JPWO2011092773A1 - 電池モジュール - Google Patents

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Abstract

複数の二次電池に対して安全で効率的な温度調節を行える装置を備えた電池モジュールを提供する。複数の円柱形の二次電池である素電池と、素電池の温度を調節する温度調節装置とを備え、素電池は側面同士を隣り合わせて並べられているとともに、全ての素電池同士あるいは並列接続された素電池の組同士が電気的に直列に接続されており、温度調節装置は、素電池から熱を奪う又は素電池に熱を与える伝熱部材と、伝熱部材が固定されている放熱部材とを備え、伝熱部材は、複数の素電池の側面により囲まれた空間に挿入されている複数の挿入部と、素電池の下面に相対する底面部とを備えており、伝熱部材の少なくとも素電池と相対する部分は電気絶縁性の物質からなっており、直列に接続された素電池同士は、伝熱部材によって側面部分および底面部分が液密に隔離されている電池モジュールである。

Description

本発明は、電池モジュールに関し、特に複数の二次電池である素電池と、素電池の温度を調節する温度調節装置とを備えた電池モジュールに関するものである。
複数の電池をケースに収容して、所定の電圧及び容量を出力できるようにした電池パックは、種々の機器、車両等の電源として広く使用されている。中でも、汎用的な電池を並列・直列接続して、所定の電圧及び容量を出力する組電池をモジュール化し、この電池モジュールを種々組み合わせることによって、多種多様な用途に対応可能とする技術が採用され始めている。このモジュール化技術は、電池モジュールに収容する電池を高性能化することによって、電池モジュール自身の小型・軽量化が図られるため、電池パックを組み立てる際の作業性が向上するとともに、車両等の限られた空間へ搭載する際の自由度が向上するなど、様々なメリットも有する。
例えば車両用の電源として、リチウムイオン二次電池を用いた上記の電池モジュールの開発が行われているが、リチウムイオン二次電池に限らず、電池の種類によって最適な作動温度範囲があるため、電池モジュールには温度を調節するための装置を搭載することが必要になる。
このような温度を調節する機構に関する記載が、例えば特許文献１から６にある。
特許文献１には、ケースに埋め込まれた放熱ピンが軸線を互いに平行にして配列された複数の単電池の間に配置されていて、単電池から発せられる熱が放熱ピンの端面から空気中に放散される技術が開示されている。
特許文献２には、複数個の円筒型電池を束ねてなる電池パックにおいて、円筒型電池間の隙間に伝熱性のあるパイプ状の弾性部材を挿入して、弾性部材に伝熱性のある剛性部材を差し込んだ技術が開示されている。
特許文献３には、複数の電池を平行な姿勢で収納しているインナーケースと、インナーケースのリード板配置面に配設されて、電池両端の電極に連結されて隣接する電池を接続している金属板からなるリード板と、インナーケースを収納するアウターケースと、インナーケースとアウターケースとの間に配設されて電池を加温するシートヒーターとを備え、シートヒーターはインナーケースのリード板配置面に配設されて金属板のリード板を介して電池を加温しているパック電池の技術が開示されている。
特許文献４には、 棒状の複数の電池モジュールを隙間なく並べて収納して保持すると共に、各電池モジュールの周壁面にそれぞれ接触して各電池モジュールと熱結合する容器を備え、この容器に電池モジュールから伝わる熱を外部に放出するヒートパイプを配設すると共に、該容器の外周を覆って断熱材を設ける技術が開示されている。
特許文献５には、単電池を直線状に接続した電池セルを略平行に複数本並べ、これらの電池セルを直列または並列に接続した電源モジュールをホルダに内蔵していて、ホルダは、その内面に電池セルを位置決めした状態で保持するための位置決嵌着部と、位置決嵌着部と略平行に略平行に離間させて冷却媒体を流す冷媒経路を形成している技術が開示されている。
特許文献６には、熱伝導性に優れた材料により成形される冷却ブロックＡ、Ｂ内に冷媒管路を埋設すると共に、蓄電池収容穴に蓄電池を収容する蓄電池電源装置であって、蓄電池を構成する単電池個々の熱は密着する冷却ブロックＡ、Ｂに奪われ、冷却ブロックＡ、Ｂは冷媒管路を流れる冷媒により冷却される技術が開示されている。
特開平８−１８０８５４号公報 特開２００２−１８４３７４号公報 特開２００７−２１３９３９号公報 特開２００１−７６７７１号公報 特開２００５−２８５４５５号公報 特開平１０−１０６５２１号公報
しかしながら特許文献１から６に開示された技術は、単に各単電池を冷却するあるいは加熱するという技術であって、複数の二次電池を束ねて構成された電池モジュールに特有の安全性の確保、充放電の維持という点での考慮が不足している。
例えば、電池からの漏液や雨水等の混入により液体が電池モジュール内に入った場合、特許文献１から６に開示されている構造では直列接続された単電池間に短絡が生じて、電池モジュール全体の充放電が停止してしまうとともに複数の単電池が高温になってしまうという事態が発生する。このような事態が車両の駆動用電源として積み込まれた電池モジュールに発生すると、走行中に突然モータが停止するという危険な事態となる。工場の電源として使用されている電池モジュールに発生すると、生産ラインが停止して大損害となる。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数の二次電池に対して安全で効率的な温度調節を行える装置を備えた電池モジュールを提供することにある。
本発明の電池モジュールは、複数の円柱形の二次電池である素電池と、該素電池の温度を調節する温度調節装置とを備え、前記素電池は側面同士を隣り合わせて並べられているとともに、全ての該素電池同士あるいは並列接続された該素電池の組同士が電気的に直列に接続されており、前記温度調節装置は、前記素電池から熱を奪う又は前記素電池に熱を与える伝熱部材と、該伝熱部材が固定されている放熱部材とを備え、前記伝熱部材は、複数の前記素電池の側面により囲まれた空間に挿入されている複数の挿入部と、前記素電池の下面に相対する底面部とを備えており、前記伝熱部材の少なくとも前記素電池と相対する部分は電気絶縁性の物質からなっており、直列に接続された前記素電池同士は、前記伝熱部材によって側面部分および底面部分が液密に隔離されている構成を有している。
本発明の電池モジュールでは、直列に接続された素電池同士は伝熱部材によって側面部分および底面部分が液密に隔離されているので、直列接続された素電池間での液漏れや混入した液体による短絡を確実に防いで素電池の効率的な温度調節を行うことができる。
素電池の模式的な断面図である。 実施形態１に係る電池モジュールの模式的な分解構成図である。 （ａ）は蓋部材と中蓋を取り去った模式的上面図、（ｂ）はさらに上面側基板を取り去った模式的上面図である。 補強金属板を巻き付けた素電池の斜視図である。 温度調節本体部の一部拡大斜視図である。 電池モジュールのガス排出機構を説明する模式的断面図である。 電池モジュールの要部拡大断面図である。 伝熱部材の要部拡大断面図である。 電池モジュールの側面近傍の断面図である。 別の電池モジュールの側面近傍の断面図である。 ヒートパイプが埋め込まれた棒状金属部材の断面図である。 実施形態１の変形例１に係る電池モジュールの模式的な分解構成図である。 別の補強金属板の説明図である。 補強金属板の断面図である。 別の補強金属板の断面図である。 実施形態１の変形例２に係る電池モジュールの模式的な断面図である。 電池パックの模式的な断面図である。 電池パックの模式的な斜視図である。 実施形態１の変形例３に係る温度調節装置の模式図である。 実施形態１の変形例４に係る温度調節装置の模式図である。 実施形態１の変形例５に係る電池モジュールの模式的な要部断面図である。 実施形態２に係る電池モジュールの模式的な要部断面図である。 実施形態２に係るヒートパイプの配置図である。 実施形態２に係るヒートパイプの別の配置図である。 実施形態２の変形例１に係る電池モジュールの模式的な要部断面図である。 実施形態３に係る電池モジュールの模式的な要部断面図である。 シートヒータの変形例を示す模式的な図である。 シートヒータの別の変形例を示す模式的な図である。 ヒートシンクの棒状金属部材の配置を示す図である。 ヒートシンクの棒状金属部材の別の配置を示す図である。 ヒートシンクの棒状金属部材の他の配置を示す図である。 放熱フィンの別形状を示す図である。 他の実施形態に係る電池モジュールの模式的な分解構成図である。
−定義−
線状のヒータと棒状のヒータとの違いはその径にあり、線状は径が２ｍｍ未満であり棒状は径が２ｍｍ以上である。ヒータの横断面形状は特に限定されず、円形、楕円形、多角形などを例として挙げることができる。
線状又は棒状のヒータがヒートシンクに埋め込まれているというのは、ヒータがヒートシンク内部に埋没されている状態だけではなく、ヒートシンクの板状部に溝を形成してその溝にヒータを入れるなどしてヒータの一部が露出している状態も含まれる。
一体に形成されているとは、金属であればプレスや絞り、打抜きなどによって、樹脂であれば射出成形などによって連続した一体の部材として形成されていることを意味する。
直列に接続された素電池同士は伝熱部材によって側面部分及び底面部分が液密に隔離されているということは、直列接続されている２つの素電池の間は、素電池の側面部と底面部とが伝熱部材によって隔離されていて、一方の素電池の側面あるいは底面から液が漏れてもその液は隔離された隣の素電池には到達しない構成のことである。
素電池の集合体と側面ケース部材との間に断熱層が存しているとは、素電池と伝熱部材とを素電池の集合体と捉えて、この素電池の集合体の側面に断熱層が存していて、さらにその周囲を側面ケース部材が取り囲んでいるということをいう。
−実施形態−
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。
（実施形態１）
＜素電池＞
図１は、本発明の実施形態１における電池モジュールに使用する電池１００の構成を模式的に示した断面図である。なお、本発明の電池モジュールに使用する電池は、ノート型パソコン等の携帯用電子機器の電源として単体でも使用できる電池であってもよい（以下、電池モジュールに使用する電池を、「素電池」と呼ぶ）。この場合、高性能の汎用電池を、電池モジュールの素電池として使用することができるため、電池モジュールの高性能化、低コスト化をより容易に図ることができる。
本発明の電池モジュールに使用する素電池１００は、例えば、図１に示すような、円柱形のリチウムイオン二次電池を採用することができる。このリチウムイオン二次電池は、通常の構成をなすもので、内部短絡等の発生により電池内の圧力が上昇したとき、ガスを電池外に放出する安全機構を備えている。以下、図１を参照しながら、素電池１００の具体的な構成を説明する。
図１に示すように、正極１と負極２とがセパレータ３を介して捲回された電極群４が、非水電解液とともに、電池ケース７に収容されている。電極群４の上下には、絶縁板９、１０が配され、正極１は、正極リード５を介してフィルタ１２に接合され、負極２は、負極リード６を介して負極端子を兼ねる電池ケース７の底部に接合されている。
