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JP7817877B2 - 電池モジュール - Google Patents
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JP7817877B2 - 電池モジュール - Google Patents

電池モジュール

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Description

本発明は、電池モジュールに関する。
近年、電池の温度検出用の温度センサを備える様々な電池モジュールが開発されている。例えば特許文献１に記載の電池モジュールは、円筒型電池の表面に接触された伝熱板を備えている。この伝熱板は温度センサを囲んでいる。
特開２０１８－１７９９３８号公報
電池の周囲には、例えば、冷却又は加熱によって電池の温度を調節する構造体が設けられることがある。この場合、例えば特許文献１に記載の電池モジュールにおいては、電池の温度と構造体の温度との差に起因して、電池の実際の温度と、電池の温度検出用の温度センサの検出温度と、の差が比較的大きくなることがある。
本発明の目的の一例は、電池の実際の温度と、電池の温度検出用の温度センサの検出温度と、の差を小さくすることにある。本発明の他の目的は、本明細書の記載から明らかになるであろう。
本発明の一態様は、
電池と、
前記電池の周囲の少なくとも一部分に位置する構造体と、
前記電池と前記構造体との間に位置する温度センサと、
前記温度センサの温度検出範囲を前記電池に向ける指向部と、
を備える電池モジュールである。
本発明の他の一態様は、
電池と、
前記電池の周囲の少なくとも一部分に位置する構造体と、
前記電池と前記構造体との間に位置する温度センサと、
少なくとも一部分が前記温度センサと前記構造体との間に位置する遮熱要素と、
を備える電池モジュールである。
本発明の上記態様によれば、電池の実際の温度と、電池の温度検出用の温度センサの検出温度と、の差を小さくすることができる。
実施形態に係る電池モジュールの前面図である。 実施例１に係る電池モジュール、実施例２に係る電池モジュール及び比較例に係る電池モジュールの各々における温度センサの検出温度の時間推移を、水冷温度の時間推移とともに示すグラフである。 実施例１に係る電池モジュールの一部分の前面図である。 実施例２に係る電池モジュールの一部分の前面図である。 比較例に係る電池モジュールの一部分の前面図である。 変形例に係る電池モジュールの前面図である。
以下、本発明の実施形態及び変形例について、図面を用いて説明する。すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
図１は、実施形態に係る電池モジュール１０の前面図である。
実施形態に係る電池モジュール１０は、電池１００、構造体２００、温度センサ３００及び遮熱要素４００を備えている。電池１００は、外装材１１０及びリード１２０を有している。
以下、説明のため、図１の紙面の手前側を電池１００の前面とし、図１の紙面の奥側を電池１００の後面とする。ただし、電池１００の前面及び後面の各々の方向は、電池１００の使用時の電池１００の配置に応じて異なる。
実施形態に係る電池１００は、ラミネート型リチウムイオン二次電池である。電池１００は、不図示の正極電極、負極電極及びセパレータを含む積層体を電池要素として有している。この積層体は、外装材１１０によって封止されている。正極電極及び負極電極の一方は、リード１２０に電気的に接続されている。リード１２０は、外装材１１０の前面から前方に向けて引き出されている。正極電極及び負極電極の他方は、外装材１１０の後面に設けられた不図示のリードに電気的に接続されている。外装材１１０の後面に設けられた不図示のリードは、外装材１１０の後面から後方に向けて引き出されている。ただし、リードの配置はこの例に限定されない。例えば、外装材１１０の前面及び後面の一方に、正極電極に電気的に接続された正極リードと、負極電極に電気的に接続された負極リードと、の双方が設けられていてもよい。
電池１００の構造は、実施形態に係る構造に限定されない。例えば、電池１００は、巻回型リチウムイオン二次電池であってもよい。この例においては、外装材１１０の内部において、正極電極、負極電極及びセパレータが電池要素として巻回されている。また、電池１００は、リチウムイオン二次電池と異なる種類の電池であってもよい。
構造体２００の少なくとも一部分は、電池１００の周囲に位置している。実施形態において、構造体２００は、電池１００を収容する収容体である。例えば、構造体２００は、１つ又は複数の電池１００を収容している。構造体２００は、熱伝導率が比較的高い材料からなっている。構造体２００の熱伝導率は、例えば、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上となっている。構造体２００は、例えば、アルミニウム等の金属からなっている。
