JP6875453B2 - バッテリーおよびバッテリーを搭載した車両 - Google Patents

Description

本発明は、特に自動車用の蓄電池に関する。

電気モーターによって推進される自動車は、例えば、Ｌｉイオン型のセルを含む大容量バッテリーが装備され得る。このようなセルは、ストレスが大きいと大量の熱を放出する。これらのバッテリーの動作温度は、早すぎる老化を回避するために制御されなければならない。

これに関連して、本発明は、効果的な温度管理システムを備え、かつ経済的な設計を有するバッテリーを提案することを目的とする。

この目的のために、第１の態様によれば、本発明は、
- 少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵セルと、
- 少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵セルが収容されるエンクロージャ（筐体）であって、冷却流体用の少なくとも１つのフロー・チャンネル（流路）を有する低熱伝導率の材料からなる底部を有するエンクロージャと、
- 底部に敷かれ、高熱伝導率の材料からなるサーマル・プレートであって、少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵セルと熱的に接触しているサーマル・プレートと、
- 底部に面し、底部からスペースで分離されているクレードルと、
を含んでなるバッテリーに関する。

冷却流体は、熱が非常に効果的に放出されるように、高熱伝導率を有するプレートを介してセルと熱的に接触している。

バッテリーのエンクロージャの底部は、流体の循環チャンネルを形成するために使用され、これは特に経済的である。循環チャンネルを形成するために追加の要素を加える必要はない。

クレードルは外部の攻撃からバッテリーを保護する。このクレードルはエンクロージャとは別の部品で、サーマル・プレートとは別であるため、保護スクリーン機能に適した材料で形成され得る。

底部とクレードルとの間に配置されたスペースは、ダクトを外側から断熱し、熱保護を形成する。

これらの異なる機能は、バッテリーの設計が単純かつ経済的であるように、典型的にはプレート形態の３つの部品によって実行される。

本発明の意味の範囲内で、「プレート」とは、主要部分が実質的に平らで、他の寸法に鑑みて薄く、主要部分がリブ付きであり得る要素を指す。

バッテリーはさらに、以下の特徴を、個々に、或いは、任意の可能な組み合わせで有し得る。
- 底部が複合材料またはプラスチック材料でできている。
- 複合材料は熱可塑性材料または熱硬化性材料と強化材とを含み、強化材が有利には繊維（ファイバー）を含み、繊維の大部分は長さが５１ｍｍ未満の短繊維である。
- 底部は、サーマル・プレートに面する内面とクレードルに面する外面とを有し、内面が、それらの間にフロー・チャンネルを画定するレリーフを担持している。
- フロー・チャンネルはサーマル・プレートに向かって開いている。
- サーマル・プレートがレリーフの上に横たわっていて、チャンネルを閉じている。
- クレードルが複合材料から作られている。
- 複合材料は熱可塑性材料または熱硬化性材料と強化材とを含み、強化材が有利には繊維を含み、繊維の大部分は長さが１００ｍｍを超える連続繊維である。
- エンクロージャが底部にしっかりと固定された上部を含む。
- 底部は、底部の表面にわたって分布する複数の点でクレードルに接続されている。

第２の態様によれば、本発明は、ボディ（本体）と、上記の特徴を有するバッテリーとを備え、クレードルがボディに直接固定されている車両に関する。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら、限定としてではなく、以下に示す詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明によるバッテリーを車体の下方で切り取った概略断面図である。 図１のバッテリーのエンクロージャの上面図である。 図１のバッテリーのエンクロージャの底面図である。 図１のバッテリーのサーマル・プレートの斜視図である。 図１のバッテリーのクレードルの上面図である。 図１のバッテリーのクレードルの底面図である。

図１に示すバッテリー１は、電気エネルギーを蓄えるように設計されている。それは、例えば、Ｌｉイオン型のセルを備えている。変形形態では、それは別のタイプである。

バッテリー１は、典型的には電気推進エンジンを有する車両に装備するように設計されている。変形形態では、ハイブリッドエンジンを有する車両に装備するように設計されている。車両は、典型的には自動車、例えば、乗用車、バスまたはトラックである。

他の変形例によれば、バッテリー１は車両を装備していないが、静的な設置をしている。

バッテリー１は、少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵セル３と、少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵セル３を収容するエンクロージャ５とを備える。

