JP2022067208A

JP2022067208A - 蓄電装置

Info

Publication number: JP2022067208A
Application number: JP2020175796A
Authority: JP
Inventors: 大樹森下; Hiroki Morishita; 渉岡田; Wataru Okada
Original assignee: Prime Planet Energy and Solutions Inc
Current assignee: Prime Planet Energy and Solutions Inc
Priority date: 2020-10-20
Filing date: 2020-10-20
Publication date: 2022-05-06
Anticipated expiration: 2040-10-20
Also published as: JP7249979B2

Abstract

【課題】冷却効率の高い蓄電装置を提供する。【解決手段】蓄電装置は、積層された複数の蓄電セルを含む蓄電モジュールと、蓄電モジュールを収納する内部空間を有する密閉ケースと、密閉ケースの前記内部空間に充填され、蓄電モジュールに直接触れる絶縁性液体とを備える。【選択図】図３

Description

本開示は、蓄電装置に関する。

蓄電装置の一例として電池パックが挙げられる。従来の電池パック構造として、たとえば、特開２０１０－２７２３７８号公報（特許文献１）、特開２００９－１３４９０１号公報（特許文献２）、国際公開第２０１２／１３３７０８号（特許文献３）、特表２０１５－５２０４８０号公報（特許文献４）、および特開２０１２－２８３２１号公報（特許文献５）に記載のものが挙げられる。

電池パックにおいては、ケース内に電池セルが収納される。ケース内に収納された電池セルは発熱するため、冷却機構が必要とされる。特開２０１０－２７２３７８号公報（特許文献１）に記載の電池パックにおいては、空冷方式の冷却機構が採用されている。特開２００９－１３４９０１号公報（特許文献２）に記載の電池パックにおいては、水冷方式の冷却機構が採用されている。

特開２０１０－２７２３７８号公報特開２００９－１３４９０１号公報国際公開第２０１２／１３３７０８号特表２０１５－５２０４８０号公報特開２０１２－２８３２１号公報

電池セルを収納したケースを外側から冷却する場合、電池セルの積層体とケース内面との接触状態の違い（密着面および非密着面の違い）により、冷却効率が不均一となり得る。冷却効率の不均一性は、電池の出力パフォーマンスに影響し得る。

特許文献１～５に記載の構造は、上述の課題を解決する観点から、必ずしも十分なものではない。また、電池以外の蓄電装置においても、同様の課題が生じ得る。本開示の目的は、冷却効率の高い蓄電装置を提供することにある。

本開示に係る蓄電装置は、積層された複数の蓄電セルを含む蓄電モジュールと、蓄電モジュールを収納する内部空間を有する密閉ケースと、密閉ケースの前記内部空間に充填され、蓄電モジュールに直接触れる絶縁性液体とを備える。

本開示によれば、冷却効率の高い蓄電装置を提供することができる。

電池パックの構成を示す分解斜視図である。電池モジュールに含まれる電池セルを示す図である。電池パックのケース内部を示す断面図（その１）である。電池パックのケース内部を示す断面図（その２）である。電池パックのケース内部を示す斜視図である。電池パックのケース内部における熱の流れを示す図である。絶縁性液体の熱伝導係数を示す図である。

以下に、本開示の実施の形態について説明する。以下に説明する実施の形態において、個数、量等に言及する場合、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、量等に限定されない。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、電池パック１の構成を示す分解斜視図である。電池パック１は、電池モジュール１００と、ケース２００（密閉ケース）と、熱伝導材３００とを含む。

電池モジュール１００（蓄電モジュール）は、Ｙ軸方向（積層方向）に沿って積層された複数の電池セル（蓄電セル）を含む。

ケース２００は、ケース本体２１０と、蓋部材２２０と、開口２３０と、閉止部材２４０とを含む。ケース本体２１０は、ケース２００の底面および側面を構成する。蓋部材２２０は、ケース２００の上面を構成する。ケース本体２１０は、複数の電池セル１１０の上側（図２に示す電極端子１１１側）に開口を有する。蓋部材２２０は、ケース本体２１０の開口上に設けられる。開口２３０は、ケース２００の上面を構成する蓋部材２２０上に設けられる。閉止部材２４０は、開口２３０を塞ぐように取付られる。

ケース２００は、電池モジュール１００を収納する内部空間を有する。ケース本体２１０および蓋部材２２０は、たとえばアルミニウム、マグネシウムなどの金属材からなる鋳造部品（ダイキャスト材）であってもよいし、カーボン含有素材からなるプレス成型部品であってもよい。ケース２００は上記の態様に限定されず、強度、放熱性、熱伝導性などの点において、所定の特性を満たすものであればよい。たとえば樹脂製のケース本体２１０および蓋部材２２０である場合もあり得る。

