説明

二次電池装置

【課題】電池セルの温度上昇を抑制することにより性能を維持しつつ、装置全体の体格を縮小可能な電池装置を提供する。
【解決手段】電池装置は、外ケースと、それぞれ電極端子を有し、互いに隙間を置いて並べて外ケース内に配置された複数の電池セルと、電池セルの電極端子間を電気的に接続する複数の導電部材と、を備えている。外ケースは金属板材で形成され、外ケースの表面は、塗装あるいは陽極酸化皮膜形成による表面処理、あるいは粗面化加工の少なくとも1つが施された表面処理領域を有している。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明の実施形態は、直列ないし並列接続された複数の電池セルを有する二次電池装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ハイブリッド自動車、電気自動車などの車両で使われる二次電池装置は、高出力でかつ頻繁な出力変化に対応する必要がある。このような二次電池装置は、一般に、必要な出力や容量に応じて、電池セルを複数個電気的に直列あるいは並列接続し、かつ、機械的にも一体化した組電池あるいは電池モジュールとして構成されている。電池モジュールにおいて、各電池セルは、正極および負極の電極端子を有し、複数の電池セルのうち、例えば隣接する2つの電池セルの電極端子は、バスバーのような導電部材で互いに接続されている。また、複数の電池セルは、外ケース内に並べて収容されている。
【0003】
電池セルは通電による自己発熱が生じる。電池セルを複数個接続して電池モジュールを構成する場合、全ての電池セルが長期に亘って性能を発揮できるようにするために、各電池セルの温度上昇を許容値以下に制限する必要がある。すなわち、全ての電池セルを効率よく冷却する必要がある。そのため、電池モジュールは、放熱機構を設ける場合が少なくない。例えば、外ケースを介して電池モジュール外部に放熱したり、セルケースの外側に通風して放熱したりする方法が用いられる。あるいは、外ケースに複数の通風孔を設け、これらの通風孔を通して外気を電池セルの周囲に導く方法が取られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2009−87721号公報
【特許文献2】特開2006−139919号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、電池モジュールの外側に通風するような放熱機構を設ける場合、電池モジュールの体格増大を招く一要因となる。電池モジュールを搭載する車両に十分な搭載スペースを確保できることは通常稀であり、捻出されたスペース内に搭載できるよう、電池モジュールの体格縮小が求められることが少なくない。
【0006】
外ケースの通風孔を通して外ケース内に通風する場合、電池セルの冷却に必要十分な冷却風の確保が難しい。電池モジュールの体格縮小のためには、複数の電池セルを極力近接して配置したい。それは、隣接する電池セルの間隔を小さくすることに他ならない。必然的に冷却風が通風する空間の体積が小さくなり、冷却風量が低減する。
【0007】
通風による強制冷却が許容されない場合も考えられる。たとえば、車両外部からの空気導入による構成部品の汚損や腐蝕などの発生を嫌い、電池モジュールを全密閉の筐体に収納する場合がある。この場合、強制空冷によらずに、電池セルの温度上昇を抑制する必要がある。
【0008】
配線導体も通電による自己発熱のために温度上昇しやすい。そのため、配線導体も温度上昇を抑制する必要がある。過度な温度上昇を生じると、配線導体から発熱量の一部が電池セルへ移動して、電池セルへも影響が及ぶ。
【0009】
また、電池セルの電極端子付近には電気絶縁部が存在するため、清浄な環境確保が不可欠となる。すなわち、電極端子の周囲において、塵埃や湿気などを含んだ空気の流通を許容することは難しく、強制冷却によらず自然空冷で温度上昇を抑制することが求められる。
【0010】
