JP6568604B2 - 第１の端子が第２の端子の内部に配置された電池セル - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項の導入部に記載の、第１の端子が第２の端子の内部に配置された電池セル、特にリチウム電池セル、電池モジュール、電池、電池モジュールを製造する方法、及び電池の利用に関する。

電池セルは、電気化学的なエネルギー貯蔵器であり、その放電時には、蓄えられた化学的エネルギーが、電気化学的な反応によって電気エネルギーに変換される。将来的に、風力発電所等の定置型の適用において、ハイブリッド自動車又は電気自動車として設計された自動車内で、及び、電子機器においても、信頼性、安全性、性能、及び寿命に対する要求が非常に高い新しい電池システムが使用されることは明らかである。その高いエネルギー密度により、特にリチウムイオン電池は、電気で駆動する自動車のためのエネルギー貯蔵器として利用される。

独国特許出願公開第１０２０１２２１５２０５号明細書には、雌ネジが設けられたカバー要素を有するセルバインダが開示されている。セルバインダの雌ネジは、電池セルの雄ネジと結合可能である。

独国特許出願公開第２９０１４２７号明細書は、雌ネジが設けられた蓄電池を開示しており、上記雌ネジへと、雄ネジが設けられた導管を回して入れることが可能である。ハウジングは、第１の雌ネジと同軸上に配置された更なる別の雌ネジを有し、この更なる別の雌ネジは、上記回転可能な導管を電池へと回して入れ又は電池から回して外すために、工具の雄ネジと協働する。

独国特許出願公開第１０２０１２２１８１６２号明細書には、複数のエネルギー貯蔵モジュールを互いに接続するための装置が開示されている。ここでは、雄ネジを有するモジュールを結合するためにそれぞれネジが設けられている。さらに、上記ネジは、ネジ頭部に、雄ネジに対して同心状に配置された雌ネジを有する。

欧州特許出願公開第２６７５０００号明細書は、電池セルのハウジングの同一面から互いに平行に突出した２つの端子を有する電池セルを開示している。ここでは、上記２つの端子がボルト形状に形成され、かつ雄ネジを有しており、当該雄ネジにナットがそれぞれ捻じ込まれる。

本発明に基づいて、独立請求項の特徴的な特徴を備えた、第１の端子及び第２の端子を備える電池セルであって、第１の端子が第２の端子の内部に配置される、上記電池セルと、電池モジュールと、電池と、電池モジュールを製造する方法と、が提供される。

第１の電極と導電的に接続された第１の端子と、第２の電極と導電的に接続された第２の端子と、を備えた本発明に係る電池セルであって、第１の端子が第２の端子の内部に配置された電池セルには、電池セルの周辺環境において上記端子が僅かな空間しか取らないという利点がある。電池セルの第１の端子及び第２の端子が占める空間は、互いに内部に配置していない２つの端子を有する従来の電池セルと比べて明らかに小さい。例えば円筒形電池の場合に通常そうであるような、例えば電池セルの互いに対向する２つの側面に配置された電池セルの端子と比べて、電池セルの上記側面の一方が、例えば電池セルの冷却等の他の機能のために提供される。さらに、本発明に係る電池セルが組み立てられた際に、設置空間が縮小される。なぜならば、端子が電池セルの一方の側面のみから突出しており、例えば対向する側面からは端子が突出していないからである。さらに、本発明に係る複数の電池セルを組み立てる際に、作業工程が少なくなる。なぜならば、組立の際に電池セルを回転させる必要がなく、電池セルは一方の側面のみで接触させられるからである。

本電池セルの更なる別の有利な実施形態が、従属請求項から明らかとなろう。

特に有利な実施形態において、第１の端子と第２の端子とはそれぞれネジを有する。ネジには、ネジ結合を再び解消出来るという利点がある。従って、電池セルが故障した場合には、電池セルを交換することが可能であり、その際に、電池モジュール全体を廃棄処理する必要がない。さらに、ネジ結合の場合には有利に、何度も解消しかつ新たに結合することが可能であるが、このことは例えば溶接結合の場合には可能ではない。ネジ結合を何度も解消しかつ再び新たに結合しても、結合の質は低下しない。さらに有利に、ネジは、温度に対して耐性を有し、ネジの結合過程において構造変化が起こらない。さらに、様々な材料から成るネジ結合が容易に形成される。さらに、ネジ結合の場合有利に、例えば溶接結合と比べて、後に例えば短絡を引き起こしうる問題のある粒子が生じない。

