JP2008243526A

JP2008243526A - 電池モジュール

Info

Publication number: JP2008243526A
Application number: JP2007081063A
Authority: JP
Inventors: Takenori Ishizu; 竹規石津; Akira Kojima; 亮小島; Tatsuo Horiba; 達雄堀場
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: JP5060809B2

Abstract

【課題】大電流充放電しても温度上昇を抑制でき、かつ、高強度の電池モジュールを提供する。
【解決手段】モジュール６０は、電池蓋と電池缶とが異極を呈する４個の単電池を電池蓋および電池缶の底面が側面方向において交互となるように単電池を一列に配列して組電池を構成し、組電池を組電池ホルダおよび組電池カバーからなる枠体で固定するとともに電気的に接続してサブモジュール４０を構成し、サブモジュール４０を１４個、下ケース４５、上ケース４７、横ケース４９、５０、５１からなる６面体の外装ケース内に収容、配設し電気的に接続することで構成されており、外装ケースの一面を構成する下ケース４５にはハニカム構造体が配されている。
【選択図】図８

Description

本発明は電池モジュールに係り、特に、電池蓋と電池缶とが異極を呈する複数個の単電池を電池蓋および電池缶の底面が側面方向において交互となるように単電池を一列に配列し枠体で固定するとともに電気的に接続したサブモジュールを、複数個、外装ケース内に収容、配設し電気的に接続した電池モジュールに関する。

従来、例えば、エンジンおよびモータで駆動するハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）やモータのみで駆動する純正電気自動車（ＰＥＶ）等の電気自動車の大電流充放電用電源には、ニッケル水素二次電池、リチウム二次電池等の単電池を複数個直列ないし並列に接続した電池モジュールが使用されている。

このような電池モジュールの一例として、断面形状が長軸と短軸を有する長円筒形（扁平状）の単電池を複数個用い、これらの単電池を長円形の断面に平行な面内で長軸を傾けて配置する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−０３５４６１号公報

例えば、ＥＶ用やＨＥＶ用の電池モジュールとしては、駆動するモータが高出力のため、大電流放電することが多いが、冷却性能を考慮していない電池モジュールでは、大電流放電によるジュール発熱を放熱できずに電池温度が上昇する、という問題があった。一方、冷却性能の向上を図るために開口面積を多く取るように電池モジュールの外装ケースを作製すると、強度不足で外装ケースが変形するなどの問題が生じる。

本発明は上記事案に鑑み、大電流充放電しても温度上昇を抑制でき、かつ、高強度の電池モジュールを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、電池蓋と電池缶とが異極を呈する複数個の単電池を前記電池蓋および前記電池缶の底面が側面方向において交互となるように前記単電池を一列に配列し枠体で固定するとともに電気的に接続したサブモジュールを、複数個、外装ケース内に収容、配設し電気的に接続した電池モジュールであって、前記外装ケースの少なくとも一面に多角形構造体を配したことを特徴とする。

本発明では、外装ケースの少なくとも一面に多角形構造体が配されているため、多角形構造体の多角網目状空洞から冷却風を送風することにより、大電流充放電で発熱した単電池を冷却することができるとともに、多角形構造体は荷重に対して高強度のため、耐久性に優れており、冷却性能を向上しつつ、高強度の電池モジュールが得られる。このような多角形構造体として、例えば、ハニカム構造体を用いることができ、材質としては、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることができる。

本発明において、多角形構造体の電池側の面または前記多角形構造体の両面に、通風口が形成された絶縁板を備えるようにしてもよく、また、多角形構造体と絶縁板とを一体化するようにしてもよい。このような態様および本発明のその他の効果については、後述する発明の実施の形態の欄で詳述する。

本発明によれば、外装ケースの少なくとも一面に多角形構造体が配されているため、多角形構造体の多角網目状空洞から冷却風を送風することにより、大電流充放電で発熱した単電池を冷却することができるとともに、多角形構造体は荷重に対して高強度のため、耐久性に優れており、冷却性能を向上しつつ、高強度の電池モジュールが得られる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明を、多数個の単電池を収容した電池モジュール（以下、モジュールと略称する。）に適用した最良の実施の形態について説明する。なお、本実施形態の電池モジュールは、単体で、または複数個を直列ないし直並列に接続して、ＨＥＶ用電源等として用いられる。

