JP2012238603A - 電池パック及び電池パック用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失の発生を軽減して均一な電池の冷却を図る。
【解決手段】電池パックは、複数の電池セル１と、複数の電池セル１を所定の隙間で互いに積層状態に配置した状態で、各電池セル１同士の間に配置される絶縁性のセパレータ１０と、を備える電池パックであって、セパレータ１０は、冷却気体を通過させるための気体通路を複数条設けており、気体通路は、冷却空気の入口及び出口を、電池セル１を積層した電池ブロックの側面側に開口しており、さらにセパレータ１０は、気体通路の少なくとも入口部分の流路断面が中央部分と比べて大きくなるように、電池ブロックの側面側の両端部に肉厚が薄い薄肉領域を形成している。これにより、入口及び出口近傍で冷却気体をよりスムーズに案内、排出でき、この部分における冷却気体の圧力損失を低減して入口側と出口側とで圧力差を低減し、冷却能力を一定に近付けることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、車載用電源装置などに利用される電池パック及びこれに使用される電池パック用セパレータに関する。

車両用の電源装置は、多数の素電池（電池セル）を直列に接続して出力電圧を高く、出力電力を大きくしている。この電源装置は、大電流で充放電されるので電池の温度が上昇する。また、極めて高温な環境でも使用されることから、電池を強制的に冷却する必要がある。現在のハイブリッドカーに搭載される電源装置は、電池に冷却用の空気をファンで強制的に送風して冷却している。この構造の電源装置は、空気を介して電池を冷却するので、電池温度が異常に上昇したときに速やかに冷却するのが難しい。また、熱容量の小さい空気を送風して冷却するので、多数の電池を均一な温度に冷却するのが難しい。

この欠点を解消する電池パックとして、図１に示すように電池セル７１同士の間に配置するセパレータ７０に冷却空気路７２を設け、この冷却空気路７２に冷却空気を送風して冷却する構造が開発されている（特許文献１参照）。このような構造の電池パックは、図２の平面図に示すように、電池パックの一方の側面（図２において下側）に電池セル７１の積層方向に沿って設けた空気ダクト７４に冷却空気を送風し、この冷却空気を分岐させ、各電池セル７１同士の間に形成された冷却空気路７２を通過させて、電池パックの反対側の側面（図２において上側）に集めて外部に排出している。

特開２００４−３６２８７９号公報

しかしながら、この構成では各電池セル７１に対し、温度むらができないように均一に冷却することが困難であった。それは、冷却空気路７２の入口側に冷却空気を導入する際、及び出口側から排出する際に圧力損失が生じ、この圧力差のため入口側と出口側とで冷却能力に差が生じるからである。出口側の冷却能力が入口側の冷却能力よりも劣るため、電池セル７１の両側で冷却性能に部分的な能力差が生じ、均一な冷却を発揮できない。特に、ファンなどで強制的に冷却空気を入口側に送出する、いわゆる押し込み型で冷却空気を流す場合は、入口が狭いと冷却空気が詰まる傾向にある。

さらに電池パックは、近年の小型化の要求のため、電池セル間の隙間を大きく取ることができず、冷却空気路は極めて狭小のスリット状となる一方で、多数の冷却空気路に対して冷却空気を供給する空気ダクトの口径は大きくなるため、両者の断面積差が大きくなる結果、圧力損失も増大する。加えて、図２に示すように空気ダクトは電池セルの積層方向に伸びる一方、冷却空気路はこれと直交する方向に延長されているため、空気の搬送経路が直交することとなり、このため冷却空気路入口近傍で乱流が発生しやすくなる。同様に出口側でも乱流が発生しやすくなり、圧力損失がさらに増大する。

本発明は、このような問題点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の一の目的は、圧力損失の発生を軽減してより均一な電池の冷却を図った電池パック及び電池パック用セパレータを提供することにある。

本発明の電池パックは、複数の電池セルと、前記複数の電池セルを所定の隙間で互いに積層状態に配置した状態で、各電池セル同士の間に配置される絶縁性のセパレータと、を備える電池パックであって、前記セパレータは、冷却気体を通過させるための気体通路を複数条設けており、前記気体通路は、冷却空気の入口及び出口を、電池セルを積層した電池ブロックの側面側に開口しており、さらに前記セパレータは、気体通路の少なくとも入口部分の開口面積が広くなるように、電池ブロックの側面側の端部に肉厚が薄い薄肉領域を形成してなることを特徴とする。

