JP2007066647A - 電池冷却構造および電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却効率に優れた電池冷却構造および電池モジュールを提供する。
【解決手段】 電池冷却構造は、正極シート、負極シートおよびセパレータの積層体からなる電池素子２０と、電池素子２０を電解質とともに封入するラミネート外装体４１とを備える。ラミネート外装体４１は、電池素子２０の円筒側面２０ａ上で重なる内層４２および外層４３を有する。内層４２と外層４３との間に冷却水が流される。
【選択図】 図２

Description

この発明は、一般的には、電池冷却構造および電池モジュールに関し、より特定的には、冷却媒体が流れる通路を備える電池冷却構造およびその電池冷却構造が用いられた電池モジュールに関する。

従来の電池冷却構造を備えた電池モジュールに関して、たとえば、特開２００２−３１９３８３号公報には、耐久強度および電池寿命の改良を目的とした電池モジュールが開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された電池モジュールは、積層電極体の周囲が絶縁フィルムにより覆われて構成された単電池と、単電池を両側から押圧して固定する保持部材とを備える。保持部材の、単電池を押圧する面の反対側の面には、冷却用流体を流すための流体用通路が形成されている。

また、特開２００５−５６６５５号公報には、放熱効率の向上を目的とした扁平型２次電池が開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された扁平型２次電池は、発電要素体で発生した熱を、ラミネートフィルム内から外部に放出するための放熱板を備える。放熱板は、発電要素体を構成する２枚のセパレータの間に挟持されている。

また、特開平９−５０８２１号公報には、積層型バッテリの温度上昇を防止し、長寿命で高性能なバッテリを実現することを目的としたバッテリモジュールが開示されている（特許文献３）。また、特開２００４−１０３２５８号公報には、ラミネートフィルムのシール性を確保することによって、単電池の信頼性を向上させることを目的とした組電池が開示されている（特許文献４）。
特開２００２−３１９３８３号公報 特開２００５−５６６５５号公報 特開平９−５０８２１号公報 特開２００４−１０３２５８号公報

上述の特許文献１では、冷却用流体を流すための流体用通路が、単電池の外周に配置される保持部材に形成されている。しかしながら、単電池で最も発熱が大きくなるのは、積層電極体に含浸させられた電解質である。このため、絶縁フィルム内の積層電極体と冷却用通路との間の距離が大きいほど、積層電極体から冷却用媒体に向けた熱伝導の効率が悪くなる。これにより、電池の冷却効率が低下するおそれが生じる。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、冷却効率に優れた電池冷却構造および電池モジュールを提供することである。

この発明に従った電池冷却構造は、正極シート、負極シートおよびセパレータの積層体からなる電池素子と、電池素子を電解質とともに封入する外装体とを備える。外装体は、電池素子の表面上で重なる複数の層を有する。複数の層の間に冷却媒体が流される。

このように構成された電池冷却構造によれば、冷却媒体が、発熱が大きくなる電池素子により近接した位置に流されるため、電池素子から冷却媒体への熱伝導を効率良く行なわせることができる。これにより、電池素子と冷却媒体との間の熱交換が促進し、優れた冷却効率を実現することができる。

また好ましくは、電池冷却構造は、複数の層の間に配置されるチューブ部材をさらに備える。チューブ部材には、冷却媒体が流される。このように構成された電池冷却構造によれば、冷却媒体の通路を簡易に構成するとともに、電池冷却構造の製造コストを低く抑えることができる。

この発明に従った電池モジュールは、上述のいずれかに記載の電池冷却構造が用いられた電池モジュールである。この電池モジュールでは、電池素子と冷却媒体が流される外装体とを備える電池セルと、電池素子と電池素子を電解質とともに封入するのみの外装体とを備える電池セルとが、隣り合う電池素子間に複数の層を挟持しながら交互に積層されている。

このように構成された電池モジュールによれば、電池素子を電解質とともに封入するのみの外装体を備える電池セルでは、その電池セルに隣接する電池セルに流される冷却媒体によって電池素子が冷却される。これにより、冷却媒体が流される外装体を備える電池セルと電池素子を電解質とともに封入するのみの外装体を備える電池セルとの双方で、電池素子を効率良く冷却することができる。また、冷却媒体が流される外装体を備える電池セルだけを積層して電池モジュールを構成した場合と比較して、積層方向に沿った電池モジュールの長さを小さく抑えることができる。これにより、電池モジュールの小型化を図ることができる。