フィルタ１２は、インナーキャップ１３に接続され、インナーキャップ１３の突起部は、金属製の弁板１４に接合されている。さらに、弁板１４は、正極端子を兼ねる端子板８に接続されている。そして、端子板８、弁板１４、インナーキャップ１３、及びフィルタ１２が一体となって、ガスケット１１を介して、電池ケース７の開口部を封口している。
素電池１００に内部短絡等が発生して、素電池１００内の圧力が上昇すると、弁体１４が端子板８に向かって膨れ、インナーキャップ１３と弁体１４との接合がはずれると、電流経路が遮断される。さらに素電池１００内の圧力が上昇すると、弁体１４が破断する。これによって、素電池１００内に発生したガスは、フィルタ１２の貫通孔１２ａ、インナーキャップ１３の貫通孔１３ａ、弁体１４の裂け目、そして、端子板８の開放部８ａを介して、外部へ排出される。
なお、素電池１００内に発生したガスを外部に排出する安全機構は、図１に示した構造に限定されず、他の構造のものであってもよい。
＜電池モジュール＞
上記の１本の素電池１００では自動車用途及び家電用途などでは電圧、容量共に不足であるので、複数の素電池を組み合わせて電池モジュールにして電源とする。電池モジュールの一例を図２に示す。リチウムイオン二次電池のような素電池１００では、作動に適した一定の温度範囲があり、この範囲よりも高い温度になると電池容量が下がるとともに電池寿命が短くなり、低い温度になると電圧が低下してしまう。従って最適な温度範囲で素電池１００を充放電させるため、本実施形態の電池モジュール２００は温度調節装置を備えている。
本実施形態の電池モジュール２００は、２０本の円柱形の素電池１００が一列に並べられて電気的に並列に接続された組電池３００を構成要素とし、７つの組電池３００を１列に並べて電気的に直列に接続して組電池集合体４００を構成している。この素電池１００の側面には、図４に示すように補強金属板１２０が巻き付けられている。一つの組電池３００において素電池１００が並べられている方向と、７つの組電池３００が並べられている方向とは直行している。また、１４０本の素電池１００は、軸線（円柱の中心軸）を互いに平行にして配列されている。
組電池集合体４００の各組電池３００は、図２では隠れているが、構成要素の素電池１００の底面（負極）に負極接続部材が接続されて電気的に並列接続となっている。なお、組電池集合体４００は素電池１００の集合体ともいうことができる。
組電池集合体４００は側面ケース部材３２に入れられる。側面ケース部材３２は電気絶縁性の物質からなっており、組電池集合体４００の側面を取り囲む。側面ケース部材３２の内側の空間には温度調節装置が入れられている。図２において示されている側面ケース部材３２の内側の温度調節装置は側壁１５６である。この側壁１５６によって各組電池３００を収納する凹部１５５が形成されている。この凹部１５５が組電池集合体４００の側面を囲うと共に、隣り合う組電池３００の間を液密に仕切っている。
組電池集合体４００の上面側には該上面を覆うように上面側基板３０が設置される。上面側基板３０は隣り合う組電池３００同士を電気的に直列に接続している。また、上面側基板３０には各素電池１００の正極端子に相対する部分に孔１５０が設けられていて素電池１００内から発生したガスをこの孔１５０を通して排出するようになっている。
上面側基板３０の上には中蓋２３が設置される。中蓋２３には上面側基板３０の孔１５０と連通する長孔１５１が設けられているとともに、隣り合う組電池３００間に該当するところに隔壁部材１５２がリブ状に延びている。
中蓋２３の上には蓋部材２１がかぶせられて、側面ケース部材３２とねじにより固定される。蓋部材２１の下面には隔壁部材１５２の上面が当接する。
側面ケース部材３２の一方の端には組電池集合体４００とは隔離された収納室１５３が設けられており、そこに組電池集合体４００の充放電の監視・制御を行う回路装置２４が設置される。収納室１５３とは反対側の端には側面ケース部材３２の外側に、ファン２９が取り付けられた送風部材２８が設置されている。
側面ケース部材３２の下には、シートヒータ４０が配置される。シートヒータ４０は側面ケース部材３２の下面側の全面を覆い、後述の棒状金属部材が貫通する孔１５４が開けられている。
シートヒータ４０の下には温度調節本体部５０が配置される。温度調節本体部５０は図５に示すように、放熱部材であるヒートシンク７０に多数の棒状金属部材６０が固定された構造を有している。ヒートシンク７０は金属製の板状部７１の下面（他方の面）側に多数の放熱フィン７２が設けられている構造を有している。なお、放熱フィン７２の形状を見やすくするため、図５は図２の温度調節本体部５０を板状部７１の面内において９０度回転させた状態を示している。板状部７１の上面（一方の面）側には棒状金属部材６０が一体化して設置されているとともに、シートヒータ４０の下面が接している。
温度調節本体部５０の下側にはフィンカバー８０が設置されており、上述のファン２９から送られた風がフィンカバー８０とヒートシンク７０との間の空間を通って放熱フィン７２から熱を奪っていく。つまり空気が冷媒として働く。フィンカバー８０の収納室１５３の下側に当たる部分は開口しており、風はこの開口部から電池モジュール２００外に排出される。
以上、電池モジュール２００全体の構成について説明を行ったが、電池モジュール２００の細部について以下述べる。
まず、側面ケース部材３２が隣り合う組電池３００同士を液密に隔離することについてさらに説明する。
図３（ａ）は本実施形態の電池モジュール２００を、蓋部材２１および中蓋２３を取り去って上から見た図である。図３（ｂ）はさらに上面側基板３０を取り去って上から見た図である。側面ケース部材３２は素電池１００が挿入される複数の凹部１５５が形成されていて、この凹部１５５を形成する側壁１５６が隣り合う組電池３００の間を仕切っていると共に、その凹部の側壁１５６と底面とが液体を通さないように隙間なく接続されていて、直列接続されている隣り合う組電池３００同士の間では液体が行き来できないようになっている。この構造により、隣合う組電池３００間の液体による短絡を確実に防ぐことができる。なお、側面ケース部材３２は電気絶縁性の樹脂などを用いて射出成形などで一体成形により作成してもよいし、凹部の側壁部と底面部とを別々に形成しておいて、両者を接着剤を用いたりあるいは熱接着などで接着させて作成してもよい。ここで短絡を起こす可能性のある液体とは、素電池１００中の電解液や混入する水などが考えられる。
直列接続されている組電池３００同士が液体によって短絡してしまうと、電池モジュール２００から電流が取り出せなくなるだけではなく、素電池１００内でも短絡が生じて素電池１００が高温になったりガスが吹き出すおそれがある。本実施形態の電池モジュール２００はこのような事態を確実に防止することができ、安全性が高い電池モジュールである。
次に素電池１００内に発生したガスを電池モジュール２００の外部に排出する機構に関して図６に模式的に示す。図６は、複数の素電池１００が配列されて並列に接続された組電池３００の一つを含む電池モジュールの模式的断面であり、電池モジュールは複数の組電池３００がケース内に収容されている構成を有している。素電池１００は、図１に示したように、素電池１００内に発生したガスを電池外に排出する開放部８ａを備えている。ここでは温度調節装置２５の下部がケースの一部となっている。
ケースは、複数の素電池１００の一端側（本実施形態では、正極端子８側）に配設された区画部材３４によって、複数の素電池１００を収容する収容部と、素電池１００の開放部８ａから排出されるガスを電池モジュール外に排気する排気経路部２０とに区画されている。そして、素電池１００の開放部８ａは、区画部材３４に形成された開口部３６を介して排気経路部２０に連通している。区画部材３４は素電池１００側に置かれた上面側基板３０とその上に置かれた中蓋２３とから構成されている。
排気経路部２０は、区画部材３４と蓋部材２１との間で形成されている。素電池１００の開放部８ａから排出されるガスは、区画部材３４に形成された開口部３６を介して排気経路部２０に排出された後、ケースに設けられた排出口２２より、電池モジュール外に排出される。
なお、区画部材３４は、素電池１００の一端部（本実施形態では、正極端子８側の端部）に密着して配設されるため、素電池１００が存している部分である収容部は、区画部材３４により密閉状態になっている。そのため、素電池１００の開放部８ａから区画部材３４に形成された開口部３６を介して排気経路部２０に排出されたガスは、再び、収容部に戻ることはない。内部短絡により素電池１００から発生するガスは数百度となるが、このような構造であれば高温のガスが他の素電池１００に大きな影響をおよぼすこと、例えば他の素電池１００内部のプラスチック部材を溶融させてしまうといったことは生じないので、安全性が高い電池モジュール２００と言うことができるとともに、１本の素電池１００が内部短絡しても他の素電池１００に影響がでず、組電池３００は充放電が可能であるので、少し出力が低下するものの電池モジュール２００としてはそのまま使用することができる。
図７は、区画部材３４が配設された素電池１００の一端部の近傍を拡大した部分断面図である。図７に示すように、正極端子８の突起部が、区画部材３４の開口部３６に挿入された状態で、電池ケース７の肩部７ａと区画部材３４とが密着している。従って、区画部材３４によって素電池１００の収容部が密閉されているため、正極端子８の突起部に設けられた開放部８ａから排出されたガスは、再び収容部に戻ることはない。
次に、温度調節装置について説明する。本実施形態の電池モジュール２００の温度調節装置は、素電池１００に接触していて素電池１００から熱を奪うあるいは素電池１００に熱を与える伝熱部材と、伝熱部材から伝わってきた熱を放出する放熱部材および伝熱部材に熱を与えるヒータ（シートヒータ４０）とを備えている。
図８に模式的に示すように、伝熱部材６３は隣り合う素電池１００同士の側面の間に挿入される挿入部６２と素電池１００の底面（下面）に相対する底面部６１とを備えている。挿入部６２は棒状金属部材６０と、棒状金属部材６０の外面を覆うとともにその上方に延びる樹脂部６４とからなっている。底面部６１と樹脂部６４とは、熱伝導性が良く電気絶縁性である樹脂を用いて一体成形により作製されている。このとき棒状金属部材６０も一緒に一体成形してもよいし、棒状金属部材６０は樹脂部６４を作製した後で挿入部６２の内部に入れてもよい。この挿入部６２は側面ケース部材３２内の凹部の側壁１５６に他ならない。そして、底面部６１が凹部１５５の底となる。また、側壁１５６は蓋部材２１とねじ止めされており、これは言い換えれば、挿入部６２の上部における蓋部材２１とのねじによる固定ということである。
このような構成により素電池１００の外面は上面を除くほとんど部分が伝熱部材６３に接触していて伝熱部材６３が伝える熱はヒートシンク７０により素早く放出されるので、素電池１００は効率的に冷却される。また、シートヒータ４０の熱が伝熱部材６３に素早く伝わり、素電池１００を短時間で昇温することができる。
シートヒータ４０は伝熱部材６３の底面部６１と、ヒートシンク７０の板状部７１の上面とに挟まれている。このように２つの面の間に挟まれているので、シートヒータ４０は伝熱部材６３の底面部６１にぴったりと面状に密着して効率的に熱を伝えることができる。
