JP2013045578A - 電池パック - Google Patents

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Shintaro Watanabe
慎太郎 渡▲辺▼
Hideto Kubo
秀人 久保
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Toyota Industries Corp
株式会社豊田自動織機
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Abstract

【課題】複数の電池セルに対する積層方向への加圧による熱交換器の損傷を防止することができる電池パックの提供にある。
【解決手段】電池パック10は、複数の電池セル11と、複数の電池セル11と熱的に接続される熱交換器13と、熱交換器13に熱媒体を供給する熱媒体配管と、を備え、熱媒体配管は変形可能な蛇腹部25、26を有した。複数の電池セル11を熱交換器13とともに加圧し、熱交換器13の加圧方向における位置ずれが生じるとき、蛇腹部25、26が変形する。
【選択図】 図1

Description

この発明は、電池パックに関し、特に電池セルの温度調節を可能とする熱交換器を備えた電池パックに関する。
従来の電池パックとして、例えば、特許文献1に開示された電池冷却構造および電池モジュールを挙げることができる。
特許文献1に開示された電池モジュールの電池冷却構造は、正極シート、負極シートおよびセパレータの積層体からなる電池素子と、電池素子を電解質とともに封入するラミネート外装体を備える。
ラミネート外装体は、電池素子の表面上で重なる複数の層を有し、複数の層の間に冷却水が流される水冷ジャケットが設けられている。
特許文献1に開示された電池モジュールは、この電池冷却構造が用いられた電池モジュールであり、電池素子と水冷ジャケットを備えるラミネート外装体を有するラミネート電池セルを備えている。
また、電池モジュールは、電池素子と、電池素子を電解質とともに封入するのみのラミネート外装体とを有するラミネート電池セル(水冷ジャケットを備えない)を備えている。
水冷ジャケットを備えるラミネート電池セルと水冷ジャケットを備えないラミネート電池セルとが、隣合う電池素子間に複数の層を挟持しながら交互に積層されている。
この電池モジュールでは、拘束バンドによりこれらのラミネート電池セルを一体に保持している。
電池モジュールの側面の脇には、水冷ジャケットに向けて冷却水を供給する冷却水供給管と、水冷ジャケットに供給された冷却水を回収する冷却水排出管が設けられている。
冷却水供給管および冷却水排出管は積層方向に延びており、水冷ジャケットは冷却水供給管から分岐する分岐供給管に接続され、冷却水排出管から分岐する分岐排出管に接続されている。
特許文献1に開示された電池モジュールによれば、冷却水が水冷ジャケットを通り、発熱が大きくなる電池素子に近接した位置に流されるため、電池素子から冷却水への熱伝導が行われ、電池素子が冷却される。
また、水冷ジャケットを備えるラミネート電池セルと水冷ジャケットを備えないラミネート電池セルとの双方で、電池素子が冷却される。
特開2007−66647号公報
特許文献1に開示された電池モジュールでは、積層されたラミネート電池の両側から積層方向へ加圧した状態にて、拘束バンドによりラミネート電池セルを保持する場合がある。
この場合、ラミネート電池セルの加圧後における水冷ジャケットと、加圧方向において対応する冷却水の配管(分岐供給管および分岐排出管)との位置ずれが生じやすい。
冷却水の配管が固定されている状態において、ラミネート電池セルが加圧されることにより冷却水の配管に対して位置ずれすると、水冷ジャケットまたは冷却水の配管が変形するという問題がある。
こうした変形が水冷ジャケットまたは冷却水の配管に生じると、水冷ジャケットまたは冷却水の配管が損傷するおそれがある。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、複数の電池セルに対する加圧による熱交換器や熱媒体配管の変形を防止することができる電池パックの提供にある。
