JP2012160338A - Battery module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数個の電池が接続された電池モジュールに関する。 The present invention relates to a battery module in which a plurality of batteries are connected.
一般に、電池(単セル)の起電力は低く、起電力が高いといわれるリチウムイオン電池においても4V程度である。そのため、より高い電圧が必要な場合には、複数個の電池を直列接続してモジュール化することが行われている。このように複数個の電池をモジュール化する場合、各電池の電極間の接続には板状の金属部材が用いられることがある。 Generally, the electromotive force of a battery (single cell) is low, and it is about 4 V even in a lithium ion battery that is said to have a high electromotive force. Therefore, when a higher voltage is required, a plurality of batteries are connected in series and modularized. When a plurality of batteries are modularized as described above, a plate-shaped metal member may be used for connection between the electrodes of each battery.
例えば、金属部材が絶縁性基材に内蔵されている金属部材内蔵基板によって複数個の電池を接続した電池パックが考案されている(特許文献1参照)。 For example, a battery pack in which a plurality of batteries are connected by a metal member built-in substrate in which a metal member is built in an insulating base material has been devised (see Patent Document 1).
ところで、電池は充放電時に発熱することがある。特に複数の電池をモジュール化した場合、その発熱量が多くなる。そのため、適切な放熱がなされないと、電池の過度の昇温、電池モジュール内の各電池の温度のばらつき、電池内における温度分布の不均一、などの現象が生じる。これらの現象は、電池性能の低下やばらつきをもたらし、電池寿命を短くする。 By the way, the battery may generate heat during charging and discharging. In particular, when a plurality of batteries are modularized, the amount of heat generated increases. Therefore, if appropriate heat dissipation is not performed, phenomena such as excessive temperature rise of the battery, temperature variation of each battery in the battery module, and uneven temperature distribution in the battery occur. These phenomena bring about a decrease and variation in battery performance, and shorten the battery life.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電池モジュールの性能低下を抑制する技術を提供することにある。 This invention is made | formed in view of such a condition, The place made into the objective is to provide the technique which suppresses the performance degradation of a battery module.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電池モジュールは、電極体と、電極体が収容された筐体と、筐体の外部に設けられ、電極体に電気的に接続されている外部端子とをそれぞれ有し、互いに配列された複数の電池と、基材と、外部端子が接続されている配線層とを有する回路基板と、複数の電池の、外部端子と反対側の領域を支持する放熱部材と、基材と放熱部材との間の熱の移動を容易にする伝熱機構と、を備える。 In order to solve the above problems, a battery module according to an aspect of the present invention is provided with an electrode body, a housing in which the electrode body is accommodated, an outside of the housing, and is electrically connected to the electrode body. A plurality of batteries each having an external terminal, a circuit board having a plurality of batteries arranged with each other, a base material, and a wiring layer to which the external terminals are connected; and a region of the plurality of batteries on the side opposite to the external terminals. A heat radiating member to be supported, and a heat transfer mechanism that facilitates heat transfer between the base material and the heat radiating member.
この態様によると、電池は基材と放熱部材との間に配置されており、電池の熱は基材と放熱部材を介して放熱される。また、電池内の発熱が不均一であり、電池の熱を吸収した基材と放熱部材との温度が異なるような場合であっても、伝熱機構により基材と放熱部材との間の熱の移動が可能なため、電池の温度を均一化できる。 According to this aspect, the battery is disposed between the base material and the heat dissipation member, and the heat of the battery is dissipated through the base material and the heat dissipation member. Further, even when the heat generation in the battery is uneven and the temperature of the base material that absorbed the heat of the battery and the temperature of the heat dissipation member are different, the heat between the base material and the heat dissipation member is reduced by the heat transfer mechanism. Therefore, the temperature of the battery can be made uniform.
伝熱機構は、基材と放熱部材とを接続する金属部材を有してもよい。 The heat transfer mechanism may include a metal member that connects the base material and the heat dissipation member.
伝熱機構は、外部との熱の授受を行う熱媒体が流れる伝熱流路を有してもよい。 The heat transfer mechanism may have a heat transfer channel through which a heat medium that exchanges heat with the outside flows.
伝熱流路は、基材または放熱部材の少なくともいずれかと熱交換できるように構成されていてもよい。 The heat transfer channel may be configured to be able to exchange heat with at least one of the base material and the heat radiating member.
放熱部材は、外部との熱の授受を行う熱媒体が流れる放熱流路を有してもよい。 The heat dissipating member may have a heat dissipating flow path through which a heat medium that exchanges heat with the outside flows.
