JP5041185B2 - 熱伝導プレート付きバッテリー - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載された、温度調節用の熱伝導プレートを有するバッテリーに関し、このようなバッテリーは、例えば、特許文献１により知られている。

基礎となっている特許文献１から公知のバッテリーは、互いに並列および／または直列に接続された複数の個別セルを有し、これらのセルは熱伝導プレートの上に置かれ、このプレートと熱伝導的に接続されている。熱伝導プレート内には、ヒートパイプの気化部分が配置されている。このヒートパイプは、熱伝導プレート、とくにバッテリーハウジングから外へ出されており、このことによって、ヒートパイプの凝結部分は熱伝導プレートの外側にある。このようなヒートパイプの形態によって、熱伝導プレートと個別セルが温度調節され、とくに作動中では冷却することが可能となる。とりわけ、リチウムイオンセルの場合、過充電および／または高い放電電流が個別セルの著しい圧力上昇を引き起こし、最終的には、該当する個別セルのセルハウジングの破損につながるおそれがある。適切な減圧を確実に行うためには、個別セルのハウジングの床に規定破断箇所を配置することが有効であり、ここで個別セルを適切に破断することができる。この減圧をさらに向上させるため、熱伝導プレートの個別セル設置面の下部に貫通孔または開口部（以下、これを簡単にバーストウィンドウと呼ぶ）を取り付けることは、極めて効果的である。このバーストウィンドウの直径は、セルハウジングの外径よりもわずかに小さい。しかしながら、このバーストウィンドウによって、熱伝導プレートの有効な熱伝導断面積が減少することになり、それによって、熱伝導プレートの効率が低下する。

独国特許出願公開１９７２４０２０Ａ１号明細書

本発明の課題は、可能な限り熱伝導効率を上げ、省スペースで、簡単かつ低コストに実現できるバッテリーを開発することである。

この課題は、請求項１の特徴を備えたバッテリーによって解決される。本発明に基づく熱伝導プレートの形態によって、個別セルのヘッド部分に配置することが可能である。この場合も、熱伝導プレートには孔が設けられているが、それらの面積は明らかに小さいため、平均の有効熱伝導断面積は大きくなる。このことによって、全体の熱伝導断面積は同じでも、熱伝導プレートをより薄くすることができ、それによってより軽量に形成することが可能となる。個別セルの極（電極）には、電気的に絶縁している素材で作られたはめ込み部品が取り付けられ、このはめ込み部品は、少なくとも部分的に極の外表面に接しており、極から半径方向に突き出ている少なくとも１つのスペーサーを有している。このスペーサーは、極付近の個別セルのカバーと熱伝導プレートとの間に配置されており、このことによって、熱伝導プレートおよび／またはセルハウジングおよび／または極との間におけるショートを確実に防止することができる。

このような方法により、これらの構成部品範囲において、製造ばらつきによる差異も調整することができるのは、とくに有利である。

本発明のもう１つの形態では、スペーサーが、極から半径方向に突き出した、はめ込み部品のエッジから連続して延在するスペーサーフランジを有している。このスペーサーフランジによって、とくに取付けの際に、より大きな許容誤差が生じたり、および／または、はめ込み部品のねじれなどの不注意があったりした場合でも、熱伝導プレートとセルカバーとの間の距離を確実に保つことができる。

本発明の別形態では、はめ込み部品が熱伝導素材によって製造されており、これによって、その極もまた熱制御に利用することができる。

本発明のさらなる形態では、個別セルの両方の極が、単一の、好ましくは一体型のはめ込み部品を有している。このことによって、同じく取付けの際に、より大きな許容誤差が生じたり、および／または、はめ込み部品のねじれなどの不注意があったりした場合でも、熱伝導プレートとセルカバーとの間の間隔を確実に保つことができる。

本発明のさらに別の形態では、とりわけ、はめ込み部品が極の外表面を完全に取り囲んでおり、これによって、安全な伝導プレートが実現されている。

本発明のもう１つの形態の特殊な方法では、セルハウジングと熱伝導プレートとが互いにブリッジされている。この方法により、セルハウジングカバーのカバーと熱伝導プレート間の隙間は、最小寸法を１．５ｍｍから約０．５ｍｍに縮小することが可能となる。

