JP5511678B2 - ケース及び導熱板を備えたバッテリ - Google Patents

Description

本発明は、ケース及び導熱板を備えたバッテリに関し、その際、バッテリは、特に並列及び／又は直列に接続された複数の個別セルを有しており、これらの個別セルは１つのセル結合体にまとめられている。

以前には公開されていないＤＥ１０２００７０１０７３９．２−４５から、バッテリの温度調節のためにケース及び導熱板を備えたバッテリが知られている。このバッテリは、特に、ハイブリッド駆動及び／又は燃料電池で駆動される車両の車載バッテリとして使用可能である。この場合、バッテリは、並列及び／又は直列に接続された複数の個別セルを有しており、これらの個別セルは、長軸と平行に並べて配置されており、１つのセル結合体を形成している。熱放出のため、個別セルは、熱伝導するようにヘッド側又は正面で導熱板に接続されている。さらに、熱を放出のために、個別セルには、例えばアルミニウム製の、導熱板に接続されている外皮が装備されている。効果的な熱放出のため、導熱板の内部には、ダクト構造が取り付けられており、接続部から供給又は排出される熱伝導媒体がこのダクト構造を流れている。バッテリの充電及び放電時に生じる、個別セル（特にリチウムイオン電池で、最大許容温度５０℃）の熱は、例えば導熱板のダクト構造を介して車両エアコンのエアコン回路に放出することができる。

ＤＥ１０２００７０１０７３９．２−４５

本発明は、低コストで、簡単に作ることのできるバッテリを提供するという課題に基づいている。

この課題は、本発明に基づき、請求項１に示されている特徴によって解決される。本発明の有利な発展形態は、従属請求項の対象である。

バッテリの温度調節のためにケース及び導熱板を備えた、本発明に基づくバッテリ（セルブロックとも呼ぶ）は、例えばリチウムイオン電池などの複数の個別セルを有し、これらのセルは熱伝導するように導熱板に接続されている。この場合、バッテリは、長手方向に前後して配置された少なくとも２つのセル結合体を含み、セル結合体の中には、並列及び／又は直列に相互接続された複数の個別セルが配置されている。取付けスペースを最適化するバッテリ構造のために、正面又はヘッド側に２つの導熱板を配置する代わりに、２つのセル結合体の個別セルから熱を放出する個々の導熱板がセル結合体の間に配置されている。それによって、導熱板の両側で熱の伝達が可能となる。

好ましくは、個別セルには長手方向の端部、すなわち、ヘッド側とベース側にそれぞれ極が設けられている。互いに反対側に位置する極を有する各個別セルの構成と、それぞれ２つのセル結合体の間に配置され、従って前後に配置されている２つの個別セルの間に配置された導熱板とをもとに、要求に応じて、バッテリは、その他のセル結合体をヘッド側及び／又はベース側に拡張することができる。

それぞれのセル結合体の個別セルから効果的に熱を放出するために、これらのセル結合体の間に導熱板が配置されている。この場合、個々のセル結合体の個別セルは、長軸と平行に隣り合って配置されており、それぞれ熱伝導するように導熱板に接続されている。隣り合うセル結合体の互いに隣接している個別セルは、長手方向に前後して配置され、導熱板を間に挟んで互いに向かい合うように配置されている。

可能な実施形態においては、隣り合うセル結合体の、互いに向かい合っている個別セルの極が、導熱板の穴の中に入り込み、そこで電気的に相互接続されている。この場合は、特に貫通穴であり得る。これによって、２つのセル結合体の互いに隣接する個別セルの極は、取付けスペースが最適化された形で向かい合う。本発明の可能な実施形態においては、極が、好ましくはそれぞれ外ネジを有し、この外ネジによってそれぞれの個別セルが導熱板の穴の中に固定されている。