以上説明したように、この発明に従えば、冷却効率に優れた電池冷却構造および電池モジュールを提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１における電池冷却構造が適用された電池モジュールを示す斜視図である。図中に示す電池モジュールは、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な２次電池とを動力源とするハイブリッド自動車に搭載されている。

図１を参照して、電池モジュール１０は、複数のラミネート電池セル８０とラミネート電池セル９０とが、図中の矢印１０１に示す方向（以下、単に電池セルの積層方向とも呼ぶ）に交互に積層されて構成されている。ラミネート電池セル８０および９０は、図示しない正極端子および負極端子を備え、これらの端子が、電池セル間で互いに電気的に直列に接続されている。ラミネート電池セル８０および９０は、リチウムイオン電池から構成されている。

積層されたラミネート電池セル８０および９０の両側には、エンドプレート１１および１２が配置されている。エンドプレート１１とエンドプレート１２とは、積層されたラミネート電池セル８０および９０の上下でそれぞれ延びる拘束バンド１３および１４によって、互いに結合されている。このような構成により、積層されたラミネート電池セル８０とラミネート電池セル９０とが一体に保持されている。

図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿った電池セルの断面図である。図３は、図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿った電池セルの断面図である。図２を参照して、ラミネート電池セル８０は、巻回型の電池素子２０と、電池素子２０を覆うように設けられたラミネート外装体４１と、ラミネート外装体４１に設けられ、冷却水が流れる水冷ジャケット５１とを備える。図３を参照して、ラミネート電池セル９０は、電池素子２０と、電池素子２０を覆うように設けられたラミネート外装体４６とを備える。

図４は、図２および図３中の電池素子を示す斜視図である。図５は、図４中の電池素子の分解組み立て図を示す斜視図である。図４および図５を参照して、電池素子２０は、正極シート２１と、セパレータ２９を介して正極シート２１と重ね合わされた負極シート２６とから構成されている。

正極シート２１は、略矩形形状を有するアルミニウム箔から形成されている。正極シート２１の両面には、正極活物質を含有するペースト２２が塗布されている。正極活物質としては、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₃等、リチウムイオン電池に用いられる正極活物質の１種もしくは２種以上を特に限定することなく使用できる。正極シート２１の長手方向に延びる一方の周縁には、ペースト２２が塗布されていないペースト未塗布部２３が、帯状に延びて形成されている。

負極シート２６は、正極シート２１と同一形状を有する銅箔から形成されている。負極シート２６の両面には、負極活物質を含有するペースト２７が塗布されている。負極活物質としては、アモルファスカーボン、グラファイトカーボン等、リチウムイオン電池に用いられる負極活物質の１種もしくは２種以上を特に限定することなく使用できる。負極シート２６の長手方向に延びる一方の周縁には、ペースト２７が塗布されていないペースト未塗布部２８が、帯状に延びて形成されている。

セパレータ２９は、短手方向の長さが正極シート２１および負極シート２６よりも小さく形成された略矩形形状を有する。セパレータ２９としては、たとえば、多孔質のポリプロピレン樹脂シートを使用することができる。

正極シート２１、負極シート２６および２枚のセパレータ２９が、セパレータ２９、負極シート２６、セパレータ２９、正極シート２１の順に重ね合わされている。このとき、正極シート２１にペースト２２が塗布された領域と、負極シート２６にペースト２７が塗布された領域とが、セパレータ２９を介して向い合う。また、正極シート２１のペースト未塗布部２３が、セパレータ２９の長手方向に延びる一方の端辺から露出し、負極シート２６のペースト未塗布部２８が、セパレータ２９の長手方向に延びる他方の端辺から露出する。

電池素子２０は、正極シート２１、負極シート２６および２枚のセパレータ２９からなる積層体が、中心軸１１０を中心に巻回されることによって形成されている。積層体は、中心軸１１０に直交する平面で切断した場合の断面形状が長円となるように形成されている。このように構成された電池素子２０は、電池素子２０が備える外周面のうち最も大きい面積を有し、中心軸１１０を挟んだ両側で延在する一対の円筒側面２０ａを有する。

