JP2023107493A - 電池パック - Google Patents
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Abstract
【課題】電池セルの確実な固定と、電池セルの効率的な冷却とを両立することが可能な電池パック、を提供する。【解決手段】電池パック100は、積層される複数の電池セル11と、複数の電池セル11を保持するケース体21と、電池セル11およびケース体21の間に介挿され、電池セル11およびケース体21を接着する接着部材51と、接着部材51よりも小さい弾性率を有し、電池セル11およびケース体21の間に介挿される伝熱部材41とを備える。【選択図】図1
Description
この発明は、電池パックに関する。
たとえば、米国特許第11005131号明細書(特許文献1)には、ハウジングと、ハウジングに収容される複数のセルと、ハウジングの底部および複数のセルの間に充填される熱伝導性構造用接着剤とを備えるバッテリボックスが開示されている。
また、特開2016-15328号公報(特許文献2)には、ケースと、ケース内に配置される発電要素と、ケースの下面に配され、冷媒が流通する流通路を形成する冷却部材と、冷却部材およびケースの間に配され、空気よりも高い熱伝導性の材料からなる伝熱部材とを備える蓄電装置が開示されている。
また、特開2014-60088号公報(特許文献3)には、電池収容室を有する外ケースと、電池収容室に収容される電池セルと、電池セルを外ケースの内面に接着固定する接着剤とを備える二次電池装置が開示されている。
上述の特許文献に開示されるように、複数の電池セルと、複数の電池セルを保持するためのケース体等の保持部材とを備えた電池パックが知られている。このような電池パックでは、保持部材に対する電池セルの確実な固定と、発熱体である電池セルの効率的な冷却とを両立することが求められる。
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、電池セルの確実な固定と、電池セルの効率的な冷却とを両立することが可能な電池パックを提供することである。
この発明に従った電池パックは、積層される複数の電池セルと、複数の電池セルを保持する保持部材と、電池セルおよび保持部材の間に介挿され、電池セルおよび保持部材を接着する接着部材と、接着部材よりも小さい弾性率を有し、電池セルおよび保持部材の間に介挿される伝熱部材とを備える。
このように構成された電池パックによれば、接着部材により、電池セルを保持部材に対して確実に固定することができる。また、接着部材よりも小さい弾性率を有する伝熱部材は、接着部材と比べて変形し易いため、電池セルの変形に追従させて伝熱部材を容易に変形させることができる。これにより、電池セルで発生した熱を伝熱部材を通じて保持部材に効率的に伝えることが可能となるため、電池セルを効率よく冷却することができる。
また好ましくは、伝熱部材の熱伝導率は、接着部材の熱伝導率よりも大きい。
このように構成された電池パックによれば、電池セルからの熱を伝熱部材を通じて保持部材にさらに効率的に伝えることができる。
このように構成された電池パックによれば、電池セルからの熱を伝熱部材を通じて保持部材にさらに効率的に伝えることができる。
また好ましくは、電池セルは、電池セルの積層方向に延びる短辺と、電池セルの積層方向に直交する方向に延びる長辺とを有する矩形形状をなす底面を含む。接着部材は、電池セルの積層方向に直交する方向における底面の両端部に配置される。伝熱部材は、電池セルの積層方向に直交する方向における底面の中央部に配置される。
このように構成された電池パックによれば、電池セルの変形時に相対的に小さい変形量となる底面の両端部に、変形し難い接着部材が配置され、電池セルの変形時に相対的に大きい変形量となる底面の中央部に、変形し易い伝熱部材が配置される。これにより、保持部材に対して電池セルをより確実に固定しつつ、電池セルをさらに効率的に冷却することができる。
また好ましくは、電池セルは、底面と、底面から立ち上がり、底面よりも小さい面積を有する側面とを有する。接着部材は、側面に配置される。伝熱部材は、底面に配置される。
このように構成された電池パックによれば、電池セルの変形時に相対的に小さい変形量となる側面に、変形し難い接着部材が配置され、電池セルの変形時に相対的に大きい変形量となる底面に、変形し易い伝熱部材が配置される。これにより、保持部材に対して電池セルをより確実に固定しつつ、電池セルをさらに効率的に冷却することができる。
また好ましくは、電池セルに対する伝熱部材の接触面積は、電池セルに対する接着部材の接触面積よりも大きい。
このように構成された電池パックによれば、電池セルからの熱を伝熱部材を通じて保持部材にさらに効率的に伝えることができる。
