特許 7170079 液冷電池モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-02

(45)【発行日】2022-11-11

(54)【発明の名称】液冷電池モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/6568 20140101AFI20221104BHJP

   H01M 10/6557 20140101ALI20221104BHJP

   H01M 10/653 20140101ALI20221104BHJP

   H01M 10/613 20140101ALI20221104BHJP

   H01M 10/617 20140101ALI20221104BHJP

   H01M 10/625 20140101ALI20221104BHJP

   H01M 10/647 20140101ALI20221104BHJP

   H01M 50/204 20210101ALI20221104BHJP

【ＦＩ】

H01M10/6568

H01M10/6557

H01M10/653

H01M10/613

H01M10/617

H01M10/625

H01M10/647

H01M50/204 401H

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021035461

(22)【出願日】2021-03-05

(65)【公開番号】P2022135559

(43)【公開日】2022-09-15

【審査請求日】2021-03-05

(73)【特許権者】

【識別番号】514173696

【氏名又は名称】國家中山科學研究院

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】方富民

(72)【発明者】

【氏名】鍾智賢

(72)【発明者】

【氏名】游國輝

(72)【発明者】

【氏名】任國光

【審査官】早川 卓哉

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１２／０２９２７０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１３－５００５７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５３１３３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５１３３８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ１０／５２－１０／６６７

Ｈ０１Ｍ５０／２０－５０／２９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

コレクター、セル液冷バー、複数のセル、ベース、上蓋及び複数の銅バーを備えた液冷電池モジュールであって、
前記セル液冷バーは、等間隔で平行に配列された複数のマルチポート押出しチューブを有し、前記マルチポート押出しチューブは、前記コレクターの第１の側部にそれぞれ接続され、前記コレクターと前記マルチポート押出しチューブ内部の空間とは、互いに連通して冷却液流通空間が形成され、前記コレクターは、前記第１の側部の反対側にある第２の側部にアダプターを有し、前記アダプターは前記冷却液流通空間と連通し、
前記セルは、前記マルチポート押出しチューブ間にそれぞれ位置し、前記セルと前記マルチポート押出しチューブとは平行かつ交互に配列され、前記セルと前記マルチポート押出しチューブとの間にはギャップが形成され、前記ギャップは、０．３～１．０ｍｍであり、
前記ベースは、前記セル液冷バーの下方に配設されるとともに、前記セルを収容する複数のセル位置決めスロットが底部に形成され、
前記上蓋は、前記セル液冷バー上に配設され、前記液冷電池モジュール内にサーマルペーストを注入するために用いる複数のサーマルペースト注入孔を有し、
前記銅バーは、前記上蓋上に配設され、前記セルを電気的に直列及び並列に接続することを特徴とする、液冷電池モジュール。

【請求項2】

前記冷却液流通空間内を流通する冷却液は、脱イオン水、脱イオン水とエチレングリコール（５０％／５０％）との混合液、又は脱イオン水とプロピレングリコール（６０％／４０％）との混合液であることを特徴とする請求項１に記載の液冷電池モジュール。

【請求項3】

前記セルは、立方体型又は軟包装型のセルであることを特徴とする請求項１に記載の液冷電池モジュール。

【請求項4】

前記ベースは、前記上蓋により複数の前記セル及び複数の前記マルチポート押出しチューブが直接圧迫されることを防ぐ複数の支持柱を有することを特徴とする請求項１に記載の液冷電池モジュール。

【請求項5】

前記液冷電池モジュールは、複数組で上下に積層可能であることを特徴とする請求項１に記載の液冷電池モジュール。

【請求項6】

少なくとも１つの分流帯をさらに備え、
前記上下に積層された複数の前記液冷電池モジュールには、前記分流帯を介して対応した前記アダプターがそれぞれ接続されることを特徴とする請求項５に記載の液冷電池モジュール。

【請求項7】

軟銅バーをさらに備え、
前記軟銅バーは、上下に積層された複数の前記液冷電池モジュールの各前記銅バーにそれぞれ接続されることを特徴とする請求項５に記載の液冷電池モジュール。

【請求項8】

前記マルチポート押出しチューブの断面形状は、多角形又は凹多角形であることを特徴とする請求項１に記載の液冷電池モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電池の製造技術に関し、特に、複数のセルが組合わされた液冷電池モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

