JP2019067737A - 電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】電池パックに含まれる電池間に生じる電池温度バラツキを抑制できる電池パックを提供すること。【解決手段】電池パック１は、放熱面２３ｂを有し列置された複数の電池２１と、放熱面２３ｂを通じて複数の電池２１をそれぞれ冷却する冷却器４０と、各々の電池２１の放熱面２３ｂと冷却器４０との間に介在する粘性層５０とを備える。このうち粘性層５０は、負の熱膨張係数α（１／Ｋ）を有するフィラー５３を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、列置された複数の電池と、これらの電池をそれぞれ冷却する冷却器とを備える電池パックに関する。

例えばハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、電気自動車等の車両などに搭載される電池パックとして、積層された複数の電池と、冷却媒体を内部に流通させて、これらの電池を冷却する冷却器と、複数の電池と冷却器との間に配置された熱伝導部材とを備える電池パックが知られている。例えば特許文献１に、このような電池パックが開示されている（特許文献１の請求項１、図１等を参照）。

特開２０１４−２２９５５９号公報

上述の特許文献１では、電池と冷却器との間に介在させる熱伝導部材として、金属部材からなる熱伝導部材が用いられている。これに対し、電池から冷却器への熱の伝わりを高めるために、電池と冷却器との間に放熱用グリスを充填して、電池と冷却器との間に放熱用グリスからなる粘性層を形成することが考えられる。
しかしながら、電池パックに含まれる複数の電池は、電池毎に発熱が異なるため、粘性層の温度が場所によって異なる温度となる。即ち、粘性層のうち、発熱の多い電池に接する部位では、粘性層の温度が高くなり、発熱の少ない電池に接する部位では、粘性層の温度が低くなる。

粘性層は、温度が高くなると膨張する。粘性層が熱膨張して粘性層の厚みが厚くなると、電池の放熱面と冷却器との間の熱伝達量Ｑ（Ｗ）が低下するため、電池が冷却され難くなる。つまり、発熱の多い電池ほど、この電池に接する粘性層の熱伝達量Ｑ（Ｗ）が低下して、電池が冷却され難くなる。このように、発熱の少ない電池ほど良く冷却され、発熱の多い電池ほど冷却され難いため、電池パックに含まれる電池間で電池温度バラツキが大きくなる。

また、粘性層の厚み（電池の放熱面と冷却器との間隔）が変化しないように電池と冷却器とが固定されている電池パックにおいても、粘性層の温度が高くなると、粘性層は熱膨張して厚み方向に直交する方向に拡がり密度が下がる。この場合も電池の放熱面と冷却器との間の熱伝達量Ｑ（Ｗ）が低下するため、電池が冷却され難くなる。このため、発熱の少ない電池ほど良く冷却され、発熱の多い電池ほど冷却され難いため、粘性層の厚みが変化しない形態とした電池パックでも、電池パックに含まれる電池間で電池温度バラツキが大きくなる。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、電池パックに含まれる電池間に生じる電池温度バラツキを抑制できる電池パックを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の一態様は、放熱面を有し列置された複数の電池と、上記放熱面を通じて上記複数の電池をそれぞれ冷却する冷却器と、各々の上記電池の上記放熱面と上記冷却器との間に介在する粘性層と、を備え、上記粘性層は、負の熱膨張係数α（１／Ｋ）を有するフィラーを含む電池パックである。

上述の電池パックでは、電池の放熱面と冷却器との間に介在させた粘性層が、負の熱膨張係数α（１／Ｋ）を有するフィラー（以下、「負係数フィラー」ともいう）を含む。この負係数フィラーを含まない粘性層は、前述のように、その温度が高くなると熱膨張する。これに対し、負係数フィラーを含む粘性層は、その温度が高くなったとき、負係数フィラーについては収縮するため、負係数フィラーを含まない粘性層に比べると、粘性層の熱膨張が抑えられる。

このため、負係数フィラーを含まない粘性層に比べて、負係数フィラーを含む粘性層は、その温度が高くなっても、電池の放熱面と冷却器との間の熱伝達量Ｑ（Ｗ）の低下が抑制されるため、発熱の大きい電池でも冷却され易くなる。従って、負係数フィラーを含まない粘性層を備える電池パックに比べて、負係数フィラーを含む粘性層を備える電池パックでは、電池パックに含まれる電池間に生じる電池温度バラツキを抑制できる。