また好ましくは、電池セルは、電池セルの積層方向が厚み方向となる薄板形状を有する。電池セルの積層方向に見た場合に、伝熱部材は、上下方向に延びる電池セルの中心線を挟んだ両側に対称に配置される。
このように構成された電池パックによれば、電池セルをその中心線を挟んだ両側でバランスよく冷却することができる。
また好ましくは、複数の電池セルは、セル積層体をなす。保持部材は、セル積層体と対向する対向面を有する。接着部材は、対向面の周縁に沿って額縁状に設けられる。伝熱部材は、流動性を有する伝熱材料からなり、接着部材に囲まれた対向面の中央領域に設けられる。
このように構成された電池パックによれば、流動性を有する伝熱部材を対向面に留める機構を、簡易に構成することができる。
以上に説明したように、この発明に従えば、電池セルの確実な固定と、電池セルの効率的な冷却とを両立することが可能な電池パックを提供することができる。
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
図1は、この発明の実施の形態における電池パックを示す断面図である。図2は、図1中の電池パックを構成する電池セルを示す斜視図である。図3は、図1中の電池パックを示す分解組み立て図である。
図1から図3を参照して、電池パック100は、ハイブリッド車(HEV:Hybrid Electric Vehicle)、プラグインハイブリッド車(PHEV:Plug-in Hybrid Electric Vehicle)または電気自動車(BEV:Battery Electric Vehicle)などの車両の駆動用電源として用いられる。
本明細書においては、電池パック100の構造を説明する便宜上、後述する複数の電池セル11の積層方向、かつ、水平方向に延びる軸を「Y軸」といい、Y軸に直交する方向、かつ、水平方向に延びる軸を「X軸」といい、上下方向に延びる軸を「Z軸」という。
電池パック100は、複数の電池セル11と、ケース体21とを有する。複数の電池セル11は、Y軸方向に積層されている。ケース体21は、複数の電池セル11を保持している。ケース体21は、複数の電池セル11を後述する空間70に保持している。本実施の形態では、ケース体21が、本発明における「保持部材」に対応している。
図2に示されるように、電池セル11は、リチウムイオン電池である。電池セル11は、角形であり、直方体の薄板形状を有する。複数の電池セル11は、Y軸方向が電池セル11の厚み方向となるように積層されている。
電池セル11は、外装体12を有する。外装体12は、直方体形状の筐体からなり、電池セル11の外観をなしている。外装体12には、電極体および電解液が収容されている。
外装体12は、第1側面13と、第2側面14と、第3側面19と、第4側面20と、頂面15と、底面16とを有する。第1側面13および第2側面14の各側面は、Y軸に直交する平面からなる。第1側面13および第2側面14は、Y軸方向において、互いに反対側を向いている。第1側面13および第2側面14の各側面は、外装体12が有する複数の側面のうちで最も大きい面積を有する。
第3側面19および第4側面20の各側面は、X軸に直交する平面からなる。第3側面19および第4側面20は、X軸方向において、互いに反対側を向いている。第3側面19および第4側面20の各側面は、底面16よりも小さい面積を有する。第3側面19および第4側面20の各側面は、外装体12が有する複数の側面のうちで最も小さい面積を有する。
頂面15および底面16の各面は、Z軸に直交する平面からなる。頂面15は、上方を向いている。底面16は、下方を向いている。頂面15には、外装体12の内部で発生したガスにより外装体12の内圧が所定値以上となった場合に、そのガスを外装体12の外部に排出するためのガス排出弁17が設けられている。
第1側面13、第2側面14、第3側面19、第4側面20、頂面15および底面16の各面は、矩形形状を有する。第1側面13および第2側面14の各側面は、X軸方向が長手方向となり、Z軸方向が短手方向となる矩形形状を有する。第3側面19および第4側面20の各側面は、Z軸方向が長手方向となり、Y軸方向が短手方向となる矩形形状を有する。頂面15および底面16の各面は、X軸方向が長手方向となり、Y軸方向が短手方向となる矩形形状を有する。
電池セル11は、正極端子18Pおよび負極端子18Nが対となった電極端子18をさらに有する。電極端子18は、頂面15に設けられている。正極端子18Pおよび負極端子18Nは、X軸方向において、互いに離れて設けられている。正極端子18Pおよび負極端子18Nは、X軸方向におけるガス排出弁17の両側にそれぞれ設けられている。
複数の電池セル11は、Y軸方向に隣り合う電池セル11,11の間において、第1側面13同士が向かい合わせとなり、第2側面14同士が向かい合わせとなるように積層されている。これにより、複数の電池セル11が積層されるY軸方向において、正極端子18Pと負極端子18Nとが、交互に並んでいる。
