JP2012221801A

JP2012221801A - 組電池

Info

Publication number: JP2012221801A
Application number: JP2011087460A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Maeda; 和樹前田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2012-11-12

Abstract

【課題】中央あるいは中央付近に配置された二次電池の冷却を効率良く行なって複数の二次電池間の温度分布のばらつきを小さくすることができるとともに、組み付けや取り外しの工数を低減する。
【解決手段】組電池１０は、複数の二次電池１１が互いに平行に配置されている。組電池１０は、複数の二次電池１１の配置位置の中央と対応する位置から周囲に向かって冷却媒体が流れる流路が形成された流路部材１３を有し、流路部材１３が二次電池１１の各端子と接触する端子部材１５と一体化されている。二次電池１１は、両端に端子が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の二次電池からなる組電池に係り、詳しくはその冷却構造に特徴を有する組電池に関する。

二次電池は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため電源として広く利用されている。近年、二次電池の大電流充電・放電及び大容量化が要求されるようになり、複数個の二次電池からなる組電池が使用されている。大電流での充・放電は電池内部の大きな発熱を伴い、また、組電池では限られたスペースに多数の電池を収納することから電池温度が上昇し、電池性能の劣化を促進してしまうという問題がある。

このような問題を解決するため、例えばリチウムイオン二次電池の冷却構造として、電池ケースから突出する正負極の端子を冷却する冷却装置を取り付けたものが提案されている（特許文献１参照）。前記冷却装置は、端子を取り囲むジャケットを電池ケースの外装に取り付けるとともに、このジャケット内に液体の冷媒を循環させる冷媒循環装置を設けている。冷媒はジャケットの一端からジャケット内に供給され、ジャケットの他端からジャケット外に排出される。

特開２０００−３４８７８１号公報

組電池では複数の二次電池が限られたスペースに一定の間隔で配置されているため、中央付近に配置された二次電池は周囲の二次電池の影響で放熱が円滑に行われず、温度が上昇し易い。特許文献１の組電池の冷却装置は、冷媒は端子を取り囲むジャケットの一端からジャケット内に供給され、ジャケットの他端からジャケット外に排出される。そのため、温度が上昇し易い中央付近に配置された二次電池を冷却する位置まで冷媒が到達するまでに冷媒の温度が上昇し、中央付近に配置された二次電池の冷却効率が悪くなる。中央付近に配置された二次電池の冷却効率が悪くなると、温度分布のばらつき（複数の二次電池間の温度差）が大きくなる。また、特許文献１の組電池の冷却装置は、冷却流路を有するジャケットと、組電池の端子（端子部材）とが別々の構成のため、組み付けや取り外しの工数が増える。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は中央あるいは中央付近に配置された二次電池の冷却を効率良く行なって複数の二次電池間の温度分布のばらつきを小さくすることができるとともに、組み付けや取り外しの工数を低減することができる組電池を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、複数の二次電池が互いに平行に配置された組電池において、前記複数の二次電池の配置位置の中央と対応する位置から周囲に向かって冷却媒体が流れる流路が形成された流路部材を有し、前記流路部材が前記二次電池の各端子と接触する端子部材と一体化されている。ここで、「配置位置の中央」とは厳密に中央を意味するのではなく、中央及び中央付近を意味する。また、「端子部材と一体化」とは、流路部材が導電材で形成されるとともに、一部が二次電池の端子と直接接触して端子部材の役割を果たす構成に限らず、別々に形成された流路部材と端子部材とが接着材などで固着されたり、締結具で一体に固定されたりして、流路部材と端子部材とを一体のものとして取り扱うことができる状態を意味する。

