JP2013206666A - 組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 電池の冷却効率を高めうるような組電池を提供する
【解決手段】 略平板状の単電池２を、積層配置して構成された組電池１において、隣接する単電池２の間には、スペーサ部材５が挟持されている。スペーサ部材５は、単電池が積層される方向に延在する仕切り部５１と、単電池表面と平行に延在する連結部５２を有しており、隣接する単電池２，２の間には、スペーサ部材の仕切り部５１，５１と連結部５２、及び単電池表面とによって、冷却風通路が形成される。互いに隣接する仕切り部５１，５１の間には、当該冷却風通路を横断するように、棒部材５３が設けられており、棒部材５３は、冷却風通路の電池積層方向中央部に設けられている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、複数の単電池が組み合わされた組電池に関する。特に平板状の単電池が所定間隔を隔てる積層状態で配置され、冷却風により冷却される組電池に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車などには、動力源として二次電池を集合させた組電池（電池モジュール）が用いられている。充電や放電の過程において、電池が過熱したり電池間の温度差が大きくなったりすると、電池の性能が低下したり、電池が損傷することが起こるため、通常、これら組電池を電池ケースに収納し、冷却風を電池ケース内に送り込むなどして、組電池を冷却することが行われる。

組電池に用いられる単電池には、リチウムイオン電池のように、略平板状の電池があり、このような電池はその形状から角型電池と呼ばれることもある。
平板状の単電池を組電池に構成する場合には、冷却風による冷却が効率的に行われるように、電池の広い面同士が対向するように、互いに所定の間隔を隔てるように平板状単電池を積層状態に配置して、電池間の隙間に冷却風を送って電池を冷却することが一般的に行われている。

そして、これら組電池の冷却にあたっては、組電池を構成する複数の単電池の温度を極力均一化し、かつ、効率的に電池を冷却することが必要であり、そのために、さまざまな組電池が提案されるに至っている。
例えば、特許文献１には、電池と電池の間にセパレータを挟みこんで、セパレータの波板状の凹凸形状によって冷却風通路（冷却隙間）を形成し、冷却風によって電池を冷却すると共に、セパレータに温度センサを設けた組電池が開示されている。

特開２０１０−２８７５５０号公報

このような電池冷却構造においては、冷却風の風量を少なくしながら、電池の温度を低く保てるように、冷却効率を高めることが求められている。さらに、組電池を構成する複数の単電池の温度を均一化することが求められている。温度の高い単電池が存在すると、その単電池の劣化が進んで、組電池全体の寿命が短くなってしまうためである。

発明者らは、上記特許文献に開示されたような波板状のスペーサ部材（特許文献１においてはセパレータ）を単電池間に挟持する組電池について検討を行った。そして、このような構造の組電池においては、特に冷却風流れの下流側部分で、冷却効率が低くなりやすいことを発見した。

即ち、本発明の目的は、電池の冷却効率を高めうるような組電池を提供することにある。

発明者は、下流側で冷却効率が悪くなる原因の検討を行った。その結果、特許文献１に開示されたような波板状のスペーサ部材が単電池間に挟持された構造の組電池においては、冷却風通路が狭い角柱状の空間となるため、冷却風通路内において、冷却風が整然とした層流状に流れ、冷却風流れ下流側の電池表面には、主に上流側電池表面で温められた冷却風しか供給されないことを発見した。

そして、発明者らはさらに検討を進め、冷却風通路の電池積層方向中央部に、冷却風通路を横断するように棒部材を設けると、冷却風が攪拌されて、棒部材の下流側の冷却性が向上することを知見し、本発明を完成させた。

本発明は、略平板状の単電池を、積層配置して構成された組電池であって、隣接する単電池の間には、スペーサ部材が挟持され、スペーサ部材は、単電池が積層される方向に延在する仕切り部と、単電池表面と平行に延在する連結部を有しており、隣接する単電池の間には、スペーサ部材の仕切り部と連結部、及び単電池表面とによって、冷却風通路が形成されるとともに、互いに隣接する仕切り部の間には、当該冷却風通路を横断するように、棒部材が設けられており、棒部材は、冷却風通路の電池積層方向中央部に設けられていることを特徴とする組電池である（第１発明）。