典型的には、バッテリー１は、互いに電気的に接続された、直列および／または並列の多数のセル３を含む。

セル３は互いに対向して配置され、図１に示される１つまたは複数のタイプのブロックを形成する。同じブロックのセルは、ブロックの両端に配置された２つのフランジ４の間に配置される。同じブロックのセル３とフランジ４とはストラップ（図示せず）または他の手段によって固定される。

エンクロージャ５は、少なくとも１つのセル３を完全に囲む。セル３を定位置に保つように配置されている。それは、気体および液体に関して内側に狭い容積を画定する。従って、それはセル３を外部環境から隔離する。

エンクロージャ５は、冷却流体を循環させるための少なくとも１つのチャンネル９を有する、低熱伝導率を有する材料から作られた底部７を含む。

バッテリー１はまた、底部７に配置された、高熱伝導率を有する材料から作られたサーマル・プレート１１を含む。サーマル・プレート１１は、少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵セル３と熱的に接触している。

ここで、熱的に接触しているとは、セル３によって放出された熱がサーマル・プレート１１に伝達されることが好ましいということを意味する。サーマル・プレート１１は、セル３から来る熱の好ましい排出経路を構成する。

バッテリー１はまた、底部７に面し、空間１５によって底部７から分離されたクレードル１３を含む。

底部７は、バッテリー１が動作しているとき、例えば、それが車両に搭載されているときに、底部に向くように意図されたエンクロージャ５のゾーンに対応する。

エンクロージャ５は、底部７にしっかりと固定された上部１７を備える。底部７と上部１７は一緒になってセル３を完全に取り囲む。

底部７は、図２および図３により詳細に示されている。それは、サーマル・プレート１１に面する内面１９と、クレードル１３に面する外面２１とを有する。それは、直立エッジ２５によって囲まれた実質的に平坦なゾーン２３を含む。従って、底部７は浴槽の形をしている。直立エッジ２５は、カラー２７によって、その周囲にわたって外側に向かって延びている。

実質的に平坦なゾーン２３は、内面１９と外面２１とを画定する。

内面１９は、それらの間にフロー・チャンネル９を画定するレリーフ２９を担持する。これらのレリーフは、内面１９に対してサーマル・プレート１１に向かって突出している。これらは、例えばリブである。変形例では、レリーフ２９は他の形状を有する。

レリーフ２９は、実質的に平坦なゾーン２３と一体である。

底部７は典型的には成形によって得られる。それ故に、非常に経済的に製造される。

変形例では、底部７はブロー成形または積層造形によって得られる。

レリーフ２９はそれらの間にチャンネル９を画定する。後者は、冷却流体入口３１を冷却流体出口３３に流体接続する。入口３１および出口３３は、底部７、例えば、直立エッジ２５に配置されたオリフィスである。入口３１は、冷却流体供給に接続するように設けられている。出口３３は、冷却流体排出に接続するように設けられている。

チャンネル９は、図２に示すように、典型的には互いに実質的に平行である。それらは、底部７の内面１９全体を実質的に覆っている。

チャンネル９はサーマル・プレート１１に向かって開いている。

底部７は、複合材料またはプラスチック材料から有利に作られる。

底部７の材料は、典型的には０．１５〜１．５Ｗ・ｍ^−１、好ましくは０．３〜１．２Ｗ・ｍ^−１、さらにより好ましくは０．５〜１Ｗ・ｍ^−１の低熱伝導率を有する。

複合材料は、好ましくは熱可塑性材料または熱硬化性材料と補強材とを含む。一例として、これらの強化材は繊維とされ、繊維の大部分は長さが５１ｍｍ（２インチ）未満の短繊維であり得る。これらの短繊維は典型的にはカット繊維である。

