JP7310095B2 - 電池温度調節装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池を集成した電池集合体について、電池集合体に含まれる各電池の電池温度を調節する電池温度調節装置に関する。

リチウムイオン二次電池などの複数の電池を拘束した電池集合体を備える電池パックが知られている。例えば、特許文献１に、このような電池パックが開示されている（特許文献１の図１，図２等を参照）。このような複数の電池を含む電池パックの製造過程においては、複数の電池を拘束して電池集合体を形成した後に、この電池集合体について、電池を充電する充電工程や、電池を放電させる放電工程、電池温度を上げる加熱工程、電池温度を下げる冷却工程などを行うことがある。

特開２０１８－１８６１４号公報

上述の充電工程、放電工程、加熱工程、冷却工程を行うにあたって、本発明者は、電池集合体を、伝熱部を備える電池温度調節装置の伝熱部上に載置し、電池集合体に含まれる各電池の電池温度を伝熱部によって調節することを考案した。
但し、各電池を拘束して電池集合体を形成する際、各電池に高さバラツキが生じ、各電池の電池伝熱面（電池ケースの底面など）に高さバラツキが生じる。各電池の電池伝熱面に高さバラツキがあると、電池伝熱面が伝熱部の載置面に適切に接触できない電池が生じ得る。伝熱部に適切に接触できない電池は、電池温度を適切に調節できない。そこで、この問題を解消するべく、伝熱部の載置面上に、弾性変形可能な柔軟性のある熱伝導シートを配置し、電池集合体をなす各電池の電池伝熱面と伝熱部の載置面との間に熱伝導シートを介在させることを検討した。

しかしながら、各電池の電池伝熱面の高さバラツキを吸収するためには（いずれも電池の電池伝熱面も熱伝導シートに適切に接触させるためには）、熱伝導シートの厚みを厚くせざるを得ないが、熱伝導シートを厚くするほど電池温度を効率良く調節できなくなる。例えば、電池の電池伝熱面の高さバラツキが最大±０．５０ｍｍ、熱伝導シートの許容歪みが０．１５であるとすると、熱伝導シートの厚みは、（０．５０－（－０．５０））／０．１５＝６．７ｍｍ以上とする必要があり、電池温度の効率の良い調節が困難となる。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、電池集合体に含まれる各電池のいずれについても、電池温度を適切に調節できると共に、電池温度を効率良く調節できる電池温度調節装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の一態様は、電池パックの製造過程において用いられ、電池伝熱面を有する複数の電池を上記電池伝熱面を略面一に集成した電池集合体の、各々の上記電池の電池温度を、上記電池伝熱面を通じて調節する電池温度調節装置であって、上記電池集合体が載置される載置面を有する伝熱部と、上記伝熱部の温度を制御する温度制御部と、熱伝導性粉体からなり、上記伝熱部の上記載置面に敷かれ、熱伝導率が２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を越える粉体層であって、上記電池の上記電池伝熱面をそれぞれ上記載置面に向けて上記電池集合体を上記載置面に押し付けたときに、上記熱伝導性粉体が流動して、各々の上記電池伝熱面と上記載置面との間に介在する粉体層と、を備え、上記電池温度調節装置は、上記載置面に向けて上記電池集合体を押し付ける操作が、互いに異なる上記電池集合体について、繰り返し行われる装置である電池温度調節装置である。

上述の電池温度調節装置は、伝熱部上に熱伝導性粉体からなる粉体層を備えるため、電池集合体を構成する各電池の電池伝熱面の高さバラツキを吸収できる。即ち、電池集合体に含まれる各電池の電池伝熱面を粉体層に押し付けると、粉体層をなす熱伝導性粉体が流動して、いずれの電池の電池伝熱面にも熱伝導性粉体が接触する（いずれの電池の電池伝熱面も粉体層に接触する）こととなる。従って、この電池温度調節装置では、電池集合体に含まれる各電池のいずれについても、適切に電池温度を調節できる。加えて、上述の熱伝導性粉体からなる粉体層は、熱伝導シートに比べてその厚みを薄くできるため、熱伝導率が上記粉体層と同程度の熱伝導シートを用いる場合よりも、電池温度を効率良く調節できる。

