JP5899420B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数の素電池が配列されて構成された電池モジュールに関する。

近年、省資源又は省エネルギーの観点から、繰り返し使用できる二次電池を携帯型電子機器又は移動体通信機器等の電源として使用している。また、化石燃料の使用量の削減又は二酸化炭素の排出量の削減等の観点から、この二次電池を車両又は蓄電等の電源として使用することが検討されている。

具体的には、所望の電圧や容量を得るために、複数の二次電池（素電池）を電気的に接続して電池モジュールを構成し、この電池モジュールを車両等の電源として使用することが検討されている。

ところで、素電池は、通常の充放電により発熱するため、多数の素電池を集合配置して電池モジュールを構成した場合、素電池の配置により電池温度が異なり、劣化にばらつきが生じる。また、電池モジュールの高容量化や高出力化が進む中、素電池の充放電に伴う発熱量も大きくなり、電池モジュールを安全に駆動させるためには各素電池をより効率よく冷却する必要もある。

そこで、例えば、素電池間にヒートパイプを配置し、ヒートパイプを介して素電池で発生した熱を外部に放出、または外部から素電池へ熱を供給する技術が提案されている。さらに、素電池とヒートパイプを、熱伝導性の良い金属スリーブ内に収容することで、電池モジュールの温度を均等化する技術も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１９７２７７号公報

しかしながら、特許文献１のような構成の電池モジュールでは、外部から電池モジュールに大きな衝撃が加わった場合、その外力によって金属スリーブが素電池を押圧することで素電池が変形し、過熱する虞があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、素電池の温度を均等化することで素電池の劣化ばらつきを抑制するとともに、安全性に優れた電池モジュールを提供することにある。

本発明は、複数の素電池が配列してホルダに収容された電池モジュールであって、前記ホルダは、熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の材料からなり、前記複数の素電池が個々に収容される筒状のパイプホルダを、複数個集合して構成されると共に、隣接する前記パイプホルダ間に連結部材を配置して構成され、前記連結部材は、空洞部を有して筒状に構成され、隣接する各パイプホルダ間に間隙を有して配置させるべく前記パイプホルダを連結し、隣接するパイプホルダ間が接近するような衝撃に対して前記空洞部が衝撃吸収部として機能することを特徴とする。

本発明の構成によれば、ホルダの収容部となるパイプホルダに収容された素電池は、各パイプホルダを介して熱を放出または供給することができると共に、連結部材を介して隣接するパイプホルダ間で熱が伝達されることによりホルダ内の複数の素電池の温度を均等化することが可能となる。さらに、外部から電池モジュールに大きな衝撃が加わった際には、その外力はホルダに備えられた連結部材をその連結部材の空洞部を押し潰すように破壊することによって吸収されるため、パイプホルダに収容される素電池への押圧が低減され、素電池の変形を防ぐことができる。

本発明によれば、電池モジュールに収容される複数の素電池の温度を均等化することで、劣化ばらつきを抑制し、かつ外部からの大きな衝撃が加わった場合には素電池の変形を防ぐことができるため、安全性に優れた電池モジュールを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る素電池の縦断面図 本発明の一実施形態に係る電池モジュールの分解構成図 （ａ）本発明の一実施形態に係る電池モジュールに用いられるホルダの斜視図、及び（ｂ）縦上面図 本発明の一実施形態に係る電池モジュールに用いられる連結部材の斜視図 （ａ）本発明の一実施形態に係る電池モジュールに用いられるホルダの変形例の斜視図、及び（ｂ）縦上面図 （ａ）本発明の他の実施形態に係る電池モジュールに用いられるホルダの斜視図、及び（ｂ）縦上面図 本発明の他の実施形態に係る電池モジュールに用いられる連結部材の斜視図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。

（実施の形態１）
図１は、本実施形態の電池モジュールに使用する素電池１の構成を示した縦断面図である。なお、本発明の電池モジュールに使用する素電池１は、ノート型パソコン等の携帯用電子機器の電源として単体でも使用できる電池であってもよい。この場合、高性能の汎用電池を、電池モジュールの電池として使用することができるため、電池モジュールの高性能化、低コスト化をより容易に図ることができる。

