JP2006156383A - 二次電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電池列の配置構造を改善することによって、温度制御効果が向上し、電池モジュールの大きさを縮小できる電池モジュールを提供する。
【解決手段】本発明による電池モジュールにおいて、単位電池の効率的な配置により温度制御効果が優れていながら電池モジュールの大きさを縮小できるように、複数の単位電池が積層配列され、少なくとも一つ以上の電池列と、前記電池列が内蔵され、温度制御用の冷却媒体が流通するハウジングを含む電池モジュールにおいて、前記電池列は、冷却媒体が前記ハウジングに流入する方向に対して傾いて、冷却媒体の流入を妨げるように配置されて、冷却媒体は単位電池間の間隙を通過しながら電池を冷却する二次電池モジュールを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、集合型二次電池の構造に関し、より詳しくは、単位電池群の配列方法を改善して、全体の体積を縮小し、冷却効率を高める二次電池モジュールに関する。

二次電池は、充電が不可能である一次電池と異なり、充電及び放電が可能な電池である。低容量電池の場合、携帯電話、ノートブックコンピュータ、及びカムコーダのように携帯可能な小型電子機器に使用され、大容量電池の場合、ハイブリッド自動車などのモータ駆動用電源として使用されている。

二次電池は、多様な形状に製造されており、代表的な形状としては、円筒形及び角形がある。また、電気自動車などのように大電力を必要とする機器には、複数個の高出力二次電池を直列連結した大容量二次電池が使用される。

このように、一つの大容量二次電池（以下、明細書全体を通して、説明の便宜上、電池モジュールという）は、通常、直列連結される個々の二次電池（以下、明細書全体を通して、説明の便宜上単位電池という）の集合体として構成される。それぞれの単位電池は、正極、負極、及び正極と負極との間に位置するセパレータからなる電極群と、電極群に接触する電解質を納めたケースと、ケースに結合されて、これを密閉するキャップ組立体と、電極群に備えられた正負両極の集電体と電気的に連結され、キャップ組立体に突き出される正極端子及び負極端子と、を含む。

電池モジュールは、互いに隣接する２つの単位電池によって構成され、当該２つの単位電池において、一方の単位電池の正極端子及び負極端子のそれぞれが、他方の単位電池の負極端子及び正極端子のそれぞれに対向するように配置される。そして、ネジ加工された正極端子と負極端子との間に、ナットを媒介として導電体が連結設置される。

ここで、前記電池モジュールは、数個から数十個の単位電池で構成される。従って、電池モジュールは、単位電池から発生する熱を放熱させるための冷却構造部と、安全手段、そして、システム回路などを備えるため、大きな体積を有する。

さらに、前記電池モジュールが電気自動車などのモータ駆動用の二次電池として使用される場合には、当該電池モジュールを構成する単位電池の個数はさらに増えて、当該単位電池は複数列に配置されるが、この場合、電池モジュールの大きさを最少化しながら、単位電池の冷却効率を高めることが難しくなる。

つまり、従来の電池モジュールに、複数の電池列が備えられた場合、各電池列は、高く積み上げられた複層構造にされるか、あるいは同一平面上に広く並べられて単層配置される。しかし、電池列が複層構造に配置される場合には、電池モジュールの高さが高くなるという問題が生じる。

また、電池列が同一平面上に並べられて配置された場合には、電池モジュールの大きさを最少化することはできるが、単位電池の冷却効率が低下し、特に、単位電池間に温度偏差が発生して、均一な冷却が難しいという問題が生じる。

これは、隣接する２つの電池列において、冷却媒体が一方の電池列を通った後、他方の電池列に流入することによって、隣接する２つの電池列のそれぞれに流入する冷却媒体の温度が異なっているためである。

従って、隣接する２つの電池列の単位電池の温度には、相当な差が発生する。

このように、各単位電池間に温度偏差が発生することによって、充電と放電の効率が低下するとともに、各単位電池で発生する熱によって、モジュール中心部の電池温度が上昇することによって、結果的に電池の性能が低下する。

