JP7540875B2

JP7540875B2 - 電池パック

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Publication number: JP7540875B2
Application number: JP2020073760A
Authority: JP
Inventors: 祐之介福田
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2020-04-17
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2024-08-27
Anticipated expiration: 2040-04-17
Also published as: JP2021170507A

Description

本発明は、電池パック、特にラミネート型二次電池を含む電池パックに関する。

従来から、セパレータを挟んで正極と負極を交互に重ねて構成される電極体をラミネートで封止したラミネート型二次電池（以下、単に「電池セル」ともいう。）を含む電池パックが知られている。当該電池パックでは、積層された複数の電池セルを外装ケースに収納し、これにより高い出力電圧を確保している。ところで、当該電池セルは、充放電する際に、正極及び負極の間で行われる化学反応に伴って発熱する。特に、当該電池セルが収納された外装ケース内では熱がこもり易く、この熱によって電池特性が低下することがある。

例えば特許文献１には、積層された単位電池を電池収納ケースに収納して構成される電池パックが記載されている。具体的には、当該電池パックにおいて、一対の単位電池は側面を接触させて積層されており、更に、他の一対の単位電池との間には集熱板が配置されている。そして、集熱板の一端は、電池収納ケースの外部に突出している。これにより、単位電池で発生した熱は、集熱板を通じて電池収納ケースの外部に放出される。

特開２０１７－１３４９５２号公報

ところで、電池パックにおける放熱性能を更に向上させるためには、例えば、集熱板と単位電池との接触面積を大きくすることが考えられる。しかしながら、特許文献１に記載の電池パックにおいて、集熱板は金属板として構成されている。このため、単位電池の側面が平坦に形成されていない場合には、集熱板が単位電池の側面形状に追従できず、集熱板と単位電池との接触面積を十分に確保できないことがある。他方、例えば、集熱板を変形させつつ単位電池に押し付けた場合、単位電池に局所的な応力が加わり、電池性能を悪化させる要因ともなり得る。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電池セルに加わる応力の均一化を図りつつ、放熱性能の向上を図ることのできる電池パックを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る電池パックは、正極及び負極の各々がセパレータを介して配置されてなる電極体を袋状の外装体内に密閉した電池セルと、前記外装体の一部の面に接触する放熱シートであって弾性を有する材料から形成された放熱シートと、該放熱シートにおける前記電池セルとは反対側の面に接触する放熱板と、を有する複数の蓄電モジュールと、前記電池セル、前記放熱シート、及び前記放熱板の順で積層されるように前記蓄電モジュールの各々を収容する筐体と、を備え、前記放熱シートは、該放熱シートの少なくともいずれか一方の面において、少なくとも部分的に凹凸形状部を有し、且つ、前記筐体に収容された状態で厚さ方向に圧縮されるように構成されている、ことを特徴とする。

本発明の一態様に係る電池パックにおいて、前記凹凸形状部は、前記放熱シートにおける前記電池セルと対向する側の面に設けられている。

本発明の一態様に係る電池パックにおいて、前記凹凸形状部は、前記放熱シートにおける前記放熱板と対向する側の面に設けられている

本発明の一態様に係る電池パックにおいて、前記凹凸形状部は、前記放熱シートの両面に設けられている。

本発明の一態様に係る電池パックにおいて、前記凹凸形状部は、前記放熱シートの全面に亘って形成されている。

本発明に係る電池パックによれば、前記放熱シートは、該放熱シートの少なくともいずれか一方の面において、少なくとも部分的に凹凸形状部を有し、且つ、前記筐体に収容された状態で厚さ方向に圧縮されるように構成されている。このように、本発明に係る電池パックでは、蓄電モジュールが筐体に収容された状態で、放熱シートは、電池セルと放熱板との間で圧縮される。具体的には、放熱シートの凹凸形状部が電池セルと放熱板との間で厚さ方向に潰される。つまり、蓄電モジュールが筐体に収容された状態において、電池セルには放熱シートを介して所定の応力が加えられるものの、当該応力は、放熱シートが潰されることによって分散される。これにより、電池セルに局所的な応力が加わることを回避することができる。また、放熱シートが潰されることから、放熱シートと電池セル、放熱シートと放熱板との間の接触面積を極力大きくすることができる。このようにして、電池セルに加わる応力の均一化を図りつつ、放熱性能の向上を図ることのできる電池パックを提供することができる。

