JP3675261B2 - 電気自動車用電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気自動車用電池に係り、特に、複数の単セルを直列かつ直線的に接続したタンデムセルを水平方向及び高さ方向に複数列配列する共に、タンデムセルを直列に接続したセルホルダーを有する電気自動車用電池であって、タンデムセルを冷却するための冷却風が外部から供給される電気自動車用電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車のバッテリには、リチウム酸化物等を主要構成材料とした高性能、高容量の二次電池が複数個用いられている。このような二次電池では、一般に、電極が正極、負極共に活物質が金属箔に塗着された帯状であり、正極、負極が直接接触しないようにセパレータを挟んで断面が渦巻状に捲回された捲回式構造が採られている。電気自動車のバッテリに使用される二次電池は、充放電時の発熱量が比較的大きく、かつ、電池性能の温度依存性もあるため、電池の冷却性能を高める必要がある。
【０００３】
電池の冷却性能を高めるために、例えば特開平第７−４７８９２号公報には、単セル（単電池）を円筒状に形成し、この単セルを熱伝導率の高い材料からなる２枚のプレートで上下方向から挟み込み、該プレートを介して車体に固定することによって上下プレート間に通風路を形成した電気自動車用電池の技術が開示されている。この技術によれば、単セルの中空部とプレートとの間の通風路に空気が流通し得るので、電気自動車用電池を構成する単セルの冷却を行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載の技術では、上下２枚のプレート間に通風路を形成しているので、通風路が狭く熱がこもり易く、また、前後に単セルを配置した場合にはそれぞれのセルに冷却ムラを生じてしまう、という問題がある。
【０００５】
また、単セルが上下２枚のプレート間で軸方向にずれ易く、これを防止するのに緩衝材（防振材）を介して挟んでいるので、通風路が更に狭くなり、冷却性が悪化してしまう、という問題がある。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑み、冷却性に優れ、単セルを確実に電池に固定することができる電気自動車用電池を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、複数の単セルを直列かつ直線的に接続したタンデムセルを水平方向及び高さ方向に複数列配列する共に、前記タンデムセルを直列に接続したセルホルダーを有する電気自動車用電池であって、前記タンデムセルを冷却するための冷却風が外部から供給される電気自動車用電池において、前記セルホルダーは、前記単セルの長さよりも短い間隔で前記タンデムセルを抱持するリブと、前記単セルの長さ方向に前記リブ間を連接する補強リブと、を備え、前記補強リブは前記タンデムセルを水平方向に隔室に区画すると共に前記冷却風を前記タンデムセルに回り込ませるルーバーとなり、前記冷却風の導入側には前記高さ方向に配列されたタンデムセル間に前記冷却風を水平方向に流通させる第１の通風路が形成されていると共に、前記水平方向に複数列配列されたタンデムセルを、前記冷却風が導入される導入側タンデムセルと前記冷却風が排出される排出側タンデムセルとに二分したときに、前記導入側タンデムセルより前記排出側タンデムセルに回り込む冷却風の流速が大きくなるように、前記導入側タンデムセルの補強リブの形状と前記排出側タンデムセルの補強リブの形状とが異なることを特徴とする。また、本発明の第２の態様は、複数の単セルを直列かつ直線的に接続したタンデムセルを水平方向及び高さ方向に複数列配列する共に、前記タンデムセルを直列に接続したセルホルダーを有する電気自動車用電池であって、前記タンデムセルを冷却するための冷却風が外部から供給される電気自動車用電池において、前記セルホルダーは、前記単セルの長さよりも短い間隔で前記タンデムセルを抱持するリブと、前記単セルの長さ方向に前記リブ間を連接する補強リブと、を備え、前記補強リブは前記タンデムセルを水平方向に隔室に区画すると共に前記冷却風を前記タンデムセルに回り込ませるルーバーとなり、前記冷却風の導入側には前記高さ方向に配列されたタンデムセル間に前記冷却風を水平方向に流通させる第１の通風路が形成されていると共に、前記タンデムセルに回り込む冷却風の流速が前記冷却風の排出側に行くにつれて大きくなるように、前記補強リブの形状を異ならせたことを特徴とする。
【０００８】
本発明では、複数の単セルを直列かつ直線的に接続したタンデムセルをセルホルダー内に横置きにしてリブで抱持するので、所要個数のタンデムセルをセルホルダー内に整然と、かつ、遊動することなく配設することができると共に、単セル内で最も重量がある極板部を支持可能なようにリブを単セルの長さよりも短い間隔で配置したので、単セル内重量部を確実に抱持することでタンデムセルの支持安定性を良好にすることができる。また、セルホルダーは単セルの長さ方向にリブ間を連接する補強リブを備えているので、セルホルダー自体の剛性を高めることができる。更に、補強リブはタンデムセルを水平方向に隔室に区画すると共に冷却風をタンデムセルに回り込ませるルーバーとなり、冷却風の導入側には高さ方向に配列されたタンデムセル間に冷却風を水平方向に流通させる第１の通風路が形成されているので、冷却風を各タンデムセルに行き渡らせることができることから、タンデムセル個々の冷却を良好に行うことができ、電池全体の冷却性能を高めることができる。とりわけ、第１の態様では、水平方向に複数列配列されたタンデムセルを、冷却風が導入される導入側タンデムセルと冷却風が排出される排出側タンデムセルとに二分したときに、導入側タンデムセルより排出側タンデムセルに回り込む冷却風の流速が大きくなるように、導入側タンデムセルの補強リブの形状と排出側タンデムセルの補強リブの形状とを異なるようにしたので、回り込む冷却風の温度が導入側タンデムセルより排出側タンデムセルの方が高くなっても、冷却風の流速の平方根に比例して冷却効果は増加し、導入側タンデムセルと排出側タンデムセルとの温度差を小さくすることができる。また、第２の態様では、タンデムセルに回り込む冷却風の流速が冷却風の排出側に行くにつれて大きくなるように、補強リブの形状を異ならせるようにしたので、直列に接続された各タンデムセルの温度のバラツキをなくすることができ、電池の所定性能を発揮・維持することができる。
【０００９】
上記第１及び第２の態様において、補強リブは、高さ方向に隣接するタンデムセル間に向けて突出する板状又は山形状としてもよい。また、単セルを制御し、セルホルダーの両側に２つに分割されて配置されるセルコンボックスを更に備え、セルホルダーとセルコンボックスとの間に形成される空間が冷却風の給排通路となるようにすれば、給排通路を画定する隔壁を別に設けなくてもよいので、電池の小型化及び部品の削減を図ることができる。また、セルホルダーを、タンデムセルを上部側から抱持する上部ホルダーと下部側から抱持する下部ホルダーとに分割して形成するようにすれば、タンデムセルを上部ホルダーと下部ホルダーとの間に抱持すればよいので、タンデムセルの抱持を容易に行うことができる。このとき、セルホルダーを、タンデムセルを上部側又は下部側から抱持する上下ホルダーと、上下ホルダーの間に配置されタンデムセルの上部側及び下部側を抱持する中間ホルダーと、の２種のホルダーを組み合わせて構成するようにすれば、２種のホルダーは上下方向に反転してタンデムセルを抱持することができるので、高さ方向のタンデムセルの配列が多くなった場合でも、セルホルダーを構成する部品を２種だけとすることができる。更に、リブにタンデムセルを抱持する抱持端面を円弧状に形成し、該抱持端面に周方向に溝部を形成して、該溝部に接着剤を充填するようにすれば、リブとタンデムセルとを確実に接着することができるので、各タンデムセルをセルホルダー内に固定することができると共に、リブとタンデムセル外周との間がシールされてタンデムセルを構成する単セル間の冷却風の流通がなくなるので、タンデムセルの冷却性を向上させることができる。
【００１０】
