JP2012094312A - 組電池、及び、セパレーター - Google Patents

Abstract

【課題】電池を並列でモジュール化する場合であっても、電池の冷却性能を低下させることがない組電池、及び、セパレーターを提供する。
【解決手段】冷却プレート１２の熱交換面２２上で絶縁性を有するセパレーター２０を間に挟んで複数の電池１０を前後に配列し、これら電池列の前後及び左右に保持プレート８５（８６）を宛がい、保持プレート８５（８６）同士を締結して各電池１０を保持し、前記セパレーター２０が複数の電池１０を一体に並列に保持可能に各々独立した電池収納部３７を横並びに備えた。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数の電池を配列した組電池、及び、その組電池を構成する電池と電池の間に介装されるセパレーターに関する。

従来複数の電池を配列した組電池を備えるバッテリー装置が知られている。
この種のバッテリー装置では、組電池を構成するに際し、電池と電池の間に絶縁体からなる例えば樹脂製のセパレーターを配置し、このセパレーターを電池間に挟んだ状態で、保持プレートを左右、前後から宛がって、各保持プレート同士を結合することで、電池を保持して組み電池が構成されている（例えば、特許文献１参照）。
例えば、図７に示すように、従来のセパレーター１００は、電池１０１のエッジを包み込むように覆い、その伝熱性能を向上するため、電池底面の接触面積を大きく開口しており、熱抵抗を少なくするため、厚みを薄く形成している。上記開口には伝熱シート１０２を挟み、冷却プレート１０３の上に固定して組電池が構成されている。

特開平９−２１９１８１号公報

しかしながら、従来の構成では、電池１０１を並列でモジュール化する場合、単独のセパレーター１００に、それぞれ電池１０１を保持して、これらを並列に例えば冷却プレート１０３上に配列しているため、保持プレート（不図示）を左右、前後から宛がい、各保持プレート同士を結合するときに、横並びの電池１０１，１０１の両端部に矢印方向Ａへの荷重が作用し、並列配置の電池１０１の隣接する側縁部同士が盛り上がる現象が発生し、冷却プレート１０３との間に図示のように隙間δが生じ、その部分の電池１０１の冷却性能が悪化するという問題があった。
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、電池を並列でモジュール化する場合であっても、電池の冷却性能を低下させることがない組電池、及び、セパレーターを提供することにある。

本発明は、冷却プレートの冷却面上で絶縁性を有するセパレーターを間に挟んで複数の電池を前後に配列し、これら電池列の前後及び左右に保持プレートを宛がい、保持プレート同士を締結して各電池を保持し、前記セパレーターが複数の電池を一体に並列に保持可能に各々独立した電池収納部を横並びに備えたことを特徴とする。
本発明では、セパレーターが複数の電池を一体に並列に保持可能に各々独立した電池収納部を横並びに備えたため、各電池を電池収納部に装着することで、複数の電池がセパレーターで横並びに一体化される。セパレーターで一体化された電池が、前後方向に配列され、これら電池列の前後及び左右に保持プレートが宛がわれ、保持プレート同士が締結されて各電池が保持される。この際に、横並びの電池の両端部に例えば図７に示す矢印方向Ａへの荷重が作用しても、各電池がセパレーターで一体化されるため、並列の電池の隣接する側縁部同士の盛り上がり現象が抑制され、冷却プレートとの間に隙間δが生じることがなく、電池の冷却性能の悪化が抑制される。

前記セパレーターは、複数の電池の各上面を保持する上面保持部と、各下面を保持する下面保持部と、左右に隣接する電池の間に延在する第１絶縁部と、両端の側面を保持する一対の側面保持部と、前後に隣接する電池の間に延在する第２絶縁部とを備え、前記電池収納部は、前記第１絶縁部を挟んで両側に配置されていてもよい。
前記複数の保持部のうち前記冷却面側に位置する保持部に、前記冷却面側の面の一対の隅部を残して、当該電池の前記冷却面側の面を露出させるように切り欠き部を形成し、この切り欠き部を通して前記冷却面に熱伝導シートを当接し、この熱伝導シートに前記冷却プレートを当接してもよい。
これらの構成によれば、切り欠き部を通して電池の冷却面に、セパレーターを介在させることなく直接熱伝導シートを当接させることができるため、熱伝導シートを介して、電池列と冷却プレートとの間で効率よく熱交換を行うことができ、組電池の冷却効率を向上することができる。

