JP4349037B2 - 組電池 - Google Patents

Description

本発明は、冷却手段に特長をもつ組電池に関し、特に大電流を流す二次電池を単位電池にもつ組電池に関する。

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。

これらの電動車両において、駆動用電源には高い電力密度を有することが求められる。この駆動用電源として、高い電力密度を得るために、複数の単位電池を直列及び／又は並列に接続した組電池が用いられている。

ところで電動車両に組電池を適用する場合、組電池には大電流が流れ発電要素における発熱が生じる。この発熱により各単位電池の発電要素が過熱・損傷し、電池性能が低下するようになる。このため組電池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。

従来の組電池の冷却手段としては、組電池を構成する複数の電池のそれぞれの間に冷媒が通過できる通路を設けた状態で拘束し、その間に冷媒を通すことによって電池を冷却する方法が開示されている（特許文献１）。また、組電池を構成する各電池の電池ケースの中に伝熱板を埋設し、その伝熱板の一部を突出させ、その部分を適当な冷却手段にて冷却する手段が開示されている（特許文献２）。

しかしながら、特許文献１に記載の組電池は、単位電池それぞれの間に冷媒通路を設けた状態で冷媒を通す隙間を設ける必要があり、組電池の体積エネルギー密度が低下する。そして、特許文献２の組電池は電池ケースを介して伝熱するために、冷却効率が充分でないおそれがある。

そこで、特許文献３では単位電池が有する端子部材に冷却部材を接合し冷却効率を向上させた組電池が開示されている。
特開２００３−７３５５号公報 特開２００３−３６８１９号公報 特開２００２−５６９０４号公報

しかしながら、特許文献３の組電池では構造が複雑になりコストが上昇する問題がある。また、組電池に要求される性能向上の観点から、更なる冷却効率の向上が求められている。

そこで上記実情に鑑み本発明では、冷却効率の高い組電池を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の組電池は、発電要素である電極体及び該電極体に対して電力の授受を行う端子部材をもつ複数の単位電池と、該各単位電池の該端子部材間を電気的に接続する複数のバスバーと、該各単位電池のそれぞれに接続され冷媒に放熱することで該単位電池を冷却する冷却フィンをもち且つ冷媒の流れ方向に沿って複数配設された冷却部材と、を有する組電池であって、
該各冷却フィンは冷媒の流れ方向に沿って配設し、冷媒の流れ方向に対して完全に重ならないように冷媒の流れ方向に隣接する該各冷却部材間でずらして配設したことを特徴とする。

冷却部材の冷却フィンに対して冷媒を流すことにより冷却を行う場合に、冷却フィンは冷媒の流れ方向に沿って配設することで、冷媒の流れを妨げない。そして、冷媒の流れ方向に隣接する冷却部材間で冷却フィンをずらすことで冷媒の流れに僅かな乱流を発生させ、冷媒の冷却能力を最大限に発揮できるとともに、単位電池毎の冷却能力のばらつきを小さくできる。

そして、前述したように、部品点数を減らすことができるので、前記バスバーが前記冷却部材を兼ねることが好ましい。

また、前記冷却部材は冷媒の流れ方向に対して垂直方向における断面形状が所定間隔で繰り返し単位をもち、隣接する前記冷却部材間の該冷却フィンのずれは該所定間隔の半分であることが好ましい。連続して配設される冷却部材間の重なりを所定間隔の半分にすることで、冷媒の流れ方向における両者の重なりを最小限にできるので、冷媒の流れに対する抵抗を最小限にしながら冷却効率を向上できる。

更に上述の組電池において、前記各冷却部材は１以上の組に分けられ、且つ該組毎に冷媒の流れ方向に連続して並べて配設されており、更に該冷却部材の該組毎に冷媒の流れを整える冷媒ダクトを備えると共に、冷媒の流れ方向に沿い且つ冷媒の流れる領域とは区画して形設された、前記各単位電池のガス排出口を連通し、前記ガス排出口から排出されるガスを外部に誘導するガス排出パイプを備えることが好ましい。冷媒ダクトにより冷媒の流れを適正に制御できる。そして、ガス排出口から排出されたガスは、ガス排出パイプを通って外に誘導される。また、前記冷媒ダクトは冷媒の流れ方向に対して所定角度をもって配設され且つ冷媒の流れを一部妨げる仕切板をもつことが好ましい。仕切板により冷媒の流れの一部に乱流を発生することで冷却効率を向上できる。

