JP2023139182A - 二次電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】筐体内の電子基板を効果的に冷却でき、その結果、充放電性能を向上できる二次電池パックを提供する。【解決手段】筐体と、複数の二次電池セルの集合体と、集合体のための電子基板と、を備え、筐体内は密閉され、集合体と前記電子基板とは前記筐体内に配置され、前記筐体は開口を備え、前記筐体内の密閉を維持しながら、電子基板が前記開口を覆うように、筐体に取り付けられ、電子基板の背面が前記筐体外に臨んでいる。【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、二次電池パックに係り、特に、車載用の二次電池パックに関する。

二次電池パックは、複数の二次電セルが組付けられた電池セル集合体を筐体内に配置したものとして知られている。筐体には、リリーフ弁や安全弁が備え付けられ、二次電池パックは、筐体の内圧が高くなると、これら弁を開放して、電池セル集合体から発生したガスを、筐体外に排出できるようしている。そして、電池セル集合体を制御するためのリレー等の電子部品や電子回路を備える電子基板は、電池セル集合体と共に筐体内に収容されていて、筐体外の環境から保護されている。

この種の二次電池パックとして、例えば、特開２０１４－４９４２７号公報に記載されたものが存在する。

特開２０１４－４９４２７号公報

従来の二次電池パックでは、筐体内の電子基板が過熱することへの対策が十分ではない、という課題があった。そこで、本発明は、筐体内の電子基板を効果的に冷却でき、その結果、充放電性能を向上できる二次電池パックを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、筐体と、複数の二次電池セルの集合体と、前記集合体のための電子基板と、を備え、前記筐体内は密閉され、前記集合体と前記電子基板とは前記筐体内に配置され、前記筐体は開口を備え、前記筐体内の密閉を維持しながら、前記電子基板が前記開口を覆うように、当該筐体に取り付けられ、前記電子基板の背面が前記筐体外に臨んでいる、二次電池パックである。

本発明によれば、筐体内の電子基板を効果的に冷却でき、その結果、充放電性能を向上できる二次電池パックを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る二次電池パックをｙ方向から描いた、その内部構成を示す正面図である。 図１に係る二次電池パックの二次電池セルの外観を俯瞰した斜視図である。 図１に係る二次電池パックの電子基板と、その周りの構造をｙ方向から描いた拡大図である。 図１に係る二次電池パックの電子基板と、その周りの構造をｚ方向から描いた平面図である。 図４は、図３Ａに於ける、電子基板を筐体に位置決めする固定部の拡大図である。 図１に係る二次電池パックの電子基板と、その周りの構造をｙ方向から描いた拡大図である。 電子基板が筐体内の圧力上昇により開放されたときの、電子基板の固定部の状態を示す部分拡大図である。 電子基板および送風手段を筐体のｙ方向から描いた正面図である。 電子基板が筐体の側面に搭載される状態を示す、電池パックの概略構成図である。 電子基板の概略構成図である。 電子基板の他の概略構成図である。 電子基板のさらに他の概略構成図である。 電子基板の変形例を示す概略構成図である。

次に、本発明に係る二次電池パックの実施形態について説明する。二次電池パックは、筐体内の密閉空間内に、電池セル集合体と、電池セルの半導体リレー等が実装された電子基板と、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）等の制御装置とを収容している。

二次電池パックの充放電性能を向上させるために、電池セルの実装数は増加する傾向にあるが、電池セルの実装数が増加すると、電子基板に流れる電流が大電流化して基板を過熱させてしまうため、基板を冷却することが望まれている。

しかしながら、密閉された筐体内にある基板を冷却すること自体、そもそも容易ではなかったことと、一方で、基板の過熱を防ぐために、基板に流れる電流を制限しようとすると、充放電性能を抑制してしまうおそれがある。以下に説明する二次電池パックは、電子基板がシールされた筐体内にあっても、複雑な構造を要することなく、電子基板を効果的に冷却できるようにしたものである。

二次電池パックの二次電池セルは、リチウムイオン二次電池セルの他、ナトリウムイオン二次電池、マグネシウムイオン二次電池、カルシウムイオン二次電池、アルミニウムイオン二次電池、亜鉛二次電池等、特に制限されない。

