JP2013051100A - バッテリ温調用モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 大型化を招くことなく効果的に温調可能なバッテリ温調用モジュールを提供すること。
【解決手段】 本発明のバッテリ温調用モジュールにあっては、周辺部に対して肉厚の中央部を有するバッテリセルと、冷媒通路を有する枠体との間に形成される空間に冷媒を流通させることとした。
【選択図】 図７

Description

本発明は、バッテリの温度を調節可能なバッテリ温調用モジュールに関する。

特許文献１には、内部に組電池が収納された容器内に冷却液を充填し、この冷却液をポンプで循環させることにより組電池を冷却するバッテリ温調用モジュールが開示されている。

特開２００３−３４６９２４号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術にあっては、電極タブ部を含む組電池全体を冷却液に浸漬させているため、容器の大型化や冷却液の流量の増大など、モジュールの大型化を招くという問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、大型化を招くことなく効果的に温調可能なバッテリ温調用モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のバッテリ温調用モジュールにあっては、周辺部に対して肉厚の中央部を有するバッテリセルと、冷媒通路を有する枠体との間に形成される空間に冷媒を流通させることとした。

よって、バッテリセル全体を浸漬することなく枠体との間に形成される空間を利用するため、バッテリを効果的に温調しつつモジュール全体の小型化を図ることができる。

実施例１のバッテリ温調モジュールを備えたモジュール缶の外観図である。 実施例１のモジュール缶の分解斜視図である。 実施例１のバッテリセルの分解斜視図である。 実施例１のモジュール缶のＡ−Ａ断面図である。 実施例１のモジュール缶のＢ部拡大部分断面図である。 実施例１のモジュール缶のＣ−Ｃ断面図である。 実施例１のモジュール缶のＤ−Ｄ断面図である。 変形例１のモジュール缶のＤ−Ｄ断面図である。 変形例２のモジュール缶のＤ−Ｄ断面図である。 単位質量当たりの伝熱性能を表す特性図である。

図１は実施例１のバッテリ温調モジュールを備えたモジュール缶の外観図である。モジュール缶（バッテリ収納容器）は、直方体の有底形状であって内部にバッテリセル８を収容するモジュール缶胴部１と、モジュール缶胴部１を閉塞するモジュール缶蓋部６とを有する。モジュール缶蓋部６は、モジュール缶胴部１内にバッテリセル８を収容した後にモジュール缶胴部１のヘリ部７にレーザー溶接等により溶着され、モジュール缶を密封する。モジュール缶蓋部６には、プラス電極２とマイナス電極３を貫通するための貫通孔６ａが形成されており、この貫通孔６ａから突出するように略円柱形状のプラス電極２とマイナス電極３とが設けられている。貫通孔６ａには、例えばＯリング等が設けられ、液密性を確保している。

モジュール缶胴部１の短側面には冷却液をモジュール缶胴部１内に流入させる入り口パイプ４と、モジュール缶胴部１内に収容されたバッテリセル８から抜熱した後の冷却液が流出する出口パイプ５とを有する（流通手段）。冷却液は、図示しない温調システムで温調された後、適正な温度と流量で該モジュール缶に還流される。図２は実施例１のモジュール缶の分解斜視図である。モジュール缶は密封缶構造となっており、外部への冷却液の流出を回避する構造とされている。

図３は実施例１のバッテリセルの分解斜視図である。バッテリセル８は、板状であって電極タブ１５を有する複数のラミネートセル９と、これらラミネートセル９の周辺部を覆うサイズに形成された枠形状のセルホルダ１０，１１，１２，１３，１４（枠体）とを交互に組み合わせて構成されている。ラミネートセル９（バッテリセル）は、ラミネートパックにより圧着された周辺部９ａと、周辺部９ａに対して肉厚の中央部９ｂとを有する。セルホルダ１０〜１４は、樹脂等の絶縁体で形成され、電極タブ１５と接触する部位には、通電部材１６，１７が選択的に一体成形されている。これにより、ラミネートセル９を電気的に直列あるいは並列に接続している。電気的接続方法の詳細については後述する。