特に、電池モジュールがモータ駆動用の大容量二次電池として使用される場合、電池モジュールは、大電流で充電・放電されるため、二次電池の内部に熱が発生して、相当な温度まで上がる。このような熱は、二次電池に影響を与えて、電池固有の性能を低下させることになる。

従って、大きさを最少化しながら、放熱特性を向上させることができる電池モジュールの開発が切実に望まれている。

本発明は、前述した必要性により案出されたものであって、本発明の目的は、電池列の配置構造を改善することによって、温度制御効果が向上し、電池モジュールの大きさを縮小できる電池モジュールを提供することである。

前記の目的を達成するために、本発明の実施例による二次電池モジュールは、複数個の単位電池が積層配列される、少なくとも一つ以上の電池列と、電池列が内蔵されて温度制御用の冷却媒体が流通するハウジングを含み、電池列は、冷却媒体がハウジング内に流入する方向に対して傾くように配置される。

また、二次電池モジュールは、一対となる二つの電池列を含み、前記二つの電池列は、前記二つの電池列が互いに傾くように配置される。

また、各電池列は、同一平面上に配置される。

これにより、電池列が複層構造にならないで同一平面上に配置されて、パックの高さを最少化することができる。また、冷却媒体が、互いに傾く２つの電池列の間を流通することによって、各電池列に同一条件の冷却媒体が流入して、各電池列を均一に冷却させることができる。

また、電池列には、隣接する単位電池の間の間隔を維持させて、冷却媒体が電池列を横断するように流通させる通路を提供する電池隔壁が、さらに設置される。

前記冷却媒体の流入方向に対して前記電池列が傾斜する角度は、特に限定されず、好ましくは５°より大きく１７０°より小さく構成されることができる。

また、前記電池列は、二つで一対に構成されて、前記ハウジングの流入口に向かって広く開くように配置されるのが好ましい。

これにより、流入口を通して流入した冷却媒体は、流入口に向かって広く開いている一対の電池列の間に入って、各電池列の単位電池の間を容易に通過した後、各電池列とハウジングの内側の側面との間を、通って排出口から出るようになる。

そして、一対の電池列は、前端同士が離隔配置され、流入口に対向する前端同士が、排出口に対向する後端同士の離隔距離より大きく離隔されて、八字型に配置される。

ここで前記電池モジュールは、ハイブリッド電気自動車、電気自動車、無線掃除機、電動自転車、電動スクーターなどのように、モータを使用して作動する機器において、当該機器のモータを駆動するためのエネルギー源として用いることができる。

本発明によれば、電池モジュールを構成する単位電池群の配列方法を改善することによって、電池モジュールの体積を最少化することができ、また、電池モジュールの冷却効率を高めることができる。これにより、冷却媒体が単位電池の間に均一に流通され、電池モジュール全体において、局部的な熱不均衡を解消することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を、添付図を参照して詳細に説明する。

なお、以下では、二次電池モジュールの冷却方式として空気を利用する場合を例として説明する。しかし、本発明は、空気による冷却方式に限定されることはなく、冷却媒体として冷却水や、その他の流体が用いられる場合にも適用することができる。

図１は、本発明の第１実施形態における二次電池モジュールの構成を示した概略的な斜視図である。

図面を参照して二次電池モジュール１０を見ると、二次電池モジュール１０は、複数個の単位電池１１が所定の間隔を開けて連続的に配列されて形成される電池列１２と、内部に複数個の電池列１２が配列設置され、各単位電池１１に冷却用空気を流通させるための流入口２１及び排出口２２が形成されるハウジング２０と、を含む。

また、本実施形態において、電池列１２とは、所定の間隔を開けて配置される複数の単位電池１１が一つの列を形成する構造を有するものと定義される。また、本実施形態では、単位電池１１は角形に構成される。

ここで、二次電池モジュール１０は、一対となる二つの電池列１２を含み、一対となる二つの電池列１２のそれぞれは、冷却用空気がハウジング２０に流入する流入方向に対して傾いて、冷却用空気の流入を妨げるように配置される。具体的には、一対となる二つの電池列１２は、排出口２２の端部にそれぞれの隅部が接するように配置され、流入口２１に向かって開いている構造を有する。ただし、電池列１２の後端１２ｂの隅部同士は、離隔してもよい。

