JP2009283148A

JP2009283148A - 組電池モジュール

Info

Publication number: JP2009283148A
Application number: JP2008131032A
Authority: JP
Inventors: Isao Abe; 勲阿部
Original assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Current assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2028-05-19
Also published as: JP5159425B2

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間にカーボンシート５が配置され、前記カーボンシート５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カーボンシートが配置され、前記カーボンシート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。
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カーボンシート配置され、このカーボンシートがヒートシンクを兼ねた外装ケースと接している。

本発明において、カーボンシートとしては、特に限定しないが、幅方向の熱伝導率が高く、厚み方向の熱伝導率が低いカーボンシートであることが好ましい。一般に、アルミニウム（熱伝導率１００〜２５０Ｗ／ｍＫ）や銅（熱伝導率４００Ｗ／ｍＫ）などの金属板は、熱伝導率が全方向に同じであるため、隣接する単電池を加熱してしまう。しかし、このカーボンシートは、結晶の配列方向により熱伝導率が異なり、厚み方向に結晶を積層させることにより、幅方向の熱伝導率は２００〜１０００Ｗ／ｍＫと非常に高く、厚み方向の熱伝導率は１０Ｗ／ｍＫ以下と幅方向の熱伝導率に比べ極めて低くできる。従って、上記カーボンシートを使用することにより、隣接する単電池へは熱をあまり伝えず、効率的に外装ケースに熱を伝えることができる。

本発明において、前記カーボンシートが両面粘着性の低硬度熱伝導性シートで挟み込まれていることが好ましい。前記低硬度熱伝導性シートを用いることにより、扁平形単電池の僅かな凹凸による熱抵抗が小さくなり、放熱性が向上することできるとともに、密着性が向上し、耐震性が向上する。
本発明において、前記扁平形電池と前記カーボンシート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。このように熱伝導性接着剤を充填することにより、扁平形単電池の僅かな凹凸による熱抵抗が小さくなり、放熱性が向上することできるとともに、密着性が向上し、耐震性が向上する。
また、前記カーボンシートは、金属に比べ比重が小さいカーボンが主材料であるため、金属板を使用した場合に比べて軽量化が可能である。

本発明において、前記カーボンシートは、表面に金属箔を貼り合わせたカーボンシートであることが好ましい。一般に、カーボンシートは、振動や衝撃に対して脆いという欠点があるが、表面にアルミニウム箔や銅箔など熱伝導性の高い金属箔を貼り合せることにより、カーボンシートの良好な特性を損なうことなく、実使用で十分耐えうる機械的耐久性を得ることができる。

以下に、本発明の実施形態について図１及び図２を参照して説明する。ここで、図１は本発明による組電池モジュールの一例であり、図２は同組電池モジュールの展開図である。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。

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２，２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２，２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２，２間には、両端部で略直角に屈曲したカーボンシート５が熱伝導性シート２，２に密着するように配置されている。なお、最上部の単電池１と金属製の外装板６ａ間、最下部の単電池１と金属製の外装板６ｂにも、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及びカーボンシート５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枚の金属製の側板７ａ，７ｂにより囲まれている。前記カーボンシート５の両端の略９０°に屈曲したＬ字型部分は、フィン７’を有した側板７ａ，７ｂ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。外装ケース１０は、外装板６ａ，６ｂおよびヒートシンク機能を備えた側板７ａ，７ｂを、側板７ａ，７ｂに設けられた固定穴８に固定ネジ９を挿通し、固定することにより組み立てられる。

以下、具体的な実施例について説明する。但し、説明中の符番は図１、図２中の部材の符番と同じものを用いた。
（実施例１）
夫々の単電池１の間に厚み１ｍｍのカーボンシート５を配し、夫々のカーボンシート５がヒートシンクを兼ねた外装ケース１０の側板７ａ，７ｂと接しさせ、上下の外装板６ａ，６ｂにより挟み込んで単電池を固定した。なお、使用したカーボンシート５は、厚み方向に比べ幅方向の熱伝導率の高いカーボンシートである。

（実施例２）
夫々の単電池１の間に厚み１ｍｍの実施例１と同じカーボンシート５を配し、更にその単電池１とカーボンシート５の間に両面粘着性の低硬度熱伝導性シート２を配して、カーボンシート５を挟み込み、夫々が密着するようにして、夫々のカーボンシート５がヒートシンクを兼ねた外装ケース１０の側板７ａ，７ｂと接しさせ、上下の外装板６ａ，６ｂにより挟み込んで単電池１を固定した。また、両面粘着性の低硬度熱伝導性シート２として、熱伝導性シリコーンゴムシートを使用した。