なお、「電池温度調節装置」は、例えば、電池集合体を備える電池パックの製造過程において用いることができる。具体的には、電池集合体に含まれる各電池について、電池を充電する充電工程や、電池を放電させる放電工程、電池温度を上げる加熱工程、電池温度を下げる冷却工程などで用いることができる。

「熱伝導性粉体」の材質としては、熱伝導率の高いもの、例えば、窒化ホウ素や、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、ジルコニアからなる粉体や、銀、銅、アルミニウムの金属粉などが挙げられる。電池集合体をなす各電池の電池ケース表面に絶縁処理がなされていない場合には、絶縁性の粉体を用いるのが好ましい。また、熱伝導性粉体として、材質が異なる複数種の粉体を含む熱伝導性粉体や、粒径が異なる複数の粉体を含む熱伝導性粉体を用いることもできる。粒径の大きい熱伝導性粉体を用いる場合には、粒径の小さい熱伝導性粉体を含ませると、粒径の大きい熱伝導性粉体同士の隙間に粒径の小さい熱伝導性粉体が配置されるため、粉体層の熱伝導率を高くできる。但し、熱伝導性粉体には流動性の良好な粉体を用いると良い。

実施形態に係る電池パックの横方向及び縦方向に沿う部分破断断面図である。 実施形態に係る電池パックの列置方向及び縦方向に沿う部分破断断面図である。 実施形態に係る電池パックの製造方法のフローチャートである。 実施形態に係り、電池集合体を載置した状態における電池温度調節装置の横方向及び縦方向に沿う部分破断断面図である。 実施形態に係り、電池集合体を載置した状態における電池温度調節装置の列置方向及び縦方向に沿う部分破断断面図である。 比較形態に係り、電池集合体を載置した状態における電池温度調節装置の横方向及び縦方向に沿う部分破断断面図である。 比較形態に係り、電池集合体を載置した状態における電池温度調節装置の列置方向及び縦方向に沿う部分破断断面図である。 実施例及び比較例について、６０℃に加熱した電池の経過時間と電池温度との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例について、耐久試験後において６０℃に加熱した電池の経過時間と電池温度との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１及び図２に、本実施形態に係る電池パック１を示す。なお、電池パック１に含まれる電池集合体５の列置方向ＢＨ、横方向ＣＨ及び縦方向ＤＨを、図１及び図２に示す方向と定めて説明する。この電池パック１は、電気自動車やプラグインハイブリッドカーなどの車両に搭載される車載用の電池パックである。電池パック１は、電池パックケース７と、この電池パックケース７内に収容され、複数の電池１０を集成（具体的には拘束）した電池集合体５とを備える。

このうち電池パックケース７は、アルミニウムからなり、下部ケース７ｂと、この下部ケース７ｂの上方に固定された上部ケース７ａとを有する。
電池集合体５は、複数の角型の電池１０と複数の介在部材２０とが交互に積層され、この積層方向（列置方向ＢＨ）の両側にエンドプレート３０，３０がそれぞれ配置されると共に、横方向ＣＨの両側に側板４０，４０がそれぞれ配置されて、これらが一体化されている。

電池１０は、直方体状で密閉型のリチウムイオン二次電池である。電池集合体５に含まれる複数の電池１０は、その電池厚み方向ＥＨに列置され、所定の圧力Ｐｂで電池厚み方向ＥＨに押圧されている。電池１０同士は、図示しないバスバによって直列に接続されている。電池１０は、直方体箱状で金属（本実施形態ではアルミニウム）からなる電池ケース１１の内部に、帯状の正極板と帯状の負極板とを一対の帯状のセパレータを介して互いに重ねて扁平状に捲回した電極体（不図示）が電解液（不図示）と共に収容されている。電池ケース１１は、上面１１ａ、底面１１ｂ、面積の広い一対の第１側面１１ｃ，１１ｃ、及び、面積の狭い一対の第２側面１１ｄ，１１ｄを有する。なお、本実施形態では、電池ケース１１の底面１１ｂが、前述の「電池伝熱面」に該当する。

