JP5884619B2

JP5884619B2 - 電池モジュール

Info

Publication number: JP5884619B2
Application number: JP2012097532A
Authority: JP
Inventors: 和也土屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-04-23
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2016-03-15
Anticipated expiration: 2032-04-23
Also published as: JP2013225432A

Description

この発明は、複数の電池セルパックを積層配置した電池モジュールに関する。

複数の電池セルパックを積層配置した電池モジュールを開示する文献として、たとえば、特開２００６−２１０３５１号公報（特許文献１）および特開２０１１−０３４８２１号公報（特許文献２）が挙げられる。

図６から図８を参照して、背景技術における電池モジュール１００Ｂの構成を示す。図６は、電池モジュール１００Ｂの構造を示す断面図であり、図７は、電池セルパック１５０および放熱板１１０の構造を示す斜視図、図８は、電池モジュール１００Ｂに採用される冷却構造を示す断面図である。なお、図６においては、断面状態を見やすくするため、断面の標記は省略している。

図６に示すように、複数の電池セルパック１５０と、この電池セルパック１５０の間に電池セルパック１５０から放出される熱を吸収し、外部に放熱するための放熱板１１０が配置されている。したがって、電池セルパック１５０と放熱板１１０とは交互に配置される。たとえば、１つの電池モジュール１００Ｂには、９０個の電池セルパック１５０が、積層方向Ｓに沿って積層配置される。

電池セルパック１５０は、一般的には、正極にコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）かマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ_２）、負極にグラファイト（炭素）を使い、各電極間には絶縁のためのセパレータを挟みそれぞれの極板を何層かに積層した後、電解液と共にアルミラミネートなどで封止した構造になっている。

積層方向Ｓに沿って交互に積層配置される電池セルパック１５０および放熱板１１０の積層方向Ｓの両端部には、一対の加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒが配置されている。両端に位置する電池セルパック１５０から放出される熱は、この加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒに吸収され、加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒから放熱される。加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒには、熱伝導特性に優れた材料（アルミ等）が用いられる。

図７を参照して、電池セルパック１５０は、扁平形状の本体部と、この本体部の上端部に設けられる電極部１５０ａ，１５０ａとを有する。複数の電池セルパック１５０は、電気的に直列接続される。

放熱板１１０は、電池セルパック１５０の本体部に面接触し、電池セルパック１５０に挟み込まれる層間プレート部１１０ａと、この層間プレート部１１０ａの両端において、層間プレート部１１０ａに対して、積層方向に対して交差する両端部において積層方向に沿って延びる側壁プレート部１１０ｂとを有し、全体としてＣ字形状を有する。

図８を参照して、積層配置された電池セルパック１５０および放熱板１１０においては、放熱板１１０の側壁プレート部１１０ｂの外面に電池モジュール１００Ｂに沿って冷却器１３０が配置される。冷却器１３０は、電池モジュール１００Ｂの両側面に沿って配置され、側壁プレート部１１０ｂの外面に接する冷却管１３１と、この冷却管１３１の中に導入される冷却媒体１３２とを有する。

冷却管１３１と側壁プレート部１１０ｂの外面との間には、両者の間の伝熱を高めるためにグリス１４０が塗布されている。

電池セルパック１５０から放出される熱は、放熱板１１０を伝わって、冷却管１３１により熱が吸収される。これにより、電池セルパック１５０の温度上昇が抑制され、電池セルパック１５０の性能維持、および、長寿命化が図られる。

特開２００６−２１０３５１号公報特開２０１１−０３４８２１号公報

電池モジュール１００Ｂの性能を効率良く引き出すためには、電池モジュール１００Ｂの全体の温度にばらつきがなく一定であることが好ましい。ここで、図９に、電池モジュール１００Ｂの積層方向（Ｓ）に沿ったセル温度分布を示す。

電池モジュール１００Ｂの中央部においては、セルの温度分布は略一定である。しかし、電池モジュール１００Ｂの両端側（図中のＸ１およびＸ２で囲まれた領域）においては、急峻にセルの温度低下が生じている（中央部との温度差ｈ２は、たとえば約１６度程度）。これは、電池モジュール１００Ｂの両端側においては、電池モジュール１００Ｂの両端部に配置される加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒからの放熱が良好だからである。

電池モジュール１００Ｂに用いられる電池セルパック１５０には、０．１ＭＰａ以上の加圧力を加える必要がある。そのため、電池モジュール１００Ｂの両端側には加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒが配置される。また、加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒの材料にアルミよりも放熱性に劣る材料を用いること、または、表面に断熱処理を施すことも考えられる。しかし、いずれも、電池セルパック１５０の重量の増加および寸法の拡大を招くことになる。