極に形成された外ネジと、そのために穴の中に配置された対応物、特に内ネジ付きスリーブ又は穴の内ネジによって、個別セルは電気的に相互接続され、導熱板の中に固定可能となる。導熱板の２つの側に配置され、２つのセル結合体の個別セルが型嵌め（ｆｏｒｍ−ｆｉｔ）及び圧力嵌め（ｆｏｒｃｅ−ｆｉｔ）によって固定されることにより、バッテリが、例えば横たわった状態で、バッテリケースに取り付け可能であることは有利である。

本発明に基づくバッテリ、特に車載バッテリは、好ましくはハイブリッド駆動及び／又は燃料電池で駆動される車両、とりわけ乗用車において使用可能である。

導熱板とセル結合体との間の電気的絶縁を確実に行うため、好ましくは、導熱板の穴を通して接触している個別セルの極に、絶縁リングがそれぞれ１つ取り付けられている。この絶縁リングは、個別セルと導熱板との間に設定可能な熱伝導ギャップを作る。可能な実施形態においては、この絶縁リングは、プラスチックから適切に形成されている。

バッテリケース内に配置された個々の部品（個別セル、導熱板など）の電気的絶縁を確実に行うため、本発明のもう１つの実施形態では、導熱板とセル結合体の個別セルとの中間スペース、すなわち熱伝導ギャップ内に、電気的に絶縁している、好ましくは熱伝導性の注形コンパウンド及び／又は電気的に絶縁している、好ましくは熱伝導性のフォーム材が配置されている。この場合、注形コンパウンド及び／又はフォーム材はバッテリケースの空洞部を完全に満たしている。このことによって、上述したバッテリケース内部の中間スペースが、効果的に熱伝導及び電気的絶縁のために利用され、その際、同時にバッテリケース全体の安定性も向上する。

本発明に基づくバッテリの可能な実施形態においては、個別セルが、それぞれ熱伝導のための外皮を有している。この外皮は、好ましくはアルミニウムから形成され、不均一に形成された壁厚を有することができることから、個別セルの長手方向に熱を放出させることができる。例えば、個別セルの長手方向の壁厚を増加又は減少させることができる。

さらに、作動中の最大許容温度が５０℃である個別セルの効果的な熱伝導のために、本発明に基づくバッテリのもう１つの実施形態においては、それぞれのセル結合体の個別セルの中間スペースに、好ましくはアルミニウム製の熱伝導バーを配置することができる。例えば、それぞれの個別セルの周囲に熱伝導バーを六角形に配置することによって、特に充電の際に発生する個別セル周辺の熱が、一様に導熱板へ放出される。

特に、注形コンパウンド及び／又はフォーム材及び／又は熱伝導バーによって導熱板に送られる熱を効果的に放出できるように、導熱板の内部には、熱伝導媒体の接続部を備えるダクト構造が配置されている。ダクト構造を流れる熱伝導媒体は、例えば、接続部に接続された車両のエアコン回路を介して、セル結合体から生じた熱を運び出す働きがある。

さらに、個別セルによって接続されているセル結合体を備えるバッテリ又はセルブロックは、バッテリケースによって取り囲まれている。本発明に基づくバッテリの特に有利な実施形態においては、バッテリケースの外側が表面構造、特に溝形の表面構造を有し、それによってバッテリは、さらにケースによっても冷却可能である。

セル結合体内部の隣接する個別セルは、セルコネクタにより、適切な形で電気的に相互接続されている。セル結合体間の中央に配置された導熱板と、この導熱板を介して隣接するセル結合体の向かい合う個別セル同士の電気接続と、セル結合体の隣り合って並ぶ個別セル同士の電気的セルコネクタによる電気接続とによって、電圧接続は、バッテリの片側でのみ、特に一方のセル結合体でのみ有利に行われる。このセル結合体又はその他のセル結合体にバッテリを電気接続するための追加の電圧レールは必要ないため、省略することができる。

端部に配置された極を備え、長手方向に互いに接続された２つの個別セルの図。 図１による、相互接続された２つの個別セルの展開図。 それぞれ複数の個別セルから形成されたセル結合体を備えるバッテリの図（セル結合体の個別セルは、その間にある導熱板によって相互接続されている）。 一方のセル結合体の個別セルがセルコネクタによって電気的に接続されているバッテリのもう１つの図。 一方のセル結合体に個別に設けられたバッテリ用電圧接続を備えるバッテリの透視図。 バッテリを上から見た図。 図６によるバッテリの断面図。