本発明のその他の形態では、バッテリーハウジング内部の熱伝導プレートと、極、電気セルコネクター、セルカバーおよびバッテリボックスカバーとの間の中間スペースならびに個別セルと個別セルとの間のスペースに、電気絶縁性で、好ましくは熱伝導性の、とくに好ましくは熱伝導性の高い埋め込み用材（注形コンパウンド）および／または電気絶縁性で、好ましくは熱伝導性の、とくに好ましくは熱伝導性の高いフォーム材が配置されており、バッテリーハウジング内部が、電気絶縁性の、好ましくは熱伝導性の、とくに好ましくは熱伝導性の高い埋め込み用材および／または電気絶縁性の、好ましくは熱伝導性の、とくに好ましくは熱伝導性の高いフォーム材によって満たされている。このことによって、バッテリーハウジング内部の上記スペースは、熱伝導に有効利用され、その際、同時にバッテリーハウジング全体の安定性も高められる。とくに、セルコネクター部分と、はめ込み部品と接続している個別セルカバー部分の容積を充填することによって、漏れ電流の可能性が低下する。

本発明に基づく個別セルは、とくに高性能バッテリーに利用可能であり、とりわけ、少なくとも部分的には旅客輸送車両のエンジンに利用することができる。本発明のその他の有効な形態は、それぞれの下位クレームに記載されている。次に、図に示した実施形態に基づいて本発明を詳しく説明する。

底面に配置された熱伝導プレートを有するバッテリーである。 ヘッド面に配置された熱伝導プレートを有するバッテリーのセルスタック立体図である。 図２によるセルスタックの２つの個別セルである。極の上と、極と上方に配置された１つのはめ込み部品を有している。 １つの個別セルの２つの極に取り付ける一体型はめ込み部品である。 図５によるはめ込み部品を線Ｖ−Ｖに沿って切断した場合の断面図である。 図２によるセルスタックの縦断面の側面拡大図である。

図１には、底面に配置された熱伝導プレート２を有する通常のバッテリー１が示されている。バッテリー１は、とくに、電気的に相互接続されている複数の個別セル３を有している。好適には丸い断面の個別セル３が、とくに完全に密閉されたバッテリーハウジング４に配置されている。バッテリーハウジング４の内部には、個別セル３が金属プレートとして形成されている熱伝導プレート２の上に、熱伝導的に設置されている。熱伝導プレート２には、熱伝導媒体を通すための冷却用ダクトが取り付けられている。熱伝導プレート２上の個別セル３の配置は、それらの縦軸が平行になるように並べられている。

図２には、複数の個別セル３から形成されている本発明に基づくバッテリーのセルスタック６が三次元的に示されており、バッテリーのヘッド面に熱伝導プレート２が配置され、それによって個別セル３が熱伝導的に接続されている。とりわけ、このセルスタック６の個別セル３の密度という観点から、この場合では、個別セル３の断面が正六角形となっている。しかしながら、原則的に、丸型や楕円形、または四角形の断面など、あらゆる可能性が考えられ、それに伴って、個別セル３の形態もシリンダー型や角柱型が考えられる。

好ましくは、金属から製造される熱伝導プレート２は、バッテリーの温度調節のために準備されており、その内部には、熱伝導媒体が流れ、外部から操作可能で、かつ、冷却用ダクトから形成されている熱伝導媒体のダクト構造を有している。本発明に基づいて、熱伝導プレート２は、個別セル３のセルハウジングカバー７と、隣り合う個別セルの相異なる極９同士を電気的に接続する電気セルコネクター８との間に配置されている。それぞれの個別セル３の両極９は、電気的に絶縁されており、好ましくは個別セル３のセルハウジングカバー７に対面する熱伝導プレート２の平面上に熱が伝導している状態で、熱伝導プレート２に設けられた割当て孔を介して外に突出している。

本発明に基づくバッテリー１を、とくに車両の駆動および駆動補助バッテリーとして使用する場合、適切な方法により、すでに車両に搭載されているエアコン（図には示されていない）に冷却用ダクト５を接続し、熱の面で少なくとも部分的にこのエアコンから供給を受けることができる。この熱供給は、例えば共通の熱伝導媒体、とりわけ液体によって直接エアコンと接続することができ、また、熱交換器によって間接的にエアコンと相互作用させることも可能である。好ましい方法では、この熱伝導媒体が、温度調節されている車内から漏れ出る空気であってもよく、および／または、この空気を介して供給されるということも可能である。

