JP2015032508A - 組電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な装置構成で、電池セル間の温度差を小さくできる組電池モジュールを提供する。
【解決手段】この組電池モジュール１は、複数の電池セル２０を、スペーサ２０，３０を介して集積してなり、スペーサ２０，３０は、電池セル１０よりも熱伝導率の高い材料で形成されると共に、内部空間２２，３３を有する構造をなし、隣接する電池セル１０どうしの間及び集積した電池セル１０の外側に配置され、互いに連結されて内部空間２２，３３が互いに連通しており、内部空間２２，３３に冷媒が充填されている。
【選択図】図２

Description

複数の電池セルを、集積した組電池モジュールに関する。

複数の電池セルを集積して組電池モジュールとし、大きな電力を取り出せるようにすることが行われている。

しかしながら、電池セル毎の劣化状態が異なると、組電池モジュールとしての性能は、最も劣化している電池セル性能に依存してしまう。そこで、電池セル間の温度差をできるだけ小さくて、各電池セルの劣化状態をできるだけ均一にし、組電池モジュールの長寿命化を図ることが行われている。

特許文献１には、電池セル間に、それぞれ電池セルに面接触して当該電池セルで発生した熱が伝達されるスペーサを配置し、これらスペーサと電池セルとを略同一の大きさとするとともに、これらスペーサのうち、熱が集中する部分に配置されるスペーサを他のスペーサに比べて厚く形成した組電池が開示されている。

特許文献１は、熱が集中する部分に配置されるスペーサを、他のスペーサよりも厚くしてより多くの熱を吸収させ、電池セル間の温度差を少なくするというものであるが、各電池セルの均熱化は十分とは言えなかった。

また、特許文献２には、複数の電池を一方向に配列して成る組電池モジュールと、当該組電池モジュールを収納する収納ケースと、前記複数の電池の配列方向に対し任意の角度で当該収納ケース内に冷却媒体を導入する前記収納ケースに設けた冷却媒体導入口と、各電池間に設けた複数の隔壁と、前記隔壁を貫通すると共に前記冷却媒体導入口に連通し前記冷却媒体導入口から導入した冷却媒体を前記隔壁で隔離された各冷却媒体通路に分配する冷却媒体分配路と、前記各冷却媒体通路を流れてきた冷却媒体を排出する前記収納ケースに設けた冷却媒体排出口とを備えた組電池が開示されている。

しかしながら、特許文献２は、冷却媒体を流通させるためのポンプ等が別途必要となるので、システムが複雑化してしまう課題があった。

特開２０１３−３７７９３号公報 特開２００６−１５６０９０号公報

本発明の目的は、簡単な装置構成で、電池セル間の温度差を小さくできる組電池モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するにあたり、本発明は、複数の電池セルを、スペーサを介して集積した組電池モジュールにおいて、前記スペーサは、前記電池セルよりも熱伝導率の高い材料で形成されると共に、内部空間を有する構造をなし、隣接する電池セルどうしの間及び集積した電池セルの外側に配置され、互いに連結されて前記内部空間が互いに連通しており、前記内部空間に冷媒が充填されていることを特徴とする。

本発明の組電池モジュールは、隣接する電池セルどうしの間及び集積した電池セルの外側にスペーサが配置されているので、電池セルにて発生した熱が、スペーサや冷媒に伝熱される。そして、各電池セルの外側に配置されたスペーサは、互いに連結されて内部空間が互いに連通し、内部空間に冷媒が充填されているので、スペーサ上に熱伝導パスが形成される。このため、一部の電池セルに熱が集中して発生しても、その電池セルの外周に配置されたスペーサが吸収した熱が、他の電池セルの外周に配置されたスペーサ側へ伝熱するので、熱が集中して発生する電池セルを効率よく冷却できる。

また、スペーサの内部空間に充填された冷媒のうち、発熱した電池セル近傍の冷媒は、加温されて徐々に比重が低くなって上部へと移動し、発熱した電池セル近傍には、温度の低い冷媒、すなわち、比重の重い冷媒が移動してくるので、自然対流によって冷媒の流れが生じる。このため、ポンプ等の循環装置などを別途設けなくても、スペーサ内で冷媒を循環でき、冷媒の自然対流によって電池セルを効率よく冷却できる。

