WO2019146314A1

WO2019146314A1 - 二次電池モジュール

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Publication number: WO2019146314A1
Application number: PCT/JP2018/046458
Authority: WO
Inventors: 航佐藤; 独志西森; 明徳多田; 啓坂部
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2018-01-25
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2019-08-01
Also published as: JP2019129077A; JP7074486B2

Abstract

二次電池モジュールと、電子部品の温度上昇を効率的に抑制する。二次電池と、基板と、前記基板上に設けられた電子部品と、前記二次電池、前記基板および前記電子部品を収容する筐体を有する二次電池モジュールにおいて、前記二次電池モジュールは、前記二次電池と熱的に接触して、前記二次電池モジュールの外部に露出した二次電池放熱部と、前記電子部品と熱的に接触して前記二次電池モジュールの外部に露出した電子部品放熱部を有し、前記二次電池放熱部と、電子部品放熱部とは前記二次電池放熱部および前記電子部品放熱部よりも熱伝導率の低い固定部材により隔てられた二次電池モジュール。

Description

二次電池モジュール

本発明は、二次電池モジュールに関する。

　近年、環境規制を背景に車載用二次電池への需要が高まっている。この中で、リチウムイオン二次電池は一般に、鉛電池やニッケル水素電池などに比べて放電電位が高いため、小型・高エネルギー密度化が可能であるため有望視されている。さらに、車両で用いられる電力としては、主にモータ等を駆動させる高電圧の回路と、ヘッドライトやウインカー等の電装品を駆動させる低電圧の回路があるため、二次電池から得られる電圧をＤＣ／ＤＣコンバータによって任意の電圧に変換して供給している。一般的に二次電池とＤＣ／ＤＣコンバータは独立した電気部品として車両に搭載されているが、さらなる効率向上や小型化を実現するため、二次電池とＤＣ／ＤＣコンバータを一体化し、複数の電圧を出力する二次電池モジュールが求められている。

　しかし、二次電池とＤＣ／ＤＣコンバータはそれぞれジュール発熱によって温度が上昇するため、それぞれの発熱により一体型二次電池モジュールの温度上昇をより大きくする恐れがある。特にリチウムイオン二次電池は温度が高い状態が続くと電池の劣化が早まり、特性が低下する。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータによる発熱が電池の温度上昇に影響しないようにする技術が求められている。これらの課題に対して、例えば電池と電子部品で発生した熱を効率的に取り除く構造が検討されている。

　例えば、特許文献１には、電池群および電気・電子ユニット部のいずれか一方およびその他方をそれぞれ冷却する第１および第２の冷却ファンが備えられた技術が開示されている。

　また、特許文献２には、バッテリケースとヒートシンクとに挟着され、このヒートシンクとの挟着部分の面積よりバッテリケースとの挟着部分の面積が大きい放熱板と、を備えた電池モジュールに関する技術が開示されている。

特開２００６－２４５１０号公報

特開２００４－７９２１９号公報

　しかし、特許文献１のように冷却ファンを電池モジュール内に設けた場合、構造が大型化し、また、通気口が必要になるため電池モジュールを密閉することができない。

　また、特許文献２のような構造では、放熱板を介してある程度電子部品の熱は放熱されるものの、電池モジュール内部を通って二次電池に熱が伝わり二次電池の温度を上昇させる可能性がある。

　本発明は、電池モジュールの大型化を極力抑えつつ、電子部品から二次電池への熱移動を抑制することができる電池モジュールの構造を提供することを目的とした。

　上記課題を解決する手段の一例は以下である。

　二次電池と、基板と、前記基板上に設けられた電子部品と、前記二次電池、前記基板および前記電子部品を収容する筐体を有する二次電池モジュールにおいて、前記二次電池モジュールは、前記二次電池と熱的に接触して、前記二次電池モジュールの外部に露出した二次電池放熱部と、前記電子部品と熱的に接触して前記二次電池モジュールの外部に露出した電子部品放熱部を有し、前記二次電池放熱部と、電子部品放熱部とは前記二次電池放熱部および前記電子部品放熱部よりも熱伝導率の低い固定部材により隔てられた二次電池モジュール。

