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JP5143909B2 - 放熱特性が優れたバッテリーモジュール及び熱交換部材 - Google Patents

放熱特性が優れたバッテリーモジュール及び熱交換部材 Download PDF

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JP5143909B2 JP2010532996A JP2010532996A JP5143909B2 JP 5143909 B2 JP5143909 B2 JP 5143909B2 JP 2010532996 A JP2010532996 A JP 2010532996A JP 2010532996 A JP2010532996 A JP 2010532996A JP 5143909 B2 JP5143909 B2 JP 5143909B2
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Description

発明の分野
本発明は、放熱特性が優れたバッテリーモジュール及び熱交換部材に関し、より詳しくは、連続的に積み重ねた2個以上の板形状バッテリーセルを包含するバッテリーモジュールであって、該板形状バッテリーセルのそれぞれが、カソード/セパレータ/アノード構造の電極アセンブリーが、樹脂層および金属層を包含するラミネートシートから形成されたバッテリーケース中に取り付けられており、該バッテリーセルの充電及び放電の際に該バッテリーセルから発生した熱を除去するために、複数の熱交換板、及び該熱交換板が接続されているフレームを包含する熱交換部材が、該バッテリーセルの積重構造の片側に取り付けられる構造に構築された、バッテリーモジュールに関する。
可動装置の開発が進み、そのような可動装置の需要が増加するにつれて、二次バッテリーの需要も急速に増加している。特に、高いエネルギー密度及び作動電圧、及び優れた保存及び耐用寿命特性を有するリチウム二次バッテリーが、各種の電子製品ならびに可動装置用のエネルギー供給源として広く使用されている。
二次バッテリーは、それらの外部及び内部構造に応じて、一般的に円筒形バッテリー、プリズム形バッテリー、及び小袋形バッテリーに分類される。特に、高集積度で積み重ねることができ、幅と長さの比が小さいプリズム形バッテリー及び小袋形バッテリーに非常に大きな関心が集まっている。
また、二次バッテリーは、化石燃料を使用する既存のガソリン及びディーゼル車両により引き起こされる大気汚染のような問題を解決するために開発された電気自動車及びハイブリッド電気自動車用のエネルギー供給源としても非常に大きな関心を集めている。その結果、二次バッテリーを使用する用途の種類は、二次バッテリーの長所により増加しており、今後も、二次バッテリー、現在よりも多くの用途及び製品に応用されると期待されている。
二次バッテリーを使用できる用途及び製品の種類が増加するにつれて、バッテリーが様々な用途及び製品に対応する電力及び容量を供給できるように、バッテリーの種類も増加している。さらに、対応する用途及び製品に使用されるバッテリーのサイズ及び重量を下げることが強く求められている。
例えば、小型可動装置、例えば携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント(PDA)、デジタルカメラ、及びラップトップコンピュータ、は、対応する製品のサイズ及び重量低下に応じて、各装置に1または数個の小型、軽量バッテリーセルを使用する。他方、中型又は大型装置、例えば電気自動車及びハイブリッド電気自動車、は、中型又は大型装置には高出力、大容量が必要になるので、複数のバッテリーセルを互いに電気的に接続した中型又は大型バッテリーモジュール(「バッテリーパック」と呼ぶことができる)を使用する。バッテリーモジュールのサイズ及び重量は、対応する中型又は大型装置の受け入れ空間及び電力に直接関連している。この理由から、製造業者は、小型、軽量バッテリーモジュールの製造を試みている。
