JP2018037343A

JP2018037343A - 電池パック

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Publication number: JP2018037343A
Application number: JP2016170998A
Authority: JP
Inventors: 中山　博之; Hiroyuki Nakayama; 博之中山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-09-01
Filing date: 2016-09-01
Publication date: 2018-03-08
Anticipated expiration: 2036-09-01
Also published as: JP6569913B2

Abstract

【課題】電池セルが冷却器側に膨張した場合でも、電池セルの冷却性能に場所によるばらつきが生じることを抑制し得る電池パックを提供する。【解決手段】電池パック１００は、電池セル１０と、電池セル１０の一面１２Ｄに対向するように配置された冷却器２０と、電池セル１０の一面１２Ｄと冷却器２０との間に配置された熱伝導シート３０と、電池セル１０の一面１２Ｄと熱伝導シート３０との間に介在するフィルム材４０とを備える。フィルム材４０は、厚肉部４４と薄肉部４２とを有する。厚肉部４４は、電池セル１０が冷却器２０側に膨張したときに、電池セル１０の寸法変形が相対的に大きいところと相対する部分を構成し、薄肉部４２は、電池セル１０の寸法変形が相対的に小さいところと相対する部分を構成している。【選択図】図１

Description

本発明は、電池パックに関する。

軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池その他の二次電池は高出力が得られる電源として、車両搭載用電源、或いはパソコンおよび携帯端末の電源として重要性が高まっている。この種の電池セルにおいては、充放電を行う際に電池セル内で熱が発生するため、発生した熱を速やかに冷却できるように電池セルの放熱性を確保することが要求される。かかる要求に応える従来の手法として、例えば特許文献１には、電池セルの底面に冷却プレートを設けて、電池セルの底面から電池セルを冷却する缶底冷却方式が提案されている。

特開２０１３−１２５６１７号公報

上述した缶底冷却方式では、図２に示すように、電池セル１を冷却プレート２上に載置し、電池セル１の底面１Ａと冷却プレート２とを熱伝導シート３を介して接触させ、電池セル１の底面１Ａと冷却プレート２との間で熱交換を行うことにより、電池セル１を冷却している。
しかしながら、自動車等の車両に搭載される電池セルは、振動が発生する状態での使用が前提となることから、相当な荷重が加えられた状態で拘束されることが多く、かかる拘束時の荷重によって電池セル１の底面１Ａが変形し、図２の破線で示すように、冷却プレート２側に膨らむ可能性がある。また、拘束荷重が付与されていない場合でも、使用時に電池セル１に何らかの圧力がかかると、電池セル１の底面１Ａが変形し、冷却プレート２側に膨らむ可能性がある。
電池セル１の底面１Ａが冷却プレート２側に膨らむと、電池セル１の底面１Ａの膨らんだ部分（図２では中央部分）４では熱伝導シート３が冷却プレート２との間で押しつぶされ、熱伝導シート３の厚みが薄くなり、一方、電池セル１の底面１Ａの膨らんでいない部分（図２では端部分）５では、熱伝導シート３の厚みは厚いままに保たれる。そのため、熱伝導シート３の厚みにばらつきが生じ、厚い部分では熱が伝わりにくく、薄い部分では熱が伝わりやすくなる結果、電池セル１の冷却性能に場所によるばらつきが生じるという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、電池セルが冷却器側に膨張した場合でも、電池セルの冷却性能に場所によるばらつきが生じることを抑制し得る、電池パックを提供することである。

本発明によって提供される電池パックは、外形を角形とする電池セルと、前記電池セルの一面に対向するように配置された冷却器と、前記電池セルの一面と前記冷却器との間に配置された熱伝導シートと、前記電池セルの一面と前記熱伝導シートとの間に介在するフィルム材とを備える。前記電池セルの一面と前記冷却器とは、前記フィルム材および前記熱伝導シートを介して接触するように配置されている。前記フィルム材は、厚肉部と、該厚肉部よりもフィルム厚みが薄い薄肉部とを有する。そして、前記厚肉部は、前記フィルム材に接する前記電池セルが前記冷却器側に膨張したときに、前記電池セルの寸法変形が相対的に大きいところと相対する部分を構成し、前記薄肉部は、前記フィルム材に接する前記電池セルが前記冷却器側に膨張したときに、前記電池セルの寸法変形が相対的に小さいところと相対する部分を構成している。かかる構成によると、電池セルが冷却器側に膨張した場合でも、電池セルの冷却性能に場所によるばらつきが生じることを抑制し得、電池セルをより均一に冷却することが可能となる。

