JP2019169390A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電池セルの温度勾配を低減することができる電池モジュールを提供する。【解決手段】複数の電池セル１０と、電池セル１０が載置される載置面４０を有するヒートシンク２０と、ヒートシンク２０に取り付けられ、冷却水が流通する流路部材３０と、を備え、ヒートシンク２０は、載置面４０を構成する第１の載置面４１を有する第１の部材２１と、載置面４０を構成する第２の載置面４２を有する第２の部材２２と、を備え、第１の部材２１には、流路部材３０が取り付けられ、第１の載置面４１と流路部材３０との間の領域に第２の部材２２が設けられ、第２の部材２２は、第１の部材２１よりも熱伝導率が低い。【選択図】図２

Description

本発明は、複数の電池セルの温度を均一化するための構造を有する電池モジュールに関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車は、モータの電源となる電池モジュールを複数備えた電池パックを搭載している。電気自動車に搭載される電池モジュールは、走行に応じて電池セルの充放電が繰り返されて温度が上昇するため、冷却装置により冷却されている（例えば、特許文献１参照）。

このような電池モジュールは、電池ケース内に配置したヒートシンクに電池セルを載置し、ヒートシンクに冷却配管を取り付けた構造を有している。冷却配管に冷却水を流通させることで、ヒートシンクを介して電池セルが冷却される。

上記構成の電池モジュールの各電池セルは、冷却配管に近いほど温度が下がりやすいため、複数の電池セルに温度勾配が生じてしまう。このような温度勾配が生じると、冷却配管から遠い電池セルは十分に冷却されず、冷却配管から近い電池セルに比べてが劣化が早く進む。電池モジュールに充電された電力で航続可能な距離は、最も劣化が進んだ電池セルの状態に依存するため、複数の電池セルの温度を均一にすることが望まれている。なお、冷却の場合のみならず電池を加熱する場合についても同様の問題が存在する。

特開２００５−３４９９５５号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、複数の電池セルの温度勾配を低減することができる電池モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、複数の電池セルと、前記電池セルが載置される載置面を有する熱伝導部材と、前記熱伝導部材に取り付けられ、熱媒体が流通する流路部材と、を備え、前記熱伝導部材は、前記載置面を構成する第１の載置面を有する第１の部材と、前記載置面を構成する第２の載置面を有する第２の部材と、を備え、前記第１の部材には、前記流路部材が取り付けられ、前記第１の載置面と前記流路部材との間の領域に前記第２の部材が設けられ、前記第２の部材は、前記第１の部材よりも熱伝導率が低いことを特徴とする電池モジュールにある。

第１の態様では、流路部材に近い第２の載置面に載置された電池セルは吸熱及び放熱されにくく、流路部材から遠い第１の載置面に載置された電池セルは吸熱及び放熱されやすい。したがって、流路部材に近い電池セルと、流路部材から遠い電池セルとで温度差が大きくなりにくい。すなわち、電池セル間の温度勾配を低減することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の電池モジュールにおいて、前記第１の部材には、前記第１の載置面とは反対面側に、第３の部材が設けられ、前記第３の部材は、前記第１の部材よりも熱伝導率が低いことを特徴とする電池モジュールにある。

第２の態様では、熱伝導部材の第１の載置面とは反対側から電池セルへの熱を遮断することができる。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載の電池モジュールにおいて、前記第２の部材には、前記流路部材が取り付けられていないことを特徴とする電池モジュールにある。

第３の態様では、第１の載置面と第２の載置面のそれぞれに載置された電池セル間の温度差をより一層低減させることができる。

本発明の第４の態様は、第１から第３の何れか一つの態様に記載の電池モジュールにおいて、前記電池セルの前記流路部材側の端部は、前記第２の載置面内に位置していることを特徴とする電池モジュールにある。

第４の態様では、電池セルが第２の載置面からはみ出して第１の部材に接触していない。このような構成によれば、電池セルを、第２の載置面を介して第２の部材により吸熱及び放熱させることができる。このため、電池セルの温度が低下しすぎて温度差が広がることを抑制し、電池セル間の温度差をより確実に低減させることができる。

本発明によれば、複数の電池セルの温度勾配を低減することができる電池モジュールが提供される。

実施形態１に係る電池モジュールの分解斜視図である。 実施形態１に係る電池モジュールの側面図である。 従来の電池セルの温度分布を示す図である。 実施形態１に係る電池セルの温度分布を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。

