JP7098355B2

JP7098355B2 - 電池モジュール及び組電池

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Publication number: JP7098355B2
Application number: JP2018039808A
Authority: JP
Inventors: 健也黒川; 陽介金山; 敬三萩原
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2018-03-06
Filing date: 2018-03-06
Publication date: 2022-07-11
Anticipated expiration: 2038-03-06
Also published as: JP2019153543A

Description

本発明の実施形態は、電池モジュール及び組電池に関する。

ハイブリッド自動車、電気自動車や鉄道車両などの移動車両で使われる二次電池は、高出
力、大容量であることが要求される。しかし、電池セル１個の出力は限られているため、
高出力、大容量という要求を満たすために複数の電池セルを収容した電池モジュールをさ
らに組み合わせた組電池が必要となる。

国際公開第２０１７／１５８７６３号

このような組電池は多くの電池セルを含み大量の熱が発生するため、放熱することが難
しい。よって、本発明が解決しようとする課題は、効率的に放熱できる電池モジュール及
び組電池を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本実施形態の電池モジュールは、複数の電池セルを収容する筐体と、前記筐体が固定されるプレートと、冷媒を流す管とを有し、前記プレートの一面に前記筐体が固定され、前記プレートの前記筐体が固定された面と反対側の面に溝が形成され、前記溝は溝の開口部から溝の底までの深さの中間部よりも前記溝の底側において、前記溝の開口部の幅よりも大きな幅が形成され、前記溝に前記管がはめ込まれて構成される。

本実施形態に係る電池モジュールの一部分解斜視図。本実施形態に係る電池モジュールの一部分解斜視図。本実施形態に係る電池セルの斜視図。本実施形態に係る電池モジュールの斜視図。本実施形態に係る固定部材の斜視図。本実施形態に係るプレートの上面図。本実施形態に係る冷却通路の断面図。本実施形態に係る溝の断面図。比較例に係る冷却通路の断面図。本実施形態に係る組電池の斜視図。本実施形態に係る組電池の正面図。本実施形態に係る組電池のＹＺ平面断面図。本実施形態に係る組電池のＸＺ平面断面図。

以下、実施形態の組電池を、図面を参照して説明する。なお、以下の各図では便宜上、
方向が規定されている。Ｘ方向は、電池モジュール１の短手方向に沿い、電池セル５の幅
方向である。Ｙ方向は、電池モジュール１の長手方向に沿い、電池セル５の厚さ方向に沿
っている。Ｚ方向は、電池モジュール１の高さ方向および電池セル５の高さ方向に沿って
いる。Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、互いに直交している。

図１は、実施形態に係る電池モジュール１の一部分解斜視図であり、図２は図１を別角度
から描いた一部分解斜視図である。

図1及び図２に示すように、電池モジュール１は主に、後述する複数の電池セル５を収容
する筐体１０と、筐体１０を固定する第一の固定部材６０と、第二の固定部材６１とから
なる。筐体１０は、矩形の底壁部３０とその底壁部３０の４辺に立設している４つの側壁
３１、３２、３３、３４と備え、上面が開口している矩形箱状のケース１６と、このケー
ス１６の上面開口を覆う矩形の蓋体２０と、からなっている。

第一の側壁３１には、例えば4つの接続部４０が形成されており、第一の固定部６０は接
続部４０を介して介して第一の側壁３１に接続されている。また、第二の側壁３２には、
例えば4つの接続部４１が形成されており、第二の固定部６１は、接続部４１を介して第
二の側壁３２に接続されている。すなわち、第一の固定部材６０と第二の固定部材６１は
、対向する側壁３１、３２に接続されている。