上記の課題を解決するために、本発明は、複数の電池セルと、前記複数の電池セルと熱的に接続される熱交換器と、前記熱交換器に熱媒体を供給する熱媒体配管と、を備え、前記熱媒体配管は変形可能な配管部を有することを特徴とする。
本発明によれば、複数の電池セルを熱交換器とともに加圧し、加圧方向における熱交換器と熱媒体配管との位置ずれが生じるとき、配管部が変形する。
配管部が変形することにより、熱媒体配管における配管部以外の部位や熱交換器は変形しない。
従って、複数の電池セルに対する加圧による熱交換器や熱媒体配管の変形を防止することができる電池パックを提供することができる。
また、本発明は、上記の電池パックにおいて、前記配管部は、前記複数の電池セルの膨張を防止するために前記複数の電池セルに加圧される加圧力により変形する構成としてもよい。
この場合、電池セルの膨張は電池セルに加圧される加圧力により防止される。
また、本発明は、上記の電池パックにおいて、前記熱媒体配管は、前記熱交換器と離れて配置される主配管と、前記主配管と前記熱交換器とを接続する接続管を有し、前記接続管は前記配管部を有する構成としてもよい。
この場合、接続管に配管部が設けられることにより、主配管に配管部を設ける必要がない。
また、本発明は、上記の電池パックにおいて、前記配管部は、蛇腹構造の管壁により形成された蛇腹部を有する構成としてもよい。
この場合、複数の電池セルを熱交換器とともに加圧し、熱交換器と熱媒体配管との加圧方向における位置ずれが生じるとき、蛇腹部が変形する。
蛇腹部は蛇腹構造の管壁により形成されているから、熱媒体配管における配管部と配管部を除く部位を同一材料とすることも可能である。
また、本発明は、上記の電池パックにおいて、前記配管部は、弾性変形可能な材料により形成されている構成としてもよい。
この場合、複数の電池セルを熱交換器とともに加圧し、熱交換器と熱媒体配管との加圧方向における位置ずれが生じるとき、配管部は弾性変形する。
配管部は熱媒体配管における配管部を除く部位よりも弾性変形しやすいため、配管部が弾性変形することにより、熱媒体配管における配管部を除く部位の変形や熱交換器の変形は防止される。
また、本発明は、上記の電池パックにおいて、前記熱媒体配管の配管方向は、前記加圧力の加圧方向と同方向であり、前記配管部は加圧方向に変形可能である構成としてもよい。
この場合、複数の電池セルを熱交換器とともに加圧し、加圧方向における熱交換器と熱媒体配管との位置ずれが生じるとき、配管部は加圧方向に変形する。
従って、複数の電池セルに対する加圧による熱交換器や熱媒体配管の変形を防止することができる。
配管部は加圧方向にのみ変形する構造であればよく、加圧方向以外の方向の変形を考慮する必要がない。
また、本発明は、上記の電池パックにおいて、前記配管部は、蛇腹構造の管壁により形成された蛇腹部を有する構成としてもよい。
この場合、蛇腹部が加圧方向に伸縮して変形する。
配管部の加圧方向にのみ変形する構造を、簡単な構成の蛇腹構造の管壁により実現することができる。
また、本発明は、上記の電池パックにおいて、前記配管部は、弾性変形可能な材料により形成されている構成としてもよい。
この場合、蛇腹部が加圧方向に伸縮して変形する。
配管部の材料を、弾性変形可能な材料とすることにより、配管部の加圧方向にのみ変形する構造を実現することができる。
本発明によれば、複数の電池セルに対する加圧による熱交換器や熱媒体配管の変形を防止することができる電池パックを提供することができる。
第1の実施形態に係る電池パックを示す斜視図である。 第1の実施形態に係る電池セルの構造を示す斜視図である。 第1の実施形態に係る熱交換器の正面図である。 (a)は供給側接続管の要部を拡大して示す平面図であり、(b)は回収側接続管の要部を示す平面図である。 第1の実施形態に係る電池セルの加圧時における熱交換器の状態を説明する要部平面図である。 第2の実施形態に係る電池モジュールの斜視図である。 第2の実施形態に係る電池セルの加圧時における熱交換器の状態を説明する要部側面図である。
(第1の実施形態)
以下、第1の実施形態に係る電池パックを図面に基づいて説明する。
本実施形態の電池パックは電気自動車等の車両に搭載される車載用電池パックである。
