JP2014130780A - 電池モジュール、電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】十分な冷却効果を得て、電池効率の低下を防ぐ。
【解決手段】電池モジュールは、所定の配列方向に沿って配列された複数の電池セル２１を備えている。そして、電池セル２１の配列方向において互いに隣り合う二つの電池セル２１，２１の少なくとも一方の電池セル２１に、二つの電池セル２１，２１の間に下方から流入する冷媒を二つの電池セル２１，２１の間から側方に流出させるガイド部４０を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、電池モジュール、電池ユニットに関する。

近年、大容量かつ高効率な二次電池として、リチウムイオン二次電池や、ニッケル水素二次電池が開発されている。このような二次電池は、電池容器の内部に、正極板と負極板とがセパレータを介して交互に配列され、電解液とともに封入されている。

二次電池を、例えば電気自動車やハイブリッド自動車に搭載する場合、風力発電機等の蓄電池として用いる場合には、必要とされる蓄電量も多いため、複数個の二次電池（以下、個々の二次電池を電池セルと称する）がパッケージ化された電池パッケージを用いている。
電池パッケージにおいては、複数個の電池セルが絶縁シートを介して結束バンド等によって束ねられるとともに、これら複数個の電池セルの電極がバスバーによって連結されることによって、電池モジュールが形成されている。そして、電池パッケージの外殻を構成するケースのトレー上に複数の電池モジュールが配列されることによって、電池パッケージが構成されている。

ところで、各電池セルは充放電時に発熱する。電池セルの発熱によって電池セルの効率が低下し、また電池セルの電池容器が膨張することもあるため、電池パッケージの使用時には、電池セルを冷却することが要求されている。

特許文献１には、一体化された複数の電池セルで構成された電池モジュールが複数配列され、複数の電池モジュールの間に冷却用部材が設けられた構成が開示されている。特許文献１に開示された構成において、電池モジュールから熱を受け取った冷却用部材は、冷却用部材に沿って流れる冷媒に冷却され、結果として電池セルが冷却用部材を介して冷却されるようになっている。

特開２００３−７２５５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された技術においては、互いに隣接する電池モジュールの間を冷却用部材に接し続けながら流れた冷媒が、冷却用部材から受け取る熱によって温度が上昇してしまう。その結果、電池モジュールにおいて、冷媒の流路の下流側に位置する電池セルの冷却効果が著しく低下し、電池モジュールの効率が低下する可能性がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、冷却効果を向上させることができる電池モジュール、電池ユニットを提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の電池モジュールは、配列方向に配列された複数の電池セルを備え、前記配列方向に隣り合う前記電池セルのうちの少なくとも一方の前記電池セルに、これら前記電池セルの間に下方から流入する冷媒を、これら前記電池セルの間の側方に流出させるガイド部を備えていることを特徴とする。

互いに隣り合う二つの電池セルにおいて、少なくとも一方の電池セルにガイド部を形成することによって、二つの電池セルの間には、冷媒を下方から流入させて側方から流出させる流路が形成される。
このような流路では、電池セルの発熱によって自然対流が生じ、流路の下方から冷媒が流入して上方に流れ、電池セルの側方に流出する。
これにより、電池モジュールを構成する各電池セルを確実に冷却することができる。
また、電池モジュールの上方がカバー等で覆われている場合にも、熱がカバー内にこもるのを防ぎ、効果的な冷却を行うことができる。

また、本発明に係る電池モジュールにおいて、ガイド部は、前記電池セルの底面から側面にわたって延在する溝または突条であるのことが好ましい。
これによって、二つの電池セルの間に下方から側方にわたる流路を確実に形成することができる。

さらに、本発明に係る電池モジュールにおいて、前記電池セルは、該電池セルの外殻をなすセル容器を有し、前記ガイド部は、前記セル容器に一体形成されていることが好ましい。
これによって、別途ガイド部を取り付ける作業を行わなくて良いため、製造工程を簡略化することができる。
なお、ガイド部は、セル容器とは別体とし、ガイド部を形成する所定形状を有したプレートをセル容器に取り付けても良い。