ケース本体２１０と蓋部材２２０との接合部は、ゴム等のシール材、接着剤、およびホットメルト材などを用いて密閉されるか、超音波溶着、レーザ溶着などにより両者が接合されてもよい。これにより、ケース本体２１０および蓋部材２２０からなるケース２００の内部に密閉空間が形成される。

熱伝導材３００は、電池モジュール１００とケース２００のケース本体２１０との間に設けられ、電池モジュール１００において発生した熱のケース２００への伝達を促進する。

電池パック１は、車両に搭載され得る。電池パック１が車両に搭載されるとき、典型的には、ケース本体２１０に対して蓋部材２２０が上側に位置する。本件明細書では、Ｚ軸方向を「上下方向」と称し、Ｚ軸方向におけるケース本体２１０側を「下側」、蓋部材２２０側を「上側」と称する場合がある。

図２は、電池モジュール１００に含まれる電池セル１１０を示す図である。図２に示すように、電池セル１１０は、電極端子１１１と、収容ケース１１２（筐体）とを含む。電極端子１１１は、正極端子１１１Ａと、負極端子１１１Ｂとを含む。電極端子１１１は、収容ケース１１２上に形成されている。収容ケース１１２には、図示しない電極体および電解液が収容されている。

収容ケース１１２は、平坦面状の直方体形状に形成されている。すなわち、電池セル１１０は角型セルである。収容ケース１１２は、Ｙ軸方向に直交するＸ－Ｚ平面に沿って延びる主面１１２Ａを有する。

一例として、電池セル１１０は、リチウムイオン電池である。電池セル１１０はニッケル水素電池など他の電池であってもよい。また、本開示において「蓄電モジュール」は電池モジュール１００に限定されず、電池セル１１０に代えて、たとえばキャパシタが「蓄電セル」として用いられてもよい。

図３、図４は、電池パックのケース内部を示す断面図である。図３，図４に示すようにケース２００の内部空間に絶縁性液体４００が充填されている。絶縁性液体４００は、電池モジュール１００に直接触れるようにケース２００の内部空間に充填される。絶縁性液体４００は、典型的な一例においては、ケース２００の開口２３０の外側から絶縁性液体４００が見える位置まで、ケース２００の内部空間を完全に満たすように充填される。このようにすることで、外部振動（たとえば電池パック１を車両に搭載したときの車両の振動）による影響を低減することができる。

ただし、絶縁性液体４００は、ケース２００の内部空間の一部に充填されてもよい。絶縁性液体４００をケース２００の内部空間の一部に充填し、ケース２００内に空間を残した場合、ケース２００内における絶縁性液体４００の対流が促進され、冷却効率が高まる場合があり得る。

絶縁性液体４００としては、たとえば、シリコーンオイル、トランス油、およびフロリナート（登録商標）などのフッ素系不活性液体を使用することが可能である。

電池モジュール１００に直接触れるように絶縁性液体４００を充填することにより、絶縁性液体４００を介して電池モジュール１００の熱をケース２００に伝達することができる。この結果、電池モジュール１００とケース２００の内面との接触状態とは関係なく、電池モジュール１００の冷却効率を向上させることが可能となる。また、ケース２００内を絶縁性液体４００で満たすことにより、電池セル１１０の熱暴走の伝播抑制の効果も得られる。

電池モジュール１００の高出力化を図ろうとすると、冷却が不十分になりやすい傾向にある。また、急速充電の要請から、バスバーの発熱を抑制することも求められる。このような状況下において、電池モジュール１００の冷却効率を向上させることが求められる。本実施の形態に係る電池パック１によれば、かかる要求に応え得る構造が得られる。

図５は、電池パックのケース２００の内部を示す斜視図である。図５に示すように、ケース２００のケース本体２１０は、フィン２１１と、凹部２１２と、支持部２１３とを有する。

フィン２１１は、ケース本体２１０の内側壁面に設けられる。フィン２１１が設けられることにより、ケース２００の内部空間の壁面に凹凸部が形成される。図５の例において、フィン２１１は、ケース２００の上面から底面に向かう上下方向（Ｚ軸方向）に沿って延在している。このようにすることで、ケース２００内におけるただし、フィン２１１の延在方向は上下方向に限定されない。

凹部２１２は、ケース本体２１０の底面に設けられる。凹部２１２内には熱伝導材３００が収納される。

支持部２１３は、ケース本体２１０のＹ軸方向の両端部に設けられる。支持部２１３は、電池モジュール１００のＹ軸方向の両端部に位置する電池セル１１０の主面１１２Ａに直接当接し、電池モジュール１００をＹ軸方向に沿って支持する。

支持部２１３は、それ自体が若干変形することにより、Ｙ軸方向に沿って電池モジュール１００を付勢可能である。支持部２１３を構成するケース本体２１０にたとえば空洞（図示せず）を設け、支持部２１３を薄肉化し、Ｙ軸方向に変形させやすくしてもよい。

