JP2009140714A

JP2009140714A - 組電池モジュール

Info

Publication number: JP2009140714A
Application number: JP2007315023A
Authority: JP
Inventors: Isao Abe; 勲阿部
Original assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Current assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2009-06-25

Abstract

【課題】放熱性と耐振性に優れた組電池モジュールを提供することを課題とする。
【解決手段】扁平形単電池１と扁平形単電池１間に複数の扁平形ヒートパイプ５ａ，５ｂ，５ｃが平行に配置され、夫々の扁平形ヒートパイプ５ａ，５ｂ，５ｃがヒートシンクを兼ねた外装ケース１０と接していることを特徴とする組電池モジュール。
【選択図】図１

Description

本発明は、扁平形単電池を組み込んだ組電池モジュールに関する。

従来、多様な負荷電圧や負荷容量に対し共通化されて電池で対応するために、電池を直列接続や並列接続、またはそれらを組み合わせた接続をして、組電池を構成することが多い。組電池構成方法としては、複数の電池をテープで固定したり、熱収縮チューブで固定したり、ハードケースに収納する方法が一般的である。しかし、ただ単にテープで固定したり、熱収縮チューブで固定したり、ハードケースに収納するだけでは、電池自体の発熱による熱が放散せず蓄積し、電池が高温となるため、短寿命になってしまう。

特に、近年は、急速充電や高率放電にて使用される用途が増大し、電池温度が高温になり易く、一層寿命を縮める原因となっている。特に扁平形単電池の長側面同士を接するように組電池を構成した場合は、放熱経路がタブリード以外ほとんど無く、中央部に位置する電池の温度が非常に高くなり、他に位置する電池よりも早期に寿命に至り、結果的に組み電池としての寿命が短くなってしまう。

このようなことから、単電池間に隙間を開け、そこに冷却風を流して冷却する空冷方式（特許文献１）が提案されている。また、単電池間に冷却液を循環させる水冷方式（特許文献２）が提案されている。
特開２００５−１０８７５０号公報特開２００３−３４６９２４号公報

しかしながら、これらの方式では単電池間に冷却風や冷却液を循環させるための隙間が必要になり、その分組電池モジュールの大きさが大きくなってしまう。
また、これら方式の組電池モジュールを、電気自動車や航空機などの常に大きな衝撃が加わる移動体に使用した場合、単電池間に隙間を設けているために耐振設計が複雑になってしまい十分な耐振構造を得ることが難しい。

本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、従来と比べ放熱性と耐振性に優れた組電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る組電池モジュールは、扁平形単電池と扁平形単電池間に複数の扁平形ヒートパイプが平行に配置され、夫々の扁平形ヒートパイプがヒートシンクを兼ねた外装ケースと接していることを特徴とする。

また、本発明に係る組電池モジュールは、扁平形単電池と扁平形単電池間にヒートレーンが配置され、このヒートレーンがヒートシンクを兼ねた外装ケースと接していることを特徴とする。

本発明によれば、従来と比べ放熱性と耐振性に優れた組電池モジュールを提供できる。

以下、本発明の組電池モジュールについて更に詳しく説明する。
(1) 上述したように、本発明の組電池モジュールは、扁平形単電池と扁平形単電池間に複数の扁平形ヒートパイプが平行に配置され、夫々の扁平形ヒートパイプがヒートシンクを兼ねた外装ケースと接している。
上記モジュールにおいて、前記ヒートパイプが放射状に配置されていることが好ましい。一般に、セル中央部では高温になるが、ヒートパイプを放射状に配置することにより、より放熱性を向上しえる組電池モジュールが得られる。

また、上記モジュールにおいて、前記ヒートパイプを両面粘着性の低硬度熱伝導性シートで挟み込んでいることが好ましい。熱伝導性シートを低硬度とすることにより、接触面積を大きくし、熱抵抗を小さくすることができる。
更に、上記モジュールにおいて、前記扁平形単電池と前記扁平形ヒートパイプの隙間に熱伝導性接着剤が充填されていることが好ましい。熱伝導性接着剤を充填することにより隙間が埋まり、扁平形電池とヒートパイプとが接触する接触面積を大きくすることが可能である。

