JP2012182100A

JP2012182100A - 二次電池モジュール

Info

Publication number: JP2012182100A
Application number: JP2011046046A
Authority: JP
Inventors: Makoto Abe; 阿部　　誠; Tadashi Yoshida; 正吉田; Katsunori Nishimura; 勝憲西村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2012-09-20

Abstract

【課題】回路基板を配置しても体積が増大せず、体積エネルギー密度の向上が可能な二次電池モジュールを提供する。
【解決手段】複数の電池セル３と、電池セル３を制御するための少なくとも１個の回路基板４とを備え、電池セル３の全てを内包する最小の直方体で表される電池セル配置領域の中に、回路基板４の少なくとも一部を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池セル、および電池セルを制御するための回路基板を備える二次電池モジュールに関する。

二次電池、例えばリチウムイオン二次電池は、出力密度が高いために従来からパソコンや携帯電話等の小型機器に用いられてきたが、近年になってＨＥＶ（ハイブリッド自動車）やＥＶ（電気自動車）にも用いられ始めている。さらに、太陽光発電や風力発電等の出力の不安定な発電設備での、電力平準化用蓄電池としての用途を期待されている。用途の一つである電力平準化用蓄電池においては、数ｋＷから数百ｋＷの容量を必要とするものまである。それぞれの用途に必要な容量を得るために、所定の容量を有する二次電池（電池セル）を複数個直列または並列に電気的に接続した二次電池モジュールを用いる方式が一般的である。

二次電池モジュールには、直列または並列に接続された複数個の電池セルに加え、回路基板と筐体が必要となる。回路基板には、各々の電池セルの電圧や電流等の状態を検知するためのセンサや、電流や電圧を制御するための電子部品を搭載する。筐体は、電池セルおよび回路基板を包含して保持する。

二次電池モジュールの性能を表わす一つの指標として、体積エネルギー密度がある。体積エネルギー密度は、モジュールの容量をモジュールの体積で割った値として定義される。モジュールの体積は、モジュールを構成する筐体の体積で定義される。体積エネルギー密度が大きいモジュールは、小型で容量が大きいため、特にＨＥＶ、ＥＶ、および電力平準化用の蓄電池に求められている。体積エネルギー密度の向上には、直接的には容量の増大またはモジュール体積の縮減が有効である。モジュール体積を縮減する方法の１つとして、モジュールに内蔵される電池セルや回路基板の体積を縮減して筐体の体積を小さくする方法がある。他の手法として、電池セルや回路基板の配置を最適化することで、筐体の体積を小さくすることも可能である。

電池モジュールの構造の例は、特許文献１、特許文献２、および特許文献３に記載されている。

特開２００８−２８７９９１号公報特開２００４−６２７６号公報特開２００８−３４２９６号公報

特許文献１〜３に記載の構造のように、従来の電池モジュールでは、回路基板上に電池セルを配置している、すなわち、電池モジュールを構成する電池群の外部に回路基板を配置しているため、回路基板を配置するための領域が必要となる。その結果、回路基板を配置する領域の分だけ電池モジュールの体積が増大し、体積エネルギー密度が低下する、という課題がある。

本発明は、回路基板を配置しても体積が増大せず、体積エネルギー密度の向上が可能な二次電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明による二次電池モジュールは、複数の電池セルと、前記電池セルを制御するための少なくとも１個の回路基板とを備え、前記電池セルの全てを内包する最小の直方体で表される電池セル配置領域の中に、前記回路基板の少なくとも一部を配置することを特徴とする。

本発明による二次電池モジュールでは、回路基板を配置するための新たな空間を必要としないため、回路基板を配置しても体積が増大せず、体積エネルギー密度を向上することができる。

第１の実施形態による二次電池モジュールの分解斜視図。第１の実施形態における電池セルの接続方法を示す図。第１の実施形態における、回路基板を配置した領域の拡大斜視図。第２の実施形態による二次電池モジュールの分解斜視図。第２の実施形態における、回路基板を配置した領域の拡大斜視図。第３の実施形態による二次電池モジュールの分解斜視図。第３の実施形態における、回路基板を配置した領域の拡大斜視図。第４の実施形態による二次電池モジュールの分解斜視図。第４の実施形態における、回路基板を配置した領域の拡大斜視図。第５の実施形態による二次電池モジュールの分解斜視図。第５の実施形態における、回路基板を配置した領域の拡大斜視図。第６の実施形態による二次電池モジュールの分解斜視図。第７の実施形態による二次電池モジュールの分解斜視図。電池セル配置領域を示す図。電池セル配置領域の中にある放熱に不要な領域の概念を示す断面図。第８の実施形態による二次電池モジュールの断面図。

本発明による二次電池モジュールでは、回路基板を、二次電池モジュールを構成する電池セルの全てを内包する最小の直方体で表される電池セル配置領域の内部に配置する。なお、本明細書では、直方体には立方体も含まれるものとする。より具体的には、この電池セル配置領域から、中心が電池セルの中心にあり半径が隣り合う電池セルの中心間の距離の半分の長さである円を断面とし、長さが電池セルの長手方向の長さである円筒で表される領域を除いた領域の中に、回路基板を配置する。後で詳しく述べるが、電池セル配置領域からこの円筒で表される領域を除いた領域は、電池セルの放熱に必要ない領域（放熱に寄与しない領域）である。そこで、本発明では、電池セルの放熱に必要ない領域に回路基板を配置することで、二次電池モジュールの放熱性能を低下させることなく、回路基板を配置することが可能となる。

