JP2020198177A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】強制的な冷却構造や冷却冷媒流路をさらに小型化乃至省略しつつ電池モジュールを冷却可能な電池モジュールを提供する。【解決手段】電池モジュールは、各々が一端に端子を含む少なくとも一つの電池セルと、前記端子を下方に向けて前記少なくとも一つの電池セルを収容する筐体と、前記筐体内で前記端子と前記筐体との間に介在する絶縁層と、を備えている。電池モジュールは、前記少なくとも一つの電池セル各々の荷重により前記端子が前記筐体に向けて押し付けられることにより前記端子から前記筐体に向かう熱伝導経路が形成されるように構成されている。【選択図】図１

Description

本開示は、電池モジュールに関する。

近年、繰り返し充放電可能な二次電池の利用を促進するべく、電池セルを密に並べてモジュール単位で用いることにより、高密度化及び設置面積の低減を図った電池モジュールが種々開発されている。例えば特許文献１には、このような電池モジュールに関する構成例が開示されている。

特開２０１５−２２９３５号公報

ところで、二次電池は通常、充放電の際に発熱を伴うため、適切な冷却手段を必要とする。冷却手段としては、例えば空気や水などの冷却冷媒を循環させて、充放電の際における電池セルの温度上昇を抑制し、かつ均一に冷却することが行われる。ここで、電池モジュールのさらなる高密度化を考えた場合、強制的な冷却構造や冷却冷媒流路をさらに小型化乃至省略することができれば、設置スペースをより小さくすることが可能になる。

この点、特許文献１には、強制的な冷却構造や冷却冷媒流路をさらに小型化乃至省略しつつ電池モジュールを冷却することに関する知見について何ら開示されていない。

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、強制的な冷却構造や冷却冷媒流路をさらに小型化乃至省略しつつ電池モジュールを冷却可能な電池モジュールを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも１つの実施形態に係る電池モジュールは、
各々が一端に端子を含む少なくとも一つの電池セルと、
前記端子を下方に向けて前記少なくとも一つの電池セルを収容する筐体と、
前記筐体内で前記端子と前記筐体との間に介在する絶縁層と、を備え、
前記少なくとも一つの電池セル各々の荷重により前記端子が前記筐体に向けて押し付けられることにより前記端子から前記筐体に向かう熱伝導経路が形成されるように構成されている。

上記（１）の構成によれば、電池セルの重さ（自重）により、筐体に端子が押し付けられ、端子から筐体に向かう熱伝導経路が形成される。これにより、充放電の際に電池セルで生じた熱を、熱伝導経路を介して電池モジュールの筐体の外に放出することができる。よって、例えば強制冷却のための構成を筐体内に組み込めない場合、或いは省略した場合であっても、電池モジュールを効率的に冷却することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記少なくとも一つの電池セルは、複数の電池セルを含み、
前記複数の電池セルの各々は、前記筐体内で水平方向に間隔を隔てて配置されていてもよい。

上記（２）の構成によれば、複数の電池セルがそれぞれ水平方向に間隔を隔てて配置されるから、筐体内に複数の電池セルを収容した場合に各々の電池セル間に隙間を確保することができるから、当該隙間を例えば冷媒流路として用いることが可能となる。

（３）いくつかの実施形態では、上記（２）の構成において、
前記電池モジュールは、前記端子と前記筐体との間に、前記複数の電池セルのうち一の電池セルの前記端子と他の電池セルの前記端子とを電気接続するバスバーをさらに備え、
前記端子から前記バスバー及び前記絶縁層を介して前記筐体へと前記熱伝導経路が形成されていてもよい。

上記（３）の構成によれば、端子からバスバーを介して筐体に向かう熱伝導経路が形成される。そして、充放電の際に生じた熱を、端子及びバスバーを経由して筐体の外側に効率良く放出することができる。

（４）いくつかの実施形態では、上記（３）の構成において、
前記バスバーは、Ｃｕ又はＡｌを含む金属を含んでいてもよい。

上記（４）の構成によれば、Ｃｕ又はＡｌを含む金属を含むバスバーを備えた電池モジュールにおいて、上記（３）で述べた効果を享受することができる。

（５）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（４）のいずれか一つの構成において、
前記端子が設けられた前記電池セルの下端面のうち前記端子以外の部分と前記筐体又は前記絶縁層との間に配置された断熱性のスペーサ部材をさらに備えていてもよい。

