JP2022006704A - 電池ユニットの放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ファンを有しない場合であっても、平板形状の放熱体を使用したバッテリー積層体を有効に放熱して、小型かつ低コストで電池ユニットの性能を向上できる電池ユニットの放熱構造を提供する。
【解決手段】本発明は、ラミネートでパックされたバッテリーセル２と、これに面接触させて放熱する平板形状の放熱体３とを複数積層させたバッテリー積層体５、およびこのバッテリー積層体５を収納した筐体７を備えた、ファンレスの電池ユニット１であって、バッテリー積層体５は、その積層方向Ｓが重力方向Ｚに対して傾倒して載置され、バッテリー積層体５の外周面と筐体７内壁間には、筐体内自然空冷の通路となる対流空間部１０が設けられている。
【選択図】図９

Description

本発明は、ラミネート型セルを積層させたバッテリー積層体を有する電池ユニットの放熱構造に関する。

近年、電力の流れを最適化するスマートグリッドが、太陽光などの再生可能エネルギー導入のためのシステムとして注目されている。また、このようなシステムも含めて、災害等による停電対策として、繰り返し充電が可能な蓄電池のような電池ユニットの設置が有用とされており、その性能も向上している。

この電池ユニットとしては、電力容量の小さい携帯電子機器から、電力容量の大きい電気自動車用電池や電力貯蔵用電池等まで、例えばリチウムイオン電池が多く用いられている。

図１１は、比較的電力容量の大きい電池ユニットの一例として、リチウムセルをラミネートでパックしたラミネート型セルを複数用いたものを示す。この電池ユニットは、ラミネータ型のバッテリーセル５１に面接触させて充放電時の温度上昇を抑える放熱体５２を複数積層させたバッテリー積層体５０を有している。

この場合、積層方向の中央部（積層中央部）が積層方向の外側部（積層外側部）よりも積層中央部の発熱が大きくなって、前記中央部の劣化を招き、この結果、バッテリー積層体全体のバランスがくずれて電力容量が減少することがある。

このため、従来から、積層中央部の放熱効果を大きくするため、積層外側部の放熱体の積層方向の厚さよりも、積層中央部の積層方向の厚さを厚くした電池ユニットが知られている（例えば、特許文献１）。この電池ユニットは、放熱板はアルミニウム製で側壁プレート部を有するコの字状で、冷却ファンで強制空冷するものである。

特開２０１３－２２５４３２号公報 特開２０２０－４６８３号公報

しかし、特許文献１では、冷却ファンで強制空冷するため、電圧ユニットが大型化する一方、アルミニウム製の放熱板をコの字状に加工することは容易でなく、高コスト化するという問題があった。

ところで、特許文献１において自然空冷とした場合、放熱板がコの字状の側壁を有するため、バッテリーセル全体が当該側壁に囲まれて熱がこもってしまい、自然対流が阻まれる結果、積層中央部の放熱板を厚くして放熱する効果が低くなってしまうことが想定される。

他方、積層させたバッテリー本体を傾倒させて設置する電池ユニットも知られている（例えば、特許文献２）。しかし、特許文献２は、放熱を考慮して放熱板を挟んで積層したものでなく、バッテリー本体の傾倒設置によって雨等がバッテリー本体に付着するのを防止したものである。

本発明は、冷却ファンを有しない場合であっても、平板形状の放熱体を使用したバッテリー積層体を有効に放熱して、小型かつ低コストで電池ユニットの性能を向上できる電池ユニットの放熱構造を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る電池ユニットの放熱構造は、ラミネートでパックされたバッテリーセルと、これに面接触させて放熱する平板形状の放熱体とを複数積層させたバッテリー積層体、およびこのバッテリー積層体を収納した筐体を備えた、ファンレスの電池ユニットであって、前記バッテリー積層体は、その積層方向が重力方向に対して傾倒して載置され、前記バッテリー積層体の外周面と筐体内壁面間には、筐体内自然空冷の通路となる対流空間部が設けられている。

この構成によれば、平板形状の放熱体を使用したバッテリー積層体は、その積層方向が重力方向に対して傾倒して載置され、前記バッテリー積層体の外周面と筐体内壁面間には、筐体内自然空冷の通路となる対流空間部が設けられているので、筐体内の一方から他方へ自然対流を発生させるから、冷却ファンを有しない場合であっても、平板形状の放熱体を使用したバッテリー積層体を有効に放熱して、小型かつ低コストで電池ユニットの性能向上が可能となる。

