JP2006244982A - バッテリ組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】車両への動力供給の使用に適する新規な電池パックを提供すること。
【解決手段】バッテリは、多数のセル列を並列に接続する複数の電流コレクタを含み、各セル列が、直列に接続された複数のセルを含む。バッテリは、さらに、一のセル列のセルが他のセル列と並列に接続されるように、セル列間の電気的導通を与える複数の導体を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車（ＥＶｓ）またはハイブリッド車（ＨＥＶｓ）の電力供給に適した構成にネットワーク化された複数の電気化学セルから成るバッテリ組立体に関する。この構成は、電力源の信頼性を改善する上、バッテリ組立体への電力エネルギー密度を増大させる。

電気自動車（ＥＶｓ）あるいはハイブリッド車（ＨＥＶｓ）のような電動式の車両は、複数の電気化学セルで構成された一つあるいは複数バッテリを収容する。例えば、車両への応用に作られた従来の鉛酸蓄電池は、１２ボルトの電力源を形成すべく、ハウジング内で直列に接続された６つのセルを含む。ほとんどの場合、単一バッテリでは、その電圧だけでなくそのエネルギー量も乗用電気自動車に電力を供給するには不十分であり、それ故、解決には、電圧およびエネルギー量の双方を使用できる状態にするべく、そのような多数のバッテリが直列に接続されている。基本的には、このバッテリ組立体は、直列に接続されたＮ個のセルから成る単一のセル列を含む。各セルがＶボルトの電圧およびＣアンペア時（Ａｈ）の容量を有する場合、前記バッテリ組立体の総合エネルギーは、Ｎ×Ｖ×Ｃ（Ｎ倍のＶ倍のＣ）ワット時（Ｗｈ）になると計算できる。

しかしながら、単純に考えて、この設計では、信頼性および応用性に欠ける。例えば、３００ボルトおよび２５０００ワット時の実用的なバッテリ組立体は、相互に直列に接続され、それぞれが１０００ワット時のエネルギーを含む２５個の鉛酸蓄電池で形成される。各１２ボルトバッテリは６個の直列セルを含み、この組立体は一列に接続された１５０個のセルを有する。もし、セルが故障しあるいはセルの接続が不良になると、前記組立体の全体が機能不全に陥り、この機能不全は信頼性に著しい問題を与える。さらに、鉛酸蓄電池は巨大である。電気自動車は、通常、それらのバッテリ組立体のために確保されるスペースに制限を受けている。１０００ワット時のバッテリの容積は、ほぼ１０リットルになる。電気自動車の動力源を動かすのに必要な２５０００ワット時のための２５０リットルの容積を節約しても、電気自動車の設計に多くの応用性が生じることはない。

前記した問題に加えて、鉛酸蓄電池は異常に重い。所望の航続距離を達成するには、多くの場合、バッテリ組立体の重量が車重の半値となることを要求される。例えば、前記したところによれば、バッテリ組立体の重量は、コネクタおよびハウジングを含んで、７５０ｋｇになるであろう。

近年、鉛酸蓄電池化学作用よりも優れたエネルギー密度特性を有する新たなセル化学作用が浮上している。例えば、ニッケル水素セルは、５０ないし７０ワット時／ｋｇを生じることができ、鉛酸蓄電池が生じる３０ないし４０ワット時／ｋｇを越える著しい向上である。リチゥムイオンセルは１００ワット時／ｋｇ以上を生じることができる。これらの新たな化学作用は、既に、ノートブック型コンピュータや携帯電話のような低エネルギーおよび低出力への応用では、成功的に商品化されている。しかし、高出力および高エネルギーが要求される電気自動車あるいはハイブリッド車への応用は、未だ実験段階にある。商品化が遅れている主たる理由は、コストおよび安全面に加えて、セルの出力およびエネルギーを十分に利用することができるバッテリ設計の欠如にある。

