JP4221639B2 - 電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電池に関し、詳しくは、端子部に放熱部材が固定配置された電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車、ハイブリッド自動車などの電動車両の開発が活発に行われている。この電動車両の駆動用電源として、性能、信頼性、安全性に優れた二次電池の要望が高まっている。
【０００３】
これらの電動車両において、駆動用電源には、高い起電力及びエネルギー密度を有していることが求められている。この駆動用電源としては、高い起電力及びエネルギー量を得るために、正極及び負極を有し電極反応を生じさせる電池セルの多数を直列あるいは並列に接続したバッテリが用いられている。このバッテリには、通常、多数の電池セルが一体の容器内にそれぞれが隔離された状態で封入されている。このような構造の電池は、モノブロック型電池とよばれ、数多くの提案がなされている。
【０００４】
また、大電流での放電を行うと、正極及び負極の電極反応により電池セルが発熱を生じる。この発熱により、電池セルが過熱され、正極及び／又は負極が熱により損傷し、バッテリの性能が低下するようになる。このため、バッテリには、大電流による発熱に対し、電池の畜熱を防ぐことを目的とした放熱対策が必要となっていた。
【０００５】
放熱対策が施された電池としては、たとえば、実開昭６１−３９８６０号公報に開示されている。
【０００６】
実開昭６１−３９８６０号公報には、モノブロック型電池の電池容器の電池セル室を隔てる隔壁部に空気が循環する貫通孔を有する電池が開示されている。この電池においては、隔壁部の貫通孔を循環する空気によって、隔壁部が冷却され、隔壁部に区画された電池セル室に収納された電極体を広い面積で冷却できる。
【０００７】
しかしながら、貫通孔の空間及び隔壁部が貫通孔を隔てて２層分の厚みが必要となることから、隔壁部のスペースを多く必要とし、結果として電池の実装効率が悪くなってしまうという欠点があった。
【０００８】
また、特開平１０−１４４２６６号公報には、モノブロック型電池の電池容器において、金属製部品を樹脂で被覆した外壁及び内壁を有する電池容器を具備する電池が開示されている。
【０００９】
この電池容器は、金属製部品よりなる部分によって、熱を周囲に効率的に伝達することは可能であるが、電極体から金属製部品への熱伝導及び容器の外壁から外部への熱伝導は樹脂部を介して行われるため十分な放熱性を得るためには樹脂部を非常に薄く形成する必要があり、容器の形成に難点があるという問題を有していた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、搭載性、生産性に優れると共に電池容器の内部の温度が上昇しにくい電池を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者らは内部の熱を放熱することができる電池について検討を重ねた結果、電極端子の端子部に放熱部材を配することで上記課題を解決できることを見出した。
【００１２】
すなわち、少なくとも正極及び負極をもつ電極素子を内部に収納する電池容器と、該正極及び該負極のそれぞれに導通されかつ該電池容器から突出した複数の端子部と、それぞれの該端子部に固定され該端子部に伝達される該電池容器の熱を放熱する複数の放熱部材とを有する電池である。
【００１３】
この電池の放熱部材は配設される場所によって冷却効率が異なってくることが判明した。つまり、放熱部材を冷却する冷却媒体に最初に接触する放熱部材は良く冷却されるが、その後に冷却媒体に接触する放熱部材の冷却効率は徐々に低下していくからである。
【００１４】
この課題を解決する本発明の電池は、それぞれの前記放熱部材は、前記端子部から延び該端子部の近傍の近放熱部と該近放熱部から前記電極素子が積層される方向であり且つ冷却媒体が流れる方向である所定方向に交差する方向に延びる遠放熱部とをもち、
それぞれの前記放熱部材は、前記近放熱部及び前記遠放熱部が交互に間隔を隔てて配置されるように、前記所定方向に向いた１つ以上の列を形成することを特徴とする。
【００１５】