電動バスは、ディーゼルバスと比べ、公共交通機関としての利便性について依然として大きな制限を受けていた。例えば、電動バスは走行可能な距離が短く、充電時間が長く、電池の寿命が短いなど、様々な問題点があった。また、電動バスのコストの内、電池モジュールは非常に大きな割合を占めていたため、電池モジュールの使用寿命は、電動バスのコストパフォーマンスに影響を与えていた。電動バスが市場で広く受け入れられるように、急速充電技術及び熱管理技術の開発が積極的に行われ、電動バスの電池モジュールに対しては、充電速度が速く、サイクル寿命が長い性能が求められていた。

【0003】

充電速度は、使用しているセルの種類と関連性があり、サイクル寿命の長さは、電池管理及び熱管理と関連性があった。充電及び放電過程において、リチウムイオン電池中のオーム加熱及び化学反応熱により引き起こされる温度上昇は、セルのサイクル寿命、効率、信頼性及び安全性に直接影響を与える上、適切に管理せずに溜まった熱により電池が熱暴走してしまうことがあった。既に開示されている研究結果から、リチウムイオン電池の動作温度は、２０～４５℃の範囲に維持し、セル間又はモジュール間の温度差は、最大で５℃を超えないことが好ましいことが分かっている。そのため、適切な電池熱管理システムを急速充電システム中に設計することは非常に重要であった。

【0004】

電池管理システムは、空気冷却システム、液体冷却システム及びＰＣＭ（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）冷却システムの３種類に分けられる。空気冷却システムは、冷却効果が低いため、電池冷却に対する要求又は負荷が大きな極端な環境下では、動作に対する要求を満足させることはできなかった。ＰＣＭ冷却システムは、温度を効果的に下げて温度差を小さめに維持することができたが、位相変化期間の包装及び体積変化により、応用が制限を受けるため、液体冷却は、電動車両の熱管理システム（例えば、電動バスの電池システム）などに適する。

【0005】

特許文献１では、液冷パイプを立方体型バッテリーのベースとして用い、下に横たわる管径が大きめのパイプを、電池を設置するベースとして用い、サイズが小さめの液冷管を電池間に設置して離隔する上、接触面積を増やすために、パイプをジグザグ状に設置していた。しかし、電池と液冷システムとがねじ止めも接触もされていなかったため、電池と液冷管との間が接触不良となることがあり、放熱性能は好ましくなかった。

【0006】

特許文献２で開示されている液冷電池モジュールは、外部で製作された固定板により電池と冷却板とを内方にきつく固定して強固に密着させるが、高温により螺合箇所にクリープが発生して緩み、電池と冷却板との接合が徐々に緩み、最終的に放熱効果が低下してしまうことがあった。

【0007】

特許文献２で開示されている発明は、電池間にまず、金属放熱板を設置してから、その金属放熱板の間に放熱プラスチックパッドを設置して電池と金属放熱板とを密着させてから、電池構造を液冷板上に設置し、放熱プラスチックパッドにより金属放熱板と液冷板とを密着させる。しかし、このような設計は、液冷管を電池間に設置して直接放熱するのではなく、電池から発生した熱を、金属放熱板及び放熱プラスチックパッドを介して底部の液冷板に伝導して放熱していたが、熱伝導界面が多すぎるため、放熱効果には限界があった。

【0008】

特許文献３で開示されている円柱形セルの液冷チューブには、従来技術である接触放熱方式が採用され、液冷チューブ（符号２０９及び符号３０１）は、円柱形（Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ）セルの底面に接触されるか、円柱形セルの側面を覆って放熱を行い、円柱形セルの表面が幾何学的形状に限定され、液冷チューブが、コアの側面を覆うようにされており、その接触面が円柱面の一部の角度又は直線しか有さないため、接触面積には限界があり、放熱効果は好ましくなかった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】中国特許第２０５６２１８１９号公報

