(57)【要約】【課題】電池モジュールの性能低下を抑制する技術を提供する。【解決手段】電池モジュール１０は、電極体と、電極体が収容された筐体と、筐体の外部に設けられ、電極体に電気的に接続されている外部端子とをそれぞれ有し、互いに配列されてた複数の電池３０と、基材２１と、外部端子が接続されている配線層２２とを有する回路基板１２と、複数の電池３０の、外部端子と反対側の領域を支持する放熱部材１４と、基材２１と放熱部材１４との間の熱の移動を容易にする伝熱機構１６と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極体と、前記電極体が収容された筐体と、前記筐体の外部に設けられ、前記電極体に電気的に接続されている外部端子とをそれぞれ有し、互いに配列された複数の電池と、
基材と、前記外部端子が接続されている配線層とを有する回路基板と、
前記複数の電池の、前記外部端子と反対側の領域を支持する放熱部材と、
前記基材と前記放熱部材との間の熱の移動を容易にする伝熱機構と、
を備えることを特徴とする電池モジュール。
【請求項２】
前記伝熱機構は、前記基材と前記放熱部材とを接続する金属部材を有することを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項３】
前記伝熱機構は、外部との熱の授受を行う熱媒体が流れる伝熱流路を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電池モジュール。
【請求項４】
前記伝熱流路は、前記基材または前記放熱部材の少なくともいずれかと熱交換できるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の電池モジュール。
【請求項５】
前記放熱部材は、外部との熱の授受を行う熱媒体が流れる放熱流路を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の電池モジュール。
【請求項６】
電池モジュールの温度を検出する温度検出部と、
前記温度に応じて熱媒体の温度を制御する制御機構と、
を更に備えることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の電池モジュール。
【請求項７】
前記制御機構は、前記電池モジュールの温度が所定の閾値よりも高い場合に熱媒体を冷却する冷却装置を有することを特徴とする請求項６に記載の電池モジュール。
【請求項８】
前記制御機構は、前記電池モジュールの温度が所定の閾値よりも低い場合に熱媒体を加熱する加熱装置を有することを特徴とする請求項６または７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、複数個の電池が接続された電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電池（単セル）の起電力は低く、起電力が高いといわれるリチウムイオン電池においても４Ｖ程度である。そのため、より高い電圧が必要な場合には、複数個の電池を直列接続してモジュール化することが行われている。このように複数個の電池をモジュール化する場合、各電池の電極間の接続には板状の金属部材が用いられることがある。
【０００３】
例えば、金属部材が絶縁性基材に内蔵されている金属部材内蔵基板によって複数個の電池を接続した電池パックが考案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２１８７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、電池は充放電時に発熱することがある。特に複数の電池をモジュール化した場合、その発熱量が多くなる。そのため、適切な放熱がなされないと、電池の過度の昇温、電池モジュール内の各電池の温度のばらつき、電池内における温度分布の不均一、などの現象が生じる。これらの現象は、電池性能の低下やばらつきをもたらし、電池寿命を短くする。
【０００６】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電池モジュールの性能低下を抑制する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電池モジュールは、電極体と、電極体が収容された筐体と、筐体の外部に設けられ、電極体に電気的に接続されている外部端子とをそれぞれ有し、互いに配列された複数の電池と、基材と、外部端子が接続されている配線層とを有する回路基板と、複数の電池の、外部端子と反対側の領域を支持する放熱部材と、基材と放熱部材との間の熱の移動を容易にする伝熱機構と、を備える。
