JP5793969B2 - 積層電池 - Google Patents

Description

本発明は、電池セルを冷媒で冷却する積層電池に関するものである。

近年、電動機を駆動源として用いる電気自動車や、駆動源としての電動機とその他の駆動源とを組み合わせたいわゆるハイブリッド電気自動車が実用化されてきている。このような車両において、電動機にエネルギーである電気を供給するための電池が搭載される。この電池としては、例えば、繰り返し充放電が可能なニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池、リチウムイオン電池などに代表される二次電池が用いられる。

二次電池は、電池セルを積層したセル積層体、積層体の両端部に設けられるエンドプレート、その他の構成部品等を備えるものであり、それらを積層電池と称する。

電池セルは、内部での電気化学反応によって発熱し、その温度が上昇する。電池セルは高温になると電池性能が低下するため、電池セルを冷却する必要がある。

例えば、特許文献１、２には、セル積層方向に冷媒流路を形成し、その冷媒流路に冷媒を供給し、また循環させることでセル積層体の側面から電池セルの冷却を行う積層電池が提案されている。

また、特許文献３には、エンドプレートに冷媒流路を設置し、その冷媒流路に冷媒を供給することでセル積層体の端面から電池セルの冷却を行う積層電池が提案されている。

特開２００９−１３４９０１号公報 特開２００９−９８８９号公報 特開２００１−６８０８１号公報

本発明の目的は、従来の積層電池より冷却性能を向上させた積層電池を提供することにある。

本発明は、複数の電池セルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体の両端部に設けられるエンドプレートと、セル積層方向に形成される側面冷媒流路を有する冷却部と、を備える積層電池であって、前記エンドプレート内には、端面冷媒流路が形成されており、前記エンドプレート内の端面冷媒流路と前記冷却部の側面冷媒流路とは連通しており、前記端面冷媒流路は、前記セル積層体の両端部に設けられるエンドプレートの一方に設けられ、前記冷却部には、前記端面冷媒流路から前記側面冷媒流路へ冷媒を流入させる流入口、及び前記側面冷媒流路から前記端面冷媒流路へ冷媒を排出させる排出口を備え、前記側面冷媒流路の流路幅は、前記流入口から流路上流側の所定領域に向かって拡がり、流路下流側の所定領域から前記排出口に向かって狭くなる。

また、前記積層電池であって、前記エンドプレートには、前記端面冷媒流路に冷媒を供給する供給配管が接続する供給接続部、及び前記端面冷媒流路から冷媒を排出する排出配管に接続する排出側接続部を設けることが好ましい。

本発明によれば、従来の積層電池より冷却性能を向上させることができる。

本実施形態に係る積層電池の構成の一例を示す分解模式斜視図である。 本実施形態に係る積層電池の構成の一例を示す模式断面図である。 エンドプレートの構成の一例を示す模式斜視図である。 エンドプレートを冷却プレートに取り付けた状態の構成の一例を示す模式斜視図である。 本実施形態に係る冷却プレートの構成の他の一例を示す模式図である。 積層電池の温度分布を測定した結果を示す図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。

図１は、本実施形態に係る積層電池の構成の一例を示す分解模式斜視図である。図２は、本実施形態に係る積層電池の構成の一例を示す模式断面図である。図１及び２に示すように、積層電池１は、電池セル１０が積層されたセル積層体１２と、セル積層体１２の両端に配置されたエンドプレートと１４，１６と、セル積層体の側面に配置される冷却プレート１８，２０と、アッパープレート２２及びロワープレート２４とを備えている。

セル積層体１２の両端に配置されるエンドプレート１４，１６は、セル積層体１２の側面に配置される冷却プレート１８，２０に、ボルト２６等によって固定され、冷却プレート１８，２０はアッパープレート２２及びロワープレート２４に、ボルト２６等により固定されている。このように各プレートが互いに組み合わされ、ボルト２６により固定されることにより、内部に空間を有する箱状体が形成される。図２に示すように、各プレートによって形成された箱状体の内部空間には、セル積層体１２が収容される。なお、セル積層体１２を構成する電池セル１０は、例えば、ニッケル−カドミウム電池や、ニッケル−水素電池や、リチウムイオン電池等の二次電池を用いることができる。また、各プレートの材質は、強度、放熱性の点で金属等を用いることが好ましい。

図３は、エンドプレートの構成の一例を示す模式斜視図であり、図４はエンドプレートを冷却プレートに取り付けた状態の構成の一例を示す模式斜視図である。図３に示すように、エンドプレート１４は、主にセル積層体１２の端面側を冷却する端面冷媒流路を有する第1プレート２８と、端面冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給配管（不図示）が接続する供給側接続部としての供給側バルブ３０、及び端面冷媒流路から冷媒を排出する冷媒排出配管（不図示）が接続する排出側接続部としての排出側バルブ３２が設けられた第２プレート３４と、を備えている。第1プレート２８と第２プレート３４とはボルト等により固定される。