そして、前記各電池列１２において隣接する２つの単位電池１１の間には、前記した所定の間隔を維持するための電池隔壁１３が、さらに設置される。

また、電池列１２は、積層された単位電池１１の各端子を電気的に連結するシステム回路部１４が、モールド構造を有して単位電池１１の端子側に設置される。

一方、ハウジング２０は、二次電池モジュール１０の外形を形成するボックス形態の構造物であり、ハウジング２０の前面には、冷却用空気が流入される流入口２１が形成され、ハウジング２０の後面には、冷却用空気が排出される排出口２２が形成される。

そして、ハウジング２０の内部には、二つの電池列１２が、同一平面上に所定角度に傾いて、ななめ配置される。具体的には、二つの電地列１２は、互いに交差する状態で配置され、前端１２ａにおける一方の隅部がハウジング２０の内壁と接するように配置されるのが好ましい。

本実施例で、前記２つの電池列１２のそれぞれが、冷却媒体が前記ハウジング内に流入する方向に対して傾斜する角度は、５゜より大きく１７０゜より小さく設定されるのが好ましい。当該角度が、５゜より小さい場合は、冷却用空気が電池隔壁１３の間に均一に流入されない問題が生じ、１７０゜より大きい場合には、二次電池モジュール１０の体積が過度に大きくなる問題が生じる。

このように二つの電池列１２が傾いて配置されることによって、図２に図示されるように、二つの電池列１２の前端１２ａの中央は、ハウジング２０の流入口２１に向かって開いていて、二つの電池列１２の後端１２ｂは、互いに接近し、好ましくは接触している。

これにより、ハウジング２０の流入口２１を通して流入した冷却用空気は、所定の角度で交差する２つの電池列１２の間に流入し、さらに２つの電池列１２の間に流入した冷却用空気は、各電池列１２における単位電池１１の間を通る。この通過時において、二つの電池列１２は、冷却用空気によって同時に冷却される。そして、電池列１２における単位電池１１の間を通過した冷却用空気は、ハウジング２０の両側の周縁から抜け出る。

一方、流入口２１は、ハウジング２０の中央部に形成される。そして流入口２１の幅は、二つの電池列１２における流入口２１側の端部同士が離隔する長さと略同一である。

また、排出口２２は、電池列１２を通過した空気が容易に排出されるように、ハウジング２０の周縁に形成される。排出口２２の幅は、ハウジング２０の内側における一つの側面と、２つの電池列１２のうち当該側面に近接する電池列１２における、流入口２１側の端部とが、離隔する長さと略同一である。

以下、本実施形態の二次電池モジュールにおける作用について説明する。

流入口２１を通じて、ハウジング２０の内部に流入した冷却用空気は、図２に図示されるように、ハウジング２０の流入口２１側に開いている一対の電池列１２の間に流入される。

一対の電池列１２の間に流入した冷却用空気は、ハウジング２０の両側に分散されて、各電池列１２における単位電池１１の間に流れて、単位電池１１の間に位置する電池隔壁１３を通るようになる。

ここで、電池列１２は、冷却用空気の流入方向に対して所定の角度で傾いているため、冷却用空気は、傾いた単位電池１１の間に位置する電池隔壁１３に沿って円滑に流通できる。

冷却用空気は、電池隔壁１３に沿って流れながら、各電池列１２における単位電池１１を冷却させて、電池列１２とハウジング２０の内壁の間の隙間を通して、排出口２２に流れて、ハウジング２０から排出されるようになる。

前記のようにハウジング２０内に流入した冷却用空気は、当該冷却用空気の流入方向に対して所定の角度で傾斜するように配置された二つの電池列１２の間に流入する。そして、二つの電池列１２の間に流入した冷却用空気の一部は、一方の電池列１２に流入し、残りの冷却用空気は、他方の電池列１２に流入する。このため、冷却用空気が二つの電池列１２を同時に通るようになる。

これにより、一対の電池列１２を並んで配置して二次電池モジュール１０の高さを最少化し、一対の電池列１２に冷却用空気を同時に流入させることによって、冷却効率を極大化させて、各電池列１２における単位電池１１が均一に冷却できるようになる。