つまり、同一の放熱部材の中でも、より高温である近放熱部と、相対的に温度が低くあまり冷却効率が求められない遠放熱部とがあることに着目し、複数の放熱部材を１つ以上の列として連設し、冷却媒体の流れに対して近放熱部と遠放熱部とを交互に配設することで、冷却効率のばらつきを極力抑制することができるのである。
【００１６】
また、上記課題を解決する本発明の電池は、前記放熱部材が、放熱部材基部と、該放熱部材基部と共に所定方向と垂直方向の断面積が該所定方向下流に行くにつれて狭くなる流路を形成する放熱フィン部とをもつことを特徴とする。
【００１７】
つまり、冷却媒体の流れの下流に行くに従って、放熱部材の冷却媒体の流れる流路の断面積を狭くすることで冷却媒体の流れる速度が上昇でき、結果として放熱部材から冷却媒体への熱の流れ（すなわち、冷却効率）が下流に行くに従い向上することとなるので、本来、下流側の冷却効率の低下を最小限に抑制することが可能となる。
【００１８】
本発明の電池は、電池の内部の熱をばらつきが少なく放熱部材から放熱できることで、過熱による電池性能の低下が抑えられる。この結果、本発明の電池は、長寿命で高い性能を有することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の電池は、少なくとも正極及び負極をもつ電極素子を内部に収納する電池容器と、該正極及び該負極のそれぞれに導通されかつ該電池容器から突出した端子部と、該端子部に固定され該端子部に伝達される該電池容器の熱を放熱する放熱部材とを有する電池である。
【００２０】
本発明の電池は、このような構成を有する電池であれば、どのような電池を用いてもよい。すなわち、一次電池であっても二次電池であってもよく、また、鉛蓄電池や、Ｎｉ−Ｃｄ電池、Ｎｉ−ＭＨ電池、リチウム電池など、どのような種類の電池であってもよい。さらに、電池の形状についても、特に限定されるものではなく、筒型電池や、角形電池であってもよい。
【００２１】
そして、本電池は電極素子を複数もつものであっても良い。その場合に、複数の電池を所定方向に積層した集合電池であっても良いし、電池容器を複数の電極素子を収納する複数のセル室に区画したモノブロック型の電池でもよい。所定方向とは、本電池を使用する場合に空気等の冷却媒体が放熱部材に流れる方向である。この流れはファン等の機械的な装置で生起しても良いし、自然の流れ等に委ねても良い。
【００２２】
また、端子部は正負の２つに限られず、３以上有していても良い。たとえば、電極素子を複数もつ電池であれば、それぞれの電極素子がそれぞれ端子部を有することができる。
【００２３】
本発明の電池は、端子部に固定配置された放熱部材を有する。すなわち、電池内部の正極及び負極から発生する熱を接合された電極端子の端子部を介して放熱部材に伝達し、この熱を放熱部材から外気などに放熱する。このため、本発明の電池は、電池内部の正極及び負極から発生する熱が電池容器内部に留まらなくなり、正極及び負極が熱により損傷することが抑えられる。この放熱部材は端子部と電気的に接続されていても、絶縁されていても構わない。放熱部材が端子部と電気的に接続されている場合には放熱部材間の接触による短絡に留意する。
【００２４】
放熱部材は、第１の形態として、端子部から延び端子部の近傍の近放熱部と近放熱部から所定方向に交差する方向に延びる遠放熱部とを有する。放熱部材は近放熱部及び遠放熱部が交互に配置されている。近放熱部及び遠放熱部の間は間隔を隔てて配置される。近放熱部及び遠放熱部は交互に配置されることで連設されることになる。この場合列は１列以上である。
【００２７】
また、放熱部材は、放熱部材基部と該放熱部材の表面積を増加させる放熱フィン部とからなることが冷却効率向上の観点から好ましい。
【００２８】
さらに、放熱部材は、第２の形態として、放熱部材基部と、その放熱部材基部と共に所定方向と垂直方向の断面積が所定方向下流に行くにつれて狭くなる流路を形成する放熱フィン部とをもつ。この流路の断面積を徐々に狭くすることで、流路を流れる冷却媒体の流れる速度が速くなる。
【００２９】
そして、放熱部材は所定方向下流に向けてその表面積が増大するものが好ましい。下流に行くに従い表面積が増大すると冷却効率が向上するので、冷却効率の不均衡が改善される。
