JP6617583B2 - 電池モジュール及び電池パック - Google Patents

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Description

本発明は、電池モジュール及び電池パックに関する。
電池モジュールの熱を被固定部材に放熱する構成として、例えば、特許文献1に記載の冷却構造が知られている。特許文献1に記載の冷却構造では、複数のバッテリセル(電池セル)を配列したバッテリモジュール(電池モジュール)の冷却面と冷却プレート(被固定部材)との間に変形可能な伝熱シート(熱伝導部材)が設けられている。
特開2013−122817号公報
上記冷却構造では、例えば電池セルの充放電によって電池セルの配列方向に電池セルが膨張又は収縮する場合がある。そのような場合、電池セルの配列方向の力が熱伝導部材に加わって、電池セルの配列方向に熱伝導部材がずれることがある。熱伝導部材がずれると、電池モジュールの冷却面と熱伝導部材との界面又は熱伝導部材と被固定部材との界面において剥離が生じる。剥離が生じると、電池モジュールの冷却面と熱伝導部材との接触面積又は熱伝導部材と被固定部材との接触面積が減少する。また、熱伝導部材に加わる力が大きいと、熱伝導部材がひび割れたり破断したりするおそれもある。その結果、電池モジュールの放熱性が低下する。
そこで、本発明の目的は、電池セルの配列方向の力が熱伝導部材に加わることを抑制することができる電池モジュール及び電池パックを提供することにある。
本発明の電池モジュールは、絶縁性を有する熱伝導部材を介して被固定部材に固定される電池モジュールであって、第一側面と、第一側面と交差する第二側面と、を有し、第一側面に交差する第一方向に配列された複数の電池セルと、電池セルに取り付けられ、第一側面に対向する第一本体部と、第二側面を覆うように第一本体部の一端から第一方向に延びると共に熱伝導部材に対向する第二本体部と、を有する伝熱プレートと、第二本体部における熱伝導部材に対向する対向面の少なくとも一部を覆っている第一被覆部と、を備え、第一被覆部は、熱伝導部材に対向する第一摺動面を有し、熱伝導部材に対する第一摺動面の摺動性は、熱伝導部材に対する対向面の摺動性よりも高い。
この構成の電池モジュールによれば、伝熱プレートの第二本体部における対向面の少なくとも一部に、熱伝導部材に対する摺動性が伝熱プレートにおける対向面よりも高く、熱伝導部材に対向する第一摺動面を有する第一被覆部を備えている。これにより、第一摺動面と熱伝導部材とが接触するようになり、第二本体部の対向面と熱伝導部材とが接触する割合が少なくなるので、電池モジュールの熱伝導部材に対する摺動性が向上する。このため、電池セルが第一方向、すなわち電池セルの配列方向に沿って膨張又は収縮した場合に伴う配列方向の力が、第一摺動面と熱伝導部材との摺動によって吸収されやすくなる。従って、配列方向の力が熱伝導部材に加わることを抑制することができる。
第一被覆部は、フッ素系樹脂材料により形成されていてもよい。
フッ素系樹脂材料を用いることにより、熱伝導部材に対する摺動性が伝熱プレートにおける対向面よりも高い第一摺動面を有する第一被覆部を容易に形成することができる。
第一被覆部は、伝熱プレートの全表面を覆っていてもよい。
この構成の電池モジュールでは、第一被覆部が電池セルと伝熱プレートとを互いに保護する。このため、電池セルと伝熱プレートとの直接接触により電池セル又は伝熱プレートの表面に傷がつくことを抑制することができる。
本発明の電池パックは、上記の電池モジュールと、電池モジュールが収容されると共に固定される被固定部材と、被固定部材と電池モジュールとの間に配置された熱伝導部材と、を備える。
この構成の電池パックによれば、熱伝導部材に対する摺動性が伝熱プレートにおける対向面よりも高く、熱伝導部材に対向する第一摺動面を有する電池モジュールを備えている。このため、電池セルの膨張又は収縮に伴う配列方向の力は、第一摺動面と熱伝導部材との摺動によって吸収されやすくなる。従って、配列方向の力が熱伝導部材に加わることを抑制することができる。
本発明の電池パックは、被固定部材における熱伝導部材が配置される配置面を覆っている第二被覆部を更に備え、第二被覆部は、熱伝導部材に対向する第二摺動面を有し、熱伝導部材に対する第二摺動面の摺動性は、熱伝導部材に対する配置面の摺動性よりも高い構成であってもよい。
この構成の電池パックによれば、更に、熱伝導部材に対する摺動性が被固定部材における配置面よりも高く、熱伝導部材に対向する第二摺動面を有する第二被覆部を備えている。このため、電池セルの膨張又は収縮に伴う配列方向の力は、更に、第二摺動面と熱伝導部材との摺動によって吸収されやすくなる。
本発明の電池パックは、第一方向に配列された複数の電池セルを有する電池モジュールと、電池モジュールが収容されると共に固定される被固定部材と、被固定部材と電池モジュールとの間に配置された熱伝導部材と、被固定部材における熱伝導部材が配置される配置面を覆っている第二被覆部と、を備え、第二被覆部は、熱伝導部材に対向する第二摺動面を有し、フッ素系樹脂材料、ダイアモンドライクカーボン、二硫化モリブデンのいずれかによって形成されており、熱伝導部材に対する第二摺動面の摺動性は、熱伝導部材に対する配置面の摺動性よりも高い。