この発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、その目的は、電池セルの温度上昇を抑制することにより性能を維持しつつ、装置全体の体格を縮小可能な電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
実施形態によれば、電池装置は、外ケースと、それぞれ電極端子を有し、互いに隙間を置いて並べて前記外ケース内に配置された複数の電池セルと、前記電池セルの電極端子間を電気的に接続する複数の導電部材と、を備え、前記外ケースは、金属板材で形成され、前記外ケースの表面は、塗装あるいは陽極酸化皮膜形成による表面処理、あるいは粗面化加工の少なくとも1つが施された表面処理領域を有している。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】図1は、この発明の第1の実施形態に係る二次電池装置を示す斜視図。
【図2】図2は、前記二次電池装置の外ケースを破断して示す前記二次電池装置の平面図。
【図3】図3は、前記二次電池の外ケース、電池セル、バスバーを分解して示す前記二次電池装置の分解斜視図。
【図4】図4は、前記電池セルの平面図。
【図5】図5は、前記電池セルを示す斜視図。
【図6】図6は、前記バスバーを模式的に示す断面図。
【図7】図7は、前記バスバーを示す斜視図。
【図8】図8は、前記二次電池装置における放射率と温度上昇との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態に係る二次電池装置について詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図1は、二次電池装置として、第1の実施形態に係る電池モジュールを示す斜視図、図2は、外ケースの一部を破断して示す電池モジュールの平面図、図3は、電池モジュールを分解して示す分解斜視図である。
【0014】
図1、図2、図3に示すように、電池モジュール10は、複数、例えば、10個の電池セル(二次電池)12を互いに所定の隙間を置いて整列配置した電池群と、電池群を収容した矩形箱状の外ケース16と、を備えている。隣り合う電池セル12の電極端子間は、導電部材としてのバスバー30により電気的に接続されている。
【0015】
図3、図4、図5に示すように、各電池セル12は、例えば、リチウムイオン電池等の薄型の非水系二次電池として構成されている。この電池セル12は、アルミニウム等の金属板材により形成された偏平な矩形箱状の外装容器18と、外装容器18内に非水電解液と共に収納された電極体20と、を備えている。外装容器18は、上端が開口した容器本体18aと、容器本体に溶接され容器本体の開口を閉塞した矩形板状の蓋体18bとを有し、気密に形成されている。電極体20は、例えば、正極板および負極板をその間にセパレータを介在させて渦巻き状に捲回し、更に、径方向に圧縮することにより、偏平な矩形状に形成されている。
【0016】
正極端子22および負極端子23が蓋体18bの長手方向両端部にそれぞれ設けられ、蓋体18bから突出している。正極端子22および負極端子23は、電極体20の正極および負極にそれぞれ接続されている。蓋体18bの中央部には、ガス排気機構として機能する圧力開放弁24が形成されている。この圧力開放弁24は、蓋体18bの約半分程度の板厚に形成されている。電池セル12の異常モード等により外装容器18内にガスが発生し、外装容器内の内圧が所定の値以上に上昇した際、圧力開放弁24が開放され、内圧を下げて外装容器18の破裂等の不具合を防止する。
【0017】
図1ないし図3に示すように、外ケース16は、矩形板状の底壁16a、矩形板状の一対の側壁16b、前後端壁16c、16d、および矩形状の上面板16eを有し、これらは互いに接合され、矩形箱状をなしている。各壁16a〜16dは、例えば、アルミニウム等の金属板材で形成され、上面板16eは、絶縁性を有する合成樹脂等により形成されている。各壁16a〜16dを金属板材で形成するうえで、必要に応じて、電池セル12と対向する面に薄い電気絶縁層を形成しても良い。電気絶縁層は、良熱伝導体であることが望ましい。側壁16bの各々には、複数のスリット状の通気孔17が形成され、これらの通気孔17は、側壁16bの長手方向および高さ方向に所定の間隔を置いて並んでいる。
