JP2022075652A - セル組立方法、貯蔵ユニット、及び関連車両用バッテリパック - Google Patents

Abstract

【課題】簡素かつ費用効果の高い実装からなるセル組立方法、電気エネルギー貯蔵ユニット、及び車両用バッテリパックを提供する。【解決手段】車両用バッテリパックに取り付け可能なセルを組み立てる方法であって、本方法が、同じ極性を有するそれぞれの電極のタブ（６）が互いに位置合わせされるように、複数の電極（３、４）を積層するステップと、同じ極性を有するタブ（６）が、互いに少なくとも部分的に対向し、かつ本体（８）に対して遠位にある、それぞれのタブ（６）の重なり領域（７）に一致して少なくとも部分的に重ね合わされるように、第１の平面セル（２）及び第２の平面セル（２）を配置するステップと、第１の平面セル（２）に属する少なくとも１つの端子タブ（６）と、第２の平面セル（２）に属する端子タブ（６）とを、前記重なり領域（７）に一致するように互いに直接溶接するステップと、を含む方法とする。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照

本特許出願は、２０２０年１１月６日に出願されたイタリア特許出願第１０２０２０００００２６５９３号からの優先権を主張し、その開示内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、自動車分野におけるエネルギー貯蔵システムの範囲に関するものであり、具体的には、セル組立方法、電気エネルギー貯蔵ユニット、及び関連する車両用バッテリパックに関するものである。

リチウム電池により、その密度の高さから、自動車分野での電気自動車の推進がますます行われるようになっている。とりわけリチウムポリマーは現在、化学的観点から、大容量バッテリの製造における最先端技術を代表している。

異なるセル（概ねそれぞれ３．７Ｖ）の直列及び並列の相互接続を設けて、車両用バッテリパックに必要な総電圧及び総エネルギー密度を得る解決策が知られている。

市場で通常入手可能なスマートフォンやタブレットに電力供給するバッテリモジュール（そして、自動車分野でもますます普及している）は、他の寸法と比較して厚さが極めて限られている、平面パウチバッテリで構成されている。極めて広い２つの対向面（熱がほぼ完全に放散する）と薄くて細長い４つの側面とが特定され、セルの正の端子と負の端子とが、１つ又は２つの対向側面上に配置される。

通常、前述の端子は、異なるセルを互いに直列又は並列に電気的に接続するために使用される。具体的には、各セルは、極性（正極と負極）が交互になっている複数の積層電極板で構成されている。これらの電極板のそれぞれは、電極板の残りの部分から延在するタブを含み、第１の溶接手段によって、同じ極性の電極板から延在する同じセルの他のタブに電気的に接続され、続いて、概して電極タブに対してより厚く、より剛性のある金属板で構成されたセルの端子（それぞれ、正極又は負極）に、第２の溶接手段によって接続される。

ただし、前述の溶接は通常、レーザ装置（厚みの大きいものの溶接では極めて低速）、又は超音波装置（摩耗が激しい場合、とりわけソノトロードを頻繁に交換し、交換のたびにレーザ装置を調整する必要がある）を使用して実行される。

さらに、前述の製造方法によって得られるバッテリパックは、依然として非常に高価でかさばるものである。

本発明の目的は、とりわけ、上記の欠点を少なくとも部分的に含まず、同時に簡素であり、費用効果の高い実装からなる、セル組立方法、電気エネルギー貯蔵ユニット、及び関連車両用バッテリパックを提供することである。

本発明によれば、セル組立方法、電気エネルギー貯蔵ユニット、及び関連車両用バッテリパックが、添付の特許請求の範囲に記載しているように提供される。

これらの請求項では、本明細書の必須部分を形成する、本発明の好ましい実施形態について説明している。

次に、本発明について、そのいくつかの非限定的かつ例示的な実施形態を示す添付の図面を参照しながら説明する。具体的には、
従来技術に従って直列に電気的に相互接続された２つのセルを備える、電気エネルギー貯蔵ユニットの一部の概略断面図である。 本発明に従って直列に電気的に相互接続された２つのセルを備える、電気エネルギー貯蔵ユニットの一部の概略断面図である。 本発明の第１の実施形態の概略及び斜視図である。 本発明による第２の実施形態の概略及び斜視図である。 図３の貯蔵ユニットを構成する車両用バッテリパックの斜視及び概略図である。