次に、側面ケース部材３２と、温度調節装置２５内に入れられた素電池１００の集合体との境界部分について図９により説明をする。なお、温度調節装置２５内に入れられた素電池１００の集合体というのは、素電池１００と伝熱部材６３とを一緒にした全体を意味している。図９は、電池モジュール２００の模式的な断面図であり、組電池３００において素電池１００が並ぶ方向に対し直交する面を示している。
温度調節装置２５内に入れられた素電池１００の集合体において側面の最外郭部分は伝熱部材６３となっている。この最外郭部分の伝熱部材６３と、電池モジュール２００の側壁部分である側面ケース部材３２との間には断熱層である空気層１６０が設けられている。このような構造により温度調節装置２５内に入れられた素電池１００の集合体は、下面側以外、即ち、側面と上面は断熱層である空気層１６０に囲まれていて（上面側の空気層は排気経路部２０）下面側から冷却あるいは加熱されるので、各素電池１００は均一に冷却あるいは加熱されるようになる。
このような断熱層が無い場合は、温度調節装置２５内に入れられた素電池１００の集合体の中心部分がその周囲の部分に比べて冷却や加熱が遅れて、中心部分だけ周囲よりも温度が高かったり低かったりという状態が生じてしまう。このようになると中心部分の素電池１００の電池特性が周囲の素電池１００よりも低下するだけではなく、寿命も短くなってしまうが、本実施形態の電池モジュール２００では、各素電池１００の温度ばらつきを抑えられるため、中心部分の素電池１００のみが電池特性が低下したり寿命が短くなることは生じない。なお、伝熱部材６３と素電池１００との間、特に挿入部６２の樹脂部６４と素電池１００との間には空気が存している。
また、図１０に示すように、側面ケース部材３２と、温度調節装置２５内に入れられた素電池１００の集合体との境界部分に配置する断熱層に、発泡樹脂層１６２を用いてもよい。発泡樹脂層１６２は、この部分だけ予め作製しておいて、これを側面ケース部材３２を作製する際に所定の位置に配置させるという方法や、ＭｕＣｅｌｌ（登録商標）という、超臨界ガスを溶融ポリマーに混ぜることで、０．５〜１００μｍの発泡セル径をもつ発泡プラスチックを成形する技術を用いる方法などにより形成すればよい。図１０に示すように、電池モジュール２０１の断熱層として空気層１６１と発泡樹脂層１６２とを併用してもよいし、発泡樹脂層だけにしてもよい。
素電池１００の補強について補足すると、図４に示すように、素電池１００の側面は補強金属板１２０によって覆われているので、万が一素電池１００内の圧力が大きくなって側面に亀裂が入ることが生じても、補強金属板１２０が素電池１００の内容物が素電池１００の外に飛び出してくるのを防ぐことができ、安全性を確保できる。
本実施形態の電池モジュール２００は冷却用のファン２９を内蔵しているので、電池モジュール２００単体でそのまま電源として用いることができ、冷却設備を別途必要としない。従って、種々の用途に電源として容易に使用することができる。
さらに図１１に示すように、伝熱部材６３の棒状金属部材６０ａの内部にヒートパイプ６６を埋め込んでもよいし、棒状金属部材そのものをヒートパイプとしてもよい。ヒートパイプ６６はヒートシンク７０の板状部７１にまで達していて、放熱・冷却の効率がより大きくなる。
＜電池モジュールの変形例１＞
実施形態１の変形例１を図１２を用いて説明する。なおこの変形例の電池モジュール２０２は温度調節装置関係と素電池１００の側面を補強する補強金属板が上述の電池モジュール２００，２０１とは異なっていてその他の部分は同じであるので、同じ部分の説明は省略する。
本変形例の電池モジュール２０２は冷却のための送風手段を備えておらず、送風手段は電池モジュール２０２外部に置かれることが前提となっている。即ちこの電池モジュール２０２は送風部材とファンとを有していない。そして温度調節装置本体５１のヒートシンク７３の形状が上述のヒートシンク７０とは異なりリブ状の放熱フィンが延びる方向が上述の放熱フィン７２が延びる方向に対して９０度傾いている。また、フィンカバーはない。このような構成により、上記の電池モジュール２００，２０１よりも小型軽量とすることができる。
本変形例の電池モジュール２０２の使用方法としては、例えば複数の電池モジュール２０２を側面同士を合わせ、ヒートシンク７３の放熱フィンが延びる方向が揃うように並べて配置して一つの電池パックとし、この電池パックに送風手段を置いて放熱フィンを冷却する、という方法を例示できる。
また、図１３に示すように、素電池１００の側面を覆う補強金属板１２１は、個々の素電池１００にそれぞれ巻き付けられるものではなく、組電池３００として並べた２０本の素電池１００，１００，…の側面を一度に覆うものである。具体的には、波板形状の２枚の補強金属板１２１，１２１により、一列に並べられた２０本の素電池１００，１００，…の側面を挟み込んで側面の補強を行う。この構成により素電池１本毎に側面に金属補強板１２０を巻き付けるのと同様の効果が得られるとともに、２０本の素電池１００，１００，…に対して一度に側面補強をできるためコストダウンできる。
さらに図１４に示すように補強金属板１２１は、素電池１００の上部側で厚く、下部側で薄いというテーパ状の厚み構成を有している。図１４は１本の素電池１００と伝熱部材６３の挿入部６２とを含む電池モジュール２０２内部の一部を示した模式的な断面図である。伝熱部材６３は通常、射出成形などで樹脂から形成されるので、成形後に金型から抜き出すことができるように挿入部６２の根元から上方にかけて径が小さくなっていくテーパ形状となっている。このため、図１５に示すように、補強金属板１２２が均一厚みの金属板で形成されていたとすると、挿入部６２の根元部分では補強金属板１２２が挿入部６２の樹脂部６４に接触していても挿入部６２の上部では補強金属板１２２と樹脂部６４との間に隙間ができてしまい、補強金属板１２２と挿入部６２との間の伝熱効率が大きく低下してしまうとともに、素電池１００が固定されずぐらついてしまう。しかし、本変形例では補強金属板１２１の厚みが素電池１００の上部側から下部側へ徐々に小さくなっていくテーパ状であるので、挿入部６２の根元から上部まで接触が保持されて伝熱効率を高く保持できるとともに素電池１００も強固に固定保持されてぐらつくことが防止される。
＜電池モジュールの変形例２＞
実施形態１の変形例２を図１６，１７，１８を用いて説明する。なおこの変形例の電池モジュール２０３は、基本的には変形例１の電池モジュールにおいて組電池３００を２組だけにしたものである。以下では変形例１と同じ部分の説明は省略する。
変形例２の電池モジュール２０３は２組の組電池３００を側面ケース部材３２ａに入れて、上面基板３０ａ、中蓋２３ａ、蓋部材２１ａをかぶせて形成されている。ヒートシンク７０ａの放熱フィン７２ａは変形例１とは異なり、組電池３００における素電池１００の並び方向と同じ方向にリブ状に延びている。側面ケース部材３２ａ、上面基板３０ａ、中蓋２３ａ、蓋部材２１ａ、シートヒータ４０ａおよびヒートシンク７０ａは組電池３００が２組となったことに合わせて小さくされている。
図１７は、本変形例の電池モジュール２０３を２つ並べた電池パックの断面図であり、図１８はその模式的斜視図である。２つの電池モジュール２０３，２０３は蓋部材２１ａ同士を突き合わせて並べられて電池パックとなっている。２つのヒートシンク７０ａは、直方体形状の電池パックの一組の対向する２面にそれぞれ配置されている。このような電池パックは上述の電池モジュール２００，２０１、変形例１の電池モジュール２０２に比べて小型・薄型となっている。そのためこの電池パックを電源として用いる際に、搭載場所の選択肢が広くなり電池パックを搭載する車両や電動装置の設計の自由度が上がる。
＜電池モジュールの変形例３＞
実施形態１の変形例３を図１９を用いて説明する。なおこの変形例は、シートヒータ４０の替わりに線状のヒータ４２を使用したこと以外は、実施形態１の電池モジュール２００と同じであるので同じ部分の説明は省略する。
変形例３のヒータ４２は、例えばニクロム線などの線状のヒータであって、ヒートシンク７０の板状部７１の上面に配置される。線状のヒータ４２は組電池集合体４００を均一に加熱できるように、板状部７１の上面に、等間隔にジグザグ（サーペンタイン）に布線される。シートヒータ４０と同様に、この線状のヒータ４２も板状部７１上面と底面部６１とに挟み込まれて底面部６１下面に密着するので、加熱効率が高くなり、面内において均一な加熱を行うことができる。なお、ヒータ４２は線状に限定されず、棒状であってもよい。ヒータ４２の断面も円形に限定されず、楕円や矩形などでもよい。
＜電池モジュールの変形例４＞
実施形態１の変形例４を図２０を用いて説明する。なおこの変形例は、線状のヒータ４２をヒートシンク７０ｂに埋めていること以外は、変形例３と同じであるので同じ部分の説明は省略する。
変形例４のヒータ４２は、ヒートシンク７０ｂの板状部７１ｂに形成された溝１５７の中に埋められていて、板状部７１ｂの上面とヒータ４２の最上部とがほぼ面一の状態となっている。本変形例では線状のヒータ４２が底面部６１下面に密着するので、加熱効率が高くなり、面内において均一な加熱を行うことができるとともに、底面部６１の下面と板状部７１ｂ上面とが変形例３よりも密着するので、変形例３よりも。冷却効率が上がる。また、変形例３とは異なりヒータ４２が溝１５７内に固定されるので、電池モジュールの組立が容易となる。
＜電池モジュールの変形例５＞
実施形態１の変形例５を図２１を用いて説明する。なおこの変形例は、伝熱部材６３と素電池１００との間に冷媒としての液体１２４が存していること以外は、変形例１と同じであるので同じ部分の説明は省略する。
伝熱部材６３の樹脂部６４は、コスト的な面から射出成形など型を用いた方法で作成することが好ましく、その場合には金型から成型品を抜くためのテーパが必要になる。このテーパのため、伝熱部材６３と素電池１００との間に隙間ができてしまう。この隙間に液体１２４を入れることにより、瞬間的な温度上昇を抑制できるとともに素電池１００と伝熱部材６３との間の熱伝達効率を上げることができる。なお、伝熱部材６３は液密に直列接続された素電池１００間を隔離しており、図７に示すように区画部材３４が素電池１００の肩部７ａに密着しているので、液体１２４が導電性であっても素電池１００間の短絡が生じることはない。即ち、伝熱部材６３が仕切っている空間には、並列接続された素電池１００の底面と側面とのみが露出していることになるので、この空間には複数の素電池１００のうちの同じ電位の部分が収容されていることになる。
液体１２５は水、オイル、有機溶媒などどのような種類のものでも良いが、樹脂部６４や素電池１００の電池ケース７や補強金属板などを腐食させる液体や使用時に凍結して固体となってしまう液体は不適である。
（実施形態２）
実施形態２はヒートシンクの放熱フィンを電池モジュールの側壁の外面側に配置したものである。実施形態２の電池モジュールは、実施形態１の変形例１の電池モジュールの温度調節装置の部分を主として変更したものであるので、変更部分を以下に説明し、実施形態１の変形例１と同じ部分の説明は省略する。
