JP2010272319A - 組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】単電池が高温になるのを抑制することができ、サイクル寿命を向上させることができる組電池を提供する。
【解決手段】複数の単電池２と、密閉された収容空間３３を有する収容容器３とを備え、収容空間３３には、複数の単電池２が収容されると共に、高熱伝導率ガスＧが充填されていることを備えることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、電気自動車、電力貯蔵システム、無停電電源システム等に用いて好適な組電池に関する。

周知のように、充放電を繰り返し行うことができる二次電池は、近年、各種の分野で広範囲にわたって利用されている。例えば、小型タイプであれば、携帯電話やビデオカメラ等の電子機器の電源として利用され、大型タイプであれば、電気自動車の電源や家庭用の蓄電装置等として利用されている。

上記電気自動車の電源や蓄電装置等においては、電源容量が数十ｋＷｈ級となるため、複数の単電池を直列又は並列に接続した組電池が用いられている。例えば、下記特許文献１には、直列に接続された複数の単電池と、この単電池を収容するモジュールケースとを備える組電池が記載されている。

このような組電池は、充放電に伴って各単電池に熱が発生する。この単電池に発生した熱は、単電池の収容容器を介して外部に放熱されることとなる。この伝熱経路としては、収容容器と二次電池との接触部を介した経路、収容容器と二次電池との間の物体を介した経路、収容容器と単電池との間に充填された気体（乾燥空気又は窒素）を介した経路がある。

特開２００８−２５１３５２号公報

しかしながら、上記従来の組電池の場合、各単電池に発生した熱を外部へ十分に放熱させることができず、内部温度が上昇してサイクル寿命を低下させてしまうといった問題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、単電池が高温になるのを抑制することができ、サイクル寿命を向上させることができる組電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る組電池は、複数の単電池と、密閉された収容空間を有する収容容器とを備え、前記収容空間には、前記複数の単電池が収容されると共に、高熱伝導率ガスが充填されていることを備えることを特徴とする。

この構成によれば、単電池の収容空間に高熱伝導率ガスが充填されているので、単電池で発生した熱が、高熱伝導率ガスを介して、効率よく収容容器に伝熱される。
すなわち、単電池から高熱伝導率ガスへの熱流束が大きくなると共に、高熱伝導率ガスから収容容器への熱流束が大きくなる。換言すれば、単電池から高熱伝導率ガスへの伝熱量が大きくなると共に、高熱伝導率ガスから収容容器への伝熱量が大きくなる。そして、収容容器外壁から外部へと放熱がなされる。
従って、各単電池で発生した熱を良好に外部へ放熱することができる。

また、前記高熱伝導率ガスは、大気圧よりも高い圧力で充填されていることを特徴とする。
この構成によれば、高熱伝導率ガスが大気圧以上の圧力で充填されているので、大気圧と同一の圧力で高熱伝導率ガスを充填した場合と比べて、単電池から高熱伝導率ガスへの伝熱量を高めることができる。

また、前記高熱伝導率ガスは、ヘリウムガス又は水素ガスであることを特徴とする。
この構成によれば、高熱伝導率ガスが、ヘリウムガス又は水素ガスであるので、比較的に高い熱伝導率となって、単電池から高熱伝導率ガスへの伝熱量を高めることができる。

また、前記収容容器は、前記収容空間と外部とを隔絶する壁部に外部連絡孔を有し、この外部連絡孔に設けられ、前記単電池と電気的に接続されると共に前記外部連絡孔を封止するハーメチックシール部を備えることを特徴とする。
この構成によれば、単電池と電気的に接続されると共に外部連絡孔を封止するハーメチックシール端子部を備えるので、収容空間の密閉性を良好に確保すると共に維持することができる。

また、前記収容容器は、前記高熱伝導率ガスを注入可能なガス充填口が設けられ、このガス充填口に逆止弁が設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、ガス充填口に逆止弁が設けられているので、高熱伝導率ガスの充填を容易に行うことができる。

