JP2009054403A - 組電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各単電池セルが均一に冷却されるようにする。
【解決手段】熱伝導性と電気絶縁性を有する軟質材から板状に形成された熱伝導部材３を単電池セル１どうしの間に単電池セル１と密着した状態で介在させ、熱伝導部材３の放熱表面から放熱させることで単電池セル１を間接的に冷却する。
冷却風が流通する通路が不要となるので、その通路に埃が堆積して冷却効率が変動するような不具合を回避でき、均一な冷却状態を長期間維持できる。
【選択図】図１

Description

電気自動車の駆動電源として用いられるニッケル・水素二次電池、リチウムイオン電池などは、高いエネルギー密度が必要とされ、かつ搭載スペースは極力小さくすることが求められている。そのため単電池セルを複数個集合させた組電池とするのが一般的である。例えば直方体形状をなす数Ｖ〜十数Ｖの単電池セルを数十個直列に接続し、これを１つのパッケージに納めて組電池とされている。この組電池は、たとえば後席下部、トランクルームなどに搭載されている。

ところで組電池の性能や寿命は温度環境に大きく依存し、高温になると劣化が著しい。そこで、単電池セルの表面に大気と連通する冷却通路を形成し、冷却通路に車室内空気を導入したり、エアコンの風を強制的に導入することが行われている。

一方、ニッケル・水素二次電池などにおいては、充電時などに直方体形状をなす単電池セルが膨張し、最も広い側面が円弧状に外側へ膨らむという現象が避けられない。このようになると、直方体形状をなす単電池セルを複数個集合させた組電池では、対向する壁面どうしが小さな接触面積で接触して接触部分に大きな応力が集中する可能性がある。

そこで、各単電池セルの内圧を均一にして各単電池セルの充放電特性を均一にする目的で、単電池セルに所定の荷重を負荷して加圧拘束した状態で配列することが行われている。例えば特開2001−313018号公報に紹介されている組電池装置では、複数の単電池セルを厚さ方向に配列し、厚さ方向の両端にそれぞれ一つずつの拘束板を重ねた上で、２つの拘束板を拘束ロッドにて互いに接近する方向に締め付けている。２つの拘束板を互いに接近する方向に締め付けることで、複数の単電池セルを互いに密着させ、各単電池セルに荷重を負荷することで膨張を規制することができる。

しかし上記組電池装置では、中央部の単電池セルは端部の単電池セルに比べて放熱しにくいという問題がある。このように各単電池セル間の冷却特性に差が生じると、各単電池セルの出力、寿命などにばらつきが生じ、結果的に組み電池装置の出力が不安定となるとともに寿命が短くなってしまう。

そこで特開2007−012486号公報には、複数の単電池セルの上部を密閉構造の電池室に収納し、各単電池セルの下部が冷却室に表出した組電池装置が提案されている。この組電池装置によれば、冷却室に冷却空気などを流通させることで各単電池セルを均一に冷却することができる。

また特開平07−045310号公報には、各単電池セルに近接してヒートパイプを配置し、ヒートパイプの端部を放熱板に係合することで、単電池セルの熱を外部に放熱するようにした組電池装置が提案されている。

しかしながら、これらの組電池装置では、構造が複雑となるために大型化し、スペース面あるいはコスト面で不具合がある。

そこで図12に示すように、単電池セル 100どうしの間にスペーサ 101を介在させ、隣接する単電池セル 100の最も広い側面どうしがスペーサ 101を介して互いに対向するように交互に複数個列設し、両端に拘束板 102を配置して拘束ロッドなどによって列設方向に拘束することが行われている（例えば特開2006−048996号公報参照）。この組電池装置においては、スペーサ 101にリブ 103を形成することで、単電池セル 100とスペーサ 101との間に高さ１〜２mmの空間 104が形成される。したがって、単電池セル 100が膨張した場合にも対向する壁面どうしの干渉を防止することができる。またこの空間 104に空気などの冷却媒体を流通させることによって、単電池セル 100を冷却することができる。これにより各単電池セル 100間の冷却特性を均一化でき、寿命を長くすることができる。
特開平07−045310号公報 特開2007−012486号公報 特開2006−048996号公報

