JP6004349B2

JP6004349B2 - 電池収納ブロック及び電池モジュール

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Publication number: JP6004349B2
Application number: JP2013526746A
Authority: JP
Inventors: 大輔岸井; 下司　真也; 真也下司; 仰奥谷; 俊樹糸井
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: JPWO2013018331A1; EP2738833A1; US20140154545A1; US9246147B2; EP2738833B1; EP2738833A4; WO2013018331A1

Description

本発明は、電池収納ブロック及び電池収納ブロックを備えた電池モジュールに関するものである。

従来、例えば電気自動車のモータ駆動電源として用いられる電池モジュールであって、複数の電池を有するものが知られている。この電池モジュールでは、複数の電池が例えば電池収納ブロックに設けられた複数の電池収納部の夫々に収納されるようにして保持される。このような電池モジュールでは、使用時に複数の電池が発熱するため、電池を保護するには放熱させることが好ましい。

電池収納ブロックにおいて、電池収納部に収納された電池の発熱を放熱できるものは、例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示された電池収納ブロックは、複数の電池を２列に並べた状態で収納する複数のブロック片（熱伝導筒）を備えている。ブロック片の一部は熱暴走防止壁として構成されていて、この熱暴走防止壁は、収納された複数の電池のうち、互いに隣接する２つの電池間において、電池の軸方向の全体に設けられている。電池収納ブロックには、熱暴走防止壁を挟んだ両側にブロック片の一部を開口した開口部が設けられている。その開口部から電池の周部の一部を露出させることにより、そこに冷却風を当てることができる。

上記特許文献１に開示された電池収納ブロックにおいては、隣接する２つの電池間において電池の軸方向の全体に亘って熱暴走防止壁が配設されている。このため、隣接する２つ電池の間に冷却風を通し難い。したがって、上記特許文献１に開示された電池収納ブロックでは、冷却風によって電池の夫々の発熱を効率よく且つ充分に放熱できない、という問題がある。

特開２００７−６６７７３号公報

本発明の目的は、収納された電池の発熱を効率よく且つ充分に放熱できる電池収納ブロック及び電池モジュールを提供することである。

本発明の一局面に従う電池収納ブロックは、電池を収納する形状に形成された複数のブロック片を備え、前記複数のブロック片は配列され、前記複数のブロック片のうち互いに隣接する２つのブロック片同士が互いに結合されており、前記互いに隣接する２つのブロック片同士の間には、媒体を流通させ得る流通空間が設けられている。

また、本発明の他の局面に従う電池モジュールは、前記電池収納ブロックと、前記電池収納ブロックに収納された電池と、を備えている。

（ａ）は、本発明の一実施形態としての電池収納ブロックを有する電池モジュールの斜視図であり、（ｂ）は、前記電池モジュールの分解斜視図である。（ａ）は、前記電池収納ブロックの平面図であり、（ｂ）は、前記電池収納ブロックの側面図である。図２（ｂ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。（ａ）は、ブロック片の展開図であり、（ｂ）は、図４（ａ）ＩＶ−ＩＶ線における断面図である。複数の前記電池モジュールを連結する方法を説明するための図である。本発明のその他の実施形態としての電池収納ブロックの要部の側面図である。（ａ）〜（ｄ）は、前記電池収納ブロックの製造方法の一例を説明するための図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態としての電池収納ブロックを有する電池モジュールの斜視図であり、図１（ｂ）は、前記電池モジュールの分解斜視図である。図２（ａ）は、前記電池収納ブロックの平面図であり、図２（ｂ）は、前記電池収納ブロックの側面図である。

本実施形態の電池モジュール１００は、例えば電気自動車のモータ駆動電源として用いられる。この電池モジュール１００は、電池収納ブロック１と、電池収納ブロック１に収納される複数本（本例では２０本）の電池２と、正極側ホルダー４と、正極板５と、負極側ホルダー６と、負極板７とを備えている。

