JP5327016B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド自動車あるいは電気自動車などに用いられる組電池の一単位を構成する電池モジュールに関するものである。

電気自動車の駆動電源として用いられるニッケル・水素二次電池、リチウムイオン二次電池などは、高いエネルギー密度が必要とされ、かつ搭載スペースは極力小さくすることが求められている。そのため単電池セルを複数個集合させた組電池とするのが一般的である。例えば直方体形状をなす数Ｖ〜十数Ｖの単電池セルを数十個直列に接続し、これを１つのパッケージに納めて組電池とされている。この組電池は、たとえば後席下部、トランクルームなどに搭載されている。

ところで組電池の性能や寿命は温度環境に大きく依存し、高温になると劣化が著しい。そこで、単電池セルの表面に大気と連通する冷却通路を形成し、冷却通路に車室内空気を導入したり、エアコンの風を強制的に導入することが行われている。

一方、ニッケル・水素二次電池などにおいては、充電時などに直方体形状をなす単電池セルが膨張し、最も広い側面が円弧状に外側へ膨らむという現象が避けられない。このようになると、直方体形状をなす単電池セルを複数個集合させた組電池では、対向する壁面どうしが小さな接触面積で接触して接触部分に大きな応力が集中する可能性がある。

そこで、各単電池セルの内圧を均一にして各単電池セルの充放電特性を均一にする目的で、単電池セルに所定の荷重を負荷して加圧拘束した状態で配列することが行われている。例えば特開2009−176464号公報に紹介されている組電池装置では、単電池セルと板状の熱伝導部材とを交互に配列し、厚さ方向の両端にそれぞれ一つずつの拘束板を重ねた上で、２つの拘束板を拘束ロッドにて互いに接近する方向に締め付けている。２つの拘束板を互いに接近する方向に締め付けることで、複数の単電池セルを熱伝導部材を介して互いに近接させ、各単電池セルに荷重を負荷することで膨張を規制することができる。

またこの組電池装置によれば、軟質の熱伝導部材が両側の単電池セルによって圧縮され、熱伝導部材の密着表面が単電池セルの最も広い側面に密着する。そして熱伝導部材の密着表面から伝導された単電池セルの熱は、熱伝導性と電気絶縁性を有する軟質材からなるマトリックスから繊維部材に伝わり、繊維の長さ方向に伝熱されて放熱表面に伝導され、放熱表面から放熱空間へ放熱される。なお特開2000−306560号公報には、単電池セルがシリコーンゴムを介して密接した組電池が記載されている。

上記したように角型の単電池セルの場合には、板状の熱伝導部材あるいはシリコーンゴムを介して密接させることができ、放熱によって膨張を防止することができる。ところが円筒状の丸型の単電池セルの場合には、放熱させるのに別の工夫が必要となる。

例えば特開2007−066773号公報には、丸型の単電池セルを熱伝導筒に収納した状態で複数個平行な姿勢で隣接させ、隣接する熱伝導筒どうしを熱暴走防止壁で連結するとともに熱伝導筒の表面を一部切欠いて放熱領域とした組電池が記載されている。この組電池によれば、熱暴走防止壁で熱輻射を規制するとともに放熱領域で放熱させることができるので、単電池セルの熱が隣接する単電池セルに移動するのが規制でき、熱暴走を抑制することができる。

特開2009−176464号公報 特開2000−306560号公報 特開2007−066773号公報

ところが特許文献３に記載された組電池においては、複数の単電池セルが放熱領域に並んで配置されているため、冷却風を供給すると最上流の単電池セルは効率よく冷却されるものの、それによって冷却風の温度が上昇するため、下流側の単電池セルほど冷却効率が低くなるという不具合があった。すなわち単電池セル間の冷却ばらつきが大きくなり、そうなると冷却されにくい単電池セルが抵抗体となるため、組電池全体の性能が最も冷却されにくい単電池セルの特性に合わせて悪化してしまう。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、長手方向の両端に端子を有する電池セルを用いた組電池において、複数の電池セルの冷却効率のばらつきを解消して均一に冷却できるようにすることを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の電池モジュールの特徴は、長手方向の両端に端子を有する電池セルと、電池セルの外周表面に被覆され電気絶縁性と熱伝導性を備えた樹脂カバー層とからなり、中心軸方向が互いに平行となるように複数個積層されることで組電池とされる電池モジュールであって、樹脂カバー層は、隣接する他の電池モジュールの樹脂カバー層と面接触して当接する当接面と、当接面に連続して延びる凹溝と、を有し、樹脂カバー層は電気絶縁性を有するマトリックスとマトリックス中に含まれマトリックスより熱伝導率が高い充填材とからなり、充填材は短繊維形状をなし電池セルの表面から当接面に向かう方向に配向し、複数個の電池モジュールが積層されて組電池とされたときに当接面どうしが当接するとともに隣接する複数の凹溝からトンネル状の冷却通路が形成されることにある。

