JP2013045578A

JP2013045578A - 電池パック

Info

Publication number: JP2013045578A
Application number: JP2011181817A
Authority: JP
Inventors: Shintaro Watanabe; 慎太郎渡▲辺▼; Hideto Kubo; 秀人久保
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2013-03-04

Abstract

【課題】複数の電池セルに対する積層方向への加圧による熱交換器の損傷を防止することができる電池パックの提供にある。
【解決手段】電池パック１０は、複数の電池セル１１と、複数の電池セル１１と熱的に接続される熱交換器１３と、熱交換器１３に熱媒体を供給する熱媒体配管と、を備え、熱媒体配管は変形可能な蛇腹部２５、２６を有した。複数の電池セル１１を熱交換器１３とともに加圧し、熱交換器１３の加圧方向における位置ずれが生じるとき、蛇腹部２５、２６が変形する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電池パックに関し、特に電池セルの温度調節を可能とする熱交換器を備えた電池パックに関する。

従来の電池パックとして、例えば、特許文献１に開示された電池冷却構造および電池モジュールを挙げることができる。
特許文献１に開示された電池モジュールの電池冷却構造は、正極シート、負極シートおよびセパレータの積層体からなる電池素子と、電池素子を電解質とともに封入するラミネート外装体を備える。
ラミネート外装体は、電池素子の表面上で重なる複数の層を有し、複数の層の間に冷却水が流される水冷ジャケットが設けられている。
特許文献１に開示された電池モジュールは、この電池冷却構造が用いられた電池モジュールであり、電池素子と水冷ジャケットを備えるラミネート外装体を有するラミネート電池セルを備えている。
また、電池モジュールは、電池素子と、電池素子を電解質とともに封入するのみのラミネート外装体とを有するラミネート電池セル（水冷ジャケットを備えない）を備えている。
水冷ジャケットを備えるラミネート電池セルと水冷ジャケットを備えないラミネート電池セルとが、隣合う電池素子間に複数の層を挟持しながら交互に積層されている。
この電池モジュールでは、拘束バンドによりこれらのラミネート電池セルを一体に保持している。

電池モジュールの側面の脇には、水冷ジャケットに向けて冷却水を供給する冷却水供給管と、水冷ジャケットに供給された冷却水を回収する冷却水排出管が設けられている。
冷却水供給管および冷却水排出管は積層方向に延びており、水冷ジャケットは冷却水供給管から分岐する分岐供給管に接続され、冷却水排出管から分岐する分岐排出管に接続されている。

特許文献１に開示された電池モジュールによれば、冷却水が水冷ジャケットを通り、発熱が大きくなる電池素子に近接した位置に流されるため、電池素子から冷却水への熱伝導が行われ、電池素子が冷却される。
また、水冷ジャケットを備えるラミネート電池セルと水冷ジャケットを備えないラミネート電池セルとの双方で、電池素子が冷却される。

特開２００７−６６６４７号公報

特許文献１に開示された電池モジュールでは、積層されたラミネート電池の両側から積層方向へ加圧した状態にて、拘束バンドによりラミネート電池セルを保持する場合がある。
この場合、ラミネート電池セルの加圧後における水冷ジャケットと、加圧方向において対応する冷却水の配管（分岐供給管および分岐排出管）との位置ずれが生じやすい。
冷却水の配管が固定されている状態において、ラミネート電池セルが加圧されることにより冷却水の配管に対して位置ずれすると、水冷ジャケットまたは冷却水の配管が変形するという問題がある。
こうした変形が水冷ジャケットまたは冷却水の配管に生じると、水冷ジャケットまたは冷却水の配管が損傷するおそれがある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、複数の電池セルに対する加圧による熱交換器や熱媒体配管の変形を防止することができる電池パックの提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、複数の電池セルと、前記複数の電池セルと熱的に接続される熱交換器と、前記熱交換器に熱媒体を供給する熱媒体配管と、を備え、前記熱媒体配管は変形可能な配管部を有することを特徴とする。