電池モジュールの温度を検出する温度検出部と、温度に応じて熱媒体の温度を制御する制御機構と、を更に備えてもよい。 You may further provide the temperature detection part which detects the temperature of a battery module, and the control mechanism which controls the temperature of a thermal medium according to temperature.
制御機構は、電池モジュールの温度が所定の閾値よりも高い場合に熱媒体を冷却する冷却装置を有してもよい。 The control mechanism may include a cooling device that cools the heat medium when the temperature of the battery module is higher than a predetermined threshold.
制御機構は、電池モジュールの温度が所定の閾値よりも低い場合に熱媒体を加熱する加熱装置を有してもよい。 The control mechanism may include a heating device that heats the heat medium when the temperature of the battery module is lower than a predetermined threshold.
本発明によれば、電池モジュールの性能低下を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress the performance degradation of the battery module.
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate.
(第1の実施の形態)
[電池モジュール]
図1は、第1の実施の形態に係る電池モジュールの概略構成を示す模式図である。電池モジュール10は、互いに離間して配列されている複数の電池(単セル)30と、複数の電池の外部端子同士(正極端子50および負極端子60)を電気的に接続する回路基板12と、複数の電池30の、外部端子と反対側の底部(下部)領域を支持する放熱部材14と、回路基板12と放熱部材14との間の熱の移動を容易にする伝熱機構16と、を備える。
(First embodiment)
[Battery module]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the battery module according to the first embodiment. The
[回路基板]
回路基板12は、金属基板18、絶縁樹脂層20および配線層22を有する。本実施の形態では、金属基板18と絶縁樹脂層20とで基材21を構成する。
[Circuit board]
The
金属基板18は、絶縁樹脂層20の一方の主表面に配置されている。金属基板18は、熱伝導性に優れたAl、Cuなどの金属を平板状にした部材であり、回路基板12の放熱性を高める。
The
絶縁樹脂層20は、回路基板12の基材21の一部であり、例えば、BTレジン等のメラミン誘導体、液晶ポリマー、エポキシ樹脂、PPE樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドビスマレイミド等の熱硬化性樹脂が例示される。回路基板12の放熱性向上の観点から、絶縁樹脂層20は高熱伝導性を有することが望ましい。このため、絶縁樹脂層20は、銀、ビスマス、銅、アルミニウム、マグネシウム、錫、亜鉛およびこれらの合金などを高熱伝導性フィラーとして含有することが好ましい。
The
配線層22は、絶縁樹脂層20の他方の主表面に所定パターンをなして形成されている。本実施の形態の配線層22は銅で形成されている。
The
回路基板12の一方の主表面には、電子部品(不図示)が搭載されている。電子部品は、ICなどの半導体素子や、抵抗、コンデンサなどの受動素子からなる。電子部品は、電池30の電圧や温度を監視し、電池30の接続状態を制御する回路部を構成する。より具体的には、回路部は、各電池30の電圧や温度を監視し、電圧や温度が異常を示した場合に、当該電池30のみ、または当該電池30を含む複数の電池の接続を遮断する機能等を備えている。
Electronic components (not shown) are mounted on one main surface of the
また、回路基板12の一方の主表面には、電池30が接続されている。具体的には、電池30の外部端子(正極端子50および負極端子60)と回路基板12の配線層22とが接続されている。
A
伝熱機構16は、回路基板12の基材21と放熱部材14とを接続する金属部材17である。本実施の形態に係る金属部材17は、板状の部材を折り曲げて作製してある。材質は、例えばAlやCuが好適である。これにより、伝熱機構16を安価で簡便に構成することができる。
The
放熱部材14と電池30の下面との間には、絶縁膜24が設けられている。絶縁膜24の材質は、絶縁性が満たされるものであれば特に限定されない。
An
[電池]
図2は、電池30の概略構成を示す断面図である。電池30は、図2に示すように、外装缶(筐体)31内に、正負極が渦巻状に巻回されてなる電極体32が外装缶31の缶軸方向に対し横向きに収納されており、封口板33により外装缶31の開口が封口されている。封口板33には電池30の外方に突出した正極端子50と負極端子60が設けられている。また、封口板33には、ガス排出弁(図示せず)が形成されている。
[battery]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the
正極端子50は、ガスケット34に当接された状態で、封口板33の正極用開口に嵌め込まれている。また、正極端子50は、封口板33の電池内側において正極タブ部材53と接続している。なお、封口板33の正極用開口に嵌め込まれた正極端子50の端部には、封口板33の正極用開口に沿って側壁が形成されるような凹部51が設けられている。凹部51の縁部分が広がるようにかしめることで、正極端子50が固定されている。正極端子50の芯部(図示せず)はアルミニウムで形成されており、芯部の周りを銅めっき層(図示せず)が被覆している。正極タブ部材53と封口板33の電池内側面との間に絶縁板35が設けられている。封口板33の正極用開口において、絶縁板35とガスケット34とが当接している。これにより、正極タブ部材53および正極端子50が封口板33から絶縁されている。
