JP2015125930A - 組電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高温状態の二次電池を所望の適正動作温度まで迅速に降温させることができるとともに、低温状態の二次電池を所望の出力特性が得られるまで迅速に昇温させることができる組電池モジュールを提供することである。
【解決手段】実施形態の組電池モジュールは、筐体と、複数の二次電池と、放熱部材とを持つ。筐体は、複数の二次電池を収容する。放熱部材は、所定の高温領域で複数の二次電池の各々の表面に接触するとともに、所定の低温領域で複数の二次電池の各々の表面から離間する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、組電池モジュールに関する。

従来、複数の二次電池を筐体内に収容した組電池モジュールにおいて、二次電池の発熱による過度な温度上昇を抑制するために放熱性能を高くすることが望まれている。また、組電池モジュールにおいて、低温状態の二次電池を迅速に昇温させて所望の出力特性を早期に確保するために昇温性能を高くすることが望まれている。
しかしながら、組電池モジュールにおいて、放熱性能を高くすることを優先させると、低温状態の二次電池を迅速に昇温させることが困難になるという問題が生じる。一方、昇温性能を高くすることを優先させると、二次電池が高温状態になった場合に所望の適正動作温度まで迅速に降温させることが困難になるという問題が生じる。

特開２００５−２８５４５６号公報 特開２００５−７１７８４号公報

本発明が解決しようとする課題は、高温状態の二次電池を所望の適正動作温度まで迅速に降温させることができるとともに、低温状態の二次電池を所望の出力特性が得られるまで迅速に昇温させることができる組電池モジュールを提供することである。

実施形態の組電池モジュールは、筐体と、複数の二次電池と、放熱部材とを持つ。筐体は、複数の二次電池を収容する。放熱部材は、所定の高温領域で複数の二次電池の各々の表面に接触するとともに、所定の低温領域で複数の二次電池の各々の表面から離間する。

第１の実施形態の組電池モジュールの構成を模式的に示す断面図であり、第１所定温度以下の温度領域での放熱部材の形状を示す図。 第１の実施形態の組電池モジュールの構成を模式的に示す断面図であり、第２所定温度以上の温度領域での放熱部材の形状を示す図。 第２の実施形態の組電池モジュールの構成を模式的に示す断面図であり、第１所定温度以下の温度領域での放熱部材の位置を示す図。 第２の実施形態の組電池モジュールの構成を模式的に示す断面図であり、第２所定温度以上の温度領域での放熱部材の位置を示す図。

以下、実施形態の組電池モジュールを、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の組電池モジュール１０は、図１に示すように、樹脂などから成る電気的に絶縁性の筐体１１と、筐体１１の内部に収容された複数の二次電池１２と、筐体１１によって支持された放熱部材１３と、を備えている。
筐体１１は、開口部２１を形成する壁部２２と、開口部２１を覆う放熱部材１３を支持する支持部２３と、を備えている。開口部２１は、複数の二次電池１２の各々の表面（例えば、側面など）１２Ａに対向する壁部２２の少なくとも一部が切り欠けられて形成され、壁部２２を厚さ方向に貫通して、複数の二次電池１２の各々の表面（例えば、側面など）１２Ａに臨んでいる。支持部２３は、開口部２１を形成する壁部２２に一体に設けられ、放熱部材１３の周縁部１３ａを固定している。
なお、支持部２３は、放熱部材１３の周縁部１３ａを全周に亘って固定するように配置されてもよいし、放熱部材１３の周縁部１３ａの全周のうちの一部（例えば、鉛直方向の上部および下部など）のみを固定するように配置されてもよい。

複数の二次電池１２の各々は、例えば、リチウムイオン電池などの非水電解質二次電池であり、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成された扁平な略直方体形状の外装容器３１と、外装容器３１内に非水電解液と共に収納された電極体（図示略）と、を備えている。
各二次電池１２は、電極体の正極に接続された正極端子（図示略）および負極に接続された負極端子（図示略）を、例えば合成樹脂やガラスなどの絶縁体からなるガスケット（図示略）を介して、外装容器３１の表面に設けられた端子面（例えば、鉛直方向上方の上端面）上の長手方向両端部のそれぞれに備えている。複数の二次電池１２において隣り合う二次電池１２同士は、互いの正極端子および負極端子が、導電性のアルミニウムなどの金属からなる接続バスバー（図示略）により電気的に接続されている。
なお、複数の二次電池１２の各々は、筐体１１内において、所望の剛性を確保するために、接着剤により接合されてもよいし、適宜の固定部材によって保持および固定されてもよい。

