JP7085555B2

JP7085555B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP7085555B2
Application number: JP2019537975A
Authority: JP
Inventors: 匡内藤; 正至仲元
Original assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2022-06-16
Anticipated expiration: 2038-07-09
Also published as: WO2019039116A1; JPWO2019039116A1

Description

本発明は、車載用途等に使用される電池パックに関する。

従来、再充電可能な二次電池の分野では、鉛電池、ニッケル－カドミウム電池、ニッケル－水素電池等の水溶液系電池が主流であった。しかしながら、電気機器の小型化、軽量化が進むにつれ、高エネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が着目され、その研究、開発及び商品化が急速に進められた。特に角形リチウムイオン二次電池はパック化した際の体積効率が優れているため、HEV用あるいはEV用として開発への期待が高まっている。このようなリチウムイオン二次電池に対する通電要求は年々高まっているが、大きな電流を流した際、当該電池の発熱を抑制する必要がある。一方で、低温時においてリチウムイオン二次電池は抵抗が大きいため、低温始動時は当該電池を温める必要がある。そこで、下記特許文献１では、リチウムイオン二次電池が収容された電池パックを温めたり冷やしたりする構造が提案されている。

特開２０１３－１７５３６０号公報

上記特許文献１で開示されているバッテリ装置構造は、例えば電池パックの底部側から該電池パック内の電池の幅狭面を温める構成となっている。しかし、上記特許文献１で開示されているバッテリ装置構造では、比較的簡単な構成で電池パック内の電池を温めたり冷やしたりできるものの、例えば電池の幅狭面を温めると、低温時の電池内の温度バラツキにより、電池を温めている部分が温められていない部分に比べ、抵抗が下がるためにより多く使用され、劣化促進やリチウム析出の懸念が生じる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、低温始動時に電池内を均一に温めるとともに、高温使用時には電池間を均一に冷却し、電池内の温度のバラツキを改善することのできる電池パックを提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明の電池パックは、幅広面と幅狭面を有する扁平状の電池を、前記幅広面同士を対向して複数積層した積層体と、前記幅広面と対向して前記積層体の外側から設けられた加熱手段と、前記幅狭面と対向して前記積層体の外側から設けられた冷却手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、電池の幅広面と対向して前記積層体の外側から設けられた加熱手段を有することで、低温始動時は電池内を均一に温めるとともに、電池の幅狭面と対向して前記積層体の外側から設けられた冷却手段を有することで、高温使用時には電池間を均一に冷却できるため、電池内の温度のバラツキを効果的に改善することができ、電池の局所的な劣化およびリチウム析出を抑制することが可能となる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明による温冷一体プレート付き電池パックの第１実施形態の外観斜視図。図１に示す電池パックの分解斜視図。図２に示す電池モジュールの、バスバーケースおよびバスバーのない分解斜視図。図１のＡ－Ａ矢視線断面図。本発明による電池パックの第２実施形態の温冷一体プレート一体型のケース本体の外観斜視図。本発明による電池パックの第３実施形態のケース本体および温冷一体プレートの外観斜視図。本発明による電池パックの第４実施形態の外観斜視図。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。なお、本明細書において、上下、左右、前後等の位置、方向を表わす記述は、説明が煩瑣になるのを避けるために図面に従って便宜上付けたものであり、実際の使用状態での位置、方向を指すとは限らない。

［第１実施形態］
図１は、本発明による温冷一体プレート付き電池パックの第１実施形態の外観斜視図である。

図示実施形態の電池パック１は、主に、概略矩形状の電池パック本体１０と、該電池パック本体１０の外側に取付固定される温冷一体プレート（以下、単に「プレート」という）１００とを備えている。電池パック本体１０は、凹状ないしボックス状のケース本体１２と、ケース本体１２の上部開口を覆う上カバー１３とで構成される筐体としてのケース１４を備えている。図示例では、電池パック本体１０の上面の長手方向（左右方向）両端に、ＨＶ端子１６、１７が設けられている。ＨＶ端子１６、１７は外部端子であり、当該ＨＶ端子１６、１７の各々にＨＶケーブル（不図示）を接続することにより、電気自動車やハイブリッド電気自動車あるいは電気機器等に当該電池パック１から電力が供給される。また、図示例では、電池パック本体１０の短手方向（前後方向）の側面（前面）に、信号用コネクタ１５が配置されている。信号用コネクタ１５は電池パック１のコントローラ信号用コネクタであり、車両側コントローラ（不図示）と接続されて、情報のやり取りや電源の供給を受けることができる。

