JP6553358B2 - マルチセルバッテリアセンブリ - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、米国特許法第１２０条に基づく米国特許出願第１３／４４５，４５８号（出願日：２０１２年４月１２日、名称「Ａ Ｍｕｌｔｉ−Ｃｅｌｌ Ｂａｔｔｅｒｙ Ａｓｓｅｍｂｌｙ」）の利益を主張するものであり、同出願は、仮出願シリアル番号第６１／５５２，７３９号（出願日：２０１１年１０月２８日、名称：「Ａ Ｍｕｌｔｉ−Ｃｅｌｌ Ｂａｔｔｅｒｙ Ａｓｓｅｍｂｌｙ」）に対する優先権を主張する。本明細書中、同出願の内容全体が参照により援用される。
［技術分野］
本発明は、マルチセルバッテリアセンブリ（マルチセル型バッテリ組立体）のための冷却システムに関する。

今日、再充電可能な高性能のバッテリ（例えば、Ｌｉイオンバッテリ）は、電気自動車の充電用途のために広範に用いられている。このような環境において、これらのバッテリには、例えば高速加速または高速ブレイクの結果、異常に高い負荷がかかり得る。このような高負荷に起因して高電流が発生し得、その結果、内部抵抗に起因してＬｉイオン電池の温度が大幅に上昇し得る。このような無駄な発熱およびその結果発生する温度上昇の存在は、無視することができない。

Ｌｉイオンバッテリにおいて、例えば、効率的な動作を達成するには、特定の温度範囲内において動作させる必要がある。動作温度が約４０℃を超えた場合、バッテリの寿命が大幅に短くなり得る。また、マルチセルバッテリ中の電池（電池セル）間の温度勾配を５〜１０℃内に保持する必要がある。

そのため、このようなバッテリのための有効な冷却システムを設ける必要がある。冷却システムは、マルチセルバッテリ内で過度の温度勾配が生じないことを保証しつつ、廃熱を廃棄する方法を提供する必要がある。また、冷却システムを低コストかつ軽量にすることも望まれる。

（特になし）

一般的に、一態様において、本発明は次のようなバッテリアセンブリを特徴とする。このバッテリアセンブリは、複数の電池（電池セル）と、複数の波形流れプレートと、第１の流体マニホルドおよび第２の流体マニホルドとを含む。複数の波形流れプレートの各プレートは、第１の流体不浸透性シートおよび第２の流体不浸透性シートと、第１のシートおよび第２のシート間の波形構造とを含む。この波形構造は、プレートの一端から当該プレートの反対側端へと延びる平行な導管のアレイ（array,配列）を形成する。複数の波形プレートおよび複数の電池は、相互にインターリーブ（interleaved,交互配置）される。複数の波形プレートの各プレートは、第１のマニホルドから第２のマニホルドへと延び、プレート内の複数の導管により第１のマニホルドおよび第２のマニホルドを接続する複数の流体流路が形成されるように、配置される。

他の実施形態は、以下の特徴のうち１つ以上を含む。複数の電池（電池セル）内の電池（セル）は、リチウムイオンバッテリである。複数の電池内の電池は、平坦な電池である（例えば、プリズム電池）。複数の波形流れプレートの各波形流れプレートにおいて、第１のシートおよび第２のシートは、プラスチック材料（例えば、ポリプロピレンポリマー）から作られる。複数の波形流れプレートの各波形流れプレートは、押出構造である。各波形流れプレートにおいて、波形構造は、第１のシートおよび第２のシート間を接続する複数のリブである。インターリーブされた配置構成により、電池スタックが形成される。アセンブリは、電池スタック内の電池へ圧縮力を付加する型締システム(clamping system)も含む。バッテリアセンブリは、第１のエンドプレートおよび第２のエンドプレートをさらに含む。第１のエンドプレートは電池スタックの一端上に設けられ、第２のエンドプレートは電池スタックの反対側端上に設けられる。型締システムは、複数のバネを含む。これらの複数のバネは、第１のエンドプレートおよび第２のエンドプレートのうち少なくとも１つ上へ力を付与する。第１のマニホルドおよび第２のマニホルドはそれぞれ、内部空洞と、後壁とを有する。後壁は、内部空洞内に延びる複数のスロットを含む。各スロットには、複数の流れプレートのうち対応する１つが挿入される。複数の電池間の各電池は、複数の流れプレートの対応する２つの流れプレートと直接接触し、これら２つの流れプレート間に設けられる。

