JP2019096555A - バッテリモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】隣接する単電池セルの電極端子同士を電気的に接続する端子接続部材を冷却又は加熱することにより、単電池セルの内部を効率的に冷却又は加熱することができると共に、単電池セルの積層方向の変位にも容易に追従可能なバッテリモジュールを提供する。【解決手段】正極１１ａ及び負極１１ｂの電極端子１１を有する単電池セル１が複数積層され、隣接する単電池セル１の電極端子１１同士が端子接続部材２によって電気的に接続されたバッテリモジュールＭであって、単電池セル１の積層方向Ｄに沿って配置された伝熱部材４１を有し、端子接続部材２は、伝熱部材４１に対して熱交換可能に固定された固定部２２と、固定部２２の両側に、隣接する単電池セル１の電極端子１１にそれぞれ電気的に接続された連結部２３とを有し、連結部２３の少なくとも一方は、単電池セル１の積層方向Ｄの変位に追従可能な可動部である。【選択図】図１

Description

本発明は、冷却／加熱機能を備えたバッテリモジュールに関する。

ハイブリッド車や電気自動車等に搭載されるバッテリモジュールは、リチウムイオン電池からなる単電池セルが複数積層され、隣接する単電池セルの電極端子同士が端子接続部材によって電気的に接続される構成を有する。このようなバッテリモジュールは、単電池セルに大電流が流れることによって発熱するため、冷媒によってセル缶の底面や側面を冷却することにより、単電池セル内部を冷却することが行われている。

しかし、単電池セルのセル缶を冷却する方法では、単電池セル内部の冷却効率が悪い。そのため、従来、隣接する単電池セルの電極端子同士を電気的に接続するプレート状の端子接続部材に冷却液や冷却風を通過させることにより、端子接続部材を介して電極端子を冷却する方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。これらの冷却方法は、各単電池セルの内部に直結する電極端子を介して単電池セル内部を冷却することができるため、熱移動効率が高く、効率的な冷却が可能である。

特開２０１１−２９１０３号公報 特開２０１２−１６９１２９号公報

ところで、単電池セルは充放電によって膨張する。バッテリモジュールは複数の単電池セルを積層しているため、単電池セルが膨張すると、単電池セルの積層方向に変位が生じ、隣接する単電池セルの電極端子間の距離が広がる方向に変動する。

しかしながら、特許文献１、２に記載のように、隣接する単電池セルの電極端子同士をプレート状の端子接続部材によって電気的に接続する構造では、端子接続部材が隣接する電極端子間を一定距離に固定するため、電極端子間の距離の変動に追従できない問題がある。この場合、端子接続部材と電極端子との接続部位に負荷が掛かり、接続状態が不安定化することにより、端子接続部材と電極端子との間の熱移動が不安定化し、冷却効率が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、隣接する単電池セルの電極端子同士を電気的に接続する端子接続部材を冷却又は加熱することにより、単電池セルの内部を効率的に冷却又は加熱することができると共に、単電池セルの積層方向の変位にも容易に追従可能なバッテリモジュールを提供することを目的とする。

（１） 本発明に係るバッテリモジュール（例えば、後述のバッテリモジュールＭ）は、正極（例えば、後述の正極１１ａ）及び負極（例えば、後述の負極１１ｂ）の電極端子（例えば、後述の電極端子１１）を有する単電池セル（例えば、後述の単電池セル１）が複数積層され、隣接する前記単電池セルの前記電極端子同士が端子接続部材（例えば、後述の端子接続部材２、３）によって電気的に接続されたバッテリモジュールであって、前記単電池セルの積層方向（例えば、後述の積層方向Ｄ）に沿って延びる伝熱部材（例えば、後述のバスバー構造体４１、４２）を有し、前記端子接続部材は、前記伝熱部材に対して固定された固定部（例えば、後述の固定部２２）と、前記固定部の両側に、隣接する前記単電池セルの前記電極端子にそれぞれ電気的に接続された連結部（例えば、後述の連結部２３）とを有し、前記連結部の少なくとも一方は、前記単電池セルの積層方向の変位に追従可能な可動部である。

上記（１）に記載のバッテリモジュールによれば、隣接する単電池セルの電極端子同士を電気的に接続する端子接続部材を冷却又は加熱することにより、単電池セルの内部を効率的に冷却又は加熱することができると共に、単電池セルの積層方向の変位にも容易に追従可能である。

