(57)【要約】【課題】リチウムイオン２次電池を用いた電池モジュールにおいて、電気的な接合を行う部材に電池の冷却機能を付加させ、余分な部材を用いることなく電池を効率的に冷却することを可能とする電池モジュールを提供すること。【解決手段】電気的接合部材であるリード４や突起７を有するバスバー３を備え、これらの部材に冷却風をあてて電池の冷却手段として用いる。リード４やバスバー３は表面積が大きくなっているので冷却性能が向上し、電池１をより効率的に冷却することが可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の孔を有する保持ブロックと、
前記孔内に収容されてなる電池群と、
前記電池群の一極と接続されるリードと、
前記電池群の前記一極側に配置されかつ前記リードと接続されるバスバーと、
を有する電池モジュールであって、
前記リードに向けて冷却風を吹き付ける送風手段と備え、前記リードは前記冷却風が流れる方向と垂直な面に折り曲げられてなること、
を特徴とする電池モジュール。
【請求項２】
前記バスバーに切り起こし部を設けた、請求項１記載の電池モジュール。
【請求項３】
切り起こされたバスバーの断面に平行方向の延長部に電流の入出力部を設けた、請求項１または２に記載の電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高容量のリチウム２次電池モジュールに関し、特に、ハイブリッドカーや電気自動車に搭載されるモーターの駆動用電源向け電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッドカーや電気自動車の電池パックは、一般に発進時および加速時におけるモーターへ電力を供給するための放電、あるいは、急ブレーキや長い坂道での回生制動時における充電が生じ、それゆえ、充放電時に大電流が発生することがある。また、夏季や熱帯地方での、環境温度が高い状態での使用も想定され、これらの要因によって電池パックの温度が上昇すると、電池パックの性能が低下したり、或いは、劣化が著しく進んで電池パックとしての寿命が短くなることに繋がる。そのため、性能低下や劣化を抑制するために、電池パックを強制的に冷却して温度上昇を抑えることが、重要な開発要素となっているのが実状である。
【０００３】
電池パックを強制的に冷却する構造としては、現在、種々のものが開発されており、その中には、電気的な接続機能を有する金属製の部品に風を当てることで冷却するものが知られる（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００４】
図５は、上記特許文献１に記載された従来の電池パック冷却方法を示す図である。
【０００５】
同図において、電池１が直列に３本接続された状態で電池モジュールが構成され、９本の電池モジュール、すなわち２７本の電池が、ゴム製の外板シール８及び電池支持孔９を介して、サイドバルクヘッド１０及び中間バルクヘッド１１によって保持される構造となっている。また、電池モジュールは、バスバー３によって電気的に接続されている。
【０００６】
特許文献１に記載された電池パック冷却方法は、本来、電池端面からガスが発生した場合に、そのガスを排気用の専用配管を設けずに排出する内容である。そのため、各バルクヘッドは中空構造となっているが、この空間は冷媒を流動させ、電池１と熱交換を行うことで電池１を冷却する手段としても使用することができる。空間に冷媒を流動させると、必然的にバスバー３にも冷媒があたるため、バスバー３による冷却効果も発生することになる。
【０００７】
また、図６は、特許文献２に記載された従来の電池パック冷却方法を示す図である。
【０００８】
電池１を金属製のジョイントギャップ１２で連結し、３本の電池１を直列にすることでモジュールを構成する。ジョイントギャップは、電池１の表面と対向する放熱フィン１３を有し、これに冷媒をあてることで電池１を冷却する仕組みとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−２５５７３５号公報
【特許文献２】特開２００２−３５９０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の構成では、電池に対して冷媒である空気が当たるが、高容量のリチウム二次電池では、この構成は使用することができない。
【００１１】
万一の危険な状態として、電池内部での短絡など何らかの理由で電池の温度が上昇、可燃性のガスが発生した場合、これによって電池側面が裂け、冷媒が直接電池に当てると、可燃性のガスに対して酸素を供給し、燃焼を助長することになり兼ねないためである。このため、電池は冷媒となる空気が直接あたらず、バスバーや放熱フィンと言った冷却部材にのみ空気が当たるような構成とする必要がある。しかしこのように電池を直接冷却できず、バスバーや放熱フィンからの間接的な冷却に頼らざるを得ない場合、前記従来の構成では、冷却部材の表面積が小さく、冷却能力が低くなるという課題を有している。
