(57)【要約】【課題】複数の電池セルの温度勾配を低減することができる電池モジュールを提供する。【解決手段】複数の電池セル１０ａ〜１０ｆと、一方面側に電池セル１０ａ〜１０ｆが載置されるヒートシンク２０と、ヒートシンク２０に取り付けられ、冷却水が流通する流路部材３０と、を備え、ヒートシンク２０は、一方面側の酸化アルミニウム層２１と、電池セル１０とは反対側のアルミニウム層２２とを備え、酸化アルミニウム層２１はアルミニウム層２２よりも熱伝導率が低く、流路部材３０に近いほど厚さが厚い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セルと、
一方面側に前記電池セルが載置される熱伝導部材と、
前記熱伝導部材に取り付けられ、熱媒体が流通する流路部材と、を備え、
前記熱伝導部材は、前記一方面側の第１層と、前記電池セルとは反対側の第２層とを備え、
前記第１層は、前記第２層よりも熱伝導率が低く、前記流路部材に近いほど厚さが厚い
ことを特徴とする電池モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の電池モジュールにおいて、
前記第１層は、前記流路部材に近いほど厚さが連続的に厚い
ことを特徴とする電池モジュール。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の電池モジュールにおいて、
複数の前記電池セルが一方向に並設され、
前記流路部材は、前記熱伝導部材の前記一方向における両側に取り付けられている
ことを特徴とする電池モジュール。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の電池モジュールにおいて、
前記第１層は、酸化アルミニウムからなり、
前記第２層は、アルミニウムからなる
ことを特徴とする電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電池セルの温度を均一化するための構造を有する電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車や電気自動車は、モータの電源となる電池モジュールを複数備えた電池パックを搭載している。電気自動車に搭載される電池モジュールは、走行に応じて電池セルの充放電が繰り返されて温度が上昇するため、冷却装置により冷却されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような電池モジュールは、電池ケース内に配置したヒートシンクに電池セルを載置し、ヒートシンクに冷却配管を取り付けた構造を有している。冷却配管に冷却水を流通させることで、ヒートシンクを介して電池セルが冷却される。
【０００４】
上記構成の電池モジュールの各電池セルは、冷却配管に近いほど温度が下がりやすいため、複数の電池セルに温度勾配が生じてしまう。このような温度勾配が生じると、冷却配管から遠い電池セルは十分に冷却されず、冷却配管から近い電池セルに比べて劣化が早く進む。電池モジュールに充電された電力で航続可能な距離は、最も劣化が進んだ電池セルの状態に依存するため、複数の電池セルの温度を均一にすることが望まれている。なお、冷却の場合のみならず電池を加熱する場合についても同様の問題が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３４９９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、複数の電池セルの温度勾配を低減することができる電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、複数の電池セルと、一方面側に前記電池セルが載置される熱伝導部材と、前記熱伝導部材に取り付けられ、熱媒体が流通する流路部材と、を備え、前記熱伝導部材は、前記一方面側の第１層と、前記電池セルとは反対側の第２層とを備え、前記第１層は、前記第２層よりも熱伝導率が低く、前記流路部材に近いほど厚さが厚いことを特徴とする電池モジュールにある。
【０００８】
