JP2017195049A - 電池パックおよび電池パックの設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的短時間のうちに目標温度まで電池セルを昇温させることができる電池パックおよび電池パックの設計方法を提供することである。【解決手段】実施形態の電池パックは、電源部と、ヒーターとを持つ。前記電源部は、電池セルを含む。前記ヒーターは、前記電池セルの表面に沿って配置されて前記電池セルから電流が供給されることで発熱する金属プレートを含む。前記金属プレートは、前記ヒーターの抵抗値を前記電源部の内部抵抗値に近付けるように前記電流が流れる経路長さを長くする切り込み構造を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電池パックおよび電池パックの設計方法に関する。

電池ケースの少なくとも一面に形成された抵抗体に電流を流すことで、ジュール熱によって電池ケースの内部を加熱する電池システムが提案されている。

ところで、寒冷地におけるエンジン始動などに電池パックが用いられる場合、比較的短時間のうちに目標温度まで電池セルを昇温させることが望ましい。しかしながら、従来の電池パックでは、電池セルの昇温に比較的時間を要する場合があった。

国際公開第２０１２／１０５６３６号 国際公開第２０１３／０６５２８５号 特開２００９−２１９１８０号公報

本発明が解決しようとする課題は、比較的短時間のうちに目標温度まで電池セルを昇温させることができる電池パックおよび電池パックの設計方法を提供することである。

実施形態の電池パックは、電源部と、ヒーターとを持つ。前記電源部は、電池セルを含む。前記ヒーターは、前記電池セルの表面に沿って配置されて前記電池セルから電流が供給されることで発熱する金属プレートを含む。前記金属プレートは、前記ヒーターの抵抗値を前記電源部の内部抵抗値に近付けるように前記電流が流れる経路長さを長くする切り込み構造を有する。

実施形態の電池パックを一部分解して示す斜視図。 実施形態の電池セルおよびヒーターを分解して示す斜視図。 実施形態の電池パックを示す平面図。 実施形態の電池パックの設計方法の流れの一例を示すフローチャート。 実施形態の電池システムの一例を示すブロック図。 実施形態のヒーターの変形例を示す正面図。

以下、実施形態の電池パック１および電池パック１の設計方法を、図面を参照して説明する。なお以下の説明では、略同じまたは類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それら構成の重複する説明は省略する場合がある。また本願で言う「抵抗」とは、「電気抵抗」を意味する。

まず、図１から図３を参照し、実施形態の電池パック１の一例を説明する。
実施形態に係る電池パック１は、例えば電解液として有機溶媒を使用した複数の電池セル２１を含むとともに、車両などに搭載されて、モータ機能付き発電機（ＩＳＧ）からの回生エネルギーの受け入れや、エンジンアシスト、またはオーディオ機器などの車載機器に電力を供給する電池パックである。本実施形態の電池パック１は、寒冷地における車両のエンジン始動（いわゆるコールドクランキング）にも用いられる。なお本実施形態の構成は、上記以外の用途や車両に搭載される以外の電池パックにも適用可能である。

図１は、本実施形態の電池パック１を一部分解して示す斜視図である。
図１に示すように、電池パック１は、筐体１１、電源部１２、絶縁シート１３（図３参照）、ヒーター１４、および電流切り換え用の切替部１５（図５参照）を備えている。

筐体１１は、例えばＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル）のような合成樹脂材料、または金属材料で形成されている。筐体１１は、例えば、筐体ベース１１ａと、筐体カバー１１ｂとに分割されている。筐体１１は、筐体ベース１１ａと筐体カバー１１ｂとが組み合わされることで、略矩形の箱状に形成されている。筐体１１は、電源部１２、絶縁シート１３、およびヒーター１４などを一体に収容する。

電源部１２は、複数の電池セル２１と、複数のバスバー２２とを有し、充電および放電可能である。電源部１２は、例えば、外部電源やＩＳＧからの回生エネルギーなどによって充電されるとともに、エンジンのスタータ６２や車載機器６４（図５参照）などに電力を供給する。詳しく述べると、複数の電池セル２１は、例えばリチウムイオン電池のような非水電解質電池である。ただし、本願で言う「電池セル」は、特定の電池セルに限定されず、例えば低温環境下で使用される場合に昇温されることが望ましい電池セルが適宜該当する。

図２は、複数の電池セル２１およびヒーター１４を分解して示す斜視図である。
図２に示すように、各電池セル２１は、ケース（アウター缶）３１と、一対の端子（正極端子３２Ａおよび負極端子３２Ｂ）とを有する。ケース３１は、例えばアルミニウム材のような金属材料で形成されている。ケース３１の内部には、電池セル２１の構成要素である正極、負極、絶縁フィルム、および電解液などが収容されている。電池セル２１は、上端部２１ａ（第１端部）と、該上端部２１ａとは反対側に位置した下端部２１ｂ（第２端部）とを有する。電池セル２１の正極端子３２Ａおよび負極端子３２Ｂは、電池セル２１の上端部２１ａに纏めて設けられている。正極端子３２Ａは、ケース３１内の正極に電気的に接続されている。負極端子３２Ｂは、ケース３１内の負極に電気的に接続されている。

