JP5518046B2 - 自在電圧の重畳収納可能な電池モジュール設計 - Google Patents

Description

相互関係
この出願は、２００８年４月１４日に出願された、米国の仮出願Ｎｏ．６１／０４４，７８４の本出願である。

本発明と矛盾しない例示的な実施形態は、一般に電池モジュール設計に関し、より詳しくは、複数の電気化学の電池セルを有する自在な電圧の重畳収納可能な電池モジュールに関する。

電池モジュールは、グループ化された複数の電気化学的セルを含むことができる。セルは、例えば、セルの２つの対向端部に配置された２つの電力端子（正極端子及び負極端子）をそれぞれが有する、円筒状のリチウムイオンセルであってもよい。２つの電力端子は、一般的に異なる物質から作製される。例えば、電力端子は、しばしばアルミニウム（正極）、銅（負極）あるいはニッケルで被覆された鋼材（負極）で作製される。

図１は、セル１０４間の空間１０６を有するマトリクス構成で配置された円筒状セル１０４を有する電池モジュール１０２の平面図である。モジュール１０２のような電池モジュールは、各モジュールが単一の電圧のみを提供することができるという意味で、柔軟性がない。異なった電圧を提供するために、従来の多くの電池モジュールは、直列に接続しなければならず、その結果、電池サイズが大きくなってしまう。また、図１に示されるセルの実装密度は最適ではない。

従来の電池モジュールは、円筒状セル１０４が、取り囲むエレメントに対してどのように機械的及び電気的に連結されるかに関して頑丈な構成を欠く。さらに、従来の電池モジュールは、不十分な熱除去及び複数の個別のモジュールを効果的に連結する無力さに苦しんでいる。従って、製造が容易で、高いセルパッケージ密度を提供する電池モジュールが望ましい。

本発明の例示的な実施態様は、互いに重ねられた複数のセルを有する、柔軟な、複数電圧の電池モジュールを提供する。セルは、例えば円筒状のリチウムイオンセルであることができる。セルパッケージ密度を増加させるために、隣接するセルの中心が正三角形を形成するように、セルは、重ねられた構成にて配置することができる。セルは、複数のモジュールがともに接続されることを可能にする連結タブによりハウジング又はケース（例えばプラスチックハウジング）に設けることができる。モジュール内に、セルは、電池セルの上部及び底部にてバスバー（buss bars）により異なる構成で接続することができる。異なった構成は、モジュールに異なる電圧を提供可能である。バスバーは、互いに溶接された異なる物質（例えばアルミニウム部分及び銅部分）によって作製された２つの部分を含むことができる。電池モジュールは、バスバーを介して電池モジュールを冷却するためのヒートシンクを一端又は両端にて含むことができる。

本発明の例示的な実施態様は、また、セル通気ダクト設計を有し、及び、モジュールに余分な部品を加えずに、熱く高速のガスを冷却し方向を変える電池モジュールを提供する。電池モジュールにおいて、電池セルは、金属のバスバーの端間に位置したセル通気孔を有することができる。バスバーは、液体冷却システムによって冷却可能であり、セル通気孔から放出されるガスの温度及び速度を下げるために用いることができる。

例示的な実施態様において、電池モジュールは、セルケーシングを備えて設けられる。複数の電池セルがセルケーシング内に配置され、それぞれの電池セルは、端子を有し、端子は上部及び外周側面部分を有する。少なくとも一つのバスバー・セグメントは、一群の電池セル間の電気的接続を提供し、電池セル群の縦方向端を横切って延在し、端子の上部に接触する。バスバー・セグメントに電極を溶接するために外周側面の方へレーザーを向けることができるように、端子の外周側面は、バスバー・セグメントによって遮られていない。

一態様において、電池セルは、少なくとも２つの外周側面を備え、バスバー・セグメントは、端子に接触する突起を備える。突起は、端子の少なくとも２つの外周側面に整列される第１側面及び第２側面を有する。他の態様において、複数のバスバー・セグメントが設けられ、複数のバスバー・セグメントのそれぞれは、電池セルの列に沿って延在する方向において互いに間隔があけられている。

一態様において、セルケーシングは、隣接するセルケーシングにセルケーシングを連結するように作用する連結機構を備える。連結機構は、タブ及びスロットの少なくとも一つを備えることができる。更なる態様において、連結機構は、隣接セルケーシングのスロット及びタブとそれぞれ係合するタブ及びスロットを備える。

一態様において、電池セル群は、少なくとも第１及び第２の列を備え、端子は、複数の角を有する周縁形状を有し、第１列における端子の角の一つは、第２列から離れて向けられ、第２列における端子の角の一つは、第１列から離れて向けられる。端子は、正方形の周縁形状を有してもよい。

更なる態様において、電池モジュールは、電池モジュールの電圧及び温度の少なくとも一つをモニターするプリント回路基板を備える。電池モジュールは、また、カバーを含むことができる。ここでは、プリント回路基板は、カバーと複数のバスバー・セグメントとの間で複数のバスバー・セグメントに沿って延在する。

別の態様において、複数のバスバー・セグメントは、電池セルの長手方向端で第１のバスバー構成を形成し、また、第２のバスバー構成を形成するために、電池モジュールは、電池セルのもう一つの長手方向端で第２の複数のバスバー・セグメントを備える。第１のバスバー構成は、第２のバスバー構成よりも非常に多くの数のセグメントを有することができる。更なる態様において、ヒートシンクは、第２のバスバー構成を冷却するように設けられる。ヒートシンクは、第２のバスバー構成に沿って延在し、冷却液入口及び出口を備える。

例示的な実施態様によれば、電池モジュール構成は、複数のセルケーシングを備え、各セルケーシングは、複数の開口を備える。複数の電池セルが複数の開口内に配置され、セルケーシングの各々は、セルケーシングをともに連結するよう作用する連結機構を有する。連結機構は、セルケーシングの側面に配置される。

ある態様によれば、連結機構は、タブ及びスロットの少なくとも一つを備える。セルケーシングの一つの連結機構は、別のセルケーシングのスロット及びタブとそれぞれ係合するタブ及びスロットを備えることができる。