（２） （１）に記載のバッテリモジュールにおいて、前記端子接続部材は、前記伝熱部材の表面に巻き付けられたワイヤ（例えば、後述のワイヤ２１）であることが好ましい。

上記（２）に記載のバッテリモジュールによれば、（１）に記載のバッテリモジュールにおいて、伝熱部材の表面に対するワイヤの巻き付け回数を適宜調整することによって、固定部の長さを容易に調整することができると共に、伝熱部材の表面にワイヤを巻き付けるだけで、固定部に連続させて、固定部の両側の連結部を容易に形成することができる。

（３） （１）又は（２）に記載のバッテリモジュールにおいて、前記伝熱部材は、内部に熱交換媒体が流通する伝熱性を有する配管、及び、伝熱性を有する中実部材の少なくともいずれか一方であることが好ましい。

上記（３）に記載のバッテリモジュールによれば、（１）又は（２）に記載のバッテリモジュールにおいて、伝熱部材が配管である場合は、伝熱部材の内部に熱交換媒体を流通可能であるため、端子接続部材を効率的に冷却又は加熱することができる。また、伝熱部材が伝熱性を有する中実部材である場合は、伝熱部材の断面積が増大するので、端子接続部材における電気抵抗を抑えることができる。

（４） （１）〜（３）のいずれかに記載のバッテリモジュールにおいて、前記伝熱部材は、導電材料により構成され、前記伝熱部材は、１つの前記端子接続部材に対して少なくとも１つずつ設けられ、前記単電池セルの積層方向に隣接する２つの前記伝熱部材は、絶縁体からなる継手（例えば、後述の継手４３）によって連結されていることが好ましい。

上記（４）に記載のバッテリモジュールによれば、（１）〜（３）に記載のいずれかのバッテリモジュールにおいて、隣接する端子接続部材同士が短絡することなく、長尺の伝熱部材を容易に形成することができる。しかも、端子接続部材がワイヤである場合は、継手によって連結される前の伝熱部材に容易に巻き付けることができるため、伝熱部材に対する端子接続部材の取付け作業性が良好となる。

本発明によれば、隣接する単電池セルの電極端子同士を電気的に接続する端子接続部材を冷却又は加熱することにより、単電池セルの内部を効率的に冷却又は加熱することができると共に、単電池セルの積層方向の変位にも容易に追従可能なバッテリモジュールを提供することができる。

本発明に係るバッテリモジュールの一実施形態を一部省略して示す平面図である。 図１に示すバッテリモジュールの端子接続部材を拡大して示す斜視図である。 図１中のＡ部を一部断面で示す拡大図である。 図１に示すバッテリモジュールの端子接続部材の追従機能を説明する説明図である。 本発明に係るバッテリモジュールの他の実施形態における図１中のＡ部と同一部位を一部断面で示す拡大図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、本発明に係るバッテリモジュールの一実施形態を一部省略して示す平面図である。図２は、図１に示すバッテリモジュールの端子接続部材を拡大して示す斜視図である。図３は、図１中のＡ部を一部断面で示す拡大図である。
本実施形態のバッテリモジュールＭは、図１に示すように、積層方向Ｄに沿って積層された複数（本実施形態では７個）の単電池セル１からなる組電池１０を有する。各単電池セル１は、内部に図示しない発電要素が収容され、単電池セル１の一側面（本実施形態では上側面１ａ）の両端部に、正極１１ａ及び負極１１ｂの電極端子１１を有している。組電池１０の単電池セル１は、隣接する単電池セル１、１の電極端子１１、１１同士が互いに異なる極性となるように配置されている。

このバッテリモジュールＭは、隣接する単電池セル１、１の電極端子１１、１１同士、具体的には、隣接する一方の単電池セル１の正極１１ａと、他方の単電池セル１の負極１１ｂとが、バスバー４に装着された端子接続部材２によって電気的に接続されることにより、全ての単電池セル１が直列に接続されている。積層方向Ｄの両端部に配置される２つの単電池セル１、１のうちの一方の単電池セル１（図１中の右端の単電池セル１）の正極１１ａと、他方の単電池セル１（図１中の左端の単電池セル１）の負極１１ｂだけは、端子接続部材３によって、それぞれバスバー４に接続されている。

バスバー４は、伝熱部材により構成され、単電池セル１の積層方向Ｄに沿って延びるように配置されている。本実施形態のバッテリモジュールＭは、組電池１０を間に挟むように２本のバスバー４、４を有している。