先ず、この二次電池パックの全体構成を、図１～図４を用いて説明する。ある要素と同一の機能を有する要素には、同一の符号を付け（図面）、その説明を省略することがある。

図１は、二次電池パックをｙ方向から描いた、その内部構成を示す正面図である。図２は、図１に係る二次電池パックの二次電池セルの外観を俯瞰した斜視図である。図３Ａは、図１に係る二次電池パックの電子基板と、その周りの構造をｙ方向から描いた拡大図である。図３Ｂは、図１に係る二次電池パックの電子基板と、その周りの構造をｚ方向から描いた平面図である。図４は、図３Ａに於ける、電子基板を筐体に位置決めする固定部の拡大図である。なお、後述のとおり、図２の説明の際、座標軸の方向について解説する。

二次電池パック１００の主要構成は、複数の二次電池セル１１を積層させた電池セル積層体（電池セル集合体）１０、電池セル積層体１０を冷却するための冷却部３０、電子基板４０、制御装置６０、及び、これらを内部の密閉空間内に収容する筐体７０である。

電子基板４０は、例えば、半導体リレー基板など、大電流が流れる回路や電子部品が基板に実装されたものでよい。電子基板４０の基板部４１の筐体７０の内側に臨む面（平面）に、複数の半導体チップなどの電子部品４２が実装されている。制御装置６０は、既述のとおり、例えば、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）である。

基板部４１の冷却のため、基板部４１の背面（筐体７０の外側の面）に、基板部４１の平面の電子部品や電子回路４２から伝わる熱を放熱するためのフィン（放熱用伝熱体）４３が形成されている。フィン４３の周りには、冷却用空気を流すためのダクト８５（図７）が形成されている。なお、複数の二次電池セル１１同士を電気的に接続するためのバスバーや電気配線、電池セル１１と電子基板４０、ならびに、制御装置６０とを電気的に接続するためのバスバーや電気配線の図示は省略されている。

図２に示す様に、二次電池セル１１の主要構成は、正負極の複数の電極体（図示せず）を積層させたものを収容するための略直方体形状を有する電池セル缶１７、正負極を有する電極端子１６である。電池セル缶１７は、例えば、アルミ材で略直方体形状に成形されており、幅広面１２、および、幅狭面１３、１４、１５を有している。電極体は、電池セル缶１７の内部にて、幅広面１２に略平行状に積層されている。

そして、二次電池セル１１の幅広面１２同士を対向させて二次電池セル１１を積層させることにより、電池セル積層体１０が構成される。二次電池セル１１の積層方向をｘ軸方向としている。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は、それぞれが直交する関係にあり、ｚ軸方向が鉛直方向である。なお、二次電池セル１１の幅狭面のうち、幅狭面１３を「缶底面」、幅狭面１４を「缶側面」と表記する。

図１にも示す様に、電池セル積層体１０を固縛保持するためのエンドプレート２１は、二次電池セル１１の幅広面１２と接触するように配置され、また、サイドプレート（図示せず）は、電池セル１１の幅狭面１４（缶側面）と接触するように配置される。二つのエンドプレート２１が、サイドプレートに例えばネジ止めにより締結されることにより、二つのエンドプレート２１はサイドプレートに保持される。

エンドプレート２１とサイドプレートの締結方向が、二次電池セル１１の積層方向（ｘ軸方向）と同一であるため、複数の二次電池セル１１の幅広面１２の面内に、ほぼ均等に面圧が付加される。こうすることで、複数の二次電池セル１１は、その積層方向（ｘ軸方向）に固縛保持され、電池セル積層体１０の剛性が高められる。エンドプレート２１、および、サイドプレートは、例えば、鋼材、鉄、アルミなど金属材料で作製される。

図１に示す様に、筐体７０は、電池セル積層体１０、電子基板４０、及び、制御装置６０等を収納する筐体底部７１と、筐体底部７１を覆う形状を有する筐体蓋部７２を備える。筐体底部７１を筐体蓋部７２が覆うことにより、電池セル積層体１０等を収容する内部は、外部から密閉されている。なお、筐体底部７１は、例えば、鋼材、鉄、アルミなどの金属材料で作製され、筐体蓋部７２は、例えば、プラスチックなどの樹脂材料で作製される。

筐体底部７１の底面であって、筐体７０の内側には、電池セル積層体１０の缶底側、つまり、二次電池セル１１の幅狭面１３（缶底面）が、例えば、放熱性グリースや放熱性接着剤など、熱伝導性を有する部材（図示せず）を介して固定されている。さらに、筐体底部７１の底面の外側には、電池セル積層体１０を冷却するための冷却部３０が固定される。冷却部３０は、一般的なヒートシンクでよく、複数のフィン（放熱用伝熱体）３２がフィンベース板３１に固定された形状を備えている。冷却部３０の外側には、フィン３２に冷却空気を流すためのダクト（流路）３３が備わっている。なお、冷却部３０は、例えば、アルミや銅など、熱伝導率が比較的高い金属であればよい。

