JP7425761B2

JP7425761B2 - 二次電池の温度調整装置及び二次電池モジュール

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Publication number: JP7425761B2
Application number: JP2021035185A
Authority: JP
Inventors: 寛坂井; 康輔村石
Original assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Current assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2024-01-31
Anticipated expiration: 2041-03-05
Also published as: JP2022135402A

Description

本発明は、例えば、二次電池の温度を調整する二次電池の温度調整装置及び二次電池モジュールに関する。

二次電池では、塩濃度拡散速度及び膨張率の差の抑制と、ハイレート劣化の抑制とを実現するために、電池セルの面内の温度ばらつきを抑制することが重要になる。二次電池の電池セルの面内の温度ばらつきの抑制の１つの方法に冷却風を用いた方法がある。そこで、冷却風を用いた電池セルの冷却法に関する技術の一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１の蓄電装置の温度調節構造は、積層方向において複数の蓄電素子を挟み込む一対のエンドプレートと、蓄電素子と交互に積層され、冷却空気が流通するためのスペースを形成するスペーサとを備える。スペーサは、スペースに対する冷却空気の流入口及び流出口がそれぞれ形成されている。そして、スペーサのうち、少なくとも所定の方向においてエンドプレートに隣接する蓄電素子とエンドプレートとの間に配置される第１スペーサは、流入口又は流出口の少なくとも一方に、開口が閉塞されないように開口内側に向かって延びるガイド部を備えている。

特開２０１６－９１６６５号公報

特許文献１に記載の温度調整構造では、スペース内を移動する空気がガイド部によって、スペース内にとどまるようにすることにより、熱交換効率をアップする方法である。しかし、移動する空気がスペース内にとどまる時間の差が発生する為、面内の温度ばらつき及び熱交換効率が不十分で問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、二次電池の温度の均一性を高めながら、熱交換効率の向上を実現することを目的とするものである。

本発明の二次電池の温度調整装置の一態様は、隣接する電池セルの間に挟み込まれる二次電池の温度調整装置であって、前記電池セルの冷却面に対向するベースプレートと、前記電池セルの前記冷却面と前記ベースプレートとの間に空間を形成し、当該空間に冷却風を流す複数の流路を形成するリブと、を有し、前記複数の流路は、前記電池セルの面のうち前記ベースプレートに対向する冷却面の中央寄りの領域を通過する第１の流路と、前記冷却面のうち前記第１の流路よりも外周寄りの領域を通過する第２の流路と、を有し、前記冷却風が入る吸気口の断面面積について、前記第１の流路よりも前記第２の流路の方が小さくなるように形成され、前記冷却風が排出される排気口の断面面積である第１の断面面積を、流路のうち前記排気口側の後半流路の断面面積である第２の断面面積で除算して得られる第１の面積比について、前記第１の流路の前記第１の面積比が前記第２の流路の前記第１の面積比以上となるように形成される。

本発明の二次電池モジュールの一態様は、積層される複数の電池セルと、前記複数の電池セルのうち隣り合う電池セルの間に挟み込まれるスペーサと、を有し、前記スペーサは、前記電池セルの冷却面に対向するベースプレートと、前記電池セルの前記冷却面と前記ベースプレートとの間に空間を形成し、当該空間に冷却風を流す複数の流路を形成するリブと、を有し、前記複数の流路は、前記電池セルの面のうち前記ベースプレートに対向する冷却面の中央寄りの領域を通過する第１の流路と、前記冷却面のうち前記第１の流路よりも外周寄りの領域を通過する第２の流路と、を有し、前記冷却風が入る吸気口の断面面積について、前記第１の流路よりも前記第２の流路の方が小さくなるように形成され、前記冷却風が排出される排気口の断面面積である第１の断面面積を、流路のうち前記排気口側の後半流路の断面面積である第２の断面面積で除算して得られる第１の面積比について、前記第１の流路の前記第１の面積比が前記第２の流路の前記第１の面積比以下となるように形成される。

本発明の二次電池の温度調整装置及び二次電池モジュールは、流路長が短くなる第２の流路について、第１の流路よりも吸気口の断面面積を小さくし、かつ、排気口の断面面積を小さくすることで、第１の流路と第２の流路の面積当たりの受熱量の差を小さくする。また、電池セル内部で発生した熱エネルギーが冷却面まで移動し、冷却面とベースプレートとの間の空間から冷却風によって外部で排出される。電池セル内部で発生した熱エネルギーの熱伝道ルートが適切になるように冷却風を流す流路を形成するリブを提案する。