このような回路基板の配置により、本発明による二次電池モジュールでは、回路基板を配置しても体積が増大せず、体積エネルギー密度を向上することができる。

以下、図面を用いて、本発明による二次電池モジュールの実施例を説明する。以下の実施例では、外観形状が円筒形の電池セルを備える二次電池モジュールを例に挙げているが、電池セルの形状は円筒形に限らない。円筒形以外の形状の電池セルを用いる場合については、実施例１の中で説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態による二次電池モジュールの分解斜視図である。二次電池モジュール１は、筐体、複数の仕切材２６、複数の電池セル３、および回路基板４を備える。図１において、図の左右方向（２つの側板２１を結ぶ方向）を水平方向、図の上下方向（上板２２と底板２３を結ぶ方向）を鉛直方向、水平方向と鉛直方向に垂直な方向（電池セル３の長手方向）を奥行方向と定義する。また、電池セル３の長手方向の長さを単に電池セル３の長さと称し、長手方向のことを長さ方向とも称する。

筐体は、２つの側板２１、上板２２、底板２３、前板（非図示）、および奥板（非図示）で構成される。２つの側板２１は筐体の水平方向の側面を、上板２２と底板２３は筐体の鉛直方向の側面を、前板と奥板は筐体の奥行方向の側面を、それぞれ形成する。図１において、前板と奥板は図示していないが、前板は奥行方向の手前側、奥板は奥行方向の向こう側に位置する。筐体は、電池セル３および回路基板４を包含して保持するとともに保護する。側板２１、上板２２、および底板２３には、仕切材２６が複数個設けられている。なお、図１では図示を省略したが、隣り合う電池セル３間の空隙にも仕切材２６が配置されている。

筐体を構成する側板２１、上板２２、底板２３、前板、および奥板には、合成樹脂材等の絶縁性の材料を用いる。金属材料の表面に樹脂等の絶縁性材料をコーチングしたものや、金属板を樹脂モールドしたものなどを用いてもよい。本実施例では、側板２１、上板２２、底板２３、前板、および奥板として、筐体強度確保の観点から、厚さ５ｍｍの樹脂材を用いた。

電池セル３は、二次電池モジュール１を形成し、電圧または電流を供給するための電源である。本実施例における電池セル３には、外観形状が円筒形であり、直径が７０ｍｍ、長さが４００ｍｍのリチウムイオン電池を用いた。本実施例では、鉛直方向に４段、水平方向に４列、合計１６個の電池セル３を、長さ方向が奥行方向と並行になるように配置して、二次電池モジュール１を形成した。各々の電池セル３の中心間距離は、電池セル３の内部抵抗に起因する発熱を二次電池モジュール１の外に放熱する観点から、８０ｍｍとなるように配置した。電池セル３の発熱量は、電池セル３の内部抵抗と電池セル３の充放電時の電流値によるが、本実施例では１本あたり５０Ｗである。

仕切材２６は、円筒の円周部の形状（以下「円周形状」と称する）、半円筒の円弧部の形状（以下「半円周形状」と称する）、または周方向に４分割した円筒のうちの１つ（以下「四分円筒」と称する）の円弧部の形状（以下「四分円周形状」と称する）を有する。側板２１、上板２２、および底板２３に設けられた仕切材２６は、半円周形状または四分円周形状である。その他の仕切材２６（隣り合う電池セル３間の空隙に配置された仕切材２６）は、円周形状である。

仕切材２６は、長さ方向の一端から他端へ貫通する中空部（内部空間）を形成する。仕切材２６が円周形状の場合は、仕切材２６のみで内部空間を形成する。仕切材２６が半円周形状および四分円周形状の場合は、仕切材２６と仕切材２６が設けられた側板２１、上板２２、または底板２３とで、内部空間を形成する。内部空間の形状は、仕切材２６が円周形状の場合は円筒形であり、仕切材２６が半円周形状の場合は半円筒形であり、仕切材２６が四分円周形状の場合は四分円筒形である。以下、仕切材２６が形成する内部空間のことを、単に仕切材２６の内部空間と称する。

仕切材２６は、電池セル３の位置を決定し固定して保持するとともに、空気を一方の開放端から内部に流入させて他方の開放端から流出させることで、電池セル３を冷却する。隣り合う電池セル３間の空隙に配置された仕切材２６は、円筒形状である。側板２１、上板２２、および底板２３に設けられた仕切材２６は、半円筒形状または断面が四分円である筒形状である。仕切材２６は、前板および奥板に接続して固定する。または、板状の固定材を電池セル３間の空隙に配置し、この固定材に仕切材２６を接続して固定する。この場合、固定材は、２つの側板２１、または上板２２と底板２３に接続して固定する。

本実施例での仕切材２６は、合成樹脂製であり、厚さを筐体と同一の５ｍｍとした。なお、仕切材２６の内部空間の直径は、各々の電池セル３の中心間距離と仕切材２６の厚さにより定まる。本実施例では、電池セル３の中心間距離を８０ｍｍ、仕切材２６の厚さを５ｍｍとしていることから、内部空間の直径は３３ｍｍとした。

円筒形の電池セル３の両端には、端子部３１が設けられている。端子部３１は、各々の電池セル３を接続する機能と、回路基板４からの配線を接続する機能とを有する。端子部３１の接続方法は、二次電池モジュール１に要求される電圧と電流により異なる。本実施例では、図２に示すように端子部３１を接続した。

図２は、実施例１における電池セル３の接続方法を示す図である。図２では、電池セル３の一端を奥行方向の正面から（前板が配置されている側から）見ている。前板側に配置された端子部３１は、実線で示す前板側のバスバー３２にて接続した。奥板側に配置された端子部３１は、破線で示す奥板側のバスバー３５にて接続した。また、白塗りで示した端子部３１は正極端子部３４となり、ハッチングで示した端子部３１は負極端子部３３となるように電池セル３の向きを定めた。つまり、本実施例では、１６本の電池セル３を全て直列となるように接続した。

