(57)【要約】【課題】組電池を構成する単電池ごとの冷却を均等にし、温度ばらつきによる電池の局部的劣化を抑制することができる組電池を提供する。【解決手段】複数の単電池と、単電池間のそれぞれに配置され冷却風の流路を有するセパレータと、流路へ冷却風を導入する冷却風導入ダクトと、流路からの冷却風を排出する冷却風排出ダクトとを備えた組電池であって、流路は、冷却風導入ダクトおよび冷却風排出ダクト内の冷却風流通方向に対して垂直に延在し、セパレータは、熱伝導性を有し、流路は、セパレータの一方の面にのみ設けられている組電池。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単電池と、
前記単電池間のそれぞれに配置され冷却風の流路を有するセパレータと、
前記流路へ冷却風を導入する冷却風導入ダクトと、
前記流路からの冷却風を排出する冷却風排出ダクトとを備えた組電池であって、
前記流路は、前記冷却風導入ダクトおよび前記冷却風排出ダクト内の冷却風流通方向に対して垂直に延在し、
前記セパレータは、熱伝導性を有し、
前記流路は、前記セパレータの一方の面にのみ設けられていることを特徴とする組電池。
【請求項２】
前記セパレータに設けられた流路の幅は、前記冷却風導入ダクト内の冷却風流通方向の上流側から下流側に向かって、連続的に小さくなることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば自動車駆動用電源に用いて好適なリチウムイオン電池に係り、特に、複数の単電池からなる組電池において各電池の冷却のばらつきを抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
車載用のリチウムイオン２次電池においては、それぞれ正極、負極および電解液を有する単電池が複数個直列に配置されてケーシングに収納され、充放電制御のためのセルコントローラが接続され、必要な電圧が得られる組電池として利用されている。
【０００３】
リチウムイオン電池においては、充放電の際の電気化学反応にともなって熱が発生し、この熱に長期間曝されることによって電池が劣化するので、電池の耐久性を向上させるために電池を冷却することが求められている。特に、組電池においては、複数の単電池が配列されているために排熱が困難であり、温度上昇が著しく、組電池を構成する各単電池の冷却が課題となっている。
【０００４】
従来、このような組電池の冷却方法がいくつか提案されているが、隣接する単電池の間にセパレータを介在させ、このセパレータの両面に流路を形成して冷却風（空気）を流通させて、セパレータ両面に接触している単電池を冷却する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２５２８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、組電池の収納スペースの限度上、単電池の間に設けられるセパレータの厚さは極めて薄くせざるを得ず、その薄いセパレータ両面に形成された流路はさらに狭いものとなり、冷却風を十分に流通させることは困難であり、有効な冷却効果が得られなかった。
【０００７】
また、各セパレータの両側に流路が設けられた構造、すなわち狭い２つの流路が近接した間隔で設けられた構造を有し、さらに冷却風が導入方向から直角に曲げられて流路に流入する構造においては、後述するように、冷却風の導入方向に対して上流側に位置する一方の流路では冷却風の流速が速いため、冷却風が流路に流入し難く、下流側に位置する他方の流路では、冷却風の流速が遅いため冷却風が流路に流入し易い。このため、一のセパレータの両面に均等な量の冷却風が流れず、電池間の冷却がばらつき、結果として電池の冷却が十分でない箇所から局部的に電池が劣化するという問題があった。
【０００８】
電池が局部的に劣化すると、その電池の充放電特性が低下するが、充放電特性が最も低下した電池に合わせてセルコントローラによって組電池全体の充放電が制御されるため、劣化の程度が軽い他の電池の性能を十分に活かせず、組電池全体としての能力が低下してしまう。
【０００９】
さらに、全体を通して突起部分のみでの支持となり、緊縛による電池の変形が生じ、高強度な電池缶が必要になるなどという問題があった。
【００１０】
したがって、本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、組電池を構成する単電池ごとの冷却を均等にし、温度ばらつきによる電池の局部的劣化を抑制することができる組電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の組電池は、複数の単電池と、単電池間のそれぞれに配置され冷却風の流路を有するセパレータと、流路へ冷却風を導入する冷却風導入ダクトと、流路からの冷却風を排出する冷却風排出ダクトとを備えた組電池であって、流路は、冷却風導入ダクトおよび冷却風排出ダクト内の冷却風流通方向に対して垂直に延在し、セパレータは、熱伝導性を有し、流路は、セパレータの一方の面にのみ設けられていることを特徴としている。
