JP2017135078A - 電池モジュール及び電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】各電池セルにおいて発生する熱の放熱性を向上させることができる電池モジュール及び電池パックを提供する。【解決手段】電池モジュール２１は、第一側面２３ａと、第一側面２３ａと交差する第二側面２３ｂと、を有し、第一側面２３ａに交差する第一方向Ｄに配列された複数の電池セル２３と、電池セル２３に取り付けられ、第一側面２３ａに対向する第一本体部４２と、第二側面２３ｂを覆うように第一本体部４２の一端から第一方向Ｄに延びると共に熱伝導部材５１に対向する第二本体部４３と、を有する伝熱プレート４１と、第一本体部４２における第一側面２３ａに対向する第一対向面４２ａと、第二本体部に４３おける熱伝導部材５１に対向する第二対向面４３ａと、を接続する熱伝導経路と、を備え、熱伝導経路は、伝熱プレート４１を覆う被覆部４５により形成されており、被覆部４５を形成する材料の熱伝導性は、伝熱プレート４１の熱伝導性よりも高い。【選択図】図４

Description

本発明は、電池モジュール及び電池パックに関する。

電池モジュールの熱を被固定部材に放熱する構成として、例えば、特許文献１に記載の電池モジュール及び電池パックが知られている。特許文献１に記載の電池モジュール及び電池パックでは、電池セルと伝熱プレートとを交互に並列した電池モジュールと筐体（被固定部材）との間に熱伝導部材が設けられている。

特開２０１５−１５６３０３号公報

上記電池モジュール及び電池パックでは、伝熱プレートと熱伝導部材とが接触しており、各電池セルの発熱は、伝熱プレートを介して熱伝導部材に伝達される。伝熱プレートは、例えば、アルミニウム、銅、もしくはその合金で構成されているので、熱伝導性に優れるが、更なる熱伝導性の向上を図り、各電池セルにおいて発生する熱の放熱性を向上させることが望ましい。

そこで、本発明の目的は、各電池セルにおいて発生する熱の放熱性を向上させることができる電池モジュール及び電池パックを提供することにある。

本発明の電池モジュールは、熱伝導部材を介して被固定部材に固定される電池モジュールであって、第一側面と、第一側面と交差する第二側面と、を有し、第一側面に交差する第一方向に配列された複数の電池セルと、電池セルに取り付けられ、第一側面に対向する第一本体部と、第二側面を覆うように第一本体部の一端から第一方向に延びると共に熱伝導部材に対向する第二本体部と、を有する伝熱プレートと、第一本体部における第一側面に対向する第一対向面の少なくとも一部と、第二本体部における熱伝導部材に対向する第二対向面の少なくとも一部と、を接続する熱伝導経路と、を備え、熱伝導経路は、伝熱プレートの少なくとも一部を覆う被覆部により形成されており、被覆部を形成する材料の熱伝導性は、伝熱プレートの熱伝導性よりも高い。

この構成の電池モジュールによれば、電池セルの第一側面に対向する伝熱プレートの第一対向面と、熱伝導部材に対向する伝熱プレートの第二対向面と、を接続する熱伝導経路を備えている。また、この熱伝導経路は、伝熱プレートを当該伝熱プレートよりも熱伝導性が高い材料で覆う被覆部により形成されている。これにより、伝熱プレートを介して熱伝導部材に伝達されていた電池セルの熱は、熱伝導経路を介して熱伝導部材に伝達される。従って、各電池セルにおいて発生する熱の放熱性を向上させることができる。

被覆部は、カーボンによって形成されていてもよい。

この構成の電池モジュールによれば、伝熱プレートよりも熱伝導性が高い熱伝導径路を容易に形成することができる。

被覆部は、伝熱プレートの全表面を覆っていてもよい。

この構成の電池モジュールによれば、伝熱プレートの表面を覆っている被覆部を容易に形成することができる。

被覆部は、熱伝導部材に対向する摺動面を有し、熱伝導部材に対する摺動面の摺動性は、熱伝導部材に対する第二対向面の摺動性よりも高い構成であってもよい。

この構成の電池モジュールによれば、摺動面と熱伝導部材とが接触するようになり、第二本体部の第二対向面と熱伝導部材とが接触する割合が少なくなるので、電池モジュールの熱伝導部材に対する摺動性が向上する。このため、電池セルが第一方向、すなわち電池セルの配列方向に沿って膨張又は収縮した場合に伴う配列方向の力が、摺動面と熱伝導部材との摺動によって吸収されやすくなる。従って、配列方向の力が熱伝導部材に加わることを抑制することができる。この結果、電池セルの配列方向に熱伝導部材がずれたり、熱伝導部材が破断したりすることを要因とする電池モジュールにおける放熱性の低下を抑制できる。