図２２に示すように、本実施形態の電池モジュール２０５は、素電池１００の下面と対向していて且つ棒状金属部材６０が取り付けられている金属製の板状部７５の内部にヒートパイプ１８０が埋め込まれている。板状部７５の下面側はカバー７９により覆われている。電池モジュール２０５の側壁側では、側面ケース部材３２の外面側に板状金属製の放熱基板部１７１が配置されている。放熱基板部１７１の下部は板状部７５と接続している。放熱基板部１７１の外面側（側面ケース部材３２に相対する面とは反対の面）にはヒートシンク１７０の放熱フィン１７２が設けられている。
ヒートパイプ１８０は板状部７５から放熱基板部１７１の内部にまで延びている。この構造により素電池１００から発生した熱は伝熱部材６３を通り、板状部７５に伝わり、ヒートパイプ１８０により放熱基板部１７１にまで素早く伝えられて放熱フィン１７２から電池モジュール２０５の外部に放出される。ヒートパイプ１８０を用いることにより、効率的で素早い放熱を行うことができる。また、放熱フィン１７２を電池モジュール２０５の側面側に置くことで、実施形態１の電池モジュールでは応えられない、電池パックのデザインの要望にも応えることができるようになる。
ヒートパイプの配置の例を図２３，２４に示す。ヒートパイプ１８０，１８１は一方の端が放熱基板部１７１の内部に位置するように配置される。図２３に示すように、板状部７５の幅いっぱいに延びるヒートパイプ１８０が複数平行に並べられていて、板状部７５の両側に置かれた２つの放熱基板部１７１，１７１のうちの一方の内部へ端部が延びているヒートパイプ１８０があると、その隣のヒートパイプ１８０の端部はもう一方の放熱基板部１７１の内部に延びている配置を一例として挙げることができる。別の例としては、図２４に示すように、板状部７５の幅方向には２本のヒートパイプ１８１，１８１が、板状部７５の幅方向中央部において一方の端を突き合わし、他方の端はそれぞれ両側の放熱基板部１７１の内部にまで延びている配置を挙げることができる。
＜電池モジュールの変形例１＞
実施形態２の変形例１を図２５を用いて説明する。なおこの変形例の電池モジュール２０６は、板状部７７からヒートシンク１７５へ熱を運ぶ媒体を、ヒートパイプに換えて伝熱シート７８にしている以外は上記の電池モジュール２０５とほぼ同じであるので、同じ部分の説明は省略する。
本変形例では、棒状金属部材６０が固定されている金属製の板状部７７の上面とヒータ４０との間に、熱伝導度が大きい伝熱シート７８を挟み込んでいる。伝熱シート７８は電池モジュール２０６の側壁部分にまで延びていて、放熱基板部１７１と側面ケース部材３２との間に挟み込まれている。このような構造により、素電池１００から発生した熱は伝熱部材６３を通り、板状部７７に伝わり、伝熱シート７８により放熱基板部１７１にまで素早く伝えられて放熱フィン１７２から電池モジュール２０６の外部に放出される。伝熱シート７８としては、金属繊維からなる、または金属繊維を多量に含むシートや、グラファイトシートなどを用いればよい。なお、本変形例の電池モジュール２０６は下面のカバーを備えていないが下面カバーを取り付けても構わない。
（実施形態３）
実施形態３は、放熱部材がヒートシンクではなく、熱交換器と熱交換器に接続された熱交換パイプとを備えている電池モジュールである。実施形態３の電池モジュールは、実施形態１の変形例１の電池モジュールの温度調節装置の部分を主として変更したものであるので、変更部分を以下に説明し、実施形態１の変形例１と同じ部分の説明は省略する。
図２６に示すように、本実施形態の電池モジュール２０７の放熱部材は、伝熱部材６３の下に金属製の板状部１９０を備え、この板状部１９０の内部に埋め込まれた熱交換パイプ１９１と、熱交換パイプ１９１と接続していて板状部１９０の外に置かれた熱交換器１９２を有している。熱交換パイプ１９１の中には冷媒が入れられており、冷媒は熱交換器１９２によって循環させられるとともに冷却あるいは加熱される。このような構成により冷却効率および加熱効率を高くすることができる。
（その他の実施形態）
以上説明した実施形態は本願発明の例であり、本願発明はこれらの例に限定されない。例えば、組電池および組電池集合体の構成は、上記実施形態の構成に限定されず、組電池を構成する素電池の本数、組電池集合体を構成する組電池の組数は１以上であればよく、上限は重量制限や設置場所の制限、取り扱いのし易さなどで決まってくる。
また、シートヒータに関しても、例えば図２７に模式的に示すように組電池集合体の下面に額縁状に配置してもよい。なぜならば、通常電池モジュール内が冷却されていく過程では、温度の低い外気に触れる最外郭から中心部に向かって冷却が進んでいくので、外郭部分を加熱すれば組電池集合体全体の温度が均一になりやすいからである。さらに図２８に模式的に示すように、外気との接触面積が大きい２つの側面側にのみシートヒータ４６，４６を２つ配置させてもよい。
上記の実施形態では、ヒートシンクの棒状金属部材６０の配置は図２９に示すように、４本の素電池１００の側面に囲まれた空間の全てに挿入されるように、縦横にそれぞれ等間隔に列をなす格子状の配置となっているが、図３０に示すように棒状金属部材６０の数を半分にして且つ等間隔の配置となるよう千鳥格子状の配置にしてもよい。あるいは図３１に示すように、板状部７１の外縁部には棒状金属部材６０を配置せず、中央部にだけ棒状金属部材６０を配置してもよい。上述のように組電池集合体は外郭部分に比べて中央部分の温度が高くなるので、図３１のような配置であると、中央部のみを冷却して組電池集合体全体の温度を均一にすることができる。
ヒートシンクの放熱フィンの形状や配置も例えば実施形態１において、板状部７１から帯状（リブ形状）に突き出て延びる形状ではなく、図３２に模式的に示すようにピン形状（柱状）の放熱フィン１７３としてもよい。放熱フィン１７３をピン形状とすると、冷却風の向きが図の縦方向でも横方向でもあるいは斜めからでも同じように冷却されるという利点がある。この場合放熱フィン１７３の大きさや数は特に限定されないが、径が小さくて数が多い方が冷却効率が高くなりやすい。放熱フィン１７３は、図２９では縦横にそれぞれ等間隔に列をなす格子状に配置されているが、隣との間隔や位置などは、上述のように温度が高くなりやすい位置に多く配置されるようにしてもよい。また、放熱フィン１７３の配置は、放熱フィン１７３とは板状部７１を挟んで反対側に存している棒状金属部材６０と同じ位置配置としてもよいし、両者の位置をずらしてもよい。
電池モジュールが使用される場所によっては、図３３に示すようにヒータを搭載しない電池モジュールであっても構わない。図３３は実施形態１の変形例１の電池モジュールからヒータのみを取り除いた電池モジュール２０８である。例えば熱帯地方など、気温が常に１０℃以上となる場所であればヒータは不要となる。
棒状金属部材とヒートシンクとを別々に形成しておいて、溶接やねじ止め、接着などで両者を固定して一体化してもよい。
側面ケース部材と伝熱部材の底面部とが別々に形成されて、接着や溶着などで両者を固定して一体化してもよい。
ヒータとヒートシンク板状部との間に断熱層などを設けてもよい。この場合のヒータは、板状、線状、棒状のいずれであっても構わない。
ヒートシンクを冷却する冷媒は空気に限定されず、液体であってもよい。冷媒が液体の場合はファンの変わりにポンプを用い、電池モジュールを冷媒の流れる容器の中に入れることが好ましい。
また、以上述べてきた実施形態や変形例の特徴を別の実施形態や変形例に適用しても構わない。
以上説明したように、本発明に係る電池モジュールは、高い安全性を有するとともに効率的に素電池の温度を調節できるので、車両や産業用途、家庭用途などの電源等として有用である。
８ａ 開放部
２０ 排気経路部
２１ 蓋部材
２５ 温度調節装置
２９ ファン
３０ 上面基板
３２ 側面ケース部材
３４ 区画部材
４０ シートヒータ
４２ 線状のヒータ
４４ シートヒータ
４６ シートヒータ
５０ 温度調節本体部
６０ 棒状金属部材
６１ 底面部
６２ 挿入部
６３ 伝熱部材
６４ 樹脂部
６６ ヒートパイプ
７０ ヒートシンク
７１ 板状部
７２ 放熱フィン
７３ ヒートシンク
７５ 板状部
８０ フィンカバー
１００ 素電池
１２０ 補強金属板
１２１ 補強金属板
１６０ 空気層
１６２ 発泡樹脂層
１７０ ヒートシンク
１７１ 放熱基板部
１７２ 放熱フィン
１７５ ヒートシンク
１８０ ヒートパイプ
１８１ ヒートパイプ
１９０ 板状部
１９１ 熱交換パイプ
１９２ 熱交換器
２００ 電池モジュール
２０１ 電池モジュール
２０２ 電池モジュール
２０３ 電池モジュール
２０４ 電池モジュール
２０５ 電池モジュール
２０６ 電池モジュール
２０７ 電池モジュール
２０８ 電池モジュール
３００ 組電池
４００ 組電池集合体
本発明は、電池モジュールに関し、特に複数の二次電池である素電池と、素電池の温度を調節する温度調節装置とを備えた電池モジュールに関するものである。
複数の電池をケースに収容して、所定の電圧及び容量を出力できるようにした電池パックは、種々の機器、車両等の電源として広く使用されている。中でも、汎用的な電池を並列・直列接続して、所定の電圧及び容量を出力する組電池をモジュール化し、この電池モジュールを種々組み合わせることによって、多種多様な用途に対応可能とする技術が採用され始めている。このモジュール化技術は、電池モジュールに収容する電池を高性能化することによって、電池モジュール自身の小型・軽量化が図られるため、電池パックを組み立てる際の作業性が向上するとともに、車両等の限られた空間へ搭載する際の自由度が向上するなど、様々なメリットも有する。
例えば車両用の電源として、リチウムイオン二次電池を用いた上記の電池モジュールの開発が行われているが、リチウムイオン二次電池に限らず、電池の種類によって最適な作動温度範囲があるため、電池モジュールには温度を調節するための装置を搭載することが必要になる。
このような温度を調節する機構に関する記載が、例えば特許文献１から６にある。
特許文献１には、ケースに埋め込まれた放熱ピンが軸線を互いに平行にして配列された複数の単電池の間に配置されていて、単電池から発せられる熱が放熱ピンの端面から空気中に放散される技術が開示されている。
特許文献２には、複数個の円筒型電池を束ねてなる電池パックにおいて、円筒型電池間の隙間に伝熱性のあるパイプ状の弾性部材を挿入して、弾性部材に伝熱性のある剛性部材を差し込んだ技術が開示されている。
特許文献３には、複数の電池を平行な姿勢で収納しているインナーケースと、インナーケースのリード板配置面に配設されて、電池両端の電極に連結されて隣接する電池を接続している金属板からなるリード板と、インナーケースを収納するアウターケースと、インナーケースとアウターケースとの間に配設されて電池を加温するシートヒーターとを備え、シートヒーターはインナーケースのリード板配置面に配設されて金属板のリード板を介して電池を加温しているパック電池の技術が開示されている。
特許文献４には、 棒状の複数の電池モジュールを隙間なく並べて収納して保持すると共に、各電池モジュールの周壁面にそれぞれ接触して各電池モジュールと熱結合する容器を備え、この容器に電池モジュールから伝わる熱を外部に放出するヒートパイプを配設すると共に、該容器の外周を覆って断熱材を設ける技術が開示されている。
