JP6922752B2

JP6922752B2 - 伝熱部材、電池パック、及び車両

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Publication number: JP6922752B2
Application number: JP2018004277A
Authority: JP
Inventors: 瑛藤井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-01-15
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2038-01-15
Also published as: JP2019125449A; US20190221904A1; KR20190087307A; CN110048182A; KR102219142B1

Description

本発明は、伝熱部材、電池パック、及び車両に関する。

電池スタックを備えた電池パックは、当該電池スタック内で発生する熱による過熱を抑制するために、例えば、空冷などにより冷却されてきた。一方、電池パックの高出力化に伴い、冷却器による冷却が検討されている。
例えば特許文献１には、積層状態に固定された複数の角形電池セルの底面に冷却プレートを備え、前記複数の角形電池セルと前記冷却プレートとの間に絶縁性熱伝導シートを配設した構成が開示されている。

特開２０１３−０３３６６８号公報

冷却器により電池スタックを冷却する場合、電池スタックと冷却器との間の接触面積を確保する必要がある。伝熱部材を介して電池スタックと冷却器を配置する場合には、伝熱部材と電池スタックとの間、及び伝熱部材と冷却器との間のそれぞれで接触面積を確保する必要がある。
電池スタックは、複数の電池セルを積層してなるものであり、その製造上、冷却面に多少の凹凸が生じることがある。本発明者はこのような観点から鋭意検討の結果、上記伝熱部材として、樹脂製の伝熱部材を用いることにより、多少の凹凸を有する電池スタックであっても接触面積が確保できるとの知見を得た。

一方、樹脂製の伝熱部材上に電池スタックを配置した電池パックを、車両などに設置した場合、当該伝熱部材には、振動により瞬間的に電池スタックの重量を超える力がかかることがある。この時、当該伝熱部材は押しつぶされることがあり、力が緩和された後も、その変形が完全には回復しないことがある。その結果、電池スタックと、伝熱部材とが当接していない部分が生じ、冷却効率が低下することがあった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、耐振動性に優れた伝熱部材、振動による冷却効率の低下が抑制された電池パック、及び当該電池パックを備えた車両を提供することを目的とする。

本発明に係る伝熱部材の一実施形態は、電池スタックと、伝熱部材と、冷却器とを、この順に当接して備える電池パック用の、前記伝熱部材であって、ゴム粒子と、当該ゴム粒子よりも熱伝導性の高い樹脂と、を含む。

本発明に係る電池パックの一実施形態は、電池スタックと、伝熱部材と、冷却器とを、この順に当接して備える電池パックであって、
前記伝熱部材が、ゴム粒子と、当該ゴム粒子よりも熱伝導性の高い樹脂と、を含む。

本発明に係る車両の一実施形態は、電池スタックと、伝熱部材と、冷却器とを、この順に当接して備える電池パック、を備える車両であって、
前記伝熱部材が、ゴム粒子と、当該ゴム粒子よりも熱伝導性の高い樹脂と、を含む。

本発明によれば、耐振動性に優れた伝熱部材、振動による冷却効率の低下が抑制された電池パック、及び当該電池パックを備えた車両を提供することができる。

図１は、本実施の形態に係る電池パックの一例を示す、電池パックの概略構成を示す分解斜視図である。図２は、本実施の形態に係る電池パックの層構成の一例を示す、模式的な断面図である。図３は、本実施の形態に係る伝熱部材の一例を示す、模式的な断面図である。

以下、本実施に係る伝熱部材、電池パック、及び車両について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。なお、図中に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。

まず、図面を参照して本実施の形態にかかる電池パックの概略構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る電池パックの一例である電池パック２０の概略構成を示す分解斜視図である。図１に示されるように電池パック２０は、電池スタック１と、伝熱部材１０と、冷却器２とをこの順番に備える。電池パック２０は、必要に応じてこれらを収容するロアケース３を有していてもよい。また、電池パック２０は、本発明の効果を損なわない範囲で、更に必要に応じて他の構成を有していてもよい。
他の構成としては、例えば、低温環境下における電池の起動時などに使用するヒーターなどが挙げられる。当該ヒーターは、一例として、ロアケース３と冷却器２との間などに設けられる（図示せず）。

電池スタック１は、複数の電池セル１ａが積層されてなるものであり、図１の例では、Ｘ軸方向に積層され、公知の手段によって電気的に直列に接続されている。電池セルの構成は、特に限定されず、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池であってもよく、燃料電池であってもよい。

冷却器２は、電池スタック１を冷却するものであり、電池スタック１の少なくとも１面に配置される。図１の例では、電池スタック１の底面側に冷却器２が配置され、当該電池スタック１の底面が被冷却面１ｂとなっている。

図２は、本実施の形態に係る電池パック２０の層構成の一例を示す、模式的な断面図である。図２に示されるように、電池パック２０は、組み立て後、電池スタック１と伝熱部材１０とが当接し、また、伝熱部材１０と冷却器２とが当接している。電池スタック１で発生した熱は、伝熱部材１０を介して冷却器２に伝わり、電池スタック１が冷却される。

