子(224)を有するクラスター(220)を画定する、少なくとも一つの導電帯と、備える。積層バスバーは、第1の端子に結合した第1の終端部(226)及び第2の端子に結合した第2の終端部(228)であって、第1の終端部及び第2の終端部は、エネルギー蓄積装置の端子に接続するように構成された、第1の終端部及び第2の終端部を更に備える。【選択図】図3
Description
本発明は、一般的には、電池パックに関し、更に具体的には、電池パックのエネルギー蓄積素子の相互接続のためのバスバーに関する。
エネルギー蓄積システムは、様々な状況で用いられ、電池は、そのようなシステムの主要素子である。例えば、蓄電システムは、太陽光発電から生成されたエネルギーを蓄積する電池を有することができる。
蓄電装置を、電気自動車のような車両で用いることもできる。蓄電システムの基本単位は、複数の形式がある電池である。電池は、三つの一般的な形、パウチ形、角形又は円筒形となることができる。
エネルギー蓄積システムは、互いに堆積した複数の電池の「パック」を有することができる。電池パックは、モジュールによって構成され、モジュールは、電池によって構成される。バスバーは、モジュールの相互接続と電池の相互接続の両方に用いられる。円筒形電池の相互接続バスバーは、電池モジュールの重要な構成要素である。電池の相互接続のための従来のバスバーは、積層バスバー及び/又は非積層アセンブリの両方を用いる。
電池は、電池の技術及びサイズに応じた所定の電圧及び蓄電容量を有する。したがって、多くの応用に対して、単一の電池より多い電力を蓄積及び供給することができるエネルギー蓄積システムを構築するために、個別の電池を、バスバーを用いて互いに接続する必要がある。
既存の種々のタイプの電池の中で、円筒形電池は、製造及び処理が容易であるために今日広く用いられている。限定されない例として、「サイズ18500」又は「サイズ21700」として知られている標準的なサイズを有する円筒形電池が広く用いられている。各電池は、上端に二つのアクセス可能な電極:電池のディスク形状の端面のうちの一方の中心に配置された突起である第1の電極と、通常は上端を反対側の下端につなぐ周壁を有する第2の電極と、を有してもよい。第1の電極は、通常、正極であり、第2の電極は、通常、負極である。
バスバーは、モジュールの設計により要求されるように直列及び/又は並列のアレイの全ての電池を電気的に接続するように構成される。
電池パックの全体的なコストを低減するために、バスバーは、製造が容易である必要があり、かつ、接続される必要がある個別の電池の個数が多いために接続を容易にする必要がある。
米国特許出願公開第2017/256769号明細書は、絶縁層の一方の側に積層した導体を有するバスバーを記載している。導体は、ワイヤによって各電池の電極に接続され、これは、品質管理の観点から多大な時間を必要とするとともにコストがかかる。
米国特許出願公開第2011/223468号明細書は、図5、12及び13において、それぞれが同一の側に正及び負を有する電池の接続のための積層バスバーを記載している。しかしながら、そのようなバスバーの正確な構成が詳細に示されていない。
米国特許出願公開第2014/212695号明細書は、二つの絶縁層の間に挟まれる印刷された導電層を有するバスバーを記載している。そのようなバスバーの製造は、多大な時間を必要とする。
したがって、円筒形電池の相互接続のための改良されたバスバーが必要である。
発明の一態様によれば、エネルギー蓄積装置を相互接続するための積層バスバーは、絶縁層と、絶縁層の上に配置された少なくとも一つの導電帯であって、少なくとも一つの導電帯は、一連の繰り返しの導体のパターンを備え、各導体のパターンは、エネルギー蓄積装置に接続するための第1の端子及び第2の端子を有するクラスターを画定する、少なくとも一つの導電帯と、第1の端子に結合した第1の終端部及び第2の端子に結合した第2の終端部であって、第1の終端部及び第2の終端部は、エネルギー蓄積装置の端子に接続するように構成された、第1の終端部及び第2の終端部と、を有する。導電帯はそれぞれ、予め打ち抜かれた金属コイルから作られ、絶縁層は、最上層及び底層を備え、導電帯はそれぞれ、最上層と底層の間に積層され、導電帯、最上層及び底層は、積層帯を形成し、最上層及び底層の各々は、積層帯の両側から各終端部にアクセスすることができるように構成された開口を備える。発明によれば、同一のエネルギー蓄積装置に接続するように構成された二つの終端部は、接続ギャップを画定し、最上層と底層のうちの少なくとも一方は、接続ギャップのそれぞれにアクセスすることができるように構成された第1の開口を備える。
発明によるバスバーは、発明によるバスバーが電池の正極及び負極の溶接(例えば、レーザ溶接)に最適化される点で有利である。電池の相互接続に一つのバスバーしか必要とせず、電池モジュールのコストを低減させ、電池モジュールのサイズを減少させ、かつ、電池モジュールの重量を減少させる。さらに、形態を、単にバッファを要求される寸法に切断することによって種々の応用に適合するように簡単に変更することができる。同時に、単一の層がバスバーの厚さを最小にするので、単一の層の導体は、電池を相互接続するのに非常に有効な方法である。
繰り返しの導体のパターンは、絶縁層の同一の側に積層され、したがって、製造中に互いに相対配置するのが容易になる。
有利であるが選択的な態様によれば、そのようなバスバーは、単独で考えられる又は任意の技術的な許される組合せによる以下の形態の一つ以上を包含してもよい。
少なくとも一つの導電帯は、縦軸に沿って配置されるとともに二つの互いに対向する端部を備え、
導体はそれぞれ、横軸に沿って配置され、二つの連続する導体は、縦軸に沿って互いに定期的に離間し、
導体はそれぞれ、同数のクラスターを有し、一つの導体のクラスターは、横軸に沿って配置され、同一の導体のパターンの二つの連続するクラスターは、横軸に沿って互いに定期的に離間し、
積層バスバーの全ての第1の端子は、エネルギー蓄積装置の第1の電極に接続可能であり、同時に、全ての第2の端子は、エネルギー蓄積装置の第2の電極に接続可能である。
導体はそれぞれ、横軸に沿って配置され、二つの連続する導体は、縦軸に沿って互いに定期的に離間し、
導体はそれぞれ、同数のクラスターを有し、一つの導体のクラスターは、横軸に沿って配置され、同一の導体のパターンの二つの連続するクラスターは、横軸に沿って互いに定期的に離間し、
