(57)【要約】【課題】  電池パック内のセルの温度を平準化し（電池パック中央部のセルと端部のセルとの温度差を小さくし、かつ、中央部のセルの温度上昇を抑制し、端部のセルの温度と同等にする）、電池パックの寿命を延ばすことを目的とする。【解決手段】  本発明の電池パック（１００）は、セル（１１０）と、吸熱材（１３０，１４０）とが交互に配置されて積層された積層体を備え、積層体の積層方向中央部に配置された吸熱材（１３０）と、積層体の積層方向端部に配置された吸熱材（１４０）との体積または材料が異なることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルと、吸熱材とが交互に配置されて積層された積層体を備え、
前記積層体の積層方向中央部に配置された吸熱材と、前記積層体の積層方向端部に配置された吸熱材との体積または材料が異なることを特徴とする電池パック。
【請求項２】
前記積層体の積層方向の中央部に位置する前記吸熱材は、前記積層体の積層方向の端部に位置する前記吸熱材よりも熱吸収量が大きいことを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項３】
前記吸熱材は所定の温度域で吸熱量が大きくなる材料であり、前記所定の温度域は、前記電池パックを使用する環境の温度よりも高く、前記電池パックの通常使用時の最高温度よりも低い温度であることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項４】
前記積層体の底面に接触して設けられた第１の熱伝導体を有することを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項５】
前記セルと前記吸熱材との間に設けられた第２の熱伝導体を有することを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項６】
前記吸熱材は、２つの吸熱材と、前記２つの吸熱材の間に設けられた第３の熱伝導体を有することを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項７】
前記第２の熱伝導体または第３の熱伝導体は、電池パックの中央部に設けられることを特徴とする請求項５または６に記載の電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車載用、産業用などで複数セル（単電池）から構成される電池パックが知られている。一般的に、リチウムイオン電池などの２次電池は、高温で充放電を繰り返したり高温で放置されると、電池容量が低下したり電池内部の抵抗が上昇し、出力が低下するなどの電池劣化が加速される傾向にある。そのため、セルの充放電による温度上昇を抑制する為に、冷却構造を備えたものがある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、複数の電池セル（１）の間に、電池セル（１）の表面に熱結合状態に接触してなるセパレータ（１２）、（３２）、（４２）が挟着され、かつ複数の電池セル（１）が、電池セル（１）の間に冷却隙間（３）を設けてなるセパレータ（１２）、（３２）、（４２）を介して積層するように固定してなる電池ブロック（１０）、（３０）、（４０）と、この電池ブロック（１０）、（３０）、（４０）の冷却隙間（３）に冷却気体を強制送風する送風機構（９）とを備える車両用のバッテリシステムであって、上記電池セル（１）と前記セパレータ（１２）、（３２）、（４２）との間の熱抵抗、又はセパレータ（１２）、（３２）、（４２）自体の熱抵抗が積層方向に配置される上記セパレータ（１２）、（３２）、（４２）で異なり、上記熱抵抗の差で電池セル（１）の温度を均等化するようにしてなる車両用のバッテリシステムが開示されている。
【０００４】
特許文献２には、複数配列された電池と、配列した複数の上記電池を拘束して収容する電池収容ケースと、上記電池からの熱によって相変化可能な相変化材および上記相変化材を封入する袋体を有し、内部に上記袋体の変形に応じて体積変化可能な隙間が形成され、上記電池同士の間に、それぞれの上記電池または上記電池に当接する熱伝導部材に密着するようにして挟み込まれた吸熱体と、を備える電池モジュールが開示されている。
【０００５】
特許文献３には、隣り合って配置された複数の単電池を備える組電池であって、上記単電池の通常使用時の温度域よりも高く、かつ、上記単電池が熱破壊される破壊温度よりも低い融点を有する相変化物質を、互いに隣り合う上記単電池同士の間に、上記単電池のうちの１つが上記融点よりも高い温度まで発熱した場合に、その熱を吸収して溶融する形態に配置してなる組電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２７２３７８号公報
