JP7553961B2 - バッテリーパック、バッテリーアセンブリ、バッテリーパックの形成方法、バッテリーアセンブリの形成方法、及び、バッテリーパック用エンドプレート - Google Patents

バッテリーパック、バッテリーアセンブリ、バッテリーパックの形成方法、バッテリーアセンブリの形成方法、及び、バッテリーパック用エンドプレート Download PDF

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Description

本発明は、バッテリーパック、特に可搬式軽量バッテリーパックに関する。
特に、本発明は、バッテリーセルを機械的に強固に収容し、ならびに、熱設計および良好な電気性能に最適化されている特別に設計されたエンドプレートの構成に関する。本発明はまた、バッテリーパックアセンブリ、システム、ならびに、エンドプレート、バッテリーパックおよび／またはバッテリーアセンブリの形成方法に関する。
本発明は、特にこれらに限定されないが、電気自動車およびその道路での使用における補助、キャンプ、鉱業および数多くの産業用途等における使用などの、小型で軽量、および／または、可搬式のエネルギー供給装置を使用することが望ましい広く多様な用途において有用である。
本明細書における公知の従来技術への参照はいずれも、反する指摘がなされていない限り、本出願の日において、このような従来技術が、本発明が関連する分野における当業者によって一般的に知られていると認めるものではない。
特に可搬式用途のバッテリーパックでは、導電性、温度制御、機械的強度、重量およびエネルギー体積密度を含む、時に相反する一連の性能要件が求められる。
温度制御に係るソリューションのための種々の試みがなされているが、しかしながら、多くにおいては可搬式用途のためには重量が過大となっていた。例えば、いくつかにおいては、密閉された流体路を流れる液体が用いられている。これらにおいてはセルからの熱エネルギーの効率的で高いスループットが強制的な対流によって実現されているが、これらは、機能するために追加のタンク、圧送構成要素、および、液体から熱を放散させるための構造（ラジエータ）を必要とする。液体自体の重量、および、これらの追加の構成要素の重量によって、システムの総重量が大幅に増加してしまう。液体の大きい熱容量によって、顕著な加熱を伴うことなく突発的な熱エネルギーが効果的に吸収可能であるために、液体のクーラントの使用は、過渡的負荷が高い電気自動車または他のデバイスにおける使用について、顕著な利点を有している。しかしながら、この利点はバッテリーパックが連続的な負荷下にある場合にはその恩恵を得られない。この場合、液体の熱容量は飽和し、熱性能は、液体から熱を放散させるために用いられる構成要素（ラジエータ）によって限定される。それ故、液体クーラント系のシステムによる費用対効果は限定的である。
時々、周囲の環境への直接的な熱の放散は、固体構造を用いて、または、代わりに、セルとは別の構造であって環境への熱の放散に最適化されたものに熱を逃す、セルに取り付けられる「ヒートパイプ」を用いて行われている。同様に、いくつかの設計では、熱の放散を向上するためにセルまたはバッテリーパックの構造に直接組み込まれた構造が用いられる。
最大のエネルギー－体積密度および最低の重量を追求する種々の試みがなされており、ここで、バッテリーは、冷却構造またはバッテリーセル間の空間をまったく伴うことなく単純にパッキングしたセルである。これはエネルギー－体積密度が最大化されるが、バッテリーパックの熱性能が著しく限定されてしまう。
セルを機械的に接続すると共にセル間の相対位置を維持するために、セルの逆側の端部でセルが配設された２つのプレート状構造体からなるフレーム構造といった種々の他の試みがなされており、これは、米国特許第５５７８３９２号明細書および米国特許第７１８９４７３号明細書に記載されている。これらのシステムは共に、これらのフレーム構造中に追加の孔を備えており、熱制御のためにセル間の空間およびバッテリーパックを通る流体の流れを実現しているが、しかしながら、これらの設計は最適ではない。
本発明は、従来技術の少なくともいくつかの欠点を克服しようとするものである。
本発明はまた、従来技術に係るバッテリーパックおよびエンドプレートの設計を超える差異および利点を有する、バッテリーパック、特にそのためのエンドプレートを提供しようとするものである。
本発明はまた、軽量であり、従って、特にこれらに限定されないが、電気自動車における使用などの可搬式用途に適切であるバッテリーパック、特にそのためのエンドプレートを提供しようとするものである。
本発明はまた、効率的な熱的特徴、および、他の操作的特徴を有するバッテリーパック、特にそのためのエンドプレートを提供しようとするものである。
本発明は、セルの端部に取り付けられた、特別に設計されたエンド－プレート－フレームによって、電気的および機械的に接続された２つ以上の電気エネルギーセルを備えるバッテリーパックを提供しようとするものである。エンド－プレート－フレームは、バッテリーパックによる導電性要求、温度制御および重量間においてバランスが最適化されるよう設計される。同時に、機械的強度およびセル換気に係る要求が満たされる。最低限の重量コストによる温度制御は、バッテリーパックと熱制御に用いられる流体との間における熱の効率的な移動、および、バッテリーパック中における流体の効率的な流れを一緒になって実現する、エネルギーセルの本体間の空間と、エンド－フレーム－プレートに形成された複数の孔とによって形成された相互に接続された流体通路によって達成される。エンド－フレーム－プレートへ電気的接続用コンポーネントを組み込む設計は、流体通路システムの孔およびセルからの換気をするための孔の周囲における導電性を最大化させる。設計の機械的コンポーネントは、重量を最低限としつつ上記を実現する。
幅広い一形態において、本発明は、バッテリーパック用のエンドプレートであって、
第１および第２の表面を有する実質的にプレート状に構成された第１の部品であって
