(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的エネルギー貯蔵装置であって、
電気抵抗性の内側表面、及び外側表面を有する熱伝導性ハウジングと、
前記熱伝導性ハウジング内に配設されて圧縮状態に保持された複数の薄膜電気化学的電池と、
複数の熱伝導体であって、熱伝導体の各々が複数の電気化学的電池の１つのためのプラス又はマイナスの接触子を区画形成し、熱伝導体が電流を電池に出し入れするよう伝導しまた電池と熱伝導体に近接配置された熱伝導性ハウジングの電気抵抗性の内側表面との間で熱エネルギーを伝導する、複数の熱伝導体と、
前記熱伝導性ハウジングの外側表面と熱接触する冷却装置であって、熱移送媒体が該冷却装置の内部に設けられ電池と熱伝導性ハウジングとの間の熱エネルギーの伝導を増強する、冷却装置、
とを具備している電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項２】
電気化学的電池の外部の圧力装置が電気化学的電池を圧縮状態に保持する請求項１に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項３】
複数の電気化学的電池の選択された電池の外部の圧力装置が選択された電気化学的電池を圧縮状態に保持する請求項１に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項４】
電気化学電池の各々が発泡体要素、微細構造のエラストマー要素、又は金属のばね要素のうちの１つを具備し電気化学的電池を圧縮状態に保持する請求項１に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項５】
熱伝導体の各々が一体のばねを具備している請求項１に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項６】
熱伝導体の各々が、実質的にＣ字形、２重Ｃ字形、Ｚ字形、Ｖ字形、Ｌ字形、指形状、又はＯ字形の断面のうちの１つの断面を有するばね機構を具備している請求項１に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項７】
冷却装置が、熱移送媒体が通過する間隙を区画形成するプレート熱交換器を具備している請求項１に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項８】
さらに複数の短絡回路保護装置を具備し、複数の短絡回路保護装置の各々が複数の電気化学的電池の１つに直列に連結され、複数の電気化学的電池の特定の電池に連結された複数の短絡回路保護装置の特定の短絡回路保護装置が、特定の電池に短絡が生じたときに電気容量により発生した電流スパイクによって励起され、前記特定の電池が特定の短絡回路装置の励起時に複数の電気化学的電池の他の電池から電気的に絶縁される請求項１に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項９】
複数の電気化学的電池が、複数の電池の特定の電池の平面の表面が特定の電池に近接配置された電池の平面の表面と熱接触するように配置され、
特定電池と隣接電池の平面の表面がそれぞれ、特定電池に生じた短絡−回路条件によって発生した熱エネルギーが隣接電池に伝導されて特定電池の温度が破壊温度を超えることがないようにするエネルギー含有量対接触表面積の比を有している、
請求項１に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項１０】
電気化学的エネルギー貯蔵装置であって、
熱伝導性の内壁と外壁とを含む保護囲壁と、
前記内壁上に又は前記内壁に近接して配設された電気抵抗性材料と、
保護囲壁内に配設されて圧縮状態に保持された複数の薄膜電気化学的電池と、
複数の熱伝導体であって、複数の熱伝導体の各々が複数の電気化学的電池の１つに取付けられ、熱伝導体が電流を電気化学的電池に出し入れするよう伝導する電流経路を区画形成し、また熱エネルギーを電気化学的電池と保護囲壁の内壁との間で伝導する熱線経路を区画形成する、複数の熱伝導体と、
プラスとマイナスの導管がそれぞれ通過する第１及び第２の孔を区画形成するカバーと、
プラスとマイナスの導管の間とカバーの第１及び第２の孔の各周縁とにそれぞれ配設された密封シール、
とを具備している電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項１１】
熱伝導体が電気化学的電池と内壁との間の相対運動に応じて保護囲壁の内壁との実質的に連続した機械的係合を保持する請求項１０に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項１２】
熱伝導体が電気化学的電池と内壁との間の離間距離の変動に適応するよう膨張し収縮する請求項１０に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項１３】
熱伝導体がそれぞれ、実質的にＣ字形、２重Ｃ字形、Ｚ字形、Ｖ字形、Ｌ字形、指形状又はＯ字形の断面のうちの１つの断面を有するばね機構を具備している請求項１０に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項１４】
電気化学的電池を圧縮状態に保持する電気化学的電池に対する内部圧力装置又は外部圧力装置の一方をさらに具備している請求項１０に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項１５】
複数の電気化学的電池の選択された電池が発泡体要素又は金属ばね要素の一方を具備し選択された電気化学的電池を圧縮状態に保持する請求項１０に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項１６】
電気化学的電池を包囲する弾性帯をさらに具備し、弾性帯電が電気化学的電池を圧縮状態に保持するための波形ばね又は弾性材料の一方を含んでいる請求項１０に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項１７】
複数の短絡−回路保護装置をさらに具備し、複数の短絡−回路保護装置の各々が複数の電気化学的電池の１つと直列に連結され、複数の電気化学的電池の特定の電池に連結された複数の短絡−回路保護装置の特定の短絡−回路保護が特定の電池に短絡が形成されたときに容量により生じた電流スパイクによって励起され、特定の電池が特定の短絡−回路装置の励起時に複数の電気化学的電池の他の電池から電気的に絶縁される請求項１０に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項１８】
複数の電気化学的電池が、複数の電池の特定の電池の平面の表面が特定の電池に近接配置された電池の平面の表面と熱接触するように配置され、
特定の電池と隣接電池の平面の表面がそれぞれ、特定の電池に生じた短絡−回路条件によって発生された熱エネルギーが隣接電池に伝導されて特定の電池の温度が破壊温度を超えることがないようにするようなエネルギー含有量対接触表面積の比を有している、
請求項１０に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項１９】
保護囲壁の外壁と熱接触する冷却装置をさらに具備し、熱移送媒体が冷却装置の内部に設けられ電気化学的電池と内壁との間の熱エネルギーの伝導を増強する請求項１０に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項２０】
冷却装置が熱移送媒体が通過する間隙を区画形成するプレート熱交換器を具備している請求項１９に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項２１】
熱伝導体の各々が各電気化学的電池の縁に沿って設けられた金属被覆層にスポット溶接され、金属被覆層が各電池のプラス又はマイナスの接触子を区画形成し、電流が金属被覆層に沿って横方向に伝導される請求項１に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項２２】
電気化学的電池が積層構造に配置されまた直列又は並列関係に選択して相互接続されている請求項１に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項２３】
電気化学的電池との選択した伝導性を提供する接続パターンからなる電気伝導性の表面を含む相互接続基板をさらに具備している請求項１に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項２４】
相互接続基板、電気化学的電池、及び熱伝導体がエネルギー貯蔵装置の密封状にシールされた囲壁の中に配設されている請求項２３に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項２５】
電気抵抗性の内側表面が電気絶縁表面を具備している請求項１に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項２６】
熱交換器が熱伝導性ハウジングの外側表面にろう付けされている請求項７に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項２７】
熱伝導体の各々が各電気化学的電池の縁に沿って設けられた金属被覆層にスポット溶接され、電流が金属被覆層に沿って横方向に伝導される請求項１０に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項２８】
電気化学的電池が積層構造で配置されまた直列又は並列関係に相互接続されている請求項１０に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項２９】
囲壁の中に配設されカバーの第１及び第２の孔を通過する第１及び第２の端子に連結された相互接続基板をさらに具備し、相互接続基板が電気化学的電池との選択した伝導性を提供する接続パターンからなる電気伝導性表面を含んでいる請求項１０に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項３０】
内壁上に又は近接して配設された電気抵抗性材料が電気絶縁性材料を具備している請求項１０に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項３１】
短絡−回路保護装置、電気化学的電池、及び熱伝導体がカバーとで密封状のシールを形成する囲壁に配設されている請求項１７に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【請求項３２】
電気抵抗性内側表面が陽極化された金属材料を具備している請求項１に記載の電気化学的エネルギー貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は広くはエネルギー貯蔵装置に関し、さらに詳細には高エネルギーのエネルギー貯蔵装置において発生された熱エネルギーを管理する装置と方法に関する。
【０００２】
発明の背景
新しいかつ改良された電子及び電気機械的な装置に対する要求は低容量で高エネルギーを発生することができるバッテリ技術を開発するためエネルギー貯蔵装置の製造に力点が置かれてきた。例えば酸化鉛を用いるバッテリのような従来のバッテリ装置は高電力や低重量の用途に用いるには適さないことが多い。他の公知のバッテリ技術は消費製品に適用するにはあまりにも不安定又は危険であると考えられる。
【０００３】
金属水素化物（例えばＮｉ−ＭＨ）、リチウム−イオン、及びリチウムポリマー電池技術のような多くの進歩したバッテリ技術が開発され、多くの商業上及び消費者の用途に対するエネルギー生産と安全限界との要求に応えているように思われる。しかしこのような進歩したバッテリ技術はしばしば進歩したエネルギー貯蔵装置の製造に対する問題を生じるという特徴を呈している。
【０００４】
例えば、このような進歩した電力発生装置は典型的には、もし適当に分散させなかったならば熱の流出状態を生じついには電池の破壊を生じるような大量の熱を発生し、またこの電力発生装置は電池により電力が供給されるものである。進歩したバッテリ電池の熱的特性はしたがって商業用及び消費者用器具及び装置に用いるに適したバッテリ装置を設計する時に理解されまた適切に考慮されるようにしなければならない。この電池の外部の熱移送機構を設ける従来の方法は、例えば、熱を電池の内側部分から効率的に消失させるには不適当である。このような従来の方法はまたある用途においてはあまりにも高価であり又は大きなものである。短絡回路と熱流出状態から生じる結果の重大性は進歩した高エネルギー電気化学的電池が複雑である時に著しく増大する。
【０００５】
進歩した電池技術の他の特徴は進歩したエネルギー貯蔵装置の設計者に対して余分の問題を提供する。例えば、一定の進歩した電池構造は電池の充電状態の変動の結果として容積の周期的な変化を生じる。このような電池の全容積は充電及び放電サイクルの間５から６パーセント又はそれ以上の大きさにわたって変動する。このような電池の物理的な大きさの反覆する変化は機械的なハウジングの設計と熱管理方法とを著しく複雑にする。進歩したバッテリ電池の電気化学的、熱的及び機械的特性はしたがって、商業用及び消費者用の器具と装置に用いるに適したエネルギー貯蔵装置を設計する時に理解されかつ適切に考慮されなければならない。
【０００６】
高エネルギーの出力を呈する電力発生装置と広範囲の用途に安全で信頼性をもって用いることのできる電力発生装置とがバッテリ製造産業において必要となる。さらにエネルギー貯蔵電池を短絡回路状態から生じる熱流出から保護する効率的な熱管理方法の必要性が存在する。本発明はこれらのまたその他の必要性を満足させるものである。
【０００７】
発明の概要
本発明は改良された電気化学的エネルギー貯蔵装置に向けられるものである。この電気化学的エネルギー貯蔵装置は内側又は外側の圧力装置の使用を介して圧縮状態に保持される多数の薄膜電気化学的電池を含んでいる。各電気化学的電池のプラス又はマイナス接触子の少なくとも１つに接続された熱伝導体が電流を電気化学的電池に出入するよう伝導しまた熱エネルギーを電気化学的電池と伝導体に近接する壁構造に配設された熱伝導性材料との間で伝導する。この壁構造な陽極化された被膜又は薄膜のプラスチックのような電気抵抗性材料を含んでいる。熱伝導体は、電気化学的電池と壁構造との間に相対運動があるとき電気化学的電池と熱伝導材料との間に機械的接触を保持するよう膨張し収縮するばね機構を含むように製造される。活動的な冷却装置が電気化学的電池を収容する密封状にシールされたハウジングの外部で用いられ、電気化学的電池に出入する熱エネルギーの移送を増強させるようにする。集積相互接続基板が、多数の電気及び電子機械的構成要素が取付けられるハウジングの内部に配設される。これら構成要素によって発生された熱は相互接続基板から熱伝導体を用いてハウジングに伝導される。
【０００８】
実施態様の詳細な記載
再充電可能な高エネルギー電気化学的電池を用いる電力発生源の１つの実施態様によれば、エネルギー貯蔵装置は図１に示される型の多数の固体薄膜電池を含んでいる。このような再充電可能な薄膜電気化学的電池は例えば電気駆動自動車に用いられる電気化学的電池のような高電流、高電圧エネルギー貯蔵モジュール及びバッテリを構成するのに用いるのに特に良く適合している。
