JP6569913B2 - Battery pack - Google Patents
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Description
本発明は、電池パックに関する。 The present invention relates to a battery pack.
軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池その他の二次電池は高出力が得られる電源として、車両搭載用電源、或いはパソコンおよび携帯端末の電源として重要性が高まっている。この種の電池セルにおいては、充放電を行う際に電池セル内で熱が発生するため、発生した熱を速やかに冷却できるように電池セルの放熱性を確保することが要求される。かかる要求に応える従来の手法として、例えば特許文献1には、電池セルの底面に冷却プレートを設けて、電池セルの底面から電池セルを冷却する缶底冷却方式が提案されている。
Lithium-ion secondary batteries, nickel-metal hydride batteries, and other secondary batteries that are lightweight and have high energy density are becoming increasingly important as power sources for vehicles, power supplies for vehicles, and personal computers and portable terminals. . In this type of battery cell, since heat is generated in the battery cell when charging and discharging, it is required to ensure the heat dissipation of the battery cell so that the generated heat can be quickly cooled. As a conventional technique that meets such demands, for example,
上述した缶底冷却方式では、図2に示すように、電池セル1を冷却プレート2上に載置し、電池セル1の底面1Aと冷却プレート2とを熱伝導シート3を介して接触させ、電池セル1の底面1Aと冷却プレート2との間で熱交換を行うことにより、電池セル1を冷却している。
しかしながら、自動車等の車両に搭載される電池セルは、振動が発生する状態での使用が前提となることから、相当な荷重が加えられた状態で拘束されることが多く、かかる拘束時の荷重によって電池セル1の底面1Aが変形し、図2の破線で示すように、冷却プレート2側に膨らむ可能性がある。また、拘束荷重が付与されていない場合でも、使用時に電池セル1に何らかの圧力がかかると、電池セル1の底面1Aが変形し、冷却プレート2側に膨らむ可能性がある。
電池セル1の底面1Aが冷却プレート2側に膨らむと、電池セル1の底面1Aの膨らんだ部分(図2では中央部分)4では熱伝導シート3が冷却プレート2との間で押しつぶされ、熱伝導シート3の厚みが薄くなり、一方、電池セル1の底面1Aの膨らんでいない部分(図2では端部分)5では、熱伝導シート3の厚みは厚いままに保たれる。そのため、熱伝導シート3の厚みにばらつきが生じ、厚い部分では熱が伝わりにくく、薄い部分では熱が伝わりやすくなる結果、電池セル1の冷却性能に場所によるばらつきが生じるという問題があった。
In the can bottom cooling method described above, as shown in FIG. 2, the
However, since a battery cell mounted on a vehicle such as an automobile is assumed to be used in a state where vibration is generated, the battery cell is often restrained in a state where a considerable load is applied. As a result, the
When the
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、電池セルが冷却器側に膨張した場合でも、電池セルの冷却性能に場所によるばらつきが生じることを抑制し得る、電池パックを提供することである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and the main purpose thereof is to suppress variation in the cooling performance of the battery cell depending on the location even when the battery cell expands to the cooler side. It is to provide a battery pack.
本発明によって提供される電池パックは、外形を角形とする電池セルと、前記電池セルの一面に対向するように配置された冷却器と、前記電池セルの一面と前記冷却器との間に配置された熱伝導シートと、前記電池セルの一面と前記熱伝導シートとの間に介在するフィルム材とを備える。前記電池セルの一面と前記冷却器とは、前記フィルム材および前記熱伝導シートを介して接触するように配置されている。前記フィルム材は、厚肉部と、該厚肉部よりもフィルム厚みが薄い薄肉部とを有する。そして、前記厚肉部は、前記フィルム材に接する前記電池セルが前記冷却器側に膨張したときに、前記電池セルの寸法変形が相対的に大きいところと相対する部分を構成し、前記薄肉部は、前記フィルム材に接する前記電池セルが前記冷却器側に膨張したときに、前記電池セルの寸法変形が相対的に小さいところと相対する部分を構成している。かかる構成によると、電池セルが冷却器側に膨張した場合でも、電池セルの冷却性能に場所によるばらつきが生じることを抑制し得、電池セルをより均一に冷却することが可能となる。 The battery pack provided by the present invention includes a battery cell having a rectangular outer shape, a cooler disposed to face one surface of the battery cell, and disposed between the one surface of the battery cell and the cooler. And a film material interposed between the one surface of the battery cell and the heat conductive sheet. One surface of the battery cell and the cooler are arranged so as to contact each other via the film material and the heat conductive sheet. The said film material has a thick part and a thin part whose film thickness is thinner than this thick part. And when the said battery cell which contact | connects the said film material expand | swells to the said cooler side, the said thick part comprises the part facing the place where the dimensional deformation of the said battery cell is relatively large, The said thin part Constitutes a portion opposite to a place where the dimensional deformation of the battery cell is relatively small when the battery cell in contact with the film material expands to the cooler side. According to such a configuration, even when the battery cell expands toward the cooler, it is possible to suppress variation in the cooling performance of the battery cell depending on the location, and the battery cell can be cooled more uniformly.
