JP5514578B2 - 組電池冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、電池セルを複数備える組電池の冷却構造に関する。

下記特許文献１には図６に示すような組電池１が開示されている。組電池１は、複数の電池セル２を図示の如く並べてなるものとなっている。また、組電池１は、複数の電池セル２を直列に接続してなるものとなっている。複数の電池セル２の並列方向両端には、エンドプレート３が配置されている。このエンドプレート３を拘束バンド４で連結すると、複数の電池セル２は拘束されて一体化するようになっている。

引用符号５、６は接続モジュール（バスバーモジュールやバッテリー接続プレートと呼ばれることもある）を示している。接続モジュール５、６は、隣り合う電池セル２の電極ポスト７同士を接続する接続金具（バスバー）を合成樹脂製の保持体にインサート成形してなるものとなっている。接続モジュール５には、電池電圧検出端子もインサート成形されている（接続モジュール６は接続金具のみ）。電池電圧検出端子には、リード線が接続されており、このリード線は電池電圧検出装置８に接続されている。尚、組電池１の正極・負極にそれぞれ接続される太物電線の図示は省略されている。

接続モジュール（バスバーモジュール、バッテリー接続プレート）に関しては、本願出願人による提案のものも知られている（下記特許文献２参照）。

組電池は、例えば電気自動車又はハイブリッド電気自動車の電動機にエネルギーである電力を供給するためのものであり、近年ではリチウムイオン二次電池などが用いられている。組電池は、使用時において、例えば大電流放電が行われると多大な熱が発生することが知られている。そこで、組電池を冷却する構造として、例えば下記特許文献３等の提案のものが知られている。

下記特許文献３に開示された冷却構造は、吸熱部、放熱部、フィン部、及び平板部を有するヒートパイプによって構成されており、このヒートパイプが組電池に一体化して冷却をするようになっている。

特開２００１−５７１９６号公報 特開２００４−３１０４９号公報 特開２００６−２１０２４５号公報

ところで、上記従来技術の冷却構造にあっては、冷却専用の部品、すなわちヒートパイプを用いることから、組電池の部品点数増やコスト増に繋がってしまうという問題点を有している。また、ヒートパイプは、吸熱部、放熱部、フィン部、及び平板部を有するものであることから、ヒートパイプ自体の部品点数も多く、製造には手間が掛かるという問題点も有している。この他、ヒートパイプの設置スペースを確保しなければならないという問題点も有している。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたもので、部品点数増やコスト増を抑えるとともに、設置スペースを確保することがし易い組電池冷却構造を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の本発明の組電池冷却構造は、電池セルを複数備える組電池の正極・負極にそれぞれ接続される高圧導電路の少なくとも一本を前記組電池に沿わせて該組電池の冷却部材とすることを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、冷却専用の部品を新設しない冷却構造であり、電線（太物電線）やバスバー等の優れた熱伝導特性を利用する冷却構造である。高圧導電路は太物電線やバスバー等であることから、表面積は大きく吸熱効果が高い。また、組電池から離れるにつれて冷却されることから放熱効果も高い。本発明は、高圧導電路を組電池に沿わせるだけの設置スペースを確保するだけで良い。

請求項２記載の本発明の組電池冷却構造は、請求項１に記載の組電池冷却構造において、複数のバスバーを備えて各前記電池セルを直列に接続するバスバーモジュールの樹脂部を前記組電池の第二の冷却部材とする、又は、前記樹脂部を第二の冷却部材とするとともに前記バスバーを第三の冷却部材とすることを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、冷却専用の部品を新設しない冷却構造であり、バスバーモジュールの樹脂部やバスバーを利用する冷却構造である。バスバーモジュールは、隣り合う電池セルの電極同士を接続する複数のバスバーと、このバスバーを保持する樹脂部とを有することから、樹脂部は電池セルの数に対応して大きなものとなる。従って、バスバーモジュールの樹脂部を利用すれば、例えば樹脂部の一方の面側で吸熱を行い、他方の面側で放熱を行うことが可能になる。また、バスバーも利用すれば、より一層効果を高めることが可能になる。

請求項３記載の本発明の組電池冷却構造は、請求項２に記載の組電池冷却構造において、前記樹脂部に高圧導電路保持部を設けることを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、冷却部材としての高圧導電路とバスバーモジュールの樹脂部とが接するようになることから、吸熱及び放熱の効果を高めることが可能になる。