本発明に係る組電池によれば、単電池が高温になるのを抑制することができ、サイクル寿命を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る組電池１の概略構成斜視図である。 本発明の実施形態に係る組電池１の要部断面図であって、図１におけるＩ−Ｉ線断面図である。 本発明の実施形態に係る組電池１の要部断面図であって、図１におけるII−II線断面図である。 本発明の実施形態に係る組電池１の要部断面図であって、図１におけるIII−III線断面図である。 本発明の実施形態に係る組電池１の要部拡大斜視図であって、ハーメチックシール端子部３７の取付説明図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
本実施形態に係る組電池は、充放電可能な二次電池である単電池が複数設けられたものであって、例えば電気自動車等の車両の電源として採用される。

図１から図４に示すように、組電池１は、複数の単電池２と、これら複数の単電池を収納する収容容器３と、組電池１の充放電時等に単電池２の電圧や温度を検出し、検出結果に基づいて電圧等を制御する制御部４とを備えている。

図１に示すように、単電池２は、例えばリチウムイオン二次電池等の二次電池であり、本実施形態では、外形が直方体状に形成されると共に、内部に複数の電極板が積層された積層式の二次電池を採用している。
具体的には、単電池２は、交互に積層された正極板及び負極板（不図示）と、正極板及び負極板の間にそれぞれ介装されたセパレータ（不図示）と、正極板、負極板及びセパレータを収納する単電池ケース２１と、単電池ケース２１内に充填された電解液（不図示）とを備えている。

また、図３に示すように、単電池２の上端面２ｃには、円柱状に形成されると共に、上方に向けて突出する一対の電極端子２０が設けられており、一方の電極端子２０が正極端子２０Ａ、他方の電極端子２０が負極端子２０Ｂとなっている。

図２及び図３に示すように、収容容器３は、単電池２及び制御部４を収納すると共に有底角筒状に形成された下部筐体３１と、下部筐体３１を開閉すると共に密閉可能な蓋体である上部筐体３２と、下部筐体３１の内部を仕切り、単電池２及び制御部４が各別に収納される電池収容室３３（収容空間）及び制御部室３４を形成する仕切壁３５とを備えている。なお、これらの下部筐体３１、上部筐体３２及び仕切壁３５は、熱伝導性の良好な材質であることが好ましい。

図１に示す例では、下部筐体３１は、底壁部３１ａの上面視形状が長方形状となっている。以下では、上面視において底壁部３１ａの長手幅方向に沿う方向をＸ方向、上面視において底壁部３１ａの短手幅方向に沿う方向をＹ方向と称する。
図３及び図４に示すように、仕切壁３５は、下部筐体３１の内部において電池収容室３３と制御部室３４とがＸ方向に隣接すると共に、図４に示すように、電池収容室３３及び制御部室３４の上面視形状がいずれも矩形状となるように、下部筐体３１の内部をＹ方向に横断して形成されている。

図３及び図４に示すように、上部筐体３２には、後述するハーメチックシール端子部３７（後述する）によって封止され、周面に雌ネジが形成された二つの外部連絡孔３２ａと、逆止弁３９が設けられたガス充填口３２ｂとが形成されている。
逆止弁３９は、収容容器３の外部から内部（順方向）には流体を流し、逆方向に流れようとすると自動的に閉弁するように構成されている。

ハーメチックシール端子部３７は、Ｚ方向に延在する金属端子部３７ａと、この金属端子部３７ａの周囲に焼き固められたガラス絶縁部３７ｂと、このガラス絶縁部３７ｂの外周部から径方向に広がるフランジ部３７ｃとを有している（図５参照）。

