JP2017520125A

JP2017520125A - エネルギー貯蔵装置

Info

Publication number: JP2017520125A
Application number: JP2017506250A
Authority: JP
Inventors: ジョージ，クレイグラー，ザ・サード
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2017-07-20
Also published as: EP3132480A2; WO2015167698A2; WO2015167698A3

Abstract

エネルギー貯蔵装置であって、そこから外方に突出し正のタブを有する平坦な矩形状の正電極層と、そこから外方に突出し負のタブを有する平坦な矩形状の負電極層と、平坦な矩形状のセパレータと、を備える４つの縁部を有するエネルギーセルを備え、平坦な矩形状のセパレータは、前記平坦な矩形状の正電極層と前記平坦な矩形状の負電極層との間に配置される。

Description

関連用途の相互参照
本特許協力条約特許出願は、”ＡＮＥＮＥＲＧＹＳＴＯＲＡＧＥＡＰＰＡＲＡＴＵＳ”と題する、２０１４年４月１７日に提出され、シリアル番号第６１／９８１．１３４号を有する、先に提出された米国仮特許出願のＫｒｅｉｇｌｅｒに対する優先権の利益を主張する。

背景
関連技術
近年のエネルギー貯蔵技術は、バッテリおよびスーパーキャパシタといった、金属の大きな容量をエネルギー貯蔵デバイスを収容するために利用する。さらに、近年の円筒形エネルギー貯蔵装置では、特に自動車用途といった大きな電力負荷を届けるように適合される装置では、著しい量の空間が無駄にされる。空間が無駄にされなければ、そのような容量はエネルギーを貯蔵されるために使用されることができる。セルを作るためのプロセスは、高価であり、製品を製造するために多くの資本設備を必要とする。また、たった１つのセルを作るためだけにも多くのステップが必要である。さらに、全体プロセスは、長く高価である。

バッテリおよびスーパーキャパシタは、最も頻繁には、機械的なシリンダーに巻かれ、収容される。より高いエネルギー貯蔵レベルを達成するために、これら機械的なシリンダーは、しばしば大きなバスバーを介して連結され接続される。これらのセルは、そして大きなバスバーとともに溶接され、そして重い金属容器内に包まれる。連続するシリンダー間の空間は、エネルギー貯蔵ためにまたはいずれかの有用な手段のために利用されない。それらの設計による円形セルは、大きな量の空きの空間を残し、これは、各モジュールで無駄にされる。

提示する教示は、近年のエネルギー貯蔵デバイスを収容するために使用されるかなりの量の金属および無駄な空間を除去するための装置、方法、製造品を開示する。さらに、提示される教示は、以前に無駄にされていた容量が、追加のエネルギー貯蔵媒体を収容するために利用されうる方法を示す。提示される開示はさらに金属からの重量寄与を追加のエネルギー貯蔵媒体からの重量寄与に交換するための方法を教示し、全体としてのエネルギー密度を向上させ製造コストを低下させる。

図面の簡単な説明
提示される開示の実施形態は、以下の図面を参照することによってより容易に理解され得、同様の参照番号および符号は同様の要素を表す。

提示される教示の１つの実施形態に従うパウチセルの分解立体図を示す。提示される教示の１つの実施形態に従うパウチセルの斜視図を示す。提示される教示の１つの実施形態に従うパウチセルの分解立体図を示す。提示される教示の１つの実施形態に従うエネルギー貯蔵装置の分解立体図を示す。提示される教示の１つの実施形態に従うエネルギー貯蔵装置の斜視図を示す。提示される教示の１つの実施形態に従う電力管理システムを示す。

