JP2021077583A - 電池温調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積層された電池セルの温度を調整する電池温調装置において、電池セルの膨張で発生する応力を緩和する。【解決手段】積層された複数の電池セル１１と、電池セルとともに積層され、内部を流れる熱媒体と電池セルとを熱交換する複数の熱交換部２０ａを有する熱交換器２０と、電池セルおよび熱交換部を積層した状態で固定する拘束部材５２〜５５とを設ける。隣り合う熱交換部の間には、１以上の電池セルが配置されている。熱交換部には、対向する電池セルの板面の中央部に対応する部位に電池セルの膨張を吸収する応力吸収部２４が設けられている。【選択図】図５

Description

本発明は、電池の温度を調整する電池温調装置に関する。

特許文献１には、積層された複数の電池セルの温度を調整する電池温調装置が開示されている。この電池温調装置では、内部を熱媒体が流れる熱交換器が蛇行状に折り曲げられており、隣接する電池セルの間に熱交換器が配置されている。

特表２０１６−５２６７６３号公報

しかしながら、電池セルは温度やＳＯＣの変化によって膨張することがあり、さらに使用に伴う劣化によっても膨張することがある。積層された電池セルが拘束部材などによって固定されている場合には、電池セルの膨張によって、電池セルや熱交換器に過度の応力が印加されるおそれがある。

本発明は上記点に鑑み、積層された電池セルの温度を調整する電池温調装置において、電池セルの膨張で発生する応力を緩和することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の電池温調装置は、積層された複数の電池セル（１１）と、熱交換器（２０）と、拘束部材（５２〜５５）とを備えている。熱交換器は、電池セルとともに積層され、内部を流れる熱媒体と電池セルとを熱交換する複数の熱交換部（２０ａ）を有する。拘束部材は、電池セルおよび熱交換部を積層した状態で固定する。隣り合う熱交換部の間には、１以上の電池セルが配置されている。熱交換部には、対向する電池セルの板面の中央部に対応する部位に電池セルの膨張を吸収する応力吸収部（２４）が設けられている。

これにより、熱交換器自体の構造によって電池セルの膨張を吸収することができる。このため、電池セルの膨張を吸収するための他の部材を電池セルとともに積層する場合のように、装置全体の厚みが増大することを回避できる。

なお、上記各構成要素の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態の電池温調装置の斜視図である。 第１実施形態の電池温調装置の平面図である。 第１実施形態の電池温調装置の正面図である。 電池温調装置の主要構成を示す平面図である。 電池温調装置の部分的な断面図である。 熱交換器の斜視図である。 第２実施形態の電池温調装置の部分的な断面図である。 第３実施形態の電池温調装置の部分的な断面図である。 第３実施形態の熱交換器の斜視図である。 第４実施形態の電池温調装置の正面図である。 第４実施形態の電池温調装置の部分的な正面図である。 第４実施形態の電池温調装置の部分的な断面図である。 第５実施形態の電池温調装置の部分的な断面図である。 第５実施形態の熱交換器の斜視図である。 熱交換器の変形例を示す斜視図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。図１〜図３に示すように、本実施形態の電池温調装置１は、電池モジュール１０と、熱交換器２０とを備えている。

電池モジュール１０は、積層された複数の電池セル１１によって構成されている。電池セル１１は、平坦な板面を有する扁平形状となっている。本実施形態の電池セル１１は扁平な直方体形状であり、矩形状の板面を有している。

複数の電池セル１１は、それぞれの板面が平行となるように並列配置されている。電池セル１１の板面は、電池セル１１の積層方向と直交している。

電池セル１１は、任意の種類の電池を用いることができ、本実施形態ではリチウムイオン電池を用いている。リチウムイオン電池は充放電可能な２次電池である。電池セル１１の表面は、例えばポリプロピレンからなる絶縁フィルムで覆われている。

