JP2009224226A - 電池モジュールおよびこれを備えたバッテリパック - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能が高く、寿命の低下を防止することが可能な電池モジュールおよびバッテリパックを提供する。
【解決手段】電池モジュール１０は、ケースと、ケース内に収納された電極体と、電極体に接続されているとともにケースから突出した端子２０ａ、２０ｂとを有する二次電池と、絶縁性を有し二次電池を覆った筐体１４と、を備えている。二次電池と筐体との間に、冷却媒体を流通可能な流通空間が形成され、筐体は、流通空間に冷却媒体を導く流入口３０ａ、３０ｂと、流通空間を流通した冷却媒体を排出する流出口と、を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二次電池を用いた電池モジュールおよびこれを備えたバッテリパックに関する。

近年、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、電動自転車の電源、あるいは、電気機器の電源として、二次電池が広く用いられている。例えば、非水系二次電池であるリチウムイオン二次電池は、高出力、高エネルギー密度を有することから、電気自動車等の電源として注目されている。

一般に、二次電池は、アルミニウム等で偏平な矩形箱状に形成されたケースと、このケース内に電解液とともに収納された電極群と、ケースに設けられているとともに電極群に接続された電極端子と、を備えている。

ケースは機械的な外力に対して比較的弱く、変形等を生じる可能性がある。そこで、二次電池を合成樹脂等で形成された密閉ケース内に収納した電池パックが提案されている（例えば、特許文献１）。複数の二次電池を並べて配置してバッテリパックを構成する場合、これら二次電池群全体を強固な外装ケースによって覆う必要があるが、上記のような密閉ケースを有する電池パックを用いてバッテリパックを構成する場合、強固な外装ケースを省略することが可能となり、バッテリパックの軽量化、構成の簡略化を図ることが可能となる。
特開２０００−１４９８９３号公報

通常、二次電池は給電動作に伴って発熱し、使用環境によっては、５０℃程度の高温になることが考えられる。このような高温になると、二次電池の寿命が低下するため、二次電池を冷却し過度の温度上昇を抑制することが望ましい。しかしながら、上記のように、二次電池を密閉ケース内に収納した電池パックでは、二次電池の熱を外部に逃がすことが難しく、冷却性が悪くなる。

この発明は以上の点に鑑みなされたものであり、その目的は、冷却性能が高く、寿命の低下を防止することが可能な電池モジュールおよびバッテリパックを提供することにある。

この発明の様態に係る電池モジュールは、ケースと、ケース内に収納された電極体と、前記電極体に接続されているとともにケースから突出した端子とを有する二次電池と、絶縁性を有し前記二次電池を覆った筐体と、を備え、前記二次電池と筐体との間に、冷却媒体を流通可能な流通空間が形成され、前記筐体は、前記流通空間に冷却媒体を導く流入口と、前記流通空間を流通した冷却媒体を排出する流出口と、を有している。

この発明の他の態様に係るバッテリパックは、それぞれケース、ケース内に収納された電極体、および前記電極体に接続されているとともにケースから突出した端子を有する二次電池と、絶縁性を有しているとともに前記二次電池の両主面を除いて二次電池の外周面を覆った枠状の筐体と、を備えた複数の電池モジュールを具備し、前記複数の電池モジュールは、前記ケースの主面間に絶縁板を挟んで互いに積層され、前記複数の筐体により外装ケースを形成している。

この発明の態様によれば、前記筐体は、前記流入口から流入した冷却媒体を前記流出口に導くガイドを有している。
この発明の態様によれば、前記流入口および流出口は、前記筐体内から外側に向かって幅が徐々に広がっている。

上記構成によれば、冷却性能が高く、寿命の低下を防止することが可能な電池モジュールおよびバッテリパックを提供することができる。

以下図面を参照しながら、この発明の実施形態に係る電池モジュールについて詳細に説明する。図１は、第１の実施形態に係る電池モジュールの外観を示す斜視図、図２は、電池モジュールを示す分解斜視図、図３および図４は、それぞれ電池モジュールの断面を示している。