本発明の電池モジュールによれば、組電池とされたときに、樹脂カバー層の当接面どうしが当接している。この樹脂カバー層は電気絶縁性と熱伝導性を備えているため、電気絶縁性が満足されるとともに、熱伝導によって各電池セル間の温度差が小さくなる。またトンネル状の冷却通路に大気などの冷媒を流通することで各樹脂カバー層を介して電池セルを冷却することができる。したがって冷却効率のばらつきが解消され、組電池における各電池セルを均一に冷却することができるので、充放電特性の寿命を長くすることができる。

本発明の一実施例に係る電池モジュールの斜視図である。 本発明の一実施例に係る電池モジュールの断面図である。 本発明の一実施例に係る電池モジュールを製造する金型の断面図である。 本発明の一実施例に係る電池モジュールからなる組電池の斜視図である。 本発明の第２の実施例に係る電池モジュールの斜視図である。 本発明の第２の実施例に係る電池モジュールからなる組電池の斜視図である。 本発明の第３の実施例に係る電池モジュールの斜視図である。 本発明の第３の実施例に係る電池モジュールからなる組電池の斜視図である。 本発明の第３の実施例に係る電池モジュールからなる組電池の正面図である。 本発明の第４の実施例に係る電池モジュールからなる組電池の正面図である。

本発明の電池モジュールは、電池セルと樹脂カバー層とからなる。電池セルは例えば断面丸形あるいは角形など、長手方向の両端に端子を有するものであり、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池など各種の二次電池を用いることができる。

樹脂カバー層は電池セルの外周表面に被覆され、電気絶縁性と熱伝導性を備えている。この樹脂カバー層は、電気絶縁性を有するマトリックスと、マトリックス中に含まれマトリックスより熱伝導率が高い充填材とからなるものを用いることができる。電気絶縁性を有するマトリックスとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ＡＢＳ、ポリスチレン、ポリカーボネート、アクリル樹脂などの熱可塑性樹脂、あるいはエポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂などの熱硬化性樹脂を用いることができる。また充填材によって形状剛性が確保できれば、ＥＰＤＭ、天然ゴム、熱可塑性エラストマーなどが用いられる場合もある。

充填材は、電気絶縁性を有しかつマトリックスより熱伝導性が高いものが用いられる。このような充填材としては、カーボンブラック、炭素繊維、石油コークス、グラファイト、カーボンナノチューブなどの炭素系フィラー、あるいはアルミナ、ジルコニア、マグネシア、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、炭化ホウ素などのセラミックスを用いることができる。マトリックスの熱伝導率は一般に１Ｗ／ｍ・Ｋ未満であるのに対し、炭素系フィラー及びセラミックスの熱伝導率は大部分が１Ｗ／ｍ・Ｋを超え、１００Ｗ／ｍ・Ｋを超えるものも多いことから、いずれも好適に用いることができる。

充填材の量は、多いほど熱伝導性が向上するが、反面、樹脂カバー層の弾性が低下する。したがってマトリックス及び充填材の種類によっても異なるが、炭素系フィラーは５〜40体積％の範囲が好ましく、セラミックスフィラーは５〜60体積％の範囲が好ましい。後述の磁場印加成形方法で配向させやすい炭素繊維と、反磁性体であるセラミック粉末との混合フィラーとするのが特に好ましい。炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維よりも熱伝導率が大きなピッチ系炭素繊維が好ましい。

樹脂カバー層は、隣接する他の電池モジュールの樹脂カバー層と面接触して当接する当接面と、当接面に連続して延びる凹溝と、を有している。そして複数個の電池モジュールが積層されて組電池とされたときに、当接面どうしが当接するとともに、隣接する複数の凹溝からトンネル状の冷却通路が形成される。

