JP2011192642A - 組電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、単電池ごとに温度ばらつきを低減し、非水電解質二次電池を効率よく冷却できる冷却構造を提示することを目的としている。
【解決手段】本発明による組電池システムは、リチウムイオンを吸蔵・放出する正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出する負極と、非水溶媒に電解質を溶解させた非水電解液とを有し、角型の電池缶に設置された非水電解質二次電池が少なくとも２つ以上平行に配列されたもれたものであって、非水電解質二次電池の間に冷却媒体が流れる流路を有する冷却体を形成し、流路に流れる冷却媒体は、冷却体の両側に形成される非水電解質二次電池の電池缶に直に接することを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、少なくとも２つ以上の角型の電池缶を用いた非水電解質二次電池を組み合わせた組電池システムの冷却構造に関するものである。

非水電解質二次電池を代表とするリチウムイオン電池は、高いエネルギー密度を有するため、電気自動車用の電池や電力貯蔵用の電池として注目されている。

特に、電気自動車では、エンジンを搭載しないゼロエミッション電気自動車，エンジンと二次電池の両方を搭載したハイブリッド電気自動車、さらには系統電源から直接充電させるプラグイン電気自動車がある。

また、電力貯蔵では、電力系統が遮断された非常時に電力を供給する定置式電力貯蔵システムがある。

このような多様な用途に対して、リチウムイオン電池には優れた耐久性が要求されている。すなわち、環境温度が高くなっても、充電可能な容量の低下率が低く、長期にわたって電池の容量維持率が高いことである。しかし、リチウムイオン電池を、電気自動車のほか、鉄道車両あるいは建設機械等の大電流の充放電を必要とするシステムに使用したときには、電池の内部のジュール発熱量が大きく、熱による電解液の分解や電極構造の崩壊が起こりやすい。特に、複数のリチウムイオン電池からなる組電池（モジュール）においては、電池の表面からの放熱面積を確保しにくく、モジュールの内部での蓄熱が生じやすい。

その結果、電池が高温となり、出力や容量が低下するなどの性能低下が起こる。したがって、大電流の充放電を必要とする用途にリチウムイオン電池を使用した場合には、リチウムイオン電池の冷却が重要となる。

リチウムイオン電池の冷却として、空気冷却の他に、空気よりも比熱の大きい液体を用いた液体冷却も検討されており、以下のような公知技術が知られている。

特許文献１には、正三角形状にアルミ・フィンを形成し、電池を冷却する方法が開示されている。特許文献２には、電池の外部と連通し、フィンを備えた中空部を設け、その内部に空気を流通させて電池を冷却する方法が開示されている。特許文献３には、組電池の内部に単電池を収納し、その単電池の表面に冷却した電解液を流して冷却する方法が開示されている。特許文献４には、単電池の正負極端子を端子冷却ジャケットで覆い、端子冷却ジャケットに冷媒を循環させることによって正負極端子を冷却する技術が開示されている。特許文献５および特許文献６には、２個の単電池の隙間に流路を形成した放熱プレートを挿入し、その流路に冷媒を流通させて電池を冷却する技術が開示されている。

特開平７−１２２２９３号公報 特許第３３２２３２１号公報 特開平８−０９６８３７号公報 特開２０００−３４８７８１号公報 特開２００６−２７８３３０号公報 特開２００９−００９８８９号公報

複数の非水電解質二次電池からなる組電池において、大電流の充放電時に各電池を冷却し、かつ、各電池の温度ばらつきの発生を抑制することが必要である。

単電池ごとに温度差が生じると、電池の抵抗や自己放電電流もばらつくため、単電池ごとに残存容量が変動する。この変動は、各単電池の充放電容量範囲をばらつかせる。その結果、高電位領域で充放電する単電池の寿命が短くなり、その電池が組電池全体の寿命を決めてしまう。

本発明は、単電池ごとに温度ばらつきを低減し、非水電解質二次電池を効率よく冷却できる冷却構造を提示することを目的としている。

（１）請求項１に記載の発明は、リチウムイオンを吸蔵・放出する正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出する負極と、非水溶媒に電解質を溶解させた非水電解液とを有し、角型の電池缶に設置された非水電解質二次電池を少なくとも２つ以上備えた組電池システムにおいて、非水電解質二次電池は、隣接する２つの角形の電池缶の面積の大きな側面が対向するように平行に配列され、隣接する２つの角型の電池缶の間に冷却体が設けられ、この冷却体は、隣接する２つの角型の電池缶の対向する側面との間で冷却媒体の流路を形成する開口部と隔離壁とを備えることを特徴とする組電池システムである。
（２）請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の組電池システムにおいて、冷却体は、冷却媒体の供給口と排出口とを有し、開口部は、供給口と排出口とを連通することを特徴とする組電池システムである。
（３）請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の組電池システムにおいて、供給口と排出口とは、非水電解質二次電池の一側面に形成され、供給口が排出口より中央寄りに形成され、流路は、供給口から非水電解質二次電池の中央部方向に進路をとり、非水電解質二次電池の外周部方向に進路をかえ排出口に至ることを特徴とする組電池システムである。
（４）請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の組電池システムにおいて、冷却体に隣接する非水電解二次電池の側壁に対向する隔離壁の面に、隔離壁に沿ってシール材を設け、シール材を介して冷却体とこれに隣接する非水電解二次電池が密着されることを特徴とする組電池システムである。
（５）請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の組電池システムにおいて、供給口に接続された供給管の端部と排出口に接続された排出管の端部とは、循環配管によってループ状に連結され、循環配管に冷媒循環装置と熱交換装置とが設置され、冷却媒体は、循環配管から供給管に供給され、排出管から循環配管に排出されることを特徴とする組電池システムである。
（６）請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の組電池システムにおいて、冷却媒体が、グリコール類と水の混合物か、またはリン酸エステル類，亜リン酸エステル類，脂肪酸エステル類のいずれかあるいはこれらの混合物を鉱油と混合した難燃性冷却媒体であることを特徴とする。