特許文献５には、単電池を直線状に接続した電池セルを略平行に複数本並べ、これらの電池セルを直列または並列に接続した電源モジュールをホルダに内蔵していて、ホルダは、その内面に電池セルを位置決めした状態で保持するための位置決嵌着部と、位置決嵌着部と略平行に略平行に離間させて冷却媒体を流す冷媒経路を形成している技術が開示されている。
特許文献６には、熱伝導性に優れた材料により成形される冷却ブロックＡ、Ｂ内に冷媒管路を埋設すると共に、蓄電池収容穴に蓄電池を収容する蓄電池電源装置であって、蓄電池を構成する単電池個々の熱は密着する冷却ブロックＡ、Ｂに奪われ、冷却ブロックＡ、Ｂは冷媒管路を流れる冷媒により冷却される技術が開示されている。
特開平８−１８０８５４号公報 特開２００２−１８４３７４号公報 特開２００７−２１３９３９号公報 特開２００１−７６７７１号公報 特開２００５−２８５４５５号公報 特開平１０−１０６５２１号公報
しかしながら特許文献１から６に開示された技術は、単に各単電池を冷却するあるいは加熱するという技術であって、複数の二次電池を束ねて構成された電池モジュールに特有の安全性の確保、充放電の維持という点での考慮が不足している。
例えば、電池からの漏液や雨水等の混入により液体が電池モジュール内に入った場合、特許文献１から６に開示されている構造では直列接続された単電池間に短絡が生じて、電池モジュール全体の充放電が停止してしまうとともに複数の単電池が高温になってしまうという事態が発生する。このような事態が車両の駆動用電源として積み込まれた電池モジュールに発生すると、走行中に突然モータが停止するという危険な事態となる。工場の電源として使用されている電池モジュールに発生すると、生産ラインが停止して大損害となる。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数の二次電池に対して安全で効率的な温度調節を行える装置を備えた電池モジュールを提供することにある。
本発明の電池モジュールは、複数の円柱形の二次電池である素電池と、該素電池の温度を調節する温度調節装置とを備え、前記素電池は側面同士を隣り合わせて並べられているとともに、全ての該素電池同士あるいは並列接続された該素電池の組同士が電気的に直列に接続されており、前記温度調節装置は、前記素電池から熱を奪う又は前記素電池に熱を与える伝熱部材と、該伝熱部材が固定されている放熱部材とを備え、前記伝熱部材は、複数の前記素電池の側面により囲まれた空間に挿入されている複数の挿入部と、前記素電池の下面に相対する底面部とを備えており、前記伝熱部材の少なくとも前記素電池と相対する部分は電気絶縁性の物質からなっており、直列に接続された前記素電池同士は、前記伝熱部材によって側面部分および底面部分が液密に隔離されている構成を有している。
本発明の電池モジュールでは、直列に接続された素電池同士は伝熱部材によって側面部分および底面部分が液密に隔離されているので、直列接続された素電池間での液漏れや混入した液体による短絡を確実に防いで素電池の効率的な温度調節を行うことができる。
素電池の模式的な断面図である。 実施形態１に係る電池モジュールの模式的な分解構成図である。 （ａ）は蓋部材と中蓋を取り去った模式的上面図、（ｂ）はさらに上面側基板を取り去った模式的上面図である。 補強金属板を巻き付けた素電池の斜視図である。 温度調節本体部の一部拡大斜視図である。 電池モジュールのガス排出機構を説明する模式的断面図である。 電池モジュールの要部拡大断面図である。 伝熱部材の要部拡大断面図である。 電池モジュールの側面近傍の断面図である。 別の電池モジュールの側面近傍の断面図である。 ヒートパイプが埋め込まれた棒状金属部材の断面図である。 実施形態１の変形例１に係る電池モジュールの模式的な分解構成図である。 別の補強金属板の説明図である。 補強金属板の断面図である。 別の補強金属板の断面図である。 実施形態１の変形例２に係る電池モジュールの模式的な断面図である。 電池パックの模式的な断面図である。 電池パックの模式的な斜視図である。 実施形態１の変形例３に係る温度調節装置の模式図である。 実施形態１の変形例４に係る温度調節装置の模式図である。 実施形態１の変形例５に係る電池モジュールの模式的な要部断面図である。 実施形態２に係る電池モジュールの模式的な要部断面図である。 実施形態２に係るヒートパイプの配置図である。 実施形態２に係るヒートパイプの別の配置図である。 実施形態２の変形例１に係る電池モジュールの模式的な要部断面図である。 実施形態３に係る電池モジュールの模式的な要部断面図である。 シートヒータの変形例を示す模式的な図である。 シートヒータの別の変形例を示す模式的な図である。 ヒートシンクの棒状金属部材の配置を示す図である。 ヒートシンクの棒状金属部材の別の配置を示す図である。 ヒートシンクの棒状金属部材の他の配置を示す図である。 放熱フィンの別形状を示す図である。 他の実施形態に係る電池モジュールの模式的な分解構成図である。
−定義−
線状のヒータと棒状のヒータとの違いはその径にあり、線状は径が２ｍｍ未満であり棒状は径が２ｍｍ以上である。ヒータの横断面形状は特に限定されず、円形、楕円形、多角形などを例として挙げることができる。
線状又は棒状のヒータがヒートシンクに埋め込まれているというのは、ヒータがヒートシンク内部に埋没されている状態だけではなく、ヒートシンクの板状部に溝を形成してその溝にヒータを入れるなどしてヒータの一部が露出している状態も含まれる。
一体に形成されているとは、金属であればプレスや絞り、打抜きなどによって、樹脂であれば射出成形などによって連続した一体の部材として形成されていることを意味する。
直列に接続された素電池同士は伝熱部材によって側面部分及び底面部分が液密に隔離されているということは、直列接続されている２つの素電池の間は、素電池の側面部と底面部とが伝熱部材によって隔離されていて、一方の素電池の側面あるいは底面から液が漏れてもその液は隔離された隣の素電池には到達しない構成のことである。
素電池の集合体と側面ケース部材との間に断熱層が存しているとは、素電池と伝熱部材とを素電池の集合体と捉えて、この素電池の集合体の側面に断熱層が存していて、さらにその周囲を側面ケース部材が取り囲んでいるということをいう。
−実施形態−
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。
（実施形態１）
＜素電池＞
図１は、本発明の実施形態１における電池モジュールに使用する電池１００の構成を模式的に示した断面図である。なお、本発明の電池モジュールに使用する電池は、ノート型パソコン等の携帯用電子機器の電源として単体でも使用できる電池であってもよい（以下、電池モジュールに使用する電池を、「素電池」と呼ぶ）。この場合、高性能の汎用電池を、電池モジュールの素電池として使用することができるため、電池モジュールの高性能化、低コスト化をより容易に図ることができる。
本発明の電池モジュールに使用する素電池１００は、例えば、図１に示すような、円柱形のリチウムイオン二次電池を採用することができる。このリチウムイオン二次電池は、通常の構成をなすもので、内部短絡等の発生により電池内の圧力が上昇したとき、ガスを電池外に放出する安全機構を備えている。以下、図１を参照しながら、素電池１００の具体的な構成を説明する。
図１に示すように、正極１と負極２とがセパレータ３を介して捲回された電極群４が、非水電解液とともに、電池ケース７に収容されている。電極群４の上下には、絶縁板９、１０が配され、正極１は、正極リード５を介してフィルタ１２に接合され、負極２は、負極リード６を介して負極端子を兼ねる電池ケース７の底部に接合されている。
フィルタ１２は、インナーキャップ１３に接続され、インナーキャップ１３の突起部は、金属製の弁板１４に接合されている。さらに、弁板１４は、正極端子を兼ねる端子板８に接続されている。そして、端子板８、弁板１４、インナーキャップ１３、及びフィルタ１２が一体となって、ガスケット１１を介して、電池ケース７の開口部を封口している。
素電池１００に内部短絡等が発生して、素電池１００内の圧力が上昇すると、弁体１４が端子板８に向かって膨れ、インナーキャップ１３と弁体１４との接合がはずれると、電流経路が遮断される。さらに素電池１００内の圧力が上昇すると、弁体１４が破断する。これによって、素電池１００内に発生したガスは、フィルタ１２の貫通孔１２ａ、インナーキャップ１３の貫通孔１３ａ、弁体１４の裂け目、そして、端子板８の開放部８ａを介して、外部へ排出される。
なお、素電池１００内に発生したガスを外部に排出する安全機構は、図１に示した構造に限定されず、他の構造のものであってもよい。
＜電池モジュール＞
上記の１本の素電池１００では自動車用途及び家電用途などでは電圧、容量共に不足であるので、複数の素電池を組み合わせて電池モジュールにして電源とする。電池モジュールの一例を図２に示す。リチウムイオン二次電池のような素電池１００では、作動に適した一定の温度範囲があり、この範囲よりも高い温度になると電池容量が下がるとともに電池寿命が短くなり、低い温度になると電圧が低下してしまう。従って最適な温度範囲で素電池１００を充放電させるため、本実施形態の電池モジュール２００は温度調節装置を備えている。
本実施形態の電池モジュール２００は、２０本の円柱形の素電池１００が一列に並べられて電気的に並列に接続された組電池３００を構成要素とし、７つの組電池３００を１列に並べて電気的に直列に接続して組電池集合体４００を構成している。この素電池１００の側面には、図４に示すように補強金属板１２０が巻き付けられている。一つの組電池３００において素電池１００が並べられている方向と、７つの組電池３００が並べられている方向とは直行している。また、１４０本の素電池１００は、軸線（円柱の中心軸）を互いに平行にして配列されている。
組電池集合体４００の各組電池３００は、図２では隠れているが、構成要素の素電池１００の底面（負極）に負極接続部材が接続されて電気的に並列接続となっている。なお、組電池集合体４００は素電池１００の集合体ともいうことができる。
組電池集合体４００は側面ケース部材３２に入れられる。側面ケース部材３２は電気絶縁性の物質からなっており、組電池集合体４００の側面を取り囲む。側面ケース部材３２の内側の空間には温度調節装置が入れられている。図２において示されている側面ケース部材３２の内側の温度調節装置は側壁１５６である。この側壁１５６によって各組電池３００を収納する凹部１５５が形成されている。この凹部１５５が組電池集合体４００の側面を囲うと共に、隣り合う組電池３００の間を液密に仕切っている。
組電池集合体４００の上面側には該上面を覆うように上面側基板３０が設置される。上面側基板３０は隣り合う組電池３００同士を電気的に直列に接続している。また、上面側基板３０には各素電池１００の正極端子に相対する部分に孔１５０が設けられていて素電池１００内から発生したガスをこの孔１５０を通して排出するようになっている。
上面側基板３０の上には中蓋２３が設置される。中蓋２３には上面側基板３０の孔１５０と連通する長孔１５１が設けられているとともに、隣り合う組電池３００間に該当するところに隔壁部材１５２がリブ状に延びている。
