JP5960289B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、単電池を複数配列して連結した電池ブロックを複数有する電池モジュールに関する。

近年の多数の単電池を配列した電池ブロックを含む車両用の電池モジュールは、充放電の電流が極めて大きいため発熱量が大きい。単電池の温度上昇は単電池の性能、寿命を低下させるため、冷却する必要がある。

単電池を冷却する方法として、冷媒の流路を有する冷却プレートを複数の単電池と熱結合状態に配置し、冷却プレートに冷媒を供給することで単電池を冷却する方法が知られている。（例えば、特許文献１）

特開2010-277863号公報

特許文献１に記載された電池モジュールの場合、例えば車室内などの限られた領域にて単電池の数を増やすために電池ブロックを高さ方向で積み重ねた配置構成を採用したときに、冷却プレートと外気温度の差によって上段の電池ブロックの冷却プレート周囲で生じた結露水が、下段の電池ブロックの単電池の電極に伝わることで電極をショートさせるなどの問題がある。

本発明は、このような問題を解決することを目的として開発されたものである。重要な目的として、結露水による電極のショートを防止しながら限られた領域で単電池の数を増やすことができる電池モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば請求の範囲に記載の構成を採用する。

本発明の電池モジュールは、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、単電池を複数配列して連結した電池ブロックを複数有する電池モジュールであって、前記各電池ブロックは、該電池ブロックの横幅方向一方側に前記単電池の電極面が位置し、横幅方向他方側に前記単電池の底面が位置する姿勢状態に前記単電池が配列され、冷媒流路を有する冷却プレートが前記単電池の底面に熱伝達可能に結合された構成を有しており、前記電池ブロックの高さ方向に複数段積み重ねて配置されていることを特徴としている。

本発明によれば、単電池の電極面から結露水を空間的に確実に離すことができ、結露水による電極のショートを防止しながら限られた領域で単電池の数を増やすことができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本実施形態に係わる電池ブロックの外観斜視図。 図１に示す電池ブロックの一部を分解した状態を示す斜視図。 単電池と冷却プレートの熱結合状態を説明する部分断面図。 冷却プレートの構成を説明する図。 単電池の斜視図。 電池モジュールの一実施形態の斜視図。 電池モジュールの一部を分解した状態を示す斜視図。 電池モジュールを冷却プレート側から見た斜視図。 電池モジュールの縦断面図。 中間ブラケットの斜視図。 電池ブロックの中間ブラケットへの固定方法を説明する部分拡大斜視図。 中間ブラケットのセクションプレート周辺部分を拡大して示す斜視図。 ベースブラケットのセクションプレート周辺部分を拡大して示す斜視図。

以下、本発明に係わる電池モジュールの一実施形態を図面に基づき説明する。

図１は、本実施形態に係わる電池ブロックの外観斜視図、図２は、図１に示す電池ブロックの一部を分解した状態を示す斜視図である。

電池ブロック１は、例えば図２に示すように、複数の単電池２を配列させた構成を有している。そして、これら複数の単電池２の間に個々に介在される複数のスペーサ３と、複数の単電池２の配列方向に沿って延在して複数のスペーサ３と係合するブリッジバー４とを有している。

電池ブロック１は、複数の単電池２の配列方向両端部に配置されて配列方向両側から挟み込み、アルミニウム合金からなる一対のエンドプレート５、５と複数の単電池２の配列方向途中位置に介在されて複数の単電池２を配列方向一方側と他方側に区画するアルミニウム合金からなるセクションプレート６と、複数の単電池２の幅方向両端部に沿って配置され配列方向の一方端部から他方端部に渡って延在して、一対のエンドプレート５とセクションプレート６およびブリッジバー４がそれぞれ固定される一対の接続プレート７を有している。固定はネジを締結することによって行われる。各単電池２の高さ方向上側には、絶縁カバー８がセクションプレート６を境に各１つ被せてあり、絶縁カバー８の上に基板ユニット９が配置されている。

