JP6704060B2 - バッテリパック - Google Patents

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Description

背景
１．発明の分野
本発明は、電気化学セルを収納するためのバッテリパックにおいて、受動的冷却機構部と、電気化学セルの肥大化により生じる外壁応力を最小限に抑制する機構部とを備えたバッテリパックハウジングを備えたバッテリパックに関する。
２．関連技術の説明
バッテリパックは、ポータブル電子機器から再生可能な電力システムや低公害車に至るまで、様々な技術に電力を供給する。例えばハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）においては、燃料効率を高めるために、燃焼機関と併用してバッテリパック及び電気モータが使用されている。バッテリパックは、複数のバッテリモジュールから形成され、各バッテリモジュールは、いくつかの電気化学セルを備える。各セルは、スタック状に配置され、電気的に直列又は並列に接続される。同様にバッテリパック内のバッテリモジュールも、電気的に直列又は並列に接続される。
従来のハイブリッド電気自動車で用いられているバッテリパックのなかには、例えば４００ボルト（Ｖ）といった比較的高い電圧が提供することができるように設計されたものがある。高電圧を達成するために、バッテリパックは、比較的大型であり、また、何百もの電気化学セルを備える。さらに、高電圧に対応するために、電気システム内の各構成要素は比較的高価であり、また、こうした構成要素には高電圧保護の要求が課されている。より構成要素の数が少なく、また、構成要素がより低コストであるバッテリパックが形成されることが望ましい。
概要
いくつかの態様においては、バッテリパックハウジングは、複数の電気化学セルを収容し得るように構成される。このバッテリパックハウジングは、容器を備え、この容器は、底部と、外壁と、第１の内壁と、第２の内壁とを備える。底部は、内面と、内面の反対側の外面と、内面と外面とを接合する周縁部とを備える。外壁は、周縁部を取り囲み、かつ、底部から底部の内面に垂直な方向に突出する。外壁は、第１の部分と、第１の部分に隣接する第２の部分と、第２の部分に隣接しかつ第１の部分と向かい合う第３の部分と、第２の部分と向かい合う第４の部分とを備える。第１の内壁は、第１の部分と第３の部分との間に延在し、かつ、第１の部分と第３の部分とのそれぞれに固定される。第２の内壁は、第１の部分と第３の部分との間に延在し、かつ、第１の内壁と第４の部分との間に配置される。第２の内壁は、第２の内壁と第１の内壁との間隔を変更し得るように外壁に対して可動である。
本バッテリパックハウジングは、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含むことができる。第１の内壁は、第２の部分及び第４の部分から離隔されており、それによって、第１の内壁と第２の部分との間には間隙が存在する。第１の内壁及び第２の内壁は、それぞれ中空であり、背を向け合う内面及び外面と、背を向け合うこれら内面と外面との間に延在するリブとを備え、このリブは、第１の内壁及び第２の内壁のそれぞれの内部で空隙を画定する。第２の内壁と第４の部分との間には、スペーサが配置される。第２の内壁は、第２の部分と平行でかつ第２の部分に向いた内面と、第４の部分に向いた外面とを有し、第２の内壁の外面の少なくとも一部は、第４の部分と平行ではない。外壁の外面の一部は、外向きに突出する冷却リブを有するように形成される。本バッテリパックハウジングは、非導電性材料から形成される。外壁は、第１の要素と、第１の要素とは別個に形成されかつ第１の要素に着脱可能に接続された第２の要素と、ラッチ部材とから形成される。第１の要素は、第１の部分と第２の部分と第３の部分とをＵ字形に配置された状態で備える。第１の要素の内面は、ラッチ部材を収容し得るように構成された第１の表面機構部を備える。第２の要素は、第４の部分を備え、第２の要素の内面は、第２の表面機構部を備え、この第２の表面機構部は、ラッチ部材を収容し得るように、かつ、第１の表面機構部と協働して第１の要素を第２の要素に着脱可能に接続し得るように構成される。第２の要素は、第２の内壁を備え、この第２の内壁は、スペーサを介して第４の部分から平行に離隔されている。ラッチ部材は、ピンであり、第１の表面機構部は、第１の貫通開口部を備え、第２の表面機構部は、第２の貫通開口部を備え、ピンは、第１の貫通開口部と第２の貫通開口部との双方を貫通する。第２の貫通開口部は、底部の内面に垂直な軸線に沿って第１の貫通開口部と位置合わせされる。
いくつかの態様においては、バッテリパックは、バッテリパックハウジングと、該ハウジング内に配置された電気化学セルとを備える。このハウジングは、容器を備え、この容器は、底部と、外壁と、第１の内壁と、第２の内壁とを備える。底部は、内面と、内面の反対側の外面と、内面と外面とを接合する周縁部とを備える。外壁は、周縁部を取り囲み、かつ、底部から底部の内面に垂直な方向に突出する。外壁は、第１の部分と、第１の部分に隣接する第２の部分と、第２の部分に隣接しかつ第１の部分と向かい合う第３の部分と、第２の部分と向かい合う第４の部分とを備える。第１の内壁は、第１の部分と第３の部分との間に延在し、かつ、第１の部分と第３の部分のそれぞれに固定される。第２の内壁は、第１の部分と第３の部分との間に延在し、かつ、第１の内壁と第４の部分との間に配置される。第２の内壁は、第２の内壁と第１の内壁との間隔を変更し得るように外壁に対して可動である。