この構成の電池パックによれば、被固定部材における熱伝導部材が配置される配置面に、熱伝導部材に対する摺動性が被固定部材における配置面よりも高く、熱伝導部材に対向する第二摺動面を有する第二被覆部を備えている。これにより、第二摺動面と熱伝導部材とが接触するようになり、被固定部材の配置面と熱伝導部材とが接触する割合が少なくなるので、電池モジュールの熱伝導部材に対する摺動性が向上する。このため、電池セルが第一方向、すなわち電池セルの配列方向に沿って膨張又は収縮した場合に伴う配列方向の力が、第二摺動面と熱伝導部材との摺動によって吸収されやすくなる。従って、配列方向の力が熱伝導部材に加わることを抑制することができる。
第二被覆部は、フッ素系樹脂材料により形成されていてもよい。
フッ素系樹脂材料によれば、熱伝導部材に対する摺動性が被固定部材における配置面よりも高い第二摺動面を有する第二被覆部を容易に形成することができる。
本発明によれば、電池セルの配列方向の力が熱伝導部材に加わることを抑制することができる。
第1実施形態に係る電池パックを示す斜視図である。 図1の電池モジュールを示す斜視図である。 図1の電池ホルダ、電池セル、伝熱プレートを示す分解斜視図である。 図1のIV−IV線に沿った断面図である。 第2実施形態に係る電池モジュールの断面図である。 第3実施形態に係る電池モジュールの断面図である。 変形例に係る電池モジュールの断面図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。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。
<第1実施形態>
図1に示されるように、電池パック10A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21Aが収容されている。筐体11は、金属製の四角箱状の部材である。筐体11は、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(被固定部材)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。電池モジュール21Aと側壁13との間には、熱伝導部材51(TIM:Thermal Interface Material)が配置されている(図4参照)。
図2に示されるように、電池モジュール21Aは、複数の電池セル23と、電池ホルダ22と、一対のブラケット25,25と、連結部材であるボルトB及びナットNと、を有している。また、電池モジュール21Aは、電池セル23のそれぞれに取り付けられた伝熱プレート41と、伝熱プレート41を覆う第一被覆部45と、を有している(図3参照)。
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。図3に示されるように、電池セル23は、第一側面23aと、第一側面23aと交差する第二側面23bと、を有している。電池セル23は、電池ホルダ22に保持された状態で、第一側面23aに交差する第一方向Dに配列されている。
電池ホルダ22は、底壁31と、一対の側壁32,33と、上部壁34と、一対の脚部36,36と、を有している。
底壁31は、矩形平板状に形成され、電池セル23の底部を覆う部分である。側壁32及び側壁33は、底壁31の長手方向両端から立設する部分である。側壁32及び側壁33は、矩形平板状に形成され、電池セル23の側面を覆う。上部壁34は、矩形平板状に形成され、電池セル23の第一側面23aの一部を覆う部分である。上部壁34は、側壁32の長手方向における第一端部32a(底壁31が設けられる端部とは反対側の端部)と、側壁33の長手方向における第一端部33a(底壁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。上部壁34は、その厚み方向が電池セル23の並設方向と一致し、長手方向が側壁32及び側壁33の対向方向と一致するように配置されている。底壁31、側壁32、側壁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。
側壁32及び側壁33の長手方向における第一端部32a,33aには、各側壁32,33と連設され、各側壁32,33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、側壁32及び側壁33の長手方向における第二端部32c、33cには、四角柱状の脚部36が設けられている。
図2及び図4に示されるように、一対のブラケット25,25は、第一方向Dに配列された電池セル23の配列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21A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25d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。