【００１２】
上記構成の組電池にあっては、従来一のセパレータの両面の流路において起こっていた冷却風のどうしの干渉が軽減して、冷却風がスムーズに流路を流れる。結果として、一の単電池と他の単電池との冷却のばらつきを抑制することができる。また、両面に流路が形成された従来のセパレータと比較して流路の数が半減するので、流路の設置間隔を広くして圧力損失やバラツキを抑制したり、単電池の間隔を狭めて、組電池を小型化することができる。
【００１３】
また、セパレータの流路が形成されていない面では、直接冷却風が電池に当たらないが、セパレータが熱伝導性を有しているので、これと熱交換して間接的に冷却風によって冷却される。
【００１４】
さらに、セパレータの一方の面にのみ流路を形成すればよいから、両面に流路が形成された従来のセパレータと比較して、片側の流路分の厚さを削減することができる。これにより、単電池間の間隔を狭めることができ、組電池全体として小型化を図ることができる。
【００１５】
また、セパレータの一方の面には流路は形成されておらず平面で単電池と接触しているので、その接触面については、緊縛による電池の変形を抑制することができる。
【００１６】
本発明の組電池においては、セパレータに設けられた流路の幅は、冷却風導入ダクト内の冷却風流通方向の上流側から下流側に向かって、連続的に小さくなることを好ましい態様としている。
【００１７】
上述のとおり、冷却風の導入方向に対して上流側に位置する流路では冷却風が流路に流入し難く、下流側に位置する流路では冷却風が流路に流入し易いが、上記構成の組電池にあっては、冷却風の流入し難い上流側で流路が広く、冷却風の流入し易い下流側で流路が狭くなるように形成されているので、結果として冷却風の流入し易さが均等になり、単電池ごとの冷却のばらつきをさらに抑制することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、セパレータに形成された流路ごとに均等に冷却風が流入するので、単電池ごとの冷却のばらつきを抑制して、結果として電池の局所的な温度上昇による出力制限や、劣化を抑制するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の単電池およびセパレータを示す斜視図である。
【図２】本発明の単電池およびセパレータの装着状態を示す斜視図である。
【図３】本発明の単電池を複数配列した状態を示す斜視図である。
【図４】本発明の組電池を示す斜視図である。
【図５】図４におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図６】（ａ）は、従来の組電池を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）における線分Ｏ−Ｐに沿う断面を視点Ｂから見た図であり、（ｃ）は、線分Ｏ−Ｐに沿う断面におけるセパレータ流路の位置と冷却風の流速との関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、本発明の組電池を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）における線分Ｏ−Ｐに沿う断面を視点Ｃから見た図であり、（ｃ）は、線分Ｏ−Ｐに沿う断面におけるセパレータ流路の位置と冷却風の流速との関係を示すグラフである。
【図８】本発明のセパレータの変形例を示す斜視図である。
【図９】本発明のセパレータの変形例を示す斜視図である。
【図１０】本発明のセパレータの変形例を示す斜視図である。
【図１１】本発明のセパレータ流路の変形例を示す斜視図である。
【図１２】本発明の冷却風導入ダクトの変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の組電池に用いられる単電池１０およびセパレータ（ホルダ型）２０を示す斜視図である。単電池１０は、内部に図示しない電解液を有し、正極１１および負極１２を有する公知のリチウムイオン２次電池等である。セパレータ２０は、公知の金属材料あるいは樹脂材料等の熱伝導性を有する材料で構成されており、表面には、突起２１と、相対的に凹部である流路２２が形成されている。また、図示しない裏面は、平滑な平面状であり、単電池１０を保持して密着する。図２は、単電池１０に対するセパレータ２０の装着状態を示す。尚、密着性を向上させるため、電池とセパレータ間に接着剤またはエポキシのような密着剤を入れる。
【００２１】
図３に示すように、セパレータ２０を装着した単電池１０は、所望の電圧を得るために複数個が配列されて組電池Ｍを構成する。また、組電池Ｍは、図４に示すように、位置決め部材４０およびケーシング３０で固定され、各単電池の充放電を制御するセルコントローラ５０に接続される、符号３１は、冷却風導入ダクトであり、冷却風導入口３３から冷却風を導入して、各単電池に導く。符号３２は、冷却風排出ダクトであり、各単電池を冷却した後の冷却風を、冷却風排出口３４から排出する。