本実施形態のバスバー４は、伝熱部材からなる複数の短尺な伝熱性を有する配管によって構成される断面円形状のバスバー構造体４１、４２により構成されている。伝熱性を有する配管によって構成されるバスバー構造体４１、４２は、内部に後述する熱交換媒体である空気Ｆを流通可能であるため、端子接続部材２、３を効率的に冷却又は加熱することができる。

また、本実施形態のバスバー構造体４１、４２は、銅、アルミニウム等の導電材料からなる。単電池セル１の積層方向Ｄに隣接する２つのバスバー構造体４１、４１又は４１、４２は、ゴムや樹脂等の絶縁体からなる継手４３を介して連結されることにより、単電池セル１の積層方向Ｄに沿って長尺に形成されている。継手４３は、図３に示すように、中央に開口部４３ａを有しており、隣接するバスバー構造体４１、４１内及びバスバー構造体４１、４２内を連通させている。

バスバー構造体４１は、１つの端子接続部材２に対して少なくとも１つずつ配置される。図１では一部省略されている各バスバー４、４の一端部側（端子接続部材３が電気的に接続される側）に配置されるバスバー構造体４２、４２は、更に延長され、図示しない制御基盤等に電気的に接続されている。

各バスバー４の他端部側（図１における上側のバスバー４の左端部側、下側のバスバー４の右端部側）に配置されるバスバー構造体４１、４１は、それぞれゴムや樹脂等の絶縁体からなる継手４４を介して、熱媒体用配管５に連結されている。継手４４は、図３に示すように、中央に開口部４４ａを有しており、バスバー構造体４１内と熱媒体用配管５内とを連通させている。

熱媒体用配管５は、電動ファン６からの空気Ｆを導入可能に構成されている。これにより、電動ファン６から送られる空気Ｆは、図３中の矢印で示すように、熱媒体用配管５から各バスバー４内に流入することができる。この電動ファン６から送られる空気Ｆは、熱交換媒体として機能する。

ここで、端子接続部材２は、図３に示すように、固定部２２と、この固定部２２の両側に、それぞれ連結部２３、２３とを有している。端子接続部材２の固定部２２は、導電性接着剤やはんだ等の伝熱性及び導電性を有する固定部材２４によって、バスバー構造体４１の表面に対してリジッドに固定されている。このため、端子接続部材２は、この固定部２２において、バスバー構造体４１内を流通する空気Ｆと効率的な熱交換が可能である。これにより、電極端子１１を介して単電池セル１の内部を、熱交換媒体である空気Ｆによって効率的に冷却することができる。また、寒冷期等において単電池セル１の内部温度を高くする必要がある場合には、図１に示すヒータ７に通電し、このヒータ７によって加熱された空気Ｆをバスバー構造体４１内に流通させることにより、単電池セル１の内部を加熱することもできる。

本実施形態の端子接続部材２は、銅、アルミニウム等の伝熱性の良好な導電材料からなるワイヤ２１によって構成されている。ワイヤ２１は、図２に示すように、それぞれバスバー４の表面、具体的には、バスバー構造体４１の表面に複数回巻き付けられている。本実施形態における端子接続部材２の固定部２２は、バスバー構造体４１の表面に巻き付けられたワイヤ２１によって構成されている。このため、固定部２２は、ワイヤ２１からなる端子接続部材２とバスバー構造体４１との接触面積を増大させ、端子接続部材２とバスバー構造体４１との間の熱移動を容易にしている。特に、本実施形態の固定部２２は、伝熱性を有する固定部材２４を介して、バスバー構造体４１の表面に面接触するので、効率的な熱移動が可能である。

また、ワイヤ２１からなる端子接続部材２は、バスバー構造体４１の長さ方向に沿う固定部２２の長さを、バスバー構造体４１の表面に対するワイヤ２１の巻き付け回数を適宜調整することによって、容易に調整することができる。しかも、ワイヤ２１からなる端子接続部材２は、バスバー構造体４１の表面にワイヤ２１を巻き付けるだけで、固定部２２の両側の連結部２３を、固定部２２に連続して容易に形成することができる。

一方、端子接続部材２の連結部２３は、隣接する単電池セル１、１の電極端子１１、１１にそれぞれ電気的に接続される部位であり、固定部２２の両端部から電極端子１１、１１に向けて延びている。この連結部２３は、バスバー構造体４１の表面に対して固定されていない。このため、端子接続部材２において、連結部２３は、バスバー構造体４１の長さ方向、即ち、単電池セル１の積層方向Ｄに沿って移動可能な可動部となっている。

