JP5343048B2 - 蓄電モジュールおよび蓄電装置 - Google Patents
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Description
また、本発明の蓄電装置は、上記の蓄電モジュールを複数個有し、各蓄電モジュールの冷却プレートが、冷媒が分岐されるように配管により相互に連結されていることを特徴とする。
以下、この発明の蓄電モジュールおよび蓄電装置の実施形態1を図面と共に説明する。
(蓄電モジュール)
図1は、本発明の蓄電モジュール1の分解斜視図であり、図2は、図1の蓄電モジュールを前方からみた正面図である。但し、図2においては、後述するカバー28が省略されている。
蓄電モジュール1は、多数の電池セル10を有する。図1において、図示の如く、奥行き方向をx方向、長さ方向をy方向、高さ方向をz方向とする。電池モジュール1のx(奥行き)方向のほぼ中央部には、冷却プレート15が配置されている。冷却プレート15は、その正面が、z(高さ)方向がx(奥行き)方向より大きく、その側面が、y(長さ)方向に長く延出された平板形状を有する。電池セル10は、冷却プレート15の一面(表面)および一面に対向する厚さ方向の他面(裏面)に沿って、図示の如く、y(長さ)方向に三個、z(高さ)方向に四段の3×4個配列されている。但し、電池セル10の個数は一例であって、適宜、変えることができるものである。
冷却プレート15は、冷却ブロック15aとパイプ15bから構成されている。冷却ブロック15aは、アルミダイカスト、アルミニウム、マグネシウム等の金属、または熱伝導率が1W/m・K以上の絶縁樹脂により形成されている。パイプ15bは、内部に冷媒を流通する貫通孔を有し、アルミニウム、銅、鉄、ステンレス等の金属、または熱伝導率が1W/m・K以上の絶縁樹脂により形成されている。
電池セル10は、一面が開口した直方体状の電池缶114内に絶縁ケース113を介して捲回型発電要素群120を収納し、電池缶114の開口部114Aを電池蓋103によって封止した構造を有する。電池缶114と電池蓋103によって容器外装が構成される。電池蓋103には、内側から正極出力部108および負極出力部107が突設されている、正・負極出力部108、107は、容器外装の表面に設けられた正・負極外部端子である。正・負極外部端子108、107は、捲回型発電要素群120で発電した電力を外部に出力し、外部で発電した電力を捲回型発電要素群120に充電するための端子であり、後述する正・負極集電体106、105に一体的に形成されている。
正・負極集電体106、105は略L字形状に形成され、電池蓋103に固定されている。
本発明の実施形態においては、冷却プレート15と電池セル10との間に、熱伝導性部材16および電池セル取付板17が介装されており、冷却プレート15と電池セル10とが直接接触していないので、冷却プレート15に結露が発生した場合においても、電池セル10が相互に短絡することはなく信頼性を確保することができる。
図5は、ブスバー26により、三個×四段の電池セル26を全て直列に接続した状態を示す図である。
図5において、最上段の左端の電池セル10の負極出力部107と、上から二段目の左端の電池セル10の正極出力部108がブスバー26により接続されている。上から二段目の右端の電池セル10の負極出力部107と上から三段目の右端の電池セル10の負極出力部108がブスバー26により接続されている。上から三段目の左端の電池セル10の負極出力部107と上から最下段の左端の電池セル10の正極出力部108がブスバー26により接続されている。それ以外の中間に位置する電池セル10の負極出力部107と正極出力部108はブスバー26により接続されている。これにより、三個×四段の電池セル26は全てが直列に接続されている。従って、最上段の右端の電池セル10の正極出力部108と最下段の右端の負極出力部107間には、12個の電池セル10を直列に接続した電位差が生じている。
