JP4876338B2 - 電池モジュール - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は電池モジュールに係り、特に、円柱状単電池が縦2列横2列に配列された組電池を横方向に略水平に複数個並置した電池モジュールであって、組電池を冷却するための冷却空気を略水平方向に送風可能な電池モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
電気自動車用電池モジュールには、リチウム酸化物等を主要構成材料とした高性能、高容量のバッテリセルが複数個用いられている。このようなバッテリセルは、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の柱状構造が採られている。電気自動車用のバッテリセルは、充放電時の発熱量が比較的大きく、かつ、バッテリ性能の温度依存性もあるため、バッテリセルの所定性能を確保するために冷却性能を高める必要がある。
【0003】
バッテリセル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、バッテリセルを円柱状に形成し、このバッテリ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技術が開示されている。この技術によれば、バッテリ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、バッテリ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、通風路が狭いことから熱がこもり易く、また、前後にバッテリセルを配置した場合にはそれぞれのバッテリ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、バッテリセルが上下2枚のプレート間で軸方向にずれ易く、これを防止するために緩衝材(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。更に、緩衝材を挟み込み固定しているので、組立作業性が悪く、取り扱いが困難であった。
【0006】
本発明は上記問題に鑑み、冷却性に優れ、組立作業性を向上させることができる電池モジュールを提供することを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、円柱状単電池が縦2列横2列に配列された組電池を横方向に略水平に複数個並置した電池モジュールであって、前記組電池を冷却するための冷却空気を略水平方向に送風可能な電池モジュールにおいて、前記略水平に複数個並置した組電池のうち、前記冷却空気の導入側に配置された組電池は電気絶縁性薄膜により前記単電池の横方向1列目から2列目の略中央まで覆われると共に、前記電気絶縁性薄膜には前記導入側に配置された組電池の単電池縦方向2列の中央部に相当する位置に前記冷却空気の通風を許容する通風開口が形成されている。
【0008】
本発明では、電気絶縁性薄膜により冷却空気の導入側に配置された組電池の横方向1列目の単電池が覆われているので、組電池を冷却するための冷却空気を略水平方向に送風可能な電池モジュールにおいて、冷却空気の導入側の単電池に最も低温の冷却空気が接触することを防止し、当該単電池の冷え過ぎによる冷却ムラを防ぐことができると共に、電気絶縁性薄膜には導入側に配置された組電池の単電池縦方向2列の中央部に相当する位置に冷却空気の通風を許容する通風開口が形成されているので、この通風開口により組電池の横方向1列目以降の単電池への冷却空気の通風(流通)が確保され、更に、冷却空気の導入側に配置された組電池の単電池は電気絶縁性薄膜により横方向2列目の略中央まで覆われているので、当該横方向2列目の単電池以降は冷却空気に接触することができるため、単電池全体として熱交換バランスを安定に保つことができる。更に、本発明では、円柱状単電池を縦2列横2列に配列した組電池を、電池モジュールにおける最小単位として取り扱うことができるので、各単電池の管理が簡素化し、組電池の組立作業と電池モジュールの組立作業とが分離できることから、組立作業性を向上させることができる。
