JP6460066B2 - 電池パック - Google Patents

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Description

この発明は、電池パックに関する。
従来の電池パックに関して、たとえば、特開2014−143124号公報(特許文献1)には、蓄電セルを収納する蓄電セルケースを上下方向に複数段に積み重ねる際に、その蓄電セルケースの支持壁の撓みを簡単な構造で確実に防止することを目的とした、蓄電装置が開示されている。
特許文献1に開示された蓄電装置においては、蓄電セルケースが、蓄電セルを支持する支持壁を有する。その支持壁の下面と、支持壁の下方に位置する蓄電セルケースに収納された蓄電セルとの間には、空間が形成されている。支持壁の下面には、その空間に向けて突出する補強部が設けられている。
そのほかに従来の電池パックを開示する文献として、特開2015−233017号公報(特許文献2)がある。
特開2014−143124号公報 特開2015−233017号公報
上述の特許文献1に開示されるように、上下に積層された電池モジュールを備える電池パックが知られている。一方、寒冷地等において運転開始時に電池モジュールを加熱するために、上下に積層された電池モジュール間に、ヒータ等の発熱体を設ける構造が考えられる。しかしながら、発熱体にて発生した熱は上方に伝わり易いため、上側の電池モジュールが下側の電池モジュールよりも昇温し易くなる。この場合、上下に積層された電池モジュール間で温度のばらつきが生じる可能性がある。
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、上下に積層された電池モジュール間で温度のばらつきが生じることを抑制する電池パックを提供することである。
この発明に従った電池パックは、第1電池モジュールと、第1電池モジュールの鉛直上側に積層される第2電池モジュールと、第1電池モジュールおよび第2電池モジュールの間に設けられ、第1電池モジュールおよび第2電池モジュールを加熱するための加熱部とを備える。加熱部は、第1電池モジュールおよび第2電池モジュールの積層方向において、第2電池モジュールよりも第1電池モジュールに近い位置に配置される発熱体を含む。
このように構成された電池パックによれば、発熱体が、発熱体からの熱が伝わり易い第2電池モジュールよりも、発熱体からの熱が伝わり難い第1電池モジュールに近い位置に配置されるため、第1電池モジュールおよび第2電池モジュール間で温度のばらつきが生じることを抑制できる。
2電池モジュールおよび加熱部の間に断熱層が設けられ、発熱体と断熱層の間に不織布あるいは断熱材からなる熱抵抗部材が設けられる
このように構成された電池パックによれば、断熱層および熱抵抗部材によって、発熱体から第2電池モジュールに向けて熱をより伝わり難くすることができる。
また好ましくは、電池パックは、第2電池モジュールおよび加熱部の間に空気層を形成するように、第2電池モジュールおよび加熱部の間に介挿されるスペーサをさらに備える。
このように構成された電池パックによれば、スペーサの介挿により形成された空気層によって、発熱体から第2電池モジュールに向けて、熱をより伝わり難くすることができる。
また好ましくは、加熱部は、第1電池モジュールおよび第2電池モジュールの積層方向が厚み方向となるシート形状を有する。
このように構成された電池パックによれば、加熱部がシート形状を有する電池パックにおいて、第1電池モジュールおよび第2電池モジュール間で温度のばらつきが生じることを抑制できる。
また好ましくは、加熱部は、第1電池モジュールおよび第2電池モジュールの積層方向において、発熱体および第1電池モジュールの間に配置される熱伝導性フィルムをさらに含む。
このように構成された電池パックによれば、シート形状を有する加熱部が配置される面方向において、発熱体から第1電池モジュールへの熱の伝わり方にばらつきが生じることを抑制できる。
また好ましくは、加熱部は、加熱部の周縁に沿って設けられる枠体をさらに含む。第1電池モジュールおよび第2電池モジュールは、第1電池モジュールおよび第2電池モジュールの積層方向において枠体を挟持するように設けられる。
このように構成された電池パックによれば、シート形状を有する加熱部を枠体により支持することができる、また、その枠体を利用して、第1電池モジュールおよび第2電池モジュールを位置決めすることができる。
以上に説明したように、この発明に従えば、上下に積層された電池モジュール間で温度のばらつきが生じることを抑制する電池パックを提供することができる。
この発明の実施の形態における電池パックを示す斜視図である。 図1中のII−II線上の矢視方向から見た電池パックを示す断面図である。 図2中の2点鎖線IIIにより囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。 図2中の加熱部を示す分解組み立て図である。 図1中の電池パックの変形例を示す分解組み立て図である。 電池モジュールの温度評価に用いた電池パックを示す分解組み立て図である。 時間経過と、電池モジュールの温度との関係を示すグラフである。 加熱部および上側電池モジュール間の隙間の大きさと、8時間経過後の温度上昇量との関係を示すグラフである。 空気層および不織布の配置と、ヒータ線および上側電池モジュール間の熱抵抗との関係を示す表である。
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