本発明による組電池の冷却構造により、単電池ごとに温度ばらつきを低減し、非水電解質二次電池を効率よく冷却することができる。

本実施例の非水電解質二次電池の外観構造を示す。 本実施例の非水電解質二次電池の断面構造を示す。 本実施例の組電池の側面図を示す。 （ａ）は本実施例の冷却体流路板の構造を示す側面図である。（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａでの断面図である。（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂでの断面図である。 本実施例の冷却体の構造を示す斜視図である。 本実施例の冷却媒体の供給管（または排出管）の構造を示す。 本実施例の組電池システムの構成を示す。 （ａ）は本実施例のシール付き冷却体板の構造を示す側面図である。（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃでの断面図である。（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄでの断面図である。 （ａ）は比較例のシール付き冷却体板の構造を示す側面図である。（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅでの断面図である。（ｃ）は（ａ）のＦ−Ｆでの断面図である。

以下、図１から図９を参照して、本発明による組電池システムの冷却構造の実施形態の例を説明する。

〔二次電池の構造〕
図１は、本発明による組電池の構造で用いられる非水電解質二次電池の外観構造を示す。ここでは、角型の電池缶（電池容器１０２）に設置された非水電解質二次電池（以下、「電池」と称する）１０１を用いている。非水電解質二次電池１０１は、リチウムイオンを吸蔵・放出する正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出する負極と、非水溶媒に電解質を溶解させた非水電解液とを有するものである。

電池容器１０２は、平坦な面を有し、この平坦な面が電池を冷却する面（以下、「冷却面」と称する。）となる。平坦な面を利用するため、冷却体を密着させることが容易である。電池容器１０２が平坦であれば、薄型の冷却板を挿入しやすく、コンパクトな組電池を製造することができる。また、電池の容積に対する冷却面の面積は可能な限り大きいことが望ましい。これは伝熱速度が面積に比例するからである。以上の観点から、本実施形態では電池容器１０２の最も広い面を冷却面とした。図１の符号１０２が指示している面が冷却面に対応している。

非水電解質二次電池１０１の上方に、正極外部端子１０３と負極外部端子１０４と、非水電解液を電池の中に注入するための注液口１０５とが設けられている（図１の実施例では上側に設けられている）。これら端子を電気自動車のモーターに電力を供給するインバータや負荷に接続し、非水電解質二次電池１０１を充放電させることができる。また、注液口１０５には、電池内部の圧力上昇に応じて開裂する弁、あるいは、圧力上昇または温度上昇の際に電流を遮断する安全機構が設けられている。

本発明による組電池システムの冷却構造の実施形態では、こうした角型の電池容器１０２を用いた非水電解質二次電池１０１を、少なくとも２つ以上平行に配列した組電池システムとして用いる。これは、電池容器１０２の面積の大きな側面を利用して、２つの隣り合う非水電解質二次電池１０１の間に冷却媒体が流れる流路を有する冷却体を形成するためである。

流路に流れる冷却媒体は、冷却体の両側に形成される電池容器１０２に直に接する。冷却媒体を両方の電池容器１０２に直接、接触させ、均一かつ効率的な冷却効果を得るためである。なお、冷却媒体には、通常難燃性の冷媒が用いられ、本発明による組電池システムの冷却構造の実施形態においては、水とエチレングリコールなどのグリコール類の混合液を用いている。水とエチレングリコールとの混合液の組成はそれぞれ３０〜５０％または４０〜６０％であることが望ましい。水とエチレングリコールの混合液のような水系冷却媒体の他に、トリメチルリン酸エステルなどのリン酸エステル類，トリメチル亜リン酸エステルなどの亜リン酸エステル類，脂肪酸シリケートエステル，炭化水素ポリオールエステル，脂肪酸シランなどの脂肪酸エステル類を鉱油と混合した難燃性冷媒を用いてもよい。

