JP2005353536A - 組電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】 小型で放熱性に優れたエネルギー密度の大きい、かつ、高剛性で耐振動性に優れた組電池を提供する。
【解決手段】 複数の扁平型単電池が平面的に保持されているフレームをそのフレームの厚み方向に複数枚密着させて積層することによって構成された組電池であって、その組電池には組電池を構成する扁平型単電池の中で他の扁平型単電池よりも温度が高くなる位置に配置されている特定の扁平型単電池のみを冷却するための冷却手段を設ける。
【選択図】 図11

Description

本発明は放熱効率の良好な組電池に関する。
近年、環境問題の高まりを受けて、自動車の動力源を、化石燃料を利用するエンジンから電気エネルギーを利用するモータに移行しようとする動きがある。現在では、その中間段階として、エンジンとモータの両方を搭載し、低速領域ではモータをそれ以外の領域ではエンジンを動力源として用いるハイブリッド車の生産が盛んに行われている。
ハイブリッド車には、小型軽量で、大きな電力を頻繁に充放電可能な耐振動性、放熱性に優れた電池の搭載が望まれる。大きな電力を供給することができる放熱性に優れた組電池としては、下記の特許文献1に示すようなものがある。
特許文献1に開示されている組電池は、直列、並列、または直並列に電気的に接続された複数の扁平型単電池を、当該単電池の厚み方向に隙間を開けて所定の間隔で配置し、配置した複数の単電池を外装部材によって固定したものである。このような構造にすると単電池間に隙間が形成されるので、単電池の放熱特性が良好になって組電池のサイクル特性、レート特性が向上する。
また、引用文献1に開示されている組電池は、単電池として扁平型の電池を用いているため、扁平型電池以外の電池(たとえば円筒型、角型等の電池)を用いて構成された従来の組電池に比較してエネルギー密度が高く、同一の電力容量の電池であればかなり小型化される。このため、扁平型単電池で構成された組電池は、従来の組電池と比較して、小型、高エネルギー密度という点では自動車搭載用電池として適していると言える。
特開2000−195480号公報
しかしながら、このような従来の組電池は、放熱特性の向上を考慮して単電池間に隙間を持たせなければならなかったため、これ以上の小型化および高エネルギー密度化は難しい。また、その隙間があることによって組電池としての剛性が確保し難く対振動性の向上にも限度がある。
上記のような問題を解決するためには、扁平型電池をその厚み方向に密着させて積層し、任意の層ごとにヒートシンクを介挿させる構成が考えられる。ところが、このような構造ではヒートシンクを介しての間接的な放熱となるため、当然のことながら均一な放熱は行われず、組電池全体としての三次元的な温度分布はかなり不均衡になってしまう。扁平型電池の場合、過度な温度分布の不均衡は電池寿命を低下させる原因となる。
本発明は以上のような従来の問題点を解消するために成されたものであり、小型で放熱性に優れたエネルギー密度の大きい、かつ、高剛性で耐振動性に優れた組電池の提供を目的とする。
上記の目的を達成するための本発明にかかる組電池は、複数の扁平型単電池が平面的に保持されているフレームを当該フレームの厚み方向に複数枚密着させて積層することによって構成された組電池であって、前記組電池には前記組電池を構成する扁平型単電池の中で他の扁平型単電池よりも温度が高くなる位置に配置されている特定の扁平型単電池のみを冷却するための冷却手段が設けられていることを特徴とするものである。
したがって、組電池を構成する扁平型単電池の内、冷却され難い位置にある特定の扁平型電池が冷却手段によって効率的に冷却される。このため、組電池全体としての冷却効率は向上し、小型で放熱性に優れたエネルギー密度の大きい組電池を提供することができる。
また、本発明にかかる組電池は、フレーム同士を密着させた状態で積層させているので、扁平型単電池を含めて一体化された堅固な構造となり、高剛性で耐振動性に優れた組電池となる。