離間した関係で形成されて配列されたセル収容切抜部、および
前記セル収容切抜部間に設けられて配列された流体流通開口部
を備える第１の部品と、
前記第１の部品の前記第１の表面に実質的に重畳され、実質的に積層構成とされ、導電性材料製のバスプレートであって、
離間した関係で形成され、かつ、前記第１の部品の前記セル収容切抜部と実質的に位置合わせされて配列されたセル接続孔；および
前記第１の部品の前記流体流通開口部と実質的に位置合わせされて形成されて配列された流体流通オリフィス
を備えるバスプレートと
を備えるエンドプレートを提供する。
好ましくは、各セル収容切抜部は、使用状態で、前記第１の部品の第２の表面を介して収容されたセルの進入が制限されるような形状とされている。
さらに好ましくは、セル収容切抜部の側壁の少なくとも一部分は、
肩部、
リップ部、
段部、および
傾斜部
のいずれか一つまたは組み合わせを備える。
好ましくは、セル収容切抜部は、その中への挿入に適応したセルの形状であって、特にこれらに限定されないが、断面が、円形、正方形、矩形またはいずれかの他のものなどの形状に対して、実質的に適合する形状のものである。
さらに好ましくは、各流体流通開口部および各流体流通オリフィスは、一緒になって流体流通路の一部を形成する実質的に類似の形状のものである。
さらに好ましくは、前記第１の部品は、特にこれらに限定されないが、ポリカーボネート、ガラス繊維強化ポリアラミド６／６、ＰＴＦＥ、ＰＥＥＫ等などの、好ましくは６０℃を超える温度に耐えることが可能であり、且つ、引火性が低い非導電性材料から少なくとも部分的に形成されている。
さらに好ましくは、各流体流通開口部および各流体流通オリフィスは、一緒になって流体流通路の一部を形成する実質的に類似の形状のものである。
さらに好ましくは、前記バスプレートは、特にこれらに限定されないが、銅、アルミニウム、ニッケル等などの金属などの高導電性材料、または、特にこれらに限定されないが、グラフェン、導電性ポリマーもしくはセラミック材料などの非金属製コンダクタのいずれか一種または組み合わせから形成される。
さらなる幅広い形態において、本発明は、一対の離間したエンドプレート、その間に介在する複数のセル、および、複数のセルリンクを備えるバッテリーパックであって、
各エンドプレートは
第１および第２の表面を有する実質的にプレート状に構成された第１の部品であって、
離間した関係で形成されて配列されたセル収容切抜部、および
前記セル収容切抜部間に設けられて配列された流体流通開口部
を備える第１の部品と、
前記第１の部品の前記第１の表面に実質的に重畳され、実質的に積層構成とされ、導電性材料製のバスプレートであって、
離間した関係で形成され、かつ、前記第１の部品の前記セル収容切抜部と実質的に位置合わせされて配列されたセル接続孔；および
前記第１の部品の前記流体流通開口部と実質的に位置合わせされて形成されて配列された流体流通オリフィス
を備えるバスプレートと
を備え、
各セルは、第１の端部および第２の端部を備え、第１の端部は、一方の前記エンドプレートのセル収容切抜部に動作可能に係合され、および、第２の端部は、他方の前記エンドプレートのセル収容切抜部に動作可能に係合され；ならびに
各セルリンクは、前記セルの各々のそれぞれの末端部分の電極を、そのそれぞれのエンドプレートのバスプレートと導通接続する、バッテリーパックを提供する。
好ましくは、各セル収容切抜部は、使用状態で、前記第１の部品の第２の表面を介して収容されたセルの進入が制限されるような形状であって、バッテリーの末端部分の各々が、前記第１の部品の第１の表面から離間するような形状とされている。
さらに好ましくは、セル収容切抜部の側壁の少なくとも一部分は、
肩部、
リップ部、
段部、および
傾斜部
のいずれか一つまたは組み合わせを備える。
好ましくは、前記第１の部品は背中合わせに位置された一対の絶縁性パネルを備え、ここで、第１の絶縁性パネルにおいて、各セル収容切抜部は、セルの末端部分がその中に嵌合可能であるような寸法とされ、および、第２の絶縁性パネルにおいて、各セル収容切抜部は、セルの末端部分のそれぞれによるその中への嵌合が妨げられて、セルの端部の周縁と当たるような寸法とされる。
さらに好ましくは、セル収容切抜部は、その中への挿入に適応したセルの形状であって、特にこれらに限定されないが、断面が、円形、正方形、矩形またはいずれかの他のものなどの形状に対して、実質的に適合する形状のものである。
好ましくは、各流体流通オリフィスおよび各流体流通開口部は、実質的に類似の形状のものであって、且つ、実質的に位置合わせされており、一緒になって流体流通路の一部を形成する。
好ましくは、前記第１の部品は少なくとも部分的に、特にこれらに限定されないが、ポリカーボネート、ガラス繊維強化ポリアラミド６／６、ＰＴＦＥ、ＰＥＥＫ等などの、好ましくは６０℃を超える温度に耐えることが可能であり、且つ、引火性が低い非導電性材料から形成されている。
好ましくは、前記バスプレートは、特にこれらに限定されないが、銅、アルミニウム、ニッケル等などの金属などの高導電性材料、または、特にこれらに限定されないが、グラフェン、導電性ポリマーもしくはセラミック材料などの非金属製コンダクタのいずれか一種または組み合わせから形成される。
さらなる幅広い形態において、本発明は、直列および／または並列で接続された本明細書中上記に記載されている複数のバッテリーパックを備えるバッテリーアセンブリを提供する。
好ましくは、バッテリーアセンブリは、隣接して位置されたバッテリーパックのバスプレートを接続するリンクプレートを備える。
さらなる幅広い形態において、本発明は、一対のエンドプレート間に複数のバッテリーセルを介在させるステップを含む、バッテリーパックの形成方法を提供する。
好ましくは、この方法は、セルリンクを取り付けて各セルを各エンドプレートのバスプレートと接続するステップをさらに含む、バッテリーパックを形成する方法を含む。
