JP2009211829A - 組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化した場合でも全体を効率よく冷却することができる組電池を提供する。
【解決手段】冷却面１１を有するケース１０の内部に複数のセル２００ａを密閉して収容した組電池１であって、各セル２００ａを冷却面１１の内壁面１０ａに対して空間Ｓ１を空けて配置するとともに、ケース１０の内部に、冷却面１１の内壁面１０ａ付近の内気を対流させる対流発生ファン装置４０を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、組電池に関するものである。

外壁面が外気と接触する放熱体を備えたケースの、前記放熱体に相当する部分（冷却面）の内壁面に、電池要素であるセルを密着させたバッテリパックが知られている（特許文献１）。このバッテリパックでは、放熱体を介して間接的にセル内で発生する熱を放熱させることにより、セルの温度上昇を抑制する。

特開２０００−１８８０９１号公報（段落００１０）

ところが、特許文献１の技術を大規模な組電池に適用した場合、組電池ケースの冷却面の内壁面から離れた位置に配置されるセルと内壁面に近い位置に配置されるセルとの間、又は内壁面から離れた位置に配置されるセル同士はもとより、各セルの内部においても、温度勾配が生じる。このため、組電池を構成する各セルの放熱性能に限界があった。

本発明が解決しようとする課題は、大型化した場合でも各セルに温度勾配を生じさせず、効率よく全体を冷却可能な組電池を提供することである。

本発明は、複数のセルを、冷却面を有するケースの冷却面に相当する部分の内壁面に対して所定の間隔を空けて配置するとともに、内壁面付近の内気を対流させることによって、上記課題を解決する。

本発明によれば、セルとケースの冷却面との間に形成した空間の内気が対流するので、組電池を大型化した場合でも全体を効率よく冷却することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
まず、本例の組電池の一例を説明する。

図１は第１実施形態に係る組電池の一例を示す斜視図である。図２は図１をＩＩ方向（平面方向）から見たイメージ図である。図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う側面図である。図４は図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う側面図である。図５は第１実施形態に係る他の組電池の一例を示す斜視図である。

図１〜図４に示す本例の組電池１は、自動車などの車両に搭載される車載電池であり、組電池１の最外側に配置されるケース１０を有する。ケース１０は、後述する対流発生ファン装置４０及びセル２００ａが複数収容された電池モジュール２００などを内部に設置した後、アッパケース１０２とロアケース１０４をフランジ部１０２ｃ，１０４ｃで重ね合わせた密閉構造である。

本例のケース１０は、天面を備えたアッパケース１０２と、底面を備えたロアケース１０４で構成されている。本例では、アッパケース１０２の天面と、ロアケース１０４の底面を冷却面１１として利用する場合を例示する。なお、冷却面１１の数及び位置についてはこの態様に限定されず、ケース１０２，１０４の側面であってもよい。また、ケース１０２，１０４のすべての面が冷却面１１であってもよい。冷却面１１は、ケース１０の内部に収容されるセル２００ａの外気への熱伝達（冷却）を間接的に行う役割を担っている。

ケース１０内には、例えば２列のモジュール群２０，２０が配置されている。両モジュール群２０，２０は、ケース１０の幅方向（図中のＹ方向）に並んだ状態で接続されて構成される。各モジュール群２０，２０は、複数の電池モジュール２００，…，２００が、ケース１０の長手方向（図中のＸ方向）に積層された状態で接続されて構成される。各電池モジュール２００は、複数のセル２００ａ（単位電池）が直列に接続されて構成される。各セル２００ａは、例えばリチウム系、平板状、積層タイプの充放電可能な薄型二次電池で構成することができる。

なお、モジュール群２０の配列数、電池モジュール２００の積層数及び電池モジュール２００を構成するセル２００ａの個数（積層数）は、必要とする出力や必要稼働時間などに応じて適宜変更することができる。またモジュール群の配列方向については、例えば図５に示すようにすることもできる。さらに各セル２００ａの構成形態についても本例では特に限定されない。