前記電池パック本体１０に取り付けられるプレート１００は、例えば金属あるいは伝熱性を有する樹脂等で作製され、その内部に、外部から電池２１（図３参照）を温めるための加熱経路１０１と、外部から電池２１を冷やすための冷却経路１０２とを有する。より詳しくは、前記プレート１００は、断面（左右方向に対して垂直な断面）横倒しＬ字状を有し、矩形状の板状部材からなる底部プレート（加熱手段）１０６と、底部プレート１０６の後端から上方へ向けて立設された矩形状の板状部材からなる側部プレート（冷却手段）１０７とで構成され、前記底部プレート（加熱手段）１０６の前後方向略中央に管状の加熱経路１０１が設けられ、前記側部プレート（冷却手段）１０７の上下方向略中央に管状の冷却経路１０２が設けられている。このプレート１００は、底部プレート１０６の上面（幅広面）が電池パック本体１０のケース本体１２の（底板の）下面と対接し、側部プレート１０７の前面（幅広面）が電池パック本体１０のケース本体１２の（後板の）後面と対接するようにして、電池パック本体１０に取付固定されている。なお、電池パック本体１０に対するプレート１００の取付は、例えば、ボルト締結や溶接等の適宜の取付手法で行うことができる。

また、前記プレート１００の内部には、加熱経路１０１と冷却経路１０２との間に断熱のための断熱経路（断熱手段）１０３が設けられている。より詳しくは、プレート１００の底部プレート１０６と側部プレート１０７とで形成される角部１０８付近に（左右方向に沿って）前記断熱経路（断熱手段）１０３が設けられている。

また、本例では、前記底部プレート１０６に取付け部（図示例では、４個の取付け部）１０４が設けられており、例えば締結ボルト等によって、電気自動車やハイブリッド電気自動車等の車体に当該電池パック１を固定することが可能である。このプレート１００は、後述する電池２１の温度バラツキ抑制以外にも、強度部材の役割も果たすため、車両の振動等に対する電池パック１の耐久性向上に寄与する。

図２は、図１に示す電池パック１の分解斜視図である。

上方が開口された凹状ないしボックス状の部材で構成されるケース本体１２内には、電池モジュール１１、電装品が収納されたホルダ１９等が収納されている。図示例では、ケース本体１２内の後方側に、２個の電池モジュール１１が左右方向に横並びで配設され、ケース本体１２内の前方側にホルダ１９等が配置されている。

図３は、図２の電池モジュール１１の、バスバーケースおよびバスバーのない分解斜視図である。

図３に示すように、各電池モジュール１１は、幅広面と幅狭面を有する扁平状の電池（例えば、リチウムイオン二次電池）２１を複数有し、基本的に、隣り合う電池２１の幅広面同士の間に、電池２１同士を保持するための突起を備えた両面突起絶縁板２２を挟んで上下方向で積層し（積層体２０）、その上下端に片面突起絶縁板２３を配置する構成である。電池２１の幅方向（左右方向）の一端側付近には正極外部端子が設けられ、他端側付近には負極外部端子が設けられている。前記電池モジュール１１は、電池２１を幅広面が地面と平行になるように配置して、表裏面（隣り合う電池２１の幅広面同士）を対向して、正極外部端子と負極外部端子とが交互に反対側に配置されるように積層される。なお、両面突起絶縁板２２と片面突起絶縁板２３は、例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の樹脂により形成される。この電池モジュール１１（の積層体２０）は、各電池２１の幅広面および幅狭面がケース１４のケース本体１２の内面に対向するようにして当該ケース本体１２内に収容される。

図４は、図１のＡ－Ａ矢視線断面図である。

図４に示すように、前記電池モジュール１１は、積層体２０を構成する各電池２１の幅広面（下面）２１ａがケース本体１２の外部に取り付けられたプレート１００の底部プレート１０６に対向し、各電池２１の幅狭面（後面）２１ｂが前記プレート１００の側部プレート１０７に対向するように、ケース１４（のケース本体１２）内に収容されている。言い換えれば、前記プレート１００の底部プレート１０６は、ケース１４（のケース本体１２の底板）を介して積層体２０を構成する各電池２１の幅広面（下面）２１ａに対向し、前記プレート１００の側部プレート１０７は、ケース１４（のケース本体１２の後板）を介して積層体２０を構成する各電池２１の幅狭面（後面）２１ｂに対向するとともに、各電池２１の幅広面（下面）２１ａに対向する位置（言い換えれば、電池２１の幅広面の下方）に加熱経路１０１が設けられ、各電池２１の幅狭面（後面）２１ｂに対向する位置（言い換えれば、電池２１の幅狭面の後方）に冷却経路１０２が設けられている。

