JP5292663B2 - 組電池及び該組電池を搭載した車輌 - Google Patents

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Description

本発明は、ラミネートフィルムを外装部材として用いた薄型二次電池を複数積層した電池積層体を２以上並べて構成される組電池及び当該組電池を搭載した車輌に関する。
所望する容量や電圧を確保するために、ラミネートフィルムを外装部材として用いた薄型二次電池を複数積層した電池積層体を同一平面上に並列に２以上並べて組電池を構成する技術が従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような組電池では、放充電に伴って各電池積層体を構成する二次電池が発熱するために、各二次電池同士の間にヒートシンクを介在させて、このヒートシンクの内部に形成された通路に冷却風を送風することにより、このヒートシンクを介して二次電池の間接的な冷却が行われている。しかしながら、このような手法により十分な冷却効果を確保しようとすると、ヒートシンクの形状が複雑になったり枚数が多くなり、組電池のコスト増加を招く。これに対し、単にヒートシンクの形状を単純化したり枚数を減らすと、各二次電池の冷却効率が悪化する。
特開２００３−３０３５８３号公報
本発明は、二次電池の冷却効率を向上させることが可能な組電池及び当該組電池を搭載した車輌を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、セパレータを介して積層された電極板を、合成樹脂材料から成る合成樹脂層及び金属材料から成る金属層を有する外装部材に収容し、前記外装部材の外周縁を熱融着して熱融着部を形成して前記電極板を封止すると共に、前記電極板に接続された電極端子が前記外装部材の外周縁から導出した二次電池を複数積層した電池積層体を備えた組電池であって、前記二次電池を冷却するための冷媒を供給する冷媒供給手段と、前記電池積層体を内部に収容可能なケースと、前記冷媒供給手段が接続される入口側開口と出口側開口とを有し、前記ケースを収容する筐体と、をさらに備え、前記ケースには、前記冷媒供給手段から供給される冷媒を当該ケース内に導入又は排出するための開口部が複数形成されており、前記冷媒供給手段から供給された冷媒は、一の前記開口部を介して前記ケース内に導入され、前記二次電池の熱融着部により前記ケースの内壁面と前記電池積層体との間に形成された流路を通過し、他の前記開口部を介して当該ケースから排出され、前記ケースの前記開口部の周囲には、前記冷媒供給手段から供給された冷媒を前記開口部に向かうように方向付けるエアスクープが設けられている組電池、及び、該組電池を搭載した車輌が提供される。
本発明では、合成樹脂層及び金属層を有するラミネートフィルムを外装部材として用いた二次電池を複数積層した電池積層体を内部に収容したケースを筐体内に収容した組電池において、二次電池を冷却するための冷媒を供給する冷媒供給手段を設け、この冷媒供給手段により、ケースの内壁面と電池積層体との間に形成された流路に冷媒を通過させる。これにより、冷媒が各二次電池の外装部材に接触して直接的に冷却するので、組電池を構成する各二次電池を効率的に冷却することが出来る。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１は本発明の実施形態に係る二次電池の全体を示す平面図、図２は図１のII-II線に沿った二次電池の断面図である。
図１及び図２は一つの薄型電池１０（単位電池）を示す。この薄型電池１０を複数積層することにより所望の電圧、容量の組電池が構成される。
先ず、本実施形態に係る二次電池１０について説明すると、この電池１０はリチウム系の平板状の積層タイプの薄型電池であり、図１及び図２に示すように、３枚の正極板１０１と、５枚のセパレータ１０２と、３枚の負極板１０３と、正極端子１０４と、負極端子１０５と、上部外装部材１０６と、下部外装部材１０７と、特に図示しない電解質とから構成されている。このうちの正極板１０１、セパレータ１０２、負極板１０３及び電解質を特に発電要素１０８と称する。
発電要素１０８を構成する正極板１０１は、正極板１０４まで伸びている正極側集電体１０１ａと、正極側集電体１０１ａの一部の両主面にそれぞれ形成された正極層１０１ｂ、１０１ｃと、を有している。なお、正極板１０１の正極層１０１ｂ、１０１ｃは、正極側集電体１０１ａの全体の両主面に亘って形成されているのではなく、図２に示すように、正極板１０１、セパレータ１０２及び負極板１０３を積層して発電要素１０８を構成する際に、正極板１０１においてセパレータ１０２に実質的に重なる部分のみに正極層１０１ｂ、１０１ｃが形成されている。
この正極板１０１の正極側集電体１０１ａは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔である。
また、この正極板１０１の正極層１０１ｂ、１０１ｃは、例えば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ２）、又は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）等のリチウム複合酸化物や、カルコゲン（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）化物等の正極活物質と、カーボンブラック等の導電剤と、ポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョン等の接着剤とを混合したものを、正極側集電体１０１ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成されている。
発電要素１０８を構成する負極板１０３は、負極端子１０５まで伸びている負極側集電体１０３ａと、当該負極側集電体１０３ａの一部の両主面にそれぞれ形成された負極層１０３ｂ、１０３ｃと、を有している。なお、負極板１０３の負極層１０３ｂ、１０３ｃは、負極側集電体１０３ａの全体の両主面に亘って形成されているのではなく、図２に示すように、正極板１０１、セパレータ１０２及び負極板１０３を積層して発電要素１０８を構成する際に、負極板１０３においてセパレータ１０２に実質的に重なる部分のみに負極層１０３ｂ、１０３ｃが形成されている。
この負極板１０３の負極側集電体１０３ａは、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔である。
また、この負極板１０３の負極層１０３ｂ、１０３ｃは、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等のような上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体材料としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンを混合し、乾燥させた後に粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これにアクリル樹脂エマルジョン等の結着剤をさらに混合し、この混合物を負極側集電体１０３ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成されている。
特に、負極活物質として非晶質炭素や難黒鉛化炭素を用いると、充放電時における電位の平坦特性に乏しく放電量に伴って出力電圧も低下するので、通信機器や事務機器の電源には不向きであるが、電気自動車の電源として用いると急激な出力低下がないので有利である。
発電要素１０８のセパレータ１０２は、上述した正極板１０１と負極板１０３との短絡を防止するもので、電解質を保持する機能を備えても良い。このセパレータ１０２は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって層の空孔が閉塞され電流を遮断する機能をも有する。