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、各図面は、模式的に描いており、必ずしも実物を反映しない。また、各図面は、一例を示すのみであり、各図面は、特に言及されない限りにおいて本発明を限定しない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field. In addition, each drawing is drawn typically and does not necessarily reflect a real thing. Each drawing shows only an example, and each drawing does not limit the present invention unless otherwise specified.
図1を参照しながら本実施形態に係る電池パック100の構成について説明する。図1は、本実施形態に係る電池パック100の構成を模式的に示す正面図である。
The configuration of the
本実施形態に係る電池パック100は、電池セル10と、冷却器20と、熱伝導シート30と、フィルム材40とを備えている。
The
電池セル10は、外形を角形とする電池セルであり、正極および負極を備える電極体(図示せず)と、該電極体および電解質を収容する電池ケース12とを備える。電極体は、所定の電池構成材料(正負極それぞれの活物質、正負極それぞれの集電体、セパレータ等)から構成されている。ここでは電極体として扁平形状の捲回電極体が用いられている。電池ケース12は、扁平形状の捲回電極体を収容し得る角型の形状を有する。電池ケース12は、熱伝導性が良い金属材料から構成されている。このような金属材料としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼などが挙げられる。電池ケース12を構成する外壁は、電池セルの厚み方向の両端に形成された幅広な側面12Aと、電池セルの幅方向の両端に形成された幅狭な側面12Bと、上面12Cと、底面12Dとから構成されている。電池ケース12の上面12Cには、捲回電極体の正極と電気的に接続する正極端子60および負極と電気的に接続する負極端子62が設けられている。
The
冷却器20は、電池セル10の一面に対向するように配置され、電池セル10の一面から電池セル10を冷却するものとして構成されている。この実施形態では、冷却器20は、フィルム材40および熱伝導シート30を介して電池セル10の底面12Dと接触するように配置され、フィルム材40および熱伝導シート30を介して電池セル10との間で熱交換(典型的には電池セル10から冷却器20へ熱を移動)を行う。冷却器20としては、電池セル10との間で熱交換し得るものであれば特に制限されない。例えば、冷却器20は、内部に冷媒(例えば空気や冷却水など)が流れる配管を備えた冷却プレートであり得る。
The
熱伝導シート30は、電池セル10の一面と冷却器20との間に配置され、電池セル10の熱を冷却器20に伝えるものとして構成されている。この実施形態では、熱伝導シート30は、電池セル10の底面12Dに配置されたフィルム材40と、冷却器20とに当接するように配置されている。熱伝導シート30としては、電池セル10の熱を冷却器20に効率よく伝達し得るように、熱伝導率が高いシートであることが好ましい。例えば、熱伝導率が2W/m・k以上(例えば2W/m・k以上10W/m・k以下)、好ましくは2.5W/m・k以上、より好ましくは3W/m・k以上の熱伝導率を有するシートを好適に用いることができる。また、冷却器20および電池セル10との密着性が良好となるように、適度な弾性を有する熱伝導シートを用いることが好ましい。このような条件を満たす熱伝導シート30を特に制限なく用いることができる。かかる熱伝導シート30としては、アクリル系樹脂製の熱伝導シートを好適に用いることができる。熱伝導シート30の厚みは特に限定されないが、通常は1mm〜5mmにすることが適当であり、好ましくは1.5mm〜3mmである。
The heat
フィルム材40は、電池セル10の一面と熱伝導シート30との間に介在する部材である。この実施形態では、電池セル10全体がフィルム材40で外装されている。フィルム材40を構成する材料としては、ポリプロピレン(PP:熱伝導率0.1W/m・k〜0.2W/m・k)等のポリオレフィン系樹脂;ポリエチレンテレフタラート(PET:熱伝導率0.1W/m・k〜0.35W/m・k)等のポリエステル系樹脂;ポリ塩化ビニル(PVC:熱伝導率0.1W/m・k〜0.3W/m・k)等の塩化ビニル系樹脂;等の絶縁性樹脂を好適に用いることができる。フィルム材40の熱伝導率は特に限定されないが、通常は0.1W/m・k以上1W/m・k以下、典型的には0.1W/m・k以上0.5W/m・k以下であり得る。
