JP2020035688A - 二次電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、装置の大型化を抑制しながら、二次電池の温度のばらつきを低減することである。【解決手段】本発明に係る二次電池パックは、数の二次電池が積層した二次電池積層体と、前記二次電池積層体の側部に配置されるプレート部と、前記二次電池積層体と対向する放熱部材と、を備え、前記プレート部は、伝熱領域と、前記伝熱領域よりも熱伝導率の低い断熱領域と、により構成され、前記伝熱領域は、前記断熱領域により複数の領域に分割され、前記放熱部材は、前記プレート部の中心部を含む第一伝熱領域と接する。【選択図】図８

Description

本発明は、二次電池パックに関する。

現在、低炭素社会実現に向けて車載用の二次電池パックの需要が高い。代表的な二次電池にリチウムイオン電池が挙げられる。リチウムイオン電池は鉛電池やニッケル水素電池などと比較して小型化・高エネルギー密度化が可能であるため有望視されている。ここで、リチウムイオン電池は充放電の際、発熱して内部温度が上昇する。過度な温度上昇はリチウムイオン電池の特性を低下させるため、適切な温度管理が求められる。特許文献１（特開２０１４−１１０２１８号公報）には二次電池間の温度差を小さくするために「並設される複数の二次電池と、放熱体と対向する放熱部と、複数の二次電池間に設けられる電池間部とを有する複数の伝熱プレートと、二次電池の端子同士を接続する複数の接続部材と、を備えた電池モジュールであって、複数の伝熱プレートの電池間部は、二次電池の熱を吸熱するとともに、複数の二次電池の並設方向の長さが同一であり、複数の伝熱プレートの放熱部は、電池間部からの熱を放熱体に放熱し、複数の伝熱プレートは、放熱部の放熱効率が異なる伝熱プレートを含む電池モジュール」が開示されている。

近年、車載用の二次電池パックは、車両の小型化に伴って、二次電池パック自体の更なる小型化が求められ、さらに二次電池パック内での温度ばらつきの低減も同時に求められている。

特開２０１４−１１０２１８号公報

本発明に係る課題は、装置の大型化を抑制しながら、二次電池の温度のばらつきを低減することである。

本発明の二次電池パックは、複数の二次電池が積層した二次電池積層体と、二次電池積層体の側部に配置されるプレート部と、二次電池積層体と対向する放熱部材と、を備えており、プレート部は、伝熱領域と前記伝熱領域よりも熱伝導率の低い断熱領域とにより構成され、伝熱領域は、前記断熱領域により複数の領域に分割され、放熱部材は、前記プレート部の中心部を含む第一伝熱領域と接する。

本発明によれば、装置の大型化を抑制しながら、二次電池の温度のばらつきを低減することができる。

本発明の実施例１における二次電池パックの提案構造を示す斜視図 本発明の実施例１における二次電池パックの提案構造を示す概要図 本発明の実施例１におけるプレート部の提案構造を示す概要断面図 本発明の実施例１におけるプレート部の従来構造を示す概要断面図 本発明の実施例２におけるプレート部の提案構造を示す概要断面図 本発明の実施例３における二次電池パックの提案構造を示す概要図 本発明の実施例３における第一プレート部及び第二プレート部の提案構造を示す概要断面図 本発明の実施亭４における二次電池パックの提案構造を示す斜視断面図 本発明の実施例４における二次電池パックの提案構造を示す概要図 本発明の実施例４における二次電池パックの提案構造を示す概要断面図 本発明の実施例４における二次電池パックの提案構造と従来構造の定常伝熱解析結果

本実施形態に係る二次電池パックの原理に関わる詳細な課題について説明する。近年、二次電池パックの高出力化が求められており、二次電池パックに多くの二次電池を搭載する必要がある。小型化の要求を満たすため、二次電池パック内の複数の二次電池は密に積層されることとなり、結果として各二次電池間には積層された位置によって温度のばらつきが生じる。二次電池間に温度のばらつきが生じると、温度の高い二次電池において劣化が早く進行してしまうことが知られており、長寿命、高信頼性の二次電池パックを実現するためには、二次電池間の温度のばらつきを低減することが課題となる。

本発明の実施例１による二次電池パックの一形態を説明する。 なお、以下の実施態様は、本発明を具体化する際の一形態であって、本発明をその範囲内に限定するものではない。