または、複数の電池セルと、前記複数の電池セルを所定の隙間で互いに積層状態に配置した状態で、各電池セル同士の間に配置される絶縁性のセパレータと、を備える電池パックであって、前記セパレータは、冷却気体を通過させるための気体通路を複数条設けており、前記気体通路は、冷却空気の入口及び出口を、電池セルを積層した電池ブロックの側面側に開口しており、さらに前記セパレータは、気体通路の入口及び出口部分の開口面積が広くなるように、電池ブロックの側面側の両端部に肉厚が薄い薄肉領域を形成してなることを特徴とする。

前記気体通路は、電池ブロックの側面を貫通するように、直線状に、複数条が平行に設けられてなることが好ましい。

また、前記気体通路は、前記セパレータの表面に凹凸を複数条形成することで、電池セルの表面で凹部の開口が閉塞されて断面矩形状の気体通路が形成されてなることが好ましい。

さらに、前記電池セルが外形を略角形としていることが好ましい。

または、前記電池セルが外形を円筒形としていることが好ましい。

本発明のセパレータは、電池パックを構成する複数の電池セル同士の間に挿入されてこれらを絶縁する絶縁性のセパレータであって、前記セパレータは、冷却気体を通過させるための気体通路を複数条設けており、前記気体通路は、冷却空気の入口及び出口を、電池セルを積層した電池ブロックの側面側に開口しており、さらに前記セパレータは、気体通路の入口及び出口部分の開口面積が広くなるように、電池ブロックの側面側の両端部に肉厚が薄い薄肉領域を形成してなることを特徴とする。

本発明の構成によると、セパレータは、その電池ブロックの側面側に面した端部が、電池セルの隅部を除いて、肉厚を薄くするよう形成することができる。この構成によると、この部分における冷却気体の圧力損失を低減して入口側と出口側とで圧力差を低減し、冷却能力を一定に近付けることができる。また、隅部の肉厚は厚くしてセパレータの強度を維持しつつ、それ以外の部分は電池ブロック側面側近傍を薄くすることで圧力損失を低減できる。これに加えて、カット領域でなく部分的に肉厚を薄くすることで絶縁性を維持できるので、電池セル間の短絡を阻止し安全性を高めることができる等の効果を奏する。

電池セル間から冷却する電池パックを示す外観斜視図である。 電池パック間に送風する冷却空気の方向を示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係る電池パックを示す分解斜視図である。 図３のセパレータを示す斜視図である。 従来型のセパレータを使用した電池パックを示す分解斜視図である。 図５のセパレータを示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る電池パックを示す分解斜視図である。 図７のセパレータを示す斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る電池パックを示す分解斜視図である。 図９のセパレータを示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電池パック及び電池パック用セパレータを例示するものであって、本発明は電池パック及び電池パック用セパレータを以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
（実施の形態１）
図３に、本発明の実施の形態１に係る電池パック１００の分解斜視図、図４にセパレータの斜視図を、それぞれ示す。また対比のため、従来型のセパレータを使用した電池パック５００の分解斜視図を図５に、そのセパレータの斜視図を図６に、それぞれ示す。これら電池パックは、複数の電池セル１を同一姿勢で積層した電池ブロックを構成している。また電池セル１同士の間には、セパレータ１０、６０が介在される。さらに電池ブロックの両端側には、エンドプレート２０が配置され、エンドプレート２０で電池ブロックの両側を狭持した状態で、延長締結片２２にて固定される。
（電池ブロック）
図３に例示した電池パックは、車載用の電池パックであって、複数の電池セル１とセパレータ１０を交互に積層し、左右端面をエンドプレート２０で被覆して電池ブロックが構成される。具体的には、角形の電池セル１を枠状のセパレータ１０で狭持し、電池セル１の上面及び側面を露出させた状態で多段に積層する。この例では、１８つの電池セル１を主面で積層している。
（電池セル１）
電池セル１は、角形の外装缶に被覆された略矩形の角形電池が利用される。角形電池セルは、その幅よりも薄い薄型の箱状に形成され、好ましくはエッジ部分を面取りする。角形電池セルは円筒形電池と比較して効率よく配置でき、単位体積当たりのエネルギー密度を高くできる。特に車載用途では省スペース化の要求が高く、好ましい。ただ、用途やスペースに応じて円筒形電池も利用できることはいうまでもない。このような電池セルには、リチウムイオン二次電池等、角形の二次電池が利用できる。またニッケル電池等の他、一次電池としてもよい。各電池セル１の出力端子２は、直列又は並列に結線される。さらに電池パックの端部で制御回路（図示せず）に接続され、制御回路によって各電池セル１の電圧、電流、温度等を測定し、電池容量及び必要充放電量等を決定して、充放電等の制御が行われる。