本発明の二次電池の温度調整装置及び二次電池モジュールによれば、二次電池の温度の均一性を高めながら、熱交換効率を向上させることができる。

実施の形態１にかかる電池モジュールの概略図である。実施の形態１にかかる温度調整装置の斜視図である。実施の形態１にかかる温度調整装置の流路の形状を説明する図である。実施の形態２にかかる温度調整装置の斜視図である。実施の形態２にかかる温度調整装置の流路の形状を説明する図である。実施の形態３にかかる温度調整装置の斜視図である。実施の形態３にかかる温度調整装置の流路の形状を説明する図である。実施の形態４にかかる温度調整装置の斜視図である。実施の形態４にかかる温度調整装置の流路の形状を説明する図である。

説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

実施の形態にかかる温度調整装置は、複数の電池セルを組み合わせて１つの電池モジュールを構成する組電池のスペーサに設けられる冷却風の流路として実装される。そこで、以下の説明では、温度調整装置をスペーサと称す。

実施の形態１
まず、スペーサについて説明するために、図１に実施の形態１にかかる電池モジュール１の概略図を示す。図１に示すように、電池モジュール１では、積層された複数の電池セル１０を有し、隣接する電池セル１０の間に挟み込まれるようにスペーサ２０が設けられる。また、電池モジュール１では、複数の電池セル１０は正極と負極とが隣り合うように積層される。そして、スペーサ２０には、隣り合う一方の電池セル１０に対向する面にリブ２１が形成される。電池セル１０の面のうち、このリブ２１が形成される面に対向する面を冷却面と称す。そして、このリブ２１により冷却風の流路を形成する。

続いて、スペーサ２０について詳細に説明する。図２に実施の形態１にかかるスペーサ２０の斜視図を示す。図２に示すように、スペーサ２０は、リブ２１、ベースプレート２２、オプションリブ２３、ルーバー２４、側壁２５を有する。ベースプレート２２は、電池セル１０の冷却面に対向する面である。また、ベースプレート２２は、スペーサ２０を構成する主面となるプレートでもある。そして、リブ２１は、ベースプレート２２上に形成され、電池セル１０の冷却面とベースプレート２２との間に空間を形成する。そして、このリブ２１により、空間に冷却風を流す複数の流路を形成する。またベースプレート２２の端部には、リブ２１が形成される面に接する電池セル１０が位置する側に向かってルーバー２４が形成される。ルーバー２４は、通風路を介して排出される冷却風の向きを決定する板である。また、ベースプレート２２の端部には、リブ２１が形成さない面に接する電池セル１０が位置する側に向かって側壁２５が形成される。電池モジュール１では、側壁２５により電池セル１０を保持する。

スペーサ２０では、リブ２１の形状によって冷却風の流路の形状を決定する。また、図２に示す例では、流路内にオプションリブ２３が形成される。オプションリブ２３は、流路中に吸気口から進んだ位置から排気口の手前の位置に至る途中経路に設けられる。なお、オプションリブ２３は、複数の流路の一部に形成されていれば良い。オプションリブ２３は、流路幅が大きくなったときに電池セル１０に与える圧力の均一性を高める。

ここで、スペーサ２０に形成される流路について詳細に説明する。そこで、図３に実施の形態１にかかるスペーサ２０の流路の形状を説明する図を示す。なお、以下の説明では、スペーサの長辺方向の長さを幅と称し、短辺方向の長さを高さと称す。また、冷却風が入る吸気口が設けられる側を下側或いは下面と称し、下面に対向する側を上側或いは上面と称す。また、スペーサの短辺を側面と称す。そして、実施の形態１にかかるスペーサ２０では、側面に冷却風を排出する排出口が設けられる。

図３に示すように、スペーサ２０における流路は、ベースプレート２２に設けられたリブ２１によって形成される。リブ２１の端面は、電池モジュール１を構成した際に電池セル１０の冷却面と接する。つまり、スペーサ２０では、リブ２１によってリブ２１と電池セル１０の冷却面との間に空間を形成し、この空間に冷却風を流すことで電池セル１０を冷却する。

図３に示す例では、スペーサ２０の下方に吸気口を設け、スペーサ２０の側方に排気口を設ける。そして、スペーサ２０に形成される流路は、全てＬ字型で形成される。なお、流路は、Ｌ字型に限らず、下方から上方に向かって直線状に冷却風を流すＩ字型、Ｌ字型とＩ字型を混在させる形状であっても良い。そして、スペーサ２０では、各流路の長さはそれぞれ異なる。この流路の長さに比例して流路の面積が増大する。つまり、各流路の長さに応じて電池セル１０の冷却面から吸収する熱量（受熱量）が増大する。そこで、スペーサ２０では、流路の長さが長くなるほど流路に入れる冷却風の量が多くなるように、各流路の吸気口の幅を設定する。

