JP7170681B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池を組み合わせて構成された電池パックの構造に関する。

電気自動車等の電源など、高電圧、大容量が要求される場合、多数の電池を組み合わせた電池パックが使用される。電池パックは、搭載性から小形化が要求される一方、小形化して電池の密度を高めると、電池から発生した熱の放熱が問題となる。また、電池パックは、低温環境下で使用されるに際し、外部から加熱する場合があり、暖機の時間が問題となる。

下記特許文献１には、円筒電池の間を波状に延びる流路に流体を流して円筒電池を冷却する技術が示されている。下記特許文献２には、円筒電池の配置の工夫により伝熱性能を向上する技術が示されている。下記特許文献３には、円筒電池間に風を送って円筒電池を冷却する技術が示されている。

米国特許出願公開第２０１１／０２１２３５６号明細書 特開２０１８－６０５９４号公報 特開２０１６－１７８０６６号公報

小形かつ簡易な構造で、放熱性が良好であり、また熱応答性が良好な電池パックの構造が求められている。

本発明に係る電池パックの部分構造は、円筒電池を平面内に並列配置した層を複数重ねて形成された電池群を含み、隣接する層に属する円筒電池は層間で互いに配列ピッチが半ピッチずらして配置された千鳥配置となっている。さらに、本電池パックの部分構造は、表裏に配置される円筒電池に接触している伝熱性波板材からなる伝熱板を含み、伝熱板は、円筒電池の中心軸線に直交する平面内における層内の円筒電池の配列方向、またはこの円筒電池の配列方向に交差する第１交差方向、または円筒電池の配列方向と第１交差方向に交差する第２交差方向に沿って円筒電池間の隙間を通って延びている。さらに、本電池パックの部分構造は、電池群の側方に配置され、伝熱板の端縁が接続している放熱体を含む。そして、各円筒電池は、少なくとも２枚の伝熱板に接している。

円筒電池を千鳥配置したことにより円筒電池の配置密度が高まり、電池パックを小型化することができる。また、導電性波板材からなる伝熱板により、円筒電池の千鳥配置に対応した簡易な構成により放熱性を向上することができる。また、伝熱板を用いることにより、円筒電池間を伝熱材料で埋める場合に比べて電池パックの熱容量を小さくすることができ、熱応答性を向上させることができる。

さらに、電池群は、円筒電池の層を重ねた方向において第１の側と第２の側を有し、各層に属する円筒電池の数が、第１の側から第２の側に向けて１個ずつ増加するものとできる。放熱体は、少なくとも第２の側に配置されるものとでき、伝熱板は、第１交差方向に延びる第１方向伝熱板と、第２交差方向に延びる第２方向伝熱板を含み、円筒電池の層のそれぞれを横切る伝熱板が円筒電池の個数の増加に合わせて追加され、各伝熱板が第２の側で放熱体に接続するものとできる。

第１の側から第２の側向けて円筒電池の数が増加する配列においても、伝熱板を配置することができる。

追加された伝熱板は、第１の側に向いた端縁が他の伝熱板と接続していないものとすることができる。

追加された伝熱板は、第１の側に向いた端縁が他の伝熱板と接続しているものとすることができる。

放熱体は、第２の側に加え第１の側にも配置されるものとすることができ、第１の側に最も近い層を横切る伝熱板が第１の側に配置された放熱体に接続するようにできる。

本発明に係る電池パックは、円筒電池の層に属する円筒電池が第１の側から第２の側に向けて１個ずつ増加する前述の電池パックモジュールを六角形に組み合わせた構成を有する。

本実施形態の電池パックの円筒電池に直交する断面を模式的に示す図である。 電池パックの一部分の構造を模式的に示す分解斜視図である。 電池パックの一部分の構造の一例を模式的に示す断面図である。 電池パックの一部分の構造の他の例を模式的に示す断面図である。 他の電池パックの一部分の構造を模式的に示す断面図である。

以下、本発明に係る実施の形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態の電池パック１０を示す図であり、外形が円柱形状のいわゆる円筒電池１２の中心軸線に直交する断面を模式的に示す図である。図２は、電池パック１０の一部を示す図であり、部品を分解して示した斜視図である。

