JP5478791B2

JP5478791B2 - 組電池

Info

Publication number: JP5478791B2
Application number: JP2009169143A
Authority: JP
Inventors: 勲阿部
Original assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Current assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: JP2011023296A

Description

本発明は、各単電池の熱を外部に効率的に放熱可能な組電池に関する。

従来、多様な負荷電圧や負荷容量に対し共通化された電池で対応する為に、電池を直列接続や並列接続、又はそれらを組み合わせた接続をし、組電池を構成することが多い。特に、近年は、急速充填や高率放電にて使用される用途が増大し、電池温度が高温になり易く、寿命を縮める原因となっている。特に、扁平形電池の長側面同士を接するように組電池を構成した場合、放熱経路がタブリード以外ほとんど無く、中央部に位置する電池の温度が非常に高くなり、他に位置する電池よりも早期に寿命意至り、結果的に組電池としての寿命が短くなってしまう。

このような課題を解決するため、特許文献１や特許文献２が提案されている。特許文献１では、単電池間に隙間を開け、そこに冷却風を流して冷却する空冷方式が開示されている。特許文献２には、単電池間に冷却液を循環させる水冷方式が開示されている。

特開２００５−１０８７５０号公報特開２００３−３４６９２４号公報

しかしながら、上記方式では、単電池間に冷却風や冷却液を循環させるための隙間が必要になり、その分、組電池の大きさが大きくなってしまう。また、これらの方式の組電池を、自動車や航空機などの常に大きな衝撃が加わる移動体に使用した場合、単電池間に隙間を設けているために、耐振設計が複雑になり、十分な耐振構造を得ることが難しく、コスト高も招く。

なお、電池に限らず、極一般的な放熱手段として、熱源の熱をアルミニウムや銅などでできたヒートシンクに伝熱させ、そのヒートシンクから空気中に放熱させる手段がよく知られている。しかし、この方法を電池に適用すると、どうしても質量が大きくなり、コストも高くなる。

本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、組電池の質量増大やコスト高を招くことなく、温度上昇を抑制しえる寿命性能のよい組電池を提供することを目的とする。

本発明に係る組電池は、電池収納ケース内に複数の角形単電池を互いに隣接する面が前記電池収納ケース内の設置面に対して交差するように設置、収納した組電池であって、
前記複数の角形単電池と前記電池収納ケース内の設置面との間に配置した熱伝導性シリコーンゴムシートと、
前記複数の角形単電池の互いに隣接する面の間、および前記複数の角形単電池の隣接方向の端部に位置し、前記電池収納ケースの内面と対向する角形単電池の面にそれぞれ配置した複数の矩形状アルミニウム板と
を具備し、
前記各矩形状アルミニウム板は、４つの辺が前記角形電池の互いに隣接する面の４つ辺から０．０５〜０．１ｍｍ突出し、前記熱伝導性シリコーンゴムシート側に位置する前記各矩形状アルミニウム板の突出部を前記熱伝導性シリコーンゴムシートに食い込ませ、各矩形状アルミニウム板の突出部を前記熱伝導性シリコーンゴムシートに密着させ、同時に前記複数の角形単電池を前記熱伝導性シリコーンゴムシートに密着させることを特徴とする。

本発明によれば、組電池の質量増大やコスト高を招くことなく、温度上昇を抑制しえる寿命性能のよい組電池が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る組電池の概略的な斜視図。本発明の第２の実施形態に係る組電池の概略的な斜視図。図２の展開図。

本発明に係る組電池について以下に詳細に説明する。
本発明において、単電池と組電池設置部間に配置される熱伝導性部材としては、例えば熱伝導性シート、熱伝導性接着剤、熱伝導性ペースト、熱伝導性ゲルが挙げられる。ここで、前記熱伝導性シートとは、熱伝導性に優れる物質を樹脂やゴムに混合してシート状に固化したものである。前記熱伝導性接着剤とは、熱伝導性に優れる物質を接着性物質に混合したものである。前記熱伝導性ペーストとは、熱伝導性に優れる物質を粘性のある物質で混合したものである。前記熱伝導性ゲルとは、熱伝導性に優れる物質にゲルを配合したもの（シリコーンゲル等）である。