また、タンデムセル間を直列に接続する金属金具を配設したホルダーカバーを更に備え、該ホルダーカバーをセルホルダーの正面及び背面に固定するようにすれば、タンデムセル同士を個々に接続せずに一括接続が可能となるので、作業効率を向上させることができる。このとき、タンデムセルが単セル間に該単セル同士を直列に接続するための金属部材を有し、該金属部材の外縁から線状で単セルより長い導電性突起をタンデムセルのプラス端子側に突出させ、該突起の先端部をホルダーカバーに形成された穴を貫通させてホルダーカバー外部に露出させるようにすれば、突起の先端部がサイドカバー外部に露出しているので、タンデムセルを構成する各単セルの電圧を検出することができる。また、金属部材を、十字形状を有する平板とし、該十字端部を高電位側の単セル直径に着接可能なように直角方向へ折れ曲げ、該折れ曲げた十字端部の先端一箇所から突起を突出させるようにすれば、金属部材は十字形状をしているので、例えば過充電等の異常時に単セルからガスが噴出した場合でも十字形状の隙間からガスを抜くことができる。
【００１２】
そして、セルホルダーを、該セルホルダーの上部に配置される板状の天板を介して外装ケースに収納するようにすれば、外装ケース上側から加わる力は外装ケースと天板とで受けることができ、外装ケース上側から加わる力はセルホルダー全体に分散されるので、セルホルダーに集中加重が掛かることを防止することができる。このとき、天板とセルホルダーとの間及び該セルホルダーと外装ケースの下部内面との間に冷却風を水平方向に流通させる第２の通風路を形成し、天板又は外装ケース下部内面に面する冷却風の排出側近傍の補強リブを、第２の通風路を流通する冷却風を第１の通風路を流通する冷却風に合流させるように、台形状又は三角形状とするようにすれば、排出側近傍のタンデムセルには第２通風路を流通する冷却風も回り込むので、排出側近傍のタンデムセルの温度の上昇を抑えることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る電気自動車用電池が適用可能な電池モジュールの実施の形態について説明する。
【００１４】
（構成）
まず、本実施形態の電池モジュールの構成について説明する。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態の電池モジュール１は、電池モジュール１の筐体となり、２部品の樹脂成形品からなる外装ケース２を備えている。外装ケース２の正面両端部にはヒモ挿通穴が形成されており、このヒモ挿通穴に吊り下げヒモ３を挿通して電池モジュール１を吊り下げて移動させることも可能となっている。
【００１６】
図１及び図２に示すように、外装ケース２は、上蓋５と下蓋６とで構成されている。これら上蓋５と下蓋６との間には、樹脂製で平板状の天板７、単セル２個を直列に接続したタンデムセルを収容するセルホルダー１０、セルホルダー１０の前面及び背面に固定されたホルダーカバー１１ａ、１１ｂ、及びセルホルダー１０の両側面に所定間隔を隔てて固定され各単セル及び電池モジュール１全体を制御するセルコントローラーを内蔵したセルコンボックス９が収容されている。
【００１７】
上蓋５上部には、電池モジュール１の外部から供給される冷却空気をセルホルダー１０内に導入するための円筒状の導入ダクト３０ａと、セルホルダー１０内を流通した空気を電池モジュール１の外部へ排出するための円筒状の排出ダクト３０ｂとが上蓋５と一体に形成されている。これら導入ダクト３０ａ及び排出ダクト３０ｂの上部は、冷却空気に混入された異物が電池モジュール１内に落下して入り込まないようにメッシュ状の金属網を有する落下物防止ネット３６で覆われている。なお、導入ダクト３０ａ及び排出ダクト３０ｂの外周部は、図示しないチューブとの接続・固定を容易にするためにたけのこ状とされている。
【００１８】
また、上蓋５の左側面側には、段差を有し上蓋５上部とほぼ平行面上に電源出力部が形成されている。この電源出力部の中央にはセルコンボックス９から導出されたリードを束ねる円柱状のリード固定部材が上部方向へ突出形成されている。これらのリードは、コネクタを介して複数の電池モジュール全体を制御するバッテリーコントローラーに接続される。上蓋５電源出力部のリード固定部材を跨ぐ両側（前面及び背面側）には、セルコンボックス９の左側面側に配置された断面Ｕ字状の接触防止カバーに側面を覆われた強電ターミナル４を上蓋５の外部に露出させるためのターミナル案内穴が形成されており、フューズ８を介して単セルの高電位側に接続された強電ターミナル４と低電位側に接続された強電ターミナル４とがターミナル案内穴から突出している。
【００１９】
図３に示すように、セルホルダー１０は、２４本のタンデムセル１４を横（水平方向）８列、縦（高さ方向）３列に抱持する構造とされている。図４に示すように、このセルホルダー１０は、電気絶縁性の樹脂製上部ケース１３ａと下部ケース１３ｂとの２種で構成されており、最下層に下部ケース１３ｂを配置し、上部ケース１３ａ、上下方向に反転させた上部ケース１３ａ、同じく上下方向に反転させた下部ケース１３ｂの順に高さ方向に配置して、これらのケースの間にタンデムセル１４を挟持して重ねたものである。
【００２０】
図３及び図４に示すように、各タンデムセル１４は、上部ケース１３ａ、下部ケース１３ｂにそれぞれ形成された円弧状のリブ２２により、上下それぞれ４箇所で担持されている。図５に示すように、リブ２２の周方向中央には接着剤を充填するための溝２３が形成されている。各タンデムセル１４は、隣接するタンデムセル１４と極性が異なる方向にリブ２２上に載置され、上部ケース１３ａ及び下部ケース１３ｂの上下方向から加圧されて溝２３に充填されたポリウレタン系接着剤でリブ２２に接着・固定される。
【００２１】
図６（ａ）に示すように、各タンデムセル１４は、２個の単セル１７を直列に直線的に電気的かつ機械的に接続することにより構成されている。これら２個の単セル１７の間には、ポリプロピレン（ＰＰ）等の樹脂製で低電位側（図６（ａ）下側）の単セル１７のプラス端子が挿通可能なように中央に円形穴が形成された十字状のタンデム絶縁板１９と、高電位側（図６（ａ）上側）の単セル１７のマイナス端子に装着されるタンデムブスバ１８とが介在しており、低電位側の単セル１７のプラス端子はタンデムブスバ１８に溶接されている。
【００２２】
図７に示すように、タンデムブスバ１８は中央に十字穴が形成された十字状の平板金属部材とされており、この十字穴周部と低電位側の単セル１７のプラス端子とがスポット溶接される。タンデムブスバ１８の十字状金属部材の先端部は高電位側の単セル１７に装着可能なように上部方向にほぼ直角に折れ曲がっており、その一箇所からは各単セル１７の電圧セルホルダー１０の外部から検出するために、単セル１７より長く導電性の電圧検出用突起２０が突出している。高電位側の単セル１７はタンデムブスバ１８に装着された後、タンデムブスバ１８との間でスポット溶接される。
【００２３】
図６（ａ）（ｂ）に示すように、タンデムセル１４は、プラス端子側に円盤状で電圧検出用突起２０との短絡を防ぐ樹脂製の正極絶縁板１６が配置され、電気絶縁性及び熱シュリンク性を有する樹脂製の外装チューブ２１によってその外周面が被覆され、電圧検出用突起２０は単セル１７と共にこの外装チューブ２１によって保護されている。従って、外装チューブ２１からは、タンデムセル１４のプラス端子、マイナス端子及び電圧検出用突起２０の先端部のみが露出している（図３も参照）。
【００２４】
図６（ａ）に示すように、単セル１７は円筒形リチウムイオン電池であり、正極活物質のマンガン酸リチウムをアルミニウム箔に塗着した帯状の正極と、負極活物質の非晶質炭素を圧延銅箔に塗着した帯状の負極と、をこれら両極が直接接触しないようにセパレータを挟んで円筒状軸芯の回りに断面渦巻状に捲回された電極捲回群が形成されており、円筒状の電池容器缶内に電極捲回群が収納され、電解液注液後、封口し、初充電することで二次電池としての機能が付与されている。
【００２５】
従って、図３に示すように、セルホルダー１０内には単セル１７が４８個収容されており（図８も参照）、各単セル１７の両端部は上部ケース１３ａ、下部ケース１３ｂにそれぞれ形成されたリブ２２で上下それぞれ２箇所が外装チューブ２１を介して接着・固定されている。
【００２６】