Y軸方向に隣り合う電池セル11,11の間において、Y軸方向に並ぶ正極端子18Pと負極端子18Nとが、図示されないバスバーにより、互いに接続されている。複数の電池セル11は、互いに電気的に直列に接続されている。
Y軸方向に積層された複数の電池セル11により、セル積層体10が構成されている。セル積層体10は、直方体形状をなしている。Y軸方向におけるセル積層体10の長さは、Z軸方向におけるセル積層体10の長さよりも大きく、X軸方向におけるセル積層体10の長さよりも大きい。
ケース体21は、直方体形状の外観を有する箱体からなる。Y軸方向におけるケース体21の長さは、Z軸方向におけるケース体21の長さよりも大きく、X軸方向におけるケース体21の長さよりも大きい。ケース体21は、ケース底部22と、ケース側部23と、ケース頂部24とを有する。
ケース底部22は、ケース体21の底に配置されている。ケース底部22は、Z軸方向が厚み方向となり、水平方向に延在する板材からなる。ケース底部22には、冷媒を流通させるための冷媒通路31が設けられている。冷媒通路31は、Y軸方向に延びている。ケース側部23は、ケース底部22の周縁から上方に向けて立ち上がっている。ケース底部22上であって、ケース側部23により取り囲まれる位置には、上方を向いて開口し、複数の電池セル11(セル積層体10)を収容する空間70が規定されている。複数の電池セル11は、Y軸方向における両端において、ケース側部23により拘束されている。ケース側部23は、複数の電池セル11に対して、Y軸方向における拘束力(圧縮力)を作用させている。
ケース頂部24は、Z軸方向において、ケース底部22と対向して配置されている。ケース頂部24は、ケース側部23の上端部に対して着脱可能に取り付けられ、空間70の開口を塞ぐ蓋体をなしている。
なお、冷媒を流通させるための冷媒通路31は、ケース底部22に限られず、たとえば、ケース体21とは別の部材であって、ケース底部22に接続される部材に設けられてもよい。
図4は、図1中の電池パックの組み立て工程を模式的に示す斜視図である。図4、ならびに、後出の図8および図9中には、ケース体21のうちのケース底部22のみが示されている。図1から図4を参照して、電池パック100は、伝熱部材41と、接着部材51(51A,51B)とをさらに有する。
伝熱部材41は、接着部材51とは異なる材料から構成されている。伝熱部材41の弾性率は、接着部材51の弾性率よりも小さい。伝熱部材41の熱伝導率は、接着部材51の熱伝導率よりも大きい。伝熱部材41は、接着性の材料(接着剤)から構成されてもよいし、非接着性の材料から構成されてもよい。
伝熱部材41は、伝熱シート、伝熱グリス、ギャップフィラーまたは伝熱ゲルであってもよい。伝熱部材41は、アクリル、ウレタン、シリコーンまたは変性シリコーンなどの材料から構成されている。接着部材51は、エポキシ、アクリル、ウレタン、シリコーンまたはシアノアクリレートなどの材料から構成されている。
接着部材51は、電池セル11およびケース体21の間に介挿されている。接着部材51は、複数の電池セル11(セル積層体10)と、ケース体21との間に介挿されている。接着部材51は、電池セル11およびケース体21を接着している。複数の電池セル11(セル積層体10)は、接着部材51により、ケース体21に対して固定されている。
伝熱部材41は、電池セル11およびケース体21の間に介挿されている。伝熱部材41は、複数の電池セル11(セル積層体10)と、ケース体21との間に介挿されている。
接着部材51は、電池セル11の底面16と、ケース体21のケース底部22との間に介挿されている。伝熱部材41は、電池セル11の底面16と、ケース体21のケース底部22との間に介挿されている。接着部材51は、X軸方向における底面16の両端部に配置されている。伝熱部材41は、X軸方向における底面16の中央部に配置されている。
伝熱部材41は、ケース底部22上でY軸方向において帯状に延びている。接着部材51Aおよび接着部材51Bの各部材は、ケース底部22上でY軸方向において帯状に延びている。伝熱部材41は、X軸方向において、接着部材51Aおよび接着部材51Bの間に配置されている。伝熱部材41は、Z軸方向に見た場合に、ガス排出弁17と重なり合う位置に設けられている。接着部材51Aおよび接着部材51Bは、Z軸方向に見た場合に、ガス排出弁17からX軸方向における両側にずれた位置に設けられている。
伝熱部材41および接着部材51は、底面16の全面を覆うように設けられている。電池セル11に対する伝熱部材41の接触面積は、電池セル11に対する接着部材51の接触面積よりも大きい。電池セル11に対する伝熱部材41の接触面積は、電池セル11に対する接着部材51の接触面積以下であってもよい。
