JP2006156090A

JP2006156090A - 組電池

Info

Publication number: JP2006156090A
Application number: JP2004343873A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Tono; 龍也東野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-06-15
Anticipated expiration: 2024-11-29
Also published as: JP4894140B2

Abstract

【課題】小型化が可能でしかも均一な放熱特性を備えた組電池を提供する。
【解決手段】複数の電池２０を一方向に配列して成る組電池モジュール２００と、組電池モジュールを収納する収納ケース１１０と、複数の電池の配列方向に対し任意の角度で収納ケース内に冷却媒体を導入する収納ケースに設けた冷却媒体導入口と、各電池間に設けた複数の隔壁と、隔壁を貫通すると共に冷却媒体導入口に連通し冷却媒体導入口から導入した冷却媒体を隔壁で隔離された各冷却媒体通路６０に分配する冷却媒体分配路と、各冷却媒体通路を流れてきた冷却媒体を排出する収納ケースに設けた冷却媒体排出口とを備え、冷却媒体流路の少なくとも一部を冷却媒体通路の下流側に向かうにしたがってその上流側の流通抵抗よりも小さくなるようにした。
【選択図】図６

Description

本発明は、小型化が可能で均一な放熱特性を備えた組電池に関する。

近年、環境問題の高まりを受けて、自動車の動力源を、化石燃料を利用するエンジンから電気エネルギーを利用するモータに移行しようとする動きがある。現在では、その中間段階として、エンジンとモータの両方を搭載し、低速領域ではモータをそれ以外の領域ではエンジンを動力源として用いるハイブリッド車の生産が盛んに行われている。

ハイブリッド車には、小型軽量で、大きな電力を頻繁に充放電可能な耐振動性、放熱性に優れた電池の搭載が望まれる。小型の組電池で大きな電力を供給することができるようにするためにはエネルギー密度を高める必要があり、これに伴って組電池の放熱性も高める必要がある。このため、最近の組電池は冷却効率を高める種々の工夫が施されている。

たとえば、下記特許文献１に示すような、複数の扁平型電池を一方向に複数配列すると共にこれらの電池を電気的に接続して成る組電池の場合、各電池表面に冷却風を流すことによって組電池の冷却効率を高める冷却装置を用いることが知られている。一般的に電池は温度によって劣化する速度が変化するため、このような組電池の場合、各電池の温度を均一にすることによって各電池の劣化状態を均一にする必要がある。このため、電池の配列方向に対して垂直な方向から冷却風を導入して各電池の表面に流れる冷却風の風量や温度を均一化することによって各電池を均一に冷却することが望ましい。
特開２００４−１１１３０９号公報

ところが、このような組電池を、たとえば車両のトランク内のようにスペース的に限られた場所に設けた場合には、レイアウト上の都合により、冷却風を電池の配列方向に対して垂直な方向から導入することが困難となる場合があり、その場合には、複数の電池を均一に冷却することが困難になる。

本発明は、上記のような従来の問題点を解消するために成されたものであり、小型化が可能でしかも均一な放熱特性を備えた組電池の提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、複数の電池を一方向に配列して成る組電池モジュールと、当該組電池モジュールを収納する収納ケースと、前記複数の電池の配列方向に対し任意の角度で当該収納ケース内に冷却媒体を導入する前記収納ケースに設けた冷却媒体導入口と、各電池間に設けた複数の隔壁と、前記隔壁を貫通すると共に前記冷却媒体導入口に連通し前記冷却媒体導入口から導入した冷却媒体を前記隔壁で隔離された各冷却媒体通路に分配する冷却媒体分配路と、前記各冷却媒体通路を流れてきた冷却媒体を排出する前記収納ケースに設けた冷却媒体排出口とを備え、前記冷却媒体流路の少なくとも一部が前記冷却媒体通路の下流側に向かうにしたがってその上流側の流通抵抗よりも小さくなっていることを特徴とする。