図２に示すように、各電池セル２１は、扁平な直方体状に形成されている。すなわち、各電池セル２１は、上面３３ａ、下面３３ｂ、一対の第１側面３３ｃ、および一対の第２側面３３ｄを有する。上面３３ａには、一対の端子３２Ａ，３２Ｂが設けられている。下面３３ｂは、上面３３ａとは反対側に位置する。一対の第１側面３３ｃおよび一対の第２側面３３ｄは、上面３３ａおよび下面３３ｂとは略直交する方向に延びており、上面３３ａの周縁と下面３３ｂの周縁とを繋いでいる。一対の第１側面３３ｃは、各電池セル２１の表面のなかで面積が最も広い面（いわゆる主面）を形成している。一方で、第２側面３３ｄは、第１側面３３ｃとは略直交する方向に延びており、一対の第１側面３３ｃの縁同士を繋いでいる。第２側面３３ｄは、第１側面３３ｃよりも面積が狭い側面である。複数の電池セル２１は、それぞれの端子３２Ａ，３２Ｂを同じ方向に向けるとともに、第１側面３３ｃ同士を向かい合わせにして略平行に並べられている。

図１に示すように、複数のバスバー２２は、導電性材料で形成されるとともに、複数の電池セル２１の端子３２Ａ，３２Ｂに接続されている。複数のバスバー２２は、「電気接続部」の一例である。複数のバスバー２２は、複数の電池セル２１の端子３２Ａ，３２Ｂ同士を電気的に接続している。例えば、バスバー２２は、ある電池セル２１の正極端子３２Ａと、別の電池セル２１の負極端子３２Ｂとを電気的に接続している。これにより、複数のバスバー２２は、例えば複数の電池セル２１を電気的に直列に接続している。なおこれに代えて、複数のバスバー２２は、いくつかの電池セル２１を電気的に並列に接続してもよい。

図３は、本実施形態の電池パック１を示す平面図である。
図３に示すように、電池パック１の絶縁シート１３は、各電池セル２１の一対の第１側面３３ｃおよび一対の第２側面３３ｄに沿って設けられている。絶縁シート１３は、例えば難燃性のＰＰＥシートであり、例えば０．５ｍｍ以下の厚さを有する。絶縁シート１３の軟化点は、例えば１２０℃程度である。絶縁シート１３は、例えば帯状のシートが電池セル２１の外周面に巻回されることで設けられてもよく、または矩形状のシートが電池セル２１の第１側面３３ｃおよび第２側面３３ｄにそれぞれ貼り付けられることで設けられてもよい。絶縁シート１３は、電池セル２１とヒーター１４との間に配置され、電池セル２１とヒーター１４との間を電気的に絶縁している。

次に、本実施形態のヒーター１４について説明する。
図２に示すように、本実施形態のヒーター１４は、複数の蛇腹形金属プレート４１と、一対の平形金属プレート４２Ａ，４２Ｂとを有する。蛇腹形金属プレート４１および平形金属プレート４２Ａ，４２Ｂは、例えばアルミニウム材のような金属材料で形成されている。各蛇腹形金属プレート４１は、電源部１２から直接または平形金属プレート４２Ａ，４２Ｂを介して電流が供給されることで発熱し、電池セル２１を昇温させる。

詳しく述べると、蛇腹形金属プレート４１は、電池セル２１の第１側面３３ｃに沿って配置されている。例えば、２枚の蛇腹形金属プレート４１は、複数の電池セル２１の両側に分かれて配置され、電池セル２１と筐体１１の内面との間に位置する。一方で、残りの蛇腹形金属プレート４１は、複数の電池セル２１の間に配置されている。各蛇腹形金属プレート４１は、例えば電池セル２１の第１側面３３ｃに貼り付けられている。各蛇腹形金属プレート４１は、電池セル２１の第１側面３３ｃと略同じ面積を有する。なおここで言う「蛇腹形金属プレート４１が電池セル２１の第１側面３３ｃと略同じ面積を有する」とは、後述する蛇腹形金属プレート４１の導体部５３の面積と複数の切り込み５１の面積とを合計した面積が電池セル２１の第１側面３３ｃの面積と略同じであることを意味する。別の観点で見えると、蛇腹形金属プレート４１は、電池セル２１の第１側面３３ｃと略同じ大きさの外形を有する。

