JP2014063762A - 二次電池及び電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】放熱効率の高い二次電池及びこれを備えた電池パックを提供する。
【解決手段】電池容器２１内からその外側まで延設され、その一端が電解液Ｈに浸されると共にその他端が電池容器２１の外側に設けられた冷却システムに接触する熱伝導部材板６０Ａが設けられ、発電素子２２Ａは、電池容器２１内に屈曲されて設けられ、熱伝導部材６０Ａは、屈曲された発電素子２２Ａの向かい合う面間に設けられている構成とする。
【選択図】図７

Description

本発明は二次電池及び電池パックに関する。

近年、電気自動車やプラグインハイブリッド自動車等の電動車両が多数実用化されている。このような電動車両に搭載されている駆動用のバッテリは、充電可能な二次電池が用いられている。

この二次電池は、正負の電極及び電極同士を分離させるためのセパレータからなる発電素子により充電を行うが、この発電素子は急速充電時に温度が急上昇しやすい。このため、二次電池の周囲には冷却システムが設けられて二次電池を冷却しているが、特に、二次電池の中心部は、冷却システムからの距離が長く、かつ、その周囲に発電素子が存在することにより発生した熱がこもりやすいので高温になりやすい。このため、二次電池の中心部には放熱のために軸芯が設けられているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−９２４６９号公報（段落０００６、図１等）

特許文献１に記載された二次電池では、軸芯を電池容器に固着することにより二次電池の内部に発生した熱を電池容器に伝達させて二次電池内部の熱を電池容器から放熱している。しかしながら、特許文献１に記載された二次電池では放熱効率が低く、二次電池の温度上昇を十分に抑制することができない場合があるという問題がある。

そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、放熱効率の高い二次電池及びこれを備えた電池パックを提供しようとするものである。

上記課題を解決する本発明は、電解液に浸され、帯状の正極、負極及びセパレータを有する１以上の発電素子と、前記電解液と前記発電素子が収納される電池容器と、を備えた二次電池であって、前記電池容器内から前記電池容器の外側まで延設され、その一端が前記電解液に浸されると共にその他端が前記電池容器の外側に設けられた冷却システムに接触する熱伝導部材が設けられ、前記発電素子は、前記電池容器内に屈曲されて設けられ、前記熱伝導部材は、屈曲された前記発電素子の向かい合う面間に設けられていることを特徴とする二次電池にある。

本発明では、二次電池が熱伝導部材を備え、この熱伝導部材が電池容器の内側から電池容器の外側まで延設され、該電池容器の外側に設けられた冷却システムに接触することで効率よく二次電池を放熱することができる。

前記熱伝導部材は、対向する前記発電素子の帯状部位間に挟まれていることが好ましい。帯状部位とは、発電素子の帯状のセパレータ、正極及び負極から構成されている部分をいい、熱伝導部材が電池容器内の対向する発電素子のこの帯状部位に挟まれることで、最も発熱した熱がこもりやすく高温化する領域からの熱を放熱することができるので、より効率よく二次電池を放熱することができる。なお、ここでいう発電素子間とは、複数の発電素子間だけでなく、一つの発電素子を屈曲させた場合の対向する面間も含むものである。

前記熱伝導部材が、前記電池容器の底面とは離間して設けられていることが好ましい。このように構成されていることで、電池容器内の電解液の循環を妨げず、よってさらに効率よく二次電池を放熱することができる。

