JP2022002189A - 電池モジュール及びバッテリシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】電子部品が実装された基板の放熱効率を向上させた電池モジュール及びバッテリシステムを提供する。【解決手段】電池モジュールは、複数の電池セルの積層体と、電池セルの積層体の軸方向端部に設けられたエンドプレートと、エンドプレートに対して電池セルの反対側に設けられた基板と、基板上に設けられた実装部品と、基板とエンドプレートとの間に設けられ、実装部品から発生した熱をエンドプレートに伝達する伝熱体とを備える。【選択図】図1
Description
本開示は、電池モジュール及びバッテリシステムに関する。
特許第5621765号公報(特許文献1)には、電池モジュールのエンドプレート上に電子部品が実装された基板を設ける構造が開示されている。
特許第6015600号公報(特許文献2)には、電子部品が実装された回路基板の熱を放熱する放熱板を有し、放熱板とエンドプレートとを熱的に結合する構造が開示されている。
複数の電池セルを含む電池モジュールにおいては、各セルの均等化を図るための機構が設けられる。この機構の一例として、各セルの電池容量のばらつきを放電用抵抗(均等化抵抗)の電力消費により均等化するパッシブバランス方式が知られている。パッシブバランス方式においては、均等化抵抗による電力消費により、当該抵抗が実装された基板が発熱する。この発熱が過度に大きくなることを防ぐため、放熱効率を向上させることが求められる。
特許文献1においては、電池モジュールのエンドプレート上に電子部品が実装された基板を設けることが開示されているものの、放熱効率を向上させるための具体的構成については開示されていない。
特許文献2においても、たとえば電池セルの膨張や外部環境による振動(たとえば車両搭載時の振動)にも十分に対応し得る具体的構成については開示されていない。
本開示の目的は、電子部品が実装された基板の放熱効率を向上させた電池モジュール及びバッテリシステムを提供することにある。
本開示に係る電池モジュールは、複数の電池セルの積層体と、電池セルの積層体の軸方向端部に設けられたエンドプレートと、エンドプレートに対して電池セルの反対側に設けられた基板と、基板上に設けられた実装部品と、基板とエンドプレートとの間に設けられ、実装部品から発生した熱をエンドプレートに伝達する伝熱体とを備える。
本開示に係るバッテリシステムは、上記の電池モジュールを複数備え、複数の電池モジュールは、各々の電池モジュールに含まれる電池セルの電圧を検出する監視回路を各々含み、複数の電池モジュールに含まれる各々の監視回路と個別に接続される制御装置をさらに備える。
本開示によれば、電子部品が実装された基板の放熱効率を向上させた電池モジュール及びバッテリシステムを提供することができる。
以下に、本開示の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本開示の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本開示にとって必ずしも必須のものではない。
図1は、本実施の形態に係る電池モジュール1の構成を模式的に示す図である。図1に示すように、電池モジュール1は、複数の電池セル10の積層体と、エンドプレート20と、基板30と、実装部品40と、伝熱体50、ケース60とを含む。
電池セル10は、六面を有する角形のセルである。一例として、電池セル10はリチウムイオン電池であるが、電池セル10はニッケル水素電池であってもよい。
エンドプレート20は、電池セル10の積層体の軸方向端部に設けられる。エンドプレート20は、たとえばアルミニウムなどの金属により構成される。複数の電池セル10の積層体の軸方向(積層方向)の両端にエンドプレート20が各々設けられ、これを積層方向に拘束して電池モジュール1が構成される。
基板30は、エンドプレート20の外側(電池セル10の反対側)に設けられる。基板30は、絶縁性の部材により構成される。基板30の実装面(図1中の右側の面)上には電子部品である実装部品40が設けられている。図1の例では、基板30の一方の面上にのみ実装部品40が設けられている。基板30の表面には、実装部品40を電気的に接続する電気回路が形成される。
伝熱体50は、エンドプレート20と基板30との間に設けられる。伝熱体50は、実装部品40から発生した熱をエンドプレート20に伝達する。伝熱体50は、電気的絶縁機能を有し、エンドプレート20と基板30とは伝熱体50により電気的に絶縁される。