この発明では、流路部材の流路を流れる冷却媒体は、温度が上昇し易い中央付近に配置された二次電池を冷却した後、周囲に向かって流れるため、冷却媒体が最も低温の状態で中央付近に配置された二次電池の冷却を行う。したがって、中央あるいは中央付近に配置された二次電池の冷却を効率良く行なって複数の二次電池間の温度分布のばらつきを小さくすることができるとともに、組み付けや取り外しの工数を低減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記流路部材が前記二次電池の両端側に配置されている。この発明では、流路部材が二次電池の一方の端部側に設けられた場合に比べて、冷却効果が大幅に向上する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記二次電池は両端に端子が形成されている二次電池である。二次電池には正極端子及び負極端子の両方が二次電池の一端に設けられたものと、正極端子及び負極端子が二次電池の一端と他端に別々に設けられたものとがある。そして、流路部材で二次電池の冷却を行う場合、端子の存在する側から冷却を行う方が冷却効果が大きい。この発明では、両端に端子が形成されている二次電池からなる組電池において流路部材が二次電池の両端側に配置されているため、冷却が効率良く行われる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記流路部材は前記流路が渦巻き状に形成されている。したがって、複数の二次電池の配置位置の中央と対応する位置に供給された冷却媒体は、確実に中央から順に外側に向かって流れ、全ての二次電池の温度上昇を抑制し易い。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記流路部材は前記端子部材を兼用している。この発明では流路部材が端子部材を兼用、即ち流路部材が導電材で形成されるとともに、一部が二次電池の端子と直接接触して端子部材の役割を果たすため、流路部材に端子部材を固定又は固着した構成に比べて、部品点数が減り、工数も低減できる。

本発明によれば、中央あるいは中央付近に配置された二次電池の冷却を効率良く行なって複数の二次電池間の温度分布のばらつきを小さくすることができるとともに、組み付けや取り外しの工数を低減することができる組電池を提供することができる。

（ａ）は第１の実施形態の組電池の二次電池と流路部材との関係を示す概略斜視図、（ｂ）組電池の概略正面図。（ａ）は流路部材の流路と二次電池の配置関係を示す平面図、（ｂ）は二次電池と導電部材の配置関係を示す模式図。第２の実施形態の組電池の概略正面図。（ａ）は第３の実施形態の組電池の一部破断概略正面図、（ｂ）は導電部材の部分斜視図。別の実施形態の端子部材の模式図。（ａ），（ｂ），（ｃ）は別の実施形態の流路部材の断面図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、組電池１０は、複数の二次電池１１が互いに平行に配置されている。二次電池１１には円筒型電池が使用されており、図１（ｂ）に示すように、二次電池１１は一端に正極端子１１ａが突設され、他端（底部）が負極端子１１ｂを構成している。即ち、この実施形態の二次電池１１は、両端に端子が形成されている二次電池である。複数の二次電池１１は、所定間隔で碁盤目状に配置された状態で支持部材１２により支持されている。支持部材１２は、扁平な略四角筒状に形成され、二次電池１１は支持部材１２に形成された孔に嵌合して位置決めされた状態で支持されている。

支持部材１２に支持された二次電池１１を挟んで両端側に流路部材１３がそれぞれ配置されている。流路部材１３は熱伝導性の良い材料で形成され、この実施形態では金属製である。図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、流路部材１３は支持部材１２に対して締結部材１４を用いて固定されている。締結部材１４は側面コ字状に形成され、支持部材１２の内面と、流路部材１３の二次電池１１と反対側の面とを挟んだ状態で支持部材１２と流路部材１３とを固定する。なお、図１（ａ）では締結部材１４及び後記する端子部材の図示を省略している。支持部材１２及び締結部材１４は金属製でも樹脂製でもあるいは他の材料製であってもよい。

流路部材１３には、複数の二次電池１１の配置位置の中央と対応する位置から周囲に向かって冷却媒体が流れる流路１３ａが形成されている。この実施形態では流路１３ａは渦巻き状に形成されている。図１（ｂ）に示すように、流路部材１３は、二次電池１１の各端子と接触する端子部材１５と一体化されている。この実施形態では流路部材１３に端子部材１５が接着剤で固着されることにより一体化されている。

端子部材１５は、熱伝導性が良く電気的に絶縁性の樹脂で形成された板材１６に電気伝導性の良好な金属、例えば、アルミニウムや銅で形成された導電部材１７が固着されて形成されている。板材１６に対する導電部材１７の固着は、例えば、接着剤を用いて行われる。図２（ｂ）に示すように、導電部材１７は碁盤目状に配置された全ての二次電池１１の正極端子１１ａと接触可能な形状（蛇行状）に形成されるとともに、一端が板材１６から側方に突出して配線連結部１７ａを形成している。配線連結部１７ａには配線１８ａが接続される。なお、図２（ｂ）は二次電池１１の正極端子１１ａと電気的に接続される端子部材１５を示しているが、二次電池１１の負極端子と電気的に接続される端子部材１５も同様に構成されている。