本発明の好ましい実施形態としては、前記熱伝導部材が、アルミニウムからなる板状の伝熱板であることか、ヒートパイプであることが挙げられる。

また前記熱伝導部材は、下端側に上端側よりも幅が広い幅広部を形成した伝熱板であることが好ましい。これにより、さらに効率よく二次電池を放熱することができる。

本発明の電池パックは、複数の二次電池と、前記二次電池が収納される電池ケースと、前記電池ケース内に設置され、前記二次電池を冷却する冷却システムと、を有する電池パックであって、前記冷却システムが、冷媒を冷却する冷却手段と、前記冷却手段により冷却された前記冷媒が流通する流路とを備えると共に、前記二次電池が、電解液に浸され、帯状の正極、負極及びセパレータを有する１以上の発電素子と、前記電解液と前記発電素子が収納される電池容器と、前記電池容器内から前記電池容器の外側まで延設され、その一端が前記電解液に浸されると共にその他端が前記電池容器の外側に設けられた前記冷却システムに接触する熱伝導部材とを備え、前記発電素子は、前記電池容器内に屈曲されて設けられ、前記熱伝導部材は、屈曲された前記発電素子の向かい合う面間に設けられていることを特徴とする。本発明の電池パックは、二次電池が熱伝導部材を備え、この熱伝導部材が電池容器の内側から電池容器の外側まで延設され、該電池容器の外側に設けられた冷却システムの流路に接触することで、効率よく二次電池を放熱することができる。

本発明の二次電池によれば、放熱効率が高く、二次電池の高温化を十分に抑制できるという優れた効果を奏し得る。これを備えた本発明の電池パックによれば、二次電池からの放熱効率が高く、内部に設けられた二次電池の高温化を十分に抑制できるという優れた効果を奏し得る。

本発明に係るバッテリを有する電池パックの電動車両に対する搭載状態を示す概略図である。 電池パックの分解斜視図である。 電池パック内に設置される冷却システムを示す斜視図である。 図３のＸ−Ｘ線における断面図である。 本発明の一実施形態に係るバッテリの正面断面図である。 本発明の一実施形態に係るバッテリの側面断面図である。 本発明の別の実施形態に係るバッテリの側面断面図である。 本発明の別の実施形態に係るバッテリの正面断面図である。

図１に示すように、本発明に係る二次電池（バッテリ）が搭載された車載用の電池パック１０は、例えば、電気自動車等の電動車両１の底部（フロア下）に搭載され、電動車両１の走行用モータ等に電力を供給する。

電池パック１０は、図２に示すように、複数のバッテリ２０と、これら複数のバッテリ２０が収容されるバッテリケース３０とを備える。バッテリケース３０は、複数のバッテリ２０を収容する容器であり、トレイ部材であるバッテリトレイ３１及びカバー部材であるバッテリカバー３２とで構成されている。バッテリトレイ３１はバッテリケース３０の下部を構成し、バッテリカバー３２がバッテリケース３０の上部を構成している。すなわち、これらバッテリトレイ３１とバッテリカバー３２とで形成される空間内に複数のバッテリ２０が保持されている。

本実施形態では、複数のバッテリ２０が、バッテリケース３０の長手方向に沿って２列に並設されている。なおバッテリケース３０内におけるバッテリ２０の配置は特に限定されるものではない。

また、バッテリケース３０内には、図２中省略したが、各バッテリからの冷却を行う冷却システム５０が設けられている。この冷却システムについて図３、４を用いて説明する。

冷却システムは、チラー５１と、チラー５１で冷却された冷却水（冷媒）が循環する循環路５２と、循環路５２に設けられたウォーターポンプ５３とからなる。チラー５１及びウォーターポンプ５３とは、バッテリトレイ３１の車体前方に設置されている。なお、冷却水は冷却用の液体であれば特に限定されない。

循環路５２は、冷却水が流通するものであり、図４に示すように断面視において矩形状の管である。この循環路５２は、複数の流路から構成されている。具体的には、循環路５２は、チラー５１に接続された第１流路５４を備える。この第１流路５４にウォーターポンプ５３が設けられ、チラー５１から冷却水を吸引できるように構成されている。第１流路５４は、その後分岐してバッテリ２０の各列の上方に配された第２流路５５、第３流路５６に接続されている。第２流路５５、第３流路５６は、チラー５１に接続された第４流路５７に接続されている。このように、循環路５２は第１流路５４〜第４流路５７からなる。

第２流路５５、第３流路５６の底壁面には各バッテリ２０に設けられた伝熱板６０が接触している。詳しくは後述するが、このように各バッテリ２０に伝熱板６０が設けられていることで、バッテリ２０の放熱効率が良く、例えば急速充電時におけるバッテリ２０の温度上昇を抑制することが可能である。