【0018】
底壁16a上に絶縁シート28が敷設され、この絶縁シート上に複数の電池セル12が載置されている。電池セル12は、図示しない位置決め手段により、互いに所定の間隔を置いて位置決め配置されている。すなわち、10個の電池セル12は、図1ないし図3に示すように、外装容器18の主面同士が所定の隙間を置いて向い合った状態で、かつ、電極端子側が同一方を向いた状態で、一列に並んで配置されている。本実施形態において、隣合う2つの電池セル12は、正極端子22および負極端子23の位置が逆となるように、互いに180度反転した状態で配列されている。すなわち、10個の電池セル12は、その配列方向に沿って、正極端子22と負極端子23と交互にかつ2列に並ぶように、配置されている。複数の電池セル12の側面は、外ケース16の一対の側壁16b、前後端壁1c、16dによって覆われている。
【0019】
複数の電池セル12の電極端子側の端部は、外ケース16の上面板16eによって覆われている。上面板16eは、それぞれ電池セル12の正極端子22、負極端子23に対向する複数の開口34を有し、これらの開口34は、2列に並んで配置されている。上面板16eの長手方向の両端部に、それぞれボス36が突設されている。
【0020】
図1および図2に示すように、複数の電池セル12は、複数のバスバー30により、直列に接続されている。バスバー30は、導電材料、例えば、アルミニウム等からなる金属板材を折曲げ成形して形成されている。図6および図7に示すように、バスバー30は、一対の矩形状の端子接続部30aと、これらの端子接続部30a間を延びる湾曲した連結部30bと、を有している。各端子接続部30aには、電池セル12の正極端子22あるいは負極端子23が係合する開孔40が形成されている。
【0021】
図1および図2に示すように、バスバー30は、一方の端子接続部30aが電池セル12の正極端子22に接続され、他方の端子接続部30aが、隣合う他の電池セル12の負極端子23に接続されている。端子接続部30aは、開孔40内に正極端子22あるいは負極端子23が係合した状態で、電極端子に溶接、例えば、レーザ溶接されている。溶接は、レーザ溶接に代えて電子ビーム溶接や抵抗溶接を用いてもよい。
【0022】
電池セル列の一端に位置する電池セル12の正極端子22に正極側の出力端子32aが接合されている。この出力端子32aは、その一端部が上方へ折曲げられ、ボス36上に配置されている。電池セル列の他端に位置する電池セル12の負極端子23に負極側の出力端子32bが接合されている。この出力端子32aは、その一端部が上方へ折曲げられ、ボス36上に配置されている。出力端子32a、32bは、いずれも、導電材料、例えば、アルミニウム等からなる金属板材を折曲げ成形して形成されている。電池セル12の電極端子に接合されたバスバー30および出力端子32a、32bは、それぞれ上面板16eの対応する開口34内に配置されている。
【0023】
上記のように構成された電池モジュール10において、外ケース16の側壁16bに形成された通気孔17を通して、外ケース16内および電池セル12間の隙間に外気が導入され、この外気によって電池セル12が冷却される。このような自然空冷方式を用いる場合、部品温度と雰囲気温度の差が増大するに従って、発熱体表面からの放射放熱量も無視できなくなる。放射放熱量Wは次式で表すことが出来る。
【0024】
=σ・A・ε・(T−Tanb) …(1)
ここで、W:放射放熱量(W)
σ:ステファン・ボルツマン(Stefan−Boltzmann)定数:5.6687×10−8(W/m
A:発熱体の表面積(m
ε:発熱体表面の放射率
:発熱体の絶対温度(K)
anb:雰囲気の絶対温度(K)