本実施形態のワイヤ２１からなる端子接続部材２の連結部２３は、固定部２２の両端部からそれぞれ電極端子１１、１１に向けて延びるワイヤ２１の端部からなる。この連結部２３を形成するワイヤ２１は、バスバー構造体４１の表面に固定されておらず、バスバー構造体４１の表面に緩く巻き付けられるだけである。従って、ワイヤ２１からなる連結部２３は、固定部２２との電気的接続を維持したまま、単電池セル１の積層方向Ｄに沿って容易且つ円滑に移動可能である。連結部２３を形成するワイヤ２１のバスバー構造体４１の表面に対する巻き付け数は、特に限定されないが、一例を挙げれば、１／２周〜１周程度とすることができる。

次に、この可動部からなる連結部２３の作用について、図４を用いて説明する。
バッテリモジュールＭの各単電池セル１が膨張すると、隣接する単電池セル１、１同士が反発し合うことにより、単電池セル１の積層方向Ｄに変位が生じ、隣接する単電池セル１、１の電極端子１１、１１間の距離（積層方向Ｄに隣接する正極１１ａと負極１１ｂとの間の距離）が広がるように変動する。これにより、端子接続部材２の連結部２３、２３は、電極端子１１、１１によって、相反するｄ１方向及びｄ２方向にそれぞれ引っ張られる。しかし、端子接続部材２の連結部２３は、上記の通り、バスバー構造体４１の表面に対して固定されていない可動部であるため、バスバー構造体４１の表面を積層方向Ｄに沿って、一点鎖線で示す位置から実線で示す位置へ容易に移動することができる。このため、電極端子１１、１１間の距離の変動によって、連結部２３、２３が相反するｄ１方向及びｄ２方向に引っ張られた際、連結部２３、２３は、それぞれｄ１方向及びｄ２方向に移動することにより、電極端子１１、１１間の距離の変動に容易に追従することができる。連結部２３が電極端子１１に引っ張られても、端子接続部材２と電極端子１１との接続部位に負荷が掛かることはないため、接続状態が不安定化することはない。従って、単電池セル１に積層方向Ｄの変位が生じても、端子接続部材２と電極端子１１との間の安定した熱移動は維持され、冷却／加熱効率の低下は抑制される。

なお、端子接続部材２は、固定部２２の両側の連結部２３、２３の両方を可動部にすることにより、電極端子１１、１１間の距離の変動に対して追従し得る範囲を大きく確保することができる。しかし、端子接続部材２は、連結部２３、２３のうちのいずれか一方のみを可動部とするだけでもよい。

また、端子接続部材３も、端子接続部材２と同様に、銅、アルミニウム等の伝熱性の良好な導電材料からなるワイヤ３１によって構成することができる。このワイヤ３１も、バスバー４の表面、具体的には、バスバー構造体４２の表面に複数回巻き付けられている。この端子接続部材３は、一端部側のみが単電池セル１の電極端子１１に電気的に接続されるため、端子接続部材２のように、電極端子１１、１１間の距離の変動に追従する必要はない。従って、バスバー構造体４２の表面に巻き付けられた部位の全てをバスバー構造体４２の表面に固定される固定部とすることができる。しかし、端子接続部材２と同様に、電極端子１１からバスバー構造体４２に最初に巻き付けられる連結部は、バスバー構造体４２の表面に緩く巻き付けられただけの可動部であってもよい。

本実施形態のバスバー４は、伝熱性を有する導電材料により構成されるバスバー構造体４１、４２が、隣接する端子接続部材２、２及び２、３の間で、絶縁体からなる継手４３によって連結されることによって構成される。このため、端子接続部材２、３が装着されたバスバー構造体４１、４２同士を継手４３で連結することによって、長尺の伝熱部材としてのバスバー４を容易に形成することができる。しかも、継手４３は絶縁体であるため、隣接する端子接続部材２、２同士及び端子接続部材２、３同士が短絡することもない。特に、本実施形態のように、端子接続部材２、３がワイヤ２１により構成される場合は、継手４３によって連結される前のバスバー構造体４１、４２に容易に巻き付けることができるため、バスバー構造体４１、４２に対する端子接続部材２、３の取付け作業性が良好となる。