上記（５）の構成によれば、スペーサ部材、又はスペーサ部材と絶縁層とを介して電池セルの下端面のうち端子以外の部分を筐体で支持することができる。つまり、スペーサ部材が電池セルの重量の一部を担うことにより、電池セルの重量の全てが端子に加わることを防止することができる。従って、熱伝導経路を確保するために端子を筐体に押し付けつつも、端子に加わる負荷を軽減して端子自体の破損を抑制することができる。また、スペーサ部材が断熱性を有することにより、端子から絶縁層又は筐体に伝達された熱がスペーサ部材を介して電池セルに戻ることを抑制することができる。さらに、スペーサ部材を介して電池セルの下端面と筐体又は絶縁層との間に隙間を確保することができるから、当該隙間を例えば冷媒流路として用いることが可能となる。

（６）いくつかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記絶縁層は、前記スペーサ部材よりも熱伝導率が高い高熱伝導性樹脂を含んでもよい。

上記（６）の構成によれば、絶縁層が、スペーサ部材よりも熱伝導率が高い高熱伝導性樹脂を含んで形成されることにより、端子から絶縁層を介して筐体に向かう熱伝導経路の形成を効率的に実現することができる。

（７）いくつかの実施形態では、上記（６）の構成において、
前記高熱伝導性樹脂は、前記熱伝導率が１．５Ｗ／ｍＫ以上であってもよい。

上記（７）の構成によれば、熱伝導率が１．５Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導性樹脂を絶縁層が含むことにより、端子と筐体との間の絶縁を確保しながら、該端子から筐体に効率的に熱を伝達可能な熱伝導経路を確保することができるから、端子と筐体との間の絶縁性と導電性との確保を両立することができる。

（８）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（７）のいずれか一つの構成において、
前記端子は、正極端子及び負極端子を含み、
前記絶縁層は、前記正極端子及び前記負極端子と接するように構成されていてもよい。

上記（８）の構成によれば、電池セルの正極端子及び負極端子の両方が絶縁層と接するから、正極端子と負極端子との間における電気的な短絡の発生を抑制することができる。

（９）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（８）のいずれか一つの構成において、
前記端子が設けられた前記電池セルの一端面と前記筐体の内壁面との間に、冷却冷媒が流通可能な冷媒流路が形成されており、
前記端子は前記冷媒流路に囲まれていてもよい。

上記（９）の構成によれば、端子から筐体に向かう熱伝導経路に加えて、端子が設けられた電池セルの一端面と筐体の内壁面との間に形成された冷媒流路を流れる冷却冷媒により、充放電の際に生じた熱をより一層効率的に除去することができる。

（１０）いくつかの実施形態では、上記（９）の構成において、
前記筐体は、前記冷媒流路と連通する出口開口部を含んでもよい。

上記（１０）の構成によれば、筐体内の冷媒流路と連通する出口開口部を設けたことにより、充放電の際に生じた熱を、端子から筐体に向かう熱伝導経路に加え、出口開口部から流出する冷却冷媒を介して筐体の外側に放出することができる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（３）又は（４）に記載の構成において、
前記絶縁層は、前記バスバーの表面を覆うようにして設けられていてもよい。

上記（１１）の構成によれば、バスバーの表面を覆うようにして設けられた絶縁層により、端子と筐体との間の電気的な絶縁を確保することができる。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、強制的な冷却構造や冷却冷媒流路をさらに小型化乃至省略しつつ電池モジュールを冷却可能な電池モジュールを提供することができる。

本開示の一実施形態に係る電池モジュールの構成例を示す側断面図である。 一実施形態に係る電池モジュールを示す側断面図である。 他の実施形態に係る電池モジュールの構成を示す概略図である。 他の実施形態に係る電池モジュールの構成を示す概略図である。 他の実施形態における絶縁層の構成例を示す平面図である。

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、数（例えば端子数）、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

先ず、本開示の一実施形態に係る電池モジュールの概略構成について説明する。
図１は本開示の一実施形態に係る電池モジュールの構成例を示す側断面図である。図２は一実施形態に係る電池モジュールを示す側断面図である。
電池モジュール１は、例えば電気自動車、バッテリ式フォークリフトなどの産業用車両、或いは電力によって作動する電動機械などの産業機械などに搭載され得る。
かかる電池モジュール１は、例えば図１及び図２に非限定的に例示するように、各々が一端に端子３を含む少なくとも一つの電池セル２と、端子３を下方に向けて少なくとも一つの電池セル２を収容する筐体５と、筐体５内で端子３と筐体５との間に介在する絶縁層６と、を備えている。