底部７を局所的に補強するために、長繊維が底部７のある点に配置され得る。これらの繊維は、１００ｍｍを超える長さを有する。これらの長繊維は連続繊維とも呼ばれる。

したがって、底部７を形成する材料では、繊維の少なくとも５０重量％が短繊維で、繊維の５０重量％未満が長繊維である。

複合材料は、例えば、ＳＭＣ（シート成形コンパウンド）／連続繊維タイプのＳＭＣの熱硬化性マトリックスを有する材料である。

変形例では、複合材料は、例えば、オーバーモールド熱可塑性プレ含浸型の熱可塑性マトリックスを有する材料である。

底部７は典型的には２ｍｍ〜７．５ｍｍの間の厚さを有する。

エンクロージャ５の上部１７は、典型的には、底部７と同じ材料から作られる。

このような材料は、成形によって容易に形成され、特に、熱硬化またはオーバーモールド熱可塑性プレ含浸ＳＭＣ／連続繊維を有するＳＭＣを用いた技術の使用により、底部７の所望の形状を得ることを可能にする。

エンクロージャ５の上部１７は、典型的にはキャップの形状をしている。それは底部７のカラー２７を支えるように設けられた上部カラー３５を含む。

カラー２７および上部カラー３５は、あらゆる適切な手段を使用して、気体および液体に対して緊密になるように互いに固定される。それらは、例えば、図示されていないシーリングガスケットの挿入により、ねじまたはタイ・ロッドのような機械的部材３７によって互いにしっかりと固定されている（図１）。機械的部材３７は底部７のオリフィス３８内に受容されている（図２および図３）。オリフィス３８は底部７の周り全体に分布している。

代替的に或いは追加的に、カラー２７と上部カラー３５とは互いに接着されている。

サーマル・プレート１１は実質的に平面である（図４）。それは、典型的には、底部７の実質的に平坦なゾーン２３のサイズおよび形状と同一である。図示の例では、それは長方形であるが、変形形態では、他の適切な形状を有する。

サーマル・プレート１１は、底部７の内面１９のレリーフ２９上に配置されており、したがって、冷却流体の循環のためにチャンネル９を閉じている（図１）。それは、レリーフ２９の頂部と接触しており、さらに、冷却液に対して緊密に、例えば、接着によってチャンネル９の周囲に接続されている。

段部３９（図１）は、底部７の実質的に平坦なゾーン２３の周囲の大部分に形成されている。サーマル・プレート１１も段部３９上に配置され、冷却液に対して緊密に、例えば、接着によって段部３９に接続されている。

サーマル・プレート１１は、典型的には５０〜２５０Ｗ・ｍ^−１、好ましくは７５〜２００Ｗ・ｍ^−１、さらにより好ましくは１００〜１５０Ｗ・ｍ^−１の高熱伝導率を有する材料から作られる。

サーマル・プレート１１の材料は金属であることが好ましく、例えば、鋼、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。サーマル・プレート１１は、典型的には、被覆鋼板、或いは、陽極酸化または非陽極酸化アルミニウムシートである。

セル３はサーマル・プレート１１の上面４３の上に配置されている（図１）。

サーマル・プレート１１は、セル３、それらのパッケージングまたはそれらのインサートと直接接触していることが好ましい。変形例では、サーマル・プレート１１は、サーマル・ペーストのような均一な熱伝達を保証するデバイスを介してセル３と接触している。

サーマル・プレート１１は典型的には０．２〜１．５ｍｍ、好ましくは０．６〜１ｍｍの厚さを有する。

クレードル１３（図５および図６）は、直立エッジ４７によって囲まれた実質的に平坦な中央部４５を含む。直立エッジ４７は、その周辺部において、突出カラー４９によって外向きに延びる。

したがって、クレードル１３は、底部７を受容するための凹型の浴槽形状をしている。

中央部４５は、底部７の実質的に平坦なゾーン２３よりも大きい寸法を有する。

底部７の実質的に平坦な領域２３はクレードル１３の内側に収容されている。典型的には、底部７がほぼ完全にクレードル１３の内側に収容されており、直立エッジ４７が底部７を完全に取り囲んでいる。

底部７のカラー２７は、クレードル１３の突出カラー４９の上に配置されている。

クレードル１３の中央部４５は、底部７の実質的に平坦なゾーン２３と実質的に平行である。したがって、空間１５は、実質的に平坦なゾーン２３の表面全体に沿って延びている。

実質的に平坦な領域２３は、その外面２１上に、クレードル１３の中央部４５に当接するリブ５１（図３）を担持している。これらのリブ５１は、クレードル１３の底部７を隔てる空間１５の高さを画定するスペーサを形成する。

