JP7124747B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は、電池パックに関する。

電池セルが複数積層されたセル積層体を積層方向の両端から一対のエンドプレートで挟む構造を有する電池スタックと、この電池スタックを収容するケースと、ケースの内部に配置された電池セル昇温用のヒータと、を備える電池パックが知られている。この電池パックでは、セル積層体の両端に位置する電池セルがエンドプレートに接触している。

特許文献１には、エンドプレートにリブを設け、このリブを電池セルに接触させることにより、エンドプレートと電池セルとの間に空気層を形成することが開示されている。これにより、エンドプレートと電池セルとの接触面積を減らし、この接触面を介した熱伝達を抑制することができる。

特開２０１２－０５４０５３号公報

特許文献１に記載の構成では、エンドプレートと電池セルとの接触面積を減らせるものの、電池セルの熱は接触面を介してエンドプレートに伝達可能であるため、電池スタックの両端に熱容量の大きいエンドプレートを配置することにより、エンドプレートに接触している電池セルは、他の電池セルよりも見かけ上の熱容量が大きくなる。そのため、セル積層体をヒータで昇温中、セル積層体の両端に位置する電池セルは、中央付近に位置する電池セルよりも昇温速度が遅くなり、セル積層体の昇温時間が長くなる虞がある。この結果、ヒータによる昇温中、セル積層体で積層方向に温度のバラツキが発生してしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、セル積層体をヒータで昇温させる際、セル積層体で積層方向に温度のバラツキが発生することを抑制することができる電池パックを提供することを目的とする。

本発明は、電池セルが複数積層されているセル積層体と、前記セル積層体を積層方向の両端から挟持する一対のエンドプレートと、前記積層方向に延びて前記一対のエンドプレートに固定され、前記エンドプレートを介して前記セル積層体を拘束する拘束部材と、を有する電池スタックと、前記電池スタックを収容するケースと、前記ケースの内部に配置され、前記電池セルに接触している状態で当該電池セルを昇温させるヒータと、を備える電池パックであって、前記ヒータは、前記エンドプレートに接触していることを特徴とする。

本発明では、ヒータがエンドプレートに接触しているので、ヒータの熱をエンドプレートに直接伝達させることができる。そのため、ヒータによってエンドプレートを昇温させることが可能になり、エンドプレートとセル積層体との間で温度差を減らすことができる。これにより、ヒータによる昇温時、セル積層体の両端に位置する電池セルは、中央付近に位置する電池セルよりも温度上昇速度が遅くなることを抑制でき、セル積層体で積層方向に温度のバラツキが発生することを抑制することができる。

図１は、実施形態における電池パックの構成を示す模式図である。 図２は、サーモスタットの構成例を示す模式図である。 図３は、電池セル昇温時の状態を示す模式図である。 図４は、電池セル冷却時の状態を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態における電池パックについて具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

図１は、実施形態における電池の構成を示す模式図である。電池パック１は、電池スタック１０と、電池スタック１０を収容するケース２０と、ケース２０の内部で電池スタック１０を構成する電池セル１１を昇温するためのヒータ３０と、を備える。

電池スタック１０は、複数の電池セル１１が並んで配置された積層構造に構成されている。図１に示すように、電池スタック１０は、電池セル１１が複数積層されたセル積層体１２と、セル積層体１２の積層方向の両端に配置された一対のエンドプレート１３Ａ，１３Ｂと、一対のエンドプレート１３Ａ，１３Ｂに固定された拘束部材１４と、を有する。

セル積層体１２は、複数の電池セル１１が一対のエンドプレート１３Ａ，１３Ｂによって積層方向の両端から挟み込まれた状態で保持されている。電池セル１１は板状に形成された単セルである。この電池セル１１およびセル積層体１２は周知の構成からなるものである。

一対のエンドプレート１３Ａ，１３Ｂは、セル積層体１２の両端に位置する電池セル１１Ａ，１１Ｂと対向する面が、当該電池セル１１Ａ，１１Ｂの表面と面接触している。一方のエンドプレート１３Ａは、積層方向の一方端に位置する電池セル１１Ａの表面と面接触する。他方のエンドプレート１３Ｂは、積層方向の他方端に位置する電池セル１１Ｂの表面と面接触する。なお、一対のエンドプレート１３Ａ，１３Ｂを特に区別しない場合には、単にエンドプレート１３と記載する。

拘束部材１４は、一対のエンドプレート１３Ａ，１３Ｂを接続する部材であって、エンドプレート１３を介してセル積層体１２を拘束する。図１に示すように、拘束部材１４は、絶縁性を有する棒状部材であり、両側のエンドプレート１３を繋ぐようにセル積層体１２の積層方向に沿って延びている。

