JP5462711B2 - 組電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、組電池モジュールに関するものである。

従来、多様な負荷電圧や負荷容量に対して共通した電池で対応するために、電池を直列接続や並列接続、またはそれらを組み合わせた接続をし、組電池を構成することが多い。組電池構成方法としては、複数の電池をテープで固定したり、熱収縮チューブで固定したり、ハードケースに収納する方法が一般的である。しかし、これらの一般的な組電池構成方法では、電池自体の発熱による熱が放出せず蓄積し、電池が高温となるため、短寿命になってしまう。特に近年は、急速充電や高率放電にて使用される用途が増大し、電池温度が高温になりやすく、一層寿命を縮める原因となっている。

特に、扁平形電池の長側面同士を接するように組電池を構成した場合は、放熱経路がタブリード以外にほとんどない。そのため、両長側面が電池に接する、中央部に位置する電池の温度が非常に高くなり、他に位置する電池よりも早期に寿命に至り、組電池としての寿命が短くなってしまう。

組電池を常温以上の環境下で使用する場合には、電池温度を下げるための対策として、（１）単電池間に隙間を開け、そこに冷却風を流して冷却する空冷方式が提案されている。また、（２）単電池間に冷却液を循環させる水冷方式が提案されている。さらに、低温から高温まで温度変化の激しい環境下で使用する場合には、（３）各扁平形電池の側面上部にヒータを、同じ側面の下部に熱伝導シートを設け、低温時はヒータで電池を加熱し、高温時は熱伝導シートを介して搭載パネルに放熱する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

実開平２−１２８３６８号公報

しかしながら、（１）の空冷方式や（２）の水冷方式では、単電池間に冷却風や冷却液を循環させるための隙間が必要になり、その分組電池モジュールが大きくなってしまう。また、これらの方式の組電池モジュールを、電気自動車や航空機などの常に大きな衝撃が加わる移動体に使用した場合、単電池間に隙間を設けているために耐振設計が複雑になってしまい、十分な耐振構造を得ることが難しい。

また、低温から高温まで広い温度環境下で使用すべく提案された、（３）の方法では、蓄電池間合せ面の上部にシート状ヒータが配置され、側面および下面に高熱伝導シートが配置され、これらは接触していないため（特許文献１中図３参照）、低温時に蓄電池全体を加熱するには時間を要し、また、シート状ヒータは積層した蓄電池間に夫々配置されているためコストがかかる、と言った問題がある。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、広い環境温度範囲において電池を適切な温度に保つことにより、電池の性能低下や短寿命化を防ぐことができる組電池モジュールを提供することである。

前述した目的を達成するために、本発明は、長側面同士が対向するように積層して配置された複数の扁平形の単電池と、一の単電池の一方の長側面に沿って配置された熱伝導性プレートと、前記一の単電池の他方の長側面に沿って配置されたヒータを具備し、前記熱伝導性プレートと前記ヒータとが前記単電池を挟んで交互に積層して配置されていることを特徴とする組電池モジュールである。

このような構成とし、単電池の一方の長側面に熱伝導性プレート、他方の長側面にヒータを夫々交互に配置することで、各単電池間に熱伝導性プレート、及びヒータを配置せずに単電池の加熱、冷却をすることが可能であると共に、熱伝導性プレートでの放熱と、ヒータによる加熱を行うことで、０℃以下の低温環境から常温以上の高温環境まで、広い環境温度範囲において電池を適切な温度に保つことができる。

熱伝導性プレートは、カーボンプレート、金属製プレート、カーボン粉末、又は金属粉末或いはダイヤモンド粉末を樹脂やゴムで固めた緩衝プレート等とする。これらは十分な熱伝導性を有し、このような目的に適している。特に、カーボンプレートは比重が小さいため、更なる軽量化が可能となる。

熱伝導性プレートとしてカーボンプレートを用いる場合、少なくとも平面の一の方向の熱伝導率より、厚み方向の熱伝導率が低いものとするのが好ましい。カーボンプレートは、結晶の配列方向により熱伝導率が異なるため、厚み方向に結晶を積層させることにより、厚み方向の熱伝導率を平面方向と比較して極めて低くできる。このようなカーボンプレートを使用することで、隣接する単電池に伝導する熱を少なくし、効率的に放熱することができる。

また、熱伝導性プレートとしてカーボンプレートを用いる場合、カーボンプレートの表面には、必要に応じて金属箔が貼り合わされる。カーボンプレートの表面に、アルミ箔や銅箔などの熱伝導性の高い金属箔を貼り合わせることにより、軽量であるというカーボンプレートの良好な特性を生かしつつ、振動や衝撃に対する脆さを補い、機械的耐久性を高めることができる。