【００１２】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、電池が冷媒空気に直接当たらない構成とし、電気的な接合を行うバスバーを冷却部品とした場合でも、充放電中の電池を所望の温度以下に保つために十分かつ効率的な冷却性能を確保できる、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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明による電池モジュールは、バスバーおよびバスバーと電池を接続するリードを冷却部材として使用する。バスバーやリードを、冷却風の流れと直角方向に折り曲げるなどの加工を施し、冷却風の流れと平行な方向に大きな表面積を有することで、冷却風の流れを妨げたり、圧力損失を大きくすることなく、電池の冷却効率を高めることができる。
【００１４】
本構成によって、充放電時に大きな電流が流れる電池モジュールに対しても温度上昇を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明の電池モジュールによれば、電池を冷却する手段として電池と物理的に繋がりのあるバスバーやリードを使用する際に、これらの表面積を大きくすることで冷却効果を高め、電池を効率的に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１における電池モジュールの全体構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態１における電池モジュールによるリードを示す図
【図３】本発明の実施の形態１における電池モジュールによるバスバーを示す図
【図４】本発明の実施の形態１における電池モジュールによるバスバーを製作する方法を示す図
【図５】特許文献１に記載された従来の電池モジュール冷却方法を示す図
【図６】特許文献２に記載された従来の電池モジュール冷却方法を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電池モジュールの全体図である。
【００１９】
同図において、１は電池であり、リチウム２次電池が複数個、保持ブロック２の中に、同一方向、すなわち、並列に配置されている。３はバスバーであり、導電体で構成される。４はリードで、導電体で構成され、電池１の電極（図示せず）とバスバー３を繋いでいる。リード４は、冷却風の方向と垂直な面内で折り曲げることにより、表面積を増やすと共に、冷却風の圧損が増加するのを抑制していて、効率的に冷却できる。
【００２０】
なお、図１では図示していないが、電池モジュールはリード４に向けて冷却風を吹き付ける送風手段を有する。
【００２１】
図２（ａ）は、本発明の実施の形態１における電池モジュール冷却方法の概略図である。図２においては、電池モジュール全体を図１とは上下逆に表示しており、図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ’断面を表したものである。
【００２２】
図２（ａ）において、２は電池１を支持するためのブロック、３はバスバー、４はリードである。電池１としては、円筒形のリチウムイオン２次電池を用いる。１ａ側が正極、それ以外の表面、すなわち、正極１ａと反対側の円形底面および側面が負極となる。但し、通常、側面は絶縁体で覆われた状態で使用され、実質的には円形底面部分のみが負極としての機能を持つことが多い。
【００２３】
ブロック２は直方体で、電池１を挿入するための複数の円筒形の貫通孔を有する。図２（ｅ）はブロック２の貫通孔に垂直な方向から見た図である。貫通孔は図２（ｅ）に示すように、円筒形の軸方向が一致するように配列されている。円筒形の軸と垂直な方向については格子状もしくは千鳥状に、所定の本数の電池と同じ数の貫通孔が並ぶ。電池１の軸方向と同じ方向については、電池１の高さと同等以上の寸法を有し、冷却風が直接電池１に当たらない構造となる。
【００２４】
ブロック２については、電池からの発熱を効率よく外部へ放熱するために、熱伝導率の高い金属材料、例えばアルミニウムや銅が好ましい。しかし、本発明においては、電池１の冷却はバスバー３やリード４を用いて行うことと、後述のようにバスバー３やリード４の重量が大きくなることを軽減する目的から、ブロック２については、熱伝導率は低いが軽量な（比重が小さい）材質、例えば樹脂でも良い。製造方法としては、金属材料の場合は押し出しやダイキャスト、あるいはブロックからの削りだしなどの工法があり、また樹脂の場合でも型へ流し込んでの成形やブロックからの削りだしなどで製造されるものとする。
