JP6598026B2 - 蓄電モジュール - Google Patents

Description

本明細書では、蓄電素子の放熱を行う技術を開示する。

従来、蓄電素子の放熱を行う技術が知られている。特許文献１は、電池モジュールがパックケースに収容されており、複数の単電池の正極端子と負極端子とがバスバーで電気的に接続されている。パックケースの下部に充填された冷媒が蒸発し、パックケースの上部で凝縮することにより、電池の熱が外部に放熱される。

特開２０１０−２１１９６３号公報

ところで、特許文献１では、パックケース内で冷媒の蒸発、凝縮を行うため、パックケースの全体を密閉する必要があり、蓄電モジュールの構成を簡素化することが容易ではないという問題がある。

本明細書に開示された技術は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、蓄電モジュールの構成を簡素化することを目的とする。

本明細書に記載された蓄電モジュールは、冷媒と前記冷媒を密閉状態で封入する封入体とを有する冷却部材と、前記冷却部材に重ねられる蓄電素子と、前記蓄電素子に対して前記冷却部材を挟んで重ねられる伝熱板と、を備え、前記封入体は、前記蓄電素子に重ならない領域において前記冷媒の蒸発により変形した膨出部を形成可能とされ、前記伝熱板は、前記膨出部が当接可能に折り返された折返し部を有する。

上記の構成によれば、蓄電素子の熱を、冷媒が封入体に密閉された冷却部材、伝熱板を介して放熱することが可能になるため、例えば蓄電素子が収容されたケース内に冷媒を充填する構成と比較して、必ずしもケースを密閉する必要がないため、蓄電モジュールの構成を簡素化することが可能になる。ここで、蓄電素子の放熱のために冷却部材及び伝熱板を用いる場合には、封入体が膨出変形した膨出部が伝熱板に接触していなければ、膨出部の熱が熱伝導性の低い空間（空気）を介して放熱されることになり、膨出部の放熱性が良くないという問題がある。本構成によれば、伝熱板は、封入体の膨出部に当接する折返し部を有するため、膨出部の熱が伝熱板の折返し部に伝わり、伝熱板を介して外部に放熱させることが可能になるため、放熱性を向上させることができる。

本明細書に記載された技術の実施態様としては以下の態様が好ましい。
前記折返し部の先端側は、前記膨出部側に曲げられた曲げ部を有する。
このようにすれば、曲げ部が膨出部の膨出を規制することができるため、膨出部が折返し部に密着しやすくなり、膨出部から伝熱板への熱伝導性を向上させることができる。

前記膨出部は、前記折返し部の内側に配される。
このようにすれば、膨出部と折返し部との間の伝熱性を高めることができる。

複数の前記冷却部材と、複数の前記蓄電素子と、複数の前記伝熱板と、を備え、前記複数の伝熱板は、隣り合う前記折返し部が間隔を空けて配置されており、前記膨出部は、隣り合う前記折返し部の間に挟まれる。
このようにすれば、隣り合う折返し部の間の隙間による熱伝導性の低下を抑制することができる。

複数の前記冷却部材と、複数の前記蓄電素子と、複数の前記伝熱板と、を備え、前記複数の伝熱板は、隣り合う前記折返し部が間隔を空けて配置されており、前記複数の伝熱板における隣り合う前記折返し部の間に挟まれるスペーサを備える。
このようにすれば、スペーサを介して隣り合う伝熱板間の熱の移動を促進できるため、蓄電素子の熱を伝熱板及びスペーサを介して放熱させることが可能になり、放熱性を向上させることができる。

前記冷却部材は、前記封入体内に配されて前記冷媒を吸収する吸収部材を備える。
このようにすれば、吸収部材により冷媒が移動しやすくなるため、冷却部材の冷却性能を向上させることが可能になる。