電池モジュール10では、外ケース16、電池セル12の外装容器18、バスバー30は、いずれも、アルミニウムなどの金属板材を加工して形成されている。各部材を構成する金属板材の表面が平滑な場合、アルミニウム表面の放射率は小さく、0.1以下のオーダとなる。放射放熱量は放射率に比例するため、放射率が小さいと放射放熱量も微小となる。この場合、放射による放熱効果がほとんど期待できず、放熱手段は周囲空気への熱伝達による放熱にほぼ限られる。
【0025】
アルミニウムなどの金属表面でも、表面状態によって放射率が異なる。例えば、金属表面が粗面である場合、または金属表面に陽極酸化皮膜を形成する表面処理(アルマイト処理)が施されている場合、或いは塗装のような表面処理がなされている場合、無処理の平滑な金属表面に比較して、放射率が著しく増大する。
【0026】
アルミニウム平滑面(研磨面)の放射率は、0.1以下であるのに対して、アルマイト処理面の放射率は0.8(白色)ないし0.95(黒色)、塗装面の放射率は0.9である。粗面の放射率は、面粗さによって異なるものの、最大で約0.8に及ぶ。いずれの場合でも、平滑面より格段に放射率が大きい。
【0027】
本実施形態によれば、図1および図2に示すように、電池モジュール10において、外ケース16を構成する底壁16a、側壁16b、前後端壁16c、16dの表面、例えば、外面および内面は、塗装あるいは陽極酸化皮膜形成による表面処理、又は、粗面化加工の少なくとも1つが施され、表面処理領域42を形成している。
【0028】
ここで、塗装とは、例えば、ペンキ等の塗料を表面に塗布あるいは吹き付けすることを示している。粗面化とは、ショットブラスト(又はサンドブラスト)、エッチング等により表面の粗さ粗くすることを示している。物体表面の粗さが大きいほど、物体の放射率が高くなる傾向にある。例えば、ショットブラストにより物理的に表面を粗面化する場合、表面粗さ50S以上(粗さの最大高さが50μm以上)とすることが望ましい。
【0029】
なお、底壁16a、側壁16b、前後端壁16c、16dの両面に限らず、内面あるいは外面の一方に、表面処理あるいは表面加工の少なくとも1つを施し、表面処理領域を形成してもよい。図1および図2において、クロスハッチングあるいはハッチングされた領域は、それぞれも前記表面処理あるいは表面加工の少なくとも1つが施された表面処理領域42を模式的に示している。表面処理ないし表面加工の及ぶ厚さは、外ケース16を構成する金属板材の板厚に比べて十分に小さい。
【0030】
電池モジュール10の外ケース16を前記のように構成した場合、外ケース16表面の放射率が格段に大きくなる。そのため、外ケース16から周囲空気への熱伝達による放熱に加え、外ケースの放射率に比例して放射放熱効果が生じる。そのため、電池モジュール10全体(合計)の放熱量が増加することになる。
【0031】
例として、次のような条件を考える。
A:外ケースの表面積:0.01m(10cm角)
ε:外ケース表面の放射率:0.8
:外ケースの絶対温度:75℃=348K
anb:雰囲気の絶対温度:25℃=298K
h:外ケース表面の熱伝達率:10W/m2
放射放熱量Wは、前述した式(1)により計算すると、
放射放熱量:W=3.1W
であり、熱伝達による放熱量Wは、以下の式から次のようになる。
熱伝達放熱量:W=h・A・(T−Tanb)=5W
このような条件では、熱伝達放熱量に対して約60%に相当する放射放熱量を得ることができる。ただし、放射放熱効果による温度抑制があり、温度差が下がるので、実際の放射放熱量は上記の計算値より多少小さくなる。
【0032】
放熱量が増加することで、電池セル12を効率よく冷却し、温度抑制効果を向上することができる。複数の電池セル12をより近接して配置した場合、あるいは全密閉型の外ケースに収納した場合のいずれでも、放射放熱効果による放熱量増大により、電池セルの温度上昇値を低く抑えるとことができる。その結果、性能を維持しつつ、同時に体格を縮小できる電池パックを提供することが可能になる。
【0033】
