JP5547101B2

JP5547101B2 - 電池モジュール

Info

Publication number: JP5547101B2
Application number: JP2011005495A
Authority: JP
Inventors: 直子月森
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2031-01-14
Also published as: JP2012146588A

Description

本発明は、電池モジュールに関し、特に大容量のリチウムイオン二次電池を用いた電池モジュールに関する。

近年、省エネルギーや地球環境保護の観点からハイブリッド電気自動車（HEV）が急速に普及してきている。HEVでは、動力源の電気モータを駆動させるために高電圧・大容量の電源を必要とし、多数の単セル二次電池が、直列および並列に接続されて搭載されている。通常、これらの単セル二次電池は、複数個を組み合わせた電池モジュールとして利用される。

例えば、特許文献１には、複数枚の電極を積層して構成された平角型の電池本体と、前記電池本体を囲うケースと、他の平角型電池との締結のために前記ケースの側周部に設けられた締結部とを有し、電極面同士が平行になるように配列された複数の平角型電池と、前記複数の平角型電池における締結部同士を締結する締結手段とを備えたことを特徴とする平角型電池モジュールが、開示されている。特許文献１によると、ケースの肉厚を厚くする必要がなく、容積、重量エネルギー効率およびスペースファクターが良く、且つ耐振動性に優れた平角型電池モジュールを提供できるとされている。

特開平９−２１９１８１号公報

二次電池に対する大容量化・小型化（すなわち高エネルギー密度化）の要求は、ますます強まっており、より高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池の研究開発が精力的に行われている。しかしながら、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池を用いるほど電極の充放電反応に伴う発熱が大きくなり易く、その熱によってサイクル特性などに悪影響を及ぼすことが懸念される。特に、複数個のリチウムイオン二次電池を組み合わせた電池モジュールでは、個々の単セル二次電池の発熱が積算されることから、熱対策（放熱対策）が一層重要になる。

特許文献１に記載の電池モジュールは、スペースファクターや耐振動性に重点が置かれており、熱対策（放熱対策）に関する提案は開示されていない。一方、電池モジュール内で組み合わせる単セル二次電池間に単純に隙間を設けただけでは、効率良く冷却できないという問題がある。また、冷却する風（冷却風）のガイドを電池モジュールの外側に設けた場合、冷却効率を向上させることができると考えられるが、電池モジュールとガイドとを合わせた全体としての容積を増大させてしまうことから、体積エネルギー密度を著しく低下させてしまうという問題がある。

したがって、本発明の目的は、上記の課題を解決し、電池モジュールの容積増大を最小限に抑えながら冷却効率を向上させることができるリチウムイオン二次電池の電池モジュールを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、複数個のリチウムイオン二次電池を組み合わせた電池モジュールであって、前記リチウムイオン二次電池のそれぞれは、一対の底面と側面とからなる柱状形で、前記側面が一対の平面部と一対の曲面部とからなる角丸長方柱の形状を有しており、前記複数個のリチウムイオン二次電池のそれぞれの平面部が隙間を空けながら対面し、かつそれぞれの曲面部が同じ方向を向くように配列されていることを特徴とする電池モジュールを提供する。

本発明によれば、電池モジュールの容積増大を最小限に抑えながら冷却効率を向上させることができるリチウムイオン二次電池の電池モジュールを提供することができる。

本発明に係る電池モジュールの１例を示す斜視模式図である。本発明に用いられるリチウムイオン二次電池の外観を示す斜視模式図である。本発明に係る電池モジュールの概略構成の１例を示す分解斜視図である。本発明に係る電池モジュールにおける冷却風の流れを示す斜視模式図である。本発明に係る電池モジュールにおける冷却風の流れを、配列されたリチウムイオン二次電池の底面方向から見た正面模式図である。本発明に係る電池モジュールにおける冷却風の流れを、配列されたリチウムイオン二次電池の平面部方向から見た側面模式図である。

前述したように、本発明に係る電池モジュールは、複数個のリチウムイオン二次電池を組み合わせた電池モジュールであって、前記リチウムイオン二次電池のそれぞれは、一対の底面と側面とからなる柱状形で、前記側面が一対の平面部と一対の曲面部とからなる角丸長方柱の形状を有しており、前記複数個のリチウムイオン二次電池のそれぞれの平面部が隙間を空けながら対面し、かつそれぞれの底面が同じ方向を向くように配列されていることを特徴とする。

また、上記の本発明に係る電池モジュールにおいて、以下のような改良や変更を加えることができる。
（１）前記曲面部の曲率半径が、前記リチウムイオン二次電池の厚さに対して1/2以上2/3以下の比率である。
（２）前記隙間が、前記リチウムイオン二次電池の厚さに対して1/15以上1/3以下の比率である
（３）前記配列されたリチウムイオン二次電池の底面の側を塞ぐ妻板が更に設けられている。
（４）前記複数個のリチウムイオン二次電池は、位置決め用部材と枠状ケースとによって固定されており、前記枠状ケースは、筋交いを有している。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施の形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜改良や組み合わせを行ってもよい。