基本的に、バッテリ組立体は、直列、並列またはその両者の組み合わせで複数のセルを接続により構成することができる。個々のセルに含まれるエネルギー量が大きくなるほど、前記バッテリ組立体に必要とされるセルの数は少なくなる。前記バッテリ組立体を構成するセルが少なくなるほど、該セルを接続するに必要な部品数は少なくなり、前記バッテリ組立体の完成品の重量軽減に寄与する。したがって、個々のセルに含まれるエネルギー量が大きくなるほど、前記バッテリ組立体の完成品の重量は軽減する。しかし、コネクタの抵抗によって付加されるパワーロスを最小にするために重いコネクタが用いられなければならないため、重量軽減及び高出力が要求される場合に、特に明らかである。電気自動車への用途のために、１５０，０００ｗあるいはそれ以上のバッテリ出力は珍しいことではない。ちなみに、典型的なノートブック型コンピュータのバッテリは、２００ｗ以下の最大出力である。この低出力レベルであっても、適切に設計されていなければ、ノートブック型コンピュータのバッテリはオーバヒートすることがある。それ故、電気自動車用バッテリの注意深い接続技術が、うまく接続する上で不可欠となる。

セルの出力およびエネルギーの含量の増大に伴い、安全性上の懸念が同様に増大する。極限状態では、バッテリは、火災や爆発を起こしてバッテリ全体に拡大する恐れがあるため、バッテリパック全体を周りにまき散らしてしまう重大な事故を引き起こす可能性がある。リチゥムイオンセルでは、そのような事例がある。それらは、エネルギーおよび出力に高密度を示す固有の利点を有するが、電気自動車あるいはハイブリッド車への応用は、安全性の問題により、ニッケル水素セルよりも後れを取っている。

リチゥムイオンセルについての安全上の懸念は、そのセルの寸法が小さくなると、減少することが知られている。しかし、小さな複数のセルから大きなバッテリ組立体を組み立てることは、必要とされる多数のコネクタのために、効果を損なうことが避けられず、エネルギーおよび信頼性の双方を明らかに低減させるであろうと言う従来の考え方がある。図１１を参照すると、全体に符号が付かされていないバッテリは、２つの電流コレクタ６３，６４間でＰ個のセル列６２を並列に接続し、各セル列６２は直列に接続されたＳ個のセル６１を含む。バッテリ電流を外部負荷に導く電流コレクタ６３，６４は、低抵抗化のために大きなものが望ましい。しかしながら、平均して、個々のセル列を流れる電流は電流コレクタ６３、６４を流れる電流の１／Ｐ（Ｐ分の一）であることから、直列のためのコネクタ６５は、電流コレクタ６３、６４ほどに大きくする必要はない。その結果、この組立体は、コネクタ６５による付加重量の点から見て、特にセル６１が小さくかつＳが大きい数値である場合、効率が良いと見られている。しかしながら、信頼性が問題である。先に説明したとおり、一つのセルが故障すると、列６２の全体が機能不全に陥り、１／Ｐ倍だけエネルギーを低減する。これと同様の理由で出力密度が損害を受ける。バッテリ組立体の第２（もう一つ）のセル６１が故障すると、同じ列以外の異なるセル列６２に位置するセルが故障する可能性が高まる。そのとき、前記組立体のエネルギーは２／Ｐ倍だけ低下するであろう。

この設計がリチゥムイオンセルに適用されると、バッテリの充電／放電管理システムが複雑になる。リチゥムイオンセルは、充電および放電がある電圧範囲内で制御されるとき、最良の特性を発揮する。使用中にその範囲を超えると、セルの寿命および容量は低下し、あるいは安全上の問題さえ生じる。この組立体の前記した設計では、Ｓ×Ｐ（ＳのＰ倍）個のセルを個々に制御する必要があり、大きな組立体では面倒な負担になる。

バッテリの管理システムの簡素化のために、図１２および１３に示されているような代案例は、２つの電流コレクタ７３間でＰ個のセル７１を並列に接続し、またＳ個の並列グループ７２を直列に接続する。並列グループ７２内で接続された全てのＰ個のセル７１は、それらの電流コレクタ７３によって同一電圧を示すように構成され、その結果、管理回路構成は、第１の設計のようなＳ×Ｐ個の点とは対照的に、Ｓ個の点のみでの制御が必要になる。残念ながら、この設計では、各並列グループ７２は、重い電流コレクタ７３によってそれら自体の電流を集めることが要求され、前記組立体が重くなる。

