JP6859304B2 - メインバッテリ用バッテリモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、メインバッテリ（駆動用バッテリ）用のバッテリモジュールに関する。本発明はまた、バッテリモジュールを製造する対応する方法、対応するメインバッテリ、および対応する電気自動車に関する。
パワーエレクトロニクスにおいて、マルチレベル「階段状」電圧を生成するために、マルチレベル変換器（コンバータ）が使用される。マルチレベル「階段状」電圧は、コストのかかるＬＣフィルタなしに、使用されるパワー半導体の低パルス周波数であってもわずかな高調波部分しか有していない。モジュラーマルチレベル変換器は、任意選択的に、それらのモジュールの直列接続および並列接続を可能にし、そのトポロジおよび制御については、（非特許文献１）においてある程度説明されている。
一般的なタイプのマルチレベル変換器は、たとえば、従来の方法で配線接続されたバッテリパックが、動作中に個々の部品の電気的接続を動的に変更することができるように、同じタイプのバッテリモジュールに構造的に分割されるのを可能にする。特に、電気車両またはネットワークストレージ装置におけるような大型バッテリの場合、こうしたモジュールの形成に向かう傾向がある。これらのモジュールでは、現在のいかなるエレクトロニクスも、通常、上面または側面に取り付けられる。
したがって、このように一体化されたマルチレベル変換器、または同様に複雑なパワーエレクトロニクスを備えるバッテリは、以下のように２つの熱源を有する。すなわち、一方では、バッテリセルが、充電するときおよび放電するときの両方において内部抵抗が著しいことにより加熱する。他方では、パワーエレクトロニクス自体が、エレクトロニクス部品に大きい電流を通し、それにより、さらなる導通損失およびスイッチング損失が発生する。エレクトロニクスにおけるこの追加の熱源は、従来のバッテリ概念では考慮されていない。
したがって、バッテリ冷却システムにより、電気車両の動力が相当な程度まで決まる。したがって、従来技術による電気自動車の場合、バッテリを冷却する、コストのかかる液体冷却システムが使用される場合がある。（特許文献１）は、こうしたバッテリシステムについて記載しており、このバッテリシステムは、電気負荷のオンおよびオフを切り替えるパワーエレクトロニクス部品またはパワーエレクトロニクスアセンブリを備え、エレクトロニクスとバッテリとの間に冷却液回路を有する。（特許文献２）もまた、冷却の目的でバッテリに結合される車両パワーエレクトロニクスについて開示している。車両バッテリおよびパワーエレクトロニクス用の一般的な冷却液回路は、（特許文献３）、（特許文献４）、（特許文献５）、（特許文献６）、（特許文献７）および（特許文献８）においても言及されている。
独国特許第１０２０１３０２０９６１号明細書 ＣＮ１０６１３０４０８号明細書 独国特許第１０２０１１０１２７２３号明細書 独国特許第１０２０１４００９７７２号明細書 米国特許出願公開第２０１２１０４８４３号明細書 米国特許出願公開第２０１２１５２１８６号明細書 米国特許出願公開第２０１６２２６４２１号明細書 米国特許出願公開第２０１６３１８３７０号明細書
ＧＯＥＴＺ，Ｓｔｅｆａｎ Ｍ．；ＰＥＴＥＲＣＨＥＶ，Ａｎｇｅｌ Ｖ．；ＷＥＹＨ，Ｔｈｏｍａｓ．Ｍｏｄｕｌａｒ ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ｓｅｒｉｅｓ ａｎｄ ｐａｒａｌｌｅｌ ｍｏｄｕｌｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ：Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１５，３０ｔｈ ｙｅａｒ．，Ｎｏ．１，ｐｐ．２０３−２１５
本発明は、独立請求項による、メインバッテリ用のバッテリモジュール、バッテリモジュールを製造する対応する方法、対応するメインバッテリおよび対応する電気自動車を利用可能にする。
本発明による解決法は、バッテリセルに熱的に結合されるパワーエレクトロニクスを提供する。このバッテリセルに対する強力な冷却概念は既知である。したがって、後述する技術的実施態様は、コスト、設置空間および重量に関して、わずかな追加の消費しかもたらさない。
