JP7117150B2

JP7117150B2 - 蓄電池モジュールおよび蓄電池ユニット

Info

Publication number: JP7117150B2
Application number: JP2018099518A
Authority: JP
Inventors: 浩也吉岡
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2022-08-12
Anticipated expiration: 2038-05-24
Also published as: JP2019204699A

Description

本発明は、蓄電池モジュールおよび蓄電池ユニットに関する。

二次電池パック（蓄電池モジュール）には、複数の二次電池セル（蓄電池セル）を積層した状態で容器内に収納した構成のものがある（例えば、特許文献１参照）。かかる構成の二次電池パックでは、１つの二次電池セルが発熱した場合、他の二次電池セルも熱ダメージを受け、その全体が劣化してしまう。また、下方に位置する二次電池セルほど、大きな荷重が掛かり、発熱し易く、破損もし易い。

特開２０１６－１４３５２４号公報

本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、その目的は、蓄電池モジュール内の温度上昇と下方に位置する蓄電池セルに掛かる荷重を低減した蓄電池モジュール、およびかかる蓄電池モジュールを備える蓄電池ユニットを提供することにある。

このような目的は、下記の（１）～（１７）の本発明により達成される。
（１）複数のシート状の蓄電池セルと、
該複数の蓄電池セルを収納する容器と、
前記複数の蓄電池セルの７０％以上が浸漬するように、前記容器内に供給された油状媒体とを有し、
該油状媒体が、オイルと、該オイルの粘度を増大させる増粘剤とを含有することを特徴とする蓄電池モジュール。

（２）前記オイルは、難燃性オイルである上記（１）に記載の蓄電池モジュール。

（３）前記難燃性オイルは、合成オイルを含む上記（２）に記載の蓄電池モジュール。

（４）前記増粘剤は、ガム類、多糖類、ポリ（メタ）アクリル酸類、ポリオレフィン類、ポリ（メタ）アクリレート類およびポリスチレン類のうちの少なくとも１種を含む上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の蓄電池モジュール。

（５）前記油状媒体中に含まれる前記増粘剤の量は、３～５０質量％である上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の蓄電池モジュール。

（６）前記油状媒体は、さらに前記オイルよりも高い熱伝導性を有する熱伝導粒子を含有する上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の蓄電池モジュール。

（７）前記熱伝導粒子の構成材料は、無機炭化物および無機窒化物のうちの少なくとも１種である上記（６）に記載の蓄電池モジュール。

（８）前記熱伝導粒子の平均粒径は、０．１～４０μｍである上記（６）または（７）に記載の蓄電池モジュール。

（９）前記油状媒体中に含まれる前記熱伝導粒子の量は、３０～７０容量％である上記（６）ないし（８）のいずれかに記載の蓄電池モジュール。

（１０）前記油状媒体の粘度は、５０００～１５０００Ｐａ・ｓである上記（１）ないし（９）のいずれかに記載の蓄電池モジュール。

（１１）前記油状媒体の密度は、１．５～３ｇ／ｃｍ^３である上記（１）ないし（１０）のいずれかに記載の蓄電池モジュール。

（１２）さらに、前記油状媒体に接触するように、前記容器の内面に固定されたペルチェ素子を有する上記（１）ないし（１１）のいずれかに記載の蓄電池モジュール。

（１３）前記ペルチェ素子は、前記蓄電池セルに電気的に接続され、該蓄電池セルから電力が供給されるように構成されている上記（１２）に記載の蓄電池モジュール。

（１４）前記容器の少なくとも前記ペルチェ素子が固定される部分は、金属材料で構成されている上記（１２）または（１３）に記載の蓄電池モジュール。

（１５）さらに、前記容器内の前記油状媒体の量の変化を検出する油量センサを有する上記（１）ないし（１４）のいずれかに記載の蓄電池モジュール。

（１６）前記油量センサは、前記蓄電池セルに電気的に接続され、該蓄電池セルから電力が供給されるように構成されている上記（１５）に記載の蓄電池モジュール。

（１７）上記（１）ないし（１６）のいずれかに記載の蓄電池モジュールと、
該蓄電池モジュールを収納可能な筐体とを有することを特徴とする蓄電池ユニット。

本発明によれば、オイルを含有する油状媒体を容器内に供給したことにより、蓄電池モジュール内の温度上昇と下部に位置する蓄電池セルに掛かる荷重を低減することができる。

本発明の蓄電池モジュールの構成を示す分解斜視図である。本発明の蓄電池ユニットの構成を示す分解斜視図である。

以下、本発明の蓄電池モジュールおよび蓄電池ユニットについて、添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の蓄電池モジュールの構成を示す分解斜視図、図２は、本発明の蓄電池ユニットの構成を示す分解斜視図である。

