JP6564596B2

JP6564596B2 - Lithium ion secondary battery device

Info

Publication number: JP6564596B2
Application number: JP2015066940A
Authority: JP
Inventors: 望月　正孝; 正孝望月; 中野　雄太; 雄太中野; シンランディープ
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2035-03-27
Also published as: JP2016186900A

Description

本発明はリチウムイオン二次電池装置に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery device.

電気自動車やハイブリッド自動車等に用いられているリチウムイオン二次電池は、適切な温度に保つことによって、高い充電特性および放電特性を得ることができる。しかし、二次電池は放電時に発熱するため、作動中に高温になり過ぎないようにするための機構が必要である。特許文献１には、二次電池装置において、複数の電池セルを収容する電池収容室の内部に液冷媒を供給して冷却する構成が開示されている。 A lithium ion secondary battery used in an electric vehicle, a hybrid vehicle, or the like can obtain high charge characteristics and discharge characteristics by maintaining an appropriate temperature. However, since the secondary battery generates heat during discharge, a mechanism for preventing the secondary battery from becoming too hot during operation is necessary. Patent Document 1 discloses a configuration in which in a secondary battery device, a liquid refrigerant is supplied into a battery housing chamber that houses a plurality of battery cells and cooled.

特開２０１４−６００８８号公報JP 2014-60088 A

特許文献１に開示されている構成では、絶縁油等の液冷媒による熱伝導を利用して電池セルの冷却が図られる。しかし、液冷媒による熱伝導を利用する冷却では電池セルを十分に冷却することは困難である。極めて温度の低い液冷媒を二次電池装置に供給すれば電池セルを冷却できるが、液冷媒の温度が低過ぎると電池セルが低温になり過ぎてかえって動作不良になる可能性がある。電池セルを適切な温度範囲内に保ち続けるためには、二次電池装置に供給する液冷媒の温度を厳密に制御する必要があり、電池セルの温度変化に追随して液冷媒の温度を変化させるフィードバック制御を行わなければならない。 In the configuration disclosed in Patent Document 1, the battery cell is cooled by utilizing heat conduction by a liquid refrigerant such as insulating oil. However, it is difficult to sufficiently cool the battery cell by cooling using heat conduction by the liquid refrigerant. The battery cell can be cooled by supplying a liquid refrigerant having a very low temperature to the secondary battery device. However, if the temperature of the liquid refrigerant is too low, the battery cell may become too low, resulting in a malfunction. In order to keep the battery cell within an appropriate temperature range, it is necessary to strictly control the temperature of the liquid refrigerant supplied to the secondary battery device, and the temperature of the liquid refrigerant changes following the temperature change of the battery cell. Feedback control must be performed.

一般に、自動車に内蔵されるリチウムイオン二次電池装置では、１０〜２０個の平板状のリチウムイオン電池セルがごく狭い間隔をおいて平行に並べて配置されているため、熱を逃がすスペースが小さく、作動時の総発熱量が非常に大きくなる。そのため、前述したように特許文献１に開示されている構成で十分に冷却することは困難である。しかも、リチウムイオン電池セルを冷却し過ぎると動作不良を生じる可能性があるので、リチウムイオン電池セルを単に冷却するのではなく、適切な温度範囲内（例えば５０℃〜６０℃）に保ち続ける必要がある。リチウムイオン電池セルを適切な温度範囲内に維持するためには、例えば特許文献１に開示されている構成において単に温度の低い液冷媒を用いるだけではなく、フィードバック制御によって液冷媒の温度を随時調整する必要があり、その結果、リチウムイオン二次電池装置の構成の著しい複雑化や、大型化および高コスト化を引き起こす。 In general, in a lithium ion secondary battery device built in an automobile, since 10 to 20 flat lithium ion battery cells are arranged in parallel with a very narrow interval, a space for releasing heat is small, The total heat generation during operation is very large. Therefore, as described above, it is difficult to sufficiently cool the structure disclosed in Patent Document 1. In addition, if the lithium ion battery cell is overcooled, it may cause malfunction, so it is necessary not to simply cool the lithium ion battery cell but to keep it within an appropriate temperature range (for example, 50 ° C to 60 ° C). There is. In order to maintain the lithium ion battery cell within an appropriate temperature range, for example, the liquid refrigerant having a low temperature is not simply used in the configuration disclosed in Patent Document 1, but the temperature of the liquid refrigerant is adjusted as needed by feedback control. As a result, the configuration of the lithium ion secondary battery device is significantly complicated, and the size and cost are increased.

そこで、本発明の目的は、簡単な構成で容易にリチウムイオン電池セルを適切な温度範囲内に保つことができるリチウムイオン二次電池装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery device that can easily keep a lithium ion battery cell within an appropriate temperature range with a simple configuration.

本発明のリチウムイオン二次電池装置は、複数のリチウムイオン電池セルが互いに間隔をおいて並べて配置されている電池パックと、コールドプレートと、内部に作動流体と非凝縮性ガスが封入されている可変コンダクタンス型のヒートパイプと、を有する。ヒートパイプは、電池パック内の隣り合うリチウムイオン電池セル同士の間のスペース内に配置された蒸発部と、コールドプレートに接している凝縮部とを含む。 The lithium ion secondary battery device of the present invention includes a battery pack in which a plurality of lithium ion battery cells are arranged at intervals, a cold plate, and a working fluid and a non-condensable gas enclosed therein. And a variable conductance heat pipe. The heat pipe includes an evaporation unit disposed in a space between adjacent lithium ion battery cells in the battery pack, and a condensing unit in contact with the cold plate.

