JP4564934B2 - 二次電池モジュール - Google Patents
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Description
本発明は二次電池に関し，より詳しくは単位電池を連結して電池モジュールを構成する場合，電池モジュールの温度を容易に制御することができる二次電池モジュールに関する。
最近，高エネルギー密度の非水電解液を利用した高出力二次電池が開発されている。高出力二次電池を複数個直列に連結して，大容量の二次電池を構成することにより，大電力を必要とする機器，例えば，電気自動車などのモータ駆動に使用することができる。
このように一つの大容量二次電池アセンブリ（以下，「電池モジュール」という。）は，通常直列に連結される複数の二次電池（以下，「単位電池」という。）で構成される。
単位電池が角形電池からなる場合，この単位電池は，ギャップ組立体上部に突出した正極端子および負極端子と隣接する他の単位電池の正極端子および負極端子とが交差するように交差配列された状態で，外周面の一部がねじ加工された負極端子および正極端子に導電体の連結具がナットによって設けられることによって，単位電池同士が互いに電気的に連結されて，二次電池モジュールが構成される。
しかし，二次電池モジュールは，低温における出力性能が低下する問題点がある。特に，ハイブリッド電気自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ＨＥＶ）用大容量二次電池モジュールの場合，冬季のような極寒期に使用すると，気温が零下となる場合には所望する出力が得られないという問題がある。
さらに，近年車両に対する技術が発展して，車両エンジンによる発熱量が低下しているために，低温の環境において二次電池モジュールで適正な出力を得ることがさらに難しいという問題がある。
そこで，本発明は，上記問題に鑑みてなされたものであり，本発明の目的とするところは，極限の環境でも単位電池を容易に加熱して適正な出力が確保することの可能な，新規かつ改良された二次電池モジュールを提供することにある。
上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，単位電池と，単位電池が内蔵設置され，熱伝達媒体が流出入する流入口および排出口を有するハウジングと，流入口側に設置され，ハウジングに流入される熱伝達媒体を加熱させるＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ヒーターとを含む二次電池モジュールが提供される。
ここで，ＰＴＣヒーターは，複数の貫通孔が形成された本体を有するＰＴＣ素子を含むこともできる。また，ハウジングの流入口には，熱伝達媒体の流入を促進させる送風機が設置することもできる。この送風機は，例えばＰＴＣヒーターの前方に配置してもよい。また，熱伝達媒体は空気であってもよい。
かかる二次電池モジュールは，例えば自動車に設けることができる。このとき，ＰＴＣヒーターは，自動車内に設けられる鉛蓄電池あるいは発電機から電源の供給を受けることができる。
また，本発明にかかる二次電池モジュールは，ハウジング内に設置され，単位電池の温度を検出する温度センサをさらに含むことができる。さらに，この温度センサから単位電池温度情報の伝達を受けて，ＰＴＣヒーターの作動を調節する電池マネジメントシステムを含むことができる。
上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，複数の単位電池と，相隣接する単位電池の間に配置される隔壁と，単位電池および隔壁が内蔵されて熱伝達媒体が流出入する流入口および排出口が形成されるハウジングと，隔壁と単位電池との間に設けられるＰＴＣヒーターとを含む二次電池モジュールが提供される。
ここで，ＰＴＣヒーターは，単位電池に接触して設けることもでき，隔壁に接触して設けることもできる。また，ＰＴＣヒーターに，熱伝達媒体が流動するための貫通孔を形成してもよい。