一実施形態に係る電池パックの構成を模式的に示す正面図である。従来の電池パックの構成を模式的に示す正面図である。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、各図面は、模式的に描いており、必ずしも実物を反映しない。また、各図面は、一例を示すのみであり、各図面は、特に言及されない限りにおいて本発明を限定しない。

図１を参照しながら本実施形態に係る電池パック１００の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る電池パック１００の構成を模式的に示す正面図である。

本実施形態に係る電池パック１００は、電池セル１０と、冷却器２０と、熱伝導シート３０と、フィルム材４０とを備えている。

電池セル１０は、外形を角形とする電池セルであり、正極および負極を備える電極体（図示せず）と、該電極体および電解質を収容する電池ケース１２とを備える。電極体は、所定の電池構成材料（正負極それぞれの活物質、正負極それぞれの集電体、セパレータ等）から構成されている。ここでは電極体として扁平形状の捲回電極体が用いられている。電池ケース１２は、扁平形状の捲回電極体を収容し得る角型の形状を有する。電池ケース１２は、熱伝導性が良い金属材料から構成されている。このような金属材料としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼などが挙げられる。電池ケース１２を構成する外壁は、電池セルの厚み方向の両端に形成された幅広な側面１２Ａと、電池セルの幅方向の両端に形成された幅狭な側面１２Ｂと、上面１２Ｃと、底面１２Ｄとから構成されている。電池ケース１２の上面１２Ｃには、捲回電極体の正極と電気的に接続する正極端子６０および負極と電気的に接続する負極端子６２が設けられている。

冷却器２０は、電池セル１０の一面に対向するように配置され、電池セル１０の一面から電池セル１０を冷却するものとして構成されている。この実施形態では、冷却器２０は、フィルム材４０および熱伝導シート３０を介して電池セル１０の底面１２Ｄと接触するように配置され、フィルム材４０および熱伝導シート３０を介して電池セル１０との間で熱交換（典型的には電池セル１０から冷却器２０へ熱を移動）を行う。冷却器２０としては、電池セル１０との間で熱交換し得るものであれば特に制限されない。例えば、冷却器２０は、内部に冷媒（例えば空気や冷却水など）が流れる配管を備えた冷却プレートであり得る。

熱伝導シート３０は、電池セル１０の一面と冷却器２０との間に配置され、電池セル１０の熱を冷却器２０に伝えるものとして構成されている。この実施形態では、熱伝導シート３０は、電池セル１０の底面１２Ｄに配置されたフィルム材４０と、冷却器２０とに当接するように配置されている。熱伝導シート３０としては、電池セル１０の熱を冷却器２０に効率よく伝達し得るように、熱伝導率が高いシートであることが好ましい。例えば、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・ｋ以上（例えば２Ｗ／ｍ・ｋ以上１０Ｗ／ｍ・ｋ以下）、好ましくは２．５Ｗ／ｍ・ｋ以上、より好ましくは３Ｗ／ｍ・ｋ以上の熱伝導率を有するシートを好適に用いることができる。また、冷却器２０および電池セル１０との密着性が良好となるように、適度な弾性を有する熱伝導シートを用いることが好ましい。このような条件を満たす熱伝導シート３０を特に制限なく用いることができる。かかる熱伝導シート３０としては、アクリル系樹脂製の熱伝導シートを好適に用いることができる。熱伝導シート３０の厚みは特に限定されないが、通常は１ｍｍ〜５ｍｍにすることが適当であり、好ましくは１．５ｍｍ〜３ｍｍである。

