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JP4308515B2 - 電池モジュール - Google Patents

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真治 浜田
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Toyota Motor Corp
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Panasonic Corp
Toyota Motor Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は角形密閉式二次電池及び電池モジュールに関し、特に極板群を略直方体状の金属製の外装ケース内に収容して成る角形密閉式二次電池とそれを直列接続した電池モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境問題から燃料電池自動車を含む電気自動車やハイブリッド車に期待が高まり、その電源としての二次電池に関して、小型・軽量化と共に高容量化・高出力化が望まれている。このような要望を満たす密閉式二次電池としては、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池などが実用化されている。
【０００３】
この種の密閉式二次電池としては、帯状の正極板と負極板をセパレータを介して渦巻状に巻回した極板群を、金属製の円筒型のケース内に電解液とともに収容し、正極板及び負極板の適所から正極タブと負極タブをそれぞれ反対側に延出し、下側に延出された負極タブをケースの底面に溶接し、上側に延出された正極タブをケースの開口を封口する封口板に溶接し、この封口板をガスケットを介してケースの開口部に密封固定した構造のものが一般的に知られている。
【０００４】
また、ニッケル水素電池からなる密閉式二次電池を複数組み合わせて構成される、数１０〜数１００Ａｈ程度の中規模の蓄電池システムにおいて、角形密閉式二次電池の放熱効果を高めるために角形の電槽の側面に放熱フィンを設けることも知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、本出願人は、複数の直方体状の電槽をその短側面を共用して相互に一体的に連結して成る合成樹脂製の角形電槽を設け、各電槽内に極板群を電解液とともに収容配置して単電池を構成し、かつ各単電池を角形電槽内で相互に直列接続した電池モジュールも提案している（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２９３１３６１号明細書（第３頁、第９図）
【０００７】
【特許文献２】
特開２００１−９３５０３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の円筒型ケースを用いたものでは、一定容積内に収容配置できる電池個数が少なく、特に電池温度の上昇を防止するために電池間に冷却通路を形成すると一層空間効率が悪くなり、また断面円形であるため電池の中心部に対する冷却性能が悪いため、電池出力当たりの容積効率が悪いという問題がある。
【０００９】
一方、特許文献１に開示された角形密閉式二次電池では、上記円筒型電池の問題を解消できるとともに放熱フィンを設けることで放熱効果を高めることができるが、その放熱フィンはプレートの一面に多数のフィンを一体的に突出形成したもので、プレートの他面を電槽の側面に接合した構成であるため、フィンによって冷却流体の通路内に臨む表面積は大きくなるが、電槽壁の外面の全面がプレートで覆われるので、電槽で発生した熱は電槽壁及びプレートを貫通してプレートの表面やフィン表面に至って放熱され、その間の伝熱経路が長くなってしまうので、冷却効率の向上にも限界があるという問題がある。
【００１０】