さらなる幅広い形態において、本発明は、２つ以上のバッテリーパックをリンクコンポーネントを用いて接続するステップを含む、バッテリーアセンブリの形成方法を提供する。
本発明は、添付の面に関連して記載されている、好ましいが非限定的な実施形態の以下の詳細な説明から、より完全に理解されるであろう。
図１は、本発明に係るバッテリーパックの好ましい実施形態の斜視図を示す。 図２は、図１の実施形態の分解組立図を示す。 図３は、本発明の代替的な好ましい実施形態の分解組立図を示す。 図４は、バッテリーパックのエンドプレートコンポーネントの好ましい実施形態の斜視図を示す。 図５は、図４に示されているエンドプレートコンポーネントの切欠図を示す。 図６は、図１に示されているバッテリーパックの切欠図を示す。 図７は、セル切抜部の好ましい配列および流体流通開口部／オリフィスパターンの平面図を示す。 図８は、図７の孔の配列をどのように定義し得るかを示す。 図９は、孔の配列の比較分析を示す。 図１０は、代替的な三角形の孔の配列を示す。 図１１は、代替的な六角形の孔の配列を示す。 図１２は、バッテリーパックのセルリンクコンポーネントの好ましい実施形態の斜視図を示す。 図１３は、セルリンクを含むバッテリーパックの上面図を示す。 図１４（ａ）は、バスプレートをセルと接続するセルリンクを示す断面透視図を示す。 図１４（ｂ）は、バスプレートをセルと接続するセルリンクを示す断面透視図を示す。 図１５は、セルリンク配列の代替的な実施形態を示す。 図１６は、マルチバッテリーパックのアセンブリを示す。 図１７は、導電性結合プレートにより接続された一対のバッテリーパックを示す。 図１８は、バスプレートへの接続に用いられたアイ／リングクリンプ配列を示す。 図１９は、図１７の一対のバッテリーパックの端部斜視図を示し、バッテリーパックの装着に用いられるねじ込みインサートが示されている。 図２０は、分割バスプレートを備える本発明の変形例の斜視図を示す。 図２１は、図２０の実施形態の分解組立図を示す。 図２２は、代替的な矩形セルの配列を示す。 図２３（ａ）は、図２２の孔の配列の詳細を示す。 図２３（ｂ）は、図２２の孔の配列の詳細を示す。
図面全体を通して、別段の記載がない限り、同様の機構を識別するために同様の符号が用いられる。
図１～３に示されているとおり、本発明のバッテリーパック１は、一対の離間したエンドプレート２および３と、複数の電気エネルギーセル４（本明細書においては、単にセル４として称される）と、これらの間に介在する複数のセルリンク５とを備える。
エンドプレート２の各々は、第１の部品６およびバスプレート１１を備えて構成されることが好ましい。
第１の部品６の各々は、少なくとも部分的に非導電性または絶縁性材料から形成されていてもよく、説明を容易とするために、第１の表面７および第２の表面８を備えると定義されてもよい。各エンドプレート２の各第１の部品６は、好ましくは、離間した関係で形成されて配列されたセル収容切抜部９、および、セル収容切抜部９間に設けられて配列された流体流通開口部１０を備える。
好ましくは実質的に積層構成とされ、および、導電性材料製のバスプレート１１は、実質的に前記第１の部品６の第１の表面７に重畳される。
好ましくは、バスプレート１１は、前記第１の部品６の前記セル収容切抜部９と実質的に位置合わせされた、離間した関係で形成されて配列されたセル接続孔１２を備える。好ましくは、バスプレート１１はまた、前記絶縁性の第１の部品６の前記流体流通開口部１０と実質的に位置合わせされて形成されて配列された流体流通オリフィス１３を備え、ここで、オリフィス１３および開口部１０はそれぞれ一緒になって流体流通路２１の一端を画定する。
図６に示すとおり、各流体流通路２１は上方および下方のエンドプレート２の間において、セル４間の空隙に延在する。流体流通路２１は、流体がセル４を流過することを許容して、セル４の熱制御を補助する。
エンドプレート２は、セル４が相互に離間するようセル４を機械的に支持するよう位置され、これにより、セルの最適化された熱制御をもたらし、従って、バッテリーパック１の最適化された性能をもたらす。
各セル４は、説明を容易とするために、第１の端部１４および第２の端部１５を備えると定義し得る。好ましくは、セルの第１の端部１４は一方の前記エンドプレート６のセル収容切抜部９に動作可能に係合し、および、好ましくは、セルの第２の端部１５は、他方の前記エンドプレート６のセル収容切抜部９に動作可能に係合する。
図１２に詳細に記載されているセルリンク５の各々は、好ましくは、前記セル４の各々端部１４または１５のそれぞれにおける電極２９を、各エンドプレート２のバスプレート１１に導通接続する。これは図１３、１４（ａ）および１４（ｂ）に示されている。
図４および５に示されているとおり、各セル収容切抜部９は、使用状態で、前記第１の部品６の第２の表面を介して収容されたセル４の進入が制限され、従って、バッテリー４の末端部分１４または１５の各々が、前記第１の部品６の第１の表面７から離間するような形状とされていることが好ましい。
好ましくは、セル収容切抜部９の側壁の少なくとも一部分は、肩部１６、段部、傾斜部、リップ部等のいずれか一つまたは組み合わせを備える。これによりセル４の進入が制限されると共に、セル４を第１の部品６の第１の表面７から離間されたままとされ、従って、バスプレート１１から分離されたままとされる。このセル４のセル収容切抜部９への圧入または締りばめにより、本発明の一実施形態において、バッテリーパック１の迅速で容易な組立が促進され得る。他の実施形態において、接着剤を用いてセル４をエンドプレート２に接着することが望ましい場合がある。
図３の実施形態において示されているとおり、第１の部品６は、一形態において、別個に形成されており、次いで、背中合わせに位置されている一対のパネル１７および１８とされていてもよい。すなわち、第１のパネル１７において、各セル収容切抜部９は、セル４の末端部分１４がその中に嵌合可能であるような寸法とされ、および、第２のパネル１８において、各セル収容切抜部９は、セル４の末端部分１４のそれぞれによるその中への嵌合が妨げられ、むしろ、セル４の端部の周縁と当たるような寸法とされる。
