JP5277523B2 - 組電池および組電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、巻き締め加工により形成される電池モジュールを複数積み重ねた組電池および組電池の製造方法に関する。

近年、内部に複数の電池を収納してなる電池モジュールを積層した組電池が使用されている。この組電池では、各電池モジュール間に冷却風を流すことにより、充放電による発熱を冷却している（例えば、特許文献１参照）。しかし、電池モジュールを構成するケースが巻き締め加工により形成される筐体である場合（例えば、特許文献２参照）、巻き締め部が突出するため、電池モジュールを積層する場合に、冷却風が流れる隙間が非対称形状となり、電池モジュールによって冷却性能にばらつきが生じる。
特開２００１−１６７８０６号公報 特開２００６−９２８８４号公報

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、それぞれの電池モジュールを均一に冷却可能な組電池および組電池の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る組電池は、電池を収納する凹部を備える本体と、前記凹部の開口部を封止する蓋体とを巻き締め加工により結合して形成される電池モジュールが冷却空気を流す空間を隔てて複数積み重ねられた組電池であって、前記電池モジュールにおける前記蓋体からなる蓋面の縁部には、前記巻き締め加工により前記電池モジュールの積み重ね方向に前記蓋面から突出する巻き締め部が形成され、前記積み重ね方向に隣り合う前記電池モジュール同士が、前記蓋面同士を前記空間を隔てて向い合せて、または前記蓋面の反対面である裏面同士を前記空間を隔てて向い合せて配置されることを特徴とする。
また、この組電池において、前記電池モジュールは、前記積み重ね方向に対して直交する方向に導出された正極および負極の出力端子を備え、前記複数の電池モジュールは、それぞれ同一形状の電池モジュールであることを特徴とする。

上記目的を達成する本発明に係る組電池の製造方法は、電池を収納する凹部を備える本体と、前記凹部の開口部を封止する蓋体とを巻き締め加工により結合して形成される電池モジュールを冷却空気を流す空間を隔てて複数積み重ねる組電池の製造方法であって、前記電池モジュールにおける前記蓋体からなる蓋面の縁部には、前記巻き締め加工により前記電池モジュールの積み重ね方向に前記蓋面から突出する巻き締め部が形成され、前記積み重ね方向に隣り合う前記電池モジュール同士を、前記蓋面同士を前記空間を隔てて向い合せて、または前記蓋面の反対面である裏面同士を前記空間を隔てて向い合せて配置させることを特徴とする。
また、この組電池の製造方法において、前記電池モジュールは、前記積み重ね方向に対して直交する方向に導出された正極および負極の出力端子を備え、前記複数の電池モジュールに、それぞれ同一形状の電池モジュールを用いることを特徴とする。

上記のように構成した本発明に係る組電池は、電池モジュールにおける蓋体からなる蓋面の縁部には、巻き締め加工により電池モジュールの積み重ね方向に蓋面から突出する巻き締め部が形成され、積み重ね方向に隣り合う電池モジュール同士が、蓋面同士を冷却空気を流す空間を隔てて向い合せて、または蓋面の反対面である裏面同士を冷却空気を流す空間を隔てて向い合せて配置されるため、冷却空気が流れる電池モジュール同士の間の空間が対称形状となり、それぞれの電池モジュールを均一に冷却することができる。

上記のように構成した本発明に係る組電池は、電池モジュールにおける蓋体からなる蓋面の縁部には、巻き締め加工により電池モジュールの積み重ね方向に蓋面から突出する巻き締め部が形成され、積み重ね方向に隣り合う電池モジュール同士を、蓋面同士を冷却空気を流す空間を隔てて向い合せて、または蓋面の反対面である裏面同士を冷却空気を流す空間を隔てて向い合せて配置させるため、冷却空気が流れる電池モジュール同士の間の空間を対称形状とすることができ、それぞれの電池モジュールを均一に冷却することが可能な組電池を製造できる。

本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

＜本実施形態＞
図１は本実施形態に係る組電池を示す斜視図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う組電池の側面図、図３は本実施形態に係る組電池の電池モジュールを示す斜視図、図４は同電池モジュールの分解斜視図、図５は図１のＶ−Ｖ線に沿う組電池の正面図、図６は従来の組電池を示す正面図である。

本実施形態に係る組電池１は、図１，２に示すように、例えば３つの電池モジュール２が積層されて構成される電池モジュール群３が４列並んでロアケース４に載置されている。

電池モジュール群３の最上部には拘束板５が設けられ、この拘束板５をボルト６によりロアケース４に締結し、電池モジュール群３が拘束板５とロアケース４との間に固定される。ボルト６が挿入される電池モジュール２の貫通穴７の上下には、荷重を受けるとともに、冷却空気が通るための空間を確保するためのスペーサ８が配置される。