「負係数フィラー」としては、ガラスフィラーのうち負の熱膨張係数αを有するものや、リン酸ジルコニウムフィラーのうち負の熱膨張係数αを有するものなどが挙げられる。

更に、上記の電池パックであって、前記フィラーの熱膨張係数αは、−０．５×１０^-6／Ｋ以下であり、前記粘性層における上記フィラーの割合は、０．４ｗｔ％以上である電池パックとすると良い。

このように、熱膨張係数αが−０．５×１０^-6／Ｋ以下の大きく収縮する負係数フィラーを用い、かつ、粘性層における負係数フィラーの割合を０．４ｗｔ％以上と多くすることで、粘性層の熱膨張をより効果的に抑制できる。これにより、電池パックに含まれる電池間に生じる電池温度バラツキをより効果的に抑制できる。

更に、上記のいずれかに記載の電池パックであって、前記粘性層における前記フィラーの割合は、１．２５ｗｔ％以下である電池パックとすると良い。

粘性層に負係数フィラーを多く含ませると、具体的には、粘性層における負係数フィラーの割合が１．２５ｗｔ％を越えると、粘度が高くなり過ぎて粘性層を均一な厚さに、かつボイド等を含まずに形成することが難しくなるため、粘性層における熱の伝わりにムラが生じ易くなる。このため、電池パックに含まれる電池間で電池温度バラツキが大きくなり易い。
これに対し、上述の電池パックでは、粘性層における負係数フィラーの割合を１．２５ｗｔ％以下としているので、粘性層を均一な厚さに、かつボイド等を含まずに形成でき、熱の伝わりが均一な粘性層を形成できる。このため、電池パックに含まれる電池間で電池温度バラツキが大きくなるのを防止できる。

更に、上記のいずれかに記載の電池パックであって、前記フィラーは、負の熱膨張係数α（１／Ｋ）を有する球状ガラスフィラーである電池パックとすると良い。

負の熱膨張係数αを有する球状ガラスフィラーは、入手が容易で取り扱いが容易であるため、負係数フィラーとして負の熱膨張係数αを有する球状ガラスフィラーを用いるのが好ましい。

実施形態に係る電池パックの列置方向及び縦方向に沿う（横方向に直交する）部分破断断面図である。 実施形態に係る電池パックの横方向及び縦方向に沿う（列置方向に直交する）断面図である。 粘性層における負係数フィラーの配合量と、電池パックに含まれる電池間の電池温度の温度差との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１及び図２に、本実施形態に係る電池パック１の断面図を示す。なお、以下では、電池パック１の列置方向ＢＨ、横方向ＣＨ及び縦方向ＤＨを、図１及び図２に示す方向と定めて説明する。
この電池パック１は、電気自動車やプラグインハイブリッドカーなどの車両に搭載される車載用の電池パックである。電池パック１は、電池パックケース１０と、この電池パックケース１０内に収容され、複数の電池２１を含む電池モジュール２０と、電池パックケース１０内に収容され、電池モジュール２０に含まれる各電池２１をそれぞれ冷却する冷却器４０とを備える。また、電池モジュール２０に含まれる各電池２１の底面（放熱面）２３ｂと冷却器４０との間には、粘性層５０が介在している。

このうち電池パックケース１０は、アルミニウムからなり、下部ケース１１と、この下部ケース１１に固定される上部ケース（不図示）とを有する。
電池モジュール２０は、複数（図１においては６個）の角型の電池２１と複数（図１においては５個）のスペーサ３１とが交互に積層され、この積層方向（列置方向ＢＨ）の両側にエンドプレート３３がそれぞれ配置されている。これらは、エンドプレート３３，３３同士の間を架け渡した複数の拘束部材（不図示）によって、列置方向ＢＨに押圧した状態で拘束されている。