なお、本発明のセパレータ１０２は、ポリオレフィン等の単層膜にのみ限られず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造や、ポリオレフィン微多孔性膜と有機不織布等を積層したものを用いることも出来る。このようにセパレータ１０２を複層化することで、過電流の防止機能、電解質保持機能及びセパレータの形状維持（剛性向上）機能等の諸機能を付与することが出来る。
以上の発電要素１０８は、セパレータ１０２を介して正極板１０１と負極板１０３とが交互に積層されている。そして、３枚の正極板１０１は、正極側集電体１０１ａを介して、金属箔製の正極端子１０４にそれぞれ接続される一方で、３枚の負極板１０３は、負極側集電体１０３ａを介して、同様に金属箔製の負極端子１０５にそれぞれ接続されている。
なお、発電要素１０８の正極板１０１、セパレータ１０２、及び、負極板１０３は、本発明では上記の枚数に何ら限定されず、例えば、１枚の正極板１０１、３枚のセパレータ１０２、及び、１枚の負極板１０３でも発電要素１０８を構成することが出来、必要に応じて正極板、セパレータ及び負極板の枚数を選択して構成することが出来る。
正極端子１０４も負極端子１０５も電気化学的に安定した金属材料であれば特に限定されないが、正極端子１０４としては、上述の正極側集電体１０１ａと同様に、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等を挙げることが出来る。また、負極端子１０５としては、上述の負極側集電体１０３ａと同様に、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等を挙げることが出来る。また、本実施形態では、電極板１０１、１０３の集電体１０１ａ、１０３ａを構成する金属箔自体を電極端子１０４、１０５まで延長することにより、電極板１０１、１０３を電極端子１０４、１０５に直接接続しているが、電極板１０１、１０３の集電体１０１ａ、１０３ａと、電極端子１０４、１０５とを、集電体１０１ａ、１０３ａを構成する金属箔とは別の材料や部品により接続しても良い。
発電要素１０８は、図２に示すようなカップ状に成形された上部外装部材１０６と、平板状の下部外装部材１０７との間に収容されて封止されている。本実施形態における上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７（外装部材）は何れも、特に図示しないが、薄型電池１０の内側から外側に向かって、例えば、ポリエチレン、変性ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、又は、アイオノマー等の耐電解液性及び熱融着性に優れた樹脂フィルムから構成されている内側層（合成樹脂層）と、例えば、アルミニウム等の金属箔から構成されている中間層（金属層）と、例えば、ポリアミド系樹脂又はポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた樹脂フィルムで構成されている外側層（合成樹脂層）と、の三層構造となっている。従って、上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７は何れも、例えば、アルミニウム箔等の金属箔の一方の面（二次電池１０の内側面）をポリエチレン等の耐電解液性及び熱融着性に優れた樹脂でラミネートし、他方の面（二次電池１０の外側面）をポリアミド系樹脂等の電気絶縁性に優れた樹脂でラミネートした、樹脂−金属薄膜ラミネートフィルム等の可撓性を有する材料で形成されている。
このように、外装部材が樹脂層に加えて金属層を具備することにより、外装部材自体の強度向上を図ることが可能となる。また、外装部材の内側層を、例えば、ポリエチレン等の熱融着性に優れた樹脂で構成することにより、金属製の電極端子との良好な融着性を確保することが可能となる。
なお、図１及び図２に示すように、封止された外装部材１０６、１０７の一方の端部から正極端子１０４が導出し、当該他方の端部から負極端子１０５が導出するが、電極端子１０４、１０５の厚さ分だけ上部外装部材１０６と下部外装部材１０７との融着部に隙間が生じるので、二次電池１０内部の封止性を維持するために、電極端子１０４、１０５と外装部材１０６、１０７とが接触する部分に、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等から構成されたシールフィルムを介在させても良い。このシールフィルムは、正極端子１０４及び負極端子１０５の何れにおいても、外装部材１０６、１０７を構成する樹脂と同系統の樹脂で構成することが熱融着性の観点から好ましい。
これらの外装部材１０６、１０７によって、上述した発電要素１０８、正極端子１０４の一部及び負極端子１０５の一部を包み込み、当該外装部材１０６、１０７により形成される空間に、有機液体溶媒に過塩素酸リチウム、ホウフッ化リチウムや六フッ化リン酸リチウム等のリチウム塩を溶質とした液体電解質を注入しながら、外装部材１０６、１０７により形成される空間を吸引して真空状態とした後に、外装部材１０６、１０７の外周縁を熱プレスにより熱融着して熱融着部１０９を形成して封止する。
有機液体溶媒として、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）やメチルエチルカーボネート等のエステル系溶媒を挙げることが出来るが、本発明の有機液体溶媒はこれに限定されることなく、エステル系溶媒に、γ−ブチラクトン（γ−ＢＬ）、ジエトシキエタン（ＤＥＥ）等のエーテル系溶媒その他を混合、調合した有機液体溶媒を用いることが出来る。
以下に、上述の二次電池１０を複数接続することにより構成される組電池１００ａについて説明する。
図３は本発明の第１実施形態に係る組電池の全体斜視図、図４は図３に示す組電池を構成する電池積層体の配列を示す平面図、図５は図４のV-V線に沿った断面図、図６（Ａ）〜（Ｃ）は図３に示す組電池に用いられるヒートシンクを示す図であり、図６（Ａ）はその平面図、図６（Ｂ）はその側面図、図６（Ｃ）はその正面図、図７は図４及び図５に示す複数の電池積層体における温度分布を示すグラフである。
本発明の第１実施形態に係る組電池１００ａは、図３〜図５に示すように、上述の二次電池１０を１０個積層してそれぞれ構成されている８組の電池積層体３０ａ〜３０ｈと、電池積層体３０ａ〜３０ｈが有する二次電池１０ａ〜１０ｊが間に介装されたヒートシンク２０と、電池積層体３０ａ〜３０ｈを同一平面上に配置して内部空間４１に収容する筐体４０と、組電池１００ａの外部と筐体４０の内部空間４１とを筐体４０の入口側開口４２を介して連通する入口ダクト５０と、この筐体４０の内部空間４１と組電池１００ａの外部とを筐体４０の出口側開口４３を介して連通する出口ダクト６０と、出口ダクト６０内に配設されたファン７０と、を備えている。
先ず、この組電池１００ａの筐体４０の内部空間４１に収容されている各電池積層体３０ａ〜３０ｈについて詳細に説明すると、図５に示すように、何れの電池積層体３０ａ〜３０ｈも、二次電池１０ａ〜１０ｊを１０段積層して構成されている。
具体的には、同図に示すように、第１の二次電池１０ａと第２の二次電池とが互いの下部外装部材１０７同士が密着するように、即ち、一方の二次電池が他方の二次電池に対して裏返した状態で積層されており、同様の要領で、第３の二次電池１０ｃと第４の二次電池１０ｄ、第５の二次電池１０ｅと第６の二次電池１０ｆ、第７の二次電池１０ｇと第８の二次電池１０ｈ、及び、第９の二次電池１０ｉと第１０の二次電池１０ｊが相互に下部外装部材１０７を密着させて積層されている。なお、互いに下部外装部材１０７同士を密着させた二次電池同士は、同極端子同士が例えば超音波溶接等により直接接合してある。
