JP2009117264A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】
放熱性能を維持しつつ、個々の電池セル温度を限りなく均一とする電池モジュールを提供する。
【解決手段】
電池モジュール筐体内部に、電池セル外形に沿ったパンチプレート状の仕切り板を設け、該仕切り板を、単独で機能する各電池セル内部の電極及びセパレータの積層方向に対して概ね垂直な方向に配置して内部流路を２つに分け、さらに、仕切り板を挟んで隣り合う各流路スペースに対し、冷却流体が対向するように流路を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池セルで構成される電池モジュールに関するものである。

従来の電池モジュールは単独で電源機能を果たすことが可能な電池セルを備えている。この電池セルは発生電圧が数Ｖ程度と低く、電流容量も小さい。したがって電池セルを複数個用意して筐体に収納し、筐体内で直列接続や並列接続を組み合わせて接続するとともに、必要とされる電圧値や電流値を得る実装形態の電池モジュールがある。

一方、繰り返し充電が可能な２次電池モジュールにおいては、放電時に電池セル内部で熱が発生するため、動作時にセル内部温度が上昇していく。このとき電池としての機能を満足させるためには、電池セルで生じる発生熱を適切に放熱し、セル内部温度を許容温度以下に維持するための放熱構造を付加させる必要がある。

さらに電池モジュールは、長期間使用していくと容量などの特性が徐々に劣化していくことが知られている。この電池劣化を支配する主要因子は動作温度であることから、特に大容量の電池モジュールにおいては優れた放熱構造や放熱装置を備えることが重要である。

モジュール内の電池セルの劣化が著しいものになると、所定の機能を発揮できなくなり、装置としての寿命に達するが、モジュール全体の寿命は最も寿命の短い電池セルに支配されてしまう。また、電池セル毎の特性のバラツキは電池制御を必要以上に複雑にさせる要因ともなる。

以上の背景から、電池モジュール内の複数の電池セルは使用時にできるだけ特性が一致していることが望ましい。そのためには、電池モジュールの放熱構造は単に温度を許容温度以内に納めるだけでなく、個々の電池温度のバラツキを最小に抑えることが極めて重要である。

例えば、複数ある電池の温度ばらつきを抑えるための放熱構造の一例として、特開２００６−３１８８２０号公報がある。この公報には電池を収納する筐体内部で冷却風を往復流に形成し、往路から復路に向けて冷却風通路断面積が小さくなるようにホルダを設けている。さらにホルダに往路と復路とをつなぐバイパス孔を設けることで、電池モジュールの温度ばらつきを抑えつつ電池モジュールが良好に冷却される例が開示されている。

特開２００６−３１８８２０号公報

上記特許文献１に開示された構造においては、電池モジュールからの放熱を促進するために冷却風を取り込んで電池と熱交換しているが、流れの下流にいくに従って、冷却風温度が上昇していくことを避けることはできない。

その影響を軽減するために、下流側の流路断面積を小さくしているが、これは圧力損失の増加、即ち冷却風を送り込む送風機の容量を増加する必要が生じるため、特に自動車や電車などの乗り物に搭載される電動機の駆動用電源を考えた場合、小型軽量化を阻害する要因となる。

さらに流れを上流から下流にバイパスさせる構造も冷却風量が一定である限り、エネルギーバランスの観点から最下流の冷却風温度に変化はないため、風温上昇による温度バラツキを軽減することは困難である。

本発明の目的は、放熱性能を維持しつつ個々の電池セル温度を均一にすることが可能な電池モジュールを提供することにある。

上記目的は、複数の電池セルと、この電池セル群を収納する筐体と、前記電池セル群を冷却するための冷却流体を前記筐体に流入出させるための入口部および出口部と、各電池セル表面を分割する仕切り板とを備えた電池モジュールにおいて、前記仕切り板により各電池セルが少なくとも２つ以上の異なる冷却空間内に配置されることにより達成される。

