JP2006172911A - 電池モジュールとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ケース内部に複数積層状態で設けられた扁平型電池であっても、各扁平型電池の熱を円滑に放熱することができる電池モジュールとその製造方法を提供する。
【解決手段】外装材１２，１３により発電要素１１を内部に封止してなる扁平型電池１０を複数積層して形成した組電池Ｋを、ケース１内に収納してなる電池モジュールＭであって、外装材１２，１３の周縁部を扁平型電池１０の積層方向に折り曲げることにより形成した折り曲げ部２０を、ケース１の内面に当接したことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、扁平型電池を複数積層した組電池をケース内に収納してなる電池モジュールとその製造方法に関する。

近年、正極および負極の電極板を積層して構成された発電要素をラミネートフィルムなどの外装材によって封止し、板状をなす電極端子を外装材から外部に導出してなる扁平な電池（以下、「扁平型電池」という）が開発されている。この扁平型電池は、複数積層するとともに各々を電気的に直列および／または並列に接続することにより、高出力および高容量の組電池とし、これをケース内に収納して電池モジュールにしている（特許文献１参照）。
特開２００１−２５６９３４号公報

このような電池モジュールにおいては、充放電により各扁平型電池の温度が上昇すると、充電効率が低下などの虞があるため、ケースの周辺に空気流通空間を設け、放熱性能を高めている。

しかし、扁平型電池を複数積層した状態の組電池をケースに収納すると、積層方向最上段あるいは最下段の扁平型電池は、ケースに接しているので放熱効率はある程度良好な状態が保たれるが、これ以外の中間に位置するものは、他の扁平型電池を介して放熱しなければならないため、放熱効率が低下する。特に、積層方向中央に位置する扁平型電池は、放熱効率が著しく低下する。

本発明の目的は、ケース内部に複数積層状態で設けられた扁平型電池であっても、各扁平型電池の熱を円滑に放熱することができる電池モジュールとその製造方法を提供することにある。

請求項１、５の発明では、外装材の周縁部を扁平型電池の積層方向に折り曲げることにより形成した折り曲げ部を、ケースの内面に当接したので、各扁平型電池からの熱を各扁平型電池の外装材を介してケースに直接伝達でき、積層方向最上段あるいは最下段の扁平型電池のみでなく個々の扁平型電池の放熱効率を高めることができる。しかも、折り曲げ部を形成すると、外装材の周縁部がエッジとなって外方に突出することがなく、組電池をケースに収納する組み付け作業性も良好なものとなる。また、折り曲げ部の形成により電池モジュール自体の大きさが小さくなり、当該電池モジュールを多数接続して形成した電池の総体積が小型化し、当該電池の体積エネルギー密度が増大し、高出力および高容量の電池とすることができる。

請求項２の発明では、前記折り曲げ部の長さを扁平型電池の積層方向の厚さ寸法以下としたので、扁平型電池を積層しても、各扁平型電池の折り曲げ部は、相互に重合することなくケースに接することになり、上下に存在する扁平型電池の折り曲げ部を伝わる熱に影響されることなく、個々の扁平型電池の放熱効率を高めることができる。

請求項３の発明では、ケースの熱伝導率を少なくとも外装材のものより高くしたので、外装材の熱がケースに伝わり易く、各扁平型電池の放熱効率を高めることができる。

請求項４の発明では、折り曲げ部をケースの内面に接着剤により取り付けると、外部から振動などが加わっても折り曲げ部とケースとの間に隙間が生じることはなく、扁平型電池の放熱効率が低下することはない。

請求項６の発明では、折り曲げ部を形成する場合、扁平型電池から面方向に突出した周縁部をヒートシールした後、積層方向に折り曲げてヒートシールするので、独立した折り曲げ部形成工程が別途設けることなくヒートシール工程で形成でき、製造も容易となる。しかも、扁平型電池の周縁部を成形するとき、屈曲癖を付けた後にヒートシールすることになり、ヒートシール部分に無用な応力が作用して外装材が剥れる虞もなく、シール信頼性の高いものとなる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明に係る電池モジュールの一実施形態を示す斜視図、図２は図１の２−２線に沿う断面図、図３は同電池モジュールに組み込まれる１つの扁平型電池の斜視図、図４は図３の４−４線に沿う断面図である。

