JP4452339B2

JP4452339B2 - 冷却機能付き電池

Info

Publication number: JP4452339B2
Application number: JP26292998A
Authority: JP
Inventors: 佳行中山; 和夫戸島; 豊彦江藤; 正彦三井; 究乾
Original assignee: Panasonic Corp; Toyota Motor Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Toyota Motor Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2018-09-17
Also published as: JP2000090988A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数の電池セルが電池電槽内に設けられて構成されているモノブロック電池、特にその電池の放熱構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７に示すように、それぞれが極板群を備えた電池セルを複数個同一電池電槽内に直列接続して配置してモノブロック電池を構成することが知られている。また、例えば電気自動車用の蓄電池として用いる場合等には、より大電流、高電圧出力を得るため、図７のモノブロック電池（モジュール）を更に図８に示すように複数個組み合わせて組電池として用いることが知られている。
【０００３】
このような電池においては、充放電等による発熱に起因して電池特性が劣化するため、電池の冷却はその特性向上のために重要である。例えば図８のように複数のモノブロック電池を組み合わせた組電池において、中央部のモノブロック電池でも放熱できるようにする必要があり、そのため各モノブロック電池には、他のモノブロック電池と対向配置される対向側壁の外面に図７のような複数のリブを突設し、自分のリブと他のモノブロック電池のリブが当接するように組み合わせることで、他のモノブロック電池の電池電槽側壁との間に放熱用空気通路を形成している。そして、このような組電池を箱体内に配置して電池パックを構成し、図示しない冷却ファンから、箱体に形成された冷却空気入口から箱体内に強制的に空気が送り込まれ、放熱用空気通路を経由して箱体の出口から空気を排出することで、各モノブロック電池の冷却を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、充放電による電池内部の発熱は主に極板群で生じ、その熱を上記リブで構成した放熱用空気通路から電池外部へ放熱させるには、樹脂製の電池電槽の熱抵抗が支配的となる。しかし、電池電槽に用いられる樹脂は一般的に熱抵抗が大きいため、電池電槽の内面と外面とで温度差が生ずるだけであり、電池電槽内での発熱は、電池外に放熱され難いという問題がある。電池電槽を薄くすれば、樹脂製の電池電槽でもその放熱性を高めることができるが、電槽強度が低下してしまうため、電槽の厚さはある程度までしか薄くすることはできない。
【０００５】
また、複数の電池セルを直列接続してモノブロック電池を構成しているため、一部の電池セルでの温度上昇が防げたとしても電池セル間で温度のバラツキが発生すると電池全体の特性の低下につながってしまう。ところが、各モノブロック電池において、その中央部に位置する電池セルは、両側端（他のモノブロック電池が対向配置されない非対向側部）にある電池セルよりも特に放熱し難い。組電池の中央部のモノブロック電池の中央部であればなおさらである。例えば、図８に示すように、電池パック内において、他の電池が対向配置されないモノブロック電池の両端部には、各電池を接続するためのバスバーを設置する空間が取られており、ここで熱交換が行われやすい。更に、このようなモノブロック電池の両端部にある電池セルは、電極が電槽外へ接続されているため、その接続部からの放熱も起こる。一方、モノブロック電池の中央部に位置する電池セルでは、各電池セルが内部接続されているため、直接電池外部に放熱できるのは、上述の放電用空気通路経由のみである。従って、１つのモノブロック電池内で考えた場合に、その両側端に位置する電池セルと中央の電池セルとでは温度差が生じ、電池全体の特性向上の妨げとなっている。