【0009】
この場合において、組電池が、単電池を配列した中央部に、冷却空気の送風方向に対して垂直方向の長さが水平方向の長さより短い断面略十字状のリブを有すれば、この断面略十字状のリブが組電池中央部を流通する冷却空気を上下に分配し、組電池を構成する各単電池外周に回り込むような流れを形成して単電池を冷却するので、単電池間の冷却ムラの発生を防止することができる。また、組電池を、上蓋と下蓋とを備える電気絶縁樹脂製外装ケース内に収容すれば、組電池と上蓋及び下蓋との間に冷却空気の通風経路が形成され単電池外周を冷却空気が回り込むので、各単電池は冷却空気の回り込みにより冷却されるが、この冷却空気の回り込みは不安定なため、上蓋に、導入側から横方向2個目以降の組電池の単電池間と3個目以降の組電池間とに断面略三角状の第1の整流リブを形成すると共に、冷却空気の排出側に配設された組電池の横方向2列目の単電池に対して接近する断面略三角状の第2の整流リブを形成し、下蓋に、冷却空気の導入側から横方向3個目以降の組電池間、冷却空気の排出側に配設された組電池の単電池間及び第2の整流リブに対応する位置に断面略三角状の第3の整流リブを形成することにより、冷却空気の流通通路を意図的に絞って水平方向に冷却空気が流通するに従って流速を上げ、最も高温の冷却空気と接触する排出側に配設された組電池の横方向2列目の単電池に対して熱交換効率が高くなるように冷却空気の流速を大きくすることで、各単電池間の温度バラツキを抑制することができると共に、上蓋及び下蓋で構成される外装ケース自体に第1乃至第3の整流リブを形成することによって作業工数と部品数を減らすことができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明をハイブリッド電気自動車用の電池モジュールに適用した実施の形態について説明する。
【0011】
(構成)
図1に示すように、本実施形態の電池モジュール50は、電池モジュール50の下部外装ケースを構成し電気絶縁性を有する樹脂製の下蓋32、後述する組電池が収容される電池収容部を覆い電気絶縁性を有する樹脂製の電池部上蓋31、及び、電池部上蓋31と共に上蓋を構成し、制御回路等が収容される制御回路収容部を覆い電気絶縁性を有する樹脂製の制御部上蓋37を備えている。電池部上蓋31及び制御部上蓋37と下蓋32とは、図示しないEDPM製パッキンを介して複数箇所でネジ止めされている。
【0012】
下蓋32の長手方向一側端部には、冷却空気を電池モジュール50内に導入するための導入口33が形成されており、導入口33と対向する長手方向他側端部には、冷却空気を電池モジュール50内から排出するための排出口34が形成されている。排出口34の開口は、後述するように排出側の冷却空気の流速が大きくなることから、導入口33の開口より大きく形成されている。
【0013】
電池モジュール50の長手方向で導入口33と反対側の端部近傍には、制御部上蓋37から上方に突出する外部出力端子35が配設されている。外部出力端子35から最も離れた対角位置には、外部出力端子35への電源供給を強制的に停止させるための強電スイッチを内蔵したスイッチボックス38が下蓋32にネジ固定されている。また、制御部上蓋37の電池部上蓋31寄り略中央部からは、複数個の電池モジュール50を制御する図示しない上位制御システムとの通信を行うための外部接続コネクタ36が導出されている。
【0014】
図2に示すように、下蓋32は、組電池を収容する電池収容部44と、回路基板上に実装された図示しない制御回路、リレー、ヒューズ等の回路素子、外部出力端子35等を収容する制御回路収容部45との2領域に画定されている。電池収容部44内には、導入口33寄りに配置された2個の導入側組電池28をはじめ合計10個の組電池が収容されている。
【0015】