本実施形態の組電池はバスバーにより単位電池の端子部材間を電気的に接合している。単位電池は発電要素である電極体とその電極体に対して電力の授受を行う端子部材をもつ。単位電池の種類としては限定しないが二次電池に適用することが望ましく、特にエネルギー密度が高いニッケル水素二次電池、リチウム二次電池に適用することが望ましい。本実施形態の組電池は冷媒を流すことで単位電池を冷却する冷却部材を有する。冷媒としては空気などの流体が採用できる。

（参考形態）
バスバーは冷却フィンをもっており、冷却部材を兼ねる。その結果、本組電池の部品点数が削減できる。また、組電池における発熱源である電極体との間で電気的接続が充分に行われているので、特に追加の手段・方法を採用することなく熱的接続についても充分に確保できる。

バスバーは単位電池間に流れる電流の大きさによりその形状（特に断面積）が決定される。バスバーはすべて冷却フィンをもつことが必須ではないが大多数のバスバーは冷却フィンをもつ。バスバーを構成する素材は限定しないが、組電池の配設される雰囲気において安定な素材であり、電気伝導性及び熱伝導性に優れた素材が望ましい。例えば、銅、アルミニウム、ステンレス、銅合金などである。バスバーがもつ冷却フィンは、プレス成形、押し出し成形、鋳造などにより一体的に成形されるか、ろう付、溶接などにより一体的に接合されることが冷却性能向上の観点から好ましい。

更に冷却フィンに空気などの冷媒を流すための冷却ファンなどをもつことが好ましい。また、冷媒の流れを適正に制御するために冷媒の流れを導き整流する冷媒ダクトにより冷却フィンを覆うことが好ましい。冷媒ダクトは冷媒の流れ方向に所定角度をもって配設される仕切板をもつことが好ましい。仕切板は例えば冷媒の流れに垂直方向に配設された板状体であり、冷媒の流れを乱すことで冷却効率を向上する。

（第１形態）
本実施形態の組電池は冷却フィンをもつ冷却部材を有し、それぞれの単位電池に接続される。冷却部材は冷媒の流れ方向に沿って複数配設されている。冷却フィンは冷媒の流れ方向に沿って配設される。例えば、冷却フィンは板状体であり、冷媒が流れる方向に沿ってその板状体を向け、所定間隔を介して配設される。その結果、冷却フィン同士は平行に配設される。冷却部材を構成する素材は限定しないが、組電池の配設される雰囲気において安定な素材であり、熱伝導性に優れた素材が望ましい。例えば、銅、アルミニウム、ステンレス、銅合金などである。冷却部材がもつ冷却フィンは、プレス成形、押し出し成形、鋳造などにより一体的に成形されるか、ろう付、溶接などにより一体的に接合されることが冷却性能向上の観点から好ましい。

各冷却部材は、冷媒が流れる方向に対する断面形状ができるだけ重ならないように、各冷却フィンを冷媒の流れ方向に隣接する各冷却部材間でずらしている。ずらす程度は僅かでよい。例えば、冷却部材（特に冷却フィンの部分）は、冷媒の流れ方向に対して垂直方向における断面形状が所定間隔で繰り返し単位をもつような形状を採用し、隣接する冷却部材間での冷却フィンのずれをその所定間隔の半分とすることで、効果的な冷却作用を発揮できる。つまり、冷媒が冷却フィンの間を通過した後、次の冷却フィンに衝突することを繰り返すことで冷媒と冷却フィンとを最大限接触させることができ効果的に冷却作用を発揮できる。

更に、前述の参考形態と同様にバスバーが冷却部材を兼ねることで部品点数を削除できる。また、冷却フィンに空気などの冷媒を流すための冷却ファンなどをもつことが好ましい。また、冷媒の流れを適正に制御するために冷媒の流れを導き整流する冷媒ダクトにより冷却フィンを覆うことが好ましい。冷媒ダクトは冷媒の流れ方向に所定角度をもって配設される仕切板をもつことが好ましい。仕切板は例えば冷媒の流れに垂直方向に配設された板状体であり、冷媒の流れを乱すことで冷却効率を向上する。