セルホルダ１０〜１４には、入り口パイプ４及び出口パイプ５の開口位置に対応する位置に凹み部１８が形成されている。この凹み部１８の底部略中央にはラミネートセル９側へ貫通する流通孔１９が形成されている。ラミネートセル９を積層して組み合わせたときに両端に位置するセルホルダ１０，１４（積層方向外側に位置する枠体）には、積層方向内側に向けてラミネートセル９を圧迫して保持する板バネ２０（バネ部材）が一体形成されている。ラミネートセル９及びセルホルダ１０〜１４を積層して組み合わせたバッテリセル８の寸法は、モジュール缶胴部１に対して締まり嵌めとなる寸法に設計され、圧入によりラミネートセル９に与圧がかかるように構成されている。

図４は実施例１のモジュール缶のＡ−Ａ断面図である。プラス電極２と通電部材１６とは一体となっており、通電部材１６とラミネートセル９の電極タブ１５とは電気的に接触するように積層される。この通電部材１６のラミネートセル他端側に設けられた電極タブ１５は、通電部材１７と接触し、隣のラミネートセル９のタブ電極に電気的に接続されるよう構成されている。以下、同様に実施例１の場合は４枚のラミネートセル９が直列に接続され、最終的にマイナス電極３に接続される。

このように、セルホルダ１０〜１４とラミネートセル９とを積層すると同時に、電気的な接合も可能であり、部品点数と組み付け工数を大幅に削減することができる。また、モジュール缶からはプラス電極２とマイナス電極３のみが貫通することになるので、液密性の確保が容易である。更に、セルホルダ１０〜１４とモジュール缶との間を接着剤等で接着することにより、液密性を更に向上できる。尚、板バネ２０は端部のセルホルダ１０，１４に一体成形されており、積層する際にラミネートセル９を圧迫するよう構成されている。

図５は実施例１のモジュール缶のＢ部拡大部分断面図である。通電部材１７とラミネートセル９の電極タブ１５が電気的に接触する一方、ラミネート溶着端部２１（周辺部９ａと電極タブ１５との接合部）を挟み込むように、もしくは覆うようにセルホルダ１０〜１４が積層される。更に、セルホルダ１０〜１４とラミネート溶着端部２１との隙間を埋めるように電気絶縁性の充填接着剤２２が充填されて封止される。これにより、ラミネートセル９の端部のシール性を充填接着剤２２により補強することができると共に、ラミネートセル９とセルホルダ１０〜１４の間に冷却液通路２３（枠体とバッテリセルとの間に形成される空間）が形成される。また、充填接着剤２２を用いることで、通電部材１６，１７と電極タブ１５との接触を優先した寸法設計が可能であり、電気的接続を容易に確保することができる。

図６は実施例１のモジュール缶のＣ−Ｃ断面図である。入り口パイプ４から流入した冷却液は、冷却液通路２３（図５参照）を通ってラミネートセル９を冷却し、出口パイプ５から流出する。冷却液は、ラミネートセル９の縁部全周、ひいては電極タブ１５の近傍を通流する。ラミネートセル９の中央部には冷却液は接触しないが、ラミネートセル９の平面方向の熱伝導率が大きいため、ラミネートセル９の周辺部に直接接触する冷却液によって冷却が可能である。また、電極タブ１５の周囲を冷却することで、少ない液量で効果的に冷却可能としている。

図７は実施例１のモジュール缶のＤ−Ｄ断面図である。入り口パイプ４から流入した冷却液は、セルホルダ１０〜１４に設けられた凹み部１８で圧力を回復し、流通孔１９を通って各冷却液通路２３内に流入する。これにより、複数あるセル周囲への冷却流量が均等化される。実施例１では、モジュール缶内の気液分離性の確保とコンパクト化のため、入り口パイプ４と出口パイプ５が同じ側の鉛直上方に設けられている。そこで、入り口パイプ４及び出口パイプ５側の冷却通路の高さ方向長さ２４は、ラミネートセル９を介して反対側の冷却通路の高さ方向長さ２５よりも短く形成されている。これにより、入り口パイプ４から直ぐに出口パイプ５へ抜ける冷却液流量（図６中の矢印アで示す流れ参照）よりも電極タブ１５近傍を通ってラミネートセル９の下部を冷却し、反対側の電極タブ１５を冷却してから出口パイプ５へ至る経路の冷却液流量（図６中の矢印イで示す流れ参照）の方が多くなるように設定されている。