上記のように構成された本発明によれば、各冷却媒体通路を流れる冷却媒体の圧力を均一化することができるので、各冷却媒体通路に流れる冷却媒体の流量が均一になる。したがって、各組電池モジュールを形成するすべての電池を均一に冷却できるようになり、エネルギー密度の高い小型化された組電池でも、その冷却を均一にかつ効率的に行うことができる。また、各組電池モジュールの温度が平準化されることにより組電池の寿命も向上する。

次に、本発明に係る組電池の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る組電池の外観を示す斜視図である。図に示すように、組電池１００は、その内部に電池モジュールが収納される収納ケース１１０を有している。収納ケース１１０は、その内部に冷却媒体を導入する冷却媒体導入口１２０と導入した冷却媒体を外部に排出する冷却媒体排出口１３０とを備えている。なお、本実施の形態では、冷却媒体に空気を用いる場合を例示して説明するが、電池モジュールの冷却が可能な気体であれば、空気に限られずどのような気体（場合によっては液体）を用いても良い。また、空気を収納ケース１１０内に供給する方法としては冷却媒体導入口１２０側に空気ポンプを取り付けて押し込み供給する方法、または冷却媒体排出口１３０側に空気ポンプを取り付けて吸い込み供給する方法のいずれかを用いることができる。

図２は収納ケース１１０内に収納される組電池モジュール２００の概略構成図であり、図３は組電池モジュール２００を形成する電池２０の外観図である。組電池モジュール２００は、図３に示した形態の電池２０を各電池間にスペーサを介在させて３段積層して積層体２５を形成し、この積層体２５を横に４列に並べて構成されたものである。４列に並べられた積層体２５は収納ケース１１０のベースプレート１１５と拘束板５０との間で固定される。各積層体２５の固定は、ベースプレート１１５にそれぞれの積層体２５を固定するために各積層体２５に対して４本ずつ取り付けられた合計１６本の通しボルト（図示せず）に拘束板５０の上面側からナット５５を取り付けることによって行う。ナット５５を適切なトルクで締め付けると、各電池２０を堅固に固定することができる。図２には示されていないが、拘束板５０上には組電池モジュール２００の充放電制御を司る充放電制御装置が載置され、また、組電池モジュール２００の横側にはその他の付属品が設置される。なお、本実施の形態では電池２０を３段積層してなる組電池モジュール２００を例示したが、これに限られず、複数の電池を一方向に平面的に配列してなる組電池モジュール２００であっても本発明の適用は可能である。

電池２０は図３に示すケース２１内に、直列に接続された複数の扁平型電池が収納されて成るものである。図４にも示すように、ケース２１は、開口部２２ａが形成された箱形状をなすロアケース２２と、開口部２２ａを閉じる蓋体をなすアッパーケース２３とから形成されている。ロアケース２２およびアッパーケース２３は、比較的薄肉の鋼板またはアルミ板から形成され、プレス加工によって成形される。アッパーケース２３はロアケース２２に高さｈのフランジ２２ｃが形成されるように開口部２２ａの奥まで押し込まれる。アッパーケース２３とロアケース２２とはアッパーケース２３の周縁部において溶接によって接合される。

フランジ２２ｃは組電池モジュール２００を形成したときに電池２０間を仕切る隔壁としての役割を担うことになる。組電池モジュール２００を収納ケース１１０に収納し、収納ケース１１０の冷却媒体導入口１２０から空気を導入すると、収納ケース１１０内では冷却媒体導入口１２０から冷却媒体排出口１３０に向かう冷却風が生じる。すべての電池２０のフランジ２２ｃに切欠が形成されていない場合、冷却風の流れは冷却媒体導入口１２０から冷却媒体排出口１３０に向かうにしたがって弱くなる。本実施の形態では、冷却媒体排出口１３０付近でも冷却媒体導入口１２０付近の冷却風と変わらない流量が得られるように、上流側から下流側に向けて流通抵抗を小さくするため、電池２０の設置場所に応じてフランジ２２ｃに異なる長さの切欠を形成し、結果的に隔壁の長さを変えている。たとえば、図３に示すように、冷却媒体導入口１２０に一番近い位置と２番目に近い位置の電池２０にはフランジ２２ｃに切欠を入れず長さがＷの隔壁とし、冷却媒体排出口１３０に２番目に近い位置の電池２０にはフランジ２２ｃの点線部分（高さｈ、長さＷ−Ｗ１）に切欠２７を形成してフランジ２２ｃを長さがＷ１の隔壁とし、さらに冷却媒体排出口１３０に一番近い位置の電池２０にはフランジ２２ｃの点線部分（高さｈ、長さＷ−Ｗ２）に切欠２８を形成してフランジ２２ｃを長さがＷ２の隔壁としている。