本発明においては、冷却風通路に、複数本の棒部材が冷却風流れ方向に離間するように設けられることが好ましい（第２発明）。また、さらに、本発明においては、棒部材は、冷却風通路の冷却風流れ方向に対し略直交するとともに、電池表面に対し略平行に設けられることが好ましい（第３発明）。

また、さらに、本発明においては、棒部材の断面形状が、断面中心から単電池表面側にオフセットした位置に設けられた角部と、断面中心からスペーサ部材連結部側にオフセットした位置に設けられた角部とを有する形状とされることが好ましい（第４発明）。

本発明の組電池（第１発明）によれば、冷却風流れ下流側の電池表面の冷却性が改善されて、電池の冷却効率が高められるという効果が得られる。

さらに、第２発明ないし第４発明のようにした場合には、より効果的に電池の冷却効率が高められる。

本発明の第１実施形態の組電池を示す斜視図である。 第１実施形態の組電池の構成を示す分解図である。 単電池とスペーサ部材が積層された状態を示す斜視図である。 第１実施形態の組電池に使用されるスペーサ部材を示す正面図及び断面図である。 冷却風通路内の流れを示す模式図である。 第１実施形態における冷却風流れのシミュレーション結果である。 スペーサ部材の他の実施形態を示す正面図及び断面図である。 スペーサ部材のさらに他の実施形態を示す断面図である。 スペーサ部材に設けられる棒部材の他の形態例を示す図である。

以下図面を参照しながら、本発明の組電池の実施形態について、ハイブリッド自動車用の組電池を例にして説明する。図１は本発明の組電池の第１実施形態の斜視図である。また、図２は本実施形態の組電池の部品構成を分解図で示した図である。これら図においては、単電池に設けられる端子やガス排出弁、バスバーなどといった電池の詳細な構成については図示を省略している。図２における白抜き矢印は、構成部品が配置されるべき方向を示すものである。なお、本発明は以下に示す個別の実施形態に限定されるものではなく、その形態を変更して実施することもできる。

組電池構造体（以下、組電池、電池モジュールとも記載する）１において、組電池を構成する平板状の単電池２，２は、単電池の広い面同士が対向するように、互いに所定の間隔を隔てて積層状態に配置されている。単電池２，２は直列あるいは並列に電気的に接続されて組電池を構成する。本実施形態においては、電池モジュールを構成する単電池はリチウムイオンバッテリーであり、単電池２は平板状（扁平な直方体状）の形状となっている。それぞれの電池の側面（広い平坦面に隣接する面）には端子が設けられている。

図示は省略するが、組電池１の上流側や下流側には、送風ファンや他の通気経路部材（ダクトなど）が設けられて、全体として電池冷却システムが構成される。そして、積層状に並べられた単電池２，２はそれぞれの電池側面に供給される冷却風により冷却される。

互いに隣接する単電池２，２の間には、スペーサ部材５，５が挟持されている。スペーサ部材により、単電池２，２の間には、所定の間隔が維持される。そして、スペーサ部材５と単電池２とによって、冷却風通路が形成されて、単電池は、冷却風通路に送られる冷却風により冷却される。

単電池２，２とスペーサ部材５，５の積層構造が維持されるように、組電池には保持部材が設けられる。本実施形態においては、保持部材として、組電池の積層方向の両端の単電池の広い面に対向するように、一対のエンドプレート４、４が設けられている。エンドプレート４、４の間には、組電池を積層方向に締め付けるようなボルト（図示省略）が設けられ、電池の積層構造が維持される。保持部材は、エンドプレートとボルトには限定されず、他の構造部材を用いてもよいし、他の構造部材を併用するようにしても良い。

積層配置される単電池２，２の間に挟持されるスペーサ部材５について説明する。図３には、本実施形態において単電池２，２とスペーサ部材５、５とが積層された状態の斜視図を、図４にはスペーサ部材５の正面図及び断面図を示す。図４では、単電池間に挟持される部分のみを図示している。スペーサ部材５は、合成樹脂などにより形成された板状部材であり、単電池２，２の間の隙間を維持し、必要に応じて電池間の絶縁性を確保する部材である。スペーサ部材５は、単電池が積層される方向に延在する仕切り部５１，５１と、単電池表面と平行に延在する連結部５２，５２を有している。