本発明によれば、複数の電池セルを熱交換器とともに加圧し、加圧方向における熱交換器と熱媒体配管との位置ずれが生じるとき、配管部が変形する。
配管部が変形することにより、熱媒体配管における配管部以外の部位や熱交換器は変形しない。
従って、複数の電池セルに対する加圧による熱交換器や熱媒体配管の変形を防止することができる電池パックを提供することができる。

また、本発明は、上記の電池パックにおいて、前記配管部は、前記複数の電池セルの膨張を防止するために前記複数の電池セルに加圧される加圧力により変形する構成としてもよい。

この場合、電池セルの膨張は電池セルに加圧される加圧力により防止される。

また、本発明は、上記の電池パックにおいて、前記熱媒体配管は、前記熱交換器と離れて配置される主配管と、前記主配管と前記熱交換器とを接続する接続管を有し、前記接続管は前記配管部を有する構成としてもよい。

この場合、接続管に配管部が設けられることにより、主配管に配管部を設ける必要がない。

また、本発明は、上記の電池パックにおいて、前記配管部は、蛇腹構造の管壁により形成された蛇腹部を有する構成としてもよい。

この場合、複数の電池セルを熱交換器とともに加圧し、熱交換器と熱媒体配管との加圧方向における位置ずれが生じるとき、蛇腹部が変形する。
蛇腹部は蛇腹構造の管壁により形成されているから、熱媒体配管における配管部と配管部を除く部位を同一材料とすることも可能である。

また、本発明は、上記の電池パックにおいて、前記配管部は、弾性変形可能な材料により形成されている構成としてもよい。

この場合、複数の電池セルを熱交換器とともに加圧し、熱交換器と熱媒体配管との加圧方向における位置ずれが生じるとき、配管部は弾性変形する。
配管部は熱媒体配管における配管部を除く部位よりも弾性変形しやすいため、配管部が弾性変形することにより、熱媒体配管における配管部を除く部位の変形や熱交換器の変形は防止される。

また、本発明は、上記の電池パックにおいて、前記熱媒体配管の配管方向は、前記加圧力の加圧方向と同方向であり、前記配管部は加圧方向に変形可能である構成としてもよい。

この場合、複数の電池セルを熱交換器とともに加圧し、加圧方向における熱交換器と熱媒体配管との位置ずれが生じるとき、配管部は加圧方向に変形する。
従って、複数の電池セルに対する加圧による熱交換器や熱媒体配管の変形を防止することができる。
配管部は加圧方向にのみ変形する構造であればよく、加圧方向以外の方向の変形を考慮する必要がない。

この場合、蛇腹部が加圧方向に伸縮して変形する。
配管部の加圧方向にのみ変形する構造を、簡単な構成の蛇腹構造の管壁により実現することができる。

この場合、蛇腹部が加圧方向に伸縮して変形する。
配管部の材料を、弾性変形可能な材料とすることにより、配管部の加圧方向にのみ変形する構造を実現することができる。

本発明によれば、複数の電池セルに対する加圧による熱交換器や熱媒体配管の変形を防止することができる電池パックを提供することができる。

第１の実施形態に係る電池パックを示す斜視図である。第１の実施形態に係る電池セルの構造を示す斜視図である。第１の実施形態に係る熱交換器の正面図である。（ａ）は供給側接続管の要部を拡大して示す平面図であり、（ｂ）は回収側接続管の要部を示す平面図である。第１の実施形態に係る電池セルの加圧時における熱交換器の状態を説明する要部平面図である。第２の実施形態に係る電池モジュールの斜視図である。第２の実施形態に係る電池セルの加圧時における熱交換器の状態を説明する要部側面図である。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る電池パックを図面に基づいて説明する。
本実施形態の電池パックは電気自動車等の車両に搭載される車載用電池パックである。
図１に示すように、電池パック１０は、複数の電池セル１１と、複数の電池セル１１と熱的に接続される熱交換器１３と、熱交換器１３に熱媒体を供給する熱媒体配管と、を備えている。