この構成では、リチウムイオン電池セルが発熱すると、蒸発部内の作動流体が気化して非凝縮性ガスを圧縮しながら膨張して、凝縮部内において作動流体が占める体積が増えるため、凝縮部内で冷却されて凝縮する作動流体の量が増える。蒸発部内の作動流体の温度が下がると、作動流体が収縮して非凝縮性ガスが膨張し、凝縮部内において作動流体が占める体積が減るため、凝縮部内で冷却されて凝縮する作動流体の量が減る。従って、蒸発部およびそれに接するリチウムイオン電池セルの温度が高くなると冷却し、蒸発部およびそれに接するリチウムイオン電池セルの温度が低くなると冷却を抑えることが、自動的に行われる。 In this configuration, when the lithium ion battery cell generates heat, the working fluid in the evaporation unit is vaporized and expanded while compressing the non-condensable gas, and the volume occupied by the working fluid in the condensing unit increases. This increases the amount of working fluid that condenses. When the temperature of the working fluid in the evaporation section decreases, the working fluid contracts and the non-condensable gas expands, and the volume occupied by the working fluid in the condensing section decreases, so the amount of working fluid that is cooled and condensed in the condensing section is reduced. decrease. Therefore, the cooling is automatically performed when the temperature of the evaporating part and the lithium ion battery cell in contact with the evaporating part is increased, and the cooling is suppressed when the temperature of the evaporating part and the lithium ion battery cell in contact with the evaporating part is lowered.

本発明によると、リチウムイオン二次電池装置において、簡単な構成で容易にリチウムイオン電池セルを適切な温度範囲内に保つことができる。 According to the present invention, in a lithium ion secondary battery device, a lithium ion battery cell can be easily kept within an appropriate temperature range with a simple configuration.

本発明の第１の実施形態のリチウムイオン二次電池装置の要部を示す、一部を切り欠いた斜視図である。It is the perspective view which notched a part which shows the principal part of the lithium ion secondary battery apparatus of the 1st Embodiment of this invention. 図１に示すリチウムイオン二次電池装置の平面図である。It is a top view of the lithium ion secondary battery apparatus shown in FIG. 図１に示すリチウムイオン二次電池装置の、コールドプレートを省略して示す背面図である。FIG. 2 is a rear view of the lithium ion secondary battery device shown in FIG. 1 with a cold plate omitted. （ａ）は図２のＡ−Ａ線断面図であり、（ｂ）はその変形例を示す断面図である。(A) is the sectional view on the AA line of FIG. 2, (b) is sectional drawing which shows the modification. 図１に示すリチウムイオン二次電池装置の可変コンダクタンス型のヒートパイプを示す平面図である。It is a top view which shows the variable conductance type heat pipe of the lithium ion secondary battery apparatus shown in FIG. 図５に示す可変コンダクタンス型のヒートパイプを直線状に延ばして示し、作動流体および非凝縮性ガスの膨張および縮小の状態を模式的に示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram schematically showing a state where the variable conductance heat pipe shown in FIG. 5 is extended linearly and the working fluid and the non-condensable gas expand and contract. 本発明の第１の実施形態のリチウムイオン二次電池装置の変形例を示す平面図である。It is a top view which shows the modification of the lithium ion secondary battery apparatus of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態のリチウムイオン二次電池装置の他の変形例を示す側面断面図と、コールドプレートを省略して示す背面図である。It is side surface sectional drawing which shows the other modification of the lithium ion secondary battery apparatus of the 1st Embodiment of this invention, and a rear view which abbreviate | omits a cold plate. 本発明の第１の実施形態のリチウムイオン二次電池装置のさらに他の変形例を示す平面図である。It is a top view which shows the further another modification of the lithium ion secondary battery apparatus of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態のリチウムイオン二次電池装置のさらに他の変形例を示す平面図である。It is a top view which shows the further another modification of the lithium ion secondary battery apparatus of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態のリチウムイオン二次電池装置の要部を示す平面図および側面断面図である。It is the top view and side sectional drawing which show the principal part of the lithium ion secondary battery apparatus of the 2nd Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態のリチウムイオン二次電池装置１５の要部を示す斜視図、図２はこのリチウムイオン二次電池装置１５の平面図、図３はそのコールドプレート３を省略した背面図、図４は図２のＡ−Ａ線断面図である。このリチウムイオン二次電池装置１５では、ベースプレート１（図１では省略）の上に、複数の電池パック２と冷却用の金属製のコールドプレート３とが互いに近接するように配置されている。各電池パック２は、複数の平板状のリチウムイオン電池セル４が互いに間隔をおいて平行に並べて配置されたものである。図１には１つの電池パック２とコールドプレート３の一部のみが示されているが、図２〜３に示されている例では、４つのリチウムイオン電池セル４を含む電池パック２がベースプレート１上に３つ並べて配置されており、合計１２個の平板状のリチウムイオン電池セル４が平行に並んで位置している。電池パック２内の隣り合うリチウムイオン電池セル４同士の間のスペース（間隙）１４には、ヒートパイプ５の一部分（蒸発部）５ａと、ヒートパイプ５を挟み込む１対の伝熱板（例えばアルミニウム板）６が配置されている。言い換えると、電池パック２内の隣り合うリチウムイオン電池セル４の互いに対向する面に取り付けられた伝熱板６同士の間に、ヒートパイプ５の蒸発部５ａが挟持されている。図１と図２の一部では、各蒸発部５ａを、それぞれの場所に応じた添字１〜６を付して示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 is a perspective view showing a main part of a lithium ion secondary battery device 15 according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view of the lithium ion secondary battery device 15, and FIG. 3 shows the cold plate 3. A rear view omitted, FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. In the lithium ion secondary battery device 15, a plurality of battery packs 2 and a cooling metal cold plate 3 are arranged on a base plate 1 (not shown in FIG. 1) so as to be close to each other. Each battery pack 2 is configured such that a plurality of flat lithium ion battery cells 4 are arranged in parallel and spaced apart from each other. Although only one battery pack 2 and a part of the cold plate 3 are shown in FIG. 1, in the example shown in FIGS. 2 to 3, the battery pack 2 including four lithium ion battery cells 4 is a base plate. Three of them are arranged side by side, and a total of 12 plate-like lithium ion battery cells 4 are arranged in parallel. In a space (gap) 14 between adjacent lithium ion battery cells 4 in the battery pack 2, a part (evaporation part) 5 a of the heat pipe 5 and a pair of heat transfer plates (for example, aluminum) sandwiching the heat pipe 5 are interposed. Plate) 6 is arranged. In other words, the evaporation portion 5a of the heat pipe 5 is sandwiched between the heat transfer plates 6 attached to the mutually facing surfaces of the adjacent lithium ion battery cells 4 in the battery pack 2. In part of FIG. 1 and FIG. 2, each evaporation unit 5 a is shown with subscripts 1 to 6 corresponding to the respective locations.

