JP6291127B2 - エネルギー貯蔵モジュールの貯蔵セルを収容するフレーム構成 - Google Patents

Description

本発明は、エネルギー貯蔵モジュール、特にバッテリモジュールの貯蔵セルを収容するフレーム構成であって、ｉ）フレーム構成の、軸に沿って互いに対向する２つの末端を形成する２個のプレート状の終端要素と、ｉｉ）フレーム構成の互いに対向する側に配置された結合要素であって、フレーム構成の一方の末端からフレーム構成の他方の末端へと伸長し、或る一定の距離を介して２個の終端要素を機械的に結合する上記結合要素と、を備える上記フレーム構成に関する。

このようなフレーム構成、及び、このような電気エネルギー貯蔵モジュールは、例えば、米国特許第８４１５０４７号明細書で開示されている。この明細書には、バッテリモジュールとして構成された電気エネルギー貯蔵モジュールであって、フレーム構成内の互いに電気的に接続された角柱形状の平坦なバッテリセルのスタックを有する上記電気エネルギー貯蔵モジュールが示されている。このフレーム構成は、当該フレーム構成の、軸に沿って互いに対向する２つの末端を形成する２個の終端プレートを有する。フレーム構成はさらに、フレーム構成の互いに対向する側に配置された結合要素であって、フレーム構成の一方の末端から他方の末端へと伸長し、平坦なバッテリスタックのスタック長を超えて２個の終端要素を機械的に結合する上記結合要素を有する。このために、各結合要素の末端は、一方の終端プレート及び他方の終端プレートにおいて、螺合により固定される。

バッテリモジュール（蓄電池モジュール）は、電気エネルギーを蓄えるための最も普及したエネルギー貯蔵モジュールではあるが、このエネルギー貯蔵モジュールという概念には、この純粋に電気化学的なエネルギー貯蔵器の他に、静電気的なエネルギー貯蔵器（例えばコンデンサ）と、電気化学的なエネルギー貯蔵部と静電気的なエネルギー貯蔵部との組み合わせによるハイブリッド貯蔵器と、も含まれている。

バッテリ又はバッテリモジュールの貯蔵セルは、バッテリ又はバッテリモジュールのバッテリセルである。バッテリセル、即ち例えばリチウムセルは、２．５〜５ボルトの典型的な駆動電圧を有する。しかしながら、電気駆動部又はハイブリッド駆動部を備えた車両を駆動するためには、より高い電圧が必要である。従って、車両の高電圧バッテリシステムのために、個々のバッテリセルが纏められてモジュールとなって直列に接続され、駆動構想にとって適切な電圧レベルが実現される。特に角柱形状の、例えば直方体状のリチウムセルは、充電状態、温度、劣化度に従って、セルの膨らみ（Ｚｅｌｌｂａｕｃｈ）を形成する傾向がある。これにより、特にバッテリモジュールのバッテリセルが並置されている場合には、長手方向に長くなり、より大きな設置空間が必要となる。さらに、バッテリセルの電力及び寿命が、セルが膨らむことによって不都合な影響を受ける。バッテリモジュールを小型化するために、即ち、セルの膨らみにより長手方向に長くなることを回避ために、バッテリモジュールにフレームを付けることが知られている。

独国特許出願公開第１０２００８０５９９６１号明細書、及び、米国特許出願公開第２０１３／０２８８１０５号明細書には、さらに、バッテリセルを含むバッテリモジュールと、バッテリセルを囲むフレーム装置と、が示されている。上記明細書によれは、フレーム構成の構成要素が、様々な形態で互いに固定されている。

請求項１で挙げた特徴を備える本発明に係るフレーム構成は、シンプルな構造をしており簡単に組み立て可能であるという利点をもたらす。

本発明に係るフレーム構成では、各結合要素は、２個の終端要素と結合するために、自身の各末端に軸に対して横方向に方向付けられたピンを有し、このピンはそれぞれ、終端要素の一方に設けられた凹部に係合し、そこで各閂状の安全要素により着脱可能に固定されることが構想される。凹部とは、終端要素に設けられた穿孔形状の孔であり、好適にプレート形状の終端要素の平面上に伸びている。

