JP2010146777A

JP2010146777A - 組電池

Info

Publication number: JP2010146777A
Application number: JP2008320430A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Marukawa; 修平丸川; Toshiaki Nakanishi; 利明中西
Original assignee: Panasonic EV Energy Co Ltd
Current assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2028-12-17
Also published as: JP5270326B2; US8163419B2; US20100151309A1

Abstract

【課題】寒冷地等において電池モジュールを確実に加熱する。
【解決手段】組電池は、複数の電池モジュール１１０と、電池モジュール１１０を保持する保持スペーサ１３０を有する。保持スペーサ１３０には、複数の突起が設けられ、これらの突起が電池モジュール１１０に当接して電池モジュール１１０を保持するとともに、冷却媒体の流路を構成する。保持スペーサ１３０内に発熱体を埋設し、あるいは保持スペーサ１３０の中空部に発熱体を挿入し、寒冷地において発熱体に通電して電池モジュール１１０を加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の単電池を含む電池モジュールが間隙を介して複数積層されてなる組電池に関し、特に隣接する電池モジュール間に電池モジュールを保持するスペーサが配置された組電池に関する。

従来より、複数の単電池を含む電池モジュールが複数列置され、隣接する電池モジュール間にスペーサを配置する組電池が知られている。組電池は、電気自動車やハイブリッド自動車の電源として用いられる二次電池（ニッケル水素電池やリチウムイオン電池）である。

図９乃至図１１に、特許文献１に開示された組電池の構成を示す。図９は組電池を構成する保持スペーサ１３０の構成を示し、図１０は電池モジュール１１０の構成を示し、図１１は組電池として組み付けた状態を示す。隣接する電池モジュール１１０の間に電池モジュール１１０を保持する保持スペーサ１３０が配置される。電池モジュール１１０及び保持スペーサ１３０は、２枚のエンドプレート（端板）１８０と４本の拘束ロッド１８５により全体的に拘束されて一体となる。また、電池モジュール１１０及び保持スペーサ１３０は、第１スペーサ支持部材（アッパーケース）１６０と第２スペーサ支持部材（ロアーケース）１７０により保持される。第１スペーサ支持部材１６０と第２スペーサ支持部材１７０とは、ボルト１７３とナット１７５で固定される。

各々の電池モジュール１１０は、互いに対向する２つの長側面１１０ａ、１１０ｂと、互いに対向する２つの短側面１１０ｃ、１１０ｄと、互いに対向する２つの端面１１０ｅ、１１０ｆを有する略直方体形状をなす。電池モジュール１１０は、一列に列置された複数（図では８個）の単電池１１１を含む。単電池１１１は、安全弁を短側面１１０ｃ側に向けた状態で直列接続される。直列接続された単電池１１１の短側面１１０ｃ側には、各々の安全面を覆い、単電池ケースとの間でガス排出路を構成する上部カバー部材１１３が配置される。また、列置された単電池１１１の端面１１０ｅ側には負極サイドカバー部材１１５が配置され、端面１１０ｆ側には正極サイドカバー部材１１７が配置される。負極サイドカバー部材１１５の略中央にはモジュール外部に突出する外部負極端子１１６が設けられ、正極サイドカバー部材１１７の略中央にはモジュール外部に突出する外部正極端子１１８が設けられる。また、正極サイドカバー部材１１７の上部に、上部カバー部材１１３と各々の単電池ケースとの間で構成されるガス排出路と連通する排気口１１９が設けられる。