一方、バッテリーセルは、バッテリーセルを積み重ねた状態で互いに接続し、バッテリーモジュールの容量を増加するので、バッテリーセルからの放熱が深刻になる。リチウム二次バッテリーの充電及び放電の際に、リチウム二次バッテリーから熱が発生する。この熱を効果的に除去しないと、熱が各々のリチウム二次バッテリー中に蓄積し、その結果、二次バッテリーの劣化が引き起こされ、二次バッテリーの安全性が大きく低下する。特に、電気自動車やハイブリッド電気自動車用の電力供給源におけるように、高速充電及び放電特性を必要とするバッテリーには、バッテリーが瞬間的に高い電力を供給する時に、大量の熱がバッテリーから発生する。
また、バッテリーモジュールに広く使用されている小袋形バッテリーセルのラミネート型バッテリーケースは、熱伝導性が低い重合体材料で被覆されているので、バッテリーの全体的な熱を効果的に下げることは困難である。
この問題に関して、例えば、日本国特許出願公開第2001−297741号明細書は、高い熱伝導率を示す金属集熱板が各々のバッテリー間に挿入され、各々の集熱板に取り付けられたヒートパイプが、バッテリーパックケースの外側に取り付けられた放熱部材に接続され、それによって、熱をバッテリーパックの外に排出する構造に構築されたバッテリーパックを開示している。しかし、開示されているバッテリーパックには、ヒートパイプと放熱部材との間の接続区域の断面積が小さく、従って、バッテリーパックケース中の熱を放熱部材に効果的に伝達するのが困難であるという欠点がある。
従って、上記の問題を根本的に解決することができる技術が強く求められている。
技術的問題
従って、本発明は、上記の問題及び他の未解決の技術的問題を解決するためになされたものである。
切断フレームに対する様々な広範囲で集中的な研究及び実験の結果、本発明者らは、複数の相互接続された熱交換板を包含する熱交換部材を、バッテリーモジュールを構成するバッテリーセルの積重構造の片側に配置した場合に、バッテリーモジュールの厚さを増加せずに、またはバッテリーモジュールの厚さ増加を最小に抑えながら、バッテリーセルの温度を効果的に制御することができることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成された。
技術的解決策
本発明の一態様により、上記の、及び他の目的は、連続的に積み重ねた2個以上の板形状バッテリーセルを包含するバッテリーモジュールであって、該板形状バッテリーセルのそれぞれが、カソード/セパレータ/アノード構造の電極アセンブリーが、樹脂層および金属層を包含するラミネートシートから形成されたバッテリーケース中に取り付けられており、該バッテリーセルの充電及び放電の際に該バッテリーセルから発生した熱を除去するために、複数の熱交換板、及び該熱交換板が接続されているフレームを包含する熱交換部材が、該バッテリーセルの積重構造の片側に取り付けられる構造に構築された、バッテリーモジュールを提供することにより、達成される。
一般的に、従来のバッテリーモジュールは、複数のバッテリーセルが、バッテリーセルが予め決められた間隔を置いて配置され、熱交換媒体通路を形成するように積み重ねられた構造に構築される。熱交換媒体通路を通って空気が流れ、バッテリーセルの過熱を防止する(「空冷型構造」)が、十分な放熱効果を達成することはできない。他方、本発明のバッテリーモジュールは、複数の熱交換板及びフレームを包含する熱交換部材がバッテリーセル積重構造の片側に取り付けられる構造に構築されるので、各々のバッテリーセル間に限定する空間を必要とせずに、あるいは各々のバッテリーセル間に限定される空間が非常に小さくても、バッテリーセル積重構造を、上記の空冷型構造よりも、高い効率で冷却し、それによって、バッテリーモジュールの放熱効率を最大限にすることができる。
すなわち、本発明のバッテリーモジュールは、熱交換部材がバッテリーセル積重構造の片側に取り付けられる構造に構築されるので、バッテリーセルの充電及び放電の際にカソード活性材料とアノード活性材料との間のイオン吸蔵/放出(deocclusion)反応によりバッテリーセルから発生した熱が熱交換部材により吸収され、次いで吸収された熱が熱交換部材によりバッテリーモジュールの外に効果的に排出される。