積層バスバーの全ての第1の端子は、エネルギー蓄積装置の第1の電極に接続可能であり、同時に、全ての第2の端子は、エネルギー蓄積装置の第2の電極に接続可能である。
導電帯の各々に対して、全ての第1の端子は、導電帯の端部の一方の方向に向き、同時に、全ての第2の端子は、導電帯の他の端部の方向に向く。
導体はそれぞれ、横断リンクを備え、横断リンクはそれぞれ、導体のクラスターを同一の導体の他のクラスターの第1の端子及び第2の端子に接続する。
導電帯はそれぞれ、予め打ち抜かれた金属コイルから作られ、絶縁層は、最上層及び底層を備え、導電帯はそれぞれ、最上層と底層の間に積層され、導電帯、最上層及び底層は、積層帯を形成し、
最上層及び底層の各々は、積層帯の両側から各終端部にアクセスすることができるように構成された開口を備える。
最上層及び底層の各々は、積層帯の両側から各終端部にアクセスすることができるように構成された開口を備える。
同一のエネルギー蓄積装置に接続するように構成された二つの終端部は、接続ギャップを画定し、
最上層と底層のうちの少なくとも一方は、接続ギャップのそれぞれにアクセスすることができるように構成された第1の開口を備える。
最上層と底層のうちの少なくとも一方は、接続ギャップのそれぞれにアクセスすることができるように構成された第1の開口を備える。
第1の開口は、最上層に配置され、第1の開口はそれぞれ、同一のエネルギー蓄積装置に接続するように構成された対の終端部の間の接続ギャップにアクセスすることができるようにし、第1の開口はそれぞれ、対の終端部にアクセスすることができるように構成される。
底層は、第2の開口及び第3の開口を備え、
第2の開口はそれぞれ、第1の終端部をエネルギー蓄積装置の正極に溶接できるように対の終端部のうちの第1の終端部にアクセスすることができ、
第3の開口はそれぞれ、第2の終端部をエネルギー蓄積装置の負極に溶接できるように対の第2の終端部にアクセスすることができる。
第2の開口はそれぞれ、第1の終端部をエネルギー蓄積装置の正極に溶接できるように対の終端部のうちの第1の終端部にアクセスすることができ、
第3の開口はそれぞれ、第2の終端部をエネルギー蓄積装置の負極に溶接できるように対の第2の終端部にアクセスすることができる。
端部はそれぞれ、エネルギー蓄積装置のそれぞれに接続するときに他の端部と逆の極を有するように構成されるとともに終端導体又は接合バーに接続するように構成される。
発明は、積層バスバーと、二つの終端導体と、を備え、積層バスバーは、一つの積層帯を備え、一つの積層帯の二つの端部はそれぞれ、終端導体の各々に接続されるバスバーにも関する。
有利であるが選択的な態様によれば、そのようなバスバーは、単独で考えられる又は任意の技術的な許される組合せによる以下の形態の一つ以上を包含してもよい。
積層バスバーは、対の二つの積層帯と、二つの終端導体と、接合バーと、を備え、
対の導電帯のそれぞれの縦軸は、互いに平行であり、
対の一方の積層帯の少なくとも一つの導体及び少なくとも一つの端部を、横軸に沿って対の他方の導電帯の導体及び少なくとも一つの端部に整列させ、
横軸に沿って互いに整列した二つの端部は、互いに逆の極性を有し、
横軸に沿って整列した二つの端部は、接合バーによって互いに結合され、
他の二つの端部はそれぞれ、終端導体に結合されるように構成される。
対の導電帯のそれぞれの縦軸は、互いに平行であり、
対の一方の積層帯の少なくとも一つの導体及び少なくとも一つの端部を、横軸に沿って対の他方の導電帯の導体及び少なくとも一つの端部に整列させ、
横軸に沿って互いに整列した二つの端部は、互いに逆の極性を有し、
横軸に沿って整列した二つの端部は、接合バーによって互いに結合され、
他の二つの端部はそれぞれ、終端導体に結合されるように構成される。
対の二つの積層帯の積層帯はそれぞれ、同数の導体を有し、
対の二つの積層帯の導体はそれぞれ、同数のクラスターを有する。
対の二つの積層帯の導体はそれぞれ、同数のクラスターを有する。
他の態様によれば、
本発明により、導電領域を画定する薄い単一層の積層バスバー(積層領域)と、正の接続及び負の接続のための終端導体と、を有するバスバーを提供する。選択的には、バスバーを互いに接続するための接合バーと、電池及び/又はバスバーの状態を監視するための監視素子と、を含めてもよい。追加的には、機械的強度を与えるとともに溶接作業を容易にするために、剛性板のような支持構造をこのバスバーの下に追加することができる。
本発明により、導電領域を画定する薄い単一層の積層バスバー(積層領域)と、正の接続及び負の接続のための終端導体と、を有するバスバーを提供する。選択的には、バスバーを互いに接続するための接合バーと、電池及び/又はバスバーの状態を監視するための監視素子と、を含めてもよい。追加的には、機械的強度を与えるとともに溶接作業を容易にするために、剛性板のような支持構造をこのバスバーの下に追加することができる。
一実施の形態において、第1の終端部及び第2の終端部を、機械的接続又は溶接接続によって少なくとも一つの導電帯に接続する。
一実施の形態において、バスバーは、正の電池端子に対応する第3の終端部と、負の電池端子に対応する第4の終端部と、を有し、第3の終端部及び第4の終端部は、バスバーをサブシステムにリンクするように構成される。
一実施の形態において、第3の終端部及び第4の終端部を、機械的接続又は溶接接続によって少なくとも一つの導電帯に接続する。
一実施の形態において、バスバーは、少なくとも一つの接合バーを有し、少なくとも一つの接合バーは、少なくとも一つの導電帯を少なくとも二つの部分に分割する。
一実施の形態において、少なくとも一つの接合バーを、機械的接続又は溶接接続によって少なくとも一つの導電帯に接続する。
一実施の形態において、バスバーは、絶縁層の間に配置された監視層を有する。
一実施の形態において、バスバーは、絶縁層の間に配置された二つ以上の監視層を有する。
一実施の形態において、監視層は、温度監視と電圧監視のうちの少なくとも一方を行うように機能する。
一実施の形態において、少なくとも一つの導電帯は、銅、アルミニウム及びニッケルのうちの少なくとも一つを含む。
一実施の形態において、少なくとも一つの導電帯は、少なくとも1層の鋼を含む。
一実施の形態において、導体の表面を、例えば、錫、ニッケル又は銀のような金属でめっきしてもよい。
一実施の形態において、バスバーは、導電帯又は終端部の少なくとも一部に形成されるめっきを有する。
一実施の形態において、導電帯の厚さは、50μmと800μmの間である。