前記絶縁部を平板状に形成し、前記絶縁部の前記冷却面側の端部と、各電池の冷却面側の面とを同一平面としてもよい。
この構成によれば、前記絶縁部の前記冷却面側の端部と、各電池の冷却面側の面とを同一平面とすることにより、電池の冷却面が平面状となり、熱伝導シートを電池の冷却面にむら無く均一に当接することができ、電池と冷却プレートとの間で効率よく熱交換を行うことができ、電池の冷却効率を向上することができる。
前記冷却プレートによって前記熱伝導シートを前記電池の前記冷却面に向かって押圧した状態を維持する構成としてもよい。
この構成では、冷却プレートによって熱伝導シートを電池の冷却面に押圧することにより、電池の冷却面に確実に熱伝導シートを当接できる。

冷却プレートの冷却面上に固定される組電池を構成する複数の電池間に介装される絶縁性を有するセパレーターであって、複数の電池を一体に並列に保持可能に各々独立した電池収納部を横並びに備えてもよい。
このセパレーターを用いた組電池では、横並びの電池の両端部に例えば図７に示す矢印方向への荷重が作用しても、各電池がセパレーターで一体化されるため、並列の電池の隣接する側縁部同士の盛り上がり現象が抑制され、冷却プレートとの間に隙間δが生じることがなく、電池の冷却性能の悪化が抑制される。

本発明によれば、組電池の組み付け時に、保持プレート同士の締結に起因して、横並びの電池の両端部に冷却プレート側へ押圧する荷重が作用したとしても、各電池がセパレーターで一体化されているため、並列の電池の隣接する側縁部同士の盛り上がり現象が抑制され、冷却プレートとの間に隙間が生じることがなく、冷却プレートを用いて効率よく組電池を冷却することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るバッテリーシステム１の構成を模式的に示す図である。
本実施形態に係るバッテリーシステム１は、電動機を駆動源としたハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される車載用のバッテリーシステムである。図１に示すように、バッテリーシステム１は、複数の角形電池１０が配列されて構成された組電池１１と、この組電池１１を冷却するための冷却プレート１２と、を備えており、これら組電池１１と、冷却プレート１２とによって電池冷却ユニット１３が構成されている。冷却プレート１２には、冷媒配管１５を介して、圧縮機１６、凝縮器１７及び減圧器１８が接続されており、これら機器によって冷凍サイクル１９が構成されている。

図２は、電池冷却ユニット１３の斜視図であり、図３は、図２の電池冷却ユニット１３の内部を示す斜視図である。図４は、図２の状態の電池冷却ユニット１３を正面から見た図であり、図５は、後述するセパレーター２０を示す斜視図である。なお、以下の説明において、前後、上下、左右は、図２に示す前後、上下、左右を基準とするものとする。
図２に示すように、電池冷却ユニット１３は、冷却プレート１２と、この冷却プレート１２に載置された状態で固定され、冷却プレート１２によって冷却される組電池１１とを備えている。図２に示す例では、１つの冷却プレート１２の上に、左右２列の角形電池１０が前後に多数配列され、いわば２列の組電池１１が構成され、左右には保持プレート８５，８５が宛がわれ、その前後には保持プレート８６，８６が宛われ、各保持プレート８５，８６同士をボルト（固定具）８７で締結して構成されている。そして、冷却プレート１２は下面に横長の凹所８８を備え、冷却プレート１２と、保持プレート８５，８６とが、凹所８８を貫通するボルト９０により結合されている。

