KR20210031810A - 전지 모듈 - Google Patents

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아유미 이이지마
도루 아베
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

여기에 개시되는 전지 모듈 (1) 은, 복수의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 과, 서브모듈을 수용하는 하우징 (40) 을 갖는다. 상기 복수의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 은, 단셀 (22) 이 나열된 셀군 (20) 과, 복수의 단셀의 배열 방향 (X) 으로 구속압을 작용시키는 구속 부재 (30) 를 각각 구비하고 있다. 그리고, 여기에 개시되는 전지 모듈 (1) 의 하우징 (40) 의 내부에는, 복수의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 의 충방전을 실시했을 때에 상대적으로 저온이 되기 쉬운 영역이 있고, 복수의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 중, 저온이 되기 쉬운 영역에 배치된 서브모듈 (10A) 은, 다른 서브모듈 (10B ∼ 10E) 보다 구속압이 낮다.

Description

전지 모듈{BATTERY MODULE}
본 발명은 전지 모듈에 관한 것이다.
일본 공개특허공보 2013-20891호에는, 복수의 전지 셀을 적층하여 이루어지는 조전지 (組電池) 의 외주를, 전지 셀의 적층 방향으로 가압하면서 구속하는 구속 밴드와, 구속 밴드의 이음매단에 형성된 구속력 가변 장치와, 조전지의 온도를 검출하는 온도 검출기와, 온도 검출기로부터의 출력에 따라 구속력 가변 장치의 구속력을 조정시키는 제어부를 갖는 구속 구조가 개시되어 있다.
그런데, 최근의 전지 모듈 분야에서는, 하이레이트 충방전시의 내부 저항의 증대를 억제하는 성능 (이하, 「하이레이트 내성」이라고 한다) 에 대한 요구가 높아짐으로부터 전지 모듈 전체로서 바람직한 하이레이트 내성을 발휘할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 본 발명은 이러한 요구에 따라 이루어진 것으로, 바람직한 하이레이트 내성을 발휘하는 전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 실현하기 위해, 본 발명에 의해 이하의 구성의 전지 모듈이 제공된다.
여기에 개시되는 전지 모듈은, 복수의 서브모듈과, 복수의 서브모듈을 미리 정해진 위치에 수용하는 하우징을 갖는다. 상기 복수의 서브모듈은, 대향하는 1 쌍의 편평면을 각각 갖는 단셀이, 인접하는 단셀끼리 편평면이 대향하도록 나열된 셀군과, 복수의 단셀이 나열된 방향으로 구속압을 작용시켜 셀군을 구속하는 구속 부재를 각각 구비하고 있다. 그리고, 여기에 개시되는 전지 모듈의 하우징의 내부에는, 복수의 서브모듈의 충방전을 실시했을 때에 상대적으로 저온이 되기 쉬운 영역이 있고, 복수의 서브모듈 중, 저온이 되기 쉬운 영역에 배치된 서브모듈은, 다른 서브모듈보다 구속 부재의 구속압이 낮다.
여기에 개시되는 전지 모듈은, 복수의 서브모듈을 하우징 내부에 수용함으로써 구성되어 있고, 당해 서브모듈의 각각이 개별적으로 구속 부재를 구비하고 있다. 이 때문에, 복수의 단셀 모두에 균일한 구속압을 가하는 종래 기술과 달리, 서브모듈 단위로 구속압을 조절할 수 있다. 그리고, 여기에 개시되는 전지 모듈은, 저온이 되기 쉬운 영역에 배치된 서브모듈에 있어서의 구속압이 다른 서브모듈보다 낮아지도록 구성되어 있다. 이로써, 하이레이트 내성이 저하되기 쉬운 저온의 단셀에 대한 구속압을 낮게 하여 하이레이트 내성을 향상시킬 수 있기 때문에, 전지 모듈을 구성하는 각각의 단셀의 하이레이트 내성을 높은 레벨로 균일하게 할 수 있다. 이 결과, 전체로서 바람직한 하이레이트 내성을 발휘하는 전지 모듈을 구축할 수 있다.
여기에 개시되는 전지 모듈의 바람직한 일 양태에서는, 하우징의 내부에, 복수의 서브모듈의 충방전을 실시했을 때에 상대적으로 고온이 되기 쉬운 영역이 있고, 복수의 서브모듈 중, 고온이 되기 쉬운 영역에 배치된 서브모듈은, 다른 서브모듈보다 구속 부재의 구속압이 높다. 이로써, 전지 모듈을 구성하는 각각의 단셀의 하이레이트 내성을 보다 균일하게 할 수 있기 때문에, 전체로서 바람직한 하이레이트 내성을 발휘하는 전지 모듈을 용이하게 구축할 수 있다.
여기에 개시되는 전지 모듈의 바람직한 일 양태에서는, 복수의 서브모듈의 구속 부재의 구속압을 개별적으로 변경하는 구속압 변경 기구를 구비하고 있다.
이로써, 사용 상황에 따라 서브모듈에 있어서의 구속압을 개별적으로 변경할 수 있기 때문에, 전체로서 바람직한 하이레이트 내성을 발휘하는 전지 모듈을 보다 용이하게 얻을 수 있다.
또, 상기 구속압 변경 기구를 구비하는 양태에서는, 하우징의 내부의 온도를 측정하는 온도 센서와, 온도 센서의 측정 결과에 기초하여 구속압 변경 기구를 제어하는 제어부를 구비하고 있는 것이 바람직하다.
이로써, 하우징 내부의 온도 분포의 변화에 수반하여 각각의 서브모듈에 있어서의 구속압을 즉시 변경할 수 있기 때문에, 전지 모듈 전체의 하이레이트 내성을 보다 적절히 향상시킬 수 있다.