上記のように構成された本発明にかかる組電池によれば、他の扁平型単電池よりも温度が高くなる位置に配置されている特定の扁平型単電池のみを冷却するための冷却手段を設けているので、冷却され難い位置にある特定の扁平型電池を効率的に冷却することができ、組電池全体としての温度分布が均一化され、エネルギー密度の大きい組電池を構成することができる。
また、フレーム同士を密着させて積層しているので、小型で高剛性、かつ耐振動性に優れた組電池を構成することができる。
以下、本発明にかかる組電池を、冷却手段の形態に応じて[実施の形態1]から[実施の形態3]に分けて詳細に説明する。
各実施の形態で前提となっている組電池の構造は、1枚のフレームに4個の扁平型単電池(以下、単に単電池という。)をその幅方向に配列し、このフレームを6枚積層する毎に中間ヒートシンクを積層し、合計24枚のフレームを積層して電池ユニットを構成し、この電池ユニットを積層方向両端面からヒートシンクで加圧して一体的に保持したものである。
なお、組電池ユニットは96個の単電池を有しているが、すべての単電池はフレームやヒートシンクに設けられた接続手段によって直列に接続されている。
[実施の形態1]
図1は本発明にかかる組電池の外観を示す斜視図であり、図2は、図1に示した組電池を冷却する冷却装置の外観図である。
図1に示すとおり、本発明にかかる組電池100は、板形状のフレーム210がその厚み方向に複数枚積層されてなる電池ユニット200を、ヒートシンク300、340でその積層方向の両端から挟んで加圧し一体的に保持したものである。
各フレーム210には4個の単電池を並列に配置するため図示されていない4箇所の保持部が形成されている。電池ユニット200はフレーム210が24枚積層され、積層方向6枚おきに3枚の中間ヒートシンク310、320、330が介挿される。したがって、電池ユニット200は各ヒートシンク間で4個並列に配置された単電池がそれぞれ24個ずつ積層され、合計96個の単電池を有していることになる。
ヒートシンク間に積層されている6枚のフレーム210の内、中間に位置する2枚のフレーム210の一方の側面には冷媒としての空気を電池ユニット200内に導入するための冷媒導入口230が、また、その他方の側面には電池ユニット200内で流通させた空気を排出するための冷媒排出口250が形成されている。冷媒導入口230および冷媒排出口250はフレーム210の対向する側面に一箇所ずつ設けてある。電池ユニット200はフレーム210が24枚積層されているので、電池ユニット200としては冷媒導入口230が8箇所、冷媒排出口250が8箇所形成されていることになる。冷媒導入口230および冷媒排出口250は、電池ユニット200を構成する単電池の中で他の単電池よりも温度が高くなる単電池がある場所に形成している。電池ユニット200内には冷媒導入口230から導入した空気をフレーム210と各単電池との隙間などを介して流通させ冷媒排出口250から排出させるための図示されていない冷媒通路が形成されている。
ヒートシンク300および340は両ヒートシンクを連結する6個の加圧ユニットをナット400A〜400Fで取り付けることによって固定する。加圧ユニットは引っ張りコイルばねの両端にナット400A〜400Fで固定されるシャフトを取り付けたものであり、これをヒートシンク300と340との間に取り付けることによって電池ユニット200を構成するすべての単電池に対して積層方向に適切な面圧を与えている。
また、ヒートシンク300、340および中間ヒートシンク310、320、330には、一方の側面から他方の側面に貫通する冷媒流通口300A、340A、310A、320A、330Aが複数設けられている。
組電池100は、車両に搭載される際に、車両に設けられている図2に示すような冷却装置500で冷却される。図2は、図1に示した組電池を冷却する冷却装置の外観図である。
冷却装置500は、組電池100を収容する外装ケース600、外装ケース600に空気を導入する冷媒導入ダクト700、外装ケース600に導入された空気を排出する冷媒排出ダクト800を備えている。