電池モジュールの別の態様において、電池セルは、それぞれ電極を有する。また、少なくとも一つのバスバー・セグメントは、第１のセルケーシングにおける一群の電池セル間の電気的接続を提供し、少なくとも一つの他のバスバー・セグメントは、第２のセルケーシングにおける一群の電池セル間の電気的接続を提供する。端子は、少なくとも２つの外周側面を備え、バスバー・セグメントは、端子に接触する突起を備える。突起は、端子の少なくとも２つの外周側面に沿って配列される第１側面及び第２側面を有する。

更なる態様において、複数のバスバー・セグメントは、各セルケーシングに設けられ、ここでは、バスバー・セグメントは、互いから間をあけて配置される。別の態様では、電池セル群は、各々、少なくとも電池セルの第１及び第２列を備え、端子は、各端子の２つの角が列の長手方向に沿ってそれぞれ反対方向に向くように配向された（clocked）複数の角を有する周縁形状を有する。

さらに発明の例示的な実施態様によれば、電池モジュールを製造する方法は、アレイに複数の電池セルを設けることを含むと規定され、ここで複数の電池セルは、それぞれ、端子を有する第１の長手方向端を有する。バスバーは、電池セルの端子を横切って配置される。また、レーザーは、バスバーと端子との間に溶接が成されるように、電池セルの長手方向にほぼ垂直な方向において端子をねらって向けられる。

ある態様において、端子は、少なくとも２つの外周側面を備え、バスバーは、端子に接触する突起を備える。この突起は、端子の少なくとも２つの外周側面と整列する第１側面及び第２側面を有し、レーザーは、溶接部を生成するために端子の少なくとも２つの外周側面に沿った方向に適用される。

別の態様において、複数の電池セルが、レーザーを向ける操作の前に、第１セルケーシングに配置される。ここで、そのセルケーシングは、電池セルを保持するための複数のスロットを有する。更なる態様において、第２セルケーシングが設けられ、第１及び第２セルケーシングの側面で連結機構を用いて、第１セルケーシングに連結される。別の態様において、ヒートシンクは、第１セルケーシングに設けられ、電池セルの第２の長手方向端から熱を取り出すように作用する。

本発明の例示的な実施態様は、また、電池モジュール用の本質的に安全でコンパクトなヒューズを提供する。電池モジュールにおいて、ヒューズは、各セルに適用することができ、ヒューズは、重ねられたセル間の空間に位置決めすることができる。あるいは、ヒューズは、バスバーに割り込むこともできる。

図１は電池モジュールの平面図である。 図２は、発明の一つ以上の例示的な実施形態による電池モジュールにおける電池セルの配置を図示する平面図である。 図３Ａは、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの分解組立図である。 図３Ｂは、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの分解組立図である。 図３Ｃは、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの分解組立図である。 図４Ａは、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの冷却部の分解組立図である。 図４Ｂは、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの冷却部の分解組立図である。 図４Ｃは、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの冷却部の分解組立図である。 図４Ｄは、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの冷却部の分解組立図である。 図５Ａは、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの斜視図である。 図５Ｂは、発明の一つ以上の実施形態による、図５Ａからのセル端子の一部の斜視図である。 図５Ｃは、発明の一つ以上の実施形態による、セルの端子領域に適用されている溶接を示す斜視図である。 図５Ｄは、発明の一つ以上の実施形態による、セルの端子領域に適用されている溶接を示す斜視図である。 図６は、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの斜視図である。 図７は、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの斜視図である。 図８は、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの斜視図である。 図９は、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの斜視図である。 図１０Ａは、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの底面図である。 図１０Ｂは、図１０Ａの一部の拡大図である。 図１１は、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの平面図である。 図１２は、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの斜視図である。 図１３Ａは、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの斜視図である。 図１３Ｂは、発明の一つ以上の実施形態によるバスバーの斜視図である。 図１３Ｃは、発明の一つ以上の実施形態によるバスバーの斜視図である。 図１４Ａは、例示的な実施形態による、セル及びバスバー構成を有する電池モジュールの平面図及び底面図である。 図１４Ｂは、例示的な実施形態による、セル及びバスバー構成を有する電池モジュールの平面図及び底面図である。 図１４Ｃは、例示的な実施形態による、セル及びバスバー構成を有する電池モジュールの平面図及び底面図である。 図１５Ａは、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの角を示す斜視図である。 図１５Ｂは、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュールの側面を示す斜視図である。 図１６Ａは、互いに連結された複数の電池モジュールのセルケーシングを示す斜視図である。 図１６Ｂは、発明の一つ以上の実施形態による、図１６ＡのラインＡ−Ａに沿って得られたセルケーシングの一部を図示する断面図である。 図１６Ｃは、発明の一つ以上の実施形態による、図１６ＡのラインＡ−Ａに沿って得られたセルケーシングの部分を図示する断面図である。 図１６Ｄは、発明の一つ以上の実施形態による、図１６ＡのラインＡ−Ａに沿って得られたセルケーシングの部分を図示する断面図である。 図１７は、発明の一つ以上の実施形態による、互いに連結された複数のモジュールの斜視図である。 図１８は、発明の一つ以上の実施形態による、互いに連結された複数のモジュールの斜視図である。 図１９は、発明の一つ以上の実施形態による、互いに連結された複数のモジュールの斜視図である。 図２０は、発明の一つ以上の実施形態による、互いに連結された複数のモジュールを図示する平面視である。 図２１は、２つの金属のバスバーを製造するプロセスを説明する図である。 図２２は、発明の例示的な実施形態による、溶接手順の間、セルモジュールを保持するための固定具を示す図である。 図２３は、発明の例示的な実施形態による、溶接手順の間、セルモジュールを保持するための固定具を示す図である。 図２４は、発明の例示的な実施形態による、溶接手順の間、セルモジュールを保持するための固定具を示す図である。 図２５は、発明の例示的な実施形態による、溶接手順の間、セルモジュールを保持するための固定具を示す図である。 図２６は、発明の例示的な実施形態による、溶接手順の間、セルモジュールを保持するための固定具を示す図である。 図２７Ａは、バスバー及びヒューズを含む電池モジュールの様々な部品の分解組立図である。 図２７Ｂは、バスバー及びヒューズの図である。 図２７Ｃは、ヒューズ及びセルを示す図である。