ケース２１内には、複数枚（図示例では８枚）の図５に示すような形態の扁平型電池３０を直列に接続したセルユニット４０が収納される。セルユニット４０は、電極タブ３１、３２を保持するために用いられる絶縁スペーサ４１と、正負の出力端子４２、４３とを含んでいる。正負の出力端子４２、４３は、ロアケース２２の周壁２２ｂの一部に形成した切り欠き部２２ｄ、２２ｅを通してケース２１から外部に導出される。図中符号４４は、各扁平型電池３０の電圧検出端子（図示せず）に接続されるコネクタ（図示せず）を差し込む差込口を示している。この差込口４４も、周壁２２ｂの一部に形成した切り欠き部２２ｆを通してケース２１の外部に露出される。ケース２１の隅部の４箇所にベースプレート１１５に取り付けた前述の通しボルトを挿通するために、ロアケース２２およびアッパーケース２３の隅部の４箇所に貫通孔２４が形成され、各絶縁スペーサ４１の２箇所に貫通孔４５が形成されている。

図５に示すように、扁平型電池３０は、例えば、リチウムイオン二次電池であり、正極板、負極板およびセパレータを順に積層した積層型の発電要素（図示せず）がラミネートフィルムなどの外装材３３によって封止されている。扁平型電池３０は、発電要素に一端が電気的に接続されるとともに板状をなす正負の電極タブ３１、３２が外装材３３から外部に導出されている。正負の電極タブ３１、３２は、扁平型電池３０の長手方向（図５において左右方向）の両側に延びている。積層型の発電要素を備える扁平型電池３０にあっては、電極板間の距離を均一に保って電池性能の維持を図るために、発電要素に圧力を掛けて押さえる必要がある。このため、アッパーケース２３の中央部分には電池２０を形成した後に発電要素を所定の圧力で押さえ付け続けるための窪み部２６が形成され、各扁平型電池３０はケース２１に所定の面圧が掛けられた状態で収納される。

なお、本実施の形態では、電池２０が複数の扁平型電池３０から構成されるものを例示したが、このような構成のものに限られず、１つの電池をケース２１に収納して構成される電池２０、またはケース２１自体が電池（通常の電池）の外装となっているものであっても本発明を適用することができるのはもちろんである。

以上のような電池２０を図２のように任意の個数並べ直並列に接続することによって、所望の電流、電圧、容量に対応できる組電池モジュール２００が得られる。なお、電池２０を直並列に接続する際には、バスバーのような適当な接続部材が用いられる。

図６は図１のＡ−Ａ断面図である。図に示すように、本実施形態の組電池モジュール２００は、１２個の電池２０を含んでいる。１２個の電池２０は、図の上下方向に３個積層され、左右方向に４列に配列されている。図６には詳しく示していないが、３個の電池２０を積層する場合には、各電池２０は、通しボルトに差し込まれるスペーサを介して積層され、所定のクリアランスを隔てた状態に配置される。最下位の電池２０とベースプレート１１５との間、および最上位の電池２０と拘束板５０との間にも、スペーサが介装されている。電池２０間のクリアランスは、車両に搭載する際のレイアウトや、冷却風通路６１として機能させるために必要な寸法などを考慮して定められるが、数ｍｍ程度（例えば、３ｍｍ）である。このようにして積層された電池が左右方向に４列に配列される。