外装ケース600には、組電池100の冷媒導入口230と冷媒排出口250が風下側になるように、かつ冷媒導入口230と冷媒排出口250の開口面が風の流れに対して平行になるように組電池100を配置させる。具体的には、組電池100の図1左側を冷媒導入ダクト700側に向けて、組電池100の図1右側を冷媒排出ダクト800側に向けて配置する。なお、外装ケース600には単一のまたは複数の組電池100が配置される。
冷媒排出ダクト800の外装ケース600側には排気ファン850が取り付けられている。排気ファン850は外装ケース600から排出される空気の温度を検出するセンサを備えており、排気ファン850の回転速度(排気量)は図示されていない制御装置によってセンサが検出した温度に応じて調整される。
したがって、外装ケース600内に配置されている組電池100においては、冷媒導入口230から入り込んだ空気が組電池100内の冷媒通路を介して冷媒排出口250から排出されるため、温度の上がりやすい位置にある、換言すればヒートシンク300、340および中間ヒートシンク310、320、330から遠い位置にある冷却しづらい特定の単電池が空気で直接冷却されることになり、また、ヒートシンク300、340および中間ヒートシンク310、320、330の冷媒流通口300A、340A、310A、320A、330Aを空気が流入しているので他の単電池はこれらのヒートシンクによって間接的に冷却されることになる。
図3および図4は冷媒導入口と冷媒排出口を設けていない通常のフレームの構成を、図5は冷媒導入口、冷媒排出口および冷媒通路が設けられたフレームの構成を、それぞれ説明するための図である。
ヒートシンク間に積層されている6枚のフレーム210(図1参照)の内、積層方向両端側に位置する4枚のフレーム210は、図3に示すように、長方形状の外枠212および外枠212の対向する2辺にハシゴ状に掛け渡された3本の支柱214A、214B、214Cから構成されている。
単電池220A、220B、220C、220Dは、発電要素をラミネートフィルムで覆ったリチウムイオン電池であり、図に示すように発電要素の部分が突き出た台形形状を有している。各単電池220A、220B、220C、220Dは、図4に示すように、フレーム210の外枠212と各支柱214A、214B、214Cとの間で形成される空間に、台形形状の部分を下から差し込むようにして配置される。したがって、各単電池220A、220B、220C、220Dはフレーム210の外枠212と個々の支柱214A、214B、214Cによって平面的に保持されることになる。
なお、フレーム210の厚みは単電池214の厚みよりも若干厚く形成されている。これは、組電池100が形成されたときに、すべての単電池214が所定の面圧をもって加圧されるとともに、すべてのフレーム210も若干の変形をもって圧縮されるようにするためである。
ヒートシンク間に積層されている6枚のフレーム210の内、積層方向中間に位置する2枚のフレーム210は、他のフレーム210と同様、図5に示すように、長方形状の外枠212および外枠212の対向する2辺にハシゴ状に掛け渡された3本の支柱214A、214B、214Cから構成されている。組電池100を形成したときに風下側に位置される側の単電池220Aが配置される部分の外枠212の一方の側面には、空気を電池ユニット200内に導入するための切欠部としての冷媒導入口230が形成され、また、その他方の側面には流通した空気を排出するための切欠部としての冷媒排出口250が形成されている。本実施の形態では冷媒導入口230と冷媒排出口250とを1箇所ずつ形成し、その形状は逆三角形状としたが、その数や形状はこれに限られるものではない。各単電池220A、220B、220C、220Dは、他のフレーム210と同様、フレーム210の外枠212と各支柱214A、214B、214Cとの間で形成される空間に、台形形状の部分を下から差し込むようにして配置される。したがって、冷媒通路は、フレーム210の外枠212、支柱214Aおよび単電池220Aの空間によって形成される。冷媒導入口230から入り込んだ空気は冷媒通路に流入し単電池220Aの表面に直接接触して冷媒排出口250から排出されため、単電池220Aの周縁部222Aから熱を効率的に放熱することができる。