かかる循環路５２では、チラー５１で冷却された冷却水は、第１流路５４に設けられたウォーターポンプ５３により引かれて第１流路５４に流入して第２流路５５、第３流路５６に流入する。他方で、伝熱板６０からの熱により第２流路５５、第３流路５６を冷却水が流通する間に冷却水の温度は徐々に高まるので、冷却水は第４流路５７を通過してチラー５１に流入して再度冷却され、再度ウォーターポンプ５３により吸引されて第１流路５４に流入する。

このように冷却水が循環路５２を循環することにより本実施形態では電池パック１０内が冷却されてバッテリ２０がその外部から冷却される。また、冷却水が流れる循環路５２に伝熱板６０が接触することで冷却されて、例えば急速充電時でのバッテリ２０内部の温度上昇を抑制することができる。

以下、バッテリ２０の構成について詳細に説明する。

図５に示すように、バッテリ２０は、電池容器２１を備える。電池容器２１は、金属材料（例えばＳＵＳ）からなり、その内壁面側が絶縁部材により被覆されている。電池容器２１内部には、二つの発電素子２２が設けられている。発電素子２２は、図示しないが帯状の正極及び負極（例えば共にアルミからなる）が絶縁体であるセパレータを有し、これらが巻回されてなる。正極及び負極は、それぞれ電池容器２１の蓋部２４に設けられた端子（図示せず）に接続され、電池容器２１内に保持されている。また、電池容器２１内には電解液Ｈが満たされている。

本実施形態では、板状の伝熱板６０が、電池容器２１内の発電素子２２から発生した熱が高温化する領域に設けられている。伝熱板６０は、上述したようにバッテリ内部で生じた熱を冷却システムに伝達して放熱し、これにより例えば急速充電時でのバッテリ２０内部の温度上昇を抑制することができる。

具体的には、伝熱板６０は、下端側が上端側よりも幅が広い幅広部６１となっており、幅広部６１が二つの発電素子２２間に、各発電素子２２の中央部に対向するように配されている。即ち、この幅広部６１は、発電素子２２で発生した熱が発電素子２２間にこもることで高温化する領域を覆うように設けられている。

そして、伝熱板６０の上端は、図６に示すように、電池容器２１の外部まで延設されて、その端部の屈曲されてなる屈曲面６２が循環路５２の底壁の外周側に接触している。このように伝熱板６０が発電素子２２で発生した熱が高温化する領域に設けられることで、伝熱板６０はこの高温となった熱をバッテリ２０外部へ効率よく熱を伝達することができる。かつ、伝熱板６０が循環路５２に接触していることで、伝熱板６０は直接冷却されるので効率的に冷却され、この結果バッテリ２０内部で発生した熱を効率的に放熱することが可能である。

さらに本実施形態では、伝熱板６０は、その上端部の屈曲面６２が循環路５２に接触していることで、接触面積を比較的大きく確保しているので、放熱効率をより向上させることが可能である。

ここで、伝熱板６０としては、例えばアルミニウムや銅を用いることができ、本実施形態ではアルミニウムである。このような熱伝導性の高い金属を用いることで、放熱効率を向上させることが可能である。

因みに、伝熱板６０を電池容器２１の外部まで延設させずに電池容器２１の内壁に接続させて電池容器２１中央部で発生した熱を電池容器２１に伝達させると、電池容器２１自体の温度が上昇するためか放熱効率が低い。従って、本実施形態のように伝熱板６０を電池容器２１の外部まで延設し、かつ、伝熱板６０を電池容器２１の外部に設けられた冷却システムの循環路５２に直接接触させることで、より放熱効率を向上させることが可能である。

なお、この場合に伝熱板６０は、電池容器２１の蓋部２４にシール部材２５を介して図示しない固定部材により固定されていることから、電池容器２１の外部に液漏れすることもない。

