JP2010080370A - Battery pack device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の単電池セルをスペーサを介在させて積層してなる組電池装置に関する。 The present invention relates to an assembled battery device in which a plurality of unit cells are stacked with a spacer interposed therebetween.
従来、組電池装置としては、特許文献1の図2に示されるように、単電池セル(410)の間にスペーサ(420)を配置し、並列配置された列の距離が広がらないように、両端に配置した拘束スペーサ(430)と拘束ロッド(440)とで列を拘束する技術が開示されている。この技術では、単電池セルやスペーサの熱膨張時の単電池セルへの応力集中を防ぐために、隣り合う各スペーサ凸部(422A、422B)を対向しない位置に配置するようにしている。スペーサは、高温時と低温時に膨張・収縮するため、低温時に単電池セルの列から拘束ロッドが外れないように、低温時の単電池セルに対して拘束ロッドで拘束する。
しかしながら、低温時に単電池セルの列を外れないように拘束スペーサと拘束ロッドとで拘束すると、高温時ではスペーサと単電池セルとが膨張して、単電池セルに過度な応力がかかる。ゆえに、単電池セルの電池性能への影響が依然として懸念される。 However, if the restraint spacer and the restraining rod are restrained so as not to disengage the single battery cells at low temperatures, the spacers and single battery cells expand at high temperatures, and excessive stress is applied to the single battery cells. Therefore, the influence on the battery performance of the single battery cell is still a concern.
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、単電池セルに過度な応力が加わることを防止できる組電池装置を提供することを課題とする。 This invention is made | formed in view of this situation, and makes it a subject to provide the assembled battery apparatus which can prevent that an excessive stress is added to a single battery cell.
本発明は、直方体形状をなす単電池セルと板状の絶縁性のスペーサとが交互に複数個積層されてなり、該積層方向の両端から加圧拘束されてなる組電池装置であって、該スペーサは、前記積層方向に正の線膨張係数をもつバインダと、前記積層方向に負の線膨張係数をもつ充填物とからなることを特徴とする(請求項1)。 The present invention is an assembled battery device in which a plurality of unit cells each having a rectangular parallelepiped shape and plate-like insulating spacers are alternately stacked, and are pressure-constrained from both ends in the stacking direction, The spacer includes a binder having a positive linear expansion coefficient in the stacking direction and a filler having a negative linear expansion coefficient in the stacking direction (Claim 1).
前記充填物は、前記積層方向に沿って配向している繊維状体であることが好ましい(請求項2)。 The filler is preferably a fibrous body oriented along the laminating direction (Claim 2).
前記充填物は、PBO繊維、パラ型アラミド繊維及び高強度ポリエチレン繊維の中から選ばれる1種以上からなることが好ましい(請求項3)。 The filler is preferably composed of one or more selected from PBO fibers, para-aramid fibers, and high-strength polyethylene fibers.
本発明によれば、単電池セルとスペーサとは交互に積層されている。スペーサは、積層方向に正の線膨張係数をもつバインダと、積層方向に負の線膨張係数をもつ充填物とからなる。このため、スペーサの積層方向の線膨張係数が、バインダのみからなるスペーサの線膨張係数よりも小さくなる。ゆえに、高温時にスペーサが積層方向に膨張することが抑えられ、単電池セルに加わる応力を低減することができる。 According to the present invention, the battery cells and the spacers are alternately stacked. The spacer includes a binder having a positive linear expansion coefficient in the stacking direction and a filler having a negative linear expansion coefficient in the stacking direction. For this reason, the linear expansion coefficient in the stacking direction of the spacers is smaller than the linear expansion coefficient of the spacer made of only the binder. Therefore, the spacer is prevented from expanding in the stacking direction at a high temperature, and the stress applied to the single battery cell can be reduced.
充填物が単電池セルの積層方向に沿って配向している繊維状体である場合には、スペーサの積層方向の熱膨張・収縮を効果的に抑制することができる。 When the filler is a fibrous body oriented along the stacking direction of the single battery cells, the thermal expansion / contraction of the spacer in the stacking direction can be effectively suppressed.