発明の例示的な実施形態は、図面を参照して記述され、図面は、例示の目的のみのために提供され、発明の範囲は、請求項で述べられている。
本発明の態様は、互いに重ねられた複数のセルを有する柔軟な複数電圧の電池モジュールを提供する。種々の実施形態によれば、モジュールにおける電池セルは、効率的にパッケージ化可能であり、異なる構成で異なる出力電圧を提供することができる。さらに、電池モジュールは、連結機構を用いてともにパッケージ化可能である。発明の例示的な実施形態は、また、効率的で、頑丈な方法でバスバーに溶接される電池セルを提供する。

図２は、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュール２０２における電池セル２０４の配置を示す平面図である。示されるように、セル２０４は、隣接するセルの中心（例えば中心２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ）が、正三角形（例えば三角形２１０）を形成するように、重ねられた方法で配置される。このようにして、電池セル間の空間２０６は、最小化される。この重ねられた構成を用いて、モジュール内の空間の例えば約８５％は、電池セルで占められる。

図３Ａは、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュール３０２の分解組立図である。図３Ｂ及び図３Ｃは、図３Ａの部分を拡大した図である。電池モジュール３０２は、カバー３０４、電圧及び温度モニター及びバランスプリント回路基板（ＰＣＢ）３０６、上部及び下部の高電圧（ＨＶ）バスバー３０８、３０９、モジュールカバー・シール３１６ａ、ヒートシンク・シール３１６ｂ、電池セル３１０、セルケース（あるいはハウジング）３１２、及び液冷式ヒートシンク３１４を含むことができる。

電池セル３１０は、例えば円筒状のリチウムイオンセルになりえる。バスバー３０８は、一つ以上の導電物質を含むことができる。セルケース３１２は、プラスチック（例えばポリプロピレン、熱伝導性のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））あるいはいずれかの適当な材料で作製可能である。シール３１６ａ、３１６ｂは、いずれかの適当な非導電性ゴム材料から作製可能である。

組み立ての間、電池セル３１０は、セルケース３１２の内部に設けられ、それは、上述したように、重ねられた配置においてセル３１０を保持可能なスロットを有する。セルケース３１２の高さは、セル３１０の高さとほぼ同じであり、よって、モジュール３０２を組み立てるために異なる高さのセルが用いられる場合、異なる高さのセルケースが使用可能である。上述した電圧の柔軟性に加えて、セル３１０の高さ及びセルケース３１２の高さが同じになるように調節することにより、種々の長さのセルに対応して設計可能である。よって、同じ設計で複数の電圧とともにアンペア時容量を可能にする。バスバー３０８、３０９は、それぞれシール３１６ａ、３１６ｂの開口内に嵌め合わすことができ、その結果、それらは互いに接触することが妨げられ、電気的に絶縁される。バスバー３０８、３０９は、多くのセル３１０の、正及び負極の端子（例えば３１８）に電気的に連結される。

ＰＣＢ３０６は、電圧をモニターしバランスし、かつ電池モジュール３０２の温度をモニターするのに使用可能であり、カバー３０４によって保護される。例示的な実施形態において、モジュール３０２は、コスト、機械的な複雑さ、電子制御の複雑さ、及びソフトウェア制御の複雑さを減じるように、単一の電子制御ＰＣＢ３０６を有する。図３Ａに示すように、ＰＣＢ３０６は、４つの上部バスバー３０８の上方で、モジュールの上部カバー３０４の下方に位置し、プラスチックでモールド可能である。

実施形態において、ＰＣＢ３０６は、モジュール３０２の全長に延在しないが、セルのモニタリング及びバランシングの電子制御機能に必要な電子デバイスを装着するのに十分な表面積を提供する。図３ＡのＰＣＢには穴部があり、それは以下に述べるモジュール構造ネジ又は締付ボルト３５４を収容するために非メッキであってもよい。ＰＣＢ３０６は、上部バスバー３０８へ直接取り付け可能なバスバー・サーミスターを収容するポート３０７を有する。ＰＣＢ３０６は、ホスト電子制御モジュールと接続するためのケーブルを含んでいる。

例えば図７に示すように、追加のバスバー・サーミスター３１３は、ＰＣＢ３０６の外形と交差しない上部バスバー３０８へ取り付け可能である。サーミスター３１３のセンサは、端子の内側に接合され、ＰＣＢ上で隣接する銅パッドにはんだ付けされる柔軟なリード線（不図示）を有する。同じ構成が他の３つのサーミスターに用いられる。

以下により詳しく説明するように、バスバー３０８、３０９は、２つの金属であってもよい。図３Ａの実施形態は、穴部へ押し込まれ上方へ突出する外面にネジを切ったスタッド３１１を有する３つの下部２金属バスバー３０９を含んでいる。上部バスバーは、正極のアルミニウムの上部バスバー３０８ａ、負極の銅の上部バスバー３０８ｂ、及び、穴部へ押し込まれ上方へ突出する内面にネジを切ったスタッド３１３を有する２つの上部２金属バスバー３０８ｃ、３０８ｄを含むことができる。

いくつかの実施形態において、モジュール３０２の２つの対向端部での上部バスバー３０８ａ、３０８ｂは、それぞれ、セルケーシング３１２の外側部分に沿って延在するように曲げることができる拡張タブ３２４を有することができる。拡張タブ３２４においては、図１７から図２０に関して説明されるように、複数の電池モジュールを電気的に接続する一若しくは複数の穴部があってもよい。例示的な実施形態において、カバー３０４は、セルケーシング３１２に対して拡張タブ３２４を覆い保持可能な側板３１９を含んでいる。支持エレメント３２５は、拡張タブ３２４を支持するため拡張タブ３２４の後ろに用いられてもよい。さらに以下で説明する位置決めバー３４８は、セル３１０を回転式に位置決めするのを支援するために使用可能である。電圧感知ロッド３５０は、電圧をモニターし検出するために底部バスバー３０９からプリント回路基板３０６に延在する。例えば、電圧感知ロッド３５０は、各端にて内ネジでレンチ・フラットを有する固い銅の電圧感知ロッド３５０の形をしているかもしれない。ロッド３５０は、３つの下部２金属バスバー３０９とＰＣＢ３０６との間で電気的接続がなされるように、上方へ延在する。結合ネジあるいはボルト３５４が電池モジュールを通って延在し、ベース３５５に固定される。