図3及び図4に示すように、組電池1は、熱伝導性の高いケーシングで被覆された高性能の4個の単電池2と、単電池2の下側に配置され電気絶縁性を有する樹脂製で単電池当接部が円形窪み状に成形された下部ホルダ3と、単電池2の上側に配置され電気絶縁性を有する樹脂製で単電池当接部が円形窪み状に成形された上部ホルダ4と、を有している。単電池2は、円筒状で負極側となる電池缶内にマンガン酸リチウム等を主要構成材料とした正極と炭素材を主要構成材料とした負極とをセパレータを介して捲回した捲回群が挿入されており、円柱状の外形形状を有している。
【0016】
組電池1は、下部ホルダ3と上部ホルダ4とで、4個の単電池2を隣接する単電池2間で上下逆方向に挟み込むように縦2列横2列の正方直交状に構成されており、これら4個の単電池2は下部ホルダ3及び上部ホルダ4にインサート成形によって埋設固定された単電池間接続ブスバ9により電気的に直列に接続されている。
【0017】
上部ホルダ4には、組電池1の外部出力端子となる組電池出力ブスバ10がインサート成形によって埋設固定されている。更に、上部ホルダ4の上には、各単電池2の端子間検出電圧を集結するためのコネクタ付きフレクシブル配線シート8が固定されている。フレクシブル配線シート8のコネクタは上述した図示しない制御回路に接続されており、図示しない制御回路のCPU又は上述した上位制御システムのCPUにより単電池間で電圧差が小さくなるように監視・制御されている。
【0018】
下部ホルダ3の基本形状は、上述した上部ホルダ4と大差はないが、大きな違いは下部ホルダ3と上部ホルダ4とを固定するためのホルダ間部材として支柱5が下部ホルダ3の中央部から上部ホルダ4の中央部に向けて垂直方向に立設されていることである。支柱5には単電池2を区画するように4方向に伸びる2種のリブが形成されており、支柱5の断面形状は十字状とされている。この2種のリブは、組電池1を横置き状態としたときに、垂直方向へ伸びる垂直リブ6と、水平方向へ伸びる水平リブ7とで構成されており、垂直リブ6の長さは、水平リブ7の長さより短い寸法とされている。支柱5の上端部は水平リブ7により回り止め防止用のキー形状を有しており、上部ホルダ4にはこのキー形状に嵌合する図示しないキー溝が形成されている。なお、支柱5の頂点には上部ホルダ4との固定用のタッピングネジ用通し穴が形成されている。
【0019】
図2及び図5に示すように、電池収容部44は、下蓋32の長手方向に直交する方向の断面形状が略W字状とされており、組電池1を収容可能な収容部と、この収容部を2分割すると共に、収容部に収容された組電池1の組電池出力ブスバ10同士を直列接続するための基部となり上部方向へ断面略コ字状に突出した凸部と、を有している。組電池1は、この収容部に2並列に各5個ずつ横置き状態で略水平に凸部に対して組電池出力ブスバ10が向き合うように配設されている。従って、電池収容部44には、単電池2としては40個が収容される。各組電池は、組電池出力ブスバ10間を電気的に直列に接続する導電性の組電池間接続ブスバを介して下蓋32の凸部にボルト・ナットで固定されている。
【0020】
また、図5に示すように、下蓋32の収容部の底面両側には、単電池2の下部ホルダ3、上部ホルダ4の側面を支持するレール状の突起が形成されており、収容部底面と組電池1との間には隙間12が形成されている。また、電池部上蓋31にも下蓋32の収容部の底面両側と同様に、単電池2の下部ホルダ3、上部ホルダ4の側面を上側から固定するレール状の突起が形成されており、電池部上蓋31の背面と組電池1との間には隙間12が形成されている。これら下蓋32と組電池1との間、電池部上蓋31と組電池1との間に形成された隙間12により、各単電池2を冷却するための冷却空気が流通するバイパス経路が形成されている。更に、組電池1を構成する縦方向2列の単電池2間にも隙間が形成されており、この隙間を介しても単電池2を冷却する冷却空気のバイパス経路が形成されている。
【0021】
図6に示すように、電池部上蓋31と下蓋32とには、隙間12に沿って、電池収容部44に収容された40個の単電池2を冷却空気でほぼ均等温度に冷却するための複数の断面略三角形状の整流リブ(整流ルーバー)が形成されている。
【0022】