【０００９】
この電気化学的電池２０は薄膜の固体電解物質２６が陽極を構成するフィルム２４と陰極を構成するフィルム２８との間に配設されている平坦な巻かれた角柱形状を有するものとして示されている。中央の陰極電流集電器フィルム３０が陰極フィルム２８の各々の間に配設される。陽極フィルム２４は陰極電流集電器３０に対して横方向に偏倚しそれにより陽極２４を電池２０の第１の縁２５に沿って露出しまた陰極電流集電器３０を電池２０の第２の縁２３に沿って露出するようにする。図１に示される実施態様は、薄膜電気化学的電池２０がその周りに巻かれる発泡体又は金属ばね要素のような芯要素２２を含んでいる。
【００１０】
図２Ａ〜２Ｃには、再充電可能なエネルギー貯蔵装置の製造に用いられる薄膜電気化学的電池の種々の実施態様が示されている。図２Ａに示されるように、薄膜電気化学的電池が“ゼリーロール”形状に包装され、電池の第１の縁４２がプラス接触子４３を形成し第２の縁４４がマイナス接触子４５を形成するほぼ円形の電池構造を形成する。プラスおよびマイナスの接触子４３，４５は典型的には公知の金属溶射技術の使用によって形成される。
【００１１】
図２Ｂと２Ｃは薄膜再充電可能電気化学的電池のための他の包装形状を示す。図２Ｂに示される扁平ロール形状又は図２Ｃに示される扁平積層形状は比較的小さい包装形状の内部に比較的大きな薄膜電池表面積の集合体を提供する。このような幾何学形状は電圧損失を最小にしまた電気エネルギーを多層電池構造に出入させるのに効率的な移送ができるようにする。
【００１２】
１つの実施態様にしたがい図１を参照すると、電気化学的電池２０は、イオン移送膜リチウム金属の陽極２４、及び酸化バナジウムの陰極２８を構成する固体のポリマー電解物質２６を含んでいる。これらの薄膜要素はポリプロピレンフィルムのような絶縁フィルムを含むことができる薄膜積層角柱構造を形成するよう製造される。公知のスパッタリング金属被覆方法が用いられ陽極２４及び陰極２８のフィルムの縁２５，２３にそれぞれ沿って電流集電接触子を形成する。金属溶射の接触子は陽極及び陰極フィルムの縁２５，２３の長さ方向に沿って優れた電流の集電を提供し、また良好な電気／機械的接触と熱移送特性を呈することが認められる。
【００１３】
図１に示される電池は、２つの陰極フィルム２８の各々の間に配設され２面電池構造を形成する中央の陰極電流集電器３０を含んでいる。単一面電池構造がこれに代えて用いられ、単一の陰極集電器３０が単一陽極／陰極要素の組合せと結合される。この構造では、絶縁フィルムが典型的には個々の陽極／電解物質／陰極／集電器要素の組合せの間に配設される。
【００１４】
一般に、固体薄膜電気化学的電池を構成する活動的な材料は典型的な作動温度を十分に超えた温度で化学的及び機械的な完全性を保持する。例えば１８０℃までの温度が許容される。これらの図に示された構造以外の種々の電気化学的電池構造が特定の用途の電気的、機械的及び熱的要求を満足するのに適していることが理解されるべきである。これらの図に概略示されている電気化学的電池の種々の実施態様は米国特許第５，４２３，１１０号、第５，４１５，９５４号、及び第４，８９７，９１７号に開示されている技術的方法により製造することができる。
【００１５】
図３Ａと４に関し、角柱状の電気化学的電池７０の実施態様が示され、陽極接触子７２と陰極接触子７４がそれぞれ電池７０の対向縁に沿って形成される。図４に示される電気化学的電池７０はそれぞれが共通の陽極及び陰極接触子７２，７４で終端する横方向に偏倚した陽極及び陰極のフィルム層７３，７５を示している。銅溶射技術が典型的には用いられ陽極及び陰極接触子７２，７４を形成する。
【００１６】
充電及び放電サイクルの間、電気エネルギーが好ましくは陽極及び陰極フィルム７３，７５の表面に沿ってまた陽極及び陰極接触子７２，７４を通って伝導される。電気放電の間、電池７０の活動部分７６が好ましくは陽極及び陰極フィルム表面に沿って伝導される相当量の熱エネルギーを発生し、したがって電池７０によって発生された電気エネルギーの伝導経路と同じ伝導経路を共有する。このように、延長された陽極及び陰極フィルム層７３，７５の縁部分にそれぞれ配設された接触子７２，７４は電池７０との電気的伝導と熱的伝導とを形成する場所を提供する。
【００１７】
図３Ａ〜４に示される電気化学的電池は、約１３５mmの長さＬと、約１４９mmの高さＨと、約５．４mmの幅Ｗec又は発泡体の芯要素２２を含む時の約５．８６mmの幅Ｗecとを有するように製造される。陰極接触子７４と陽極接触子７２の幅Ｗc はそれぞれ、約３．９mmである。これらの寸法を有する電池は典型的には、約３６．５Whの名目エネルギー定格、８０パーセント深さの放電（ＤＯＤ）で８７．０Ｗのピーク電力定格、１４．４Ahの電池容量、及び完全充電時で３．１ボルトの名目電圧定格を有している。図５のグラフは上記の寸法と構造を有する典型的な角柱状薄膜電池の電圧と容量との間の関係を示している。
【００１８】
以下の表１に、種々の熱的特性が、約６０℃の温度に保持されかつ図３〜４に示される構造と同じ構造を有する電気化学的電池に対して提供されている。
【００１９】
【表１】
0004593772.tif 000002
【００２０】
熱伝導性の値の一覧表は好ましい熱伝導経路がフィルム材料を軸方向に通過するのではなく電池のフィルム層の表面に沿って横方向であることを示している。
【００２１】
当業者は、図６に示されるように、電気導線７７を陽極及び陰極接触子７２，７４に取付ける従来の方法では熱を電池７０に出入するよう効率的に伝導するには不適当な構造となることを理解するであろう。この比較的長い伝導経路は同様に電池７０と外部の接続部との間に電流を伝導する目的には満足できるものであるが、この構造は大きな量の熱エネルギーを電池７０の中に又は外に伝導して電池７０の信頼性があり安全な作用を保証することはできない。
【００２２】
図３Ｂに示される角柱状の電気化学的電池５０の実施態様では、本発明の１つの実施態様の熱伝導体５２が有利には電池と保護囲壁の熱伝導性の壁のような近接配置の吸熱／源との間に熱の効率的な移送をもたらす。熱伝導体５２は陽極及び陰極接触子５６，５５の各々にそれぞれスポット溶接され又は取付けられる。熱伝導体５２は典型的には陽極接触子５６と陰極接触子５５の長さ方向に沿って配設され、また典型的には電流を電気化学的電池５０に出入するよう伝導するための電気接続導線５４を含み、電流は集電されそして好ましくは陽極及び陰極接触子５６，５５に沿って伝導される。
【００２３】
図３Ｃに示される熱伝導体６３の実施態様は溶射された金属の陽極又は陰極接触子６１の長さ方向に沿って延びる銅のタブ５３を含んでいる。この銅タブ５３は熱が通過して電池５０と金属のハウジングの壁のような近接配置の吸熱器との間で移送される弾性部材５９を含んでいる。銅タブ５３は溶射金属接触子６１に多数の溶接位置５１でスポット溶接される。可撓性の電気導線５７が銅タブ５３の端部に超音波溶接される。電流は主として電池５０の溶射金属接触子６１に沿って伝導されまた可撓電気導線５７を介して外部の接続部に伝達される。
【００２４】
図３Ｄに示されるように、熱伝導体９３が熱エネルギーを電気化学的電池と電池に近接配置された熱伝導性で電気抵抗性の材料又は要素との間で移送するための熱線経路を提供する。ここに記載された熱伝導性電気抵抗性の材料、要素又は構造とは、十分な量の熱を伝導通過させしかも電流を電気化学的電池に出入するよう伝導するため与えられた電流経路の電流の流れに対し電気抵抗性のある表面被膜／処理の又は別体の材料について言うものであることが理解されるべきである。
【００２５】
例えば陽極化された被膜が、十分な量の熱エネルギーを伝導通過させしかも電池の陽極及び陰極接触子又は熱伝導体に対する電流に対し十分に抵抗性のある厚さを有している。他の実例によれば、熱伝導性発泡体要素が用いられ、その内部に充満された熱伝導性粒子の密度が熱伝導特性と電気伝導特性との間に所望の平衡が得られるよう選択される。
【００２６】
図３Ｄの多重電池の実施態様においてさらに示されるように、熱伝導体９３はまた近接して近くに置かれた電池の間で熱を移送するため熱線経路を提供する。例えば電池積層体の内部の１つの電池８３に短絡が生じたならば、この短絡回路の電池８３によって発生した過剰の熱Ｑgen が熱伝導性、電気抵抗性の材料８７を通り熱伝導体９３を介して隣接する電池８２と隣接しない近くに置かれた電池８１とに伝導される。過剰の熱Ｑgen はさらに短絡回路電池８３と物理的接触する隣接電池８２に伝導される。熱伝導性プレート８５が電池積層体の端部に位置する電池８４のための吸熱器として作用する。
【００２７】
さらに、熱伝導体９３はばね状特性を呈するように作られ、電池と電池に近接配置された金属の平面の表面８７のような構造との間に、電池とこの近接構造８７との間の相対運動に応じて、実質的に連続した接触をもたらすようにしている。管状エラストマー要素のような別個のばね要素９９が熱伝導体９３の内部に保持され熱伝導体９３のばね特性を向上させるようにする。本発明の熱伝導体を用いることにより実現される他の特徴と利点は以下にさらに詳細に記載される。
【００２８】
薄膜電気化学的電池の熱及び電気的条件を適切に管理する問題は、電池の積層体又は束を形成する時のような、多数の電池が相互に極めて近接して位置している時にさらに複雑となる。特別の問題となる１つの故障機構は電池の内部に低い抵抗の電流経路又は短絡を形成するようになる。この電池は典型的には短絡回路状態から生じる高い比率のエネルギー放出の結果大量の熱を発生する。このような短絡回路の問題は固体薄膜電気化学的電池のような高エネルギー電力源と共に用いる効率的な熱管理装置を開発する時に十分に検討されなければならない。
【００２９】
図７〜８図は相互に熱的な接触をしている薄膜電気化学的電池の積重体の電池温度についての短絡回路状態の影響を示している。図７に示されるグラフは以下に記載される型の活動的冷却装置のような外部の熱管理装置が独特の現場での熱管理装置と組合わせて用いられず電池積層体を構成する電池から熱を移送するのを容易にしている時の隣接短絡回路電池の数の関数としての電池積層体における最高温度の間の関係を示す。５つの充電（ＳＯＣ）レベルに対応するデータの５つのプロットが描かれている。
【００３０】
図８は、さらにより詳細に後述されるように、外部熱管理装置が電池積層体の内部に設けられた現場の熱管理装置と共に用いられる点を除き、データの同様のプロットを提供する。１８０℃で与えられた実線はリチウムの溶融温度を表わし、また１３０℃が防禦又は安全の限界と考えられることが分かる。１３０℃の限界は、特定のエネルギー貯蔵装置が電池の破壊温度とは異なる最高温度以下で作動するように設計されることを示すために提供されることが理解される。
【００３１】
図７〜８にグラフ形式で示されるデータは電池積層体の温度における短絡回路条件の大きな衝撃を示している。図７でプロットされたデータは、外部の活動的な冷却装置がないときには１個の短絡回路電池だけが危険温度（例えばリチウムの溶融温度）を超える欠陥電池なしで電池積層体の内部で許容されることを示している。図８に示されるデータは、２つの短絡回路電池だけが積層体の完全性を危うくすることなくモジュールの中で許容されること、また１つの短絡回路電池だけが外部の熱管理装置があるにもかかわらず１３０℃の安全限度を超えることなく許容されることを示している。当業者は、密接して位置する電池の積層体内部での過度の温度条件の悪影響を最小にするためには薄膜電気化学的電池から熱エネルギーを効果的に移送するのが重要であることを直ちに理解するであろう。
【００３２】
図９には積層構造で配置された多数の電気化学的電池が示されている。特定の電池１１２が１つの短絡回路を保持しているように描かれている。電池１１２はこの短絡回路から生じた大量のエネルギーの放出のため熱を発生する。この一次元（Ｘ−軸）の熱伝導モデルによれば、電池１１２の短絡回路によって生じた熱エネルギーはその一部が電池１１２を通って電池１１２の外側表面１１５，１１７に伝導される。隣接電池１１０の短絡回路電池１１２に密接する部分が電池１１２の外表面１１５，１１７に伝導された熱エネルギーを隣接する電池１１０の中へと消散させる。
【００３３】
同様に、電池１１２の外表面１１７と熱接触している外表面１１３を有する隣接電池１１４が電池１１２によって発生された熱を熱接触の接触面を介して伝導する。この図示の例では、隣接電池１１０，１１４が電池１１２の外表面１１５，１１７と親密な熱接触をする外表面１１１，１１３を含んでいる。発泡体もしくは金属の平坦なばね要素又は熱伝導性材料のような挿入要素が隣接電池の間に配置されるのが理解される。図９には示されていないが、短絡回路電池１１２によって生じた熱がＹ及びＺの方向にも伝導されそして特に隣接し近くにある電池に図３Ｄに示されるように熱伝導体と熱伝導性で電気抵抗性の材料とを介して伝導されることが理解される。
【００３４】
電池１１２に短絡回路が生じた直ぐ後に、発生した熱の約５０％がＸ方向に隣接電池１１０，１１４へと消散され、一方残りの５０％が熱伝導体と熱伝導性電気抵抗性材料とを介して消散されると考えられる。時間が経過するにつれて、不つり合いに大きい量の過剰熱が熱伝導経路を介して消散される。電池積層体の端部電池は端部電池８４と親密な接触をする図３Ｄに示される金属プレート８５のような近接配置された吸熱器の存在を必要とすることが認められる。
【００３５】
当業者はエネルギーが短絡回路１１２の内部で増加し短絡回路の発生によって生じたエネルギーが隣接電池１１０，１１４へと消散される量はフーリエの熱伝導法則を用いて特徴づけできることを理解するであろう。短絡回路電池１１２から発生した熱が隣接電池１１０，１１４に伝導される工程を記載するには、一般化された一次元熱伝導の解析の短い解説が有用である。以下の記載は、例示の目的のみで与えられまた三次元の過度的熱移送の考察を無視することが理解される。
【００３６】
図９に示されるエネルギー貯蔵装置では、熱が短絡回路電池１１２で発生する量が、厚さｄｘを有する電池１１２の部分で単位時間当りの発生した熱を表わすＱgen として示されている。位置ｘ＝ｘ0 で容積要素１１８に伝導される熱はパラメータＱx で与えられる。位置ｘ＝ｘ＋ｄｘで容積要素１１８から外に伝導される熱はパラメータＱx+dxで与えられる。この単純化した記載において、この量Ｑgen は、パラメータｑで表わされる単位時間当り単容積当りの熱発生量と要素１１８の容積とに依存する容量要素１１８全体に発生した熱エネルギーを表わす。得られるエネルギー平衡式は
【００３７】
【数１】
0004593772.tif 000003
【００３８】
【数２】
0004593772.tif 000004
【００３９】
によって与えられ、
【００４０】
【外１】
0004593772.tif 000005
【００４１】
当業者は短絡回路の発生による図９に示すエネルギー貯蔵装置内部の温度上昇は電池の熱的特徴とエネルギー発生能力とを理解することにより適当に管理できることを理解するであろう。本発明の原理による現場の熱管理装置は短絡回路の発生から生じる過剰熱エネルギーを強制冷却装置又は強制対流装置のような外部の活動的熱管理装置を必要としないで効率的に消散するために用いられる。ここに記載された現場の熱管理方法は、エネルギー貯蔵管理に用いられる特定型の電池の熱容量と熱消散特性とを特徴づけまた電池のエネルギー容量を制限することにより、実施される。電池と熱伝導性ハウジングとの間の熱の移送を容易にするのに用いられる熱伝導体の特徴はまた現場の熱管理方法を実施する時に決定されなければならない。