例えば、電動自動車や電車などに搭載されている動力源としての車載電池では、所望の電流、電圧、容量に対応して適数個の電池モジュールを用い、これらを直並列に接続して車載している。電池モジュールの車載状態は、各電池モジュール間にカラーを設けて空間が生じるように配置している。このような車載状態とすることにより、空間を流通する空気により充放電による発熱を空冷し、電池温度を下げ、電池の寿命が低下することを抑制している。

本実施形態の電池モジュールＭは、扁平型電池１０を複数積層して組電池Ｋとし、これをケース１内に収納したものである。以下、個々について説明する。

まず、ケース１は、図１に示すように、断面が扁平な椀状に形成されたロアケース１ａと、ロアケース１ａの開口部を塞ぐアッパーケース１ｂとを有し、後述する組電池Ｋをロアケース１ａ内に収納した後に、アッパーケース１ｂをロアケース１ａの口縁部にカシメ固定している。ロアケース１ａおよびアッパーケース１ｂは、比較的薄肉板材から構成され、各扁平型電池１０が外部のものと導通しないように、少なくとも内周面には電気絶縁層が設けられている。ケース１を構成する材料としては、少なくとも後述する外装材１２、１３の熱伝導率より高い熱伝導率を有する材料、例えば、鋼板、アルミニウム合金などが好ましい。

なお、ロアケース１ａとアッパーケース１ｂが合体されると、略密閉状態となるが、ケース１には、取付ボルトが挿通される通孔２や、出力端子３，４を外部に臨ますための開口部５、あるいは電池の電圧を検出する電圧検出部（不図示）と接続するコネクタを差し込む差込口６などが開設されており、これらによりある程度の放熱は可能である。

各扁平型電池１０は、例えば、扁平なリチウムイオン二次電池であり、図２〜４に示すように、正極板、負極板、セパレータおよび電解液からなる発電要素１１を外装材１２、１３によって覆い、発電要素１１の外周に沿ってヒートシールし、発電要素１１を内部に封止している。

外装材１２、１３は、ラミネートフィルムにより構成され、図４に示すように、発電要素１１に接する面側と最外層が電気絶縁層１５、その中間が熱伝導率の高い金属膜層１６とされている。外装材１２は、発電要素１１が嵌り込むように、予め断面が扁平な椀状に形成されているが、外装材１３は、フラットである。

外装材１２、１３を重ね合わせて発電要素１１の外周に沿って加熱すると、両ラミネートフィルムの各樹脂製電気絶縁層１５が溶融一体化し、ヒートシールされ、内部の発電要素１１が外気と遮断されるが、シール幅としては、シールの信頼性を確保する上から所定の幅を確保することが好ましい。

本実施形態の扁平型電池１０は、長手方向端部よりタブＴが突出されているが、タブＴは、マイナス側のタブＴｍと、プラス側のタブＴｐとからなり、それぞれ一端が発電要素１１に電気的に接続され、他端が外装材１２、１３間から外部に導出されている。

図５は組電池の電気的接続状態を示す概略図である。なお、図５は、理解を容易にするため、各扁平型電池１０を離間して示している。図示の例は８段積層であるが、図２に示す５段積層としてもよい。

組電池Ｋは、各扁平型電池１０から外部に導出された扁平な板状のタブＴｍ，Ｔｐを電気的に接続することにより形成するが、この接続は、マイナス側のタブＴｍは、図示のように、当該扁平型電池１０の上部に配置される扁平型電池１０のプラス側タブと接合し、プラス側のタブＴｐは、当該扁平型電池１０の下部に配置される扁平型電池１０のマイナス側タブと接合する。この接合を複数積層されたそれぞれの扁平型電池１０について行い、全ての扁平型電池１０が直列に接続された組電池Ｋとする。