本バッテリパックは、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含むことができる。第１の内壁は、第２の部分及び第４の部分から離隔されており、それによって、第１の内壁と第２の部分との間には間隙が存在する。第１の内壁及び第２の内壁は、それぞれ中空であり、背を向け合う内面及び外面と、背を向け合うこれら内面と外面との間に延在するリブとを備え、このリブは、第１の内壁及び第２の内壁のそれぞれの内部で空隙を画定する。第２の内壁は、第２の部分と平行でかつ第２の部分に向いた内面と、第４の部分に向いた外面とを有し、第２の内壁の外面の少なくとも一部は、第４の部分と平行ではない。第２の内壁と第４の部分との間に、スペーサが配置される。本バッテリパックは、電気化学セルの機能を監視及び制御するように構成された電子機器を備えたバッテリ管理装置を備え、このバッテリ管理装置は、容器内で第２の内壁と第４の部分との間に配置される。外壁は、第１の要素と、第１の要素とは別個に形成されかつ第１の要素に着脱可能に接続された第２の要素と、ラッチ部材とから形成される。第１の要素は、第１の部分と第２の部分と第３の部分とをＵ字形に配置された状態で備え、第１の要素の内面は、ラッチ部材を収容し得るように構成された第１の表面機構部を備える。第２の要素は、第４の部分を備え、第２の要素の内面は、第２の表面機構部を備え、この第２の表面機構部は、ラッチ部材を収容し得るように、かつ、第１の表面機構部と協働して第１の要素を第２の要素に着脱可能に接続し得るように構成される。電気化学セルは、ハウジング内に並べて配置され、各電気化学セルの間に絶縁シートが配置される。電気化学セルは、セルハウジングの外面が底部の内面に直接接触するように底部上で支持される。
いくつかの態様においては、６０Ｖ未満の電圧を生成するバッテリパックをハイブリッド電気自動車の電力システムの一部として使用することができ、それによって、電力システムのコスト及び複雑性を低減させることができる。本バッテリパックによって生成される電圧は、６０Ｖ未満であるため、本バッテリパックの形成に使用される構成要素は、より低コストである。
本バッテリパックハウジングは、複数の角型セルを収容し得るように構成される。いくつかの実施形態においては、角型セルは、金属ハウジングを有し、従って、この角型セルは、該セル内に配置された電解質とセルハウジングとの接触ゆえに電荷を有することができる。本バッテリパックハウジングは、非導電性でかつ熱伝導性の材料から形成される。これを、金属などの導電性材料から形成されており、隣接するセル間だけでなく角型セルハウジングとバッテリパックハウジングとの間にも絶縁構造体を挿入する必要のある、従来のいくつかのバッテリパックハウジングと比較することができる。本バッテリパックハウジングを非導電性材料から形成することにより、電気的短絡の発生の危険なしにセルとハウジングとを直接接触させることができる。絶縁構造体を単純化することができるため、本バッテリパックハウジングを小型化することができ、また、材料及び組立てのコストを削減することができる。
本バッテリパックハウジングを熱伝導性材料から形成することにより、本バッテリパックハウジング及びその中に配置されたセルの受動的冷却が強化される。有利には、本バッテリパックハウジングの外面は、周囲空気との熱交換をさらに促進する冷却フィンを備える。
本バッテリパックハウジングは、容器と、該容器の開放端部を閉鎖する蓋とを備える。この容器は、内壁部分が外壁から離隔されている二重壁型の側壁構造を有するように形成される。図示した実施形態においては、容器は、２つの内壁部分を備え、これら２つの内壁部分は、外壁の内側に配置され、かつ、互いに及び反対側の外壁部分に平行に配置される。第１の内壁部分は、一方の側の外壁部分に隣接及びこれから離隔されるように容器内に固定される。第２の内壁部分は、容器内で可動であり、かつ、反対側の外壁部分に隣接及びこれから離隔されるように配置される。電気化学セルは、セルの向かい合う面に対して横方向であるスタック軸線が一方の側の外壁部分と反対側の外壁部分とを通るように、容器内で第１の内壁部分と第２の内壁部分との間に並べて配置される。組立て時に、第２の内壁部分を、セルが配置された第１の内壁部分に向かって１つのユニットとして圧縮荷重下で移動させる。さらに、スタック軸線は、角型セルのセル肥大化方向と平行であり、このセル肥大化によるセルの膨張によって、スタック軸線に沿って内壁部分に力がかかる。内壁部分は、角型セルの肥大化による応力に対応し得るように構成される。例えば、十分に肥大化した際に、内壁部分は、この力に対応し得るように形状を変化させる（変形又はわずかにたわむ）ことができる。内壁部分が外壁部分から離隔されており、この内壁部分によって角型セルの肥大化が受け止められるため、外壁部分には力が加わらない。その結果、外壁は、寸法が一定となる。外壁の寸法を一定にすることによって、容器の外壁と蓋との間に設けられたシールは、側壁がセル肥大化の影響を受ける可能性のあるいくつかのバッテリパックハウジングよりも信頼性の高いものとなる。このシールによって、バッテリパックハウジングの内部空間への粒子及び／又は水分の侵入が阻止され、それによって、バッテリパックの操作性、信頼性及び寿命が改善される。
バッテリパックの上面斜視図である。 蓋を省いた図１のバッテリパックの上面斜視図である。 各セルの電極組立体の形成に使用される電極ストリップ及びセパレータストリップの配置の概略図である。 電極巻回軸線に対して横方向で見た場合の電極組立体の断面図である。 セルアレイ内のセルと絶縁性セパレータプレートとの交互の配置を示す、セルアレイの一部の分解斜視図である。 バッテリパックハウジングの容器の上面分解斜視図である。 容器の第２の要素の平面図である。 図７の線８−８に沿って見た場合の容器の断面図である。 図１０の線９−９に沿って見た場合の容器の断面図である。 容器内に配置されたバッテリ管理装置を示す、図６の容器の一端の平面図である。 別の実施形態の容器の平面図である。 容器内に配置されたバッテリ管理装置を示す、図１１の容器の一端の平面図である。 もう１つの別の実施形態の容器の斜視図である。
