JP2008123769A - 組電池パック構造 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却効率の高い組電池パック構造を提供する。
【解決手段】電池パック１は４０個の単電池２から構成された組電池３を二つ有しており、合計８０個の単電池から構成される。すべての単電池２はブスバー１１を介して直列に接続される。組電池３は、円筒形状の単電池２を樹脂製のホルダーケース１２で固定して、格子状に配置した構造である。また、吸気ダクト４から吸気した空気は、２つに分岐して、それぞれのホルダーケース１２内の単電池２を空冷して、排気ダクト６で空気を排出する。また、送風ファンは排気ダクト２６の内部に取り付けられている。また、ブスバー１１は、ホルダーケース１２の外部に取り付けられており、冷却は温度の最も高い単電池２のみに当たるようにして、ブスバー１１は冷却されない構成となっている。これにより冷却空気の圧力損失を低減して冷却効率を低減することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数個の単電池を内蔵した電池パックの構造に関するものである。

ハイブリッド自動車に用いられるリチウム二次電池は、よりパワーアシスト能力の大きい電池が要求されている。そのため、電池パックの大電流化により、電池の使用時の発熱量も増大する傾向にある。そのため、より効率的な電池の冷却構造と電池間の接続抵抗の低減が要求されている。

特許文献１には、複数の単電池を互いの中心軸が同軸となるように直列接続してなる電池構造体と、これを収容するバッテリーボックスから構成され、バッテリーボックス内に冷却媒体をながして、単電池を冷却する構造が記載されている。しかしながら、単電池それぞれの電圧検出線については考慮されておらず、複数の単電池を互いの中心が同軸になるように直列接続しているため、それぞれの単電池に電圧検出線を取り付けた場合、単電池だけでなく電圧検出線も冷却媒体で冷却する構造となっている。

特開２００５−１９０８７号公報

本発明の目的は、冷却効率が高い電池パック構造を提供することにある。

複数個の単電池をホルダーケースにすべて並列（平行）に配置して、電気的に直列に接続することでひとつの組電池とする。この組電池を複数個組み合わせて電池パックを構成する。このとき、ホルダーケース内にのみ冷却空気が流れる構造にする。即ち、各々の単電池は、ブスバーを介して接合されるが、ブスバーをホルダーケースの外に配置する構造にすることで、ホルダーケース内に配置された単電池のみを冷却することが可能になる。また、ブスバーにはそれぞれ電圧検出線が取り付けられており、単電池の異常を検出できるようになっているが、ホルダーケースの外に配置されたブスバーに単電池の電圧検出線を取り付けることにより、電圧検出線をも冷却しない構造にすることができる。そのため、温度が高くなる単電池のみを冷却でき、効率良く組電池を冷却することができる。

電池パックには、吸気ダクトと排気ダクトを設けてあり、電池パックの外部の空気を吸気ダクトから、吸気ダクトとホルダーケースとから形成されるバイパス空路を経由してホルダーケースに取り入れ、単電池を冷却後、排気ダクトから、ホルダーケースの外部に排出する構造となる。

また、ホルダーケースに複数のスリットを設けることにより、これらのスリットを通って空気がホルダーケース内に入り、単電池を冷却する。このとき、複数あるスリットを配置する間隔は、排気ダクト側のスリットを配置する間隔より、吸気ダクト側のスリットを配置する間隔を狭くする。吸気ダクト側のスリットを配置する間隔を狭くすることにより、吸気ダクト側により多くの空気が流れ、吸気ダクト側の冷却されにくい単電池を効率的に冷却できる。その結果、複数個の単電池の温度を均一にすることができる。例えば、複数個の単電池温度を検出し、それらの温度差がある閾値を超えた場合、冷却空気をホルダーケースに導入し複数個の単電池を冷却する。その結果、複数個の単電池温度は均一化され、単電池の状態を良好に保つことができる。

また、吸気ダクト側のスリットのスリット幅を、排気ダクト側のスリットのスリット幅より大きくする。又は、吸気ダクト側のスリットに導風板を設けても、同様の効果が得られ、それぞれの単電池の温度を均一とすることができる。尚、導風板とは、より多くの空気をホルダーケースに取り入れる機能を有する板であり、各スリットの吸気ダクト側に設置される。

さらに、ホルダーケース内の単電池の間に、即ち、４つの単電池が集まることにより形成される空間に、断面が十文字形である柱体を配置することにより、単電池の冷却効果を高めることができる。その際に、十文字形を形成する二方向の長さが異なることが好ましく、ホルダーケースに流入する空気の流入方向に対する垂直方向の長さが、流入方向の長さより大きいことがより好ましい。尚、二方向とは、十文字形を形成する、直角に交差する二方向のことをいう。