構造体２００の少なくとも一部分は、電池１００の温度を調節する部材として動作していてもよい。例えば、構造体２００に冷却液を流すことで、構造体２００の少なくとも一部分を冷却部材として動作させることができる。構造体２００の少なくとも一部分を冷却部材として動作させることで、電池１００の過熱を抑制することができる。この場合、電池１００の自然空冷と比較して、電池１００と構造体２００との間でより積極的な熱交換を行うことができる。或いは、例えば、電池モジュール１０が－２５℃程度の比較的低い温度下で使用される場合において電池１００の急速な充電を行う際には、電池１００の温度を昇温させる必要がある。この場合、構造体２００の少なくとも一部分を加熱部材として動作させることで、電池１００の温度を昇温させることができる。
温度センサ３００は、電池１００と構造体２００との間に位置している。温度センサ３００は、例えば、サーミスタである。実施形態において、温度センサ３００は、外装材１１０の側面に取り付けられている。例えば、温度センサ３００は、外装材１１０の側面に直接接触している。これによって、温度センサ３００は、外装材１１０の側面に固定又は接着されている。なお、電池１００の温度センサ３００が取り付けられる位置は、実施形態に係る位置に限定されない。温度センサ３００が電池１００に取り付けられている場合、温度センサ３００が電池１００から離間している場合と比較して、温度センサ３００を電池１００に近接させることができる。したがって、温度センサ３００の検出温度を、電池１００の実際の温度により近づけることができる。ただし、温度センサ３００は、電池１００から離間していてもよい。
遮熱要素４００の少なくとも一部分は、構造体２００と温度センサ３００との間に位置している。遮熱要素４００の熱伝導率は、例えば、０以上０．１５Ｗ／ｍ・Ｋ以下となっている。遮熱要素４００は、例えば、多孔質材料を含んでいる。多孔質材料としては、例えば、多孔質樹脂、多孔質セラミック、多孔質ガラス等が例示される。この多孔質材料の空孔率は、以下に限定されないが、例えば、６０％以上８０％以下である。実施形態において、遮熱要素４００は、遮熱テープである。遮熱要素４００は、例えば、ＥＰＤＭ（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ Ｄｉｅｎｅ Ｍｏｎｏｍｅｒ）発泡ゴム、シリカエアロゲル、ガラスクロステープ等であってもよい。遮熱要素４００は、電池１００が位置する側を除いて温度センサ３００の周囲を覆っている。なお、遮熱要素４００は、この例に限定されない。例えば、遮熱要素４００は、遮熱テープ以外の遮熱部材であってもよい。また、遮熱要素４００は、空気であってもよい。例えば、電池１００がエアーフロー等の強制空冷によって冷却されていない場合等、温度センサ３００の周囲の空気が冷却手段として用いられていない場合、温度センサ３００の周囲の空気は、遮熱要素４００となり得る。
遮熱要素４００は、温度センサ３００の温度検出範囲を電池１００に向ける指向部として機能している。具体的には、電池１００の充電、放電等の動作時における電池１００の温度は、構造体２００の温度より高くなっている。このため、仮に、電池１００の動作時において遮熱要素４００が設けられていない場合、温度センサ３００の周囲の温度は、電池１００から構造体２００への熱流束によって電池１００の実際の温度より低くなることがある。これに対して、実施形態では、遮熱要素４００の少なくとも一部分が構造体２００と温度センサ３００との間に位置している。したがって、温度センサ３００の周囲において、電池１００の熱が構造体２００へ伝わることを遮熱要素４００によって抑制することができる。このため、実施形態では、遮熱要素４００が設けられていない場合と比較して、電池１００の実際の温度と、温度センサ３００の検出温度と、の差を小さくすることができる。
電池１００の実際の温度と、温度センサ３００の検出温度と、の差を小さくする必要がある理由は、例えば、次のとおりである。例えば、電池モジュール１０では、安全を確保しながら急速な充電又は放電が要請されることがある。この場合において、温度センサ３００が電池１００の比較的高温部分の温度を検出している例を検討する。この例において、温度センサ３００の検出温度が電池１００の実際の温度より低い場合、電池１００の実際の温度が許容値を上回っているにもかかわらず、電池１００の充電が継続されることがある。これによって、例えば、電池１００の劣化が進行することがある。或いは、温度センサ３００が電池１００の比較的低温部分の温度を検出している例を検討する。この例において、温度センサ３００の検出温度が電池１００の実際の温度より高い場合、電池１００の実際の温度が許容値を下回っているにもかかわらず、電池１００の充電が継続されることがある。これによって、例えば、電池１００の電極の表面にＬｉが析出することがある。したがって、電池１００の実際の温度と、温度センサ３００の検出温度と、の差は可能な限り小さくする必要がある。