上記構成を有する電池パック１では、電池２１に温度測定手段としての温度センサ（不図示）が取り付けられており、低温始動時、例えば電池２１を－３０℃や－１０℃等の０℃以下の冷たい状態で使用する場合は、底部プレート１０６内に設けられた加熱経路１０１を用いて電池２１を幅広面２１ａ側から温める。より詳しくは、例えば、電池２１に取り付けられた温度センサにより測定された値が０℃以下で使用する場合は、その値を受信した制御装置（制御手段）（不図示）等を介して、加熱経路１０１に熱媒を通す、もしくは、加熱経路１０１を流れる熱媒の流量や温度等を制御し、当該加熱経路１０１が設けられた底部プレート１０６を加熱する（つまり、加熱手段を作動させる）ことによって、電池２１を幅広面２１ａ側から温める。これにより、電池２１内の温度バラツキを抑制でき、使用時における電流集中およびリチウム析出を抑制できる。また、電池２１の幅広面２１ａがケース本体１２に接している電池（積層体２０の下端側の電池）２１ｃは、他の位置にある電池に比べて温度が下がりやすいため、ケース本体１２の下側から当該電池２１ｃを温めることで、電池２１間の温度バラツキをより効果的に抑制できる。なお、電池２１を温める手段としては、上記のような底部プレート１０６内に設けられた加熱経路１０１に熱媒を通す方法の他、例えば、底部プレート１０６自体をヒートプレートとする等の手段も考えられるが、これらに限定するものではない。

また、例えば電池２１を５０℃や７０℃等の５０℃以上の温かい状態で使用する場合は、側部プレート１０７内に設けられた冷却経路１０２を用いて電池２１を幅狭面２１ｂ側から冷やす。より詳しくは、例えば、電池２１に取り付けられた温度センサにより測定された値が５０℃以上で使用する場合は、その値を受信した制御装置（制御手段）（不図示）等を介して、冷却経路１０２に冷媒を通す、もしくは、冷却経路１０２を流れる冷媒の流量や温度等を制御し、当該冷却経路１０２が設けられた側部プレート１０７を冷却する（つまり、冷却手段を作動させる）ことによって、電池２１を幅狭面２１ｂ側から冷やす。このように電池２１の幅狭面２１ｂを冷やすことで、電池２１を均一に冷却でき、電池２１内の温度バラツキを抑制できる。なお、電池２１を冷却する手段としては、上記のような側部プレート１０７内に設けられた冷却経路１０２に冷媒を通す方法に限定するものではない。また、電池２１を冷却する際、電池２１の幅広面２１ａがケース本体１２に接している電池２１ｃは、ケース本体１２による放熱のために他の電池に比べて冷えやすい。そのため、電池２１間の温度バラツキを抑制する目的で、前記のような低温時以外でも加熱経路１０１を利用して当該電池２１ｃを温めてもよい。

また、本実施形態では、前述したように、プレート１００の底部プレート１０６と側部プレート１０７との間の角部１０８付近に断熱経路１０３が設けられており、例えば冷却経路１０２を用いて電池２１の冷却を行う場合、この断熱経路１０３によって、プレート１００の伝熱により、前記電池２１ｃの温度が他の電池に比べて下がるのを避けることができる。なお、この断熱経路１０３の断熱の手段としては、断熱経路１０３に空気層を設けたり（すなわち、断熱経路１０３を空洞としたり）、断熱経路１０３に熱伝導率の低い断熱材を充填する（すなわち、断熱経路１０３自体を断熱部材とする）等の手段が考えられるが、これらに限定するものではない。