かかる二次電池モジュールは，例えば自動車に設けることができる。このとき，ＰＴＣヒーターは，自動車内に設けられる鉛蓄電池あるいは発電機から電源供給を受けることができる。
また，本発明にかかる二次電池モジュールは，ハウジング内に設置され，単位電池の温度を検出する温度センサをさらに含むことができる。さらに，この温度センサから単位電池温度情報の伝達を受けて，ＰＴＣヒーターの作動を調節する電池マネジメントシステムを含むことができる。
上記課題を解決するために，本発明のさらに別の観点によれば，複数の単位電池と，単位電池内蔵されるハウジングと，ハウジングの外面に設けられる熱伝導性部材と，この熱伝導性部材に設けられるＰＴＣヒーターとを含む二次電池モジュールが提供される。
ここで，単位電池は，ＰＴＣヒーターに近接して配置させることができる。これにより，単位電池を効率よく加熱することができる。
二次電池モジュールは，例えば自動車に設けることができる。このとき，ＰＴＣヒーターは，自動車内に設けられる鉛蓄電池あるいは発電機から電源供給を受けることができる。
また，本発明にかかる二次電池モジュールは，ハウジング内に設置され，単位電池の温度を検出する温度センサをさらに含むことができる。さらに，この温度センサから単位電池温度情報の伝達を受けて，ＰＴＣヒーターの作動を調節する電池マネジメントシステムをさらに含むことができる。
このように，本発明によれば，ＰＴＣヒーターを利用して低温の雰囲気で必要に応じて単位電池を容易に加熱することによって，二次電池モジュールの温度を調節することができ，所望する出力を得ることができる。
また，ＰＴＣヒーターは火災危険要素の少ない発熱素子であるので，本発明が適用された機器を使用する利用者は，安全に当該機器を使用することができる。
以上説明したように本発明によれば，極限の環境でも単位電池を容易に加熱して適正な出力が確保することの可能な二次電池モジュールを提供することができる。
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
以下の説明では二次電池モジュールは，外部の空気をそのまま冷却媒体として使用する空冷方式である場合を例として説明する。もちろん，本発明において冷却媒体の供給方式はかかる構造に限定されず，例えば車両の空調システムを利用する他の方式を適用することもできる。
（第１の実施形態）
図１は，本発明の第１の実施形態にかかる二次電池モジュールの構成を示した概略的な側断面図である。図２は，本実施形態にかかるＰＴＣヒーターを示した斜視図である。
図１は，本発明の第１の実施形態にかかる二次電池モジュールの構成を示した概略的な側断面図である。図２は，本実施形態にかかるＰＴＣヒーターを示した斜視図である。
図１に示すように，二次電池モジュールは，複数の単位電池１１と，単位電池１１の間に配置される隔壁１５を含む電池集合体と，電池集合体が設けられるハウジング１２とを含む。
本実施形態にかかる単位電池１１は，正極，負極および隔離板からなる電極群をケース内部に設置して構成された角形のリチウム系二次電池で備えられている。
ハウジング１２は，流入口１３と，排出口１４とを有する。流入口１３は，ハウジング１２の一側面に形成され，単位電池１１の温度を制御するための温度制御用空気が流入される。排出口１４は，反対側の側面に形成され，単位電池１１を経た空気が排出される。ここで，ハウジング１２内部の流入口１３と排出口１４の間には，空気流通路が形成される。なお，ハウジング１２の形状やこのハウジング１２内に位置する流入口１３と排出口１４の位置，またはハウジング１２に設けられる単位電池１１の配列構造は，本実施形態の例に限定されない。
本実施形態では，図１に示すように，ハウジング１２の上側に流入口１３が形成され，ハウジング１２の下側に排出口１４が形成される。また，ハウジング１２は，流入口１３が形成された面から流入口１３と対向する面へ進むほど空気流通路が狭くなり，同様に，排出口１４が形成された面から排出口１４と対向する面へ進むほど空気流通路が狭くなる構造となっている。