図3は、クリップ30の外観斜視図である。クリップ30は、金属板をプレス加工することにより形成される。クリップ30の基部31の両側部には、外方に開放可能な可撓部32が形成されている。各可撓部32は基部31側の側面がV字形状の支持部32aと、支持部32aから傾斜して外方に開放される嵌合部32bとからなる。
蓄電モジュール1を組立てるには、冷却プレート15の表面側および裏面側に、それぞれ、三対の電池セル取付板17を取り付ける。対となる各電池セル取付板16の間に熱伝導性部材16を取り付ける。対となる電池セル取付板17の間、それぞれに、電池セル10を四段、間にセル分割プレート20を介装して挿入する。最上段の電池セル10の上面および最下段の電池セル10の下面に、それぞれ、エンドプレート21を配置し、各エンドプレート21の開口および各セル分割プレート20の前部および後部に設けられた開口にスタッドボルト6を挿通し、ナット24により固定する(図1参照)。また、図示はしないが、冷却プレート15には、z(高さ)方向に貫通する開口が形成されており、この冷却プレートの開口にスタッドボルト(図示せず)を挿通してナット22により固定する(図2参照)。但し、ナット22および24による固定は仮固定である。
この状態で、ナット22および24を本締めすることにより、図2に図示される電池モジュール1が完成する。
複数個の電池モジュール1をケース5内に収容して、ハイブリッド自動車や電気自動車の電源装置としての蓄電装置が形成される。
図14は蓄電装置100の斜視図であり、図15は、蓄電装置100のレイアウトを示す図である。また、図16は、蓄電装置100内における各電池モジュール1の接続状態を示す図である。
図14に図示される如く、複数(図14においては三個)の蓄電モジュール1が、バッテリコントロールユニット2、バッテリ補機デバイス3、分解時電流遮断ユニット4に接続され、バッテリケース5に収容されている。バッテリケース5の上方から、バッテリカバー7がねじ8により固定される。バッテリカバー7は、外部から導電性異物、例えば、水、埃、化学薬品等が侵入するのを防止する。各電池モジュール1は、図16に図示されるように、高電圧線9により直列に接続されている。
バッテリ補機デバイス3の入口側および出口側には、分岐パイプブロック52、53が配置されている。図示はしないが、冷却ファン、ラジエータ、コンプレッサ等を備えた冷却装置から供給される水、フロン等の冷媒は、入口側の分岐パイプブロック52により分岐されて、各電池モジュール1の冷却プレート15に供給される。各電池モジュール1を構成する電池セル10を熱伝導により冷却した冷媒は、気化された状態で、出口側の分岐パイプブロック53で集合されて冷却装置のコンプレッサに入力される。
また、端子カバー25をエンドプレート21側に引き寄せる弾性部材としてクリップ30を用いた構造を採用した。しかし、クリップ30以外の弾性部材を用いることができる。例えば、端子カバー25とエンドプレート21間に引っ張りばねを張架するとか、カバー28をエンドプレート21に固定し、カバー28に端子カバー25を付勢する圧縮ばね、板ばね、皿ばね等を取り付けるようにしてもよい。
また、弾性部材を用いる構造ではなく、締結部材によりエンドプレート21側に押し付ける構造としてもよい。このような構造の一例を実施形態2として説明する。
図17は本発明の蓄電モジュール1Aの実施形態2を示す正面図であり、図18は図17に図示された蓄電モジュール1Aにおける冷却プレート15と電池セル10との取付構造を示す図である。
図17に図示される如く、実施形態2の蓄電モジュール1Aは、実施形態1において用いられていたクリップ30を有していない。
上・下部に配置されたエンドプレート21Aは、電池セル10の先端よりも前方に延びており、両側縁部に開口部21bが形成されている。