一般的に、別の態様において、本発明が特徴とするバッテリアセンブリは、複数のプリズム電池（プリズム電池セル）と、第１の流体マニホルドおよび第２の流体マニホルドと、複数の電池とインターリーブされた複数の波形流れプレートとを含む。各流れプレートは、第１のマニホルドから第２のマニホルドへと延び、流体を第１のマニホルドから第２のマニホルドへ搬送するための流路のアレイを提供する。複数の波形流れプレートの各プレートは押出プラスチック構造であり、第１の流体不浸透性シートおよび第２の流体不浸透性シートと、第１のシートと第２のシートとの間を接続する複数の平行リブとを有する。複数のリブにより、流路アレイが形成される。

本発明の１つ以上の実施形態の詳細について、添付の図面と以下の記載において説明する。本発明の他の特徴、目的および利点は、記載および図面ならびに特許請求の範囲から明らかである。

液冷式マルチセルバッテリパックアセンブリの補助図（斜視図）である。 図１に示すバッテリパックアセンブリの断面図である。 図１のバッテリパックにおいて用いられる平坦な又はプリズム電池セルを示す。 図１のバッテリパックにおいて用いられる波形流れプレートの一部の側面図である。 図１のバッテリパックからのマニホルドを構成するカバープレートおよびバックプレートの正面図である。 図１のバッテリパックからのマニホルドを構成するカバープレートおよびバックプレートの背面図である。 図１のバッテリパックからのエンドプレートを示す。 図１のバッテリパックからのウェッジ母線プレート(wedge bus bar plate)の下面図である。 図１のバッテリパックからのウェッジ母線プレートの上面図である。 図１のバッテリパックからの母線端子クランプ(bus bar terminal clamp)を示す。 ウェッジ母線プレートの一部分の断面図であり、端子スロットを通じて端子が延びる。

図１および図２を参照すると、記載された実施形態は、液冷式マルチセルバッテリパックアセンブリ１００である。液冷式マルチセルバッテリパックアセンブリ１００は、２つの矩形エンドプレート１０４ａおよび１０４ｂによってクランプされた１６個の再充電可能なリチウムイオン電池（電池セル）１０２（図２を参照）のスタックを含む。２つの矩形エンドプレート１０４ａおよび１０４ｂは、４つのバネ１０６から供給される圧縮力下にある。エンドプレート１０４ａおよび１０４ｂは、４つの角部それぞれに穴を有し、４つのロッド１２８上に取り付けられる。各ロッド１２８は、２つのエンドプレート１０４ａおよび１０４ｂそれぞれの対応する穴を通過する。各ロッド１２８の一端上において、保持リング１３０（図２を参照）が設けられている。保持リング１３０により、ロッドがエンドプレート内の穴から抜け出る事態が回避される。各ロッドの他端上において、調節機構１３２がロッド上に固定され、これらのバネのうち１つが、エンドプレート１０４ａ／ｂと調節機構１３２との間のロッド１２８上に取り付けられる。調節機構１３２の位置は、バネ１０６を圧縮するように当該調節機構を１方向に回転、またはバネ１０６を弛緩させるように他の方向に回転することにより、変更することができる。各ロッド１２８上において、スラスト針ころ軸受アセンブリ１３４がバネとエンドプレートとの間に設けられる。バネ１０６は、調節機構１３２によって圧縮状態で保持され、バネ１０６がエンドプレート１０４ａ上に力を付加することにより、エンドプレートが電池スタックへ押圧され、電池スタックへ圧力が付加される。調節機構１３２の位置を調節することにより、電池へ付加される圧縮力の調節が可能になる。軸受アセンブリ１３４により、圧縮力の調節をより平滑かつより高精度にすることが可能になる。