仕切り部５１によって、互いに隣接する単電池間の隙間寸法が維持されると共に、電池間の冷却風通路が区画される。図３には、電池間の冷却風通路に流れ込む冷却風流れを白抜き矢印で示している。本実施形態においては、仕切り部５１は、単電池間を流れる冷却風の流れ方向に沿って設けられる細長い板状の部分であり、互いに平行に並んで設けられている。従って、本実施形態においては冷却風通路もまた、互いに平行に並ぶ細長い通路となる。

連結部５２は、隣接する仕切り部５１，５１を互いに連結し一体化している部分である。連結部は電池表面と平行な平面状（板状）に形成される。本実施形態においては、連結部５２，５２は、互いに隣接し対向する単電池表面の一方に密着するように形成されている。そして、隣接する仕切り部５１，５１と連結部５２とによって略コの字断面の樋状の部分が形成される。また、本実施形態においては、互いに隣接する連結部５２，５２が、電池積層方向で反対側になるように、交互に配置されている。すなわち、仕切り部５１，５１と連結部５２，５２によって、略波板状の部分が形成されるように、スペーサ部材５は構成されている。

隣接する単電池２，２の間には、スペーサ部材５の仕切り部５１，５１と連結部５２、及び単電池表面とによって、冷却風通路が形成される。すなわち、前述した略コの字断面の樋状の部分が電池表面で覆われて、角柱状の冷却風通路となる。

本発明におけるスペーサ部材には、さらに、棒部材５３，５３が設けられている。棒部材５３，５３は、冷却風通路を横断するように、互いに隣接し対向する仕切り部５１，５１の間に設けられている。また、棒部材５３は、冷却風通路の電池積層方向中央部に設けられている。本実施形態においては、それぞれの冷却風通路に対し、棒部材５３が５本ずつ、互いに冷却風流れ方向に離間するように設けられている。

冷却風通路中に棒部材５３が配置される電池積層方向の位置は、厳密に中央である必要はなく、棒部材の断面中心Ｃが、冷却風通路の電池積層方向の幅をＨとして、幅方向にＨ／４〜３Ｈ／４の領域に配置されるように、より好ましくは、幅方向にＨ／３〜２Ｈ／３の領域に配置されるようにすればよい。

棒部材５３を構成する材料は特に限定されず、仕切り部や連結部を含むスペーサ部材本体と同じ材料であっても良い。あるいは、スペーサ部材本体とは異なる材料、例えば金属線などによって棒部材５３を構成しても良い。棒部材５３は仕切り部や連結部と共に一体成形されても良いし、仕切り部と連結部を備えるスペーサ部材本体を成形した後に棒部材を取付けても良い。

好ましくは、本実施形態のように、棒部材５３は、冷却風通路の冷却風流れ方向に対し略直交するとともに、電池表面に対し略平行になるように設けられる。
また、棒部材の太さ、即ち、棒部材の電池積層方向の幅ｄは、冷却風通路の電池積層方向の幅Ｈに対し、Ｈ／２０≦ｄ≦Ｈ／２ となるように設けることが好ましく、Ｈ／１０≦ｄ≦Ｈ／３ なるように設けることが特に好ましい。典型的には、冷却風通路の電池積層方向の幅Ｈは２〜８ｍｍ程度とされ、棒部材の電池積層方向の幅ｄは０．３〜３ｍｍ程度とされる。

本実施形態における棒部材５３の断面形状を、図９（ａ）に示す。本実施形態においては、棒部材５３は略Ｄ字状の断面を有し、冷却風上流側が丸く、冷却風下流側が直線状とされている。棒部材５３の断面形状は、本実施形態のように、冷却風流れ下流側において、断面中心Ｃから冷却風通路の単電池２表面側にオフセットした位置に設けられた角部５３１と、断面中心から冷却風通路のスペーサ部材連結部５２側にオフセットした位置に設けられた角部５３２とを有する形状とされることが好ましい。そして、これら角部５３１，５３２は、対をなすように、冷却風流れ方向を軸として対称な位置に設けられることが好ましい。