また、スリット近傍の単電池は冷却されやすいが、一方でスリットから離れた位置にある単電池はスリット近傍の単電池と比較して、より温かい空気で冷却されることになる。その結果、スリットから離れた位置にある単電池は、十分に冷却されないことになる。そこで、スリット近傍の単電池には断熱カバーを設けることが好ましい。断熱カバーは、スリット近傍の単電池のスリット側の側面に設けることにより、スリット近傍の単電池が必要以上に冷却されることを防ぎ、またスリットから離れた位置にある単電池へ冷たい空気を送り込み、冷却効果を向上させることができる。

また、複数の単電池は、格子状に配置され少なくとも一つの格子点に前記単電池を配置しないことにより、全ての単電池を外部からの空気によって、効率よく冷却することができる。例えば、スリットとは最も離れた位置に配置され、かつ、吸気ダクト側に配置された単電池は、冷却しにくいので、単電池を格子状に配置する場合には、コーナ部には単電池を設置しないことが好ましい。よって、ホルダーケースが台形になるような配置にすることにより、単電池の温度を均一にすることができる。

また、単電池間はブスバーを介して接続されるが、ボルト締めではなく、溶接することが接続抵抗低減に有効である。その結果、単電池間の熱伝導も向上するため、単電池の温度を均一にすることに有効である。

また、ブスバーの材質は、電気抵抗が低く、かつ、熱伝導率も高い銅がより好ましく、ニッケル等の金属で表面をメッキしても構わない。

さらに、ブスバーは電流の流れる方向に２箇所以上の曲げ部を有することが望ましい。２箇所以上の曲げ部を有することにより、曲げ部で車載の振動の応力吸収が可能になり、溶接部に作用する振動の応力が低くなり、溶接部の耐久性を向上させることができる。

また、単電池と溶接するブスバーにはくぼみが設けてあり、くぼみ部分で溶接される。くぼみを設けることにより、ブスバーが傾いて配置された場合でも、ブスバーを押圧することで、くぼみと単電池を接触させることが可能なので、良好な溶接をすることができる。

また、このくぼみは、正極側と負極側の溶接部にそれぞれ２個ずつ設けることが望ましい。くぼみの数が多いほど接続抵抗を低くできるが、３個以上になると、ブスバー形状がばらついた場合に、３個のくぼみと単電池とを接触させることが困難になるためである。２個の場合は治具による押圧で容易に単電池と接触させることができる。

本発明により、冷却効率が高い電池パック構造を提供することができる。

（実施例）
図１に本実施例の外観斜視図を示す。電池パック１は直方体形状であり、周囲を外装ケース９で被われており、外部接続コネクタ８を介してハイブリッド自動車のモータ，インバーターに接続される。また、吸気ダクト４から冷却空気を吸気して、内部の部材を冷却後、その冷却空気を排気ダクト６から排出する。

図２に本実施例の内部構成斜視図を示す。

電池パック１は、４０個の円筒形状の単電池２及びホルダーケース１２を具備した組電池３を２つと、外部の空気をホルダーケース１２に導入する吸気ダクト４と、吸気ダクト４とホルダーケース１２により形成されるバイパス空路５と、空気をホルダーケース１２から排出する排気ダクト６と、冷却ファンと、から構成される。吸気ダクト４から吸気した冷却空気は、２つに分岐され、それぞれのホルダーケース１２内に導入され、単電池２を冷却して、排気ダクト６からホルダーケース１２外へ排出される。

４０個の単電池２は、電気的に直列になるように、単電池２の正極部２ｃと、負極部
２ｄとが、ブスバー１１を介して接続されている。単電池また、ブスバー１１を介して接続された単電池２は、平行かつ横向きに配置され、樹脂製のホルダーケース１２で挟持されることにより固定されており、外装ケース９により、封止される。その結果、ホルダーケース１２に導入された冷却空気は、ホルダーケース内のみを冷却することになる。また、冷却ファンは排気ダクト６の内部に取り付けられている。

このとき、それぞれの単電池の正極部２ｃ及び負極部２ｄの一部がホルダーケースから露出しており、これらの露出部と、ブスバー１１と、が接続されることにより、ブスバー１１は、ホルダーケース１２から露出した構造となる。