図８に示すように、ホルダーカバー１１ａ、１１ｂはタッピングネジ２４でセルホルダー１０の正面及び背面にそれぞれ固定されている。図９（ａ）（ｂ）に示すように、ホルダーカバー１１ａ、１１ｂには、タンデムセル１４を電気的に直列に、かつ、物理的に接続する金属製のブスバー１２ａ、１２ｂが配設されている。これらブスバー１２ａ、１２ｂは、中央に十字状穴が形成され両端に配置される円盤状の金属板とこれらの円盤状金属板を接続する短冊状の金属バーとで構成されている。ホルダーカバー１１ａ、１１ｂには円盤状金属板が配置される箇所が円形に抜かれた円形穴が形成されており、ブスバー１２ａ、１２ｂの円盤状金属板とタンデムセル１４の端子が接触するようになっている。また、ホルダーカバー１１ａ、１１ｂには弧状の突起穴３７が形成されており、この突起穴３７に電圧検出用突起２０の先端部が挿通され、電圧検出用突起２０の先端部はホルダーカバー１１ａ、１１ｂの外部に露出している。
【００２７】
図８及び図９（ａ）（ｂ）に示すように、ホルダーカバー１１ａ、１１ｂはそれぞれセルホルダー１０の正面及び背面に配置されタッピングネジ２４でセルホルダー１０に固定された後、タンデムセル１４とブスバー１２ａ、１２ｂとをスポット溶接を用いて溶接し、タンデムセル１４間が電気的、物理的に接続される。なお、図９（ａ）示すように、下部両端側に配置されるタンデムセル１７のマイナス端子及びプラス端子はそれぞれ上述した強電ターミナル４に接続されており、また、電圧検出用突起２０の先端部は図示しないリードによりセルコンボックス９内のセルコントローラーに接続されている。
【００２８】
図３、図４及び図８に示すように、セルホルダー１０には、タンデムセル１４を接着・固定する４箇所のリブ２２によって５つの空間が画定されている。すなわち、セルホルダー１０側面に固定された背面ホルダーカバー１１ｂが配置される第１区画空間２５ａ、タンデムセル１４のうち一方の単セル１７が配置される第２区画空間２５ｂ、タンデムブスバ１８及びタンデム絶縁板が配置される第３区画空間２５ｃ、タンデムセル１４のうち他方の単セル１７等が主に配置される第４区画空間２５ｄ、セルホルダー１０に固定された正面ホルダーカバー１１ａが配置される第５区画空間２５ｅに画定されている。これら５つの空間のうち、冷却空気が必要である空間は、タンデムセル１４の充放電によって最も発熱が起こりうる単セル１７が配置される第２区画空間２５ｂ及び第４区画空間２５ｄである。このため、第１区画空間２５ａ及び第５区画空間２５ｅは電圧検出用突起２０を保護すると共にタンデムセル１４を接続する空間とし、第３区画空間２５ｃはセルホルダー１０の強度を重視する区画とし、これらの区画は冷却空気による冷却性が期待されない区画とされている。第２区画空間２５ｂ及び第４区画空間２５ｄのリブ２２間には、リブ２２間を補強すると共に冷却空気の流れを調節するルーバーとして機能する補強リブ２６が、リブ２２間を連接するよう配置されている。
【００２９】
図１０に示すように、電池モジュール１の第２区画空間２５ａ及び第５区画空間２５ｅの断面は、冷却空気の導入側１５、第１ルーバー２８ａ、第２ルーバー２８ｂ、第３ルーバー２８ｃ、第４ルーバー２８ｄ、第５ルーバー２８ｅ、第６ルーバー２８ｆ、第７ルーバー２８ｇ、次いで冷却空気の排出側２７の順に、異なる形状の補強リブ２６によりセルホルダー１０内を流通する冷却空気の速度が順次増す構造とされている。これら第１ルーバー２８ａから第７ルーバー２８ｇまでの各ルーバーは、図４に示すように、上から順に、下部ケース１３ｂ、上部ケース１３ａ、上部ケース１３ａ、下部ケース１３ｂの補強リブ２６により形成されている。
【００３０】
また、セルホルダー１０の冷却空気導入側１５は、冷却空気の温度が最も低い状態にあるため、冷却空気がタンデムセル１４に接触する面積を極力減らし、かつ、空気との圧損を減らすように、タンデムセル１４の円周に沿って断面円弧状の形状とされている。第１ルーバー２８ａは断面形状がＩ字状とされおり、冷却空気導入側１５から離れるにつれて冷却空気とタンデムセル１４との接触面積を増しタンデムセル１４に冷却空気を回り込ませために、第２ルーバー２８ｂ、第３ルーバー２８ｃ、第４ルーバー２８ｄの順に断面Ｉ字状の中心断絶部３１（図１１参照）が大きくなる形状とされている。また、第５ルーバー２８ｅでは、セルホルダー１０の高さ方向で２段目及び３段目に、上下に山形状のルーバーが形成され、最下段と最上段では、断面台形状のルーバーが形成されている。更に、第６ルーバー２８ｆ、第７ルーバー２８ｇと冷却空気排出側２７に近づくにつれ、２段目、３段目の断面山形状のルーバーの（上下方向の）長さが増加し（図１１の符号３３も参照）、最下段及び最上段の断面台形状のルーバーは高さも増加して上辺が短く断面三角形状とされており、タンデムセル１４と各ルーバー２８との間隔が順次小さくなっている（図１１の符号３２も参照）。そして、セルホルダー１０の冷却空気排出側２７は、冷却空気の温度が最も高い状態となるので、冷却空気の流速を大きくするために、タンデムセル１４とルーバーとの間隔が小さくなるように、２段目、３段目のルーバーは断面三角形状とされている。
【００３１】
従って、図１０及び図１１に示すように、セルホルダー１０のタンデムセル１７間には、空間３９が形成された構造とされている。また、セルホルダー１０と下蓋６、セルホルダー１０と天板７との間には、タンデムセル１４を支持するリブ２２以外の部分は第７ルーバー２８ｇまでは空間３４となっており、天板７と上蓋５との間には上蓋５上部内面から下側方向突出した複数のリブで所定間隔が形成されている。同様に、下蓋６内面から上側に突出しセルホルダー１０を支持する図示しない複数のリブでセルホルダー１０と下蓋６内面との間にも所定間隔が形成され、水平方向にバイパス通風路３５（第２の通風路）が形成されている。
【００３２】
（作用等）
次に、本実施形態の電池モジュール１の作用について説明する。
【００３３】
周知の通り、電池は充放電に伴い発熱するので、電池発熱による異常昇温を防止するためには、電池冷却手段が必要である。本実施形態の電池モジュール１では、図１１に示すように、電池モジュール１の外部から冷却空気を導入ダクト３０ａから供給し、供給された冷却空気はセルホルダー１０とセルコンボックス９との間を下方に流れ、セルホルダー１０を形成する上部ケース１３ａ、下部ケース１３ｂの間に形成された冷却空気導入側１５（図８のセルホルダー１０の左側の符号１５も参照）からセル間通路３８（第１の通風路）に沿って、高さ方向に配列されたタンデムセル１４間を水平方向に流れ、冷却空気導入側１５とは反対側に位置する冷却空気排出側２７（図８ではセルホルダー１０の右側）に出てセルホルダー１０とセルコンボックス９の間を抜けて上昇し、排出ダクト３０ｂから排出される冷却空気流によって、縦３列、横８列に配置された各タンデムセル１４の冷却を行っている。
【００３４】
タンデムセル１４間を流通する冷却空気は、冷却空気排出側２７になるにつれて温度が上昇するので、電池モジュール１では、上述した第１乃至第７ルーバー２８ａ〜２８ｇを形成する補強リブ２６の形状を異ならせ冷却空気の流路を絞ることによって、冷却空気の流速が、冷却空気導入側１５で４０ｍ／分、冷却空気排出側２７で４０００ｍ／分となるように、冷却空気排出側２７に近づくにつれて冷却空気の流速を意図的に増加させ、タンデムセル１４間の温度のバラツキをなくするようにしている。これは、空気流の流速を増大させると、その平方根に比例して冷却効果が増加することを利用したものである。また、電池モジュール１では、タンデムセル１４間を流通し温度が昇温した空気に、空間３４をバイパス通風路３５として冷却空気を直接合流させることで、冷却空気排出側２７近傍のタンデムセル１４の温度上昇を抑え、全タンデムセル１４の冷却を均等に行っている。従って、電池モジュール１はタンデムセル１４の冷却性に優れ、しかもタンデムセル１４の冷却を均等に行っているので、単セル１７の所定（仕様）性能を発揮・維持することができることから電池モジュール１全体の所定性能を発揮・維持することができると共に、一般に５０°Ｃ程度の高温環境下で寿命が短くなるマンガン酸リチウム等を正極活物質に用いたリチウムイオン電池を単セル１７に使用し直列に接続しても寿命が短くなることもない。このため、本実施形態の電池モジュール１は、電気自動車用の電源として好適である。
【００３５】
また、タンデムセル１４は、上部ケース１３ａ、下部ケース１３ｂにそれぞれ形成された円弧状リブ２２で上下それぞれ２箇所で担持され、リブ２２の周方向中央の溝２３に充填された接着剤で接着されているので、セルホルダー１０に振動が加わっても、セルホルダー１０から遊動することなくセルホルダー１０内に固定される。また、接着剤を溝２３に充填することによって、リブ２２からの接着剤のはみ出しが少なくなり、かつ、タンデムセル１４外周とリブ２２とのシールが向上し、タンデムセル１４を構成する単セル１７間の流通がなくなるので冷却空気の流通が良好となる。