本発明の電池パックは、上記の電池モジュールと、電池モジュールが収容されると共に固定される被固定部材と、被固定部材と電池モジュールとの間に配置された熱伝導部材と、を備える。

この構成の電池パックによれば、熱伝導部材に対する熱伝導性が伝熱プレートよりも高い熱伝導径路を有する電池モジュールを備えている。このため、電池セルの熱は、当該熱伝導径路を介して熱伝導部材に伝達される。従って、各電池セルにおいて発生する熱の放熱性を向上させることができる。

本発明によれば、各電池セルにおいて発生する熱の放熱性を向上させることができる。

一実施形態に係る電池パックを示す斜視図である。 図１の電池モジュールを示す斜視図である。 図１の電池ホルダ、電池セル、伝熱プレートを示す分解斜視図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について詳細に説明する。図面の説明において、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１に示されるように、電池パック１０は、筐体１１を有している。筐体１１には複数の電池モジュール２１が収容されている。筐体１１は、金属製の四角箱状の部材である。筐体１１は、矩形平板状の底板１２と、底板１２の周縁から立設する矩形平板状の側壁（被固定部材）１３と、側壁１３によって囲まれる開口部を閉塞する矩形平板状の天板１４と、を有している。電池モジュール２１と側壁１３との間には、熱伝導部材５１（ＴＩＭ：Thermal Interface Material）が配置されている（図４参照）。

図２に示されるように、電池モジュール２１は、複数の電池セル２３と、電池ホルダ２２と、一対のブラケット２５，２５と、連結部材であるボルトＢ及びナットＮと、を有している。また、電池モジュール２１は、電池セル２３のそれぞれに取り付けられた伝熱プレート４１と、伝熱プレート４１を覆う被覆部４５と、を有している（図３参照）。

電池セル２３は、例えば、リチウムイオン二次電池及びニッケル水素蓄電池などの二次電池である。図３に示されるように、電池セル２３は、第一側面２３ａと、第一側面２３ａと交差する第二側面２３ｂと、を有している。電池セル２３は、電池ホルダ２２に保持された状態で、第一側面２３ａに交差する第一方向Ｄに配列されている。

電池ホルダ２２は、底壁３１と、一対の側壁３２，３３と、上部壁３４と、一対の脚部３６，３６と、を有している。

底壁３１は、矩形平板状に形成され、電池セル２３の底部を覆う部分である。側壁３２及び側壁３３は、底壁３１の長手方向両端から立設する部分である。側壁３２及び側壁３３は、矩形平板状に形成され、電池セル２３の側面を覆う部分である。上部壁３４は、矩形平板状に形成され、電池セル２３の第一側面２３ａの一部を覆う部分である。上部壁３４は、側壁３２の長手方向における第一端部３２ａ（底壁３１が設けられる端部とは反対側の端部）と、側壁３３の長手方向における第一端部３３ａ（底壁３１が設けられる端部とは反対側の端部）とに接続されている。上部壁３４は、その厚み方向が電池セル２３の並設方向と一致し、長手方向が側壁３２及び側壁３３の対向方向と一致するように配置されている。底壁３１、側壁３２、側壁３３に囲まれる領域は、電池セル２３が収容される収容部Ｓとなる。

側壁３２及び側壁３３の長手方向における第一端部３２ａ，３３ａには、各側壁３２，３３と連設され、各側壁３２，３３の長手方向に延びる矩形平板状の突出部３５が設けられている。また、側壁３２及び側壁３３の長手方向における第二端部３２ｃ、３３ｃには、四角柱状の脚部３６が設けられている。