放熱部材１３は、熱膨張係数が異なる複数種類の金属板がはり合わされたバイメタルにより形成され、温度に応じて湾曲変形する。放熱部材１３は、例えば、第１所定温度（例えば、０°など）以下の温度領域（低温領域）では、図１に示すように、複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａから離間する。また、第１所定温度よりも高い第２所定温度（例えば、４０℃など）以上の温度領域（高温領域）では、図２に示すように、複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａに接触する。
放熱部材１３は、中央部に設けられた平面部４１と、この平面部４１と周縁部１３ａとの間に設けられた変形部４２と、を備えている。平面部４１は、高温領域で複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａに接触する部分であり、温度に応じて平坦度が変化しない部分である。変形部４２は、温度に応じて湾曲変形する部分であり、低温領域で平面部４１を複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａから離間させ、高温領域で平面部４１を複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａに接触させる。

放熱部材１３を構成する周縁部１３ａ、平面部４１、および変形部４２のうち、少なくとも平面部４１および変形部４２に亘る表面１３Ａは筐体１１の外部に露出している。これにより放熱部材１３は、表面１３Ａから筐体１１の外部に放熱することによって、裏面１３Ｂ側を冷却する。つまり、放熱部材１３は、少なくとも平面部４１における裏面１３Ｂ（つまり熱伝導面）が複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａに接触した状態では、表面１３Ａからの放熱によって複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａを冷却する。一方、放熱部材１３は、裏面１３Ｂが複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａから離間した状態では、裏面１３Ｂと各々の表面１２Ａとの間に断熱性の空気層（つまり、筐体１１内部の雰囲気の層）を存在させることによって、複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａの冷却を抑制する。これにより放熱部材１３は、低温領域で各二次電池１２に接触することにより低温状態の各二次電池１２を所望の出力特性が得られるまで迅速に昇温させることができるとともに、高温領域で各二次電池１２から離間することにより高温状態の各二次電池１２を所望の適正動作温度まで迅速に降温させることができる。

以上説明した第１の実施形態によれば、放熱部材１３を持つことにより、温度に応じた放熱部材１３の自己変形によって複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａに対する放熱部材１３の接触有無を自動的に切り替えることができる。これにより、高温状態では放熱部材１３が接触して各二次電池１２を迅速に降温させることができるとともに、低温状態では放熱部材１３が離間して各二次電池１２を迅速に昇温させることができる。

さらに、第１の実施形態によれば、筐体１１の外部に露出する放熱部材１３を持つことにより、放熱部材１３の露出部分（例えば、平面部４１および変形部４２に亘る表面１３Ａ）から筐体１１の外部に放熱することができる。これにより、筐体１１の内部で放熱部材１３に接触した各二次電池１２を迅速に冷却することができる。
さらに、第１の実施形態によれば、放熱部材１３に複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａに接触する平面部４１を持つことにより、各二次電池１２から放熱部材１３への熱伝導に寄与する面積を増大させることができる。これにより、各二次電池１２から放熱部材１３への熱伝導を促進して、各二次電池１２を迅速に冷却することができる。
さらに、第１の実施形態によれば、温度に応じて自己変形する放熱部材１３を持つことにより、通電制御されるモータなどのアクチュエータを必要とせずに、各二次電池１２の表面１２Ａに対する放熱部材１３の接触有無の切り替えを自動化することができ、構成が複雑になることを防止することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の組電池モジュール５０は、図３に示すように、樹脂などから成る電気的に絶縁性の筐体５１と、筐体５１の内部に収容された複数の二次電池１２と、筐体５１の内部に収容された放熱部材５３と、放熱部材５３を変位させる変位部材５４と、を備えている。
筐体５１は、開口部６１を形成する壁部６２を備えている。開口部６１は、複数の二次電池１２の各々の表面（例えば、側面など）１２Ａに対向する壁部６２の少なくとも一部が切り欠けられて形成され、壁部６２を厚さ方向に貫通して、複数の二次電池１２の各々の表面（例えば、側面など）１２Ａに臨んでいる。