図２に示すように、蛇腹形金属プレート４１は、第１端部４１ａと、該第１端部４１ａとは反対側に位置した第２端部４１ｂとを有する。蛇腹形金属プレート４１の第１端部４１ａは、例えば電池セル２１の上端部２１ａに面する。一方で、蛇腹形金属プレート４１の第２端部４１ｂは、例えば電池セル２１の下端部２１ｂに面する。

蛇腹形金属プレート４１は、複数の切り込み５１によって形成された切り込み構造５０を有する。本実施形態では、複数の切り込み５１は、複数の第１切り込み５１Ａと、複数の第２切り込み５１Ｂとを含む。複数の第１切り込み５１Ａは、金属プレート４１の第１端部４１ａから該金属プレート４１に切り込まれ、金属プレート４１の中央部を超えて延びている。一方で、複数の第２切り込み５１Ｂは、金属プレート４１の第２端部４１ｂから金属プレート４１に切り込まれ、金属プレート４１の中央部を超えて延びている。複数の第１切り込み５１Ａと複数の第２切り込み５１Ｂとは、複数の切り込み５１が並ぶ方向において、交互に配置されている。第１切り込み５１Ａおよび第２切り込み５１Ｂの各々は、複数の切り込み５１が並ぶ方向において、互いに少なくとも一部が並ぶ。これにより、蛇腹形金属プレート４１は、蛇腹状に延びた導体部５３を有する。なお、蛇腹状に延びた導体部５３とは、ベースとなる金属の平板に複数の切り込み５１が形成されることで残った部分である。本願で言う「蛇腹形」または「蛇腹状」とは、ある方向に延びた部分と、前記方向とは異なる方向に延びた部分とが交互に繰り返される形状を広く意味する。

別の観点で見ると、蛇腹形金属プレート４１の導体部５３は、第１部分５３ａ、第２部分５３ｂ、第３部分５３ｃ、第４部分５３ｄを含む。第１部分５３ａは、例えば直線状に延びている。第２部分５３ｂは、第１部分５３ａの端部から曲がっている。なお本願で言う「曲がる」とは、略直角に曲がる場合、斜めに曲がる場合、および円弧状に曲がる場合などのいずれでもよい。第３部分５３ｃは、第２部分５３ｂの端部から延びている。第３部分５３ｃは、例えば直線状に延びている。第３部分５３ｃは、例えば第１部分５３ａと略平行に延びている。第４部分５３ｄは、第３部分５３ｃの端部から曲がっている。そして、本実施形態の導体部５３は、これら第１部分５３ａ、第２部分５３ｂ、第３部分５３ｃ、第４部分５３ｄがこの順番で繰り返し設けられることで形成されている。

図１に示すように、各蛇腹形金属プレート４１の導体部５３は、第１接続部５４Ａと、第２接続部５４Ｂとを有する。第１接続部５４Ａは、例えば蛇腹形金属プレート４１の第１端部４１ａに設けられ、後述する第１平形金属プレート４２Ａに接続されている。これにより、蛇腹形金属プレート４１の導体部５３は、第１平形金属プレート４２Ａに電気的に接続されている。一方で、第２接続部５４Ｂは、例えば蛇腹形金属プレート４１の第１端部４１ａに設けられ、後述する第２平形金属プレート４２Ｂに接続されている。これにより、蛇腹形金属プレート４１の導体部５３は、第２平形金属プレート４２Ｂに電気的に接続されている。なお、第１接続部５４Ａおよび第２接続部５４Ｂの少なくとも一方は、蛇腹形金属プレート４１の第１端部４１ａ以外の部分に設けられてもよい。

図２に示すように、一対の平形金属プレートとしての第１平形金属プレート４２Ａおよび第２平形金属プレート４２Ｂは、切り込み構造を有しない平板である。第１平形金属プレート４２Ａおよび第２平形金属プレート４２Ｂは、複数の電池セル２１が並ぶ方向とは交差する方向で、複数の電池セル２１および複数の蛇腹形金属プレート４１の両側に分かれて配置されている。第１平形金属プレート４２Ａおよび第２平形金属プレート４２Ｂの各々は、各電池セル２１の第２側面３３ｄに面する。第１平形金属プレート４２Ａには、複数の蛇腹形金属プレート４１の第１接続部５４Ａが溶接または導電性の固定部材などによって連結されている。同様に、第２平形金属プレート４２Ｂには、複数の蛇腹形金属プレート４１の第２接続部５４Ｂが溶接または導電性の固定部材などによって連結されている。これにより、複数の蛇腹形金属プレート４１は、第１平形金属プレート４２Ａおよび第２平形金属プレート４２Ｂの間で電気的に並列に配置されている。

