JP2007042642A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】冷却媒体の流通構造を改善して、単位電池の温度制御効果が優れていると共に、各単位電池間の温度偏差を最小化することができる二次電池モジュールを提供する。
【解決手段】電池モジュール１０は、単位電池１２が収容され、この単位電池１２のための冷却媒体が流通する流通路２３、２４を有するハウジング２０を含み、前記ハウジング２０は、前記単位電池１２が位置する単位電池収容部２５及び、前記流通路２３、２４を形成し前記単位電池収容部２５に連通する流通部２３、２４を含む。前記ハウジング２０の長さ方向に対して垂直な方向を基準に、前記単位電池収容部２５の内部空間の断面積が前記流通部２３、２４の内部空間の断面積より大きく形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池に関し、より詳しくは、複数個の二次電池を連結して電池モジュールを構成する際、単位電池の冷却効率を向上させた電池モジュールに関するものである。

二次電池（rechargeable battery）は、充電が不能な一次電池とは異なり充電及び放電が可能な電池である。低容量の二次電池は、携帯電話機やラップトップコンピュータ及びキャムコーダーのような携帯可能な小型電子機器に使用され、大容量の二次電池は、ハイブリッド電気自動車などのモーター駆動用電源として幅広く使用されている。

前記二次電池は色々な形状に製造されている。代表的な形状としては、円筒形、角型が挙げられる。大電力を必要とする機器、例えば、電気自動車などのモーター駆動に用いられるように、前記高出力二次電池は、複数を直列に連結して大容量の二次電池を構成するようになる。

このように一つの大容量二次電池（以下、明細書全体を通じて、説明の便宜上“電池モジュール”と称する）は、通常直列に連結される複数の二次電池（以下、明細書全体を通じて、説明の便宜上“単位電池”と称する）からなる。

前記各々の単位電池は、正極と負極がセパレータを隔てて位置する電極群と、前記電極群が内蔵される空間部を備えたケースと、前記ケースに結合されてこれを密閉するキャップ組立体、及び前記キャップ組立体上に突出し、前記電極組立体に備えられた正、負極の集電体と電気的に連結される正、負極端子を含む。

そして、各々の単位電池は、通常角型電池の場合、キャップ組立体の上部に突出した正極端子及び負極端子が、隣接する単位電池の正極端子及び負極端子と交差するように各単位電池を交差配列し、ネジ加工された負極端子と正極端子との間に、ナットを媒介として導電体を連結設置して電池モジュールを構成する。

ここで、前記電池モジュールは、数個から多くは数十個の単位電池を連結して一つの電池モジュールを構成するので、各単位電池で発生する熱を容易に放出しなければならず、何よりも、電池モジュール内で各単位電池の設置位置間の温度差が大きくてはいけない。二次電池モジュールの熱放出特性は、電池の性能を左右するだけの大変重要な要素である。

熱放出がうまく行われない場合、各単位電池間に温度偏差が発生して充/放電効率を低下させ、単位電池で発生する熱により電池内部の温度が上昇し、結果的に電池の性能が低下し、さらには爆発の危険を招く。

特に、前記電池モジュールが電動掃除機、電動スクーターや自動車用（電気自動車またはハイブリッド電気自動車）のモーター駆動用の大容量二次電池として適用される場合、大電流で充電/放電されるので、使用状態によって二次電池の内部反応により熱が発生し、相当な温度まで上がるようになるが、これは電池特性に影響を与えて電池固有の性能を低下させる。したがって、熱放出は何よりも重要であると言える。

従って、本発明は、前記の必要性を勘案して発明されたものであって、その目的は、冷却媒体の流通構造を改善して、単位電池の温度制御効果が優れていると共に、各単位電池間の温度偏差を最小化することができる二次電池モジュールを提供することにある。

本発明による電池モジュールは、単位電池が収容され、この単位電池のための冷却媒体が流通する流通路を有するハウジングを含み、前記ハウジングは、前記単位電池が位置する単位電池収容部、及び前記流通路を形成し、前記単位電池収容部に連通する流通部を含む。前記ハウジングの長さ方向に対して垂直な方向を基準に、前記単位電池収容部の内部空間の断面積が、前記流通部の内部空間の断面積より大きく構成される。