ところが特許文献３に記載の組電池装置においては、空間 104に埃などが堆積する場合があり、そうなると均一な冷却が困難となり、各単電池セルの冷却特性に差が生じる。また冷却媒体としては一般にエアコンからの風が用いられるが、外気との温度差によって空間 104に結露が生じる場合があり、水滴が電極部にまで移動することで漏電する可能性が無いとは云えない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、単電池セルを列設した組電池装置において、各単電池セルの冷却特性を均一とするとともに、埃の堆積や結露による漏電などの不具合を防止することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の組電池装置の特徴は、直方体形状をなす単電池セルと、熱伝導性と電気絶縁性を有する軟質材から板状に形成された熱伝導部材と、が互いに密着して交互に複数個列設されてなり、列設方向の両端から加圧拘束されてなる組電池装置であって、
熱伝導部材は、単電池セルの最も広い側面が密着する密着表面と、放熱空間へ表出する放熱表面とを備え、
放熱空間に表出する放熱表面を冷却することで間接的に単電池セルを冷却することにある。

本発明の組電池装置によれば、列設方向の両端から加圧拘束されたときに、軟質の熱伝導部材が両側の単電池セルによって圧縮され、熱伝導部材の密着表面が単電池セルの最も広い側面に密着する。これにより単電池セルの熱は、熱伝導部材の密着表面から放熱表面に伝導され、放熱空間へ放熱される。

すなわち単電池セルと熱伝導部材との間には隙間が無いので、従来の空間 104への埃の堆積の問題は生じない。したがって長期使用後においても各単電池セル毎の冷却条件はほとんど同一となるので、各単電池セル間の冷却特性を均一とすることができ、寿命が長くなる。

さらに単電池セルどうしの間に、特許文献３に記載のような冷却風が流通するための空間を形成する必要がない。したがって単電池セル間距離を縮小でき、全体がコンパクトな形状となり搭載スペースを縮小することができる。また放熱表面を電極から遠い位置に形成しておけば、結露による漏電も防止することができる。

本発明の組電池装置は、電気自動車やハイブリッド車などの電源装置として好適に用いられる。

本発明の組電池装置において、単電池セルとしては一般的な所謂角型電池セルを用いることができる。樹脂製の筐体をもつもの、あるいは表面に絶縁被膜がコーティングされたものを用いてもよいが、熱伝導性が高い鉄やアルミニウムなどの金属製の筐体が表出する単電池セルを用いることが好ましい。単電池セルの上部には、一対の電極が突出形成されているのが一般的である。通常は、電極をもつ側が全て同じ側となるように、複数の単電池セルが列設される。

熱伝導部材は、熱伝導性と電気絶縁性とを有する軟質材から板状に形成されている。ここで軟質の程度は、アスカーＣ硬度で50以下のものが望ましい。アスカーＣ硬度で50以下の軟質度とすることで、単電池セルの最も広い側面との密着性を十分に確保することができ、単電池セルの熱を効率よく放熱することができる。なおアスカーＣ硬度とは、日本ゴム協会標準規格SRIS 0101 で規定されるゴム硬度であり、JIS K 6253で規定されるショア硬度Ｅに相当する。また熱伝導部材は、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導性を備えることが望ましい。熱伝導率がこれより低いと、単電池セルの放熱性が低くなって好ましくない。

上記した特性を備える熱伝導部材の材料としては、例えばシリコーンゴムを用いることができる。シリコーンゴムは熱伝導性と高い電気絶縁性を兼ね備え、アスカーＣ硬度で２〜45程度と軟質である。また一般のゴムや熱可塑性エラストマは、そのままでは熱伝導性が低すぎて使用できないが、例えばダイヤモンド粉などの高熱伝導材を混合したりすることで用いることができる可能性がある。

熱伝導部材は、シート状として隣接する単電池セルどうしの間に介在させることができる。しかしこの場合は、熱伝導部材の圧縮量を規制することが困難であり、熱伝導部材の両側の単電池セルで膨張量が異なる場合が生じる可能性がある。そこで、熱伝導部材は周縁部の一部が電気絶縁性の硬質スペーサに保持されていることが望ましい。硬質スペーサが介在することで、熱伝導部材の圧縮量を規制することができる。

