JP6428055B2

JP6428055B2 - 電池パック

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Publication number: JP6428055B2
Application number: JP2014172851A
Authority: JP
Inventors: 祐貴中條; 加藤　崇行; 崇行加藤; 浩生植田; 文彦石黒; 直人守作
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2034-08-27
Also published as: WO2016031628A1; DE112015003892B4; JP2016048621A; DE112015003892T5

Description

本発明は、電池モジュールを被固定部材に固定した電池パックに関する。

電池モジュールを有する電池パックとしては、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１では、床板上にはベース板が固定されており、ベース板上に電池モジュールが積層されている。床板からは背面板が立設しており、電池モジュールは、背面板に当接している。電池モジュールは、複数の電池セルを有している。電池セルが充放電に伴い発熱すると、この熱は背面板に伝導して電池セルが放熱される。

特開２０１１−５４３５３号公報

ところで、電池セルの劣化を抑制するために、電池セルを効率良く冷却することが望まれている。
本発明の目的は、電池セルを効率良く冷却することができる電池パックを提供することにある。

上記課題を解決する電池パックは、並設された複数の電池セルを有する電池体と、前記電池体を前記電池セルの並設方向の両側から挟持しているエンドプレートと、前記エンドプレートと前記電池体との間に設けられ、前記電池セルの膨張を弾性変形により吸収する弾性部材と、各エンドプレートに互いに近付く方向に荷重を加えている加圧部材と、を備えた電池モジュールを被固定部材に固定するとともに、前記電池モジュールと前記被固定部材との間に前記電池セルが発する熱の前記被固定部材への伝導を促す熱伝導部材を介在させた電池パックであって、前記電池体は、前記熱伝導部材を介して前記被固定部材に接する放熱部を有し、前記熱伝導部材は、前記放熱部と前記被固定部材との間に介在された介在部と、前記介在部から前記弾性部材と前記被固定部材との間に突出する突出部とを有する。

電池セルは、充放電されることで膨張（熱膨張）する。また、電池セルは、使用に伴い電極に被膜が形成されていき、使用期間が長くなるにつれて膨張していく。電池セルが膨張すると、隣り合う電池セル同士は互いに押し合い、この力が弾性部材に加わることで、弾性部材が弾性変形（収縮）する。弾性部材が弾性変形することで、電池セルは弾性部材に向けて移動し、これに合わせて放熱部も弾性部材に向けて移動する。熱伝導部材は、弾性部材と被固定部材との間にも設けられているため、放熱部が弾性部材に向けて移動したとしても、放熱部と被固定部材との間に熱伝導部材が介在されている状態が維持されやすい。このため、電池セルが膨張したときに、放熱部と被固定部材との間に熱伝導部材が介在されなくなる場合に比べて電池セルが発した熱が被固定部材に伝導しやすく、電池セルを効率よく冷却することができる。

上記電池パックについて、前記熱伝導部材の前記被固定部材との接触面に比べて、前記熱伝導部材の前記放熱部との接触面の粘着力が弱いことが好ましい。
これによれば、放熱部が弾性部材に向けて移動するときに、熱伝導部材を損傷することが抑制される。

上記電池パックについて、前記熱伝導部材は、前記被固定部材に接着される熱伝導層と、前記熱伝導層と前記放熱部との間に介在して、前記電池セルの膨張に伴う前記放熱部の前記並設方向への移動時に、前記放熱部が摺動可能なフィルム層とを有することが好ましい。

これによれば、放熱部が弾性部材に向けて移動するときに、放熱部がフィルム層に対して摺動するため、より熱伝導部材を損傷することが抑制される。
上記電池パックについて、前記弾性部材は、前記熱伝導部材から離間していることが好ましい。

これによれば、弾性部材が弾性変形するときに、弾性変形によって熱伝導部材を損傷することが抑制される。
上記電池パックについて、各エンドプレートのうち、いずれか一方のエンドプレートと前記電池体との間に前記弾性部材が設けられていることが好ましい。