前記流通路は、前記単位電池に提供される冷却媒体が流れる流入通路であることができる。

前記電池収容部と前記流通部との連結部位に対する内面形状は、段差を有する形状からなることができる。

前記電池収容部の内側コーナー部が、ある角度で曲がって形成されることができる。

前記内側コーナー部は、直角に曲がって形成されることができる。

前記単位電池収容部と前記流通部との断面外形が四角形からなることができる。

前記電池収容部と前記流通部との段差の量は、前記単位電池収容部の断面高さに対して１３〜２３％に設定されることができる。

前記単位電池が複数備えられて電池集合体を形成し、前記電池集合体が前記ハウジングの長さ方向に沿って前記単位電池収容部内に配置され、前記流通路は、前記ハウジングの長さ方向に沿って前記単位電池収容部に連結されることができる。

前記電池集合体は、一対備えられて、前記ハウジングの幅方向に任意の間隔をおいて前記ハウジング内に対向配置されることができる。

前記電池集合体が前記ハウジング内部の同一平面上に配置されることができる。

前記電池集合体は、前記単位電池の間に配置された隔壁を含むことができる。

前記流通路は、前記電池集合体に提供される前記冷却媒体が流れる流入通路と、前記電池集合体を通過した前記冷却媒体が流れる排出通路とを含むことができる。

前記ハウジングは前記電池収容部を複数備え、この電池収容部の間に前記流入通路を配置することができる。

前記単位電池が複数に備えられて電池集合体を形成し、この電池集合体が前記単位電池収容部に複数に備えられることができる。

前記単位電池は、２０乃至８０個備えられることができる。

本実施例によれば、温度制御用空気の流通構造を改善することによって電池モジュールの冷却効率を向上させることができ、温度制御用空気が単位電池の間に均等に流通するので、電池モジュール全体における局部的な熱的不均衡を解消することができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について本発明が属する技術分野にて通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は色々な相違した形態で実現でき、ここで説明する実施形態に限られない。

以下の説明では、電池モジュールの単位電池に対する冷却媒体として空気を利用したことを例に挙げて説明する。もちろん、本発明が冷却媒体として空気を使用することに限定されるわけではなく、冷却水やその他の流体などを使用する場合も適用できる。

図１は、本発明の一実施形態による電池モジュールを概略的に示した斜視図であり、図２は、図１に示した電池モジュールの横断平面図である。

図１、図２を参照すれば、電池モジュール１０は、複数個の単位電池１２が一定の間隔をおいて連続的に配列されてなる電池集合体１１と、この電池集合体１１を内蔵し、前記各単位電池１２に温度制御用空気を流通させるための流通路を有するハウジング２０とを含む。

ここで、前記各単位電池１２は、セパレータを隔ててその両側に正極と負極が配置される電極組立体を備え、予め設定された正の電力を充、放電させる通常の構造の二次電池として構成される。

前記電池集合体１１は、言及した通り複数個の単位電池１２が一定の間隔で配置されて、一つの列を成した構造を意味する。

本実施形態によれば、前記電池集合体１１は、ほぼ四角形（本実施形態では一対の長辺と一対の短辺を有する横幅の広い長方形）の外形を有する単位電池１２が直立するように配列されて、積層される。

具体的には、前記電池集合体１１は、ハウジング２０内に少なくとも一つ以上備えられる。本実施形態では、２組（各々１個以上の単位電池を含む）の電池集合体１１が一対を成し、この２組がハウジング２０内で同一平面上に相互に離隔して配置される。

本実施形態で電池集合体１１は、２０個の単位電池１２が１組として集まって形成されることができる。したがって、ハウジング２０内には２組４０個の単位電池１２が内蔵される。図１、図２に示す個数は正確な個数ではない。もちろん、本発明において、ハウジング内に内蔵される単位電池の数が前記のことに必ずしも限定されるわけではなく、前述のように、電池集合体がハウジングにその数を一つ（１組）にすれば、２０個の単位電池が内蔵されると言える。

前記で電池集合体１１をハウジング２０内部の同一平面上に配置する理由は、電池モジュール１０の全体高さを最小化するためである。

このような電池集合体１１は、各単位電池１２の相互間及び最外側に配置された単位電池１２の外側に隔壁１３を設置している。隔壁１３は、各単位電池１２の間隔を一定に維持させながら温度制御用空気を流通させ、各単位電池１２の側面を支持する機能をする。