電池収納ブロック１は、複数（本例では２０本）の円筒状のブロック片１０を備えている。各ブロック片１０は、この実施形態では、アルミニウム又はアルミニウム合金によって構成されている。尚、ブロック片１０は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されるものに限らず、例えば金属、好ましくは放熱性に優れた金属によって構成することができる。

各ブロック片１０は、軸方向の長さが電池２の軸方向長さと略同じとされており、その内部に電池２を収納するための収納部１１を備えている。収納部１１の内径は、電池２の外径と略同程度に設定されている。

この実施形態の各ブロック片１０は、図２（ｂ）に示すように、凸部としての大径部１２と、凹部としての小径部１３とを備えている。大径部１２は、軸方向の両端にそれぞれ配設され、小径部１３は、これら大径部１２間に配設されている。小径部１３は、大径部１２よりも径の小さい断面円形状に形成されている。言い換えると、各ブロック片１０においては、軸方向の両端部がそれぞれ凸部となり、両凸部間の部位（小径部１３）は、凸部の外周面よりも引っ込んだ外周面を有する凹部として形成されている。言い換えると、大径部１２の外面は、小径部１３の外面よりも径方向に突出している。なお、大径部１２の内周面及び小径部１３の内周面は面一の状態となっている。このため、大径部１２の肉厚は、小径部１３の肉厚よりも大きくなっている。

この実施形態では、各ブロック片１０は、厚板部１２ａと薄板部１３ａとを有する１枚の板状体１０ａを巻回成形するようにして形成されている。

詳しくは、板状体１０ａは、図４（ａ）（ｂ）に示すように、軸方向となる方向（図の上下方向）の両端夫々に配設された厚板部１２ａと、それらの厚板部１２ａの間に、厚板部１２ａよりも板厚の薄い薄板部１３ａとを備えている。板状体１０ａの一方の主面（図４（ｂ）の左側の主面）は、平坦な面に形成されている。一方、他方の主面（図４（ｂ）の右側の主面）は、厚板部１２ａにおいて薄板部１３ａよりも段差状に突出するように形成されている。

そして、板状体１０ａを、前記一方の主面が内側面となり前記他方の主面が外側面となった状態で断面円形状になるように、図４（ａ）の左右方向に巻回し、板状体１０ａの左右の両端部を互いに連結する。このとき、厚板部１２ａの左右の両端部を互いに連結するとともに薄板部１３ａの左右の両端部を互いに連結する。このようにして、厚板部１２ａにより形成された大径部１２と薄板部１３ａにより形成された小径部１３とを有するブロック片１０が形成されている。

複数（この実施形態では、７個又は６個）のブロック片１０は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、第１方向（図の左右方向であるＸ−Ｘ方向）に沿って一列に並べられており、第１方向列１４を形成している。この状態で、隣接する２つのブロック片１０の大径部１２同士が対向するとともに、小径部１３同士が対向している。また、隣接する２つのブロック片１０は、その軸Ｏが互いに平行になっている。

そのようにして形成された第１方向列１４が少なくとも３つ（本実施形態では３つ）形成されていて、これら第１方向列１４は、第１方向と交差する第２方向（Ｙ−Ｙ方向）に並ぶように配列されている。本実施形態では、第１方向と第２方向とは直交する関係となっている。

本実施形態では、隣接する２つの第１方向列１４において、ブロック片１０は互い違いに配置されている。すなわち、Ｙ−Ｙ方向に見ると、一方の第１方向列１４におけるブロック片１０の軸Ｏが、他方の第１方向列１４において隣接する２つのブロック片１０の軸Ｏの間の略中央位置に配置されており、ブロック片１０は、いわゆる千鳥配列で配置されている。

隣接する２つのブロック片１０は、互いに連結されている。この連結は、本実施形態では、次のようにして行われている。

上述したように巻回成形されたブロック片１０の大径部１２の外周面に、ブロック片１０よりも融点の低い低融点合金からなる結合材（ロー）１６を予め配設しておく。

そして、図示しない箱体内に２０個のブロック片１０を上記千鳥配列で配置する。このとき、隣接する２つのブロック片１０の大径部１２がそれぞれ結合材１６に当接するようにセットされる。