電池モジュール１００をケース本体２１０に挿入するとき、Ｙ軸方向に沿って電池モジュール１００に圧縮力が加えられる。このとき、たとえば各電池セル１１０間に圧縮可能な素材をセパレータとともに設けることなどにより、電池モジュール１００が全体としてＹ軸方向に圧縮され得る。電池モジュール１００がケース本体２１０に挿入された後、上記圧縮力が徐荷されると、圧縮された電池モジュール１００のＹ軸方向の長さが元に戻り、この結果、電池モジュール１００がケース本体２１０の内面をＹ軸方向に押圧する。この押圧力に対する反力が、ケース本体２１０が電池モジュール１００を支持する支持力となる。

電池モジュール１００の使用時に、電池セル１１０の収容ケース１１２内における電解液のガス化等の要因により、収容ケース１１２が膨張することがある。この膨張に起因する電池モジュール１００からケース本体２１０への押圧力、およびその反力も、ケース本体２１０による電池モジュール１００の支持に寄与し得る。

電池セル１１０の主面１１２Ａをケース本体２１０に直接に当接させてＹ軸方向に拘束することで、エンドプレートおよび拘束部材を設けることなく複数の電池セル１１０をＹ軸方向に拘束することができる。この結果、電池パック１の小型化が図られる。

図６は、電池パックのケース内部における熱の流れを示す図である。図６を参照して、発熱領域αは、電池セル１１０の電極体１１３に対応する位置にある。発熱領域αの熱を吸収した絶縁性液体４００は、矢印Ａの方向に上昇し、冷却領域βにおいて蓋部材２２０に伝熱する。このように、絶縁性液体４００が電池セル１１０から吸収した熱は、絶縁性液体４００を介してケース２００に伝熱され、ケース２００から放熱される。

絶縁性液体４００は、電極体１１３から離れた位置において、矢印Ｂ方向に下降する。このように、絶縁性液体４００は矢印Ａ方向、矢印Ｂ方向に沿って対流しながら電池セル１１０の冷却を促進する。

このとき、温度の高い電池セル１１０の周辺の方が、矢印Ａ方向、矢印Ｂ方向に沿った対流が促進され、冷却が促進されやすい。このように、絶縁性液体４００を用いた冷却機構においては、特別な制御を行うことなく、冷却の要請がより強い電池セル１１０の冷却効率を向上させることができる。

図７は、絶縁性液体の熱伝導係数を示す図である。図７中の「Ａ」はシリコーンオイルの熱伝導係数を示し、「Ｂ」はトランス油の熱伝導係数を示し、「Ｃ１」は液相のフロリナート（登録商標）の熱伝導係数を示し、「Ｃ２」は気相のフロリナート（登録商標）の熱伝導係数を示す。図７に示すように、絶縁性液体４００の熱伝導係数比は、空気よりも大きく水よりも小さい。同じ素材（フロリナート（登録商標））であっても、気相の状態よりも液相状態の方が熱伝達係数が高く、結果として冷却効率が高くなることが理解される。

本実施の形態に係る上述の例では、Ｚ軸方向に沿って電池モジュール１００をケース２００に挿入する方式（縦挿入方式）について説明したが、ケース２００をＸ軸方向に向けて開口させ、Ｘ軸方向に沿って電池モジュール１００をケース２００に挿入する方式（横挿入方式）が採用されてもよい。

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電池パック、１００電池モジュール、１１０電池セル、１１１電極端子、１１１Ａ正極端子、１１１Ｂ負極端子、１１２収容ケース、１１２Ａ主面、１１３電極体、２００ケース、２１０ケース本体、２１１フィン、２１２凹部、２１３支持部、２２０蓋部材、２３０開口、２４０閉止部材、３００熱伝導材、４００絶縁性液体、α 発熱領域、β 冷却領域。

Claims

積層された複数の蓄電セルを含む蓄電モジュールと、
前記蓄電モジュールを収納する内部空間を有する密閉ケースと、
前記密閉ケースの前記内部空間に充填され、前記蓄電モジュールに直接触れる絶縁性液体とを備えた、蓄電装置。
前記絶縁性液体は、前記内部空間を完全に満たすように充填される、請求項１に記載の蓄電装置。
前記絶縁性液体は、前記内部空間の一部に充填される、請求項１に記載の蓄電装置。
前記内部空間の壁面に凹凸部が形成された、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の蓄電装置。
前記密閉ケースは、互いに対向する上面および底面と、前記上面に設けられた開口と、前記開口を閉塞する栓とを含み、
前記上面と前記底面とが並ぶ上下方向に沿って延在する凹凸部が前記内部空間の壁面に形成された、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の蓄電装置。
前記絶縁性液体の熱伝導係数比は、空気よりも大きく水よりも小さい、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の蓄電装置。
前記複数の蓄電セルはリチウムイオン電池セルである、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の蓄電装置。