円筒電池１２は、同心配置された２つの円筒形状の内側放熱体１４と外側放熱体１６の間の円環状の空間に複数配置されている。円筒電池１２は、いずれも同形状であり、円筒の中心軸線が平行になるように配置されている。内側の円筒電池１２は、六角形に配置され、これらの円筒電池１２を囲むように外側に、円筒電池１２が六角形に配置される。互いに隣接する六角形に配置された円筒電池は、配列ピッチが半ピッチずれて配列されている。さらに、外側に円筒電池１２が同様に配列され、この電池パック１０では、全体で４つの六角形が形成されている。更に外側に円筒電池１２が配置されるが、これらの円筒電池１２は、六角形の頂点を欠いた配置となっている。円筒電池１２の配列ピッチを半ピッチずらした千鳥配置とすることにより、２つの円筒電池１２の外形が形成する谷間部分に他の円筒電池１２が入り込み、円筒電池１２の配置密度が高められている。

内側から外側に向けて円筒電池１２の隙間を縫うように延びる波形状の伝熱板１８が配置されている。伝熱板１８は、波板状に形成された伝熱材料からなり、材料自体によって熱が伝えられる。伝熱板１８は、例えば金属板、特にアルミニウム板により形成することができる。円筒電池１２の中心軸線方向において、円筒電池１２と伝熱板１８の寸法はほぼ等しい。伝熱板１８は、円筒電池１２の側面に沿うように湾曲した部分を有する。伝熱板１８は、円筒電池１２の側面の周方向において一部、かつ円筒電池１２の長手方向に延びる帯状の領域で接する。伝熱板１８は、円筒電池１２と直接接触しても、また接着剤等を介して接触してもよい。このような接触により、空気と接触する場合よりも伝熱効率が向上する。

いくつかの伝熱板１８は、内側の端縁が内側放熱体１４に、外側の端縁が外側放熱体１６に接続しており、残余の伝熱板１８は、外側放熱体１６のみに接続している。円筒電池１２で発生した熱は、伝熱板１８を伝って、その伝熱板１８が接続している内側放熱体１４および外側放熱体１６に流れる。

内側放熱体１４および外側放熱体１６は、例えば金属、特にアルミニウムなどの伝熱材料からなり、円筒電池１２に対向する面とは反対側の面から、伝熱板１８から伝わった熱を放熱する。また、内側放熱体１４と外側放熱体１６の一方または両方の表面にフィンを設けて、放熱を促進してもよい。また、内側放熱体１４と外側放熱体１６の一方または両方の内部に流路を形成し、この流路に流体を流し、この流体に放熱するようにしてもよい。

内側放熱体１４と外側放熱体１６の間の空間の両端には、端面板２０，２２が配置され、円筒電池１２が配置される空間を閉鎖空間としている。

図３は、円筒電池１２が配置された六角形の１辺に相当する部分、例えば図１の一点鎖線で囲まれた部分の構成を拡大して示す図である。

内側放熱体１４に近い４個の円筒電池１２は１平面内に配置され、中心軸線が平行になるように図３において左右方向に配列されている。これら４個の円筒電池１２で１層が形成される。この層を第１配列層２４Ａと記し、この第１配列層２４Ａに属する円筒電池を区別する必要があるときには円筒電池１２Ａと記す。第１配列層２４Ａに隣接する５個の円筒電池１２で第２配列層２４Ｂが形成される。この第２配列層２４Ｂに属する円筒電池を区別する必要があるときには円筒電池１２Ｂと記す。円筒電池１２Ｂは、１平面内に配置され、中心軸線が平行となるように図３において左右方向に配列されている。円筒電池１２Ａと円筒電池１２Ｂは、配列ピッチが互いに半ピッチずれており、互いに、相手側の配列層の隣接する円筒電池の側面で形成される谷部分に入り込んでいる。第２配列層２４Ｂに隣接する６個の円筒電池１２で第３配列層２４Ｃが形成され、更に第３配列層２４Ｃに隣接する７個の円筒電池１２で第４配列層２４Ｄが形成されている。第３配列層２４Ｃに属する円筒電池を円筒電池１２Ｃと記し、第４配列層２４Ｄに属する円筒電池を円筒電池１２Ｄと記す。第３配列層２４Ｃおよび第４配列層２４Ｄに属する円筒電池１２Ｃ，１２Ｄも第１，第２配列層２４Ａ，２４Ｂに属する円筒電池１２Ａ，１２Ｂと同様、隣接する配列層の円筒電池と半ピッチずれて配置されている。第１～第４配列層２４Ａ～２４Ｄを区別する必要がない場合、また総称する場合、配列層２４と記す。

