JP2006236827A - 電池パックの断熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部温度の変化に影響を受け難い構造を有する、電池パックの断熱構造を提供する。
【解決手段】 リチウムイオン電池セルを挟持する第１枠体のフレーム１２ａの内部に、断熱用空隙部１２１，１２２が設けられることにより、電池パックの外部において温度変化があった場合でも、この断熱用空隙部１２１，１２２が空気による断熱層を構成して、外部からの熱の伝熱を遮断する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電気自動車等の車両に搭載される電池パックの断熱構造に関する。

近年、電動機を駆動源として用いる電気自動車や、駆動源としての電動機とその他の駆動源とを組み合わせた、いわゆるハイブリッド電気自動車が実用化されてきている。このような車両においては、電動機にエネルギーである電気を供給するための電池が搭載される。この電池としては、たとえば、繰り返し充放電が可能なニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池、リチウムイオン電池などに代表される二次電池が用いられる。

二次電池は、電池セルを積層した電池モジュールにより構成されており、この電池モジュールが電池ケースの内部に収容された状態で自動車に搭載される。この電池ケースと、電池ケースの内部に収容された電池モジュールおよびその他の内部構成部品とを含めたものを電池パックと称する。

図５から図７は、背景技術におけるリチウムイオン電池を用いた電池パック１００の概略構成を示す図であり、図５は、電池パック１００の分解斜視図であり、一部内部構造を理解するために破断している。また、図６は、内部に収容される電池モジュール１０の部分断面図であり、図７は、内部に収容される電池モジュール１０の部分分解斜視図である。

図５に示すように、電池モジュール１０は、アッパーケース１とロワーケース２とを有する電池ケース内に収容されている。アッパーケース１とロワーケース２とは、ボルト（図示省略）等を用いて締結されている。電池モジュール１０は、図６および図７に示すように、電極がラミネートフィルムにより覆われた複数のリチウムイオン電池セル１５が積層状態で収容されている。個々のリチウムイオン電池セル１５は、このリチウムイオン電池セル１５のラミネートフィルムが溶着されたシール部１５ａを側面側から取囲む第１枠体１２および第２枠体１３を複数有している。第１枠体１２は、リチウムイオン電池セル１５が接触して配置される領域を取囲むように配置され、第２枠体１３は、隣接するリチウムイオン電池セル１５を接触させず、リチウムイオン電池セル１５からの熱を放熱させるための冷却風通路としての空間Ａ１を規定するためのスリットバー１３ｃを有している。積層配置されるリチウムイオン電池セル１５の両端部には、終端枠体１１が配置され、この終端枠体１１にも、リチウムイオン電池セル１５からの熱を放熱させるための冷却風通路としての空間Ａ２が設けられている。

積層配置される複数の第１枠体１２、第２枠体１３、および、終端枠体１１、は、拘束バンド１４により挟持されることで、リチウムイオン電池セル１５のシール部１５ａが第１枠体１２、第２枠体１３、および、終端枠体１１により挟み込まれ、電池モジュール１０の形態が維持されることとなる。

上記構成からなる電池パック１００は、ラミネートフィルムで覆われた封止パック形状のリチウムイオン電池セル１５を保持するために、剛性体として、第１枠体１２、第２枠体１３、および、終端枠体１１を用いている。これらの枠体は樹脂成形品からなり、図８（ａ），（ｂ）の断面に示すように、樹脂材料が中実となるように成形されている。

一方、電池パック１００は、車両の座席の下等の床面に載置されることが多い。この床面近傍は外部の空気温度（気温、排気管温度）の影響を受けやすい領域であるため、電池パック１００も、この温度の影響を受けやすくなる。そのため、電池ケースを伝わって、電池モジュール１０にも温度変化の影響が生じ、リチウムイオン電池セル１５そのものにも周囲温度の影響を受けることとなる。リチウムイオン電池セル１５はその性能が温度に左右され、複数のリチウムイオン電池セル１５の間において温度に差が生じると、電池モジュール１０全体としても能力が低下してしまう。

下記特許文献１（図１参照）には、保持部材により、ラミネートフィルムによりパックされた電池セルを保持する構造が開示されている。また、下記特許文献２（図９参照）には、電池セルから発生する熱を積極的に放熱するための冷媒通路を枠体に設ける構造が開示されている。しかし、いずれの特許文献にも、電池セルが外部温度の変化に悪影響を受けることに対する課題には言及していない。
特開２００２−３１９３８３号公報 特開２００４−１０３２５８号公報