〔実施例１〕
（構成）
本発明の組電池について図面に基づき以下詳細に説明する。図１〜３に示すように、本実施形態の組電池は、単位電池１を複数個、積層した積層体１ａ及び１ｂを有している。単位電池１は角形電池であり、厚み方向に積層して積層体１ａ及び１ｂを形成する。単位電池１は上部端面の両端部に電極をもつ。積層体１ａ及び１ｂを構成する各単位電池１間の対応する電極同士は、冷却部材を兼ねたバスバー１０ａ及び１０ｂで接続しており、最終的には総端子５及び６から電力を授受する。

バスバー１０ａ及び１０ｂはそれぞれ金属板を折り曲げて形成した部材であり、所定間隔にて３つの山及び３つの谷が交互に形成される。つまり、冷却部材（バスバー１０ａ及び１０ｂ）は冷媒の流れ方向における断面形状が所定間隔（山と山、谷と谷との間）で繰り返し単位をもつ。そして、積層体１ａ及び１ｂを構成する単位電池１に接続された各バスバー１０ａ及び１０ｂは、隣接する単位電池１間にてバスバー１０ａ及び１０ｂの山部分と谷部分とが重なるように、所定間隔の半分だけずらして固定されている。なお、バスバー１０ａ及び１０ｂと単位電池１の端子部材との接続は超音波溶接にて行っている。

単位電池１は、図４に示すように、発電要素である電極体１２と端子部材１４及び１５とをラミネートフィルムからなる樹脂ケース１１で封止して形成している。端子部材１４及び１５は上端部が直角に折れ曲がっている。樹脂ケース１１内には電解液を注入してある。電解液はガス排出部材１３から注入し、電解液注入後、ガス排出部材１３のガス排出口をラミネートフィルムの封止により塞いでいる。各単位電池１にはそれぞれガス排出部材１３をもち、積層体１ａ及び１ｂとした場合に、直線上に並んでいる。ガス排出部材１３のガス排出口にはガスを外部に誘導するガス排出パイプ３ａ及び３ｂが取り付けられている。

図１及び５に示すように、積層体１ａ及び１ｂはベース９上にエンドプレート９２ａ及び９２ｂ、拘束バンド４ａ及び４ｂによって固定されている。エンドプレート９２ａ及び９２ｂは積層体１ａ及び１ｂを狭持するようにベース９上にねじ止めされている。積層体１ａ及び１ｂは、エンドプレート９２ａ及び９２ｂの間で、保護プレート１６及び板バネ１７を両端に介して狭持されている。保護プレート１６及び板バネ１７により積層体１ａ及び１ｂは単位電池１の積層方向に保持されている。

積層体１ａ及び１ｂの側面を拘束バンド４ａ及び４ｂが保持する。拘束バンド４ａ及び４ｂの両端にはピン８が接続されており、それぞれエンドプレート９２ａ及び９２ｂの両端に設けられた嵌合穴に嵌合される。

積層体１ａ及び１ｂを収納するケース７がベース９に固定される。ケース７の内面と、積層体１ａ及び１ｂの上面とで区画する空間は冷媒の流れを制御する冷媒ダクトとして作用する。つまり、この空間に冷媒としての空気を導き、効率的に冷却フィン間に流している。更に、ケース７に設けられたダクト仕切板７１及び７２により積層体１ａと積層体１ｂとで独立して冷媒が流れるダクトを形成する。また、ケース７には冷媒としての空気の導入口が設けられている。更に、ケース７の内面上方には冷却フィンの上端部に達する程度の仕切板１８が設けられている。

（作用効果）
本実施例の組電池は使用によって発熱する。組電池における発熱は主に発電要素である電極体１２部分であると考えられる。電極体１２部分で発生した熱は、熱伝導によりバスバー１０ａ及び１０ｂの冷却フィンにまで到達する。バスバー１０ａ及び１０ｂは電池からの出力に耐えられる程度に充分に端子部材１４及び１５に接続されているので、これらの間の熱抵抗は充分に小さい値である。

冷却フィンには図５左方から冷媒としての空気が流入する。流入する空気により冷却フィンの熱が持ち去られる。ここで、バスバー１０ａ及び１０ｂがもつ冷却フィンは隣接する単位電池１間にて、ある程度ずらされているので、流入する冷媒は冷却フィンの間を冷却フィンにぶつかりながら流れる。その結果、冷媒の流れは乱流になり、効率的に冷却作用を発揮できる。