保持スペーサ１３０は、電池モジュール１１０の間に配置されて電池モジュール１１０を保持するとともに、電池モジュール１１０と保持スペーサ１３０との間に冷却媒体が流通する冷却路を構成する。保持スペーサ１３０は、電池モジュール１１０間に直接介在する略板状のスペーサ本体１３１を有する。スペーサ本体１３１のうち、垂直方向Ｚの一端には隣接する電池モジュール１１０の短側面１１０ｃを支持する第１モジュール支持部１３３が複数設けられる。また、スペーサ本体１３１のうち、垂直方向Ｚの他端には、隣接する電池モジュール１１０の短側面１１０ｄを支持する第２モジュール支持部１３５が複数設けられる。保持スペーサ１３０に取り付けられた電池モジュール１１０は、これら第１モジュール支持部１３３と第２モジュール支持部１３５との間に配置されることで、垂直方向Ｚへの移動が規制される。また、スペーサ本体１３１のうち、単電池列置方向Ｘの一端には、隣接して配置する電池モジュール１１０の端面１１０ｅ又は１１０ｆを支持する第３モジュール支持部１３７が複数設けられる。また、スペーサ本体１３１のうち、単電池列置方向Ｘの他端には、隣接して配置する電池モジュール１１０の端面１１０ｅ又は１１０ｆを支持する第４モジュール支持部１３９が複数設けられる。保持スペーサ１３０に取り付けられた電池モジュール１１０は、これら第３モジュール支持部１３７と第４モジュール支持部１３９との間に配置されることで、単電池列置方向Ｘへの移動が規制される。また、スペーサ本体１３１には、隣接する電池モジュール１１０の長側面１１０ａ、１１０ｂとの間に冷却媒体を流通させる冷却路を構成するために、多数の冷却路構成突起１４１が設けられる。冷却路構成突起１４１は、モジュール列置方向Ｙに突出するとともに、垂直方向Ｚに直線状に延設される。保持スペーサ１３０に取り付けられた電池モジュール１１０の長側面１１０ａ、１１０ｂは、これらの冷却路構成突起１４１にそれぞれ当接して、長側面１１０ａ、１１０ｂとスペーサ本体１３１との間に冷却路を構成する。第１弾性部材１４３及び第２弾性部材１４５がゴムにより構成され、保持スペーサ１３０の遊動を防止する。板状ゴム部材１４７は、モジュール列置方向Ｙに弾性変形して電池モジュール１１０の長側面１１０ａまたは１１０ｂに弾性的に圧接した状態で保持スペーサ１３０に保持される。このため、電池モジュール１１０は、保持スペーサ１３０により弾性的に保持される。

一方、組電池は、温度が低いときに出力が低下して充分な性能を発揮できなくなるため、極めて寒い環境で自動車を走行させる場合において、組電池を加熱する技術が提案されている。例えば、特許文献２には、全面が均一に発熱するシート状発熱体で多数の二次電池を暖めるバッテリー装置が開示されている。

ＷＯ２００６／０８７９６２Ａ１特開２００３−２２３９３８号公報

寒冷地において組電池を加熱する場合、全面が均一に発熱するシート状発熱体を設けることは有効であるが、単に発熱体を付加する構成では、部品点数が増大するとともに構成が煩雑化してしまう。したがって、既存の組電池の構成をできるだけ維持しつつも、寒冷地において組電池を確実に加熱してその性能を発揮できるような構成が望まれる。

本発明は、複数の電池モジュールと、前記電池モジュール間に配置され、前記電池モジュールを保持する保持スペーサとを有する組電池であって、前記保持スペーサは、前記電池モジュールに当接して前記電池モジュールを保持する複数の突部が形成され、前記突部が形成されていない部位において冷却媒体を流通させる冷却路が構成され、かつ、前記電池モジュールを加熱する発熱手段が備えられていることを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、前記発熱手段は、前記保持スペーサの内部に埋設されている。