回路基板４は、素子を搭載している。素子の例としては、各々の電池セル３の状態（電圧、電流、および温度等）を検知するセンサや、各々の電池セル３の電流および電圧を制御するための電子部品がある。回路基板４の素子を搭載する面（実装面）の形状は、長方形または正方形が一般的であるが、限定はしない。以下の実施例では、回路基板４の実装面は、長方形とする。回路基板４の向きを示す語として、長手方向と妻手方向（短手方向）という語を用いるが、これは実装面における方向を示している。

本実施例では、図１に示したように、回路基板４を、底板２３に設けた仕切材２６のうち水平方向の中央に位置する仕切材２６の内部に配置した。回路基板４は、ネジなどを用いて仕切材２６に固定する。

回路基板４は、二次電池モジュール１の体積を増大させないように配置する。具体的には、二次電池モジュール１を構成する電池セル３の全てを内包する最小の直方体で表される電池セル配置領域の内部に、回路基板４を配置する。

図１４は、電池セル配置領域を示す図である。電池セル配置領域２は、二次電池モジュール１を構成する１６個の電池セル３の全てを内包する最小の直方体で表される領域である。回路基板４は、電池セル配置領域２の内部に配置する。なお、図１４では、仕切材２６の図示を省略している。このような構成の二次電池モジュール１では、回路基板４を配置しても体積は増大せず、従来の電池モジュールよりも体積エネルギー密度を向上することができる。

図３に、二次電池モジュール１のうち、回路基板４を配置した領域の拡大斜視図を示す。回路基板４は、底板２３に設けた仕切材２６の内部空間に配置した。回路基板４を配置した仕切材２６の内部空間は、半円筒形であり、電池セル配置領域２の中に存在する。回路基板４は、長手方向が電池セル３の長さ方向（奥行方向）と平行になり、妻手方向が水平方向となるように配置した。

回路基板４の長手方向の長さは、電池セル３の長手方向の長さと同一である４００ｍｍとし、妻手方向の長さは、回路基板４が仕切材２６の内部空間に収まるように２５ｍｍとした。また、回路基板４の高さ（回路基板４に搭載した素子のうち最も背の高い素子の高さと回路基板４自身の厚さの和）は、回路基板４が仕切材２６の内部空間に収まるように１０ｍｍとした。また、回路基板４には、妻手方向（水平方向）の中央付近に背の高い素子を配置し、妻手方向の端部付近に背の低い素子を配置した。素子をこのように配置することで、内部空間が半円筒形である仕切材２６の内部に、回路基板４が収まるようにした。

回路基板４と電池セル３は、配線により接続する。回路基板４に接続された配線は、仕切材２６の開放端から取り出し、電池セル３の端子部３１や必要に応じて電池セル３の本体に接続する。

なお、回路基板４の発熱量は、回路基板４上の素子の抵抗や、素子に印加する電流値による。本実施例では、１Ｗの発熱量を有する回路基板４を用いた。

二次電池モジュール１は、仕切材２６の内部を流れる空気による放熱機構を有する。加えて、電池セル３および回路基板４の発熱により生じる二次電池モジュール１内の自然対流によっても、放熱が可能である。自然対流による空気の流れは鉛直方向の下から上となるため、二次電池モジュール１の内部は、下側の温度が低く、上に行くに従い温度が高くなる傾向がある。また、電池セル３は、次のような傾向もある。電池セル３は、これの下側に他の電池セル３や回路基板４がある場合には、他の電池セル３や回路基板４の発熱の影響を受け、温度が上昇する。電池セル３は、これの上側に他の電池セル３や回路基板４がある場合には、他の電池セル３や回路基板４の発熱のために、放熱性能が低下する。

これらの傾向と、電池セル３と回路基板４の発熱量を基に、回路基板４は、底板２３に設けた仕切材２６のうち水平方向の中央に位置する仕切材２６の内部に配置した。この理由を以下に説明する。

回路基板４は、鉛直方向については、いずれの仕切材２６の内部に配置可能である。ただし、どの仕切材２６に配置するかは、電池セル３および回路基板４の発熱が互いに与える影響と、二次電池モジュール１の放熱性能に鑑みて決定する必要がある。本実施例では、回路基板４の発熱が電池セル３に対して与える影響が小さいことに加えて、回路基板４の発熱による電池セル３の温度上昇よりも電池セル３の発熱による回路基板４の温度上昇の抑制を優先する観点から、底板２３に設けた仕切材２６の内部に回路基板４を配置することにした。

一方、回路基板４の水平方向の位置は、回路基板４の発熱が電池セル３に与える影響に鑑みて決定する必要がある。回路基板４の発熱の影響は、水平方向には、回路基板４を中心にして対称的に及ぶ。ここで、水平方向の中心以外の場所、例えば図１の左端にある仕切材２６に回路基板４を配置すると、左側に配置した電池セル３は回路基板４の発熱の影響を受けやすくなり、右側に配置した電池セル３は回路基板４の発熱の影響が小さくなる。この結果、電池セル３には、配置場所に応じて劣化の進行度合いが異なるという現象が生じる。劣化が進行した場合には、電池セル３の交換または二次電池モジュール１自身の交換が必要となる。交換にかかるコストや作業量等に鑑みると、二次電池モジュール１内の電池セル３の劣化は、どれもが可能な限り同程度で進行することが望ましい。そこで、回路基板４の発熱が二次電池モジュール１内の電池セル３に与える影響を同程度とすることを目的に、本実施例では、水平方向の中央に位置する仕切材２６に回路基板４を配置した。