電池セル１は、側面を面取りした角形の外装缶の上面から、正負の出力端子２を突出させている。出力端子２を突出させる位置は、正極と負極が外装缶の主面で、左右対称となる位置に設定される。これにより、電池セル１を裏返して重ねると、正極と負極とを重ね合わせることができ、直列接続を容易に行える。出力端子２はそれぞれ断面Ｌ字状に折曲
される。このとき、図３等に示すように正負の出力端子２は互いに逆方向に折曲されており、隣接する電池セル１との間で出力端子２の折曲した片（折曲面）の端面が対向すると共に、電池セル１を積層した状態で端面同士が所定の距離、離間されるように設計される。出力端子２は、それぞれ断面Ｌ字状に折曲され、さらに折曲部には連結穴を開口しており、この連結穴に連結ボルトを挿通することで互いに積層される折曲部を連結できる。これにより、隣接する電池間で正極と負極を直接接続して、複数の電池を直列に接続している。ただ、出力端子２は、金属板のバスバーを接続して、隣接する電池セルを直列に接続することもできる。以上のように、電池セル１を直列に接続する電源装置は、出力電圧を高くして出力を大きくできる。ただし、電源装置は、電池セル１を並列と直列に接続することもできる。

電池セル１の外装缶を構成する角形ケースは、有底筒状の外装缶の開口部分から巻き電極５を挿入し電解液を注入した後、封口板で開口部分を閉塞し、レーザ溶接等により封止する。この角形ケースは、熱伝導性に優れた金属で構成される。封口板には、安全弁が設けられており、バッテリが異常な状態で充放電されると安全弁が開弁して電解液を排出する。またこの電池セル１は、出力端子２の周囲を囲むように直立された端子リブが形成されており、これにより外装缶内部の電解液が出力端子２の周囲から漏洩しても、不用意に拡散する事態が阻止される。
（セパレータ１０）
電池セル１は、図３、図５等に示すようにその両面からセパレータ１０で挟み込むようにして外部を被覆される。セパレータ１０は、四隅が電池セル１を被覆する大きさの枠体状に構成され、電池セル１を被覆した状態で電池セル１の両側面及び上下端面を露出させ、四隅部を被覆する。また隣接するセパレータ１０との間で、隅部ＳＢ同士を当接させて積層される。セパレータ１０は耐熱性、断熱性に優れた部材で構成され、好ましくは軽量で安価な樹脂により形成される。例えば熱伝導率の小さい（望ましくは０．５Ｗ／ｍ以下）、ポリプロピレン、ポリウレタン等の合成樹脂が利用できる。これにより、セパレータ１０で電池セル１を保護すると共に、隣接する電池セル１同士を絶縁し断熱する。