二次電池モジュールは，ハウジング１２の流入口１３側に設置されてハウジング１２内部に流入される空気を加熱させるＰＴＣヒーター２２と，ＰＴＣヒーター２２の前方（流入口１３外部側）に設置されてハウジング１２内に空気の流入を促進させる送風機１９とを含む。
ＰＴＣヒーター２２は，正特性サーミスタ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）とも呼ばれるＰＴＣ素子を有する発熱素子であって，例えばチタン酸バリウム（Ｂａ２ＴｉＯ３）系セラミックを素材として形成することができ，温度上昇によって抵抗値が上昇する半導体素子である。ＰＣＴ素子は，いわゆるキュリー温度（Ｃｕｒｉｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）付近で抵抗値を変化させることによって，その温度を適正に調節して安定な温度を維持する。
このようなＰＴＣ素子を有するＰＴＣヒーター２２は，発熱時に火炎などの火災要因として作用する副産物を発生しないため，火災の危険がない。また，別途の制御器を必要とせず，適用された機器の温度が一定に維持できる利点がある。
図２に示すように，本実施形態のＰＴＣヒーター２２は，チタン酸バリウム系セラミック本体２２０ａに，複数の貫通孔２２０ｂを形成したＰＴＣ素子２２０で形成される。ここで，セラミック本体２２０ａは，流入口１３の断面形状と対応する形状を有することが好ましい。したがって，本実施形態では，セラミック本体２２０ａが略四角形に形成される。
ここで，ＰＴＣヒーター２２が設けられた二次電池モジュールにおける，ハウジング１２に供給される空気の流動経路について説明する。まず，流入口１３を通じてハウジング１２内部に流入する空気が，ＰＴＣヒーター２２の貫通孔２２０ｂを通過しながら，ＰＴＣヒーター２２が発散する熱によって加熱される。このため，ＰＴＣヒーター２２は，二次電池モジュールの電気的制御を管理するシステムである電池マネジメントシステム（以下，ＢＭＳと言う）２３と電気的に連結されて，これから行われる駆動に必要な電圧の印加を受ける。
加熱された空気は，ハウジング１２内部に流入し，単位電池１１の間に設けられた隔壁１５を通って流動する。このとき，加熱された空気による熱エネルギーが各単位電池１１に伝達され，その結果，単位電池１１は適正な温度に維持される。
このように，ＰＴＣヒーター２２は，その作動のための温度，つまり，キュリー温度をあらかじめ設定された値に維持しながら，単位電池１１を一定温度に維持させるための空気を加熱させることができる。
一方，ＰＴＣヒーター２２のキュリー温度を，単位電池１１が最大性能を発揮できる温度に対応して設定する場合，冬季の零下気温のような極寒期の雰囲気において単位電池１１を適正温度まで加熱させるためには，通常の雰囲気（例えば常温）に比べて多くの時間がかかることが予想される。
このため，単位電池１１に温度センサ２６を設け，温度センサ２６によって感知された感知温度値とあらかじめ設定された単位電池の温度値とを比較して，その比較値によってＰＴＣヒーター２２を制御することもできる。このような作用は，ＢＭＳ２３を構成する演算部，比較部および出力部によって行うことができる。
ここで演算部は，温度センサ２６から感知された信号を演算して，現在単位電池１１の温度を確認する。比較部は，演算部によって確認された単位電池１１の現在温度値とあらかじめ記憶された単位電池１１の基準温度値を比較する。出力部は，比較部から出力された信号値によってＰＴＣヒーター２２に適正な電気的信号を印加して，ＰＴＣヒーター２２の温度，さらに単位電池１１の温度を制御する役割を果たす。
一方，ＰＴＣヒーター２２に印加される電源は，二次電池モジュールが，例えばハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ），電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ＥＶ）等のような機器に設けられる場合，これらの自動車に設けられる鉛蓄電池あるいは発電機から供給することができる。つまり，自動車の始動時には鉛蓄電池から電源の供給を受け，自動車の走行中には発電機から電源供給を受けてＰＴＣヒーター２２を加熱することができる。実質的に，ＰＴＣヒーター２２への電源供給は，ＢＭＳ２３を介して行うことができる。
