WO2020230528A1 - 電池パック - Google Patents

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隼也 坂本
悠史 近藤
信司 鈴木
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Definitions

  • the present disclosure relates to a battery pack having a battery module and a pack case for accommodating the battery module.
  • Vehicles such as EVs (Electric Vehicles) and PHVs (Plug-in Hybrid Vehicles) are equipped with a plurality of secondary batteries, for example, lithium-ion batteries.
  • a lithium-ion battery is an example of a power storage device, and stores electric power supplied to an electric motor, which is a prime mover.
  • a plurality of secondary batteries form a battery module by being electrically connected to each other in a state of being arranged side by side in one direction (parallel arrangement direction). This battery module is housed in the pack case of the battery pack. Further, the battery case of each secondary battery contains an electrode assembly which is a laminated body of a positive electrode and a negative electrode, and an electrolytic solution.
  • the secondary battery may fall into so-called thermal runaway due to, for example, an internal short circuit between the positive electrode and the negative electrode, or overcharging / discharging.
  • Thermal runaway means that a part of the electrode assembly generates heat, and the exothermic reaction of the electrode assembly is repeated uncontrollably.
  • a heat insulating material is arranged between the secondary batteries arranged side by side (for example). See Patent Document 1).
  • An object of the present disclosure is to provide a battery pack capable of suppressing heat conduction to another adjacent secondary battery when a certain secondary battery has a thermal runaway.
  • the battery pack includes a battery module and a pack case that defines a storage space for accommodating the battery module.
  • the battery module includes a plurality of secondary batteries arranged in one direction, and one or more heat insulating sheets arranged between adjacent secondary batteries.
  • Each of the secondary batteries has an electrolytic solution, an electrode assembly, and a battery case for accommodating the electrolytic solution and the electrode assembly.
  • Each of the heat insulating sheets has a base material made of a metal foil or a carbon sheet, and two ceramic-based heat insulating material layers supported on both sides of the base material.
  • Each of the heat insulating layers is in contact with the adjacent battery cases.
  • the pack case has a case main body having an opening, and a closing wall that closes the opening and includes a heat absorbing layer facing the accommodation space.
  • the heat absorption layer is arranged so as to absorb the radiation emitted from the secondary battery.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a part of the battery pack of FIG.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the operation of the battery pack of FIG.
  • the battery pack 10 has a square box-shaped pack case 11 and a battery module 30 housed inside the pack case 11.
  • the pack case 11 has a square box-shaped case main body 12 having an opening and a closing wall 20 for closing the opening of the case main body 12.
  • the opening direction of the case body 12 is upward, but the opening direction of the case body 12 can be arbitrarily changed.
  • the closed wall 20 of the present embodiment is an upper wall.
  • the pack case 11 includes a storage space S inside.
  • the storage space S is defined by the case body 12 and the closing wall 20.
  • the case body 12 and the closing wall 20 are made of metal, for example, steel.
  • the closed wall 20 includes a metal base 21 made of metal (steel) and a heat absorption layer 22 that covers the surface (entire surface or a part of the surface) of the metal base 21.
  • the heat absorption layer 22 is an oxide film, a so-called black skin. Therefore, the heat absorption layer 22 of the closed wall 20 is black.
  • a part of the heat absorption layer 22 faces the accommodation space S.
  • the metal base 21 is formed by casting. Although not shown, the surface of the metal base 21 is a rough surface, that is, an uneven surface. Therefore, the heat absorption layer 22 that covers the uneven surface of the metal base 21 also has irregularities.
  • the closed wall 20 includes a plate-shaped wall main body 24 and a plurality of heat radiating fins 25 protruding outward (upward) from the wall main body 24.
  • the plurality of heat radiating fins 25 are an example of a heat radiating portion arranged outside the accommodation space S.
  • the surface area of the closing wall 20 is expanded by the plurality of heat radiating fins 25, and the heat radiating performance of the battery module 30 is enhanced.
  • the heat radiation fin 25 of this embodiment is cylindrical, but the heat radiation fin 25 may have another shape, for example, a prismatic or elliptical columnar shape. That is, the shape and number of the heat radiation fins 25 may be arbitrarily changed.