【００３６】
更に、補強リブ２６は単セル１７の長さ方向にリブ２２間を補強しているので、セルホルダー１０は剛性を有し、振動等の外部加重が加わっても、２４個のタンデムセル１４を抱持することができる。また、セルホルダー１０は上部ケース１３ａと下部ケース１３ｂとで構成したので、タンデムセル１７を抱持する際の作業性を向上させることができる。
【００３７】
また、セルコンボックス９を２分割して冷却空気導入側１５と冷却空気排出側２７との隔壁としたので、隔壁を別部品とする必要がないことから、電池モジュール１の小型化を図ることができ、部品数の削減も図ることができる。
【００３８】
また更に、正面ホルダーカバー１１ａ、背面ホルダーカバー１１ｂにブスバー１２ａ、１２ｂを予め配設しタンデムセル１７間の直列接続を個々に行うことなく一括接続を行うことができるので、電池モジュール１の作製の作業効率を向上させることができる。また、電圧検出用突起２０の先端部を正面ホルダーカバー１１ａ、背面ホルダーカバー１１ｂ外部に露出させるようにしたので、セルホルダー１０内にリード線等による複雑な配線を必要としないので、電池モジュール１の回路構成を簡単にすることができる。
【００３９】
そして、天板７をセルホルダー１０の上部に配置したので、外装ケース２上部側から加重が加わっても当該加重を上蓋５と天板７とで受けることができ、セルホルダー１０全体に分散させることができるので、電池モジュール１の剛性を高めることができると共に、セルホルダー１０の一部に加重が集中することを防止することができる。
【００４０】
なお、本実施形態では、本発明に係る電気自動車用電池を適用した電池モジュール１の一例のみを示したが、本発明は本例に限定されることなく、上述した特許請求の範囲において種々の態様を採ることができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数の単セルを直列かつ直線的に接続したタンデムセルをセルホルダー内に横置きにしてリブで抱持するので、所要個数のタンデムセルをセルホルダー内に整然と、かつ、遊動することなく配設することができ、セルホルダーは単セルの長さ方向にリブ間を連接する補強リブを備えているので、セルホルダー自体の剛性を高めることができると共に、補強リブはタンデムセルを水平方向に隔室に区画すると共に冷却風をタンデムセルに回り込ませるルーバーとなり、前記冷却風の導入側には高さ方向に配列されたタンデムセル間に冷却風を水平方向に流通させる第１の通風路を形成したので、冷却風を各タンデムセルに行き渡らせることができることから、タンデムセル個々の冷却を良好に行うことができ、電池全体の冷却性能を高めることができ、とりわけ、第１の態様では、水平方向に複数列配列されたタンデムセルを、冷却風が導入される導入側タンデムセルと冷却風が排出される排出側タンデムセルとに二分したときに、導入側タンデムセルより排出側タンデムセルに回り込む冷却風の流速が大きくなるように、導入側タンデムセルの補強リブの形状と排出側タンデムセルの補強リブの形状とを異なるようにしたので、回り込む冷却風の温度が導入側タンデムセルより排出側タンデムセルの方が高くなっても、冷却風の流速の平方根に比例して冷却効果は増加し、導入側タンデムセルと排出側タンデムセルとの温度差を小さくすることができ、第２の態様では、タンデムセルに回り込む冷却風の流速が冷却風の排出側に行くにつれて大きくなるように、補強リブの形状を異ならせるようにしたので、直列に接続された各タンデムセルの温度のバラツキをなくすることができ、電池の所定性能を発揮・維持することができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施形態の電池モジュールの外観斜視図である。
【図２】実施形態の電池モジュールの分解斜視図である。
【図３】セルホルダー内のタンデムセル収容状態を示す一部分解斜視図である。
【図４】セルホルダーを構成する上部ケース及び下部ケースの斜視図である。
【図５】セルホルダーのリブ近傍の拡大斜視図である。
【図６】（ａ）はタンデムセルの構成を示す分解斜視図であり、（ｂ）はタンデムセルの外観斜視図である。
【図７】タンデムブスバの外観斜視図である。
【図８】セルホルダーへの正面ホルダーカバー及び背面ホルダーカバーの取付状態を示す分解斜視図である。
【図９】（ａ）は正面ホルダーカバーをセルホルダー側からみたときの正面図であり、（ｂ）は背面ホルダーカバーをセルホルダー側からみたときの正面図である。
【図１０】実施形態の電池モジュールの断面図である。
【図１１】実施形態の電池モジュールの作用を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１ 電池モジュール（電気自動車用電池）
２ 外装ケース
５ 上蓋
６ 下蓋
７ 天板
９ セルコンボックス
１０ セルホルダー
１１ａ 正面ホルダーカバー
１１ｂ 背面ホルダーカバー
１２ａ、１２ｂ ブスバー（金属金具）
１３ａ 上部ケース（上下ホルダー）
１３ｂ 下部ケース（中間ホルダー）
１４ タンデムセル
１７ 単セル
１８ タンデムブスバ（金属部材）
２０ 電圧検出用突起（突起）
２２ リブ
２３ 溝（溝部）
２６ 補強リブ
２８ａ 第１ルーバー（ルーバー）
２８ｂ 第２ルーバー（ルーバー）
２８ｃ 第３ルーバー（ルーバー）
２８ｄ 第４ルーバー（ルーバー）
２８ｅ 第５ルーバー（ルーバー）
２８ｆ 第６ルーバー（ルーバー）
２８ｇ 第７ルーバー（ルーバー）
３５ バイパス通風路（第２の通風路）
３７ 突起穴（穴）
３８ セル間通風路（第１の通風路）
【発明の属する技術分野】
本発明は電気自動車用電池に係り、特に、複数の単セルを直列かつ直線的に接続したタンデムセルを水平方向及び高さ方向に複数列配列する共に、タンデムセルを直列に接続したセルホルダーを有する電気自動車用電池であって、タンデムセルを冷却するための冷却風が外部から供給される電気自動車用電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車のバッテリには、リチウム酸化物等を主要構成材料とした高性能、高容量の二次電池が複数個用いられている。このような二次電池では、一般に、電極が正極、負極共に活物質が金属箔に塗着された帯状であり、正極、負極が直接接触しないようにセパレータを挟んで断面が渦巻状に捲回された捲回式構造が採られている。電気自動車のバッテリに使用される二次電池は、充放電時の発熱量が比較的大きく、かつ、電池性能の温度依存性もあるため、電池の冷却性能を高める必要がある。
【０００３】
電池の冷却性能を高めるために、例えば特開平第７−４７８９２号公報には、単セル（単電池）を円筒状に形成し、この単セルを熱伝導率の高い材料からなる２枚のプレートで上下方向から挟み込み、該プレートを介して車体に固定することによって上下プレート間に通風路を形成した電気自動車用電池の技術が開示されている。この技術によれば、単セルの中空部とプレートとの間の通風路に空気が流通し得るので、電気自動車用電池を構成する単セルの冷却を行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載の技術では、上下２枚のプレート間に通風路を形成しているので、通風路が狭く熱がこもり易く、また、前後に単セルを配置した場合にはそれぞれのセルに冷却ムラを生じてしまう、という問題がある。
【０００５】