さらに、各電池積層体３０ａ〜３０ｈの何れも、第２の二次電池１０ｂと第３の二次電池１０ｃとが互いの上部外装部材１０６を対向させるように、即ち、他方の二次電池が一方の二次電池に対して裏返した状態で、ヒートシンク２０を介して積層されており、同様の要領で、第４の二次電池１０ｄと第５の二次電池１０ｅ、第６の二次電池１０ｆと第７の二次電池１０ｇ、及び、第８の二次電池１０ｈと第９の二次電池１０ｉが相互に上部外装部材１０６を対向させるように、それぞれヒートシンク２０を介して積層されており、さらに、第１の二次電池１０ａ及び第１０の二次電池１０ｊの上部外装部材１０６の上に最上層及び最下層のヒートシンク２０がそれぞれ積層されている。なお、図４及び図５に示すように、異なる電池積層体３０ａ〜３０ｈであっても、これらの同一段には、同一のヒートシンク２０が介装されている。従って、図５に示すように、組電池１００ａには合計６枚のヒートシンク２０が介装されている。
各二次電池１０ａ〜１０ｊがそれぞれ介装された各ヒートシンク２０は、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、８組の電池積層体３０ａ〜３０ｈの投影面積を包含するような大きさを有する平板状部材であり、例えば、Ａ６０６３に代表されるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等の熱伝導性及び機械加工性に優れた金属材料で構成され、内部に８本の通路２１が長手方向に沿って形成されたホロー押出成形材で構成されている。このヒートシンク２０は、通路２１が伸びている方向が各二次電池１０ａ〜１０ｉの電極端子１０４、１０５の導出方向と実質的に直交するように、各電池積層体３０ａ〜３０ｈに積層されている。
以上のように構成される８組の電池積層体３０ａ〜３０ｈは、図４に示すように、各二次電池１０ａ〜１０ｊの電極端子１０４、１０５の導出方向が筐体４０の入口側開口４２から出口側開口４３に向かう方向に対して実質的に直交するように、筐体４０の内部空間４１に２行４列に配置されている。
このように配置された８組の電池積層体３０ａ〜３０ｈは、図４及び図５に示すように、第１の電池積層体３０ａの各二次電池１０ａ〜１０ｊの負極端子１０５と、第５の電池積層体３０ｅの同一段の二次電池１０ａ〜１０ｊの正極端子１０４とが直接接合されており、同様の要領で、第２の電池積層体３０ｂの各二次電池１０ａ〜１０ｊの負極端子１０５と、第６の電池積層体３０ｆの同一段の二次電池１０ａ〜１０ｊの正極端子１０４とが直接接合され、第３の電池積層体３０ｃの各二次電池１０ａ〜１０ｊの負極端子１０５と、第７の電池積層体３０ｇの同一段の二次電池１０ａ〜１０ｊの正極端子１０４とが直接接合され、さらに、第４の電池積層体３０ｄの各二次電池１０ａ〜１０ｊの負極端子１０５と、第８の電池積層体３０ｈの同一段の二次電池１０ａ〜１０ｊの正極端子１０４とが直接接合されている。また、第１〜第４の電池積層体３０ａ〜３０ｄの各二次電池１０ａ〜１０ｊの正極端子１０４同士は、例えばバスバ（不図示）を介して電気的に接続されており、同様に、第５〜第８の電池積層体３０ｅ〜３０ｈの各二次電池１０ａ〜１０ｊの負極端子１０５同士も、例えばバスバ（不図示）を介して電気的に接続されている。電極端子１０４、１０５同士、或いは、電極端子１０４、１０５及びバスバを接合する手法としては、例えば、超音波接合や冷間圧接等を例示することが出来、大電流による通電時の発熱を考慮すると、当該電極端子１０４、１０５同士は１０〜１５ｍｍ２以上の重なり代を確保する必要があり、この重なり代を大きくする程、冷却風による冷却効率が向上する。
このように配置された各電池積層体３０ａ〜３０ｈ同士の間には、図５に示すように、電極端子１０４、１０５が導出している外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９により流路３１が形成されている。各流路３１は、同図に示すように、外装部材１０６、１０７として樹脂−金属薄膜ラミネートフィルムを用いた薄型の二次電池１０ａ〜１０ｊを複数積層した電池積層体３０ａ〜３０ｈを複数並べて配置した際に、当該外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９及び電極端子１０４、１０５が存在するために電池積層体３０ａ〜３０ｈ同士とヒートシンク２０との間に必然的に形成された隙間を利用して、二次電池１０ａ〜１０ｊの電極端子１０４、１０５の導出方向に対して実質的に直交するようにそれぞれ形成されている。
次に作用について説明する。
先ず、組電池１００ａのファン７０が回転駆動すると、入口ダクト５０及び筐体４０の内部空間４１に負圧が発生し、組電池１００ａの外部から入口ダクト５０を介して筐体４０の内部空間４１に冷却風が取り入れられる。
入口ダクト５０から筐体４０の入口側開口４２を介して当該内部空間４１に取り入れられた冷却風は、ヒートシンク２０に形成された各通路２１に進入すると同時に、各電池積層体３０ａ〜３０ｈの間に形成された各流路３１に進入する。
各通路２１に進入した冷却風は、ファン７０の回転駆動により生じた負圧により、当該各通路２１内を通過して筐体４０の出口側開口４３に向かう。この通過の際、各通路２１を通過する冷却風が、ヒートシンク２０を介して、上部外装部材１０６のカップ部を冷却し、各二次電池１０ａ〜１０ｊが当該冷却風により間接的に冷却される。
また、各流路３１に進入した冷却風は、ファン７０の回転駆動により生じた負圧により、各二次電池１０ａ〜１０ｊの電極端子１０４、１０５の導出方向に実質的に直交する方向に沿って各流路３１内を通過して筐体４０の出口側開口４３に向かう。この通過の際、各流路３１を通過する冷却風が、各電極端子１０４、１０５と、外装部材１０６の短辺における斜面部及び熱融着部１０９を冷却し、各二次電池１０ａ〜１０ｊが当該冷却風により直接的に冷却される。
各通路２１及び各流路３１を通過して筐体４０の出口側開口４３に至った冷却風は、ファン７０の駆動により、出口ダクト６０を介して組電池１００ａの外部に排出される。なお、本発明において冷媒供給手段により供給される冷媒は、組電池の外部から取り入れられる冷却風に限定されず、気体であっても液体であっても良い。
このように、ヒートシンク２０による間接的な冷却に加えて、二次電池１０ａ〜１０ｊに冷却風を直接当てて直接的に冷却することにより、図７に示すように、間接冷却のみを採用した従来構造と比較して、電池積層体３０ａ〜３０ｈの温度分布を全体的に低温側にスライドさせることが可能となる。なお、同図における縦軸の位置レベルとは、各電池積層体３０ａ〜３０ｈ内における二次電池１０ａ〜１０ｊの積層位置を示す。具体的には、位置レベルがゼロの場合には、電池積層体の最内段（図５にて第５及び第６の二次電池１０ｅ、１０ｆの段）を示し、位置レベルがプラス方向に行くに従って電池積層体の上段側（図５にて第９及び第１０の二次電池１０ｉ、１０ｊの段側）に上がるのに対し、マイナス方向に下がるに従って、電池積層体の下段側（図５にて第１及び第２の二次電池１０ａ、１０ｂの段側）に下がることを示している。従って、同図より、各電池積層体３０ａ〜３０ｈにおいて、位置レベルがゼロである最内段に位置する第５及び第６の二次電池１０ｅ、１０ｆの収束温度が最も高く、位置レベルが最も高く又は最も低い最外段に位置する第１、第２、第９及び第１０の二次電池１０ａ、１０ｂ、１０ｉ及び１０ｊの収束温度が最も低いことが分かる。
図８は、例えば、電気自動車等の車輌１のフロア下に第１実施形態に係る組電池１００ａを搭載した例を示す模式図である。上述のような冷却効率の向上が図られた二次電池で構成される組電池を電気自動車等の車輌に用いることが特に有効である。