硬質スペーサは、例えばポリプロピレン（ＰＰ）などの電気絶縁性樹脂から形成することができる。例えば板状のスペーサに厚さ方向に貫通する窓部を形成し、この窓部に熱伝導部材を保持することができる。この保持方法としては、凹凸係合などにより保持してもよいし、熱伝導部材を金型内に配置してスペーサを成形するインサート成形にて保持することもできる。なお熱伝導部材の厚さは、窓部の周囲のスペーサの厚さより 0.2mm〜２mm程度厚くし、加圧拘束時に単電池セルによって圧縮されることでスペーサと同等の厚さとなるように構成することが望ましい。

また熱伝導部材は、単電池セルに対向する密着表面が単電池セルに向かって凸の球面とすることも好ましい。このようにすれば、加圧拘束時には球面の中心部が先ず単電池セルに当接し、圧縮されるに従って中心から外側へ向かって単電池セルと接触する面積が増大していくので、単電池セルと密着表面との間に空気が残留するのが防止され放熱性が向上する。

熱伝導部材には、隣接する単電池セルの最も広い側面どうしの近接を規制する電気絶縁性の規制手段が配置されていることが好ましい。このようにすることで単電池セルの膨張を確実に規制することができ、各単電池セルの内圧を均一にして各単電池セルの充放電特性を均一にすることができる。この規制手段は、スペーサと一体に形成してもよいし、硬質樹脂を熱伝導部材中に埋設させることで形成してもよい。

本発明の組電池装置は、複数の熱伝導部材の放熱表面が表出する放熱空間を有している。例えば各熱伝導部材の放熱表面が大気に接触するようにすることができる。また熱伝導部材から延出するタブ部を形成し、そのタブ部を同一方向に配置して大気中に突出させてもよい。

上記の場合には、単電池セルと熱伝導部材とを交互に列設して加圧拘束したものをケーシング中に収納し、放熱表面又はタブ部が突出する側の表面とケーシングの内表面との間にトンネル状の空気流路を形成して、その空気流路を放熱空間とすることができる。この場合、空気流路にエアコンの風を流通させるなどすれば、各単電池セルの熱を放熱表面又はタブ部を介して均一に放熱することができる。

さらに、実施例でも説明するように、複数の放熱板が列設されてなるヒートシンクを放熱空間に配置し、ヒートシンクに熱伝導部材の放熱表面を当接させる。そしてヒートシンクにエアコンの風を接触させるようにすれば、ヒートシンク及び熱伝導部材を介して各単電池セルの熱を均一に放熱することができる。

なおヒートシンクを用いる場合には、単電池セルと熱伝導部材とを交互に列設して加圧拘束したものの下方にヒートシンクを配置することが望ましい。このようにすれば、万一ヒートシンクに結露が発生した場合でも、水滴が単電池セルと接触することを防止することができ、漏電を確実に防止できる。

以下、実施例と試験例により本発明を具体的に説明する。

（実施例１）
図１に本実施例に係る組電池装置の分解斜視図を示す。この組電池装置では、直方体形状をなす単電池セル１と、電気絶縁性樹脂製のスペーサ２とが、隣接する単電池セル１の最も広い側面12どうしがスペーサ２及び熱伝導部材３を介して互いに対向するように交互に数10個ずつ列設され、その列が二列平行に形成されている。そして両端には樹脂製の拘束プレート４が配置され、図示しない拘束ロッドによって単電池セル１とスペーサ２とが互いに密着するように加圧された状態で拘束されている。その状態で、図３に示すように全体が電気絶縁性樹脂製のケーシング５に収納されている。

単電池セル１はリチウムイオン二次電池であり、極板、セパレータ、電解液などの電池要素がアルミニウム製の筐体10内に収納されている。筐体10の上部には、正極及び負極の一対の電極11が突出している。また筐体10は６個の側面をもち、最も広い側面12どうしが互いに対向するように列設されている。