【００２５】
リード４の一方の端部は、電池１の正極や負極と物理的および電気的に接合される。もう一方の端部はバスバーと物理的および電気的に接合される。電池１とリード４、およびバスバー３とリード４を接合する手段としては、半田接合、レーザー接合などの手段がある。
【００２６】
電池１が充放電を行う際、電池１自体が発熱する。また、バスバー３やリード４についても、電流が流れることでジュール熱が発生し、電池１と接合されているために、その熱は電池１へも伝わる。発生した熱によって電池１の温度が上昇し、ある温度以上になると電気特性が低下する。そのため、充放電中においても電池１の温度上昇を抑制する必要がある。
【００２７】
高容量のリチウム２次電池は、万が一にも電池１の側面に内部短絡その他何らかの理由で損傷が発生した場合、そこから高温ガスが漏れる恐れがあり、その場合、高温ガスが隣接する電池１へ当たらないように、各々の電池１は空間的に他の電池と独立している必要がある。ブロック２は、電池１を保持すると共に、このようにある電池１から高温ガスが発生した場合に他のセルに移らないように、ブロックの壁によってそれぞれのセルから独立を保つ役割をも担っている。電池間に少しでも壁ができるのであれば、ブロック内部の構造は自由である。
【００２８】
例えば、図２（ｅ）は、電池モジュールを正極もしくは負極方向から見た図を示すが、電池と電池の間にあたる部分には、軽量化を目的として、本図に示すような孔５を設けることも可能である。この構造では、ブロック内に孔はあるものの、電池どうしはブロックの壁でお互いが隔てられており、何らかの理由で損傷が発生した場合であっても、高温ガスが隣接する電池に当たらないので、類焼を防止でき、安全性が高くなる。
【００２９】
バスバー３およびリード４は、個々の電池１と電気的に接続するため、導電性を有することが必要条件とされ、一般には金属材料が用いられる。リード４は通常、薄い金属の板を用いられることが多いが、図２（ａ）に示すように、リード４を長くし、バスバー３を含めて、これらの部分に冷却用の風が当たることで、リード４と接合される電池１を間接的に冷却する。リード４の表面積が大きいほど冷却の効果は大きくなる。表面積を増やすためにはリード４を長くすればよい。
【００３０】
例えば、図２（ａ）に示すように、冷却風の方向と垂直な方向に折り曲げてＳ字型とすることが考えられる。しかし、十分な冷却能力が確保できるのであれば、図２（ｃ）に示すように、冷却風の方向と垂直な方向に、単にＵ字型に折り曲げたものでもよい。これらのように、リード４を冷却風の方向と垂直な面内で折り曲げることにより表面積を増やすとともに、冷却風の圧損が増加するのを抑制していて、効率的に冷却できる。
【００３１】
部材を長くすることによって電気抵抗が増加し、それによるジュール発熱が問題となる可能性もあるが、リード４に、例えば銅のように比抵抗の低い材料を用いることで、長さの増加によるジュール発熱量の増加を無視できる程度に抑えることができる。
【００３２】
また、バスバー３やリード４の表面積を大きくすることはこれらの部品の大型化につながり、質量が増加する一方、電気的な接合部品を冷却部材として兼用することで、冷却の機能しか持たない部品を減らすことができ、さらには電池１を保持するブロック２についても、バスバー３やリード４で十分な冷却効率が得られれば、熱伝導率は高いが密度の大きな金属のような材料を用いる必要はなくなり、熱伝導率は低いが密度の小さな樹脂材料などに置き換えることができ、全体として質量を小さくすることができる。
【００３３】
円筒形のリチウムイオン２次電池は一般に、円筒の側面、一方の円形底面およびもう一方の円形底面の外周側約半分が負極、残りの円形底面中央部分が正極という構造をとる。そのため、正極側の表面積が負極側よりも小さい。そのため、正極に接合するリードのみに対して本発明記載の方法をとっても、期待される効果を発揮できない可能性はある。また、正極側は、高温ガスが発生した場合のガスの排気路のためにスペースを確保する必要もあることから、本発明の好ましい形態としては、図２（ａ）に示すように、負極側にバスバー３とリード４を接合する形態となる。しかし、正極側に空間の許容範囲があるならば、正極側に対しても採用することで、負極のみに本発明記載の方法をとるよりも冷却の機能を有する部材が増え、冷却効率がさらに高くなる効果が期待できるため、図２（ｄ）のように、正極・負極の両側にバスバー３およびリード４を配置してもよい。
【００３４】
なお、リードは、冷却風の効果を有効に活用するために、例えば、図２（ｂ）に示すように、リード４のＳ字型断面に対して垂直に風が当たるようにする必要があり、従って、各々の電池１に接続されるリード４の断面は全て方向を一致させるか、もしくは平行とすると良い。これにより冷却風の圧損を少なくでき、冷却効率を向上させることができる。
