JP6594307B2 - 取外し可能な複数のセルを有するモジュール、モジュールを備えるバッテリ、およびバッテリを備える車 - Google Patents

Description

本発明は、複数の取外し可能なセルを有するモジュール、そのようなモジュールを備えるバッテリ、およびそのようなバッテリを備える車に関する。本発明は、特に、電気またはハイブリッド車に適用される。

地球温暖化に対する合意の中で、２酸化酸素（ＣＯ_２）排出の低減は、自動車製造業者にとって重要な課題となっており、その基準はこの分野で益々厳しさを増している。

これには、従来の熱機関の効率の恒常的な改良に加えて、ＣＯ_２の低減が求められるが、現下において、電気車（「ＥＶ」）とハイブリッド電気車（「ＨＥＶ」）が、ＣＯ_２を低減するのに最も有望な解決策であると考えられている。

走行用バッテリを再充電するために充電器に定期的に接続する必要があるＥＶの自律性を高めるべく、近年、様々な電気エネルギー貯蔵技術が試されている。特に加速の点で性能を向上させるパワー密度と、自律性を増進させるエネルギー密度との間の最良の妥協点は、現在、リチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）セルを有するバッテリから得られると期待されている。しかし、ＥＶの走行用バッテリを製造するためにこのＬｉ−ｉｏｎ技術を使用することは多くの困難を伴う。特に、ＥＶを駆動するのに必要な電圧レベルは、ほぼ４００ボルト（Ｖ）にも相当し、さらにＥＶを駆動するのに必要な電流レベルを考慮する必要がある。Ｌｉ−ｉｏｎセルを直列および並列に相互接続してモジュールを形成し、そのうえで、モジュール同士を相互接続することにより、このようなレベルの電圧および電流を実現するには、通例２００キログラムを超えるバッテリ重量が必要となる。

従来のモジュールは、「ポーチ」または「ソフトバッグ」タイプの可撓性の角柱状のセルを積み重ねることによって形成される。この種のセルは、中にゲル電解質が入ったセルであって、略平行６面体または厚板の形のプラスチック製の可撓ケーシングで形成される。各セルは、その片端または両端に配設された、セルの正極および負極を形成する「タブ」タイプの２つのコネクタを備える。このような「タブ」タイプのコネクタは、金属板から数センチメートル幅の細片を切り出すことによって作製することが可能であって、可撓性で平坦であり、様々に機械加工することができる。たとえば、既知の手法は、隣接する２つセルの正極と負極とを、カシメ方法を用いて電気的に接続することである。別の既知の手法は、それら両極を、はんだ付けにより、電気的に接続することである。そのような方法の短所は、それらのコストに加え、自動車などの振動環境に対する信頼性に欠ける点である。別の短所は、そのようにして得られたモジュールは、セルを破壊せずには、再生処理または修理のために取り外すことができないことである。

これら短所を克服するために、仏国特許出願公開第２９５９６０９号には、上下に積み重ねられ、それぞれが可撓性で平坦なコネクタを備える複数の可撓性角柱状のセルから形成されるモジュールが開示されている。これら可撓性で平坦なコネクタに孔を開け、スペーサ間で締めることによってこれらコネクタを相互接続し、それらスペーサにさらに孔を開ける。タイロッドが、コネクタおよびスペーサの孔に通り、締付力を加える。この解決策の主要な短所は、モジュールの組立分解が困難なことであり、その組立分解には、多数のタイロッドをねじ止めし／ねじを外すことを必要とし、また、多数の要素、特にスクリュー、ナット、ワッシャ、およびスペーサを取り扱うことを必要とする。特に、このタイプのモジュールは、組立ライン製造には完全に不適当であることが証明されている。

