JP5241673B2 - ２次電池および電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、２次電池および電池モジュールに関し、より詳しくは、２次電池のケースを取り囲んで冷却媒体の流通路を形成する支持部材を有する電池モジュールに関する。

２次電池（ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ ｂａｔｔｅｒｙ）は、充電が不可能な一次電池とは異なって、充電および放電が可能な電池である。一つのセルからなる低容量の２次電池の場合、携帯電話機やノートパソコンおよびカムコーダーのような携帯の可能な小型電子機器に主に使用される。複数個のセルがパック状に連結された大容量の２次電池は、ハイブリッド電気自動車などのモータ駆動用電源として広く使用されている。

このような２次電池は、様々な形状に製造されており、代表的な形状として円筒形、角状が挙げられる。

そして、２次電池は、大電力を必要とする上記ハイブリッド電気自動車などのモータ駆動に使用できるように直列に連結することにより、大容量の電池モジュールを構成する。

電池モジュールは、通常、直列に連結される複数個の２次電池（以下、明細書の全般にわたって、説明の便宜上、‘２次電池’と称する）からなる。

それぞれの２次電池は、正極と負極がセパレータを介在して位置する電極群と、上記電極群が内蔵される空間を備えたケースと、上記ケースに結合してこれを密閉し、前記電極群と電気的に接続する電極端子が具備されたギャップ組立体と、を有する。

そして、それぞれの２次電池は、通常、フレーム内に一定の間隔を有して配列され、各２次電池の端子を連結して電池モジュールを構成するようになる。

ここで、電池モジュールは、安定性のために、複数個の２次電池を一つのモジュ−ルに締結する構造を有する。

しかし、電池モジュールは、数個から多くは数十個の２次電池を連結して一つの電池モジュールを構成するため、各２次電池から発生する熱を容易に放出しなければならない。電池モジュールの熱放出特性は、２次電池はもちろんのこと、電池モジュールを採用した機器自体の性能を左右するほど大変重要である。

熱放出が正常に行われない場合、各２次電池の間に温度の偏差が生じ、電池モジュールがモータ駆動に必要な電力を所望の通り出力できなくなる。また、２次電池から発生する熱によって電池内部の温度が上昇すれば、内部に異常反応が生じ、２次電池の充放電性能などが低下する。

特に、上記電池モジュールが装置に大容量の２次電池として適用される場合、２次電池が大電流で充放電されるので、使用状態によって２次電池の内部温度が相当な水準まで上がるようになり、このため２次電池から発生する熱を円滑に放出させることが要求されている。

そこで、本発明は上記問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は、２次電池を効率的に冷却することができる、新規かつ改良された電池モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態による２次電池は、イオンの移動により充電と放電とを繰り返す電極群と、上記電極群が内蔵される空間を有するケースと、上記ケースを取り囲み、外面に複数個のリブ（ｒｉｂ）が形成された支持部材と、を有する。

上記ケースと上記支持部材との間には熱伝導性接着層を形成することができる。上記支持部材は、上記ケースに密着するボディーと、上記ボディーの長さ方向に延設される（延在して形成される）リブと、有することができる。なお、ボディーの長さ方向とは、例えば、ボディーが管状である場合、ボディーの中心軸の方向である。

上記ボディーは管状であってもよい。上記リブの高さは長さ方向に沿って変化することができる。

上記は、支持リブ（支持用リブ）と、上記支持リブより高く形成された固定リブ（固定用リブ）とを含むことができる。上記ボディーは、長さ方向に沿って一部が開放された構造を有し（隙間が形成され）てもよい。また、上記支持部材の表面には陽極酸化皮膜が形成できる。

複数個の２次電池と、上記２次電池が嵌合されるフレームと、を有し、上記２次電池は、ケースと、上記ケースの外面に密着した支持部材と、を有し、上記支持部材は、上記２次電池を取り囲むボディーと、上記ボディーから外側に突出したリブと、を有することができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、複数個の２次電池と、上記複数個の２次電池が嵌合されるフレームとを有し、上記複数個の２次電池は、ケースと、上記ケースを取り囲み、外面に複数個のリブが形成された支持部材と、を有し、上記支持部材は、上記ケースに密着するボディーと、前記ボディーの長さ方向に延設されたリブと、を有することを特徴とする電池モジュールが提供される。