図２は、本実施形態の非水電解質二次電池の断面構造を示すものであり、図１の非水電解質二次電池１０１の内部構造を模式的に示している。

非水電解質二次電池１０１は、正極１０６，負極１０７，正極１０６と負極１０７との間に挿入されたセパレータ１０８とからなる電極群を、電池容器１０２の内部に有している。
セパレータ１０８は、正極１０６および負極１０７と電池容器１０２との間にも挿入し、正極１０６と負極１０７とが電池容器１０２を通じて短絡しないようにしている。セパレータ１０８と正極１０６および負極１０７とは、それぞれの表面および細孔の内部に電解液を保持している。以下では、正極１０６，負極１０７，セパレータ１０８からなる構造体を積層体と称する。

積層体の上部には、リード線を介して外部端子に電気的に接続されている端子を有する。正極１０６は、正極リード線１０９を介して、正極外部端子１０３に接続されている。負極１０７は、負極リード線１１０を介して、負極外部端子１０４に接続されている。なお、それぞれのリード線は、ワイヤ状であっても良いし、板状であっても良い。電流を流したときに、オーム損失が小さければ、任意の形状を採ることができる。

非水電解液の注液口１０５は、電池容器１０２の上面に設置する。

以下では、非水電解質にリチウム塩を用いたリチウムイオン電池を例に、実施例にて用いた構成部材，材料，使用方法を説明する。本実施形態のリチウムイオン電池は、上記のように、電池容器１０２に正極１０６，負極１０６，セパレータ１０８を収容し、更にリチウム金属酸化物を非水溶媒に添加した非水電解液が注入口１０５から注入されている。

正極１０６は、正極活物質，導電剤，バインダ，集電体から構成される。正極活物質には、ＬｉＣｏＯ₂，ＬｉＮｉＯ₂，ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、等のリチウム金属酸化物あるいはこれらに含まれる遷移金属を２種類以上含む複合金属酸化物を用いることができる。その他の材料でも、非水電解液の電解電圧よりも低い酸化還元電位の正極活物質であれば、これを用いることができる。

正極活物質の粒径は、合剤層の厚さ以下になるように規定される。正極活物質の粉末中に合剤層の厚さ以上のサイズを有する粗粒がある場合、予めふるい分級，風流分級などにより粗粒を除去し、合剤層の厚さ以下の粒子を作製する。また、正極活物質は複合酸化物であり、電気抵抗が高いため、それらの電気伝導性を補うために炭素粉末からなる導電剤を利用する。正極活物質と導電剤とは、ともに粉末であるため、粉末にバインダを混合し、粉末同士を結合させると同時に集電体へ接着させている。

正極１０６の集電体は矩形のシート状であり、厚さが１０〜１００μｍのアルミニウム箔、厚さが１０〜１００μｍ、孔径０.１〜１０mmのアルミニウム製穿孔箔，エキスパンドメタル，発泡金属板などが用いられ、材質もアルミニウムの他に、ステンレス，チタンなども適用可能である。なお、正極１０６の集電体には、非水電解液に変性されないものであれば、これらの材質，形状，製造方法などに制限されることなく、任意の集電体を使用することができる。

正極活物質，導電剤，バインダ、および有機溶媒を混合した正極スラリーを、ドクターブレード法，ディッピング法，スプレー法などによって集電体へ付着させた後、乾燥により有機溶媒を除去し、ロールプレスによって正極１０６を加圧成形することにより、正極１０６を作製することができる。また、塗布から乾燥までを複数回行うことにより、複数の合剤層を集電体に積層化させることも可能である。

負極１０７は、負極活物質，バインダ，集電体から構成される。更に、高レートの充放電が必要な場合には、導電剤を添加する場合もある。負極活物質には、リチウムと合金化するアルミニウム，シリコン，スズなどがあり、さらにリチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な黒鉛や非晶質炭素からなる炭素質材料などもある。

本実施形態では負極活物質に特に制限がなく、上述の材料以外でも利用可能であるが、特に、炭素質材料を主成分とする負極が本実施形態に適合している。一般に使用される負極活物質は粉末であるため、それにバインダを混合して、粉末同士を結合させると同時に集電体へ接着させている。本実施形態では、負極１０７の負極活物質の粒径を合剤層の厚さ以下にすることが望ましい。負極活物質の粉末中に合剤層の厚さ以上のサイズを有する粗粒がある場合、予めふるい分級，風流分級などにより粗粒を除去し、合剤層の厚さ以下の粒子を使用する。

負極１０７の集電体は矩形のシート状であり、厚さが１０〜１００μｍの銅箔、厚さが１０〜１００μｍ、孔径０.１〜１０mmの銅製穿孔箔，エキスパンドメタル，発泡金属板などが用いられ、材質も銅の他に、ステンレス，チタン，ニッケルなども適用可能である。なお、本実施形態では、集電体には、非水電解液によって変性されないものであれば、材質，形状，製造方法などに制限されることなく、任意の集電体を使用することができる。すなわち、電極の活物質の酸化還元電位以上にて溶解しない、あるいは高抵抗な酸化物に変化しない材料であることが、必要とされる要件である。