また、特許文献２に開示された角形密閉式二次電池では、合成樹脂製の角形電槽であるため熱伝導率が大きくなく、電池の冷却効率をあまり高くできないため高出力化に限界があるという問題がある。また、各単電池に発生する内圧によって各直方体状の電槽の両側面が容易に膨張するため、複数の電池モジュールを並列配置して組電池を構成する場合に、電池モジュールの並列方向両端にエンドプレートを配置し、エンドプレート間をロッド又はバンドで拘束固定する必要があり、エンドプレートを配設するために配置スペースが大きくなるとともに、コスト高になるという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、電池出力当たりの容積効率が高く、かつ冷却効率が高くて高出力化を図れる角形密閉式二次電池と電池モジュール及び組電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の角形密閉式二次電池は、略直方体状の外装ケース内に極板群を電解液とともに収容して成る角形密閉式二次電池であって、外装ケースを金属ケースにて構成し、外装ケースの側面との間で両端開放の空間を形成する複数のリブ状の突出部を適当間隔おきに平行に成形した薄板を外装ケースの側面に配し、薄板の突出部間の接合部を外装ケースの側面に面接触させて接合したものである。
【００１３】
このような構成によれば、外装ケースが略直方体状であるため、複数の電池を一定容積内に各電池間に冷却通路を形成して配置する場合に円形断面の電池に比してより多く収容配置できて電池出力当たりの容積効率を高くできるとともに、各電池を中心部まで効果的に冷却できる。また、外装ケースが金属ケースからなるので熱伝達率が高く、さらに外装ケースの側面に複数の突出部を成形した薄板を配し、その薄板の突出部間の接合部を外装ケースの側面に面接触させて接合しているので、電槽内から薄板外面までの伝熱経路が短くかつ薄板の突出部にて伝熱表面積が増加するとともに突出部にて形成された両端開放の空間内も冷却流体が流れ、また薄板による冷却流体の流通抵抗が小さく円滑に流通するため、冷却流体を突出部に沿う方向に流通させることで効率的に冷却できて高出力化を達成できる。また、突出部にてケースの側面の面強度が向上し、電池内圧によって側面が膨張するのを抑制することができ、また外装ケースが金属ケースからなるので長期間でもガスの漏れ出しを完全に防止できて高寿命化を達成できる。
【００１４】
また、薄板を外装ケースの対向する２つの側面に配設すると、電槽の両側面から効率的に冷却することができる。
【００１５】
また、外装ケースの２つの側面に配設した薄板の突出部の配列を千鳥配置とすると、この角形密閉式二次電池を冷却通路を挟んで並列配置する場合に、冷却効率を高めるように突出部の高さを相対的に大きくしながら電池間の寸法を縮小することができ、省スペースを図って容積当たりの出力を大きくできる。なお、複数の角形密閉式二次電池を交互に反対向きに配設して隣接する端部同士を接続することで直列接続する場合には、上下を反転して配設することで、種類が増えることもない。
【００１６】
また、外装ケースの薄板を配した側面は、外装ケースに所定の内圧が作用した状態で所定以上の変形が発生しない面強度をその側面と薄板にて持たせると、電池の内圧による変形防止のために拘束金具を設ける必要が無くなり、省スペース及びコスト低下を図ることができる。
【００１７】
また、正極と負極の接続端子は外装ケースの薄板を配した側面と直交するとともに互いに対向する一対の側面に配設するのが好適で、その場合薄板はその突出部の両端が接続端子を配設した側面を向くように配しても、突出部の両端が接続端子を配設した側面とは直交する方向の側面を向くように配してもよい。
【００１８】
また、本発明の電池モジュールは、薄板をその突出部の両端が接続端子を配設した側面を向くように配した複数の角形密閉式二次電池を、正極と負極の接続端子を配設した側面を互いに対向させて一列状に配置し、正極端子と負極端子を溶接して直列接続し、その角形密閉式二次電池の配列方向に流す冷却流体の下流側の角形密閉式二次電池における薄板の突出部の数を上流側よりも多くしたものであり、角形密閉式二次電池の配列方向に冷却流体を流すことで各角形密閉式二次電池を効率的に冷却できるとともに、冷却流体の上流側と下流側の角形密閉式二次電池を均等に冷却できる。
【００１９】
また、薄板をその突出部の両端が接続端子を配設した側面とは直交する方向の側面を向くように配した複数の角形密閉式二次電池を、正極と負極の接続端子を配設した側面を互いに対向させて一列状に配置し、正極端子と負極端子を溶接して直列接続すると、角形密閉式二次電池の配列方向と直交する方向に冷却流体を流すことで各角形密閉式二次電池を効率的にかつ均等に冷却できる。
【００２０】
また、本発明の組電池は、上述の電池モジュールを複数並列配置した組電池であって、隣合う電池モジュールの薄板間に絶縁体を介装したものであり、複数の角形密閉式二次電池を直列接続した電池モジュールを複数並列配置して成る組電池の状態で各角形密閉式二次電池の冷却性能を確保しつつ、組電池の車両搭載時の振動や衝撃によって電池間や電池モジュール間での絶縁破壊を防止することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の密閉型二次電池及び電池モジュールの第１の実施形態について、図１、図２を参照して説明する。