さらに，ＰＴＣヒーター２２の前方（流入口１３外部側）には，空気の流入を促進させる送風機１９を設けることができる。送風機１９は，ＰＴＣヒーター２２の前方に設けられ，ハウジング１２に空気を継続的に流入させる。これにより，流入された空気がＰＴＣヒーター２２を通過しながら加熱されて各単位電池１１に熱を伝達し，排出口１４を通じて排出されるようになる。
以上，第１の実施形態にかかる二次電池モジュールについて説明した。次に，第２の実施形態にかかる二次電池モジュールについて説明する。
（第２の実施形態）
図３は，本発明の第２の実施形態にかかる二次電池モジュールを示した側断面図である。図４は，本実施形態にかかる二次電池モジュールを示した平断面図である。
図３は，本発明の第２の実施形態にかかる二次電池モジュールを示した側断面図である。図４は，本実施形態にかかる二次電池モジュールを示した平断面図である。
本実施形態にかかる二次電池モジュールは，第１の実施形態にかかる二次電池モジュールと同様に，複数の単位電池１１’の間に隔壁１５’を設置して構成される。ハウジング１２’の流入口１３’を通じて流入された空気は，隔壁１５’を通過して，単位電池１１’を加熱または冷却させた後，排出口１４’を通じて排出される。
本実施形態にかかる隔壁１５’は，図４に示すように，直角に曲がった複数の凹凸部が連結された蛇行形状の断面構造を持って形成される。この結果，隔壁１５’は，凹凸部の間に空間を形成し，この空間を空気が流動できる通路として用いることができる。
もちろん，隔壁１５’の形状はかかる構造に限定されず，多様な形態の隔壁を単位電池１１’の間に設置してもよい。
本実施形態にかかるＰＴＣヒーター２４’は，二次電池モジュールにおいて単位電池１１’と隔壁１５’の間に設けられる。具体的には，ＰＴＣヒーター２４’は，隔壁１５’の凹部１５０’に配置され，単位電池１１’に接触するように設けられる。このとき，ＰＴＣヒーター２４’は隔壁１５’と接触せず，離隔して設けられる。
本実施形態では，ＰＴＣヒーター２４’は，１つの単位電池１１’に対して１つ設置しているが，これは一例に過ぎず，必要に応じてその装着数を調節することができる。
このような二次電池モジュールの構造において，ＰＴＣヒーター２４’は，極寒期の雰囲気下で二次電池モジュールの作動が必要であると判断される場合に作動して，隔壁１５’を加熱する。
このように隔壁１５’が加熱されると，流入空気の流動過程においてこの空気が隔壁１５’を通過するときに，隔壁１５’から発散される熱エネルギーによって空気が加熱される。そして，単位電池１１’は，この空気によって加熱されて適正な可動温度を維持することができる。
以上，第２の実施形態にかかる二次電池モジュールについて説明した。次に，第３の実施形態にかかる二次電池モジュールについて説明する。
（第３の実施形態）
図５は，本発明の第３の実施形態にかかる二次電池モジュールの一部を示した平断面図である。本実施形態にかかる二次電池モジュールは，第２の実施形態にかかる二次電池モジュールとその基本構成を同一にしながら，ＰＴＣヒーター２７を単位電池１１”に接触させて隔壁１５”の凹部１５０”内に配置させるとき，隔壁１５”との間に間隔を置かずに密着させた状態を維持するように構成される。
図５は，本発明の第３の実施形態にかかる二次電池モジュールの一部を示した平断面図である。本実施形態にかかる二次電池モジュールは，第２の実施形態にかかる二次電池モジュールとその基本構成を同一にしながら，ＰＴＣヒーター２７を単位電池１１”に接触させて隔壁１５”の凹部１５０”内に配置させるとき，隔壁１５”との間に間隔を置かずに密着させた状態を維持するように構成される。
このようなＰＴＣヒーター２７の作用は，上述した第２の実施形態と同様に行われるが，本実施形態にかかるＰＴＣヒーター２７は，隔壁１５”との間に間隔を置かずに密着させた状態で設けられる。このため，隔壁１５”を通過する空気が該ＰＴＣヒーター２７によって塞がってしまい，隔壁１５”内で流動できずに詰まることを防止するために，ＰＴＣヒーター２７に空気流動のための貫通孔２７ａを設けることができる。
