JP7021343B2 - セル拘束手段を含むバッテリパック - Google Patents

Description

バッテリパックは、携帯用の電子機器から再生可能なパワーシステムおよび環境に優しい乗り物までの範囲の種々異なる技術にパワーを供給する。たとえば、幾つかのハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）は、燃料効率を向上させるためにバッテリパックおよび電動モータを内燃機関と一緒に使用する。バッテリパックは、幾つかの電気化学セルから形成されている。これらの電気化学セルは、閉じたケーシング内に保管されている。バッテリパックケーシング内で、セルは二次元または三次元の配列で配置されていて、電気的に直列または並列に接続されている。たとえば乗り物の振動のような外的要因または角柱セル成長のような内的要因による、バッテリパックのケーシングに対して相対的なセルの動きは、セル損傷につながり、かつ／またはセル寿命を減じてしまう。バッテリパックケーシングに対して相対的なセルの動きを拘束して、バッテリパックの操作性、信頼性および寿命を向上させることが望まれている。

概要
幾つかの態様では、バッテリパックが、基部と、この基部に対して法線方向で基部から突出する側壁とを有する容器を含み、各側壁は、基部に固定されている固定端と、固定端とは反対側の自由端とを有している。側壁の自由端は、容器の開口端部を一緒に画定している。バッテリパックは、容器の開口端部を閉じるように構成されている蓋を含んでいる。この蓋は、容器に面した面と、該容器に面した面の反対側の外方に面した面とを有している。さらに、バッテリパックは、容器内に配置されたセルを含んでいる。セルは、各セルの蓋に面した面が、自由端を含む平面に対して平行であるように容器内で配向されている。蓋は、セルの動きを拘束するように構成されている外側ピンと内側ピンとを含んでいる。外側ピンと内側ピンとはそれぞれ、容器に面した面から突出していて、かつ該容器に面した面から離間している遠位の端部を有している。外側ピンと内側ピンとは不均一な長さを有し、外側ピンと内側ピンとの長さが、容器に面した面からのそれぞれの遠位の端部の距離に一致している。

幾つかの実施形態では、外側ピンの長さが、内側ピンの長さよりも小さい。

幾つかの実施形態では、内側ピンの遠位の端部が、外側ピンの遠位の端部よりも、セルの、蓋に面した面の近傍にある。

幾つかの実施形態では、外側ピンと内側ピンとは、内側ピンと外側ピンとが容器に面した面に対して法線方向で不均一な硬さを有しているように、蓋と一緒に形成されている。

幾つかの実施形態では、容器に面した面に対して法線方向での内側ピンの硬さが、容器に面した面に対して法線方向での外側ピンの硬さよりも小さい。

幾つかの実施形態では、外側ピンが、蓋の周縁部に対して垂直である軸線に沿って内側ピンに整列している。

幾つかの実施形態では、セルは、列の軸線に沿って並んで配置されているセルの単一の列を含む配列で容器内に配置されていて、外側ピンが、列の軸線に対して横方向である軸線に沿って内側ピンに整列している。

幾つかの実施形態では、内側ピンの遠位の端部が、外側ピンに向かって突出する突起を含み、これにより内側ピンがＬ字形の外形を有している。

幾つかの実施形態では、各セルの蓋に面した面の互いに反対側の各端部において内側ピンおよび外側ピンが設けられている。

幾つかの実施形態では、内側ピンが、セルの端子の一方の側に配置されていて、外側ピンが、セルの端子の反対側に配置されている。

幾つかの実施形態では、内側ピンおよび外側ピンが、第１の方向でのセルの動きを拘束し、バッテリパックが、第１の方向に対して垂直である第２の方向でのセルの動きを拘束するように構成されているばねエレメントをさらに含んでいる。

幾つかの態様では、バッテリパックが、基部と、この基部に対して法線方向で基部から突出する側壁を有する容器を含み、各側壁は、基部に固定されている固定端と、固定端とは反対側の自由端とを有している。側壁の自由端は、容器の開口端部を一緒に画定している。バッテリパックは、容器の開口端部を閉じるように構成されている蓋を含んでいる。この蓋は、容器に面した面と、該容器に面した面の反対側の外方に面した面とを含んでいる。さらに、バッテリパックは、容器内に配置されたセルを含んでいる。セルは、各セルの、蓋に面した面が、自由端を含む平面に対して平行であるように容器内で配向されている。蓋は、セルの動きを拘束するように構成されている外側ピンと内側ピンとを含んでいる。外側ピンと内側ピンとはそれぞれ、容器に面した面から突出している。さらに、外側ピンと内側ピンとは、内側ピンと外側ピンとが容器に面した面に対して法線方向で不均一な硬さを有しているように、蓋と一緒に形成されている。

幾つかの実施形態では、容器に面した面に対して法線方向での内側ピンの硬さが、容器に面した面に対して法線方向での外側ピンの硬さよりも小さい。

幾つかの実施形態では、外側ピンと内側ピンとがそれぞれ、容器に面した面から離間している遠位の端部を有し、外側ピンと内側ピンとが、不均一な長さを有し、外側ピンおよび内側ピンの長さが、容器に面した面からのそれぞれの遠位の端部の距離に一致する。

幾つかの実施形態では、外側ピンの長さが、内側ピンの長さよりも小さい。

幾つかの実施形態では、内側ピンの遠位の端部が、外側ピンの遠位の端部よりも、セルの、蓋に面した面の近傍にある。

幾つかの実施形態では、セルが、列の軸線に沿って並んで配置されているセルの単一の列を含む配列で容器内に配置されていて、外側ピンが、列の軸線に対して横方向である軸線に沿って内側ピンに整列している。

幾つかの実施形態では、内側ピンの遠位の端部が、外側ピンに向かって突出する突起を含み、これにより内側ピンがＬ字形の外形を有している。

幾つかの実施形態では、各セルの、蓋に面した面の互いに反対側の各端部において内側ピンと外側ピンとが配置されている。

幾つかの実施形態では、内側ピンおよび外側ピンが、第１の方向でのセルの動きを拘束し、バッテリパックが、第１の方向に対して垂直である第２の方向でのセルの動きを拘束するように構成されているばねエレメントをさらに含んでいる。