本発明では、バッテリーモジュールを構成する各バッテリーセルには、バッテリーセルが充電及び放電可能な二次バッテリーである限り、特に制限は無い。例えば、リチウム二次バッテリー、ニッケル金属-金属水素化物(Ｎｉ-ＭＨ)二次バッテリー、またはニッケル-カドミウム(Ｎｉ-Ｃｄ)二次バッテリーを、バッテリーセルとして使用することができる。リチウム二次バッテリーは出力と重量の比が高いので、リチウム二次バッテリーをバッテリーセルとして使用するのが好ましい。
リチウム二次バッテリーは、その形状に応じて、円筒形バッテリー、プリズム形バッテリー、または小袋形バッテリーに分類することができる。本発明のバッテリーセルは、外周末端区域で熱溶接された密封部分を有するバッテリーに使用される。好ましい実施態様では、本発明のバッテリーセルは、電極アセンブリーが、熱溶接可能な内側樹脂層、隔離金属層、及び優れた耐久性を示す外側樹脂層を包含するラミネートシートから形成されたバッテリーケース中に取り付けられる構造に構築された、軽量の小袋形バッテリーである。
好ましい実施態様では、熱交換板は、積み重ねられたバッテリーセル間にそれぞれ少なくとも部分的に挿入される。すなわち、熱交換板は、熱交換板が対応するバッテリーセルと緊密に接触した状態で、積み重ねられたバッテリーセル間にそれぞれ少なくとも部分的に挟まれている。従って、バッテリーセルから発生した熱は熱交換板により吸収され、次いで吸収された熱が熱交換部材によりバッテリーモジュールの外に効果的に排出される。
各熱交換板のサイズが大きすぎる場合、バッテリーモジュールの重量及び体積が増加する。反対に、各熱交換板のサイズが小さすぎる場合、放熱効果が低下する。従って、各熱交換板は、対応するバッテリーセルから発生する熱を効果的に吸収及び排出するサイズを有するのが好ましい。例えば、熱交換板が、積み重ねられたバッテリーセル間にそれぞれ少なくとも部分的に挿入される構造では、熱交換板のそれぞれは、各バッテリーセルの幅の50〜100％に等しい幅を有し、それによって、バッテリーモジュールのサイズを増加させずに、所望の冷却を達成することができる。
好ましくは、フレームは、熱交換媒体が中を通って流れる一個以上の熱交換媒体通路を備える。例えば、フレームは、液体熱交換媒体、例えば水、が中を通って流れる熱交換媒体通路を備え、それによって、上記の空冷型構造よりも、高い信頼性で優れた冷却効果を達成することができる。
状況に応じて、各バッテリーセルのバッテリーケースに形成された密封部分の、電極端子が形成されていない少なくとも一部を、その密封部分の少なくとも一部が残りの密封部分より長くなるように、延長することができ、熱交換部材が延長密封部分上に位置することができる。
バッテリーセルが、バッテリーセルが互いに緊密に接触する構造、またはバッテリーセルが互いに隣接する構造に積み重ねられる場合、バッテリーセルが互いに近い構造のために、バッテリーセルの本体から発生した熱を外側に放散させることは困難である。しかし、積み重ねられた構造でも、各バッテリーセルの密封部分は互いに近接していない。従って、上記のように、延長密封部分を有する構造、または熱交換部材が密封部分に連結している構造では、バッテリーセルの本体から発生した熱を、各バッテリーセルの密封部分及び熱交換部材を通して外側に効果的に放散させることが可能である。
上記の構造を達成するために、熱交換部材のフレームがスリットをさらに備え、そのスリットを通して、各々のバッテリーセルの延長密封部分を挿入するのが好ましい。この構造では、熱交換部材の熱交換板を、各々のバッテリーセル間に挿入するか、または必要に応じて、バッテリーセル積重構造と反対の方向に位置することができる。
すなわち、好ましい実施態様では、各バッテリーセルの延長密封部分が、熱交換部材の対応するスリットを通して挿入され、熱交換部材の熱交換板が各々のバッテリーセル間に挿入され、それによって、積み重ねられたバッテリーセルから発生した熱が容易に吸収される。
別の好ましい実施態様では、各バッテリーセルの延長密封部分が、熱交換部材の対応するスリットを通して挿入され、熱交換部材の熱交換板が、バッテリーセル積重構造と反対の方向に配置される。
上記の構造では、熱交換板が各々の延長密封部分と接触し、バッテリーセルの放熱をさらに促進することができる。すなわち、熱交換板が各々の延長密封部分と接触するので、バッテリーセルの本体から延長密封部分に伝達される熱は熱交換板に伝導され、熱交換板に伝導された熱はバッテリーモジュールの外に容易に排出される。