以上のように本発明の第１実施形態に係る組電池では、複数の二次電池を積層した電池積層体を複数並べて配置した場合に、電池積層体が有する各二次電池の熱融着部及び電極端子により電池積層体同士の間に形成された流路に冷却風を通過させて二次電池を直接的に冷却することにより、従来のヒートシンクのみによる間接的な冷却と比較して、組電池を構成する二次電池を効率的に冷却することが可能になる。
また、本発明の第１実施形態に係る組電池では、電池積層体を構成する各二次電池を冷却風により直接的に冷却することにより、ヒートシンクの形状を複雑にしたり枚数を増やす等して組電池のコスト増加を招くことなく、組電池を構成する二次電池の冷却効率を向上させることが出来る。
さらに、本発明の第１実施形態では、外装部材として樹脂−金属薄膜ラミネートフィルムを用いた薄型の二次電池を複数積層した電池積層体を複数並べた組電池において、電池積層体を並べた際に外装部材の熱融着部及び電極端子により必然的に形成される隙間を、冷却風を通過させる流路として利用するので、直接冷却のために専用の流路をわざわざ形成する必要もない。
また、直接冷却のために流路を専用に形成した場合には、当該流路形成により組電池の体積の増加を伴うおそれもあるが、本発明の第１実施形態に係る組電池では、電池積層体を複数並べて配置した際に、電池積層体が有する各二次電池の外装部材の熱融着部及び電極端子により必然的に形成される隙間を、冷却風が通過する流路として利用するので、組電池の体積を増加させることなく冷却効率を高めることが出来る。
さらに、本発明の第１実施形態に係る組電池では、熱伝導率の高い金属製の電極端子を冷却風により直接冷却することにより、組電池を構成する各二次電池をさらに効率的に冷却することが可能となる。
［第２実施形態］
図９は本発明の第２実施形態に係る組電池を構成する電池積層体の配列を示す平面図、図１０は図９のX-X線に沿った断面図、図１１は図９及び図１０に示す複数の電池積層体における温度分布を示すグラフである。
本発明の第２実施形態に係る組電池１００ｂは、筐体４０の内部空間４１における電池積層体３０ａ〜３０ｄの数及び向きと、各電池積層体３０ａ〜３０ｄの各二次電池１０ａ〜１０ｊがずれるように積層されている点で上述の第１実施形態に係る組電池１００ａと相違するが、その他の構成は第１実施形態に係る組電池１００ａの構成と同一である。以下に、第２実施形態に係る組電池１００ｂについて、第１実施形態に係る組電池１００ａとの相違点のみを説明する。
本発明の第２実施形態に係る組電池１００ｂは、図９に示すように、第１実施形態と同様の二次電池１０を１０段積層して構成されている４組の電池積層体３０ａ〜３０ｄを備えている。そして、これら４組の電池積層体３０ａ〜３０ｄは、同図に示すように、各二次電池１０ａ〜１０ｊの電極端子１０４、１０５の導出方向が筐体４０の入口側開口４２から出口側開口４３に向かう方向に対して実質的に平行となるように、筐体４０の内部空間４１に２行２列に配置されている点で第１実施形態に係る組電池１００ａと異なる。
因みに、第１実施形態のように電極端子の導出方向を冷却風の進行方向に対して実質的に直交するように電池積層体を配置した場合と、本実施形態のように電極端子の導出方向を冷却風の進行方向に対して実質的に平行となるように電池積層体を配置した場合とでは、前者の温度分布幅をτ１とし、後者の温度分布幅をτ２とすると、これらの間にはτ１＝ρ×τ２、但し、０．５≦ρ≦０．９（ρ値は第１実施形態における電極端子同士の重なり代に依存する）の関係が成立し、外装部材のみより電極端子をも直接冷却する方が１０〜５０％程度冷却効率が優れているが、組電池の筐体内部における電池積層体の配置は、電池積層体の数やサイズ、二次電池の接続方法、及び、筐体のサイズ等に基づいて設定される。
さらに、本実施形態に係る組電池１００ｂの各電池積層体３０ａ〜３０ｄは、当該電池積層体３０ａ〜３０ｄを構成する複数の二次電池１０ａ〜１０ｊがずれて積層されている点で第１実施形態に係る組電池１００ａと相違する。
具体的には、図１０に示すように、第１の電池積層体３０ａは、電池積層方向に沿って、当該第１の電池積層体３０ａの最内段の二次電池１０ｅ、１０ｆに向かうに従って、当該第１の電池積層体３０ａの側方に配置された第３の電池積層体３０ｃに近づくように、各二次電池１０ａ〜１０ｊが積層されている。同様に、特に図示しないが、第２の電池積層体３０ｂは、電池積層方向に沿って、当該第２の電池積層体３０ｂの最内段に配置された二次電池１０ｅ、１０ｆに向かうに従って、当該第２の電池積層体３０ｂの側方に配置された第４の電池積層体３０ｄに近付くように、各二次電池１０ａ〜１０ｊが積層されている。
また、図１０に示すように、第３の電池積層体３０ｃは、電池積層方向に沿って、当該第３の電池積層体３０ｃの最内段の二次電池１０ｅ、１０ｆに向かうに従って、当該第３の電池積層体３０ｃの側方に配置された第１の電池積層体３０ａに近付くように、各二次電池１０ａ〜１０ｊが積層されている。同様に、特に図示しないが、第４の電池積層体３０ｄは、電池積層方向に沿って、当該第４の電池積層体３０ｄの最内段に配置された二次電池１０ｅ、１０ｆに向かうに従って、当該第４の電池積層体３０ｄの側方に配置された第２の電池積層体３０ｂに近付くように、各二次電池１０ａ〜１０ｊが積層されている。
より具体的には、図１０に示すように、第１の電池積層体３０ａにおいて、最内段に積層された第５及び第６の二次電池１０ｅ、１０ｆに対して、次に外段に積層された第３及び第４の二次電池１０ｃ、１０ｄと第７及び第８の二次電池１０ｇ、１０ｈとがオフセット量α分だけ第３の電池積層体３０ｃから離れるように積層されている。さらに、この第１の電池積層体３０ａにおいて、最外段に積層された第１及び第２の二次電池１０ａ、１０ｂと、第９及び第１０の二次電池１０ｉ、１０ｊとが、最内段の二次電池１０ｅ、１０ｆに対してオフセット量β分だけ第３の電池積層体３０ｃから離れるように積層されている（但し、α＜β）。
第３の電池積層体３０ｃにおいても、同図に示すように、最内段に積層されている第５及び第６の二次電池１０ｅ、１０ｆに対して、次に外段に積層された第３、第４、第７及び第８の二次電池１０ｃ、１０ｄ、１０ｇ及び１０ｈがオフセット量α分だけ第１の電池積層体３０ａから離れるように積層されており、さらに、最外段に積層された第１、第２、第９及び第１０の二次電池１０ａ、１０ｂ、１０ｉ及び１０ｊがオフセット量β分だけ第１の電池積層体３０ａから離れるように積層されている。なお、本実施形態では、一の電池積層体をずらして積層する共に、これに隣接する他の電池積層体もずらして積層しているが、本発明では一の電池積層体のみをずらして積層しても良い。
従って、第１の電池積層体３０ａと第３の電池積層体３０ｃとは、図１０に示すように、各積層体３０ａ、３０ｃの最内段の二次電池１０ｅ、１０ｆ同士が最も接近しており、これに対して、次に外段に積層された二次電池１０ｃ、１０ｄ、１０ｇ及び１０ｈ同士がオフセット量２×α分離れて積層されており、さらに、最外段に積層された二次電池１０ａ、１０ｂ、１０ｉ及び１０ｊがオフセット量２×β分相互に離れて積層されている。
特に図示しないが、第２の電池積層体３０ｂと第４の電池積層体３０ｄとについても、最内段の二次電池１０ｅ、１０ｆが最も接近しており、これに対して、外段の二次電池１０ｃ、１０ｄ、１０ｈ及び１０ｇがオフセット量２×α分相互に離れて積層されており、最外段の二次電池１０ａ、１０ｂ、１０ｉ及び１０ｊがオフセット量２×β分相互に離れて積層されている。
このように配置された各電池積層体３０ａ〜３０ｄには、図１０に示すように、各二次電池１０ａ〜１０ｊの外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９により流路３２ａ〜３２ｃが形成されている。
各流路３２ａ〜３２ｃは、同図に示すように、外装部材１０６、１０７として樹脂−金属薄膜ラミネートフィルムを用いた薄型の二次電池１０ａ〜１０ｊを複数積層した電池積層体３０ａ〜３０ｄを複数並べて配置した際に、当該外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９が存在するために電池積層体３０ａ〜３０ｄ同士とヒートシンク２０との間に必然的に形成された隙間を利用して、二次電池１０ａ〜１０ｊの長手方向に沿ってそれぞれ形成されている。