また、伝熱板６０は、発電素子２２の中央部に対向して設けられており、発電素子２２の下部には設けられていない。即ち、伝熱板６０は、その下端部が電池容器２１の底面から離間するように設けられている。このように伝熱板６０が電池容器２１の底面から離間することで、電池容器２１内の電解液Ｈの循環を妨げにくい。つまり、伝熱板が電池容器の底面近辺まで設けられているとすれば伝熱板の面積を比較的大きく確保できるため放熱効率が向上するようにも思えるが、この場合には伝熱板が電池容器の底面近辺まで設けられていることで、電解液の循環を妨げてしまい、高温の電解液が留まり続けてしまい、結局バッテリ全体でみると所望のバッテリの温度上昇抑制という効果を得ることができないことが考えられる。

これに対し、本実施形態では、伝熱板６０は、伝熱板６０の下端部が電池容器２１の底面から離間した位置に設けられていることで、電解液Ｈの循環を妨げることもないので、より所望のバッテリ２０の温度上昇抑制という効果を得ることができるのである。この場合に伝熱板６０は、電池容器２１の高さの２０〜３０％程度、電池容器２１の底面から離間していればよい。この範囲であれば、発電素子２２の中央部からの放熱を行いながら、電解液の循環を妨げずに効率よく放熱を行うことができる。

このように、本実施形態では、電池容器２１内に伝熱板６０を高温化しやすい領域に設けてあるので、伝熱板６０が極力小さい面積であっても効率的にバッテリ２０を冷却することができる。また、伝熱板６０が小さい面積であることから、電解液の循環の妨げを抑制でき、より効率よく所望の放熱を行うことができる。

本発明の別の実施形態について説明する。

上述した実施形態では、発電素子２２は、電池容器２１内に二つ設けられていたが、図７に示す実施形態では、発電素子２２Ａは、電池容器２１内に屈曲されて一つ設けられている。このような場合であっても、発電素子２２Ａの屈曲されて向かい合う面間に伝熱板６０Ａが設けられていればよい。この場合にも、発電素子２２Ａの屈曲されて向かい合う面間の中央部付近で熱が発生しこもりやすいので、伝熱板６０Ａを設けて伝熱板６０Ａから放熱するように構成することで、効率よく発電素子２２Ａの中央部からの熱を放熱でき、電池温度の上昇を抑制できる。即ち、図６に示す発電素子２２自体が向かい合うような場合も、図７に示す発電素子２２Ａが屈曲されて向かい合うような場合も、共に発電素子２２、２２Ａの帯状部位（発電素子の帯状のセパレータ、正極及び負極から構成されている部分）が対向している。このような帯状部位に伝熱板６０、６０Ａが挟まれていることで、発電素子２２、２２Ａで発生した熱を効率的に放熱できるのである。

上述した実施形態では、熱伝導部材として伝熱板を設けたが、図８に示す実施形態では、熱伝導部材としてヒートパイプ７０（図８では例として３本）を設けている。ヒートパイプ７０について説明する。ヒートパイプ７０は、ヒートパイプ７０の下端部が発電素子２２間に位置するように、電池容器２１の蓋部２４に固定されている。また、ヒートパイプ７０の上端部は、循環路５２に接触している。ヒートパイプ７０は、その内部に液体７１を有している。

このようなヒートパイプ７０では、発電素子２２の温度が高くなると、ヒートパイプ７０内の液体が気化される。この際に気化熱により電池容器２１内の熱が奪われる。気化された液体がヒートパイプの上端側へと上昇すると、上端部は循環路５２に接触していることから、気化された液体は冷却されて再び液化される。液化された液体は、ヒートパイプ内壁を伝って再度ヒートパイプ下端側へ降下する。そして、再度発電素子２２の発熱により液体７１の温度は上昇し、これを繰り返す。このようなヒートパイプ７０を設けることで、本実施形態では、発電素子２２で発生した熱を冷却システムへ効率的に放熱を行うことができる。なお、このヒートパイプ７０を設ける場合も蓋部２４にはシール部材２５を設けることで、電解液Ｈが蓋部２４から流出するのを防止する。

