JP2013229266A - 組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電池２を効果的に冷却するとともに、レイアウトの自由度を高める。
【解決手段】バッテリモジュール１は、複数個の積層した偏平な電池２と、電池２の上下に配置されたエンドプレート３，４と、電池２の両端部にそれぞれ配置されたバスバーモジュール５，６と、バスバーモジュール５，６の外側に伝熱シート１１を介して重ねられた一対の伝熱プレート７と、バッテリコントローラ８と、両端部のケース９，１０と、を備えている。電池２の両端の電極タブ２１は、バスバーモジュール５，６のスリットを通してバスバー３１にそれぞれ接合される。伝熱プレート７は、集熱部４５と放熱部４６とが略Ｌ字形に連続しており、各電池２の熱は、電極タブ２１から熱伝導の形で集熱部４５へ伝わり、下面の放熱部４６において他の冷却フレームなどに放熱される。
【選択図】図２

Description

この発明は、偏平な電池を複数個積層配置してなる組電池に関し、特にその電池の冷却構造に関する。

近年の電気自動車やハイブリッド自動車の電源として用いられるリチウムイオン二次電池などにあっては、化学反応に伴う電池の温度上昇が比較的顕著であることから、電池の劣化を回避するために、一般に何らかの冷却手段が必要となる。

特許文献１は、一方の側縁に一対の電極端子が配置された偏平な電池を、その電極端子が上面に並ぶように、各電池を立てた姿勢でもって多数配列した組電池を開示している。ここで、多数の電極端子は、冷却フィンを備えたキャップ状のバスバーでもって互いに接続されており、さらに、複数列に配列したバスバーの間を覆うようにカバー状の絶縁部材が設けられいる。これらのバスバーおよび絶縁部材によって、各電池のケースとの間に、冷却風が通流する流路が構成されており、この冷却風が各電極端子の表面に沿って流れることで、各電池の冷却を図っている。

特開２００９−２７７３７８号公報

上記のような従来の構成においては、電極端子に直接に冷却風を案内するように流路を構成しているため、レイアウトの自由度が少なく、バッテリパック内に複数個の組電池を収容する際などに、各電池の姿勢や組電池の配置が制限されてしまう。また、金属製のキャップ状のバスバーおよび電極端子が実質的な放熱部となるが、各電池の厚さが薄い場合（あるいは積層数が少ない場合）には、十分な放熱面積を確保することができない。

この発明は、端部から電極タブが導出された偏平な電池が複数個積層配置され、上記端部に沿って設けられたバスバーモジュールのバスバーに、上記電極タブが接合されてなる組電池であって、集熱部および放熱部が略Ｌ字形に連続した伝熱プレートを備えている。上記集熱部は、上記電極タブ又はバスバーに接続されており、上記放熱部は、この組電池の上記端部以外の面に沿って延びている。

好ましい一つの態様では、上記電池の両端部からそれぞれ電極タブが導出されているとともに、各々の端部に上記バスバーモジュールが設けられており、これら一対のバスバーモジュールと、積層した複数の電池の両側に位置する一対のエンドプレートと、を互いに固定することによって、組電池が直方体形状に構成されている。そして、上記放熱部は、上記エンドプレートの面に沿って延びている。

すなわち、本発明においては、各電池の電極タブ（あるいは該電極タブが接合された各バスバー）から熱伝導の形でもって伝熱プレートの集熱部に熱が移動し、さらに組電池の他の面に沿って延びた放熱部から放熱される。

なお、上記伝熱プレートは一般に導電性を有する金属から構成されるので、一つの例では、上記バスバーと上記集熱部との間に、絶縁性を有する伝熱シートが介在している。この伝熱シートは、熱伝導性ならびに電気絶縁性に優れた公知の合成樹脂系ないしゴム系のシート材からなり、複数のバスバーの間の短絡を回避すると同時に、電極タブから伝熱プレートへの熱伝導を確保している。

