JP6164119B2

JP6164119B2 - 電池モジュール

Info

Publication number: JP6164119B2
Application number: JP2014035578A
Authority: JP
Inventors: 厚志南形; 元章奥田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: JP2015162290A

Description

本発明は、複数の電池セルを有する電池モジュールに関する。

特許文献１に記載の電池モジュールは、複数の電池セルが並設されている。こうした特許文献１に記載の電池モジュールでは、電池セルの温度低下を図るべく電池セルのケースの底壁に冷却機構が設けられている。

実開平０６−７３８６４号公報

ところで、特許文献１に記載の電池モジュールでは、冷却機構の性能や配置位置等により、複数の電池セル間での冷却むらが生じると、電極組立体の冷却むらが生じることとなるため、この点で改善の余地があった。

この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、冷却機構による電極組立体の冷却むらを抑制することができる電池モジュールを提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する電池モジュールは、電極組立体及び電解液がケースに収容されて構成された電池セルを複数備えるものである。そして、ケースを構成するケース壁は、底壁と底壁に立設する側壁とを含み、複数の電池セルの底壁を冷却する冷却機構が設けられ、底壁の内面は傾斜していて、底壁のうち厚みの最も小さい部分の厚みは、側壁の厚みよりも大きい。

上記構成によれば、底壁の厚みが大きいことにより、冷却機構による冷却効果が底壁に均一に作用するため、底壁を介して電極組立体を均一に冷却することができる。したがって、冷却機構による電極組立体の冷却むらを抑制することができる。

底壁は、例えばその内面が傾斜していて、冷却機構による底壁の冷却効果が大きい部分では、底壁の内面と電極組立体との間隙が大きく、冷却機構による底壁の冷却効果が小さい部分では、底壁の内面と電極組立体との間隙が小さいものが好ましい。

上記構成では、底壁の内面の位置によって、底壁と電極組立体との隙間の大きさに差が生じることとなる。このため、冷却機構による冷却効果が得やすい位置では上記隙間の大きさが大きくなるように、また、冷却機構による冷却効果が得にくい位置では上記隙間の大きさが小さくなるように、底壁の内面を傾斜させれば、電極組立体の冷却むらをさらに抑制することができる。

電極組立体としては、例えば正極電極と負極電極との間にセパレータを介在させて層状をなす積層型が挙げられる。

本発明によれば、冷却機構による電極組立体の冷却むらを抑制することができる。

電池モジュールを示す斜視図。電池モジュールを示す分解斜視図。電池モジュールの側部を示す平面図。電極組立体の構成要素を示す斜視図。図２の５−５線断面図。

以下、蓄電装置を具体化した一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
図１に示すように、電池モジュール１０は、二次電池としての角型の電池セル１１が、その厚み方向に並設されることで構成されている。

電池モジュール１０において、電池セル１１の並設方向の両端部には、アルミニウム製のエンドプレート１８，１９が設けられている。そして、電池モジュール１０は、エンドプレート１８，１９に挿通されるボルトＢ１が、ナットＮに螺合されることで組み付けられている。これにより、電池セル１１は、エンドプレート１８，１９によって電池セル１１の並設方向の両側から挟持されている。

図２に示すように、電池モジュール１０では、隣り合う電池セル１１の間にアルミニウム製の伝熱プレート３０が介装されている。伝熱プレート３０は、電池セル１１の間に配置される矩形平板状の吸熱部３１と、吸熱部３１の長手方向の一端から電池セル１１に沿ってその並設方向に延びる放熱部３２とを有している。放熱部３２の延設長さは、電池セル１１の厚み、すなわち電池セル１１の並設方向に沿う大きさと同程度に設定されている。

図３に示すように、伝熱プレート３０は、電池セル１１と接触した状態で配設されることにより、熱的に電池セル１１と接合されることとなる。そして、伝熱プレート３０の放熱部３２が、吸熱部３１で電池セル１１から吸収した熱を電池セル１１外に放熱する。