第１の部品６は、全体が、または、部分的にのみ非導電性または絶縁性材料から形成されていてもよい。第１の部品６の重要な一態様は、バスプレート１１に隣接して導電性ではないことであり、すなわち、本コンポーネント全体について電気の伝導を妨げる非導電性バリアを備えている。第１の部品６の残りの部分は従って、電気的に伝導性であり得る材料で形成され得、または、半導電性材料で形成され得る。
セル収容切抜部９は、例えば、セル４の各々を切抜部９に押し込むことでそのまま保持されるよう、形状を適合させてセル４を適切に嵌合させるいずれかの所望の形状であり得る。図６の実施形態は円形のセル４に適合する断面円形のセル収容切抜部９を示すが、セル／切抜部は、正方形、矩形またはいずれかの他の適合する断面形状のものであり得る。
また、好ましい形態において、各流体流通開口部１０および各流体流通オリフィス１３は、実質的に類似の形状のものであって、且つ、これらは、相互に実質的に位置合わせされて、エンドプレート２の各々を介して流体流通路２１の一部を画定する。
好ましくは、バッテリーパック１は、第１の部品６が、好ましくは６０℃を超える温度に耐えることが可能であり、且つ、引火性が低い非導電性材料から少なくとも部分的に形成されることによって、実現される。例としては、これらに限定されないが、ポリカーボネート、ガラス繊維強化ポリアラミド６／６、ＰＴＦＥ、ＰＥＥＫ等が挙げられ得る。
第１の部品６は、全体が非導電性材料から形成されていることが可能であり、または、代替的には、特にこれらに限定されないが、非導電性の薄いプラスチックシートが積層されたシート金属などの、本コンポーネントについて全体として電気の伝導を妨げるために用いられる非導電性バリアを有する導電性材料を用いて、形成可能である。
好ましくは、バスプレート１１は、特にこれらに限定されないが、銅、アルミニウム、ニッケル等などの金属などの高導電性材料、または、特にこれらに限定されないが、グラフェン、導電性ポリマーもしくはセラミック材料などの非金属製コンダクタのいずれか一種または組み合わせから形成される。
液体または気体を含むいずれかの流体を熱制御に使用し得るが、本発明は、好ましくは、空気を「流体」として用いる。これにより、バッテリーパックの重量が最低限とされる。
使用状態で、複数のバッテリーパック１は、直列および／または並列で接続されて、図１６および１７に示されているバッテリーアセンブリ２０を形成し得る。これは、隣接して位置されたバッテリーパック１のバスプレート１１をリンクプレート１９を用いて接続することでなされ得る。
図２０および２１はそれぞれ、バッテリーパック１の片側におけるバスプレート１１が電気的に分離された２つの区画１１ａおよび１１ｂに分割されており、および、２つのサブセットの電圧が加算されるよう２つのサブセット４ａおよび４ｂに配列されたセル４を有する、本発明の他の好ましい実施形態のバッテリーパック１の斜視図および分解組立図を示す。この実施形態において、セル４ａおよび４ｂは、より高い出力電圧が達成されるよう事実上直列に接続されている。
本発明はバッテリーパックに関するものとして本明細書中上記に記載されているが、本発明はまた、特にバッテリーパック１のエンドプレート２を含むバッテリーパックの個々のコンポーネントに関することが認識されるであろう。本発明の個々のコンポーネントは、以下により詳細に説明する。
電気エネルギーセル
バッテリーパック１は、電気的に、および、機械的に接続された複数の電気エネルギーセル４から構成される。これらの電気エネルギーセル４は、電気エネルギーを出力可能な独立型のユニットであり、これらに限定されないが、リチウムイオン電池、リチウム金属電池、ニッケル金属電池または鉛酸電池、フロー電池などの電気化学電池、および、プロトン交換メンブラン燃料電池などの燃料電池であり得る。フロー電池および燃料電池の場合には、換気機能は代わりに、反応化学物質の投入および反応生成物の排出に利用される。
好ましい実施形態は円筒形セル４を用いて示されているが、本発明はまた、矩形または他の角柱形状のセルを用いて実装可能である。セルの機械的構造を利用する設計のために、セル４は、好ましくは、機械的負荷に耐えることが可能である剛性の本体を有する。「ポーチ」セルを利用する実施形態は、バッテリーパック構造を維持するためのセルまたは外部フレームの補強を備えているであろう。
エンド－プレート－フレーム
エネルギーセル４は、単にエンドプレート２とも称されるエンド－プレート－フレーム構造２によって、所定の位置に機械的に維持される。これらは、セル４が嵌合すると共に保持される複数の孔を有するプレート状構造２から構成される。セル４は、前記一対のエンド－プレート－フレーム２の間に挟持される。孔９の端部の外面の表面７における孔９の縁部周囲のリップ部１６が、孔９の中へのセル４の侵入を制限し、および、セル４の端部と、エンド－プレート－フレーム２の外面に組み込まれているバスプレート１１との間に間隙を形成する。セル４を配置すると共に機械的に固定する孔９は、設置されるセル４が互いに接触することなく、且つ、セル４間の隙間の空隙が相互に連結されるよう、相互の間に間隙を形成して配置され、位置される。
エンド－プレート－フレーム２は、作動中に生じる６０℃を超える温度に耐えることも可能であり、且つ、低い引火性を有する非導電性材料（例えばポリカーボネート、ガラス繊維強化ポリアラミド６／６、ＰＴＦＥ、ＰＥＥＫ）から少なくとも部分的に形成されることが好ましい第１の部品６を備える。エンド－プレート－フレーム２の第１の部品６は、全体が非導電性材料から形成されていることが可能であり、または、代替的には、特にこれらに限定されないが、非導電性の薄いプラスチックシートが積層された既製のシート金属などの、本コンポーネントについて全体として電気の伝導を妨げるために用いられる非導電性バリアを有する導電性材料を用いて、形成可能である。