図３は、本発明の第２実施形態における二次電池モジュールを示した概略的な断面図である。

図面を参照して説明すると、本実施形態における二次電池モジュール５０は、少なくとも二つ以上の電池列５２で構成され、一対を形成する二つの電池列５２において、前端５２ａ同士と、後端５２ｂ同士とは、それぞれ互いに離隔して配置される。

そして、二つの電池列５２において、流入口６１側に位置する前端５２ａ同士が離隔する距離は、排出口６２側に位置する後端５２ｂ同士が離隔する距離よりも、大きい。従って、二つの電池列５２は、冷却用空気の流入方向に対して、ななめに傾いた構造を有する。

ハウジング６０の内部に流入した空気は、電池列５２の後端５２ｂに接近するほど、速度が減少し、冷却用空気の流れの下流側に位置する電池列５２の電池隔壁１３に流入される冷却用空気の量が減少されるため、当該下流側に位置する単位電池１１は、十分に冷却させることができない問題が生じる。

しかし、本実施形態のように、一対の電池列５２の後端５２ｂ同士が離隔する場合には、十分な量の冷却用空気が電池列５２の後端５２ｂまで流れて、電池列５２を均一に冷却させることができる。

本発明の二次電池モジュール１０は、モータ駆動用の電池として、高出力／大容量を要求するハイブリッド電気自動車などに、効果的に適用することができるが、必ずしも、その用途がハイブリッド電気自動車用に限られるわけではない。

前記では本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付図の範囲内で多様に変形して実施することが可能であって、これらも本発明の範囲に属するとみなすべきである。

本発明の第１実施形態における二次電池モジュールの構成を示した概略的な斜視図である。 本発明の第１実施形態における二次電池モジュールの作用を説明するための概略的な平面図である。 本発明の第２実施形態における二次電池モジュールの構成を示した概略的な平面図である。

符号の説明

１０、５０ 電池モジュール、
１１ 単位電池、
１２、５２ 電池列、
１３ 電池隔壁、
１４ システム回路部、
２０、６０ ハウジング、
２１、６１ 流入口、
２２、６２ 排出口。

Claims (11)

1. 複数個の単位電池が積層配列された少なくとも一つ以上の電池列と、冷却媒体が流入する流入口、及び当該冷却媒体が排出される排出口が形成され、前記電池列が内蔵されるハウジングと、を含む二次電池モジュールにおいて、
   前記電池列は、冷却媒体が前記ハウジングに流入する方向に対して傾くように配置されることを特徴とする二次電池モジュール。
2. 前記二次電池モジュールは、一対となる二つの電池列を含み、
   前記二つの電池列は、互いに傾くように配置されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池モジュール。
3. 前記電池列のそれぞれは、同一平面上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池モジュール。
4. 前記電池列において、隣接する単位電池の間に電池隔壁が設置されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池モジュール。
5. 前記二次電池モジュールは、一対となる二つの電池列を含み、
   前記二つの電池列は、前記ハウジングの冷却媒体流入口に向かって開くように配置されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池モジュール。
6. 前記二つの電池列が、冷却媒体の流入方向に対して傾斜する角度は、５゜より大きく１７０゜より小さいことを特徴とする請求項５に記載の二次電池モジュール。
7. 前記流入口の幅は、前記２つの電池列における前記流入口側の端部同士が離隔する長さと略同一であることを特徴とする請求項５に記載の二次電池モジュール。
8. 前記排出口の幅は、前記ハウジングの内側における一つの側面と、前記２つの電池列のうち当該側面に近接する電池列における、前記流入口側の端部とが、離隔する長さと略同一であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つに記載の二次電池モジュール。
9. 前記二つの電池列において、前記流入口側の端部同士と前記排出口側の端部同士とは、いずれも離隔し、前記流入口側の端部同士が離隔する距離は、前記排出口側の端部同士が離隔する距離よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の二次電池モジュール。
10. 前記単位電池は、角形に構成されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池モジュール。
11. 前記二次電池モジュールは、モータ駆動用であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池モジュール。

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