JP6610272B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電池モジュールに関する。

電池ホルダに保持された状態の電池セルが複数配列されてなる電池モジュールが筐体等に取り付けられた電池パックが知られている。特許文献１には、電池ホルダに伝熱プレートを取り付け、当該伝熱プレートを熱伝導部材を介して筐体に接触させることにより放熱性を向上させることができる電池モジュールが開示されている。この電池モジュールは、複数配列された電池セルの配列方向端部に弾性部材が配置されており、複数の電池セル及び弾性部材は、配列方向に加圧された状態で一体的に拘束されている。

特開２０１５−１５６３０３号公報

しかしながら、上記従来の電池モジュールでは、電池パックとして筐体に取り付けられた後、熱伝導部材からの反力により筐体の取付面に交差する方向に電池セルがずれる場合がある。この場合、経時変化に伴って伝熱プレートが熱伝導部材に接触しなくなるようなことがあり、放熱効率が低下することがある。

そこで、本発明の目的は、経時変化に伴う放熱効率の低下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。

本発明の電池モジュールは、熱伝導部材を介して筐体に取り付けられる電池モジュールであって、一方向に配列される複数の電池セルと、電池セルの一方向に交差する面である主面に接触するように配置されて一方向に配列される複数の伝熱プレートと、を有する配列体と、配列体を一方向に加圧した状態で拘束する拘束部と、を備え、伝熱プレートは、主面に接触する第一本体部と、第一本体部の一端側から主面に交差する方向に折れ曲がり、熱伝導部材に接触する第二本体部と、を有し、第一本体部と第二本体部とは鋭角に交差する。

この構成の電池モジュールによれば、第一本体部と第二本体部とは鋭角に交差しているので、伝熱プレートは、第一本体部と第二本体部とが交差する部分において熱伝導部材に接触する。これにより、伝熱プレートと熱伝導部材との接触面積が、第二本体部が面的に熱伝導部材に接触することに比べ小さくなるので、伝熱プレートが熱伝導部材から受ける反力が小さくなる。このため、筐体の取付面に交差する方向への電池セルのずれが抑制され、伝熱プレートと熱伝導部材とが接触しなくなる可能性を小さくすることができる。この結果、経時変化に伴う放熱効率の低下を抑制することができる。

本発明の電池モジュールでは、第二本体部の第一本体部側は、第一本体部の一端側から滑らかに折れ曲がる曲線部が形成されていてもよい。

この構成の電池モジュールでは、伝熱プレートの曲線部と熱伝導部材とが接触するようになる。これにより、角ばっている部分が熱伝導部材に接触することと比べて熱伝導部材の損傷を抑制することができる。

本発明の電池モジュールでは、第一本体部と第二本体部との交差角度は、一方向において配列体の中心に位置する電池セルに接触する伝熱プレートほど大きくてもよい。

拘束部によって配列体を一方向に加圧した状態で拘束する構成の電池モジュールでは、配列体の両端部に位置する電池セルほど拘束部による拘束力が強く、伝熱プレートは熱伝導部材からの反力を強く受ける。この構成の電池モジュールでは、熱伝導部材からの反力を強く受ける伝熱プレートほど、すなわち、配列体の両端部に配置される電池セルに接触する伝熱プレートほど、熱伝導部材と接触する部分の折れ曲がり角度が小さくなるように形成されており、熱伝導部材から受ける反力が小さくなる。したがって、熱伝導部材から受ける反力の影響を小さくすることができる。この結果、筐体の取付面に交差する方向への電池セルのずれをより一層抑制することができる。

本発明の電池モジュールは、配列体の一方の端部に配置される弾性部材を更に備えており、拘束部は、配列体と弾性部材とを一方向に加圧した状態で拘束し、第二本体部は、第一本体部から弾性部材が配置された方向に折れ曲がっていてもよい。

この構成の電池モジュールでは、電池セルの膨張により伝熱プレートが移動する場合でも、伝熱プレートが曲がる方向に移動するため、熱伝導部材の損傷を抑制することができる。

本発明によれば、経時変化に伴う放熱効率の低下を抑制することができる。

一実施形態における電池モジュールを含む電池パックを示す斜視図である。 一実施形態における電池モジュールを示す側面図である。 図２の電池セル、電池ホルダ及び伝熱プレートを示す分解斜視図である。 図２の電池セル、電池ホルダ及び伝熱プレートの配列状態を示す側面図である。 （Ａ）は一の電池セル、電池ホルダ及び伝熱プレートを示した側面図であり、（Ｂ）は伝熱プレートの曲線部を拡大して示した側面図である。 熱伝導部材が配置された側壁に取り付けられる図２の電池モジュールを示した側面図である。 図２の電池モジュールが側壁に取り付けられた状態を示す側面図である。 電池セルの膨張によって移動する伝熱プレートを示す側面図である。