図1は、この発明の実施の形態における電池パックを示す斜視図である。図2は、図1中のII−II線上の矢視方向から見た電池パックを示す断面図である。
図1および図2を参照して、この発明の実施の形態における電池パック10は、車両駆動用であり、たとえば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能なバッテリから電力供給されるモータとを動力源とするハイブリッド自動車や、外部充電が可能なプラグインハイブリッド自動車、電気自動車などに搭載される。
電池パック10は、4つの電池モジュール31p,31q,21p,21qを有する。電池モジュール31pおよび電池モジュール31qは、水平方向に並べられ、一体とされている。電池モジュール21pおよび電池モジュール21qは、水平方向に並べられ、一体とされている。
4つの電池モジュール31p,31q,21p,21qの各々は、ケース体51と、複数の単電池52とを有する。ケース体51は、各電池モジュールの外観をなしている。ケース体51は、略直方体形状を有する。ケース体51は、絶縁材料から形成されている。ケース体51は、ポリプロピレン等の樹脂材料から形成されている。
複数の単電池52は、ケース体51に収容されている。複数の単電池52は、互いに電気的に直列に接続されている。単電池52は、リチウムイオン電池である。単電池52は、これに限られず、たとえば、ニッケル水素電池であってもよい。単電池52の形状は、円筒形であってもよいし、平板形であってもよい。
電池モジュール31pおよび電池モジュール31qにより、上側電池モジュール31が構成されている。電池モジュール21pおよび電池モジュール21qにより、下側電池モジュール21が構成されている。上側電池モジュール31および下側電池モジュール21は、略直方体形状を有する。上側電池モジュール31および下側電池モジュール21は、略同じ大きさを有する。
上側電池モジュール31は、下側電池モジュール21の鉛直上側に積層されている。すなわち、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21は、上下に積み重ねられている。電池モジュール31pは、電池モジュール21pの鉛直上側に配置されている。電池モジュール31qは、電池モジュール21qの鉛直上側に配置されている。
電池パック10は、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21を加熱するための加熱部41をさらに有する。
加熱部41は、下側電池モジュール21および上側電池モジュール31の間に設けられている。加熱部41は、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向(上下方向)が厚み方向となるシート形状を有する。上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向から見て、加熱部41は、矩形形状の平面視を有する。上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向から見て、加熱部41は、複数の単電池52が配置される領域の全体に重なるように設けられている。なお、加熱部41の形状は、シート形状に限られない。
図3は、図2中の2点鎖線IIIにより囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。図4は、図2中の加熱部を示す分解組み立て図である。
図1から図4を参照して、加熱部41は、ヒータ線(発熱体)42と、不織布43と、下側絶縁フィルム44と、均熱フィルム(熱伝導性フィルム)45と、上側絶縁フィルム46と、枠体48とを有する。
ヒータ線42は、発熱体として設けられている。ヒータ線42は、通電されることによって発熱する。ヒータ線42は、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向に直交する面内で線状に延びている。
ヒータ線42は、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向(鉛直方向)において、上側電池モジュール31よりも下側電池モジュール21に近い位置に配置されている。
より具体的には、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向におけるヒータ線42の中心と、下側電池モジュール21のケース体51との間の、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向における距離(H2)は、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向におけるヒータ線42の中心と、上側電池モジュール31のケース体51との間の、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向における距離(H1)よりも小さい(H1>H2)。ヒータ線42は、鉛直方向における上側電池モジュール31および下側電池モジュール21間の中心位置を基準にして、下側電池モジュール21側に偏心して設けられている。