本実施形態では、第１平形金属プレート４２Ａおよび第２平形金属プレート４２Ｂの各々は、例えば蛇腹形金属プレート４１よりも十分に厚く形成されている。また、第１平形金属プレート４２Ａおよび第２平形金属プレート４２Ｂの各々は、電池セル２１の上端部２１ａと下端部２１ｂとに亘る比較的大きな外形を有する。これにより、第１平形金属プレート４２Ａおよび第２平形金属プレート４２Ｂの抵抗値は、蛇腹形金属プレート４１の抵抗値に比べて十分に小さい。このため、ヒーター１４の抵抗値を考える場合に、第１平形金属プレート４２Ａおよび第２平形金属プレート４２Ｂの抵抗値は実質的に無視することができる。

図１に示すように、複数の電池セル２１は、これら複数の電池セル２１が並ぶ方向において複数の電池セル２１の両端部に分かれて位置した第１端部電池セル２１Ａと第２端部電池セル２１Ｂとを含む。複数のバスバー２２は、第１端部バスバー２２Ａと、第２端部バスバー２２Ｂとを含む。複数の蛇腹形金属プレート４１は、第１端部電池セル２１Ａに面する第１蛇腹形金属プレート４１Ａと、第２端部電池セル２１Ｂに面する第２蛇腹形金属プレート４１Ｂとを含む。第１蛇腹形金属プレート４１Ａは、「第１金属プレート」の一例である。第２蛇腹形金属プレート４１Ｂは、「第２金属プレート」の一例である。

第１端部バスバー２２Ａは、例えば、第１端部電池セル２１Ａの正極端子３２Ａと、第１蛇腹形金属プレート４１Ａの導体部５３（例えば第１接続部５４Ａ）とを電気的に接続する。一方で、第２端部バスバー２２Ｂは、例えば、第２端部電池セル２１Ｂの負極端子３２Ｂと、第２蛇腹形金属プレート４１Ｂの導体部５３（例えば第２接続部５４Ｂ）とを電気的に接続する。これにより、第１端部電池セル２１Ａの正極端子３２Ａから、第１端部バスバー２２Ａ、第１平形金属プレート４２Ａ、複数の蛇腹形金属プレート４１、第２平形金属プレート４２Ｂ、および第２端部バスバー２２Ｂを介して、第２端部電池セル２１Ｂの負極端子３２Ｂに至る電気接続経路５６が形成されている。

また、電流切り換え用の切替部１５は、例えば、第１端部電池セル２１Ａとヒーター１４との間に設けられた電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）によって形成されている（図５参照）。切替部１５は、例えば電池パック１の外部に配置されるコントローラ６９（例えばマイコン）からの制御信号に基づき、第１端部電池セル２１Ａとヒーター１４との間の電気的接続状態を切り替える。すなわち、切替部１５が第１端部電池セル２１Ａとヒーター１４との間を電気的に接続した場合、電源部１２から電気接続経路５６を通じて複数の蛇腹形金属プレート４１に電流が流れ、複数の蛇腹形金属プレート４１が発熱する。これにより、複数の電池セル２１が昇温する。また、複数の電池セル２１は、それら自身の内部抵抗によるジュール発熱によっても昇温する。一方で、切替部１５が第１端部電池セル２１Ａとヒーター１４との間を電気的に遮断した場合、複数の蛇腹形金属プレート４１への電流の供給が停止される。なお、切替部１５は、第２端部電池セル２１Ｂとヒーター１４との間またはその他の場所に設けられてもよい。

ここで、本実施形態のヒーター１４は、電池パック１の使用環境である所定の低温環境下（例えば−３０℃〜−１０℃）において、比較的短時間のうちに目標温度まで電池セル２１を昇温させることができるように、蛇腹形金属プレート４１の抵抗値が調整されている。例えば、本実施形態のヒーター１４は、上記所定の低温環境下において電池セル２１から最大電力を取り出せるように、蛇腹形金属プレート４１の抵抗値が調整されている。

具体的には、本実施形態の蛇腹形金属プレート４１は、上記所定の低温環境下における電源部１２の内部抵抗値（例えば−３０℃での内部抵抗値）に、ヒーター１４の抵抗値を近付けるように切り込み構造５０の形状などが設計されている。ここで、電源部１２の内部抵抗値とは、電気的に直列に接続された複数の電池セル２１を電源部１２が含む場合、複数の電池セル２１の内部抵抗値の合計値である。