電池ケース１１の上面１１ａには、アルミニウムからなる正極端子部材１５、及び、銅からなる負極端子部材１６が、それぞれ電池ケース１１と絶縁された状態で凸設されている。正極端子部材１５は、電池ケース１１内で電極体の正極板に接続し導通する一方、電池ケース１１の上面１１ａを貫通して電池外部まで延びている。また、負極端子部材１６は、電池ケース１１内で電極体の負極板に接続し導通する一方、電池ケース１１の上面１１ａを貫通して電池外部まで延びている。

介在部材２０は、矩形板状で絶縁性の樹脂からなる。この介在部材２０は、電池集合体５を構成した状態で、隣り合う電池１０，１０同士の間、具体的には、面積の広い第１側面１１ｃ，１１ｃ同士の間に介在して、これらの第１側面１１ｃ，１１ｃに接触する。また、介在部材２０は、エンドプレート３０と電池１０との間にもそれぞれ介在する。
エンドプレート３０は、矩形板状で金属（本実施形態ではアルミニウム）からなる。エンドプレート３０は、積層された電池１０及び介在部材２０の列置方向ＢＨの両側にそれぞれ配置される。

側板４０は、金属（本実施形態では鉄）からなり、矩形板状の側壁部４０ｃと、側壁部４０ｃの下端から折れ曲がって側壁部４０ｃと直交する方向に延びる矩形板状の底壁部４０ｂとを有する。このうち側壁部４０ｃは、積層された電池１０、介在部材２０及びエンドプレート３０，３０の横方向ＣＨの両側に配置され、図示しないボルトにより、エンドプレート３０，３０にそれぞれ固定されている。一方、底壁部４０ｂは、積層された電池１０、介在部材２０及びエンドプレート３０，３０の縦方向ＤＨの下側に配置されている。電池集合体５に含まれる各電池１０の底面（電池伝熱面）１１ｂのうち、横方向ＣＨの両端部は、それぞれ側板４０，４０の底壁部４０ｂ，４０ｂに覆われているが、横方向ＣＨの底面中央部１１ｂｃは、露出している。この底面中央部１１ｂｃは、後述するように、電池集合体５を電池温度調節装置１００のヒートシンク（伝熱部）１１０上に載置したときに、粉体伝熱部１３０の粉体層１３５に接触する。

次いで、上記電池パック１の製造方法について説明する。まず、電池１０、介在部材２０及びエンドプレート３０をそれぞれ用意して、「拘束体形成工程Ｓ１」において、電池集合体５を形成する。具体的には、複数の電池１０と複数の介在部材２０とを交互に並べる。また、複数の電池１０及び複数の介在部材２０の列置方向ＢＨの両側に、エンドプレート３０，３０をそれぞれ重ねると共に、複数の電池１０、複数の介在部材２０及びエンドプレート３０，３０の横方向ＣＨの両側に側板４０，４０をそれぞれ重なる。そして、複数の電池１０、複数の介在部材２０及び一対のエンドプレート３０，３０を、電池１０に所定の圧力Ｐｂが掛かるように、列置方向ＢＨに押圧しつつ、図示しないボルトにより、側板４０，４０をエンドプレート３０，３０にそれぞれ固定する。これにより、複数の電池１０、複数の介在部材２０、一対のエンドプレート３０，３０及び一対の側板４０，４０が一体化した電池集合体５が形成される。

なお、この電池集合体５の形成の際、各電池１０に高さバラツキが生じ、各電池１０の底面１１ｂに高さバラツキが生じる。本実施形態では、電池１０の底面１１ｂの高さバラツキは、最大±０．５０ｍｍである。