冷却プレート１２は薄板状に形成されており、図３からも明らかなように、組電池１１が載置される側の面に熱交換面２２が形成されている。冷却プレート１２として、例えば、冷媒が流通するチューブ（不図示）が複数前後方向に沿って平行に配列された扁平多穴型（マイクロチャネル型）の冷却プレートを好適に用いることができる。このような扁平多穴型（マイクロチャネル型）の冷却プレートを用いれば、熱交換面２２の面積を広くとった場合でも、冷却プレート１２の厚みを薄くすることができ、電池冷却ユニット１３のコンパクト化を図ることができる。

組電池１１は、図２乃至図４に示すように、複数の角形電池１０が前後方向に並んで配列されて構成されており、互いに前後に隣接する角形電池１０の間にはセパレーター２０が設けられている。図５は、セパレーター２０の斜視図である。セパレーター２０は、組電池１１において、互いに隣接する角形電池１０を電気的に絶縁するための部材であり、例えば樹脂材料によって形成されている。
このセパレーター２０は、図５に示すように、互いに左右に隣接する２列の角形電池１０を一体的に保持可能となっており、角形電池１０の各上面を保持する上面保持部３１と、各下面を保持する下面保持部３５と、左右に隣接する電池の間に延在する第１絶縁部３４Ａと、両端の側面を保持する一対の側面保持部３４Ｂ，３４Ｂと、前後に隣接する電池の間に延在する第２絶縁部３０とを備え、第１絶縁部３４Ａを挟んで両側に空間部（電池収納部）２０Ａ，２０Ｂが配置されている。

第２絶縁部３０の形状は、角形電池１０の対向面２６（図３参照。）の形状と略同一とされ、セパレーター２０と角形電池１０とを組み合わせて組電池１１を構成する際、第２絶縁部３０の全域に角形電池１０の対向面２６の全域が当接する。第２絶縁部３０の上端３０ｕには、角形電池１０の上面保持部３１が設けられている。この上面保持部３１は、セパレーター２０と角形電池１０を組み合わせて組電池１１を構成した際に、角形電池１０の上面２４を保持し、角形電池１０の上方へ向かう移動を規制し、角形電池１０の上下方向に対する位置決めを行う。上面保持部３１には、角形電池１０の端子２３を吐出させるための端子切り欠き部３２が形成されている。
また、左右の第２絶縁部３０の中央には第１絶縁部３４Ａが設けられ、第２絶縁部３０の左右端には一対の側面保持部３４Ｂ、３４Ｂが設けられている。上面保持部３１の左右方向における端部と、側面保持部３４Ｂ、３４Ｂの上端部とは連結されており、上面保持部３１及び側面保持部３４Ｂ、３４Ｂは、一体的に形成されている。
この側面保持部３４Ｂ、３４Ｂは、セパレーター２０と角形電池１０を組み合わせて組電池１１を構成した際に、角形電池１０の一対の側面２７、２７（図３参照。）のそれぞれを保持し、角形電池１０の左右方向へ向かう移動を規制し、角形電池１０の左右方向に対する位置決めを行う。

第２絶縁部３０の下端３０ｄ側には、角形電池１０の下面保持部３５が設けられている。この下面保持部３５は、第１絶縁部３４Ａ、及び側面保持部３４Ｂ、３４Ｂの下端に連結され、第１絶縁部３４Ａ、及び側面保持部３４Ｂ、３４Ｂの下端から、それぞれ内側に向かってわずかに延出して構成されている。この下面保持部３５は、セパレーター２０と角形電池１０を組み合わせて組電池１１を構成した際に、角形電池１０の下面２５（図３参照。）を保持し、角形電池１０の下方へ向かう移動を規制し、角形電池１０の上下方向に対する位置決めを行う。図５に示すように、下面保持部３５には、左右方向に大きく切り欠かれた切り欠き部３６が形成されている。角形電池１０とセパレーター２０とを組み合わせて組電池１１を構成した場合、下面保持部３５は、角形電池１０の下面２５の一対の隅部３８（図４、及び図６参照。）を残した状態で、切り欠き部３６により角形電池１０の下面２５の大部分が露出する。この切り欠き部３６には、後述する熱伝導シート４０が嵌合し、組電池１１の冷却側の面である冷却面４１は、この熱伝導シート４０を介して、冷却プレート１２に固定されている。

