JP5204797B2 - 二次電池モジュールおよび二次電池モジュール装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の棒状の電池セルを一つのケース内に設置した二次電池モジュール、および、その二次電池モジュールを複数備えた二次電池モジュール装置に関する。

リチウムイオン二次電池は出力密度が高い為に従来からパソコンや携帯電話等の小型機器に用いられてきたが、近年になってHEV(ハイブリッド自動車)やEV(電気自動車)にも用いられ始めている。更に、太陽光発電や風力発電等の出力の不安定な発電設備の電力平準化用蓄電池としての用途を期待されている。

二次電池をこのような電力貯蔵用電池として用いる場合、単電池、即ち、セルを複数組み合わせた組電池、即ち、モジュールとして電力システムの中に組み込むことになる。電力貯蔵用蓄電池は、その容量が数ｋＷから数百ｋＷを超えるものまであり、容量が大きくなるほど、セルに発生する熱が大きくなり、これを効率良く放熱させることが必要となる。

一般的に、二次電池モジュールを電力貯蔵用として普及させる為には、大容量化に伴う寸法拡大を極力抑える必要がある。特に、出力密度が高いリチウムイオン電池の場合には、その特徴を生かすためにモジュールの小型化が必要になる。一方で、放熱効率が高く、モジュール内セルの温度分布を抑えたコンパクトなモジュール構造が必要とされ、例えば、ＥＶ(電気自動車)用の電池モジュールとして、特許文献１に記載のような構造が提案されている。

すなわち、ケース内において複数のセルをリブ壁により横向きに支持し、下部ケースおよび上部ケースに通気口を形成するようにしている。セルは、ケース内を上下方向に流れる空気によって冷却される。

特許第３５２４２３７号公報

しかしながら、上述した特許文献１に示す構造では、セルの冷却に関して、バッテリケース内を上下方向に流れる冷却空気だけに頼ることになる。そのため、モジュールの大型化に伴いセル本数が増え、上下方向の設置本数（段数）が増えると、冷却空気は上段に近いほど温度の高い空気となり冷却能力が落ち、モジュール上段に近いセルの温度が高くなってしまうという不都合があった。

請求項１の発明よる二次電池モジュールは、外気をケース上下方向に流通させる通気口が形成されたケースと、前記ケースの内部を複数のセル室に仕切る一以上の仕切壁と、セル室内に収納された複数の棒状の電池セルと、セル室内の複数の電池セルを、セル軸方向がケース上下方向と直交するとともに仕切壁に沿うように、ケース上下方向に所定の間隔で横向きに支持する支持部材と、を備え、仕切壁は、セル室とケース外部とを連通して外気をセル室の内部に導入する複数の筒状部を有し、複数の筒状部は、延在方向がセル軸方向と一致するようにケース上下方向に並設され、ケース外に露出した両端開口と、セル室に面して形成されるとともに大きさが筒状部の軸方向中央部に近いものほど大きく設定された複数の穴とを有し、外気が前記複数の穴からセル室に導入されるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、ケース内の温度分布をより均一にして、複数段に配置された電池セルの各々を効果的に冷却することができる。

二次電池モジュールの第１の実施の形態を示す分解斜視図である。 バスバー８による接続の一例を示す図である。 仕切壁２の斜視図である。 側壁３の斜視図である。 電池セル１の収納状態を説明する図である。 支持板９の平面図である。 支持板９の配置を示す図であり、（ａ）はセル軸方向から見た図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。 第２実施形態における二次電池モジュール１００の分解斜視図である。 仕切壁２の斜視図である。 側壁３の斜視図である。 筐体１１０内におけるセル電池１の配置を示す図である。 第３実施形態における二次電池モジュール装置を示す図である。 一つのセル室１１１内にセル電池１が２列設けられている場合を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１実施形態−
図１は、二次電池モジュール１００の分解斜視図である。本実施の形態の二次電池モジュール１００は、太陽光発電や風力発電等の電力貯蔵用に用いられたり、電気車の駆動用バッテリとして用いられたりする。

二次電池モジュール１００は、筐体１１０と、筐体１１０内に収納された複数の電池セル１とを備えている。図１に示すように、筐体１１０は、複数の通気口４０が形成された底板４と、複数の通気口５０が形成された天板５と、電池セル１の側方に配置された一対の側壁３と、電池セル１の軸方向に配置された一対の端板６と、電池セル１間に配置された仕切壁２とで構成される。底板４の外周面には桟４１が複数設けられている。