図1に示すように、電池パック10は、複数の電池セル11と、複数の電池セル11と熱的に接続される熱交換器13と、熱交換器13に熱媒体を供給する熱媒体配管と、を備えている。
図2に示すように、電池セル11は、正極31と、負極32と、正極31と負極32の間に設けられるセパレータ33と、を備えている。
本実施形態の電池セル11は、二次電池としてのリチウム電池を構成する要素であり、例えば、次のように製造される。
正極31、セパレータ33、負極32の順に積層された積層体を巻回し、扁平状に成形することにより巻回電極体を得る。
次に、巻回電極体を箱型ケース36に収容した後、非水電解液を注入し、箱型ケース36の口を蓋体37により封止することにより薄型の電池セル11を得る。
蓋体37には、巻回電極体が備える正電極34および負電極35を挿通する通孔38が形成されている。
なお、巻回電極体をラミネートフィルム等の外装体に収容して、この外装体を箱型ケース36に収容するようにしてもよい。
図2では、電池セル11の構造説明のために、一部の電池セル11について箱型ケース36内の巻回電極体の端部を示すほか、巻回電極体の一部を拡大して正極31、負極32およびセパレータ33を示す。
本実施形態では、主に複数の電池セル11により電池モジュールが構成されている。
電池モジュールにおける各電池セル11は電池セル11において最大面積を持つ平坦面12を互いに平行となるように配列されている。
図1に示すように、電池パック10は電池セル11の温度調節を行う熱交換器13を備えている。
本実施形態では、熱交換器13は熱伝導性にすぐれた金属材料(アルミニウム、銅等)により板状に形成されている。
熱交換器13は、電池セル11の平坦面12と同じ面積を有する平坦面14を有している。
熱交換器13の平坦面14が各電池セル11の平坦面12に当接するように、複数の熱交換器13が備えられている。
図1に示すように、電池モジュールの配列方向の両端に位置する電池セル11の外側の平坦面12を覆う熱交換器13が設置されているほか、電池モジュールにおいて互いに隣り合う電池セル11の間に熱交換器13が設置されている。
図3に示すように、熱交換器13の内部には内部流路15が形成されている。
内部流路15は熱媒体を通す熱媒体の流路である。
熱媒体は冷却のための熱媒体(冷媒)でも加熱のための熱媒体であってもよく、例えば、水あるいは不凍液(LLC)が好ましい。
本実施形態では、内部流路15は、内部流路15の長さを長くするように熱交換器13の内部において何度も折り返すように形成されている。
熱交換器13の一方の側面16には流入口18が形成され、熱媒体は流入口18から内部流路15に流入する。
熱交換器13の他方の側面17には流出口19が形成され、内部流路15を通る熱媒体は流出口19から流出される。
従って、熱交換器13は、内部流路15に熱媒体が通ることで平坦面14を通じて電池セル11と熱交換することができ、この熱交換により電池セル11を冷却したり加熱したりすることが可能である。
つまり、熱交換器13は電池セル11と熱的に接続されており、電池セル11の温度調節を行うことが可能である。
電池パック10は、熱交換器13に熱媒体を供給し、熱交換器13から熱媒体を回収する熱媒体配管を備えている。
図1に示すように、熱媒体配管は、熱交換器13へ供給する熱媒体を通す供給管21と、熱交換器13から回収された熱媒体を通す回収管22と、を備えている。
また、図3に示すように、熱媒体配管は、供給管21と熱交換器13の流入口18とを接続する供給側接続管23と、回収管22と熱交換器13の流出口19とを接続する回収側接続管24と、備えている。
供給管21および回収管22は主配管に相当し、供給側接続管23および回収側接続管24は接続管に相当する。
供給管21は、設置先(図示せず)に固定されており、供給管21の上流側にはポンプ(図示せず)設けられ、ポンプの駆動により熱媒体が供給管21を通る。
供給管21は、各供給側接続管23を通る熱媒体の流量が同じとなるように構成されている。
図4(a)に示すように、供給側接続管23は、蛇腹構造の管壁により形成される蛇腹部25を備えている。
蛇腹部25は変形可能な配管部に相当する。
蛇腹部25は、供給側接続管23の長手方向への伸縮による変形や供給側接続管23の曲げによる変形を可能とする。