なお、各図では、その特徴を判り易くするために、便宜上、特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等は、実際とは異なる場合がある。また、以下に例示される材料、寸法等は一例であって、本発明は、それらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

また、以下では、説明の都合上、図１および図２中の右側を「前側」または「前方」と、左側を「後側」または「後方」と言い、上側を「上側」または「上方」と、上側を「下側」または「下方」と言う。

図１に示す蓄電池モジュール１は、複数のシート状の蓄電池セル２と、蓄電池セル２を収納する容器３と、容器３内に供給された油状媒体（図示せず）と、容器２内に設けられたペルチェ素子４および油量センサ５とを有している。なお、各蓄電池セル２は、例えば、リチウムイオン二次電池で構成することができる。

容器３は、上部開口３１１を備える容器本体３１と、上部開口３１１を塞ぐように容器本体３１に装着される蓋体３２とを備えている。容器本体３１と蓋体３２との間には、弾性を有する封止部材（例えば、Ｏリング等）を配置するようにしてもよい。これにより、油状媒体が容器３の外部に流出する可能性を低減することができる。

容器３内には、複数の蓄電池セル２が積層した状態で収納され、その周囲に油状媒体が供給（充填）されている。図１では、容器本体３１に収納される前の状態の２つの蓄電池セル２が示されているが、複数の蓄電池セル２（図示せず）が既に容器本体３１に収納されている。

本実施形態の油状媒体は、オイルと、オイルの粘度を増大させる増粘剤と、オイルよりも高い熱伝導性を有する熱伝導粒子とを含有する。
オイルは、空気等の気体よりも熱伝導性が高い。このため、容器３内に液状媒体を供給しておけば、仮に１つの蓄電池セル２が異常により発熱しても、この熱を迅速に拡散させることができる。よって、異常のない蓄電池セル２が熱ダメージを受けることを低減することができる。

オイルは、難燃性オイルであることが好ましい。ここで、難燃性とは、火炎に対して抵抗性を示し、発火までの時間を遅延させたり、燃焼量や燃焼速度を抑制する機能を有することを意味する。したがって、難燃性とは、必ずしも特定の規格に適合することや、全く燃焼しないことを意味しない。
このような難燃性オイルを用いることにより、異常な蓄電池セル２が仮に発火したとしても、他の蓄電池セル２が延焼することを未然に防止することができる。

また、容器３内に液状媒体（オイル）を供給することにより、各蓄電池セル２に対して液状媒体および蓄電池セル２の密度に応じた浮力を付与することができる。このため、容器３内において下方に位置する蓄電池セル２に掛かる負荷を低減することもできる。
難燃性オイルとしては、例えば、炭化水素系合成オイル、エーテル系合成オイル、エステル系合成オイル、リン酸エステル系合成オイル、ポリシロキサン系合成オイル、フッ素含有炭化水素系合成オイルのような合成オイル、パラフィン系鉱物オイル、ナフテン系鉱物オイル、これらを精製した精製鉱物オイルのような鉱物オイル等が挙げられる。これらのオイルは、１種を単独で、または２種以上を組み合わせて用いることができる。

中でも、難燃性オイルは、合成オイルを含むことが好ましく、合成オイル単独であることがより好ましい。合成オイルであれば、それを構成する化合物の分子量（重量平均分子量）、鎖長等にバラつきが少ない。このため、油状媒体による熱拡散が不均一となることを抑制することができる。
炭化水素系合成オイルとしては、例えば、ポリ－α－オレフィン、エチレン－α－オレフィン共重合体、ポリブテン等が好適であり、エーテル系合成オイルとしては、例えば、ポリフェニルエーテル、ポリアルキレングリコール等が好適である。

一方、増粘剤（粘度調整剤）は、ガム類、多糖類、ポリ（メタ）アクリル酸類、ポリオレフィン類、ポリ（メタ）アクリレート類およびポリスチレン類のうちの少なくとも１種を含むことが好ましい。これらの化合物は、増粘作用が高く、かつオイル（難燃性オイル）との親和性にも優れる。
ガム類としては、例えば、キサンタンガム、グアーガム、トラガントガム、アラビアガムが挙げられ、多糖類としては、例えば、デキストリン、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース等が挙げられる。