筐体１１０の材料には、合成樹脂材等の電気的絶縁性の材料が用いられる。または、金属材料の表面に樹脂等の絶縁性材料をコーチングしたものや、金属板を樹脂モールドしたものなどが用いられる。

電池セル１は筐体１１０内に横置きに配設されており、図１に示す例では、天地方向（上下方向）に４個並んだ電池セル１のグループが側壁方向に５列配設されている。電池セル１にはリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッカド電池等が使用され、外観形状は棒状（本実施形態では円筒形状）をしている。棒状の電池セル１の両端には、端子１０がそれぞれ設けられている。

図１では図示を省略したが、図２に示すように各電池セル１の端子１０間をバスバー８で接続することにより、複数の電池セル１は、例えば直列に接続されている。図２は、バスバー８による接続の一例を示したものであり、上側２段の電池セル１ａ〜１ｆを直列に接続した場合を示す。図２に示す側の各端子１０は、バスバー８によって上下方向に接続されている。一方、反対側の各端子１０はバスバー８によって左右方向に接続されている。このように接続することで、６個の電池セルは、１ａ→１ｂ→１ｃ→１ｄ→１ｅ→１ｆのように直列接続されることになる。

図１に示すように、上下に並んだ電池セルグループと隣接する電池セルグループとの間には、仕切壁２がそれぞれ設けられている。底板４および天板５に形成された通気口４０，５０は、空気の流入および排出のための開口である。筐体内の空気は各電池セル１によって暖められ、天板５の通気口５０から筐体外へと流出する。それにより、底板４の通気口４０からは筐体外の冷たい空気が流入する。このように、各電池セル１は、主に空気の対流によって冷却される。なお、ファン等による冷却風や車両走行時の走行風などを、底板４の下側から強制的に供給する場合もある。

図３は仕切壁２の斜視図であり、図４は側壁３の斜視図である。仕切壁２は、平板部２３と、円筒状の筒状部２０と、梁部２２とを備えている。梁部２２は、仕切壁２の表裏面の各々に設けられ、筒状部２０は仕切壁２の表裏の両側に突出している。仕切壁２の上下方向に並んだ筒状部２０は合計で５つ設けられているが、最上段のものは筒状部２０の下半分のみから成り、最下段のものは筒状部２０の上半分のみから成る。

筒状部２０内の中空領域は一端から他端まで連通しており、その中空領域は、端板６に形成された開口６１を介して筐体１１０の外部と連通している。各筒状部２０の周面には、中空領域と連通する穴２１が複数形成されている。また、筒状部２０の周面には、電池セル１を支持するための梁部２２が、筒状部２０の軸方向に沿って間隔を空けて複数設けられている。電池セル１は、梁部２２に形成された円弧状の面２２０に上に載置される。

図３に示す例では、筒状部２０に対して５つの梁部２２が設けられており、梁部２２で挟まれた４つの区間に穴２１が形成されている。４つの区間の内、中央部の２つの区間に形成された穴２１の大きさは、それらの外側の区間に形成された穴２１よりも大きく設定されている。このように、中央部の穴径をより大きくすることにより、セル室１１１（後述する図５参照）の中央部により多くの外気が導入されるように構成することで、温度上昇が比較的大きな中央部の冷却効果をより大きくすることができる。なお、図３に示す例では、仕切壁２の上下端部に設けられた筒状部２０には穴２１が形成されていないが、穴２１を形成しても良い。

一方、図４に示す側壁３の場合も、平板部３３、筒状部３０および梁部３２を備えている。しかし、仕切壁２の場合と異なり、側壁３の内周側にのみ筒状部３０および梁部３２が設けられており、側壁３の外周面側は平坦になっている。筒状部３０には、仕切壁２の筒状部２０の場合と同様の穴３１が複数形成されている。

図５は、電池セル１の収納状態を説明する図であり、筐体１１０の一部の断面図である。なお、図５は電池セル１の軸に対して垂直に断面したものであり、電池セル１については断面にしないで示した。また、筐体構造が分かりやすいように、最上段の右端の電池セル１は図示していない。