なお、図中において、符号「３」はプラス側出力端子、「４」はマイナス側出力端子、「１６」はスペーサ、「１７」はバスバーである。

このように構成された組電池Ｋは、ケース１に収納される。特に、本実施形態では、図２，４に示すように、各扁平型電池１０は、外装材１２、１３の周縁部の内、長手方向両側端部を全長にわたり、扁平型電池１０の積層方向に折り曲げて折り曲げ部２０を形成し、折り曲げ部２０をケース１の内面１ａに当接している。

このようにすれば、各扁平型電池１０からの熱を外装材１２，１３を介してケース１に伝達することができ、個々の扁平型電池１０の放熱効率を高めることができる。

特に、折り曲げ部２０を、扁平型電池１０の両側に長手方向全長に渡って形成すれば、扁平型電池１０の周縁部とケースとの接触面積が大きくなり、放熱効率を高めることができる。しかも、扁平型電池１０の両側に折り曲げ部２０を形成しているので、各扁平型電池１０内からの熱は、左右に分かれて移動し、放熱部分であるケース１の側壁１ｃまでの距離が短く、各扁平型電池の熱は極めてスムーズに伝達されることになる。

折り曲げ部２０を形成するということは、図２に示すように、扁平型電池１０から外部に向う張り出し量Ｗ１が、Ｗ２になることである。この結果、電池モジュールＭ自体の大きさが小さくなり、当該電池モジュールＭを多数接続して形成した電池の総体積も小さくなり、当該電池の体積エネルギー密度が増大し、高出力および高容量の電池とすることができる。

折り曲げ部２０の長さＬとしては、扁平型電池１０の積層方向の厚さ寸法ｔ以下とすることが好ましい。このようにすれば、扁平型電池１０を積層しても、各扁平型電池１０の折り曲げ部２０は、相互に重合することなくケース１に接することになる。したがって、上下に存在する扁平型電池１０の折り曲げ部を伝わる熱に影響されることなく、個々の扁平型電池１０の放熱効率を高めることができる。

折り曲げ部２０の形成には、図６，７に示す成形装置２１を使用することが好ましい。図６は折り曲げ部を成形する前の状態の成形装置の断面図、図７は折り曲げ部を成形した後の状態の成形装置の断面図である。

成形装置２１は、相互に対向して配置された上部押えブロック２２と、下部押えブロック２３とを有し、下部押えブロック２３は、基台２４上に載置され、側方に設けられたシリンダ部材２５により基台２４上で水平移動可能とされている。

上部押えブロック２２は、上端にトグル機構２６の第１リンク２７が連結され、第２リンク２８は、高さ調整ボルト２９と連結されている。したがって、シリンダ部材３０を軸線方向に進退作動させると、第１リンク２７と第２リンク２８が直状位置あるいは折曲位置をとることになり、上部押えブロック２２は、リニアガイド３１に沿って昇降することになる。なお、高さ調整ボルト２９は、調整ナット３２，３３により水平フレームＦ１に対し垂下される長さが調整され、前記直状位置での加圧力を調整することができるようになっている。

成形装置２１の側部には、直立フレームＦ２にアクチュエータ付きのリニアガイド３４が設けられ、リニアガイド３４に折り曲げブロック３５が取り付けられている。折り曲げブロック３５は、前記アクチュエータ（例えば空圧作動するシリンダ部材など）によりリニアガイド３４に沿って昇降し、上部押えブロック２２と下部押えブロック２３との間に挟持された扁平型電池１０の外装材１２、１３を加圧し、下部押えブロック２３の面取りされた角部に沿った形状の折り曲げ部２０を形成するようになっている。

さらに、成形装置２１の上部押えブロック２２、下部押えブロック２３および折り曲げブロック３５には、ヒータＨがそれぞれ設けられている。これら各ヒータＨは、各ブロックで挟持された外装材１２、１３を加熱し、ヒートシールを施すものである。