　本発明により、電池モジュールの大型化を極力抑えつつ、電子部品から二次電池への熱移動を抑制した電池モジュールの構造を提供することができる。

本発明の実施例１の二次電池モジュールの断面斜視図実施例１を説明する断面図実施例２を説明する断面図実施例３を説明する断面図実施例４を説明する断面図実施例５を説明する断面図実施例６を説明する断面図

　以下発明を実施するための形態の例を実施例により説明する。

　（実施例１）
　図１は本発明の実施例１の二次電池モジュールの断面斜視図、図２は、図１のＡ－Ａ’断面を上面から見た断面図である。

　二次電池モジュール１は、複数の角型電池５を積層させた電池群１１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６とＤＣ／ＤＣコンバータ６を支持する支持部材８とＤＣ／ＤＣコンバータ６を収納する第二の筐体４と、それらを収納する第一の筐体２および第一の筐体を密閉する筐体蓋３を有する。

　第一の筐体２は、角形電池５が接した面と、この反対側の面であってＤＣ／ＤＣコンバータ６が設けられた側の面を有する。

　電池群１１は、例えば幅広面と幅狭面を有するリチウムイオン二次電池等の角型電池５が幅広面を対向させて積層したものである。電池群１１は角型電池５を積層し、固縛部材７により第一の筐体２の側面に押圧され、接触するように配置される。角形電池５は、正極端子１５と負極端子１６を有しており、角形電池は、これらが設けられた幅狭と、この面の反対側の幅狭面である底面を有しており、底面が第一の筐体２に接した状態で二次電池モジュール１に収容されている。角形電池５にて発生した熱は、底面からから第一の筐体へ伝わる。第一の筐体２は二次電池モジュール１の外部に露出しているため、ここから熱は二次電池モジュールの外部へ放熱される。この構造において第一の筐体は二次電池放熱部として機能する。角形二次電池５と第一の筐体２とは直接接触していてもよく、その他熱的に接触している状態でもよい。ここで熱的に接触している状態とは、樹脂材料やゴム材料等の断熱材を介さずに直接的、または間接的に接続された状態である。

　二次電池モジュール１は、この電池群１１を制御する制御基板、配線、リレー、ヒューズを有しており、これらは、支持部材８に設けられている。

　支持部材８は、例えば板状の部材であり第一の筐体の中央部で、ＤＣ／ＤＣコンバータ６と電池群１１の間に位置している。支持部材８は、第一の筐体２に例えばボルトにて固定されている。また、支持部材８は、電池群１１側の面と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６側の面を有している。電池群１１を制御する制御基板、配線、リレー、ヒューズは、電池群１１側の面に設けられている。

　第一の筐体２の、角形電池５が接した面の反対側の面にはＤＣ／ＤＣコンバータ６が設けられている。

　ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、コイル、キャパシタ、半導体などの電子部品６ｂが基板６ａに配置される構成となっている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、第二の筐体４に収容されており、基板６ａや電子部品６ｂは第二の筐体に熱的に接触している。第一の筐体２は、角形電池５が接した面の反対側の面に開口部１０を有している。第二の筐体４は凸形状を有しており、この凸形状の露出部４ａは、開口部１０から第一の筐体２の外部へ露出している。露出部４ａは、第一の筐体２の表面と略同一面となる高さとなっており、周囲空気へ露出している。

　このように第二の筐体４は、露出部４ａにより二次電池モジュール１の外部に露出しているため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６が有する電子部品６ｂで発生した熱はここから二次電池モジュールの外部へ放熱される。この構造において第二の筐体は電子部品放熱部として機能する。電子部品６ｂとと第二の筐体４とは直接接触していてもよく、その他熱的に接触している状態でもよい。ここで熱的に接触している状態とは、樹脂材料やゴム材料等の断熱材を介さずに直接的、または間接的に接続された状態である。ここで、電子部品６ｂと第二の筐体４を密着させるため、電子部品６ｂと第二の筐体４の間に熱伝導率の高いシートやグリースを配置し、放熱経路の熱抵抗を低減する構造としてもよい。

