JP6172016B2 - 電池モジュールおよび電池パック - Google Patents

Description

本発明は、セルが複数接続される電池モジュール、および電池モジュールが複数接続される電池パックに関する。

セル（単電池）を冷却するために、セルの底面を冷却面とする冷却構造が、特許文献１に開示されている。セルの底面には、先ず、伝熱シートを設け、伝熱シートに冷却プレートを設けている。そして冷却プレートには、伝熱シートへの貼り付けの際に目視で位置を確認するための穴が形成されている。

特開２０１３−１２２８１７号公報

充放電時には、セルは膨張または収縮するので、複数のセルを積層し拘束した電池モジュールでは、各セルの収縮膨張による変形が積算される。これによって最大で変位する部分では、伝熱シートと冷却プレートとが剥離し、冷却性能が低下するおそれがある。

そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、セルの冷却性能に優れる電池モジュールおよび電池パックを提供することを目的とする。

本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。

本発明は、複数の突出部（２２）は、熱交換器（３０）と接触し、突出方向および積層方向に交差する交差方向に配列されており、交差方向の中央部のほうで密、交差方向の両端部のほうで粗に配置されることで、各突出部と熱交換器との接触面積の合計は、交差方向の中央部のほうが、交差方向の両端部よりも大きいことを特徴とする電池モジュール（１０）である。

このような本発明に従えば、突出部を設けることによって単電池の側面を全域で接触させる構成に比べて、単電池と熱交換器との接触面積を小さくすることができる。これによって単電池と熱交換器との摩擦力を増やすことができ、互いに位置がずれることを抑制することができる。

また扁平状の単電池を平面視すると、中央部の方が周辺部よりも熱がこもりやすい。このような単電池を積層方向に密着させて積層するので、中央部の熱がなおさらこもりやすい。そこで本発明では、交差方向における各突出部と熱交換器との接触面積の合計は、交差方向の中央部のほうが、交差方向の両端部よりも大きくしている。これによって熱がこもりやすい中央の方が、熱交換器との接触面積が大きいので、冷却性能を両端部よりもよくすることができる。したがって熱がこもりやすい部分の放熱性が向上しているので、単電池を効率よく冷却することができる。

なお、前述の各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

第１実施形態の電池モジュール１０を示す分解斜視図である。 突出部２２を拡大して示す側面図である。 突出部２２を拡大して示す正面図である。 第２実施形態の電池モジュール１０Ａを示す分解斜視図である。 突出部２２Ａを拡大して示す側面図である。 突出部２２Ａを拡大して示す正面図である。 第３実施形態の電池パック１００を示す平面図である。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を、複数の形態について説明する。各実施形態で先行する実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付すか、または先行の参照符号に一文字追加し、重複する説明を略する場合がある。また各実施形態にて構成の一部を説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している実施形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に関して、図１〜図３を用いて説明する。電池モジュール１０は、装置の電力源として用いられ、たとえば内燃機関と電池駆動モータとを組み合わせて走行駆動源とする周知のハイブリッド自動車、および電気自動車に用いられる。電池モジュール１０は、車両に搭載される場合には、走行用モータの駆動電源等となる。

電池モジュール１０は、複数のセル２０および熱交換器３０を含んで構成される。扁平状の単電池であるセル２０は、互いに密着するように複数積層される。セル２０は、たとえばニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池および有機ラジカル電池である。

各セル２０には、冷却部材として機能する熱伝導板２１が設けられる。熱伝導板２１は、セル２０を一方の主面に当接するように設けられる。セル２０の主面は、扁平状のセル２０を最も面積が大きい面である。したがって図１に示すように、熱伝導板２１は、隣接するセル２０に挟み込まれるように配置される。熱伝導板２１は、熱伝導性を有し、セル２０の主面から放熱される熱を外部に伝熱する機能を有する。熱伝導板２１は、セル２０の表面よりも熱伝導性に優れる材料からなり、たとえばアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。各セル２０は、熱伝導板２１と交互に積層されて積層方向Ｘに密着させて拘束されている。

以下、セル２０が積層されている方向を積層方向Ｘと称する。積層方向Ｘに直交し、長方形状のセル２０の長辺に沿った方向を長手方向Ｙと称する。また積層方向Ｘに直交し、長方形状のセル２０の短辺に沿った方向を上下方向Ｚと称する。長手方向Ｙは、交差方向に対応する。

熱交換器３０は、断面長方形の筒状であって、内部を外気が通過する。熱交換器３０は、表面に接触する部材と、内部を通気する外気とを熱交換し、表面に接触する部材を冷却する。熱交換器３０の上方の表面には、熱伝導シート３１が設けられる。

熱伝導シート３１は、熱交換器３０よりも熱伝導性に優れる材料からなる。また熱伝導シート３１は、弾力性を有する。熱伝導シート３１は、たとえばシリコーンからなる。熱伝導シート３１は、長手方向Ｙに延び、積層方向Ｘに間隔をあけて、熱交換器３０の表面に複数設けられる。熱伝導シート３１は、熱伝導板２１の底部を支える位置に配置される。