詳細な説明
図１及び図２に示すように、バッテリパック１は、電気化学セル２を備えた発電及び電力貯蔵装置であり、各電気化学セル２は、電気的に相互に接続されかつバッテリパックハウジング４０内に整えて収容される。バッテリハウジング４０は、容器６０及び蓋５０を備え、この蓋５０は、容器６０の開放端部で閉鎖する。バッテリパックハウジング４０内においては、セル２のアレイが、蓋５０から突出するバッテリパック端子５４、５５に直列又は並列に電気的に接続される。蓋５０と容器６０とを備えたバッテリパックハウジング４０は、非導電性材料から形成される。さらに、以下に詳細に説明するように、容器６０は、電気化学的セルの肥大化による外壁応力を最小限に抑制する機構部に加え、受動的冷却機構部をも有する。
図３乃至図５に示すように、セル２は、セルハウジング２０を備えたリチウムイオンセルであり、このセルハウジング２０が電極組立体４及び電解質を包囲することによって、発電及び電力貯蔵ユニットが形成される。電極組立体４は、少なくとも１つの正極６と、少なくとも１つの負極８と、正極６と負極８との間に配置された第１の電気絶縁性セパレータ１０と、正極６と負極８とのうちいずれか一方の反対側に配置された第２の電気絶縁性セパレータ１２とを備える。
正極６及び負極８はそれぞれ、リチウムイオンの挿入及び／又は移動を容易にする層状構造を有する。図示した実施形態においては、正極６は、グラファイトコーティングを有する銅で形成され、負極８は、リチオ化された金属酸化物コーティングを有するアルミニウムで形成される。セパレータ１０、１２は、ポリプロピレン−ポリエチレン−ポリプロピレン３層膜などの電気絶縁材料から形成される。
電極６、８及びセパレータ１０、１２は、細長い材料ストリップであり、これを積み重ね、次いで楕円形のマンドレルの周囲に巻回して、楕円形又はレーストラック形状のジェリーロール組立体４を形成させる。本明細書で使用する場合に、「ストリップ」という用語は、高さｈｅよりも大きい（例えば３桁多い）長さｌｅと、厚さｔｅよりも大きい（例えば３桁多い）高さｈｅとを有するジオメトリを指す。例えば、いくつかの適用例においては、電極２６、２８は、０．０３ｍｍの厚さｔｅ、６０ｍｍの高さｈｅ及び４５μｍの長さｌｅを有することができる。
セルハウジング２０は、矩形の角柱形状（例えば角型）を有し、第１の面２２と、第１の面２２の反対側の第２の面２４と、第１の面２２及び第２の面２４に隣接する第３の面２６と、第３の面２６の反対側でかつ第１の面２２及び第２の面２４に隣接する第４の面２８とを備える。第１及び第２の面２２、２４は、第３及び第４の面２６、２８と同一の高さを有するが、幅は、第１及び第２の面２２、２４の方が大きい。例えば、図示した実施形態においては、第１及び第２の面２２、２４の幅は、高さの約２倍であるのに対して、第３及び第４の面２６、２８の幅は、高さの約４分の１である。さらに、セルハウジング２０は、第１の端部３０と、第１の端部の反対側の第２の端部３２とを備え、第１の端部３０からは、正端子３４及び負端子３６が突出する。電極組立体４は、巻回軸線（例えば電極及びセパレータを巻回する軸線）１４が第１及び第２の端部３０、３２を通って延びるようにセルハウジング２０内に配置される。
電極組立体４は、バッテリの充放電時に寸法が変化する。このことは、少なくとも部分的には、サイクル時の活物質の膨張により正極及び負極の層構造が電極の厚さ方向に膨張することに起因する。セルハウジング２０内でのジェリーロール電極組立体４の膨張によって「セルの肥大化」が生じる。この「セルの肥大化」とは、セルハウジング２０の第１及び第２の面２２、２４が、巻回軸線に対して横方向にかつ第１及び第２の面２２、２４の外面に垂直な方向に外向きに反ることに相当する。本バッテリパックハウジングは、以下においてさらに説明するように、中に配置されたセル２の肥大化に対応する機構部を備える。
図２及び図５に示すように、バッテリパックハウジング４０の容器６０内に、セル２のアレイが配置される。例えば、図示した実施形態においては、このアレイは、あるセル２ａの第２の面２４ａが隣接するセル２ｂの第１の面２２ｂと向かい合い、かつ、各セルの第１の端部３０が蓋５０と向かい合うように並べて配置された１２個の１列のセルを備える。セルアレイのスタック方向に相当するスタック軸線１６は、セル２の向かい合う面（例えば、第１及び第２の面２２、２４）に対して横方向である。隣接するセル２の向かい合う面の間に、絶縁セパレータプレート１８が配置される。アレイは、バッテリパックハウジング４０の内部に次のように配置され、即ち、アレイの一方の端部にある最外側セル２（１）の第１の面２２が容器６０の第１の内壁１０１と向かい合ってこれに当接し、かつ、アレイの反対側の端部にある最外側セル２（１２）の第２の面２４が容器６０の内壁１２１と向かい合ってこれに当接するように配置される。
図２及び図６に示すように、容器６０は、底部６１と、底部６１を取り囲む外壁７０と、外壁７０の一部とセル２との間に配置された内壁１０１、１２１とを備えた箱状構造体である。底部６１は矩形であり、その幅寸法よりも長さ寸法の方が大きい。底部６１は、内面６２と、この内面６２の反対側の外面６３とを備える。外壁７０は、底部６１の周縁部を取り囲み、かつ、底部６１から底部の内面６２に垂直な方向に突出する。