ヒータ３０は、電池パック１の内部で、セル積層体１２を構成する各電池セル１１を暖機するために電池セル昇温用ヒータである。図１に示すように、ヒータ３０は、ケース２０の内部に配置されており、セル積層体１２の底面、すなわち各電池セル１１の底面に面接触している。

例えば、このヒータ３０は、電池セル１１を水冷する冷却器により構成されている。この冷却器は、内部を冷却液が循環する構成を有し、この冷却液を温めて循環させることで、電池セル１１を昇温させることが可能なヒータとして機能することができる。つまり、ヒータ３０の一例として、ケース２０の内部に配置された水冷式の冷却器が挙げられる。

また、ヒータ３０は、エンドプレート１３と接触している。ヒータ３０の熱をエンドプレート１３に伝達することが可能に構成されている。なお、この説明で記載する「接触している」とは、絶縁体を挟んで間接的に接触している場合を含むものである。つまり、エンドプレート１３と電池セル１１とは絶縁体を積層方向に挟んで接触していてもよい。同様に、ヒータ３０とエンドプレート１３とは絶縁体を挟んで接触していてもよい。また、この説明では、「接触している」ことを、「電池スタック１０の側面視でヒータ３０が、エンドプレート１３と重なる位置まで延びている」ことと言い換えることができる。要するに、熱伝達経路が空気を介さずに熱伝達可能に接続している状態を「接触している」と表現することができる。

ここで、電池スタック１０の両端には、熱容量の大きいエンドプレート１３が配置されており、セル積層体１２の両端に位置する電池セル１１Ａ，１１Ｂはエンドプレート１３Ａ，１３Ｂと接触しているため、他の電池セル１１、特に積層方向の中央付近に位置する電池セル１１Ｃよりも見かけ上の熱容量が大きくなる。つまり、エンドプレート１３の熱容量は電池セル１１の熱容量よりも大きい。そのため、各電池セル１１とエンドプレート１３に接触するヒータ３０の面積は異なる。ヒータ３０と電池スタック１０を構成する各部品との接触面積は、各部品の熱容量に比例する。そこで、電池パック１では、ヒータ３０とエンドプレート１３との接触面積は、ヒータ３０と電池セル１１との接触面積よりも大きく構成されている。

このヒータ３０は、サーモスタット４０を介してエンドプレート１３と接触している。サーモスタット４０は、ヒータ３０の熱変化によって、ヒータ３０とエンドプレート１３との間を熱伝達可能に接続する状態と、ヒータ３０とエンドプレート１３との間を熱伝達不能に遮断する状態とに切り替わる。このサーモスタット４０には、積層方向の一方端側に配置され、エンドプレート１３Ａに接触する一方のサーモスタット４０Ａと、積層方向の他方端側に配置され、エンドプレート１３Ｂに接触する他方のサーモスタット４０Ｂとが含まれる。なお、一対のサーモスタット４０Ａ，４０Ｂを特に区別しない場合には、単にサーモスタット４０と記載する。

図２は、サーモスタットの構成例を示す模式図である。サーモスタット４０は、エンドプレート１３との接触部４１と、ヒータ３０の熱を接触部４１に伝達する接続部４２と、ヒータ３０の熱によって変形する変形部４３と、を有する。

接触部４１は、エンドプレート１３の底面と面接触する部材である。この接触部４１は、変形部４３の変形量に応じて高さ方向の位置が変位するように構成されているとともに、接続部４２を介してヒータ３０と熱伝達可能に接続されている。接続部４２は、ヒータ３０の熱を接触部４１に熱伝達する経路を形成する部材であり、ヒータ３０と接触部４１との間を熱伝達可能に接続する部材である。この接触部４１と接続部４２とをまとめて熱伝導経路部と表現することができる。

変形部４３は、ヒータ３０の温度に対応して体積が変化する部品であり、線膨張係数の大きい部材からなる。例えば、ゴムによって変形部４３が構成されている。この変形部４３は、電池セル１１の昇温時と、電池セル１１の冷却時とで異なる体積に変化することができる。

図３は、電池セル昇温時の状態を示す模式図である。図３に示すように、電池セル１１を昇温する際、ヒータ３０とエンドプレート１３とが接触する。ヒータ３０内の冷却水の温度上昇により、変形部４３の温度が上昇する。この温度上昇により、変形部４３が膨張して、変形部４３の体積が増大する。この体積膨張によって、熱伝導経路部を構成する接触部４１および接続部４２が上方に持ち上げられ、接触部４１がエンドプレート１３に接触する。つまり、ヒータ３０を構成する冷却器の内部を循環する冷却水の温度が高い場合には、ヒータ３０を構成する冷却器とエンドプレート１３とは接触する。