本実施の形態では、すべての電池２０間の冷却風通路に均一に冷却風を流すために、前述のように電池２０のフランジ２２ｃにその電池２０の設置場所に応じ、下流側に向かうにしたがってその上流側の流通抵抗よりも小さくなるように、適切な大きさの切欠を形成して、冷却媒体導入口１２０から導入した空気を隔壁で隔離された冷却媒体通路に分配できるようにしている。このため、フランジ２２ｃに形成した切欠は冷却媒体分配路の一部として機能することになる。また、冷却媒体導入口１２０は、収納ケース１１０の長手方向端部からその長さの１／３〜１／２のところまで伸延して設けられており、その内部には電池２０の配列方向に対し最適な角度で空気を導入するための風向板（図示せず）が設けられている。したがって、冷却媒体分配路は、隔壁を貫通すると共に冷却媒体導入口１２０に連通し冷却媒体導入口１２０から導入した空気を隔壁で隔離された各空間６０に分配する機能を有している。

図７は、具体的な空気の流れの一例を説明するために、図６の組電池モジュール２００の最上位に配列されている電池ｎ、ｎ＋１、ｎ＋２、ｎ＋３のみを示した図である。電池ｎは冷却媒体導入口１２０（図１参照）に最も近い位置に配置されている電池であり、電池ｎ＋３は冷却媒体排出口１３０に最も近い位置に配置されている電池である。電池ｎのフランジには切欠は設けていないので、電池ｎの配列方向の両側のフランジの長さはＷである。次に、電池ｎ＋１の片側のフランジには切欠を設けており、電池ｎ＋１における電池ｎ側のフランジの長さはＷ、電池ｎ＋２側のフランジの長さはＷ＋１の長さである。そして、電池ｎ＋２の両側のフランジには切欠を設けており、電池ｎ＋２における電池ｎ＋１側のフランジの長さはＷ＋１、電池ｎ＋３側のフランジの長さはＷ＋２の長さである。最後に、電池ｎ＋３の片側のフランジには切欠を設けており、電池ｎ＋３における電池ｎ＋２側のフランジの長さはＷ＋２、他方のフランジの長さはＷの長さである。

なお、図ではフランジの位置を電池から離して書いているが、これは便宜的なものであり、実際には図３にも示したように電池のロアケースによって形成されるものである。なお、フランジを有しない電池の場合には、電池間にまさに図に示すように隔壁を挿入することによってもフランジが設けられている電池と同様の効果を得ることができるのは言うまでもない。

図７のようにフランジが形成されている電池を配列した組電池モジュール２００を収納ケース１１０内配置し、冷却媒体導入口１２０から電池の配列方向に対してθの角度で空気を導入すると、各電池２０は収納ケース１１０内に導入される空気によって冷却されるが、その空気の流れは図に示すようになる。

まず、電池ｎは冷却媒体導入口１２０から一番近い位置にあるので、電池の配列方向に対してθの角度で導入された空気は長さｗのフランジ２２ｃの影響で図のように電池間の冷却風通路６１を電池の配列方向に対してほぼ直角に流れる。電池ｎ＋１は冷却媒体導入口１２０から少し離れているものの、導入された空気が電池の配列方向に対してθの角度で供給されているので、空気の流れは電池ｎの場合とほぼ同様となる。ただ、電池ｎ＋２側のフランジには切欠が設けられているので、その切欠の影響で一部の空気は電池ｎ＋２側に流れる。電池ｎ＋２には電池ｎ＋１の切欠の影響で流れ込んだ空気と冷却媒体導入口１２０からダクトを流れてきた空気とが図のように流れ込む。電池ｎ＋３側のフランジには電池の長さの半分程度の切欠が設けられているので、その切欠の影響でかなりの量の空気は電池ｎ＋３側に流れる。電池ｎ＋３には電池ｎ＋２の切欠の影響で流れ込んだ空気と冷却媒体導入口１２０からダクトを流れてきた空気とが図のように流れ込む。電池ｎ＋３には切欠の設けられていないフランジが存在するので、一部の空気はそのフランジに沿って冷却媒体排出口１３０に流れ込む。

