JP2005317525A - 角型蓄電池の外装ケース及び角型蓄電池の配列方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 角型蓄電池において、重量増加を伴わずに剛性を増すことのできる外装ケースを提供することを課題とする。
【解決手段】 外装ケース１０は、図示せぬ蓄電エレメントを収納する角筒部１１と、この角筒部１１の全周に亘って一体形成した環状リブ１２と、からなる。
【効果】 環状リブは、面の中央においては撓みを下げ、コーナー部においては応力を下げる作用を発揮する。すなわち、環状リブで撓み剛性並びに曲げ剛性を高めることができたので、板厚はそのままで、大きな内圧に耐える外装ケースを提供することができる。板厚が増加しないので、重量が増える心配はない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、角型蓄電池の外装ケース及び角型蓄電池の配列方法の改良に関する。

自動車機器の電気・電子化に伴って二次電池、電解コンデンサー、キャパシタなど充電可能な電気品（これらを蓄電池と呼ぶ）の用途が増加しつつある。
このような蓄電池には、円筒型電池と角型電池とがあり、角型電池は多数個を集中して配置することができるため、需要は多く、その構造についても各種提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−３４３３１０公報（図１）

特許文献１に明示されているように、従来の角型蓄電池の外装ケースは、薄い金属板を絞り成形してなる、肉厚一様の密閉箱体である。
ところで、蓄電池では、充放電に伴う発熱で密閉箱体の内部のガスが膨張し、内圧が上昇することがある。

そこで、発明者らは、内圧の上昇に対処するために、先ず従来の密閉箱体の剛性を検討した。
図８は従来の角型蓄電池の外装ケースのモデル図であり、（ａ）は撓み、（ｂ）は応力を示すモデル図である。

（ａ）において、外装ケース１００は、板厚が０．５ｍｍで、材質がアルミニウム合金の箱であり、上下面を拘束し、他の４面に作用するように内圧をかけた。結果として面１０１の中央に、最大撓みδｍａｘが発生した。
（ｂ）において、面１０１と面１０１のコーナー部１０２に最大応力σｍａｘが発生することが判明した。

最大撓みδｍａｘと最大応力σｍａｘとの両方が、許容撓みや許容応力以下になるように、板厚を増加するという対策を講じる必要がある。
しかし、板厚を増すと、比例して重量が増加し、車両重量の増加の要因となり、好ましくない。

図９は従来の角型蓄電池の配列図である。
（ａ）において、角型蓄電池の利点を生かすために、複数の角型蓄電池１１０、１１０を密に配列する。ただし、周知の通り二次電池は、充放電に伴って発熱する。また、キャパシタは、周囲からの受熱で温度上昇することは好ましくない。これらの発熱／受熱対策として幅Ｌの通風通路１１１を確保して通風冷却を実施する。

ところで、充放電に伴ってガスが発生して内圧が上昇すると、（ｂ）に示すように側面１１２、１１２が外へ膨らむ。すなわち、上部の蓋１１３と下部の底１１４が丈夫であるため、側面１１２、１１２が顕著に変形する。
この変形の結果、側面１１２、１１２同士が接する若しくは近接するため（ａ）に示した通風通路１１１は、（ｂ）ではごく小さな通路１１５、１１６に変わる。
この小さな通路１１５、１１６では冷却が不十分になり角型蓄電池の熱的劣化が進行し、電池寿命が短くなる。

（ａ）において側面１１２、１１２の変形を見込んで幅Ｌを増加すると、角型蓄電池１１１０、１１０を密に配列することができなくなる。そこで、密に配列しても通風通路を確保することができる技術が必要になる。

本発明は、角型蓄電池において、重量増加を伴わずに剛性を増すことのできる外装ケースを提供すること、冷却効率の向上及び密に配列しても通風通路を確保することができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、蓄電エレメントを収納する蓄電池の外装ケースにおいて、
この外装ケースは、角筒部と、この角筒部の一般面より筒の外方及び／又は内方へ突出させると共に角筒部の全周に亘って前記角筒部に一体形成した環状リブと、を含むことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、角筒部は内面が平坦面であり、筒の外方へ環状リブを膨出形成したことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、角筒部の側面が山部と谷部を交互に連続させた波形断面で構成してなる角型蓄電池の配列方法において、前記角型蓄電池を複数個準備し、一方の角型蓄電池の側面の山部に他方の角型蓄電池の側面の山部を対向させ、一方の角型蓄電池の側面の谷部に他方の角型蓄電池の側面の谷部を対向させることで、複数個の角型蓄電池を並列に配置することを特徴とする。