本発明において、前記スペーサは、前記電池セルどうしの間及び集積した前記電池セルの外側に配置される複数のスペーサ部材からなり、各スペーサ部材は、内部空間と、スペーサ部材どうしの連結部に設けられる開口部とを有し、各スペーサ部材を連結して前記開口部によって各スペーサ部材の内部空間を連通させることにより、前記スペーサが構成されていることが好ましい。この態様によれば、電池セルの集積数や、電池セルの形状などに合わせて、スペーサ部材を組み合わせてスペーサを構成できるので、汎用性に優れる。

本発明において、前電池セルは、扁平な形状を有して、所定間隔で上下に並んで配置され、前記スペーサは、前記電池セルどうしの間及び最下部の電池セルの下面及び最上部の電池セルの上面に配置される第１スペーサ部材と、上下に配置された各第１スペーサ部材の両端部を連結して前記各電池セルを囲むように配置される第２スペーサ部材とを有し、前記第１スペーサ部材の両端部と、前記第２スペーサ部材の内側面の前記第１スペーサ部材が連結される部分とに前記開口部が形成され、前記開口部を通して前記第１スペーサ部材及び前記第２スペーサ部材の内部空間が連通していることが好ましい。

本発明において、前記電池セルは、円筒形状を有しており、前記スペーサ部材は、前記電池セルの側面形状に沿う形状の凹溝を有し、前記スペーサ部材の前記凹溝内に前記電池セルが配置されることが好ましい。

本発明の組電池モジュールは、隣接する電池セルどうしの間及び集積した電池セルの外側にスペーサが配置されているので、電池セルにて発生した熱が、スペーサや冷媒に伝熱される。そして、各電池セルの外側に配置されたスペーサは、互いに連結されて内部空間が互いに連通し、内部空間に冷媒が充填されているので、スペーサ上に熱伝導パスが形成される。このため、一部の電池セルに熱が集中して発生しても、その電池セルの外周に配置されたスペーサが吸収した熱が、他の電池セルの外周に配置されたスペーサ側へ伝熱するので、熱が集中して発生する電池セルを効率よく冷却できる。

また、スペーサの内部空間に充填された冷媒のうち、発熱した電池セル近傍の冷媒は、加温されて徐々に比重が低くなって上部へと移動し、発熱した電池セル近傍には、温度の低い冷媒、すなわち、比重の重い冷媒が移動してくるので、自然対流によって冷媒の流れが生じる。このため、ポンプ等の循環装置などを別途設けなくても、スペーサ内で冷媒を循環でき、冷媒の自然対流によって電池セルを効率よく冷却できる。

本発明の組電池モジュールの一実施形態を示す図である。 同組電池モジュールのＡ−Ａ断面図である。 同組電池モジュールに用いるスペーサ部材の斜視図である。 同組電池モジュールに用いるスペーサ部材の斜視図である。 本発明の組電池モジュールの一実施形態を示す図である。 同組電池モジュールを構成する電池セルと、該電池セルの周囲に配置されたスペーサ部材の分解斜視図である。

本発明の組電池モジュールの一実施形態について、図１〜４を用いて説明する。

図１，２に示すように、この組電池モジュール１は、扁平な形状を有する電池セル１０が、所定間隔で上下に並んで配置されている。

電池セル１０としては、特に限定は無く、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池等の二次電池等が挙げられる。

電池セル１０どうしの間、最下部の電池セル１０の下面、最上部の電池セル１０の上面には、第１スペーサ部材２０が配置されている。第１スペーサ部材２０は、電池セル１０よりも熱伝導率の高い材料で形成されている。例えば、電池セルの外装缶（外表面）がアルミニウムで構成されている場合は、金、銀、銅等が挙げられる。また、電池セルの外装缶（外表面）が樹脂系材料（ポリエチレンなど）で構成されている場合は、金、銀、銅、アルミニウム、ステンレス、白金、鉄、ニッケル、真鍮（黄銅）、シリコン等が挙げられる。

図２，３を併せて参照すると、第１スペーサ部材２０は、内部が空洞となっており、内部空間２２が形成されている。また、第１スペーサ部材２０の両側面２０ａ，２０ａには、内部空間２２に連通する開口部２１が形成されている。開口部２１は、キャップ２５によって開閉可能とされている。

図１に再び戻ると、電池セル１０及び第１スペーサ部材２０の両側には、一対の第２スペーサ部材３０が配置されている。第２スペーサ部材３０は、電池セル１０よりも熱伝導率の高い材料で形成されていればよく、第１スペーサ部材２０と同様の材料を用いて形成できる。