実施形態において、温度センサ３００及び遮熱要素４００は、所定の条件下において熱流束の絶対値が比較的大きくなる領域に位置させることができる。例えば、温度センサ３００及び遮熱要素４００は、所定の条件下において熱流束の絶対値が２００Ｗ／ｍ２以上の領域に位置させることができる。所定の条件下において熱流束の絶対値が比較的大きくなる領域としては、電池１００と、電池１００の温度を調整する部材として動作する構造体２００と、の間の領域が例示される。具体的には、電池１００の温度と構造体２００の温度との差は、電池１００の動作条件や電池１００が置かれている環境、構造体２００の動作条件等の条件に応じて変動する。上述した所定の条件とは、電池１００の温度と構造体２００の温度との差が所定値以上となることを意味する。例えば、電池１００が発熱していて構造体２００が冷却部材として動作する場合、電池１００から構造体２００へ向かう方向の熱流束が発生する。この条件下において、電池１００の温度と構造体２００の温度との差が所定値以上となることがある。或いは、電池１００が比較的低い温度下に置かれていて構造体２００が加熱部材として動作する場合、構造体２００から電池１００へ向かう方向の熱流束が発生する。この条件下において、電池１００の温度と構造体２００の温度との差が所定値以上となることがある。実施形態では、所定の条件下において熱流束の絶対値が比較的大きくなる領域に温度センサ３００及び遮熱要素４００が位置しても、温度センサ３００の検出温度を電池１００の実際の温度に近づけることができる。
図２は、実施例１に係る電池モジュール１０Ａ１、実施例２に係る電池モジュール１０Ａ２及び比較例に係る電池モジュール１０Ｋの各々における温度センサ３００の検出温度の時間推移を、水冷温度の時間推移とともに示すグラフである。図２に示すグラフの横軸は、時間（単位：秒）を示している。図２に示すグラフの縦軸は、温度（単位：℃）を示している。図３は、実施例１に係る電池モジュール１０Ａ１の一部分の前面図である。図４は、実施例２に係る電池モジュール１０Ａ２の一部分の前面図である。図５は、比較例に係る電池モジュール１０Ｋの一部分の前面図である。
図３に示すように、実施例１に係る電池モジュール１０Ａ１は、電池１００、熱伝導シート２００Ａ１、温度センサ３００及び遮熱テープ４００Ａ１を備えている。熱伝導シート２００Ａ１は、電池１００の側方に設けている。温度センサ３００は、電池１００と熱伝導シート２００Ａ１との間に位置している。遮熱テープ４００Ａ１は、電池１００が位置する側を除いて温度センサ３００の周囲を覆っている。実施例１では、電池１００を２．０Ｃで連続放電している。熱伝導シート２００Ａ１の電池１００が位置する側の反対側の面には、不図示の水冷部材が設けられている。
実施例２に係る電池モジュール１０Ａ２は、以下の点を除いて、実施例１に係る電池モジュール１０Ａ１と同様である。図４に示すように、実施例２に係る電池モジュール１０Ａ２は、熱導電シート及び遮熱テープを備えていない。電池１００が位置する側を除いて温度センサ３００の周囲には空気が存在している。
比較例に係る電池モジュール１０Ｋは、以下の点を除いて、実施例１に係る電池モジュール１０Ａ１と同様である。図５に示すように、比較例に係る電池モジュール１０Ｋは、遮熱テープを備えていない。温度センサ３００は、熱伝導シート２００Ａ１に接している。
図２に示す水冷温度は、不図示の冷却部材に流入する入口における冷却水の温度を示している。
図２に示すように、実施例１及び実施例２では、０秒～１７５０秒付近において時間の経過にともなって温度センサ３００の検出温度が上昇している。これに対して、比較例では、０秒～１７５０秒付近において実施例１及び実施例２と比較して温度センサ３００の検出温度が上昇していない。この結果より、電池と、熱伝導シート、水冷部材等の構造体と、の間に存在する遮熱テープ、空気等の遮熱要素によって、電池の実際の温度と、温度センサの検出温度と、の差を小さくすることができるといえる。
図６は、変形例に係る電池モジュール１０Ａの前面図である。変形例に係る電池モジュール１０Ａは、熱伝導要素５００が設けられている点を除いて、実施形態に係る電池モジュール１０と同様である。
