JP6990780B2 - 電池モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、電池モジュールに関する。
一般に、ハイブリット車や電池自動車等の車両に搭載されるリチウムイオン二次電池等の電池セルは、セルケース内に電極板と共に電解液が封入されている。図７は、一般的な電池セル１００を示している。電池セル１００は、セルケース１０１の内部に発生した異常ガスを外部に逃がすための防爆弁（安全弁）１０３を有する。電池セル１００は電解液を含むため、電解液によって防爆弁１０３が塞がれないように、防爆弁１０３をセルケース１０１の上面の封口板１０１ａに設け、防爆弁１０３が上方を向くように配置される。通常、封口板１０１ａには、正負一対の電極端子１０２が突設されるため、必然的に電極端子１０２も上方を向くように配置される。
ところで、電池セルは充放電により発熱するため、耐久性の観点から冷却の必要がある。従来では、電極端子が上方を向くように配置された電池セルの底面（電極端子が突設される面の反対面）を、ウォータージャケット等の冷却機構によって冷却される支持プレートに熱的に接触させることにより、電池セル全体を冷却するようにしている。
図８は、この場合の冷却機構と電池セルとの関係を模式的に示している。電極端子１０２が上方に向くように配置された電池セル１００は、セルケース１０１の底面１０１ｂを、伝熱シート３０１を介して支持プレート２００に熱的に接触させて載置される。電池セル１００は、セルケース１０１の内部に絶縁袋１０４に入れられた電極板１０５が収容されている。セルケース１０１の外面は絶縁フィルム１０６によって被覆されている。支持プレート２００は、内部に冷却媒体が流通するウォータージャケット４００上に伝熱シート３０２を介して熱的に接触して載置される。
このような冷却構造において、電極板１０５で発生した熱は、図８中の矢印で示すように、電極板１０５→絶縁袋１０４→セルケース１０１→絶縁フィルム１０６→伝熱シート３０１→支持プレート２００→伝熱シート３０２→ウォータージャケット４００→冷却媒体という経路を辿って伝達され、冷却媒体と熱交換されることで冷却される。
特開２０１３－６９５５８号公報
しかしながら、上記冷却構造では、電池セル内の電極板で発生した熱が冷却媒体で熱交換されるまでの間に数多くの部品を経由するため、熱抵抗が大きい。しかも、電池セルにおける電極端子は、電極板と直接的に接続されて電極板の熱が伝わり易く、最も発熱する部位であるにもかかわらず、冷却媒体から最も遠くに配置される。これらの理由から、従来の冷却構造は、電池セルの冷却効率が極めて悪い、という問題がある。
そこで、本発明は、電池セルの冷却効率を向上させた電池モジュールを提供することを目的とする。
（１） 本発明に係る電池モジュールは、正電極層（例えば、後述の正電極層２０１）、負電極層（例えば、後述の負電極層２０２）及び固体電解質層（例えば、後述の固体電解質層２０３）を有する全固体電池からなる電池セル（例えば、後述の電池セル２）と、前記電池セルが装着される支持プレート（例えば、後述の支持プレート３）と、前記支持プレートを冷却する冷却媒体が流通する冷却媒体流路（例えば、後述の冷却媒体流路４１）と、を備える電池モジュール（例えば、後述の電池モジュール１）であって、前記電池セルの一面（例えば、後述の封口板２２）に電極端子（例えば、後述の正極端子２３ａ、負極端子２３ｂ）が突設され、前記電池セル装着面に、前記電極端子と電気的に接続可能なバスバー（例えば、後述のバスバー５）を有し、前記バスバーは、前記支持プレートに熱的に接触し、前記電池セルは、前記一面を前記電池セル装着面に対向させると共に、前記電極端子を前記バスバーに電気的に接続させることにより、前記支持プレートに装着される。
上記（１）に記載の電池モジュールによれば、電池セルと冷却機構との間の伝熱経路上の部品点数を大幅に削減できるため、電池セルの冷却効率を向上させることができる。
（２） （１）に記載の電池モジュールにおいて、前記バスバーは、前記電極端子を挿入可能な電極端子挿入孔（例えば、後述の電極端子挿入孔５１）を有し、前記電極端子は、前記バスバーの前記電極端子挿入孔に対して抜き差し可能に固定されるものであってもよい。