【文献】米国特許第６８５８３４４号明細書

【文献】米国特許第９９２３２５１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

そこで、本発明者は、上記課題を解決するための鋭意検討を重ねた結果、かかる知見に基づいて、本発明に想到するに至った。
本発明の課題は、マルチポート押出しチューブ（Ｍｕｌｔｉ－Ｐｏｒｔ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ Ｔｕｂｅ：ＭＰＥＴ）をセル間の放熱チューブとして用い、セル間にチューブの液冷効果を発生させ、電池モジュールが迅速かつ効果的な温度調整及び温度均一性の機能を得る液冷電池モジュールを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によれば、コレクター、セル液冷バー、複数のセル、ベース、上蓋及び複数の銅バーを備えた液冷電池モジュールであって、
前記セル液冷バーは、等間隔で平行に配列された複数のマルチポート押出しチューブを有し、前記マルチポート押出しチューブは、前記コレクターの第１の側部にそれぞれ接続され、前記コレクターと前記マルチポート押出しチューブ内部の空間とは、互いに連通して冷却液流通空間が形成され、前記コレクターは、前記第１の側部の反対側にある第２の側部にアダプターを有し、前記アダプターは前記冷却液流通空間と連通し、前記セルは、前記マルチポート押出しチューブ間にそれぞれ位置し、前記セルと前記マルチポート押出しチューブとは平行かつ交互に配列され、前記ベースは、前記セル液冷バーの下方に配設されるとともに、前記セルを収容する複数のセル位置決めスロットが底部に形成され、前記上蓋は、前記セル液冷バー上に配設され、前記銅バーは、前記上蓋上に配設され、前記セルを電気的に直列及び並列に接続することを特徴とする、液冷電池モジュールを提供する。

【0012】

前記冷却液流通空間内を流通する冷却液は、脱イオン水、脱イオン水とエチレングリコール（５０％／５０％）との混合液、又は脱イオン水とプロピレングリコール（６０％／４０％）との混合液であることが好ましい。

【0013】

前記セルは、立方体型又は軟包装型のセルであることが好ましい。

【0014】

前記セルと前記マルチポート押出しチューブとの間にはギャップが形成され、前記ギャップは、０．３～１．０ｍｍであることが好ましい。

【0015】

前記ベースは、前記上蓋により複数の前記セル及び複数の前記マルチポート押出しチューブが直接圧迫されることを防ぐ複数の支持柱を有することが好ましい。

【0016】

前記上蓋は、前記液冷電池モジュール内にサーマルペーストを注入するために用いる複数のサーマルペースト注入孔を有することが好ましい。

【0017】

前記液冷電池モジュールは、複数組で上下に積層可能であることが好ましい。

【0018】

少なくとも１つの分流帯をさらに備え、前記上下に積層された複数の前記液冷電池モジュールには、前記分流帯を介して対応した前記アダプターがそれぞれ接続されることが好ましい。

【0019】

軟銅バーをさらに備え、前記軟銅バーは、上下に積層された複数の前記液冷電池モジュールの各前記銅バーにそれぞれ接続されることが好ましい。

【0020】

前記マルチポート押出しチューブの断面形状は、多角形又は凹多角形であることが好ましい。

【発明の効果】

【0021】

本発明の液冷電池モジュールは、マルチポート押出しチューブ（Ｍｕｌｔｉ－Ｐｏｒｔ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ Ｔｕｂｅ：ＭＰＥＴ）をセル間の放熱チューブとして用い、セル間にチューブの液冷効果を発生させ、電池モジュールが迅速かつ効果的な温度調整及び温度均一性の機能を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1A】本発明の一実施形態に係るマルチポート押出しチューブを示す等角図である。

【図1B】本発明の一実施形態に係るマルチポート押出しチューブを示す断面図である。

【図2】本発明の一実施形態に係るセル液冷バーを示す斜視図である。

【図3】本発明の一実施形態に係るセル液冷バーを示す分解斜視図である。

【図4】本発明の一実施形態に係るベースを示す斜視図である。

【図5】本発明の一実施形態に係る液冷電池モジュールを示す組立斜視図である。

【図6】本発明の一実施形態に係る液冷電池モジュールを示す分解斜視図である。

【図7】本発明の一実施形態に係る液冷電池モジュール（２層）を示す組立斜視図である。

【図8】本発明の一実施形態に係る液冷電池モジュール（２層）を示す分解斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明の目的、特徴及び効果をより分かりやすくするために、具体的な実施形態について図に基づいて詳しく説明する。

【0024】

図６を参照する。図６に示すように、本発明の一実施形態に係る液冷電池モジュール１は、少なくともコレクター１２と、セル液冷バー１０と、複数のセル４と、ベース２０と、上蓋３０と、複数の銅バー３１とから構成されてなる。