一実施の形態において、導電帯の厚さは、50μmと1000μmの間である。
一実施の形態において、少なくとも一つの導電帯のパターンは、溶接のために構成される。
一実施の形態において、絶縁層は、誘電体膜と、接着層と、を備える。
一実施の形態において、誘電体膜は、ポリマーを含む。
上述した目的及び関連の目的を実現するために、発明は、特許請求の範囲において後に十分に説明されるとともに特に指摘される特徴を備える。以下の説明及び添付図面は、発明の所定の例示的な実施の形態を詳しく説明する。これらの実施の形態は、発明の原理を用いることができる様々な方法のうちのほんの一部を示す。発明の他の目的、利点及び新規の特徴は、図面と併せて考察したときに以下の発明の詳細な説明から明らかになるであろう。
発明は、所定のパーツ及びパーツの配置で物理的な形をとってもよく、そのうちの二つの好適な実施の形態を、明細書において詳しく説明するとともにその一部を形成する添付図面に示す。
発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明し、全体に亘って、同様な参照番号を、同様な素子を示すために用いる。図面が必ずしも正確な縮尺ではないことを理解すべきである。
発明の第1の実施の形態を、図1〜6を参照しながら説明する。
電池パックは、本開示のために、複数の直列接続した電池要素を有する。これらの電池要素は、充電可能なエネルギー蓄電池、通常、再充電可能電池の並列、直列又は両方の組合せの群を有してもよい。これらすべての電池は、共同で電池パックのエネルギーを蓄積する。直列接続した電池要素を、モジュールの群に細分してもよく、各モジュールは、一つ以上の直列接続した電池要素又は電池を有する。
図1及び2を参照すると、発明によるバスバー10は、薄い積層バスバー12(積層領域)と、正の接続及び負の接続のための終端導体14と、を有する。バスバーは、複数のバスバー部を互いに接続するための接合バー16と、例えば、バスバー及び/又は電池の温度及び電圧を監視するための監視素子18と、を選択的に有してもよい。機械的強度を与えるとともに溶接作業を容易にするためにバスバーの下に剛性板2020を含んでもよい。
積層バスバー12は、バスバー10の薄い積層領域を意味し、終端導体14及び接合バー16は、比較的厚く、比較的可撓性がない。
図1に示す実施の形態において、積層領域12は、バスバー10の第1の実施の形態において縦軸A12に沿って延在する長辺を有する矩形を有し、積層領域12は、二つの相補的な部分を有し、各部分は、積層帯120又は積層ストリップを画定する。したがって、第1の実施の形態の積層領域12は、対の積層帯120を備え、それぞれは、電池40のアレイすなわち「電池アレイ」の各部分に接続するように構成される。
縦軸A12は、積層帯120の各々に対してA120を付した縦軸でもある。換言すれば、対の導電帯120の導電帯120の各々の縦軸A120は、互いに平行である。
積層帯120の各々に対して、縦軸A120は、積層帯120に接続される電池40の直列接続の方向に対応し、同時に、積層帯120の並列接続の方向は、導電帯の横軸B120を画定する。説明のために、(P120を付した)幾何学的平面を、縦軸A120及び横軸B120によって画定する。
並列接続の方向は、電池アレイの特定の配置に依存する。示した例において、電池40は、ジグザグに配置され、その結果、横軸B120は、縦軸A120に直交する。しかしながら、電池40の他の示さない配置において、横軸B120は、縦軸A120に対して異なるように向いてもよい。
図1において、積層帯120はそれぞれ、13個の電池に対して横軸B120に沿って並列に接続するとともに12個の電池に対して縦軸A120に沿って直列に接続するように構成される。電池の数は、限定されず、説明のためにのみ与えられる。
互いに並列に接続される電池40は、電池40の行41を画定する。電池40のジグザグ配置のために、行41は、図の折れ線によって識別される。その結果、13個の電池40の12の行41はそれぞれ、縦軸A120に沿って配置される。
積層帯120はそれぞれ、縦軸A120に沿って延在し、二つの互いに逆の端部122a及び122bを備える。換言すれば、積層帯120はそれぞれ、導電帯120の縦軸A120及び横軸B120を画定する二つの互いに逆の端部122a及び122bを備える。
図1において、積層帯120の各々に対して、端部122aは、積層帯120の正極に対応し、端部122bは、積層帯120の負極に対応する。
第1の実施の形態において、バスバー1は、対の二つの積層帯120と、二つの終端導体14と、一つの接合バー16と、を備える。
接合バー16は、互いに逆の極性を有する二つの端部122a及び122bを互いに結合し、二つの端部122a及び122bを、横軸B120に沿って互いに整列させ、端部122a又は122bはそれぞれ、積層帯120のそれぞれに属する。
示した例において、接合バー16は、積層帯120の一方の第1の端部122a及び他の積層帯120の第2の端部122bを互いに結合し、第1の端部122a及び第2の端部122bを、横軸B120に沿って互いに整列させる。
積層帯120の各々に対して、一方の端部122a又は122bを接合バー16に結合し、他方の端部122b又は122aを、終端導体14に結合する。
示した例において、終端導体14のそれぞれに結合された二つの端部122a及び122bを、横軸B120に沿って互いに整列させる。換言すれば、二つの導電帯120のうちの一方の端部122a及び122bをそれぞれ、横軸B120に沿って他方の導電帯120の端部122b及び122aに整列させる。
図2において、破線で示す二つの電池40は、バスバー10に直列に接続される。バスバー10の目に見える部分は、積層帯120の一部と、板20によって支持される、積層帯120の端部122aに接続された終端導体14と、を備える。
電池40は、同一のアレイに属し、互いに同一である。アレイの電池40のうちの一つに対して有効なものを、当該アレイの他の電池40に置き換えることができる。電池40は、発明の一部でないが、説明のために記載される。図2の面の断面は、積層帯120の縦軸A120に平行である。二つの電池40は、互いに直列に接続される。
電池40はそれぞれ、円形断面を有する円筒形状であるとともに二つの互いに対向する端面44を備える本体42を有する。端面44は、円盤状である。上面44aと称する端面44のうちの一方は、本体42から外側に突出するとともに電池44の正極48に対応する中央突起46を備える。上面44aに対向する端面44を、底面44bと称する。