これに関して、提案する解決法は、２つの熱源の熱的特性を有利に利用する。したがって、パワーエレクトロニクスによってさらに発生する熱エネルギーを、セルおよびそれらの冷却システムにより、非常に容易に補償することができる。そうした熱エネルギーは、冷却システムのいかなる増強も必要とせず、またはわずかな程度の増強しか必要としない。
したがって、本発明は、エレクトロニクスおよびバッテリセルの異なる熱的な動作窓（betriebsfenster）が高い温度勾配を提供し、それにより、好適な構造的措置を想定して、エレクトロニクスからセルへの十分に強力な熱の流れが確実になる、という理解に基づく。したがって、本発明によれば、比較的集中した形態で発生するエレクトロニクスからの熱は、比較的広い面積にわたって分散され、かつ広い面積にわたってバッテリセルに出力される。
本発明のさらなる有利な改良形態は、従属請求項において指定されている。したがって、横方向の回路基板配置（および、好ましくは少なくとも下方からの冷却）の場合、上述した結合に役立つ熱伝導要素を対応して構成することができる。この実施形態は、いくつかの環境下で、バッテリセルの接続箇所に必要な打抜き作業の回数を低減させるのに寄与する。
当然ながら、本発明は、複数のセルおよびエレクトロニクスを備えた任意のバッテリで使用することができる。そこでは、バッテリセルに加えて、エレクトロニクスもまた熱を出力し、エレクトロニクスは、最適に、より高い上限温度を有する。
本発明の例示的な実施形態について、図面に例示し、以下より詳細に説明する。
第１バッテリモジュールの斜視図を示す。 図１によるバッテリモジュールの縦断面を示す。 第２バッテリモジュールの対応する縦断面を示す。 熱伝導性の１枚の板金の斜視図を示す。 第１熱伝導要素の斜視図を示す。 第２熱伝導要素の斜視図を示す。 図１によるバッテリモジュールの組立分解図を示す。 第３熱伝導要素の斜視図を示す。 第３バッテリモジュールの組立分解図を示す。 パワーエレクトロニクス回路基板の斜視図を示す。 打抜き−曲げダイの斜視図を示す。 くさび曲げ加工機の斜視図を示す。 第４バッテリモジュールの製造の概略図を示す。
図１および図２は、メインバッテリ（図面にはその全体は図示せず）用の、本発明によるバッテリモジュール（１０）の基本設計を示す。最初に従来のように、バッテリモジュール１０は非常に多数のバッテリセル（１２）を有する。バッテリセル（１２）は、バッテリモジュール（１０）のハウジング（１１）内部に配置され、メインバッテリの冷却プレート用の共通の下側支持面（１４）の上に位置する。バッテリセル（１２）とハウジング（１１）のカバー（１９）との間にパワーエレクトロニクス回路基板（１３）が延びており、それは、輪郭がくし形である熱伝導要素（１５）のみにより、バッテリセル（１２）から分離されている。
図２による構成では、この熱伝導要素（１５）の拡張部は、ハウジング床としての役割を果たす支持面（１４）の方向において、バッテリセル（１２）の側面全体に沿って延在する。図３によって明確にするように、代替実施形態では、それにも関わらず、拡張部は、本発明の範囲から逸脱することなく、この面の一部のみを覆う場合もある。
図４および図５は、板金曲げ部品の特定の実施形態としての解決法を示す。１枚の板金（２３）は、好ましくは、アルミニウムまたは銅等の優れた熱伝導率を有する材料から圧延されており、ここでは、後述する打抜き−曲げプロセスによって成形される。それは、パワーエレクトロニクス回路基板（１３）を熱的に結合することができる表面（１６）が生成され、バッテリセル（１２）の間に延在する突出部（１７）が形成されるように成形される。またそれは、広い面積にわたってバッテリセル（１２）内に、かつ同時に、大部分がバッテリモジュール（１０）の下側に延在する支持面（１４）の方向において突出部（１７）を介して、熱を移動させる。
図６および図７をあわせて考慮することにより、表面（１６）における、図５にすでに示した切取部（１８）の目的が分かる。すなわち、図示する変形では、切取部（１８）は、個々のバッテリセル（１２）の各々２つの接続部（２０）（特に、ねじ接続部または溶接接続部があり得る）を通って導く役割を果たす。しかしながら、パワーエレクトロニクス回路基板（１３）の（図８および図９に概略的に示す）代替的な横方向配置では、これらの切取部（１８）は、ここでもまたバッテリモジュール（１０）の下側の冷却が提供される限り、省略することができる。