電池セル１１としては、角型やラミネート型といった形状の電池を好適に用いることができる。このような形状の電池セル１１は、温度、ＳＯＣの変化あるいは使用に伴う劣化によって、板面の中央付近が膨張するおそれがある。

熱交換器２０は、内部を熱媒体が流通しており、電池セル１１と熱媒体との熱交換を行う。これにより、電池セル１１が冷却または加熱され、電池セル１１が温度調整される。

熱交換器２０は、例えばアルミニウムによって構成することができる。熱媒体としては、例えばエチレングリコール系の不凍液（ＬＬＣ）を用いることができる。

熱交換器２０は、帯状部材であり、電池モジュール１０における電池セル１１の積層方向の全長に渡って形成されている。以下、電池セル１１の積層方向を「セル積層方向」という。図１、図３では紙面上下方向が熱交換器２０の幅方向であり、図２、図４では紙面垂直方向が熱交換器２０の幅方向である。なお、図４では、拘束部材５２、５３、５４、５５の図示を省略している。

熱交換器２０は、熱交換部２０ａと接続部２０ｂとを有している。熱交換器２０において、熱交換部２０ａは、２つの電池セル１１に挟まれた部位であり、電池セル１１の板面に対応した形状となっている。接続部２０ｂは、隣接する熱交換部２０ａを接続する部位である。熱交換部２０ａは電池セル１１と接触しており、接続部２０ｂは電池セル１１と接触していない。

熱交換部２０ａは平板状となっており、接続部２０ｂは湾曲している。複数の熱交換部２０ａは、セル積層方向に所定間隔で並列配置されている。熱交換部２０ａは、板面がセル積層方向に直交するように配置されており、熱媒体流れ方向がセル積層方向に直交している。隣接する熱交換部２０ａは接続部２０ｂによって接続され、蛇行状の熱交換器２０を構成している。つまり、熱交換器２０は、蛇行状に折り曲げられたサーペンタイン型となっている。

電池セル１１と、熱交換器２０の熱交換部２０ａとが交互に積層して配置されている。隣接する熱交換部２０ａの間には、１以上の電池セル１１が配置されている。本実施形態では、隣接する熱交換部２０ａの間に１つの電池セル１１が配置されている。隣接する電池セル１１の間には、熱交換器２０の熱交換部２０ａが１つ配置されている。

積層された電池セル１１の両端に、一組のエンドプレート５０、５１が配置されている。エンドプレート５０、５１は、両端に位置する電池セル１１の外側に配置されている。エンドプレート５０、５１は、電池セル１１に対応した形状となっており、電池セル１１とともに積層されている。

一組のエンドプレート５０、５１は、拘束部材５２、５３、５４、５５で接続されている。拘束部材５２、５３、５４、５５は、一組のエンドプレート５０、５１の対応する角部同士を接続するように設けられている。積層された電池セル１１と熱交換器２０は、エンドプレート５０、５１の外側から所定の拘束荷重をかけられた状態で、拘束部材５２、５３、５４、５５によって固定されている。

図５、図６に示すように、熱交換器２０は、内部に熱媒体通路が形成された扁平多穴チューブである。熱交換器２０は、例えば押出成形によって形成することができる。本実施形態の熱交換器２０では、押出成形によって一つの扁平多穴チューブを成形した後、接続部２０ｂに対応する部位を曲げ加工することで蛇行状にしている。このため、熱交換部２０ａと接続部２０ｂは一体的に構成されている。

熱交換器２０の一端側には、流入部２１および流出部２２が設けられている。図２〜図４において、熱交換器２０の左端が熱交換器２０の一端側である。流入部２１は、熱交換器２０の内部に熱媒体を流入させる。流出部２２は、熱交換器２０の内部から熱媒体を流出させる。

熱交換器２０の他端側には、流入部２１から流入した熱媒体が流出部２２に向かって折り返す折り返し部２３が設けられている。図２〜図４において、熱交換器２０の右端が熱交換器２０の他端側である。折り返し部２３は、エンドプレート５１の内部に設けられている。流入部２１から熱交換器２０に流入した熱媒体は、折り返し部２３で折り返して、流出部２２から流出する。