なお、本発明において、「電池モジュール」とは、複数の電池が配列してホルダ内に収容された電池の集合体をいう。従って、本発明における「電池モジュール」は、外部電極端子を備えて単独で使用するもの、あるいは、複数の電池モジュールを集合させて使用するもの等、その利用形態は問わない。

本実施形態における素電池１は、例えばリチウムイオン二次電池であり、図１に示すように、電池ケース３の開口部４がガスケット５を介して封口板７で封止されて構成されている。封口板７には、開放部７ａが形成されており、開放部７ａは、素電池１が異常状態に陥ったときに高温のガスを電池ケース３の外へ排気する。電池ケース３内には、非水電解質とともに電極群が収容されており、電極群は、正極板１１と負極板１３とがセパレータ１５を介して捲回されて構成されている。正極板１１は、正極リード１１Ｌを介して封口板７（正極端子）に接続されており、負極板１３は、負極リード１３Ｌを介して電池ケース３（負極端子）に接続されている。

図２は、本実施形態に係る電池モジュール１００の分解構成図である。電池モジュール１００は、素電池１を収納するホルダ２１と、ホルダ２１に収容される複数個（図では１４個）の素電池１と、正極スペーサ３１および正極集電板３２と、負極スペーサ４１および負極集電板４２とを備えている。

素電池１は、図では、上部が正極端子、下部が負極端子となっている。そして、複数の素電池１は、正極端子が上向きで負極端子が下向きとなるように、ホルダ２１の収容部２６にそれぞれ収容される。

正極スペーサ３１は、この実施形態では、ホルダ２１の図の上端側に、素電池１が収容された後に取付けられる。負極スペーサ４１は、この実施形態では、ホルダ２１の図の下端側に、素電池１が収容された後に取付けられる。これにより、ホルダ２１に収容された素電池１は、正極スペーサ３１と負極スペーサ４１によって支持される。正極集電板３２は、素電池１の正極端子に接続される。又、負極集電板４２は、素電池１の負極端子に接続される。

このように構成された電池モジュール１００は、単独でも使用できるが、複数を通電可能に接続して使用できる。例えば、一方の電池モジュール１００の正極集電板３２の端部に通電可能に接続されたバスバーを、他方の電池モジュール１００の負極集電板４２の端部に通電可能に接続する。これにより、複数の電池モジュール１００が直列接続される。例えば、１個の電池モジュール１００の出力電圧を４Ｖとすれば、１００個の電池モジュール１００を直列接続することで、自動車等のモータ駆動用電源として４００Ｖが得られる。なお、電池モジュール１００同士の接続は、上記の接続形態に限らず、適宜変更できる。

図３は、本実施形態の電池モジュールにおいて、上記の素電池１をホルダ２１に収容した状態の（ａ）斜視図、及び（ｂ）縦上面図である。また、図４は、図３のホルダ２１の一部を構成する連結部材２７の斜視図である。

本実施形態に係るホルダ２１は、図３に示したように、複数個の中空筒状のパイプホルダ２５を、連結部材２７を介し、互いに集合、固着して構成されている。また、それぞれのパイプホルダ２５の収容部２６には、素電池１が収容されている。

より具体的には、パイプホルダ２５は、例えば、板状体を、断面円形状になるように、左右方向に巻回し、その左右の両端を互いに連結することで形成される。そして、このように形成されたパイプホルダ２５は、図２（ｂ）に示すように、図の左右方向（Ｘ−Ｘ方向）に沿って複数（この実施形態では、５個又は４個）、一列状に並べられて配置される。また、そのようにして形成された列は、複数（この実施形態では３つ）、Ｘ−Ｘ方向と直交する方向（Ｙ−Ｙ方向）に並べられ、いわゆる千鳥状に配置される。

ここで、本実施形態に係るホルダ２１には、図３に示すように、隣接するパイプホルダ２５間に、空洞部２７ｃを有する連結部材２７が備えられている。例えば、図３（ｂ）において、パイプホルダ２５Ａの収容部２６Ａと、その収容部２６Ａの最も近くに配置される収容部２６Ｂおよび収容部２６Ｃとの間には、中空筒状の連結部材２７が配置されている。この連結部材２７は、パイプホルダ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの外周面に沿う曲面を有し、この曲面とパイプホルダ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの外周面が、固着され連結されることでホルダ２１が構成される。