組電池１０を組み付ける場合は、複数の二次電池１１を支持部材１２で位置決め固定した後、支持部材１２の上側外面及び下側外面に流路部材１３をそれぞれ締結部材１４を用いて固定する。

次に前記のように構成された組電池１０の作用を説明する。
組電池１０は単独でも使用されるが、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駆動用の大容量、高電圧の電源装置として使用する場合は、複数の組電池１０を直列に接続して使用される。なお、組電池１０を直列に接続する場合、組電池１０の二次電池１１の正極端子１１ａが接続された配線１８ａに、他の組電池１０の負極用の配線１８ｂが接続されることにより複数の組電池１０が直列に接続される。

組電池１０の使用時、各流路部材１３は冷却媒体を循環させる冷媒循環装置の循環経路に接続され、冷却媒体が循環使用される。冷却媒体として液体（例えば水）が使用される。この循環使用される冷却媒体は、流路部材１３の流路１３ａを流れて二次電池１１の冷却を行った後、循環経路に設けられた冷却装置で冷却されて再び流路部材１３に供給される。

組電池１０が使用される場合、急速充電時や急速放電時に二次電池１１の発熱が大きくなる。流路部材１３の流路１３ａに入口１３ｂから供給された冷却媒体は、温度が上昇し易い中央付近に配置された二次電池１１を冷却した後、周囲に向かって流れるため、冷却媒体が最も低温の状態で中央付近に配置された二次電池１１の冷却を行う。したがって、他の二次電池１１を冷却して温度が上昇した状態の冷却媒体が中央付近に配置された二次電池１１の冷却を行う構成に比べて、中央付近に配置された二次電池１１の冷却効果が向上し、組電池１０全体の冷却効率も向上する。また、複数の二次電池１１間の温度分布のばらつきが小さくなる。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）組電池１０は、複数の二次電池１１が互いに平行に配置され、複数の二次電池１１の配置位置の中央と対応する位置から周囲に向かって冷却媒体が流れる流路１３ａが形成された流路部材１３を有する。したがって、中央あるいは中央付近に配置された二次電池１１の冷却を効率良く行なって複数の二次電池間の温度分布のばらつきを小さくすることができる。

（２）組電池１０は、流路部材１３が二次電池１１の各端子（正極端子１１ａ及び負極端子１１ｂ）と接触する端子部材１５と一体化されている。したがって、流路部材１３が端子部材１５と別々の構成に比べて、組み付けや取り外しの工数を低減することができる。

（３）組電池１０は、流路部材１３が二次電池１１の両端側に配置されている。したがって、流路部材１３が二次電池１１の一方の端部側に設けられた場合に比べて、冷却効果が大幅に向上する。

（４）二次電池１１は両端に端子が形成されている二次電池である。二次電池の冷却を行う場合、端子の存在する側から冷却を行う方が冷却効果が大きいため、二次電池１１の冷却が二次電池１１の両端側から行われることと相俟って、二次電池１１として正極端子１１ａ及び負極端子１１ｂが一端に設けられた二次電池に比べて冷却が効率良く行われる。

（５）流路部材１３は流路１３ａが渦巻き状に形成されている。したがって、複数の二次電池１１の配置位置の中央と対応する位置に供給された冷却媒体は、確実に中央から順に外側に向かって流れ、全ての二次電池１１の温度上昇を抑制し易い。

（６）端子部材１５は、熱伝導性が良く電気的に絶縁性の樹脂で形成された板材１６に電気伝導性の良好な金属、例えば、アルミニウムや銅で形成された導電部材１７が固着されて形成されている。したがって、流路部材１３と端子部材１５との間の電気的絶縁性が確保され、流路部材１３に電気的な絶縁処理を行う必要がない。また、冷却媒体として導電性の液体、例えば水を使用しても支障がない。