【００４２】
多重電池エネルギー貯蔵装置の設計に影響を与える重要な考慮すべき事柄は、特定の電池技術の材料が破壊し又は劣化しそれにより電池全体の性能が著しく低下するようになる温度に関することである。例を挙げると、図１に示される型の構造を有する電池はリチウムの溶融点を表わす約１８０℃の破壊温度を有する。本発明の原理により実施される現場の熱管理装置の使用は電池の温度が短絡回路条件のもとでも破壊温度に達するのを防止し又は必要ならば破壊温度より低い安全温度に達するのを防止する。
【００４３】
特定の電池の熱消失特徴は、電池技術、寸法、及び熱的−電気的特性を含む多数の因子に依存している。これら公知の因子を考慮して、電池の熱消散特徴は変えられまた最適化される。電池１１２における熱消散は大部分が隣接電池１１０，１１４の接触表面に対する熱接触表面積に依存するので、電池温度を破壊又は安全温度より低く保持するのに必要な単位接触表面積当りの最大エネルギー容量が決定される。
【００４４】
例を挙げると図１０Ａを参照して、図１に示される構造を有する与えられた技術の電池の短絡回路条件のもとでの最高温度と、電池の標準化されたエネルギー容量と接触表面積との比との、間の関係がグラフ形式で示されている。図１０Ａのグラフは特定の化学的性質を有しまた特定の幾何学形状及び熱−電気特性を有している電池を特徴づけていることが理解されるべきである。同様のグラフが図１０Ａに特徴づけられている電池の特徴とは異なる特徴を有する異なった技術の電池のために明示される。例えば図１０Ｂは、図１０Ａに特徴づけられた電池と同様の構造を有しているが異なった酸化陰極を有している電池についてのエネルギー容量と最高電池温度との間の関係を示している。
【００４５】
図１０Ａに示されるグラフを用いて、電池のエネルギー容量と電池の物理的寸法とが選択されそれによりエネルギー容量と電池表面積との比が、短絡回路条件のもとでも最高電池温度を破壊又は完全温度より低く保持するような範囲に保持されるようにする。適当な熱伝導体が設けられた薄膜リチウムポリマー電池に関する約０．００５０Wh／cm2 より低いエネルギー容量と接触表面積との比は、電池の短絡回路から生じる最悪の場合の温度が電池内部でリチウム要素の溶融点（すなわち１８０℃）を超えないのを保証する。
【００４６】
最高短絡回路電池温度が１３０℃のような安全温度を超えないのを保証するよう電池を設計することが求められた場合は、電池のエネルギー容量と接触表面積は図１０Ａのグラフを用いて適当に選択される。現場熱管理の設計手法は変動する構造を有するエネルギー貯蔵電池のために用いられることが理解される。例えば、長さ（Ｌ）、高さ（Ｈ）、幅（Ｗ）又は半径（ｒ）が与えられた用途にとって必要なように変えられ、エネルギー容量対接触表面積の比が最悪の場合の電池温度が電池破壊温度を超えないようにする範囲に保持されるという制約があるようにする。
【００４７】
多数の密接して配置された電気化学的電池を包含する熱的に安定したエネルギー貯蔵モジュール及び装置の適正な設計と製造を容易にするためには、最悪の場合の条件（すなわち短絡回路）のもとで電池により達成可能な最高温度を、電池のエネルギー容量対電池容量の比、電池の伝導性、熱コンダクタンス、及び電池の厚さを含むいくつかの変数の関数として表わすのが有用である。次の式は電池が図１４〜１５に示されているようなエネルギー貯蔵モジュールに包装された時の与えられた技術の短絡回路電池の最高温度（Ｔmax ）を特徴づけている。以下の式は６０℃の初期作動温度の多重電池モジュールの数値的シミュレーションを用いて作成されていることが分かる。さらにこれらの式は図１０Ｂに関連する技術と同様な電池技術に基づいて作成されたことが認められる。次の式を用いて、短絡回路電池によって発生した過剰の熱を安全に消散するのに必要な熱伝導体のコンダクタンスを計算することができる。
【００４８】
次の式〔３〕は発泡体芯要素を含んでいない薄膜電気化学的電池の最高電池温度を種々の作動パラメータの関数として数学的に特徴づけている。式〔３〕に特徴づけられている電池の寸法は０．１３５ｍ×０．１４９ｍ×０．０５４ｍとして与えられる。電池の最高電池温度は
【００４９】
【数３】
0004593772.tif 000006
【００５０】
で与えられ、
ここで、Ｔmax はモジュールの短絡回路電池によって達した最高温度（℃）を表わし、Ｐcellは電池の密度（kg／ｍ3 ）を表わし、Ｃpcell は電池の熱容量（Ｊ／kgK ）を表わし、Ｑは単位容積当りの１つの電池のエネルギー容量（Wh／ｍ3 ）を表わし、Ｋcellは電池対電池の軸方向の電池の伝導性（Ｗ／mk）を表わし、Ａは電池対電池の軸方向の電池の厚さ（mm）を表わし、そしてＫ／Ｌは熱伝導体のコンダクタンス（Ｗ／m2k ）を表わす。
【００５１】
上記の式〔３〕を用い、与えられた電池の化学的性質と構造に関する電池のエネルギー容量の関数としての短絡回路電池の最高温度の間の関係が作成される。電池の厚さの関数としての最高電池温度の間の関係もまた作成される。例を挙げると図１０Ｂ〜１０Ｃを参照して、エネルギー容量と電池の厚さのそれぞれの関数としての最高電池温度の間の関係が示されている。図１０Ｂ〜１０Ｃに反映されたデータは次の変数が一定に保持されて、すなわちＫcell＝０．４Ｗ／mk，Ｋ／Ｌ＝４００Ｗ／m2k ，Ｐcell・Ｃpcell ＝１２１８・１４３５Ｊ／m3k で、得られた。
【００５２】
図１０Ｂから、上記の特徴づけられた型の薄膜電気化学的電池が約３８Wh以下に制限されたエネルギー容量を有し電池の最高温度がリチウムの溶融温度（すなわち１８０℃）のような破壊温度を超えないのを保証するようにすべきであることがわかる。電池技術に相違のある図１０Ａと１０Ｃに示される最高電池温度とエネルギー容量との直線関係が認められるのは興味深いことである。図１０Ｃから電池の最高温度が１８０℃の破壊温度を超えないのを保証するためには電池の厚さは約８．５mmを超えてはならないことが分かる。
【００５３】
次の式〔４〕は、電池のうちのあるものが約２mmに圧縮された発泡体の芯要素を含んでいる式〔３〕に関するものと同じ電池技術のエネルギー貯蔵モジュールの最高電池温度を特徴づけている。さらに詳細には、式〔４〕は圧縮された発泡体芯要素が２つの電気化学的電池のそれぞれに設けられているモジュール設計に関する最高電池温度を特徴づけている。この場合、このモジュール構造の最高電池温度は
【００５４】
【数４】
0004593772.tif 000007
【００５５】
によって与えられる。
式〔３〕と〔４〕が定数（すなわち、式〔３〕では定数１／１．１及び１／１．２）によってのみ相違することが認められるのは興味深い。
【００５６】
式〔５〕は上記式〔４〕に関連する要素よりは薄い発泡体芯要素を組み込んだ式〔３〕〜〔４〕に関するものと同じ技術の電池を有するモジュールの最高電池温度を特徴づけている。さらに詳細には、次の式〔５〕は約１／３２インチの厚さを有する発泡体芯要素が電池積層体の２つの電池のそれぞれに設けられると仮定している。この発泡体芯要素はポロンＳ２０００から製造される。この構造を有するモジュールの最高電池温度は
【００５７】
【数５】
0004593772.tif 000008
【００５８】
によって与えられる。項Ｐcell・Ｃpcell は式〔３〕〜〔５〕を短絡回路発生の間に達した最高電池温度Ｔmax における電池内部の構成要素の熱容量の効力を定量化するのに用いることができるようにする。これらの式はしたがって、異なった技術のエネルギー貯蔵電池の同様の状態のもとでの最高電池温度を特徴づけるのに用いられる。
【００５９】
これらの式はまた電池の設計と構造の変更と改良の効果を特徴づけるのに使用される。式〔３〕〜〔５〕を作成するのに用いられた数値的シミュレーションは、約３０から４０Whに変わるエネルギー容量、約５．４と７．８mmに変わる電池の厚さ、及び約２００と６００Ｗ／m2k の間で変わる、コンダクタンス値Ｋ／Ｌを有する熱伝導体を利用する電池を有している電気化学的電池の研究に向けられたものであることが分かる。
【００６０】
図３Ｄと９に関する上記の現場熱管理手法は一般に一群の電池のうちの単一の電池に生じる短絡回路温度の上昇を管理するのに適用することができる。多数の並列接続の電池が積層体又は束に構成される用途においては増強された現場の短絡回路保護装置が設けられ電池積層体の内部に熱の逃げるのを阻止しまた電池に短絡回路が生じたとき特定の電池を並列接続から絶縁する。
【００６１】
図１１に示すエネルギー貯蔵装置の実施態様では、エネルギー貯蔵装置１２０はそれぞれが共通のプラスとマイナスの端子１２４，１２５に並列に接続された８個のエネルギー貯蔵電池を含んでいる。電池ＥＣＩは短絡回路として示されている。この配置構造について図７を参照すると、８個の電池の積層体の内部で１つの短絡回路電池だけが上記の現場熱管理技術を用いて電池材料の破壊温度を超えないよう管理されることが分かる。現場短絡回路保護装置がエネルギー貯蔵装置に組込まれ多数の短絡回路電池が生じないようにする。
【００６２】
本発明の１つの実施態様によれば、図１１に示されるように、フューズ１２３が多重電池エネルギー貯蔵装置１２０の内部で各電池１２２と直列に接続される。短絡回路が並列接続の電池１２２のうちのいずれかに生じた場合はこの欠陥電池のフューズ１２３がとんで短絡回路の電池１２２を並列接続から電気的に絶縁する。電池１２２の短絡回路の形成の間とフューズ１２３の切れた後に発生した熱は欠陥電池１２２に隣接する電池に上記したように伝導される。このようにして、最悪の場合の条件のもとで電池によって到達可能な最高温度が電池の破壊温度よりも低くなる。さらに詳細には、図７のデータは電池積層体の内部の短絡回路電池の温度が現場短絡回路保護装置が使用された時ほぼ１３０℃の安全温度を超えないことを立証している。
【００６３】
さて図１２を参照すると、薄膜電気化学的電池に短絡回路が生じたときの電池電流への影響を特徴づけるグラフが示されている。図１に示される型の薄膜電池は他の型の高エネルギー電池とともに電池の容量特徴に起因して電池電流に顕著な短期間の増加をもたらす。例えば、図１２に特徴づけられた電池の電流は約１００ミリ秒以下で５００Ａの過剰値が加わる。この電流付加に続いて、電池内の電流は１秒後に約１５０Ａに急速に低下し、その後徐々に低下する。短絡回路発生後５秒で電池電流は約６０Ａの値に達する。
【００６４】
高エネルギー電池における短絡回路発生直後に起きる特有の電流付加は有利には本発明の原理により提供された現場短絡回路保護装置によって奪い取られる。例えば図１１に示される実施態様では対応のエネルギー貯蔵電池１２２と直列に接続されたフューズ１２３の各々が電池１２２の短絡回路から発生した電流付加に応じて励起するように設計されている。フューズ１２３は典型的には、フューズが正常の作動の間は励起するのを阻止するがこのフューズを短絡回路条件に応じて励起させる電流定格を有している。フューズ１２３の始動機構としての電流付加の奪取は電池１２２の最大作動電流とフューズ１２３の最小励起電流との間に大きな電流格差をもたらす。
【００６５】
１つの実施態様によれば、エネルギー貯蔵装置の並列接続の電池は図３Ａ〜３Ｄを参照して前に記載されたのと同様の構造と作用を有している。このような構造においては電池に直列に接続されたフューズは約５０Ａの電流定格を有している。この５０Ａフューズを始動するのに電池の容量効果を利用することにより、フューズの意図しない励起が回避され、エネルギー貯蔵装置の安全かつ信頼性のある短絡回路保護を提供する。
【００６６】
ある用途においては、外部の伝導性器具又は材料を介するようなエネルギー貯蔵装置又は電池の偶然の短絡に対する保護は主要な問題となる。したがって上記した素早く作用するフューズよりもゆっくりと作動されるフューズを使用することが望まれる。例えば電池の短絡回路の発生後数１００ミリ秒又は数秒後に作動するフューズが使用される。短絡が生じた時とフューズがとんだ時との間に過剰の熱が生じるが、前に記載された現場の熱管理方法がこのような過剰熱の安全な消散をもたらす。
【００６７】
図１３には、１つの集積された包装に構成された短絡回路保護装置の実施態様が示されている。この集積装置１３０は８個のフューズ（図示しない）が内部に取付けられた囲壁１３２を含んでいる。各フューズの第１の接触子が８個の端子１３４のうちの対応する１つと直列に接続され、各フューズの第２の接触子が共通のバス（母線）１４０に接続される。端子１３４の各々は導線１３６と接触子１３８とを含んでいる。短絡回路保護装置１３０が配列された電池に接続された時、接触子１３８の各々はこの配列の８個の電池のうちの１つの対応接触子と係合する。共通の母線１４０は典型的には対応する電池の配列に接続された他の短絡回路保護装置１３０の１つ又はそれ以上の共通の母線に連結されモジュールのような直列接続のエネルギー貯蔵装置を形成する。
【００６８】
１つの実施態様では、囲壁１３２は１６．００mmの高さＨE ，７．４９mmの幅ＷE ，５０，８０mmの長さＬE を有している。端子１３４の導線部分１３６は１２．７０mmの高さＨL ，１．２７mmの幅ＷL ，５．００mmの長さＬL を有している。端子１３４の接触部分１３８はＨC の高さ、１．２７mmの幅ＷC 、及び１３．０３mmの長さＬC を有している。共通の母線１４０は６．３５mmの高さＨCB，１．２７mmの幅ＷCB、及び４９．０２mmの長さＬCBを有している。さらに作用力を複雑にし高エネルギー電気化学的電池のための効率的な熱及び電気伝導装置を提供する付加的な因子は種々の型の薄膜電気化学的電池に生じる電池容積の周期的な変化に関するものである。例を挙げると、図１に関して前に記載した型の電気化学的電池の容積は、陰極材料の格子構造に出入するリチウムイオンの移動に因り充電及び放電サイクルの間に変化する。この移動は充電と放電の間にそれぞれ約５から６パーセントのオーダーの全電池容積の対応の増加及び減少が生じる。
【００６９】
このような電気化学的電池の性能と使用寿命は圧縮状態に電池の層を保持することにより著しく増大することが判明している。改良された電池の性能は電池のサイクルの間電池の２つの大きな対向表面上に圧力を保持することにより実現される。電気化学的電池の積層体の熱伝導特徴は隣接して位置する電池の間に強制された接触が保持された時に著しく改善される。この圧縮力は電池の内側に生じたか外側に生じたかに関係なく加えられた表面全体にわたって完全に均一に分配されるのが望ましいと考えられる。
【００７０】
多数の電気化学的電池が積層構造に配列され相互に接続され例えばモジュール及びバッテリのようなより大きな電力発生装置を形成するようにする。電気化学的電池の集団は選択的に並列及び／又は直列に相互接続されて所望の電圧及び電流の定格が得られるようにする。例えば、図１４を参照すると、多数の電気化学的電池１４０が一緒に群とされ共通のプラス及びマイナスの電力母線又は端子に並列に接続され電池の包装１４２を形成する。多数の電気化学的電池の包装１４２が次に直列に接続されてモジュール１４４を形成する。さらに、多数の個々のモジュール１４４が直列に接続されてバッテリ４６を構成する。
【００７１】