図３Ａ、３Ｂに示す様に、筐体底部７１の底面の一部分には、開口部７３が設けられ、筐体７０内の密閉を維持しながら、開口部７３を覆うように、基板部４１が筐体底部７１に支持されている。基板部４１の固定部５０は、筐体７０の外側から、基板部４１を、開口部７３に対して位置決めして、筐体底部７１に支持させるようにしている。図３Ｂには、開口部７３の形状を、例えば、矩形とし、固定部５０を基板部４１の四隅に設けることが示されている。開口部の形状は、円形、楕円形等、特に限定されるものではない。開口のサイズ、そして、面積の上限は、基板部４１が開口を覆うことが出来れば、特に限定されない。その下限は、基板部４１に実装された電子部品、電子回路、半導体素子が開口を介して、筐体７０内に臨むことが出来る範囲で決められればよい。

基板部４１は、例えば、アルミなど、熱伝導率が比較的高い金属であってよい。基板部４１において、筐体７０の内側に面した側には、絶縁層４４が設けられ、絶縁層４４に回路パターン４５が形成されている。この回路パターン４５を介して、複数の半導体チップなどの電子部品４２が基板部４１に搭載されている。

回路パターン４５には、バスバー４６が備わっており、バスバー４６には、フレキシブル性を有するバスバー４９が端子４７を介して固定されている。フレキシブル性を有するバスバー４９は、一般的に使用されるシャントワイヤーなどである。

バスバー４９の他方の端子４８は、筐体７０内に固定される支持部材（図示せず）により固定される。金属製基板４１において、電子部品４２が搭載される面の反対側（筐体７０の外側に面した側、即ち、背面）には、放熱用伝熱体としての、切り起しフィン４３が直接成形されており、フィン４３は筐体７０の外側に配向されている。切り起しフィン４３は、例えば、一般的に使用されるスカイブフィンなどである。フィン４３の外側には、冷却空気をフィン４３に向けて送出するためのダクト（冷却流路）８５が装備されている。

ダクト８５には送風手段が接続されている。送風手段は、例えば、送風機であり、軸流式ファンや遠心式ブロワ等である。したがって、電子基板４０の大電流によって、電子基板４０が電子部品によって過熱されても、電子基板を効果的に放熱させることができる。それ故、電池セルの実装数を増加することもでき、二次電池パックの充放電性能を向上させることができる。

図４に示す様に、基板部４１は、ねじなどの締結部材５１、５２、および、バネ５３により構成される固定部５０により、開口部７３を覆うように、開口部７３に対して位置決めされ、筐体７０の筐体底部７１に支持される。締結部材５１、５２は、それぞれ、おねじ、めねじ、であり、筐体底部７１に設けられたねじ部５５により、締結部材５１が筐体底部７１に固定支持される。

さらに、締結部材５１に取り付けられた、アクチュエータとしてのバネ（弾性体）５３の弾性応力により、基板部４１は、筐体底部７１に押圧されている。固定部５０は、図３Ｂで説明したように、基板部４１の外縁付近に複数設置されている。

図３Ａ、図３Ｂに示す様に、基板部４１と筐体底部７１との間にガスケット５４が介装されている。バネ（弾性体）５３の弾性応力により、基板部４１が筐体底部７１に押圧されると、ガスケット５４は、筐体開口部７３をシールして筐体７０内を密閉した環境に維持する。基板部４１は幅方向の断面形状が矩形で、周回状の溝が刻設されており、この中に、幅方向の断面形状が円で、この溝から筐体底部７１に向けて突出する、ガスケット５４が嵌入されている。この溝は、固定部５０を避けるようにして、構成されている。ガスケット５４は、例えば、シール用部材として一般的に使用される、Ｏリングなどでよい。