負極活物質，バインダ、および、有機溶媒を混合した負極スラリーを、ドクターブレード法，ディッピング法，スプレー法などによって集電体へ付着させた後、乾燥して有機溶媒を除去し、ロールプレスによって負極１０７を加圧成形することにより、負極１０７を作製することができる。また、塗布から乾燥までを複数回行うことにより、多層の合剤層を集電体上に形成させることも可能である。

以上のように作製した正極１０６と負極１０７との短絡を防止するために、正極１０６と負極１０７との間にセパレータ１０８を挟んで、積層する。ポリエチレン，ポリプロピレンなどからなるポリオレフィン系高分子シート、あるいは、ポリオレフィン系高分子と４フッ化ポリエチレンを代表とするフッ素系高分子シートとを溶着させた２層構造のセパレータ１０８などを使用することも可能である。

電池の温度が高くなったときに、セパレータ１０８が収縮しないように、セパレータ１０８の表面にセラミックスとバインダとの混合物を薄層状に形成しても良い。これらのセパレータ１０８は、電池の充放電時にリチウムイオンを透過させる必要があるため、一般に細孔径が０.０１〜１μｍ、気孔率が２０〜９０％であれば、非水電解質二次電池に使用可能である。

このようにしてセパレータ１０８を正極１０６と負極１０７との間に挟むようにして、これらを複数積層した電極群を作製する。このような電極群は、図２に示すように、矩形の平面状を積層したもの、あるいはセパレータ１０８，正極１０６，負極１０７を円筒状または扁平状などの形状に捲回したものなど、種々の形状にすることができる。

電池容器１０２の形状は、電極群の形状に合わせ、円筒型，偏平長円形状，角型などの形状を選択してもよい。本実施例では、冷却効率を考慮して、角型を選択した。冷却体を挿入可能な平面部を、電池容器１０２の一部に有していれば、本発明を適用することができる。

電池容器１０２の材質は、アルミニウム，ステンレス鋼，ニッケルメッキ鋼製など、非水電解質に対して耐食性のある材料から選択される。また、電池容器１０２を正極１０６または負極１０７に電気的に接続する場合は、非水電解質と接触している部分において、電池容器１０２の腐食やリチウムイオンとの合金化による材料の変質が起こらないように、材料の選定を行う。

電池容器１０２に電極群を収納し、非水電解液を電極群に注入する。なお、電池容器を負極に、蓋を正極に接続してもよい。本実施形態ではそれぞれの端子（１０３および１０４）を形成する。非水電解液の注入方法は、蓋を解放した状態にて電極群に直接注ぐ方法、あるいは蓋に設置した注液口１０５から注入する方法がある。その後、蓋と電池容器とを密着させ、電池全体を密閉する。非水電解液の注液口１０５がある場合は、それも密封する。電池を密閉する方法には、溶接，かしめなど技術を用いる。

本実施例で使用可能な電解液の代表例として、エチレンカーボネートにジメチルカーボネート，ジエチルカーボネート，エチルメチルカーボネートなどを混合した溶媒に、電解質として六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）、あるいはホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ₄）を溶解させた溶液がある。充放電に対し、繰り返し使用可能なものであれば、電解質に制限はない。本実施例は、溶媒や電解質の種類，溶媒の混合比に制限されることなく、他の電解液も利用可能である。

電解質は、ポリフッ化ビニリデン，ポリエチレンオキサイドなどのイオン伝導性高分子に含有させた状態で使用することも可能である。この場合はセパレータが不要となる。また、非水電解液の代わりに、固体高分子電解質（ポリマー電解質）あるいはゲル電解質を用いることもできる。固体高分子電解質としては、ポリエチレンオキサイドなどのポリマー電解質，ゲル電解質としては、ポリフッ化ビニリデンと非水電解液との混合物を用いることも可能である。また、イオン液体を用いても良い。

以上で説明したように作製された二次電池を用いて作製された組電池の構造について説明する。

〔組電池の構造〕
図３は、本実施形態の組電池の側面図を示すものであり、冷却媒体を冷却体に供給し、除熱した冷却媒体を回収する部品の配置を示している。角型の電池１０１は４個あり、それぞれ面積の広い側面が対向するように配列される。電池容器１０２の上部に設置した正極外部端子と負極外部端子は直列接続になるようにケーブルで連結されている。なお、図３では、この端子間を接続するためのケーブルは省略されている。また、図３は角型電池を面積の小さい側面側からみた側面図であるため、正極外部端子と負極外部端子が同一直線上にあって重なっている。そこで、図３では、各電池１０１のそれぞれに正極外部端子１０３のみ図示した。すなわち、図１の斜視図において左上側の側面から右下の方向に見た側面図に対応している。