複数の単電池２には、正極外部端子２ａと負極外部端子２ｂとが配列方向に沿って交互に連続するように配置されて、互いに隣り合う単電池２の正極外部端子２ａと負極外部端子２ｂとの間が複数のバスバー１０によってそれぞれ電気的に接続されている。各バスバー１０は、基板ユニット９の接続端子９ａに接続されている。基板ユニット９は、各単電池２の電圧を測定する回路やヒューズ等を有している。そして、基板ユニット９の単電池２高さ方向上側には、絶縁カバー８に嵌合して各単電池２の端子を覆う端子キャップ１１が設けられている。

冷却プレート１２は、各単電池２の電池高さ方向下側に位置し、エンドプレート５およびセクションプレート６とネジの締結によって固定される。各単電池２と冷却プレート１２の間には、それぞれが互いに熱伝達可能に結合された熱結合状態になるよう配置された熱伝導シート１３を有する。

図３は、単電池２と冷却プレート１２の熱結合状態を説明する電池ブロック１の部分断面図である。

充放電による単電池２の温度は、単電池２の電池高さ方向下側から熱伝導シート１３を介して冷却プレート１２に伝えられる。熱伝導シート１３は、シート材の代わりに、熱伝導性を有する接着剤を用いてもよい。

図４は、冷却プレート１２の構成を説明する図であり、図４（Ａ）は、冷却プレート１２の正面図、図４（Ｂ）は、冷却プレート１２の背面図である。

冷却プレート１２は、例えばアルミニウム合金などの熱伝導性の高い金属製の厚板部材によって構成されている。

冷却プレート１２は、各単電池２の底面ＰＢに対向して電池配列方向に亘って延在し、単電池２の電池幅とほぼ同じ大きさの高さを有する平面視略矩形の平板形状を有しており、電池ブロック１の外部に露出される露出面１２ａと、熱伝導シート１３を介して各単電池２の底面に対向する対向面１２ｂとを有している。

冷却プレート１２は、図３および図４で示すように冷媒の流路である冷却パイプ１２Ａを備え、図示していない冷媒循環および熱交換装置により、冷却パイプ１２Ａ内に冷媒を循環することによって冷却される。冷却パイプ１２Ａは、冷却プレート１２に貫通形成された貫通孔に挿入されて一体に固定されている。冷却パイプ１２Ａは、互いに平行に単電池２の配列方向に沿って延在するように配置されている。

冷却プレート１２の露出面１２ａには、露出面１２ａに沿って流下する結露水を、冷却プレート１２の下部の予め設定された集合位置である下部中央位置に向けて積極的に誘導するための誘導手段として、複数の凹溝１２ｃ、１２ｄが凹設されている。

複数の凹溝１２ｃ、１２ｄは、露出面１２ａの中央位置で上下に亘って垂直に延在する凹溝１２ｄと、露出面１２ａの上方から下方に向かって移行するにしたがって配列方向に移行し、露出面１２ａの下部中央位置に向かうように傾斜した凹溝１２ｃとを有している。凹溝１２ｃは、互いに上下に所定間隔をおいて配置されるように、複数本形成されている。したがって、結露水が露出面１２ａに沿って垂直に流下した場合に、凹溝１２ｃ、１２ｄによってその流れる向きを変更して、下部中央位置に積極的に誘導することができる。

誘導手段は、凹溝１２ｃ、１２ｄに限定されるものではなく、例えば、凹溝１２ｃ、１２ｄの代わりに露出面１２ａから突出する凸条部を設けてもよく、また、凹溝１２ｃ、１２ｄと凸条部を組み合わせた構成としてもよい。そして、誘導手段は、凹溝１２ｃ、１２ｄのように冷却プレート１２に一体に形成されているものに限定されず、例えばプラスチックやシールなどの別部材を露出面１２ａに後付け固定する構成であってもよい。