〔変形例１〕
次に実施例１の変形例１について説明する。基本的な構成は実施例１と同じであるため、異なる点についてのみ説明する。図８は変形例１のモジュール缶のＤ−Ｄ断面図である。変形例１のモジュール缶にあっては、冷却液を分配する凹み部１８からモジュール缶胴部１と板バネ２０との間の空間に冷却液を流入させる流通孔２６（冷媒を流通させる通路）を追加している点が実施例１とは異なる。これにより、ラミネートセル９中央部の冷却も可能となり、冷却性能が更に向上する。ここで、該セル中央部に流入する冷却液量が多すぎると、電極タブ周辺の冷却液流量が低下するおそれがあるため、中央部からの伝熱量増大とのバランスを考慮する必要がある。そこで、これらを総合的に判断し、伝熱性能が向上するよう、流通孔２６の開口面積は、他の流通孔１９よりも小さく設定されている。

〔変形例２〕
次に変形例２について説明する。基本的な構成は実施例１と同じであるため、異なる点についてのみ説明する。図９は変形例２のモジュール缶のＤ−Ｄ断面図である。変形例２のモジュール缶にあっては、モジュール缶胴部１と板バネ２０との間の空間に、熱伝導性が良好で、かつ柔軟性のある材料（例えば熱伝導ゲル材）を埋め込んだものである。これにより、変形例１のように冷却液の流通を行なわせなくても、セル中央部から抜熱することができ、電極タブ周囲の熱伝導性能を維持しつつ、更に性能向上が可能となる。

次に、上記実施例１，変形例１，２と比較例との効果について図面に基づいて説明する。尚、比較例とはバッテリセル全体を冷媒の中に浸漬したタイプであり、特許文献１に記載されているものに相当する。図１０は単位質量当たりの伝熱性能を表す特性図である。横軸は質量の逆数であり、縦軸は伝熱性能であり、図１０中の右上に行くほど良好な特性が得られることを意味する。ここで、実施例１の効果について列挙する。
（Ａ）冷却液量を少なく出来る。
電極タブ１５をセルホルダ１０〜１４で覆っているため、冷却液通路が削減され、冷却液量を少なく出来る。セルホルダ１０〜１４は樹脂等の絶縁体で形成されているため、密度は冷却液に対して小さい。

（Ｂ）軽量の冷却液を使用できる。
従来技術は電極タブも液に浸かっているため、高い絶縁性の冷却液にする必要がある。高絶縁冷却液としては、フッ素系液体が挙げられるが、密度はかなり大きい。一方、実施例１では電極タブ１５をシールしているため、例えばシリコンオイルなどの軽量オイルを使用することができる。尚、シリコンオイルはフッ素系液体と比べると密度は約半分である。

（Ｃ）電極タブ周囲の冷却液流速が向上する。
実施例１では、ラミネートセル９の周辺部９ａに、特にタブ近傍を集中的に冷却できるよう、冷却液を通流させる構成としているため、ここでの熱伝達係数が向上する。従来技術では、全体を浸漬しているので、タブ周りなど冷却したい箇所の冷却液流量が確保できているとは限らない。特に、電極タブ周りは部品が集中して構造が複雑になっているので、冷却液は滞留傾向にあるからである。

（Ｄ）冷却液の熱物性が向上する。
上記（Ｃ）と同様の理由により、熱物性の高い冷却液を使用できる。フッ素系冷却液に比してシリコンオイル系は、比熱、熱伝導率ともに大きく、熱伝達係数を向上させることができる。

（Ｅ）ラミネートセルの熱伝導率の異方性
ラミネートセル９は、内部にシート状の電極を積層して構成しているため、セル平面方向の熱伝導率に対してセル垂直方向の熱伝導率は非常に少ない。従って、セル中央部（平面部）の面積寄与よりも、セル周辺部の面積寄与の方が大きい。実施例１にあっては、中央部９ｂが冷却液に浸漬されていないので、全体的に伝熱面積が減少するが、寄与が大きい周辺部９ａを重点的に冷却している。