例示の目的で、図１５に示される実施態様は広範囲の高電力の適用にとって必要な所望の電力を得る効果的な手段を提供するモジュール包装方法による電気化学的電池の配置構造を示している。この図示の実施態様では、８個の電気化学的電池が一緒に群とされ並列に接続されて電池包装１４２を形成する。モジュール１４４が６個の電池包装１４２を一緒に群としこれら包装１４２を直列に接続することにより構成される。図１４に示されるようなバッテリ１４６が直列に接続された２４個のモジュール１４４を用いて構成される。
【００７２】
一群の電池の充電及び放電のサイクルから生じる電池容積の変化に適応するために、圧力発生装置が用いられ電池を連続した圧縮状態に保持する。図１６を参照すると、２つの電池が図１６に示されている多数の電気化学的電池１５０が積層構造に配置され電池１５０を所望の圧縮状態に保持するのに十分な外力ＦE を受けるようにされる。電池１５０の各々は電池１５０の４つの縁の表面積に対して大きな表面積を有する２つの対向表面１５２を含んでいる。外力ＦE の大きさは個々の電池１５０について５と１０ポンド／平方インチの間の範囲である。
【００７３】
例えば４８個の電池の積層体に関し、電池積層体を充電及び放電サイクルの間圧縮状態に保持するに十分な外力ＦE は約５から１００ポンド／平方インチの間の範囲である。この外力ＦE は例えば２０ポンド／平方インチのような一定の大きさに保持され、又は電池のサイクルの間最小と最大の値の間で変化する。さらに、外力ＦE は電池積層体の端部電池と作用圧力発生機構との間の接触によって発生されまた電池積層体の対向する端部電池は静止構造によって動かないよう制止される。これに代え、作用圧力発生機構は電池積層体の対向端部電池において使用することができる。
【００７４】
図１７に示される実施態様を参照すると、電池積層体を構成する電気化学的電池１５４のうちの１つ又は複数の電池が電池１５４の内部に力ＦI を発生する中央芯要素１５６を含むように構成される。発泡体又はばね機構を含む芯要素１５６は電池１５４の内側表面１６０に沿って力ＦI を加える。電池１５４の外側表面１６２に沿って発生した対抗する外力ＦE により電池１５４の大きな表面１６２，１６０を横切って全く均一に分配された圧縮力を発生する。
【００７５】
電池積層体の２つの端部電池１５４の外側表面１６２に加えられた、外部で発生した力ＦE は、密閉容器の壁のような静止構造により又は密閉容器の壁に近接した発泡体要素もしくはばね型装置のような作用圧力の使用により発生されることが分かる。内部圧力発生装置は充電及び放電サイクルの間約５と１００ポンド／平方インチの間の範囲の電池１５４の内側表面１６０に沿って均一に分配された圧力を保持すべきである。この力ＦI は一定の大きさに保持され又は上記の範囲で大きさが変わるようにされる。さらに、電池の積層体は隣接した電池の間に位置する１つ又は複数のばねインサート１５８を含んでいる。発泡体、金属ばね又はガス充填の圧力要素を含むばねインサート１５８は電池積層体の内部に収容され電池積層体内部の圧縮力の分配を高めるようにする。
【００７６】
図１８Ａ〜１８Ｃには、電気化学的電池の内部に内部又は外部の圧縮力を発生するのに用いることのできるばね要素の種々の実施態様が断面図で示されている。１つの実施態様では、図１に示されるような薄膜電気化学的電池が図１８Ａに示されるように、２つの薄い金属プレート１５３の間に拘束された可撓性金属部材１５５を含む芯要素の周りに巻かれている。金属芯要素１５６の使用はこのような構造が実質的に機械的なたわみを生じないため形状と長期の性能とを一定に保つようにする。
【００７７】
他の実施態様によるエラストマー芯要素の使用は、製造を簡単にし、電池包装の構造を効率的にし、圧力の分配を向上し、材料費を比較的に低くするという利点をもたらす。図１８Ｂに示されるようなエラストマー発泡体のばね１５７は、容積と重量の維持ができるようにするばねのもとの大きさの百分率として比較的大きなたわみを提供する。発泡体芯要素１５７は最初に、発泡体電池材料を製造中に芯要素１５７の周りに巻きつける前にそのもとの厚さに対し約１０から４０パーセントに保持される。この最初の圧縮状態は充電及び放電サイクルから生じる電池の容積の変化の間典型的には約１０と３５ポンド／平方インチの間の範囲の電池内部の圧縮圧力を発生する。
【００７８】
図１８Ｃに示される実施態様によれば、微細構造のエラストマー押出し体１５９又は成形された要素が電気化学的電池の内部に発生した力の向上された制御をもたらす電気化学的電池の中の又はその間の芯要素として使用される。他の内部及び外部力発生機構が用いられ充電及び放電のサイクルの間電気化学的電池を圧縮状態に保持するようにできることが理解される。例えば、図１８Ａ〜１８Ｃに示されるばね要素は電池積層体内部の隣接もしくは選択された電池の間及び／又は電池積層体の端部電池と静止壁構造との間に配設される平坦なばねとして構成される。
【００７９】
約０．８mmの厚さを有するシリコーン発泡体要素が薄膜電気化学的電池の芯に挿入されている実施態様においては、この発泡体インサートを含む電気化学的電池の全体の厚さは約５．８６mmである。発泡体芯要素は電池の充電の状態が０％と１００％との間で変わるにつれてもとの厚さに対しそれぞれ約１０から４０パーセントの間の圧縮を受ける。この発泡体芯要素は約１０から３５ポンド／平方インチの間で変わる対応の初期圧縮力を発生する。
【００８０】
図１９Ａ〜１９Ｂには電気化学的電池１６４の積層体を電池の充電及び放電サイクルの間圧縮状態に保持する１つの方法が示されている。図１９Ａに示される構造では、ばね機構１６６が、電池積層体１６４が間に抑止されている２つの押圧プレート１６８又は密閉容器壁の一方に近接して配設されている。ばね機構１６６が図１９Ａに示されるように電池積層体１６４の充電された電池に圧縮力を加える。放電中、電池の厚さは完全に充電された状態から正常の放電状態へと変移する時約６パーセントまでだけ減少する。
【００８１】
ばね機構１６６は放電中電池積層体の厚さの全体の減少に応じて連続した圧力を電池積層体１６４に加える大きさに膨張する。充電及び放電サイクル中の押圧プレート１６８の間の電池積層体の変位の大きさＸD が大きくなることが理解される。例として、図３Ａに示されるような６４個の角柱状電気化学的電池を含む電池積層体１６４が充電状態と放電状態との間で約１８から２０mmの累積的な変位ＸD を受けるようになる。電池サイクルの間電池積層体の内部の個々の電池の大きな位置の移動のため、図１９Ａに示されるような単一のばね機構１６６が必要な大きさの圧縮力は得られるが、電池積層体１６４の各電池を密閉容器内部で大きく位置を移動させる。
【００８２】
図２０Ａ〜２０Ｂに示される実施態様では、多数のばね機構が電池積層体１６３の内部で用いられ充電及び放電サイクルの間電池１６１の変位を最小にする。１つの実施態様では、ばね機構が、有利には電池サイクルの間個々の電池１６１の位置の移動を最小にする電池積層体１６３の電池１６１の全てに組込まれている。電池１６１内部でのばね要素の一体化は電池１６１の中心位置を押圧プレート１６５に対し固定するのを助ける。ばねを電池１６１の各々の内部に組込むことは積層体１６３の内部の相対的な電池移動をゼロ近くまで減少させることになると考えられる。一般に、サイクル中の電池の変位の大きさを最小にすることにより電池積層体１６３内での電気的及び熱的の相互接続の複雑性を最小にし、また電池積層体１６３の長期にわたる信頼性と使用寿命が増すようになる。
【００８３】
図２１を参照すると、モジュールハウジング又は他の密閉容器の内部で圧縮状態の角柱構造を有している電気化学的電池１７４の積層体１７２を保持する圧力装置の実施態様が示されている。この実施態様によれば、圧力が、１つ又は複数の紐１７８、対向する押圧プレート１７６及び隣接電気化学的電池１７４の間に配設された平坦ばね１７３を共働するよう用いることにより電池積層体１７２全体にわたって全く均一に分配される。紐１７８によって保持されている押圧プレート１７６は電池１７２の積層体の内部に分配された平坦ばね１７３の圧縮を保持する。平坦ばね１７３は図２１に示されるように電池の各々の間に位置することができ、又はこれ以外に例えば第２もしくは第３の電池毎の間のような隣接していない電池の間に選択して置くことができることが認められる。しかし電池積層体１７２内部の平坦ばね１７３の数の減少は充電及び放電サイクルの間の電池の変位を増大させることになる。
【００８４】
図２１に示される圧力装置は電池のサイクルの間電池積層体１７２内部で圧縮力を連続して加えるようにする。電池積層体１７２の内部の圧縮力の大きさは約５と１００ポンド／平方インチの間の範囲で変わる強さ又は一定の強さに保持されることが望ましいと考えられる。さらに、モジュール全体の性能は必要な圧力を、加える表面にわたって約１０ポンド／平方インチ以下の変動で電池の大きな側部表面を横切って十分均一に分配することにより向上する。図２１に示されるモジュール１７０の電池積層体部分はモジュールハウジングの内殻体のような密閉容器の支持壁によって抑止されていることが分かる。押圧プレート１７６が密閉容器の壁に当接する構造においては、紐１７６は充電中の電池容積の増加から生じる対向押圧プレート１７０の変位を制御するためには設ける必要がなくなる。
【００８５】
図２２〜２３は積層体又は束として構成された多数の電気化学的電池を抑止するのに特に有用である紐装置の実施態様を示している。長さに関しては実質的に非弾性である紐装置に比べて、図２２〜２３に示される紐装置は電池積層体圧力装置の効力を著しく高める独特の締めつけ具１８２を結合している。この紐装置はそれぞれがＣ字形の端部１８１を有する２つの帯１８０を含んでいる。締めつけ具１８２はこの締めつけ具１８２の対応のＣ字形端部１８４に帯１８０のＣ字形端部１８１を連結することにより帯１８０に取付けられる。帯１８０は電池の積層体の周りに図２１に示されるような方法で配設される。締めつけ具１８２は十分な力を受けた時に締めつけ具１８２の接触表面１８８の上に折りたたみ自在の締めつけ具１８２と一体の蝶番１８６を含んでいる。
【００８６】
蝶番１８６が接触表面１８８上に折りたたまれた時、締めつけ具１８２のＣ字形端部１８４が相互に向って引張られこれにより帯１８０のＣ字形端部に力を発生する。締めつけ具１８２の作動により帯１８０に生じた力の大きさは締めつけ具１８２と一体の正弦波形ばね１８９によって和らげられる。正弦波形ばね１８９は形状、厚さ、及び材料の見地から、電池の充電及び放電サイクルの間紐装置の所望量の伸びと縮みとが得られるように構成される。
【００８７】
図２２〜２３に示される紐装置の使用によって保持された電池積層体がエネルギー貯蔵モジュールハウジングの内殻体のような密閉容器の内部に置かれる構造では、締めつけ具１８２の蝶番１８６と密閉容器の壁との間の接触が、蝶番１８６が折りたたまれた構造に保持されるのを保証する。
【００８８】
一般に、電気化学的電池の積層体の内部に圧縮力を発生するための効率的な圧力装置は充電及び放電のサイクルの間電池上に圧力を連続して生じさせなければならない。理想的には、電池積層体の内部に生じた圧縮力が電池のサイクルの間一定の大きさに保たれるのが望ましい。しかしばね機構を圧縮するのに必要な力は増加した歪みの関数として増加することが理解される。
【００８９】
この物理的な法則にもかかわらず、ばね機構の歪みが増加する力に応じて増加する比率は変わる。
【００９０】
例を挙げると、ばねを長くするとばねに生じる相対的歪みは減少する。電池積層体の内部又は個々の電池の内部で発泡体ばね要素とインサートとを使用するのが望ましい構造においては、発泡体ばね要素の対応寸法を増すことは電池積層体の全体の長さ又は寸法を増すという不利な結果を生じ、これが電池積層体が内部に位置するモジュール又は装置の容積を増大させるものとなる。
【００９１】
しかし、電気化学的電池積層体を取巻く紐又は帯を使用する圧力装置はばねの対応のたわみを有利に減少させる紐又は帯の内部の比較的長いばね機構を組込んでいる。図２４に示される実施態様では、金属の紐１９４が、引張られた時に押圧プレート１９４が圧縮力を電池積層体１９２に加える波状のばね１９８を含んでいる。この構造によれば、電池積層体１９２の内部に圧縮力を発生する機構が電池積層体１９２の内部よりはむしろ外側に配置される。紐１９４の波状ばね部分１９８の長さは電池積層体１９２の長さより大きく、小さく、又は等しくすることができる。
【００９２】
図２４に示される紐装置の比較的長いばねの長さはばねの対応のたわみを大きく減少させることになる。したがって、ばね１９８の対応の歪みは、電池積層体の寸法が充電中に大きくなるにつれて望ましくない圧力がばね機構に生じるため、減少する。図２４に示される引張りばね装置は多数のコイルばねを用い又は弾性材料を用いて構成され、また金属及びエラストマーのばね材料の組合せもまた有利に使用されることが理解される。さらに、発泡体又は他のばね要素が電池積層体の外部の引張りばね装置と組合せて電池積層体の内部及び／又は個々の電池の内部に組込まれることが理解されるであろう。
【００９３】
ある適用例においては、電池のサイクルの間電池の変位の作用又は存在は許容される。このような場合、複雑なばね機構を少ししか有していない簡単化された圧力装置が組立て、コスト及び信頼性の点から有利と思われる。図２５〜２６に、必要な大きさの圧縮力を電気化学的電池積層体２０１に与える板ばね機構２００を含む圧力装置の実施態様が示されている。この板ばね機構２００は電池積層体２０１の端部電池に近接した押圧プレート２０４と押圧プレート２０４と接触するばね要素２０２とを含んでいる。ばね要素２０２の端部は密閉容器の壁２０６に当接しそれにより板ばね機構２００が密閉容器の壁２０６と電池積層体２０１との間に位置するようにしている。
【００９４】
１つの実施態様では、押圧プレート２０４は図２５〜２６に示される電池積層体２０１の電池の大きな側面のほぼ表面積である。約１３０mm×１３０mmの表面積を有する接触プレートを含んでいる。図２５の例は完全に放電された状態の電池積層体２０１を示し、板ばね機構２００が約６５ポンド／平方インチの圧力を約２６．２平方インチの作用表面積に加えている。図示の電池積層体２０１は図３Ａに示されるような６４個の個々の電気化学的電池を含み、また電池積層体２０１は電池のサイクルの間約１８から２０mmの全体の変位を受けることが分かっている。この変位は板ばね機構２００を電池積層体２０１の各端部で展開することにより約５０％だけ減少される。
【００９５】
図２６は、充電中はばね要素２０２が密閉容器壁２０６の中に折りたたまれる十分に充電された状態の電気化学的電池積層体２０１を示す。この構造では板ばね機構２００が約８５ポンド／平方インチの圧力を電池積層体２０１に加える。板ばね機構２００のばね要素２０２は例えば単一のばね、多数の一組のばね、又は編まれたばねを含むことが分かる。さらに、押圧プレート２０４は中実部材である必要はなく多数の穴を含み押圧プレート２０４の質量を減少させることもできる。さらに、弾性帯又は金属の波型ばねが組込まれ電池積層体２０１と押圧プレート２０４とを囲い込むようにすることもできる。
【００９６】
図２７Ａ〜２７Ｃを参照すると、一組としたばね２２２を使用する板ばね機構２２０を含む圧力装置の他の実施態様が示されている。板ばね機構２２０はさらに図２７Ｃに最も良く示されているように多数のリブ２２９を含む押圧プレート２２４を含み、隣接配置されたリブ２２９の間に通路が区画形成されている。組のばね２２２はそれぞれが押圧プレート２２４上に設けられたリブ２２９の１つと結合されている多数の溝２２８を含むように形成される。
【００９７】