空間１５はダクト９を外部から断熱する。この空間はまた、車両の下方への衝撃を吸収する移動を提供する。

それは、典型的には、２．５〜２０ｍｍの間の高さを有する。

機械的部材３７はまた、突出カラー４９を、エンクロージャ５の底部７および上部１７にそれぞれ属するカラー２７および上部カラー３５に固定する。それらは、クレードル１３に配置されたオリフィス５２内に受容される。

好ましくは、サーマル・プレート１１、底部７およびクレードル１３は、シール・ガスケット（図示せず）を挿入して、ねじまたはタイ・ロッドなどの機械的部材５３によって互いにしっかりと固定される。

これらの機械的部材５３は、例えば、サーマル・プレート１１の外縁に沿った２列と、プレート１１の中央の１列と、互いに実質的に平行な３列に配置されている。機械的部材５３は、オリフィス５５を介してサーマル・プレート１１を貫通し（図４）、オリフィス５７を介して底部７の実質的に平坦なゾーン２３を貫通し（図２および図３）、オリフィス５９を介してクレードル１３の中央部４５を貫通している（図５および図６）。

サーマル・プレート１１は、それを通過する機械的部材５３の周囲で底部７に、例えば接着によってしっかりと接続される。

オリフィス５９は、クレードル１３の中央部４５に形成されたボス６１の頂部に配置されている。

機械的部材５３はまた、典型的には、エンクロージャ５の上部１７およびフランジ４を貫通する。

したがって、機械的部材３７および５３は、エンクロージャ５、サーマル・プレート１１およびクレードル１３の機械的凝集を確実にする。

したがって、底部７は、底部７の表面上に分布する複数の点でクレードル１３に有利に接続される。これにより、セル３を支持する構造、すなわち、サーマル・プレート１１、底部７およびクレードル１３によって形成される構造に、セルの質量が中心にある位置で、大きな剛性を付与することが可能になる。セルは特に重い。電気推進車両の場合、これらのセルの重量は、約５０ｋｇ〜５トン、より具体的には、自動車では５０〜７５０ｋｇ、バスまたはトラックでは１５０ｋｇ〜５トンである。

リブ５１も前記構造の剛性に寄与する。

クレードル１３は、有利には複合材料から作られる。

複合材料は、好ましくは熱可塑性材料または熱硬化性材料と補強材とを含む。一例として、これらの強化材は繊維とされ、繊維の大部分は１００ｍｍを超える長さを有する連続繊維であり得る。

したがって、クレードル１３を形成する材料では、繊維の少なくとも５０重量％が連続繊維である。

これらの長繊維は、応力の関数として優れた機械的強度を得るように選択された配向で、いくつかの層に有利に配置される。

熱硬化性材料は、例えば、ポリエステル、ビニルエステル、エポキシ、アクリル、またはバイオ樹脂である。熱可塑性材料は、例えば、合成またはバイオ由来の熱可塑性樹脂である。

強化材は、例えば、ガラス、バサルト、カーボン、アラミド、またはＨＭＰＰ（高弾性率ポリプロピレン）繊維である。変形として、補強材は亜麻、麻、または他のバイオ由来の繊維から作られる。

したがって、クレードル１３は、特に硬質で機械的に強い材料から作られる。

それは、外部からの攻撃に対するセル３の保護を確実にする。

バッテリー１が車両に搭載されると、クレードル１３はバッテリー１が受ける力に反応してそれらを車両の構造に伝達する。伝達される力は典型的には、垂直方向および／または水平方向の加速度である。これらの加速度は、例えば、車両の通常の動き、転動面の不規則性、または車両が受ける衝撃に起因する。

バッテリー１が車両に搭載されているとき、クレードル１３は、道路３上に存在する障害物からの下方から、或いは、側面からの衝撃の間にセル３を保護することに参加することによって側面から来る侵入からセル３を保護する。

典型的には、クレードル１３は力を車両のボディ６３に直接伝達する（図１）。

そのために、クレードル１３は、ねじ、タイ・ロッド、または他の任意の固定手段等の機械的部材６５によってボディ６３にしっかりと固定されている。これらの機械的部材６５は、クレードル１３の突出カラー４９内に配置されたオリフィス６７内に受容されている（図５および図６）。