また、単セルが上下２枚のプレート間で軸方向にずれ易く、これを防止するのに緩衝材（防振材）を介して挟んでいるので、通風路が更に狭くなり、冷却性が悪化してしまう、という問題がある。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑み、冷却性に優れ、単セルを確実に電池に固定することができる電気自動車用電池を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、複数の単セルを直列かつ直線的に接続したタンデムセルを水平方向及び高さ方向に複数列配列する共に、前記タンデムセルを直列に接続したセルホルダーを有する電気自動車用電池であって、前記タンデムセルを冷却するための冷却風が外部から供給される電気自動車用電池において、前記セルホルダーは、前記単セルの長さよりも短い間隔で前記タンデムセルを抱持するリブと、前記単セルの長さ方向に前記リブ間を連接する補強リブと、を備え、前記補強リブは前記タンデムセルを水平方向に隔室に区画すると共に前記冷却風を前記タンデムセルに回り込ませるルーバーとなり、前記冷却風の導入側には前記高さ方向に配列されたタンデムセル間に前記冷却風を水平方向に流通させる第１の通風路が形成されていると共に、前記水平方向に複数列配列されたタンデムセルを、前記冷却風が導入される導入側タンデムセルと前記冷却風が排出される排出側タンデムセルとに二分したときに、前記導入側タンデムセルより前記排出側タンデムセルに回り込む冷却風の流速が大きくなるように、前記導入側タンデムセルの補強リブの形状と前記排出側タンデムセルの補強リブの形状とが異なることを特徴とする。また、本発明の第２の態様は、複数の単セルを直列かつ直線的に接続したタンデムセルを水平方向及び高さ方向に複数列配列する共に、前記タンデムセルを直列に接続したセルホルダーを有する電気自動車用電池であって、前記タンデムセルを冷却するための冷却風が外部から供給される電気自動車用電池において、前記セルホルダーは、前記単セルの長さよりも短い間隔で前記タンデムセルを抱持するリブと、前記単セルの長さ方向に前記リブ間を連接する補強リブと、を備え、前記補強リブは前記タンデムセルを水平方向に隔室に区画すると共に前記冷却風を前記タンデムセルに回り込ませるルーバーとなり、前記冷却風の導入側には前記高さ方向に配列されたタンデムセル間に前記冷却風を水平方向に流通させる第１の通風路が形成されていると共に、前記タンデムセルに回り込む冷却風の流速が前記冷却風の排出側に行くにつれて大きくなるように、前記補強リブの形状を異ならせたことを特徴とする。
【０００８】
本発明では、複数の単セルを直列かつ直線的に接続したタンデムセルをセルホルダー内に横置きにしてリブで抱持するので、所要個数のタンデムセルをセルホルダー内に整然と、かつ、遊動することなく配設することができると共に、単セル内で最も重量がある極板部を支持可能なようにリブを単セルの長さよりも短い間隔で配置したので、単セル内重量部を確実に抱持することでタンデムセルの支持安定性を良好にすることができる。また、セルホルダーは単セルの長さ方向にリブ間を連接する補強リブを備えているので、セルホルダー自体の剛性を高めることができる。更に、補強リブはタンデムセルを水平方向に隔室に区画すると共に冷却風をタンデムセルに回り込ませるルーバーとなり、冷却風の導入側には高さ方向に配列されたタンデムセル間に冷却風を水平方向に流通させる第１の通風路が形成されているので、冷却風を各タンデムセルに行き渡らせることができることから、タンデムセル個々の冷却を良好に行うことができ、電池全体の冷却性能を高めることができる。とりわけ、第１の態様では、水平方向に複数列配列されたタンデムセルを、冷却風が導入される導入側タンデムセルと冷却風が排出される排出側タンデムセルとに二分したときに、導入側タンデムセルより排出側タンデムセルに回り込む冷却風の流速が大きくなるように、導入側タンデムセルの補強リブの形状と排出側タンデムセルの補強リブの形状とを異なるようにしたので、回り込む冷却風の温度が導入側タンデムセルより排出側タンデムセルの方が高くなっても、冷却風の流速の平方根に比例して冷却効果は増加し、導入側タンデムセルと排出側タンデムセルとの温度差を小さくすることができる。また、第２の態様では、タンデムセルに回り込む冷却風の流速が冷却風の排出側に行くにつれて大きくなるように、補強リブの形状を異ならせるようにしたので、直列に接続された各タンデムセルの温度のバラツキをなくすることができ、電池の所定性能を発揮・維持することができる。
【０００９】
上記第１及び第２の態様において、補強リブは、高さ方向に隣接するタンデムセル間に向けて突出する板状又は山形状としてもよい。また、単セルを制御し、セルホルダーの両側に２つに分割されて配置されるセルコンボックスを更に備え、セルホルダーとセルコンボックスとの間に形成される空間が冷却風の給排通路となるようにすれば、給排通路を画定する隔壁を別に設けなくてもよいので、電池の小型化及び部品の削減を図ることができる。また、セルホルダーを、タンデムセルを上部側から抱持する上部ホルダーと下部側から抱持する下部ホルダーとに分割して形成するようにすれば、タンデムセルを上部ホルダーと下部ホルダーとの間に抱持すればよいので、タンデムセルの抱持を容易に行うことができる。このとき、セルホルダーを、タンデムセルを上部側又は下部側から抱持する上下ホルダーと、上下ホルダーの間に配置されタンデムセルの上部側及び下部側を抱持する中間ホルダーと、の２種のホルダーを組み合わせて構成するようにすれば、２種のホルダーは上下方向に反転してタンデムセルを抱持することができるので、高さ方向のタンデムセルの配列が多くなった場合でも、セルホルダーを構成する部品を２種だけとすることができる。更に、リブにタンデムセルを抱持する抱持端面を円弧状に形成し、該抱持端面に周方向に溝部を形成して、該溝部に接着剤を充填するようにすれば、リブとタンデムセルとを確実に接着することができるので、各タンデムセルをセルホルダー内に固定することができると共に、リブとタンデムセル外周との間がシールされてタンデムセルを構成する単セル間の冷却風の流通がなくなるので、タンデムセルの冷却性を向上させることができる。
【００１０】
また、タンデムセル間を直列に接続する金属金具を配設したホルダーカバーを更に備え、該ホルダーカバーをセルホルダーの正面及び背面に固定するようにすれば、タンデムセル同士を個々に接続せずに一括接続が可能となるので、作業効率を向上させることができる。このとき、タンデムセルが単セル間に該単セル同士を直列に接続するための金属部材を有し、該金属部材の外縁から線状で単セルより長い導電性突起をタンデムセルのプラス端子側に突出させ、該突起の先端部をホルダーカバーに形成された穴を貫通させてホルダーカバー外部に露出させるようにすれば、突起の先端部がサイドカバー外部に露出しているので、タンデムセルを構成する各単セルの電圧を検出することができる。また、金属部材を、十字形状を有する平板とし、該十字端部を高電位側の単セル直径に着接可能なように直角方向へ折れ曲げ、該折れ曲げた十字端部の先端一箇所から突起を突出させるようにすれば、金属部材は十字形状をしているので、例えば過充電等の異常時に単セルからガスが噴出した場合でも十字形状の隙間からガスを抜くことができる。
【００１２】
そして、セルホルダーを、該セルホルダーの上部に配置される板状の天板を介して外装ケースに収納するようにすれば、外装ケース上側から加わる力は外装ケースと天板とで受けることができ、外装ケース上側から加わる力はセルホルダー全体に分散されるので、セルホルダーに集中加重が掛かることを防止することができる。このとき、天板とセルホルダーとの間及び該セルホルダーと外装ケースの下部内面との間に冷却風を水平方向に流通させる第２の通風路を形成し、天板又は外装ケース下部内面に面する冷却風の排出側近傍の補強リブを、第２の通風路を流通する冷却風を第１の通風路を流通する冷却風に合流させるように、台形状又は三角形状とするようにすれば、排出側近傍のタンデムセルには第２通風路を流通する冷却風も回り込むので、排出側近傍のタンデムセルの温度の上昇を抑えることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る電気自動車用電池が適用可能な電池モジュールの実施の形態について説明する。
【００１４】
（構成）
まず、本実施形態の電池モジュールの構成について説明する。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態の電池モジュール１は、電池モジュール１の筐体となり、２部品の樹脂成形品からなる外装ケース２を備えている。外装ケース２の正面両端部にはヒモ挿通穴が形成されており、このヒモ挿通穴に吊り下げヒモ３を挿通して電池モジュール１を吊り下げて移動させることも可能となっている。
【００１６】
図１及び図２に示すように、外装ケース２は、上蓋５と下蓋６とで構成されている。これら上蓋５と下蓋６との間には、樹脂製で平板状の天板７、単セル２個を直列に接続したタンデムセルを収容するセルホルダー１０、セルホルダー１０の前面及び背面に固定されたホルダーカバー１１ａ、１１ｂ、及びセルホルダー１０の両側面に所定間隔を隔てて固定され各単セル及び電池モジュール１全体を制御するセルコントローラーを内蔵したセルコンボックス９が収容されている。