電池セル２は、特に限定されないが、例えばリチウムイオン電池等のエネルギー密度の高い二次電池セルを含み得る。二次電池として構成された電池セル２は、端子３に外部電源（例えば商用１００Ｖａｃ等の外部交流電源）を接続することにより充電可能であり、端子３に負荷を接続することにより給電可能に構成されている。つまり、電池セル２は、繰り返し充放電（充電又は放電）が可能に構成されており、上記充電又は放電の際には熱が生成される。
このような電池セル２は、所謂角型電池セルを含んで構成されていてもよい。
端子３は、電池セル２の一端に配置されている。一実施形態では、例えば正極端子３Ａ及び負極端子３Ｂを含む複数の端子３が電池セル２の一端面２Ａ（図２において電池セル２の左側の端面）に配置されている。なお、端子３は、電池セル２を配置（例えば縦置き又は横向きに配置）した際に下方を向く上記角型電池セルの一端面２Ａから、下方（或いは鉛直方向）に向けて凸設されていてもよい。

筐体５は、その内部に一つ以上の電池セル２を収容可能に構成されている。なお、筐体５が複数の電池セル２を高密度に集積することにより、電池モジュール１が二次電池集積体として構成される。筐体は、例えば前記角型電池セルにおける最短の辺が水平方向に沿うようにして前記角型電池セルを縦置きに収容するように構成されていてもよい。

絶縁層６は、端子３と筐体５とが直接接触することを防止して端子３と筐体５との間を電気的に絶縁しつつ、上記端子３と筐体５との間における熱の伝達が可能に構成されている。つまり、この絶縁層６を挟んで、端子３、絶縁層６及び筐体５に向かう熱伝導経路８が形成される。このような絶縁層６を構成する材料は、特に限定されない。

そして、本開示の一実施形態に係る電池モジュール１は、少なくとも一つの電池セル２各々の荷重により端子３が筐体５に向けて押し付けられることにより、端子３から筐体５に向かう熱伝導経路８が形成されるように構成されている。

上述した構成によれば、電池セル２の重さ（自重）により、筐体５に端子３が押し付けられ、端子３から筐体５に向かう熱伝導経路８が形成される。これにより、充放電の際に電池セル２の端子３で生じた熱を、熱伝導経路８を介して電池モジュール１の筐体５の外に放出することができる。よって、例えば筐体５内における電池セル２の高密度化などによるスペース上の制約や、その他の様々な事情により強制冷却のための構成を筐体５内に組み込めない場合、或いは省略した場合であっても、熱伝導経路８を介して電池モジュール１を効率的に冷却することができるのである。

幾つかの実施形態では、上述した構成において、例えば図２に例示するように、少なくとも一つの電池セル２は、複数の電池セル２を含んでいてもよい。この場合、複数の電池セル２の各々は、筐体５内で水平方向に間隔を隔てて配置されていてもよい。
なお、幾つかの実施形態では、電池モジュール１は、筐体５の内部において隣り合って配置された一の電池セル２と他の電池セル２との間に隙間を確保するスペーサを備えていてもよい。

このような構成によれば、複数の電池セル２がそれぞれ水平方向に間隔を隔てて配置されるから、筐体５内に複数の電池セル２を収容した場合に各々の電池セル２間に隙間を確保することができるから、当該隙間を例えば冷媒流路４０（後述）として用いることが可能となる。

いくつかの実施形態では、電池モジュール１は、端子３と筐体５との間に、複数の電池セル２のうち一の電池セル２の端子３と他の電池セル２の端子３とを電気接続するバスバー２０をさらに備えていてもよく、端子３からバスバー２０及び絶縁層６を介して筐体５へと熱伝導経路８が形成されていてもよい。
バスバー２０は、組電池を作製する際の電池同士をつなぐ金属部材である。
複数の電池セル２を直列接続して電池モジュール１を構成する場合、一の電池セル２の正極端子３Ａ又は負極端子３Ｂの何れか一方と、当該一の電池セル２の隣に配置される他の電池セル２の正極端子３Ａ又は負極端子３Ｂの何れか他方とを電気接続するように配置される。例えば一の電池セル２の正極端子３Ａと、当該一の電池セル２の隣に配置される他の電池セル２の負極端子３Ｂとを電気接続するように配置される（直列接続）。一方、他の実施形態では、複数の電池セル２が並列に接続されるようにして各端子３がバスバー２０で接続されてもよい。