本開示は、電気化学セルを保管するためのバッテリパックに関する。バッテリパックは、セル拘束機構を有するバッテリパックケーシングを含んでいる。

バッテリパックケーシングは、容器と、容器の開口端部を閉じるための蓋とを含んでいる。容器は、基部と、この基部を取り囲む側壁とを有して形成されている。電気化学セルの配列は、基部上に支持されていて、側壁により取り囲まれている。セル配列は、列内で並んで（たとえば「スタック」されて）配置されているセルの少なくとも１つの列を含んでいる。

バッテリパック内では、セルスタック力（cell stack force）は、全ての状況において予め規定された特定の範囲にあることが望ましい。この要求を満たすために、ばねプレートは、各列の最も外側のセルと、セルに面した側壁との間に配置されている。ばねプレートは、セル状態にかかわらず、セルスタック力が要求された範囲内にあることを保証するために、セルの列の各端部に設けられている。

さらに、ばねプレートは、列の軸線に対して平行な方向でのセルの動きを拘束するために構成されている。この場合、セルの動きは、たとえば乗り物の動きによる振動によって引き起こされる。さらに、列の軸線方向でのそのフレキシビリティにより、ばねプレートは、角柱セル成長による応力を収容し、セルからバッテリパックケーシングへと伝達される力の量を減じる。なぜならば、ばねプレートが平坦ではなく（たとえば列の軸線に対して横方向かつ基部に対して法線方向の軸線で僅かに湾曲されている、かつ／または突出領域を含んでいる）、角柱セル成長がばねプレートにより収容されるからである。このことは、セル損傷をもたらし、かつ／または寿命を減じる、セル成長が容器の側壁により拘束されている幾つかのモジュールケーシングと比較することができる。

さらに、セル成長による力が、側壁に加えられていない。側壁は、寸法安定的である。寸法安定的である容器の側壁を設けることによって、容器の外壁と、蓋との間に設けられているシールは、セル成長により側壁が影響を受け得る幾つかのバッテリパックケーシングに比べてより信頼性がよい。シールは、粒子および／または湿分がバッテリパックケーシングの内部空間に侵入することを阻止し、バッテリパックの操作性、信頼性および長寿命性が向上されている。

ばねプレートに加えて、バッテリパックはさらに別のセル拘束機構を含んでいる。特に、セルの蓋は、バッテリパックケーシング基部に対して法線方向でのバッテリモジュールケーシング内のセルの動きを拘束するために構成されている拘束ピンを含んでいる。一対の拘束ピンが、各セルの各端部のために設けられている。拘束ピンの対は、内側ピンと外側ピンを含んでいる。外側ピンと内側ピンとは不均一な長さを有している。なぜならば、内側ピンは外側ピンよりもセルの近傍にあるからである。さらに、内側ピンと外側ピンとは、不均一な硬さを有している。結果として、ピンは、内側ピンおよび外側ピンに、したがってセルに加えられる力が概して等しい拘束を提供する。

バッテリパックの分解斜視図である。 明瞭にするために蓋、シールおよびセルが省略されている、バッテリパックを上から見た平面図である。 明瞭にするために蓋、容器およびシールが省略されている、バッテリパックの分解斜視図である。 バッテリパックのセルの一部の分解斜視図である。 ばねプレートの斜視図である。 図５に示す６－６線に沿って見た、図５に示したばねプレートの断面の斜視図である。 破線を用いてばねプレートの複数の領域を示し、一点破線を用いて曲げ線を示した、図５に示すばねプレートの正面図である。 代替的な実施形態のばねプレートの斜視図である。 図８に示す９－９線に沿って見た、図８に示したばねプレートの断面の斜視図である。 破線を用いてばねプレートの複数の領域を示し、一点破線を用いて曲げ線を示した、図８に示すばねプレートの正面図である。 バッテリパックの蓋の斜視図である。 図１に示す１２－１２線に沿って見た、バッテリパックの断面図である。 図１２に示した断面図の一部の拡大図である。

詳細な説明
図１から図３を参照すると、バッテリパック１は、電気化学セル８０を含む保管装置である。バッテリセル８０は、電気的に相互接続されていて、バッテリパックケーシング２内に系統立てられて保管されている。バッテリパックケーシング２は、容器３と、この容器３の開口端部を閉じる蓋３０とを含んでいる。バッテリパックケーシング２内で、セル８０は、単一の列配列４０で配置されていて、電気的に直列、並列または直列と並列との組み合わせで、バッテリパック端子３４，３５に接続されている。これらのバッテリパック端子３４，３５は、蓋３０から突出している。バッテリパック１は、バッテリパックケーシング２に対して相対的なセルの動きを制御するセル拘束機構を含んでいる。セル拘束機構は、セル配列と容器３との間に配置され、以下に詳細に説明するようにセルスタック方向に対して平行な方向でのセルの動きを拘束するばねプレート１１０を含んでいる。さらに、セル拘束機構は、拘束ピン５０，６０を含んでいる。これらの拘束ピン５０，６０は、バッテリパックケーシング蓋３０からセル８０に向かって突出し、以下に詳細に説明するように、セルスタック方向に対して直交する方向でのセル８０の動きを拘束する。

容器３は、ボックス状の構造体であり、この構造体は、基部４と、この基部４の周縁部を取り囲む側壁８とを含んでいる。基部４は、方形である。図示された実施形態では、基部４は、単一の列セル配列４０の細長い配置構成に対応するために、その幅寸法よりも大きな長さ寸法を有している。容器３の長手方向軸線１５は、基部４の長さ寸法に整列している。基部４は、内面あるいはセルに面した面５を含んでいて、一対の浅いレール６が内面５から内方に向かって突出している。レール６は、長手方向軸線１５に対して平行であり、基部４の幅寸法に沿って離間している。セル８０は、レール６上に支持されていて、したがって基部内面５から僅かに離間している。

側壁８は、基部４から、基部内面５に対して法線方向である方向に突出している。側壁８は、上から見た平面図で見た場合に方形に閉じられた区分を形成し、したがって４つの直交する側壁部分９，１０，１１，１２を含んでいる。特に、側壁８は、基部４の長さに沿って延びている第１の部分９と、第１の部分９に接続し、基部４の幅に沿って延びる第２の部分１０とを含んでいる。側壁８は、第２の部分１０に接続し、第１の部分９の反対側の第３の部分１１と、第１の部分９と第３の部分１１とを接続する、第２の部分１０の反対側の第４の部分１２を含んでいる。第１の部分９および第３の部分１１は、第２の部分１０および第４の部分１２よりも大きな面積を有していて、容器長手方向軸線１５に対して平行である。側壁８の外面１７は、側壁８を補強し、またバッテリパック１の冷却を支援するように働く表面形状を含んでいる。特に、第１の部分９および第３の部分１１の外面は、外方に突出するリブ１８を含んでいる。