ケース１６の内面には、例えば図３に示すような複数の電池セル５が収容されている。図
３に示されるように、電池セル５は、一方向（例えば、Ｙ方向）に薄い偏平の直方体状に
構成されている。電池セル５は、筐体６と、正極端子７ａと、負極端子７ｂと、弁部８と
、を有している。筐体６内には、不図示の電極体および電解液が収容されている。電極体
は、一例として、発電要素である正極シートおよび負極シートがセパレータを介してスパ
イラル状に巻かれて形成されうる。また、電極体は、一例として、正極シートおよび負極
シートがセパレータを介して積層されて形成されうる。電極体の正極シートおよび負極シ
ートに、正極端子７ａおよび負極端子７ｂがそれぞれ接続されている。

筐体６は、金属材料（例えば、アルミニウムや、アルミニウム合金、ステンレス等）や合
成樹脂材料で構成されている。筐体６は、収容体６ａと蓋体６ｂとが組み合わせられて構
成されている。収容体６ａは、上部が開放された略直方体の箱型に形成されており、この
収容体６ａに電極体および電解液が収容されている。蓋体６ｂは、収容体６ａの開放され
た上部を塞いでいる。筐体６は、容器とも称されうる。

正極端子７ａおよび負極端子７ｂは、蓋体６ｂに設けられて、蓋体６ｂの外面から突出し
ている。正極端子７ａと負極端子７ｂとは、Ｘ方向すなわち蓋体６ｂの長手方向に間隔を
あけて配置されている。正極端子７ａと負極端子７ｂとは、それぞれ導電性材料によって
構成されている。

弁部８は、蓋体６ｂにおいて正極端子７ａと負極端子７ｂとの間に設けられている。弁部
８は、筐体６内の圧力が閾値よりも高くなった場合に開放され、当該筐体６内の圧力を低
下させる。

図示しないが、複数の電池セル５は筐体１０内において、例えば、Ｘ方向に３列、Ｙ方向
に８列に並べられ、合計２４個の電池セルが収容されている。複数の電池セル５は、蓋体
６ｂの外面が同じ方向（一例として、Ｚ方向）に向くように配置されているとともに、蓋
体６ｂの長手方向が同じ方向（一例としてＹ方向）に沿うように配置されている。複数の
電池セル５は、複数の導電部材によって直列や並列に電気的に接続されている。導電部材
は、例えばアルミニウム等の導電性材料によって構成されている。導電部材は、バスバー
や接続部材、結合部材とも称されうる。

図１等に示されるように、筐体１０は、一方向（Ｙ方向）に長い直方体状の外観を呈して
いる。

底壁部３０は、四角形状（例えば長方形状）の板状に形成されている。底壁部３０は、Ｘ
Ｙ平面に沿って延びている。底壁部３０の外面は、平面状に構成されている。

側壁部３１,３２は、四角形状（例えば長方形状）の板状に形成され、底壁部３０の短手
方向（Ｙ方向）の端部に接続されている。また、側壁部３１,３２は、底壁部３０と交差
する方向（一例として直交する方向、ＸＺ平面）に沿って延びている。端壁部３１,３２
は、底壁部３０の短手方向（Ｙ方向）に間隔を空けて互いに略平行に設けられている。

側壁部３３，３４は、四角形状（例えば長方形状）の板状に形成され、底壁部３０の長手
方向（Ｘ方向）の端部に接続されている。また、側壁部３３，３４は、底壁部３０と交差
する方向（一例として直交する方向、ＹＺ平面）に沿って延びている。側壁部３３，３４
は、底壁部３０の長手方向（Ｘ方向）に間隔を空けて互いに略平行に設けられている。ま
た、側壁部３３，３４は、隣接する端壁部３１，３２と接続されている。

蓋体２０は、四角形状（例えば長方形状）の板状に形成されている。蓋体２０は、端壁部
３１,３２および側壁部３３，３４の、底壁部３０とは反対側の端部に、例えばスナップ
フィットにより、接続されている。蓋体２０は、底壁部３０の厚さ方向（Ｚ方向）に底壁
部３０と間隔を空けて設けられている。蓋体２０は、底壁部３０と略平行に延びている。