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明では、電池電槽の強度を維持しつつ、各電池セル間での温度差を小さく、かつ各電池セルが効率的に放熱することの可能な電池を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためにこの発明は、以下のような特徴を有する。
【０００８】
まず、この発明は、それぞれ極板群を備えてなる複数の電池セルが電池電槽内に配置されて構成されたモノブロック電池であって、複数のモノブロック電池と組み合わせて組電池を構成するモノブロック電池において、前記電池電槽の側壁の内、他のモノブロック電池の電池電槽と対向配置される対向側壁の外面上には、前記他のモノブロック電池との間で放熱用空気通路を形成するための複数のメインリブが突設形成され、前記対向側壁のメインリブが形成されていない部分の厚さは、前記他のモノブロック電池が対向配置されない非対向側壁の厚さよりも薄く形成され、前記各電池セルは、その極板群を共通接続する集電板を備え、該集電板の少なくとも一部がそれぞれ対向側壁の内面に接触するように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
他のモノブロック電池が対向配置される電池電槽の対向側壁を薄くすることで、モノブロック電池の中央部の放熱を容易とし、かつ比較的放熱しやすい他のモノブロック電池の対向配置されない側壁を厚くすることで、モノブロック電池中央部と側部での放熱性の差を縮める。また、電池電槽の側壁内面に接触した集電板により、極板群で発生した熱を電池電槽の対向側壁へ伝えることができ、その熱を放熱用空気通路によって放熱することができる。従って、電池内で発生した熱を非常に効率的に電池外部へと放熱することが可能となる。
【００１２】
また、本発明においては、前記対向側壁外面上には、更に前記メインリブより高さが低い放熱用フィンが形成されていることが好ましい。
【００１３】
上記構成により、メインリブによって、電池電槽の対向側壁外面上に放熱用空気通路を構成すると共に、この対向側壁上に放熱用フィンを形成することで、放熱性向上のため薄くすることで低下した電池電槽側壁の強度をこの放熱用フィンで補いつつ、放熱用空気通路での放熱性をより高めている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いてこの発明の好適な実施の形態（以下実施形態という）について説明する。
【００１５】
図１（ａ）及び（ｂ）は、この発明の実施形態に係るモノブロック電池の構造を示し、図２は、モノブロック電池を構成する各電池セルのより詳細な構造を示している。なお、図１及び図２に示すモノブロック電池は、従来同様に他のモノブロック電池と組み合わせられて図８に示すような組電池とし、箱体内に配置されて電池パックを構成することができる。
【００１６】
図１に示すように、モノブロック電池２０は、図１のように樹脂製の電池電槽３０内に一列に配置された複数の電池セル１０を備え、各電池セル１０は、図２に示すように正極及び負極の極板群１２（１２＋、１２−）を備え、各極板群１２＋、１２−は、それぞれ対応する集電板１４（１４＋、１４−）に接続されている。なお、図示しないが電池電槽３０内には構成する電池種類に応じた電解質物質が充填され、また極板材料としても電池種類に応じた材料が用いられている。また、隣接する電池セル１０の集電板１４＋と１４−とが、バスバー１６によって接続されており、各電池セル１０は電池電槽３０内部で直列接続され１つのモノブロック電池２０を構成している。
【００１７】