図１〜図４に戻り、本例では、ケース１０（アッパケース１０２及びロアケース１０４）の内壁面１０ａ（１０２ａ，１０４ａ）には、複数の突出部１０ｂ（１０２ｂ，１０４ｂ）が設けてある。従って、各電池モジュール２００は、冷却面１１に相当する部分のケース１０の内壁面１０ａ（以下、単に「内壁面１０ａ」ということもある。）から所定の空間Ｓ１（第１の間隔）を隔てて配列される。すなわち、冷却面１１に相当する部分の内壁面１０ａと各電池モジュール２００の外壁面２００ｂとの間には、所定の空間Ｓ１が設けられる(図３参照）。本例では、この空間Ｓ１を、ケース１０内の内気（例えば空気）、特にケース１０の内壁面１０ａ付近の内気が対流する対流流路１２として利用する。なお、空間Ｓ１のクリアランスは、内気の対流に妨げとならない範囲で適宜設定される。

これに加え、本例では、各モジュール群２０同士についても所定の空間Ｓ２（第２の間隔、第４の間隔）を隔てて配列してある。本例では、この空間Ｓ２についても、ケース１０内の内気が対流する対流流路１２として利用する（図２参照）。さらに本例では、各電池モジュール２００がスペーサ３０を介して対向して配置されている。すなわち、積層方向（図中のＸ方向）に隣接する電池モジュール２００，２００同士を、スペーサ３０の厚み分の空間Ｓ３（第２の間隔、第３の間隔）を隔てて配列してある。本例では、このスペーサ３０の厚み分の空間Ｓ３についても、ケース１０内の内気が対流する対流流路１２として利用する。各空間Ｓ２，Ｓ３のクリアランスについても、上記空間Ｓ１における場合と同様に、内気の対流に妨げとならない範囲で適宜設定することができる。

本例では、ケース１０の内部には、例えばバッテリコントローラなどの制御装置（図６参照）からの駆動信号を受けて作動を開始する対流発生ファン装置４０（対流発生手段、ファン装置）が配置してあり、ケース１０内の内気をケース１０の内部で強制的に対流させることができるようになっている。なお、本例の対流発生ファン装置４０は、ケース１０内の内気を対流させるだけでよいから、送風抵抗が低く、風圧と送風量の小さなものでよく（小容量）、運転時の所用電力も少ない。

図６は図２〜図４の対流発生ファン装置４０の一例を示すブロック図である。

図６に示す本例の対流発生ファン装置４０は、対流ファン４１と、この対流ファン４１を駆動させるファンモータ４２と、このファンモータ４２の駆動制御を行うファン駆動制御部４３とを含む。ファン駆動制御部４３の駆動制御は、制御装置からの駆動信号を受けて実行される。

なお、本例では、ケース１０内での内気の対流を均一に配分するために、ダクトや整流板（いずれも図示省略）を適切な配置で形成してあってもよい。

次に、本例の組電池１の作用を説明する。

図２〜図４には、内気の対流経路の一例が白抜き矢印で示されている。

対流発生ファン装置４０の作動を開始し、対流ファン４１を回転させると、まずファン装置４０付近の内気が両モジュール群２０，２０間の空間Ｓ２を介してファン装置４０とは反対側のケース内壁に向けて移動する（図２参照）。本例では電池モジュール２００とケース１０の内壁面１０ａとの間には空間Ｓ１が確保されているので、ファン装置４０とは反対側のケース内壁近傍に到達した前記内気の一部は、ケース１０の内壁面１０ａに沿って左回り（図２の矢印ａ回り）に対流するとともに、前記内気の残りは、ケース１０の内壁面１０ａに沿って右回り（図２の矢印ｂ回り）に対流する（平面方向での対流）。

ファン装置４０付近の内気はまた、各モジュール群２０，２０とロアケース１０４の内壁面１０４ａとの間の空間Ｓ１を介してファン装置４０とは反対側のロアケース内壁に向けて移動する（図３参照）。ファン装置４０とは反対側のロアケース内壁に到達した前記内気は、ロアケース１０４の内壁面１０４ａに沿ってケース１０の厚み方向（図中のＺ方向）、すなわち下から上へ（図３の矢印ｃ方向）に上昇し、アッパケース１０２の内壁面１０２ａに沿ってファン装置４０付近に対流する（厚み方向での対流）。

なお、各モジュール群２０，２０とロアケース１０４の内壁面１０４ａとの間の空間Ｓ１を、ファン装置４０とは反対側のロアケース内壁に向けて移動する途中で、当該移動中の内気の一部は、ロアケース１０４の内壁面１０４ａから各電池モジュール２００，２００間の空間Ｓ３を介して、下から上（図３及び図４の矢印ｃ方向）へ上昇し、アッパケース１０２の内壁面１０２ａに沿ってファン装置４０付近に対流することもある（厚み方向での第２の対流）。

