JP6775686B2 - 円筒型バッテリーセルの放熱構造 - Google Patents

Description

本発明は、円筒型バッテリーセルの放熱構造に係り、更に詳しくは、高い電流でバッテリーセルが放電される場合に生じるバッテリーセルとプレートの発熱問題を解決するために電気伝導度が異なる複数枚のプレートを構成して電流を分散させ、前記プレートの下部に放熱構造を構成する円筒型バッテリーセルの放熱構造に関する。

リチウムイオンバッテリーは、形状に応じて、大きく、円筒型、角型、ポリマーに大別できる。ここで、円筒型バッテリーは、円筒型に形成されたバッテリーであって、高容量、高い出力の特徴を有している。したがって、円筒型バッテリーは、主として多量の電力を必要とする製品及び分野に用いられる。例えば、瞬時に大きな力が求められる電動工具、電気自動車、電気自転車などに適用可能である。

一方、円筒型バッテリーは、一般に、多数の円筒型バッテリーセルにより構成される。円筒型バッテリーを製作するためには、多数のバッテリーセルを電気的に接続する過程が必要である。このように多数のバッテリーセルを電気的に接続する方式は、一般に、セルの上部分とニッケルプレートとを抵抗溶接することにより行われる。即ち、例えば、短冊状を有するニッケルプレートの一つの部分はバッテリーセルの上部と連結し、反対側の部分は別のバッテリーセルと連結されたニッケルプレートと溶接連結することにより、バッテリーセル同士を電気的に接続するのである。

しかしながら、このような方式を利用する場合、バッテリーセルの上部分とニッケルプレートとが連結される部分は一部である。それ故に、バッテリーセルからニッケルプレートへと電流が移動する接触面積が一部しか形成されないといった構造を有してしまう。ここで、前記ニッケルプレートは、材質の特性上、電気伝導性の限界を有している。

したがって、上述したような構造において、バッテリーセルを高い電流で放電する場合、高い電流がニッケルプレートへと移動するとき、バッテリーセルとニッケルプレートとの接触領域である電流が移動する面積とニッケルプレートの電気伝導性の限界に起因して、ニッケルプレートとバッテリーセルに多量の熱が生じてしまう。

本発明は、上述したような構造を有する円筒型バッテリーにおいて、バッテリーセルを高い電流で放電する場合、バッテリーセルとニッケルプレートの発熱問題を解決しようとするものである。

本発明の実施形態に係る円筒型バッテリーセルの放熱構造は、バッテリーセルの上部の一部の領域と接触し、前記バッテリーセルの電流が放電される第１のプレートと、前記第１のプレートとバッテリーセルとの間に位置するが、前記バッテリーセルとは接触しないように配置された第２のプレートと、前記第２のプレートと前記バッテリーセルとの間に配備され、前記バッテリーセルに接触して、バッテリーセルから発せられる熱を第２のプレートに伝える伝熱部と、を備えてなり、前記第２のプレートは、前記第１のプレートにおいてバッテリーセルと接触されなかった領域に接触されて、第１のプレートから放電される電流が更に放電されることを特徴とする。

一方、前記第２のプレートは、前記第１のプレートよりも電気伝導度が高い物質により構成されることを特徴とする。ここで、前記第１のプレートは、ニッケルにより構成されることを特徴とする。なお、前記第２のプレートは、銅により構成されることを特徴とする。

一方、前記伝熱部は、伝熱物質（ＴＩＭ）により構成されることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る円筒型バッテリーセルの放熱システムは、バッテリーセルの電流を測定する電流測定部と、前記電流測定部において測定されたバッテリーセルの電流が所定の値以上である場合、バッテリーセルの電流が放電されるように制御する制御部と、前記バッテリーセルの上部の一部の領域と接触し、前記制御部の制御に従ってバッテリーセルの電流が放電される第１のプレートと、前記バッテリーセルと第１のプレートとの間に位置するが、前記バッテリーセルとは接触しないように配置され、前記第１のプレートにおいてバッテリーセルと接触していない領域に接触されて、前記第１のプレートから放電される電流が更に放電される第２のプレートと、前記第２のプレートと前記バッテリーセルとの間に配備され、前記バッテリーセルに接触して、バッテリーセルから発せられる熱を第２のプレートに伝える伝熱部と、を備えてなる。