【００２２】
図１において、１は角形密閉式二次電池であり、略直方体状の金属ケースから成る外装ケース２内に、複数枚の正極板と負極板をセパレータを介して積層して成る極板群を電解液とともに収容して構成されている。外装ケース２は、耐電解液性を確保するためニッケルメッキを施した０．３〜１．０ｍｍ程度の板厚の鋼板にて構成されている。この略直方体状の外装ケース２の横断面短軸方向に沿う左右一対の短側面の中央位置に、各正極板に接続された正極の接続端子３ａと各負極板に接続された負極の接続端子３ｂが突設されている。
【００２３】
外装ケース２の横断面長軸方向に沿う前後一対の長側面には、この外装ケース２の長側面との間で両端開放の断面矩形状の空間６を形成する複数のリブ状の突出部５が適当間隔おきに平行に成形された薄板４が配され、かつこの薄板４の突出部５、５間の接合部７が外装ケース２の長側面に面接触させた状態で接合されている。この薄板４の接合部７は、ニッケルロウなどのロウ材によるロウ付けやレーザビーム溶接や電子ビーム溶接にて外装ケース２に接合されている。
【００２４】
薄板４は、外装ケース２との接合性の観点から、外装ケース２と同様にニッケルメッキ鋼板を用いるのが好適である。勿論、冷却効率の観点からは薄板４を熱伝導率の良好なアルミニウム板にて構成するのが好ましい。その場合には、適当なロウ材や接着剤を用いて接合する必要がある。また、アルミニウムとニッケル板やニッケルメッキ鋼板のクラッド材を用いてもよい。
【００２５】
また、薄板４の突出部５は、図１（ａ）に示すように、外装ケース２の両長側面に配設した薄板４、４の間で突出部５が千鳥状になるように配されている。これにより、図２に示すように、角形密閉式二次電池１を、その外装ケース２の長側面同士を所定の冷却通路８をあけて互いに対向させて配設する場合に、突出部５、５同士が干渉し合うことがないので、冷却通路８の幅寸法Ｗを突出部５の高さ寸法より大きい、比較的小さい寸法に設定することができ、省スペースを図り、出力当たりの容積効率を高くできる。
【００２６】
また、外装ケース２の薄板４を配した長側面は、その長側面と薄板４にて外装ケース２に所定の内圧が作用した状態で所定以上の変形が発生することなく、自立できる面強度を持つように構成されている。そのため、薄板４としては０．１〜０．５ｍｍ程度の板厚の薄板を用いるのが好適であり、外装ケース２の長側面の面強度が大きい場合には板厚の比較的薄いものを、面強度が小さい場合には板厚の比較的厚いものが用いられる。
【００２７】
また、本実施形態では、薄板４は、その突出部５の両端が外装ケース２の接続端子３ａ、３ｂを配設した左右の両側面を向くように配されており、冷却流体はこの突出部５の長手方向に沿って左右方向に流通される。なお、図示はしていないが、薄板４を、その突出部５の両端が接続端子３ａ、３ｂを配設した左右両側面とは直交する上下両側面を向くように配しても良く、その場合冷却流体は上下方向に流通される。
【００２８】
以上の本実施形態の角形密閉式二次電池１によれば、外装ケース２が略直方体状であるため、この二次電池１を所定の空間内に複数配設する場合、特に二次電池１、１間に冷却通路８を形成して配設する場合に空間効率良く配設することができ、電池出力当たりの容積を小さくでき、かつ電池断面の全体に対して高い冷却性能が得られる。
【００２９】
また、外装ケース２が金属製であるため熱伝達率が高く、さらに外装ケース２の対向する２つの長側面に複数の突出部５を成形した薄板４を配し、その薄板４の突出部５、５間の接合部７を外装ケース２の長側面に面接触させて接合しているので、外装ケース２内の極板群が両側から効果的に冷却され、かつ極板群から薄板４外面までの伝熱経路が短く、さらに薄板４に成形された突出部５にて伝熱表面積が増加するとともに突出部５にて形成された両端開放の空間６内にも冷却流体が流通し、さらに薄板４による流通抵抗は小さく、冷却流体が円滑に流通するので、冷却流体を突出部５に沿う方向に流通させることで角形密閉式二次電池１を効率的に冷却でき、高出力化を達成できる。
【００３０】
また、外装ケース２の長側面に突出部５を成形した薄板４を配して接合し、これら外装ケース２の長側面と薄板４にて、外装ケース２に所定の内圧が作用した状態で所定以上の変形が発生することなく自立できる面強度を持たせているため、電池内圧によって外装ケース２の両長側面が膨張することがない。したがって、図２に部分的に示すように、外装ケース２の長側面を対向させて複数の角形密閉式二次電池１を並列配設して組電池を構成する場合に、その両端にエンドプレートを配置してエンドプレート間を拘束する必要がなく、組電池の設置スペースを低減できるとともに、コスト低下を図ることができる。