【００１７】
上蓋５上部には、電池モジュール１の外部から供給される冷却空気をセルホルダー１０内に導入するための円筒状の導入ダクト３０ａと、セルホルダー１０内を流通した空気を電池モジュール１の外部へ排出するための円筒状の排出ダクト３０ｂとが上蓋５と一体に形成されている。これら導入ダクト３０ａ及び排出ダクト３０ｂの上部は、冷却空気に混入された異物が電池モジュール１内に落下して入り込まないようにメッシュ状の金属網を有する落下物防止ネット３６で覆われている。なお、導入ダクト３０ａ及び排出ダクト３０ｂの外周部は、図示しないチューブとの接続・固定を容易にするためにたけのこ状とされている。
【００１８】
また、上蓋５の左側面側には、段差を有し上蓋５上部とほぼ平行面上に電源出力部が形成されている。この電源出力部の中央にはセルコンボックス９から導出されたリードを束ねる円柱状のリード固定部材が上部方向へ突出形成されている。これらのリードは、コネクタを介して複数の電池モジュール全体を制御するバッテリーコントローラーに接続される。上蓋５電源出力部のリード固定部材を跨ぐ両側（前面及び背面側）には、セルコンボックス９の左側面側に配置された断面Ｕ字状の接触防止カバーに側面を覆われた強電ターミナル４を上蓋５の外部に露出させるためのターミナル案内穴が形成されており、フューズ８を介して単セルの高電位側に接続された強電ターミナル４と低電位側に接続された強電ターミナル４とがターミナル案内穴から突出している。
【００１９】
図３に示すように、セルホルダー１０は、２４本のタンデムセル１４を横（水平方向）８列、縦（高さ方向）３列に抱持する構造とされている。図４に示すように、このセルホルダー１０は、電気絶縁性の樹脂製上部ケース１３ａと下部ケース１３ｂとの２種で構成されており、最下層に下部ケース１３ｂを配置し、上部ケース１３ａ、上下方向に反転させた上部ケース１３ａ、同じく上下方向に反転させた下部ケース１３ｂの順に高さ方向に配置して、これらのケースの間にタンデムセル１４を挟持して重ねたものである。
【００２０】
図３及び図４に示すように、各タンデムセル１４は、上部ケース１３ａ、下部ケース１３ｂにそれぞれ形成された円弧状のリブ２２により、上下それぞれ４箇所で担持されている。図５に示すように、リブ２２の周方向中央には接着剤を充填するための溝２３が形成されている。各タンデムセル１４は、隣接するタンデムセル１４と極性が異なる方向にリブ２２上に載置され、上部ケース１３ａ及び下部ケース１３ｂの上下方向から加圧されて溝２３に充填されたポリウレタン系接着剤でリブ２２に接着・固定される。
【００２１】
図６（ａ）に示すように、各タンデムセル１４は、２個の単セル１７を直列に直線的に電気的かつ機械的に接続することにより構成されている。これら２個の単セル１７の間には、ポリプロピレン（ＰＰ）等の樹脂製で低電位側（図６（ａ）下側）の単セル１７のプラス端子が挿通可能なように中央に円形穴が形成された十字状のタンデム絶縁板１９と、高電位側（図６（ａ）上側）の単セル１７のマイナス端子に装着されるタンデムブスバ１８とが介在しており、低電位側の単セル１７のプラス端子はタンデムブスバ１８に溶接されている。
【００２２】
図７に示すように、タンデムブスバ１８は中央に十字穴が形成された十字状の平板金属部材とされており、この十字穴周部と低電位側の単セル１７のプラス端子とがスポット溶接される。タンデムブスバ１８の十字状金属部材の先端部は高電位側の単セル１７に装着可能なように上部方向にほぼ直角に折れ曲がっており、その一箇所からは各単セル１７の電圧セルホルダー１０の外部から検出するために、単セル１７より長く導電性の電圧検出用突起２０が突出している。高電位側の単セル１７はタンデムブスバ１８に装着された後、タンデムブスバ１８との間でスポット溶接される。
【００２３】
図６（ａ）（ｂ）に示すように、タンデムセル１４は、プラス端子側に円盤状で電圧検出用突起２０との短絡を防ぐ樹脂製の正極絶縁板１６が配置され、電気絶縁性及び熱シュリンク性を有する樹脂製の外装チューブ２１によってその外周面が被覆され、電圧検出用突起２０は単セル１７と共にこの外装チューブ２１によって保護されている。従って、外装チューブ２１からは、タンデムセル１４のプラス端子、マイナス端子及び電圧検出用突起２０の先端部のみが露出している（図３も参照）。
【００２４】
図６（ａ）に示すように、単セル１７は円筒形リチウムイオン電池であり、正極活物質のマンガン酸リチウムをアルミニウム箔に塗着した帯状の正極と、負極活物質の非晶質炭素を圧延銅箔に塗着した帯状の負極と、をこれら両極が直接接触しないようにセパレータを挟んで円筒状軸芯の回りに断面渦巻状に捲回された電極捲回群が形成されており、円筒状の電池容器缶内に電極捲回群が収納され、電解液注液後、封口し、初充電することで二次電池としての機能が付与されている。
【００２５】
従って、図３に示すように、セルホルダー１０内には単セル１７が４８個収容されており（図８も参照）、各単セル１７の両端部は上部ケース１３ａ、下部ケース１３ｂにそれぞれ形成されたリブ２２で上下それぞれ２箇所が外装チューブ２１を介して接着・固定されている。
【００２６】
図８に示すように、ホルダーカバー１１ａ、１１ｂはタッピングネジ２４でセルホルダー１０の正面及び背面にそれぞれ固定されている。図９（ａ）（ｂ）に示すように、ホルダーカバー１１ａ、１１ｂには、タンデムセル１４を電気的に直列に、かつ、物理的に接続する金属製のブスバー１２ａ、１２ｂが配設されている。これらブスバー１２ａ、１２ｂは、中央に十字状穴が形成され両端に配置される円盤状の金属板とこれらの円盤状金属板を接続する短冊状の金属バーとで構成されている。ホルダーカバー１１ａ、１１ｂには円盤状金属板が配置される箇所が円形に抜かれた円形穴が形成されており、ブスバー１２ａ、１２ｂの円盤状金属板とタンデムセル１４の端子が接触するようになっている。また、ホルダーカバー１１ａ、１１ｂには弧状の突起穴３７が形成されており、この突起穴３７に電圧検出用突起２０の先端部が挿通され、電圧検出用突起２０の先端部はホルダーカバー１１ａ、１１ｂの外部に露出している。
【００２７】
図８及び図９（ａ）（ｂ）に示すように、ホルダーカバー１１ａ、１１ｂはそれぞれセルホルダー１０の正面及び背面に配置されタッピングネジ２４でセルホルダー１０に固定された後、タンデムセル１４とブスバー１２ａ、１２ｂとをスポット溶接を用いて溶接し、タンデムセル１４間が電気的、物理的に接続される。なお、図９（ａ）示すように、下部両端側に配置されるタンデムセル１７のマイナス端子及びプラス端子はそれぞれ上述した強電ターミナル４に接続されており、また、電圧検出用突起２０の先端部は図示しないリードによりセルコンボックス９内のセルコントローラーに接続されている。
【００２８】
図３、図４及び図８に示すように、セルホルダー１０には、タンデムセル１４を接着・固定する４箇所のリブ２２によって５つの空間が画定されている。すなわち、セルホルダー１０側面に固定された背面ホルダーカバー１１ｂが配置される第１区画空間２５ａ、タンデムセル１４のうち一方の単セル１７が配置される第２区画空間２５ｂ、タンデムブスバ１８及びタンデム絶縁板が配置される第３区画空間２５ｃ、タンデムセル１４のうち他方の単セル１７等が主に配置される第４区画空間２５ｄ、セルホルダー１０に固定された正面ホルダーカバー１１ａが配置される第５区画空間２５ｅに画定されている。これら５つの空間のうち、冷却空気が必要である空間は、タンデムセル１４の充放電によって最も発熱が起こりうる単セル１７が配置される第２区画空間２５ｂ及び第４区画空間２５ｄである。このため、第１区画空間２５ａ及び第５区画空間２５ｅは電圧検出用突起２０を保護すると共にタンデムセル１４を接続する空間とし、第３区画空間２５ｃはセルホルダー１０の強度を重視する区画とし、これらの区画は冷却空気による冷却性が期待されない区画とされている。第２区画空間２５ｂ及び第４区画空間２５ｄのリブ２２間には、リブ２２間を補強すると共に冷却空気の流れを調節するルーバーとして機能する補強リブ２６が、リブ２２間を連接するよう配置されている。
【００２９】