本発明の実施例を図に基づいて詳しく説明する。
互いに対応する部品は、全ての図の中で同一の記号が付されている。

図１には、長手方向に互いに接続されている２つの個別セル１が示されている。この場合、それぞれの個別セル１は、好ましくは円筒として形成され、熱放出のために不均一な壁厚（詳しく図示されていない）を有している外皮２によって覆われている。

それぞれの個別セル１には、端部にそれぞれ極３が取り付けられている。図示されている個別セル１の極３は、ネジ４、特に外ネジを有している。個別セル１は、極３に形成されたネジ４及びそれに対応するネジ付きスリーブ５によって、電気的に相互接続されている。

図２は、図１による両方の個別セル１の電気接続を詳細に示した展開図である。極３に形成されたネジ４を備える２つの個別セル１が示されている。長手方向に直接向き合っている極３には、その他のバッテリコンポーネントに対して極３を電気的に絶縁するために、絶縁リング６を取り付けることができる。この絶縁リング６の直径は、絶縁リング６が極３を取り巻くネジ付きスリーブ５の上に取り付けられるように設けられている。

組立てる場合には、ネジ付きスリーブ５を、２つの個別セル１の、相互に配置された極３の１つに締め付けることができる。このために、ネジ付きスリーブ５は、それぞれの極３の外ネジ４に対応する内ネジ（図示されていない）を有している。続いて、１つ又は複数の絶縁リング６が、極３の上から締付けられたネジ付きスリーブ５の上に取り付けられる。次の段階では、第２の個別セル１の極３を、ネジ付きスリーブ５のもう一方の塞がっていない端部にねじ込むことができる。種類及び構造に応じて、端部側にそれぞれ折り曲げられた開口部端を備える中空円筒形の個々の絶縁リング６、又は極ごとに付属する絶縁リング６を、図のように設けることができる。

図３は、それぞれ前後して配置されている不完全な状態のセル結合体１１．１、１１．２及びこれらのセル結合体の間に配置された導熱板８を備えるバッテリ７（セルブロックとも呼ぶ）を示している。

それぞれのセル結合体１１．１、１１．２は、平行に並べて配置された複数の個別セル１を含み、間に配置された導熱板８を介して、これらの個別セル１が、上述した方法（図１及び２）で、隣り合うセル結合体１１．１、１１．２の個別セル１に電気的に相互接続されている。

このために導熱板８は、貫通穴として形成されている穴９を有している。穴９の直径は、この場合、個別セル１のそれぞれのセルベースの直径よりも小さく、ネジ付きスリーブ５の外径よりも大きくなるように選択されている。

詳細には、まず、両方のセル結合体のうち、片方のセル結合体１１．１の個別セル６が、導熱板８の片側で、すでにそれぞれの極３に締め付けられているネジ付きスリーブ５と、その上に取り付けられている絶縁リング６と共に、穴９の中に差し込まれる。引き続き、導熱板８の別の面で、他方のセル結合体１１．２の個別セル１がネジ接続によって導熱板８にしっかりと取り付けられるまで、他方のセル結合体１１．２の個別セル１がネジ付きスリーブ５の中にねじ込まれる。

この代替として、まず絶縁リング６を穴９の中に差し込み、そこで、例えばロックによって固定し、次にネジ付きスリーブ５を穴９の中に差し込み、例えばロックによって固定することができる。引き続き、外ネジ４を備える極３によって、それぞれの個別セル１を、導熱板８の両側でネジ付きスリーブ５の中にねじ込む。この実施例では、追加的に絶縁リング６とネジ付きスリーブ５の固定エレメントが必要である。

別の実施例においては、ネジ付きスリーブ５を一方のセル結合体１１．１の個別セル１の極３にあらかじめ締め付け、絶縁リング６を取り付けておき、他方のセル結合体１１．２の個別セル１の極３をねじ込むことによって、両方の隣接するセル結合体１１．１、１１．２の個別セル１を、導熱板８にネジ止め及び固定する。