電池40はそれぞれ、電池40の負極52に対応する周辺接続部50も備える。正極48及び負極52の両方は、上面44aからアクセスすることができる。
アレイからの全ての電池40は、同一方向を向き、アレイからの全ての電池40の上面44aは、幾何学的に単一の面に位置する。積層領域12は、各電池の正極48及び負極52の上に置かれる。例えば、積層領域12は、平坦であってもよい。
「上」、「下」、「垂直」、「水平」等のような用語は、バスバー10の種々の要素を記載するために説明で用いられ、実際のバスバー10の使用に関する限定の意味を含まない。例えば、図1及び2において、バスバー10の積層領域12は、水平であるべきである平面P120に位置するのに対し、実際には、積層領域12は、異なる向きであってもよい。
積層帯120は、絶縁層24に積層された導電層21を備える。換言すれば、絶縁層24に積層された導電帯21は、積層帯120を形成する。導電層21は、電池40のそれぞれの直列接続及び並列接続に関連して、アレイからの全ての電池40の正極及び負極に接続するように構成される。
絶縁層24は、電池モジュールの使用中又は組立中の回路不良のリスクを低減するために絶縁材料から作られる。絶縁層24は、アレイの電池40のそれぞれの電極との導電層21の接続を可能にするように配置された開口を備える。開口は、図4で更に詳細になっている。
導電層21は、複数の導体22から構成され、導電層21の(50μmと800μmの間の厚さであってもよい)導体22は、銅、アルミニウム、ニッケル及びその合金から形成される。導体22の表面を、例えば、錫、ニッケル又は銀でめっきしてもよい。導電層21を、絶縁層24a,24bの間に積層してもよい。絶縁層24a,24bを、例えば、ポリエステル、ポリイミド又は他のポリマー材料のようなポリマー材料から形成してもよい。絶縁層24a,24bの一方の側に、積層のために接着剤を被覆することができ、接着剤の厚さは、25μmと250μmの間である。
接着材料は、図に見えない。接着材料の厚さは、優先的には12μmと250μmの間である。接着材料は、バスバー10の寿命の間に絶縁性及び可撓性のままとなるように選択される。
各導体22を鋼から形成することもできる。換言すれば、導体22はそれぞれ、金属のような導電材料である。導体22はそれぞれ、バスバー10が電池アレイに組み込まれないときには他の要素から絶縁される。バスバー10が電池アレイに組み込まれるときに、導電帯120の導体22は、図2に示すように、電池40を介して互いに電気的に接続される。
導体22は、同一の厚さを有する。導体22のそれぞれの厚さは、優先的には、導電層21が可撓性のままとなるのに十分薄い50μmと1000μmの間である。導体22の厚さは、バスバー10の使用時に導体22を流れる電流の強さに従って調整される。
例えば、同一の導電帯21の導体22は、切断され、孔が開けられ、かつ、絶縁層24aと24bの間に積層される1枚の金属から作られる。換言すれば、導電帯21はそれぞれ、予め打ち抜かれた金属コイルから作られる。バスバー10が電池アレイに接続されるとき、絶縁層24bは、電池アレイの側に配置される。
例えば、本明細書において、絶縁層24bを「下側層」と称し、同時に、絶縁層24aを「上側層」と称し、積層帯120の上側に配置する。
絶縁層24a及び24bも可撓性である。その結果、積層帯120及び積層バスバー12は、バスバー10が接続される電池アレイに合わすために可撓性である。絶縁層24a及び24bは、特に電池40に対する導体22の電気的な接続を可能にするように構成された孔を有する。孔は、図2の理解を容易にするために図2には見えない。
示した例において、二つの導電帯21は、同一の絶縁層24aと24bの間に積層され、二つの積層帯120は、積層領域12が壊れないように絶縁層24a及び24bによって互いに取り付けられる。
したがって、積層領域12は壊れない。代替的には、導電帯21をそれぞれ、二つの絶縁層24aと24bの間に積層することができ、二つの積層帯120は、接合バー16によって互いに接続される。
積層帯120の各々において、導電帯21の各々に対して、導体22はそれぞれ、横軸B120に沿って配置され、二つの連続する導体22は、縦軸A120に沿って互いに定期的に離間する。
示した例において、電池40は、行41においてジグザグに横軸B120に沿って配置される。導体22はそれぞれ、電池40に接続するために、横軸B120に沿って互いに定期的に離間した繰り返しパターンを有する特定の空間を有し、各パターンは、クラスター220を画定する。図3において、一部のクラスター220を、混合線(mixed line)で描いたボックスによって範囲を定める。一つの導体22のパターンのクラスター220は、横軸B120に沿って配置され、同一の導体22のパターンの二つの連続するクラスター220は、横軸B120に沿って互いに定期的に離間する。
クラスター220はそれぞれ、エネルギー蓄積装置40の各々に接続するための第1の端子222及び第2の端子224を有する。
クラスター220の第1の端子222及び第2の端子224はそれぞれ、エネルギー蓄積装置40の各々に接続するように構成され、積層バスバー12の全ての第1の端子222は、エネルギー蓄積装置40の第1の電極48に接続可能であり、同時に、第2の端子224は、エネルギー蓄積装置40の第2の電極52に接続可能である。
示した例において、第1の端子222はそれぞれ、電池40の各々の正極48に接続されるように構成され、第2の端子224はそれぞれ、電池40の各々の負極52に接続されるように構成される。
第1の端子222はそれぞれ、溶接により電池40の対応する第1の端子48に接続されるように構成された終端部226と称される部分を備える。示した例において、第1の端子22はそれぞれ、終端部226に対応する丸みを帯びた端部を有する細長い本体を有する。
同様に、第2の端子224はそれぞれ、溶接により電池40の対応する第2の端子52に接続されるように構成された終端部228と称される部分を備える。示した例において、終端部228はそれぞれ、電池40の周辺部50の形状に従うように構成された窪み部分を提供する。