第１～第４配列層２４Ａ～２４Ｄで構成される電池群２６を含む電池パック１０の部分構造について説明する。当該部分構造は、各配列層２４を重ねた方向（図３において上下方向）において、電池群２６の第１の側（図３において下側）に配置された内側放熱体１４と、第１の側と反対側の第２の側（図３において上側）に配置された外側放熱体１６を含む。第１の側と第２の側は、それぞれ円筒形の電池パック１０において内側、外側であり、以降の説明において、第１の側を内側、第２の側を外側と記す。

電池群２６を構成する各配列層２４は、内側の第１配列層２４Ａから外側の第４配列層２４Ｄへと、その配列層２４に属する円筒電池１２が１個ずつ増加している。円筒電池１２は、各配列層２４を規定する平面内に整列する一方、この配列層２４に交差する２方向に沿ってもそれぞれ１平面内に整列されている。各配列層２４内において円筒電池１２が配列された方向を電池配列方向Ｕと記す。電池配列方向Ｕに対し６０°で交差する２つの方向においても、円筒電池１２は整列しており、この方向を第１交差方向Ｖ、第２交差方向Ｗと記す。これらの方向Ｕ，Ｖ，Ｗに沿って円筒電池１２間の隙間が延びている。

電池群２６に関連する伝熱板１８は６枚であり、符号１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄ，１８Ｅ，１８Ｆで示す。なお、第４配列層２４Ｄの更に外側に位置する一点鎖線で示した円筒電池１２に関連する伝熱板１８Ｇが設けられている。各円筒電池１２は、少なくとも２枚の伝熱板１８に接触している。各伝熱板１８の表裏に円筒電池１２が接触している。また、伝熱板１８同士は、接触せず、また交差していない。各配列層２４の端に位置する円筒電池１２は、図３においては、１枚の伝熱板１８にしか接していないように示されているが、図１に示すように、隣接する部分構造に属する伝熱板１８が接しており、実際には、２枚の伝熱板１８に接触している。

伝熱板１８Ａ～１８Ｃは、第１～第４配列層２４Ａ～２４Ｄを横切り、内側の端縁が内側放熱体１４に、外側の端縁が外側放熱体１６に接続している。伝熱板１８Ａと伝熱板１８Ｃは、第１交差方向Ｖに延びる第１方向伝熱板であり、伝熱板１８Ｂは第２交差方向Ｗに延びる第２方向伝熱板である。伝熱板１８Ａ～１８Ｃは、第１配列層２４Ａの、隣接する円筒電池１２Ａ間に形成される３箇所の隙間に、それぞれ進入し、第１配列層２４Ａを横切っている。

第２配列層２４Ｂに属する円筒電池１２Ｂは５個であり、隣接する円筒電池１２Ｂ間の隙間は４箇所となり、第１配列層２４Ａに比べて１箇所増加している。この増加部分を埋めるように、伝熱板１８Ｄが追加されている。伝熱板１８Ｄは、第２配列層２４Ｂを横切り、第２交差方向Ｗに沿って外側に向けて延びて外側放熱体１６に接続している。伝熱板１８Ｄは第２交差方向Ｗに沿って延びる第２方向伝熱板である。伝熱板１８Ｄは、第２配列層２４Ｂに加え、第３および第４配列層２４Ｃ，２４Ｄも横切っている。なお、伝熱板１８が配列層２４を横切るとは、ここでは、隣接する円筒電池１２の最も接近している部分を横切り、ここで両側の円筒電池１２に接するように配置されていることを言い、配列層２４の厚さ方向全体にわたって配置されることを要さない。

第３配列層２４Ｃに属する円筒電池１２Ｃは６個であり、隣接する円筒電池１２Ｃ間の隙間は５箇所となり、第２配列層２４Ｂに比べて１箇所増加している。この増加部分を埋めるように、伝熱板１８Ｅが追加されている。伝熱板１８Ｅは、第３配列層２４Ｃを横切り、第１交差方向Ｖに沿って外側に向けて延びて外側放熱体１６に接続している。伝熱板１８Ｅは第１交差方向Ｖに沿って延びる第１方向伝熱板である。伝熱板１８Ｅは、第３配列層２４Ｃに加え、第４配列層も横切っている。

第４配列層２４Ｄに属する円筒電池１２Ｄは７個であり、隣接する円筒電池１２Ｄ間の隙間は６箇所となり、第３配列層２４Ｃに比べて１箇所増加している。この増加部分を埋めるように、伝熱板１８Ｆが追加されている。伝熱板１８Ｆは、第４配列層２４Ｄを横切り、第２交差方向Ｗに沿って外側に向けて延びて外側放熱体１６に接続している。伝熱板１８Ｆは第２交差方向Ｗに沿って延びる第２方向伝熱板である。