本明細書に記載された技術によれば、蓄電モジュールの構成を簡素化することができる。

実施形態１の蓄電モジュールを示す斜視図 蓄電モジュールを示す平面図 蓄電モジュールを示す正面図 図２のＡ−Ａ断面図 図４の一部を拡大した断面図 図５に対して封入体が膨出変形していない状態の断面図 伝熱板を示す平面図 伝熱板を示す正面図 実施形態２の蓄電モジュールを示す斜視図 蓄電モジュールを示す正面図 蓄電モジュールを示す断面図 図１１の一部を拡大した断面図 伝熱板を示す底面図 伝熱板を示す背面図 実施形態３の蓄電モジュールを示す斜視図 蓄電モジュールを示す正面図 蓄電モジュールを示す断面図 図１７の一部を拡大した断面図 実施形態４の蓄電モジュールを示す斜視図 蓄電モジュールを示す正面図 蓄電モジュールを示す断面図 図２１の一部を拡大した断面図

＜実施形態１＞
実施形態１について図１から図８を参照しつつ説明する。本実施形態の蓄電モジュール１０は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載されてモータ等の負荷に電力を供給する。蓄電モジュール１０は任意の向きで配置可能であるが、以下では、Ｘ方向を左方、Ｙ方向を前方、Ｚ方向を上方として説明する。

（蓄電モジュール１０）
蓄電モジュール１０は、図４に示すように、複数（本実施形態では６個）の蓄電素子１１と、各蓄電素子１１に重ねられて蓄電素子１１を冷却する複数の冷却部材２０（本実施形態では６個）と、各冷却部材２０と各蓄電素子１１との間に重ねられて冷却部材２０及び蓄電素子１１の熱が伝達される複数（本実施形態では６個）の伝熱板３０とを備える。

（蓄電素子１１）
蓄電素子１１は、一対の電池用ラミネートシートの間に図示しない蓄電要素を挟んで、電池用ラミネートシートの側縁を、熱溶着等の公知の手法により液密に接合してなる。蓄電素子１１の前端縁からは、図１に示すように、金属箔状をなす正極の電極端子１２Ａと、負極の電極端子１２Ｂとが、電池用ラミネートシートの内面と液密状態で、電池用ラミネートシートの内側から外側へと突出している。各蓄電素子１１の電極端子１２Ａと電極端子１２Ｂとは、間隔を開けて配され、内部の蓄電要素と電気的に接続されている。

複数の蓄電素子１１は、上下方向に並べて配されており、隣り合う蓄電素子１１は、一の電極端子１２Ａの隣に他の電極端子１２Ｂが位置するように配されている。隣り合う電極端子１２Ａと電極端子１２Ｂとは、Ｕ字状の複数（本実施形態では５個）の接続部材１３を介して電気的に接続される。各電極端子１２Ａ，１２Ｂと接続部材１３とは例えばレーザー溶接、超音波用溶接、ロウ付け等の公知の手法により接続されている。隣り合う電極端子１２Ａ，１２Ｂ間が各接続部材１３で接続されることにより、複数の蓄電素子１１が直列に接続されている。

本実施形態においては、蓄電素子１１として、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池等の二次電池を用いてもよく、また、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等のキャパシタを用いてもよく、必要に応じて任意の種類を適宜に選択できる。

（冷却部材２０）
冷却部材２０は、図４に示すように、液体と気体とに状態が変化する冷媒２１と、冷媒２１を吸収する吸収部材２２と、冷媒２１及び吸収部材２２を密閉状態で封入する封入体２５とを備える。冷媒２１は、例えば、パーフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテル、ハイドロフルオロケトン、フッ素不活性液体、水、メタノール、エタノール等のアルコールからなる群から選ばれる１つ、又は複数を用いることができる。冷媒２１は、絶縁性を有していてもよく、また、導電性を有していてもよい。封入体２５内に封入される冷媒２１の量は、必要に応じて適宜に選択できる。