The
正極タブ部材53は、電極体32の一方の端面から突出した正極集電板群32aに接続されている。なお、正極集電板群32aは、電極体32の一方の端面から突出した複数の正極集電板を束ねたものである。
The positive
負極端子60は、ガスケット34に当接された状態で、封口板33の負極用開口に嵌め込まれている。また、負極端子60は、封口板33の電池内側において負極タブ部材62と接続している。なお、封口板33の負極用開口に嵌め込まれた負極端子60の端部には、封口板33の負極用開口に沿って側壁が形成されるような凹部61が設けられている。凹部61の縁部分が広がるようにかしめることで、負極端子60が固定されている。負極端子60は全体が銅で形成されている。負極タブ部材62と封口板33の電池内側面との間に絶縁板35が設けられている。封口板33の負極用開口において、絶縁板35とガスケット34とが当接している。これにより、負極タブ部材62および負極端子60が封口板33から絶縁されている。
The
負極タブ部材62は、電極体32の他方の端面から突出した負極集電板群32bに接続されている。なお、負極集電板群32bは、電極体32の他方の端面から突出した複数の負極集電板を束ねたものである。
The negative
このように、本実施の形態に係る電池30は、電極体32に電気的に接続されている外部端子として、正極端子50および負極端子60を有している。
As described above, the
図1に示す電池モジュール10においては、電池30は基材21と放熱部材14との間に配置されており、電池30の熱は基材21や放熱部材14を介して放熱される。また、電池内の発熱が不均一であり、電池30の上部の熱を主に吸収した基材21と、電池30の下部の熱を主に吸収した放熱部材14との温度が異なるような場合、伝熱機構16により基材21と放熱部材14との間の熱が容易に移動できる。
In the
例えば、電池30において、正極端子50や負極端子60近傍での発熱が、電池30の底部(端子と反対側の下部領域)での発熱より大きい場合、基材21の温度は放熱部材14よりも高くなる傾向にある。その場合、伝熱機構16により基材21の熱を放熱部材14へ容易に移動できる。つまり、基材21の温度を下げることができる。その結果、電池30の端子近傍の熱をより吸熱することが可能となり、電池30の端子近傍の温度を低下させることができる。これにより、電池30の内部における発熱が不均一であっても、電池の温度を均一化できる。
For example, in the
また、適切な放熱構造を採用しないと、各電池は、電池モジュールにおける位置や発熱量によって、温度にばらつきが生じることがある。しかしながら、本実施の形態に係る電池モジュール10においては、基材21は複数の電池30と接続されており、放熱部材14は複数の電池30を支持しているため、基材21、放熱部材14および伝熱機構16を介して各電池30の温度のばらつきを低減することができる。
Further, if an appropriate heat dissipation structure is not adopted, the temperature of each battery may vary depending on the position in the battery module and the amount of heat generated. However, in the
本実施の形態に係る電池モジュール10において、回路基板12は、回路基板12を構成する配線層22と、電池30の正極端子50および負極端子60とを物理的に接続していることから、正極端子50および負極端子60とは熱的にも接続されている。
In the
そのため、電池30で発生した熱は、正極端子50および負極端子60から配線層22を介して金属基板18に伝導し、さらにその熱は金属部材17に伝わり、電池30の底面側の放熱部材14へと伝導することができる。
Therefore, the heat generated in the
このように、回路基板12は、単に電池30との電気的接続を実現するだけでなく、同時に放熱機能および伝熱機構をも備えていることから、電池モジュール10全体としての熱の均一化を効率的に行えるとともに、複数の電池30の結合をも容易に行える。
Thus, since the
なお、伝熱機構16は、金属部材17の代わりに外部との熱の授受を行う熱媒体が流れる伝熱流路としての配管を有してもよい。熱媒体は、水やオイルなどの液体に限らず気体であってもよい。これにより、電池30の発熱量が多い場合であっても、十分な放熱性を実現できる。
Note that the
また、伝熱機構として金属部材17と配管を併用してもよい。この場合、配管を金属部材17の側面と接するように配置するとよい。あるいは、配管を基材21または放熱部材14の少なくともいずれかと接するように配置してもよい。このように配置することで、配管を流れる熱媒体と、金属部材17、基材21、放熱部材14などとの熱交換が効率よく行われる。
Moreover, you may use together the
(第2の実施の形態)
図3は、第2の実施の形態に係る電池モジュールの側面図である。図4は、第2の実施の形態に係る電池モジュールに適した電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図4では、電池モジュールのうち配管を有する放熱部材のみを記載し、他は図示を省略してある。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a side view of the battery module according to the second embodiment. FIG. 4 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a battery system suitable for the battery module according to the second embodiment. In FIG. 4, only the heat dissipating member having the piping among the battery modules is shown, and the others are not shown.
