(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
車両の床下に搭載されるバッテリパック内に収容され、かつ上記バッテリパックの底面に配設した冷媒通路を備えた冷却プレート上に、上記放熱部が上記冷却プレートに接するように配置されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の組電池。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記のような従来の構成においては、電極端子に直接に冷却風を案内するように流路を構成しているため、レイアウトの自由度が少なく、バッテリパック内に複数個の組電池を収容する際などに、各電池の姿勢や組電池の配置が制限されてしまう。また、金属製のキャップ状のバスバーおよび電極端子が実質的な放熱部となるが、各電池の厚さが薄い場合(あるいは積層数が少ない場合)には、十分な放熱面積を確保することができない。
【課題を解決するための手段】
【0006】
この発明は、端部から電極タブが導出された偏平な電池が複数個積層配置され、上記端部に沿って設けられたバスバーモジュールの
外側面に位置する複数のバスバーに、
該バスバーモジュールのスリットを貫通した上記電極タブが接合されてなる組電池であって、集熱部および放熱部が略L字形に連続した伝熱プレートを備えている。上記集熱部は、
上記複数のバスバーを覆うように上記バスバーモジュールの外側に配置されて上記電極タブ又はバスバーに
熱的に接続されており、上記放熱部は、この組電池の上記端部以外の面に沿って延びている。
【0007】
好ましい一つの態様では、上記電池の両端部からそれぞれ電極タブが導出されているとともに、各々の端部に上記バスバーモジュールが設けられており、これら一対のバスバーモジュールと、積層した複数の電池の両側に位置する一対のエンドプレートと、を互いに固定することによって、組電池が直方体形状に構成されている。そして、上記放熱部は、上記エンドプレートの面に沿って延びている。
【0008】
すなわち、本発明においては、各電池の電極タブ(あるいは該電極タブが接合された各バスバー)から熱伝導の形でもって伝熱プレートの集熱部に熱が移動し、さらに組電池の他の面に沿って延びた放熱部から放熱される。
【0009】
なお、上記伝熱プレートは一般に導電性を有する金属から構成されるので、一つの例では、上記バスバーと上記集熱部との間に、絶縁性を有する伝熱シートが介在している。この伝熱シートは、熱伝導性ならびに電気絶縁性に優れた公知の合成樹脂系ないしゴム系のシート材からなり、複数のバスバーの間の短絡を回避すると同時に、電極タブから伝熱プレートへの熱伝導を確保している。
【0010】
一般に複数個の電池の温度は不均一であり、例えば、複数個積層された電池の中の中央に近いものは高温となりやすく両側に近いものは相対的に温度が低くなりやすい傾向があるとともに、発熱に個体差があるが、上記構成では、複数の電極タブが共通の冷却プレート(集熱部)に熱的に接続されるので、各電池の温度差が緩和される。そして、伝熱プレートの放熱部は、組電池のバスバーモジュール以外の任意の面に配置することができるため、放熱面積を十分に大きく確保することができ、かつ、レイアウトの自由度が高くなる。例えば、電池の積層個数が少ない場合や各電池の厚さが薄い場合でも、偏平な電池の主面と平行に放熱部を配置すれば、容易に大きな放熱面積を確保し得る。
【0011】
上記の放熱部からの放熱は、例えば、周囲の空気による自然放熱のほか、強制的な冷却風の通流による冷却としてもよく、あるいは、さらに別の冷却プレートに放熱部が接するように配置し、該冷却プレートによって放熱部を冷却するようにしてもよい。
【0012】
一つの態様では、車両の床下に搭載されるバッテリパック内に収容され、かつ上記バッテリパックの底面に配設した冷媒通路を備えた冷却プレート上に、上記放熱部が上記冷却プレートに接するように配置される。
【発明の効果】
【0013】
この発明によれば、各電池の姿勢やバッテリパック内での組電池の配置などのレイアウトの自由度が高くなるとともに、放熱面積を大きく確保することが容易となる。従って、各電池の効果的な冷却が図れる。また、複数の電池を熱的に連結する冷却プレートを介して、複数の電池の温度をより均一にすることができる。