好ましくは優れた熱伝導体である材料の非常に薄いコーティングが、たとえば、熱伝導要素（１５）を絶縁するのに役立つ。このコーティングは、少なくとも局所的に発生する電圧に関して絶縁するべきである。コーティング材料として、１０ｋｖ/ｍｍと１００ｋｖ/ｍｍとの間の典型的な絶縁耐力を有する、ポリエーテルエーテルケトン、ポリウレタン、ポリアミド、ポリイミド、テフロン（登録商標）およびエポキシド等の多種多様なポリマーが可能である。さらに、好ましくは、１０Ｗ/ｍＫを超える高い熱伝導率を有する、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ2）または他の何らかの材料による充填材が提供され、それにより、結果としての複合材料は、２Ｗ/ｍＫを超える熱伝導率に達する。損傷を回避するために、好ましくは打抜き−曲げプロセスの後、無機、たとえばセラミックのコーティング（適切な場合、プラスチックが含侵される）が１枚の板金（２３）に施されることも考慮することができる。
図１０が、パワーエレクトロニクス回路基板（１３）およびその接続部の例により明らかにするように、こうしたエレクトロニクスの冷却は、複数の方法で行うことができ、そのうちのいくつかについて以下に述べる。たとえば、トランジスタ等のパワー半導体（２１）は、それらの表面が熱伝導要素（１５）と接触するように配置することができる。最新の低電圧パワートランジスタ等のさまざまなエレクトロニクス部品は、それらの熱を、電気接点を介して銅材料内に引き込むことができるように、さらに構成されている。この場合、熱は、前記熱伝導要素（１５）を介してパワーエレクトロニクス回路基板（１３）の銅からバッテリセル（１２）内に移動させることができる。この目的でコーティングされる銅面（２２）は、ここでは、明確にパワー半導体（２１）と同じ高さとすることができ、またはさらには、その銅支持部によりパワー半導体（２１）を越えて突出することができる。
バッテリモジュール（１０）毎の１つまたは複数の板金曲げ部品からの熱伝導要素（１５）の製造は、たとえば、図１１に示す設計の打抜き−曲げダイ（２４）を用いて非常に費用効果高く行うことができる。そして、突出部（１７）の成形は、図１２に表すように、たとえば、Ｖ字曲げまたはくさび曲げ（２５）と呼ばれるものを用いて行われる。熱伝導要素（１５）の外縁における任意の突出部（１７）は、エッジ曲げによって成形することができる。
外縁および必要な切取部（１８）のすべてを好ましくは打抜くことができる。それは、たとえば、熱伝導要素（１５）を通してパワーエレクトロニクス回路基板（１３）にバッテリセル（１２）のねじ接続部または接続部（２０）を導くため、または熱伝導要素（１５）から比較的大きい構造的高さを有するパワーエレクトロニクス回路基板（１３）上の素子を切り出すためである。このように曲げが打抜きと組み合わされる場合、図１３においてすでに見ることができる切取部（１８）と１枚の板金（２３）の外縁とは、プレスを通過する前にはまだ存在していない。
１０ バッテリモジュール
１１ ハウジング
１２ バッテリセル
１３ パワーエレクトロニクス回路基板
１４ 支持面
１５ 熱伝導要素
１６ 表面
１７ 突出部
１８ 切取部
１９ カバー
２０ 接続部
２１ パワー半導体
２２ 銅面
２３ 板金
２４ 打抜き−曲げダイ
２５ くさび曲げ
３０ バッテリモジュールの製造方法

Claims (10)

  1. メインバッテリ用のバッテリモジュール（１０）であって、以下の特徴、すなわち
    ハウジング（１１）と、
    前記ハウジング（１１）内に配置されたバッテリセル（１２）と、
    前記バッテリセル（１２）に隣接しているパワーエレクトロニクス回路基板（１３）と、
    前記メインバッテリの冷却プレートとして機能する、前記パワーエレクトロニクス回路基板（１３）から離れる方向に面する支持面（１４）と、
    前記パワーエレクトロニクス回路基板（１３）の表面にわたって位置し、前記支持面（１４）の方向にまたは前記支持面（１４）に沿って前記バッテリセル（１２）の間に伸びる熱伝導要素（１５）とを含み、