図１は本発明の実施例１における二次電池パックの提案構造を示す斜視図である。図２は本発明の実施例１における二次電池パックの提案構造を示す概要図である。図３は本発明の実施例１におけるプレート部の提案構造を示す概要断面図である。

二次電池集合体１０１は、二次電池積層体１０２とプレート部１０５で構成される。二次電池積層体１０２は複数の二次電池１が幅広面（ｘｚ面）を対向して積層されて構成される。プレート部１０５は二次電池積層体１０２を構成する二次電池１の幅狭面（ｘｙ面）と接触し、伝熱経路を形成する。また、プレート部１０５は伝熱領域２、伝熱領域３、伝熱領域４とそれらを熱的に分離している断熱領域５、断熱領域６で構成される。伝熱部材７はプレート部１０５中央部の伝熱領域３と接触している。また伝熱部材７は冷却されている（図示なし）。

図４は本発明の実施例１におけるプレート部の従来構造を示す概要断面図である。図３で示した提案構造に対して、図４の従来構造では断熱領域が存在せず、プレート部１０５は伝熱領域２のみで構成され、伝熱部材７に作用させた冷却効果はプレート部１０５全体の温度を低下させる。このとき、プレート部１０５は熱伝導率の高い材料で構成されるため、内部の温度が一様に近い状態で二次電池積層体１０２と接触する。しかし、二次電池積層体１０２は二次電池１の内部の捲回群の影響で積層方向（ｙ方向）の熱伝導率が小さくなるため、伝熱領域２の内部の温度が一様であっても、二次電池積層体１０２内には二次電池１の積層方向（ｙ方向）で温度差が生じてしまう。

一方、図３で示した提案構造を取ることによって、伝熱部材７に作用させた冷却効果は二次電池積層体１０２の熱が集中して温度が上昇しやすい中央の領域と近接している伝熱領域３から集中的に熱を奪う働きを示す。結果、プレート部１０５中央部の伝熱領域３の温度が、端部の伝熱領域２、伝熱領域４の温度よりも低い状態が形成され、二次電池積層体１０２の積層方向（ｙ方向）中央部の二次電池１における過剰な温度上昇が抑制されて二次電池１間の温度のばらつきが低減される。このとき、従来構造におけるプレート部１０５の一部の領域を断熱領域に変換することで提案する形態を実施することが可能であるため、二次電池集合体１０１の寸法は増大せず、また二次電池１毎に異なる部品を用意する必要はない。以上の形態によって、寸法増大や部品点数及び種類の増加を招くことなく、二次電池間の温度のばらつきを低減した二次電池パックを提供すること
が可能となる。

伝熱領域２、伝熱領域３、伝熱領域４は、冷却の観点から熱伝導率の高い材料で構成されていることが望ましい。また、二次電池積層体１０２の固縛の観点から、ヤング率の高い材料で構成されていることが望ましい。また、重量の観点から密度の小さい材料で構成されていることが望ましい。例えば、アルミニウム、アルミニウム合金などの材料で構成されていることが望ましい。伝熱領域は２つ以上であればよく、本実施例の形態のみに限定しない。

断熱領域５、断熱領域６は、当該領域の熱抵抗を大きくすることで、隔てている伝熱領域間に温度差を設ける。このためには、当該領域を伝熱領域よりも小さい熱伝導率を持つ材料を主として形成する手段がある。例えば、樹脂材料、ゴム材料、空気層、エアロゲル材料、多孔質材料などを使用することが考えられる。他に、当該領域を伝熱領域よりも小さい断面積で形成する手段がある。例えば、開口部や絞り部を設けることが考えられる。

二次電池積層体１０２とプレート部１０５の間の伝熱経路は熱抵抗が小さいことが望ましい。そのためには例えば、二次電池積層体１０２とプレート部１０５との接触部に熱伝導グリス、熱伝導接着剤などを塗付したり、熱伝導シートを設けたりして熱伝導材料を利用する方法や、二次電池積層体１０２とプレート部１０５を押し付けて固定する方法などが考えられる。

伝熱部材７は、伝熱領域と同様に、冷却の観点から熱伝導率の高い材料で構成されていることが望ましい。また、重量の観点から密度の小さい材料で構成されていることが望ましい。例えば、アルミニウム、アルミニウム合金などの材料で構成されていることが望ましい。

