JP2012043757A

JP2012043757A - 組電池装置

Info

Publication number: JP2012043757A
Application number: JP2010186672A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Nakahama; 敬文中濱; Nobumitsu Tada; 伸光田多; Takeya Kurokawa; 健也黒川; Masashi Shudo; 正志首藤; Yasuhei Koyama; 泰平小山; Akimasa Kamimura; 晃正上村; Takeo Kakuchi; 武夫覚地; Norihito Togashi; 法仁冨樫
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2030-08-23
Also published as: JP5808090B2

Abstract

【課題】コンパクトな形状を保ちかつ温度管理も容易な、単位セルを複数有する組電池装置を提供すること。
【解決手段】複数の単位セルは、おのおのが矩形の厚板状の形状を有し、互いに背面と腹面とが、または背面どうしが、または腹面どうしが対向するようにひとつの方向に並べて配置されている。また、密閉容器は、複数の単位セルの全体を囲っている。また、熱交換部材は、密閉容器の内壁面と複数の単位セルそれぞれのひとつの側面との間に設けられており、熱輸送流体を流す流路を備えた密構造になっている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、単位セルを複数有する組電池装置に関する。

ＨＥＶ（hybrid electric vehicle）、ＥＶ（electric vehicle）などの車両で使われる組電池装置は、車両内の限られた空間への配置のためコンパクトな形状を有しかつこれを適切な動作温度に保つための温度管理機能が求められる。コンパクトな形状の確保と、必要な温度管理とは、両立が難しい場合もある。例えば、空気の流れにより冷却などの温度管理を行うには、そのための空間を必要とするため、全体としてコンパクトな形状が確保されない可能性がある。また、通常は、単位セルを複数組み合わせて組電池装置を構成するため、この傾向はより顕著である。

特開２０１０−０５００００号公報特開２００９−１３４９３８号公報特開２００８−０４７３７１号公報

本発明は、コンパクトな形状を保ちかつ温度管理も容易な、単位セルを複数有する組電池装置を提供することを目的とする。

実施形態の組電池装置は、複数の単位セルと、密閉容器と、熱交換部材とを持つ。複数の単位セルは、おのおのが矩形の厚板状の形状を有し、互いに背面と腹面とが、または背面どうしが、または腹面どうしが対向するようにひとつの方向に並べて配置されている。また、密閉容器は、前記複数の単位セルの全体を囲っている。また、熱交換部材は、前記密閉容器の内壁面と前記複数の単位セルそれぞれのひとつの側面との間に設けられており、熱輸送流体を流す流路を備えた密構造になっている。

一実施形態である組電池装置の構成を示す縦断面図および横断面図。図１中に示した熱交換部材１６の構成を示す分解斜視図。別の実施形態である組電池装置の構成を示す縦断面図。

以上を踏まえ、以下では実施形態の組電池装置を図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態である組電池装置の構成を示す縦断面図（図１（ａ））および横断面図（図１（ｂ））である。図１（ｂ）は、図１（ａ）中のＡ−Ａa位置における矢視方向断面に相当している。図１（ａ）の図示における上下で、この装置の通常使用時の上下を示している。ただし、この方向の設置はひとつの好ましい使用姿勢であるものの、使用姿勢がこれに限られるわけではない。

図１に示すように、この組電池装置は、単位セル１１、バスバー１２、スペーサ１３、密閉容器１４、断熱部材層１５、熱交換部材１６、バッテリ端子取り出し用容器貫通部材１７ａ、１７ｂ、バッテリ端子１８ａ、１８ｂ、流路接続用容器貫通部材１９ａ、１９ｂ、流体供給／回収部および熱交換部２１、流体供給管２２、接続部２３、２５、流体回収管２４を有する。

単位セル１１は、複数がひとつの方向に並べて設けられている。単位セル１１のおのおのは、矩形の厚板状の形状を有し、その背面と腹面とが、または背面どうしが、または腹面どうしが対向するように並べられている。この実施形態では、これらの単位セル１１を直列に接続するように、その電極１１ｔどうしを電気的に接続するバスバー１２を設け、このバスバー１２の配置を単純にするため、単位セル１１の背面どうし、または腹面どうしが対向するように並べられている。

複数の単位セル１１の電気的接続態様（直列、並列、またはそれらの混合）やバスバー１２の配置いかんによっては、隣り合う単位セル１１どうしの対向は、背面と腹面、背面どうし、腹面どうし、いかようにもなる。