前記電池セルの内部にある電池エレメントが、エレメントの積層方向に対して概ね垂直な方向に分断されるように前記仕切り板を配置したことにより達成される。

前記仕切り板は、前記電池セルの外形に沿った穴がセルの数だけ設けられ、この穴に前記電池セルをはめ込むことで複数の冷却流路を形成されることにより達成される。

前記仕切り板の配置により互いに隣接して形成された冷却流路であって、おのおのの冷却流体の流れ方向が同一線上とならないように前記冷却流路を構成したことにより達成される。

前記仕切り板の配置により互いに隣接して形成された冷却流路であって、おのおのの冷却流体の流れ方向が対向していることにより達成される。

前記仕切り板の配置により互いに隣接して形成された冷却流路であって、隣接した前記冷却流路の一端部を接続して往復流を形成したことにより達成される。

前記電池モジュールは移動用車両に搭載される電動機の電源として用いられることにより達成される。

本発明によれば、放熱性能を維持しつつ個々の電池セル温度を均一にすることが可能な電池モジュールを提供できる。

以下、本発明の実施例の構成およびその作用効果を説明する。

図１〜図４は、本発明による電池モジュールの第１の実施例を説明するものである。

図１は本実施例を備えた電池モジュールの概略斜視図である。

図２は図１のＡ方向からの断面図である。

図において、電池モジュール１００１は筐体２の内部に円筒型電池セル１が複数収納されている。この電池セル１は筐体２の内部で円筒端部が同一平面上に位置するように配列されている。筐体２の内部には電池セル１の外形に沿った円状の穴が複数空いたパンチプレート状の仕切り板３ａが取り付けられている。この仕切り板３ａは各電池セル１を穴に通してセルを２つに分断するように、かつ電池セル１の端面に対して平行になるように配置される。

さらに筐体２の一側面には仕切り板３ａによって分割された流路の流体入口部４および流体出口部５が形成されている。この側面に対向する面側には分割された流路が接続されるようにバッファ６が設けられている。また、電池セル１の両端部にも同様な仕切り板３ｂが設けられ、電池セル１の端面と側面をそれぞれ分断するように配置される。

仕切り板３ａの機能は、各セルに対する冷却流路を２つに分割することである。２つに分割された流路はバッファ６により接続されている。さらに流体入口部４と流体出口部５を設けることにより図１中の矢印で示すように筐体２内に往復流の冷却流路が形成されている。一方、仕切り板３ｂの機能は通常円筒形の電池セルの端面に備えられる正負の電極部（図示せず）を冷却流路に対して分離することである。セル端面には隣り合う電池セルと電気的に直列または並列接続するための配線（図示せず）が設けられている。この仕切り板３ｂによって電極部が外部接続電極から流入出する流体により汚損されないようにしている。

図３は本実施例を備えた電池エレメントの斜視図である。

図４は本実施例による電池モジュールの冷却流体の温度分布を示すグラフ図である。

図３において、電池エレメント１００２は電池セル１の内部に収納される主要構成部品である。電極は細長いシート状の正極板１０１と負極板１０２が２枚のセパレータ１０３を介して重ね合わさって積層体が構成されている。さらにこれを巻回状に実装することで円筒状の電池エレメント１００２が構成される。

例えばリチウムイオン電池の場合、正極材料としてマンガン酸リチウム，ニッケル酸リチウム，マンガン酸リチウムおよびこれらの複合材が用いられ、負極材料には例えばグラファイトなどのカーボン材が用いられる。

電池が充放電する際にはこのエレメントが発熱する。このエレメントの構成から明らかなように、エレメントの放熱性は積層方向の各層に対して接触層、即ち接触熱抵抗が存在する。そのために熱伝導性、即ち放熱性が悪い。

一方、エレメントの円筒軸方向に対しては内部に接触層がない上に、正極負極はそれぞれ熱伝導性に優れた材料が用いられているため、この方向には熱伝導性、即ち放熱性が優れている。よってエレメントが発熱する場合、エレメント内部の温度分布（温度勾配）は積層方向には極めて大きく、円筒軸方向には小さいものとなっている。

