JP2023549275A - 電池モジュール及び電気自動車 - Google Patents

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Abstract

本発明は、複数のセルと、内部フレームと、複数のチャンバーを形成するように内部フレームと組み立てられる外部ケースとを含むセル拘束構造と、を含み、前記複数のチャンバーは、前記複数のセルをパッケージし管理するように前記複数のセルを一対一で受け入れる電池モジュールであって、内部フレームは、各チャンバーの少なくとも１つの第１の表面を形成する弾性素子を含み、弾性素子は、各チャンバー中に受け入れられた対応するセルによって予定量で押圧されて弾性変形することにより、弾性変形した弾性素子が対応するセルに第１の作用力を加え、対応するセルが動作中に可逆的に膨張又は収縮することに応じて、弾性変形した弾性素子は、第１の作用力が対応するセルの受ける拘束力を決定するように、さらに押圧されるか、又は回復しようとする電池モジュールに関する。【選択図】図６

Description

本発明は、動力電池の技術分野に関し、特に、電池モジュール及び電気自動車に関する。
リチウムイオン電池に代表される動力電池、特に二次動力電池を重要なエネルギー貯蔵装置として使用する交通機関（例えば、自動車、船舶、及び航空機など）がますます多くなり、必要な場合には、動力電池は、連続放電によって交通機関に全部の動力源又は主な動力源を提供することができる。様々な交通機関の電力需要を満たすために、動力電池のエネルギー密度は向上している。そのために、これらの動力電池の製造技術も改良され、より安全で、より経済的でかつより柔軟に各種の交通機関に適用される動力電池を提供している。
現在、動力電池、特に電気自動車に適用される動力電池は、大きく２つの技術案に基づいて製造され得る。第１の技術案は、セル－モジュール－電池パックの３レベルに依存して動力電池を設計することであるが、関係部品が多く、集積効率が低く、かつ製造コストが高い。第２の技術案は、セル－電池パックの２レベルに依存して動力電池を設計することであり、例えば、モジュールレベルを除去するように、セルを接着剤を介して電池パックのトレイに直接固定している。しかしながら、第２の技術案は、製造プロセスが複雑で、安全性が低く、かつメンテナンスコストが高い。
本発明の１つの目的は、改良された電池モジュール及び前記電池モジュールにより動力を供給する電気自動車を提供することである。本発明の電池モジュールは、モジュール化された動力電池として使用され、高集積度で、簡略化された部品で完全な機能を持つエネルギー貯蔵装置を設計しているため、集積効率が高く、安全性が高く、メンテナンスコストが低く、かつ製造のプラットフォーム化を実現することができる。電気自動車に動力を供給するために、様々なタイプの電気自動車の電力需要に応じて、１つ又は複数の電池モジュールを電気自動車の適切な場所に直接取り付けることができる。
本発明の一様態によれば、複数のセルと、内部フレームと、複数のチャンバーを形成するように内部フレームと組み立てられる外部ケースとを含むセル拘束構造と、を含み、前記複数のチャンバーは、前記複数のセルをパッケージし管理するように前記複数のセルを一対一で受け入れる電池モジュールであって、内部フレームは、各チャンバーの少なくとも１つの第１の表面を形成する弾性素子を含み、弾性素子は、各チャンバー中に受け入れられた対応するセルによって予定量で押圧されて弾性変形することにより、弾性変形した弾性素子が対応するセルに第１の作用力を加え、対応するセルが動作中に可逆的に膨張又は収縮することに応じて、弾性変形した弾性素子は、第１の作用力が対応するセルの受ける拘束力を決定するように、さらに押圧されるか、又は回復しようとする電池モジュールを提供している。
対応するセルが動作中で不可逆的に膨張し始めることに応じて、弾性変形した弾性素子は、弾性変形の限界までにさらに押圧されてもよい。
弾性素子は、２つの弾性層と、前記２つの弾性層の間に介在する断熱層と、を含む積層製品であってもよい。
内部フレームは、各チャンバーの少なくとも１つの第２の表面を形成する断熱素子を含み、断熱素子は、前記複数のセルを支持し、低い熱伝導率を有してもよい。
複数の弾性素子及び複数の断熱素子が設けられており、前記複数の弾性素子及び前記複数の断熱素子は、各チャンバーの前記少なくとも１つの第１の表面及び前記少なくとも１つの第２の表面を形成するように互いに垂直に交互に配列され、第１の表面の面積は、第２の表面の面積よりも大きくてもよい。
外部ケースは、前記複数のセルを支持し冷却するための冷却素子を含み、冷却素子は、各チャンバーの第３の表面を形成する冷却板を含み、冷却板は熱伝導性接着剤を介して前記複数のセルに貼り付けられてもよい。
外部ケースは、前記複数のチャンバーを封止するように、内部フレームを被覆するとともに冷却板に接続されてもよい。
冷却素子は、冷却板の両側に設けられ冷却板に対して垂直に延びる補強リブを含み、補強リブは、外部ケースに接続され、外部ケースを介して前記複数のセルに第１の作用力よりも大きい第２の作用力を加えることができてもよい。
前記複数のチャンバーは、第１組のチャンバーと第２組のチャンバーとに分割され、冷却板は、対向する第１の冷却面及び第２の冷却面を含み、第１の冷却面は、第１組のチャンバーの各々のチャンバーの第３の表面を形成し、第２の冷却面は、第２組のチャンバーの各々のチャンバーの第３の表面を形成してもよい。