ポリ（メタ）アクリル酸類としては、例えば、ポリメタクリル酸アルキルが挙げられ、ポリオレフィン類としては、例えば、ポリイソブチレン、エチレン－プロピレン共重合体、エチレン－プロピレン－ジエン共重合体等が挙げられる。
また、ポリ（メタ）アクリレート類としては、ポリ（メタ）アクリレート、（メタ）アクリレート共重合体、ポリメチルメタアクリレート等が挙げられ、ポリスチレン類としては、例えば、無水マレイン酸－スチレン共重合体等が挙げられる。

油状媒体中に含まれる増粘剤の量は、３～５０質量％程度であることが好ましく、１０～３５質量％程度であることがより好ましい。かかる量で増粘剤を含有することにより、増粘剤の種類によらず、油状媒体の粘度を十分に高めることができる。

このような油状媒体は、さらに熱伝導粒子を含有している。これにより、油状媒体による熱拡散効果をより高めることができる。特に、本発明では、増粘剤によってオイル（油状媒体）の粘度を増大させているため、熱伝導粒子の均一分散性が高く、熱伝導粒子による熱拡散効果が如何なく発揮される。
また、熱伝導粒子の種類、平均粒径、含有量等を調整することにより、油状媒体の粘度および密度を増大させる効果も期待できる。油状媒体の密度を高めることができれば、各蓄電セル２に付与される浮力をより大きくすることができる。

熱伝導粒子の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）のような無機炭化物、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような無機窒化物、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）のような無機酸化物等が挙げられる。これらの化合物は、物理的かつ化学的安定性に優れることから好ましい。なお、これらの化合物は、１種を単独で、または２種以上を組み合わせて用いることができる。

中でも、蓄電池セル２が高温になっても、熱による副反応を促進する酸素ガスの発生がないことから、熱伝導粒子の構成材料としては、無機炭化物および無機窒化物のうちの少なくとも１種であることが好ましく、無機窒化物（窒化ホウ素または窒化アルミニウム）であることがより好ましい。

熱伝導粒子の平均粒径は、０．１～４０μｍ程度であることが好ましく、１～２０μｍ程度であることがより好ましい。このような平均粒径を有する熱伝導粒子であれば、粒子同士の凝集が生じ難く、油状媒体中での分散安定性がより向上する。また、油状媒体の粘度および密度を増大させる効果も高い。
油状媒体中に含まれる熱伝導粒子の量は、３０～７０容量％程度であることが好ましく、４０～６０容量％程度であることがより好ましい。かかる量で熱伝導粒子を含有することにより、油状媒体の熱拡散性をより向上させることができる。

以上のような油状媒体の粘度は、５０００～１５０００Ｐａ・ｓ程度であることが好ましく、７０００～１００００Ｐａ・ｓ程度であることがより好ましい。
油状媒体の密度は、蓄電池セル２の密度にできる限り近いことが好ましい。油状媒体の具体的な密度は、１．５～３ｇ／ｃｍ^３程度であることが好ましく、２～２．５ｇ／ｃｍ^３程度であることがより好ましい。
油状媒体の粘度および密度のそれぞれを、前記範囲に設定することにより、蓄電池セル２に大きな浮力を作用させることができる。よって、容器３内において下方に位置する蓄電池セル２に掛かる荷重をより低減することができ、発熱し易くなること、あるいは破損し易くなることを好適に抑制し得る。

油状媒体は、容器３内に複数の蓄電池セル２の全てが浸漬するように供給してもよいが、複数の蓄電池セル２の７０％以上（好ましくは、８０～９５％程度）が浸漬するように供給することが好ましい。かかる量であっても、油状媒体による十分な熱拡散効果が期待できる。一方で、不本意に油状媒体が容器３外に流出する可能性を低減させることもできる。

容器３の内面の所定の箇所には、発熱側の面を接触させるようにして、ペルチェ素子４が固定されている。また、図示しないが、ペルチェ素子４は、所定の蓄電池セル２に電気的に接続され、この蓄電池セル２から電力が供給されるようになっている。これにより、ペルチェ素子４用の電源を外部から接続する必要がないため、蓄電池モジュール１の構成が複雑になることを防止し得る。