充填物が、PBO繊維、パラ型アラミド繊維及び高強度ポリエチレン繊維の中から選ばれる場合には、ザイロン繊維及び高強度ポリエチレン繊維は繊維長さ方向に配向している。このため、充填物は、負の線膨張係数をもち、スペーサの線膨張係数の増加を効果的に抑制できる。 When the filler is selected from PBO fibers, para-aramid fibers, and high-strength polyethylene fibers, the xylon fibers and high-strength polyethylene fibers are oriented in the fiber length direction. For this reason, the filler has a negative linear expansion coefficient, and can effectively suppress an increase in the linear expansion coefficient of the spacer.
本発明の組電池装置は、電気自動車やハイブリッド車などの電源装置として好適に用いられる。 The assembled battery device of the present invention is suitably used as a power supply device for electric vehicles, hybrid vehicles, and the like.
本発明の組電池装置において、単電池セルとしては一般的な所謂角型電池セルを用いることができる。樹脂製の筐体をもつもの、あるいは表面に絶縁被膜がコーティングされたものを用いてもよいが、熱伝導性が高い鉄やアルミニウムなどの金属製の筐体が表出する単電池セルを用いることが好ましい。単電池セルの上部には、一対の電極が突出形成されているのが一般的である。通常は、電極をもつ側が全て同じ側となるように、複数の単電池セルが積層される。 In the assembled battery device of the present invention, a general so-called prismatic battery cell can be used as the single battery cell. You may use one with a resin casing, or one with an insulating coating on the surface, but use a single battery cell that exposes a metal casing such as iron or aluminum with high thermal conductivity. It is preferable. In general, a pair of electrodes project from the upper part of the unit cell. Usually, a plurality of unit cells are stacked so that the sides having the electrodes are all the same side.
単電池セルの間には、板状のスペーサが介設されている。スペーサは、積層方向に正の線膨張係数をもつバインダと、積層方向に負の線膨張係数をもつ充填物とからなる。 A plate-like spacer is interposed between the unit cells. The spacer includes a binder having a positive linear expansion coefficient in the stacking direction and a filler having a negative linear expansion coefficient in the stacking direction.
従来、単電池セルの間に介設されるスペーサは、正の線膨張係数をもつバインダから構成されていた。その場合、単電池セルから発する熱によって温度が上昇して、スペーサが積層方向に大幅に膨張してしまい、単電池セルに過大な応力を生じさせていた。そこで、本発明は、正の線膨張係数をもつバインダに、負の線膨張係数をもつ充填物を添加することで、バインダと充填物とからなるスペーサの線膨張係数を低減させたものである。 Conventionally, the spacer interposed between the single battery cells is composed of a binder having a positive linear expansion coefficient. In this case, the temperature rises due to the heat generated from the single battery cells, and the spacers are greatly expanded in the stacking direction, causing excessive stress to the single battery cells. Therefore, the present invention reduces the linear expansion coefficient of the spacer composed of the binder and the filler by adding a filler having a negative linear expansion coefficient to a binder having a positive linear expansion coefficient. .
積層方向に正の線膨張係数をもつバインダは、分子配向性に乏しく、温度上昇によって分子運動が活発になると、各分子が伸びやすくなり、積層方向に伸びる。バインダは、絶縁性を有する材料であることがよく、たとえば、シリコーンゴムなどを用いることができる。シリコーンゴムの線膨張係数は、200ppm/℃程度である。 A binder having a positive linear expansion coefficient in the stacking direction is poor in molecular orientation, and when molecular motion becomes active due to a temperature rise, each molecule tends to stretch and extends in the stacking direction. The binder is preferably an insulating material, and for example, silicone rubber or the like can be used. The linear expansion coefficient of silicone rubber is about 200 ppm / ° C.
積層方向に負の線膨張係数をもつ充填物は、例えば、分子配向性をもつ高分子材料であるとよい。高分子材料の高分子鎖を引き伸ばして配向させると、最終的な理想構造として、図4(a)に示すように、トランスジグザグ構造となる。この構造は、これ以上引き伸ばすことができない状態であるため、温度上昇によって各原子が激しく運動すると、図4(b)に示すように、分子鎖軸方向に収縮し、分子鎖の軸方向と直交する方向には膨張する。したがって、分子配向性をもつ高分子材料の多くは、分子鎖軸方向に負の線膨張係数をもつものが多い。 The filler having a negative linear expansion coefficient in the stacking direction may be, for example, a polymer material having molecular orientation. When the polymer chain of the polymer material is stretched and oriented, the final ideal structure becomes a trans zigzag structure as shown in FIG. Since this structure cannot be stretched any more, if each atom moves vigorously due to the temperature rise, as shown in FIG. 4 (b), it contracts in the molecular chain axis direction and is orthogonal to the molecular chain axis direction. It expands in the direction. Therefore, many polymer materials having molecular orientation have many negative linear expansion coefficients in the molecular chain axis direction.