セル拘束構造は、外部ケースと前記複数のセルとの間に介在する絶縁素子を含み、絶縁素子は、熱伝導性接着剤によって前記外部ケース及び前記複数のセルに貼り付けられ、高い熱伝導率を有してもよい。
セル拘束構造は、外部ケースと前記複数のセルとの間に介在する煙誘導素子を含み、煙誘導素子は、前記複数のセルに用いられる煙道を画定するように配置されてもよい。
煙誘導素子は、高い熱伝導率を有する絶縁材料で作られるメインパネルを含み、メインパネルの外部ケースに面する表面は、熱伝導性接着剤によって外部ケースに貼り付けられてもよい。
熱伝導素子は、メインパネルの前記複数のセルに面する表面に設けられたフランジをさらに含み、前記フランジは、前記複数のセルに当接することにより煙道を形成してもよい。
前記フランジは、メインパネルの両側にメインパネルに対して垂直に延びる第１のフランジ部と、第１のフランジ部の内側に平行に間隔をあけて設けられる第２のフランジ部と、第１のフランジ部と第２のフランジ部との間に垂直に設けられる第３のフランジ部とを含み、第２のフランジ部には少なくとも１つの開口が設けられてもよい。
第１のフランジ部は、熱伝導率を有する材料で作られ、第２のフランジ部及び第３のフランジ部は、低い熱伝導率を有する材料で作られてもよい。
前記複数のセルの煙誘導素子に面する表面には、断熱パッチが設けられてもよい。
外部ケースは、電池モジュールの一端側に位置するリリーフ弁を含み、リリーフ弁は、煙道を通ってリリーフ弁に流れる煙が側方に外部環境に排出されるように水平方向に位置決めされてもよい。
リリーフ弁は、煙道を通ってリリーフ弁に流れる煙が先にフィルタ素子によって濾過されるように、フィルタ素子によって覆われてもよい。
本発明の別の様態によれば、電池モジュールカセットと、１つ又は複数の物理的又は電気的接続素子によって電池モジュールカセットに取り付けられている、１つ又は複数の上述したような電池モジュールと、を含む電気自動車を提供している。
これによって、本発明による電池モジュールにおけるセル拘束構造の個々の部品は、前記複数のセルを個別に又はグループ毎にパッケージし管理するために用いられ、これにより、個々の部品が最適に利用され、電池モジュールの集積効率を向上させることができる。特に、動作中のセルの受ける力は、弾性素子によってより良好に制御され得る。特に、断熱素子により、セルを支持し、セル間の熱伝導を遮断することができる。特に、２組に分割された前記複数のセルが、冷却素子に対して対称に配置されることによって、冷却素子の利用効率を向上させることができる。特に、絶縁素子によって、セルが外部ケースから電気的に絶縁され、かつ組み立てプロセスによるセルの損傷が防止される。特に、煙誘導素子によって、セルの熱暴走防止が最適化される。
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、以下の本発明の例示的な実施例の詳細な説明から明らかになる。
明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の実施例を記述し、明細書と共に本発明の原理を説明するために使用される。
図１は、本発明の一実施形態による電池モジュールの組立図である。 図２は、図１の電池モジュールの分解図である。 図３は、図１の電池モジュールの一部のさらなる分解図である。 図４は、本発明の一実施形態による電池モジュールの外部ケースの透視図である。 図５は、本発明の一実施形態による電池モジュールの冷却板の透視図である。 図６は、図１の電池モジュールの断面図である。 図７は、本発明の一実施形態による電池モジュールの煙誘導素子の透視図である。 図８は、図１の電池モジュールの上面図である。 図９は、図８の破線枠内の電池モジュールの部分断面図である。
以下、本発明の様々な例示的な実施例について図面を参照して詳細に説明する。なお、これらの実施例に記載されている部品及び手順の相対的な配置、数式及び数値は、特に説明がない限り、本発明の範囲を限定するものではない。
関連分野の当業者に知られている技術及び装置について詳細に論じないことがあるが、適切な場合には、前記技術及び装置は明細書の一部とみなすべきである。
本明細書に示され、論じされる全ての例において、任意の具体的な値は、単なる例示として解釈されるべきであり、限定とされるべきではない。したがって、例示的な実施例以外の例は、異なる値を有してもよい。
なお、以下の図面において、類似な符号及びアルファベットは類似な項目を示すものであるので、ある項目が１つの図面において定義されると、それ以降の図面においては、それ以上の説明は不要である。また、以下では、本発明で提案する電池モジュールの相対的な方位を、図中の観察方向を基準として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸からなる直交座標系で記述しているが、電池モジュールの配置を限定することを意図するものではない。
なお、本発明で提案する電池モジュールは、電気機器としての交通機関（例えば、電気自動車）に、１つ又は複数の物理的又は電気的接続素子によって直接取り付けられてもよい。したがって、このような電池モジュールは、もはや独立して動作することができ、さらにパッケージすることなく適用することができる。