ケース60は、基板30及び実装部品40を収納する。ケース60は、たとえばボルト接合などにより、エンドプレート20に固定される。ケース60は、たとえば樹脂などの絶縁性材料により構成される。ケース60は、エンドプレート20側に開口部61を有する。伝熱体50は、開口部61内に設けられる。
ケース60は、外部配線との接続部をカバーするように構成され得る。これにより、高電圧の露出及び塵埃浸入を防止することができる。
ケース60の底面の全体ではなく、一部に限定した開口部61を設けることにより、ケース60の強度、防塵性、及び取付工程の作業性を維持しながら、伝熱体50を設けることが可能である。
以下、伝熱体50について、より詳細に説明する。伝熱体50は、固体であってもよいし、半固体であってもよいし、ペースト状である場合もある。伝熱体50は、放熱シート、放熱ゲル、放熱シリコンなどからなる。
伝熱体50の一例としての放熱シートは、高硬度シートであってもよいし、低硬度シートであってもよい。伝熱体50(放熱シート)は、絶縁性をより重視して選択される場合と、放熱性をより重視して選択される場合とがある。伝熱体50は、アクリル系、シリコーン系などの素材からなるシート材であってもよいし、炭素繊維系シート材であってもよい。たとえば、炭素繊維系シート材は、熱伝導率が高く、放熱性を重視する場合に適している。
基板30の温度は、100℃程度にまで上昇するため、伝熱体50は、100℃程度に上昇しても劣化しない性能を有することが望ましい。また、1つの観点では、周辺の電子部品に影響を与えることがないように、たとえばシロキサンガスなどのシリコンガスを発生させない素材を用いることが好ましい。
たとえば、樹脂系の素材からなる伝熱体50の場合、熱伝導率は1W/m・K以上3W/m・K以下程度である。たとえば炭素繊維系の素材からなる伝熱体50の場合、熱伝導率は10W/m・K以上になり得る。
図1においては、図示及び説明の便宜上、基板30とケース60とが密着している例を示している。基板30とケース60とが密着することで、ケース60を介した基板30からの放熱も促進される。ただし、伝熱体50を介してエンドプレート20と基板30とが接合されている限り、基板30とケース60との間に微小な隙間が形成されていてもよい。
伝熱体50として放熱シートを用いる場合、放熱シートは、取付時に押圧され、その厚みが20%以上30%以下程度圧縮された状態でエンドプレート20に接合される。これにより、放熱シートとエンドプレート20及び基板30との密着性が向上する。放熱シートが20%以上30%以下程度圧縮された状態で、圧縮された放熱シートの厚みとケース60の厚み(たとえば3mm程度)とを一致させることで、基板30の裏面とケース60とを密着させることができる。
伝熱体50の絶縁特性として、電池モジュール1を含むバッテリシステムの電圧以上の絶縁特性を有することが好ましい。たとえば、個々の電池セル10の出力が4.2Vであり、バッテリシステムが96個の電池セル10を有する場合には、4.2V×96=403.2V以上の絶縁性能を有することが好ましい。なお、バッテリシステムのシステム電圧は、403.2V以上未満でもよいし、403.2V以上でもあり得る。
より具体的な一例では、伝熱体50を構成する高難燃性及び低硬度(Asker C硬度:30程度)の放熱シートとして、たとえばスリーエム(登録商標)社製のハイパーソフト放熱材6500H(熱伝達率:3.0W/m・K程度)を使用することができる。
図1に示す構造においては、伝熱体50がエンドプレート20及び基板30に密着しているため、基板30上の実装部品40の発熱を伝熱体50を介してエンドプレート20に効率よく伝達し、放熱効率を向上させることができる。
また、エンドプレート20と基板30との間に伝熱体50を介在させることにより、エンドプレート20と基板30とが一体化し、電池セル10が膨張したり、電池モジュール1に振動が加えられた場合においても、高い放熱効率を維持することができる。
基板30の発熱をエンドプレート20に効率よく伝達することで、基板30のサイズを縮小しながら基板30の発熱を抑えることができ、エンドプレート20上の狭いスペースにも基板30を配置することができる。
また、電池モジュール1のエンドプレート20上に基板30を収納したケース60を設置する構造であるため、基板30の設置及び交換の作業性がよい。また、電池モジュール1の上面に設けられるバスバーから離間した位置に基板30を設置することができるので、基板30を設ける位置がバスバーの形状等の制約を受けることがなく、設計の自由度が向上する。
