JP6001078B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池ブロックを備える電池モジュールに関する。

近年、ハイブリッド車（Hybrid Vechicle；ＨＶ）、プラグインハイブリッド車（Plug-in HV；ＰＨＶ）、電気自動車（Electric Vechicle；ＥＶ）が普及してきている。これらの環境対応車にはキーデバイスとして二次電池が搭載される。車載用二次電池としては主に、ニッケル水素電池およびリチウムイオン電池が普及している。今後、エネルギー密度が高く、メモリ効果が生じないリチウムイオン電池の普及が加速すると予想される。

車載用の二次電池は高出力、大容量を実現するため、多数の素電池を接続して使用している。車載用の二次電池は通常、複数の素電池を配列した電池ブロックを複数連結して電池パックとして提供される。車載用の二次電池は高出力であり安全性基準も高いため、その熱処理がより重要となる。特にリチウムイオン電池を用いた二次電池は原理的に他の電池より大きな発熱が発生しやすい。

特開２００７−１４１５１１号公報 特開２０１１−１７１１７５号公報

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、発熱耐性が高い二次電池のパッケージングを実現する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電池モジュールは、それぞれ複数の素電池が配列されて形成される複数の電池ブロックと、隣接する二つの電池ブロック間に配設される空洞のスペーサと、を備える。

本発明によれば、発熱耐性が高い二次電池のパッケージングを実現できる。

図１（Ａ）−（Ｂ）は、比較例に係る電池ブロックの構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る電池モジュールの構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る電池モジュールの構成を示す平面図である。 図３のＡ領域を拡大した図である。 変形例に係る電池モジュールを説明するための図である。

図１（Ａ）−（Ｂ）は、比較例に係る電池ブロック１００の構成を示す斜視図である。図１（Ａ）は上方から見た斜視図を示し、図１（Ｂ）は下方から見た斜視図を示す。電池ブロック１００は、図示しない複数の素電池が正極の方向を揃えて配列される。素電池は円筒形の二次電池で、発電要素が電池ケース内に収容されている。各素電池は正極と負極を有している。図１（Ａ）−（Ｂ）では各素電池の正極が上を向くように描かれている。

六方格子状に配置された複数の素電池に、その外周四側面を覆うようにブロックケース３０が取付けられる。当該複数の素電池の正極端が存在する天面に正極板１０が被せられる。正極板１０は、当該複数の素電池の各正極を電気的に接続するための部材である。同様に当該複数の素電池の負極端が存在する底面に負極板２０が被せられる。負極板２０は、当該複数の素電池の各負極を電気的に接続するための部材である。これにより、当該複数の素電池が電気的に並列接続される。

正極板１０はＬ字状に形成され、外周四側面の相対的に面積が小さいニ側面（以下、短手側面という）の一方に伸び出すように、その短手側面のブロックケース３０の上にも取付けられる。正極板１０の当該短手側面側の先端部は外部にはみ出している。負極板２０は、正極板１０のはみ出し部１１が存在する側と反対側に、正極板１０のはみ出し部１１と対向するようにつば部２１を有する。

図１（Ａ）−（Ｂ）に示す電池ブロックを複数連結して電池モジュールを形成する場合、二つの電池ブロックの短手側面同士が接するように連結される。正極板１０のはみ出し部１１と負極板２０のつば部２１が溶接により接合され、二つの電池ブロックが電気的に直列接続される。同様の接合方法により三つ以上の電池ブロックを連結できる。このように直列接続された複数の電池ブロックと、別の直列接続された複数の電池ブロックを長手側面が接するように配置して二次元配列の電池ブロックを形成できる。その際、二つの直列接続された電池ブロックの端の電極間をバスバーで接続することにより、電気的に直並列接続できる。一般的に、この二次元配列の電池ブロックがケースに収納されて電池モジュールが形成される。

図２は、本発明の実施の形態に係る電池モジュール５００の構成を示す斜視図である。図３は、本発明の実施の形態に係る電池モジュール５００の構成を示す平面図である。実施の形態に係る電池モジュール５００は、複数の電池ブロック１００をスペーサ２００を用いて連結する。図２、図３では第１電池ブロック１００ａと第２電池ブロック１００ｂを第１スペーサ２００ａを用いて連結している。なお第２電池ブロック１００ｂの、第１電池ブロック１００ａとの連結面と反対側の面に第２スペーサ２００ｂが接合されているが、電池モジュール５００を構成する電池ブロック１００の数を２個とする場合、第２スペーサ２００ｂは省略可能である。