図3に示す電池モジュール70は、第1の実施の形態に係る電池モジュール10と比較して、電池の下部を支持する放熱部材に冷却加熱用の配管を備えている点が大きく異なる。配管14aは、放熱部材14の内部に蛇行するように設けられており、外部との熱の授受を行う熱媒体が流れる放熱流路として機能する。これにより、放熱部材14の放熱性を向上することができる。なお、このような配管を回路基板12に設けてもよい。
Compared with the
[電池システム]
図4に示す電池システム100は、電池モジュール70と、検出された電池モジュール70の温度に基づいて各装置の動作を制御する温度モニタ72と、熱媒体としての水を電池モジュール70に設けられている配管内で循環させる循環ポンプ74と、熱媒体としての水を冷却する熱交換器76と、熱媒体としての水を加熱するヒータ78と、水を循環させる配管系統80と、電池モジュール70の所定の箇所に電池モジュール70の温度を検出する温度センサ81と、を備える。
[Battery system]
The
配管系統80は、電池モジュール10から水が排出される排出口82と、電池モジュール70へ水を送出する送出口84と接続されている。また、配管系統80は、熱交換器76が途中に設けられている第1の配管80aと、ヒータ78が設けられている第2の配管80bと、循環ポンプ74が設けられている第3の配管80cとで構成されている。第1の配管80aおよび第2の配管80bは、それぞれの両端が三方弁86および三方弁88により接続されている。第3の配管80cは、三方弁88と送出口84とを連結している。
The
三方弁86および三方弁88は、温度モニタ72からの指示信号により開閉状態が制御される。排出口82から排出された水は、循環ポンプ74の働きにより、第1の配管80aまたは第2の配管80bのいずれかを経由して電池システム100内を循環する。
The open / close state of the three-
本実施の形態に係る電池モジュール70は、電池30と配管14a内の熱媒体との間の熱の授受が行われるため、例えば、電池30の発熱を熱媒体に伝えることで、電池30の温度上昇を抑制することができる。そのため、温度上昇に起因する電池性能の低下が抑制され、電池モジュール全体の寿命を延ばすことができる。
Since the
また、電池モジュール70では、配管14aを経由して熱媒体が電池モジュールの外部へ排出されるとともに、外部の熱交換器76で冷却された熱媒体が再度内部へ戻される。そのため、熱媒体の循環を循環ポンプ74で制御することで、電池の発熱量が多い場合であっても電池の温度調整が可能となる。また、電池モジュール70では、外部のヒータ78で加熱された熱媒体を電池モジュールの内部で循環させることもできる。そのため、低温環境下では、充放電に適切な温度まで電池30を昇温することができる。このように、電池モジュール70は、電池30の熱の外部への放熱や外部の熱による電池の加熱を容易に行うことができる。
In the
また、電池モジュール70は、配管14a内の熱媒体を循環させるように構成されているため、各電池30の温度を均一に保ちやすい。そのため、各電池30の性能劣化の差を小さくでき、電池モジュール70全体としての寿命を延ばすことができる。
Further, since the
[温度制御]
次に、電池モジュールの温度に応じて配管内の熱媒体の温度を制御する方法について説明する。以下では、図4に示す電池システム100を一例に説明する。
[Temperature control]
Next, a method for controlling the temperature of the heat medium in the pipe according to the temperature of the battery module will be described. Below, the
前述のように、電池システム100は、熱媒体を冷却または加熱する配管系統を電池モジュール70の外部に備えている。また、電池システム100は、電池モジュール70の温度を検出する温度センサ81が放熱部材14に取り付けられている。図5は、電池システム100における温度制御のフローチャートの一例を示す図である。
As described above, the
温度モニタ72は、温度センサ81により電池モジュール70の温度Tを検出すると(S10)、所定の閾値T0と比較する(S12)。検出した温度Tが所定の閾値を超えていない場合(S12のNo)、温度モニタ72は、循環ポンプ74を作動させることなく温度センサ81の検出温度を取得し続ける。一方、検出した温度Tが所定の閾値を超えている場合(S12のYes)、温度モニタ72は循環ポンプ74を作動させ(S14)、電池モジュール10の放熱部材14内の水を循環させる。循環している水は、熱交換器76により放熱し常に冷却されるため、電池モジュール10はある温度以下に保たれる。
Temperature monitor 72 detects the temperature T of the
なお、低温環境下で電池30を加熱する場合、温度モニタ72は、水がヒータ78を通過するように三方弁86,88の開閉状態を制御するとともに、循環ポンプ74を作動させればよい。
When the
このように、電池システム100は、温度に応じて熱媒体の温度を制御する制御機構として、温度モニタ72、循環ポンプ74、熱交換器76、ヒータ78、温度センサ81などを備えている。
As described above, the
つまり、制御機構は、電池モジュール70の温度が所定の閾値よりも高い場合に熱媒体を冷却する冷却装置としての熱交換器76を有している。そのため、電池30の温度上昇が抑制され、電池モジュール70の寿命が延びる。
That is, the control mechanism has a
また、制御機構は、電池モジュール70の温度が所定の閾値よりも低い場合に熱媒体を加熱する加熱装置としてのヒータを有している。そのため、低温環境下であっても、充放電に適切な温度まで電池30を昇温することができる。
The control mechanism also includes a heater as a heating device that heats the heat medium when the temperature of the
