特許 7556900 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】2024-09-17

(45)【発行日】2024-09-26

(54)【発明の名称】電池モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/6554 20140101AFI20240918BHJP

   H01M 10/613 20140101ALI20240918BHJP

   H01M 10/6556 20140101ALI20240918BHJP

   H01M 10/647 20140101ALI20240918BHJP

   H01M 50/289 20210101ALI20240918BHJP

   H01M 50/209 20210101ALI20240918BHJP

   H01M 10/653 20140101ALI20240918BHJP

   H01M 10/625 20140101ALI20240918BHJP

   H01M 50/249 20210101ALN20240918BHJP

【ＦＩ】

H01M10/6554

H01M10/613

H01M10/6556

H01M10/647

H01M50/289

H01M50/209

H01M10/653

H01M10/625

H01M50/249

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2022018810

(22)【出願日】2022-02-09

(65)【公開番号】P2023116166

(43)【公開日】2023-08-22

【審査請求日】2023-02-17

(73)【特許権者】

【識別番号】520184767

【氏名又は名称】プライムプラネットエナジー＆ソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小村 哲司

【審査官】右田 勝則

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１９２０１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２１／０２４７７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－０２３２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５２２３７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４７６０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－２１６０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２９５２４１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－０５３１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－００９６７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１５６１２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０３１５５２９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／６５５４

Ｈ０１Ｍ １０／６１３

Ｈ０１Ｍ １０／６５５６

Ｈ０１Ｍ １０／６４７

Ｈ０１Ｍ ５０／２８９

Ｈ０１Ｍ ５０／２０９

Ｈ０１Ｍ １０／６５３

Ｈ０１Ｍ １０／６２５

Ｈ０１Ｍ ５０／２４９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

底面を各々含み、第１の方向に配列された複数の電池セルと、
前記複数の電池セルの前記底面と対向する冷却プレートと、
前記複数の電池セルと前記冷却プレートとの間に設けられた伝熱性部材とを備え、
前記冷却プレートは、前記複数の電池セルの前記底面と対向する部分に凸部および凹部を有し、
前記伝熱性部材は、前記冷却プレートの前記凸部と前記複数の電池セルの前記底面とに挟持され、かつ、前記冷却プレートの前記凹部に入り込むように設けられ、
前記冷却プレートは冷媒通路を有し、前記凸部および前記凹部は、前記冷媒通路と平行に延びる部分を有し、
前記冷却プレートは押出材により構成される、電池モジュール。

【請求項2】

前記伝熱性部材は、前記凹部内に空間を残すように前記凹部内に入り込む、請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項3】

前記伝熱性部材は、弾力性を有するシート部材からなる、請求項１または請求項２に記載の電池モジュール。

【請求項4】

前記伝熱性部材は、硬化型の熱伝導性接着材からなる、請求項１または請求項２に記載の電池モジュール。

【請求項5】

前記冷却プレートの前記凸部および前記凹部は、前記第１の方向に沿って延びる部分を有する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電池モジュール。

【請求項6】

前記電池セルは角型二次電池セルである、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電池モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本技術は、電池モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

電池モジュールの冷却効率を向上させるための試みが従来からなされている。たとえば、特開２０１５－２２８３０号公報（特許文献１）には、冷却プレートをその底面側からケース側に押圧するブラケットを設けた組電池が開示されている。

【0003】

また、特開２００９－１６２８５号公報（特許文献２）には、冷却通路を形成するための凹凸を冷却プレートに設けることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１５－２２８３０号公報

【文献】特開２００９－１６２８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

電池セルから冷却プレートへの伝熱効率を向上させることが求められる。他方、電池モジュールを小型化することも求められる。これらの課題を両立する観点から、従来の電池モジュールには依然として改善の余地がある。