図１において、Ｕは、先行技術に属し、各々がそれぞれのパウチＰの内側に閉鎖され、それぞれが、互いに対して交互に積層され、かつセパレータ層（これも既知のタイプであるため、図示していない）によって間隔が置かれた複数の正のＥ＋電極板及び負のＥ－電極板を順番に含む、少なくとも２つの平面セルＣを備える一般的な電気エネルギー貯蔵ユニットを示す。各電極板Ｅ＋、Ｅ－は、それぞれの電極タブＴ（この場合、セルＣの両側に配置される、即ち、図１に示すものは、正又は負の同じ極性を有するすべての電極タブＴである）を含み、この電極タブＴは、セルＣの本体Ｂから延在している（電極とセパレータとの積層体によって正確に画定される）。

図１に示すセルＣのそれぞれにおいて、電極タブＴは、タブの束を形成する溶接Ｗ’によって最初に互いに溶接される。

次に、そのようなタブの束は、溶接Ｗ’’によってセルの電気端子ＴＲにさらに溶接され、各タブＴに対して厚さがはるかに厚くなっている。

次に、セルＣは、同じ極性を有するそれぞれの端子ＴＲに接触することによって直列に接続される。図１から明らかなように、直列に接続された２つのセルの本体Ｂ間の距離は、概ねセンチメートルのオーダー、具体的には、３ｃｍを超える距離Ｌ’に相当する。

図２において、参照番号１は全体として、本発明の第１の態様による、（車両の移動のための）車両用バッテリパックに設置され得る電気エネルギー貯蔵ユニットを示す。

電気エネルギー貯蔵ユニット１は、互いに直列に接続された少なくとも２つの平面セルＣを備える。

セルＣはそれぞれ、複数の電極３及び４（例えば、それぞれ負極及び正極）を含む。次に、電極はそれぞれ、セル２の本体８から突出して延在するそれぞれの端子タブ６を含む。

端子タブ６は、正の電極及び／又は負の電極と一体的に作製されているか、又はそれらから作製されていると有利であるが、必ずしもそうである必要はない。具体的には、端子タブ６はそれぞれ、正又は負の電極の集電体（通常は、活物質でコーティングされている）と一体的に（集電体から）作製されている。より具体的には、集電体及びこの集電体から延在する端子タブは、アノード用に銅から作製され、カソード用にアルミニウム又は亜鉛から作製されている。

具体的には、平面セル２はそれぞれ、他の寸法に対して厚さが極めて限定された、平行六面体形状を有する。したがって、２×２に対応する６つの面が識別され、そのうち、図３及び図４の非限定的な実施形態に示すように、２つは非常に幅広の平面Ｓ’、２つは薄く細長い前面Ｓ’’であり、かつ２つは横方向の薄く細長い面’’’（前面Ｓ’’’に対して細くなっている）である。

有利には、電極３及び４は、同じ極性（正極又は負極、したがって同じ材料よりなる）のタブ６が互いに（垂直方向に）位置合わせされるように、互いに対して積層されている。具体的には、平面セル２は、各平面セル２と同じ極性（正極又は負極、したがって同じ材料よりなる）を有するタブ６が、少なくとも部分的に互いに対向するように配置されている。即ち、隣り合う２つのセルの面Ｓ’’’（図３の非限定的な実施形態に示すように）又は面Ｓ’’（図４の非限定的な実施形態に示すように）が互いに（かつ平行方向に）対向している。

有利には、図２～図５の非限定的な実施形態に示すように、平面セル２は、直列に接続された隣り合う２つのセルと同じ極性を有するタブ６が、重なり領域７に一致して少なくとも部分的に重ね合わせられるように配置されている。より正確には、隣り合う２つのセル２のタブ６間の重なり領域７は、各セル２に対して、またそれぞれのセル２の本体８に対して、各タブ６の遠位位置にある。

具体的には、前記重なり領域７に一致するように、平面セル２に属する少なくとも１つの端子タブ６と、隣接する平面セル２に属する端子タブ６とは、とりわけ好ましくは、２つの平面セル２を直列に接続するように、熱溶着によって互いに直接溶接されている。領域７に重ねられたタブ６が同じ極性を有するのは、明らかである。

いくつかの非限定的な事例において、この溶接はレーザ溶接、具体的には線形溶接（溶接対象の端子タブ６が突出する面Ｓ’’、Ｓ’’’に平行な方向に沿って）又はスポット溶接である。

図２の非限定的な実施形態に示すように、直列に接続された２つのセル２の本体８間の距離は、距離Ｌ’’に相当し、距離Ｌ’よりも短く、好ましくはミリメートルのオーダー、具体的には２５ｍｍよりも短く、より正確には１０ｍｍよりも短くなっていると有利であるが、必ずしもそうである必要はない。

好ましくは、図２及び図３の非限定的な実施形態に示すように、重なり領域（７）において、セル２の少なくとも１つの端子タブ６は、他方のセル２の２つの端子タブ６間に間置され、かつ／又は逆も同様となる。