複数の二次電池１２の各々は、例えば、リチウムイオン電池などの非水電解質二次電池であり、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成された扁平な略直方体形状の外装容器３１と、外装容器３１内に非水電解液と共に収納された電極体（図示略）と、を備えている。
各二次電池１２は、電極体の正極に接続された正極端子（図示略）および負極に接続された負極端子（図示略）を、例えば合成樹脂やガラスなどの絶縁体からなるガスケット（図示略）を介して、外装容器３１の表面に設けられた端子面（例えば、鉛直方向上方の上端面）上の長手方向両端部のそれぞれに備えている。複数の二次電池１２において隣り合う二次電池１２同士は、互いの正極端子および負極端子が、導電性のアルミニウムなどの金属からなる接続バスバー（図示略）により電気的に接続されている。
なお、複数の二次電池１２の各々は、筐体１１内において、所望の剛性を確保するために、接着剤により接合されてもよいし、適宜の固定部材によって保持および固定されてもよい。

放熱部材５３は、例えば板状に形成された冷却板であって、表面５３Ａ上から突出する複数の放熱フィン７１を備えている。放熱部材５３は、筐体５１の内部において周縁部５３ａが変位部材５４によって変位可能に支持されている。放熱部材５３は、筐体５１の内部において裏面５３Ｂを複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａに対向させ、表面５３Ａの少なくとも一部および複数の放熱フィン７１を開口部６１から筐体５１の外部に露出させている。

変位部材５４は、温度に応じて伸縮する伸縮部材８１と、弾性変形する弾性部材８２と、を備えている。伸縮部材８１は、熱膨張係数が異なる複数種類の金属板がはり合わされたバイメタルにより形成され、温度に応じて伸縮する。伸縮部材８１は、放熱部材５３の周縁部５３ａにおける表面５３Ａと筐体５１の壁部６２の内面６２Ａとの間に配置され、表面５３Ａと内面６２Ａとの間で伸縮する。弾性部材８２は、ばねなどであって、弾性的に伸縮する。弾性部材８２は、放熱部材５３の周縁部５３ａにおける裏面５３Ｂと複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａとの間に配置され、裏面５３Ｂと各表面１２Ａとの間で弾性的に伸縮する。つまり、伸縮部材８１および弾性部材８２は、放熱部材５３の周縁部５３ａを厚さ方向の両側から挟み込むように配置されている。
なお、変位部材５４は、放熱部材５３の周縁部５３ａを全周に亘って配置されてもよいし、放熱部材５３の周縁部５３ａの全周のうちの一部（例えば、鉛直方向の上部および下部など）のみに配置されてもよい。

伸縮部材８１は、例えば、第１所定温度（例えば、０°など）以下の温度領域（低温領域）では、図３に示すように、表面５３Ａと内面６２Ａとの間で収縮する。また、第１所定温度よりも高い第２所定温度（例えば、４０℃など）以上の温度領域（高温領域）では、図４に示すように、表面５３Ａと内面６２Ａとの間で伸長する。これにより放熱部材５３は、高温領域では、伸縮部材８１の伸長に伴い弾性部材８２が弾性圧縮することによって、裏面５３Ｂを複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａに接触させるまで近接方向に変位する。一方、放熱部材５３は、低温領域では、伸縮部材８１の収縮に伴い弾性部材８２が弾性伸長することによって、裏面５３Ｂを複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａから離間させる離間方向に変位する。
なお、放熱部材５３の周縁部５３ａにおいて裏面５３Ｂ上には、裏面５３Ｂを複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａに接触させた状態で弾性圧縮状態の弾性部材８２を収容可能に一段凹んだ弾性部材収容部５３ｂを備えている。

放熱部材５３は、裏面１３Ｂ（つまり熱伝導面）が複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａに接触した状態では、表面５３Ａの少なくとも一部および複数の放熱フィン７１からの放熱によって複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａを冷却する。一方、放熱部材５３は、裏面１３Ｂが複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａから離間した状態では、裏面１３Ｂと各々の表面１２Ａとの間に断熱性の空気層（つまり、筐体１１内部の雰囲気の層）を存在させることによって、複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａの冷却を抑制する。これにより放熱部材５３は、低温領域で各二次電池１２に接触することにより低温状態の各二次電池１２を所望の出力特性が得られるまで迅速に昇温させることができるとともに、高温領域で各二次電池１２から離間することにより高温状態の各二次電池１２を所望の適正動作温度まで迅速に降温させることができる。

