JP2009252553A - 組電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性と耐振性に優れた組電池モジュールを提供することを課題とする。
【解決手段】扁平形単電池１と扁平形単電池１間に熱伝導性シート２ａを配置して単電池１の積層体が構成され、該積層体は外装ケースにより固定された組電池モジュールであって、前記熱伝導性シート２ａは、前記積層体の積層方向に沿う面は外装ケース８に接し、積層体の積層方向と直交する方向に沿う面は単電池１に接して配置されていることを特徴とする組電池モジュール。
【選択図】 図１

Description

本発明は、扁平形単電池を組み込み、温度制御と耐震性を有する組電池モジュールに関する。

従来、電池は、電圧や容量を上げるため、電池を直列接続や並列接続、またはそれらを組み合わせた接続をし、組電池として使われることが多い。組電池方法として単電池をテープで固定したり、熱収縮チューブで固定したり、ハードケースに収納する方法が一般的である。しかし、単にテープで固定したり、熱収縮チューブで固定したり、ハードケースに収納するだけでは、電池自体の発熱による熱が放熱せずに蓄積し、電池の温度が高くなってしまい、短寿命になってしまう。

特に、近年は、急速充電や急速放電に手使用される場面が多く、更に電池の温度が高くなりやすく、寿命を縮める原因となっている。特に、扁平形電池の長側面同士を接するように組電池にした場合は、放熱経路が無く、中央部に位置する電池の電極の温度が非常に高くなり、端部の電池より早期に寿命に至り、結果的に組電池としての寿命が短くなってしまう。

このような課題を解決するため、特許文献１では、単電池間に隙間を開け、そこに冷却風を流して冷却する空冷方式が提案されている。また、特許文献２では、単電池間に冷却液を循環させる水冷方式が提案されている。
特開２００５−１０８７５０号公報 特開２００３−３４６９２４号公報

しかしながら、これらの方式では単電池間に冷却風や冷却液を循環させるための隙間が必要になり、その分組電池モジュールの大きさが大きくなってしまう。
また、これら方式の組電池モジュールを、電気自動車や航空機などの常に大きな衝撃が加わる移動体に使用した場合、単電池間に隙間を設けているために耐振設計が複雑になってしまい十分な耐振構造を得ることが難しい。更に、殆んどの電池において、０℃以下の低温時は放電性能が悪く、−３０℃以下になると殆んど容量が取り出せなくなってしまう。

本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、従来と比べ放熱性と耐振性に優れた組電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る組電池モジュールは、扁平形単電池と扁平形単電池間に熱伝導性シートを配置して単電池の積層体が構成され、該積層体は外装ケースにより固定された組電池モジュールであって、前記熱伝導性シートは、前記積層体の積層方向に沿う面は外装ケースに接し、積層体の積層方向と直交する方向に沿う面は単電池に接して配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、扁平形単電池が充放電で発熱し、電池温度が上昇した場合、電池の熱が熱伝導性シートから外装ケースに伝い放熱され、電池温度の上昇が抑制される。また、０℃以下の低温時は、外装ケースに設けた発熱体により電池を加温することで、十分な放電容量が得られる。
また、熱伝導性シートを両面粘着性の熱伝導性シートとすることで、扁平形単電池と隙間無く良好に接することができ放熱性が向上する。更に、単電池同士が固定し一体構造となり、衝撃による位置ずれなどが無くなり耐振性が向上する。

以下、本発明の組電池モジュールについて更に詳しく説明する。
(1) 上述したように、本発明の組電池モジュールは、扁平形単電池と扁平形単電池間に熱伝導性シートを配置してなる単電池の積層体は、外装ケースにより固定された組電池モジュールであり、熱伝導性シートは、前記積層体の積層方向に沿う面は外装ケースに接し、積層体の積層方向と直交する方向に沿う面は単電池に接して配置されている。
ここで、熱伝導性シートは、両面に粘着性を持たせた両面粘着性熱伝導性シートにすることが好ましい。これにより、積層体の扁平形単電池同士は隙間無く良好に接することができ放熱性が向上する。また、単電池同士が固定し一体構造となり、衝撃による位置ずれなどが無くなり耐振性が向上する。

(2) 上記モジュールにおいて、熱伝導性シートと接する外装ケースは金属製のケースであることが好ましい。これにより単電池で生じた熱の放熱性が向上する。また、前記熱伝導性シートと接する外装ケースは放熱構造であることが好ましい。具体的には、例えば、熱伝導性シートと接する外装ケースに放熱フィンが取り付けてある場合が挙げられる。
また、単電池の温度が０℃以下の低温時は放電性能が悪い（急速放電ができないことがある）ことより、単電池を発熱体（ヒータ）等により加温することが好ましい。この場合、単電池の加温は、例えば、電池温度が０℃未満になったら発熱体のスイッチをＯＮし、電池温度が０℃以上になったらスイッチをＯＦＦするといった、ＯＮ−ＯＦＦ制御を行うことが可能である。なお、発熱体は外装ケースの所望の位置に貫通口を設け、該貫通口に挿通させたり、外装ケースの表面に当接させたりするなどして設けることが可能である。また、発熱体の電源は単電池から供給することも可能である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。
（第１の実施形態）
図１及び図２を参照する。図１は本実施形態に係る組電池モジュールの概略的な斜視図、図２は図１の組電池モジュールにおいて外装ケース板を取り付ける前の状態を示す説明図を示す。