図５（ａ）に示すように、金属端子部３７ａは、一端３８ａを電池収容室３３に位置させると共に、他端３８ｂを外部に位置させている。そして、電池収容室３３に位置させた一端３８ａが、電極端子２０（２０Ａ，２０Ｂ）と接続ケーブル２７を介して電気的に接続されている。
ガラス絶縁部３７ｂは、金属端子部３７ａの上記一端３８ａ及び他端３８ｂを露出させるように、長手方向における中央部の外周に設けられている。このガラス絶縁部３７ｂのうち、上記金属端子部３７ａの一端３８ａ側の外周には、外部連絡孔３２ａに形成された雌ネジに螺合可能な雄ネジ３８ｃが形成されている。
フランジ部３７ｃは、ガラス絶縁部３７ｂの外周から径方向に広がっている。このフランジ部３７ｃの二つの環状平面３８ｄ，３８ｅのうち、上記一端３８ａ側の環状平面３８ｄにはパッキン（不図示）が設けられている。

図２及び図３に示すように、複数の単電池２は、底面２ｄが底壁部３１ａに支持されると共に、図１及び図２に示すように、第一側面２ｂがＹ方向を向くように、Ｘ方向に互いに等しい間隔をあけて電池収容室３３内に四つ配列されている。また、図１に示す例では、各単電池２の第一側面２ｂは、Ｙ方向の位置が互いに一致している。さらに、図４に示すように、電池収容室３３を形成する下部筐体３１の側壁部３１ｄ及び仕切壁３５と、それぞれに対向する単電池２の第一側面２ｂ及び第二側面２ｅとの間隔は互いに等しく、また、前記間隔は、互いに隣接する単電池２同士の第二側面２ｅ間の間隔と等しくなっている。また、図２及び図３に示すように、単電池２の上端面２ｃと上部筐体３２との間には、隙間があいている。

また、図１に示すように、Ｘ方向に互いに隣接する単電池２は、電極端子２０の正極端子２０Ａ及び負極端子２０Ｂのそれぞれの位置がＸ方向に一つおきに互い違いになるように配置されている。そして、Ｘ方向に互いに隣接する単電池２の電極端子２０は、導電性材料で形成された板状のブスバー２５により電気的に直列に接続されている。さらに、Ｘ方向の両端に配置されている二つの単電池２のうち、いずれか一方は他の単電池２と正極端子２０Ａが電気的に接続されず、他方は他の単電池２と負極端子２０Ｂが電気的に接続されていない。これらの他の単電池２と電気的に接続されていない電極端子２０は、図２及び図３に示すように、ハーメチックシール端子部３７とそれぞれ電気的に接続される。

図１及び図３に示すように、ブスバー２５は、両端部に電極端子２０が挿通される一対の貫通孔２５ａが形成されており、この貫通孔２５ａが電極端子２０にそれぞれ挿通された状態で、ボルト２６により固定されている。
また、ブスバー２５とボルト２６との間には、図示しない配線で制御部４と電気的に接続されるリング状の検出端子２３が、両者に挟持されて固定されている。

電池収容室３３には、ヘリウムガス（高熱伝導率ガス）Ｇが、大気圧よりも高い圧力で充填されている。

このような組電池１の製造方法の一例を説明すると、まず、逆止弁３９を取り付けた状態の上部筐体３２を、下部筐体３１に密着させて電池収容室３３と外部との連通部分を外部連絡孔３２ａのみとする。そして、図５（ａ）に示すように、金属端子部３７ａの一端３８ａに接続ケーブル２７（後述する）を接続する。そして、一端３８ａ側におけるガラス絶縁部３７ｂに形成された雄ネジ３８ｃを、外部連絡孔３２ａに形成された雌ネジに合わせて、図５（ｂ）に示すように、ガラス絶縁部３７ｂを螺進させる。この螺進により、フランジ部３７ｃに設けられたパッキンを上部筐体３２に押し付けて、外部と電池収容室３３とを完全に封止する。
そして、封止された電池収容室３３を真空引きにした後に、ガス充填口３２ｂから逆止弁３９を介して、充填している。

次に、上記構成からなる組電池１の放熱作用について説明する。
まず、組電池１が充放電すると、各単電池２において熱が発生し、単電池２が昇温する。この単電池２の熱は、単電池２と収容容器３との接触部、あるいはヘリウムガスＧを介して収容容器３に熱移動し、主に収容容器３の外壁から外部へと放熱される。