熱交換部材には、熱交換部材が優れた熱伝導性を示す材料から製造される限り、特に制限は無い。好ましくは、熱交換部材は、他の材料より高い熱伝導率及び機械的強度を示す金属または炭素材料から製造する。
本発明の別の態様により、複数の板形状バッテリーセルを包含するバッテリーモジュールの熱を放散させるための熱交換部材であって、(a)2個以上の熱交換板、及び(b)該熱交換板の各々の片側が接続されているフレームを包含し、該フレームがスリットを有し、該スリットを通して該各々のバッテリーセルの密封部分が挿入され、該スリットが該各々の熱交換板接続区域間に配置され、該フレームが、一個以上の、熱交換媒体が中を通って流れる熱交換媒体通路を有する、熱交換部材を提供する。
この熱交換部材は、本発明が関与する分野で知られていない新規な部材である。前に説明したように、熱交換部材は、モジュールに様々な様式で取り付けることができ、それによって、バッテリーモジュールの厚さを増加させずに、またはバッテリーモジュールの厚さ増加を最小に抑えながら、高い冷却効率を与える。
一方、中型又は大型バッテリーパックは、複数のバッテリーモジュールを積み重ね、高出力及び大容量を与える構造に構築される。バッテリーパックを構成するバッテリーモジュールは、各々のバッテリーモジュールの安全性を確保するのに必要な高い放熱効率を示すことが求められる。
従って、本発明のさらに別の態様では、所望の電力及び容量に従ってバッテリーモジュールを組み合わせることにより製造される中型又は大型バッテリーパックを提供する。この中型又は大型バッテリーパックは、高出力及び大容量電気を必要とし、長期間にわたって信頼性良く使用することができ、外部力、例えば振動及び衝撃、が作用する装置のための電力供給源として使用することができる。好ましくは、中型又は大型バッテリーパックは、電気自動車またはハイブリッド電気自動車用の電力供給源として使用する。
中型又は大型バッテリーパックの構造及び中型又は大型バッテリーパックの製造方法は、本発明が関与する分野で良く知られており、従って、詳細な説明は行わない。
本発明の上記の、及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら記載する下記の詳細な説明により、より深く理解される。
図１は、板形状バッテリーセルを例示する典型的な図である。 図２は、片側の密封部分が延長されている板形状バッテリーセルを例示する典型的な図である。 図３は、本発明の好ましい実施態様により熱交換部材がバッテリーモジュールの片側に取り付けられている構造を例示する典型的な図である。 図４は、図３の典型的な平面図である。 図５は、本発明の別の好ましい実施態様により熱交換部材がバッテリーモジュールの片側に取り付けられている構造を例示する典型的な図である。 図６は、図５の典型的な平面図である。 図７は、図６の変形を例示する典型的な平面図である。 図８は、図５の熱交換部材の典型的な拡大図である。
発明の様式
ここで、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施態様を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、例示する実施態様に限定されるものではない。
図1は、板形状バッテリーセルを例示する典型的な図である。
図1に関して、板形状バッテリーセル100は、樹脂層及び金属層を包含するラミネートシートから形成されたバッテリーケース110中に取り付けた、カソード/セパレータ/アノード構造の電極アセンブリー(図には示していない)、及びバッテリーケース110の上側末端及び下側末端にそれぞれ電気的に接続されたカソード端子120及びアノード端子130を、カソード端子120及びアノード端子130がバッテリーケース110から外に突き出た状態で、包含する。
図2は、片側の密封部分が延長されている板形状バッテリーセルを例示する典型的な図である。
図2に関して、板形状バッテリーセル200の、電極端子120及び130が形成されていない片側密封部分140は、板形状バッテリーセル200の密封部分の中で、片側密封部分140が反対側の密封部分(図を簡単にするために示していない)より長くなるように、バッテリーケース110から外に延長されている。延長密封部分140は、図3に示すように、フレーム420のスリット422中に挿入され、固定される。