上記ボディーは管状であってもよい。上記ケースと上記ボディーとの間には熱伝導性接着層が形成できる。

上記リブは、支持リブと、上記支持リブより高く形成された固定リブと、を含むことができる。上記固定リブの一側には固定部材（固定突起）が形成できる。

上記フレームには固定溝が形成され、上記固定部材が上記固定溝に嵌合できる。

上記ボディーは、長さ方向に沿って一部が開放された構造を有し（隙間が形成され）てもよい。上記支持部材の表面には陽極酸化皮膜が形成できる。また、上記リブの高さは冷却媒体の流入側と流出側とにおいて互いに異なってもよい。また、上記リブの高さは冷却媒体の流入側から流出側に向かうほど高くなることがある。上記フレームには２次電池が嵌合されるホールが形成され、上記ホールの断面積は冷却媒体の流入側から流出側に向かいながら変化することがある。また、上記ホールの断面積は冷却媒体の流入側から流出側に向かうほど小さくなってもよい。上記ホール内で上記リブの間の空間は互いに連通できる。

本発明によれば、支持部材を用いて冷却媒体が流動する空間を形成することにより、２次電池を安定的に冷却することができる。

また、支持部材と２次電池のケースとを熱伝導性接着剤で付着して、ケースから支持部材に熱を速かに伝達することにより、２次電池を効率的に冷却することができる。

さらに、支持部材の表面に陽極酸化皮膜を形成することにより、２次電池の電気的短絡を防止することができる。

本発明の第１実施形態による２次電池を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態による２次電池を示す横断面図である。 本発明の第１実施形態による電池モジュールを示す部分斜視図である。 本発明の第２実施形態による支持部材を示す断面図である。 本発明の第３実施形態による支持部材を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による支持部材がフレームに設けられた状態を示す断面図である。 本発明の第５実施形態による支持部材を示す斜視図である。 図７に示した支持部材がフレーム内に設けられた状態を示す断面図である。 本発明の第６実施形態による支持部材がフレーム内に設けられた状態を示す縦断面図である。 従来の電池モジュールの放熱特性を示すグラフである。 従来の電池モジュールの放熱特性を示すグラフである。 従来の電池モジュールの放熱特性を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による電池モジュールの放熱特性を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による電池モジュールの放熱特性を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による電池モジュールの放熱特性を示すグラフである。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態について当業者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は、様々な相異な形態で実現でき、ここに説明する実施形態に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲、明細書および下記図面などに記載された技術的思想の範疇内において、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、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

図１は本発明の第１実施形態による２次電池を示す斜視図であり、図２は本発明の第１実施形態による２次電池を示す横断面図面である。

図１および図２を参照して説明すれば、本実施形態による２次電池１００は、充電と放電のための電極群１５４と、電極群１５４が内蔵されるケース１５０と、ケース１５０を取り囲む支持部材１２０とを有する。

電極群１５４は、内部に円筒形コア１５６を設けた状態で、正極と負極との間にセパレータを介在し巻き取って形成される。

ケース１５０は、電極群１５４を内蔵する空間を有する円筒形であり、アルミニウムなどからなることができる。本実施形態においては、ケース１５０が円筒形であると例示しているが、本発明がこれに限定されるわけではなく、ケース１５０は円筒形または角状、およびそれ以外の形状であってもよい。

一方、ケース１５０の外側には支持部材１２０が設けられ、支持部材１２０は、ケース１５０に密着してケース１５０を取り囲むボディー１２１と、ボディー１２１の外面から突出して２次電池１００の長さ方向に延在して形成されたリブ１２３、１２４とを有する。

本実施形態において、ボディー１２１はケース１５０を挿入する管状であるが、本発明がこれに限定されるわけではなく、ケース１５０に密着する多様な構造が可能である。

ボディー１２１とケース１５０との間には熱伝導性接着剤層１５２が形成され、熱伝導性接着剤層１５２は、ケース１５０の内側から発生した熱をボディー１２１に速かに伝達することにより、放熱効率を高める役割を果たす。

ボディー１２１に伝えられた熱は、ボディー１２１とリブ１２３、１２４を通じて外部に放出され、ボディー１２１とリブ１２３、１２４が冷却媒体と接触する面積が増加して熱を容易に放出することができる。

また、リブ１２３、１２４は、支持リブ１２３と、支持リブ１２３よりさらに大きい高さを有する固定リブ１２４とを有し、固定リブ１２４は、図３に示すように、フレーム１３０に嵌合され、２次電池１００が動くことを防止する役割を果たす。