図４Ａから図４Ｄに示されるように、ヒートシンク３１４は、液冷式でもよく、成型プラスチックでもよいベース２５０を有する部分組立品、液体を輸送する非同一外形のチューブ２５４、チューブ２５４の端にろう付けされあるいは取り付けられるマニホールド、液体輸送フィッティング２６０，２６２、成型プラスチック・カバー２６４、モジュールの環境保護を改善する弾性の周辺シール３１６ｂ、及び、熱伝導板２７２を備えることができる。シール３１６ｂもまた、図３Ａに示され、シール３１６ａに類似している。

熱伝導板２７２は、特別の熱伝導性の電気的に絶縁されたプラスチック材料から作製可能である。この板は、ヒートシンクのカバー２６４におけるポートに接着剤で接合可能である。この構成が用いられる場合、効率的な熱伝導を確保するために、図３Ａに示すように、調合された熱界面グリースが板２７２とモジュールの下部バスバー３０９との間に配置可能である。

熱伝導板２７２もまた熱伝導性の導電性のアルミニウム材料から作製可能である。板２７２は、ヒートシンクのカバー２６４におけるポートへ接着剤で接合することができる。この構成が用いられる場合、効率的な熱伝導及び電気的絶縁を確保するために、打ち抜きで弾性の熱界面パッドが板２７２とモジュールの下部２金属バスバー３０９との間で用いることができる。

セルにそれほど厳しい要求を必要としないいくつかの応用例では、液体の代わりに空気が使用可能である。ヒートシンク３１４は、パッケージのコンパクト化のため、モジュールの全長内で重ね合わせることができる。別の実施形態では、ヒートシンク３１４は、専用の空気熱交換器と取り替えることができる。電池モジュール内で効率的な液体冷却システムを用いて、電池セル及びそれらの端子の環境暴露が低減される。モジュール内で、電池セルの電力端子は、腐食から電圧電極を保護してＩＰ６７規格により環境的にシール可能である。

図５Ａは、図３Ａにおけるバスバー３０８、３０９の異なる型を図示する。発明の例示的な実施形態によって達成された特徴は、端子を包囲するエレメントとの不要な接触を避けるように、端子の周辺の外側表面への方向にレーザーを適用することにより、バスバーに電池セルの端子を効果的にレーザー溶接可能であることである。そのようにしなければ、そのような接触が起こるかもしれず、レーザーは、よりセルの軸方向つまり端子の方へ下方へ向けられる。図５ａで示すように、バスバー６２８は、電池セル３１０の端子６３２の上方に配置され、端子６３２に対応した輪郭を有する。輪郭は、端子６３２の周囲に沿って延在する、例えば第１及び第２の側面６４０、６４４を有する三角形又は部分的にひし形形状の突起６３６を備えることができる。端子６３２がバスバー６２８の形状に一致するように配向されるので、この配置は、効果的な溶接作業を可能にする。溶接は、端子６３２とバスバー６２８との間に電気的接続を生成する。

したがって、溶接は容易に行われ、増加した溶接長さにより構造的完全性を有する。電池モジュールの部品に損傷をもたらすかもしれない、電池セル３１０の軸方向に沿ってレーザーを向ける代わりに、セルケーシング３１２の側面から効率的にレーザー溶接を適用可能にしながら、他の適当な形状も、端子６３２に適切な電気的接続を提供する突起６３６に用いることもできる。電池セル３１０の群は、少なくとも第１及び第２の列を備えることができ、端子６３２は、複数の角を有する周縁形状を有する。例示的な実施形態において、第１列の端子６３２の角の一つは、第２列から離れて向けられ、第２列における端子６３２の角の一つは、第１列から離れて向けられる。

組み立ての間、溶接６４８は、突起６３６の第１及び第２の側面６４０、６４４に沿った方向に適用される。バスバー６２８の形状は、各バスバーに要する材料量を減じながら、電池セル３１０の複数列のカバーを提供する。さらに図５ｂを参照して、電池が過熱した場合にガスを放出するために、通気孔６５２をセル３１０に設けることができる。バスバー６２８の下に通気孔を設置することは望ましいかもしれない。通気孔６５２は、ガスを放出するためにあり、電池セル３１０の一若しくは両端部で使用可能である。例えば、セル３１０が過熱した場合、通気孔６５２は除去された熱いガスを放出する。突起６３６に対して端子６３２を特定の配列にすることにより、通気孔は、突起６３６に対して例えばセル３１０に目印を整列することで、バスバー６２８の下の適切な位置に回転して位置決めすることができる。前の実施形態に類似して、対向端部でのバスバー６２８は、それぞれ、セルケース３１２の側面に沿って曲がっている拡張タブ６５６を有することができる。他の電池モジュールと電気的接続をなすために、穴部６６０を拡張タブ６５６に設けることができる。

図５Ｂに示されるように、端子シール６４９が端子６３２の周囲に設けられる。バスバー６２８が端子６３２へ例えば溶接されて連結される場合、端子シール６４９は損傷を受けないことが重要である。発明の態様にしたがい、バスバー６２８は、端子シール６４９への損傷の機会を減じながら、端子６３２にレーザー溶接されるように構成される。このことは、外側を端子の周面６５０に配置することによりある程度実行され、周面６５０の方へ向けられる溶接レーザーによりそれらが接近しやすい。例えば、レーザー・ビームは、セル３１０の軸の方向に垂直あるいはほぼ垂直な方向に向けることができる。