冷却器２は特に限定されず、例えば、ヒートシンクであってもよく、冷媒の流路を備える部材であってもよい。冷却効率の点からは、冷却器２が冷媒の流路を備える部材であることが好ましい。なお冷却器２が冷媒の流路を備える部材である場合、当該流路は冷媒を供給する冷却装置と公知の手段で接続されている。

図３は、本実施の形態に係る伝熱部材１０の一例を示す、模式的な断面図である。本実施においては、前記伝熱部材１０が、ゴム粒子５と、当該ゴム粒子よりも熱伝導性の高い樹脂４を含んでいる。上記特定の伝熱部材１０は、耐振動性に優れており、当該伝熱部材を備えた、上記電池パックは振動による冷却効率の低下が抑制される。
本実施の伝熱部材１０は、樹脂４を有するため、電池スタック１の被冷却面１ｂに多少の凹凸があっても当該被冷却面１ｂの形状に追従して接触面積を確保することができる。また、本実施の伝熱部材１０は、ゴム粒子５を有するため、振動により伝熱部材１０にかかる荷重に変動することにより伝熱部材１０が変形した場合であっても、当該変形が回復しやすく、電池スタック１と、伝熱部材１０との当接が維持される。更に、本実施の伝熱部材１０は、熱伝導性の高い樹脂４に粒子状のゴムを組み合わせることによりゴムによる熱伝導性の低下を抑制することができる。
以上のことから、本実施の伝熱部材１０は耐振動性に優れ、当該伝熱部材１０を用いた電池パックは、振動による冷却効率の低下が抑制される。

本実施の伝熱部材１０は、少なくとも樹脂４とゴム粒子５とを含むものであり、本発明の効果を損なわない範囲で更に他の成分を含んでいてもよいものである。

本実施において樹脂は、後述するゴム粒子よりも熱伝導性が高い樹脂の中から適宜選択して用いることができ、熱可塑性樹脂であってもよく、３次元架橋された樹脂であってもよい。本実施においては、機械強度などの点から、３次元架橋された樹脂を用いることがこのましい。３次元架橋された樹脂としては、硬化性樹脂の硬化物が挙げられ、光硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、２液混合型硬化性樹脂のいずれであってもよい。また、本実施において樹脂は、電池スタック１の被冷却面１ｂの凹凸に追従する弾性を有することが好ましい。
このような樹脂としては、シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂などが好適に挙げられる。熱伝導性の点からは、中でも、シリコーン系樹脂又はアクリル系樹脂であることが好ましい。また、形状追従性の点からは、シリコーン系樹脂又はエポキシ形樹脂が好ましい。シリコーン系樹脂は、製造時の取り扱い性のなどの点から、中でも、２液混合型硬化性樹脂であることが好ましい。

本実施においてゴム粒子は、前記樹脂よりも高い弾性率を有する粒子状の物質である。伝熱部材がゴム粒子を有することにより、当該伝熱部材が振動等により押しつぶされた場合であっても、形状の復元性に優れ、電池スタックと冷却器との間の熱伝導性が維持される。
ゴム粒子を構成するゴムとしては、鎖状構造を有する重合体であることが好ましく、当該重合体は、一部に硫黄などによる橋かけ構造が形成されたものであってもよい。
ゴムとしては、弾性に優れる点から、熱硬化性エラストマーを用いることが好ましい。熱硬化性エラストマーとしては、ポリイソプレンゴム、ポリブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ポリクロロプレンゴム、ニトリルゴム、エチレン−プロピレンゴム等のジエン系合成ゴム；エチレン−プロピレンゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、ポリウレタンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、エピクロルヒドリンゴム等の非ジエン系合成ゴム；天然ゴム等が挙げられる。本実施においては、中でも、ジエン系合成ゴムが好ましく、中でも、スチレン−ブタジエンゴムがより好ましい。

本実施において、ゴム粒子の平均一次粒径は特に限定されないが、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下がより好ましい。
なお、平均一次粒径は、電子顕微鏡写真から一次粒子の大きさを直接計測する方法で求めることができる。具体的には、個々の一次粒子の短軸径と長軸径を計測し、その平均をその粒子の粒径とし、２０個以上の粒子の粒系の平均値を平均一次粒径とする。

本実施において、伝熱部材中のゴム粒子の含有割合は特に限定されないが、耐振動性の点から、前記伝熱部材全量に対し、ゴム粒子の割合が１質量％以上であることが好ましく、４質量％以上であることが好ましく、５質量％以上であることが更に好ましい。一方、熱伝導性の点からは、前記伝熱部材全量に対し、ゴム粒子の割合が、２５質量％以下であることが好ましく、２２質量％以下であることがより好ましく、２０質量％以下であることが更に好ましく、１５質量％以下であることが特に好ましい。

本実施において伝熱部材の形成方法は特に限定されず、公知の方法により形成することができる。例えば、（１）硬化性樹脂と、ゴム粒子と、必要に応じて溶媒等を含有する樹脂組成物を準備し、当該樹脂組成物を冷却器に塗布し、必要に応じて加熱、又は光照射により硬化して形成する方法；（２）剥離性基材上に、樹脂と、ゴム粒子とを含む伝熱部材用のシートを形成し、当該シートを冷却器上に貼り付ける方法などが挙げられる。