電池（電池セル）１０２は、図１に示すアセンブリ内に設けられる。図１は、ウェッジ母線プレート１１０を通って延びている正端子１０８ａおよび負端子１０８ｂのみを示している点に留意されたい。母線プレート（バスバープレート）１１０は、（後述する）母線クランプ（バスバークランプ）を保持する。これらの母線クランプは、電池の端子を電気的に相互接続するバスを構成する。アセンブリのための冷却液システムは、２つのマニホルド１１２ａおよび１１２ｂを含む。これらのマニホルド１１２ａおよび１１２ｂは、電池１０２のスタックの対向する側部上に設けられている。各マニホルド１１２ａおよび１１２ｂは、カバープレート１１４およびバックプレート１１６を含む。カバープレート１１４およびバックプレート１１６は、２行（２列）のボルト１１８によって相互に固定される。入力ポート１２０ａを通じてマニホルド１１２ａ内へと導入された冷却液は、アセンブリ内の電池間を流れて冷却し、他方の側部上のマニホルド１１２ｂ（対応する出口ポート１２０ｂ（図示せず）が設けられた）によって収集される。バッテリパックアセンブリ１００はまた、母線プレート１１０上に取り付けられた回路基板１２４を含む。回路基板１２４は、（使用時におけるリチウムイオン電池の充電、放電および均衡を管理するために一般的に用いられるような）感知および制御回路を含む。

図３は、バッテリパックアセンブリ内に含まれる電池（電池セル）のうちの１つを示す。この電池（セル）は、プリズム電池（プリズムセル）とも一般的にばれる。この電池は、積層ポリマーパウチ(laminated polymer pouch)であり、平坦かつ肉薄のジオメトリ（幾何学形状）を備えている。２つの端子１０８ａ（正端子）および１０８ｂ（負端子）は、パウチの一端の縁部から延びる。プリズム電池は、複数の供給元から市販されている。本明細書中に記載される電池は、Ａ１２３（企業名）から入手可能であり、公称出力電圧は３．３ボルトであり、容量は１４〜２０Ａｈであり、作動には圧縮圧力約５〜７ＰＳＩの付加が必要である。

図２を参照して、バッテリパックアセンブリの内部構造の断面図が図示されている。マニホルド１１２ａおよび１１２ｂにおいて、カバープレート１１６およびバックプレート１１４によって規定された内部チャンバ１１７は、バッテリパックを通じて流れる冷却液を受容する。図５ａ〜図５ｂを参照して、カバープレート１１６の内面は凹状であり、この面は、入口／出口ポート１２０ａ／ｂ内へ向かい外側位置から一定傾斜において傾斜する。バックプレート１１４はまた、マニホルド１１２ａの組立時においてカバープレート１１６に対向する面上に凹状領域１２６を含む。凹状領域１２６内の壁上において、均等間隔を空けて配置されたスロット１２８のアレイ（配列）がバックプレート１１４を通じて設けられる。２つのマニホルド１１２間には、波形流れプレート(corrugated flow plate)１６０のアレイ（配列）が延びる。これらの波形流れプレート１６０により、電池セル間の冷却液が一方のマニホルド１１２ａから他方のマニホルド１１２ｂへと搬送される。

図４を参照すると、波形流れプレート１６０は、液体不浸透性サイドシート１６２を２つ有する。これら２つの液体不浸透性サイドシート１６２は、均等間隔を空けて配置された平行リブ１６４のアレイ（配列）により、相互に分離される。これらの平行リブ１６４により、１つのシートが他のシートへと接続される。これらリブのアレイにより、平行な導管１６６のアレイが形成される。これら平行な導管１６６は、１方向において流れプレートの内側で延び、それを通して冷却液が流れる。加えて、リブ１６４により得られる高強度により、圧縮力下の流れシートが圧壊する事態が回避される。記載の実施形態において、波形流れプレートは、市販のＣｏｒｏｐｌａｓｔ（商標）シートである。Ｃｏｒｏｐｌａｓｔ（商標）シートは、押出ポリプロピレンポリマー製であり、厚さは約２ｍｍである。他の厚さも利用可能である（例えば、２〜１０ｍｍ）。