【００３１】
また、外装ケース２の２つの長側面に配設した薄板４の突出部５の配列を千鳥配置としているので、この角形密閉式二次電池１を並列配置する場合に、電池間の寸法を縮小することができ、一層省スペースを図って容積当たりの出力を大きくできる。なお、その際に複数の角形密閉式二次電池１を交互に反対向きに配設して隣接する端部同士を接続することで直列接続する場合には、上下を反転して配設することで、種類が増えることはない。
【００３２】
また、外装ケース２が金属ケースからなるので長期間でもガスの漏れ出しを完全に防止できて高寿命化を達成できる。
【００３３】
以上の説明では、略直方体状の外装ケース２として横断面形状が長方形のものを例示したが、横断面形状が隅丸長方形や長円形であっても良い。また、正極と負極の接続端子３ａ、３ｂを、各々左右両端の短側面の上下方向の中央位置の１箇所に突設した例を示したが、各々複数の正極と負極の接続端子を上下方向に対称位置に突設してもよい。
【００３４】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態の角形密閉式二次電池を用いた電池モジュールについて、図３を参照して説明する。
【００３５】
なお、本実施形態の電池モジュール１１を構成する角形密閉式二次電池１の基本構成は第１の実施形態で説明したものと同一であり、同じ構成要素について同一参照符号を付して説明を省略し、主としてその相違点について説明する。
【００３６】
図３において、電池モジュール１１は、複数個（図示例では６個）の角形密閉式二次電池１をその長側面に沿って一列状に配列し、互いに対向する正極と負極の接続端子３ａと３ｂを当接させ、外装ケース２、２間の隙間から接続端子３ａと３ｂの先端側部にレーザビームや電子ビームを照射し、これらレーザビーム溶接や電子ビーム溶接にて隣接する角形密閉式二次電池１同士を機械的に一体接合するとともに電気的に直列接続して構成されている。また、本実施形態では、接合強度を高めるとともに各角形密閉式二次電池１の極板群を流れる電流分布の均一化を図るため、複数（図示例では１対）の接続端子３ａ、３ｂを短側面の上下方向の中心に対して対称に配設している。
【００３７】
また、この電池モジュール１１の各角形密閉式二次電池１に接合されている薄板４には断面略三角形状の突出部５が成形され、この突出部５が左右方向に延びてその両端が接続端子３ａ、３ｂを配設した側面を向くように配されている。
【００３８】
そして、複数の電池モジュール１１をそれらの間に冷却通路８をあけて並列配置して電池パックが構成され、その冷却通路８に図３（ｂ）に矢印で示すように、角形密閉式二次電池１の配列方向に冷却流体を流すように構成され、さらにその冷却流体の下流側の角形密閉式二次電池１における薄板４の突出部５の数を上流側よりも多くしている。
【００３９】
以上の構成によれば、電池パックを構成している電池モジュール１１、１１間の冷却通路８に、各電池モジュール１１の角形密閉式二次電池１の配列方向に冷却流体を流すことで、各角形密閉式二次電池１を両側から効率的に冷却できるとともに、下流側で冷却流体の温度が高くなっても、薄板４による冷却効率が上流側よりも下流側が高くなるため、冷却流体を角形密閉式二次電池１の配列方向に沿って左右方向に流しても各角形密閉式二次電池１を均等に冷却できる。
【００４０】
このように、冷却流体を左右方向に流通させることで、上下方向にコンパクトな構成としながら、突出部５の数を調整することで、各角形密閉式二次電池１の温度ばらつきを３〜５℃以内に収めるようにするのが好ましい。
【００４１】
なお、上記第１の実施形態でも説明したように、薄板４をその突出部５の両端が角形密閉式二次電池１の配列方向とは直交する上下方向を向くように配しても良く、その場合冷却流体を上下方向に流通させることで、突出部５の数を全て同一にしても各角形密閉式二次電池１を均等に冷却できる。
【００４２】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態の組電池について、図４を参照して説明する。
【００４３】
図４において、組電池１２は、複数の電池モジュール１１を並列配置するとともに、各電池モジュール１１が順次直列接続されており、かつ各電池モジュール１１、１１の薄板４、４間に板状の絶縁体１３が介装されている。
【００４４】