複数の電池パック２の各リチウムイオン電池セル４の一側部に近接するように、冷却用のコールドプレート３が配置されている。コールドプレート３には、複数のリチウムイオン電池セル４の並ぶ方向Ｌに沿って延びる貫通孔である冷媒流路７が設けられている。冷媒流路７の両端部は、コールドプレート３の外部に設けられた循環用流路８によって互いに接続されて、閉じた流路を構成している。循環用流路８内には、ラジエータ９とポンプ１０が組み込まれている。循環用流路８中のラジエータ９によって冷却された冷媒が、ポンプ１０によってコールドプレート３の冷媒流路７に供給される。冷媒流路７は貫通孔に限られず、その流路形状は平行流路型であってもサーペンタイン型であってもよい。 A cold plate 3 for cooling is arranged so as to be close to one side of each lithium ion battery cell 4 of the plurality of battery packs 2. The cold plate 3 is provided with a refrigerant flow path 7 that is a through hole extending along the direction L in which the plurality of lithium ion battery cells 4 are arranged. Both ends of the refrigerant flow path 7 are connected to each other by a circulation flow path 8 provided outside the cold plate 3 to form a closed flow path. A radiator 9 and a pump 10 are incorporated in the circulation channel 8. The refrigerant cooled by the radiator 9 in the circulation channel 8 is supplied to the refrigerant channel 7 of the cold plate 3 by the pump 10. The coolant channel 7 is not limited to a through hole, and the channel shape may be a parallel channel type or a serpentine type.

前述したように電池パック２内の隣り合うリチウムイオン電池セル４同士の間のスペース１４に蒸発部５ａが位置しているヒートパイプ５の他の一部分（凝縮部）５ｂが、コールドプレート３に接する状態で、リチウムイオン電池セル４の並ぶ方向Ｌに沿って延びている。図１，３と図２の一部では、各凝縮部５ｂを、それぞれの場所に応じた添字１〜６を付して示している。図４（ａ）に示す例では、コールドプレート３の電池パック２側の面に凹部１１が形成されており、ヒートパイプ５の凝縮部５ｂが凹部１１内に収容され、はんだ１２によって固定されている。このように、ヒートパイプ５の凝縮部５ｂが、はんだ１２を介してコールドプレート３に接し、はんだ１２による金属接合を利用してコールドプレート３に固定されていると、コールドプレート３に単純に直接接触している場合に比べて、熱伝導率が高くなる。ただし、凝縮部５ｂは、はんだ１２ではなくエポキシ等の樹脂によってコールドプレート３に固定されてもよい。そして、凝縮部５ｂがはんだ１２や樹脂等の薄膜によってコールドプレート３に取り付けられている場合も、凝縮部５ｂはコールドプレート３に実質的に接しているとみなす。 As described above, another part (condensing part) 5b of the heat pipe 5 in which the evaporation part 5a is located in the space 14 between the adjacent lithium ion battery cells 4 in the battery pack 2 is in contact with the cold plate 3. In the state, it extends along the direction L in which the lithium ion battery cells 4 are arranged. In FIGS. 1, 3 and a part of FIG. 2, each condensing part 5 b is shown with subscripts 1 to 6 corresponding to the respective locations. In the example shown in FIG. 4A, the concave portion 11 is formed on the surface of the cold plate 3 on the battery pack 2 side, and the condensing portion 5b of the heat pipe 5 is accommodated in the concave portion 11 and fixed by the solder 12. Yes. As described above, when the condensing part 5b of the heat pipe 5 is in contact with the cold plate 3 via the solder 12 and is fixed to the cold plate 3 using metal bonding by the solder 12, the direct contact with the cold plate 3 is simply performed. Compared with the case where it contacts, thermal conductivity becomes high. However, the condensing part 5b may be fixed to the cold plate 3 by a resin such as epoxy instead of the solder 12. Even when the condensing part 5b is attached to the cold plate 3 with a thin film such as solder 12 or resin, the condensing part 5b is considered to be substantially in contact with the cold plate 3.

また、図４（ｂ）に示すように、コールドプレート３が少なくとも１対の金属板３ａ，３ｂからなり、両金属板３ａ，３ｂの間に設けられた溝内にヒートパイプ５が挿入され、ねじ１３によって金属板３ａ，３ｂが互いに固定されて、ヒートパイプ５がコールドプレート３に取り付けられる構成にすることもできる。その場合、メンテナンス等のためにコールドプレート３やヒートパイプ５を取り外すことが容易である。本発明では、ヒートパイプ５をコールドプレート３に接触した状態で保持できれば、どのような構成を採用してもよい。 Further, as shown in FIG. 4B, the cold plate 3 is composed of at least a pair of metal plates 3a and 3b, and the heat pipe 5 is inserted into a groove provided between the metal plates 3a and 3b. The metal plates 3 a and 3 b are fixed to each other by the screw 13, and the heat pipe 5 can be attached to the cold plate 3. In that case, it is easy to remove the cold plate 3 and the heat pipe 5 for maintenance or the like. In the present invention, any configuration may be adopted as long as the heat pipe 5 can be held in contact with the cold plate 3.

以上のような構成であるため、本実施形態では、電池パック２内のリチウムイオン電池セル４同士の間のスペース１４とコールドプレート３とにまたがって、ヒートパイプ５が配置されている。このヒートパイプ５は、作動流体と非凝縮性ガスが封入された可変コンダクタンス型のヒートパイプ５である。 Since the configuration is as described above, in the present embodiment, the heat pipe 5 is disposed across the space 14 between the lithium ion battery cells 4 in the battery pack 2 and the cold plate 3. The heat pipe 5 is a variable conductance heat pipe 5 in which a working fluid and a non-condensable gas are enclosed.