図１０に示すように、電池モジュール１の第２区画空間２５ａ及び第５区画空間２５ｅの断面は、冷却空気の導入側１５、第１ルーバー２８ａ、第２ルーバー２８ｂ、第３ルーバー２８ｃ、第４ルーバー２８ｄ、第５ルーバー２８ｅ、第６ルーバー２８ｆ、第７ルーバー２８ｇ、次いで冷却空気の排出側２７の順に、異なる形状の補強リブ２６によりセルホルダー１０内を流通する冷却空気の速度が順次増す構造とされている。これら第１ルーバー２８ａから第７ルーバー２８ｇまでの各ルーバーは、図４に示すように、上から順に、下部ケース１３ｂ、上部ケース１３ａ、上部ケース１３ａ、下部ケース１３ｂの補強リブ２６により形成されている。
【００３０】
また、セルホルダー１０の冷却空気導入側１５は、冷却空気の温度が最も低い状態にあるため、冷却空気がタンデムセル１４に接触する面積を極力減らし、かつ、空気との圧損を減らすように、タンデムセル１４の円周に沿って断面円弧状の形状とされている。第１ルーバー２８ａは断面形状がＩ字状とされおり、冷却空気導入側１５から離れるにつれて冷却空気とタンデムセル１４との接触面積を増しタンデムセル１４に冷却空気を回り込ませために、第２ルーバー２８ｂ、第３ルーバー２８ｃ、第４ルーバー２８ｄの順に断面Ｉ字状の中心断絶部３１（図１１参照）が大きくなる形状とされている。また、第５ルーバー２８ｅでは、セルホルダー１０の高さ方向で２段目及び３段目に、上下に山形状のルーバーが形成され、最下段と最上段では、断面台形状のルーバーが形成されている。更に、第６ルーバー２８ｆ、第７ルーバー２８ｇと冷却空気排出側２７に近づくにつれ、２段目、３段目の断面山形状のルーバーの（上下方向の）長さが増加し（図１１の符号３３も参照）、最下段及び最上段の断面台形状のルーバーは高さも増加して上辺が短く断面三角形状とされており、タンデムセル１４と各ルーバー２８との間隔が順次小さくなっている（図１１の符号３２も参照）。そして、セルホルダー１０の冷却空気排出側２７は、冷却空気の温度が最も高い状態となるので、冷却空気の流速を大きくするために、タンデムセル１４とルーバーとの間隔が小さくなるように、２段目、３段目のルーバーは断面三角形状とされている。
【００３１】
従って、図１０及び図１１に示すように、セルホルダー１０のタンデムセル１７間には、空間３９が形成された構造とされている。また、セルホルダー１０と下蓋６、セルホルダー１０と天板７との間には、タンデムセル１４を支持するリブ２２以外の部分は第７ルーバー２８ｇまでは空間３４となっており、天板７と上蓋５との間には上蓋５上部内面から下側方向突出した複数のリブで所定間隔が形成されている。同様に、下蓋６内面から上側に突出しセルホルダー１０を支持する図示しない複数のリブでセルホルダー１０と下蓋６内面との間にも所定間隔が形成され、水平方向にバイパス通風路３５（第２の通風路）が形成されている。
【００３２】
（作用等）
次に、本実施形態の電池モジュール１の作用について説明する。
【００３３】
周知の通り、電池は充放電に伴い発熱するので、電池発熱による異常昇温を防止するためには、電池冷却手段が必要である。本実施形態の電池モジュール１では、図１１に示すように、電池モジュール１の外部から冷却空気を導入ダクト３０ａから供給し、供給された冷却空気はセルホルダー１０とセルコンボックス９との間を下方に流れ、セルホルダー１０を形成する上部ケース１３ａ、下部ケース１３ｂの間に形成された冷却空気導入側１５（図８のセルホルダー１０の左側の符号１５も参照）からセル間通路３８（第１の通風路）に沿って、高さ方向に配列されたタンデムセル１４間を水平方向に流れ、冷却空気導入側１５とは反対側に位置する冷却空気排出側２７（図８ではセルホルダー１０の右側）に出てセルホルダー１０とセルコンボックス９の間を抜けて上昇し、排出ダクト３０ｂから排出される冷却空気流によって、縦３列、横８列に配置された各タンデムセル１４の冷却を行っている。
【００３４】
タンデムセル１４間を流通する冷却空気は、冷却空気排出側２７になるにつれて温度が上昇するので、電池モジュール１では、上述した第１乃至第７ルーバー２８ａ〜２８ｇを形成する補強リブ２６の形状を異ならせ冷却空気の流路を絞ることによって、冷却空気の流速が、冷却空気導入側１５で４０ｍ／分、冷却空気排出側２７で４０００ｍ／分となるように、冷却空気排出側２７に近づくにつれて冷却空気の流速を意図的に増加させ、タンデムセル１４間の温度のバラツキをなくするようにしている。これは、空気流の流速を増大させると、その平方根に比例して冷却効果が増加することを利用したものである。また、電池モジュール１では、タンデムセル１４間を流通し温度が昇温した空気に、空間３４をバイパス通風路３５として冷却空気を直接合流させることで、冷却空気排出側２７近傍のタンデムセル１４の温度上昇を抑え、全タンデムセル１４の冷却を均等に行っている。従って、電池モジュール１はタンデムセル１４の冷却性に優れ、しかもタンデムセル１４の冷却を均等に行っているので、単セル１７の所定（仕様）性能を発揮・維持することができることから電池モジュール１全体の所定性能を発揮・維持することができると共に、一般に５０°Ｃ程度の高温環境下で寿命が短くなるマンガン酸リチウム等を正極活物質に用いたリチウムイオン電池を単セル１７に使用し直列に接続しても寿命が短くなることもない。このため、本実施形態の電池モジュール１は、電気自動車用の電源として好適である。
【００３５】
また、タンデムセル１４は、上部ケース１３ａ、下部ケース１３ｂにそれぞれ形成された円弧状リブ２２で上下それぞれ２箇所で担持され、リブ２２の周方向中央の溝２３に充填された接着剤で接着されているので、セルホルダー１０に振動が加わっても、セルホルダー１０から遊動することなくセルホルダー１０内に固定される。また、接着剤を溝２３に充填することによって、リブ２２からの接着剤のはみ出しが少なくなり、かつ、タンデムセル１４外周とリブ２２とのシールが向上し、タンデムセル１４を構成する単セル１７間の流通がなくなるので冷却空気の流通が良好となる。
【００３６】
更に、補強リブ２６は単セル１７の長さ方向にリブ２２間を補強しているので、セルホルダー１０は剛性を有し、振動等の外部加重が加わっても、２４個のタンデムセル１４を抱持することができる。また、セルホルダー１０は上部ケース１３ａと下部ケース１３ｂとで構成したので、タンデムセル１７を抱持する際の作業性を向上させることができる。
【００３７】
また、セルコンボックス９を２分割して冷却空気導入側１５と冷却空気排出側２７との隔壁としたので、隔壁を別部品とする必要がないことから、電池モジュール１の小型化を図ることができ、部品数の削減も図ることができる。
【００３８】
また更に、正面ホルダーカバー１１ａ、背面ホルダーカバー１１ｂにブスバー１２ａ、１２ｂを予め配設しタンデムセル１７間の直列接続を個々に行うことなく一括接続を行うことができるので、電池モジュール１の作製の作業効率を向上させることができる。また、電圧検出用突起２０の先端部を正面ホルダーカバー１１ａ、背面ホルダーカバー１１ｂ外部に露出させるようにしたので、セルホルダー１０内にリード線等による複雑な配線を必要としないので、電池モジュール１の回路構成を簡単にすることができる。
【００３９】
そして、天板７をセルホルダー１０の上部に配置したので、外装ケース２上部側から加重が加わっても当該加重を上蓋５と天板７とで受けることができ、セルホルダー１０全体に分散させることができるので、電池モジュール１の剛性を高めることができると共に、セルホルダー１０の一部に加重が集中することを防止することができる。
【００４０】