筐体１１０の内部空間は、一以上の仕切壁２によって仕切られることにより複数のセル室１１１に区画されている。図１に示す例では、４つの仕切壁２によって５つのセル室１１１に区画されている。各セル室１１１内には、上下に並んだ４本の電池セル１が配置されている。セル室１１１内においては、各電池セル１は梁部２２，３２によって所定の間隔で支持されている。図５に示すように、電池セル１は、４つの梁部２２，３２で囲まれた領域Ａに挿入されるように、横置きに配置される。そのため、梁部２２，３２により電池セル１が安定して支持されるように、セル電池１が載置される面２２０，３２０は円弧状となっている。

電池セル１の発熱により暖められた空気は、破線矢印で示すように電池セル１と仕切壁２との隙間を上昇して、天板５に形成された通気口５０から筐体外へ流出する。それに伴って、底板４の通気口４０（図１参照）から筐体外の空気が筐体内に流入することになる。図５の破線矢印は、通気口４０から流入して通気口５０から流出する空気の流れを示したものである。

本実施の形態では、上述したように、外気を筐体１１０内に導入するための筒状部２０が、仕切壁２に形成されている。そのため、図５に破線矢印で示すように、仕切壁２に沿って空気が上昇すると、筒状部２０，３０の穴２１，３１から筒状部２０，３０内の空気がセル室１１１内に吸い込まれ、温度のより低い外気が端板６の開口６１（図1参照）から筒状部２０，３０内に流れ込む。すなわち、電池セル１が収納されたセル室１１１内に、筒状部２０，３０を介して外気が導入される。

（変形例）
図６、７は、上述した第１の実施の形態の変形例を説明する図である。上述した第１の実施の形態では、セル軸方向に沿って並んで設けられた複数の梁部２２，３２によって電池セル１を支持するようにしたが、変形例では、セル軸に直交するように設けられた一対の支持板９によって２０個の電池セル１を支持するようにした。

図６は支持板９の平面図である。支持板９には、電池セル１が貫通するように挿入される穴９１と、筒状部２０が貫通するように挿入される穴９２Ａとが設けられている。穴９１は、上下方向に４段、左右方向に５列形成されている。また、支持板９の左右の両辺には側壁３に設けられた筒状部３０が挿入される、切り欠き９２Ｂがそれぞれ形成されている。

図７は、筐体内に組み込まれた支持板９を示したものである。図７（ａ）は、図５に示した部分と同様の部分を示したものであり、端板６の図示を省略している。図７（ａ）では、支持板９は一部が破断面で示されている。また、図７（ｂ）はＢ−Ｂ断面を示したものである。

支持板９は、電池セル１の端子１０の近くに配置され、電池セル１の両端部が支持板９の穴９１を貫通して端板６側に突出している。また、図７（ａ）に示すように、仕切壁２に設けられた筒状部２０の両端部分は支持板９の穴９２Ａを貫通し、側壁３に設けられた筒状部３０の両端部分は支持板９の穴９２Ｂを貫通している。筒状部２０に形成された穴２１は、一対の支持板９の間に配置されている。上下に並んだ４本の電池セル１は、一対の仕切壁２の間のセル室１１１内、または仕切壁２と側壁３との間のセル室１１１内に収納される。端板６の開口６１を介して筒状部２０内に流入した外気は、筒状部２０の周面に形成された穴２１を介してセル室１１１内に流入する。

−第２実施形態−
図８〜１１は第２実施形態を示す図である。第２実施形態においては仕切壁２および側壁３の構成が第１の実施形態と異なり、以下では、仕切壁２および側壁３を中心に説明する。

図８は二次電池モジュール１００の分解斜視図である。また、図９は仕切壁２の斜視図であり、図１０は側壁３の斜視図である。図９，１０に示すように、本実施の形態における仕切壁２および側壁３には、図２，３に示したような電池セル支持専用の梁部２２を備えていない。本実施の形態では、仕切壁２および側壁３に形成された筒状部２０，３０が、セル電池１の支持部としての機能も兼ね備えている。すなわち、図８に示すように、セル電池１は、筒状部２０，３０の周面（図９，１０の周面２４，３４）によって支持される。

図１１は、筒状部２０によるセル電池１の支持の様子、および、セル室内に流れ込む外気の流れを示したものである。図１１は上述した図５の場合と同様の図であり、筐体構造が分かりやすいように、最上段の右端の電池セル１は図示していない。電池セル１は、筒状部２０，３０の周面２４，３４によって支持されている。筒状部２０，３０の穴２１Ａ，２１Ｂ，３１Ａ，３１Ｂからセル室内に流入した外気は、電池セル１により暖められてセル室内を上昇してより上部の筒状部２０，３０に流入する。そのような流れを繰り返して、最終的には天板５の通気口５０から筐体外へ排出される。