上記（２）に記載の電池モジュールによれば、電極端子をバスバーに挿入するだけで、電池セルを支持プレートの電池セル装着面に装着できるため、装着作業が極めて簡単である。また、電池端子をバスバーから引き抜くだけで、電池セルを電池セル装着面から容易に取り外すことができる。
（３） （１）又は（２）に記載の電池モジュールにおいて、前記バスバーは、前記電池セル装着面に形成された凹部（例えば、後述のバスバー収容凹部３２）内に設けられるものであってもよい。
上記（３）に記載の電池モジュールによれば、バスバーと支持プレートとが熱的に接触する面積を大きく確保することができるため、バスバーを介して電池セルの電極端子をより効率的に冷却することができる。
（４） （１）～（３）のいずれかに記載の電池モジュールにおいて、前記電池セルの底面（例えば、後述の封口板２２）に、正負一対の前記電極端子が下向きに突設され、前記支持プレートの上面に、前記電池セル装着面を有するものであってもよい。
上記（４）に記載の電池モジュールによれば、支持プレートの上面に電池セルが装着されるため、電池セルの装着作業が容易である。
（５） （１）～（４）のいずれかに記載の電池モジュールにおいて、前記電池セルは扁平な直方体形状を有し、前記電池セル装着面に、複数の前記電池セルが厚み方向に並列されるものであってもよい。
上記（５）に記載の電池モジュールによれば、複数の電池セルを支持プレート上にコンパクトに配列させることができる。
本発明によれば、電池セルの冷却効率を向上させた電池モジュールを提供することができる。
本発明に係る電池モジュールの一実施形態を示す斜視図である。 一つの電池セルを底面側から見た斜視図である。 電池セルに収容される電極板の構造を示す断面図である。 本発明に係る電池モジュールの支持プレートを示す平面図である。 本発明に係る電池モジュールを図４中のＡ－Ａ線に沿って切断した断面図である。 本発明に係る電池モジュールを図４中のＢ－Ｂ線に沿って切断した断面図である。 電解液を有する電池セルの一例を示す斜視図である。 従来の電池セルの伝熱経路を説明する模式図である。
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に示すように、本実施形態に示す電池モジュール１は、複数の電池セル２と、ｙ方向に沿って積層状態で装着される複数の電池セル２を支持する支持プレート３と、支持プレート３を冷却するウォータージャケット４と、を有する。なお、以下に示す各図中の方向において、ｘ、ｙ、ｚの各方向は互いに直交する方向を示す。ｘ方向は、電池セル２の幅方向を示す。ｙ方向は、電池セル２の厚み方向を示す。ｚ方向は、電池セル２の高さ方向を示す。本実施形態において、ｚ方向が指す方向は、重力の方向と反対方向であり、電池モジュール１の上方向を示す。
本実施形態に示す電池セル２は、電解液を含まない全固体電池からなり、セルケース２１内に電極板２０（図３）を収容する。図２に示すように、セルケース２１は、アルミニウムやアルミニウム合金等からなり、底面側が開口し、ｙ方向に扁平な直方体状の箱体である。電池セル２の底面（セルケース２１の底面）は、同じくアルミニウムやアルミニウム合金等の金属板からなる封口板２２によって閉鎖されている。
封口板２２には、内部の電極板２０と電気的に接続される電極端子である正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂが、下方に向けて突設されている。本実施形態に示す正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂは円柱状であり、電池セル２の幅方向に互いに離隔して配置されている。封口板２２の表面には、伝熱シート１１が貼り付けられている。伝熱シート１１は、例えばシリコーン等の伝熱性及び絶縁性を有するシートにより構成される。正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂは、伝熱シート１１を貫通して下方に向けて突出している。