또, 상기 제어부를 구비하는 양태에서는, 제어부에, 하우징의 내부의 온도 분포의 경향을 나타내는 분포 정보가 기록되어 있고, 제어부는, 온도 센서의 측정 결과와 분포 정보에 기초하여 구속압 변경 기구를 제어하는 것이 바람직하다.
이로써, 온도 정보에 기초한 구속압의 조절을 보다 용이하게 실시할 수 있다. 또, 본 양태에서는, 온도 센서의 수가 적은 경우라도, 각각의 서브모듈에 있어서의 구속압을 정확하게 조절할 수 있기 때문에, 부품 점수의 삭감에 의한 제조 비용의 저감에 공헌할 수도 있다.
또, 상기 제어부에 분포 정보가 기록된 양태에 있어서, 온도 센서는, 하우징의 내부에서 가장 고온이 되기 쉬운 영역과, 하우징의 내부에서 가장 저온이 되기 쉬운 영역에 장착되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이, 고온의 영역의 온도 정보와, 저온의 영역의 온도 정보와, 분포 정보를 참조함으로써, 보다 정확한 온도 분포를 얻을 수 있다.
또, 상기 제어부를 구비하는 양태에서는, 온도 센서는, 복수의 서브모듈의 각각에 장착되어 있어도 된다.
본 양태에 의하면, 특히 정확한 온도 분포를 얻을 수 있다.
여기에 개시되는 전지 모듈의 바람직한 일 양태에서는, 구속 부재는, 복수의 셀을 체결하여 구속하는 구속 밴드를 구비하고 있고, 저온이 되기 쉬운 영역에 배치된 서브모듈은, 다른 서브모듈보다 구속 밴드의 체결압이 낮다.
저온의 영역의 서브모듈에 있어서의 구속압을 다른 서브모듈보다 낮게 하는 수단의 구체예의 하나로서, 구속 밴드의 체결압을 낮게 하는 것을 들 수 있다. 본 양태에 의하면, 복수의 단셀의 하이레이트 내성을 용이하게 균일하게 할 수 있다.
여기에 개시되는 전지 모듈의 바람직한 일 양태에서는, 저온이 되기 쉬운 영역에 배치된 서브모듈은, 다른 서브모듈보다 단셀 사이의 스페이스가 크다.
구속된 단셀 사이의 스페이스를 크게 한 경우, 서브모듈에 있어서의 구속압이 낮아지기 때문에, 저온의 영역에 배치된 서브모듈의 단셀 사이의 스페이스를 크게 함으로써, 복수의 단셀의 하이레이트 내성을 균일하게 할 수 있다.
여기에 개시되는 전지 모듈의 바람직한 일 양태에서는, 복수의 서브모듈의 각각은, 복수의 셀과 함께 구속 부재에 구속되는 완충판을 구비하고 있고, 저온이 되기 쉬운 영역에 배치된 서브모듈은, 다른 서브모듈보다 완충판의 두께가 얇다.
본 양태와 같이, 저온의 영역에 배치된 서브모듈에 있어서의 완충판의 두께를 다른 서브모듈보다 얇게 한 경우에도, 복수의 단셀의 하이레이트 내성을 균일하게 할 수 있다.
여기에 개시되는 전지 모듈의 바람직한 일 양태에서는, 하우징의 내부에, 복수의 서브모듈에 인접하여 형성된 냉각 경로와, 하우징의 외부로부터 냉각 경로에 냉매를 공급하는 흡입구와, 냉각 경로로부터 하우징의 외부로 냉매를 배출하는 배출구를 구비하고 있다.
전지 모듈의 하우징의 내부에는, 과잉의 승온에 의한 단셀의 열 폭주를 방지하기 위해, 냉매 (예를 들어, 하우징 외부의 공기, 물 등) 를 공급하는 냉각 경로가 형성되는 경우가 있다. 이와 같은 냉각 경로를 구비한 전지 모듈에서는, 냉각 경로의 근방 (특히, 흡입구) 에 배치된 단셀의 온도가 저하되기 쉬워지기 때문에, 하우징 내부의 온도 분포에 편차가 발생하기 쉬워진다. 이 때문에, 여기에 개시되는 기술은, 하우징 내부에 냉각 경로를 구비한 전지 모듈에 특히 바람직하게 사용할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시형태들의 특징들, 장점들, 그리고 기술적 및 산업적 중요성은 첨부되는 도면들을 참조하여 이하에서 설명될 것이고, 동일한 도면 부호들은 동일한 엘리먼트들을 나타낸다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 관련된 전지 모듈을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시형태에 관련된 전지 모듈을 모식적으로 나타내는 측면도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 단셀을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 4 는 본 발명의 다른 실시형태에 관련된 전지 모듈을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 5 는 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 서브모듈을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 6 은 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 서브모듈을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 전지 모듈을 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 도면 중의 동일한 작용을 나타내는 부재·부위에는 동일한 부호를 붙였다. 또한, 각 도면에 있어서의 치수 관계 (길이, 폭, 두께 등) 는 실제의 치수 관계를 반영하는 것은 아니다. 또, 본 명세서에 있어서 특별히 언급하고 있는 사항 이외의 사항으로서 본 발명의 실시에 필요한 사항 (예를 들어, 전극체나 전해액의 구성 및 제법 등) 은, 당해 분야에 있어서의 종래 기술에 기초하는 당업자의 설계 사항으로서 파악될 수 있다.
1. 제 1 실시형태
도 1 은, 본 실시형태에 관련된 전지 모듈을 모식적으로 나타내는 평면도이다. 도 2 는, 본 실시형태에 관련된 전지 모듈을 모식적으로 나타내는 측면도이다. 도 3 은 본 실시형태에 있어서의 단셀을 모식적으로 나타내는 사시도이다. 이하, 도 1 ∼ 도 3 을 참조하면서 본 실시형태에 관련된 전지 모듈 (1) 을 설명한다.
도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 전지 모듈 (1) 은, 복수의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 과, 복수의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 을 미리 정해진 위치에 수용하는 하우징 (40) 을 갖고 있다. 이하, 본 실시형태에 관련된 전지 모듈 (1) 의 구조에 대해 설명한다.