図8は、電池モジュールにおいて、外ケース表面の放射率を0とした場合と、放射率を0.9とした場合とで温度上昇の違いを比較して示している。ここでは、図8は、電池モジュールを特定の通電条件で動作させた際の最高温度ポイントの過渡的な温度上昇を示している。図8において、横軸は時間で、0s〜3600s(:60min=1hr)の期間とし、縦軸は温度を示している。この図から、放射率が高い方向が、電池モジュールの最高温度が低くなっていることが分かる。
【0034】
本実施形態によれば、各電池セル12の外装容器18の表面全体に、塗装あるいは陽極酸化皮膜形成による表面処理、又は、粗面化加工の少なくとも1つが施されている。図4および図5において、ハッチングあるいはクロスハッチングされた領域は、それぞれも前記表面処理あるいは粗面化加工の少なくとも1つが施された表面処理領域44を模式的に示している。表面処理ないし表面加工の及ぶ厚さは、外装容器18を構成する金属板材の板厚に比べて十分に小さい。
【0035】
このように電池セル12の外装容器18に表面処理ないし表面加工を施すことにより、外装容器表面の放射率が格段に大きくなり、電池セル12から冷却風や外部空気への熱伝達による放熱に加えて、放射率に比例した放射放熱効果が生じる。そのため全体(合計)の放熱量が増加する。電池セル12から冷却風や周囲空気への放熱量が増加することで、電池モジュール10の温度抑制効果を向上することができる。
【0036】
複数の電池セルをより近接して配置した場合、あるいは全密閉の外ケースに収納した場合のいずれでも、放射放熱効果による放熱量増大により、電池セル12の温度上昇値を低く抑えるとことができる。その結果、性能を維持しつつ、同時に体格を縮小できる電池モジュール10を提供することが可能になる。
【0037】
更に、本実施形態によれば、各バスバー30の表面全体に、塗装あるいは陽極酸化皮膜形成による表面処理、又は、粗面化加工の少なくとも1つが施されている。ただし、バスバーおよび出力端子において、導通部分への塗装は行わない。図6および図7において、ハッチングあるいはクロスハッチングされた領域は、それぞれも前記表面処理あるいは粗面化加工の少なくとも1つが施された表面処理領域46を模式的に示している。表面処理ないし表面加工の及ぶ厚さはバスバーの板厚さに比べて十分に小さい。
【0038】
このようにバスバー30に表面処理ないし粗面化加工を施すことにより、バスバー表面の放射率が格段に大きくなり、周囲空気への熱伝達による放熱に加えて、放射率に比例した放射放熱効果が生じる。バスバーから周囲空気への放熱量が増加することで、電池モジュール10の温度抑制効果を向上することができる。また、バスバー30は、他の部材に比較して熱容量が小さく放熱面積も小さいため高温となり易いが、表面処理ないし粗面化加工を施して方熱量を増加することにより、バスバー自身の温度上昇を抑制することができる。これにより、バスバーの熱変形による接続不良等の発生を防止し、信頼性の向上を図ることができる。
【0039】
以上のように構成された電池モジュールによれば、外ケース16、電池セル12の外装容器18、およびバスバー30の表面に表面処理あるいは粗面化加工の少なくとも一方を施すことにより、放射放熱量を増大させ、電池セルを効率よく冷却し温度上昇を抑制することができる。複数の電池セル12をより近接して配置した場合、あるいは全密閉の外ケースに収納した場合でも、放射放熱効果による放熱量増大により、電池セル12の温度上昇値を低く抑えるとことができる。これにより、性能を維持しつつ、同時に体格を縮小可能な二次電池装置を提供することができる。
【0040】
電池モジュールの通常の使用状態においては、充電ないし放電により電池セルが発熱し、その温度が上昇する。また、電池モジュールの異常時には、通常時よりはるかに大きい温度上昇が生じる。異常時とは、例えば、経年変化による電池セルの特性劣化や、温度保護回路の故障などが重なった場合で、温度上昇、特性劣化による発熱量増大、更なる温度上昇、というように、いわゆる熱暴走的に温度上昇が生じる可能性がある。予防するための施策が重要である。熱放射量は、原理的に温度差が大きいほど大きくなり、熱暴走時のような著しい温度上昇を招く場合、上述した本実施形態に係る電池モジュールの放射放熱による温度抑制効果は、通常使用時よりもはるかに大きな効果が発揮される。そのため、本電池モジュールは、重大事象予防施策の一つとして有効に利用することができ、信頼性の向上に大きく貢献することができる。