次に、作用を説明する。

まず、外装材１３として、発電要素１１よりやや大きく裁断されたフラットなラミネートフィルムを準備し、外装材１２として、断面が扁平な椀状に成形したラミネートフィルムを準備する。

そして、外装材１２を成形装置２１の支持台（不図示）上にセットし、ここに発電要素１１を入れ、扁平な板状のタブＴｍ，Ｔｐもセットした状態で外装材１３を被せる。

この状態で成形装置２１を作動すると、図６に示すように、トグル機構２６のシリンダ部材３０が作動し、折曲位置の第１リンク２７と第２リンク２８が直状位置となり、上部押えブロック２２がリニアガイド３１に沿って下降し、下部押えブロック２３との間で発電要素１１の長手方向両側部分を加圧する。なお、タブＴｍ，Ｔｐも他の押えブロック（不図示）により加圧される。

上部押えブロック２２と下部押えブロック２３は、ヒータＨにより加熱されているので、両押えブロック２２，２３間の外装材１３は、発電要素１１の外周がヒートシールされる。なお、タブＴｍ，Ｔｐの部分も前記他の押えブロックによりヒートシールされる。

このようにして発電要素１１の外周が、全周にわたりヒートシールされると、図７に示すように、折り曲げブロック３５がアクチュエータによりリニアガイド３４に沿って下降し、両押えブロック２２，２３間に挟持されている状態の外装材１３の長手方向両側端部を折り曲げ、折り曲げ部２０を形成する。折り曲げブロック３５もヒータＨにより加熱されているので、折り曲げ部２０に対してもヒートシールが行なわれる。

この折り曲げ部２０を形成する場合、本実施形態では、発電要素１１の近傍乃至周辺をヒートシールした後、積層方向に折り曲げてヒートシールするので、独立した折り曲げ部形成工程が別途設けることなくヒートシール工程で折り曲げ部２０を形成することができる。しかも、外装材１２，１３を成形し折り曲げ部２０を形成するとき、上部押えブロック２２と下部押えブロック２３により、先にヒートシールした発電要素１１の近傍乃至周辺部分を加圧した状態で、まだヒートシールされていない部分を折り曲げブロック３５により折り曲げるので、ヒートシールされておらず相互間で滑りが可能な状態の両外装材１２，１３の部分は、円滑に曲げられ、屈曲癖が付けられた後に、ヒートシールされることになる。したがって、ヒートシール部分に外力が加わっても無用な応力が作用したり、外装材１２，１３が剥れる虞がなく、シール信頼性の高いものとなる。

このようにして形成された扁平型電池１０は、当該扁平型電池１０のマイナス側のタブＴｍを、上部に配置される他の扁平型電池１０のプラス側タブＴｐと接合し、当該扁平型電池１０のプラス側のタブＴｐを、下部に配置される他の扁平型電池１０のマイナス側タブＴｍと接合する。この接合を繰り返すことにより所定段数の扁平型電池１０が積層された状態の組電池Ｋを形成する。

組電池Ｋは、ケース１のロアケース１ａ内に収納されるが、ここで形成された組電池Ｋは、外装材１２，１３の周縁部がエッジとなって外方に突出しておらず、長手方向両側端部が折り曲げられているので、ロアケース１ａ内に収納する作業が円滑で容易にできる。ロアケース１ａの幅は、組電池Ｋの折り曲げ部２０間の長さよりやや小さくすれば、折り曲げ部２０の弾性を利用して収納するのみでロアケース１ａの側壁１ｃに当接させることができる。

なお、この当接を確実にするために、折り曲げ部２０をケース１の内面１ａに接着剤により取り付けてもよい。永年使用によってもあるいは外部から大きな振動が加わっても折り曲げ部２０とケース１との間に隙間が生じることはなく、扁平型電池１０の放熱効率の低下を防止することができる。