いくつかの非限定的な実施形態によれば、同じ極性を有し、平面セル２に属する２つ又はそれ以上（例えば、３つ又は４つ）の連続する位置合わせタブは、隣接する平面セル２と同じ極性を有するタブ６と溶接される前に、互いに溶接される。

図３及び図５の非限定的な実施形態によれば、同じ平面セル２において異なる（反対の）極性を有する端子タブ６は、平面セル２の両側、具体的にはそれぞれのセルの面Ｓ’’’から突出している。この場合、直列に接続された平面セル２は同じ平面上にあり、かつ同じ長手方向対称軸上にある。

図４の非限定的な実施形態では、同じ平面セル２の異なる（反対の）極性を有する端子タブ６は、平面セル２の同じ側、具体的には各セル２の面Ｓ’’のうちの１つから突出している。これらの事例では、直列に接続された平面セル２は同じ平面上にあるが、同じ長手方向対称軸上にはない。具体的には、これらの平面セル２は、それらが設けられた平面に属する両方向に沿って、互いからオフセットされて配置されている。より具体的には、セル２は互いに（長さが）等しく、貯蔵ユニット１の長手方向に沿って、それらの長さの半分だけオフセットされている。このようにして、図４に示すように、セルをコイルとして配置したユニット１を構成することができる。また、このようにして、直列のすべての接点が同じ直線上で連続しているため、各セルの電圧を連続的に検出する安全構造の構造を簡素化することができる。

貯蔵ユニット１は、単一の外部パウチ５を備え、その中に少なくとも一対のセル２が収容されていると有利であるが、必ずしもそうである必要はない。

本発明のさらなる態様によれば、前述の内容に従って、少なくとも１つのユニット１を備える車両用バッテリパック１０が提供される。

バッテリパック１０は、図５の非限定的な実施形態に示すように、ユニット１の複数のレベル（層）を備えていると有利であるが、必ずしもそうである必要はない。

図５の上層に示すようないくつかの非限定的な事例では、ユニット１はバッテリパックの全レベルを占め、また、述べているように、直列に接続された３つ以上のセルをさらに含む。このようにして、本発明の利点は最大となる。

第２の層（上端を起点として）に示すような他の非限定的な事例では、１つのレベルは、既知の技術に従って直列に相互接続された複数のユニット１を含む。このように、本発明の利点は部分的であるが、いずれにせよ顕著なものである。

バッテリパック１０は、安全システムＳＳ及びバッテリ管理ユニット（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ：ＢＭＵ）をさらに備え、具体的には、バッテリパック１０の両側に共に配置されていると有利であるが、必ずしもそうである必要はない。

バッテリパック１０は、具体的にはエネルギー貯蔵ユニット１のレベルに垂直なバッテリパック１０の壁上（また、システムＳＳによって、かつＢＭＵによって占められる壁以外の壁上）に配置された、冷却システムＣＳをさらに備えていると有利であるが、必ずしもそうである必要はない。

本発明のさらなる態様によれば、車両用バッテリパックに取り付けることができる、平面セル２を組み立てるための方法が提供される。具体的には、本方法は、電気エネルギー貯蔵ユニット１を製造することを目的としている。

有利なことに、本方法は、平面セル２、複数の少なくとも３つの電極３及び４を生成するように極性を交互に変えて積層するステップであって、これら電極３及び４のそれぞれは、セル２の本体８から延在するそれぞれの端子タブ６を含む、ステップを含む。具体的には、電極３及び４は、同じ極性を有するタブ６が互いに（垂直方向に）位置合わせされるように積層されている。

本方法は、２つの平面セル２のそれぞれと同じ極性を有するタブ６が、少なくとも部分的に対向し、かつ本体８に対して遠位にある、それぞれのタブ６の重なり領域７に一致して少なくとも部分的に重ね合わされるように、少なくとも２つの平面セル２を配置するステップをさらに含む。
即ち、セル２の極性が正極である（又は負極である）タブ６は、他のセル２において極性が負極である（又は、直列又は並列に行われる接続の形式に応じて、正極になる）を有するタブ６に、少なくとも部分的に重ね合わされる。

具体的には、本方法は、平面セル２に属する少なくとも１つの端子タブ６と、そのセル２が直列に接続されている、隣接する平面セル２に属する端子タブ６とを互いに直接溶接するさらなるステップを提供する。詳細には、この溶接するステップは、前記重なり領域７に一致するように行われる。