冷却体１１１が、２つの隣り合う電池１０１の間に挿入され、４個の角型電池からなる組電池の両端に端板１１２が設置されている。端板１１２は補強板１１７の側からボルト１３０または接着により補強板１１７を固定する。この補強板１１７は、側面の上下２か所、図３裏の側面の上下２か所、合計４個用いられている。冷却体１１１の流路１１８に沿って隔離壁１１８ａ（図４参照）および冷却体１１１の外周部の角型電池１０１の側面に接する面上と接続部１１５の周囲には、図８に示すように、例えばエチレン−プロピレンゴムなどのシール材を用いてシール１２９を凸状に形成し、冷却体１１１ならびに接続部１１５から冷却媒体が漏れないように形成する。このような冷却体を２つの角型電池１０１の間に挟むように図３のように組み上げ、両側の端板１１２側から圧力を加えて角型電池１０１と冷却体１１１とを密着させた状態で、ボルト１３０で補強板１１７と端板１１２とを結合する。ボルト１３０が貫通する補強板１１７の貫通孔は補強板の長さ方向に長い長穴となっている。

このゴムは、シリコンゴム，フッ素ゴムなどの他の材質のゴム、あるいは接着剤，エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂などのシール材を用いることができる。シール材は、冷媒と反応せず、また、冷媒に溶解せず、組電池の動作温度で変性しない材料であれば、任意の材料を用いることができる。

冷媒供給管１１３は、固定部品１３１を用いて端板１１２の側面にボルトで固定または接着する。冷媒供給管１１３は、各冷却体１１１の全てに接続部１１５の部分で連結され、冷却媒体が冷媒供給管１１３から各冷却体１１１の全てに供給される。冷媒供給管１１３への冷媒の供給は、図３には示されていない送液装置を用いることで実現される。送液装置には、循環ポンプ，マイクロポンプなどの公知の装置を用いることができる。

冷却媒体は、冷却体１１１の内部に形成される流路を通過し、電池１０１の側面より熱を奪った後に、図３下方の接続部１１５から冷媒排出管１１４へ回収される。なお、冷媒排出管１１４も、固定部品１３１を用いて端板１１２の側面にボルトで固定または接着する。冷媒供給管１１４に回収された冷媒は、図３には示されていない熱交換装置を経由させた後、送液装置を用いて再び冷媒供給管１１３に戻される。ここで、熱交換装置とは、熱交換器，ラジエータなどの公知の冷却装置を用いることができる。

このように、本実施形態では、冷媒供給管１１３が冷媒排出管１１４よりも中央部分に設置されている。これは電池１０１の発熱現象を考えたものであり、電池１０１をより効率よく冷却する構造を提供するものである。リチウムイオン電池の中央部に熱が溜まりやすく、より高温部を低温の冷媒で速やかに冷却する。外周部は外気との接触による放熱があるので、より低温になるので、中央部の熱を吸収したやや温度の高くなった冷媒で冷却する。このようにして、電池全体の温度が均一になるように、電池を冷却することが可能となる。

〔冷却体の構造〕
冷却体１１１は、図３に示すように、２つの隣り合う二次電池の間に挟まれるように設置される。この冷却体は、広い面積の側面の形状が図１に示す二次電池の電池容器の広い側面と略同一の形状である直方体の、例えばアルミニウム合金のブロックに対し、例えば削りだしによって流路となる、このアルミニウム合金ブロックを貫通する開口部を設けたものである。また、このアルミニウム合金ブロックの面積の小さい側面、すなわち図３で示されている冷却体１１１の側面には、流路に連通する管状部分１１６が削りだしにより形成されている。後述するように、この冷却体１１１の面積の広い側面が、シール材を介して二次電池容器１０２の面積の広い側面と接触するように組電池が組み立てられており、図３は角型電池と同様に、この冷却体１１１の面積の狭い側部側から見た図である。図４は冷却体１１１を面積の広い側面側から見たものであり、図５は冷却体１１１の斜視図である。上記の開口部である流路１１８とこの開口部以外の上記アルミニウム合金ブロックの残りの部分である隔離壁１１８ａの構造が示されている。なお、冷却体１１１の材質は、上記の冷却剤で腐食されないものであれば、アルミニウム合金以外の金属であってもよい。

冷却媒体は、接続部１１５から管状部分１１６を介して、流路１１８に導入される。ここで、流路１１８は上記のように、アルミニウム合金ブロックの厚み方向に貫通する開口部から構成される。これにより、流路１１８に流れる冷却媒体は、直接、電池容器に接触することになり、冷却効果を高めるとともに、双方の電池の温度差を解消する効果を有する。電池容器側面と冷却体により形成される流路１１８の寸法は、厚み方向の寸法（溝深さ）が３〜１０mm、前記側面に平行な方向の寸法（溝幅）が３〜２０mm、流路断面積が９〜２００mm²の範囲が、冷却能力を高めかつ冷却媒体を流通させるときの圧力を低く抑える点で、適している。また、前述の溝深さと溝幅が４〜８mm、前記断面積が１６〜６４mm²の範囲が、流路に気泡が滞留することを防止する上で、特に望ましい。

流路１１８は、接続部１１５から冷却体１１１の中央部に進行していることが、本実施例の冷却体１１１の特徴である。このように、低温の冷却媒体を最初に中央に導入することによって、蓄熱しやすい中央部から熱を速やかに除去することができる。