電池２１は、直方体状で密閉型のリチウムイオン二次電池である。電池モジュール２０に含まれる複数の電池２１は、その電池厚み方向ＥＨに列置されている。電池２１同士は、図示しないバスバによって直列に接続されている。電池２１は、直方体箱状で金属（本実施形態ではアルミニウム）からなる電池ケース２３の内部に、帯状の正極板と帯状の負極板とを一対の帯状のセパレータを介して互いに重ねて扁平状に捲回した電極体（不図示）が電解液（不図示）と共に収容されている。電池ケース２３は、上面２３ａ、底面２３ｂ、面積の広い一対の第１側面２３ｃ，２３ｃ、及び、面積の狭い一対の第２側面２３ｄ，２３ｄを有する。なお、本実施形態では、電池ケース２３の底面２３ｂが、前述の「放熱面」に該当する。

電池ケース２３の上面２３ａには、アルミニウムからなる正極端子部材２５、及び、銅からなる負極端子部材２６が、それぞれ電池ケース２３と絶縁された状態で固設されている。正極端子部材２５は、電池ケース２３内で電極体の正極板に接続し導通する一方、電池ケース２３の上面２３ａを貫通して電池外部まで延びている。また、負極端子部材２６は、電池ケース２３内で電極体の負極板に接続し導通する一方、電池ケース２３の上面２３ａを貫通して電池外部まで延びている。

スペーサ３１は、絶縁性の樹脂からなる矩形板状の部材である。各スペーサ３１は、隣り合う電池２１，２１同士の間、具体的には、隣り合う電池２１，２１の面積の広い第１側面２３ｃ，２３ｃ同士の間にそれぞれ介在している。
エンドプレート３３は、積層された電池２１及びスペーサ３１の列置方向ＢＨの両側にそれぞれ配置されている。これらのエンドプレート３３には、電池モジュール２０を電池パックケース１０の下部ケース１１に固定するための固定部（不図示）が複数設けられており、スタッドボルト及びナット（不図示）を用いて、後述する冷却器４０と共に下部ケース１１にそれぞれ固定されている。これにより、電池モジュール２０の各電池２１の底面２３ｂと下部ケース１１との間に、後述する冷却器４０を挟んだ状態で、電池モジュール２０が下部ケース１１に固定されている。

電池モジュール２０の下方には、２つの冷却器４０，４０が配置されている。各冷却器４０は、アルミニウムからなり、列置方向ＢＨに延びる四角筒状であり、その内部を所定温度（本実施形態では、１０℃）に冷却された冷却媒体ＲＢ（本実施形態では車載用エアコンの冷却媒体）が流通するようにそれぞれ構成されている。
また、２つの冷却器４０，４０と電池パックケース１０の下部ケース１１との間には、断熱性の優れたスポンジからなり、列置方向ＢＨに延びる板状の受け台１５が配置されている。各冷却器４０には、冷却器４０自身を電池パックケース１０に固定するための固定部（不図示）が複数設けられており、前述のように、スタッドボルト及びナット（不図示）を用いて、受け台１５を間に挟んだ状態で、電池モジュール２０と共に電池パックケース１０の下部ケース１１に固定されている。この組み付けた状態において、各電池２１の底面２３ｂと冷却器４０の上面４０ａとの間隔ＫＣ（本実施形態では、ＫＣ＝１．８ｍｍ）は、互いに等しくなっている。

粘性層５０は、各電池２１の底面２３ｂと冷却器４０の上面４０ａとの間にそれぞれ介在し、電池２１の熱を冷却器４０に伝える層である。粘性層５０の厚みは、厚みが１．８ｍｍである。この粘性層５０は、放熱用グリス５１の中に、負の熱膨張係数α（１／Ｋ）を有する負係数フィラー５３が分散したものであり、粘度は９８０Ｐａ・ｓである。この粘性層５０は、放熱用グリス５１の割合が９９．２ｗｔ％、負係数フィラー５３の割合が０．８ｗｔ％である。本実施形態では、放熱用グリス５１は、ロード・ジャパン・インク社製のシリコンギャップフィラーであり、その熱伝導率は３．２Ｗ／ｍ・Ｋである。この放熱用グリス５１は、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃ ）を４５〜５０ｗｔ％、酸化亜鉛（ＡｎＯ）を１７〜２１ｗｔ％、グリス状のシリコン系樹脂を３０ｗｔ％含んでいる。また、負係数フィラー５３は、熱膨張係数αがα＝−１．１×１０^-6／Ｋの球状ガラスフィラー（日本電気硝子社製：ＤＬ−７４００）である。