一般に複数個の電池の温度は不均一であり、例えば、複数個積層された電池の中の中央に近いものは高温となりやすく両側に近いものは相対的に温度が低くなりやすい傾向があるとともに、発熱に個体差があるが、上記構成では、複数の電極タブが共通の冷却プレート（集熱部）に熱的に接続されるので、各電池の温度差が緩和される。そして、伝熱プレートの放熱部は、組電池のバスバーモジュール以外の任意の面に配置することができるため、放熱面積を十分に大きく確保することができ、かつ、レイアウトの自由度が高くなる。例えば、電池の積層個数が少ない場合や各電池の厚さが薄い場合でも、偏平な電池の主面と平行に放熱部を配置すれば、容易に大きな放熱面積を確保し得る。

上記の放熱部からの放熱は、例えば、周囲の空気による自然放熱のほか、強制的な冷却風の通流による冷却としてもよく、あるいは、さらに別の冷却プレートに放熱部が接するように配置し、該冷却プレートによって放熱部を冷却するようにしてもよい。

一つの態様では、車両の床下に搭載されるバッテリパック内に収容され、かつ上記バッテリパックの底面に配設した冷媒通路を備えた冷却プレート上に、上記放熱部が上記冷却プレートに接するように配置される。

この発明によれば、各電池の姿勢やバッテリパック内での組電池の配置などのレイアウトの自由度が高くなるとともに、放熱面積を大きく確保することが容易となる。従って、各電池の効果的な冷却が図れる。また、複数の電池を熱的に連結する冷却プレートを介して、複数の電池の温度をより均一にすることができる。

この発明に係る組電池の一実施例であるバッテリモジュールの斜視図。 このバッテリモジュールの分解斜視図。 このバッテリモジュールの底面側の斜視図。 積層配置した複数個の電池のみを示す斜視図。 同じく電池のみを示す側面図。 フロントバスバーモジュールの斜視図。 リアバスバーモジュールの斜視図。 バスバーモジュールとエンドプレートとを組み立てた状態の斜視図。 バスバーモジュール外側に伝熱プレートを取り付けた状態の側面図。 そのＡ部の拡大断面図。 同じくバスバーモジュール外側に伝熱プレートを取り付けた状態の斜視図。 冷却プレートの単体での斜視図。 バスバーモジュールに対するバッテリコントローラの取付状態を示す斜視図。 バッテリモジュールをさらに冷却プレートの上に配置した一実施例を示す斜視図。 この実施例の冷却プレートを示す斜視図。 バッテリモジュールをさらに冷却プレートの上に配置した他の実施例を示す斜視図。 この実施例の冷却プレートを示す斜視図。 バッテリモジュールを冷却プレートの上に配置したさらに他の実施例を示す斜視図。 複数のバスバーモジュールをバッテリパックとして構成する場合の配置例を示す斜視図。 側面に伝熱プレートの放熱部を配置したバッテリモジュールの例を示す斜視図。 このバッテリモジュールを用い、複数のバッテリモジュールをバッテリパックとして構成する場合の配置例を示す斜視図。

図１は、この発明に係る組電池つまりバッテリモジュール１の一実施例を示している。図２は、このバッテリモジュール１の分解斜視図である。

初めに、図２に基づいてバッテリモジュール１の構成要素を簡単に説明すると、このバッテリモジュール１は、複数個、例えば１０個の互いに積層配置した偏平な電池２と、この積層した電池２の下面側および上面側にさらに重ねて配置されたロアエンドプレート３およびアッパエンドプレート４と、積層した電池２の両端部にそれぞれ配置されたフロントバスバーモジュール５およびリアバスバーモジュール６と、を備えており、上記の一対のエンドプレート３，４と一対のバスバーモジュール５，６とによって、電池２を包囲する基本的な筐体が構成されている。さらにバッテリモジュール１は、上記のバスバーモジュール５，６の外側に、それぞれ伝熱シート１１を介して重ねられた一対の伝熱プレート７と、フロントバスバーモジュール５側において伝熱プレート７の外側に配置されたバッテリコントローラ８と、両端部において上記バスバーモジュール５，６や伝熱プレート７等を覆うように取り付けられるフロントケース９およびリアケース１０と、を備えている。