図５Ｃ及び図５Ｄは、セル３１０の長手方向にほぼ垂直な方法でセルの端子領域になされる溶接を図示している。発明の例示的な態様にしたがい、レーザー溶接がセル３１０の軸方向に適用される場合に別の方法で損傷されるかもしれない端子シール６４９への損傷を減じあるいは防ぎながら、レーザー・ビーム６７０は、バスバー設計のため、バスバー６２８の突起６３６と端子６３２との間の接触面積に影響を与え、効果的な溶接を提供する。レーザー・ビーム６７０は、端子６３２の第１及び第２の側面６４０、６４４の方向に突起６３６及び端子６３２に沿って移動するだろう。

図６及び図７は、位置決めバー６９０を用いることにより所定の角度へクロックされた（clocked）あるいは回転して位置決めされたセル３１０のアレイを図示している。位置決めバー６９０は、図５ｂに示されるセル通気孔６５２がバスバー６２８の下に配置されることを確保する方法で回転式にセル３１０の位置決めを支援するために使用可能である。セル３１０がどのように位置決めされるかにかかわらず、いくつかの実施形態では、熱いガスが電池モジュールのカバーに達するのを防ぐことを助けるため、バスバー６２８の下に通気孔６５２を設置することは望ましく、そうでなければ損傷を引き起こすかもしれない。

電池セル３１０は、セルケース３１２の内側に設けられるとき同じ配向にする必要はない。図８は、電池モジュール４０２の斜視図であり、ここではモジュール内のいくつかのセルは、モジュール内の他のセルと反対方向に配置される。例えば、モジュール４０２の左手側のセル４１０ａは、上方へ面するそれらの正極電力端子を有することができ、一方、モジュール４０２の右手側のセル４１０ｂは、下方へ面するそれらの正極電力端子を有することができる。図９は、電池モジュール４０２の対応する底部を図示する。よって、別の様式で配置された電池セルを含む電池モジュールを設けることが可能である。例えば、あるセルは、上方へ面するそれらの負極電力端子を有することができ、一方、他のセルは、下方へ面するそれらの負極電力端子を有する。従って、ここで述べられるもののようなバスバーは、セルの正極電力端子をセルの負極電力端子と接続することができる。従って、あるセル群は並列に接続されているが、セル群は、また、直列に接続することもできる。

図１０ａは、発明の一若しくは複数の実施形態による電池モジュール５０２の底面図であり、そのモジュール５０２は、２列の電池セル５１０及び一連のバスバー５０８を有する。示されるように、バスバー５０８は、電池セル５１０の両方の列をカバーする幅を有することができる。冷却液入口／出口３２０を有するヒートシンク３１４も示されている。

図１０ｂは、図１０ａの一部の拡大図である。図示されるように、３つの隣接した電池セル内に囲まれて、空間５０４が存在する。例示的な実施形態によれば、冷却装置又は流体に連通する冷却水路は、空間５０４内に配置することができる。冷却水路は、セルの温度を下げるために用いることができる。

図１１は、発明の一つ以上の実施形態による電池モジュール６０２の平面図である。モジュール６０２は、２列の電池セル６１０及び一連のバスバー６０８を持っている。バスバー６０８は、各々、単列における電池セルをカバーする幅を持っている。

いくつかの実施形態において、電池モジュールは、異なる材料から作製された部分を有するバスバーを有することができる。例えば、図１２及び図１３ａに示されるように、バスバー７０８、７１２は、アルミニウムで作製された第１部分７０８ａ、７１２ａ、及び銅から作製された第２部分７０８ｂ、７１２ｂを有することができる。セル７１０ａの正極端子がアルミニウムから作られる場合、これらの端子は、電気的接続を形成するためにアルミニウム部分７１２ａと適切に溶接することができる。同様に、セル７１０ｂの負極端子が銅又はニッケル被覆された鋼材から作られる場合、これらの負極端子は、電気的接続を形成するために銅部分７１２ｂと容易に溶接することができる。それ故に、２つの金属のバスバーは、２つの異なった金属から作られた電力端子とバスバーとの接続を容易に行うことができる。２つの金属のバスバーは、異なった材料を連結するために摩擦溶接７２０で形成可能である。

図１３ｂ及び図１３ｃに示されるように、上部バスバー３０８及び下部バスバー３０９は、それらに直接結合されるヒューズを有することができる。上部バスバー３０８及び下部バスバー３０９の各々は、この構成を有することができる。このヒューズは、精密な打ち抜き穴及び／又はスロット７７７のアレイであり、ジッパー・ヒューズを形成する。バスバーにヒューズを組み入れることは、モジュールの安全能力を向上させるために、頑丈で、コンパクトで、コストに効果的なアプローチである。重大な自動車衝突で可能性のある最悪ケースの故障モードに関して、ヒューズは、バスバーから過負荷の状態で、セルと機械的に切断され電気的に分離される。モジュールにおける隣接するセルあるいは潜在的に全てのセルで連鎖故障モードを防ぐ特定の時間内でそれが動作するように、実験及び分析は、ジッパー・ヒューズの最適な配置を明らかにする。

電池セル及びバスバーの異なる構成を用いることによって、一定の合計エネルギーを有する電池モジュールは、異なる出力電圧を提供することができる。図１４Ａ、図１４Ｂ、及び図１４Ｃは、この概念の実施例を図示する。図１４Ａ、図１４Ｂ、及び図１４Ｃの各々は、３６個の電池セルを有する電池モジュールの平面図及び底面図を含み、よって、図１４Ａ、図１４Ｂ、及び図１４Ｃにおける３つの電池モジュールの合計エネルギーは、一定である。図１４Ａにおいて、３６個のセルは、６群のセルにグループ化され（例えば群８０２ａ、８０２ｂ）、ここでは、各群におけるセルは並列に接続され、６つの群は直列に接続される。したがって、図１４Ａで図示される電池モジュールによって提供される電圧は、個々の電池セルの電圧の６倍である。この構成は、６Ｓ６Ｐ構成と呼ばれ、バスバーのユニークな配置により容易になる。