一方、前記第２のプレートは、前記第１のプレートよりも電気伝導度が高い物質により構成されることを特徴とする。ここで、前記第１のプレートは、ニッケルにより構成されることを特徴とする。なお、第２のプレートは、銅により構成されることを特徴とする。

一方、前記伝熱部は、伝熱物質（ＴＩＭ）により構成されることを特徴とする。

本発明は、円筒型バッテリーの構造において、電気伝導度が異なる複数枚のプレートを構成して、バッテリーセルの放電に際して電流を分散させることにより、電気伝導度の向上効果が得られ、その結果、プレートの発熱量を減らすことができる。

また、バッテリーセルとプレートとの間に伝熱物質を構成して、セルから発せられる熱をプレートに伝えることにより、セルの温度を下げる放熱効果を有している。

従来のバッテリーセルの電気的な接続構造の正面図である。 本発明に係るバッテリーセルの放熱構造の正面図である。 図２の部分拡大図である。

以下では、添付図面に基づいて、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できる程度に本発明の実施形態を詳しく説明する。しかしながら、本発明は、種々の異なる形態に具体化可能であり、ここで説明する実施形態に限定されるものではない。なお、図中、本発明を明確に説明するために、説明とは無関係な部分は省略し、明細書の全般に亘って、類似の部分には類似の図面符号を付している。

「第１の」、「第２の」など序数を含む言い回しは、様々な構成要素を説明するうえで使用可能であるが、前記構成要素は、前記言い回しによって何等限定されない。前記言い回しは、ある構成要素を他の構成要素から区別する目的でしか使えない。例えば、本発明の権利範囲を逸脱しないつつも、第１の構成要素は第２の構成要素と命名されてもよく、同様に、第２の構成要素もまた第１の構成要素と命名されてもよい。本出願において用いた用語は、単に特定の実施形態を説明するために用いられたものであり、本発明を限定しようとする意図はない。単数の表現は、文脈からみて明らかに他の意味を有さない限り、複数の言い回しを含む。

明細書の全般に亘って、ある部分が他の部分と「連結」されているとか、「接続」されているとか、と言及された場合、前記ある部分が前記他の部分に直接的に連結されたり接続されたりすると理解されるべきであるか、または、新たな他の部材を介して電気的に連結されたり接続されたりすると理解されるべきである。なお、ある部分がある構成要素を「備える」としたとき、これは、特に断りのない限り、他の構成要素を除外するわけではなく、他の構成要素をさらに備えていてもよいことを意味する。

本願の明細書の全般に亘って用いられる度合いの言い回しである「〜するステップ」又は「〜のステップ」は、「〜のためのステップ」を意味するものではない。

本発明において用いられる用語としては、本発明における機能を考慮したうえで、できる限り現在汎用されている通常の用語を選択したが、これは、当分野に携わっている技術者の意図又は判例、新たな技術の出現などに応じて異なる。なお、特定の場合、出願人が任意に選定した用語もあり、この場合、対応する発明の説明の部分において詳しくその意味を記載する。したがって、本発明において用いられる用語は、単なる用語の名称ではなく、その用語が有する意味と本発明の全般に亘たっての内容に基づいて定義されるべきである。

以下、図面に基づいて、本発明を詳述する。

図１は、従来のバッテリーパックの製作に当たってのバッテリーセル同士の連結構造を簡略に示すものである。

前記図１を参照すると、従来の円筒型バッテリーパックを製作するための多数のバッテリーセル１０を電気的に接続する方式は、バッテリーセル１０の上部の一部の領域Ａとニッケルプレート２０とを抵抗溶接することにより行われていた。