単電池２はすべて同じ構成のリチウムイオン２次電池であり、図５に示すように、電圧を入出力するための正極外部端子２ａ、負極外部端子２ｂを有する扁平箱形の角形電池である。両外部端子２ａ、２ｂには、バスバー１０締結用のボルトが突設されており、バスバー１０をナットで固定できる構造となっている。単電池２は、両外部端子２ａ、２ｂを備える電極群を扁平な角形容器２ｃ内に収容し、角形容器２ｃの上部開口を電池蓋２ｄで封口している。角形容器２ｃは、外部端子２ａ、２ｂが設けられた電極面ＰＵと、電極面ＰＵに対向する平面視略矩形の底面ＰＢと、底面ＰＢの一対の長辺で折曲されて対峙する一対の幅広側面ＰＷと、底面ＰＢの一対の短辺で折曲されて対峙する一対の幅狭側面ＰＮとを有する。

電池蓋２ｄの中央部には注液孔とガス放出弁２ｆとが形成されている。注液孔は、角形容器２ｃの上部開口を電池蓋２ｄで封口した後で非水電解液を角形容器２ｃ内に注入するのに用いられ、注入後に封止栓２ｅによって封止される。ガス放出弁２ｆは、角形容器２ｃ内の内圧が所定値以上となったときに内部ガスを放出する構成を有する。

上記構造を有する電池ブロック１によれば、構成する単電池２の数を変えることで電池ブロック１全体の重量、寸法を調節することができ、電池ブロック１の組立作業性および構成する部品の精度、強度の確保が可能となる。

次に、上記した電池ブロック１を有する電池モジュールの構成について以下に説明する。

図６は、電池モジュールの一実施形態の外観斜視図、図７は、図６に示す電池モジュールの一部を分解した状態を示す斜視図、図８は、電池モジュール１４を冷却プレート１２側から見た斜視図、図９は、電池モジュール１４の縦断面図、図１０は、中間ブラケットの斜視図である。

電池モジュール１４は、例えば図６〜図９に示すように、２つの電池ブロック１を高さ方向に上下２段に積み重ねて配置した構成を有している。下段の電池ブロック１Ａと上段の電池ブロック１Ｂは、それぞれ横幅方向一方側に単電池２の電極面ＰＵが位置し、横方向他方側に単電池２の底面ＰＢが位置する姿勢状態に各単電池２が配列されている。すなわち、電池モジュール１４は、電池配列方向に直交する左右の横幅方向一方側が電極面ＰＵ側となり、他方側が底面ＰＢ側となる。冷却プレート１２は、電池ブロック１Ａ、１Ｂの横幅方向他方側にそれぞれ配置されて、各単電池２の底面ＰＢに熱伝達可能に結合されている。

電池モジュール１４は、上段の電池ブロック１Ａと下段の電池ブロック１Ｂを電気的に接続するためのブロック間バスバー１７を備えている。また、電池モジュール１４としての電池入出力を行うために、電池ブロック１Ａ、１Ｂに電池入出力線１９が接続されている。

下段の電池ブロック１Ａと上段の電池ブロック１Ｂは、中間ブラケット１６によって互いに固定されている。中間ブラケット１６は、下段の電池ブロック１Ａのエンドプレート５および上段の電池ブロック１Ｂのエンドプレート５にネジを締結することによって固定されている。中間ブラケット１６は、下段の電池ブロック１Ａと上段の電池ブロック１Ｂとの間に全面に亘って拡がる大きさを有する略平面状の板部材からなり、図１０に示すように、平面部１６ｃの電池配列方向両端部には、エンドプレート５をネジ締結するための貫通穴１６ａが設けられている。中間ブラケット１６は、本実施の形態では、金属板をプレス加工することによって形成されている。

中間ブラケット１６には、電池ブロック１の横幅方向中間位置で電池配列方向に亘って延在する段差部１６ｂが設けられている。段差部１６ｂは、図９に示すように、下段の電池ブロック１Ａと上段の電池ブロック１Ｂとの間に形成される空間部内に配置されている。段差部１６ｂは、平面部１６ｃから下方に向かって凹設された一対の凹部と、これら一対の凹部の間で平面部１６ｃよりも上方に突出する凸部を有している。したがって、上段の電池ブロック１Ｂの冷却プレート１２から流下した結露水が、中間ブラケット１６の上面を伝わって冷却プレート１２側から電極面ＰＵ側に移動してきた場合に、段差部１６ｂで堰き止めることができ、結露水が単電池２の外部端子２ａ、２ｂや基板ユニット９などの電気系に到達するのを防ぐことができる。