こうした熱伝導性部材を単電池と組電池設置部間に配置することにより、単電池の熱を組電池設置部に伝熱させ、組電池設置部から外部に放熱することができる。
上記熱伝導性シートを、幅方向（図１のｘ方向）の熱伝導率が低く、厚み方向（図１のｙ方向）の熱伝導率が高いシートにすることにより、更に効率よく組電池の熱を組電池設置部に伝熱させ、組電池設置部から外部に放熱することができる。前記熱伝導性シートとしては、例えばカーボン結晶を幅方向に積層させたカーボンシートが挙げられる。

カーボンシートは、カーボン結晶の配列方向により熱伝導率が異なり、厚み方向にカーボン結晶を積層させることにより、幅方向の熱伝導率は２００〜５００Ｗｈ／ｃｍ^２と非常に高く、厚み方向の熱伝導率は１０Ｗｈ／ｃｍ^２以下と幅方向の熱伝導率に比べて低くできる。このようなカーボンシートを使用することで、組電池の熱を非常に効率的に組電池設置部に伝熱させ、組電池設置部から外部に放熱することができる。

本発明において、前記熱伝導性部材をゴム弾性体の熱伝導性部材にすることが好ましい。前記ゴム弾性体の熱伝導性部材を組電池等に用いる場合、設置，配置等の観点からシート状（ゴム弾性熱伝導シート）とすることが好ましい。ゴム弾性熱伝導シートを用いることにより、耐振性が向上する。ここで、ゴム弾性体の熱伝導性部材としては、例えば硬化後ゴム弾性体になる熱伝導性接着剤や、熱伝導性シリコーンゴムシートが挙げられる。本発明において、ゴム弾性熱伝導性シートとカーボン結晶を幅方向に積層させたカーボンシートとを積層させることが好ましい。これにより、放熱性と耐振性を兼ね合わせることができる。

本発明において、単電池間に熱伝導率の高い板を配置し、この板が前記熱伝導性部材と密着するように配置することが好ましい。熱伝導率の高い板としては、アルミニウムや銅などの金属板が挙げられる。こうした金属板の配置により、各単電池の熱を、金属板を介して熱伝導性部材に移動させることができる。ここで、前記金属板は熱伝導率が全方向に同じであるため、隣接する単電池を加熱してしまう。しかし、厚み方向の熱伝導率が低く、幅方向の熱伝導率が厚み方向の熱伝導率より高いシート（熱拡散シート）を配置することにより、隣接する単電池へは熱をあまり伝えず、効率的に熱を移動することができる。

また、前記熱伝導性の高い板は夫々の単電池より若干突出させることにより熱伝導性の高い板と外部（空気）との接触面積を増加させ、放熱性を向上させることが可能である。特に、突出した熱伝導性の高い板（熱拡散シート）を熱伝導性部材に密着（突出している分、熱伝導部材に食込む形となる。）させることにより、熱伝導性の高い板と熱伝導性部材との密着性が向上し放熱性が促進される。なお、熱伝導性の高い板はその大きさは特に限定するものではないが、突出部が０．１ｍｍ以下とすることが好ましい。ここで、突出部が０．１ｍｍ超過すると、熱伝導シートを破損する恐れがあり、組電池の熱を放熱する力が低下する。

前記厚み方向の熱伝導率が低く、幅方向の熱伝導率が厚み方向の熱伝導率より高い熱拡散シートとしては、例えば厚み方向にカーボン結晶を積層させたカーボンシートやヒートプレートがあるが、軽量化を考えた場合、安価で軽量なカーボンシートが適している。

前記カーボンシートは、カーボン結晶の配列方向により熱伝導率が異なり、カーボン結晶を厚み方向に積層させることにより、幅方向の熱伝導率は２００〜５００Ｗｈ／ｃｍ^２と非常に高く、厚み方向の熱伝導率は１０Ｗｈ／ｃｍ^２以下と幅方向の熱伝導率に比べて低くできる。このようなカーボンシートを使用することで、隣接する単電池へは熱をあまり伝えず、効率的に熱を移動することができる。