バッテリパックケーシング２の蓋３０は、容器３の開口端部を閉じるように形成されかつ寸法設計されている。蓋３０は、外方に面した面３１と、内方に面した、または容器に面した反対側の面３２とを含んでいる。蓋３０の周縁部は、容器の開口端部に蓋３０を固定するために使用される締結手段、たとえばねじを収容する開口を有している。締結手段は、蓋３０を通過して、側壁８に形成されたボスに設けられた対応する開口に係合する。さらに、バッテリパックは、蓋３０の外方に面した面３１から突出する正の端子および負の端子３４，３５を含んでいる。

図示された実施形態では、バッテリ管理装置が蓋３０に組み込まれていて、バッテリ管理装置により制御される補助装置が、下記で説明するように、蓋の容器に面した面３２から容器３内に突出している。バッテリ管理装置は、バッテリパックケーシング２内に配置された各セル８０に電気的に接続されていて、セル８０の機能を監視しかつ制御するために構成された電子機器を含んでいる。たとえば、バッテリ管理装置は、能動的に影響を与える電流の流れによりバッテリパック１を制御することができる。補助装置は、プリント配線板と、抵抗バスバーと、リレー３６と、フューズ等を含んでいてもよい。

蓋３０および容器３を含むバッテリパックケーシング２は、非導電性の材料から形成されていてもよい。幾つかの実施形態では、バッテリパックケーシング２は、電気的には非伝導性かつ熱的には伝導性である材料から形成されていてもよい。たとえば、バッテリパックケーシング２は、熱伝導性を改善し、電気絶縁を提供する添加剤を含む成形された高強度プラスチックから形成されていてもよい。リブ１８と一緒に使用される場合、熱伝導性のバッテリパックケーシング２は、運転中にセル８０の受動的な冷却を提供し、これにより、セル運転効率が改善され、セル８０の熱敏感な構成要素への損傷が阻止される。

蓋３０の容器に面した面３２の周縁部と、容器の側壁８の自由な縁部１４との間にはシール３８が設けられている。シール３８は、ガスケットまたはシーリング接着剤であってもよく、または別の従来の技術により達成されていてもよい。シーリング接着剤が使用されている幾つかの実施形態では、シーリング接着剤は、容器３からの蓋３０の取外しを許容するのに対して、別の実施形態では、シーリング接着剤は、容器３に対する蓋３０の永久的な接合を提供している。

図４を参照すると、セル８０は、リチウムイオンセルであり、リチウムイオンセルは、セルケーシング８２を含んでいる。セルケーシング８２は、発電兼蓄電ユニットを形成するために、電極アセンブリ（図示せず）と、電解質（図示せず）とを封入している。電極アセンブリは、少なくとも１つの正極と、少なくとも１つの負極と、正極と負極との間に配置された電気絶縁性のセパレータとを含んでいる。幾つかの実施形態では、正極と、負極と、セパレータとは、平坦にされたゼリーロール配置構成に巻回されていてもよいが、電極アセンブリは、この配置に限定されていない。たとえば、別の実施形態では、正極、負極およびセパレータは、Ｚ型に折り畳まれているか、またはスタックされた個別のシートとして提供されている。

セルケーシング８２は、方形柱形状（たとえば角柱型）を有していて、第１の面８５と、第１の面８５の反対側の第２の面８６と、第１の面８５および第２の面８６に隣接する第３の面８７と、第１の面８５および第２の面８６に隣接する、第３の面８７の反対側の第４の面８８とを含んでいる。第１の面８５および第２の面８６は、第３の面８７および第４の面８８と同一の高さを有しているが、第３の面８７および第４の面８８よりも長い幅を有している。たとえば、図示されている実施形態では、第１の面８５および第２の面８６の幅は、高さの約２倍であり、第３の面８７および第４の面８８の幅は、高さの４分の１である。さらに、セルケーシング８２は、第１の端部または上部プレート８３と、この第１の端部８３の反対側の第２の端部８４を含んでいる。正のセル端子８９と、負のセル端子９０と、充填開口９１と、通気孔とが、第１の端部８３を通って突出している。電極アセンブリは、セルケーシング８２内に配置されていて，この場合に、電極とセパレータとが巻かれる軸線は、第１の端部８３および第２の端部８４を通って延びている。

電極アセンブリは、バッテリの充填および放電中に寸法変化する。このことは、サイクル中の活物質の膨張による電極厚さ方向での正極および負極のスタックされた構造体の膨張の少なくとも一部による。セルケーシング８２内のゼリーロール電極アセンブリの膨張は、「セル成長（cell growth）」につながる。セル成長は、巻き軸線に対して横方向かつセルケーシング８２の第１の面８５および第２の面８６の外面に対して法線方向での第１の面８５および第２の面８６の外方に向かった湾曲に相当する。バッテリパックケーシングは、下記で説明するように、当該バッテリパックケーシング内に配置されたセル８０の成長を収容するための形状を有している。

セル８０の配列４０は、バッテリパックケーシング２の容器３内に配置されている。たとえば、図示されている実施形態では、配列４０は、１つのセル８０ａの第２の面８６ａが隣接するセル８０ｂの第１の面８５ｂに面していて、各セル８０の第１の端部８３が蓋３０に面しているように並んで配置された１２個のセル８０の単一の列を含んでいる。セル配列４０のスタック方向に一致する列の軸線９２は、セル８０の互いに面している面（たとえば第１の面８５および第２の面８６）に対して横方向である。

図１から図３を再び参照すると、セル配列４０は、列の軸線９２が容器長手方向軸線１５に対して平行であり、配列４０の第１の端部４２における最も外側のセル８０（１）の第１の面８５が、容器の側壁８の第２の部分１０の内面に面していて、かつ配列４０の、第１の端部４２の反対側の第２の端部４４における最も外側のセル８０（１２）の第２の面８６が、容器の側壁８の第４の部分１２の内面に面しているように、バッテリパックケーシング２内に配置されている。絶縁性のセパレータプレート９４は、隣り合うセル８０の互いに面している面の間に、かつセル列の各端部に配置されている。