【００２２】
図５は、図４の斜視図におけるＡ−Ａ線断面である。各セパレータ２０は、図２に示すように一方の面に突起２１および流路２２を有しており、他方の面は平滑であるので、図５において縦の太線で示す箇所には、セパレータ２０の一方の側には流路が形成され、他方の側は単電池１０と密着している。
【００２３】
冷却風は、図５において右方向の矢印で示すように冷却風導入口３３から導入され、下方向の矢印で示すように直角に曲げられて各単電池の間に設けられたセパレータ２０の流路を通過して単電池を冷却し、続いて再び右方向の矢印で示すように直角に曲げられて冷却風排出口３４から排出される。
【００２４】
本発明においては、セパレータの片方の面にのみ流路が形成されており、セパレータを挟む２つの単電池のうち、流路側の単電池は、冷却風により直接冷却され、流路と反対側の単電池は、接触するセパレータの熱伝導性によって熱交換して、冷却風によって間接的に冷却される。
【００２５】
ここで、従来技術に対する本発明の優位性を示すため、セパレータの両側に流路が設けられた従来の組電池について説明する。図６（ａ）は、そのようなセパレータの両側に流路が設けられた従来の組電池を示す断面図であり、図６（ｂ）は、（ａ）におけるＯ−Ｐ線断面を視点Ｂから見た図である。また、図６（ｃ）は、各流路のうち、線分ＯＰ上にある点Ｏからの変位がａ１〜ａ８である各流路における、冷却風の流速を示すグラフである。
【００２６】
単電池１０、冷却風導入ダクト３１、冷却風排出ダクト３２については本発明と共通の構成要素であるため、説明を省略する。図６（ａ）および（ｂ）に示す組電池においては、セパレータ６０の両面に、単電池１０を支持する突起６１と、その間の相対的に凹部である流路６２が形成されている。
【００２７】
冷却風導入口３３から導入された冷却風は、図において右に流れながら、直角に曲げられて各単電池間に挟持されたセパレータ６０の両面に形成された流路６２を通り、再び直角に曲げられて冷却風排出口３４から排出される。図６（ｃ）に示すように、一のセパレータの両側に設けられた流路、例えばａ１とａ２を比較すると、冷却風の上流側の流路ａ１において、下流側の流路ａ２よりも流速が低下している。
【００２８】
これは、冷却風が直角に曲げられる際に、セパレータの両側に設けられた流路のように近接している場合、その流路の間の空気（冷却風）は、上流側では流速が速いが下流側では相対的に流速が低下するため、下流側の流路ａ２の方に流入するためである。また、冷却風といった流体は直角に曲げられることを嫌い弧を描いて曲がるため、曲がる際に急な角度で弧を描く必要がある上流側には冷却風が流入し難く、緩い角度で弧を描く下流側には冷却風が流入し易いという現象にも起因する。
【００２９】
この傾向は、ａ３とａ４、ａ５とａ６、およびａ７とａ８の組み合わせのそれぞれにおいても同様であり、それぞれの下流側流路（ａ４、ａ６およびａ８）においてより冷却風の流速が速い。さらに、４つのセパレータ間においても、下流側に位置するほど流速が速い傾向が見られる（ａ１、ａ３、ａ５、ａ７間の比較、およびａ２、ａ４、ａ６、ａ８間の比較）。このように、従来のセパレータ構造では、冷却風の流速に著しいばらつきがあり、この結果、単電池の面ごとの冷却にもばらつきが生じ、局部的に単電池の温度が上昇し、出力制限や劣化が生じていた。
【００３０】
また、図６（ｂ）に示すように、単電池１０を支持しているのは突起６１のみであるため、緊縛により高い圧力が発生し、単電池１０の容器が凹むという問題があった。
【００３１】
これに対して、図７（ａ）は、セパレータの片側のみに流路が設けられた本発明の組電池を示す断面図であり、図７（ｂ）は、（ａ）におけるＯ−Ｐ線断面を視点Ｃから見た図である。また、図７（ｃ）は、各流路のうち、線分ＯＰ上にある点Ｏからの変位がｂ１〜ｂ４である各流路における、冷却風の流速を示すグラフである。図７（ａ）および（ｂ）に示す組電池においては、セパレータ２０の両面に、単電池１０を支持する突起２１と、その間の相対的に凹部である流路２２が形成されている（図１参照）。
【００３２】
冷却風導入口３３から導入された冷却風は、図において右に流れながら、直角に曲げられて各単電池間に挟持されたセパレータ２０の両面に形成された流路２２を通り、再び直角に曲げられて冷却風排出口３４から排出される。本発明においては流路がセパレータの片側のみに設けられているので、従来の流路ａ１とａ２で生じていたばらつきは存在せず、図７（ｃ）に示すように、単一の流速ｂ１を示し、各単電池に対して均等な冷却を行うことができる。ここで、流路に面した単電池は冷却風で直接冷却され、流路に面さない単電池はセパレータの熱交換を介して間接的に冷却される。これにより、組電池全体の冷却のばらつきは軽減される。
【００３３】