ここで、可変コンダクタンス型のヒートパイプ５について説明する。可変コンダクタンス型のヒートパイプ５は、主に蒸発部５ａと凝縮部５ｂとを有する１本のパイプからなる。図５，６に示すように、蒸発部５ａと凝縮部５ｂの間に位置する断熱部５ｃをさらに有していてもよい。この可変コンダクタンス型のヒートパイプ５には、作動流体（例えば沸点が６１℃のハイドロフルオロエーテル（Ｃ_４Ｆ_９ＯＣＨ_３）など）と、非凝縮性ガス（例えばアルゴンや窒素など）が封入されている。作動流体として用いられるハイドロフルオロエーテルの具体例としては、ＮＯＶＥＣ７１００（登録商標）が挙げられる。ここでは、電池パック２内の隣り合うリチウムイオン電池セル４同士の間のスペース１４内に位置する部分を蒸発部５ａと称し、コールドプレート３に接している部分を凝縮部５ｂと称している。凝縮部５ｂは、作動流体の凝縮が行われる可能性がある部分であるが、凝縮部５ｂの全領域において常に作動流体の凝縮が行われるわけではない。ヒートパイプ５の凝縮部５ｂ側の端部に非凝縮性ガスが存在し、それ以外の部分に作動流体が存在している。そして、コールドプレート３の冷媒流路７と循環用流路８とによって構成されている閉じた経路内を、ラジエータ９によって低温にされた冷媒（例えば水）がポンプ１０によって循環しているため、コールドプレート３は低温に保たれている。 Here, the variable conductance heat pipe 5 will be described. The variable conductance heat pipe 5 is mainly composed of a single pipe having an evaporator 5a and a condenser 5b. As shown in FIGS. 5 and 6, it may further include a heat insulating part 5 c located between the evaporation part 5 a and the condensing part 5 b. The variable conductance heat pipe 5 contains a working fluid (for example, a hydrofluoroether (C ₄ F ₉ OCH ₃ ) having a boiling point of 61 ° C.) and a non-condensable gas (for example, argon or nitrogen). Yes. A specific example of the hydrofluoroether used as a working fluid is NOVEC7100 (registered trademark). Here, the part located in the space 14 between the adjacent lithium ion battery cells 4 in the battery pack 2 is referred to as an evaporator 5a, and the part in contact with the cold plate 3 is referred to as a condenser 5b. The condensing part 5b is a part where the working fluid may be condensed, but the working fluid is not always condensed in the entire region of the condensing part 5b. Non-condensable gas is present at the end of the heat pipe 5 on the condensing part 5b side, and working fluid is present at other parts. And since the refrigerant | coolant (for example, water) made into low temperature by the radiator 9 is circulating with the pump 10 in the closed path | route comprised by the refrigerant | coolant flow path 7 and the circulation flow path 8 of the cold plate 3, The cold plate 3 is kept at a low temperature.

リチウムイオン電池セル４が発熱すると、そのリチウムイオン電池セル４の熱が伝熱板６を介して蒸発部５ａに伝わる。すると、蒸発部５ａ内の作動流体が加熱されて沸点を超える温度になり気化する。気化した作動流体は膨張し、凝縮部５ｂ側の端部に存在する非凝縮性ガスを圧縮して縮小させながら体積が増大し、ヒートパイプ５中で作動流体の占める領域が拡大する。その結果、コールドプレート３に接している凝縮部５ｂ内において作動流体が占める領域と非凝縮性ガスが占める領域とのバランスが変わる。例えば、作動流体が気化する前は、図６（ａ）に示すように凝縮部５ｂ内において作動流体が占める領域よりも非凝縮性ガスが占める領域の方が大きくても、リチウムイオン電池セル４が発熱して作動流体が気化すると、図６（ｂ）に示すように、非凝縮性ガスが占める領域よりも作動流体が占める領域が大きくなる。すなわち、コールドプレート３に接する凝縮部５ｂ内の作動流体の体積が大きくなる。従って、凝縮部５ｂ内で多くの作動流体が、コールドプレート３によって冷却されて凝縮する。なお、可変コンダクタンス型のヒートパイプ５の原理を判りやすくするために、図５〜６には作動流体が占める領域と非凝縮性ガスが占める領域とを模式的に示しているが、実際には、作動流体と非凝縮性ガスとが完全に分離した状態で存在するわけではなく、作動流体が占める領域と非凝縮性ガスが占める領域とは明確には区分されない。ただし、作動流体と非凝縮ガスが混在する領域は小さいため、概ね図５，６に示されているような状態になるとみなすことができる。 When the lithium ion battery cell 4 generates heat, the heat of the lithium ion battery cell 4 is transferred to the evaporation unit 5a through the heat transfer plate 6. Then, the working fluid in the evaporating part 5a is heated to a temperature exceeding the boiling point and vaporizes. The vaporized working fluid expands, the volume increases while compressing and reducing the non-condensable gas present at the end on the condensing part 5b side, and the area occupied by the working fluid in the heat pipe 5 is expanded. As a result, the balance between the region occupied by the working fluid and the region occupied by the non-condensable gas in the condensing part 5b in contact with the cold plate 3 changes. For example, before the working fluid is vaporized, even if the region occupied by the non-condensable gas is larger than the region occupied by the working fluid in the condensing part 5b as shown in FIG. As shown in FIG. 6B, the region occupied by the working fluid becomes larger than the region occupied by the non-condensable gas. That is, the volume of the working fluid in the condensing part 5b in contact with the cold plate 3 is increased. Therefore, many working fluids are cooled and condensed by the cold plate 3 in the condensing part 5b. In order to make the principle of the variable conductance heat pipe 5 easy to understand, FIGS. 5 to 6 schematically show the region occupied by the working fluid and the region occupied by the non-condensable gas. The working fluid and the non-condensable gas do not exist in a completely separated state, and the region occupied by the working fluid and the region occupied by the non-condensable gas are not clearly distinguished. However, since the region where the working fluid and the non-condensable gas are mixed is small, it can be considered that the state shown in FIGS.

一方、蒸発部５ａ内の作動流体の温度が低い場合には、作動流体が膨張せず、むしろ縮小するため、非凝縮性ガスはあまり加圧されず膨張する。従って、図６（ｃ）に示すように、凝縮部５ｂ内において作動流体が占める領域は非凝縮性ガスが占める領域よりも小さくなる。このことは、コールドプレート３によって冷却されて凝縮する作動流体の量が少ないことを意味する。 On the other hand, when the temperature of the working fluid in the evaporation section 5a is low, the working fluid does not expand but rather shrinks, so that the non-condensable gas expands without being pressurized so much. Accordingly, as shown in FIG. 6C, the region occupied by the working fluid in the condensing part 5b is smaller than the region occupied by the non-condensable gas. This means that the amount of working fluid cooled and condensed by the cold plate 3 is small.