図中の符番１は、両面が粘着性の厚み０．５ｍｍの両面粘着性熱伝導性シート２ａ，２ｂを介して積層された扁平形単電池（以下、単に単電池と呼ぶ）である。単電池１は、正極端子３及び負極端子４を備えている。熱伝導性シート２ａは単電池１と単電池１間に配置されて互いに接しており、熱電導性シート２ｂは単電池１と上部の厚み１０ｍｍのアルミニウム製の外装板５ａ，下部の厚み１０ｍｍのアルミニウム製の外装板５ｂ間に配置されている。また、単電池１としては、長さ１４０ｍｍ、幅８０ｍｍ、厚み１０ｍｍの定格容量１０Ａｈのラミネートパック式リチウムイオン蓄電池を用い、その蓄電池を７個直列に接続して、２４Ｖ−１０Ａｈの組電池モジュールとした。

単電池１及び熱伝導性シート２ａ，２ｂを積層した積層体は、上部の外装板５ａ，下部の外装板５ｂ及び２枚の厚さ１ｍｍのアルミニウム製の側板６，６により囲まれている。

側板６の上下には夫々３つの長穴（固定穴）が開けられており、この固定穴を介して固定ネジ７により側板６が外装板５ａ，５ｂに固定されている。ここで、前記熱伝導性シート２ａ，２ｂはその端部が折り曲げられて、図１及び図２に示すように、単電池１の積層体の積層方向（矢印Ａ方向）に沿う面では側板６，６に接し、積層体の積層方向と直交する方向（矢印Ｂ方向）に沿う面では単電池１間に挟まれ、各単電池の主面に接している。なお、外装板５ａ，５ｂ及び側板６，６は、所定箇所に夫々設けられた貫通口に、固定ネジ７を挿通し組み立てられて外装ケース８となっている。

第１の実施形態に係る組電池モジュールは、扁平形単電池１と扁平形単電池１間に扁平形単電池１と扁平形単電池１間に断面形状がコ字形の両面粘着性熱伝導性シート２ａを配置し、単電池１の積層体の積層方向に沿う面では側板６，６に接し、積層体の積層方向と直交する方向に沿う面では単電池１間に介在させて単電池１に接した構成となっている。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る組電池モジュールは、図１の組電池モジュールと比べ、図３に示すように側板６に放熱フィン１１を設けて、放熱構造にしていることを特徴とし、他の点は図１の場合と同様である。なお、図１，図２と同部材は同符番を付して説明を省略する。
このように、第２の実施形態に係る組電池モジュールは、側板６に放熱フィン１１を設けて、放熱構造にした構成となっている。

（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る組電池モジュールは、図１の組電池モジュールと比べ、図４，図５に示すように厚めの側板６に複数の放熱フィン１１を設けるとともに、前記側板６に複数の発熱体１２を設け、放熱構造と加温構造を備えた構成にしていることを特徴とし、他の点は図１の場合と同様である。但し、図４は第３の実施形態に係る組電池モジュールの概略的な外観図であり、図５は同モジュールの一構成である発熱体１２を説明するための図である。なお、図１，図２と同部材は同符番を付して説明を省略する。

図５に示すように、発熱体１２は棒状に形成され、側板６に複数設けられた貫通口内に挿通して設けられている。前記発熱体１２は、外気温が０℃以下になったときに自動でスイッチがＯＮして単電池が加温され、もっとも温度の低い単電池温度が０℃以上となったときにスイッチをＯＦＦするスイッチのＯＮ，ＯＦＦ制御とした。なお、発熱体１２の電源は電池から供給した。

（比較例１）
比較例１に係る組電池モジュールは、第１の実施形態の組電池モジュールと比べ、両面粘着性熱伝導性シートを用いることなく、厚さ１０ｍｍのアルミニウム製の外装板と発熱体をつけた側板により挟み込んで単電池を固定した構成となっている。

［実験１］
上記第１，第２，第３の実施形態に係る単電池（単電池Ａ，Ｂ，Ｃ）及び比較例１（単電池Ｄ）に係る単電池を、以下の充電条件及び放電条件で充放電を繰返したときの単電池の温度を測定したところ、下記表１及び図４に示す結果が得られた。
但し、図６において、図に示す単電池番号は、最上部の単電池を１とし、最下部の単電池を７とした。また、電池温度は、単電池の中央部の温度を、熱電対を用いて夫々測定した結果を示したものである。図中の符号ａは第１の実施形態、符号ｂは第２の実施形態、符号ｃは第３の実施形態、符号ｄは比較例１の夫々の結果である。