本実施例の二次電池モジュール１は、電池セル配置領域２の内部に回路基板４を配置することにより、回路基板４を配置するための新たな空間を必要としない。従って、回路基板４の設置による体積増加を招かず、従来の電池モジュールよりも体積エネルギー密度の向上が可能となる。具体的には、本実施例の二次電池モジュール１では、電池セル配置領域２の外部に（すなわち、電池セル３群の外部に）回路基板を配置する従来の電池モジュールに比べて、約３％の体積エネルギー密度の増加が可能となる。

ここで、回路基板４を配置する領域について、詳しく説明する。上述したように、回路基板４は、電池セル配置領域２の内部に配置する。電池セル配置領域２の内部には電池セル３が存在しているので、回路基板４は、隣り合う電池セル３間の空隙に配置することになる。本実施例では円筒形の電池セル３を用いていることから、電池セル３の間には放熱に不要な領域（放熱に寄与しない領域）が必ず存在する。電池セル配置領域２の中にある放熱に不要な領域が、回路基板４を配置する空隙である。

図１５は、電池セル配置領域２の中にある放熱に不要な領域の概念を示す断面図である。図１５では、電池セル３を図２と同じ方向から見ており、説明の便宜上、電池セル３を４個だけ示した。

隣り合う電池セル３の間には、放熱のための空間が存在する。各々の電池セル３は放熱のための空間を持つと考え、電池セル３自身が占める空間とこの電池セル３が持つ放熱のための空間とを合わせた領域を、電池セル３の占有領域３６と称する。二次電池モジュール１の体積を小さくするため、隣り合う電池セル３では、互いの占有領域３６が接する。電池セル３の占有領域３６は、中心Ｏが電池セル３の中心にあり半径Ｒ１が隣り合う電池セル３の中心間の距離の半分の長さである円を断面とし（図１５を参照）、長さが電池セル３の長手方向の長さである円筒で表される領域である。

電池セル３は放熱のための空間を持つため、電池セル３の長さ方向に垂直な断面（図１５に示した断面）で考えると、電池セル３の占有領域３６は、電池セル３自身が占める領域よりも大きくなる。本実施例では、電池セル３は円筒形であり、電池セル３の長さ方向に垂直な断面は円である。この円の半径をＲ２とすると、Ｒ１＞Ｒ２となる。電池セル３が円筒形以外の形状の場合は、電池セル３の長さ方向に垂直な断面の形状に対する外接円の半径をＲ２とすると、Ｒ１＞Ｒ２の関係が成立する。

二次電池モジュール１では、電池セル配置領域２の内部に全ての電池セル３が存在しており、電池セル配置領域２から電池セル３の占有領域３６を除いた領域は、本来、電池セル３の放熱に必要ない領域と言える。図１５では、この放熱に必要ない領域３７（電池セル配置領域２から電池セル３の占有領域３６を除いた領域）を、斜線を引いてハッチングをした領域として示している。

そこで、本発明による二次電池モジュール１では、放熱に必要ない領域３７（電池セル配置領域２から電池セル３の占有領域３６を除いた領域）の中に回路基板４を配置することで、放熱性能を低下させることなく、かつ体積を増大させずに、体積エネルギー密度の向上が可能となった。本実施例では、図１５に示した２つある放熱に必要ない領域３７のうち、下側にある放熱に必要ない領域３７の中に回路基板４を配置した（回路基板４は、図１５には示していない）。

なお、本実施例と異なり、隣り合う電池セル３間に放熱のための空間を必要としない場合、すなわち、隣り合う電池セル３を接触させて配置する場合（電池セル３を最密充填する場合）でも、電池セル３が円筒形の場合には、隣接する電池セル３間には必ず空隙が存在する。従って、この場合には、この空隙を放熱に必要ない領域３７とする。電池セル３が円筒形以外の形状の場合については、詳しくは後述するが、この場合にも、電池セル配置領域２の内部に放熱に必要ない領域３７が存在する。

隣り合う電池セル３を接触させて配置する場合には、電池セル３の占有領域３６の半径Ｒ１と、電池セル３の長さ方向に垂直な断面の形状に対する外接円の半径Ｒ２の間には、Ｒ１＝Ｒ２の関係が成立する。

本実施例の二次電池モジュール１では、底板２３に設けた仕切材２６の内部に回路基板４を配置しているので、回路基板４は電池セル３の発熱の影響を受けにくく、回路基板４の温度上昇に起因する電池セル３の劣化を抑制することが可能となる。加えて、回路基板４に搭載する素子の耐熱性を低くすることが可能となり、回路基板４の低コスト化を実現することができる。

本実施例では、回路基板４を二次電池モジュール１の水平方向の中央に配置することにより、回路基板４の発熱による電池セル３の温度上昇を、水平方向の中央に対して対称にすることができる。その結果、回路基板４を水平方向の中央以外の場所に配置した場合と比べて、二次電池モジュール１の局所的な電池セル３の劣化を抑制することが可能となる。

なお、本実施例では電池セル３の大きさを直径７０ｍｍ、長さ４００ｍｍとしたが、二次電池モジュール１に搭載する電池セル３には、様々な仕様の電池を用いることができる。例えば、一般的に普及が進んでいる直径１８ｍｍ、長さ６５ｍｍの所謂１８６５０型電池を用いることもでき、本実施例で用いた電池セル３よりも大きな電池を用いることもできる。仕切材２６の内部空間の直径は、電池セル３の大きさにより異なるが、以下のようにして求めることができる。

電池セル３の長さ方向に垂直な断面の形状に対する外接円の直径をＤ_Ｂ、隣り合う電池セル３の中心間距離をＬ_ｓ、仕切材２６の厚さをＤ_Ｋとすると、仕切材２６の内部空間の直径Ｄ_ｃは、下記の式（１）で求められる。本実施例では電池セル３が円筒形であるため、Ｄ_Ｂは電池セル３の直径である。