これらの流路３２ａ〜３２ｃは、上述のように二次電池をオフセットさせて積層することにより電池積層体３０ａ〜３０ｄを構成したことに伴って、図１０に示すように、外段に行くに従って断面積が大きくなっている。
具体的には、各電池積層体３０ａ〜３０ｄの最内段に位置する流路３２ａ（図１０において第５及び第６の二次電池１０ｅ、１０ｆ同士の間に形成された流路）の断面積Ｓａが最も小さく、次に外段に位置する流路３２ｂ（図１０において第３、第４、第７及び第８の二次電池１０ｃ、１０ｄ、１０ｇ及び１０ｈ同士の間に形成された流路）の断面積Ｓｂが次に大きく、さらに、最外段に位置する流路３２ｃ（図１０において第１、第２、第９及び第１０の二次電池１０ａ、１０ｂ、１０ｉ及び１０ｊ同士の間に形成された流路）の断面積Ｓｃが最も大きくなっている（Ｓａ＜Ｓｂ＜Ｓｃ）。
本実施形態に係る組電池の作用について説明すると、第１実施形態と同様に、ファン７０が回転駆動することにより組電池内に負圧が生じ、これに伴って、組電池の外部から入口ダクト５０を介して筐体４０の内部空間４１に冷却風が取り入れられ、ヒートシンク２０に形成された各通路２１に進入すると同時に、各電池積層体３０ａ〜３０ｄの間に形成された各流路３２ａ〜３２ｃに進入する。なお、ヒートシンク２０は、第１実施形態と同様に、通路２１が伸びている方向が、筐体４０の入口側開口４２から出口側開口４３に向かう方向に対して実質的に平行となるように配置されている。
各通路２１に進入した冷却風は、第１実施形態と同様に、負圧により各通路２１内を通過して筐体４０の出口側開口４３に向かう。この各通路２１を通過する冷却風が、ヒートシンク２０を介して、各二次電池１０ａ〜１０ｊを間接的に冷却する。
また、各流路３２に進入した冷却風は、負圧により、各二次電池１０ａ〜１０ｊの長手方向に沿って各流路３２内を通過して筐体４０の出口側開口４３に向かう。この各流路３２を通過する冷却風が、外装部材１０６の長辺における斜面部及び熱融着部１０９を冷却し、各二次電池１０ａ〜１０ｊが当該冷却風により直接的に冷却される。
この際、上述のように各流路３２ａ〜３２ｃは電池積層体３０ａ〜３０ｄの中央部から外側に向かうに従って断面積が大きくなるように（Ｓａ＜Ｓｂ＜Ｓｃ）形成されていることにより、ファン７０の回転駆動により生じた所定の風量Ｖ［ｍ３／ｍｉｎ］の冷却風が各流路３２ａ〜３２ｃに進入すると、電池積層体３０ａ〜３０ｄの最内段の流路３２ａ内での風速ＶａはＶ／Ｓａ、外段の流路３２ｂ内での風速ＶｂはＶ／Ｓｂ、最外段の流路３２ｃ内での風速ＶｃはＶ／Ｓｃとなり、最内段の流路３２ａでの風速Ｖａが最も早くなり、外段に行くに従って風速が遅くなっており（Ｖａ＞Ｖｂ＞Ｖｃ）、電池積層体３０ａ〜３０ｄの中央部に向かうに従い、冷却風の風速が速くなっている。
各通路２１及び各流路３２ａ〜３２ｃを通過して筐体４０の出口側開口４３に至った冷却風は、ファン７０の駆動により、出口ダクト６０を介して組電池１００ｂの外部に排出される。
このように、二次電池の収束温度が高くなる最内段の二次電池１０ｅ、１０ｆの間に形成された流路３２ａに最も速い風速で冷却風を通過させるのに対し、収束温度が比較的低い最外段の二次電池１０ａ、１０ｂ、１０ｉ及び１０ｊの間に形成された流路３２ｃに遅い風速で冷却風を通過させることにより、二次電池をずらさない場合（図７の一点鎖線参照）と比較して、図１１に示すように、電池積層体１０ａ〜１０ｄにおける最内段の二次電池１０ｅ、１０ｆの収束温度Ｔａ’と、最外段の二次電池１０ａ、１０ｂ、１０ｉ及び１０ｊの収束温度Ｔｃ’との差である温度のバラツキ｜Ｔｃ’−Ｔａ’｜を抑制することが出来る。
なお、図１０に示すオフセット量α、βは、電池積層体３０ａ〜３０ｄにおいて、隣接する二次電池１０ａ〜１０ｊの外装部材１０６、１０７同士が接触しないで、当該重なり代を調整することにより任意に設定することが可能であり、温度のバラツキが極力ゼロに近付くように設定される。
また、本実施形態に係る組電池１００ｂは、図１０に示すように、二次電池１０ａ〜１０ｊをずらして積層して電池積層体３０ａ〜３０ｄを構成しているために電池積層体３０ａ〜３０ｄと筐体４０との間に略断面三角形状の隙間が形成されているが、この隙間を、各二次電池１０ａ〜１０ｊの電圧や温度を検出する検出線やサーミスタや熱伝対を配策する配線用空間３３として利用することにより、組電池全体の体積を増加させずに組電池を構成することが可能となっている。具体的には、本実施形態に係る組電池における配線用空間３３の断面積γは、二次電池１０の幅をＷとし、電池積層体３０の高さをＨとすると、上述のオフセット量βより、γ＝（Ｈ×β）／２×２＝Ｈ×βで表すことが出来る。但し、Ｈ≦１００ｍｍであり、βは風速の制御量やヒートシンクの幅等に制約される。
このように、電池積層体３０ａ〜３０ｄ同士の間に形成された隙間に冷却風を通過させ、電池積層体３０ａ〜３０ｄと筐体４０との間に形成された隙間に配線類を集中して配策することにより、組電池全体の体積を増加させることなく、二次電池をずらして積層して電池積層体を構成することが出来る。なお、配線用空間３３には冷却風が進入出来ない構成されており、冷却効率低下の防止が図られている。
以上のように本発明の第２実施形態に係る組電池では、複数の二次電池を積層した電池積層体を複数並べて配置した場合に、電池積層体が有する各二次電池の熱融着部により電池積層体の間に形成された流路に冷却風を通過させて二次電池を直接的に冷却することにより、従来のヒートシンクのみによる間接的な冷却と比較して、組電池を構成する二次電池を効率的に冷却することが可能となる。
また、本発明の第２実施形態に係る組電池では、電池積層体を構成する各二次電池を冷却風により直接的に冷却することにより、ヒートシンクを複雑にしたり枚数を増やす等して組電池のコスト増加を招くことなく、組電池を構成する二次電池の冷却効率を向上させることが出来る。
さらに、本発明の第２実施形態では、外装部材として樹脂−金属薄膜ラミネートフィルムを用いた薄型の二次電池を複数積層した電池積層体を複数並べた組電池において、電池積層体を並べた際に外装部材の熱融着部により必然的に形成される隙間を、冷却風を通過させる流路として利用するので、直接冷却するために専用の流路をわざわざ形成する必要もない。
また、直接冷却のために流路を専用に形成した場合には、当該流路形成により組電池の体積の増加を伴うおそれもあるが、本発明の第２実施形態に係る組電池では、電池積層体を複数並べて配置した際に、電池積層体が有する各二次電池の外装部材の熱融着部により必然的に形成される隙間を、冷却風が通過する流路として利用するので、組電池の体積を増加させることなく冷却効率を高めることが出来る。
さらに、本発明の第２実施形態に係る組電池では、電池積層体の中央部での流路の断面積が最小になるように、複数の二次電池がずれて積層されて電池積層体が構成されているので、収束温度が高くなる中央部での冷却風の風速を速くして、収束温度が低くなる外周部での冷却風の風速を遅くすることにより、電池積層体における温度のバラツキを抑制することが可能となる。
また、本発明の第２実施形態に係る組電池では、二次電池の長手方向に沿って冷却風を直接吹き付けることにより、冷却風と二次電池との広範な接触面積を確保することが出来るので、組電池を構成する各二次電池をさらに効率的に冷却することが可能となる。
［第３実施形態］
図１２は本発明の第３実施形態において内部に電池積層体を収容したケースを示す斜視図、図１３は図１２に示すケース及び電池積層体を上下反転し、さらに分解して示す分解斜視図、図１４は本発明の第３実施形態におけるケースの開口部及びエアスクープを詳細に示す断面図、図１５は本発明の第３実施形態に係る組電池を構成する電池積層体の配列を示す平面図、図１６は図１５のXVI-XVI線に沿った断面図、図１７は本発明の第３実施形態における開口部の面積と電池の最高到達温度との関係を示すグラフ、図１８は本発明の第３実施形態における開口部の長さと当該開口部周囲に生じる最大応力・変位との関係を示すグラフである。