このように、本実施形態では、電池２１の幅広面２１ａと対向して前記積層体２０の外側から設けられた加熱経路１０１を持つ底部プレート（加熱手段）１０６を有することで、低温始動時は電池２１内を均一に温めるとともに、電池２１の幅狭面２１ｂと対向して前記積層体２０の外側から設けられた冷却経路１０２を持つ側部プレート（冷却手段）１０７を有することで、高温使用時には電池２１間を均一に冷却できるため、比較的簡単な構成でもって、電池２１内の温度のバラツキを効果的に改善することができ、電池２１の局所的な劣化およびリチウム析出を抑制することが可能となる。

［第２実施形態］
図５は、本発明による電池パックの第２実施形態の温冷一体プレート一体型のケース本体の外観斜視図である。

本第２実施形態の電池パック２では、図５に示すように、ケース１４のケース本体１２がプレートと一体とされ、当該ケース１４のケース本体１２に、加熱経路１２ａ、冷却経路１２ｂ、断熱経路１２ｃが一体に設けられている。より詳しくは、ケース本体１２の底板部分に、加熱経路１２ａが（左右方向に沿って）設けられ、ケース本体１２の後板部分に、冷却経路１２ｂが（左右方向に沿って）設けられ、ケース本体１２の底板と後板との間の隅角部に、断熱経路１２ｃが（左右方向に沿って）設けられている。すなわち、本実施形態では、電池モジュール（図３参照）の積層体を収容するケース１４のケース本体１２に、前述の第１実施形態における加熱手段（積層体の外部から電池を温めるための手段）および冷却手段（積層体の外部から電池を冷やすための手段）が設けられている。

このように、本第２実施形態では、ケース本体１２とプレートとを一体成型することで、部品点数を削減でき、コスト低減が見込まれる。

［第３実施形態］
図６は、本発明による電池パックの第３実施形態のケース本体および温冷一体プレートの外観斜視図である。

本第３実施形態の電池パック３では、図６に示すように、ケース１４のケース本体１２の内部にプレート１００が設置され、そのプレート１００（の底部プレート１０６）上に電池モジュール（図３参照）が載置固定される。図示例では、ケース本体１２の底板の上面に、加熱経路１０１の下半部を構成する凹溝１２ｄが設けられ、ケース本体１２の後板の前面に、冷却経路１０２の後半部を構成する凹溝１２ｅが設けられ、ケース本体１２の底板と後板との間の隅角部に、断熱経路１０３の一部を構成する凹溝１２ｆが設けられている。また、ケース本体１２の内部に収納されるプレート１００の底部プレート１０６の下面に、加熱経路１０１の上半部を構成する凹溝１１１が設けられ、プレート１００の側部プレート１０７の後面に、冷却経路１０２の前半部を構成する凹溝１１２が設けられ、プレート１００の底部プレート１０６と側部プレート１０７との間の角部１０８に、断熱経路１０３の他部を構成する凹溝１１３が設けられている。そして、ケース本体１２の内部にプレート１００が配置されることで、前記凹溝１２ｄと凹溝１１１とで管状の加熱経路１０１が画成され、前記凹溝１２ｅと凹溝１１２とで管状の冷却経路１０２が画成され、前記凹溝１２ｆと凹溝１１３とで管状の断熱経路１０３が画成されるようになっている。すなわち、本実施形態では、ケース１４のケース本体１２に、電池モジュールの積層体が収容されるとともに、前述の第１実施形態における加熱手段（積層体の外部から電池を温めるための手段）および冷却手段（積層体の外部から電池を冷やすための手段）が収容されており、底部プレート１０６と側部プレート１０７が、ケース１４（のケース本体１２）を介さずに電池モジュールの積層体に対向するようになる。

このように、本第３実施形態では、ケース１４内部（に配置されたプレート１００）で電池を温めたり冷やしたりすることで、上記実施形態に比べて、効率よく電池モジュールに伝熱することができるため、電池内の温度のバラツキを効率的に改善することができる。

［第４実施形態］
図７は、本発明による電池パックの第４実施形態の外観斜視図である。

本第４実施形態の電池パック４では、図７に示すように、プレート１００における底部プレート（電池を幅広面側から温めるプレート）１０６と側部プレート（電池を幅狭面側から冷やすプレート）１０７とが別体に分割され、間に空隙１０９を有して電池パック本体１０のケース１４のケース本体１２の底板および後板にそれぞれ取り付けられている。それぞれのプレート１０６、１０７には、前記と同様の加熱経路１０１と冷却経路１０２とが設けられている。なお、図示例では、底部プレート１０６は、ケース１４内に収容された電池モジュールの積層体を構成する電池の幅広面に対向する位置に取り付けられている。