（全体概要）
図８および図９に示すように、本実施形態の電池モジュール６０（以下、モジュール６０と略称する。）は、外装ケース内に複数個のサブモジュール４０が収容、配設されている。図４および図５に示すように、サブモジュール４０は、組電池３０を組電池ホルダ３６と組電池カバー３４、３５とで構成される枠体に収容したものである。図２および図３に示すように、組電池３０は４個の扁平状の単電池２０が直列接続された集合体（集合電池）として構成されている。以下、最小単位の単電池２０から、組電池３０、サブモジュール４０、モジュール６０のアセンブリ（ユニット）順に、モジュール６０の構成について組立手順を含めて説明する。

（単電池２０）
＜正極板＞
正極活物質としてリチウムマンガン複酸化物粉末と、導電材として鱗片状黒鉛と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを重量比８５：１０：５で混合し、これに分散溶媒のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を添加、混練したスラリを、厚さ２０μｍのアルミニウム箔の両面に塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断することにより幅８０ｍｍ、厚さ１７０μｍの正極を得た。なお、アルミニウム箔の長手方向一側を矩形状に切り欠き、切り欠き残部を正極リード片とした。

＜負極板＞
負極活物質として非晶質炭素粉末９０質量部に対し、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを負極活物質に対し１０質量部添加し、これに分散溶媒のＮＭＰを添加、混練したスラリを、厚さ１０μｍの圧延銅箔の両面に塗布した。その後乾燥、プレス、裁断することにより幅８５ｍｍ、厚さ１３０μｍの負極を得た。なお、圧延銅箔の長手方向一側を矩形状に切り欠き、切り欠き残部を負極リード片とした。

＜単電池２０の作製＞
図１に示すように、作製した正負極を、これら両極板が直接接触しないように、幅９０ｍｍ、厚さ４０μｍのポリエチレン製セパレータと共に捲回して捲回群６を作製した。捲回の中心には、ポリプロピレン製の中空扁平状の軸芯１を用いた。このとき、正極リード片２と負極リード片３とが、それぞれ捲回群６の互いに反対側の両端面に位置するようにした。

正極リード片２を変形させ、その全てを正極集電リング４の周囲から一体に張り出した鍔部周面付近に集合、接触させた後、正極リード片２と鍔部周面とを超音波溶接して正極リード片２を鍔部周面に接続した。一方、負極集電リング５と負極リード片３との接続操作も、正極集電リング４と正極リード片２との接続操作と同様に実施した。その後、正極集電リング４の鍔部周面全周に絶縁被覆を施し、捲回群６をニッケルメッキが施されたスチール製の電池缶７内に挿入した。

負極集電リング５には、予め電気的導通のための負極リード板８が溶接されており、電池缶７に捲回群６を挿入後、電池缶７の底部と負極リード板８とを溶接した。電池缶開口部には、電池缶壁を内側方向に屈曲突出させた段付け部を形成した。

一方、正極集電リング４には、予め複数枚のアルミニウム製のリボンを重ね合わせて構成した正極リード９を溶接しておき、正極リード９の他端を、電池缶７を封口するための電池蓋１０の下面に溶接した。電池蓋１０は、蓋ケース１２と、蓋キャップ１３と、蓋ケース１２に溶接されたステンレス製のガス排出弁１１とで構成されており、これらが積層されて蓋ケース１２の周縁をカシメることによって組立てられている。

捲回群６全体を浸潤可能な所定量の非水電解液を電池缶７内に注入し、その後、正極リード９を折りたたむようにして電池蓋１０で電池缶７に蓋をし、ＥＰＤＭ樹脂製ガスケットを介してカシメ封口し、寸法は長さ１０８ｍｍ、幅３４ｍｍ、高さ１１７ｍｍ、容量１０．０Ａｈの扁平状のリチウムイオン二次電池（単電池）２０を完成させた。