なお、本実施形態では、本発明に係る電気自動車用電池を適用した電池モジュール１の一例のみを示したが、本発明は本例に限定されることなく、上述した特許請求の範囲において種々の態様を採ることができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数の単セルを直列かつ直線的に接続したタンデムセルをセルホルダー内に横置きにしてリブで抱持するので、所要個数のタンデムセルをセルホルダー内に整然と、かつ、遊動することなく配設することができ、セルホルダーは単セルの長さ方向にリブ間を連接する補強リブを備えているので、セルホルダー自体の剛性を高めることができると共に、補強リブはタンデムセルを水平方向に隔室に区画すると共に冷却風をタンデムセルに回り込ませるルーバーとなり、前記冷却風の導入側には高さ方向に配列されたタンデムセル間に冷却風を水平方向に流通させる第１の通風路を形成したので、冷却風を各タンデムセルに行き渡らせることができることから、タンデムセル個々の冷却を良好に行うことができ、電池全体の冷却性能を高めることができ、とりわけ、第１の態様では、水平方向に複数列配列されたタンデムセルを、冷却風が導入される導入側タンデムセルと冷却風が排出される排出側タンデムセルとに二分したときに、導入側タンデムセルより排出側タンデムセルに回り込む冷却風の流速が大きくなるように、導入側タンデムセルの補強リブの形状と排出側タンデムセルの補強リブの形状とを異なるようにしたので、回り込む冷却風の温度が導入側タンデムセルより排出側タンデムセルの方が高くなっても、冷却風の流速の平方根に比例して冷却効果は増加し、導入側タンデムセルと排出側タンデムセルとの温度差を小さくすることができ、第２の態様では、タンデムセルに回り込む冷却風の流速が冷却風の排出側に行くにつれて大きくなるように、補強リブの形状を異ならせるようにしたので、直列に接続された各タンデムセルの温度のバラツキをなくすることができ、電池の所定性能を発揮・維持することができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施形態の電池モジュールの外観斜視図である。
【図２】実施形態の電池モジュールの分解斜視図である。
【図３】セルホルダー内のタンデムセル収容状態を示す一部分解斜視図である。
【図４】セルホルダーを構成する上部ケース及び下部ケースの斜視図である。
【図５】セルホルダーのリブ近傍の拡大斜視図である。
【図６】（ａ）はタンデムセルの構成を示す分解斜視図であり、（ｂ）はタンデムセルの外観斜視図である。
【図７】タンデムブスバの外観斜視図である。
【図８】セルホルダーへの正面ホルダーカバー及び背面ホルダーカバーの取付状態を示す分解斜視図である。
【図９】（ａ）は正面ホルダーカバーをセルホルダー側からみたときの正面図であり、（ｂ）は背面ホルダーカバーをセルホルダー側からみたときの正面図である。
【図１０】実施形態の電池モジュールの断面図である。
【図１１】実施形態の電池モジュールの作用を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１ 電池モジュール（電気自動車用電池）
２ 外装ケース
５ 上蓋
６ 下蓋
７ 天板
９ セルコンボックス
１０ セルホルダー
１１ａ 正面ホルダーカバー
１１ｂ 背面ホルダーカバー
１２ａ、１２ｂ ブスバー（金属金具）
１３ａ 上部ケース（上下ホルダー）
１３ｂ 下部ケース（中間ホルダー）
１４ タンデムセル
１７ 単セル
１８ タンデムブスバ（金属部材）
２０ 電圧検出用突起（突起）
２２ リブ
２３ 溝（溝部）
２６ 補強リブ
２８ａ 第１ルーバー（ルーバー）
２８ｂ 第２ルーバー（ルーバー）
２８ｃ 第３ルーバー（ルーバー）
２８ｄ 第４ルーバー（ルーバー）
２８ｅ 第５ルーバー（ルーバー）
２８ｆ 第６ルーバー（ルーバー）
２８ｇ 第７ルーバー（ルーバー）
３５ バイパス通風路（第２の通風路）
３７ 突起穴（穴）
３８ セル間通風路（第１の通風路）
Claims (12)
- 複数の単セルを直列かつ直線的に接続したタンデムセルを水平方向及び高さ方向に複数列配列する共に、前記タンデムセルを直列に接続したセルホルダーを有する電気自動車用電池であって、前記タンデムセルを冷却するための冷却風が外部から供給される電気自動車用電池において、前記セルホルダーは、前記単セルの長さよりも短い間隔で前記タンデムセルを抱持するリブと、前記単セルの長さ方向に前記リブ間を連接する補強リブと、を備え、前記補強リブは前記タンデムセルを水平方向に隔室に区画すると共に前記冷却風を前記タンデムセルに回り込ませるルーバーとなり、前記冷却風の導入側には前記高さ方向に配列されたタンデムセル間に前記冷却風を水平方向に流通させる第１の通風路が形成されていると共に、前記水平方向に複数列配列されたタンデムセルを、前記冷却風が導入される導入側タンデムセルと前記冷却風が排出される排出側タンデムセルとに二分したときに、前記導入側タンデムセルより前記排出側タンデムセルに回り込む冷却風の流速が大きくなるように、前記導入側タンデムセルの補強リブの形状と前記排出側タンデムセルの補強リブの形状とが異なることを特徴とする電気自動車用電池。
- 複数の単セルを直列かつ直線的に接続したタンデムセルを水平方向及び高さ方向に複数列配列する共に、前記タンデムセルを直列に接続したセルホルダーを有する電気自動車用電池であって、前記タンデムセルを冷却するための冷却風が外部から供給される電気自動車用電池において、前記セルホルダーは、前記単セルの長さよりも短い間隔で前記タンデムセルを抱持するリブと、前記単セルの長さ方向に前記リブ間を連接する補強リブと、を備え、前記補強リブは前記タンデムセルを水平方向に隔室に区画すると共に前記冷却風を前記タンデムセルに回り込ませるルーバーとなり、前記冷却風の導入側には前記高さ方向に配列されたタンデムセル間に前記冷却風を水平方向に流通させる第１の通風路が形成されていると共に、前記タンデムセルに回り込む冷却風の流速が前記冷却風の排出側に行くにつれて大きくなるように、前記補強リブの形状を異ならせたことを特徴とする電気自動車用電池。
- 前記補強リブは、隣接するタンデムセル間に向けて突出する板状又は山形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電気自動車用電池。
- 前記単セルを制御し、前記セルホルダーの両側に２つに分割されて配置されるセルコンボックスを更に備え、前記セルホルダーと前記セルコンボックスとの間に形成される空間が前記冷却風の給排通路となることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電気自動車用電池。
- 前記セルホルダーは、前記タンデムセルを上部側から抱持する上部ホルダーと下部側から抱持する下部ホルダーとに分割して形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電気自動車用電池。
- 前記セルホルダーは、前記タンデムセルを上部側又は下部側から抱持する上下ホルダーと、前記上下ホルダーの間に配置され前記タンデムセルの上部側及び下部側を抱持する中間ホルダーと、の２種のホルダーを組み合わせて構成されたことを特徴とする請求項５に記載の電気自動車用電池。
- 前記リブは前記タンデムセルを抱持する抱持端面が円弧状に形成されており、該抱持端面には周方向に溝部が形成され、該溝部に接着剤が充填されたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の電気自動車用電池。
- 前記タンデムセル間を直列に接続する金属金具を配設したホルダーカバーを更に備え、該ホルダーカバーは前記セルホルダーの正面及び背面に固定されたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の電気自動車用電池。
- 前記タンデムセルは前記単セル間に該単セル同士を直列に接続するための金属部材を有し、該金属部材の外縁からは線状で前記単セルより長い導電性突起が前記タンデムセルのプラス端子側に突出しており、該突起の先端部は前記ホルダーカバーに形成された穴を貫通し該ホルダーカバー外部に露出していることを特徴とする請求項８に記載の電気自動車用電池。
- 前記金属部材は十字形状を有する平板で、該十字端部は高電位側の単セル直径に着接可能なように直角方向へ折れ曲がっており、該折れ曲がった十字端部の先端一箇所から前記突起が突出していることを特徴とする請求項９に記載の電気自動車用電池。
- 前記セルホルダーは、該セルホルダーの上部に配置される板状の天板を介して外装ケースに収納されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の電気自動車用電池。
- 前記天板と前記セルホルダーとの間及び該セルホルダーと前記外装ケースの下部内面との間には前記冷却風を水平方向に流通させる第２の通風路が形成されており、前記天板又は前記内面に面する前記冷却風の排出側近傍の補強リブは、前記第２の通風路を流通する冷却風を前記第１の通風路を流通する冷却風に合流させるように、その形状が台形状又は三角形状とされたことを特徴とする請求項１１に記載の電気自動車用電池。
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