外壁７０は、平面図で見たときに矩形の閉断面を形成し、従って、外壁７０は、直交する４つの外壁部分を備える。具体的には、外壁７０は、底部６１の長さに沿って延在する第１の部分７１と、この第１の部分７１に隣接しかつ底部６１の幅にわたって延在する第２の部分７２とを備える。外壁７０は、第２の部分７２に隣接しかつ第１の部分７１の反対側の第３の部分７３と、第２の部分７２の反対側にありかつ第１の部分７１及び第３の部分７３に隣接する第４の部分７４とを備える。第１及び第３の部分７１、７３は、第２及び第４の部分７２、７４よりも面積が広く、かつ、セル２のスタック軸線１６と平行である。外壁７０の外面７６は、バッテリパックの冷却を促進する表面機構部を備える。特に、第１及び第３の部分７１、７３の外面は、外向きに突出する冷却リブ７８を備える。この冷却リブ７８は、底部６１と外壁７０の自由端部７９との間に延在し、かつ、バッテリパック１の内部に配置されたセル２の位置に相当する領域にわたって存在する。
第１の内壁１０１は、外壁７０の内側に配置され、かつ、幅方向に延在する。より具体的には、第１の内壁１０１は、第２の部分７２と第４の部分７４との双方から平行に離隔され、かつ、第１の内壁１０１は、第１の内壁１０１と第２の部分７２との間に第１の間隙ｇ１が存在するように、容器６０の中央６４と第２の部分７２との間に配置される。この第１の間隙ｇ１は、第２の部分７２の外面と第４の部分７４の外面との間で測定した容器６０の全長ｌｏよりも小さく、また、スタック方向でのセル２の寸法ｄよりも小さい。例えば、いくつかの実施形態においては、第１の間隙ｇ１は、全長ｌｏの０．５％乃至２．０％の範囲にある。同様に、いくつかの実施形態においては、第１の間隙ｇ１は、スタック方向でのセル２の寸法ｄの５％乃至３０％の範囲にある。
第１の内壁１０１は、第２の部分７２及び第４の部分７４と平行な、１対の平行な離隔されたプレート１０２、１０３を備える。プレート１０２の内面とプレート１０３の内面との間には、角度の付いたリブ１０６が延在し、それによって、第１の内壁１０１の内部に空隙１０７が形成され、これらの空隙１０７は、セルが肥大化する際に生じるような、プレート１０２、１０３の面に垂直な方向に荷重が加えられた状態で第１の内壁１０１が変形する能力に寄与する。
第１の内壁１０１は、第１の部分７１と第３の部分７３との間に延在する。特に、第１の内壁１０１は、第１の部分７１、底部６１及び第３の部分７３のそれぞれに当接しかつ固定される。例えば、いくつかの実施形態においては、内壁１０１は、外壁７０及び底部６１と一体的に形成される。他の実施形態においては、内壁１０１は、製造時に外壁７０及び底部６１に固定される。
第２の内壁１２１は、外壁７０の内側に配置され、かつ、幅方向に延在する。第２の内壁１２１は、第２の部分７２及び第４の部分７４から平行に離隔されている。さらに、第２の内壁１２１は、第１の内壁１０１と第４の部分７４との間に存在するように、容器６０の中央６４と第４の部分７４との間に配置される。第２の内壁１２１と第４の部分７４との間には、第２の間隙ｇ２が存在する。この第２の間隙ｇ２は、第１の部分７１の全長ｌｏよりも小さく、かつ、スタック方向でのセル２の寸法ｄよりも大きい。例えば、いくつかの実施形態においては、第２の間隙ｇ２は、全長ｌｏの１０％乃至２０％の範囲にある。しかし、いくつかの実施形態においては、第２の間隙ｇ２は、スタック方向でのセル２の寸法ｄの１００％乃至３００％の範囲にある。
第１の内壁１０１と同様に、第２の内壁１２１は、第４の部分７４と平行な、１対の平行な離隔されたプレート１２２、１２３を備える。プレート１２２の内面とプレート１２３の内面との間には、角度の付いた構造のリブ１２６が延在し、それによって、第２の内壁１２１の内部に空隙１２７が形成され、これらの空隙１２７は、セルが肥大化する際に生じるような、プレート１２２、１２３の面に垂直な方向に荷重が加えられた状態で第２の内壁１２１が変形する能力に寄与する。
図６乃至図８に示すように、第２の内壁１２１は、第１の部分７１と第３の部分７３との間に延在するが、これらには固定されない。その代わりに、第２の内壁１２１は、２つのアーム対１３２、１４２を介して第４の部分７４に固定される。これらのアームは、第４の部分７４の内面から内向きに延在し、かつ、第２の内壁１２１と第４の部分７４との間の間隙ｇ２を維持する剛性スペーサ構造体として機能する。第１のアーム対１３２は、第１の部分７１に隣接するように第４の部分７４の一方の側縁部に沿って設けられ、第２のアーム対１４２は、第３の部分７３に隣接するように第４の部分７４の反対側の側縁部に沿って設けられる。第１のアーム対１３２のアーム１３３と１３４との間には、第１のキャッチプレート８８が配置され、第２のアーム対１４２のアーム１４３と１４４との間には、第２のキャッチプレート８９が配置される。これらの第１及び第２のキャッチプレート８８、８９は、底部６１と平行であり、かつ、第２の内壁１２１と第４の部分７４との間に配置されたキャッチプレート開口部８８ａ、８９ａを有する。以下においてさらに説明するように、キャッチプレート８８、８９は、使用されるラッチ構造体の一部であり、これによって第４の部分７４が外壁７０のそれ以外の部分に組み付けられた構成で保持される。
図１乃至図８に示す実施形態においては、外壁７０は、互いに着脱可能に係合して上述の矩形の閉断面が形成されるように構成された２つの別個の要素６６、６８として形成される。外壁７０の第１の要素６６は、第１、第２及び第３の部分７１、７２、７３を備え、これらは、底部６１と一体的に形成されており、かつ、平面図で見たときにＵ字形の構成で配置される。外壁７０の第２の要素６８は、第４の部分７４を備える。この第４の部分７４は、第１の要素６６に組み付けられたときにＵ字形の第１の要素６６の開放端部９０（以下、Ｕ字開放端部９０と呼ぶ）を閉鎖する。第４の部分７４に対応する第２の要素６８は、第１の要素６６とは別個に形成され、かつ、ラッチ構造体を介して第１の要素６６に着脱可能に接続される。
