JP5727040B2 - 総インダクタンスが減じられた電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電池モジュールに関する。

大容量の電池モジュールを形成するためには、複数の電池セルを直列に接続することができる。電池モジュールの多くの使用分野では、わずかなリプル部分を除いては、ほぼ直流が取り出されるか、もしくは供給される。

米国特許第５６４２２７５号明細書により、インバータ機能が組み込まれた電池システムが既知であり、この電池システムでは、電池の形態の別個の直流電圧源を備える一連の電源スイッチが設けられている。マルチレベル・カスケードインバータと呼ばれることの多いこのような電池システムは、従来のインバータ装置よりも効率が良く、高い信頼性を備えた単相または多相システムの実現を可能にする。

しかしながら、このような電池システムが、例えば、電気機械を制御するために使用される場合、相電圧の変化に際して、直流電圧源による、または直流電圧源を迂回した電流供給の素早い切換が必要である。しかしながら、電流の変化率の増大に伴い、直流電圧源のインダクタンスの影響が増し、ひいては電池モジュールの使用時には個々の電池セルの回路のインダクタンスの影響も増す。特に分配されたモジュールインダクタンスは高い電流と組み合わされて切換プロセスで高い損失エネルギーをもたらし、この損失エネルギーは電源スイッチで熱に変換される。切換プロセスが繰り返し行われることにより、スイッチにおける高い損失出力が生じ、ひいては電池システムの効率が低下する。幾つかの用途では、電池モジュールのインピーダンスの誘導性が過度に高い場合、付加的な緩衝コンデンサが必要となる。

分配されたモジュールインダクタンスに付随して、それぞれの切換プロセスでは電磁場も検出され、電磁場は、補助手段がなければ隣接する電子装置構成部品の妨害をもたらす場合もあり、したがって、ＥＭＶ規定（ＥＭＶ＝電磁両立性）を遵守するためにしばしば手間のかかる付加的な切換手段が必要となる。

米国特許第５６４２２７５号明細書

本発明は、電池モジュールにおいて、
それぞれ第１端子および第２端子を備える少なくとも２つの電池セルと、
少なくとも２つの電池セルを電気接続するための端子‐接続部材であって、それぞれの端子‐接続部材が第１電池セルの第１端子を、好ましくは隣接して配置された、第２電池セルの第２端子に接続する端子‐接続部材と、
電池モジュールと外部回路とを接続するための第１および第２接続端子と、
第１接続端子と電池モジュールの第１接続部とを電気接続するための第１接続端子‐接続部材であって、第１端子が第１電池セルの第１接続部によって形成された第１接続端子‐接続部材と、
第２接続端子と電池モジュールの第２接続部とを電気接続するための第２接続端子‐接続部材であって、第２接続部が第２電池セルの第２端子によって形成された第２接続端子‐接続部材とを備える電池モジュールを提供する。

この場合、第２接続端子‐接続部材は、
平面状に形成されており、
第２接続端子‐接続部材の表面が端子‐接続部材に対して離間されて、実質的に平行に延在しており、これらの端子‐接続部材の少なくとも部分領域を覆っており、第２接続端子‐接続部材が電池モジュールの作動時に電流によって貫流され、この電流の方向が端子‐接続部材の電流方向に対して実質的に逆となるように配置されている。

発明の利点

電池モジュールの総インダクタンスは、一方では個々の電池セル（セルインダクタンス）および他方ではこの電池セルの回路のインダクタンスによって決定される。本発明は、直列に接続された複数の電池セルを含む電池モジュールでは、個々の電池セルの回路は、電池モジュールの総インダクタンスに対するこの回路の貢献度が、セルインダクタンスに対して無視できる値を取るように構成されているという基本思想に基づいている。

このことは、本発明によれば、第２接続端子‐接続部材が平面状に形成されており、第２接続端子‐接続部材の表面が端子‐接続部材に対して離間されて、実質的に平行に延在しており、これらの端子‐接続部材の少なくとも部分領域を覆っており、第１接続端子‐接続部材が電池モジュールの作動時に電流によって還流され、電流の方向が、端子‐接続部材の電流流れ方向に対して実質的に逆であることにより実質的に達成される。