図５は、熱交換器２０における熱媒体流れ方向に直交する断面を示している。図５は、２つの電池セル１１と３つの熱交換部２０ａのみを示している。図５では、紙面垂直方向が熱媒体流れ方向となっている。

図５に示すように、熱交換器２０は、応力吸収部２４と側方部２５を有している。応力吸収部２４および側方部２５は、それぞれ板面が電池セル１１に対向している。応力吸収部２４および側方部２５は、それぞれ熱交換器２０の一端側から他端側に渡って設けられている。

熱交換部２０ａには、熱媒体流れ方向から見て中央付近に応力吸収部２４が設けられており、熱媒体流れ方向から見て応力吸収部２４の側方に側方部２５が設けられている。換言すれば、応力吸収部２４は、熱交換器２０の幅方向における中央部に設けられている。側方部２５は、熱交換器２０の幅方向における両端部に設けられている。

応力吸収部２４および側方部２５は隣接しており、並列して設けられている。本実施形態では、応力吸収部２４と側方部２５は一体的に構成されている。

図５に示すように、応力吸収部２４のセル積層方向における厚みは、熱交換部２０ａにおける他の部位よりも薄くなっている。具体的には、応力吸収部２４のセル積層方向における厚みは、側方部２５よりも薄くなっている。つまり、応力吸収部２４は薄肉部であり、側方部２５は厚肉部である。

図５では、電池セル１１が膨張した場合の板面を破線で示している。図５に示すように、電池セル１１が膨張すると、板面が熱交換器２０に向かって膨らむ。電池セル１１が膨張した場合には、板面の中央部の膨らみが最も大きくなる。

熱交換部２０ａにおいて、応力吸収部２４は電池セル１１の板面の中央部に対応した位置に設けられている。熱交換部２０ａにおいて、側方部２５は電池セル１１の板面の端部に対応した位置に設けられている。

電池セル１１が膨張していない状態で、側方部２５は電池セル１１の板面に接触しているのに対し、応力吸収部２４は電池セル１１の板面に接触していない。つまり、応力吸収部２４と電池セル１１の板面との間に所定の隙間が形成されている。

本実施形態では、応力吸収部２４は、熱交換器２０における厚み方向の中心に設けられている。このため、応力吸収部２４の両側の面と、それぞれ対向する電池セル１１の板面との間に所定の隙間が形成されている。

電池セル１１の膨張態様は、電池セル１１の種類や形状などによって異なる。このため、応力吸収部２４の厚みや、熱交換器２０の幅方向における応力吸収部２４の長さは、任意に設定することができる。本実施形態では、応力吸収部２４の長さを熱交換器２０の幅方向長さの５０％程度としている。

図５、図６に示すように、熱交換器２０の内部には、熱媒体が流通する複数の熱媒体流路２０ｃが設けられている。図６に示すように、応力吸収部２４と側方部２５では、熱媒体流路２０ｃの熱媒体流れ方向が反対になっている。また、応力吸収部２４と側方部２５では、それぞれの熱媒体流路２０ｃの流路断面積の合計が等しくなっている。

熱媒体流れ方向において、応力吸収部２４は折り返し部２３の上流側に位置し、側方部２５は折り返し部２３の下流側に位置している。流入部２１から熱交換器２０の内部に流入した熱媒体は、応力吸収部２４の熱媒体流路２０ｃを流れる。応力吸収部２４の熱媒体流路２０ｃを流れた熱媒体は、折り返し部２３で折り返した後、側方部２５の熱媒体流路２０ｃを流れ、流出部２２から流出する。このため、応力吸収部２４と側方部２５では、熱媒体が逆方向に流れる。

このように、外部から流入した熱媒体は、応力吸収部２４を流れた後に側方部２５を流れる。応力吸収部２４の熱媒体流路２０ｃは上流側流路と位置付けられ、側方部２５の熱媒体流路２０ｃは下流側流路と位置付けられる。