【０００８】
この態様によると、電池は基材と放熱部材との間に配置されており、電池の熱は基材と放熱部材を介して放熱される。また、電池内の発熱が不均一であり、電池の熱を吸収した基材と放熱部材との温度が異なるような場合であっても、伝熱機構により基材と放熱部材との間の熱の移動が可能なため、電池の温度を均一化できる。
【０００９】
伝熱機構は、基材と放熱部材とを接続する金属部材を有してもよい。
【００１０】
伝熱機構は、外部との熱の授受を行う熱媒体が流れる伝熱流路を有してもよい。
【００１１】
伝熱流路は、基材または放熱部材の少なくともいずれかと熱交換できるように構成されていてもよい。
【００１２】
放熱部材は、外部との熱の授受を行う熱媒体が流れる放熱流路を有してもよい。
【００１３】
電池モジュールの温度を検出する温度検出部と、温度に応じて熱媒体の温度を制御する制御機構と、を更に備えてもよい。
【００１４】
制御機構は、電池モジュールの温度が所定の閾値よりも高い場合に熱媒体を冷却する冷却装置を有してもよい。
【００１５】
制御機構は、電池モジュールの温度が所定の閾値よりも低い場合に熱媒体を加熱する加熱装置を有してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電池モジュールの性能低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施の形態に係る電池モジュールの概略構成を示す模式図である。
【図２】電池の概略構成を示す断面図である。
【図３】第２の実施の形態に係る電池モジュールの側面図である。
【図４】第２の実施の形態に係る電池モジュールに適した電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図５】電池システムにおける温度制御のフローチャートの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
［電池モジュール］
図１は、第１の実施の形態に係る電池モジュールの概略構成を示す模式図である。電池モジュール１０は、互いに離間して配列されている複数の電池（単セル）３０と、複数の電池の外部端子同士（正極端子５０および負極端子６０）を電気的に接続する回路基板１２と、複数の電池３０の、外部端子と反対側の底部（下部）領域を支持する放熱部材１４と、回路基板１２と放熱部材１４との間の熱の移動を容易にする伝熱機構１６と、を備える。
【００２０】
［回路基板］
回路基板１２は、金属基板１８、絶縁樹脂層２０および配線層２２を有する。本実施の形態では、金属基板１８と絶縁樹脂層２０とで基材２１を構成する。
【００２１】
金属基板１８は、絶縁樹脂層２０の一方の主表面に配置されている。金属基板１８は、熱伝導性に優れたＡｌ、Ｃｕなどの金属を平板状にした部材であり、回路基板１２の放熱性を高める。
【００２２】
絶縁樹脂層２０は、回路基板１２の基材２１の一部であり、例えば、ＢＴレジン等のメラミン誘導体、液晶ポリマー、エポキシ樹脂、ＰＰＥ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドビスマレイミド等の熱硬化性樹脂が例示される。回路基板１２の放熱性向上の観点から、絶縁樹脂層２０は高熱伝導性を有することが望ましい。このため、絶縁樹脂層２０は、銀、ビスマス、銅、アルミニウム、マグネシウム、錫、亜鉛およびこれらの合金などを高熱伝導性フィラーとして含有することが好ましい。
【００２３】
配線層２２は、絶縁樹脂層２０の他方の主表面に所定パターンをなして形成されている。本実施の形態の配線層２２は銅で形成されている。
【００２４】
回路基板１２の一方の主表面には、電子部品（不図示）が搭載されている。電子部品は、ＩＣなどの半導体素子や、抵抗、コンデンサなどの受動素子からなる。電子部品は、電池３０の電圧や温度を監視し、電池３０の接続状態を制御する回路部を構成する。より具体的には、回路部は、各電池３０の電圧や温度を監視し、電圧や温度が異常を示した場合に、当該電池３０のみ、または当該電池３０を含む複数の電池の接続を遮断する機能等を備えている。
【００２５】
また、回路基板１２の一方の主表面には、電池３０が接続されている。具体的には、電池３０の外部端子（正極端子５０および負極端子６０）と回路基板１２の配線層２２とが接続されている。