ヒータ線42で発生した熱は、上方に伝わり易いため、上側電池モジュール31が下側電池モジュール21よりも昇温し易くなる。これに対して、ヒータ線42を上側電池モジュール31よりも下側電池モジュール21に近い位置に設けることにより、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21間で温度のばらつきが生じることを抑制できる。
ヒータ線42は、接着や縫製などにより不織布43に固定されている。不織布43は、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向が厚み方向となるシート形状を有する。ヒータ線42は、下側電池モジュール21と対向する側の不織布43の表面に固定されている。不織布43は、線状に延びるヒータ線42の形状を保持する基材として機能している。
このような構成によれば、ヒータ線42および上側電池モジュール31の間に不織布43による熱抵抗が追加される。これにより、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21間で温度のばらつきが生じることをより効果的に抑制できる。
なお、ヒータ線42の形状を保持する基材として、高い熱抵抗を有する材料を用いることが好ましく、上記の不織布のほか、たとえば、スポンジ(発泡ゴム)等の断熱材を用いることができる。
加熱部41および上側電池モジュール31の間には、空気層66が設けられている。空気層66は、後述する上側絶縁フィルム46と、上側電池モジュール31(のケース体51)との間に設けられている。このような構成により、ヒータ線42および上側電池モジュール31間の熱抵抗が増大するため、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21間で温度のばらつきが生じることをより効果的に抑制できる。
なお、加熱部41および上側電池モジュール31の間には、空気層66に替わって、断熱材が設けられてもよい。但し、断熱効果や製造コスト、断熱材の貼り付け不良による温度ばらつきの発生などを考慮すると、断熱材よりも空気層の方が有利である。
加熱部41および上側電池モジュール31の間に空気層66を設けるための構造についてより具体的に説明する。
電池パック10は、弾性体(スペーサ)47をさらに有する。弾性体47は、上側絶縁フィルム46と、上側電池モジュール31(のケース体51)との間に介挿されている。弾性体47は、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向に直交する面内において局所的に設けられている。本実施の形態では、複数の弾性体47が、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向に直交する面内においてリブ状に延びている。
弾性体47は、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向に圧縮変形されている。これにより、加熱部41には、上側電池モジュール31から下側電池モジュール21に向かう方向(鉛直下方向)の弾性力が作用している。上側絶縁フィルム46および上側電池モジュール31の間には、弾性体47の介挿により隙間が形成されており、この隙間が、上記の空気層66を構成している。
なお、弾性体47の数や大きさによっては、上側電池モジュール31への熱伝達が弾性体47を通じて促進される懸念がある。このため、弾性体47は、スポンジ(発泡ゴム)等の断熱材から形成されていることが好ましい。
均熱フィルム45は、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向において、ヒータ線42および下側電池モジュール21の間に設けられている。均熱フィルム45は、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向において、後述する下側絶縁フィルム44と、下側電池モジュール21(のケース体51)との間に設けられている。均熱フィルム45は、下側電池モジュール21に接触して設けられている。均熱フィルム45は、高熱伝導性の材料、たとえば、アルミニウムから形成されている。
ヒータ線42と下側電池モジュール21とが接触する場合を想定すると、この場合、ヒータ線42の直下のケース体51が高温となり易い。これにより、電池パック10を長期に渡って使用する間に、ケース体51が熱劣化する懸念が生じる。これに対して、ヒータ線42と下側電池モジュール21との間に均熱フィルム45を設けることによって、ヒータ線42の直下におけるケース体51の温度上昇を抑えることができる。
また、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向に直交する面内の四隅では、下側電池モジュール21が放熱し易く、電池温度が低くなる傾向がある。これに対して、ヒータ線42からの熱が、均熱フィルム45において平面的に均熱化されるため、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向に直交する面内において下側電池モジュール21の温度ばらつきを抑制することができる。