図２に示すように、電池セル１１は、ケース１２に電極組立体２０が収容されている。ケース１２は、電極組立体２０を収容する有底四角筒状のケース本体１３と、ケース本体１３の開口部１３ａを閉塞する矩形平板状の蓋体１４とからなる。蓋体１４には、正極端子１６と負極端子１７の各一部分がケース１２外に突出している。ケース本体１３を構成するケース壁は、開口部１３ａと対向する底壁１３ｂと、底壁１３ｂの四辺に立設する側壁１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆとを有する。図５に示すように、ケース本体１３の底壁１３ｂは、その両面１３ｇ，１３ｈのうち、ケース１２の外側に位置する外面１３ｈが平坦な形状である一方、ケース１２の内側に位置する内面１３ｇが傾斜している。底壁１３ｂは、底壁１３ｂのうち、側壁１３ｄ，１３ｆとの接続部分の厚みが最も大きくなるように、また側壁１３ｄの接続部分と側壁１３ｆの接続部分との中間部分の厚みが最も小さくなるように、その内面１３ｇが傾斜している。また、底壁１３ｂは、底壁１３ｂのうちで厚みの最も小さい部分、すなわち上記の中間部分の厚みＴ１が、側壁１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆの厚みＴ２よりも大きく設定されている。なお、図５には側壁１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆのうち、側壁１３ｄ，１３ｆのみが図示されているが、これ以外の側壁１３ｃ，１３ｅの厚みも同様に厚みＴ２に設定されている。また、ケース本体１３と蓋体１４とは、いずれも金属製（例えば、ステンレス製やアルミニウム製）である。この実施形態の電池セル１１は、リチウムイオン二次電池である。

図４に示すように、電極組立体２０は、正極電極２１、負極電極２５、及び正極電極２１と負極電極２５とを絶縁するセパレータ２９を有する。正極電極２１は、正極金属箔２２（アルミニウム箔）と、正極金属箔２２の両面に設けられた正極活物質層２３とを有する。正極電極２１の端部２１ａには、正極タブ２４が突出して設けられている。負極電極２５は、負極金属箔２６（銅箔）と、負極金属箔２６の両面に設けられた負極活物質層２７とを有する。負極電極２５の端部２５ａには、負極タブ２８が突出して設けられている。負極電極２５は、正極電極２１よりも一回り大きく形成されている。また、セパレータ２９は、負極電極２５よりも一回り大きく形成されている。

電極組立体２０は、複数の正極電極２１と複数の負極電極２５を交互に積層するとともに、両電極２１，２５の間にセパレータ２９を介在した積層型とされている。各電極２１，２５は、各タブ２４，２８が同一極性同士でそれぞれ列状に配置されるように重なっている。正極タブ２４は、同一極性同士で集められた状態で正極端子１６に電気的に接続されている。負極タブ２８は、同一極性同士で集められた状態で負極端子１７に電気的に接続されている。

図５に示すように、ケース１２のケース本体１３に電極組立体２０が収容された状態では、電極組立体２０の積層方向の両端がケース１２のケース本体１３の側壁１３ｄ，１３ｆと面している。また、上記の通り、各電極２１，２５及びセパレータ２９は異なる大きさに形成されている。このため、仮にそのうち大きさの最も大きいセパレータ２９とケース本体１３の底壁１３ｂの内面１３ｇとが近接するように電極組立体２０をケース本体１３に収容したとしても、各電極２１，２５と底壁１３ｂの内面１３ｇとの間には隙間が生じることとなる。また、ケース本体１３に電極組立体２０が収容された状態で、ケース本体１３に電解液が界面Ｌまで収容されている。

ケース１２のケース本体１３の底壁１３ｂには、冷却機構３５が設けられている。冷却機構３５は、電池モジュール１０として並設された複数の電池セル１１におけるケース本体１３の底壁１３ｂにそれぞれ設けられている。本実施形態の冷却機構３５は水冷式であり、冷却機構３５の内部を冷却水が通過することにより電池セル１１が冷却される。また、冷却機構３５は、底壁１３ｂのうち、側壁１３ｄの接続部分と側壁１３ｆの接続部分との中間部分に配設されている。この冷却機構３５によってケース本体１３の内部の電解液が冷却されることにより、電極組立体２０が冷却される。

次に、電池モジュール１０の作用について説明する。
ケース１２のケース本体１３に電極組立体２０が収容された状態では、電極２１，２５の大きさが異なることや、電極２１，２５の積層ずれ等により、電極２１，２５毎で、電極２１，２５とケース本体１３の底壁１３ｂとの間の隙間が異なることとなる。