【発明を実施するための形態】
【0015】
図1は、この発明に係る組電池つまりバッテリモジュール1の一実施例を示している。
図2は、このバッテリモジュール1の分解斜視図である。
【0016】
初めに、
図2に基づいてバッテリモジュール1の構成要素を簡単に説明すると、このバッテリモジュール1は、複数個、例えば10個の互いに積層配置した偏平な電池2と、この積層した電池2の下面側および上面側にさらに重ねて配置されたロアエンドプレート3およびアッパエンドプレート4と、積層した電池2の両端部にそれぞれ配置されたフロントバスバーモジュール5およびリアバスバーモジュール6と、を備えており、上記の一対のエンドプレート3,4と一対のバスバーモジュール5,6とによって、電池2を包囲する基本的な筐体が構成されている。さらにバッテリモジュール1は、上記のバスバーモジュール5,6の外側に、それぞれ伝熱シート11を介して重ねられた一対の伝熱プレート7と、フロントバスバーモジュール5側において伝熱プレート7の外側に配置されたバッテリコントローラ8と、両端部において上記バスバーモジュール5,6や伝熱プレート7等を覆うように取り付けられるフロントケース9およびリアケース10と、を備えている。
【0017】
電池2は、長方形をなす正極、負極およびセパレータを1組ないし複数組積層し、かつラミネートフィルムを外装とした長方形状のラミネート型電池であって、
図4および
図5に示すように、その短辺となる両端部の中央からそれぞれ薄い金属板からなる電極タブ21が帯状に導出されている。一対の電極タブ21の一方は正極、他方は負極であるが、これらは基本的に同一の形状に構成されており、10個の電池2は、正極側の電極タブ21と負極側の電極タブ21とが交互となるように、交互の向きで積層されている。そして、
図5から容易に理解できるように、隣接する正極側の電極タブ21と負極側の電極タブ21とを互いに接続することで、10個の電池2が全体として直列に接続されている。
【0018】
なお、
図4および
図5では、電極タブ21が折り曲げた状態で示しているが、これは、後述するようにバスバーモジュール5,6に組み付けた後の状態を示しており、上記状態では、電極タブ21は、偏平な電池2の主面と平行に延びた平面形状をなしている。
【0019】
上記電池2は、例えばリチウムイオン二次電池からなるが、本発明はこれに限らず、種々の形式の電池を利用することが可能である。
【0020】
図6はフロントバスバーモジュール5の詳細を示し、
図7はリアバスバーモジュール6の詳細を示している。これらのバスバーモジュール5,6は、基本的には類似した構成を有しており、
図5のように配置される電極タブ21がそれぞれ溶接やハンダ付け等によって接合される銅ないし真鍮等の金属製のバスバー31が、矩形(略正方形)をなす合成樹脂製の基板30に固定支持されている。例えば、一例では、基板30の成形時にバスバー31が一体にモールドされているが、基板30を成形した後に何らかの手段でバスバー31を取り付けるようにしてもよい。各バスバー31は、基板30の外側面つまり電池2の位置とは反対側となる面に露出しており、
図5に示した正負の電極タブ21の組み合わせの数に対応した個数の直線状のバスバー31が互いに平行に配列されている。
【0021】
具体的には、
図7に示すリアバスバーモジュール6では、5個のバスバー31があり、その上縁および下縁に沿って、各電極タブ21が通過可能なスリット32が貫通形成されている。また、
図6に示すフロントバスバーモジュール5では、正負の電極タブ21同士を接続するための4個のバスバー31を備えているほか、
図5に示す最上段の電極タブ21と接続するための最上段のバスバー31(特に符号31Aで示す)と、同じく
図5に示す最下段の電極タブ21と接続するための最下段のバスバー(特に符号31Bで示す)と、があり、計6個のバスバー31が存在する。このフロントバスバーモジュール5は、その上端縁にスタッドボルト等で固定された一対のモジュール端子33を備えており、略L字形に延びた最上段のバスバー31Aおよび最下段のバスバー31Bが、それぞれモジュール端子33に導通している。