本発明では、前記バッテリー積層体は、前記バッテリーセル内の両極層の巻回軸方向に長い直方体形状で、前記重力方向に対して、その積層方向が前記巻回軸方向における前後に傾倒されていてもよい。この場合、左右に傾倒させた場合よりも傾斜に伴う側面の体積変化分が小さいので、筐体をその分小さくできることから、電池ユニットをより小型化できる。

好ましくは、前記積層方向と前記重力方向とがなす角度は、５度以上で４５度以下の範囲内である。したがって、筐体内の一方から他方へ自然対流をより発生させることができる。

また、好ましくは、前記放熱体は、前記積層方向に直交する方向に貫通する１または複数の貫通孔を有するか、または、前記複数の貫通孔を有するハニカム構造に形成されている。したがって、放熱体内部も筐体内自然空冷の通路となるので、放熱効果をより向上することができる。

本発明では、平板形状の放熱体を使用したバッテリー積層体は、その積層方向が重力方向に対して傾倒して載置され、前記バッテリー積層体の外周面と筐体内壁間には、筐体内自然空冷の通路となる対流空間部が設けられているので、筐体の一方から他方へ自然対流を発生させるから、冷却ファンを有しない場合であっても、平板形状の放熱体を使用したバッテリー積層体を有効に放熱して、小型かつ低コストで電池ユニットの性能向上が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る電池ユニットを示す分解斜視図である。 図１の電池ユニットを示す組立斜視図である。 バッテリーセルの一例を模式的に示す縦断面図である。 放熱体の設置状態を示す図である。 図１の電池ユニットを示す概略図である。 放熱体の一例を示す斜視図である。 放熱体の設置状態を示す図である。 放熱体の設置状態を示す図である。 第２実施形態に係る電池ユニットを示す概略図である。 電池ユニットの他例を示す概略図である。 従来の電池ユニットを示す概略図である。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るファンレスの電池ユニット１を示す分解斜視図である。図１の電池ユニット１は、ラミネートでパックされた複数のバッテリーセル２と、これに面接触させて充放電時のバッテリーセルから発する熱を吸収し、外部に放熱する放熱体３とが複数積層されたバッテリー積層体５、およびこのバッテリー積層体５を収納した筐体７（図２）を備えている。放熱体３は隣接する２つのバッテリーセル２、２の間に配置されている。

バッテリー積層体５の積層方向Ｓ両端には例えばアルミニウム製の一対の加圧板６、６が配置されている。図２の組立図のように、バッテリー積層体５は、一対の加圧板６、６に上下挟まれた状態で、図示しない拘束用バンド、バー等で加圧、保持されている。バッテリー積層体５の最外側の放熱体３はアルミニウム製の加圧板６、６に面接触しており、これにより外側の方が中央に比べて放熱されやすくなっている。バッテリー積層体５は架台９（図５）に支持されて、筐体７に対して水平に設置されており、積層方向Ｓは垂直方向Ｚに一致している。

図３のように、バッテリーセル２は扁平型電池であり、例えば陰極（負極）層１１の塗工領域１１ａにグラファイト（炭素）が塗布され、陽極（正極）層１２の塗工領域１２ａに、リン酸鉄リチウム、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウムなどのリチウム化合物が塗布されて、各電極間の絶縁のためのセパレータ１３を挟んでシート状とし、このシートを複数回巻回した巻回積層体を形成している。巻回軸方向Ｘに陽極層１２よりも陰極層１１が長く、陰極層１１よりもセパレータ１３が長く設定されている。

また、バッテリーセル２は、巻回積層体から巻回軸方向Ｘ外方に突出して、各極層の未塗工領域１１ｂ、１２ｂに各々接続された一対の電極端子１５、１６を有し、これら巻回積層体と電極端子１５、１６の一部とを内部に収容させたうえで、電解液を封入して外包構造を形成する外装体１４内に封止している。外装体１４は、例えばアルミニウム箔と樹脂を接着剤で貼り合わせたものである。外装体１４と電極端子１５、１６の間にはそれぞれ樹脂製の絶縁シート１９が設けられて、外装体１４のアルミニウム箔と電極端子１５、１６との絶縁をより強固にしている。