図１を参照すると、図１における組み立て済みの電池モジュール１０は、電気自動車に適用することができる。本発明で言及された電気自動車は、単純な電気自動車またはハイブリッド自動車を含む。例えば、電気自動車は、シャーシ上に電池モジュールカセット（図示せず）が設けられており、電池モジュール１０は、電池モジュールカセットに対し固定されかつ電気自動車の電動機に電気的に接続されるように、１つ又は複数の物理的又は電気的接続素子によって電池モジュールカセットに取り付けられてもよい。電気自動車の具体的な電力需要に応じて、具体的な電池モジュールカセットの体積は、電池モジュール１０の体積の倍数に対応し、これにより、電池モジュール１０を量産して異なる電気自動車に適用することができる。
図２を参照すると、分解された電池モジュール１０は、電池モジュールの内部に位置する複数のセル１００を示しており、例えば、セル１００は、三元系リチウムセルである。セルのパッケージの材質及び形状に応じて、セル１００は、ハードケース、ソフトバッグ及び円筒などの異なるタイプを含むことができるが、これらに限定されない。例として、以下に説明するセル１００の形状は、Ｚ軸に対向する上面１１２及び下面１１４と、Ｙ軸に対向する前面１１８及び後面１１６と、Ｘ軸に対向する２つの側面とを含む六面立方体であり、ここで、セル１００の上面１１２及び下面１１４は、明らかにより大きな面積を有し、以下において大きな面と呼ばれる。
電池モジュール１０は、前記複数のセル１００をパッケージし管理するように配置されたセル拘束構造を含む。セル拘束構造が前記複数のセル１００をパッケージすることは、前記複数のセル１００を物理的な空間に支持し、隔離して封止することを意味し、セル拘束構造が前記複数のセル１００を管理することは、主に、前記複数のセル１００を電気的接続、熱伝導、及び熱暴走防護の３つの面で管理することを意味する。特に説明がない限り、セル拘束構造における個々の部品の形状及び大きさは、いずれも電池モジュール１０の安定の構造を実現するように、前記複数のセル１００及び／又は前記複数のセル１００からなるセル群１１０の形状及び大きさに対応している。
好ましくは、セル拘束構造は、内部フレームと、行列状の複数のチャンバーを形成するように内部フレームと組み立てられる外部ケースとを含み、前記複数のチャンバーは、前記複数のセル１００を一対一で受け入れて固定する。
図３を参照すると、内部フレームは、弾性素子１２０及び断熱素子１４０を含み、弾性素子１２０は、各チャンバーの少なくとも１つの第１の表面を形成し、第１の表面は、対応するセル１００の上面１１２及び／又は下面１１４に当接し、断熱素子１４０は、各チャンバーの少なくとも１つの第２の表面を形成し、第２の表面は対応するセル１００の２つの側面の一方又は両方に当接する。したがって、各チャンバーの第１の表面の面積は第２の表面の面積よりも大きい。
図示のように、複数の断熱素子１４０及び複数の弾性素子１２０が設けられ、前記複数の断熱素子１４０及び前記複数の弾性素子１２０は、前記複数のセル１００に対応する複数の開放空間を形成するように互いに垂直に交互に配列されるシート材料であってもよく、これにより、前記複数のセル１００を一対一で置く。例えば、断熱素子１４０の数はＮ＋１個であり、弾性素子１２０の数はＮ個であり、２Ｎ個の開放空間を形成し、ここで、Ｎは整数であってかつＮ≧１である。
セル１００の組み立てにおいて、まず、前記複数のセル１００を複数列のセルに分割し、例えば図２又は図３を参照すると、各列のセルは、Ｚ軸方向に積層された上部セル及び下部セルを含み、弾性素子１２０は上部セルと下部セルとの間に挟まれ、弾性素子１２０は、以下で詳細に説明されるように、動作中のセル１００に第１の作用力Ａを与えることができる（図６参照）。好ましくは、弾性素子１２０は、ゴム、スポンジ、又は構造用接着剤などの弾性材料から作られる。
次に、前記複数列のセルをＸ軸方向に一行に並べ、隣接して配置された２列のセルの間に断熱素子１４０を挟む。断熱素子１４０は、前記複数列のセル間の熱伝導を軽減や遮断することができる。好ましくは、断熱素子１４０はエポキシやエアロゲルなどの低熱伝導率の材料から作られるが、これらに限定されない。
具体的な応用に応じて、異なる数、大きさ、及び／又は形状の断熱素子及び弾性素子を設けて、異なる行列状の複数のチャンバーを形成してもよい。好ましくは、各列のセルは、１または２以上のセル１００を含んでもよい。例えば、各列のセルは、３つのセル１００を含む。この場合に、断熱素子１４０の数はＮ＋１個であり、弾性素子１２０の数は２Ｎ個であり、３Ｎ個の開放空間を形成している。各列のセルは、Ｚ軸方向に順次積層された上部セル、中部セル及び下部セルを含み、２つの弾性素子１２０は、上部セルと中部セルの間、及び中部セルと下部セルの間にそれぞれ挟まれている。
好ましくは、各列のセルのそれぞれのセル間の熱伝導を軽減するために、弾性素子１２０は、２つの弾性層と、２つの弾性層の間に介在する断熱層とを含む積層製品としてもよく、したがって、積層製品は、弾性も断熱性も有している。