本発明の目的は、前述の短所を克服することであり、特に、組立ラインで容易に製造することができるモジュールを提供することである。本発明は、本出願人によって２０１２年７月に出願された出願番号ＦＲ１２０２０２６を有する仏国特許出願の基礎を形成する発明に対して優れた事項を付加したものである。このため、本発明は、電気を貯蔵する「ポーチ」または「ソフトバッグ」タイプの複数の可撓性角柱状のセルを備えるモジュールに関する。各セルは、少なくとも１つの端部に、「タブ」タイプの可撓性で平坦な電気端子を備える。それらのセルが互いに接して配置されて、スタックが形成され、セルの電気端子がスタック内で位置合わせされる。スタックにおいて対をなす隣接する２つのセルの可撓性で平坦な電気端子であって、一方が正端子で他方が負端子である２つの電気端子がこの隣接する２つのセル間で折り曲げられる。２つの電気端子のそれぞれの折曲部には、２つのスペーサのそれぞれが配設される。モジュールは圧縮手段を備え、圧縮手段により、セルのスタックに圧縮力を加えて、２つのスペーサ間にある２つの電気端子の少なくとも一部分が互いに圧縮されるようにする。

好ましい実施形態では、角柱状の各セルは、その両端部に正端子と負端子とが配設される。スタック内において、対をなして隣接するセルの正端子と負端子とが少なくとも部分的に互いに２つのスペーサ間で圧縮されるようにして配設される。

スタックの最初のセルの負端子は、モジュールの負端子に接続し、スタックの最後のセル（１６）の正端子は、モジュールの正端子に接続することができる。

たとえば、圧縮手段は、少なくとも１つのクランプと、セルのスタック全体に圧縮力を伝えるべく２つのセル間に配設された少なくとも１つの電気絶縁材スペーサとを備えることができる。

たとえば、クランプを、少なくとも部分的に変形可能な材料で構成することにより、変形可能な材料が有するクランプを最初の形に戻そうとする復元力でスタックを圧縮することができる。

スペーサとしては、圧縮に対する耐性を高める材料から少なくとも部分的に製作されることが好ましい。

一実施形態では、圧縮手段が、セルのスタックを入れる容器を備えることができ、この容器のカバーで、容器を閉じた形態において、圧縮力がスタックに加えられるようにする。

本発明は、また、少なくとも１つの上記モジュールを備えるバッテリに関する。

本発明は、さらに、そのような走行用バッテリを備える電気またはハイブリッド車に関する。

さらに、本発明の主要な利点は、再生処理または修理のためにセルを簡単に取り外し可能なことである。

本発明のさらに別の特徴および利点が、添付図面を参照しながら、以下の説明の助けを得て明らかになるであろう。

本発明のモジュールの例示的実施形態に係る横から見た概略図である。 本発明に基づいたモジュールのセルを下から見た概略図である。 本発明に基づいたモジュールの受入ハウジングを前から見た概略断面図である。