　支持部材８の電池群１１とは反対側の面には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の基板６ａと、第二の筐体４が固定されている。第二の筐体４は例えばボルトによって支持部材８に固定されている。

　第二の筐体４と第一の筐体２は、第二の筐体４と第一の筐体２に比べて熱伝導率の低い材質から成る固定部材９を介して固定、接続されている。固定部材９は第二の筐体４および第一の筐体２を構成する材質に比べ、熱伝導率の低い材質、すなわち断熱材料であれば用いることができ、かつ可撓性を有する材質であることがより望ましい。例えば樹脂材料やゴム材料を用いることができる。固定部材９により、第二の筐体４を第一の筐体２に押圧することで固定部材９が第二の筐体４と第一の筐体２に密着し、防水性、防塵性を有する二次電池モジュール１とすることができる。また、固定部材９が断熱性を有するため、角形電池５が熱的に接触する第一の筐体２の二次電池モジュール外部に露出した部分（二次電池放熱部）と、電子部品６ａが熱的に接触する第二の筐体４のうち二次電池モジュール外部に露出した露出部４ａ（電子部品放熱部）とが熱的に遮断されるため、いずれか一方の温度が高い方から低い方への熱移動を防ぐことができる。

　上述した本実施の効果を以下まとめる。
（１）ＤＣ／ＤＣコンバータの温度上昇の抑制
　ＤＣ／ＤＣコンバータ６を構成する基板６ａや電子部品６ｂから発生する熱は第二の筐体４に伝わり、第二の筐体４の露出部４ａから周囲空気へ放熱される。第二の筐体４が電子部品放熱部として作用するため、このように電子部品６ｂが熱的に接続した第二の筐体４の表面４ａから直接放熱でき、基板６ａおよび電子部品６ｂの温度上昇を効率的に抑制することができる。
（２）角形電池５の温度上昇の抑制
　角型電池５で発生した熱は、第一の筐体２に伝わり、第一の筐体２の表面２ａから周囲空気へ放熱される。第一の筐体２が二次電池放熱部として作用し、角型電池５で発生した熱を二次電池モジュール１外部へ逃がすことができる。
（３）電子部品放熱部と二次電池放熱部との間の熱移動の抑制
　第二の筐体４と第一の筐体２は熱伝導率の低い固定部材９を介して接触しているため、電子部品６ｂと熱的に接続される第二の筐体４と電池分１１と熱的に接続される第一の筐体２で熱の移動が起こりにくく、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の発熱が角型電池５に伝わり、電池温度が上昇することを抑制することができる。

　一般的に、リチウムイオン二次電池とＤＣ／ＤＣコンバータとではＤＣ／ＤＣコンバータの方が熱の発生が大きいため、角形電池５に接してＤＣ／ＤＣコンバータ６を設けた場合や、第一の筐体２、第１の筐体４を介して熱的に角形電池５に接してＤＣ／ＤＣコンバータ６が接している場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ６で発生した熱が角形電池５へ移動し、角形電池５の温度を上げる原因となる。ＤＣ／ＤＣコンバータ６と熱的に接触して熱を外部へ逃がす第二の筐体４と、角形電池５と熱的接触して熱を外部へ逃がす第一の筐体２を直接繋ぐのではなく、熱伝導率の低い固定材９を介して接触させることにより、二次電池モジュール１の防水、防塵性を保ちながら、ＤＣ／ＤＣコンバータ６から角型電池５へのの熱移動を防ぎ、それぞれの温度上昇を抑制することができる。これにより、電池性能の劣化を抑制しつつ、電子部品６ｂの過度な温度上昇を抑制することができるため、信頼性の高い二次電池モジュール１を供給することができる。