【００２６】
伝熱機構１６は、回路基板１２の基材２１と放熱部材１４とを接続する金属部材１７である。本実施の形態に係る金属部材１７は、板状の部材を折り曲げて作製してある。材質は、例えばＡｌやＣｕが好適である。これにより、伝熱機構１６を安価で簡便に構成することができる。
【００２７】
放熱部材１４と電池３０の下面との間には、絶縁膜２４が設けられている。絶縁膜２４の材質は、絶縁性が満たされるものであれば特に限定されない。
【００２８】
［電池］
図２は、電池３０の概略構成を示す断面図である。電池３０は、図２に示すように、外装缶（筐体）３１内に、正負極が渦巻状に巻回されてなる電極体３２が外装缶３１の缶軸方向に対し横向きに収納されており、封口板３３により外装缶３１の開口が封口されている。封口板３３には電池３０の外方に突出した正極端子５０と負極端子６０が設けられている。また、封口板３３には、ガス排出弁（図示せず）が形成されている。
【００２９】
正極端子５０は、ガスケット３４に当接された状態で、封口板３３の正極用開口に嵌め込まれている。また、正極端子５０は、封口板３３の電池内側において正極タブ部材５３と接続している。なお、封口板３３の正極用開口に嵌め込まれた正極端子５０の端部には、封口板３３の正極用開口に沿って側壁が形成されるような凹部５１が設けられている。凹部５１の縁部分が広がるようにかしめることで、正極端子５０が固定されている。正極端子５０の芯部（図示せず）はアルミニウムで形成されており、芯部の周りを銅めっき層（図示せず）が被覆している。正極タブ部材５３と封口板３３の電池内側面との間に絶縁板３５が設けられている。封口板３３の正極用開口において、絶縁板３５とガスケット３４とが当接している。これにより、正極タブ部材５３および正極端子５０が封口板３３から絶縁されている。
【００３０】
正極タブ部材５３は、電極体３２の一方の端面から突出した正極集電板群３２ａに接続されている。なお、正極集電板群３２ａは、電極体３２の一方の端面から突出した複数の正極集電板を束ねたものである。
【００３１】
負極端子６０は、ガスケット３４に当接された状態で、封口板３３の負極用開口に嵌め込まれている。また、負極端子６０は、封口板３３の電池内側において負極タブ部材６２と接続している。なお、封口板３３の負極用開口に嵌め込まれた負極端子６０の端部には、封口板３３の負極用開口に沿って側壁が形成されるような凹部６１が設けられている。凹部６１の縁部分が広がるようにかしめることで、負極端子６０が固定されている。負極端子６０は全体が銅で形成されている。負極タブ部材６２と封口板３３の電池内側面との間に絶縁板３５が設けられている。封口板３３の負極用開口において、絶縁板３５とガスケット３４とが当接している。これにより、負極タブ部材６２および負極端子６０が封口板３３から絶縁されている。
【００３２】
負極タブ部材６２は、電極体３２の他方の端面から突出した負極集電板群３２ｂに接続されている。なお、負極集電板群３２ｂは、電極体３２の他方の端面から突出した複数の負極集電板を束ねたものである。
【００３３】
このように、本実施の形態に係る電池３０は、電極体３２に電気的に接続されている外部端子として、正極端子５０および負極端子６０を有している。
【００３４】
図１に示す電池モジュール１０においては、電池３０は基材２１と放熱部材１４との間に配置されており、電池３０の熱は基材２１や放熱部材１４を介して放熱される。また、電池内の発熱が不均一であり、電池３０の上部の熱を主に吸収した基材２１と、電池３０の下部の熱を主に吸収した放熱部材１４との温度が異なるような場合、伝熱機構１６により基材２１と放熱部材１４との間の熱が容易に移動できる。
【００３５】
例えば、電池３０において、正極端子５０や負極端子６０近傍での発熱が、電池３０の底部（端子と反対側の下部領域）での発熱より大きい場合、基材２１の温度は放熱部材１４よりも高くなる傾向にある。その場合、伝熱機構１６により基材２１の熱を放熱部材１４へ容易に移動できる。つまり、基材２１の温度を下げることができる。その結果、電池３０の端子近傍の熱をより吸熱することが可能となり、電池３０の端子近傍の温度を低下させることができる。これにより、電池３０の内部における発熱が不均一であっても、電池の温度を均一化できる。
【００３６】
また、適切な放熱構造を採用しないと、各電池は、電池モジュールにおける位置や発熱量によって、温度にばらつきが生じることがある。しかしながら、本実施の形態に係る電池モジュール１０においては、基材２１は複数の電池３０と接続されており、放熱部材１４は複数の電池３０を支持しているため、基材２１、放熱部材１４および伝熱機構１６を介して各電池３０の温度のばらつきを低減することができる。