請求項４記載の本発明の組電池冷却構造は、請求項２に記載の組電池冷却構造において、前記バスバーと前記樹脂部との間、及び／又は、各前記電池セルと前記バスバーモジュールとの間に熱伝導部を設けることを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、バスバーモジュールへの熱伝導性や、バスバーへの熱伝導性を高めることが可能になる。これにより、吸熱及び放熱の効果を高めることが可能になる。

請求項５記載の本発明の組電池冷却構造は、請求項２ないし請求項４いずれか記載の組電池冷却構造において、前記樹脂部をシリコーン系又はエポキシ系の樹脂材料を用いて成形することを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、一般的に用いられる例えばポリプロピレンよりも熱伝導率の高い樹脂材料を用いるようになることから、吸熱及び放熱の効果を高めることが可能になる。

請求項６記載の本発明の組電池冷却構造は、請求項１ないし請求項５いずれか記載の組電池冷却構造において、各前記電池セルに設けた一対の電極間となる位置に前記冷却部材としての前記高圧導電路を沿わせることを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、各電池セルに設けた一対の電極間となる位置を組電池での高温となる部分とすると、この部分や周辺の熱を高圧導電路に直接又は間接的に伝えて冷却することが可能になる。

請求項１に記載された本発明によれば、組電池に接続される高圧導電路を組電池の冷却部材としても機能させることにより、部品点数増やコスト増を抑えることができるという効果を奏する。また、組電池に接続される高圧導電路であることから、専用部品と比べ、設置スペースの確保を容易にすることができるという効果を奏する。

請求項２に記載された本発明によれば、バスバーモジュールの樹脂部やバスバーを組電池の冷却部材としても機能させることにより、部品点数増やコスト増を抑えることができるという効果を奏する。また、バスバーモジュールの樹脂部やバスバーであることから、設置スペースを新たに確保する必要がなく、専用部品を新設した場合と比べて設置スペースの確保を容易にすることができるという効果を奏する。

請求項３〜５に記載されたそれぞれ本発明によれば、上記効果の他に次のような効果を奏する。すなわち、吸熱性及び放熱性を高めることができるという効果を奏する。

請求項６に記載された本発明によれば、上記効果の他に次のような効果を奏する。すなわち、冷却効果を高めることができるという効果を奏する。

本発明の組電池冷却構造の一実施の形態を示す組電池の斜視図である。 組電池の分解斜視図である。 （ａ）〜（ｆ）は熱伝導部を示す断面図である。 高圧導電路の他の例を示す組電池の斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は高圧導電路の断面図である。 従来例の組電池の分解斜視図である。

以下、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の組電池冷却構造の一実施の形態を示す組電池の斜視図である。また、図２は組電池の分解斜視図である。

図１及び図２において、引用符号２１はバスバーモジュール２２を組み付けた状態の組電池を示している。組電池２１は、特に限定するものでないが、本形態において、リチウムイオン２次電池からなるものとなっている。組電池２１は、電気自動車又はハイブリッド電気自動車に搭載されて電動機に電力を供給するものとなっている。

組電池２１は、保持部材２３を用いて複数の電池セル２４を所定方向に並べてなるものとなっている。また、組電池２１は、バスバーモジュール２２によって複数の電池セル２４を直列に接続してなるものとなっている。

組電池２１は、この正極２５及び負極２６に太物電線２７、２８（例えば電線サイズが５〜３００ｓｑのものであり、特許請求の範囲に記載した高圧導電路に相当する。尚、高圧導電路の他の例は後述する）がそれぞれ接続されている。正極２５に接続される太物電線２７は、電線としての機能を有するのは勿論のこと、冷却部材としての機能も有している。すなわち、太物電線２７は、組電池２１に沿うように配索されて、組電池２１に生じる熱を吸収（吸熱）し、この吸収した熱を組電池２１から離れた位置で放出（放熱）するような機能を有している。本発明の冷却構造は、電線の優れた熱伝導特性を利用して組電池２１を冷却する構造になっている。また、太物電線２７を用いた本発明の冷却構造は、冷却専用の部品の新設を必要としない冷却構造になっている。太物電線２７は、表面積が大きいことから、吸熱効果及び放熱効果が高いのは言うまでもない（電線以外で表面積が大きいものに関しては後述する）。

