JP2022002189A - 電池モジュール及びバッテリシステム - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品が実装された基板の放熱効率を向上させた電池モジュール及びバッテリシステムを提供する。【解決手段】電池モジュールは、複数の電池セルの積層体と、電池セルの積層体の軸方向端部に設けられたエンドプレートと、エンドプレートに対して電池セルの反対側に設けられた基板と、基板上に設けられた実装部品と、基板とエンドプレートとの間に設けられ、実装部品から発生した熱をエンドプレートに伝達する伝熱体とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、電池モジュール及びバッテリシステムに関する。

特許第５６２１７６５号公報（特許文献１）には、電池モジュールのエンドプレート上に電子部品が実装された基板を設ける構造が開示されている。

特許第６０１５６００号公報（特許文献２）には、電子部品が実装された回路基板の熱を放熱する放熱板を有し、放熱板とエンドプレートとを熱的に結合する構造が開示されている。

特許第５６２１７６５号公報 特許第６０１５６００号公報

複数の電池セルを含む電池モジュールにおいては、各セルの均等化を図るための機構が設けられる。この機構の一例として、各セルの電池容量のばらつきを放電用抵抗（均等化抵抗）の電力消費により均等化するパッシブバランス方式が知られている。パッシブバランス方式においては、均等化抵抗による電力消費により、当該抵抗が実装された基板が発熱する。この発熱が過度に大きくなることを防ぐため、放熱効率を向上させることが求められる。

特許文献１においては、電池モジュールのエンドプレート上に電子部品が実装された基板を設けることが開示されているものの、放熱効率を向上させるための具体的構成については開示されていない。

特許文献２においても、たとえば電池セルの膨張や外部環境による振動（たとえば車両搭載時の振動）にも十分に対応し得る具体的構成については開示されていない。

本開示の目的は、電子部品が実装された基板の放熱効率を向上させた電池モジュール及びバッテリシステムを提供することにある。

本開示に係る電池モジュールは、複数の電池セルの積層体と、電池セルの積層体の軸方向端部に設けられたエンドプレートと、エンドプレートに対して電池セルの反対側に設けられた基板と、基板上に設けられた実装部品と、基板とエンドプレートとの間に設けられ、実装部品から発生した熱をエンドプレートに伝達する伝熱体とを備える。

本開示に係るバッテリシステムは、上記の電池モジュールを複数備え、複数の電池モジュールは、各々の電池モジュールに含まれる電池セルの電圧を検出する監視回路を各々含み、複数の電池モジュールに含まれる各々の監視回路と個別に接続される制御装置をさらに備える。

本開示によれば、電子部品が実装された基板の放熱効率を向上させた電池モジュール及びバッテリシステムを提供することができる。

本開示の１つの実施の形態に係る電池モジュールの構成を模式的に示す図である。 図１に示すエンドプレートを図１中の矢印II方向から見たときの基板の位置を示す図である。 図２に示す基板の部品実装面上の配置を示す図である。 図２に示す基板の裏面上の配置を示す図である。 電池モジュールの変形例の構成を模式的に示す図である。 エンドプレート上に設けられた凹凸の一例を示す図である。 エンドプレート上に設けられた凹凸の他の例を示す図である。 基板に設けられたスルーホールと伝熱部を示す断面図である。 本開示の１つの実施の形態に係るバッテリシステムの構成を模式的に示す図である。

以下に、本開示の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本開示の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本開示にとって必ずしも必須のものではない。

図１は、本実施の形態に係る電池モジュール１の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、電池モジュール１は、複数の電池セル１０の積層体と、エンドプレート２０と、基板３０と、実装部品４０と、伝熱体５０、ケース６０とを含む。

電池セル１０は、六面を有する角形のセルである。一例として、電池セル１０はリチウムイオン電池であるが、電池セル１０はニッケル水素電池であってもよい。

エンドプレート２０は、電池セル１０の積層体の軸方向端部に設けられる。エンドプレート２０は、たとえばアルミニウムなどの金属により構成される。複数の電池セル１０の積層体の軸方向（積層方向）の両端にエンドプレート２０が各々設けられ、これを積層方向に拘束して電池モジュール１が構成される。

基板３０は、エンドプレート２０の外側（電池セル１０の反対側）に設けられる。基板３０は、絶縁性の部材により構成される。基板３０の実装面（図１中の右側の面）上には電子部品である実装部品４０が設けられている。図１の例では、基板３０の一方の面上にのみ実装部品４０が設けられている。基板３０の表面には、実装部品４０を電気的に接続する電気回路が形成される。