(1) 서브모듈
본 실시형태에 관련된 전지 모듈 (1) 은, 복수의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 을 갖고 있다. 또한, 도 1 및 도 2 에 나타내는 전지 모듈 (1) 은, 5 개의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 을 갖고 있지만, 전지 모듈이 갖는 서브모듈의 수는 특별히 한정되지 않고, 목적으로 하는 전지 모듈의 성능을 고려하여 적절히 증감시킬 수 있다. 일례로서, 서브모듈의 수는, 2 개 ∼ 15 개 정도이다. 또한, 전지 모듈 내에 존재하는 단셀의 총 수에 대한 서브모듈의 수 (전지 모듈의 분할수) 가 많아짐에 따라서, 전체로서 바람직한 하이레이트 내성을 발휘하는 전지 모듈을 구축하는 것이 용이해지는 경향이 있다. 이 복수의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 은, 각각 셀군 (20) 과 구속 부재 (30) 를 구비하고 있다.
(a) 셀군
셀군 (20) 은, 대향하는 1 쌍의 편평면 (24) 을 각각 갖는 단셀 (22) 이, 인접하는 단셀 (22) 끼리 편평면 (24) 이 대향하도록 나열된 것이다. 당해 셀군 (20) 을 구성하는 단셀 (22) 은, 각각 대향하는 1 쌍의 편평면 (24) 을 갖고 있다. 구체적으로는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 단셀 (22) 은, 편평한 각형 (角型) 의 전지 케이스 (26) 의 내부에, 전극체나 전해액 등의 발전 요소 (도시 생략) 를 수용함으로써 구성된 각형 셀이다. 또한, 전지 케이스 (26) 에는, 소정의 강성을 갖는 소재 (예를 들어, 알루미늄강 등) 를 사용할 수 있다. 또, 전지 케이스 (26) 의 내부에 수용되는 발전 요소는, 이 종류의 이차 전지에서 사용될 수 있는 발전 요소를 특별히 제한 없이 사용할 수 있고, 여기에 개시되는 기술을 한정하는 것은 아니기 때문에 상세한 설명을 생략한다. 또, 전지 케이스 (26) 의 상면에는, 정극 단자 (27) 와 부극 단자 (28) 가 형성되어 있다. 도 1 및 도 2 에서는 도시를 생략하고 있지만, 전지 모듈 (1) 을 구성하는 각각의 단셀 (22) 은, 인접한 셀 사이의 정극 단자 (27) 와 부극 단자 (28) 가 버스 바 등의 접속 부재에 의해 전기적으로 접속된다.
그리고, 서브모듈 (10A ∼ 10D) 의 각각은, 인접하는 단셀 (22) 끼리 편평면 (24) 이 대향하도록 복수의 단셀 (22) 이 나열된 셀군 (20) 을 구비하고 있다. 본 명세서에서는, 당해 복수의 단셀 (22) 이 나열된 방향을 「배열 방향 (X)」이라고 칭한다. 또, 도 1 ∼ 도 3 중의 부호 Y 는 「깊이 방향」을 나타내고, 부호 Z 는 「높이 방향」을 나타낸다. 그리고, 도 1 및 도 2 의 좌측을 「배열 방향 (X) 의 상류」라고 칭하고, 우측을 「배열 방향 (X) 의 하류」라고 칭한다. 또한, 이들 방향의 명칭은, 설명의 편의상 정한 것이며, 전지 모듈 (1) 을 배치하는 방향이나 냉매나 전류의 흐름을 제한하는 것을 의도한 것은 아니다. 또, 본 실시형태에 관련된 전지 모듈 (1) 에서는, 5 개의 단셀 (22) 에 의해 셀군 (20) 이 구성되어 있지만, 셀군을 구성하는 단셀의 수는 특별히 한정되지 않고, 목적으로 하는 전지 모듈의 성능을 고려하여 적절히 증감시킬 수 있다. 예를 들어, 셀군을 구성하는 단셀의 수는, 20 개 ∼ 30 개 정도로 할 수 있다. 또한, 복수의 서브모듈의 각각에 있어서의 단셀의 수는, 동일해도 되고, 상이해도 된다.
(b) 구속 부재
구속 부재 (30) 는, 복수의 단셀 (22) 이 나열된 방향 (배열 방향 (X)) 으로 구속압을 작용시켜 셀군 (20) 을 구속하는 부재이다. 이 구속 부재 (30) 에 의해, 각각의 단셀 (22) 에 위치 어긋남이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서의 구속 부재 (30) 는, 복수의 단셀 (22) 을 체결하여 구속하는 구속 밴드 (32) 를 구비하고 있다. 또한, 구속 부재 (30) 는, 셀군 (20) 을 끼우도록 배치된 1 쌍의 구속판 (34) 을 구비하고 있다. 이 구속판 (34) 의 사이에 셀군 (20) 을 끼운 상태에서 구속 밴드 (32) 를 체결함으로써, 단셀 (22) 의 편평면 (24) 에 대해 균일한 구속압을 가할 수 있다.
또, 본 실시형태에 있어서의 구속 부재 (30) 는, 복수의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 의 구속 부재 (30) 의 구속압을, 하우징 (40) 의 외부로부터 개별적으로 변경하는 구속압 변경 기구를 구비하고 있다. 이로써, 전지 모듈 (1) 의 사용에 수반하는 하우징 (40) 내부의 온도 변화에 따라, 각각의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 의 구속압을 개별적으로 변경할 수 있다. 이 구속압 변경 기구의 일례로서, 도 2 에 나타내는 바와 같은 웜 기어 (36) 를 들 수 있다. 웜 기어 (36) 는, 구속 밴드 (32) 의 양 단부를 가교하도록 장착된 웜 (36a) 과, 당해 웜 (36a) 과 끼워 맞춰진 기어인 웜 휠 (36b) 을 구비하고 있다. 이러한 구속압 변경 기구에서는, 웜 휠 (36b) 을 회전시킴으로써 웜 (36a) 을 배열 방향 (X) 을 따라 진퇴시켜, 구속 밴드 (32) 의 체결압을 변경할 수 있다.