図２、図５ａおよび図５ｂを参照すると、流れプレート１６０は、２つのマニホルド１１２のバックプレート１１４内のスロット１２８内へと取り付けられ、流れプレート１６０は各スロット１２８内に配置される。スロット１２８のサイズは、流れプレートがスロット１２８内にぴったりと嵌まるようなサイズである。流れプレート１６０は、流れプレート１６０内の導管１６６が一方のマニホルドから他方のマニホルドへ延びるように、配置される。流れプレート１６０は、バックプレート１１４中のスロット１２８を通過し、マニホルド１１２内に規定された空洞１１７内に延びる。マニホルド１１２の内側上には、エポキシシール１６８がスロット１２８に沿って流れプレート１３０とバックプレート１１４との間に設けられており、これにより、冷却液が（電池と接触する場所である）バッテリアセンブリ内の領域に漏れる事態が回避される。各スロット１２８は、マニホルド内の側部上のテーパー状入口と、反対側の別のより小さなテーパー状入口（図示せず）とを有する。より小さなテーパーにより、組立時におけるスロット１２８への流れプレート１６０の挿入が容易になる。内部上のより大きいテーパーにより、エポキシをテーパー状領域中へ引き込み、シール形成のためのより大きな表面を提供することによりエポキシ付加を行う際において、流れプレート１６０とバックプレート１１４との間の密閉が促進される。

内部チャンバ１１７の傾斜付きの上側壁部は、カバープレート１１６の内面によって形成され、コアンダ効果(Coanda Effect)を低減または回避する働きをする。コアンダ効果が発生した場合、流れプレート内の多数の流路のうち一部が流れを支持せず、流体／冷却液の停滞が発生し得る。

流れプレートを分離することにより、組立時における電池セルの挿入先となる空間が得られる。流れプレート間の距離は、電池セルの滑り嵌めが得られるように、選択される。これは、バッテリパックが完全に組み立てられかつバネが適切に調節された際、エンドプレートによって得られる圧縮力が電池スタック全体において有効に分散されかつ全ての電池セルが充分な圧力下にあるようにするために、重要である。

バックプレート１１６（正しくは１１４）の内側上において、導管１４２がバックプレート１１６の周囲に形成される。この導管１４２は、可撓性Ｏリング（図示せず）を受容する。この可撓性Ｏリングは、カバープレート１１４（正しくは１１６）がバックプレート１１６上にボルト止めされた際、シールを形成する。

図１および図６に示すように、エンドプレート１０４ａおよび１０４ｂは、リブ付き構造を有する。この構造は、エンドプレートの充分な剛性を保持しつつ、エンドプレートの重量を低減するためのものである。アセンブリ全体の重量をできるだけ最小限に抑えることが一般的に望まれ、リブ付きエンドプレートにより、この目的を達成する１つの方法が得られる。図１から分かるように、マニホルド１１２は、類似の目的を念頭において設計される。材料に対してフライス加工を行うことにより、カバープレート１１４内に凹部のアレイを形成する。

図７ａ〜図７ｂ中により明確に示すウェッジ母線プレート１１０において、均等間隔を空けて配置された端子スロット１４６が２列で構成される。各端子スロット１４６は、電池スタック内の電池（セル）１０２の対応する端子のためのものである。母線プレート１１０が電池１０２のアレイ上に組み立てられると、端子は、母線プレート１１０内の対応する端子スロット１４６を通過し、端子への電気接続が可能となるバスプレート１１０の上に延びる。バスプレート１１０の前方側（図７ｂを参照）において、凹状領域１４４が端子スロットの各列内の各一対の端子スロットを包囲する。記載の実施形態においては、１６個の電池（セル）が設けられ、１つの列内に８個の凹状領域１４４が設けられ、第２の列内に９個の凹状領域１４４が設けられる。これらの凹状領域１４４は、母線端子クランプ１４８を受容するような形状にされ、クランプ１４８の一例を図８に示す。図９からより明らかなように、凹状領域１４４の側壁部は、内側方向に若干テーパー状になっているため、凹状領域内に進むほど、凹部が幅狭になっている。母線プレート１１０の裏側（図７ａを参照）において、端子スロット１４６の各端部上に配置された穴内にねじ式インサート１５０が配置される。