また、本発明の他の実施形態では、前記保持スペーサは、中空部を有し、前記発熱手段は、前記中空部に挿入されている。

また、本発明の他の実施形態では、前記発熱手段は、前記組電池の周辺部において中央部よりも発熱量が大となる。

本発明によれば、保持スペーサ自体に発熱手段を備えていることで、部品点数を増大させることなく寒冷地等において電池モジュールを確実に加熱して低温下での性能劣化を防止できる。本発明の保持スペーサは、電池モジュールの保持機能と、冷却路構成機能と、さらに電池モジュールの加熱機能をも有するものである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１に、本実施形態における組電池の構成を示す。外観形状は図１１に示された従来の組電池と同様であり、隣接する電池モジュール１１０の間に電池モジュール１１０を保持する保持スペーサ１３０が配置される。電池モジュール１１０と保持スペーサ１３０との間に冷却媒体が流通する冷却路を構成する。電池モジュール１１０及び保持スペーサ１３０は、２枚のエンドプレート（端板）１８０と４本の拘束ロッド（あるいは拘束バンド）１８５により全体的に拘束されて一体となる。各々の電池ジュール１１０は、図１０に示すように互いに対向する２つの長側面１１０ａ、１１０ｂと、互いに対向する２つの短側面１１０ｃ、１１０ｄと、互いに対向する２つの端面１１０ｅ、１１０ｆを有する略直方体形状をなす。電池モジュール１１０は、一列に列置された複数（図では８個）の単電池１１１を含む。単電池１１１は、安全弁を短側面１１０ｃ側に向けた状態で直列接続される。なお、このように電池モジュール１１０及び保持スペーサ１３０を直方体形状とし、両端部をエンドプレート１８０で挟持しつつ拘束ロッド１８５等で全体的に拘束して一体化することで以下の利点がある。すなわち、直方体（平板状）電池モジュール１１０と直方体（平板状）保持スペーサ１３０が積層方向に緊縛、圧接されており、電池モジュール１１０と保持スペーサ１３０間の熱抵抗が小さく、後述するように冷却路構成用突起１４１を伝熱体として用いる場合の効果が大きい。また、冷却媒体が冷却路を流通する際、保持スペーサ１３０との熱交換が容易であるため、組電池から排出された冷却媒体によって車室内温度を上げる際にも有効である。また、保持スペーサが平板状でありシート状発熱体を有効に活用できる。また、電池モジュール１１０と当接する個々の冷却路構成突起１４１の面積を小さくでき、個々の冷却路構成突起１４１の加重度合いが小さく、熱に関して最適化した突起配置設計が容易となる。

保持スペーサ１３０は、電気絶縁性を有する樹脂から構成され、電池モジュール１１０の間に配置されて電池モジュール１１０を保持するとともに、電池モジュール１１０と保持スペーサ１３０との間に冷却媒体が流通する冷却路を構成する。従来においては、保持スペーサ１３０は、このように電池モジュール１３０の保持機能と、冷却路形成機能とを有しているが、本実施形態ではさらに、寒冷地等、電池モジュール１１０の周囲温度が所定温度以下と低温である場合に電池モジュール１１０を均一に加熱して性能低下を防止する発熱機能も備える。

図２に、図１の一部拡大図を示す。保持スペーサ１３０は、スペーサ本体１３１と、冷却路構成突起１４１を有する。冷却路構成突起１４１は、モジュール列置方向に突出するとともに、その垂直方向に直線状に延設される。保持スペーサ１３０に取り付けられた電池モジュール１１０の長側面１１０ａ、１１０ｂは、これらの冷却路構成突起１４１にそれぞれ当接して、長側面１１０ａ、１１０ｂとスペーサ本体１３１との間に冷却路を構成する。一方、スペーサ本体１３１内には、シート状発熱体が埋め込まれており、このシート状発熱体の熱により電池モジュール１１０を加熱する。

図３に、図２のＢ方向から見た外観図を示す。また、図４に、図２のＡ−Ａ断面図を示す。隣接する電池モジュール１１０間の保持スペーサ１３０により電池モジュール１１０が保持され、かつ、保持スペーサ１３０のスペーサ本体１３１に設けられた冷却路構成突起１４１によりスペーサ本体１３１と電池モジュール１１０との間に冷却路２１０が構成される。この冷却路を通って冷却媒体が図２のＢ方向に流通して電池モジュール１１０が冷却される。そして、スペーサ本体１３１内には図中破線で示すようにシート状発熱体２００が埋設されており、このシート状発熱体に通電することにより発熱する。シート状発熱体２００は、スペーサ本体１３１の略全面にわたり埋設される。また、シート状発熱体２００は、隣接する電池モジュール１１０までの距離がほぼ等距離となるようにスペーサ本体１３１の略中央位置に埋設される。スペーサ本体１３１から突設された冷却路構成突起１４１は電池モジュール１１０の長側面１１０ａ、１１０ｂに当接しているから、シート状発熱体からの熱はこの冷却路構成突起１４１を介して効率的に電池モジュール１１０に伝導され、電池モジュール１１０を速やかに加熱する。また、冷却路２１０が垂直方向Ｚに延在しており、この冷却路２１０を介した熱対流により電池モジュール１１０は速やかに均一加熱される。シート状発熱体２００は、抵抗や半導体等、通電することによって発熱する任意の材料を用いることができる。