このように、各電池にその設置位置に応じた適切な長さの切欠を設け（換言すれば隔壁を設け）冷却媒体導入口１２０から電池の配列方向に対してθの角度で空気を導入することによって、空気を各電池の表面、特に発熱量の大きい電池の中央部分に満遍なく流すことができるようになる。

なお、空気の導入角度θ、各電池に形成する隔壁の長さの最適値は、電池の大きさやその電池の発熱部分の位置、さらには収納ケースの大きさや形状、冷却媒体導入口や冷却媒体排出口を設ける位置など、多くの要因によって異なるので、実験結果やシミュレーション結果を睨んで決めることが望ましい。

次に、本発明を適用するとどの程度の効果があるものかをシミュレーションしてみたのでその結果を説明する。

シミュレーションでは、図８に示すように４個の電池（モジュール）を一列に並べ、導入する空気は電池の配列方向に対して平行（導入角度θ＝０）に供給し、空気の排出も電池の配列方向に対して平行に行う場合を想定した。電池は冷却媒体導入口に近い方から冷却媒体排出口に向けてＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの符号を付した。各電池の長さを３００ｍｍ、電池の配列長さ（電池Ａ〜電池Ｄ）を６００ｍｍとした。また、冷却媒体導入口に連通するダクトの長さを３００ｍｍ（電池の配列長さの半分のところまでダクトが延びる）、冷却媒体排出口に連通するダクトの長さを６００ｍｍ（電池の配列長さ全体にダクトが延びる）とした。

シミュレーション１では各電池間に長さ３００ｍｍの隔壁を設け、シミュレーション２では電池Ａと電池Ｂの間に設けた隔壁の長さを３００ｍｍ、電池Ｂと電池Ｃの間に設けた隔壁の長さを２００ｍｍ、電池Ｃと電池Ｄの間に設けた隔壁の長さを１００ｍｍとした。そして、各電池Ａ〜Ｄのそれぞれについて、図９に示すように丸１〜丸９までの部分の温度を計算した。

その結果、図１０Ａ，Ｂおよび図１１Ａ，Ｂに示すような温度結果が得られた。この結果を見れば明らかなように、すべての電池の間に隔壁を設けたシミュレーション１の場合には、冷却風の入り口から遠ざかるにしたがって電池の温度が高くなっており、電池が均一に冷却されていないことが見て取れるが、隔壁の長さを冷却風の出口に向けて短くしたシミュレーション２の場合には、シミュレーション１の場合と比較して電池温度のばらつきがかなり改善されており、冷却の均一性が向上していることがわかる。

上記のシミュレーションは、最も冷却の均一化が図り難いと想定される、空気を電池の配列方向に対して平行に導入した場合について行ったが、空気の導入方向に電池の配列方向に対する角度を持たせれば、冷却の均一化はさらに良好なものとなる。

以上の実施形態では、冷却風通路の下流側に向かうにしたがって流通抵抗を小さくするために、電池の設置位置に応じて長さの違う隔壁を設けた場合を例示して説明したが、流通抵抗を小さくするためには、図１２に示すように、冷却風通路となる部分の電池表面にその電池の設置位置に応じてその大きさ、形状、数を変えた凹凸を形成することも可能である。

図１２に示すように、空気の導入口に近い側の電池Ｄの表面には直径が小さめの突起７０を密度を高めて形成し、空気の排出口に近くなるにしたがって、その突起の大きさを大きくし、数を少なくし、密度を減少させる。このようにすれば、冷却風通路としての流通抵抗は空気の導入口から空気の排出口に向けて小さくすることができ、各電池に流通する空気の量を均一化することができる。

なお、突起７０は、電池２０を構成するアッパーケース２３（図３参照）またはロアケース２２にのみ設けても良いし、両方のケースに設けても良い。突起７０は、アッパーケース２３またはロアケース２２をプレス成形する際に同時に形成するのが好ましい。