外周部は電池容器から伝達される熱量が大きいので、外周部に形成される流路は中央部に形成される流路に比較して、面積比率が大きくなるように製作することが好ましい。中央部の溝幅よりも、外周部の溝幅が大きいことが、側面の大きな電池の場合において好適である。外周部の溝幅は中央部の溝幅の１倍から１.５〜２倍にすると、さらに望ましい。

流路１１８が、冷却体１１１を貫通しているので、部分的に連結部１１９を設ける。この連結部１１９は冷却体１１１の厚さ方向に対し、中間の位置に形成し、冷却媒体がこの連結部では２つに分割されて流れるようにしている（図４（ｃ），図５参照）。その連結部１１９を通過した後は、再び冷却媒体が合流し、流路１１８に沿って流れる。

このように、本実施形態では、冷却体１１１を挟持する両方の電池容器の側面を同じ冷却媒体で直接冷却するため、効率良くかつ同じ温度の液体で冷却することになる。その結果、電池間の温度ばらつきを極めて小さくすることができる。

つまり、本実施例では、冷却体１１１は、冷却媒体の供給口（上部中央の１１５に設置）と排出口（下部外周の１１５に設置）とを有し、流路１１８は、供給口と排出口とを連通している。そして、流路１１８の供給口と排出口とは、非水電解質二次電池の一側面に形成され、供給口が排出口より中央よりに形成されている。また、流路１１８は、供給口から非水電解質二次電池の中央部方向に進路をとり、非水電解質二次電池の外周部方向に進路をかえ、排出口に至る。

図６は、本実施例の冷却媒体の供給管（または排出管）の構造を示すものであり、図３に用いた冷媒供給管１１３（または冷媒排出管１１４）である。つまり、図３における冷却体１１１の接続部１１５に圧着される面の構造を示している。

図３，図６における固定部品１３１は、図６において冷媒供給管（または冷媒排出管）１１３の裏面から手前（紙面上方向）に固定される。固定にはボルトまたは接着剤を用いることができるが、図３ではボルトを用いた例を示している。

図３，図５に示す接続部１１５は、図６の開口部１２０を覆うように密着される。接続部１１５の表面または開口部１２０の周囲にシール材を凸状に形成すると、冷却媒体が漏れずに冷媒供給管５１３から接続部３１５に冷却媒体を送り込むことができる。なお、図６の構造は、冷媒排出管１１４において同様である。つまり、供給口には、シール材を介して冷却媒体の供給管が接続され、排出口には、シール材を介して冷却媒体の排出管が接続されることになる。なお、図５に示す接続部１１５には矩形の断面を持つ管状部分１１６を設けるように示してあるが、この接続部１１５は、図５において円形の断面を持つ管状部分を備えてもよい。管状部分の断面が円形の場合は、これに合わせて図６の開口部５２０の形状も円形にすることが好ましい。

図７は、本実施例の組電池システムの構成を示すものであり、冷却媒体を循環させて非水電解質二次電池１０１を冷却するための電池システムの全体構成を示している。ここでは、非水電解質二次電池１０１を２個、その間に冷却体１１１を１個挿入した最小単位の構成のみ示しているが、多数の非水電解質二次電池１０１と冷却体１１１とを用いた組電池システムの場合も同様である。

冷却媒体は、送液装置１２２を用いて、送液管１２３を通じて、冷媒供給管１１３に供給される。送液装置１２２には、マグネットポンプ，ダイヤフラムポンプなど、任意のポンプを用いることができる。送液装置１２２は、組電池システムの制御装置１２６に組み込んだプログラムに従って、信号ケーブル１２７を介して電気信号により制御される。

次いで、冷却媒体は、冷却体１１１の接続部より流路に供給され、電池から熱を奪った後に、冷媒排出管１１４より排出される。熱を奪った冷却媒体は、送液管１２４を流れ、熱交換装置１２１にて冷却される。冷却された冷却媒体は、送液管１２５を通過して、再び、送液装置１２２に戻される。

熱交換装置１２１には、プレート形熱交換機，ラジエータなど公知の熱交換機を用いることができる。熱交換機の温度制御条件は、制御装置１２６に組み込んだプログラムに従って、信号ケーブル１２８を介して電気信号により制御される。

つまり、供給管の端部（冷媒供給管１１３）と排出管の端部（冷媒排出管１１４）とは、循環配管（送液管１２３，送液管１２４，送液管１２５）によってループ状に連結され、循環配管に冷媒循環装置（送液装置１２２）と熱交換装置１２１とが設置され、冷却媒体は、循環配管から供給管に供給され、排出管から循環配管に排出される。

ここで、更に詳細に本実施例を説明する。以下に本実施例による角型の非水電解質二次電池（リチウムイオン二次電池）の作製例を示す。

図２に示すように、正極外部端子１０３，負極外部端子１０４，注液口１０５の突起部を除く、電池容器１０２の寸法は、高さ２００mm×幅１００mm×奥行き１０mmである。この電池を１０個製作し、１０直列モジュールを組み立てる。