二次電池パックの正常動作時（充放電時）には、電子基板４０が開口部７３の蓋となることで、筐体７０の密閉状態を保つことができる。一方、二次電池セル１１の異常動作時では、万が一、ガスが発生し、筐体７０内の圧力が上昇すると、筐体７０内の圧力がある所定値よりも大きくなった際に、電子基板４０が筐体７０から離間するように外側に押される。この時、ガスケット５４に依るシールが開放されて、電子基板４０と筐体７０との間に、筐体７０内を大気圧に開放するパスができる。筐体７０内で発生したガスは、パスを通して筐体外に放出される。つまり、基板自体が、二次電池パック１００の安全弁として機能する。

基板そのものを、リリース弁として機能させることにより、別途、弁を設ける必要が無いばかりか、パスが基板部４１の周りの広い範囲に現れるために、筐体７０内のガス圧を迅速かつ十分に低下させることができる。

図５は、図１に係る二次電池パックの電子基板と、その周りの構造をｙ方向から描いた拡大図であり、二次電池セル１１から筐体内にガスが発生した際の状態を示し、図６は、図５に示された電子基板４０の固定部５０の拡大図である。ガスの発生により筐体７０内の圧力が上昇し、筐体７０内の圧力（Ｐｉｎ）がある所定値（Ｐｆ）よりも大きくなると、電子基板４０が筐体７０の外側に向かって押されることにより、基板部４１と、筐体底部７１との間に隙間（パス）５６が生じ、隙間５６を介して、筐体７０内に充満したガス９１が開口部７３から筐体７０の外側に放出される。

二次電池パックの正常稼働時において、筐体７０をシールでき、二次電池パックの異常動作時に、ガスを筐体外に排出できるようにするためには、固定部５０のバネ５３のばね定数をＰｓ、固定部５０の個数をＮとして、Ｐｉｎ≧Ｐｆ＝Ｐｓ×Ｎが成立すればよい。

所定値Ｐｆが小さ過ぎると、例えば、車載された電池パック１００が車両の走行時の振動などにより、ガスが発生していないにも拘わらず、基板部４１が筐体７０の外側に向けて押されて、電池パック１００の密閉状態が失われてしまうことがあり、電池パックが劣化してしまうおそれがある。したがって、バネ５３の反力Ｐｓは、電池セルからガスが生じていない、電池パックの正常稼働時では、基板部４１が筐体７０の外側に向けて移動することがないよう強さでなければならない。

ガスが筐体外に排出されると、バネ５３の応力により、基板部４１とが筐体底部７１に押接されて、両者の間の隙間（パス）５６が閉じられて、筐体内が再び密閉される。

図７は、電子基板４０および送風手段８３を筐体７０のｙ方向から描いた正面図である。電池セル積層体１０、制御装置６０は図示が省略されている。送風手段は、送風機８３、ダクト（流路）８４、８５、８６から構成されている。二次電池パック１００の正常動作時（充放電時）には、流路の上流側に設けられた送風機８３を動作させることにより、冷却空気９２が電子基板４０のフィン４３を通過することで、電子部品４２からフィン４３へ伝わった熱と熱交換し、暖められた空気（排気９３）が排出される。

一方、二次電池パック１００の異常時には、二次電池セル１１から発生したガスによる筐体７０内の圧力上昇により、内圧Ｐｉｎが所定値Ｐｆより大きくなった場合、電子基板４０が筐体７０の外側に押されることで、電子基板４０の基板部４１と筐体底部７１との間に生じた隙間５６を介し、ガス９１がダクト８５内に放出される。このとき、流路の上流側に設けられた送風機８３による冷却空気９２に誘導されて、筐体７０から放出されるガス９１は冷却空気９２と共に排気９３として、最終的に系外（例えば、車外）へ効率よく排出される。

以上説明した電池パックによれば、電子基板４０の冷却と、筐体からのガス放出とを、電子基板４０自体によって、共に実現することができる。さらに、冷却用空気の流路と、筐体からのガス排出のための流路を共通化することが可能となり、電池パックの高密度実装、部品数の低減による低コスト化が可能となる。

図７は、送風機８３を冷却空気９２の流入側に配置し、冷却空気９２を電子基板４０のフィン４３に押し込む形態について示したが、送風機８３を冷却空気９２の排出側に配置し、冷却空気９２をフィン４３から吸い出す形態であってもよい。

電子基板４０は、図８に示すように、筐体７０の側面側の開口部に対して設けられたものでもよい。基板部４１は、金属製だけでなく、樹脂製であってもよい。図９に示すように、樹脂製基板４１の筐体外に臨む面に、金属製のフィンベース板８１に複数のフィン４３が備わった、一般的なヒートシンクを取り付ければよい。