  • the battery module 30 is arranged between a plurality of secondary batteries 31 arranged in one direction (hereinafter referred to as parallel direction Y) and secondary batteries 31 adjacent to each other in the parallel direction Y. It has one or more heat insulating sheets 41.
  • the battery module 30 includes two end plates 26, bolts 27 penetrating the end plates 26, and nuts 28 screwed into the bolts 27.
  • the two end plates 26 are arranged outside the secondary batteries 31 arranged at both ends in the parallel direction Y, respectively. By screwing the nut 28 into the bolt 27 penetrating the two end plates 26, the plurality of secondary batteries 31 are constrained in the parallel direction Y.
  • the secondary battery 31 is a lithium ion secondary battery.
  • the secondary battery 31 includes a battery case 32.
  • the battery case 32 has a flat square box shape.
  • the plurality of secondary batteries 31 are arranged so that the thickness direction of the battery case 32 is aligned with the longitudinal direction of the pack case 11. Therefore, the longitudinal direction of the pack case 11 and the parallel direction Y of the secondary battery 31 coincide with each other.
  • the juxtaposed direction Y may be a direction that intersects the longitudinal direction of the case body 12.
  • the plurality of secondary batteries 31 may be connected in parallel or may be connected in series.
  • the battery case 32 contains the electrode assembly 31a and an electrolytic solution (not shown).
  • the electrode assembly 31a includes a positive electrode and a negative electrode.
  • the battery case 32 includes a box-shaped battery case main body 33 having an opening and a plate-shaped lid portion 34 that closes the opening of the battery case main body 33.
  • the battery case body 33 opens in the same direction as the case body 12.
  • the lid 34 is provided with a connection terminal 35.
  • the connection terminal 35 is electrically connected to the electrode assembly 31a via a conductive member (not shown).
  • each heat insulating sheet 41 has a three-layer structure, and has a metal foil 42 as a base material and two heat insulating material layers 43 supported on both sides of the metal foil 42, respectively.
  • Each heat insulating material layer 43 is in contact with the outer surface of the battery case 32 of the secondary battery 31 adjacent to each other in the parallel direction Y. Therefore, each heat insulating material layer 43 is thermally coupled to the outer surface of the adjacent battery case 32.
  • the metal foil 42 of this embodiment is an aluminum foil.
  • the surface roughness (specifically, the maximum height) Rz of the metal foil 42 is, for example, greater than 0 and 6 ⁇ m or less.
  • the surface of the metal foil 42 is measured with a roughness meter, and a part of the roughness curve obtained by this measurement is extracted with a reference length.
  • the sum of the highest portion (maximum peak height) and the deepest portion (maximum valley depth) of the extracted roughness curve is the surface roughness Rz.
  • the metal foil 42 of the heat insulating sheet 41 reflects the radiation generated when the secondary battery 31 has a thermal runaway.
  • the heat insulating material layer 43 is formed of a ceramic heat insulating material.
  • An example of a ceramic-based heat insulating material is a silica porous material.
  • the heat insulating material layer 43 cuts off the heat of the secondary battery 31 that has run away from heat, and suppresses heat transfer to the secondary batteries 31 adjacent to each other in the parallel direction Y.
  • the secondary battery 31 may fall into so-called thermal runaway due to an internal short circuit between the positive electrode and the negative electrode or overcharge / discharge.
  • Thermal runaway means that a part of the electrode assembly 31a generates heat, and the exothermic reaction of the electrode assembly 31a is repeated uncontrollably.
  • the secondary battery 31 shown by the dot hatching in FIG. 5 has a thermal runaway, the temperature of the secondary battery 31 continues to rise spontaneously.
  • the heat of the secondary battery 31 that has run away from heat is transferred to the secondary batteries 31 of 1 or 2 adjacent to each other in the parallel direction Y as conduction heat.
  • the 1 or 2 secondary battery 31 adjacent to the thermal runaway secondary battery 31 in the parallel direction Y will be referred to as another secondary battery 31A.
  • the metal foil 42 of the heat insulating material layer 43 of the heat insulating sheet 41 suppresses the transfer of conduction heat to the other secondary battery 31A. Further, the heat of the secondary battery 31 that has run away from heat goes to another secondary battery 31A as radiant heat, but the radiant heat is reflected by the metal foil 42 of the heat insulating sheet 41, and the radiant heat may be transmitted to the other secondary battery 31A. It is suppressed.