すなわち、電池部上蓋31には、冷却空気の導入側41から数えて横方向に2個目以降の組電池の単電池間と3個目以降の組電池間に整流ルーバーとして下方向に鋭角を有する断面三角形状の整流リブ(第1の整流リブ)が形成されており、冷却空気の排出側43の近傍にあたる組電池5個目の末端には、単電池2に接近する位置に下方向に鋭角を有する断面三角形状の整流リブ(第2の整流リブ)が形成されている。従って、電池部上蓋31は、組電池2個目13の単電池2間にある整流リブA14、組電池3個目15の単電池2間にある整流リブB16、組電池3個目15と組電池4個目17との間にある整流リブC18、組電池4個目17の単電池2間にある整流リブD19、組電池4個目17と組電池5個目20の間にある整流リブE21、組電池5個目20の単電池2間にある整流リブF22、組電池5個目20の末端で単電池2の近傍にある整流リブG23の7本の整流リブを電池部上蓋31の長手方向に直交する方向に有している。
【0023】
また、下蓋32には、冷却空気の導入側41から数えて横方向に3個目以降の組電池間、5個目の単電池間、電池部上蓋31の末端部に対応する位置(整流リブG23に対応する位置)に上方向に鋭角を有する断面三角形状の整流リブ(第2の整流リブ)が形成されている。従って、下蓋32は、組電池3個目15と組電池4個目17の間にある整流リブH24、組電池4個目17と組電池5個目20の間にある整流リブI25、組電池5個目20単電池2間にある整流リブJ26、組電池5個目20末端で整流リブG23に対応する位置にある整流リブK27の4本の整流リブを下蓋32の長手方向に直交する方向に有している。
【0024】
電池部上蓋31に形成された整流リブA14、C18、E21は同高さであり、整流リブB16、D19、F22は同高さで、それらの整流リブよりも高い、換言すれば、単電池2により接近したリブ形状を有している。また、これらは、単電池2間又は組電池1間の中間に配置されている。整流リブG23の高さは、B16、D19、F22と同高さで、リブ先端部が上述したように組電池5個目20の末端の単電池2に接近する位置に配置されている。一方、下蓋32に配置された整流リブH24、I25、J26、K27は同高さであり、整流リブH24、I25、J26は単電池2間又は組電池1の中間に配置され、整流リブK27は整流リブG23に対応する位置に配置されている。
【0025】
図2及び図6に示すように、冷却空気の導入側41に配置される導入側組電池28は、横方向1列目の単電池2から2列目の単電池2の中央部まで、樹脂フィルム等の電気絶縁性薄膜29に覆われている。また、電気絶縁性薄膜29には、導入側組電池28の横方向1列目の単電池2の縦方向2列の中央部に、導入側41から導入された冷却空気の通風を許容する矩形状の通風開口30が形成されている。電気絶縁性薄膜29でこのような被覆を行うには、例えば、導入側組電池28の作製後に、単電池2の外周頂部間を直線状に覆い、2列目の単電池2に当接する樹脂フィルムの端部が破断しないように溶融等の熱処理行って樹脂フィルム端部を両面テープや粘着剤で2列目の単電池2の頂部に固定し、矩形形状を有するヒータで樹脂フィルムを溶融させることにより通風開口30を形成することができる。
【0026】
(作用等)
次に、本実施形態の電池モジュール50の作用等について説明する。
【0027】
電池モジュール50では、図1及び図2に示すように、冷却空気は、導入口33から導入され、電池収容部44に収容された組電池(40個の単電池2)を冷却した後、排出口34から排出される。図5に示すように、電池収容部44では、組電池1と電池部上蓋31の背面との間、及び、組電池1と下蓋32の底面との間に隙間12を形成して、各単電池2を冷却するための冷却空気が流通するバイパス経路とすることで、各単電池2を冷却空気で冷却することができる。しかしながら、隙間12を形成しただけでは、冷却空気の導入側41近傍の単電池2と排出側43近傍の単電池2とでは、熱交換によって冷却空気の温度が異なり、単電池2間の温度バラツキが大きくなってしまう。単電池2間の温度バラツキは、単に温度が相違するだけに止まらず、特に、リチウム二次電池等の温度依存性を有する電池等では、容量、電圧、内部抵抗等の電池特性や寿命等にも大きく影響を与える。