陰極の電極端子１５は、陰極層１１の未塗工領域１１ｂを介してその一端が陰極集電体１７に接続され、他端が外装体１４の一方の開口部１４ａから外方に突出されている。陽極の電極端子１６は、陽極層１２の未塗工領域１２ｂを介してその一端が陽極集電体１８に接続され、他端が外装体１４の他方の開口部１４ｂから外方に突出されている。図５のバッテリー積層体５は、図示しないが、各電極端子１５、１６がそれぞれ、直列に接続されている。

図４のように、放熱体３は、平板形状であって、各板厚は積層体外側の板から積層体中央の板に向かって漸次厚くなって、積層体中央部が最も厚くなるように形成されており、積層体中央部が最も放熱効果が高くなっている。

この例では、放熱体３は、同一板厚の１または複数の薄板からなり、複数の板を重ねることにより、所望の板厚に設定する。例えば積層体両外側の板ａ、ｂ、ｊ、ｋはそれぞれ１枚、中央に向かって板ｃ、ｉは２枚、板ｄ、ｅ、ｇ、ｈはそれぞれ３枚、積層中央の板ｆは４枚で最も厚くなっている。なお、これに何ら限定されず、放熱体３の各板厚は、電圧ユニット１の特性、仕様に応じて、容易かつ任意に変更することができる。この例のように同一板厚の薄板を複数重ねるのに代えて、板厚の異なる板を複数用意してもよい。

図２のように、バッテリー積層体５の外周面と筐体７内壁面間には、筐体内自然対流の通路となる対流空間部１０が設けられている。

各バッテリーセル２の全周面は、従来のように放熱体側壁で取り囲まれることなく、筐体７の内壁面から離間して、この内壁面に対向している。これにより、バッテリーセル２の発熱が従来の放熱体側壁内でこもることを少なくできる。

上記構成によって、図５に示すように、各板厚の放熱体３からバッテリーセル２の発熱が放出され、板厚の厚い板ｆにおける積層中央部からの放熱量が最も大きくなっており、熱気流ＨＡは対流空間部１０を通って筐体上部へ上昇し、筐体内自然対流を生じさせて空冷させることができる。

このように、放熱体３は平板形状で、各板厚は積層体外側の板から積層体中央の板に向かって漸次大きくなって、積層体中央部が最も板厚が厚くなるように形成されて、積層体中央部が最も放熱効果が高くなっている。これとともに、バッテリー積層体５の外周面と筐体７の内壁面間には、筐体内自然対流の通路となる対流空間部１０が設けられている。これにより、自然対流によって空冷するので、冷却ファンを有しない場合であっても、平板形状の放熱体３を使用したバッテリー積層体５を有効に放熱して、小型かつ低コストで電池ユニット１の性能向上が可能となる。

この例では、図５のように、筐体７内壁上部に例えば熱気流ＨＡの流れ方向に沿った平板状のフィン２０が設けられて、上昇する熱気流を冷却しているが、このフィン２０は設けなくてもよい。

図６のように、放熱体３に積層方向Ｓ（図５）に直交する方向、つまり巻回軸方向Ｘに貫通する貫通孔２５を設けてもよい。この場合、図５の破線で示すように、放熱体３内部も筐体内自然対流の通路となるので、放熱効果をより向上することができる。なお、貫通孔２５を各放熱体３の全てに設けてもよいし、その一部、例えば積層体中央部近傍の放熱体３にのみ設けてもよい。また、貫通孔２５を、薄板を複数重ねる際に板幅の大きい板と小さい板を組合せて形成するようにしてもよい。

この例では、放熱体３の各板厚を積層中央部が最も厚くなるように形成しているが、図７のように、放熱体３の表面積を積層中央部で最も大きくなるように形成してもよい。この図では、巻回方向Ｘに直交する横方向Ｙの放熱体３の幅が積層中央部で最も大きくなって表面積が最も大きくなっている。

これにより、同様に、放熱体３は平板形状を有し積層体中央部で最も放熱効果を高くし対流空間部１０を設けて、自然対流によって空冷するので、冷却ファンを有しない場合であっても、平板形状の放熱体３を使用したバッテリー積層体５を有効に放熱して、小型かつ低コストで電池ユニットの性能向上が可能となる。