このラッチ構造体は、外壁７０の内面７５に設けられており、Ｕ字開放端部９０に隣接する位置で第１の部分７１の内面から突出する第１の目部対８０、８１を備える。第１の目部対８０、８１は、底部の内面６２に垂直な第１の軸線８６に沿って位置合わせされている開口部８０ａ、８１ａを備える。ラッチ構造体は、Ｕ字開放端部９０に隣接する位置で第３の部分７３の内面から突出する第２の目部対８２、８３（目部８３は、視認することができない）を備える。この第２の目部対８２、８３は、底部の内面６２に垂直な第２の軸線８８に沿って位置合わせされた開口部８２ａ、８３ａを備える。このラッチ構造体はまた、第１の部分７１に隣接する位置で第４の部分７４の内面から突出する第１のキャッチプレート８８と、第３の部分７３に隣接する位置で第４の部分７４の内面から突出する第２のキャッチプレート８９とを備える。第２の要素６８、即ち、第４の部分７４を第１の要素６６に組み付ける際に、第１のキャッチプレート開口部８８ａが第１の軸線８６に沿って第１の目部対の開口部８０ａ、８１ａと位置合わせされるように、第１のキャッチプレート８８が第１の目部対８０、８１の間に挿入される。さらに、第２のキャッチプレート開口部８９ａが第２の軸線８７に沿って第２の目部対の開口部８２ａ、８３ａと位置合わせされるように、第２のキャッチプレート８９が第２の目部対８２、８３の間に挿入される。ラッチ構造体は、第１の軸線８６と位置合わせされかつ第１の目部対及び第１のキャッチプレート８８の開口部８０ａ、８８ａ、８１ａを貫通する第１のピン８４と、第２の軸線８７と位置合わせされかつ第２の目部対及び第２のキャッチプレート８９の開口部の８２ａ、８９ａ、８３ａを貫通する第２のピン８５とを備える。特に、第１及び第２のピン８４、８５が、これらに対応する外壁の内面７５に形成された目部及びキャッチプレートと協働することによって、第１の要素６６が第２の要素６８に着脱自在に接続される。
図１及び図９に示すように、バッテリパックハウジング４０の蓋５０は、容器６０の開放端部を閉鎖し得るような形状及び寸法のものである。蓋５０の容器側の面５２の周囲は、開口部（図示せず）を備え、これらの開口部は、容器の外壁７０に設けられた直立のラッチ７７を収容しかつこれらと係合する。これらの開口部と直立のラッチとが協働して、蓋５０が容器の開放端部に関して閉鎖した構成に保持される。正端子５４及び負端子５５は、蓋５０の外側の面５１から突出する。
バッテリパックハウジング６０は、非導電性でかつ熱伝導性の材料から形成される。例えば、バッテリパックハウジング６０は、熱伝導性を向上させかつ電気的絶縁性を提供する添加物を含有する成形された高強度プラスチックから形成されることができる。熱伝導性バッテリパックハウジング６０は、冷却リブ７８と併用された場合に、動作中にセル２を受動的に冷却し、それによって、セル動作効率が向上し、かつ、セル２の熱に敏感な構成要素への損傷が阻止される。
蓋５０の容器側の面５２の周囲と容器の外壁７０の自由端部７９との間に、シール５６が設けられる。このシールは、ガスケットであっても封止接着剤であってもよく、また、他の従来技術によって達成されてもよい。封止接着剤が使用されるいくつかの実施形態においては、封止接着剤によって容器６０から蓋５０を取り外すことができるが、他の実施形態においては、封止接着剤によって蓋５０が容器６０に永続的に結合する。
図６、図７及び図１０に示すように、第２の要素６８は、２つのアーム対１３２、１４２を介して第４の部分７４から平行に離隔されている第２の内壁１２１を備える。この第２の内壁１２１と第４の部分７４との間の間隙ｇ２を利用して、バッテリ管理装置５３が収容される。このバッテリ管理装置５３は、バッテリパックハウジング４０内に配置された各セル２に電気的に接続されているとともに、これらの電気化学セルの機能を監視及び制御するように構成された電子機器を備える。例えば、バッテリ管理装置５３は、電流の流れに積極的に影響を与えることによってバッテリパック１を調整することができる。電子機器としては、例えばプリント基板、抵抗バスバー、リレー、ヒューズなどが挙げられる。いくつかの実施形態においては、バッテリ管理装置５３は、蓋構造体に組み込まれ、かつ、蓋の容器側の面５２から、第２の内壁１２１と外壁７０の第４の部分との間の空隙に突出する。他の実施形態においては、バッテリ管理装置５３は、蓋５０とは別個に設けられ、かつ、第２の内壁１２１と外壁７０の第４の部分との間の空隙内に配置される。
バッテリパック１は、以下のようにして組み立てられる。第１の要素６６を第２の要素６８と分離し、第２の要素６８を第１の要素６６から分離した状態で、セル２を第１の要素６６内に配置する。セル２を１×（セルの数）個のアレイ状に並べて配置し、その際、隣接するセル２の間に電気絶縁性セパレータプレート１８を配置する。バッテリパック１内に配置するセル２の数及びセル２の寸法を、スタック方向のセルアレイの全長が第１及び第２の内壁１０１、１２１の向かい合う面の間の距離ｄ２よりも大きくなるように調節する。第１の要素６６に第２の要素６８を部分的に組み付けて、第２の内壁１２１をセルアレイの最外側セル２（１２）に当接させる。この初期位置においては、セルアレイの全長ゆえに、第４の部分７４は、第１及び第３の部分７１、７３には当接しない。次いで、第２の内壁１２１を備える第２の要素６８を、第４の部分７４が第１及び第３の部分７１、７３に当接するまで、第１の内壁１０１に向かって押す。この当接位置において、ラッチ構造体の開口部８０ａ、８１ａ、８２ａ、８３ａ、８８ａ、８９ａを、対応する軸線８６、８７に沿って位置合わせする。