以下、図面を参照して一実施形態に係る電池モジュール２１を含む電池パック１０について説明する。図面の説明において、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１に示されるように、電池パック１０は、筐体１１を有している。筐体１１には複数の電池モジュール２１が収容されている。筐体１１は、四角箱状をなしており、矩形平板状の底板１２と、底板１２の周縁から立設する矩形平板状の側壁１３と、側壁１３によって囲まれる開口部を閉塞する矩形平板状の天板１４と、を有している。

図２に示されるように、電池モジュール２１は、複数の電池セル２３（図１参照）と、一対のブラケット（拘束部）２５，２５と、弾性部材４７と、ボルトＢ及びナットＮと、伝熱プレート４１と、を備えている。

電池セル２３は、例えば、リチウムイオン二次電池及びニッケル水素蓄電池などの二次電池である。電池セル２３は、電池ホルダ２２に保持された状態で一方向Ｄに並設されている。図３に示されるように、電池ホルダ２２は、第一被覆部３１と、第二被覆部３２と、第三被覆部３３と、第四被覆部３４と、一対の脚部３６，３６と、を有している。

第一被覆部３１は、矩形平板状に形成され、電池セル２３の底部２４ａを覆う部分である。第二被覆部３２及び第三被覆部３３は、第一被覆部３１の長手方向両端から立設する部分である。第二被覆部３２及び第三被覆部３３は、矩形平板状に形成され、電池セル２３の側面２４ｂを覆う。第四被覆部３４は、矩形平板状に形成され、電池セル２３の一方の主面（厚み方向に直交する面）２４ｃの一部を覆う部分である。第四被覆部３４は、第二被覆部３２の長手方向における第一端部３２ａ（第一被覆部３１が設けられる端部とは反対側の端部）と、第三被覆部３３の長手方向における第一端部３３ａ（第一被覆部３１が設けられる端部とは反対側の端部）とに接続されている。第四被覆部３４は、その厚み方向が電池セル２３の並設方向と一致し、長手方向が第二被覆部３２及び第三被覆部３３の対向方向と一致するように配置されている。第一被覆部３１、第二被覆部３２、第三被覆部３３に囲まれる領域は、電池セル２３が収容される収容部Ｓとなる。

第二被覆部３２及び第三被覆部３３の長手方向における第一端部３２ａ，３３ａには、それぞれ第二被覆部３２及び第三被覆部３３と連設され、第二被覆部３２及び第三被覆部３３の長手方向に延びる矩形平板状の突出部３５が設けられている。また、第二被覆部３２及び第三被覆部３３の長手方向における第二端部３２ｃ、３３ｃには、それぞれ四角柱状の脚部３６，３６が設けられている。

図１に示されるように、一対のブラケット２５，２５は、一方向Ｄに並設された電池セル２３の並設方向両端に設けられている。ブラケット２５は、挟持部２５ａと、固定部２５ｂと、固定部２５ｂに形成された挿通孔２５ｃと、を有している。電池モジュール２１は、ブラケット２５の固定部２５ｂが側壁１３に固定されることによって、筐体１１に固定される。具体的には、挿通孔２５ｃに挿通されるボルト（図示せず）が側壁１３にねじ込まれることにより、ブラケット２５が筐体１１に固定される。

図２に示されるように、弾性部材４７は、配列体２８の一方の端部に配置されている。配列体２８及び弾性部材４７は、後段にて詳述するボルトＢ及びナットＮによって、電池セル２３の配列方向（一方向Ｄ）に加圧した状態で拘束される。弾性部材４７は、電池セル２３の膨張を一定の範囲で吸収する。

ボルトＢ及びナットＮは、一対のブラケット２５，２５同士を連結する。一対のブラケット２５，２５には、ボルトＢが挿通されている。ボルトＢは、一方のブラケット２５から、他方のブラケット２５に向けて挿通されると共に、他方のブラケット２５を挿通した位置でナットＮに螺合されている。一対のブラケット２５，２５は、一方向Ｄに配列される複数の電池セル２３と、電池セル２３の一方向Ｄ（配列の方向）に交差する面である主面２４ｃに接触するように配置される複数の伝熱プレート４１と、からなる配列体２８及び弾性部材４７を一方向Ｄに加圧した状態で拘束する。