(2) 하우징
하우징 (40) 은, 복수의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 을 미리 정해진 위치에 수용하는 부재이다. 하우징 (40) 은, 외부로부터의 충격으로부터 서브모듈 (10A ∼ 10E) 을 보호하는 보호 부재일 수 있다. 또 차재되는 전지 모듈은, 경량인 것이 바람직하다. 이러한 관점에 있어서, 하우징 (40) 은, 예를 들어, 알루미늄강과 같은 고강성 재료에 의해 구성될 수 있다. 또, 하우징 (40) 의 형상은, 서브모듈 (10A ∼ 10E) 을 수용할 수 있으면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 배열 방향 (X) 을 따라 나열된 서브모듈 (10A ∼ 10E) 보다 한층 큰 대략 직방체 형상의 하우징 (40) 이 사용된다.
또, 도 1 및 도 2 에 나타내는 전지 모듈 (1) 은, 복수의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 에 인접하도록 하우징 (40) 의 내부에 형성된 냉각 경로 (42) 와, 하우징 (40) 의 외부로부터 냉각 경로 (42) 에 냉매를 공급하는 흡입구 (44) 와, 냉각 경로 (42) 로부터 하우징 (40) 의 외부로 냉매를 배출하는 배출구 (46) 를 구비하고 있다. 본 실시형태에 관련된 전지 모듈 (1) 은, 상기 냉매로서, 하우징 (40) 외부의 공기를 사용하는 공랭형의 전지 모듈이다. 구체적으로는, 하우징 (40) 과 서브모듈 (10A ∼ 10E) 사이의 공극이 냉각 경로 (42) 로서 기능하고 있고, 이 공극 (냉각 경로 (42)) 과 연통하도록, 하우징 (40) 에 흡입구 (44) 와 배출구 (46) 가 형성되어 있다. 그리고, 흡입구 (44) 에는, 하우징 (40) 외부의 공기를 내부에 도입하는 팬 (도시 생략) 이 장착되어 있다. 이로써, 하우징 (40) 외부의 저온의 공기가 하우징 (40) 내부에 공급되고, 당해 공기가 단셀 (22) 을 냉각하면서 냉각 경로 (42) 를 통과한 후에 배출구 (46) 로부터 배출된다. 이와 같은 공랭형의 전지 모듈 (1) 은, 저비용으로 단셀 (22) 을 적절히 냉각할 수 있다.
본 발명자들의 검토에 의하면, 이 전지 모듈 (1) 의 하우징 (40) 의 내부에는, 복수의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 의 충방전을 실시했을 때에 상대적으로 저온이 되기 쉬운 영역이 생긴다. 구체적으로는, 서브모듈 (10A ∼ 10E) 이 충방전에 수반하여 발열하면, 인접한 서브모듈끼리가 서로 가열한다. 그리고, 고온 환경에서 충방전을 실시하면, 서브모듈이 더욱 발열하기 쉬워지기 때문에, 보다 높은 온도까지 용이하게 도달한다. 이와 같은 연쇄적인 발열은, 배열 방향 (X) 의 중앙에 배치된 서브모듈 (10B ∼ 10D) 에 있어서 특히 발생하기 쉽다. 이 때문에, 본 실시형태에 관련된 전지 모듈 (1) 에서는, 배열 방향 (X) 의 중앙 근방의 영역이 「상대적으로 고온이 되기 쉬운 영역 (고온의 영역)」이 된다. 한편, 배열 방향 (X) 의 양 단부에서는, 서브모듈끼리의 연쇄적인 발열이 잘 발생하지 않기 때문에, 「상대적으로 저온이 되기 쉬운 영역 (저온의 영역)」이 된다. 덧붙여, 본 실시형태에서는, 냉매 (하우징 (40) 외부의 공기) 가 공급되는 흡입구 (44) 가 배열 방향 (X) 의 상류측에 형성되어 있기 때문에, 배열 방향 (X) 의 최상류측의 서브모듈 (10A) 의 온도가 가장 저온이 되기 쉽다. 즉, 본 실시형태에 관련된 전지 모듈 (1) 의 하우징 (40) 내부에서는, 배열 방향 (X) 의 중심이 가장 고온이 되고, 배열 방향 (X) 의 하류측이 다음으로 고온이 되고, 배열 방향 (X) 의 상류측이 가장 저온이 된다는 온도 분포가 발생하기 쉽다.
(3) 구속압 제어
본 실시형태에 관련된 전지 모듈 (1) 은, 복수의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 중, 저온이 되기 쉬운 영역에 배치된 서브모듈 (10A) 이, 다른 서브모듈 (10B ∼ 10E) 보다 구속 부재 (30) 의 구속압이 낮아지도록 구성되어 있다. 이로써, 복수의 단셀 (22) 의 각각의 하이레이트 내성을 높은 레벨로 균일하게 할 수 있기 때문에, 전지 모듈 (1) 전체로서 바람직한 하이레이트 내성을 발휘할 수 있다. 이와 같은 효과가 얻어지는 이유에 대해 설명한다.
먼저, 종래의 기술에서는, 충방전 용량의 유지 등을 목적으로 하여, 단셀이 고온이 되었을 때에 구속압을 저하시켜 냉각을 촉진하고 있다. 그러나, 본 발명자들이 다양한 실험과 검토를 실시한 결과, 단셀의 온도가 낮아지면 하이레이트 내성이 저하되는 경향이 있는 것과, 구속압이 낮아지면 하이레이트 내성이 향상되는 경향이 있는 것을 알 수 있었다. 이 지견에 기초하면, 하이레이트 내성 향상의 관점에서는, 단셀이 저온이 되었을 때에 구속압을 저하시키는 편이 바람직한 것으로 예상된다.
