JP7153023B2

JP7153023B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP7153023B2
Application number: JP2019544467A
Authority: JP
Inventors: 晴彦米田; 真己拝野; 裕司岸田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2022-10-13
Anticipated expiration: 2038-08-31
Also published as: WO2019065078A1; PH12020550160A1; CN111133627B; CN111133627A; JPWO2019065078A1

Description

本発明は、内蔵する二次電池セルの熱エネルギーを効率よく放熱する電源装置に関する。

多数の二次電池セルを内蔵する電源装置は動作電流のジュール熱で発熱する。電池の温度上昇は種々の弊害の原因となるので、外部に放電して温度上昇を制限している。とくに、多数の二次電池セルを内蔵する大容量の電源装置は、発熱エネルギーも大きくなるので優れた放熱特性が要求される。電源装置の熱エネルギーを効率よく放電するために、放熱シートが使用される。（特許文献１参照）

特開２０１７－１２３２１２号公報

放熱シートは、収納ケースと電池などの発熱素子との間に配置され、表面を発熱素子と収納ケースに密着させて、発熱素子の熱エネルギーを収納ケースに伝導して放熱する。この構造の電源装置は、放熱シートを広い面積で収納ケースに面接触させることで、内部で発生する熱エネルギーを効率よく外部に放熱できるが、全ての電源装置において、放熱シートを広い面積で収納ケースに密着させるのは極めて難しい。とくに、収納ケースを筒状として、内部に多数の二次電池セルからなる電池ブロックを挿入する構造の電源装置においては、放熱シートを収納ケースに広い面積で密着して、放熱シートを介して内部の熱エネルギーを外部に熱伝導するのが極めて難しい。

本発明は、収納ケースを筒状としながら従来の電子機器が有する以上の欠点を解決することを目的に開発されたもので、本発明の目的の一は、筒状の収納ケースに電池ブロックを挿入して組み立てできる構造としながら、電池に熱結合している放熱シートでもって二次電池セルの熱エネルギーを効率よく外部に放熱できる電源装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の第１の側面に係る電源装置は、複数の電池セルを備える外形を四角柱状とする電池集合体と、前記電池集合体の四角柱の稜線に沿って伸びるコーナー部に配置してなるＬ字バーを備える支持フレームと、前記電池集合体の放熱面に配置されて、片面を前記電池集合体の放熱面に熱結合してなる放熱シートと、前記放熱シートを放熱面に配置して、コーナー部に前記Ｌ字バーを配置してなる前記電池集合体を挿入してなる筒状の収納ケースと、前記収納ケースと前記放熱シートとの間に配置し、前記収納ケースの内面に密着してなるアラミド繊維シートとを備え、前記アラミド繊維シートが両側縁に折曲部を有し、前記折曲部が前記Ｌ字バーの表面を被覆している。

以上の電源装置は、筒状の収納ケースに電池集合体をスムーズに挿入して能率よく組み立てできる構造としながら、放熱シートを収納ケースの内面に広い面積で密着させて、内蔵される電池セルの熱エネルギーを放熱シートを介して効率よく収納ケースから放熱できる特徴がある。それは、以上の電源装置が、四角柱状である電池集合体を、稜線に配置するＬ字バーを備える支持フレームで保持し、さらに電池集合体の放熱面には放熱シートを配置し、さらにまた、放熱シートの表面にアラミド繊維シートを積層して電池ブロックとし、この電池ブロックを収納ケースに挿入して組み立てできるからである。とくに、この構造の電源装置は、放熱シートの表面にアラミド繊維シートを積層して収納ケースに挿入するので、放熱シートが収納ケースの内面を摩擦しながら収納ケースに挿入されず、放熱シートの表面に積層しているアラミド繊維シートが収納ケースの内面を摩擦しながら電池ブロックが挿入される。アラミド繊維シートは、絶縁性に加えて、極めて優れた耐摩擦性能を示すことから、収納ケースの内面に強く加圧される状態であっても電池ブロックを収納ケースに挿入できる。アラミド繊維シートが収納ケースの内面に加圧状態で密着して収納ケースに挿入される電池ブロックは、放熱シートの内面を電池セルに向かって押圧して電池セルに好ましい状態で熱結合でき、放熱シートの外面はアラミド繊維シートに密着して、アラミド繊維シートを介して収納ケースに好ましい状態で熱結合される。したがって、以上の電源装置は、筒状の収納ケースに電池ブロックをスムーズに挿入しながら、放熱シートを介して電池セルの熱エネルギーを収納ケースに理想的な状態で熱伝導して外部に効率よく放熱できる。