次いで、上記電池パック１の製造方法について説明する。まず、電池２１、スペーサ３１及びエンドプレート３３を用意して、電池モジュール２０を形成する。即ち、複数の電池２１と複数のスペーサ３１とを交互に重ねて、更にその列置方向ＢＨの両側にエンドプレート３３，３３をそれぞれ重ねる。その後、これらの積層体を列置方向ＢＨに押圧しつつ、図示しない拘束部材をエンドプレート３３，３３同士の間に架け渡して拘束部材をエンドプレート３３，３３に固定する。かくして、電池モジュール２０が形成される。

次に、電池パックケース１０、受け台１５及び冷却器４０，４０を用意し、電池モジュール２０及び冷却器４０，４０を受け台１５を介して電池パックケース１０の下部ケース１１に固定する共に、電池モジュール２０と冷却器４０，４０との間に粘性層５０をそれぞれ形成する。具体的には、前述した放熱用グリス５１と負の熱膨張係数α（１／Ｋ）を有する負係数フィラー５３とを混合して、混合グリスを得る。そして、ディスペンサを用いて、この混合グリスを各冷却器４０の上面４０ａに均一に塗布して、上面４０ａ上に粘性層５０をそれぞれ形成する。その際、本実施形態では、混合グリスにおける負係数フィラー５３の割合を１．２５ｗｔ％以下（具体的には、０．８ｗｔ％）としているので、混合グリスの粘度が高すぎない（本実施形態では、粘度：９８０Ｐａ・ｓ）。このため、塗膜を均一な厚さに、かつボイド等を含まずに形成できる。

その後、これらの冷却器４０，４０を、受け台１５を間に挟んで、電池パックケース１０の下部ケース１１上に位置合わせをして載置する。更に、これらの冷却器４０，４０の上から電池モジュール２０を位置合わせをして載置する。その後、各冷却器４０の固定部（不図示）及び電池モジュール２０の固定部（不図示）を、図示しないスタッドボルト及びナットを用いて、下部ケース１１に固定する。これにより、各電池２１の底面２３ｂと冷却器４０の上面４０ａとの間隔ＫＣ（本実施形態では、ＫＣ＝１．８ｍｍ）が互いに等しくなって、それぞれ厚みが１．８ｍｍの粘性層５０が形成される。その後は、上部ケース部（不図示）を固定するなどして、電池パック１を完成させる。

（実施例及び比較例）
次いで、本発明の効果を検証するために行った試験の結果について説明する。実施例１〜８及び比較例１，２として、表１に示すように、粘性層における負係数フィラー５３の配合量（ｗｔ％）を０ｗ％、０．３ｗｔ％、０．５ｗｔ％、０．８ｗｔ％または１．５ｗｔ％に変更し、粘性層の厚み（ｍｍ）を１．８ｍｍまたは４．８ｍｍに変更して、１０種類の電池パックを製造した。また、表１には、実施例１〜８及び比較例１，２の各電池パックについて、粘性層の粘度（Ｐａ・ｓ）の各値も示す。なお、実施例３の電池パックは、前述した実施形態の電池パック１と同じである。

その後、実施例１〜８及び比較例１，２の各電池パックを所定の条件下で使用して、電池パックに含まれる各電池２１の電池温度（℃）をそれぞれ測定した。なお、表１における「最高温度」は、１つの電池パックに含まれる複数の電池２１のうち、最も高い温度となった電池２１の電池温度である。また、「最低温度」は、１つの電池パックに含まれる複数の電池２１のうち、最も低い温度となった電池２１の電池温度である。

また、「温度差」は、その電池パックにおける電池２１の最高温度と最低温度との温度差であり、本実験では、この温度差の大きさによって電池温度バラツキを評価した。具体的には、電池温度の温度差が６．０℃未満の場合を特に良好（評価印「○」）とし、電池温度の温度差が６．０℃以上１０．０℃未満の場合を良好（評価印「△」）とし、電池温度の温度差が１０．０℃以上の場合を不良（評価印「×」）とした。