したがって、この発明は上記課題に鑑みてなされたもので、電池モジュールの重量増加および大型化を招くことなく、電池モジュールの性能の向上を図ることを可能とする電池モジュールを提供することにある。

この発明に基づいた電池モジュールにおいては、複数の電池セルパックと、複数の放熱板と、上記電池セルパックと上記放熱板とが交互に積層状態に配置され、積層方向の両端部において、上記電池セルパックを両端側から挟み込む一対の加圧板とを備え、すくなくとも一方の上記加圧板側の近傍領域に配置される複数の上記放熱板は、一方の上記加圧板に近い側に配置される上記放熱板の積層方向の板厚さが、一方の上記加圧板から遠い側に配置される上記放熱板の積層方向の板厚さよりも薄く設けられている領域を含む。

他の形態において、一方の上記加圧板から数えて第１番目に配置される上記放熱板の板厚さの方が、一方の上記加圧板から数えて第２番目に配置される上記放熱板の板厚さよりも薄く設けられている。

他の形態において、一方の上記加圧板から数えて第２番目に配置される上記放熱板の板厚さの方が、一方の上記加圧板から数えて第３番目に配置される上記放熱板の板厚さよりも薄く設けられている。

この発明に基づいた電池モジュールによれば、電池モジュールの重量増加および大型化を招くことなく、電池モジュールの性能の向上を図ることを可能とする電池モジュールを提供することを可能とする。

実施の形態における電池モジュールの積層方向に沿った断面構造を示す図である。実施の形態における電池モジュールの加圧板付近の拡大断面図である。実施の形態における電池モジュールのセル温度分布を示す図である。（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、実施の形態における加圧板の断面形状を示す図である。他の実施の形態における加圧板の断面形状を示す図である。背景技術における電池モジュールの積層方向に沿った構造を示す断面図である。背景技術における電池セルパックおよび放熱板の構造を示す斜視図である。背景技術における電池モジュールに採用される冷却構造を示す断面図である。背景技術における電池モジュールのセル温度分布を示す図である。

本発明に基づいた実施の形態における電池モジュールについて、以下、図を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、各実施の形態に表れる構成を適宜組み合わせて用いることは当初から予定されていることである。

また、以下に示す実施の形態における電池モジュール１００Ａの基本的構成は、上記図６から図８に示した電池モジュール１００Ｂと同じであり、以下に示す実施の形態においては、放熱板の構造に特徴を有している。したがって、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

（電池モジュール１００Ａ）
以下、図１および図２を参照して、本実施の形態における電池モジュール１００Ａの構造について説明する。図１は、本実施の形態における電池モジュール１００Ａの積層方向に沿った断面構造を示す図、図２は、本実施の形態における電池モジュール１００Ａの加圧板付近の拡大断面図である。なお、図１においては、断面状態を見やすくするため、断面の標記は省略している。また、説明の便宜上、放熱板１１１，１１２，１１３の積層方向に沿った板厚さは、電池セルパック１５０の板厚さに対する実際の比率よりも拡大して図示している。

本実施の形態における電池モジュール１００Ａは、複数の電池セルパック１５０と、この電池セルパック１５０の間に電池セルパック１５０から放出される熱を吸収し、外部に放熱するための放熱板１１１，１１２，１１３が配置されている。したがって、電池セルパック１５０と放熱板１１１，１１２，１１３と積層方向Ｓに沿って、交互に配置される。たとえば、１つの電池モジュール１００Ｂには、９０個の電池セルパック１５０が、積層方向Ｓに沿って積層配置される。

電池セルパック１５０は、一般的には、正極にコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）かマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ２）、負極にグラファイト（炭素）を使い、各電極間には絶縁のためのセパレータを挟みそれぞれの極板を何層かに積層した後、電解液と共にアルミラミネートなどで封止した構造になっている。

積層方向Ｓに沿って交互に積層配置される電池セルパック１５０および放熱板１１１，１１２，１１３の積層方向Ｓの両端部には、一対の加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒが配置されている。両端に位置する電池セルパック１５０から放出される熱は、この加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒに吸収され、加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒから放熱される。加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒには、熱伝導特性に優れた材料（アルミ等）が用いられる。電池セルパック１５０の形状は、図７に示す電池セルパックと同じである。

放熱板１１１，１１２，１１３は、それぞれ電池セルパック１５０の本体部に面接触し、電池セルパック１５０に挟み込まれる層間プレート部１１０ａと、この層間プレート部１１０ａの両端において、層間プレート部１１０ａに対して、積層方向に対して交差する両端部において積層方向に沿って延びる側壁プレート部１１０ｂとを有し、全体としてＣ字形状を有する（図７参照）。