図１は、一実施形態に係る電池パックの蓄電モジュールを模式的に示す図である。図２は、図１に示す蓄電モジュールの放熱シートを示す斜視図である。図３は、図１に示す蓄電モジュールを筐体に収容した状態を示す図であり、筐体の一部を取り外して筐体の内部を示すものである。図４は、一実施形態に係る電池パックにおいて、電池パック及び放熱板の間で放熱シートが圧縮される様子を模式的に示す図である。図５は、変形例に係る放熱シートを示す斜視図である。

以下、図面の参照しながら、本発明を具体化した電池パック１の説明をする。

図１は、一実施形態に係る電池パック１の蓄電モジュール１０を模式的に示す図である。図２は、図１に示す蓄電モジュール１０の放熱シート１４を示す斜視図である。図３は、図１に示す蓄電モジュール１０を筐体３０に収容した状態を示す図であり、筐体３０の一部を取り外して筐体３０の内部を示すものである。なお、説明の便宜上、図３に示す筐体３０の底壁３２が設けられる側を下側、筐体３０の天井壁３４が設けられる側を上側とする。また、図３に示すように、蓄電モジュール１０の積層方向を左側及び右側とし、上下方向及び左右方向に垂直な方向を前側及び後側とする。

＜電池パック＞
図３に示すように、電池パック１は、複数の蓄電モジュール１０と、蓄電モジュール１０の各々を収容する筐体３０と、を備える。当該電池パック１は、任意数の蓄電モジュール１０を直列接続して構成されており、これにより高い出力電圧を確保している。具体的には、電池パック１は、複数の蓄電モジュール１０を積層するとともに、隣り合う電池セル１２の異極の電極端子１２ａ同士を積層方向に順次接続し、直列接続を構成している。また、電池パック１において、左右両端に位置する蓄電モジュール１０における電池セル１２の外部接続用電極端子１２ｂに、金属プレートからなるＬ字型の外部端子板１８が接続される。外部端子板１８は、筐体３０の外部に導出されている。なお、蓄電モジュール１０の積層数は、必要とされる出力電圧に応じて適宜変更可能である。

＜筐体＞
図３に示すように、筐体３０は、直方体又は略直方体の箱状に形成されており、下側に位置する平板矩形の部材である底壁３２と、底壁３２と対向して配置される平板矩形の部材である天井壁３４と、底壁３２及び天井壁３４の四辺を夫々接続する４つの側壁３６とを備える。筐体３０は、蓄電モジュール１０を内部に収容するものであり、具体的には、後述する電池セル１２、放熱シート１４、及び放熱板１６の順で積層されるように蓄電モジュール１０を収容する。なお、筐体３０は、フェノール樹脂など、高絶縁性の高剛性素材から形成されている。

＜蓄電モジュール＞
図１に示すように、蓄電モジュール１０は、電池セル１２と、放熱シート１４と、放熱板１６と、を有する。蓄電モジュール１０は、電池セル１２、放熱シート１４、及び放熱板１６を左右方向に積層して構成されている。また、複数の蓄電モジュール１０が積層された状態で、当該蓄電モジュール１０の外側が枠体４０によって保持されてもよい。当該枠体４０は、例えば直方体又は略直方体の箱状を成しており、当該枠体４０及び複数の蓄電モジュール１０が筐体３０の内部に収容される。以下、蓄電モジュール１０の各構成要素の説明をする。

＜電池セル＞
電池セル１２は、例えば、車両に搭載され、当該車両の走行エネルギーを蓄積するリチウムイオン二次電池、具体的にはラミネート型リチウムイオン二次電池である。電池セル１２は、正極及び負極の各々がセパレータを介して積層されてなる電極体を袋状の外装体１２ｃ内に密閉して構成されている。具体的には、電池セル１２は、シート状の正極と負極を、セパレータを介して対向配置させながら所定数積層してなる電極体を、電解液とともにラミネートフィルムの外装体１２ｃ内に密閉したものである。電池セル１２において、電極体は扁平箱状であり、この電極体が扁平な矩形袋状のラミネートフィルムから成る外装体１２ｃの中に収容されている。これにより、電池セル１２では、外装体１２ｃの中央にこの電極体による扁平箱状の膨らみが形成される。また、電池セル１２において、電極体の正負両極に接続された金属薄板から成る扁平突起状の電極端子１２ａが外装体１２ｃから露出している。上述したように、隣り合う電池セル１２の異極の電極端子１２ａ同士を積層方向に順次接続することで、複数の電池セル１２の直列接続が形成される。そして、この電池セル１２は、積層して直列接続した状態で筐体３０内に収納され、外部端子板１８を介して図示しない外部装置と接続される。