以上のように、本発明におけるスペーサ部材５は、仕切り部５１と連結部５２と棒部材５３を有する部材であるが、他の部分を適宜一体に備えるものであっても良い。他の部分としては、例えば、単電池との相対位置を位置決めするための位置決め部分や、隣接するスペーサ部材同士の間隔を規定する間隔規定部や、組電池全体にわたって挿通されるボルトなどを通せるように形成された部分、電池や冷却風の温度を測定する温度センサを取付ける部分などが例示できる。

上記組電池は、公知の製造方法により構成することができる。例えば、エンドプレート４やスペーサ部材５、５は、例えば合成樹脂（特に熱可塑性樹脂）の射出成形により製造することができ、これら部材と単電池２，２を組み立てて、ボルトなどの締結部材により結合して、上記組電池構造を構成できる。強度や熱的要件等の要件に応じて、これら部材を金属部材で構成することもできる。また、これら部材においてシール性や弾力性が必要な部分がある場合には、その部位をゴムやエラストマーなどの弾性材料などにより構成することが好ましい。

スペーサ部材５の製造方法は特に限定されるものではない。例えば、スペーサ部材５は、スライド金型を使うなどすれば、樹脂の射出成形により棒部材５３を含めて一体成形できる。

本発明の組電池による作用と効果を説明する。
本発明の組電池においては、それぞれの単電池の冷却性を高めることができる。特に、それぞれの単電池において、冷却風下流側部分での冷却性を高めることができる。

図５を参照しながら、本発明の組電池が備える作用の説明をする。図５では、単電池積層方向と冷却風流れ方向を含むような面での組電池の断面、すなわち、棒部材に沿って見た冷却風通路の断面を示している。本発明のように棒部材を設けた場合の冷却風流れを図５（ａ）に、従来技術のように棒部材がない場合の冷却風流れを図５（ｂ）に示す。なお、図５では、棒部材が一本設けられた部分の冷却風流れの様子を模式的に示している。

図５（ｂ）に示すように、棒部材がない場合には、それぞれの冷却風通路において、冷却風は単電池表面と平行に、層流状に流れる。この際、例えば単電池Ａの図中下側の面は主に冷却風通路１を流れる冷却風で冷却され、単電池Ｂの図中下側の面は主に冷却風通路２を流れる冷却風で冷却される。しかしながら、冷却風流れの下流側（図中右側）の電池表面には、電池の上流側部分を冷却して暖かくなった冷却風しか供給されない。そのため、冷却風流れの下流側部分の電池表面の冷却効率が悪くなる（また、下流側の電池表面温度が若干高くなる）。

図５（ａ）には、本発明のような棒部材を設けた場合の冷却風流れを示す。棒部材より上流側の部分では、基本的に棒部材がない場合と同様の冷却風流れとなる。棒部材５３よりも下流側領域では、冷却風流れが、電池積層方向の速度成分を持つ流れとなり、電池積層方向に冷却風が攪拌される。この流れは、冷却風通路の中央部に通路を横断するように設けられた棒部材５３の下流側に、いわゆるカルマン渦（渦列）が発生し、渦が交互に生成、成長、離脱していくことによって生ずる流れである。

棒部材よりも下流側（図中右側）の領域では、この流れによって、冷却風は、電池積層方向に攪拌されることになり、下流側電池表面にまだ温められていない冷却風が送られるようになる。この流れ場の変化によって、電池下流側の冷却性を高め、電池の冷却効率を向上させることができる。また、冷却風流れの下流側領域の冷却効率を高めることができるので、それぞれの単電池における電池表面温度の差異も小さくなる。

図６には、本発明における棒部材を設けた冷却風通路の流れのシミュレーション結果を示す。色の濃い部分が流速や渦度が大きい部分である。流速分布及び渦度分布の様子から、棒部材の下流側の領域にカルマン渦が発生し、冷却風が電池積層方向（図の上下方向）に攪拌される様子が確認できる。なお、流れシミュレーションにおいては、棒部材は図９（ｃ）に示すような三角形断面の棒部材とした。

流れシミュレーションと共に、電池に所定量の発熱量を設定し、所定温度の冷却風を供給する、熱流体シミュレーションを行った。
棒部材がある実施例と棒部材がない比較例とで、電池平均温度を同じ目標温度にするための必要風量を比較したところ、棒部材のある実施例のほうが、冷却風の流量を４５％少なくできることがわかった。また、その際の組電池周りの圧力損失は、棒部材を追加したにも関わらずごくわずかしか増えず、冷却系全体の圧力損失で見れば、必要な冷却風量が少なくなるために、圧力損失も小さくできることがわかった。