このような方式により連結された構造を有する円筒型バッテリーパックにおいて、バッテリーセルの電流が一定の基準値以上である場合にバッテリーセルの電流が放電されるように制御される。このとき、バッテリーセルの電流が放電されることは、バッテリーセル１０の電流がバッテリーセルとニッケルプレートとが接触したバッテリーセルの上部の一部の領域Ａを通ってニッケルプレート２０へと移動して行われる。即ち、バッテリーセルの放電に際して、バッテリーセルの電流はニッケルプレート２０へと移動して、前記ニッケルプレート２０から放電されるのである。

しかしながら、前記ニッケルプレート２０は、材質の特性上、電気伝導性の限界があるため、高い電流でバッテリーセルが放電される場合、当該電流がニッケルプレート２０へと移動することになり、これにより、前記ニッケルプレート２０は、バッテリーセル１０から移動する電流により多量の熱が生じてしまう。また、図１に示すように、バッテリーセル１０の電流がニッケルプレート２０へと移動する領域Ａは、バッテリーセルの一部の領域に過ぎないため、電流の移動にも限界を有している。したがって、高い電流でバッテリーセルが放電される場合、領域Ａを通ってバッテリーセル１０からニッケルプレート２０へと円滑に移動し切れなかった電流によりバッテリーセルからもまた多量の熱が発せられてしまう。このようなバッテリーセルとニッケルプレートの発熱問題は、バッテリーセルが損なわれるなどの各種の問題を引き起こす虞がある。

したがって、本発明は、上述したように、従来の円筒型バッテリーの構造において生じるバッテリーセルとニッケルプレートの発熱問題を解決するための円筒型バッテリーセルの放熱構造を提案しようとする。

図２は、本発明に係る円筒型バッテリーセルの放熱構造の正面図である。

前記図２を参照すると、円筒型バッテリーセルの放熱構造を設計するためには、バッテリーセル１００と、第１のプレート２００と、第２のプレート３００及び伝熱部４００を備えていてもよい。

同図に示すように、第１のプレート２００の片側部分は、バッテリーセルの上部の一部の領域Ｆと連結される。これにより、バッテリーセルが放電される場合、バッテリーセルの電流は、バッテリーセル１００と第１のプレート２００とが接触する領域Ｆを通って第１のプレート２００へと移動し、移動した電流は、第１のプレート２００から放電されるのである。

即ち、バッテリーセル１００と第１のプレート２００とが接触する領域「Ｆ」は、バッテリーセルの電流が第１のプレート２００へと移動する移動領域となるのである。したがって、バッテリーセル１００の電流が第１のプレート２００へと移動することにより、第１のプレートからバッテリーセルの電流が放電される。

ここで、第１のプレート１００は、例えば、短冊状を有してもよい。

一方、同図に示すように、第２のプレート３００は、前記バッテリーセル１００と前記第１のプレート２００との間に位置するが、前記バッテリーセルとは接触しないように配置される。即ち、前記第２のプレート３００は、バッテリーセルの電流が第１のプレート２００へと移動する移動領域Ｆではなく、第１のプレートの部分とバッテリーセルとの間に配置されるのである。

このようにして配置された前記第２のプレート３００からは、前記第１のプレート２００から放電されるバッテリーセルの電流が更に放電され得る。

このような放熱構造を拡大した図３に基づいてその原理について説明すれば、高放電率でバッテリーセルを放電するとき、バッテリーセルの電流は、移動領域Ｆを通って第１のプレート２００へと移動し、第１のプレート２００へと移動したバッテリーセルの電流が第２のプレート３００へと移動するのである。即ち、バッテリーセルの電流が一枚のプレートへと移動して、一枚のプレートからバッテリーセルの電流が放電される従来の方式とは異なり、本発明は、バッテリーセルの電流が二枚のプレートに分散して放電されるような構造である。

したがって、高い電流でバッテリーセルが放電される場合、バッテリーセルの電流の流れは、第１のプレート２００から１次的に放電され、更に第２のプレート３００へと移動して放電されるのである。