有利な実施形態において、第１の端子のネジは雌ネジであり、第２の端子のネジは雄ネジである。このようにして、第１の端子と第２の端子との間の空間はネジによって画定されておらず、従って、例えば絶縁体を簡単に上記空間に挿入することが可能であり、その際に、絶縁体はネジからは損傷を受けようがない。代替的な実施形態において、第１の端子のネジは雄ネジであり、第２の端子のネジは雌ネジである。その際には有利に、第１の端子の内部の空間がネジによって画定されておらず、従ってそこでは、例えば第１の端子の内部の空間に、脱ガスバルブを挿入することが可能であり、その際に、脱ガスバルブへの損傷の危険性は生じない。

他の有利な実施形態において、第１の端子のネジの回転方向及び勾配と、第２の端子のネジの回転方向及び勾配と、が一致している。これにより、例えば２つの端子が同時にモジュールカバーに捻じ込まれることで、第１の端子と第２の端子とを同時に接触させることが可能であり、従って、電流の検知が行われうる。電池セルの端子の電気的接続が、このように簡単なやり方で実現されうる。さらに、第１の端子と第２の端子とを同時に捻じ込むことによって、時間及び作業工程が短縮される。

有利な実施形態において、第１の端子のネジ起点と、第２の端子のネジ起点と、が一致している。ネジ起点（Ｇｅｗｉｎｄｅａｎｓａｔｚｐｕｎｋｔ）という表現は、ここでは、第１の端子及び第２の端子のネジの、電池セルの外に存在するネジ先が同じ高さで始まっており、かつ互いにずれていないことを意味している。これにより、例えばモジュールカバーへの、２つの端子の捻じ込みが同時に行われることが保証され、結果的に、良好で強固な結合が得られる。さらに、同じ理由から、第１の端子のネジのネジ部長さと、第２の端子のネジのネジ部長さと、が一致している場合には有利である。モジュールカバーに第１の端子及び第２の端子が捻じ込まれると、双方のネジの回転は同じところで止まる。

特に有利な実施形態において、バッテリセルの第１の端子は銅を含み、第２の端子はアルミニウムを含む。第１の端子は第２の端子の内部に配置されているため、アルミニウムよりも少量の銅が必要となり、これにより、コスト面での利点が得られる。なぜならば、銅という材料は、アルミニウムという材料よりも高価だからである。その際に、第２の端子は、例えば正の端子を形成する。その際に有利に、電池セルのハウジングは、例えば簡単なやり方で、外側に存在する第２の端子と導電的に接続可能であり、従って、ハウジングには例えば正の電位が存在し、このことによりハウジングには、腐食に対する耐性が与えられる。代替的に、内部に存在する第１の端子が、電池セルのハウジングと導電的に接続され、従って、電池セルのハウジングには、例えば負の電位が存在する。代替的な実施形態において、第１の端子も、第２の端子も、絶縁材料によって電池セルのハウジングから電気的に絶縁させられ、従って電池セルのハウジングはフローティング状態にある（ｐｏｔｅｎｔｉａｌｆｒｅｉ）。代替的な実施形態において、第１の端子はアルミニウムを含み、第２の端子は銅を含む。アルミニウムには、軽量で安価であり加えて大量に入手可能という利点がある。これに対して銅は、その耐食性が有利であり、特に長い寿命をもたらす。更に、銅は良好に処理され、低温時にも最適に変形されうる。他の特に有利な実施形態において、双方の端子がアルミニウムを含み、その際には先に挙げた利点が得られる。その際には、例えば、アルミニウムから成る少なくとも１つの端子は、金属被覆を有しうる。

有利な実施形態において、第１の端子と第２の端子とは、少なくとも、第１の端子のネジと第２の端子のネジとの間の領域では、空隙によって及び／又は絶縁体によって互いに電気的に絶縁させられている。これにより、電池セルの安全性が明らかに向上する。なぜならば、空隙によって、好適な実現では絶縁体によって、電池セルの短絡の危険性が抑制されるからである。有利に、絶縁体は、プラスチック、特にポリオレフィン、特にポリエチレン又はポリプロピレンを含む。プラスチックによって、場合により発生する機械的な負荷が、第１の端子及び第２の端子のネジによって信頼性高く吸収されうる。ポリオレフィンは、丈夫であると同時に柔軟性を有し、機械的かつ化学的な安定性を有する。これについて、例えばポリエチレンは、高い粘性と、低い吸水率と、低い透湿性と、化学製品に対する高い耐性と、を有し、加えて良好に処理され、かつ安価である。ポリプロピレンは、低い吸水率を有し、化学的に耐性があり、電気的に絶縁し、良好に処理され、かつ安価である。