このように、電池システム100は、伝熱機構16、放熱部材14、回路基板12などを介して電池30の冷却や加熱を間接的に行い、電池モジュール70の温度を一定の範囲で調整できる。
As described above, the
上述の電池モジュールによれば、適切な温度調整や温度制御により、電池モジュールの性能劣化が抑制される、また、電池モジュールや回路基板の温度制御が可能なため、電池や電極付近の発熱による電池の性能劣化が抑制される。また、電極付近に発生する熱による応力を緩和できるため、接合部の機械的な信頼性が向上する。 According to the battery module described above, the performance deterioration of the battery module is suppressed by appropriate temperature adjustment and temperature control, and the temperature of the battery module and the circuit board can be controlled. The performance degradation is suppressed. In addition, since the stress due to heat generated in the vicinity of the electrode can be relaxed, the mechanical reliability of the joint is improved.
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。 As described above, the present invention has been described with reference to the above-described embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the configurations of the embodiments are appropriately combined or replaced. Those are also included in the present invention. Further, it is possible to appropriately change the combination and processing order in each embodiment based on the knowledge of those skilled in the art and to add various modifications such as various design changes to each embodiment. Embodiments to which is added can also be included in the scope of the present invention.
10 電池モジュール、 12 回路基板、 14 放熱部材、 14a 配管、 16 伝熱機構、 17 金属部材、 18 金属基板、 20 絶縁樹脂層、 21 基材、 22 配線層、 24 絶縁膜、 30 電池、 31 外装缶、 32 電極体、 50 正極端子、 60 負極端子、 70 電池モジュール、 72 温度モニタ、 74 循環ポンプ、 76 熱交換器、 78 ヒータ、 80 配管系統、 81 温度センサ、 100 電池システム。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
基材と、前記外部端子が接続されている配線層とを有する回路基板と、
前記複数の電池の、前記外部端子と反対側の領域を支持する放熱部材と、
前記基材と前記放熱部材との間の熱の移動を容易にする伝熱機構と、
を備えることを特徴とする電池モジュール。 A plurality of batteries each having an electrode body, a housing in which the electrode body is accommodated, and external terminals provided outside the housing and electrically connected to the electrode body When,
A circuit board having a base material and a wiring layer to which the external terminals are connected;
A heat dissipating member that supports a region of the plurality of batteries opposite to the external terminal;
A heat transfer mechanism that facilitates the transfer of heat between the substrate and the heat dissipation member;
A battery module comprising:
前記温度に応じて熱媒体の温度を制御する制御機構と、
を更に備えることを特徴とする請求項3乃至5のいずれか1項に記載の電池モジュール。 A temperature detector for detecting the temperature of the battery module;
A control mechanism for controlling the temperature of the heat medium according to the temperature;
The battery module according to claim 3, further comprising:
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