(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の電池を平面状に配置すると共にこれらを直列、並列、あるいは直列と並列との組み合わせにより電気的に接続してなる電池群と、電池群の配置平面に並行な２面に位置して、一方が電池群の各電池の表面側に面接触し、他方が電池群の各電池の裏面側に面接触する１対の熱伝導性の良好な材料からなる伝熱板と、
電池群および１対の伝熱板を収容し、１対の伝熱板に面接触する熱伝導性の良好な材料からなる筐体とを、備え、
筐体は筐本体と蓋体とからなり、一方の伝熱板は筐本体に一体に形成され、他方の伝熱板は蓋体に一体形成されていることを特徴とする電池パック。
【請求項２】
筐体の外表面には、凹凸が形成されている請求項１記載の電池パック。
【請求項３】
伝熱板は、アルミニウム、銅、マグネシウム、またはこれらの１つを主成分とする合金、あるいは熱伝導性の良好な熱伝導性樹脂からなるものである請求項１または２記載の電池パック。
【請求項４】
筐体は、アルミニウム、銅、マグネシウム、またはこれらの１つを主成分とする合金、あるいは熱伝導性の良好な熱伝導性樹脂からなるものである請求項１、２または３記載の電池パック。
【請求項５】
筐体内に電気的制御を行う回路基板と、電池温度を計測するための温度センサを備えている請求項１〜４のいずれかに記載の電池パック。
【請求項６】
電池がアルカリ蓄電池またはリチウムイオン二次電池である請求項１〜５のいずれかに記載の電池パック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池パックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、バックアップ用電池は、主に鉛電池が使用されていた。近年、環境問題や小型・軽量化の要望により、バックアップ用電池としてアルカリ蓄電池やリチウムイオン二次電池が用いられ始めている。また駆動用電源として、アルカリ蓄電池のなかのニッケル−水素蓄電池が注目され、またリチウムイオン二次電池の実用化も図られている。
【０００３】
密閉型ニッケル−水素蓄電池では、充放電時にジュール熱のほかにガス吸収反応に伴う反応熱により温度が上昇する。従って従来の電池パックのように決められたスペースの中に電池を多数配置すると電池温度は電池の充電電流や放熱特性により異なるが８０℃以上となることもまれではない。またリチウムイオン二次電池も充放電時に熱発生を伴う。
【０００４】
また上記したように多数の電池を近接させて配置すると、中心に位置する電池は周りに他の電池があるため放熱性が悪く、周囲の電池に比較して温度上昇が著しい。
【０００５】
さらに、ニッケル−水素蓄電池の特徴として、温度が高いほどさらに電池自身の温度上昇が大きくなる傾向がある。このように温度が上昇することと多数の電池の個々の温度に大きな差が現れてくる、という問題がニッケル−水素蓄電池において顕著となる。
【０００６】
一般にアルカリ蓄電池は、高温では充電特性が低下し、それに加えて寿命特性も劣化する。リチウム二次電池も高温下では寿命特性が良くない。
【０００７】
そこで電池の温度上昇を抑えるために、電池間に金属板を挿入してその一端から放熱したり (例えば特開平７−１４６１６号公報）、俵積みした電池の中央に設置した電池のみに放熱板を設置したり（例えば特開平６−２２３８０４号公報）することが提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記提案による構造では、お互いの電池の発熱により中央の電池の温度が上昇しやすいという問題、および発熱体からの集熱効果が低いという問題を十分に解決することはできなかった。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑み、発熱による電池温度上昇を低くして充電特性の低下ならびに寿命劣化を抑制した電池パックを提供することを主たる目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、複数個の電池を平面状に配置すると共にこれらを直列、並列、あるいは直列と並列との組み合わせにより電気的に接続してなる電池群と、電池群の配置平面に並行な２面に位置して、一方が電池群の各電池の表面側に面接触し、他方が電池群の各電池の裏面側に面接触する１対の熱伝導性の良好な材料からなる伝熱板と、電池群および１対の伝熱板を収容し、１対の伝熱板に面接触する熱伝導性の良好な材料からなる筐体とを備え、筐体は筐本体と蓋体とからなり、一方の伝熱板は筐本体に一体に形成され、他方の伝熱板は蓋体に一体形成されていることを特徴とする。
【００１１】
上記構成により、電池群の各電池は１対の伝熱板に面接触し、また１対の伝熱板が筐体に面接触し、かつ伝熱板および筐体が熱伝導性の良好な材料からなるので、電池からの発熱を効率良く筐体に伝えて、放熱することができ、電池パック内の電池温度の上昇を低く抑えることができる。