図１および図２に示すように、電池モジュール１０は、例えば、リチウムイオン電池等の薄型の二次電池１２と、この二次電池１２の外面全体を覆った偏平な矩形箱状の筐体１４と、を備えている。

図２ないし図４に示すように、二次電池１２は、アルミニウム等により形成された偏平な矩形箱状のケース１６と、このケース内に非水電解質液とともに収納された電極体１８と、ケース１６の一方の端壁、ここでは天壁１６ａ、から突出した正極端子２０ａおよび負極端子２０ｂとを有している。電極体１８は、例えば、正極板および負極板をその間にセパレータを介在させて渦巻き状に捲回し、更に、径方向に圧縮した偏平な矩形状に形成されている。正極端子２０ａおよび負極端子２０ｂは、それぞれ電極体１８の正極および負極に接続されているとともに、ケース１６の天壁を液密に貫通して延びている。なお、正極端子２０ａおよび負極端子２０ｂと天壁１６ａとの間には、図示しない絶縁体からなるガスケットが設けられている。

図１ないし図４に示すように、筐体１４は、二次電池１２よりも僅かに大きな矩形箱状を有しているとともに、絶縁性を有する材料、例えば、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネイト等の合成樹脂により形成されている。筐体１４は、一方の主面が開口した箱状の本体２４と、本体の開口を覆った矩形状のカバー板２６とを有している。本体２４は、矩形状の主壁２４ａ、主壁の両側縁に立設された一対の側壁２４ｂ、主壁の上縁および下縁に沿って立設された天壁２４ｃおよび底壁２４ｄを一体に備えている。筐体１４の天壁２４ｃには、二次電池１２の正極端子２０ａおよび負極端子２０ｂを露出する一対の開口２５が形成されている。

カバー板２６は、本体２４の側壁２４ｂ、天壁２４ｃおよび底壁２４ｄにねじ止め固定され、本体の主壁２４ａと隙間をおいて対向しているとともに、本体の開口を閉塞している。カバー板２６は、筐体１４の他方の主壁を構成している。

二次電池１２は、筐体１４内に収納され、ケース１６の外面全体が筐体１４によって覆われている。筐体１４内に収納された状態において、二次電池１２は、ケース１６の両側面および上下の端面がそれぞれ筐体１４の側壁２４ｂ、天壁２４ｃおよび底壁２４ｄの内面と隣接対向することにより、筐体１４の主壁２４ａと平行な方向の位置決めがなされている。また、ケース１６の上端部および下端部は、筐体１４の主壁２４ａの内面に形成された突出部、およびカバー板２６の内面に形成された突出部２５ａ、２５ｂにより、両側から挟まれている。これにより、二次電池１２は、筐体１４の厚さ方向の位置決めがなされている。二次電池１２の正極端子２０ａおよび負極端子２０ｂは、筐体１４の天壁２４ｃに形成された一対の開口２５内に位置し、これらの開口を通して筐体の天壁２４ｃから外側へ突出している。

二次電池１２が筐体１４内に収納された状態において、ケース１６の一方の主面１６ｂは、カバー板２６の内面と隙間と置いて対向し、この隙間により、冷却媒体、例えば、冷却空気を流通可能な流通空間２８ａが形成されている。また、ケース１６の他方の主面１６ｃは、本体２４の主壁２４ａの内面と隙間を置いて対向し、この隙間により、冷却空気を流通可能な流通空間２８ｂが形成されている。