また、電子基板４０を、図１０および図１１に示すように、電子基板４０を筐体７０の底部７１に移動不能に固着させてもよい。図１０は、電子基板４０を、筐体７０の外側から固定させる場合であり、図１１は、電子基板４０を、筐体７０の内側から固定させる場合である。

また、図１２に示すように、電子基板４０が実装される前に、電子基板４０の代わりに簡易板８２を開口部７３に適用して、簡易板８２を開口部を開閉する安全弁として利用してもよい。

以上説明したように、開口部を利用して、基板に実装されている電子部品等を筐体内に臨ませることができ、同時に、基板の背面を筐体外に臨ませることができる。したがって、冷却風を電子基板の背面側に誘導するなどすれば、複雑な構成に依らずに、電子基板の冷却が可能になる。

なお、本発明は、既述の実施形態に限定されるべきではないし、本発明の範囲に含まれるかぎり、当業者による変更および修正を妨げるものではない。例えば、電池パック１００の異常時に、筐体７０内のガスを放出させる形態を、電池パック１００内に圧力センサを設け、筐体７０内の圧力がある所定値よりも大きくなった場合に、ソレノイドアクチュエータによって、電子基板４０を筐体７０の外側に移動させて、電池パック１００の密閉状態を解放する機構に変更してもよい。

１０ 電池セル積層体、１１ 電池セル、１２ 電池セル幅広面、１３ 電池セル幅狭面（缶底面）、１４ 電池セル幅狭面（缶側面）、１５ 電池セル幅狭面、１６ 電極端子、１７ 電池セル缶、２１ エンドプレート、３０ 冷却部、３１ フィンベース板、３２ フィン、３３ ダクト（流路）、４０ 電子基板、４１ 基板部、４２ 電子部品、４３ フィン、４４ 絶縁層、４５ 回路パターン、４６ バスバー、４７ 端子、４８ 端子、４９ バスバー、５０ 固定部、５１ 締結部材（おねじ）、５２ 締結部材（めねじ）、５３ バネ、５４ ガスケット、５５ ねじ部、５６ 隙間、６０ 制御装置、７０ 筐体、７１ 筐体底部、７２ 筐体蓋部、７３ 筐体開口部、８１ フィンベース板、８２ 板、８３ 送風機、８４，８５，８６ ダクト（流路）、９１ ガス、９２ 冷却空気、９３ 排気、１００ 二次電池パック。

Claims (6)

1. 筐体と、
   複数の二次電池セルの集合体と、
   前記集合体のための電子基板と、
   を備え、
   前記筐体内は密閉され、
   前記集合体と前記電子基板とは前記筐体内に配置され、
   前記筐体は開口を備え、
   前記筐体内の密閉を維持しながら、前記電子基板が前記開口を覆うように、当該筐体に取り付けられ、
   前記電子基板の背面が前記筐体外に臨んでいる、
   二次電池パック。
2. 前記電子基板の背面側に複数の放熱用伝熱体が形成されている、
   請求項１記載の二次電池パック。
3. 前記複数の放熱用伝熱体に向けて冷却風を送出する流路を備える、
   請求項２記載の二次電池パック。
4. 前記筐体内の内圧が所定以上になると、前記筐体に前記開口を覆うように取り付けられた前記電子回路基板を前記筐体から離間させるアクチュエータを備える、
   請求項１記載の二次電池パック。
5. 前記アクチュエータは、
   前記電子基板を前記開口部に位置決めする固定部に設けられた弾性体を備え、
   当該弾性体は、前記筐体内が所定圧以下では、前記電子基板を前記筐体に押接させて前記開口が当該電子基板によって塞がれるようにし、
   前記筐体内が所定圧を越えると、前記電子基板は前記弾性体に抗して、前記筐体から離間するように押圧され、前記電子基板と前記筐体との間に、前記開口に繋がるパスが形成され、当該パスを介して前記筐体内の発生ガスが当該筐体外に排出されるようにした、
   請求項４記載の二次電池パック。
6. 前記アクチュエータは、前記電子基板と前記筐体との間に、前記開口に繋がるパスを形成され、当該パスを介して前記筐体内で発生したガスが当該筐体外に排出されるようにし、
   前記二次電池パックは、前記筐体外に排出される前記ガスに向けて、冷却風を送出する流路を備え、
   当該ガスが前記冷却風に誘導されて系外に排出される、
   請求項４記載の二次電池パック。

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