吸収部材２２は略長方形のシート状をなしている。吸収部材２２は、冷媒２１を吸収可能な材料により形成されている。この吸収部材２２は、冷媒２１を吸収可能な材料を繊維状に加工したものを織物としたものであってもよく、また、不織布としたものであってもよい。不織布の形態としては、繊維シート、ウェブ（繊維だけで構成された薄い膜状のシート）、又はバット（毛布状の繊維）であってもよい。吸収部材２２を構成する材料としては、天然繊維でもよく、また、合成樹脂からなる合成繊維であってもよく、また、天然繊維と合成繊維の双方を用いたものであってもよい。

吸収部材２２は、蓄電素子１１が重なる領域に対して広い領域に配されているため、封入体２５内における吸収部材２２は、蓄電素子１１が重なる領域から蓄電素子１１が重ならない領域に延設された吸収延設部２３を備えている。

封入体２５は、例えば略長方形状をなす２つのシート部材を、接着、溶着、溶接等の公知の手法により液密に接合して形成することができる。各シート部材は、金属製シートの両面に合成樹脂製のフィルムが積層されてなる。金属製シートを構成する金属としては、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等、必要に応じて任意の金属を適宜に選択できる。合成樹脂製のフィルムを構成する合成樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ナイロン６、ナイロン６，６等のポリアミド等、必要に応じて任意の合成樹脂を適宜に選択できる。本実施形態に係る封入体２５は、両シート部材における合成樹脂製のフィルムが積層された面同士を重ね合わせて熱融着されてなる。

封入体２５は、図６に示すように、吸収部材２２の上側を覆う第１シート部２６Ａと、吸収部材２２の下側を覆う第２シート部２６Ｂとを有する。第１シート部２６Ａの上面は、蓄電素子１１の下面に接触し、第２シート部２６Ｂの下面は、伝熱板３０の上面に接触する。ここで、第１シート部２６Ａのうち、蓄電素子１１に重ならない領域に延出され、吸収部材２２の吸収延設部２３を覆う部分は、図５に示すように、封入体２５内の冷媒２１の蒸発により膨出変形可能な膨出部２８とされている。

膨出部２８は、封入体２５内の冷媒２１の蒸発により封入体２５の内圧が上昇して封入体２５が膨らむように変形することにより形成される。なお、封入体２５のうち、膨出部２８以外の部分については、封入体２５内の冷媒２１の蒸発により内圧が上昇するが、蓄電素子１１や伝熱板３０に接触して膨張が規制されているため、膨出変形しない。

（伝熱板３０）
伝熱板３０は、蓄電素子１１に対して冷却部材２０を挟んで重ねられており、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅、銅合金等の熱伝導性が高い部材が用いられている。図７，図８に示すように、伝熱板３０は、長方形状であって、蓄電素子１１及び第２シート部２６Ｂに接触する接触部３１と、接触部３１の側方に連なってＵ字状に折り返す折返し部３５とを有する。接触部３１は、長方形状であって、蓄電素子１１の領域に重ねられて蓄電素子１１の熱を受ける。接触部３１の前後は、蓄電素子１１に重ならない領域に延びた端縁部に一対の突片３４が形成されている。各突片３４には、長方形状の貫通孔３４Ａが形成されている。

折返し部３５は、接触部３１の右方に接触部３１と面一に延びる伝熱延出部３６と、伝熱延出部３６の端縁から伝熱延出部３６の板面と直交する方向に起立する端壁３７と、端壁３７の上端から左方に延びる戻り部３８とを備える。戻り部３８は、接触部３１と平行な方向に延びており、先端部には、接触部３１側に鈍角で曲がる曲げ部３９とを備える。端壁３７の高さは、この端壁３７に連なる戻り部３８と、上段側（隣り）の伝熱板３０の伝熱延出部３６との間に隙間Ｇ１（図５参照）が形成される大きさとされる。

伝熱板３０は、伝熱延出部３６と戻り部３８との間に封入体２５の膨出部２８を収容可能な収容空間Ｓを形成している。折返し部３５の形状は、封入体２５が膨出変形する膨出部２８の大きさに応じて膨出部２８が折返し部３５の内面に当接する形状が設定される。本実施形態では、膨出部２８の外面が折返し部３５の内面に密着する形状とされている。本実施形態の膨出部２８は、折返し部３５の内面をわずかに押圧している。