これにより、構造が単純になると同時に、管状構造物（筒状部２０，３０）としては構造上最大の外径を取ることになるので、管状構造物内の冷却空気の流れが良くなり、モジュール温度分布均一化の効果が更に高まる可能性がある。なお、上下方向の空気の流れが容易となるように、上下に貫通するような穴２１Ｂ，３１Ｂを設けることにより、矢印Ｃで示すように冷却空気が流れるようになる。

−第３実施形態−
図１２は、図１に示す二次電池モジュール１００を３段積み重ねた構成の二次電池モジュール装置１０００を示す断面図である。このように、電池セル１を収納した二次電池モジュール１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃを重ねた場合、２段目および３段目の二次電池モジュール１００Ｂ，１００Ｃにおいては、底板４（図１参照）の通気口４０には、より下段の筐体内の電池セル１により暖められた空気が流入することになり、冷却性能の低下を招く。そこで、第３の実施の形態では、送風機２００を用いて、筒状部２０、３０に外気を強制的に供給するようにした。

図１２に示す例では、送風機２００からの配管２０１を、２段目の二次電池モジュール１００Ｂの下から２，３段目の筒状部２０，３０、および、３段目の二次電池モジュール１００Ｃの１〜３段目の筒状部２０，３０に接続した。このような構成とすることにより、筒状部２０，３０には外気が強制的に供給され、自然に外気が流れ込む場合に比べて、筒状部２０，３０を介した外気の流入量が増加し、２，３段目の二次電池モジュール１００Ｂ，１００Ｃにおけるセル電池冷却性能が向上する。

なお、図１２に示す例では左右の配管２０１の各々に送風機２００を設けたが、送風機２００を一つとし、左右の配管２０１を送風機２００の直前で一本にまとめるようにしても良い。

また、図１２に示した例では、二次電池モジュール１００を複数段重ねる場合を例に説明したが、二次電池モジュール１００内における電池セル１の段数が多い場合には、一つの二次電池モジュール１００に対しても同様に適用することができる。すなわち、二次電池モジュール１００の上部側に配置される筒状部２０，３０に対して、送風機２００を用いて外気を強制的に供給するように構成する。

上述したように、二次電池モジュール１００は、外気をケース上下方向に流通させる通気口４０，５０が形成された筐体１１０と、筐体１１０の内部を複数のセル室１１１に仕切る一以上の仕切壁２と、セル室１１１内に収納された複数の棒状の電池セル１と、電池セル１を支持する梁部２２とを備えている。そして、仕切壁２は、セル室１１１と筐体外部とを連通して外気をセル室１１１の内部に導入する連通路としての筒状部２０，３０を有する。また、梁部２２は、セル室１１１内の複数の電池セル１を、セル軸方向がケース上下方向と直交するとともに仕切壁２に沿うように、ケース上下方向に所定の間隔で横向きに支持する。

このように構成することにより、電池セル１は底板４の通気口４０から流入する外気だけでなく、筒状部２０，３０を介して流入する外気によっても冷却されることになる。図１に示すように電池セル１が上下に複数段配置される構成においては、通気口４０から流入した空気は電池セル１の発熱によって暖められ、上方になるほど空気温度が高くなる。そのため、上段側になるほど、また、セル軸中央部ほど、電池セル１の冷却効率が低下することになる。

しかしながら、本実施の形態では、筒状部２０，３０を介して、セル室１１１の上段側や、セル軸中央部に外気を直接導入しているので、セル室１１１の上段側およびセル軸中央部における冷却効率の向上を図ることができ、モジュール全体の温度分布を均一化することができる。さらに、穴２１，３１の大きさを、筒状部２０，３０の軸方向中央部に近いものほど大きくすることで、温度分布の均一化がより図れる。

また、電池セル１は、セル室１１１へ突出するように仕切壁２に形成された突起状の梁部２２により支持する構成とすることで、電池セル１の熱は、梁部２２を介した熱伝導により仕切壁２に放熱される。すなわち、筐体外壁（底板４、天板５および端板６）と接触するとともに、外気が流通している仕切壁２を放熱部として利用することができるので、冷却効率のさらなる向上を図ることができる。