【００３７】
本実施の形態に係る電池モジュール１０において、回路基板１２は、回路基板１２を構成する配線層２２と、電池３０の正極端子５０および負極端子６０とを物理的に接続していることから、正極端子５０および負極端子６０とは熱的にも接続されている。
【００３８】
そのため、電池３０で発生した熱は、正極端子５０および負極端子６０から配線層２２を介して金属基板１８に伝導し、さらにその熱は金属部材１７に伝わり、電池３０の底面側の放熱部材１４へと伝導することができる。
【００３９】
このように、回路基板１２は、単に電池３０との電気的接続を実現するだけでなく、同時に放熱機能および伝熱機構をも備えていることから、電池モジュール１０全体としての熱の均一化を効率的に行えるとともに、複数の電池３０の結合をも容易に行える。
【００４０】
なお、伝熱機構１６は、金属部材１７の代わりに外部との熱の授受を行う熱媒体が流れる伝熱流路としての配管を有してもよい。熱媒体は、水やオイルなどの液体に限らず気体であってもよい。これにより、電池３０の発熱量が多い場合であっても、十分な放熱性を実現できる。
【００４１】
また、伝熱機構として金属部材１７と配管を併用してもよい。この場合、配管を金属部材１７の側面と接するように配置するとよい。あるいは、配管を基材２１または放熱部材１４の少なくともいずれかと接するように配置してもよい。このように配置することで、配管を流れる熱媒体と、金属部材１７、基材２１、放熱部材１４などとの熱交換が効率よく行われる。
【００４２】
（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態に係る電池モジュールの側面図である。図４は、第２の実施の形態に係る電池モジュールに適した電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図４では、電池モジュールのうち配管を有する放熱部材のみを記載し、他は図示を省略してある。
【００４３】
図３に示す電池モジュール７０は、第１の実施の形態に係る電池モジュール１０と比較して、電池の下部を支持する放熱部材に冷却加熱用の配管を備えている点が大きく異なる。配管１４ａは、放熱部材１４の内部に蛇行するように設けられており、外部との熱の授受を行う熱媒体が流れる放熱流路として機能する。これにより、放熱部材１４の放熱性を向上することができる。なお、このような配管を回路基板１２に設けてもよい。
【００４４】
［電池システム］
図４に示す電池システム１００は、電池モジュール７０と、検出された電池モジュール７０の温度に基づいて各装置の動作を制御する温度モニタ７２と、熱媒体としての水を電池モジュール７０に設けられている配管内で循環させる循環ポンプ７４と、熱媒体としての水を冷却する熱交換器７６と、熱媒体としての水を加熱するヒータ７８と、水を循環させる配管系統８０と、電池モジュール７０の所定の箇所に電池モジュール７０の温度を検出する温度センサ８１と、を備える。
【００４５】
配管系統８０は、電池モジュール１０から水が排出される排出口８２と、電池モジュール７０へ水を送出する送出口８４と接続されている。また、配管系統８０は、熱交換器７６が途中に設けられている第１の配管８０ａと、ヒータ７８が設けられている第２の配管８０ｂと、循環ポンプ７４が設けられている第３の配管８０ｃとで構成されている。第１の配管８０ａおよび第２の配管８０ｂは、それぞれの両端が三方弁８６および三方弁８８により接続されている。第３の配管８０ｃは、三方弁８８と送出口８４とを連結している。
【００４６】
三方弁８６および三方弁８８は、温度モニタ７２からの指示信号により開閉状態が制御される。排出口８２から排出された水は、循環ポンプ７４の働きにより、第１の配管８０ａまたは第２の配管８０ｂのいずれかを経由して電池システム１００内を循環する。
【００４７】
本実施の形態に係る電池モジュール７０は、電池３０と配管１４ａ内の熱媒体との間の熱の授受が行われるため、例えば、電池３０の発熱を熱媒体に伝えることで、電池３０の温度上昇を抑制することができる。そのため、温度上昇に起因する電池性能の低下が抑制され、電池モジュール全体の寿命を延ばすことができる。
【００４８】