このようなモノブロック電池２０において、その樹脂製電池電槽３０の側壁の内、他のモノブロック電池２０が対向配置される対向側壁３０ｏの外面に、従来と同様のメインリブ３２を一体的に突設形成し、組電池とした場合に他のモノブロック電池２０との間で放熱用空気通路を構成する。更に本実施形態では、同じ対向側壁３０ｏの外面に、例えば対向側壁３０ｏの中央で交わる筋交状の放熱用フィン３４を電池電槽３０及びメインリブ３２と一体的に形成している。この放熱用フィン３４を対向側壁３０ｏに形成することにより、その分側壁３０ｏの表面積が増大して放熱性が高まる。更に、この放熱用フィン３４の高さは、メインリブ３２よりも低く形成されている。従って、放熱用フィン３４を形成しても放熱用空気通路がメインリブ３２の間に確保されており、かつこの放熱用空気通路を通る空気により放熱用フィン３４から放射される熱が効率的に除去される。
【００１８】
更に、本実施形態において、メインリブ３２及び放熱用フィン３４の形成される電池電槽３０の対向側壁３０ｏの厚さｔｏを、他のモノブロック電池２０が対向配置されずリブの形成されない非対向側壁３０ｓの厚さｔｓよりも薄く形成している。対向側壁の厚さｔｏが薄くなることで、例えば従来と同一の樹脂材料を用いて電池電槽３０を構成した場合に、対向側壁３０ｏの強度が薄くなった分低下するが、本実施形態ではこの側壁３０ｏに放熱用フィン３４が形成されていて、強度低下を補っている。そして、この放熱用フィン３４による放熱と、薄い側壁３０ｏによる放熱性の向上により、電池電槽３０の中央両領域に位置する電池セルで発生する熱を効率的に除去可能となっている。
【００１９】
また、モノブロック電池２０の長手方向の両側部（非対向側壁側）では、上述したように電池パックとした場合に空間に余裕があるため放熱性がよく、かつ外部に引き出される配線等からも放熱される。従って、この両側部とモノブロック電池２０の中央部と比較すると、これらの放熱性に差が生ずる。しかし、本実施形態ではこのような両端部に位置する非対向側壁３０ｓの厚さｔｓを、対向側壁３０ｏより厚くすることで熱抵抗を大きくしており、電池電槽３０の中央部と両側部とでの放熱性の差を小さくしている。
【００２０】
更に、本実施形態では、図２（ｂ）に示すような各電池セル１０の正極板群１２＋を共通接続する集電板１４＋、及び負極板群１２−を共通接続する集電板１４−として、板バネなど、例えばバネ加工などを施した導電板部材を電池電槽３０内に配置している。集電板１４（１４＋，１４−）をバネ構造とすることでその側部が電池電槽３０の外側に向けて付勢され、図２（ａ）のように電槽内面に密着する。集電板１４は、多くの場合、熱伝導性にも優れた金属材料が用いられており、このような集電板１４を電池電槽３０に密着させれば、電池セル１０の極板群１２で発生した熱が、この集電板１４を介して電池電槽３０に容易に伝達される。
【００２１】
ここで、複数の電池セル１０が一列に並べられて構成されるモノブロック電池２０の構成上、多くの場合、集電板１４の密着する電池電槽側壁は、対向側壁３０ｏであり、本実施形態ではその外面にメインリブ３２及び放熱用フィン３４が形成されている。従って、集電板１４を介して電池電槽側壁３０ｏに伝わる熱が、放熱用フィン３４及び薄く形成された該側壁３０ｏから放射され、メインリブ３２によって構成される放熱用空気通路を通る冷却空気によって電池外部へと除去される。
【００２２】
なお、集電板１４は、図２（ａ）のように板バネ構成としてその側部の全てが電池電槽３０に密着する構成としたほうが、電池内部の熱をより多く電池電槽３０に伝えることができる。但し、集電板１４の一部が電池電槽３０に接触する構成であっても、電池内部の熱が該集電板１４を介して電池電槽３０に伝達され放熱性向上効果が得られる。
【００２３】