次に、「初充電工程Ｓ２」において、上述の電池集合体５をなす各電池１０について、電池温度調節装置１００（図４及び図５参照）を用いて初充電を行う。この電池温度調節装置１００は、電池集合体５が載置されるヒートシンク（伝熱部）１１０と、ヒートシンク１１０の温度を制御する温度制御部１２０と、ヒートシンク１１０上に配置された粉体伝熱部１３０とを備える。

このうちヒートシンク１１０は、金属（本実施形態では銅）からなり、電池集合体５が載置される平坦な載置面１１１を有する。また、ヒートシンク１１０の内部には、熱媒体（本実施形態では水）ＮＢが流通する熱媒体流通路１１３がＵ字状に形成されている。
温度制御部１２０は、上記の熱媒体ＮＢをヒートシンク１１０に供給するポンプ１２１と、熱媒体ＮＢを所定温度（本実施形態では２０℃）に冷却する冷却装置１２３とを備える。

粉体伝熱部１３０は、ヒートシンク１１０の載置面１１１上に配置された平面視口字状の枠部材１３１と、この枠部材１３１の内側で載置面１１１に敷かれた、熱伝導性粉体１３３からなる粉体層１３５とを有する。本実施形態では、熱伝導性粉体１３３は、平均粒径が１７μｍの窒化ホウ素粉末、具体的には、デンカ株式会社の「デンカ ボロンナイトライド ＳＧＰ」を用いた。また、粉体層１３５の厚みは２．０ｍｍ、粉体層１３５の熱伝導率は約１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。

「初充電工程Ｓ２」においては、まず電池温度調節装置１００のヒートシンク１１０の載置面１１１上、具体的には粉体伝熱部１３０の粉体層１３５に、前述の電池集合体５を載置して押し付ける。具体的には、電池１０の底面１１ｂに掛かる圧力Ｐｃが、電池１０を拘束している圧力Ｐｂよりも高い圧力（Ｐｃ＞Ｐｂ）となるように、電池１０の底面１１ｂを粉体層１３５に押し付ける。前述のように、電池集合体５をなす各電池１０の底面１１ｂには高さバラツキが生じている。しかし、各電池１０の底面１１ｂの高さバラツキは、粉体伝熱部１３０の粉体層１３５によって吸収できる。即ち、電池集合体５に含まれる各電池１０の底面１１ｂを粉体層１３５に押し付けると、粉体層１３５をなす熱伝導性粉体１３３が流動して、いずれの電池１０の底面１１ｂにも熱伝導性粉体１３３が接触する（いずれの電池１０の底面１１ｂも粉体層１３５に接触する）こととなる。

その後、各電池１０について、環境温度２５℃下において、定電流定電圧（ＣＣＣＶ）充電により、ＳＯＣ１００％まで初充電（ＣＣＣＶ充電）する。本実施形態では、１Ｃの定電流でＳＯＣ１００％に相当する電池電圧まで充電した後、充電電流値が１／１０Ｃになるまでこの電池電圧を維持した。
この充電の際には、温度制御装置１２０の冷却装置１２３により所定温度（本実施形態では２０℃）に冷却された熱媒体ＮＢを、ヒートシンク１１０の熱媒体流通路１１３内に流通させる。これにより、ヒートシンク１１０の載置面１１１、粉体伝熱部１３０の粉体層１３５（熱伝導性粉体１３３）、各電池１０の底面１０ｂを通じて、各電池１０が冷却される。前述のように、電池集合体５をなす各電池１０の底面１１ｂは、いずれも粉体層１３５に適切に接触しているので、いずれの電池１０についても適切に冷却される。

次に、「電池パック組立工程Ｓ３」において、上述の電池集合体５を下部ケース７ｂに固定する。その後、この下部ケース７ｂに上部ケース７ａを固定して電池パックケース７を形成する。かくして、電池パック１が完成する。