明らかに、電気自動車あるいはハイブリッド車用の、高エネルギーおよび高出力の組み合わせを持つバッテリに適した設計は、高い信頼性および高い安全水準に欠ける。

バッテリ組立体は一つ以上のバッテリを含み、各バッテリはＳ×Ｐ（ＳのＰ倍）個のセルを含み、また２つの電流コレクタはＰ個のセル列を並列に接続する構造を有する。各セル列は直列に接続されたＳ個のセルから成る。前記バッテリは、金属コネクタでＰ個の列のそれぞれに対応する位置でＰ個のセルを接続することにより完成する。これらのコネクタは、それらのＳ個の部分でのみ一つのＳ×Ｐバッテリに必要な全ての接続部が構成できるように、百足形状に形成されている。バッテリ組立体の管理回路は、安全性を高めるために前記組立体を小さなセルで形成することが現実的になる水準にまで簡素化される。また、エネルギー密度、出力密度および信頼性が向上する。その最終結果は、製造簡単であり電気自動車やハイブリッド車のような高出力の応用に適したバッテリ組立体となる。

本発明のさらなる特徴及び詳細は、次に記載されるとおりである。

図１を参照すると、本発明に係るバッテリは、各セル１１を隣り合うセル１１に直列および並列に接続することにより、前記セルの電圧をＶとすると、Ｓ×Ｖ（ＳのＶ倍）のバッテリ電圧が得られるように、Ｓ×Ｐ個の電気化学セル１１のネットワークの構成を採用する。これらの接続は、電気抵抗の低減のために、金属導体によりなされる。２つの電流コレクタ１２、１３は、電流Iを前記バッテリの外部負荷に運ぶように作用する。電流コレクタ１２、１３に平行なコネクタ３０は、隣り合う２つの線間のＰ個のセルを同一電圧に強いることから、「平衡線」と称される。ある一つのセル１１の電圧が、バッテリの充電または放電中に、そのグループの残りのものと異なる値になると、その電圧差は、電圧が等しくなる迄前記平衡線に電流を流す。前記バッテリに使用されている全てのセル１１が等しくなると、前記平衡線の電流が極めて小さくなり、平均して、Ｐ個の直列２０のそれぞれに流れる電流はＩ／Ｐになる。したがって、電流コレクタ１２、１３には重い導体が用いられ、直列コネクタはこの重いコネクタのほぼ１／Ｐの寸法のものが用いられる。前記平衡線は、従来のバッテリに用いられていたものよりも小さな導体で形成することができる。

しかしながら、セル１６が故障すると、電流は平衡線３２、３３を通って故障したセル１６を迂回する。これは、線３２、３３に、その通電許容量として、直列コネクタのそれの半値を要求する。留意すべきは、線３２および３３間の並列グループのエネルギー含量は、１／Ｐだけ低減される。バッテリの放電中、いずれかの並列グループのエネルギーが使い果たされたときは、特定のグループが損傷を受けないようにするために、組立体の全体を停止することが必要である。その結果、前記バッテリのエネルギー含量は、同様に１／Ｐだけ低減する。第二のセルが故障すると、同じグループにあるものに対する他のグループにあるものとの故障を生じる確率は（Ｐ−１）／（Ｓ×Ｐ−１）であり、Ｓが大きいと、極めて低い確率になる。異なる並列グループで２以上のセルが故障すると、エネルギー含量は、なお１／Ｐ低減するのみである。本組立体の信頼性は、効果的に図１１に示されたものよりも向上する。この効果は、Ｓが４よりも大きいとき、より明確になる。

リチゥムイオン電池の場合、安全上、小さなセルの使用が望ましいことから、Ｐは必要なエネルギー含量を含む大きさにせざるを得ない。Ｐが充分に大きい場合、バッテリの信頼性を向上する効果的な方法は、Ｓ×Ｐに代えて、Ｓ×（Ｐ＋１）のネットワークで設計することである。この特別な直列は、（Ｐ＋１）／Ｐだけバッテリ寸法を増大させるが、複数のセルが故障した場合でさえも、バッテリに高い確率でＰ×Ｓ×Ｖ×Ｃの設定エネルギーでの供給を生じさせることを保証する。５×５の構成では、２０％のバッテリの寸法の増加が２つのセルの故障に持ち堪える８３％の可能性を与えることを可能とする。先に述べた信頼性と組み合わせると、本発明の利点は、ＰおよびＳの双方が４より大きい場合に明瞭になり、その双方が大きければ大きいほど良い。