上述した実施形態では、冷却システムとして冷却水を流通させるように構成したがこれに限定されない。例えば循環路には冷風を流通させるように構成してもよく、冷却システムとしては限定されない。熱伝導部材が直接接触することで冷却することができればよい。

上述した実施形態では、伝熱板６０は屈曲して循環路５２に接触するようにしたがこれに限定されない。循環路５２の下面側に開口を設け、この開口を伝熱板６０が貫通して伝熱板６０が循環路内部に露出するように設けても良い。この場合には、液漏れを防ぐべく、冷却システムの冷媒としては、液体よりも気体が好ましい。

上述した実施形態では、伝熱板６０は、幅広部６１を有するように構成したがこれに限定されず、発電素子からの熱が高温化する領域に合わせて自由に変形することが可能である。例えば、本実施形態では伝熱板６０は中央部のみに一つ設けられているが、幅広部を有しない伝熱板６０を複数設けて、中央部を覆うように設けても良い。

また、３以上の発電素子２２が電池容器２１内に設けられている場合には、各発電素子２２間にそれぞれ熱伝導部材が設けられていてもよい。

上述した実施形態では、冷却システムが有する冷却装置としてチラーを挙げたがこれに限定されず、ラジエータ等の他の冷却装置を用いても良い。

本実施形態では電動車両として電気自動車を示したがこれに限定されず、例えばハイブリッド電気自動車の充電池としても利用可能である。

１０ 電池パック
２０ バッテリ
２１ 電池容器
２２，２２Ａ 発電素子
２４ 蓋部
２５ シール部材
３０ バッテリケース
５０ 冷却システム
５１ チラー
５２ 循環路
５３ ウォーターポンプ
５４ 第１流路
５５ 第２流路
５６ 第３流路
５７ 第４流路
６０，６０Ａ 伝熱板
６１ 幅広部
６２ 屈曲面
７０ ヒートパイプ
７１ 液体
Ｈ 電解液

Claims (7)

1. 電解液に浸され、帯状の正極、負極及びセパレータを有する１以上の発電素子と、
   前記電解液と前記発電素子が収納される電池容器と、
   を備えた二次電池であって、
   前記電池容器内から前記電池容器の外側まで延設され、その一端が前記電解液に浸されると共にその他端が前記電池容器の外側に設けられた冷却システムに接触する熱伝導部材が設けられ、
   前記発電素子は、前記電池容器内に屈曲されて設けられ、
   前記熱伝導部材は、屈曲された前記発電素子の向かい合う面間に設けられていることを特徴とする二次電池。
2. 前記熱伝導部材は、対向する前記発電素子の帯状部位に挟まれていることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
3. 前記熱伝導部材が、前記電池容器の底面とは離間して設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の二次電池。
4. 前記熱伝導部材が、アルミニウムからなる板状の伝熱板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の二次電池。
5. 前記熱伝導部材が、ヒートパイプであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の二次電池。
6. 前記熱伝導部材は、下端側に上端側よりも幅が広い幅広部を形成した伝熱板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の二次電池。
7. 複数の二次電池と、前記二次電池が収納される電池ケースと、前記電池ケース内に設置され、前記二次電池を冷却する冷却システムと、を有する電池パックであって、
   前記冷却システムが、冷媒を冷却する冷却手段と、前記冷却手段により冷却された前記冷媒が流通する流路とを備えると共に、
   前記二次電池が、電解液に浸され、帯状の正極、負極及びセパレータを有する１以上の発電素子と、前記電解液と前記発電素子が収納される電池容器と、前記電池容器内から前記電池容器の外側まで延設され、その一端が前記電解液に浸されると共にその他端が前記電池容器の外側に設けられた前記冷却システムに接触する熱伝導部材とを備え、
   前記発電素子は、前記電池容器内に屈曲されて設けられ、
   前記熱伝導部材は、屈曲された前記発電素子の向かい合う面間に設けられていることを特徴とする電池パック。

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