このため、前記各々の隔壁１３には、これら単位電池１２相互間に温度制御用空気、つまり、単位電池１２の温度を制御するための比較的低い温度の冷却空気を流通させるためのチャンネル（通路）１４が形成される。

本実施形態において、前記チャンネル１４は、隔壁１３が有する複数個の突起によって形成されるが、本発明におけるこのチャンネルは、温度制御用空気を流通させられれば充分であるので、そのための具体的な構造は特に限られない。

このような電池モジュール１０において、ハウジング２０は、前記電池集合体１１を内蔵させることはもちろん、この電池集合体１１の各単位電池１２相互間に配置された隔壁１３のチャンネル１４に温度制御用空気を流通させて、各々の単位電池１２から発生する熱を冷却させるようにする。

本実施形態においてこのようなハウジング２０は、前記電池集合体１１を収容するための一対の単位電池収容部２５と、ハウジング２０（一対の単位電池収容部２５）の内部に並んで配置された一対の電池集合体１１とを基準に、これら電池集合体１１の間のハウジング２０の中央と各電池集合体１１の外側に対応するハウジング２０の両側に、各々温度制御用空気が流通する流通路として形成された流入通路２３及び排出通路２４を含む。

ここで、流入通路２３と排出通路２４は、実質的に前記空気がハウジング２０の内部に流入またはハウジング２０の外部に排出できるように備えられた流入口２１と排出口２２に連結される。

このような流入通路２３と排出通路２４は、電池モジュール１０の冷却媒体の流れタイプ（ブロワータイプまたは吸引タイプ）によって、冷却媒体が流入する通路であるかまたは冷却媒体が排出される通路であるかに最終的に決定される。

以下の説明では、前記ハウジング２０の中央が、温度制御用空気が流入する流入通路２３として用いられ、ハウジング２０の両側が、温度制御用空気が排出される排出通路２４として用いられる構造であり、中央の流入通路２３に連結される流入口２１を通して、空気を吹き込むブロワータイプの場合を例に挙げて説明する。

前記単位電池収容部２５は、電池集合体１１を収容しながら、この電池集合体１１を固定させるための内部空間を形成する。本実施形態におけるこの単位電池収容部２５は、流入通路２３を基準にその両側に対を成して配置され、一対の電池集合体１１が、各単位電池収容部２５にハウジング２０の長さ方向（図１、図２示したＹ方向参照）に沿って装着される。

前記流入通路２３はハウジング２０中央に配置されて、ハウジング２０の中央に配置された流入口２１に連通する。

また、前記排出通路２４は、ハウジング２０の内部両側で各電池集合体１１の外側に位置し、温度制御用空気の進行方向に沿って配置される排出口２２に連通する。もちろん、流入通路２３と排出通路２４とは単位電池収容部２５に連通する。

そのために、温度制御用空気は、流入口２１を通して、ハウジング２０中央に形成された流入通路２３に入ってきて、流入通路２３に沿って配列された各電池集合体１１の単位電池１２相互間の隔壁１３を通して排出通路２４に移動し、排出口２２を通してハウジング２０の外部に排出される。

このような電池モジュール１０において、単位電池収容部２５が有する内部空間の断面積は、前記の流通路、例えば、流入通路２３が有する内部空間の断面積より大きく形成される。ここで、単位電池収容部２５と流入通路２３の断面積は、前記ハウジング２０の長さ方向（Ｙ）に対して垂直な方向（図１、図２に示したＸ方向参照）に沿った断面積を意味する。

実質的に、単位電池収容部２５と流入通路２３が前記の関係を持つようにするために、本実施形態では、単位電池収容部２５と流入通路２３とが連結される部位の内面形状が、段差のある形状に形成されるようにする（図３参照）。

このとき、単位電池収容部２５のコーナー部は、直角で曲がるように形成されるのが好ましい。同時に、本実施形態において、単位電池収容部２５と流入通路２３の断面外形は四角形を有するように形成している。もちろん、排出通路２４の断面外形もまた四角形を有する。

本実施形態では、図面を基準に、単位電池収容部２５と流入通路２３の上、下部が全て段差を有するようになっているが、これは必ずしも満たされなければならない条件ではなく、いずれか一方が満たされれば差し支えない。