【００３０】
また、端子部が複数組存在する場合には、第１の形態及び第２の形態に限られず、この放熱部材は複数の電極素子を直列又は並列に接続するために放熱部材の少なくとも一部に金属部をもつことが好ましい。この金属部が端子部間を電気的に導通することで、放熱部材と電流を流す配線部材とを共通化でき、部品点数の削減ができる。
【００３１】
【実施例】
（実施例１）
（構成）
本実施例の電池は、図１に示すように帯状の正極４１及び負極４２と両極間に介在するセパレ−タ４３とが偏平状に巻回された電極素子としての電極体４と、電極体４の正極４１に接続された正極端子１及び負極４２に接続された負極端子２とを有する。正極４１及び負極４２は、巻回軸長方向に沿って互いに反対方向にセパレ−タから突出した電極活物質が塗布されていない辺縁部であってそれぞれ正極端子１及び負極端子２に接続されている突出端部４１１、４２１を持つ。
【００３２】
正極端子１及び負極端子２は、ともに金属製の導電体からなり、電極体４の突出端部４１１、４２１に接合される軸部１１、２１、フランジ部１２、２２及び外部との電気的接続に用いる端子部１３、２３を有している。端子部１３、２３はネジ部１３１、２３１とナット部１３２、２３２によって構成され、正極端子１及び負極端子２はフランジ部１２及び２２とケース３間に電池内部を密閉封止しかつ正極端子１、負極端子２とケース３とを絶縁する絶縁体からなるガスケット６を介し、端子部１３、２３を構成するネジ部１３１、２３１とナット部１３２、２３２の締結により容器３に固定される。
【００３３】
本電池は、それぞれに電極素子を有する６つの電池を積層した集合電池をなしている。
【００３４】
放熱部材５は櫛歯断面形状であり、放熱部材基部（及び近放熱部）としての基部５１と基部５１面の一方向側に延在する複数の放熱フィン部（及び遠放熱部）としてのフィン部５２とによって構成されている。また基部５１の一方の端部は電極端子１、２の端子部１３、２３に当接し固定されている。放熱部材５１は集合電池の計１２箇所の端子部１３、２３にそれぞれ２箇所ずつ当接した状態で計６ケ配設され、ナット７により端子部１３及び２３に接続されている。冷却媒体は放熱部材５と電池容器３によって形成される空間中を図示方向に流れる。図示した流れ方向に対し、冷却媒体の入口側及び出口側に配置された各２ケ、計４ケの放熱部材５はいずれも基部５１を上面としフィン部５２が下方に延在するように配置され、一方中間に配置された２ケの放熱部材５はいずれも基部５１を下面としフィン部５２が上方に延在するように配置されている。つまり、所定方向に並んだ３つの放熱部材５は１番目と２番目との間で所定方向（空気の流れ方向）に向けて近放熱部と遠放熱部とが交互に配置されている。
【００３５】
図１に示す正極端子１、負極端子２、及び電極体４を含む部分の断面構成を図２に示す。電極体４は、アルミニウムからなる導電性のシート４１３の両面に正極活物質層４１２が形成されたシート状の正極４１と、銅からなる導電性のシート４２３の両面に負極活物質層４２２が形成されたシート状の負極４２と、正極４１と負極４２との間にそれぞれ介在する二枚のシート状のセパレ−タ４３とからなる。セパレ−タ４３は、両極４１、４２に電極活物質４１２、４２２が塗布された領域より幅広に形成されているポリエチレン製又はポリプロピレン製のシートである。正極端子１の軸部１１及び負極端子２の軸部２１はそれぞれ突出端部４１１、４２１に接続されている。
【００３６】
（作用）
以上の構成を有することから本実施例の電池は以下の作用効果をもつ。
【００３７】
電池の充放電反応により電極体４で発生した熱は、電極体４を構成する導電性シート４１３、４２３に接続されている熱良導体で構成された電極端子１、２を介して速やかに電池容器３の外部に伝えられ、更に電極端子１、２の端子部１３、２３に固定された放熱部材５に伝熱される。したがって、放熱部材５を冷却することで電極体４で発生した熱を効率的に奪うことができる。放熱部材５の冷却は冷却媒体としての空気を所定方向に流すことで行う。
【００３８】