このような分子配向性をもつ高分子材料としては、例えば、高強度ポリエチレン繊維(商品名「ダイニーマ」)、PBO繊維(商品名「ザイロン」)、パラ型アラミド繊維(商品名「ケブラー29」、「ケブラー49」、「テクノーラ」等)などがある。高強度ポリエチレン繊維の線膨張係数は−12ppm/℃であり、結晶化度は95%以上であり、分子量は約400万である。PBO繊維は、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール(PBO)を液晶紡糸した繊維である。ザイロン繊維の線膨張係数は−6ppm/℃であり、結晶化度(例えば)は95%以上である。ケブラー29(商品名)の線膨張係数は−4.0ppm/℃であり、ケブラー49(商品名)の線膨張係数は−4.9ppm/℃である。テクノーラ(商品名)は、コポリパラフェニレン−3,4’オキシジフェニレンーテレフタラミドであり、線膨張係数は−6ppm/℃である。 Examples of the polymer material having such molecular orientation include high-strength polyethylene fibers (trade name “Dyneema”), PBO fibers (trade name “Zyron”), para-aramid fibers (trade name “Kevlar 29”, "Kevlar 49", "Technora", etc.). The high-strength polyethylene fiber has a linear expansion coefficient of −12 ppm / ° C., a crystallinity of 95% or more, and a molecular weight of about 4 million. The PBO fiber is a fiber obtained by liquid crystal spinning of polyparaphenylene benzobisoxazole (PBO). The linear expansion coefficient of the xylon fiber is −6 ppm / ° C., and the crystallinity (for example) is 95% or more. Kevlar 29 (trade name) has a linear expansion coefficient of −4.0 ppm / ° C., and Kevlar 49 (trade name) has a linear expansion coefficient of −4.9 ppm / ° C. Technora (trade name) is copolyparaphenylene-3,4'oxydiphenylene-terephthalamide and has a linear expansion coefficient of -6 ppm / ° C.
負の線膨張係数をもつ充填物は、繊維状体であるとよい。繊維状体は、短繊維でも長繊維でもよいが、スペーサの厚み方向に配列させるために短繊維であることがよい。 The filler having a negative linear expansion coefficient may be a fibrous body. The fibrous body may be a short fiber or a long fiber, but is preferably a short fiber so as to be arranged in the thickness direction of the spacer.
繊維状体を構成する高分子材料は、繊維方向に分子配向していることが望ましい。また、繊維状体は、その繊維方向を、単電池セルの積層方向と平行に配向していることが望ましい。これにより、スペーサの積層方向の線膨張係数を効果的に抑えることができる。 It is desirable that the polymer material constituting the fibrous body is molecularly oriented in the fiber direction. Moreover, it is desirable for the fibrous body to have its fiber direction oriented parallel to the stacking direction of the unit cells. Thereby, the linear expansion coefficient in the stacking direction of the spacers can be effectively suppressed.
スペーサが単電池セルの間に厚み方向で挟持される場合には、スペーサの厚み方向に、繊維状体が配向しているとよい。この場合には、スペーサの積層方向の熱膨張・収縮を効果的に抑制することができる。 When the spacer is sandwiched between the battery cells in the thickness direction, the fibrous body is preferably oriented in the thickness direction of the spacer. In this case, the thermal expansion / contraction of the spacer in the stacking direction can be effectively suppressed.
繊維状体をスペーサの所定の向きに配向させるには、例えば、バインダに繊維状体を混合した混合材を形成する。混合材を型成形する際に、型内の混合材を溶融した状態とし、混合材の厚さ方向に磁場を印加する。これにより、繊維状体は、繊維長さ方向が磁場方向と平行になるように配向する。そして、繊維状体が厚み方向に配向したスペーサを作製することができる。 In order to orient the fibrous body in a predetermined direction of the spacer, for example, a mixed material in which the fibrous body is mixed with a binder is formed. When the mixed material is molded, the mixed material in the mold is melted and a magnetic field is applied in the thickness direction of the mixed material. Thereby, the fibrous body is oriented so that the fiber length direction is parallel to the magnetic field direction. And the spacer in which the fibrous body orientated in the thickness direction can be produced.