このような構成のホルダ２１では、連結部材２７の空洞部２７ｃが、衝撃吸収部として機能する。そして、外部から、大きな衝撃が加わった場合、先行して連結部材２７がこの空洞部２７ｃを押し潰すように破壊され、外部からの衝撃を吸収する。例えば、図３（ｂ）において、外部から、パイプホルダ２５Ａに対し、衝撃が加えられた場合、パイプホルダ２５Ａは、パイプホルダ２５Ｂ、２５Ｃへ接近するように、連結部材２７を破壊して移動する。したがって、パイプホルダ２５Ａ、及びパイプホルダ２５Ｂ、２５Ｃの収容部に
収容されている素電池１への押圧は緩和され、その素電池１の変形を防ぐことができるため、より安全な電池モジュールを構成することが可能となる。ここで、このような構成のホルダ２１においては、連結部材２７の空洞部２７ｃが、衝撃吸収部として機能するとともに、連結部材２７間の空隙も衝撃吸収部として機能させることができる。また、パイプホルダ２５の収容部２６は、収容した素電池１のほぼ全外周を覆うように配設されているため、素電池１を個々に保護することができる。

なお、本実施形態において、ホルダ２１に備えられる連結部材２７の個数は限定されるものではない。図５は、本実施形態の電池モジュールにおいて、上記の素電池１をホルダ２１に収容した状態の変形例に係る（ａ）斜視図、及び（ｂ）縦上面図である。例えば、図３や図５のように千鳥状にパイプホルダ２５を並べて固定し、ホルダを構成した場合、ホルダ２１の中央に配置された収容部２６には、その近くに６つの収容部が存在する。このようなホルダ２１においては、図３のように、Ｘ−Ｘ方向の中央列のパイプホルダ２５をＹ−Ｙ方向に隣接するパイプホルダ２５のみと連結させるように連結部材２７を配置し固定してもよいし、図５のように、同じ列に隣接するパイプホルダ２５とも連結させるように連結部材２７を配置し固定してもよい。

また、複数の素電池を収容するホルダを、連結部材を介し、複数のパイプホルダを集合して構成する代わりに、複数の素電池を収容する筒状の収容部を有するブロックで構成してもよい。このような構成のホルダを用いる場合は、特定の収容部とその収容部の最も近くに配置される少なくとも１つの収容部との間に、例えば空洞部を形成し、衝撃吸収部とすることができる。

上述したパイプホルダ２５と連結部材２７からなるホルダ２１は、例えば、以下の方法で形成することができる。まず、パイプホルダ２５と連結部材２７において、互いを固着する外面に、パイプホルダ２５及び連結部材２７よりも融点の低い低融点合金（ロー）を予め配設しておく。

そして、図示しない箱体内に複数個のパイプホルダ２５（図３では１４個）と複数個の連結部材２７（図３では８個）を、それぞれの外面に配設された低融点合金同士が当接するようにして、図３のように配置する。すなわち、それぞれの連結部材２７は、近接する３つのパイプホルダ２５と当接するように配置する。

この状態で、低融点合金が溶融する温度雰囲気に所定時間、保持した後、例えば室温に放置する。これにより、パイプホルダ２５及び連結部材２７が、低融点合金を介して固定し、連結したホルダ２１を得ることができる。

その他の方法としては、パイプホルダ２５と連結部材２７を接着剤により固着する方法も同様に用いることができる。

パイプホルダ２５の内周面は、素電池１の外周面と略同一形状をなし、収容された素電池１の外周面は、収容部２６の内周面と当接していることが好ましい。これにより、パイプホルダ２５及び連結部材２７を熱伝導性の高い材料で構成しておけば、素電池１からの発熱を、効率よくパイプホルダ２５が吸熱し、さらに連結部材２７を介して、ホルダ２１全体に、拡散、放熱させることができる。よって、それぞれのパイプホルダ２５に収容される素電池の温度のばらつきをさらに抑え、素電池１の温度を均等化することができる。