詳細な説明
概要
提示される教示は、容易に拡張可能かつ非常に低い製造コストにおけるプラットフォームに合う高い電力および高いエネルギーソリューションを開示する。提示される教示は、近年のエネルギー貯蔵デバイスで利用できるエネルギー密度に対して３００％の改善を産出できるエネルギー貯蔵デバイスのための方法、装置、システムおよび製造品を開示する。さらに、提示される開示は、エネルギー貯蔵装置を収容するために必要とされる金属の容量を実質的に減少させることによって廃棄物を減少するための環境に優しい方法を示す。提示される教示はまた、現在利用できるソリューションより少ない故障点を有するエネルギー貯蔵装置を開示する。そして、なぜなら提示される教示を使用する比較可能なエネルギー密度に対する著しい重量減少のために、自動車業界といった重量に敏感な用途は大きな利益を受けるだろう。無数の他の電力およびエネルギー用途は、重輸送、ハイブリッド車両、電力グリッド、ボードネット安定化、風車、および汚れたエネルギーろ過といった、提示される教示を採用する当業者に対して明らかにだろう。提示される教示はまた、現在の従来技術ソリューションに比べてエネルギー貯蔵デバイスの出力インピーダンスを低減する。たとえば、１つの近年のスーパーキャパシタは、１６６ファラドにおける４８ボルトモジュールで、６ミリオームの抵抗を有する。提示される教示の１つの例では新しく設計される４８ボルトモジュール同等の製品は、３３４ファラドの増加されたキャパシタンスと２．４ミリオームの改善された抵抗とを有し、大きさおよび構成に応じて０．４ミリオームの改善された抵抗では１９９２ファラドまで高くなり、全体として製品重量は約４０％減少した。著しい量の金属の排除により、製造および材料コストは、約４５％削減される。提示される教示において開示される技術を用いることで、現在利用できるものに比べて最大１６倍多くのエネルギーを所定の電力定格において産出でき、必要とされる重量および空間をほぼ半分にできる。

１つの実施形態での分解立体図を図示する、図１ａを参照して、上側の非導電性の平坦な矩形状のパウチ層１０６および下側の非導電性平坦な矩形状のパウチ層１０４と、正のタブ１０８および負のタブ１１０を有するエネルギーセル１０２と、電解液（図示されない）を備える、パウチセル装置１００が示される。

パウチセル１００は、４つの縁部を有し、各縁部は、エネルギーセル１０２の縁部長さをわずかに超えて延在する。２つのパウチセル縁部は、そこの正のタブ１０８および負のタブ１１０を介して嵌合するように適合され、これによりタブはパウチセル縁部の外側に延びる。パウチセルの製造方法は、パウチセル縁部をともに超音波溶接するステップの前にまたはステップ中に、電解液を全体にパウチセル内に密封する方法で、電解液でパウチセルを含浸するステップを含む。それを介して正および負タブに嵌合するように適合されるパウチセル縁部は、また密封され、これによりパウチセルの内部に含浸する電解液はそこから漏れない。

エネルギーセル１０２は、４つの縁部を有し、平坦な矩形状の正電極層および平坦な矩形状の負電極層を含む。正のタブ１０８は横方向に外側へ平坦な矩形状の正電極層から突出する。負のタブ１１０は横方向に外側へ平坦な矩形状の負電極層から突出する。平坦な矩形状のセパレータは、層間の電気的短絡を防止するために、正電極層と負電極層との間に配置され、物理的に２つの電極を分離する。セパレータは、紙、不織多孔ポリマーフィルム、ポリアクリロニトリル、カプトン、織られたガラス繊維、または多孔の織られたセラミック繊維で構成されてもよい。エネルギーセル１０２を収容し密封するように適合される非導電性パウチセル１００は、エネルギーセルのまわりがシールされるように超音波溶接される。両方の電極層が炭素電極またはその誘導体、金属酸化物または導電性ポリマー電極で構成されてもよいということが理解されるだろう。いくつかの実施形態では、エネルギーセル１０２は、二重層キャパシタ、疑似キャパシタおよび／またはハイブリッドキャパシタとして構成されるスーパーキャパシタを備えてもよい。他の実施形態では、エネルギーセル１０２は、例えばリチウムイオンバッテリといったバッテリ装置を備えてもよい。図１ｂは、縁部が超音波溶接されおよび密封された後の図１ａの実施形態の斜視図を示す。