【００１２】
電池群の各電池は端面を除く外周面のほぼ全面が１対の伝熱板に面接触することが好ましいが、少なくとも６０％以上、好ましくは７５％以上、最適には９０％以上の面接触であればよい。また筐体の外表面に、放熱フィンのような放熱用の凹凸を形成することで、より一層放熱を促進できて、電池パック内の電池温度の上昇を低く抑えることができる。
【００１３】
伝熱板および筐体は、アルミニウム、銅、マグネシウム、またはこれらの１つを主成分とする合金で構成すると、熱伝導性が良好なため、電池温度の上昇を低く抑える上で好適である。伝熱板および筐体を別体形成し、両者の接触面積をできるだけ大とすることが好適であるが、両者を一体形成すると理論上接触面積が最大となるので、最適である。また伝熱板および筐体を、熱伝導性の良好な熱伝導性樹脂、たとえば富士高分子工業株式会社製サーコンＧＲ−ｄ  ｔ２．０から構成することもできる。この例に示す熱伝導性樹脂は軟弾性を有するので、伝熱板が平板状であっても電池と面接触することができる。
【００１４】
電池群を構成するに際し、ｎ個の電池を軸方向に接続一体化して電池モジュールとし、この電池モジュールを平行にａ列配置すると好適である。ｎ個の電池を電気的にも直列に接続してなる電池モジュール単位で温度や電池を測定するように構成すると、制御が簡単かつ容易となる。
【００１５】
本発明は特に円筒形ニッケル−水素蓄電池、円筒形リチウムイオン二次電池の電池パックに適用すると好適である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の電池パックの第１実施形態を図１〜図７を参照して説明する。図において、１は円筒形の二次電池 (単に電池と称する場合がある。）であって、ニッケル−水素蓄電池、ニッケル−カドミウム蓄電池などのアルカリ蓄電池、あるいはリチウムイオン二次電池がこれに該当する。２は複数の電池１を収納する筐体、３は電池１の温度を測定する温度センサー、４は電池１の充電放電制御を行うための電気回路基板、５は電池１を充電するための充電ライン、６は電池１を放電するための放電ラインである。１１は電池モジュールであって、５個の電池１を軸方向に一直線状に接続したものである。５個の電池１は溶接等を用いて一体に接続され、かつ電気的にも直列に接続されて、電池モジュール１１を構成する。このように構成された電池モジュール１１が１０本、互いに平行でかつ互いに接するようにして平面状に配置されて、電池群１２が構成される。すなわち図１には、電池１が５個軸方向に接続されてなる電池モジュール１１を、互いに平行に１０列平面配置して、５０個の電池１からなる電池群１２が示されている。
【００１７】
図２に示すように、水平面上に配置された上記電池群１２の上面側（表面側）には、電池群１２の各電池１の上面側（表面側）に面接触する上側伝熱板８ａが、上記電池群１２の下面側（裏面側）には、電池群１２の各電池１の下面側（裏面側）に面接触する下側伝熱板８ｂがそれぞれ配設されている。両伝熱板８ａ、８ｂは電池１からの発熱を効率良く筐体２に伝えるために設けたものであり、アルミニウム、銅、マグネシウム、またはこれらの１つを主成分とする合金、あるいは熱伝導性樹脂シートなどの熱伝導性の良好な材料から構成されている。両伝熱板８ａ、８ｂは、電池１に接触する面に円弧断面の溝１３が１０本設けられていて、各溝１３に各電池モジュール１１の上側の面又は下側の面が面接触するように構成されている。また両伝熱板８ａ、８ｂは平面視長方形状に形成され、溝１３を有する面以外の面は平面に形成されている。
【００１８】
扁平直方体形状の筐体２は、筐本体２ａと蓋体２ｂとからなり、それぞれがアルミニウム、銅、マグネシウム、またはこれらの１つを主成分とする合金、あるいは熱伝導性樹脂などの熱伝導性の良好な材料から構成されている。筐本体２ａの内面は平面に形成され、下側伝熱板８ｂの下面と面接触する。また筐本体２ａの外面 (下面）には、放熱用の凹凸１７が形成されている。蓋体２ｂの内面は平面に形成され、上側伝熱板８ａの上面と面接触する。また蓋体２ｂの外面（上面）にも、放熱用の凹凸１７が形成されている。筐本体２ａと蓋体２ｂとは図２に示すように組み付けられ、その内部空間に電池群１２およびこれを上下から挟持する両伝熱板８ａ、８ｂを互いに密着する状態で収容すると共に、電気回路基板４等を収納している。
【００１９】
筐体２内に収納された５０個の電池１は、図３に示すように、全て直列に電気的に接続されている。図１には電池モジュール１１間を直列に電気的に接続する接続片１４が示されている。また各電池モジュール１１の軸方向中央位置に温度センサ３を貼付して、電池モジュール１１毎に温度を測定している。さらに図３に示すように電圧測定線７を配設して、電池モジュール１１単位、すなわち５個の直列接続された電池単位で、電圧を測っている。なお、図３において、１０は放電負荷を示している。