バッテリパック１は、セル拘束機構を含んでいて、セル拘束機構は、バッテリパックケーシング２に対して相対的なセルの動きを拘束する。特に、バッテリパック１は、ばねプレート１１０を含んでいる。ばねプレート１１０は、列の軸線に沿って配置されていて、セル配列４０と容器３との間で、列の軸線９２に対して平行な方向でのセル８０の動きを拘束するように、位置決めされている。バッテリパックは、２つのばねプレート１１０を含んでいる。２つのばねプレートのうちの一方のばねプレート１１０は、容器３内で、配列の第１の端部における最も外側のセル８０（１）と、側壁の第２の部分１０との間に配置されていて、２つのばねプレートのうちの他方のばねプレート１１０は、配列の第２の端部における最も外側のセル８０（１２）と、側壁の第４の部分１２との間に配置されている。２つのばねプレート１１０は同一であり、したがって唯１つのばねプレートだけを説明する。

図３および図５～図７を参照すると、ばねプレート１１０は薄いプレートであり、セル配列４０に面するように構成されている第１の面１１１と、バッテリパックケーシング２の内面に面するように構成されている、第１の面１１１の反対側の第２の面１１２とを含んでいる。ばねプレート１１０は、周縁部１１３を含んでいる。周縁部１１３は、第１の面１１１を第２の面１１２に接続する。第１の面１１１および第２の面１１２は、概して方形の外形を有していて、周縁部１１３は４つの直交する縁部を含んでいる。特に周縁部１１３は、第１の縁部１１４と、第２の縁部１１５と、第３の縁部１１６と、第４の縁部１１７とを含んでいる。第１の縁部１１４、第２の縁部１１５、第３の縁部１１６および第４の縁部１１７はそれぞれ、ばねプレートの唯１つの側に対応している。第２の縁部１１５は、第１の縁部１１４に対して平行であり、かつ第１の縁部１１４から離間しており、第３の縁部１１６は、第４の縁部１１７に対して平行であり、かつ第４の縁部１１７から離間している。セル８０と一緒にバッテリパックケーシング２内に組み立てられている場合、ばねプレート１１０は、第１の縁部１１４および第２の縁部１１５がケーシング基部４に対して平行であり、第３の縁部１１６および第４の縁部１１７がケーシング側壁８の第１の部分９および第３の部分１１に面しているように、配向されている。

ばねプレート１１０は、均一な厚さを有している。ばねプレート１１０の厚さは、第１の面１１１と第２の面１１２との間の距離である。さらに、ばねプレート１１０は、このばねプレート１１０が、当該ばねプレート１１０の厚さ方向で互いに相対的にずらされている幾つかの平坦な領域を含むことにより平坦ではない。たとえば、ばねプレート１１０の中心領域１８０は、ばねプレート１１０の周縁領域１７０，１７１，１７２，１７３に関して同一平面ではなく、中心領域１８０と、周縁領域１７０，１７１，１７２，１７３との間の移行領域１７６，１７７，１７８，１７９は中心領域１８０に対して相対的に鋭角に角度付けされている。

より詳細には、ばねプレート１１０は、第１の面１１１が、第１の縁部１１４に対して垂直である第１の曲げ線１６０で第１の方向１５１に曲げられている（たとえば角変位されている）ように、形成されている。第１の周縁領域１７０は、第３の縁部１１６と第１の曲げ線１６０との間に延びている。第１の面１１１は、第２の曲げ線１６１で第２の方向１５２に曲げられていて、第２の曲げ線１６１は、第１の縁部１１４に対して垂直であり、第１の曲げ線１６０から離間している。第２の方向１５２は、第１の方向１５１とは反対方向である。第１の移行領域１７６は、第１の曲げ線１６０と、第２の曲げ線１６１との間に延びている。ばねプレート１１０は、第１の面１１１が、第１の縁部１１４に対して垂直である第３の曲げ線１６２で第２の方向１５２に曲げられているように、形成されている。第３の曲げ線１６２は、第２の曲げ線１６１から離間していて、第２の曲げ線１６１と、第４の縁部１１７との間に配置されている。中心領域１８０は、第２の曲げ線１６１と、第３の曲げ線１６２との間に配置されていて、第１の周縁領域１７０に対して平行であり、かつ第１の周縁領域１７０に対して相対的にずらされている。第１の面１１１は、第４の曲げ線１６３で第１の方向１５１に曲げられていて、第４の曲げ線１６３は、第１の縁部１１４に対して垂直であり、かつ第１の曲げ線１６０、第２の曲げ線１６１および第３の曲げ線１６２に対して離間していて、これにより第３の曲げ線１６２と第４の縁部１１７との間に存在している。第２の移行領域１７７は、第３の曲げ線１６２と、第４の曲げ線１６３との間に延びていて、第２の周縁領域１７１は、第４の曲げ線１６３と第４の縁部１１７との間に延びている。第２の周縁領域１７１は、第１の周縁領域１７０と同一平面であり、中心領域１８０に対して相対的にずらされている。

さらに、ばねプレート１１０は、第１の面１１１が、第１の縁部１１４に対して平行である第５の曲げ線１６４で第３の方向１５３に曲げられているように、形成されている。第３の周縁領域１７２は、第１の縁部１１４と第５の曲げ線１６４との間に延びている。第１の面１１１は、第６の曲げ線１６５で第４の方向１５４に曲げられていて、第６の曲げ線１６５は、第１の縁部１１４に対して平行であり、第５の曲げ線１６４から離間している。第４の方向１５４は、第３の方向１５３とは反対方向である。第３の移行領域１７８は、第５の曲げ線１６４と第６の曲げ線１６５との間に延びている。ばねプレート１１０は、第１の面１１１が、第１の縁部１１４に対して平行である第７の曲げ線１６６で第４の方向１５４に曲げられているように、形成されている。第７の曲げ線１６６は、第６の曲げ線１６５から離間していて、第６の曲げ線１６５と第２の縁部１１５との間に配置されている。中心領域１８０は、第６の曲げ線１６５と、第７の曲げ線１６６との間に配置されていて、第３の周縁領域１７２に対して平行であり、かつ第３の周縁領域１７２に対して相対的にずらされている。第１の面１１１は、第８の曲げ線１６７で第３の方向１５３に曲げられている。第８の曲げ線１６７は、第１の縁部１１４に対して平行であり、第５の曲げ線１６４、第６の曲げ線１６５および第７の曲げ線１６６から離間していて、これにより第７の曲げ線１６６と第２の縁部１１５との間に存在している。第４の移行領域１７９は、第７の曲げ線１６６と第８の曲げ線１６７との間に延びていて、第４の周縁領域１７３は、第８の曲げ線１６７と第２の縁部１１５との間に延びている。第４の周縁領域１７３は、第３の周縁領域１７２と同一平面であり、中心領域１８０に対して相対的にずらされている。