バスバー10を電池アレイに接続する溶接技術の限定されない例は、ホットスポット、レーザ等を含む。溶接による第1の端子222及び第2の端子224の電池40への接続は、ワイヤーボンディングのような既知の接続方法に比べて、高い信頼性、速い生産速度(manufacturing speed)及び低い製造コストを提供する。図4において、破線230は、終端部226又は228を個別の電池40に接続するために溶接工具がたどる例示的な経路を示す。
したがって、電池40はそれぞれ、対の終端部226及び228に接続され、同一の対からの終端部226及び228は、接続ギャップ232によって離間される。接続ギャップ232は、当然、電池40の形状に依存する。
図3に示す実施の形態において、クラスター220はそれぞれ、電池アレイのジグザグ配置パターンと協働するために、二つの第1の端子222及び二つの第2の端子224を有する。
導体22はそれぞれ、第1の端子222及び第2の端子224の各々の終端部226及び228の間の導体22のクラスター220にそれぞれ接続するように構成された横断リンク229備える。横断リンク229の数及び配置は、電池アレイの形状及びクラスター220のそれぞれの形状に依存する。
更に一般的には、所定のモジュールに対して、クラスター220のそれぞれの第1の端子22及び第2の端子224の数を含むクラスター220のそれぞれの形状を、モジュール内の電池アレイの特定の配置に応じて調整することができる。
導電帯21の各々に対して、全ての第1の端子222は、導電帯21の端部112a又は112bの一方の方向に向き、同時に、全ての第2の端子224は、導電帯21の他の端部112b又は122aの方向に向く。示した例において、電池40の各々の正極48に接続される、導電層21のクラスター220の全ての第1の端子222は、導電層122bの端部122bの方向に向き、同時に、全ての第2の端子224は、導電層21の端部122aの方向に向く。
導電帯120の導体22の全ては、同一の形状を有する。換言すれば、導電帯120はそれぞれ、一連の繰り返しの導体22のパターンを備える。
終端導体14は、バスバー10に結合された電池によって給電される外部装置に対するインタフェースを提供するために用いられる。これらの終端導体14は、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル又はその合金から形成された導電板142の形態であってもよい。終端導体14の厚さは、500μmと4000μmの間であってもよく、これらの終端導体14をめっきしてもよい。バスバー10は、二つの終端導体14から構成され、一方の終端導体14は、正の接続のためのものであり、他方の終端導体14は、負の接続のためのものである。ねじ、スタッド等のような接続要素146を、終端板142に追加することができる。
終端導体14の厚さは、バスバー10が使用されるときに終端導体14を流れる電流の強さに従って調整される。
選択的には、一つ以上の接合バー16をバスバー10に追加することができる。終端導体14と同一の材料から形成してもよい接合バー16は、二つの積層領域12を互いにリンクすることができる。終端導体14及び接合バー16を、機械的作用又は溶接(ホットスポット、レーザ等)によって積層領域12に接続することができる。
換言すれば、接合バー16はそれぞれ、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル又はその合金から形成される導電板を備えてもよい。接合バー16の各々の厚さは、500μmと4000μmの間であってもよく、接合バー16をそれぞれめっきしてもよい。接合バー16の厚さは、バスバー10が使用されるときに接合バー16を流れる電流の強さに従って調整される。
図1に示す例において、バスバー10は、積層領域12の二つの積層帯120を互いにリンクする一つの接合バー16を備える。
発明によるバスバー10は、円筒形電池の間の相互接続が可能になるように構成される。これに関して、電池は、空間利用を最適にするためにジグザグに配置される。バスバー10の形態を、互いに異なる電池のサイズ(18500,21700等)に容易に適合させることができる。
本例において、バスバー10に相互接続された全ての電池40、すなわち、同一のアレイの全ての電池40は、同一の直径を有し、電極48の一及び電極52の位置は、これらの電池の各々に対する上面44aにおいて同一である。
図3に関連して、一つの終端導体14に接続した積層バスバー12のうちの一つの部分を、縮小して示す。
板20を、硬くて電気的に絶縁する材料、例えば、射出されたポリマー(injected polymer)から作られる。板20は、合わせ孔210を備え、合わせ孔210はそれぞれ、円形部を有し、一つの電池40を受け入れるように構成される。電池40を図3に示さない。電池40が合わせ孔210に格納されるとき、電池40の正極48は、合わせ孔210の中心に配置され、同時に、負極52は、合わせ孔210の周辺に配置される。
選択肢として、板20は、アレイの電池40を垂直位置に機械的に維持するように構成されたスペーサ212を備えてもよい。したがって、電池40の相対位置並びに電池40のそれぞれの正極48及び負極52の相対位置は、板20の形状に依存する。
これに関して、電池は、好適には、空間利用を最適にするためにジグザグに配置される。電池40が同一面に配置された正極48及び負極52を有する円筒形電池である限り、バスバー10の形態を、互いに異なる電池のサイズに容易に適合させることができる。例えば、スペーサ212のサイズを、電池40の感度に応じて、冷却を強化する又は減少させるように調整してもよい。縦軸A120及び横軸B120に沿った特定の縦横比を有するジグザグパターンについてここで説明する原理を、当業者によって、互いに異なる縦横比について容易に調整することができる。
導電層21の導体22によって、複数(x)の電池40を負極52により接続するとともに正極48により電流をxの他の電池に分配することができる。図3は、x=13を有する例を示す(数xは、モジュール形態によって規定される。)。
換言すれば、示した例において、導電層21の導体22はそれぞれ、13個の第1の端子222及び13個の第2の端子224を有し、第1の端子222及び第2の端子224はそれぞれ、エネルギー蓄積装置すなわち電池40の各々に接続するように構成される。