故障が生じた場合、前記出力は変化する。残りのセルのそれぞれと共通の電流が１／Ｐだけ高まるので、同じ電流量を並列グループから取り出せるが、電圧は低下する。出力は、負荷に作用する電圧に電流を掛け合わせることにより計算できるので、電圧低下によって低下するが、必ずしも１／Ｐ分ではない。リチゥムイオンセルの放電電圧のプロフィールは、２０％から８０％の放電深度で比較的平らなゾーンを有するＳ字形である。このゾーンでは、負荷電圧は、低出力から中出力引き出し状況にかけての電流増加に伴い、わずかしか変化しない。それ故、セルの故障による出力損失のパーセント割合はエネルギー損失のそれより小さい。

これらの多くのバッテリは、直列、並列あるいはこの双方の組み合わせで接続され、これにより電気自動車あるいはハイブリッド車への利用のためのバッテリ組立体が作られる。例えば、３７０Ｖを必要とする電気自動車の電源は、１００×Ｐ個のリチゥムイオンセルであって各セルが３．７Ｖのリチゥムイオンセルの接続により形成されている。しかし、空間制限および重量バランスは、前記バッテリ組立体を複数の区画に分離することを要求する。図１４ないし１６は、全体に接続されて成る前記組立体の異なる例をそれぞれ示す。

典型的な乗用電気自動車のためには、妥当な航続距離を有するために所望のエネルギー含量は２０，０００ワット時以上であり、その場合、前記した例では各並列グループに２００ワット時以上が要求される。セル寸法の選択は、コスト面と同様に、安全面を考慮してなされる。リチゥムイオンセルの安全性は、その温度特性に強い影響を受け、複雑で経験的な特性である。市販の円筒形のリチゥムセルでの経験に基づくと、直径が３．５ｃｍよりも小さい場合、温度要因は管理し易く、したがって安全である。このことは、消費市場で入手できるほとんど全てのリチゥムイオンセルは３．５ｃｍ未満の直径を有することから、明白である。しかしながら、セルはある所定の寸法よりも小さく形成される場合、コストが高くなる恐れがある。これを考慮すると、直径は０．５ｃｍよりも大きいことが必要である。市販のリチゥムイオンセル、例えば５から１５ワット時のエネルギー含量を有する１８６５０（１．８ｃｍの直径および６．５ｃｍの高さ）または２６７００（２．６ｃｍの直径および７．０ｃｍの高さ）は、釣り合いのとれた選択である。例として１８６５０を採りあげると、各セルが５ワット時であると、Ｐは４０となる必要がある。

図２を参照すると、本発明のバッテリはケース４０の内部に保持されることが可能であり、ケース４０はこれに取り付けられるカバー４２を備える。図２に示すように、２つの金属片が電流コレクタ１２，１３として機能する。各金属片は、板本体の一側部から伸びる多数のタブを有するように形成されており、前記金属片の各タブは前記バッテリの最も外側のセル１１の電極に電気的に接触する。

各セル１１は、一端に一方の電極を有しまた他端に他方の電極を有する。セル１１のこれらの電極を複数の伝導板４４により接続し、これにより図１に示すようなネットワーク構成を形成することができる。図示の例では、伝導板４４が前記した平衡線および直列コネクタとして機能する。伝導板４４の構造と、セル１１に対するその電気的接続は後に詳述する。

図３を参照すると、ケース４０は、さらに該ケースの壁に多数の穴４１を含むことができる。各穴４１は、好ましくは２つの開口を有する傾斜形状に形成され、内側の開口は外側の開口より高い。これらの貫通穴４１は、前記バッテリにより発生された熱の散逸を可能とし、また外部の水が前記ケースを貫通することを防止する。

図４〜図６を参照すると、百足形状の伝導板４４のそれぞれは、細長い本体４４０に連なる複数のタブ４４２を含む。図示の例では、タブ４４２は細長い本体４４０の両側から対称的に伸びる。図７を参照すると、伝導板４４は、本体４４０の一側のタブ４４２から他側のタブ４４２へ伸びる段階的なアーチ形を有する。本体４４０は、突出するリブ４４１が形成された頂面を有する。前記アーチの形状は、本体４４０が応力を吸収するので、前記バッテリから受ける縦方向圧力を伝導板４４が破壊することなしに吸収することを可能にする。伝導板４４のための適当な材料は、限定はされないが、ニッケル面を有する金属板またはクラッド（ニッケル面を有する銅板）を含む。ニッケルは、高耐食性、高伝導性及び低コストのような利点を提供する。

