JP2011175942A - 電池セル及びこれを用いた電源装置並びに電池セルの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】溶着の品質を一定のまま、電池セルの防水機能の信頼性を高める。
【解決手段】角形の外装缶12と、外装缶12の上面に設けた電極端子13と、外装缶12を被覆する絶縁性の防水シート20とを備える電池セルであって、防水シート20は、外装缶12の底面で折曲させるようにして該底面を被覆すると共に、対向する合わせ面を外装缶12の両側側面に位置させて接着しており、外装缶12の上面で電極端子13を表出させる。これにより、防水シートの合わせ面同士の接着部分に万一隙間が生じても、この部分を外装缶の底面側でなく、側面側に位置させることで、隙間から浸水する可能性を低減して、ピンホールを介した浸水のリスクを効果的に低減できる。
【選択図】図9
【解決手段】角形の外装缶12と、外装缶12の上面に設けた電極端子13と、外装缶12を被覆する絶縁性の防水シート20とを備える電池セルであって、防水シート20は、外装缶12の底面で折曲させるようにして該底面を被覆すると共に、対向する合わせ面を外装缶12の両側側面に位置させて接着しており、外装缶12の上面で電極端子13を表出させる。これにより、防水シートの合わせ面同士の接着部分に万一隙間が生じても、この部分を外装缶の底面側でなく、側面側に位置させることで、隙間から浸水する可能性を低減して、ピンホールを介した浸水のリスクを効果的に低減できる。
【選択図】図9
Description
本発明は、主として、ハイブリッド自動車や電気自動車等の自動車を駆動するモータの電源用等に使用される大電流用の電源装置に使用する電池セル及びこれを用いた電源装置並びに電池セルの製造方法に関する。
モータで走行する電気自動車、あるいはモータとエンジンの両方で走行するハイブリッドカー等の自動車は、電池セルを外装ケースに収納した電源装置を搭載している。この電源装置は、モータで自動車を走行させるための出力を得るために、図10及び図11に示すように、多数の電池セルを直列に接続して出力電圧を高くした電池ブロックとしている。各電池セルは図12に示すように、外観を角形の外装缶として、上端に正負の電極端子を設けている。
電池セルには、高出力のリチウムイオン二次電池が使用されることが多い。リチウムイオン二次電池の外装缶は、中間電位を有しているため、電池セル表面が高電位となり、これを外装ケースのグラウンドから絶縁する必要がある。このため、電池セルの外装缶を絶縁カバーや絶縁シートで多くなどの絶縁対策が施されている。
一般的には、電池セルの上部の電極端子を露出させるよう、図13に示すように袋状の熱収縮シート20Xで電池セルの上面を残して被覆する。具体的には、上下を筒状に開口した熱収縮シート20Xを適当な長さで裁断し、図14に示すように一方の開口端から電池セル10Xを挿入し、図15(a)、(b)に示すように熱収縮シート20Xを熱収縮させて外装缶の表面に密着させる。この際、電池セル10Xの底面で熱収縮チューブ同士を熱溶着して開口部分を閉塞し、必要に応じて余白部分を裁断する等して、電池セル10Xの表面に熱収縮チューブを被覆していた。この方法では、図13(b)に示すように電池セル10Xの底面に熱溶着線HLが位置することになる。
一方、外装ケースの内部には、電池セルの温度差などに起因する結露などで水が溜まることが考えられる。このため、電池セルを絶縁する熱溶着シートは防水仕様とする必要がある。
しかしながら、熱溶着に際しては気泡の噛みこみや異物の介在などに起因して、部分的な溶着欠陥を生じることがある。熱溶着線HLにピンホールが生じると、ここから水分が浸入して外装ケースに達することが考えられる。特に上記の方法では、図13(b)のように電池セル10Xの下端に熱溶着線HLが位置する結果、電池セル10Xを縦置きにして配置することの多い電源装置においては、僅かな水分であっても外装ケースに溜まると、図11の水位WLに示すように電池セルの下端が水に浸漬され、底面に面したピンホールを通じて電池セルに浸水する可能性が高まるという問題があった。特に、電源装置を高出力とするために、使用する電池セル数を増やすほど、熱溶着の不具合が生じる可能性も高くなり、結果として浸水のリスクも高まることとなる。