はじめに、本発明に用いられるリチウムイオン二次電池について説明する。図２は、本発明に用いられるリチウムイオン二次電池の外観を示す斜視模式図である。図２に示したように、本発明に用いられるリチウムイオン二次電池1は、一対の底面10と側面11とからなる柱状形で、側面11が一対の平面部12と一対の曲面部13とからなる角丸長方柱の形状を有している。言い換えると、底面10が角丸長方形（いわゆるレーストラック形状）を有する柱状形である。

一対の平面部12間の距離をリチウムイオン二次電池1の厚さTとし、曲面部13の曲率半径をRとすると、曲率半径Rは厚さTに対して1/2〜2/3の比率であることが好ましい。なお、底面10において厚さと直交する方向（図２中の左右方向）を幅方向と定義し、一対の底面10間の方向（図２中の上下方向）を高さ方向と定義する。

一対の底面10には、正極端子14と負極端子15が設けられている。正極端子14と負極端子15とは、リチウムイオン二次電池1の内部で電極群に接続され、充放電が行なわれる。なお、図２においては、正極端子14と負極端子15とがそれぞれ反対側の底面10に対向して設けられているが、それに限定されるものではなく、例えば、一方の底面10に正極端子14と負極端子15とが配置されていてもよい。また、リチウムイオン二次電池1に内蔵される電極群に特段の限定はないが、例えば、正極の合剤が塗工された帯状の正極集電体シートと負極の合剤が塗工された帯状の負極集電体シートとが帯状のセパレータシートを介して板状軸芯の周りに渦巻状に捲回された電極群が、好ましく用いられる。

次に、電池モジュールについて説明する。図１は、本発明に係る電池モジュールの１例を示す斜視模式図である。図３は、本発明に係る電池モジュールの概略構成の１例を示す分解斜視図である。図１，３に示したように、本発明に係る電池モジュール20は、複数個（図中では８個）のリチウムイオン二次電池1のそれぞれの平面部12が隙間を空けながら平行に対面し、かつそれぞれの底面10が同じ方向を向くように配列されている。また、複数個のリチウムイオン二次電池1は、位置決め用部材（アライナ）6と、第１フレーム２と、第２フレーム３と、筋交い（ブレース）４とにより固定される。

アライナ6は、配列されるリチウムイオン二次電池1の曲面部13の曲面形状に合わせた複数の窪みを有し、リチウムイオン二次電池1の曲面部13の両端部（曲面部13と底面10との境目領域）で、リチウムイオン二次電池1と第１フレーム２との間、およびリチウムイオン二次電池1と第２フレーム３との間に配設される。リチウムイオン二次電池1を配列する際には、曲面部13の両端部をアライナ6に合わせることで、平面部12が隙間を空けながら平行に対面するように配置することができる。なお、アライナ6の素材に特段の限定はないが、軽量化と加工容易性の観点から樹脂製が好ましい。

第１フレーム2と第２フレーム3は、電池モジュール20の枠組みであり、ブレース4と接続することで電池モジュール20全体に良好なねじれ剛性と耐振動性とを付与している。また、電池モジュール20の機械的強度の観点から、第１フレーム2と第２フレーム3とは、アルミ板または比較的薄肉の鋼板から作製されることが好ましい。なお、図１，３中では、第１フレーム2および第２フレーム3が、配列されたリチウムイオン二次電池1の曲面部13の側に配設されているが、それに限定されるものではなく、底面10の側に配設されてもよい。また、曲面部13の側に配設されるブレース４は、冷却風の流れを阻害しないように細めであることが好ましい。

電池モジュール20は、配列されたリチウムイオン二次電池1の底面10の側を塞ぐ妻板5が設けられていることが好ましい。妻板5を設けることにより、冷却風の流れを制御することができる。加えて、配列された端にあるリチウムイオン二次電池1の平面部12の外側を塞ぐ妻板5’が設けられていてもよい。なお、妻板5，5’は、軽量化と電気絶縁の観点から樹脂製が好ましい。

図１，３に示した電池モジュール20は、配列されたリチウムイオン二次電池1の正極端子14と負極端子15とが連結端子７によって直列接続され、モジュール端子7’から外部に給電または外部から充電される。ただし、本発明におけるリチウムイオン二次電池1の接続は、それに限定されるものではなく、配列されたリチウムイオン二次電池1が並列接続されてもよいし、直列接続と並列接続が混合されてもよい。