熱伝導板２１の下面には、上下方向Ｚの一方（下方）である突出方向に突出する複数の突出部２２を有する。したがって突出方向は、積層方向Ｘに交差、本実施形態では直交する。各突出部２２は、突出方向に凸状に湾曲している。本実施形態では、突出部２２は球体状であって、熱伝導板２１の下面に長手方向Ｙに間隔をあけて複数配列されている。セル２０と熱交換器３０とを装着する場合には、突出部２２が熱伝導シート３１を押圧するよう接触した状態が維持される。したがって図２に示すように、突出部２２が熱伝導シート３１にめり込んでおり、熱伝導シート３１が弾性変形している。突出部２２の形状は、熱伝導シート３１を弾性変形した状態で、拘束可能な形状が選択される。したがって突出部２２の先端が鋭利であると、熱伝導シート３１が損傷するおそれがあるので、本実施形態では突出方向に湾曲する形状のうち、球体状を選択している。

また図３に示すように、長手方向Ｙにおける各突出部２２と熱交換器３０に設けられる熱伝導シート３１との接触面積の合計は、長手方向Ｙの中央部のほうが、長手方向Ｙの両端部よりも大きい。換言すると、突出部２２の間隔は均一ではなく、長手方向Ｙの中央のほうが突出部２２が密に配置されており、長手方向Ｙの両端の方が突出部２２が疎に配置されている。

以上説明したように本実施形態の電池モジュール１０の熱伝導板２１は、突出部２２を設けることによって熱伝導板２１の下面を全域で接触させる構成に比べて、熱伝導板２１と熱伝導シート３１との接触面積を小さくすることができる。これによって熱伝導板２１と熱伝導シート３１との摩擦力を増やすことができ、互いに位置がずれることを抑制することができる。

また扁平状のセル２０を平面視すると、中央部の方が周辺部よりも熱がこもりやすい。このようなセル２０を積層方向Ｘに密着させて積層するので、中央部の熱がなおさらこもりやすい。そこで本実施形態では、長手方向Ｙにおける各突出部２２と熱交換器３０との接触面積の合計は、長手方向Ｙの中央部のほうが、長手方向Ｙの両端部よりも大きくしている。これによって熱がこもりやすい中央の方が、各突出部２２と熱交換器３０との接触面積が大きいので、冷却性能を両端部よりもよくすることができる。したがって熱がこもりやすい部分の放熱性が向上しているので、セル２０を効率よく冷却することができる。

セル２０の内部は充放電時に膨張収縮し、さらに劣化に伴い膨張するため、複数のセル２０を密着積層し、拘束した電池モジュール１０では、膨張収縮の変位が積算される。そして最大変位部では、従来技術では、伝熱シートと冷却面が剥離、ズレを起こし、所定の接触面積が確保できなくなるおそれがあり、冷却性能が低下するおそれがある。そこで本実施形態では、熱伝導板２１の下面に設置した突出部２２が、弾力性を有する伝熱シートに食い込ませている。これによってグリップ力が向上し、セル２０の変位に対しても熱伝導板２１と熱伝導シート３１との接触を確保することができる。したがってセル２０が熱膨張によって変位した場合であっても、冷却性能が低下することを抑制することができる。

さらに本実施形態では、セル２０の長手方向Ｙ中央部が、積層方向Ｘの変位が最も大きいが、中央部に突出部２２の分布を増すことでグリップ力を増加させるので、最も大きい変位にも対応できる。また同時に中央部は前述のように熱がこもる部位だが、前述のように中央部の方が接触面積が大きくなるため、冷却能力が増加し、セル２０を均一に冷却することができる。したがって突出部２２の分布は、変位量、ひずみ量および熱分布を考慮して、グリップ力、冷却性能を発揮できるように適宜設定される。

また本実施形態では、熱交換器３０の表面に、熱伝導シート３１を設けているので、熱伝導板２１からの熱が熱交換器３０に伝わりやすい。したがって熱伝導シート３１によって、冷却性能を向上することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に関して、図４〜図６を用いて説明する。本実施形態では、熱伝導板２１を用いずに、突出部２２Ａをセル２０の下面に設けた点に特徴を有する。また図４では図示を省略しているが、図５に示すように、隣接するセル２０を絶縁するための絶縁板４０を隣接するセル２０間に設けている。

図４に示すように、セル２０の下面には、下方である突出方向に突出する複数の突出部２２Ａを有する。各突出部２２Ａは、セル２０の下面に長手方向Ｙに間隔をあけて複数設けられている。各突出部２２Ａは、半球状に形成されている。セル２０と熱交換器３０とを装着する場合には、突出部２２Ａが熱伝導シート３１を押圧するよう接触した状態が維持される。したがって図５に示すように、突出部２２Ａが熱伝導シート３１にめり込んでおり、熱伝導シート３１が弾性変形している。また図６に示すように、長手方向Ｙにおける各突出部２２Ａと熱交換器３０に設けられる熱伝導シート３１との接触面積の合計は、長手方向Ｙの中央部のほうが、長手方向Ｙの両端部よりも大きい。