図３に示すように、電極板２０は、複数の正電極層２０１と、複数の負電極層２０２と、複数の固体電解質層２０３と、複数の正極集電体２０４ａと、複数の負極集電体２０４ｂと、を有し、これらがｙ方向に沿って積層一体化されている。正電極層２０１は正極活物質を有し、正極集電体２０４ａの両面に塗工される。負電極層２０２は負極活物質を有し、負極集電体２０４ｂの両面に塗工される。固体電解質層２０３は、イオン導電性を有する固体状の電解質を有し、正電極層２０１と負電極層２０２との間に介在される。正極集電体２０４ａ及び負極集電体２０４ｂは、アルミニウム、銅、ＳＵＳ等の金属箔からなる。これら各層により構成される電極板２０は、積層方向に所定の荷重（初期荷重）が付与されることにより、ｙ方向に圧縮されている。圧縮された電極板２０は、図示しない絶縁袋に収容された状態で、絶縁袋と一緒にセルケース２１内に収容される。正極端子２３ａは、電極板２０の正極集電体２０４ａに電気的に接続され、負極端子２３ｂは、電極板２０の正極集電体２０４ａに電気的に接続される。
支持プレート３は、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属板、窒化アルミ等のセラミックス板等の伝熱性を有する平板からなる。図１、図４に示すように、支持プレート３の上面は、複数の電池セル２が装着される電池セル装着面３１とされる。本実施形態に示す支持プレート３は、図１、図４に示すように、電池セル装着面３１に５つの電池セル２を厚み方向に並べて装着可能とされるが、装着される電池セル２の数は制限されない。支持プレート３のサイズは、電池セル装着面３１に装着する電池セル２の数に応じて適宜設定される。
支持プレート３の電池セル装着面３１には、複数のバスバー５が設けられる。バスバー５は、隣り合う２つの電池セル２、２の電極端子同士を電気的に接続する導電部材であり、アルミニウム、ステンレス、銅等の金属材によって平面視矩形状に形成されている。バスバー５の厚みは、電池セル２の正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂの突出高さと同程度に形成されている。本実施形態に示す支持プレート３は、長手方向をそれぞれｙ方向に配向させた４つのバスバー５を有する。４つのバスバー５は、電池セル装着面３１のｘ方向に、電池セル２の一対の電極端子２３、２３の離隔間隔に対応する間隔で、２つずつに分かれて配置されている。ｘ方向に分かれた２つずつのバスバー５は、それぞれｙ方向に一直線上に並んでいる。
バスバー５は、電池セル２の正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂを挿入可能な一対の電極端子挿入孔５１、５１を有する。一対の電極端子挿入孔５１、５１は、ｙ方向に一直線状に並んでいる。バスバー５の一対の電極端子挿入孔５１、５１の間隔は、２つの電池セル２、２をｙ方向に積層したときの隣り合う電極端子の間隔に対応する。ｙ方向に一直線上に並ぶ２つのバスバー５、５は、４つの電極端子挿入孔５１が一定の間隔で並ぶように配置されている。また、ｘ方向に分かれた一方の２つのバスバー５、５と他方の２つのバスバー５、５とは、１つ分の電池セル２の厚みに相当するピッチで互いにずれている。バスバー５をｘ方向に沿って観察した場合、ｘ方向に分かれたバスバー５、５同士の電極端子挿入孔５１、５１は、ｘ方向に一直線上に並んで配置される。
バスバー５は、電池セル装着面３１に形成されたバスバー収容凹部３２内に、伝熱シート１１と同様の材質からなる伝熱シート１２を介して配置される。バスバー収容凹部３２は、バスバー５の平面形状よりもやや大きな矩形状を有し、電池セル装着面３１からバスバー５の厚み寸法よりもやや深い寸法で凹設されている。具体的には、バスバー収容凹部３２の深さは、バスバー５の厚みに伝熱シート１２の厚みを加えた寸法を有する。バスバー５は、伝熱シート１２を介してバスバー収容凹部３２内に収容されることにより、バスバー５の下面及び４つの側面の全体が伝熱シート１２に覆われる。これにより、伝熱シート１２を介する支持プレート３とバスバー５との接触面積が大きく確保されている。また、バスバー収容凹部３２内に収容されたバスバー５の上面は、電池セル装着面３１と略面一状に配置される。
バスバー５は、伝熱シート１２を介してバスバー収容凹部３２内に配置されることにより、支持プレート３と熱的に接触する。本発明において、「熱的に接触する」とは、二部材間（ここでは支持プレート３とバスバー５との間）で熱が伝達可能であることをいう。本実施形態では、支持プレート３とバスバー５との間に伝熱シート１２が介在されているが、伝熱性（支持プレート３が導電性である場合は伝熱性及び絶縁性）を有するものであれば、伝熱シート１２以外の伝熱部材が介在されてもよい。また、支持プレート３が非導電性である場合は、伝熱部材を介さずに、支持プレート３とバスバー５とが直接接触してもよい。