このようにバスバー２０を備えた構成によれば、端子３からバスバー２０を介して筐体５に向かう熱伝導経路８が形成される。そして、充放電の際に生じた熱を、端子３及びバスバー２０を経由して筐体５の外側に効率良く放出することができる。

いくつかの実施形態では、上記のようにバスバー２０を備えた構成において、上記バスバー２０は、Ｃｕ又はＡｌを含む金属を含んでいてもよい。

このようにすれば、Ｃｕ又はＡｌを含む金属を含むバスバー２０を備えた電池モジュール１において、本開示の上述した実施形態で述べた効果を享受することができる。

いくつかの実施形態では、上述した何れか一つの実施形態において、例えば図３に非限定的に例示するように、端子３が設けられた電池セル２の下端面のうち端子３以外の部分と筐体５又は絶縁層６との間に配置された断熱性のスペーサ部材１４をさらに備えていてもよい。

このようにスペーサ部材１４を備えた構成によれば、スペーサ部材１４、又はスペーサ部材１４と絶縁層６とを介して電池セル２の下端面２Ａのうち端子３以外の部分を筐体５で支持することができる。つまり、スペーサ部材１４が電池セル２の重量の一部を担うことにより、電池セル２の重量の全てが端子３に加わることを防止することができる。従って、熱伝導経路８を確保するために端子３を筐体５に押し付けつつも、端子３に加わる負荷を軽減して電池寿命の低下を抑制することができる。また、スペーサ部材１４が断熱性を有することにより、端子３から絶縁層６又は筐体５に伝達された熱がスペーサ部材１４を介して電池セル２に戻ることを抑制することができる。さらに、スペーサ部材１４を介して電池セル２の下端面２Ａと筐体５又は絶縁層６との間に隙間を確保することができるから、当該隙間を例えば冷媒流路４０として用いることが可能となる。

いくつかの実施形態では、上述した何れか一つの実施形態において、絶縁層６は、スペーサ部材１４よりも熱伝導率が高い高熱伝導性樹脂を含んでもよい。

このように、絶縁層６が、スペーサ部材１４よりも熱伝導率が高い高熱伝導性樹脂を含んで形成される構成によれば、端子３から絶縁層６を介して筐体５に向かう熱伝導経路８の形成を効率的に実現することができる。

いくつかの実施形態では、絶縁層６がスペーサ部材１４よりも熱伝導率が高い高熱伝導性樹脂を含む構成において、高熱伝導性樹脂は、熱伝導率が１．５Ｗ／ｍＫ以上であってもよい。

このように、熱伝導率が１．５Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導性樹脂を絶縁層６が含む構成によれば、端子３と筐体５との間の絶縁を確保しながら、該端子３から筐体５に効率的に熱を伝達可能な熱伝導経路８を確保することができるから、端子３と筐体５との間の絶縁性と導電性との確保を両立することができる。

いくつかの実施形態では、上述した何れか一つの実施形態において、例えば図４に例示するように、端子３が設けられた電池セル２の一端面（下端面２Ａ）と筐体５の内壁面５Ａとの間に、冷却冷媒が流通可能な冷媒流路４０が形成されていてもよい。この場合、端子３は冷媒流路４０に囲まれていてもよい。

このように冷媒流路４０を有する構成によれば、端子３から筐体５に向かう熱伝導経路８に加えて、端子３が設けられた電池セル２の一端面（下端面２Ａ）と筐体５の内壁面５Ａとの間に形成された冷媒流路４０を流れる冷却冷媒により、充放電の際に端子３で生じた熱をより一層効率的に除去することができる。

いくつかの実施形態では、上述した冷媒流路４０を有する構成において、例えば図４に例示するように、筐体５は、冷媒流路４０と連通する出口開口部４４を含んでもよい。

このように、筐体５内の冷媒流路４０と連通する出口開口部４４を設けた構成によれば、充放電の際に端子３で生じた熱を、端子３から筐体５に向かう熱伝導経路８に加え、出口開口部４４から流出する冷却冷媒を介して筐体５の外側に放出することができる。