本実施において伝熱部材の厚みは特に限定されないが、振動等に対する機械強度の点から、１ｍｍ以上であることが好ましく、３ｍｍ以上であることがより好ましい。一方、熱伝導性の点から、伝熱部材の厚みは、１０ｍｍ以下であることが好ましく、８ｍｍ以下であることがより好ましい。

本実施の電池パックは、上記本実施の伝熱部材を備えるため、振動による冷却効率の低下が抑制されるため、振動の生じやすい部材にも好適に用いることができ、例えば車両用の電池パックとして好適に用いることができる。

以下、本実施の伝熱部材について実施例を用いてより具体的に説明する。なお、これらの記載により本発明を制限するものではない。

［実施例１］
２液混合型の硬化性シリコーン系樹脂に、粒径が１６７ｎｍのスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）を、３．５質量％となるように添加し、スタティックミキサで混合した後、冷却器上に、ディスペンサーにて吐出し、厚さ５ｍｍ、幅３０ｍｍの伝熱部材を得た。

［実施例２〜６］
実施例１において、ＳＢＲの含有割合を、下表１のように変更した以外は、実施例１と同様にし、実施例２〜６の伝熱部材をそれぞれ得た。

［比較例１］
実施例１において、ＳＢＲを添加しなかったこと以外は、実施例１と同様にし、比較例１の伝熱部材を得た。

＜耐振動性評価＞
前記実施例及び比較例の伝熱部材上に電池スタックを搭載し、固定した。次いで、伝熱部材に重力の３倍（３Ｇ）が加わる振動を１５分間与えた。振動後、伝熱部材から電池スタックを剥がし、スタックの底面を観察し、伝熱部材が接していた面積に対し、伝熱部材が付着していない部分の面積の割合を算出した。算出値を被接触面積比率として表１に示す。電熱部材が付着していない部分は、振動によりスタックから伝熱部材が剥がれたものと評価される。

＜熱伝導率評価＞
上記実施例１〜６及び比較例１と同様の組成を有し、厚さ５ｍｍ、直径３３ｍｍの伝熱部材を準備した。当該伝熱部材について、それぞれ、ＡＳＴＭＤ５４７０に準拠した定常法により、熱伝導率を測定した。具体的には、熱抵抗測定装置（ＴＩＭＴｅｓｔｅｒ１４００）伝熱部材を冷却版とヒーターで挟み込み、上下の温度差の変化から、熱伝導率を測定した。結果を表１に示す。

［結果のまとめ］
熱伝導率評価結果から、樹脂に粒子状のゴムを添加しても、熱伝導率の低下が生じ難いことが明らかとなった、特にゴム粒子の含有割合が２０質量％以下の範囲では、ゴム粒子を添加しなかった比較例１と同様の熱伝導率が得られている。
一方、耐振動性評価結果から、ゴム粒子を添加しなかった比較例１では電池スタックの８０％の部分で伝熱部材の剥がれが生じており、冷却効率が低下しているのに対し、実施例１〜６では、電熱部材の剥がれが抑制されており、振動時においても冷却効率に優れていることが示された。

１電池スタック
１ａ電池セル
１ｂ被冷却面
２冷却器
３ロアケース
４樹脂
５ゴム粒子
１０伝熱部材
２０電池パック

Claims

電池スタックと、伝熱部材と、冷却器とを、この順に当接して備える電池パック用の、前記伝熱部材であって、
ゴム粒子と、当該ゴム粒子よりも熱伝導性の高い樹脂と、を含み、
前記ゴム粒子が、スチレン−ブタジエンゴムであり、
前記樹脂が、シリコーン系樹脂であり、
前記伝熱部材全量に対し、前記ゴム粒子の含有割合が、２０質量％以下である、伝熱部材。
電池スタックと、伝熱部材と、冷却器とを、この順に当接して備える電池パックであって、
前記伝熱部材が、ゴム粒子と、当該ゴム粒子よりも熱伝導性の高い樹脂と、を含み、
前記ゴム粒子が、スチレン−ブタジエンゴムであり、
前記樹脂が、シリコーン系樹脂であり、
前記伝熱部材全量に対し、前記ゴム粒子の含有割合が、２０質量％以下である、電池パック。
電池スタックと、伝熱部材と、冷却器とを、この順に当接して備える電池パック、を備える車両であって、
前記伝熱部材が、ゴム粒子と、当該ゴム粒子よりも熱伝導性の高い樹脂と、を含み、
前記ゴム粒子が、スチレン−ブタジエンゴムであり、
前記樹脂が、シリコーン系樹脂であり、
前記伝熱部材全量に対し、前記ゴム粒子の含有割合が、２０質量％以下である、車両。
前記伝熱部材全量に対し、前記ゴム粒子の含有割合が、１５質量％以下である請求項２記載の電池パック。
前記伝熱部材全量に対し、前記ゴム粒子の含有割合が、５質量％以上である請求項２又は４記載の電池パック。