そこで、図6に示すように、電池部上蓋31及び下蓋32に上述した整流リブを形成することによって、各単電池2への冷却空気の回り込みを可能にし夫々の熱バランスを安定させた。すなわち、冷却空気の導入側41から数えて横方向に2個目以降の組電池の単電池間と3個目以降の組電池間位置に電池部上蓋31に形成された断面三角形状の整流リブと、5個目組電池の単電池間と3個目以降の組電池間位置に下蓋32に形成された整流リブが、横方向に並置されている各組電池及び該組電池内各単電池への冷却空気の向きを制御し、かつ、流量を制限している。更に、電池部上蓋31、下蓋32共に、冷却空気排出近傍にあたる5個目組電池末端には、より単電池に接近する位置に整流リブが形成されているが、該5個目組電池に到達する冷却空気は、1個目組電池に供給される冷却空気より高温であることから、整流リブにより、冷却空気の通路を絞り、流速を上げ、熱交換が高められている。
【0028】
一般に、組電池を横方向に配置し水平方向に冷却空気を流通させるようにした電池モジュールでは、冷却空気に最初に接触する導入側組電池の単電池が最も熱交換が高く、冷え過ぎてしまう。これに対処するために、例えば、導入側組電池を覆うカバー等を配置すると2列目の単電池が冷却されなくなってしまう。このため、電池モジュール50では、導入側組電池28の2列目の単電池中央部までを被覆する電気絶縁性薄膜29で覆い、かつ、先端の単電池縦列中央部に矩形状の通風開口30を形成し、導入側組電池28の中央部を通る冷却通路を確保することで、冷却空気に最初に接触する導入側組電池28の単電池2への冷却空気の接触を制限しつつ、熱交換バランスを安定させるようにした。
【0029】
更に、電池モジュール50では、図4に示すように、組電池2の中央部に垂直リブ6及び水平リブ7を支柱5に形成することにより、本来、縦2列、横2列の正方直交状に配列した場合に組電池1内に生じるデッドスペースを無くすと共に、横方向に配設されたときに流通する冷却空気を上下に分配し垂直リブ6及び水平リブ7で構成される断面十字形状のリブを、冷却空気の水平方向の流通に対して垂直方向の長さが水平方向の長さより短くして、図6に示すように、冷却空気を上下に分配して単電池2外周に回り込むような流れとしたので、組電池1を構成する単電池2全体が冷却され、冷却ムラが生じにくい。また、冷却空気の水平方向への流通に対して垂直方向の長さを短くしたので、冷却空気の流通の抵抗となる部分が少なくなり、圧力損失が抑えられ、冷却空気を送り込むファンの出力を低減させると共に小型化が可能となる。
【0030】
従って、電池モジュール50は、電池収容部44内に収容される単電池2の全体の熱交換バランスが安定し、各単電池2の温度バラツキが減少して、温度依存性の低いモジュール構造とすることができる。また、電池モジュール50では、縦2列、横2列の正方直交状に配列した組電池1を電池モジュール50における単電池の最小単位として取り扱うことによって、各単電池の管理が簡素化し、組電池の組立作業と電池モジュールの組立作業が分離できるので、電池モジュールの組立作業性を向上させることが可能となる。
【0031】
また、支柱5に形成された垂直リブ6及び水平リブ7は、冷却空気の整流機能のみならず支柱5の補強機能も備えている。更に、電池部上蓋31及び下蓋32に形成された複数の整流リブもこれらの蓋の補強機能を有すると共に、電池部上蓋31及び下蓋32自体にこれらの整流リブを形成することによって組立作業工数や部品数の低減を図ることができる。
【0032】
なお、本実施形態では、5個の組電池1を2並列に並置した例を示したが、1列や3並列以上の配列としたり、6個以上の組電池を並置してもよいことは論を待たない。また、本実施形態では、組電池1を1段で並置した例を示したが、2段以上を重ねて並置するようにしてもよい。この場合には、段間に別の整流リブを配置することが好ましい。このような整流リブは、例えば、図6に示すような垂直リブ及び水平リブを支柱に形成し、その支柱を電池収容部の隔壁間に指し渡すことにより形成することができる。