組の板ばね機構２２０は電池の充電及び放電サイクルの間電気化学的電池積層体２２１に加えられる連続した力を発生する。電池積層体２２１の容積変化は押圧プレート２２４の溝つきの組のばね２２２とリブつき及び／又は通路つきの表面との間の摺動自在の係合により適応される。この溝とリブの構造は電気化学的電池積層体２２１を構成する電池の位置の移動に応じて組のばね２２２と押圧プレート２２４との間に信頼できる摺動自在の係合を提供することが理解される。
【００９８】
図２７Ｄには一群の電気化学的電池に連続した圧縮力を生じさせる板ばね機構２３０の他の実施態様が示されている。この実施態様によれば、板ばね２３２は押圧プレート２３４と板ばね２３２の対向端部に近接した一対の摺動自在のパッド２３５とに係合する。摺動自在パッド２３５は板ばね２３２の対向端部に取付けられまた殻体又はハウジング２３６の表面に沿って自由に動くことができる。これに代え、パッド２３５はハウジング壁２３６に恒久的に取付けられ、板ばね２３２の対向端部が板ばね端部を取付けパッド２３５の表面を横切って容易に摺動できるようにするわん曲部を含むように形成される。これらの構造では、板ばね機構２３０が弾性又はばね型の紐を用いないで電池積層体に必要な圧縮力を発生する。しかし伸縮自在の又は弾性の紐が図２７Ｄに示される板ばね機構２３０と組合せて使用できることが理解される。
【００９９】
図２７Ｅに示される板ばね機構２３０の実施態様では、一対の紐２３３が板ばね２３２の対向端部から延び押圧プレート２３４と電気化学的電池の積層体とを取巻いている。この構造では、板ばね２３２は殻体すなわちハウジング２３６の表面に接触する必要はない。板ばね２３２は紐２３３を引張り状態に置き、それにより対の対向押圧板２３４が電池積層体に圧縮力を加えるようにする。板ばね２３２の曲率又はわん曲度は電池積層体内部の容積変化に応じて変わり、板ばね２３２によって生じたばね力に付随した変化を生じる。
【０１００】
図２７Ｆには、典型的には電池積層体の一方又は両方の端部に配設されているがさらに又はこれに代えて電気化学的電池の積層体の内部に配設することもできる２重板ばね機構２３０の実施態様が示されている。この実施態様によれば、２つの板ばね２３２の対向端部が共に連結され、そして各板ばね２３２の中央個所が各押圧プレート２３４に接触している。押圧プレート２３４の一方は電気化学的電池の積層体に接触し、これに対し他方の押圧プレート２３４は電池積層体を取巻く一対の紐２３３に連結されている。この構造では、対の板ばね２３２は相互に共働し、電気化学的電池の積層体を連続した圧縮状態に保持する。この２重板ばね機構２３０は紐２３３にもっぱら使用されることが理解される。
【０１０１】
さて図２７Ｇ〜２７Ｈを参照すると、多数の皿ばね又はワッシャーが取付けられた押圧プレート２３１を含む力発生装置の実施態様が示されている。皿ばね２３３はエポキシ接着剤のような接着剤を用いて押圧プレート２３１に取付けられる。押圧ばね２３１は密閉容器の壁構造と電気化学的電池の積層体と係合する接触プレートとの間に挿入される。１つ又は複数の皿ばね付勢の押圧プレート２３１は押圧プレート２３１のいずれかの側に電池積層体内部の種々の位置で配設された接触プレートが取付けられている。
【０１０２】
図２７Ｉ〜２７Ｋに示される実施態様では、多数のらせん又はコイルばね２４１が押圧プレート２３７に取付けられる。種々の型のばね２４１が用いられ、図２７Ｊに示され典型的には鋼のリボンから製造される波形ばね２４１ａと図２７Ｋに示され典型的には鋼のワイヤから製造されるコイルばね２４１ｂとを含んでいる。接触プレート２３９が薄膜電池の積層体と第１の表面で係合しまたばね付勢の押圧プレート２３７と反対側の第２の表面で係合する。連続した圧縮力が、電池積層体に位置の移動があるとき個々のばね２４１と押圧プレート２３７及び接触プレート２３９との間の共働作用によって発生される。
【０１０３】
図２７Ｌ〜２７Ｎは電気化学的電池の積層体を圧縮状態に保持するため連続しかつ一定の圧縮力を発生させるのに使用されるベローズ型機構の種々の実施態様を示している。図２７Ｌ〜２７Ｎに示されるベローズは典型的には圧力及び／又は温度の変動に応じて相を変えるガス又は液体が充填される。液体−型のベローズ機構はベローズ内に収容された流体が液体相から気体相に変わった時力を発生する。この型のベローズ機構は充電及び放電イクルの間電池積層の変動の全範囲にわたって電池の積層体への比較的一定の圧力を発生するのに使用される。ベローズ内部の流体はベローズが圧縮されまた圧縮がゆるめられるにしたがって、それぞれ凝縮しまた気化する。
【０１０４】
他の実施態様では、シールされた殻体又はハウジングの内部に収容された電気化学的電池の積層体がハウジングを高圧にすることにより圧縮の状態に置かれる。ハウジング又はハウジング内の１つもしくは複数のシールされた室が電池を圧縮状態に置くため窒素又はアルゴンのような不活性ガスで加圧される。ガスが充填されたハウジングの圧力は電池のサイクルの間一定に保持され又は変えられる。
【０１０５】
本発明の他の実施態様によれば、前に記載されたように、熱伝導体が現場熱管理装置への実施手段として使用され高エネルギー角柱状電気化学的電池を収容するエネルギー貯蔵装置の内部の熱エネルギーを緩和する。本発明の原理により構成された熱伝導体又は母線が有利には、熱及び電気的エネルギーを、時間経過にともなう周期的な容積変化又は使用中の位置の移動が生じる一群の薄膜電気化学的電池に出し入れするよう効果的に移送する。弾性熱伝導体と近接配置された熱伝導性表面又は材料との間に連続した接触が得られることが、電気化学的電池と外部の熱管理装置との間に良好な熱伝導を達成するには絶対に欠くことができないことが理解される。
【０１０６】
図２８〜２９の実施態様に示されるように、電気化学的電池には電池２４０に陽極及び陰極接触子２４６の一方又は双方がスポット溶接され又は取付けられた図２９に示されるＣ字形伝導体２５４のような熱伝導体が設けられている。熱伝導体２５４が典型的には接触子２４６の長さ方向に沿って配設され、典型的には電池２４０との外部の電気伝導性を提供する電気接続導線を含んでいる。一般に、図３Ｃにその実施態様が示されている接続導線を通って接触子２４６の長さ方向に沿って、電流が伝導される。さらに、熱伝導体２５４は、熱線経路を提供し熱エネルギーを電池２４０と電池２４０に近接配置された熱伝導性材料又は構造との間で移送する弾性部分を含んでいる。
【０１０７】
図２８〜２９には許容される製造上及び組立て上の公差に依存して典型的には寸法が変動する電気化学的電池２４０の集合体が示されている。典型的には密閉容器の壁２４２に沿って生じるこのような変動とゆがみ、又は壁２４２の本来のもしくは壁２４２に生じた欠陥のため、多数の隙間２４４が典型的には密閉容器壁２４２と多数の電気化学的電池２４０との間に生じる。図２８に示されるように、電池接触子２４６と壁構造２４２との間に形成される隙間２４４が生じると熱伝導性が激しく低下することが理解できる。追従性のある熱組成物が小さな隙間２４４が存在するときは熱伝導性を向上させるけれども、このような組成物は一般に大きな隙間２４４を横切って熱伝導性を保持するには効果がない。
【０１０８】
本発明の１つの実施態様の熱伝導体２５４はばね状の特性を呈する弾性部分を含んでいる。熱伝導体２５４の弾性部分は有利には、電池２４０と壁構造２４２との間に相対運動があるとき電池２４０に近接配置された金属の壁表面のような静止構造２４２と電池２４０との間に連続した接触を提供する。熱伝導体２５４のばね特性は伝導体２５４が電池２４０の容器壁構造２４２との間の離間距離の変化に応じて膨張及び収縮ができるようにし、また電池２４０と壁構造２４２との間に隙間が形成されないようにする。電池２４０と電池２４０に隣接した熱伝導性構造又は材料２４２との間で熱の移送を行う熱伝導体２５４又は他の熱伝導体が陽極及び陰極の接触子２４６の一方のみ又は双方に沿って利用されることが認められる。
【０１０９】
一般に、熱伝導体２５４は比較的高い寸法上の余裕を提供し電気化学的電池２４０を密閉容器の実質的に静止した支持構造２４２の間に取付ける時の組立て公差に適応するように形成される。熱伝導体２５４はまた比較的高いはね返り特性を呈し壁のゆがみと、電池２４０と壁構造２４２の間の時間経過に伴う離間距離の変動とに、適応できるようにする。
【０１１０】
上記の熱的、電気的及び機械的利点をもたらす熱伝導体は比較的高い熱及び電気的伝導性を有する材料から製造しなければならない。この材料は別体の平面の支持表面と電気化学的電池の陽極又は陰極の接触子に形成された一体の金属被覆層とに接触が得られる良好な表面の特徴構造を有していなければならない。さらに熱伝導体のばね接触子を製造するのに用いられる材料は比較的低い圧縮力を有しそれにより電池の縁又は電池に隣接した壁構造の表面を損傷するのを回避するようにしなければならない。また、熱伝導体接触子は熱線経路の長さを最小にししかも熱伝導体接触子の熱移送特性を最適とするため断面積を最大にするように構成しなければならない。
【０１１１】
上記の特徴構造を有する熱伝導体の製造に用いる適当な材料は純銅であるが、他の材料及び合金を使用することもできる。ここに記載された熱伝導体は陽極又は陰極接触子に配設された金属被覆層を伝導体のばね部分に組合わせることにより構成された２つの部分からなる伝導装置と考えられることが理解される。これに代え、熱伝導体は熱と電気の両方のエネルギーを電気化学的電池に出し入れするよう伝導するのを容易にする単一のばね伝導体として見ることができる。熱伝導体のさらに他の実施態様では図４に最も良く示されるように、熱伝導体は多数の横方向に偏倚した陽極及び陰極薄膜層７３，７５と陽極及び陰極接触子７２，７４とからなっている。この実施態様では、陽極及び陰極の接触子７２，７４の一方又は双方が密閉容器の壁に配設された熱伝導性で電気抵抗性の材料と直接係合する。熱伝導体の弾性部分が電池と密閉容器との間の相対運動に応じて撓む横方向に偏倚した陽極及び陰極薄膜層７３，７５を構成する。
【０１１２】
図３０Ａ〜３０Ｄに示される実施態様では、熱伝導体２５４が良好な寸法上の余裕とはね返り特性とを有する実質的にＣ字形の部分を含むように形成される。図３０Ａでは、熱伝導体２５４が電気化学的電池２５０の接触子２５２に取付ける前の自由の状態で示されている。熱伝導体２５４のこの自由の状態は熱伝導体２５４を電池２５０に取付ける工程を助ける。熱伝導体２５４が電池接触子２５２に取付けられた後、熱伝導体２５４に拭取り操作が典型的に行われ熱伝導体２５４が抑止構造の壁の間に圧縮状態で取付けられる時正しく屈曲するのを保証するようにする。
【０１１３】
熱伝導体２５４の予めの取付け構造が図３０Ｂに示されている。図３０Ｃには熱伝導体２５４が、典型的には電池２５０が抑止構造の壁の間に取付けられた時に生じる圧縮された状態で示されている。収縮範囲ＲＴ  は熱伝導体２５４がそのはね返り特性を大きく減少させないで圧縮される全距離を表わす。図３０Ｄは電池２５０と熱伝導体２５４に当接する抑止構造の壁との間の相対運動に応じて関連作用する熱伝導体２５４のはね返り特性を示す。この図示の例におけるはね返り変位の大きさは寸法ＲＳ  として示されている。
【０１１４】
図３０Ａ〜３０Ｄに示される熱伝導体２５４は電気化学的電池と隣接壁構造との間の約１〜３mmの相対運動を補償するに十分な大きさの約１〜３mmの範囲のはね返り特性を提供する。実質的にＣ字形の断面と約３mmの名目上の高さの値とを有する熱伝導体が、熱伝導体と隣接壁との間の接触面積の変化から生じる高さの本堂の関数として熱伝導性が変わることが分かる。
【０１１５】
例えば＋／−０．５mmの高さの変動により４５０〜５７５Ｗ／m2C の間の範囲の対応のコンダクタンス（伝導性）の変化が生じることが立証されている。３mmの名目上の高さを有する非圧縮の熱伝導体のコンダクタンスは、熱伝導性組成物を導入しないで、約２００Ｗ／m2C である。追従性の熱組成物を加えると熱伝導体の圧縮と伸長の間の熱伝導体の伝導特性が向上する。
【０１１６】
図３１Ａと３２に関し、実質的にＣ字形の断面を有しかつ熱伝導体の内部に保持されたエラストマーばね要素を含んでいる熱伝導体の他の実施態様が示されている。エラストマーばね要素は一般に熱伝導体のはね返り特性を向上させ、また円筒状のエラストマー管のような在庫材料を用いて製造される。図３２に示されるばね要素２７７のようなエラストマーばね要素は構造が簡単となる。これに代え、さらに複雑なばね要素が図３１Ａに示されるばね要素２７６のようなエラストマー材料から製造される。この熱伝導体２７４はエラストマーばね要素２７６及び２７７を熱伝導体構造の内部に保持するフックつきの先端２７１を含んでいる。
【０１１７】
エラストマーばね２７６は、紐縁突起２７８と、隣接電池２７０の伝導体と接触子に対し熱伝導体２７４と接触子２７２に電気絶縁性を与える絶縁スタブ２８０とを含むことができる。さらに、ストッパ２８２が設けられ熱伝導体２７４が過剰に折曲し又はつぶれるのを阻止するようになっている。図３２は非圧縮状態と圧縮状態との間で変移する時のエラストマーばね２７６の動的絶縁能力を示している。
【０１１８】
この実施態様では、熱伝導体２７４は最初の圧縮された状態で約４mmの高さＨ1 を有している。適度の圧縮のもとでは、熱伝導体２７４は約３mmの高さＨ2 を有している。熱伝導体２７４が十分に圧縮されてストッパ２８２がばね２７６の上方部分の内面に接触する状態となった時、伝導体２７４は約２mmの高さを有する。ばね要素２７６，２７７はそれぞれ約３．８mmの直径Ｄ1 を有している。
【０１１９】
ここに記載された機械的、熱的、及び及び電気的特性を有する熱伝導体が図面に示されるのとは異なる構造を有するばね状部分を含むように形成されることが理解される。例を挙げると、熱伝導体は、熱伝導体が膨張及び収縮して寸法の変動と、電池と電池を閉じ込める構造の壁との間の位置の移動とに適合できるようにする、実質的にＣ字形、２重Ｃ字形、Ｚ字形、Ｏ字形、Ｓ字形、Ｖ字形、又は指形の断面を有するばね機構を含むよう形成される。
【０１２０】
例えば図３１Ｂに示されるようなＳ字形の熱伝導体はさらに図３１Ｃに示されるように変更される。図３１Ｃに示される積重ねＳ字形の熱伝導体構造は有利には電池と隣接した吸熱器との間の熱伝導経路の数を増大させる。図３１Ｄは電池２６８の溶射金属接触子２６４に取付けられた２つの指形状の又はわん曲Ｌ字形の弾性伝導体２６２を含む熱伝導体の他の実施態様を示す。エラストマー要素２６６が折曲自在の指形状伝導体２６２の間に位置し伝導体２６２が折れ曲りすぎないようにする。
【０１２１】
図３１Ｅは多数の電気化学的電池２６８に適用される熱伝導体の他の実施態様を示す。熱伝導体２６５は金属又は他の電気伝導性材料の平坦な薄板として構成されている。この実施態様では熱伝導体２６５は多数の電池の陽極及び／又は陰極電流集電接触子２６４を横切って延びている。熱伝導体２６５は例えば電池包装を形成する８個の電池２６８のような多数の電池２６８を並列に接続することが分かる。電流は熱伝導体２６５に沿って伝導されそして熱伝導体２６５に取付けられた電気接触子又は導線（図示しない）を介して並列接続の電池に出し入れするように移送される。熱は熱伝導体２６５を通って熱伝導体２６５に近接配置された金属の囲壁の壁のような吸熱器に移送される。例えばプラスチック又は雲母の薄板が熱伝導体２６５と吸熱器との間に配置される。これに代え、吸熱器は陽極化された表面又は他の電気抵抗性、熱伝導性材料を含むように処理することができる。