特に好適な実施形態において、第１の端子及び／又は第２の端子の内部には、脱ガスバルブが配置されている。これにより、電池セルの外面における更なる空間が節約され、この更なる空間は、他の構成要素のために、例えば冷却装置のために提供される。脱ガスバルブは、第１の端子と第２の端子の間に配置されてもよい。

さらに、本発明に係る少なくとも２つの電池セルと、電池セルを捻じ込むための少なくとも２つのモジュールカバーネジを電池セルごとに備える電池モジュールカバーと、を有する電池モジュールが設けられる。電池モジュールカバーが、プラスチックで被覆された導電路を備える場合には、特に有利である。導電路は、プラスチックによって互いに絶縁させられ、従って、モジュールカバーを介した、電池セル間での信頼性が高く確実な電気的接続が保証される。導電路を互いに絶縁させるためにプラスチックを利用することの利点は、例えば金属と比較べてプラスチックが軽量なことである。更に有利に、プラスチックから成る構成要素は、非常に簡単かつ安価に製造して、簡単に再利用することが可能である。さらに、モジュールカバーには、例えば、脱ガスチャネル及び／又はセル監視のための電子部品が組み込まれる。

特に好適な実施形態において、電池セルは円筒形電池セルとして実現される。その際に、組立て時に電池モジュールの内部で円筒形電池セルを互いにぴったりと並置させることは出来ないが、例えば電池セルが故障した場合に、ネジ結合を介して個々の電池セルを個別に外し新たに結合出来ることは有利である。その場合に、モジュール全体を交換する必要は無く、故障している電池セルのみ交換すればよく、これにより、相当な材料コスト及び作業コストが削減される。さらに、複数の電池セルが、例えば、電池セルの長手方向軸に対して特に横方向に互いに固定され、従って、電池モジュールの内部での電池セルの安定的な配置が保証される。上記の固定は、例えば、電池の大きさをした空所が設けられたプレートを用いて行われ、上記空所に通して、複数の電池セルが電池セルの長手方向軸に対して横方向に挿入され、このようにして互いに固定される。従って、上記挿入の作業工程の際には、例えば、電気的接触及び機械的固定が同時に確立される。

電池モジュールを製造する方法であって、各電池セルの第１の端子と第２の端子とが互いに同期して、電池モジュールカバーの各モジュールカバーネジへと捻じ込まれる、上記方法は有利である。電池モジュールカバーに電池セルを捻じ込むことによって、電池セルの第１の端子と第２の端子とが同時に電気的に接触させられ、従って、時間及び作業コストが節約される。加えて、電池セルの組立が非常に容易になる。

本発明に係る電池は、有利に、電気自動車、ハイブリッド自動車、又はプラグイン（Ｐｌｕｇ−Ｉｎ）ハイブリッド自動車で利用される。

本発明の実施形態が図面に示され、以下の図面についての記載において詳細に解説される。
第１の端子が第２の端子の内部に配置された本発明に係る電池セルの上面図を概略的に示す。 図１による本発明に係る電池セルの長手方向軸に沿って切断した縦断面図を概略的に示す。 電池モジュールカバー、及び、図１及び図２による本発明に係る電池セルの断面図を概略的に示す。 本発明に係る電池モジュールの断面図を概略的に示す。

図１は、ハウジング８を備えた本発明に係る電池セル１０の上面図を示している。ハウジング８から、第１の端子１及び第２の端子２が突出しており、その際に、第１の端子１は、第２の端子２の内部に配置されている。第１の端子１は、例えばアルミニウムを含み、第２の端子２は、例えば銅を含む。代替的に、第１の端子１は銅を含み、第２の端子２はアルミニウムを含む。第１の端子１は、絶縁体６によって、第２の端子２から電気的に絶縁されている。絶縁体６は、例えばプラスチックを含み、特にポリオレフィン、特にポリエチレン又はポリプロピレンを含む。代替的に、絶縁体６の代わりに空隙が存在してもよい。第１の端子１の内部には脱ガスバルブ４が配置されている。