上側絶縁フィルム46は、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向において、ヒータ線42および上側電池モジュール31の間に設けられている。上側絶縁フィルム46は、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向において、空気層66および不織布43の間に設けられている。下側絶縁フィルム44は、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向において、ヒータ線42および下側電池モジュール21の間に設けられている。下側絶縁フィルム44は、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向において、ヒータ線42および均熱フィルム45の間に設けられている。
上側絶縁フィルム46および下側絶縁フィルム44は、絶縁材料から形成されている。上側絶縁フィルム46および下側絶縁フィルム44は、たとえば、ポリエチレンテレフタレート樹脂から形成されている。
枠体48は、加熱部41の周縁に沿って帯状に延びる枠形状を有する。枠体48は、矩形形状の辺に沿って帯状に延びる枠形状を有する。枠体48は、上側電池モジュール31の側から上側絶縁フィルム46の周縁に重ね合わされている。枠体48は、樹脂材料から形成されている。枠体48によって、シート状の加熱部41が支持されている。
上側電池モジュール31および下側電池モジュール21は、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の積層方向において枠体48を挟持するように設けられている。このような構成により、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の間の距離を一定に設定することができる。さらに枠体48を利用して、加熱部41を上側電池モジュール31および下側電池モジュール21に固定する構成としてもよい。
以上に説明した、この発明の実施の形態における電池パック10の構造についてまとめて説明すると、本実施の形態における電池パック10は、第1電池モジュールとしての下側電池モジュール21と、下側電池モジュール21の鉛直上側に積層される第2電池モジュールとしての上側電池モジュール31と、下側電池モジュール21および上側電池モジュール31の間に設けられ、下側電池モジュール21および上側電池モジュール31を加熱するための加熱部41とを備える。加熱部41は、下側電池モジュール21および上側電池モジュール31の積層方向において、上側電池モジュール31よりも下側電池モジュール21に近い位置に配置される発熱体としてのヒータ線42を含む。
このように構成された、この発明の実施の形態における電池パック10によれば、上下に積層される上側電池モジュール31および下側電池モジュール21間で温度ばらつきが生じることを抑制できる。
図5は、図1中の電池パックの変形例を示す分解組み立て図である。図5を参照して、本変形例における電池パックは、上側電池モジュール131および下側電池モジュール121と、上側電池モジュール231および下側電池モジュール221とを有する。上側電池モジュール131および下側電池モジュール121は、上側電池モジュール231および下側電池モジュール221の鉛直上側に積み重ねられている。
上側電池モジュール131は、2つの電池モジュール131p,131qから構成され、下側電池モジュール121は、2つの電池モジュール121p,121qから構成されている。上側電池モジュール131および下側電池モジュール121は、加熱部41を介して上下に積層されている。上側電池モジュール131および加熱部41の間には、弾性体47の介挿により空気層が形成されている。
上側電池モジュール231は、3つの電池モジュール231p,231q,231rから構成され、下側電池モジュール221は、3つの電池モジュール221p,221q,221rから構成されている。上側電池モジュール231および下側電池モジュール221は、加熱部41を介して上下に積層されている。上側電池モジュール231および加熱部41の間には、弾性体47の介挿により空気層が形成されている。
このような構成においても、上下に積層される上側電池モジュール131および下側電池モジュール121間で温度ばらつきが生じることを抑制し、上下に積層される上側電池モジュール231および下側電池モジュール221間で温度ばらつきが生じることを抑制することができる。
続いて、本発明における電池パックによる作用効果を確認するために行なった検証と、その結果とについて説明する。
図6は、電池モジュールの温度評価に用いた電池パックを示す分解組み立て図である。図7は、時間経過と、電池モジュールの温度との関係を示すグラフである。
図6および図7を参照して、本検証においては、ヒータ線72および不織布73(総厚み1.0mm)と、アルミニウムフィルム75とを有する加熱部41を用いるとともに、上側電池モジュール31および加熱部41の間にスペーサ77(厚み3.0mm)を介挿した。これにより、ヒータ線72を上側電池モジュール31よりも下側電池モジュール21に近い位置に配置した。上側電池モジュール31および下側電池モジュール21間の距離を4mm程度に設定し、加熱部41および上側電池モジュール31間の隙間(空気層)の大きさを3mmに設定した。
出力13.2Wにてヒータ線72に通電するとともに、通電後の時間経過に伴う上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の温度変化を測定した。図7中において、曲線131Aおよび曲線131Bは、上側電池モジュール31の異なる箇所の温度変化を示し、曲線121Cおよび曲線121Dは、下側電池モジュール21の異なる箇所の温度変化を示す。8時間経過後の上側電池モジュール31および下側電池モジュール21間の温度ばらつきを4.1℃に収めることができた。