図３には、図２によるセルスタック６の２つの個別セル３が示されている。左の個別セル３の場合、はめ込み部品１２が、個別セル３の両極９を直接取り囲み、これらの極に直接接する形で配置されている。右の個別セル３では、はめ込み部品１２が取り外されており、両極９の上方に描かれている。

図３〜５に示されているように、一体型のはめ込み部品１２が、個別セル３の両極９に配置されている。組み立て時の取り違えを防止するために、個別セル３の両極９は異なる形に形成されている。はめ込み部品１２は、極９の外皮に直接接しており、従って、個別セル３の極９のボディ形状に合っているため、極９の形態に適合しているはめ込み部品１２の貫通部も、それに相応して形成されている。はめ込み部品１２の各貫通部が、それに割り当てられている極９の外表面を完全に取り囲むという構造によって、同様に、はめ込み部品１２の正しい取付けが確実となる。

はめ込み部品１２は、電気的に絶縁されており、好ましくは熱伝導にとりわけ優れた素材から製造されている。セルハウジングカバー７に取り付けられているはめ込み部品１２のエッジ部分には、極９から半径方向に突き出し、連続的に延びているスペーサーフランジ１３が配置されており、セルハウジングカバー７と熱伝導プレート２との間に、少なくとも部分的に間隔が確実に保持されるように取り付けられている。熱伝導プレート２と個別セル３とが押しつけるように製造されていることによって、スペーサーフランジ１３は、好ましい形で、セルハウジングカバー７と熱伝導プレート２とに直接接触している。このスペーサーフランジ１３によって、熱伝導プレート２は、セルハウジングカバー７から引き離され、電気絶縁的に作用する距離を保っている。同様に、熱伝導プレート２も、やはり電気的に絶縁されるように、セルコネクター８から距離を置いて配置されている。

図６には、本発明に基づくセルスタック６の縦断面部分の側面図である。図２のセルスタック６を有する発明に基づくバッテリー１では、熱伝導プレート２が、ヘッド側に配置されており、従って、個別セル３の極９の部分に取り付けられている。長手方向に対して平行に取り付けられている個別セル３のセルハウジング１０は、外表面側で相互に距離を取り合っている。熱伝導プレート２に取り付けられ、両方の極９に割り当てられた単一の孔を介して、個別セル３の両方の極９は、セルハウジングカバー７の反対側に位置する熱伝導プレート２の平面１１の上に突き抜けている。この面の上に、セルコネクター８がある。

このような孔の形状と内のり寸法は、個別セル３の極９の外側寸法よりも大きいため、孔から突き出している極９は、全体的に孔の壁との間に距離がある。このことによって、極９と熱伝導プレート２は決して接触することがないため、互いに電気的に絶縁されている。この電気的絶縁は、とくに、個別セル３の極９の周囲に取り付けられているはめ込み部品１２によってさらに強化されるか、または確実なものとなる。

バッテリーハウジング４の内部に配置されている構成部品相互の電気的絶縁を確実にし、バッテリーハウジング４全体の安定性を高め、かつ、熱伝導性能全体を向上さセルため、熱伝導プレート２と、極９、電気セルコネクター８、セルハウジングカバー７、バッテリーハウジング４のカバーとの間にある中間スペースに、電気絶縁性で、好ましくは熱伝導性であり、とくに好ましくは熱伝導性に優れた埋め込み用材１４および／または電気絶縁性で、好ましくは熱伝導性であり、とくに好ましくは熱伝導性に優れたフォーム材が配備され、これらの中間スペースを完全に充填していることが好ましい。

埋め込み用材１４としては、とくに、ポリウレタン・フォーム、エポキシド樹脂および／またはシリコンなど、電気的絶縁性だが、熱を伝導する素材が適していることが判明している。この好適な素材が、該当する空きスペースに、可能な限り気泡を少なく、とくに好ましくは気泡のないように注がれる。埋め込み用材の中に熱伝導性粒子を混ぜ合わせ、混合物の形にするという方法により、熱伝導性の粒子を埋め込み用の素材に添加することによって、その熱伝導に関して、さらに改良を加えることが可能となる。