図２には、図１に係る電池セル１０の断面図が示されている。電池セル１０は、図示されない第１の電極及び図示されない第２の電極を少なくとも含む電極結合体１４を備える。さらに、電極結合体１４は、例えば、図示されないセパレータを含む。電極結合体１４の第１の電極は、第１の集電体１１と接続されている。第１の集電体１１は、第１の端子１と導電的に接続されている。第１の端子１は、雌ネジとして実現された第１のネジ１ａを有する。代替的に、第１の端子１の第１のネジ１ａは、雄ネジを有してもよい。電極結合体１４の第２の電極は、第２の集電体１２と接続されている。第２の集電体１２は、第２の端子２と導電的に接続されている。第２の端子２は、ここでは雄ネジとして実現された第２の第２のネジ２ａを含む。代替的に、第２の端子２の第２のネジ２ａは、雌ネジを有してもよい。例えば、第１の端子１の第１のネジ１ａの回転方向と、第２の端子２の第１のネジ２ａの回転方向と、は一致しており、かつ、例えば、第１のネジ１ａのネジ起点と、第２のネジ２ａのネジ起点と、も一致している。さらに、例えば、第１の端子１の第１のネジ１ａのネジ部長さは、第２の端子２の第２のネジ２ａのネジ部長さと一致している。第１の端子１と第２の端子２との間には、例えば絶縁体６が配置されている。この絶縁体６は、第１の端子１と第２の端子２との間にのみ存在してもよく、又は代替的に、例えば電極結合体１４と集電体１１、１２との間に存在し及び／又は例えば第１の集電体１１と第２の集電体１２との間に存在する更なる領域を絶縁してもよい。図２では、第１の集電体１１及び第２の集電体１２は、１つの構成要素として示されている。代替的に、第１の集電体１１及び第２の集電体１２は、複数の構成要素で実現されてもよい。

図３には、図１及び図２に係る３つの電池セル１０と、電池モジュールカバー１１７からの一断面と、が示されている。電池モジュールカバー１１７は、例えばプラスチック、金属、合金、又は、フラスチックと金属若しくは合金とで構成される複合材料を含む。電池モジュールカバー１１７は、第１のモジュールカバーネジ１０１ａを含み、この第１のモジュールカバーネジ１０１ａに、第１の端子１の第１のネジ１ａを捻じ込むことが可能である。さらに、バッテリモジュールカバー１１７は、電池セル１０の第１の端子１の電流を検知する第１の導電路１１１と、電池セル１０の第２の端子２の電流を検知する第２の導電路１１２と、を有する。第１の導電路１１１と第２の導電路１１２とは、例えばプラスチックで被覆されている。第１の導電路１１１は、第１のモジュール接触領域１２１に通じており、第２の導電路１１２は、第２のモジュール接触領域１２２に通じている。上記のモジュール接触領域１２１、１２２において、電池モジュールカバー１１７が電気的に接触されうる。図３では、モジュール接触領域１２１、１２２は、バッテリモジュールカバー１１７より突き出ている。代替的に、モジュール接触領域１２１，１２２は、バッテリモジュールカバー１１７の高さで、当該バッテリモジュールカバー１１７と平らに連なっていてもよい。図３では、第１のモジュール接触領域１２１は、脱ガスチャネル１０４をぐるりと取り囲んで配置されており、第２のモジュール接触領域１２２は、空所が設けられずに平面的に実現されている。代替的に、第１のモジュール接触領域１２１も同じように連続して空所無しで実現されてもよい。さらに、第１の導電路１１１及び第２の導電路１１２の案内は、図３では単に例示的に示されており、図とは異なっていてもよい。図３には、２つの第２のモジュール接触領域１２２が示されている。代替的に、第１のモジュール接触領域１２１に対応して、第２のモジュール接触領域１２１が１つだけ存在し、この第２のモジュール接触領域１２２に、全ての第２の導電路１１２が通じている。従って、電池モジュールカバー１１７は、２つのモジュール接触領域１２１、１２２を含む。さらに代替的に、電池モジュールカバー１１７は、複数の第１のモジュール接触領域１２１及び／又は複数の第２のモジュール接触領域１２２を含む。

脱ガスチャネル１０４は、バッテリモジュールカバー１１７の外側へと通じている。電池セル１０の第１の端子１及び第２の端子２が、電池モジュールカバー１１７に捻じ込まれている場合に、電池セル１０の脱ガスバルブ４は、脱ガスチャネル１０４と境を接しており、危険な場合には、ガスが電池セル１０から脱ガスバルブ４を介して脱ガスチャネル１０４へと流れうる。脱ガスチャネル１０４と隣接して、例えば、第１の導電路１１１が通っている。代替的に、脱ガスチャネル１０４は、例えば、第１の導電路１１１によって形成される。