図２，４を併せて参照すると、第２スペーサ部材３０は、内部が空洞となっており、内部空間３３が形成されている。また、第２スペーサ部材３０の一側面３０ａと、上面３０ｂには、それぞれ開口部３１，３２が形成されている。開口部３１、３２は、キャップ３５，３６によって開閉可能とされている。

図２に示されるように、第１スペーサ部材２０の開口部２１が形成されている部分と、第２スペーサ部材３０の開口部３１が形成されている部分とが連結し、それぞれの開口部２１、３１を通して、第１スペーサ部材の内部空間２２と、第２スペーサ部材３０の内部空間３３とが連通している。

そして、第１スペーサ部材の内部空間２２と、第２スペーサ部材３０の内部空間３３とに冷媒４０が充填されている。冷媒４０としては、水等が好ましく用いられる。また、第２スペーサ部材３０の上面３０ｂに形成された開口部３２には、キャップ３５が嵌め込まれて開口部３２が閉塞されている。各スペーサ部材の内部空間内に冷媒を充填するには、キャップ３５を外し、開口部３２から冷媒を注入すれば良い。

この実施形態の組電池モジュールは、各電池セル１０の上下両面、及び、両側面に、第１スペーサ部材２０、及び、第２スペーサ部材３０が配置されているので、電池セル１０にて発生した熱を、第１スペーサ部材２０、及び、第２スペーサ部材３０にて吸収できる。

また、第１スペーサ部材２０の両側面と第２スペーサ部材３０の一側面とが接合しているので、各第１スペーサ部材２０と各第２スペーサ部材３０との間に熱伝導パスが形成されており、一部の電池セル１０に熱が集中して発生しても、その電池セル１０の外周に配置されたスペーサ部材が吸収した熱が、他の電池セル１０の外周に配置されたスペーサ部材へ伝熱するので、熱が集中して発生する電池セル１０を効率よく冷却できる。

また、各スペーサ部材の内部空間２２，３３には冷媒４０が充填されているが、発熱した電池セル近傍の冷媒は、加温されて徐々に比重が低くなって上部へと移動し、発熱した電池セル近傍には、温度の低い冷媒、すなわち、比重の重い冷媒が移動してくるので、自然対流によって冷媒の流れが生じる。このため、ポンプ等の循環装置などを別途設けなくても、スペーサ部材の内部空間内で冷媒が循環し、電池セルを効率よく冷却できる。

このため、電池セル間の温度差を小さくして各電池セルの劣化状態を均一にでき、組電池モジュールの長寿命化を図ることができる。

本発明の組電池モジュールの他の実施形態について、図５，６を用いて説明する。

この実施形態の組電池モジュール１’は、円筒形状の電池セル１０’を、所定間隔で上下及び左右に並んで配置して集積した組電池モジュールである。

図５，６に示されるように、各電池セル１０’の上下両面には、一対のスペーサ部材５０，５０が配置されている。

このスペーサ部材の一面には、電池セル１０の側面形状に沿う半円状の凹溝５１が形成され、該凹溝５１に電池セル１０が配置されている。また、スペーサ部材５０の内部は空洞となっており、内部空間５２が形成されている。また、各スペーサ部材５０の上面５０ａと、両側面５０ｂ，５０ｂと、下面であって、凹溝５１の形成されていない部分５０ｃ，５０ｃには、開口部５３〜５５が形成されている。開口部５３，５４は、キャップ６１，６２によって開閉可能とされている。

電池セル１０’の上下両面に配置された一対のスペーサ部材５０，５０は、開口部５５，５５を通して、内部空間５２，５２どうしが連通している。また、上下方向に並んで配置された電池セル１０’の外周に配置されたスペーサ部材５０，５０どうしは、開口部５３，５３を通して、内部空間５２，５２どうしが連通している。また、左右方向に並んで配置された電池セル１０’の外周に配置されたスペーサ部材５０，５０どうしは、開口部５４，５４を通して、内部空間５２，５２が連通している。すなわち、開口部５３〜５５を通じて、各電池セル１０’の外周に配置されたスペーサ部材５０の内部空間が連通している。

また、各スペーサ部材５０の内部空間５２には冷媒４０が充填されている。

そして、各スペーサ部材の開口部のうち、隣接するスペーサ部材と連結していない面に形成されている開口部５３，５４には、キャップ６１，６２が嵌め込まれて、開口部が閉塞されている。スペーサ部材の内部空間内に冷媒を充填するには、キャップ６１，６２を外し、開口部５３，５４から冷媒を注入すれば良い。