一方、本実施形態では、単位電池収容部２５と排出通路２４との間にも、前記単位電池収容部２５と流入通路２３との関係が適用されるようにしている。

このようなハウジング２０の構造により、冷却用空気が流入通路２３を通して単位電池収容部２５に装着された電池集合体１１に進行する場合、この冷却用空気は、単位電池収容部２５より相対的に小さい断面大きさを有する流入通路２３から、断面大きさが相対的に大きい単位電池収容部２５に拡散するので、その進行速度を速くすることができ、したがって、電池集合体１１の単位電池１２に対する冷却効率を向上させることができる。

一方、本実施形態において、単位電池収容部２５に対する流入通路２３または排出通路２４の段差の程度は次の通りに設定される。以下の説明では流入通路２３を基準に説明し、排出通路２４もまた同一に適用される。

図３に示されているように、流入通路２３が単に電池収容部２５に対して段差を有するように形成されることによって、Ｚ軸方向への断面高さにおいて、単位電池収容部２５の断面高さ（Ｌ３）は流入通路２３の断面高さ（Ｌ１）より高い。

したがって、単位電池収容部２５に対する流入通路２３の段差の量は、単位電池収容部２５の断面高さ（Ｌ３）に対する流入通路２３の断面高さ（Ｌ１）の差と定義でき、したがって、前記流入通路２３の断面高さ（Ｌ１）は、単位電池収容部２５の断面高さ（Ｌ３）の５４〜７４％に設定される。

したがって、前記流入通路２３の上端または下端の段差の量は、単位電池収容部２５の断面高さ（Ｌ３）の１３〜２３％に設定される。

ここで、この段差の量が１３％以下であると、冷却用空気の拡散がうまく行われないために冷却用空気の速度を高めることが難しく、２３％より大きいと、単位電池収容部２５に流入する冷却用空気の流入量が少ないため、冷却効果が低下するという問題点がある。

前記構造は排出通路２４にも同一に適用されて、排出通路２４の断面高さ（Ｌ２）は、単位電池収容部２５の断面高さ（Ｌ３）の５４〜７４％に設定され、前記排出通路２４の上端または下端の段差の量は、単位電池収容部２５の断面高さの１３〜２３％に設定される。

前記のように構成される電池モジュールの作用を見てみれば、次の通りである。

流入口２１に連結された図示していない温度制御用空気供給手段の駆動により、流入口２１を通してハウジング２０内部に温度制御用空気が流入すれば、この温度制御用空気は、流入通路２３に沿って各電池集合体１１を通過した後、排出通路２４を通過して排出口２２で排出される。

このとき、前記冷却用空気は、流入通路２３で、電池集合体１１が設けられた単位電池収容部２５を進行する過程で拡散によってその速度が速くなって、急速に単位電池収容部２５から排出される。

これは、流入通路２３の断面高さが単位電池収容部２５の断面高さより相対的に小さいからであり、冷却用空気は、大きさの小さい所から突然大きい所に進行することによって単位電池収容部２５内で拡散し、したがって、単位電池収容部２５に設けられた電池集合体１１の各単位電池１２の間を急速に進行できるようになる。

このように電池集合体１１に冷却用空気が急速に進入されることにより、冷却用空気の流れ方向に沿って、電池集合体１１の前方と後方に位置した単位電池１２の温度差を減らし、全体的に均一な温度分布を現わすことができるようになる。

図４Ａは、本実施形態による電池モジュールに対する電池集合体の単位電池に対する温度分布を示したシミュレーション結果であって、図４Ｂに示した比較例に比べて本実施形態には、比較例での流入口側に形成された高温領域を除去して、この流入口側に配置された単位電池の温度を相対的にさらに低くすることができ、電池集合体全体の単位電池に対する温度均一度を向上させることができることが分かる。

ここで、比較例の電池モジュールは、本実施形態の単位電池収容部と流入通路の断面積が同一に適用される場合である。

図５Ａは、本発明の他の実施形態による電池モジュールを示した断面図である。

図５Ａに示された電池モジュール３０は、単位電池収容部３２、３４、３６を３個を連続的に配置し、これらの間に流入通路３８を連結し、両側の単位電池収容部３２、３６に排出通路４０を連結させて構成する。