各電池ブロック１００は、円柱形状の複数の素電池をそれぞれ収納する複数の筒部を六方格子状に形成した収納部材１５０を有する。図２、３では第１電池ブロック１００ａは２０本の素電池をそれぞれ収納する２０個の筒部を六方格子状に形成した第１収納部材１５０ａを有する。第２電池ブロック１００ｂも第１電池ブロック１００ａと同様に第２収納部材１５０ｂを有する。図２、図３に示す電池ブロック１００は、収納部材１５０以外の構成要素は省略して描いている。即ち、素電池、正極板、負極板、その他のケース部材を省略して描いている。

収納部材１５０のスペーサ２００と接合すべき側面は、筒部の円周一部が開口されている。図２、３では３列の筒部のうち外側２列の筒部は円周一部が開口されている。具体的には当該円周の外側の円弧（約１２０°）が開口されている。収納部材１５０は金属部材で生成される。例えば、アルミニウムまたはアルミニウムを主とする合金で生成される。

スペーサ２００は隣接する電池ブロック間に配設される。スペーサ２００は、収納部材１５０の開口されている円周一部をなすよう、側面が波状に形成される。スペーサ２００は空洞な部材である。収納部材１５０の素電池の収納方向と平行な方向に空洞が形成される。スペーサ２００の収納部材１５０と接する側面には、収納部材１５０の外側の筒部の欠落している円弧に対応する形状の窪みが形成される。図２、３に示す例では、それぞれの側面に７個の窪みが形成される。収納部材１５０の外側の開口されている各筒部の円弧両端は、スペーサ２００の側面に形成される各窪みの両端と溶接により接合され、当該筒部は閉じられた完全な筒部となる。

スペーサ２００は、収納部材１５０と同じ材料で生成されることが好ましい。本実施の形態では収納部材１５０とスペーサ２００を同じ金属材料（例えば、アルミニウム）で生成する。また収納部材１５０の各筒部の厚みと、スペーサ２００の収納部材１５０との接合面の厚みは略同じに設計される。スペーサ２００の両接合面を繋ぐ二つの側面の厚みは、当該接合面の厚みより厚く設計されることが好ましい。

図２、図３では第２電池ブロック１００ｂの、第１電池ブロック１００ａとの連結面と反対側の面に第２スペーサ２００ｂが接合されている。この第２スペーサ２００ｂの反対側の接合面に別の電池ブロックを接合することにより、電池ブロックをさらに連結できる。図２、図３に示す電池モジュール５００を連結すれば、４個の電池ブロックを備える新たな電池モジュール５００を生成できる。

電池モジュール５００の両端の電池ブロック１００には、連結していない側の外側の筒部が開口していないタイプの電池ブロックを用いてもよいし、その開口している円周一部を補うための図示しない蓋部材を接合してもよい。

電池モジュール５００を構成する各電池ブロック１００に設けられる正極板および負極板の形状および設置位置については、本実施の形態では限定しない。各電池ブロック１００に含まれる２０本の素電池による並列回路が形成できればよい。

電池モジュール５００を構成する各電池ブロック１００は、交互に極性の向きが反対になるように配置されてもよい。第１電池ブロック１００ａの素電池の正極が上であれば、隣接する第２電池ブロック１００ｂの素電池の負極が上にくるように配置する。この場合、第１電池ブロック１００ａと第２電池ブロック１００ｂ間で正極板と負極板、負極板と正極板をそれぞれ同一平面上に配置できる。従って正極板と負極板、負極板と正極板をそれぞれバスバーで接続することにより、第１電池ブロック１００ａと第２電池ブロック１００ｂの直列回路を容易に形成できる。

図４は、図３のＡ領域を拡大した図である。仮に第２電池ブロック１００ｂの第１素電池１０１ｂが異常発熱した場合、その熱が同一電池ブロックだけでなく、第１スペーサ２００ａを介して第１電池ブロック１００ａにも伝搬される。このように熱を広範囲に分散させることにより、異常発熱した素電池の熱引きが促進される。スペーサ２００と各電池ブロック１００の収納部材１５０に同じ材質の部材を使用すれば、両者の部材間で熱伝導率が等しくなり、熱を均一に拡散できる。

またスペーサ２００が空洞であるため、スペーサ２００内に冷却風が通り、異常発熱した素電池の冷却を早めることができる。また通常時においても電池ブロック１００間に冷却風が通るため電池ブロック１００の温度上昇を抑えることができる。なお車載用途など電池モジュール５００のシビアな温度管理が必要とされる用途では、電池モジュール５００の近傍に、スペーサ２００に冷却風を送り込むためのファンを設置してもよい。