그러나, 상기 지견에 기초하여 단셀에 대한 구속압을 저하시켜도, 복수의 단셀 사이에서 하이레이트 내성에 편차가 발생하여, 전지 모듈 전체로서 바람직한 하이레이트 내성을 얻는 것이 곤란해졌다. 구체적으로는, 상기한 바와 같이, 전지 모듈의 하우징 내부에는, 온도 편차가 발생하기 때문에, 단셀 전체의 구속압을 균일하게 하면, 저온 영역에 배치된 단셀의 하이레이트 내성이 상대적으로 낮아진다. 이 경우, 저온 영역의 단셀의 하이레이트 내성을 기준으로 하여, 전지 모듈 전체의 충방전을 제어하면, 고온 영역의 단셀이 갖는 높은 하이레이트 내성을 충분히 활용할 수 없게 되고, 한편, 고온 영역의 단셀의 하이레이트 내성을 기준으로 하면, 저온의 단셀에 높은 전압이 걸려 하이레이트 열화가 발생할 가능성이 높아진다. 이와 같이, 하우징 내부에 온도 편차가 발생하는 전지 모듈에서는, 저온의 단셀의 하이레이트 내성에 의해 전체의 하이레이트 내성이 제한될 우려가 있다.
이에 대해, 본 실시형태에서는, 저온의 영역의 서브모듈 (10A) 의 구속압을, 다른 서브모듈 (10B ∼ 10E) 보다 낮게 하여, 당해 저온의 영역의 서브모듈 (10A) 에 있어서의 단셀 (22) 의 하이레이트 내성을, 다른 영역의 서브모듈 (10B ∼ 10E) 보다 향상시키고 있다. 이로써, 복수의 단셀 (22) 의 각각의 하이레이트 내성을 높은 레벨로 균일하게 할 수 있기 때문에, 전지 모듈 (1) 전체로서 바람직한 하이레이트 내성을 발휘할 수 있다.
예를 들어, 일반적인 리튬 이온 이차 전지를 단셀 (22) 로서 사용한 경우, 당해 단셀 (22) 의 주위의 온도가 25 ℃ 에서 35 ℃ 로 증가하면, 하이레이트 내성이 1.15 배 향상되는 것이 본 발명자들의 실험에 의해 확인되고 있다. 한편, 구속 부재 (30) 의 구속압이 5.9 kN 에서 0.64 kN 까지 저하되면, 하이레이트 내성이 1.33 배 향상되는 것이 확인되고 있다. 이 때, 최상류측의 서브모듈 (10A) 의 주위의 온도가 중앙의 서브모듈 (10C) 의 주위의 온도보다 5 ℃ 정도 낮아지는 경향이 있는 경우에는, 최상류측의 서브모듈 (10A) 의 구속압을 1 kN ∼ 2 kN (예를 들어 1.83 kN 정도) 까지 저하시키고, 중앙의 서브모듈 (10C) 의 구속압을 5.9 kN 으로 하는 것이 바람직하다. 이로써, 저온의 영역에 배치된 서브모듈 (10A) 의 하이레이트 내성을, 고온의 영역에 배치된 서브모듈 (10C) 과 동등 정도까지 향상시킬 수 있다.
또, 본 실시형태에 관련된 전지 모듈 (1) 은, 하우징 (40) 내부의 온도 분포의 변동에 따라 구속압을 즉시 조절할 수 있도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 이 전지 모듈 (1) 은, 하우징 (40) 의 내부의 온도를 측정하는 온도 센서 (50) 와, 온도 센서 (50) 의 측정 결과에 기초하여 구속압 변경 기구 (웜 기어 (36)) 를 제어하는 제어부 (도시 생략) 를 구비한다.
온도 센서 (50) 에는, 이 종류의 온도 측정에서 사용될 수 있는 센서를 특별히 제한 없이 사용할 수 있다. 이 온도 센서 (50) 의 일례로서, 열전쌍이나 서미스터 등이 사용된다. 본 실시형태에서는, 하우징 (40) 의 내부에서 가장 고온이 되기 쉬운 영역과, 하우징 (40) 의 내부에서 가장 저온이 되기 쉬운 영역에, 온도 센서 (50) 가 장착되어 있다. 상기한 바와 같이, 하우징 (40) 내부에서는, 배열 방향 (X) 의 중앙이 가장 고온이 되고, 배열 방향 (X) 의 상류측이 가장 저온이 된다는 온도 분포가 발생하기 쉽다. 이 경우에는, 최상류측의 서브모듈 (10A) 과 중앙의 서브모듈 (10C) 에 온도 센서 (50) 가 장착되어 있는 것이 바람직하다. 그리고, 각각의 온도 센서 (50) 는, 당해 서브모듈 (10A, 10C) 의 온도를 측정하고, 후술하는 제어부에 측정 결과를 송신한다.