電池パック100をY軸方向に見た図1中には、Z軸方向(上下方向)に延びる電池セル11の中心線110が示されている。電池セル11(外装体12)は、中心線110を挟んで対称となる形状を有する。正極端子18Pは、中心線110を挟んでX軸方向における一方の側に設けられ、負極端子18Nは、中心線110を挟んでX軸方向における他方の側に配置されている。X軸方向における中心線110および正極端子18Pの間の長さは、X軸方向における中心線110および負極端子18Nの間の長さと等しい。伝熱部材41は、中心線110を挟んだ両側に対称に配置されている。伝熱部材41は、中心線110を含むY軸-Z軸平面で折り畳まれた場合に、完全に重なり合う形状を有する。接着部材51(51A,51B)は、中心線110を挟んだ両側に対称に配置されている。
図5は、電池セル(底面)が変形する様子を模式的に示す図である。図5を参照して、電池セル11(外装体12)は、その充放電に伴って変形(膨張)する。そのときの底面16の変形に注目すると、Z軸方向における底面16の変形量は、X軸方向における底面16の中央部で相対的に大きく、X軸方向における底面16の両端部で相対的に小さくなる(Da>Db)。直方体形状の外観をなす外装体12は、その端辺に沿う位置で変形し難く、端辺から離れるほど変形量が大きくなるためである。
図1から図5を参照して、本実施の形態では、電池セル11およびケース体21の間に介挿される接着部材51(51A、51B)によって、電池セル11をケース体21に対して確実に固定することができる。
また、接着部材51よりも小さい弾性率を有する伝熱部材41は、接着部材51と比べて変形し易いため、電池セル11の変形に追従させて伝熱部材41を容易に変形させることができる。これにより、電池セル11の変形に伴って、伝熱部材41および電池セル11の間に、断熱層となる空隙が生じることを抑制できる。結果、電池セル11で発生した熱を、伝熱部材41を通じて、冷媒通路31が設けられたケース体21のケース底部22に効率的に伝えることが可能となり、発熱体である電池セル11を効率よく冷却することができる。
特に本実施の形態では、相対的に小さい変形量となる底面16の両端部に、変形し難い接着部材51(51A,51B)が配置され、相対的に大きい変形量となる底面16の中央部に、変形し易い伝熱部材41が配置されている。このような構成により、電池セル11の変形に伴って、接着部材51および電池セル11の間、ならびに、伝熱部材41および電池セル11の間の双方において、空隙が生じることを抑制できる。加えて、伝熱部材41の熱伝導率は、接着部材51の熱伝導率よりも大きい。したがって、ケース体21に対して電池セル11をより確実に固定しつつ、電池セル11をさらに効率的に冷却することができる。
また、電池セル11に対する伝熱部材41の接触面積が、電池セル11に対する接着部材51の接触面積よりも大きいため、電池セル11からケース体21への熱伝達を促進させることができる。また、伝熱部材41は、電池セル11の中心線110を挟んで対称に配置されているため、電池セル11を中心線110を挟んだ両側でバランスよく冷却することができる。
図6は、図1中の電池パックの第1変形例を示す断面図である。図6中には、図1に対応する電池パックの断面が示されている。図7は、電池セル(底面および第4側面)が変形する様子を模式的に示す図である。
図6および図7を参照して、本変形例では、接着部材51(51A,51B)が、電池セル11の第3側面19および第4側面20と、ケース体21のケース側部23との間に介挿されている。伝熱部材41は、電池セル11の底面16と、ケース体21のケース底部22との間に介挿されている。
伝熱部材41は、ケース底部22上でY軸方向において帯状に延びている。伝熱部材41は、中心線110を挟んだ両側に対称に配置されている。接着部材51Aおよび接着部材51Bの各部材は、ケース側部23上でY軸方向において帯状に延びている。接着部材51(51A,51B)は、中心線110を挟んだ両側に対称に配置されている。
図7に示されるように、電池セル11の膨張時の底面16および第4側面20(第3側面19も、第4側面20と同様)の変形に注目すると、Z軸方向における底面16の変形量は、X軸方向における第4側面20(第3側面19)の変形量よりも大きくなる(Dc>De)。底面16は、第3側面19および第4側面20の各側面よりも大きい面積を有し、変形し易いためである。
本変形例においては、相対的に小さい変形量となる第3側面19および第4側面20に、変形し難い接着部材51(51A,51B)が配置され、相対的に大きい変形量となる底面16に、変形し易い伝熱部材41が配置されている。