ここで、電極体４で発生した熱は端子部１３、２３から放熱部材５の各部へと移動するので、放熱部材５の基部５１はフィン部５２と比べて相対的に温度が高くなる。そのために、基部５１近傍を通過する冷却媒体は受熱し易く温度がより上昇するので、その後の冷却能の低下が大きい。本実施例の電池では所定方向に３つの放熱部材が基部５１とフィン部５２との位置が上下方向に交互に配設されているので、冷却媒体は高温となる基部５１とフィン部５２とを交互に通過する。先に基部５１を通過した冷却媒体は冷却能が低下するが、次にさほど放熱を必要としないフィン部５２を通過するので、その冷却能でも充分である。反対に比較的低温のフィン部５２を先に通過した冷却媒体はあまり温度が上昇せず、冷却能が低下しないので、その後の大きな放熱を必要とする基部５１を充分に冷却することができる。この関係は所定方向に向けて第１の組（１番目と２番目）及び第２の組（２番目と３番目）の放熱部材すべてに共通する。したがって、放熱部材の位置にかかわらず、効率的に放熱することができるので、電池全体を効率よく冷却することができる。
【００３９】
（実施例１の変形例）
図３は実施例１の電池における放熱部材５を変更したものであり、放熱部材５’は所定方向と垂直方向の断面で３重に折り返した形状をもつ。放熱部材５’は端子部１３、２３に当接する端部５３側が高温となり（近放熱部）、反対側の端部５４側が低温となる（遠放熱部）。放熱部材５’は端部５３と端部５４とを上下方向に交互（具体的には所定方向の両端では端部５３が下で端部５４が上、中央では端部５３が上で端部５４が下）に配設した。
【００４０】
したがって、冷却媒体である空気は大きな放熱が必要な端部５３と相対的に小さな放熱でよい端部５４とを交互に流れることから効率的に電池を冷却することができる。
【００４１】
（実施例２）
（構成）
実施例２の電池は、図４に示すように、実施例１の電池の放熱部材５を変更したものである。つまり、放熱部材５”は、３種類の部材５１’、５２’、５３’で構成される。３種類の部材５１’、５２’、５３’は、それぞれ所定方向に垂直方向の断面が波形形状であり、その波形の間隔が所定方向下流に向かうにつれて狭くなっている。
【００４２】
部材５１’、５２’、５３’は集合電池の計１２箇所の端子部１３、２３にそれぞれ４箇所ずつ当接した状態で固定され、ナット７により端子部１３、２３に締結されている。冷却媒体は図中の矢印方向（所定方向）に流れ、部材５１’、５２’、５３’と進むにつれて流路の所定方向に垂直な断面積は狭くなっていく。
【００４３】
（作用）
電池の充放電反応により電極体４で発生した熱は、電極体４を構成する導電性シート４１３、４２３に接続されている熱良導体で構成された電極素子１、２を介して速やかに電池容器３の外部に伝えられ、更に電極端子１、２の端子部１３、２３に直接当接する放熱部材に伝熱される。したがって、放熱部材５を冷却媒体によって冷却することで電極体４の熱を効率的に奪うことができる。
【００４４】
このとき、冷却媒体は、上流側では可能な熱交換量が大きいが下流側では流体自身の温度上昇により熱交換量が小さくなる。そのため、下流側での放熱部材において冷却媒体の流路を絞ることにより、下流側での流速を増すことができ熱交換能力を確保することができる。
【００４５】
また、本実施例では、放熱部材を波板フィン等の断面形状とすることにより、フィン間隔を下流側で狭め、かつフィン数を増すことで容易に流路を絞ることができるとともに放熱部材の放熱面積を増加することができるため、より効果的に下流側電池の温度上昇を抑制し集合電池全体を均一に冷却することができる。
【００４６】
（実施例２の変形例）
図５は本発明における放熱部材の変形形態を示したものであり、放熱部材５には複数の突起状のフィン部５４’が形成されており、前実施例と同様、冷却媒体の上流側でフィン部５４’の間隔が広く、下流側でフィン部５４’の間隔が狭くなっているる。つまり下流側に向かうに従い冷却媒体の流路は絞られかつ放熱部材の放熱面積が増している。本例からもわかるように、本発明は、非常に簡易的な部品を用いて構成することができる。
【００４７】
（その他の変形例）
実施例１の電池は６つの電池を積層して１つの電池としていたが、電池容器を完全に１つにして６つのセル室をもつモノブロック型の電池容器構造とすることもできる（図６）。
【００４８】