このように本例では、ケース１０内で内気の対流を強制的に生じさせ、当該内気を利用して、ケース１０の内部に収容される各電池モジュール２００を構成する各セル２００ａを均一に冷却する。これにより、各セルに温度勾配を生じることが防止され、組電池１全体を効率よく冷却することができる。

放電に伴ってセル内に熱が発生し、この発生した熱によりセル温度が上昇する。一般にセル温度が上昇するとセルへの充電効率が低下していく傾向にあるので、上昇したセル温度を効率よく低下させることが望ましい。そこで、各セルの温度を低下させるために、従来は、ケースの冷却面の内壁面にセルを密着させ、冷却面を介して間接的にセル内の発生熱を放熱させることとしていた。ところが、こうした技術を大規模な組電池に適用した場合、背景技術の欄でも述べたように各セルの放熱性能に限界があった。

本例の組電池１によれば、電池モジュール２００と冷却面１１の内壁面１０ａとの間に空間Ｓ１を確保するとともに、ケース１０の内気を強制的に対流させるための対流発生ファン装置４０をケース１０の内部に設け、これを作動させることで、ケース１０内の内気をケース１０の内部で強制的に対流させる。これにより、ケース１０内の内気は、冷却面１１近傍のセル２００ａはもちろんのこと、冷却面１１から離れた位置のセル２００ａにまでも行き渡る。こうした作用により、各電池モジュール２００を構成する各セル２００ａ間に温度勾配を生じさせることがなく、各セル２００ａが均一に冷却される。その結果、たとえ組電池１が大型化しても、組電池全体を効率よく冷却することができる。

さらに本例では、各モジュール群２０同士の間と各電池モジュール２００の間にも、空間Ｓ２と空間Ｓ３を確保するので、内気の対流効率がより一層向上する。

なお、上述した従来技術を適用した場合、例えば外気温が低いとき、外気からの熱吸収（＝外気への熱伝達）が促進され、その結果、各セルの温度が下がりすぎることもある。こうした低温状態で放置された後のセルでは目的とする出力が得られなくなることがある。これに対し、本例では、各セル２００ａの冷却を外気温に依存することはなく、仮に外気温が低くても空間Ｓ１が断熱層の役割を果たす。このため外気への熱伝達が促進され過ぎることはない。その結果、各セル２００ａが目的とする出力が得られなくなることもない。

《第２実施形態》
図７は図３に相当する他の実施形態に係る側面図である。図８は図４に相当する他の実施形態に係る側面図である。なお、図１〜図５に示す部材と同一の部材に対しては同一の符号を付し、その説明を省略する。

図７及び図８に示す本例の組電池１ａは、自動車などの車両に搭載されている。また組電池１ａは、ケース１０の幅方向（図中のＹ方向）が車両の前後方向に沿うように配置されている。さらに組電池１ａには、対流発生ファン装置４０（図２〜図４，図６参照）は設けられておらず、代わりにロアケース１０４の底壁１０４ｄの下側に形成された対流発生領域６０に稼動壁５０（対流発生手段、稼動部材）が設けてある。これらの点が第１実施形態と異なり、その他の部分は第１実施形態と同一である。

本例の稼動壁５０は、ケース１０の長手方向（図中のＸ方向）に沿って延びるように形成されており、車両の加減速により生じる車両の前後方向に働く力により移動可能に設けられる。車両の発信時や追い越し時に車両を加速すると、車両の後方に加速Ｇ（Ｇｒａｖｉｔｙ）が働き、これにより稼動壁５０はＰ２点（図８参照）側へ移動する。一方、車両の減速の際には、車両の前方に減速Ｇが働き、これにより稼動壁５０はＰ１点（図８参照）側へと移動する。つまり本例の稼動壁５０は、車両の加減速によりケース１０の幅方向（図中のＹ方向）に沿って移動する。こうした移動により通気孔１０４ｅを通じてケース１０内の内気をケース１０内部で強制的に対流させることができるようになっている。この点では第１実施形態と同様である。

なお、本例では、車両内において、ケース１０の幅方向（図中のＹ方向）が車両の左右方向に沿うように組電池１ａを配置してもよい。この場合、稼動壁５０は、車両のコーナリング時に生じる遠心力によって車両の左右方向に移動する。こうした移動によっても通気孔１０４ｅを通じてケース１０内の内気をケース１０内部で強制的に対流させることができる。