これによれば、各エンドプレートと電池体との間に弾性部材を設ける場合に比べて、弾性部材の数を少なくすることができる。

本発明によれば、電池セルを効率良く冷却することができる。

実施形態の電池パックを示す斜視図。実施形態におけるエンドプレート、伝熱プレート、電池セル及び電池ホルダを示す斜視図。実施形態の電池パックの断面図。電池セルが膨張した状態の実施形態の電池パックを示す断面図。（ａ）は比較例の電池パックを示す断面図、（ｂ）は電池セルが膨張した状態の比較例の電池パックを示す断面図。

以下、電池パックの一実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、電池パックＢＰは、筐体６１と、筐体６１に収容された電池モジュール１０とを有している。電池モジュール１０は、電池体１１を有している。電池体１１は、電池ホルダ４０に保持された電池セル２０及び伝熱プレート３０を並設して構成されている。電池体１１は、電池セル２０の並設方向の両側からエンドプレート１２，１３によって挟持されている。電池セル２０は、例えば、リチウムイオン電池などの二次電池である。

エンドプレート１２を第１エンドプレート１２とし、エンドプレート１３を第２エンドプレート１３とすると、第１エンドプレート１２と電池体１１との間には弾性部材５１が設けられている。弾性部材５１は、板状であり、厚み方向が電池セル２０の並設方向と一致している。

図２に示すように、本実施形態の各エンドプレート１２，１３は、電池セル２０を挟持する板状の挟持部１４と、筐体６１に電池モジュール１０を固定するための板状の固定部１５とを有している。固定部１５には、厚み方向に貫通する挿通孔１５ａが設けられている。本実施形態では、挟持部１４は矩形状であり、固定部１５は挟持部１４の長手方向の端部から挟持部１４の厚み方向に延びている。挟持部１４の短手方向の両端部には、それぞれ、挟持部１４の短手方向に向けて突出する挿通部１８が設けられている。挿通部１８には、それぞれ、厚み方向に貫通する挿通孔１８ａが設けられている。第１エンドプレート１２と第２エンドプレート１３とは、固定部１５の屈曲方向が反対向きとなっている。すなわち、第１エンドプレート１２と第２エンドプレート１３とは、挟持部１４の厚み方向の異なる面に固定部１５が設けられている。

電池セル２０は、ケース２１の内部に電極組立体２２を有している。電極組立体２２は、正負の電極の間にセパレータを介在させたものである。
伝熱プレート３０は、１枚の金属製の板材をＬ字状に屈曲させたものである。伝熱プレート３０は、矩形平板状の吸熱部３１と、吸熱部３１の一端から吸熱部３１の厚み方向に向けて屈曲する矩形平板状の放熱部３２とを有している。

電池ホルダ４０は、矩形平板状の第１の被覆壁４１を有している。第１の被覆壁４１の長手方向両端には、第１の被覆壁４１の厚み方向に延びる矩形平板状の第２の被覆壁４２及び第３の被覆壁４３が設けられている。第１の被覆壁４１、第２の被覆壁４２及び第３の被覆壁４３に囲まれる領域は、電池セル２０が収容される収容部Ｓとなる。第２の被覆壁４２の長手方向第１端部４２ａ（第１の被覆壁４１が設けられる端部とは反対側の端部）と、第３の被覆壁４３の長手方向第１端部４３ａ（第１の被覆壁４１が設けられる端部とは反対側の端部）とには、各被覆壁４２，４３の短手方向第１端部４２ｂ，４３ｂの間で延びる矩形平板状の第４の被覆壁４４が設けられている。第４の被覆壁４４は、厚み方向が被覆壁４２，４３の短手方向と一致し、長手方向が第２の被覆壁４２と第３の被覆壁４３の対向方向に一致する。そして、第４の被覆壁４４の厚み方向及び長手方向に直交する方向が、第４の被覆壁４４の短手方向となる。

また、第４の被覆壁４４の長手方向両端における第４の被覆壁４４の短手方向の一端面上には、Ｕ字状をなすとともに、第４の被覆壁４４の厚み方向に開口する端子収容部４５がそれぞれ設けられており、各端子収容部４５は、第２の被覆壁４２及び第３の被覆壁４３に連設されている。