上述した第１の実施形態で言及されたＢＭＳおよび温度センサの適用と，これによる作用は，第２および第３の実施形態でも同様に適用することができる。
さらに，第１の実施形態で言及された鉛蓄電池あるいは発電機からの電源供給もまた，第２および第３の実施形態で同様に適用することができる。
以上，第３の実施形態にかかる二次電池モジュールについて説明した。次に，第４の実施形態にかかる二次電池モジュールについて説明する。
（第４の実施形態）
図６は，本発明の第４の実施形態にかかる二次電池モジュールの一部を示した平断面図である。図６に示すように，本実施形態にかかる二次電池モジュールは，上述した第２の実施形態にかかる二次電池モジュールとその基本構成を同一にしている。ただし，本実施形態では，ＰＴＣヒーターの装着位置が上述した実施形態と異なる。
図６は，本発明の第４の実施形態にかかる二次電池モジュールの一部を示した平断面図である。図６に示すように，本実施形態にかかる二次電池モジュールは，上述した第２の実施形態にかかる二次電池モジュールとその基本構成を同一にしている。ただし，本実施形態では，ＰＴＣヒーターの装着位置が上述した実施形態と異なる。
これを見ると，図６に示された二次電池モジュールにおけるＰＴＣヒーター３４は，ヒートシンク（ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）３３のような熱伝導性部材に設置されてハウジング１２”に連結して設置される。
具体的には，ＰＴＣヒーター３４は，ヒートシンク３３に一定の間隔をおいて複数設置され，ヒートシンク３３は，ハウジング１２”の外面（例えば，ハウジング底の外面）に接触して設置される。
ここで，ヒートシンク３３がハウジング１２’の外面に設けられる理由は，ＰＴＣヒーター３４とその熱供給対象である単位電池３６を近接して配置するためである。
このように構成される二次電池モジュールは，ＰＴＣヒーター３４から発散された熱をヒートシンク３３およびハウジング１２”を通じて単位電池３６に移動させ，この単位電池３６を加熱させることができる。
以上，第４の実施形態にかかる二次電池モジュールについて説明した。次に，第５の実施形態にかかる二次電池モジュールについて説明する。
（第５の実施形態）
図７は，本発明の第５の実施形態にかかる二次電池モジュールの一部を示した平断面図である。図７に示すように，本実施形態にかかる二次電池モジュールは，上述した第２の実施形態にかかる二次電池モジュールとその基本構成を同一にしている。ただし，本実施形態では，ＰＴＣヒーターの装着位置が上述した実施形態と異なる。
図７は，本発明の第５の実施形態にかかる二次電池モジュールの一部を示した平断面図である。図７に示すように，本実施形態にかかる二次電池モジュールは，上述した第２の実施形態にかかる二次電池モジュールとその基本構成を同一にしている。ただし，本実施形態では，ＰＴＣヒーターの装着位置が上述した実施形態と異なる。
図７に示された二次電池モジュールは，図６の二次電池モジュールにおいてＰＴＣヒーターの効率を一層高めるために，ＰＴＣヒーター４４はハウジング４６の外面に配置される。ＰＴＣヒーター４４は，ＰＴＣヒーター４４と連結する熱伝導性部材と密着され，ハウジング４６の外面でこれを囲む金属板４３により固定される。
このようなＰＴＣヒーター４４の設置構造は，ＰＴＣヒーター４４と熱伝導性部材との接触面積を増加させるものであり，ＰＴＣヒーター４４で発散された熱を金属板４３およびハウジング４６を通じて単位電池４８へさらに多く伝達させることができる。
以上，第５の実施形態にかかる二次電池モジュールについて説明した。なお，上述した第１の実施形態で言及したＢＭＳおよび温度センサの適用とこれによる作用は，第４および第５の実施形態でも同様に適用することができる。
さらに，第１の実施形態で言及した鉛蓄電池あるいは発電機からの電源供給もまた，第４および第５の実施形態で同様に適用することができる。