図８のように、上記構成の放熱体３は、外装体１４直下における少なくとも陰極層１１の塗工領域１１ａを覆う長さに形成されている。好ましくは、放熱体３の巻回軸方向Ｘの長さは、巻回軸方向Ｘの陰極層１１の塗工領域１１ａの長さＬ１以上に長く、外装体１４の両端部１４ａ、１４ｂ間の長さＬ２以下に短い範囲に設定される。

これにより、陽極層１２の塗工領域１２ａは陰極層１１の塗工領域１１ａよりも長さが短いことから、平板形状の放熱体３のエッジで両極層１１、１２の塗工領域１１ａ、１２ａがつぶれることを防止できる。

放熱体３が突出する電極端子１５、１６と短絡することを防止するために、放熱体３の巻回軸方向Ｘの長さは、放熱体３の両端が陰極層１１の塗工領域１１ａの両端から巻回軸方向Ｘの外側へ０ｍｍ以上で５０ｍｍ以内の範囲に位置するように長く設定されていることが好ましい。つまり、長さＬ１以上でＬ１＋１００ｍｍ以内である。

特に好ましくは、放熱体３の巻回軸方向Ｘの長さは、放熱体３の両端が陰極層１１の塗工領域１１ａの両端から巻回軸方向Ｘの外側へ０ｍｍ以上で２ｍｍ以内の範囲に位置するように長く設定されている。つまり、長さＬ１以上でＬ１＋４ｍｍ以内である。これにより、平板形状の放熱体３のエッジによる両極層１１、１２の塗工領域１１ａ、１２ａのつぶれを確実に防止することができる。

図９は本発明の第２実施形態に係る電池ユニット１Ａを示す外観図である。このバッテリー積層体５Ａは、その積層方向Ｓが重力（垂直）方向Ｚに対して傾倒して架台９Ａに載置されている。バッテリー積層体５Ａの外周面と筐体７内壁間には、筐体内自然対流の通路となる対流空間部１０が設けられている。その他の構成は第１実施形態と同様である。

バッテリー積層体５Ａは、重力方向Ｚに対して、その積層方向Ｓが巻回軸方向Ｘにおける前後に傾倒されている。つまり、直方体の平面視長方形の短辺側となる側面２１を傾倒させている。この例では、バッテリー積層体５Ａは後傾されている（図では右下がりに傾倒）。

好ましくは、積層方向Ｓと重力方向Ｚとがなす角度θは、例えば５度以上で４５度以下の範囲内である。これにより、筐体7内の一方から他方へ自然対流をより発生させることができる。

バッテリー積層体５Ａの後傾により、熱気流ＨＡは筐体７前側で上部へ上昇気流となり、筐体７後側へ下降する自然対流を発生させて空冷することができる。この例では、筐体７内壁下部にフィン２０が設けられて、自然対流する熱気流を冷却しているが、必要に応じて設けなくてもよい。

図６のように、放熱体３に積層方向Ｓ（図５）に直交する方向、すなわち巻回軸方向Ｘに貫通する１または複数の貫通孔２５を設けてもよい。または、当該複数の貫通孔２５を有する図示しないハニカム構造に形成させてもよい。図９の破線は、貫通孔２５による対流を示す。これにより、放熱体３内部も筐体内自然対流の通路となるので、放熱効果をより向上することができる。

なお、バッテリー積層体は、前記重力方向に対して、その積層方向が前記巻回軸方向回りに左右に傾倒させてもよい。つまり、直方体の平面視長方形の長辺側となる側面を傾倒させてもよい（図９においては手前または向こうに傾倒）。この場合、図６の放熱体３の貫通孔２５は、積層方向Ｓと巻回軸方向Ｘに直交する横方向Ｙに貫通させる。

前記したバッテリー積層体を前後に傾倒させた場合の方が、左右に傾倒させた場合よりも傾斜に伴う筐体７の体積増大を抑制できるので、電池ユニット１Ａをより小型化できる。

図１０は他例を示す。この例では、図９のバッテリー積層体５Ａ自体を傾倒させるのと異なり、バッテリー積層体５Ｂにおけるバッテリーセル２および放熱体３を予め傾斜させた状態に形成し、この形状に対応した架台９Ｂに支持されている。図１０における積層方向Ｓと重力方向Ｚとがなす角度θは、図９よりも若干大きくなっている。その他の構成は図９と同様である。この場合も、放熱体３の傾斜により、筐体前側上部への上昇気流が生じ、筐体後側への自然対流を発生させて空冷することができる。