The
フィルム材40は、厚肉部44と薄肉部42とを有している。薄肉部42のフィルム厚みt1は、厚肉部44のフィルム厚みt2よりも薄い(t1<t2)。
The
厚肉部44は、フィルム材40に接する電池セル10が冷却器20側に膨張したときに、電池セル10の寸法変形が相対的に大きいところと相対する部分を構成している。薄肉部42は、フィルム材40に接する電池セル10が冷却器20側に膨張したときに、電池セル10の寸法変形が相対的に小さいところと相対する部分を構成している。この実施形態では、図1の破線で示すように、電池セル10が冷却器20側に膨張したときに、電池セル10の底面12Dにおける中央部50が該中央部50を囲む端部(周縁部)52に比べて寸法変形が大きい。そのため、厚肉部44は電池セル10の底面12Dにおける中央部50と相対する部分を構成し、薄肉部42は電池セル10の底面12Dにおける端部52と相対する部分を構成している。薄肉部42は、電池セル底面12Dの中央側から端側に向けて漸次薄くなるように形成されている。厚肉部44は一定の厚みである。
The
ここで、何らかの圧力に起因して電池セル10の底面12Dが冷却器20側に膨らむと、電池セル10の底面12Dの膨らんだ部分では熱伝導シート30が冷却器20との間で押しつぶされ、熱伝導シート30の厚みT2が薄くなり、一方、電池セル10の底面12Dのあまり膨らんでいない部分では、熱伝導シート30の厚みT1は比較的厚いままに保たれる。そのため、熱伝導シート30の厚みにばらつきが生じ(T2<T1)、厚い部分では熱が伝わりにくく、薄い部分では熱が伝わりやすくなる結果、電池セル10の冷却性能に場所によるばらつきが生じる可能性がある。
Here, when the
これに対し、上記構成によれば、電池セル10が冷却器20側に膨張したときに、電池セル10の寸法変形が相対的に大きいところ(ひいては熱伝導シート30の厚みT2が薄くなる部位)に相対する位置に厚みt2を有する厚肉部44が配置され、かつ、電池セル10の寸法変形が相対的に小さいところ(ひいては熱伝導シート30の厚みT1が厚くなる部位)に相対する位置に厚みt1を有する薄肉部42が配置されているので、電池セル10の寸法変形が相対的に大きいところと、電池セル10の寸法変形が相対的に小さいところとの間で、フィルム材40と熱伝導シート30とを重ねた合計厚み(t2+T2、t1+T1)の差(ばらつき)が小さく抑えられる。そのため、電池セル10が冷却器20側に膨張した場合でも、電池セル10の冷却性能に場所によるばらつきが生じるのを抑制することができる。
On the other hand, according to the said structure, when the
この実施形態では、電池セル10が冷却器20側に膨張したときに、熱伝導シート30が厚くなる部位(厚みT1を有する部位)は、電池セル底面12Dの中央側から端側に向けて漸次厚くなるように変形している。この熱伝導シート30の変形を考慮して、フィルム材40の薄肉部42は、電池セル底面12Dの中央側から端側に向けて漸次薄くなるように形成されている。このように熱伝導シート30の変形を考慮して薄肉部42の厚みt1を逓減させることにより、電池セル10の冷却性能に場所によるばらつきが生じるのをより効果的に抑制することができる。
In this embodiment, when the
フィルム材40の薄肉部42の厚み(図1では最も薄い最小厚み)t1は、厚肉部44の厚みt2との間で前記関係を満たす限りにおいて特に制限されない。薄肉部42の厚みt1は、通常は0.08mm未満にすることが適当であり、好ましくは0.06mm以下、より好ましくは0.05mm以下である。また、薄肉部42の厚みt1の下限は特に限定されないが、例えば0.01mm以上であり、好ましくは0.03mm以上である。ここで開示される技術は、上記薄肉部42の厚みt1が、例えば0.01mm以上0.06mm以下(典型的には0.03mm以上0.05mm以下)である態様で好ましく実施され得る。なお、薄肉部42の厚みt1は、フィルム材40の薄肉部42が形成される部位に熱をかける(例えば熱プレスする)等の手法により任意に調整することができる。
The thickness (the thinnest minimum thickness in FIG. 1) t1 of the