既に挙げた利点の他に、以下の長所、即ち、（ａ）螺子が１つも必要ではない、ｂ）組立のために工具が必要ではないため組立工程が簡素化される、（ｃ）解体も比較的簡単であり、その際に、フレーム構成の構成要素は再利用が可能であるという長所が得られる。

好適に、フレーム構成の構成要素の全て又は少なくとも１つが、プラスチックで製造される。これにより、フレーム構成の重量が、金属の連続鋳造による構成要素等の金属製の構成要素から成るフレーム構成に対して明らかに低減される。

本発明の有利な構成によれば、閂状の安全要素は、ピンに形成された係止要素として、又は、外から終端要素に導入可能な別体の安全要素として構成される。ピンに形成された係止要素は、例えば係止ノーズであり、この係止ノーズによって、ピンが凹部に差し込まれた際に当該凹部で自動的に係止される（留められる）。この係止結合を解消するために、終端要素の内部に好適にチャネルが設けられ、このチャネルを通じて、対応する工具が係止要素まで差し込まれて、係止要素がはずされる。別体の安全要素は、特に、スナップリング、固定ピン、及び／又は、固定クリップ（Ｓｉｃｈｅｒｕｎｇｓｋｌａｍｍｅｒ）として構成される。これらは、対応するピンの長手方向に対して横方向に取り付けられ、対応する凹部からピンが抜けることを防止する。

本発明の更なる別の有利な実施形態によれば、上記互いに対向する２つの側の各々に、結合要素が２個ずつ設けられ、当該２個の結合要素のピンは、互いに反対方向に方向付けられて終端要素の内部を通ることが構想される。

本発明の更なる別の有利な実施形態によれば、各結合要素は、Ｌ字形状の断面を有し、かつフレーム構成の縁端を形成する。これにより、結合要素は、バッテリセルを締め付けながら保持する締め付け構成を形成する。

本発明の有利な実施形態によれば、少なくとも２個の結合要素の間には、当該２個の結合要素の一方から他方へと伸びる結合部が配置される。

本発明の更なる別の有利な構成によれば、各終端要素は、結合ピンを差し込むための開口を有する。一方の末端部が開口に差し込まれている上記結合ピンと、結合ピンの各他方の末端部を収容するための対応する開口を両側に有する連結モジュールと、によって、エネルギー貯蔵モジュールを一列に機械的に繋ぎ合わせることが可能となる。

有利に、フレーム構成は、少なくとも一方の側面に、好適にセルのために設けられたフレームの軸範囲全体に渡って伸長する伝熱プレートを有する。

本発明はさらに、電気的に互いに接続された複数の貯蔵セルと、当該貯蔵セルを囲むフレーム構成であって、上述のフレーム構成として構成されたフレーム構成と、を備えた電気エネルギー貯蔵モジュール、特にバッテリモジュールに関する。

本発明に係るエネルギー貯蔵モジュールの好適な構成によれば、モジュールの貯蔵セルは、角柱形状の貯蔵セルとして形成される。

本発明の有利な発展形態によれば、貯蔵セルは、フレーム構成の終端要素の間で、軸に沿って積層されて貯蔵セルスタックとなっている。モジュールの対応する貯蔵セルスタックは、２個の終端要素の間に挟まれる。

本発明に係るエネルギー貯蔵モジュールの更なる別の有利な構成によれば、貯蔵セルの間には、圧縮可能な中間要素又は耐火性の高分子板が配置される。一実施形態によれば、さらに、結合要素の間及び貯蔵セルの間に中間要素が配置される。