さらに、以上の電源装置は、電池集合体の四隅に支持フレームのＬ字バーを配置することで、各々の電池セルを定位置に配置し、支持フレームで定位置に配置される電池集合体の放熱面に放熱シートを配置して、この放熱シートを理想的な状態で収納ケースに熱結合するので、長期間にわたって電池セルの熱エネルギーを収納ケースから外部に放熱できる特徴も実現する。それは、放熱シートの内面を、長期間にわたって、定位置に配置してなる電池セルに熱結合状態に配置して、電池セルの熱エネルギーを収納ケースに熱伝導して放熱できるからである。

また、第２の側面に係る電源装置によれば、上記構成に加えて、前記放熱シートは隣接するＬ字バーの間に配置することができる。

さらに、第３の側面に係る電源装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記放熱シートは厚さ方向に変形できるシートとすることができる。

さらにまた、第５の側面に係る電源装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記放熱シートは、前記電池集合体の四角柱状の対向する２面に配置することができる。

さらにまた、第６の側面に係る電源装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記電池セルが円筒形電池で、前記電池集合体は前記放熱面に円筒形電池の端面を配置して、さらに前記電池セルの端面に、隣接する該電池セルを電気接続してなるリード板を配置して、前記リード板の表面に前記放熱シートを熱結合することができる。

さらにまた、第７の側面に係る電源装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記放熱シートをグラファイトシートとすることができる。

さらにまた、第８の側面に係る電源装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記支持フレームと前記収納ケースを金属製とすることができる。

さらにまた、第９の側面に係る電源装置によれば、上記構成に加えて、前記支持フレームを鉄製とし、前記収納ケースをアルミニウム製とすることができる。

さらにまた、第１０の側面に係る電源装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記アラミド繊維シートをアラミド繊維を湿式抄紙したアラミド紙とすることができる。

本発明の一実施形態に係る電源装置を示す斜視図である。図１の電源装置を斜め下方から見た斜視図である。図１の電源装置の分解斜視図である。図３の電源装置を斜め下方から見た分解斜視図である。図１の電源装置のＶ－Ｖ線における断面図である。図１の電源装置のＶＩ－ＶＩ線における断面図である。図３の電池集合体から金属プレートを外した分解斜視図である。図７の電池集合体を斜め下方から見た分解斜視図である。図７の電池集合体の分解斜視図である。図９の電池集合体の更なる分解斜視図である。電池集合体を金属プレートで締結する状態を示す分解側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明は以下のものに特定されない。また、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。

以下に示す電源装置は、主として、モータのみで走行する電気自動車や電動カートなどの電動車両の駆動用電源に適用する例を説明する。なお本発明の電源装置を、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド車に使用したり、電動車両以外の大出力が要求される用途、例えば家庭用、工場用の蓄電装置等に使用してもよい。
（実施形態１）

実施形態１に係る電源装置１００を、図１～図６に示す。これらの図において、図１は本発明の一実施形態に係る電源装置１００を示す斜視図、図２は図１の電源装置１００を斜め下方から見た斜視図、図３は図１の電源装置１００の分解斜視図、図４は図３の電源装置１００を斜め下方から見た分解斜視図、図５は図１の電源装置１００のＶ－Ｖ線における断面図、図６は図１の電源装置１００のＶＩ－ＶＩ線における断面図を、それぞれ示している。
（電池ブロック４）