再び図２を参照すると、前記複数の開放空間における前記複数のセル１００は合わせてセル群１１０を構成している。セル群１１０は、Ｚ軸方向に対向する上面１１２及び下面１１４、Ｙ軸方向に対向する後面１１６及び前面１１８、及びＺ軸方向に対向する２つの側面１１９を含む。これに対応して、セル群１１０の上面１１２は、前記複数列のセルの上部セルの上面によって構成され、セル群１１０の下面１１４は、前記複数列のセルの下部セルの下面によって構成され、セル群１１０の後面１１６は、前記複数のセル１００の後面によって構成され、セル群１１０の前面１１８は、前記複数のセル１００の前面によって構成され、セル群１１０の側面１１９は、セル群１１０の両端側に位置する２列のセルの側面によって構成される。
好ましくは、内部フレームは絶縁素子１６０をさらに含む。絶縁素子１６０は、外部ケースと前記複数のセル１００との間に位置するように、セル群１１０の上面１１２及び下面１１４を覆う。絶縁素子１６０は、接着剤を介してセル群１１０の上面１１２及び下面１１４にそれぞれに貼り付けられている。絶縁素子１６０は、前記複数のチャンバーの体積にほとんど影響を与えない、厚さ０.２～０.５ｍｍの耐摩耗性シート材料であってもよい。絶縁素子１６０は、セル群１１０の上面１１２、即ち大きな面を外部ケースから電気的に絶縁するとともに、セル群１１０が損傷されることを回避できるように配置されている。これは、外部ケースの組み立てにおいて、絶縁素子１６０は外部ケースとセル群１１０の大きな面との摩擦を防止できるからである。好ましくは、絶縁素子１６０は、セル群１１０の大きな面の放熱を妨げないように電気絶縁性と良好な熱伝導性の両方を有するために、シリコンゴムとガラス繊維の複合物などの高い熱伝導率を有する絶縁材料から作られるが、これらに限定されない。
セル拘束構造は、電池モジュール１０の電気的接続及び電気的検出のための電気システムをさらに含むことが理解される。例えば、電気システムは、高電圧接続装置、低電圧サンプリング装置、及び電気接続装置５５０を含む。
さらに図３を参照すると、各セル１００の前面１１８はいずれも２つのタブ（又はポスト）、すなわち正極タブ（又は正極ポスト）及び負極タブ（又は負極ポスト）を有する。正極タブ及び負極タブは、タブトップカバーによって部分的に覆われており、タブトップカバーは、外部環境の温度がセルの作動性能に影響を及ぼすことを防止するために、例えば、マイカシートなどの断熱シートが設けられてもよい。
高電圧接続装置は、複数の高電圧接続シート５２０を含み、例えば、高電圧接続シート５２０は、アルミニウムバー、銅バー、または他の形態の電流キャリアである。高電圧接続シート５２０は、Ｘ軸方向に隣接して配列された２つのセル１００のうちの一方のセル１００の正極タブと他方のセル１００の負極タブとを電気的に接続し、セル群１１０の一端側に位置する一対のセル１００のうちの一方のセル１００の正極タブと他方のセル１００の負極タブとを電気的に接続する。
好ましくは、低電圧サンプリング装置は、ＦＦＣ（フレキシブルフラットケーブル）、ＦＰＣ（フレキシブル回路基板）、ハーネス、または他の形態の電気信号キャリアを含む。低電圧サンプリング装置は、各セル１００の電圧及び温度を検出し各セル１００の電圧及び温度に関する電気信号をＢＭＳ電池管理システム（図示せず）に伝送するように、各高電圧接続シート５２０に電気的に接続された金属サンプリングシート５３０を含む。ＢＭＳ電池管理システムは、電池モジュール１０とは別体されてもよいし、電池モジュール１０に集積されてもよい。
好ましくは、電気接続装置５５０は、セル群１１０の一端側に位置する１つの断熱素子１４０に（例えば、接着剤によって）設けられている。電気接続装置５５０は、セル群１１０の他端側に位置する一対のセル１００のうちの一方のセル１００の正極タブと他方のセル１００の負極タブとにそれぞれ電気的に接続された２つの高電圧接続シート５２０aに一体に射出、吸引成形、係着、熱かしめされており、これにより、前記複数の高電圧接続シート５２０によって電気的に接続された前記複数のセル１００から供給された電圧と電流を最終的に集約する。電気接続装置５５０は、各セル１００の電圧と温度に関する電気信号を伝達するように、低電圧サンプリング装置にも係着、螺着、熱かしめされている。
電気システムは、セル群１１０の前面１１８及び側面に適切な方法で緊密に取り付けられる。セル拘束構造の他の構成要素をより明確に説明するために、電気システムに対するさらなる記述は合理的に省略されている。
次に、外部ケースを組み立てる。好ましくは、外部ケースは、電池モジュール１０にパッケージ剛性を与えるように、金属材料で作られ、内部フレーム（すなわち、セル群１１０の大きな面、前面１１８、及び２つの側面１１９）を被覆している。好ましくは、外部ケースは、セル群１１０の大きな面及び前面１１８に対応する、断面がＵ字状に類似する成形本体２００（図４参照）と、成形本体２００の両側に位置する第１の端板２２０及び第２の端板２４０とを含み、第１の端板２２０には、電気接続装置５５０に電気出力を与える高電圧ポート２２２及び低電圧ポート２２４（図１参照）が設けられており、第２の端板２４０には、煙中の可燃物を濾過するためのフィルタ素子６００及びフィルタ素子に囲まれ又は覆われるリリーフ素子６２０が設けられている（図２参照）。