図８を参照すると、母線端子クランプ１４８は、２つの同一のＬ字型金属（例えば、銅）部分１５４によって構成される。各部分において、３つの穴１５６ａ〜１５６ｃが設けられる。これらの部分が記載のように相互に組み立てられると、穴１５６ａおよび１５６ｃが相互にアライメント（整合）される。組み立てられた母線端子クランプ１４８は、４つの穴を有する。これら４つの穴は、母線端子クランプ１４８が凹状領域１４４内に配置された際、ねじ式インサート１５０とアライメントされる。その後、これら４つの穴を通じてねじ式インサート内へとねじ込まれるボルト（図示せず）により、組み立てられたクランプを凹状領域内に固定する。

電池（セル）１０２は、アセンブリ内に交互に向きを変えて(in an alternating orientation)、即ち、背中合わせ又は正面合わせで配置される。電池を交互に向きを変えて配置することにより、第１の電池セルの正端子が右側に配置された場合、第２の電池セル（すなわち、スタック内の第２の電池セル）は負端子を右に配置され、第３の電池セルは正端子を右側に配置されるといった具合に配置が行われる。

よって、母線端子クランプ１４８が母線プレート１１０内の対応する凹状領域１４４内へと配置された場合、１つの電池負端子が隣接電池の正端子へと電気的に接続される。このようにして、１７個の母線端子クランプが１組として電池セルと電気的に直列接続され、これにより、Ｎ個の電池を含むバッテリアセンブリからの全体的出力電圧は、個々の電池の電圧のＮ倍（例えば、３．３×Ｎボルト）となる。

２つの端子が存在する状態で母線端子クランプ１４８が凹状領域１４４へ挿入されると、端子１０８ａおよび１０８ｂは、凹状領域１４４の外側壁部と母線端子クランプとの間に挟まれる。母線端子クランプは、４本のボルトによる凹状領域内へと締結された場合、バッテリ端子を母線プレートへ挟み、これにより、２つのバッテリ端子との確実な電気接触が確立される。ケーブル（図示せず）がアレイのいずれかの端部において母線端子クランプへと接続され、これにより、外部負荷へ電力が提供される。

エンドプレート１０４ａおよび１０４ｂは、いずれかの端部上におけるフランジ１５２を、より肉厚の中央領域と共に含む点に留意されたい。より肉厚の中央領域は、バネ１０６からの圧縮力を受けた際、電池スタックへ圧力を付加する部分である。マニホルド１１２ａおよび１１２ｂの幅は、パックが組み立てられたときにエンドプレート上のフランジ１５２がマニホルド１１２ａおよび１１２ｂと接触しないような、充分に狭い幅である。バネ１０６による支援により、２つのエンドプレート１０４ａおよび１０４ｂを相互に押圧するための空間（余地）が得られ、これにより、電池スタックへ付加される圧力が増加する。

記載の実施形態において、エンドプレート１０４ａおよび１０４ｂはアルミニウム製であり、マニホルド１１２ａおよび１１２ｂ、ウェッジ母線プレート１１０および下部カバーは、ＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）またはポリプロピレン製であり、エポキシ接着剤は、ＤＰ１００Ｐｌｕｓ（３Ｍ社製）である。冷却液は、水またはＦｌｕｏｒｉｎｅｒｔ（商標）であり得る。Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ（登録商標）は、導電性の冷却液であり、３Ｍから販売されている。もちろん、これらの材料の他にも、他にも多数の市販の受容可能な代替例が利用可能である。また、バッテリパックアセンブリは、用途の出力電圧要求に応じて、任意の数の電池（セル）を持ち得る。さらに、基本的には、本明細書中に記載のバネ配置構成以外の型締機構を用いて、同じものを達成することが可能である。

加えて、他の波形構造が可能である。Ｃｏｒｏｐｌａｓｔは、市販されており、低コストでありかつこの特定の用途に適した特性を有しているため、特に簡便である。しかし、波形流れプレートの設計および作製の方法は他にもある。効率は劣るものの、波形プレート作製のための別のアプローチとして、「波状の」シート材料(“wavy” sheet of material)を不浸透性材料の２枚の平坦なシート間に接合する方法がある。このアプローチによって得られた構造は、大衆にとってなじみの深い波形段ボールに類似している。