  • electromagnetic waves are generated as radiation from the portion (for example, the upper surface) facing the accommodation space S of the secondary battery 31 that has undergone thermal runaway.
  • this radiation collides with the heat absorption layer 22 of the closed wall 20, it is absorbed as radiant heat by the heat absorption layer 22.
  • the amount of radiation generated from the thermal runaway secondary battery 31 is reduced by the closed wall 20.
  • the heat absorption layer 22 is arranged so as to absorb the radiation emitted from the secondary battery 31.
  • the battery pack 10 includes one or more heat insulating sheets 41 arranged between secondary batteries 31 adjacent to each other in the parallel direction Y.
  • the closing wall 20 of the pack case 11 includes a heat absorbing layer 22. While the metal foil 42 of the heat insulating sheet 41 reflects the radiant heat, the heat insulating material layer 43 blocks the conductive heat, so that the heat of the secondary battery 31 that has run away from heat can be suppressed from being transferred to the other secondary battery 31A.
  • the radiant heat reflected by the heat insulating sheet 41 is emitted as radiant from the thermal runaway secondary battery 31, but is absorbed as radiant heat by the heat absorbing layer 22. That is, the radiation reflected by the closed wall 20 can be reduced.
  • the closed wall 20 of the pack case 11 includes a plurality of heat radiating fins 25 protruding from the wall main body 24 toward the outside of the accommodation space S. Therefore, the radiant heat absorbed by the heat absorption layer 22 is easily released from the heat dissipation fins 25 to the external space of the accommodation space S. As a result, the temperature rise of the closed wall 20 can be suppressed.
  • the base material of the heat insulating sheet 41 is a metal foil 42 made of aluminum foil, and the surface roughness of the metal foil 42 is larger than 0 and 6 ⁇ m or less. Therefore, the metal foil 42 easily reflects radiant heat.
  • the base material of the heat insulating sheet 41 may be a carbon sheet instead of the metal foil 42.
  • the heat insulating material layer 43 of the heat insulating sheet 41 suppresses the transfer of conduction heat from the thermal runaway secondary battery 31 to the other secondary battery 31A. Further, since the heat of the secondary battery 31 that has undergone thermal runaway is absorbed by the carbon sheet of the heat insulating sheet 41, the transfer of radiant heat to the other secondary battery 31A is suppressed.
  • the heat absorption layer 22 may be provided on the inner surface of the case body 12 in place of or in addition to the closing wall 20. That is, the heat absorption layer 22 may be arranged so that at least a part thereof faces the accommodation space S, the battery module 30, or the secondary battery 31.
  • the heat absorption layer 22 may be a black film coated on the surface of the metal base 21.
  • the coating film may be a paint having an epoxy resin as a main component, which is a cationic paint, or a paint having an acrylic resin as a main component.
  • the surface of the metal base 21 may be a flat surface without unevenness.