支持プレート３の電池セル装着面３１には、バスバー収容凹部３２に加えて、２つの電極端子収容凹部３３、３３が設けられる。電極端子収容凹部３３は、バスバー収容凹部３２と同じ深さで凹設され、支持プレート３のｙ方向に沿う両端部に１つずつ配置される。各電極端子収容凹部３３には、後述するように電池セル装着面３１に複数の電池セル２が装着された際に、ｙ方向に沿う両端に配置される各電池セル２、２の正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂのうちの一方がそれぞれ収容される。各電極端子収容凹部３３、３３は、支持プレート３のｙ方向の両端部から側方にそれぞれ開放されている。これにより、電極端子収容凹部３３に正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂが収容された際に、支持プレート３の側方から図示しないハーネス及び／又はバスバーを正極端子２３ａ又は負極端子２３ｂに電気的に接続できるようになっている。
更に、支持プレート３の電池セル装着面３１には、１本の主溝部３４と、６本の分岐溝部３５と、が設けられる。主溝部３４は、支持プレート３のｘ方向の中央部をｙ方向に沿って延びている。主溝部３４の両端は、支持プレート３の側方に開放されている。分岐溝部３５は、４つのバスバー収容凹部３２と２つの電極端子収容凹部３３とに対応して配置され、それぞれｘ方向に沿って延びている。各分岐溝部３５は、対応するバスバー収容凹部３２又は電極端子収容凹部３３と主溝部３４との間を繋いでいる。主溝部３４と分岐溝部３５とは同一の深さを有する。この深さは、バスバー収容凹部３２及び電極端子収容凹部３３の深さよりも浅い。
主溝部３４及び分岐溝部３５には、電圧検出線６が設けられる。電圧検出線６の一端は、溶接及び／又は接合等によって各バスバー５と電気的に接続される。電圧検出線６は、各バスバー５から分岐溝部３５及び主溝部３４を通って、支持プレート３の外部に向けて延びている。電圧検出線６の他端は、図示しないＣＶＳ（Cell Voltage Sensor）等の電気回路と電気的に接続される。電圧検出線６は、主溝部３４内及び分岐溝部３５内に収容されるため、電池セル装着面３１よりも上方に突出しない。
また、各バスバー５には、一対の電極端子挿入孔５１、５１の間に、ｘ方向に沿って延びる窪み部５２が設けられている。窪み部５２は、分岐溝部３５の延長線上に配置されている。電圧検出線６の一端は、窪み部５２内でバスバー５と電気的に接続される。このため、電圧検出線６は、各バスバー５の上面よりも上方に突出しない。
ウォータージャケット４は、アルミニウムや銅等の伝熱性の高い金属材により形成され、支持プレート３の下面３６側に配置される。具体的には、ウォータージャケット４は、支持プレート３の下面３６に、伝熱シート１１と同様の材質からなる伝熱シート１３を介して積層される。これにより、支持プレート３とウォータージャケット４とは熱的に接触する。ウォータージャケット４は、ｘ方向に延びる冷却媒体流路４１を有する。図１、図６に示すように、冷却媒体流路４１のｙ方向の幅は、支持プレート３の電池セル装着面３１に装着可能な全ての電池セル２の厚み方向の寸法に対応する寸法を有する。ウォータージャケット４は、図１中の矢印で示すように、冷却媒体流路４１内に冷却媒体が流通することにより、伝熱シート１３を介して支持プレート３を冷却する。冷却媒体としては、一般には冷却液が使用されるが、気体（空気）でもよい。
本実施形態に示す電池モジュール１では、支持プレート３の上面に配置される電池セル装着面３１に、５つの電池セル２が装着される。即ち、電池セル２の封口板２２を電池セル装着面３１に対向させた状態で、封口板２２から下方に突出する一対の正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂが、支持プレート３のｘ方向に離隔して配置される２つのバスバー５、５の電極端子挿入孔５１、５１に対して、支持プレート３の上方からそれぞれ挿入される。これにより、正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂとバスバー５とが電気的に接続される。電池セル２は全固体電池からなるため、正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂが下方を向くように装着されても、防爆弁が電解液によって塞がれる問題は生じない。また、各電池セル２は、底面である封口板２２に正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂが下向きに突設され、支持プレート３の上面に、電池セル装着面３１を有するため、電池セル２の装着作業は容易である。