図５は、本実施形態のモノブロック電池２０と従来構成のモノブロック電池における図３各位置（Ｔ１〜Ｔ３、Ｔ１１〜Ｔ１９）における温度分布を示している。温度分布測定に用いた本実施形態のモノブロック電池の外寸は、ここでは、厚さｗ２０ｍｍ、高さｈ１００ｍｍ、横幅ｘ２５０ｍｍ程度である。また、本実施形態のモノブロック電池は、図４（ａ）に示すように、メインリブ３２の高さを約１ｍｍ、放熱用フィン３４の高さを０．５ｍｍ付近に設定し、電池電槽３０の両側部の側壁３０ｓの厚さｔｓを約４ｍｍ、対向側壁３０ｏの厚さｔｏを約１ｍｍに設定している。更に、集電板１４は上述のようにバネ加工して電池電槽内面に接触させている。これに対し、従来のモノブロック電池は、その外寸が本実施形態と同一であるが、図４（ｂ）に示すように、電池電槽の側壁の厚さは２ｍｍ均一で、リブの高さが１ｍｍであり、放熱用フィンが存在せず、また本実施形態のような集電板構成を備えない電池を用いている。
【００２４】
図５（ａ）のように、モノブロック電池の中央部において電槽表面Ｔ１、その内面Ｔ２、中央部の電池セル内の極板群中央Ｔ３の温度を比較したところ、電槽表面Ｔ１の温度は、従来と本実施形態とで殆ど差はない。しかし、本実施形態の電池の電槽内面Ｔ２及び極板群中央Ｔ３での温度は、共に従来の電池の同一位置の温度よりも大きく低下している。なお、Ｔ２及びＴ３での温度低下の度合いは、例えば電流量大の条件で従来温度が４０℃〜５０℃に対して１０℃程度或いはそれ以上の低下に相当する（但し、低下の度合いは電池種類や充放電条件等によって異なるため、これらの数値には限られない）。
【００２５】
また、図３に示すような電池内部のモノブロック電池の長手方向に沿った各位置Ｔ１１〜Ｔ１９においてそれぞれ温度を測定したところ、図５（ｂ）に示すように、従来の電池では、モノブロック電池の両端部から中央部に行くにつれて温度が高くなり、両端部と中央部の温度差が大きい。しかし、本実施形態のモノブロック電池では、端面集電板Ｔ１１、Ｔ１９での温度が従来電池に対して殆ど差がないのに対し、モノブロック電池の中央部付近の温度が、中央の集電板付近（Ｔ１３，Ｔ１５，Ｔ１７）及び各電池セル中央（Ｔ１２，Ｔ１４，Ｔ１６，Ｔ１８）のいずれの位置においても低下している。このように、本実施形態ではモノブロック電池の両端部（Ｔ１１、Ｔ１９）と、モノブロック電池中央付近（Ｔ１２〜Ｔ１８）の温度差が小さくなっている。
【００２６】
以上のことから本実施形態のような電池構成により、モノブロック電池内での熱の放熱性が高まり、かつモノブロック電池内の位置による温度差が緩和されることが分かる。このため、本実施形態のモノブロック電池を図８に示すように、組電池として電池パックを構成した場合にも、組電池の中央に位置するモノブロック電池の放熱性、そして、該モノブロック電池の中央部での放熱性を高めることができる。よって、組電池全体の温度が低下し、かつ組電池の位置による温度差が解消されて信頼性が高くかつ高性能の電池パックを提供することも可能となる。
【００２７】
なお、本実施形態において、例えば、上述のモノブロック電池の外寸に関し、側壁３０ｓの厚さｔｓを４ｍｍ程度とした場合に、対向側壁３０ｏの厚さｔｏは、例えば１ｍｍ〜１．５ｍｍ程度とすることが好適であり、また、メインリブ３２の高さを１ｍｍ程度とした場合に、放熱用フィン３４の高さは、１ｍｍより小さく、０．５ｍｍ程度で十分な放熱効果と対向側壁３０ｏの補強効果とを奏する。但し、各部の寸法は、電池電槽材料や、電池種類等によっても異なり、例示したこれらの値には限られない。
【００２８】
次に、放熱用フィン３４の他の構成例について説明する。放熱用フィン３４は上述の図１（ａ）のような対向側壁３０ｏの中心付近で交わる筋交状のリブとすることで、放熱性の向上と、対向側壁３０ｏの強度向上とに寄与するが、図６（ａ）のように、対向側壁３０ｏに複数本形成されるメインリブ３２の各間に筋交状の放熱用フィン３４を形成し放熱能力及び強度の向上を図っても良い。また、これらの筋交状の形状には限らず、その他、図６（ｂ）〜（ｄ）に示すような様々な形状を採用しても効果が得られる。例えば、図６（ｂ）のように、放熱用フィン３４をメインリブ３２（放熱用空気通路）の長手方向に平行に複数本ストライプ状に形成したり、図６（ｃ）のようにメインリブ間にその長手方向と直交する方向に複数本ストライプ状の放熱用フィン３４を形成してもよい。更に、図６（ｄ）のように、メインリブ３２の各間隙にドット状の放熱用フィン３４を複数個マトリクス状に形成してもよい。更に、モノブロック電池２０の中央部と、両側部（非対向側壁側）とでは、両側部の方が本来的には放熱性が高いため、この放熱用フィン３４を対向側壁３０ｏの中央部に選択的に形成したり、中央部の放熱用フィン３４の数を両側部付近での数より多くするなどして、対向側壁３０ｏの中央部での放熱面積を両端部付近より大きくしてもよい。