＜放熱シート＞
放熱シート１４は、外装体１２ｃの一部の面である右側面１２ｄに接触し、弾性を有する材料から形成されている。放熱シート１４は、筐体３０に収容された状態で厚さ方向（左右方向）に圧縮されるように構成されている。図１及び図２に示すように、放熱シート１４は、放熱シート１４の少なくともいずれか一方の面において、少なくとも部分的に凹凸形状部１４ａを有する。具体的には、図１及び２に示すように、放熱シート１４は、平板矩形の基部１４ｂと、基部１４ｂの右側面部１４ｃに設けられた凹凸形状部１４ａとを有する。より詳細には、凹凸形状部１４ａは、複数の突出部１４ｄと、複数の突出部１４ｄの間に形成された溝部１４ｅとから構成されている。なお、図１及び図２では、見易さの観点から、一部の突出部１４ｄ、溝部１４ｅにのみ符号を付してある。複数の突出部１４ｄは、基部１４ｂの右側面部１４ｃから右方向に突出し、上下方向に所定の距離を持って離間して配置されている。溝部１４ｅは、複数の突出部１４ｄの間に形成されている。突出部１４ｄ及び溝部１４ｅは、前後方向に延在しており、これによりレール状の凹凸形状部１４ａが形成される（図２）。放熱シート１４は筐体３０内に収容された状態で圧縮され、この際、凹凸形状部１４ａの突出部１４ｄは、溝部１４ｅを少なくとも部分的に埋めるように潰される。なお、凹凸形状部１４ａは、放熱シート１４における電池セル１２と対向する側の面である基部１４ｂの左側面部１４ｆに設けられてもよい。また、凹凸形状部１４ａは、放熱シート１４における基部１４ｂの両面（右側面部１４ｃ及び左側面部１４ｆ）に設けられてもよい。また、凹凸形状部１４ａは、放熱シート１４における基部１４ｂの全面に亘って形成されてもよいし、放熱シート１４における基部１４ｂに部分的に形成されていてもよい。

放熱シート１４は、電気絶縁性及び熱伝導性を有する材料から形成されている。具体的には、放熱シート１４は、シリカ、アルミナ等の熱伝導絶縁性粉末をシリコーンゴム中に分散させて形成したシート状部材である。ここで、放熱シート１４の凹凸形状部１４ａの製造方法について説明する。まず、シリカ、アルミナ等の熱伝導性絶縁性粉末が分散されたシリコーンゴムシートを例えばカレンダー成形し、直方体又は略直方体の基部１４ｂを製造する。また、当該基部１４ｂとは別に、当該基部１４ｂと同様の成形方法で直方体又は略直方体の被切削体（図示せず）を製造する。その後、当該被切削体を基部１４ｂの上に貼り付け、被切削体の所定部分をカッターなどで前後方向に切削する。これにより、図２に示すようなレール状の凹凸形状部１４ａが形成される。

＜放熱板＞
放熱板１６は、放熱シート１４における電池セル１２とは反対側の面、即ち放熱シート１４における凹凸形状部１４ａの突出部１４ｄに接触する。具体的には、放熱板１６は、左側を向く面である左側面１６ａにおいて放熱シート１４と接触し、右側を向く面である右側面１６ｂにおいて他の蓄電モジュール１０の電池セル１２と接触する。放熱板１６は、例えば当該放熱板１６の一端において、筐体３０の外部に突出していてもよい。放熱板１６は、いわゆるヒートシンクとして機能する部材であり、熱伝導性の高い平板状の材料から形成されている。例えば、放熱板１６は、金、銀、銅、アルミニウム、それらの金属を含む合金などから形成されている。特に、放熱板１６は、価格、加工性の観点から、銅、アルミニウム、それらの合金であることが好ましい。