これによって、それぞれのセル結合体１１．１、１１．２の個別セル１は、導熱板８に型嵌め及び圧力嵌めによって固定され、両方のセル結合体１１．１、１１．２の個々のセルは、互いに圧力嵌めによって、また電気的に相互接続されている。２つのセル結合体１１．１、１１．２の個別セル１の電気的接続のため、ネジ付きスリーブ５は、導電性材料、特に金属から作られている。

それによって、前後して配置されているセル結合体１１．１、１１．２の個別セル１は、穴９を通って電気的に相互に接触し、極３及びこれに対応し、穴９に挿入されたネジ付きスリーブ５に形成されているネジ山４を用いて、導熱板８の両側で水平に、型嵌め及び圧力嵌めにより固定されている。

さらに、導熱板８は、導熱板８を流れる熱伝導媒体、特にクーラント（空気又液体冷媒など）を供給及び排出する接続部１０を有している。

図４は、前後して配置されているセル結合体１１．１、１１．２の中央に配置された導熱板８を備えるバッテリ７のヘッド側又はベース側を示した図である。

導熱板８にそれぞれ配置されたセル結合体１１．１、１１．２の個別セル１の極３は、塞がれていない方の端部がセルコネクタ１２によって連結されている。セルコネクタ１２によって、個々のセル結合体１１．１、１１．２の隣り合う個別セル１の極３が電気的に相互接続され、例えば、平列及び／又は直列に接続されている。

それぞれのセル結合体１１．１、１１．２は、例えば４×４の個別セル１による配列を有している。

図５には、図４によるバッテリ７の反対側の面が示されている。

ここでも、セル結合体１１．１、１１．２の個別セル１は、セルコネクタ１２によって電気的に相互接続されている。バッテリ７の用途に応じて、それぞれのセル結合体１１．１、１１．２の個別セル１は、並列及び／又は直列に相互接続することができる。

バッテリ７には、図示されている正面又はヘッド側に、電圧接続部１３が取り付けられている。この場合、両方のセル結合体１１．１、１１．２の個別セル１１は、これらの個別セルが、バッテリ７の一方の側（ヘッド側又はベース側）に配置されている、個々の電圧接続部１３によってのみ電圧供給されるように電気的に相互接続されている。電圧回路は、全ての個別セル１を電気的に接続することによって、バッテリ全体７にわたり通されている。これによって、追加の電圧レールを取り回す必要はない。

図６は、図４に示されている、本発明に基づくバッテリ７の背面を上から見た図であり、電圧接続部１３がなく、個別セル１を電気的に相互接続する電気セルコネクタ１２を備えている。

図７は、図６による、前後に配置されたセル結合体１１．１、１１．２と、これらの間に配置された導熱板８とを有するバッテリ７の縦断面を示している。

導熱板８の内部には、熱伝導媒体のためのダクト構造１４が配置され、熱伝導媒体は、接続部１０から供給され、再び排出されることができる。熱伝導媒体がダクト構造１４を流れることにより、導熱板８に送られる熱を放出する。これによって、セル結合体１１．１、１１．２を介して導熱板８に送られる熱が放出可能となる。

対向しているセル結合体１１．１、１１．２の個別セル１は、穴９を通って、ネジ付きスリーブ５により電気的に相互接続され、型嵌めによって導熱板８に固定されている。導熱板８の中に配置されている個別セル１の極３には、電気的絶縁のために、絶縁リング６が個別セル１と導熱板８との間に取り付けられている。この絶縁リング６は、極３及びネジ付きスリーブ５を含んでいる。絶縁リング６の折り曲げられた開口部端によって、同時に、導熱板８と個別セル１との間に設定可能な熱伝導ギャップ１５が作られ、この熱伝導ギャップは、例えば、注形工程の際に、電気的に絶縁されている、熱伝導性のある注形コンパウンド（詳しく図示されてない）及び／又は電気的に絶縁されている、熱伝導性のあるフォーム材によって満たすことができる。