この箱体内にセットされた複数のブロック片１０を、結合材１６が溶融する温度雰囲気に所定時間、保持し、その後、例えば室温に放置する。これにより、隣接する２つのブロック片１０が、大径部１２において結合材１６を介して固定的に結合される。そして、配列された複数のブロック片１０が互いに連結されることになる。

隣接する２つのブロック片１０が互いに結合された状態で、図２（ｂ）、図３に示すように、互いに隣接するブロック片１０の小径部１３同士の間に、流通空間としての間隙１５が形成されている。すなわち、ブロック片１０の外周面のうちの一部（大径部１２の外周面）が隣接するブロック片１０に結合される一方、この結合された部位以外の部位は、流通空間を形成している。

尚、本実施形態では、間隙１５の幅Ｗは、０．５〜５ｍｍ程度であり、間隙１５の長さＬ（小径部１３の軸方向の長さに相当する長さ）は、電池２の軸方向の長さ（電池の高さ）の３０〜８０％程度に設定されている。ここでいう間隙１５の幅Ｗは、隣り合う小径部１３の外周面間の距離を意味している。尚、間隙１５の幅Ｗ及び長さＬは、これに限らず、適宜変更できる。ただし、間隙１５の長さＬが電池２の長さの３０％よりも短くなると、間隙１５を通過する冷却風によってブロック片１０を冷却する効果が小さくなる。一方、間隙１５の長さＬが電池２の長さの８０％を超えると、ブロック片１０が電池２から吸熱した熱を放熱する効率が低下するおそれがある。従って、上述のように、間隙１５の長さＬは、電池２の長さの３０〜８０％程度が好ましい。

また、このようにして形成された流通空間としての間隙１５は、全部が連通している。

図１に戻り、本実施形態では、電池２は、直径が約１８ｍｍ、軸方向の長さが約６５ｍｍの円柱体状に形成されている。なお、図１は、上部が正極（＋極）、下部が負極（−極）となった状態を示している。

電池２は、正極が上向きで負極が下向きとなるように、電池収納ブロック１の各収納部１１にそれぞれ収納される。

正極側ホルダー４は、本実施形態では、電池収納ブロック１の一端側（図１の上端側）に取付けられている。なお、電池収納ブロック１への正極側ホルダー４の取付けは、電池２がブロック片１０の収納部１１に収納された後に行われる。

負極側ホルダー６は、本実施形態では、電池収納ブロック１の他端側（図１の下端側）に取付けられる。なお、電池収納ブロック１への負極側ホルダー６の取付けは、電池２がブロック片１０の収納部１１に収納された後に行われる。

電池収納ブロック１に収納された各電池２は、正極側ホルダー４と負極側ホルダー６によって挟持されている。

正極板５は、各電池２の正極に電気的に接続され、負極板７は、各電池２の負極に電気的に接続されている。

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、他の電池モジュール１００と通電可能に接続して使用することもできる。例えば図５に示すように、一方の電池モジュール１００の正極板５の第１方向（Ｘ−Ｘ方向）の端部に接続されたバスバー８を、他方の電池モジュール１００の負極板７の第１方向の端部に接続する。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により、４００Ｖの電池モジュールが得られる。この電池モジュールは、自動車等のモータ駆動用電源として使用することができる。

尚、電池モジュール１００同士の接続は、第１方向の端部同士を接続する形態のものに限らず、適宜変更できる。例えばバスバー８の一端部を、一方の電池モジュール１００の正極板５の第２方向（Ｙ−Ｙ方向）の端部に通電可能に接続するとともに、バスバー８の他端部を、他方の電池モジュール１００の負極板７の第２方向の端部に通電可能に接続するようにしてもよい。

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られる。その使用に際して電池２が発熱するが、電池収納ブロック１のブロック片１０が金属製であるため、ブロック片１０が電池２から吸熱して放熱できる。