図１～図６に示す電源装置１００は、筒状の収納ケース１０の内部に電池ブロック４を内蔵している。電池ブロック４は、電池集合体４０の稜線に支持フレーム５０のＬ字バー５２、５３、５９を配置している。さらに、電池ブロック４は、電池集合体４０の放熱面４８に放熱シート２を密着させて、放熱シート２の表面にはアラミド繊維シート３を積層している。
（電池集合体４０）

電池集合体４０は、複数の二次電池セル１を接続して、外形を四角柱状とする形状に配置している。二次電池セル１はリチウムイオン二次電池の円筒形電池である。リチウムイオン二次電池は容積と重量に対する充放電容量を大きくできる。ただし、本発明は二次電池セルをリチウムイオン二次電池には特定しない。二次電池セルには、好ましくは充放電容量の大きい他の全ての二次電池を使用できる。

電池集合体４０は、図５～図１０に示すように、複数の円筒型電池を平行姿勢として電池ホルダ４４に多段多列に配置している。図９と図１０の電池集合体４０は、複数の円筒型電池を電池ホルダ４４に多段多列に配置して電池ユニット４０Ａを構成し、一対の電池ユニット４０Ａを二次電池セル１の軸方向に並べて全体の外形を四角柱状としている。各電池ユニット４０Ａに配置される複数の円筒型電池は、軸方向に対向する２本の円筒形電池を直線状に並べて１列の電池列とし、電池列を平行姿勢として多段多列に配置している。

外形を四角柱状とする電池集合体４０は、天面４１と底面４２と側面４３とを有している。天面４１と底面４２とは、互いにほぼ平行な姿勢に離間されている。また、図４に示すように、底面４２の一辺の部分を切り欠いた形状とし、出力端子３３等の部材を配置することができる。また、側面４３は、互いに隣接する第一側面４３Ａと第二側面４３Ｂとを備えており、天面４１と底面４２との間でこれらを接続している。電池集合体４０は、四角柱状の対向する２面である第二側面４３Ｂを放熱面４８として放熱シート２を配置している。

電池集合体４０は、全ての二次電池セル１の一部を放熱面４８に配置している。図６の電池集合体４０は、二次電池セル１を円筒形電池として、一方の端面を放熱面４８に配置している。円筒形電池は両端を電極端面として、対向面に金属板のリード板４５を配置して、リード板４５に接続している。リード板４５は隣接する二次電池セル１を直列又は並列に接続している。電池集合体４０の放熱面４８にはリード板４５が配置され、リード板４５は二次電池セル１の端面に接近して対向位置に配置される。リード板４５は、電極端面に固定されて二次電池セル１に熱結合される。リード板４５は、電気抵抗が小さくて熱伝導特性に優れた金属板が使用されるので、隣接する二次電池セル１は、リード板４５を介して好ましい状態で熱結合される。

電池集合体４０は、放熱面４８に配置される電極端面を同一平面に配置して、平面状のリード板４５に電極端面を接続している。平面状のリード板４５は、表面に放熱シート２を密着して好ましい熱結合状態に配置される。この電池集合体４０は、リード板４５を介して二次電池セル１の熱エネルギーが放熱シート２に伝導する。放熱シート２の間に接続されるリード板４５は、二次電池セル１の温度差を少なくして二次電池セル１の熱エネルギーを放熱シート２に伝導する。

図６と図１０の電池集合体４０は、一対の電池ユニット４０Ａを対向位置に配置して、対向位置に配置する円筒形電池を直線状に配置している。一対の電池ユニット４０Ａの間に絶縁層６０を配置して、絶縁層６０の両側にリード板４５を配置して、各電池ユニット４０Ａの二次電池セル１を直列や並列に接続している。電池集合体４０は防水袋（図示せず）に入れて防水構造にできる。