本発明によれば、冷却のばらつきを抑制することにより、局部的な電池の劣化を抑制し、また均一温度管理による電池出力の安定化を図れる。また、流路を片側のみに形成すれば良いので、他方の流路に相当する厚み分を削減することができ、電池間が詰まるため、組電池をモジュール体積比で３０％程度まで小型化することができる。
【００３４】
さらに、図７（ｂ）に示すように、単電池１０を支持しているのは一方の面では突起２１であるが、他方の面では平滑面であるため、流路の突起による支持が１面に減り、電池を効果的に保持できるため、緊縛によるセルの凹みを抑制できるとともにより強固に電池を保持できる。
【００３５】
また、樹脂部品に単電池が覆われているため、保温効果があり、長い信号待ちや一時駐車、気温の急激な変化に対して、出力効率のよい温度に保つことができる。
【００３６】
セパレータの変更例
本発明の組電池に用いられるセパレータは、図１に示す突起および流路を有するセパレータ２０に限定されず、本発明の効果が得られる範囲において任意に変更することができる。例えば、図８に示すように、冷却風の流通方向に沿った直線状の突起および流路を有するセパレータ（ホルダ型）２３とすることもできる。
【００３７】
また、セパレータは、図１および８に示す単電池を保持するホルダ型に限定されず、図９に示すようなセパレータ（板状）２４として、図示しない位置決め部材やケーシングによって固定してもよい。
【００３８】
さらに、図１０に示すように、単電池１０と一体化したセパレータ２５、あるいは単電池１０の容器表面に突起２１および流路２２を直接形成したものとしてもよい。電池表面にセパレータを一体成形することで、熱伝導および組立性の向上を図ることができる。
【００３９】
セパレータ流路間隔の変更例
本発明の組電池において、単電池間に設けられる流路の幅は、図７に示すような全ての流路の間隔が等しいものに限定されない。図１１は、単電池間の流路幅を変更した例を示す。なお、図１１では、セパレータの図示は省略して、流路Ｃ１〜Ｃ５のみを示している。図１１に示すように、流路は、冷却風の上流側流路Ｃ１の幅が最大で、以降連続的に幅が減少し、下流側流路Ｃ５の幅が最小となるようにすることができる。冷却風は、上流側に行くほど流路に流入し難く、下流側に行くほど流入し易いので、この傾向と相殺するように流路幅を上流から下流に向けて狭めていけば、全ての流路において冷却風の流速すなわち単電池間の冷却のばらつきをより抑制することができる。
【００４０】
冷却風導入ダクトの変形例
図１２に、冷却風導入ダクトを変更した例を示す。図１２においても、セパレータの図示は省略している。図１２に示すように、冷却風導入ダクト３５は、冷却風導入口３３において開口幅が最大であり、冷却風の下流側に行くほど狭まった構造を有している。冷却風は、上流側に行くほど流速が速く、下流側に行くほど流速が遅いので、この傾向と相殺するように冷却風導入ダクト３５を上流から下流に向けて狭めていけば、上流から下流にかけての流速が均一となり、全ての流路において冷却風の流入し易さの程度も均一化され、これにより単電池間の冷却のばらつきをより抑制することができる。
【００４１】
冷却の制御方法
リチウムイオン２次電池は、著しい低温においては充放電特性が低下するため、ある程度の温度までは加熱された方が性能が向上する。そのため、本発明では、周囲の環境が極度の低温である場合や始動直後においては冷却風を流通させずに組電池の発熱によって電池の温度を上昇させ、所望の温度に達した際に冷却風の流通を開始するように制御することが好ましい。このように制御するためには、組電池に温度センサーを設け、このセンサーと冷却風の導入手段を連動させる等、公知の方法を利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明によれば、組電池を構成する各単電池の冷却のばらつきを抑制することによって各単電池の局部的な劣化を抑制して、長期に亘って安定した組電池の運転が可能となるから、厳格な安定運転が要求される車載用リチウムイオン２次電池システムに適用して極めて有望である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…単電池、
１１…正極、
１２…負極、
２０…セパレータ（ホルダ型）、
２１…突起、
２２…流路、
２３…セパレータ（ホルダ型）、
２４…セパレータ（板状）、
２５…セパレータ（一体型）、
３０…ケーシング、
３１…冷却風導入ダクト、
３２…冷却風排出ダクト、
３３…冷却風導入口、
３４…冷却風排出口、
４０…位置決め部材、
５０…セルコントローラ、
６０…セパレータ（従来）、
６１…突起（従来）、
６２…流路（従来）、
ａ１〜ａ８…従来のセパレータ流路の座標、
ｂ１〜ｂ４…本発明のセパレータ流路の座標、
ｃ１〜ｃ５…流路の変更例、
Ｍ…組電池。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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