【０１２２】
図３３には、熱伝導性、電気抵抗性材料２８４の被覆又は薄膜を有する密閉容器の壁２８８に近接配置された熱伝導体２８２を含む電気化学的電池２８０の切断側面図が示されている。この構造では、熱伝導体２８２が電流を電気化学的電池に出し入れするよう伝導し、また外部のエネルギー消費要素と充電ユニットとに便利に接続できる導線部分２８６を含んでいる。概して、電流は、熱伝導体２８２と密閉容器の壁２８８に配設された材料又は薄膜２８４とによって区画形成される比較的高い電気抵抗経路よりはむしろ、熱伝導体２８２と導線２８６とによって区画形成された比較的低い電気抵抗経路に沿って伝導される。熱エネルギーは熱伝導体２８２と隣接壁構造との間に形成された熱線経路を通って電池２８０と熱伝導性材料又は薄膜２８４で被覆された密閉容器の壁２８８との間で効率的に移送される。
【０１２３】
１つの実施態様では、熱伝導性被膜２８４はアルミニウムのケーシング又は他の構造２８８の表面に展延された陽極化アルミニウム被膜を構成する。エポキシ材料のような追従性の熱組成物又は材料を構成することもできる熱伝導性被膜２８４は典型的には良好な電気抵抗性と良好な熱伝導性の特徴を有する。例えば薄いプラスチックシート材料が電気２８０と壁２８８との間に配置される。このように、電池２８０により発生され又は電池２８０に導入された熱エネルギーは熱伝導性材料２８４、熱伝導体２８２、及び電池２８０の間で効率的に移送され、一方電流は優先して熱伝導体２８２の金属溶射の接触子と導線２８６とに沿って伝導される。
【０１２４】
本発明の他の実施態様によれば、能動的な熱交換装置が使用され包囲された電力発生装置の中に配設された一群の高エネルギー電気化学的電池の熱管理を増強するようにしている。熱エネルギーは電池の陽極及び陰極接触子の一方又は双方に設けられた熱伝導体と組合せて外部の能動的な熱移送装置を用いて電池積層体に入るよう又は電池積層体から出るよう移送される。さきに記載した型の現場熱移送装置を外部の能動的熱交換装置と組合せて使用することにより密封状にシールされた電力発生装置の内部の熱的環境を特に効率的に管理することができる。
【０１２５】
例えば図３４に示される電力発生モジュール３００は、密封シールされた密閉容器３０４（容器の蓋は図示されていない）の内部に包装される薄膜電気化学的電池３０２の積層体を含んでいる。密閉容器３０４は熱移送流体が通過する蛇行流体通路３０５を含むものとして示されている。図３４に示される型の外部の熱管理装置は本発明の原理により構成された熱伝導体と組合せて用いられ、バッテリを構成するモジュール３００又はモジュール３００の群のような密閉シールの薄膜エネルギー貯蔵装置の内部温度を効率的に調整することが判明している。
【０１２６】
モジュール３００に配設された電気化学的電池３０２の熱管理はモジュール３００の２つの内壁の間に形成された２mmジャケットを通って熱移送流体を循環させることにより達成される。熱エネルギーは電池に取付けられかつモジュールの壁と熱的接触する上記した型の熱伝導体を通って電気化学的電池とモジュールの壁との間で移送される。熱が電池から取除かれ又は電池に導入される量は一部がジャケットを通って循環する熱移送流体の温度と流量に依存する。ジャケットの平均熱移送係数は典型的には６２０Ｗ／ｍ2 −Ｋのオーダーである。
【０１２７】
電力発生モジュールに用いる外部の能動的熱交換装置の２つの実施態様が図３５〜３６にそれぞれ示されている。図３５〜３６はシールされた囲壁の内部に収容されたモジュールの構造を示していることが理解される。図３５〜３６に示されるように、１つ又は複数の外部熱交換器３０７がモジュール３００の特定の構造に必要とされるような種々の位置と種々の向きにモジュールハウジング３０４の一部分として一体化されている。図３５に示される実施態様では、モジュール３００がハウジング３０４の中に包囲された電気化学的電池３０２の積層体を含んでいる。ハウジング３０４は熱移送流体が通過する隙間を有する実質的に平坦なプレートとして構成された熱交換器３０７を含んでいる。プレート熱交換器３０７がモジュール３００の１つもしくは複数の側面及び／又はモジュール３００の底面にエポキシ接着材料を用いて付着される。熱交換器３０７の長さと幅は、単一のプレート熱交換器３０７を用いてバッテリを構成する多重モジュールの熱管理をすることができるように調節される。
【０１２８】
熱移送流体はモジュールハウジング３０４の底と１つ又は複数の側面とに一体の熱交換器３０７を通って循環される。モジュールハウジング３０４は典型的にはモジュールハウジング３０４の各側面と底面とのためにジャケットに設けられた４個の水平方向に配置された邪魔板を含んでいる。モジュールジャケットを通る名目上の流体の流量は毎分約１リットルで約２ポンド／平方インチの名目上の圧力降下があるものとして与えられる。ジャケットは約５ポンド／平方インチの負圧のもとに置かれる。入口流体温度と出口流体温度との間の最大の差は８℃以下の相違とすべきである。モジュールハウジング３０４は典型的には４００ワットのオーダーの名目上の熱交換能力を有している。
【０１２９】
１つの実施態様では、熱交換器３０７は流体通路として機能する２mmの間隙を含むようアルミニウムシートに適用される公知のろう付け技術を用いて製造される。熱交換器３０７はこのほかに冷却流体通路を組込んだ積層構造として製造することができる。熱交換器３０７の寸法は熱交換器３０７がモジュール３００の底面又は側面と整合するように選択される。モジュールハウジング３０４はアルミニウムから製造され、電池の陽極及び陰極の接触子の一方又は双方と熱的接触している約１．０５mmの厚さを有する陽極化された表面を含んでいる。
【０１３０】
熱移送流体は典型的には水とエチレングリコールの混合物、例えば５０％混合物である。このほかに、冷凍冷却剤を流体通路を通って循環させることができる。グリコール母剤の流体の代わりに冷凍冷却剤を使用する装置は典型的にはグリコール母剤の装置より小さくより軽量のラジエータを使用することができる。
【０１３１】
各モジュール３００は、モジュールハウジング３０４の内部の種々の位置に配置されこの位置でのモジュール３００の平均温度を決定する多数の温度センサーを用いることにより監視される。この情報は流体の流量と他の関連情報と共に、モジュールハウジング３０４を通って循環される熱流体の温度と流量とを変更してモジュール３００を最適の作動温度に保持する外部のポンプ及び加熱装置によって用いられる。
【０１３２】
図３７〜３８には、箔の熱伝導体３０６が近接配置された電池３０２の対向側面の間に配設されている電力発生モジュール３００の実施態様が示されている。この箔熱伝導体３０６は典型的には約１mmの厚さを有するアルミニウム箔又は約０．５mmの厚さを有するステンレス鋼の箔のシートのような、薄い金属箔のシートから製造される。箔の熱伝導体３０６の厚さとその他の寸法は積層された電気化学的電池３０２の特定構造の熱管理の要求に基づいて選択される。
【０１３３】
箔熱伝導体３０６の一部分３０８がモジュールハウジング３０４の表面３１０に取付けられ電気化学的電池３０２の側面と熱伝導ハウジング３０４との間に熱線経路が得られるようにする。発泡体又は金属のばね要素３１２が、電池積層体内部の選択された位置にまた電池の下方部分とモジュール表面３１０に取付けられた箔熱伝導体３０６の部分３０８との間に配置される。前に記載された型の熱伝導装置と箔熱伝導体３０６との相補的な使用により電気化学的電池３０２の積層体に出入するよう伝導される熱エネルギーの制御を増強することが理解される。また図３４に示されるような能動的冷却装置の使用は熱管理装置の効率をさらに高めることが理解される。
【０１３４】
図３９には電池当り約３Ｗの熱負荷を生じる持続した電力条件のもとにあるモジュールの温度線図が示されている。図３９に示されるデータは６０個の薄膜電気化学的電池の積層体を収容するモジュールのシミュレーションを介して得られた。モジュール内部の温度分布が適度に厳格な温度範囲内で実質的に均一であることが一般に望ましい。例えば、与えられた仕様書は最高の許容温度がモジュール内部で５℃以下だけ離れていることを要求している。このグラフに表わされたデータは電池の陽極と陰極のために得られた温度データとモジュールに出入するよう通過する熱移送流体の温度とを含んでいる。平均の電池温度と最大の電池温度のデータもまたグラフで示されている。強制された流体の装置を用いる外部の能動的熱管理装置は電気化学的電池の積層体を収容するモジュールの内部に設けられた現場熱移送装置を有するように使用された時、５℃以下しか相違しない安全温度範囲の最高電池温度を保持することが分かる。
【０１３５】
外部の能動的熱交換装置を前記した型の現場熱移送装置と組合せて用いることは密封シールされた電力発生装置の内部の温度環境を管理する時特に効果的である。ここで図４０Ａと４１〜４２を参照すると、本発明の実施態様による密封シール装置が示されている。この型のシールは電力発生モジュールのハウジングカバーに設けられた電気フィードスルーのような導体とハウジングの通路との間に密封シールが得られるように使用される。例えば電力及び通信用の電線が導管を通過し包囲されたモジュールの密封環境の内部に収容された電子構成要素との外部の接続が得られるようにする。
【０１３６】
図４０Ａと４１〜４２に示される密封シール４２０はエネルギー貯蔵モジュールハウジングのカバーのような実質的に平面のプレート４２１を貫通して設けられた孔とほぼ整列した中央通路を有する第１のシール本体４２２を含んでいる。シール４２０の第２のシール本体４２４もまたカバー４２１の孔と第１のシール本体４２２の中央通路とにほぼ整列した中央通路を含んでいる。第１のシール本体４２２はカバー４２１の上面に配設され、第２のシール本体４２４はカバー４２１の下面に配設されている。
【０１３７】
１つの実施態様では、第１のシール本体４２２はカバー４２１の孔を通って延びかつこの孔の内面４３９に当接するカラー４３３を含んでいる。カラー４３３は第１のシール本体４２２の中央通路から離れるよう傾斜するテーパーつきの内面４３８を含んでいる。第２のシール本体４２４はこの第２のシール本体４２４の中央通路に向って傾斜するテーパーつき内面４４０を有する溝４３５を含んでいる。
【０１３８】
図４１と４２に与えられた前にシールされた図と後でシールされた図とにそれぞれ最も良く示されるように、第１のシール本体４２２のカラー４３３は第２のシール本体４２４に設けられた溝４３５によって受け入れられそれにより第１及び第２のシール本体４２２，４２４のテーパー面４３８，４４０が、溝４３５の中にカラー４３３が押し込まれるにつれて相互に摺動して係合するようになっている。完全に取付けられた構造における第１及び第２のシール本体４２２，４２４の対向するテーパー面４３８，４４０の係合はカラー４３３の外面の一部分４３７を冷たい流れでカバー４２１に設けられた孔の内面４３９に押しつける。当業者は１つの材料を他の材料に対して冷却して流すことによりこの２つの材料の間に極めて緊密なシールが形成されることを理解するであろう。こうして、密封シールが孔の内面とカラー４３３との間に、第１のシール本体４２２のカラー４３３と第２のシール本体４２４に設けられた溝４３５との間の摺動係合を介して、もたらされる。
【０１３９】
さらに図４０Ａ，４１〜４２に示されるように、第１の端部４２３と対向する第２の端部４２７とを有する導管４２６がカバー４２１の孔と第１及び第２のシール本体４２２，４２４の中央通路とを貫通している。導管４２６は電気及び通信用配線が通過してカバー４２１が取付けられるモジュールハウジングの内側密封環境の中に入る中央通路を含んでいる。導管４２６は導管４２６の第１の端部４２３から外側に向って延び第１のシール本体４２２の表面に接触するフランジ４２５を含んでいる。導管４２６は第１及び第２のシール本体４２２，４２４の中央孔の直径と実質的に等しい直径を有し、それにより導管４２６の外面４４２が第１及び第２のシール本体の中央通路の内径面との緊密で円滑な嵌合を形成するようにしている。
【０１４０】
導管４２６の第２の端部４２７の一部分にねじが切られそれによりナット４３４がこのねじに固定されるようにする。シール４２０はまた第２のシール本体４２４の下面に当接するスラストワッシャー４２８を含んでいる。波形ワッシャー４３０がスラストワッシャー４２８と第２のスラストワッシャー４３２との間に配設される。第２のスラストワッシャー４３２に当接しているナット４３４はナット４３４が導管４２６のねじつきの第２の端部４２７に締めつけられるにつれて軸方向に向けられた圧縮力を密封シール４２０の要素に加える。
【０１４１】
図４２に最も良く見られるように締められたナット４３４によって生じた圧縮力ＦC が波形ワッシャー４３０を圧縮しそれにより第２のシール本体４２４の内側にテーパーのつけられた内面４４０を第１のシール本体４２２の外側にテーパーのつけられた内面４３８と摺動係合させる。圧縮力ＦC の付与は第２のシール本体４２４の内径面４３１を導管４２６の外面４４２に向って内側に駆動する。２つのテーパー面４３８，４４０もまたカラー４３３の一部分４３７をカバー４２１に設けられた孔の内面４３９と緊密に係合するよう駆動する。ナット４３４を締め適当の大きさの圧縮力ＦC を発生させた後は波形ワッシャー４３０が圧縮力ＦC を加え続けそれによりシールの使用寿命にわたって密封シール４２０の作用を完全に保つようにする。
【０１４２】
圧縮力ＦC が図４０Ａに示されるもの以外の締結装置によって発生できることが理解される。例を挙げると、ばね付勢の金属の止め金がねじナット４３４に代わるものとして用いることができる。連続した圧縮力ＦC を保持することのできる他の保持具もまた使用することができる。
【０１４３】
１つの実施態様では、カバー４２１に設けられた孔が円形であり第１及び第２のシール本体４２２，４２４と導管４２６とがそれぞれカバー４２１を貫通して設けられた孔の幾何学形状と相補的な幾何学形状を有している。本発明の原理により構成された密封シールが図面に示されたもの以外の構造を有することができまたシールの構造がカバー４２１に設けられた通路の幾何学形状と相補的な形状に変更できることが理解される。
【０１４４】
１つの実施態様では、カバー４２１がアルミニウムのような金属材料から構成されまた第１及び第２のシール本体４２２，４２４がポリプロピレンプラスチックのようなプラスチック材料から製造される。導管４２６は金属又はプラスチック材料から製造される。間隙４４６，４４７が第１及び第２のシール本体４２２，４２４にそれぞれ設けられ、２つのテーパー面４３８，４４０の強制された係合から生じる第１及び第２のシール本体４２２，４２４の間の位置の移動に適合できるようにすることが分かる。さらに、切込み４５１が第１のシール本体４２２に設けられ２つのテーパー面４３８，４４０の間の摺動自在の係合に応じてカラー４３３がカバー４２１の孔の内面に向う方向に動くのを容易にすることができる。
【０１４５】
他の密封シール装置又はフィードスルーが図４０Ｂ〜４０Ｃに示されている。この実施態様によれば、密封シールが主としてフランジつき伝導体又は端子４６２とモジュールハウジングの壁又はカバー４６８との間で圧縮されるＯリング４６４により得られる。フェノールの支持体４６６がフランジつき導管４６２をカバー４６８から一定距離に保持し、それによりその寸法が長期間安定する空洞をつくり出すことができる。この配置構造はＯリングの材料が時間と高温に伴って流動化するのを阻止する。
【０１４６】