(2) 上述したように、本発明の組電池モジュールは、扁平形単電池と扁平形単電池間にヒートレーンが配置され、このヒートレーンがヒートシンクを兼ねた外装ケースと接している。
上記モジュールにおいて、前記ヒートレーンを熱伝導性シートで挟み込んでいることが好ましい。なお、ヒートレーンはヒートパイプと異なって接触面積が大きいため、一部、接触しない部分が生じたとしても特に問題がない。
また、上記モジュールにおいて、前記扁平形単電池と前記ヒートレーンの隙間に熱伝導性接着剤が充填されていることが好ましい。熱伝導性接着剤を充填することにより隙間が埋まり、扁平形電池とヒートレーンとが接触する接触面積を大きくすることが可能である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。
（第１の実施形態）
図１，図２及び図４を参照する。図１は本実施形態に係る組電池モジュールの概略的な斜視図、図２は図１の展開図、図４は図１のモジュールの一構成であるヒートパイプのパターンを示す。

図中の符番１は、両面が粘着性の低硬度の熱伝導性シート２ａ，２ｂを介して積層された扁平形単電池（以下、単に単電池と呼ぶ）である。ここで、熱伝導性シート２ａ，２ｂとしては、硬度３０以下（厚さ６ｍｍを２枚重ねて測定）の低硬度シリコーンゴムを用いた。また、単電池としては、長さ１４０ｍｍ、幅８０ｍｍ、厚み１０ｍｍの定格容量１０Ａｈのラミネートパック式リチウムイオン蓄電池を用い、その蓄電池を７個直列に接続して、２４Ｖ−１０Ａｈの組電池モジュールとした。各単電池１には、正極端子３及び負極端子４が設けられている。熱伝導性シート２ａ，２ｂ間には、互に並行な扁平形ヒートパイプ５ａ，５ｂ，５ｃが夫々熱伝導性シート２ａ，２ｂに密着するように配置されている。各ヒートパイプ５ａ，５ｂ，５ｃは、夫々Ｉ字形の扁平形ヒートパイプ２個を直線状に配置したものである。なお、最上部の単電池１と次の単電池１間、最下部の単電池１と次の単電池１間には、１枚の熱伝導性シート２が配置されている。

前記単電池１，熱伝導性シート２，２ａ，２ｂ及びヒートパイプ５ａ，５ｂ，５ｃを積層した積層体は、上部の外装板６ａ，下部の外装板６ｂ及び２枚の側板７，７により囲まれている。前記ヒートパイプ５ａ，５ｂ，５ｃの両端部はエル字型に屈曲し、この屈曲部分５’が側板７に密着するように配置されている。側板７の上下には夫々３つの長穴（固定穴）８が開けられており、この固定穴８を介して固定ネジ９により側板７が外装板６ａ，６ｂに固定されている。なお、外装板６ａ，６ｂ及び側板７，７は、組み立てられた状態でヒートシンク機能を備えた外装ケース１０となっている。

第１の実施形態に係る組電池モジュールは、扁平形単電池１と扁平形単電池１間に複数の扁平形ヒートパイプ５ａ，５ｂ，５ｃが平行に配置され、夫々の扁平形ヒートパイプ５ａ，５ｂ，５ｃがヒートシンク機能を備えた外装ケース１０，特に側板７と接し、更に単電池１とヒートパイプ５ａ，５ｂ，５ｃ間に両面が粘着性の低硬度熱伝導性シート２，２ａ，２ｂを配置した構成となっている。

（第２の実施形態）
図示しないが、第２の実施形態に係る組電池モジュールは、第１の組電池モジュールと比べ、低硬度熱伝導性シートを単電池とヒートパイプ間に配置しなかった点を除き、他は同様な構成となっている。
このように、第２の実施形態に係る組電池モジュールは、扁平形単電池と扁平形単電池間に複数の扁平形ヒートパイプが平行に配置され、夫々の扁平形ヒートパイプがヒートシンク機能を備えた外装ケース，特に側板と接しした構成となっている。

（第３の実施形態）
図３及び図５を参照する。図３は本実施形態に係る組電池モジュールの展開図、図５は図３のモジュールの一構成であるヒートパイプのパターンを示す。なお、組電池モジュールの斜視図は、図１に示すとおりである。また、図１〜３と同部材は同符番を付して説明を省略する。

図中の符番２１はＩ字形の扁平形ヒートパイプ２個を直線状に配置したものを示す。符番２２ａ，２２ｂは、Ｉ字形の扁平形ヒートパイプ２個を夫々逆くの字形，くの字形に配置したものを示す。これらのヒートパイプ２１，２２ａ，２２ｂは、平面的に見て単電池１の中央部から放射状に配置するように延出している。