端面冷媒流路は、第1プレート２８内に形成されており、上流側端面冷媒流路２８ａと下流側端面冷媒流路２８ｂとを有する。上流側端面冷媒流路２８ａと下流側端面冷媒流路２８ｂとは仕切り板等で仕切られている。また、第２プレート３４に設けられた供給側バルブ３０は、第1プレート２８内の上流側端面冷媒流路２８ａに接続され、第２プレート３４に設けられた排出側バルブ３２は、第1プレート２８内の下流側端面冷媒流路２８ｂに接続されている。

図２及び図４に示すように、冷却プレート１８，２０内には側面冷媒流路３６ａ，３６ｂが形成されている。この側面冷媒流路３６ａ，３６ｂの流路形状は、冷媒が電池セル１０のセル積層方向に流れるように形成されていれば、特に制限されるものではない。本実施形態の流路形状は、図４に示すように、冷却プレート１８の一端から他端までセル積層方向に沿って伸び、その他端で折返して、他端から一端までセル積層方向に沿って伸びた流路となっており、所謂コの字形の流路になっている。

図３に示すように、第1プレート２８には、流入口３８及び排出口４０が設けられており、流入口３８は上流側端面冷媒流路２８ａに連通し、排出口４０は下流側端面冷媒流路２８ｂに連通している。また、冷却プレート１８，２０にも、流入口及び排出口が設けられており、それぞれ側面冷媒流路３６ａ，３６ｂに連通している。そして、冷却プレート１８，２０にエンドプレート１４が固定された状態で、第1プレート２８の流入口３８と冷却プレート１８，２０の流入口が合わさり、第1プレート２８の上流側端面冷媒流路２８ａは、流入口３８を介して側面冷媒流路３６ａ，３６ｂに連通する。また、第１プレート２８の排出口４０と冷却プレート１８，２０の排出口が合わさり、第1プレート２８の下流側端面冷媒流路２８ｂは、排出口４０を介して側面冷媒流路３６ａ，３６ｂに連通する。

次に、積層電池１を流れる冷媒の流れについて説明する。

冷却水等の冷媒は、不図示の冷媒供給配管から第２プレート３４に設けられた供給側バルブ３０を介して、第1プレート２８内の上流側端面冷媒流路２８ａに流入する。冷媒は、上流側端面冷媒流路２８ａから流入口３８を介して、冷却プレート１８，２０内の側面冷媒流路３６ａ，３６ｂに流入する。そして、冷媒は、側面冷媒流路３６ａ，３６ｂを通り、排出口４０から第1プレート２８内の下流側端面冷媒流路２８ｂに流入し、第２プレート３４に設けられた排出側バルブ３２を介して、不図示の冷媒排出配管から排出される。このように、冷媒がエンドプレート１４内を通ることにより、主にセル積層体１２の端面が冷却され、また、冷媒が冷却プレート１８，２０内を通ることにより、主にセル積層体１２の側面が冷却される。これにより、電池セル１０が発熱しても、セル積層体１２全体を効率的に冷却することができるため、発熱による電池性能の低下を抑制することができる。また、エンドプレート（１４，１６）に供給側バルブ３０及び排出側バルブ３２が設置されているため、簡素な電池構成にて冷媒の供給・排出が可能となっている。

なお、冷媒排出配管から排出された冷媒は、ラジエータ等の熱交換器により冷却され、再度、冷媒供給配管から積層電池１側へ供給される循環型とすることが望ましい。

次に、セル積層体１２の温度分布について考える。一般的に、セル積層体１２の端部の方が、中央部より放熱性が高いため、端部の電池セル１０の温度は中央部の電池セル１０の温度に比べて低く成りやすい。さらに、セル積層体１２の端部に配置されるエンドプレート１４，１６に冷媒を流すことにより、セル積層体１２の端部の電池セル１０の温度がより低下する虞がある。電池セル１０間でこのような温度ばらつきが発生すると、電池セル１０の電圧挙動が不安定となり、また、各電池セル１０の劣化速度にばらつきが生じ易くなってしまう。

図５は、本実施形態に係る冷却プレートの構成の他の一例を示す模式図である。図５に示す冷却プレート４２内の側面冷媒流路４４は、冷却プレート４２の流入口から上流側の所定領域に向かって流路幅を広くし、下流側の所定領域から冷却プレート４２の排出口に向かって流路幅を狭くしている。このような構成にすることにより、エンドプレート１４内及びエンドプレート１４近傍の冷却プレート４２内を通過する冷媒の流量を低下させることができるため、端部の電池セル１０の放熱性を低下させることができる。その結果、セル積層体１２の端部の電池セル１０の温度の極端な低下を抑制することが可能となる。なお、所定領域とは、放熱性を低下させたい端部の電池セルの数によって適宜設定されるものであり、特に限定されるものではない。