すなわち、実施例にあっては、比較例に比して伝熱性能の向上と軽量化をあわせて実現することができる。また、図示しないが、体積に関しても、元々無駄スペースであったモジュール缶とラミネートセル９との間の空間を冷却液通路として利用するため、大幅な小型化が可能である。また、高価なフッ素系冷媒を使用する必要がなく、液量も削減できるので、低コスト化を図ることができる。
また、シール部を正極と負極の電極部のみとしたことと、セルホルダ１０〜１４でのシールとモジュール缶でのシールと両面でシールするため、信頼性を確保することができる。

以上説明したように、実施例１にあっては、下記の作用効果が得られる。
（１）周辺部９ａと、周辺部９ａに対して肉厚の中央部９ｂとを有するラミネートセル９（バッテリセル）と、冷媒通路１９を有し、ラミネートセル９の周辺部９ａを覆う複数のセルホルダ１０〜１４（枠体）と、セルホルダ１０〜１４を積層し、その間にラミネートセル９を配置すると共に、セルホルダ１０〜１４の冷媒通路を介してセルホルダ１０〜１４とラミネートセル９との間に形成される空間に冷媒を流通させる入り口パイプ４及び出口パイプ５（流通手段）と、を備えた。
よって、ラミネートセル９全体を浸漬することなくセルホルダ１０〜１４との間に形成される空間を利用するため、冷媒流量を抑制することができ、バッテリを効果的に温調しつつモジュール全体の小型化を図ることができる。

（２）ラミネートセル９は、周辺部９ａに電極タブ１５を有し、セルホルダ１０〜１４は、絶縁性の材料で形成されると共に、周辺部９ａと電極タブ１５との接合部を覆うように積層される。
よって、ラミネートセル９を効果的に温調しつつ、ラミネートセル９と冷媒との電気的接触を回避することができる。

（３）セルホルダ１０〜１４は、電極タブ１５とセルホルダ１０〜１４の積層方向において重なる位置に通電部材１６を有する
よって、ラミネートセル９及びセルホルダ１０〜１４を積層した後に、別途電極タブを接合するといった工程を排除することができ、組立作業性を向上することができる。

（４）ラミネートセル９とセルホルダ１０〜１４とを収納するモジュール缶（バッテリ収納容器）を有し、通電部材１６の一部がモジュール缶から突出している。
よって、モジュール缶の内部に収容されたラミネートセル９とモジュール缶外部との電気的接続を容易としつつ、冷媒の外部への漏洩を防止することができる。

（５）積層方向外側に位置するセルホルダ１０，１４は、積層方向内側に向けてラミネートセル９を与圧する板バネ２０（バネ部材）を有する。
よって、ラミネートセル９の膨張を押さえる部材を別途設ける必要がなく、部品点数の削減を達成することができる。

（６）ラミネートセル９の中央部９ｂは、隣接するラミネートセル９の中央部９ｂと接触する。
よって、ラミネートセル周辺部のみに冷媒を流通させることができ、温調性能を確保しつつ冷媒量を減少させることができる。

（７）冷媒は、液体である。よって、液冷媒を用いることで、ラミネートセル９と冷媒との熱交換効率を向上することができる。

（８）変形例１にあっては、積層方向外側に位置するセルホルダ１０，１４は、板バネ２０とモジュール缶との間に冷媒を流通させる通路を有する。
よって、中央部９ｂからの抜熱を期待できるため、実施例１よりも伝熱性能が向上する。ここで、電極タブ１５の周縁部の冷媒流量が大きく落ちないよう、中央部９ｂにいたる流量を少なく出来るように構成しているため、電極タブ１５の伝熱性能を確保しつつ、中央部９ｂからの伝熱経路を追加できる。尚、質量については実施例１よりも増加するが、電極タブ周縁部の液量を削減できること、軽量の冷却液が使用できることから、比較例よりも軽量化が可能である。

（９）変形例２にあっては、板バネ２０とモジュール缶との間に熱伝導性及び柔軟性を有する部材を有する。
よって、電極タブ周囲の冷却液流量を維持したまま、中央部９ｂからの伝熱経路を追加できるので、伝熱性能は変形例１よりも向上できる。一方、一般に柔軟性のある伝熱体は密度が高いものが多く、質量は変形例１よりも大きくなる。しかしながら、フッ素系冷却液を用いることで、冷却液量が多い比較例よりも軽量化を図ることができる。