この発明が解決しようとする課題は、電池セルを挟持し保持する枠体においては、外部温度の変化に影響を受け、電池ケースからの伝熱により電池セルに温度分布差が生じ、電池性能が低下する点にある。したがって、この発明は、外部温度の変化に影響を受け難い構造を有する、電池パックの断熱構造を提供することにある。

本発明の電池パックの断熱構造においては、電池セルが複数積層状態で保持された電池モジュールが電池ケースに収容された、電池パックの断熱構造であって、上記電池セルのシール部を側面側から取囲むフレームを含む枠体を複数有し、積層配置される複数の上記枠体の上記フレーム部により上記電池セルのシール部を両側から挟持し、上記電池セルを上記枠体内に収容することで、上記電池モジュールを形成し、上記フレームには、上記電池セルが配置される内側領域と上記枠体の外周面との間に断熱用空隙部が設けられている。

この発明に基づいた電池パックの断熱構造によれば、電池セルを挟持するフレームに、電池セルが配置される内側領域と枠体の外周面との間に断熱用空隙部が設けられている。これにより、電池パックの外部において温度変化があった場合でも、この断熱用空隙部が空気による断熱層を構成することから、外部からの熱の伝熱を遮断し、枠体の内部に収容される電池セルへの伝熱を抑制させることが可能となる。その結果、電池セルの温度分布差の発生が抑制され、電池性能を安定させることが可能となる。また、断熱用空隙部を設けることで、枠体の軽量化を図ることも可能となる。

以下、本発明に基づいた電池パックの断熱構造の各実施の形態について、図を参照しながら説明する。なお、上記背景技術で説明した電池パックと同一または相当部分に関しては同一の参照番号を付して、図５〜図７を適宜参照することとし、重複する説明は繰り返さないこととする。また、本発明の特徴は、電池セルのシール部を両側から挟持する枠体の構造に特徴を有することから、以下の各実施の形態においては、この枠体の構造についてのみ詳細に説明する。また、二次電池の一例として、ラミネートフィルムで覆われた封止パック形状のリチウムイオン電池セル１５を用いるものとする。

（実施の形態１）
まず、図１および図２を参照して、本実施の形態における電池パックの断熱構造について説明する。なお、図１は、本実施の形態における電池パックの電池モジュール１０を構成する第１枠体１２Ａの全体斜視図であり、図２（ａ）〜（ｄ）は、図１中ＩＩ−ＩＩ線矢視に対応する断面形状の各種パターンを示す断面図である。

本実施の形態における第１枠体１２Ａは、電池セル１５のシール部を側面側から取囲む長方形形状のフレーム１２ａを含み、中央部には上下のフレーム１２ａを連結する補助フレーム１２ｂが設けられている。この第１枠体１２Ａには、成形の容易さの観点から、樹脂成形品が採用されている。

第１枠体１２Ａのフレーム１２ａの断面形状を図２に示す。図２（ａ）においては、フレーム１２ａの内部に、断熱用空隙部１２１が設けられている。この断熱用空隙部１２１は、電池セル１５が配置される内側領域１２ｃと枠体１２Ａの外周面１２ｄとの間の伝熱を遮るように、フレーム１２ａの延びる方向に沿って延びるように設けられている（図２の紙面に垂直な方向）。また、この断熱用空隙部１２１は、フレーム１２ａが延びる方向に対して交差する断面（図２に示す断面）で見た場合、フレーム１２ａが延びる方向に対して交差する方向（図２（ａ）中の矢印Ｘ方向。外周面１２ｄに並行。）に延びるように設けられている。また、図２（ｂ）は、上記断熱用空隙部１２１を上下方向に２列設けるようにしたものであり、３列以上設けることも可能である。

次に、図２（ｃ）においては、フレーム１２ａの両方の側面から内部に向かって延びる断熱用空隙部１２２が設けられている。この断熱用空隙部１２２も、上記断熱用空隙部１２１と同様に、電池セル１５が配置される内側領域１２ｃと枠体１２Ａの外周面１２ｄとの間の伝熱を遮るように、フレーム１２ａの延びる方向に沿って延びるように設けられ（図２の紙面に垂直な方向）、また、フレーム１２ａが延びる方向に対して交差する断面（図２に示す断面）で見た場合、フレーム１２ａが延びる方向に対して交差する方向（図２（ａ）中の矢印Ｘ方向。外周面１２ｄに並行。）に延びるように設けられている。また、図２（ｄ）は、上記断熱用空隙部１２２を上下方向に２列設けるようにしたものであり、３列以上設けることも可能である。