以上説明した第２の実施形態によれば、放熱部材５３および変位部材５４を持つことにより、温度に応じた変位部材５４の自己変形による放熱部材５３の変位によって複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａに対する放熱部材５３の接触有無を自動的に切り替えることができる。これにより、高温状態では放熱部材５３が接触して各二次電池１２を迅速に降温させることができるとともに、低温状態では放熱部材５３が離間して各二次電池１２を迅速に昇温させることができる。

さらに、第２の実施形態によれば、筐体１１の外部に露出する放熱部材５３を持つことにより、放熱部材５３の露出部分（例えば、表面５３Ａの少なくとも一部および複数の放熱フィン７１）から筐体１１の外部に放熱することができる。これにより、筐体１１の内部で放熱部材５３に接触した各二次電池１２を迅速に冷却することができる。
さらに、第２の実施形態によれば、複数の放熱フィン７１を持つことにより、放熱部材５３の放熱性能を向上させることができる。
さらに、第２の実施形態によれば、放熱部材１３に複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａに接触する裏面１３Ｂを持つことにより、各二次電池１２から放熱部材５３への熱伝導に寄与する面積を増大させることができる。これにより、各二次電池１２から放熱部材５３への熱伝導を促進して、各二次電池１２を迅速に冷却することができる。
さらに、第２の実施形態によれば、温度に応じて自己変形する変位部材５４を持つことにより、通電制御されるモータなどのアクチュエータを必要とせずに、各二次電池１２の表面１２Ａに対する放熱部材５３の接触有無の切り替えを自動化することができ、構成が複雑になることを防止することができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、複数の二次電池１２の各々の表面１２Ａに対する接触有無が温度に応じて自動的に切り替わる放熱部材（放熱部材１３もしくは放熱部材５３）を持つことにより、各二次電池１２の高温状態では所望の適正動作温度まで迅速に降温させることができるとともに、各二次電池１２の低温状態では所望の出力特性が得られるまで迅速に昇温させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

以下、第１の変形例の構成について説明する。
上述した第１の実施形態では、放熱部材１３はバイメタルにより形成されるとしたが、これに限定されず、温度に応じて自己変形する他の材質により形成されてもよい。

以下、第２の変形例の構成について説明する。
上述した第２の実施形態では、変位部材５４はバイメタルにより形成された伸縮部材８１とばねによる弾性部材８２とを備えるとしたが、これに限定されない。
例えば、弾性部材８２の代わりに、変位部材５４とは逆の温度特性で温度に応じて伸縮する第２の伸縮部材を備えてもよい。
また、例えば、弾性部材８２を省略して、伸縮部材８１と放熱部材５３とを一体に接続してもよい。
また、例えば、伸縮部材８１を省略し、弾性部材８２の代わりに、変位部材５４とは逆の温度特性で温度に応じて伸縮する第２の伸縮部材を備え、この第２の伸縮部材と放熱部材５３とを一体に接続してもよい。

１０ 組電池モジュール
１１ 筐体
１２ 二次電池
１３ 放熱部材
５０ 組電池モジュール
５１ 筐体
５３ 放熱部材
５４ 変位部材
７１ 放熱フィン
８１ 伸縮部材
８２ 弾性部材

Claims (7)

1. 複数の二次電池と、
   前記複数の二次電池を収容する筐体と、
   所定の高温領域で前記複数の二次電池の各々の表面に接触するとともに所定の低温領域で前記複数の二次電池の各々の表面から離間する放熱部材と、
   を備える、
   組電池モジュール。
2. 前記放熱部材は、前記筐体の外部に露出する露出部を備える、
   請求項１に記載の組電池モジュール。
3. 前記放熱部材は、前記所定の高温領域で前記複数の二次電池の各々の表面に接触する平面部を備える、
   請求項１または請求項２に記載の組電池モジュール。
4. 前記放熱部材は、温度に応じて変形することによって前記複数の二次電池の各々の表面に対する接触および離間が切り替わる、
   請求項１から請求項３の何れか１つに記載の組電池モジュール。
5. 前記放熱部材は、バイメタルにより形成されている、
   請求項４に記載の組電池モジュール。
6. 前記放熱部材を温度に応じて変位させることによって前記複数の二次電池の各々の表面に対する前記放熱部材の接触および離間を切り替える変位部材を備える、
   請求項１から請求項３の何れか１つに記載の組電池モジュール。
7. 前記放熱部材は、放熱フィンを備える、
   請求項１から請求項６の何れか１つに記載の組電池モジュール。

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