熱伝導性プレートは、単電池の短側面から突出するように配置することが望ましい。熱伝導性プレートを突出させることで、熱伝導性プレート自体から空気中へ熱を放出させることができるため、従来のヒートシンクなどを用いる組電池と比較して、軽量化やコストダウンが可能となる。また、熱伝導性プレートの突出した部分に空気を流すことで、放熱性能を増大させることができる。

ヒータは、フィルムヒータとすることが望ましい。フィルムヒータを用いることにより、組電池の厚みを薄くすることができる。また、第１の発明の組電池モジュールは、単電池の電池温度を検出する温度センサを更に具備し、ヒータは、温度センサで検出した電池温度により加熱または加熱停止される。これにより、単電池の温度に応じた電池温度の制御を行う。

本発明によれば、単電池の一方の長側面に熱伝導性プレート、他方の長側面にヒータを夫々交互に配置することで、各単電池間に熱伝導性プレート、及びヒータを配置せずに単電池の加熱、冷却をすることが可能であると共に、広い環境温度範囲において電池を適切な温度に保つことにより、電池の性能低下や短寿命化を防ぐことができる組電池モジュールを提供できる。

組電池モジュール１の斜視図 組電池モジュール１の垂直断面図 組電池モジュール１の組立図 フィルムヒータ５の連結状態を示す図 組電池モジュール１ａの側面図

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、組電池モジュール１の斜視図を示す。図２は、組電池モジュール１の垂直断面図を示す。図２は、カーボンプレート７やフィルムヒータ５等を横断するように組電池モジュール１を垂直方向に切断した断面図である。図３は、組電池モジュール１の組立図を示す。

図１から図３に示すように、組電池モジュール１は、複数の扁平形の単電池３（３−１、３−２、３−３、…、３−（ｎ−２）、３−（ｎ−１）、３−ｎ）、熱伝導性プレートであるカーボンプレート７、ヒータであるフィルムヒータ５、低硬度熱伝導性シート１７、押さえ板１１、押さえ板１３、固定ネジ１５等からなる。

単電池３（３−１、３−２、３−３、…、３−（ｎ−２）、３−（ｎ−１）、３−ｎ）は、隣り合う単電池３の長側面２１同士が対向するように積層して配置される。単電池３は、端面１９に端子９ａおよび端子９ｂを有する。端子９ａ、端子９ｂは、一方が正極端子、他方が負極端子である。複数の単電池３は、端子９ａおよび端子９ｂが組電池モジュール１の同じ側に位置するように配置される。

カーボンプレート７は、単電池３の一方の長側面２１に沿って配置される。フィルムヒータ５は、単電池３の他方の長側面２１に沿って配置される。図２に示すように、組電池モジュール１では、カーボンプレート７、単電池３−１、フィルムヒータ５、単電池３−２、カーボンプレート７、単電池３−３…というように、カーボンプレート７とフィルムヒータ５とが、単電池３を挟み込むように隣接する単電池３同士の間等で交互に積層して配置される。
そして、前記カーボンプレート７とフィルムヒータ５を単電池３を挟んで交互に積層して配置することによって、各単電池間にカーボンプレート７、フィルムヒータ５を配置する必要がなく、組電池の組立も容易となり、更に、低コストでの組電池の作製が可能である。

カーボンプレート７は、厚み方向に結晶を積層させたものとすることで、カーボンプレート７の幅方向（例えば図１や図３の縦方向で示す高さ方向）の熱伝導率を高く（例えば２００〜５００Ｗｈ／ｃｍ^２程度）、厚み方向の熱伝導率を当該幅方向と比較して極めて低く（例えば１０Ｗｈ／ｃｍ^２程度以下）することが望ましい。カーボンプレート７は、突出部３５が単電池３の短側面である上面２３から突出するように配置される。
なお、本願では熱伝導性プレートであるカーボンプレート７を上面２３から突出するように配置した例を示したが、突出させる部分は上面２３に限らず、左右の短側面も含め突出させても良く、突出部分の面積を増大させることで単電池の放熱性能をさらに高めることが可能である。

低硬度熱伝導性シート１７は、カーボンプレート７の両面に配置される。低硬度熱伝導性シート１７は、両面粘着性である。低硬度熱伝導性シート１７をカーボンプレート７と単電池３等との間に配することにより、それぞれが密着するように固定される。