一方、支持部材１２０はアルミニウムからなり、支持部材１２０の表面には陽極酸化皮膜が形成される。陽極酸化皮膜は、アルミニウムの表面を酸化させた後、封孔処理して形成される。このように、支持部材１２０の表面に陽極酸化皮膜を形成することにより、支持部材１２０に電気的な絶縁性が生じて、２次電池の短絡を防止できるだけでなく、安定的に熱を放出することもできる。陽極酸化皮膜を形成する物質としては、一般的に知られたものが用いられる。

図３は、本発明の第１実施形態による電池モジュールを示す部分斜視図である。図３に示すように、電池モジュール２００は、複数個の２次電池１００、１００’と、２次電池１００、１００’が嵌合されるフレーム１３０とを有する。

フレーム１３０には、２次電池１００、１００’が嵌合される複数個のホール１３１が形成され、このホール１３１は両端が開放された構造となっている。ホール１３１に２次電池１００が嵌合されれば、ホール１３１の内面に支持リブ１２３が密着する。

一方、固定リブ１２４はフレーム１３０に嵌合されて設けられ、固定リブ１２４はホール１３１に形成された固定溝１３２に嵌合されて２次電池１００の回動を防止する。

このように、２次電池１００がフレーム１３０内に固定されれば、ホール１３１と支持部材１２０との間に冷却媒体が供給され、２次電池１００、１００’を安定的に冷却することができる。この時、冷却媒体は空気からなってもよく、それ以外の水など多様な物質からなることができる。

隣接する２次電池１００、１００’の正極端子と負極端子とが互いに交差するように配置された状態で、バスバー（ｂｕｓ ｂａｒ）１３５を利用して２次電池１００、１００’を電気的に接続する。本実施形態による２次電池１００は、ケース１５０が負極端子となり、上部のキャッププレートが正極端子となるが、一つの２次電池１００はキャッププレートが上部となるように設けられ、これと隣接する２次電池１００’はケースの底が上部となるように設けられる。

この状態で、バスバー１３５を設け、バスバー１３５をボルト１３７などを用いて２次電池１００、１００’に固定することにより、２次電池１００、１００’が電気的に接続する。

このように、本実施形態によれば、支持部材１２０によって２次電池１００、１００’がフレーム１３０内に安定的に位置できるだけでなく、リブ１２３、１２４とボディー１２１によって表面積が増加するので、放熱効率が向上する。

また、支持部材１２０のリブ１２３、１２４が外部の衝撃に対する緩衝役割を果たすので、外部の衝撃によって２次電池１００が損傷することを防止できる。

図４は本発明の第２実施形態による支持部材を示す断面図である。図４を参照して説明すれば、支持部材４００は、ケースに密着するボディー４１０と、ボディー４１０から突出形成されたリブ４２０、４３０とを有する。ボディー４１０は、一方に隙間４５０が形成され、ほぼ“Ｃ”字状となっている。また、リブ４２０、４３０は、支持リブ４２０と、支持リブ４２０よりさらに大きい高さで突出した固定リブ４３０とを有する。

このように、ボディー４１０に隙間４５０が形成されれば、支持部材４００がケースに設けられる過程でボディー４１０が変形し、ケースに密着できる。したがって、支持部材４００は多様な大きさのケースに適用可能となる。

図５は、本発明の第３実施形態による支持部材を示す断面図である。図５を参照して説明すれば、本実施形態による支持部材５００は、ボディー５１０と、ボディー５１０から突出形成されたリブ５２０とを有する。本実施形態によるボディー５１０は、２次電池のケースを取り囲む管状からなり、リブ５２０は横断面の形状が弧（ａｒｃ）状からなる。これにより、設定された空間でリブ５２０の突出した長さを最大限に形成し、冷却媒体とリブ５２０との接触面積を拡大することによって冷却効率が向上する。

図６は、本発明の第４実施形態による支持部材がフレームに設けられた状態を示す断面図である。

図６に示すように、支持部材６２０は、第１支持部６２５と第２支持部６２６とで構成され、第１支持部６２５と第２支持部６２６とは分離配置され、対称形状をなす。

支持部材６２０は、フレーム６１０に形成されたホール６１５に嵌合されて設けられ、第１支持部６２５および第２支持部６２６は、横断面がほぼ半円状の曲面であり、外面に突出したリブ６２１、６２３が形成される。リブ６２１、６２３は、フレーム６１０に形成されたホール６１５に密着したリブ６２１と、支持リブ６２１よりさらに長く形成され、ホール６１５に形成された固定溝６１５ａに嵌合された固定リブ６２３とを有する。