図4(b)に示すように、回収側接続管24も蛇腹構造の管壁により形成された蛇腹部26を備えている。
蛇腹部26も変形可能な配管部に相当する。
配管部としての供給側接続管23や回収側接続管24を変形させる力が供給側接続管23や回収側接続管24に作用すると、それぞれの蛇腹部25、26は変形する。
本実施形態の電池パック10では、複数の電池セル11と、複数の熱交換器13が交互に配列されている。
複数の電池セル11の膨張を防止するための加圧力(図1、図5において白抜矢印により図示)が付加され、複数の電池セル11および熱交換器13は加圧された状態にて拘束される。
一方、供給管21および回収管22は設置先に固定され、供給側接続管23は供給管21と熱交換器13とを接続し、回収側接続管24は回収管22と熱交換器13とを接続する。
図1に示すように、複数の電池セル11が配列方向に加圧されているとき、予め設定した配列方向の位置に熱交換器13の位置を合わせることが難しい。
例えば、図5に示すように、熱交換器13(実線により図示)が、電池セル11の加圧により、予め設定された熱交換器13の位置(二点鎖線により図示)から位置ずれする状態では、位置ずれに相当するだけ供給側接続管23の蛇腹部25が変形する。
供給側接続管23の蛇腹部25が変形することにより、熱交換器13および供給管21の変形は防止される。
なお、回収側接続管24の蛇腹部26も変形し、回収側接続管24の蛇腹部26の変形により、熱交換器13および回収管22の変形は防止される。
本実施形態の電池パック10によれば、次の作用効果を奏する。
(1)複数の電池セル11を熱交換器13とともに加圧し、加圧方向における供給管21および回収管22と熱交換器13との位置ずれが生じるとき、供給側接続管23の蛇腹部25および回収側接続管24の蛇腹部26が変形する。供給側接続管23の蛇腹部25および回収側接続管24の蛇腹部26が変形することにより、供給側接続管23および回収側接続管24以外の供給管21や回収管22や熱交換器13は変形しない。従って、複数の電池セル11に対する加圧による熱交換器13や熱媒体配管の変形を防止することができる電池パック10を提供することができる。
(2)供給側接続管23および回収側接続管24は、複数の電池セル11の膨張を防止するために複数の電池セル11に加圧される加圧力により変形するから、電池セル11の膨張は電池セル11に加圧される加圧力により防止される。
(3)電池パック10は、熱交換器13と離れて配置される供給管21および回収管22と、供給管21と熱交換器13を接続する供給側接続管23と、回収管22と熱交換器13とを接続する回収側接続管24を有している。供給側接続管23および回収側接続管24は、対応する蛇腹部25、26が設けられることにより、主配管としての供給管21および回収管22に変形可能な配管部を設ける必要がない。
(4)複数の電池セル11を熱交換器13とともに加圧し、加圧方向における供給管21および回収管22と熱交換器13との位置ずれが生じるとき、蛇腹部25、26が変形する。蛇腹部25、26は、供給側接続管23において蛇腹部25を除く部位と、回収側接続管24において蛇腹部26を除く部位と、供給管21と、回収管22と、熱交換器13を同一材料とすることも可能である。供給側接続管23に蛇腹部25を設け、回収側接続管24に蛇腹部26を設けることにより、部品点数を増やすことなく変形可能な配管部を熱媒体配管に形成することができる。
なお、本実施形態では、供給側接続管23の一部を蛇腹部25とし、回収側接続管24の一部を蛇腹部26とし、蛇腹部25、26を配管部としたが、供給側接続管23や回収側接続管24の全てを蛇腹部としてもよい。
また、蛇腹部は供給側接続管23や回収側接続管24の長手方向において複数箇所設けるようにしてもよい。
また、供給側接続管23や回収側接続管24の全部または一部をゴム系材料のように変形可能な弾性材料により形成して配管部としてもよい。
この場合、複数の電池セル11を熱交換器13とともに加圧し、加圧方向における熱交換器13の位置ずれが生じるとき、弾性材料により形成された配管部は弾性変形する。
配管部は熱媒体配管における配管部を除く部位よりも弾性変形しやすいため、配管部の弾性変形により、供給管21、回収管22および熱交換器13における変形が防止される。