図１４Ｂにおいて、３６個のセルは、４個のセルの９つの群へグループ化される（例えば群８０４ａ、８０４ｂ）。ここでは、各群におけるセルは、並列に接続され、９つの群は直列に接続される。したがって、図１４Ｂに図示される電池モジュールによって提供される電圧は、個々の電池セルの電圧の９倍である。この構成は、９Ｓ４Ｐ構成と呼ばれる。図１４Ｃでは、３６個のセルは、９個のセルの４つの群へグループ化される（例えば群８０６ａ、８０６ｂ）。ここでは、各群におけるセルは、並列に接続され、４つの群は直列に接続される。したがって、図８Ｃに図示された電池モジュールによって提供される電圧は、個々の電池セルの電圧の４倍である。この構成は、４Ｓ９Ｐ構成と呼ばれる。並列に接続されたセルは、偶数個のセルに制限されず、列の数に特別な制限もないことに注意すべきである。

したがって、セル及びバスバーの配向を変更することにより、様々な実施形態による電池モジュールは、異なる出力電圧を提供するように柔軟に構成することができる。３６のＡ１２３ ３２１５７ ＨＤ電池セルを使用し、図１４Ａ、図１４Ｂ、及び図１４Ｃに関して記述された３つの異なる構成の動作は、以下の表Ｉに記載されている。

図３Ａに関して記述されるように、例えば、いくつかの実施形態において、電池モジュール３０２は、拡張タブ３２４を有するバスバーを用いることができる。図１５Ａは、例示的な電池モジュール３０２の右上角を示す斜視図である。モジュール３０２は、電池セル３１０の上端上のバスバー３０８ｂを有する。バスバー３０８ｂは、バスバーの面３２８から下方へ曲げられた拡張タブ３２４を有し、タブ３２４の近位端だけが図１５Ａにおいて可視であるように、セルケース３１２の制限された開口へ拡張タブが差し込まれる。図１５Ｂは、電池モジュール３０２の斜視図である。図１５Ｂにおいて、拡張タブ３２４の遠位端の一部を可視とする開口９０２がセルケース３０２にある。拡張タブ３２４の遠位端は、穴部又は開口３２６を有し、それは、拡張タブ３２４を通りボルト（図示せず）が差し込まれるのを可能にし、タブ３２４との電気的接続を図ることを可能にする。ボルトは、ケース３１２に固定されたナットと結合可能である。ケース３１２において拡張タブ３２４を設けることによって、それは、適所に回転式に保持され、その結果、ボルトの回転の間、拡張タブ３２４に加えられた力は、ケース３１２に吸収され、モジュール３０２の他の部分に作用する偶発的な応力を減じるように、上記他の部分に作用しない。複数のモジュールが電池を形成するために、ともにグループ化され整列される場合、ボルトは、１モジュールの押し出しにおいて拡張タブを通過し、電力端子に機械的トルクを及ぼさずに、他のモジュールの拡張タブと電気的接続を行うことができる。電気的接続を行うため拡張タブを用いる別の利点は、モジュールカバーの周囲のまわりで電池カバーを密閉することができることであり、それにより、カバーにおいて複雑なシール構成を回避できる。

図１６Ａは、ともに連結された複数の電池モジュール１００２を示す斜視図である。この例示的な実施形態において、各電池モジュールは、所望の構成に依存して電池セルのより多くの列のうちの一つを含むことができる。いくつかの実施形態において、電池モジュールは、モジュールにおけるセルケース上の連結タブを用いることにより連結することができる。設計目的に依存して異なる数のモジュールを用いることができると認識されるだろう。

図１６Ｂは、図１０ａのラインＡ−Ａに沿って得られた電池モジュールの一部の断面図である。図１６Ｃは、図１６ＡのラインＡ−Ａに沿って得られた隣接したモジュール１０１０に連結された電池モジュール１００８の断面図である。示されるように、モジュール１００８は、モジュール１０１０のセルケースにおけるスロット１０１２と連結可能なセルケースから延在するタブ１００４を有する。同様に、モジュール１００８は、モジュール１０１０のセルケースのタブ１０１４とロックすることができるスロット１００６を有する。図１６Ｄは、連結機構を用いてともに連結された２つの電池モジュール１００８、１０１０を示す図１６ａのラインＡ−Ａに沿って得られた断面図である。電池モジュール１００８、１０１０は、モジュール１００８、１０１０、１０１２及び１０１４の遠位端１０１６、１０１８でスロット及びタブを用いて、隣接したモジュール１０１２、１０１４に連結される。

図１７及び図１８は、連結された関係において複数の組み立てられたセルモジュール１０５０、１０５４などを図示する。セルモジュール１０５０、１０５４は、接続治具１０５８によって電気的に連結される。図１７の実施形態において、セルモジュール１０５０、１０５４は、セルモジュール１０５０の負極端がセルモジュール１０５４の正極端に接続されるように、直列に接続される。２つのモジュールが並列に接続されるように、一つのモジュールの正極端子は、別のモジュールの正極端子と電気的に接続可能である（及び負極が負極と）。あるいは、２つのモジュールが直列に接続されるように、一つのモジュールの正極端子は、別のモジュールの負極端子と電気的に接続可能である。モジュールを重ねる能力は、複数モジュール構成を作るために有効で効率的な方法を提供する。

接続治具１０５８は、セルモジュール間の電気的接続を行う導電性板１０６２あるいは他の適当なコネクターを備えることができる。図１７の例示的な実施形態は、下部のバスバーにおける穴部１０６７、１０６８と結合する締結ボルト１０６６を利用するような接続治具１０５８を図示する。接続治具１０５８は、この設計に限定されず、適切な電気的接続を提供する他の構成の形態をとってもよいことが認識されるだろう。隣接するセルモジュール間の電気的接続を電気的に分離し保護するために、プラスチック・カバーのような絶縁カバー１０７０は、接続治具１０５８の上方に配置可能である。図１９は、装着されたカバー１０７０を有する連結されたセルモジュール１０７４のアレイを図示する。図２０は、前述のタブ及びスロット連結構成を用いてともに連結された、複数のセルモジュール１０７８の平面図である。締付ボルト１０８２の上端部は、セルモジュール及び冷却液体の入口及び出口１０９０、１０９４のベース部１０８６とともに、図１７から図２０において可視である。