各シートが巻回された積層体の状態において、正極シート２１のペースト未塗布部２３が多層に重なった位置には、正極端子３１が接続されており、負極シート２６のペースト未塗布部２８が多層に重なった位置には、負極端子３２が接続されている。正極端子３１および負極端子３２は、金属から形成されている。正極端子３１は、たとえばアルミニウムから形成されており、負極端子３２は、たとえば銅から形成されている。電池素子２０には、リチウム塩を有機溶媒に溶かした有機電解質が含浸させられている。

なお、本実施の形態では、正極端子３１および負極端子３２が、電池素子２０の両端からそれぞれ突出する場合について説明したが、これに限定されず、たとえば、正極端子３１および負極端子３２の双方が電池素子２０の一端から突出するように、電池セルが形成されていても良い。

図６は、図２中の電池セルの分解組み立て図を示す斜視図である。図２および図６を参照して、ラミネート外装体４１は、たとえば、アルミニウム等の金属からなる基材にポリエチレンテレフタラート樹脂（ＰＥＴ：poly ethylene terephthalate）等の樹脂材料が被膜されたラミネートシートから形成されている。

ラミネート外装体４１は、電解質が含浸させられた電池素子２０を収容する空間３４を形成する内層４２と、内層４２の外周面との間に隙間を形成するように内層４２を覆う外層４３とから構成されている。内層４２は、電池素子２０の円筒側面２０ａに接触するように設けられている。外層４３は、内層４２を挟んで円筒側面２０ａの裏側で内層４２との間に隙間を形成するように設けられている。外層４３は、電池セルの積層方向に沿った電池素子２０の両側で、内層４２との間に隙間を形成するように設けられている。

本実施の形態では、内層４２は筒形状を有し、その筒形状の内側に、正極端子３１および負極端子３２が接続された電池素子２０が配置される。正極端子３１および負極端子３２が内層４２の外側に突出した状態で、内層４２の開口部分４５が熱溶着される。これにより、電池素子２０を収容する空間３４が形成される。外層４３は、開口部分４５が開口する位置から９０°ずれた位置で２方向に開口するように設けられている。外層４３は、たとえば熱溶着により内層４２と一体にされている。

内層４２と外層４３との間の隙間には、水冷ジャケット５１が位置決めされている。水冷ジャケット５１には、電池素子２０の円筒側面２０ａに沿って延びる冷却水通路５２が複数、形成されている。水冷ジャケット５１は、金属から形成されており、たとえばアルミニウムから形成されている。この場合、電池素子２０から冷却水通路５２までの間の熱伝導性を向上させることができる。また、水冷ジャケット５１を樹脂材料から形成することも可能である。この場合、電池モジュール１０の軽量化を図ることができる。

なお、ラミネート外装体４１は、以上に説明した形状に限定されず、電池素子２０に対して正極端子３１および負極端子３２が設けられる位置や、冷却水通路５２が開口する位置、またはこれらの位置関係等に応じて、適当な形状を採り得る。たとえば、内層４２を略矩形形状を有するラミネートシートから形成しても良い。この場合、ラミネートシートが、電池素子２０を挟み込んだ状態で２つ折りにされ、重なった周縁が熱溶着されることによって、電池素子２０を収容する空間３４が形成される。また、たとえば、筒形状を有する内層４２の外周上に、内層４２よりも一回り大きい筒形状を有する外層４３が配置されてラミネート外装体４１が構成されていても良い。また、本実施の形態では、内層４２と外層４３とが同じ材料のラミネートシートから形成されているが、異なる材料のラミネートシートから形成されていても良い。

図３を参照して、ラミネート電池セル９０を構成するラミネート外装体４６は、ラミネート外装体４１の内層４２のみを備えた形状に形成されている。ラミネート電池セル９０には、水冷ジャケット５１が設けられていない。