好ましくは、第１のセル２の少なくとも１つの端子タブ６が、第２のセル２の２つの端子タブ６間に間置され、かつ／又は逆も同様となるように、セル２と同じ極性を有する端子タブ６と、他のセル２と同じ極性を有するそれぞれの端子タブ６とは互いに溶接される。

本方法は、同じ極性を有し、かつ同じ平面セル６に属する１つ又はそれ以上の端子タブ６を事前に溶接するステップをさらに含むと有利であるが、必ずしもそうである必要はない。

いくつかの非限定的な事例では、平面セル２において同じ極性を有する端子タブ６は、直列に接続された隣接セル２において同じ極性を有するそれぞれの端子タブ６と個別に、又は対になって溶接される。

本方法は、少なくとも第１のセル及び第２のセルを同じパウチ５内に封入するさらなるステップを含むと有利であるが、必ずしもそうである必要はない。

いくつかの非限定的な事例では、この溶接するステップは、溶接が実行される異なるセルのタブ間の溶接箇所と同じ数の、複数のプロングを備えた溶接装置によって実行される。

他の非限定的な事例では、この溶接するステップは、レーザ溶接装置によって実行される。

したがって、電気エネルギー貯蔵ユニット１は、直列に接続された隣り合う２つのセル２のタブ６の間に中間金属端子（例えば、端子ＴＲ）を含まないと有利であるが、必ずしもそうである必要はない。

したがって、具体的に本組立方法では、直列に接続された隣り合う２つのセル２のタブ６間に中間金属端子は使用されない。

上記の発明は、非常に正確かつ例示的な実施形態にとりわけ言及しているが、例えば、異なる形式の配置、異なる種類の材料、異なる幾何学的形態など、添付の特許請求の範囲によって網羅されるすべての変形形態、修正形態、又は簡略化形態がその範囲内に含まれるため、そのような例示的な実施形態に限定されると見なすべきではない。

上記の方法、ユニット及び装置には、数多くの利点がある。

第一に、本発明により、バッテリパック内の空間の使用を最適化することができる。具体的には、長さＬ’と長さＬ’’との差によって強調されるように、直列に接続された２つのセル間に通常存在する空間は、結果的に活物質で充填され得るか、バッテリパックの全体容積を低減するために使用され得る（数百のセルを設けている場合、そのような空間を最適化して使用することにより、多大な効果が生じることになる）。

さらに、本発明により、二重レーザ溶接の低速さと、二重超音波溶接の高所設置及び高維持費とが回避され、これにより時間を節約し、無駄をなくすことができる。

本発明のさらなる利点は、本構造が、バッテリパック内に必要な制御部の数を低減又は簡略化できるようにするという事実にある。

最後に、上記の方法、ユニット、及びバッテリパックは、バッテリパックの製造で実行される溶接の総数がほぼ半分になるため、相対誤差係数も半減し、これにより、バッテリパック製造中に無駄が生じる可能性を制限することができる。

１ 貯蔵ユニット
２ セル
３ 電極
４ 電極
５ パウチ
６ タブ
７ 溶接箇所
８ セル本体
１０ バッテリパック
Ｕ 貯蔵ユニット
Ｃ セル
Ｅ＋電極
Ｅ－電極
Ｐ パウチ
Ｔ タブ
Ｗ’ 溶接箇所
Ｗ’’ 溶接箇所
Ｌ’ セル間距離
Ｌ’’ セル間距離
Ｂ セル本体
ＴＲ 端子
Ｓ’ 面
Ｓ’’ 面
Ｓ’’’ 面
ＢＭＵ バッテリ管理ユニット
ＳＳ 安全
ＣＳ 冷却システム

Claims (13)