樹脂カバー層は断面が正三角形、正方形、正六角形などの角柱形状とされる。例えば断面正方形の角柱形状の樹脂カバー層とした場合、その軸中心に電池セルが配置されて本発明の電池モジュールが構成される。そして電池セルの軸方向に平行に延びる４つの平面がそれぞれ当接面となり、組電池とされた場合には隣接する電池モジュールと当接面どうしで当接する。

例えば断面正方形の角柱形状の樹脂カバー層とした場合、４つの当接面のうち少なくとも互いに平行な二つの当接面に、軸方向に対して直交する凹溝を少なくとも一つ形成してもよい。このようにすれば、組電池とした場合に隣接する電池モジュールの凹溝どうしが連通して軸方向に対して直交するトンネル状の通路が形成される。この場合は、一つの電池モジュールの樹脂カバー層の互いに平行な二つの当接面に複数の凹溝をそれぞれ形成することが好ましい。

また４つの当接面どうしが交差する４つの角部に電池セルの軸方向に平行に延びる凹溝を形成すれば、組電池とされたときに隣接する４つの電池モジュールの中央に凹溝どうしが互いに連通して軸方向に平行に延びるトンネル状の通路が形成される。このトンネル状の通路に大気などの冷媒を流通させることで、隣接する４つの電池モジュールを均一に効率よく冷却することができる。このようにすれば、電池セルの軸方向に沿って冷媒を流すことができるので、軸方向に対して直交する凹溝を形成する場合に比べて冷却効率が向上する。

電池セルに樹脂カバー層を被覆するには、別に形成された樹脂カバー層内に電池セルを収納する方法を採用することもできるが、断熱層となる空気層を排除するために電池セルと樹脂カバー層とは密着していることが望ましい。したがって、樹脂カバー層を形成するための成形型内に電池セルを配置して樹脂カバー層を一体成形する方法を用いることが望ましい。

またマトリックスと充填材を含む成形材料から樹脂カバー層を成形する場合には、磁場を印加しながら成形することが望ましい。このようにすれば、充填材は磁力線に沿って配向するため、樹脂カバー層内に充填材粉末が磁力線に沿って並んだクラスターが形成される。したがってクラスターを介して熱が移動しやすくなり、熱伝導性が向上し放熱性も向上する。磁界の強度は、成形材料の粘度、充填材粉末のアスペクト比などによって最適値が変化するので、前述した含有量の範囲で、試行錯誤的に最適値を決定する必要がある。１テスラ以上の強磁場が好ましい。

さらに、充填材粉末として短繊維形状のものを用いることも好ましい。磁場の印加によって粒子状の粉末より短繊維状の粉末の方が長手方向に配向しやすく、また長手方向の熱伝導率が短手方向より高いからである。このような短繊維形状の充填材としては、長手方向の熱伝導率が約60W/mKの超高分子量ポリエチレン繊維、同熱伝導率が約 240W/mKのアルミニウム繊維、同熱伝導率が約1015W/mKのアルミナ繊維、同熱伝導率が約 300〜 400W/mKの窒化アルミニウム繊維、同熱伝導率が約22W/mKのチタン繊維、同熱伝導率が約 250W/mKの窒化ホウ素繊維などが例示できる。中でも、同熱伝導率が約60W/mKの超高分子量ポリエチレン繊維は電気絶縁性も併せ持つので、特に好ましい材料である。

樹脂カバー層における充填材の配向方向は、少なくとも電池モジュールの軸方向に対して直交する方向に配向していることが好ましく、電池セルを中心として放射状に配向していることが望ましい。例えば電池セルをＮ極とし、金型をＳ極として樹脂カバー層を一体成形すれば、充填材を容易に放射状に配向させることができる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

図１に本発明の一実施例に係る電池モジュールを示す。この電池モジュールは、円筒形状をなす電池セル１と、電池セル１の外周表面に被覆された樹脂カバー層２とからなる。電池セル１はリチウムイオン電池であり、一端に正極が表出し他端に負極が表出している。

樹脂カバー層２は、断面正方形の角柱の４つの角部が断面円弧状に削り取られた形状をなし、正方形の４辺に対応して電池セル１の軸方向に平行に延びる４つの長尺平面20と、隣接する長尺平面20の間に形成された断面円弧状の４つの凹溝21とを有している。また樹脂カバー層２は、図２に断面を示すように、エポキシ樹脂からなるマトリックス22とマトリックス22中に含まれた熱伝導率が約60W/mKの超高分子量ポリエチレン繊維（「ダイニーマ」東洋紡製）の短繊維23とからなる。短繊維23は、電池セル１を中心とする放射状に配向している。