次に、蛇腹形金属プレート４１の設計方法について説明する。
図４は、蛇腹形金属プレート４１の設計方法の流れの一例を示すフローチャートである。図４に示すように、まず、電池パック１の使用環境である上記所定の低温環境下における電源部１２の内部抵抗値と、ヒーター１４の比抵抗値とに基づき、ヒーター１４において電流が流れる経路長さと電流が流れる断面積との目標比率が導出される（ステップＳ１１）。なお本願で言う「電流が流れる経路長さ」とは、ヒーター１４の発熱に関する部分の経路長さであり、例えば抵抗値を実質的に無視することができる平形金属プレート４２Ａ，４２Ｂの長さは考慮しなくてもよい。このため、「ヒーター１４において電流が流れる経路長さ」とは、「蛇腹形金属プレート４１の導体部５３の経路長さ」と見做すことができる。本願で言う「電流が流れる断面積」とは、電流が流れる方向とは略直交する方向に沿う断面積（いわゆる電流の流路断面積）である。また本願で言う「電流が流れる断面積」とは、ヒーター１４の発熱に関する部分の断面積であり、「蛇腹形金属プレート４１の導体部５３の断面積」と見做すことができる。本実施形態では、ヒーター１４は、電気的に並列に接続された複数の蛇腹形金属プレート４１を含む。このため本実施形態では「蛇腹形金属プレート４１の導体部５３の断面積」とは、複数の蛇腹形金属プレート４１の導体部５３の断面積の合計を意味する。本願で言う「比抵抗値」とは、ヒーター１４の発熱に関する部分の比抵抗値であり、「蛇腹形金属プレート４１の比抵抗値」と見做すことができる。

以上の関係により本実施形態では、電源部１２の内部抵抗値をＲ、蛇腹形金属プレート４１の比抵抗値をρ、蛇腹形金属プレート４１の導体部５３の経路長さをＬ、蛇腹形金属プレート４１の導体部５３の断面積をＡとすると、次の式（１）が成り立つ場合に、電源部１２の内部抵抗と外部抵抗とが略同じになり、電源部１２からヒーター１４に最大電力を取り出すことができる。

すなわち本実施形態では、電源部１２の内部抵抗Ｒを蛇腹形金属プレート４１の比抵抗値ρで除算することで、蛇腹形金属プレート４１の経路長さＬと断面積Ａとの目標比率が導出される。そして、導出された目標比率に対して実際の蛇腹形金属プレート４１の経路長さＬと断面積Ａとの比率を近付けるように、蛇腹形金属プレート４１の切り込み５１の本数と、蛇腹形金属プレート４１の厚さとの組み合わせが選定される（ステップＳ１２）。例えば本実施形態では、蛇腹形金属プレート４１の面積が電池セル２１の第１側面３３ｃの面積と略同じになるとともに、導出された目標比率に対して蛇腹形金属プレート４１の経路長さＬと断面積Ａとの比率を近付けるように、蛇腹形金属プレート４１の切り込み５１の本数と蛇腹形金属プレート４１の厚さとの組み合わせが選定される。

そして、選定された蛇腹形金属プレート４１の切り込み５１の本数と蛇腹形金属プレート４１の厚さとの組み合わせに対して、所定の目標時間（例えば所定の短時間）内に電池セル２１を所望の温度まで昇温させることができるか否かが数値計算などによって判定される（ステップＳ１３）。なお「所定の目標時間」および「所望の温度」は、それぞれ任意に設定可能である。「所望の温度」の一例は、例えばエンジン始動に必要な大電流を電池セル２１から取り出すことができる温度である。

そして、ステップＳ１３の判定において、所定の目標時間内に電池セル２１を所望の温度まで昇温させることができないと判定された場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、ステップＳ１２に戻り、蛇腹形金属プレート４１の切り込み５１の本数と蛇腹形金属プレート４１の厚さとの新しい組み合わせが選定される。この新しい組み合わせは、以前の組み合わせに対して、例えば切り込み５１の本数を減らすとともに蛇腹形金属プレート４１の厚さを薄くしたものである。そして、この新しい組み合わせに対して、同じくステップＳ１３の判定が行われる。

一方で、ステップＳ１３の判定において、所定の目標時間内に電池セル２１を所望の温度まで昇温させることができると判定された場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、次にヒーター１４の温度が許容可能な温度か否かが判定される（ステップＳ１４）。例えば、ヒーター１４の温度が絶縁シート１３の軟化点よりも低いか否かが数値計算などによって判定される。

そして、ステップＳ１４の判定において、ヒーター１４の温度が許容可能な温度よりも高い場合と判定された場合（ステップＳ１４：ＮＯ）、ステップＳ１２に戻り、蛇腹形金属プレート４１の切り込み５１の本数と蛇腹形金属プレート４１の厚さとの新しい組み合わせが選定される。この新しい組み合わせは、以前の組み合わせに対して、例えば切り込み５１の本数を増やすとともに、蛇腹形金属プレート４１の厚さを厚くしたものである。すなわち、この新しい組み合わせは、以前の組み合わせに比べて、蛇腹形金属プレート４１の質量を増加させ、ヒーター１４の温度上昇を抑制したものである。そして、この新しい組み合わせに対して、同じくステップＳ１３およびステップＳ１４の判定が行われる。