フィルム材４０は、電池セル１０の一面と熱伝導シート３０との間に介在する部材である。この実施形態では、電池セル１０全体がフィルム材４０で外装されている。フィルム材４０を構成する材料としては、ポリプロピレン（ＰＰ：熱伝導率０．１Ｗ／ｍ・ｋ〜０．２Ｗ／ｍ・ｋ）等のポリオレフィン系樹脂；ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ：熱伝導率０．１Ｗ／ｍ・ｋ〜０．３５Ｗ／ｍ・ｋ）等のポリエステル系樹脂；ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ：熱伝導率０．１Ｗ／ｍ・ｋ〜０．３Ｗ／ｍ・ｋ）等の塩化ビニル系樹脂；等の絶縁性樹脂を好適に用いることができる。フィルム材４０の熱伝導率は特に限定されないが、通常は０．１Ｗ／ｍ・ｋ以上１Ｗ／ｍ・ｋ以下、典型的には０．１Ｗ／ｍ・ｋ以上０．５Ｗ／ｍ・ｋ以下であり得る。

フィルム材４０は、厚肉部４４と薄肉部４２とを有している。薄肉部４２のフィルム厚みｔ１は、厚肉部４４のフィルム厚みｔ２よりも薄い（ｔ１＜ｔ２）。

厚肉部４４は、フィルム材４０に接する電池セル１０が冷却器２０側に膨張したときに、電池セル１０の寸法変形が相対的に大きいところと相対する部分を構成している。薄肉部４２は、フィルム材４０に接する電池セル１０が冷却器２０側に膨張したときに、電池セル１０の寸法変形が相対的に小さいところと相対する部分を構成している。この実施形態では、図１の破線で示すように、電池セル１０が冷却器２０側に膨張したときに、電池セル１０の底面１２Ｄにおける中央部５０が該中央部５０を囲む端部（周縁部）５２に比べて寸法変形が大きい。そのため、厚肉部４４は電池セル１０の底面１２Ｄにおける中央部５０と相対する部分を構成し、薄肉部４２は電池セル１０の底面１２Ｄにおける端部５２と相対する部分を構成している。薄肉部４２は、電池セル底面１２Ｄの中央側から端側に向けて漸次薄くなるように形成されている。厚肉部４４は一定の厚みである。

ここで、何らかの圧力に起因して電池セル１０の底面１２Ｄが冷却器２０側に膨らむと、電池セル１０の底面１２Ｄの膨らんだ部分では熱伝導シート３０が冷却器２０との間で押しつぶされ、熱伝導シート３０の厚みＴ２が薄くなり、一方、電池セル１０の底面１２Ｄのあまり膨らんでいない部分では、熱伝導シート３０の厚みＴ１は比較的厚いままに保たれる。そのため、熱伝導シート３０の厚みにばらつきが生じ（Ｔ２＜Ｔ１）、厚い部分では熱が伝わりにくく、薄い部分では熱が伝わりやすくなる結果、電池セル１０の冷却性能に場所によるばらつきが生じる可能性がある。

これに対し、上記構成によれば、電池セル１０が冷却器２０側に膨張したときに、電池セル１０の寸法変形が相対的に大きいところ（ひいては熱伝導シート３０の厚みＴ２が薄くなる部位）に相対する位置に厚みｔ２を有する厚肉部４４が配置され、かつ、電池セル１０の寸法変形が相対的に小さいところ（ひいては熱伝導シート３０の厚みＴ１が厚くなる部位）に相対する位置に厚みｔ１を有する薄肉部４２が配置されているので、電池セル１０の寸法変形が相対的に大きいところと、電池セル１０の寸法変形が相対的に小さいところとの間で、フィルム材４０と熱伝導シート３０とを重ねた合計厚み（ｔ２＋Ｔ２、ｔ１＋Ｔ１）の差（ばらつき）が小さく抑えられる。そのため、電池セル１０が冷却器２０側に膨張した場合でも、電池セル１０の冷却性能に場所によるばらつきが生じるのを抑制することができる。