本発明の第３実施形態に係る組電池１００ｃに用いられる二次電池１０、筐体４０、入口ダクト５０、出口ダクト６０、及び、ファン７０の構成は、第１実施形態で説明したものと同一である。以下に、第３実施形態に係る組電池１００ｃについて、第１実施形態に係る組電池１００ａとの相違点のみを説明する。
本実施形態に係る組電池１００ｃでは、図１２及び図１３に示すように、電極端子１０４、１０５が実質的に同一方向に導出するような姿勢で、８個の二次電池１０ａ〜１０ｈを積層することにより電池積層体３０が構成されている。そして、本実施形態では、この電池積層体３０が中空形状のケース３５の内部に収容されている。
ケース３５は、一方の面が開口した箱形状を成すロアケース３６と、その開口を閉じる蓋体を成すアッパケース３７と、を含んでいる。このアッパケース３７の縁部３７ａは、カシメ加工によって、ロアケース３６の周壁３６ｃの縁部３６ｄに巻き締められている（図１２の部分拡大断面図参照）。ロアケース３６及びアッパケース３７は、比較的薄肉のアルミニウム板や鋼板等の伝熱性に優れた材料から成る板材から形成され、プレス加工によって所定形状が付与されている。
電池積層体３０を構成する各二次電池１０ａ〜１０ｈ同士は、スペーサ部３５ａにおいて、電極端子１０４、１０５同士が直接接続されたりバスバ（不図示）を介して接続される等して直列接続や並列接続等の所望の接続形式で接続されており、その結果として、各二次電池１０ａ〜１０ｋは、正極出力端子３８及び負極出力端子３９に電気的に接続されている。
正極出力端子３８は、ロアケース３６の周壁３６ｃの一部に形成された第１の切欠３６ｅを介してケース３５から外部に導出している。同様に、負極出力端子３９も、ロアケース３６の周壁３６ｃの一部に形成された第２の切欠３６ｆを介してケース３５から外部に導出している。また、ロアケース３６の周壁３６ｃの一部に第３の切欠３６ｇが形成されており、この第３の切欠３６ｇを介してメス側コネクタ３５ｃがケース３５から外部に導出している。このメス側コネクタ３５ｃは、特に図示しないが、スペーサ部３５ａにおいて各二次電池１０ａ〜１０ｈの電極端子１０４、１０５に接続されており、オス側コネクタ（不図示）が挿入され、当該オス側コネクタに接続された電圧検出器（不図示）が各二次電池１０ａ〜１０ｈの電圧を検出することにより、組電池１００ｃの充放電管理を行うことが可能となっている。これら正極出力端子３８、メス側コネクタ３５ｃ、及び、負極出力端子３９の間には、絶縁性を維持するための絶縁カバー３５ｂがそれぞれ介装されている。
ケース３５の隅部の４箇所にボルト（不図示）を挿通させるために、ロアケース３６の隅部の４箇所に貫通孔３６ｈが形成されていると共に、アッパケース３７の隅部の４箇所に貫通孔３７ｂが形成されている。また、各スペーサ部３５ａの両端２箇所にも、スリーブ３５ｄを挿通させるための貫通孔３５ａ１が形成されている。
以上のような構成のケース３５は、次のように組み立てられる。即ち、積層された８個の二次電池１０ａ〜１０ｈの両極端子１０４、１０５にスペーサ部３５ａを取り付けてロアケース３６内に収容した後に、スペーサ部３５ａの各貫通孔３５ａ１にスリーブ３５ｄをそれぞれ挿入し、各スペーサ部３５ａの上面に緩衝材３５ｅを載せ、ロアケース３６にアッパケース３７を被せた後に、ロアケース３６の周壁３６ｃの縁部３６ｄにアッパケース３７の縁部３７ａが巻き付けられて、ロアケース３６とアッパケース３７とが固定される。
外装部材１０６、１０７として柔軟性を有する樹脂−金属薄膜ラミネートフィルムを用いた本実施形態における二次電池１０ａ〜１０ｈでは、電池性能の維持を図るために電極板１０１、１０３間の距離を均一に保つ必要がある。これに対し、本実施形態では、最上段及び最下段の二次電池１０ａ、１０ｊをケース３５の上下の内壁面に密着させると共に各二次電池１０ａ〜１０ｈを密着させた状態で当該ケース３５内に収容することにより、電極板１０１、１０３の積層方向に圧力を印加することが可能となっている。また、これに加えて、各二次電池１０ａ〜１０ｈとケース３５の上下面がそれぞれ密着していることにより、ケース３５の上下面を介して各二次電池１０ａ〜１０ｈの放熱を行うことが可能となっている。
以上のような構成に加えて、さらに本実施形態では、図１２〜図１４に示すように、ケース３５を構成するロアケース３６の周壁３６ｃの一部に、ケース３５の内部を外部と連通させる４つの開口部３６ａが形成されており、ファン７０により入口ダクト５０を介して供給された冷却風をケース３５内に導入又は排出することが可能となっている。なお、図１４は、ケース３５内に収容された二次電池１０ａ〜１０ｈの電極端子１０４、１０５の導出方向に平行な面で開口部３６ａ及びエアスクープ３６ｂを切断した図である。
各開口部３６ａは、ロアケース３６の周壁３６ｃのうち、二次電池１０ａ〜１０ｈの長手方向（電極端子１０４、１０５の導出方向）に沿った２つの周壁３６ｃ１の両端の合計４箇所に形成されており、各二次電池１０ａ〜１０ｋの正極端子１０４又は負極端子１０５の近傍に位置している。因みに、図１２では、開口部３６ａを介して、ケース３５内に収容された各二次電池１０ａ〜１０ｈの熱融着部１０９が見えている。
また、本実施形態では、入口ダクト５０を介して供給された冷却風を開口部３６ａに向かうように方向付けるエアスクープ３６ｂが、各開口部３６ａの周囲にそれぞれ設けられている。
ロアケース３６の周壁３６ｃ１において負極端子１０５側に形成された開口部３６ａの周囲に設けられたエアスクープ３６ｂは、図１４に示すように、当該開口部３６ａの正極端子１０４側の周囲に設けられており、負極端子１０５側から正極端子１０４側に向かうに従ってケース３５外部への盛り上がりが徐々に減少するような形状を有している。
これに対し、ロアケース３６の周壁３６ｃ１において正極端子１０４側に形成された開口部３６ａの周囲に設けられたエアスクープ３６ｂは、当該開口部３６ａの負極端子１０５側の周囲に設けられており、正極端子１０４側から負極端子１０５側に向かうに従って、ケース３５外部への盛り上がりが徐々に減少するような形状を有している。
なお、何れのエアスクープ３６ｂも、例えば、ロアケース３６の周壁３６ｃ１自体を盛り上げるようなプレス加工を行うことにより形成されているが、ロアケース３６の縁部３６ｄに形成された巻き締め部より盛り上がることがないように形成されている。
本実施形態に係る組電池１００ｃは、図１５及び図１６に示すように、以上に説明したような構成の１２個の電池積層体３０ａ〜３０ｌから構成されており、各電池積層体３０ａ〜３０ｌは、ケース３５ａ〜３５ｌの内部にそれぞれ収容された状態で、筐体４０の内部空間４１に配置されている。電池積層体３０ａ〜３０ｌをそれぞれ収容したケース３５ａ〜３５ｌは、内部に収容した各二次電池１０ａ〜１０ｈの電極端子１０４、１０５の導出方向が筐体４０の入口側開口４２から出口側開口４３に向かう方向に沿うような姿勢で、筐体４０の内部空間４１に配列３段４列で配置されている。なお、電池積層体３０ａ〜３０ｌは、当該符号３０ａ〜３０ｌの末尾のアルファベットと同一のものを符号末尾に有するケース３５ａ〜３５ｌの内部にそれぞれ収容されている。
３段に積層されたケース３５ａ〜３５ｌ同士の間には、カラー（不図示）がそれぞれ介装されており、空間を隔てて積層されている。また、相互に隣接するケース３５ａ〜３５ｌ同士は、ロアケース３６の巻き締め部を許容するように、空間を隔てて並列に配置されている。各ケース３５ａ〜３５ｌの出力端子３８、３９は、ケーブル等を通じて筐体から外部に導出する端子に電気的に接続されている。
次に作用について説明する。