また、第１実施形態のように、冷却風通路に、複数本（例えば５本）の棒部材が冷却風流れ方向に離間するように設けられれば、冷却風の攪拌効果が大きくなり、より効果的に冷却効率を高めることができる。棒部材により生成されるカルマン渦の影響（攪拌効果）は、棒部材から離れると（例えば、電池積層方向の冷却風通路の幅をＨとして、５Ｈ〜２０Ｈ程度以上離れると）、影響が弱くなるので、冷却風通路が長い場合には、複数本の棒部材を冷却風通路に配置することが好ましい。そして、棒部材を複数本配置する場合には、棒部材同士が５Ｈ〜２０Ｈ程度離間するように配置することが特に好ましい。このようにすると、棒部材による通気抵抗の増加を最小限に抑えつつ、効果的に冷却効率を高めることができる。

また、棒部材は、冷却風通路の冷却風流れ方向に対し略直交するとともに、電池表面に対し略平行に設けられることが好ましく、このようにすると、カルマン渦の発生を確実かつ強いものとでき、電池の冷却効率をより効果的に高めることができる。

また、上記第１実施形態のように、棒部材の断面形状が、冷却風流れ下流側において、断面中心Ｃから単電池表面側にオフセットした位置に設けられた角部５３１と、断面中心からスペーサ部材連結部側にオフセットした位置に設けられた角部５３２とを有する形状（例えばＤ形状）とされていれば、カルマン渦の発生を確実かつ強いものとでき、電池の冷却効率をより効果的に高めることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変をして実施することができる。以下に本発明の他の実施形態について説明するが、以下の説明においては、上記実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様である部分についてはその説明を簡略化または省略する。

まず、スペーサ部材のスペーサ部材本体部の変更例を説明する。本発明の組電池に使用されるスペーサ部材は、図７に示したスペーサ部材６や図８に示したような。スペーサ部材７であっても良い。スペーサ部材６もスペーサ部材７も、仕切り部（６１，７１）と連結部（６２，７２）と棒部材（６３，７３）を有する点では、第１実施形態におけるスペーサ部材５と同じであるが、仕切り部（６１，７１）と連結部（６２，７２）の接続関係が変更されている。なおスペーサ部材７を示す図８では、冷却風流れ方向に沿って見た断面図のみを図示している。

図７に示したスペーサ部材６においては、連結部６２，６２は、全体が１枚の平板状となるように、仕切り部６１，６１の一方側に接続されている。そして、仕切り部６１，６１は連結部６２からリブ状に設けられている。このようなスペーサ部材６であっても棒部材６３が冷却風通路に設けられていることにより、第１実施形態と同様に冷却効率を高める効果が得られる。

図８に示したスペーサ部材７においては、連結部７２，７２は、全体が１枚の平板状となるように、仕切り部７１，７１の電池積層方向中央部に接続一体化されている。そして、仕切り部７１，７１は連結部７２の両面に突出するようにリブ状に設けられている。このようなスペーサ部材７であっても棒部材７３が冷却風通路に設けられていることにより、第１実施形態と同様に冷却効率を高める効果が得られる。すなわち、本発明におけるスペーサ部材の連結部は、電池表面に密着するものに限定されない。

図９には、棒部材の断面形状の変形例を示す。いずれの図も、冷却風通路に沿った断面を示しており、冷却風は、図中左から右へと流れていく。棒部材としては、図９（ａ）（第１実施形態）のように略Ｄ字断面を有する棒部材５３、図９（ｂ）のように円形断面を有する棒部材５４、図９（ｃ）、（ｆ）のように三角形断面を有する棒部材５５、５８、図９（ｄ）のように矩形断面を有する棒部材５６、図９（ｅ）のように異形断面を有する棒部材５７、その他楕円断面、長円断面を有する棒部材など、種々の断面の棒部材が使用できる。