伝導板４４の他の実施例は、本体４４０の一側のみから一体に伸びる多数のタブ４４２を含む。伝導板４４のさらに他の実施例は、本体４４０の両側から一体に伸びる多数の非対称のタブを有する。伝導板４４を組み立てる他の適当な方法では、本体４４０にタブ４４２が接続される。

各タブ４４２は、Ｕ形のスロットと該スロットに連なる切り目とが形成された矩形の部分により形成され、これにより該部分は３つの接点に分離されている。これらの接点は、信頼性の向上のために、セル１１の電極に個々に溶接することができる。前記バッテリが水平移動をするとき、左右の接点が応力を吸収することができ、その結果、真ん中のＵ形の接点が前記セル上に確実に取付けられた状態を保持できる。

各金属片１２、１３は、端子４８が設置されたプラットフォーム４６を備える。端子４８は金属構造で構成され、任意の公知の固定手段によりプラットフォーム４６上に取り付けることができる。この実施例では、負荷の接続のために前記ケースの外部からのアクセスを可能にすべく、プラットフォーム４６と端子４８とがケース４０を経て伸びる。

セルの他の実施例が図８および図９に示されている。矩形状を有するセルはリチゥムイオンまたはニッケル水素のいずれか一方とすることができる。このような矩形状のセルの極性は円筒状タイプとは異なる。突出する一端は一方の電極を示し、平坦な他端は反対の電極を示す。前記矩形状のセルは、また、伝導板４４により図１に示すような格子状構成に接続されるのに適する。

図１０を参照すると、他のタイプの矩形状のセルでは、同一の端から正の電極と負の電極とが伸びている。リチゥムポリマーセルまたは先に述べたリチゥムイオンセル（積層リチゥムイオンセル）がそのような構造を有する。前記セルの正および負の電極が交互に配列され、次いで伝導板４４により電気的に接続されている。

実施例１
５０×２０構成および１８５Ｖのバッテリが１０００個のリチゥムイオンセルの接続により形成され、該リチゥムイオンセルのそれぞれは、３．０アンペア時の容量、１００．１ｇの重量、２．７ｃｍの直径および７．０ｃｍの高さを有し、バッテリには１０ミクロンの厚さのニッケルシートを打ち抜いて形成された本発明で前記したような純ニッケル伝導板が設けられている。前記セルの５０％の放電深度で測定された直流抵抗は１４．２ミリオームである。０．６ｃｍ×０．３５ｃｍ×５４ｃｍの寸法を有する２つの純銅片が電流コレクタとして機能する。結合されたセル重量は１０，０１０ｇであり、バッテリ重量は１０，１５３ｇであり、１．４３％重量が前記コネクタにより付加されるに過ぎない。放電深度が５０％、３０アンペアでの放電容量、直流抵抗および負荷電圧が測定され、表１に示されている。このバッテリの出力は１０５，５４０ｗを超える。

表１

実施例２
実施例１の２つのバッテリが直列接続されてバッテリ組立体が構成された。前記組立体の公称電圧は３７０ボルトであり出力は２１１，０８０ワットを超える。

実施例３
バッテリが実施例１のように作られたが、セル１２の溶接部の分離により故障がシミュレートされた。６０アンペアでの放電容量および放電深度５０％での直流抵抗が測定され、５７アンペア時および３５．７ミリオームであった。１０℃での負荷電圧は１７５．７ボルト、出力損失は、この割合で０．２％に過ぎなかった。セル１３の分離により、第２の故障が生じたとき、放電容量は５７アンペア時に維持できた。負荷電圧は１７５．５ボルト、出力損失は０．４％であった。