電池２は、長方形をなす正極、負極およびセパレータを１組ないし複数組積層し、かつラミネートフィルムを外装とした長方形状のラミネート型電池であって、図４および図５に示すように、その短辺となる両端部の中央からそれぞれ薄い金属板からなる電極タブ２１が帯状に導出されている。一対の電極タブ２１の一方は正極、他方は負極であるが、これらは基本的に同一の形状に構成されており、１０個の電池２は、正極側の電極タブ２１と負極側の電極タブ２１とが交互となるように、交互の向きで積層されている。そして、図５から容易に理解できるように、隣接する正極側の電極タブ２１と負極側の電極タブ２１とを互いに接続することで、１０個の電池２が全体として直列に接続されている。

なお、図４および図５では、電極タブ２１が折り曲げた状態で示しているが、これは、後述するようにバスバーモジュール５，６に組み付けた後の状態を示しており、上記状態では、電極タブ２１は、偏平な電池２の主面と平行に延びた平面形状をなしている。

上記電池２は、例えばリチウムイオン二次電池からなるが、本発明はこれに限らず、種々の形式の電池を利用することが可能である。

図６はフロントバスバーモジュール５の詳細を示し、図７はリアバスバーモジュール６の詳細を示している。これらのバスバーモジュール５，６は、基本的には類似した構成を有しており、図５のように配置される電極タブ２１がそれぞれ溶接やハンダ付け等によって接合される銅ないし真鍮等の金属製のバスバー３１が、矩形（略正方形）をなす合成樹脂製の基板３０に固定支持されている。例えば、一例では、基板３０の成形時にバスバー３１が一体にモールドされているが、基板３０を成形した後に何らかの手段でバスバー３１を取り付けるようにしてもよい。各バスバー３１は、基板３０の外側面つまり電池２の位置とは反対側となる面に露出しており、図５に示した正負の電極タブ２１の組み合わせの数に対応した個数の直線状のバスバー３１が互いに平行に配列されている。

具体的には、図７に示すリアバスバーモジュール６では、５個のバスバー３１があり、その上縁および下縁に沿って、各電極タブ２１が通過可能なスリット３２が貫通形成されている。また、図６に示すフロントバスバーモジュール５では、正負の電極タブ２１同士を接続するための４個のバスバー３１を備えているほか、図５に示す最上段の電極タブ２１と接続するための最上段のバスバー３１（特に符号３１Ａで示す）と、同じく図５に示す最下段の電極タブ２１と接続するための最下段のバスバー（特に符号３１Ｂで示す）と、があり、計６個のバスバー３１が存在する。このフロントバスバーモジュール５は、その上端縁にスタッドボルト等で固定された一対のモジュール端子３３を備えており、略Ｌ字形に延びた最上段のバスバー３１Ａおよび最下段のバスバー３１Ｂが、それぞれモジュール端子３３に導通している。図５から容易に理解できるように、最上段のバスバー３１Ａはその下縁に沿ってスリット３２を有し、最下段のバスバー３１Ｂはその上縁に沿ってスリット３２を有する。なお、これらのバスバー３１Ａ，３１Ｂ以外のバスバー３１は、単に隣接する正極側の電極タブ２１と負極側の電極タブ２１とを接続するものであるので、いずれも個々に独立している。

ロアエンドプレート３およびアッパエンドプレート４は、硬質合成樹脂や金属材料（鉄、アルミニウム、ステンレススティール等）からなる長方形の板状部材であって、図８に示すように、これらのエンドプレート３，４の長手方向の両端に上記バスバーモジュール５，６がネジ３５によって固定される。これにより、両側の二面４１，４１が開放された直方体形状をなす筐体４２が構成され、その内側に１０個の積層した電池２が収容される。この筐体４２によって、ラミネート型電池２が保護される。

ここで、上記のようにバスバーモジュール５，６をエンドプレート３，４に組み付けるに際して、各電池２の電極タブ２１はバスバーモジュール５，６のスリット３２に挿通される。そして、スリット３２を貫通した電極タブ２１の先端部が、図８や図４等に示すようにバスバー３１（３１Ａ，３１Ｂ）の表面に沿うように折り曲げられ、かつ溶接ないしハンダ付けによってバスバー３１（３１Ａ，３１Ｂ）表面にそれぞれ接合されている。