電池収納ブロック１は、例えば、一端側（図３の右端側）から、図示しない媒体送り装置によって冷却媒体としての冷却風が送り込まれた状態で使用される。これにより、冷却風は、図３中に矢印で示すように電池収納ブロック１に形成された間隙１５を順次縫うように流通する。

従って、各ブロック片１０の全周をより効率よく冷却でき、しかも充分に放熱できる。

各ブロック片１０の収納部１１は、収納された電池２のほぼ全外周を覆うように配設されているため、電池２を個々に保護することができる。

尚、上記実施形態では、ブロック片１０が大径部１２と小径部１３とを有する構成とされているが、この形態に限らず、適宜変更できる。例えば図６に示すように、外径が軸方向の全体に亘って同じであるブロック片２１０を備えた構成としてもよい。この場合、ブロック片２１０の軸方向の両端夫々に、予め定められた所定の厚さを有し且つ低融点合金からなる結合材２１６が配設される。軸方向の一方側の結合材２１６と他方側の結合材２１６とは、互いに離間している。そして、上述のようにして、隣接する２つのブロック片２１０の結合材２１６同士が結合されることにより、ブロック片２１０の軸方向の中央部（離間した結合材２１６の間の部位）に、両結合材２１６の厚さ分の間隙２１５が形成されている。このようにして構成された電池収納ブロック２０１においても、互いに隣接するブロック片２１０が、結合材２１６を介して互いに結合される一方で、結合された部位以外の部位に間隙２１５が形成された構成となる。

また上記実施形態では、ブロック片１０，２１０同士の結合が、結合材１６，２１６を用いたロー付けにより行われているが、ブロック片同士を連結するための結合手段は特に限定されない。例えばブロック片同士を、接着剤による連結としたり、溶接による連結としてもよく、適宜変更できる。溶接による連結の場合、例えば、レーザ溶接による連結とすることができる。

ここで、複数のブロック片１０が連結された構成の電池収納ブロック１の製造方法の一例について、図７（ａ）から（ｄ）を参照しつつ説明する。この製造方法は、隣接するブロック片１０をレーザ溶接によって接合する場合の製造方法の一例であり、図７（ｄ）に示すように、３つの第１方向列１４が形成された電池収納ブロック１を製造する場合を例示している。

電池収納ブロック１を製造するには、まず、第１方向列１４の数に等しい数（ここでは、３つ）のブロック片１０を用意し、これらブロック片１０が互いに接触した状態で一列に並べる。そして、この状態で、隣接ブロック片１０同士をレーザ溶接する。これにより、３つのブロック片１０が連結された一列パイプ２２となる（図７（ａ）（ｂ））。

次に、図７（ｃ）に示すように、複数（ここでは６つ）の一列パイプ２２と、複数（ここでは２つ）の単品パイプ（ブロック片１０）２４を用い、ブロック片１０が千鳥配列となり、かつ隣り合う一列パイプ２２が互いに接触するように、複数の一列パイプ２２を第１方向に並べる。この状態では、第１方向に対して斜めの方向に隣り合う３つのブロック片１０が連結された状態にある一方で、第１方向に隣り合うブロック片１０同士は未だ連結されていない。

そして、この並べられた複数のブロック片１０において、対向する一対の角部にそれぞれ単品パイプ（ブロック片１０）２４を配置する。このように、電池収納ブロック１を構成する全てのブロック片１０が配置されたところで、図７（ｄ）に示すように、隣接ブロック片１０間をレーザ溶接する。すなわち、隣接する一列パイプ２２同士をレーザ溶接によって接合するとともに、端に位置する一列パイプ２２と単品パイプ２４とをレーザ溶接によって接合する。これにより、全てのブロック片１０のそれぞれがその隣のブロック片１０に固着された状態となる。

なお、第１方向列１４に並ぶブロック片１０の数が異なるものに対しては、それに応じた数の一列パイプ２２を使用すればよい。また、第２方向に並ぶブロック片１０の数が３以外の場合には、一列パイプ２２を構成するブロック片１０の数をそれに応じて変えればよい。