図１１は、電池ブロック１Ａ、１Ｂの中間ブラケット１６への固定状態を説明する図であり、図８のＡ部を拡大して示す斜視図である。

エンドプレート５には、電池ブロック１を段積みした際に、下段の電池ブロック１Ａと上段の電池ブロック１Ｂを中間ブラケット１６に同時にネジ締結できるように、突起部５ａ、５ｂが設けられている。突起部５ａ、５ｂは、エンドプレート５の上下方向一方側と他方側の端部に分かれて設けられており、図１１に示す例では、突起部５ａ（第１の突起部）がエンドプレート５の下端部に設けられており、突起部５ｂ（第２の突起部）がエンドプレート５の上端部に設けられている。

突起部５ａは、中間ブラケット１６の上面に対向して中間ブラケット１６の下方から中間ブラケット１６をネジ締結可能な構成を有しており、突起部５ｂは、中間ブラケット１６の下面に対向して中間ブラケット１６の上方から中間ブラケット１６をネジ締結可能な構成を有している。

突起部５ａ、５ｂは、それぞれ互いに横幅方向に離反して対をなして設けられている。そして、一対の突起部５ａの間隔の方が一対の突起部５ｂの間隔よりも広く設定されており、中間ブラケット１６を間に介して電池ブロック１Ａ、１Ｂを上下に積み重ねた場合に、上下に連続しないように、突起部５ａの方が突起部５ｂよりも横幅方向外側に偏位して配置されるようになっている。突起部５ａの下面および突起部５ｂの上面には、図示していないネジ孔が螺設されており、突起部５ａの下方および突起部５ｂの上方から中間ブラケット１６の貫通穴１６ａを介して各ネジ孔にネジを螺入することによって、上段ブロック１Ａと下段ブロック１Ｂを中間ブラケット１６に同時にネジ締結される。

図１２は、図８のＢ部を拡大して示す斜視図である。

中間ブラケット１６は、上段の電池ブロック１Ｂの冷却プレート１２から流れ落ちる結露水を集める樋溝部１６ｄと、樋溝部１６ｄに開口して樋溝部１６ｄ内の結露水を排水する排水孔１６ｅを有している。樋溝部１６ｄは、平面部１６ｃに所定深さの溝を凹設することにより形成されており、排水孔１６ｅは、樋溝部１６ｄを上下に貫通することにより形成されている。

樋溝部１６ｄは、上段の電池ブロック１Ｂの冷却プレート１２の下方位置で冷却プレート１２の露出面１２ａに沿って延在して設けられている。本実施の形態では、図１０に示すように、セクションプレート６を間に介して単電池配列方向一方側と他方側に分かれているが、セクションプレート６で分かれることなく、単電池２の配列方向に亘って連続する構成としてもよい。

排水孔１６ｅは、図１２に示すように、冷却プレート１２の下部中央位置の下方に配置されるように、中間ブラケット１６の単電池配列方向の中央位置付近に設けられている。上段の電池ブロック１Ｂにて外気温度の差によって冷却プレート１２周囲で発生した結露水は、冷却プレート１２の露出面１２ａを下方に流れ落ちる。そして、凹溝１２ｃ、１２ｄによって露出面１２ａの下部中央位置に向かって誘導され、樋溝部１６ｄの排水孔１６ｅ周辺に集められる。

樋溝部１６ｄの排水孔１６ｅ周辺に集められた結露水は、排水孔１６ｅを通過して下方に落下し、ベースブラケット１５の樋溝部１６ｄに集められ、ある一定量になると樋溝部１６ｄの排水孔１５ｅを通り、下方に排水される。