（支持フレーム５０）
一対の電池ユニット４０Ａは、プラスチック製の電池ホルダ４４で各々の二次電池セル１を定位置に配置している。一対の電池ユニット４０Ａを一体構造に連結した電池集合体４０は、支持フレーム５０で電池ブロック４として組み立てられる。図６と図７及び図８の分解斜視図に示す支持フレーム５０は、四角柱状の電池集合体４０の稜線に沿って伸びる複数のＬ字バー５２、５３、５９を備え、垂直方向に配置されたＬ字バー５２の上下の両端を補強プレート５６で連結している。支持フレーム５０は鉄製で、図７及び図８の支持フレーム５０は、上側のＬ字バー５３と両側のＬ字バー５２とをバンド部５１として１枚の金属板でコ字状に構成し、下側のＬ字バー５９を１枚の金属板で構成している。なお、この明細書において鉄は鉄合金を含む意味に使用する。

この支持フレーム５０は、両側のＬ字バー５２の下端を下側のＬ字バー５９で連結しない状態で、図１１に示すように、両側のＬ字バー５２の下端を開いて電池集合体４０を挿入し、その後、両側のＬ字バー５２を電池集合体４０の稜線に沿わせる状態として、さらに、両側のＬ字バー５２の下端を下側のＬ字バー５９と補強プレート５６にネジ止めして組み立てられる。
（放熱シート２）

電池ブロック４は、支持フレーム５０で固定された電池集合体４０の放熱面４８に放熱シート２が付着される。図３、図４、及び図６の電池ブロック４は、放熱面４８にリード板４５を配置しているので、放熱シート２はリード板４５の表面に付着される。放熱シート２は、Ｌ字バー５２、５３、５９よりも厚いシリコンシートで、Ｌ字バー５２、５３、５９の間に付着される。たとえば、Ｌ字バー５２、５３、５９を厚さ１ｍｍの鉄製として、シリコンシートの厚さを３ｍｍ～４ｍｍとする。シリコンシートは、厚さ方向に圧縮できるゴム状弾性体で、僅かに凹凸のあるリード板４５の表面に広い面積で密着されて、好ましい熱結合状態を実現する。また、電池ブロック４を筒状の収納ケース１０に挿入する状態で薄く押し潰されて、スムーズに収納ケース１０に挿入でき、挿入された状態では復元して、アラミド繊維シート３に密着し、またアラミド繊維シート３を収納ケース１０に押圧するので、リード板４５と放熱シート２とアラミド繊維シート３と収納ケース１０とを好ましい熱結合状態にできる特徴がある。また、シリコンシートは優れた絶縁特性も示すので、直接にリード板４５に密着して好ましい熱結合状態を実現できる。放熱シート２は粘着層や接着層を介して放熱面４８に密着される。

ただし、本発明は放熱シートをシリコンシートに特定するものでなく、たとえば、極めて優れた熱伝導特性のあるグラファイトシートなどの他の全ての放熱シートも使用できる。導電性のあるグラファイトシート等の放熱シートは、シリコンシートなどの絶縁シートを介してリード板に積層される。絶縁シートと導電性のある放熱シートは、粘着層や接着層を介して密着される。

放熱シート２が粘着層や接着層を介して電池集合体４０の放熱面４８に結合される電池ブロック４は、放熱シート２が電池ブロック４から剥離しないので、その後の組み立て工程を簡単にできる。ただ、放熱シート２は必ずしも放熱面４８から剥離しないように結合する必要はなく、たとえば、シリコンオイルなどの熱伝導ペーストを介して放熱面４８に熱結合状態に積層できる。熱伝導ペーストを介在して放熱面４８に付着される放熱シート２は、ゴム状弾性のないグラファイトシート等を凹凸のある放熱面４８により理想的な状態で熱結合して固定できる。
（アラミド繊維シート３）