具体的には、スペーサ２０に形成される複数の流路が、電池セル１０の面のうちベースプレートに対向する冷却面の中央寄りの領域を通過する第１の流路と、冷却面のうち第１の流路よりも外周寄りの領域を通過する第２の流路と、を有するとした場合、スペーサ２０では、冷却風が入る吸気口の断面面積について、第１の流路よりも第２の流路の方が小さくなるように形成する。

ここで、スペーサ２０は、リブ２１のベースプレート２２からの突出高さをリブ高さとすると、スペーサ２０では、リブ高さは全て同じに設定されるため、吸気口及び排気口の断面面積は、吸気口の幅及び排気口の幅に比例する。また、以下の説明では、流路の本数をｎとし、ｎ本の流路長が１番目からｎ番目に向かって短くなるとする。また、吸気口の幅をａと流路長の長さ順位を示す数字で示し、流路後半の流路幅をｂと流路長の長さ順位を示す数字で示し、排気口の幅（スペーサ２０の高さ方向の長さ）をｃと流路長の長さ順位を示す数字で示す。

図３に示す具体例では、流路の吸気口の幅ａは、ａ１＞ａ２＞ａ３＞ａ４＞ａ５＞ａ６に設定する。図３に示す例では、流路の後半の幅ｂは、（１）式を満たすように設定した。

つまり、実施の形態１にかかるスペーサ２０では、第１の流路については吸気口側の流路の断面面積である第３の断面面積（例えば、幅ａ）を、流路のうち排気口側に位置する後半流路の断面面積である第２の断面面積（例えば、幅ｂ）で除して得られる第２の面積比（ａ／ｂ）が、第１の流路よりも短い長さの第２の流路の第２の面積比よりも大きくなるように形成される。

また、図３に示すように、排気口を形成するリブ２１には、排気口の断面面積（幅ｃ）を後半流路の幅ｂよりも小さくする凸部が形成されるつまり、流路長が短くなる流路の排気口付近のリブ２１は流路の幅を後半流路よりも狭めるようにＬ字型に形成される。

そして、図３に示すスペーサ２０では、流路長の長さが３番目から６番目の長さとなる流路の排気口の幅が後半流路の流路幅ｂよりも狭くなるように設定されている。図３に示す例では、排気口の幅（スペーサ２０の高さ方向の長さ）はｃ１≧ｃ２≧ｃ３≧ｃ４≧ｃ５≧ｃ６となるように設定した。そして、排気口の幅ｃと後半流路の幅ｂの比（ｃ／ｂ）を（２）式を満たすように設定した。

つまり、実施の形態１にかかるスペーサ２０では、冷却風が排出される排気口の断面面積である第１の断面面積（例えば、幅ｃ）を、流路のうち排気口側の後半流路の断面面積である第２の断面面積（例えば、幅ｂ）で除算して得られる第１の面積比（例えば、ｃ／ｂ）について、第１の流路の第１の面積比が第２の流路の前記第１の面積比よりも大きくなるように形成される。

また、図３に示すように、実施の形態１にかかるスペーサ２０では、流路の幅が広くなる吸気口の幅がａ１となる流路と、幅がａ２となる流路にオプションリブ２３を設ける。このように幅の広い流路にオプションリブ２３を設けることで、電池セル１０の冷却面に加える圧力の面内の均一性を高める。

上記説明より、実施の形態１にかかるスペーサ２０は、吸気口の断面面積（例えば、幅ａ）を流路が長くなるほど大きくすることで、流路内での冷却風の滞留時間に応じた量の冷却風を各流路に流す。また、実施の形態１にかかるスペーサ２０は、排気口について、流路の長さが短いほど、排気口の断面面積（例えば、幅ｃ）に対する流路後半の断面面積（例えば、幅ｂ）の比（ｃ／ｂ）を小さくする。これにより、実施の形態１にかかるスペーサ２０は、流路長が短いほど流路内の冷却風の滞留時間を長くする。このような構成により、実施の形態１にかかるスペーサ２０は、冷却風の流路の長さに寄らず、冷却風に均一な受熱をさせて、電池セル１０の冷却面の均一な冷却を実現することができる。また、実施の形態１にかかるスペーサ２０では、冷却風が充分に受熱することなく排気されることが少なくなるため、全体的な熱交換効率を改善することができる。