図5から容易に理解できるように、最上段のバスバー31Aはその下縁に沿ってスリット32を有し、最下段のバスバー31Bはその上縁に沿ってスリット32を有する。なお、これらのバスバー31A,31B以外のバスバー31は、単に隣接する正極側の電極タブ21と負極側の電極タブ21とを接続するものであるので、いずれも個々に独立している。
【0022】
ロアエンドプレート3およびアッパエンドプレート4は、硬質合成樹脂や金属材料(鉄、アルミニウム、ステンレススティール等)からなる長方形の板状部材であって、
図8に示すように、これらのエンドプレート3,4の長手方向の両端に上記バスバーモジュール5,6がネジ35によって固定される。これにより、両側の二面41,41が開放された直方体形状をなす筐体42が構成され、その内側に10個の積層した電池2が収容される。この筐体42によって、ラミネート型電池2が保護される。
【0023】
ここで、上記のようにバスバーモジュール5,6をエンドプレート3,4に組み付けるに際して、各電池2の電極タブ21はバスバーモジュール5,6のスリット32に挿通される。そして、スリット32を貫通した電極タブ21の先端部が、
図8や
図4等に示すようにバスバー31(31A,31B)の表面に沿うように折り曲げられ、かつ溶接ないしハンダ付けによってバスバー31(31A,31B)表面にそれぞれ接合されている。
【0024】
上記伝熱プレート7は、上記のように構成された筐体42の外側に配置されるものであって、
図12に示すように、集熱部45と放熱部46とが略L字形に連続した形状をなしている。つまり、この伝熱プレート7は、例えば、アルミニウム、銅、鉄、等の熱伝導率の高い金属材料からなり、長方形状をなす1枚の金属板を略L字形に折り曲げて構成されている。上記集熱部45は、電極タブ21が接合された複数個のバスバー31を覆い得る大きさの矩形状をなし、その四隅に設けられた小孔48を介して、
図9,
図11に示すように、ネジ47によってバスバーモジュール5,6に取り付けられている。ここで、伝熱プレート7は一般に導電性を有する金属から形成されるので、各バスバー31の間の短絡防止と接触面の微細な凹凸の吸収のために、
図10に拡大して示すように、伝熱プレート7とバスバー31との間に、柔軟性を有する伝熱シート11が介在している。この伝熱シート11は、熱伝導性ならびに電気絶縁性に優れた公知の合成樹脂系ないしゴム系のシート材からなり、例えば伝熱プレート7の集熱部45の内側面に予め貼着されている。従って、空気層を介さない熱伝導の形でもって電極タブ21の熱が集熱部45へ伝達される。
【0025】
一方、集熱部45に対し略90°折れ曲がった放熱部46は、直方体形状をなす筐体42の残りの四面(つまりバスバーモジュール5,6に隣接する筐体42の上面、下面および左右の開放面41)のいずれかに沿って延びている。図示例では、
図9および
図3に示すように、筐体42の下面つまりロアエンドプレート3の表面に沿って延びている。詳しくは、ロアエンドプレート3の下面に、放熱部46に対応する矩形の凹部49が形成されており、この凹部49に放熱部46が嵌合している。そして、放熱部46の外側面つまり下面は、凹部49周囲のロアエンドプレート3の面と実質的に同一の平面をなしている。
【0026】
フロントバスバーモジュール5側の伝熱プレート7とリアバスバーモジュール6側の伝熱プレート7とは、基本的に同一の構成であり、
図3から理解できるように、互いに対称に配置されている。そして、ロアエンドプレート3の下面の面積の大部分を2つの放熱部46が占めている。
【0027】
フロントケース9およびリアケース10は、例えば合成樹脂成形品等からなり、バスバーモジュール5,6のバスバー31等が外部に露出することがないように、各バスバーモジュール5,6の外側を覆っている。これらのフロントケース9およびリアケース10は、単にバスバーモジュール5,6のに周囲に嵌合することで取り付けられているが、さらにネジ等で確実に固定するようにしてもよい。ここで、フロントケース9内には、前述したようにバッテリコントローラ8が収容されている。
【0028】