図５は、本発明に係るバッテリモジュールの他の実施形態における図１中のＡ部と同一部位を一部断面で示す拡大図である。
図５に示すバスバー４のバスバー構造体４５は、上述した実施形態のバスバー構造体４１に対応するものであり、バスバー構造体４１と同様に、伝熱性を有する断面円形状の導電材料からなるが、内部を熱媒体が流通しない中実部材により構成されている。このバスバー構造体４５は、継手４４の開口部４４ａを介して、熱媒体用配管５内を流通する空気Ｆと接触することにより、空気Ｆと熱交換可能である。また、継手４３を介して隣接するバスバー構造体４５、４５の間は、継手４３の開口部４３ａ内に収容された伝熱性を有する絶縁部材４６と接触することにより、熱移動可能に構成されている。絶縁部材４６は、伝熱性を有する絶縁材料であれば特に問わず、例えば、窒化アルミニウム等の固体であってもよいし、フロリナート（登録商標）等のフッ素系不活性液体や純水等の液体であってもよい。

このバスバー４の構造によれば、上述した実施形態の効果に加えて、バスバー構造体４５の断面積が増大するので、配管からなるバスバー構造体４１に比べて、端子接続部材２における電気抵抗を抑えることができる。端子接続部材３と電気的に接続されるバスバー構造体４２も、このような中実部材からなるバスバー構造体によって構成されてもよい。

なお、伝熱部材としてのバスバー構造体４１とバスバー構造体４５は、いずれか一方のみを用いるものに限らず、両方を用いてもよい。例えば、図１に示す２つのバスバー４、４のうちの一方のバスバー４が、バスバー構造体４１を用いて構成され、他方のバスバー４が、バスバー構造体４５を用いて構成されてもよい。また、１つのバスバー４が、バスバー構造体４１とバスバー構造体４５の両方を用いて構成されてもよい。

以上説明した各実施形態は、組電池１０を挟むように２本のバスバー４を設けたが、バスバー４はいずれか一方のみに設け、他方は通常用いられる端子接続部材によって電極端子１１、１１間を電気的に接続する構成であってもよい。

また、単電池セル１の冷却又は加熱を行う熱交換媒体は、空気Ｆに限らず、例えば、フロリナート（登録商標）等のフッ素系不活性液体や純水等の絶縁性の液体であってもよい。絶縁性の液体は、バスバー４や熱媒体用配管５内を循環させてもよい。

更に、端子接続部材２が装着されるバスバー構造体４１は、必ずしも導電材料からなるものでなくてもよく、例えば、窒化アルミニウム等の絶縁性の伝熱部材からなるものであってもよい。

また、バッテリモジュールＭは、１つの組電池１０により構成されるものに限らず、バスバー４と組電池１０との組が、熱媒体用配管５に複数組連結される構成であってもよい。

１ 単電池セル
１１ 電極端子
１１ａ 正極
１１ｂ 負極
２、３ 端子接続部材
２１ ワイヤ
２２ 固定部
２３ 連結部
４１、４２、４５ バスバー構造体
４３ 継手
Ｄ 単電池セルの積層方向
Ｍ バッテリモジュール

Claims (4)

1. 正極及び負極の電極端子を有する単電池セルが複数積層され、隣接する前記単電池セルの前記電極端子同士が端子接続部材によって電気的に接続されたバッテリモジュールであって、
   前記単電池セルの積層方向に沿って延びる伝熱部材を有し、
   前記端子接続部材は、前記伝熱部材に対して固定された固定部と、前記固定部の両側に、隣接する前記単電池セルの前記電極端子にそれぞれ電気的に接続された連結部とを有し、
   前記連結部の少なくとも一方は、前記単電池セルの積層方向の変位に追従可能な可動部である、バッテリモジュール。
2. 前記端子接続部材は、前記伝熱部材の表面に巻き付けられたワイヤである、請求項１に記載のバッテリモジュール。
3. 前記伝熱部材は、内部に熱交換媒体が流通する伝熱性を有する配管、及び、伝熱性を有する中実部材の少なくともいずれか一方である、請求項１又は２に記載のバッテリモジュール。
4. 前記伝熱部材は、導電材料により構成され、
   前記伝熱部材は、１つの前記端子接続部材に対して少なくとも１つずつ設けられ、
   前記単電池セルの積層方向に隣接する２つの前記伝熱部材は、絶縁体からなる継手によって連結されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリモジュール。

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