次に、本発明に係る組電池について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る組電池の概略的な斜視図を示す。図中の符番１は互いに隣接して設置（立設）された単電池である。各単電池１の上部には、柱状（円柱状）の正極端子２，及び柱状（円柱状）の負極端子３が夫々取付けられている。各単電池１の正極端子２と負極端子３とは、夫々隣接する異極性の端子同士を接続板４により電気的に直列に接続されている。各単電池１の外側に露出する主面及び側面に、各単電池１を固定するための結束具６が各単電池１に接して巻かれており、各単電池１を結束具６によって固定することで組電池８が構成されている。前記組電池８は、金属製（アルミニウム、ステンレス、スチール、鉄−ニッケルメッキ、マグネシウム等）の組電池設置部９に設置され、前記単電池１と組電池設置部９間には熱伝導性部材７が設置されている。

なお、前記組電池８を図示しない電池収納ケースに収納し、該電池収納ケースは内部に積層された単電池１に対して高い気密性を有し、熱伝導性の高い材料を用いることが好ましい。前記電池収納ケースの材料としては、金属製（アルミニウム、ステンレス、スチール、鉄−ニッケルメッキ、マグネシウム等）、合成樹脂製（ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂等の高融点樹脂）、熱伝導プラスチック等を用いることができる。

（第２の実施形態）
図２及び図３は本発明の第２の実施形態に係る組電池であり、図２は概略的な斜視図、図３は図２の展開図である。なお、図１と同部材は同符番を付して説明を省略する。
図２，３中の符番１１は、単電池１間に配置された熱拡散シートである。この熱拡散シート１１は、各単電池１と組電池設置部９間に配置された熱伝導性部材７と当接するように設置されている。熱拡散シート１１は単電池より若干突出する大きさとし、熱伝導性部材７に熱拡散シート１１が密着する（食込む）様に設置することが好ましい。

次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
最初に、長さ１４０ｍｍ，幅８０ｍｍ，厚み１０ｍｍの定格容量１０Ａｈのリチウムイオン蓄電池（単電池）を公知の方法にて作製し、前記リチウムイオン蓄電池（単電池）を隣接する異極性の端子同士を接続板を用いて８個直列に接続して、２４Ｖ−１０Ａｈの組電池を作製した。

（実施例１）
上記のように作製した組電池を、図示しない電池収納ケースに前記組電池と前記収納ケース底面である組電池設置部間に熱伝導性部材としてカーボンシートを配して収納、設置した。この組電池を電池Ａとした。

（実施例２）
上記のように作製した組電池を、図示しない電池収納ケースに前記単電池と前記収納ケース底面である組電池設置部間に熱伝導性部材として熱伝導性シリコーンゴムートを配して収納、設置した。この組電池を電池Ｂとした。

（実施例３）
上記のように作製した組電池を、図示しない電池収納ケースに前記単電池と前記収納ケース底面である組電池設置部間に熱伝導性部材として熱伝導性接着剤を配して収納、設置した。この組電池を電池Ｃとした。

（実施例４）
上記のように作製した組電池を、図示しない電池収納ケースに前記単電池と前記収納ケース底面である組電池設置部間に熱伝導性部材として熱伝導性ペーストを配して収納、設置した。この組電池を電池Ｄとした。

（実施例５）
まず、組電池設置面と交差する各単電池の隣接する当接面間及び単電池と電池収納ケース間に、アルミニウム板を付けて組電池を作製した。次に、その組電池を電池収納ケースに前記単電池と電池収納ケース底面である組電池設置部間に熱伝導性部材として熱伝導性シリコーンゴムシートを配して収納、設置した。この電池を電池Ｅとした。

（実施例６）
まず、組電池設置面と交差する各単電池の隣接する当接面間及び単電池と電池収納ケース間に、厚み方向にカーボン結晶を積層させた熱拡散シート（カーボンシート）を付けて組電池を作製した。次に、その組電池を電池収納ケースに前記単電池と前記電池収納ケース底面である組電池設置部間に熱伝導性部材として熱伝導性シリコーンゴムシートを配して収納、設置した。この電池を電池Ｆとした。