また、ペルチェ素子４の冷却側の面を、直接、油状媒体に接触させることができる。このため、ペルチェ素子４により油状媒体を冷却することで、油状媒体による蓄電池セル２の冷却効果や、油状媒体の粘度を高める効果が発揮される。
容器３は、ペルチェ素子４からの熱、蓄電池セル２からの熱を放射（放熱）するため、好ましくは金属材料（例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼等）で構成される。

さらに、容器３の所定の箇所（本実施形態では、蓋体３２）には、容器３内の油状媒体の量の変化を検出する油量センサ５が固定されている。この油量センサ５も、図示しないが、所定の蓄電池セル２に電気的に接続され、この蓄電池セル２から電力が供給されるようになっている。これにより、油量センサ５用の電源を外部から接続する必要がないため、蓄電池モジュール１の構成が複雑になることを防止し得る。

油量センサ５を設けることにより、油状媒体の容器３からの漏れ出しを確認することができる。このため、蓄電池モジュール１（後述する蓄電池ユニット１００）を設置する周囲の環境を、漏れ出した油状媒体で汚染することを防止することができる。
かかる油量センサ５は、接触式であっても、非接触式であってもよい。油量センサ５の具体例としては、例えば、フロートセンサ、光電センサ、超音波センサ、静電容量センサ等が挙げられる。

各蓄電池セル２は、図１に示すように、その前方および後方に設けられた一対の端子用タブ２１を備えている。複数の蓄電池セル２は、端子用タブ２１を介して互いに直列または並列に接続されている。容器３の前面には、ケーブルを接続するためのコネクタ３３が設けられており、このコネクタ３３に各蓄電池セル２が電気的に接続されている。
蓄電池モジュール１の長辺（長手方向の長さ）は、好ましくは２００～８００ｍｍ程度であり、短辺（短手方向の長さ）は、好ましくは１５０～３００ｍｍ程度である。また、蓄電池モジュール１の高さは、好ましくは５０～２００ｍｍ程度である。

以上説明したような蓄電池モジュール１を、筐体に収納することにより、蓄電池ユニットが構成される。
図２に示す蓄電池ユニット１００は、複数の蓄電池モジュール１と、複数の蓄電池モジュール１を制御する制御モジュール１０と、これらを収納する筐体２０とを有している。
筐体２０は、上部開口２０１ａを備える本体部２０１と、上部開口２０１ａを塞ぐようにして本体部２０１に着脱自在に固定される蓋部２０２とを備えている。

本実施形態の筐体２０では、複数の蓄電池モジュール１を積み重ねた状態で収納可能となっている。これにより、蓄電池モジュール１の設置数を変更することにより、蓄電池ユニット１００の電池容量を調節することができる。
なお、図示の構成では、筐体２０の紙面手前側にのみ、蓄電池モジュール１を積み重ねて配置するようになっているが、紙面奥側にも複数の蓄電池モジュール１を積み重ねて配置することもできる。

積み重ねられた複数の蓄電池モジュール１の上には、固定プレート３０が配置され、固定プレート３０が、図中矢印で示すネジにより、本体部２０１の枠体にネジ止めされる。これにより、複数の蓄電池モジュール１も本体部２０１の枠体に固定される。
かかる構成によれば、蓄電池モジュール１同士をネジ止めすることなく、一括して本体部２０１（筐体２０）に固定することができるため、部品点数の削減を図ることができるとともに、蓄電池ユニット１００の設置作業をより簡略化することができる。

また、固定プレート３０は、本体部２０１の枠体を構成し、互いに対向配置された部材同士を連結する梁としても機能するため、本体部２０１（筐体２０）の機械的強度を向上させることもできる。すなわち、固定プレート３０は、筐体２０を補強する機能も有する。固定プレート３０上には、制御モジュール１０が配置され、図中矢印で示すネジにより、固定プレート３０にネジ止めされる。
制御モジュール１０は、例えば、交流電流と直流電流との電力変換を行う機能、蓄電池モジュールの異常の有無をモニターする機能、蓄電池モジュール１の充電量をモニターする機能、異常時に電流を遮断する機能、外部機器との通信機能等を有している。