伝熱体５０は、エンドプレート２０と基板３０との間に設けられる。伝熱体５０は、実装部品４０から発生した熱をエンドプレート２０に伝達する。伝熱体５０は、電気的絶縁機能を有し、エンドプレート２０と基板３０とは伝熱体５０により電気的に絶縁される。

ケース６０は、基板３０及び実装部品４０を収納する。ケース６０は、たとえばボルト接合などにより、エンドプレート２０に固定される。ケース６０は、たとえば樹脂などの絶縁性材料により構成される。ケース６０は、エンドプレート２０側に開口部６１を有する。伝熱体５０は、開口部６１内に設けられる。

ケース６０は、外部配線との接続部をカバーするように構成され得る。これにより、高電圧の露出及び塵埃浸入を防止することができる。

ケース６０の底面の全体ではなく、一部に限定した開口部６１を設けることにより、ケース６０の強度、防塵性、及び取付工程の作業性を維持しながら、伝熱体５０を設けることが可能である。

以下、伝熱体５０について、より詳細に説明する。伝熱体５０は、固体であってもよいし、半固体であってもよいし、ペースト状である場合もある。伝熱体５０は、放熱シート、放熱ゲル、放熱シリコンなどからなる。

伝熱体５０の一例としての放熱シートは、高硬度シートであってもよいし、低硬度シートであってもよい。伝熱体５０（放熱シート）は、絶縁性をより重視して選択される場合と、放熱性をより重視して選択される場合とがある。伝熱体５０は、アクリル系、シリコーン系などの素材からなるシート材であってもよいし、炭素繊維系シート材であってもよい。たとえば、炭素繊維系シート材は、熱伝導率が高く、放熱性を重視する場合に適している。

基板３０の温度は、１００℃程度にまで上昇するため、伝熱体５０は、１００℃程度に上昇しても劣化しない性能を有することが望ましい。また、１つの観点では、周辺の電子部品に影響を与えることがないように、たとえばシロキサンガスなどのシリコンガスを発生させない素材を用いることが好ましい。

たとえば、樹脂系の素材からなる伝熱体５０の場合、熱伝導率は１Ｗ／ｍ・Ｋ以上３Ｗ／ｍ・Ｋ以下程度である。たとえば炭素繊維系の素材からなる伝熱体５０の場合、熱伝導率は１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上になり得る。

図１においては、図示及び説明の便宜上、基板３０とケース６０とが密着している例を示している。基板３０とケース６０とが密着することで、ケース６０を介した基板３０からの放熱も促進される。ただし、伝熱体５０を介してエンドプレート２０と基板３０とが接合されている限り、基板３０とケース６０との間に微小な隙間が形成されていてもよい。

伝熱体５０として放熱シートを用いる場合、放熱シートは、取付時に押圧され、その厚みが２０％以上３０％以下程度圧縮された状態でエンドプレート２０に接合される。これにより、放熱シートとエンドプレート２０及び基板３０との密着性が向上する。放熱シートが２０％以上３０％以下程度圧縮された状態で、圧縮された放熱シートの厚みとケース６０の厚み（たとえば３ｍｍ程度）とを一致させることで、基板３０の裏面とケース６０とを密着させることができる。

伝熱体５０の絶縁特性として、電池モジュール１を含むバッテリシステムの電圧以上の絶縁特性を有することが好ましい。たとえば、個々の電池セル１０の出力が４．２Ｖであり、バッテリシステムが９６個の電池セル１０を有する場合には、４．２Ｖ×９６＝４０３．２Ｖ以上の絶縁性能を有することが好ましい。なお、バッテリシステムのシステム電圧は、４０３．２Ｖ以上未満でもよいし、４０３．２Ｖ以上でもあり得る。

より具体的な一例では、伝熱体５０を構成する高難燃性及び低硬度（Ａｓｋｅｒ Ｃ硬度：３０程度）の放熱シートとして、たとえばスリーエム（登録商標）社製のハイパーソフト放熱材６５００Ｈ（熱伝達率：３．０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）を使用することができる。

図１に示す構造においては、伝熱体５０がエンドプレート２０及び基板３０に密着しているため、基板３０上の実装部品４０の発熱を伝熱体５０を介してエンドプレート２０に効率よく伝達し、放熱効率を向上させることができる。

また、エンドプレート２０と基板３０との間に伝熱体５０を介在させることにより、エンドプレート２０と基板３０とが一体化し、電池セル１０が膨張したり、電池モジュール１に振動が加えられた場合においても、高い放熱効率を維持することができる。