（実施例７）
まず、組電池設置面と交差する各単電池の隣接する当接面間及び単電池と電池収納ケース間に、アルミニウム板を積層する各単電池の隣接する当接表面から四周の外方へ０．０５ｍｍずつ突出するように設けて組電池を作製した。次に、その組電池を電池収納ケースに前記単電池と電池収納ケース底面である組電池設置部間に熱伝導性部材として熱伝導性シリコーンゴムシートを配し、前記アルミ板が熱伝導性部材と密着するように（アルミ板が熱伝導性部材に食込むように）収納、設置した。この電池を電池Ｇとした。

（実施例８）
まず、組電池設置面と交差する各単電池の隣接する当接面間及び単電池と電池収納ケース間に、厚み方向にカーボン結晶を積層させた熱拡散シート（カーボンシート）を付けて組電池を作製した。次に、その組電池を電池収納ケースに前記単電池と電池収納ケース底面である組電池設置部間に熱伝導性部材として幅方向にカーボン結晶を積層させたカーボンシートの両面に熱伝導性シリコーンゴムシートを配して収納、設置した。この電池を電池Ｈとした。

（比較例１）
単電池を電池収納ケース底面である組電池設置部間に熱伝導性部材を設けなかった以外は、実施例１と同様に組電池を電池収納ケースに収納、設置した。この組電池を電池Ｉとした。

［実験１］
上述した本発明による電池Ａ乃至Ｈと比較例による電池Ｉを、以下の条件で充放電を繰り返した時の各単電池の温度を測定した。各単電池の温度は、各単電池の中央部に熱電対を取り付けた測定した。その結果を下記表１に示す。但し、充電条件、放電条件は、次のとおりである。
充電条件：ＣＣ−ＣＶ１．０ＣＡ，３３．２Ｖ，０．０５ＣＡＣｕｔ−ｏｆｆ
放電条件：ＣＣ９．０ＣＡ，１７．２ＶＣｕｔ−ｏｆｆ

上記表１から分かるように、本発明の電池（電池Ａ乃至Ｈ）は、比較例（電池Ｉ）の電池と比べて単電池の温度を低く抑えることができる。また、熱伝導性部材としてカーボンシートを用いた電池Ａ及び電池Ｆは、他の熱伝導性部材を用いた電池Ｂ乃至Ｅ及び電池Ｈに比べ、単電池の温度上昇を低く抑えることが可能である。

更に、単電池間に熱拡散シートを設けることで放熱性が促進され、電池Ｇのようにアルミ板を積層する各単電池表面から０．０５ｍｍずつ突出するように設けて組電池を作製することで、より熱伝導性の高い板と熱伝導性部材との密着性が向上し、他の組電池に比べて放熱性が促進されたものと考えられる。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…単電池、２…正極端子、３…負極端子、４，５…単電池接続板、６…結束具、７…熱伝導性部材、８…組電池、９…組電池設置部、１１…熱拡散シート。

Claims

電池収納ケース内に複数の角形単電池を互いに隣接する面が前記電池収納ケース内の設置面に対して交差するように設置、収納した組電池であって、
前記複数の角形単電池と前記電池収納ケース内の設置面との間に配置した熱伝導性シリコーンゴムシートと、
前記複数の角形単電池の互いに隣接する面の間、および前記複数の角形単電池の隣接方向の端部に位置し、前記電池収納ケースの内面と対向する角形単電池の面にそれぞれ配置した複数の矩形状アルミニウム板と
を具備し、
前記各矩形状アルミニウム板は、４つの辺が前記角形電池の互いに隣接する面の４つ辺から０．０５〜０．１ｍｍ突出し、前記熱伝導性シリコーンゴムシート側に位置する前記各矩形状アルミニウム板の突出部を前記熱伝導性シリコーンゴムシートに食い込ませ、各矩形状アルミニウム板の突出部を前記熱伝導性シリコーンゴムシートに密着させ、同時に前記複数の角形単電池を前記熱伝導性シリコーンゴムシートに密着させることを特徴とする組電池。