冷却機構３５からケース本体１３の底壁１３ｂを冷却し、底壁１３ｂを介してケース１２内の電解液が冷却される。ケース本体１３では、電解液が底壁１３ｂの内面１３ｇから界面Ｌまで収容されている。このため、底壁１３ｂを介してケース本体１３内部の電解液が冷却され、冷却された電解液によって電極組立体２０の各電極２１，２５が冷却される。したがって、電極２１，２５毎で電極２１，２５とケース本体１３の底壁１３ｂとの間の隙間が異なっていても、各電極２１，２５を冷却することができる。

ケース本体１３の底壁１３ｂは、底壁１３ｂのうちで厚みの最も小さい中央部分の厚みＴ１が、側壁１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆの厚みＴ２よりも大きく設定されている。こうした底壁１３ｂの厚みによれば、冷却機構３５によって底壁１３ｂが冷却される際に、冷却機構３５による冷却効果が底壁１３ｂに均一に作用するようになる。

なお、ケース本体１３を構成するケース壁は、電池セル１１の容量の増加や小型化を図るために可能な限り厚みが小さいことが好ましい。また、ケース本体１３では、電解液が底壁１３ｂの内面１３ｇから界面Ｌまで収容されているため、電解液の冷却には冷却機構３５による底壁１３ｂの冷却程度が最も影響することとなる。このため、仮にケース本体１３の底壁１３ｂの厚みを小さくすると、底壁１３ｂに生じる冷却むらによって、電解液の冷却にむらが生じるおそれがある。本実施形態では、ケース本体１３を構成するケース壁のうち、側壁１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆの厚みＴ２を小さいままとして、底壁１３ｂの厚みＴ１のみを大きくしている。これにより、上述の通り冷却機構３５による冷却効果を底壁１３ｂに均一に作用させることができる。

冷却機構３５は、底壁１３ｂのうち、側壁１３ｄの接続部分と側壁１３ｆの接続部分との中間部分に配設されている。このため、冷却機構３５による底壁１３ｂの冷却効果は、底壁１３ｂのうち、中間部分で最も大きく、中間部分から側壁１３ｄの接続部分や側壁１３ｆの接続部分に近づくにつれて小さくなる。また、ケース本体１３の底壁１３ｂは、底壁１３ｂのうち、側壁１３ｄ，１３ｆとの接続部分の厚みが最も大きくなるように、また側壁１３ｄの接続部分と側壁１３ｆの接続部分との中間部分の厚みが最も小さくなるように、その内面１３ｇが傾斜している。このため、底壁１３ｂの中間部分では、冷却機構３５による底壁１３ｂの冷却効果は最も大きいものの、底壁１３ｂの内面１３ｇと電極組立体２０との間隙が大きいことによって底壁１３ｂから電解液を介して電極組立体２０が冷却されにくくなる。また、底壁１３ｂのうちで、側壁１３ｄ，１３ｆの接続部分では、冷却機構３５による底壁１３ｂの冷却効果は最も小さいものの、底壁１３ｂの内面１３ｇと電極組立体２０との間隙が小さいことによって底壁１３ｂから電解液を介して電極組立体２０が冷却されやすくなる。したがって、電極組立体２０全体をむらなく冷却することができる。

また、ケース本体１３の底壁１３ｂの厚みを大きくすることにより、冷却機構３５の当接位置である底壁１３ｂの上記の中間部分から側壁１３ｄ，１３ｆの接続部分への熱伝導が行われやすくなる。このため、底壁１３ｂの厚みを小さくする場合と比較して、底壁１３ｂ全体での熱交換量を大きくすることができる。

したがって、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）底壁１３ｂの厚みが大きいことにより、冷却機構３５による冷却効果が底壁１３ｂに均一に作用するため、底壁１３ｂを介して電極組立体２０を均一に冷却することができる。したがって、冷却機構３５による電極組立体２０の冷却むらを抑制することができる。

（２）底壁１３ｂの内面１３ｇを傾斜させているため、底壁１３ｂの内面１３ｇの位置によって、底壁１３ｂと電極組立体２０との隙間の大きさに差が生じることとなる。また、冷却機構３５による冷却効果が得やすい底壁１３ｂの中間部分では上記隙間の大きさが大きくなるように、冷却機構３５による冷却効果が得にくい底壁１３ｂにおける側壁１３ｄ，１３ｆの接続部分では上記隙間の大きさが小さくなるように、底壁１３ｂの内面１３ｇを傾斜させている。このため、電極組立体２０の冷却むらをさらに抑制することができる。