図４において、本電池モジュールの作用効果を説明する。

図中に示した矢印に沿って冷却流体が流れていくとき流体は各電池セルを通過する際に電池セルからの発熱を吸熱していく。このため冷却流体はグラフ中の実線に示すように、徐々に温度上昇していく。この傾向は流体がバッファ部で転回してからも同様である。さらに、このとき各電池セルの発熱量はほぼ一定であるから、その結果として流体温度はグラフに示すようなＶ字状の変化を示す。

このような冷却流体の温度上昇に対し冷却流路に沿って並べられる各電池セルの温度を考えると、セル表面を通過する冷却流体の温度はグラフからも明らかな通り各セルによって異なる。したがって、基本的にはセルの上部と下部で差があり、その温度差もセルによってそれぞれ異なる。しかし、その両者を平均した場合、流体平均温度はグラフの点線で示したように各セルともほぼ同等となる。

さらに各電池セル自身の温度を考えた場合、前述した図３の構成の説明で述べたように、セルの円筒軸方向の熱伝導性が他の方向と比べて極めて良好である。したがって、このセル自身が上下冷却流路の流体温度アンバランスを補償するようにエレメント内部で熱移動が発生する。その結果、各電池セル毎の平均温度もグラフの一点鎖線で示したようにほぼ同様となる。

以上の作用効果により、本電池モジュール１００１は極めて温度均一性に優れた特性が得られる。

本実施例においては、冷却流体は空気を想定して説明したが、他の冷却流体を用いても構成および作用効果は同様である。また、電池セルの形状として円筒形を用いて説明したが、電池エレメントと冷却流路との配置関係が維持される限り電池セルの形状が限定されるものではない。例えば、角型の電池セルについても同様な温度均一性が得られる。

なお、仕切り板は熱膨張係数の差から電池セルを締め付けないような公差設定をしたり、締め付けられても良いように柔らかい部材を設定したりすることが望ましい。

図５および図６は、本発明による電池モジュールの第２の実施形態を説明する。

図５は第２の実施例を備えた電池モジュールの斜視図である。

図６は図５に示したＡ方向とＢ方向から見た電池モジュールの断面図である。

図６中の電池セルに示した記号Ａ，Ｂ，Ｃ・・・はＡ矢視図およびＢ矢視において同一の電池セルであることを示すためのものである。

図において、本実施例は基本的な構成は第１の実施例と同じであるが、特に多数の電池セル１を収納する場合を想定して、筐体２へ流入する冷却流体を複数の流路パスに分割する構成となっている。

筐体下部流路には、側面に配置する流体入口部４と各流路パスに冷却流体を分配するためスリットが設けられた流体分配用仕切り板７およびこの流体分配用仕切り板７と筐体２の組み合わせで構成される液体分配バッファ８が設けられる。各流路パスに分配された冷却流体は、電池セル１群の下部（仕切り板３を境として下部）を通過した後に整流用仕切り板１１ｂおよび転回用バッファ６を経て、再び整流用仕切り板１１ａを介して電池セル群の上部を通過する。上部（仕切り板３を境として上部）に移動して電池セル１群を通過した冷却流体は、流体集合用仕切り板９およびこの流体集合用仕切り板９と筐体２の組み合わせで構成される流体集合バッファ１０を経て、最終的に流体出口部５から筐体外へ出る。

このように、本構成によれば冷却流体の入口部および出口部が筐体２の同一側面に配置させることが回避でき、冷却流体のショートカットなどの問題が解決する。本構成は特に多くの電池セルを収納する必要がある場合に好適であることから、より実装密度が高い電池モジュールが実現する。

なお、本構成において各種仕切り板においては、仕切り板に設けられるスリットの大きさや形状をパスごとに最適化する。或いは、筐体内部に整流板などを設けるなどによって各冷却パスの流量が均一となるようにすることが望ましい。この目的において、整流用仕切り板１１ｂや流体集合用仕切り板９は不要となる場合もある。