フィルム材40の厚肉部44の厚みt2は、薄肉部42の厚みt1との間で前記関係を満たす限りにおいて特に制限されない。厚肉部44の厚みt2は、通常は0.08mm以上にすることが適当であり、好ましくは0.1mm以上、より好ましくは0.12mm以上である。また、厚肉部44の厚みt2の上限は特に限定されないが、例えば0.2mm以下であり、好ましくは0.15mm以下である。ここで開示される技術は、上記厚肉部44の厚みt2が、例えば0.08mm以上0.15mm以下(典型的には0.1mm以上0.12mm以下)である態様で好ましく実施され得る。
The thickness t2 of the
図1に示す形態では、熱伝導シート30の変形を考慮して、フィルム材40の薄肉部42は、電池セル10の中央側から端側に向けて漸次薄くなるように形成されている。これに限らず、薄肉部42は一定の厚みとしてもよい。この場合、薄肉部42を有するフィルム材40を簡易に形成することができる。
また、図1に示す形態では、電池セル10の底面12Dに対向するように冷却器20を配置する場合を例示したが、冷却器20の配置箇所はこれに限定されない。例えば、電池セル10の幅広な側面12Aに対向するように冷却器20を配置し、該幅広な側面12Aから電池セル10を冷却するように構成してもよい。この場合でも、薄肉部42および厚肉部44を有するフィルム材40を用いることで、上述した効果を得ることができる。
In the form shown in FIG. 1, considering the deformation of the heat
Moreover, although the case where the cooler 20 is arrange | positioned so that the
次に、上記電池セル10を単電池とし、該単電池の複数個を直列に接続してなる組電池について説明する。
Next, an assembled battery in which the
この組電池は、複数の電池セル10が所定方向に配列され且つ該配列方向に荷重が加えられた状態で拘束されている。具体的には、複数の電池セル10は、それぞれの正極端子60および負極端子62が交互に配置されるように一つずつ反転させて配置されており、電池ケース12の幅広な側面12Aが対向する方向に配列される。
The assembled battery is constrained in a state where a plurality of
そして、配列させた電池セル10の周囲には、複数の電池セル10をまとめて拘束する拘束部材が配備される。即ち、単電池配列方向の最外側に位置する電池セル10の更に外側には、一対の拘束板が配置される。また、当該一対の拘束板を架橋するように締付け用ビーム材が取り付けられる。そして、ビーム材の端部をビスにより拘束板に締め付け且つ固定することによって上記電池セル10をその配列方向に所定の荷重(例えば電池ケースの幅広な側面12Aが受ける面圧が0.1×106〜10×106Pa程度)が加わるように拘束することができる。ビーム材の締め付け具合に応じたレベルで、締め付け方向(即ち配列方向)への拘束荷重(面圧)が各電池セル10の幅広な側面12Aに加えられる。
A restraining member that restrains the plurality of
このように拘束された各電池セル10の底面12Dに対向するように、冷却器20が配置される。また、各電池セル10と冷却器20との間に熱伝導シート30が配置され、各電池セル10と熱伝導シート30との間にさらにフィルム材40が配置される。冷却器20、熱伝導シート30およびフィルム材40の詳細については、前述したとおりであるので、重複した説明は省略する。かかる組電池においては、上述した拘束荷重によって各電池セル10の底面12Dが冷却器20側に膨らむ可能性があるが、フィルム材40に前記薄肉部42および厚肉部44を設けることで、電池セル10の冷却性能に場所によるばらつきが生じることを抑制し得る。そのため、電池セル10をより均一に冷却することが可能となる。ここに開示される電池パック100は、このように複数の電池セル10を拘束して使用する組電池に好適に適用され得る。
The cooler 20 is disposed so as to face the
本発明の適用効果を確認するため、以下の試算を行った。 In order to confirm the application effect of the present invention, the following trial calculation was performed.