この曲げられた配置構成の結果、ばねプレート１１０は、以下に詳細に説明するように、セル８０に向かって突出した中心領域１８０と、この中心領域１８０を取り囲み、容器に対してばねプレートを支持している周縁領域１７０，１７１，１７２，１７３とを含んでいる。

起伏を付けられた形状を有することに加えて、ばねプレート１１０は、第２の縁部１１５から外方に向かって突出する第１の縁部突起１１９および第２の縁部突起１２０を含んでいる。第１の縁部突起１１９と、第２の縁部突起１２０とは、同一の方向に突出していて、同一の縁部、たとえば第２の縁部１１５に沿って離間している。使用時に、ばねプレート１１０は、容器の基部４上に第１の縁部突起１１９および第２の縁部突起１２０を介して支持されている。第１の縁部突起１１９および第２の縁部突起１２０は、第２の縁部１１５が容器の基部内面５から突出するレール６上に存在することを許容するスペーサとして働く。

バッテリパック１は、２つのばねプレート１１０（１），１１０（２）を含んでいて、列の最も外側のセルと、容器３の対応する側壁との間に存在するように、セル８０の列の各端部に１つのばねプレート１１０が配置されている。ばねプレート１１０（１），１１０（２）はそれぞれ、容器長手方向軸線１５に対して平行な方向で配列４０にばね力を加えるように構成されている。

配列４０の第１の端部４２に配置されているばねプレート１１０（１）は、一対のスペーサ１３０を介して側壁の第２の部分１０から離間している。各スペーサ１３０は、基部４上に支持されている第１の端部１３１と、蓋３０に面した、第１の端部１３１と反対側の第２の端部１３２とを含む方形ブロックである。スペーサ１３０は、第１の端部１３１と第２の端部１３２とを通過する軸線に沿って延在していて、セル８０の高さとほぼ同一である高さを有している。スペーサの第２の端部１３２は平坦であり、一対のタブ１３３，１３４を含んでいる。これらのタブ１３３，１３４は、平面上に存在し、容器長手方向軸線１５に対して平行な方向に突出している。一対のタブのうちの第１のタブ１３３は、側壁の第２の部分１０に設けられたスロット７に係合するように構成されていて、一対のタブのうちの第２のタブ１３４は、ばねプレート１１０（１）の第１の縁部１１４に第１の周縁領域１７０または第２の周縁領域１７１のうちの一方に対応する領域において係合するように構成されている。さらに、ばねプレート１１０（１）の第１の周縁領域１７０および第２の周縁領域１７１は、スペーサ１３０の側面１３６に直接に接触していて、スペーサ１３０は、ばねプレート１１０（１）と側壁の第２の部分１０との間のギャップｇを提供している。ギャップｇは、蓋３０から内方に向かって突出するリレー３６を収容するために形成されかつ寸法設計されている。

配列４０の第２の端部４４に配置されているばねプレート１１０（２）は、第４の側壁部分１２に対峙していて、ばねプレート１１０（２）の第１の周縁領域１７０および第２の周縁領域１７１は、側壁の第４の部分１２に直接に接触している。

図８～図１０を参照すると、代替的な実施形態のばねプレート２１０は、図５～図７に関して上述したばねプレート１１０と形状において類似しており、機能において同一である。このため、共通のエレメントを参照するために共通の参照符号が使用されている。

上述の実施形態と同様に、ばねプレート２１０は、均一な厚さを有している。ばねプレート２１０の厚さは、第１の面１１１と第２の面１１２との間の距離である。さらに、ばねプレート２１０は、このばねプレート２１０が、当該ばねプレート２１０の厚さ方向で互いに相対的にずらされている幾つかの平坦な領域を含むことにより平坦ではない。たとえば、ばねプレート２１０の中心領域２８０は、ばねプレート２１０の周縁領域２７０，２７１に対して同一平面ではなく、中心領域２８０と周縁領域２７０，２７１との間の移行領域２７６，２７７は、中心領域２８０に対して相対的に鋭角に角度付けされている。

より詳細には、ばねプレート２１０は、第１の面１１１が、第１の縁部１１４に対して垂直である第１の曲げ線１６０で第１の方向１５１に曲げられている（たとえば角変位されている）ように、形成されている。第１の周縁領域２７０は、第３の縁部１１６と第１の曲げ線１６０との間に延びている。第１の面１１１は、第２の曲げ線１６１で第２の方向１５２に曲げられている。第２の曲げ線１６１は、第１の縁部１１４に対して垂直であり、第１の曲げ線１６０から離間している。第２の方向１５２は、第１の方向１５１とは反対方向である。第１の移行領域２７６は、第１の曲げ線１６０と第２の曲げ線１６１との間に延びている。ばねプレート２１０は、第１の面１１１が、第１の縁部１１４に対して垂直である第３の曲げ線１６２で第２の方向１５２に曲げられているように、形成されている。第３の曲げ線１６２は、第２の曲げ線１６１から離間していて、第２の曲げ線１６１と第４の縁部１１７との間に配置されている。中心領域２８０は、第２の曲げ線１６１と第３の曲げ線１６２との間に配置されていて、第１の周縁領域２７０に対して平行であり、かつ第１の周縁領域２７０に対して相対的にずらされている。第１の面１１１は、第４の曲げ線１６３で第１の方向１５１に曲げられている。第４の曲げ線１６３は、第１の縁部１１４に対して垂直であり、第１の曲げ線１６０，第２の曲げ線１６１および第３の曲げ線１６２から離間していて、これにより第３の曲げ線１６２と第４の縁部１１７との間に存在している。第２の移行領域２７７は、第３の曲げ線１６２と第４の曲げ線１６３との間に延びていて、第２の周縁領域２７１は、第４の曲げ線１６３と第４の縁部１１７との間に延びている。第２の周縁領域２７１は、第１の周縁領域２７０と同一平面であり、中心領域２８０に対して相対的にずらされている。