図７および図８は、本発明による電池モジュールの第３の実施形態を説明するものである。

図７は電池モジュールの斜視図である。図８は図７のＡ方向およびＢ方向から見た電池モジュールの断面図である。

まず、本電池モジュールの構成を説明すると、図８中の電池セルに示した記号Ａ，Ｂ，Ｃ，・・・は、Ａ矢視図およびＢ矢視において同一の電池セルであることを示すためのものである。

第２の実施形態では、仕切り板３によって分割された上下の流路を連結して往復流を形成したのに対し、ここに示す第３の実施形態では、仕切り板３によって分割された上下の流路ごとに入口部４ａ，４ｂおよび出口部５ａ，５ｂを設けて２つの大きな流路パスを形成したものである。さらに、各電池セル１からみて上下流路を流れる冷却流体が対向流となるように構成した。

この構成により、冷却流体の入口部４ａ，４ｂおよび出口部５ａ，５ｂが筐体２の同一側面に配置させることを回避できる上に、入口から出口までの冷却流路が第２実施例に対して短く構成されることから流体の圧力損失も小さくなる。その結果、より小型の流体駆動源が採用可能となることから、小型軽量でかつ実装密度が高い電池モジュールが実現する。

なお、第２の実施形態と同様に、各種仕切り板においては仕切り板に設けられるスリットの大きさや形状をパスごとに最適化する。或いは、筐体内部に整流板などを設けるなどによって、各冷却パスの流量が均一となるようにすることが望ましい。この目的においては、一部の仕切り板が不要となる場合もある。また、本実施形態においては、冷却流体の複数ある出入口は同じ側面に入口と出口が一緒にならないように配置しているが、実装上の制約に応じて同一側面に入口と出口が配置されてもよい。

以上までの実施形態においては、冷却流路は仕切り板３で上下２つに分割された例について説明したが、分割数は２つに限定されるものではなく、電池モジュールの構成によっては、複数の仕切り板３を電池セル１の間に挿入することでより温度ばらつきの少ない電池モジュールが提供できる。

図９は本発明による電池モジュールの第４の実施形態を備えた電池モジュールを説明する図である。

図９において、本実施例では５個の電池セルの電極同士を電池エレメントの同軸上に配置して接続してユニット化し、さらにこの単位ユニットを複数個、縦横に並べる実装形態を採用している。ここでは、最下段と最上段の流路高さがセルの約半分で構成する一方、中間部の流路はセルをほぼ同じ高さに構成している。冷却流体の流れは実施例３と同様にセルの上下で対向流となるようにしている。

このような構成にすることによって、実施例３で示した電池モジュールの構成を大型化する場合、中間部の流路高さを大きく確保することで冷却流体の圧力損失を低減しつつ、実施例３と同じ作用効果が得られる。即ちこのような構成は、電池モジュールに収納するセルの数が多い場合に特に有効である。

図１０は、第５の実施形態を備えた電池モジュールを説明する図である。

図１０において、本図では図９に示した電池モジュールを２個搭載した鉄道車両車体１０００を示したものである。この鉄道車両車体１０００は例えば、発電用エンジン，発電機，電力変換器および電池モジュール１００１を備えたハイブリッド駆動システムとして、駆動用モータへ電力を供給する役割を担う車両であって、電池モジュール搭載部分での断面図である。なお、ここでは発電用エンジン，発電機，電力変換器などは図示していない。

本実施例では、図９に示した実施形態で、冷却流体を空気とする空冷式電池モジュール１００１を２個機関車の車上に設置してある。それぞれの吸気口１００３を車両側面に配置し、中央部にモジュールの排気口が配置されている。本実施例では、ここに排気された空気が中央部に設置する送風機１００４にて上面の排気口１００５から排出される構成となっている。このような構成とすることにより、車両走行時に電池の発熱を吸熱した暖かい排気が側面の吸気口へショートカットするのを防いでいる。