図３及び図５を参照する。好ましくは、外部ケースは、前記複数のセル１００を支持し冷却するための冷却素子３００をさらに含む。例えば、金属材料からなる冷却素子３００は、各チャンバーの第３の表面を形成する冷却板３２０を含み、第３の表面は対応するセル１００の後面１１６に当接する。よって、セル群１１０の後面１１６は熱伝導性絶縁接着剤によって冷却板３２０に貼り付けられている。冷却板３２０の内部には、様々な形状の流路が設けられてもよい。冷却板３２０のＸ軸方向に沿った長さは、セル群１１０の長さよりも僅かに長くされ、これにより、冷却板におけるセル群１１０の長さ以上に張り出す一端に入口３０１及び出口３０２を開設し、冷却液源からの冷却液は入口３０１を介して冷却板３２０に入り、様々な形状の流路を流れ、出口３０２から出ることができる。電池モジュール１０の配線を最適化するために、冷却液の入口３０１及び出口３０２は、第１の端板２２０と同じ側に位置する。
好ましくは、冷却素子３００は、冷却板３２０の両側に設けられ冷却板３２０に対して垂直に延びる補強リブ３１０をさらに含み、補強リブ３１０は、溶接、接着又は他の適切な手段によって外部ケースに接続され、例えば、前記複数のセル１００を完全にパッケージするように、Ｕ字状の成形本体２００の２つの自由端２２０（図４参照）に接続される。
好ましくは、冷却素子３００の利用効率を向上させるために、冷却板３２０には、対向する第１の冷却面３１２及び第２の冷却面３１４が設けられている。補強リブ３１０は、冷却素子３００の断面形状が「工」字状となるように、冷却板３２０に対して対称に設けられている。したがって、セル群１１０は、同じ配置に分割された第１のセル群１１０ａ及び第２のセル群１１０ｂを含み、それに応じて、前記複数のチャンバーは、第１のセル群１１０ａを受け入れるための第１組のチャンバー及び第２のセル群１１０ｂを受け入れるための第２組のチャンバーに分割され、第１の冷却面３１２は、第１組のチャンバーの各々のチャンバーの第３の表面を形成し、第２の冷却面３１４は、第２組のチャンバーの各々のチャンバーの第３の表面を形成する。これによって、冷却素子３００は、第１のセル群１１０ａ及び第２のセル群１１０ｂを共通に支持し冷却する。
一般に、セル１００は、動作中に可逆的に充電膨張又は放電収縮することができ、すなわち、充電時にはセル１００の体積が増加し、放電時にはセル１００の体積が減少する。しかし、セル１００の経年劣化に伴い、セル１００は不可逆的に膨張し始める可能性があり、すなわち、セル１００は体積が不可逆的に増加し得、不可逆的に膨張したセル１００はさらに動作中に充電膨張又は放電収縮する。可逆的な膨張又は収縮によるセル１００の体積変化と、不可逆的な膨張によるセル１００の体積増加は、いずれも対応するセル１００が受ける力の変化を引き起こす可能性がある。対応するセル１００が受ける力は大きすぎたり、セル群１１０全体が受ける力は不均一であったりする場合に、セル１００の使用性能と寿命が共に影響を受け、ひいては安全事故を引き起こすこともある。
図６を参照すると、本発明では、各チャンバーに位置する対応するセル１００は、弾性素子１２０、断熱素子１４０、冷却素子３００、及び外部ケースの成形本体２００によって拘束される。セル１００の組み立てにおいて、各チャンバーが対応するセル１００を受け入れて固定すると、弾性素子１２０が対応するセル１００によって予定量で押圧されて弾性変形することにより、弾性変形した弾性素子１２０は、対応するセル１００に第１の作用力Ａを加える。対応するセル１００が動作中に可逆的に膨張又は収縮することに応じて、弾性変形した弾性素子１２０はさらに押圧されるか、又は回復しようとするので、第１の作用力Ａが対応するセル１００の受ける拘束力を決定するようになる。弾性素子１２０の弾性のため、対応するセル１００の体積変化が第１の作用力Ａの値に対する影響は小さい。従来技術においてパッケージケースによってセル１００に直接拘束力を与えることに比べ、弾性素子１２０によって与えられた第１の作用力Ａがほぼ一定であって、セル１００の動作により有利である。
セル１００の経年劣化につれて、対応するセル１００が動作中に不可逆的に膨張し始めることに応じて、弾性変形した弾性素子１２０は弾性変形の限界までにさらに押圧される。このとき、対応するセル１００は、弾性変形の限界に達した弾性素子１２０と共に外部ケースの成形本体２００を押圧して、外部ケースを微量に変形させることで、外部ケースがセル１００の受ける拘束力を決定し始めるようになる。これにより、経年劣化したセル１００が受けた拘束力は合理的な範囲内にあり、セル１００の使用性能及び寿命の急速減衰が回避されている。
最後に、セル１００の寿命の末期において、セル１００が膨張しすぎ、外部ケースを大きく変形させる傾向がある。このような場合、補強リブ３１０は、外部ケース（すなわち、Ｕ字状の成形本体２００の自由端２２０）と接続されてなる接続面を介して前記複数のセル１００に第２の作用力Ｂを加え、これにより、電池モジュール１０のパッケージ構造の失効を回避している。第２の作用力Ｂは第１の作用力Ａよりも大きい。
セル１００の組み立てにおいて、弾性素子１２０の弾性変形（すなわち、プリロード）の予定量は、弾性素子１２０の弾性率及び所望の第１の作用力Ａに基づいて設計することができる。なお、弾性素子１２０の厚さは、対応するセル１００の厚さと、対応するセル１００が動作中に可逆的に膨張又は収縮する第１の膨張率及び／又は収縮率とに基づいて設計することができる。例えば、第１の膨張率及び／又は収縮率は、０～２％の任意の数値である。代替的に、弾性素子１２０の厚さは、対応するセル１００の厚さと、対応するセル１００が動作中に不可逆的に膨張し始める第２の膨張率とに基づいて設計することができる。例えば、第２の膨張率は、０～８％の任意の数値である。