一対の正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂが電極端子挿入孔５１、５１の奥深くまで挿入されると、封口板２２の表面に貼り付けられている伝熱シート１１が電池セル装着面３１に接触する。これにより、電池セル２のセルケース２１は、伝熱シート１１を介して支持プレート３に熱的に接触する。同様にして、５つの電池セル２が厚み方向（ｙ方向）に沿って電池セル装着面３１に積層して並べられる。これにより、５つの電池セル２を支持プレート３上にコンパクトに配列させることができる。隣り合う電池セル２、２の間には、図１に示すように絶縁プレート２４が配置される。
ここで、隣り合う電池セル２、２同士は、電極端子の正負の向きを交互に異ならせている。即ち、積層される５つの電池セル２をｙ方向に沿って観察した場合、正極端子２３ａと負極端子２３ｂとが交互となるように配置される。このため、各バスバー５の一対の電極端子挿入孔５１、５１には、隣り合う一方の電池セル２の正極端子２３ａと他方の電池セル２の負極端子２３ｂとが挿入される。これにより、５つの電池セル２は、４つのバスバー５によって直列接続される。また、５つの電池セル２のうち、ｙ方向の両端に配置される２つの電池セル２、２の一方の電極端子（一方の電池セル２の正極端子２３ａと他方の電池セル２の負極端子２３ｂ）は、支持プレート３の電極端子収容凹部３３内に収容され、図示しないハーネス及び又はバスバーと電気的に接続される。
この電池モジュール１において、ウォータージャケット４の冷却媒体流路４１を流通する冷却媒体によって支持プレート３が冷却される。支持プレート３が冷却されることにより、支持プレート３に熱的に接触しているバスバー５を介して、このバスバー５に挿入される各電池セル２の正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂが冷却される。即ち、電池セル２は、電極板２０と直接接続される正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂと、ウォータージャケット４によって冷却される支持プレート３のバスバー５と、の間で熱交換されることによって冷却される。
従って、この電池モジュール１は、ウォータージャケット４によって、電池セル２の外部において最も発熱する部位である正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂを冷却することができるため、従来のように電池セルの底面を冷却する場合に比べて、電池セル２内の電極板２０で発生した熱が冷却媒体で熱交換されるまでの間に経由する部品点数を大幅に削減でき、電池セル２を効率良く冷却することができる。しかも、この電池モジュール１は、電池セル２の封口板２２も、伝熱シート１１を介して支持プレート３と熱的に接触することにより、この封口板２２においても電池セル２を冷却できるため、更に電池セル２の冷却効率を高めることができる。
しかも、本実施形態において、支持プレート３に設けられるバスバー５は、電池セル装着面３１に形成されたバスバー収容凹部３２内に設けられ、バスバー５と支持プレート３とが熱的に接触する面積を大きく確保できるため、バスバー５を介して電池セル２の正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂをより効率的に冷却することができる。
各電池セル２の正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂは、バスバー５の電極端子挿入孔５１に対して抜き差し可能に固定されてもよい。これにより、正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂをバスバー５の電極端子挿入孔５１に挿入するだけで、電池セル２を支持プレート３の電池セル装着面３１に固定できるため、電池セル２の装着作業が極めて簡単である。また、正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂをバスバー５から引き抜くだけで、任意の電池セル２を電池セル装着面３１から容易に取り外し、交換等することができる。