上述のように、放熱の効率及び設計の自由度が向上することにより、電池モジュール1の更なる小型化を図ることが可能となる。
図2は、エンドプレート20を図1中の矢印II方向から見たときの基板30の位置を示す図である。図2に示すように、基板30は、エンドプレート20の幅方向(図2中の左右方向)及び高さ方向(図2中の上下方向)の中心から離れた位置に設けられる。
エンドプレート20の中心部は、電池セル10の膨張によるエンドプレート20の歪みが相対的に大きくなる傾向にある。エンドプレート20の歪みが大きい場合、伝熱体50とエンドプレート20との間の密着性が低下する場合があり、放熱効率にも影響し得る。図2に示すように、エンドプレート20の中心から離れた位置に基板30を設けることにより、電池セル10の膨張によるエンドプレート20の歪みの影響を低減し、放熱効率を向上させることが可能である。
次に、図3,図4を用いて、基板30上の実装部品40の配置について説明する。図3は、基板30を実装部品40が実装される実装面側から見た状態を示し、図4は、基板30を実装面の反対側の裏面側から見た状態を示す。
図3に示すように、基板30の実装面上には、均等化抵抗41と、通信回路42と、ASIC43とを含む実装部品40が配置されている。均等化抵抗41は、その電力消費により、電池モジュール1における各電池セル10の電池容量のばらつきを均等化する。通信回路42は、バッテリシステム全体を制御するバッテリECUとの間で、情報の通信を行う。ASIC43は、基板30上の実装部品40の制御を行う集積回路を含む。なお、通信回路42は、別の電池モジュール1との間で情報の通信を行うようにしてもよい。
均等化抵抗41、通信回路42、及びASIC43のうち、均等化抵抗41の発熱量が最も大きい。換言すると、均等化抵抗41は、相対的に発熱量の大きい実装部品40であり、通信回路42及びASIC43は、均等化抵抗41に対して相対的に発熱量の小さい実装部品40である。均等化抵抗41は、基板30上に実装される複数の実装部品40の中で最も発熱量の大きい部品である。
均等化抵抗41の発熱量が相対的に大きいため、基板30においても、均等化抵抗41の周辺の温度が相対的に高くなる。本実施の形態においては、図4に示すように、基板30の裏面側において、均等化抵抗41に対向する領域に伝熱体50が設けられている。これにより、相対的に大きい均等化抵抗41からの発熱量を、伝熱体50を介して効果的にエンドプレート20に伝達することができ、基板30及び実装部品40の放熱効率を効果的に向上させることができる。
図5は、電池モジュールの変形例の構成を模式的に示す図である。図5に示す変形例においては、エンドプレート20の表面に溝部21が形成されている。また、エンドプレート20の表面の一部は曲面状に形成されている。すなわち、エンドプレート20の伝熱体50側の表面上に曲面ないし凹凸が形成されている。
エンドプレート20の表面を平坦な面ではなく曲面ないし凹凸を有する形状とすることにより、エンドプレート20と伝熱体50との接触面積を増大させ、放熱効率を向上させることができる。また、エンドプレート20上に空気の通路が形成されるため、エンドプレート20と伝熱体50との間の気泡の逃げ道が形成され、当該気泡による放熱効率の低下が抑制される。
図6,図7は、エンドプレート20上に設けられた凹凸の具体例を示す。図6に示すように、エンドプレート20の高さ方向(第1の方向)に沿って複数の溝部21が形成されてもよいし、エンドプレート20の高さ方向(第1の方向)及び幅方向(第1の方向に直交する第2の方向)に沿って複数の溝部21が各々形成されてもよい。溝部21の断面形状は、四角形状であってもよいし、三角形状であってもよいし、半円形状及びその他の形状であってもよい。
図8は、基板30の断面図である。図8に示すように、基板30は、スルーホール31と、スルーホール31に充填された伝熱部32と、基板30の実装部品40とは反対側の面上に形成され、伝熱部32と接続される金属層33とを含む。
スルーホール31は、実装部品40(特に均等化抵抗41)の直下に形成される。伝熱部32及び金属層33は、たとえば銅などにより構成される。伝熱部32は、スルーホール31を完全に充填する必要はなく、スルーホール31の壁面上にのみ形成されていてもよい。図8に示す構造によれば、実装部品40の熱が伝熱部32及び金属層33を介して効率よく基板30の裏面側に伝達され、伝熱体50を介してエンドプレート20に伝達される。なお、スルーホール31は、実装部品40の近傍に設けるようにしてもよい。