回路基板４は、妻手方向の長さが上記の式から求めたＤ_ｃ以下となるように設計する必要がある。

ここで、本発明による二次電池モジュール１が備える電池セル３の形状について説明する。本実施例では、円筒形の電池セル３を用いた。円筒形の他に、最密充填した際に充填率が１００％とならない形状を有する電池セル３を用いた場合でも、電池セル配置領域２の内部に放熱に必要ない領域（放熱に寄与しない領域）が存在することから、本実施例と同様の効果を得ることができる。

具体的には、電池セル３が、本実施例で示した円筒形の他に、長さ方向に垂直な断面の形状が楕円形や八角形の場合、または角の丸い多角形（角丸三角形、角丸四角形、および角丸六角形など）の場合には、最密充填した際に充填率が１００％とならないため、本実施例のように回路基板４を配置することが可能となる。長さ方向に垂直な断面の形状が、三角形、四角形、または正六角形の場合には、最密充填した際に充填率が１００％となるため、本実施例のように回路基板４を配置するのには適さない。

円筒形以外の形状の電池セル３を用いた場合も、回路基板４を、放熱に必要ない領域３７（電池セル配置領域２から電池セル３の占有領域３６を除いた領域）の中に配置することにより、円筒形の電池セル３を用いた場合と同様の効果を得ることができる。この場合も、回路基板４の妻手方向の長さは、式（１）で求めたＤ_ｃ以下となるようにする。

図４は、本発明の第２の実施形態による二次電池モジュールの分解斜視図である。実施例１と同一または共通の構成要素には、同一の符号を付与し、説明を省略する。図４では図示を省略したが、本実施例による二次電池モジュール１でも、隣り合う電池セル３間の空隙にも仕切材２６が配置されている。

本実施例では、２つの側板２１、上板２２、底板２３、前板（非図示）、奥板（非図示）、および仕切材２６のそれぞれに、複数の空気穴２７を設けた。仕切材２６には、底板２３の空気穴２７を通った空気が鉛直方向と平行に流れて仕切材２６を貫通するような位置に、空気穴２７を設ける。

空気穴２７は、二次電池モジュール１の放熱性を高めるための機能を有する。二次電池モジュール１の内部には、底板２３に設けた空気穴２７、底板２３に取り付けた仕切材２６に設けた空気穴２７、および仕切材２６の開放端から空気が流入する。流入した空気は、仕切材２６の空気穴２７や電池セル３間の空隙を伝って、鉛直方向の上に向かって流れる。この空気の流れが、電池セル３および回路基板４から発生した熱を放散する役割を果たす。

図５に、二次電池モジュール１のうち、回路基板４を配置した領域の拡大斜視図を示す。回路基板４は、底板２３に設けた仕切材２６の内部空間に配置した。仕切材２６の内部空間は、二次電池モジュール１を構成する電池セル３の全てを内包する最小の直方体（電池セル配置領域）の内部に存在する。回路基板４の長手方向の長さは、電池セル３の長手方向の長さと同一とした。回路基板４は、長手方向が奥行方向となり、妻手方向が鉛直方向となるように配置した。

電池セル３、隣り合う電池セル３の中心間距離、仕切材２６の諸元は、実施例１と同様した。このため、回路基板４の妻手方向の長さは、回路基板４が仕切材２６の内部空間に収まるように１３ｍｍとした。回路基板４の高さ（回路基板４に搭載した素子のうち最も背の高い素子の高さと回路基板４自身の厚さの和）は、回路基板４が仕切材２６の内部空間に収まるように１０ｍｍとした。また、回路基板４には、妻手方向（鉛直方向）の一方の端部（底板２３があるほうの端部）に背の高い素子を配置し、他方の端部に背の低い素子を配置した。素子をこのように配置することで、内部空間が半円筒形である仕切材２６の内部に、回路基板４が収まるようにした。

本実施例による二次電池モジュール１では、実施例１で得られる効果に加えて、空気穴２７を設けることにより放熱性能を高くすることが可能となる。その結果、電池セル配置領域の中に（すなわち、電池セル３群の中に）回路基板４を配置しても、二次電池モジュール１の放熱性能を低下させることがない。さらに、本実施例では回路基板４の妻手方向を鉛直方向とすることにより、回路基板４を配置した仕切材２６の内部の空気の流れをスムーズにすることが可能となり、より高性能な放熱性能を得ることができる。さらに、本実施例による二次電池モジュール１では、電池セル３の温度上昇を抑制することが可能となるので、電池セル３の長寿命化、ひいては二次電池モジュール１の長寿命化を実現することができるという効果もある。

図６は、本発明の第３の実施形態による二次電池モジュールの分解斜視図である。実施例２と同一または共通の構成要素には、同一の符号を付与し、説明を省略する。図６では図示を省略したが、本実施例による二次電池モジュール１でも、隣り合う電池セル３間の空隙にも仕切材２６が配置されている。

本実施例では、回路基板４を、隣り合う電池セル３間の空隙に設けた仕切材２６（非図示）の内部に配置した。図６に示した例では、回路基板４は、鉛直方向の上から１段目の電池セル３と２段目の電池セル３の間で、水平方向の中央にある空隙に設けた仕切材２６の内部に配置している。

図７に、二次電池モジュール１のうち、回路基板４を配置した領域の拡大斜視図を示す。本実施例では、回路基板４は、妻手方向が鉛直方向になるようにして、仕切材２６の内部空間に配置した。回路基板４を配置した仕切材２６は、円筒形状である。

本実施例による二次電池モジュール１では、空気穴２７を設けることにより放熱性能を高くすることが可能となる。その結果、電池セル配置領域の中に（すなわち、電池セル３群の中に）回路基板４を配置しても、二次電池モジュール１の放熱性能を低下させることがない。さらに、本実施例では回路基板４の妻手方向を鉛直方向とすることにより、回路基板４を配置した仕切材２６の内部の空気の流れをスムーズにすることが可能となり、より高性能な放熱性能を得ることができる。