第４の被覆壁４４の短手方向の一端面上には、端子収容部４５と隣り合って四角柱状の挿通部４６が設けられている。挿通部４６の軸は、被覆壁４２，４３の短手方向に延びている。挿通部４６には、挿通孔４６ａが挿通部４６の軸方向に貫通して設けられている。

第２の被覆壁４２の長手方向第１端部４２ａ及び第３の被覆壁４３の長手方向第１端部４３ａには、各被覆壁４２，４３と連設され、各被覆壁４２，４３の長手方向に延びる矩形平板状の突出壁４７が設けられている。

第２の被覆壁４２の長手方向第２端部４２ｃ及び第３の被覆壁４３の長手方向第２端部４３ｃには、四角柱状の挿通部４９が設けられている。挿通部４９の軸は、被覆壁４２，４３の短手方向に延びている。挿通部４９には、挿通孔４９ａが挿通部４９の軸方向に貫通して設けられている。

図３に示すように、伝熱プレート３０の吸熱部３１は、電池セル２０と密着した状態で設けられている。伝熱プレート３０の放熱部３２は、第２の被覆壁４２の厚み方向の面のうち、収容部Ｓ側の面とは反対側の面を覆っている。すなわち、放熱部３２は、電池体１１の外面に位置している。

そして、第１エンドプレート１２の各挿通孔１８ａ、各電池ホルダ４０の各挿通孔４６ａ，４９ａ及び第２エンドプレート１３の各挿通孔１８ａを挿通した各ボルトＢ１が各ナットＮに螺合されることで、第１エンドプレート１２及び第２エンドプレート１３には、互いに近付く方向に拘束荷重が加わっている。この拘束荷重は、電池セル２０及び弾性部材５１に付与されている。したがって、ボルトＢ１及びナットＮが加圧部材として機能している。

上記した電池モジュール１０は、固定部１５の挿通孔１５ａを挿通したボルトＢ２が筐体６１の壁部６２に螺合されることで固定されている。したがって、本実施形態の被固定部材は、筐体６１の壁部６２となる。電池モジュール１０は、放熱部３２が筐体６１の壁部６２と対向するように固定されている。

電池モジュール１０と、筐体６１の壁部６２との間には、電池セル２０が発した熱の壁部６２への伝導を促す熱伝導部材（thermal interface material：ＴＩＭ）７１が設けられている。熱伝導部材７１は、厚み方向の両面が粘着性を有する粘着シートである熱伝導層７２の一方の面に、粘着性を有さないフィルム層７３を有している。熱伝導部材７１は、熱伝導層７２の厚み方向の面のうち、フィルム層７３が設けられていない面、すなわち、粘着面が壁部６２に接している。よって、熱伝導層７２が壁部６２に接着されている。また、熱伝導部材７１は、フィルム層７３が電池モジュール１０の放熱部３２と接している。すなわち、フィルム層７３は、熱伝導層７２と放熱部３２との間に介在されている。したがって、熱伝導部材７１の粘着力は、壁部６２との接触面７６に比べて放熱部３２との接触面７７の方が弱い。なお、ここでいう粘着力が弱いとは、フィルム層７３が設けられているように、粘着力がない（粘着力が０である）場合も含む。電池モジュール１０の放熱部３２は、熱伝導部材７１を介して筐体６１の壁部６２と接している。

熱伝導部材７１は、電池モジュール１０と筐体６１の壁部６２との間において、放熱部３２と対向する位置に加えて、弾性部材５１と対向する位置にまで延びて設けられている。すなわち、熱伝導部材７１は、放熱部３２と筐体６１との間に介在する介在部７４（図３に示す一点鎖線間の部位）と、介在部７４から弾性部材５１と筐体６１との間に突出する突出部７５とを有している。本実施形態において、突出部７５の突出長（電池セル２０の並設方向に沿う寸法）は、弾性部材５１の厚みと同一となっている。したがって、弾性部材５１と筐体６１との間において、突出部７５は、電池セル２０の並設方向に沿う方向の全体に亘って設けられている。