（実施例及び比較例）
次いで、本発明の効果を検証するために行った試験の結果について説明する。実施例として、実施形態に係る電池温度調節装置１００を用意した。
一方、比較例として、図６及び図７に示す電池温度調節装置９００を用意した。この電池温度調節装置９００は、実施形態と同様なヒートシンク１１０の載置面１１１の上に、粉体伝熱部１３０の代わりに、熱伝導シート９３０を有する。この熱伝導シート９３０は、厚みが６．０ｍｍ、熱伝導率が２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。その他は、実施形態の電池温度調節装置１００と同様とした。

なお、上述の熱伝導シート９３０は、許容歪みが０．１５である一方、各電池１０の底面１１ｂの高さバラツキは最大±０．５０ｍｍであるため、熱伝導シート９３０の厚みは、（０．５０－（－０．５０））／０．１７＝５．９ｍｍ以上必要である。そこで、この比較例では、上記のように熱伝導シート９３０の厚みを６．０ｍｍとした。

次に、実施例の電池温度調節装置１００の粉体伝熱部１３０の粉体層１３５の上、及び、比較例の電池温度調節装置１００の熱伝導シート９３０の上に、６０℃に加熱した電池集合体５をそれぞれ載置し押し付けて、電池集合体５に含まれる各電池１０の底面１１ｂを粉体層１３５または熱伝導シート９３０にそれぞれ接触させた。また、実施例及び比較例の温度制御装置１２０により２０℃に冷却した熱媒体ＮＢを、ヒートシンク１１０の熱媒体流通路１１３内に流通させて、電池集合体５をなす各電池１０をそれぞれ冷却した。各電池１０に熱電対を取り付けて電池温度をそれぞれ測定し、その平均値を求めた。これにより得られた冷却開始からの経過時間（ｓ）と電池温度（℃）との関係を、図８に示す。

図８のグラフから明らかなように、比較例の電池温度調節装置９００を用いるよりも、実施例の電池温度調節装置１００を用いた方が、電池温度が速やかに低下することが判る。このような結果となった理由は、以下であると考えられる。即ち、比較例の熱伝導シート９３０は、前述のように厚みが６．０ｍｍであり厚いため、冷却性能が低く、電池温度が下がり難いと考えられる。

これに対し、実施例の粉体伝熱部１３０は、熱伝導性粉体１３３の粉体層１３５の厚みが前述のように２．０ｍｍであり、熱伝導シート９３０の厚み（６．０ｍｍ）よりも薄い。また、粉体層１３５の熱伝導率（約１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）は、熱伝導シートの熱伝導率（２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ））よりも大きい。このため、実施例の電池温度調節装置１００は、比較例の電池温度調節装置９００よりも冷却性能が良く、電池温度が下がり易いと考えられる。

次に、耐久試験後の冷却性能を調査した。即ち、実施例の電池温度調節装置１００の粉体伝熱部１３０の粉体層１３５の上、及び、比較例の電池温度調節装置９００の熱伝導シート９３０の上に、電池集合体５をそれぞれ載置し押し付ける操作を、それぞれ２万回繰り返し行った。その後、前述のように、６０℃に加熱した電池集合体５をそれぞれ載置し押し付けて、冷却開始からの経過時間（ｓ）と電池温度（平均値）（℃）との関係を調査した。その結果を図９に示す。

図９から明らかなように、比較例では、電池集合体５を繰り返し押し付ける耐久試験の前（図８参照）に比べて、電池温度が下がり難くなった。その理由は、比較例の電池温度調節装置９００では、電池集合体５を繰り返し押し付けたことにより、熱伝導シート９３０が劣化し、冷却性能が低下して、電池温度が下がり難くなったと考えられる。
これに対し、実施例では、電池温度の下がり方が、電池集合体５を繰り返し押し付ける耐久試験の前（図８参照）と殆ど変わらなかった。その理由は、実施例の電池温度調節装置１００では、電池集合体５を繰り返し押し付けても、熱伝導性粉体１３３は殆ど損傷しない。このため、冷却性能が殆ど低下せず、電池温度の下がり具合に殆ど変化がなかったと考えられる。