応力吸収部２４の熱媒体流路２０ｃには、流入部２１から流入した直後の比較的低温の熱媒体が流通する。側方部２５の熱媒体流路２０ｃには、電池セル１１と熱交換して温度上昇した熱媒体が流通する。このため、応力吸収部２４では、側方部２５よりも熱媒体が低温となっている。

図５、図６に示すように、熱媒体流路２０ｃは、仕切り部２０ｄで仕切られている。応力吸収部２４は、側方部２５よりも仕切り部２０ｄの間隔が広くなっている。つまり、熱交換器２０の幅方向において、応力吸収部２４は側方部２５よりも熱媒体流路２０ｃの長さが長くなっている。このため、外部応力が作用した場合に、応力吸収部２４は側方部２５よりも変形しやすくなっている。

以上説明した本実施形態の熱交換器２０では、電池セル１１の中央部に対応する部位に電池セル１１の膨張を吸収するための応力吸収部２４が設けられている。これにより、熱交換器２０自体の構造によって電池セル１１の膨張を吸収することができる。このため、電池セル１１の膨張を吸収するための他の部材を電池セル１１とともに積層する場合のように、装置全体の厚みが増大することを回避できる。

特に、電池セル１１と熱交換部２０ａが拘束部材５２、５３、５４、５５によって固定されている場合には、電池セル１１の膨張によって拘束荷重に対する反力が生じることを抑制できる。この結果、拘束部材５２、５３、５４、５５で固定された電池セル１１および熱交換器２０に過大な応力がかかることを抑制できる。さらに、エンドプレート５０、５１や拘束部材５２、５３、５４、５５に高強度な材料や構造を採用する必要がなくなるため、装置が高コスト化することを回避できる。

また、本実施形態では、応力吸収部２４が熱交換部２０ａにおける他の部位より厚みが薄くなっている。これにより、電池セル１１の膨張を確実に吸収することができる。

また、熱交換器２０の応力吸収部２４に対応する電池セル１１の中央部では、熱交換器２０と電池セル１１が接触しにくいため、熱抵抗が大きくなる。これに対し、本実施形態の熱交換器２０は、電池セル１１の中央部に対応する応力吸収部２４は電池セル１１の端部に対応する側方部２５よりも低温の熱媒体が流れるので、電池セル１１の中央部を効率よく冷却できる。これにより、電池セル１１の温度を均一化でき、電池セル１１に温度バラツキが発生することを抑制できる。

また、本実施形態では、熱交換器２０の幅方向において、応力吸収部２４は側方部２５よりも熱媒体流路２０ｃの長さが長くなっており、応力吸収部２４は側方部２５よりも変形しやすくなっている。これにより、応力吸収部２４は側方部２５よりも電池セル１１の膨張による応力を吸収しやすくなっている。

（第２実施形態）
次に、本発明の本第２実施形態について説明する。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図７に示すように、本第２実施形態の熱交換器２０では、応力吸収部２４と電池セル１１の間に、伝熱弾性部２６が設けられている。伝熱弾性部２６としては、熱伝導性を有する弾性部材を用いている。伝熱弾性部２６によって、熱交換器２０の応力吸収部２４と電池セル１１との間の熱交換を促進することができる。電池セル１１が膨張した場合は、伝熱弾性部２６は電池セル１１の板面で押されて弾性変形し、電池セル１１の膨張を吸収可能となっている。

第２実施形態によれば、応力吸収部２４と電池セル１１の間に伝熱弾性部２６を設けることで、電池セル１１の膨張を吸収しつつ、熱交換器２０の応力吸収部２４と電池セル１１との間の熱交換効率を向上させることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の本第３実施形態について説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図８、図９に示すように、本第３実施形態の熱交換器２０では、応力吸収部２４と側方部２５が別体であり、応力吸収部２４と側方部２５は分離されている。つまり、熱交換器２０は、応力吸収部２４を構成する部材と側方部２５を構成する部材とからなる。