そして、ステップＳ１４の判定において、ヒーター１４の温度が許容可能な温度以下であると判定された場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、選定された形状に蛇腹形金属プレート４１の形状が決定される（ステップＳ１５）。なお、ステップＳ１３およびステップＳ１４が実施される順序は、上記説明における順序と逆でもよい。

ここで、表１は、蛇腹形金属プレート４１の切り込み５１の本数と、蛇腹形金属プレート４１の厚さとの組み合わせの例と、それら組み合わせに関する実験結果を示す。表１に示すように、例えば蛇腹形金属プレート４１の切り込み５１の本数が９本と１１本との場合に、所定の目標時間内に電池セル２１の温度を−３０℃から−１０℃を超える温度まで、約２０℃昇温させることができるとともに、ヒーター１４の温度が絶縁シート１３の軟化点よりも低く抑えられている。

次に、図５を参照し、本実施形態の電池パック１を用いた電池システム６０の一例を説明する。電池システム６０は、例えば車両６１に対して電力を供給するシステムである。
図５は、電池システム６０を示すブロック図である。
図５に示すように、電池システム６０は、電池パック１、スタータ（ＳＴ）６２、オルタネータ（ＡＬＴ）６３、車載機器６４、無線通信モジュール６５、ドアロック機構６６、温度センサ６７、タイマー６８、およびコントローラ６９を備える。

スタータ６２は、車両６１のエンジンを始動させるスタータである。スタータ６２は、低温環境下（例えば−３０℃〜−１０℃）においてヒーター１４によって昇温された電池パック１から供給される電流によって、エンジンを始動させる。オルタネータ６３は、生成した電気を電池パック１に供給する。車載機器６４は、オーディオ機器やヘッドライトなどであり、電池パック１から供給される電流によって動作する。

無線通信モジュール６５は、アンテナと、高周波回路とを含み、無線通信可能である。無線通信モジュール６５は、車両６１の鍵７１から無線送信されるドアロック解除を示す信号を受信し、その信号をコントローラ６９に送信する。ドアロック機構６６は、コントローラ６９からの制御信号に基づき、車両６１のドアのロックを開閉する。

温度センサ６７は、電池パック１の近傍または電池パック１の内部に設けられ、直接的または間接的に電池セル２１の温度を検出する。温度センサ６７は、検出した電池セル２１の温度に関する情報をコントローラ６９に送信する。
タイマー６８は、電池セル２１の昇温に関する前記目標時間をカウント可能である。タイマー６８は、ヒーター１４が電池セル２１の昇温を開始した時刻からカウントを開始し、経過時刻に関する情報をコントローラ６９に送信する。

コントローラ６９は、例えば無線通信モジュール６５を介して、車両６１の鍵７１からドアロック解除を示す信号を受信した場合に、電池パック１の切替部１５を制御し、電池パック１の電池セル２１からヒーター１４に電流を供給する。これにより、車両６１のユーザーがエンジンを始動させる動作を行う前の比較的早い時点から電池セル２１の昇温を開始させることができる。コントローラ６９は、電池セル２１の温度に関する情報を温度センサ６７から受け取る。そして、コントローラ６９は、電池セル２１の温度が所望の温度に達した場合に、電池パック１の切替部１５を制御し、電池セル２１からヒーター１４への電流の供給を遮断する。

そして、コントローラ６９は、電池パック１の電池セル２１からヒーター１４への電流の供給を遮断した後に、電池セル２１からスタータ６２に電流を供給し、エンジンを始動させる。なお、コントローラ６９は、温度センサ６７から受け取る情報に代えて、または温度センサ６７から受け取る情報に加えて、タイマー６８から受け取る情報に基づき、電池パック１の電池セル２１からヒーター１４への電流の供給を遮断してもよい。

なお、コントローラ６９は、プログラムがＣＰＵのようなプロセッサによって実行されることで実現されるソフトウェア機能部でもよく、プロセッサがプログラムを実行するのと同様の機能を有するＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのハードウェアであってもよい。または、コントローラ６９は、ソフトウェア機能部とハードウェアとの組み合わせによって実現されてもよい。

以上のような構成によれば、比較的短時間のうちに目標温度まで電池セル２１を昇温させることができる電池パック１を提供することである。すなわち、リチウムイオン電池のような電解液として有機溶媒を使用する電池セル２１の場合、低温環境下において電解液の粘度が低下するため、電池セル２１の内部抵抗が大きく増加してしまう。そのため、寒冷地でのエンジン始動時における出力要求に対して、リチウムイオン電池のような電池セル２１単独では十分に要求を満たせないことが想定される。