シート状発熱体への通電制御は、自動あるいは手動のいずれでもよい。例えば、組電池所定位置に温度センサを設け、温度センサで検出された温度が所定の温度以下である場合にシート状発熱体２００に通電し、検出温度が所定温度以上となった場合に通電を停止する等である。電池モジュール１１０は、その温度が所定温度以上であり、かつ、組電池内の列置された複数の電池モジュール１１０間で温度分布が均一であることが望ましいから、組電池の複数の所定位置に設けられた複数の温度センサで組電池内の電池モジュール１１０の温度分布を検出し、所定温度以上であり、かつ、温度分布が均一となった時点で通電を停止することが望ましい。

また、寒冷地において組電池を搭載した電気自動車やハイブリッド電気自動車等の車両のユーザが手動でスイッチを操作してシート状発熱体２００に通電してもよい。シート状発熱体２００に通電するための電力は、例えば商用電源を用いることができる。寒冷地において車両が自宅のガレージに駐車（冷却路には冷却媒体が流れていない）している場合にコンセントを用いて商用電源に接続し、商用電源からの電力でシート状発熱体２００に通電する。これにより、低温環境下でも各々の電池モジュールを暖めておくことができるので、車両の始動時においても車両の電源として良好な出力を得ることができる。

上記の実施形態では、スペーサ本体１３１にシート状発熱体２００が埋設される構成を例示した。これは、保持スペーサ１３０とシート状発熱体２００が一体化したものであるが、保持スペーサ１３０とシート状発熱体２００が分割されていてもよい。図５に、分割式の保持スペーサ１３０を示す。保持スペーサ１３０のスペーサ本体１３１は２分割され、それぞれの表面には冷却路構成突起１４１が形成される。シート状発熱体２００は２分割されたスペーサ本体１３１の間に配設される。

図６に、発熱機能を有する保持スペーサ１３０のさらに他の構成を示す。また、図７に、図６のＤ方向から見た外観図を示し、図８に、図６のＣ−Ｃ断面図を示す。電気的絶縁体の保持スペーサ１３０は、電池モジュール１１０の列置方向Ｙに突出する冷却路構成突起１４１を有する。冷却路構成突起１４１は、中空の角柱形状をなして垂直方向Ｚに延在しており、スペーサ本体１３１から突設して電池モジュール１１０の長側面１１０ａ、１１０ｂに当接して電池モジュール１１０を保持する。また、隣接する中空角柱状の冷却路構成突起１４１間には隙間が形成されており、この隙間により冷却路２１０を構成する。中空角柱状の冷却路構成突起１４１の間隔は、例えば図２に示す冷却路構成突起１４１の間隔と同程度である。本実施形態の冷却路構成突起１４１は、図２に示される垂直方向に複数個設けられた冷却路構成突起１４１を互いに連接して内部を中空にしたものということができる。

そして、中空角柱状の冷却路構成突起１４１の中空部に、線状あるいは円筒状発熱体２０２を挿入する。挿入された線状あるいは円筒状発熱体２０２に通電することにより、電池モジュール１１０を加熱する。本実施形態においても、中空角柱状の冷却路構成突起１４１は電池モジュール１１０の長側面１１０ａ、１１０ｂに当接しているため、中空角柱状の冷却路構成突起１４１を介して発熱体２０２からの熱は効率的に電池モジュール１１０に伝導され、速やかに加熱することができる。線状あるいは円筒状発熱体２０２の径は、中空部の径と略同一とするのが望ましい。線状あるいは円筒状発熱体２０２は、冷却路構成突起１４１の中空部から挿入及び抜き出しが自在である。したがって、組電池として、発熱体を有しない保持スペーサが組み込まれた通常仕様と、発熱体が一体形成された保持スペーサが組み込まれた寒冷地仕様の２種類を用意する必要がなく、発熱体を有しない保持スペーサが組み込まれた通常仕様の組電池に対し、スペーサ本体１３１の中空部に発熱体２０２を挿入することで容易に寒冷地仕様に変更することができる。

以上説明したように、本実施形態では、保持スペーサ１３０に電池モジュール１１０を保持する機能と、電池モジュール１１０を冷却する冷却路を構成する機能とに加え、さらに電池モジュール１１０を加熱する機能も付加することで、部品点数の増大を防止しつつ、電池モジュール１１０を速やかに加熱して低温時の性能劣化を防止できる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、他の形態も可能である。