図１および図２を参照して、ラミネート電池セル８０とラミネート電池セル９０とを交互に積層することによって、ラミネート電池セル８０の電池素子２０とラミネート電池セル９０の電池素子２０との間に、ラミネート電池セル８０に設けられた水冷ジャケット５１が配置された構造が得られる。ラミネート電池セル８０が備えるラミネート外装体４１の外層４３と、ラミネート電池セル９０が備えるラミネート外装体４６とが接触する。水冷ジャケット５１に形成された冷却水通路５２は、電池モジュール１０の一方の側面１０ｂから他方の側面１０ｃに向かって、電池セルの積層方向の直交方向に延びている。

本実施の形態では、水冷ジャケット５１が設けられていないラミネート電池セル９０が１つおきに配置されているため、電池モジュール１０をラミネート電池セル８０のみから構成した場合と比較して、電池セルの積層方向における電池モジュール１０の長さを小さく抑えることができる。これにより、ハイブリッド自動車に対する電池モジュール１０の搭載性を向上させることができる。また、電池モジュール１０の部品コストを低く抑えることができる。

電池モジュール１０の側面１０ｂおよび側面１０ｃの脇には、それぞれ、水冷ジャケット５１に向けて冷却水を供給する冷却水供給管１６と、水冷ジャケット５１に供給された冷却水を回収する冷却水排出管１８とが設けられている。冷却水供給管１６および冷却水排出管１８は、電池セルの積層方向に沿って延びている。冷却水通路５２は、側面１０ｂにおいて、冷却水供給管１６から分岐する分岐供給管１６ｒに接続され、側面１０ｃにおいて、冷却水排出管１８から分岐する分岐排出管１８ｒに接続されている。

このような構成により、冷却水は、冷却水供給管１６から分岐供給管１６ｒを通って冷却水通路５２に供給される。冷却水は、冷却水通路５２を流れる間、水冷ジャケット５１の両側に配置されたラミネート電池セル８０およびラミネート電池セル９０の電池素子２０と熱交換を行なう。本実施の形態では、水冷ジャケット５１がラミネート外装体４１の内層４２と外層４３との間に位置決めされているため、この際、冷却水が電池素子２０により近い位置を流れる。このため、電池素子２０から冷却水が流れる冷却水通路５２までの熱伝達を効率良く行なわせることができる。電池素子２０との熱交換によって温度上昇した冷却水は、分岐排出管１８ｒを通って冷却水排出管１８から外部に排出される。

この発明の実施の形態１における電池冷却構造は、正極シート２１、負極シート２６およびセパレータ２９の積層体からなる電池素子２０と、電池素子２０を電解質とともに封入する外装体としてのラミネート外装体４１とを備える。ラミネート外装体４１は、電池素子２０の表面としての円筒側面２０ａ上で重なる複数の層としての内層４２および外層４３を有する。内層４２と外層４３との間に冷却媒体としての冷却水が流される。

このように構成された、この発明の実施の形態１における電池冷却構造によれば、電池素子２０から冷却水までの熱伝達性を向上させることにより、電池素子２０を効率良く冷却することができる。これにより、電池性能の低下を抑制でき、電池モジュール１０の信頼性を向上させることができる。

また、本実施の形態では、水冷ジャケット５１がラミネート電池セル８０に一体に設けられているため、冷却水を流すための部材を別途、電池セル間に設置する必要がない。これにより、電池モジュール１０を簡易に構成することができる。また、水冷ジャケット５１はある程度の強度を有するため、拘束バンド１３および１４によりラミネート電池セル８０および９０を一体に保持した場合にも、電池モジュール１０の強度を確保することができる。

また、電池セルの製造時、電池素子２０をラミネート外装体４１に封入する工程と同時に、ラミネート電池セル８０に水冷ジャケット５１を設けることができる。このため、電池セルの積層工程時には、単にラミネート電池セル８０とラミネート電池セル９０とを交互に積層すれば良く、電池モジュール１０の組み立て時の作業性を向上させることができる。なお、電池セルの製造時、予め水冷ジャケット５１を設けたラミネート外装体４１に電池素子２０を封入しても良いし、電池素子２０をラミネート外装体４１に封入してから、水冷ジャケット５１をラミネート外装体４１に設けても良い。

また、電池モジュール１０の冷却機構として、空冷を採用することもできる。この場合、ラミネート外装体４１の内層４２と外層４３との間に形成された冷却風通路に冷却風が流される。空冷では水漏れに対する懸念が生じないため、水冷と比較して、冷却媒体を流す経路を簡易かつ安価に構成することができる。一方、水冷は、空冷と比較して冷却効率に優れる。