しかしながら、本実施形態の電池パック１は、電池セル２１から電流が供給されることで発熱する蛇腹形金属プレート４１を含むヒーター１４を備える。そして、蛇腹形金属プレート４１は、ヒーター１４の抵抗値を電源部１２の内部抵抗値に近付けるように電流が流れる経路長さを長くする切り込み構造５０を有する。このような構成によれば、ヒーター１４の抵抗値と電源部１２の内部抵抗値とを比較的近い値にすることができるため、電源部１２からヒーター１４に大きな電力を取り出すことができる。これにより、比較的短時間のうちに目標温度まで電池セル２１を昇温させることができる。例えばこのような構成によれば、鉛蓄電池を用いることなく、コールドクランキングに必要な電流を電池パック１から供給することができる。これにより、車両６１から鉛蓄電池を省略することができ、電源システムの単純化、軽量化、および部品点数の削減による低コスト化などを図ることができる。言い換えると、本実施形態の構成では、電池パック１の使用環境に応じて蛇腹形金属プレート４１の切り込み構造５０の形状を決めることで、ヒーター１４の発熱量が最適な値に調整されている。これにより、比較的短時間のうちに目標温度まで電池セル２１を昇温させることができる。

本実施形態では、切り込み構造５０は、複数の切り込み５１を有する。蛇腹形金属プレート４１は、切り込み構造５０が無い場合に比べて、ヒーター１４において電流が流れる経路長さを電流が流れる断面積で除算した値が、電源部１２の内部抵抗値をヒーター１４の比抵抗値で除算した値に近付くように、複数の切り込み５１の本数および蛇腹形金属プレート４１の厚さが設定されている。このような構成によれば、蛇腹形金属プレート４１の複数の切り込み５１の本数および蛇腹形金属プレート４１の厚さが調整されることで、ヒーター１４の抵抗値と電源部１２の内部抵抗値とをさらに近い値にすることができる。これにより、電源部１２からヒーター１４にさらに大きな電力を取り出すことができ、さらに短時間での電池セル２１の昇温が可能になる。

本実施形態では、蛇腹形金属プレート４１は、第１端部４１ａと、該第１端部４１ａとは反対側に位置した第２端部４１ｂとを有する。切り込み構造５０は、第１端部４１ａから金属プレート４１に切り込まれた複数の第１切り込み５１Ａと、第２端部４１ｂから金属プレート４１に切り込まれた複数の第２切り込み５１Ｂとを有する。複数の第１切り込み５１Ａと複数の第２切り込み５１Ｂとは、互いに交互に配置されている。このような構成によれば、蛇腹形金属プレート４１における電流の経路長さを比較的容易に長く設定することができる。これにより、蛇腹形金属プレート４１の抵抗値の調整の自由度を高めることができる。

本実施形態では、複数の蛇腹形金属プレート４１は、第１端部電池セル２１Ａの正極端子３２Ａに電気的に接続された第１蛇腹形金属プレート４１Ａと、第１蛇腹形金属プレート４１Ａに電気的に接続されるとともに、第２端部電池セル２１Ｂの負極端子３２Ｂに電気的に接続された第２蛇腹形金属プレート４１Ｂとを有する。このような構成によれば、複数の蛇腹形金属プレート４１に対して比較的簡単な電気接続構造によって電流を供給することができる。これにより、ヒーター１４を有した電池パック１の小型化や低コスト化などを図ることができる。

本実施形態では、電池パック１の設計方法は、電源部１２の内部抵抗値とヒーター１４の比抵抗値とに基づき、ヒーター１４において電流が流れる経路長さと電流が流れる断面積との目標比率を導出することと、前記目標比率に基づきヒーター１４の蛇腹形金属プレート４１に設けられて電流が流れる経路長さを長くする切り込み構造５０の形状を決定することとを含む。このような構成によれば、ヒーター１４の抵抗値と電源部１２の内部抵抗値とを比較的近い値にすることができるため、電源部１２からヒーター１４に大きな電力を取り出すことができる。これにより、比較的短時間のうちに目標温度まで電池セル２１を昇温させることができる。

本実施形態では、蛇腹形金属プレート４１の複数の切り込み５１の本数および蛇腹形金属プレート４１の厚さは、電池セル２１が所望の温度に達するまでの目標時間に基づき設定される。このような構成によれば、予め設定される目標時間内に所望の温度まで電池セル２１を確実に昇温させることができる。

ここで、大電流によってヒーター１４を過熱し過ぎた場合、電池セル２１の温度が所望の温度に達する前にヒーター１４に隣接する部材の融点や軟化点を超えてしまうことが想定される。そこで、例えば本実施形態では、蛇腹形金属プレート４１の複数の切り込み５１の本数および蛇腹形金属プレート４１の厚さは、電池セル２１が目標時間内に所望の温度に達するとともに、ヒーター１４の温度が絶縁シート１３の軟化点に達しないように設定される。このような構成によれば、電池セル２１などに比べて軟化点が低い絶縁シート１３を備える場合でも、信頼性を高めつつ目標時間内に所望の温度まで電池セル２１を確実に昇温させることができる。