〈実施形態１〉
図１は電池モジュールの分解斜視図であり、図２は電池モジュールの側面図である。本実施形態に係る電池モジュール１は、複数の電池セル１０と、熱伝導部材の一例であるヒートシンク２０と、流路部材３０とを備えている。通常、複数個の電池モジュール１がケース（図示せず）に収容されて電池パックを構成し、電池パックは電動自動車やハイブリッド自動車に搭載される。

電池セル１０は、一方向（Ｘ方向）に沿って複数個（本実施形態では６個）並設されている。各電池セルには、流路部材３０に近い方から順に符号として１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆを付す。複数の電池セル１０ａ〜１０ｆを区別しない場合は、電池セル１０と称する。

電池セル１０としては、特に限定はないが、例えば、ニッケル−水素バッテリ、リチウムイオンバッテリなどの二次電池を用いることができる。また、電池セル１０には、上部に端子１１が設けられており、図示しないバスバーにより並列又は直列接続されており、電池モジュールを構成している。

ヒートシンク２０は、一方面側（図２のＺ方向の上側）の載置面４０に電池セル１０が載置され、電池セル１０の熱を放熱及び吸熱する部材である。本実施形態では、ヒートシンク２０は矩形状の平板部材からなる。なお、本発明は、電池セル１０がヒートシンク２０に直接的に載置される構成の他に、電池セル１０が他の部材を介してヒートシンク２０に間接的に載置される構成も含む。後者の構成においては、間に介在する部材は熱伝導率が高いもの（例えば、ヒートシンク２０の熱伝導率と同等以上）とすることが好ましい。

流路部材３０は、熱媒体として冷却水が流通する管状部材である。特に図示しないが、流路部材３０の全体としては、複数の電池モジュール１に亘って環状に設けられている。換言すれば、環状の流路部材３０の一部に、各電池モジュール１のヒートシンク２０が取り付けられている。本実施形態では、ヒートシンク２０の一辺（電池セル１０が並設されたＸ方向とは直交するＹ方向の一辺）に沿うように流路部材３０が取り付けられている。

また、特に図示しないが、流路部材３０には、ラジエータやポンプなどの装置が設けられている。このような構成により、ラジエータで冷却された冷却水は、流路部材３０を流通し、再びラジエータで冷却するように循環している。なお、上記ラジエータやポンプ等は、電池モジュールのケースに収容されている。

ヒートシンク２０は、第１の部材２１、第２の部材２２、及び第３の部材２３から構成されている。これらの第１の部材２１、第２の部材２２、及び第３の部材２３は、何れも矩形状の平板部材からなる。

第１の部材２１は、Ｚ方向から見た平面視において、６個の電池セル１０を載置可能な程度の大きさを有している。第１の部材２１の表面（電池セル１０が載置される面）の一部が第１の載置面４１となっている。第１の部材２１は、第１の載置面４１と流路部材３０との間に、第２の部材２２が設けられる凹部２４を備えている。

第２の部材２２は、第１の部材２１の表面のうち、第１の載置面４１と、流路部材３０との間の領域である凹部２４に設けられている。具体的には、第２の部材２２は、凹部２４の開口形状に合わせた外形であり、凹部２４の深さとほぼ同じ厚さを有する。このような第２の部材２２が凹部２４に嵌め込まれている。

本実施形態では、第２の部材２２の表面全体が第２の載置面４２となっている。この第２の載置面４２は、第１の載置面４１とほぼ面一となっている。これらの第１の載置面４１と第２の載置面４２とから、ほぼ面一の載置面４０が構成されている。電池セル１０は、第１の載置面４１と第２の載置面４２とを跨がないように、載置面４０に載置されている。ここでは、第１の載置面４１と第２の載置面４２のそれぞれに、３個ずつ電池セル１０が載置されている。

第２の部材２２は、第１の部材２１よりも熱伝導率が低い。本実施形態では、第２の部材２２はアルミニウムからなり、第１の部材２１は銅からなる。もちろん、これらの部材は、異なる材料から構成されていてもよい。第１の部材２１及び第２の部材２２の材料としては、アルミニウム、銅の他に、鉄、ステンレスなどの金属材料や、酸化銅、酸化鉄などの酸化物を用いることができる。