本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものであり、その主な目的は、電池セルの防水機能の信頼性を高めた電池セル及びこれを用いた電源装置並びに電池セルの製造方法を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明の第1の側面に係る電池セルによれば、角形の外装缶12と、前記外装缶12の上面に設けた電極端子13と、前記外装缶12を被覆する絶縁性の防水シート20と、を備える電池セルであって、前記防水シート20は、前記外装缶12の底面で折曲させるようにして該底面を被覆すると共に、対向する合わせ面を前記外装缶12の両側側面に位置させて接着しており、前記外装缶12の上面で前記電極端子13を表出させることができる。これにより、防水シートの合わせ面同士の接着部分に万一隙間が生じても、この部分を外装缶の底面側でなく、側面側に位置させることで、隙間から浸水する可能性を低減して、ピンホールを介した浸水のリスクを効果的に低減できる。
また、第2の側面に係る電池セルによれば、前記防水シート20が熱収縮性のプラスチック製シートであり、前記防水シート20の合わせ面の接着を熱溶着にて行うことができる。これにより、防水シート同士を熱溶着して生じる熱溶着線を外装缶の底面側でなく、側面側に位置させることで、熱溶着に際してピンホールが生じても、ピンホールを介した浸水のリスクを効果的に低減できる。
さらに、第3の側面に係る電池セルによれば、さらに前記防水シート20と前記外装缶12との間で、該防水シート20の熱溶着部分と部分的に沿うように、管状の注入管30を配置しており、前記注入管30の開口端の一方を注入端として、充填剤32を注入し、他端の開口端を充填端として、ここから前記防水シート20と前記外装缶12との間に充填剤32を充填可能に構成できる。これにより、防水シートの熱溶着部分に形成される空間を利用して注入管を配置すると共に、熱溶着部分に仮にピンホールが発生しても、充填剤で充填することができるので、電池セルの防水の信頼性を一層向上させることができる。
さらにまた、第4の側面に係る電池セルによれば、前記注入剤を接着剤又は伝熱促進クリームあるいはこれらの混合物とすることができる。これにより、注入剤で溶着不十分な隙間などを補充すると共に、外装缶と内部の電池セル収納体とを熱結合して熱伝導性を高め、放熱性を向上できる。
さらにまた、第5の側面に係る電池セルによれば、前記注入管30の注入端を、前記外装缶12の高さ方向の中心と下端との間に位置させることができる。これにより、熱溶着線の内、浸水の可能性が高い外装缶底面側でピンホールに充填剤で確実に充填できる。
さらにまた、第6の側面に係る電池セルによれば、前記外装缶12の側面で、前記防水シート20の熱溶着部分が、該外装缶12側面から突出するよう、該側面の中央に位置させることができる。これにより、電池セルの側面からこれを冷却する冷却気体を流す際、冷却空気を突出部分で二分して電池セルの両面にほぼ均等に分散できる。また電池セルの両面をセパレータなどで挟み込む際に、防水シートの突出部分が干渉しない又は干渉を少なくできる。
さらにまた、第7の側面に係る電池セルによれば、前記防水シート20をPET製とできる。これにより、耐久性に優れた防水シートを安価に構成できる。
さらにまた、第8の側面に係る電源装置によれば、上記いずれかの電池セルを備えることができる。
さらにまた、第9の側面に係る車両によれば、上記の電源装置を備えることができる。
さらにまた、第10の側面に係る電池セルの製造方法によれば、角形の外装缶12と、前記外装缶12の上面に設けた電極端子13と、前記外装缶12を被覆する絶縁性の防水シート20と、を備える電池セルの製造方法であって、前記外装缶12の表面よりも大きい面積の前記防水シート20を中心で折曲して、対向する合わせ面の間に前記外装缶12を、その底面が該折曲位置に位置する姿勢で挿入し、前記外装缶12上面の電極端子13を表出させる工程と、前記外装缶12の側面で、前記防水シート20同士を重ね、熱溶着して袋状に形成する工程とを含むことができる。これにより、防水シートの合わせ面同士の接着部分に万一隙間が生じても、この部分を外装缶の底面側でなく、側面側に位置させることで、隙間から浸水する可能性を低減して、ピンホールを介した浸水のリスクを効果的に低減できる。
さらにまた、第11の側面に係る電池セルの製造方法によれば、前記防水シート20を熱溶着する工程において、熱溶着する線HLに沿うように、充填剤32を注入するための注入管30を配置することができる。これにより、熱溶着部分にピンホールが発生しても、充填剤で充填することができ、電池セルの防水の信頼性を一層向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電池セル及びこれを用いた電源装置並びに電池セルの製造方法を例示するものであって、本発明は電池セル及びこれを用いた電源装置並びに電池セルの製造方法を以下のものに特定しない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