（実施例３）
夫々の単電池１の間に厚み１ｍｍの実施例１と同じカーボンシート５の両表面にアルミ箔を貼り合せたものを配し、更にその単電池１とアルミ箔を貼り合せたカーボンシート５の間に両面粘着性の低硬度熱伝導性シート２を配して、カーボンシート５をアルミ箔を介して挟み込み、夫々が密着するようにして、夫々のカーボンシート５がヒートシンクを兼ねた外装ケース１０の側板７ａ，７ｂと接しさせ、上下の外装板６ａ，６ｂにより挟み込んで単電池１を固定した。また、両面粘着性の低硬度熱伝導性シート１として、熱伝導性シリコーンゴムシートを使用した。

（比較例１）
比較例１では、各部材の符番は図１及び図２の同じ部材は同じ符番を使用しているが、前記カーボンシートは使用していない。
夫々の単電池１の間に厚み１ｍｍのアルミ板を配し、更にその単電池１とアルミ板の間に両面粘着性の低硬度熱伝導性シート２を配し、夫々が密着するようにして、夫々のアルミ板がヒートシンクを兼ねた外装ケース１０の側板７ａ，７ｂと接しさせ、上下の外装板６ａ，６ｂにより挟み込んで単電池を固定した。また、両面粘着性の低硬度熱伝導性シートとして、熱伝導性シリコーンゴムシートを使用した。

（比較例２）
比較例２では、各部材の符番は図１及び図２の同じ部材は同じ符番を使用しているが、前記カーボンシート及びアルミ板は使用していない。即ち、比較例２の組電池モジュールは、夫々の単電池１の間にカーボンシートやアルミ板を配せず、外装ケース１０としての外装板６ａ，６ｂと側板７ａ，７ｂにより挟み込んで単電池１を固定した。

（試験１）
上記実施例１，２，３に係る単電池及び比較例１，２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１に示す結果が得られた。但し、各単電池の温度は、各単電池の中央部に熱電対を取り付けて測定した。

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た。

また、実施例１，２，３に係る単電池及び比較例１，２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った。

上述したように、扁平形単電池１と扁平形単電池１の間にカーボンシート５を配し、該カーボンシート５をヒートシンクを兼ねる外装ケースと接したので、放熱性が向上すると共に軽量化が可能となり、更に扁平形単電池１とカーボンシート５の間に両面粘着性の低硬度熱伝導性シート２又は熱伝導性接着剤を配して、夫々を密着するようにして、夫々のカーボンシート５がヒートシンクを兼ねる外装ケースと接するように固定したことで、放熱性と耐震性が向上した。また、カーボンシート５は強度が弱く脆いため、振動などにより損傷を受け易いが、低硬度熱伝導性シート２で挟みこんだり、アルミ箔を表面に貼ることで、振動による損傷を完全にあるいはほとんど無くすことができる。

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。
更には、上記実施例２において、両面粘着性の低硬度熱伝導性シートに代え、熱伝導性接着剤を用いて、カーボンシートを挟み込むと共に点電池とカーボンシートを互いに接着しても良く、同等の効果を得ることが出来る。

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の展開図である。

符号の説明

１…単電池、２…低硬度熱伝導性シート、３…正極端子、４…負極端子、５…カーボンシート、６ａ，６ｂ…外装板、７ａ，７ｂ…側板、８…固定穴、９…固定ネジ、１０…外装ケース。

Claims

扁平形単電池と扁平形単電池間にカーボンシートが配置され、前記カーボンシート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。
前記カーボンシートが両面粘着性の低硬度熱伝導性シートで挟み込ま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。
前記扁平形電池と前記カーボンシート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若しくは２記載の組電池モジュール。
前記カーボンシートは、表面に金属箔を貼り合わせたカーボンシートであることを特徴とする請求項１乃至３いずれか一記載の組電池モジュール。
前記カーボンシートは、幅方向の熱伝導率が高く、厚み方向の熱伝導率が低いカーボンシートであることを特徴とする請求項１乃至４いずれか一記載の組電池モジュール。