以下では、図面を用いて本発明を詳細に解説する。
本発明の好適な構成に係る、貯蔵セル及びフレーム構成を含むエネルギー貯蔵モジュールを示す。 図１に示されたフレーム構成の終端要素を示す。 図１に示されたフレーム構成の結合要素を示す。 結合要素の安全装置を備えたピンを示す。 エネルギー貯蔵モジュールの更なる別の図を示す。 エネルギー貯蔵モジュールの詳細図を示す。 エネルギー貯蔵モジュールの更なる別の図を示す。 代替的な構成による終端要素を示す。 モジュール及び駆動時に発生する力の概略図を示す。 エネルギー貯蔵モジュールの更に別の図を示す。 エネルギー貯蔵モジュールの更なる別の図を示す。 他の角度から見たエネルギー貯蔵モジュールの図を示す。 終端要素の方から眺めたエネルギー貯蔵モジュールの図を示す。 図８に示された代替的な構成による終端要素の開口の位置を示す。 異なるモジュールの２個の終端要素、及び、連結要素を介した２個の終端要素の機械的連結を示す。

図１は、バッテリモジュールとして構成された電気エネルギー貯蔵モジュール１０を示している。この電気エネルギー貯蔵モジュール１０は、複数の（例えば１２個の）再充電可能なバッテリセル（蓄電池セル）として構成された貯蔵セル１２を有し、この貯蔵セル１２は、互いに電気的に接続されている。貯蔵セル１２は、角柱形状の貯蔵セルとして、厳密に言えば平坦な直方体状の貯蔵セル１２として構成され、軸１４の方向に並置されてスタック１６を形成する。このセルスタック１６は、エネルギー貯蔵モジュール１０のフレーム構成１８によって囲まれている。フレーム構成１８は、スタック１６の２つの末端のそれぞれに、プレート形状の終端要素２０を有する。この２個の終端要素２０は、フレーム構成１８の、軸１４に沿って互いに対向する末端２２、２４を形成する。フレーム構成１８はさらに、その互いに対向する２つの側２６、２８に、結合要素３０を２個ずつ有し、この結合要素３０は、フレーム構成１８の一方の末端２２から他方の末端２４へと伸長し、その際に、或る一定の間隔を介して２個の終端要素を機械的に結合する。図１には、終端要素の縁端にそれぞれ２個の安全要素３２が存在するのが分かるが、その機能については、他の図を説明しながら解説する。最後に、図１に示されるフレーム構成１８は、さらに、伝熱プレート３４として構成された底板を有する。伝熱プレート３４には、（図示されない）液体チャネルが設けられ、この流体チャネルについては、フレーム構成１８の末端２２の流体接続口３６しか見えていない。

図２は、フレーム構成１８の終端要素２０を示しており、その際に、図２の左側にはこの終端要素２０の一方の側面が示されており、図２の右側には終端要素の他方の側面が示されている。プレート形状の終端要素２０は、その一方の側面に、蜂の巣形状の構造３８を有するが、他方の側面は平滑である。蜂の巣形状の構造３８の代わりに、終端要素２０には、他の構造が形成されていてもよい。構造化された側面は、フレーム構成の外側として機能する。プレート形状の終端要素２０の細長い上側及び下側の各末端には、図３で示される結合要素３０のピン４２それぞれのための穿孔形状の凹部４０が存在する。

図３は、対応する結合要素３０のうちの１つを示している。各結合要素３０は、２個の終端要素と結合するために、各自身の末端に、自身の長手方向軸に対して横方向に方向付けられたピン４２を有し、このピン４２によって、結合要素３０は、各終端要素２０と結合するために、各終端要素２０のチャネル形状の凹部に係合することが可能である。

各終端要素２０の間、及び、各結合要素３０の間の接続を固定するために、上記の閂状の（ｒｉｅｇｅｌａｒｔｉｇ）安全要素３２が設けられる。この安全要素３２は、ピン４２の方向に対して横方向に作用する閂構造（Ｒｉｅｇｅｌｓｔｒｕｋｔｕｒ）により、凹部４０に差し込まれたピン４２が当該凹部４０から出ることを防止する。その際に、閂状の安全要素３２は、例えば、図１に示したように、外から終端要素２０に導入可能な別体の安全要素４４であってもよい。結合要素３０は、少なくとも、２個のピン４２の間の中間の部分ではＬ字形状の断面を有し、フレーム構成１０の縁端を形成する。