組電池１１を構成する角形電池１０のそれぞれは、図３に示すように、前後方向の幅よりも左右方向の幅が広い直方体形状をしており、端子２３が設けられた上面２４、この上面２４の反対側に位置する下面２５、前後方向の面である一対の対向面２６、２６、及び、左右方向の面である一対の側面２７、２７がそれぞれ形成されている。本実施形態に係る角形電池１０は、図示は省略したが、その内部に正極及び負極をセパレーターを介して巻回した発電要素を含む非水電解質二次電池を、アルミニウム又はアルミニウム合金製の角型平板状のケースに収納して構成されている。非水電解質二次電池には、例えば、リチウムイオン二次電池等が好適に用いられる。

上述した角形電池１０とセパレーター２０は、以下のように組み合わされて組電池１１を構成する。すなわち、図６を参照して、セパレーター２０の第１絶縁部３４Ａを挟んだ両側の電池収納部２０Ａ，２０Ｂに、それぞれ単独で角形電池１０が装着される。
この角形電池１０は、第２絶縁部３０によって、前後に隣接する他の角形電池１０との間で電気的に絶縁された上で、第１絶縁部３４Ａ、上面保持部３１、下面保持部３５、及び、側面保持部３４Ｂ、３４Ｂにより電池収納部３７における位置決めがされ、電池収納部３７内で保持される。
上述したように、本実施形態に係るバッテリーシステム１は、車両に適用されるものであるが、車両の走行に伴って振動が発生した場合であっても、第１絶縁部３４Ａ、上面保持部３１、下面保持部３５、及び、側面保持部３４Ｂ、３４Ｂにより、電池収納部３７に収納された角形電池１０が保持される。このため振動があっても角形電池１０が組電池１１から外れることがない。
各角形電池１０をセパレーター２０に保持した後、図２に示すように、１つの冷却プレート１２の熱交換面２２上に、左右２列の角形電池１０が前後に多数配列され、いわば２列の組電池１１が構成され、左右には保持プレート８５，８５が宛がわれ、前後には保持プレート８６，８６が宛われ、保持プレート８５，８６同士をボルト８７で締結して、組電池１１としての形状が維持される。

図４を参照して、組電池１１の下面には、冷却プレート１２の熱交換面２２と対向する冷却面４１が形成される。組電池１１の冷却面４１の露出部分には、熱伝導シート４０の上面が当接され、この熱伝導シート４０は、組電池１１と、冷却プレート１２との間に介在し、組電池１１と冷却プレート１２を電気的に絶縁した上で、組電池１１及び冷却プレート１２間の熱交換を媒介するシートである。この目的のため、熱伝導シート４０は、絶縁性を有し、かつ、高い熱伝導性を有する材料によって形成されている。
また、本実施形態に係る熱伝導シート４０は、弾性を有し、組電池１１と、冷却プレート１２との間に介在する際には、冷却プレート１２の押圧によって弾性変形した状態で、冷却面４１に押しつけられた状態となって介装される。
特に、本実施形態では、組電池１１の冷却面４１が平面であるため、押圧された熱伝導シート４０は、冷却面４１を構成する角形電池１０のそれぞれの下面２５に均一に当接する。これにより、角形電池１０のそれぞれの下面２５を均一にまんべんなく冷却することができ、角形電池１０のそれぞれの冷却効率を向上することができ、ひいては、組電池１１の冷却効率を向上することができる。
組電池１１の冷却時には、図１を参照し、冷凍サイクル１９内を冷媒が循環することによって、冷却プレート１２が冷却用の熱交換器として機能し、冷却プレート１２と組電池１１との間で熱交換が行われて組電池１１が冷却される。