次いで、本発明の一実施形態の電池パック１の作用、効果について説明する。上述したように、一実施形態に係る電池パック１において、放熱シート１４は、当該放熱シート１４の少なくともいずれか一方の面（基部１４ｂの右側面部１４ｃ）において、少なくとも部分的に凹凸形状部１４ａを有し、且つ、筐体３０に収容された状態で厚さ方向（左右方向）に圧縮されるように構成されている。このように、一実施形態に係る電池パック１では、蓄電モジュール１０が筐体３０に収容された状態で、放熱シート１４は、電池セル１２と放熱板１６との間で圧縮される。具体的には、放熱シート１４の凹凸形状部１４ａが電池セル１２と放熱板１６との間で潰される。より詳細には、凹凸形状部１４ａの突出部１４ｄが、溝部１４ｅを少なくとも部分的に埋めるように潰される。これにより、蓄電モジュール１０が筐体３０に収容された状態において、電池セル１２には放熱シート１４を介して所定の応力Ｆ（図４参照）が加えられるものの、当該応力Ｆは、放熱シート１４（特に凹凸形状部１４ａの突出部１４ｄ）が潰されることによって分散される。これにより、電池セル１２に局所的な応力が加わることを回避することができる。また、放熱シート１４（特に凹凸形状部１４ａの突出部１４ｄ）が潰されることから、放熱シート１４と電池セル１２、放熱シート１４と放熱板１６との間の接触面積を極力大きくすることができる。例えば、放熱板１６の左側面１６ａの形状が平坦でなくても、放熱シート１４の凹凸形状部１４ａが放熱板１６の左側面１６ａの両方に追従し、放熱シート１４と放熱板１６との間の接触面積を大きくすることができる。このようにして、電池セル１２に加わる応力Ｆの均一化を図りつつ、放熱性能の向上を図ることのできる電池パック１を提供することができる。

又、一実施形態に係る電池パック１において、凹凸形状部１４ａは、放熱シート１４における電池セル１２と対向する側の面（基部１４ｂの左側面部１４ｆ）に設けられてもよい。これにより、電池パック１では、蓄電モジュール１０が筐体３０に収容された状態で、放熱シート１４の凹凸形状部１４ａ（突出部１４ｄ）が電池セル１２と接触しつつ圧縮される。より詳細には、凹凸形状部１４ａの突出部１４ｄが、電池セル１２と接触しつつ、溝部１４ｅを少なくとも部分的に埋めるように潰される。このため、たとえ電池セル１２の右側面１２ｄの形状が平坦でなくても、放熱シート１４の凹凸形状部１４ａ（突出部１４ｄ）が電池セル１２の右側面１２ｄの形状に追従し、放熱シート１４と電池セル１２との間の接触面積を大きくすることができる。よって、電池セル１２に加わる応力Ｆの均一化を図りつつ、放熱性能の向上を図ることのできる電池パック１を提供することができる。

又、一実施形態に係る電池パック１において、凹凸形状部１４ａは、放熱シート１４の両面（左側面部１４ｆ及び右側面部１４ｃ）に設けられてもよい。これにより、電池パック１では、蓄電モジュール１０が筐体３０に収容された状態で、放熱シート１４の凹凸形状部１４ａ（突出部１４ｄ）が電池セル１２及び放熱板１６の両方と接触しつつ圧縮される。このため、たとえ電池セル１２の右側面１２ｄ及び放熱板１６の左側面１６ａの形状が平坦でなくても、放熱シート１４の凹凸形状部１４ａ（突出部１４ｄ）が電池セル１２の右側面１２ｄ及び放熱板１６の左側面１６ａの両方に追従し、放熱シート１４と電池セル１２との間の接触面積、及び放熱シート１４と放熱板１６との間の接触面積を大きくすることができる。よって、放熱板１６から放熱シート１４に加えられる力Ｆの均一化、ひいては電池セル１２に加わる応力Ｆの均一化を図りつつ、放熱性能の向上を図ることのできる電池パック１を提供することができる。

又、一実施形態に係る電池パック１において、凹凸形状部１４ａは、放熱シート１４の全面に亘って形成されてもよい。このように、電池パック１では、蓄電モジュール１０が筐体３０に収容された状態で、放熱シート１４は、その全面に亘って、電池セル１２と放熱板１６との間で圧縮される。具体的には、放熱シート１４の凹凸形状部１４ａ（突出部１４ｄ）が電池セル１２と放熱板１６との間で、基部１４ｂの全面に亘って潰される。つまり、蓄電モジュール１０が筐体３０に収容された状態において、電池セル１２には放熱シート１４を介して所定の応力Ｆ（図４参照）が加えられるものの、当該応力Ｆは、放熱シート１４（凹凸形状部１４ａの突出部１４ｄ）が基部１４ｂの全面に亘って潰されることで分散される。これにより、電池セル１２に局所的な応力が加わることを回避することができる。また、放熱シート１４（凹凸形状部１４ａの突出部１４ｄ）が基部１４ｂの全面に亘って潰されることから、例えば放熱シート１４と電池セル１２との間や、放熱シート１４と放熱板１６との間の接触面積を極力大きくすることができる。このようにして、電池セル１２に加わる応力Ｆの均一化を図りつつ、放熱性能の向上を図ることのできる電池パック１を提供することができる。