中蓋２３の上には蓋部材２１がかぶせられて、側面ケース部材３２とねじにより固定される。蓋部材２１の下面には隔壁部材１５２の上面が当接する。
側面ケース部材３２の一方の端には組電池集合体４００とは隔離された収納室１５３が設けられており、そこに組電池集合体４００の充放電の監視・制御を行う回路装置２４が設置される。収納室１５３とは反対側の端には側面ケース部材３２の外側に、ファン２９が取り付けられた送風部材２８が設置されている。
側面ケース部材３２の下には、シートヒータ４０が配置される。シートヒータ４０は側面ケース部材３２の下面側の全面を覆い、後述の棒状金属部材が貫通する孔１５４が開けられている。
シートヒータ４０の下には温度調節本体部５０が配置される。温度調節本体部５０は図５に示すように、放熱部材であるヒートシンク７０に多数の棒状金属部材６０が固定された構造を有している。ヒートシンク７０は金属製の板状部７１の下面（他方の面）側に多数の放熱フィン７２が設けられている構造を有している。なお、放熱フィン７２の形状を見やすくするため、図５は図２の温度調節本体部５０を板状部７１の面内において９０度回転させた状態を示している。板状部７１の上面（一方の面）側には棒状金属部材６０が一体化して設置されているとともに、シートヒータ４０の下面が接している。
温度調節本体部５０の下側にはフィンカバー８０が設置されており、上述のファン２９から送られた風がフィンカバー８０とヒートシンク７０との間の空間を通って放熱フィン７２から熱を奪っていく。つまり空気が冷媒として働く。フィンカバー８０の収納室１５３の下側に当たる部分は開口しており、風はこの開口部から電池モジュール２００外に排出される。
以上、電池モジュール２００全体の構成について説明を行ったが、電池モジュール２００の細部について以下述べる。
まず、側面ケース部材３２が隣り合う組電池３００同士を液密に隔離することについてさらに説明する。
図３（ａ）は本実施形態の電池モジュール２００を、蓋部材２１および中蓋２３を取り去って上から見た図である。図３（ｂ）はさらに上面側基板３０を取り去って上から見た図である。側面ケース部材３２は素電池１００が挿入される複数の凹部１５５が形成されていて、この凹部１５５を形成する側壁１５６が隣り合う組電池３００の間を仕切っていると共に、その凹部の側壁１５６と底面とが液体を通さないように隙間なく接続されていて、直列接続されている隣り合う組電池３００同士の間では液体が行き来できないようになっている。この構造により、隣合う組電池３００間の液体による短絡を確実に防ぐことができる。なお、側面ケース部材３２は電気絶縁性の樹脂などを用いて射出成形などで一体成形により作成してもよいし、凹部の側壁部と底面部とを別々に形成しておいて、両者を接着剤を用いたりあるいは熱接着などで接着させて作成してもよい。ここで短絡を起こす可能性のある液体とは、素電池１００中の電解液や混入する水などが考えられる。
直列接続されている組電池３００同士が液体によって短絡してしまうと、電池モジュール２００から電流が取り出せなくなるだけではなく、素電池１００内でも短絡が生じて素電池１００が高温になったりガスが吹き出すおそれがある。本実施形態の電池モジュール２００はこのような事態を確実に防止することができ、安全性が高い電池モジュールである。
次に素電池１００内に発生したガスを電池モジュール２００の外部に排出する機構に関して図６に模式的に示す。図６は、複数の素電池１００が配列されて並列に接続された組電池３００の一つを含む電池モジュールの模式的断面であり、電池モジュールは複数の組電池３００がケース内に収容されている構成を有している。素電池１００は、図１に示したように、素電池１００内に発生したガスを電池外に排出する開放部８ａを備えている。ここでは温度調節装置２５の下部がケースの一部となっている。
ケースは、複数の素電池１００の一端側（本実施形態では、正極端子８側）に配設された区画部材３４によって、複数の素電池１００を収容する収容部と、素電池１００の開放部８ａから排出されるガスを電池モジュール外に排気する排気経路部２０とに区画されている。そして、素電池１００の開放部８ａは、区画部材３４に形成された開口部３６を介して排気経路部２０に連通している。区画部材３４は素電池１００側に置かれた上面側基板３０とその上に置かれた中蓋２３とから構成されている。
排気経路部２０は、区画部材３４と蓋部材２１との間で形成されている。素電池１００の開放部８ａから排出されるガスは、区画部材３４に形成された開口部３６を介して排気経路部２０に排出された後、ケースに設けられた排出口２２より、電池モジュール外に排出される。
なお、区画部材３４は、素電池１００の一端部（本実施形態では、正極端子８側の端部）に密着して配設されるため、素電池１００が存している部分である収容部は、区画部材３４により密閉状態になっている。そのため、素電池１００の開放部８ａから区画部材３４に形成された開口部３６を介して排気経路部２０に排出されたガスは、再び、収容部に戻ることはない。内部短絡により素電池１００から発生するガスは数百度となるが、このような構造であれば高温のガスが他の素電池１００に大きな影響をおよぼすこと、例えば他の素電池１００内部のプラスチック部材を溶融させてしまうといったことは生じないので、安全性が高い電池モジュール２００と言うことができるとともに、１本の素電池１００が内部短絡しても他の素電池１００に影響がでず、組電池３００は充放電が可能であるので、少し出力が低下するものの電池モジュール２００としてはそのまま使用することができる。
図７は、区画部材３４が配設された素電池１００の一端部の近傍を拡大した部分断面図である。図７に示すように、正極端子８の突起部が、区画部材３４の開口部３６に挿入された状態で、電池ケース７の肩部７ａと区画部材３４とが密着している。従って、区画部材３４によって素電池１００の収容部が密閉されているため、正極端子８の突起部に設けられた開放部８ａから排出されたガスは、再び収容部に戻ることはない。
次に、温度調節装置について説明する。本実施形態の電池モジュール２００の温度調節装置は、素電池１００に接触していて素電池１００から熱を奪うあるいは素電池１００に熱を与える伝熱部材と、伝熱部材から伝わってきた熱を放出する放熱部材および伝熱部材に熱を与えるヒータ（シートヒータ４０）とを備えている。
図８に模式的に示すように、伝熱部材６３は隣り合う素電池１００同士の側面の間に挿入される挿入部６２と素電池１００の底面（下面）に相対する底面部６１とを備えている。挿入部６２は棒状金属部材６０と、棒状金属部材６０の外面を覆うとともにその上方に延びる樹脂部６４とからなっている。底面部６１と樹脂部６４とは、熱伝導性が良く電気絶縁性である樹脂を用いて一体成形により作製されている。このとき棒状金属部材６０も一緒に一体成形してもよいし、棒状金属部材６０は樹脂部６４を作製した後で挿入部６２の内部に入れてもよい。この挿入部６２は側面ケース部材３２内の凹部の側壁１５６に他ならない。そして、底面部６１が凹部１５５の底となる。また、側壁１５６は蓋部材２１とねじ止めされており、これは言い換えれば、挿入部６２の上部における蓋部材２１とのねじによる固定ということである。
このような構成により素電池１００の外面は上面を除くほとんど部分が伝熱部材６３に接触していて伝熱部材６３が伝える熱はヒートシンク７０により素早く放出されるので、素電池１００は効率的に冷却される。また、シートヒータ４０の熱が伝熱部材６３に素早く伝わり、素電池１００を短時間で昇温することができる。
シートヒータ４０は伝熱部材６３の底面部６１と、ヒートシンク７０の板状部７１の上面とに挟まれている。このように２つの面の間に挟まれているので、シートヒータ４０は伝熱部材６３の底面部６１にぴったりと面状に密着して効率的に熱を伝えることができる。
次に、側面ケース部材３２と、温度調節装置２５内に入れられた素電池１００の集合体との境界部分について図９により説明をする。なお、温度調節装置２５内に入れられた素電池１００の集合体というのは、素電池１００と伝熱部材６３とを一緒にした全体を意味している。図９は、電池モジュール２００の模式的な断面図であり、組電池３００において素電池１００が並ぶ方向に対し直交する面を示している。
温度調節装置２５内に入れられた素電池１００の集合体において側面の最外郭部分は伝熱部材６３となっている。この最外郭部分の伝熱部材６３と、電池モジュール２００の側壁部分である側面ケース部材３２との間には断熱層である空気層１６０が設けられている。このような構造により温度調節装置２５内に入れられた素電池１００の集合体は、下面側以外、即ち、側面と上面は断熱層である空気層１６０に囲まれていて（上面側の空気層は排気経路部２０）下面側から冷却あるいは加熱されるので、各素電池１００は均一に冷却あるいは加熱されるようになる。
このような断熱層が無い場合は、温度調節装置２５内に入れられた素電池１００の集合体の中心部分がその周囲の部分に比べて冷却や加熱が遅れて、中心部分だけ周囲よりも温度が高かったり低かったりという状態が生じてしまう。このようになると中心部分の素電池１００の電池特性が周囲の素電池１００よりも低下するだけではなく、寿命も短くなってしまうが、本実施形態の電池モジュール２００では、各素電池１００の温度ばらつきを抑えられるため、中心部分の素電池１００のみが電池特性が低下したり寿命が短くなることは生じない。なお、伝熱部材６３と素電池１００との間、特に挿入部６２の樹脂部６４と素電池１００との間には空気が存している。
また、図１０に示すように、側面ケース部材３２と、温度調節装置２５内に入れられた素電池１００の集合体との境界部分に配置する断熱層に、発泡樹脂層１６２を用いてもよい。発泡樹脂層１６２は、この部分だけ予め作製しておいて、これを側面ケース部材３２を作製する際に所定の位置に配置させるという方法や、ＭｕＣｅｌｌ（登録商標）という、超臨界ガスを溶融ポリマーに混ぜることで、０．５〜１００μｍの発泡セル径をもつ発泡プラスチックを成形する技術を用いる方法などにより形成すればよい。図１０に示すように、電池モジュール２０１の断熱層として空気層１６１と発泡樹脂層１６２とを併用してもよいし、発泡樹脂層だけにしてもよい。
素電池１００の補強について補足すると、図４に示すように、素電池１００の側面は補強金属板１２０によって覆われているので、万が一素電池１００内の圧力が大きくなって側面に亀裂が入ることが生じても、補強金属板１２０が素電池１００の内容物が素電池１００の外に飛び出してくるのを防ぐことができ、安全性を確保できる。
本実施形態の電池モジュール２００は冷却用のファン２９を内蔵しているので、電池モジュール２００単体でそのまま電源として用いることができ、冷却設備を別途必要としない。従って、種々の用途に電源として容易に使用することができる。
さらに図１１に示すように、伝熱部材６３の棒状金属部材６０ａの内部にヒートパイプ６６を埋め込んでもよいし、棒状金属部材そのものをヒートパイプとしてもよい。ヒートパイプ６６はヒートシンク７０の板状部７１にまで達していて、放熱・冷却の効率がより大きくなる。
＜電池モジュールの変形例１＞
実施形態１の変形例１を図１２を用いて説明する。なおこの変形例の電池モジュール２０２は温度調節装置関係と素電池１００の側面を補強する補強金属板が上述の電池モジュール２００，２０１とは異なっていてその他の部分は同じであるので、同じ部分の説明は省略する。