また、電池モジュール７０では、配管１４ａを経由して熱媒体が電池モジュールの外部へ排出されるとともに、外部の熱交換器７６で冷却された熱媒体が再度内部へ戻される。そのため、熱媒体の循環を循環ポンプ７４で制御することで、電池の発熱量が多い場合であっても電池の温度調整が可能となる。また、電池モジュール７０では、外部のヒータ７８で加熱された熱媒体を電池モジュールの内部で循環させることもできる。そのため、低温環境下では、充放電に適切な温度まで電池３０を昇温することができる。このように、電池モジュール７０は、電池３０の熱の外部への放熱や外部の熱による電池の加熱を容易に行うことができる。
【００４９】
また、電池モジュール７０は、配管１４ａ内の熱媒体を循環させるように構成されているため、各電池３０の温度を均一に保ちやすい。そのため、各電池３０の性能劣化の差を小さくでき、電池モジュール７０全体としての寿命を延ばすことができる。
【００５０】
［温度制御］
次に、電池モジュールの温度に応じて配管内の熱媒体の温度を制御する方法について説明する。以下では、図４に示す電池システム１００を一例に説明する。
【００５１】
前述のように、電池システム１００は、熱媒体を冷却または加熱する配管系統を電池モジュール７０の外部に備えている。また、電池システム１００は、電池モジュール７０の温度を検出する温度センサ８１が放熱部材１４に取り付けられている。図５は、電池システム１００における温度制御のフローチャートの一例を示す図である。
【００５２】
温度モニタ７２は、温度センサ８１により電池モジュール７０の温度Ｔを検出すると（Ｓ１０）、所定の閾値Ｔ０と比較する（Ｓ１２）。検出した温度Ｔが所定の閾値を超えていない場合（Ｓ１２のＮｏ）、温度モニタ７２は、循環ポンプ７４を作動させることなく温度センサ８１の検出温度を取得し続ける。一方、検出した温度Ｔが所定の閾値を超えている場合（Ｓ１２のＹｅｓ）、温度モニタ７２は循環ポンプ７４を作動させ（Ｓ１４）、電池モジュール１０の放熱部材１４内の水を循環させる。循環している水は、熱交換器７６により放熱し常に冷却されるため、電池モジュール１０はある温度以下に保たれる。
【００５３】
なお、低温環境下で電池３０を加熱する場合、温度モニタ７２は、水がヒータ７８を通過するように三方弁８６，８８の開閉状態を制御するとともに、循環ポンプ７４を作動させればよい。
【００５４】
このように、電池システム１００は、温度に応じて熱媒体の温度を制御する制御機構として、温度モニタ７２、循環ポンプ７４、熱交換器７６、ヒータ７８、温度センサ８１などを備えている。
【００５５】
つまり、制御機構は、電池モジュール７０の温度が所定の閾値よりも高い場合に熱媒体を冷却する冷却装置としての熱交換器７６を有している。そのため、電池３０の温度上昇が抑制され、電池モジュール７０の寿命が延びる。
【００５６】
また、制御機構は、電池モジュール７０の温度が所定の閾値よりも低い場合に熱媒体を加熱する加熱装置としてのヒータを有している。そのため、低温環境下であっても、充放電に適切な温度まで電池３０を昇温することができる。
【００５７】
このように、電池システム１００は、伝熱機構１６、放熱部材１４、回路基板１２などを介して電池３０の冷却や加熱を間接的に行い、電池モジュール７０の温度を一定の範囲で調整できる。
【００５８】
上述の電池モジュールによれば、適切な温度調整や温度制御により、電池モジュールの性能劣化が抑制される、また、電池モジュールや回路基板の温度制御が可能なため、電池や電極付近の発熱による電池の性能劣化が抑制される。また、電極付近に発生する熱による応力を緩和できるため、接合部の機械的な信頼性が向上する。
【００５９】
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【符号の説明】
【００６０】
１０  電池モジュール、  １２  回路基板、  １４  放熱部材、  １４ａ  配管、  １６  伝熱機構、  １７  金属部材、  １８  金属基板、  ２０  絶縁樹脂層、  ２１  基材、  ２２  配線層、  ２４  絶縁膜、  ３０  電池、  ３１  外装缶、  ３２  電極体、  ５０  正極端子、  ６０  負極端子、  ７０  電池モジュール、  ７２  温度モニタ、  ７４  循環ポンプ、  ７６  熱交換器、  ７８  ヒータ、  ８０  配管系統、  ８１  温度センサ、  １００  電池システム。
【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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