突起７０の形状は、図１３Ａに示すように円筒状のものでも良いし、同図Ｂに示すように山形状のものでも良い。また、図１４に示すように大きさや形状の異なる突起７０を同一の電池上に形成しても良い。突起７０の数、形状、大きさ、密度を、各電池の場所ごとの冷却を考慮して最適なものとすれば、電池の設置場所によらず、すべての電池をほぼ均一な温度に冷却することも可能である。たとえば、熱のこもりやすい部分には空気の風量をあまり落とさずに冷却できるようにするために、山形状の小さな突起を密度を高めて配置するようにする。

以上のように、本発明によれば、組電池を構成する各電池を均一に冷却することができるようになるため、冷却効率が向上する分組電池の小型化を図ることが可能であり、逆に同一の大きさの組電池であればその容量を向上させることができる。

本発明に係る組電池は、小型化が可能でしかも均一な放熱特性を備えているので、特に車両に搭載される組電池として利用可能である。

本発明に係る組電池の外観を示す斜視図である。収納ケース内に収納される組電池モジュールの概略構成図である。組電池モジュールを形成する電池の外観図である。電池の内部構成を示す図である。電池を構成する扁平型電池の斜視図である。図１に示す組電池のＡ−Ａ断面図である。組電池モジュールにおける空気の流れの説明に供する図である。シミュレーションの対象とした電池の配列を示す図である。シミュレーションで温度測定をした位置を示す図である。シミュレーションの数値結果を示す図である。シミュレーションの結果を温度分布図として示す図である。本発明に係る組電池の他の実施形態を示す図である。流通抵抗を調整するための突起の形状の一例を示す図である。突起の配置状態の一例を示す図である。

符号の説明

２０電池、
２１ケース、
２２ロアケース、
２２Ｃフランジ、
２３アッパーケース、
２５積層体、
３０扁平型電池、
３１、３２電極タブ、
４０セルユニット、
５０拘束板、
５５ナット、
６０空間、
６１冷却風通路、
１００組電池、
１１０収納ケース、
１１５ベースプレート、
１２０冷却媒体導入口、
１３０冷却媒体排出口、
２００組電池モジュール。

Claims

複数の電池を一方向に配列して成る組電池モジュールと、
当該組電池モジュールを収納する収納ケースと、
前記複数の電池の配列方向に対し任意の角度で当該収納ケース内に冷却媒体を導入する前記収納ケースに設けた冷却媒体導入口と、
各電池間に設けた複数の隔壁と、
前記隔壁を貫通すると共に前記冷却媒体導入口に連通し前記冷却媒体導入口から導入した冷却媒体を前記隔壁で隔離された各冷却媒体通路に分配する冷却媒体分配路と、
前記各冷却媒体通路を流れてきた冷却媒体を排出する前記収納ケースに設けた冷却媒体排出口とを備え、
前記冷却媒体流路の少なくとも一部が前記冷却媒体通路の下流側に向かうにしたがってその上流側の流通抵抗よりも小さくなっていることを特徴とする組電池。
前記各電池間に設けられた隔壁の長さを調整することによって、前記冷却媒体通路の少なくとも一部が前記冷却媒体通路の下流側に向かうにしたがってその上流側の流通抵抗よりも小さくなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の組電池。
前記隔壁に形成する切欠は前記冷却媒体分配路の一部を形成することを特徴とする請求項２に記載の組電池。
前記電池の外装は缶であり、前記隔壁は缶のフランジによって形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の組電池。
前記電池の前記各冷却媒体通路となる部分の表面に凹凸を形成することによって、前記冷却媒体流路の少なくとも一部が前記冷却媒体通路の下流側に向かうにしたがってその上流側の流通抵抗よりも小さくなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の組電池。
前記各冷却媒体通路となる部分の表面に形成される凹凸は、前記冷却媒体流路の少なくとも一部が前記冷却媒体通路の下流側に向かうにしたがってその上流側の流通抵抗よりも小さくなるように、その大きさ、形状、数の少なくともいずれか１つが調整されることを特徴とする請求項１に記載の組電池。