【特許文献２】特開２０１３−１７８９６６号公報
【特許文献３】特開２０１０−７３４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１は、電池セルの熱を冷却するための冷却機構を設けているが、電池パックの更なる小型化を目指す場合、冷却機構を設けない構成が有利である。
【０００８】
また、電池パックの中心部に位置するセルは周囲のセルからの熱を受けると共に、冷却風が届かなかったり、冷却水が中心部のセルに行くまでに周囲のセルからの熱で温まったりして、十分な冷却効果が得られない事がある。その為、電池パック中心部に位置するセルの温度が、電池パックの端に位置するセルの温度よりも高くなってしまうことが予想される。一般的に、リチウムイオン電池などの２次電池は、温度が高い状態で放置され、または、充放電が繰り返されると劣化（電池容量が少なくなる、または充放電電流が少なくなる）が早くなってしまう。すなわち、電池パックの寿命は、電池パックの端に位置するセルは劣化が少ないにも関わらず、電池パック中心部に位置するセルの劣化の度合いで決まってしまう。
【０００９】
特許文献２および特許文献３では、吸熱体または相変化物質が熱を吸収するため、特許文献１のように冷却機構を設ける必要が無いが、電池パックの中心部のセルと端部のセルの温度差の低減について、具体的な検討がなされていない。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を鑑みてなされたものであって、電池パック内のセルの温度を平準化し（電池パック中央部のセルと端部のセルとの温度差を小さくし、かつ、中央部のセルの温度上昇を抑制し、端部のセルの温度と同等にする）、電池パックの寿命を延ばすことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の電池パックの一態様は、セルと、吸熱材とが交互に配置されて積層された積層体を備え、積層体の積層方向中央部に配置された吸熱材と、積層体の積層方向端部に配置された吸熱材との体積または材料が異なることを特徴とする。
【００１２】
本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電池パック内のセルの温度を平準化し、電池パックの寿命を延ばすことができる。
【００１４】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１の電池パックの模式図
【図２】図１の電池パックを構成するセル（単電池）を示す模式図
【図３】吸熱材（ＰＣＭ）の体積または材料が同じ時のセルの温度の経時変化を示すグラフ
【図４】本発明の実施例１のセルの温度の経時変化を示すグラフ
【図５】本発明の実施例２の電池パックの模式図
【図６】本発明の実施例２のセルの温度の経時変化を示すグラフ
【図７】本発明の実施例３の電池パックの模式図
【図８】本発明の実施例３のセルの温度の経時変化を示すグラフ
【図９】本発明の実施例４の電池パックの模式図  本発明の実施形態４の電池パックの概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の実施例１の電池パックの模式図であり、図２は図１の電池パックを構成するセル（単電池）を示す模式図である。図１に示すように、実施例１の電池パック１００は、複数のセル１１０が積層された構成を有する。このような電池パック１００は、ハイブリッドカーや電気自動車（ＥＶ）に搭載されて、その動力源として利用される。
【００１８】
図１に示すように、電池パック１００は、セル１１０と吸熱材１３０，１４０とが交互に配置されて積層された積層体を有する。図１では、セル１１０と吸熱材１３０，１４０とが紙面の横方向に積層されており、積層体の積層方向中央部に配置された吸熱材１３０と、積層体の積層方向端部に配置された吸熱材１４０との体積が異なっている。
【００１９】
上述したように、電池パックの中央部の温度は端部の温度より高い傾向にある。そこで、本実施例のように、積層体の積層方向中央部に配置された吸熱材１３０の体積を、積層体の積層方向端部に配置された吸熱材１４０よりも大きくすることで、電池パックの中央部付近に配置された吸熱材の熱吸収量を、電池パックの端部付近に配置された吸熱材よりも大きくし、電池パック１００全体の温度差を低減することができる。
【００２０】