本実施例の二次電池モジュール１では、回路基板４を電池セル３間の空隙に設けた仕切材２６の内部に配置するので、回路基板４が大型であっても配置可能である。例えば、実施例２の構成（図４、図５）では、回路基板４を配置した仕切材２６は半円筒形状であるが、本実施例での構成では円筒形状である。従って、実施例２の構成で配置可能な最大の回路基板４に対し、本実施例の構成で配置可能な最大の回路基板４は、妻手方向に約２倍の長さを持つことができる。

また、本実施例の二次電池モジュール１では、仕切材２６が円筒形状であるので、回路基板４が両面実装の基板でも対応可能である。

図８は、本発明の第４の実施形態による二次電池モジュールの分解斜視図である。実施例２と同一または共通の構成要素には、同一の符号を付与し、説明を省略する。図８では図示を省略したが、本実施例による二次電池モジュール１でも、隣り合う電池セル３間の空隙にも仕切材２６が配置されている。

本実施例では、回路基板４を、隣り合う電池セル３間の空隙に設けた仕切材２６（非図示）の内部に配置した。図８に示した例では、回路基板４は、鉛直方向の上から１段目の電池セル３と２段目の電池セル３の間で、水平方向の中央にある空隙に設けた仕切材２６の内部に配置している。

図９に、二次電池モジュール１のうち、回路基板４を配置した領域の拡大斜視図を示す。本実施例では、回路基板４は、妻手方向が水平方向になるようにして、仕切材２６の内部空間に配置した。回路基板４を配置した仕切材２６は、円筒形状である。

本実施例では、回路基板４を、仕切材２６の内部空間内の鉛直方向の下側に配置した。回路基板４の実装面は、鉛直方向の上側に位置するようにした。回路基板４の妻手方向の長さは、回路基板４が仕切材２６の内部空間に収まるように２０ｍｍとした。回路基板４の高さ（回路基板４に搭載した素子のうち最も背の高い素子の高さと回路基板４自身の厚さの和）は、回路基板４が仕切材２６の内部空間に収まるように１０ｍｍとした。また、回路基板４には、妻手方向（水平方向）の中央部に背の高い素子を配置し、端部に背の低い素子を配置した。素子をこのように配置することで、内部空間が円筒形である仕切材２６の内部に、回路基板４が収まるようにした。

本実施例による二次電池モジュール１では、空気穴２７を設けることにより放熱性能を高くすることが可能となる。その結果、電池セル配置領域の中に（すなわち、電池セル３群の中に）回路基板４を配置しても、二次電池モジュール１の放熱性能を低下させることがない。

本実施例の二次電池モジュール１は、回路基板４を、隣り合う電池セル３間の空隙に設けた仕切材２６の内部空間の下側に配置した。隣り合う電池セル３間の空隙に設けた仕切材２６の内部空間は、底板２３や上板２２に設けた仕切材２６の内部空間に対し、鉛直方向の高さが高い。従って、回路基板４上の空間（実装面上の空間）を高く取ることが可能となる。その結果、回路基板４に配置する抵抗やコンデンサには、背の高い汎用品素子が利用可能となり、低コスト化が可能となる。

図１０は、本発明の第５の実施形態による二次電池モジュールの分解斜視図である。実施例２と同一または共通の構成要素には、同一の符号を付与し、説明を省略する。図１０では図示を省略したが、本実施例による二次電池モジュール１でも、隣り合う電池セル３間の空隙にも仕切材２６が配置されている。

本実施例では、回路基板４を、上板２２に設けた仕切材２６の内部に配置した。図１０に示した例では、回路基板４は、水平方向の中央にある仕切材２６の内部に配置している。

図１１に、二次電池モジュール１のうち、回路基板４を配置した領域の拡大斜視図を示す。本実施例では、回路基板４は、妻手方向が鉛直方向になるようにして、仕切材２６の内部空間に配置した。回路基板４を配置した仕切材２６は、半円筒形状である。

本実施例の二次電池モジュール１では、上板２２に設けた仕切材２６の内部に回路基板４を配置しているので、回路基板４の発熱は、自然対流による空気の流れにより電池セル３に影響を及ぼさない。従って、回路基板４の発熱に起因する電池セル３の劣化を抑制することが可能となり、その結果、二次電池モジュール１の長寿命化が可能となる。

図１２は、本発明の第６の実施形態による二次電池モジュールの分解斜視図である。実施例２と同一または共通の構成要素には、同一の符号を付与し、説明を省略する。図１２では図示を省略したが、本実施例による二次電池モジュール１でも、隣り合う電池セル３間の空隙にも仕切材２６が配置されている。

本実施例では、回路基板４を２つに分けて配置した。すなわち、回路基板４を、底板２３に設けた３つの仕切材２６のうち、水平方向の両端にある２つの仕切材２６の内部に配置した。回路基板４は、妻手方向が鉛直方向になるように配置した。回路基板４を配置した仕切材２６は、半円筒形状である。

本実施例の二次電池モジュール１では、回路基板４を２つに分けて配置することにより、より大面積の回路基板４を搭載することが可能となる。加えて、回路基板４の発熱を分散させることが可能となるので、回路基板４の発熱に起因する二次電池モジュール１の温度上昇を分散させることが可能となる。その結果、二次電池モジュール１の長寿命化が可能である。

本実施例の二次電池モジュール１は、回路基板４を水平方向の中央に対して対称な位置に配置することにより、回路基板４の発熱に起因する電池セル３の劣化を水平方向について平均化することが可能となる。その結果、二次電池モジュール１の長寿命化を実現することができる。