その結果を表１及び図３に示す。比較例１，２では、電池温度の温度差が大きく（１０．０℃以上）不良であった。これらに対し、実施例１〜８では、電池温度の温度差が小さく（１０．０℃未満）良好であった。特に、実施例２，３，６，７では、電池温度の温度差が小さく（６．０℃未満）良好であった。このような結果となった理由は、以下であると考えられる。

即ち、比較例１，２の電池パックでは、粘性層に負係数フィラー５３を配合していない。粘性層は、温度が高くなると膨張する。前述の電池パック１では、粘性層の厚みは厚くならないため、粘性層が熱膨張すると、厚み方向（縦方向ＤＨ）に直交する方向（列置方向ＢＨ及び横方向ＣＨ）に拡がり密度が下がる。すると、電池２１の放熱面２３ｂと冷却器４０との間の熱伝達量Ｑ（Ｗ）が低下するため、電池２１が冷却され難くなる。このため、発熱の少ない電池２１ほど良く冷却され、発熱の多い電池２１ほど冷却され難いため、電池パックに含まれる電池２１間で電池温度バラツキが大きくなる。このため、粘性層の厚み（１．８ｍｍまたは４．８ｍｍ）に拘わらず、電池温度の温度差が大きくなり不良であった。

一方、実施例１〜８の電池パックでは、熱電導粘性層に負係数フィラー５３を配合している。負係数フィラー５３を含まない比較例１，２の粘性層は、上述のように、その温度が高くなると熱膨張する。これに対し、負係数フィラー５３を含む粘性層は、その温度が高くなったとき、負係数フィラー５３については収縮するため、負係数フィラー５３を含まない比較例１，２の粘性層に比べると、粘性層の熱膨張が抑えられる。

このため、負係数フィラー５３を含まない比較例１，２の粘性層に比べて、負係数フィラー５３を含む実施例１〜８の粘性層は、その温度が高くなっても、電池２１の放熱面２３ｂと冷却器４０との間の熱伝達量Ｑ（Ｗ）の低下が抑制されるため、発熱の大きい電池２１でも冷却され易くなる。従って、負係数フィラー５３を含まない粘性層を備える比較例１，２の電池パックに比べて、負係数フィラー５３を含む粘性層を備える実施例１〜８の電池パックでは、粘性層の厚み（１．８ｍｍまたは４．８ｍｍ）に拘わらず、電池パックに含まれる電池２１間に生じる電池温度バラツキを抑制できたと考えられる。

また、実施例１，５の電池パックでは、粘性層における負係数フィラー５３の配合量が０．４ｗｔ％未満（具体的には０．３ｗｔ％）であるのに対し、実施例２，３，６，７の電池パックでは、粘性層における負係数フィラー５３の配合量が０．４ｗｔ％以上（具体的には０．５ｗｔ％または０．８ｗｔ％）である。このように負係数フィラー５３の配合量を多くしたことで、粘性層の熱膨張をより効果的に抑制できたため、実施例２，３，６，７の電池パックでは、特に電池温度バラツキを抑制できたと考えられる。

一方、実施例４，８の電池パックでは、粘性層における負係数フィラー５３の配合量が１．２５ｗｔ％を越える（具体的には１．５ｗｔ％）のに対し、実施例２，３，６，７の電池パックでは、粘性層における負係数フィラー５３の配合量が１．２５ｗｔ％以下（具体的には０．５ｗｔ％または０．８ｗｔ％）である。このため、実施例４，８の電池パックでは、実施例２，３，６，７の電池パックに比べて、粘性層の粘度が高くなっている。実施例４，８のように粘性層の粘度が高いと、粘性層を均一な厚さに、かつボイド等を含まずに形成することが難しくなるため、粘性層における熱の伝わりにムラが生じ易くなる。このため、電池パックに含まれる電池２１間で電池温度バラツキが大きくなり易い。これに対し、実施例２，３，６，７の粘性層は粘度が低いため、粘性層を均一な厚さに、かつボイド等を含まずに形成でき、熱の伝わりが均一な粘性層を形成できる。このため、電池パックに含まれる電池２１間で電池温度バラツキが大きくなるのを防止できたと考えられる。