適切な方法では、隣接するセルハウジング１０の壁と壁との間の空間と、セルハウジング１０の壁とバッテリーハウジング４の壁および／またはセルスタック６を支持し、好ましくはバッテリーハウジング４の内部でこれと距離を置いて配置されているセルスタックカップ（図には表示されていない）との間の空間も、同様の方法で充填されている。セルスタックカップによって、二重壁のバッテリーハウジング４を用いる場合には、二重壁によって形成される中間スペースにも、熱伝導媒体を追加的に充填することができる。

Claims (13)

1. 互いに並列または直列に接続された複数の個別セルを有し、前記個別セルが熱伝導的に熱伝導プレートと接続されており、さらに前記熱伝導プレートに配備された熱伝導媒体を流すことのできるダクト構造と、前記熱伝導プレートから外に出ている前記ダクト構造用の末端断面とを有する、バッテリー温度調節用の熱伝導プレート付きバッテリーであって、
   前記熱伝導プレート（２）が前記個別セル（３）の極（９）の部分に孔を有し、前記個別セル（３）の極（９）が前記孔から突出し、個別セルの極（９）の周囲に、電気的に絶縁された素材から作られたはめ込み部品（１２）が配置され、前記はめ込み部品（１２）が少なくとも部分的に前記極（９）の外表面に接触し、前記はめ込み部品（１２）が少なくとも１つの前記極（９）から半径方向に突き出したスペーサー（１３）を有し、前記はめ込み部品（１２）の前記スペーサー（１３）が前記極（９）の部分において、前記個別セル（３）のセルハウジングカバー（７）と前記熱伝導プレート（２）との間に設けられていることを特徴とする、バッテリー温度調節用の熱伝導プレート付きバッテリー。
2. 前記スペーサー（１３）が、半径方向に前記極（９）から突出し、前記はめ込み部品（１２）のエッジ部分から連続的に延在するスペーサーフランジ（１３）であることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
3. 前記はめ込み部品（１２）が熱伝導性の素材から製造されていることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
4. 前記個別セル（３）の両極（９）が単一の、好ましくは一体型のはめ込み部品（１２）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
5. 前記はめ込み部品（１２）が少なくともほぼ完全に前記極（９）の外表面を取り囲んでいることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
6. 前記熱伝導性プレート（２）が金属から成ることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
7. 前記孔の内のり幅がそれぞれの極（９）の外径よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
8. 前記孔の形状および内のり寸法が前記個別セル（３）の両極（９）の外部寸法よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
9. バッテリーハウジング（４）の内部で、前記熱伝導プレート（２）と前記極（９）との間にある中間スペースに、電気的絶縁性で、好ましくは熱伝導性であり、とくに好ましくは熱伝導性に優れた埋め込み用材（１４）、または電気的絶縁性で、好ましくは熱伝導性であり、とくに好ましくは熱伝導性に優れたフォーム材が配備されていることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
10. 前記バッテリーハウジング（４）の内部で、前記熱伝導プレート（２）と電気セルコネクター（８）との間にある中間スペースに、電気的絶縁性で、好ましくは熱伝導性であり、とくに好ましくは熱伝導性に優れた埋め込み用材（１４）、または電気的絶縁性で、好ましくは熱伝導性であり、とくに好ましくは熱伝導性に優れたフォーム材が配備されていることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
11. 前記バッテリーハウジング（４）の内部で、前記熱伝導プレート（２）とセルハウジングカバー（７）との間にある中間スペースに、電気的絶縁性で、好ましくは熱伝導性であり、とくに好ましくは熱伝導性に優れた埋め込み用材（１４）、または電気的絶縁性で、好ましくは熱伝導性であり、とくに好ましくは熱伝導性に優れたフォーム材が配備されていることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
12. 前記バッテリハウジング（４）の内部で、前記熱伝導プレート（２）と前記バッテリーハウジング（４）のカバーとの間にある中間スペースに、電気的絶縁性で、好ましくは熱伝導性であり、とくに好ましくは熱伝導性に優れた埋め込み用材（１４）、または電気的絶縁性で、好ましくは熱伝導性であり、とくに好ましくは熱伝導性に優れたフォーム材が配備されていることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
13. 前記中間スペースが完全に前記埋め込み用材（１４）、または前記フォーム材によって満たされていることを特徴とする、請求項５〜８のいずれか１項に記載のバッテリー。

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