以上のようにして単電池220A、220B、220C、220Dを保持させたフレーム210を、図6に示すように、冷媒導入口230と冷媒排出口250が形成されているフレーム210が積層方向中間に位置されるように下から6枚密着させて積層する。積層すると、単電池同士およびフレーム同士は直接積層方向に密着し、中間に位置されるフレーム210には、冷媒導入口230から冷媒排出口250に至る間の、フレーム210と単電池220との隙間によって冷媒通路が形成される。
以上のようにして積層したもの(単電池積層体)に図7および図1に示すように中間ヒートシンク310、320、330を介在させながら積層し、積層体の両面から挟むようにしてヒートシンク300と340を位置させてナット400A〜400Fでしっかりと固定して組電池100を形成する。この組電池100に図2の冷却装置500を取り付けて排気ファン850を作動させると、組電池100のフレーム210間では次のような空気の流れが生じる。
図8は、冷媒導入口230と冷媒排出口250が形成されているフレーム210の平面図であり、図9は、図8に示したフレーム210の1部分の側面図である。
各フレーム210は積層方向に密着しているので、冷媒導入口230と冷媒排出口250が形成されているフレーム210においては、図7〜図9に示してある冷媒導入口230から空気が入り込む。入り込んだ空気は、単電池220Aとフレーム210との隙間によって形成される冷媒経路を通って冷媒排出口250から排出される。したがって、単電池220Aはその側面部と周縁部222Aの表面を流れる空気で直接冷却されることになる。
また、冷媒導入口230は、図8および図9に示すように、冷媒排出口250に対して気圧の高い上流側に形成してあるので、冷媒導入口230から冷媒排出口250に向けて空気が流れることになる。したがって、ヒートシンクによる間接的な冷却のみでは温度が高くなる位置に存在する単電池220Aを冷却することができるようになり、組電池100全体としての三次元的な温度分布を均一化することができる。
なお、本実施の形態では冷媒として空気を例示して説明したが、これに限られず、要求される冷却能力に応じて、窒素などの不活性ガスや油などの液体を使用することもできる。
[実施の形態2]
実施の形態1では、冷却手段として、冷媒導入口、冷媒排出口、冷媒通路を設け、単電池を直接空気で冷却するようにしたものを例示したが、本実施の形態では、実施の形態1の構成に加えて、冷却フィンを特定の単電池に取り付けて、その冷却フィンをフレームの外側から突出させ、単電池を冷却フィンによっても間接的に冷却できるようにしたものを例示する。
図10は、冷却フィンが取り付けられた状態の単電池積層体を示す斜視図であり、図11は図10に示した単電池積層体の側面図である。
ヒートシンク間に積層されている6枚のフレーム210の内、積層方向両端側に位置する4枚のフレーム210は、図3に示したものと全く同一の構成を有し、また、その積層方向中間に位置する2枚のフレーム210は、図5に示したものと全く同一の構成を有している。図10および図11に示すように、冷却フィン260Aは冷媒導入口230から突出するように設けられ、冷却フィン260Bは冷媒排出口250から突出するように設けられている。
冷却フィン260Aと260Bは、図12及び図13に示すように、単電池220Aの長手方向両側面の傾斜部分225A、225Bに、一端が冷媒導入口230、冷媒排出口250から突出するように取り付けられる。冷却フィン260Aと260Bは、単電池220Aをフレーム210に取り付けた後に取り付ける。取り付けは熱伝導性の良好な接着剤によって行うのが望ましい。冷却フィン260Aと260Bは、図10のようにフレーム210が積層されている状態では、それらの上下端がフレーム210の外枠212に挟まれ、しっかりと固定される。
なお、単電池220Aをフレーム210に取り付ける前に冷却フィン260Aと260Bを取り付けることができるようにするには、冷媒導入口230と冷媒排出口250の形状を図5の逆三角形状から三角形状または四角形形状に変える必要がある。