請求項１に係る発明では、外装ケースは、角筒部の全周に亘って一体形成した環状リブを備える。
環状リブは、面の中央においては撓みを下げ、コーナー部においては応力を下げる作用を発揮する。すなわち、環状リブで撓み剛性並びに曲げ剛性を高めることができたので、板厚はそのままで、大きな内圧に耐える外装ケースを提供することができる。板厚が増加しないので、重量が増える心配はない。
また、該環状リブは副次的効果として、外装ケース側面の表面積を増やし、凹及び／又は凸溝によって流体の整流フィンの役割を兼ね備えることによる冷却効率の向上も挙げられる。

請求項２に係る発明では、環状リブは筒の外方へ膨出させた。ケースの内面が平坦面であって、ケースの内容積を確保することができるため、十分な大きさの蓄電エレメントを収納することができ、蓄電池の充放電性能を高めることができる。

請求項３に係る発明では、側面の山部と山部を対向させ、谷部と谷部を対向させるようにした複数個の角型蓄電池を並列に配置する。内圧が上昇して側面が外へ膨出すると、山部と山部とが当たることはある。この状態でも、谷部と谷部とで通風通路を確保することができる。したがって、通風通路を確保しつつ、隣り合う角型蓄電池を密に収納することができる、又は密に収納しても通風通路を確保することができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る蓄電池の外装ケースの斜視図であり、外装ケース１０は、図示せぬ蓄電エレメントを収納する角筒部１１と、この角筒部１１の全周に亘って一体形成した環状リブ１２・・・（・・・は複数を示す。）と、からなる。
より正確に説明すると環状リブ１２は、角筒部１１の長手中心軸１３に直交する面を通る。

図２は本発明に係る外装ケースの拡大断面図であり、角筒部１１の一般面１４より筒の外方へ環状リブ１２を膨出形成したことを特徴とする。
角筒部１１の基準厚さをＴ、環状リブ１２の厚さをＭ１、環状リブ１２のピッチをＰ１、環状リブ１２の山の曲率半径（以下、アールという）をＲ１、同谷のアールをｒ１、谷底から内面１５までの距離をｔ１と符号化する。

この例では、前記符号同士の関係を次の通りに定める。
環状リブ１２の厚さＭ１＝ｔ１＋Ｒ１
ピッチＰ１＝２×（Ｒ１＋ｒ１）×α、（ただしα＝０．９〜１．１の補正係数）
Ｒ１＝２×Ｔ
ｒ１＝Ｔ
ｔ１＝Ｔ

一例として、基準厚さＴを０．５ｍｍ、補正係数αを０．９３とすれば、各数値は次の通りになる。
Ｒ１＝２×Ｔ＝１．０ｍｍ
ｒ１＝Ｔ＝０．５ｍｍ
ｔ１＝Ｔ＝０．５ｍｍ
Ｍ１＝ｔ１＋Ｒ１＝１．５ｍｍ
Ｐ１＝２×（Ｒ１＋ｒ１）×α＝２．８ｍｍ

図１に戻って、以上の形状からなる外装ケース１０に内圧をかけたところ、面の中央に最大撓みδｍａｘ、コーナー部に最大応力σｍａｘが発生した。この傾向は、従来の構造と同一であるが、撓み及び応力は従来より格段に小さかった（詳細後述）。

本発明の別実施例を次に述べる。
図３は図１の別実施例図であり、角筒部１１の一般面１４より筒の外方へ環状リブ１２を膨出形成したことを特徴とする。
角筒部１１の基準厚さをＴ、環状リブ１２の厚さをＭ２、環状リブ１２のピッチをＰ２、環状リブ１２の山のアールをＲ２、同谷のアールをｒ２、谷底から内面１５までの距離をｔ２と符号化する。

この例では、前記符号同士の関係を次の通りに定める。
環状リブ１２の厚さＭ２＝ｔ２＋Ｒ２
ピッチＰ２＝２×（Ｒ２＋ｒ２）×α、（ただしα＝０．９〜１．１の補正係数）
Ｒ２＝２×Ｔ
ｒ２＝Ｔ
ｔ２＝０．５×Ｔ

一例として、基準厚さＴを０．５ｍｍ、補正係数αを０．９３とすれば、各数値は次の通りになる。
Ｒ２＝２×Ｔ＝１．０ｍｍ
ｒ２＝Ｔ＝０．５ｍｍ
ｔ２＝０．５×Ｔ＝０．２５ｍｍ
Ｍ２＝ｔ２＋Ｒ２＝１．２５ｍｍ
Ｐ２＝２×（Ｒ２＋ｒ２）×α＝２．８ｍｍ