この実施形態では、電池セル１０が冷却器２０側に膨張したときに、熱伝導シート３０が厚くなる部位（厚みＴ１を有する部位）は、電池セル底面１２Ｄの中央側から端側に向けて漸次厚くなるように変形している。この熱伝導シート３０の変形を考慮して、フィルム材４０の薄肉部４２は、電池セル底面１２Ｄの中央側から端側に向けて漸次薄くなるように形成されている。このように熱伝導シート３０の変形を考慮して薄肉部４２の厚みｔ１を逓減させることにより、電池セル１０の冷却性能に場所によるばらつきが生じるのをより効果的に抑制することができる。

フィルム材４０の薄肉部４２の厚み（図１では最も薄い最小厚み）ｔ１は、厚肉部４４の厚みｔ２との間で前記関係を満たす限りにおいて特に制限されない。薄肉部４２の厚みｔ１は、通常は０．０８ｍｍ未満にすることが適当であり、好ましくは０．０６ｍｍ以下、より好ましくは０．０５ｍｍ以下である。また、薄肉部４２の厚みｔ１の下限は特に限定されないが、例えば０．０１ｍｍ以上であり、好ましくは０．０３ｍｍ以上である。ここで開示される技術は、上記薄肉部４２の厚みｔ１が、例えば０．０１ｍｍ以上０．０６ｍｍ以下（典型的には０．０３ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下）である態様で好ましく実施され得る。なお、薄肉部４２の厚みｔ１は、フィルム材４０の薄肉部４２が形成される部位に熱をかける（例えば熱プレスする）等の手法により任意に調整することができる。

フィルム材４０の厚肉部４４の厚みｔ２は、薄肉部４２の厚みｔ１との間で前記関係を満たす限りにおいて特に制限されない。厚肉部４４の厚みｔ２は、通常は０．０８ｍｍ以上にすることが適当であり、好ましくは０．１ｍｍ以上、より好ましくは０．１２ｍｍ以上である。また、厚肉部４４の厚みｔ２の上限は特に限定されないが、例えば０．２ｍｍ以下であり、好ましくは０．１５ｍｍ以下である。ここで開示される技術は、上記厚肉部４４の厚みｔ２が、例えば０．０８ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下（典型的には０．１ｍｍ以上０．１２ｍｍ以下）である態様で好ましく実施され得る。

図１に示す形態では、熱伝導シート３０の変形を考慮して、フィルム材４０の薄肉部４２は、電池セル１０の中央側から端側に向けて漸次薄くなるように形成されている。これに限らず、薄肉部４２は一定の厚みとしてもよい。この場合、薄肉部４２を有するフィルム材４０を簡易に形成することができる。
また、図１に示す形態では、電池セル１０の底面１２Ｄに対向するように冷却器２０を配置する場合を例示したが、冷却器２０の配置箇所はこれに限定されない。例えば、電池セル１０の幅広な側面１２Ａに対向するように冷却器２０を配置し、該幅広な側面１２Ａから電池セル１０を冷却するように構成してもよい。この場合でも、薄肉部４２および厚肉部４４を有するフィルム材４０を用いることで、上述した効果を得ることができる。

次に、上記電池セル１０を単電池とし、該単電池の複数個を直列に接続してなる組電池について説明する。

この組電池は、複数の電池セル１０が所定方向に配列され且つ該配列方向に荷重が加えられた状態で拘束されている。具体的には、複数の電池セル１０は、それぞれの正極端子６０および負極端子６２が交互に配置されるように一つずつ反転させて配置されており、電池ケース１２の幅広な側面１２Ａが対向する方向に配列される。

そして、配列させた電池セル１０の周囲には、複数の電池セル１０をまとめて拘束する拘束部材が配備される。即ち、単電池配列方向の最外側に位置する電池セル１０の更に外側には、一対の拘束板が配置される。また、当該一対の拘束板を架橋するように締付け用ビーム材が取り付けられる。そして、ビーム材の端部をビスにより拘束板に締め付け且つ固定することによって上記電池セル１０をその配列方向に所定の荷重（例えば電池ケースの幅広な側面１２Ａが受ける面圧が０．１×１０^６〜１０×１０^６Ｐａ程度）が加わるように拘束することができる。ビーム材の締め付け具合に応じたレベルで、締め付け方向（即ち配列方向）への拘束荷重（面圧）が各電池セル１０の幅広な側面１２Ａに加えられる。