【００２０】
次に実施例１と比較例１について説明する。
【００２１】
実施例１および比較例１に用いた電池は、直径２３ｍｍ、高さ３４ｍｍの円筒形のニッケル−水素蓄電池で、電池容量は２０００ｍＡｈである。
【００２２】
実施例１は、図１〜図３に示すように構成され、両伝熱板８ａ、８ｂとしてアルミニウム製のものを、筐体２としてマグネシウム合金製のものを用いた。
【００２３】
比較例１は、筐体としてポリプロピレン樹脂製のものを用い、その形状は実施例１と同様のものとした。また比較例１は伝熱板に相当するものを備えていない。その他の構成（電気回路、温度センサー、配線等）は実施例１と同様なものとした。
【００２４】
実施例１、比較例１のそれぞれの電池パックを２０℃に保たれた恒温槽内に設置して次のような実験を行った。すなわち電気回路基板４を通して、電池の充電を行った。充電は５０個の直列電池群に対して２００ｍＡの定電流で１５時間行った。そのときの、電池温度で最も高かった部分の温度を図４に示す。
【００２５】
一般にニッケル−水素蓄電池では、電池容量に対して１００％の充電電気量までは温度上昇は少なく、１００％を越える付近から温度上昇が急激に起こる。これは、既に良く知られているように１００％までは加えられた電気量は電池内で電気化学反応として電気が貯えられる反応に用いられるが、１００％を越えると電池内部で、酸素と水素が発生してこれらから水を生成される反応が起こるため発熱が起こり電池温度が上昇することとなる。
【００２６】
図４で示されるように、実施例１では１００％充電までは約３℃の温度上昇がみられ、１００％以上においても環境温度に対して１８℃の温度上昇であるのに対して、比較例１では、１００％充電までで約１８℃、１００％以上では環境温度に対して約５０℃の温度上昇となっていることがわかる。
【００２７】
このように電池の外周全面に熱伝導性のよいアルミニウム製の伝熱板を面接触させ、さらに伝熱板に熱伝導性のよいマグネシウム合金製の筐体を面接触させることで、電池の発熱による熱を効率的に筐体外へ放熱することにより、電池温度の上昇を抑制することができる。
【００２８】
このとき、１５時間充電を行った後に、４００ｍＡで電池群電圧５０Ｖまで放電したときの放電電気量は、実施例１では１９００ｍＡｈであったのに対して比較例１では１２５０ｍＡｈであった。これは、ニッケル−水素蓄電池では一般に温度が高い環境では、充電効率が低下するためである。
【００２９】
既に述べたように、ニッケル−水素蓄電池では温度が高くなると充電効率が低下するのと同時に、寿命が短くなる点からも本発明で温度が低下することによる効果は絶大である。
【００３０】
図５に、実施例１で電池を１５時間充電した際の電池温度の最高温度と最低温度を示す。最高温度と最低温度の差は約４℃であった。
【００３１】
図６に、図５で示した充電を行ったときの放電容量を示す。放電は４００ｍＡの定電流で行った。最高温度を示した直列５個の電池（電池モジュール）をモジュールＡ、最低温度の直列５個の電池（電池モジュール）をモジュールＢとすると、モジュールＡの容量は１９００ｍＡｈでモジュールＢの容量は２０００ｍＡｈであった。このときの容量算出電圧は、５個の電池（電池モジュール）の電池電圧５Ｖすなわち、電池単体で１Ｖとした。実験からもわかるように、実施例１のように電池温度の絶対値を下げるとともに、電池モジュール間の温度バラツキも４℃となっているが放電容量のバラツキは５％程度あることになる。
【００３２】
上記のような状態でバックアップ時に、５０個の直列で放電した場合、充電電気量の少ない電池モジュールが他の電池モジュールより先に容量がなくなってしまい、電池として過放電の状態になる。ニッケル−水素蓄電池は、過放電されると電池特性が劣化してしまう現象が起こる。本発明では、電池モジュール毎に電圧を測定するようになっており、いずれかの電池モジュールの電圧が所定の電圧となった場合にすべての放電を停止するようになっている為に、いずれの電池モジュールも過放電になることはなく電池の劣化を抑制することができる。
【００３３】
図７に本発明の放電制御を行った場合と放電制御を行わなかった場合のサイクル寿命を示す。充電は２００ｍＡで１２時間、放電は２０００ｍＡで行った。放電制御ありでは、電池モジュール (５個の直列電池）毎の電圧を計測しいずれかの電池モジュールが５Ｖとなった場合放電を停止した。放電制御無しでは、５０個の電池電圧が５０Ｖとなった時点で放電を停止した。以上の繰り返しを行った。放電制御ありでは、１２００サイクルをこえても容量回復率は９０％を維持しているのに対し、放電制御無しでは、２００サイクル程度で電池が劣化して容量回復率が激減した。
【００３４】
次に本発明の電池パックの第２の実施形態を図８、図９を参照して説明する。この第２の実施形態も、第１の実施形態と同様の電池１、筐体２、温度センサー３、電気回路基板４、充電ライン５、放電ライン６、電圧測定線７、上側伝熱板 (図２参照）、下側伝熱板（図２参照）、接続片１４を備え、第１の実施形態と基本的には同じ構成を有している。