正極活物質には、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄を、負極活物質には天然黒鉛を用い、バインダにはいずれもポリフッ化ビニリデンを使用する。電池の定格容量は４０Ｗｈである。

次に、図３の構成になるように、冷却体１１１，冷媒供給管１１３，冷媒排出管１１４，端板１１２，補強板１１７等を取り付ける。冷却体１１１の寸法は、接続部１１５を除くと角形であり、その外径寸法は、高さ２００mm×幅１００mm×厚さ４mmとする。

流路パターンは、図４に示した形状であり、幅２０mm，深さ４mm（冷却体の厚さと同じ。）である。１８０度の流れを変える部分（以下、折り返し数と称す。）は４か所、溝と溝との間隔は１０mmとした。連結部１１９の寸法は、幅２０mm×長さ３０mm×厚さ０.５mmとした。材質はアルミニウム合金とする。なお、また、前述の流路１１８と流路１１９の幅が３〜８mm、およびその断面積が９〜６４mm²の範囲が、流路の気泡の滞留を防止する上で、特に望ましい。この場合は、図４よりも折り返し数を増やして、冷却体全体に冷却媒体を中央部から外周部に流通させることが可能であり、流路内の気泡の滞留と冷却性能を図ることができる。溝深さ４mm，溝幅５mm，溝断面積１６mm²，折り返し数１２か所，溝と溝との間隔７mmとした流路を用い、同じ温度の冷却水を等流速で供給することにより、図４の冷却体と同等の冷却能力を有していることを確認した。

シール１２９を形成したときの冷却体１１１の側面図を図８（ａ）に示す。図８（ｂ）と図８（ｃ）は、それぞれ図８（ａ）のＣ−ＣおよびＤ−Ｄでの断面を示すものである。流路１１８を取り囲むように、冷却体１１１の外周部の角型電池１０１の側面に接する面上で外周辺より内側に例えば５mm程度入った位置に、外周部の４辺をなぞるように、シール１２９を形成する。なお、その他の符号は、図４と同一である。さらに、内側に入り込んだ流路１１８の隔離壁１１８ａの角型電池１０１の側面に接する面上にも、シール１２９を形成する。シール材は、エチレン−プロピレンゴムとし、その高さは０.２mmとした。

図３の組電池を、図７の構成（組電池システム）にて充放電試験を行う。冷却媒体は、エチレングリコールとし、各冷却体１１１の１枚当たりの流量を３０cc／minとする。電池の発熱量が大きいときには、図７の制御装置１２６より送液装置１２２に信号を送り、流量を増加させることとした。電池の発熱量は電池に流す電流との関数として計測可能であり、そのデータに基づいて、制御装置１２６にその発熱量に比例した流量をプログラムとして記憶させる。

また、熱交換装置１２１にはラジエータを用い、それを通過したときの冷却媒体の温度は２５℃になるように、熱交換装置１２１に冷気を供給する。電池の発熱量が変動したときの冷却制御方法として、前述の流量を変更する方法の他に、熱交換装置１２１の熱交換量を制御する方法も採ることとしても良い。

熱電対は、図３の非水電解質二次電池１０１の側面（高さ２００mm×厚さ１０mmの側面）であって、冷媒供給管１１３の接続部１１５の近傍に固定する。

図４に示す構造の冷却体を組み込んだ、図６に示すような構造組電池システムの充放電サイクル試験を以下のようにして行った。ただし、図６では１０個の角型電池を組み込んだ組電池の一部である、２つの角型電池とこれに挟まれた１つの冷却体を示してある。

まず電池の定格容量を２時間で充電可能な電流にて充電を開始し、上限電圧（通常は４.０〜４.２Ｖの範囲にある一定値）にて定電圧充電を行った。放電は、定格容量を２時間で放電しきる電流にて放電を開始し、下限電圧（通常は２.５〜３.０Ｖ）に達するまで放電を行った。なお、上限電圧と下限電圧は電池に用いる材料の種類，量，組成などによって決定される。このように４時間で充放電を行う充放電サイクル試験を連続して行った。この充放電サイクル試験の間、本発明による組電池の冷却構造を用いて組電池を冷却した結果、全単電池の温度範囲を３５±２℃に制御することができた。

このように、本実施例を適用すれば、非水電解質二次電池からなる組電池システムの温度ばらつきを小さくすることができる。

〔比較例１〕
実施例１と同一の電池を１０個製作し、以下のように１０直列モジュールを組み立てた。

正極活物質には、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄を、負極活物質には天然黒鉛を用い、バインダにはいずれもポリフッ化ビニリデンを使用する。電池の定格容量は４０Ｗｈである。