このように、バッテリーセルの電流が二枚のプレートから放電されるようにすることで、一枚のプレートから電流が放電されることにより生じるプレートの発熱量を減らすことができる。

ここで、第２のプレート３００は、第１のプレート２００よりも電気伝導度が高い物質により構成される。例えば、第１のプレート２００は、ニッケル（Ｎｉ）により構成されてもよく、第２のプレート３００は、ニッケルよりも電気伝導度が高い銅（Ｃｕ）により構成されてもよい。

一方、伝熱部４００は、前記第２のプレート３００と前記バッテリーセル１００との間に配備され、前記バッテリーセルに接触して、バッテリーセルから発せられる熱を第２のプレート３００に伝える構成要素である。

前記伝熱部４００は、バッテリーセルの放電に際してバッテリーセルから発せられる熱を第２のプレートに伝えることにより、バッテリーセルの温度を下げることができる。前記第２のプレート３００は、熱伝導度が高い物質である、例えば、銅（Ｃｕ）により構成されるので、伝熱部４００を介して伝えられた、バッテリーセルから発せられる熱をより有効に放熱することができる。

したがって、高い電流で放電する場合、移動領域Ｆを通ってバッテリーセル１００から第１のプレート２００へと円滑に移動し切れなかった電流によりバッテリーセルから熱が発せられる場合、前記伝熱部４００が当該熱を第２のプレート３００に伝えて放熱することにより、バッテリーセルの発熱現象を低減することができる。

ここで、前記伝熱部４００は、例えば、伝熱／放熱物質（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）により構成され、放熱グリース、放熱シート、放熱パッド、熱伝導性接着剤、ＰＣＭ（相変化物質）などを含んでいてもよい。

以上において説明した図２の放熱構造を適用した円筒型バッテリーセルの放熱システムについて説明する。

本発明の放熱構造を適用して設計した円筒型バッテリーパックは、バッテリーセル１００と、第１のプレート２００と、第２のプレート３００と、伝熱部４００と、電流測定部５００及び制御部６００を備えていてもよい。

電流測定部５００は、バッテリーセルの電流を測定する構成である。

一方、制御部６００は、前記電流測定部５００において測定されたバッテリーセルの電流が所定の値以上である場合、バッテリーセル１００の電流が放電されるように制御する構成要素である。

前記制御部６００は、バッテリーセルが過充電又は過放電することを防ぐ役割を果たすものである。即ち、前記制御部６００は、保護回路などの構成要素であるといえる。

前記制御部６００において、バッテリーセルが放電されるように制御すれば、前記バッテリーセル１００の電流は、バッテリーセルと第１のプレート２００とが接触する領域Ｆを通って第１のプレート２００へと移動することになる。なお、第１のプレート２００へと移動して放電されるバッテリーセルの電流は、第２のプレート３００へと移動することになる。したがって、前記第２のプレート３００からは、前記第１のプレート２００から放電される電流が更に放電されるのである。

即ち、バッテリーセルの放電に際して、バッテリーセルの電流が第１のプレート２００から第２のプレート３００へと移動し、二枚のプレート２００、３００から分散して放電されるといえる。

ここで、前記第２のプレート３００は、前記第１のプレート２００よりも電気伝導度が高い物質により構成される。例えば、第１のプレート２００は、ニッケル（Ｎｉ）により構成され、第２のプレート３００は、銅（Ｃｕ）により構成されてもよい。

一方、バッテリーセル１００と第２のプレート３００との間に配備された伝熱部４００は、バッテリーセルから発せられる熱を第２のプレートに伝える。

バッテリーセルの電流が、バッテリーセルと第１のプレート２００とが接触する一部の領域Ｆを通って移動するので、高い電流でバッテリーセルが放電される場合、移動領域Ｆを通ってバッテリーセル１００から第１のプレート２００へと電流が円滑に移動し切れなかった場合、当該電流によりバッテリーセルからは熱が発せられる虞がある。このため、バッテリーセル１００と第２のプレート３００との間に伝熱部４００を構成して、上記の場合にバッテリーセルから発せられる熱を第２のプレート３００に伝えることにより、バッテリーセルの温度を下げることができる。