（放熱部材４０）
図５に示すように、蓄電モジュール１０の側方には、伝熱板３０に伝達された熱を外部に放熱する放熱部材４０が配されている。放熱部材４０の左側面（蓄電モジュール１０側の面）は、伝熱板３０の端壁３７の外面に密着する。放熱部材４０は、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属からなり、図示しない冷却材の導入口と導出口が開口している。冷却材として冷却液が下側の導入口から導入され、上方の導出口から導出され、図示しない放熱経路を通って冷却液が循環することで、冷却液に伝わった熱が外部に放熱される。なお、放熱部材４０は、内部に冷却液が通るパイプ（図示しない）が複数回折り返しつつ内部の全体に亘って延びるようにしてもよい。本実施形態では、冷却液として水が用いられているが、これに限られず、油等の液体を用いてもよい。また、冷却液として不凍液を用いてもよい。また、液体に限られず、気体を冷却材として用いてもよい。

本実施形態によれば、以下の作用、効果を奏する。
蓄電モジュール１０は、冷媒２１と冷媒２１を密閉状態で封入する封入体２５とを有する冷却部材２０と、冷却部材２０に重ねられる蓄電素子１１と、蓄電素子１１に対して冷却部材２０を挟んで重ねられる伝熱板３０と、を備え、封入体２５は、蓄電素子１１に重ならない領域において冷媒２１の蒸発により変形した膨出部２８を形成可能とされ、伝熱板３０は、膨出部２８が当接可能に折り返された折返し部３５を有する。
本実施形態によれば、蓄電素子１１の熱を、冷媒２１が封入体２５に密閉された冷却部材２０、伝熱板３０を介して放熱することが可能になるため、例えば蓄電素子１１が収容されたケース内に冷媒２１を充填する構成と比較して、必ずしもケースを密閉する等の必要がないため、蓄電モジュール１０の構成を簡素化することが可能になる。ここで、蓄電素子１１の放熱のために冷却部材２０及び伝熱板３０を用いる場合には、封入体２５が膨出変形した膨出部２８が伝熱板３０に接触していなければ、膨出部２８の熱が熱伝導性の低い空間（空気）を介して放熱されることになり、膨出部２８の放熱性が良くないという問題がある。本実施形態によれば、伝熱板３０は、封入体２５の膨出部２８に当接する折返し部３５を有するため、膨出部２８の熱が伝熱板３０の折返し部３５に伝わり、伝熱板３０を介して外部に放熱させることが可能になるため、放熱性を向上させることができる。

また、折返し部３５の先端側は、膨出部２８側に曲げられた曲げ部３９を有する。
このようにすれば、曲げ部３９が膨出部２８に当接することにより、膨出部２８の所定以上の膨出変形を規制することができるため、膨出部２８が折返し部３５に密着しやすくなり、膨出部２８から伝熱板３０への熱伝導性を向上させることができる。

また、膨出部２８は、折返し部３５の内側に配される。
このようにすれば、膨出部２８と折返し部３５との間の伝熱性を高めることができる。

また、冷却部材２０は、封入体２５内に配されて冷媒２１を吸収する吸収部材２２を備える。
このようにすれば、吸収部材２２により冷媒２１が移動しやすくなるため、冷却部材２０の冷却性能を向上させることが可能になる。

＜実施形態２＞
次に、実施形態２を図９から図１４を参照して説明する。実施形態１では、伝熱板３０の折返し部３５は、当該伝熱板３０の上に載置された冷却部材２０の膨出部２８に当接する構成としたが、実施形態２の蓄電モジュール５０は、図１２に示すように、伝熱板５１が載置する冷却部材２０の下側（隣り）の段の冷却部材２０の膨出部２８に当接する構成としたものである。以下では、実施形態１と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