図３及び図４に示されるように、伝熱プレート４１は、電池ホルダ２２に収容された電池セル２３の主面２４ｃに接触して配置される板状の部材である。図５（Ａ）に示されるように、伝熱プレート４１は、例えば、アルミニウム等の金属製の板材を屈曲させることで形成されており、矩形平板状の第一本体部４２と、第一本体部４２の長手方向一端から鋭角（９０度以下）に屈曲する矩形平板状の第二本体部４３とを有している。第一本体部４２は、電池セル２３の厚み方向において電池セル２３と隣り合った状態で収容部Ｓに設けられる。第二本体部４３は、第三被覆部３３の一方の側面２４ｂ（第三被覆部３３の厚み方向の面において収容部Ｓとは反対側の面）を覆っている。

第二本体部４３は、第一本体部４２から角度α曲げられている。言い換えれば、第一本体部４２の延在方向と第二本体部４３の延在方向とは、角度αで交差している。第二本体部４３は、第一本体部４２から弾性部材４７が配置された方向に折れ曲がっている。そして、図４に示されるように、第一本体部４２と第二本体部４３とが交差する角度αは、一方向Ｄにおいて配列体２８の中心に位置する電池セル２３に接触する伝熱プレート４１（伝熱プレート４１Ｄ）ほど大きく（例えば、角度αは８０度〜８９度）、一方向Ｄにおいて配列体２８の端部に位置する電池セル２３に接触する伝熱プレート４１（伝熱プレート４１Ａ，４１Ｇ）ほど小さい（例えば、角度αは６０度〜８０度）。

具体的には、図４に示されるように、配列体２８の一端側から電池セル２３Ａ、電池セル２３Ｂ、電池セル２３Ｃ及び電池セル２３Ｄの順番で配置されており、角度α（図５（Ａ）参照）は、これらの主面２４ｃにそれぞれ接触する伝熱プレート４１Ａ、伝熱プレート４１Ｂ、伝熱プレート４１Ｃ及び伝熱プレート４１Ｄの順番で大きくなる。同様に、配列体２８の他端側から電池セル２３Ｇ、電池セル２３Ｆ、電池セル２３Ｅ及び電池セル２３Ｄの順番で配置されており、角度αは、これらの主面２４ｃにそれぞれ接触する伝熱プレート４１Ｇ、伝熱プレート４１Ｆ、伝熱プレート４１Ｅ及び伝熱プレート４１Ｄの順番で大きくなる。

図５（Ｂ）に示されるように、第二本体部４３の第一本体部４２側には、第一本体部４２の一端側から滑らかに折れ曲がる曲線部４４が形成されている。曲線部４４は、例えば、伝熱プレート４１の厚みが３ｍｍの場合、外側部分４４ａの曲線の半径を６ｍｍ、内側部分４４ｂの曲線の半径を３ｍｍとすることができる。曲線部４４の一部は、後述する熱伝導部材５１に接触する。

上述した構成の電池モジュール２１が筐体１１の側壁１３に取り付けられて、図１に示されるような電池パック１０となる。図６及び図７に示されるように、電池モジュール２１が筐体１１の側壁１３に取り付けられる場合には、一対のブラケット２５，２５によって取り付けられる。また、配列体２８と側壁１３との間には、熱伝導部材５１としてのＴＩＭ（Thermal Interface Material）が配置される。すなわち、伝熱プレート４１の第二本体部４３は、ＴＩＭを介して筐体１１の側壁１３に接触している。

熱伝導部材５１は、両面が粘着性を有するシート状の材料からなる部材である。また、この熱伝導部材５１は、絶縁性を有している。このような絶縁性を有する熱伝導部材として、金属フィラーを含まない熱伝導シートを用いることができる。また、このような熱伝導部材５１には、シリコーン系の熱伝導シートと、アクリル系の熱伝導シートとがある。シリコーン系の熱伝導シートを用いる場合には、耐寒性及び耐熱性に優れているため使用温度の範囲を広くすることができる。また、金属フィラーを使用していないシリコーン系の熱伝導シートは、温度及び周波数による電気特性の変化が小さいため絶縁材料に適する。一方、アクリル系のシートは、シロキサンガスの発生がないため、密閉空間における機械接点の接点障害、及び磨耗が発生しない。また、アクリル系のシートは、一般的にシリコーンより安価である。