例えば、本実施形態では図３、図４に示すようにスペーサ本体１３１内に１枚のシート状発熱体２００を配置しているが、必ずしも１枚である必要はなく、所定の配置関係で複数のシート状発熱体をスペーサ本体１３１内に埋設してもよい。例えば、帯状の発熱体を所定間隔で配置してもよい。

また、本実施形態では、図３あるいは図６に示すようにスペーサ本体１３１内に発熱体を配置しているが、スペーサ本体１３１の表面に発熱体を備えていてもよい。例えば、図２において冷却路構成突起１４１の電池モジュール１１０との当接面に発熱体を設けてもよい。具体的には、モジュール列置方向に対し垂直方向Ｚに直線状に延設された冷却路構成突起１４１上に、短冊状のシート状発熱体を接着、あるいは溶着により備えることができる。なお、スペーサ本体１３１の表面のうち、冷却路２１０を構成する表面にも発熱体を備えることが可能であるが、この場合は冷却路２１０の流路抵抗を著しく増大させない程度に発熱体のサイズを抑制することが望ましい。要するに、保持スペーサ１３０と別個に発熱手段を設けるのではなく、保持スペーサ１３０と一体的、具体的には保持スペーサ１３０の表面あるいは内部に発熱する手段を備えていればよい。

また、本実施形態では電池モジュール１１０を加熱する手段としてシート状発熱体２００や線状あるいは円筒状発熱体２０２を用いているが、その形状は任意でよい。また、寒冷地において、組電池はその対称軸に対して外側ほど、つまり組電池の中央部よりも周辺部において低温になる。したがって、組電池の周辺部の発熱量が中央部よりも大きくなるように発熱体の形状を変化させてもよい。例えば、シート状発熱体２００の敷設面積を周辺部ほど大きくしたり、線状または円筒状発熱体２０２を周辺部ほど細くする等である。もちろん、発熱体の形状を同一として、周辺部ほど通電電流を大きくしてもよい。また、保持スペーサ１３０は電気絶縁性の樹脂で構成されているが、さらに樹脂中に酸化カルシウム、酸化チタン、酸化珪素、酸化亜鉛、窒化珪素、窒化アルミニウム等を添加して熱伝導性を持たせるのが好ましい。

実施形態の組電池の斜視図である。図１の一部拡大図である。図２のＢ方向から見た外観図である。図２のＡ−Ａ断面図である。保持スペーサの他の構成図である。保持スペーサの他の構成を示す部分斜視図である。図６のＤ方向から見た外観図である。図６のＣ−Ｃ断面図である。従来の保持スペーサの斜視図である。電池モジュールの斜視図である。組電池の概略構成図である。

符号の説明

１１０電池モジュール、１３０保持スペーサ、１３１スペーサ本体、１４１冷却路構成突起、２００シート状発熱体、２０２線状あるいは円筒状発熱体。

Claims

複数の電池モジュールと、
前記電池モジュール間に配置され、前記電池モジュールを保持する保持スペーサと、
を有する組電池であって、
前記保持スペーサは、前記電池モジュールに当接して前記電池モジュールを保持する複数の突部が形成され、前記突部が形成されていない部位において冷却媒体を流通させる冷却路が構成され、かつ、前記電池モジュールを加熱する発熱手段が備えられていることを特徴とする組電池。
請求項１記載の組電池において、
前記発熱手段は、前記保持スペーサの内部に埋設されていることを特徴とする組電池。
請求項１記載の組電池において、
前記保持スペーサは、中空部を有し、
前記発熱手段は、前記中空部に挿入されていることを特徴とする組電池。
請求項３記載の組電池において、
前記保持スペーサの前記突部は、前記電池モジュールの列置方向と垂直方向に延在する中空の柱状突部であることを特徴とする組電池。
請求項１〜４のいずれかに記載の組電池において、
前記発熱手段は、前記組電池の周辺部において中央部よりも発熱量が大であることを特徴とする組電池。
請求項１〜５のいずれかに記載の装置において、
前記電池モジュールは、一列に列置された複数の単電池を含む直方体形状であることを特徴とする組電池。
請求項６記載の装置において、
前記電池モジュール及び前記保持スペーサは、両端部のエンドプレートで挟持されつつ拘束手段で全体的に拘束されて一体化されることを特徴とする組電池。