電池モジュール２は、図３，４に示すように、外部を覆う筐体９と、この筐体９の内部に積層されて保持される複数の扁平型電池１０と、を有している。

筐体９は、扁平型電池１０を収納するための凹部１１を有する本体１２と、本体１２の凹部１１の開口部を覆いつつ、巻き締め加工により本体１２と締結されて凹部１１を封止する蓋体１３と、を有している。電池モジュール２の外側には、蓋体１３からなる蓋面１５と、その反対面である裏面１６が形成され、蓋面１５の縁部には、巻き締め加工によって巻き締め部１７が形成される。

筐体９は、強度の低い扁平型電池１０を外部からの振動や衝撃から保護し、また扁平型電池１０から伝達される熱を放熱する役割を果たしており、例えば放熱性のよいアルミにより形成されている。

複数の扁平型電池１０は、互いの電極端子同士が溶接等により直列または並列に電気的に接続され、その両端部（扁平型電池１０が直列に接続されている場合には、電位が最も高い正極と電位が最も低い電池の負極、並列に接続されている場合には、各電池の正極と負極）が、筐体９の正、負極の出力端子１８に接続される。

正、負極の出力端子１８は、筐体９から、電池モジュール２の積層方向に対して直交する方向に（電池モジュール２の積層方向が上下の場合、水平方向に）導出される。

電池モジュール群３を構成する電池モジュール２は、図５に示すように、巻き締め部１７が形成される蓋面１５が、電池モジュール２の積み重ね方向に交互に配置されている。

図６には、電池モジュール群３において蓋面１５が同一方向に配置される組電池１’を示すが、電池モジュール２の出力端子１８をバスバー１９により直列に接続する場合、効率よく接続しようとすると、積み重ねられて隣り合う電池モジュール２の出力端子１８は、正極端子１８Ａと負極１８Ｂを逆に配置させることが好ましい。このため、正極端子１８Ａと負極１８Ｂが逆に配置される２種類の電池モジュールが必要となる。

しかし、本実施形態に係る組電池１では、図５に示すように、積み重ねられて隣り合う電池モジュール２の蓋面１５が交互に配置されるため、同一仕様の電池モジュール２を適用することにより正極端子１８Ａと負極１８Ｂが交互に逆側に配置されることとなり、製造コストを低減できる。

図７は本実施形態に係る組電池の電池モジュール群の一部を示す部分断面図、図８は従来の組電池の電池モジュール群の一部を示す部分断面図である。なお、図中の白抜き矢印は、冷却空気の流れ方向を示している。

図８に示すように、電池モジュール群３において蓋面１５が同一方向となるように電池モジュール２が配置される場合、電池モジュール２の蓋面１５側に蓋面側空間Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３と、底面側に裏面側空間Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４とが形成される。蓋面側空間Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３と裏面側空間Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４とは、電池モジュール２に形成される巻き締め部１７によって、異なる形状の空間となっている。

冷却空気の蓋面側空間Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３への入口は、蓋面側高さｈ３を有しており、裏面側空間Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４への入口は、裏面側高さｈ４を有している。

このような構成において、例えば蓋面側空間Ｃ２（Ｃ３）およびＤ２（Ｄ３）に冷却空気が流入すると、電池モジュール２に巻き締め部１７が形成されるために、蓋面側空間Ｃ２（Ｃ３）は入口から広がっているため、裏面側空間Ｄ２（Ｄ３）に流入した冷却空気が蓋面側空間Ｃ２（Ｃ３）側に流れ込んでしまう。このため、裏面側空間Ｄ２（Ｄ３）に接する電池モジュール２の裏面１６の冷却性能が低下する。

また、蓋面側空間Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３は、略同一形状であるが、蓋面側空間Ｃ２，Ｃ３においては裏面側空間Ｄ２，Ｄ３からの冷却空気の流れ込みがあるため、空間Ｃ１と空間Ｃ２，Ｃ３の冷却空気の流れが異なる。さらに、裏面側空間Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４も略同一形状であるが、裏面側空間Ｄ２，Ｄ３においては蓋面側空間Ｃ２，Ｃ３に冷却空気が流れ込んでしまうため、空間Ｄ４と空間Ｄ２，Ｄ３の冷却空気の流れが異なる。したがって、電池モジュール２によって冷却性能が異なることとなる。

本実施形態に係る組電池１には、図７に示すように、電池モジュール２の蓋面１５側に蓋面側高さｈ１の入口を有する蓋面側空間Ａ１，Ａ２，Ａ２’と、電池モジュール２の裏面１６側に裏面側高さｈ２の入口を有する裏面側空間Ｂ１，Ｂ１’，Ｂ２が形成される。