パイプホルダ２５及び連結部材２７を形成する材料としては、上記の理由により、熱伝導性の高い材料が好ましく、具体的には熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の材料がより好ましい。また、軽量化の観点から、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金がより好ましい。
アルミニウム合金としては、例えばＡｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金等を使用することができる。
パイプホルダ２５と連結部材２７を異なる材料で形成する場合には、パイプホルダ２５を形成する材料の強度よりも、連結部材２７を形成する材料の強度を低くするのが好ましい。そうすることで電池モジュールに衝撃が加わった際の外力を、より効果的に吸収することができる。
また、パイプホルダ２５と連結部材２７を同一の材料で形成する場合には、パイプホルダ２５の厚みよりも連結部材２７の厚みを薄くすることが好ましい。そうすることで、電池モジュールに衝撃が加わった際の外力を、より効果的に吸収することができる。

さらに、連結部材２７は、図４に示すように、空洞部２７ｃを有し、側面には空洞部２７ｃに連結する貫通孔２７ｈを有していることが好ましい。このような連結部材２７を用いた場合、この貫通孔２７ｈ及び、連結部材２７の空洞部２７ｃ、および隣り合うパイプホルダ２５間に媒体を流通させる流路を形成することができ、各々のパイプホルダ２５に収容される素電池の放熱、または素電池への熱の供給を効率よく行うことができる。

例えば、図３（ｂ）において、ホルダ２１の一方端側（右方端側）から、図示しない媒体送り装置によって媒体としての冷却風をホルダ２１に送るようにする。これにより、冷却風は、図３（ｂ）中に矢印で示すように、連結部材２７の貫通孔２７ｈから空洞部２７ｃを通りぬけ、ホルダ２１の間隙を順次縫うように流通する。従って、それぞれのパイプホルダ２５の全周に冷却風を流通させることができ、より効率よく、素電池の温度を均等化することができる。

なお、素電池１は、軸方向の両端よりも中央部で発熱が大きくなりやすい。よって、連結部材２７において貫通孔２７ｈは、素電池の軸方向の中央部に対応する位置に配設することにより、素電池１を、より効率よく冷却することができる。

具体的には、上記の貫通孔２７ｈは、素電池１の軸方向の中央部において、素電池の高さ(軸方向の長さ）の３０〜９５％に対応するよう形成することが好ましい。

なお、本実施形態において貫通孔２７ｈは矩形としたが、この形状は矩形に限られるものではなく、楕円状でも多角形状でもよい。また、貫通孔２７ｈの個数も限定されるものではなく、同じ面に複数形成してもよい。

また、貫通孔２７ｈの大きさは、連結部材２７の配置によって、適宜変更してもよい。例えば、連結部材２７の貫通孔２７ｈの開口面積が、媒体の流れ方向に向かって次第に大きくなるように構成してもよい。このような構造によれば、媒体として冷却風を流通させた場合、冷却媒体の流路の上流側では、貫通孔２７ｈの開口面積が小さく、ホルダから冷却媒体への放熱を抑え、冷却媒体の温度上昇を抑えることができる。一方、流路の下流側では、上流側との冷却媒体の温度差が少なくなり、また貫通孔２７ｈの開口面積が大きく、ホルダ２１から冷却媒体へ熱が伝導しやすいため、より素電池１を冷却しやすくなる。したがって、上流側に配置される素電池１と下流側に配置される素電池１との温度差の不均一性を、さらに解消することができる。

なお、連結部材２７を素電池１の軸方向に、少なくとも２つ以上分割して配置することで、連結部材２７間を媒体の流路として構成してもよい。その場合は、例えば素電池１の軸方向の連結部材２７の長さを、冷却媒体の流れ方向に向かって次第に短くすることで、分割された連結部材間に形成される流路の容積をその流れ方向に向かって次第に大きくすることができ、上記と同様の効果が得られる。