また上記実施形態では、全てのブロック片１０が大径部１２と小径部１３とを有する構成とされているが、この形態に限らず、適宜変更できる。例えば、隣接する２つのブロック片の内の何れか一方のブロック片が、大径部と小径部とを有し、他方のブロック片が、外径が軸方向の全長に渡って同じ構成であってもよい。

また上記実施形態では、間隙を全て同じ寸法とし、かつ全ての間隙がブロック片１０の軸方向における同じ位置に設けられる構成としたが、この形態に限らず、適宜変更できる。例えば間隙のうちの１つ又は複数を、他の間隙と異なる寸法としてもよく、あるいは、間隙のうちの１つ又は複数を、他の間隙とブロック片１０の軸方向における異なる位置に設けてもよい。

ただし、電池は、軸方向の両端よりも中央部からの発熱量が多いので、上記実施形態のように、ブロック片１０の軸方向における中央部に間隙が配設されることが好ましい。

また上記実施形態では、電池収納ブロック１が３つの第１方向列１４を有する構成としたが、この形態に限られない。例えば、電池収納ブロック１が、１つ、２つ又は４つ以上の第１方向列１４を有する構成としてもよい。

また上記実施形態では、隣接する２つの第１方向列１４が千鳥配列で配置される構成としたが、この形態に限られない。例えば、隣接する２つの第１方向列１４のうちの一方の列におけるブロック片１０の軸Ｏと、他方の列におけるブロック片１０の軸Ｏとが、第２方向に並ぶように配置されてもよい。

また上記実施形態では、ブロック片１０，２１０が円筒状に構成されているが、この形態に限られない。例えば、ブロック片は、外周形状が多角形状の筒状に形成されていてもよい。

また上記実施形態では、ブロック片１０，２１０を冷却する媒体として気体（冷却風）が流通空間に流れる構成としたが、この形態に限られない。例えば、液体の冷却媒体が流通空間に流通する構成としてもよい。

電池モジュールは、電気自動車のモータ駆動源として用いられるものに限らず、種々の機器の駆動源として用いることができる。

ここで、前記実施形態について概説する。

(1) 前記実施形態の電池収納ブロックは、電池を収納する形状に形成された複数のブロック片を備え、前記複数のブロック片は配列され、前記複数のブロック片のうち互いに隣接する２つのブロック片同士が互いに結合されており、前記互いに隣接する２つのブロック片同士の間には、媒体を流通させ得る流通空間が設けられている。

この電池収納ブロックでは、配列された複数のブロック片のうち、隣接する２つのブロック片同士の間に、媒体を流通させ得る流通空間が設けられている。このため、媒体としての例えば冷却風を流通空間の一端側から流通空間内に送り込むことにより、冷却風を各流通空間に流通させることができる。これにより、各ブロック片の外周を周方向の略全体に亘って冷却できる。したがって、電池の発熱を効率よく、しかも充分に放熱できる。

(2) 前記互いに隣接する２つのブロック片の少なくとも一方は、凸部と、前記凸部の外周面よりも引っ込んだ外周面を有する凹部とを備えていてもよく、この場合において、前記凸部は、前記互いに隣接する２つのブロック片の他方に結合され、前記凹部と前記他方のブロック片との間には、前記流通空間としての間隙が形成されていてもよい。

この態様では、外周に凸部と凹部とを有するブロック片が用いられ、互いに隣接する一方のブロック片の凸部が他方のブロック片に連結されている。したがって、一方のブロック片の凹部と他方のブロックとによってそれらの間に、容易に、しかも確実に流通空間としての間隙を形成できる。従って、流通空間を有する電池収納ブロックを容易に形成できる。

(3) 前記互いに隣接する２つのブロック片の少なくとも一方は、円筒状に形成されるとともに、大径部と、前記大径部よりも径の小さい小径部とを備えていてもよく、この場合には、前記大径部は、前記互いに隣接する２つのブロック片の他方に結合され、前記小径部と前記他方のブロック片との間には、前記流通空間としての間隙が形成されていてもよい。