非水電解液には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを体積比で１：２の割合で混合した混合溶液中へ六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１モル／リットルの濃度で溶解したものを用いた。

＜組電池３０の作製＞
図２および図３に示すように、４個の単電池２０を用いて、ガス排出弁１１が配置された単電池上面が組電池３０の側面方向を向き、前記上面と底面が交互になるように一列に配置した。その後、隣接する単電池間を電気的に直列に接続するためにブスバＡ３１、ブスバＢ３２を配置し、各ブスバと単電池２０とを仮接続した。またブスバＣ３３を配置し、単電池と仮接続することにより組電池間を電気的に直列接続可能に組電池３０を作製した。

＜サブモジュール４０の作製＞
図４および図５に示すように、サブモジュール４０は、組電池３０を両側面から覆う組電池カバーＡ３４と組電池カバーＢ３５と同じく両側面から覆う組電池ホルダ３６で支持（固定）した。組電池カバーＡ３４と組電池カバーＢ３５には、ガス排出弁用の穴３７と溶接用の穴３８が開いており、ガス排出弁用の穴３７は、単電池２０が過充電や圧壊など異常状態となったときに単電池内部で発生し噴出するガスをサブモジュール４０の外へ放出しやすくするために設けた。また溶接用の穴３８は、ブスバＡ３１、ブスバＢ３２、ブスバＣ３３それぞれと単電池２０とを抵抗溶接するために設けており、この溶接用の穴３８を通して、抵抗溶接用の溶接電極をブスバに当接して単電池２０と各ブスバを抵抗溶接により本溶接して、サブモジュール４０を作製した。

＜モジュール６０の作製＞
図６および図７に示すように、矩形状の通風口が複数形成された絶縁板４１と枠体４２を一体化させ、その中に厚さ２０μｍのアルミニウム合金箔で作製した長さ１０００ｍｍ、幅１００ｍｍ、高さ１０ｍｍのハニカム構造体４３を配置し、さらにハニカム構造体４３の電池側である上面に同様に矩形状の通風口が複数形成された絶縁板４４を配置し、絶縁体４１と枠体４２とハニカム構造体４３と絶縁板４４を一体化して下ケース４５を作製した。

その後、図８および図９に示すように、下ケース４５に、サブモジュール４０を７個ずつ２列に対称となるように配列して配置した。２列に対称配置したサブモジュール４０の裏面側同士の間には隔離板４６を設けてサブモジュール裏面側での電気的接触による短絡を防止した。また、上ケース４７を、サブモジュール４０の上面に配置した。隣接するサブモジュール４０間を電気的に接続するために、隣接する各サブモジュール４０の各ブスバＣ３３をネジ締結した。２列に対象配置したサブモジュール４０間を電気的に接続するために、ブスバＤ４８を配置し、ブスバＤ４８を配置した側のサブモジュール４０のブスバＣ３３とネジ締結した。これにより、１４個のサブモジュール４０を電気的に直列に接続した。横ケースＡ４９、横ケースＢ５０、横ケースＣ５１をそれぞれ下ケース４５と上ケース４７にネジ固定してモジュール６０の作製を完了した。なお、本実施形態のモジュール６０は、５６個の単電池２０が直列接続されている。

次に、本実施形態のモジュール６０の効果等について説明する。

本実施形態のモジュール６０は、電池蓋１０と電池缶７とが異極を呈する４個の単電池２０を電池蓋１０および電池缶７の底面が側面方向において交互となるように単電池２０を一列に配列して組電池３０を構成し、組電池３０を組電池ホルダ３６および組電池カバー３４、３５からなる枠体で固定するとともに電気的に接続してサブモジュール４０を構成し、サブモジュール４０を１４個、下ケース４５、上ケース４７、横ケース４９、５０、５１からなる６面体の外装ケース内に収容、配設し電気的に接続することで構成されており、外装ケースの一面を構成する下ケース４５にはハニカム構造体４３が配されている。モジュール６０によれば、下ケース４５にハニカム構造体４３が配されているため、ハニカム構造体４３の六角網目状空洞から冷却風を送風することにより大電流充放電により発熱した単電池２０を冷却することができる。また、ハニカム構造体４３は荷重に対して高強度であるため、樹脂単体で作製した外装ケースよりも耐久性に優れており、冷却性能を向上しつつ、高強度な電池モジュールを得ることができる。