また、電池モジュール１０のうちの１つ又は複数のセル１００が動作中に熱暴走していると、前記１つ又は複数のセル１００は急速に昇温して煙を噴出することになる。煙の熱は煙の拡散によって他のセル１００に伝えてしまい、電池モジュール１０全体の性能及び安全に影響を与える。一方、煙には大量の可燃物が含まれており、煙中の可燃物を処理せずに電池モジュール１０のリリーフ装置から外部環境に排出すると、これらの可燃物が外部環境中の空気によって燃焼し、再び安全上のリスクをもたらす恐れがある。
したがって、図３及び図７のように、セル拘束構造は、外部ケースと前記複数のセル１００との間に位置決めされ、接着剤によって前記外部ケースに貼り付けられた煙誘導素子５８０をさらに含む。煙誘導素子５８０は、セル群１１０全体に用いられる共通の煙道５９０を画定するように配置されている。
好ましくは、煙誘導素子５８０はメインパネル５８２を含み、メインパネル５８２は面積がセル群１１０の前面１１８の面積と等しく、メインパネル５８２は、セル群１１０の前面１１８の放熱を妨げないように高い熱伝導率を有する絶縁材料で作られる。図７中の煙誘導素子５８０は、メインパネル５８２のチャンバー又はセル１００に面する接合面が示されるように図３中の煙誘導素子５８０を９０°回転させたものであり、接合面にはメインパネル５８２に対して垂直に延びるフランジが設けられており、フランジは例えば基本的に直帯状である。
好ましくは、フランジは、接合面の両側に設けられた第１のフランジ部５９２と、第１のフランジ部５９２の内側に平行に間隔をあけて設けられた第２のフランジ部５９４と、２つの第２のフランジ部５９４の間に設けられ前記２つの第２のフランジ部５９４に垂直に接続された第３のフランジ部５９６とを含み、第３のフランジ部５９６の数は複数であり、前記複数の第３のフランジ部５９６は、各列のセルのＸ軸に沿った幅に対応する間隔で互いに平行に設けられている。フランジをセル群１１０の前面１１８に当接させることによって、第１のフランジ部５９２、第２のフランジ部５９４はセル群１１０の前面１１８と共に煙道５９０を形成し、第２のフランジ部５９４、隣り合う２つの第３のフランジ部５９６は各列のセルの前面１１８と共にチャンバー隙間５６０を形成する。このように、チャンバー隙間５６０の数は、複数列のセルの数に対応している。煙道５９０の存在により、チャンバー隙間５６０の面積は、各列のセルの前面１１８の面積よりわずかに小さくなる。また、第２のフランジ部５９４には、煙が主に煙道５９０を通ってフィルタ素子に流れるように、各チャンバー隙間５６０から煙道５９０に通じる少なくとも１つの開口５９８が設けられている。
好ましくは、第１のフランジ部５９２は、セル群１１０の前面１１８の放熱を容易にするために、高い熱伝導率を有する絶縁材料で作られるが、第２のフランジ部５９４及び第３のフランジ部５９６は、１つのセル１００が熱暴走した場合に前記１つのセル１００が他のセル１００への影響を熱的に軽減するために、低い熱伝導率を有する絶縁材料で作られる。
図８及び図９を参照すると、セル群１１０のうちの１つのセル１００が熱暴走によりチャンバー隙間５６０に煙を噴出した場合、チャンバー隙間５６０中の煙は、対応する開口５９８を介して煙道５９０に流れ、煙道５９０に流れた煙は第２の端板２４０に位置するフィルタ素子６００に導かれることにより、可燃物を含む煙は、可燃物が濾過されてから、リリーフ素子６２０から外部環境に排出される。好ましくは、リリーフ素子６２０は、リリーフ弁を含み、リリーフ弁は、煙が側方に外部環境に排出されるように、水平方向に位置決めされている。
好ましくは、前記複数のセル１００の煙誘導素子５８０に面する表面（すなわち、セル群１１０の前面１１８）に断熱パッチを設けて、各セル１００の正極タブ及び負極タブのみを露出させるようにしてもよい。これにより、対応するセル１００が熱暴走した後に発生する煙の逆流が隣り合うセル１００に影響を及ぼすことをさらに防止している。
対応するセル１００が比較的簡単で迅速な方法で煙を導くことができる限り、他の構成の煙道５９０も考えられることを理解されたい。
本発明のいくつかの特定の実施例を例示として詳細に説明したが、当業者は、上記の例示が単に説明のためのものであり、本発明の範囲を限定することを意図しないと理解すべきである。当業者は、本発明の範囲及び趣旨を逸脱しない限り、上記実施形態に対する変更が可能であることを理解すべきである。本発明の範囲は添付された特許請求の範囲によって限定されている。
本発明のいくつかの特定の実施例を例示として詳細に説明したが、当業者は、上記の例示が単に説明のためのものであり、本発明の範囲を限定することを意図しないと理解すべきである。当業者は、本発明の範囲及び趣旨を逸脱しない限り、上記実施形態に対する変更が可能であることを理解すべきである。本発明の範囲は添付された特許請求の範囲によって限定されている。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を付記する。
［１］ 複数のセルと、
内部フレームと、複数のチャンバーを形成するように内部フレームと組み立てられる外部ケースとを含むセル拘束構造と、を含み、
前記複数のチャンバーは、前記複数のセルをパッケージし管理するように前記複数のセルを一対一で受け入れる電池モジュールであって、