電池パックにおいて、冷却器から電池セルの底面までの熱抵抗を合計熱抵抗として算出した。フィルム材の材質はPET(熱伝導率0.3W/m・k)、厚みは0.1mm、熱伝導シートの材質はアクリル系樹脂(熱伝導率3W/m・k)、厚みは2mmとした。また、電池セルの底面の変形量は0.5mmとし、変形後においては熱伝導シートの薄くなった部分の厚みが1.5mm、厚い部分の厚みが2mmであると仮定した。変形前における熱抵抗を表1、変形後における対策前(すなわちフィルム材の厚みが一定のとき)の電池セルの端部52の熱抵抗を表2−1、中央部50の熱抵抗を表2−2、変形後における対策後(すなわちフィルム材に薄肉部および厚肉部を設けたとき)の電池セルの端部52の熱抵抗を表3−1、中央部50の熱抵抗を表3−2に示す。ここでは薄肉部の厚みは0.05mm、厚肉部の厚みは0.1mmとした。
In the battery pack, the thermal resistance from the cooler to the bottom surface of the battery cell was calculated as the total thermal resistance. The material of the film material was PET (thermal conductivity 0.3 W / m · k), the thickness was 0.1 mm, the material of the thermal conductive sheet was acrylic resin (thermal conductivity 3 W / m · k), and the thickness was 2 mm. . Further, the deformation amount of the bottom surface of the battery cell was set to 0.5 mm, and after the deformation, it was assumed that the thickness of the thinned portion of the heat conductive sheet was 1.5 mm and the thickness of the thick portion was 2 mm. Table 1 shows the thermal resistance before the deformation, Table 2 shows the thermal resistance of the
表2−1および表2−2に示すように、フィルム材の厚みを一定にすると、電池セルの端部と中央部とで熱抵抗に17%のばらつきが発生した。これに対し、表3−1および表3−2に示すように、フィルム材に薄肉部および厚肉部を設けた場合は、電池セルの端部と中央部とで熱抵抗のばらつきが減少した(試算では0%)。このことから、熱伝導シートの変形を考慮してフィルム材に薄肉部および厚肉部を設けることにより、冷却器から電池セルの底面までの合計熱抵抗のばらつきが解消または緩和され、電池セルの冷却性能に場所によるばらつきが生じることを抑制し得ることが確認された。 As shown in Tables 2-1 and 2-2, when the thickness of the film material was made constant, a variation of 17% occurred in the thermal resistance between the end and the center of the battery cell. On the other hand, as shown in Table 3-1 and Table 3-2, when a thin part and a thick part were provided in the film material, variation in thermal resistance was reduced between the end part and the central part of the battery cell. (Estimated by 0%) From this, considering the deformation of the heat conductive sheet, by providing the film material with a thin portion and a thick portion, the variation in the total thermal resistance from the cooler to the bottom surface of the battery cell is eliminated or alleviated, and the battery cell It has been confirmed that the cooling performance can be prevented from varying depending on the location.
10 電池セル
12 電池ケース
12D 底面
20 冷却器
30 熱伝導シート
40 フィルム材
42 薄肉部
44 厚肉部
50 中央部
52 端部
100 電池パック
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記電池セルの一面に対向するように配置された冷却器と、
前記電池セルの一面と前記冷却器との間に配置された熱伝導シートと、
前記電池セルの一面と前記熱伝導シートとの間に介在するフィルム材と
を備え、
前記電池セルの一面と前記冷却器とは、前記フィルム材および前記熱伝導シートを介して接触するように配置されており、
前記フィルム材は、厚肉部と、該厚肉部よりもフィルム厚みが薄い薄肉部とを有し、
前記厚肉部は、前記フィルム材に接する前記電池セルが前記冷却器側に膨張したときに、前記電池セルの寸法変形が相対的に大きいところと相対する部分を構成し、
前記薄肉部は、前記フィルム材に接する前記電池セルが前記冷却器側に膨張したときに、前記電池セルの寸法変形が相対的に小さいところと相対する部分を構成している、電池パック。
A battery cell having a rectangular outer shape;
A cooler disposed to face one surface of the battery cell;
A heat conductive sheet disposed between one surface of the battery cell and the cooler;
A film material interposed between one surface of the battery cell and the heat conductive sheet,
One surface of the battery cell and the cooler are arranged so as to be in contact with each other via the film material and the heat conductive sheet,
The film material has a thick portion and a thin portion having a film thickness smaller than the thick portion,
The thick portion constitutes a portion that is opposed to a location where the dimensional deformation of the battery cell is relatively large when the battery cell in contact with the film material expands to the cooler side,
The thin-walled portion constitutes a portion that is opposed to a portion where the dimensional deformation of the battery cell is relatively small when the battery cell in contact with the film material expands to the cooler side.
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