제어부는, 전형적으로는, 구속압 제어를 실시하기 위한 프로그램을 기억한 ROM (Read Only Memory) 과, 그 프로그램을 실행 가능한 CPU (Central Processing Unit) 와, 일시적으로 데이터를 기억하는 RAM (random access memory) 을 구비한다. 또, 제어부는, 온도 센서 (50) 의 측정 결과가 입력되는 입력 포트와, 구속압 변경 기구 (웜 기어 (36)) 에 구동 신호를 출력하는 출력 포트를 구비하고 있다. 이 제어부는, 온도 센서 (50) 의 측정 결과에 기초하여, 웜 기어 (36) 에 대한 구동 신호를 변경한다. 이로써, 하우징 (40) 내부의 온도 분포의 변동에 수반하여, 각각의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 에 있어서의 구속압을 즉시 변경할 수 있기 때문에, 전지 모듈 (1) 전체의 하이레이트 내성을 보다 적절히 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 제어부에는, 하우징 (40) 의 내부의 온도 분포의 경향을 나타내는 분포 정보가 기록되어 있고, 제어부는, 온도 센서 (50) 의 측정 결과와 분포 정보에 기초하여 구속압 변경 기구 (웜 기어 (36)) 를 제어한다. 상기 서술한 바와 같이, 도 1 및 도 2 에 나타내는 하우징 (40) 의 내부에서는, 배열 방향 (X) 의 중앙이 가장 고온이 되고, 배열 방향 (X) 의 최상류측이 가장 저온이 된다는 온도 분포가 발생하는 경향이 있다. 이러한 온도 분포에 관한 분포 정보를 제어부에 미리 기록해 두고, 구속압 조절시에 이 분포 정보를 참조함으로써, 온도 센서 (50) 의 수를 줄여도, 온도 정보에 기초한 구속압의 조절을 보다 용이하게 실시할 수 있다. 이 때문에, 부품 점수를 삭감하여 제조 비용을 저감시킨 후에, 바람직한 하이레이트 내성을 갖는 전지 모듈을 구축할 수 있다. 또한, 제어부에 기록시키는 분포 정보는, 예비 실험 등에 의해 미리 취득할 수 있다. 예를 들어, 이 예비 실험에서는, 하우징에 수용된 복수의 단셀의 각각에 온도 센서를 장착하고, 충방전을 실시했을 때의 상세한 온도 분포를 취득하는 것이 바람직하다. 이로써, 보다 정확한 구속압 조절을 실시할 수 있다.
2. 다른 실시형태
이상, 여기에 개시되는 전지 모듈의 일 실시형태 (제 1 실시형태) 에 대해 설명하였다. 그러나, 상기 서술한 제 1 실시형태는, 여기에 개시되는 기술을 한정하는 것을 의도한 것은 아니고, 다양한 변경을 실시할 수 있다. 이하, 여기에 개시되는 전지 모듈의 다른 실시형태에 대해 설명한다.
(1) 구속압의 제어에 대해
제 1 실시형태에 관련된 전지 모듈 (1) 에서는, 하우징 (40) 내부의 온도 분포를 나타내는 분포 정보가 제어부에 기억되어 있고, 온도 센서의 측정 결과와 분포 정보에 기초하여, 각각의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 의 구속압을 조절하고 있다.
그러나, 제어부에 분포 정보가 기록되어 있지 않은 경우라도, 온도 센서의 측정 결과에만 기초하여 각각의 서브모듈의 구속압을 적절히 조절할 수 있다. 예를 들어, 하우징 내부의 온도 분포를 정확하게 파악할 수 있을 정도로 온도 센서의 수를 늘리면, 분포 정보가 제어부에 기록되어 있지 않은 경우라도 구속압을 정확하게 조절할 수 있다. 이와 같은 실시형태의 일례로서, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 하우징 (40) 내의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 의 각각에 온도 센서 (50) 가 장착된 형태를 들 수 있다.
또, 제 1 실시형태에서는, 온도 센서 (50) 의 측정 결과에 기초하여 구속 부재 (30) 의 구속압을 제어하는 제어부를 구비하고 있다. 그러나, 여기에 개시되는 전지 모듈은, 제어부를 구비하고 있지 않아도 된다. 예를 들어, 하우징의 외부로부터 구속압 변경 기구 (웜 기어 등) 를 수동으로 조작할 수 있는 구조와, 하우징 내부의 온도 분포를 나타내는 표시 수단 (인디케이터 등) 을 구비하고 있으면, 당해 표시 수단에 나타난 온도 분포에 따라, 각각의 서브모듈의 구속압을 수동으로 조절할 수 있다. 이와 같은 구조를 채용한 경우라도, 온도 분포에 따른 적절한 구속압을 각각의 서브모듈에 가하여, 단셀의 하이레이트 내성을 높은 레벨로 균일하게 할 수 있다.
또, 상기 서술한 실시형태에서는, 어느 것도, 사용 상황에 따라 서브모듈의 구속압을 조절할 수 있는 구속압 변경 기구를 구비하고 있지만, 여기에 개시되는 기술은, 이러한 형태에도 한정되지 않는다. 예를 들어, 예비 실험을 실시하여 충방전 중의 분포 정보가 판명되어 있는 경우, 당해 분포 정보에 따라 각각의 서브모듈의 구속압을 사전에 설정해 두어도 된다. 이 경우라도, 저온의 영역에 배치된 서브모듈의 구속압을 낮게 할 수 있기 때문에, 단셀의 하이레이트 내성을 높은 레벨로 균일하게 할 수 있다. 그러나, 충방전에 수반하는 온도 분포의 변화에 따라 서브모듈의 구속압을 즉시 변경하고, 전지 모듈 전체의 하이레이트 내성을 보다 적절히 향상시킨다는 관점에서는, 상기 서술한 실시형태와 같이, 사용 상황에 따라 구속압을 변경할 수 있는 구속압 변경 기구를 형성하는 편이 바람직하다.
(2) 온도 분포에 대해
제 1 실시형태에 관련된 전지 모듈 (1) 에서는, 배열 방향 (X) 의 중앙의 영역이 가장 고온이 되고, 배열 방향 (X) 의 최상류측의 영역이 가장 저온이 된다는 온도 분포가 발생하는 경향이 있다. 그러나, 이 온도 분포는, 전지 모듈의 하우징 내부에서 발생할 수 있는 온도 분포의 일례이고, 여기에 개시되는 기술을 한정하는 것을 의도하는 것은 아니다. 구체적으로는, 하우징 내부의 온도 분포는, 하우징의 형상, 단셀의 수, 충방전 조건, 냉각 경로의 형상 등의 다양한 조건에 따라 변화하는 것이기 때문에, 예비 실험 등에 의해 미리 조사해 두는 것이 바람직하다. 예를 들어, 배열 방향의 중앙 근방에 냉각 경로의 흡입구를 형성한 경우, 중앙의 서브모듈이 가장 저온의 서브모듈이 될 가능성이 있다. 이 경우에는, 중앙의 서브모듈의 구속압을 다른 서브모듈보다 낮게 함으로써, 복수의 단셀의 각각의 하이레이트 내성을 높은 레벨로 균일하게 할 수 있다.