図１は、本発明の実施形態に係るモジュール１を、座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）において横からみた概略図で示したものである。このモジュールの場合、Ｚ軸の方向に上下に６列、重ねられた「ポーチ」型または「ソフトバッグ」型の可撓性角柱セル１１、１２、１３、１４、１５、１６を備える。セル１１、１２、１３、１４、１５、１６は、個別には比較的可撓性があるが、積み重ねられてセルスタックになると比較的剛なアセンブリを形成することになる。さらに、２つの部材１７および１８が、セルスタックをクランプするように配設される。すなわち、要素１７、１８により、Ｘ軸方向の直線状に囲まれた４つの支圧面において、スタックのＺ軸方向に圧縮力を加える。したがって、本書の以下の説明では、部材１７、１８は、単に「クランプ」という。クランプ１７、１８は、変形可能な材料が好ましく、たとえば金属またはプラスチック材料から製作することができる。変形可能な材料の場合、圧縮力は、材料自体から生じる復元力になって、クランプ１７および１８を最初の形に戻そうとする。モジュール１の機械的強度は、セルスタックの相対的剛性とも相俟って、クランプ１７、１８により、少なくとも部分的に確保される。セル１１、１２、１３、１４、１５、１６のそれぞれは、一端に正極を、他端に負極を備える。セル１１の負極は、可撓性で平坦な「タブ」型コネクタ１１１によって実現されている。コネクタ１１１は、隣接するセル１２とは反対側に折り曲げられ、コネクタ１１１の折曲部にはスペーサ２１が配設される。このスペーサ２１は、組立プロセスを容易にするために、隣接セル１１の外側ケーシングに予め接着されている。同様に、以下、述べるすべてのスペーサは、その隣接セルに予め接着されている。スペーサ２１は、圧縮力に対する耐性を高める材料であればよく、たとえば、金属などの電気伝導材料から製作されても、プラスチックなどの電気絶縁材料から製作されても構わない。コネクタ１１１の折曲端部とクランプ１７との間には、端子３３が挿入されていて、これがモジュール１の負極を形成している。。モジュールのセル配列において、セルスタック内で連続する２つのセル同士は、極の位置を互い違いにして配置されている。たとえば、可撓性で平坦なコネクタ１１２によって実現されているセル１１の正極に対しては、可撓性で平坦なコネクタ１２２によって実現されているセル１２の負極が対向して配設されている。コネクタ１１２とコネクタ１２２は、両方とも、セル１１とセル１２との間に折り込まれている。コネクタ１１２の折曲部にはスペーサ２２が配設されている。このスペーサ２２はセル１１の外側ケーシングに予め接着されている。また、コネクタ１２２の折曲部にはスペーサ２３が内に配設されている。このスペーサ２３はセル１２の外側ケーシングに予め接着されている。かくして、コネクタ１１２、１２２の折曲部同士が、クランプ１８による圧力の下に、スペーサ２２と２３との間で強固に電気接触状態に保持される。また、セル１１とクランプ１８との間には、電気絶縁材のスペーサ５１が配設されて、クランプ１８の圧縮力を残りのスタックに伝えている。スペーサ２２、２３は、圧縮力に対する耐性を高める材料であればよく、たとえば、金属などの電気伝導材料から製作されても、プラスチックなどの電気絶縁材料から製作されても構わない。同様に、可撓性で平坦なコネクタ１２１によって実現されているセル１２の正極に対しては、可撓性で平坦なコネクタ１３１によって実現されているセル１３の負極が対向して配設されている。コネクタ１２１、コネクタ１３１は、両方とも、セル１２とセル１３との間に折り込まれている。コネクタ１２１の折曲部にはスペーサ２４が配設され、このスペーサ２４はセル１２の外側ケーシングに予め接着されており、コネクタ１３１の折曲部にはスペーサ２５が配設され、このスペーサ２５はセル１３の外側ケーシングに予め接着されている。かくして、コネクタ１２１、１３１の折曲部同士が、クランプ１７による圧力の下に、スペーサ２４と２５との間で強固に電気接触状態に保持される。また、セル１１と１２との間には、これらのセルに予め接着された電気絶縁材スペーサ５２および５３が配設されて、クランプ１７の圧縮力を残りのスタックに伝えている。スペーサ２４、２５は、圧縮力に対する耐性を高める材料であればよく、金属などの電気伝導材料から製作されても、プラスチックなどの電気絶縁材料から製作されても構わない。図２は、下から見た図により、コネクタ１１１がスペーサ２１の周りに折り曲げられる前の状態のセル１１を示したものである。この折り曲げ前の状態では、図示のように、スペーサ２１はさらにスペーサ５２によって蔽われている。可撓性で平坦なコネクタ１３２によって実現されているセル１３の正極に対しては、可撓性で平坦なコネクタ１４２によって実現されているセル１４の負極が対向して配設されている。コネクタ１３２、コネクタ１４２は、両方とも、セル１３とセル１４との間に折り込まれている。コネクタ１３２の折曲部には、セル１３の外側ケーシングに予め接着されたスペーサ２６が配設され、コネクタ１４２の折曲部には、セル１４の外側ケーシングに予め接着されたスペーサ２７が配設されている。かくして、コネクタ１３２、１４２の折曲部同士が、クランプ１８による圧力の下に、スペーサ２６と２７との間で強固に電気接触状態に保持される。また、セル１２と１３との間には、これらのセルに予め接着された電気絶縁材スペーサ５４および５５が配設されて、クランプ１８の圧縮力を残りのスタックに伝えている。スペーサ２６、２７は、圧縮力に対する耐性を高める材料であればよく、金属などの電気伝導材料から製作されても、プラスチックなどの電気絶縁材料から製作されても構わない。可撓性で平坦なコネクタ１４１によって実現されているセル１４の正極に対しては、可撓性で平坦なコネクタ１５１によって実現されているセル１５の負極が対向して配設されている。コネクタ１４１、コネクタ１５１は、両方とも、セル１４とセル１５との間に折り込まれている。コネクタ１４１の折曲部には、セル１４の外側ケーシングに予め接着されたスペーサ２８が配設され、コネクタ１５１の折曲部には、セル１５の外側ケーシングに予め接着されたスペーサ２９が配設されている。かくして、コネクタ１４１、１５１の折曲部同士が、クランプ１７による圧力の下に、スペーサ２８と２９との間で強固に電気接触状態に保持される。また、セル１３と１４との間には、これらのセルに予め接着された電気絶縁材スペーサ５６および５７が配設されて、クランプ１７の圧縮力を残りのスタックに伝えている。スペーサ２８、２９は、圧縮力に対する耐性を高める材料であればよく、金属などの電気伝導材料から製作されても、プラスチックなどの電気絶縁材料から製作されても構わない。可撓性で平坦なコネクタ１５２によって実現されているセル１５の正極には、可撓性で平坦なコネクタ１６２によって実現されているセル１６の負極が対向して配設されている。コネクタ１５２、コネクタ１６２は、両方とも、セル１５とセル１６との間に折り込まれている。コネクタ１５２の折曲部には、セル１５の外側ケーシングに予め接着されたスペーサ３０が配設され、コネクタ１６２の折曲部には、セル１６の外側ケーシングに予め接着されたスペーサ３１がされている。かくして、コネクタ１５２、１６２の折曲部同士が、クランプ１８による圧力の下に、スペーサ３０と３１との間で強固に電気接触状態に保持される。また、セル１４と１５との間には、これらのセルに予め接着された電気的絶縁材スペーサ５８および５９が配設されている。同様に、セル１６とクランプ１８との間には、セル１６に予め接着された電気絶縁材スペーサ７２が配設されて、クランプ１８の圧縮力を残りのスタックに伝えている。スペーサ３０、３１は、圧縮力に対する耐性を高める材料であればよく、金属などの電気伝導材料から製作されても、プラスチックなどの電気絶縁材料から製作されても構わない。セル１６の正極は可撓性で平坦なコネクタ１６１によって実現されている。コネクタ１６１は、隣接するセル１５とは反対側に折り曲げられ、コネクタ１６１の折曲部には、セル１６の外側ケーシングに予め接着されスペーサ３２が配設されている。コネクタ１６１の折曲部とクランプ１７との間に、モジュール１の正極を形成する端子３４が挿入される。コネクタ１６１の折曲部と端子３４とは、クランプ１７の圧力の下に、スペーサ３２とクランプ１７との間で強固に電気接触状態に保持される。また、セル１５と１６との間には、これらのセルに予め接着された電気絶縁材スペーサ７０および７１が配設されて、クランプ１７の圧縮力を残りのスタックに伝えている。