第３の部材２３は、第１の部材２１の裏面（第１の載置面４１とは反対面側）に設けられている。本実施形態では、第３の部材２３は、第１の部材２１とほぼ同じ外形を有している。また、第３の部材２３は、第１の部材２１よりも熱伝導率が低い材料からなる。第３の部材２３が第１の部材２１の裏面に設けられていることにより、裏面側から電池セル１０への熱を遮断することができる。第３の部材２３の材料は特に限定はないが、金属材料、金属の酸化物、樹脂材料などを用いることができる。

第１の部材２１、第２の部材２２、及び第３の部材２３からなるヒートシンク２０の製造方法については、公知の方法を適用できるので詳細は省略する。一例としては、平板状の銅板に凹部２４を設けて第１の部材２１とし、その凹部２４にアルミニウムからなる第２の部材２２を溶接により接合する。さらに、第１の部材２１の裏面に、樹脂からなる第３の部材２３を接着剤で接着したり、ボルトやリベットなどの締結手段により固定することで、ヒートシンク２０を製造することができる。

上述した構成の電池モジュール１は、ヒートシンク２０の平面視においては、第１の載置面４１は流路部材３０とは第２の載置面４２により分断されているが、ヒートシンクの側面視（又は断面視）においては、流路部材３０に繋がっている。また、第２の載置面４２は流路部材３０には直接繋がっていない。

このような構成により、第１の載置面４１に載置された電池セル１０は、第１の部材２１を介して流路部材３０の冷却水により放熱及び吸熱される。一方、第２の載置面４２に載置された電池セル１０は、第２の部材２２及び第１の部材２１を介して流路部材３０の冷却水により放熱及び吸熱される。

上述したように、第１の部材２１は、第２の部材２２よりも熱伝導率が高く、かつ、流路部材３０に直接取り付けられている。また、第２の部材２２は、第１の部材２１よりも熱伝導率が低く、かつ、流路部材３０に直接取り付けられていない。つまり、第１の載置面４１に載置された電池セル１０は、第２の載置面４２に載置された電池セル１０よりも吸熱及び放熱されやすくなっている。このようなヒートシンク２０により、電池セル１０間での温度差（温度勾配）を低減することが可能となっている。

図３及び図４を用いて、電池セル１０の温度勾配を低減することができる機序について説明する。図３は従来の電池セルの温度分布を示す図であり、図４は電池セルの温度分布を示す図である。何れの図も、横軸は各電池セル１０ａ〜１０ｆの流路部材からの距離を表し、縦軸は各電池セル１０ａ〜１０ｆの温度を表す。

まず、図３を用いて、熱伝導性を有する一つの部材からなるヒートシンクにおける温度勾配について説明する。このような従来のヒートシンクは熱伝導率が一様である。このようなヒートシンクを用いた場合では、流路部材３０に近い電池セル１０ほど温度が下がりやすく、流路部材３０から遠い電池セル１０ほど温度が下がりにくい。すなわち、流路部材３０に近い電池セル１０と、流路部材３０から遠い電池セル１０とで温度差が大きくなる傾向にある。

従来の一つの部材からなるヒートシンクを用いた場合において、電池セル１０ａ〜１０ｆの温度をそれぞれＴａ’〜Ｔｆ’とする。最も低い電池セル１０ａの温度Ｔａ’と、最も高い電池セル１０ｆの温度Ｔｆ’との温度差を温度勾配ＴΔ’とする。

一方、図４に示すように、本発明のヒートシンク２０は、流路部材３０に近い第２の載置面４２に載置された電池セル１０ａ〜１０ｃは吸熱及び放熱されにくく、流路部材３０から遠い第１の載置面４１に載置された電池セル１０ｄ〜１０ｆは吸熱及び放熱されやすい。したがって、流路部材３０に近い電池セル１０ａ〜１０ｃと、流路部材３０から遠い電池セル１０ｄ〜１０ｆとで温度差が大きくなりにくい。

本発明のヒートシンク２０を用いた場合において、電池セル１０ａ〜１０ｆの温度をそれぞれＴａ〜Ｔｆとする。最も低い電池セル１０ａの温度Ｔａと、最も高い電池セル１０ｆの温度Ｔｆとの温度差を温度勾配ＴΔとする。このようなヒートシンク２０を用いた電池モジュール１によれば、電池セル１０間の温度勾配ＴΔを、従来のヒートシンクを用いた場合における電池セル１０間の温度勾配ＴΔ’よりも低減することができる。