プレート部１０５と伝熱部材７の間の伝熱経路は熱抵抗が小さいことが望ましい。そのためには例えば、プレート部１０５と伝熱部材７との接触部に熱伝導グリス、熱伝導接着剤などの熱伝導材料を塗付したり、熱伝導シートを設けたりして熱伝導材料を利用する方法や、プレート部１０５と伝熱部材７を押し付けて固定する方法などが考えられる。また、伝熱部材７に空冷、液冷、電子冷却などの冷却手段を適用することで二次電池の温度上昇の抑制が図れる。

本発明の実施例２による二次電池パックの一形態を説明する。なお、以下の実施態様は、本発明を具体化する際の一形態であって、本発明をその範囲内に限定するものではない。

図５は本発明の実施例２におけるプレート部の提案構造を示す概要断面図である。断熱領域の方向はｘｚ面方向だけに限定しない。例えば、図中の断熱領域５に示すようにｘｚ面方向とｙｚ面方向を組み合わせた構造によってプレート部１０５を伝熱領域２と伝熱領域３に隔てることが出来る。

例えば二次電池積層体１０２がｘ方向の小さい側の面から冷却する構造となっており、二次電池１の中にｘ方向の小さい側の面が低温、ｘ方向の大きい側の面が高温になるような温度のばらつきが生じているケースを考える。このとき二次電池積層体１０２は、ｙ方向の中央に熱が集中して温度が上昇しやすくなるとともに、ｘ方向の大きい側に熱が集中して温度が上がりやすくなる。従って、伝熱領域３と伝熱部材７を熱的に接続することで、二次電池１の積層方向（ｙ方向）の温度のばらつきを低減できると共に、二次電池積層体１０２中央部に位置する二次電池１内部において、奥行き方向（ｘ方向）の温度のばらつきを低減する効果が期待できる。

本発明の実施例３による二次電池パックの一形態を説明する。なお、以下の実施態様は、本発明を具体化する際の一形態であって、本発明をその範囲内に限定するものではない。

図６は本発明の実施例３における二次電池パックの提案構造を示す概要図である。図に示す二次電池集合体は、二次電池積層体１０３と二次電池積層体１０４を有し、その間に第一プレート部１０６を有し、第一プレート部１０６と共に二次電池積層体１０３を挟む第二プレート部１０７、第一プレート部１０６と共に二次電池積層体１０３を挟む第三プレート部１０８を有する。

図７は本発明の実施例３における第一プレート部及び第二プレート部の提案構造を示す概要断面図である。第一プレート部１０６は、二つの断熱領域によって３つの伝熱領域に隔てられており、二次電池積層体１０３と二次電池積層体１０４の熱が集中して温度が上昇しやすい領域と近接した中央部の伝熱領域８が伝熱部材７と伝熱経路を形成している。第二プレート部１０７は、二つの断熱領域によって三つの伝熱領域に分離されており、二次電池積層体１０３の熱が集中して温度が上昇しやすい領域と近接した中央部の伝熱領域９が伝熱部材７と伝熱経路を形成している。同様に、第三プレート部１０８は、二つの断熱領域によって三つの伝熱領域に分離されており、二次電池積層体１０４の熱が集中して温度が上昇しやすい領域と近接した中央部の伝熱領域１０が伝熱部材７と伝熱経路を形成している（図示なし）。

以上の様にして二つの二次電池積層体がプレート部を介して隣り合っているとき、二次電池積層体１０３及び二次電池積層体１０４では、積層方向（ｙ方向）中央の二次電池１の温度が他の二次電池１よりも高温になると共に、ひとつの二次電池１内では、第一プレート部１０６に近い領域に高温領域が現れるようになる。

そこで本実施例では、熱が集中して温度が上昇しやすい第一プレート部１０６の伝熱領域８と二次電池積層体１０３の接触面積、及び、熱が集中して温度が上昇しやすい第一プレート部１０６の伝熱領域８と二次電池積層体１０４の接触面積が、第二プレート部１０７の伝熱領域９と二次電池積層体１０３の接触面積、及び、第三プレート部１０８の伝熱領域１０と二次電池積層体１０４の接触面積よりも大きくなる構造とした。これにより、伝熱領域８から伝熱部材７への伝熱量が、伝熱領域９から伝熱部材７への伝熱量、及び、伝熱領域１０から伝熱部材７への伝熱量よりも大きくなる。従って、二次電池１の積層方向（ｙ方向）の温度のばらつきを低減できると共に、二次電池積層体１０３と二次電池積層体１０４のそれぞれの中央部に位置する二次電池１内部において、水平方向（ｚ方向）の温度のばらつきを低減する効果が期待できる。