なお、仕切壁２を、金属材の表面を電気的絶縁部材で覆った部材により形成することで、仕切壁２の放熱部としての機能をより向上させることができる。

さらに、図１１に示すように、穴２１や穴３１が形成された筒状部２０，３０の周面２４，３４をセル室１１１内に突出させることで、その周面２４，３４が電池セル１の支持部材を兼ねる構成とすることで、支持部材を別に設ける必要がない。また、筒状部２０，３０の径をより大きくすることができ、筒状部２０，３０を介して流入する外気の流入量を増加させることができる。

また、仕切壁２の各々には連通路である筒状部２０，３０が複数形成され、図１２に示すように、筐体１００Ｂの上から１段目および２段目の筒状部２０，３０、筐体１００Ｃの全ての段の筒状部２０，３０に、空気供給手段である送風機２００の空気を強制的に供給するための配管２０１が接続されていても良い。このような構成とすることで、確実に冷却用空気を筒状部２０，３０に送り込むことができ、冷却効果の向上を図ることができる。特に、図１２に示すように、複数の筐体１００Ａ〜１００Ｃを積層する場合には、上部の筐体ほど電池セル１の温度上昇を招きやすいので、このような配管２０１を筒状部２０，３０に接続することは効果的である。

なお、上述した実施の形態ではセル室内に、電池セル１を上下方向に一列に並べて配置したが、複数列に並べても良い。例えば、図１３に示すように、一つのセル室１１１内にセル電池１が２列設けられている。各セル電池１は、一方の側の仕切壁２または側壁３に設けられた梁部２２，３２によって支持されている。

また、筒状部２０，３０に形成される穴２１，３１は、円形状の開口でも良いし、スリット状の開口でも構わない。さらに、筒状部２０，３０を仕切壁２および側壁３の上側部分にのみ設けても構わない。さらに、筒状部２０は円筒でなくても良く、例えば、断面形状が菱形の筒であっても良い。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１：電池セル、２：仕切壁、３：側壁、４：底板、５：天板、６：端板、９：支持板、２０，３０：筒状部、２１，３１：穴、２２，３２：梁部、４０，５０：通気口、６１：開口、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ：二次電池モジュール、１１０：筐体、１１１：セル室、２００：送風機、２０１：配管、１０００：二次電池モジュール装置

Claims (6)

1. 外気をケース上下方向に流通させる通気口が形成されたケースと、
   前記ケースの内部を複数のセル室に仕切る一以上の仕切壁と、
   前記セル室内に収納された複数の棒状の電池セルと、
   前記セル室内の複数の電池セルを、セル軸方向が前記ケース上下方向と直交するとともに前記仕切壁に沿うように、前記ケース上下方向に所定の間隔で横向きに支持する支持部材と、を備え、
   前記仕切壁は、前記セル室とケース外部とを連通して外気を前記セル室の内部に導入する複数の筒状部を有し、
   前記複数の筒状部は、延在方向が前記セル軸方向と一致するようにケース上下方向に並設され、ケース外に露出した両端開口と、前記セル室に面して形成されるとともに大きさが前記筒状部の軸方向中央部に近いものほど大きく設定された複数の穴とを有し、
   外気が前記複数の穴から前記セル室に導入されるようにした二次電池モジュール。
2. 請求項１に記載の二次電池モジュールにおいて、
   前記筒状部は、前記複数の穴が形成されると共に前記セル室に突出した側周面を有し、
   前記側周面の一部が前記支持部材を兼ねていることを特徴とする二次電池モジュール。
3. 請求項１〜２のいずれか一項に記載の二次電池モジュールにおいて、
   前記支持部材は、前記セル室へ突出するように前記仕切壁に形成された突起であることを特徴とする二次電池モジュール。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の二次電池モジュールにおいて、
   前記仕切壁は、金属材の表面を電気的絶縁部材で覆った部材により形成されていることを特徴とする二次電池モジュール。
5. 請求項１に記載の二次電池モジュールにおいて、
   前記仕切壁の各々には前記連通路が複数形成され、
   前記複数の連通路の少なくとも一つには、空気供給手段により空気を供給するための配管が接続されていることを特徴とする二次電池モジュール。
6. 請求項１に記載の二次電池モジュールを前記ケース上下方向に複数重ねて形成される二次電池モジュール装置であって、
   最下段の二次電池モジュールを除く他の二次電池モジュールの少なくとも一つは、空気供給手段により空気を供給するための配管が前記連通路に接続されていることを特徴とする二次電池モジュール装置。

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