次に、本実施形態の電池モジュール１０の作用について説明する。
電池セル２０は、充放電されることで発熱する。電池セル２０が発した熱は、伝熱プレート３０から熱伝導部材７１に伝導し、熱伝導部材７１から筐体６１の壁部６２に伝導する。これにより、電池セル２０は放熱され、冷却される。

電池セル２０は、充放電されることで膨張（熱膨張）する。また、電池セル２０は、使用に伴い電極に被膜が形成されていき、使用期間が長くなるにつれて電池セル２０が膨張していく。電池セル２０が膨張すると、隣り合う電池セル２０同士は互いに押し合い、電池セル２０の並設方向に向けた力が作用する。この力によって弾性部材５１は弾性変形（収縮）する。弾性部材５１が弾性変形することで、電池セル２０の膨張が吸収され、各エンドプレート１２，１３に加わる荷重が大きくなることが抑制されている。弾性部材５１が弾性変形すると、電池セル２０は、弾性部材５１に向けて移動する。このとき、各伝熱プレート３０及び電池ホルダ４０も隣り合う電池セル２０に押されて弾性部材５１に向けて移動する。伝熱プレート３０の放熱部３２は、フィルム層７３上を摺動する。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、熱伝導部材７１が放熱部３２と筐体６１の壁部６２との間にしか設けられていない場合、電池セル２０が膨張し、放熱部３２が弾性部材５１に向けて移動すると、弾性部材５１に最も近い伝熱プレート３０の放熱部３２が、熱伝導部材７１が設けられていない部分に突出する。すると、放熱部３２の一部と筐体６１との間には空間が介在され、突出した放熱部３２から筐体６１の壁部６２への熱伝導部材７１を介した熱伝導が阻害される。

本実施形態では、製造段階の電池モジュール１０の弾性部材５１、すなわち、電池セル２０の膨張に伴う弾性変形が生じていない段階の弾性部材５１と筐体６１の壁部６２との間の領域に突出部７５が設けられている。このため、図４に示すように、電池セル２０が膨張して弾性部材５１に最も近い伝熱プレート３０の放熱部３２が移動しても、放熱部３２と筐体６１の壁部６２との間に熱伝導部材７１が介在されている状態が維持されている。

突出部７５は、弾性部材５１が圧縮限界まで縮んだとしても、弾性部材５１に最も近い伝熱プレート３０の放熱部３２の厚み方向の全面が熱伝導部材７１を介して筐体６１と接するように設けられることが好ましい。製造段階の電池モジュール１０の弾性部材５１からどの程度収縮すれば圧縮限界に至るかを予め求めておき、突出部７５の突出長を、この収縮量よりも長くすることで、電池セル２０の膨張に伴い放熱部３２が移動しても、放熱部３２の厚み方向の全面と筐体６１の壁部６２との間に熱伝導部材７１が介在された状態が維持される。

したがって、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）熱伝導部材７１は、放熱部３２と筐体６１との間に介在される介在部７４と、介在部７４から弾性部材５１と筐体６１との間に突出する突出部７５とを有している。このため、弾性部材５１の弾性変形に伴って、電池セル２０が弾性部材５１に向けて移動しても、放熱部３２と熱伝導部材７１との接触状態が維持される。したがって、放熱部３２から壁部６２への熱伝導部材７１を介した熱伝導が阻害されにくく、電池セル２０が発した熱が筐体６１の壁部６２に伝導しやすい。このため、電池セル２０を効率よく冷却することができる。

（２）熱伝導部材７１は、放熱部３２と接触する面がフィルム層７３となっている。フィルム層７３は粘着性を有していないため、放熱部３２が熱伝導部材７１上を摺動するときに、放熱部３２の移動に追従して熱伝導部材７１が移動する（引っ張られる）ことが抑制されている。このため、放熱部３２の移動に伴い熱伝導部材７１が損傷することが抑制され、熱伝導部材７１の損傷によって筐体６１の壁部６２への放熱性が低下することが抑制される。

（３）弾性部材５１は、熱伝導部材７１から離間して設けられている。このため、弾性部材５１が弾性変形したときに、弾性部材５１の弾性変形によって熱伝導部材７１が損傷することが抑制されている。したがって、熱伝導部材７１の損傷によって筐体６１の壁部６２への放熱性が低下することが抑制される。