平面状の電流供給、および、電流方向が逆である場合に部分的に重なっていることにより引き起こされる端子‐接続部材と第２接続端子‐接続部材との間の電磁的な相互作用により、回路から生じるインダクタンスが著しく減少する。このことは、さらに電源スイッチの損失出力の減少をもたらし、ひいては電池システムの高い効率をもたらす。本発明による電池モジュールの構成は、接続部材と第２接続端子‐接続部材との間の領域に磁場を集め、これにより、電磁妨害の発生を最小限にする。

端子‐接続部材が同様に平面状に形成されており、第２接続端子‐接続部材が、この第２接続端子‐接続部材の表面が端子‐接続部材の表面に対して実質的に平行に延在するように配置されていることにより、上記効果を増大させることができる。

セル回路のオーム損失は、直流損失と交流損失とに分けられる。平面状の電流供給により、直流のための無視できる抵抗値を得るためには、接続端子‐接続部材の材料厚さはわずかであっても十分であり、したがって、本発明による電池モジュールは、回路の低インダクタンスよってのみならず、電池セルの極めて低インピーダンス接続によっても優れている。

接続部材の幅に対してわずかな材料厚さは、さらに表皮効果の影響を減じるために好ましい横断面をもたらし、本発明による電池モジュールは、交流作動時に減じられた損失抵抗をももたらす。

上記効果は、第２接続端子‐接続部材の表面が端子‐接続部材の表面の少なくとも８０％を覆っていることにより、さらに改善することができる。第２接続端子‐接続部材の表面が、端子‐接続部材の表面を完全に覆っている場合にもさらなる改善が得られる。

さらに、第１接続端子‐接続部材は平面状に形成されていてもよい。電池モジュールの寄生インダクタンスおよび抵抗のさらなる低減が、第２接続端子‐接続部材の表面が、第１接続端子‐接続部材の表面に対して平行に延在し、第１接続端子‐接続部材の表面の少なくとも部分領域を覆っており、これにより、両方の接続端子‐接続部材の間に有利な磁気的な相互作用が生じることによっても得られる。

第１接続端子‐接続部材が第１接続端子と一体的に形成されており、および／または第２接続端子‐接続部材が第２接続端子と一体的に形成されている場合には、製造技術的に特に簡単に実現することが可能である。

接続端子の領域においても低インダクタンスの回路を得るためには、第１接続端子は第２接続端子の近傍に、特に第２接続端子に隣接して配置されていてもよい。特に好ましくは、この場合、第１接続端子は第２接続端子の少なくとも部分領域を覆っている。

端子‐接続部材と第２接続端子‐接続部材との間および／または第１接続端子‐接続部材と第２接続端子‐接続部材との間の磁気的な相互作用をできるだけ効果的に形成するために、これらのユニットの間の間隔はできるだけ小さくしておくべきである。このことは、第２接続端子‐接続部材と端子‐接続部材との間および／または第１接続端子‐接続部材と第２接続端子‐接続部材との間に絶縁層が配置されていることにより簡単に実現することができる。

幾つかの用途では、例えば、センサ接続、緩衝部またはバランス回路のために個々の電池セルの端子を接触させることができる必要がある。端子‐接続部材および／または接続端子‐接続部材によりこのような端子が完全に覆われることを防止するために、本発明の一実施形態によれば、これらの端子は、少なくとも部分的に、電池セルの少なくとも１つの端子の付加的な外部接触が可能となるように構成されている。本発明による電池モジュールの構成は、このような外部の回路構成部品が低インピーダンスおよび低インダクタンスにより結合可能であるという利点を有する。

電池モジュールを外部に対して覆うためには、電池セルに向いていない方の側に接続端子‐接続部材を覆うカバーを設けてもよい。

本発明の実施形態の他の特徴および利点を添付の図面を参照して以下に説明する。

端子‐接続部材の接触後の本発明による電池モジュールの電池セルを示す概略図である。 図１に示した電池セルに絶縁層を取り付けた後の状態を示す概略図である。 第２接続端子‐接続部材の接触後の図１に示した電池セルを示す概略図である。 図１に示した電池セルにカバーを取り付けた後の状態を示す概略図である。