バスバー10を使用するとき、導体22の第1の端子222に接続された13個の電池40は、互いに並列に接続され、同一の導体22の第2の端子224に接続された13個の電池40は、互いに並列に接続される。導体22の第1の端子222に接続された13個の電池40は、同一の導体22の第2の端子224に接続された13個の電池40に直列に接続される。
示した例において、導体22の各々の第1の端子222及び第2の端子225は、繰り返しパターンで、換言すれば、横軸B120に沿ったクラスター220で配置される。同一の導体22の二つの連続するクラスター220は、横軸B120に沿って互いに定期的に離間される。
全てのクラスター220は、同一の数の第1の端子222及び第2の端子224を有し、クラスター220の第1の端子222及び第2の端子224はそれぞれ、エネルギー蓄積装置すなわち電池40の各々に接続するように構成される。示した例において、クラスター220はそれぞれ、電池アレイを保持するように構成された板20のジグザグパターンと協働するために、二つの第1の端子222及び二つの第2の端子224を有する。導電層120の各々に対して、全ての第1の端子222は、導電帯120の端部122a又は122bの一方の方向に向き、同時に、全ての第2の端子224は、導電帯の他の端部122b又は122aの方向に向く。示した例において、第1の端子222は、負極122bの方向に向き、同時に、第2の端子224は、正極122aの方向に向く。
当然、クラスター220ごとの第1の端子222及び第2の端子224の数又はクラスター220の各々の形状を、電池アレイを保持するために構成された板22の特定の形状に応じて変更してもよい。
電池40の行41はそれぞれ、導体22を介して電池の他の行41に接続される。更に正確には、行41の電池40の各々の正極48は、導体22を介して他の行41の電池40の各々の負極52に接続される。したがって、積層帯120の全ての導体22は、同数の第1の端子222及び第2の端子224を有する。さらに、全ての導体22が同一の形状を有するので、導体22はそれぞれ、同数のクラスター220を有する。
したがって、当然、電池40が、同じように、例えば、縦軸A120及び横軸B120に沿って同一間隔で配置されていると仮定すると、積層帯120の導体22の数を調整するとともに導体22ごとのクラスター220の数を調整するだけで電池アレイの互いに異なるサイズに適合することができる、
導体22の数を調整することによって、直列に接続される電池40の数を調整し、導体22ごとのクラスター220の数を調整することによって、並列に接続される電池の数を調整する。
図5を更に参照すると、積層領域120は、一連の同数の導体22のパターンであり、この場合、導体22の数及び電池セル40ごとの電圧は、モジュール電圧を規定する。導電性の原料は、無限長さを有することができる帯21を形成する一連の同一の導体22のパターンとなる。
当然、実際には、導電帯120の長さは、製造工程中に用いられる原料によって制限される。例えば、絶縁層24a又は24bは、有限長さを有するローラーで利用できる。当然、基板20の形状によって決定されるこの電池アレイの形状が積層帯120の導電層21の形状に対応するという条件で、積層帯120は、連続的に製造され、特定の電池アレイに適合するように切断される。
導電帯120に対して、帯幅は、横軸B120に沿って並列に接続された電池40の数(x)によって規定され、同時に、帯長さは、縦軸A120に沿って直列に接続された電池40の数によって規定される。
積層帯120の製造中、連続的な帯が連続的に製造され、帯幅及び帯長さは、当然、利用できる製造装置及び/又は導電層21に使用される材料並びに絶縁層24a及び24bに使用される材料のパッケージングによって制限される。連続的な帯は、電池アレイの実際のサイズが既知であるときのみ所望の帯幅及び帯長さで切断される。適切な長さ及び幅で切断される連続的な帯は、バスバー10で実際に使用される積層帯120となる。この意味では、連続的な帯は、実際の積層帯120になるように更に処理する必要がある「原料」である。
図5は、大きい連続的な帯を切断した後に取得することができる導電帯120の互いに異なる三つのサイズを挿入部a)、b)及びc)に示す。図5a)は、12個の電池の帯長さ及び13個の電池40の帯幅を有する積層バスバー12の導電帯120のうちの一つを示す。
この原料を複数の小さい帯120に分割することができる。帯幅は、並列の電池40の数(x)によって規定される。図5b)及び5c)は、そのような小さい「分割」帯を示す。帯の長さは、直列の電池の数によって規定され、電圧を規定する。帯120を機械的に切断することができる又は他の工程を介して切断することができる。図5b)及び5c)は、切断された帯の二つの例を示し、図5b)は、直列の12個の電池40及び並列の4個の電池を示し、図5c)は、直列の7個の電池40及び並列の4個の電池40を示す。
バスバー10が、示した例のように接合バー16を有する二つの積層帯120を備えるとき、連続的な帯から切断された積層帯120は、終端導体14に更に適合される。バスバー10のそのような製造方法は、コスト効率が高い。その理由は、オーダーメイドの構成要素を用いることなく任意のサイズの電池アレイに対するバスバー10を容易に製造することができるからである。
第1の実施の形態のように、積層領域12が、対の二つの積層帯120を備えるとき、二つの積層帯120は、好適には、同一の帯幅を有する。換言すれば、対の二つの積層帯120の導体22はそれぞれ、同一の数のクラスター220を有する。その結果、対の二つの積層帯120の一方の導体22はそれぞれ、横軸B12)に沿って、上記対の他方の積層帯120の導体22の各々に整列される。
同様に、二つの積層帯120は、好適には、同一の帯長さを有する。換言すれば、積層帯120はそれぞれ、同一の数の導体22を有する。上記対の積層帯120の一方の端部122a又は122bはそれぞれ、横軸B120に沿って、上記対の他方の積層帯120の端部122b又は122aに整列される。その結果、二つの終端導体14は、横軸B120に沿って互いに整列される。
絶縁層24a,24b及び選択的な監視素子18を、導電層21の側にそれぞれ積層することができる。図4に見えるように、溶接作業ができるように孔26を絶縁層24a,24bにあける。
代替的には、二つ以上の監視素子18を、積層帯120の各々の導電層21に積層することができる。
図4a)及び4b)は、積層帯120の二つの側を示す。電池40を破線で示す。図4a)において、電池40が積層帯120を通じて見え、それに対し、図4b)において、電池40が見える。