更に、放熱部材による冷却効率が高いので、電池容器として熱伝導性の低い樹脂剤を用いることもできる。
【００４９】
また、放熱部材５の材質を金属等の電気良導体で構成することで端子間１３、２３を接続する配線部材とすることができる。
【００５０】
なお、実施例１では電極体４の構成として、正極４１、負極４２、セパレ−タ４３が巻回された例を示したが、正極、負極、セパレ−タが層状に積み重ねられた積層形の電極体とすることもできる。
【００５１】
また、本発明の実施例では正極端子の端子部及び負極端子の端子部にともに当接されている放熱部材の例を示してあるが、どちらか一方の端子部のみに当接する場合であっても同じく効果を発揮する。また実施例では角型形状を有する電池容器の例で説明したが、円筒型電池においても同様に端子部に放熱部材を当接させる構成とすることにより、同様の効果を発揮できる。また、本例ではリチウム電池の例を用いて説明したが、他の代表的な電池である鉛蓄電池やＮｉ−Ｃｄ電池、Ｎｉ−ＭＨ電池においても電極体の構成及び電極端子の構成は一般に同様な構成となるため、本発明は十分な効果を発揮する。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電池は、電極端子の端子部に放熱部材を固定配置することで、電池内部の熱を電極端子の端子部から放熱部材に伝達し、この放熱部材において外部へと放熱が行われる。このときに、放熱部材の形態を適正なものとすることで、放熱部材の場所による放熱能力のむらを低減できる。このため、電池の内部の過熱が抑えられ、過熱による電池性能の低下が抑えられる。このため、本発明の電池は、高い性能を長寿命で有することができる効果を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１の電池の断面斜視図である。
【図２】 実施例１の電池の電極体及び電極端子の構成を示した図である。
【図３】 実施例１の変形例の電池の斜視図である。
【図４】 実施例２の電池の断面斜視図である。
【図５】 実施例２の変形例の電池の斜視図である。
【図６】 その他の変形例の電池の断面図である。
【符号の説明】
１…正極端子 ２…負極端子 ３…電池容器
４…電極体 ５…放熱板 ６…ガスケット
７…ナット

Claims (6)

1. 少なくとも正極及び負極をもつ電極素子を内部に収納する電池容器と、該正極及び該負極のそれぞれに導通されかつ該電池容器から突出した複数の端子部と、それぞれの該端子部に固定され該端子部に伝達される該電池容器の熱を放熱する複数の放熱部材とを有する電池であって、
   それぞれの前記放熱部材は、前記端子部から延び該端子部の近傍の近放熱部と該近放熱部から冷却媒体が流れる方向である所定方向に交差する方向に延びる遠放熱部とをもち、
   それぞれの前記放熱部材は、前記近放熱部及び前記遠放熱部が交互に間隔を隔てて配置されるように、前記所定方向に向いた１つ以上の列を形成することを特徴とする電池。
2. 前記放熱部材は、放熱部材基部と該放熱部材の表面積を増加させる放熱フィン部とからなる請求項１に記載の電池。
3. 少なくとも正極及び負極をもつ電極素子を内部に収納する電池容器と、該正極及び該負極のそれぞれに導通されかつ該電池容器から突出した複数の端子部と、それぞれの該端子部に固定され該端子部に伝達される該電池容器の熱を放熱する複数の放熱部材とを有する電池であって、
   複数の前記放熱部材は、放熱部材基部と、該放熱部材基部と共に所定方向と垂直方向の断面積が該所定方向下流に行くにつれて狭くなる流路を形成する放熱フィン部とをもつことを特徴とする電池。
4. 前記放熱部材は前記所定方向下流に向かうにつれて表面積が大きくなる請求項１〜３のいずれかに記載の電池。
5. 前記電池容器は、複数の前記電極素子を前記所定方向に積層して収納する複数のセル室に区画される請求項１〜４のいずれかに記載の電池。
6. 複数の前記電極素子が直列又は並列に接続された電池であって、前記放熱部材は少なくとも一部に金属部をもち、該金属部は前記端子部間を電気的に導通する請求項１〜５のいずれかに記載の電池。

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