内部フレームは、各チャンバーの少なくとも１つの第１の表面を形成する弾性素子を含み、弾性素子は、各チャンバー中に受け入れられた対応するセルによって予定量で押圧されて弾性変形することにより、弾性変形した弾性素子が対応するセルに第１の作用力を加え、
対応するセルが動作中に可逆的に膨張又は収縮することに応じて、弾性変形した弾性素子は、第１の作用力が対応するセルの受ける拘束力を決定するように、さらに押圧されるか、又は回復しようとする
電池モジュール。
［２］ 対応するセルが動作中で不可逆的に膨張し始めることに応じて、弾性変形した弾性素子は、弾性変形の限界までにさらに押圧される
［１］に記載の電池モジュール。
［３］ 弾性素子は、２つの弾性層と、前記２つの弾性層の間に介在する断熱層と、を含む積層製品である
［１］又は［２］に記載の電池モジュール。
［４］ 内部フレームは、各チャンバーの少なくとも１つの第２の表面を形成する断熱素子を含み、断熱素子は、前記複数のセルを支持し、低い熱伝導率を有する
［１］～［３］のいずれか１項に記載の電池モジュール。
［５］ 複数の弾性素子及び複数の断熱素子が設けられており、前記複数の弾性素子及び前記複数の断熱素子は、各チャンバーの前記少なくとも１つの第１の表面及び前記少なくとも１つの第２の表面を形成するように互いに垂直に交互に配列され、第１の表面の面積は、第２の表面の面積よりも大きい
［４］に記載の電池モジュール。
［６］ 外部ケースは、前記複数のセルを支持し冷却するための冷却素子を含み、冷却素子は、各チャンバーの第３の表面を形成する冷却板を含み、冷却板は熱伝導性接着剤を介して前記複数のセルに貼り付けられている
［１］～［５］のいずれか１項に記載の電池モジュール。
［７］ 外部ケースは、前記複数のチャンバーを封止するように、内部フレームを被覆するとともに冷却板に接続されている、
［６］に記載の電池モジュール。
［８］ 冷却素子は、冷却板の両側に設けられ冷却板に対して垂直に延びる補強リブを含み、補強リブは、外部ケースに接続され、外部ケースを介して前記複数のセルに第１の作用力よりも大きい第２の作用力を加えることができる
［７］に記載の電池モジュール。
［９］ 前記複数のチャンバーは、第１組のチャンバーと第２組のチャンバーとに分割され、冷却板は、対向する第１の冷却面及び第２の冷却面を含み、第１の冷却面は、第１組のチャンバーの各々のチャンバーの第３の表面を形成し、第２の冷却面は、第２組のチャンバーの各々のチャンバーの第３の表面を形成する
［６］～［８］のいずれか１項に記載の電池モジュール。
［１０］ セル拘束構造は、外部ケースと前記複数のセルとの間に介在する絶縁素子を含み、絶縁素子は、熱伝導性接着剤によって前記外部ケース及び前記複数のセルに貼り付けられ、高い熱伝導率を有する
［１］～［９］のいずれか１項に記載の電池モジュール。
［１１］ セル拘束構造は、外部ケースと前記複数のセルとの間に介在する煙誘導素子を含み、煙誘導素子は、前記複数のセルに用いられる煙道を画定するように配置されている
［１］～［１０］のいずれか１項に記載の電池モジュール。
［１２］ 煙誘導素子は、高い熱伝導率を有する絶縁材料で作られるメインパネルを含み、メインパネルの外部ケースに面する表面は、熱伝導性接着剤によって外部ケースに貼り付けられている
［１１］に記載の電池モジュール。
［１３］ 熱伝導素子は、メインパネルの前記複数のセルに面する表面に設けられたフランジをさらに含み、前記フランジは、前記複数のセルに当接することにより煙道を形成する
［１２］に記載の電池モジュール。
［１４］ 前記フランジは、メインパネルの両側にメインパネルに対して垂直に延びる第１のフランジ部と、第１のフランジ部の内側に平行に間隔をあけて設けられる第２のフランジ部と、第１のフランジ部と第２のフランジ部との間に垂直に設けられる第３のフランジ部とを含み、第２のフランジ部には少なくとも１つの開口が設けられている
［１３］に記載の電池モジュール。
［１５］ 第１のフランジ部は、熱伝導率を有する材料で作られ、第２のフランジ部及び第３のフランジ部は、低い熱伝導率を有する材料で作られる
［１４］に記載の電池モジュール。
［１６］ 前記複数のセルの煙誘導素子に面する表面には、断熱パッチが設けられている
［１１］～［１５］のいずれか１項に記載の電池モジュール。
［１７］ 外部ケースは、電池モジュールの一端側に位置するリリーフ弁を含み、リリーフ弁は、煙道を通ってリリーフ弁に流れる煙が側方に外部環境に排出されるように水平方向に位置決めされている
［１１］～［１６］のいずれか１項に記載の電池モジュール。
［１８］ リリーフ弁は、煙道を通ってリリーフ弁に流れる煙が先にフィルタ素子によって濾過されるように、フィルタ素子によって覆われている、
［１７］に記載の電池モジュール。
［１９］ 電池モジュールカセットと、
１つ又は複数の物理的又は電気的接続素子によって電池モジュールカセットに取り付けられている、［１］～［１８］のいずれか１項に記載の、１つ又は複数の電池モジュールと、
を含む
電気自動車。

Claims (19)

  1. 複数のセルと、
    内部フレームと、複数のチャンバーを形成するように内部フレームと組み立てられる外部ケースとを含むセル拘束構造と、を含み、
    前記複数のチャンバーは、前記複数のセルをパッケージし管理するように前記複数のセルを一対一で受け入れる電池モジュールであって、