充電条件：ＣＣ−ＣＶ ０．５ＣＡ，２９．４Ｖ，０．０５ＣＡ Ｃｕｔ−ｏｆｆ
放電条件：ＣＣ ３．０ＣＡ，２１．０Ｖ Ｃｕｔ−ｏｆｆ
環境温度：２５℃
下記表１及び図６より、本発明による組電池モジュールは、特に中央部の単電池の温度を低く抑えることができることが分かる。

表１に示すように、本発明の組電池モジュールは、特に中央部の単電池の温度を低く抑えることができた。

［実験２］
上記本発明による電池Ａ，Ｂ，Ｃと比較例によるＤを以下の条件で振動試験を行った後、容量試験を行い、容量変化を測定した。その結果を下記表２に示す。なお、容量変化は各々の電池の初期容量を１００％とした時の、試験後の容量低下率を示したものである。

（振動条件）
規格：ＭＩＬ−ＳＴＤ−８１０ ＦＩＧＵＲＥ Ｃ−８
パワースペクトル密度：０．０７７ｇ^２／Ｈｚ
方向：Ｘ方向，Ｙ方向，Ｚ方向
時間：各方向３時間
（容量試験条件）
充電条件：ＣＣ−ＣＶ ０．５ＣＡ ２９．４Ｖ ０．０５ＣＡ Ｃｕｔ−ｏｆｆ
放電条件：ＣＣ ０．５ＣＡ ２１．０Ｖ Ｃｕｔ−ｏｆｆ

[実験３]
上記本発明による単電池Ａ，Ｂ，Ｃと比較例による単電池Ｄを以下の条件で充放電を行った。その結果を下記表３に示す。
充電条件：ＣＣ−ＣＶ ０．５ＣＡ ２９．４Ｖ ０．０５ＣＡ Ｃｕｔ−ｏｆｆ
放電条件：ＣＣ ９．０ＣＡ １５．２Ｖ Ｃｕｔ−ｏｆｆ
環境温度：−３０℃
表３に示すように、環境温度が−３０℃である場合、発熱体を取り付けていない本発明の単電池Ａ，Ｂは放電することができなかった。しかし、発熱体を取り付けた本発明の単電池Ｃ、比較例の単電池Ｄは放電可能であり、熱伝導シートを用いることにより熱を均一にすることが可能であり、放電時間を延ばすことが可能であった。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。具体的には、上記実施形態では、単電池と単電池間に両面粘着性熱伝導性シートを配置した場合について述べたが、これに限らず、粘着性のない熱伝導性シートを配置してもよい。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る組電池モジュールの概略的な斜視図である。 図２は、図１の組電池モジュールにいて、外装ケース板を取り付ける前の状態を示す図である。 図３は、本発明の第２の実施形態に係る組電池モジュールの概略的な斜視図である。 図４は、本発明の第３の実施形態に係る組電池モジュールの概略的な斜視図である。 図５は、図４の組電池モジュールの要部の説明図である。 図６は、本発明の第１，第２、第３の実施形態に係る単電池及び比較例１に係る単電池について充放電を繰返したときの単電池の温度を示す特性図である。

符号の説明

１…単電池、２ａ，２ｂ…両面粘着性熱伝導性シート、３…正極端子、４…負極端子、５ａ，５ｂ…外装板、６…側板、７…固定ネジ、８…外装ケース、１１…放熱フィン、１２…発熱体。

Claims (6)

1. 扁平形単電池と扁平形単電池間に熱伝導性シートを配置して単電池の積層体が構成され、該積層体は外装ケースにより固定された組電池モジュールであって、
   前記熱伝導性シートは、前記積層体の積層方向に沿う面は外装ケースに接し、積層体の積層方向と直交する方向に沿う面は単電池に接して配置されていることを特徴とする組電池モジュール。
2. 熱伝導性シートは両面に粘着性を持たせた両面粘着性熱伝導性シートであることを特徴とする請求項１記載の組電池モジュール。
3. 前記熱伝導性シートと接する外装ケースが金属製のケースであることを特徴とする請求項１若しくは請求項２記載の組電池モジュール。
4. 前記熱伝導性シートと接する外装ケースが放熱構造であることを特徴とする請求項１若しくは請求項２記載の組電池モジュール。
5. 前記熱伝導性シートと接する外装ケースに発熱体が取り付けてあることを特徴とする請求項１若しくは請求項２記載の組電池モジュール。
6. 前記外装ケースに取り付けた発熱体は、電池温度が、電池の放電特性が低下する温度以下になると発熱することを特徴とする請求項５記載の組電池モジュール。

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