なお、筐体１０の各構成要素は、絶縁性を有した合成樹脂材料（例えば、変性ＰＰＥ（ポ
リフェニレンエーテル）や、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン、テトラフルオロ
エチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等）で形成されている。また
、筐体１０の合成樹脂材料としては、熱可塑性樹脂を用いることができ、例えば、ＰＥや
、ＰＰ、ＰＭＰ等のオレフィン樹脂、ＰＥＴや、ＰＢＴ、ＰＥＮ等のポリエステル系樹脂
、ＰＯＭ樹脂、ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ１２等のポリアミド系樹脂、ＰＰＳ樹脂、ＬＣＰ
樹脂等の結晶性樹脂およびそれらのアロイ樹脂、あるいは、ＰＳや、ＰＣ、ＰＣ／ＡＢＳ
、ＡＢＳ、ＡＳ、変性ＰＰＥ、ＰＥＳ、ＰＥＩ、ＰＳＦ等の非結晶性樹脂およびそれらの
アロイ樹脂を、用いることができる。

次に、突出部１５ａ，１５ｂについて説明する。図1などに示されるように、突出部１５
ａ,１５ｂは側壁部３１からＹ方向に延出している。突出部１５ａ及び突出部１５ｂは側
壁部３１においてＸ方向に間隔を空けて設けられている。図示しないが、突出部１５ａ，
１５ｂ内には空間が設けられている。本実施形態では、突出部１５ａ，１５ｂが雌コネク
タであり、外部のコネクタが雄コネクタである。

１５ａ，１５ｂ内に設けられた空間には回路が設けられており、回路は導電部材等を介し
て電池セル５の正極端子７ａと負極端子７ｂとに電気的に接続されている。また、この回
路は外部のコネクタと電気的に接続可能であり、これにより電池セル５を充放電可能とな
る。

続いて、側壁部３１、３２にそれぞれ設けられた複数の接続部４０、４１について詳しく
説明する。図１、図２などに示されるように、筐体１０の側壁部３１,３２に対し、それ
ぞれ、複数の接続部４０,４１が設けられている。接続部４０，４１には、内部に雌ネジ
部を備え、図示しない雄ネジ部を有するボルトと接続可能に形成されている。また、接続
部４０，４１は、例えば、インサート形成などによって、筐体１０と一体に構成されてい
てもよい。

次に、第一の固定部材６０、第二の固定部材６１について説明する。筐体１０は、例えば
、第一の固定部材６０、第二の固定部材６１、ボルト、によって後述するプレート１８な
どに固定される。第一の固定部材６０、第二の固定部材６１の構造は同じなので、いずれ
の固定部材も図５を用いて説明する。

第一の固定部材６０は、例えば、底壁部６０ａと、立壁部６０ｂと、を有する。底壁部６
０ａは、プレートに沿って延びた四角形状の板状に形成されている。図５にも示されるよ
うに、底壁部６０ａには、ボルトが貫通する開口部６０－１が設けられている。また、立
壁部６０ｂは、筐体１０の端壁部３１に沿って延びた長方形状の板状に形成され、底壁部
６０ａの端部と接続されている。立壁部６０ｂには、ボルトが貫通する開口部６０－２が
設けられている。第一の固定部材６０は、相互に接続された底壁部６０ａおよび立壁部６
０ｂによって、Ｘ方向から見た場合には、略Ｌ字状に形成されている。第一の固定部材６
０は、取付部材や、固定部材等とも称されうる。

第二の固定部材６1についても第一の固定部材６０と同様の構成を有する。第二の固定部
材６１は、例えば、底壁部６１ａと、立壁部６１ｂと、を有する。底壁部６１ａは、プレ
ートに沿って延びた四角形状の板状に形成されている。図５にも示されるように、底壁部
６１ａには、ボルトが貫通する開口部６1－１が設けられている。また、立壁部６１ｂは
、筐体１０の端壁部３２に沿って延びた長方形状の板状に形成され、底壁部３０の端部と
接続されている。立壁部６１ｂには、ボルトが貫通する開口部６１－２が設けられている
。第二の固定部材６１は、相互に接続された底壁部６１ａおよび立壁部６１ｂによって、
Ｘ方向から見ると、略Ｌ字状に形成されている。第二の固定部材６１は、取付部材や、固
定部材等とも称されうる。