連結部材であるボルト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。それぞれのブラケット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。
図3に示されるように、伝熱プレート41は、第一方向Dに互いに隣接する電池セル23の間に配置される板状の部材である。伝熱プレート41は、金属(例えば、アルミニウム)製の板材をL字状に屈曲させることで形成されており、電池セル23の第一側面23aに対向すると共に矩形平板状の第一本体部42と、側壁33の外面(側壁33の厚み方向の面において収容部Sとは反対側の面)を覆うと共に、第一本体部42の長手方向一端から電池セル23の第一側面23aと交差する方向(第一方向D)に延びる矩形平板状の第二本体部43と、を有している。第二本体部43は、側壁33を介して電池セル23の第二側面23bを覆っている。また、第二本体部43は、電池モジュール21Aが熱伝導部材51を介して筐体10に固定されるときに熱伝導部材51に対向する対向面43aを有している。
図4に示されるように、第一被覆部45は、伝熱プレート41の全表面を覆うことにより、第二本体部43の対向面43aを覆っている。第一被覆部45は、熱伝導部材51に対向する第一摺動面45aを有している。熱伝導部材51に対する第一摺動面45aの摺動性は、熱伝導部材51に対する対向面43aの摺動性よりも高い。例えば、熱伝導部材51に対する静止摩擦係数が伝熱プレート41よりも小さい材料により第一被覆部45を形成することにより、熱伝導部材51に対する第一摺動面45aの摺動性を、熱伝導部材51に対する対向面43aの摺動性よりも高めることができる。
第一被覆部45は、例えば、フッ素系樹脂材料により形成されている。フッ素系樹脂材料は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、すなわちテフロン(登録商標)などである。熱伝導部材51に対するテフロンの静止摩擦係数は、熱伝導部材51に対する金属材料の静止摩擦係数よりも小さい。また、テフロンは、絶縁性を有している。なお、第一被覆部45は、例えば、ダイアモンドライクカーボン(DLC)、二硫化モリブデンなどによって形成されていてもよい。
図4に示されるように、電池モジュール21Aは、第一被覆部45の第一摺動面45aが熱伝導部材51を介して側壁13と対向するように固定されている。第一摺動面45aは、熱伝導部材51に接触している。
熱伝導部材51は、絶縁性を有するシート状の部材である。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。なお、熱伝導部材51は、液状の熱伝導材料が硬化して形成される固体状かつ弾性を有する部材を採用してもよい。
次に、第1実施形態に係る電池モジュール21A及び電池パック10A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21A及び電池パック10Aによれば、伝熱プレート41の第二本体部43における対向面43aの少なくとも一部に、熱伝導部材51に対する摺動性が伝熱プレート41における対向面43aよりも高く、熱伝導部材51に対向する第一摺動面45aを有する第一被覆部45を備えている。これにより、第一摺動面45aと熱伝導部材51とが接触するようになり、第二本体部43の対向面43aと熱伝導部材51とが接触する割合が少なくなるので、電池モジュール21Aの熱伝導部材51に対する摺動性が向上する。このため、電池セル23が第一方向D、すなわち電池セル23の配列方向に沿って膨張又は収縮した場合に伴う配列方向の力が、第一摺動面45aと熱伝導部材51との摺動によって吸収されやすくなる。従って、配列方向の力が熱伝導部材51に加わることを抑制することができる。
フッ素系樹脂材料を用いることにより、熱伝導部材51に対する摺動性が伝熱プレート41における対向面43aよりも高い第一摺動面45aを有する第一被覆部45を容易に形成することができる。
この構成の電池モジュールによれば、第一被覆部45が電池セル23と伝熱プレート41とを互いに保護する。このため、電池セル23と伝熱プレート41との直接接触により電池セル23又は伝熱プレート41の表面に傷がつくことを抑制することができる。電池セル23又は伝熱プレート41の表面に傷がつくと、金属異物が発生する場合がある。この金属異物が電池セル23と伝熱プレート41との間に介在してしまうと、電池セル23と伝熱プレート41とが金属異物を介して電気的に接続されることにより、短絡が生じるおそれがある。第一被覆部45が、テフロンに代表される絶縁性を有する材料により形成されていることで、短絡が生じることを抑制することができる。