図８～図１０に図示されているばねプレート２１０は、図８～図１０に図示されているこのばねプレート２１０が、第１の縁部１１４に対して平行である曲げ線を含んでいないことにより、図５～図７に図示されているばねプレート１１０とは異なっている。

さらに、図８～図１０に図示されているばねプレート２１０の中心領域２８０と、周縁領域２７０，２７１と、移行領域２７６，２７７との比は、図５～図７に示したばねプレート１１０の中心領域１８０と、対応する周縁領域１７０，１７１と、対応する移行領域１７６，１７７との比とは異なっている。たとえば、幾つかの実施形態では、ばねプレート２１０の中心領域２８０は、ばねプレート２１０の全幅の約５３パーセントの幅を有していて、ばねプレート２１０の全幅は、第３の縁部１１６と第４の縁部１１７との間の距離に一致する。さらに、ばねプレート２１０の各周縁領域２７０，２７１は、ばねプレート２１０の全幅の約５パーセントの幅を有していて、各移行領域２７６，２７７は、ばねプレート２１０の全幅の約１８パーセントの幅を有している。このことは、図５～図７に図示されているばねプレート１１０の幾つかの実施形態と比較することができ、ばねプレート１１０の中心領域１８０は、ばねプレート１１０の全幅の約７２パーセントの幅を有していて、各周縁領域１７０，１７１は、ばねプレート１１０の全幅の約１１パーセントの幅を有していて、各移行領域１７６，１７７は、ばねプレート１１０の全幅の約３パーセントの幅を有している。さらに、ばねプレート２１０の中心領域２８０は、ばねプレート２１０の全高の約１００パーセントの高さを有していて、ばねプレート２１０の全高は、第１の縁部１１４と第２の縁部１１５との間の距離に一致する。このことは図５～図７に図示されているばねプレート１１０の幾つかの実施形態と比較することができる。ばねプレート１１０の中心領域１８０は、ばねプレート１１０の全高の約３０パーセントの高さを有している。上述の比は、図示されている実施形態の相対的な比の例を与えるために提供されているが、限定を意図するものではない。

さらに、図８～図１０に図示されているばねプレート２１０は、ばねプレート２１０が、中心領域２８０に配置されている表面突起２２５（図面では唯１つしか見えない。図９を参照）を含んでいることにより、図５～図７に示したばねプレート１１０とは異なっている。表面突起２２５は、第２の面１１２から外方に向かって突出していて、したがって、セル配列４０から離れるように突出している。ばねプレート２１０が均一な厚さを有しているので、表面突起２２５に一致する箇所において第１の面１１１に表面凹部２２４，２２６が形成されている。表面凹部２２４，２２６は、表面突起２２５の形状に一致する形状を有している。表面突起２２５と対応する表面凹部２２４，２２６は、このような突起を有しないばねプレートに対して、ばねプレート２１０の強度および剛性を増大するように働く。

幾つかの実施形態では、ばねプレート２１０が、２つの表面突起２２５を有していてもよい。これらの表面突起２２５は、第１の縁部１１４に対して垂直な方向で離間している。表面突起２２５は、第１の縁部１１４に対して平行な方向で延在している。換言すると、表面突起は、列の軸線９２に対して垂直であり、かつ容器の基部４に対して法線方向である軸線に対して垂直である横方向軸線に沿って延在している。各表面突起２２５は、横方向軸線に対して平行である方向で所定の寸法を有していて、表面突起寸法は、横方向軸線に対して平行である方向でばねプレートの全体寸法の少なくとも３０パーセントである。

図８～図１０に図示されているばねプレート２１０は、さらに、ばねプレート２１０がガセット２２８を有していることにより、図５～図７に図示されているばねプレート１１０とは異なっている。ガセット２２８は、周縁領域２７０，２７１と隣接する移行領域２７６，２７７との間に延びている。たとえば、図示されている実施形態では、ばねプレート２１０は、第１の周縁領域２７０と第１の移行領域２７６との間に延びている３つのガセット２２８と、第２の移行領域２７７と第２の周縁領域２７１との間に延びている３つのガセット２２８とを含んでいる。ガセット２２８は、第１の縁部１１４に対して垂直な方向で離間している。ガセット２２８は、ばねプレート２１０に剛性を提供し、その平坦ではない外形を維持し、使用中のばねプレート２１０の過度の変形を阻止するように働く。

図１１～図１３を参照すると、ばねプレート１１０，２１０に対して付加的に、バッテリパック１が、バッテリパックケーシング２に対して相対的なセル８０の動きを拘束する別のセル拘束機構を含んでいる。たとえば、バッテリパック１は、拘束ピン５０，６０を含んでいて、これらの拘束ピン５０，６０は、たとえば乗り物の振動による各セル８０の動きが二対の拘束ピン５０，６０によって拘束されているように、バッテリパックケーシング蓋３０からセル８０に向かって突出している。特に、一対の拘束ピン５０，６０が、各セル８０の蓋に面した面８３の互いに反対側の各端部で、セル端子８９，９０の近傍に設けられている。拘束ピン５０，６０の各対は、外側ピン５０と、内側ピン６０とを有している。該当するセル８０の、蓋に面した面８３の互いに反対側の各端部において、内側ピン６０は、該当するセル８０の端子の一方の側に配置されていて、たとえば負の端子９０と、セルの、蓋に面した面８３の中心９６との間に配置されている。図示された実施形態では、内側ピン６０は、充填開口９１と、負の端子９０との間に配置されている。さらに、外側ピン５０は、同一の端子の反対の側に配置されていて、たとえば負の端子９０と、セルの、蓋に面した面８３の端部との間に配置されている。外側ピン５０は、セルの、蓋に面した面８３の端部に整合しているのではなく、蓋に面した面８３をセル側に結合する溶接シームの内側に配置されている。