第１の態様では、熱伝導部材は、相対的に熱伝導率が低い第１層が流路部材に近いほど厚くなる構成となっている。このため、熱伝導部材の全体としては、流路部材に近いほど熱伝導率が低くなっている。このような熱伝導部材により、流路部材に近い電池セルは、遠い電池セルに比較して吸熱及び放熱されにくくなる。すなわち、流路部材に近い電池セルと、流路部材から遠い電池セルとで温度差が大きくなりにくい。したがって、電池セル間での温度勾配を低減することができる。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の電池モジュールにおいて、前記第１層は、前記流路部材に近いほど厚さが連続的に厚いことを特徴とする電池モジュールにある。
第２の態様では、電池セルの温度勾配をより一層低減することができる。
【００１０】
本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載の電池モジュールにおいて、前記複数の電池セルが一方向に並設され、前記流路部材は、前記熱伝導部材の前記一方向における両側に取り付けられていることを特徴とする電池モジュールにある。
【００１１】
第３の態様では、温度勾配が生じる範囲を熱伝導部材の全体から小さく分割できるので、電池セルの温度勾配をより一層低減することができる。
【００１２】
本発明の第４の態様は、第１から第３の何れか一つの態様に記載の電池モジュールにおいて、前記第１層は、酸化アルミニウムからなり、前記第２層は、アルミニウムからなることを特徴とする電池モジュールにある。
第４の態様では、電池セルの温度勾配をより一層低減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、複数の電池セルの温度勾配を低減することができる電池モジュールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１に係る電池モジュールの分解斜視図である。
【図２】実施形態２に係る電池モジュールの側面図である。
【図３】電池セルの温度分布を示す図である。
【図４】実施形態３に係る電池モジュールの側面図である。
【図５】実施形態４に係る電池モジュールの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。
【００１６】
〈実施形態１〉
図１は電池モジュールの分解斜視図であり、図２は電池モジュールの側面図である。本実施形態に係る電池モジュール１は、複数の電池セル１０と、熱伝導部材の一例であるヒートシンク２０と、流路部材３０とを備えている。通常、複数個の電池モジュール１がケース（図示せず）に収容されて電池パックを構成し、電池パックは電動自動車やハイブリッド自動車に搭載される。
【００１７】
電池セル１０は、一方向（Ｘ方向）に沿って複数個（本実施形態では６個）並設されている。各電池セルには、流路部材３０に近い方から順に符号として１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆを付す。複数の電池セル１０ａ〜１０ｆを区別しない場合は、電池セル１０と称する。
【００１８】
電池セル１０としては、特に限定はないが、例えば、ニッケル−水素バッテリ、リチウムイオンバッテリなどの二次電池を用いることができる。また、電池セル１０には、上部に端子１１が設けられており、図示しないバスバーにより並列又は直列接続されており、電池モジュールを構成している。
【００１９】
ヒートシンク２０は、一方面側（図２のＺ方向の上側）に電池セル１０が載置され、電池セル１０の熱を放熱及び吸熱する部材である。本実施形態では、ヒートシンク２０は矩形状の平板部材からなる。なお、本発明は、電池セル１０がヒートシンク２０に直接的に載置される構成の他に、電池セル１０が他の部材を介してヒートシンク２０に間接的に載置される構成も含む。後者の構成においては、間に介在する部材は熱伝導率が高いもの（例えば、ヒートシンク２０の熱伝導率と同等以上）とすることが好ましい。
【００２０】
ヒートシンク２０は、第１層として酸化アルミニウム層２１、第２層としてアルミニウム層２２を備えている。第１層の酸化アルミニウム層２１は、酸化アルミニウムからなり、電池セル１０が載置される面（以下、載置面２３）を有する。第２層のアルミニウム層２２は、アルミニウムからなり、酸化アルミニウム層２１の載置面２３とは反対側の層である。
【００２１】
酸化アルミニウム層２１は、アルミニウム層２２よりも熱伝導率が低い。本実施形態のヒートシンク２０は、酸化アルミニウム層２１及びアルミニウム層２２からなるが、もちろん、異なる材料から構成されていてもよい。少なくとも、第１層の熱伝導率が第２層の熱伝導率よりも低い材料から構成されていればよい。例えば、電池セル１０が載置される第１層としては、酸化銅、酸化鉄などを挙げることができ、第２層としては銅、鉄などを挙げることができる。