スペーサ２はＰＰから形成され、図２に示すように、上板20と下板21とが縦板22で連結された断面略エ字形状に形成されている。縦板22には一対の窓部23と、通風孔24とが貫通形成され、下板21には窓部23に連通する下窓部25が形成されている。窓部23の大きさは、単電池セル１の最も広い側面12の形状よりひと回り小さい形状とされている。また上板20には、単電池セル１の電極11が係合する切り欠き26が形成されている。

スペーサ２の窓部23及び下窓部25には、熱伝導部材３が保持されている。この熱伝導部材３は、アスカーＣ硬度が45、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋのシリコーンゴムから形成されている。

この熱伝導部材３は、図２に示すように、板状の基部30と基部30から立設された縦壁31とからなる断面略Ｔ字形状に形成されている。基部30の側面には全周を一周する第１溝部32が形成され、縦壁31の両側面にはそれぞれ第２溝部33が形成されている。そして第１溝部32が縦板22の窓部23の周縁と係合し、第２溝部33が下板21の下窓部25の周縁と係合することで、２個の熱伝導部材３が一つのスペーサ２にそれぞれ保持されている。

この状態において、熱伝導部材３の縦壁31の表面（密着表面）は、縦板22の両側へ窓部23からそれぞれ 0.2〜 0.3mm突出している。また基部30の下表面（放熱表面）は、下板21の下窓部25から下方へ 0.2〜 0.3mm突出している。

本実施例の組電池装置の断面図を図３に示す。図３には、単電池セル１とスペーサ２とが交互に列設されてはいるが、両側からの加圧拘束力が負荷されていない状態の断面図を示している。

単電池セル１の最も広い側面12は、それぞれ熱伝導部材３の縦壁31の表面に対向している。また単電池セル１の下側面は、それぞれ熱伝導部材３の基部30に当接している。ケーシング５の上壁50とスペーサ２の上板20との間には隙間51が形成され、電極11との干渉が回避されている。そしてケーシング５の下壁52とスペーサ２の下板21との間には、空間53（放熱空間）が形成されている。この空間53は、紙面の垂直方向の両端に開口し、一方の開口から他方の開口へ紙面に対して垂直方向にエアコンの風が流通するように構成されている。

図示しない拘束ロッドにて両側から所定の荷重にて押圧した状態で加圧拘束すると、熱伝導部材３の縦壁31は隣接する一対の単電池セル１の最も広い側面12によって圧縮される。熱伝導部材３の縦壁31はアスカーＣ硬度が45と軟質であるために、圧縮によって容易に変形して単電池セル１の最も広い側面12と密着するとともに厚さが薄くなる。厚さが薄くなった部分の余肉は、基部30が空間53へさらに膨出することで吸収される。

すなわち本実施例の組電池装置によれば、単電池セル１の熱は熱伝導部材３の縦壁31に伝わり、縦壁31から基部30へ伝達された後、空間53へ供給されるエアコンの風によって放熱される。それぞれの熱伝導部材３からはほとんど同じ条件で放熱が行われるので、それぞれの単電池セル１はほとんど同じ条件で冷却され、各単電池セル１の冷却特性を均一とすることができる。

また空間53には全ての熱伝導部材３が同じ状態で表出しているので、埃の堆積による影響も均一となり、各単電池セルの冷却特性に差が生じるような不具合がない。さらに空間53内に結露が生じたとしても、水滴は空間53から下方に落下するので、電極11側における漏電を防止することができる。

そして単電池セル１が熱膨張しようとしても、スペーサ２の縦板22によって膨張が規制されているため膨張を確実に規制することができる。また単電池セル１どうしの間隔はスペーサ２の縦板22の厚さによって決まり、従来のリブをもつスペーサを介在させる場合に比べて単電池セル１どうしの間隔を狭くすることができる。したがって搭載スペースを縮小することが可能となる。

（実施例２）
本実施例の組電池装置は、図４に示すように、熱伝導部材３の基部30から空間53に向かって突出するタブ部34が形成されていること以外は実施例１と同様である。

本実施例の組電池装置によれば、タブ部34によって空間53に表出する基部30の表面積が実施例１より大きくなる。したがって実施例１に比べて冷却効率がさらに向上する。

（実施例３）
本実施例の組電池装置は、図５に示すように、複数の放熱板が列設されてなる金属製のヒートシンク６が空間53に表出する基部30に当接していること以外は実施例１と同様である。