こうして、本発明の実施形態では、放熱体３は平板形状を有し積層体中央部で最も放熱効果を高くしているとともに、バッテリー積層体５、５Ａ、５Ｂの外周面と筐体７の内壁面間には筐体内自然対流の通路となる対流空間部１０を設けているので、冷却ファンを有しない場合であっても、平板形状の放熱体３を使用したバッテリー積層体５、５Ａ、５Ｂを自然対流により有効に放熱して、小型かつ低コストで電池ユニット１、１Ａ、１Ｂの性能を向上できる。

また、平板形状の放熱体３は、外装体１４直下における少なくとも巻回軸方向Ｘの陰極層１１の塗工領域１１ａを覆う長さに形成されているので、陽極層１２の塗工領域１２ａは陰極層１１の塗工領域１１ａよりも長さが短いことから、平板形状の放熱体３のエッジで両極層の塗工領域１１ａ、１２ａがつぶれることを防止できる。また、放熱体３が突出する電極端子１５、１６と短絡することを防止できる。したがって、バッテリー積層体５、５Ａ、５Ｂを有効に放熱する平板形状の放熱体３の長さを適正に設定しているので、冷却ファンを有しない場合であっても、当該平板形状の放熱体３を使用したバッテリー積層体５、５Ａ、５Ｂを有効に放熱して、小型かつ低コストで電池ユニット１、１Ａ、１Ｂの性能向上が可能となる。

さらに、平板形状の放熱体３を使用したバッテリー積層体５Ａ、５Ｂは、その積層方向Ｓが重力方向Ｚに対して傾倒して載置され、バッテリー積層体５Ａ、５Ｂの外周面と筐体内壁間には、筐体内自然空冷の通路となる対流空間部１０が設けられているので、筐体７の一方から他方へ自然対流を発生させるから、平板形状の放熱体３を使用したバッテリー積層体５Ａ、５Ｂを有効に放熱できる。

本発明は、以上の各実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１、１Ａ、１Ｂ：電池ユニット
２：バッテリーセル
３：放熱体
５、５Ａ、５Ｂ：バッテリー積層体
６：加圧板
７：筐体
８：貫通孔
９：架台
１０：対流空間部
１１：陰極層
１１ａ：陰極層の塗工領域
１１ｂ：陰極層の未塗工領域
１２：陽極層
１２ａ：陽極層の塗工領域
１２ｂ：陽極層の未塗工領域
１３：セパレータ
１４：外装体
１５：陰極の電極端子
１６：陽極の電極端子
２０：フィン
２５：貫通孔
Ｓ：積層方向
Ｘ：巻回軸方向
Ｚ：重力（垂直）方向
θ：積層方向と重力方向とがなす角度

Claims (4)

1. ラミネートでパックされたバッテリーセルと、これに面接触させて放熱する平板形状の放熱体とを複数積層させたバッテリー積層体、およびこのバッテリー積層体を収納した筐体を備えた、ファンレスの電池ユニットであって、
   前記バッテリー積層体は、その積層方向が重力方向に対して傾倒して載置され、前記バッテリー積層体の外周面と筐体内壁面間には、筐体内自然空冷の通路となる対流空間部が設けられている、電池ユニットの放熱構造。
2. 請求項１において、
   前記バッテリー積層体は、前記バッテリーセル内の両極層の巻回軸方向に長い直方体形状で、前記重力方向に対して、その積層方向が前記巻回軸方向における前後に傾倒されている、電池ユニットの放熱構造。
3. 請求項１または２において、
   前記積層方向と前記重力方向とがなす角度は、５度以上で４５度以下の範囲内である、電池ユニットの放熱構造。
4. 請求項１ないし３のうちいずれか１項において、
   前記放熱体は、前記積層方向に直交する方向に貫通する１または複数の貫通孔を有するか、または、前記複数の貫通孔を有するハニカム構造に形成されている、電池ユニットの放熱構造。

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