図13に示すように、バッテリコントローラ8は、電池2の充放電制御等のために回路基板51上に図示せぬ回路部品やコネクタ52を備えたものであって、回路基板51の四隅においてネジ53によってフロントバスバーモジュール5に固定されている。なお、回路基板51とフロントバスバーモジュール5との間には適宜な間隙が確保されており、この間隙内に上記伝熱プレート7の集熱部45が位置している。
【0029】
上記のように構成されたバッテリモジュール1においては、電池2の充放電に伴って電池2内部で生じた熱が電極タブ21から集熱部45へと伝達される。この熱は、さらに集熱部45から放熱部46へと伝達され、該放熱部46において外部へ放熱される。換言すれば、放熱部46が外気等で冷却されることによって、各電池2が冷却され、電池2の温度上昇が抑制される。
【0030】
ここで、上記構成では、複数の電池2の電極タブ21が単一の集熱部45に熱的に接続されているため、各電池2の間に温度差があった場合に、その温度差が緩和され、各電池2がより均一な温度となる。従って、電池2の発熱に個体差があったような場合でも、一部の電池2の早期劣化を回避できる。
【0031】
また、放熱部46の放熱面積がバスバーモジュール5,6の寸法に制限されず、十分に広く確保することが可能である。そして、放熱部46を任意の位置に配置できるため、レイアウトの自由度が高くなり、例えば複数個のバッテリモジュール1を収容したバッテリパック内において、冷却が容易なように放熱部46を配置することができる。しかも、電極タブ21やバスバー31から離れた位置に放熱部46が設けられるので、放熱性能を損なうことなく、これらの電極タブ21やバスバー31をケース9,10によって覆った構成とすることができ、短絡等の防止の上で有利となる。
【0032】
上記の放熱部46からの放熱は、種々の態様で行うことができる。
図14および
図15は、その一実施例を示しており、この例では、上記のようにロアエンドプレート3に放熱部46を備えたバッテリモジュール1が、別の冷却プレート61の上に固定されている。この冷却プレート61は、アルミニウム合金等からなり、冷媒として冷却風が通流する空気通路62を内部に備えているとともに、バッテリモジュール1の放熱部46に対応する領域に、矩形の窓部63が開口形成されている。つまり、図示せぬブロア等によって供給される冷却風が空気通路62を通過し、かつその際に、窓部63において空気通路62に対し露出している放熱部46に、冷却風が直接に接触する。これによって、放熱部46が効果的に冷却される。
【0033】
図16および
図17は、バッテリモジュール1が搭載される冷却プレート65の異なる実施例を示している。この実施例では、上記冷却プレート65は、冷媒として冷却水が通流する冷却水通路66を内部に備えており、その上面に、バッテリモジュール1の放熱部46が接触する。この実施例では、上記冷却水通路66に適当な温度の冷却水を循環させることで、放熱部46の冷却ひいては電池2の冷却が行われる。
【0034】
図18は、冷媒通路を具備しない冷却プレート68の実施例を示しており、上記冷却プレート68の下面には、多数の冷却フィン69が形成されている。従って、この実施例では、冷却フィン69を介した外気への放熱によって放熱部46が冷却される。この実施例は、冷却プレート68の下面が例えば車両の走行風を受けるような配置とすれば、より効果的な冷却が可能である。
【0035】
なお、
図14〜
図18は、一つのバッテリモジュール1のみを図示しているが、共通の冷却プレート61,65,68の上に複数のバッテリモジュール1を配置し得ることは勿論である。
【0036】
図19は、電気自動車の車両床下に搭載されるバッテリパックとして、冷却プレート71の上に複数のバッテリモジュール1を配置した場合の構成例を示している。この例では、1列に4個のバッテリモジュール1が互いに隣接して配置され、かつこの列が、僅かな間隙を空けて、3列設けられている。つまり、4×3のバッテリモジュール1の配列となっている。各バッテリモジュール1のモジュール端子33は、適宜な電気的接続を構成するように、バスバー72によって互いに接続されている。また、各バッテリモジュール1のバッテリコントローラ8が通信線73によって互いに接続されている。
【0037】