カルマン渦を確実かつ強く発生させ、冷却効率をより効果的に高める観点からは、図９（ａ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）に図示されるように、棒部材の断面形状が、冷却風流れ下流側において、断面中心Ｃから単電池表面側（対向する冷却風通路壁面の一方の側）にオフセットした位置に設けられた角部５３１，５５１，５６１，５７１と、断面中心からスペーサ部材連結部側（対向する冷却風通路壁面の他方の側）にオフセットした位置に設けられた角部５３２，５５２，５６２，５７２とを有するような形状とされることが好ましい。そして、図９（ｃ）に示した棒部材５５や、図９（ｅ）に示した棒部材５７のように、これら角部５５１，５５２、５７１、５７２が、鋭角となるようにされることが特に好ましい。

棒部材に設けられる角部は、冷却風流れ下流側に設けられるものに限定されない。例えば、図９（ｆ）に示すように、棒部材５８の断面形状が、冷却風流れ上流側において、断面中心Ｃから単電池表面側（対向する冷却風通路壁面の一方の側）にオフセットした位置に設けられた角部５８１と、断面中心からスペーサ部材連結部側（対向する冷却風通路壁面の他方の側）にオフセットした位置に設けられた角部５８２とを有するような形状とされるようにしても良く、このようにしても、カルマン渦が確実かつ強く発生し、冷却効率がより効果的に高められる。

棒部材が冷却風通路中に置かれる角度は、第１実施形態において説明したように、冷却風流れに対し略直交するとともに、電池表面に対し略平行に設けられることが好ましいが、斜めに設けられていても良い。冷却風流れに対しても、電池表面に対しても斜めになるように設けられていると、冷却風流れに電池積層方向の速度成分を与えることが出来るようになるので、このような構成も、冷却効率の向上に寄与しうる。

組電池には、他の部材が一体化されていても良く、例えば、組電池の上流側や下流側に、冷却風の流れ（分配）を調整するための流れ制御板（電池間の隙間に対応するようにスリットが設けられた板など）や、ガス抜き集合配管などが一体化されていても良い。

組電池を構成する平板状電池の種類には、一次電池、二次電池（リチウムイオンバッテリー、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池など）、二重電気キャパシタなどが例示でき、さらには、複数個のそれら電池をモジュール化したものが例示できる。電池は、上記実施形態においては、平板状のものについて説明したが、多少の曲がりを有する平板状であっても良い。さらに、平板状電池の表面は平坦である必要はなく、冷却性向上や電池外装缶の剛性向上のための凹凸条などを有する電池であってもよい。

組電池が使用される目的・用途も、自動車用に限定されるものではなく、例えば、風力発電装置や太陽電池発電装置などにおいて発電電力を平準化する目的で二次電池が使用される用途など、広い用途に使用される組電池に本発明は活用できる。

本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車、発電装置などに使用される大容量組電池に使用することができ、それら組電池を構成する平板状単電池を効率的に冷却することができ、産業上の利用価値が高い。

１ 組電池
２ 単電池
４ エンドプレート
５ スペーサ部材
５１ 仕切り部
５２ 連結部
５３ 棒部材
５３１，５３２ 角部

Claims (4)

1. 略平板状の単電池を、積層配置して構成された組電池であって、
   隣接する単電池の間には、スペーサ部材が挟持され、
   スペーサ部材は、単電池が積層される方向に延在する仕切り部と、単電池表面と平行に延在する連結部を有しており、
   隣接する単電池の間には、スペーサ部材の仕切り部と連結部、及び単電池表面とによって、冷却風通路が形成されるとともに、
   互いに隣接する仕切り部の間には、当該冷却風通路を横断するように、棒部材が設けられており、
   棒部材は、冷却風通路の電池積層方向中央部に設けられている
   ことを特徴とする組電池。
2. 冷却風通路には、複数本の棒部材が冷却風流れ方向に離間するように設けられた請求項１に記載の組電池。
3. 棒部材は、冷却風通路の冷却風流れ方向に対し略直交するとともに、電池表面に対し略平行に設けられた
   請求項１または請求項２に記載の組電池。
4. 棒部材の断面形状が、断面中心から単電池表面側にオフセットした位置に設けられた角部と、断面中心からスペーサ部材連結部側にオフセットした位置に設けられた角部とを有する形状とされた請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の組電池。