このように、冷却フィン260Aと260Bを単電池220Aに貼り付けると、フレーム210の長手方向に沿って流れる空気によって単電池220Aが間接的にも冷却されるようになる。したがって、実施の形態1の構成よりも本実施の形態の構成の方が冷却効率は向上する。
[実施の形態3]
本実施の形態では、実施の形態2に示した冷却フィンに冷媒通路を形成し、冷却フィン自体を冷却できるようにして単電池の冷却効率を向上させたものを例示する。
図14は、冷媒通路を有する冷却フィンが取り付けられた状態の単電池積層体を示す斜視図であり、図15は図14に示した単電池積層体の側面図である。
ヒートシンク間に積層されている6枚のフレーム210の内、積層方向両端側に位置する4枚のフレーム210は、図3に示したものと全く同一の構成を有し、また、その積層方向中間に位置する2枚のフレーム210は、図5に示したものと全く同一の構成を有している。図14および図15に示すように、冷却フィン265Aは冷媒導入口230から突出するように設けられ、冷却フィン265Bは冷媒排出口250から突出するように設けられている。
冷却フィン265Aと265Bは、図16に示すように、単電池220Aの長手方向両側面の傾斜部分225A、225Bに、一端が冷媒導入口230、冷媒排出口250から突出するように取り付けられる。冷却フィン265Aと265Bは、図17に示すように断面三角形の形状を有し、その内部には空気を流通させるための冷媒通路270A、270Bが形成されている。なお、冷却フィン265Aと265Bの形状は上記のように三角形に限られず、冷媒通路270A、270Bの形状も上記のような三角形に限られないのはもちろんである。冷却フィン265Aと265Bは、単電池220Aをフレーム210に取り付けた後に取り付ける。取り付けは熱伝導性の良好な接着剤によって行うのが望ましい。冷却フィン265Aと265Bは、図14のようにフレーム210が積層されている状態では、それらの上下端がフレーム210の外枠212に挟まれ、しっかりと固定される。
このように、冷却フィン265Aと265Bを単電池220Aに貼り付けると、冷却装置500の外装ケース600内において、フレーム210の長手方向に沿って流れる空気によって単電池220Aが間接的にも冷却されるようになる。また、冷却フィン265Aと265B自体もその内部を流通する空気によって冷却される。したがって、実施の形態2の構成よりも本実施の形態の構成の方が冷却効率は向上する。
以上、実施の形態1から実施の形態3までの構成を説明したが、次に、各実施の形態の構成が単電池220Aの冷却にどの程度の効果があるのかを検証した結果について説明する。
図18は、フレーム210に冷却手段が設けられていない従来の組電池においてヒートシンク間における温度分布を視覚化した図である。図に示すように、従来の組電池の場合、冷却風の風下側に位置するB位置付近(黒で示される部分)において、最も温度が高くなっていることがわかる。図19は、図18に示した組電池のA位置からB位置までの平均的な温度分布を表したグラフである。
図19に示すように、従来の組電池は、実線の曲線で示されているように、A位置とB位置との温度差が20℃程度あり、B位置の温度も50℃と相当高温になってしまっているが、実施の形態1で示した構造の組電池は従来の組電池よりも5℃ほどB位置の温度が低下している。また、実施の形態2で示した構造の組電池は従来の組電池よりも9℃ほどB位置の温度が低下している。さらに、実施の形態3で示した構造の組電池は従来の組電池よりも12℃ほどB位置の温度が低下している。
この結果を見れば明らかなように、本発明を適用することによって、組電池全体としての三次元的な温度分布をある程度均一化させることができ、組電池を構成する、特に冷却し難い位置に存在する単電池の電池寿命を向上させることができる。
冷却手段の作用により放熱効率の良好な組電池を提供することができ、自動車などの動力用電池の分野で応用可能である。