先ず、組電池１００ｃのファン７０が回転駆動すると、入口ダクト５０及び筐体４０の内部空間４１に負圧が発生し、組電池１００ｃの外部から入口ダクト５０を介して筐体４０の内部空間４１に冷却風が取り入れられる。
入口ダクト５０から筐体４０の入口側開口４２を介して当該内部空間４１に取り入れられた冷却風は、各ケース３５ａ〜３５ｌの間に形成された空間に進入する。この空間を通過する冷却風により、ケース３５ａ〜３５ｌ自体が冷却され、このケース３５ａ〜３５ｌを介して、当該ケース３５ａ〜３５ｌ内に収容された各二次電池１０ａ〜１０ｈが間接的に冷却される。
また、当該空間に進入した冷却風の一部は、図１５に示すように、各ケース３５ａ〜３５ｌのロアケース３６の周壁３６ｃ１の一方の端部側に形成された開口部３６ａから筐体４０の内部空間４１に進入し、ケース３５内部に形成された流路３４を通過して、当該冷却風が外装部材１０６の長辺における斜面部及び熱融着部１０９を冷却し、各二次電池１０ａ〜１０ｈが冷却風により直接的に冷却される。
冷却風が通過する流路３４は、図１６の部分拡大断面図に示すように、ケース３５内に収容された各二次電池１０ａ〜１０ｈと、それに対向するケース３５の内壁面３５１との間に形成されている。この流路３４は、外装部材１０６、１０７として樹脂―金属薄膜ラミネートフィルムを用いた薄型の二次電池１０ａ〜１０ｈを複数積層した電池積層体３０をケース３５内に収容した際に、当該外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９が存在するために、電池積層体３０とケース３５の内壁面３５１との間に必然的に形成される隙間を利用して形成されている。本実施形態では、この流路３４は、図１５に示すように、二次電池１０ａ〜１０ｈの電極端子１０４、１０５の導出方向に沿うように形成されている。
ここで、開口部が形成されていない従来のケースを採用した場合と冷却効果について比較すると、図１７に示すように、本実施形態のようにケース３５に開口部３６ａを形成した場合には、当該開口部３６ａから導入された冷却風の直接冷却により冷却効率が向上し、当該ケース３５内に収容された二次電池１０ａ〜１０ｈの最高到達温度が著しく低下する。但し、二次電池１０ａ〜１０ｈの電極端子１０４、１０５の導出方向に沿った開口部３６ａの長さが長すぎると、図１８に示すように、ケース３５に所定の力を加えた場合に開口部３６ａの周囲にかかる最大応力に変化が生じる。そのため、ケース３５の肉厚等にもよるが、開口部３６ａの長さは、二次電池１０ａ〜１０ｈの電極端子１０４、１０５の導出方向に沿ったケース３５の長さの３０％程度以下とすることが好ましい。なお、図１７中のＬ２０、Ｌ４０及びＬ８０は、ケース３５内に収容された二次電池１０ａ〜１０ｈの電極端子１０４、１０５の導出方向に沿った開口部３６ａの長さが２０ｍｍ、４０ｍｍ及び８０ｍｍであることをそれぞれ示しており、図１７は、開口部３６ａの幅を一定にした状態で長さを変化させることにより当該開口部３６ａの開口面積を変化させたグラフである。
ケース３５内の流路３４を通過した冷却風は、図１５に示すように、周壁３６ｃ１の他方の端部側に形成された開口部３６ａから筐体４０の内部空間４１に排出される。当該開口部３６ａから排出された冷却風は、ケース３５ａ〜３５ｌの間を通過した冷却風と共に、筐体４０の出口側開口４３に至り、さらに、ファン７０の駆動により、出口ダクト６０を介して組電池１００ｃの外部に排出される。
以上のように本発明の第３実施形態に係る組電池は、二次電池を複数積層した電池積層体を内部に収容したケースを複数並べて配置した場合に、ケースの内壁面と電池積層体との間に形成された流路に冷却風を通過させて、二次電池を直接的に冷却することにより、組電池を効率的に冷却することが可能となる。
また、本発明の第３実施形態では、外装部材として樹脂−金属薄膜ラミネートフィルムを用いた薄型の二次電池を複数積層した電池積層体をケースに収容した際に、二次電池の外装部材の熱融着部により、電池積層体とケースの内壁面との間に必然的に形成される隙間を、冷却風を通過させる流路として利用するので、直接冷却するために専用の流路をわざわざ形成する必要もない。これにより、組電池の体積を増加させることなく冷却効率を高めることが出来る。
さらに、本発明の第３実施形態では、所定間隔を空けてケース同士を積層することにより、当該間隔内に冷却風が通過してケース自体が冷却されることにより、上述のような直接冷却に加えて、当該ケース内に収容された二次電池を間接的に冷却することが出来る。
また、本発明の第３実施形態では、二次電池の長手方向に沿って冷却風を直接吹き付けることにより、冷却風と二次電池との広範な接触面積を確保することが出来るので、組電池をさらに効率的に冷却することが可能となる。
［第４実施形態］
図１９は本発明の第４実施形態に係る組電池を構成する電池積層体の配列を示す平面図である。
本発明の第４実施形態に係る組電池１００ｄは、筐体４０の内部空間４１に配置されたケース３５ａ〜３５ｌの向きが上述の第３実施形態に係る組電池１００ｃと相違するが、その他の構成は第３実施形態に係る組電池１００ｃの構成と同一である。以下に、第４実施形態に係る組電池１００ｄについて、第３実施形態に係る組電池１００ｃとの相違点のみを説明する。
本発明の第４実施形態に係る組電池１００ｄは、第３実施形態と同様の二次電池１０を８段積層して構成された１２組の電池積層体３０ａ〜３０ｌを備えており、各電池積層体３０ａ〜３０ｌは、ケース３５ａ〜３５ｌの内部に収容された状態で筐体４０の内部空間４１に配置されている。そして、本実施形態では、各ケース３５ａ〜３５ｌは、図１９に示すように、各二次電池１０ａ〜１０ｈの電極端子１０４、１０５の導出方向が筐体４０の入口側開口４２から出口側開口４３に向かう方向に対して実質的に直交するように、筐体４０の内部空間４１に１２列に配置されている点で第３実施形態に係る組電池１００ｃと異なる。即ち、上述の第３実施形態では、ケース３５ａ〜３５ｌを筐体４０の内部空間に横たえた状態で配置しているのに対し、本実施形態では、ケース３５ａ〜３５ｌを起立させた状態で筐体４０の内部空間４１に配置している点で異なる。
本実施形態に係る組電池１００ｄの作用について説明すると、第３実施形態と同様に、ファン７０が回転駆動することにより組電池内に負圧が生じ、これに伴って、組電池の外部から入口ダクト５０を介して筐体４０の内部空間に４１に冷却風が取り入れられ、各ケース３５ａ〜３５ｌの間に形成された空間に進入し、ケース３５ａ〜３５ｌを介して、当該ケース３５ａ〜３５ｌ内に収容された各二次電池１０ａ〜１０ｈが間接的に冷却される。
また、当該空間に進入した冷却風の一部は、各ケース３５ａ〜３５ｌのロアケース３６の一方の周壁３６ｃ１に形成された開口部３６ａから筐体４０の内部空間４１に進入し、ケース３５内部に形成された流路３４を通過して、当該冷却風が、各電極端子１０４、１０５と、外装部材１０６の短辺における斜面部及び熱融着部１０９と、を冷却し、各二次電池１０ａ〜１０ｈが当該冷却風により直接的に冷却される。
なお、流路３４は、特に図示しないが、ケース３５内に収容された各二次電池１０ａ〜１０ｈと、それに対向するケース３５の内壁面３５１との間に形成されており、二次電池１０ａ〜１０ｈの熱融着部１０９及び電極端子１０４、１０５の存在により必然的に形成された隙間を利用して形成されている。本実施形態では、この流路３４は、図１９に示すように、二次電池１０ａ〜１０ｈの電極端子１０４、１０５の導出方向に対して実質的に直交する方向に沿って形成されている。
ケース３５内の流路３４を通過した冷却風は、他方の周壁３６ｃ１に形成された開口部３６ａから筐体４０の内部空間４１に排出される。当該開口部３６ａから排出された冷却風は、ケース３５ａ〜３５ｌの間を通過した冷却風と共に、筐体４０の出口側開口４３に至り、さらに、ファン７０の駆動により、出口ダクト６０を介して組電池１００ｄの外部に排出される。