上述したように、いくつかの例示的な実施形態において、２つの金属のバスバーは、好ましくは、両極の電力端子と電気的接続を行うために使用可能であるが、必ずしもそうではない。２つの金属のバスバーは、例えば、両方の金属と溶接可能な中間材料を同一に扱うことで製造することができる。一例として、アルミニウムと銅の２つの金属のバスバー用の中間材料として、銀が使用可能である。２つの金属のバスバーを作る別の方法は、異種金属をともに接合するようにクラッディングによるものであり、例えば、ダイを通して２つの金属を押し出すことにより、あるいは高圧下で金属箔を押圧することによる。さらに、別の例示的なアプローチは、当業者により理解されるように、摩擦溶接技術を用いることである。

図２１は、本発明の様々な実施形態で使用される２つの金属のバスバーを製造するプロセスを図示する図である。最初に、銅部分１１０４ａ及びアルミニウム部分１１０４ｂを含むチューブ１１０２は、２つの異なる金属を摩擦溶接により作製される。よって、管部１１０６は、チューブ１１０２から切断され、２つの金属のバスバーを提供するようにロールされる。２金属片を製造するための当該技術分野で既知の他の方法が２金属バスバーを製造するために使用可能である。

電池セルは、電池セルの一端あるいは両端部で一般的に通気孔（複数可）（ガスを放出するためのバルブ）を有することができる。通気孔は、例えば、セルが過熱したとき、熱い排出されたガスを放出する。温度の低下なしに熱いガスが電池モジュールのカバーに達するならば、それはモジュールを損傷させるかもしれない。本発明の実施形態は、また効率的なセル通気設計を有する電池モジュールを提供する。

図２２から図２６は、セルモジュール１４００のバスバーをセル端子にレーザー溶接するために使用される固定具を図示する。セル端子及びバスバーは、上の実施形態に記載されていたものであってもよい。固定具は、位置決めピン１４０１及びボルト１４０２でともに留められる４つの主な半組立部品を有する。組み立てられた固定具は、レーザ溶接の間、モジュールのセルケース１４０４、セル１４０６及びバスバー１４０８を位置決めし把持する。一つの実施形態において、固定具は、不可欠のハンドルを介して手動で固定具を反転するため、たった一つの短い休止とともに自動レーザ溶接を可能にする。ボルト１４０２の使用は、コスト及び複雑さを制限するのに向いている。大量生産に関して、製造時間を縮小するために、類似の固定具は、ボルトよりもむしろ迅速動作機構を使用してもよい。

第１の主な半組立部品は、硬いランドプレート１４１０、及び位置決めピン、ボルト、ネジ固定接着剤を介してそのプレートに取り付けられる２つの硬い隙間ブロック１４１２を有する。ランドプレート１４１０の材料は、固定具が妥当な労力で手動で移動可能なようにアルミニウムでもよい。ランドプレート１４１０は、モジュールのセルケース１４０４を設置し把持するために多くの凹状表面を有する。隙間ブロック１４１２の材料は、モジュール１４００に関して、各端部で隣接する上部正極アルミニウムバスバー及び上部負極銅バスバーとの偶発的な電気的短絡の危険を避けるように、ガラス繊維強化プラスチックであってもよい。隙間ブロック１４１２は、固定具の他の主な３つの半組立部品を保持する位置決めピン及びボルトと結合するため、複数の平面及びネジ穴を有する。

第２の主な半組立部品は、硬い押圧板で、これを保持するためのピン及びボルトを有し、アルミニウムであってもよい、押圧板１４１６を有する。押圧板１４１６は、隙間ブロックの位置決めピンと結合する平面穴のパターンを除いてランドプレート１４１０に類似している。

第３の主な半組立部品は、硬いプッシュバーで、これを保持するためのピン及びボルトを有し、ガラス繊維強化プラスチックであってもよい、プッシュバー１４１８を有する。プッシュバー１４１８は、また、モジュールの下部の２金属バスバーと接続する精度バスバー位置決めボタン１４２２を有する。プッシュバー１４１８は、また、各レーザー溶接経路に関してぴったりはまることを確保するために、セルサイト毎でバスバーを押圧するバネ付勢されたプランジャ１４２６を有する。

第４の主な半組立部品は、硬いプッシュバーで、これを保持するためのピン及びボルトを有し、ガラス繊維強化プラスチックであってもよい、プッシュバー１４２８を有する。プッシュバー１４１８に類似して、プッシュバー１４２８は、モジュールの上部の正極アルミニウムバスバー、上部の負極銅バスバー、及び２つの上部の２金属バスバーと接続する精度バスバー位置決めボタンを有する。プッシュバー１４２８は、また、各レーザー溶接経路に関してぴったりはまることを確保するために、セルサイト毎でバスバーを押圧するバネ付勢されたプランジャを有する。完全なアセンブリーが図２６に示され、これは溶接レーザーの入射用の開口１４３２を含んでいる。

セルは、全体の電池システム容量を増加させるために、しばしば電池モジュール内で並列にて電気的に接続される。いくつかの電池システムの応用例は、成功した競争、及び内部セル短絡となる欠陥をシミュレートする酷使テストの合格を必要とする。セル爪で刺すことによるシミュレートされた短絡は、迅速なセル放電の間、セル内でセル温度増加となる。並列のセルは、刺されたセルによって放電される必要のある増加したエネルギーのため、さらに温度が上がる。並列セルからのエネルギーが刺されたセルに入るのを防ぐために、この状態の間、電流を遮断するため、ヒューズが並列セルの各々に直列に設置可能である。