尚、負極２６に接続される太物電線２８は、本形態において一般的な位置に配索されている。しかしながら、正極２５に接続される太物電線２７と同様に組電池２１に沿わせて同様の機能を持たせることも可能であるものとする。

正極２５に接続される太物電線２７の具体的な配索位置の説明をする前に、組電池２１やバスバーモジュール２２の各構成について、以下簡単に説明をする。

電池セル２４は、公知のものであって、外観が四角い箱形状に形成されている。電池セル２４は、一対の電極２９、３０を有している（電極ポストを有している）。電極２９は正極、電極３０は負極となっている。電極２９、３０には、クランク形状に折り曲げられた金属製の接続台３１が設けられている。このような電極２９、３０の間（中央位置）には、安全弁３２が設けられている。安全弁３２は薄肉の蓋を有している。尚、安全弁３２の列となる部分、または、一対の電極２９、３０間は、本形態において組電池２１の高温になる部分であると定義するものとする。

組電池２１は、本形態において８つの電池セル２４を備えており（数は一例であるものとする）、図中一番右端の電池セル２４の電極２９は、組電池２１の正極２５となって太物電線２７が接続されている。太物電線２７は、接続端子３３を介して接続されている。一方、図中一番左端の電池セル２４の電極３０は、組電池２１の負極２６となって太物電線２８が接続されている。太物電線２８も接続端子３３を介して接続されている。上記以外の位置の電極２９、３０で、隣り合う電池セル２４の正極・負極同士は、バスバーモジュール２２の後述するバスバー３４によって接続されている。

保持部材２３は、複数の電池セル２４を所定方向に並べるための部材であって、電池セル２４の数よりも１つ多い数（本形態においては９つ）で備えられている。保持部材２３は、隣り合う電池セル２４の間に介在する部分と、隣り合う保持部材２３同士を連結する部分とを有している。

バスバーモジュール２２は、隣り合う電池セル２４の正極・負極同士を接続するための複数のバスバー３４と、この複数のバスバー３４を各々保持する樹脂部３５とを備えて構成されている。バスバー３４は、短冊形状の金属部材であって、電極２９、３０を貫通させるための孔３６を有している。

樹脂部３５は、絶縁性を有する合成樹脂製の部分であって、各バスバー３４に対するバスバー保持部３７と、太物電線２７、２８が接続される各接続端子３３に対する接続端子保持部３８と、太物電線２７を配索して保持するための太物電線保持部３９（高圧導電路保持部）とを有している。バスバー保持部３７は、バスバー３４によって接続される電極２９、３０の列に沿うように配置されている。接続端子保持部３８は、太物電線２７、２８を接続するための位置に合わせて配置されている。太物電線保持部３９は、安全弁３２の列に沿うように配置されている（図２で示す範囲Ａが太物電線保持部３９に相当する）。

太物電線保持部３９は、特に図示しないが、冷却部材としての太物電線２７を接触させた状態で保持することができるように形成されている（例えばフックや蓋を設けて保持をしたり、熱伝導率の高い接着剤や金属部材で固定したりすることが一例として挙げられるものとする。尚、太物電線保持部３９は、平坦な形状に図示されているが、例えば溝状に形成しても良いものとする。本形態においては、後述するが、樹脂部３５を第二の冷却部材として機能させていることから、空気層を介在させないようにして太物電線保持部３９と太物電線２７とを接触させることが好ましいものとする）。

太物電線保持部３９とバスバー保持部３７との間（太物電線２７と電極２９、３０の列との間）の部分は、単なるスペースではなく、図示しないサーミスタ用の細物電線の配索スペース４０として設定されている（図２で示す範囲Ｂが細物電線の配索スペース４０に相当する。尚、安全弁３２周辺の熱の影響を受け難いものであれば、サーミスタ用でなくても良いものとする。サーミスタ用としたのは、細物電線の数が限られることから、仮に被覆が溶融してもショートが起こり難いという理由である。細物電線は、低圧の導電路であると言える）。