図２及び図４に示されるように、一対のブラケット２５，２５は、第一方向Ｄに配列された電池セル２３の配列方向両端に設けられている。ブラケット２５は、挟持部２５ａと、固定部２５ｂと、固定部２５ｂに形成された挿通孔２５ｃと、を有している。電池モジュール２１は、ブラケット２５の固定部２５ｂが側壁１３に固定されることによって、筐体１１に固定される。具体的には、挿通孔２５ｃに挿通されるボルト２５ｄが側壁１３にねじ込まれることにより、ブラケット２５が筐体１１に固定される。

連結部材であるボルトＢ及びナットＮは、一対のブラケット２５，２５同士を連結する。それぞれのブラケット２５には、ボルトＢが挿通されている。ボルトＢは、一方のブラケット２５から、他方のブラケット２５に向けて挿通されると共に、他方のブラケット２５を挿通した位置でナットＮに螺合されている。

図３に示されるように、伝熱プレート４１は、第一方向Ｄに互いに隣接する電池セル２３の間に配置される板状の部材である。伝熱プレート４１は、金属（例えば、アルミニウム、ステンレス鋼など）製の板材をＬ字状に屈曲させることで形成されており、矩形平板状の第一本体部４２と、第一本体部４２の長手方向一端から直角に屈曲する矩形平板状の第二本体部４３と、を有している。第一本体部４２は、電池セル２３の第一側面２３ａに対向する第一対向面４２ａを有している。第二本体部４３は、電池ホルダ２２の側壁３３の外面（側壁３３の厚み方向の面において収容部Ｓとは反対側の面）を覆うと共に、第一本体部４２の長手方向一端から電池セル２３の第一側面２３ａと交差する方向（第一方向Ｄ）に延びている。第二本体部４３は、側壁３３を介して電池セル２３の第二側面２３ｂを覆っている。また、第二本体部４３は、電池モジュール２１が熱伝導部材５１を介して筐体１１に固定されるときに熱伝導部材５１に対向する第二対向面４３ａを有している。

図４に示されるように、被覆部４５は、伝熱プレート４１の全表面を覆うことにより、第二本体部４３の第二対向面４３ａを覆っている。被覆部４５を形成する材料の熱伝導性は、伝熱プレート４１の熱伝導性よりも高い。例えば、伝熱プレート４１よりも高い熱伝導率を有する材料によって被覆部４５が形成されている。これにより、被覆部４５は、第一本体部４２の第一対向面４２ａと、第二本体部４３の第二対向面４３ａと、を接続する熱伝導径路を形成している。すなわち、電池セル２３の熱は、電池セル２３の第一側面２３ａから、被覆部４５の熱伝導径路を介して、熱伝導部材５１に伝達される。

また、被覆部４５は、熱伝導部材５１に対向する摺動面４５ａを有している。熱伝導部材５１に対する摺動面４５ａの摺動性は、熱伝導部材５１に対する第二対向面４３ａの摺動性よりも高い。例えば、熱伝導部材５１に対する静止摩擦係数が伝熱プレート４１よりも小さい材料により被覆部４５を形成することにより、熱伝導部材５１に対する摺動面４５ａの摺動性を、熱伝導部材５１に対する第二対向面４３ａの摺動性よりも高めることができる。

被覆部４５は、例えば、カーボンによって形成されている。カーボンは、アルミニウムなどの金属材料よりも高い熱伝導率を有している。カーボンの熱伝導率は、例えば、７００〜１９５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。この場合、被覆部４５の厚みは、例えば、１０μｍ〜１００μｍである。また、熱伝導部材５１に対するカーボンの静止摩擦係数は、熱伝導部材５１に対する金属材料の静止摩擦係数よりも小さい。

図４に示されるように、電池モジュール２１は、被覆部４５の摺動面４５ａが熱伝導部材５１を介して側壁１３と対向するように固定されている。摺動面４５ａは、熱伝導部材５１に接触している。

熱伝導部材５１は、絶縁性を有するシート状の部材である。このような絶縁性を有する熱伝導部材５１として、金属フィラーを含まない熱伝導シートを用いることができる。また、このような熱伝導部材５１には、シリコーン系の熱伝導シートと、アクリル系の熱伝導シートとがある。シリコーン系の熱伝導シートを用いる場合には、耐寒性及び耐熱性に優れているため使用温度の範囲を広くすることができる。また、金属フィラーを使用していないシリコーン系の熱伝導シートは、温度及び周波数による電気特性の変化が小さいため絶縁材料に適する。一方、アクリル系のシートは、シロキサンガスの発生がないため、密閉空間における機械接点の接点障害、及び磨耗が発生しない。また、アクリル系のシートは、一般的にシリコーンより安価である。なお、熱伝導部材５１は、液状の熱伝導材料が硬化して形成される固体状かつ弾性を有する部材を採用してもよい。