続いて図４を用い、筐体１０がプレート１８に固定された構成を説明する。プレート１８
は複数の電池モジュール１を固定でき、かつ、電池モジュール１を冷却することのできる
機能を有する。ここでは、電池モジュール１を６個固定できる構造を有するプレート１８
を用いて説明する。電池モジュール１は筐体１０の底壁部３０をプレート１８に対向する
ように固定される。また、側壁部３３を、隣り合う筐体１０の側壁部３４に対向するよう
に並べられている。後に説明するが、プレート１８には切り欠き部５１が形成されており
、そのプレート１８の切り欠き部５１を有する端部（辺）側に筐体１０の側壁部３１が設
けられ、その切り欠き部５１を有する端部（辺）と対向する端部（辺）側に筐体１０の側
壁部３２が設けられるように、プレート１８に対して筐体１０が固定される。

筐体１０がプレート１８に固定される手段としては、図５を用いて説明した第一の固定部
材６０と第二の固定部材６１が用いられる。筐体１０はボルトを第一の固定部材６０の開
口部６０－２に挿通させて、筐体１０の接続部４０の雌ネジ部に篏合させることで、筐体
１０と第一の固定部材６０とを接続、固定させる。また、第二の固定部材６１も同様にし
て、ボルトを第二の固定部材６１の開口部６１－２に挿通させて、筐体１０の接続部４１
の雌ネジ部に篏合させることで、筐体１０と第二の固定部材６１とを接続、固定させる。

次に、筐体１０の固定先であるプレート１８について図６を用いて説明する。図６に示
したプレート１８は電池モジュール１が固定される面と反対側の面を示したものであり、
この実施例においては、Ｘ方向に６個並べて固定できるように形成されている。プレート
１８のＸ方向の一端部において、第一の固定孔１９がＹ方向に所定の数（本実施形態にお
いては４個ずつ）が間隔を空けて連続して形成され、Ｘ方向の他端部においても第二の固
定孔２１がＹ方向に所定の数（本実施形態においては４個ずつ）が間隔を空けて連続して
備えられている。

これらの第一の固定孔１９は電池モジュール１に接続される第一の固定部材６０の底壁
部６０ａに設けられた複数の開口部６０－１と同じ間隔で形成され、開口部６０－１と第
一の固定孔１９をボルトが貫通し、第一の固定孔１９に形成された雌ネジ構造とボルトの
雄ネジ構造がかみ合い、更にはナットなどで固定されることにより、第一の固定部材６０
がプレート１８に固定される。

同様に、第二の固定部材６１の底壁部６１ａに設けられた複数の開口部６１－１と同じ
間隔で形成され、開口部６１－１と第二の固定孔２１をボルトが貫通し、第二の固定孔２
１に形成された雌ネジ構造とボルトの雄ネジ構造がかみ合い、更にはナットなどで固定さ
れることにより、第二の固定部材６１がプレート１８に固定される。

プレート１８の、筐体１０が設置される面と反対側の面である第一の面１８ａには溝５
０aが形成され、この溝５０aには管状の冷却通路５０が埋め込まれている。溝５０a及び
冷却通路５０はプレート１８の一端からプレート１８を広くカバーするように直線部と曲
線部を組み合わせて形成され、プレート１８の一端部に戻るように形成されている。すな
わち、溝５０aと冷却通路５０の始端と終端はプレート１８の一端に２か所形成されてい
ることになる。

溝５０a及び冷却通路５０の直線部と曲線部の組み合わせ方は特に指定しないが、例えば
図６に示すプレート１８の場合、プレート１８に固定される全ての筐体１０の底壁部３０
に対向する部分に形成されることが好ましい。