　また、第一の筐体２において、電池群１１が接触した面と、前記開口部１０が設けられた面が異なる面であることにより、距離を稼ぐことができるため、より熱の移動を防止することができる。好ましくは、図１，２のように第一の筐体２のそれぞれ対向した面に電池群１１が接触した面と、前記開口部１０が設けられることが好ましい。

　本実施例では、第一の筐体２に角型電池５を１２個積層させた電池群１１を２組配置した例を示したが、角型電池５の積層数および配置組数は限定されるものではない。

　また、角型電池５およびＤＣ／ＤＣコンバータ６の温度上昇を抑制するため、たとえば第二の筐体４の表面４ａおよび第一の筐体２の露出している表面４ａにヒートシンクを固定することで、角型電池５およびＤＣ／ＤＣコンバータ６の温度上昇を効率的に抑制することができる。ただし、冷却構造はヒートシンクに限らず、ファンを取り付けた空冷構造、水冷構造を固定してもよい。

　（実施例２）
　本実施例は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を収納する第二の筐体表面４ａに表面積を拡大するフィン形状４ｂを設けた構造を用いた例である。フィン形状４ｂ以外の構造は実施例１と同様である。

　図３は、実施例２の二次電池モジュール１断面図である。

　第二の筐体４は表面積を拡大するフィン形状部４ｂを有している。フィン形状部４ｂは、露出部４ａに設けられており、開口部１０から二次電池モジュール１外部に露出している。フィン形状部４ｂは、例えば複数の板状部が配列した形状を有しているが、他に表面積が高い公知のフィン形状を用いることもできる。フィン形状４ｂは第二の筐体４と一体で成形されることが望ましいが、フィン形状４ｂを別構造とし、第二の筐体４にボルト等で固定する構造としてもよい。また、第二の筐体４およびフィン形状４ｂは熱伝導率が高いことが望ましく、たとえばアルミや銅などの金属材料で形成するとよい。第二の筐体４は実施例１と同様に固定部材９を介して第一の筐体２の内壁面に押圧されている。

　上述した本実施の形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ６で発生する熱は第二の筐体４に伝わり、フィン形状４ｂから効率的に周囲空気に放熱される。

　（実施例３）
　実施例３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を形成する基板６ａを分割し、第一の回路１３を覆う第二の筐体４と第二の回路１４を覆う第三の筐体１２を設けた構造の例である。他の構造は実施例１と同様である。

　図４は、実施例３の二次電池モジュール１断面図である。

　ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、温度上限が異なる第一の回路１３と第二の回路１４を有している。第一の回路１３と第二の回路１４はそれぞれ基板に設けられており、基板は第一の回路基板１３ａと第二の回路基板１４ａとに分かれて設けられている。耐熱性が低く、温度上限が低い回路としては、例えばキャパシタが設けられた回路が上げられる。また、これと比較して温度上限が高い回路としては、コイルや半導体素子が上げられる。したがって、例えば、第一の回路１３にコイルや半導体素子が設けられた回路、第二の回路１４にキャパシタが設けられた回路を用いることができる。

　第一の回路１３は、第二の筐体４により覆われ、第二の回路１４は、第三の筐体１２により覆われている。第一の回路１３、第三の回路１４は第一の筐体２に設けられた開口部からそれぞれ第二の筐体の露出部（露出部）４ａ、第三の筐体の露出部（第二の露出部）１２ａとして露出している。露出部４ａと露出部１２ａは、第一の筐体２と固定部材９により隔てられている。

　温度上限の高い素子を有する第一の回路１３と温度上限の低い素子を有する第二の回路１４を分離し、それぞれの回路を異なる筐体４、１２に収納し、固定部材９により隔てられることにより放熱経路を分離することで、一方から他方への熱移動を防ぐことができる。また、素子の温度上限に合わせた冷却構造を構築することができる。例えば温度上限の低い回路を覆う第二の筐体４は放熱面４ａの面積が大きくなるように構築し、温度上限の高い回路１４を覆う第三の筐体１２の表面１２ａは面積を小さく抑えることで、電子部品６ｂの温度上限に合わせた冷却構造を実現することができる。