上記では、セル１１〜１６のスタックに圧縮力を加えるという主要機能をクランプ１７、１８に持たせていたが、クランプをハウジングで置換した別の実施形態を図３に概略的に示す。図３では、便宜上、セル１１〜１６は個々に示さず、そのスタックのみを参照符号６５で示している。図において、スペーサ５１、２２、２３、５４、５５、２６、２７、５８、５９、３０、３１、７２、およびコネクタ１１２、１２２、１３２、１４２、１５２、１６２が垂直配置されているように、セルも垂直に配設されている。このハウジングは容器６０として形成されており、容器６０にスタック６５を挿入することができる。リブ６１および６２が容器６０に配設されている。リブによって、スタック６５を位置決めしたうえで、第１の圧縮力をスタック６５に加える。さらに、容器６０は、カバー６４によって閉じることができる。カバー６４の縁部から容器６０の縁部を介してスタック６５に第２の圧縮力を加える。カバー６４とスタック６５との間には、クッション材６３（たとえば発泡体）が配設されて、のスタックを容器６０の底面に保持することができる。

別の実施形態では、セルのスタックを納めるハウジングに関して、有利には、ハウジングの容器とハウジングのカバーとの間でスタックが圧縮されるようにする。たとえば、そのハウジングとして、本出願人の仏国特許出願ＦＲ１２０２０２６に記載したバッテリモジュールハウジングに相当するものが使用できる。