次いで、上記実施形態の変形例に係る放熱シート２４について図５を用いて説明する。図５は、変形例に係る放熱シート２４を示す斜視図である。放熱シート２４は、上述の放熱シート１４に対して、後述する凹凸形状部２４ａの形状が異なる。以下、上述の放熱シート１４と同じ又は類似する機能を有する構成については、放熱シート１４と同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分について説明する。

図５に示すように、放熱シート２４は、平板矩形の基部１４ｂと、基部１４ｂの右側面部１４ｃに設けられた凹凸形状部２４ａとを有する。より詳細には、凹凸形状部２４ａは、複数の突出部２４ｄと、複数の突出部２４ｄの間に形成された溝部２４ｅとから構成されている。なお、図５では、見易さの観点から、一部の突出部２４ｄ、溝部２４ｅにのみ符号を付してある。複数の突出部２４ｄは、基部１４ｂの右側面部１４ｃから右方向に突出し、角柱状に形成されている。また、複数の突出部２４ｄは、上下方向及び前後方向に所定の距離を持って離間して配置されている。溝部２４ｅは、複数の突出部２４ｄの間に形成され、上下方向及び前後方向に延在している。これにより、網目状の凹凸形状部２４ａが形成される。放熱シート２４は筐体３０内に収容された状態で圧縮され、この際、凹凸形状部２４ａの突出部２４ｄは、溝部２４ｅを少なくとも部分的に埋めるように潰される。

放熱シート２４の凹凸形状部２４ａの製造方法について説明する。まず、シリカ、アルミナ等の熱伝導性絶縁性粉末が分散されたシリコーンゴムシートを例えばカレンダー成形し、直方体又は略直方体の基部１４ｂを製造する。また、当該基部１４ｂとは別に、当該基部１４ｂと同様の成形方法で直方体又は略直方体の被切削体（図示せず）を製造する。その後、当該被切削体を基部１４ｂの上に貼り付け、被切削体の所定部分をカッターなどで上下方向及び前後方向に切削する。これにより、図５に示すような網目状の凹凸形状部２４ａが形成される。

以上、好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に係る電池パック１に限定されるものではなく、本発明の概念及び特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含み、各構成を適宜選択的に組み合わせても良い。また、上記実施の形態における各構成要素の形状、材料、配置、サイズ等は、本発明の具体的態様によって適宜変更され得る。

例えば、凹凸形状部の態様としては、上述したレール状（凹凸形状部１４ａ）、網目状（凹凸形状部２４ａ）に限定されるものではなく、例えば半球形状の突出部、ピラミッド形状の突出部、波形状の突出部、山形状の突出部を有するものなど、種々様々な形状を採用することができる。

また、凹凸形状部の製造方法として、基部の上に貼り付けられた被切削体をカッターなどで切削する態様について説明したが、アルミナ等の熱伝導性絶縁性粉末が分散されたシリコーンゴムシートに、所定のプレス型を用いてプレス加工を施し、所望形状の凹凸形状部を有する放熱シートを製造してもよい。

１電池パック
１０蓄電モジュール
１２電池セル
１２ｃ外装体
１４，２４放熱シート
１４ａ，２４ａ凹凸形状部
１６放熱板
３０筐体

Claims

正極及び負極の各々がセパレータを介して配置されてなる電極体を袋状の外装体内に密閉した電池セルと、前記外装体の一部の面に接触する放熱シートであって弾性を有する材料から形成された放熱シートと、該放熱シートにおける前記電池セルとは反対側の面に接触する放熱板と、を有する複数の蓄電モジュールと、
前記電池セル、前記放熱シート、及び前記放熱板の順で積層されるように前記蓄電モジュールの各々を収容する筐体と、を備え、
前記放熱シートは、該放熱シートの少なくともいずれか一方の面において、少なくとも部分的に凹凸形状部を有し、且つ、前記筐体に収容された状態で厚さ方向に圧縮されるように構成され、
前記凹凸形状部は、圧縮により突出部が溝部を埋めるように潰される、ことを特徴とする電池パック。
前記凹凸形状部は、前記放熱シートにおける前記電池セルと対向する側の面に設けられている、請求項１記載の電池パック。
前記凹凸形状部は、前記放熱シートにおける前記放熱板と対向する側の面に設けられている、請求項１記載の電池パック。
前記凹凸形状部は、前記放熱シートの両面に設けられている、請求項１記載の電池パック。
前記凹凸形状部は、前記放熱シートの全面に亘って形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の電池パック。