【0006】

本技術の目的は、小型化が促進され、かつ、電池セルから冷却プレートへの伝熱が促進される電池モジュールを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本技術に係る電池モジュールは、底面を各々含み、第１の方向に配列された複数の電池セルと、複数の電池セルの底面と対向する冷却プレートと、電池セルと冷却プレートとの間に設けられた伝熱性部材とを備える。冷却プレートは、複数の電池セルの底面と対向する部分に凸部および凹部を有する。伝熱性部材は、冷却プレートの凸部と複数の電池セルの底面とに挟持され、かつ、冷却プレートの凹部に入り込むように設けられる。

【発明の効果】

【0008】

本技術によれば、電池セルの底面と冷却プレートとの間に設けられた伝熱性部材が冷却プレートの凹部に入り込むことにより変形しやすくなり、寸法公差を吸収することができる。また、冷却プレートの凸部上においては伝熱性部材の厚みが過度に厚くなることを抑制することができる。したがって、電池モジュールを小型化するとともに、電池セルから冷却プレートへの伝熱を促進できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】電池セルを示す斜視図である。

【図2】電池セルおよび電池セルを収納するケース部材を示す斜視図である。

【図3】電池パックの外観図である。

【図4】電池セルと冷却プレートとの間に伝熱性部材を配置した状態を示す図である。

【図5】図４に示す状態から、伝熱性部材を圧縮した状態を示す図である。

【図6】冷却プレートおよび伝熱性部材の構造の詳細を説明するための図である。

【図7】凸部および凹部の形状の変形例を示す図（その１）である。

【図8】凸部および凹部の形状の変形例を示す図（その２）である。

【図9】凸部および凹部の形状の変形例を示す図（その３）である。

【図10】凸部および凹部の形状の変形例を示す図（その４）である。

【図11】凸部および凹部の形状の変形例を示す図（その５）である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本技術の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

【0011】

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本技術の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本技術にとって必ずしも必須のものではない。また、本技術は、本実施の形態において言及する作用効果を必ずしもすべて奏するものに限定されない。

【0012】

なお、本明細書において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「有する（ｈａｖｅ）」の記載は、オープンエンド形式である。すなわち、ある構成を含む場合に、当該構成以外の他の構成を含んでもよいし、含まなくてもよい。

【0013】

また、本明細書において幾何学的な文言および位置・方向関係を表す文言、たとえば「平行」、「直交」、「斜め４５°」、「同軸」、「沿って」などの文言が用いられる場合、それらの文言は、製造誤差ないし若干の変動を許容する。本明細書において「上側」、「下側」などの相対的な位置関係を表す文言が用いられる場合、それらの文言は、１つの状態における相対的な位置関係を示すものとして用いられるものであり、各機構の設置方向（たとえば機構全体を上下反転させる等）により、相対的な位置関係は反転ないし任意の角度に回動し得る。

【0014】

本明細書において、「電池」は、リチウムイオン電池に限定されず、ニッケル水素電池およびナトリウムイオン電池などの他の電池を含み得る。

【0015】

本明細書において、「電池セル」は、ハイブリッド車（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ：Plug-in Hybrid Electric Vehicle）、および電気自動車（ＢＥＶ：Battery Electric Vehicle）などに搭載可能である。ただし、「電池セル」の用途は、車載用に限定されるものではない。

【0016】

図１は、電池セル１００を示す斜視図である。図１に示すように、電池セル１００は、角型形状を有する角型二次電池セルである。電池セル１００は、電極端子１１０と、筐体１２０と、ガス排出弁１３０とを有する。

【0017】

電極端子１１０は、筐体１２０上に形成されている。電極端子１１０は、Ｙ軸方向（第１の方向）に直交するＸ軸方向（第２の方向）に沿って並ぶ正極端子１１１および負極端子１１２を有する。正極端子１１１および負極端子１１２は、Ｘ軸方向において、互いに離れて設けられている。