吸熱材１３０，１４０は、蓄熱材とも称され、相変化材料（Ｐｈａｓｅ  Ｃｈａｎｇｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ，ＰＣＭ）を用いる。ＰＣＭは、固体から液体、液体から固体に変化する（凝固・融解を繰り返す）特性を持つ材料である。ＰＣＭは、所定の温度域で吸熱量が大きくなる材料であり、本実施例では、この所定の温度（ＰＣＭの相変化温度（融点））を、電池パックを使用する環境温度よりも高く、電池パックの通常使用時の最高温度よりも低い温度とする。ここで、環境温度とは、電池パックが置かれている温度で、国内の夏季においては３５℃程度である。また、一般的なリチウムイオン電池では、通常使用時の温度域は−３０℃〜６０℃程度なので、通常使用時の最高温度は６０℃となる。よって、本発明の「所定の温度」（ＰＣＭの相変化温度）の一例としては、４０℃〜５５℃である。
【００２１】
ＰＣＭは、相変化の際に、大きなエネルギー（融解潜熱（ｋＪ／ｋｇ））の出入りがある。このエネルギーの出入りを利用して、セルの温度上昇を所定の温度域（相変化温度近辺）で抑えることが可能である。このＰＣＭを冷却材として使用することで、冷却体積を低減できると共に、冷却のための電力やメンテナンスが不要となる。
【００２２】
吸熱材１３０，１４０は、具体的には、日本ブロアー株式会社製のＰＣＭ−Ｃ４８（相変化温度：約４０℃）、日本ブロアー株式会社製のＰＣＭ−Ｃ５８（相変化温度：５５℃以上６０℃未満）、酢酸ナトリウム三水塩（相変化温度：６０℃以下）、無機水和塩（相変化温度：６０℃以下）などが挙げられる。その他、上述した所定の温度の相変化温度を有する相変化材料ならば、特に限定なく使用することができる。
【００２３】
なお、ここでは図示していないが、セル１１０とＰＣＭ１３０，１４０とは、それぞれが密着するように、複数のセル単位を、または電池パック全体を拘束バントなどで固縛されていることが好ましい。
【００２４】
セル１１０は、リチウムイオン電池であり、図２に示すように、直方体状をなす角形電池である。セル１１０は、最も面積が大きい側壁部１１０ｃ、１１０ｄとＰＣＭ１３０，１４０が接触するように配置される。セル１１０には正極端子１１１、負極端子１１２があり、図示しない金属バスバーなどを介して、隣り合うセルの正極端子１１１、負極端子１１２が電気的に接続される。
【００２５】
上述したように、実施例１の電池パック１００の通常使用時の温度は−３０℃〜６０℃程度である。この動作温度範囲を超えて、充放電や放置されるとセル劣化が加速することになり、セル寿命が短くなる。また、電池パック内のセルの温度がばらつくことにより、セルの劣化もばらつく。通常、電池パックの中央部に配置されたセルは、周囲のセルの熱を受けて、電池パックの端に配置されたセルよりも温度は上昇する。すなわち、電池パック中央部に配置されたセルは、端に配置されたセルよりも劣化が早くなる。
【００２６】
そこで実施例１では、電池パック１００内のセル温度の平準化、劣化の平準化の為に、電池パック１００の中央部に配置されるＰＣＭ１３０は、端に配置されるＰＣＭ１４０よりも体積を大きくして、熱吸収量を大きくしている。
【００２７】
図３は吸熱材（ＰＣＭ）の体積または材料が同じ時のセル温度の経時変化を示すグラフであり、図４は本発明の実施例１のセルの温度の経時変化を示すグラフである。図３および図４を比較して分かるように、本実施例では、電池パックの中央部のセルと端部のセルとの温度差が少なくなることがわかる。
【００２８】
なお、実施例１では吸熱材１３０，１４０の体積を変えて熱吸収量を変えているが、材料を変えて熱吸収量を変えてもよい。
【実施例２】
【００２９】
図５は本発明の実施例２の電池パックの模式図である。図５に示す電池パック２００の構成は、実施例１の構成に加えて、積層体の底面に接触して設けられた第１の熱伝導体１５０（熱伝導板ａ）を設ける構成とした。熱伝導板ａは、熱伝導率が高いアルミ板などを使用する。
【００３０】
本構成によれば、各セル１１０および吸熱材１３０，１４０の熱が、熱伝導体１５０を伝達することで、さらに平準化される効果がある。
【００３１】
図６は本発明の実施例２のセルの温度の経時変化を示すグラフである。図６に示すように、本実施例の電池パック２００は、実施例１の電池パック１００よりも各セルの温度差がさらに少なくなることがわかる。
【実施例３】
【００３２】
図７は本発明の実施例２の電池パックの模式図である。図７に示す電池パック３００の構成は、実施例２の構成に加えて、電池パックの中央部付近において、セル１１０と吸熱材１３０との間に設けられた第２の熱伝導体１６０（熱伝導板ｂ）を有する。熱伝導板ｂは、熱伝導板ａと接触させる。熱伝導板ｂは、熱伝導板ａと同様に、熱伝導率が高いアルミ板などを使用する。
【００３３】
本構成により、熱伝導板ｂ、熱伝導板ａを経由して、吸熱材１３０に蓄積された熱を効率良く電池パック外に逃がすことができ、更なるセル温度の平準化と共に、ＥＶ充電後のセル温度を早く低下させることができる。