また、モジュール６０は、ハニカム構造体４３の電池側の面に絶縁板４４を備え、絶縁板４４に通風口が形成されていることにより、単電池２０とハニカム構造体４３との絶縁を確保するとともに、サブモジュール４０の荷重あるいは衝突時の衝撃をハニカム構造体４３の一部が部分的に支えるのではなく、面で支えるため、サブモジュール４０の荷重あるいは衝突時の衝撃をハニカム構造体４３に対して、より均等に分散することができるため耐荷重が増加する。

さらに、モジュール６０は、ハニカム構造体４３の両面に絶縁板４１、４４を備えていることにより、電池側のみならず電池側と反対面の絶縁を確保とともにハニカム構造体４３の電池側と反対側の面の荷重あるいは衝撃に対してハニカム構造体４３の一部が部分的に支えるのではなく、面で支えるため、サブモジュールの荷重あるいは衝突時の衝撃をハニカム構造体に対して、より均等に分散することができる。

また、モジュール６０は、ハニカム構造体４３と絶縁板４１、４４が一体化されていることにより組立工程での作業性が向上する。

さらに、モジュール６０は、ハニカム構造体４３がアルミニウム製またはアルミニウム合金製であることにより、アルミニウムは金属の中で密度が小さく、また汎用品であり、箔製品も作製しやすい。このため、薄膜のハニカム構造体を容易に作製することができ、軽量・安価かつ金属の特性を活かし高強度の電池モジュールを作製することができる。

一方、組電池３０を構成する単電池２０は、捲回群６の下端面部から導出され電池缶７の内底面に接続されており、捲回群６の上端面部から導出され電池蓋１０の底面に接続さている。このため、負極導電部材（負極リード片３、負極集電リング５、負極リード板８）および正極導電部材（正極リード片２、正極集電リング４、正極リード９）の各長さを短くでき、単電池２０の内部抵抗を小さく抑えることができる。また、組電池３０は、４個の扁平状の単電池２０の電池蓋１０と電池缶７の底面とが交互に一列に配列されているので、ブスバＡ３１、Ｂ３２の長さを短くすることができ、組電池３０を構成する際の単電池間接続抵抗を小さくすることができる。従って、組電池３０は全体として抵抗が小さいため、入出力特性に優れ、大電流充放電が可能であり、ＨＥＶの電源等として好適に用いることができる。さらに、組電池３０は、単電池２０の電池蓋１０にはガス排出弁１１が配置されており、単電池２０の電池蓋１０が組電池３０の側面を向き、単電池２０の電池蓋１０と電池缶７の底面とが交互に一列に配列されている。このため、ガス排出弁１１を閉塞するなどの不具合を発生することなく、電池異常時に電池内部で発生したガスを速やかに排出することができる。従って、安全性を確保しつつ、体積密度が高く、入出力特性に優れたモジュール６０を得ることができる。

またさらに、組電池３０では、単電池２０の電池缶７と電池蓋１０とが異極であり、単電池２０の上面が組電池３０の側面を向き、単電池２０の上面と底面とが交互に一列に配列されており、単電池２０の個数は４個（偶数個）である。このため、組電池３０のうち最高電位側の単電池２０の正極端子に接続されたブスバＣ３３と最低電位側の単電池２０の負極端子に接続されたブスバＣ３３とが組電池３０の同じ側面に位置し、複数個の組電池３０を配列する際に一方の側面に組電池３０のブスバＣ３３を揃えることができるため、組電池３０間の接続が容易となり、接続用の空間も小さくすることができる。