なお、断熱用空隙部１２１，１２２は、第１枠体１２Ａのフレーム１２ａ全体に設けることが可能であるが、外部温度の変化の影響を受けやすい部分は、一般的には下面側であることが多いことから、下方に位置するフレーム１２ａにのみ断熱用空隙部１２１，１２２を設けることが可能である。また、断熱用空隙部１２１にあっては、そのまま通路となり、また、断熱用空隙部１２２にあっては、隣接する断熱用空隙部１２２との組み合わせにより通路を形成することから、この通路に空気を流すことで、より断熱効果を高めることも可能である。

以上、本実施の形態における電池パックの断熱構造によれば、リチウムイオン電池セル１５を挟持するフレーム１２ａに、電池セルが配置される内側領域１２ｃと第１枠体１２Ａの外周面１２ｄとの間に断熱用空隙部１２１，１２２が設けられている。これにより、電池パックの外部において温度変化があった場合でも、この断熱用空隙部１２１，１２２が空気による断熱層を構成することから、外部からの熱の伝熱を遮断し、第１枠体１２Ａの内部に収容されるリチウムイオン電池セル１５への伝熱を抑制させることが可能となる。その結果、リチウムイオン電池セル１５の温度分布差の発生が抑制され、リチウムイオン電池性能を安定させることが可能となる。また、断熱用空隙部１２１，１２２を設けることで、第１枠体１２Ａの軽量化を図ることも可能となる。また、冷却風供給手段を別途設け、断熱用空隙部１２１，１２２および空間Ａ１、Ａ２（図６参照）に冷却風を供給することで、断熱効果をさらに向上させることが可能となる。

（実施の形態２）
次に、図３および図４を参照して、本実施の形態における電池パックの断熱構造について説明する。なお、図３は、本実施の形態における電池パックの電池モジュール１０を構成する第２枠体１３Ａの全体斜視図であり、図４（ａ）〜（ｄ）は、図３中ＩＶ−ＩＶ線矢視に対応する断面形状の各種パターンを示す断面図である。

本実施の形態における第２枠体１３Ａは、電池セル１５のシール部を側面側から取囲む長方形形状のフレーム１３ａを含み、中央部には上下のフレーム１３ａを連結する補助フレーム１３ｂが設けられている。また、隣接するリチウムイオン電池セル１５を接触させず、リチウムイオン電池セル１５からの熱を放熱させるための空間を規定するためのスリットバー１３ｃが横方向に複数配列されている。さらに、縦方向に延びるフレーム１３ａには、空気を通過させるための開口部１３ｄが設けられ、補助フレーム１３ｂにも同様に、開口部１３ｅが形成されている。この第２枠体１３Ａには、成形の容易さの観点から、樹脂成形品が採用されている。

第２枠体１３Ａのフレーム１３ａの断面形状を図３に示す。図４（ａ）においては、フレーム１３ａの内部に、断熱用空隙部１３１が設けられている。この断熱用空隙部１３１は、電池セル１５が配置される内側領域１３ｆと枠体１３Ａの外周面１３ｇとの間の伝熱を遮るように、フレーム１３ａの延びる方向に沿って延びるように設けられている（図４の紙面に垂直な方向）。また、この断熱用空隙部１３１は、フレーム１３ａが延びる方向に対して交差する断面（図４に示す断面）で見た場合、フレーム１３ａが延びる方向に対して交差する方向（図４（ａ）中の矢印Ｘ方向。外周面１３ｇに並行。）に延びるように設けられている。また、図４（ｂ）は、上記断熱用空隙部１３１を上下方向に２列設けるようにしたものであり、３列以上設けることも可能である。

次に、図４（ｃ）においては、フレーム１３ａの両方の側面から内部に向かって延びる断熱用空隙部１３２が設けられている。この断熱用空隙部１３２も、上記断熱用空隙部１３１と同様に、電池セル１５が配置される内側領域１３ｆと枠体１３Ａの外周面１３ｇとの間の伝熱を遮るように、フレーム１３ａの延びる方向に沿って延びるように設けられ（図４の紙面に垂直な方向）、また、フレーム１３ａが延びる方向に対して交差する断面（図４に示す断面）で見た場合、フレーム１３ａが延びる方向に対して交差する方向（図４（ａ）中の矢印Ｘ方向。外周面１３ｇに並行。）に延びるように設けられている。また、図４（ｄ）は、上記断熱用空隙部１３２を上下方向に２列設けるようにしたものであり、３列以上設けることも可能である。

なお、断熱用空隙部１３１，１３２は、第１枠体１２Ａの上下のフレーム１３ａ全体に設けることが可能であるが、外部温度の変化の影響を受けやすい部分は、一般的には下面側であることが多いことから、下方に位置するフレーム１３ａにのみ断熱用空隙部１３１，１３２を設けることが可能である。また、断熱用空隙部１３１にあっては、そのまま通路となり、また、断熱用空隙部１３２にあっては、隣接する断熱用空隙部１３２との組み合わせにより通路を形成することから、この通路に空気を流すことで、より断熱効果を高めることも可能である。