【００３４】
図８は本発明の実施例２のセルの温度の経時変化を示すグラフである。図８に示すように、本実施例の電池パック２００は、実施例１の電池パック１００よりも各セルの温度差がさらに少なくなることがわかる。
【実施例４】
【００３５】
図９は本発明の実施例３の電池パックの模式図である。図９に示す電池パック４００の構成は、実施例３の構成に加えて、電池パック４００の中央部付近において、吸熱材１３０の間に配置された第３の熱伝導体１７０（熱伝導板ｃ）を有する構成である。このような構成によって、実施例３よりもさらに各セルの温度差を低減できることが期待される。
【実施例５】
【００３６】
本実施例では、吸熱材を設けない従来の構成（比較例１）、セル間に電池パック全体で体積または材料が同じ吸熱材を設けた構成（比較例２）、実施例１の構成および実施例２に構成の電池パックについて、電池パック中央部と端部の温度差と、サイクル数を測定した。それぞれのセルのサイズは横５５ｍｍ、高さ１００ｍｍ、幅２５ｍｍとした。比較例２は吸熱材の厚さは全て１ｍｍとした。実施例１および実施例２は、電池パック中央部の吸熱材１３０の厚さを１ｍｍとし、電池パック端部の吸熱材１４０の厚さを０．５ｍｍとした。結果を表１に示す。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
比較例１では、電池パック中央部のセルの温度は６０℃、電池パック端部のセルの温度は５０℃となり、温度差（電池パック内ばらつき）は１０℃であった。一方、実施例１は電池パック中央部のセルの温度は５３．７５℃、電池パック端部のセルの温度は５０℃となり、温度差（電池パック内ばらつき）は３．７５℃であった。実施例２は電池パック中央部のセルの温度は５２．５℃、電池パック端部のセルの温度は５０℃となり、温度差（電池パック内ばらつき）は２．５℃となり、実施例１よりもさらに温度差を低減できている。
【００３９】
電池パック内に体積または材料が同じＰＣＭを設けた構成を有する比較例２は、比較例１よりも温度差は低減できているが、実施例１および実施例２に比べるとその効果は低い。
【００４０】
サイクル数はセル温度から算出した。温度とサイクル数との関係は、文献：“Ｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ／Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  Ｃｙｃｌｅ  ａｎｄ  Ｓｔｏｒａｇｅ  ｉｎ  Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｌｉｔｈｉｕｍ−ｉｏｎ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ  ｆｏｒ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｐｈｏｎｅｓ”Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｉｎ：  ＩＮＴＥＬＥＣ  ０５−Ｔｗｅｎｔｙ−Ｓｅｖｅｎｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＤａｔｅ  ｏｆ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ：  １８−２２  Ｓｅｐｔ．２００５に示されている。
【００４１】
実施例１では、比較例と比べて、サイクル数が２４．２％アップ（サイクル数：１９０→２３６しており、比較例２と比べて１１．３％アップしている（サイクル数：２１２→２３６）。実施例２は、実施例１よりもさらにサイクル数がアップしている。
【００４２】
以上、説明したように、本発明によれば、電池パック内のセルの温度を平準化し、電池パックの寿命を延ばすことができる電池パックを提供できることが示された。
【００４３】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１００，２００，３００，４００…電池パック、１１０…セル（単電池）、１１１…正極端子、１１２…負極端子、１３０，１４０…吸熱材（相変化材料，ＰＣＭ）、１５０…第１の熱伝導体、１６０…第２の熱伝導体、１７０…第３の熱伝導体。
【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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【図９】
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