図8は、図1中の電池パックの第2変形例を示す斜視図である。図8は、図4に対応している。図8を参照して、ケース体21(ケース底部22)は、対向面22aを有する。対向面22aは、空間70を区画形成するとともに、セル積層体10と対向している。対向面22aは、Y軸方向が長手方向となり、X軸方向が短手方向となる矩形形状を有する。
本変形例では、接着部材51が、対向面22aの周縁に沿って額縁状に設けられている。接着部材51は、矩形形状を有する対向面22aの端辺に沿って設けられている。伝熱部材41は、流動性を有する伝熱材料(伝熱グリスまたは伝熱ゲル等)からなる。伝熱部材41は、接着部材51に囲まれた対向面22aの中央領域に設けられている。
このような構成によれば、電池パックの組み立て時、接着部材51を対向面22aに塗布した後、伝熱部材41を接着部材51の内側に配置する。接着部材51および伝熱部材41上にセル積層体10を配置し、接着部材51を硬化させる。これにより、伝熱グリスまたは伝熱ゲル等からなる伝熱部材41を、接着部材51を利用して対向面22aに留めることができる。
図9は、図1中の電池パックの第3変形例を示す斜視図である。図9は、図4に対応している。図9を参照して、本変形例における電池パックは、バインドバー61をさらに有する。バインドバー61は、Y軸方向に延びている。バインドバー61は、X軸方向において、電池セル11の第3側面19および第4側面20と対向する各位置に設けられている。
接着部材51は、電池セル11の第3側面19および第4側面20と、バインドバー61との間に介挿されている。バインドバー61は、複数の電池セル11を一体に保持している。バインドバー61は、ケース体21のケース側部23に接続されている。伝熱部材41は、電池セル11の底面16と、ケース体21のケース底部22との間に介挿されている。本変形例では、ケース体21およびバインドバー61が、本発明における保持部材に対応している。
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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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。
10 セル積層体、11 電池セル、12 外装体、13 第1側面、14 第2側面、15 頂面、16 底面、17 ガス排出弁、18 電極端子、18N 負極端子、18P 正極端子、19 第3側面、20 第4側面、21 ケース体、22 ケース底部、22a 対向面、23 ケース側部、24 ケース頂部、31 冷媒通路、41 伝熱部材、51,51A,51B 接着部材、61 バインドバー、70 空間、100 電池パック、110 中心線。
Claims (7)
- 積層される複数の電池セルと、
複数の前記電池セルを保持する保持部材と、
前記電池セルおよび前記保持部材の間に介挿され、前記電池セルおよび前記保持部材を接着する接着部材と、
前記接着部材よりも小さい弾性率を有し、前記電池セルおよび前記保持部材の間に介挿される伝熱部材とを備える、電池パック。 - 前記伝熱部材の熱伝導率は、前記接着部材の熱伝導率よりも大きい、請求項1に記載の電池パック。
- 前記電池セルは、前記電池セルの積層方向に延びる短辺と、前記電池セルの積層方向に直交する方向に延びる長辺とを有する矩形形状をなす底面を含み、
前記接着部材は、前記電池セルの積層方向に直交する方向における前記底面の両端部に配置され、
前記伝熱部材は、前記電池セルの積層方向に直交する方向における前記底面の中央部に配置される、請求項1または2に記載の電池パック。 - 前記電池セルは、底面と、前記底面から立ち上がり、前記底面よりも小さい面積を有する側面とを有し、
前記接着部材は、前記側面に配置され、
前記伝熱部材は、前記底面に配置される、請求項1または2に記載の電池パック。 - 前記電池セルに対する前記伝熱部材の接触面積は、前記電池セルに対する前記接着部材の接触面積よりも大きい、請求項1から4のいずれか1項に記載の電池パック。
- 前記電池セルは、前記電池セルの積層方向が厚み方向となる薄板形状を有し、
前記電池セルの積層方向に見た場合に、前記伝熱部材は、上下方向に延びる前記電池セルの中心線を挟んだ両側に対称に配置される、請求項1から5のいずれか1項に記載の電池パック。 - 複数の前記電池セルは、セル積層体をなし、
前記保持部材は、前記セル積層体と対向する対向面を有し、
前記接着部材は、前記対向面の周縁に沿って額縁状に設けられ、
前記伝熱部材は、流動性を有する伝熱材料からなり、前記接着部材に囲まれた前記対向面の中央領域に設けられる、請求項1から6のいずれか1項に記載の電池パック。
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