押さえ板１１は、組電池モジュール１の両端に１枚ずつ、単電池３の長側面２１に沿って配置される。押さえ板１３は、２枚の押さえ板１１同士を連結するように、単電池３の端面１９に沿って配置される。押さえ板１１は、ネジ穴２５を有する。押さえ板１３は、押さえ板１１のネジ穴２５と重なる位置にネジ穴２７を有する。押さえ板１１と押さえ板１３とは、重ねたネジ穴２５とネジ穴２７とに固定ネジ１５をねじ込むことにより一体化される。一体化された押さえ板１１および押さえ板１３は、単電池３、カーボンプレート７、フィルムヒータ５等を固定して保持する。

図４は、フィルムヒータ５の連結状態を、平面において模式的に示す図である。図４では、低硬度熱伝導性シート１７の図示は省略している。図４に示すように、複数のフィルムヒータ５は、ヒータ電源ケーブル２９により直列に連結される。複数のフィルムヒータ５は、ヒータ電源ケーブル２９を介してヒータコントローラ３３に接続され、ヒータコントローラ３３等を介して不図示の電源からの電力供給を受ける。当該電源には電池や商用電源等を用いることができる。また、ヒータコントローラ３３には、中央付近の単電池３の表面に配置された温度センサ３１が接続される。

次に、組電池モジュール１の動作について説明する。組電池モジュール１では、図４に示す温度センサ３１が、中央付近の単電池３の温度を検出する。組電池モジュール１では、電池温度が０℃以下になると、ヒータコントローラ３３によりフィルムヒータ５を加熱する。一方、電池温度が０℃以上になると、ヒータコントローラ３３によるフィルムヒータ５の加熱は停止される。なお、フィルムヒータ５の加熱により電池温度が上昇し、０℃を超えてフィルムヒータ５の加熱を停止した場合でも、電池自体が発熱し電池温度が上昇するため、再度０℃以下となり加熱と加熱停止を繰り返すなどのチャタリングが起こることはない。

また、単電池３の熱はカーボンプレート７に伝わり、カーボンプレート７の突出部３５から空気中へ放出される。このとき、不図示の送風機構等を用いて、カーボンプレート７の突出部３５の周囲に空気を流すことで、放熱性能をさらに増大させることができる。

このように、本実施の形態では、扁平形の単電池３の一方の長側面２１に沿って熱伝導プレートであるカーボンプレート７を、他方の長側面２１に沿ってヒータであるフィルムヒータ５を配置し、組電池モジュール１をカーボンプレート７、単電池３、フィルムヒータ５の順で配置して構成する。そして、電池温度が０℃以下の時にフィルムヒータ５を加熱するようにコントロールする。組電池モジュール１では、０℃以下ではフィルムヒータ５で単電池３を加熱し、０℃以上では加熱を停止する。また、組電池モジュール１では、単電池３からカーボンプレート７を介して空気中に熱が放出される。これにより、各単電池間に熱伝導性プレート、及びヒータを配置せずに単電池３の加熱、冷却をすることが可能であると共に、０℃以下の低温環境から常温以上の高温環境まで、広い環境温度範囲において単電池３を適切な温度に保ち、単電池３の性能低下や短寿命化を防ぐことができる。

組電池モジュール１では、カーボンプレート７を低硬度熱伝導性シート１７と併用して扁平形の単電池３の間等に配することにより、単電池３の表面のわずかな凹凸による熱抵抗が小さくなり、放熱性が向上する。また、両面粘着性の低硬度熱伝導性シート１７を使用することで、カーボンプレート７と単電池３等との密着性が向上し、耐振性が向上する。低硬度熱伝導性シート１７のかわりに熱伝導性接着剤を用いた場合にも、同様の効果が得られる。

組電池モジュール１では、厚み方向に結晶を積層させたものとすることで、カーボンプレート７の幅方向の熱伝導率を高く、当該幅方向と比較して厚み方向の熱伝導率を低くする。このように、少なくとも平面の一の方向の熱伝導率より、厚み方向の熱伝導率を低くすることにより、隣接する単電池３に伝導する熱を少なくし、効率的に放熱することができる。

組電池モジュール１では、熱伝導性プレートとして、比重が小さいカーボンプレート７を用い、ヒータとして組電池モジュールの厚みを小さくすることができるフィルムヒータ５を用いる。これにより、軽量化および小型化が可能となる。