また、本発明に係る電池モジュールにおいては、前記電池セルの底面に、前記配列方向に延在する底部溝が形成されていることが好ましい。

これにより、この底部溝に冷媒が流れ、各電池セルを底面側から冷却するとともに、互いに隣り合う電池セルの間にガイド部によって形成された流路に対し、底面側から冷媒を送り込むことができる。

また、本発明は、上記したような電池モジュールと、前記電池モジュールを収容するケースと、前記ケース内に冷媒を導入する冷媒導入部と、前記冷媒を前記ケース外に排出する冷媒排出部とを備えていることを特徴とする電池ユニットとすることもできる。

この電池ユニットによれば、ケース内に導入された冷媒が、互いに隣り合う二つの電池モジュールの間から側方に流れ出ることを促進することができ、電池モジュールを構成する各電池セルを効果的に冷却することが可能となる。

また、前記ケースにおいて、前記電池モジュールが載置される載置面に、前記電池セルの配列方向に延在するケース溝が形成されているようにしても良い。

これにより、このケース溝にも冷媒が流れ、各電池セルを底面側から冷却するとともに、互いに隣り合う電池セルの間にガイド部によって形成された流路に対し、底面側から冷媒を送り込むことができる。

本発明によれば、互いに隣り合う電池セルの間に冷媒が下方から流入して側方に流出することで、電池セルの十分な冷却効果を得ることができる。

本発明の実施形態にかかる電池パッケージの構成を示す斜視図である。 電池モジュールを構成する電池セルを示す斜視図である。 電池モジュールの側面図および平面図である。 トレー上における電池モジュールの配置例、および空気流路を示す平面図である。 本実施形態の変形例を示す図であり、電池セルに形成したガイド部の他の例を示す斜視図である。 本実施形態の変形例を示す図であり、電池セルに形成したガイド部のさらに他の例を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態を示す図であり、底面に溝を形成した電池セルを示す斜視図である。

以下、添付図面を参照して、本発明による電池モジュール、電池ユニットを実施するための形態を説明する。
図１に示すように、電池パッケージ（電池ユニット）１０は、直方体状をなすケース１１内に、複数個の電池モジュール２０が収容された構成をなしている。。

各電池モジュール２０は、複数個の電池セル２１を有している。。
図２に示すように、各電池セル２１は、セル容器２３内に図示しない複数枚の正極板と負極板が絶縁シートを介して交互に配列され、電解液とともに密封されている。セル容器２３の上面２３ａには、複数枚の正極板に電気的に接続された正電極２８と、複数枚の負極板に電気的に接続された負電極２９とが突出している。ここで、電池セル２１は、正電極２８と負電極２９との離間方向（以下、これを幅方向と称する）の外形寸法Ａよりも、上面２３ａに沿った面内で正電極２８と負電極２９との離間方向に直交する方向（以下、これを厚さ方向と称する）の外形寸法Ｂの方が小さい略直方体状をなしている。

図３に示すように、電池モジュール２０は、電池セル２１がその厚さ方向を配列方向に一致させて直列的に配列されている。また、電池モジュール２０には、配列方向において互いに隣り合う電池セル２１の間の間隙を確保すべく絶縁性材料からなる絶縁シート３０を有している。これら複数の電池セル２１および絶縁シート３０は、例えばステンレス合金製のバンド２２によって一体に結束されている。
そして、各電池セル２１の正電極２８、負電極２９は、配列方向に離間した他の電池セルの正電極２８、負電極２９と、バスバー８０により電気的に接続されている。このようにして、複数の電池セル２１を束ねてなる電池モジュール２０は、これら電池セル２１の上面２３ａの全体がカバー９０によって覆われている。