また、サブモジュール４０は、組電池３０を覆う組電池ホルダ３６、組電池カバー３４、３５からなる枠体を備えており、単電池２０は枠体で強固に固定される。また、単電池２０間はブスバ３１、３２で溶接されているので、モジュール６０が車両に搭載され振動の影響を受けても、単電池２０は遊動が生じない。

さらに、サブモジュール４０の組電池カバー３４、３５には、ガス排出弁１１のガス排出用の穴３７と単電池２０を接続するための溶接用の丸穴３８とが形成されている。ガス排出弁１１のガス排出用の穴３８が形成されているので、組電池２０を枠体で支持し、単電池２０と各ブスバとの位置を固定した状態で溶接することができるため、単電池２０とブスバとの溶接位置の再現性が高く、溶接不良を起こさず生産性を向上させることができる。

また、モジュール６０は、１４個のサブモジュール４０が２列に対称配置されて外装ケース内に収容され、サブモジュール４０間が電気的に接続されている。このため、サブモジュール１個分の空間が開くなどモジュール６０内にムダな空間を生じさせることなく体積密度を高めることができる。

さらに、モジュール６０では、外装ケースが、上ケース４７、下ケース４５、略平板状の横ケース４９、５０、５１で構成されおり、各ケースが分離可能なため、各サブモジュール４０を電気的に接続した後、一部のケースを取り付けることができるため、作業性を高めることができる。

なお、本実施形態では、多角形構造体としてハニカム構造体４３を例示したが、本発明はこれに制約されることなく、三角形、四角形、五角形、七角形、八角形等の多角形構造体を用いるようにしてもよい。また、本実施形態では、ハニカム構造体４３の両面に絶縁板４１、４４を備えた下ケース４５を例示したが、軽量化および小型化を図るために、ハニカム構造体４３の電池側の面に絶縁板４４のみ備えるようにしてもよい。

また、本実施形態では、単電池２０としてリチウムイオン二次電池を例示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、ニッケル水素二次電池等の他の二次電池に適用可能なことは云うまでもない。また、本実施形態では、ＨＥＶ電源用のモジュール６０を例示したが、本発明はこれに限らず、据え置き用電源等他の用途にも適用可能である。

本発明は大電流充放電しても温度上昇を抑制でき、かつ、高強度の電池モジュールを提供するものであるため、電池モジュールの製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態の電池モジュールを構成する単電池の断面図である。単電池を集合した組電池の正面側外観斜視図である。組電池の裏面側外観斜視図である。組電池を構成する単電池を枠体で固定するとともに電気的に直列に接続したサブモジュールの組立状態を示す外観斜視図である。サブモジュールの外観斜視図である。電池モジュールの下ケースの組立状態を示す外観斜視図である。下ケースの外観斜視図である。電池モジュールの組立状態を示す外観斜視図である。電池モジュールの外観斜視図である。

符号の説明

７電池缶
１０電池蓋
２０単電池
３４、３５組電池カバー（枠体の一部）
３６組電池ホルダ（枠体の一部）
４０サブモジュール
４１絶縁板
４３ハニカム構造体（多角形構造体）
４４絶縁板
４５下ケース（外装ケースの一部）
４７上ケース（外装ケースの一部）
４９、５０、５１横ケース（外装ケースの一部）

Claims

電池蓋と電池缶とが異極を呈する複数個の単電池を前記電池蓋および前記電池缶の底面が側面方向において交互となるように前記単電池を一列に配列し枠体で固定するとともに電気的に接続したサブモジュールを、複数個、外装ケース内に収容、配設し電気的に接続した電池モジュールであって、前記外装ケースの少なくとも一面に多角形構造体を配したことを特徴とする電池モジュール。
前記多角形構造体がハニカム構造体であることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
前記多角形構造体の電池側の面または前記多角形構造体の両面に、通風口が形成された絶縁板を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電池モジュール。
前記多角形構造体と前記絶縁板とが一体化されていることを特徴とする請求項３に記載の電池モジュール。
前記多角形構造体がアルミニウム製またはアルミニウム合金製であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電池モジュール。