このように、リチウムイオン電池セル４の温度が高い場合には、ヒートパイプ５内で冷却されて凝縮される作動流体の量が増えて冷却効果が増大し、リチウムイオン電池セル４の温度が低い場合には、ヒートパイプ５内で冷却されて凝縮される作動流体の量が減って冷却効果が低下する。従って、本発明によると、作動流体の蒸発および凝縮と非凝縮性ガスの膨張および縮小とを利用することによって、ヒートパイプ５とそれに接するリチウムイオン電池セル４の温度が高温になり過ぎることも低温になり過ぎることも防ぎ、リチウムイオン電池セル４を適切な温度範囲内に保つことができる。しかも、このヒートパイプ５内の作動流体および非凝縮性ガスの挙動は外部からの制御を必要とせずに行われるので、自動的に温度制御が行われる。ヒートパイプ５およびリチウムイオン電池セル４の温度は、作動流体の沸点や非凝縮性ガスの封入量等によって決まるので、冷媒は、作動流体を凝縮させられる程度の温度であれば、厳密に温度管理する必要はなく、フィードバック制御を行う必要はない。従って、本実施形態では、冷媒を低温に保ち供給する機構（ラジエータ９およびポンプ１０）さえあれば、それ以外にヒートパイプ５に付随する駆動部品は必要なく、簡単な構成で容易に前述した温度制御が実現する。このように、ヒートパイプ５の凝縮部５ｂが接するコールドプレート３に冷媒流路７を設け、冷媒流路７に水などの冷媒を供給することによって、簡単な構成で容易に凝縮部５ｂを冷却することができる。 Thus, when the temperature of the lithium ion battery cell 4 is high, the amount of the working fluid cooled and condensed in the heat pipe 5 is increased, the cooling effect is increased, and the temperature of the lithium ion battery cell 4 is low. In this case, the amount of the working fluid that is cooled and condensed in the heat pipe 5 is reduced, and the cooling effect is lowered. Therefore, according to the present invention, by utilizing the evaporation and condensation of the working fluid and the expansion and contraction of the non-condensable gas, the temperature of the heat pipe 5 and the lithium ion battery cell 4 in contact with the heat pipe 5 can be too low. Therefore, the lithium ion battery cell 4 can be kept within an appropriate temperature range. Moreover, since the behavior of the working fluid and the non-condensable gas in the heat pipe 5 is performed without requiring external control, temperature control is automatically performed. Since the temperature of the heat pipe 5 and the lithium ion battery cell 4 is determined by the boiling point of the working fluid, the amount of non-condensable gas enclosed, and the like, the temperature of the refrigerant is strictly controlled as long as the temperature is sufficient to condense the working fluid. There is no need to perform feedback control. Therefore, in this embodiment, as long as there is a mechanism (the radiator 9 and the pump 10) that keeps the refrigerant at a low temperature and supplies it, there is no need for other driving parts associated with the heat pipe 5, and the above-described temperature can be easily achieved with a simple configuration. Control is realized. Thus, by providing the refrigerant flow path 7 in the cold plate 3 with which the condensing part 5b of the heat pipe 5 is in contact and supplying the refrigerant flow path 7 with a refrigerant such as water, the condensing part 5b can be easily cooled with a simple configuration. can do.

また、仮に、リチウムイオン電池セル４とヒートパイプ５とが、伝熱板６を介さずに直接接していると、ヒートパイプ５によってリチウムイオン電池セル４は局所的に冷却される。しかし、本実施形態は、ヒートパイプ５が伝熱板６を介してリチウムイオン電池セル４に接する構成であるため、リチウムイオン電池セル４の全面を比較的均等に冷却することができる。 Further, if the lithium ion battery cell 4 and the heat pipe 5 are in direct contact with each other without the heat transfer plate 6, the lithium ion battery cell 4 is locally cooled by the heat pipe 5. However, in this embodiment, since the heat pipe 5 is in contact with the lithium ion battery cell 4 via the heat transfer plate 6, the entire surface of the lithium ion battery cell 4 can be cooled relatively uniformly.

本発明では、電池パック２内のリチウムイオン電池セル４同士の間のスペース１４にヒートパイプ５の一部（蒸発部５ａ）が配置されている。図１〜４に示す実施形態では、リチウムイオン電池セル４全体を均等かつ十分に温度制御するために、１つのスペース１４に２本のヒートパイプ５がそれぞれ設けられており、両ヒートパイプ５が互いに干渉しないように互いに高さを変えて配置されている。さらに、異なるスペース１４に配置されたヒートパイプ５の凝縮部５ｂ同士が互いに干渉しないように、各ヒートパイプ５がそれぞれ異なる高さに設置されている。図１〜４に示す例では、各スペース１４に、互いに高さの異なる２つの蒸発部５ａ_１および５ａ_４、蒸発部５ａ_２および５ａ_５、蒸発部５ａ_３，５ａ_６がそれぞれ配置され、各スペース１４内で蒸発部５ａ同士が互いに干渉することはない。蒸発部５ａ_１，５ａ_２，５ａ_３，５ａ_４，５ａ_５，５ａ_６は、この順番に高さを変えて配置されており、凝縮部５ｂ_１，５ｂ_２，５ｂ_３，５ｂ_４，５ｂ_５，５ｂ_６もこの順番に高さが異なっている。その結果、コールドプレート３に接してリチウムイオン電池セル４の並ぶ方向Ｌに延びる凝縮部５ｂ_１，５ｂ_２，５ｂ_３，５ｂ_４，５ｂ_５，５ｂ_６は、互いに干渉することなく配置されている。なお、ここでは、完成状態のリチウムイオン二次電池装置１５の使用時の姿勢にかかわらず、ベースプレート１上に電池パック２やコールドプレート３が載置される方向を高さ方向Ｈと規定している。 In the present invention, a part of the heat pipe 5 (evaporating part 5 a) is arranged in the space 14 between the lithium ion battery cells 4 in the battery pack 2. In the embodiment shown in FIGS. 1 to 4, two heat pipes 5 are respectively provided in one space 14 in order to uniformly and sufficiently control the temperature of the entire lithium ion battery cell 4. They are arranged at different heights so as not to interfere with each other. Furthermore, the heat pipes 5 are installed at different heights so that the condensing portions 5b of the heat pipes 5 arranged in different spaces 14 do not interfere with each other. In the example shown in FIGS. 1 to 4, two evaporators 5 a ₁ and 5 a ₄ , evaporators 5 a ₂ and 5 a ₅ , evaporators 5 a ₃ and 5 a ₆ having different heights are arranged in each space 14. In the space 14, the evaporation parts 5a do not interfere with each other. The evaporating units 5a ₁ , 5a ₂ , 5a ₃ , 5a ₄ , 5a ₅ , 5a ₆ are arranged in this order with the height changed, and the condensing units 5b ₁ , 5b ₂ , 5b ₃ , 5b ₄ , 5b ₅ , 5b ₆ also have different heights in this order. As a result, the condensing parts 5b ₁ , 5b ₂ , 5b ₃ , 5b ₄ , 5b ₅ , 5b ₆ extending in the direction L in which the lithium ion battery cells 4 are arranged in contact with the cold plate 3 are arranged without interfering with each other. . Here, the direction in which the battery pack 2 and the cold plate 3 are placed on the base plate 1 is defined as the height direction H regardless of the posture of the completed lithium ion secondary battery device 15 in use. Yes.