図１３は、本発明の第７の実施形態による二次電池モジュールの分解斜視図である。実施例２と同一または共通の構成要素には、同一の符号を付与し、説明を省略する。図１３では図示を省略したが、本実施例による二次電池モジュール１でも、隣り合う電池セル３間の空隙にも仕切材２６が配置されている。

本実施例では、回路基板４を３つに分けて配置した。すなわち、回路基板４を、底板２３に設けた３つの仕切材２６の全ての内部に配置した。回路基板４は、妻手方向が鉛直方向になるように配置した。回路基板４を配置した仕切材２６は、半円筒形状である。

本実施例の二次電池モジュール１では、回路基板４を３つに分けて配置することにより、さらに大面積の回路基板４を搭載することが可能となる。加えて、回路基板４の発熱を分散させることが可能となるので、回路基板４の発熱に起因する二次電池モジュール１の温度上昇を分散させることが可能となる。その結果、二次電池モジュール１の長寿命化が可能である。

本実施例の二次電池モジュール１では、底板２３に設けた３つの仕切材２６の全ての内部に回路基板４を配置したが、回路基板４は、底板２３に設けた仕切材２６の全ての内部に配置しなくてもよい。例えば、底板２３に５つの仕切材２６を設けた場合には、そのうちの任意の数の仕切材２６の内部に回路基板４を配置することができる。ただし、回路基板４は、水平方向の中央に対して対称な位置に配置することが好ましい。回路基板４を水平方向の中央に対して対称な位置に配置することにより、回路基板４の発熱に起因する電池セル３の劣化を水平方向について平均化することが可能となる。その結果、二次電池モジュール１の長寿命化を実現することができる。

以上の実施例では、回路基板４の全てが電池セル配置領域２の内部に配置されている例を示した。回路基板４は、必ずしも全てが電池セル配置領域２の内部に配置されていなくてもよい。すなわち、回路基板４の一部だけが電池セル配置領域２の内部に存在していてもよい。本実施例では、電池セル配置領域２の中に回路基板４の一部を配置した例を示す。

図１６は、本発明の第８の実施形態による二次電池モジュールの断面図である。実施例２と同一または共通の構成要素には、同一の符号を付与し、説明を省略する。図１６では、電池セル３を水平方向の正面から（図１に示した側板２１が配置されている側から）見ており、説明の便宜上、電池セル３を１個だけ示し、仕切材の図示を省略した。

本実施例では、回路基板４を、底板２３に設けた仕切材（非図示）の内部に配置した。回路基板４は、妻手方向が水平方向になるように配置した。

本実施例による二次電池モジュール１では、端子部３１と筐体を構成する前板２４との間に隙間が存在する。この隙間は、製品作成時の寸法ずれによる不良率低減、二次電池モジュール１の運搬時等の振動による故障の回避、および経年劣化による寸法変化による不良の発生回避の目的で設けられる。本実施例では、回路基板４は、この隙間まで延在して配置されている。すなわち、回路基板４の一部は、電池セル配置領域２の外部にも存在する。

本実施例のように、不良の発生回避等の目的で設けられ、かつ電池セル３の放熱に必要ない領域（放熱に寄与しない領域）が二次電池モジュール１内に存在する場合には、この領域の中まで回路基板が延在して配置される場合がある。このような場合でも、電池セル配置領域２の中に回路基板４の一部が含まれていれば、実施例１から７と同様の効果を得ることができる。この場合には、二次電池モジュール１の体積をできるだけ増大させず、体積エネルギー密度を有効に向上させるために、電池セル配置領域２の外部に存在する回路基板４の部分は、可能な限り小さいほうがよい。

以上の実施例１から８において、回路基板４の長手方向の長さを、電池セル３の長手方向の長さと同一とした。回路基板４の長手方向の長さが、電池セル３の長手方向の長さよりも短い場合においても、以上の実施例と同様の効果を得ることができる。

実施例２から８において、側板２１、上板２２、底板２３、前板、奥板、および仕切材２６に空気穴２７を設けた構造とした。これらに空気穴２７を設けない構造でも、電池セル配置領域２の内部に回路基板４を設けることにより、実施例２から８と同様の効果を得ることができる。

以上の実施例において、回路基板４を１乃至３個用いた二次電池モジュール１を開示したが、回路基板４が４個以上の場合においても、以上の実施例と同様の効果を得ることができる。

以上の実施例において、１６個の電池セル３を鉛直方向に４段、水平方向に４列配置した二次電池モジュール１を開示したが、電池セル３の配置はこれに限られるものではなく、任意に配置することができる。また、二次電池モジュール１を構成する電池セル３が１６個以外の場合においても、以上の実施例と同様の効果を得ることができる。

以上の実施例において、電池セル３にリチウムイオン電池を用いたが、ニッケル水素電池やニッカド電池等の他の種類の電池を用いた場合においても、以上の実施例と同様の効果を得ることができる。

以上の実施例において、側板２１、上板２２、底板２３、前板、奥板、および仕切材２６には、合成樹脂材を用いた。これらに、金属材料の表面に樹脂等の絶縁性材料をコーチングしたものや、金属板を樹脂モールドしたものなどを用いた場合でも、以上の実施例と同様の効果を得ることができる。

以上の実施例の二次電池モジュール１は、仕切材２６を設けた構造とした。二次電池モジュール１に仕切材２６を設けない場合にも、本発明は適用可能である。仕切材２６を設けない場合では、回路基板４の妻手方向の長さを、下記の式（２）で求めるＤ_ｃ’以下となるようにする。