次に、本実施形態の電池モジュール２１及び電池パック１０の作用効果について説明する。上記実施形態の電池モジュール２１及び電池パック１０によれば、電池セル２３の第一側面２３ａに対向する伝熱プレート４１の第一対向面４２ａと、熱伝導部材５１に対向する伝熱プレート４１の第二対向面４３ａと、を接続する熱伝導経路を備えている。また、この熱伝導経路は、伝熱プレート４１を当該伝熱プレート４１よりも熱伝導性が高い材料で覆う被覆部４５により形成されている。これにより、伝熱プレート４１を介して熱伝導部材５１に伝達されていた電池セル２３の熱は、熱伝導経路を介して熱伝導部材５１に伝達される。従って、各電池セル２３において発生する熱の放熱性を向上させることができる。この結果、電池セル２３の配列方向に熱伝導部材５１がずれたり、熱伝導部材５１が破断したりすることを要因とする電池モジュール２１における放熱性の低下を抑制できる。

被覆部４５によって形成される熱伝導経路を有していない場合、すなわち、電池セル２３の熱が金属製の伝熱プレート４１を介して熱伝導部材５１に伝達される構成では、熱伝導部材５１には高い熱伝導性が要求される。高い熱伝導性を有する熱伝導部材５１を用いることとなると、材料が限定され、例えば、コスト、組付け方法等の選択に柔軟に対向することが困難となる。本実施形態の電池モジュール２１及び電池パック１０によれば、各電池セル２３において発生する熱の放熱性を向上させることができるため、熱伝導部材５１の材料の選択にバリエーションをもたせることができる。

この構成の電池モジュール２１によれば、被覆部４５は、カーボンによって形成されているため、伝熱プレート４１よりも熱伝導性が高い熱伝導径路を容易に形成することができる。

この構成の電池モジュール２１によれば、被覆部４５は、伝熱プレート４１の全表面を覆っているため、例えば電着塗装などによって、被覆部４５を容易に形成することができる。

また、電池セル２３は、例えば電池セル２３の充放電によって、第一方向Ｄ、すなわち電池セル２３の配列方向に膨張又は収縮する場合がある。そのような場合、配列方向の力が熱伝導部材５１に加わって、配列方向に熱伝導部材５１がずれることがある。

この構成の電池モジュール２１によれば、被覆部４５は、伝熱プレート４１の第二本体部４３における第二対向面４３ａの少なくとも一部に、熱伝導部材５１に対する摺動性が伝熱プレート４１における第二対向面４３ａよりも高く、熱伝導部材５１に対向する摺動面４５ａを形成している。これにより、摺動面４５ａと熱伝導部材５１とが接触するようになり、第二本体部４３の第二対向面４３ａと熱伝導部材５１とが接触する割合が少なくなるので、電池モジュール２１の熱伝導部材５１に対する摺動性が向上する。このため、電池セル２３が配列方向に沿って膨張又は収縮した場合に伴う配列方向の力が、摺動面４５ａと熱伝導部材５１との摺動によって吸収されやすくなる。従って、配列方向の力が熱伝導部材５１に加わることを抑制することができる。

この構成の電池モジュール２１によれば、被覆部４５は、カーボンによって形成されているため、伝熱プレート４１における第二対向面４３ａよりも熱伝導部材５１に対する摺動性が高い摺動面４５ａを容易に形成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本実施形態において、図３に示されるように、被覆部４５は、伝熱プレート４１の全表面を覆っている例を挙げて説明したが、被覆部４５は、伝熱プレート４１の全表面を覆っていない構成であってもよい。被覆部４５は、第一本体部４２の第一対向面４２ａの少なくとも一部と、第二本体部４３の第二対向面４３ａの少なくとも一部と、を接続する熱伝導経路を形成していれば、伝熱プレート４１の一部のみを覆っていてもよい。例えば、被覆部４５は、第一本体部４２及び第二本体部４３の短手方向における略中央部に、線状に形成されていてもよい。