図3は、本発明の好ましい実施態様により熱交換部材がバッテリーモジュールの片側に取り付けられている構造を例示する典型的な図であり、図4は、図3の典型的な平面図である。
これらの図に関して、バッテリーモジュール500は、連続的に積み重ねられた複数のバッテリーセル200を包含するバッテリーセル積重構造300の片側に熱交換部材400が取り付けられる構造に構築される。
熱交換部材400は、複数の熱交換板410、及び各熱交換板410の片側が接続されているフレーム420を包含する。各バッテリーセル200の延長密封部分140は、フレーム420中に形成されたスリット422を通して外に突き出ている。
熱交換板410は、各々のバッテリーセル200間に挿入され、各熱交換板410の幅ｗは、各バッテリーセル200の幅Ｗより小さい。しかし、熱交換板410は、各々のバッテリーセル200の本体と緊密に接触しており、従って、各々のバッテリーセル200の本体から発生した熱は、熱交換板410に伝導され、それによって、高い放熱効果を達成する。各々のバッテリーセル200間に限定される空間310は、熱交換板410が位置する区域を除いて、空気流路として使用されるが、その空間310は非常に小さい。
また、フレーム420は熱交換媒体通路424を備え、その中を通って液体熱交換媒体、例えば水、が流れる。熱交換媒体通路424は、フレーム420の各々のスリット422間に配置されており、それによって、熱交換板410から伝達された熱を高い信頼性及び優れた冷却効率で除去することができる。
図5は、本発明の別の好ましい実施態様により熱交換部材がバッテリーモジュールの片側に取り付けられている構造を例示する典型的な図であり、図6は、図5の典型的な平面図である。
これらの図に関して、各バッテリーセル200の延長密封部分140は、フレーム420の対応するスリット422を通して外に突き出ており、熱交換部材400の熱交換板410は、フレーム420からバッテリーセル積重構造300と反対方向(すなわち外方向)に配置されている。この構造で、バッテリーモジュール502を構成するバッテリーセル200は、空気が各々のバッテリーセル200の間を流れることができるように、バッテリーセル200が予め決められた間隔Ｄを置いて配置された状態で、積み重ねられる。
図6の変形を例示する典型的な平面図である図7では、熱交換部材400の熱交換板410がバッテリーセル200の各延長密封部分140と接触している構造に構築されたバッテリーモジュール503を例示する。
延長密封部分140は、対応する熱交換板410と接触しているので、バッテリーセル200の本体から延長密封部分140に伝達された熱は、熱交換板410に直接伝導され、従って、熱を外側に高い熱伝導率で容易に排出することができる。
図8は、図5の熱交換部材の典型的な拡大図である。
図8に関して、熱交換部材400は、複数の熱交換板410及び各熱交換板410の片側が接続されているフレーム420を包含する。また、フレーム420の、図5の延長密封部分140が中に挿入されているスリット422は、長方形平行六面体の形状に形成されるので、スリット422はフレーム420と同じ高さＨを有する。中を水が流れる熱交換媒体通路424は、各々のスリット422間に、フレーム420の縦方向Ｌで形成される。
本発明の好ましい実施態様を例示のために開示したが、当業者には明らかなように、請求項に記載する本発明の範囲及び精神から離れることなく、様々な修正、追加、及び置き換えが可能である。
上記の説明から明らかなように、本発明のバッテリーモジュールは、バッテリーセルからの放熱を促進するための熱交換部材がバッテリーセル積重構造の片側に配置され、バッテリーセルの延長密封部分が熱交換部材に接続される構造に構築される。従って、バッテリーセルから発生した熱を外側に効果的に排出することができる。
さらに、水冷方法により熱がさらに除去されるように熱交換媒体通路がフレーム中に形成されており、それによって、バッテリーセルの放熱がさらに促進される。この放熱効率の改良により、バッテリーセルの内部温度を一様に制御し、それによって、バッテリーセルの耐用寿命及び安全性を大きく改良することができる。