本体部２０１内に、複数の蓄電池モジュール１および制御モジュール１０を収納した状態で、本体部２０１の上部開口２０１ａを塞ぐように、本体部２０１に蓋部２０２が装着される。
蓋部２０２は、長方形状（上部開口２０１ａに対応した形状）の平板で構成され、四つの角部にそれぞれ貫通孔２０２１が形成されている。図中矢印で示すネジを貫通孔２０２１に挿通し、本体部２０１の枠体に設けられたネジ穴に螺合する。これにより、蓋部２０２が本体部２０１に固定される。

筐体２０および固定プレート３０の構成材料としては、それぞれ、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金、ステンレス鋼、鉄等が挙げられる。かかる材料で筐体２０および固定プレート３０を構成することにより、これらを介した放熱効果も期待できる。
なお、本体部２０１の内面に、高さ方向に沿ってガイドを設けるようにしてもよい。このガイドに沿って蓄電池モジュール１を本体部２０１内に誘導することにより、本体部２０１に対する蓄電池モジュール１の位置決めが容易になる。

以上、本発明の蓄電池モジュールおよび蓄電池ユニットについて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
例えば、本発明の蓄電池モジュールおよび蓄電池ユニットは、それぞれ他の任意の構成を有していてもよいし、同様の機能を発揮する任意の構成と置換されていてよい。

１蓄電池モジュール
２蓄電池セル
２１端子用タブ
３容器
３１容器本体
３１１上部開口
３２蓋体
３３コネクタ
１００蓄電池ユニット
１０制御モジュール
２０筐体
２０１本体部
２０１ａ上部開口
２０２蓋部
２０２１貫通孔
３０固定プレート

Claims

複数のシート状の蓄電池セルと、
該複数の蓄電池セルを収納する容器と、
前記複数の蓄電池セルの７０％以上が浸漬するように、前記容器内に供給された油状媒体とを有し、
該油状媒体が、オイルと、該オイルの粘度を増大させる増粘剤とを含有することを特徴とする蓄電池モジュール。
前記オイルは、難燃性オイルである請求項１に記載の蓄電池モジュール。
前記難燃性オイルは、合成オイルを含む請求項２に記載の蓄電池モジュール。
前記増粘剤は、ガム類、多糖類、ポリ（メタ）アクリル酸類、ポリオレフィン類、ポリ（メタ）アクリレート類およびポリスチレン類のうちの少なくとも１種を含む請求項１ないし３のいずれかに記載の蓄電池モジュール。
前記油状媒体中に含まれる前記増粘剤の量は、３～５０質量％である請求項１ないし４のいずれかに記載の蓄電池モジュール。
前記油状媒体は、さらに前記オイルよりも高い熱伝導性を有する熱伝導粒子を含有する請求項１ないし５のいずれかに記載の蓄電池モジュール。
前記熱伝導粒子の構成材料は、無機炭化物および無機窒化物のうちの少なくとも１種である請求項６に記載の蓄電池モジュール。
前記熱伝導粒子の平均粒径は、０．１～４０μｍである請求項６または７に記載の蓄電池モジュール。
前記油状媒体中に含まれる前記熱伝導粒子の量は、３０～７０容量％である請求項６ないし８のいずれかに記載の蓄電池モジュール。
前記油状媒体の粘度は、５０００～１５０００Ｐａ・ｓである請求項１ないし９のいずれかに記載の蓄電池モジュール。
前記油状媒体の密度は、１．５～３ｇ／ｃｍ^３である請求項１ないし１０のいずれかに記載の蓄電池モジュール。
さらに、前記油状媒体に接触するように、前記容器の内面に固定されたペルチェ素子を有する請求項１ないし１１のいずれかに記載の蓄電池モジュール。
前記ペルチェ素子は、前記蓄電池セルに電気的に接続され、該蓄電池セルから電力が供給されるように構成されている請求項１２に記載の蓄電池モジュール。
前記容器の少なくとも前記ペルチェ素子が固定される部分は、金属材料で構成されている請求項１２または１３に記載の蓄電池モジュール。
さらに、前記容器内の前記油状媒体の量の変化を検出する油量センサを有する請求項１ないし１４のいずれかに記載の蓄電池モジュール。
前記油量センサは、前記蓄電池セルに電気的に接続され、該蓄電池セルから電力が供給されるように構成されている請求項１５に記載の蓄電池モジュール。
請求項１ないし１６のいずれかに記載の蓄電池モジュールと、
該蓄電池モジュールを収納可能な筐体とを有することを特徴とする蓄電池ユニット。