積層配置された電池セルパック１５０および放熱板１１０においては、放熱板１１０の側壁プレート部１１０ｂの外面に電池モジュール１００Ａに沿って冷却器１３０が配置される（図８参照）。冷却器１３０は、電池モジュール１００Ａの両側面に沿って配置される。冷却器１３０と側壁プレート部１１０ｂの外面との間には、両者の間の伝熱を高めるためにグリスが塗布されている。

電池セルパック１５０から放出される熱は、放熱板１１１，１１２，１１３を伝わって、冷却器１３０により熱が吸収される。これにより、電池セルパック１５０の温度上昇が抑制され、電池セルパック１５０の性能維持、および、長寿命化が図られる。

本実施の形態における電池モジュール１００Ａにおいては、図示における左側の加圧板１０１Ｌの近傍領域において、複数の放熱板のうち、左側の加圧板１０１Ｌに近い側に配置される放熱板の積層方向（Ｓ）の板厚さの方が、左側の加圧板に遠い側に配置される放熱板１１２の積層方向（Ｓ）の板厚さよりも薄く設けられている領域を含んでいる。

具体的には、左側の加圧板１０１Ｌから数えて第１番目に配置される第１の放熱板１１１の板厚さｔ１の方が、左側の加圧板１０１Ｌから数えて第２番目に配置される第２の放熱板１１２の板厚さｔ２よりも薄く設けられている。さらに、左側の加圧板１０１Ｌから数えて第２番目に配置される第２の放熱板１１２の板厚さｔ２の方が、加圧板１０１Ｌから数えて第３番目に配置される放熱板１１３の板厚さｔ３よりも薄く設けられている。

本実施の形態においては、右側も同様に構成され、右側の加圧板１０１Ｒから数えて第１番目に配置される第１の放熱板１１１の板厚さｔ１の方が、右側の加圧板１０１Ｒから数えて第２番目に配置される第２の放熱板１１２の板厚さｔ２よりも薄く設けられている。

さらに、右側の加圧板１０１Ｒから数えて第２番目に配置される第２の放熱板１１２の板厚さｔ２の方が、右側の加圧板１０１Ｒから数えて第３番目に配置される第３の放熱板１１３の板厚さｔ３よりも薄く設けられている。

各放熱板の板厚さは特に限定されるものではないが、たとえば、第１の放熱板１１１の板厚さｔ１は約０．１ｍｍ、第２の放熱板１１２の板厚さｔ２は０．４ｍｍ、第３の放熱板１１３の板厚さｔ３は、０．６ｍｍである。各放熱板には、熱伝導特性に優れた材料（アルミ等）が用いられる。

このように、上記構成を有する電池モジュール１００Ａによれば、第１の放熱板１１１の板厚さを、加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒから見て第１の放熱板１１１よりも遠い位置にある第２の放熱板１１２の板厚さよりも薄くしている。また、同様に、第２の放熱板１１２の板厚さを、加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒから見て第２の放熱板１１２よりも遠い位置にある第３の放熱板１１３の板厚さよりも薄くしている。

このように、加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒに近い側の放熱板の板厚さを遠い側の放熱板よりも薄くすることで、加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒに近い側の放熱板の放熱効率は低下する。その結果、加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒに近い領域に位置する電池セルパック１５０の温度低下は抑制され、両端部近傍において電池セルパック１５０の温度は上昇する。図３は、本実施の形態における電池モジュール１００Ａの電池モジュールの積層方向に沿ったセル温度分布を示す図である。

図３に示すように、図９に示したセル温度分布に比較して、加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒに近い領域のセル温度を上昇させている。その結果、電池モジュール１００Ａの両端部における、温度低下の抑制を可能としている（中央部との温度差ｈ１は、約８度程度）。

また、本実施の形態では、左側の加圧板１０１Ｌおよび右側の加圧板１０１Ｒに近い放熱板１１１，１１２の板厚さを薄くしていることから、電池モジュール１００Ａの大型化を招くこともない。

また、放熱板の形状において、上記実施の形態においては、図４（Ａ）に示すように、第１の放熱板１１１の形状として、板厚さｔ１の層間プレート部１１０ａおよび側壁プレート部１１０ｂを有し、第２の放熱板１１２の形状として、図４（Ｂ）に示すように、板厚さｔ２の層間プレート部１１０ａおよび側壁プレート部１１０ｂを有することが通常である。