本第３実施形態によれば、応力吸収部２４と側方部２５を別体とすることで、応力吸収部２４と側方部２５が一体の場合よりも、応力吸収部２４と側方部２５との間の伝熱性能を低下させることができる。このため、応力吸収部２４を流れる熱媒体と側方部２５を流れる熱媒体との間の熱交換を抑制でき、応力吸収部２４を流れる熱媒体が側方部２５を流れる熱媒体から熱を受け取って温度上昇することを抑制できる。これにより、応力吸収部２４の熱媒体をできるだけ低温のまま流入部２１から離れた部位まで到達させることでき、積層された電池セル１１全体の温度を均一化できる。

（第４実施形態）
次に、本発明の本第４実施形態について説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本第４実施形態では、上記第３実施形態と同様、熱交換器２０の応力吸収部２４と側方部２５が別体として構成されている。また、応力吸収部２４の厚みは側方部２５よりも薄くなっている。

図１０、図１１に示すように、本第４実施形態では、応力吸収部２４の熱交換部２０ａの間に２つの電池セル１１が配置されている。同様に、側方部２５の熱交換部２０ａの間に２つの電池セル１１が配置されている。

本第４実施形態では、応力吸収部２４と側方部２５がセル積層方向にずれて配置されている。応力吸収部２４と側方部２５は、セル積層方向に電池セル１１の１個分ずれて配置されている。応力吸収部２４と側方部２５は、異なる組み合わせの電池セル１１の間に配置されている。

図１２に示すように、熱交換器２０の幅方向において、応力吸収部２４ａに隣り合う端部には、スペーサ２７が設けられている。スペーサ２７は、隣り合う熱交換部２０ａの隙間を確保するための部材であり、高い剛性を有していることが望ましい。スペーサ２７としては、例えば合成樹脂や金属材料を用いることができる。

熱交換器２０の幅方向において、側方部２５に隣り合う中央部には、伝熱弾性部２８が設けられている。伝熱弾性部２８としては、熱伝導性を有する弾性部材を用いている。伝熱弾性部２８によって、熱交換器２０の側方部２５と電池セル１１との間の熱交換を促進することができる。電池セル１１が膨張した場合は、伝熱弾性部２８は電池セル１１の板面で押されて弾性変形し、電池セル１１の膨張を吸収可能となっている。

スペーサ２７の厚みは、応力吸収部２４の厚みと同一となっている。このため、応力吸収部２４を挟む２つの電池セル１１の間隔は、応力吸収部２４の厚みと同一となっている。伝熱弾性部２８の厚みは側方部２５の厚みと同一となっている。このため、側方部２５を挟む２つの電池セル１１の間隔は、側方部２５の厚みと同一となっている。

以上説明した本第４実施形態によれば、応力吸収部２４と側方部２５の位置をセル積層方向にずらすことで、応力吸収部２４を挟む２つの電池セル１１の間隔を側方部２５を挟む２つの電池セル１１の間隔よりも短くすることができる。これにより、電池温調装置１のセル積層方向の長さを短くすることができ、電池温調装置１を小型化することができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の本第５実施形態について説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１３、図１４に示すように、本第５実施形態では、応力吸収部２４に突起部２４ａが設けられている。突起部２４ａは、対向する電池セル１１に向かって突出するように設けられている。図１３、図１４は、突起部２４ａが応力吸収部２４の両側に設けられている例を示しているが、突起部２４ａは応力吸収部２４の少なくとも一方の面に設けられていればよい。

応力吸収部２４は、突起部２４ａを含めた厚みが側方部２５より薄くなっている。このため、電池セル１１が膨張していない状態で、突起部２４ａは電池セル１１の板面に接触していない。