バスバー保持部３７よりも外側の部分は、単なるスペースではなく、図示しない電池電圧検出端子に接続されるリード線（細物電線）用の配索スペース４１として設定されている（図２で示す範囲Ｃが細物電線の配索スペース４１に相当する）。図示しない電池電圧検出端子は、各電池セル２４にそれそれ接続されるものであることから、リード線（細物電線）は纏まった状態で配索スペース４１に配索されるようになっている。

樹脂部３５は、シリコーン樹脂又はエポキシ樹脂を用いて、或いはベース樹脂にシリコーン樹脂又はエポキシ樹脂を配合して成形される樹脂成形品であって、一般的に用いられる例えばポリプロピレンよりも熱伝導率の高いものとなっている（ポリプロピレンの熱伝導率２．８［１０^−４ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃］に対して、シリコーン樹脂は３．５〜７．５［１０^−４ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃］でポリプロピレンの１．２５倍〜２．７倍の熱伝導率、エポキシ樹脂は４．２〜５．０［１０^−４ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃］で１．５倍〜１．８倍の熱伝導率）。樹脂部３５は、吸熱及び放熱の効果の高い部材となっており、第二の冷却部材としての機能を有している。

上記構成及び構造において、組電池２１は、冷却部材としての機能を有する太物電線２７や、第二の冷却部材としての機能を有する樹脂部３５によって温度上昇が抑えられ、均熱化が図られている。

本発明によれば、太物電線２７を組電池２１の冷却部材としても機能させることにより、冷却専用の部品を新設した場合と比べ、部品点数増やコスト増を抑えることができる。また、太物電線２７であることから、冷却専用の部品（例えば背景技術の欄で挙げたヒートパイプなど）を新設した場合と比べ、設置スペースの確保を容易にすることができる。

また、本発明によれば、バスバーモジュール２２の樹脂部３５を組電池２１の冷却部材としても機能させることにより、冷却専用の部品を新設した場合と比べ、部品点数増やコスト増を抑えることができる。また、バスバーモジュール２２の樹脂部３５であることから、設置スペースを新たに確保する必要がないものとすることができる。

この他、本発明によれば、安全弁３２の列に沿わせるように（組電池２１の高温となる部分に沿わせるように）太物電線２７を設置することから、安全弁３２周辺の冷却にも寄与することができる。また、本発明によれば、一対の電極２９、３０間に沿わせるように（組電池２１の高温となる部分に沿わせるように）太物電線２７を設置することから、組電池２１全体の冷却にも寄与することができる。

本発明は本発明の主旨を変えない範囲で種々変更実施可能なことは勿論である。

冷却に関しては、バスバー３４を第三の冷却部材として用いても良いものとする。すなわち、バスバー３４は金属製であり、吸熱性及び放熱性が良いからである。

吸熱性及び放熱性を高めることに関しては、図３に示す如くの熱伝導部４２〜４４を設けることも効果的である。図３（ａ）〜（ｆ）は熱伝導部４２〜４４を示す断面図である。

図３（ａ）の熱伝導部４２は、バスバー３４とバスバー保持部３７との間に設けられている。バスバー保持部３７には、バスバー３４を受ける台座３７ａが形成されている。また、本例においては、バスバー３４を受ける台座付き電極２９′、３０′も用いられている。熱伝導部４２は、台座３７ａの周囲の凹部に設けられてバスバー３４に密着するようになっている。熱伝導部４２は、低熱抵抗で接続することができるポッティング材料（例えば、２液ゲルＳＥ１８９６ＦＲ）や熱伝導材料（例えば、エラストマーＳＥ４４８５）等のシリコーン系又はエポキシ系の樹脂材料によって形成されている。尚、本例のような台座付き電極２９′、３０′の場合、接続台３１の設定は任意であるものとする。

図３（ｂ）の熱伝導部４３は、電池セル２４とバスバーモジュール２２との間に設けられている。電池セル２４には、例えば弾性材料（例えばスポンジ）からなる枠４３ａが形成されている。熱伝導部４３は、枠４３ａ内に上記ポッティング材料４３ｂを充填することによって形成されている。熱伝導部４３は、バスバーモジュール２２に対して密着するようになっている。図３（ｃ）の熱伝導部４２は、バスバー３４と台座付き電極２９″、３０″との間に、図示のように設けられている。台座付き電極２９″、３０″は、二段となる台座を有している。熱伝導部４２は、バスバー３４と台座付き電極２９″、３０″とに対して密着するようになっている。