【００２２】
また、図２に示すように、酸化アルミニウム層２１は、流路部材３０に近いほど厚さが厚くなっている。本実施形態では、流路部材３０に近くなるほど、酸化アルミニウム層２１の厚さが連続的に厚くなっている。一方、アルミニウム層２２の膜厚は、酸化アルミニウム層２１の膜厚とは逆に、流路部材３０に近いほど薄くなっている。そして、ヒートシンク２０全体の厚さは、ほぼ均一となっている。
【００２３】
このような酸化アルミニウム層２１とアルミニウム層２２とからなるヒートシンク２０は、例えば、アルマイト処理により製造することができる。一例としては、平板状のアルミニウム板の一方面に、酸化アルミニウムの厚さが流路部材３０側に近いほど厚くなるようにアルマイト処理を適用することで、上記の２層からなるヒートシンク２０を製造することができる。
【００２４】
流路部材３０は、熱媒体として冷却水が流通する管状部材であり、流路部材３０の全体としては、複数の電池モジュール１に亘って環状に設けられている。換言すれば、環状の流路部材３０の一部に、各電池モジュール１のヒートシンク２０が取り付けられている。また、ヒートシンク２０が取り付けられる流路部材３０の一部は、電池セル１０が並設された方向（Ｘ方向）とは直交するＹ方向に沿って配置されている。
【００２５】
また、特に図示しないが、流路部材３０には、ラジエータやポンプなどの装置が設けられている。このような構成により、ラジエータで冷却された冷却水は、流路部材３０を流通し、再びラジエータで冷却するように循環している。なお、上記ラジエータやポンプ等は、電池モジュールのケースに収容されている。
【００２６】
上述した構成の電池モジュール１では、各電池セル１０で生じた熱は、ヒートシンク２０を介して流路部材３０の冷却水により放熱及び吸熱される。ここで、ヒートシンク２０は、相対的に熱伝導率が低い酸化アルミニウム層２１が流路部材３０に近いほど厚くなる構成となっている。このため、ヒートシンク２０の全体としては、流路部材３０に近いほど熱伝導率が低くなっている。このようなヒートシンク２０により、電池セル１０間での温度差（温度勾配）を低減することが可能となっている。
【００２７】
図３を用いて、電池セル１０の温度勾配を低減することができる機序について説明する。図３は、電池セルの温度分布を示す図である。横軸は、各電池セル１０ａ〜１０ｆの流路部材からの距離を表す。縦軸は、各電池セル１０ａ〜１０ｆの温度を表す。
【００２８】
まず、例えばアルミニウムのみからなるヒートシンクにおける温度勾配について説明する。このような従来のヒートシンクは熱伝導率が一様である。このようなヒートシンクを用いた場合では、流路部材３０に近い電池セル１０ほど温度が下がりやすく、流路部材３０から遠い電池セル１０ほど温度が下がりにくい。すなわち、流路部材３０に近い電池セル１０と、流路部材３０から遠い電池セル１０とで温度差が大きくなる傾向にある。
【００２９】
一方、本発明は、上述したように流路部材３０に近いほど熱伝導率が低くなったヒートシンク２０を用いる。このようなヒートシンク２０により、流路部材３０に近い電池セル１０は、流路部材３０から遠い電池セル１０と比較して吸熱及び放熱されにくくなる。すなわち、流路部材３０に近い電池セル１０と、流路部材３０から遠い電池セル１０とで温度差が大きくなりにくい。
【００３０】
従来のアルミニウムのみからなるヒートシンクを用いた場合において、電池セル１０ａ〜１０ｆの温度をそれぞれＴａ’〜Ｔｆ’とする。最も低い電池セル１０ａの温度Ｔａ’と、最も高い電池セル１０ｆの温度Ｔｆ’との温度差を温度勾配ＴΔ’とする。
【００３１】
一方、本発明のヒートシンク２０を用いた場合において、電池セル１０ａ〜１０ｆの温度をそれぞれＴａ〜Ｔｆとする。最も低い電池セル１０ａの温度Ｔａと、最も高い電池セル１０ｆの温度Ｔｆとの温度差を温度勾配ＴΔとする。
【００３２】
本実施形態の電池モジュール１は、流路部材３０に近いほど熱伝導率が低くなるヒートシンク２０を用いる。これにより、電池セル１０間の温度勾配を低減することができる。すなわち、電池セル１０間の温度勾配ＴΔを、従来のヒートシンクを用いた場合における電池セル１０間の温度勾配ＴΔ’よりも低減することができる。
【００３３】