追加された伝熱板１８Ｄ～１８Ｆは、内側端縁がより内側にあるものから、延びる方向が交互となっているが、順序はこれに限られない。例えば、追加された伝熱板の全てが第１交差方向または第２交差方向に延びていてもよい。

円筒電池１２で発生した熱は、伝熱板１８を伝って内側放熱体１４および外側放熱体１６に流れる。また、１つの円筒電池１２が異常発熱した際、伝熱板１８を挟んで位置する円筒電池１２は、伝熱板１８により熱が拡散されるために温度上昇を抑制することができる。また、異常発熱した円筒電池１２に、伝熱板１８を介さずに、つまり直接対向する円筒電池１２は、これらの円筒電池１２の間に隙間を設け、空気の層を設けることにより、温度上昇を抑制することができる。

図４は、電池パックの部分構造の他の態様を示す図である。この態様は、図３に示した部分構造に対して、伝熱板の構造が相違し、他の構成については同一であるので、同一の符号を付してその説明を省略する。

図４に示す電池パックの部分構造の伝熱板２８Ａ～２８Ｆは、それぞれ前述の伝熱板１８Ａ～１８Ｆに対応している。伝熱板２８Ａ～２８Ｆについて、これらを区別する必要がない場合、または総称する場合、Ａ～Ｆを省略して伝熱板２８と記す。なお、第４配列層２４Ｄの外側に配列された円筒電池１２に関連する伝熱板２８Ｇは、前述の伝熱板１８Ｇに対応する。

伝熱板２８Ａから２８Ｃは、前述の伝熱板１８Ａ～１８Ｃと同一である。伝熱板２８Ｄは、前述の伝熱板１８Ｄより内側に、伝熱板２８Ｃに達するまで延び、伝熱板２８Ｃに接続している。伝熱板２８Ｅは、前述の伝熱板１８Ｅより内側に、伝熱板２８Ｄに達するまで延び、伝熱板２８Ｄに接続している。伝熱板２８Ｆは、前述の伝熱板１８Ｆより内側に、伝熱板２８Ｅに達するまで内側に向けて延び、伝熱板２８Ｅに接続している。伝熱板２８Ｇは、前述の伝熱板１８Ｇより内側に、伝熱板２８Ｆに達するまで延び、伝熱板２８Ｆに接続している。以上のように、伝熱板２８Ｄ～２８Ｇは、前述の伝熱板１８Ｄ～１８Ｇを、他の伝熱板２８に達するまで延ばしたものである。追加された伝熱板２８Ｄ～２８Ｇは、内側の端縁が他の伝熱板２８に接続され、内側および外側の端縁が支持されることによって安定する。各伝熱板２８は、互いに交差はしていない。この構造においても、各円筒電池１２は、少なくとも２枚の伝熱板に接している。

図５は、電池パック、またはその部分構造３０の一例を示す図であり、外形が円筒形のいわゆる円筒電池１２の中心軸線に直交する断面を示す模式図である。円筒電池１２は、１つの平面内に並列配置されて１つの層を形成している。この層を配列層３２と記す。図５において、４つの配列層３２Ａ～３２Ｄを有する構成が例示されている。４つの配列層３２Ａ～３２Ｄを区別する必要がないとき、または総称するときにはＡ～Ｄを省略して単に配列層３２と記す。また、１つの配列層３２内で円筒電池１２が配列されている方向を電池配列方向と記す。図５において、電池配列方向は左右方向である。

配列層３２Ａ～３２Ｄは、それぞれ同数の円筒電池１２から構成される。図５では、４個の円筒電池１２から構成される配列層３２が例示されている。また、ｎ個の円筒電池１２から構成される配列層と、ｎ＋１個の円筒電池１２から構成される配列層が交互に重ねられてもよい。隣接する配列層３２に属する円筒電池１２は、配列ピッチが互いに半ピッチずれて配置され、相手方の配列層３２に属する隣接する２個の円筒電池１２の側面により形成された谷間の部分に入り込んでいる。これにより、隣接する配列層３２間で円筒電池１２が互いに半ピッチずらして配置された電池群３４が形成される。