この電池モジュールは、以下のようにして製造された。先ず超高分子量ポリエチレン繊維（「ダイニーマ」東洋紡製）の短繊維23とエポキシ樹脂とからなり、短繊維23を50体積％含有する成形材料を調製しておく。図３に示すように、上型30と下型31とからなる金型３に電池セル１の外筒10を配置し、成形材料を溶融状態としてキャビティ32に射出成形して外筒10を一体に有する樹脂カバー層２を形成する。

この成形時には、外筒10の内部がＮ極、キャビティ32の外周がＳ極となるように磁石を配置しておき、キャビティ32に２テスラの磁場を印加しながら成形を行う。成形材料に含まれる短繊維23は長手方向が磁場の方向に配向し、電池セル１を中心とする放射状に配向する。成形後に外筒10に電極材料と電解質材料を封入し、両端に正極と負極を形成して電池モジュールとする。

得られた電池モジュールは、図４に示すように、隣接する電池モジュールの長尺平面20どうしが当接するように複数個積層されて直方体形状とされ、図示しないバンドで締結されて組電池とされる。組電池では、長尺平面20どうしが当接して密着され、４つの凹溝21が組合わされてなり両端に開口するトンネル状の冷却通路24が複数形成されている。この組電池は、図４に波線で示すように各電池セル１が直列に接続され、電極端子及び冷却通路24の開口をもつ両端面が表出するように開放されたケーシング４に収納されて使用される。

すなわち本実施例の電池モジュールを用いた組電池によれば、各電池モジュールどうしが緊密に当接し、かつ樹脂カバー層２は放射状に配向した短繊維23によって熱伝導性が高い。さらに、それぞれの電池モジュールは電池セル１の軸方向に平行に延びる４つの冷却通路24に囲まれている。したがって冷却通路24に冷却風を供給すれば、各電池モジュールに配置された複数の電池セルの冷却効率のばらつきが解消され、均一に冷却することができるので、充放電特性の寿命を長くすることができる。また組電池は角形の外形であるので、組付け性が向上する。

図５に本実施例の電池モジュールを、図６にその電池モジュールが積層されてなる組電池を示す。本実施例の電池モジュールは、実施例１と同様の電池セル１と、電池セル１の外周表面に被覆された樹脂カバー層５とからなる。

樹脂カバー層５は断面略正方形の角柱からなり、互いに対向する一対の側面には長尺平面50が形成され、長尺平面50と交差する一対の側面には電池セル１の軸方向に対して交差する複数の凹溝51がそれぞれ形成されている。凹溝51は、両側で長尺平面50に開口している。この樹脂カバー層５は実施例１と同様のマトリックスと短繊維とから形成され、短繊維は、電池セル１を中心とする放射状に配向している。

この電池モジュールは、隣接する電池モジュールの凹溝51どうしが互いに対向し、かつ凹溝51以外の表面が密着するように縦方向に積層され、長尺平面50どうしが密着し凹溝51の開口どうしが互いに連通するように横方向に積層されて、図６に示す組電池とされている。この組電池には、凹溝51どうしが横方向に連通してなるトンネル状の冷却通路52が複数形成されている。この組電池は、実施例１と同様に各電池セル１が直列に接続され、電極端子及び冷却通路52の開口をもつ両端面が表出するように開放されたケーシングに収納されて使用される。

すなわち本実施例の電池モジュールを用いた組電池によれば、各電池モジュールどうしが緊密に当接し、かつ樹脂カバー層５は放射状に配向した短繊維によって熱伝導性が高い。さらに、それぞれの電池モジュールは複数の冷却通路52に囲まれている。したがって各電池モジュールに配置された複数の電池セル１の冷却効率のばらつきが解消され、均一に冷却することができるので、充放電特性の寿命を長くすることができる。また組電池は角形の外形であるので、組付け性が向上する。

図７に本実施例の電池モジュールを、図８にその電池モジュールが積層されてなる組電池を示す。本実施例の電池モジュールは、実施例１と同様の電池セル１と、電池セル１の外周表面に被覆された樹脂カバー層６とからなる。

樹脂カバー層６は断面正六角形の角柱からなり、互いに対向する三対の側面にそれぞれ長尺平面60が形成され、長尺平面60どうしが交差する部位に一端面から他端面まで延びる断面円弧状の凹溝61がそれぞれ形成されている。この樹脂カバー層５は実施例１と同様のマトリックスと短繊維とから形成され、短繊維は、電池セル１を中心とする放射状に配向している。