筐体１４は、流通空間２８ａ、２８ｂに冷却空気を導く流入口と、流通空間を流通した冷却空気を排出する流出口と、を有している。本実施形態において、筐体１４は、カバー板２６の側縁に沿って形成された細長いスリット状の流入口３０ａ、および本体２４の側壁２４ｂに形成され、主壁２４ａの側縁に沿って延びた細長いスリット状の流入口３０ｂを有している。これらの流入口３０ａ、３０ｂは、それぞれ流通空間２８ａ、２８ｂに連通している。流入口３０ａ、３０ｂの各々は、筐体１４内から外側に向かって幅が徐々に広くなるように形成されている。

また、筐体１４は、カバー板２６の他方の側縁に沿って形成された細長いスリット状の流出口３２ａ、および本体２４の他方の側壁２４ｂに形成され、主壁２４ａの側縁に沿って延びた細長いスリット状の流出口３２ｂを有している。これらの流出口３２ａ、３２ｂは、それぞれ流通空間２８ａ、２８ｂに連通している。流出口３２ａ、３２ｂの各々は、筐体１４内から外側に向かって幅が徐々に広くなるように形成されている。

上記電池モジュール１０によれば、図示しない冷却ファン等から供給される冷却空気は、流入口３０ａ、３０ｂから筐体１４内に流入し、流通空間２８ａ、２８ｂ内を流通する。そして、冷却空気は、二次電池１２の周囲を流れて二次電池を冷却した後、流出口３２ａ、３２ｂから筐体１４の外方に排出される。

以上のように構成された電池モジュール１０によれば、二次電池１２を筐体１４で覆うことにより、二次電池の強度を向上することができる。複数の電池モジュールを積層してバッテリパックを構成する際、筐体１４同士を連結して外装ケースを形成することができ、バッテリパックの軽量化、構成の簡略化を図ることが可能となる。また、二次電池１２と筐体１４との間に、冷却媒体を流通可能な流通空間２８ａ、２８ｂを形成し、流入口から流入した冷却空気を二次電池の周囲に流通可能とすることにより、二次電池を充分に冷却することができる。二次電池１２は絶縁性を有する筐体１４によって覆われているため、二次電池のケース外面における絶縁被覆を省略することができ、その結果、二次電池の冷却性を一層向上することが可能となる。これにより、二次電池１２の過度の温度上昇を防止し、二次電池の寿命低下を防止することができる。

更に、筐体１４の流入口３０ａ、３０ｂおよび流出口３２ａ、３２ｂは、それぞれ筐体内から外側に向かって徐々に幅広に形成されている。そのため、図３に示すように、複数の電池モジュール１０を並べて配置した際、寸法公差等に起因して流入口と流出口とが筐体１４の厚さ方向にずれて対向している場合でも、冷却空気の流通抵抗が大きくならず、冷却空気流量が減少せず、電池モジュールの冷却性能を確保することができる。
以上のことから、冷却性能が高く、信頼性の向上した電池モジュールが得られる。

なお、上述した第１の実施形態において、筐体の一方の主壁と二次電池との間、および筐体の他方の主壁と二次電池との間の両方に冷却媒体が流通可能な流通空間を形成したが、これに限らず、少なくも一方の主壁と二次電池との間に流通空間を設けることにより、二次電池を冷却することができる。

次に、この発明の第２の実施形態に係る電池モジュールについて説明する。図５および図６に示すように、第２の実施形態によれば、電池モジュール１０の筐体１４は、底壁側から筐体内に流入した冷却空気を筐体の両側壁側から排出するように構成されている。すなわち、筐体１４は、カバー板２６の底縁に沿って形成された細長いスリット状の流入口３０ａ、および本体２４の底壁２４ｄに形成され、主壁２４ａの底縁に沿って延びた細長いスリット状の流入口３０ｂを有している。これらの流入口３０ａ、３０ｂは、それぞれ筐体１４内に規定された流通空間２８ａ、２８ｂに連通している。流入口３０ａ、３０ｂの各々は、筐体１４内から外側に向かって幅が徐々に広くなるように形成されていてもよい。