配列層３２の間の隙間を縫うように延びる波形状の伝熱板３６が配置されている。伝熱板３６の延びる方向は電池配列方向である。伝熱板３６は、波板状に形成された伝熱材料からなり、材料自体によって熱が伝えられる。伝熱板３６は、例えば金属板、特にアルミニウム板により形成することができる。円筒電池１２の中心軸線方向において、円筒電池１２と伝熱板３６の寸法はほぼ等しい。伝熱板３６は、円筒電池１２の側面に沿うように湾曲した部分を有する。伝熱板３６は、円筒電池１２の側面の周方向において一部、かつ円筒電池１２の長手方向に延びる帯状の領域で接する。伝熱板３６は、円筒電池１２と直接接触しても、また接着剤等を介して接触してもよい。このような接触により、空気と接触する場合よりも伝熱効率が向上する。

電池配列方向において電池群３４の両側には、放熱体３８，４０が配置され、各伝熱板３６の両側の端縁が放熱体３８，４０に接続している。円筒電池１２で発生した熱は、伝熱板３６を伝って、放熱体３８，４０に流れる。放熱体３８，４０は、例えば金属、特にアルミニウムなどの伝熱材料からなり、円筒電池１２に対向する面とは反対側の面から、伝熱板３６から伝わった熱を放熱する。また、２つの放熱体３８，４０の一方または両方の表面にフィンを設けて、放熱を促進してもよい。また、放熱体３８，４０の一方または両方の内部に流路を形成し、この流路に流体を流し、この流体に放熱するようにしてもよい。放熱体３８，４０は、一方のみ設けるようにしてもよい。

伝熱板１８，３６の波形状は、円筒電池１２の側面に沿うように湾曲した部分を有するが、これに限らず平板がジグザグに配置された三角波形状であってもよい。

電池パック１０は、図３または図４に示された部分構造を６個組み合わせて構成されるが、単独で、または任意の個数を組み合わせて電池パックを構成してもよい。例えば、３個を組み合わせて全体として断面が半円弧となるように電池パックを構成してもよい。

１０ 電池パック、１２ 円筒電池、１４ 内側放熱体、１６ 外側放熱体、１８，１８Ａ～１８Ｇ，２８Ａ～２８Ｇ，３６ 伝熱板、２０，２２ 端面板、２４，３２ 配列層、２６，３４ 電池群、３０ 電池パックの部分構造、３８，４０ 放熱体。

Claims (5)

1. 円筒電池を平面内に並列配置した層を複数重ねて形成された電池群であって、隣接する層に属する円筒電池は層間で互いに配列ピッチが半ピッチずらして配置されている、電池群と、
   表裏に配置される前記円筒電池の側面に接触し、伝熱性波板材からなる伝熱板であって、前記円筒電池の中心軸線に直交する平面内における前記層内の円筒電池の配列方向、または前記配列方向に交差する第１交差方向、または前記配列方向と前記第１交差方向に交差する第２交差方向に沿って前記円筒電池間の隙間を通って延びる伝熱板と、
   前記電池群の側方に配置され、前記伝熱板の端縁が接続している放熱体と、
   を含み、
   前記円筒電池のそれぞれは、少なくとも２枚の伝熱板に接し、
   前記電池群は、前記層を重ねた方向において第１の側と第２の側を有し、各層に属する円筒電池の数が、前記第１の側から前記第２の側に向けて１個ずつ増加し、
   前記放熱体は、少なくとも前記第２の側に配置され、
   前記伝熱板は、前記第１交差方向に延びる第１方向伝熱板と、前記第２交差方向に延びる第２方向伝熱板を含み、前記層のそれぞれを横切る伝熱板が前記円筒電池の個数の増加に合わせて追加され、各伝熱板が前記第２の側で前記放熱体に接続している、
   電池パックの部分構造。
2. 請求項１に記載の電池パックの部分構造であって、追加された前記伝熱板は、前記第１の側に向いた端縁が他の伝熱板と接続していない、電池パックの部分構造。
3. 請求項１に記載の電池パックの部分構造であって、追加された前記伝熱板は、前記第１の側に向いた端縁が他の伝熱板と接続している、電池パックの部分構造。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の電池パックの部分構造であって、前記放熱体は、前記第２の側に加え前記第１の側にも配置され、前記第１の側に最も近い層を横切る伝熱板が前記第１の側に配置された前記放熱体に接続されている、電池パックの部分構造。
5. 円筒電池を並列配置して六角形を形成し、六角形に配列された円筒電池を同心状に複数配置した電池パックであって、前記六角形の各辺が請求項１から４のいずれか１項に記載の電池パックの部分構造を有する、電池パック。

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