図４には、代替的な構成による安全要素３２が示されている。この安全要素３２は、ピン４２に設けられた係止要素４６であり、凹部４０の奥の（図示されない）保持構成に係合し、又は、凹部４０内でばね力を介してピン４２に少なくとも予圧を与える。

図５〜図１５は、エネルギー貯蔵モジュール１０、及びそのフレーム構成１８の更なる別の観点を示しており、主に、個々の実施形態の間の相違点について詳細に言及する。

図５は、図１の電気エネルギー貯蔵モジュール１０にほぼ対応する電気エネルギーモジュール１０を示している。ここでは、フレーム構成１８によって囲まれた、複数の貯蔵セル１２から成るセルスタック１６が示されている。終端要素２０、結合要素３０、及び、底板として構成された伝熱プレート３４の他に、図５のフレーム構成１８は、セル１２の端子及びモジュールコントローラを被覆するカバー４８をさらに有する。

図６は、プレート形状の終端要素２０とセル１２の縁端とを締め付けながら囲んで把持する結合要素３０の間の、別体の安全要素４４を用いた結合を再度詳細に示している。

図７には、他の角度から見たエネルギー貯蔵モジュール１０が再度示されている。図６でもそうであったように、構造３８（蜂の巣構造）が設けられた終端要素２０の、外側に向いた側面が良く分かる。

図８は、終端要素２０の構造化された側面の、代替的な構成による構造を示している。この構造では、８個のリブがスター形状に中央点へと伸びている。この構造によって、セル１２の駆動により生じる膨張力が特に良好に補正されうる。

対応する力が、図９の概略図に示されている。図９は、貯蔵セル１２が軸１４に沿って積層されているセルスタック１６と、フレーム構成１８の互いに対向する末端２２、２４に設けられた、末板として形成された終端要素２０と、を示している。

フレーム構成１８の対向する側２６、２８の結合要素３０を結合するための任意の結合部５０が、図１０に示されている。結合部５０は、２個の結合要素３０の間に配置され、２個の結合要素３０の一方から他方へと伸びている。これにより、２個の結合要素５０の間の方向においてより高い安定性が獲得される。

全ての方向における追加的な構造的安定性が、追加的な圧縮可能な中間要素５２、即ち例えば中間層によって実現されうる。図１１は、対応する圧縮可能な中間要素５２を備えたエネルギー貯蔵モジュールを示している。弾性材料から成るこの圧縮可能な中間要素５２は、個々の貯蔵セル１２の間、及び／又は、結合要素３０と貯蔵セル１２の間に配置されている。中間要素５２は、好適に圧縮可能な材料、及び／又は、例えば高分子材料（例えばアラミド）のような耐火材料から成る。貯蔵セル１２と結合要素３０との間に配置された中間要素５２によって、締め付け具として機能する結合要素３０と、貯蔵セル２０と、の間の構造的差異が解消される。代替的又は追加的に、中間要素５２は、電気的及び熱的に絶縁する。

図１２は、底板として構成された伝熱プレート３４が設けられた、エネルギー貯蔵モジュール１０の下側を示している。通常では、電気的絶縁要素が、貯蔵セル１２と伝熱プレート３４との間に配置されている。貯蔵セルは、全ての側面が、レーキ顔料（レーキ）で覆われ又は高分子薄膜で覆われていることが多い。代替的に、セル１２は、ポリマーバック（Ｐｏｌｙｍｅｒｂｅｕｔｅｌ）で包装される。貯蔵セル１２は、エネルギー貯蔵モジュール１０の底板として構成された伝熱プレート３４の上側に載置される。伝熱プレート３４と貯蔵セル１２との間には、任意に、電気的絶縁部が配置される。

図１３は、終端要素２０の一方から見た、エネルギー貯蔵モジュール１０の一方の末端２２の図を示している。終端要素２０は、既に図２で示した蜂の巣形状の構造３８を有し、その際に、この構造によって、結合ピン５６を差し込むための開口５４が形成される。図１３の例では、４個のこのような結合ピン５６が、蜂の巣形状の構造３８により形成された開口５４に挿入されている。