したがって、ホルダーケース１２内に導入された冷却空気は、ホルダーケース１２内に配置された単電池２のみを冷却することになり、ホルダーケース１２から露出しているブスバー１１は、直接冷却空気によって冷却されることがない。その結果、冷却空気との接触によって生じるブスバー１１の腐食を抑制することができる。また、単電池２のみを冷却することが可能になり、圧力損失を低減して冷却効率を向上させることができる。

また、電圧検出線１５はブスバー１１に取り付けられており、同様に冷却空気の圧力損失を低減して冷却効率を向上させることができる。

このブスバー１１は、接続抵抗を低減するため、電気抵抗の低い銅製であることが望ましい。銅は熱伝導率も高いので、ブスバー１１を介して単電池２の温度を均一にする効果もある。これにより、単電池２の最高温度を低下させることができ、温度上昇による単電池２の寿命の低下を抑制できる。

また、ブスバー１１には、それぞれ電圧検出線１５が取り付けられ、単電池２の充電状態を検出している。この電圧検出線１５も、ホルダーケース１２の外に取り付けられているため、電圧検出線１５は、冷却されることがなく、効率よく単電池２を冷却することができる。また、コントローラ７は、単電池の電圧，電流及び温度等から充電状態及び作動状態を制御する。

図３に冷却空気の流れ及び字組電池の断面図を示す。吸気ダクト４から吸気した空気は、バイパス空路５に吸気される。バイパス空路５と単電池２が格納されている部位とのあいだには、スリット板３５が設けられており、スリット２８を通って、冷却空気が入りこみ、単電池２を冷却する。ここで、スリット２８は、冷却空気をバイパス空路５からホルダーケース１２へ導入する為の切れ目であり、冷却空気はこれらの切れ目を通ってホルダーケース１２へ流れる。

このとき、スリット２８の設置間隔は、排気ダクト６側の間隔よりも吸気ダクト４側の間隔を狭くする。吸気ダクト４側のスリット２８の間隔を狭くすることにより、吸気ダクト４側により多くの冷却空気が流入する構造となる。その結果、それぞれの単電池の温度を均一にすることができる。また、吸気ダクト４側のスリット２８の幅を、排気ダクト６側の幅よりも広くし、吸気ダクト４側のスリット２８に導風板３７を設けた。導風板３７は、スリット２８の外周部であって下流側に設けられ、バイパス空路５側に突出した冷却空気を導入する板のことをいう。尚、下流側とは、排気ダクト側のことであり、上流側とは吸気ダクト側のことをいう。

さらに、ホルダーケース１２内の単電池の間に、即ち、４つの単電池が集まることにより形成される空間に、断面が十文字形である柱体３７を配置した。その結果、単電池２に作用する流量を多くして、冷却効果を高めることができる。その際に、十文字形を形成する二方向の長さに関して、ホルダーケース１２に流入する空気の流入方向に対する垂直方向の長さが、流入方向の長さより大きくした。これにより、より均一に単電池２を冷却することができる。

また、スリット２８近傍の単電池は冷却されやすいが、一方でスリット２８（又はバイパス空路５）から離れた単電池２は、スリット２８（又はバイパス空路５）近傍の単電池と比較して、より温かい空気で冷却されることになる。このため、スリット２８（又はバイパス空路５）近傍の単電池２には断熱カバー２７を設けることにより、スリット２８
（又はバイパス空路５）から離れた単電池２へ冷たい空気を送り込み、冷却効果を向上させることができる。

また、スリット２８（又はバイパス空路５）とは最も離れていて、かつ、スリット２８（又はバイパス空路５）から離れた位置の単電池２は、冷却しにくいため、単電池２を格子状に配置し、コーナ部の単電池２はなくす構造とした。これにより、冷却空気が隅々まで行き渡ることが可能になる。また、単電池２ａ及び単電池２ｂの電池温度を検出できるように、それぞれに電池温度検出器を設けた。図３において、単電池２ａは最も冷却されにくい位置に、単電池２ｂは最も冷却されやすい位置に配置された電池であるため、単電池２ａ及び単電池２ｂの電池温度を検出し、温度差を算出することにより、冷却システムの作動判断を行う。例えば、単電池２ａと単電池２ｂの温度差が所定値以上の場合に、冷却システムを作動させることができ、その結果、各単電池の温度差を低減することが可能となる。

次に、ブスバーと単電池の溶接部分の説明を示す。

図４には、単電池長手方向の組電池の断面を示す。単電池２の正極と負極のそれぞれを、ブスバー１１を介して溶接する構造であり、ブスバー１１はホルダーケースから露出している。これにより、冷却空気がブスバー１１を冷却することなく単電池のみを冷却することが可能になる。