本実施形態の電池モジュール２１は、伝熱プレート４１における第一本体部４２と第二本体部４３との交差角度である角度αが、一方向Ｄにおいて配列体２８の中心に位置する伝熱プレート４１ほど大きいので、一方向Ｄにおいて配列体２８の中心に位置する伝熱プレート４１ほど熱伝導部材５１との接触面積が大きくなる。したがって、電池モジュール２１は、一方向Ｄにおいて配列体２８の中心に位置する伝熱プレート４１ほど熱伝導部材５１から受ける反力が大きい状態で側壁１３に取り付けられている。言い換えれば、この構成の電池モジュール２１は、一方向Ｄにおいて配列体２８の端部に位置する伝熱プレート４１ほど熱伝導部材５１から受ける反力が小さい状態で側壁１３に取り付けられている。

次に、上記実施形態の電池モジュール２１の作用効果について説明する。上記実施形態の電池モジュール２１によれば、第一本体部４２と第二本体部４３とは鋭角に交差しているので、伝熱プレート４１は、第一本体部４２と第二本体部４３とが交差する部分において熱伝導部材５１に接触する。これにより、伝熱プレート４１と熱伝導部材５１との接触面積は、第二本体部４３全体が面的に熱伝導部材５１に接触することに比べ小さくなるので、伝熱プレート４１が熱伝導部材５１から受ける反力が小さくなる。このため、筐体１１の側壁１３に交差する方向への電池セル２３のずれが抑制され、伝熱プレート４１と熱伝導部材５１とが接触しなくなる可能性を小さくすることができる。この結果、経時変化に伴う放熱効率の低下を抑制することができる。

上記実施形態の電池モジュール２１では、第二本体部４３の第一本体部４２側は、第一本体部４２の一端側から滑らかに折れ曲がる曲線部４４が形成されている。これにより、当該曲線部４４と熱伝導部材５１とが接触するようになる。この結果、電池セル２３の膨張により伝熱プレート４１が一方向Ｄに移動する場合であっても、伝熱プレート４１による熱伝導部材５１の損傷を抑制することができる。

このような構成の電池モジュール２１おいて、例えば図８に示されるように、電池セル２３の膨張により伝熱プレート４１が一方向Ｄに沿って（図８において左方向に）移動量Ｍ１移動する場合について説明する。電池モジュール２１は熱伝導部材５１に押し付けるような状態で筐体１１の側壁１３に取り付けられている。これにより、熱伝導部材５１は、伝熱プレート４１の第二本体部４３に形状に合わせて変形した状態となっている。このような状態において伝熱プレート４１が一方向Ｄに移動すると、伝熱プレート４１の第二本体部４３は、変形の度合いが小さな熱伝導部材５１に向かって移動することとなる。すなわち、伝熱プレート４１が移動する場合には、伝熱プレート４１は変形の度合いが小さな熱伝導部材５１に押し付けられることとなり、熱伝導部材５１と伝熱プレート４１との接触が維持される。

上記実施形態のように複数の電池セル２３を一対のブラケット２５，２５によって一方向Ｄに加圧した状態で拘束するような電池モジュール２１では、配列体２８の両端部に位置する電池セル２３ほどボルトＢ及びナットＮ等の拘束部による拘束力が強く、伝熱プレート４１は熱伝導部材５１からの反力を強く受ける。この点、上記実施形態の電池モジュール２１では、第一本体部４２と第二本体部４３との交差角度αは、熱伝導部材５１からの反力を強く受ける伝熱プレート４１ほど、熱伝導部材５１と接触する部分の折れ曲がり角度αが小さくなるように形成されており、熱伝導部材５１から受ける反力が小さくなる。したがって、熱伝導部材５１から受ける反力の影響を小さくすることができる。この結果、経時変化に伴う放熱効率の低下をより一層抑制することができる。

以上、一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

上記実施形態では、図４に示されるように、第一本体部４２と第二本体部４３とが交差する角度αが、一方向Ｄにおいて配列体２８の中心に位置する電池セル２３に接触する伝熱プレート４１ほど徐々に大きくなる例を挙げて説明したが、一方向Ｄにおいて配列体２８の中心に位置する電池セル２３に接触する伝熱プレート４１ほど段階的に大きくなってもよいし、全てが同じであってもよい。

上記実施形態又は変形例では、伝熱プレート４１における第二本体部４３は、第一本体部４２から弾性部材４７が配置された方向に折れ曲がっている例を挙げて説明したが、全ての伝熱プレート４１における一部又は全ての第二本体部４３が第一本体部４２から弾性部材４７が配置された方向とは反対側に折れ曲がっていてもよい。