図示例では、薄板４の突出部５は断面矩形状に形成され、かつ隣合う電池モジュール１１、１１間で突出部５、５同士が対向するように構成され、その突出部５、５の間で絶縁体１３が挟持されている。また、絶縁体１３の上端縁と下端縁に断面Ｔ字状の係合鍔１３ａが設けられ、電池モジュール１１の上端面と下端面に係合して保持されるように構成されている。
【００４５】
このように、電池モジュール１１、１１間に絶縁体１３を介装することで、組電池１２の各角形密閉式二次電池１の冷却性能を確保しつつ、この組電池１２を車両に搭載した時の振動や衝撃によって電池１、１間や電池モジュール１、１１間での絶縁破壊を防止することができる。
【００４６】
勿論、本実施形態においても、薄板４の突出部５の断面形状は、三角形状や波形状としてもよく、また電池モジュール１１の両側間で突出部５を千鳥状に配置しても良いが、図４のように構成すると、車両に搭載した時の振動や衝撃に対する耐性を向上できる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の角形密閉式二次電池と電池モジュールによれば、外装ケースが略直方体状であるため、複数の電池を一定容積内に各電池間に冷却通路を形成して配置する場合に円形断面の電池に比してより多く収容配置できて電池出力当たりの容積効率を高くできるとともに、各電池を中心部まで効果的に冷却でき、また外装ケースが金属ケースからなるので熱伝達率が高く、さらに外装ケースの側面に複数のリブ状の突出部を成形した薄板を配し、その薄板の突出部間の接合部を外装ケースの側面に面接触させて接合しているので、電槽内から薄板外面までの伝熱経路が短くかつ薄板の突出部にて伝熱表面積が増加するとともに突出部にて形成された両端開放の空間内も冷却流体が流れ、また薄板による冷却流体の流通抵抗が小さく円滑に流通することで、冷却流体を突出部に沿う方向に流通させることで効率的に冷却できて高出力化を達成でき、かつ突条部にてケースの側面の面強度が向上し、電池内圧によって側面が膨張するのを抑制することができ、また外装ケースが金属ケースからなるので長期間でもガスの漏れ出しを完全に防止できて高寿命化を達成できる。
【００４８】
また、本発明の組電池によれば、複数の角形密閉式二次電池を直列接続した電池モジュールを複数並列配置して成る組電池の状態で各角形密閉式二次電池の冷却性能を確保しつつ、組電池の車両搭載時の振動や衝撃によって電池間や電池モジュール間での絶縁破壊を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の角形密閉式二次電池を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】同実施形態の角形密閉式二次電池を並列配置した状態の側面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の角形密閉式二次電池を用いた電池モジュールを示し、（ａ）は並列配置した状態の側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ部詳細図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の組電池を示し、（ａ）は要部の縦断正面図、（ｂ）は要部の平面図、（ｃ）は（ａ）のＢ部詳細図である。
【符号の説明】
１ 角形密閉式二次電池
２ 外装ケース
３ａ、３ｂ 接続端子
４ 薄板
５ 突出部
６ 空間
７ 接合部
８ 冷却通路
１１ 電池モジュール
１２ 組電池
１３ 絶縁体

Claims (1)

  1. 略直方体状の外装ケース内に極板群を電解液とともに収容して成る角形密閉式二次電池が一列状に配置してなる電池モジュールであって、
    前記外装ケースを金属ケースにて構成し、該外装ケースの側面との間で両端開放の空間を形成する複数のリブ状の突出部を適当間隔おきに平行に成形した薄板を前記外装ケースの長側面に配し、該薄板の突出部間の接合部を前記外装ケースの長側面に面接触させた状態で接合しており、
    前記外装ケースの薄板を配した側面と直交するとともに互いに対向する一対の側面に正極と負極の接続端子を配設し、前記薄板はその突出部の両端が前記接続端子を配設した側面を向くように配しており、
    前記複数の角形密閉式二次電池を、正極と負極の接続端子を配設した側面を互いに対向させて一列状に配置し、正極端子と負極端子を溶接して直列接続し、その角形密閉式二次電池の配列方向に流す冷却流体の下流側の前記角形密閉式二次電池における前記薄板の突出部の数を上流側よりも多くしたことを特徴とする電池モジュール。
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