以上説明した本第５実施形態では、応力吸収部２４に突起部２４ａを設けることで、電池セル１１の膨張を抑制できる。電池セル１１は膨張によって電気的性能が低下することから、突起部２４ａによって電池セル１１の膨張を抑制することで、電池セル１１の電気的性能の低下を抑制できる。さらに、応力吸収部２４に突起部２４ａを設けることで、応力吸収部２４の熱伝導性を向上させることができ、熱交換効率を向上させることができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

例えば、上記第１実施形態では、応力吸収部２４が熱交換器２０における厚み方向の中心に位置しているが、図１５に示すように、応力吸収部２４が熱交換器２０の厚み方向の中心からずれていれもよい。図１５に示す例では、応力吸収部２４が図中の左側に偏って配置されており、図中の右側に対向する電池セル１１の膨張を効果的に吸収することが可能となる。このような応力吸収部２４が設けられた熱交換器２０は、電池セル１１の両側の板面のうち一方の板面が膨張する構成に好適に用いることができる。

また、上記各実施形態では、熱交換器２０の内部を熱媒体が折り返して流れるようにしたが、熱交換器２０の内部を熱媒体が一方向に流れるようにしてもよい。

また、上記各実施形態では、熱交換器２０を蛇行状のサーペンタイン型としたが、熱交換器２０をサーペンタイン型以外の構成としてもよい。

また、上記各実施形態では、応力吸収部２４を熱交換器２０の一端側から他端側に渡って設けたが、応力吸収部２４は少なくとも電池セル１１の板面と対向する熱交換部２０ａに設けられていればよい。

１１ 電池セル
２０ 熱交換器
２０ａ 熱交換部
２０ｂ 接続部
２４ 応力吸収部
２４ａ 突起部
２５ 側方部
２６ 伝熱弾性部
５２〜５５ 拘束部材

Claims (8)

1. 積層された複数の電池セル（１１）と、
   前記電池セルとともに積層され、内部を流れる熱媒体と前記電池セルとを熱交換する複数の熱交換部（２０ａ）を有する熱交換器（２０）と、
   前記電池セルおよび前記熱交換部を積層した状態で固定する拘束部材（５２〜５５）と、
   を備え、
   隣り合う前記熱交換部の間には、１以上の前記電池セルが配置されており、
   前記熱交換部には、対向する前記電池セルの板面の中央部に対応する部位に前記電池セルの膨張を吸収する応力吸収部（２４）が設けられている電池温調装置。
2. 前記応力吸収部の前記電池セルの積層方向における厚みは、前記熱交換部における他の部位よりも薄くなっている請求項１に記載の電池温調装置。
3. 前記応力吸収部と前記電池セルとの間には、伝熱性を有する弾性部材からなる伝熱弾性部（２６）が設けられている請求項２に記載の電池温調装置。
4. 前記熱交換部には、前記熱媒体の流れ方向から見て前記熱交換部の中央付近に前記応力吸収部が設けられ、前記熱媒体の流れ方向から見て前記応力吸収部の側方に側方部（２５）が設けられており、
   前記応力吸収部は前記側方部よりも厚みが薄くなっている請求項２または３に記載の電池温調装置。
5. 前記熱交換器は、内部を前記熱媒体が流れるとともに、隣接する前記熱交換部を接続する接続部（２０ｂ）を有しており、
   前記熱交換部と前記接続部は、積層された前記電池セルの全体に渡って蛇行状に形成されており、
   前記熱媒体は、前記熱交換器の一端側から他端側に向かって前記応力吸収部の内部を流れた後、前記他端側で折り返して前記一端側に向かって前記側方部の内部を流れる請求項４に記載の電池温調装置。
6. 前記熱交換部において、前記応力吸収部と前記側方部は別体として構成されている請求項５に記載の電池温調装置。
7. 前記応力吸収部と前記側方部は、異なる組み合わせの前記電池セルの間に配置されている請求項４ないし６のいずれか１つに記載の電池温調装置。
8. 前記応力吸収部の表面には、対向する前記電池セルに向かって突出する突起部（２４ａ）が設けられている請求項２ないし７のいずれか１つに記載の電池温調装置。

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