ピンの該当する対の内側ピン６０および外側ピン５０は、蓋３０の周縁部３３に対して垂直である横方向軸線７０に沿って整列されている。より詳細には、横方向軸線７０は、容器長手方向軸線１５に対しても、蓋３０の、容器に面した面３２に対して法線方向である軸線７２に対しても直交する。

内側ピン６０と外側ピン５０とは、蓋３０と一体的に形成されていてもよく、それぞれがばねプレート１１０，２１０の拘束の方向に対して垂直な方向でのセル８０の動きを拘束する。つまりは、内側ピン６０および外側ピン５０が、蓋３０の、容器に面した面３２に対して垂直方向での、つまり容器長手方向軸線１５に対して垂直方向でのセル８０の動きを拘束する。この目標を達成するために、外側ピン５０および内側ピン６０はそれぞれ、容器に面した面３２から、この容器に面した面３２に対して法線方向で突出していて、容器に面した面３２から離間した遠位の端部５２，６２を有している。

外側ピン５０および内側ピン６０によりセル８０に加えられるあらゆる荷重が局限されず、外側ピン５０および内側ピン６０によってセル８０に加えられる荷重がほぼ同一であることが望ましい。上述のように、蓋３０の周縁部３３は、ねじを介して容器の側壁８に締結されている。したがって、内側ピン６０よりも蓋周縁部３３の近傍に配置されている外側ピン５０は、内側ピン６０よりも、蓋の、容器に面した面３２に対して法線方向で相対的により硬い。なぜならば、内側ピン６０の近傍の蓋３０は、蓋周縁部３３に比べてあまり制約されていないからである。外側ピン５０と内側ピン６０との間の荷重の差を避けるために、外側ピン５０および内側ピン６０は、不均一な長さを有して形成されている。外側ピン５０および内側ピン６０の長さは、容器に面した面３２からのそれぞれの遠位の端部５２，６２の距離に一致する。特に、外側ピン５０の長さは、内側ピン６０の長さよりも小さく、内側ピン６０の遠位の端部６２は、外側ピン５０の遠位の端部５２よりも、セル８０の、蓋に面した面８３に対して近い。したがって、乗り物の振動により起こるような外側ピン５０および内側ピン６０への荷重負荷中に、内側ピン６０には外側ピン５０よりも先に荷重が加えられる。

内側ピン６０の遠位の端部６２は、突起６３を含んでいる。この突起６３は、横方向軸線７０に沿って外側ピン５０に向かって突出している。これにより、内側ピン６０は、Ｌ字形の外形を有している。その結果、内側ピンの遠位の端部６２と、セルの、蓋に面した面８３との間の接触面積は、突起を有しないピンの面積に比べて大きく形成されていて、セルの、蓋に面した面に加えられた力をさらに非局限化する。

単一の列配列４０で配置された１２個のセル８０を含む図示されている実施形態では、２４対の拘束ピン５０，６０が、蓋の、容器に面した面３２に設けられている。したがって、各セル８０の動きは、容器長手方向軸線１５に対して垂直な方向で、横方向軸線７０に対して平行な単独の軸線に沿って整合している４つのピン５０，６０，５０，６０により拘束されている。さらに、ばねプレート１１０，２１０の存在により、各セル８０の動きは容器長手方向軸線に対して平行な方向で制約されている。結果として、バッテリパック１内のセル８０の信頼性および長寿命性が向上されている。

セル８０は、ゼリーロール電極配置構成を有する電極アセンブリ４を収容するように説明されているが、電極アセンブリ４は、この電極配置構成に限定されていない。たとえば、電極アセンブリ４は、電極プレートのスタックされた配置あるいは折り畳まれた配置または別の適切な電極配置を含んでいてもよい。

セル８０は、リチウムイオンセルであるように説明されているが、セル８０はこのタイプのセルに限定されていない。たとえば、セル８０は、鉛－酸、ニッケル－カドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル金属ハイブリッド（ＮｉＭＨ）およびリチウムイオンポリマを含む、電極材料および電解質の種々異なる組み合わせを含むことができる。

図示された実施形態は、１２個のセル８０を含む単一の列セル配列４０を含んでいるが、バッテリパック１は、１２個のセル８０を有することに限定されていない。使用されるセルの個数は、１２個よりも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ている。

図示されている実施形態は、単一の列セル配列４０を含んでいるが、バッテリパック１は、単一の列配列４０を含むことに限定されていない。たとえば、別の実施形態では、配列が複数の列または行に配置されたセル８０を含んでいてもよく、さらにセルの三次元配列を含んでいてもよい。このような別の実施形態では、バッテリパックケーシング２は，セル配列を収容するために形成されかつ寸法設計されている。

バッテリパック１は、セル８０の列の各端部に１つずつ、２つのばねプレート１１０を含んでいるように説明されているが、バッテリパックはこの配列に限定されていない。たとえば、幾つかの実施形態では、バッテリパック１は、セルの列の一方の端部において配置された単独のばねプレート１１０を含んでいる。別の例では、１つまたは両方のばねプレート１１０を、エラストマばね（すなわち、フォームラバープレート等）またはコイルばねプレートアセンブリのような別の拘束構造に置き換えることができる。

本明細書において説明されたバッテリパック１は、蓋の内面に組み付けられている電子機器を収容するために容器の側壁８とセル配列４０との間にギャップｇを形成するためのスペーサ１３０を含んでいるが、幾つかの実施形態、たとえば電子機器が外部に保管されている実施形態では、ギャップｇ、したがってスペーサ１３０を省略することができることが考えられる。

図示されているばねプレート１１０，２１０は、ばねプレート１１０，２１０が容器の基部４から突出するレール６上に存在することを許容する縁部突起１１９，１２０を含んでいるが、ばねプレート１１０，２１０は、縁部突起１１９，１２０なしに形成されていてもよい。縁部突起が省略されている実施形態では、ばねプレート１１０，２１０は、使用中にレール６上に載置する線形の第２の縁部１１５を有している。

バッテリパックおよびバッテリパックケーシングの図示されている選択的な実施形態は、上記で幾らか詳細に説明されている。本明細書では、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のみが説明されていることを理解されたい。他の従来の構造、およびバッテリパックシステムの補助および付属構成要素の構造は、当業者に公知であり、理解されているものと想定される。さらに、バッテリパックおよびバッテリパックケーシングの実施例について上述したが、バッテリパックおよび／またはバッテリパックケーシングは、上述した実施例に限定されるものではなく、請求項に記載されている装置から逸脱することなく様々な設計変更を実施することができる。