図４は、電池セル冷却時の状態を示す模式図である。図４に示すように、電池セル１１を冷却する際、ヒータ３０とエンドプレート１３とが非接触となる。ヒータ３０内の冷却水の温度低下により、変形部４３の温度が低下する。この温度低下により、変形部４３が収縮して、変形部４３の体積が減少する。この体積収縮によって、熱伝導経路部を構成する接触部４１および接続部４２が下方に下がり、接触部４１がエンドプレート１３から離れる。つまり、ヒータ３０を構成する冷却器の内部を循環する冷却水の温度が低い場合には、ヒータ３０を構成する冷却器とエンドプレート１３とは接触しない。

この水冷式冷却器のように、冷却水の温度を調整することで、電池セル１１の冷却と昇温のどちらにも対応できるハード構成の場合、電池セル１１の昇温時は狙いの作用を得ることができるものの、電池セル１１の冷却時にはエンドプレート１３を冷やすことになり、セル積層体１２の両端に位置する電池セル１１Ａ，１１Ｂの温度が中央付近の電池セル１１Ｃに比べて低い状態になってしまう。この対策として、冷却器からなるヒータ３０とエンドプレート１３との間に、冷却器の温度に対応して体積が変化する部品を含むサーモスタット４０を取り付けることで、冷却器（冷却水）の温度に応じて、エンドプレート１３とヒータ３０との接触を選択することができる。

以上説明した通り、実施形態によれば、ヒータ３０がセル積層体１２とエンドプレート１３に接触するので、電池セル１１とエンドプレート１３との温度差を減らすことができる。そのため、セル積層体１２で積層方向に温度のバラツキが発生することを抑制できる。これにより、電池セル１１の昇温時間を短縮することができ、昇温用に電池セル１１から持ち出す電気エネルギーが減少し、電費が向上する。

例えば、上述した電池パック１は、電動車両（ＥＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）、ハイブリッド車（ＨＶ）に搭載される走行用バッテリである。この走行用バッテリである電池パック１は、低温環境では内部抵抗が増大し、入出力特性が低下するおそれがある。そのため、特にＥＶ、ＰＨＶにおいて、低温ソーク後に電動走行（ＥＶ走行）を行うためには、電池セル１１を昇温する必要がある。この昇温には、電気ヒータ等の熱源を用いる必要があり、そのための電気エネルギーを電池セル１１から持ち出し（電費悪化）になるので、できるだけ短時間で全電池セル１１を均等に昇温する必要がある。上述した電池パック１によれば、ヒータ３０がセル積層体１２とエンドプレート１３とに接触しているため、電池セル１１の温度とエンドプレート１３の温度との温度差を抑制することができ、昇温時間を短縮することができる。また、昇温時間が短縮することにより、昇温用に電池セル１１から持ち出す電気エネルギーを低減でき、電費が向上する。

１ 電池パック
１０ 電池スタック
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ 電池セル
１２ セル積層体
１３，１３Ａ，１３Ｂ エンドプレート
１４ 拘束部材
２０ ケース
３０ ヒータ
４０ サーモスタット
４１ 接触部
４２ 接続部
４３ 変形部

Claims (1)

1. 電池セルが複数積層されているセル積層体と、
   前記セル積層体を積層方向の両端から挟持する一対のエンドプレートと、
   前記積層方向に延びて前記一対のエンドプレートに固定され、前記エンドプレートを介して前記セル積層体を拘束する拘束部材と、
   を有する電池スタックと、
   前記電池スタックを収容するケースと、
   前記ケースの内部に配置され、前記電池セルに接触している状態で当該電池セルを昇温させるヒータと、
   を備える電池パックであって、
   前記ヒータの温度に対応して体積が変化する部品を含むサーモスタットを備え、
   前記ヒータは、内部を冷却液が循環する構成を有し、前記サーモスタットを介して前記エンドプレートに接触しており、
   前記サーモスタットは、前記ヒータの熱変化によって、前記ヒータと前記エンドプレートとの間を熱伝達可能に接続する状態と、前記ヒータと前記エンドプレートとの間を熱伝達不能に遮断する状態とに切り替わり、
   前記ヒータの内部を循環する冷却液の温度が高い場合には、前記サーモスタットが前記エンドプレートに接触し、前記ヒータと前記エンドプレートとが接触して、
   前記ヒータの内部を循環する冷却液の温度が低い場合には、前記サーモスタットが前記エンドプレートから離れ、前記ヒータと前記エンドプレートとが接触しない
   ことを特徴とする電池パック。

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