この場合も外装ケース１０（図１参照）に内圧をかけたところ、面の中央に最大撓みδｍａｘ、コーナー部に最大応力σｍａｘが発生した。この傾向は、従来の構造と同一であるが、撓み及び応力は従来より格段に小さかった（詳細後述）。

図４は図１の更なる別実施例図であり、角筒部１１に蛇腹状の環状リブ１２を形成した。蛇腹であるから環状リブ１２は一般面１４より筒の外方及び内側へ膨出する。
角筒部１１の基準厚さをＴ、蛇腹の厚さをＭ３、環状リブ１２のピッチをＰ３、環状リブ１２の山のアールをＲ３、同谷のアールをｒ３と符号化する。

この例では、前記符号同士の関係を次の通りに定める。
蛇腹の厚さＭ３＝３×Ｔ
ピッチＰ３＝２×（Ｒ３＋ｒ３）×α、（ただしα＝０．９〜１．１の補正係数）
Ｒ３＝２×Ｔ
ｒ３＝Ｔ

一例として、基準厚さＴを０．５ｍｍ、補正係数αを０．９３とすれば、各数値は次の通りになる。
Ｒ３＝２×Ｔ＝１．０ｍｍ
ｒ３＝Ｔ＝０．５ｍｍ
Ｍ３＝３×Ｔ＝１．５ｍｍ
Ｐ３＝２×（Ｒ３＋ｒ３）×α＝２．８ｍｍ

この場合も外装ケース１０（図１参照）に内圧をかけたところ、面の中央に最大撓みδｍａｘ、コーナー部に最大応力σｍａｘが発生した。この傾向は、従来の構造と同一であるが、撓み及び応力は従来より格段に小さかった（詳細後述）。

次に、図２〜図４の実施例、及び図５、その他の従来例における最大撓み及び最大応力を比較する。

比較例１は、図５の構造、すなわち平坦な壁で構成した外装ケースでの最大撓み及び最大応力を求めた。ただし、以下の相対比較を行うために、最大撓みδｍａｘを「１００」、最大応力σｍａｘを「１００」とする。

比較例２は、外装ケースの上端及び下端が拘束されることに着目し、上端から下端へ繋がる縦リブを角筒部に設けた。ブリッジ効果により、最大撓みδｍａｘは比較例１を１００としたときに「５６」に収まった。しかし、最大応力σｍａｘは比較例１を１００としたときに「１５４」と増大した。縦リブではコーナー部を補強する効果が乏しく、逆に応力を集中させるという逆効果を発揮することが判明した。

そこで、比較例３では、面の対角線上に大きなＸリブを設けた。最大撓みδｍａｘは比較例１を１００としたときに「９９」、最大応力σｍａｘは比較例１を１００としたときに「１１６」であり、あまり効果は認められなかった。

そこで、本実施例では、縦リブやＸリブに代わるものとして、横リブを試みた。
実施例１は、図２の断面構造、すなわち一般面から外方へ突出する環状リブを備えた。最大撓みδｍａｘは比較例１を１００としたときに「１７」、最大応力σｍａｘは比較例１を１００としたときに「５４」であった。

実施例１の構造にすれば、面中央に発生する最大撓みδｍａｘは、比較例１の１／５以下となり、コーナー部に発生する最大応力σｍａｘは、比較例１の約１／２になるため、実施例１は撓み剛性及び曲げ剛性を大いに高めることができる。

実施例２は、図３の断面構造、すなわち一般面から外方へ突出する環状リブを備えた。最大撓みδｍａｘは比較例１を１００としたときに「３１」、最大応力σｍａｘは比較例１を１００としたときに「８４」であった。

最大応力σｍａｘは実施例１より大きくなった。これは、図３においてｔ２が小さいことに起因する。

実施例３は、図４の断面構造、すなわち蛇腹状の環状リブを備えた。最大撓みδｍａｘは比較例１を１００としたときに「３４」、最大応力σｍａｘは比較例１を１００としたときに「６４」であった。

実施例１〜３は、いずれも比較例１よりも最大撓みδｍａｘ及び最大応力σｍａｘを下げことができるので、いずれも採用可能である。
しかし、外装ケースの内容積を確保することやケース内部での電気化学的変化を円滑に行わせるためには、内面が平坦であることが望ましい。この点から、実施例１、２の構造が望まれる。

さらに、剛性の点では実施例２より実施例１が勝っており、実施例１の構造が最良であると言える。

本発明の角型蓄電池は側面に環状リブを設けた、独特の形状にしたために、複数の角型蓄電池を密に配列することができるという効果も期待できる。
そこで、角型蓄電池の配列技術を次に説明する。