蓋面側空間Ａ２，Ａ２’に冷却空気が流入すると、蓋面側空間Ａ２側とＡ２’側の両方に巻き締め部１７が設けられて蓋面側空間Ａ２とＡ２’が対称形状となっているため、蓋面側空間Ａ２とＡ２’に流れ込む冷却空気も対称形状となり、冷却空気の偏りが生じず、蓋面側空間Ａ２とＡ２’に接する２つの蓋面１５における冷却性能も均一となる。また、蓋面側空間Ａ２とＡ２’が対称となるために、一方の空間から他方の空間への冷却空気の流入が非常に少ないため、空間Ａ２，Ａ２’における冷却空気の流れと、空間Ａ１における冷却空気の流れが、略同一となる。したがって、それぞれの電池モジュール２の蓋面１５における冷却性能の偏りが非常に少ない。

裏面側空間Ｂ１，Ｂ１’に冷却空気が流入すると、裏面側空間Ｂ１とＢ１’が対称形状となっているため、裏面側空間Ｂ１とＢ１’に流れ込む冷却空気も対称形状となり、冷却空気の偏りが生じず、裏面側空間Ｂ１とＢ１’に接する２つの裏面１６における冷却性能も均一となる。また、裏面側空間Ｂ１とＢ１’ が対称となるために、一方の空間から他方の空間への冷却空気の流入が非常に少ないため、裏面側空間Ｂ１，Ｂ１’における冷却空気の流れと、裏面側空間Ｂ２における冷却空気の流れが、略同一となる。したがって、電池モジュール２の裏面１６における冷却性能の偏りが非常に少ない。したがって、前述の通り、電池モジュール２の蓋面１５における冷却性能の偏りも非常に少ないことから、それぞれの電池モジュール２による冷却性能のばらつきが抑制される。また、冷却空気の流れに偏りが生じないため、冷却空気の流量を調整するための整流板等を設ける必要がない。

＜解析例１＞
次に、本発明に係る組電池の冷却性能を示す解析例１について説明する。

図９は解析例１に適用される解析モデルの側面図であり、（Ａ）は蓋面が同一方向に並ぶ解析モデル１、（Ｂ）は蓋面が向かい合って並ぶ解析モデル２、（Ｃ）は蓋面が逆方向に並ぶ解析モデル３を示す。なお、図中の矢印は冷却空気の流れ方向を示している。

解析例１は、図９に示すように、２つの電池モジュール２からなる１つの電池モジュール２群を組電池１とする。解析モデル１は、図９（Ａ）に示すように、電池モジュール２の蓋面１５が同一方向に並んでおり、従来の組電池を模擬している。解析モデル２は、図９（Ｂ）に示すように、電池モジュール２の蓋面１５が向かい合って並び、解析モデル３は、図９（Ｃ）に示すように、電池モジュール２の蓋面１５が逆方向に並んでおり、解析モデル２，３のどちらも本発明に対応する組電池１を模擬している。

解析例１における電池モジュール２の巻き締め部１７の高さは、蓋面１５から３ｍｍであり、１つの電池モジュール２の発熱量は、６０Ｗである。冷却空気の風量は０．２ｍ^３／ｍｉｎであり、冷却空気の吸気温度は３２℃である。

また、冷却空気の流入部の寸法は、蓋面側高さｈ１，ｈ３が０．７５ｍｍ、裏面側高さｈ２，ｈ４が２．２５ｍｍである。

解析結果を、下記の表に示す。

電池モジュール間温度差は、各電池モジュール２における最高到達温度の温度差を示し、電池モジュール平均温度は、全ての電池モジュール２の平均温度を示す。

表に示すように、解析モデル１と比較して、解析モデル２および３の電池モジュール平均温度はあまり変わらないが、電池モジュール間温度差が大きく低下している。これにより、本発明に係る解析モデル２，３では、解析モデル１よりも電池モジュール毎の冷却性能が均一となっていることが確認できる。

＜解析例２＞
次に、本発明に係る組電池の冷却性能を示す解析例２について説明する。

図１０は解析例２に適用される解析モデルの側面図であり、（Ａ）は蓋面が同一方向に並ぶ解析モデル４、（Ｂ）は蓋面が交互に並ぶ解析モデル５を示す。なお、図中の矢印は冷却空気の流れ方向を示している。