したがって、本発明のバッテリー１は、有利には、成形がより容易なセルの収容を確実にする複合材料から作られた第１の構造と、後者の保護を確実にするが後者の成形をより困難にする構造的に強い複合材料から作られた第２の構造とを含む。第１の構造は底部７である。それは比較的より容易に成形することができるので、底部７に低コストで冷却流体循環チャンネルを創出することが可能である。

第２の構造はクレードル１３である。その機械的強度は、それがその保護を実行しそして機能に反応させることを可能にする。しかしながら、それは、複雑なリブ形状、特に冷却チャンネルを得ることが容易には可能でない材料から作られている。

バッテリー１は、図１に示すように、典型的には、ボディ６３の下に固定されている。変形例では、バッテリー１は他の方法で車両に搭載されている。

バッテリー１は、循環チャンネル９が底部７に形成されたレリーフによって画定される場合について説明された。変形例では、循環チャンネル９は底部７上に横たわるチューブであるか、或いは、他の適切な方法で形成される。

１ バッテリー
３ 電気エネルギー貯蔵セル
４ フランジ
５ エンクロージャ
７ 底部
９ チャンネル
１１ サーマル・プレート
１３ クレードル
１５ 空間
１７ 上部
１９ 内面
２１ 外面
２３ 実質的に平坦なゾーン
２５、４７ 直立エッ
２７ カラー
２９ レリーフ
３１ 冷却流体入口
３３ 冷却流体出口
３５ 上部カラー
３７、５３、６５ 機械的部材
３８、５５、５９、６７ オリフィス
３９ 段部
４３ 上面
４５ 中央部
４９ 突出カラー
５１ リブ
６１ ボス
６３ ボディ

Claims (10)

1. - 少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵セル（３）と、
   - 少なくとも１つの前記電気エネルギー貯蔵セル（３）が収容されるエンクロージャ（５）であって、冷却流体用の少なくとも１つのフロー・チャンネル（９）を有する低熱伝導率の材料からなる底部（７）を有するエンクロージャ（５）と、
   - 前記底部（７）に敷かれ、高熱伝導率の材料からなるサーマル・プレート（１１）であって、少なくとも１つの前記電気エネルギー貯蔵セル（３）と熱的に接触しているサーマル・プレート（１１）と、
   - 前記底部（７）に面し、前記底部（７）からスペースで分離されているクレードル（１３）と、
   を含んでなるバッテリー（１）であって、
   前記底部（７）が前記サーマル・プレート（１１）に面する内面（１９）と前記クレードル（１３）に面する外面（２１）とを有し、前記内面（１９）が、それらの間にフロー・チャンネル（９）を画定するレリーフ（２９）を担持していることを特徴とするバッテリー（１）。
2. 前記底部（７）が複合材料またはプラスチック材料から作られていることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
3. 前記複合材料が熱可塑性材料または熱硬化性材料と強化材とを含み、前記強化材が繊維を含み、前記繊維の５０重量％超の部分は長さが５１ｍｍ未満の短繊維であることを特徴とする、請求項２に記載のバッテリー。
4. 前記クレードル（１３）が複合材料から作られていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のバッテリー。
5. 前記クレードル（１３）の複合材料が熱可塑性材料または熱硬化性材料と強化材とを含み、前記強化材が有利には繊維を含み、前記繊維の５０重量％超の部分が１００ｍｍを超える長さを有する連続繊維であることを特徴とする、請求項４に記載のバッテリー。
6. 前記フロー・チャンネル（９）が前記サーマル・プレート（１１）に向かって開いていることを特徴とする、請求項５に記載のバッテリー。
7. 前記サーマル・プレート（１１）が前記レリーフ（２９）の上に横たわっており、前記フロー・チャンネル（９）を閉じていることを特徴とする、請求項６に記載のバッテリー。
8. 前記底部（７）が、前記底部（７）の表面上に分布した複数の点で前記クレードル（１３）に接続されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のバッテリー。
9. 前記エンクロージャ（５）が上部（１７）を備え、該上部（１７）は、該上部（１７）と前記底部（７）との間で強固な固定が生じるように前記底部（７）に固定されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のバッテリー。
10. ボディ（６３）と請求項１〜９のいずれか一項に記載のバッテリーとを含んでなる車両であって、前記クレードル（１３）が前記ボディ（６３）に直接固定されていることを特徴とする車両。

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