上記伝熱プレート７は、上記のように構成された筐体４２の外側に配置されるものであって、図１２に示すように、集熱部４５と放熱部４６とが略Ｌ字形に連続した形状をなしている。つまり、この伝熱プレート７は、例えば、アルミニウム、銅、鉄、等の熱伝導率の高い金属材料からなり、長方形状をなす１枚の金属板を略Ｌ字形に折り曲げて構成されている。上記集熱部４５は、電極タブ２１が接合された複数個のバスバー３１を覆い得る大きさの矩形状をなし、その四隅に設けられた小孔４８を介して、図９，図１１に示すように、ネジ４７によってバスバーモジュール５，６に取り付けられている。ここで、伝熱プレート７は一般に導電性を有する金属から形成されるので、各バスバー３１の間の短絡防止と接触面の微細な凹凸の吸収のために、図１０に拡大して示すように、伝熱プレート７とバスバー３１との間に、柔軟性を有する伝熱シート１１が介在している。この伝熱シート１１は、熱伝導性ならびに電気絶縁性に優れた公知の合成樹脂系ないしゴム系のシート材からなり、例えば伝熱プレート７の集熱部４５の内側面に予め貼着されている。従って、空気層を介さない熱伝導の形でもって電極タブ２１の熱が集熱部４５へ伝達される。

一方、集熱部４５に対し略９０°折れ曲がった放熱部４６は、直方体形状をなす筐体４２の残りの四面（つまりバスバーモジュール５，６に隣接する筐体４２の上面、下面および左右の開放面４１）のいずれかに沿って延びている。図示例では、図９および図３に示すように、筐体４２の下面つまりロアエンドプレート３の表面に沿って延びている。詳しくは、ロアエンドプレート３の下面に、放熱部４６に対応する矩形の凹部４９が形成されており、この凹部４９に放熱部４６が嵌合している。そして、放熱部４６の外側面つまり下面は、凹部４９周囲のロアエンドプレート３の面と実質的に同一の平面をなしている。

フロントバスバーモジュール５側の伝熱プレート７とリアバスバーモジュール６側の伝熱プレート７とは、基本的に同一の構成であり、図３から理解できるように、互いに対称に配置されている。そして、ロアエンドプレート３の下面の面積の大部分を２つの放熱部４６が占めている。

フロントケース９およびリアケース１０は、例えば合成樹脂成形品等からなり、バスバーモジュール５，６のバスバー３１等が外部に露出することがないように、各バスバーモジュール５，６の外側を覆っている。これらのフロントケース９およびリアケース１０は、単にバスバーモジュール５，６のに周囲に嵌合することで取り付けられているが、さらにネジ等で確実に固定するようにしてもよい。ここで、フロントケース９内には、前述したようにバッテリコントローラ８が収容されている。

図１３に示すように、バッテリコントローラ８は、電池２の充放電制御等のために回路基板５１上に図示せぬ回路部品やコネクタ５２を備えたものであって、回路基板５１の四隅においてネジ５３によってフロントバスバーモジュール５に固定されている。なお、回路基板５１とフロントバスバーモジュール５との間には適宜な間隙が確保されており、この間隙内に上記伝熱プレート７の集熱部４５が位置している。

上記のように構成されたバッテリモジュール１においては、電池２の充放電に伴って電池２内部で生じた熱が電極タブ２１から集熱部４５へと伝達される。この熱は、さらに集熱部４５から放熱部４６へと伝達され、該放熱部４６において外部へ放熱される。換言すれば、放熱部４６が外気等で冷却されることによって、各電池２が冷却され、電池２の温度上昇が抑制される。

ここで、上記構成では、複数の電池２の電極タブ２１が単一の集熱部４５に熱的に接続されているため、各電池２の間に温度差があった場合に、その温度差が緩和され、各電池２がより均一な温度となる。従って、電池２の発熱に個体差があったような場合でも、一部の電池２の早期劣化を回避できる。

また、放熱部４６の放熱面積がバスバーモジュール５，６の寸法に制限されず、十分に広く確保することが可能である。そして、放熱部４６を任意の位置に配置できるため、レイアウトの自由度が高くなり、例えば複数個のバッテリモジュール１を収容したバッテリパック内において、冷却が容易なように放熱部４６を配置することができる。しかも、電極タブ２１やバスバー３１から離れた位置に放熱部４６が設けられるので、放熱性能を損なうことなく、これらの電極タブ２１やバスバー３１をケース９，１０によって覆った構成とすることができ、短絡等の防止の上で有利となる。