エンド－プレート－フレーム２はまたバスプレート１１を備える。バスプレート１１は、好ましくは実質的に積層構成のものであり、かつ、導電性材料製のものであり、実質的に前記第１の部品６の第１の表面７に重ねられる。
セル４は、接着剤によってエンド－フレーム－プレート２に機械的に接着されるか、または、エンド－フレーム－プレート２に圧入もしくは締りばめされて、外部フレーム構造を用いてエンド－フレーム－プレート２が保持され、セル４はその間に挟持されている。
エンド－フレーム－プレート２は、セル４の陽極または陰極に取り付けられているものとして、エンド－フレーム－プレート２の識別を助けるために着色されてもよい。
隙間熱制御流体流通路および孔
エンドプレート２上のセル切抜部９間の隙間空隙中には、流体流通路２１の端部を形成する流体流通孔２４が存在している。各通路２１は、一緒になって流体流通孔２４を形成する、整列された流体流通開口部１０およびエンドプレートの流体流通オリフィス１３と、セル４に隣接するエンドプレート間の空間と、によって形成される。流体流通路２１により、セル４間の隙間空隙を通る流体の流れが許容される。流体流通路２１により熱制御（主に冷却であるが、加熱にも使用可能である）が可能となる。すなわち、流体流通路２１によって、セル４の軸方向に沿った熱制御流体の流れが許容される。
図７、８、９、１０および１１に示されているとおり、流体流通開口部１０および流体流通オリフィス１３により構成される流体流通孔２４の形状は、隣接する仮想オフセット形状３０の周縁が重なるようなオフセットでセル切抜部９の周縁に沿う仮想の「オフセット形状」３０によって形成され得る。流体流通孔は、重畳する仮想オフセット形状３０間の中央の隙間領域によって形成される。
図７および８に示されているものなどの正方形充填配列で配列された円形のセル切抜部９の場合、これは、凹状に湾曲した辺を有するほぼ菱形の形状となる。流体流通孔２４の角は、エンドプレート２のひび割れをもたらす可能性がある応力集中を防止するために「丸められて」いてもよい。流体流通孔２４の幾何学的形状を定義するこの方法では、セル切抜部９の周囲における材料の一定の厚さを維持しながら可能な限り最大の表面積を有する孔が形成され、これにより、軽量化し、且つ、流体流れの効率を最大限としながら機械的完全性が保持される。
バスプレート
バスプレート１１はエンドプレート２に組み込まれる。このバスプレート１１は、複数のセルから電流を集めることにより、セル４を電気的に接続するために用いられる導電性材料から形成される。バスプレート１１は、特にこれらに限定されないが、銅、アルミニウム、ニッケル等などの金属などの高導電性材料、または、特にこれらに限定されないが、グラフェン、導電性ポリマーもしくはセラミック材料などの非金属製コンダクタのいずれか一種または組み合わせから形成される。
オリフィス１３は、共に流体流通孔２４を形成する下層の絶縁性のエンド－フレーム－プレートコンポーネントの流体流通開口部１０と合致するよう、バスプレート１１に設けられている。セル装着孔９の上方に位置する孔または切抜部１２は、典型的には、下層のセル切抜部９と異なる大きさである。バスプレート１１はセル４に直接接続されていない。代わりに、セル切抜部９の上方に位置する切抜部１２は、バスプレート１１と、バスプレート１１の表面に対してオフセットしている平面上のセル４の電極とを接続するセルリンク５に対する位置合わせを提供する。このオフセットおよびリンク孔１２は、セル４から換気される気体の経路を維持するために重要である。気体を換気するための経路を形成することなく、バスプレート１１をセル４に直接接続した場合、これは、気体が閉じ込められてしまうことによる安全上の問題を生じさせる可能性がある。この経路はまた、燃料電池およびフロー電池といったいくつかの種類のエネルギーセルで消費および生成される化学物質の供給および除去に使用可能である。セルリンク５を設置するための十分なアクセスを許容すると共に、セル４の換気を許容しつつ、バスプレート１１の表面積を最大限とし、それ故、導電性を最大限とするために、セルリンク孔１２の大きさは最低限とされることが好ましい。
バスプレート１１は、オーバーモールディングまたは接着剤によってエンド－プレート－フレーム２に組み込まれることが可能である。セル４からの気体を換気するための経路を許容するために、セル切抜部９の直上のバスプレート１１を支持するエンド－フレーム－プレート材料は存在しない。バスプレート１１下の他の領域においては、バスプレート１１下にエンド－プレート－フレームが存在していることで、バスプレート１１の構造的完全性の維持が補助される。
バスプレート１１の熱性能は、バスプレート１１の表面から突出するか、または、隙間流体流通開口部１０に侵入して、バスプレート１１と熱制御流体流との熱結合をより良好とする「フィン」によりさらに向上が可能である。しかしながら、これには、複雑さ、重量および占有される空間の増大という欠点も伴う。
セルリンク
好ましくは、本設計では、可溶性セルリンク５が設けられている。可溶性リンクは、バスプレート１１との接続用のパッド２５、セル電極２９との接続用のパッド２６、および、これらの２つの間の可溶性コンダクタ２７を備えていてもよい。バスプレート接続パッド２５は、ハンダ付けにより、または、抵抗溶接、レーザ溶接もしくは超音波溶接プロセスを用いる直接的な溶接により、バスプレート１１に接続することが可能である。バスプレート接続パッド２５は、応力集中を低減させ、および、バスプレート接続パッド２５の周縁を長くし、これにより、バスプレート接続パッド２５に沿った直線の縁部を用いる場合と比して、特にハンダ付けまたは抵抗溶接する際の接着効率を高めるよう蛇行する縁部を特徴としているが、これは必須ではない。バスプレート接続パッド２５およびセル電極接続パッド２６の平面は平行であり、その一方で、これらの間の可溶性コンダクタ２７には、既述のとおり、気体を換気し、または、電気エネルギーセル４との間における化学物質の供給および除去のために、バスプレート接続パッド２５およびセル電極接続パッド２６の平面間にオフセットを形成するよう角度がつけられている。セル接続パッド２６は、典型的な使用状態で想定される電流の流れの方向に対して平行な裂け目を示す。この裂け目は、任意選択により、セル接続パッド２６のセル４電極への抵抗溶接を補助するよう含まれていてもよいが、レーザ溶接、超音波溶接またはパルスアーク溶接などの代替的な接着方法では必須とはされない。