ヘリウムガスＧは、高い熱伝導率を有しており、単電池２及び収容容器３の各熱流束が比較的に大きくなる。換言すれば、単電池２の表面からヘリウムガスＧへの伝熱量が大きくなり、ヘリウムガスＧから収容容器３への伝熱量が大きくなる。収容容器３に伝わった熱は、外部へと放熱される。

以上説明したように、本実施形態によれば、単電池２からヘリウムガスＧへの熱流束が大きくなると共に、ヘリウムガスＧから収容容器３への熱流束が大きくなる。換言すれば、単電池２からヘリウムガスＧへの伝熱量が大きくなると共に、ヘリウムガスＧから収容容器３への伝熱量が大きくなる。要するに、単電池２の表面の熱が、収容容器３に良好に伝熱する。そして、収容容器３の外壁から外部へと放熱がなされる。
従って、各単電池２で発生した熱を好適に外部へ放熱することができる。

このヘリウムガスＧに代えて、相対的に熱伝導率が低い窒素や乾燥空気を充填した場合には、単電池２から収容容器３へのガスを介した伝熱量は、小さいものとなる。このため、単電池２の熱が電池収容室３３に篭り易く、単電池２が過熱する恐れがあった。
これに対して、本実施形態では、単電池２において発生した熱を良好に外部へ放熱して熱暴走を抑えることができると共に、サイクル寿命を向上させることができる。

また、ヘリウムガスＧが大気圧以上の圧力で充填されているので、大気圧と同一の圧力でヘリウムガスＧを充填した場合と比べて、単電池２からヘリウムガスＧへの伝熱量を大きくすることができる。これにより、単電池２において発生した熱を良好に外部へ放熱することができる。

また、単電池２と電気的に接続されると共に外部連絡孔３２ａを封止するハーメチックシール端子部３７を備えるので、電池収容室３３の密閉性を良好に確保することができる。

また、ガス充填口３２ｂに逆止弁３９が設けられているので、ヘリウムガスＧの充填を容易に行うことができる。

また、ヘリウムガスＧによれば、各種ガスのうち比較的に熱伝導率が高いので、単電池２の熱を良好に外部へと放熱することができる。また、不活性であるので、収容容器３内において単電池２に変質を生じさせ難い。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、収容容器３の形状は、上記の形状に限定されないのは当然である。

また、上述した実施の構成では、電池収容室３３にヘリウムガスＧを充填させる構成としたが、制御部室３４の密閉性を確保してヘリウムガスＧを充填させる構成としてもよい。

また、上述した実施形態では、高熱伝導率ガスとしてヘリウムガスＧを用いた構成としたが、水素ガスを用いてもよい。この高熱伝導率ガスとしては、熱伝導率が乾燥空気及び窒素ガスよりも高いものを用いることができるが、不活性のものであればより良好である。

１…組電池
２…単電池
３…収容容器
２０…電極端子
２０Ａ…正極端子
２０Ｂ…負極端子
３１…下部筐体
３２…上部筐体
３２ａ…外部連絡孔
３２ｂ…ガス充填口
３３…電池収容室（収容空間）
３７…ハーメチックシール端子部
３９…逆止弁
Ｇ…ヘリウムガス（高熱伝導率ガス）

Claims (5)

1. 複数の単電池と、
   密閉された収容空間を有する収容容器とを備え、
   前記収容空間には、前記複数の単電池が収容されると共に、高熱伝導率ガスが充填されていることを備えることを特徴とする組電池。
2. 前記高熱伝導率ガスは、大気圧よりも高い圧力で充填されていることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
3. 前記高熱伝導率ガスは、ヘリウムガス又は水素ガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の組電池。
4. 前記収容容器は、前記収容空間と外部とを隔絶する壁部に外部連絡孔を有し、
   この外部連絡孔に設けられ、前記単電池と電気的に接続されると共に前記外部連絡孔を封止するハーメチックシール端子部を備えることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載の組電池。
5. 前記収容容器は、前記高熱伝導率ガスを注入可能なガス充填口が設けられ、このガス充填口に逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載の組電池。

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