このとき、前記第２のプレート３００は、上述したように、電気伝導度が高い物質である、例えば、銅（Ｃｕ）により構成されるので、伝熱部４００から伝えられるバッテリーセルの熱を放熱することができるのである。

ここで、前記伝熱部４００は、例えば、伝熱／放熱物質（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）により構成され、放熱グリース、放熱シート、放熱パッド、熱伝導性接着剤、ＰＣＭ（相変化物質）などを含んでいてもよい。

一方、本発明の技術的思想は、前記実施形態に基づいて具体的に記述されたが、前記実施形態はその説明のためのものであり、その制限のためのものではないということに留意すべきである。なお、本発明の技術分野における当業者であれば、本発明の技術思想の範囲内において種々の実施形態が採用可能であるということが理解できる筈である。

１００ バッテリーセル
２００ 第１のプレート
３００ 第２のプレート
４００ 伝熱部

Claims (10)

1. 円筒型バッテリーセルの放熱構造において、
   バッテリーセル（１００）の上部の一部の領域と接触し、前記バッテリーセル（１００）の電流が放電される第１のプレート（２００）と、
   前記第１のプレート（２００）とバッテリーセル（１００）との間に位置するが、前記バッテリーセル（１００）とは接触しないように配置された第２のプレート（３００）と、
   前記第２のプレート（３００）と前記バッテリーセル（１００）との間に配備され、前記バッテリーセル（１００）に接触して、バッテリーセル（１００）から発せられる熱を第２のプレート（３００）に伝える伝熱部（４００）と、
   を備えてなり、
   前記第２のプレート（４００）は、前記第１のプレート（２００）においてバッテリーセル（１００）と接触されなかった領域に接触されて、第１のプレート（２００）から放電される電流が更に放電されることを特徴とするバッテリーセルの放熱構造。
2. 前記第２のプレートは、前記第１のプレートよりも電気伝導度が高い物質により構成されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーセルの放熱構造。
3. 前記第１のプレートは、ニッケルにより構成されることを特徴とする請求項２に記載のバッテリーセルの放熱構造。
4. 前記第２のプレートは、銅により構成されることを特徴とする請求項２に記載のバッテリーセルの放熱構造。
5. 前記伝熱部は、伝熱物質（ＴＩＭ）により構成されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーセルの放熱構造。
6. 円筒型バッテリーセルの放熱システムにおいて、
   バッテリーセルの電流を測定する電流測定部と、
   前記電流測定部において測定されたバッテリーセルの電流が所定の値以上である場合、バッテリーセルの電流が放電されるように制御する制御部と、
   前記バッテリーセルの上部の一部の領域と接触し、前記制御部の制御に従ってバッテリーセルの電流が放電される第１のプレートと、
   前記バッテリーセルと第１のプレートとの間に位置するが、前記バッテリーセルとは接触しないように配置され、前記第１のプレートにおいてバッテリーセルと接触していない領域に接触されて、前記第１のプレートから放電される電流が更に放電される第２のプレートと、
   前記第２のプレートと前記バッテリーセルとの間に配備され、前記バッテリーセルに接触して、バッテリーセルから発せられる熱を第２のプレートに伝える伝熱部と、
   を備えてなるバッテリーセルの放熱システム。
7. 前記第２のプレートは、前記第１のプレートよりも電気伝導度が高い物質により構成されることを特徴とする 請求項６に記載のバッテリーセルの放熱システム。
8. 前記第１のプレートは、ニッケルにより構成されることを特徴とする請求項７に記載のバッテリーセルの放熱システム。
9. 前記第２のプレートは、銅により構成されることを特徴とする請求項７に記載のバッテリーセルの放熱システム。
10. 前記伝熱部は、伝熱物質（ＴＩＭ）により構成されることを特徴とする請求項６に記載
    のバッテリーセルの放熱システム。