Abstract

電池パックは、電池モジュールと、収容空間を画定するパックケースと、を備える。前記電池モジュールは、一方向に並ぶ複数の二次電池と、隣り合う前記二次電池の間に配置される1以上の断熱シートと、有する。前記各二次電池は、電解液と、電極組立体と、電池ケースと、を有する。前記各断熱シートは、金属箔又はカーボンシート製の基材と、セラミック系の2つの断熱材層とを有する。前記各断熱材層は隣り合う前記電池ケースに接触している。前記パックケースは、ケース本体と、前記収容空間に面する熱吸収層を含む閉塞壁と、を有する。前記熱吸収層は、前記二次電池から放出される輻射を吸収するように配置される。

Description

電池パック
 本開示は、電池モジュールと、電池モジュールを収容するパックケースとを有する電池パックに関する。
 EV(Electric Vehicle)及びPHV(Plug in Hybrid Vehicle)のような車両には複数の二次電池、例えばリチウムイオン電池が搭載されている。リチウムイオン電池は蓄電装置の一例であり、原動機である電動機に供給される電力を蓄える。複数の二次電池は、一方向(並設方向)に並設された状態で互いに電気的に接続されることにより、電池モジュールを構成する。この電池モジュールは、電池パックのパックケースに収容されている。また、各二次電池の電池ケースには、正極及び負極の積層体である電極組立体、及び電解液が収容されている。
 二次電池は、例えば正極と負極との内部短絡、または過充放電によって、所謂熱暴走に陥ることがある。熱暴走とは、電極組立体の一部が発熱し、この電極組立体の発熱反応が制御不能に繰り返されることをいう。熱暴走の発生した二次電池の熱が、並設方向に隣り合う二次電池に伝わることを抑制するため、並設される二次電池同士の間には断熱材が配置されている(例えば特許文献1参照)。
特開2018-206605号公報
 ある二次電池が熱暴走したときに、その熱暴走した二次電池に隣り合う他の二次電池への熱伝導の抑制には改善の余地がある。
 本開示の目的は、ある二次電池が熱暴走したときに、隣り合う他の二次電池への熱伝導を抑制できる電池パックを提供することにある。
 本開示の一態様に係る電池パックは、電池モジュールと、前記電池モジュールを収容する収容空間を画定するパックケースと、を備える。前記電池モジュールは、一方向に並ぶ複数の二次電池と、隣り合う前記二次電池の間に配置される1以上の断熱シートと、有する。前記各二次電池は、電解液と、電極組立体と、前記電解液及び前記電極組立体を収容する電池ケースと、を有する。前記各断熱シートは、金属箔又はカーボンシート製の基材と、当該基材の両面にそれぞれ担持されたセラミック系の2つの断熱材層とを有する。前記各断熱材層は隣り合う前記電池ケースに接触している。前記パックケースは、開口を有するケース本体と、前記開口を閉塞する閉塞壁であって、前記収容空間に面する熱吸収層を含む閉塞壁と、を有する。前記熱吸収層は、前記二次電池から放出される輻射を吸収するように配置される。
実施形態に係る電池パック全体を示す断面図。 図1の電池パックの一部を拡大した断面図。 図1の電池パックを示す斜視図。 図1の電池パックが備える二次電池を示す斜視図。 図1の電池パックの作用を説明する断面図。
 以下、電池パックを具体化した一実施形態を図1~図5にしたがって説明する。
 図1又は図2に示すように、電池パック10は、四角箱状のパックケース11と、パックケース11の内部に収容された電池モジュール30とを有している。
 パックケース11は、開口を有する四角箱状のケース本体12と、ケース本体12の開口を閉塞する閉塞壁20と、を有する。本実施形態において、ケース本体12が開口する方向は上方であるが、ケース本体12が開口する方向は任意に変更することができる。本実施形態の閉塞壁20は、上壁である。パックケース11は、内部に収容空間Sを備える。収容空間Sは、ケース本体12及び閉塞壁20によって画定されている。
 ケース本体12及び閉塞壁20は金属製、例えば、鉄鋼製である。閉塞壁20は、金属製(鉄鋼製)の金属素地21と、金属素地21の表面(全面または一部の面)を被覆する熱吸収層22とを備える。熱吸収層22は、酸化皮膜、所謂、黒皮である。このため、閉塞壁20の熱吸収層22は黒色である。熱吸収層22の一部は収容空間Sに面している。金属素地21は鋳造によって成形される。金属素地21の表面は、図示しないが粗面、すなわち凹凸のある面である。このため、金属素地21の凹凸のある表面を被覆する熱吸収層22も凹凸を有する。