図５は本発明に係る角型蓄電池の組合せ体の基本構造図であり、この組合せ体２０は、外装ケース１０（図１参照）を基本要素として正極端子２１及び負極端子２２を備える角型蓄電池２３、２４と、これらの角型蓄電池２３、２４を収納し得る大きさの筐体２５と、この筐体２５の底部に付設した導電部２６と、筐体２５に被せる蓋２７と、この蓋２７に開けた孔２８、２９とからなる。

環状リブを山部３１、３２、環状リブと環状リブとの間を谷部３３、３４と読み替えるときに、一方の角型蓄電池２３の山部３１が、他方の角型蓄電池２４の山部３２に対向し、一方の角型蓄電池２３の谷部３３が、他方の角型蓄電池２４の谷部３４に対向するように、角型蓄電池２３、２４を並列に配置しながら、筐体２５に収め、蓋２７を被せたことを特徴とする。

角型蓄電池２３、２４は、充放電に伴って発熱するため、図面表から奥へ冷却空気を強制的に流して冷却する。３５、３６、３７が通風通路となる。このうちで中央の通風通路３７が角型蓄電池２３、２４の変形の影響を顕著に受ける。

図６は図５の６部拡大断面図であり、山部３１と山部３２とを対向させるとともに間隔をＬ１に設定したことを示す。この間隔Ｌ１を小さく設定した場合には、通風通路（図５の符号３７）は、谷部３３と谷部３４とで囲った菱形面積Ｓ１が主要素となる。この菱形面積Ｓ１に冷却空気が流れる。

図７は図６の作用図であり、電池の内圧が著しく高まると電池の側面が膨出し、この側面を構成する山部３１、３２が接近し、極端な場合には山部３１、３２の頂同士が接触する。この接触が発生すると、山部３１、３２がストッパとなって側面の膨出はそれ以上進行しない。

この状態では、谷部３３と谷部３４とで囲った菱形面積Ｓ２は、図６での菱形面積Ｓ１より若干小さくなるものの、まだ十分に大きな面積を確保する。
そして、この菱形面積Ｓ２に冷却空気が流れるため、空気による冷却作用を維持することができる。

図６から明らかなように本発明によれば、一対の電池の間隔Ｌ１は限りなく小さくすることが可能となる。極端にはＬ１がゼロであっても良い。
したがって、図５において複数の角型蓄電池２３、２４を密に配列することができ、筐体２５を小型化することができる。

尚、環状リブの段数、本数は任意である。ただし、角筒部の両端は蓋で補強するため、本数が少ないときには角筒部の高さ方向中央付近に設けることが望ましい。
また、環状リブの断面形状は、実施例で説明した円弧断面の他、角断面、横棒状断面の何れでも良い。

本発明は、車両に搭載する蓄電池に好適である。

本発明に係る蓄電池の外装ケースの斜視図である。 本発明に係る外装ケースの拡大断面図である。 図１の別実施例図である。 図１の更なる別実施例図である。 本発明に係る角型蓄電池の組合せ体の基本構造図である。 図５の６部拡大断面図である。 図６の作用図である。 従来の角型蓄電池の外装ケースのモデル図である。 従来の角型蓄電池の配列図である。

符号の説明

１０…蓄電池の外装ケース、１１…角筒部、１２…環状リブ、１４…一般面、１５…内面、２０…組合せ体、２３、２４…角型蓄電池、３１、３２…山部、３３、３４…谷部、３７…通風通路、Ｓ１、Ｓ２…菱形面積。

Claims (3)

1. 蓄電エレメントを収納する蓄電池の外装ケースにおいて、
   この外装ケースは、角筒部と、この角筒部の一般面より筒の外方及び／又は内方へ突出させると共に角筒部の全周に亘って前記角筒部に一体形成した環状リブと、を含むことを特徴とする角型蓄電池の外装ケース。
2. 前記角筒部は内面が平坦面であり、筒の外方へ前記環状リブを膨出形成したことを特徴とする請求項１記載の角型蓄電池の外装ケース。
3. 角筒部の側面が山部と谷部を交互に連続させた波形断面で構成してなる角型蓄電池の配列方法において、
   前記角型蓄電池を複数個準備し、一方の角型蓄電池の側面の山部に他方の角型蓄電池の側面の山部を対向させ、一方の角型蓄電池の側面の谷部に他方の角型蓄電池の側面の谷部を対向させることで、複数個の角型蓄電池を並列に配置することを特徴とする角型蓄電池の配列方法。

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