ここで本実施例では、熱が集中して温度が上昇しやすい領域に近接した伝熱領域と二次電池積層体の接触面積に差を付けることで、当該伝熱経路の熱抵抗の多寡を変化させているが、この他、熱伝導率や厚みの異なる熱伝導材料を用いたり、開口部や絞り部を設けて断面積を変更したりするなどの手段を講じる事でも同様の効果が期待できる。

また、伝熱部材７と第一プレート部１０６、第二プレート部１０７、第三プレート部１０８を締結することで、水平方向（ｚ方向）の圧縮力が作用した際に二次電池積層体に掛かる負荷を低減する効果が得られる。そのため、伝熱部材７はヤング率の大きな材料で構成されていることが望ましい。また、冷却の観点から熱伝導率の高い材料で構成されていることが望ましい。また、重量の観点から密度の小さい材料で構成されていることが望ましい。例えば、アルミニウム、アルミニウム合金などの材料で構成されていることが望ましい。

本発明の実施例４による二次電池パックの一形態を説明する。なお、以下の実施態様は、本発明を具体化する際の一形態であって、本発明をその範囲内に限定するものではない。

図８は本発明の実施亭４における二次電池パックの提案構造を示す斜視断面図である。図９は本発明の実施例４における二次電池パックの提案構造を示す概要図である。また、図１０は本発明の実施例４における二次電池パックの提案構造を示す概要断面図である。本実施例において、二次電池積層体１０３、二次電池積層体１０４、第一プレート部１０６、第二プレート部１０７、第三プレート部１０８の主な構成は実施例３と同一である。二次電池集合体１０１は、二次電池積層体１０３、二次電池積層体１０４、第一プレート部１０６、第二プレート部１０７、第三プレート部１０８を固縛するエンドプレート１１を有する。二次電池パック１０９は、二次電池集合体１０１、伝熱部材７、制御ユニット１３を収容する筺体１２を有する。

二次電池積層体１０３、二次電池積層体１０４はそれぞれ１２個の二次電池１で構成される。第一プレート部１０６は、下から３番目の二次電池１と４番目の二次電池１の間位置と、上から２番目の二次電池１と３番目の二次電池１の間の位置で断熱領域によって隔てられている。第二プレート部１０７と第三プレート部１０８は、下から４番目の二次電池１と５番目の二次電池１の間位置と、上から２番目の二次電池１と３番目の二次電池１の間の位置で断熱領域によって隔てられている。

伝熱部材７は、第一プレート部１０６、第二プレート部１０７、第三プレート部１０８のそれぞれ中央部の伝熱領域８、伝熱領域９、伝熱領域１０と接続されている。また伝熱部材７は、筺体１２の左右からそれぞれ外部へ突出しており、当該突出部が水冷されている。

エンドプレート１１は、二次電池積層体１０３、二次電池積層体１０４、第一プレート部１０６、第二プレート部１０７、第三プレート部１０８を上下から固縛している。

二次電池集合体１０１は、二次電池１の缶底面側で筺体１２と熱伝導材料を介して接している。

筺体１２の外部は空気環境であり、二次電池集合体１０１における発熱は主に、外部から水冷されている伝熱部材７からの伝導伝熱と、二次電池１の缶底面側に当たる筺体１２の背面からの自然対流熱伝達によって冷却される。

本実施例の形態の温度のばらつき低減効果を検証するため、本実施例の形態と従来構造について三次元定常熱流体解析を行い、二次電池１の温度分布を比較した。ここで、本実施例において、第一プレート部１０６、第二プレート部１０７、第三プレート部１０８に断熱領域が存在せず、その概要断面図が図４で表されるように、それぞれひとつの伝熱領域で構成される形態を従来構造と位置付けた。その他の解析条件は、提案構造と従来構造ともに同じとした。