本変形例の電池モジュール２０２は冷却のための送風手段を備えておらず、送風手段は電池モジュール２０２外部に置かれることが前提となっている。即ちこの電池モジュール２０２は送風部材とファンとを有していない。そして温度調節装置本体５１のヒートシンク７３の形状が上述のヒートシンク７０とは異なりリブ状の放熱フィンが延びる方向が上述の放熱フィン７２が延びる方向に対して９０度傾いている。また、フィンカバーはない。このような構成により、上記の電池モジュール２００，２０１よりも小型軽量とすることができる。
本変形例の電池モジュール２０２の使用方法としては、例えば複数の電池モジュール２０２を側面同士を合わせ、ヒートシンク７３の放熱フィンが延びる方向が揃うように並べて配置して一つの電池パックとし、この電池パックに送風手段を置いて放熱フィンを冷却する、という方法を例示できる。
また、図１３に示すように、素電池１００の側面を覆う補強金属板１２１は、個々の素電池１００にそれぞれ巻き付けられるものではなく、組電池３００として並べた２０本の素電池１００，１００，…の側面を一度に覆うものである。具体的には、波板形状の２枚の補強金属板１２１，１２１により、一列に並べられた２０本の素電池１００，１００，…の側面を挟み込んで側面の補強を行う。この構成により素電池１本毎に側面に金属補強板１２０を巻き付けるのと同様の効果が得られるとともに、２０本の素電池１００，１００，…に対して一度に側面補強をできるためコストダウンできる。
さらに図１４に示すように補強金属板１２１は、素電池１００の上部側で厚く、下部側で薄いというテーパ状の厚み構成を有している。図１４は１本の素電池１００と伝熱部材６３の挿入部６２とを含む電池モジュール２０２内部の一部を示した模式的な断面図である。伝熱部材６３は通常、射出成形などで樹脂から形成されるので、成形後に金型から抜き出すことができるように挿入部６２の根元から上方にかけて径が小さくなっていくテーパ形状となっている。このため、図１５に示すように、補強金属板１２２が均一厚みの金属板で形成されていたとすると、挿入部６２の根元部分では補強金属板１２２が挿入部６２の樹脂部６４に接触していても挿入部６２の上部では補強金属板１２２と樹脂部６４との間に隙間ができてしまい、補強金属板１２２と挿入部６２との間の伝熱効率が大きく低下してしまうとともに、素電池１００が固定されずぐらついてしまう。しかし、本変形例では補強金属板１２１の厚みが素電池１００の上部側から下部側へ徐々に小さくなっていくテーパ状であるので、挿入部６２の根元から上部まで接触が保持されて伝熱効率を高く保持できるとともに素電池１００も強固に固定保持されてぐらつくことが防止される。
＜電池モジュールの変形例２＞
実施形態１の変形例２を図１６，１７，１８を用いて説明する。なおこの変形例の電池モジュール２０３は、基本的には変形例１の電池モジュールにおいて組電池３００を２組だけにしたものである。以下では変形例１と同じ部分の説明は省略する。
変形例２の電池モジュール２０３は２組の組電池３００を側面ケース部材３２ａに入れて、上面基板３０ａ、中蓋２３ａ、蓋部材２１ａをかぶせて形成されている。ヒートシンク７０ａの放熱フィン７２ａは変形例１とは異なり、組電池３００における素電池１００の並び方向と同じ方向にリブ状に延びている。側面ケース部材３２ａ、上面基板３０ａ、中蓋２３ａ、蓋部材２１ａ、シートヒータ４０ａおよびヒートシンク７０ａは組電池３００が２組となったことに合わせて小さくされている。
図１７は、本変形例の電池モジュール２０３を２つ並べた電池パックの断面図であり、図１８はその模式的斜視図である。２つの電池モジュール２０３，２０３は蓋部材２１ａ同士を突き合わせて並べられて電池パックとなっている。２つのヒートシンク７０ａは、直方体形状の電池パックの一組の対向する２面にそれぞれ配置されている。このような電池パックは上述の電池モジュール２００，２０１、変形例１の電池モジュール２０２に比べて小型・薄型となっている。そのためこの電池パックを電源として用いる際に、搭載場所の選択肢が広くなり電池パックを搭載する車両や電動装置の設計の自由度が上がる。
＜電池モジュールの変形例３＞
実施形態１の変形例３を図１９を用いて説明する。なおこの変形例は、シートヒータ４０の替わりに線状のヒータ４２を使用したこと以外は、実施形態１の電池モジュール２００と同じであるので同じ部分の説明は省略する。
変形例３のヒータ４２は、例えばニクロム線などの線状のヒータであって、ヒートシンク７０の板状部７１の上面に配置される。線状のヒータ４２は組電池集合体４００を均一に加熱できるように、板状部７１の上面に、等間隔にジグザグ（サーペンタイン）に布線される。シートヒータ４０と同様に、この線状のヒータ４２も板状部７１上面と底面部６１とに挟み込まれて底面部６１下面に密着するので、加熱効率が高くなり、面内において均一な加熱を行うことができる。なお、ヒータ４２は線状に限定されず、棒状であってもよい。ヒータ４２の断面も円形に限定されず、楕円や矩形などでもよい。
＜電池モジュールの変形例４＞
実施形態１の変形例４を図２０を用いて説明する。なおこの変形例は、線状のヒータ４２をヒートシンク７０ｂに埋めていること以外は、変形例３と同じであるので同じ部分の説明は省略する。
変形例４のヒータ４２は、ヒートシンク７０ｂの板状部７１ｂに形成された溝１５７の中に埋められていて、板状部７１ｂの上面とヒータ４２の最上部とがほぼ面一の状態となっている。本変形例では線状のヒータ４２が底面部６１下面に密着するので、加熱効率が高くなり、面内において均一な加熱を行うことができるとともに、底面部６１の下面と板状部７１ｂ上面とが変形例３よりも密着するので、変形例３よりも。冷却効率が上がる。また、変形例３とは異なりヒータ４２が溝１５７内に固定されるので、電池モジュールの組立が容易となる。
＜電池モジュールの変形例５＞
実施形態１の変形例５を図２１を用いて説明する。なおこの変形例は、伝熱部材６３と素電池１００との間に冷媒としての液体１２４が存していること以外は、変形例１と同じであるので同じ部分の説明は省略する。
伝熱部材６３の樹脂部６４は、コスト的な面から射出成形など型を用いた方法で作成することが好ましく、その場合には金型から成型品を抜くためのテーパが必要になる。このテーパのため、伝熱部材６３と素電池１００との間に隙間ができてしまう。この隙間に液体１２４を入れることにより、瞬間的な温度上昇を抑制できるとともに素電池１００と伝熱部材６３との間の熱伝達効率を上げることができる。なお、伝熱部材６３は液密に直列接続された素電池１００間を隔離しており、図７に示すように区画部材３４が素電池１００の肩部７ａに密着しているので、液体１２４が導電性であっても素電池１００間の短絡が生じることはない。即ち、伝熱部材６３が仕切っている空間には、並列接続された素電池１００の底面と側面とのみが露出していることになるので、この空間には複数の素電池１００のうちの同じ電位の部分が収容されていることになる。
液体１２５は水、オイル、有機溶媒などどのような種類のものでも良いが、樹脂部６４や素電池１００の電池ケース７や補強金属板などを腐食させる液体や使用時に凍結して固体となってしまう液体は不適である。
（実施形態２）
実施形態２はヒートシンクの放熱フィンを電池モジュールの側壁の外面側に配置したものである。実施形態２の電池モジュールは、実施形態１の変形例１の電池モジュールの温度調節装置の部分を主として変更したものであるので、変更部分を以下に説明し、実施形態１の変形例１と同じ部分の説明は省略する。
図２２に示すように、本実施形態の電池モジュール２０５は、素電池１００の下面と対向していて且つ棒状金属部材６０が取り付けられている金属製の板状部７５の内部にヒートパイプ１８０が埋め込まれている。板状部７５の下面側はカバー７９により覆われている。電池モジュール２０５の側壁側では、側面ケース部材３２の外面側に板状金属製の放熱基板部１７１が配置されている。放熱基板部１７１の下部は板状部７５と接続している。放熱基板部１７１の外面側（側面ケース部材３２に相対する面とは反対の面）にはヒートシンク１７０の放熱フィン１７２が設けられている。
ヒートパイプ１８０は板状部７５から放熱基板部１７１の内部にまで延びている。この構造により素電池１００から発生した熱は伝熱部材６３を通り、板状部７５に伝わり、ヒートパイプ１８０により放熱基板部１７１にまで素早く伝えられて放熱フィン１７２から電池モジュール２０５の外部に放出される。ヒートパイプ１８０を用いることにより、効率的で素早い放熱を行うことができる。また、放熱フィン１７２を電池モジュール２０５の側面側に置くことで、実施形態１の電池モジュールでは応えられない、電池パックのデザインの要望にも応えることができるようになる。
ヒートパイプの配置の例を図２３，２４に示す。ヒートパイプ１８０，１８１は一方の端が放熱基板部１７１の内部に位置するように配置される。図２３に示すように、板状部７５の幅いっぱいに延びるヒートパイプ１８０が複数平行に並べられていて、板状部７５の両側に置かれた２つの放熱基板部１７１，１７１のうちの一方の内部へ端部が延びているヒートパイプ１８０があると、その隣のヒートパイプ１８０の端部はもう一方の放熱基板部１７１の内部に延びている配置を一例として挙げることができる。別の例としては、図２４に示すように、板状部７５の幅方向には２本のヒートパイプ１８１，１８１が、板状部７５の幅方向中央部において一方の端を突き合わし、他方の端はそれぞれ両側の放熱基板部１７１の内部にまで延びている配置を挙げることができる。
＜電池モジュールの変形例１＞
実施形態２の変形例１を図２５を用いて説明する。なおこの変形例の電池モジュール２０６は、板状部７７からヒートシンク１７５へ熱を運ぶ媒体を、ヒートパイプに換えて伝熱シート７８にしている以外は上記の電池モジュール２０５とほぼ同じであるので、同じ部分の説明は省略する。
本変形例では、棒状金属部材６０が固定されている金属製の板状部７７の上面とヒータ４０との間に、熱伝導度が大きい伝熱シート７８を挟み込んでいる。伝熱シート７８は電池モジュール２０６の側壁部分にまで延びていて、放熱基板部１７１と側面ケース部材３２との間に挟み込まれている。このような構造により、素電池１００から発生した熱は伝熱部材６３を通り、板状部７７に伝わり、伝熱シート７８により放熱基板部１７１にまで素早く伝えられて放熱フィン１７２から電池モジュール２０６の外部に放出される。伝熱シート７８としては、金属繊維からなる、または金属繊維を多量に含むシートや、グラファイトシートなどを用いればよい。なお、本変形例の電池モジュール２０６は下面のカバーを備えていないが下面カバーを取り付けても構わない。
（実施形態３）
実施形態３は、放熱部材がヒートシンクではなく、熱交換器と熱交換器に接続された熱交換パイプとを備えている電池モジュールである。実施形態３の電池モジュールは、実施形態１の変形例１の電池モジュールの温度調節装置の部分を主として変更したものであるので、変更部分を以下に説明し、実施形態１の変形例１と同じ部分の説明は省略する。