本実施例では、側面から吸気して上面へ排気する構造を示したが、要は給排気口を同一側面に配置しないことが重要であり、例えば電池モジュールの大きさによっては、側面から吸気し他方の側面から排気する構造とすることでも、同様な作用効果が得られる。

以上のごとく、本発明の電池モジュールは、単独で機能する電池セルに対し、電池エレメントの積層方向に対して概ね垂直となるような仕切り板をいれて流体が対向するような流路を形成することで、電池セルを熱伝導手段として積極的に利用できる構造が実現し、複数ある電池セル温度のばらつきを抑えることができるものである。

即ち、各電池セルに対して複数の冷却流路を通過するそれぞれの流体温度は異なるものの、その平均温度はどの電池セルに注目しても原則同じになる。さらに、各流路の間を熱伝導率が高い電池セル内エレメントの正負の電極が跨っていることから、電池セル内の発熱は、より放熱しやすい流路に移動することが容易に可能となる。以上の作用により、本電池モジュールでは、モジュール内の各電池セルのセル内部温度分布を抑えると同時に、セル同士の温度ばらつきが抑えられる。

第１の実施形態を備えた電池モジュールの斜視図である。 図１のＡ方向から見た断面図である。 電極スタックの構造を示す分解斜視図である。 第１の実施形態における冷却流体の温度分布や電池セル表面を流れる冷却流体の平均温度等を示す図である。 第２の実施形態を備えた電池モジュールの斜視図である。 図５のＡ方向およびＢ方向から見た断面図である。 第３の実施形態を備えた電池モジュールの斜視図である。 図５に示したＡ方向およびＢ方向から見た断面図である。 第４の実施形態を備えた電池モジュールの斜視図である。 第５の実施形態を備えた鉄道車両の断面図である。

符号の説明

１ 電池セル
２ 筐体
３ 仕切り板
４ 流体入口部
５ 流体出口部
６ バッファ
７ 流体分配用仕切り板
８ 流体分配バッファ
９ 流体集合用仕切り板
１０ 流体集合バッファ
１１ 整流用仕切り板
１０１ 正極板
１０２ 負極板
１０３ セパレータ
１０００ 鉄道車両車体
１００１ 電池モジュール
１００２ 電池エレメント
１００３ 吸気口
１００４ 送風機
１００５ 排気口

Claims (7)

1. 複数の電池セルと、この電池セル群を収納する筐体と、前記電池セル群を冷却するための冷却流体を前記筐体に流入出させるための入口部および出口部と、各電池セル表面を分割する仕切り板とを備えた電池モジュールにおいて、
   前記仕切り板により各電池セルが少なくとも２つ以上の異なる冷却空間内に配置されることを特徴とする電池モジュール。
2. 請求項１記載の電池モジュールにおいて、
   前記電池セルの内部にある電池エレメントが、エレメントの積層方向に対して概ね垂直な方向に分断されるように前記仕切り板を配置したことを特徴とする電池モジュール。
3. 請求項２記載の電池モジュールにおいて、
   前記仕切り板は、前記電池セルの外形に沿った穴がセルの数だけ設けられ、この穴に前記電池セルをはめ込むことで複数の冷却流路を形成されることを特徴とする電池モジュール。
4. 請求項３記載の電池モジュールにおいて、
   前記仕切り板の配置により互いに隣接して形成された冷却流路であって、おのおのの冷却流体の流れ方向が同一線上とならないように前記冷却流路を構成したことを特徴とする電池モジュール。
5. 請求項４記載の電池モジュールにおいて、
   前記仕切り板の配置により互いに隣接して形成された冷却流路であって、おのおのの冷却流体の流れ方向が対向していることを特徴とする電池モジュール。
6. 請求項３記載の電池モジュールにおいて、
   前記仕切り板の配置により互いに隣接して形成された冷却流路であって、隣接した前記冷却流路の一端部を接続して往復流を形成したことを特徴とする電池モジュール。
7. 請求項４又は６のいずれかに記載の電池モジュールにおいて、
   前記電池モジュールは移動用車両に搭載される電動機の電源として用いられることを特徴とする電池モジュール。

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