図２に示すように、電池セル１１は、正極３１と、負極３２と、正極３１と負極３２の間に設けられるセパレータ３３と、を備えている。
本実施形態の電池セル１１は、二次電池としてのリチウム電池を構成する要素であり、例えば、次のように製造される。
正極３１、セパレータ３３、負極３２の順に積層された積層体を巻回し、扁平状に成形することにより巻回電極体を得る。
次に、巻回電極体を箱型ケース３６に収容した後、非水電解液を注入し、箱型ケース３６の口を蓋体３７により封止することにより薄型の電池セル１１を得る。
蓋体３７には、巻回電極体が備える正電極３４および負電極３５を挿通する通孔３８が形成されている。
なお、巻回電極体をラミネートフィルム等の外装体に収容して、この外装体を箱型ケース３６に収容するようにしてもよい。

図２では、電池セル１１の構造説明のために、一部の電池セル１１について箱型ケース３６内の巻回電極体の端部を示すほか、巻回電極体の一部を拡大して正極３１、負極３２およびセパレータ３３を示す。
本実施形態では、主に複数の電池セル１１により電池モジュールが構成されている。
電池モジュールにおける各電池セル１１は電池セル１１において最大面積を持つ平坦面１２を互いに平行となるように配列されている。

図１に示すように、電池パック１０は電池セル１１の温度調節を行う熱交換器１３を備えている。
本実施形態では、熱交換器１３は熱伝導性にすぐれた金属材料（アルミニウム、銅等）により板状に形成されている。
熱交換器１３は、電池セル１１の平坦面１２と同じ面積を有する平坦面１４を有している。
熱交換器１３の平坦面１４が各電池セル１１の平坦面１２に当接するように、複数の熱交換器１３が備えられている。
図１に示すように、電池モジュールの配列方向の両端に位置する電池セル１１の外側の平坦面１２を覆う熱交換器１３が設置されているほか、電池モジュールにおいて互いに隣り合う電池セル１１の間に熱交換器１３が設置されている。

図３に示すように、熱交換器１３の内部には内部流路１５が形成されている。
内部流路１５は熱媒体を通す熱媒体の流路である。
熱媒体は冷却のための熱媒体（冷媒）でも加熱のための熱媒体であってもよく、例えば、水あるいは不凍液（ＬＬＣ）が好ましい。
本実施形態では、内部流路１５は、内部流路１５の長さを長くするように熱交換器１３の内部において何度も折り返すように形成されている。
熱交換器１３の一方の側面１６には流入口１８が形成され、熱媒体は流入口１８から内部流路１５に流入する。
熱交換器１３の他方の側面１７には流出口１９が形成され、内部流路１５を通る熱媒体は流出口１９から流出される。
従って、熱交換器１３は、内部流路１５に熱媒体が通ることで平坦面１４を通じて電池セル１１と熱交換することができ、この熱交換により電池セル１１を冷却したり加熱したりすることが可能である。
つまり、熱交換器１３は電池セル１１と熱的に接続されており、電池セル１１の温度調節を行うことが可能である。

電池パック１０は、熱交換器１３に熱媒体を供給し、熱交換器１３から熱媒体を回収する熱媒体配管を備えている。
図１に示すように、熱媒体配管は、熱交換器１３へ供給する熱媒体を通す供給管２１と、熱交換器１３から回収された熱媒体を通す回収管２２と、を備えている。
また、図３に示すように、熱媒体配管は、供給管２１と熱交換器１３の流入口１８とを接続する供給側接続管２３と、回収管２２と熱交換器１３の流出口１９とを接続する回収側接続管２４と、備えている。
供給管２１および回収管２２は主配管に相当し、供給側接続管２３および回収側接続管２４は接続管に相当する。

供給管２１は、設置先（図示せず）に固定されており、供給管２１の上流側にはポンプ（図示せず）設けられ、ポンプの駆動により熱媒体が供給管２１を通る。
供給管２１は、各供給側接続管２３を通る熱媒体の流量が同じとなるように構成されている。
図４（ａ）に示すように、供給側接続管２３は、蛇腹構造の管壁により形成される蛇腹部２５を備えている。
蛇腹部２５は変形可能な配管部に相当する。
蛇腹部２５は、供給側接続管２３の長手方向への伸縮による変形や供給側接続管２３の曲げによる変形を可能とする。
図４（ｂ）に示すように、回収側接続管２４も蛇腹構造の管壁により形成された蛇腹部２６を備えている。
蛇腹部２６も変形可能な配管部に相当する。
配管部としての供給側接続管２３や回収側接続管２４を変形させる力が供給側接続管２３や回収側接続管２４に作用すると、それぞれの蛇腹部２５、２６は変形する。