下段の電池ブロック１Ａの下部には、ベースブラケット１５が取り付けられている。ベースブラケット１５は、例えば電池モジュール１４を車両のセンタコンソール内に配置して固定する構造を有している。ベースブラケット１５は、下段の電池ブロック１Ａのエンドプレート５にネジを締結することによって固定される。

ベースブラケット１５は、本実施の形態では、中間ブラケット１６と同一の形状を有している。ベースブラケット１５には、中間ブラケット１６と同様に、電池配列方向に亘って延在する段差部１６ｂが設けられており、下段の電池ブロック１Ａの冷却プレート１２などを流下した結露水が、ベースブラケット１５の上面を伝わって冷却プレート１２側から電極面ＰＵ側に移動するのを堰き止めるように形成されている。

図１３は、図８のＣ部を拡大して示す斜視図である。

ベースブラケット１５は、下段の電池ブロック１Ａの冷却プレート１２から流れ落ちる結露水を受ける樋溝部１５ｄと、樋溝部１５ｄに開口して樋溝部１５ｄ内の結露水を排水する排水孔１５ｅを有している。樋溝部１５ｄは、平面部１５ｃに所定深さの溝を凹設することにより形成されており、排水孔１５ｅは、樋溝部１５ｄを上下に貫通することにより形成されている。

樋溝部１５ｄは、下段の電池ブロック１Ａの冷却プレート１２の下方位置で冷却プレート１２の露出面１２ａに沿って延在して設けられている。本実施の形態では、図１３に示すように、セクションプレート６を間に介して単電池配列方向一方側と他方側に分かれているが、セクションプレート６で分かれることなく、単電池２の配列方向に亘って連続する構成としてもよい。

排水孔１５ｅは、冷却プレート１２の下部中央位置の下方に配置されるように、ベースブラケット１５の単電池配列方向の中央位置付近に設けられている。下段の電池ブロック１Ａにて外気温度の差によって冷却プレート１２周囲で発生した結露水は、冷却プレート１２の露出面１２ａを下方に流れ落ちる。そして、凹溝１２ｃ、１２ｄによって露出面１２ａの下部中央位置に向かって誘導され、樋溝部１５ｄの排水孔１５ｅ周辺に集められる。

樋溝部１５ｄは、中間ブラケット１６の樋溝部１６ｄの下方に配置されており、樋溝部１６ｄの排水孔１６ｅから落下する結露水を受け入れて集めることができる。そして、樋溝部１５ｄに集められた結露水は、ある一定量になると排水孔１５ｅを通り、ベースブラケット１５に接続された排水パイプ１８からモジュール外部に排出される。

上記した構成を有する電池モジュール１４によれば、単電池２の電極面ＰＵと冷却プレート１２とを電池ブロック１Ａ、１Ｂの横幅方向一方側と他方側に分けて配置し、かつ電池ブロック１Ａ、１Ｂを同じ向きで上下に積み重ねることによって、冷却プレート１２の表面を流下した結露水が単電池２の電極面ＰＵ側に流れるのを防ぐことができる。

そして、冷却プレート１２の露出面１２ａには凹溝１２ｃ、１２ｄが設けられており、冷却プレート１２の露出面１２ａに発生した結露水を樋溝部１６ｄ、１５ｄに誘導して、排水孔１６ｅ、１５ｅから排水させることができる。

また、図９に示すように、ベースブラケット１５および中間ブラケット１６には、冷却プレート１２面と単電池２の電極２ａ、２ｂ面との間に段差部１５ｂ、１６ｂが設けられており、冷却プレート１２で発生した結露水が単電池２の電極面ＰＵ側に流れ込むのを堰き止めて遮断することができる。

したがって、冷媒を使った単電池２の冷却方法を用いても、単電池２の電極面ＰＵから結露水を空間的に確実に離して結露水を排出することができ、結露水による電極のショートを防止することができる。そして、複数の電池ブロック１を配置することによって、限られた領域で単電池２の数を増やすことが可能となる。