セルリンク５の可溶性コンダクタ区画２７は、断面積が狭くなったコンダクタの区画からなる。この狭まった断面積は電流が集中する領域をもたらし、これは、短絡不良が生じた場合に、オーム加熱による可溶性コンダクタ区画の破壊を生じさせるに足りるものであり、これにより、接続したセルへの電気接続を切断すると共に、ヒューズの典型的な作用のように、接続したセルおよびバッテリーパックへの損傷を制限する。
可溶性セルリンクはまた、ネジ式端子セルとの接続のための孔を有するセル接続パッドを備えたリンクを用いることで製造され得る。図１５に示すとおり、シート材料ではなく可溶性ワイヤを用いて可溶性セルリンク５を実装することも可能である。
安全性は犠牲になるが、「溶断」するよう設計されていない平坦なセルリンクを実施形態において実装することも可能である。最新の商品化されたリチウムイオンセル設計のほとんどが、短絡または他の不良事象下における安全性を確保するために、正の温度係数（ＰＴＣ）コンポーネントおよび電流遮断デバイス（ＣＩＤ）などの内部デバイスを組み込んでいる。このような電気エネルギーセルを用いて本発明を実装する場合、可溶性セルリンクを用いることで安全性が冗長化される。
本明細書においては接着されたリンク５を本発明の好ましい実施形態における使用について説明したが、セル４に強固に接着されていないセルリンクを使用可能であることが認識されるであろう。しかし、これは、偏りのあるセルリンク配列を用いて導電性が高い接触が維持されるよう設計可能であり、これにより、振動または衝撃を受ける条件下でも接触の維持が確保される。
熱制御流体流の生起
温度を制御するためのバッテリーパック１を通る空気または他の流体（液体または気体を含む）などの流体の流れは、自然対流および強制対流の両方によって達成が可能である。流体流通路２１内におけるセル４の高い流れ効率および大きい露出面積を得るためのバッテリーパック１の設計は、熱制御流体流が、自然対流によりバッテリーパック１中で自己生起型であることが可能であることを意味する。重力に対して垂直に整列された対向する面に流体流通孔２４を有するようバッテリーパック１が配向されている場合に、自然対流はもっとも効率的に生じ、これにより、バッテリーパックを通る、垂直の自然対流により生起される流体流が促進される。異なる向きのバッテリーパック１でも自然対流は生じるが、効率は落ちてしまう。
バッテリーパック１中に十分な熱制御流体流を生起させるために自然対流が不十分である場合には、強制対流を使用することが可能である。強制対流は、単にファンを近接して配置して、バッテリー中に流体の流れを引き起こすか、または、誘起させることにより実現可能である。強制対流はまた、バッテリーパック中に構成流体流を導くマニホルドシステムによっても実現可能である。
バッテリーパックの電気的接続
図１７および１８に示されているとおり電流および電源を引き出すためのバッテリーパック１への電気接続は、従来のバスプレートまたはバスバーコネクタ２８の取り付けを可能とするネジ孔を有するバスプレート１１上の領域により行われる。
バスプレート接続領域は、マルチバッテリーパック１を接続するための手段ともされる。一のバッテリーパック１の陽極バスプレートを、他のバッテリーパック１の陰極バスプレートに接続して、これら二つのバッテリーパックの電圧を加算することが可能である。あるいは、バッテリーパック１は陽極と陽極で接続して、２つのバッテリーパック１の電流容量を加算することが可能である。
バッテリーパックの両側のエンドプレート２は、対向するプレートのバスプレート接続領域がバッテリーパック１の対向する角に位置されるよう配向される。上下の電極に係る対向する角におけるバスプレート接続領域の位置により、２つ以上のバッテリーパックの直列での効率的な接続が可能とされる。
バッテリーパックの機械的接続
図１９に示されているとおり、バッテリーパックがその中で用いられる筐体／システムに対するバッテリーパック１の機械的接続は、エンドプレートフレームに埋設されたねじ込みインサート２２にねじ込むことで達成される。ねじ込みインサート２２は、オーバーモールディングまたは接着剤によってエンドフレームプレート２中の孔に挿入される。図１６に示されているとおり、次いで、バッテリーパック１を装着するためのフレーム構造２３を、ねじ込みインサート２２を介してエンド－フレーム－プレートにねじ込むことが可能である。
代替的実施形態
より簡素な幾何学的形状を有する代替的な実施形態が図３に示されており、エンドプレート２の第１の部品６が、セルスペーサパネル１７と、バスプレート孤立パネル１８とに分割されて、シートの２Ｄ切断（例えばルーティング、ウォータージェット切断、レーザカット）による製造が可能とされている。
代替的なセルパッキング配列
セルパッキング配列の代替的な構成が、図１０、１１、２２および２３に示されている。
図１０は三角形の配列を示し、および、図１１は六角形の配列を示し、ここでは、円形のセル４が用いられ、一方で、図２２および２３は、矩形セル４を用いた代替的な配列を示す。
図１０に示されている三角形のセルパッキング実施形態は、バッテリーパックのセル密度を向上させるが、熱制御流体流効率を低減させる。隙間流体流通路２１および孔２４は、より小型でなければならない。バッテリーパック密度の向上のために、熱性能が犠牲となっている。
図１１に示されているとおり、規則的なセルパッキングもまた六角形の配列を用いて実現可能である。この実装では、流体流に利用可能な断面積が大きくなると共に、セル密度が顕著に低減してしまう。これは熱性能を向上させるが、バッテリーパック密度が大きく犠牲となってしまう。