電池ブロック４は、放熱シート２の表面にアラミド繊維シート３を積層して筒状の収納ケース１０に挿入するので、アラミド繊維シート３を介して放熱シート２を放熱面４８に配置することができる。アラミド繊維シート３は、両側を支持フレーム５０や電池集合体４０に接着して、電池ブロック４の定位置に連結できる。

アラミド繊維シート３は、アラミド繊維を湿式あるいは乾式でシート状としたもので、繊維の交点を結合してより優れた耐摩擦特性と切創抵抗を実現している。アラミド繊維の交点は、繊維シートを両面から加熱プレスして結合でき、またバインダーを使用して結合される。アラミド繊維シート３は、例えば、アラミド繊維を湿式抄紙したアラミド紙とすることができる。このアラミド繊維シート３は、厚さを薄くして、例えば約０．１ｍｍとして、放熱シート２が配置された電池集合体４０の周囲を被覆する状態で電池ブロック全体が嵩張るのを防止しながら、電池ブロック４を筒状の収納ケース１０にスムーズに挿入できる。両面を加熱、加圧して繊維の交点を結合しているアラミド繊維シート３は、加熱する温度と加圧する圧力を調整して空隙率をコントロールできるので、板状に成形することもできる。

図３、図４、及び図６の電源装置１００は、電池ブロック４の対向面に放熱シート２を配置して、放熱シート２の表面にアラミド繊維シート３を積層している。アラミド繊維シート３は、電池ブロック４を筒状の収納ケース１０に挿入するときに、電池ブロック４と収納ケース１０との間にあって、電池ブロック４をスムーズに収納ケース１０に挿入する。四角柱状の電池ブロック４は、周囲の４面をアラミド繊維シート３で被覆して、筒状の収納ケース１０に挿入される。アラミド繊維シート３は、電池ブロック４の横幅よりも広く裁断されて、両側縁に折曲部３Ａを設けている。折曲部３Ａは両側のＬ字バー５２の表面を被覆する横幅で、四角柱状の電池集合体４０の四隅部に配置しているＬ字バー５２の表面全体を被覆している。さらに、アラミド繊維シート３は、電池集合体４０の放熱面４０に配置される上下のＬ字バー５３、５９の表面も被覆している。

図３と図４の電源装置１００は、電池集合体４０の対向面である第二側面４３Ｂに設けている放熱面４８をアラミド繊維シート３で被覆し、さらに対向する放熱面４８の間に設けている第一側面４３Ａに配置されたＬ字バー５２の表面を両側の折曲部３Ａで被覆している。この構造は、アラミド繊維シート３が、電池ブロック４の対向する放熱面４８の全面を被覆し、残りの２つの側面４３は両側部においてＬ字バー５２の表面を被覆する。

収納ケース１０に挿入される電池ブロック４は、収納ケース１０に挿入する状態で、放熱面４８を含む対向する２面である第二側面４３Ｂと、対向する２面の両側にある第一側面４３ＡのＬ字バー５２の表面をアラミド繊維シート３で被覆する。対向する２面と、その両側の２つの側面４３のＬ字バー５２の表面を被覆するアラミド繊維シート３は、筒状の収納ケース１０の内面を擦りながら移動して、電池ブロック４を収納ケース１０の内部に挿入する。アラミド繊維シート３は極めて優れた耐摩擦性能と切創抵抗とを有し、電池ブロック４を挿入する状態で、破損することなく、電池ブロック４を保護して収納ケース１０に挿入する。とくに、アラミド繊維シート３を収納ケース１０の内面に強く押圧する状態としながら、電池ブロック４を収納ケース１０に挿入できるので、収納ケース１０に挿入された状態で、アラミド繊維シート３が収納ケース１０の内面に密着され、さらに放熱シート２がアラミド繊維シート３に密着され、また放熱シート２が放熱面４８に密着される状態を実現して、二次電池セル１の熱エネルギーを放熱面４８から放熱シート２とアラミド繊維シート３とを介して効率よく収納ケース１０に熱伝導できる状態を実現する。
（収納ケース１０）