今度は図１ｃを参照して、パウチセル１００の分解立体図が、図示される。図１ｃは、上で参照された図１ａおよび図１ｂ同様であるが、さらに上側のハウジング１０７および下側のハウジング１０５によって囲まれるエネルギーセル１０２を図示する。組み立てられたとき、上側のハウジング１０７および下側のハウジング１０５は、エネルギーセル１０２のための囲いを提供するために、ともに嵌合されるだろう。１つの実施形態では、上側のハウジング１０７および下側のハウジング１０５は、例えばポリプロピレンといった、耐性アセトニトリル材料製である。図１ｃに示されるように、上側のハウジング１０７は複数の穿孔１１１を備え、これらは、電解液が自由に囲いの中にまたはそこから流れることを可能とする開口部として機能し、これにより電解液はエネルギーセル１０２に接触するようにされてもよい。同様に、下側のハウジング１０５は複数の穿孔１０９を備え、これらは電解液が自由に囲いの中にまたはそこから流れることを可能とする開口部として機能し、これにより電解液はエネルギーセル１０２に接触するようにされてもよい。上側のハウジング１０７および下側のハウジング１０５は、スタックされた電極パッケージを包み、電極を移動または分離されない場所にロックできる。角形セルの１つの問題は、電極がギャップをアノードおよびカソードの間に時間にわたって産出し得るということであり、このことはパフォーマンスの問題につながるということが理解されるだろう。上側のハウジング１０７および下側のハウジング１０５は、電極を囲うために機能すし、アノード、セパレータおよびカソードとの層の間で移動または分離がないことを確実にする。一度ハウジング囲いが、電極のまわりにともに嵌合されると、アセンブリがパウチセルの内側に置かれ、電解液が追加され、パウチが真空密封される。

図２ａは、エネルギー貯蔵装置２００の分解立体図を図示し、図２ｂは完全に組み立てられたエネルギー貯蔵装置２００の斜視図を図示する。図２ａは、示されるように垂直に配置され整列される複数のパウチセル２１０を備え、正のワイヤハーネス２１２および負のワイヤハーネス２１４を有するエネルギー貯蔵装置２００を図示する。この実施形態では、複数の正のタブは、第１の側上の複数のパウチセル２１０の各々から垂直に整列され、および複数の負のタブは、第２の側上の複数のパウチセルの各々から垂直に整列される。１つの実施形態では、複数の正のタブの各々は、ともに超音波溶接されそれにより結合されるということと、複数の負のタブの各々は、ともに超音波溶接されそれにより結合されるということとが理解されるだろう。正のワイヤハーネス２１２は、次に結合される正のタブに固定され、負のワイヤハーネス２１４は、結合される負のタブに固定される。正のおよび負のワイヤハーネス２１２、２１４は、正のおよび負のタブをそれぞれ正のおよび負の端子電気的に結合するように適合される。矩形状のラックマウントハウジングは、複数のパウチセル２１０、およびワイヤハーネス２１２、２１４を囲うように適合される。矩形状のラックマウントハウジングは、下側のハウジング部分２０２、頂部ハウジング部分２０６、リアハウジング部分２０４および正面ハウジング部分２０８を備える。図２ｂは完全に組み立てられたエネルギー貯蔵装置２００の斜視図を示す。正のおよび負の端子は、矩形状のラックマウントハウジングから外側に延びるように適合される。正のおよび負の端子は、このためパウチセルの電気的充電および放電を容易にするように適合される。

近年のエネルギー貯蔵デバイスは、典型的に複数層の電極を圧縮し、層を金属とともに収容されるシリンダ内で巻き付ける。例えば重自動車用途などにおいて、より高いエネルギーおよび／または電力値を達成するために、複数セルは、ボックスへと連結されおよびバスバーを介して接続される。金属シリンダーをボックスへと沿わせることは、シリンダーの間の領域で、使用されていない空間を産む。提示される教示は、ネルギー貯蔵デバイスを収容するために、シリンダーを使用する近年の技術を回避することによって、そのように無駄な空間を完全に回避し、それにより貴重な空間容量を最大化する。さらに、そのように以前に無駄にされた空間は、今や、提示される開示の技術を採用する追加のエネルギー貯蔵素子ために利用できる。また、近年の重自動車用途がバスバーと連結される複数セルを必要とするので、そのようなデバイスでは提示される開示されるデバイスで存在するものよりも多くの起こり得る故障点を有する。