以上、実施形態に係る電池パック１について説明した。ただし、実施形態の電池パック１は、上記例に限定されない。例えば、図６は、実施形態のヒーター１４の変形例を示す正面図である。図６に示すように、蛇腹形金属プレート４１の切り込み５１は、導体部５３の一部を円弧状に形成する切り込みでもよい。

また例えば、ヒーター１４の蛇腹形金属プレート４１は、電池セル２１の表面に沿って配置されるとともに、前記電池セル２１とは異なる電源部（例えば電池パック１とは別の電池パック１の電源部１２）から電流が供給されることで発熱してもよい。この場合、ヒーター１４の抵抗値は、ヒーター１４に対する電流の供給元となる電源部１２の内部抵抗値と略同じになるように調整される。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、ヒーターの金属プレートは、ヒーターの抵抗値を電源部の内部抵抗値に近付けるように電流が流れる経路長さを長くする切り込み構造を有する。このような構成によれば、比較的短時間のうちに目標温度まで電池セルを昇温させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…電池パック、１２…電源部、１４…ヒーター、２１…電池セル、３２Ａ…正極端子、３２Ｂ…負極端子、４１…蛇腹形金属プレート（金属プレート）、４１Ａ…第１蛇腹形金属プレート（第１金属プレート）、４１Ｂ…第２蛇腹形金属プレート（第２金属プレート）、５０…切り込み構造、５１…切り込み、５１Ａ…第１切り込み、５１Ｂ…第２切り込み。

Claims (7)

1. 電池セルを含む電源部と、
   前記電池セルの表面に沿って配置されて前記電池セルから電流が供給されることで発熱する金属プレートを含むヒーターと、
   を備え、
   前記金属プレートは、前記ヒーターの抵抗値を前記電源部の内部抵抗値に近付けるように前記電流が流れる経路長さを長くする切り込み構造を有した、
   電池パック。
2. 前記切り込み構造は、前記金属プレートに設けられた複数の切り込みを有し、
   前記金属プレートは、前記切り込み構造が無い場合に比べて、前記ヒーターにおいて前記電流が流れる経路長さを前記電流が流れる断面積で除算した値が、前記電源部の内部抵抗値を前記ヒーターの比抵抗値で除算した値に近付くように、前記複数の切り込みの本数および前記金属プレートの厚さが設定された、
   請求項１に記載の電池パック。
3. 前記金属プレートは、第１端部と、該第１端部とは反対側に位置した第２端部とを有し、前記切り込み構造は、前記第１端部から前記金属プレートに切り込まれた複数の第１切り込みと、前記第２端部から前記金属プレートに切り込まれた複数の第２切り込みとを有し、前記複数の第１切り込みと前記複数の第２切り込みとが交互に配置された、
   請求項１または請求項２に記載の電池パック。
4. 前記電源部は、前記電池セルを含むとともに電気的に直列に接続された複数の電池セルを有し、
   前記ヒーターは、前記金属プレートを含む複数の金属プレートを有し、前記複数の金属プレートの各々は、前記切り込み構造を有し、
   前記複数の金属プレートは、前記複数の電池セルに含まれる１つの電池セルの正極端子に電気的に接続された第１金属プレートと、前記第１金属プレートに電気的に接続されるとともに、前記複数の電池セルに含まれる別の電池セルの負極端子に電気的に接続された第２金属プレートとを有した、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電池パック。
5. 電池セルを含む電源部の内部抵抗値と、前記電池セルの表面に沿って配置されて前記電池セルから電流が供給されることで発熱する金属プレートを含むヒーターの比抵抗値とに基づき、前記ヒーターにおいて前記電流が流れる経路長さと前記電流が流れる断面積との目標比率を導出し、
   前記目標比率に基づき、前記金属プレートに設けられて前記電流が流れる経路長さを長くする切り込み構造の形状を決定する、
   電池パックの設計方法。
6. 前記切り込み構造は、前記金属プレートに設けられた複数の切り込みを有し、
   前記電池セルが所望の温度に達するまでの目標時間に基づき、前記複数の切り込みの本数および前記金属プレートの厚さを設定する、
   請求項５に記載の電池パックの設計方法。
7. 前記電池セルが前記目標時間内に前記所望の温度に達するとともに、前記ヒーターの温度が前記電池セルと前記ヒーターとの間に配置される絶縁シートの軟化点に達しないように、前記複数の切り込みの本数および前記金属プレートの厚さを設定する、
   請求項６に記載の電池パックの設計方法。

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