図8は、加熱部および上側電池モジュール間の隙間の大きさと、8時間経過後の温度上昇量との関係を示すグラフである。
図6および図8を参照して、次に、スペーサ77の厚みを調整することによって、加熱部41および上側電池モジュール31間の隙間の大きさが異なる複数の電池パックを準備した。各電池パックにおいて、8時間経過後の上側電池モジュール31および下側電池モジュール21の温度上昇量を測定した。
本検証においては、加熱部41および上側電池モジュール31間の隙間が大きくなるのに従って、8時間経過後の上側電池モジュール31の温度上昇量が小さくなった。加熱部41および上側電池モジュール31間の隙間が3mmの場合、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21間の温度ばらつきが、4.1℃となり、加熱部41および上側電池モジュール31間の隙間が13mmの場合、上側電池モジュール31および下側電池モジュール21間の温度ばらつきが、2.6℃となった。
図9は、空気層および不織布の配置と、ヒータ線および上側電池モジュール間の熱抵抗との関係を示す表である。
図9を参照して、実施例1〜3における電池パックを想定した。実施例1における電池パックでは、空気層82(厚み1.8mm)、ベース材83(厚み1.2mm)、不織布81(厚み0.5mm)、ヒータ線84(厚み0.4mm)およびアルミニウムフィルム85(厚み0.1mm)が、上側電池モジュール31から下側電池モジュール21に向けて挙げた順に並んで設けられている。ベース材83は、図4中の上側絶縁フィルム46および枠体48を兼ねたものであり、全体として、平板形状を有する。ヒータ線84は、100mm×300mmの大きさの矩形形状を有する(実施例2および実施例3も同様)。
実施例2における電池パックでは、ベース材83(厚み1.2mm)、不織布81(厚み0.5mm)、ヒータ線84(厚み0.4mm)およびアルミニウムフィルム85(厚み0.1mm)が、上側電池モジュール31から下側電池モジュール21に向けて挙げた順に並んで設けられている。
実施例3における電池パックでは、空気層82(厚み1.8mm)、ベース材83(厚み1.2mm)、ヒータ線84(厚み0.4mm)、不織布81(厚み0.5mm)およびアルミニウムフィルム85(厚み0.1mm)が、上側電池モジュール31から下側電池モジュール21に向けて挙げた順に並んで設けられている。
実施例1〜3において、ヒータ線84および上側電池モジュール31間の熱抵抗値を算出した。その結果、ヒータ線84および上側電池モジュール31間に空気層82および不織布81を設けた実施例1において、ヒータ線84および上側電池モジュール31間の熱抵抗値が最も高くなった。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
この発明は、たとえば、車両に搭載される電池パックに利用される。
10 電池パック、21,121,221 下側電池モジュール、21p,21q,31p,31q,121p,121q,131p,131q,221p,221q,221r,231p,231q,231r 電池モジュール、31,131,231 上側電池モジュール、41 加熱部、42,72,84 ヒータ線、43,73,81 不織布、44 下側絶縁フィルム、45 均熱フィルム、46 上側絶縁フィルム、47 弾性体、48 枠体、51 ケース体、52 単電池、66,82 空気層、75,85 アルミニウムフィルム、77 スペーサ、83 ベース材、121C,121D,131A,131B 曲線。

Claims (5)

  1. 第1電池モジュールと、
    前記第1電池モジュールの鉛直上側に積層される第2電池モジュールと、
    前記第1電池モジュールおよび前記第2電池モジュールの間に設けられ、前記第1電池モジュールおよび前記第2電池モジュールを加熱するための加熱部とを備え、
    前記加熱部は、前記第1電池モジュールおよび前記第2電池モジュールの積層方向において、前記第2電池モジュールよりも前記第1電池モジュールに近い位置に配置される発熱体を含み、
    前記第2電池モジュールおよび前記加熱部の間に断熱層が設けられるとともに、前記発熱体と前記断熱層の間に不織布あるいは断熱材からなる熱抵抗部材が設けられた、電池パック。
  2. 前記第2電池モジュールおよび前記加熱部の間に空気層を形成するように、前記第2電池モジュールおよび前記加熱部の間に介挿されるスペーサをさらに備える、請求項1に記載の電池パック。
  3. 前記加熱部は、前記第1電池モジュールおよび前記第2電池モジュールの積層方向が厚み方向となるシート形状を有する、請求項1または2のいずれか1項に記載の電池パック。
  4. 前記加熱部は、前記第1電池モジュールおよび前記第2電池モジュールの積層方向において、前記発熱体および前記第1電池モジュールの間に配置される熱伝導性フィルムをさらに含む、請求項に記載の電池パック。
  5. 前記加熱部は、前記加熱部の周縁に沿って設けられる枠体をさらに含み、
    前記第1電池モジュールおよび前記第2電池モジュールは、前記第1電池モジュールおよび前記第2電池モジュールの積層方向において前記枠体を挟持するように設けられる、請求項またはに記載の電池パック。
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