また、複数の単位セル１１のそれぞれの側面が、密閉容器１４の下側に設けられた熱交換部材１６と対向するように、単位セル１１のそれぞれは、その端子１１ｔのある面が一方のサイドに向く姿勢で配置されている。これは、熱交換部材１６との対向面積を考えると、端子１１ｔのある面の反対側の面より、側面の方が一般的に面積大であり熱交換に有利であるためである。

単位セル１１のそれぞれには、端子１１ｔが正極、負極の２端子、設けられている。これらの端子１１ｔは、バスバー１２で別の単位セル１１に電気的に接続されるか、または、この組電池装置の全体としての端子１８ａ、１８ｂに接続されている。

バスバー１２は、単位セル１１の端子１１ｔどうしを電気的に接続する部材である。単位セル１１どうしの配置の許容誤差を考慮して、図示するように、伸縮可能なばね機能を有していると、取り付けやその後のバッテリ端子１１ｔの位置に微変動が生じたときにも対応でき好ましい。

スペーサ１３は、単位セル１１どうしの間を埋めるように設けられる。スペーサ１３を設けず空間（空洞）とするより、単位セル１１と熱交換部材１６との間での熱輸送が円滑になる。また、各単位セル１１の温度偏差もより小さくできる。そのため、熱伝導率のある程度高い材質が好ましいが、単位セル１１の外面どうしを互いに電気絶縁する必要がある場合には、絶縁性の材質の部材を用いるか、または絶縁性の層を表面に有した部材を用いる。なお、単位セル１１どうしの間の寸法をごく小さく設定し、スペーサ１３を排することにしてもよい。

密閉容器１４は、少なくとも、単位セル１１の全体、および熱交換部材１６を囲うように設けられる。好ましくは、密閉容器１４の内壁面上は、断熱部材層１５とする。容器１４を密閉構造としたことにより、この容器１４内で冷却／加温のため気流を形成することは意図しない。すなわち、いわゆる空冷温機能を排し、冷却／加温はもっぱら熱交換部材１６によるように構成している。このため、熱交換部材１６も密閉容器１４内に配置される。そして、さらには、単位セル１１からみて、その熱交換が熱交換部材１６との間でほとんど完結されることを意図して、密閉容器１４の内壁面全部に断熱部材層１５を設けている。

このように断熱部材層１５を設ければ、容器１４の外側からの熱の移動もほぼ遮断されるため、組電池装置として温度管理上好ましい。ただし、そのような熱の移動があっても熱交換部材１６による熱交換が機能しなくなるわけではないので、断熱部材層１５は必須ではない。また、断熱部材層１５を容器１４の内壁全面ではなく、一部のみに設けることも考えられる。例えば、熱交換部材１６と密閉容器１４との間に少なくとも断熱部材層１５を配置するようにする。これは、熱交換部材１６を、外部との意図しない熱移動から隔離し、単位セル１１との間での熱交換に効率よく振り向けるためである。

なお、容器１４として金属などの非絶縁性の材質のものを採用し、断熱部材層１５を熱交換部材１６がある側とは反対側の容器１４の内壁面上に設けない場合にあっては、単位セル１１の外面どうしを互いに電気絶縁する必要がもしあれば、単位セル１１と容器１４の内壁面との間に、絶縁シートを介在させる。

密閉容器１４およびその内壁面上の断熱部材層１５は、例えば、図１（ｂ）に示すように、そのふたとなる側の、密閉容器ふた側１４ａおよび断熱部材層ふた側１５ａとの組み合わせで、密閉構造にすることができる。図示するように、単位セル１１の端子１１ｔに対向する側に、密閉容器ふた側１４ａおよび断熱部材層ふた側１５ａを設ければ、この組電池装置を組み立てる上で少なくとも都合がよい。

また、そのような密閉容器ふた側１４ａおよび断熱部材層ふた側１５ａの配置において、これらを取り外せるように構成すれば、端子１１ｔにアクセスが容易になることで、内部の単位セル１１のメンテナンスを行う上でも好ましくなる。密閉容器ふた側１４ａおよび断熱部材層ふた側１５ａを、密閉容器１４および断熱部材層１５との間で取り外し、固定するには、種々の公知の固定方法（例えばねじ止めなど：ねじは不図示）を用いることができる。

熱交換部材１６は、複数の単位セル１１のそれぞれの側面と対向するように、密閉容器１４内に配置されている。熱交換部材１６の内部には、熱輸送流体（例えば水）を流すための流路１６ｃが設けられており、熱伝導を良好にするため、流路１６ｃを除き密構造になっている。材質としては、例えば、アルミニウムなどの金属、またはフィラーを混ぜて熱伝導性を改善した樹脂などが挙げられる。金属などの非絶縁性の材質を採用した場合であって、単位セル１１の外面どうしを互いに電気絶縁する必要がある場合には、単位セル１１と熱交換部材１６との間に、絶縁シートを介在させる。