また、プレート１８のうち、第一の固定孔１９が形成された一端部には、第一の固定孔
１９が連続して形成された（本実施形態においては４個）箇所をひとまとまりの連続孔部
とした場合、その連続孔部同士の間に切り欠き部５１を備えている。後に説明するように
、この切り欠き部５１を設けるにより複数のプレート１８を組み合わせた際に空気などの
冷媒を切り欠き部５１に通すことができる。

図７は、本実施形態に係る冷却通路５０及び溝５０aの一部断面図である。冷却通路
５０は中空円形の管５０ｂを溝５０aに圧入して形成されている。管５０ｂは金属製であ
ることが好ましく、例えばアルミニウム製である。図７の管５０ｂは溝５０aに圧入して
変形した状態を示したものであり、変形前の管５０ｂは円形の断面を有するものである。

図８は本実施形態に係る溝５０aのみを示した断面図である。図８に示すように、本実施
形態に係る溝５０aは溝５０aの開口部の幅をＡとすると、溝５０aの開口部から溝５０aの
底付近にＡよりも大きな幅Ｂが形成されている。言い換えると、溝５０aの開口部から溝
５０aの底までの距離をＣとした場合に、開口部から１／２Ｃ～Ｃにおいて、幅Ａよりも
大きな幅Ｂが形成されている。

また溝５０aは底部曲線を有し、冷却通路を構成する中空円形の管５０ｂを溝５０aに圧入
する前の管５０ｂにおける最外部の曲率半径よりも大きな曲率半径を有している。また、
溝５０aの開口部の幅の半分よりも大きな曲率半径を有している。

このような溝５０aに対して管５０ｂを圧入すると、円形の管５０ｂは溝５０aの底部に接
触し、さらに押し込まれることで、図７に示すように、管５０ｂのうち溝５０aと接触し
た部分は溝５０aの形に沿って変形する。

一方、図９のように溝を形成した場合には、開口部から溝５０aの底までの距離をＣと
した場合に、開口部から１／２Ｃ～Ｃにおいて、幅Ａよりも大きな幅Ｂが形成されていな
い。このような溝５０aに対して管５０ｂを圧入した場合、図９に示すように、管５０ｂ
は溝５０aの形に沿って変形することはなく、管５０ｂの一部が内側に向かって大きく変
形してしまうので不適である。
よって、本実施例に係る溝５０aを備えることで、管５０ｂが溝５０aの形状に沿った形で
変形するので、図９のように変形してしまった管に比べて、内側断面を大きくすることが
できる。このため、例えば管５０ｂ内に冷媒を流す場合には、内側断面を大きく形成され
ているために、より多くの冷媒を流すことができ、冷却効果を高めることが可能となる。

次に、複数の電池モジュール１が載置されたプレート１８を複数個組み合わせた組電池
１００について、図１０～図１３を用いて説明する。

図１０は組電池１００の斜視図、図１１は組電池１００の正面図、図１２は組電池１０
０のＹＺ平面断面図、図１３は組電池１００のＸＺ平面断面図（組電池は不図示）である
。

図１０に示す通り組電池１００は第二の筐体１０１を備えている。組電池１００を正面か
ら見た図である図１１によく示されるように、第二の筐体１０１には、複数の電池モジュ
ール１（本実施形態では６個）が固定された複数のプレート１８がＺ軸方向に重ねて備え
られている。本実施形態において、６個の電池モジュール１が固定されたプレート１８が
縦に１４段重ねられている。ここでは便宜的に第一の電池モジュール群とする。これと同
じ構造のものが、切り欠き部５１を有しない辺が対向するように収容されている。これを
便宜的に第二の電池モジュール群とよぶ。