基板３０の発熱をエンドプレート２０に効率よく伝達することで、基板３０のサイズを縮小しながら基板３０の発熱を抑えることができ、エンドプレート２０上の狭いスペースにも基板３０を配置することができる。

また、電池モジュール１のエンドプレート２０上に基板３０を収納したケース６０を設置する構造であるため、基板３０の設置及び交換の作業性がよい。また、電池モジュール１の上面に設けられるバスバーから離間した位置に基板３０を設置することができるので、基板３０を設ける位置がバスバーの形状等の制約を受けることがなく、設計の自由度が向上する。

上述のように、放熱の効率及び設計の自由度が向上することにより、電池モジュール１の更なる小型化を図ることが可能となる。

図２は、エンドプレート２０を図１中の矢印II方向から見たときの基板３０の位置を示す図である。図２に示すように、基板３０は、エンドプレート２０の幅方向（図２中の左右方向）及び高さ方向（図２中の上下方向）の中心から離れた位置に設けられる。

エンドプレート２０の中心部は、電池セル１０の膨張によるエンドプレート２０の歪みが相対的に大きくなる傾向にある。エンドプレート２０の歪みが大きい場合、伝熱体５０とエンドプレート２０との間の密着性が低下する場合があり、放熱効率にも影響し得る。図２に示すように、エンドプレート２０の中心から離れた位置に基板３０を設けることにより、電池セル１０の膨張によるエンドプレート２０の歪みの影響を低減し、放熱効率を向上させることが可能である。

次に、図３，図４を用いて、基板３０上の実装部品４０の配置について説明する。図３は、基板３０を実装部品４０が実装される実装面側から見た状態を示し、図４は、基板３０を実装面の反対側の裏面側から見た状態を示す。

図３に示すように、基板３０の実装面上には、均等化抵抗４１と、通信回路４２と、ＡＳＩＣ４３とを含む実装部品４０が配置されている。均等化抵抗４１は、その電力消費により、電池モジュール１における各電池セル１０の電池容量のばらつきを均等化する。通信回路４２は、バッテリシステム全体を制御するバッテリＥＣＵとの間で、情報の通信を行う。ＡＳＩＣ４３は、基板３０上の実装部品４０の制御を行う集積回路を含む。なお、通信回路４２は、別の電池モジュール１との間で情報の通信を行うようにしてもよい。

均等化抵抗４１、通信回路４２、及びＡＳＩＣ４３のうち、均等化抵抗４１の発熱量が最も大きい。換言すると、均等化抵抗４１は、相対的に発熱量の大きい実装部品４０であり、通信回路４２及びＡＳＩＣ４３は、均等化抵抗４１に対して相対的に発熱量の小さい実装部品４０である。均等化抵抗４１は、基板３０上に実装される複数の実装部品４０の中で最も発熱量の大きい部品である。

均等化抵抗４１の発熱量が相対的に大きいため、基板３０においても、均等化抵抗４１の周辺の温度が相対的に高くなる。本実施の形態においては、図４に示すように、基板３０の裏面側において、均等化抵抗４１に対向する領域に伝熱体５０が設けられている。これにより、相対的に大きい均等化抵抗４１からの発熱量を、伝熱体５０を介して効果的にエンドプレート２０に伝達することができ、基板３０及び実装部品４０の放熱効率を効果的に向上させることができる。

図５は、電池モジュールの変形例の構成を模式的に示す図である。図５に示す変形例においては、エンドプレート２０の表面に溝部２１が形成されている。また、エンドプレート２０の表面の一部は曲面状に形成されている。すなわち、エンドプレート２０の伝熱体５０側の表面上に曲面ないし凹凸が形成されている。

エンドプレート２０の表面を平坦な面ではなく曲面ないし凹凸を有する形状とすることにより、エンドプレート２０と伝熱体５０との接触面積を増大させ、放熱効率を向上させることができる。また、エンドプレート２０上に空気の通路が形成されるため、エンドプレート２０と伝熱体５０との間の気泡の逃げ道が形成され、当該気泡による放熱効率の低下が抑制される。

図６，図７は、エンドプレート２０上に設けられた凹凸の具体例を示す。図６に示すように、エンドプレート２０の高さ方向（第１の方向）に沿って複数の溝部２１が形成されてもよいし、エンドプレート２０の高さ方向（第１の方向）及び幅方向（第１の方向に直交する第２の方向）に沿って複数の溝部２１が各々形成されてもよい。溝部２１の断面形状は、四角形状であってもよいし、三角形状であってもよいし、半円形状及びその他の形状であってもよい。