正の線膨張係数をもつバインダに対する負の線膨張係数をもつ充填物との配合比(体積比)は、1〜40体積%であることが好ましい。この場合には、スペーサの形状を維持しつつ、スペーサの線膨張係数を低く抑えることができる。 The mixing ratio (volume ratio) of the filler having a negative linear expansion coefficient to the binder having a positive linear expansion coefficient is preferably 1 to 40% by volume. In this case, the linear expansion coefficient of the spacer can be kept low while maintaining the shape of the spacer.
(実施例1)
図1は本実施例に係る組電池装置の正面図である。この組電池装置では、直方体形状をなす単電池セル1と、電気絶縁性樹脂製の板状のスペーサ2とが、これらの厚み方向に交互に6個ずつ積層されて積層体3を形成している。積層体3の両端には、樹脂製の拘束プレート4が配置され、拘束ロッド5によって単電池セル1とスペーサ2とが互いに密着するように加圧された状態で拘束されている。
Example 1
FIG. 1 is a front view of the assembled battery device according to the present embodiment. In this assembled battery device, a
図2に示すように、単電池セル1はリチウムイオン二次電池であり、極板、セパレータ、電解液などの電池要素がアルミニウム製の筐体10内に収納されている。筐体10の上部には、正極及び負極の一対の電極11、12が突出している。単電池セル1の筐体10及びスペーサ2は6個の表面をもつ。筐体10の表面のうち積層方向で相対する2つの表面14,15が、それぞれスペーサ2の表面24,25と対面している。単電池セル1の厚みは14mmである。
As shown in FIG. 2, the
図3に示すように、スペーサ2は、シリコーンゴムからなるバインダ21と、繊維状体22とから形成されている。シリコーンゴムは、線膨張係数が200ppm/℃、熱伝導率5W/mKである。繊維状体22は、長さ0.2mmの短い単繊維であり、高強度ポリエチレン繊維(東洋紡製「ダイニーマ」)を用いている。繊維状体22はバインダ21の中に均一に分散され、スペーサ2の厚み方向に配向している。高強度ポリエチレン繊維の線膨張係数は−12ppm/℃(−12E−6mm/mm/℃)であり、結晶化度は95%以上である。シリコーンゴムに対する高強度ポリエチレン繊維の配合比(体積比)は15体積%である。
As shown in FIG. 3, the
図2に示すように、スペーサ2の厚み方向の一方の表面24は平坦面であり、他方の表面25には空気流通用の多数の溝20が形成されている。スペーサ2の厚みTは3mmであり、溝20の深さDは2mmである。
As shown in FIG. 2, one
スペーサ2を製造するにあたっては、シリコーンゴムと高強度ポリエチレン繊維とを混合して複合材とし、加熱してシリコーンゴムを溶融させる。この複合材を型に入れ、厚み方向に磁場を室温で1時間印加する。磁場の強度は8T(テスラ)である。繊維状体が厚み方向に配向した後に、複合材を冷却する。これにより、高強度ポリエチレン繊維が厚み方向に配向したスペーサ2が得られる。
In manufacturing the
(実施例2)
本例の組電池装置は、スペーサに含まれる繊維状体が配向していない点で、実施例1と相違する。スペーサでは、繊維状体がランダムな方向に配置され、均一に分散している。スペーサを製造するときには、シリコーンゴムと高強度ポリエチレンとからなる複合材を、磁場を印加することなく型成形する。その他は、実施例1と同様である。
(Example 2)
The assembled battery device of this example is different from Example 1 in that the fibrous body contained in the spacer is not oriented. In the spacer, the fibrous bodies are arranged in random directions and uniformly dispersed. When manufacturing the spacer, a composite material composed of silicone rubber and high-strength polyethylene is molded without applying a magnetic field. Others are the same as in the first embodiment.