図２２および２３は、矩形セル４を用いる異なるセルパッケージング配列を示すものであり、図２２は、矩形セル切抜部４を用いるエンドプレート幾何学的形状を示し、および、図２３（ａ）（ｂ）は、矩形セルの配列に係る流体流通路の画定に用いられるオフセット形状３０を示す流体流通孔を詳細に示す。
当業者によって理解されるであろうとおり、任意に所望される形状のセル４が本発明において使用され得、従って、種々の形状の流体流通路２１が結果的に、バッテリーパック１の熱性能特徴を最適化するために選択され得る。
より高い電圧のための直列セル
上記における本明細書に記載の実施形態はすべて個々のセルが連続する構成である。すなわち、バッテリーパックにおいて、すべてのセル４は、セルの陽極が他の陽極のみに接続されており、および、陰極が他の陰極のみに接続されて配列されている。これにより、高電流容量であるが、電圧出力が単に個々のセル４と同等であるバッテリーパック１がもたらされる。より電圧が高いバッテリーパックを構成するためには、セルは「直列」に接続される、すなわち、セル４のサブセットの陽極は、セル４の他のサブセットの陰極に接続される。これは、「バッテリーパックの電気的接続」の見だし下において本明細書中上記に記載の別々のバッテリーパック１を接続することで達成可能であるが、バッテリーパック１中において、電流容量を犠牲にしてバッテリーパック１の出力を高めることによっても達成可能である。
より高電圧のバッテリーパック１を製造するために、バスプレート１１は、バッテリーパックの片側または両側に２つ以上の電気的に分離された区画に分割され得る。セルの「直列」サブセットの各々は、すべて電気的に接続された陽極と、個別に、バッテリーパックの反対側のすべて電気的に接続された陰極とを有する。「直列」サブセットの陽極は他の隣接する直列サブセットの陰極にも接続されている。同様に、直列サブセットの陰極は、他の隣接する直列サブセットの陽極にも接続されている。バッテリーパック中において直列サブセットを交互に反転した向きとすることにより、バッテリーパックの一方側における陽極と陰極、または、陰極と陽極の接続が可能となる。これにより、直列サブセットは、直列サブセットの各々の電圧が加算されてより高い電圧が得られるよう、「直列」で順次に接続される。直列に接続されたセル４ａおよび４ｂの２つのサブセットを用いるこの高電圧バッテリーパックの実施形態は、図２０および図２１に示されている。
いくつかの種類の電気エネルギーセルに係る反応体－生成物化学経路
本明細書中に上記のとおり、本設計は、密閉された電気化学電池の使用に際していくつかの状況において生成される可能性があるセル４からの気体を換気することを主な目的とするセル電極への解放された経路を特徴とする。バスプレートリンク孔１２、エンド－フレーム－プレートセル孔リップ部１６およびセルリンク５により形成されたこの経路はまた、いくつかの種類の電気エネルギーセルによって消費される反応化学物質の供給および除去、ならびに、これらによって生成される生成／廃棄化学物質に係る経路として使用可能である。例えば、水素燃料電池またはフロー電池の実装においては、配管を追加し、および、リンク孔１２を広げて、電気エネルギーセルの運用に必要とされる化学物質の供給および除去を許容することが可能である。
本発明は一般に、セル４の端部に取り付けられた特別に設計されたエンド－プレート－フレーム２によって、電気的および機械的に接続された２つ以上電気エネルギーセル４を備えるバッテリーパック１に関する。エンド－プレート－フレーム２は、バッテリーパックによる導電性要求、温度制御間においてバランスが最適化されるよう設計される。同時に、機械的強度およびセル換気に係る要求が満たされる。
重量による代価が最低限とされた温度制御は、バッテリーパック１と熱制御に用いられる流体との間における熱の効率的な移動、および、バッテリーパック中における流体の効率的な流れを一緒になって実現する、エネルギーセル４の本体間の空間と、エンド－フレーム－プレートに形成された複数の孔とによって形成された相互に接続された流体通路によって達成される。エンド－フレーム－プレートへ電気的接続用コンポーネントを組み込む設計は、流体通路システムの孔およびセルからの換気をするための孔の周囲における導電性を最大化させる。設計の機械的コンポーネントは、重量を最低限としつつ上記を実現する。
本明細書を通して、「プレート状」という用語が、エンドプレートの構成を説明するために用いられている。「プレート状」という用語は、長さ、幅および高さを有する任意の三次元的形状であると解釈されるべきである。すなわち、特にこれらに限定されないが、厚さの要素をも伴う正方形、矩形、円形等などの任意の二次元的形状のものであり得る。本発明は、正方形または矩形の形状のものとして好ましい実施形態において記載されているが、この形状は、容易に理解されるであろうとおり、種々のものであり得る。
本明細書を通して、「積層」という用語もまた、バスプレートの構成を説明するために用いられている。これは、接着剤により固定されているか、または、そうでなければ、物理的に取り付けられて固定されているか、または、エンドプレートの絶縁性部分の一面に重ねられるのみで実際には取り付けられていないかにかかわらず、エンドプレートの上に、または、エンドプレートに近接して配設されている、任意の比較的薄いシート状の構造体を意味することが意図されている。
使用される場合、「を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、「オープン」な意味で、すなわち、「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」の意味で理解されるべきであり、それ故、「クローズド（ｃｌｏｓｅｄ）」な意味で、すなわち、「～のみからなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｎｌｙ ｏｆ）」の意味に限定されない。「を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ）」および「を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」という対応する用語が表記されている場合には、対応する意味を有するものとする。