伝熱板５１は、蓄電素子１１に対して冷却部材２０を挟んで重ねられており、図１３，図１４に示すように、長方形状であって、冷却部材２０に重なる平板状の接触部３１と、接触部３１の一方の側端縁から折り返す折返し部５２とを有する。

折返し部５２は、接触部３１と面一に延びる伝熱延出部５２Ａと、伝熱延出部５２Ａの端縁から伝熱延出部５２Ａの板面と直交する方向に延びる端壁５３と、端壁３７の下端から端壁５３に直交し、伝熱延出部５２Ａと平行な方向に延びる戻り部５４と、を備える。戻り部５４の先端側には、接触部３１とは反対側に曲がる曲げ部５５が形成されている。端壁５３の高さは、下段側（隣り）の冷却部材２０の膨出部２８が戻り部５４に当接する高さとされる。

伝熱板５１は、折返し部５２の戻り部５４と、下段の折返し部５２の伝熱延出部５２Ａとの間に封入体２５の膨出部２８が配される隙間を形成している。折返し部５２の形状は、封入体２５の変形による膨出部２８の大きさに応じて膨出部２８が折返し部５２の内面に当接する形状が設定されるが、膨出部２８の外面が折返し部５２の内面に密着する形状とした方が、膨出部２８と折返し部５２との間の熱伝導性が高められて好ましい。

実施形態２によれば、複数の冷却部材２０と、複数の蓄電素子１１と、複数の伝熱板５１と、を備え、複数の伝熱板５１は、隣り合う折返し部５２が間隔を空けて配置されており、膨出部２８は、隣り合う折返し部５２の間に挟まれる。
このようにすれば、隣り合う折返し部５２の間の隙間による熱伝導性の低下を抑制することができる。

＜実施形態３＞
次に、実施形態３を図１５から図１８を参照して説明する。実施形態２では、伝熱板５１の折返し部５２は、伝熱板５１が載置する冷却部材２０の下段の冷却部材２０の膨出部２８の上面側に当接する構成としたが、実施形態３の蓄電モジュール６０は、図１８に示すように、伝熱板６１の折返し部６３は、伝熱板６１が載置する冷却部材２０の下側の冷却部材２０の膨出部２８を収容する形状としたものである。以下では、上記実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

伝熱板６１は、蓄電素子１１に重ねられる接触部３１と、膨出部２８を挿通可能に折り返す折返し部６３と、接触部３１と折返し部６３とを傾斜方向に連結する連結部６２とを備える。

折返し部６３は、接触部３１と平行に延びる伝熱延出部６４と、伝熱延出部６４の板面と直交する方向に延びる端壁６５と、端壁６５の下端から接触部３１と平行な方向に延びる戻り部６６とを備える。端壁６５の高さは、この端壁６５に連なる伝熱延出部６４と戻り部６６との間に膨出部２８が収容されて折返し部６３の内面に接触する高さとされる。なお、伝熱板６１の戻り部６６と、一段下側の伝熱板６１の伝熱延出部６４との間には隙間が形成されている。

伝熱板６１は、折返し部６３の内側に封入体２５の膨出部２８を収容可能な収容空間を形成している。折返し部６３の形状は、膨出部２８が折返し部６３の内面に当接する形状が設定されるが、膨出部２８の外面が折返し部６３の内面の広い範囲に密着する形状とすることが好ましい。なお、蓄電モジュール６０の最上段と最下段については、伝熱板６１とは形状の異なる伝熱板６７，６８が用いられている。

＜実施形態４＞
次に、実施形態４を図１９から図２２を参照して説明する。実施形態４の蓄電モジュール７０は、実施形態１の蓄電モジュール１０に対して、伝熱板３０の戻り部３８と、当該伝熱板３０の上段側（隣り）の伝熱板３０の伝熱接触部３６との間の隙間Ｇ１に、スペーサ７１を設けたものである。以下では、上記実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