図２６に示すように、本実施形態の電池モジュール２０７の放熱部材は、伝熱部材６３の下に金属製の板状部１９０を備え、この板状部１９０の内部に埋め込まれた熱交換パイプ１９１と、熱交換パイプ１９１と接続していて板状部１９０の外に置かれた熱交換器１９２を有している。熱交換パイプ１９１の中には冷媒が入れられており、冷媒は熱交換器１９２によって循環させられるとともに冷却あるいは加熱される。このような構成により冷却効率および加熱効率を高くすることができる。
（その他の実施形態）
以上説明した実施形態は本願発明の例であり、本願発明はこれらの例に限定されない。例えば、組電池および組電池集合体の構成は、上記実施形態の構成に限定されず、組電池を構成する素電池の本数、組電池集合体を構成する組電池の組数は１以上であればよく、上限は重量制限や設置場所の制限、取り扱いのし易さなどで決まってくる。
また、シートヒータに関しても、例えば図２７に模式的に示すように組電池集合体の下面に額縁状に配置してもよい。なぜならば、通常電池モジュール内が冷却されていく過程では、温度の低い外気に触れる最外郭から中心部に向かって冷却が進んでいくので、外郭部分を加熱すれば組電池集合体全体の温度が均一になりやすいからである。さらに図２８に模式的に示すように、外気との接触面積が大きい２つの側面側にのみシートヒータ４６，４６を２つ配置させてもよい。
上記の実施形態では、ヒートシンクの棒状金属部材６０の配置は図２９に示すように、４本の素電池１００の側面に囲まれた空間の全てに挿入されるように、縦横にそれぞれ等間隔に列をなす格子状の配置となっているが、図３０に示すように棒状金属部材６０の数を半分にして且つ等間隔の配置となるよう千鳥格子状の配置にしてもよい。あるいは図３１に示すように、板状部７１の外縁部には棒状金属部材６０を配置せず、中央部にだけ棒状金属部材６０を配置してもよい。上述のように組電池集合体は外郭部分に比べて中央部分の温度が高くなるので、図３１のような配置であると、中央部のみを冷却して組電池集合体全体の温度を均一にすることができる。
ヒートシンクの放熱フィンの形状や配置も例えば実施形態１において、板状部７１から帯状（リブ形状）に突き出て延びる形状ではなく、図３２に模式的に示すようにピン形状（柱状）の放熱フィン１７３としてもよい。放熱フィン１７３をピン形状とすると、冷却風の向きが図の縦方向でも横方向でもあるいは斜めからでも同じように冷却されるという利点がある。この場合放熱フィン１７３の大きさや数は特に限定されないが、径が小さくて数が多い方が冷却効率が高くなりやすい。放熱フィン１７３は、図２９では縦横にそれぞれ等間隔に列をなす格子状に配置されているが、隣との間隔や位置などは、上述のように温度が高くなりやすい位置に多く配置されるようにしてもよい。また、放熱フィン１７３の配置は、放熱フィン１７３とは板状部７１を挟んで反対側に存している棒状金属部材６０と同じ位置配置としてもよいし、両者の位置をずらしてもよい。
電池モジュールが使用される場所によっては、図３３に示すようにヒータを搭載しない電池モジュールであっても構わない。図３３は実施形態１の変形例１の電池モジュールからヒータのみを取り除いた電池モジュール２０８である。例えば熱帯地方など、気温が常に１０℃以上となる場所であればヒータは不要となる。
棒状金属部材とヒートシンクとを別々に形成しておいて、溶接やねじ止め、接着などで両者を固定して一体化してもよい。
側面ケース部材と伝熱部材の底面部とが別々に形成されて、接着や溶着などで両者を固定して一体化してもよい。
ヒータとヒートシンク板状部との間に断熱層などを設けてもよい。この場合のヒータは、板状、線状、棒状のいずれであっても構わない。
ヒートシンクを冷却する冷媒は空気に限定されず、液体であってもよい。冷媒が液体の場合はファンの変わりにポンプを用い、電池モジュールを冷媒の流れる容器の中に入れることが好ましい。
また、以上述べてきた実施形態や変形例の特徴を別の実施形態や変形例に適用しても構わない。
以上説明したように、本発明に係る電池モジュールは、高い安全性を有するとともに効率的に素電池の温度を調節できるので、車両や産業用途、家庭用途などの電源等として有用である。
８ａ 開放部
２０ 排気経路部
２１ 蓋部材
２５ 温度調節装置
２９ ファン
３０ 上面基板
３２ 側面ケース部材
３４ 区画部材
４０ シートヒータ
４２ 線状のヒータ
４４ シートヒータ
４６ シートヒータ
５０ 温度調節本体部
６０ 棒状金属部材
６１ 底面部
６２ 挿入部
６３ 伝熱部材
６４ 樹脂部
６６ ヒートパイプ
７０ ヒートシンク
７１ 板状部
７２ 放熱フィン
７３ ヒートシンク
７５ 板状部
８０ フィンカバー
１００ 素電池
１２０ 補強金属板
１２１ 補強金属板
１６０ 空気層
１６２ 発泡樹脂層
１７０ ヒートシンク
１７１ 放熱基板部
１７２ 放熱フィン
１７５ ヒートシンク
１８０ ヒートパイプ
１８１ ヒートパイプ
１９０ 板状部
１９１ 熱交換パイプ
１９２ 熱交換器
２００ 電池モジュール
２０１ 電池モジュール
２０２ 電池モジュール
２０３ 電池モジュール
２０４ 電池モジュール
２０５ 電池モジュール
２０６ 電池モジュール
２０７ 電池モジュール
２０８ 電池モジュール
３００ 組電池
４００ 組電池集合体

Claims (22)

  1. 複数の円柱形の二次電池である素電池と、該素電池の温度を調節する温度調節装置とを備えた電池モジュールであって、
    前記素電池は側面同士を隣り合わせて並べられているとともに、全ての該素電池同士あるいは並列接続された該素電池の組同士が電気的に直列に接続されており、
    前記温度調節装置は、前記素電池から熱を奪う又は前記素電池に熱を与える伝熱部材と、該伝熱部材が固定されている放熱部材とを備え、
    前記伝熱部材は、複数の前記素電池の側面により囲まれた空間に挿入されている複数の挿入部と、前記素電池の下面に相対する底面部とを備えており、
    前記伝熱部材の少なくとも前記素電池と相対する部分は電気絶縁性の物質からなっており、
    直列に接続された前記素電池同士は、前記伝熱部材によって側面部分および底面部分が液密に隔離されている、電池モジュール。
  2. 請求項１に記載されている電池モジュールであって、
    並べられた複数の前記素電池の集合体側面部分を取り囲む側面ケース部材と、前記集合体の上面部分を覆う蓋部材とをさらに備え、
    前記側面ケース部材は、前記伝熱部材の前記底面部に固定されており、あるいは前記底面部と一体に形成されており、
    前記蓋部材と前記伝熱部材とが固定されている、電池モジュール。
  3. 請求項２に記載されている電池モジュールであって、
    前記素電池は、該素電池内に発生したガスを該素電池外に排出する開放部を備えており、
    前記素電池の集合体と前記蓋部材との間には区画部材が配設されており、
    前記区画部材によって、前記素電池が存している部分と、前記素電池の開放部から排出されるガスを外部に排気する排気経路部とに区画されている、電池モジュール。
  4. 請求項３に記載されている電池モジュールであって、
    前記素電池が存している部分において、前記素電池と前記伝熱部材との隙間には空気が存している、電池モジュール。
  5. 請求項３に記載されている電池モジュールであって、
    前記素電池が存している部分において、前記素電池と前記伝熱部材との隙間には液体の冷媒が存している、電池モジュール。
  6. 請求項３から５のいずれか一つに記載されている電池モジュールであって、
    前記放熱部材はヒートシンクであり、
    前記ヒートシンクは、一方の面が前記素電池の下面側に向いている板状部と、冷媒により冷却される放熱フィンとを備えている、電池モジュール。
  7. 請求項６に記載されている電池モジュールであって、
    前記放熱フィンは前記板状部の前記一方の面の反対側の面に設けられている、電池モジュール。
  8. 請求項６に記載されている電池モジュールであって、
    前記放熱フィンは、前記側面ケース部材の外面側に置かれて前記板状部と接続している放熱基板部に設けられている、電池モジュール。
  9. 請求項８に記載されている電池モジュールであって、
    前記板状部にはヒートパイプが埋め込まれており、該ヒートパイプは前記放熱基板部の内部にまで延びている、電池モジュール。
  10. 請求項３から５のいずれか一つに記載されている電池モジュールであって、
    前記放熱部材は、一方の面が前記素電池の下面側に向いている板状部と、該板状部内に埋め込まれて内部に冷媒が入れられている熱交換パイプと、前記冷媒を循環させると共に該冷媒を冷却あるいは加熱する熱交換器とを備えている、電池モジュール。
  11. 請求項６から１０のいずれか一つに記載されている電池モジュールであって、
    前記温度調節装置はヒータをさらに備えている、電池モジュール。
  12. 請求項１１に記載されている電池モジュールであって、
    前記ヒータはシート形状を有していて、前記伝熱部材の前記底面部と前記ヒートシンクの前記一方の面とに挟まれている、電池モジュール。
  13. 請求項１１に記載されている電池モジュールであって、
    前記ヒータは線状または棒状であって、前記伝熱部材の前記底面部と前記ヒートシンクの前記一方の面とに挟まれている、電池モジュール。
  14. 請求項１１に記載されている電池モジュールであって、
    前記ヒータは線状または棒状であって、前記ヒートシンクの前記板状部に埋め込まれている、電池モジュール。
  15. 請求項１１に記載されている電池モジュールであって、
    前記挿入部の内部には、棒状の金属部材が存しており、該金属部材とヒートシンクとが固定されている、あるいは該金属部材とヒートシンクとが一体に形成されている、電池モジュール。
  16. 請求項３から１５のいずれか一つに記載されている電池モジュールであって、
    前記素電池の集合体と前記側面ケース部材との間には断熱層が存している、電池モジュール。
  17. 請求項１６に記載されている電池モジュールであって、
    前記断熱層は空気層である、電池モジュール。
  18. 請求項１６に記載されている電池モジュールであって、
    前記断熱層は発泡樹脂からなる層である、電池モジュール。
  19. 請求項６から９のいずれか一つに記載されている電池モジュールであって、
    前記ヒートシンクの前記放熱フィンに対向するフィンカバーと、該フィンカバーと前記ヒートシンクとの間の空間に送風を行うファンとをさらに備えている、電池モジュール。
  20. 請求項３から１９のいずれか一つに記載されている電池モジュールであって、
    前記素電池の側面は、補強金属板によって覆われている、電池モジュール。
  21. 請求項３から１９のいずれか一つに記載されている電池モジュールであって、
    一列に並んだ複数の素電池の側面が、２枚の補強金属板によって挟み込まれて覆われている、電池モジュール。
  22. 請求項３から１９のいずれか一つに記載されている電池モジュールであって、
    厚み方向に貫通した複数の孔を有した板状の素電池保護部材をさらに備え、
    前記素電池は前記孔に挿入されており、
    隣り合う前記素電池の側面同士は、前記素電池保護部材によって隔離されている、電池モジュール。
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