    内部フレームは、各チャンバーの少なくとも１つの第１の表面を形成する弾性素子を含み、弾性素子は、各チャンバー中に受け入れられた対応するセルによって予定量で押圧されて弾性変形することにより、弾性変形した弾性素子が対応するセルに第１の作用力を加え、
    対応するセルが動作中に可逆的に膨張又は収縮することに応じて、弾性変形した弾性素子は、第１の作用力が対応するセルの受ける拘束力を決定するように、さらに押圧されるか、又は回復しようとする
    電池モジュール。
  2. 対応するセルが動作中で不可逆的に膨張し始めることに応じて、弾性変形した弾性素子は、弾性変形の限界までにさらに押圧される
    請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 弾性素子は、２つの弾性層と、前記２つの弾性層の間に介在する断熱層と、を含む積層製品である
    請求項１又は２に記載の電池モジュール。
  4. 内部フレームは、各チャンバーの少なくとも１つの第２の表面を形成する断熱素子を含み、断熱素子は、前記複数のセルを支持し、低い熱伝導率を有する
    請求項１～３のいずれか１項に記載の電池モジュール。
  5. 複数の弾性素子及び複数の断熱素子が設けられており、前記複数の弾性素子及び前記複数の断熱素子は、各チャンバーの前記少なくとも１つの第１の表面及び前記少なくとも１つの第２の表面を形成するように互いに垂直に交互に配列され、第１の表面の面積は、第２の表面の面積よりも大きい
    請求項４に記載の電池モジュール。
  6. 外部ケースは、前記複数のセルを支持し冷却するための冷却素子を含み、冷却素子は、各チャンバーの第３の表面を形成する冷却板を含み、冷却板は熱伝導性接着剤を介して前記複数のセルに貼り付けられている
    請求項１～５のいずれか１項に記載の電池モジュール。
  7. 外部ケースは、前記複数のチャンバーを封止するように、内部フレームを被覆するとともに冷却板に接続されている、
    請求項６に記載の電池モジュール。
  8. 冷却素子は、冷却板の両側に設けられ冷却板に対して垂直に延びる補強リブを含み、補強リブは、外部ケースに接続され、外部ケースを介して前記複数のセルに第１の作用力よりも大きい第２の作用力を加えることができる
    請求項７に記載の電池モジュール。
  9. 前記複数のチャンバーは、第１組のチャンバーと第２組のチャンバーとに分割され、冷却板は、対向する第１の冷却面及び第２の冷却面を含み、第１の冷却面は、第１組のチャンバーの各々のチャンバーの第３の表面を形成し、第２の冷却面は、第２組のチャンバーの各々のチャンバーの第３の表面を形成する
    請求項６～８のいずれか１項に記載の電池モジュール。
  10. セル拘束構造は、外部ケースと前記複数のセルとの間に介在する絶縁素子を含み、絶縁素子は、熱伝導性接着剤によって前記外部ケース及び前記複数のセルに貼り付けられ、高い熱伝導率を有する
    請求項１～９のいずれか１項に記載の電池モジュール。
  11. セル拘束構造は、外部ケースと前記複数のセルとの間に介在する煙誘導素子を含み、煙誘導素子は、前記複数のセルに用いられる煙道を画定するように配置されている
    請求項１～１０のいずれか１項に記載の電池モジュール。
  12. 煙誘導素子は、高い熱伝導率を有する絶縁材料で作られるメインパネルを含み、メインパネルの外部ケースに面する表面は、熱伝導性接着剤によって外部ケースに貼り付けられている
    請求項１１に記載の電池モジュール。
  13. 熱伝導素子は、メインパネルの前記複数のセルに面する表面に設けられたフランジをさらに含み、前記フランジは、前記複数のセルに当接することにより煙道を形成する
    請求項１２に記載の電池モジュール。
  14. 前記フランジは、メインパネルの両側にメインパネルに対して垂直に延びる第１のフランジ部と、第１のフランジ部の内側に平行に間隔をあけて設けられる第２のフランジ部と、第１のフランジ部と第２のフランジ部との間に垂直に設けられる第３のフランジ部とを含み、第２のフランジ部には少なくとも１つの開口が設けられている
    請求項１３に記載の電池モジュール。
  15. 第１のフランジ部は、熱伝導率を有する材料で作られ、第２のフランジ部及び第３のフランジ部は、低い熱伝導率を有する材料で作られる
    請求項１４に記載の電池モジュール。
  16. 前記複数のセルの煙誘導素子に面する表面には、断熱パッチが設けられている
    請求項１１～１５のいずれか１項に記載の電池モジュール。
  17. 外部ケースは、電池モジュールの一端側に位置するリリーフ弁を含み、リリーフ弁は、煙道を通ってリリーフ弁に流れる煙が側方に外部環境に排出されるように水平方向に位置決めされている
    請求項１１～１６のいずれか１項に記載の電池モジュール。
  18. リリーフ弁は、煙道を通ってリリーフ弁に流れる煙が先にフィルタ素子によって濾過されるように、フィルタ素子によって覆われている、
    請求項１７に記載の電池モジュール。
  19. 電池モジュールカセットと、
    １つ又は複数の物理的又は電気的接続素子によって電池モジュールカセットに取り付けられている、請求項１～１８のいずれか１項に記載の、１つ又は複数の電池モジュールと、
    を含む
    電気自動車。
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