上記の放熱部４６からの放熱は、種々の態様で行うことができる。図１４および図１５は、その一実施例を示しており、この例では、上記のようにロアエンドプレート３に放熱部４６を備えたバッテリモジュール１が、別の冷却プレート６１の上に固定されている。この冷却プレート６１は、アルミニウム合金等からなり、冷媒として冷却風が通流する空気通路６２を内部に備えているとともに、バッテリモジュール１の放熱部４６に対応する領域に、矩形の窓部６３が開口形成されている。つまり、図示せぬブロア等によって供給される冷却風が空気通路６２を通過し、かつその際に、窓部６３において空気通路６２に対し露出している放熱部４６に、冷却風が直接に接触する。これによって、放熱部４６が効果的に冷却される。

図１６および図１７は、バッテリモジュール１が搭載される冷却プレート６５の異なる実施例を示している。この実施例では、上記冷却プレート６５は、冷媒として冷却水が通流する冷却水通路６６を内部に備えており、その上面に、バッテリモジュール１の放熱部４６が接触する。この実施例では、上記冷却水通路６６に適当な温度の冷却水を循環させることで、放熱部４６の冷却ひいては電池２の冷却が行われる。

図１８は、冷媒通路を具備しない冷却プレート６８の実施例を示しており、上記冷却プレート６８の下面には、多数の冷却フィン６９が形成されている。従って、この実施例では、冷却フィン６９を介した外気への放熱によって放熱部４６が冷却される。この実施例は、冷却プレート６８の下面が例えば車両の走行風を受けるような配置とすれば、より効果的な冷却が可能である。

なお、図１４〜図１８は、一つのバッテリモジュール１のみを図示しているが、共通の冷却プレート６１，６５，６８の上に複数のバッテリモジュール１を配置し得ることは勿論である。

図１９は、電気自動車の車両床下に搭載されるバッテリパックとして、冷却プレート７１の上に複数のバッテリモジュール１を配置した場合の構成例を示している。この例では、１列に４個のバッテリモジュール１が互いに隣接して配置され、かつこの列が、僅かな間隙を空けて、３列設けられている。つまり、４×３のバッテリモジュール１の配列となっている。各バッテリモジュール１のモジュール端子３３は、適宜な電気的接続を構成するように、バスバー７２によって互いに接続されている。また、各バッテリモジュール１のバッテリコントローラ８が通信線７３によって互いに接続されている。

図示例では、冷却プレート７１は、内部に複数の冷媒通路７５を有し、冷却風もしくは冷却水が通流することによって強制的に冷却される。これによって、上述したように、放熱部４６ひいては各電池２が冷却される。なお、最終的なバッテリパックは、図示せぬパックケースを備えており、このパックケース内に上記の冷却プレート７１とともに複数のバッテリモジュール１が収容されることになる。

車両の床下に搭載されるバッテリパックの場合、バッテリパックの下面を車両走行風が流れるので、バッテリパック底部の方が上部よりも相対的に低温となる。従って、図１９に示すように冷却プレート７１を各バッテリモジュール１の放熱部４６とともにバッテリパックの底部に配置することで、各電池２をより効果的に冷却することができる。

図２０および図２１は、バッテリパックとして複数のバッテリモジュール１を配置する場合の他の構成例を示している。この例に用いられるバッテリモジュール１は、図２０に示すように、直方体形状をなす筐体４２の開放された側方の面４１に放熱部４６を備えた構成となっている。つまり、伝熱プレート７は、バスバーモジュール５，６に重なる集熱部４５から筐体４２の側方へ延びており、電池２側方の開放面４１を覆っている。