図１４には、図８に示した代替的な構成による終端要素２０での、開口５４の位置が示されている。ここでは、８個の開口が設けられている。この８個の開口は、各々がリブのうちの１つに位置付けられ、全体で長方形を為すように配置されている。

図１５は、異なる貯蔵器モジュール１０の２個の終端要素２０と、連結モジュール５８を介した当該２個の終端要素２０の機械的な連結と、を示している。各終端要素２０は、上記構造３８に介して、接続ペン５０を差し込むための開口５４を有する。一方の末端部が開口５４に差し込まれたこの結合ピン５６と、当該結合ピン５６の各他方の末端部を収容するための対応する開口５４を両側面に有する連結モジュール５８と、によって、エネルギー貯蔵モジュールを一列に機械的に繋ぎ合わせることが可能となる。

Claims (11)

1. エネルギー貯蔵モジュール（１０）の貯蔵セル（１２）を収容するフレーム構成（１８）であって、
   ‐前記フレーム構成（１８）の、軸（１４）に沿って互いに対向する２つの末端（２２、２４）を形成する２個のプレート状の終端要素（２０）と、
   ‐前記フレーム構成（１８）の互いに対向する側（２６、２８）に配置された結合要素（３０）であって、前記フレーム構成（１８）の一方の前記末端（２２）から他方の前記末端（２４）へと伸長し、或る一定の距離を介して前記２個の終端要素（２０）を機械的に結合する前記結合要素（３０）と、
   を備える、前記フレーム構成（１８）において、
   各前記結合要素（３０）は、前記２個の終端要素（２０）と結合するために、自身の各末端に前記軸（１４）に対して横方向に方向付けられたピン（４２）を有し、前記ピン（４２）はそれぞれ、前記終端要素（２０）のそれぞれに設けられた凹部（４０）に係合し、そこで各閂状の安全要素（３２）により着脱可能に固定され、
   前記互いに対向する２つの側（２６、２８）の各々に、結合要素（３０）が２個ずつ設けられ、前記２個の結合要素（３０）のピン（４２）は、互いに反対方向に方向付けられて前記終端要素（２０）の内部を通ることを特徴とする、フレーム構成（１８）。
2. 前記閂状の安全要素（３２）は、
   ‐前記ピン（４２）に形成された係止要素（４６）として、又は、
   ‐外から前記終端要素（２０）に導入可能な別体の安全要素（４４）として、
   構成されることを特徴とする、請求項１に記載のフレーム構成。
3. 前記別体の安全要素（４４）は、固定ピン、サークリップ、又は、スナップリングとして構成されることを特徴とする、請求項２に記載のフレーム構成。
4. 各前記結合要素（３０）は、Ｌ字形状の断面を有し、かつ前記フレーム構成（１８）の縁端を形成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のフレーム構成。
5. 前記終端要素（２０）の少なくとも一方は、結合ピン（５６）を差し込むための開口（５４）を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のフレーム構成。
6. バッテリモジュールの前記貯蔵セル（１２）を収容することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のフレーム構成。
7. 電気的に互いに接続された複数の貯蔵セル（１２）と、当該貯蔵セル（１２）を囲むフレーム構成（１８）と、を備えた電気エネルギー貯蔵モジュール（１０）において、前記フレーム構成（１８）は、請求項１〜６のいずれか１項に係るフレーム構成（１８）として構成されることを特徴とする、エネルギー貯蔵モジュール（１０）。
8. 前記貯蔵セル（１２）は、角柱形状の貯蔵セル（１２）として形成されることを特徴とする、請求項７に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
9. 前記貯蔵セル（１２）は、前記フレーム構成（１８）の終端要素（２０）の間で、軸（１４）に沿って積層されて貯蔵セルスタック（１６）となっていることを特徴とする、請求項７又は８に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
10. 前記貯蔵セル（１２）の間には、圧縮可能な中間要素又はアラミドから構成される耐火性の高分子板が配置されることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか１項に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
11. バッテリモジュールであることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか１項に記載のエネルギー貯蔵モジュール。

Images