また、電池セル２３と一方のブラケット２５との間に、第一方向Ｄ（配列方向）に弾性を有する弾性部材が配置されていてもよい。これにより、電池セル２３の膨張又は収縮に伴う、電池セル２３の配列方向の力を弾性部材が吸収することができる。例えば、弾性部材は、電池セル２３の伝熱プレート４１に覆われていない側（図４における左側のブラケット２５と電池セル２３との間）に配置されていてもよい。これにより、弾性部材は、伝熱プレート４１を介することなく電池セル２３に接触することができる。また、この弾性部材は、更に絶縁性を有していてもよい。これにより、電池セル２３とブラケット２５との間の絶縁性を確保することができる。

本実施形態又は変形例において、被覆部４５は、摺動面４５ａを有している例を挙げて説明したが、被覆部４５は、摺動面４５ａを有していない構成であってもよい。この場合、被覆部４５を形成する材料の熱伝導部材５１に対する静止摩擦係数は、熱伝導部材５１に対する金属材料の静止摩擦係数よりも小さくなくてよい。被覆部４５を形成する材料は、伝熱プレート４１よりも高い熱伝導性を有していればよい。

このとき、側壁１３と熱伝導部材５１との間において、摺動部材が配置されていてもよい。摺動部材は、例えば、スリップシート、スライディングシートなどの摺動シートを採用することができる。これにより、側壁１３の熱伝導部材５１に対する摺動性が向上する。このため、電池セル２３が配列方向に沿って膨張又は収縮した場合に伴う配列方向の力が、摺動部材と熱伝導部材５１との摺動によって吸収されやすくなる。従って、配列方向の力が熱伝導部材５１に加わることを抑制することができる。

なお、摺動部材は、側壁１３と熱伝導部材５１との間に限られず、電池モジュール２１と熱伝導部材５１との間に配置されていてもよい。ただし、側壁１３と熱伝導部材５１との間に配置されている方が、電池モジュール２１の放熱性向上の効果を安定して確保できるという観点から好ましい。

上記実施形態又は変形例では、電池ホルダ２２に保持された状態の電池セル２３が並設された電池モジュール２１を例に挙げて説明したが、電池セル２３は、電池ホルダ２２に保持されていなくてもよい。

以上説明した種々の実施形態及び変形例は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々、組み合わせられてもよい。

１０…電池パック、１３…側壁（被固定部材）、２１…電池モジュール、２３…電池セル、２３ａ…第一側面、２３ｂ…第二側面、４１…伝熱プレート、４２…第一本体部、４２ａ…第一対向面、４３…第二本体部、４３ａ…第二対向面、４５…被覆部、４５ａ…摺動面、５１…熱伝導部材、Ｄ…第一方向。

Claims (5)

1. 熱伝導部材を介して被固定部材に固定される電池モジュールであって、
   第一側面と、前記第一側面と交差する第二側面と、を有し、前記第一側面に交差する第一方向に配列された複数の電池セルと、
   前記電池セルに取り付けられ、前記第一側面に対向する第一本体部と、前記第二側面を覆うように前記第一本体部の一端から前記第一方向に延びると共に前記熱伝導部材に対向する第二本体部と、を有する伝熱プレートと、
   前記第一本体部における前記第一側面に対向する第一対向面の少なくとも一部と、前記第二本体部における前記熱伝導部材に対向する第二対向面の少なくとも一部と、を接続する熱伝導経路と、を備え、
   前記熱伝導経路は、前記伝熱プレートの少なくとも一部を覆う被覆部により形成されており、
   前記被覆部を形成する材料の熱伝導性は、前記伝熱プレートの熱伝導性よりも高い、電池モジュール。
2. 前記被覆部は、カーボンによって形成されている、請求項１記載の電池モジュール。
3. 前記被覆部は、前記伝熱プレートの全表面を覆っている、請求項１又は２記載の電池モジュール。
4. 前記被覆部は、前記熱伝導部材に対向する摺動面を有し、
   前記熱伝導部材に対する前記摺動面の摺動性は、前記熱伝導部材に対する前記第二対向面の摺動性よりも高い、請求項１〜３の何れか一項に記載の電池モジュール。
5. 請求項１〜４の何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が収容されると共に固定される被固定部材と、
   前記被固定部材と前記電池モジュールとの間に配置された熱伝導部材と、
   を備える、電池パック。

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