このような構成のバッテリモジュール１は、バッテリパック内部において、前述した実施例と同様に、４×３の形でもって配列されているが、この実施例では、前述した冷却プレート７１に代えて、各放熱部４６の冷却のために冷却フレーム８１が用いられている。この冷却フレーム８１は、入口側ビーム８２と、出口側ビーム８３と、これらに対し直交する方向に延びる一対の冷却ビーム８４と、から構成されており、各ビーム８２，８３，８４は、上下方向の高さ寸法が厚さ方向の寸法に比較して大きな矩形の断面形状を有し、詳しくは、バッテリモジュール１の高さにほぼ対応した高さ寸法を有している。これらのビーム８２，８３，８４内部には、入口側ビーム８２から冷却ビーム８４を介して出口側ビーム８３へと連続した冷媒通路８５が形成されており、冷却風もしくは冷却水が通流することによって強制的に冷却される。

各バッテリモジュール１は、その側面の放熱部４６が上記冷却ビーム８４の側面に接するように、各冷却ビーム８４の両側にそれぞれ配置されている。換言すれば、冷却ビーム８４を挟んで両側に配置された一対のバッテリモジュール１は、放熱部４６の位置がそれぞれ対称の関係となっており、冷却ビーム８４の両面に、それぞれ放熱部４６が接触している。

また、前述した実施例と同様に、各モジュール端子３３がバスバー７２によって互いに接続されており、かつバッテリコントローラ８が通信線７３によって互いに接続されている。

なお、図２１において、入口側ビーム８２と出口側ビーム８３の図中左上側へ突出した部分８２ａ，８３ａはなくてもよい。

このように、本発明のバッテリモジュール１は、上記の冷却プレート７１や冷却フレーム８１などの配置に対応して放熱部４６の配置を変更することができ、レイアウトの自由度が高いものとなる。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、上記実施例のバッテリモジュール１では、複数個の電池２が直列接続されるが、本発明は、複数個の電池２を並列接続したバッテリモジュールにも適用が可能である。

また、上記実施例の伝熱プレート７は、集熱部４５と放熱部４６とが１つの板状部材から構成されているが、集熱部４５と放熱部４６とを別々の板状部材から構成し、両者をネジ等で連結するようにしてもよく、さらには、別々に配置した集熱部４５と放熱部４６とをヒートパイプで熱的に連結した構成とすることもできる。

また、伝熱プレート７の放熱部４６を集熱部４５に比較して幅広の形状とし、放熱面積をより大きく確保するようにしてもよい。なお、集熱部４５は、過度に幅が広いと該集熱部４５各部の熱容量が大となり、前述した複数個の電池２の温度の均一化の上で必ずしも好ましくないので、バスバー３１の長さ（換言すれば電極タブ２１の幅）にほぼ対応した必要最小限の寸法とすることが望ましい。なお、上記伝熱プレート７として、集熱部４５の両側にそれぞれ放熱部４６を設けることもでき、つまり全体として略Ｕ字形をなすように伝熱プレート７を構成してもよい。

１…バッテリモジュール
２…電池
３…ロアエンドプレート
４…アッパエンドプレート
５…フロントバスバーモジュール
６…リアバスバーモジュール
７…伝熱プレート
８…バッテリコントローラ
９…フロントケース
１０…リアケース
１１…伝熱シート
２１…電極タブ
３１…バスバー
４５…集熱部
４６…放熱部

Claims (4)

1. 端部から電極タブが導出された偏平な電池が複数個積層配置され、上記端部に沿って設けられたバスバーモジュールのバスバーに、上記電極タブが接合されてなる組電池であって、
   集熱部および放熱部が略Ｌ字形に連続した伝熱プレートを備え、
   上記集熱部は、上記電極タブ又はバスバーに接続され、上記放熱部は、この組電池の上記端部以外の面に沿って延びていることを特徴とする組電池。
2. 上記電池の両端部からそれぞれ電極タブが導出されているとともに、各々の端部に上記バスバーモジュールが設けられており、
   これら一対のバスバーモジュールと、積層した複数の電池の両側に位置する一対のエンドプレートと、を互いに固定することによって、組電池が直方体形状に構成されており、
   上記放熱部が、上記エンドプレートの面に沿って延びていることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
3. 上記バスバーと上記集熱部との間に、絶縁性を有する伝熱シートが介在していることを特徴とする請求項１または２に記載の組電池。
4. 車両の床下に搭載されるバッテリパック内に収容され、かつ上記バッテリパックの底面に配設した冷媒通路を備えた冷却プレート上に、上記放熱部が上記冷却プレートに接するように配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の組電池。

Images