本発明の実施形態は、電池モジュール用の本質的に安全でコンパクトなヒューズを提供する。電池モジュールにおいて、ヒューズは、各セルに適用でき、重ねられたセル間の空間に位置することができる。あるいはヒューズは、バスバーに割り込むこともできる。図２７Ａは、バスバー１３０２及びヒューズ１３０４を含む電池モジュールの様々な部品の分解組立図である。図２７Ｂは、バスバー１３０２及びヒューズ１３０４ａを示す図である。図２７Ｃは、ヒューズ１３０４ａ及びセル１３０８を図示する図である。

発明の例示的な実施形態によるモジュールパッケージは、セル空間の有効な利用を提供する。円筒状セルを重ねることは、セル間に三角形の空間を生成する。その空間は、重ねられたセルの各々用のヒューズを収容するために使用可能である。プラスチックセルハウジングに封入されたヒューズは、セルヒューズが開いた場合に、電池モジュール内の潜在的可燃性の混合物が点火するのを防ぐのに役立つであろう本質的に安全な環境を提供する。例えば、円筒状セルに関して、ヒューズは、重ねられたセル間の三角形の空間に位置可能である。本質的に安全な溶断方法は、電気的バスバーに割り込ませたヒューズであるかもしれず、モジュール内で火花が潜在的燃焼性のガスに達するのを防ぐように密封した環境内に存在するような方法で密閉されてもよい。密閉されたバスバーは、セル端子への溶接あるいはボルト締めでの接続を許容しながら、溶断部分のみをカバーすることができ、よって、良好な空間利用を有するコンパクト設計を可能にする。

多数の追加の利点あるいは変更は、当該技術における通常の技術を有する者によって実現されるかもしれない。従って、発明は、開示された非制限の実施形態に限定されていないが、添付の請求項の全部の精神及び範囲内にあると解釈されることは意図される。

Claims (15)

1. セルケーシングと、
   セルケーシング内に配置された複数の電池セルであり、その長手方向端部にそれぞれ端子を有し、該端子は上部及び外周側面部分を有する、電池セルと、
   一群の電池セル間の電気的接続を提供する少なくとも一つのバスバー・セグメントであり、少なくとも一つのバスバー・セグメントは端子の上部に接触するため各電池セルの上記長手方向端部を横切り延在する、バスバー・セグメントと、
   を備え、
   端子の外周側面は、端子を少なくとも一つのバスバー・セグメントに溶接するため、レーザーが外周側面の方へ向けられるように少なくとも一つのバスバー・セグメントによって遮られていない、
   電池モジュール。
2. 端子は、少なくとも２つの外周側面を備え、バスバー・セグメントは、端子に接触する突起を備え、突起は、端子の少なくとも２つの外周側面と整列された第１面及び第２面を有する、請求項１記載の電池モジュール。
3. 複数のバスバー・セグメントを備え、複数のバスバー・セグメントの各々は、電池セルの列に沿って延在する方向において互いから隔てられる、請求項１記載の電池モジュール。
4. セルケーシングは、隣接のセルケーシングにセルケーシングを連結するよう作用する連結機構を備える、請求項１記載の電池モジュール。
5. 連結機構は、タブ及びスロットの少なくとも一つを備え、任意に、隣接のセルケーシングのスロット及びタブの少なくとも一つとそれぞれ係合するタブ及びスロットを備える、請求項４記載の電池モジュール。
6. 電池セル群は、少なくとも第１及び第２の列を備え、端子は、複数の角を有する周縁形状を有し、第１列における端子の角の一つは、第２列から離れて向けられ、第２列における端子の角の一つは、第１列から離れて向けられ、
   任意に、上記端子は、正方形の周縁形状を有する、請求項２記載の電池モジュール。
7. 電池モジュールの電圧及び温度の少なくとも一つをモニターするプリント回路基板を備え、
   任意に、カバーを備え、プリント回路基板は、カバーと複数のバスバー・セグメントとの間で複数のバスバー・セグメントに沿って延在する、請求項３記載の電池モジュール。
8. 複数のバスバー・セグメントは、第１のバスバー構成を形成し、電池モジュールは、電池セルの別の端部で、第２のバスバー構成を形成する第２の複数のバスバー・セグメントを備える、請求項３記載の電池モジュール。
9. 第１のバスバー構成は、第２のバスバー構成よりも多数のセグメントを有する、請求項８記載の電池モジュール。
10. 第２のバスバー構成を冷却するヒートシンクを備え、
    任意に、ヒートシンクは、第２のバスバー構成に沿って延在し、冷却液入口及び出口を備える、請求項８記載の電池モジュール。
11. 電池セルの端子をそれぞれ囲むヒューズ構成を備え、
    電池セルは、隣接した電池セルの中心が正三角形を形成する重ねられた方法で配置され、及び／又は、電池セルは、円筒状のリチウムイオンセルである、請求項１記載の電池モジュール。
12. 電池モジュールを製造する方法であって、
    アレイ状に複数の電池セルを配置し、ここで複数の電池セルは端子を持つ第１長手方向端部を有し、端子はそれぞれ上部及び外周側面を有し、
    端子の上部を横切りバスバーを配置し、それにより端子の外周側面が露出され、
    バスバーと端子との間で溶接を確立するように端子の外周側面でレーザーを向けること、
    を備えた方法。
13. 端子は少なくとも２つの外周側面を備え、バスバーは端子と接触する突起を備え、
    任意に、突起は端子の少なくとも２つの外周側面と整列する第１側面及び第２側面を有し、レーザーは、溶接を確立するために端子の少なくとも２つの外周側面に沿って与えられる、請求項１２記載の方法。
14. レーザーを向ける操作の前に複数の電池セルが第１セルケーシングに配置され、セルケーシングは、電池セルを保持する複数のスロットを有し、及び／又は、レーザーは、電池セルの長手方向に直角方向に向けられ溶接を形成する、請求項１２記載の方法。
15. 複数の第２電池セルを内側に配置した第２セルケーシングを設け、第１及び第２のセルケーシングの側面の連結機構を用いて第２セルケーシングを第１セルケーシングに連結することをさらに備え、
    又は、第１セルケーシングにヒートシンクを設けることをさらに備え、ヒートシンクは、電池セルの第２の長手方向端から熱を抜き取る、請求項１４記載の方法。

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