本実施例の組電池装置によれば、単電池セル１の熱が基部30からヒートシンク６に伝達され、ヒトシンク６から空間53へ効率よく放熱される。したがって実施例１に比べて冷却効率がさらに向上する。また結露はヒートシンク６の表面で生じるので、電極11側における漏電をさらに確実に防止することができる。

（実施例４）
本実施例の組電池装置は、図６及び図７に示すように、熱伝導部材３の縦壁31にＰＰからなる硬質の樹脂片35が点状に分散して埋設保持されていること以外は実施例１と同様である。

樹脂片35は円柱形状に形成され、その高さはスペーサ２の縦板22の厚さと同一とされている。縦壁31には、その一方の表面から厚さ方向に延びる挿入孔36が形成され、別に形成された樹脂片35が挿入孔36に挿入されて縦壁31の中央部に埋設された状態となっている。

したがって本実施例の組電池装置によれば、縦壁31の両側の単電池セル１が熱膨張し最も広い側面12が熱伝導部材３の縦壁31を両側から押圧しても、その膨張は樹脂片35によって規制されるため過度に膨張するのを確実に防止することができる。

なお本実施例では樹脂片35を別体としたが、スペーサ２から窓部23へ向かって突出するようにスペーサ２の一部から構成しても同様の効果が得られる。

（実施例５）
本実施例の組電池装置は、図８に示すように、熱伝導部材３の縦壁31の表面形状を外側へ向かって凸の球面形状としたこと以外は実施例１と同様である。

この組電池装置によれば、加圧拘束時には縦壁31の球面の中心部が先ず単電池セル１の最も広い側面12に当接し、圧縮されるに従って中心から外周側へ向かって単電池セル１と接触する面積が外周側へ増大していく。したがって単電池セル１と縦壁31の表面との間に空気が残留するのが防止され、密着性が向上するため放熱性がさらに向上する。

＜試験例＞
（試験例１）
本試験例の組電池装置を図９に示す。上記実施例と同じ機能の部位には上記実施例と同一の符合を付けて説明する。この組電池装置は、スペーサ２をもたないこと以外は実施例３とほとんど同様の構成であり、本発明の実施例に相当するものである。

この組電池装置は、実施例１と同様の単電池セル１と、実施例１で用いた熱伝導部材３と同様の材質から形成された熱伝導シート３とが交互に列設され、両端にそれぞれベークライト板７と金属板８を配置した後、拘束ロッド９で加圧された状態で拘束されている。熱伝導シート３は、単電池セル１の下表面に接触するようにも配置され、その熱伝導シート３にはヒートシンク６が当接している。

この組電池装置において、６個の各単電池セル１を直列に接続し、ヒートシンク６に26.1℃の風を 0.8m³／分の風量で供給しながら 800秒間の充電を行った。その直後の各単電池セル１の表面温度を測定し、結果を図11に示す。なお各単電池セル１には、左端からそれぞれａ〜ｆの記号を付けている。

（試験例２）
本試験例の組電池装置は、熱伝導シート３として熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋのシリコーンゴムから形成されたものを用いたこと以外は試験例１と同様である。この組電池装置も、スペーサ２をもたないこと以外は実施例３とほとんど同様の構成であり、本発明の実施例に相当するものである。

この組電池装置について、試験例１と同様にして各単電池セル１の表面温度を測定し、結果を図11に示す。

（試験例３）
本試験例の組電池装置は、熱伝導シート３に代えてＰＰシートを用いたこと以外は試験例１と同様である。この組電池装置について、試験例１と同様にして各単電池セル１の表面温度を測定し、結果を図11に示す。この組電池装置は、本発明の比較例に相当するものである。

（試験例４）
本試験例の組電池装置は、図10に示すように、熱伝導シート３に代えてＰＰからなるスペーサ２を用いたこと及びヒートシンク６を用いなかったこと以外は試験例１と同様である。スペーサ２には紙面の垂直方向に延びる複数のリブ27が形成され、リブ27どうしの間に空間28が形成されている。この組電池装置は、従来例に相当するものである。