さらに、好ましくは、バッテリ７のそれぞれの空洞部及び個別セル１及び／又は導熱板８及び／又はバッテリケース（詳しく図示されていない）間の各中間スペースも、熱伝導性のある注形コンパウンド及び／又は熱伝導性のフォーム材で満たすことができる。

導熱板８の反対側に位置する端部に配置された、塞がれていない個別セル１の極３は、セルコネクタ１２によって電気的に相互接続されているのが好ましい。

１ 個別セル
２ 外皮
３ 極
４ ネジ山
５ ネジ付きスリーブ
６ 絶縁リング
７ バッテリ
８ 導熱板
９ 穴
１０熱伝導媒体の接続部
１１セル結合体
１２セルコネクタ
１３電圧接続部
１４熱伝導媒体のダクト構造
１５熱伝導ギャップ

Claims (10)

1. バッテリ（７）の温度調節のためにケース及び導熱板（８）を備え、前記バッテリ（７）が複数の個別セル（１）を有しており、個別セル（１）には長手方向の端部にそれぞれ極（３）が設けられ、複数の個別セルがセル結合体（１１．１又は１１．２）にまとめられ、２つの隣り合うセル結合体（１１．１、１１．２）の互いに隣接する個別セル（１）の極（３）が互いに向かい合っており、前記バッテリ（７）は、長手方向に前後に配置された少なくとも２つの前記セル結合体（１１．１、１１．２）を備え、セル結合体（１１．１又は１１．２）の個別セルが熱伝導するように前記導熱板（８）に接続され、隣り合うセル結合体（１１．１、１１．２）の、互いに向かい合っている極（３）が、前記導熱板（８）の穴（９）の中に入り込み、そこで電気的に接続されているバッテリ（７）であって、
   前後に配置された前記各セル結合体（１１．１、１１．２）の間に前記導熱板（８）が配置されており、セル結合体（１１．１又は１１．２）の各個別セル（１）が熱伝導するように前記導熱板（８）に接続され、前記極（３）がネジ山（４）を有しており、前後に配置されたセル結合体（１１．１、１１．２）に属する互いに隣接する個別セル（１）の前記極（３）が、互いに向かい合うネジ付きスリーブ（５）の中にねじ込まれることができ、前記ネジ付きスリーブ（５）によって電気的に接続される個別セル（１）が、また前記ネジ付きスリーブ（５）によって前記導熱板（８）に固定されることを特徴とするバッテリ。
2. セル結合体（１１．１、１１．２）が、互いに隣接して平行に配置された複数の個別セル（１）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のバッテリ。
3. 隣接するセル結合体（１１．１、１１．２）の個別セル（１）が、ネジ付きスリーブ（５）によって互いに電気的に接続されることを特徴とする、請求項２に記載のバッテリ。
4. 前記ネジ付きスリーブ（５）によって電気的に相互接続されている前記個別セル（１）が、前記ネジ付きスリーブ（５）によって前記導熱板（８）に固定されていることを特徴とする、請求項３に記載のバッテリ。
5. それぞれの前記個別セル（１）の、前記導熱板（８）を向いている前記極（３）の上に、それぞれ少なくとも１つの絶縁リング（６）が配置されていることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一項に記載のバッテリ。
6. 前記絶縁リング（６）が、プラスチックから形成されていることを特徴とする、請求項５に記載のバッテリ。
7. ケース内部において、前記導熱板（８）と前記セル結合体（１）との間の中間スペース並びに前記個別セル（１）の間に、電気的に絶縁している、熱伝導性の注形コンパウンド及び／又は電気的に絶縁している、熱伝導性のフォーム材が配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のバッテリ。
8. 前記中間スペースが、完全に前記注形コンパウンド及び／又は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７に記載のバッテリ。
9. 前記導熱板（８）の内部に、ダクト構造（１４）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のバッテリ。
10. 前記個別セル（１）の塞がれていない端部に、電気セルコネクタ１２が配置されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のバッテリ。
    

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