図１１は本発明の実施例４における二次電池パックの提案構造と従来構造の定常伝熱解析結果である。図１１の曲線は、図９の二次電池集合体における最高温度点を通る鉛直線上の温度分布を示す。図１１の縦軸は温度、横軸は最下段の二次電池１の下面から最上段の二次電池１の上面まで距離である。黒い実線と灰色の破線はそれぞれ、従来構造と提案構造の伝熱解析結果を示す。

図１１に示した温度分布の解析結果において、最高温度と最低温度の差を求めると、従来構造と提案構造でそれぞれ、５．２度と４．４度であった。これより、従来構造から提案構造とすることで、二次電池１間の温度のばらつきを約１５％低減する効果が得られることが分かった。またこのとき、最高温度は、従来構造と提案構造でそれぞれ、５１．２度と５１．３度であった。これより、従来構造から提案構造としても、二次電池１の最高温度が著しく上昇しないことが分かった。

上述の通り、以上の形態によって、寸法増大や部品点数及び種類の増加を招くことなく、また、二次電池の最高温度を著しく上昇させることなく、二次電池間の温度のばらつきを低減した二次電池パックを提供することが可能となる。

１・・・二次電池
２・・・伝熱領域
３・・・伝熱領域
４・・・伝熱領域
５・・・断熱領域
６・・・断熱領域
７・・・伝熱部材
８・・・伝熱領域
９・・・伝熱領域
１０・・・伝熱領域
１１・・・エンドプレート
１２・・・筺体
１３・・・制御ユニット
１０１・・・二次電池集合体
１０２・・・二次電池積層体
１０３・・・二次電池積層体
１０４・・・二次電池積層体
１０５・・・プレート部
１０６・・・第一プレート部
１０７・・・第二プレート部
１０８・・・第三プレート部
１０９・・・二次電池パック

Claims (7)

1. 複数の二次電池が積層した二次電池積層体と、
   前記二次電池積層体の側部に配置されるプレート部と、
   前記二次電池積層体と対向する放熱部材と、を備え、
   前記プレート部は、伝熱領域と、前記伝熱領域よりも熱伝導率の低い断熱領域と、により構成され、
   前記伝熱領域は、前記断熱領域により複数の領域に分割され、
   前記放熱部材は、前記プレート部の中心部を含む第一伝熱領域と接する二次電池パック。
2. 請求項１に記載の二次電池パックであって、
   前記断熱領域は、前記第一伝熱領域に接する第一断熱領域及び第二断熱領域により構成され、
   前記プレート部は、前記第一断熱領域を挟んで前記第一伝熱領域と対向する第二伝熱領域と、前記第二断熱領域を挟んで前記第一伝熱領域と対向する第三伝熱領域と、を有する二次電池パック。
3. 請求項１に記載の二次電池パックであって、
   前記断熱領域は、
   第一断熱領域と、
   前記プレートの中心部を挟んで当該第一断熱領域と対向する第二断熱領域と、
   前記放熱部材と接する前記第一伝熱領域の面と対向するとともに当該第一断熱領域と当該第二断熱
   領域と繋がる第三断熱領域と、を有する二次電池パック。
4. 請求項1乃至3のいずれかに記載の二次電池パックであって、
   前記プレート部は、
   前記二次電池積層体の一方側に配置される第一プレート部と、
   前記二次電池積層体を挟んで前記第一プレート部とは反対側の他方側に配置される第二プレート部と、により構成される二次電池パック。
5. 請求項４に記載の二次電池パックであって、
   前記第二プレート部を挟んで前記第一の二次電池積層体とは反対側に配置される第二の二次電池積層体を備え、
   前記プレート部は、
   前記第二の二次電池を挟んで前記第二プレート部とは反対側に配置される第三プレート部により構成され、
   前記第二プレート部と前記第一の二次電池積層体が積層する方向からみた場合に、
   前記第二プレート部は、前記第一伝熱領域の面積が他のプレート部における前記第一伝熱領域の面積よりも大きい二次電池パック。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の二次電池パックであって、
   前記プレート部と前記二次電池積層体を接続するエンドプレートを備え、
   前記エンドプレートは、前記第一伝熱領域以外の領域と接する二次電池パック。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の二次電池パックであって、
   前記二次電池積層体と前記プレート部と前記伝熱部材を収容する筺体を備え、
   前記筐体は、前記プレート部が前記伝熱部材と接する面と対向する面で前記プレート部を接続する
   二次電池パック

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