図５には、ブスバーと単電池との溶接前のセット状況の断面を示す。ブスバー１１には、くぼみ２４が設けられていて、くぼみ２４と単電池２が接触する構造となっている。くぼみ２４があることにより、確実にブスバー１１と単電池が接触することができる。

また、ブスバー１１と単電池との溶接中の断面を図６に示す。溶接トーチ３８の先端にある溶接電極２２とブスバー１１とのあいだにアーク２３を発生させて、ブスバー１１と単電池２を溶接する。ブスバー１１には、溶接部の位置から離れた箇所に４箇所の曲げ部２０を設けている。これは、自動車の振動による溶接部に作用する振動の応力を低減させるため、曲げ部２０で振動の応力を吸収させるためである。

図７に示す通り、くぼみ２４がないブスバー１１では、単電池２のセットする位置がずれて単電池２とブスバー１１とのあいだに隙間が生じた場合には、治具で押圧しても、隙間をなくすことはできない。

一方、図８に示すくぼみがあるブスバー１１では、くぼみ２４があるため、治具で押圧することで隙間をなくして、良好な溶接をすることができる。また、単電池２間はブスバー１１を介して接続されるが、ボルト締めではなく、溶接することが接続抵抗低減に有効である。接続抵抗が高いと、抵抗発熱も大きくなり、単電池２の温度も上昇させてしまうからである。

図９は、くぼみが２つあるブスバー１１と単電池との溶接中の断面を示す。くぼみが２つあることにより、ブスバー１１と単電池の溶接面積が増大し、接触抵抗が低減されることが可能になる。

また、単電池２とブスバー１１を溶接する場合には、アークスポット溶接が望ましい。この溶接法は、レーザ溶接に比べて、アーク圧力により押圧するため、ブスバー１１に投入された溶接入熱を単電池２に伝達して確実に溶接することができるからである。

さらに、本発明のブスバー１１は、材質が銅製であることが好ましい。アークスポット溶接によって各電池とブスバー１１が溶接されていることにより、良好な溶接品質及び引張強度の高い溶接部が得られ、電池極間の接続抵抗を小さく、電池充放電時の通電ロスが少ない組電池を得ることができる。特に、銅の電気抵抗はニッケル材や鋼材の電気抵抗と比べて格段に小さい(Ｃｕ：１.５５＜Ｎｉ：６.５８＜Ｆｅ：８.７１(×１０^-6Ω・cm))ため、銅製のブスバー１１を使用することで、接続抵抗が小さくでき、また、ニッケル材より低コストで製作することができる。また、ジュール発熱方式の抵抗溶接（スポット溶接）では、電気抵抗の小さな銅の溶接が困難であり、適用することができないが、アークスポット溶接の場合、銅製のブスバー１１であっても、確実に溶融接合することができる。

また、ブスバー１１は、板厚が０.４mm以上１.５mm以下であり、銅製のままか或いは銅製の表裏面にニッケルメッキされていることにより、耐食性を保持することができる。

なお、ブスバー１１の板厚が０.４mm より薄いと、素材そのものの強度が低く、溶接部の強度が低く振動に弱い構造になってしまい、反対に、板厚が１.５mm より厚くなると、ブスバー１１への熱放散の増加によってアークスポット溶接ができなくなるので好ましくない。

また、ブスバー１１の表面には、前記単電池の正極部に接続する箇所と他の単電池の負極部に接続する箇所とに分けて前記アークスポット溶接が１点ずつ又は２点ずつ施工されていることにより、少ない溶接点数であっても、良好な溶接品質及び引張強度の高い溶接部が得られ、電池正負極間を確実に締結することができる。同時に、溶接工数を削減することもできる。

特に、前記溶接金属部は、各接続金属板の表面から各単電池の正極部の肉厚途中及び負極部の肉厚途中まで形成されていることにより、重ね継手の裏側まで溶けのない溶接部が確実に得られ、電池正負極部の材質が鋼製又は低炭素鋼であっても、継手裏側のＮｉメッキの確保によって耐食性を保持することができる。

本実施例の外観斜視図を示す。 本実施例の内部構成斜視図を示す。 本組電池内部の冷却空気の流れを示す。 本単電池長手方向の組電池の断面を示す。 ブスバーと単電池との溶接前のセット状況の断面を示す。 ブスバーと単電池との溶接中の断面を示す。 くぼみがないブスバーの溶接前のセット状況を示す。 くぼみがあるブスバーの溶接前のセット状況を示す。 溶接部にくぼみが２個あるブスバーと単電池との溶接中の断面を示す。