【0041】
なお、前述した実施形態では、外ケース、電池セルの外装容器、およびバスバーの表面それぞれに表面処理あるいは粗面化加工を施す構成としたが、これに限らず、外ケースの表面、電池セルの外装容器の表面、およびバスバーの表面のいずれか1つのみ、あるいは、2つに、表面処理あるいは粗面化加工の少なくとも一方を施す構成としてもよい。この場合でも、放射放熱量を増大させ、電池セルを温度上昇を抑制する効果が得られる。
【0042】
なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
電池セル群を構成する電池セルの数、外ケースの形状、構造等は、前述した実施形態に限定されることなく、必要に応じて適宜変更可能である。電池セルは直列に限らず、並列に接続してもよい。金属板材表面の処理は、表面処理と粗面化加工とを組み合わせて用いても良い。例えば、外ケースの表面を粗面化加工するとともにアルマイト処理し、表面処理領域を形成するようにしてもよい。出力端子の表面に表面処理あるいは粗面化加工を施す構成としてもよい。
【符号の説明】
【0043】
10…電池モジュール、12…電池セル、16…外ケース、16a…底壁、
16b…側壁、18…外装容器、18a…容器本体、18b…蓋体、22…正極端子、
23…負極端子、30…バスバー、32a、32b…出力端子、30a…端子接続部
42、44、46…表面処理領域

【特許請求の範囲】
【請求項1】
外ケースと、それぞれ電極端子を有し、互いに隙間を置いて並べて前記外ケース内に配置された複数の電池セルと、前記電池セルの電極端子間を電気的に接続する複数の導電部材と、を備え、
前記外ケースは金属板材で形成され、前記外ケースの表面は、塗装あるいは陽極酸化皮膜形成による表面処理、あるいは粗面化加工の少なくとも1つが施された表面処理領域を有している電池装置。
【請求項2】
前記各導電部材は金属板材で形成され、前記導電部材の表面は、塗装あるいは陽極酸化皮膜形成による表面処理、あるいは粗面化加工の少なくとも1つが施された表面処理領域を有している請求項1に記載の電池装置。
【請求項3】
前記各電池セルは、金属板材で形成され電極体を収容した外装容器を有し、前記外装容器の表面は、塗装あるいは陽極酸化皮膜形成による表面処理、あるいは粗面化加工の少なくとも1つが施された表面処理領域を有している請求項1又は2に記載の電池装置。
【請求項4】
外ケースと、それぞれ電極端子を有し、互いに隙間を置いて並べて前記外ケース内に配置された複数の電池セルと、前記電池セルの電極端子間を電気的に接続する複数の導電部材と、を備え、
前記各導電部材は金属板材で形成され、前記導電部材の表面は、塗装あるいは陽極酸化皮膜形成による表面処理、あるいは粗面化加工の少なくとも1つが施された表面処理領域を有している電池装置。
【請求項5】
外ケースと、それぞれ電極体を収容した外装容器および電極端子を有し、互いに隙間を置いて並べて前記外ケース内に配置された複数の電池セルと、前記電池セルの電極端子間を電気的に接続する複数の導電部材と、を備え、
前記各電池セルの外装容器は金属板材で構成され、前記外装容器の表面は、塗装あるいは陽極酸化皮膜形成による表面処理、あるいは粗面化加工の少なくとも1つが施された表面処理領域を有している電池装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2012−22895(P2012−22895A)
【公開日】平成24年2月2日(2012.2.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−160011(P2010−160011)
【出願日】平成22年7月14日(2010.7.14)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】