本発明は、１つ以上の特定的に開示された実施形態を参照して、本明細書中上記に記載されている。当業者に明らかになる本発明のすべての変形および変更は、本明細書中上記に広く記載されていると共に本明細書中以下に特許請求されている本発明の主旨および範囲に属すると解釈すべきである。

Claims (16)

  1. 一対の離間したエンドプレート、その間に介在する複数のセル、および、複数のセルリンクを備えるバッテリーパックであって、
    各エンドプレートは
    第１および第２の表面を有するプレート状に構成された第１の部品であって
    離間した関係で形成されて配列されたセル収容切抜部、および
    前記セル収容切抜部間に設けられて配列された流体流通開口部
    を備える第１の部品と、
    前記第１の部品の前記第１の表面に重畳され、積層構成とされ、導電性材料製のバスプレートであって、
    離間した関係で形成され、かつ、前記第１の部品の前記セル収容切抜部と位置合わせされて配列されたセル接続孔、および
    前記第１の部品の前記流体流通開口部と位置合わせされて形成されて配列された流体流通オリフィス
    を備えるバスプレートと
    を備え、
    各セルは、第１の端部および第２の端部を備え、前記第１の端部は、一方の前記エンドプレートのセル収容切抜部に動作可能に係合され、および、前記第２の端部は、他方の前記エンドプレートのセル収容切抜部に動作可能に係合され；
    各セルリンクは、前記セルの各々のそれぞれの末端部分の電極を、そのそれぞれのエンドプレートのバスプレートと導通接続し；ならびに
    各セル収容切抜部は、各セルの周縁のみが各エンドプレートの各セル収容切抜部に係合することで前記セルを前記エンドプレートに保持するような形状とされている、
    バッテリーパック。
  2. 各セル収容切抜部は、使用状態で、前記第１の部品の前記第２の表面を介して収容されたセルの進入が制限されるような形状であって、前記各セルの末端部分の各々が、前記第１の部品の前記第１の表面から離間するような形状とされている、請求項１に記載のバッテリーパック。
  3. 前記セル収容切抜部の側壁の少なくとも一部分が、
    肩部、
    リップ部、
    段部、および
    傾斜部
    のいずれか一つまたは組み合わせを備える、請求項１または２に記載のバッテリーパック。
  4. 前記第１の部品は背中合わせに位置された一対の絶縁性パネルを備え、第１の絶縁性パネルにおいて、各セル収容切抜部は、セルの末端部分がその中に嵌合可能であるような寸法とされ、および、第２の絶縁性パネルにおいて、各セル収容切抜部は、前記セルの前記末端部分のそれぞれによるその中への嵌合が妨げられて、前記セルの前記末端部分の周縁と当たるような寸法とされる、請求項１～３のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
  5. 前記セル収容切抜部は、その中へのセルの挿入に適応したセルを受容する形状であって、特にこれらに限定されないが、断面が、円形、正方形、矩形またはいずれかの他のものなどの形状である、請求項１～４のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
  6. 各流体流通オリフィスおよび各流体流通開口部は、一緒になって流体流通路の一部を形成するように位置合わせされた形状である、請求項１～５のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
  7. 前記第１の部品は少なくとも部分的に、特にこれらに限定されないが、ポリカーボネート、ガラス繊維強化ポリアラミド６／６、ＰＴＦＥ、ＰＥＥＫなどの非導電性材料から形成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
  8. 前記第１の部品は少なくとも部分的に６０℃を超える温度に耐えることが可能な非導電性材料から形成される請求項７に記載のバッテリーパック。
  9. 前記第１の部品は少なくとも部分的に難燃性の非導電性材料から形成される請求項７または８に記載のバッテリーパック。
  10. 前記バスプレートは、銅、アルミニウム、ニッケル等などの金属のいずれか一つもしくは組み合わせを含む導電性材料または超伝導性材料から形成され、または、特にこれらに限定されないが、グラフェン、導電性ポリマーもしくはセラミック材料などの非金属導電性材料から形成される、請求項１～９のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
  11. 直列および／または並列で接続された、請求項１～１０のいずれか一項に記載のバッテリーパックを複数備える、バッテリーアセンブリ。
  12. 隣接して位置されたバッテリーパックのバスプレートを接続するリンクプレートを備える、請求項１１に記載のバッテリーアセンブリ。
  13. 一対のエンドプレート間に複数のバッテリーセルを介在させるステップを含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載のバッテリーパックの形成方法。
  14. セルリンクを取り付けて各セルを各エンドプレートのバスプレートと接続するステップをさらに含む、請求項１３に記載のバッテリーパックの形成方法。
  15. ２つ以上のバッテリーパックをリンクコンポーネントを用いて接続するステップを含む、請求項１３または１４に記載のバッテリーアセンブリの形成方法。
  16. 請求項１～１０のいずれか一項に記載のバッテリーパックに用いられるエンドプレート。
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