ここで、式（１）と同様に、Ｄ_Ｂは電池セル３の長さ方向に垂直な断面の形状に対する外接円の直径であり、Ｌ_ｓは隣り合う電池セル３の中心間距離である。

回路基板４の妻手方向の長さをＤ_ｃ’以下とすると、電池セル配置領域２の中に回路基板４を配置することが可能となり、仕切材２６を設けた場合と同様の効果を得ることができる。この場合、回路基板４は、前板および奥板に接続して固定する。または、板状の固定材を電池セル３間の空隙に配置し、この固定材に回路基板４を接続して固定する。固定材は、２つの側板２１、または上板２２と底板２３に接続して固定する。

以上の実施例において、回路基板４は、発熱による電池セル３への影響を考慮して、二次電池モジュール１の水平方向の中央、または水平方向の中央に対して対称な位置に配置した。回路基板４の発熱による影響が少ない場合には、回路基板４の位置は、以上の実施例に示した位置に限られない。

１…二次電池モジュール、２…電池セル配置領域、３…電池セル、４…回路基板、２１…側板、２２…上板、２３…底板、２４…前板、２６…仕切材、２７…空気穴、３１…端子部、３２…前板側のバスバー、３３…負極端子部、３４…正極端子部、３５…奥板側のバスバー、３６…電池セルの占有領域、３７…放熱に必要ない領域。

Claims

複数の電池セルと、前記電池セルを制御するための少なくとも１個の回路基板とを備え、
前記電池セルの全てを内包する最小の直方体で表される電池セル配置領域の中に、前記回路基板の少なくとも一部を配置することを特徴とする二次電池モジュール。
請求項１記載の二次電池モジュールにおいて、
前記回路基板は、隣り合う前記電池セルの間の空隙に配置する二次電池モジュール。
複数の電池セルと、前記電池セルを制御するための少なくとも１個の回路基板とを備え、
前記電池セルの全てを内包する最小の直方体で表される電池セル配置領域から、中心が前記電池セルの中心にあり半径が隣り合う前記電池セルの中心間の距離の半分の長さである円を断面とし、長さが電池セルの長手方向の長さである円筒で表される領域を除いた領域の中に、前記回路基板を配置することを特徴とする二次電池モジュール。
請求項３記載の二次電池モジュールにおいて、
前記円の半径をＲ１とし、前記電池セルの長さ方向に垂直な断面の形状に対する外接円の半径をＲ２とすると、Ｒ１＞Ｒ２である二次電池モジュール。
請求項１または３記載の二次電池モジュールにおいて、
前記電池セルを固定するための仕切材を備え、
前記回路基板は、前記仕切材によって形成される空間内に配置する二次電池モジュール。
請求項１または３記載の二次電池モジュールにおいて、
前記回路基板は、短手方向の長さが、下記の式（１）で求められるＤ_ｃ以下である二次電池モジュール（式中、Ｄ_Ｂは前記電池セルの長さ方向に垂直な断面の形状に対する外接円の直径、Ｌ_ｓは隣り合う前記電池セルの中心間距離）。
請求項５項記載の二次電池モジュールにおいて、
前記回路基板は、短手方向の長さが、下記の式（２）で求められるＤ_ｃ以下である二次電池モジュール（式中、Ｄ_Ｂは前記電池セルの長さ方向に垂直な断面の形状に対する外接円の直径、Ｌ_ｓは隣り合う前記電池セルの中心間距離、Ｄ_Ｋは前記仕切材の厚さ）。
請求項１または３記載の二次電池モジュールにおいて、
前記回路基板は、長手方向の長さが、前記電池セルの長手方向の長さ以下である二次電池モジュール。
請求項１または３記載の二次電池モジュールにおいて、
前記回路基板は、前記二次電池モジュールの下部に配置する二次電池モジュール。
請求項１または３記載の二次電池モジュールにおいて、
前記回路基板は、短手方向が前記二次電池モジュールの鉛直方向となるように配置する二次電池モジュール。
請求項１または３記載の二次電池モジュールにおいて、
前記電池セルおよび前記回路基板を包含する筐体を備える二次電池モジュール。
請求項１または３記載の二次電池モジュールにおいて、
前記電池セルは、円筒形である二次電池モジュール。
複数の電池セルと、前記電池セルを制御するための少なくとも１個の回路基板と、前記電池セルおよび前記回路基板を包含する筐体とを備え、
前記電池セルの全てを内包する最小の直方体で表される電池セル配置領域の中に、前記回路基板の少なくとも一部を配置し、
前記回路基板は、短手方向の長さが下記の式（１）で求められるＤ_ｃ以下であり、長手方向の長さが前記電池セルの長手方向の長さ以下であり、前記二次電池モジュールの下部に、短手方向が前記二次電池モジュールの鉛直方向となるように配置することを特徴とする二次電池モジュール（式中、Ｄ_Ｂは前記電池セルの長さ方向に垂直な断面の形状に対する外接円の直径、Ｌ_ｓは隣り合う前記電池セルの中心間距離）。
複数の電池セルと、前記電池セルを制御するための少なくとも１個の回路基板と、前記電池セルおよび前記回路基板を包含する筐体とを備え、
前記電池セルの全てを内包する最小の直方体で表される電池セル配置領域から、中心が前記電池セルの中心にあり半径が隣り合う前記電池セルの中心間の距離の半分の長さである円を断面とし、長さが電池セルの長手方向の長さである円筒で表される領域を除いた領域の中に、前記回路基板の少なくとも一部を配置し、
前記回路基板は、短手方向の長さが下記の式（１）で求められるＤ_ｃ以下であり、長手方向の長さが前記電池セルの長手方向の長さ以下であり、前記二次電池モジュールの下部に、短手方向が前記二次電池モジュールの鉛直方向となるように配置することを特徴とする二次電池モジュール（式中、Ｄ_Ｂは前記電池セルの長さ方向に垂直な断面の形状に対する外接円の直径、Ｌ_ｓは隣り合う前記電池セルの中心間距離）。