固定リブ６２３の端部には、固定リブ６２３の側方向に突出した固定突起６２３ａをさらに有し、固定突起６２３ａはホール６１５に形成された固定溝６１５ａに嵌合される。固定突起６２３ａは、支持部６２５、６２６が正確な位置に設けられるようにし、ケース６３０に対して動くことを防止する。

本実施形態のように、支持部材６２０が分離形成された第１支持部６２５と第２支持部６２６とで構成されれば、多様な大きさを有する２次電池のケース６３０に支持部材６２０を容易に設置することができる。また、ケース６３０の大きさが異なっても曲面になっている第１支持部６２５および第２支持部６２６が弾性変形してケース６３０に密着することにより、ケース６３０から支持部材６２０に熱を速かに伝達できる。

一方、図７は本発明の第５実施形態による支持部材を示す斜視図であり、図８は図７に示された支持部材がフレーム内に設けられた状態を示す断面図である。

図７および図８を参照して説明すれば、本実施形態による支持部材７１０は、２次電池のケースに密着するボディー７１２と、ボディー７１２から外側に突出したリブ７１５とを有する。

本実施形態によるリブ７１５は、冷却媒体の流動方向に進行するほど突出した高さが高くなる。つまり、リブ７１５は、冷却媒体の入口側に形成された第１端部７１５ａが、冷却媒体の出口側に形成された第２端部７１５ｂよりさらに小さく形成される。

このように形成された支持部材７１０は、均一な横断面を有するフレーム７２０のホール７２５に嵌合されて設けられる。入口側の第１端部７１５ａが小さく形成されれば、冷却媒体が流入するとき、ホール７２５内でリブ７１５の間の空間が互いに連通する。そのため、一部分のリブ７１５の間に多量の空気が流入することを防止し、２次電池を均一に冷却することができる。

一方、図９は、本発明の第６実施形態による支持部材がフレーム内に設けられた状態を示す縦断面図である。

図９を参照して説明すれば、支持部材７３０は、２次電池のケースに密着するボディー７３２と、ボディー７３２から突出形成されたリブ７３５と、を有する。

リブ７３５は、ボディー７３２の長さ方向に同一の高さで突出し、フレーム７４０に形成されたホール７４５は内面が傾いている。

つまり、ホール７４５は、冷却媒体が流入する入口７４５ａが出口７４５ｂよりさらに大きく形成され、入口７４５ａはリブ７３５の高さよりさらに大きく形成される。より詳しく説明すれば、ホール７４５の内側壁面は、リブ７３５の長さ方向に対して所定角度で傾いた傾斜面７４２と、傾斜面７４２に連結されてリブ７３５の長さ方向に平行である扁平面７４３とを有する。また、リブ７３５と傾斜面７４２との間の空間は、出口７４５ｂ側より入口７４５ａ側でさらに大きい。垂直面７４３はリブ７３５と相接して支持部材７３０が揺れないように安定的に固定する。

このように、ホール７４５の内側壁面が傾いて形成されれば、冷却媒体の入口７４５ａ側からリブ７３５の間の空間が互いに連通して一部のリブ７３５の間に多量の空気が流入することを防止し、２次電池を均一に冷却することができる。

図１０Ａ〜図１０Ｃは、従来の電池モジュールの放熱特性を示すグラフであり、図１１Ａ〜図１１Ｃは本発明の第１実施形態による電池モジュールの放熱特性を示すグラフである。

図１０は、従来の円筒形２次電池をフレームに挿入した後、充電と放電によって内部で発生した熱をフレームと２次電池との間の空間に供給して冷却した場合、２次電池周辺の温度、圧力、冷却媒体の速度の分布を表している。

図１１は、本発明の第１実施形態による支持部材を有する２次電池をフレームに挿入した後、充電と放電によって発生した熱を支持部材とフレームとの間に供給して冷却した場合、２次電池周辺の温度、圧力、冷却媒体の速度の分布を表している。

図１０Ａと図１１Ａは、それぞれの場合の温度分布を示している。これらを比較すると、従来の電池モジュール周辺の温度は、熱伝達が正常に行われないため相対的に低い温度の空色を現わしていることが分かる。しかし、第１実施形態による電池モジュール周辺の温度は、熱伝達が活発に行われて相対的に高い温度の黄色と緑色を現していることが分かる。つまり、第１実施形態による電池モジュールで熱伝達がさらに活発に行われ、放熱効率が向上した。図１０Ａ及び図１１Ａにおいて、Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｋ］は、温度（華氏）を表す。