このように、第３の実施形態に係る組電池モジュールは、扁平形単電池１と扁平形単電池１間に複数のＩ字形の扁平形ヒートパイプ２１，逆くの字形の扁平形ヒートパイプ２２ａ及びくの字形の扁平形ヒートパイプ２２ｂが単電池１の中央部から放射状に配置され、夫々の扁平形ヒートパイプ２１，２２ａ，２２ｂがヒートシンク機能を備えた外装ケース１０，特に側板７と接し、更に単電池１とヒートパイプ２１，２２ａ，２２ｂ間に両面が粘着性の低硬度熱伝導性シート２，２ａ，２ｂを配置した構成となっている。

（比較例１）
比較例１に係る組電池モジュールは、第１の実施形態の組電池モジュールと比べ、単電池の間にヒートパイプを配置せず、外装ケースにより単電池を固定した構成となっている。
上記第１，第２，第３の実施形態に係る単電池及び比較例１に係る単電池を、以下の充電条件及び放電条件で充放電を繰返したときの単電池の温度を測定したところ、下記表１及び図６に示す結果が得られた。

但し、図６において、図に示す単電池番号は、最上部の単電池を１とし、最下部の単電池を７とした。また、電池温度は単電池の中央部の温度を熱電対を用いて夫々測定した結果を示したものである。図中の符号ａは第１の実施形態、符号ｂは第２の実施形態、符号ｃは第３の実施形態、符号ｄは比較例１の夫々の結果である。
充電条件：ＣＣ−ＣＶ０．５ＣＡ，２９．４Ｖ，０．０５ＣＡＣｕｔ−ｏｆｆ
放電条件：ＣＣ９．０ＣＡ，２１．０ＶＣｕｔ−ｏｆｆ
下記表１及び図６より、本発明による組電池モジュールは、特に中央部の単電池の温度を低く抑えることができることが分かる。

また、第１，第２，第３の実施形態に係る単電池及び比較例１に係る単電池において、振動試験前後で容量試験を行い、容量変化を測定したところ、下記表２に示す結果が得られた。
なお、振動試験及び容量試験は下記に示す条件で行った。また、容量維持率は夫々の組電池について振動前の容量を１００％とした時の、振動後の容量を比率で表したものである。

（振動条件）
・規格：ＭＩＬ−ＳＴＤ−８１０ＦＩＧＵＲＥＣ−８
・パワースペクトル密度：０．０７７ｇ^２／Ｈｚ
・方向：Ｘ方向，Ｙ方向，Ｚ方向
・時間：各方向３時間
（容量試験条件）
・充電条件：ＣＣ−ＣＶ０．５ＣＡ，２９．４Ｖ，０．０５ＣＡＣｕｔ−ｏｆｆ
・放電条件：ＣＣ０．５ＣＡ，２１．０ＶＣｕｔ−ｏｆｆ
下記表２より、本発明の組電池モジュールは容量低下が少なく、十分な耐振構造であること分かる。

なお、上記第１〜第３の実施形態ではヒートパイプのパターンが図４または図５である場合について述べたが、これに限らず、例えば図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）に示すように、単電池の中央部からヒートパイプ２３が放射状に広がるように延出するようなパターン形状でもよい。

（第４の実施形態）
図８を参照する。図８は本実施形態に係る組電池モジュールの展開図を示す。なお、組電池モジュールの斜視図は、図１に示すとおりである。また、図１〜３と同部材は同符番を付して説明を省略する。

第４の実施形態に係る組電池モジュールは、第１の組電池モジュールと比べ、平板状のヒートレーン２４を、扁平形単電池１と扁平形単電池１間に低硬度熱伝導性シート２，２ａ，２ｂを介して配置した点を除き、他は同様な構成となっている。但し、ヒートレーン２４の側板７，７側に位置する両端部２４’，２４’は、組立時に側板７，７に接するように略９０度に折り曲げられている。

このように、第４の実施形態に係る組電池モジュールは、扁平形単電池１と扁平形単電池１間に平板状のヒートレーン２４が配置され、各ヒートレーン２４の両端部２４’がヒートシンク機能を備えた外装ケース１０，特に側板７と接し、更に単電池１とヒートレーン２４間等に両面が粘着性の低硬度熱伝導性シート２，２ａ，２ｂを配置した構成となっている。

（第５の実施形態）
図示しないが、第５の実施形態に係る組電池モジュールは、第４の組電池モジュールと比べ、低硬度熱伝導性シートを単電池とヒートパイプ間に配置しなかった点を除き、他は同様な構成となっている。
このように、第５の実施形態に係る組電池モジュールは、扁平形単電池と扁平形単電池間に複数のヒートレーンが平行に配置され、ヒートレーンがヒートシンク機能を備えた外装ケース，特に側板と接した構成となっている。