このように、本第４実施形態では、底部プレート１０６と側部プレート１０７とが、間に空隙１０９を有して別体に分割されていることで、前述の実施形態における断熱経路が不要となるため、構成を簡素化できるとともに、材料コスト等のコスト低減が可能となる。

なお、上記実施形態では、ケースのケース本体の幅広面と電池の幅広面が対向する形態を採用して説明を行ったが、電池の幅広面と電池を温めるプレートとが対向し、電池の幅狭面と電池を冷却するプレートとが対向すればよく、例えば、ケースのケース本体の幅狭面と電池の幅広面が対向していてもよい。

また、上記実施形態では、左右方向に沿う直線状かつ断面略円形の加熱経路、冷却経路、断熱経路を、プレート１００ないしケース本体１２にそれぞれ１個設ける形態を採用して説明を行ったが、各経路の形状としては、曲線状としてもよいし、断面形状を変更（例えば、楕円形状や四角形状などの多角形状等に変更）してもよい。また、プレート１００ないしケース本体１２における各経路の位置や方向等も、適宜に変更できることは言うまでも無い。さらに、電池をより均一に温めたり冷やしたりするために、プレート１００ないしケース本体１２において、各経路を複数設けてもよいことは詳述するまでも無い。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形形態が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１電池パック（第１実施形態）
２電池パック（第２実施形態）
３電池パック（第３実施形態）
４電池パック（第４実施形態）
１０電池パック本体
１１電池モジュール
１２ケース本体
１２ａ加熱経路（第２実施形態）
１２ｂ冷却経路（第２実施形態）
１２ｃ断熱経路（第２実施形態）
１２ｄ凹溝（第３実施形態）
１２ｅ凹溝（第３実施形態）
１２ｆ凹溝（第３実施形態）
１３上カバー
１４ケース（筐体）
１５信号コネクタ
１６ＨＶ端子
１７ＨＶ端子
１９ホルダ
２０積層体
２１電池
２１ａ電池の幅広面
２１ｂ電池の幅狭面
２１ｃケース本体に接している電池
２２両面突起絶縁板
２３片面突起絶縁板
１００温冷一体プレート
１０１加熱経路
１０２冷却経路
１０３断熱経路（断熱手段）
１０４取付け部
１０６温冷一体プレートの底部プレート（加熱手段）
１０７温冷一体プレートの側部プレート（冷却手段）
１０８温冷一体プレートの角部
１０９空隙（第４実施形態）
１１１凹溝（第３実施形態）
１１２凹溝（第３実施形態）
１１３凹溝（第３実施形態）

Claims

平坦に広がる第１面と、該第１面に直交する前記第１面よりも狭い第２面とを有する扁平状の電池を複数積層した積層体と、
該積層体を収容する筐体と、
該筐体の外側に設けられた加熱手段および冷却手段と、
を備え、
前記積層体は、前記筐体内において前記第１面同士が対向して前記第２面同士が並ぶように前記電池が上下に複数積層されており、
前記加熱手段及び前記冷却手段は、
前記加熱手段が、前記筐体の下方に配置されて前記筺体を間に介して前記積層体の最も下に位置する電池の第１面に対向する底部プレートを有し、
前記冷却手段が、前記底部プレートの端部から上方に向かって立設されて前記筺体の側方に配置されて前記筺体を間に介して前記積層体の各電池の第２面に対向する側部プレートを有し、
前記底部プレートと前記側部プレートとが連続して一体に形成されており、
前記底部プレートには前記積層体の積層方向に沿って貫通して熱媒が通る加熱経路が設けられ、
前記側部プレートには前記積層体の積層方向に沿って貫通して冷媒が通る冷却経路が設けられ、
前記底部プレートと前記側部プレートとの間に形成される角部には断熱経路が設けられていることを特徴とする電池パック。
請求項１に記載の電池パックにおいて、
前記積層体の温度を測定する温度測定手段を有し、
前記加熱手段は前記温度測定手段により測定された値が０度以下で作動し、前記冷却手段は前記温度測定手段により測定された値が５０度以上で作動する電池パック。
請求項１に記載の電池パックにおいて、
前記積層体の温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段により測定された値に応じて前記加熱手段および前記冷却手段を制御する制御手段とを備える電池パック。