図１０Ｂと図１１Ｂは、それぞれの場合の圧力分布を示している。これらを比較すると、従来の電池モジュールは、入口側で圧力が急激に低くなって全体的に空色を現しており、第１実施形態による電池モジュールは、圧力降下が徐々に行われて緑色の範囲が広く現れることが分かる。つまり、第１実施形態による電池モジュールは、圧力の分布が緩やかで冷却媒体が容易に流入している状態であることがわかる。図１０Ｂ及び図１１Ｂにおいて、Ｐｒｅｓｓｕｒｅ［Ｐａ］は、圧力（パスカル）を表す。

図１０Ｃと図１１Ｃは、それぞれの場合の冷却媒体の速度分布を示している。これらを比較すると、従来の電池モジュールは、２次電池から遠い側で相対的に速度の高い赤色を現している。２次電池から遠い側で冷却媒体の速度が高ければ、冷却媒体と２次電池とが正常に接することができず、冷却効率が低下する。図１０Ｃ及び図１１Ｃにおいて、Ｖｅｌｏｃｉｔｙ［ｍ／ｓ］は、秒速（メートル）を表す。

しかし、第１実施形態による電池モジュールは、リブが位置する中央側で相対的に速度の高い赤色を現している。したがって、リブと冷却媒体とが広い面積で接し、冷却効率が向上する。

上述の通り、本発明による支持部材を設けることにより、冷却効率が従来に比べて顕著に向上した。

なお、限定されるものではないが、上述した本実施形態に係るリブは、３個以上形成されることが好ましく、この場合、支持部材のボディーに等間隔で形成されることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるわけではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付した図面の範囲内で多様に変更実施することができ、これらも本発明の範囲に属するものである。

１００ ２次電池
１２０ 支持部材
１２１ ボディー
１２３ 支持リブ
１２４ 固定リブ
１３０ フレーム
１３１ ホール
１５０ ケース
１５２ 熱伝導性接着剤層
２００ 電池モジュール

Claims (13)

1. イオンの移動により充電と放電とを繰り返す電極群と、
   前記電極群が内蔵される空間を有するケースと、
   前記ケースを取り囲み、外面に複数個のリブが形成された支持部材と、
   を有する２次電池であって、
   前記支持部材は、前記ケースに密着するボディーと、前記ボディーの長さ方向に延設されたリブと、を有し、
   前記ケースと前記ボディーとの間には、熱伝導性接着層が形成され、
   前記リブの高さは、長さ方向に沿って、冷却媒体の流入側から流出側に向かうほど高くなり、
   前記支持部材は、均一な横断面を有するフレームのホールに嵌合されて設けられることを特徴とする、２次電池。
2. 前記ボディーは管状であることを特徴とする、請求項１に記載の２次電池。
3. 前記支持部材は、前記リブとして、
   支持リブと、
   前記支持リブより高く形成された固定リブと、
   を有することを特徴とする、請求項１又は２のいずれかに記載の２次電池。
4. 前記ボディーは、長さ方向に沿って一部が開放された構造を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の２次電池。
5. 前記支持部材の表面には陽極酸化皮膜が形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の２次電池。
6. 複数個の２次電池と、
   前記２次電池が嵌合される、均一な横断面を有するフレームと、を有し、
   前記２次電池は、ケースと、前記ケースの外面に密着した支持部材と、を有し、
   前記支持部材は、前記２次電池を取り囲むボディーと、前記ボディーから外側に突出したリブと、を有する電池モジュールであって、
   前記ケースと前記ボディーとの間には熱伝導性接着層が形成され、
   前記リブの高さは、長さ方向に沿って、冷却媒体の流入側から流出側に向かうほど高くなることを特徴とする、電池モジュール。
7. 前記ボディーは管状であることを特徴とする、請求項６に記載の電池モジュール。
8. 前記支持部材は、前記リブとして、
   支持リブと、
   前記支持リブより高く形成される固定リブと、
   を有することを特徴とする、請求項６又は７のいずれかに記載の電池モジュール。
9. 前記固定リブには固定部材が形成されることを特徴とする、請求項８に記載の電池モジュール。
10. 前記フレームには固定溝が形成され、
    前記固定部材が前記固定溝に嵌合されることを特徴とする、請求項９に記載の電池モジュール。
11. 前記ボディーは、長さ方向に沿って一部が開放された構造を有することを特徴とする、請求項６〜１０のいずれかに記載の電池モジュール。
12. 前記支持部材の表面には陽極酸化皮膜が形成されることを特徴とする、請求項６〜１１のいずれかに記載の電池モジュール。
13. 前記フレームのホール内で前記リブの間の空間は互いに連通されることを特徴とする、請求項６に記載の電池モジュール。