（１０）モジュール缶の内寸法は、バッテリセル８の外形寸法に対して締まり嵌めとなるように設定されている。よって、バッテリセル８における通電部材１６，１７と電極タブ１５との電気的接続性及び絶縁性のセルホルダ１０〜１４同士のシール性を確保できる。

（１１）セルホルダ１０〜１４とラミネート溶着端部２１との隙間を埋めるように電気絶縁性の充填接着剤２２を充填して封止する。これにより、ラミネートセル９の端部のシール性を充填接着剤２２により補強することができる。また、充填接着剤２２を用いることで、通電部材１６，１７と電極タブ１５との接触を優先した寸法設計が可能であり、電気的接続を容易に確保することができる。

以上、実施例及び変形例に基づいて本発明を説明したが、上記実施形態に限らず、他の構成であっても本発明に含まれる。例えば、実施例では、バッテリセル８の冷却をメインに説明したが、冷却に限らず、加温する場合であっても同様に適用可能である。

１ モジュール缶胴部
２ プラス電極
３ マイナス電極
４ 入口パイプ
５ 出口パイプ
６ モジュール缶蓋部
６ａ 貫通孔
８ バッテリセル
９ ラミネートセル
９ａ 周辺部
９ｂ 中央部
１０，１１，１２，１３，１４ セルホルダ
１５ 電極タブ
１６，１７ 通電部材
２０ 板バネ
２２ 充填接着剤
２３ 冷却液通路

Claims (9)

1. 周辺部と、周辺部に対して肉厚の中央部とを有するバッテリセルと、
   冷媒通路を有し、前記バッテリセル周辺部を覆う複数の枠体と、
   前記複数の枠体を積層し、その間にバッテリセルを配置すると共に、前記枠体の冷媒通路を介して前記枠体と前記バッテリセルとの間に形成される空間に冷媒を流通させる流通手段と、
   を備えたことを特徴とするバッテリ温調用モジュール。
2. 請求項１に記載のバッテリ温調用モジュールにおいて、
   前記バッテリセルは、前記周辺部に電極タブを有し、
   前記枠体は、絶縁性の材料で形成されると共に、前記周辺部と前記電極タブとの接合部を覆うように積層されることを特徴とするバッテリ温調用モジュール。
3. 請求項２に記載のバッテリ温調用モジュールにおいて、
   前記枠体は、前記電極タブと前記枠体の積層方向において重なる位置に通電部材を有することを特徴とするバッテリ温調用モジュール。
4. 請求項３に記載のバッテリ温調用モジュールにおいて、
   前記バッテリセルと前記枠体とを収納するバッテリ収納容器を有し、
   前記通電部材の一部が前記バッテリ収納容器から突出していることを特徴とするバッテリ温調用モジュール。
5. 請求項１ないし４いずれか一つに記載のバッテリ温調用モジュールにおいて、
   積層方向外側に位置する前記枠体は、積層方向内側に向けて前記バッテリセルを与圧するバネ部材を有することを特徴とするバッテリ温調用モジュール。
6. 請求項５に記載のバッテリ温調用モジュールにおいて、
   積層方向外側に位置する前記枠体は、前記バネ部材と前記バッテリ収納容器との間に冷媒を流通させる通路を有することを特徴とするバッテリ温調用モジュール。
7. 請求項５に記載のバッテリ温調用モジュールにおいて、
   前記バネ部材と前記バッテリ収納容器との間に熱伝導性及び柔軟性を有する部材を有することを特徴とするバッテリ温調用モジュール。
8. 請求項１ないし７いずれか一つに記載のバッテリ温調用モジュールにおいて、
   前記バッテリセルの中央部は、隣接するバッテリセルの中央部と接触することを特徴とするバッテリ温調用モジュール。
9. 請求項１ないし８いずれか一つに記載のバッテリ温調用モジュールにおいて、
   前記冷媒は、液体であることを特徴とするバッテリ温調用モジュール。

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