筐体１４は、カバー板２６の両側縁に沿って形成された２つの細長いスリット状の流出口３２ａ、および本体２４の両側壁２４ｂに形成され、主壁２４ａの両側縁に沿ってそれぞれ延びた２つの細長いスリット状の流出口３２ｂを有している。これらの流出口３２ａ、３２ｂは、それぞれ流通空間２８ａ、２８ｂに連通している。流出口３２ａ、３２ｂの各々は、筐体１４内から外側に向かって幅が徐々に広くなるように形成されていてもよい。

また、カバー板２６の内面、および本体２４の主壁２４ａの内面には、流入口３０ａ、３０ｂから流通空間２８ａ、２８ｂ内に流入した冷却空気を流出口３２ａ、３２ｂに導くガイドとして、湾曲したガイドリブ４０が一体に形成されている。
なお、第２の実施形態において、電池モジュール１０の他の構成は前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

第２の実施形態に係る電池モジュール１０によれば、筐体１４の底壁側に形成された流入口３０ａ、３０ｂから流入した冷却空気は、二次電池１２の周囲を流れた後、筐体の両側壁側に形成された流出口３２ａ、３２ｂから筐体の外へ排出される。従って、冷却空気により二次電池を充分に冷却することができる。また、流出口３２ａ、３２ｂの面積を大きくすることができ、流通抵抗を低減して流通量を増大し、二次電池の冷却性能を向上することが可能となる。同時に、冷却空気をガイドするガイドリブを設けることにより、冷却空気の流通抵抗を一層低減することができ、二次電池の冷却性能を一層向上することができる。その他、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、上述した第２の実施形態においても、冷却媒体を流通可能な流通空間は、二次電池の両面側に限らず、少なくも筐体の一方の主壁と二次電池との間に設けることにより、二次電池の冷却性能を上げることができる。

次に、この発明の第３の実施形態に係るバッテリパックについて説明する。
図７および図８に示すように、バッテリパック５０は、複数の電池モジュール１０を備え、これらの電池モジュールを積層して構成されている。各電池モジュール１０は、二次電池１２と、二次電池の二次電池の両主面を除いて二次電池の外周面を覆った枠状の筐体１４と、を有している。

二次電池１２は、アルミニウム等により形成された偏平な矩形箱状のケース１６と、このケース内に非水電解質液とともに収納された電極体１８と、ケース１６の一方の端壁、ここでは天壁、から突出した正極端子２０ａおよび負極端子２０ｂとを有している。電極体１８は、例えば、正極板および負極板をその間にセパレータを介在させて渦巻き状に捲回し、更に、径方向に圧縮した偏平な矩形状に形成されている。正極端子２０ａおよび負極端子２０ｂは、それぞれ電極体１８の正極および負極に接続されているとともに、ケース１６の天壁を液密に貫通して延びている。なお、正極端子２０ａおよび負極端子２０ｂとケースの天壁との間には、図示しない絶縁体からなるガスケットが設けられている。

筐体１４は、二次電池１２よりも僅かに大きな矩形枠状に形成され、また、絶縁性を有する材料、例えば、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネイト等の合成樹脂により形成されている。筐体１４は、一対の側壁２４ｂ、天壁２４ｃおよび底壁２４ｄを有している。天壁２４ｃには、二次電池１２の正極端子２０ａおよび負極端子２０ｂを露出する一対の開口が形成されている。

二次電池１２は、筐体１４内に収納され、ケース１６の両側壁、天壁、および底壁が筐体１４によって覆われている。ケース１６の前後の主面は露出している。二次電池１２の正極端子２０ａおよび負極端子２０ｂは、筐体１４の天壁２４ｃに形成された一対の開口内に位置し、これらの開口を通して筐体の天壁２４ｃから外側へ突出している。