（７）冷却媒体として液体が使用されているため、気体を使用する場合に比べて冷却効率が高い。
（第２の実施形態）
次に第２の実施形態を図３にしたがって説明する。この実施形態では、流路部材１３が端子部材１５を兼用している点が第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図３に示すように、この実施形態では端子部材１５を別に形成せず、導電材で形成された流路部材１３の一部が二次電池１１の端子と直接接触して端子部材１５の役割を果たす構成、即ち流路部材１３が端子部材１５を兼用している。正極端子１１ａと接触する側（図３の上側）に配置される流路部材１３は、各正極端子１１ａと対応する位置に凹部（図示せず）が形成され、その凹部において各正極端子１１ａと接触するように形成されている。この実施形態の組電池１０を使用する場合は、冷却媒体に液体を使用する場合は循環経路を介して電流が他に流れるのを防止するため、冷却媒体として電気的絶縁性を有する液体を使用する。

この第２の実施形態によれば、第１の実施形態の（１）〜（５），（７）と同様な効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（８）流路部材１３は端子部材１５を兼用している。即ち流路部材１３が導電材で形成されるとともに、一部が二次電池１１の端子と直接接触して端子部材の役割を果たすため、流路部材１３と別に形成した端子部材１５を流路部材１３に固定又は固着した構成に比べて、部品点数が減り、工数も低減することができる。

（第３の実施形態）
次に第３の実施形態を図４（ａ），（ｂ）にしたがって説明する。この実施形態では、組電池１０を構成する二次電池１１を所定間隔で配置された状態で保持するための構成が前記第１及び第２の実施形態と異なっている。第１の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図４（ａ）に示すように、この実施形態では流路部材１３は端子部材１５と別部材で構成されているが、端子部材１５は電気的絶縁性の板材１６を有さず、導電部材１９のみで形成されている。流路部材１３は熱伝導性が良く電気的に絶縁性の樹脂で形成されるとともに、二次電池１１の上端部あるいは下端部の位置決めを行う位置決め部２０が形成されている。導電部材１９は、金属板のプレス加工により形成され、外面が位置決め部２０に嵌合固定可能で、かつ内面に二次電池１１の端部が嵌合可能な嵌合部１９ａが、図４（ｂ）に示すように、二次電池１１の配置間隔に対応して碁盤目状に形成されている。また、配線連結部１９ｂが突設されている。そして、嵌合部１９ａの外面が位置決め部２０に嵌合した状態で流路部材１３に固着されて流路部材１３と一体化されている。そして、両流路部材１３により複数の二次電池１１が所定の位置に位置決めされた状態で保持されている。

この第３の実施形態によれば、第１の実施形態の（１）〜（７）と同様な効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（９）流路部材１３に位置決め部２０が設けられているため、複数の二次電池１１を所定間隔で位置決めした状態で支持する支持部材１２が不要になり、部品点数が少なくなる。

（１０）導電部材１９が流路部材１３に直接固定されているため板材１６が不要になり、第１の実施形態に比べて部品点数が少なくなる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

○ 第１の実施形態のように、別々に形成された流路部材１３と端子部材１５とを一体化する場合、流路部材１３と端子部材１５とを接着材で固着する代わりに、締結具で一体に固定してもよい。締結具としては、ボルトとナット、ねじ、あるいは弾性力により挟着するクリップなどが挙げられる。

○ 流路１３ａの渦巻き形状は全体として略正方形状に限らず、円形状や多角形状であってもよい。
○ 二次電池１１は円筒型電池に限らず、例えば、角型電池であってもよい。

○ 二次電池１１は両端に端子が形成されている二次電池に限らず、一端に正極端子１１ａ及び負極端子１１ｂが形成された二次電池であってもよい。この場合、図５に示すように、端子部材１５を構成する１枚の板材１６に、正極端子１１ａに接触する正極用導電部材２１ａと、負極端子１１ｂに接触する負極用導電部材２１ｂとが設けられる。

○ 流路部材１３は必ずしも二次電池１１の両端側に配置されている必要はなく、二次電池１１の一端側にのみ設けられた構成でもよい。
○ 両端に端子がそれぞれ設けられている二次電池１１を使用する場合、端子部材１５を構成する導電部材１７は、全ての二次電池１１の正極端子１１ａや負極端子１１ｂと接触可能な形状であればよく、第１の実施形態のような蛇行状ではなく、例えば、板材１６と同形の矩形状に形成して、その周縁の一部から配線連結部１７ａを突出形成してもよい。