(3) 냉각 경로에 대해
상기한 바와 같이, 제 1 실시형태에 관련된 전지 모듈 (1) 은, 하우징 (40) 외부의 공기를 냉각 경로 (42) 내에 공급하여 단셀 (22) 을 냉각한다. 그러나, 냉각 경로의 형태는, 여기에 개시되는 기술을 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 하우징 외부의 공기 대신에, 0 ℃ ∼ 25 ℃ 정도의 냉각 가스를 하우징 내부에 공급해도 된다. 또, 이들 공랭식의 전지 모듈 이외에, 액계의 냉매로 단셀을 냉각하는 수랭식의 전지 모듈에, 여기에 개시되는 기술을 적용할 수도 있다. 구체적으로는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 물이나 냉각제 등의 액계의 냉매를 유지하는 재킷을 냉각 경로 (42) 로서 하우징 (40) 내부에 형성한 경우라 하더라도, 하우징 (40) 내부의 온도에 편차가 발생할 가능성이 있다. 이 경우에, 가장 저온의 영역의 서브모듈의 구속압을 낮게 함으로써, 복수의 단셀 (22) 의 각각의 하이레이트 내성을 높은 레벨로 균일하게 할 수 있다.
또, 단셀을 냉각하는 구조 (냉각 경로, 흡입구, 배출구 등) 는, 반드시 하우징의 내부에 형성되어 있을 필요는 없다. 예를 들어, 복수의 서브모듈을 수용한 하우징을 밀봉하고, 재킷 등의 냉각 경로를 하우징의 외측에 장착한 경우에도 하우징 내부의 단셀을 냉각할 수 있다. 또한, 이 하우징 외부에 냉각 경로를 형성하는 형태에서는, 하우징 외부로부터 냉각을 실시하고 있는 상태에서 하우징 내부의 온도 분포를 측정하는 예비 실험을 실시하는 편이 바람직하다.
(4) 구속 부재에 대해
상기 서술한 바와 같이, 제 1 실시형태에서는, 구속 부재 (30) 가 구속 밴드 (32) 를 구비하고 있고, 저온이 되기 쉬운 영역에 배치된 서브모듈 (10A) 에 있어서의 구속 밴드 (32) 의 체결압을, 다른 서브모듈 (10B ∼ 10E) 보다 낮게 하고 있다. 그러나, 구속 부재의 구조는, 여기에 개시되는 기술을 한정하는 것은 아니고, 다양한 구조를 채용할 수 있다.
예를 들어, 저온이 되기 쉬운 영역에 배치된 서브모듈에 있어서의 단셀 사이의 스페이스를 다른 서브모듈보다 크게 한 경우에도, 저온의 영역의 서브모듈의 구속압을 작게 하여, 하이레이트 내성을 높은 레벨로 균일화할 수 있다. 이러한 구조를 실현하는 구속 부재의 예로서, 도 5 에 나타내는 바와 같은 프레임체 (38) 를 들 수 있다. 단셀 (22) 은, 충방전시에 팽창하는 경향이 있기 때문에, 프레임체 (38) 의 수용부 (38a) 에 복수의 단셀 (22) 을 수용한 상태에서 충방전을 실시하면, 단셀 (22) 의 팽창에 의해 배열 방향 (X) 을 따른 구속압이 발생한다. 이와 같은 프레임체 (38) 를 구속 부재 (30) 로서 사용하는 경우에는, 수용부 (38a) 의 폭 치수 (W1, W2) 가 상이한 2 종류의 프레임체 (38A, 38B) 를 준비하는 것이 바람직하다. 그리고, 수용부 (38a) 의 폭 치수 (W1) 가 큰 프레임체 (38A) 를 사용한 서브모듈 (10F) 을 저온의 영역에 배치하고, 수용부 (38a) 의 폭 치수 (W2) 가 작은 프레임체 (38B) 를 사용한 서브모듈 (10G) 을 고온의 영역에 배치한다. 이로써, 저온의 영역에 배치된 서브모듈에 있어서의 단셀 사이의 스페이스가 다른 서브모듈보다 커져, 저온의 영역의 서브모듈의 구속압을 작게 할 수 있다.
또, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 복수의 서브모듈의 각각은, 복수의 단셀 (22) 과 함께 구속 부재 (30) 에 구속되는 완충판 (39) 을 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 저온이 되기 쉬운 영역에 배치된 서브모듈은, 다른 서브모듈보다 완충판 (39) 의 두께 (t) 가 얇은 것이 바람직하다. 이로써, 저온의 영역의 서브모듈의 구속압을 다른 서브모듈보다 낮게 하여, 각각의 단셀 (22) 의 하이레이트 내성을 높은 레벨로 균일화할 수 있다.
또, 제 1 실시형태에서는, 구속압 변경 기구로서 웜 기어 (36) 를 사용하고 있지만, 구속압 변경 기구의 구조는, 복수의 서브모듈의 구속 부재의 구속압을 개별적으로 변경할 수 있으면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 구속 밴드의 체결압의 조절에 의해 구속압을 변경하는 경우에는, 상기 웜 기어 대신에 액추에이터 등의 구동 장치를 구속 밴드에 장착해도 된다. 또, 도 6 에 나타내는 완충판 (39) 의 두께 (t) 의 조절에 의해 구속압을 변경하는 경우에는, 완충판 (39) 의 스프링 정수 (定數) 를 변경해도 되고, 완충판 (39) 의 두께 (t) 를 변화시키는 피에조 소자를 사용해도 된다.