また、本実施形態の電池モジュール１は、第１層の酸化アルミニウム層２１の厚さが流路部材３０に近いほど連続的に厚くなっている。これにより、電池セル１０間の温度勾配も連続的に低減することができる。すなわち、電池セル１０間の温度勾配ＴΔを、従来のヒートシンクを用いた場合における電池セル１０間の温度勾配ＴΔ’よりも、より一層、低減することができる。
【００３４】
また、本実施形態の電池モジュール１は、酸化アルミニウム層２１及びアルミニウム層２２からなるヒートシンク２０を用いている。このようなヒートシンク２０はアルマイト処理により容易に形成することができる。また、酸化アルミニウムとアルミニウムとは、熱伝導率におよそ８倍の差がある。このため、薄い膜厚であっても、流路部材３０に近い部位の熱伝導率を十分に低くすることができる。すなわち、電池セル１０の温度勾配をより一層低減することができるヒートシンクとして好適である。
【００３５】
〈実施形態２〉
実施形態１に係る電池モジュール１は、ヒートシンク２０の一箇所に流路部材３０が取り付けられる構造であったが、このような構造に限定されない。図４は本実施形態に係る電池モジュールの側面図である。
【００３６】
同図に示すように、ヒートシンク２０には、一方向（Ｘ方向）における両辺に流路部材３０がそれぞれ取り付けられている。そして、これらの流路部材３０の間に複数の電池セル１０が並設されている。流路部材３０の一方を流路部材３０Ａ、他方を流路部材３０Ｂとも称する。
【００３７】
各流路部材３０Ａ、３０Ｂに近いほど酸化アルミニウム層２１の厚さが厚くなっている。そして、各流路部材３０Ａ及び３０Ｂから最も遠いヒートシンク２０の中央部分２０Ｃにおいて、酸化アルミニウム層２１の厚さが最も薄くなっている。また、酸化アルミニウム層２１は、中央部分２０Ｃから各流路部材３０Ａ及び３０Ｂに向けて連続的に厚さが厚くなっている。
【００３８】
本実施形態に係る電池モジュール１Ａは、ヒートシンク２０の両側に流路部材３０を配置した構造を有する。これにより、ヒートシンク２０においては、流路部材３０Ａから中央部分２０Ｃまでの領域Ａにおける温度勾配と、流路部材３０Ｂから中央部分２０Ｃまでの領域Ｂにおける温度勾配が生じる。
【００３９】
領域Ａに対応する電池セル１０ａ〜１０ｃの温度勾配、及び領域Ｂに対応する電池セル１０ｄ〜１０ｆの温度勾配は、ヒートシンク２０の一箇所に流路部材３０を取り付けた実施形態１の電池モジュール１における温度勾配よりも低減されている。このように、温度勾配が生じる範囲をヒートシンク２０の全体から、領域Ａ及び領域Ｂに小さく分割したので、電池セル１０の温度勾配をより一層低減することができる。
【００４０】
〈実施形態３〉
実施形態１に係る電池モジュール１は、第１層の酸化アルミニウム層２１が流路部材３０に近いほど厚さが連続的に厚くなっていたが、このような構造に限定されない。図５は本実施形態に係る電池モジュールの側面図である。
【００４１】
同図に示すように、本実施形態の電池モジュール１Ｂにおいては、第１層の酸化アルミニウム層２１は、流路部材３０に近いほど、段階的に厚さが厚くなっている。本発明でいう「酸化アルミニウム層２１（第１層）が流路部材３０に近いほど厚さが厚い」とは、このような段階的に厚さが厚くなる構造を含む。このような構造の電池モジュール１Ｂでは、温度勾配も階段状（非連続）となる可能性はあるが、温度勾配を低減できるという点では、実施形態１と同様である。
【００４２】
〈他の実施形態〉
なお、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
【００４３】
上記各実施形態では、流路部材３０に冷却水を流通させる構成であったが、これに限定されない。熱媒体としては流体であればよく、水の他に空気を用いてもよい。また、上記各実施形態では、電池セル１０から吸熱及び放熱するために冷却水を用いたが、電池セル１０を加熱するための熱媒体を流路部材３０に流通させてもよい。このような熱媒体により電池セル１０を加熱して所定温度に保つためにも本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１、１Ａ、１Ｂ…電池モジュール、１０（１０ａ〜１０ｆ）…電池セル、２０…ヒートシンク（熱伝導部材）、２１…酸化アルミニウム層（第１層）、２２…アルミニウム層（第２層）、３０、３０Ａ、３０Ｂ…流路部材
【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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