組電池モジュール１では、熱伝導性プレートであるカーボンプレート７を単電池３の上面２３から突出させることで、カーボンプレート７自体から空気中へ熱を放出させる。そのため、熱伝導性プレートをヒートシンク等に密着させてヒートシンク等から熱を空気中へ放出させる方法に比べ、軽量化やコストダウンが可能となる。

なお、カーボンプレート７には、表面にアルミ箔や銅箔などの熱伝導性の高い金属箔（図示せず）を貼り合わせてもよい。これにより、カーボンプレート７の耐振動性や耐衝撃性を向上させ、軽量であるというカーボンプレート７の良好な特性を損なうことなく、より高い機械的耐久性を得ることができる。

本実施の形態の組電池モジュール１では、熱伝導性プレートとしてカーボンプレート７を用いたが、熱伝導性プレートは、十分な熱伝導率を有し、扁平形の単電池３で発生した熱を放熱するために熱を伝えることができる材質のものであればよい。例えば、金属（アルミニウム、銅、ステンレス、スチール、鉄−ニッケルメッキ、マグネシウム）や、カーボン粉末、又は金属粉末或いはダイヤモンド粉末を樹脂やゴムで固めた緩衝プレート、合成樹脂（ポリエチレン、ポリプロプレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタラート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド系樹脂等の高融点樹脂）、熱伝導プラスチック、シリコンゴムシート、エチレンプロピレンゴムシート（ＥＰＴ）、ブチルゴムシート等を用いることが可能である。一方で、本実施の形態のようにカーボンプレート７を用いることは、比重が小さく組電池モジュール１の更なる軽量化を可能にするとともに、結晶の配列方向により熱伝導率を異なるものとし、隣接する単電池３を加熱せず効率的に放熱できるという利点がある。

また、組電池モジュール１では、ヒータとしてフィルムヒータ５を用いたが、ヒータは扁平形の単電池３を加熱できるものであればよい。但し、組電池を大型化させないためには、フィルムヒータを用いることが好ましい。

さらに、組電池モジュール１では、熱伝導性プレートであるカーボンプレート７を低硬度熱伝導性シート１７で挟みこんだが、低硬度熱伝導性シート１７は必須の構成部材ではない。低硬度熱伝導性シート１７は、必要に応じて設置される。

本実施の形態の組電池モジュール１では、カーボンプレート７を単電池３の上面２３から突出させたが、突出部３５を設けず、単電池３の上面２３と面一としてもよいし、ヒートシンクなどの放熱板を単電池３の間に配置して放熱手段を採っても良い。

図５は、本実施の形態の組電池モジュール１に放熱板を設けた組電池モジュール１ａの側面図を示す。図５に示すように、組電池モジュール１ａでは、カーボンプレート７ａの突出部３５ａの端部３７付近がＬ字状に折り曲げられ、突出部３５ａの上部にヒートシンク３９が設置される。これにより、単電池３で発生した熱の放出をさらに促進させることができる。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１、１ａ………組電池モジュール
３………単電池
５………フィルムヒータ
７、７ａ………カーボンプレート
１７………低硬度熱伝導性シート
２１………長側面
２３………上面
２９………ヒータ電源ケーブル
３１………温度センサ
３３………ヒータコントローラ
３５、３５ａ………突出部

Claims (8)

1. 長側面同士が対向するように積層して配置された複数の扁平形の単電池と、
   一の単電池の一方の長側面に沿って配置された熱伝導性プレートと、
   前記一の単電池の他方の長側面に沿って配置されたヒータと、
   を具備し、前記熱伝導性プレートと前記ヒータとが前記単電池を挟んで交互に積層して配置されていることを特徴とする組電池モジュール
2. 前記熱伝導性プレートが、カーボンプレートであることを特徴とする請求項１記載の組電池モジュール。
3. 前記熱伝導性プレートが、金属製プレートであることを特徴とする請求項１記載の組電池モジュール。
4. 前記カーボンプレートは、少なくとも平面の一の方向の熱伝導率より、厚み方向の熱伝導率が低いことを特徴とする請求項２記載の組電池モジュール。
5. 前記カーボンプレートの表面に金属箔が貼り合わされたことを特徴とする請求項２記載の組電池モジュール。
6. 前記熱伝導性プレートが、前記単電池の短側面から突出するように配置されたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の組電池モジュール。
7. 前記ヒータが、フィルムヒータであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の組電池モジュール。
8. 前記単電池の電池温度を検出する温度センサを更に具備し、
   前記ヒータが、前記温度センサで検出した電池温度により加熱または加熱停止されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の組電池モジュール。

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