この組電池装置において、６個の各単電池セル１を直列に接続し、空間28に26.1℃の風を 0.8m³／分の風量で供給しながら 800秒間の充電を行った。その直後の各単電池セル１の表面温度を測定し、結果を図11に示す。

＜評価＞
試験例３の組電池装置においては、列設方向の中央位置にある単電池セル(c) と両端の単電池セル(a) 、(f)との温度差が約10℃と大きく、各単電池セル毎の冷却効率がきわめて不均一である。それに比べて試験例４の従来の組電池装置によれば、各単電池セル間の温度差は最大約４℃に縮まり、リブ27と空間28をもつスペーサ２を介在させることで各単電池セル毎の冷却効率が均一化されていることがわかる。しかし本試験例は初期の清浄な状態における試験であり、空間28に埃が堆積した場合などには各単電池セル間の温度差が大きくなると想定される。

一方、試験例２の組電池装置では、各単電池セルどうしの間に空間が形成されていないにも関わらず、温度差は最大約４℃と試験例４の従来品と同等の結果が得られている。すなわち試験例３のＰＰシートに代えて熱伝導シート３を用いるだけで、各単電池セル間の温度差が縮まったことが明らかである。また本試験例の組電池装置では、空間への埃の堆積が生じないので、使用中に各単電池セル間の温度差が大きくなることは想定されない。したがって長期間使用後も初期と同等の冷却性能が発現される。

さらに試験例１の組電池装置によれば、各単電池セル間の温度差は最大約 1.5℃ときわめて小さく、これは熱伝導率が試験例２より高い熱伝導シートを用いた効果であることが明らかである。

本発明の一実施例に係る組電池装置の分解斜視図である。 本発明の一実施例に係る組電池装置に用いたスペーサと熱伝導部材の斜視図である。 本発明の一実施例に係る組電池装置の要部断面図である。 本発明の第２の実施例に係る組電池装置の要部断面図である。 本発明の第３の実施例に係る組電池装置の要部断面図である。 本発明の第４の実施例に係る組電池装置に用いた熱伝導部材の正面図である。 本発明の第４の実施例に係る組電池装置の要部断面図である。 本発明の第５の実施例に係る組電池装置の要部断面図である。 試験例１〜３で用いた組電池装置の正面図である。 試験例４で用いた組電池装置の正面図である。 試験例における各単電池セルの温度を示すグラフである。 従来の組電池装置の分解斜視図である。

符号の説明

１：単電池セル ２：スペーサ ３：熱伝導部材
53：空間（放熱空間）

Claims (7)

1. 直方体形状をなす単電池セルと、熱伝導性と電気絶縁性を有する軟質材から板状に形成された熱伝導部材と、が互いに密着して交互に複数個列設されてなり、該列設方向の両端から加圧拘束されてなる組電池装置であって、
   該熱伝導部材は、該単電池セルの最も広い側面が密着する密着表面と、放熱空間へ表出する放熱表面とを備え、
   該放熱空間に表出する該放熱表面を冷却することで間接的に該単電池セルを冷却することを特徴とする組電池装置。
2. 該単電池セルと該熱伝導部材とが交互に複数個列設された積層物を収納するケーシングをさらに備え、前記放熱空間は該ケーシングと前記放熱表面との間に形成され前記列設方向に延びるトンネル状の空間であり、該放熱空間に冷却風が導入される請求項１に記載の組電池装置。
3. 前記放熱空間に複数の放熱板が列設されてなるヒートシンクを配置し、前記放熱表面が該ヒートシンクに密着している請求項２に記載の組電池装置。
4. 前記熱伝導部材は周縁部の一部が電気絶縁性の硬質スペーサに保持されている請求項１に記載の組電池装置。
5. 前記熱伝導部材には、隣接する前記単電池セルの最も広い側面どうしの近接を規制する電気絶縁性の規制手段が配置されている請求項１に記載の組電池装置。
6. 前記熱伝導部材は熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１に記載の組電池装置。
7. 前記熱伝導部材はアスカーＣ硬度が50以下である請求項１に記載の組電池装置。

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