このように拘束された各電池セル１０の底面１２Ｄに対向するように、冷却器２０が配置される。また、各電池セル１０と冷却器２０との間に熱伝導シート３０が配置され、各電池セル１０と熱伝導シート３０との間にさらにフィルム材４０が配置される。冷却器２０、熱伝導シート３０およびフィルム材４０の詳細については、前述したとおりであるので、重複した説明は省略する。かかる組電池においては、上述した拘束荷重によって各電池セル１０の底面１２Ｄが冷却器２０側に膨らむ可能性があるが、フィルム材４０に前記薄肉部４２および厚肉部４４を設けることで、電池セル１０の冷却性能に場所によるばらつきが生じることを抑制し得る。そのため、電池セル１０をより均一に冷却することが可能となる。ここに開示される電池パック１００は、このように複数の電池セル１０を拘束して使用する組電池に好適に適用され得る。

本発明の適用効果を確認するため、以下の試算を行った。

電池パックにおいて、冷却器から電池セルの底面までの熱抵抗を合計熱抵抗として算出した。フィルム材の材質はＰＥＴ（熱伝導率０．３Ｗ／ｍ・ｋ）、厚みは０．１ｍｍ、熱伝導シートの材質はアクリル系樹脂（熱伝導率３Ｗ／ｍ・ｋ）、厚みは２ｍｍとした。また、電池セルの底面の変形量は０．５ｍｍとし、変形後においては熱伝導シートの薄くなった部分の厚みが１．５ｍｍ、厚い部分の厚みが２ｍｍであると仮定した。変形前における熱抵抗を表１、変形後における対策前（すなわちフィルム材の厚みが一定のとき）の電池セルの端部５２の熱抵抗を表２−１、中央部５０の熱抵抗を表２−２、変形後における対策後（すなわちフィルム材に薄肉部および厚肉部を設けたとき）の電池セルの端部５２の熱抵抗を表３−１、中央部５０の熱抵抗を表３−２に示す。ここでは薄肉部の厚みは０．０５ｍｍ、厚肉部の厚みは０．１ｍｍとした。

表２−１および表２−２に示すように、フィルム材の厚みを一定にすると、電池セルの端部と中央部とで熱抵抗に１７％のばらつきが発生した。これに対し、表３−１および表３−２に示すように、フィルム材に薄肉部および厚肉部を設けた場合は、電池セルの端部と中央部とで熱抵抗のばらつきが減少した（試算では０％）。このことから、熱伝導シートの変形を考慮してフィルム材に薄肉部および厚肉部を設けることにより、冷却器から電池セルの底面までの合計熱抵抗のばらつきが解消または緩和され、電池セルの冷却性能に場所によるばらつきが生じることを抑制し得ることが確認された。

１０電池セル
１２電池ケース
１２Ｄ底面
２０冷却器
３０熱伝導シート
４０フィルム材
４２薄肉部
４４厚肉部
５０中央部
５２端部
１００電池パック

Claims

外形を角形とする電池セルと、
前記電池セルの一面に対向するように配置された冷却器と、
前記電池セルの一面と前記冷却器との間に配置された熱伝導シートと、
前記電池セルの一面と前記熱伝導シートとの間に介在するフィルム材と
を備え、
前記電池セルの一面と前記冷却器とは、前記フィルム材および前記熱伝導シートを介して接触するように配置されており、
前記フィルム材は、厚肉部と、該厚肉部よりもフィルム厚みが薄い薄肉部とを有し、
前記厚肉部は、前記フィルム材に接する前記電池セルが前記冷却器側に膨張したときに、前記電池セルの寸法変形が相対的に大きいところと相対する部分を構成し、
前記薄肉部は、前記フィルム材に接する前記電池セルが前記冷却器側に膨張したときに、前記電池セルの寸法変形が相対的に小さいところと相対する部分を構成している、電池パック。