伝熱プレート41の全表面を覆う第一被覆部45は、例えば、エアスプレー又は静電粉体スプレーを用いたコーティング、流動浸漬法によるコーティングなどにより容易に形成することができる。このため、伝熱プレート41の全表面を覆う第一被覆部45は、伝熱プレート41の一部のみに第一被覆部45を形成する場合と比較して、安価に形成することができる。
<第2実施形態>
図5に示されるように、電池パック10Bは、電池モジュール21Bの第一被覆部45を有していない点、及び第二被覆部46を有している点において相違している以外は、第1実施形態に係る電池パック10Aと同じ構成である。電池パック10Bにおいて、第二本体部43の対向面43aは、熱伝導部材51に接触している。
第二被覆部46は、側壁13の内面(筐体11において電池モジュール21Bが収容されている側)の全面を覆うことにより、熱伝導部材51が配置される配置面13aを覆っている。第二被覆部46は、熱伝導部材51に対向すると共に熱伝導部材51に接触している第二摺動面46aを有している。熱伝導部材51に対する第二摺動面46aの摺動性は、熱伝導部材51に対する配置面13aの摺動性よりも高い。例えば、熱伝導部材51に対する静止摩擦係数が側壁13(筐体11)よりも小さい材料により第二被覆部46を形成することにより、熱伝導部材51に対する第二摺動面46aの摺動性を、熱伝導部材51に対する配置面13aの摺動性よりも高めることができる。
第二被覆部46は、例えば、フッ素系樹脂材料により形成されている。フッ素系樹脂材料は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、すなわちテフロンなどである。熱伝導部材51に対するテフロンの静止摩擦係数は、熱伝導部材51に対する金属材料の静止摩擦係数よりも小さい。側壁13の内面の全面を覆う第二被覆部46は、例えば、エアスプレー若しくは静電粉体スプレーなどを用いてコーティングすること、又は、シート状の部材を貼着することにより形成することができる。なお、第二被覆部26は、例えば、ダイアモンドライクカーボン(DLC)、二硫化モリブデンなどによって形成されていてもよい。
第2実施形態に係る電池パック10Bの作用効果について説明する。上記実施形態の電池パック10Bによれば、側壁13における熱伝導部材51が配置される配置面13aに、熱伝導部材51に対する摺動性が側壁13における配置面13aよりも高く、熱伝導部材51に対向する第二摺動面46aを有する第二被覆部46を備えている。これにより、第二摺動面46aと熱伝導部材51とが接触するようになり、側壁13の配置面13aと熱伝導部材51とが接触する割合が少なくなるので、電池モジュール21Bの熱伝導部材51に対する摺動性が向上する。このため、電池セル23が第一方向D、すなわち電池セル23の配列方向に沿って膨張又は収縮した場合に伴う配列方向の力が、第二摺動面46aと熱伝導部材51との摺動によって吸収されやすくなる。従って、配列方向の力が熱伝導部材51に加わることを抑制することができる。
フッ素系樹脂材料によれば、熱伝導部材51に対する摺動性が側壁13における配置面13aよりも高い第二摺動面46aを有する第二被覆部46を容易に形成することができる。
<第3実施形態>
図6に示されるように、電池パック10Cは、第1実施形態に係る電池パック10Aが有している第一被覆部45と、第2実施形態に係る電池パック10Bが有している第二被覆部46と、をいずれも有しており、その他の構成は、電池パック10A及び電池パック10Bと同じである。電池パック10Cにおいて、第一被覆部45の第一摺動面45a、及び第二被覆部46の第二摺動面46aは、いずれも熱伝導部材51に接触している。
第3実施形態に係る電池パック10Cの作用効果について説明する。上記実施形態の電池パック10Cによれば、熱伝導部材51に対する摺動性が伝熱プレート41における対向面43aよりも高く、熱伝導部材51に対向する第一摺動面45aを有する電池モジュール21Aを備えている。このため、電池セル23の膨張又は収縮に伴う配列方向の力は、第一摺動面45aと熱伝導部材51との摺動によって吸収されやすくなる。また、電池パック10Cは、更に、熱伝導部材51に対する摺動性が側壁13における配置面13aよりも高く、熱伝導部材51に対向する第二摺動面46aを有する第二被覆部46を備えている。このため、電池セル23の膨張又は収縮に伴う配列方向の力は、更に、第二摺動面46aと熱伝導部材51との摺動によって吸収されやすくなる。従って、配列方向の力が熱伝導部材51に加わることを抑制することができる。
以上、本発明の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。
第1実施形態において、図4に示されるように、第一被覆部45は、全ての伝熱プレート41の全表面を覆っている例を挙げて説明したが、図7に示されるように、第一被覆部45は、伝熱プレート41の対向面41aのみを覆っていてもよい。あるいは、第一被覆部45は、複数の伝熱プレート41のうちの一部の伝熱プレート41のみを覆っていてもよく、複数の伝熱プレート41のうちの一部の伝熱プレート41において対向面41aのみを覆っていてもよい。第一被覆部45は、電池モジュール21Aにおける全ての対向面41aのうち少なくとも一部を覆っていればよい。