つまり、実施形態2においては、スタッドボルト6と皿ばね付きナット24とにより、各電池セル10を仮留めしておき、押え板55を外方から押圧して、カラー23と共に各電池セル10を冷却プレート15側に押し当て、皿ばね付きナット24を本締めして組み付ける。この場合、図18に図示されるように、各電池セル10の底面114Bは、冷却プレート15の表面または裏面に直接接触する。すなわち、実施形態1の如く、熱伝導性部材16を介在していない。
このような実施形態2においても、実施形態1の場合と同様な効果を奏することができる。また、熱伝導性部材16および電池セル取付板17を用いない構造であるので、実施形態1の場合より、生産性が向上し、安価にすることができる。
図19〜図21は、本発明の蓄電モジュールの実施形態3を示す。
図19は、冷却プレート15Aと電池セル10との結合構造を示す斜視図であり、図20は、冷却プレート15Aと1個の電池セル10との結合構造を示す平面図であり、図21は冷却プレート15Aと3個の電池セル10との結合構造を示す平面図である。
実施形態3においては、冷却プレート15Aにおける、各電池セル10との接触箇所に凹部15cが形成されている。凹部15cは、冷却プレート15Aの高さ全体に亘り形成されており、凹部15c内には熱伝導性部材16が収容されている。各電池セル10は、底面114Bが冷却プレート15Aの表面または裏面に直接接触した状態で、熱伝導性部材16に接触している。
実施形態3においても、実施形態1の場合と同様な効果を奏する。また、電池セル取付板17を用いない構造であるので、実施形態1の場合より生産性が向上する。
図22および図23は、本発明の蓄電モジュールの実施形態4を示す。
図22は、冷却プレート15Bの斜視図であり、図23は、図22のXXIII―XXIII線で切断した部分の拡大断面図である。
図22に図示される如く、冷却プレート15Bには、それぞれが、高さ方向の全長に亘って延出された直線状の溝15dが複数個形成されている。各溝15dの断面形状は、図23に図示されるように、半円形状である。
なお、溝15dの形状は、直線状でなく、波型にしたりジグザグ形状にしたり、種々、変形することが可能である。また、冷却プレート15の全高さに亘る溝に連結される枝葉の溝を組み合わせてもよい。枝葉の溝は、延出方向を冷却プレート15の高さ方向に交差する方向としてもよく、冷却プレート15の端部まで延出しなくてもよい。また、溝15dの断面形状は、半円形状に限られるものではなく、コーナー部に円弧部または面取り部を有する矩形形状、V字形状、台形形状等、種々、変形することができる。
図24は、本発明の実施形態5に係り、蓄電モジュールに用いられる冷却プレートの断面図である。
実施形態5の冷却プレート15は、冷却ブロック15aに設けられるパイプ15bが、図1におけるy(長さ)方向において蛇行している。電池セル10が冷却プレート15の高さ方向に複数段に配列される構造では、冷媒が流通するパイブ15bが配置された中央部と、高さ方向における端部とでは、温度にばらつきが生じる。パイプ15bを蛇行させることにより、冷却ブロック15の高さ方向における温度差を低減することができる。
実施形態5に示す冷却プレート15の構造は、実施形態1〜4いずれの蓄電モジュール対しても適用が可能である。
なお、蛇行の回数は、図24に図示された1回に限られるものではなく、複数回とすることができる。
図25は、本発明の実施形態6に係り、図25(a)は冷却プレートの側面図、図25(b)は冷却プレートの正面図である。
実施形態6に示された冷却プレート15Cは、冷却タンク61とタンクカバー62から構成される。冷却タンク61は、入口側および出口側に近接する両側部から、交互に、長さ方向に延出された隔壁61a、61bを有する。一方の側部から他方の側部に向けて延出された隔壁61aは、他方の側部に達する手前で終端している。他方の側部から一方の側部に向けて延出された隔壁61bは、一方の側部に達する手前で終端している。隔壁61aと61bとは、交互に延出されており、その間に、冷媒が流通する流路が形成されている。