図１に示すように、電池モジュール２０は、ケース１１の底面を構成する矩形状のトレー１２上に、複数個がマトリクス状に配列されている。より詳しくは、トレー１２は、平面視にて電池モジュール２０の配列方向を長手方向とした長方形状をなしており、、各電池モジュール２０は、電池セル２１の配列方向をトレー１２の長辺部１２ｄの延在方向、即ち、長手方向に一致させて配置されている。そして、本実施形態においては、トレー１２の長手方向に３つ、短辺部１２ｗの延在方向、即ち、短手方向に４列の計１２個の電池モジュール２０がトレー１２上に搭載されている。そして、トレー１２上において、トレー１２の長辺部１２ｄおよび短辺部１２ｗにおいてそれぞれ互いに隣接する電池モジュール２０，２０の間には、所定寸法の間隙を有した空気流路Ｌが形成されている。また、トレー１２の外周縁部１２ａに面して配置される電池モジュール２０と、トレー１２の外周縁部１２ａとの間にも、所定寸法の間隙を有した空気流路Ｌが形成されている。

ケース１１におけるトレー１２の長手方向一端側には、短辺部１２ｗに沿った側面を覆うエンドプレート１３が設けられている。このエンドプレートには複数の電動ファン（冷媒排出部）１４が設けられている。また、トレー１２の長手方向他端側には、短辺部１２ｗに沿った側面を覆うエンドプレート１５が設けられている。このエンドプレート１５には空気導入口（冷媒導入部）１６が形成されている。

このような電池パッケージ１０においては、電動ファン１４を作動させることによって、空気導入口１６からケース１１の外部の空気（冷媒）をケース１１内に吸い込む。吸い込まれた空気は、ケース１１内の複数の電池モジュール２０，２０の間に形成された空気流路Ｌを通り、各電池モジュール２０を構成する各電池セル２１を冷却し、電動ファン１４からケース１１外に排出される。

本実施形態では、図２、図３に示すように、電池モジュール２０における互いに隣り合う電池セル２１，２１同士の配列方向に対向する面が対向面２１ａ、２１ａとされている。そして、互いに隣り合う電池セル２１，２１のうちの一方の電池セル２１の対向面２１ａには、電池セル２１の底面２１ｄから対向面２１ａの両側に位置する一対の側面２１ｂ，２１ｂにわたって延在するガイド部４０が形成されている。また互いに隣り合う電池セル２１，２１の対向面２１ａ、２１ａのうち、他方の電池セル２１の対向面２１ａは、凹凸のない平坦面４２とされている。

本実施形態のガイド部４０は、図２に示すように、対向面２１ａに形成された複数本の溝４１により形成されている。溝４１は、底面２１ｄに開口した一端４１ａから上方に向かいつつ、側面２１ｂ側に向けて漸次湾曲し、他端４１ｂが側面２１ｂに開口している。
ここで、溝４１の断面形状は、Ｖ字状、Ｕ字状、凹字状等、いかなる断面形状としても良い。また、溝４１は、一端４１ａが底面２１ｄに開口し、他端４１ｂが側面２１ｂに開口するのであれば、漸次湾曲するのではなく、その中間部で屈曲させても良いし、一端４１ａと他端４１ｂとを直線的に結ぶように形成しても良い。
このような溝４１は、セル容器２３自体に形成され、セル容器２３のプレス成形時に形成することができる。

複数の電池セル２１がバンド２２によって拘束された状態で、互いに隣り合う二つの電池セル２１，２１間においては、複数の溝４１からなるガイド部４０により、これら二つの対向面２１ａ，２１ａの間に介在される絶縁シート３０との間に、電池セル２１の底面２１ｄと両側の側面２１ｂ，２１ｂとを連通する流路Ｓが形成されている。

また、トレー１２の上面（載置面）１２ｂには、ケース溝６０が形成されている。ケース溝６０は、このトレー１２上に配置される電池モジュール２０において電池セル２１の配列方向に延在するように形成されている。また、ケース溝６０は、各電池モジュール２０をセットする部位に、複数本を並設するのが好ましい。
このようにすると、電池モジュール２０と、該電池モジュール２０が設置されるトレー１２の上面１２ｂとの間に、複数の電池セル２１の配列方向に連続する空気流路（冷媒流路）Ｌ３が形成されることとなる。