以上で説明したように、電池パック１では、電池２１の底面２３ｂと冷却器４０との間に介在させた粘性層５０が、負の熱膨張係数α（１／Ｋ）を有する負係数フィラー５３を含んでいる。負係数フィラー５３を含まない粘性層は、その温度が高くなると熱膨張する。これに対し、負係数フィラー５３を含む本実施形態の粘性層５０は、その温度が高くなったとき、負係数フィラー５３については収縮するため、負係数フィラー５３を含まない粘性層に比べると、粘性層５０の熱膨張が抑えられる。

このため、負係数フィラー５３を含まない粘性層に比べて、負係数フィラー５３を含む粘性層５０は、その温度が高くなっても、電池２１の底面２３ｂと冷却器４０との間の熱伝達量Ｑ（Ｗ）の低下が抑制されるため、発熱の大きい電池２１でも冷却され易くなる。従って、負係数フィラー５３を含まない粘性層を備える電池パックに比べて、負係数フィラー５３を含む粘性層５０を備える本実施形態の電池パック１では、電池パック１に含まれる電池２１間に生じる電池温度バラツキを抑制できる。

更に、本実施形態では、熱膨張係数αが−０．５×１０^-6／Ｋ以下の大きく収縮する負係数フィラー５３を用い、かつ、粘性層５０における負係数フィラーの割合を０．４ｗｔ％以上と多くしているので、粘性層５０の熱膨張をより効果的に抑制できる。これにより、電池パック１に含まれる電池２１間に生じる電池温度バラツキをより効果的に抑制できる。

また、粘性層５０に負係数フィラー５３を多く含ませると、具体的には、粘性層５０における負係数フィラー５３の割合が１．２５ｗｔ％を越えると、粘度が高くなり過ぎて粘性層５０を均一な厚さに、かつボイド等を含まずに形成することが難しくなるため、粘性層５０における熱の伝わりにムラが生じ易くなる。このため、電池パック１に含まれる電池２１間で電池温度バラツキが大きくなり易い。
これに対し、本実施形態の電池パック１では、粘性層５０における負係数フィラー５３の割合を１．２５ｗｔ％以下としているので、粘性層５０を均一な厚さに、かつボイド等を含まずに形成でき、熱の伝わりが均一な粘性層５０を形成できる。このため、電池パック１に含まれる電池２１間で電池温度バラツキが大きくなるのを防止できる。

また、本実施形態では、負係数フィラー５３としては、負の熱膨張係数α（１／Ｋ）を有する球状ガラスフィラーを用いている。このようなガラスフィラーは、入手が容易で取り扱いが容易であるため、負係数フィラー５３として好適である。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。

１ 電池パック
１０ 電池パックケース
２０ 電池モジュール
２１ 電池
２３ 電池ケース
２３ｂ 底面（放熱面）
３１ スペーサ
３３ エンドプレート
４０ 冷却器
５０ 粘性層
５１ 放熱用グリス
５３ 負係数フィラー（フィラー）
ＢＨ 列置方向
ＲＢ 冷却媒体
ＫＣ 間隔

Claims (4)

1. 放熱面を有し列置された複数の電池と、
   上記放熱面を通じて上記複数の電池をそれぞれ冷却する冷却器と、
   各々の上記電池の上記放熱面と上記冷却器との間に介在する粘性層と、を備え、
   上記粘性層は、
   負の熱膨張係数α（１／Ｋ）を有するフィラーを含む
   電池パック。
2. 請求項１に記載の電池パックであって、
   前記フィラーの熱膨張係数αは、−０．５×１０^-6／Ｋ以下であり、
   前記粘性層における上記フィラーの割合は、０．４ｗｔ％以上である
   電池パック。
3. 請求項１または請求項２に記載の電池パックであって、
   前記粘性層における前記フィラーの割合は、１．２５ｗｔ％以下である
   電池パック。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電池パックであって、
   前記フィラーは、負の熱膨張係数α（１／Ｋ）を有する球状ガラスフィラーである
   電池パック。

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