（４）弾性部材５１は、第１エンドプレート１２と電池体１１との間に設けられており、第２エンドプレート１３と電池体１１との間には設けられていない。このため、弾性部材５１を各エンドプレート１２，１３と、電池体１１との間に設ける場合と比べて、弾性部材５１の数を減らすことができる。

（５）突出部７５の突出長は、弾性部材５１の厚みと同一となっている。このため、電池セル２０の膨張に伴い放熱部３２が弾性部材５１に向けて移動しても、放熱部３２の厚み方向の全面と筐体６１の壁部６２との間に熱伝導部材７１が介在される。したがって、電池セル２０を効率よく冷却することができる。

なお、実施形態は以下のように変更してもよい。
○熱伝導部材７１は、両面が粘着性を有していてもよい。この場合であっても、熱伝導部材７１は、壁部６２との接触面７６の粘着力に比べて、放熱部３２との接触面７７の粘着力が弱いことが好ましい。また、熱伝導部材７１は、両面が粘着性を有していなくてもよい。

○突出部７５の突出長は、弾性部材５１の厚みよりも短くてもよい。
○各エンドプレート１２，１３のそれぞれと電池体１１との間に弾性部材５１を設けてもよい。

○被固定部材は、産業車両に搭載されるカウンタウェイトなどであってもよい。
○伝熱プレート３０を設けず、電池セル２０が熱伝導部材７１を介して筐体６１の壁部６２に接していてもよい。この場合、電池セル２０が放熱部３２となる。

○固定部１５を各エンドプレート１２，１３と一体に設けたが、別体であってもよい。

ＢＰ…電池パック、１０…電池モジュール、１１…電池体、１２，１３…エンドプレート、２０…電池セル、３２…放熱部、５１…弾性部材、６２…壁部、７１…熱伝導部材、７２…熱伝導層、７３…フィルム層、７４…介在部、７５…突出部。

Claims

並設された複数の電池セルを有する電池体と、
前記電池体を前記電池セルの並設方向の両側から挟持しているエンドプレートと、
前記エンドプレートと前記電池体との間に設けられ、前記電池セルの膨張を弾性変形により吸収する弾性部材と、
各エンドプレートに互いに近付く方向に荷重を加えている加圧部材と、を備えた電池モジュールを被固定部材に固定するとともに、前記電池モジュールと前記被固定部材との間に前記電池セルが発する熱の前記被固定部材への伝導を促す熱伝導部材を介在させた電池パックであって、
前記電池体は前記電池セル毎に、矩形平板状の吸熱部と、前記吸熱部の一端から前記吸熱部の厚み方向に向けて屈曲し、前記熱伝導部材を介して前記被固定部材に接する放熱部とを有した伝熱プレートを備え、
前記吸熱部は、隣り合う電池セルの間に配置されており、
前記放熱部は、前記電池セルが膨張するほど隣り合う放熱部と前記電池セルの並設方向に離間し、
前記熱伝導部材は、前記放熱部と前記被固定部材との間に介在された介在部と、前記介在部から前記弾性部材と前記被固定部材との間に突出する突出部とを有し、
前記突出部は、前記電池セルの膨張により前記弾性部材が圧縮限界まで収縮したとしても、前記放熱部における前記熱伝導部材に対向する面の全面が前記熱伝導部材を介して前記被固定部材と接する突出長さを有している電池パック。
前記熱伝導部材の前記被固定部材との接触面に比べて、前記熱伝導部材の前記放熱部との接触面の粘着力が弱い請求項１に記載の電池パック。
前記熱伝導部材は、
前記被固定部材に接着される熱伝導層と、
前記熱伝導層と前記放熱部との間に介在して、前記電池セルの膨張に伴う前記放熱部の前記並設方向への移動時に、前記放熱部が摺動可能なフィルム層と、を有する請求項１又は請求項２に記載の電池パック。
前記弾性部材は、前記熱伝導部材から離間している請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の電池パック。
各エンドプレートのうち、いずれか一方のエンドプレートと前記電池体との間に前記弾性部材が設けられている請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の電池パック。