【0018】

筐体１２０は、直方体形状を有し、電池セル１００の外観をなす。筐体１２０は、図示しない電極体および電解液を収容するケース本体１２０Ａと、ケース本体１２０Ａの開口を封止する封口板１２０Ｂとを含む。封口板１２０Ｂは、溶接によりケース本体１２０Ａに接合される。

【0019】

筐体１２０は、上面１２１と、下面１２２（底面）と、第１側面１２３と、第２側面１２４と、２つの第３側面１２５とを有する。

【0020】

上面１２１は、Ｙ軸方向およびＸ軸方向に直交するＺ軸方向（第３の方向）に直交する平面である。上面１２１には、電極端子１１０が配置されている。下面１２２は、Ｚ軸方向に沿って上面１２１に対向している。

【0021】

第１側面１２３および第２側面１２４の各側面は、Ｙ軸方向に直交する平面からなる。第１側面１２３および第２側面１２４の各側面は、筐体１２０が有する複数の側面のうちで最も大きい面積を有する。第１側面１２３および第２側面１２４の各側面は、Ｙ軸方向に見て、矩形形状を有する。第１側面１２３および第２側面１２４の各側面は、Ｙ軸方向に見て、Ｘ軸方向が長手方向となり、Ｚ軸方向が短手方向となる矩形形状を有する。

【0022】

複数の電池セル１００は、Ｙ軸方向に隣り合う電池セル１００，１００の間において、第１側面１２３どうし、第２側面１２４どうしが向かい合わせとなるように積層（配列）されている。これにより、複数の電池セル１００が積層されるＹ軸方向において、正極端子１１１と負極端子１１２とが、交互に並んでいる。

【0023】

ガス排出弁１３０は、上面１２１に設けられている。ガス排出弁１３０は、電池セル１００の温度が上昇し（熱暴走）、筐体１２０の内部で発生したガスにより筐体１２０の内圧が所定値以上となった場合に、そのガスを筐体１２０の外部に排出する。

【0024】

図２は、電池セル１００を収納するケース部材２００を示す斜視図である。図２においては、図示の便宜上、後述するケース部材２００の蓋部分を示していない。

【0025】

図２に示すように、ケース部材２００は、内部空間２１０と、冷却プレート２２０と、側面部２３０とを含む。

【0026】

内部空間２１０には、Ｙ軸方向に積層された複数の電池セル１００の積層体（組電池）が収納される。組電池は、Ｘ軸方向に三列並ぶように設けられる。冷却プレート２２０および側面部２３０は、内部空間２１０を規定する。冷却プレート２２０は、ケース部材２００の底部を構成する。

【0027】

側面部２３０は、Ｙ軸方向に直交する方向に延びる部分と、Ｘ軸方向に直交する方向に延びる部分とを含む。電池セル１００の積層体（セパレータを含む）に対してＹ軸方向の両側に位置し、Ｙ軸方向に直交する方向に延びる側面部２３０は、電池セル１００の積層体を直接支持するもの（Ｃｅｌｌ－ｔｏ－Ｐａｃｋ構造）であってもよいし、複数の電池セル１００を含む電池モジュールを収納するもの（Ｃｅｌｌ－Ｍｏｄｕｌｅ－Ｐａｃｋ構造）であってもよい。

【0028】

図３は、電池パックの外観図である。図３に示すように、側面部２３０に蓋部材２４０が組み付けられてケース部材２００の内部空間２１０が密閉される。

【0029】

図４は、電池セル１００と冷却プレート２２０との間に伝熱性部材３００を配置した状態を示す図である。図５は、図４に示す状態から、伝熱性部材３００を圧縮した状態を示す図である。

【0030】

図４に示すように、伝熱性部材３００は、電池セル１００と冷却プレート２２０との間に設けられる。冷却プレート２２０は、凸部２２１および凹部２２２を有する。凸部２２１および凹部２２２は、冷却プレート２２０における伝熱性部材３００に面する表面に設けられる。すなわち、冷却プレート２２０における電池セル１００の下面１２２と対向する部分に設けられる。伝熱性部材３００は、冷却プレート２２０の凸部２２１と複数の電池セル１００の下面１２２とに挟持され、凸部２２１と下面１２２との間で圧縮される。その結果、図５に示すように、伝熱性部材３００の一部が冷却プレート２２０の凹部２２２に入り込む。このとき、伝熱性部材３００は、凹部２２２内に空間を残すように凹部２２２内に入り込む。