図示例では、冷却プレート71は、内部に複数の冷媒通路75を有し、冷却風もしくは冷却水が通流することによって強制的に冷却される。これによって、上述したように、放熱部46ひいては各電池2が冷却される。なお、最終的なバッテリパックは、図示せぬパックケースを備えており、このパックケース内に上記の冷却プレート71とともに複数のバッテリモジュール1が収容されることになる。
【0038】
車両の床下に搭載されるバッテリパックの場合、バッテリパックの下面を車両走行風が流れるので、バッテリパック底部の方が上部よりも相対的に低温となる。従って、
図19に示すように冷却プレート71を各バッテリモジュール1の放熱部46とともにバッテリパックの底部に配置することで、各電池2をより効果的に冷却することができる。
【0039】
図20および
図21は、バッテリパックとして複数のバッテリモジュール1を配置する場合の他の構成例を示している。この例に用いられるバッテリモジュール1は、
図20に示すように、直方体形状をなす筐体42の開放された側方の面41に放熱部46を備えた構成となっている。つまり、伝熱プレート7は、バスバーモジュール5,6に重なる集熱部45から筐体42の側方へ延びており、電池2側方の開放面41を覆っている。
【0040】
このような構成のバッテリモジュール1は、バッテリパック内部において、前述した実施例と同様に、4×3の形でもって配列されているが、この実施例では、前述した冷却プレート71に代えて、各放熱部46の冷却のために冷却フレーム81が用いられている。この冷却フレーム81は、入口側ビーム82と、出口側ビーム83と、これらに対し直交する方向に延びる一対の冷却ビーム84と、から構成されており、各ビーム82,83,84は、上下方向の高さ寸法が厚さ方向の寸法に比較して大きな矩形の断面形状を有し、詳しくは、バッテリモジュール1の高さにほぼ対応した高さ寸法を有している。これらのビーム82,83,84内部には、入口側ビーム82から冷却ビーム84を介して出口側ビーム83へと連続した冷媒通路85が形成されており、冷却風もしくは冷却水が通流することによって強制的に冷却される。
【0041】
各バッテリモジュール1は、その側面の放熱部46が上記冷却ビーム84の側面に接するように、各冷却ビーム84の両側にそれぞれ配置されている。換言すれば、冷却ビーム84を挟んで両側に配置された一対のバッテリモジュール1は、放熱部46の位置がそれぞれ対称の関係となっており、冷却ビーム84の両面に、それぞれ放熱部46が接触している。
【0042】
また、前述した実施例と同様に、各モジュール端子33がバスバー72によって互いに接続されており、かつバッテリコントローラ8が通信線73によって互いに接続されている。
【0043】
なお、
図21において、入口側ビーム82と出口側ビーム83の図中左上側へ突出した部分82a,83aはなくてもよい。
【0044】
このように、本発明のバッテリモジュール1は、上記の冷却プレート71や冷却フレーム81などの配置に対応して放熱部46の配置を変更することができ、レイアウトの自由度が高いものとなる。
【0045】
以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
【0046】
例えば、上記実施例のバッテリモジュール1では、複数個の電池2が直列接続されるが、本発明は、複数個の電池2を並列接続したバッテリモジュールにも適用が可能である。
【0047】
また、上記実施例の伝熱プレート7は、集熱部45と放熱部46とが1つの板状部材から構成されているが、集熱部45と放熱部46とを別々の板状部材から構成し、両者をネジ等で連結するようにしてもよく、さらには、別々に配置した集熱部45と放熱部46とをヒートパイプで熱的に連結した構成とすることもできる。
【0048】
また、伝熱プレート7の放熱部46を集熱部45に比較して幅広の形状とし、放熱面積をより大きく確保するようにしてもよい。なお、集熱部45は、過度に幅が広いと該集熱部45各部の熱容量が大となり、前述した複数個の電池2の温度の均一化の上で必ずしも好ましくないので、バスバー31の長さ(換言すれば電極タブ21の幅)にほぼ対応した必要最小限の寸法とすることが望ましい。なお、上記伝熱プレート7として、集熱部45の両側にそれぞれ放熱部46を設けることもでき、つまり全体として略U字形をなすように伝熱プレート7を構成してもよい。