このとき、ピン８４、８５を対応する開口部に挿入して貫通させることによって、第２の要素６８が第１の要素６６に固定されて容器が完成し、それによって、スタック軸線１６の方向に圧縮された状態で容器６０内にセル２が配置される。いくつかの実施形態においては、第１の要素６６と第２の要素６８の当接面の間に第２のシール（図示せず）を設けてもよい。この組み立て方法は、第２の内壁１２１を備える第２の要素６８が、第１の部分７１と底部６１と第３の部分７３とを備える第１の要素６６に対して可動であるために実現することができる。本明細書において使用する場合に「可動」という用語は、第１及び第３の部分７１、７３に対する１つのユニットとしての第２の内壁１２１の移動を指し、これは、第１及び第２の内壁１０１、１２１の形状変化を指すのに用いられる「変形」及び「たわみ」という用語とは異なるものと考えられる。
図１１及び図１２に示すように、別の実施形態の容器２６０を蓋５０とともに使用してバッテリパックを形成することができる。容器２６０は、図１乃至図１０に関して上述した容器６０と同様であり、共通の要素は、共通の参照番号を用いて参照される。容器２６０は、底部６１と、底部６１を取り囲む外壁２７０と、外壁２７０の部分とセル２との間に配置された内壁１０１、２２１とを備えた箱状構造体である。ここで説明する外壁２７０及び容器２６０の第２の内壁２２１は、前述の外壁７０及び第２の内壁１２１とは異なる。
容器２６０において、外壁２７０及び底部６１は、直交する４つの外壁部分２７１、２７２、２７３、２７４を備える一体型の構造体であり、これらの外壁部分２７１、２７２、２７３、２７４は、まとまって底部６１の周縁部を取り囲み、かつ、底部６１から底部の内面６２に垂直な方向に突出する。いくつかの実施形態においては、外壁部分２７１、２７２、２７３、２７４を、互いに及び底部６１と、例えば成形法を用いて（例えば一体型の構造体として）一体的に形成させる。他の実施形態においては、外壁部分２７１、２７２、２７３、２７４を、製造時に互いに及び底部６１に固定する。
前述の実施形態と同様に、外壁２７０の内側に第２の内壁２２１が配置され、この第２の内壁２２１は、幅方向に延在する。第２の内壁２２１は、第２の部分２７２及び第４の部分２７４から平行に離隔されている。さらに、第２の内壁２２１は、第１の内壁１０１と第４の部分２７４との間に配置される。
第２の内壁２２１は、第４の部分２７４と平行な、１対の平行な離隔されたプレート１２２、１２３を備える。プレート１２２の内面とプレート１２３の内面との間には、角度の付いた構造のリブ１２６が延在し、それによって、第２の内壁２２１の内部に空隙１２７が形成され、これらの空隙１２７は、セルが肥大化する際に生じるような、プレート１２２、１２３の面に垂直な方向に荷重が加えられた状態で第２の内壁２２１が変形する能力に寄与する。
第２の内壁２２１は、第１の部分２７１と第３の部分２７３との間に延在するが、外壁２７０にも底部６１にも固定されない。その結果、第２の内壁２２１は、外壁１７０に対して可動であり、第２の内壁２２１と第１の内壁１０１との間隔も、第２の内壁２２１と第４の部分２７４との間隔も変更することができる。例えば、第２の内壁２２１は、外壁２７０及び底部６１に対して浮動性である。第２の内壁２２１が浮動性であるため、容器２６０内でのセル２の組立てをスタック方向に圧縮荷重を加えて行うことによって、一体的な４面の外壁構造体を提供することができる。この一体的な四面の外壁構造体は、内壁１０１、２２１を併用したその一体的な構造ゆえに寸法的に安定であり、従って、これを確実にシールすることができる。
バッテリパック１００を組み立てる際に、第２の内壁２２１を、第２の内壁２２１と第４の部分２７４との間に第２の間隙ｇ２が存在するように、セル２のアレイと第４の部分２７４との間に配置する。この間隙ｇ２は、第２の内壁２２１と第４の部分２７４との間に第１及び第２のスペーサ２３２、２４２を設けることによって得られる。第１のスペーサ２３２を、第４の部分２７４の一方の側縁部に沿って第１の部分２７１に隣接するように設け、第２のスペーサ２４２を、第４の部分２７４の反対側の側縁部に沿って第３の部分２７３に隣接するように設ける。図示した実施形態においては、第１及び第２のスペーサ２３２、２４２は、所望の間隙ｇ２が生じるような寸法を有する矩形の管である。いくつかの実施形態においては、第１及び第２のスペーサ２３２、２４２は、底部の内面６２に垂直な軸線に沿って先細状になっており、組立て時にこの第１及び第２のスペーサ２３２、２４２を使用して第２の内壁２２１及びセルアレイを第１の内壁１０１へと向かわせ、このようしてスタック方向においてセルアレイに圧縮力を加える。さらに、この第１及び第２のスペーサ２３２、２４２によって、組立て時に第２の内壁２２１と第４の部分２７４との間の間隙ｇ２が維持される。
図１３に示すように、もう１つの別の実施形態の容器３６０を蓋５０とともに使用してバッテリパックを形成させることができる。容器３６０は、図１１及び図１２に関して上述した容器２６０と同様であり、共通の要素は、共通の参照番号を用いて参照される。容器３６０は、底部６１と、底部６１を取り囲む外壁２７０と、外壁２７０の部分とセル２との間に配置された内壁１０１、３２１とを備えた箱状構造体である。以下に詳細に説明するように、容器３６０の第２の内壁３２１は、図１１及び図１２の第２の内壁２２１とは異なる。