Claims (18)

1. バッテリパックであって、
   基部と、該基部に対して法線方向で前記基部から突出する側壁とを有する容器であって、各側壁は、前記基部に固定されている固定端と、該固定端とは反対側の自由端とを有し、前記側壁の前記自由端は、前記容器の開口端部を一緒に画定している、容器と、
   前記容器の前記開口端部を閉じるように構成されている、容器に面した面と、該容器に面した面の反対側の外方に面した面とを含んでいる蓋と、
   前記容器内に配置されているセルであって、各セルの、蓋に面した面が、前記自由端を含む平面に対して平行であるように前記容器内で配向されている、セルと
   を有し、
   前記蓋は、前記セルの動きを拘束するように構成されている外側ピンと内側ピンとを含み、
   前記外側ピンと前記内側ピンとがそれぞれ、前記容器に面した面から突出していて、かつ該容器に面した面から離間している遠位の端部を有し、
   前記外側ピンと前記内側ピンとが、不均一な長さを有し、前記外側ピンおよび前記内側ピンの長さが、前記容器に面した面からのそれぞれの前記遠位の端部の距離に一致し、
   各セルの前記蓋に面した面の互いに反対側の各端部において内側ピンおよび外側ピンが設けられている、
   バッテリパック。
2. 前記外側ピンの前記長さが、前記内側ピンの前記長さよりも小さい、請求項１記載のバッテリパック。
3. 前記内側ピンの前記遠位の端部が、前記外側ピンの前記遠位の端部よりも、前記セルの、前記蓋に面した面の近傍にある、請求項１記載のバッテリパック。
4. 前記外側ピンと前記内側ピンとは、前記内側ピンと前記外側ピンとが前記容器に面した面に対して法線方向で不均一な硬さを有しているように、前記蓋と一緒に形成されている、請求項１記載のバッテリパック。
5. 前記容器に面した面に対して法線方向での前記内側ピンの前記硬さは、前記容器に面した面に対して法線方向での前記外側ピンの前記硬さよりも小さい、請求項４記載のバッテリパック。
6. 前記外側ピンは、前記蓋の周縁部に対して垂直である軸線に沿って前記内側ピンに整列しており、当該軸線は、前記蓋の、前記容器に面した面に対して法線方向である軸線に対して直交し、前記蓋の周縁部は、方形の前記蓋の一辺を成す、請求項１記載のバッテリパック。
7. 前記セルは、列の軸線に沿って並んで配置されているセルの単一の列を含む配列で前記容器内に配置されていて、前記外側ピンは、前記列の軸線に対して横方向である軸線に沿って前記内側ピンに整列している、請求項１記載のバッテリパック。
8. 前記内側ピンの前記遠位の端部は、前記外側ピンに向かって突出する突起を含み、これにより前記内側ピンがＬ字形の外形を有している、請求項１記載のバッテリパック。
9. 前記内側ピンは、セルの端子の一方の側に配置されていて、前記外側ピンは、セルの端子の反対側に配置されている、請求項１記載のバッテリパック。
10. 前記内側ピンおよび前記外側ピンは、第１の方向での前記セルの動きを拘束し、前記バッテリパックは、前記第１の方向に対して垂直である第２の方向での前記セルの動きを拘束するように構成されているばねエレメントをさらに含んでいる、請求項１記載のバッテリパック。
11. バッテリパックであって、
    基部と、該基部に対して法線方向で前記基部から突出する側壁とを有する容器であって、各側壁は、前記基部に固定されている固定端と、該固定端とは反対側の自由端とを有し、前記側壁の前記自由端は、前記容器の開口端部を一緒に画定している、容器と、
    前記容器の前記開口端部を閉じるように構成されている、容器に面した面と、該容器に面した面の反対側の外方に面した面とを含んでいる蓋と、
    前記容器内に配置されているセルであって、各セルの、蓋に面した面が、前記自由端を含む平面に対して平行であるように前記容器内で配向されている、セルと
    を有し、
    前記蓋は、前記セルの動きを拘束するように構成されている外側ピンと内側ピンとを含み
    前記外側ピンと前記内側ピンとがそれぞれ、前記容器に面した面から突出していて、
    前記外側ピンと前記内側ピンとは、前記内側ピンと前記外側ピンとが前記容器に面した面に対して法線方向で不均一な硬さを有しているように、前記蓋と一緒に形成されており、
    各セルの、前記蓋に面した面の互いに反対側の各端部において内側ピンと外側ピンとが配置されている、バッテリパック。
12. 前記容器に面した面に対して法線方向での前記内側ピンの硬さが、前記容器に面した面に対して法線方向での前記外側ピンの硬さよりも小さい、請求項１１記載のバッテリパック。
13. 前記外側ピンと前記内側ピンとがそれぞれ、前記容器に面した面から離間している遠位の端部を有し、前記外側ピンと前記内側ピンとが、不均一な長さを有し、前記外側ピンおよび前記内側ピンの長さが、前記容器に面した面からのそれぞれの遠位の端部の距離に一致する、請求項１１記載のバッテリパック。
14. 前記外側ピンの長さは、前記内側ピンの長さよりも小さい、請求項１３記載のバッテリパック。
15. 前記内側ピンの前記遠位の端部が、前記外側ピンの前記遠位の端部よりも、前記セルの、前記蓋に面した面の近傍にある、請求項１３記載のバッテリパック。
16. 前記セルは、列の軸線に沿って並んで配置されているセルの単一の列を含む配列で前記容器内に配置されていて、前記外側ピンは、前記列の軸線に対して横方向である軸線に沿って前記内側ピンに整列している、請求項１１記載のバッテリパック。
17. 前記内側ピンの遠位の端部は、前記外側ピンに向かって突出する突起を含み、これにより前記内側ピンがＬ字形の外形を有している、請求項１１記載のバッテリパック。
18. 前記内側ピンおよび前記外側ピンは、第１の方向での前記セルの動きを拘束し、前記バッテリパックは、前記第１の方向に対して垂直である第２の方向での前記セルの動きを拘束するように構成されているばねエレメントをさらに含んでいる、請求項１１記載のバッテリパック。

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