○ 端子部材１５を構成する導電部材１７，１９や正極用導電部材２１ａ及び負極用導電部材２１ｂを金属板で形成する代わりにメッキで形成してもよい。
○ 複数の二次電池１１の配置位置の中央と対応する位置から周囲に向かって冷却媒体が流れる流路１３ａの形状は渦巻き状に限らない。例えば、図６（ａ）に示すように、中央を中心として多重に形成された流路１３ａが連通部１３ｃで連通された形状としたり、図６（ｂ）に示すように、複数のガイド２２が放射状に設けられ、複数の流路１３ａが放射状に形成された構成としたりしてもよい。

○ 複数の二次電池１１の配置は一列であってもよい。例えば、図６（ｃ）に示すように、流路部材１３の流路１３ａは入口１３ｂが複数の二次電池１１の配置位置の中央と対応する位置に設けられ、入口１３ｂから供給される冷却媒体は図６（ｃ）の左右両側に分かれて流れ、両端部で折り返して外側中央に設けられた出口１３ｄから排出される。冷却媒体が気体の場合は出口１３ｄを外側中央に設けずに、流路１３ａの入口１３ｂから離れた流路部材１３の両端部に出口１３ｄを設けてもよい。また、冷却媒体が液体の場合でも、冷媒循環装置の循環経路の形状を流路１３ａの二つの出口から冷却媒体を受け入れる構成にすれば、流路１３ａの出口を２箇所にしてもよい。

○ 流路１３ａの入口１３ｂは厳密な意味での二次電池１１の配置位置の中央に限らず、中央付近に設けられている場合も含む。例えば、第１〜第３の実施形態のように二次電池１１が碁盤目状に配置される場合、二次電池１１の列及び行を構成する二次電池１１の数がそれぞれ偶数の場合、入口１３ｂの位置を内側に配置された４個の二次電池１１のいずれかと対応する位置にしたり、４個の二次電池１１の隣り合う２個の二次電池１１の中間位置にしたりしてもよい。

○ 組電池１０を構成する複数の二次電池１１は、全ての二次電池１１が並列に接続されて共通のプラス端子及びマイナス端子に接続された構成に限らない。例えば、一端に正極端子１１ａ及び負極端子１１ｂが設けられた二次電池１１を使用して、端子部材１５として各二次電池１１を直列に接続する導電部材を有する構成としたり、直列に接続された複数の二次電池１１の組が並列に接続された構成としたりしてもよい。

○ 組電池１０を使用する場合、二次電池１１の冷却を、流路部材１３を流れる冷却媒体だけではなく、組電池１０を構成する二次電池１１の外面に冷却用の気体（空気）を積極的に接触させるようにしてもよい。例えば、組電池１０を吸気ダクト及び排気ダクトを備えたハウジング内に収容し、ファンやブロアー等の送風手段により吸気ダクトからハウジング内に空気が供給されるとともに排気ダクトから排出されるようにしたり、ハウジングを設けずに、送風手段により空気を吹き付ける構成にしたりしてもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記端子部材は、熱伝導性が良く電気的に絶縁性の樹脂で形成された板材に電気伝導性の良好な金属で形成された導電部材が固着されて形成されている。

１０…組電池、１１…二次電池、１１ａ…端子としての正極端子、１１ｂ…端子としての負極端子、１３…流路部材、１３ａ…流路、１５…端子部材。

Claims

複数の二次電池が互いに平行に配置された組電池において、
前記複数の二次電池の配置位置の中央と対応する位置から周囲に向かって冷却媒体が流れる流路が形成された流路部材を有し、前記流路部材が前記二次電池の各端子と接触する端子部材と一体化されていることを特徴とする組電池。
前記流路部材は前記二次電池の両端側に配置されている請求項１に記載の組電池。
前記二次電池は両端に端子が形成されている二次電池である請求項１又は請求項２に記載の組電池。
前記流路部材は前記流路が渦巻き状に形成されている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の組電池。
前記流路部材は前記端子部材を兼用している請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の組電池。