実施形態6の冷却プレート15Cは、冷却プレート15Cの高さ全体に亘り冷媒流路が形成されているので、冷却プレート15Cの温度分布をほぼ均一にすることができる。
実施形態5に示す冷却プレート15の構造は、実施形態1〜4いずれの蓄電モジュール対しても適用が可能である。
図26に図示された冷却プレート15Dは、図25に図示された冷却プレート15Cの変形例である。
冷却プレート15Dは、冷却プレート15Cが有する隔壁61a、61bに換えて、多数のピン61eを有する。各ピン61eの間が、冷媒が流通する流路である。その他は、図25と同様な構成である。
変形例1に示す冷却プレート15Dにおいても、冷却プレート15Dの高さ全体に亘り冷媒流路が形成されているので、冷却プレート15Dの温度分布をほぼ均一にすることができる。
図27に図示された冷却プレート15Eは、図25に図示された冷却プレート15Cの第2の変形例である。
冷却プレート15Eは、冷却プレート15Cが有する隔壁61a、61bに換えて、多数のフィン61fを有する。各フィン61fの間が、冷媒が流通する流路である。その他は、図25と同様な構成である。
変形例2に示す冷却プレート15Eにおいても、冷却プレート15Eの高さ全体に亘り冷媒流路が形成されているので、冷却プレート15Eの温度分布をほぼ均一にすることができる。
図28は、本発明の蓄電モジュールの参考実施形態1を示し、冷却プレート15と電池セル10との結合構造を示す斜視図である。
実施形態7においては、電池セル10は、正極出力部108と負極出力部107とを冷却プレート10の高さ方向に沿って配置されている。つまり、電池セル10は、実施形態1の場合とは、90°異なる向きに配置されている。
実施形態1〜7は、電池セル10として、角形二次電池を用いた蓄電モジュールに関するものであった。これに対し、参考実施形態2は、円筒形二次電池を用いた蓄電モジュールの構造を示す。
図29は、円筒形電池セル11と冷却プレート15Fとの熱伝達可能な結合構造を示す平面図である。
冷却プレート15Fには、表面側および裏面側に、それぞれ、複数の凹部64が形成されている。凹部64の深さは、円筒形電池セル11の先端部が収容される程度であり、凹部64の冷却プレート15Fの長さ方向に沿う長さは、円筒形電池セル11を、2個を一対として収容可能な大きさである。
冷却プレート15Fが導電性材料で形成されている場合には、熱伝導性部材16は絶縁性の材料により形成する必要がある。冷却プレート15Fが非導電性材料で形成されている場合には、熱伝導性部材16は、導電性の材料で形成されているものを用いることが可能である。
参考実施形態2に示す円筒形電池セル11を用いた蓄電モジュールにおいても、冷却プレート15Fの表面側および裏面側に複数の円筒形電池セル11を配列するので、冷却効率を向上することができ、且つ、全体を小型化することができる。
円筒形電池セル11を、熱伝導部材16を介装して冷却プレート15Fに熱的に結合するので、冷却プレート15Fが結露した場合でも、円筒形電池セル11の相互の短絡を防止することができる。
また、本発明の蓄電装置は、上記の蓄電モジュールを複数個有し、各蓄電モジュールの冷却プレートが、冷媒が分岐されるように配管により相互に連結されているものであればよい。
10 電池セル
11 円筒形電池セル
15、15A〜15F 冷却プレート
16 熱伝導性部材
17 電池セル取付板
20 セル分割プレート
21 エンドプレート
25 端子カバー
26 ブスバー
28 カバー
30 クリップ
100 蓄電装置
Claims (10)
- 表面と裏面を有する所定の厚さを有し、前記表面及び前記裏面が取付面に対してほぼ垂直になるように配置され、内部を流通する冷媒により、前記表面および前記裏面を冷却面とする冷却プレートと、
前記冷却プレートの前記表面と熱伝導可能に結合され、前記冷却プレートにより冷却される複数の角形の電池セルが、前記各電池セルの缶底面を前記冷却プレートの前記表面側に向けた状態で、取付面に対して垂直方向に複数段に積層され、かつ前記冷却プレートに沿って配列された第1の電池列と、