 閉塞壁20は、板状の壁本体24と、壁本体24から外方(上方)に突出する複数の放熱フィン25と、を備える。複数の放熱フィン25は、収容空間Sの外に配置される放熱部の一例である。複数の放熱フィン25によって、閉塞壁20の表面積が広げられ、電池モジュール30の放熱性能が高められている。
 図3に示すように、本実施形態の放熱フィン25は円柱状であるが、放熱フィン25は他の形状、たとえば角柱状または楕円柱状でもよい。すなわち、放熱フィン25の形状及び数は任意に変更してもよい。
 図1に示すように、電池モジュール30は、一方向(以下、並設方向Yという)に並ぶ複数の二次電池31と、並設方向Yに隣り合う二次電池31の間に配置される1以上の断熱シート41とを有する。電池モジュール30は、2つのエンドプレート26と、これらエンドプレート26を貫通するボルト27と、ボルト27に螺合されるナット28とを備える。2つのエンドプレート26は、並設方向Yにおける両端に配置された二次電池31の外側にそれぞれ配置される。2つのエンドプレート26を貫通したボルト27にナット28を螺合することにより、複数の二次電池31は、並設方向Yに拘束されている。
 図4に示すように、二次電池31はリチウムイオン二次電池である。二次電池31は、電池ケース32を備える。電池ケース32は、扁平な四角箱状である。複数の二次電池31は、パックケース11の長手方向に、電池ケース32の厚さ方向が沿うように並べられている。よって、パックケース11の長手方向と二次電池31の並設方向Yとが一致する。並設方向Yは、ケース本体12の長手方向と交差する方向であってもよい。複数の二次電池31は並列接続されていてもよいし、直列接続されていてもよい。
 電池ケース32には、電極組立体31a及び図示しない電解液が収容されている。電極組立体31aは正極と負極とを備えている。電池ケース32は、開口を有する箱状の電池ケース本体33と、電池ケース本体33の開口を閉塞する板状の蓋部34とを備える。電池ケース本体33は、ケース本体12と同じ方向に開口する。蓋部34には、接続端子35が設けられている。接続端子35は、図示しない導電部材を介して電極組立体31aに電気的に接続されている。
 図2に示すように、各断熱シート41は3層構造であり、基材である金属箔42と、金属箔42の両面にそれぞれ担持された2つの断熱材層43とを有する。各断熱材層43は、並設方向Yに隣り合う二次電池31の電池ケース32の外面に接触している。そのため、各断熱材層43は、隣接する電池ケース32の外面と熱的に結合されている。
 本実施形態の金属箔42はアルミニウム箔である。金属箔42の表面粗さ(詳細には、最大高さ)Rzは、例えば、0より大きく6μm以下である。表面粗さRzを算出するためには、金属箔42の表面を粗さ計で測定し、この測定により得られた粗さ曲線の一部を基準長さで抜き出す。この抜き出された粗さ曲線のうち、最も高い部分(最大山高さ)と最も深い部分(最大谷深さ)との和が、表面粗さRzである。断熱シート41の金属箔42は、二次電池31が熱暴走したときに生じる輻射を反射する。
 断熱材層43は、セラミック系断熱材によって形成されている。セラミック系断熱材の一例は、シリカポーラス材である。断熱材層43は、熱暴走した二次電池31の熱を遮断し、並設方向Yに隣り合う二次電池31への伝熱を抑制する。
 次に、電池パック10の作用を記載する。
 二次電池31は、正極と負極との内部短絡、あるいは過充放電によって、所謂、熱暴走に陥ることがある。熱暴走とは、電極組立体31aの一部が発熱し、この電極組立体31aの発熱反応が制御不能に繰り返されることをいう。図5のドットハッチングで示す二次電池31が熱暴走した場合、この二次電池31の温度は自発的に上昇し続ける。
 熱暴走した二次電池31の熱は、伝導熱として並設方向Yに隣り合う1または2の二次電池31に伝わる。なお、以下の説明において、熱暴走した二次電池31に対し並設方向Yに隣り合う1または2の二次電池31を他の二次電池31Aと記載する。
 断熱シート41が有する断熱材層43の金属箔42により、伝導熱が他の二次電池31Aに伝わることが抑制される。また、熱暴走した二次電池31の熱は、輻射熱として他の二次電池31Aに向かうが、輻射熱は断熱シート41の金属箔42によって反射され、他の二次電池31Aに輻射熱が伝わることが抑制される。