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態に係る電池パックについて説明する。
図6に示す電池パック40は、第1の実施形態と同じ構成の電池セル11を備えるが、熱交換器41および熱媒体配管の構成が第1の実施形態と異なる。
熱交換器41は、熱伝導性に優れた金属材料(アルミニウム、銅等)により中実の板状に形成されている。
熱交換器41は略方形の本体部42と、本体部42から延設された一対の突片部43を有する。
本体部42の板面は電池セル11の平坦面12と同じ大きさに形成され、電池セル11の平坦面12と当接している。
熱交換器41は、電池セル11と平坦面12の当接により電池セル11と熱的と接続されている。
突片部43は本体部42と同じ板厚であり、互いに平行に配置されており、各突片部43の先端寄りには、嵌合孔44が形成されている。
各突片部43の嵌合孔44には、熱媒体を供給する供給管45がそれぞれ嵌合されて固定されている。
一方の供給管45は各熱交換器41の一方の突片部43を貫通し、他方の供給管45は各熱交換器41の他方の突片部43を貫通している。
各供給管45の配管方向は、電池セル11の配列方向と同じであって、電池セル11の加圧方向と同方向でもある。
一方の供給管45において、電池セル11の配列方向における突片部43と突片部43との間の部位は、蛇腹構造の管壁による蛇腹部46が設けられている。
本実施形態の蛇腹部46は配管部に相当し、配管方向への伸縮が可能である。
本実施形態では、供給管45は互いに独立して熱媒体を通すようにしており、熱媒体の流れる方向は同じである。
供給管45を流れる熱媒体は熱交換器41と熱交換を行い、熱交換器41は電池セル11と熱交換を行い、熱交換器41と電池セル11との熱交換により、電池セル11の冷却や加熱といった温度調節が行われる。
本実施形態の電池パック40では、複数の電池セル11が配列方向に加圧されているとき、予め設定した配列方向の位置に熱交換器41の位置を合わせることが難しい。
例えば、図7に示すように、熱交換器41(実線により図示)が、電池セル11の加圧により、予め設定された熱交換器41の位置(二点鎖線により図示)から位置ずれする状態では、位置ずれに相当するだけ蛇腹部46が配列方向へ収縮して変形する。
蛇腹部46が配列方向へ伸縮して変形することにより、熱交換器41および供給管45の変形を促す力は抑制される。
なお、図7において変形前の蛇腹部46の状態を二点鎖線により示す。
因みに、加圧後において予め設定された熱交換器41の位置に熱交換器41が達しない位置ずれの場合、蛇腹部46が伸張する変形となる。
本実施形態では、複数の電池セル11を熱交換器41とともに加圧し、熱交換器41と供給管45との加圧方向における位置ずれが生じるとき、蛇腹部46は加圧方向に変形する。
従って、蛇腹部46は加圧方向にのみ変形する構造であればよく、加圧方向以外の方向の変形を考慮する必要がない。
また、簡単な構成の蛇腹部46により配管部の加圧方向にのみ変形する構造を実現することができる。
なお、本実施形態でも、蛇腹部46を変形可能な配管部としたが、蛇腹部46の配管部に代えてゴム系材料などの弾性材料に形成された配管部としてもよい。
配管部の材料を、弾性変形可能な材料とすることにより、配管部の加圧方向にのみ変形する構造を実現することができる。
あるいは、供給管45における突片部43と突片部43との間の部位をU字状に屈曲した配管部とし、U字状の形状から配列方向に変形可能な配管部としてもよい。
また、供給管における突片部43と突片部43との間の部位をコイル状に形成した配管部としてもよい。
U字状やコイル状の配管部とした場合も配管部は加圧方向に変形することができる。
上記の実施形態は、本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、下記のように発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。