示した例において、孔26は、上側層24aに配置された第1の孔262と、低層24bに配置された第2の孔264及び第3の孔266と、を有する。
第1の孔262はそれぞれ、積層帯120の上側から、電池40のうちの一つに接続される第2の端子222及び第3の端子224にアクセスすることができる。更に正確には、第1の孔262はそれぞれ、溶接装置が終端部226及び228を電池40の正極48又は負極52にそれぞれ溶接できるように第1の端子22の終端部226及び第2の端子224の終端部228にアクセスすることができる。示した例において、第1の孔262はそれぞれ、細長い形状を有する。
第1の孔262はそれぞれ、積層帯120の製造に関する理由により、電池40に接続される二つの終端部226及び228の間のギャップ232にアクセスすることもでき、これらの理由を、図6を参照しながら本明細書で更に説明する。
第2の孔264はそれぞれ、積層帯120の下側から、電池40の正極48に接続される第1の端子222にアクセスすることができる。更に正確には、第2の孔264はそれぞれ、溶接作業中に積層帯120が電池アレイの最上部に配置されたときに終端部226が第1の極48に物理的に接触するように第1の端子222の終端部226にアクセスすることができる。溶接作業後、終端部226は、溶接230によって示すように、電池40の第1の極48に溶接される。
図4b)に示す例において、第2の孔264は、円形であり、優先的には、電池40の第1の極48の直径以上の直径を有する。
第3の孔266はそれぞれ、積層帯120の下側から、電池40の負極52に接続される第2の端子224にアクセスすることができる。更に正確には、第3の孔266はそれぞれ、溶接作業中に積層帯120が電池アレイの最上部に配置されたときに終端部228が第1の極48に物理的に接触するように第2の端子224の終端部228にアクセスすることができる。溶接作業後、終端部228は、溶接230によって示すように、電池40の第1の極48に溶接される。
図4b)に示す例において、第3の孔266は、電池40の第2の極52の形状に適合するようにするために細長い孔である。
第1の孔262、第2の孔264及び第3の孔266の形状及びサイズは限定されない。孔26を、バスバー10を電池アレイに接続するときに電気故障のリスクを低減するためにできるだけ小さくする。その理由は、通常、電池40が製造の際にある程度の電気エネルギーを有するからである。例えば、終端部を電池40の極48及び52に溶接する際に二つ以上の開口がギャップ232並びに終端部226及び228にアクセスすることができる限り、第1の孔262をそれぞれ二つ以上の開口に置換することができる。同一の電池40に接続される第1の端子222及び第2の端子224にアクセスすることができる第2の孔264及び第3の孔266をそれぞれ、単一の大きい開口に置換することもできる。
図6は、積層帯120の製造工程の互いに異なる二つの段階に対応する二つの互いに異なる形態で示す導電層21の同一部分を挿入部6a)及び6b)に関連して示す。
図6a)において、導電層21を、絶縁層24aと24bのいずれかに積層される前の形態で示す。対の終端部226及び228の間の接続ギャップ232の各々において、終端部226及び228は、ブリッジ234によって互いに接続される。換言すれば、導電層21の全ての導体22は、導電層21が絶縁層24a又は24bに積層される前にブリッジ234によって互いにリンクされたままである。これは、ブリッジ234によってリンクされた導体22を備える導電層21を形成するために打ち抜かれた1枚の金属から導電層21が配置されていることを示す。ブリッジ234によって、各対の終端部226及び228の間のスペースは、正確に確定され、次の積層ステップの間に変動しない。
示した例において、ブリッジ234はそれぞれ、縦軸A120に沿って延在する金属のストリップである。
金属のシートの打ち抜き後、導電層21は、絶縁層24a又は24bの一方に積層される。その結果、導体22は、積層される絶縁層24a又は24bに接着し、ブリッジ234を取り除くことができる。示した例において、導電層21は、先ず、上側層24aに積層され、この場合、第1の孔262はそれぞれ、ブリッジ234が配置された接続ギャップ232の各々にアクセスすることができる。
限定されない例として、ブリッジ234を、押し抜き、粉砕、レーザ切断等によって取り除くことができる。
ブリッジ234を取り除いた後、導電層21は、導電層21の最終形態である、換言すれば、バスバー10が完成するとともに電池アレイに組み込む準備ができたときの導電層21の形態である図6b)に示す形態となる。
ブリッジ234を取り除いた後、導電層21を、下側の絶縁層24bに積層することができる。
導電帯120の端部122a及び122bの各々において、正及び負の終端導体14が、電池システムを有するインタフェースに固定される(溶接される又は他の処理がされる)。モジュールのサイズによって要求される場合、バスバー10の最終的な長さを減少させるために帯120を二つ以上の部分に分割することができる。この場合、一つ以上の接合バー16を、二つの帯120を互いに接続するために用いることができる。これを、最上層12が半分に分割されるとともに接合バー16によって接合された図1に示す。接合バー16の厚さは、過熱なく耐える必要がある電流密度によって規定される。接合バー16を、機械的作用又は溶接によって導電帯120に固定することができる。接合バー16は、正の接続及び負の接続を同一の側でもたらすのに有用である。
発明の第2の実施の形態を、バスバー110を示す図7を参照しながら説明する。
バスバー110とバスバー10を有する第1の実施の形態との主な違いは、バスバー110の積層領域12が単一の積層帯120を有するとともに接合バー16を有しないことである。積層帯120の二つの端部122a,122bはそれぞれ、終端導体14の各々に接続される。
したがって、第1の実施の形態で示すような積層領域12の互いに逆の側にある二つの終端導体14を、第2の実施の形態に示すように積層領域12の同一の側に有することができる。