このような二次電池モジュールは，高出力特性を要するハイブリッド自動車（ＨＥＶ），電気自動車（ＥＶ），無線掃除機，電動自転車，電動スクーター等のように，モータを使用して作動する機器に有用に適用することができる。
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は，二次電池に適用可能であり，特に，単位電池を連結して電池モジュールを構成する場合，電池モジュールの温度を容易に制御することができる二次電池モジュールに適用可能である。
１１，１１’，３６，４８ 単位電池
１２，１２’，１２”，４６ ハウジング
１３，１３’ 流入口
１４ 排出口
１５，１５’，１５” 隔壁
１９ 送風機
２２，２４’，２７，３４，４４ ＰＴＣヒーター
２３ 電池マネジメントシステム（ＢＭＳ）
２６ 温度センサ
２７ａ，２２０ｂ 貫通孔
３３ ヒートシンク
４３ 金属板
１５０” 凹部
２２０ ＰＴＣ素子
２２０ａ セラミック本体
１２，１２’，１２”，４６ ハウジング
１３，１３’ 流入口
１４ 排出口
１５，１５’，１５” 隔壁
１９ 送風機
２２，２４’，２７，３４，４４ ＰＴＣヒーター
２３ 電池マネジメントシステム（ＢＭＳ）
２６ 温度センサ
２７ａ，２２０ｂ 貫通孔
３３ ヒートシンク
４３ 金属板
１５０” 凹部
２２０ ＰＴＣ素子
２２０ａ セラミック本体
Claims (12)
- 複数の単位電池と；
相隣接する前記単位電池の間に配置される隔壁と；
前記単位電池および前記隔壁が内蔵され，熱伝達媒体が流出入する流入口および排出口が形成されるハウジングと；
前記隔壁と前記単位電池との間に設けられるＰＴＣヒーターと；
を含むことを特徴とする，二次電池モジュール。 - 前記ＰＴＣヒーターは，前記単位電池に接触して設けられることを特徴とする，請求項１に記載の二次電池モジュール。
- 前記ＰＴＣヒーターは，前記隔壁に接触して設けられることを特徴とする，請求項１または２に記載の二次電池モジュール。
- 前記ＰＴＣヒーターは，熱伝達媒体流動用貫通孔を含むことを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池モジュール。
- 前記二次電池モジュールは，自動車に設けられ，
前記ＰＴＣヒーターは，前記自動車内に設けられる鉛蓄電池あるいは発電機から電源供給を受けることを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池モジュール。 - 前記ハウジング内に設置され，前記単位電池の温度を検出する温度センサをさらに含むことを特徴とする，請求項１〜５のいずれかに記載の二次電池モジュール。
- 前記温度センサから前記単位電池温度情報の伝達を受けて，前記ＰＴＣヒーターの作動を調節する電池マネジメントシステムをさらに含むことを特徴とする，請求項６に記載の二次電池モジュール。
- 複数の単位電池と；
前記単位電池が内蔵されるハウジングと；
前記ハウジングの外面に設けられる熱伝導性部材と；
前記熱伝導性部材に設けられるＰＴＣヒーターと；
を含むことを特徴とする，二次電池モジュール。 - 前記単位電池は，前記ＰＴＣヒーターに近接して配置されることを特徴とする，請求項８に記載の二次電池モジュール。
- 前記二次電池モジュールは，自動車に設けられ，
前記ＰＴＣヒーターは，前記自動車内に設けられる鉛蓄電池あるいは発電機から電源供給を受けることを特徴とする，請求項８または９に記載の二次電池モジュール。 - 前記ハウジング内に設置され，前記単位電池の温度を検出する温度センサをさらに含むことを特徴とする，請求項８〜１０のいずれかに記載の二次電池モジュール。
- 前記温度センサから前記単位電池温度情報の伝達を受けて，前記ＰＴＣヒーターの作動を調節する電池マネジメントシステムをさらに含むことを特徴とする，請求項１１に記載の二次電池モジュール。
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