またセパレータ１０の表面には、断面を凹凸状としたスリット１２が形成される。このように、セパレータ１０の表面形状自体の断面を連続した凹凸状とすることで、電池セル１の表面に接触させて凹部の開口を電池セル１表面で閉塞し、電池セル１の幅方向に貫通する気体通路を容易に形成できる。気体通路は、直線状の複数条が、電池セル１の高さ方向にほぼ一定間隔で平行に設けられる。このスリット１２を気体通路として、冷却空気等の冷却媒体を通すことにより、電池セル１を側面から冷却する。冷却媒体は、好適には空気であるが、その他の冷媒ガスも適宜利用できる。また電池ブロックの両側面には図５に示すように空気ダクト２４が配置される。空気ダクト２４は、図示しないファンなどの冷却空気送出機構を接続されて、冷却空気が空気ダクト２４に供給される。また空気ダクト２４は、電池ブロックを貫通するように側面で開口された各スリット１２と接続され、これにより図２に示すように各スリット１２に対して冷却空気が空気ダクト２４を介して送出される。
（エンドプレート２０）
以上のようにしてセパレータ１０と電池セル１を交互に重ねるようにして連結された状態の電池ブロック端面をエンドプレート２０で被覆して固定する。エンドプレート２０は、電池ブロック端面で露出する電池セル１を被覆できる大きさに形成され、両側からこれを狭持する状態に固定する。この例では、エンドプレート２０の側面に一対のネジ穴３２を突出させ、電池セル１を積層した電池パック側面に延長した延長締結片２２を通してエンドプレート２０同士を螺合により固定している。エンドプレート２０も好ましくは一体成形により成形可能な、金属製や樹脂製のものが使用できる。
（カット領域ＣＲ）
図５、図６に示す従来型のセパレータ６０は、電池セル１の主面ほぼ全面を被覆できる
形状及び大きさとしている。これに対し、図３、図４に示す実施の形態１に係るセパレータ１０は、電池セル１の主面よりも小さくなるよう、両側面で括れた形状としている。すなわち、図３に示すように電池ブロックの側面近傍では電池セル１が露出するように、凹状に切り欠いたカット領域ＣＲを形成している。このように、枠の部分すなわち隅部ＳＢを残して、電池セル１主面より内側になるようにカットしたカット領域ＣＲを形成することで、セパレータ１０の強度を維持しつつ、気体通路の入口側及び出口側を広く採り、乱流の発生などを抑制して圧力損失を低減できる。特に空気ダクトで送出された冷却空気を、細いスリットに案内する際には損失の発生が大きい。また冷却空気の進行方向が電池セル１の積層方向から、これに垂直な方向に曲げられることも損失の発生を大きくしている。このため、入口側のセパレータ１０を切り欠いたカット領域ＣＲを形成することで、気体通路の入口側に空間を確保し、冷却空気を一旦この空間に取り込んだ上で、各気体通路のスリット１２に案内されるため、圧力損失の発生が緩衝されて、よりスムーズな冷却空気の案内が可能となる。また出口側でも同様に大きく開口することで、圧力損失を低減できる。このように、凹状のカット領域ＣＲは、入口側と出口側で対称とすることが好ましい。これにより、左右いずれの側を入口（又は出口）として利用できる。このようなセパレータ１０の形状は、樹脂成型等により一体的に構成できる他、一旦矩形状に形成されたセパレータの一部を機械的に削除して形成することもできる。

また、セパレータ１０は端縁のみを一定幅で切り欠いた形状としているため、電池セル１の主面の広い部分は被覆でき、電池セル１間の絶縁が保たれる。特にカット領域ＣＲで露出する電池セルは外装缶のエッジ部分であるため、強度的にも強く、電池セルが多少膨張することがあっても、この部分での変形は少ないため、電池セル同士が接触することも回避できる。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る電池パック２００の分解斜視図を図７に、そのセパレータ１０Ｂの斜視図を図８に、それぞれ示す。以降の実施の形態において、上述した実施の形態１と同じ部材については同じ番号を付し、詳細説明は省略する。実施の形態２においては、セパレータ１０Ｂの凹状のカット領域ＣＲ２をさらに大きくし、中央が抉れを大きくした鼓型としている。具体的には、隅部ＳＢ２と、隅部ＳＢ２よりも低い位置とした中央領域ＴＲと、隅部ＳＢ２と中央領域ＴＲを結ぶ傾斜領域ＫＲとで構成される。図８の例では、中央領域ＴＲを平坦状とし、また中央領域ＴＲの長さをセパレータ１０Ｂの高さの１／３程度と、さらに傾斜領域ＫＲも平坦状としている。カット領域ＣＲ２の端縁を平坦状とすることで、セパレータ１０Ｂの形成や加工を容易にできる。ただ、この構成に限られず、例えばカット領域をなだらかな曲面状とした半円状に形成してもよい。このように、カット領域を中心が抉れるように大きくとることで、入口側、出口側両方の圧力損失を一層低減できる。
（実施の形態３）
実施の形態２の構成は、電池セルの膨張が少ない場合は、中央領域の部分で横幅の狭くなったセパレータでも、その表裏に位置する電池セルの絶縁を維持し、両者の接触を阻止できる。一方、電池セルの膨張が激しい場合は、中央領域の狭くなった横幅の部分で十分な絶縁を維持できず、セパレータの表裏に位置する電池セル同士が接触してショートする虞がある。特に、電池セルは表面に電位を持つため、安全性を高めるためには各電池セル間の絶縁を確実に維持できる構造が求められる。そこで、実施例２とは逆に中央領域でセパレータの横幅が広くなるように、左右の端縁が隅部ＳＢ３を除き凸状の曲面に形成した電池パックを実施の形態３として、図９、図１０に示す。これらの図において、図９は実施の形態３に係る電池パック３００の分解斜視図、図１０はセパレータ１０Ｃの斜視図を、それぞれ示している。これらの図に示すセパレータ１０Ｃは、中央領域ＴＲ２で突出するようにセパレータ１０Ｃを形成しているため、電池セルの主面を広い範囲でセパレータ１０Ｃにて被覆することができる。これにより電池セルの膨張が激しい場合でも、膨張をセパレータ１０Ｃで抑止して電池セル間を確実に絶縁できる。また、隅部ＳＢ３に近付く
ほど電池ブロックの端縁から遠ざかるように窪ませているため、この部分で特に気体通路の入出口側の開口を広く採ることができ、圧力損失の低減効果も発揮できる。さらにセパレータ１０Ｃの隅部ＳＢ３は残しているため、枠状のセパレータの強度は維持されて電池セルの膨張に対抗でき、加えて電池セルの隅部すなわちコーナー部分は外装缶の強度も高いため、膨張量も相対的に少なく、隅部ＳＢ３で露出した電池セルの露出部分同士が接触してショートする事態も回避できる。このように、使用する電池セルの膨張量に応じて、セパレータのカット領域の形状及び大きさ適宜選択される。