図５は、変形例に係る電池モジュール５００を説明するための図である。変形例ではスペーサ２００は、連結する二つの電池ブロック１００間を絶縁するための絶縁材を含んで形成される。図５に示す例では第１スペーサ２００ａの第１電池ブロック１００ａと接合する接合面と、第２電池ブロック１００ｂと接合する接合面を絶縁するよう、両接合面を繋ぐ二つの側面にそれぞれ絶縁材２１０を挟み込む。絶縁材２１０には樹脂材を用いることができる。この場合、金属製材料と樹脂製材料のインサート成形によりスペーサ２００を生成してもよい。なおスペーサ２００全体を剛性が高い樹脂で生成することも考えられる。

上述したように第１電池ブロック１００ａと第２電池ブロック１００ｂを電気的に直列接続した場合、第１電池ブロック１００ａと第２電池ブロック１００ｂとの間に電位差が生じる。何らかの理由により第１電池ブロック１００ａと第２電池ブロック１００ｂが短絡して、スペーサ２００を介して一方から他方へ大電流が流れる可能性がある。この点、変形例のようにスペーサ２００に絶縁材を挟み込んでおけば、スペーサ２００を介して電池ブロック１００間に大電流が流れることを抑制できる。

以上説明したように本実施の形態に係る電池モジュール５００によれば、電池ブロック１００間を、空洞なスペーサ２００で連結することにより、発熱耐性が高いパッケージングを実現できる。またスペーサ２００の一側面が、接合面に位置する素電池の収納部材１５０の一部をなすように構成されることにより、その素電池をより直接的に冷却できる。また接合面が円弧形状であるため、平面形状より大きな面積で冷却できる。このように熱引き部材および連結部材を兼ねるスペーサ２００を使用することにより、発熱耐性が高く拡張性に優れたパッケージングを実現できる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上記ではスペーサ２００をアルミニウムで生成する例を説明したが、銅など他の金属材料で生成してもよい。また収納部材１５０とスペーサ２００は同一または異なる材料で別々に生成してもよいし、収納部材１５０とスペーサ２００を同一材料で一体成形してもよい。

なお、本実施の形態に係る発明は、以下に記載する項目によって特定されてもよい。

［項目１］
それぞれ複数の素電池が配列されて形成される複数の電池ブロックと、
隣接する二つの電池ブロック間に配設される空洞のスペーサと、
を備えることを特徴とする電池モジュール。

［項目２］
前記電池ブロックは、前記複数の素電池をそれぞれ収納する複数の筒部を有する収納部材を備え、
前記収納部材と前記スペーサは、金属材で形成されることを特徴とする項目１に記載の電池モジュール。

［項目３］
前記スペーサは、連結する二つの電池ブロック間を絶縁するための絶縁材を含んで形成されることを特徴とする項目１または２に記載の電池モジュール。

［項目４］
前記電池ブロックは、円柱形状の複数の素電池をそれぞれ収納する複数の筒部を六方格子状に配置した収納部材を備え、
前記収納部材の前記スペーサと接合すべき側面は、筒部の円周一部が開口されており、
前記スペーサは、前記収納部材の開口されている円周一部をなすよう、側面が波状に形成されることを特徴とする項目１または３に記載の電池モジュール。

５００ 電池モジュール、 １００ 電池ブロック、 １５０ 収納部材、 ２００ スペーサ、 ２００ａ ２１０ 絶縁部材。

本発明は、車載用二次電池や蓄電システムに利用可能である。

Claims (2)

1. それぞれ複数の素電池が配列されて形成される複数の電池ブロックと、
   隣接する二つの電池ブロック間に配設される空洞のスペーサと、
   を備え、
   前記電池ブロックは、前記複数の素電池をそれぞれ収納する複数の筒部を有する収納部材を備え、
   前記収納部材と前記スペーサは、金属材で形成され、
   前記スペーサは、連結する二つの電池ブロック間を絶縁するための絶縁材を含んで形成されることを特徴とする電池モジュール。
2. 前記電池ブロックは、円柱形状の複数の素電池をそれぞれ収納する複数の筒部を六方格子状に配置した収納部材を備え、
   前記収納部材の前記スペーサと接合すべき側面は、筒部の円周一部が開口されており、
   前記スペーサは、前記収納部材の開口されている円周一部をなすよう、側面が波状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。

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