【0033】
また、本実施形態では、電気絶縁性薄膜29により導入側組電池28の縦横方向1列目及び2列目単電池2に直線状に覆う例を示したが、これらを巻き付けるように覆うようにしてもよく、また、電気絶縁性薄膜29を1枚とした例を示したが、冷却空気の温度との関係や送風圧との関係で複数枚とするようにしてもよい。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電気絶縁性薄膜により冷却空気の導入側に配置された組電池の横方向1列目の単電池が覆われているので、組電池を冷却するための冷却空気を略水平方向に送風可能な電池モジュールにおいて、冷却空気の導入側の単電池に最も低温の冷却空気が接触することを防止し、当該単電池の冷え過ぎによる冷却ムラを防ぐことができると共に、電気絶縁性薄膜には導入側に配置された組電池の単電池縦方向2列の中央部に相当する位置に冷却空気の通風を許容する通風開口が形成されているので、この通風開口により組電池の横方向1列目以降の単電池への冷却空気の通風が確保され、更に、冷却空気の導入側に配置された組電池の単電池は電気絶縁性薄膜により横方向2列目の略中央まで覆われているので、当該横方向2列目の単電池以降は冷却空気に接触することができるため、単電池全体として熱交換バランスを安定に保つことができる、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電池収容部に組電池を収容したときの外観斜視図である。
【図3】実施形態の電池モジュールに使用される組電池の外観斜視図である。
【図4】実施形態の電池モジュールに使用される組電池の分解斜視図である。
【図5】実施形態の電池モジュールの電池収容部の長手方向に直交する方向の断面図である。
【図6】実施形態の電池モジュールの電池収容部の長手方向の断面図である。
【符号の説明】
1 組電池
2 単電池
6 垂直リブ(断面略十字状のリブの一部)
7 水平リブ(断面略十字状のリブの一部)
14、16、18、19、21、22 整流リブ(第1の整流リブ)
23 整流リブ(第2の整流リブ)
24、25、26、27 整流リブ(第3の整流リブ)
29 電気絶縁性薄膜
30 通風開口
31 電池部上蓋(上蓋)
32 下蓋
41 導入側
43 排出側
50 電池モジュール

Claims (3)

  1. 円柱状単電池が縦2列横2列に配列された組電池を横方向に略水平に複数個並置した電池モジュールであって、前記組電池を冷却するための冷却空気を略水平方向に送風可能な電池モジュールにおいて、前記略水平に複数個並置した組電池のうち、前記冷却空気の導入側に配置された組電池は電気絶縁性薄膜により前記単電池の横方向1列目から2列目の略中央まで覆われると共に、前記電気絶縁性薄膜には前記導入側に配置された組電池の単電池縦方向2列の中央部に相当する位置に前記冷却空気の通風を許容する通風開口が形成されていることを特徴とする電池モジュール。
  2. 前記組電池は、前記単電池を配列した中央部に、前記冷却空気の送風方向に対して垂直方向の長さが水平方向の長さより短い断面略十字状のリブを有することを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。
  3. 前記組電池は、前記導入側から横方向2個目以降の組電池の単電池間と3個目以降の組電池間とに断面略三角状の第1の整流リブを有すると共に、前記冷却空気の排出側に配設された組電池の横方向2列目の単電池に対して接近する断面略三角状の第2の整流リブを有する上蓋と、前記冷却空気の導入側から横方向3個目以降の組電池間、前記冷却空気の排出側に配設された組電池の単電池間及び前記第2の整流リブに対応する位置に断面略三角状の第3の整流リブを有する下蓋と、を備える電気絶縁樹脂製外装ケース内に収容されたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電池モジュール。
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