本実施形態の電池パック１０では、複数の電池セル１１と、複数の熱交換器１３が交互に配列されている。
複数の電池セル１１の膨張を防止するための加圧力（図１、図５において白抜矢印により図示）が付加され、複数の電池セル１１および熱交換器１３は加圧された状態にて拘束される。
一方、供給管２１および回収管２２は設置先に固定され、供給側接続管２３は供給管２１と熱交換器１３とを接続し、回収側接続管２４は回収管２２と熱交換器１３とを接続する。

図１に示すように、複数の電池セル１１が配列方向に加圧されているとき、予め設定した配列方向の位置に熱交換器１３の位置を合わせることが難しい。
例えば、図５に示すように、熱交換器１３（実線により図示）が、電池セル１１の加圧により、予め設定された熱交換器１３の位置（二点鎖線により図示）から位置ずれする状態では、位置ずれに相当するだけ供給側接続管２３の蛇腹部２５が変形する。
供給側接続管２３の蛇腹部２５が変形することにより、熱交換器１３および供給管２１の変形は防止される。
なお、回収側接続管２４の蛇腹部２６も変形し、回収側接続管２４の蛇腹部２６の変形により、熱交換器１３および回収管２２の変形は防止される。

本実施形態の電池パック１０によれば、次の作用効果を奏する。
（１）複数の電池セル１１を熱交換器１３とともに加圧し、加圧方向における供給管２１および回収管２２と熱交換器１３との位置ずれが生じるとき、供給側接続管２３の蛇腹部２５および回収側接続管２４の蛇腹部２６が変形する。供給側接続管２３の蛇腹部２５および回収側接続管２４の蛇腹部２６が変形することにより、供給側接続管２３および回収側接続管２４以外の供給管２１や回収管２２や熱交換器１３は変形しない。従って、複数の電池セル１１に対する加圧による熱交換器１３や熱媒体配管の変形を防止することができる電池パック１０を提供することができる。

（２）供給側接続管２３および回収側接続管２４は、複数の電池セル１１の膨張を防止するために複数の電池セル１１に加圧される加圧力により変形するから、電池セル１１の膨張は電池セル１１に加圧される加圧力により防止される。
（３）電池パック１０は、熱交換器１３と離れて配置される供給管２１および回収管２２と、供給管２１と熱交換器１３を接続する供給側接続管２３と、回収管２２と熱交換器１３とを接続する回収側接続管２４を有している。供給側接続管２３および回収側接続管２４は、対応する蛇腹部２５、２６が設けられることにより、主配管としての供給管２１および回収管２２に変形可能な配管部を設ける必要がない。
（４）複数の電池セル１１を熱交換器１３とともに加圧し、加圧方向における供給管２１および回収管２２と熱交換器１３との位置ずれが生じるとき、蛇腹部２５、２６が変形する。蛇腹部２５、２６は、供給側接続管２３において蛇腹部２５を除く部位と、回収側接続管２４において蛇腹部２６を除く部位と、供給管２１と、回収管２２と、熱交換器１３を同一材料とすることも可能である。供給側接続管２３に蛇腹部２５を設け、回収側接続管２４に蛇腹部２６を設けることにより、部品点数を増やすことなく変形可能な配管部を熱媒体配管に形成することができる。

なお、本実施形態では、供給側接続管２３の一部を蛇腹部２５とし、回収側接続管２４の一部を蛇腹部２６とし、蛇腹部２５、２６を配管部としたが、供給側接続管２３や回収側接続管２４の全てを蛇腹部としてもよい。
また、蛇腹部は供給側接続管２３や回収側接続管２４の長手方向において複数箇所設けるようにしてもよい。