前記冷却プレートの前記裏面と熱伝導可能に結合され、前記冷却プレートにより冷却される複数の角形の電池セルが、前記各電池セルの缶底面を前記冷却プレートの前記裏面側に向けた状態で、取付面に対して垂直方向に複数段に積層され、かつ前記冷却プレートに沿って配列された第2の電池列と、
前記第1および第2の電池列の前記電池セルの積層方向の一方側および他方側に配置されて前記第1および第2の電池列を覆う一対のエンドプレートと、
前記第1の電池列の前記冷却プレートとは反対側に配列された第1の端子カバーと、
前記第2の電池列の前記冷却プレートとは反対側に配列された第2の端子カバーと、
前記一対のエンドプレートを介して前記第1の電池列における前記電池セルおよび前記第2の電池列における前記電池セルを、前記冷却プレートと共に固定する第1の固定手段と、
前記第1および第2の端子カバーを介して、前記第1の電池列における前記電池セルおよび前記第2の電池列における前記電池セルを、それぞれ、前記冷却プレートの前記表面および前記裏面に押し付ける第2の固定手段と、を備えることを特徴とする蓄電モジュール。 - 請求項1に記載の蓄電モジュールにおいて、さらに、積層された前記電池セル間に配列されたセル分割プレートを有することを特徴とする蓄電モジュール。
- 請求項1または2に記載の蓄電モジュールにおいて、前記第1の固定手段は、締結部材を含み、前記第2の固定手段は、前記エンドプレートに前記第1および第2の端子カバーを、それぞれ、連結する弾性部材を含むことを特徴とする蓄電モジュール。
- 請求項1または2に記載の蓄電モジュールにおいて、前記第1の固定手段は、前記第1および第2の端子カバーを介して前記第1および第2の電池列における前記電池セルを、それぞれ、前記冷却プレートの前記表面および前記裏面に押し付ける前記第2の固定手段を兼用する締結部材を含むことを特徴とする蓄電モジュール。
- 請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の蓄電モジュールにおいて、前記電池セルの前記缶底面と反対側は、前記電池セルの正極および負極端子面であることを特徴とする蓄電モジュール。
- 請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の蓄電モジュールにおいて、前記冷却プレートの前記表面と前記各電池セルの前記缶底面との間、および、前記冷却プレートの前記裏面と前記各電池セルの前記缶底面との間に、1W/m・K以上の伝熱媒体が介装されていることを特徴とする蓄電モジュール。
- 請求項6に記載の蓄電モジュールにおいて、前記伝熱媒体は熱伝導性シート、熱伝導性ゲルまたは熱伝導性接着剤のいずれかにより形成されていることを特徴とする蓄電モジュール。
- 請求項6または7に記載の蓄電モジュールにおいて、前記冷却プレートに前記各電池セルのコーナー部を保持する所定の厚さを有する絶縁部材が介装され、前記伝熱媒体は、前記絶縁部材の厚さに対応する厚さに圧縮された状態で前記冷却プレートと前記各電池セルの前記缶底面とに接触していることを特徴とする蓄電モジュール。
- 請求項6または7に記載の蓄電モジュールにおいて、前記冷却プレートの前記表面および前記裏面に前記各電池セルの前記缶底面より小さい幅の凹部が形成されており、前記伝熱媒体は、前記凹部内において、厚さ方向に圧縮された状態で前記冷却プレートと前記各電池セルの前記缶底面とに接触していることを特徴とする蓄電モジュール。
- 請求項1乃至9のいずれか1項に記載された蓄電モジュールを複数個有し、前記各蓄電モジュールの前記冷却プレートが、冷媒が分岐されるように配管により相互に連結されていることを特徴とする蓄電装置。
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