この態様では、大径部と小径部とを備えたブロック片が用いられ、隣接する一方のブロック片の大径部が他方のブロック片に連結されている。したがって、一方のブロック片の小径部と他方のブロックとによって、それらの間に、容易に、しかも確実に流通空間としての間隙を区画形成できる。従って、流通空間を有する電池収納ブロックを、容易に形成することができる。

(4) 前記流通空間は、前記ブロック片の軸方向の中央部に配設されていてもよい。電池の発熱は、軸方向の両端よりも中央部の方が多い。流通空間がブロック片の軸方向の中央部に配設される構成とすることにより、電池の発熱を、より効率よく冷却できる。

(5) 前記流通空間における前記ブロック片の軸方向に沿う長さは、前記電池の高さの３０〜８０％であってもよい。

この態様によれば、ブロック片を、より一層、効率よく冷却できるとともに、電池から吸熱したブロック片の熱を、効率よく、しかも充分に放熱できる。

(6) 複数のブロック片が第１方向に沿って一列状に並設された第１方向列が、少なくとも３つ形成されていてもよく、この場合には、前記少なくとも３つの第１方向列は、前記第１方向と交差する第２方向に沿って並設され、隣接する２つの第１方向列のうちの一方におけるブロック片と、他方におけるブロック片とは、互い違いに配置されていてもよい。

この態様では、隣接する２つの第１方向列同士間の隙間を小さくすることができる。従って、電池収納ブロックの第２方向の長さを短くでき、電池収納ブロックをコンパクトなものにできる。また、隣接する２つの第１方向列のブロック片同士の間に形成された流通空間によって、隣接する２つの第１方向列同士間の隙間が小さくなったとしても、各ブロック片の外周を略全周にわたって冷却できるため、電池の発熱を効率よく、しかも充分に放熱できる。

(7) 本実施形態の電池モジュールは、上述した電池収納ブロックと、前記電池収納ブロックに収納された電池とを備えている。

この電池モジュールでは、隣接する２つのブロック片同士の間に形成された流通空間に、媒体としての例えば冷却風を一端側から送ることにより、冷却風を各流通空間に流通させることができる。これにより、ブロック片の電池収納部の周方向の略全体を冷却でき、電池の発熱を効率よく、しかも充分に放熱できる。

電池収納ブロック及び電池収納ブロックを備えた電池モジュールに有用である。

１電池収納ブロック
２電池
４正極側ホルダー
５正極板
６負極側ホルダー
７負極板
１０ブロック片
１１電池収納部
１２大径部（凸部）
１３小径部（凹部）
１５間隙（流通空間）
１００電池モジュール

Claims

電池を収納する形状に形成された複数のブロック片を備え、
前記複数のブロック片は配列され、前記複数のブロック片のうち互いに隣接する２つのブロック片の少なくとも一方は、円筒状に形成されるとともに、大径部と、前記大径部の外周面よりも引っ込んだ外周面を有し、前記大径部よりも径の小さい小径部とを備え、
前記大径部は、前記互いに隣接する２つのブロック片の他方に結合され、
前記小径部と前記他方のブロック片との間には、媒体を流通させ得る流通空間としての間隙が設けられている電池収納ブロック。
請求項１に記載の電池収納ブロックにおいて、
前記流通空間は、前記ブロック片の円筒軸方向の中央部に配設されている電池収納ブロック。
請求項２に記載の電池収納ブロックにおいて、
前記流通空間における前記ブロック片の円筒軸方向に沿う長さは、前記電池の長さの３０〜８０％である電池収納ブロック。
請求項１〜３の何れか一項に記載の電池収納ブロックにおいて、
複数のブロック片が第１方向に沿って一列状に並設された第１方向列が、少なくとも３つ形成されており、
前記少なくとも３つの第１方向列は、前記第１方向と交差する第２方向に沿って並設され、
隣接する２つの第１方向列のうちの一方におけるブロック片と、他方におけるブロック片とは、互い違いに配置されている電池収納ブロック。
請求項１〜４の何れか一項に記載の電池収納ブロックと、
前記電池収納ブロックに収納された電池と、を備えた電池モジュール。