【００３５】
第２の実施形態が第１の実施形態と相違する点は、３個の電池１を直列に電気的かつ機械的に接続して１つの電池モジュール１１を構成している点、および３本の電池モジュール１１を並列に電気的に接続して計９個の電池１からなる電池ブロック１６を構成している点、および電池群１２を４つの電池ブロック１６を直列に電気的に接続して構成している点である。計３６個の電池１が、図８に示すように平面状に配置され、上記のように電気的に接続されて電池群１２が構成されるが、この電池群１２の各電池１は、その外周面が上下の伝熱板に面接触するようにし、同じく上下の伝熱板に面接触する筐体２内に収容されている。温度センサー３は各電池モジュール１１毎にその軸方向中央位置に貼付され、電池モジュール１１単位で温度を測定している。また電圧は各電池ブロック１６単位で測定されている。
【００３６】
次に実施例２と比較例２について説明する。
【００３７】
実施例２および比較例２に用いた電池は、直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの円筒形のリチウムイオン二次電池で、電池容量は１４００ｍＡｈである。
【００３８】
実施例２において、両伝熱板としてアルミニウム製のものを、筐体２としてマグネシウム合金製のものを用いた。
【００３９】
比較例２は、筐体としてポリプロピレン樹脂製のものを用い、その形状は実施例２と同様のものとした。また比較例２は伝熱板に相当するものを備えていない。その他の構成（電気回路、温度センサー、配線等）は実施例２と同様なものとした。
【００４０】
次に実施例２、比較例２に対して、実施例１、比較例１のときと同様の実験を行った。その結果は次のようであった。
【００４１】
実施例２で電池を定電流−定電圧充電を行ったときの電池パック内の最高温度と最低温度の差は約５℃であった。また、実施例２と比較例２の充電時の温度差は２０℃であった。
【００４２】
この電池パックを用いて、サイクル寿命評価を行った。充電は定電流−定電圧充電を行い、放電は４．２Ａで３Ｖまで放電した。
【００４３】
図９に実施例２について熱制御を行った場合と熱制御を行わなかった場合のサイクル寿命を示す。実験の結果からも、リチウムイオン二次電池は充放電時に発熱して電池の寿命を劣化させることになる。本発明で特に電池パックにして用いる際には、電池からの発熱による電池温度の上昇を極力低下させ、さらに電池間の温度差を小さくすることによって、格段に電池寿命を長くすることができる。
【００４４】
以上の実験より本発明は電池の種類に関係なく効果が見られた。
【００４５】
なお、実施例１では電池モジュールを５個の電池で構成し、総数を５０個とし、実施例２では電池モジュールを３個の電池で構成し、総数を３６個としたが、特に電池の個数は限定されず、実施上電池モジュールは１個以上１２個以下で構成し、総数は３６０個以下であることが好ましい。また実施例１では直列の場合を、実施例２では直列並列の混在の場合を述べたが、並列の場合でも良いことは言うまでもない。
【００４６】
さらに、実施例では伝熱板としてアルミニウム、筐体としてマグネシウム合金を用いたがアルミニウム、銅、マグネシウム、あるいはこれらの１つを主成分とする合金、熱伝導性樹脂を用いた場合にも同様の効果が得られることを確認している。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように本発明の電池パックは、発熱による電池温度上昇を低くして充電特性の低下ならびに寿命劣化を抑制し、放電制御を設けることにより、さらに寿命特性向上を図る電池パックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における電池パックの概略図。
【図２】同電池パックの断面図。
【図３】同電池パックの電気回路の概略図。
【図４】本発明の実施例１と比較例１における電池温度を示す図。
【図５】本発明の実施例１における電池温度を示す図。
【図６】同電池群の放電容量を示す図。
【図７】同寿命特性を示す図。
【図８】本発明の第２の実施形態における電池パックの概略図。
【図９】同寿命特性を示す図。
【符号の説明】
１  電池
２  筐体
２ａ  筐本体
２ｂ  蓋体
３  温度センサー
４  電気回路基板
５  充電ライン
６  放電ライン
７  電圧測定線
８ａ、８ｂ  伝熱板
１０  放電負荷
１１  電池モジュール
１２  電池群
１３  溝
１４  接続片
１６  電池ブロック
１７  凹凸
【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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