なお、ガス排出部材１３は単位電池１の内圧が何らかの原因により上昇した場合に単位電池１内外を連通してガスを排出し、単位電池１の内圧を低下させる作用をもつ。ガス排出部材１３のガス排出口から排出されたガスは、ガス排出パイプ３ａ及び３ｂを通ってケース７の外に誘導される。

〔変形例〕
上記実施例１の単位電池１に代えて、図６に示すような、金属ケース１９をもつ単位電池２を用いている。単位電池２は、図８に示すように、単位電池１と同様の電極体１２をもつ。図７及び８に示すように、電極体１２には板状の端子部材２２及び２４をもつ。これらは、図９に示すように、金属ケース１９内に収納される。金属ケース１９の上蓋２１には電解液注入口２０及びガス排出部材２３が形成されている。

端子部材２２及び２４の先端部には冷却部材を兼ねるバスバー２５ａ及び２５ｂが接続される。バスバー２０ａ及び２０ｂはバスバー１０ａ及び１０ｂとほぼ同様の冷却フィンをもつ。冷却フィンの配置（隣接する単位電池２間でずらすこと）もほぼ同様である（図９）。

実施例の組電池の分解斜視図である。 実施例の組電池の積層体及びその周辺の平面概略図である。 実施例の組電池を構成する１つの単位電池の概略図である。 実施例の単位電池を構成する電極体及び端子部材を示す概略図である。 実施例の組電池の一部断面図である。 変形例の組電池を構成する１つの単位電池の概略図である。 変形例の組電池を構成する１つの単位電池内部の概略図である。 変形例の組電池を構成する１つの単位電池内部の概略図である。 変形例の組電池を構成する１つの単位電池の概略図である。 変形例の組電池の積層体及びその周辺の平面概略図である。

符号の説明

１、２…単位電池 １ａ、１ｂ…積層体 １１…樹脂ケース １２…電極体 １３、２３…ガス排出部材 １４、１５、２２、２４…端子部材、１６…保護プレート １７…板バネ １９…金属ケース ２０…電解液注入口 ２１…上蓋
１０ａ、１０ｂ、２５ａ、２５ｂ…冷却部材
３ａ、３ｂ…ガス排出パイプ
４ａ、４ｂ…拘束バンド
５、６…総端子
７…ケース １８…仕切板
８…ピン
９…ベース ９２ａ、９２ｂ…エンドプレート

Claims (5)

1. 発電要素である電極体及び該電極体に対して電力の授受を行う端子部材をもつ複数の単位電池と、該各単位電池の該端子部材間を電気的に接続する複数のバスバーと、該各単位電池のそれぞれに接続され冷媒に放熱することで該単位電池を冷却する冷却フィンをもち且つ冷媒の流れ方向に沿って複数配設された冷却部材と、を有する組電池であって、
   該各冷却フィンは冷媒の流れ方向に沿って配設し、冷媒の流れ方向に対して完全に重ならないように冷媒の流れ方向に隣接する該各冷却部材間でずらして配設したことを特徴とする組電池。
2. 前記バスバーが前記冷却部材を兼ねる請求項１に記載の組電池。
3. 前記冷却部材は冷媒の流れ方向に対して垂直方向における断面形状が所定間隔で繰り返し単位をもち、
   隣接する前記冷却部材間の該冷却フィンのずれは該所定間隔の半分である請求項１又は２に記載の組電池。
4. 前記各冷却部材は１以上の組に分けられ、且つ該組毎に冷媒の流れ方向に連続して並べて配設されており、
   更に該冷却部材の該組毎に冷媒の流れを整える冷媒ダクトを備えると共に、
   冷媒の流れ方向に沿い且つ冷媒の流れる領域とは区画して形設された、前記各単位電池のガス排出口を連通し、前記ガス排出口から排出されるガスを外部に誘導するガス排出パイプを備える請求項１〜３のいずれかに記載の組電池。
5. 前記冷媒ダクトは冷媒の流れ方向に対して所定角度をもって配設され且つ冷媒の流れを一部妨げる仕切板をもつ請求項４に記載の組電池。

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