以下の実施例及び比較例において、偏平形状のリチウムイオン電池（Ｗ３４ｍｍ×Ｈ２２ｍｍ×Ｄ９６ｍｍ）を電池セルとして用いた。

（実施例）
電池セルの上下両面に、内部空間と、該内部空間に連通する開口部を両側面に有する第１スペーサ部材（材質:アルミニウム製、厚さ:２ｍｍ、外寸：Ｗ３４ｍｍ×Ｈ２２ｍｍ×Ｄ９６ｍｍ、内寸：Ｗ３０ｍｍ×Ｈ１８ｍｍ×Ｄ９２ｍｍ、内部容積：４９．６８ｃｍ^３）を配置して、電池セルを６層積層した。また、内部空間と、上面及び一側面に該内部空間に連通する開口部を有する第２スペーサ部材（材質:アルミニウム製、厚さ：２ｍｍ、外寸：Ｗ３４ｍｍ×Ｈ３３０ｍｍ×Ｄ２４ｍｍ、内寸：Ｗ３０ｍｍ×Ｈ３２６ｍｍ×Ｄ２０ｍｍ、内部容積：１９５．６ｃｍ^３）を、電池セル及び第１スペーサ部材の両側に配置し、第１スペーサ部材の開口部と、第２スペーサ部材の開口部とを連結して、第１スペーサ部材の内部空間と第２スペーサ部材の内部空間とを連通させた。そして、第２スペーサ部材の上面の開口部から冷媒として水を充填した後、上面の開口部をキャップで閉塞し、図１に示す構造の組電池モジュールを製造した。

（比較例）
電池セル（リチウムイオン電池）を６層積層して組電池モジュールを製造した。

各組電池モジュールを、１Ｃで充電し、２Ｃで放電を行った直後の各電池セルの表面温度を測定した。結果を表１に記す。なお、最上層の電池セルを一層目とし、最下層の電池セルを６層目とした。実験条件は、実施例、比較例ともに組電池モジュールを２５℃の恒温槽に設置した。

表１に示されるように、実施例の組電池モジュールは、電池セル間の温度差を小さくできた。

１，１’：組電池モジュール
１０，１０’：電池セル
２０：第１スペーサ部材
２１：開口部
２２：内部空間
２５：キャップ
３０：第２スペーサ部材
３１，３２：開口部
３３：内部空間
３５，３６：キャップ
４０：冷媒
５０：スペーサ部材
５１：凹溝
５２：内部空間
５３〜５５：開口部
６１，６２：キャップ

Claims (4)

1. 複数の電池セルを、スペーサを介して集積した組電池モジュールにおいて、
   前記スペーサは、前記電池セルよりも熱伝導率の高い材料で形成されると共に、内部空間を有する構造をなし、隣接する電池セルどうしの間及び集積した電池セルの外側に配置され、互いに連結されて前記内部空間が互いに連通しており、前記内部空間に冷媒が充填されていることを特徴とする組電池モジュール。
2. 前記スペーサは、前記電池セルどうしの間及び集積した前記電池セルの外側に配置される複数のスペーサ部材からなり、
   各スペーサ部材は、内部空間と、スペーサ部材どうしの連結部に設けられる開口部とを有し、
   各スペーサ部材を連結して前記開口部によって各スペーサ部材の内部空間を連通させることにより、前記スペーサが構成されている請求項１記載の組電池モジュール。
3. 前電池セルは、扁平な形状を有して、所定間隔で上下に並んで配置され、
   前記スペーサは、前記電池セルどうしの間及び最下部の電池セルの下面及び最上部の電池セルの上面に配置される第１スペーサ部材と、上下に配置された各第１スペーサ部材の両端部を連結して前記各電池セルを囲むように配置される第２スペーサ部材とを有し、前記第１スペーサ部材の両端部と、前記第２スペーサ部材の内側面の前記第１スペーサ部材が連結される部分とに前記開口部が形成され、前記開口部を通して前記第１スペーサ部材及び前記第２スペーサ部材の内部空間が連通している請求項２記載の組電池モジュール。
4. 前記電池セルは、円筒形状を有しており、前記スペーサ部材は、前記電池セルの側面形状に沿う形状の凹溝を有し、前記スペーサ部材の前記凹溝内に前記電池セルが配置される請求項２に記載の組電池モジュール。