本発明は前記した好ましい実施例に限定されず、求められる権利は、多くの変更が想像され得る範囲内において、特許請求の範囲により規定される。

本発明に係るバッテリの概略図である。 ケース内に保持されている図１のバッテリの実施例を示す分解斜視図である。 ケース内に保持されているバッテリの斜視図である。 図１に従う電気的接続を有するバッテリの実施例を示す図である。 図４に示すバッテリの底面から見た斜視図である。 コネクタの斜視図である。 図６のコネクタの側面図である。 図１に従う電気的接続を有するバッテリの他の実施例を示す図である。 図８の電池パックの底面を示す図である。 図１に従う電気的接続を有するバッテリのさらに他の実施例を示す図である。 従来のバッテリの概略図である。 他の従来のバッテリの概略図である。 図１２に従う電池パックの実施例を示す図である。 本発明の異なる実施例であるいくつかの区画室に分離されているバッテリ組立体を示す図面である。 本発明のさらに異なる実施例であるいくつかの区画室に分離されているバッテリ組立体を示す図面である。 本発明のさらに異なる実施例であるいくつかの区画室に分離されているバッテリ組立体を示す図面である。

符号の説明

１１ セル
１２，１３ 電流コレクタ
２０ セル列
３０ コネクタ（導体）
４４ 伝導板

Claims (21)

1. 複数のセル列であって該各セル列が直列に接続され複数のセルを含むセル列を並列に接続する電流コレクタと、
   一のセル列におけるセルが他のセル列におけるセルと並列に接続されるように前記セル列間で電気的導通を与える複数の導体とを含むバッテリ。
2. 前記複数のセルは再充電可能な電気化学セルである、請求項１に記載のバッテリ。
3. 前記各導電体は伝導板である、請求項１に記載のバッテリ。
4. 前記伝導板はニッケル板である、請求項３に記載のバッテリ。
5. 前記伝導板はニッケル面を有する金属板である、請求項３に記載のバッテリ。
6. 前記伝導板はニッケル面を有する銅板である、請求項３に記載のバッテリ。
7. 前記伝導板には、その本体の一側に連なる複数のタブが形成され、該各タブが一の前記セルに電気的に接続される、請求項３に記載のバッテリ。
8. 前記伝導板には、その本体の両側に連なる複数のタブが形成され、該各タブが一の前記セルに電気的に接続される、請求項３に記載のバッテリ。
9. 前記複数のタブは前記本体の両側に対称的に連なる、請求項８に記載のバッテリ。
10. 前記複数のタブは前記本体の両側に非対称的に連なる、請求項８に記載のバッテリ。
11. 前記伝導板は前記本体の一側の前記タブから該本体の他側の前記タブに伸びるアーチを有する、請求項９に記載のバッテリ。
12. 前記伝導板は前記本体の一側の前記タブから該本体の他側の前記タブに伸びるアーチを有する、請求項１０に記載のバッテリ。
13. 前記各タブは少なくとも３つの接点に分かれている、請求項１１に記載のバッテリ。
14. 前記各タブ少なくとも３つの接点に分かれている、請求項１２に記載のバッテリ。
15. さらに、前記バッテリはケースおよび該ケースに取り付けられるカバーにより保持され、前記ケースを形成する壁体には、複数の貫通穴が形成されている、請求項１に記載のバッテリ。
16. 前記セルの中心から該セルの縁まで測られた最短距離は０．５〜３．５ｃｍの範囲内にあり、また前記バッテリは４以上のセル列を含み、また各セル列は直列に接続された４以上のセルを含む、請求項１に記載のバッテリ。
17. 前記セルに電気的に接続された前記複数の伝導板の２つは前記バッテリによって発生する電流を導く電流コレクタとして用いられ、前記２つの電流コレクタのそれぞれは、端子が形成されたプラットフォームを有する、請求項３に記載のバッテリ。
18. 前記再充電可能なセルはリチゥムイオンセルである、請求項２に記載のバッテリ。
19. 前記再充電可能なセルはNi-MH（ニッケル水素）電池である、請求項２に記載のバッテリ。
20. 前記再充電可能なセルは燃料電池である、請求項２に記載のバッテリ。
21. 複数のバッテリが相互に電気的に接続されたバッテリ組立体であって、
    前記各バッテリは、複数のセル列であって該各セル列が直列に接続され複数のセルを含むセル列を並列に接続する電流コレクタと、一のセル列におけるセルが他のセル列におけるセルと並列に接続されるように前記セル列間で電気的導通を与える複数の導体とを含む、バッテリ組立体。

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