(5) 셀의 구조에 대해
도 3 에 나타내는 바와 같이, 제 1 실시형태에서는, 단셀 (22) 로서, 편평한 각형의 전지 케이스 (26) 를 갖는 각형 셀을 사용하고 있다. 그러나, 단셀은, 1 쌍의 편평면을 갖고 있으면 되고, 다양한 구조 및 형상을 채용할 수 있다. 예를 들어, 발전 요소를 라미네이트 필름 내에 수용한 라미네이트 셀을 단셀로서 사용할 수도 있다. 이와 같은 라미네이트 셀도 1 쌍의 편평면을 갖고 있기 때문에, 이 편평면끼리가 대향하도록 복수의 셀을 배열하여 셀군을 형성하고, 당해 셀군을 구속 부재로 구속함으로써 서브모듈을 형성할 수 있다.
또, 제 1 실시형태에 있어서, 복수의 서브모듈 (10A ∼ 10E) 은, 단셀 (22) 의 배열 방향 (X) 을 따라 나열되어 있다. 그러나, 전지 모듈을 구축할 때에, 단셀의 배열 방향과 서브모듈의 배열 방향을 일치시킬 필요는 없으며, 전지 모듈의 용도 등에 따라, 하우징의 내부에 있어서의 서브모듈의 수용 위치를 변경할 수 있다. 예를 들어, 복수의 서브모듈은, 단셀의 배열 방향에 대해 수직인 방향으로 나열되어 있어도 된다. 또, 2 열 이상의 복수 열의 서브모듈이 하우징의 내부에 수용되어 있어도 된다. 이와 같은 구조의 전지 모듈의 경우라도, 저온의 영역의 서브모듈의 구속압을 저하시킴으로써, 전체로서 높은 하이레이트 내성을 발휘할 수 있다.
이상, 구체적인 실시형태를 들어 본 발명을 상세하게 설명했지만, 이것들은 예시에 지나지 않으며, 청구범위를 한정하는 것은 아니다. 청구범위에 기재된 기술에는, 이상에 기재한 실시형태를 다양하게 변형, 변경한 것이 포함된다.

Claims (11)

  1. 복수의 서브모듈과,
    상기 복수의 서브모듈을 미리 정해진 위치에 수용하는 하우징 (40) 을 갖고,
    상기 복수의 서브모듈은,
    대향하는 1 쌍의 편평면을 각각 갖는 단셀 (22) 이, 인접하는 단셀 (22) 끼리 상기 편평면이 대향하도록 나열된 셀군 (20) 과,
    상기 복수의 단셀 (22) 이 나열된 방향으로 구속압을 작용시켜 상기 셀군 (20) 을 구속하는 구속 부재 (30) 를 각각 구비하고,
    상기 하우징 (40) 의 내부에는, 상기 복수의 서브모듈의 충방전을 실시했을 때에 상대적으로 저온이 되기 쉬운 영역이 있고, 상기 복수의 서브모듈 중, 상기 저온이 되기 쉬운 영역에 배치된 서브모듈은, 다른 서브모듈보다 상기 구속 부재 (30) 의 구속압이 낮은, 전지 모듈 (1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징 (40) 의 내부에, 상기 복수의 서브모듈의 충방전을 실시했을 때에 상대적으로 고온이 되기 쉬운 영역이 있고, 상기 복수의 서브모듈 중, 상기 고온이 되기 쉬운 영역에 배치된 서브모듈은, 다른 서브모듈보다 상기 구속 부재 (30) 의 구속압이 높은, 전지 모듈 (1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 서브모듈의 상기 구속 부재 (30) 의 구속압을 개별적으로 변경하는 구속압 변경 기구를 구비한, 전지 모듈 (1).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 하우징 (40) 의 내부의 온도를 측정하는 온도 센서와,
    상기 온도 센서의 측정 결과에 기초하여 상기 구속압 변경 기구를 제어하는 제어부를 구비한, 전지 모듈 (1).
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부에, 상기 하우징 (40) 의 내부의 온도 분포의 경향을 나타내는 분포 정보가 기록되어 있고,
    상기 제어부는, 상기 온도 센서의 측정 결과와 상기 분포 정보에 기초하여 상기 구속압 변경 기구를 제어하는, 전지 모듈 (1).
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 온도 센서는, 하우징 (40) 의 내부에서 가장 고온이 되기 쉬운 영역과, 하우징 (40) 의 내부에서 가장 저온이 되기 쉬운 영역에 장착되어 있는, 전지 모듈 (1).
  7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 온도 센서는, 상기 복수의 서브모듈의 각각에 장착되어 있는, 전지 모듈 (1).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구속 부재 (30) 는, 상기 복수의 셀을 체결하여 구속하는 구속 밴드를 구비하고 있고,
    상기 저온이 되기 쉬운 영역에 배치된 서브모듈은, 다른 서브모듈보다 상기 구속 밴드의 체결압이 낮은, 전지 모듈 (1).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저온이 되기 쉬운 영역에 배치된 서브모듈은, 다른 서브모듈보다 상기 단셀 (22) 사이의 스페이스가 큰, 전지 모듈 (1).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 서브모듈의 각각은, 상기 복수의 셀과 함께 상기 구속 부재 (30) 에 구속되는 완충판을 구비하고 있고,
    상기 저온이 되기 쉬운 영역에 배치된 서브모듈은, 다른 서브모듈보다 상기 완충판의 두께가 얇은, 전지 모듈 (1).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 서브모듈에 인접하도록 상기 하우징 (40) 의 내부에 형성된 냉각 경로와,
    상기 하우징 (40) 의 외부로부터 상기 냉각 경로에 냉매를 공급하는 흡입구와,
    상기 냉각 경로로부터 상기 하우징 (40) 의 외부로 냉매를 배출하는 배출구를 구비하고 있는, 전지 모듈 (1).
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