図３（ｄ）〜（ｆ）の熱伝導部４４は、上記熱伝導材料を例えばシート状にして形成されており、貼り付けすることができるようになっている。図３（ｄ）では電池セル２４に貼り付き、図３（ｅ）では接続台３１に貼り付き、図３（ｆ）では樹脂部３５に貼り付いている。熱伝導部４４は、第二又は第三の冷却部材に対して密着するようになっている。

図４及び図５を参照しながら高圧導電路の他の例について説明をする。図４は高圧導電路の他の例を示す組電池の斜視図、図５は高圧導電路の断面図である。

図４において、バスバーモジュール２２を組み付けた状態の組電池２１は、太物電線５１（高圧導電路）のみが図１及び図２における組電池２１と異なっている。太物電線５１は、図５（ａ）に示す如く平角導体５２と、この平角導体５２を被覆する被覆部５３とを有して構成されている。太物電線５１は、図１及び図２の太物電線２７のような撚り線導体を用いるものでなく、平角導体５２を用いることから、樹脂部３５に対し多く接することができるとともに、高さを低くすることができるという利点を有している。太物電線５１は、この表面積が大きなものとなっている。太物電線５１は、この端末における被覆部５３が所定長さ皮剥されて平角導体５２が露出するように加工されている。露出した平角導体５２には、接続端子３３が例えば加締めにより固定されている。

太物電線５１に関し、上記高さ等に制約がないのであれば、図５（ｂ）に示す如く丸導体５４と被覆部５５との構成であってもよいものとする。この他、電線の形態に限らず、図５（ｃ）に示す如くのバスバー５６を太物電線５１等の替わりに用いてもよいものとする。図中のバスバー５６は一例であり、帯板状のバスバー本体５７の端末には、正極２５に接続される接続端子部５８が形成されている。接続端子部５８は、接続端子３３と同じ機能を有するように形成されている。バスバー５６は、優れた熱伝導特性を有している。

本発明によれば、組電池２１の高温となる部分に高圧導電路を沿わせることが特に有効になるものとする。

２１…組電池
２２…バスバーモジュール
２３…保持部材
２４…電池セル
２５…正極
２６…負極
２７、２８…太物電線（高圧導電路）
２９、３０…電極
３１…接続台
３２…安全弁
３３…接続端子
３４…バスバー
３５…樹脂部
３６…孔
３７…バスバー保持部
３８…接続端子保持部
３９…太物電線保持部（高圧導電路保持部）
４０、４１…配索スペース
４２〜４４…熱伝導部
５１…太物電線（高圧導電路）
５２…平角導体
５３…被覆部
５４…丸導体
５５…被覆部
５６…バスバー（高圧導電路）
５７…バスバー本体
５８…接続端子部

Claims (6)

1. 電池セルを複数備える組電池の正極・負極にそれぞれ接続される高圧導電路の少なくとも一本を前記組電池に沿わせて該組電池の冷却部材とする
   ことを特徴とする組電池冷却構造。
2. 請求項１に記載の組電池冷却構造において、
   複数のバスバーを備えて各前記電池セルを直列に接続するバスバーモジュールの樹脂部を前記組電池の第二の冷却部材とする、又は、前記樹脂部を第二の冷却部材とするとともに前記バスバーを第三の冷却部材とする
   ことを特徴とする組電池冷却構造。
3. 請求項２に記載の組電池冷却構造において、
   前記樹脂部に高圧導電路保持部を設ける
   ことを特徴とする組電池冷却構造。
4. 請求項２に記載の組電池冷却構造において、
   前記バスバーと前記樹脂部との間、及び／又は、各前記電池セルと前記バスバーモジュールとの間に熱伝導部を設ける
   ことを特徴とする組電池冷却構造。
5. 請求項２ないし請求項４いずれか記載の組電池冷却構造において、
   前記樹脂部をシリコーン系又はエポキシ系の樹脂材料を用いて成形する
   ことを特徴とする組電池冷却構造。
6. 請求項１ないし請求項５いずれか記載の組電池冷却構造において、
   各前記電池セルに設けた一対の電極間となる位置に前記冷却部材としての前記高圧導電路を沿わせる
   ことを特徴とする組電池冷却構造。

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