また、本実施形態の電池モジュール１は、第２の部材２２には流路部材３０が直接取り付けられていない。このため、第２の部材２２に流路部材３０を直接取り付ける構成よりも、吸熱及び放熱しにくい構成とすることができる。これにより、上述したように、第１の載置面４１と第２の載置面４２のそれぞれに載置された電池セル１０間の温度差をより一層低減させることができる。

なお、本発明は、第２の部材２２が流路部材３０に直接取り付けられていてもよい。すなわち、第１の部材２１の表面に設けられた第２の部材２２を流路部材３０に接触させるような構成としてもよい。このような構成であっても、第２の部材２２は、第１の部材２１よりも熱伝導率が低いので、上記した温度差の低減効果を奏する。

また、本実施形態の電池モジュール１は、電池セル１０ａの流路部材３０側の端部１２（図２参照）は、第２の載置面４２内に位置している。換言すれば、電池セル１０ａが第２の載置面４２からはみ出して第１の部材２１に接触していない。このような構成によれば、電池セル１０ａを、第２の載置面４２を介して第２の部材２２により吸熱及び放熱させることができる。このため、電池セル１０ａの温度が低下しすぎて温度差が広がることを抑制し、上述した電池セル１０間の温度差をより確実に低減させることができる。

なお、本発明は、電池セル１０ａの端部１２が第２の載置面４２からはみ出して第１の部材２１に接触していてもよい。

〈他の実施形態〉
なお、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。

上記各実施形態では、流路部材３０に冷却水を流通させる構成であったが、これに限定されない。熱媒体としては流体であればよく、水の他に空気を用いてもよい。また、上記各実施形態では、電池セル１０から吸熱及び放熱するために冷却水を用いたが、電池セル１０を加熱するための熱媒体を流路部材３０に流通させてもよい。このような熱媒体により電池セル１０を加熱して所定温度に保つためにも本発明を適用することができる。

上記実施形態１では、第１の載置面４１と第２の載置面４２とはほぼ面一としていたが、これに限定されない。すなわち、第１の載置面４１と第２の載置面４２とのＺ方向の高さは異なっていてもよい。この場合、電池セル１０と第１の載置面４１又は第２の載置面４２との隙間を埋める、熱伝導性のよい部材を介在させればよい。

上記実施形態１では、電池セル１０は、第１の載置面４１と第２の載置面４２とを跨がないように配置されていたが、これに限定されない。電池セル１０を第１の載置面４１と第２の載置面４２とを跨ぐように配置してもよい。この場合、一つの電池セル１０内における温度勾配を低減することができる。

１…電池モジュール、１０、１０ａ〜１０ｆ…電池セル、２０…ヒートシンク（熱伝導部材）、２１…第１の部材、２２…第２の部材、２３…第３の部材、３０…流路部材、４０…載置面、４１…第１の載置面、４２…第２の載置面

Claims (4)

1. 複数の電池セルと、
   前記電池セルが載置される載置面を有する熱伝導部材と、
   前記熱伝導部材に取り付けられ、熱媒体が流通する流路部材と、を備え、
   前記熱伝導部材は、前記載置面を構成する第１の載置面を有する第１の部材と、前記載置面を構成する第２の載置面を有する第２の部材と、を備え、
   前記第１の部材には、前記流路部材が取り付けられ、前記第１の載置面と前記流路部材との間の領域に前記第２の部材が設けられ、
   前記第２の部材は、前記第１の部材よりも熱伝導率が低い
   ことを特徴とする電池モジュール。
2. 請求項１に記載の電池モジュールにおいて、
   前記第１の部材には、前記第１の載置面とは反対面側に、第３の部材が設けられ、
   前記第３の部材は、前記第１の部材よりも熱伝導率が低い
   ことを特徴とする電池モジュール。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電池モジュールにおいて、
   前記第２の部材には、前記流路部材が取り付けられていない
   ことを特徴とする電池モジュール。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載の電池モジュールにおいて、
   前記電池セルの前記流路部材側の端部は、前記第２の載置面内に位置している
   ことを特徴とする電池モジュール。
   

Images