また、実施の形態１にかかるスペーサ２０により、電池セル１０の冷却面を均一に冷却することで、セル内の温度バラツキが低減されるため、電池セル１０の熱膨張量の抑制及び電解液の拡散係数の均等化を実現することができる。そして、電解液の拡散係数の均等化が実現されることで、ハイレート劣化を抑制することができる。

さらに、実施の形態１にかかるスペーサ２０では、長い流路の入り口幅を広く設定し、幅方向の中央部に充電時の膨張空間を確保できる。一方、流路の出口側に排気口の断面面積を絞るＬ字型のリブ２１があることで、電界液が捲回体（例えば、電力体）の外への漏れを抑制することが出来るため、ハイレート劣化の抑制の効果をさらに高めることができる。

実施の形態２
実施の形態２では、排気口の断面面積の調整方法の別の形態について説明する。そこで、図４に実施の形態２にかかるスペーサ３０の斜視図を示す。図４に示すように、実施の形態２にかかるスペーサ３０では、排気口の断面面積の調整を調整リブ３２～３４を用いて行う。この調整リブ３２～３４は、ベースプレート２２に設けられ、電池セル１０に達しない高さで形成され、排気口の断面面積を後半流路よりも小さくする。なお、スペーサ３０のリブ３１は、排気口の近辺において凸部を有していなくてもよい。

この調整リブについて、さらに詳細に説明する。そこで、図５に実施の形態２にかかるスペーサ３０の流路の形状を説明する図を示す。図５に示すように、スペーサ３０は、排気口の断面面積を小さくしたい部分に調整リブ３２～３４を設ける。そして、後半流路のリブ高さをｈ０とすると、調整リブ３２～３４のリブ高さは、ｈ０よりも低くなるように設定される。そして、調整リブ３２のリブ高さｈ１、調整リブ３３のリブ高さｈ２、調整リブ３４のリブ高さｈ３とすると、ｈ１＜ｈ２＜ｈ３に設定される。これにより、実施の形態２にかかるスペーサ３０では、流路長が短くなるほど流路後半の断面積に対する排気口の断面面積の比が小さくなる。

このように、ベースプレート２２上に電池セル１０の冷却面に達しない程度の高さ（或いは、リブ３１のリブ高さよりも低い高さ）で調整リブ３２～３４を形成することで、排気口の断面面積の調整を行うこともできる。

実施の形態３
実施の形態３では、排気口の断面面積の調整方法の別の形態について説明する。そこで、図６に実施の形態３にかかるスペーサ４０の斜視図を示す。図６に示すように、実施の形態３にかかるスペーサ４０では、排気口の断面面積の調整を調整リブ４２～４４を用いて行う。この調整リブ４２～４４は、ベースプレート２２から電池セル１０に達する高さで、後半流路の途中から排気口に至る部分形成され、排気口の断面面積を後半流路よりも小さくする。なお、スペーサ４０のリブ４１は、排気口の近辺において凸部を有していなくてもよい。また、スペーサ４０では、オプションリブ２３を削除した。オプションリブ２３は、流路により形成される膨張空間の大きさによってはなくても良いためである。

この調整リブについて、さらに詳細に説明する。そこで、図７に実施の形態３にかかるスペーサ４０の流路の形状を説明する図を示す。図７に示すように、スペーサ４０は、排気口の断面面積を小さくしたい部分に調整リブ４２～４４を設ける。そして、後半流路のリブ高さをｈ０とすると、調整リブ４２～４４のリブ高さは、ｈ０と同じ高さに設定される。一方、調整リブ４２～４４は、長さが異なる。具体的には、調整リブ４２のリブ長さ（例えば、排気口から流路に入り混む長さ）をＬ１、調整リブ４３のリブ長さをＬ２、調整リブ４３のリブ長さをＬ２とすると、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３に設定される。これにより、実施の形態３にかかるスペーサ４０では、流路長が短くなるほど流路後半の断面積に対する排気口の断面面積の比が小さくなる。

このように、ベースプレート２２上に電池セル１０の冷却面に達する程度の高さ（或いは、リブ４１のリブ高さと同じ高さ）で調整リブ４２～４４を形成することで、排気口の断面面積の調整を行うこともできる。