図６は、積層電池の温度分布を測定した結果を示す図である。図６の横軸は、電池セルの積層数を示し、縦軸は積層した電池セルの温度を示している。エンドプレート内及びエンドプレート近傍の冷却プレート内を通過する冷媒の流量を低下させないと、端部の電池セルの温度は中央部の電池セルの温度に比べて低く成る（図６の実線Ａ）。しかし、冷却プレートの流入口から上流側の所定領域に向かって流路幅を広くし、下流側の所定領域から冷却プレートの排出口に向かって流路幅を狭くして、エンドプレート内及びエンドプレート近傍の冷却プレート内を通過する冷媒の流量を低下させることにより、端部の電池セルの温度と中央部の電池セルの温度との差を低減させることが可能となる。このように、電池セル間での温度ばらつきを抑えることにより、安定した電池性能を発揮することが可能となる。

以下、本実施形態の積層電池１の他の構成について説明する。

エンドプレート１４，１６内に形成される端面冷媒流路（２８ａ，２８ｂ）は、セル積層体１２の両端に配置されるエンドプレート１４，１６のうち少なくともいずれか一方に設けられていればよい。両端のエンドプレート１４，１６のうちの一方に端面冷媒流路（２８ａ，２８ｂ）を形成することにより、端面冷媒流路（２８ａ，２８ｂ）が形成されていないエンドプレート側のセル積層体１２の端部の電池セル１０の極端な温度低下を抑制することができる。

エンドプレート１４，１６は、端面冷媒流路（２８ａ，２８ｂ）が形成されるプレート、供給側バルブ３０及び排出側バルブ３２が設けられるプレートから構成されるものに限定されるものではない。すなわち、単一のプレート内に端面冷媒流路（２８ａ，２８ｂ）を形成し、また、供給側バルブ３０及び排出側バルブ３２を設けてもよい。

また、供給側バルブ３０及び排出側バルブ３２は、両端のエンドプレート１４，１６のうちの一方に設けられる場合だけでなく、両端のエンドプレート１４，１６のうちの一方のエンドプレートに供給側バルブ３０を設け、他方のエンドプレートに排出側バルブ３２を設けてもよい。このような構成の場合、一方のエンドプレート（例えば、エンドプレート１４）内に供給される冷媒は、冷却プレート１８，２０（又は冷却プレート４２）内を通り、他方のエンドプレート（例えば、エンドプレート１６）から排出される。

セル積層方向に形成される側面冷媒流路３６ａ，３６ｂを有する冷却部としては、前述した冷却プレートのようなプレート状のものに制限されるものではなく、例えば、冷却パイプのような配管状のものであってもよい。

端面冷媒流路（２８ａ，２８ｂ）及び側面冷媒流路３６ａ，３６ｂ（又は側面冷媒流路４４）の流路形状は、電池セル１０を冷却することができればどのような流路形状であってもよい。

１ 積層電池、１０ 電池セル、１２ セル積層体、１４，１６ エンドプレート、１８，２０，４２ 冷却プレート、２２ アッパープレート、２４ ロワープレート、２６ボルト、２８ 第１プレート、２８ａ 上流側端面冷媒流路、２８ｂ 下流側端面冷媒流路、３０ 供給側バルブ、３２ 排出側バルブ、３４ 第２プレート、３６ａ，３６ｂ，４４ 側面冷媒流路、３８ 流入口、４０ 排出口。

Claims (2)

1. 複数の電池セルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体の両端部に設けられるエンドプレートと、セル積層方向に形成される側面冷媒流路を有する冷却部と、を備える積層電池であって、
   前記エンドプレート内には、端面冷媒流路が形成されており、
   前記エンドプレート内の端面冷媒流路と前記冷却部の側面冷媒流路とは連通しており、
   前記端面冷媒流路は、前記セル積層体の両端部に設けられるエンドプレートの一方に設けられ、
   前記冷却部には、前記端面冷媒流路から前記側面冷媒流路へ冷媒を流入させる流入口、及び前記側面冷媒流路から前記端面冷媒流路へ冷媒を排出させる排出口を備え、
   前記側面冷媒流路の流路幅は、前記流入口から流路上流側の所定領域に向かって拡がり、流路下流側の所定領域から前記排出口に向かって狭くなることを特徴とする積層電池。
2. 前記エンドプレートには、前記端面冷媒流路に冷媒を供給する供給配管が接続する供給側接続部、及び前記端面冷媒流路から冷媒を排出する排出配管に接続する排出側接続部を設けることを特徴とする請求項１記載の積層電池。