ポリプロピレンのリング４７０とスリーブ４７２がフィードスルーの底部分をカバー４６８から電気的に絶縁する。フェノールのリング材料に比べて、ポリプロピレンは弧光発生が生じた後でもその高い誘電強度を保持する。弧光発生はあったとしてもＯリング４６４とポリプロピレンスリーブ４７２との間に生じることが分かる。リング４７０とスリーブ４７２の材料としてポリプロピレン材料を用いる他の利点はこの材料が、電線がフランジつき導管に接続された時に生じるトルクを受けた時に組立体が回転するのを阻止するに十分な摩擦係数をもたらすことである。皿ばね４７４がフィードスルーがかしめられた時に平らにされる。皿ばね４７４は組立体がポリプロピレンが時間の経過で流動化しても圧力下に保持されるのを保証する。金属ワッシャー４７６は圧力をポリプロピレンリング４７０の表面を横切って均一に分配するのを助ける。
【０１４７】
概して、上記の密封シール装置はハウジングカバー又は壁とカバーを通過する電力伝導体との間に高い誘電強さを有している。２，０００ボルトのオーダーの電力端子電圧が電弧発生なしで適応できる。緊密シール（例えば１０-8cc-atm／sec ）が機械的応力を生じた時でも保持される。この密封シールはまた良好なトルク抵抗と良好な全体の機械的抵抗とを有している。
【０１４８】
図４３には前に記載された有利な特徴の多くを組入れた電力発生モジュール５００の分解図が示されている。モジュール５００は電気化学的電池５２１の積層体５０５と種々の電気基板とを収容する内側殻体５０１を含んでいる。内側殻体カバー５０８が、内側殻体カバー５０８に設けられた種々のフィードスルーをシールする図４０〜４２に関して前に記載したような密封シール５１５を組込んでいる。
【０１４９】
１つの実施態様によれば、モジュール５００は相互接合基板５０４の使用を介して相互接合された電気化学的電池５２１の積層体５０５を含んでいる。電気化学的電池５２１の積層体５２１は全てが２つの帯５２７と２つの対向端部プレート５２９とを用いて一緒に束ねられた６個の電池包装５２５に分離されている。４８個の電気化学的電池５２１が帯５２７及びプレート５２９と電池５２１の各々の内部又はこれに近接して配設された発泡体又はばね型要素を用いることによって発生された連続する圧縮力を受ける。各電気化学的電池５２１はプラス及びマイナスの電池接触子の一方又は双方にそれぞれスポット溶接又は取付けられた熱伝導体を含んでいる。
【０１５０】
熱伝導体のプラス及びマイナスの接触子は電流を電池５２１から相互接続基板５０４に搬送する。熱伝導体はまた熱を電池から吸熱器として作用する金属内側殻体５０１に伝導する。熱伝導体は電池５２１が内側殻体５０１の中に挿入された時変形するばね部分を含み、電池の長さの公差と電池５２１と内側殻体５０１との間の離間距離の変化とに適応できるようにする。
【０１５１】
内側殻体５０１は約１mmの厚さを有しまた深絞りアルミニウムから製造される。内側アルミニウム殻体５０１の内側は約０．６４mmの厚さの陽極化された被膜を含んでいる。内側殻体５０１の陽極化された表面は隣接電池５２１の間に電気絶縁をもたらし、しかも弾性の電池伝導体との接触を介して電池５２１から発生した熱を効率的に伝達する。ステンレス鋼の殻体の場合は、プラスチック又は金属を母材とする材料の薄いシートが殻体の壁に近接して配設される。
【０１５２】
相互接続基板５０４が電池積層体５０５の上方に位置しそして電池積層体５０５を構成する各６個の電池包装５２５の各々のための制御回路を含んでいる。各電池包装制御ユニット５１３が充電と放電の間の電池包装５２５の作用を制御するよう共働する短絡回路保護装置５０７とバイパス装置と等化器回路を含んでいる。したがって、電池包装５２５の各々は各電池包装制御ユニット５１３によって監視され制御される。相互接続基板５０４の上方に位置する制御基板５０６が６個の電池包装制御ユニット５１３の各々を監視し制御する処理装置を含んでいる。このように、制御基板５０６は充電及び放電作用の間電池包装及びモジュールの状態を監視し制御できるようにする。
【０１５３】
一対の迅速接続器５１７が内側殻体カバー５０８に設けられた対応孔を通過しまたモジュール５００の主電力端子として作用する。この迅速接続器５１７は本発明の原理によるシール装置５１５を用いて内側殻体カバー５０８に密封状にシールされる。外側殻体カバー５１２が内側殻体カバー５０８に配置された時、迅速接続器５１７は相互接合基板５０４上に設けられた係合ソケット５１９の中に受け入れられる。内側殻体カバー５０８を通過しかつ同様に密封状にシールされた通信用接続器５１１が制御基板５０６とモジュール５００の他の電子基板とに外部から接近できるようにする。
【０１５４】
密封シールが内側殻体５０１と内側殻体カバー５０８との間に、内側殻体カバー５０８を内側殻体５０１の頂部に溶接することによって得られる。シールされた内側殻体５０１は次に外側殻体５０２に挿入される。外側殻体５０２は射出又は圧縮成形方法を用いてガラス充填ポリプロピレンから製造され、また約２mmの厚さを有している。外側殻体５０２は内側殻体５０１が内側及び外側の殻体５０１，５０２の間で熱移送流体を移送するために外側殻体５０２に取付けられた時流れ通路を形成する。内側表面の３つの側面上のリブを含んでいる。冷却配管をこれに代えて、外側殻体５０２を必要としないで内側殻体５０１と接触して配置することができる。外側殻体カバー５１２は外側殻体５０２の頂部に振動溶接される。流体接続器５２０が外側殻体５１２上に配設されそして熱移送流体がモジュール５００に流入及び流出できるようにする。
【０１５５】
さて図４４〜４８を参照すると、本発明の他の実施態様によれば、エネルギー貯蔵モジュールが上記の型の密封状にシールされたハウジングに配設された相互接続基板６３０を含んでいる。モジュールの密封シールがモジュールの使用環境によっては必ずしも必要ではなく、したがって相互接続基板は非密封状にシールされたハウジングの中に取付けることができることが理解される。
【０１５６】
図４４に示されるように、エネルギー貯蔵モジュール６３５は積層構造６４６に配置されハウジング６４８の中に位置する多数の個々の電気化学的電池６５０を含んでいる。電気化学的電池６５０の各々は電池６５０の対向縁に配設された一対の電気導線６５２を含んでいる。電気化学的電池６５０の全体の積層体６４６は種々の並列及び直列の関係に相互接続され所望の電流定格と電圧定格を達成するようにしていることが理解される。電気化学的電池６５０の積層体６４６の内部の選択的な直列又は並列接続を容易にするため、相互接続基板６３０がハウジング６４８の内部に配置される。
【０１５７】
相互接続基板６３０は、この基板６３０がハウジング６４８の内部に取付けられた時に電気化学的電池６５０を予め形成された接続構造にしたがって相互接続する接続パターン又は伝導性格子６３２を含んでいる。この接続パターン又は格子６３２は典型的には実質的に剛性のプラスチック又は積層材料のような絶縁材料のシートに取付けられ又は接着される。多数の電気及び電子−機械的構成部品がまた相互接続基板６３０に取付けられる。
【０１５８】
例えば図４４に示されるように、相互接続基板６３０は多数のフューズ包装６４０、等化器及びバイパス装置６４２、プラス及びマイナス電力端子６３８，６３６を含んでいる。相互接続基板６３０に配設された構成部品の一部又は全部を相互接続基板６３０以外の基板又は台に取付け、モジュールハウジング６４８の内部又は外部に位置させることができることが理解される。１つの実施態様では、図４４に示される相互接続基板６３０と電気化学的電池６５０とが図４０〜４３に関して前に記載されたような密封シールされたハウジング６４８の中に配設される。
【０１５９】
図４５に最も良く示されるように、相互接続基板６３０は典型的には、有利には予め設計された接続配線にしたがって自律的な電気化学的電池６５０の相互接続が得られるパターン化された接続表面を含んでいる。パターン化された相互接続表面６３２を有する相互接続基板６３０を使用することによって得られる大きな利点は、所望の電流及び電圧定格がハウジング６４８の内部の個々の電気化学的電池６５０の相互に対する位置に関係なくまたこの位置を乱すことなく達成される適応性に関するものである。
【０１６０】
例を挙げると、特に図４５〜４６を参照して、相互接続基板６３０の相互接続表面６３２が選択的にパターン化され所望の電池接続構造が達成できるようにする。この実施態様では、相互接続表面６３２が、予め設計され特定数の電気化学的電池６５０のプラス及びマイナス接触子６５２と電気的に接続する多数の電気絶縁された接続領域を含んでいる。この図示の実施態様によれば、７個の絶縁された接続領域Ｒ1 〜Ｒ7 が相互接続基板６３０のパターン化された相互接続表面６３２を構成するものとして示されている。
【０１６１】
相互接続基板６３０がハウジング６４８の内部に電気化学的電池積層体６４６に近接して取付けられた時、第１の群の電気化学的電池６５０の電気接触子６５２が接続領域Ｒ1 と位置６５４ａで接触する。第１の群の電気化学的電池６５０の反対側の組の電気接触子６５２が接続領域Ｒ2 と位置６５４ｂで電気的に接触する。この構造において、接続領域Ｒ1 はマイナスの電力端子６３６に電気的に接続される。
【０１６２】
第２の群の電気化学的電池６５０が、接続領域Ｒ3 とＲ2 とにそれぞれ位置６５６ａと６５６ｂとで接続されるそれぞれの反対側の組の電気接触子６５２を有している。第３の群の電気化学的電池６５０が接続領域Ｒ3 とＲ4 に位置６５８ａと６５８ｂとでそれぞれ接続されたそれぞれの反対側の電気接触子６５２を有している。次の群の電気化学的電池６５０は接続領域Ｒ5 ，Ｒ6 及びＲ7 に同様な方法で接続されたそれぞれの反対側の電気接触子６５２を有している。接続領域Ｒ7 はプラス電力端子６３６に電気接続されることが分かる。
【０１６３】
変化する構造の任意の数の接続領域が相互接続基板６３０の相互接続表面６３２上に設けられることが理解されるべきである。図４５〜４６に示される接続領域Ｒ1 〜Ｒ7 の各々は一群の電気化学的電池６５０と電気的に通じているが、１つの接続領域が１つの電気化学的電池６５０だけに電気的に通じるように示されていることが理解される。第１の群の電気化学的電池６５０は接続領域Ｒ1 とＲ2 に対して並列関係に接続されることが分かる。同様に、第２の群の電気化学的電池６５０は接続領域Ｒ3 とＲ2 に対し並列に接続される。
【０１６４】
選択された電気化学的電池６５０と選択された是縁接続領域で電気伝導が形成されたことにより、接続領域は電気伝導体及び／又は構成部品の使用を介して直列又は並列に相互接続される。選択された絶縁接続領域をこのようにして橋絡することは電流が例えばプラスの電力端子６３８、接続領域Ｒ1 〜Ｒ7 を通りまたマイナスの電力端子６３６を通って流れることのできる電流経路を区画形成する。
【０１６５】
１つの実施態様では、単一の短絡−回路の橋絡又は接続器が用いられ接続領域Ｒ1 〜Ｒ7 を所望のように相互接続し電流がモジュール６３０を通って流れることができるようにする。他の実施態様では、種々の電気又は電子−機械的構成部品が絶縁接続領域の間の電流の流れを制御する相互接続基板６３０に配設される。
【０１６６】
当業者は本発明の原理にしたがって実施される相互接続基板６３０が任意の数の電気化学的電池６５０を任意の所望の直列又は並列の関係に適応性のある選択的な接続ができるようにすることを理解するであろう。相互接続基板６３０はさらに種々の制御及び監視装置を電気化学的電池に対し直列又は並列に容易に集積できるようにする。相互接続表面６３２は様々な予め設計された接続配線にしたがってパターン化され所望の電圧及び電流定格が達成できるようにする。広範囲の電力要求を満足させるエネルギー貯蔵モジュールの生産性は、例えば変化する相互接続表面構造を有する多数の相互接続基板６３０の中から選択しまた選択された相互接続基板６３０を選択されたモジュールハウジングの中に取付けることにより、著しく向上する。多数の異なったモジュールハウジング構造が特定の用途のエネルギー生産の要求に基づいて特定数の電気化学的電池を収容するよう設計され製造される。
【０１６７】
さて図４７を参照すると、多数の制御装置が取付けられている集積された相互接続基板６３０の頂面図が提供されている。図４７に示される実施態様では、相互接続基板の底部が図４５〜４６に示されるものと同様な構造の相互接続表面を含んでいる。この構造において、エネルギー貯蔵モジュールが、それぞれが８個の並列接続の電気化学的電池６５０からなる６個の電池包装の群とされた６４個の個々の電気化学的電池６５０を含んでいる。この６個の電池包装の各々と８個のフューズ（図示しない）を含むフューズ包装６４０とが結合され、１つのフューズは電池包装の８個の並列接続の電気化学的電池６５０のうちの１つと直列に接続されている。フューズ包装６４０の内部のフューズは励起された時、欠陥のある電池を電池包装の残りの電池から電気絶縁できるようにする。フューズは典型的には、例えば電池包装のうちの特定の電池の内部に短絡が生じたときに励起される。
【０１６８】
電流バイパス装置がまた相互接続基板６３０に取付けられ、励起された時に電池包装を欠陥電池包装の周りの直列接続バイパス電流から絶縁する電池包装と直列に接続される。
【０１６９】
充電と放電の作用の間過剰電圧保護と電池包装電位の平衡とを提供する等化装置がさらに電池包装に並列に接続される。
【０１７０】
１つの実施態様では、この等化装置とバイパス装置とが図４７に示される等化器／バイパスモジュール６４５のような単一の集積された構成部品包装に結合されている。さらに、伝達装置６４７が電池包装の各々に接続され内部又は外部の制御装置又は処理装置により個々の電池の監視と制御を容易にするようにしている。
【０１７１】
図４８Ａ〜４８Ｃには上記したように相互接続基板６３０に取付けられる集積等化器／バイパスモジュール６４５の実施態様が示されている。この集積等化器／バイパスモジュール６４５は有利には相互接続基板６３０に取付けられた接触端子６６７，６６９を介して等化及びバイパス条件の間に発生された熱を効率的に消散することのできるコンパクトなハウジング構造を提供する。接触端子６６７，６６９を介して相互接続基板６３０に伝導された熱はさらに、前に述べられたように、電池から延びかつハウジングの壁に接触する熱伝導体を介してハウジング６４８の壁に伝導される。
【０１７２】
１つの実施態様では、集積等化器／バイパスモジュール６４５が２．７５インチの全長ＬT を有している。等化器／バイパスモジュール６４５のハウジング６６５は２．２５インチの長さＬM を有する。等化器／バイパスモジュール６４５の全幅ＷT は１．５０インチであり、またプラス及びマイナスの端子６６７，６６９の幅は１．２５インチである。ハウジング６６５の高さＨT は０．６２５インチであり、プラス及びマイナスの端子６６７，６６９の高さすなわち厚さは０．０５インチである。等化器／バイパスモジュール６４５は１２．５インチと５．６インチの長さと幅の寸法をそれぞれ有する相互接続基板６３０上に取付けられる。相互接続基板６３０の相互接続表面６３２は０．０５インチの厚さを有するパターンが形成された銅プレートを含んでいる。
【０１７３】
等化器／バイパスモジュール６４５によって発生された熱は典型的には集積モジュール６４５と相互接続基板６３０からモジュールケーシング６４８の壁に電池の熱伝導体を介して伝導される。この設計によれば、等化器は約１５ワットの熱を発生する結果となる５アンペアのオーダーの電流を通過させることができる。当業者は等化器の高い電流定格が比較的高い量のエネルギー貯蔵装置の充電と放電を提供することを理解するであろう。