このような電池モジュール２０を備えた電池パッケージ１０においては、空気導入口１６からケース１１内に導入された空気が、空気流路Ｌ３に流れ込み、互いに隣り合う電池セル２１，２１の間の流路Ｓに対して下方から流れ込む。
流路Ｓにおいては、ケース溝６０によって形成された空気流路Ｌ３から空気が下方から流れ込み、電池セル２１の側方に向けて抜ける（図２中、矢印Ｆ参照。）。

この際、流路Ｓ内の空気は、電池セル２１の発する熱によって加熱されるため、自然対流により下方から上方に向けて流れる。これにより、電池セル２１の下方のケース溝６０から流路Ｓに空気が効率良く引き込まれるともに、流路Ｓ内の空気は上方に流れ、電池セル２１の側方から排出される。
さらに、流路Ｓ内の空気が、電池セル２１の側方に排出されるので、電池モジュール２０の上方を覆うカバー９０内に熱がこもってしまうことを防ぐ。
また、空気導入口１６からケース１１内に導入された空気（図４中、矢印参照）は、電池セル２１の配列方向の両側（幅方向両側）を通り、その流速が流路Ｓ内よりも速いため、電池セル２１の側方に流路Ｓ内の空気が引き出される。
これによって、各電池セル２１の冷却効果を向上させることができる。

以上のように本実施形態では、隣り合う電池セル２１，２１の対向面２１ａ，２１ａの一方にガイド部４０が形成され他方に平坦部４２が形成されることで、電池セル２１，２１間に底面２１ｄと側面２１ｂとにわたる流路Ｓを形成することができる。
加えて、ガイド部４０は、溝４１を形成することによって、溝４１を形成しない単なる平面に比較して、その表面積が増大している。
これにより、電池モジュール２０を構成する各電池セル２１間を確実かつ効率良く冷却することができ、電池セル２１の加熱を効果的に抑制することができる。
ここで、互いに隣り合う電池セル２１，２１の間に、単に隙間を空けた場合に比較すると、単に隙間を空けた場合には、電池モジュール２０の周囲の冷媒の流れが乱流などによって隙間に入りにくい。これに対して、本実施形態の構成を備えることによって、流路Ｓへの空気の流入、流路Ｓからの空気の流出が円滑に行われる。これによって、圧力損失も小さく、冷却効率も高くなっている。その結果、例えば電動ファン１４を小型化することも可能となる。

この他、ガイド部４０を有する対向面２１ａは、対向する他の電池セル２１の平坦部４２（絶縁シート３０）に当接しているため、複数の電池セル２１を結束するバンド２２と相まって、電池セル２１の厚さ方向への膨張を拘束することができる。

（変形例）
なお、ガイド部４０は、溝４１に限らず、例えば、図５に示すように、電池セル２１の対向面２１ａに、底面２１ｄから両側の側面２１ｂ，２１ｂにそれぞれ連続する突条４４を複数並設しても良い。
ここで突条４４は、対向面２１ａ側の基端部から先端部に向かうに従ってその幅が漸次縮小する断面略三角形状とすることができる。各突条４４は、一端部４４ａから中間部４４ｂまで、電池セル２１の底面２１ｄ側から上方に向かい直線的に延在し、、中間部４４ｂから他端部４４ｃに向けて湾曲している。

また、突条４４の形状や本数は、図５に示したものに限らない。
例えば、図６に示すように、二本一対の突条４５は、電池セル２１の底面２１ｄ側から上方に向かい直線的に延びる直線部４５ａ，４５ａを備えたものとし、この突条４５から電池セル２１の側面２１ｂ、２１ｂに向かうにしたがって上方に向かって傾斜して延びる分岐突条４５ｂを複数本設けるようにしても良い。この場合、突条４５の直線部４５ａには、互いに隣接する分岐突条４５ｂ，４５ｂの間に、切り欠き部４７が設けられている。このような構成においても、図５に示した構成と同様の作用効果を得ることができる。