また、供給側接続管２３や回収側接続管２４の全部または一部をゴム系材料のように変形可能な弾性材料により形成して配管部としてもよい。
この場合、複数の電池セル１１を熱交換器１３とともに加圧し、加圧方向における熱交換器１３の位置ずれが生じるとき、弾性材料により形成された配管部は弾性変形する。
配管部は熱媒体配管における配管部を除く部位よりも弾性変形しやすいため、配管部の弾性変形により、供給管２１、回収管２２および熱交換器１３における変形が防止される。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る電池パックについて説明する。
図６に示す電池パック４０は、第１の実施形態と同じ構成の電池セル１１を備えるが、熱交換器４１および熱媒体配管の構成が第１の実施形態と異なる。
熱交換器４１は、熱伝導性に優れた金属材料（アルミニウム、銅等）により中実の板状に形成されている。
熱交換器４１は略方形の本体部４２と、本体部４２から延設された一対の突片部４３を有する。
本体部４２の板面は電池セル１１の平坦面１２と同じ大きさに形成され、電池セル１１の平坦面１２と当接している。
熱交換器４１は、電池セル１１と平坦面１２の当接により電池セル１１と熱的と接続されている。
突片部４３は本体部４２と同じ板厚であり、互いに平行に配置されており、各突片部４３の先端寄りには、嵌合孔４４が形成されている。

各突片部４３の嵌合孔４４には、熱媒体を供給する供給管４５がそれぞれ嵌合されて固定されている。
一方の供給管４５は各熱交換器４１の一方の突片部４３を貫通し、他方の供給管４５は各熱交換器４１の他方の突片部４３を貫通している。
各供給管４５の配管方向は、電池セル１１の配列方向と同じであって、電池セル１１の加圧方向と同方向でもある。

一方の供給管４５において、電池セル１１の配列方向における突片部４３と突片部４３との間の部位は、蛇腹構造の管壁による蛇腹部４６が設けられている。
本実施形態の蛇腹部４６は配管部に相当し、配管方向への伸縮が可能である。

本実施形態では、供給管４５は互いに独立して熱媒体を通すようにしており、熱媒体の流れる方向は同じである。
供給管４５を流れる熱媒体は熱交換器４１と熱交換を行い、熱交換器４１は電池セル１１と熱交換を行い、熱交換器４１と電池セル１１との熱交換により、電池セル１１の冷却や加熱といった温度調節が行われる。

本実施形態の電池パック４０では、複数の電池セル１１が配列方向に加圧されているとき、予め設定した配列方向の位置に熱交換器４１の位置を合わせることが難しい。
例えば、図７に示すように、熱交換器４１（実線により図示）が、電池セル１１の加圧により、予め設定された熱交換器４１の位置（二点鎖線により図示）から位置ずれする状態では、位置ずれに相当するだけ蛇腹部４６が配列方向へ収縮して変形する。
蛇腹部４６が配列方向へ伸縮して変形することにより、熱交換器４１および供給管４５の変形を促す力は抑制される。
なお、図７において変形前の蛇腹部４６の状態を二点鎖線により示す。
因みに、加圧後において予め設定された熱交換器４１の位置に熱交換器４１が達しない位置ずれの場合、蛇腹部４６が伸張する変形となる。

本実施形態では、複数の電池セル１１を熱交換器４１とともに加圧し、熱交換器４１と供給管４５との加圧方向における位置ずれが生じるとき、蛇腹部４６は加圧方向に変形する。
従って、蛇腹部４６は加圧方向にのみ変形する構造であればよく、加圧方向以外の方向の変形を考慮する必要がない。
また、簡単な構成の蛇腹部４６により配管部の加圧方向にのみ変形する構造を実現することができる。

なお、本実施形態でも、蛇腹部４６を変形可能な配管部としたが、蛇腹部４６の配管部に代えてゴム系材料などの弾性材料に形成された配管部としてもよい。
配管部の材料を、弾性変形可能な材料とすることにより、配管部の加圧方向にのみ変形する構造を実現することができる。
あるいは、供給管４５における突片部４３と突片部４３との間の部位をＵ字状に屈曲した配管部とし、Ｕ字状の形状から配列方向に変形可能な配管部としてもよい。
また、供給管における突片部４３と突片部４３との間の部位をコイル状に形成した配管部としてもよい。
Ｕ字状やコイル状の配管部とした場合も配管部は加圧方向に変形することができる。