○ 上記第1、第2の実施形態では、電池セルの間に熱交換器が配置される電池パックとしたが、必ず電池セルの間に熱交換器を配置しなくてもよい。例えば、複数の電池セルが平坦面を互いに当接して配列されることにより形成された電池モジュールとし、電池モジュールの両端の電池セルにおける外側の平坦面にのみ熱交換器を配置してもよい。あるいは、例えば、電池セル2個毎に熱交換器1個を配置して複数の熱交換器を備えるようにしてもよい。熱交換器については、複数の電池セルから構成される電池モジュールにおいて、電池セルの平坦面に当接する熱交換器が2個以上配置されていればよい。
○ 上記の第1、第2の実施形態では、電池パックにおける電池セルの数を4個としたが、電池セルの数は2個以上であればよく、例えば、電池セルが20〜30個程度配列される電池パックであってもよい。
○ 上記の第2の実施形態では、熱交換器は供給管を通る熱媒体との伝熱による熱交換を行うとしたが、熱交換器の本体および突片部に内部流路を設けて、第1の実施形態のように、熱交換器に熱媒体を通すようにしてもよい。この場合、熱交換器における一方の突片部に供給管を接続し、他方の突片部に回収管を接続すればよい。
○ 第1、第2の実施形態では、金属材料により形成された熱交換器を例示したが、熱交換器の材料は熱交換可能な材料であればよく、例えば、セラミックスや高い熱伝導性を有する高熱伝導樹脂により熱交換器を形成してもよい。
○ 第1、第2の実施形態では、熱交換器は略方形の平坦面を有する形状としたが、熱交換器の形状は略方形に限定されず、どのような形状であってもよい。例えば、熱交換器の平坦面は円形状や三角形状であってもよい。
○ 第1、第2の実施形態では、熱交換器は電池セルの平坦面と同じ大きさの平坦面を有する形状としたが、熱交換器は電池セルの平坦面と同じ大きさでなくてもよい。例えば、熱交換器は電池セルの平坦面より大きくても小さくてもよい。
○ 第1の実施形態では、配管部を熱交換器の供給管側接続管および回収管側接続管にそれぞれ設けるようにしたが、配管部を供給管側接続管および回収管側接続管のいずれか一方のみ設けるようにしてもよい。
○ 第2の実施形態では、一方の供給管および他方の供給管に配管部をそれぞれ設けるようにしたが、配管部を一方の供給管および他方の供給管のいずれか一方のみ設けるようにしてもよい。
10、40 電池パック
11 電池セル
12 平坦面
13、41 熱交換器
14 平坦面
15 内部流路
21、45 供給管
22 回収管
23 供給側接続管
24 回収側接続管
25、26、46 蛇腹部
31 正極
32 負極
33 セパレータ
34 正電極
35 負電極
36 箱型ケース
42 本体部
43 脚部
44 嵌合孔

Claims (8)

  1. 複数の電池セルと、
    前記複数の電池セルと熱的に接続される熱交換器と、
    前記熱交換器に熱媒体を供給する熱媒体配管と、を備え、
    前記熱媒体配管は変形可能な配管部を有することを特徴とする電池パック。
  2. 前記配管部は、前記複数の電池セルの膨張を防止するために前記複数の電池セルに加圧される加圧力により変形することを特徴とする請求項1記載の電池パック。
  3. 前記熱媒体配管は、
    前記熱交換器と離れて配置される主配管と、
    前記主配管と前記熱交換器とを接続する接続管を有し、
    前記接続管は前記配管部を有することを特徴とする請求項1又は2記載の電池パック。
  4. 前記配管部は、蛇腹構造の管壁により形成された蛇腹部を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載の電池パック。
  5. 前記配管部は、弾性変形可能な材料により形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載の電池パック。
  6. 前記熱媒体配管の配管方向は、前記加圧力の加圧方向と同方向であり、
    前記配管部は加圧方向に変形可能であることを特徴とする請求項2記載の電池パック。
  7. 前記配管部は、蛇腹構造の管壁により形成された蛇腹部を有することを特徴とする請求項6記載の電池パック。
  8. 前記配管部は、弾性変形可能な材料により形成されていることを特徴とする請求項6又は7記載の電池パック。
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