図４には、図３に係る電池モジュールカバー１１７及び図１、図２、及び図３に係る電池セル１０を備えた本発明に係る電池モジュール２００の断面図が示されている。電池セル１０は、電池モジュールカバー１１７に捻じ込まれた状態にある。分かり易いように、図４では、電池セル１０及び電池モジュールカバー１１７の構成要素が全て示されているわけではない。電池セル１０は、電池セル１０の長手方向軸に対して横方向に配置された固定部１５によって互いに固定されている。固定部１５は、電池の大きさをした例えば円形の空所が設けられたプレートによって形成され、複数の電池セル１０が、当該電池セル１０の長手方向軸に対して横方向に、上記空所へと挿入され、従って電池が互いに固定的に結合されうる。さらに、電池モジュールカバー１１７は、上記セルの監視に役立つ図示されない電子機器を備えうる。

Claims (17)

1. 電池セル（１０）であって、第１の電極と導電的に接続された第１の端子（１）と、第２の電極と導電的に接続された第２の端子（２）と、を備える、前記電池セル（１０）において、前記第１の端子（１）が、前記第２の端子（２）の内部に配置されており、
   前記第１の端子（１）は、第１のネジ（１ａ）を備え、前記第２の端子（２）は、第２のネジ（２ａ）を備え、
   前記第１の端子（１）の前記ネジ（１ａ）の回転方向及び勾配と、前記第２の端子（２）の前記ネジ（２ａ）の回転方向及び勾配と、が一致していることを特徴とする、電池セル（１０）。
2. 前記第１の端子（１）の前記ネジ（１ａ）は雌ネジであり、前記第２の端子（２）の前記ネジ（２ａ）は雄ネジであることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル（１０）。
3. 前記第１の端子（１）の前記ネジ（１ａ）のネジ起点と、前記第２の端子（２）の前記ネジ（２ａ）のネジ起点と、が一致しており、及び／又は、前記第１の端子（１）の前記ネジ（１ａ）のネジ部長さと、前記第２の端子（２）の前記ネジ（２ａ）のネジ部長さと、が一致していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電池セル（１０）。
4. 前記第１の端子（１）はアルミニウムを含みかつ前記第２の端子（２）は銅を含み、又は、前記第１の端子（１）は銅を含みかつ前記第２の端子（２）はアルミニウムを含み、又は、前記第１の端子（１）及び前記第２の端子（２）がアルミニウムを含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池セル（１０）。
5. 前記第１の端子（１）と前記第２の端子（２）とは、少なくとも、前記第１の端子（１）の前記ネジ（１ａ）と前記第２の端子（２）の前記ネジ（２ａ）との間の領域では、空隙によって及び／又は絶縁体（６）によって互いに電気的に絶縁させられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池セル（１０）。
6. 前記絶縁体（６）は、プラスチックを含むことを特徴とする、請求項５に記載の電池セル（１０）。
7. 前記絶縁体（６）は、ポリオレフィン、ポリエチレン又はポリプロピレンを含むことを特徴とする、請求項５に記載の電池セル（１０）。
8. 前記第１の端子（１）及び／又は前記第２の端子（２）の内部には、脱ガスバルブ（４）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電池セル（１０）。
9. リチウムイオン電池セルである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電池セル（１０）。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の少なくとも２つの電池セル（１０）と、前記電池セル（１０）を捻じ込むための少なくとも２つのモジュールカバーネジ（１０１ａ、１０２ａ）を電池セル（１０）ごとに備える電池モジュールカバー（１１７）と、を有する電池モジュール（２００）。
11. 前記電池モジュールカバー（１１７）は、プラスチックで被覆された導電路（１１１、１１２）を備えることを特徴とする、請求項１０に記載の電池モジュール（２００）。
12. 前記電池セル（１０）は、当該電池セル（１０）の長手方向軸に対して横方向に配置された固定部（１５）によって互いに固定されていることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の電池モジュール（２００）。
13. 前記電池セル（１０）は、円筒形電池セルであることを特徴とする、請求項１２に記載の電池モジュール（２００）。
14. 前記電池モジュールカバー（１１７）は、脱ガスチャネル（１０４）及び／又はセル監視のための電子部品を備えることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の電池モジュール（２００）。
15. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の電池セル（１０）及び／又は請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の電池モジュール（２００）を備える電池。
16. 請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の電池モジュール（２００）を製造する方法であって、前記第１の端子（１）と前記第２の端子（２）とが互いに同期して、電池モジュールカバー（１１７）の各モジュールカバーネジ（１０１ａ、１０２ａ）へと捻じ込まれることを特徴とする、方法。
17. 電気自動車、ハイブリッド自動車、又はプラグインハイブリッド自動車で利用されることを特徴とする、請求項１５に記載の電池。

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