スペーサ７１は、例えば直方体状であって、伝熱板３０の戻り部３８と、当該伝熱板３０の上段側（隣り）の伝熱板３０の伝熱接触部３６との双方に接触しており、隣り合う伝熱板３０間は、スペーサ７１を介した熱伝達が可能とされている。スペーサ７１は、少なくとも空気よりも熱伝導性が高ければよく、本実施形態では、弾性変形可能な合成樹脂等からなるスポンジが用いられているが、これに限られず、例えば、ゴム、金属等からなる種々の部材を用いることができる。スペーサ７１は、伝熱板３０の戻り部３８や伝熱接触部３６に、例えば、接着剤等により固定することができる。

実施形態４によれば、複数の冷却部材２０と、複数の蓄電素子１１と、複数の伝熱板３０と、を備え、複数の伝熱板３０は、隣り合う折返し部３５が間隔を空けて配置されており、複数の伝熱板３０における隣り合う折返し部３５の間に挟まれるスペーサ７１を備える。
このようにすれば、スペーサ７１を介して隣り合う伝熱板３０間の熱の移動を促進できるため、蓄電素子１１の熱を伝熱板３０及びスペーサ７１を介して放熱させることが可能になり、放熱性を向上させることができる。

＜他の実施形態＞
本明細書に記載された技術は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本明細書に記載された技術の技術的範囲に含まれる。
（１）折返し部３５，５２は、先端部に曲げ部３９，５５を設ける構成としたが、曲げ部３９，５５を設けなくてもよい。

（２）冷却部材２０、蓄電素子１１、伝熱板３０，５１，６１の数は、上記実施形態の数に限られず、適宜変更することができる。

（３）放熱部材４０を備えない構成としてもよい。例えば蓄電モジュール１０が図示しない金属製や合成樹脂製のケースで覆われるようにし、ケースを介して蓄電モジュール１０の熱を外部に放熱するようにしてもよい。また、ケースは、例えば、放熱部材４０をケースの一部としたり、放熱部材４０を含めた蓄電モジュール１０の全体を覆うケースを設けるようにしてもよい。この場合、例えばケースにより、蓄電モジュール１０の上下から挟んで蓄電モジュール１０を保持する構成としてもよい。

１０，５０，６０，７０： 蓄電モジュール
１１： 蓄電素子
２０： 冷却部材
２１： 冷媒
２２： 吸収部材
２５： 封入体
２８： 膨出部
３０，５１，６１： 伝熱板
３５，５２，６３： 折返し部
３９： 曲げ部
４０： 放熱部材
７１： スペーサ
Ｇ１： 隙間
Ｓ： 収容空間

Claims (6)

1. 冷媒と前記冷媒を密閉状態で封入する封入体とを有する冷却部材と、
   前記冷却部材に重ねられる蓄電素子と、
   前記蓄電素子に対して前記冷却部材を挟んで重ねられる伝熱板と、を備え、
   前記封入体は、前記蓄電素子に重ならない領域において前記冷媒の蒸発により変形した膨出部を形成可能とされ、
   前記伝熱板は、前記膨出部が当接可能に折り返された折返し部を有する、蓄電モジュール。
2. 前記折返し部の先端側は、前記膨出部側に曲げられた曲げ部を有する請求項１に記載の蓄電モジュール。
3. 前記膨出部は、前記折返し部の内側に配される請求項１又は請求項２に記載の蓄電モジュール。
4. 複数の前記冷却部材と、複数の前記蓄電素子と、複数の前記伝熱板と、を備え、
   前記複数の伝熱板は、隣り合う前記折返し部が間隔を空けて配置されており、
   前記膨出部は、隣り合う前記折返し部の間に挟まれる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の蓄電モジュール。
5. 複数の前記冷却部材と、複数の前記蓄電素子と、複数の前記伝熱板と、を備え、
   前記複数の伝熱板は、隣り合う前記折返し部が間隔を空けて配置されており、
   前記複数の伝熱板における隣り合う前記折返し部の間に挟まれるスペーサを備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の蓄電モジュール。
6. 前記冷却部材は、前記封入体内に配されて前記冷媒を吸収する吸収部材を備える請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の蓄電モジュール。

Images