【0025】

図２を参照する。図２に示すように、セル液冷バー１０は、等間隔で平行に配列された複数のマルチポート押出しチューブ１１を有する。本実施形態ではマルチポートアルミニウム押出しチューブ（Ｍｕｌｔｉ－Ｐｏｒｔ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ Ｔｕｂｅ）をセル間の放熱チューブとして用いるが、このようなチューブ材は、ラジエーター（Ｒａｄｉａｔｏｒ）又は熱交換器（Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）として既に広く使用され、アルミニウムチューブの溶接技術は既に十分成熟した技術である。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本実施形態で使用するマルチポート押出しチューブ１１は、平面式の液冷チューブを、立方体型又は軟包装型のセル４に直接用いるのに適し、折り曲げ加工を別途行わなくても、平面と平面とを組み合わせ、セル４の表面の幾何学的形状に位置合わせして放熱させることができる。マルチポート押出しチューブ１１のチューブ断面形状１１Ａは、様々な幾何学的形状でもよく、その目的は、流体と金属チューブとの接触面積を増やすことにあり、例えば、断面は様々な多角形又は凹多角形（Ｃｏｎｃａｖｅ Ｐｏｌｙｇｏｎ）でもよい。マルチポート押出しチューブ１１は、コレクター１２に挿設され、その内側を溶接して溶接の品質を確保して水密状態を維持してもよい。本実施形態の溶接は、レーザー溶接、溶融溶接、ロウ付け、はんだ付け等の方式でもよい。

【0026】

図２を参照する。図２に示すように、複数のマルチポート押出しチューブ１１は、コアのピッチに応じて組み合わせてセル液冷バー１０を構成する。複数のマルチポート押出しチューブ１１の間は、チューブが並列接続されてコレクター１２の第１の側部にそれぞれ接続される。コレクター１２と複数のマルチポート押出しチューブ１１内部の空間とは、互いに連通し、冷却液流通空間が形成される。コレクター１２は、第１の側部の反対側にある第２の側部にアダプター１３を有する。アダプター１３と冷却液流通空間とは連通する。アダプター１３は、チューブと連通し、熱交換の冷却液の排出又は補充を行う。図３に示すように、コレクター１２は、アダプター１３が設けられたコレクター蓋板１２１をさらに有する。アダプター１３の他端には、保守技術者がモジュール化された液冷チューブの各継手インタフェースを速やかに交換し、容易にメンテナンスできるように、管継手又はクリックリリースコネクタ１３１が設けられてもよい。

【0027】

図６を参照する。図６に示すように、複数のセル４は、マルチポート押出しチューブ１１間にそれぞれ位置する。セル４とマルチポート押出しチューブ１１とは平行かつ交互に配列される。

【0028】

図５及び図６を参照する。図５及び図６に示すように、上蓋３０は、セル液冷バー１０上に配設される。複数の銅バー３１は、上蓋３０上に位置するとともに、上蓋３０に挿設されてセル４と電気的に接続される。

【0029】

図４及び図６を参照する。図４及び図６に示すように、ベース２０は、セル液冷バー１０の下方に配設される。ベース２０の底部には、セル４を収容する複数のセル位置決めスロット２１が形成されている。ベース２０の側辺には、複数のマルチポート押出しチューブ１１が挿設される複数の位置決めスロット２２が形成されている。ベース２０は、複数の支持柱２３を有する。支持柱２３は、上蓋３０、セル液冷バー１０及びベース２０が結合されるときに、上蓋３０の重量により複数のセル４及び複数のマルチポート押出しチューブ１１が直接圧迫され、捻じれ変形して損壊してしまうことを防ぐことができる上、圧締によりセル４がマルチポート押出しチューブ１１に直接結合されることもない（即ち、セル４とマルチポート押出しチューブ１１との間にはギャップ（空間）がある）。