【０１７４】
図４５〜４６に戻ると、相互接続基板６３０の１つの実施態様が、多数の構成部品が取付けられるプラスチックシート６３４と、パターンが形成されて相互接続表面６３２を形成する電気伝導性材料の別のシートとを含んでいる。パターンが形成された伝導性シートは続いてプラスチック６３４に取付けられる。１つの実施態様では、伝導性シートは０．０５インチの厚さとモジュール６３５の大きさに依存して変わる幅と長さを有する銅のシートを構成する。伝導性シートの厚さは比較的高い電流を通すために必要とされ、また実際上は公知のフォトエッチングの印刷回路板（ＰＣＢ）技術の使用を不可能にする。
【０１７５】
この銅シートはフライス加工され予め設計されたパターン配線にしたがってこのシートの上に個々の接続領域を形成する。このパターン配線は銅シートの容積と重量を最小にするよう設計すべきであることが分かる。銅シートの機械加工に続いて個々の銅接続領域は清掃されプラスチック板６３４に適当な位置で取付けられ予め設計されたパターン配線の復元を容易にする。
【０１７６】
プラスチック板６３４は典型的には約０．１インチの厚さを有し、また電子工業内部で普通に用いられている回路板と同様な構造を有している。銅接続領域は公知の接着又は締結技術によりプラスチック板６３４に取付けられる。例えばアルミニウムのような銅以外の伝導性材料が用いられ接続領域を製造することが理解される。
【０１７７】
種々の電子装置が用いられモジュール６３５の内部に発生した電気及び熱のエネルギーを監視し制御する実施態様においては、このような装置は集積相互接続基板６３０に取付けられる。例えば多数の等化器／バイパスモジュール６４５と伝達装置６４７とが相互接続基板６３０に取付けられる。等化器／バイパスモジュール６４５とプラス及びマイナス電力端子６３８，６３６が公知の超音波溶接技術を用いるなどして相互接続基板６３０に溶接される。これに代え、空気流ろう付け又はスポット溶接技術が用いられ等化器／バイパスモジュール６４５と端子６３６，６３８を相互接続基板６３０に取付けることができる。
【０１７８】
等化器／バイパスモジュール６４５と端子６３６，６３８を取付けた後、フューズ包装６４０が電池の構造と相互接続表面６３２の重量と容積を最小にする必要性とに依存して、相互接続基板６３０の側面の一方又は双方に取付けられる。フューズ包装６４０の一側６５１が相互接続基板６３０に超音波で溶接される。超音波溶接を用い種々の構成部品を相互接続基板６３０に取付けることにより他の公知の溶接技術に比べて溶接操作の間に発生した全体の熱を減少するものとなることが分かる。しかし、空気流ろう付け、半田付け、又はスポット溶接技術を良好に設計された吸熱器に組合わせて用いることができる。
【０１７９】
最後に、相互接続基板６３０は電気化学的電池６５０の積層体６４６に取付けられる。電池の端子６５２の各々は相互接続基板６３０に接続されるが、これは超音波溶接、半田付け、又はスポット溶接によって行われる。次の表２はシールされたモジュールハウジング６４８の中に収容された多数の個々の電気化学的電池６５０と種々の電子装置を相互接続するための、図４７に示されるような相互接続基板６３０の使用に関連する種々のデータを提供する。表２に示されるデータは、約８マイクロオームの全抵抗と７から１４グラムの全重量とが、４００アンペアのオーダーのピーク電流を電力端子を横切る約４ミリボルト以下の電圧降下と１ワットのオーダーの電力損失で通すことのできる電力装置に用いるため、ここに示される型の集積相互接続基板６３０を使用することによって実現されることを示している。
【０１８０】
【表２】
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【０１８１】
勿論、変更と付加が上記の様々な実施態様に対して本発明の範囲と精神から逸脱することなく行われ得ることが理解される。例えば、保護囲壁の熱伝導壁のような吸熱器の全表面よりはむしろ別の離れた表面に上記した熱伝導性で電気抵抗性の材料が付与される。さらに他の例を挙げると、本発明の原理は、ニッケル金属水素化物（Ｎｉ−ＭＨ）、リチウム−イオン（Ｌｉ−Ｉｏｎ）を使用するようなリチウムポリマー電解物質を利用するもの以外のバッテリ技術と共にまた他の高エネルギーバッテリ技術と共に用いられる。したがって、本発明の範囲は上記の特定の実施態様に限定されるものではなく、以下に記載の請求の範囲とその均等物とによってのみ規定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は角柱形状を有する固体薄膜電気化学的電池の実施態様を示す。
【図２Ａ〜２Ｃ】  図２Ａ〜２Ｃは薄膜電気化学的電池の他の実施態様を示す。
【図３Ａ】  図３Ａは角柱状の薄膜電気化学的電池の他の実施態様の図である。
【図３Ｂ〜３Ｃ】  図３Ｂ〜３Ｃは角柱状電気化学的電池の陽極及び陰極接触子の一方又は双方に取付けられる熱伝導体の２つの実施態様を示す。
【図３Ｄ】  図３Ｄは薄膜電気化学的電池の積層体を収容しかつ本発明の実施態様による現場での熱管理方法を用いるエネルギー貯蔵モジュールの部分図である。
【図４】  図４は角柱状薄膜電気化学的電池の他の実施態様を示す。
【図５】  図５は図１に示される型の電気化学的電池に関する電圧と容量との間の関係のグラフである。
【図６】  図６は角柱状電気化学的電池のための従来の導線取付け構造を示す。
【図７〜８】  図７〜８は外部の活動冷却装置のない場合とある場合における充電（ＳＯＣ）レベルの５つの異なった状態での電池積層体の最高温度と隣接短絡回路電池の数との間の関係を示す。
【図９】  図９は電池のうちの１つが短絡回路状態となっている多重電池エネルギー貯蔵装置の部分図である。
【図１０Ａ】  図１０Ａは短絡回路状態にある電池の最高温度と電池の正常化されたエネルギー容量との間の関係のグラフで、正常化されたエネルギー容量が隣接配置された電池のエネルギー容量対接触表面積の比を示しているグラフである。
【図１０Ｂ〜１０Ｃ】  図１０Ｂ〜１０Ｃはエネルギー貯蔵モジュールの最高電池温度と電池のエネルギー容量と厚さとの間の関係をグラフの形式で示す。
【図１１】  図１１は電池の１つが短絡回路状態にある多重電池エネルギー貯蔵装置の実施態様を示す。
【図１２】  図１２は電池に短絡回路が生じたときの電気化学的電池の特徴的な電流波形を示す。
【図１３】  図１３は本発明の実施態様による集積短絡回路保護装置の実施態様である。
【図１４】  図１４は電池、電池パック、モジュール、及びバッテリ構造を含む種々のエネルギー貯蔵装置の配置構造を示す。
【図１５】  図１５は多数の相互接続薄膜電気化学的電池を包含するエネルギー貯蔵モジュールの斜面図である。
【図１６】  図１６は電気化学的電池を圧縮状態にしておくため外部で発生した力を受けている一群の電気化学的電池の実施態様を示す。
【図１７】  図１７は電気化学的電池を圧縮しておくため内部と外部に発生した力を受けている一群の電気化学的電池の他の実施態様を示す。
【図１８Ａ〜１８Ｃ】  図１８Ａ〜１８Ｃは角柱状電気化学的電池の内部又は間で用いるためのばね状芯要素の種々の実施態様を示す。
【図１９Ａ〜１９Ｂ】  図１９Ａ〜１９Ｂは電気化学的電池の積層体を充電及び放電サイクルの間圧縮状態に保持するための外部圧力発生装置の実施態様を示す。
【図２０Ａ〜２０Ｂ】  図２０Ａ〜２０Ｂは電気化学的電池の積層体を充電及び放電サイクルの間圧縮状態に保持するための外部圧力発生装置の他の実施態様を示す。
【図２１】  図２１は電気化学的電池の積層体を圧縮状態に保持するための力発生装置の実施態様を示す。
【図２２】  図２２は電気化学的電池の積層体を充電及び放電サイクルの間圧縮して保持するための圧力発生装置に用いる張力発生締め具を含む帯又はひもの図である。
【図２３】  図２３は図２２に示される張力発生締め具の斜面図である。
【図２４】  図２４は電気化学的電池の積層体を圧縮状態に保持するための細長いばねを含む圧力発生装置の実施態様の断面図である。
【図２５〜２６】  図２５〜２６は電気化学的電池の積層体を圧縮状態に保持するための圧力発生装置の他の実施態様の断面図である。
【図２７Ａ〜２７Ｃ】  図２７Ａ〜２７Ｃは電気化学的電池の積層体を圧縮状態に保持するための圧力発生装置のさらに他の実施態様を断面図で示す。
【図２７Ｄ〜２７Ｆ】  図２７Ｄ〜２７Ｆは一群の電気化学的電池を圧縮状態に保持するための他の圧力発生装置の図である。
【図２７Ｇ〜２７Ｈ】  図２７Ｇ〜２７Ｈは多数の皿ばねを用いる圧力発生装置の実施態様を示す。
【図２７Ｉ〜２７Ｋ】  図２７Ｉ〜２７Ｋは多数の波形ばね又はコイルばねを用いる圧力発生装置の実施態様を示す。
【図２７Ｌ〜２７Ｍ】  図２７Ｌ〜２７Ｍは電気化学的電池を圧縮状態に保持するための圧力発生装置に用いられるベローズ機構の種々の型を示す。
【図２８】  図２８は電池接触子が密閉容器の壁に近接して位置するよう整列された一群の電気化学的電池の頂面図で、多数の隙間が電池の長さと壁の歪みの変化に起因して電池接触子のあるものと壁との間に形成されているところを示す。
【図２９と３０Ａ〜３０Ｄ】  図２９と３０Ａ〜３０Ｄは密閉容器の壁との機械的な係合を保持するため高さが変化する熱伝導体の実施態様の頂面図である。
【図３１Ａ】  図３１Ａは熱伝導体のばね状特性を高める、熱伝導体内部に捕えられたばね絶縁体の図である。
【図３１Ｂ〜３１Ｄ】  図３１Ｂ〜３１Ｄは変化する形状を有する熱伝導体の他の実施態様を示す。
【図３１Ｅ】  図３１Ｅは多数の電気化学的電池接触子を横切って延びる熱伝導体の図である。
【図３２】  図３２は圧縮状態と非圧縮状態でのばね絶縁体を含む熱伝導体の種々の構造を示す。
【図３３】  図３３は良好な熱伝導係数と低い電気伝導性特性とを呈する平面構造に近接配置された熱伝導体を有する電気化学的電池の断面図である。
【図３４】  図３４はモジュールハウジングに囲まれている薄膜電気化学的電池の積層体に出入する熱の効率的な移送を容易にするため活動的冷却装置を含むモジュールハウジングを示す。
【図３５〜３６】  図３５〜３６図はプレート熱交換器を含む活動的冷却装置の２つの実施態様を示す。
【図３７〜３８】  図３７〜３８は電気化学的電池の積層体の内部に配設された薄い金属の熱伝導体を含む熱管理装置の他の実施態様を示す。
【図３９】  図３９はモジュールの外部の現場熱管理装置と組合わせたモジュールハウジングにおいて外部の活動的冷却装置を用いる時の温度と電池の位置との間の関係を示すグラフである。
【図４０Ａ】  図４０Ａはモジュールハウジングのカバーに設けられた通路をシールするための密封シール装置の実施態様の図である。
【図４０Ｂ〜４０Ｃ】  図４０Ｂ〜４０Ｃはモジュールハウジングのカバーに設けられた通路をシールするための密封シール装置の他の実施態様を示す。
【図４１〜４２】  図４１〜４２は図４０Ａに示される密封シール装置の前にシールされた構造と後でシールされた構造とをそれぞれ示す。
【図４３】  図４３は本発明の実施態様による密封シールを組込んだハウジングに配設された電力発生モジュールの分解図である。
【図４４】  図４４は相互接続基板を用いて直列及び／又は並列関係に選択して相互接続された薄膜電気化学的電池の積層体を含む固体のエネルギー貯蔵装置の実施態様を示す。
【図４５】  図４５は多数の電気化学的電池と選択した直列及び／又は並列の相互接続ができるよう配設された接続パターンを有する相互接続基板の表面を示す。
【図４６】  図４６は多数の電気化学的電池を直列又は並列に選択して接続するための接続パターンを含む伝導体材料のシートを有する相互接続基板の他の図である。
【図４７】  図４７は多数の構成要素が取付けられた相互接続基板の他の実施態様を示す。
【図４８Ａ〜４８Ｃ】  図４８Ａ〜４８Ｃは等化器とバイパス装置とが一体に組込まれた構成要素包装の図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２３】
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【図２２】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２７Ｃ】
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【図２７Ｄ】
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【図２７Ｅ】
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【図２７Ｆ】
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【図２７Ｈ】
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【図２７Ｇ】
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【図２７Ｉ】
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【図２７Ｊ】
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【図２７Ｋ】
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【図２７Ｌ】
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【図２７Ｍ】
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【図２７Ｎ】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３０Ｃ】
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【図３０Ｄ】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３１Ｃ】
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【図３１Ｄ】
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【図３１Ｅ】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０Ａ】
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【図４０Ｂ】
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【図４０Ｃ】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８Ａ】
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【図４８Ｂ】
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【図４８Ｃ】
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