収納ケース１０はアルミニウム製の金属ケースである。アルミニウムは優れた熱伝導特性を示すので、放熱シート２を介して熱伝導される熱エネルギーを効率よく外部に放熱する。なお、本明細書においてアルミニウムはアルミニウム合金を含む意味に使用する。図の収納ケース１０は、内部に電池ブロック４を収納できるよう、中空状として、上面と下面を開口した筒状としている。収納ケース１０の上面側のケース第一開口部１１は、天蓋部２０で閉塞され、また収納ケース１０の下面側のケース第二開口部１２は、底蓋部３０で閉塞される。ただ、収納ケースは、底を閉塞して上方を開口している四角柱状にアルミニウム板をプレス成形して製作することもできる。

本発明の電源装置は、内蔵する各々の二次電池セルの熱エネルギーを効率よく外部に放熱して二次電池セルの温度上昇を小さくしながら使用することが大切な用途に便利に使用できる。

１００…電源装置
１…二次電池セル
２…放熱シート
３…アラミド繊維シート
３Ａ…折曲部
４…電池ブロック
１０…収納ケース
１１…ケース第一開口部
１２…ケース第二開口部
２０…天蓋部
３０…底蓋部
４０…電池集合体
４０Ａ…電池ユニット
４１…天面
４２…底面
４３…側面
４３Ａ…第一側面
４３Ｂ…第二側面
４４…電池ホルダ
４５…リード板
４８…放熱面
５０…支持フレーム
５１…バンド部
５２…Ｌ字バー
５３…Ｌ字バー
５６…補強プレート
５９…Ｌ字バー
６０…絶縁層

Claims

複数の電池セルを備える外形を四角柱状とする電池集合体と、
前記電池集合体の四角柱の稜線に沿って伸びるコーナー部に配置してなるＬ字バーを備える支持フレームと、
前記電池集合体の放熱面に配置されて、片面を前記電池集合体の放熱面に熱結合してなる放熱シートと、
前記放熱シートを放熱面に配置して、コーナー部に前記Ｌ字バーを配置してなる前記電池集合体を挿入してなる筒状の収納ケースと、
前記収納ケースと前記放熱シートとの間に配置し、前記収納ケースの内面に密着してなるアラミド繊維シートとを備え、
前記アラミド繊維シートが両側縁に折曲部を有し、前記折曲部が前記Ｌ字バーの表面を被覆してなる電源装置。
請求項１に記載される電源装置であって、
前記放熱シートが隣接する前記Ｌ字バーの間に配置されてなることを特徴とする電源装置。
請求項１又は２に記載される電源装置であって、
前記放熱シートが厚さ方向に変形できるシートであることを特徴とする電源装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載される電源装置であって、
前記放熱シートが、前記電池集合体の四角柱状の対向する２面に配置されてなることを特徴とする電源装置。
請求項１ないし４のいずれかに記載される電源装置であって、
前記電池セルが円筒形電池で、前記電池集合体は前記放熱面に円筒形電池の端面を配置しており、さらに前記電池セルの端面に、隣接する該電池セルを電気接続してなるリード板が配置されて、前記リード板の表面に前記放熱シートを熱結合してなることを特徴とする電源装置。
請求項１ないし５のいずれかに記載される電源装置であって、
前記放熱シートがグラファイトシートであることを特徴とする電源装置。
請求項１ないし６のいずれかに記載される電源装置であって、
前記支持フレームと前記収納ケースが金属製であることを特徴とする電源装置。
請求項７に記載される電源装置であって、
前記支持フレームが鉄製で、前記収納ケースがアルミニウム製であることを特徴とする電源装置。
請求項１ないし８のいずれかに記載される電源装置であって、
前記アラミド繊維シートがアラミド繊維を湿式抄紙したアラミド紙であることを特徴とする電源装置。