ここで、単位電池収容部３２、３４、３６と流入通路３８及び排出通路４０の関係は、前述のことに準じて構成され、各単位電池収容部３２、３４、３６に内蔵される電池集合体４２は、各々２０個の単位電池で構成されて、この電池モジュール３０には合計６０個の単位電池が内蔵される。

図５Ｂは、本発明のさらに他の実施形態による電池モジュールを示した断面図である。

図５Ｂに示された電池モジュール５０は、図１、図２、図３に示した電池モジュールと基本的に同一の構成を持ち、各単位電池収容部５２、５４に内蔵される電池集合体５６を複数に積層させて構成する。

その構成によってこの電池モジュール５０は、各単位電池収容部５２、５４に４０個ずつ、合計８０個の単位電池が内蔵される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施するのが可能であり、これもまた本発明の範囲に属する。

本発明の一実施形態による電池モジュールを概略的に示した斜視図である。 図１に示した電池モジュールの横断平面図である。 図２のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールの単位電池の温度分布に対するシミュレーション結果を示す図である。 本発明の比較例による電池モジュールの単位電池の温度分布に対するシミュレーション結果を示す図である。 本発明の他の実施形態による電池モジュールを概略的に示した断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による電池モジュールを概略的に示した断面図である。

符号の説明

１０、３０、５０ 電池モジュール
１１、４２、５６ 電池集合体
１２ 単位電池
１３ 隔壁
１４ チャンネル
２０ ハウジング
２１ 流入口
２２ 排出口
２３、３８ 流入通路
２４、４０ 排出通路
２５、３２、３４、３６、５２、５４ 単位電池収容部

Claims (15)

1. 単位電池が収容され、この単位電池のための冷却媒体が流通する流通路を有するハウジングを含み、
   前記ハウジングは、
   前記単位電池が位置する単位電池収容部；及び
   前記流通路を形成し、前記単位電池収容部に連通する流通部；
   を含み、
   前記ハウジングの長さ方向に対して垂直な方向を基準に、前記単位電池収容部の内部空間の断面積が、前記流通部の内部空間の断面積より大きいことを特徴とする電池モジュール。
2. 前記流通路が、前記単位電池に提供される冷却媒体が流れる流入通路であることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記単位電池収容部と前記流通部との連結部位に対する内面形状が、段差を有する形状からなることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
4. 前記単位電池収容部の内側コーナー部が、ある角度に曲がって形成されたことを特徴とする請求項３に記載の電池モジュール。
5. 前記内側コーナー部が、直角に曲がって形成されたことを特徴とする請求項４に記載の電池モジュール。
6. 前記単位電池収容部と前記流通部との断面外形が四角形からなることを特徴とする請求項３に記載の電池モジュール。
7. 前記単位電池収容部と前記流通部との段差の量は、前記単位電池収容部の断面高さに対して１３〜２３％に設定されることを特徴とする請求項３に記載の電池モジュール。
8. 前記単位電池が複数備えられて電池集合体を形成し、前記電池集合体が前記ハウジングの長さ方向に沿って前記単位電池収容部内に配置され、前記流通路は前記ハウジングの長さ方向に沿って前記単位電池収容部に連結されたことを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
9. 前記電池集合体は一対備えられ、任意の間隔をおいて前記ハウジングの幅方向に対向配置されたことを特徴とする請求項８に記載の電池モジュール。
10. 前記電池集合体が前記ハウジング内部の同一平面上に配置されることを特徴とする請求項９に記載の電池モジュール。
11. 前記電池集合体は、前記単位電池の間に配置された隔壁を含むことを特徴とする請求項８に記載の電池モジュール。
12. 前記流通路は、前記電池集合体に提供される前記冷却媒体が流れる流入通路と、前記電池集合体を通過した前記冷却媒体が流れる排出通路とを含むことを特徴とする請求項８に記載の電池モジュール。
13. 前記ハウジングは前記単位電池収容部を複数備え、この単位電池収容部の相互間に前記流入通路を配置することを特徴とする請求項２に記載の電池モジュール。
14. 前記単位電池が複数に備えられて電池集合体を形成し、この電池集合体が前記単位電池収容部に複数に備えられることを特徴とする請求項１３に記載の電池モジュール。
15. 前記単位電池が２０乃至８０個備えられて形成されたことを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。