図１に概略的に示した電池モジュール１は、多数の電池セル、図示の実施例では１２個の電池セル２‐１〜２‐１２を含む。これらの電池セルは、有利には、再充電可能な電池セルまたは2次電池セルとして構成されている。見やすいように２つの最も外側のセル２‐１および２‐１２のみに符号を付している。それぞれの電池セル２は、正極端子３および負極端子４を備える。個々の電池セル２‐１〜２‐１２は、端子３，４が２つの平行な線形の列を形成するように配置されており、この場合、それぞれ第１端子３と第２端子４とは交互に配置されている。

図の下方に位置する電池セル２‐１の第１端子３‐１および図面の上方に位置する電池セル２‐１２の第２端子４‐１２は、電池モジュール１の第１（正極）接続部５もしくは第２（負極）接続部６として用いられる。他の端子３および４はそれぞれ対で端子‐接続部材７によって電気接続されている。この場合、第１電池セル２‐ｉの第１端子３は第２電池セル２‐（ｉ＋１）の第２端子４に接続されており、これにより、個々の電池セル２の直列接続が得られる。

電池モジュール１の第１接続部５として用いられる最下部の電池セル２‐１の端子３‐１は、第１接続端子‐接続部材８を介して第１接続端子９に接続されている。図示の実施例では、第１接続端子‐接続部材８は、対応した第１接続端子９と一体的に形成されている。

図示の実施形態によれば、端子‐接続部材７および第１接続端子‐接続部材８はいずれも平面状に形成されている。この場合、これらの端子‐接続部材７は、図示のように、一様な外形を備えているが、種々異なる外形に形成されていてもよい。しかしながら、端子‐接続部材７ができるだけ大きい面積を覆っている場合、有利である。

端子‐接続部材７および第１接続端子‐接続部材８には、絶縁層２０が取り付けられている（図２参照）。絶縁層２０は、端子‐接続部材７もしくは第１接続端子‐接続部材８と、第２接続端子‐接続部材１０との間に所定の間隔を形成するために用いられる。図の上方に位置する電池セル２‐１２の、電池モジュール１の第２接続部６として用いられる第２端子４‐１２の接触を可能にするために、絶縁層２０はこの領域では切り取られている。

第２接続端子‐接続部材１０は、最上部の電池セル２‐１２の、電池モジュール１の第２接続部６として用いられる端子４‐１２と第２接続端子１１とを電気接続するために用いられる。両方の接続端子９，１１は、電池モジュール１と、例えば、電源スイッチの形態の外部回路とを接続するために用いられる。図示の実施例では、第２接続端子‐接続部材１０は、対応した第２接続端子１１と一体的に形成されている。

第２接続端子‐接続部材１０は、本発明によれば平面状に形成されており、第２接続端子‐接続部材１０の表面は、端子‐接続部材７の表面および第１接続端子‐接続部材８の表面に対して（絶縁層２０によって）離間されて、実質的に平行に延在している。この場合、端子‐接続部材７は完全に覆われており、第１接続端子‐接続部材８は少なくとも部分的に覆われている。この場合、第２接続端子‐接続部材１０は、電池モジュール１の作動時に電流によって貫流され、この電流の方向は、端子‐接続部材７および第１接続端子‐接続部材８の電流方向に対して実質的に逆である。

平面状に電流が供給され、第２接続端子‐接続部材１０が、端子‐接続部材７および第１接続端子‐接続部材８を少なくとも部分的に覆っていることにより、これらの構成部品の間に電磁的な相互作用が生じる。この場合、逆の電流方向により、生じた磁界は少なくとも広範囲に補償され、これにより、回路から生じた電池モジュール１のインダクタンスが著しく減じられる。

回路のインダクタンスをさらに低減するために、両方の接続端子９および１１は、できるだけわずかな間隔を有するように互いに隣接して配置されている。図示の実施形態に対して代替的に、両方の接続端子９，１１は、部分的に重なっていてもよく、この領域では有利な磁気的相互作用が増大される。