発明を所定の一つ以上の実施の形態に関連して示すと共に説明したが、等価な変更及び変形を、当業者の本明細書及び添付図面の解読及び理解の下で行ってもよい。特に、上述した要素(構成要素、アセンブリ、装置、構成等)によって実行される種々の機能に関連して、そのような要素を説明するのに用いられる(「意味」の言及を含む)用語は、発明の例示的な一つ以上の実施の形態の機能を実行する開示した構成と構成的に等価でないとしても、特に説明がない限り、説明した要素の特定の機能を実行する(すなわち、機能的に等価である)任意の素子に対応することを意味する。さらに、発明の特定の形態を複数の実施の形態のうちの一つ以上に関連して上述したが、そのような形態を、所望に応じて及び所定の又は特定の応用に対して有利に、他の実施の形態の一つ以上の他の形態と組み合わせてもよい。
Claims (10)
- エネルギー蓄積装置を相互接続するための積層バスバー(12)であって、
絶縁層(24)と、
前記絶縁層の上に配置された少なくとも一つの導電帯(21)であって、前記少なくとも一つの導電帯は、一連の繰り返しの導体(22)のパターンを備え、各導体のパターンは、エネルギー蓄積装置(40)に接続するための第1の端子(222)及び第2の端子(224)を有するクラスター(220)を画定する、少なくとも一つの導電帯(21)と、
前記第1の端子に結合した第1の終端部(226)及び前記第2の端子に結合した第2の終端部(228)であって、前記第1の終端部及び前記第2の終端部は、前記エネルギー蓄積装置の端子(48,52)に接続するように構成された、第1の終端部(226)及び第2の終端部(228)と、を備え、
前記導電帯(21)はそれぞれ、予め打ち抜かれた金属コイルから作られ、
前記絶縁層(24)は、最上層(24a)及び底層(24b)を備え、前記導電帯はそれぞれ、前記最上層と前記底層の間に積層され、前記導電帯(21)、前記最上層及び前記底層は、積層帯(120)を形成し、
前記最上層及び前記底層の各々は、前記積層帯(120)の両側から各終端部(226,228)にアクセスすることができるように構成された開口(262,264,266)を備え、
同一のエネルギー蓄積装置(40)に接続するように構成された二つの終端部(226,228)は、接続ギャップ(232)を画定する、積層バスバー(12)において、
前記最上層(24a)と前記底層(24b)のうちの少なくとも一方は、前記接続ギャップ(232)のそれぞれにアクセスすることができるように構成された第1の開口(262)を備えることを特徴とする、積層バスバー(12)。 - 前記少なくとも一つの導電帯(21)は、縦軸(A120)に沿って配置されるとともに二つの互いに対向する端部(122a,122b)を備え、
前記導体(22)はそれぞれ、横軸(B120)に沿って配置され、二つの連続する前記導体(22)は、前記縦軸に沿って互いに定期的に離間し、
前記導体はそれぞれ、同数の前記クラスター(220)を有し、一つの導体の前記クラスターは、前記横軸に沿って配置され、同一の導体のパターンの二つの連続する前記クラスターは、前記横軸に沿って互いに定期的に離間し、
前記積層バスバーの全ての前記第1の端子(222)は、エネルギー蓄積装置(40)の第1の電極(48)に接続可能であり、同時に、全ての前記第2の端子(224)は、エネルギー蓄積装置の第2の電極(52)に接続可能である、請求項1に記載の積層バスバー(12)。 - 前記導電帯(21)の各々に対して、全ての前記第1の端子(222)は、前記導電帯の端部の一方(122b)の方向に向き、同時に、全ての前記第2の端子(224)は、前記導電帯の他の端部(122a)の方向に向く、請求項2に記載の積層バスバー(12)。
- 前記導体(22)はそれぞれ、横断リンク(229)を備え、前記横断リンクはそれぞれ、導体(22)のクラスター(220)を同一の導体の他のクラスターの前記第1の端子(222)及び前記第2の端子(224)に接続する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の積層バスバー(12)。
- 前記第1の開口(262)は、前記最上層(24a)に配置され、前記第1の開口はそれぞれ、同一のエネルギー蓄積装置に接続するように構成された対の終端部(226,228)の間の接続ギャップ(232)にアクセスすることができるようにし、前記第1の開口はそれぞれ、前記対の終端部にアクセスすることができるように構成された、請求項1に記載の積層バスバー(12)。
- 前記底層(24b)は、第2の開口(264)及び第3の開口(266)を備え、
前記第2の開口はそれぞれ、前記第1の終端部を前記エネルギー蓄積装置の正極(48)に溶接できるように対の終端部(226,228)のうちの第1の終端部(226)にアクセスすることができ、
前記第3の開口はそれぞれ、前記第2の終端部を前記エネルギー蓄積装置の負極(52)に溶接できるように前記対の第2の終端部(228)にアクセスすることができる、請求項5に記載の積層バスバー(12)。 - 前記端部(122a,122b)はそれぞれ、エネルギー蓄積装置(40)のそれぞれに接続するときに他の端部と逆の極を有するように構成されるとともに終端導体(14)又は接合バー(16)に接続するように構成された、請求項2〜6のいずれか一項に記載の積層バスバー(12)。
- 積層バスバー(12)と、二つの終端導体(14)と、を備え、前記積層バスバーは、一つの積層帯(120)を備え、前記一つの積層帯の二つの端部(122a,122b)はそれぞれ、終端導体(14)の各々に接続される、請求項7に記載のバスバー(10;110)。
- 前記積層バスバー(12)は、対の二つの積層帯(120)と、二つの終端導体(14)と、接合バー(16)と、を備え、
前記対の前記導電帯のそれぞれの縦軸(A120)は、互いに平行であり、
前記対の一方の積層帯(120)の少なくとも一つの導体(22)及び少なくとも一つの端部(122a,122b)を、横軸(B120)に沿って前記対の他方の導電帯の導体(22)及び少なくとも一つの端部(122b,122a)に整列させ、
前記横軸に沿って互いに整列した二つの端部は、互いに逆の極性を有し、
前記横軸に沿って整列した二つの端部は、接合バー(16)によって互いに結合され、
他の二つの端部はそれぞれ、終端導体(14)に結合されるように構成された、請求項8に記載のバスバー(10)。 - 前記対の二つの積層帯の積層帯(120)はそれぞれ、同数の導体(22)を有し、
前記対の二つの積層帯(120)の導体(22)はそれぞれ、同数のクラスター(220)を有する、請求項9に記載のバスバー(10)。
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