上記実施形態又は変形例では、上記実施形態の電池モジュール２１は、第二本体部４３の第一本体部４２側に曲線部４４が形成された伝熱プレート４１を備える例を挙げて説明したが、曲線部４４が形成されていない伝熱プレート４１を備えていてもよい。また、第二本体部４３は、上記実施形態又は変形例のようにフラット（側面視において直線状）ではなく、例えば、第一本体部４２に交差する側とは反対側の先端部分が上方（熱伝導部材５１から遠ざかる方向）に曲がる形状としたり、先端部分の厚みが薄くなるように形成したりしてもよい。これにより、電池セル２３の膨張時に第二本体部４３の先端部分が熱伝導部材５１に引っ掛かることを抑制し、熱伝導部材５１の損傷を抑制させることができる。

上記実施形態又は変形例では、筐体１１への取り付け機能を有する一対のブラケット２５，２５によって配列体２８を一方向Ｄに加圧した状態で拘束された電池モジュール２１を例に挙げて説明したが、筐体１１への取り付け機能を有さない一対のエンドプレートによって配列体２８を一方向Ｄに加圧した状態で拘束される構成の電池モジュールであってもよい。この構成の電池モジュールは、例えば、一対のエンドプレートとは別部材のブラケットによって筐体１１に取り付けられる。

上記実施形態又は変形例では、弾性部材４７は、配列体２８の一方の端部に一つだけ配置される例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、弾性部材４７は、配列体２８の両方の端部に配置されてもよいし、電池セル２３の間に配置されてもよい。また、弾性部材４７は、全て又は一部の電池セル２３間に分散されて配置されてもよい。

上記実施形態又は変形例では、ウレタン系ゴム等の弾性材料によって形成されている弾性部材４７を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、バネ等の弾性部材であってもよい。

上記実施形態又は変形例では、電池ホルダ２２に保持された状態の電池セル２３が並設された電池モジュール２１を例に挙げて説明したが、電池ホルダ２２には保持されず、電池セル２３のみからなる電池モジュール２１を用いてもよい。

上記実施形態又は変形例では、被固定部材の例として電池パック１０における筐体１１の側壁１３を例に挙げて説明したが、産業車両に搭載されるカウンタウェイトなどを用いてもよい。

以上説明した種々の実施形態及び変形例は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々、組み合わせられてもよい。

１０…電池パック、１１…筐体、１３…側壁、２１…電池モジュール、２２…電池ホルダ、２３（２３Ａ〜２３Ｇ）…電池セル、２４ｃ…電池セルの主面、２５…ブラケット（拘束部）、２５ａ…挟持部、２５ｂ…固定部、２５ｃ…挿通孔、２８…配列体、４１（４１Ａ〜４１Ｇ）…伝熱プレート、４２…第一本体部、４３…第二本体部、４４…曲線部、４７…弾性部材、５１…熱伝導部材、Ｂ…ボルト（拘束部）、Ｎ…ナット（拘束部）、Ｄ…一方向（配列方向）。

Claims (4)

1. 熱伝導部材を介して筐体に取り付けられる電池モジュールであって、
   一方向に配列される複数の電池セルと、前記電池セルの前記一方向に交差する面である主面に接触するように配置されて前記一方向に配列される複数の伝熱プレートと、を有する配列体と、
   前記配列体を前記一方向に加圧した状態で拘束する拘束部と、
   を備え、
   前記伝熱プレートは、
   前記主面に接触する第一本体部と、
   前記第一本体部の一端側から前記主面に交差する方向に折れ曲がり、前記熱伝導部材に接触する第二本体部と、を有し、
   前記第一本体部と前記第二本体部とは鋭角に交差する、電池モジュール。
2. 前記第二本体部の前記第一本体部側は、前記第一本体部の一端側から滑らかに折れ曲がる曲線部が形成されている、請求項１記載の電池モジュール。
3. 前記第一本体部と前記第二本体部との交差角度は、前記一方向において前記配列体の中心に位置する前記電池セルに接触する前記伝熱プレートほど大きい、請求項１又は２記載の電池モジュール。
4. 前記配列体の一方の端部に配置される弾性部材を更に備えており、
   前記拘束部は、前記配列体と前記弾性部材とを前記一方向に加圧した状態で拘束し、
   前記第二本体部は、前記第一本体部から前記弾性部材が配置された方向に折れ曲がっている、請求項１〜３の何れか一項記載の電池モジュール。

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