正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂをバスバー５の電極端子挿入孔５１に抜き差し可能に固定するための手段は、適宜公知の手段を採用することができる。本実施形態では、図２に示すように、正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂの外周に弾性リング２５を有する。弾性リング２５は、正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂが電極端子挿入孔５１に挿入された際に弾性的に縮径し、その弾性復元力によって正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂを電極端子挿入孔５１内に固定する。また、バスバー５の電極端子挿入孔５１内に、正極端子２３ａ及び負極端子２３ｂに対して弾性的な係止力又は保持力を作用させる板ばね等の弾性部材が設けられてもよい。
本発明に係る電池モジュールは、本発明の技術思想の範囲内で種々変更を加えることができる。例えば、以上の実施形態では、複数の電池セル２は、バスバー５によって直列接続されるが、複数の電池セル２は、バスバーによって並列接続されてもよい。また、隣り合う電池セル２、２間は密接していなくてもよく、隣り合う電池セル２、２の間に所定の隙間を有して配列されてもよい。
また、以上の実施形態では、支持プレート３の下面３６に伝熱シート１３を介して、冷却媒体流路４１を有するウォータージャケット４を積層するようにしたが、このような構成に限定されない。例えば、冷却媒体流路は、支持プレート３内に設けられてもよい。この場合、伝熱シート１３は不要となるため、冷却効率を更に高めることができる。
支持プレート３は、電池セル装着面３１が重力方向に沿う上向きとなるように配置されるものに限らない。例えば、支持プレート３は、電池セル装着面３１が重力方向に対して斜めに傾斜するように配置されてもよく、また、支持プレート３は、電池セル装着面３１が垂直方向となるように配置されてもよい。
１ 電池モジュール
２ 電池セル
２１ 封口板
２３ａ 正極端子
２３ｂ 負極端子
２０１ 正電極層
２０２ 負電極層
２０３ 固体電解質層
３ 支持プレート
３２ バスバー収容凹部
４１ 冷却媒体流路
５ バスバー
５１ 電極端子挿入孔

Claims (5)

  1. 正電極層、負電極層及び固体電解質層を有する全固体電池からなる電池セルと、
    前記電池セルが装着される支持プレートと、
    前記支持プレートを冷却する冷却媒体が流通する冷却媒体流路と、を備える電池モジュールであって、
    前記電池セルの一面に電極端子が突設され、
    前記電池セル装着面に、前記電極端子と電気的に接続可能なバスバーを有し、
    前記バスバーは、前記支持プレートに熱的に接触し、
    前記電池セルは、前記一面を前記電池セル装着面に対向させると共に、前記電極端子を前記バスバーに電気的に接続させることにより、前記支持プレートに装着される、電池モジュール。
  2. 前記バスバーは、前記電極端子を挿入可能な電極端子挿入孔を有し、
    前記電極端子は、前記バスバーの前記電極端子挿入孔に対して抜き差し可能に固定される、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記バスバーは、前記電池セル装着面に形成された凹部内に設けられる、請求項１又は２に記載の電池モジュール。
  4. 前記電池セルの底面に、正負一対の前記電極端子が下向きに突設され、
    前記支持プレートの上面に、前記電池セル装着面を有する、請求項１～３のいずれか１項に記載の電池モジュール。
  5. 前記電池セルは扁平な直方体形状を有し、前記電池セル装着面に、複数の前記電池セルが厚み方向に並列される、請求項１～４のいずれか１項に記載の電池モジュール。
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