容器３６０において、外壁２７０及び底部６１は、直交する４つの外壁部分２７１、２７２、２７３、２７４を備える一体型の構造体であり、これらの外壁部分２７１、２７２、２７３、２７４は、まとまって底部６１の周縁部を取り囲み、かつ、底部６１から底部の内面６２に垂直な方向に突出する。いくつかの実施形態においては、外壁部分２７１、２７２、２７３、２７４を、互いに及び底部６１と、例えば成形法を用いて（例えば一体型の構造体として）一体的に形成させる。他の実施形態においては、外壁部分２７１、２７２、２７３、２７４を、製造時に互いに及び底部６１に固定する。
前述の実施形態と同様に、外壁２７０の内側に第２の内壁３２１が配置され、この第２の内壁３２１は、幅方向に延在する。第２の内壁３２１は、第２の部分２７２及び第４の部分２７４から平行に離隔されている。さらに、第２の内壁３２１は、第１の内壁１０１と第４の部分２７４との間に配置される。
第２の内壁３２１は、角度の付いた構造のリブ３２６を備えた開放セル構造を有するように形成される。これらのリブ３２６は、第２の内壁の内面３２２に垂直な方向に、第１及び第３の外壁部分２７１、２７３と平行に延在し、かつ、矩形の開放セル又は空隙３２７を画定する。この第２の内壁３２１内に形成された空隙３２７は、セルが肥大化する際に生じるような、第２の内壁３２１に垂直な方向に荷重が加えられた状態で第２の内壁３２１が変形する能力に寄与する。第２の内壁の内面３２２は、第２及び第４の部分２７２、２７４と平行であるが、壁の強度が最適化された壁ジオメトリを提供するために、第２の内壁の反対側の外面３２３を、第２及び第４の部分２７２、２７４と平行にしないことも可能である。図示した実施形態は、１つの実施可能な第２の内壁３２１の構成を示しており、ここで、容器３６０の平面図で見た場合に、外面３２３は湾曲している。この例においては、第２の内壁の外面３２３は、第２の部分に向かって突出するように湾曲しており、それにより、第２の内壁３２１の中央部分は、第２の内壁３２１のうち第１及び第３の部分２７１、２７３に隣接する部分よりも大きい厚さを有する。
第２の内壁３２１は、第１の部分２７１と第３の部分２７３との間に延在するが、外壁２７０にも底部６１にも固定されない。その結果、第２の内壁３２１は、外壁２７０に対して可動であり、第２の内壁３２１と第１の内壁１０１との間隔も、第２の内壁３２１と第４の部分２７４との間隔も変更することができる。例えば、第２の内壁３２１は、外壁２７０及び底部６１に対して浮動性である。第２の内壁３２１が浮動性であるため、容器２６０内でのセル２の組立てをスタック方向に圧縮荷重を加えて行うことによって、一体的な４面の外壁構造体を提供することができる。この一体的な四面の外壁構造体は、内壁１０１、３２１を併用したその一体的な構造ゆえに寸法的に安定であり、従って、これを確実にシールすることができる。
バッテリパック１００を組み立てる際に、第２の内壁３２１を、第２の内壁３２１と第４の部分２７４との間に第２の間隙ｇ２が存在するように、セル２のアレイと第４の部分２７４との間に配置する。この間隙ｇ２は、第２の内壁３２１と第４の部分２７４との間に第１及び第２のスペーサ３３２、３４２を設けることによって得られる。第１のスペーサ３３２を、第４の部分２７４の一方の側縁部に沿って第１の部分２７１に隣接するように設け、第２のスペーサ３４２を、第４の部分２７４の反対側の側縁部に沿って第３の部分２７３に隣接するように設ける。図示した実施形態においては、第１及び第２のスペーサ３３２、３４２は剛性要素であり、これらの剛性要素は、所望の間隙ｇ２が生じるような寸法を有し、かつ、第２の内壁の外面３２３の形状に対応してこれと協働する形状を有する。特に、第１及び第２のスペーサ３３２、３４２の形状について、第２の内壁３２１の形状と一緒になって第２の内壁３２１の最適な強度が得られるように最適化を行う。いくつかの実施形態においては、第１及び第２のスペーサ３３２、３４２は、底部の内面６２に垂直な軸線に沿って先細状になっていてよく、組立て時に第１及び第２のスペーサ３３２、３４２を使用して第２の内壁３２１及びセルアレイを第１の内壁１０１へと向かわせ、このようしてスタック方向でセルアレイに圧縮力を加える。さらに、第１及び第２のスペーサ３３２、３４２によって、組立て時に第２の内壁３２１と第４の部分２７４との間の間隙ｇ２が維持される。
本明細書に記載の容器６０、２６０、３６０はそれぞれ、固定された第１の内壁１０１を備え、この第１の内壁１０１は、間隙ｇ１を介して外壁７０、２７０と離隔されているが、いくつかの実施形態においては、この間隙ｇ１を排除してもよいことが企図され、それによって、内壁１０１が外壁７０、７２０の第２の部分７２、２７２となり、かつ、その内側の面１２２の若干の変形を許容する特性を有することになる。
セル２を、ジェリーロール電極構造を有する電極組立体４を収容するものとして説明したが、電極組立体４は、この電極構造には限定されない。例えば、電極組立体４には、電極プレートの積み重ねられた若しくは折り畳まれた配置又は他の適切な電極配置が含まれ得る。
セル２をリチウムイオンセルであるものとして記載したが、セル２は、この種のセルに限定されない。例えばセル２は、例えば鉛酸、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）及びリチウムイオンポリマーといった電極材料及び電解質の様々な組合せを含むことができる。
図示した実施形態は、セルアレイ内に１２個のセル２を備えるが、バッテリパック１は、１２個のセル２を有することに限定されない。使用されるセルの数は、１２より多くても少なくてもよく、特定の用途の要求により決定される。