実施の形態４
実施の形態４では、排気口の断面面積の調整方法の別の形態について説明する。そこで、図８に実施の形態４にかかるスペーサ５０の斜視図を示す。図８に示すように、実施の形態４にかかるスペーサ５０では、リブ５１の排気口側の端部に凸部を形成する。実施の形態１では、リブ２１の凸部部分の形状をＬ字型としたが、実施の形態４ではリブ５１の突部分の形状をＴ字型とする。なお、スペーサ５０では、オプションリブ２３を削除した。オプションリブ２３は、流路により形成される膨張空間の大きさによってはなくても良いためである。

この調整リブについて、さらに詳細に説明する。そこで、図９に実施の形態４にかかるスペーサ５０の流路の形状を説明する図を示す。図９に示すように、スペーサ５０は、リブ５１の排気側に設けられたＴ字型の凸部により排気口の断面面積を小さくする。このとき排気口の断面面積に対する後半流路の断面面積の比は（２）式で示される関係を有する。

このように、リブ５１の排気口側の端部をＴ字型としても排気口の断面面積の調整を行うこともできる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１電池モジュール
１０電池セル
２０スペーサ
２１リブ
２２ベースプレート
２３オプションリブ
２４ルーバー
２５側壁
３０スペーサ
３１リブ
３２調整リブ
３３調整リブ
３４調整リブ
４０スペーサ
４１リブ
４２調整リブ
４３調整リブ
４４調整リブ
５０スペーサ
５１リブ

Claims

隣接する電池セルの間に挟み込まれる二次電池の温度調整装置であって、
前記電池セルの冷却面に対向するベースプレートと、
前記電池セルの前記冷却面と前記ベースプレートとの間に空間を形成し、当該空間に冷却風を流す複数の流路を形成するリブと、を有し、
前記複数の流路は、
前記電池セルの面のうち前記ベースプレートに対向する冷却面の中央寄りの領域を通過する第１の流路と、
前記冷却面のうち前記第１の流路よりも外周寄りの領域を通過する第２の流路と、を有し、
前記冷却風が入る吸気口の断面面積について、前記第１の流路よりも前記第２の流路の方が小さくなるように形成され、
前記冷却風が排出される排気口の断面面積である第１の断面面積を、流路のうち前記排気口側の後半流路の断面面積である第２の断面面積で除算して得られる第１の面積比について、前記第１の流路の前記第１の面積比が前記第２の流路の前記第１の面積比よりも大きくなるように形成される二次電池の温度調整装置。
前記第１の流路は、前記吸気口側の流路の断面面積である第３の断面面積を、前記第２の断面面積で除して得られる第２の面積比が、前記第２の流路の前記第２の面積比よりも大きくなるように形成される請求項１に記載の二次電池の温度調整装置。
前記排気口を形成する前記リブは、前記排気口の断面面積を前記後半流路よりも小さくする凸部を有する請求項１又は２に記載の二次電池の温度調整装置。
前記ベースプレートに設けられ、前記電池セルに達しない高さで形成され、前記排気口の断面面積を前記後半流路よりも小さくする調整リブをさらに有する請求項１又は２に記載の二次電池の温度調整装置。
前記第２の流路には、前記ベースプレートから前記電池セルに達する高さで、前記後半流路の途中から前記排気口に至る部分形成され、前記排気口の断面面積を前記後半流路よりも小さくする調整リブをさらに有する請求項１又は２に記載の二次電池の温度調整装置。
前記第１の流路と前記第２の流路の少なくとも一方の流路中に前記吸気口から進んだ位置から前記排気口の手前の位置に至る途中経路に設けられるオプションリブを有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の二次電池の温度調整装置。
積層される複数の電池セルと、
前記複数の電池セルのうち隣り合う電池セルの間に挟み込まれるスペーサと、を有し、
前記スペーサは、
前記電池セルの冷却面に対向するベースプレートと、
前記電池セルの前記冷却面と前記ベースプレートとの間に空間を形成し、当該空間に冷却風を流す複数の流路を形成するリブと、を有し、
前記複数の流路は、
前記電池セルの面のうち前記ベースプレートに対向する冷却面の中央寄りの領域を通過する第１の流路と、
前記冷却面のうち前記第１の流路よりも外周寄りの領域を通過する第２の流路と、を有し、
前記冷却風が入る吸気口の断面面積について、前記第１の流路よりも前記第２の流路の方が小さくなるように形成され、
前記冷却風が排出される排気口の断面面積である第１の断面面積を、流路のうち前記排気口側の後半流路の断面面積である第２の断面面積で除算して得られる第１の面積比について、前記第１の流路の前記第１の面積比が前記第２の流路の前記第１の面積比よりも大きくなるように形成される二次電池モジュール。