熱交換部材１６の流路１６ｃは、流路接続用容器貫通部材１９ａの側から、流路接続用容器貫通部材１９ｂ側へとその形状が例えばジグザグ状に連なる一筋の流路である。熱交換部材１６にこのような流路１６ｃを設けるため、この実施形態では、一例として、上側の部材１６ａと下側の部材１６ｂとを対向させた構成としている。これらの部材１６ａ、１６ｂの相互に対向されるべき面にそれぞれ溝を形成し、対向させ組み立てることで流路１６ｃとしている（図２で再度触れる）。

バッテリ端子取り出し用容器貫通部材１７ａ、１７ｂは、容器１４および断熱部材層１５を貫通して設けられた、内部にある単位セル１１の端子１１ｔからの（への）電気導通部材を引き出す（引き込む）空間を確保する部材である。この内側に電気導通部材を通すことにより、この組電池装置としての端子１８ａ、１８ｂを容器１４の外側に設けることができる。密閉容器１４が導電性の素材で構成されている場合には、これらの貫通部材１７ａ、１７ｂは、端子１８ａ、１８ｂとの電気絶縁性を確保するため、非導電性の素材のものを用いる。

バッテリ端子１８ａ、１８ｂは、それぞれ容器１４の外側に設けられた、それぞれ、この組電池装置としての正極、負極の端子である。

流路接続用容器貫通部材１９ａ、１９ｂは、容器１４および断熱部材層１５を貫通して、熱交換部材１６の流路１６ｃを延長するように設けられている。また、さらに、これらの貫通部材１９ａ、１９ｂは、容器１４の外側で、管２２、２４の端部である接続部２３、２５との接続の仲介機能を担うように設けられている。貫通部材１９ａ、１９ｂと熱交換部材の流路１６ｃとは、液体シール性が保たれるように例えばオーリング（不図示）などを介して対向している。

流体供給／回収部および熱交換部２１は、流体供給管２２および貫通部材１９ａを介して熱交換部材１６の流路１６ｃに熱輸送流体を供給し、かつ、貫通部材１９ｂおよび流体回収管２４を介して流路１６ｃからその流体を回収する。また、供給する流体と回収された流体とは一般に温度が異なるので、回収から再度供給するときに熱交換を行い、回収温度の流体を供給温度の流体に温度変化させる。

流体供給管２２は、流体供給／回収部および熱交換部２１からの流体を熱交換部材１６方へと輸送する管である。流体回収管２４は、熱交換部材１６方からの流体を流体供給／回収部および熱交換部２１へと輸送する管である。流体供給管２２、流体回収管２４は、それぞれ、その端部が接続部（フランジ）２３、２５になっており、それらを介してそれぞれ、貫通部材１９ａ、１９ｂに接続されている。

図２は、図１中に示した熱交換部材１６の構成を示す分解斜視図である。図２において、図１中に示した構成と対応するものには同一の符号を付してある。

図２に示すように、密構造の熱交換部材１６の内部に流路１６ｃを形成するには、対向する２枚の板状の部材１６ａ、１６ｂにそれぞれ、位置的に重ね合わせることができる溝１６ｃａ、１６ｃｂを設け、部材１６ａ、１６ｂを互いに対向させるように組み立てればよい。このような溝１６ｃａ、１６ｃｂを形成するには、溝削り出し加工や、金型を用いた鋳造や射出成型などを用いることができる。２枚の部材１６ａ、１６ｂを対向させ組み合わせたときの溝１６ｃの液体シール性を確保するためには、例えば、あらかじめ、溝１６ｃａ（または１６ｃｂ）を挟むようにパッキン部材（不図示）を位置させるように部材１６ａ（または１６ｂ）を構成すればよい。

熱交換部材１６の以上の構成は、一例である。組み合わせる部材をもっと多数とし、例えば、流路１６ｃが進行する方向に細分化された部材の組み合わせとすることもできる。このようにユニット化すれば、単位セル１１の配置数に応じて熱交換部材１６の長手方向寸法を加減することができる。