符号の説明

１…電池パック、２…単電池、３…組電池、４…吸気ダクト、５…バイパス空路、６…排気ダクト、７…コントローラ、８…外部接続コネクタ、９…外装ケース、１１…ブスバー、１２…ホルダーケース、１３…支柱、１４…導風板、１５…電圧検出線、２０…曲げ部、２２…溶接電極、２３…アーク、２４…くぼみ、２５…溶融部、２７…断熱カバー、２８…スリット、３５…スリット板、３７…断面が十文字形である柱体、３８…溶接トーチ。

Claims (18)

1. 複数個の単電池が、ブスバーを介して接続され、ホルダーケースに配置された電池パックにおいて、
   前記電池パックが、外部の空気を前記ホルダーケースに導入する吸気ダクトと、前記空気を前記ホルダーケースから排出する排気ダクトと、を有し、
   前記ブスバーが、前記ホルダーケースから露出していることを特徴とする電池パック。
2. 前記ブスバーに電圧検出線を取り付けることを特徴とする請求項１記載の電池パック。
3. 前記単電池が、ホルダーケースに並列に配置されることを特徴とする請求項１記載の電池パック。
4. 複数個の単電池がホルダーケースに配置された電池パックにおいて、
   前記電池パックが、外部の空気を前記ホルダーケースに導入する吸気ダクトと、前記吸気ダクトと前記ホルダーケースにより形成されるバイパス空路と、前記空気を前記ホルダーケースから排出する排気ダクトと、前記ホルダーケースに、前記空気が導入される複数のスリットを具備し、
   前記吸気ダクト側の前記スリットを配置する間隔を、前記排気ダクト側の前記スリットを配置する間隔より狭くすることを特徴とする電池パック。
5. 前記吸気ダクト側の前記スリットの幅を、前記排気ダクト側のスリットの幅より広くすることを特徴とする請求項４記載の電池パック。
6. 前記吸気ダクト側の前記バイパス空路と前記ホルダーケースに導風板を設けることを特徴とする請求項４記載の電池パック。
7. 前記スリット近傍の前記単電池に、断熱カバーを設けることを特徴とする請求項４記載の電池パック。
8. 前記単電池を格子状に配置し、少なくとも一つの格子点に前記単電池を配置しないことを特徴とする請求項４記載の電池パック。
9. 複数個の単電池がホルダーケースに配置された電池パックにおいて、
   前記電池パックが、外部の空気を前記ホルダーケースに導入する吸気ダクトと、前記吸気ダクトと前記ホルダーケースにより形成されるバイパス空路と、前記空気を前記ホルダーケースから排出する排気ダクトと、前記ホルダーケースに、前記空気が導入される複数のスリットを具備し、
   前記単電池が４つ集まることにより形成される空間に、断面が十文字形である柱体を配置することを特徴とする電池パック。
10. 前記断面の十文字形を形成する二方向の長さが異なることを特徴とする請求項９に記載の電池パック。
11. 前記断面の十文字形を形成する二方向の長さにおいて、前記ホルダーケースへ流入する前記空気の流入方向に対する垂直方向の長さが、流入方向の長さより大きいことを特徴とする請求項１０記載の電池パック。
12. 前記バイパス空路から前記ホルダーケースへ流入する前記空気の流入方向の複数の流路において、前記十文字板を、複数の前記流路に、交互に配置することを特徴とする請求項１１記載の電池パック。
13. 複数個の単電池が、それぞれブスバーを介して接続され、ホルダーケース内に並列に配置された電池パック構造において、
    前記単電池と前記ブスバーを溶接により接続することを特徴とする電池パック。
14. 前記ブスバーの材質が、銅を含むことを特徴とする請求項１３記載の電池パック。
15. 前記ブスバーは電流の流れる方向に２箇所以上の曲げ部を有することを特徴とする請求項１３記載の電池パック。
16. 前記ブスバーは、前記単電池と溶接され、前記単電池と溶接される部分にくぼみを有することを特徴とする請求項１３記載の電池パック。
17. 前記くぼみが、単電池あたり２個であることを特徴とする請求項１３記載の電池パック。
18. 前記ブスバーの板厚が、０.４〜１.５mmであることを特徴とする請求項１３記載の電池パック。

Images