しかし、少なくとも放熱板の大部分の面積を占める層間プレート部１１０ａの板厚さが、加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒに近い側の層間プレート部１１０ａの板厚さが、遠い側の層間プレート部１１０ａの板厚さよりも薄くすることで、加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒに近い側の放熱板の放熱効率は低下する。

よって、図４（Ｃ）に示すように、他の形態の第１の放熱板１１１Ａとして、層間プレート部１１０ａの板厚さ（ｔ１）は、第２の放熱板１１２の層間プレート部１１０ａの板厚さ（ｔ２）よりも薄く、側壁プレート部１１０ｂの板厚さ（ｔ２）は、第２の放熱板１１２の側壁プレート部１１０ｂの板厚さ（ｔ２）と同じであってもよい。

また、図５に示すように、放熱板の形状はＣ型の形状に限らず、たとえば、第２の放熱板１１２および第３の放熱板１１３に、Ｈ型（Ｉ型ともいう）の放熱板を用いることも可能である。この場合においても、少なくとも放熱板の大部分の面積を占める層間プレート部１１０ａの板厚さに対して、加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒに近い側の層間プレート部１１０ａの板厚さが、遠い側の層間プレート部１１０ａの板厚さよりも薄くすることで、加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒに近い側の放熱板の放熱効率を低下させることができる。

なお、図５には、各放熱板において、側壁プレート部１１０ｂの板厚さがすべて第１の放熱板１１１の板厚さ（ｔ１）と同じものを用いたものを図示している。また、側壁プレート部１１０ｂの板厚さが、すべて第２の放熱板１１２の板厚さ（ｔ２）と同じもの、または、側壁プレート部１１０ｂの板厚さが、すべて第３の放熱板１１３の板厚さ（ｔ３）と同じものを採用することも可能である。

また、加圧板１０１Ｌ，１０１Ｒに近い放熱板１１１，１１２の板厚さの変化は、電池モジュール１００Ａの温度変化に応じて、適宜変更することが可能であり、上記実施の形態の構成に限定されるものではない。また、放熱板の板厚さの変化は、電池モジュール１００Ａの一方の側のみであっても、一方の側においては、池モジュール１００Ａの端部における、温度低下の抑制を可能することができる。

また、たとえば加圧板１０１Ｌから数えて、１番目および２番目の放熱板１１１，１１２の板厚さは同じとして、３番目の放熱板１１３の板厚さに対して、１番目および２番目の放熱板１１１，１１２の板厚さを薄くすることもできる。

また、たとえば加圧板１０１Ｌから数えて、２番目および３番目の放熱板１１２，１１３の板厚さは同じとして、２番目および３番目の放熱板１１２，１１３の板厚さに対して１番目の放熱板１１１の板厚さを薄くし、さらに、４番目の放熱板の板厚さに対して、２番目および３番目の放熱板１１２，１１３の板厚さを薄くすることもできる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１００Ａ電池モジュール、１０１Ｌ，１０１Ｒ加圧板、１１０ａ層間プレート部、１１０ｂ側壁プレート部、１１１第１の放熱板、１１２第２の放熱板、１１３第３の放熱板、１３０冷却器、１３１冷却管、１３２冷却媒体、１４０グリス、１５０電池セルパック、１５０ａ電極部。

Claims

複数の電池セルパックと、
複数の放熱板と、
前記電池セルパックと前記放熱板とが交互に積層状態に配置され、積層方向の両端部において、前記電池セルパックを両端側から挟み込む一対の加圧板と、
を備え、
前記放熱板は、
前記電池セルパックの間に位置する層間プレート部と、
前記層間プレート部の両端部に位置し、積層方向に延びる側壁プレート部と、を含み、
すくなくとも一方の前記加圧板側の近傍領域に配置される複数の前記放熱板は、
一方の前記加圧板に近い側に配置される前記放熱板の前記層間プレート部の積層方向の板厚さが、一方の前記加圧板から遠い側に配置される前記放熱板の前記層間プレート部の積層方向の板厚さよりも薄く設けられている領域を含み、
複数の前記放熱板の側壁プレート部の積層方向の直交する方向の板厚さは同じである、
電池モジュール。
一方の前記加圧板から数えて第１番目に配置される前記放熱板の前記層間プレート部の板厚さの方が、一方の前記加圧板から数えて第２番目に配置される前記放熱板の前記層間プレート部の板厚さよりも薄く設けられている、請求項１に記載の電池モジュール。
一方の前記加圧板から数えて第２番目に配置される前記放熱板の前記層間プレート部の板厚さの方が、一方の前記加圧板から数えて第３番目に配置される前記放熱板の前記層間プレート部の板厚さよりも薄く設けられている、請求項２に記載の電池モジュール。