以上のように構成される本例の組電池１ａによれば、車両への入力Ｇで稼動壁５０が動作するため、上述した第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また本例の組電池１ａでは、対流発生ファン装置４０（図２など参照）を設けないので、ファン装置４０に駆動電力を与える電源やファン装置４０の駆動制御の必要がない。このため、組電池の構造を簡略化することができる。

なお、本例の組電池１ａでは、上述した稼動壁５０に加えて、第１実施形態の対流発生ファン装置４０を設ける構成を採用してもよい。

図１は第１実施形態に係る組電池の一例を示す斜視図である。 図２は図１をＩＩ方向（平面方向）から見たイメージ図である。 図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う側面図である。 図４は図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う側面図である。 図５は第１実施形態に係る他の組電池の一例を示す斜視図である。 図６は図２〜図４の対流発生ファン装置の一例を示すブロック図である。 図７は図３に相当する他の実施形態に係る側面図である。 図８は図４に相当する他の実施形態に係る側面図である。

符号の説明

１，１ａ…組電池
１０…ケース
１０２…アッパケース
１０４…ロアケース
１０２ａ、１０４ａ…内壁面
１０２ｂ、１０４ｂ…突出部
１０２ｃ、１０４ｃ…フランジ部
１０４ｄ…底壁
１０４ｅ…通気孔
１１…冷却面
１２…対流流路（第１〜第４の間隔）
Ｓ１…空間（第１の間隔）
Ｓ２…空間（第２の間隔、第４の間隔）
Ｓ３…空間（第２の間隔、第３の間隔）
２０…モジュール群（セル）
２００…電池モジュール（セル）
２００ａ…セル
３０…スペーサ
４０…対流発生ファン装置（対流発生手段、ファン装置）
４１…対流ファン
４２…ファンモータ
４３…ファン駆動制御部
５０…稼動壁（対流発生手段、稼動部材）
６０…対流発生領域

Claims (8)

1. 冷却面を有するケース内部に複数のセルを密閉して収容した組電池であって、
   前記セルを、前記冷却面に相当する部分の前記ケースの内壁面に対して、第１の間隔を空けて配置するとともに、前記内壁面付近の内気を対流させる対流発生手段を前記ケース内部に備えた組電池。
2. 請求項１記載の組電池であって、
   前記対流発生手段が、ファン装置で構成されていることを特徴とする組電池。
3. 車両に搭載される請求項１又は２記載の組電池であって、
   前記対流発生手段が、前記車両の前後方向又は左右方向に働く力で移動可能な稼動部材で構成されていることを特徴とする組電池。
4. 請求項１〜３の何れか一項記載の組電池であって、
   前記セルを収容した電池モジュールを、前記電池モジュール間に第２の間隔が形成されるように前記ケース内部で複数配列して密閉するとともに、前記電池モジュールを前記内壁面に対して前記第１の間隔を空けて配置したことを特徴とする組電池。
5. 請求項４記載の組電池であって、
   前記セルを収容した電池モジュールを、積層方向の前記電池モジュール間に第３の間隔が形成されるように複数積層し、前記第３の間隔で複数積層された前記電池モジュールのモジュール群を、前記積層方向に直交する方向の前記モジュール群間に第４の間隔が形成されるように前記ケース内部で複数配列して密閉したことを特徴とする組電池。
6. 請求項３記載の組電池であって、
   前記セルを収容した電池モジュールを、積層方向の前記電池モジュール間に第３の間隔が形成されるように前記ケース内部で複数積層して密閉し、前記電池モジュールを前記内壁面に対して前記第１の間隔を空けて配置するとともに、
   前記稼動部材を、前記積層方向に対して直交する方向に移動可能に配置したことを特徴とする組電池。
7. 請求項６記載の組電池であって、
   前記第３の間隔で複数積層された前記電池モジュールのモジュール群を、前記積層方向に直交する方向の前記モジュール群間に第４の間隔が形成されるように前記ケース内部で複数配列したことを特徴とする組電池。
8. 冷却面を有するケース内部に複数のセルを密閉して収容した組電池を冷却する方法であって、
   前記冷却面に相当する部分の前記ケースの内壁面付近の内気を対流させることを特徴とする組電池の冷却方法。

Images