図７に示すように、コールドプレート３内に入り込む深さを変えることによって平面的な位置（高さ方向Ｈに直交する面内の位置）を変えて、ヒートパイプ５同士が互いに干渉しないようにすることもできる。前述したように各ヒートパイプ５の高さを変えることと、図７に示すように凝縮部５ｂ_１〜５ｂ_６の平面的な位置を変えることとを適宜に組み合わせて、ヒートパイプ５（特に凝縮部５ｂ_１〜５ｂ_６）の配置のスペース効率を高めることができる。各凝縮部５ｂ_１〜５ｂ_６の長さと各リチウムイオン電池セル４の厚さによるが、少なくとも、リチウムイオン電池セル４の並ぶ方向Ｌに沿って隣り合うヒートパイプ５の凝縮部５ｂ同士の、高さと平面的な位置のいずれか一方または両方が互いに異なるように配置されることが好ましい。それにより、リチウムイオン二次電池装置１５を大型化させることなく、ヒートパイプ５を互いに干渉しないように配置することができる。 As shown in FIG. 7, the planar position (the position in the plane orthogonal to the height direction H) is changed by changing the depth of penetration into the cold plate 3 so that the heat pipes 5 do not interfere with each other. You can also As described above, changing the height of each heat pipe 5 and changing the planar positions of the condensing parts 5b _{1 to} 5b ₆ as shown in FIG. it is possible to enhance the space efficiency of the arrangement of the parts _5b 1 _~5b _6). Depending on the length of each condensing part 5b _{1 to} 5b ₆ and the thickness of each lithium ion battery cell 4, the height of at least the condensing parts 5b of the heat pipes 5 adjacent to each other along the direction L in which the lithium ion battery cells 4 are arranged is high. It is preferable that one or both of the two and the two-dimensional positions are different from each other. Accordingly, the heat pipes 5 can be arranged so as not to interfere with each other without increasing the size of the lithium ion secondary battery device 15.

また、図８に示すように、ヒートパイプ５が屈曲して高さ方向Ｈに延びる構成にすることもできる。その場合には、リチウムイオン電池セル４が並ぶ方向Ｌにおいて隣り合うヒートパイプ５同士が互いに干渉する危険性をなくし、スペース効率を高めることができる。ただし、蒸発部５ａが同じスペース１４内に位置しているヒートパイプ５の凝縮部５ｂ同士は、互いに干渉しないように、図８（ｂ）に示すように平面的な位置をずらして配置する必要がある。 Further, as shown in FIG. 8, the heat pipe 5 may be bent and extend in the height direction H. In that case, it is possible to eliminate the risk of the heat pipes 5 adjacent to each other in the direction L in which the lithium ion battery cells 4 are arranged, and to improve the space efficiency. However, the condensing parts 5b of the heat pipes 5 in which the evaporation parts 5a are located in the same space 14 need to be arranged by shifting their planar positions as shown in FIG. 8B so as not to interfere with each other. There is.

円筒状の単電池が容器の中に配置されてその容器か充填剤で満たされているような他の種類の二次電池装置（例えばナトリウム硫黄二次電池装置）とは異なり、リチウムイオン二次電池装置１５では、平板状の複数のリチウムイオン電池セル４が互いに平行に並べて配置されている。リチウムイオン二次電池装置１５では、リチウムイオン電池セル４が狭い間隔で多数並べて配置されその発熱部分が側方から見て重なり合う位置にあるため、円筒状の単電池を有する他の種類の二次電池装置に比べて放熱スペースが乏しく、電池パック２全体の発熱量が大きい。しかも、他の種類の二次電池装置（例えばナトリウム硫黄二次電池装置）は数百℃の温度で動作可能であり僅かな冷却で済むものが多いのに対して、リチウムイオン二次電池装置１５は、例えば８０℃以下、好ましくは５０℃〜６０℃程度の温度で動作させることが好ましいため、大幅な冷却が必要である。このように、リチウムイオン二次電池装置１５は、他の種類の二次電池装置に比べて温度調節がより重要であり困難であるという特有の課題を有しており、簡単で良好な温度調節を行うことができる構成が強く望まれている。 Unlike other types of secondary battery devices (for example, sodium-sulfur secondary battery devices) where a cylindrical cell is placed in a container and filled with the container or filler, a lithium ion secondary In the battery device 15, a plurality of flat lithium ion battery cells 4 are arranged in parallel to each other. In the lithium ion secondary battery device 15, a large number of lithium ion battery cells 4 are arranged side by side at a narrow interval, and the heat generation portions are in a position overlapping each other when viewed from the side. Therefore, another type of secondary battery having a cylindrical single battery is used. Compared to the battery device, the heat radiation space is scarce and the entire battery pack 2 generates a large amount of heat. Moreover, other types of secondary battery devices (for example, sodium-sulfur secondary battery devices) can operate at a temperature of several hundred degrees Celsius and many require only slight cooling, whereas the lithium ion secondary battery device 15 For example, since it is preferable to operate at a temperature of 80 ° C. or less, preferably about 50 ° C. to 60 ° C., significant cooling is required. As described above, the lithium ion secondary battery device 15 has a specific problem that temperature control is more important and difficult than other types of secondary battery devices, and is easy and good temperature control. There is a strong demand for a configuration that can perform the above.