さらには、トレー１２に形成したケース溝６０に代えて、例えば、図７に示すように、上記で示したような各電池セル２１の底面２１ｄに、一方の対向面２１ａと他方の対向面２１ａを連通する底部溝５０を形成することができる。この際、絶縁シート３０にも、底部溝５０に対向する位置に、底部溝５０と同様の断面形状の凹部を形成することが好ましい。
このようにすると、電池モジュール２０には、この電池モジュール２０が設置されるトレー１２の上面１２ｂとの間に、複数の電池セル２１の配列方向に延在する空気流路（冷媒流路）Ｌ２が形成されることとなる。そして、空気導入口１６からケース１１内に導入された空気が、空気流路Ｌ２に流れ込み、互いに隣り合う電池セル２１，２１の間の流路Ｓに対して下方から流れ込む。これによって、ケース溝６０を備えた場合と同様、各電池セル２１の冷却効果を向上させることができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明の電池モジュール、電池ユニットは、図面を参照して説明した上述の各実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、ガイド部４０は、互いに隣り合う電池セル２１，２１の対向面２１ａ，２１ａの双方に形成するようにしても良い。このようにすると、各電池セル２１を両面側から効率良く冷却できる。

また、溝４１，突条４４，４５は、上記した以外のさらに他の形状、配置とすることができ、その設置数も適宜変更することが可能である。

さらに、電池セル２１の対向面２１ａ自体をガイド部４０としたが、上記したような溝４１，突条４４，４５を有するプレート材を、電池セル２１の対向面２１ａに接着する等して一体に設けるようにしても良い。

加えて、電池モジュール２０は、トレー１２上に平面的に複数個を備えるようにしたが、さらに、上下方向に複数段に積層して電池パッケージ１０を構成することも可能である。
また、電池モジュール２０を冷却するための構成は、上記したものに限らず、適宜他の構成を採用することが可能である。
さらに、各電池セル２１のセル容器２３を、絶縁性材料で形成した場合、導電性材料で形成し、その表面を絶縁性材料で被覆した場合等においては、絶縁シート３０を省略する構成とすることも可能である。

１０ 電池パッケージ（電池ユニット）
１１ ケース
１２ トレー
１２ａ 外周縁部
１２ｂ 上面（載置面）
１３ エンドプレート
１４ 電動ファン（冷媒排出部）
１５ エンドプレート
１６ 空気導入口（冷媒導入部）
２０ 電池モジュール
２１ 電池セル
２１ａ 対向面
２１ｂ 側面
２１ｄ 底面
２２ バンド
２３ セル容器
２３ａ 上面
２８ 正電極
２９ 負電極
３０ 絶縁シート
４０ ガイド部
４１ 溝
４１ａ 一端
４１ｂ 他端
４２ 平坦部
４４，４５ 突条
４４ａ 一端部
４４ｂ 中間部
４４ｃ 他端部
４５ａ 直線部
４５ｂ 分岐突条
４７ 切り欠き部
５０ 底部溝
６０ ケース溝
８０ バスバー
９０ カバー
Ｌ 空気流路（冷媒流路）
Ｌ２ 空気流路（冷媒流路）
Ｌ３ 空気流路（冷媒流路）
Ｓ 流路

Claims (6)

1. 配列方向に配列された複数の電池セルを備え、
   前記配列方向に隣り合う前記電池セルのうちの少なくとも一方の前記電池セルに、これら前記電池セルの間に下方から流入する冷媒を、これら前記電池セルの間の側方に流出させるガイド部を備えていることを特徴とする電池モジュール。
2. 前記ガイド部は、前記電池セルの底面から側面にわたって延在する溝または突条であることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記電池セルは、該電池セルの外殻をなすセル容器を有し、
   前記ガイド部は、前記セル容器に一体形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電池モジュール。
4. 前記電池セルの底面に、前記配列方向に延在する底部溝が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の電池モジュールと、
   前記電池モジュールを収容するケースと、
   前記ケース内に冷媒を導入する冷媒導入部と、
   前記冷媒を前記ケース外に排出する冷媒排出部とを備えていることを特徴とする電池ユニット。
6. 前記ケースにおける前記電池モジュールが載置される載置面に、前記電池セルの配列方向に延在するケース溝が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の電池ユニット。

Images