【００３５】
また、本発明では、リード４のみならず、バスバー３においても冷却効果を向上させることができる。図３は、本発明におけるバスバー３の形状を示すものである。本発明では後述の理由で、電流が流れる方向に対して冷却風が垂直にあたるような構造とする必要がある。したがって電流の方向は、図２（ｂ）を例にとると、紙面に対してもリード４に対しても平行な方向、すなわち紙面上で右から左もしくは左から右へ流れるような位置関係とする。
【００３６】
バスバー３には、所定の間隔で切り起こしの突起６を設ける。突起６は、バスバー３の一部分を板厚方向に切り起こして作成される。
【００３７】
図３（ａ）は、突起６を平行な２本のスリットの間を盛り上げ、切り起こした例である。図３（ｂ）は突起６を１本のスリットの両側を盛り上げ、切り起こした例である。
【００３８】
突起６において、電流は切り起こされた断面と平行、すなわちスリットの方向に流れることになる。つまり、電流の方向は、切り起こされた部分以外の部分と同じ方向を向いていることになり、電流が流れる方向に対する断面積にはほとんど変化がないことになる。このような電流の方向にするには、バスバーの電流の入出力部３ａを図３（ａ）、図３（ｂ）においてバスバーの右端、または左端にすればよい。
【００３９】
バスバーに電流が流れるとジュール熱が発生し、ジュールの法則によりその発熱量は電気抵抗に比例する。電気抵抗は断面積に反比例するが、上述のように断面積はほとんど変わらない。つまり、発熱量を変化させることなく、突起６の切り起こしにより、バスバー３の表面積を増加させることができる。表面積が増加すれば冷却効果も高められ、最終的には、発熱量を変えずに冷却効果を高めることで、切り起こしがない通常のバスバー３を用いる場合よりも冷却能力を大きくすることにつながる。
【００４０】
図４は、図３（ａ）の突起６を製作する方法を示す図である。突起６を作成するバスバー突起製造用の治具７は、２つの金属ブロックで構成される。一方の金属ブロックは突起６を押し出し形成するための出っ張りを有し、もう一方の金属ブロックは出っ張りに対応した形状のくぼみを有しており、出っ張りおよびくぼみは所定の間隔で配置される。出っ張りとくぼみの隙間はバスバー３の材料となる金属板の厚さと同等とすることで、突起形成後の、電流方向に対する断面積は変化しない。バスバー３の材料となる厚さが一定の金属板をバスバー突起製造用の治具７の間に挟み込み、バスバー突起製造用の治具７を押し付けることにより、突起６が形成される。
【００４１】
バスバー突起製造用の治具７は、ローラー形状にしてもよく、場合によってはこれによってバスバーや電池モジュールの製作効率を向上させることも可能である。
【００４２】
かかる構成によれば、リチウムイオン２次電池を用いた蓄電池モジュールにおいて、電池１を支持するブロック２を電池１に直接風が当たることを避け、バスバー３およびリード４にモジュールを冷却するための風が当たる構造とし、かつバスバー３およびリード４の表面積を大きくすることにより、電池１が駆動する際のジュール発熱による温度上昇を抑制することができる。
【００４３】
バスバー３を用いて冷却性能を向上させるもう一つの手段として、図３（ｂ）に示すように、電流方向と平行な方向が長くなるように切り起こす方法がある。この方法は電流と冷却風の方向が一致する場合に用いる方法で、冷却風方向の表面積を増やすことで冷却性能を向上させることができる一方、冷却風と垂直な方向の表面積増加を最小限にすることで、風を妨げることによる圧損増加は抑えられている。また、電流について考えると、電気抵抗が変化する要因となる断面積や長さの寸法変更はほとんどなく、したがって電気抵抗にはほとんど影響を及ぼさない。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の電池モジュールは、電池を効率的に冷却して一定の温度以上にしないことで電池性能の劣化を抑制する効果を有する。電気自動車やハイブリッド自動車の他、民生用・家庭用の、例えば太陽電池で作られた電気エネルギーを蓄える電池モジュール等の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４５】
１    電池
２    保持ブロック
３    バスバー
４    リード
５    孔
６    突起
７    バスバー突起製造用の治具
８    外板シール
９    電池支持孔
１０  サイドバルクヘッド
１１  中間バルクヘッド
１２  ジョイントギャップ
１３  放熱フィン
【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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