(比較例1)
本比較例の組電池装置は、スペーサに繊維状体を含んでいない点が、実施例1と相違する。即ち、スペーサは、シリコーンゴムのみから形成されている。その他は、実施例1と同様である。
(Comparative Example 1)
The assembled battery device of this comparative example is different from the example 1 in that the spacer does not include a fibrous body. That is, the spacer is formed only from silicone rubber. Others are the same as in the first embodiment.
<実験>
実施例1、2及び比較例1のスペーサの線膨張係数を測定した。測定に供するスペーサの大きさは、縦130mm×横130mm×厚み1mmとした。実施例1のスペーサは、縦方向に繊維状体を配向させた。標準温度25℃のときのスペーサに縦方向に標線を記し、所定の温度の恒温槽に数時間入れた。恒温槽の温度は、−40℃と90℃である。その後、その標線の長さをスケールで測った。25℃のときの標線の長さと、所定の温度のときの標線の長さとの差(伸び量ΔL)を求めた。この差を25℃との温度差(ΔT)で除すことにより、線膨張係数を算出した。なお、線膨張係数の算出式は、伸び量ΔL/(25℃のときの標線長さ×温度差ΔT)で表される。
<Experiment>
The linear expansion coefficients of the spacers of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 were measured. The size of the spacer used for measurement was 130 mm long × 130 mm wide × 1 mm thick. In the spacer of Example 1, the fibrous body was oriented in the longitudinal direction. A standard line was marked in the vertical direction on the spacer when the standard temperature was 25 ° C., and it was put in a constant temperature bath at a predetermined temperature for several hours. The temperature of the thermostatic bath is −40 ° C. and 90 ° C. Then, the length of the marked line was measured with a scale. The difference (elongation amount ΔL) between the length of the marked line at 25 ° C. and the length of the marked line at a predetermined temperature was determined. The linear expansion coefficient was calculated by dividing this difference by the temperature difference (ΔT) from 25 ° C. The equation for calculating the linear expansion coefficient is expressed as elongation amount ΔL / (length of marked line at 25 ° C. × temperature difference ΔT).
測定したスペーサの線膨張係数を表1に示し、図5にはスペーサの伸び量ΔLを示した。 The measured linear expansion coefficient of the spacer is shown in Table 1, and FIG. 5 shows the amount of extension ΔL of the spacer.
測定結果より、実施例1のスペーサが最も線膨張係数(伸び量)が少なく、比較例1が最も線膨張係数(伸び量)が大きくなった。実施例1、2のスペーサの線膨張係数が小さいのは、図3に示すように、バインダ21の中に、負の線膨張係数をもつ繊維状体22が含まれているためである。
From the measurement results, the spacer of Example 1 had the smallest linear expansion coefficient (elongation amount), and Comparative Example 1 had the largest linear expansion coefficient (elongation amount). The reason why the linear expansion coefficients of the spacers of Examples 1 and 2 are small is that the
また、実施例1のスペーサは、実施例2のスペーサよりも線膨張係数が小さかった。実施例1が実施例2よりも線膨張係数が小さいのは、実施例1の繊維状体22が積層方向に配向しており、スペーサ2が繊維状体22の配向方向に伸びにくくなったためである。
Further, the spacer of Example 1 had a smaller linear expansion coefficient than the spacer of Example 2. The reason why the linear expansion coefficient of Example 1 is smaller than that of Example 2 is that the
1:単電池セル、2:スペーサ、3:積層体、4:拘束プレート、5:拘束ロッド、20:溝、21:バインダ、22:繊維状体。 1: single battery cell, 2: spacer, 3: laminate, 4: constraining plate, 5: constraining rod, 20: groove, 21: binder, 22: fibrous body.
Claims (3)
該スペーサは、前記積層方向に正の線膨張係数をもつバインダと、前記積層方向に負の線膨張係数をもつ充填物とからなることを特徴とする組電池装置。 A battery pack device in which a plurality of unit cells each having a rectangular parallelepiped shape and plate-like insulating spacers are alternately stacked, and are pressure-constrained from both ends in the stacking direction,
The assembled battery device, wherein the spacer includes a binder having a positive linear expansion coefficient in the stacking direction and a filler having a negative linear expansion coefficient in the stacking direction.
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN103985828A (en) * | 2013-02-08 | 2014-08-13 | 罗伯特·博世有限公司 | Accumulator |
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2008
- 2008-09-29 JP JP2008249753A patent/JP2010080370A/en active Pending
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