(実施例1)
(実施例1)
図1〜図5に、実施例1に係る電池セル10を示す。これらの図において、図1は実施例1に係る電池セル10の斜視図、図2は図1の電池セル10の三面図、図3(a)は防水シート20の平面図、図3(b)は図3(a)の防水シート20を折り曲げて溶着し袋状とする様子を示す平面図、図4は電池セル10を防水シート20で被覆する状態を示す斜視図、図5は浸水リスクを説明する模式図を、それぞれ示している。この電池セル10は、図1及び図3に示すように、角形の外装缶12と、外装缶12の上面に設けた電極端子13と、外装缶12を被覆する絶縁性の防水シート20とを備える。
(外装缶12)
(外装缶12)
電池セル10の外形は、幅よりも厚さの薄い角形としている。この電池セル10は、リチウムイオン二次電池とする。ただ、電池セルとしてニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池等、他の全ての二次電池とすることもできる。電池セル10は、所定の厚さを有する四角形で、上面を封口板11で閉塞する。封口板11の両端部には正負の電極端子13を突出させており、また中央部には安全弁の開口部14を設けている。
(防水シート20)
(防水シート20)
防水シート20は、外装缶12を被覆して絶縁する。この防水シート20は、好ましくは熱収縮製のプラスチック製シート、例えばPET製シートとする。PET製シートは耐熱性、耐久性に優れ、安価である上、熱溶着で簡単に接着できるので好ましい。
外装缶12を防水シート20で被覆する際は、上部で電極端子13や安全弁の開口部14は表出させるように、これらの部分は被覆しない。最も簡単には、上部を開口した袋状に構成される。袋状の防水シート20は、外装缶12を収納できる大きさとする。このため、防水シート20の折曲する片面は外装缶12の表面よりも大きく形成する。具体的には、図3(a)に示すように防水シート20の中央を折曲線CLとして折り返して、両側を接着する。この防水シート20は、図4(a)、(b)に示すように、電池セル10を被覆しながら袋状に形成される。具体的には、図4に示すように防水シート20をV字状に折り曲げて、対向する合わせ面の間に外装缶12を配置する。このとき、外装缶12の底面がV字状の折曲位置に面し、また外装缶12上面の電極端子13側がV字状の開口面となる姿勢で、外装缶12を挿入する。そして図4(b)、図2(c)に示すように、外装缶12の側面で、防水シート20同士を重ね合わせ、端部を熱溶着して熱溶着線HLにて連結し、袋状に形成する。
このようにして、防水シートを袋状に形成する際に必然的に生じる熱溶着線を、従来のように外装缶の底面側でなく、側面側に位置させることで、防水の信頼性を高めることができる。すなわち、図11に示すように、電池セルを使用する場合は、外装ケース内部に収納されて、垂直姿勢とされることが基本となる。この場合、外装ケース内部に結露等で水が溜まると、電池セルの下端部分(図11において水位WLより下の領域)が浸漬されることとなる。従来の電池セルでは、図13(b)、(c)等に示すように、電池セルの底面部分に熱溶着線HLが面していたため、熱溶着線HLの全体が浸漬されることとなる。
ここで、熱溶着に際しては、気泡の噛みこみや異物の介在などのため、ピンホール等の部分的な溶着欠陥を生じることがある。ピンホールから水分が浸入して外装ケースに達することがないよう、完全な密封構造とすることが望ましいが、極めてコストが高くなる上、その信頼性を100%とすることは現実的に困難である。そこで、実施例1では図1、図2(c)等に示すように、熱溶着線HLを電池セル10の下面でなく側面に位置させている。この構成では、図5に示すように電池セル10の幅をL、高さをHとすると、従来の防水シートに比べ、熱溶着すべき領域が従来(L)よりも長くなる(H×2)ものの、熱溶着線HLが浸水によって浸漬される領域を従来よりもずっと少なくすることができ、防水の信頼性を向上できる利点が得られる。具体的には、水位WLの高さをhとするとき、従来の防水シートでは距離Lが浸漬され、浸水のリスクがその距離に応じて高まるのに対し、実施例1では水位hに応じて距離h×2に抑えることができる。この結果、浸水のリスクは従来と比べ(2h/L)以下に低減できる。このように、本実施例によれば極めて簡単な構成により、熱溶着の品質が同じであっても防水の信頼性を高めることができる。