そこで本発明では、前述したように、平行に並ぶ平板状のリチウムイオン電池セル４同士の間の狭いスペース１４内にヒートパイプ５の蒸発部５ａを配置して挟持する構成を採用することにより、平板状のリチウムイオン電池セル４を効率よく冷却できる。特に、各スペース１４内に複数のヒートパイプ５の蒸発部５ａをそれぞれ配置することにより、平板状のリチウムイオン電池セル４を均等かつ十分に冷却できる。また、このようにヒートパイプ５を配置した場合には、コールドプレート３に接する凝縮部５ｂの配置が煩雑になる可能性があるが、本実施形態では、少なくとも、リチウムイオン電池セル４の並ぶ方向Ｌに沿って隣り合うヒートパイプ５の凝縮部５ｂ同士の高さや平面的な位置が互いに異なるように配置することにより、スペース効率を悪くすることなくヒートパイプ５を配置することができ、リチウムイオン二次電池装置１５全体の大型化を防げる。 Therefore, in the present invention, as described above, by adopting a configuration in which the evaporation portion 5a of the heat pipe 5 is disposed and sandwiched in the narrow space 14 between the flat lithium ion battery cells 4 arranged in parallel, The flat lithium ion battery cell 4 can be efficiently cooled. In particular, by arranging the evaporation portions 5a of the plurality of heat pipes 5 in each space 14, the flat lithium ion battery cells 4 can be evenly and sufficiently cooled. Further, when the heat pipe 5 is arranged in this way, the arrangement of the condensing part 5b in contact with the cold plate 3 may be complicated, but in this embodiment, at least the direction in which the lithium ion battery cells 4 are arranged. By arranging the condensing portions 5b of the heat pipes 5 adjacent to each other along L so that the height and the planar position are different from each other, the heat pipe 5 can be arranged without deteriorating the space efficiency. The enlargement of the entire secondary battery device 15 can be prevented.

さらに、本発明では、作動流体とともに非凝縮性ガスを封入した可変コンダクタンス型のヒートパイプ５を用いているため、リチウムイオン電池セル４を自動的に適切な温度範囲内に保つことができる。そして、コールドプレート３の冷媒流路７に供給される冷媒の温度を厳密に管理しなくても、前述したようなヒートパイプ５の自動的な温度制御が実現し、例えばリチウムイオン電池セル４を５０℃〜６０℃程度の低温に維持することができる。それにより、リチウムイオン二次電池装置１５の大型化や高コスト化を抑制できる。 Furthermore, in the present invention, since the variable conductance heat pipe 5 in which the non-condensable gas is sealed together with the working fluid is used, the lithium ion battery cell 4 can be automatically kept within an appropriate temperature range. And, without strictly managing the temperature of the refrigerant supplied to the refrigerant flow path 7 of the cold plate 3, the automatic temperature control of the heat pipe 5 as described above is realized. It can be maintained at a low temperature of about 50 ° C to 60 ° C. Thereby, the enlargement and cost increase of the lithium ion secondary battery device 15 can be suppressed.

本実施形態の変形例として、図９に示すように、２つのコールドプレート３が設置され、蒸発部５ａの両側に凝縮部５ｂがそれぞれ設けられている構成にすることもできる。その場合、作動流体の凝縮の効率が向上する。また、他の変形例として、図１０に一部を示すように、凝縮部５ｂが蒸発部５ａの両側にそれぞれ延びるように分岐したＴ字型の構成にすることもできる。その場合、凝縮部５ｂをバランス良く配置することができ、スペース効率が向上する。 As a modification of the present embodiment, as shown in FIG. 9, two cold plates 3 may be installed, and a condensing unit 5b may be provided on both sides of the evaporation unit 5a. In this case, the efficiency of working fluid condensation is improved. As another modification, as shown in part in FIG. 10, the condensing unit 5b may be branched to extend to both sides of the evaporating unit 5a. In that case, the condensing part 5b can be arrange | positioned with sufficient balance, and space efficiency improves.

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、図１１に示すように、凝縮部５ｂからの延長部分５ｄが、コールドプレート３と接触しない位置まで延びている。この延長部分５ｄはヒートパイプ５の端部であり、非凝縮性ガスの収容部５ｄとして機能する。言い換えると、本実施形態では、ヒートパイプ５の凝縮部５ｂに連続して非凝縮性ガスの収容部５ｄが設けられている。図１１（ａ）に示すように、水平方向（複数のリチウムイオン電池セル４が並ぶ方向Ｌ）に延びる凝縮部５ｂからの延長部分として収容部５ｄが設けられた構成であっても、図１１（ｂ）に示すように、高さ方向Ｈに延びる凝縮部５ｂからの延長部分として収容部５ｄが設けられた構成であってもよい。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, as shown in FIG. 11, the extended portion 5 d from the condensing part 5 b extends to a position where it does not come into contact with the cold plate 3. The extended portion 5d is an end portion of the heat pipe 5, and functions as a non-condensable gas accommodating portion 5d. In other words, in the present embodiment, a non-condensable gas storage portion 5 d is provided continuously to the condensation portion 5 b of the heat pipe 5. As shown in FIG. 11A, even in a configuration in which the accommodating portion 5d is provided as an extended portion from the condensing portion 5b extending in the horizontal direction (the direction L in which the plurality of lithium ion battery cells 4 are arranged), As shown to (b), the structure by which the accommodating part 5d was provided as an extension part from the condensation part 5b extended in the height direction H may be sufficient.