　（実施例４）
　実施例４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を形成する基板６ａを保持する支持部材８に凸部８ａを設け、第二の筐体４に接触させた構造の例である。他の構造は実施例１と同様である。

　図５は、実施例４の二次電池モジュール１断面図である。

　支持部材８は、凸部８ａを有しており、凸部８ａは第二の筐体４に接触されている。支持部材８および凸部８ａにより、第一の筐体２の内部空間が、電池群１１が配置される空間と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６が配置される空間で分離されている。これにより、第一の筐体２内部の流体を介した電池群１１とＤＣ／ＤＣコンバータ６の熱干渉を抑制することができる。さらに、電池群１１のいずれかの角型電池５に異常が発生し、角型電池５に含まれていたガスや内部電解液が噴き出された場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は電池群１１とは異なる空間に配置されており、さらに第二の筐体４に収納されているため、電解液による基板６ａの汚染を防ぐことができる。

　本実施例では、支持部材８に凸部８ａを設けることで第一の筐体２の内部空間を分離したが、凸部８ａは支持部材８と一体構造ではなくともよく、支持部材８と第一の筐体２および筐体蓋３の隙間と略同一形状の別部材を固定し、第一の筐体２と筐体蓋３と密着させてもよい。

　（実施例５）
　実施例５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を形成する基板６ａを第二の筐体４に固定し、第二の筐体４を第一の筐体２固定する構造の例である。明記しない他の構造は実施例１と同様である。

　図６は、実施例５の二次電池モジュール１断面図である。

　ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、第二の筐体４に固定しされ収納されている。第二の筐体４には、実施例１と同様に、第一の筐体に設けられた開口部１０から露出する露出部４ａを有する。第二の筐体４は露出部４ａの反対側の面に第一の筐体底部１５を有しており、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を形成する基板６ａは、筐体底部１５に設けられている。

　ＤＣ／ＤＣコンバータ６に搭載される電子部品６ａは、第二の筐体４の露出部４ａ側に接触されている。また、第二の筐体４と第一の筐体２の接触面には、固定部材９を設けられ、ボルトによって第二の筐体４を第一の筐体２に固定し、保持する構造となっている。

　上述した本実施の形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ６で発生する熱は、第二の筐体４に伝わり、表面４ａから放熱される。この構造では、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を第一の筐体２によって保持するため、支持部材８はＤＣ／ＤＣコンバータ６を支持する必要がなく、それ以外の電気部品を保持するように小型化することができ、二次電池モジュール１の体積増大を抑制することができる。

　（実施例６）
　実施例６は、電池群１１を収納する第一の筐体２において、筐体蓋３に対向する面である筐体底面２ａに開口部１０を設け、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を収納する第二の筐体４を第一の筐体２の底面側に露出させる構造の例である。

　図７は、実施例６の二次電池モジュール１断面図である。

　ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、第二の筐体４に固定しされ収納されている。第二の筐体４には、実施例１と同様に、第一の筐体に設けられた開口部１０から露出する露出部４ａを有する。第二の筐体４は、実施例６と同様に露出部４ａの反対側の面に第一の筐体底部１５を有しており、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を形成する基板６ａは、筐体底部１５に設けられている。

　開口部１０は、第一の筐体２において筐体蓋３の反対側の面である第一の筐体底面２ａ側に設けられている。また、第一の筐体２において、角形電池５が接触する面も同様に第一の筐体底面２ａであり、開口部１０が設けられた面と角形電池５が接触する面は、第一の筐体２において、同一の面に設けられている。第二の筐体４の露出部４ａは、第一の筐体２の底面２ａと略同一高さとなるように設けられおり、第一の筐体底面２ａと第二の筐体４の露出部４ａは固定部材９により熱的に隔てられている。