組電池Ｋの収納は完了すると、アッパーケース１ｂをロアケース１ａの口縁部に載置し、カシメ固定する。本実施形態は、発電要素１１が積層型であるため、電池性能を維持するには、電極板間の距離を均一に保つことが好ましことから、カシメ固定する場合には、発電要素１１に圧力を掛けた状態で行なう。

このようにして形成された電池モジュールＭは、各電池モジュールＭ間にカラーが設けられ、空間が形成された状態で車載され、車載電池として使用されるが、各電池モジュールＭは折り曲げ部２０の形成により全体形状がコンパクト化されているので、車載電池もその総体積が小型化し、当該車載電池の体積エネルギー密度が増大し、高出力および高容量の電池となる。

そして、この車載電池に充電すると、各電池モジュールＭは発熱することになるが、本実施形態の各電池モジュールＭでは、折り曲げ部２０が扁平型電池１０の長手方向全長に渡って形成され、しかもこれが両側に設けられ、それぞれがケース１の側壁１ｃと接触しているので、扁平型電池１０の周縁部とケース１との接触面積が大きく、各扁平型電池から放熱部分までの距離も小さく、各扁平型電池１０の熱は極めてスムーズにケース１に伝達されることになる。

ケース１の外部には、空気流通空間が形成されているので、各電池モジュールＭは充電による発熱が円滑に空冷され、電池温度が下がり、充電効率特性が低下することがない。なお、放電による発熱に関しても同様である。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で種々改変することができる。例えば、前記実施形態では、外装材１２，１３の周縁部を扁平型電池１０に沿って長手方向全長に渡り折り曲げ部２０を形成しているが、これのみでなく種々の部分的であってもよいことは言うまでもない。

本発明は、電動自動車の動力源として使用される車載電池の充放電による発熱を空冷し、電池温度を下げ、充電効率などの特性が低下することを抑制できる。

本発明に係る電池モジュールの一実施形態を示す斜視図である。 図１の２−２線に沿う断面図である。 同電池モジュールに組み込まれる１つの扁平型電池の斜視図である。 図３の４−４線に沿う断面図である。 組電池の電気的接続状態を示す概略図である。 折り曲げ部を成形する前の状態の成形装置の断面図である。 折り曲げ部を成形した後の状態の成形装置を示す断面図である。

符号の説明

１…ケース、
１０…扁平型電池、
１１…発電要素、
１２，１３…外装材、
２０…折り曲げ部、
Ｋ…組電池、
Ｌ…折り曲げ部の長さ、
Ｍ…電池モジュール、
ｔ…扁平型電池の積層方向の厚さ。

Claims (6)

1. 外装材により発電要素を内部に封止してなる扁平型電池を複数積層して形成した組電池を、ケース内に収納してなる電池モジュールであって、
   前記外装材の周縁部を前記扁平型電池の積層方向に折り曲げることにより形成した折り曲げ部を、前記ケースの内面に当接したことを特徴とする電池モジュール。
2. 前記折り曲げ部は、前記扁平型電池の積層方向の厚さ寸法以下の長さとしたことを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記ケースは、少なくとも前記外装材の熱伝導率より高い材料により構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の電池モジュール。
4. 前記折り曲げ部は、前記ケースの内面に接着剤により取り付けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電池モジュール。
5. 外装材により発電要素を内部に封止してなる扁平型電池を複数積層して形成した組電池を、ケース内に収納してなる電池モジュールの製造方法であって、
   前記外装材の周縁部を前記扁平型電池の積層方向に折り曲げ、この折り曲げにより形成した折り曲げ部が前記ケースの内面に当接した状態で前記組電池をケース内に収納することを特徴とする電池モジュールの製造方法。
6. 前記折り曲げ部は、前記扁平型電池から面方向に突出した前記外装材の周縁部をヒートシールした後、当該外装材の周縁部を前記扁平型電池の積層方向に折り曲げてヒートシールすることを特徴とする請求項５に記載の電池モジュールの製造方法。

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