図１２に示したように、本実施形態に係る組電池１００では第一の組電池群と第二の組電
池群が対向する部分、つまりは筐体１０１においてＹ軸方向幅の中央部にはプレート１８
の積層方向（Ｚ方向）に延伸された中央通路部１０３が形成されている。また、組電池１
００のＸＺ平面断面図（電池モジュール１は不図示）である図１３に示すように、プレー
ト１８の各積層部と中央通路部１０３に接続孔１０４が形成され、プレート１８の各積層
部から空気などの冷媒が中央通路部１０３に流入できる。言い換えると、電池モジュール
１の側壁３２に対向する部分に接続孔１０４が形成されている。

また、その中央通路部１０３のＺ軸方向における最下層部には、ファン１０２を設けるた
めのファン収容部１０５が設けられている。このファン１０２は例えば、中央通路部１０
３内の空気をＺ軸方向の下向きに流すように回転させる。

また、すでに説明したように、プレート１８の連続孔部同士の間に切り欠き部５１が備え
られており、第二の筐体１０１の外壁のうちプレート１８と接する面において、切り欠き
部５１を除いて各プレート１８が外壁と接しているため、空気などの冷媒がプレート１８
の各積層部をＺ軸方向に通過できる箇所は、切り欠き部５１のみとなる。そのため、ファ
ン収容部１０５に流れた空気などの冷媒は、Ｚ軸方向に連続した切り欠き部５１を冷媒通
路として、第二の筐体１０１のＺ軸方向上部方向に流れていくことになる。この冷媒の流
れは図１２の矢印で示したようになる。

このように、中央通路部１０３内の空気がＺ軸方向下向きに流れた後、第二の筐体１０１
のＺ軸方向下部に設けられたファン収容部１０５を介し、プレート１８の連続孔部同士の
間に切り欠き部５１により形成された通路を通って、Ｚ軸方向の上向きに空気が流れる。
さらに、各プレート１８に流入した空気は、接続孔１０４を通って、中央通路部１０３に
戻るように循環する。これにより、電池モジュール１で発生した熱を効果的に放熱するこ
とができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したもの
であり、発明の範囲を限定することを意図していない。これら新規な実施形態は、その他
のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々
の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範
囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含ま
れる。

１電池モジュール、５電池セル、７ａ正極端子、７ｂ負極端子、８弁部、１０
筐体、１５ａ突出部、１５ｂ突出部、１８プレート、１８ａ第一の面、１９
第一の固定孔、２０蓋体、２１第二の固定孔、５０冷却通路、５０ａ溝、５０ｂ
管、６０第一の固定部材、６１第二の固定部材、１００組電池、１０１第二の
筐体、１０２ファン、１０３中央通路部、１０４接続孔、１０５ファン収容部

Claims

複数の電池セルを収容する筐体と、
前記筐体が固定されるプレートと、
冷媒を流す管とを有する電池モジュールであって、
前記プレートの一面に前記筐体が固定され、
前記プレートの前記筐体が固定された面と反対側の面に溝が形成され、前記溝は溝の開口部から溝の底までの深さの中間部よりも前記溝の底側において、前記溝の開口部の幅よりも大きな幅が形成され、
前記溝に前記管がはめ込まれた電池モジュール。
前記プレートの一端部に切り欠き部が設けられた請求項１記載の電池モジュール。
請求項２記載の電池モジュールを、前記切り欠き部が設けられた側の向きを揃えて垂直な方向に所定の間隔を空けて積層した第１の電池モジュール群と、
請求項２記載の電池モジュールを、前記切り欠き部が設けられた側の向きを揃えて垂直な方向に所定の間隔を空けて積層した第２の電池モジュール群と、
前記第１の電池モジュール群と前記第２の電池モジュール群とを前記切り欠き部が設けられていない側を対向して収容する第２の筐体と、を有し、
前記第２の筐体には、前記第１の電池モジュール群と前記第２の電池モジュール群の間に設けられた２つの仕切り壁により形成される中央通路部と、前記中央通路部の下部に設けられるファンと、前記仕切り壁に前記第１の電池モジュール群および前記第２の電池モジュール群の積層された電池モジュールに対向するよう所定の間隔を空けて設けられる接続孔を有する組電池。