図２ａに示されるように、複数のパウチセルは、単一の矩形状のラックマウントハウジングに含まれてもよい。提示される教示の技術を採用して、さまざまなエネルギーおよび電力必要条件に対して容易にカスタマイズ可能であるスケーラブルエネルギー貯蔵装置が、さらに開示されることが理解されるだろう。１つの例では、予め定められた電圧を有する各パウチセルがスーパーキャパシタエネルギー貯蔵セルを備える場合、そのようなパウチセルは、特定のエネルギー要件を追加的に作成するために、層状にされてもよい。たとえば、１２ボルト用途では、各パウチセルが３ボルト容量を有するなどの、複数のパウチセルは、必要とされる１２ボルトを作成するために層状にされてもよい。２．７ボルトパウチセルはまた提示される教示において使用されてもよいということが理解されるだろう。文字通り、提示される教示の精神および範囲から逸脱することなく、いずれの電圧またはファラッド値は、予め定められた電圧またはキャパシタンスとして使用されてもよい。

１つの実施形態では、少なくとも１つのスーパーキャパシタパウチセル層および少なくとも１つのバッテリパウチセル層は、１つの負の外部端子および１つの正の外部端子を有する矩形状のラックマウントハウジング内に収容される。充電および放電電力管理は、矩形状のラックマウントハウジングに対して内部に配置されるバランス回路を介して達成される。この新規の実施形態は、エネルギーデバイスおよび電力デバイスの部品レベルの組み合わせである。内部では、充電および放電を制御するためのバランス回路に各々の電力デバイスを接続するために第１のワイヤハーネスが使用されてもよい。同様に、充電および放電を制御するためのバランス回路に各々のエネルギーデバイスを接続するために第２のワイヤハーネスが使用されてもよい。そのような組み合わせられたエネルギーおよび電力デバイスは、無数の用途に対して有用である。１つの例では、自動車の再生的な制動用途では、制動が制限されるときにエネルギーを回復するためのバッテリを採用する提示される従来技術の方法は、バッテリが、スーパーキャパシタに比べると相対的に低いスピードでのみ再充電されることができる。したがって、そのような用途では、スーパーキャパシタが大きな量のエネルギー非常に迅速に取り込むことができるので、再生的な制動急速充電のために利用できるスーパーキャパシタを有することが有利だろう。バランス回路は、バッテリパウチを要することなく、可能な限り多くの再生的な制動電荷をバッテリパウチセルに流し、残りの電荷をスーパーキャパシタパウチセルに流すように構成されることができ、これによりエネルギーは、再生的な制動プロセスにおいて無駄にされない。

従来技術では、バッテリおよびスーパーキャパシタ技術は、円筒形金属ハウジングを、提示される教示がパウチセルに収容するものを囲うために使用する。開示された実施形態で上述されたように、いずれの金属も、個々のパウチセルを包むために使用されない。したがって、エネルギー貯蔵デバイスの収容に関連付けられる金属の多くの排除により、著しい製造コスト節約は、ただちに実現される。さらに、提示される教示は、以前に無駄にされていた金属の容量を電極の追加の容量に置き換え、単位容量または質量あたりのより高いエネルギーをもたらす。たとえば、近年のスーパーキャパシタは、３または４ワット−時間パーキログラムの定格とされ得、開示されるエネルギー貯蔵装置は１２ワット−時間パーキログラムの定格とされることができる。