本実施の形態に係る電池モジュール1によれば、上述のとおり、基板30及び実装部品40からの熱を効率よくエンドプレート20に伝達し、放熱効率を向上させることができる。このとき、エンドプレート20の温度も上昇する。このため、エンドプレート20から空気中への放熱効率を向上させることで、さらなる放熱効率の向上が期待できる。エンドプレート20からの放熱効率向上のために、エンドプレート20に放熱フィン(図示せず)が設けられもよい。
図9は、本実施の形態に係るバッテリシステムの構成を模式的に示す図である。図9に示すように、バッテリシステム100は、複数の電池モジュール1と、制御装置2(バッテリECU)とを含む。
複数の電池モジュールは、各々の前記電池モジュール1に含まれる電池セル10の電圧を検出する監視回路を各々含む。制御装置2は、複数の電池モジュール1に含まれる各々の監視回路と個別に接続される。
複数の電池モジュール1が制御装置2と個別に接続される分散型の制御においては、各電池モジュール1に実装部品40を搭載した基板30を設ける必要がある。本実施の形態に係る構造によれば、個々の電池モジュール1における基板30及び実装部品40の放熱効率を向上させることが可能である。
以上、本開示の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 電池モジュール、2 制御装置、10 電池セル、20 エンドプレート、21 溝部、30 基板、31 スルーホール、32 伝熱部、33 銅箔、40 実装部品、41 均等化抵抗、42 通信回路、43 ASIC、50 伝熱体、60 ケース、61 開口部(窓部)、100 バッテリシステム。
Claims (12)
- 複数の電池セルの積層体と、
前記電池セルの積層体の軸方向端部に設けられたエンドプレートと、
前記エンドプレートに対して前記電池セルの反対側に設けられた基板と、
前記基板上に設けられた実装部品と、
前記基板と前記エンドプレートとの間に設けられ、前記実装部品から発生した熱を前記エンドプレートに伝達する伝熱体とを備えた、電池モジュール。 - 前記基板の一方の面上にのみ前記実装部品が実装される、請求項1に記載の電池モジュール。
- 前記基板は、前記エンドプレートの幅方向の中心から離れた位置に設けられる、請求項1または請求項2に記載の電池モジュール。
- 前記基板は、前記エンドプレートの高さ方向の中心から離れた位置に設けられる、請求項1または請求項2に記載の電池モジュール。
- 前記基板は、前記エンドプレートの幅方向及び高さ方向の中心から離れた位置に設けられる、請求項1または請求項2に記載の電池モジュール。
- 前記基板は、スルーホールと、前記スルーホール内に設けられた伝熱部と、前記基板の前記実装部品とは反対側の面上に形成され、前記伝熱部と接続される金属層とを含む、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電池モジュール。
- 前記伝熱体は電気的絶縁機能を有する、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電池モジュール。
- 前記基板及び前記実装部品を収納するケースをさらに備え、前記ケースは前記エンドプレートに固定される、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電池モジュール。
- 前記ケースは、前記エンドプレート側に開口部を有し、前記開口部に前記伝熱体が設けられる、請求項8に記載の電池モジュール。
- 前記エンドプレートの前記伝熱体側の表面上に曲面または凹凸が形成される、請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の電池モジュール。
- 前記エンドプレートに放熱フィンが設けられる、請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の電池モジュール。
- 請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の電池モジュールを複数備え、
複数の前記電池モジュールは、各々の前記電池モジュールに含まれる前記電池セルの電圧を検出する監視回路を各々含み、
複数の前記電池モジュールに含まれる各々の前記監視回路と個別に接続される制御装置をさらに備えた、バッテリシステム。
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