なお、上記の例ではセパレータの一部を切り欠いたカット領域を設けているが、カット領域のすべてをカットするのでなく、部分的に肉厚を薄くすることもできる。これにより、薄くした分入力側及び出力側の開口面積を広くできる一方で電池セル間の絶縁が維持されるので、安全性を向上できる。

また、上記の例では気体通路の入口側及び出口側にカット領域を形成したが、入口側にのみカット領域を形成することもできる。これにより、特に圧力損失の大きい入口側で圧力損失発生を低減でき、効果的に冷却能力を高めることができる。

本発明の電池パック及び電池パック用セパレータは、ＨＥＶ等の車載用電源装置の電池として、好適に利用できる。

１００、２００、３００、５００…電池パック
１、７１…電池セル
２…出力端子
１０、１０Ｂ、１０Ｃ、６０、７０…セパレータ
１２…スリット
２０…エンドプレート
２２…延長締結片
２４、７４…空気ダクト
７２…冷却空気路
ＣＲ、ＣＲ２…カット領域
ＳＢ、ＳＢ２、ＳＢ３…隅部
ＴＲ、ＴＲ２…中央領域
ＫＲ…傾斜領域

Claims (7)

1. 複数の電池セルと、
   前記複数の電池セルを所定の隙間で互いに積層状態に配置した状態で、各電池セル同士の間に配置される絶縁性のセパレータと、
   を備える電池パックであって、
   前記セパレータは、冷却気体を通過させるための気体通路を複数条設けており、
   前記気体通路は、冷却空気の入口及び出口を、電池セルを積層した電池ブロックの側面側に開口しており、
   さらに前記セパレータは、気体通路の少なくとも入口部分の開口面積が広くなるように、電池ブロックの側面側の端部に肉厚が薄い薄肉領域を形成してなることを特徴とする電池パック。
2. 複数の電池セルと、
   前記複数の電池セルを所定の隙間で互いに積層状態に配置した状態で、各電池セル同士の間に配置される絶縁性のセパレータと、
   を備える電池パックであって、
   前記セパレータは、冷却気体を通過させるための気体通路を複数条設けており、
   前記気体通路は、冷却空気の入口及び出口を、電池セルを積層した電池ブロックの側面側に開口しており、
   さらに前記セパレータは、気体通路の入口及び出口部分の開口面積が広くなるように、電池ブロックの側面側の両端部に肉厚が薄い薄肉領域を形成してなることを特徴とする電池パック。
3. 請求項１または２に記載の電池パックであって、
   前記気体通路は、電池ブロックの側面を貫通するように、直線状に、複数条が平行に設けられてなることを特徴とする電池パック。
4. 請求項１から３のいずれか一に記載の電池パックであって、
   前記気体通路は、前記セパレータの表面に凹凸を複数条形成することで、電池セルの表面で凹部の開口が閉塞されて断面矩形状の気体通路が形成されてなることを特徴とする電池パック。
5. 請求項１から４のいずれか一に記載の電池パックであって、
   前記電池セルが外形を略角形としていることを特徴とする電池パック。
6. 請求項１から４のいずれか一に記載の電池パックであって、
   前記電池セルが外形を円筒形としていることを特徴とする電池パック。
7. 電池パックを構成する複数の電池セル同士の間に挿入されてこれらを絶縁する絶縁性のセパレータであって、
   前記セパレータは、冷却気体を通過させるための気体通路を複数条設けており、
   前記気体通路は、冷却空気の入口及び出口を、電池セルを積層した電池ブロックの側面側に開口しており、
   さらに前記セパレータは、気体通路の入口及び出口部分の開口面積が広くなるように、電池ブロックの側面側の両端部に肉厚が薄い薄肉領域を形成してなることを特徴とする電池パック用セパレータ。

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