例えば、センサ、緩衝部またはバランス回路のために個々の端子３および／または個々の電池セル２の付加的な外部接触を可能にするために、個々の、または全ての端子‐接続部材７および／または接続端子‐接続部材８，１０は適宜な切欠きを備えていてもよい。

第２接続端子‐接続部材１０には、電池モジュール１の、電池セル２に向いていない方の側に、電池モジュール１を覆うためのカバー１２が取り付けられている。この場合、実質的に電池モジュール１全体が覆われる。外部の回路構成部品と接触させるために用いられる接続端子９および１１のみがカバー１２を超えて突出している。

Claims (11)

1. 電池モジュールにおいて、
   それぞれ第１端子および第２端子を備える少なくとも第１電池セル及び第２電池セルと、
   前記第１電池セルと前記第２電池セルとを直接又は他の電池セルを介して電気接続するための端子‐接続部材であって、それぞれの端子‐接続部材が前記第１電池セルの前記第１端子を、前記第２電池セルの前記第２端子に直接又は他の電池セルを介して接続する端子‐接続部材と、
   前記電池モジュールと外部回路とを接続するための第１接続端子および第２接続端子と、
   前記第１接続端子と前記電池モジュールの前記第２電池セルの前記第１端子とを電気接続するための第１接続端子‐接続部材と、
   前記第２接続端子と前記電池モジュールの前記第１電池セルの前記第２端子とを電気接続するための第２接続端子‐接続部材と、
   を含む電池モジュール（１）において、
   前記第２接続端子‐接続部材が、
   平面状に形成されており、
   第２接続端子‐接続部材の表面が前記端子‐接続部材に対して離間されて、実質的に平行に延在し、かつ前記端子‐接続部材の少なくとも部分領域を覆っており、前記第２接続端子‐接続部材が前記電池モジュールの作動時に電流によって貫流され、電流の方向が全ての前記端子‐接続部材の電流流れ方向に対して実質的に逆になるように配置されている電池モジュール。
2. 請求項１に記載の電池モジュールにおいて、
   前記端子‐接続部材が同様に平面状に形成されており、
   前記第２接続端子‐接続部材が、該第２接続端子‐接続部材の表面が前記端子‐接続部材の表面に対して実質的に平行に延在するように配置されている電池モジュール。
3. 請求項２に記載の電池モジュールにおいて、
   前記第２接続端子‐接続部材の表面が前記端子‐接続部材の表面の少なくとも８０％を覆っている電池モジュール。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の電池モジュールにおいて、
   前記第１接続端子‐接続部材が同様に平面状に形成されている電池モジュール。
5. 請求項４に記載の電池モジュールにおいて、
   前記第２接続端子‐接続部材の表面が、前記第１接続端子‐接続部材の表面に対しても平行に延在し、前記第１接続端子‐接続部材の表面の少なくとも部分領域をも覆っている電池モジュール。
6. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の電池モジュールにおいて、
   前記第１接続端子‐接続部材が前記第１接続端子と一体的に形成されており、および／または前記第２接続端子‐接続部材が前記第２接続端子と一体的に形成されている電池モジュール。
7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の電池モジュールにおいて、
   前記第１接続端子が前記第２接続端子の近傍に配置されている電池モジュール。
8. 請求項７に記載の電池モジュールにおいて、
   前記第１接続端子が前記第２接続端子の少なくとも部分領域を覆っている電池モジュール。
9. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の電池モジュールにおいて、
   前記第２接続端子‐接続部材と前記端子‐接続部材との間および／または前記第１接続端子‐接続部材と前記第２接続端子‐接続部材との間に絶縁層が配置されている電池モジュール。
10. 請求項１から９までのいずれか一項に記載の電池モジュールにおいて、
    前記端子‐接続部材、前記第１接続端子‐接続部材、および／または第２接続端子接続部材が、少なくとも部分的に、前記第１電池セル及び前記第２電池セルの少なくとも１つの前記第１端子及び／又は第２端子の付加的な外部接触が可能となるように構成されている電池モジュール。
11. 請求項１から１０までのいずれか一項に記載の電池モジュールにおいて、
    前記第１接続端子‐接続部材及び／又は前記第２接続端子‐接続部材がカバーによって覆われる電池モジュール。

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