収容部５ｄが存在しないと、作動流体が膨張して非凝縮性ガスを圧縮した場合であっても、非凝縮ガスの体積を０にすることはできないので、ヒートパイプ５の凝縮部５ｂ（コールドプレート３に接している部分）の少なくとも一部は非凝縮性ガスを収容するために用いられ、作動流体の凝縮には寄与しない。しかし、本実施形態では、凝縮部５ｂに連続して設けられている延長部分５ｄが非凝縮性ガスの収容のために用いられるため、凝縮部５ｂ（コールドプレート３に接している部分）を全て作動流体の凝縮のために利用することができる。言い換えると、本実施形態では、凝縮部５ｂのうち実際に作動流体が存在して凝縮する有効領域が０％から１００％の範囲で変動可能なので、高効率で温度制御できるヒートパイプ５が実現する。しかも、非凝縮性ガスを収容するための特別な部分を形成する必要はなく、パイプ状の凝縮部５ｂからコールドプレート３に接しない位置まで延びる、凝縮部５ｂと同様なパイプ状の延長部分（収容部）５ｄを設けるだけでよいので、この収容部５ｄを形成するための追加の作業等は必要ではなく、構成は極めて簡単である。すなわち、本実施形態によると、凝縮部５ｂに連続して非凝縮性ガスの収容部５ｄを形成するためにヒートパイプ５の製造工程が煩雑になったり、構成および形状が複雑になったりするという問題が生じることなく、高効率の可変コンダクタンス型のヒートパイプ５が極めて容易に形成できる。 If the accommodating part 5d does not exist, even if the working fluid expands and compresses the non-condensable gas, the volume of the non-condensable gas cannot be reduced to zero. At least a portion of the portion in contact with the plate 3 is used to contain the non-condensable gas and does not contribute to the condensation of the working fluid. However, in this embodiment, since the extended portion 5d provided continuously to the condensing part 5b is used for accommodating the non-condensable gas, all the condensing part 5b (part in contact with the cold plate 3) is used. It can be used for the condensation of the working fluid. In other words, in the present embodiment, since the effective region where the working fluid actually exists and condenses in the condensing unit 5b can be varied in the range of 0% to 100%, the heat pipe 5 capable of temperature control with high efficiency is realized. . Moreover, it is not necessary to form a special part for accommodating the non-condensable gas, and the pipe-like extension part (like the condensing part 5b) extending from the pipe-like condensing part 5b to a position not in contact with the cold plate 3 ( Since only the housing portion 5d needs to be provided, no additional work or the like for forming the housing portion 5d is required, and the configuration is extremely simple. That is, according to this embodiment, the manufacturing process of the heat pipe 5 becomes complicated and the configuration and shape become complicated in order to form the non-condensable gas containing part 5d continuously to the condensing part 5b. A highly efficient variable conductance heat pipe 5 can be formed very easily without causing problems.

１ベースプレート
２電池パック
２ａ，２ｂ金属板
３コールドプレート
４リチウムイオン電池セル
５ヒートパイプ
５ａ，５ａ_１，５ａ_２，５ａ_３，５ａ_４，５ａ_５，５ａ_６蒸発部
５ｂ，５ｂ_１，５ｂ_２，５ｂ_３，５ｂ_４，５ｂ_５，５ｂ_６凝縮部
５ｃ断熱部
５ｄ延長部分（収容部）
６伝熱板
７冷媒流路
８循環用流路
９ラジエータ
１０ポンプ
１１凹部
１２はんだ
１３ねじ
１４スペース（間隙）
Ｈ高さ方向
Ｌリチウムイオン電池セルの並ぶ方向 1 base plate 2 battery pack 2a, 2b metal plate 3 the cold plate 4 lithium-ion battery cell 5 heat pipes _{_{_{_{5a, 5a 1, 5a 2,}}}} 5a 3, 5a 4, 5a 5, 5a 6 evaporating portion _{_5b, 5b} 1, _5b 2, 5b ₃ , 5b ₄ , 5b ₅ , 5b ₆ condensing part 5c heat insulating part 5d extended part (accommodating part)
6 Heat transfer plate 7 Refrigerant flow path 8 Circulation flow path 9 Radiator 10 Pump 11 Recess 12 Solder 13 Screw 14 Space (gap)
H Height direction L Lithium ion battery cell alignment direction

Claims

A battery pack in which a plurality of lithium ion battery cells are arranged side by side with each other, a cold plate, and a variable conductance heat pipe in which a working fluid and a non-condensable gas are enclosed. ,
The heat pipe protrudes from the space disposed in the space between the adjacent lithium ion battery cells in the battery pack, and extends along the direction in which the lithium ion battery cells are arranged, only contains a condenser section that is in contact with the cold plate,
The condensing portion extends longer than the battery cells in the direction in which the lithium ion battery cells are arranged.
The condensing parts of the heat pipes adjacent to each other along the direction in which the lithium ion battery cells are arranged are different from each other in either or both of the height and the position in a plane orthogonal to the height direction. Next battery device.

A battery pack in which a plurality of lithium ion battery cells are arranged side by side with each other, a cold plate, and a variable conductance heat pipe in which a working fluid and a non-condensable gas are enclosed. ,
The heat pipe includes an evaporation unit disposed in a space between the adjacent lithium ion battery cells in the battery pack, and a condensing unit in contact with the cold plate,
The lithium ion secondary battery device, wherein an extended portion from the condensing portion extends to a position where it does not come into contact with the cold plate.

The lithium ion secondary battery device according to claim 1 , wherein the cold plate is provided with a refrigerant flow path through which a refrigerant is supplied.

In the battery pack, a plurality of flat lithium ion battery cells are arranged in parallel to each other, and heat transfer plates are respectively provided on the mutually opposing surfaces of the lithium ion battery cells in the battery pack. The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the lithium ion secondary battery is attached and the evaporation section of the heat pipe is sandwiched between the heat transfer plates of the adjacent lithium ion battery cells. apparatus.

The cold plate is made of metal, the condensing unit, the disposed in a recess provided in the cold plate, in contact with the cold plate through the solder, any one of claims 1 4 The lithium ion secondary battery device described in 1.

The cold plate includes a pair of stacked metal plates, and the condensing part is inserted into a groove provided between the pair of metal plates, and the pair of metal plates are held by being fixed to each other. The lithium ion secondary battery device according to claim 1 , wherein the lithium ion secondary battery device is provided.

7. The lithium according to claim 1 , wherein the heat pipe further includes an accommodating portion for the non-condensable gas that is an extended portion from the condensing portion and is not in contact with the cold plate. Ion secondary battery device.

The space between the between the lithium ion battery cells adjacent to the heights different positions, the evaporation portion of the plurality of the heat pipes are arranged, in any one of claims 1 to 7 The lithium ion secondary battery device described.