このように本実施形態では、セル２０に直接突出部２２Ａを設けているが、このような構成であっても、前述の第１実施形態と熱伝導板２１による効果以外の効果を奏することができる。したがってセル２０と熱伝導シート３１との摩擦力を増やして、互いに位置がずれることを抑制することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に関して、図７を用いて説明する。電池パック１００は、図７に示すように、前述の第１実施形態の電池モジュール１０を複数に積層するように配置して構成される。そして各電池モジュール１０は、電気的に直列に接続される。

図７に示すように、複数の電池モジュール１０は、予め定める接続方向として本実施形態では、各モジュールの長手方向Ｙに配列されている。そして各電池モジュール１０における各突出部２２Ａと熱交換器３０との接触面積の合計は、長手方向Ｙの中央部の電池モジュール１０のほうが、長手方向Ｙの両端部の電池モジュール１０よりも大きくしている。

長手方向Ｙの中央に位置する電池モジュール１０のほうが、長手方向Ｙの両端部に位置する電池モジュール１０よりも側面に他の電池モジュール１０が配置されているので、熱がこもりやすい。このように熱がこもりやすい電池モジュール１０のほうが、熱交換器３０との接触面積を大きくすることによって放熱性を向上することができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。

前述の第１実施形態では、各セル２０における突出部２２の配置は互いに等しかったが、このような構成に限るものではない。各セル２０における各突出部２２と熱交換器３０との接触面積の合計は、積層方向Ｘの中央部のセル２０のほうが、積層方向Ｘの両端部のセル２０よりも大きくしてもよい。積層方向Ｘの中央のセル２０の方が熱がこもりやすいので、このような熱分布に対応して接触面積を大きくすることによって、放熱性を向上することができる。したがって電池モジュール１０を効率よく冷却することができる。

前述の第１実施形態では、複数のセル２０は側面を互いに積層させて１列に並べて配置しているが、このような配列に限るものではない。セル２０の配列は、複数列であってもよく、セル２０の側面の一部分が接触するような配列であってもよい。

前述の第１実施形態では、電池モジュール１０は、車両に搭載されるが、車両に限るものではなく、他の移動手段、たとえば航空機および船舶などに搭載してもよい。また移動手段でなく、他の装置に搭載してもよい。

前述の第１実施形態では、突出部２２の形状は互いに等しいが、このような構成に限るものではない。たとえば長手方向Ｙの中央の突出部２２は、先端が長手方向Ｙに延び、長手方向Ｙの両端の突出部２２よりも１つの突出部２２における熱伝導シート３１との接触面積が大きい構成であってもよい。

Ｘ…積層方向 Ｙ…長手方向（交差方向）
Ｚ…上下方向 １０…電池モジュール
２０…セル（単電池） ２１…熱伝導板（冷却部材）
２２…突出部 ３０…熱交換器
３１…熱伝導シート ４０…絶縁板
１００…電池パック

Claims (7)

1. 積層された複数の扁平状の単電池（２０）を積層方向に密着させて拘束している電池モジュール（１０）であって、
   外気と熱交換して前記単電池を冷却する熱交換器（３０）と、
   熱伝導性を有し、前記単電池から前記積層方向に交差する突出方向に突出する複数の突出部（２２）と、を含み、
   前記複数の突出部は、前記熱交換器と接触し、
   前記複数の突出部は、前記突出方向および前記積層方向に交差する交差方向に配列されており、前記交差方向の中央部のほうで密、前記交差方向の両端部のほうで粗に配置されることで、前記各突出部と前記熱交換器との接触面積の合計は、前記交差方向の中央部のほうが、前記交差方向の両端部よりも大きいことを特徴とする電池モジュール。
2. 前記各単電池は、熱伝導性を有し、隣接する前記単電池との間に密着して設けられる冷却部材（２１）をそれぞれ備え、
   前記突出部は、前記冷却部材から突出することによって前記単電池に設けら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. 前記突出部の端部は、前記突出方向に凸状に湾曲していることを特徴とする請求項１または２に記載の電池モジュール。
4. 前記熱交換器は、前記熱交換器よりも熱伝導性に優れる熱伝導シート（３１）を表面に備え、
   前記突出部の端部は、前記熱伝導シートに接触することによって、前記熱交換器に接触することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電池モジュール。
5. 前記熱伝導シートは、弾力性を有し、前記突出部が接触して押圧されて弾性変形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. 前記各単電池における前記各突出部と前記熱交換器との接触面積の合計は、前記積層方向の中央部の前記単電池のほうが、前記積層方向の両端部の前記単電池よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の電池モジュール。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の電池モジュールを複数、直列に接続されて構成される電池パックであって、
   前記複数の電池モジュールは、予め定める接続方向に配列されており、
   前記各電池モジュールにおける前記各突出部と前記熱交換器との接触面積の合計は、前記接続方向の中央部の前記電池モジュールのほうが、前記接続方向の両端部の前記電池モジュールよりも大きいことを特徴とする電池パック。

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