図８は、基板３０の断面図である。図８に示すように、基板３０は、スルーホール３１と、スルーホール３１に充填された伝熱部３２と、基板３０の実装部品４０とは反対側の面上に形成され、伝熱部３２と接続される金属層３３とを含む。

スルーホール３１は、実装部品４０（特に均等化抵抗４１）の直下に形成される。伝熱部３２及び金属層３３は、たとえば銅などにより構成される。伝熱部３２は、スルーホール３１を完全に充填する必要はなく、スルーホール３１の壁面上にのみ形成されていてもよい。図８に示す構造によれば、実装部品４０の熱が伝熱部３２及び金属層３３を介して効率よく基板３０の裏面側に伝達され、伝熱体５０を介してエンドプレート２０に伝達される。なお、スルーホール３１は、実装部品４０の近傍に設けるようにしてもよい。

本実施の形態に係る電池モジュール１によれば、上述のとおり、基板３０及び実装部品４０からの熱を効率よくエンドプレート２０に伝達し、放熱効率を向上させることができる。このとき、エンドプレート２０の温度も上昇する。このため、エンドプレート２０から空気中への放熱効率を向上させることで、さらなる放熱効率の向上が期待できる。エンドプレート２０からの放熱効率向上のために、エンドプレート２０に放熱フィン（図示せず）が設けられもよい。

図９は、本実施の形態に係るバッテリシステムの構成を模式的に示す図である。図９に示すように、バッテリシステム１００は、複数の電池モジュール１と、制御装置２（バッテリＥＣＵ）とを含む。

複数の電池モジュールは、各々の前記電池モジュール１に含まれる電池セル１０の電圧を検出する監視回路を各々含む。制御装置２は、複数の電池モジュール１に含まれる各々の監視回路と個別に接続される。

複数の電池モジュール１が制御装置２と個別に接続される分散型の制御においては、各電池モジュール１に実装部品４０を搭載した基板３０を設ける必要がある。本実施の形態に係る構造によれば、個々の電池モジュール１における基板３０及び実装部品４０の放熱効率を向上させることが可能である。

以上、本開示の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 電池モジュール、２ 制御装置、１０ 電池セル、２０ エンドプレート、２１ 溝部、３０ 基板、３１ スルーホール、３２ 伝熱部、３３ 銅箔、４０ 実装部品、４１ 均等化抵抗、４２ 通信回路、４３ ＡＳＩＣ、５０ 伝熱体、６０ ケース、６１ 開口部（窓部）、１００ バッテリシステム。

Claims (12)

1. 複数の電池セルの積層体と、
   前記電池セルの積層体の軸方向端部に設けられたエンドプレートと、
   前記エンドプレートに対して前記電池セルの反対側に設けられた基板と、
   前記基板上に設けられた実装部品と、
   前記基板と前記エンドプレートとの間に設けられ、前記実装部品から発生した熱を前記エンドプレートに伝達する伝熱体とを備えた、電池モジュール。
2. 前記基板の一方の面上にのみ前記実装部品が実装される、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記基板は、前記エンドプレートの幅方向の中心から離れた位置に設けられる、請求項１または請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記基板は、前記エンドプレートの高さ方向の中心から離れた位置に設けられる、請求項１または請求項２に記載の電池モジュール。
5. 前記基板は、前記エンドプレートの幅方向及び高さ方向の中心から離れた位置に設けられる、請求項１または請求項２に記載の電池モジュール。
6. 前記基板は、スルーホールと、前記スルーホール内に設けられた伝熱部と、前記基板の前記実装部品とは反対側の面上に形成され、前記伝熱部と接続される金属層とを含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電池モジュール。
7. 前記伝熱体は電気的絶縁機能を有する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電池モジュール。
8. 前記基板及び前記実装部品を収納するケースをさらに備え、前記ケースは前記エンドプレートに固定される、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電池モジュール。
9. 前記ケースは、前記エンドプレート側に開口部を有し、前記開口部に前記伝熱体が設けられる、請求項８に記載の電池モジュール。
10. 前記エンドプレートの前記伝熱体側の表面上に曲面または凹凸が形成される、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の電池モジュール。
11. 前記エンドプレートに放熱フィンが設けられる、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の電池モジュール。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の電池モジュールを複数備え、
    複数の前記電池モジュールは、各々の前記電池モジュールに含まれる前記電池セルの電圧を検出する監視回路を各々含み、
    複数の前記電池モジュールに含まれる各々の前記監視回路と個別に接続される制御装置をさらに備えた、バッテリシステム。

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