また、本実施の形態では、リチウムイオン電池からなるラミネート型の電池モジュール１０について説明したが、これに限定されず、たとえば、ニッケル水素電池からなる角型の電池モジュールに本発明を適用しても良い。この場合、電池素子は、複数の層を有する金属製のケースによって覆われ、そのケースの層間に冷却水や冷却風が流される。

また、本発明における電池冷却構造を、燃料電池と２次電池とを動力源とする燃料電池ハイブリッド車（ＦＣＨＶ：Fuel Cell Hybrid Vehicle）または電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）に適用することもできる。本実施の形態におけるハイブリッド自動車では、燃費最適動作点で内燃機関を駆動するのに対して、燃料電池ハイブリッド自動車では、発電効率最適動作点で燃料電池を駆動する。また、２次電池の使用に関しては、両方のハイブリッド自動車で基本的に変わらない。

（実施の形態２）
図７は、この発明の実施の形態２における電池冷却構造に用いられるラミネート電池セルを示す断面図である。図７は、実施の形態１における図２に対応する図である。本実施の形態における電池冷却構造は、実施の形態１における電池冷却構造と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。

図７を参照して、本実施の形態では、実施の形態１における水冷ジャケット５１に替えて、ラミネート外装体４１の内層４２と外層４３との間に水冷チューブ６１が複数本、配置されている。水冷チューブ６１は、電池素子２０の円筒側面２０ａに沿って、電池モジュール１０の側面１０ｂから側面１０ｃに向かって延びている。水冷チューブ６１は、その両端で、分岐供給管１６ｒおよび分岐排出管１８ｒに接続されている。水冷チューブ６１は、たとえばアルミニウムから形成されている。

図８は、図７中の電池冷却構造の変形例を示す断面図である。図８を参照して、本変形例では、１本の水冷チューブ６１が、電池素子２０の表面を覆うように巻回されている。巻回された水冷チューブ６１をさらに覆うように、ラミネート外装体４１の外層４３が設けられている。

このように構成された、この発明の実施の形態２における電池冷却構造によれば、実施の形態１に記載の効果と同様の効果を得ることができる。加えて、本実施の形態では、冷却水を流す通路を簡易に構成するとともに、水冷ジャケット５１を用いる場合と比較して電池モジュール１０の軽量化を図ることができる。

なお、実施の形態１で説明した電池冷却構造の構成と、実施の形態２で説明した電池冷却構造の構成とを適宜、組み合わせて、別の電池冷却構造を作製しても良い。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１における電池冷却構造が適用された電池モジュールを示す斜視図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿った電池セルの断面図である。 図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿った電池セルの断面図である。 図２および図３中の電池素子を示す斜視図である。 図４中の電池素子の分解組み立て図を示す斜視図である。 図２中の電池セルの分解組み立て図を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２における電池冷却構造に用いられるラミネート電池セルを示す断面図である。 図７中の電池冷却構造の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０ 電池モジュール、２０ 電池素子、２０ａ 円筒側面、２１ 正極シート、２６ 負極シート、２９ セパレータ、４１，４６ ラミネート外装体、４２ 内層、４３ 外層、６１ 水冷チューブ、８０，９０ ラミネート電池セル。

Claims (3)

1. 正極シート、負極シートおよびセパレータの積層体からなる電池素子と、
   前記電池素子を電解質とともに封入する外装体とを備え、
   前記外装体は、前記電池素子の表面上で重なる複数の層を有し、
   前記複数の層の間に冷却媒体が流される、電池冷却構造。
2. 前記複数の層の間に配置されるチューブ部材をさらに備え、
   前記チューブ部材に冷却媒体が流される、請求項１に記載の電池冷却構造。
3. 請求項１または２に記載の電池冷却構造が用いられた電池モジュールであって、
   前記電池素子と、冷却媒体が流される前記外装体とを備える電池セルと、前記電池素子と、前記電池素子を電解質とともに封入するのみの外装体とを備える電池セルとが、隣り合う前記電池素子間に前記複数の層を挟持しながら交互に積層されている、電池モジュール。

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