また、電池セル23と一方のブラケット25との間に、第一方向D(配列方向)に弾性を有する弾性部材が配置されていてもよい。これにより、電池セル23の膨張又は収縮に伴う、電池セル23の配列方向の力を弾性部材が吸収することができる。例えば、弾性部材は、電池セル23の伝熱プレート41に覆われていない側(図4における左側のブラケット25と電池セル23との間)に配置されていてもよい。これにより、弾性部材は、伝熱プレート41を介することなく電池セル23に接触することができる。また、この弾性部材は、更に絶縁性を有していてもよい。これにより、電池セル23とブラケット25との間の絶縁性を確保することができる。
このとき、電池セル23の配列方向の力は、弾性部材が配置されている側に向かって大きくなる。このため、第一被覆部45は、弾性部材が配置されている側に位置する対向面41aを覆っている方が、電池セル23の膨張又は収縮に伴う配列方向の力を効果的に抑制できる点で好ましい。
第2実施形態において、図5に示されるように、第二被覆部46は、側壁13の内面の全面を覆っている例を挙げて説明したが、第二被覆部46は、側壁13の配置面13aのみを覆っていてもよい。あるいは、第二被覆部46は、配置面13aの一部のみを覆っていてもよい。なお、電池セル23と一方のブラケット25との間に弾性部材が配置されている場合は、配置面13aにおける弾性部材が配置されている側に近い部分を覆っている方が、電池セル23の膨張又は収縮に伴う配列方向の力を効果的に抑制できる点で好ましい。
上記第1実施形態又は第2実施形態では、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、電池セル23は、電池ホルダ22に保持されていなくてもよい。
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。
10A,10B,10C…電池パック、13…側壁(被固定部材)、13a…配置面、21A,21B…電池モジュール、23…電池セル、23a…第一側面、23b…第二側面、41…伝熱プレート、42…第一本体部、43…第二本体部、43a…対向面、45…第一被覆部、45a…第一摺動面、46…第二被覆部、46a…第二摺動面、51…熱伝導部材、D…第一方向。

Claims (7)

  1. 絶縁性を有するシート状の熱伝導部材を介して被固定部材に固定される電池モジュールであって、
    第一側面と、前記第一側面と交差する第二側面と、を有し、前記第一側面に交差する第一方向に配列された複数の電池セルと、
    前記電池セルに取り付けられ、前記第一側面に対向する第一本体部と、前記第二側面を覆うように前記第一本体部の一端から前記第一方向に延びると共に前記熱伝導部材に対向する第二本体部と、を有する伝熱プレートと、
    前記第二本体部における前記熱伝導部材に対向する対向面の少なくとも一部を覆っている第一被覆部と、
    を備え、
    前記第一被覆部は、前記熱伝導部材に対向する第一摺動面を有し、
    前記熱伝導部材に対する前記第一摺動面の摺動性は、前記熱伝導部材に対する前記対向面の摺動性よりも高い、電池モジュール。
  2. 前記第一被覆部は、フッ素系樹脂材料により形成されている、請求項1記載の電池モジュール。
  3. 前記第一被覆部は、前記伝熱プレートの全表面を覆っている、請求項1又は2記載の電池モジュール。
  4. 請求項1〜3の何れか一項に記載の電池モジュールと、
    前記電池モジュールが収容されると共に固定される被固定部材と、
    前記被固定部材と前記電池モジュールとの間に配置された前記熱伝導部材と、
    を備える、電池パック。
  5. 前記被固定部材における前記熱伝導部材が配置される配置面を覆っている第二被覆部を更に備え、
    前記第二被覆部は、前記熱伝導部材に対向する第二摺動面を有し、
    前記熱伝導部材に対する前記第二摺動面の摺動性は、前記熱伝導部材に対する前記配置面の摺動性よりも高い、請求項4記載の電池パック。
  6. 第一方向に配列された複数の電池セルを有する電池モジュールと、
    前記電池モジュールが収容されると共に固定される被固定部材と、
    前記被固定部材と前記電池モジュールとの間に配置された熱伝導部材と、
    前記被固定部材における前記熱伝導部材が配置される配置面を覆っている第二被覆部と、
    を備え、
    前記第二被覆部は、前記熱伝導部材に対向する第二摺動面を有し、フッ素系樹脂材料、ダイアモンドライクカーボン、二硫化モリブデンのいずれかによって形成されており、
    前記熱伝導部材に対する前記第二摺動面の摺動性は、前記熱伝導部材に対する前記配置面の摺動性よりも高い、電池パック。
  7. 前記第二被覆部は、フッ素系樹脂材料により形成されている、請求項5又は6記載の電池パック。
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