    前記パワーエレクトロニクス回路基板（１３）からの熱は前記熱伝導要素（１５）を介して前記バッテリセル（１２）内に移動するように構成されていると共に、
    前記熱伝導要素（１５）は前記バッテリセル（１２）の数に対応した長さを有している表面（１６）と、前記表面（１６）に一体的に形成されている複数の突出部（１７）とを有し、且つ、前記複数の突出部（１７）が互いに対して平行平面にかつ前記表面（１６）に対して直角に延びている、ことを特徴とするバッテリモジュール（１０）。
  2. 以下の特徴、すなわち、
    前記バッテリセル（１２）が、接続部（２０）、特に、ねじ型接続部または溶接接続部（２０）を有することと、
    前記表面（１６）が、前記接続部（２０）を通って前記パワーエレクトロニクス回路基板（１３）に導くための切取部（１８）を有することと、
    を特徴とする、請求項１に記載のバッテリモジュール（１０）。
  3. 以下の特徴、すなわち、
    前記ハウジング（１１）がカバー（１９）を備えることと、
    前記支持面（１４）が前記カバー（１９）と反対側に延在することと、
    を特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリモジュール（１０）。
  4. 以下の特徴、すなわち、
    前記パワーエレクトロニクス回路基板（１３）が、パワー半導体（２１）およびコーティングされた銅面（２２）を有することと、
    前記熱伝導要素（１５）が前記銅面（２２）に位置することと、
    を特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のバッテリモジュール（１０）。
  5. 以下の特徴、すなわち、
    前記熱伝導要素（１５）が銅を含むこと、または、
    前記熱伝導要素（１５）がアルミニウムを含むこと
    のうちの少なくとも１つを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のバッテリモジュール（１０）。
  6. 以下の特徴、すなわち、
    前記熱伝導要素（１５）が、熱伝導性、絶縁コーティングを有することと、
    前記コーティングが、有機ポリマーまたはセラミック材料を含むことと、
    を特徴とする、請求項４に記載のバッテリモジュール（１０）。
  7. 以下の特徴、すなわち、
    前記熱伝導要素（１５）が、前記バッテリセル（１２）の３つ以上の側面を覆うこと、または、
    前記熱伝導要素（１５）が、３つ以上のバッテリセル（１２）の間に延びること
    のうちの少なくとも１つを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のバッテリモジュール（１０）。
  8. バッテリモジュール（１０）を製造する方法（３０）であって、以下の特徴、すなわち、
    １枚の板金（２３）が、打抜き−曲げダイ（２４）を用いて分割され、
    前記分割された１枚の板金（２３）が、くさび曲げ（２５）により、熱伝導要素（１５）を形成するように成形され、
    バッテリセル（１２）がハウジング（１１）内に、冷却プレートとして機能する支持面（１４）まで挿入され、
    前記熱伝導要素（１５）が、前記バッテリセル（１２）の間に導入され、
    パワーエレクトロニクス回路基板（１３）が、前記支持面（１４）とは反対側の前記熱伝導要素（１５）の表面に配置され、
    前記熱伝導要素（１５）は、前記バッテリセル（１２）の数に対応した長さを有している表面（１６）と、前記表面（１６）に一体的に形成されている複数の突出部（１７）とを有し、且つ、前記複数の突出部（１７）が互いに対して平行平面にかつ前記表面（１６）に対して直角に延びている構造を有しており、前記パワーエレクトロニクス回路基板（１３）からの熱を前記バッテリセル（１２）内に移動するように構成されている、ことを特徴とする方法。
  9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のバッテリモジュール（１０）を有するメインバッテリ。
  10. 請求項９に記載のメインバッテリを有する電気自動車。
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