【0031】

伝熱性部材３００は、たとえばシリコン、アクリル、エポキシなどの樹脂に銅、アルミニウム等の金属フィラーを配合、または、絶縁性を重視してアルミナ、シリカ等のセラミックフィラーを配合して熱伝導率を向上させた素材を含み得る。伝熱性部材３００の熱伝導率は、一例として、０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上８．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下程度である。

【0032】

一例として、伝熱性部材３００は、弾力性を有するシート部材から構成されてもよい。上記シート部材としては、たとえば富士高分子製の「サーコン」（熱伝導率：０．９Ｗ／ｍ・Ｋ以上３．４Ｗ／ｍ・Ｋ以下程度）、信越シリコーン製の「放熱シリコーンゴム」（熱伝導率：０．９Ｗ／ｍ・Ｋ以上７．３Ｗ／ｍ・Ｋ以下程度）、およびデクセリアルズ製の「伝熱シート」（熱伝導率：１Ｗ／ｍ・Ｋ以上７Ｗ／ｍ・Ｋ以下程度）等を用いることができる。

【0033】

他の例として、伝熱性部材３００は、硬化型の熱伝導性接着材から構成されてもよい。上記熱伝導性接着材としては、たとえば３Ｍ製の「スコッチ・ウエルド」（熱伝導率：１．６Ｗ／ｍ・Ｋ程度）、セメダイン製の「放熱性接着剤」（熱伝導率：１．７Ｗ／ｍ・Ｋ以上２．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下程度）、および信越化学工業製の「熱伝導性ＲＴＶゴム」（熱伝導率：２．４Ｗ／ｍ・Ｋ程度）等を用いることができる。

【0034】

図４，図５の例において、冷却プレート２２０の凸部２２１および凹部２２２は、Ｙ軸方向に沿って延びている。ただし、凸部２２１および凹部２２２はＸ軸方向に延びてもよいし、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に対して交差する斜め方向に延びてもよい。また、凸部２２１および／または凹部２２２が格子状ないし島状に形成されてもよい。

【0035】

図６は、冷却プレート２２０および伝熱性部材３００の構造の詳細を説明するための図である。図６に示すように、冷却プレート２２０には、冷媒通路２２３が形成されている。冷媒通路２２３はＹ軸方向に沿って延びる。すなわち、冷却プレート２２０において、凸部２２１および凹部２２２は、冷媒通路２２３と平行に延びる。このようにすることで、冷却プレート２２０を押出材により構成することができる。典型的な一例では、冷却プレート２２０は、アルミニウムの押出材により構成される。

【0036】

ただし、凸部２２１および凹部２２２と冷媒通路２２３とが異なる方向に延在してもよい。また、冷却プレート２２０は押出材により構成されるものに限定されず、機械加工により凸部２２１、凹部２２２、および冷媒通路２２３が形成されてもよい。

【0037】

電池セル１００の筐体１２０の下面１２２と冷却プレート２２０の凸部２２１との間で伝熱性部材３００は圧縮される。たとえば図６に示す圧縮部分３００Ａに対応する体積の伝熱性部材３００が凹部２２２に入り込む。一例として、凸部２２１のＸ軸方向の幅はたとえば１０ｍｍ程度である。変形した伝熱性部材３００を受け入れる凹部２２２の容積は、凸部２２１の体積の３０％以上程度である。変形した伝熱性部材３００は、電池セル１００の筐体１２０の下面１２２と冷却プレート２２０とに密着する。伝熱性部材３００により、電池セル１００から冷却プレート２２０への熱伝導が促進され、電池セル１００の冷却効率が向上する。