幾つかの実施形態では、上述した何れか一つの構成において、絶縁層６は、バスバー２０の表面を覆うようにして設けられていてもよい。
例えば、絶縁層６は、Ａｌを含んで形成されたバスバー２０の表面に陽極酸化被膜として形成されたアルマイトを含んでいてもよい。

このように、バスバー２０の表面を覆うようにして絶縁層６を設けた構成によれば、端子３と筐体５との間の電気的な絶縁を確保することができる。

いくつかの実施形態では、上述した何れか一つの実施形態において、例えば図５に例示するように、端子３は、正極端子３Ａ及び負極端子３Ｂを含み、絶縁層６は、正極端子３Ａ及び負極端子３Ｂと接するように構成されていてもよい。

このように、電池セル２の正極端子３Ａ及び負極端子３Ｂの両方が絶縁層６と接する構成によれば、正極端子３Ａと負極端子３Ｂとの間における電気的な短絡の発生を抑制することができる。
なお、絶縁層６は、複数の電池セル２に渡って各々の正極端子３Ａ及び負極端子３Ｂと接するように構成されていてもよい。このようにすれば、一つの電池モジュール１における正極端子３Ａ及び負極端子３Ｂ間における短絡の発生を一つの絶縁層６で抑制することができるから、部品点数の低減を図ることができる。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、強制的な冷却構造や冷却冷媒流路４０をさらに小型化乃至省略しつつ電池モジュール１を冷却可能な電池モジュール１を提供することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変更を加えた形態や、これらの形態を組み合わせた形態も含む。

１ 電池モジュール
２ 電池セル
２Ａ 下端面（一端面）
３ 端子
３Ａ 正極端子
３Ｂ 負極端子
５ 筐体
５Ａ 内壁面
６ 絶縁層
８ 熱伝導経路
１４ スペーサ部材
２０ バスバー
４０ 冷媒流路

Claims (11)

1. 各々が一端に端子を含む少なくとも一つの電池セルと、
   前記端子を下方に向けて前記少なくとも一つの電池セルを収容する筐体と、
   前記筐体内で前記端子と前記筐体との間に介在する絶縁層と、を備え、
   前記少なくとも一つの電池セル各々の荷重により前記端子が前記筐体に向けて押し付けられることにより前記端子から前記筐体に向かう熱伝導経路が形成されるように構成されている
   電池モジュール。
2. 前記少なくとも一つの電池セルは、複数の電池セルを含み、
   前記複数の電池セルの各々は、前記筐体内で水平方向に間隔を隔てて配置される
   請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記電池モジュールは、前記端子と前記筐体との間に、前記複数の電池セルのうち一の電池セルの前記端子と他の電池セルの前記端子とを電気接続するバスバーをさらに備え、
   前記端子から前記バスバー及び前記絶縁層を介して前記筐体へと前記熱伝導経路が形成されている
   請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記バスバーは、Ｃｕ又はＡｌを含む金属を含む
   請求項３に記載の電池モジュール。
5. 前記端子が設けられた前記電池セルの下端面のうち前記端子以外の部分と前記筐体又は前記絶縁層との間に配置された断熱性のスペーサ部材をさらに備えた
   請求項１〜４の何れか一項に記載の電池モジュール。
6. 前記絶縁層は、前記スペーサ部材よりも熱伝導率が高い高熱伝導性樹脂を含む
   請求項５に記載の電池モジュール。
7. 前記高熱伝導性樹脂は、前記熱伝導率が１．５Ｗ／ｍＫ以上である
   請求項６に記載の電池モジュール。
8. 前記端子は、正極端子及び負極端子を含み、
   前記絶縁層は、前記正極端子及び前記負極端子と接するように構成されている
   請求項１〜７の何れか一項に記載の電池モジュール。
9. 前記端子が設けられた前記電池セルの一端面と前記筐体の内壁面との間に、冷却冷媒が流通可能な冷媒流路が形成されており、
   前記端子は前記冷媒流路に囲まれている
   請求項１〜８の何れか一項に記載の電池モジュール。
10. 前記筐体は、前記冷媒流路と連通する出口開口部を含む
    請求項９に記載の電池モジュール。
11. 前記絶縁層は、前記バスバーの表面を覆うようにして設けられている
    請求項３又は４に記載の電池モジュール。

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