以上、本実施の形態における電池パックの断熱構造によれば、リチウムイオン電池セル１５を挟持するフレーム１３ａに、電池セルが配置される内側領域１２ｅと第２枠体１３Ａの外周面１３ｇとの間に断熱用空隙部１３１，１３２が設けられている。これにより、電池パックの外部において温度変化があった場合でも、この断熱用空隙部１３１，１３２が空気による断熱層を構成することから、外部からの熱の伝熱を遮断し、第１枠体１２Ａの内部に収容されるリチウムイオン電池セル１５への伝熱を抑制させることが可能となる。その結果、リチウムイオン電池セル１５の温度分布差の発生が抑制され、リチウムイオン電池性能を安定させることが可能となる。また、断熱用空隙部１３１，１３２を設けることで、第２枠体１３Ａの軽量化を図ることも可能となる。また、冷却風供給手段を別途設け、断熱用空隙部１３１，１３２および空間Ａ１、Ａ２（図６参照）に冷却風を供給することで、断熱効果をさらに向上させることが可能となる。

なお、上記各実施の形態においては、二次電池の一例としてリチウムイオン電池を用いた場合について説明したが、枠体により挟み込まれる形態を備える電池モジュールに採用される二次電池であれば、どのような形態の電池に対しても適用可能である。

また、上記各実施の形態においては、第１枠体１２Ａと第２枠体１３Ａとが組合わされる電池モジュールの場合について説明しているが、第１枠体１２Ａのみからなる電池モジュール、第２枠体１３Ａのみからなる電池モジュールに対しても本発明を適用することは可能である。また、第１枠体１２Ａおよび第２枠体１３Ａに限らず終端枠体１１への適用も可能である。

したがって、今回開示した上記各実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

この発明に基づいた実施の形態１における電池パックの電池モジュールを構成する第１枠体の全体斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図１中ＩＩ−ＩＩ線矢視に対応する断面形状の各種パターンを示す断面図である。 この発明に基づいた実施の形態２における電池パックの電池モジュールを構成する第２枠体の全体斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図３中ＩＶ−ＩＶ線矢視に対応する断面形状の各種パターンを示す断面図である。 電池パックの分解斜視図である。 電池パックの内部に収容される電池モジュールの部分断面図である。 電池パックの内部に収容される電池モジュールの部分分解斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、フレームの断面形状を示す図である。

符号の説明

１ アッパーケース、２ ロワーケース、１０Ａ 電池モジュール、１１ 終端枠体、１２Ａ 第１枠体、１２ａ フレーム、１２ｂ 補助フレーム、１２ｃ 内側領域、１２ｄ 外周面、１３Ａ 第２枠体、１３ａ フレーム、１３ｂ 補助フレーム、１３ｃ スリットバー、１３ｄ，１３ｅ 開口部、１３ｆ 内側領域、１３ｇ 外周面、１４ 拘束バンド、１５ リチウムイオン電池セル、１５ａ シール部、１００ 電池パック、１２１，１２２，１３１，１３２ 断熱用空隙部、Ａ１，Ａ２ 空間。

Claims (4)

1. 電池セルが複数積層状態で保持された電池モジュールが電池ケースに収容された、電池パックの断熱構造であって、
   前記電池セルのシール部を側面側から取囲むフレームを含む枠体を複数有し、
   積層配置される複数の前記枠体の前記フレーム部により前記電池セルのシール部を両側から挟持し、前記電池セルを前記枠体内に収容することで、前記電池モジュールを形成し、
   前記フレームには、前記電池セルが配置される内側領域と前記枠体の外周面との間に断熱用空隙部が設けられる、電池パックの断熱構造。
2. 前記断熱用空隙部は、前記フレームの延びる方向に沿って延びるように設けられる、請求項１に記載の電池パックの断熱構造。
3. 前記断熱用空隙部は、前記フレームが延びる方向に対して交差する断面で見た場合、前記フレームが延びる方向に対して交差する方向に延びるように設けられる、請求項１または２に記載の電池パックの断熱構造。
4. 前記枠体は、前記電池セルの間に冷却風通路を形成する冷却通路形成部を、有し、
   当該電池パックは、前記断熱用空隙部および前記冷却風通路に冷却風を供給する冷却風供給手段をさらに有する、請求項１から３のいずれかに記載の電池パックの断熱構造。

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