【0038】

仮に、凸部２２１および凹部２２２が形成されていない平坦な冷却プレート２２０を用いた場合、伝熱性部材３００を必ずしも十分に変形させることができないために寸法公差を吸収しきれず、冷却プレート２２０の固定が十分でない、または伝熱性部材３００が電池セル１００に十分に密着しないなどの事態が生じ得る。他方、寸法公差を確実に吸収できる程度の圧縮力を伝熱性部材３００に加えようとした場合、電池モジュール全体として機構が大型化する、または電池モジュール全体の寸法ばらつきが大きくなるという事態が生じ得る。

【0039】

これに対し、本実施の形態に係る電池モジュールでは、電池セル１００の筐体１２０の下面１２２と冷却プレート２２０との間に設けられた伝熱性部材３００が冷却プレート２２０の凹部２２２に入り込むことにより変形しやすくなり、電池モジュールの組立時において、厚み方向（Ｚ軸方向）の寸法公差を吸収することができる。また、冷却プレート２２０の凸部２２１上においては伝熱性部材３００の厚みが過度に厚くなることを抑制することもできる。以上の結果として、電池モジュールを小型化するとともに、電池セル１００から冷却プレート２２０への伝熱を促進することが可能である。

【0040】

次に、図７～図１１を用いて、冷却プレート２２０の凸部２２１および凹部２２２の形状の変形例について説明する。

【0041】

先に述べた図４，図５の例においては凸部２２１および凹部２２２が矩形の断面形状を有するのに対し、図７の変形例のように、凸部２２１および凹部２２２は三角形の断面形状を有してもよい。また、図８の変形例のように、凸部２２１および凹部２２２は台形の断面形状を有してもよいし、図９の変形例のように、凸部２２１および凹部２２２は半円形の断面形状を有してもよい。

【0042】

また、図１０の変形例のように、凸部２２１の高さが一部で異なっていてもよいし、図１１の変形例のように、凸部２２１および凹部２２２の形状が一部で異なっていてもよい。

【0043】

図１０の例では、Ｘ軸方向の端部側に位置する凸部２２１Ａの高さが相対的に高く、Ｘ軸方向の中央側に位置する凸部２２１Ｂの高さが相対的に低い。図１０に示すように、中央側の凸部２２１Ｂ上に伝熱性部材３００を配置することにより、端部側の凸部２２１Ａにより伝熱性部材３００の位置決めを行うことができる。この結果、伝熱性部材３００の位置ずれを抑制することができる。

【0044】

図１１の例では、Ｘ軸方向の端部側に位置する凸部２２１Ｃが矩形の断面形状を有し、Ｘ軸方向の中央側に位置する凸部２２１Ｄが三角形の断面形状を有する。図１１に示すように、電池セル１００の筐体１２０の下面１２２は中央側において大きく変形（膨化）する。これに対し、中央側に位置する凸部２２１Ｄの先端を尖らせることにより、下面１２２と凸部２２１Ｄとの間で圧縮される伝熱性部材３００を変形させやすい。このように、電池セル１００の筐体１２０の膨化形状に対応しやすい冷却プレート２２０が提供される。

【0045】

以上、本技術の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本技術の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0046】

１００ 電池セル、１１０ 電極端子、１１１ 正極端子、１１２ 負極端子、１２０ 筐体、１２０Ａ ケース本体、１２０Ｂ 封口板、１２１ 上面、１２２ 下面、１２３ 第１側面、１２４ 第２側面、１２５ 第３側面、１３０ ガス排出弁、２００ ケース部材、２１０ 内部空間、２２０ 冷却プレート、２２１，２２１Ａ，２２１Ｂ，２２１Ｃ，２２１Ｄ 凸部、２２２ 凹部、２２３ 冷媒通路、２３０ 側面部、２４０ 蓋部材、３００ 伝熱性部材、３００Ａ 圧縮部分。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】