上記の実施形態は、本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、下記のように発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。
○ 上記第１、第２の実施形態では、電池セルの間に熱交換器が配置される電池パックとしたが、必ず電池セルの間に熱交換器を配置しなくてもよい。例えば、複数の電池セルが平坦面を互いに当接して配列されることにより形成された電池モジュールとし、電池モジュールの両端の電池セルにおける外側の平坦面にのみ熱交換器を配置してもよい。あるいは、例えば、電池セル２個毎に熱交換器１個を配置して複数の熱交換器を備えるようにしてもよい。熱交換器については、複数の電池セルから構成される電池モジュールにおいて、電池セルの平坦面に当接する熱交換器が２個以上配置されていればよい。
○ 上記の第１、第２の実施形態では、電池パックにおける電池セルの数を４個としたが、電池セルの数は２個以上であればよく、例えば、電池セルが２０〜３０個程度配列される電池パックであってもよい。
○ 上記の第２の実施形態では、熱交換器は供給管を通る熱媒体との伝熱による熱交換を行うとしたが、熱交換器の本体および突片部に内部流路を設けて、第１の実施形態のように、熱交換器に熱媒体を通すようにしてもよい。この場合、熱交換器における一方の突片部に供給管を接続し、他方の突片部に回収管を接続すればよい。
○ 第１、第２の実施形態では、金属材料により形成された熱交換器を例示したが、熱交換器の材料は熱交換可能な材料であればよく、例えば、セラミックスや高い熱伝導性を有する高熱伝導樹脂により熱交換器を形成してもよい。
○ 第１、第２の実施形態では、熱交換器は略方形の平坦面を有する形状としたが、熱交換器の形状は略方形に限定されず、どのような形状であってもよい。例えば、熱交換器の平坦面は円形状や三角形状であってもよい。
○ 第１、第２の実施形態では、熱交換器は電池セルの平坦面と同じ大きさの平坦面を有する形状としたが、熱交換器は電池セルの平坦面と同じ大きさでなくてもよい。例えば、熱交換器は電池セルの平坦面より大きくても小さくてもよい。
○ 第１の実施形態では、配管部を熱交換器の供給管側接続管および回収管側接続管にそれぞれ設けるようにしたが、配管部を供給管側接続管および回収管側接続管のいずれか一方のみ設けるようにしてもよい。
○ 第２の実施形態では、一方の供給管および他方の供給管に配管部をそれぞれ設けるようにしたが、配管部を一方の供給管および他方の供給管のいずれか一方のみ設けるようにしてもよい。

１０、４０電池パック
１１電池セル
１２平坦面
１３、４１熱交換器
１４平坦面
１５内部流路
２１、４５供給管
２２回収管
２３供給側接続管
２４回収側接続管
２５、２６、４６蛇腹部
３１正極
３２負極
３３セパレータ
３４正電極
３５負電極
３６箱型ケース
４２本体部
４３脚部
４４嵌合孔

Claims

複数の電池セルと、
前記複数の電池セルと熱的に接続される熱交換器と、
前記熱交換器に熱媒体を供給する熱媒体配管と、を備え、
前記熱媒体配管は変形可能な配管部を有することを特徴とする電池パック。
前記配管部は、前記複数の電池セルの膨張を防止するために前記複数の電池セルに加圧される加圧力により変形することを特徴とする請求項１記載の電池パック。
前記熱媒体配管は、
前記熱交換器と離れて配置される主配管と、
前記主配管と前記熱交換器とを接続する接続管を有し、
前記接続管は前記配管部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の電池パック。
前記配管部は、蛇腹構造の管壁により形成された蛇腹部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の電池パック。
前記配管部は、弾性変形可能な材料により形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の電池パック。
前記熱媒体配管の配管方向は、前記加圧力の加圧方向と同方向であり、
前記配管部は加圧方向に変形可能であることを特徴とする請求項２記載の電池パック。
前記配管部は、蛇腹構造の管壁により形成された蛇腹部を有することを特徴とする請求項６記載の電池パック。
前記配管部は、弾性変形可能な材料により形成されていることを特徴とする請求項６又は７記載の電池パック。