1. 車両用バッテリパックに取り付け可能なセルを組み立てる方法（１０）であって、前記方法が、
   平面セル（２）、複数の少なくとも３つの電極（３、４）を生成するように極性を交互に変えて積層するステップであって、前記電極（３、４）のそれぞれが、前記セル（２）の本体（８）から延在するそれぞれの端子タブ（６）を含み、前記電極（３、４）が、同じ極性を有する前記タブ（６）が互いに位置合わせされるように積層されており、前記端子タブ（６）が、前記電極（３、４）と一体的に作製されているか、又は前記電極（３、４）から作製されている、ステップと、
   前記第１の平面セル（２）及び前記第２の平面セル（２）と同じ極性を有する前記タブ（６）が、互いに少なくとも部分的に対向し、かつ前記本体（８）に対して遠位にある、それぞれの前記タブ（６）の重なり領域（７）に一致して少なくとも部分的に重ね合わされるように、前記第１の平面セル（２）及び前記第２の平面セル（２）を配置するステップと、
   前記第１の平面セル（２）に属する少なくとも１つの端子タブ（６）と、前記第２の平面セル（２）に属する端子タブ（６）とを、前記重なり領域（７）に一致するように互いに直接溶接するステップであって、
   前記第１のセル（２）の少なくとも１つの端子タブ（６）が、前記第２のセル（２）の２つの端子タブ（６）間に間置され、かつ／又は逆も同様となるように、前記第１のセル（２）と同じ極性を有する前記端子タブ（６）と、前記第２のセル（２）と同じ極性を有するそれぞれの端子タブ（６）とが互いに溶接される、ステップと、を含む、方法。
2. 同じ極性を有し、かつ同じ第１又は第２のセル（２）に属するより多くの端子タブ（６）を事前に溶接するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のセル（２）において同じ極性を有する前記端子タブ（６）が、前記第２のセル（２）と同じ極性を有するそれぞれの端子タブ（６）と個別に、又は対になって溶接される、請求項１に記載の方法。
4. 少なくとも前記第１のセル（２）及び前記第２のセル（２）を同じパウチ（５）又はケーシング内に封入するさらなるステップを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記溶接するステップが、溶接が実行される異なるセルのタブ（６）間の溶接箇所と同じ数の、複数のプロングを備えた溶接装置によって実行される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記第１の平面セル（２）に属する前記タブ（６）と、前記第２の平面セル（２）に属する前記タブ（６）との間に中間金属端子が使用されない、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 車両用バッテリパック（１０）に取り付け可能な電気エネルギー貯蔵ユニット（１）であって、前記ユニット（１）が、それぞれが複数の少なくとも３つの電極（３、４）を含む少なくとも第１の平面セル（２）及び第２の平面セル（２）を備え、前記電極（３、４）がそれぞれ、前記それぞれのセル（２）の本体（８）から延在するそれぞれの端子タブ（６）を含み、前記電極（３、４）が、同じ極性を有する前記タブ（６）が互いに位置合わせされるように積層されており、
   前記端子タブ（６）が前記電極（３、４）と一体的に作製されているか、又は前記電極（３、４）から作製されており、前記第１の平面セル（２）及び前記第２の平面セル（２）と同じ極性を有する前記タブ（６）が、互いに少なくとも部分的に対向するように、前記第１の平面セル（２）及び前記第２の平面セル（２）が配置されており、
   前記貯蔵ユニット（１）が、
   前記第１の平面セル（２）及び前記第２の平面セル（２）と同じ極性を有する前記タブ（６）が、前記本体（８）に対して遠位にある、それぞれの前記タブ（６）の重なり領域（７）に一致して少なくとも部分的に重ね合わされるように、前記第１の平面セル（２）及び前記第２の平面セル（２）が配置されており、
   前記重なり領域（７）に一致するように、前記第１の平面セル（２）に属する少なくとも１つの端子タブ（６）と、前記第２の平面セル（２）に属する端子タブ（６）とが、互いに直接溶接されており、
   前記重なり領域（７）において、前記第１のセル（２）の少なくとも１つの端子タブ（６）が、前記第２のセル（２）の２つの端子タブ（６）間に間置され、かつ／又は逆も同様となっていることを特徴とする、電気エネルギー貯蔵ユニット（１）。
8. 同じ極性を有し、前記第１の平面セル（２）に属する隣接タブ（６）が、前記第２の平面セル（２）と同じ極性を有する前記タブ（６）と溶接される前に、互いに溶接される、請求項７に記載のユニット（１）。
9. 異なる極性を有する前記端子タブ（６）が、前記それぞれの平面セル（２）の両側から突出しており、前記第１の平面セル（２）と前記第２の平面セル（２）とが同じ平面上にあり、かつ同じ長手方向対称軸上にある。請求項７又は８のいずれか一項に記載のユニット（１）。
10. 異なる極性を有する前記端子タブ（６）が、前記それぞれの平面セル（２）の同じ側から突出しており、前記第１の平面セル（２）と前記第２の平面セル（２）とが同じ平面上にあるが、同じ長手方向対称軸上にはない、請求項７又は８のいずれか一項に記載のユニット（１）。
11. 前記セルが、前記セルが設けられた前記平面に属する両方向に沿って、互いからオフセットされて配置されている、請求項１０に記載のユニット（１）。
12. 前記セルが互いに長さが等しく、前記貯蔵ユニット（１）の長手方向に沿って、前記セルの長さの半分だけオフセットされている、請求項１１に記載のユニット（１）。
13. 請求項７から１２のいずれか一項に記載の、少なくとも１つのユニット（１）を備える車両用バッテリパック（１０）。

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