また熱溶着部分は、図2(b)に示すように側面に突出させてもよいし、突出部分XPを裁断してもよい。突出部分XPを残す場合は、突出部分XPが外装缶厚さ方向のほぼ中央に位置することが好ましい。これにより、電池セル10の側面からこの電池セル10を冷却する冷却気体を流す際に、冷却空気を突出部分XPで二分して、電池セル10の両面にほぼ均等に分散するように整流できる。また中央に位置させることで、電池セル10の両面をセパレータ15などで挟み込む際に、防水シートの突出部分XPが干渉しない、あるいは干渉を少なくできる利点も得られる。
なおこの例では、防水シート20をV字状に折曲させているが、外装缶の箱形に一致させるようにU字状やコ字状に折曲することで、防水シートと外装缶との密着性を一層高めることができる。また、防水シートを熱溶着によって接着する他、接着剤など他の方法で固定することもできる。
(実施例2)
(実施例2)
さらに、防水性を一層高めた構成として、実施例2に係る電池セル10Bを図6及び図7に示す。これらの図において、図6は実施例2に係る電池セル10Bの二面図、図7は図6のVII−VII線における断面図を、それぞれ示している。この電池セル10Bは、実施例1と同じく防水シート20Bを側面で接着して袋状に構成すると共に、図7に示すように熱溶着部分に形成される空間を利用して注入管30を配置している。注入管30は、管状のパイプで、図6(a)、(b)に示すように、電池セル10Bの両側の熱溶着部分にそれぞれ配置されている。また注入管30の下端開口は、電池セル10Bの高さ方向のほぼ中間、好ましくは中間よりも下部に位置させており、また上端開口は、電池セル10Bの上面に突出させている。
(注入管30)
(注入管30)
この注入管30は、電池セル10Bを防水シート20Bで被覆する際に併せて、防水シート20Bと外装缶12との間に挿入される。そして防水シート20Bを熱溶着した後、上端開口から、充填剤32を注入する。充填剤32は注入管30の下端開口から、防水シート20Bと外装缶12との間に充填される。充填剤32は、未硬化の接着剤が好ましい。液状あるいはゲル状の未硬化の接着剤が防水シート20Bと外装缶12との間に充填されると、防水シート20Bと外装缶12との間の隙間が埋められると共に、仮にピンホールなど溶着不十分の箇所が存在しても、この部分に接着剤が充填される結果、欠落部分が補填されて、接着剤の硬化後は密閉状態が完全となる。また注入管30の下端開口を、電池セル10Bの下方側、すなわち底面に近付けて位置させることで、熱溶着線HLの内で特に浸水の可能性が高い底近傍でピンホールに充填剤32で確実に充填できる。
加えて、ピンホールなどが無くとも、防水シート20Bと外装缶12との間に形成される空間すなわち断熱性の高い空気層を排除できるので、外装缶内部の電池セル収納体と外装缶12との熱伝導性を高め、電池セル10Bを発熱を外装缶12に効率よく伝熱し、効果的に放熱できるという利点も得られる。
また充填剤32として、粘度の高い伝熱促進クリームを利用することもできる。これによって、同様に隙間やピンホールが充填されると共に、外装缶12を介した放熱性を一層高めることもできる。また接着剤と伝熱促進クリームの混合物としてもよいことはいうまでもない。
(電源装置)
(電源装置)
以上の電池セルを複数、絶縁性のセパレータ15を介して積層して、図10〜図11に示すように締結した電源装置を構成できる。電源装置は、角形の電池セル10を複数、セパレータ15を介して積層した電池積層体を外装ケース18内に備えている。図10〜図11の例では、12個の角形電池セル10を積層している。各電池セル1はその上面に突出された正負の電極端子13同士をバスバーを介して電気的に接続している。また電池積層体の両側端面には、エンドプレート16を配置する。エンドプレート16同士は、電池積層体の側面に配置されたバインドバー17で固定される。これによりエンドプレート16同士の間で電池積層体を狭持するようにして固定する。バインドバー17は両端を折曲して折曲片とし、全体をコ字状としている。折曲片及びエンドプレート16にねじ穴を設けることで、バインドバー17をエンドプレート16に螺合して固定される。
(車両)
(車両)
また、この電源装置は、車載用のバッテリシステムとして利用できる。電源装置を搭載する車両としては、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、あるいはモータのみで走行する電気自動車等の電動車両が利用でき、これらの車両の電源として使用される。