本発明の主要な利点は、限られた有効空間内に最大数のセルを収納可能なコンパクトで、自律性を高めたモジュールを提供することができる点である。本発明のさらに別の利点は、実装コストにあり、はんだ付けやカシメ（ｃｌｉｎｃｈｉｎｇ）による組立コストより著しく低くなる。

Claims (8)

1. 電気を貯蔵する複数の可撓性角柱状のセル（１１、１２、１３、１４、１５、１６）を備えるモジュール（１）であって、
   各セルが、両端部に、電気端子として、可撓性で平坦な正端子及び負端子（１１１、１１２、１２２、１２１、１３１、１３２、１４２、１４１、１５１、１５２、１６２、１６１）を備え、セル同士が互いに接して配置されてスタックを形成し、前記スタック内で各セルの電気端子が位置合わせされ、
   前記スタックにおいて対をなす隣接する２つのセル（１１、１２）の可撓性で平坦な正端子及び負端子（１１２、１２２）は、隣接する２つのセル間で折り曲げられ、
   前記正端子及び負端子の折曲部には、２つのスペーサ（２２、２３）が配設され、
   前記スタックに圧縮力を加えることにより、２つのスペーサ間にある２つの電気端子の少なくとも一部分が互いに圧縮されるようにする圧縮手段を備え、
   前記圧縮手段が、
   少なくとも１つのクランプ（１７）と、
   前記スタック全体に圧縮力を伝えるべく２つのセル（１１、１２）間に配設された少なくとも１つの電気絶縁材スペーサ（５２）と
   を備えるモジュール。
2. 電気を貯蔵する複数の可撓性角柱状のセル（１１、１２、１３、１４、１５、１６）を備えるモジュール（１）であって、
   各セルが、両端部に、電気端子として、可撓性で平坦な正端子及び負端子（１１１、１１２、１２２、１２１、１３１、１３２、１４２、１４１、１５１、１５２、１６２、１６１）を備え、セル同士が互いに接して配置されてスタックを形成し、前記スタック内で各セルの電気端子が位置合わせされ、
   前記スタックにおいて隣り合うセルの対毎に、両端に２つのスペーサの対（２２、２３；５２、５３）が設けられ、
   前記スタックにおいて対をなす隣接する２つのセル（１１、１２）の可撓性で平坦な正端子及び負端子（１１２、１２２）は、隣接する２つのセル間で折り曲げられ、
   前記正端子及び負端子の折曲部には、前記２つのスペーサの対（２２、２３；５２、５３）のうち第１の２つのスペーサである２つのスペーサ（２２、２３）が配設され、
   前記２つのスペーサの対（２２、２３；５２、５３）のうち第２の２つのスペーサである２つのスペーサ（５２、５３）には電気端子はなく、２つのスペーサ（５２、５３）は絶縁性のスペーサを構成し、
   前記スタックの両側から圧縮力を掛けて、圧縮力が各スペーサを通してスタックに伝わるようにして、スタック全体を圧縮する圧縮手段を備える、モジュール。
3. 対をなす隣接するセルの正端子と負端子とが少なくとも部分的に互いに２つのスペーサ間で圧縮されるように、前記スタック内にセルが配設される、請求項１または２に記載のモジュール（１）。
4. 前記スタックの最初のセル（１１）の負端子（１１１）が、前記モジュールの負端子（３３）に接続され、前記スタックの最後のセル（１６）の正端子（１６１）が、前記モジュールの正端子（３４）に接続される、請求項１または２に記載のモジュール（１）。
5. 前記クランプ（１７、１８）が、少なくとも部分的に変形可能な材料で構成されていて、変形可能な材料が有する、前記クランプを最初の形に戻そうとする復元力が、前記スタックを圧縮する、請求項１に記載のモジュール（１）。
6. 前記圧縮手段が、前記セル（１１、１２、１３、１４、１５、１６）のスタックを入れる容器（６０）を備え、前記容器のカバー（６４）により、前記容器が閉じられた形態において、圧縮力が前記スタックに加えられることを特徴とする、請求項１または２に記載のモジュール（１）。
7. 少なくとも１つの請求項１または２に記載のモジュールを備えることを特徴とするバッテリ。
8. 請求項７に記載の走行用バッテリを備える電気車両またはハイブリッド車両。

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