開示されるエネルギー貯蔵装置の特定の矩形状のジオメトリは、変化させてもよく、特定用途の必要条件に応じて構成されてもよいということが理解されるだろう。

１つの実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、１６〜６４の正方形または矩形状の負のおよび正の電極の層で構成されてもよい。セパレータ紙は各電極層を分離する。各電極上には、電流が流れるタブがある。負のタブは、１つの側上にあり、正のタブは、反対側にあるように、負のならびに正の電極およびタブは、インターリーブされる。一度電極が、インターリーブされると、タブは、ともに超音波溶接される。正のタブは、ともに接続され、負のタブは、ともに超音波溶接される。これは、１つの負のリードおよび正のリードを作成する。連動櫛はそして、構造を所定の場所に保持するためにアセンブリを包含する。このアセンブリは、そしてアルミニウムバッグに包まれる。ユニットは、電解液で含浸され、真空密封される。２つのリードは、バッグに超音波溶接され、露出される。これは２．７ボルトまたは３．０ボルトパウチセルを作成する。層の大きさは、エネルギー必要条件に応じてさまざまな四角または形状に切られることができる。たとえば、４つの３ボルトパウチが組み合わされ、これらタブが、超音波的に直列に接続され、１２ボルトエネルギー貯蔵装置を作成してもよい。ワイヤハーネスは、各タブに接続される。全体アセンブリは、そしてアルミニウムまたはステンレス鋼構造に包まれる。各１２ボルトエネルギー貯蔵装置はそして個々にまたはラック内で電圧を増加するために接続されて使用されることができる。各ブレードはまた、層の数およびまたは構成の大きさを増加させることによってエネルギーを増やすことができる。

この設計は、有利には従来技術円形の設計に対して四角または矩形に炭素表面領域を増やすことによって、スーパーキャパシタのエネルギー密度を３倍増加させることができる。これはまた、同等の直列抵抗の２．５倍の改善をもたらす。

図３は、提示される教示の１つの実施形態に従う電力管理システム３００を示す。電力管理システム３００は、自動車の用途に使用するために適合されてもよい。１つの実施形態では、各エネルギー貯蔵装置（ＥｎｅｒｇｙＢｌａｄｅ（登録商標））は、パウチセルの数に応じて１２ボルト、１５ボルト、２４ボルト、または４８ボルトであってもよい。１つの図示される典型的な実施形態では、第１のモジュール３０２は内部バランス制御を備える。たとえば、第１のモジュール３０２が、４つの３ボルトパウチを備え、１２ボルトである場合、内部バランス制御は、パウチのいずれも３ボルトを超えないように、すべての内部３ボルトパウチをバランスするよう機能する。１つの実施形態では、これは、いずれか個々のパウチが３ボルトを超える前に充電をスイッチオフし得る、レジスタ回路または任意により複雑なマイクロプロセスまたはコントローラ回路であってもよい。１つの典型的な実施形態では、バッテリおよび／またはスーパーキャパシタエネルギー貯蔵装置は、例えばオルタネータまたは他のプラグインソースといった、外部電力ソースに接続される。１つの変形では、ここに説明されるようなスーパーキャパシタエネルギー貯蔵装置は、任意にバッテリエネルギー貯蔵装置から充電されるように構成されるということが理解されるだろう。

上述の説明は、エネルギー貯蔵装置、方法および製造品の局面の典型的な実施例、および新規の特徴を図示する。代替的な実施例は、示唆されるが、しかし提示される教示のすべての代替的な実施を挙げることは現実的ではない。したがって、提示される開示の範囲は添付された請求項を参照することのみによって決定されるべきであり、限定が添付された請求項に記載されない限り、前述の説明において示される特徴によって限定されるべきではない。

様々な実施形態に適用される上記の説明は、提示される開示の新規な特徴を指摘しているが、当業者は、提示される発明の教示の範囲から逸脱することなく、提示される教示形または詳細の様々な省略、置換、置換、および変型を行うことができると理解するであろう。上述された要素及び代替の各実用的かつ新規な組み合わせ、及びそのような要素の各実用的組み合わせおよび均等物は、提示される教示の実施形態として企図される。より多くの要素の組合せが合理的に本明細書で明示的に列挙することができるよりも、本教示の実施形態として意図されているため、本教示の範囲は、前述の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって適切に規定される。様々な特許請求の範囲の要素の意味および均等の範囲内に入るすべての変形は、対応する請求項の範囲内に包含される。以下に記載の各請求項は、このような装置又は方法が従来技術の実施例ではない限り、このような請求項の文字通りの記載とは実質的に異ならない任意の装置または方法を包含することが意図されている。このため、各請求項においてそれぞれ記載の要素は可能な限り広く解釈されるべきであり、また、従来技術を包含することない限りにおいて、できるだけこのような要素の任意の等価物を包含することが理解されるべきである。さらに、「含む」という用語が詳細な説明または特許請求の範囲において使用される場合、そのような用語は「備える」という用語と同様に、包括的であることが意図される。