電池モジュール20の組立手順に特段の限定はなく、結果として本発明の規定を満たす構造ができればよい。例えば、次のような手順で組み立てることができる。
（１）第２フレーム3の内側にアライナ6を置き、アライナ6の窪みに合わせてリチウムイオン二次電池1を配置する。
（２）配列したリチウムイオン二次電池1の上にアライナ6を置き、隣接するリチウムイオン二次電池1の正極端子14と負極端子15とを連結端子７によって接続する。
（３）両端のリチウムイオン二次電池1にモジュール端子7’を接続する。
（４）妻板5，5’を配置する。
（５）第１フレーム2を被せ、第１フレーム2と第２フレーム3とをブレース４でつなぎ固定する。

次に、本発明に係る電池モジュールの作用効果について説明する。図４は、本発明に係る電池モジュールにおける冷却風の流れを示す斜視模式図である。図５は、本発明に係る電池モジュールにおける冷却風の流れを、配列されたリチウムイオン二次電池の底面方向から見た正面模式図である。図６は、本発明に係る電池モジュールにおける冷却風の流れを、配列されたリチウムイオン二次電池の平面部方向から見た側面模式図である。なお、図４〜図６においては、理解を容易にするため、電池モジュール20のうち、配列されたリチウムイオン二次電池1とアライナ６を主に図示し、他の構成部材を省略している。

図４〜図６に示したように、アライナ6は、配列されたリチウムイオン二次電池1の曲面部13の端部４箇所に配置されている。冷却風は、図中矢印で示すように、冷却風流入口8から流入され、配列されたリチウムイオン二次電池1の間の隙間を通り抜けて、反対側の冷却風排出口9から排出される。このとき、冷却風流入口8ではリチウムイオン二次電池1の曲面部13が並んでいるため、冷却風は、その流れを乱されることなく、曲面部13の形状に沿って配列されたリチウムイオン二次電池1の間の隙間へ導かれる（図５参照）。また、配列されたリチウムイオン二次電池1の底面10の側を塞ぐ妻板5が設けられていることから、流入した冷却風は、ほぼ全てが冷却風排出口9から排出される（図６参照）。

ここで、配列されたリチウムイオン二次電池1の間の隙間Gは、リチウムイオン二次電池1の厚さTに対して1/15〜1/3の比率であることが好ましい。隙間Gが(1/15)Tよりも小さいと、冷却風の流れが乱されることから好ましくない。一方、隙間Gが(1/3)Tよりも大きいと、電池モジュールの容積増大の割に冷却効率が飽和することから好ましくない。

以上説明したように、本発明に係る電池モジュールは、角丸長方柱の形状を有する複数個のリチウムイオン二次電池を用い、該二次電池それぞれの平面部が隙間を空けるように対面して配列され、かつそれぞれの曲面部が同じ側となるように配列されていることから、冷却風流入口近傍における流通抵抗が小さく、容易に冷却風を二次電池間の隙間に誘導できる。また、配列されたリチウムイオン二次電池の底面の側を塞ぐ妻板が設けられていることから、流入した冷却風は、ほぼ全てが冷却風排出口から排出される。その結果、電池モジュールの外側に冷却風のガイドを設ける必要がなく、電池モジュールの容積増大を最小限に抑えながら冷却効率を向上させた電池モジュールを提供することができる。

1…リチウムイオン二次電池、2…第１フレーム、3…第２フレーム、
4…筋交い（ブレース）、5，5’…妻板、6…位置決め用部材（アライナ）、
7…連結端子、7’… モジュール端子、8…冷却風流入口、9…冷却風排出口、
10…底面、11…側面、12…平面部、13…曲面部、14…正極端子、15…負極端子、
20…電池モジュール。

Claims

複数個のリチウムイオン二次電池を組み合わせた電池モジュールであって、
前記リチウムイオン二次電池のそれぞれは、一対の底面と側面とからなる柱状形で、前記側面が一対の平面部と一対の曲面部とからなる角丸長方柱の形状を有しており、
前記複数個のリチウムイオン二次電池は、それぞれの平面部が所定の隙間を空けながら対面し、かつそれぞれの底面が同じ方向を向くように、位置決め用部材と枠状ケースとによって配列固定され、
前記位置決め用部材は、前記曲面部の形状に合わせた複数の窪みを有し、該窪みにより前記曲面部と前記底面との境目領域で前記複数個のリチウムイオン二次電池を配列固定しており、
前記所定の隙間が、前記リチウムイオン二次電池の厚さに対して1/15〜1/3の比率であり、
前記配列固定された複数個のリチウムイオン二次電池の前記底面の両側が妻板によって塞がれ、前記曲面部の両側が開放されていることを特徴とする電池モジュール。
請求項１に記載の電池モジュールにおいて、
前記曲面部の曲率半径が、前記リチウムイオン二次電池の厚さに対して1/2〜2/3の比率であることを特徴とする電池モジュール。
請求項１又は請求項２に記載の電池モジュールにおいて、
前記枠状ケースは、筋交いを有していることを特徴とする電池モジュール。