本バッテリパック及び本バッテリパックハウジングの選択的な例示的実施形態を、ある程度詳細に上述した。これらの装置を明確にするために必要と考えられる構造体のみが本明細書に記載されているものと理解されたい。他の従来の構造体及びバッテリパックシステムの付属的及び補助的な構成要素の構造体については、当業者には公知であり、かつ、理解されるものと想定される。また、本バッテリパック及び本バッテリパックハウジングの実施例を上記で説明したが、本バッテリパック及び／又は本バッテリパックハウジングは、上述した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された装置から逸脱しない範囲において様々な設計変更が可能である。

Claims (15)

  1. 複数の電気化学セルを収容するように構成されたバッテリパックハウジングにおいて、
    前記バッテリパックハウジングは、
    容器を備え、前記容器は、
    内面と、前記内面の反対側の外面と、前記内面と前記外面との間に延在する周縁部とを備える底部と、
    前記周縁部を取り囲み、かつ、前記底部から前記底部の内面に垂直な方向に突出する外壁であって、第１の部分と、前記第１の部分に隣接する第２の部分と、前記第２の部分に隣接しかつ前記第１の部分と向かい合う第３の部分と、前記第２の部分と向かい合う第４の部分とを備える外壁と、
    前記第１の部分と前記第３の部分との間に延在し、かつ、前記第１の部分と前記第３の部分とのそれぞれに固定された第１の内壁と、
    前記第１の部分と前記第３の部分との間に延在し、かつ、前記第１の内壁と前記第４の部分との間に配置された第２の内壁であって、前記第２の内壁は、前記外壁及び前記底部に対して浮動性であり、その結果、前記第２の内壁と前記第１の内壁との間隔を変更し得るように前記外壁に対して可動である第２の内壁と、
    を備える、バッテリパックハウジング。
  2. 前記第１の内壁は、前記第２の部分及び前記第４の部分から離隔されており、それによって、前記第１の内壁と前記第２の部分との間に間隙が存在する、請求項１に記載のバッテリパックハウジング。
  3. 前記第１の内壁及び前記第２の内壁は、それぞれ中空であり、背を向け合う内面及び外面と、前記背を向け合う内面と外面との間に延在するリブとを備え、前記リブは、前記第１の内壁及び前記第２の内壁のそれぞれの内部で空隙を画定する、請求項１に記載のバッテリパックハウジング。
  4. 前記第２の内壁と前記第４の部分との間にスペーサが配置されている、請求項１に記載のバッテリパックハウジング。
  5. 前記第２の内壁は、前記第２の部分と平行でかつ前記第２の部分に向いた内面と、前記第４の部分に向いた外面とを有し、前記第２の内壁の前記外面の少なくとも一部は、前記第４の部分と平行ではない、請求項１に記載のバッテリパックハウジング。
  6. 前記外壁の外面の一部は、外向きに突出する冷却リブを有するように形成されている、請求項１に記載のバッテリパックハウジング。
  7. 前記バッテリパックハウジングは、非導電性材料から形成されている、請求項１に記載のバッテリパックハウジング。
  8. バッテリパックハウジングと、前記バッテリパックハウジング内に配置された電気化学セルとを備えるバッテリパックにおいて、
    前記バッテリパックハウジングは、容器を備え、前記容器は、
    内面と、前記内面の反対側の外面と、前記内面と前記外面との間に延在する周縁部とを備える底部と、
    前記周縁部を取り囲み、かつ、前記底部から前記底部の内面に垂直な方向に突出する外壁であって、第１の部分と、前記第１の部分に隣接する第２の部分と、前記第２の部分に隣接しかつ前記第１の部分と向かい合う第３の部分と、前記第２の部分と向かい合う第４の部分とを備える外壁と、
    前記第１の部分と前記第３の部分との間に延在し、かつ、前記第１の部分と前記第３の部分とのそれぞれに固定された第１の内壁と、
    前記第１の部分と前記第３の部分との間に延在し、かつ、前記第１の内壁と前記第４の部分との間に配置された第２の内壁であって、前記第２の内壁は、前記外壁及び前記底部に対して浮動性であり、その結果、前記第２の内壁と前記第１の内壁との間隔を変更し得るように前記外壁に対して可動である第２の内壁と、
    を備える、バッテリパック。
  9. 前記第１の内壁は、前記第２の部分及び前記第４の部分から離隔されており、それによって、前記第１の内壁と前記第２の部分との間に間隙が存在する、請求項８に記載のバッテリパック。
  10. 前記第１の内壁及び前記第２の内壁は、それぞれ中空であり、背を向け合う内面及び外面と、前記背を向け合う内面と外面との間に延在するリブとを備え、前記リブは、前記第１の内壁及び前記第２の内壁のそれぞれの内部で空隙を画定する、請求項８に記載のバッテリパック。
  11. 前記第２の内壁は、前記第２の部分と平行でかつ前記第２の部分に向いた内面と、前記第４の部分に向いた外面とを有し、前記第２の内壁の前記外面の少なくとも一部は、前記第４の部分と平行ではない、請求項８に記載のバッテリパック。
  12. 前記第２の内壁と前記第４の部分との間にスペーサが配置されている、請求項８に記載のバッテリパック。
  13. 前記バッテリパックは、前記電気化学セルの機能を監視及び制御するように構成された電子機器を備えたバッテリ管理装置を備え、前記バッテリ管理装置は、前記容器内で前記第２の内壁と前記第４の部分との間に配置されている、請求項８に記載のバッテリパック。
  14. 前記電気化学セルは、前記バッテリパックハウジング内に並べて配置され、かつ、各電気化学セルの間に絶縁シートが配置されている、請求項８に記載のバッテリパック。
  15. 前記電気化学セルは、前記バッテリパックハウジングの外面が前記底部の内面に直接接触するように前記底部上で支持されている、請求項８に記載のバッテリパック。
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