以上で説明したように、電池温度調節装置１００は、ヒートシンク１１０上に熱伝導性粉体１３３からなる粉体層１３５を備えるため、電池集合体５を構成する各電池１０の底面１１ｂの高さバラツキを吸収できる。即ち、電池集合体５に含まれる各電池１０の底面１１ｂを粉体層１３５に押し付けると、粉体層１３５をなす熱伝導性粉体１３３が流動して、いずれの電池１０の底面１１ｂにも熱伝導性粉体１３３が接触する（いずれの電池１０の底面１１ｂも粉体層１３５に接触する）こととなる。従って、電池温度調節装置１００では、電池集合体５に含まれる各電池１０のいずれについても、適切に電池温度を調節（適切に冷却）できる。加えて、熱伝導性粉体１３３からなる粉体層１３５は、熱伝導シートに比べてその厚みを薄くできるため、熱伝導率が粉体層１３５と同程度の熱伝導シートを用いる場合よりも、電池温度を効率良く調節（効率良く冷却）できる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施形態では、電池温度調節装置１００を、電池１０を初充電する初充電工程Ｓ２で用いたが、電池温度調節装置１００は、他の工程、例えば、電池１０の電池容量を検査するために電池１０を充放電する工程や、電池１０に内部短絡が生じているか否かを検査するために電池１０を充放電する工程、電池１０を所定温度でエージングする工程などで用いることもできる。

また、実施形態では、電池温度調節装置として、電池１０を冷却する電池温度調節装置１００を例示したが、電池温度調節装置は、電池１０を加熱する装置であってもよい。この場合、電池温度調節装置には、熱媒体ＮＢを冷却する冷却装置１２３に代えて、例えば、熱媒体ＮＢを加熱するヒータを設けて、加熱した熱媒体ＮＢをヒートシンク１１０の熱媒体流通路１１３に流通させると良い。

また、実施形態では、電池パック１の製造過程で用いる電池温度調節装置１００を例示した。
また、実施形態では、熱媒体ＮＢとして、水を例示したが、これに限られない。例えば、熱媒体ＮＢとして、シリコーン油や、カーエアコンで用いられる冷媒、空気などが挙げられる。

１ 電池パック
５ 電池集合体
１０ 電池
１１ 電池ケース
１１ｂ 底面（電池伝熱面）
１１ｂｃ 底面中央部
２０ 介在部材
３０ エンドプレート
４０ 側板
１００ 電池温度調節装置
１１０ ヒートシンク（伝熱部）
１１１ 載置面
１２０ 温度制御部
１３０ 粉体伝熱部
１３１ 枠部材
１３３ 熱伝導性粉体
１３５ 粉体層
Ｓ１ 拘束体形成工程
Ｓ２ 初充電工程
Ｓ３ 電池パック組立工程

Claims (1)

1. 電池パックの製造過程において用いられ、電池伝熱面を有する複数の電池を上記電池伝熱面を略面一に集成した電池集合体の、各々の上記電池の電池温度を、上記電池伝熱面を通じて調節する電池温度調節装置であって、
   上記電池集合体が載置される載置面を有する伝熱部と、
   上記伝熱部の温度を制御する温度制御部と、
   熱伝導性粉体からなり、上記伝熱部の上記載置面に敷かれ、熱伝導率が２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を越える粉体層であって、上記電池の上記電池伝熱面をそれぞれ上記載置面に向けて上記電池集合体を上記載置面に押し付けたときに、上記熱伝導性粉体が流動して、各々の上記電池伝熱面と上記載置面との間に介在する粉体層と、を備え、
   上記電池温度調節装置は、上記載置面に向けて上記電池集合体を押し付ける操作が、互いに異なる上記電池集合体について、繰り返し行われる装置である
   電池温度調節装置。

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