解析例２は、図１０に示すように、３つの電池モジュール２からなる１つの電池モジュール群３を組電池１とする。解析モデル４は、図１０（Ａ）に示すように、電池モジュール２の蓋面１５が同一方向に並んでおり、従来の組電池を模擬している。解析モデル５は、図１０（Ｂ）に示すように、電池モジュール２の蓋面１５が交互に並んでおり、本発明に対応する組電池を模擬している。

解析例２における電池モジュール２の巻き締め部１７の高さは、蓋面１５から３ｍｍであり、１つの電池モジュール２の発熱量は、３０Ｗである。冷却空気の風量は０．３ｍ^３／ｍｉｎであり、冷却空気の吸気温度は３２℃である。

また、冷却空気の流入部の寸法は、蓋面側高さｈ１，ｈ３が０．７５ｍｍ、裏面側高さｈ２，ｈ４が２．２５ｍｍである。

解析結果を、下記の表に示す。

表に示すように、解析モデル４と比較して、解析モデル５の電池モジュール平均温度はあまり変わらないが、電池モジュール間温度差が低下している。これにより、本発明に係る解析モデル５では、電池モジュール毎の冷却性能が解析モデル４よりも均一となっていることが確認できる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、本実施形態では電池モジュール群３は３つの電池モジュール２で構成されるが、３つ以外でもよく、また、電池モジュール群３が４列以外でもよい。

本実施形態に係る組電池を示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う組電池の側面図である。 本実施形態に係る組電池の電池モジュールを示す斜視図である。 同電池モジュールの分解斜視図である。 図１のＶ−Ｖ線に沿う組電池の正面図である。 従来の組電池を示す正面図である。 本実施形態に係る組電池の電池モジュール群の一部を示す部分断面図である。 従来の組電池の電池モジュール群の一部を示す部分断面図である。 解析例１に適用される解析モデルの側面図であり、（Ａ）は蓋面が同一方向に並ぶ解析モデル１、（Ｂ）は蓋面が向かい合って並ぶ解析モデル２、（Ｃ）は蓋面が逆方向に並んだ解析モデル３を示す。 解析例２に適用される解析モデルの側面図であり、（Ａ）は蓋面が同一方向に並ぶ解析モデル４、（Ｂ）は蓋面が交互に並ぶ解析モデル５を示す。

符号の説明

１ 組電池、
２ 電池モジュール、
３ 電池モジュール群、
４ ロアケース、
５ 拘束板、
９ 筐体、
１０ 扁平型電池（電池）、
１１ 凹部、
１２ 本体、
１３ 蓋体、
１５ 蓋面、
１６ 裏面、
１７ 巻き締め部、
１８ 出力端子、
１９ バスバー、
Ａ１，Ａ２，Ａ２’，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ 蓋面側空間、
Ｂ１，Ｂ１’，Ｂ２，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ 裏面側空間、
ｈ１，ｈ３ 蓋面側高さ、
ｈ２，ｈ４ 裏面側高さ。

Claims (4)

1. 電池を収納する凹部を備える本体と、前記凹部の開口部を封止する蓋体とを巻き締め加工により結合して形成される電池モジュールが冷却空気を流す空間を隔てて複数積み重ねられた組電池であって、
   前記電池モジュールにおける前記蓋体からなる蓋面の縁部には、前記巻き締め加工により前記電池モジュールの積み重ね方向に前記蓋面から突出する巻き締め部が形成され、
   前記積み重ね方向に隣り合う前記電池モジュール同士が、前記蓋面同士を前記空間を隔てて向い合せて、または前記蓋面の反対面である裏面同士を前記空間を隔てて向い合せて配置されることを特徴とする組電池。
2. 前記電池モジュールは、前記積み重ね方向に対して直交する方向に導出された正極および負極の出力端子を備え、前記複数の電池モジュールは、それぞれ同一形状の電池モジュールであることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
3. 電池を収納する凹部を備える本体と、前記凹部の開口部を封止する蓋体とを巻き締め加工により結合して形成される電池モジュールを冷却空気を流す空間を隔てて複数積み重ねる組電池の製造方法であって、
   前記電池モジュールにおける前記蓋体からなる蓋面の縁部には、前記巻き締め加工により前記電池モジュールの積み重ね方向に前記蓋面から突出する巻き締め部が形成され、
   前記積み重ね方向に隣り合う前記電池モジュール同士を、前記蓋面同士を前記空間を隔てて向い合せて、または前記蓋面の反対面である裏面同士を前記空間を隔てて向い合せて配置させることを特徴とする組電池の製造方法。
4. 前記電池モジュールは、前記積み重ね方向に対して直交する方向に導出された正極および負極の出力端子を備え、前記複数の電池モジュールに、それぞれ同一形状の電池モジュールを用いることを特徴とする請求項３に記載の組電池の製造方法。

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