Claims (12)

  1. 連続的に積み重ねた２個以上の板形状バッテリーセルを備えてなるバッテリーモジュールであって、
    前記板形状バッテリーセルのそれぞれが、カソード/セパレータ/アノード構造の電極アセンブリーが、樹脂層および金属層を包含するラミネートシートから形成されたバッテリーケース中に取り付けられており、
    前記バッテリーセルの充電及び放電の際に、前記バッテリーセルから発生した熱を除去するために、複数の熱交換板と及び前記熱交換板とが接続されているフレームを包含する熱交換部材が、前記バッテリーセルの積重構造の片側に取り付けられてなり、
    前記各バッテリーセルの前記バッテリーケースに形成され、電極端子が形成されていない、少なくとも一部の密封部分が延長されて形成され、前記密封部分の少なくとも一部が残りの密封部分より長いものであり、及び
    前記熱交換部材が前記延長密封部分上に配置されてなる、バッテリーモジュール。
  2. 前記ラミネートシートが、熱溶接可能な内側樹脂層と、隔離金属層と、及び優れた耐久性を示す外側樹脂層とを包含する、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記熱交換板が、前記積み重ねられたバッテリーセル間にそれぞれ少なくとも部分的に挿入されてなる、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記熱交換板のそれぞれが、前記各バッテリーセルの幅の50〜100％に等しい幅を有してなるものである、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記フレームが、一個以上の熱交換媒体通路を備えてなり、前記一個以上の熱交換媒体通路を通じて熱交換媒体が流れるものである、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記熱交換部材の前記フレームがスリットを備えてなり、
    前記スリットを通して、前記各々のバッテリーセルの前記延長密封部分が挿入されてなる、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記各々のバッテリーセルの前記延長密封部分が、前記熱交換部材の対応する前記スリットを通して挿入されてなり、
    前記熱交換部材の前記熱交換板が前記各々のバッテリーセル間に挿入されてなる、請求項６に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記各々のバッテリーセルの前記延長密封部分が、前記熱交換部材の対応する前記スリットを通して挿入されてなり、
    前記熱交換部材の前記熱交換板が、前記バッテリーセル積重構造と反対の方向に配置されてなる、請求項６に記載のバッテリーモジュール。
  9. 前記熱交換板が、前記各々の延長密封部分と接触してなる、請求項８に記載のバッテリーモジュール。
  10. 前記熱交換部材が、金属材料又は炭素材料から製造されてなるものである、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  11. 複数の板形状バッテリーセルを備えてなるバッテリーモジュールの熱を放散させるための熱交換部材であって、
    (a)２個以上の熱交換板と、及び
    (b)前記熱交換板の各々の片側が接続されてなるフレームとを備えてなり、
    前記フレームがスリットを有し、前記スリットを通して前記各々のバッテリーセルの密封部分が挿入されてなり、
    前記スリットが前記各々の熱交換板接続区域間に配置されてなり、
    前記フレームが、一個以上の熱交換媒体通路を備えてなり、前記一個以上の熱交換媒体通路を通じて、熱交換媒体が流れるものである、熱交換部材。
  12. 所望の電力及び容量に基づいて、請求項１〜１０の何れか一項に記載のバッテリーモジュールを組み合わせることにより製造されてなり、
    電気自動車またはハイブリッド電気自動車用の電力供給源として使用される、中型又は大型バッテリーパック。
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