本実施形態に係るバッテリーシステム１は、車両に搭載されるバッテリーシステムであるが、車両の走行に伴って発生する振動に起因して、冷却プレート１２に破損が生じた場合であっても、組電池１１の冷却面４１と冷却プレート１２の熱交換面２２とが物理的に乖離された状態が維持され、確実に組電池１１と冷却プレート１２とが電気的に絶縁されることが求められる。これを踏まえ、本実施形態では、冷却プレート１２に組電池１１が載置、固定された場合、下面保持部３５により組電池１１の冷却面４１と冷却プレート１２の熱交換面２２とが物理的に離れた状態となっており、冷却プレート１２に破損が生じた場合であっても、この状態が維持される構成となっている。このため、冷却プレート１２に破損が生じた場合であっても、組電池１１と冷却プレート１２との電気的な絶縁状態を確実に維持することができる。
つまり、セパレーター２０の下面保持部３５は、角形電池１０の一対の隅部３８を残した状態で切り欠いて形成された切り欠き部３６を備えており、これにより、組電池１１の冷却効率の向上、及び、組電池１１と冷却プレート１２との間における絶縁性の維持、の双方を実現している。

本実施形態に係るセパレーター２０は、複数の角形電池１０を一体に並列に保持可能に各々独立した電池収納部３７を横並びに備えたため、各角形電池１０を電池収納部３７に装着することで、複数の角形電池１０がセパレーター２０で横並びに一体化される。セパレーター２０で一体化された角形電池１０が、前後方向に配列され、これら電池列の前後及び左右に保持プレート８５，８６が宛がわれ、保持プレート８５，８６同士が締結されて各角形電池１０が保持される。この構成によれば、横並びの角形電池１０の両端部に、例えば図６に示す矢印方向Ａへの荷重が作用しても、各角形電池１０がセパレーター２０で一体化されるため、並列の角形電池１０の隣接する側縁部同士の盛り上がり現象が抑制され、冷却プレート１２との間に隙間δ（図７参照。）が生じることがなく、角形電池１０の冷却性能の悪化が抑制される。

このセパレーター２０は、複数の角形電池１０を一体に横に並列に保持するため、セパレーター２０に対し、上下左右から荷重がかかっても、セパレーター２０の変形が少なくなり、しかも角形電池１０を横に並列に保持可能にしているため、図４を参照し、第１絶縁部３４Ａの下端の下面保持部３５Ａの幅が、左右の下面保持部３５Ｂの幅に対し２倍の幅になり、下面保持部３５Ｂの剛性が高くなる。
本実施の形態によれば、切り欠き部３６を通して組電池１１の冷却面４１に、セパレーター２０を介在させることなく直接熱伝導シート４０を当接させることができるため、熱伝導シート４０を介して、組電池１１と冷却プレート１２との間で効率よく熱交換を行うことができ、組電池１１の冷却効率を向上することができる。

また、図５に示すように、セパレーター２０の第２絶縁部３０を平板状に形成し、第２絶縁部３０の冷却面４１側の下端３０ｄ（端部）と、各角形電池１０の下面２５とを同一平面とした。これによれば、第２絶縁部３０の下端３０ｄと、角形電池１０の下面２５とを同一平面とすることにより、組電池１１の冷却面４１が平面となり、熱伝導シート４０を組電池１１の冷却面４１に均一に当接することができ、組電池１１と冷却プレート１２との間で効率よく熱交換を行うことができる。
また、本実施形態では、熱伝導シート４０は弾性を有する部材であり、冷却プレート１２によって、熱伝導シート４０を組電池１１の冷却面４１に押しつけ、熱伝導シート４０を弾性変形させた状態を維持する。これによれば、冷却プレート１２によって弾性を有する熱伝導シート４０を組電池１１の冷却面４１に押圧することにより、組電池１１の冷却面４１により確実、かつ、均一に熱伝導シート４０を当接させることができる。また、角形電池１０における端子２３が設けられた上面２４と反対側の面である下面２５が、組電池１１における冷却面４１側の面となっている。これによれば、端子２３が設けられた上面２４と反対側に存在する下面２５側から角形電池１０が冷却されることとなり、角形電池１０全体を効率よく向上させることができる。