本発明にかかる組電池の外観を示す斜視図である。 図1に示した組電池を冷却する冷却装置の外観図である。 実施の形態1におけるフレームの構成の説明に供する図である。 実施の形態1におけるフレームの構成の説明に供する図である。 実施の形態1におけるフレームの構成の説明に供する図である。 実施の形態1におけるフレームの構成の説明に供する図である。 実施の形態1におけるフレームの積層体の概略構成図である。 実施の形態1におけるフレームの平面図である。 図8に示したフレームの一部分の正面図である。 実施の形態2における冷却フィンが取り付けられた状態の単電池積層体を示す斜視図である。 図10に示した単電池積層体の側面図である。 実施の形態2における冷却フィンの取り付け状態を説明するための図である。 冷却フィンの取り付け状態を説明するための図である。 実施の形態3における冷却フィンが取り付けられた状態の単電池積層体を示す斜視図である。 図14に示した単電池積層体の側面図である。 実施の形態2における冷却フィンの取り付け状態を説明するための図である。 実施の形態2における冷却フィンの構造を示す図である。 従来の組電池においてヒートシンク間における温度分布を視覚化した図である。 図18に示した組電池のA位置からB位置までの平均的な温度分布を表したグラフである。
符号の説明
100 組電池、
200 電池ユニット、
210 フレーム、
212 外枠、
214A〜214C 支柱、
220A〜220D 単電池、
222A 周縁部、
230 冷媒導入口、
250 冷媒排出口、
260A、260B 冷却フィン、
265A、265B 冷却フィン、
270A、270B 冷媒通路、
300、340 ヒートシンク、
310、320、330 中間ヒートシンク、
400A〜400F ナット、
500 冷却装置、
600 外装ケース、
700 冷媒導入ダクト、
800 冷媒排出ダクト、
850 排気ファン。

Claims (8)

  1. 複数の扁平型単電池が平面的に保持されているフレームを当該フレームの厚み方向に複数枚密着させて積層することによって構成された組電池であって、
    前記組電池には前記組電池を構成する扁平型単電池の中で他の扁平型単電池よりも温度が高くなる位置に配置されている特定の扁平型単電池のみを冷却するための冷却手段が設けられていることを特徴とする組電池。
  2. 前記冷却手段は、前記フレームに開口された冷媒導入口および冷媒排出口と、前記冷媒導入口と前記冷媒排出口とを連通させる冷媒通路と、前記冷媒通路に供給する冷媒とを有することを特徴とする請求項1に記載の組電池。
  3. 前記冷媒は、前記冷媒導入口から前記冷媒通路に入り込み、前記特定の扁平型単電池の表面に直接接触して、前記冷媒排出口から排出されることを特徴とする請求項2に記載の組電池。
  4. 前記冷却手段は、前記特定の扁平型単電池に直接取り付けて前記フレームの外側に突出させた冷却フィンであることを特徴とする請求項1に記載の組電池。
  5. 前記冷却フィンにはその内部で冷媒を流通させるための冷媒通路が形成されていることを特徴とする請求項4に記載の組電池。
  6. 前記組電池には、前記扁平型単電池を冷却するためのヒートシンクが、前記フレームの積層方向両端部に設けられているか、または、前記フレームが一定数積層されるごとに前記フレーム間に介在されていることを特徴とする請求項1に記載の組電池。
  7. 前記フレームは、外枠およびハシゴ状の複数の支柱を有し、個々の扁平型単電池は当該外枠と個々の支柱によって保持され、前記冷媒導入口は前記フレームの外枠の一方の側面に切欠部を設けることによって、前記冷媒排出口は前記フレームの他方の側面に切欠部を設けることによって、前記冷媒通路は前記フレームの外枠および支柱と前記扁平型単電池の隙間によって、それぞれ形成されていることを特徴とする請求項2に記載の組電池。
  8. 前記扁平型単電池は、ラミネートフィルムで覆われたリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項1に記載の組電池。
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