（３）側壁１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆの厚みを底壁１３ｂの厚みよりも小さくしているため、電池セル１１の容量の増加や小型化を図ることができる。
なお、上記の実施形態は以下のように変更してもよい。

○ ケース本体１３の底壁１３ｂは、内面１３ｇと同様に、その外面１３ｈも傾斜する形状であっても良い。こうした形態によっても、底壁１３ｂの内面１３ｇの形状により、底壁１３ｂの中間部分では底壁１３ｂと電極組立体２０との隙間が大きくなり、底壁１３ｂの側壁１３ｄ，１３ｆとの接続部分では底壁１３ｂと電極組立体２０との隙間が小さくなる。このため、上記実施形態で得ることのできる効果（１）〜（３）と同様の効果を得ることができる。

○ ケース本体１３の底壁１３ｂは、その内面１３ｇが傾斜せずに平坦な形状であっても良い。こうした形態によっても、底壁１３ｂの厚みが側壁１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆの厚みよりも大きくなるため、上記実施形態で得ることのできる効果（１）及び（３）と同様の効果を得ることができる。

○ 冷却機構３５を電池モジュール１０として並設された複数の電池セル１１を共通して冷却する冷却機構３５とし、複数の電池セル１１で共通の冷却機構３５をケース本体１３の底壁１３ｂに設けるようにしても良い。

○ 冷却機構３５を、ケース本体１３の底壁１３ｂに配置した上で更に、側壁１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆのうちの一部もしくはその全てに配設しても良い。こうした形態でも、ケース本体１３の底壁１３ｂを上記実施形態と同様の形状とすれば、底壁１３ｂに配設された冷却機構３５による電極組立体２０の冷却効果が十分に期待できるため、側壁１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆに配設する冷却機構３５を簡易なものとすることができる。

○ 冷却機構３５としては、空冷式等、水冷式以外の冷却機構を採用しても良い。
○ 伝熱プレート３０は、ステンレス等、アルミニウム以外の熱伝導性の高い材料からなるものであっても良い。

○ 負極電極２５とセパレータ２９とを同一の大きさに形成しても良い。
○ 電極組立体２０は、積層型に限らず、帯状の正極電極と帯状の負極電極を捲回して層状に積層した捲回型でもよい。ただし、捲回型の電極組立体の場合には、電解液が最短距離で電極と接触できないため、積層型の電極組立体の方が冷却機構３５による冷却効果が大きい。

○ 電池セル１１は、リチウムイオン二次電池であったが、これに限らず、他の二次電池であってもよい。要するに、正極活物質層と負極活物質層との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであればよい。また、蓄電装置としてキャパシタでもよい。

○ 電池セル１１は、車両電源装置として自動車に搭載してもよいし、産業用車両に搭載しても良い。また、定置用の蓄電装置に適用してもよい。

１０…電池モジュール、１１…電池セル、１２…ケース、１３…ケース本体、１３ａ…開口部、１３ｂ…底壁、１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ…側壁、１３ｇ…内面、１３ｈ…外面、１４…蓋体、２０…電極組立体、２１…正極電極、２５…負極電極、２９…セパレータ、３５…冷却機構。

Claims

電極組立体及び電解液がケースに収容されて構成された電池セルを複数備える電池モジュールであって、
前記ケースを構成するケース壁は、底壁と前記底壁に立設する側壁とを含み、
前記複数の電池セルの前記底壁を冷却する冷却機構が設けられ、
前記底壁の内面は傾斜していて、
前記底壁のうち厚みの最も小さい部分の厚みは、前記側壁の厚みよりも大きいことを特徴とする電池モジュール。
前記底壁の内面は傾斜していて、
前記冷却機構による前記底壁の冷却効果が大きい部分では、前記底壁の内面と前記電極組立体との間隙が大きく、前記冷却機構による前記底壁の冷却効果が小さい部分では、前記底壁の内面と前記電極組立体との間隙が小さい請求項１に記載の電池モジュール。
前記電極組立体は、正極電極と負極電極との間にセパレータを介在させて層状をなす積層型である請求項１又は請求項２に記載の電池モジュール。