他の実施形態は、以下の特許請求の範囲内にある。

Claims (11)

1. バッテリアセンブリであって、
   複数の電池セルと、
   複数の波形流れプレートと、
   第１のマニホルド内部チャンバを形成する入側の流体マニホルドおよび第２のマニホルド内部チャンバを形成する出側の流体マニホルドと、
   を備えており、
   前記複数の波形流れプレートの各プレートは、第１の流体不浸透性シートおよび第２の流体不浸透性シートを含む押出プラスチック単位であり、前記第１および第２の流体不浸透性シートは、これら第１および第２のシート間に配置された複数のリブによって接続されており、前記複数のリブは、当該プレートの一端から当該プレートの反対側端へと延びる平行な導管のアレイ（配列）を形成しており、
   前記複数の波形流れプレートおよび前記複数の電池セルは、交互に配置されており、
   前記複数の波形流れプレートの各プレートは、前記入側の流体マニホルドから前記出側の流体マニホルドへと延びており、且つ、当該プレート内の平行な導管のアレイ（配列）により、複数の流体流路であってその各々が前記第１のマニホルド内部チャンバと前記第２のマニホルド内部チャンバとの間にあると共に前記第１のマニホルド内部チャンバを前記第２のマニホルド内部チャンバに直接的に接続するところの複数の流体流路が形成されるように配置されており、
   前記第１のマニホルド内部チャンバは、前記波形流れプレートの平行な導管内での流体の停滞を低減または回避すべく傾斜付きの上側壁部を有しており、
   前記複数の波形流れプレートおよび前記複数の電池セルが交互配置された配置構成は、電池セルスタックを形成すると共に、当該配置構成は更に、
   前記電池セルスタック内の電池セルに圧縮力を付与する型締システム、及び、
   前記電池セルに対し前記型締システムによって付与された圧縮力を調節すべく、前記型締システムに作動的に連結された調節機構、
   を具備する、ことを特徴とするバッテリアセンブリ。
2. 前記複数の電池セル内の電池セルは、リチウムイオンバッテリである、請求項１に記載のバッテリアセンブリ。
3. 前記複数の電池セル内の電池セルは、平坦な電池セルである、請求項１に記載のバッテリアセンブリ。
4. 前記複数の電池セル内の電池セルは、プリズム電池セルである、請求項１に記載のバッテリアセンブリ。
5. 前記複数の波形流れプレートの各波形流れプレートは、ポリプロピレンポリマーを含む、請求項１に記載のバッテリアセンブリ。
6. 第１のエンドプレートおよび第２のエンドプレートを更に備え、
   前記第１のエンドプレートは前記電池セルスタックの一端に設けられ、前記第２のエンドプレートは前記電池セルスタックの反対側端に設けられる、請求項１に記載のバッテリアセンブリ。
7. 前記型締システムは、前記第１および第２のエンドプレートのうちの少なくとも一方に力を付加する複数のバネを含む、請求項６に記載のバッテリアセンブリ。
8. 前記入側の流体マニホルドは、後壁を有しており、その後壁は前記第１のマニホルド内部チャンバ内に延びる複数のスロットを含んでおり、該スロットのそれぞれの内部に、前記複数の波形流れプレートのうち対応する１つが挿入されると共に、
   前記出側の流体マニホルドは、後壁を有しており、その後壁は前記第２のマニホルド内部チャンバ内に延びる複数のスロットを含んでおり、該スロットのそれぞれの内部に、前記複数の波形流れプレートのうち対応する１つが挿入される、請求項１に記載のバッテリアセンブリ。
9. 前記複数の電池セルのうち各電池セルは、前記複数の波形流れプレートのうちの対応する２つの波形流れプレート間にあって前記対応する２つの波形流れプレートと直接接触する、請求項１に記載のバッテリアセンブリ。
10. 前記複数の波形流れプレートおよび前記複数の電池セルは、隣り合う電池セルが背中合わせ及び正面合わせとなるように交互に向きを変えて交互配置されている、請求項１に記載のバッテリアセンブリ。
11. 前記入側および出側の流体マニホルドは、リブ付き構造を有している、請求項１に記載のバッテリアセンブリ。

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