変形例に係る熱伝導要素５００は、温度センサ３００の外面と遮熱要素４００の内面との間に位置している。熱伝導要素５００の熱伝導率は、例えば、０．２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上となっている。熱伝導要素５００は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ等の金属を含んでいる。具体的には、熱伝導要素５００は、例えば、Ａｌテープ、Ｃｕテープ等のヒートスプレッダテープにしてもよい。熱伝導要素５００は、電池１００から発生して遮熱要素４００によって遮られた熱を温度センサ３００に向けて伝えている。したがって、電池１００から発生した熱を熱伝導要素５００によってより効率的に温度センサ３００に伝えることができる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態及び変形例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
以下、参考形態の例を付記する。
１． 電池と、
前記電池の周囲の少なくとも一部分に位置する構造体と、
前記電池と前記構造体との間に位置する温度センサと、
前記温度センサの温度検出範囲を前記電池に向ける指向部と、
を備える電池モジュール。
２． 前記指向部は、少なくとも一部分が前記温度センサと前記構造体との間に位置する遮熱要素を有する、１．に記載の電池モジュール。
３． 電池と、
前記電池の周囲の少なくとも一部分に位置する構造体と、
前記電池と前記構造体との間に位置する温度センサと、
少なくとも一部分が前記温度センサと前記構造体との間に位置する遮熱要素と、
を備える電池モジュール。
４． 前記遮熱要素は、所定の条件下において熱流束の絶対値が２００Ｗ／ｍ ２ 以上の領域に位置している、２．又は３．に記載の電池モジュール。
５． 前記遮熱要素が多孔質材料を含む、２．～４．のいずれか一つに記載の電池モジュール。
６． 前記温度センサは、所定の条件下において熱流束の絶対値が２００Ｗ／ｍ ２ 以上の領域に位置している、１．～５．のいずれか一つに記載の電池モジュール。
７． 前記構造体の少なくとも一部分は、前記電池の温度を調整する部材として動作している、１．～６．のいずれか一つに記載の電池モジュール。
８． 前記温度センサが前記電池に取り付けられている、１．～７．のいずれか一つに記載の電池モジュール。
１０，１０Ａ，１０Ａ１，１０Ａ２，１０Ｋ 電池モジュール
１００ 電池
１１０ 外装材
１２０ リード
２００ 構造体
２００Ａ１ 熱伝導シート
３００ 温度センサ
４００ 遮熱要素
４００Ａ１ 遮熱テープ
５００ 熱伝導要素

Claims (6)

  1. 互いに反対側に位置する第１面及び第２面と、前記第１面及び前記第２面の間に位置する側面と、を有し、前記第１面及び前記第２面の少なくとも一方からリードが引き出された電池と、
    前記電池の前記側面の周囲のうち前記電池に対して一方の側に位置する構造体と、
    前記電池に対して前記一方の側において前記電池の前記側面と前記構造体との間に位置する温度センサと、
    前記電池に対して前記一方の側において少なくとも一部分が前記温度センサと前記構造体との間に位置する遮熱要素と、
    を備え、
    前記電池及び前記構造体は、前記温度センサの周囲の空気によって前記電池を空冷せずに前記構造体の温度を前記電池の温度より低くすることによる前記電池の冷却と、前記構造体の温度を前記電池の温度より高くすることで生じる前記電池と前記構造体の間の熱交換による前記電池の加熱と、の少なくとも一方が行われるように構成されている、電池モジュール。
  2. 前記電池及び前記構造体は、前記電池の前記側面の温度及び前記構造体の温度が互いに異なることで、前記電池の前記側面及び前記構造体の間の前記遮熱要素が位置する領域に熱流束が発生するように構成されている、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記遮熱要素が多孔質材料を含む、請求項１又は２に記載の電池モジュール。
  4. 前記電池及び前記構造体は、前記電池の前記側面の温度及び前記構造体の温度が互いに異なることで、前記電池の前記側面及び前記構造体の間の前記温度センサが位置する領域に熱流束が発生するように構成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  5. 前記構造体の少なくとも一部分は、前記電池の温度を調整する部材として動作している、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  6. 前記温度センサが前記電池に取り付けられている、請求項１～５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
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