Claims

エネルギー貯蔵装置であって、
４つの縁部を有するエネルギーセルを備え、前記エネルギーセルは、
そこから外方に突出し、正のタブを有する平坦な矩形状の正電極層と、
そこから外方に突出し、負のタブを有する平坦な矩形状の負電極層と、
平坦な矩形状のセパレータとを備え、前記平坦な矩形状のセパレータは前記平坦な矩形状の正電極層と前記平坦な矩形状の負電極層との間に配置され、前記エネルギー貯蔵装置はさらに、
エネルギーセルを収容するように適合される、４つの縁部を有するパウチセルを備え、前記パウチセルは、
前記エネルギーセルの上方に配置される上側の非導電性の平坦な矩形状のパウチ層を備え、前記上側の非導電性の平坦な矩形状のパウチ層は前記エネルギーセルの４つの縁部を超えて横方向に延びる縁部を有し、前記パウチセルはさらに、
前記エネルギーセルの下方に配置される下側の非導電性の平坦な矩形状のパウチ層を備え、前記下側の非導電性の平坦な矩形状のパウチ層は前記エネルギーセルの４つの縁部を超えて横方向に延びる縁部を有し、前記上側の非導電性の平坦な矩形状のパウチ層縁部は前記下側の非導電性の平坦な矩形状のパウチ層に機械的に結合され、前記エネルギーセルは、前記パウチセル内に全体が嵌合するように適合され、前記正のタブは前記パウチセルの外側に延びるように適合され、前記負のタブは前記パウチセルの外側に延びるように適合され、前記パウチセル縁部は超音波溶接されかつ密封されるされるように適合され、前記エネルギー貯蔵装置はさらに、
前記パウチセルの内部に含浸するように適合される電解液と、
前記正のタブに電気機械的に結合するように適合される正のワイヤハーネスと、
前記負のタブに電気機械的に結合するように適合される負のワイヤハーネスと、
前記エネルギー貯蔵装置を囲うように適合される矩形状のラックマウントハウジングとを備え、前記矩形状のラックマウントハウジングは、前記正のワイヤハーネスおよび前記負のワイヤハーネスのそれぞれに動作可能に結合された正の端子および負の端子を備える、エネルギー貯蔵装置。
複数のエネルギー貯蔵セルをさらに備え、前記エネルギー貯蔵セルの各々は、複数のパウチセルの対応する１つに収容されるされるように適合される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵装置。
各平坦な矩形状の正電極層の正のタブの各々は、ともに超音波溶接されるように適合される、請求項２に記載のエネルギー貯蔵装置。
各平坦な矩形状の負電極層の負のタブの各々は、ともに超音波溶接されるように適合される、請求項３に記載のエネルギー貯蔵装置。
前記エネルギーセルの各々は、予め定められた電圧を備える、請求項４に記載のエネルギー貯蔵装置。
前記エネルギーセルの各々は、２．７ボルトを備える、請求項４に記載のエネルギー貯蔵装置。
前記エネルギーセルの各々は、３ボルトを備える、請求項４に記載のエネルギー貯蔵装置。
各々のパウチセルは、予め定められたファラッド値を備える請求項５に記載のエネルギー貯蔵装置。
前記矩形状のラックマウントハウジングの前記正の端子と前記負の端子との間の合計電圧出力は予め定められた電圧を備える、請求項８に記載のエネルギー貯蔵装置。
前記矩形状のラックマウントハウジングの前記正の端子と前記負の端子との間の合計電圧出力は１２ボルトを備える、請求項８に記載のエネルギー貯蔵装置。
前記エネルギーセルは、スーパーキャパシタを備える、請求項９に記載のエネルギー貯蔵装置。
複数のエネルギーセルの少なくとも１つは、バッテリを備える、請求項１１に記載のエネルギー貯蔵装置。
前記負のおよび正のワイヤハーネスに動作可能に結合されたバランス回路をさらに備える、請求項１２に記載のエネルギー貯蔵装置。