この電池モジュールは、図８に示すように、隣接する電池モジュールの長尺平面60どうしが当接するように複数個積層されて組電池とされる。この組電池では、長尺平面60どうしが当接して密着され、図９に示すように三つの凹溝61が組合わされてなり両端に開口するトンネル状の冷却通路62が複数形成されている。この組電池は、図８に波線で示すように各電池セル１が直列に接続されて用いられる。

すなわち本実施例の電池モジュールを用いた組電池によれば、各電池モジュールどうしが緊密に当接し、かつ樹脂カバー層６は放射状に配向した短繊維によって熱伝導性が高い。さらに、それぞれの電池モジュールは電池セル１の軸方向に平行に延びる複数の冷却通路62に囲まれている。したがって各電池モジュールに配置された複数の電池セル１の冷却効率のばらつきが解消され、均一に冷却することができるので、充放電特性の寿命を長くすることができる。

図10に本実施例の電池モジュールが積層されてなる組電池の正面図を示す。本実施例の電池モジュールは、実施例１と同様の電池セル１と、電池セル１の外周表面に被覆された樹脂カバー層７とからなる。

樹脂カバー層７は断面正三角形の角柱からなり、三つの側面に長尺平面70が形成され、長尺平面70どうしが交差する部位に一端面から他端面まで延びる断面円弧状の凹溝71がそれぞれ形成されている。この樹脂カバー層７は実施例１と同様のマトリックスと短繊維とから形成され、短繊維は、電池セル１を中心とする放射状に配向している。

この電池モジュールは、図10に示すように、隣接する電池モジュールの長尺平面70どうしが当接するように複数個積層されて組電池とされる。この組電池では、長尺平面70どうしが当接して密着され、六つの凹溝71が組合わされてなり両端に開口するトンネル状の冷却通路72が複数形成されている。この組電池は、図10に波線で示すように各電池セル１が直列に接続されて用いられる。

すなわち本実施例の電池モジュールを用いた組電池によれば、各電池モジュールどうしが緊密に当接し、かつ樹脂カバー層７は放射状に配向した短繊維によって熱伝導性が高い。さらに、それぞれの電池モジュールは、電池セル１の軸方向に平行に延びる三つの冷却通路72に囲まれている。したがって各電池モジュールに配置された複数の電池セル１の冷却効率のばらつきが解消され、均一に冷却することができる。

さらに本実施例の電池モジュールを用いた組電池によれば、冷却通路72の断面積を他の実施例より大きくすることができるので、通風抵抗が低減され冷却効率が向上する。

本発明の電池モジュールは、複数個積層して組電池とすることで、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、電気自動車などの他、家電製品、パソコンなどに利用することができる。

１：電池セル
２：樹脂カバー層
20,50,60,70：長尺平面（当接面）
21,51,61,71：凹溝
22：マトリックス
23：短繊維
24,52,62,72：冷却通路

Claims (5)

1. 長手方向の両端に端子を有する電池セルと、該電池セルの外周表面に被覆され電気絶縁性と熱伝導性を備えた樹脂カバー層とからなり、中心軸方向が互いに平行となるように複数個積層されることで組電池とされる電池モジュールであって、
   該樹脂カバー層は、隣接する他の電池モジュールの該樹脂カバー層と面接触して当接する当接面と、該当接面に連続して延びる凹溝と、を有し、
   該樹脂カバー層は電気絶縁性を有するマトリックスとマトリックス中に含まれ該マトリックスより熱伝導率が高い充填材とからなり、該充填材は短繊維形状をなし該電池セルの表面から該当接面に向かう方向に配向し、
   複数個の電池モジュールが積層されて組電池とされたときに該当接面どうしが当接するとともに隣接する複数の該凹溝からトンネル状の冷却通路が形成されることを特徴とする電池モジュール。
2. 前記凹溝は前記電池セルの中心軸方向と平行に延びている請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記電池セルの中心軸方向に直交する平面で切った前記樹脂カバー層の断面は多角形状をなし、その多角形断面の角部に断面円弧状の前記凹溝が形成されている請求項１又は請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記樹脂カバー層の前記多角形断面は正方形である請求項３に記載の電池モジュール。
5. 前記樹脂カバー層の前記多角形断面は正六角形である請求項３に記載の電池モジュール。

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