以上のように構成された電池モジュール１００は、自動車等に搭載されてモータ駆動用電源として用いることができる。そして、その使用に際して素電池１が発熱した場合であっても、その素電池１が収容されているパイプホルダ２５がその発熱を吸熱し、ホルダ２１全体に伝導、放熱することで、電池モジュールの温度ばらつきを解消することができる。また、外部から大きな衝撃が加わった場合であっても、衝撃吸収部により、その外力が吸収され、収容部に収容される素電池への押圧を低減することができる。よって、素電池の変形を防ぐことが可能となる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の他の実施形態における電池モジュールにおいて、上記の素電池１をホルダ２１に収容した状態の（ａ）斜視図、及び（ｂ）上面図である。また、図７は、図６のホルダ２１の一部を構成する連結部材２７の斜視図である。

図６のホルダ２１は、複数個の中空筒状のパイプホルダ２５を、連結部材２７を介し、互いに集合、固着して構成されている。また、それぞれのパイプホルダ２５の収容部２６には、素電池１が収容されている。

より具体的には、パイプホルダ２５は、図６（ｂ）に示すように、図の左右方向（Ｘ−Ｘ方向）に沿って複数（この実施形態では、５個）が一列状に並べられて配置される。また、そのようにして形成された列が複数（この実施形態では３つ）、Ｘ−Ｘ方向と直交する方向（Ｙ−Ｙ方向）に並べられ、配置される。

ここで、本実施形態に係るホルダ２１には、図６に示すように、近接するパイプホルダ２５間に、空洞部２７ｃを有する連結部材２７が備えられている。より具体的には、図６（ｂ）において、パイプホルダ２５Ａの収容部２６Ａと、その収容部２６Ａの最も近くに配置される収容部２６Ｂ、収容部２６Ｃ、及び収容部２６Ｄとの間には、中空筒状の連結部材２７が配置されている。連結部材２７は、それぞれのパイプホルダ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄの外周面に沿う曲面を有し、この曲面とパイプホルダ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄの外周面が、固着され連結されることで、ホルダ２１が構成される。

このようなホルダの構成によっても、外部からパイプホルダ２５Ａに大きな衝撃が加えられた場合、パイプホルダ２５Ａは、パイプホルダ２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄに近接するように連結部材２７の空洞部２７ｃを押し潰して移動する。したがって、各収容部に収容されている素電池１への押圧が緩和され、素電池１の変形を防ぐことができる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては、円筒形電池の例を示したが、これに限定されず、例えば角形電池等にも適用し得る。

本発明は、自動車、電動バイク又は電動遊具等の駆動用電源として有用である。

１ 素電池
３ 電池ケース
４ 開口部
５ ガスケット
７ 封口板
７ａ 開放部
１１ 正極板
１１Ｌ 正極リード
１３ 負極板
１３Ｌ 負極リード
１５ セパレータ
２１ ホルダ
２５、２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ パイプホルダ
２６、２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ 収容部
２７ 連結部材
２７ｃ 空洞部
２７ｈ 貫通孔
３１ 正極スペーサ
３２ 正極集電板
４１ 負極スペーサ
４２ 負極集電板
１００ 電池モジュール

Claims (6)

1. 複数の素電池が配列してホルダに収容された電池モジュールであって、
   前記ホルダは、熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の材料からなり、前記複数の素電池が個々に収容される筒状のパイプホルダを、複数個集合して構成されると共に、隣接する前記パイプホルダ間に連結部材を配置して構成され、
   前記連結部材は、空洞部を有して筒状に構成され、隣接する各パイプホルダ間に間隙を有して配置させるべく前記パイプホルダを連結し、
   隣接するパイプホルダ間が接近するような衝撃に対して前記空洞部が衝撃吸収部として機能することを特徴とする電池モジュール。
2. 前記連結部材の側面に前記空洞部に連通する貫通孔を有し、
   前記貫通孔、前記空洞部、および隣接するパイプホルダ間に冷却媒体の流路が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記貫通孔の開口面積は、前記媒体の流れ方向に向かって次第に大きくなることを特徴とする請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記連結部材は、前記素電池の軸方向に、少なくとも２つ以上分割されて配置されており、連結部材間は、媒体の流路を構成していることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
5. 分割された前記連結部材により構成される流路の容積は、前記媒体の流れ方向に向かって次第に大きくなることを特徴とする請求項４に記載の電池モジュール。
6. 前記ホルダは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。