　上述した本実施の形態によれば、電池群１１の放熱経路である第一の筐体２における電池群１１の放熱経路とＤＣ／ＤＣコンバータ６の放熱経路である第二の筐体４の表面４ａが同一面に形成されることで、角型電池５とＤＣ／ＤＣコンバータ６の第一の筐体２による熱干渉を抑制しつつ、一つの冷却構造により、第二の筐体４と第一の筐体２を冷却でき、角型電池５とＤＣ／ＤＣコンバータ６の温度上昇を抑制することができる。

　冷却構造としては、たとえば水冷ジャケットを電池モジュール１の底面に配置することで、複数の角型電池５とＤＣ／ＤＣコンバータ６を冷却することができる。ただし、冷却構造は水冷に限らず、通風路やフィン構造により冷却する構造としてもよい。

１…二次電池モジュール、２…第一の筐体（筐体）、２ａ…第一の筐体底面、３…筐体蓋、４…第二の筐体、４ａ…第二の筐体の露出部（露出部）、４ｂ…フィン形状、５…角型電池（二次電池）、６…ＤＣ／ＤＣコンバータ、６ａ…基板、６ｂ…電子部品、７…固縛部材、８…支持部材、８ａ…支持部材凸部、９…固定部材、１０…開口部、１１…電池群、１２…第三の筐体、１２ａ…第三の筐体の露出部（第二の露出部）、１３…第一の回路、１３ａ…第一の回路基板、１３ｂ…電子部品、１４…第二の回路、１４ａ…第二の回路基板、１４ｂ…電子部品、１５…第一の筐体底部

Claims

　二次電池と、
　基板と、前記基板上に設けられた電子部品と、
　前記二次電池、前記基板および前記電子部品を収容する筐体を有する二次電池モジュールにおいて、
　前記二次電池モジュールは、前記二次電池と熱的に接触して、前記二次電池モジュールの外部に露出した二次電池放熱部と、前記電子部品と熱的に接触して前記二次電池モジュールの外部に露出した電子部品放熱部を有し、
　前記二次電池放熱部と、電子部品放熱部とは前記二次電池放熱部および前記電子部品放熱部よりも熱伝導率の低い固定部材により隔てられた二次電池モジュール。
　請求項１において、
　前記二次電池は、前記二次電池と熱的に接触しており、
　前記二次電池モジュールは、前記電子部品と接触して前記電子部品を収容する第二の筐体を有し、
　前記二次電池放熱部は、前記筐体のうち前記二次電池モジュール外部に露出した部分であり、
　前記電子部品放熱部は、前記第二の筐体のうち前記二次電池モジュール外部に露出した部分である二次電池モジュール。
　請求項２において、
　前記第二の筐体は前記筐体に収容され、
　前記筐体は開口部を有し、
　前記第二の筐体は前記開口部から前記二次電池モジュールの外部に露出した露出部を有し、前記露出部が前記電子部品放熱部である二次電池モジュール。
　請求項３において、
　前記電子部品は、半導体または、コイル、キャパシタ、のいずれかである二次電池モジュール。
　請求項４において、
　前記電子部品は、ＤＣ／ＤＣコンバータを形成する部品である二次電池モジュール。
　請求項５において、
　前記筐体の内部には、前記基板が設けられた支持部材が設けられた二次電池モジュール。
　請求項６において、
　前記支持部材は、前記二次電池とＤＣ／ＤＣコンバータとの間に位置し、前記筐体と接続された二次電池モジュール。
　請求項７において、
　前記筐体内には前記二次電池が設けられた空間と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが設けられた空間があり、前記二次電池が設けられた空間と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが設けられた空間は、前記支持部材により分離されている二次電池モジュール。
　請求項７または請求項８において、
　前記二次電池が熱的に接続される前記筐体の面と、前記開口部が設けられた面は異なる面である二次電池モジュール。
　請求項９において、
　前記固定部材は、樹脂材料、ゴム材料の少なくともいずれかである二次電池モジュール。
　請求項１０において、
　前記前記支持部材の前記二次電池側の面には、前記二次電池を制御する回路が設けられた二次電池モジュール。
　請求項１１において、
　前記露出部は、前記二次電池モジュール外部側にフィン形状を有する二次電池モジュール。