また、電池モジュール１４は、下段の電池ブロック１Ａに中間ブラケット１６を取り付けて、その中間ブラケット１６に上段の電池ブロック１Ｂを取り付ける構造を有しているので、組み立て作業性がよく、電池ブロック１の構成部品の寸法精度や強度の確保を容易にすることができる。

上記した構成を有する電池モジュール１４によれば、電極のショートを防止しながら限られた領域で単電池２の数を増やすことができ、所定の数の配列からなる電池ブロック１を複数配置することで、電池モジュール１４の組立作業性および電池ブロックを構成する部品の寸法精度、強度を確保しながら単電池２の数を増やすことができる。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 電池ブロック
２ 単電池
３ スペーサ
４ ブリッジバー
５ エンドプレート
５ａ、５ｂ 突起部
６ セクションプレート
７ 接続プレート
８ 絶縁カバー
９ 基板ユニット
１０ バスバー
１１ 端子キャップ
１２ 冷却プレート
１２ｃ 凹溝
１３ 熱電シート
１４ 電池モジュール
１５ ベースブラケット
１５ｄ 樋溝部
１５ｅ 排水孔
１６ 中間ブラケット
１６ｄ 樋溝部
１６ｅ 排水孔
１７ ブロック間バスバー
１８ 排出パイプ
ＰＢ 底面
ＰＵ 電極面

Claims (8)

1. 単電池を複数配列して連結した電池ブロックを複数有する電池モジュールであって、
   前記各電池ブロックは、該電池ブロックの横幅方向一方側に前記単電池の電極面が位置し、横幅方向他方側に前記単電池の底面が位置する姿勢状態に前記単電池が配列され、冷媒流路を有する冷却プレートが前記単電池の底面に熱伝達可能に結合された構成を有しており、前記電池ブロックの高さ方向に複数段積み重ねて配置されており、
   上段の電池ブロックと下段の電池ブロックとの間に介在されて、前記上段の電池ブロックと前記下段の電池ブロックがそれぞれ固定される中間ブラケットを有し、
   前記上段の電池ブロックは、前記中間ブラケットの上面に対向して前記中間ブラケットの下方から前記中間ブラケットをネジ締結可能な第１の突起部を有し、
   前記下段の電池ブロックは、前記第１の突起部に対して前記電池ブロックの横幅方向に偏位した位置で前記中間ブラケットの下面に対向し、上方から前記中間ブラケットをネジ締結可能な第２の突起部を有していることを特徴とする電池モジュール。
2. 前記冷却プレートは、該冷却プレートの表面を流下する結露水を、前記冷却プレートの下部の予め設定された集合位置に向けて誘導する誘導手段を有す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. 前記誘導手段は、前記冷却プレートの表面に凹設されて、前記冷却プレートの上方から下方に向かって移行するにしたがって配列方向に移行するように傾斜した凹溝を有す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. 前記中間ブラケットは、前記上段の電池ブロックの冷却プレートの下方位置で該冷却プレートに沿って延在して前記冷却プレートから流れ落ちる結露水を受ける樋溝部と、該樋溝部に開口して前記樋溝部内の結露水を排水する排水孔とを有す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. 前記中間ブラケットは、前記電池ブロックの横幅方向中間位置で前記単電池の配列方向に亘って延在する段差部を有す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. 最下段の前記電池ブロックの下部に固定されるベースブラケットを有することを特徴とする請求項１、４、５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
7. 前記ベースブラケットは、前記最下段の電池ブロックの冷却プレートの下方位置で該冷却プレートに沿って延在して前記冷却プレートから流れ落ちる結露水を受ける樋溝部と、該樋溝部に開口して前記樋溝部内の結露水を排水する排水孔とを有することを特徴とする請求項６に記載の電池モジュール。
8. 前記ベースブラケットは、前記電池ブロックの横幅方向中間位置で前記単電池の配列方向に亘って延在する段差部を有することを特徴とする請求項６または７に記載の電池モジュール。

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