（比較例２）
比較例２に係る組電池モジュールは、第４の実施形態の組電池モジュールと比べ、単電池の間にヒートレーンを配置せず、外装ケースにより単電池を固定した構成となっている。
上記第４，第５の実施形態に係る単電池及び比較例２に係る単電池を、以下の充電条件及び放電条件で充放電を繰返したときの単電池の温度を測定したところ、下記表３及び図９に示す結果が得られた。

但し、図９において、図に示す単電池番号は、最上部の単電池を１とし、最下部の単電池を７とした。また、電池温度は単電池の中央部の温度を熱電対を用いて夫々測定した結果を示したものである。図中の符号ａは第４の実施形態、符号ｂは第５の実施形態、符号ｃは比較例２の夫々の結果である。
充電条件：ＣＣ−ＣＶ０．５ＣＡ，２９．４Ｖ，０．０５ＣＡＣｕｔ−ｏｆｆ
放電条件：ＣＣ９．０ＣＡ，２１．０ＶＣｕｔ−ｏｆｆ
下記表３及び図９より、本発明による組電池モジュールは、特に中央部の単電池の温度が低く抑えることができることが分かる。

また、第４，第５の実施形態に係る単電池及び比較例１に係る単電池において、振動試験前後で容量試験を行い、容量変化を測定したところ、下記表４に示す結果が得られた。
なお、振動試験及び容量試験は下記に示す条件で行った。また、容量維持率は夫々の組電池について振動前の容量を１００％とした時の、振動後の容量を比率で表したものである。

（振動条件）
・規格：ＭＩＬ−ＳＴＤ−８１０ＦＩＧＵＲＥＣ−８
・パワースペクトル密度：０．０７７ｇ^２／Ｈｚ
・方向：Ｘ方向，Ｙ方向，Ｚ方向
・時間：各方向３時間
（容量試験条件）
・充電条件：ＣＣ−ＣＶ０．５ＣＡ，２９．４Ｖ，０．０５ＣＡＣｕｔ−ｏｆｆ
・放電条件：ＣＣ０．５ＣＡ，２１．０ＶＣｕｔ−ｏｆｆ
下記表４より、本発明の組電池モジュールは容量低下が少なく、十分な耐振構造であること分かる。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る組電池モジュールの概略的な斜視図である。図２は、図１の展開図を示す。図３は、本発明の第２の実施形態に係る組電池モジュールの展開図である。図４は、図１のモジュールの一構成であるヒートパイプのパターンである。図５は、図３のモジュールの一構成であるヒートパイプのパターンである。図６は、本発明の第１，第２、第３の実施形態に係る単電池及び比較例１に係る単電池について充放電を繰返したときの単電池の温度を示す特性図である。図７は、本発明の第２の実施形態に係る組電池モジュールの一構成であるヒートパイプの他の変形例を示すパターン図である。図４は、本発明の第４の実施形態に係る組電池モジュールの展開図である。図９は、本発明の第４，第５の実施形態に係る単電池及び比較例２に係る単電池について充放電を繰返したときの単電池の温度を示す特性図である。

符号の説明

１…単電池、２，２ａ，２ｂ…熱伝導性シート、３…正極端子、４…負極端子、５ａ，５ｂ，５ｃ，２１，２２ａ，２２ｂ…扁平形ヒートパイプ、５’，２２’，２４’…端部、６ａ，６ｂ…外装板、７…側板、８…固定穴、９…固定ネジ、１０…外装ケース、２４…ヒートレーン。

Claims

扁平形単電池と扁平形単電池間に複数の扁平形ヒートパイプが平行に配置され、夫々の扁平形ヒートパイプがヒートシンクを兼ねた外装ケースと接していることを特徴とする組電池モジュール。
前記ヒートパイプが放射状に配置されていることを特徴とする請求項１記載の組電池モジュール。
前記ヒートパイプを両面粘着性の低硬度熱伝導性シートで挟み込んでいることを特徴とする請求項１若しくは２記載の組電池モジュール。
前記扁平形単電池と前記扁平形ヒートパイプの隙間に熱伝導性接着剤が充填されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の組電池モジュール。
扁平形単電池と扁平形単電池間にヒートレーンが配置され、このヒートレーンがヒートシンクを兼ねた外装ケースと接していることを特徴とする組電池モジュール。
前記ヒートレーンを熱伝導性シートで挟み込んでいることを特徴とする請求項５記載の組電池モジュール。
前記扁平形単電池と前記ヒートレーンの隙間に熱伝導性接着剤が充填されていることを特徴とする請求項５若しくは６記載の組電池モジュール。