次に、図３の構成になるように、冷却体１１１，冷媒供給管１１３，冷媒排出管１１４，端板１１２，補強板１１７等を取り付ける。冷却体１１１の寸法は、接続部１１５を除くと角形であり、その外径寸法は、高さ２００mm×幅１００mm×厚さ４mmとする。流路パターンは、図４に示した形状に類似しているが、図４の連結部（分離部）１１９を流路全体に延長した連結部１１９ａとした（図９参照）。すなわち、幅２０mm，深さ１.７５mmの溝が連結部１１９ａの両側に設けられ、それぞれの溝が冷却体１１１を挟む２つの角型電池１０１の側面に接するようにした。

図９に示す比較例は、図４あるいは図７に示す冷却体の構造の変形例であり、図８では図７と同様に用いたシール付き冷却体の構造を示すものである。前述の連結部（分離部）１１９は、図９において連結部１１９ａとして図示されている。図９に示すように、比較例では、冷却体１１１を挟む２つの角型電池１０１のそれぞれの側面に接する流路が分離された構造であり、冷却媒体が互いに混じり合わない構造とした。図９に示すような冷却体１１１を用いると、隣接する非水電解液二次電池の間で、熱交換が少なくなる。図９に示すような冷却体１１１を用いて、図７の構成（組電池システム）にて充放電試験を行う。冷却媒体には、エチレングリコールを添加した水を使用し、各冷却体の１枚当たりの流量を３０cc／minとする。

また、熱交換装置１２１には、ラジエータを用い、それを通過したときの冷却媒体の温度は２５℃になるように、熱交換装置１２１に冷気を供給する。熱電対は、図３の非水電解質二次電池１０１の側面（高さ２００mm×厚さ１０mmの側面）であって、冷媒供給管１１３の接続部１１５の近傍に固定する。

図７の組電池システムを、上記と同様の充放電サイクル試験を行った。その結果、全単電池の温度範囲が３５±４℃にばらつきが拡大した。

以上で説明したように、本発明は、複数の非水電解質二次電池を組み合わせた組電池システムであって、各種の電源として利用可能である。

なお、上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて使用しても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１０１，２０１，３０１，６０１ 非水電解質二次電池
１０２，２０２，３０２ 電池容器
１０３，２０３，３０３ 正極外部端子
１０４ 負極外部端子
１０５ 注液口
１０６ 正極
１０７ 負極
１０８ セパレータ
１０９ 正極リード線
１１０ 負極リード線
１１１ 冷却板冷却体
１１２ 端板
１１３ 冷媒供給管
１１４ 冷媒排出管
１１５ 接続部
１１７ 補強板
１１６ 管状部分
１１８ 流路
１１９，１１９ａ 連結部
１２０ 開口部
１２１ 熱交換装置
１２２ 送液装置
１２３，１２４，１２５ 送液管
１２６ 制御装置回路
１２９ シール
１３０ ボルト
１３１ 固定部品

Claims (6)

1. リチウムイオンを吸蔵・放出する正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出する負極と、非水溶媒に電解質を溶解させた非水電解液とを有し、角型の電池缶に設置された非水電解質二次電池を少なくとも２つ以上備えた組電池システムにおいて、
   前記非水電解質二次電池は、隣接する２つの角形の電池缶の面積の大きな側面が対向するように平行に配列され、
   前記隣接する２つの角型の電池缶の間に冷却体が設けられ、
   前記冷却体は、前記隣接する２つの角型の電池缶の対向する側面との間で冷却媒体の流路を形成する開口部と隔離壁とを備えることを特徴とする組電池システム。
2. 請求項１に記載の組電池システムにおいて、
   前記冷却体は、前記冷却媒体の供給口と排出口とを有し、
   前記開口部は、前記供給口と前記排出口とを連通することを特徴とする組電池システム。
3. 請求項２に記載の組電池システムにおいて、
   前記供給口と前記排出口とは、前記非水電解質二次電池の一側面に形成され、
   前記供給口が前記排出口より中央寄りに形成され、
   前記流路は、前記供給口から前記非水電解質二次電池の中央部方向に進路をとり、
   前記非水電解質二次電池の外周部方向に進路をかえ前記排出口に至ることを特徴とする組電池システム。
4. 請求項２または３に記載の組電池システムにおいて、
   前記冷却体に隣接する非水電解二次電池の側壁に対向する隔離壁の面に、前記隔離壁に沿ってシール材を設け、
   前記シール材を介して冷却体と前記隣接する非水電解二次電池が密着されることを特徴とする組電池システム。
5. 請求項４に記載の組電池システムにおいて、
   前記供給口に接続された供給管の端部と前記排出口に接続された排出管の端部とは、循環配管によってループ状に連結され、
   前記循環配管に冷媒循環装置と熱交換装置とが設置され、
   前記冷却媒体は、前記循環配管から前記供給管に供給され、前記排出管から前記循環配管に排出されることを特徴とする組電池システム。
6. 請求項５に記載の組電池システムにおいて、
   前記冷却媒体が、グリコール類と水の混合物か、またはリン酸エステル類，亜リン酸エステル類，脂肪酸エステル類のいずれかあるいはこれらの混合物を鉱油と混合した難燃性冷却媒体であることを特徴とする組電池システム。

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