【0030】

図５及び図６を参照する。図５及び図６に示すように、複数のセル４及びセル液冷バー１０をベース２０上に組み立ててから上蓋３０を取付け、銅バー３１が直列かつ並列に接続されて液冷電池モジュール１が形成される。上蓋３０は、液冷電池モジュール１内にサーマルペーストを注入するために用いる複数のサーマルペースト注入孔３２を有する。セル４とマルチポート押出しチューブ１１との間のギャップ（空間）にサーマルペースト（図示せず）が注入されて充満されると熱伝導パスが形成され、セル４の熱がマルチポート押出しチューブ１１に伝達され、冷却液により熱が運ばれる。ギャップは、０．３～１．０ｍｍの範囲内であるが、０．７ｍｍであることが好ましい。図６に示すように、上蓋３０は、ねじ（図示せず）によりベース２０にねじ止めされるとともに、外支持柱３３を有する。図７及び図８を参照する。図７及び図８に示すように、外支持柱３３は、２層以上の液冷電池モジュール１が積層されたときに、セル４が押し潰されることを防ぐことができる。この押し潰される力は、上蓋３０及びベース２０により支えることができる。上蓋３０及びベース２０は、ポリオキシメチレン（ｐｏｌｙｏｘｙｍｅｔｈｙｌｅｎｅ：ＰＯＭ）からなってもよい。

【0031】

本実施形態において、液冷電池モジュール１の電気容量又は電圧を増強させたいが、Ｘ－Ｙ平面の空間が不足している場合、液冷電池モジュール１をＹ方向で２層以上に積層して電力を増大させてもよいが、上下層のコア数は、必ずしも同じでなくてもよい。図７は、本発明の一実施形態に係る液冷電池モジュール１（２層）を示す組立斜視図である。図８は、本発明の一実施形態に係る液冷電池モジュール１（２層）を示す分解斜視図である。２層の液冷電池モジュール１は、軟銅バー５又はその他可撓性の導線を介して上下層の液冷電池モジュール１の銅バー３１と接続され、上下層の液冷電池モジュール１を電気的に直列及び並列に接続する。軟銅バー５が可撓性を有するため、上下層の液冷電池モジュール１の組立作業は容易である。

【0032】

また、液冷電池モジュール１は、少なくとも１つの分流帯６をさらに含んでもよい。上下に積層された複数の液冷電池モジュール１は、分流帯６を介して対応したアダプター１３にそれぞれ接続する。２層の液冷電池モジュール１は、分流帯６の管路により、上下層の液冷電池モジュール１の冷却チューブを並列接続するフレームワークを形成する。分流帯６は、上下層の液冷電池モジュール１にそれぞれ接続されたセル液冷バー１０（冷却液の流通空間）である。両者の冷却液が合流した後、アダプター１３により熱交換の冷却液の排出又は補充を行う。

【0033】

上述したことから分かるように、本発明の液冷電池モジュール１は、セル間の放熱チューブとしてマルチポートアルミニウム押出しチューブ（Ｍｕｌｔｉ－Ｐｏｒｔ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ Ｔｕｂｅ：ＭＰＥＴ）をマルチポート押出しチューブとして用いる。また、セル間にチューブの液冷効果を発生させ、急速充電、効果的な温度調整及び温度均一性の機能を得てもよい。本発明のマルチポート押出しチューブは、平面式の液冷チューブであるため、ＬＴＯ（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）セル又は軟包装型セルに直接用いることができる。そのため、折り曲げ加工を別途行わなくても、セルの幾何学的形状の表面に平面－平面で組み合わせて放熱させることができる。本発明は、マルチポート押出しチューブの配列ピッチ、長さ又は幅を変えるだけで、様々なサイズの立方体型セルに応用し、急速充電池モジュールに求められる高い放熱性能の問題を解決することができる。そのため、液冷放熱により電動バスなどの大型電池モジュールは、充電速度が速く、サイクル寿命が長い性能が得られる。

【0034】

本発明の冷却液流通空間内を流通する冷却液は、脱イオン水、脱イオン水とエチレングリコール（５０％／５０％）との混合液、又は脱イオン水とプロピレングリコール（６０％／４０％）との混合液である。

【0035】

本発明のセルは、立方体型又は軟包装型のセルである。

【0036】

当該分野の当業者にとって理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。

【符号の説明】

【0037】

１ 液冷電池モジュール
４ セル
５ 軟銅バー
６ 分流帯
１０ セル液冷バー
１１ マルチポート押出しチューブ
１１Ａ チューブ断面形状
１２ コレクター
１３ アダプター
２０ ベース
２１ セル位置決めスロット
２２ 位置決めスロット
２３ 支持柱
３０ 上蓋
３１ 銅バー
３２ サーマルペースト注入孔
３３ 外支持柱
１２１ コレクター蓋板
１３１ クリックリリースコネクタ

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】