 断熱シート41の金属箔42によって反射された輻射熱を含め、熱暴走した二次電池31の収容空間Sに面する部分(例えば、上面)からは、輻射として電磁波が生じる。この輻射は、閉塞壁20の熱吸収層22に衝突した際に、当該熱吸収層22に輻射熱となって吸収される。その結果、熱暴走した二次電池31から生じた輻射が、閉塞壁20によって反射される量を減らす。このように、熱吸収層22は、二次電池31から放出される輻射を吸収するように配置される。これにより、反射した輻射によって他の二次電池31Aに輻射熱が伝わることが抑制される。したがって、熱暴走した二次電池31に隣接する他の二次電池31Aが熱暴走することを抑制できる。
 上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
 (1)電池パック10は、並設方向Yに隣り合う二次電池31同士の間に配置される1以上の断熱シート41を備える。パックケース11の閉塞壁20は熱吸収層22を備える。断熱シート41の金属箔42により輻射熱を反射しつつ、断熱材層43により伝導熱を遮断して、熱暴走した二次電池31の熱が他の二次電池31Aに伝わることを抑制できる。断熱シート41によって反射された輻射熱は、熱暴走した二次電池31から輻射として放出されるが、熱吸収層22によって輻射熱として吸収される。すなわち、閉塞壁20によって反射する輻射を減らすことができる。したがって、断熱シート41と熱吸収層22を併用することで、熱暴走した二次電池31の熱が他の二次電池31Aに伝わることを抑制できる。その結果、他の二次電池31Aが熱暴走することを抑制できる。
 (2)パックケース11の閉塞壁20は、壁本体24から収容空間Sの外に向けて突出する複数の放熱フィン25を備える。このため、熱吸収層22によって吸収された輻射熱を放熱フィン25から収容空間Sの外部空間に放出しやすくなる。これにより、閉塞壁20の温度上昇を抑制できる。
 (3)断熱シート41の基材はアルミニウム箔製の金属箔42であり、その金属箔42の表面粗さは0より大きく、6μm以下である。このため、金属箔42は輻射熱を反射しやすい。
 本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
 ○ 断熱シート41の基材は、金属箔42の代わりにカーボンシートを用いてもよい。この場合、断熱シート41の断熱材層43によって、熱暴走した二次電池31から他の二次電池31Aに伝導熱が伝わることが抑制される。また、熱暴走した二次電池31の熱は、断熱シート41のカーボンシートによって吸収されるので、他の二次電池31Aに輻射熱が伝わることが抑制される。
 ○ 熱吸収層22は、閉塞壁20に代えて、あるいはこれに加えて、ケース本体12の内面に設けてもよい。すなわち、熱吸収層22は、収容空間S、電池モジュール30、または二次電池31に少なくとも一部が面するように配置するとよい。
 ○ 熱吸収層22は、金属素地21の表面に塗装された黒色の被膜であってもよい。被膜は、カチオン系塗料であるエポキシ樹脂を主成分とする塗料であってもよいし、アクリル樹脂を主成分とする塗料であってもよい。
 ○ 金属素地21の表面は凹凸のない平坦面であってもよい。

Claims (5)

  1.  電池モジュールと、
     前記電池モジュールを収容する収容空間を画定するパックケースと、を備え、
     前記電池モジュールは、
      一方向に並ぶ複数の二次電池と、
      隣り合う前記二次電池の間に配置される1以上の断熱シートと、有し、
     前記各二次電池は、
      電解液と、
      電極組立体と、
      前記電解液及び前記電極組立体を収容する電池ケースと、を有し、
     前記各断熱シートは、金属箔又はカーボンシート製の基材と、当該基材の両面にそれぞれ担持されたセラミック系の2つの断熱材層とを有し、
     前記各断熱材層は隣り合う前記電池ケースに接触しており、
     前記パックケースは、
      開口を有するケース本体と、
      前記開口を閉塞する閉塞壁であって、前記収容空間に面する熱吸収層を含む閉塞壁と、を有し、
     前記熱吸収層は、前記二次電池から放出される輻射を吸収するように配置される、電池パック。
  2.  前記閉塞壁は、前記収容空間の外に配置される放熱部を有する、請求項1に記載の電池パック。
  3.  前記閉塞壁は金属製の金属素地を有し、
     前記熱吸収層は、前記金属素地の表面の少なくとも一部を覆う酸化皮膜である、
     請求項1または請求項2に記載の電池パック。
  4.  前記熱吸収層は前記金属素地の全面を覆う、
     請求項3に記載の電池パック。
  5.  前記熱吸収層は黒色である、
     請求項1~4のうち何れか一項に記載の電池パック。
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