以上説明した実施形態の組電池装置によれば、これに気流を流すための大きな空間やダクトが必要なくなり、全体としてコンパクトな形状の組電池装置になる。また、単位セル１１との熱交換を熱交換部材１６との間で集中的に、またはそこまで行かなくとも主として、行わせるように構成しているので、温度管理が容易になる。例えば、各単位セル１１の温度不均一性をより軽減するように、熱交換部材１６の流路１６ｃの構成を改良する（例えば配置密度や断面積を流路の進行方向に向かって変動させる）ことも容易である。

断熱部材層１５が容器１４の内壁面の全面に設けられている場合には、冷却水の供給が止まっても、熱交換部材１６の熱容量と外部との断熱とにより、しばらくは、各単位セル１１を冷却する効果が継続する。これは、ＥＶなどで走行から停止に移行したときの状態として想定されるので、そのような使用にも適していると言える。

また、流体供給／回収部および熱交換部２１は、冷却用の流体を供給するだけでなく、場合によっては、加温用の流体を供給するようにしてもよい。これは、２次電池の組電池装置は、一般に、低温では内部抵抗が大きくなり出力として取り出せる電力が低下するためである。そこで、例えば、外気温が低温過ぎる場合などは、加温用の流体を供給して各単位セル１１を適温にする。

次に、別の実施形態である組電池装置について図３を参照して説明する。図３は、別の実施形態である組電池装置の構成を示す縦断面図である。図３において、すでに説明した図中に示した構成要素と同一のものには同一符号を付してある。その部分については説明を省略する。また、横断面図の図示は、図１での図示を参照することができるので省略する。

この組電池装置は、新たに弾性部材層３１が、熱交換部材１６と複数の単位セル１１を介して対向するように、密閉容器１４の内壁面と複数の単位セル１１それぞれのひとつの側面との間に設けられている点が、図１に示した組電池装置と異なる点である。このような弾性部材層３１を設けることで、単位セル１１と熱交換部材１６との密着性を増して熱的接続状態を向上させ（すなわち熱抵抗を下げ）、単位セル１１と熱交換部材１６との間の熱移動を円滑にしている。

弾性部材層３１としては、例えば、ゴム材料層に、導熱用のアルミニウムの蒸着層を積層したものを使用できる。単位セル１１の外面どうしを互いに電気絶縁する必要がある場合には、単位セル１１の側の表面には、絶縁性の材料層をさらに積層する。弾性部材層３１が良導熱性をも有することで、単位セル１１どうしでの熱の移動がさらに円滑になるため、その温度均一化を図る効果が高まる。

なお、単位セル１１と熱交換部材１６との熱的接続状態をさらに向上させ熱抵抗を下げるためには、単位セル１１それぞれの側面と熱交換部材１６との間に、新たに伝熱グリースなどの良熱伝導体の層を設けると好ましい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…単位セル、１１ｔ…単位セル端子、１２…バスバー、１３…スペーサ、１４…密閉容器、１４ａ…密閉容器ふた側、１５…断熱部材層、１５ａ…断熱部材層ふた側、１６…熱交換部材、１６ａ…熱交換部材（上側）、１６ｂ…熱交換部材（下側）、１６ｃ…流路、１６ｃａ…上側部材溝、１６ｃｂ…下側部材溝、１７ａ，１７ｂ…バッテリ端子取り出し用容器貫通部材、１８ａ，１８ｂ…バッテリ端子、１９ａ，１９ｂ…流路接続用容器貫通部材、２１…流体供給／回収部および熱交換部、２２…流体供給管、２３，２５…接続部（フランジ）、２４…流体回収管、３１…弾性部材層。

Claims

おのおのが矩形の厚板状の形状を有し、互いに背面と腹面とが、または背面どうしが、または腹面どうしが対向するようにひとつの方向に並べて配置された複数の単位セルと、
前記複数の単位セルの全体を囲う密閉容器と、
前記密閉容器の内壁面と前記複数の単位セルそれぞれのひとつの側面との間に設けられた、熱輸送流体を流す流路を備えた密構造の熱交換部材と
を具備することを特徴とする組電池装置。
前記密閉容器の内壁面上に設けられた断熱部材層をさらに具備し、
前記熱交換部材が、前記断熱部材層と前記複数の単位セルそれぞれのひとつの側面との間に設けられていること
を特徴とする請求項１記載の組電池装置。
前記熱交換部材と前記複数の単位セルを介して対向するように、前記密閉容器の内壁面と前記複数の単位セルそれぞれのひとつの側面との間に設けられた弾性部材層をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の組電池装置。
前記熱交換部材の前記流路につながるように前記密閉容器の外側に設けられた流体供給部をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の組電池装置。