以上のように本発明の第４実施形態に係る組電池は、二次電池を複数積層した電池積層体を内部に収容したケースを複数並べて配置した場合に、ケースの内壁面と電池積層体との間に形成された流路に冷却風を通過させて、二次電池を直接的に冷却することにより、組電池を効率的に冷却することが可能となる。
また、本発明の第４実施形態では、外装部材として樹脂−金属薄膜ラミネートフィルムを用いた薄型の二次電池を複数積層した電池をケースに収容した際に、二次電池の外装部材の熱融着部により、電池積層体とケースの内壁面との間に必然的に形成される隙間を、冷却風を通過させる流路として利用するので、直接冷却するための専用の流路をわざわざ形成する必要もない。これにより、組電池の体積を増加させることなく冷却効率を高めることが出来る。
さらに、本発明の第４実施形態では、所定間隔を空けてケース同士を積層することにより、当該間隔内に冷却風が通過してケース自体が冷却されることにより、上述のような直接冷却に加えて、当該ケース内に収容された二次電池を間接的に冷却することが出来る。
また、本発明の第４実施形態では、熱伝導率の高い金属製の電極端子を冷却風により直接冷却することにより、組電池を構成する各二次電池をさらに効率的に冷却することが可能となる。
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
上述の第１実施形態では、二次電池を１０段積層した電池積層体を８組配置して組電池を構成し、第２実施形態では、同様の電池積層体を４組配置して組電池を構成したが、本発明では特にこれらに限定されず、一つの電池積層体をＮ個の二次電池を積層して構成しても良く、Ｍ組の電池積層体を任意の配列で配置することが出来る（但し、Ｍ及びＮは何れも任意の自然数）。
同様に、上述の第３及び第４実施形態では、二次電池を８段積層した電池積層体を１２個配置して組電池を構成したが、本発明では特にこれに限定されず、一つの電池積層体をＮ個の二次電池を積層して構成しても良く。Ｍ組の電池積層体を配置することが出来る。
また、第１、第３及び第４実施形態において第２実施形態のように二次電池をずらして積層して電池積層体を構成しても良い。さらに、第２〜第４実施形態に係る組電池を第１実施形態で説明した車輌のフロア下に搭載しても良い。
図１は、本発明の実施形態に係る二次電池の全体の平面図である。 図２は、図１のII-II線に沿った二次電池の断面図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る組電池の全体斜視図である。 図４は、図３に示す組電池を構成する電池積層体の配列を示す平面図である。 図５は、図４のV-V線に沿った断面図である。 図６（Ａ）〜（Ｃ）は、図３に示す組電池に用いられるヒートシンクを示す図であり、図６（Ａ）はその平面図、図６（Ｂ）はその側面図、図６（Ｃ）はその正面図である。 図７は、図４及び図５に示す複数の電池積層体における温度分布を示すグラフである。 図８は、本発明の第１実施形態に係る組電池を搭載した車輌の模式図である。 図９は、本発明の第２実施形態に係る組電池を構成する電池積層体の配列を示す平面図である。 図１０は、図９のX-X線に沿った断面図である。 図１１は、図９及び図１０に示す複数の電池積層体における温度分布を示すグラフである。 図１２は、本発明の第３実施形態に係る組電池において、内部に電池積層体を収容したケースを示す斜視図である。 図１３は、図１２に示すケース及び電池積層体を上下反転し、さらに分解して示す分解斜視図である。 図１４は、ケースに形成された開口部及びエアスクープを詳細に示す断面図である。 図１５は、本発明の第３実施形態に係る組電池を構成する電池積層体の配列を示す平面図である。 図１６は、図１５のXVI-XVI線に沿った断面図である。 図１７は、本発明の第３実施形態における開口部の面積と電池の最高到達温度との関係を示すグラフである。 図１８は、本発明の第３実施形態における開口部の長さと開口周囲に生じる最大応力・変位との関係を示すグラフである。 図１９は、本発明の第４実施形態に係る組電池を構成する電池積層体の配列を示す平面図である。
符号の説明
１…車輌
１０、１０ａ〜１０ｊ…二次電池
２０…ヒートシンク
２１…通路
３０、３０ａ〜３０ｌ…電池積層体
３１、３２ａ〜３２ｃ、３４…流路
３３…配線用空間
３５、３５ａ〜３５ｌ…ケース
３６…ロアケース
３６ａ…開口部
３６ｂ…エアスクープ
３６ｃ…周壁
３６ｄ…縁部
３６ｅ〜３７ｇ…第１〜第３の切欠
３６ｈ…貫通孔
３７…アッパケース
３７ａ…縁部
３７ｂ…貫通孔
３８…正極出力端子
３９…負極出力端子
４０…筐体
４１…内部空間
４２…入口側開口
４３…出口側開口
５０…入口ダクト
６０…出口ダクト
７０…ファン
１００ａ〜１００ｄ…組電池

Claims (12)

  1. セパレータを介して積層された電極板を、合成樹脂材料から成る合成樹脂層及び金属材料から成る金属層を有する外装部材に収容し、前記外装部材の外周縁を熱融着して熱融着部を形成して前記電極板を封止すると共に、前記電極板に接続された電極端子が前記外装部材の外周縁から導出した二次電池を複数積層した電池積層体を備えた組電池であって、
    前記二次電池を冷却するための冷媒を供給する冷媒供給手段と、
    前記電池積層体を内部に収容可能なケースと、
    前記冷媒供給手段が接続される入口側開口と出口側開口とを有し、前記ケースを収容する筐体と、をさらに備え、
    前記ケースには、前記冷媒供給手段から供給される冷媒を当該ケース内に導入又は排出するための開口部が複数形成されており、
    前記冷媒供給手段から供給された冷媒は、一の前記開口部を介して前記ケース内に導入され、前記二次電池の熱融着部により前記ケースの内壁面と前記電池積層体との間に形成された流路を通過し、他の前記開口部を介して当該ケースから排出され、
    前記ケースの前記開口部の周囲には、前記冷媒供給手段から供給された冷媒を前記開口部に向かうように方向付けるエアスクープが設けられている組電池。
  2. 前記冷媒供給手段から供給された冷媒は、前記二次電池に直接触れながら前記流路を通過する請求項１記載の組電池。
  3. 複数の前記二次電池が相互に密着していると共に、前記電池積層体の最上段及び最下段の二次電池が前記ケースの内壁面に密着している請求項１又は２記載の組電池。
  4. 前記ケースには、所定間隔を空けて他の前記ケースが積層されている請求項１〜３の何れかに記載の組電池。
  5. 前記流路は、前記二次電池の長手方向に沿って形成されている請求項１〜４の何れかに記載の組電池。
  6. 前記流路は、前記二次電池の電極端子が導出する方向に対して実質的に直交するように形成されている請求項１〜４の何れかに記載の組電池。
  7. 前記電池積層体は、前記複数の二次電池がずれるように積層されて構成されている請求項１〜６の何れかに記載の組電池。
  8. 一の前記電池積層体は、当該一の電池積層体の二次電池の積層方向に沿って当該一の電池積層体の中央部に向かうに従い、各二次電池が他の前記電池積層体に近付くように積層されている請求項７記載の組電池。
  9. さらに、前記他の電池積層体は、当該他の電池積層体の二次電池の積層方向に沿って当該他の電池積層体の中央部に向かうに従い、各二次電池が前記一の電池積層体に近付くように積層されている請求項８記載の組電池。
  10. 前記二次電池の電極板は、リチウム−マンガン系複合酸化物、リチウム−ニッケル系複合酸化物、又は、リチウム−コバルト系複合酸化物から成る正極活物質を有する正極板を含む請求項１〜９の何れかに記載の組電池。
  11. 前記二次電池の電極板は、結晶性炭素材、又は、非結晶性炭素材から成る負極活物質を有する負極板を含む請求項１〜１０の何れかに記載の組電池。
  12. 請求項１〜１１の何れかに記載の組電池を搭載した車輌。

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