上述した実施の形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。
上述した実施形態では、セパレーター２０は、２つの角形電池１０を一体に並列に保持可能に各々独立した２つの電池収納部３７を横並びに備えているが、３つ以上の角形電池１０を一体に並列に保持可能に各々独立した３つの電池収納部３７を横並びに備える構成としてもよい。また、図１に示すように、１つの冷却プレート１２の上に、２つの組電池１１が載置された状態で固定されているが、冷却プレート１２における組電池１１の位置や、組電池１１の個数、組電池１１が備える角形電池１０の個数は、電池冷却ユニット１３が設置される状況等に応じて任意に変更可能である。
また、冷却プレート１２は、蒸発器として機能することにより、組電池１１を冷却していたが、これに限らず、冷却プレート１２内を冷却水が循環するようにし、この冷却水の作用によって組電池１１を冷却するようにしてもよい。

一実施形態に係るバッテリーシステムの構成を示す図である。 電池冷却ユニットの斜視図である。 組電池と冷却プレートとを分解した状態を示す斜視図である。 図２の電池冷却ユニットを正面から見た図である。 セパレーターの斜視図である。 組電池を模式的に示す正面図である。 従来の組電池を模式的に示す正面図である。

１ バッテリーシステム
１０ 角形電池
１１ 組電池
１２ 冷却プレート
２０ セパレーター
２４ 上面
２５ 下面
３０ 第２絶縁部
３０ｄ 下端（端部）
３１ 上面保持部
３４Ａ 第１絶縁部
３４Ｂ 側面保持部
３５ 下面保持部
３６ 切り欠き部
３７ 電池収納部
４０ 熱伝導シート
４１ 冷却面
８５，８６ 保持プレート

Claims (6)

1. 冷却プレートの熱交換面上で絶縁性を有するセパレーターを間に挟んで複数の電池を前後に配列し、これら電池列の前後及び左右に保持プレートを宛がい、保持プレート同士を締結して各電池を保持し、前記セパレーターが複数の電池を一体に並列に保持可能に各々独立した電池収納部を横並びに備えたことを特徴とする組電池。
2. 前記セパレーターは、複数の電池の各上面を保持する上面保持部と、各下面を保持する下面保持部と、左右に隣接する電池の間に延在する第１絶縁部と、両端の側面を保持する一対の側面保持部と、前後に隣接する電池の間に延在する第２絶縁部とを備え、前記電池収納部は、前記第１絶縁部を挟んで両側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
3. 前記複数の保持部のうち前記冷却面側に位置する保持部に、前記冷却面側の面の一対の隅部を残して、当該電池の前記冷却面側の面を露出させるように切り欠き部を形成し、この切り欠き部を通して前記冷却面に熱伝導シートを当接し、この熱伝導シートに前記冷却プレートを当接したことを特徴とする請求項２に記載の組電池。
4. 前記絶縁部を平板状に形成し、前記絶縁部の前記冷却面側の端部と、各電池の冷却面側の面とを同一平面としたことを特徴とする請求項２又は３に記載の組電池。
5. 前記冷却プレートによって前記熱伝導シートを前記電池の前記冷却面に向かって押圧した状態を維持することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の組電池。
6. 冷却プレートの冷却面上に固定される組電池を構成する複数の電池の間に介装される絶縁性を有するセパレーターであって、複数の電池を一体に並列に保持可能に各々独立した電池収納部を横並びに備えたことを特徴とするセパレーター。