【００２９】
なお、電池は、例えばニッケル水素電池を想定しているが、その他の蓄電池においても、電池電槽の構造及び集電体の構造を上述のようにすることで同様な効果を奏する。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明においては、モノブロック電池の放熱性を高めると共に、該電池の中央部と両端部との放熱特性を近づけ、これらの位置での温度差を解消することが可能である。従って、複数の電池セルを直列接続してモノブロック電池を構成した場合にも、各電池セルを低温とでき、また出力特性のバラツキを解消し、モノブロック電池全体の出力特性を向上することが容易となる。
【００３１】
また、各電池セルにおいて極板群を共通接続する集電板を少なくともその一部が電池電槽に接触する構成を採用することで、極板群での充放電によって発生する熱をこの集電板を介して効率的に電池電槽に伝え、該電槽から放熱させることが可能である。また、集電板を例えばバネ加工するなどで電池電槽に接触させることができるため、新たな部材や特別な機構を設けなくても放熱性向上を図ることが可能となる。
【００３２】
更に、上記集電板の構成を放熱用フィンを備え、かつ電池電槽の対向側壁が薄く、両側部が厚い構成と組み合わせて用いれば、電池内部の放熱性がより高まると共に、電池の中央部と端部との温度差を小さくすることが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のモノブロック電池の電池電槽を示す概略図である。
【図２】本実施形態のモノブロック電池の電池セル及びその集電板の具体的構成を示す図である。
【図３】温度測定を行ったモノブロック電池の各位置を示す図である。
【図４】温度測定に用いた従来電池と本実施形態の電池の構造を説明する図である。
【図５】図４の本実施形態及び従来の電池に対して図３の各位置で測定して得られた温度分布を示す図である。
【図６】本実施形態の放熱用フィンの他の構成例を示す図である。
【図７】従来のモノブロック電池の構成を示す図である。
【図８】モノブロック電池を用いた電池パックの構成及びその冷却機構を説明する図である。
【符号の説明】
１０電池セル、１２，１２＋，１２− 極板群、１４，１４＋，１４− 集電板、１６バスバー、２０モノブロック電池、３０電池電槽、３０ｏ電池電槽の対向側壁、３０ｓ電池電槽の非対向側壁、３２メインリブ、３４放熱用フィン。

Claims

それぞれ極板群を備えてなる複数の電池セルが電池電槽内に配置されて構成されたモノブロック電池であって、複数のモノブロック電池と組み合わせて組電池を構成するモノブロック電池において、
前記電池電槽の側壁の内、他のモノブロック電池の電池電槽と対向配置される対向側壁の外面上には、前記他のモノブロック電池との間で放熱用空気通路を形成するための複数のメインリブが突設形成され、
前記対向側壁のメインリブが形成されていない部分の厚さは、前記他のモノブロック電池が対向配置されない非対向側壁の厚さよりも薄く形成され、
前記各電池セルは、その極板群を共通接続する集電板を備え、該集電板の少なくとも一部がそれぞれ対向側壁の内面に接触するように構成されていることを特徴とするモノブロック電池。
請求項１に記載のモノブロック電池において、
前記対向側壁外面上には、更に前記メインリブより高さが低い放熱用フィンが形成されていることを特徴とするモノブロック電池。