複数の電池モジュール１０は、筐体１４の側縁同士が当接した状態で整列して積層されている。隣合う筐体１４は、図示しない嵌合突起、あるいは、連結部材によって、互いに連結され、バッテリパック５０の外装ケース５２を構成している。また、隣合う電池モジュール１０は、二次電池１２のケース１６の主面間に絶縁板４２を挟んで積層されている。各絶縁板４２は、合成樹脂等の絶縁材料により、ケース１６の主面よりも僅かに小さな矩形状に形成されている。絶縁板４２は、隣合うケース１６の主面に接触し、隣合う二次電池１２間を絶縁している。

上記のように構成されたバッテリパック５０によれば、複数の電池モジュールを積層してバッテリパックを構成する際、筐体１４同士を連結して外装ケースを形成することができ、バッテリパックの軽量化、構成の簡略化を図ることが可能となる。また、筐体１４を二次電池の主面を露出する枠状に形成するとともに、隣合う二次電池のケース間に絶縁板を挟む構成とすることにより、バッテリパック５０の積層方向の寸法を低減し、バッテリパックの小型化を図ることができる。

この発明は上述した実施形態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わせにより、種々の発明を形成できる。実施の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し、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、二次電池、筐体の形状、寸法、材質等は、上述した実施形態に限らず、適宜変更可能である。筐体の流入口、流出口の数および形状は、必要に応じて変更可能である。

図１は、第１の実施形態に係る電池モジュールを示す斜視図。 図２は、前記電池モジュールを示す分解斜視図。 図３は、図１の線Ａ−Ａに沿った電池モジュールの断面図。 図４は、図１の線Ｂ−Ｂに沿った電池モジュールの断面図。 図５は、第２の実施形態に係る電池モジュールを示す斜視図。 図６は、第２の実施形態に係る電池モジュールの底壁側を示す斜視図。 図７は、第３の実施形態に係る電池パックを示す斜視図。 図６は、図７の線Ｃ−Ｃに沿った電池パックの断面図。

符号の説明

１０…電池モジュール、１２…二次電池、１４…筐体、１６…ケース、
１８…電極体、２０ａ…正極端子、２０ｂ…負極端子、２４…本体、
２６…カバー板、２８ａ、２８ｂ…流通空間、３０ａ、３０ｂ…流入口、
３２ａ、３２ｂ…流出口、４０…ガイドリブ、４２…絶縁板、
５０…バッテリパック

Claims (5)

1. ケースと、ケース内に収納された電極体と、前記電極体に接続されているとともにケースから突出した端子とを有する二次電池と、
   絶縁性を有し前記二次電池を覆った筐体と、を備え、
   前記二次電池と筐体との間に、冷却媒体を流通可能な流通空間が形成され、前記筐体は、前記流通空間に冷却媒体を導く流入口と、前記流通空間を流通した冷却媒体を排出する流出口と、を有している電池モジュール。
2. 前記二次電池のケースおよび前記筐体は、それぞれ矩形箱状に形成され、
   前記筐体は、それぞれ前記ケースの主面に対向した一対の主壁と、互いに対向した一対の側壁と、底壁と、前記二次電池の端子が露出した天壁と、を有し、
   前記流通空間は前記少なくとも一方の主壁と前記二次電池との間に形成されている請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記流入口は、前記筐体の一方の側壁に形成され、前記流出口は前記筐体の他方の側壁に形成されている請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記流入口は、前記筐体の底壁に形成され、前記流出口は、前記筐体の各側壁に形成されている請求項２に記載の電池モジュール。
5. それぞれケース、ケース内に収納された電極体、および前記電極体に接続されているとともにケースから突出した端子を有する二次電池と、絶縁性を有しているとともに前記二次電池の両主面を除いて二次電池の外周面を覆った枠状の筐体と、を備えた複数の電池モジュールを具備し、
   前記複数の電池モジュールは、前記ケースの主面間に絶縁板を挟んで互いに積層され、前記複数の筐体により外装ケースを形成したバッテリパック。

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