図8に、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカーに電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両HVは、車両HVを走行させるエンジン96及び走行用のモータ93と、モータ93に電力を供給するバッテリシステム100Bと、バッテリシステム100Bの電池を充電する発電機94とを備えている。バッテリシステム100Bは、DC/ACインバータ95を介してモータ93と発電機94に接続している。車両HVは、バッテリシステム100Bの電池を充放電しながらモータ93とエンジン96の両方で走行する。モータ93は、エンジン効率の悪い領域、例えば加速時や低速走行時に駆動されて車両を走行させる。モータ93は、バッテリシステム100Bから電力が供給されて駆動する。発電機94は、エンジン96で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、バッテリシステム100Bの電池を充電する。
また図9に、モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両EVは、車両EVを走行させる走行用のモータ93と、このモータ93に電力を供給するバッテリシステム100Cと、このバッテリシステム100Cの電池を充電する発電機94とを備えている。モータ93は、バッテリシステム100Cから電力が供給されて駆動する。発電機94は、車両EVを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、バッテリシステム100Cの電池を充電する。
本発明に係る電池セル及びこれを用いた電源装置並びに電池セルの製造方法は、EV走行モードとHEV走行モードとを切り替え可能なプラグイン式ハイブリッド電気自動車やハイブリッド式電気自動車、電気自動車等の電源装置として好適に利用できる。
10、10B、10X…電池セル
11…封口板
12…外装缶
13…電極端子
14…安全弁の開口部
15…セパレータ
16…エンドプレート
17…バインドバー
18…外装ケース
20、20B…防水シート
20X…熱収縮シート
30…注入管
32…充填剤
93…モータ
94…発電機
95…DC/ACインバータ
96…エンジン
100B、100C…バッテリシステム
WL…水位
h…水位の高さ
CL…折曲線
HL…熱溶着線
XP…突出部分
HV、EV…車両
11…封口板
12…外装缶
13…電極端子
14…安全弁の開口部
15…セパレータ
16…エンドプレート
17…バインドバー
18…外装ケース
20、20B…防水シート
20X…熱収縮シート
30…注入管
32…充填剤
93…モータ
94…発電機
95…DC/ACインバータ
96…エンジン
100B、100C…バッテリシステム
WL…水位
h…水位の高さ
CL…折曲線
HL…熱溶着線
XP…突出部分
HV、EV…車両
Claims (11)
- 角形の外装缶(12)と、
前記外装缶(12)の上面に設けた電極端子(13)と、
前記外装缶(12)を被覆する絶縁性の防水シート(20)と、
を備える電池セルであって、
前記防水シート(20)は、前記外装缶(12)の底面で折曲させるようにして該底面を被覆すると共に、対向する合わせ面を前記外装缶(12)の両側側面に位置させて接着しており、前記外装缶(12)の上面で前記電極端子(13)を表出させてなることを特徴とする電池セル。 - 請求項1に記載の電池セルであって、
前記防水シート(20)が熱収縮性のプラスチック製シートであり、
前記防水シート(20)の合わせ面の接着を熱溶着にて行うことを特徴とする電池セル。 - 請求項2に記載の電池セルであって、さらに、
前記防水シート(20)と前記外装缶(12)との間で、該防水シート(20)の熱溶着部分と部分的に沿うように、管状の注入管(30)を配置しており、
前記注入管(30)の開口端の一方を注入端として、充填剤(32)を注入し、他端の開口端を充填端として、ここから前記防水シート(20)と前記外装缶(12)との間に充填剤(32)を充填可能に構成してなることを特徴とする電池セル。 - 請求項3に記載の電池セルであって、
前記注入剤が接着剤又は伝熱促進クリームあるいはこれらの混合物であることを特徴とする電池セル。 - 請求項3又は4に記載の電池セルであって、
前記注入管(30)の注入端が、前記外装缶(12)の高さ方向の中心と下端との間に位置されてなることを特徴とする電池セル。 - 請求項2から5のいずれか一に記載の電池セルであって、
前記外装缶(12)の側面で、前記防水シート(20)の熱溶着部分が、該外装缶(12)側面から突出するよう、該側面の中央に位置されてなることを特徴とする電池セル。 - 請求項1から6のいずれか一に記載の電池セルであって、
前記防水シート(20)がPET製であることを特徴とする電池セル。 - 請求項1から7のいずれか一に記載の電池セルを複数用いた電源装置。
- 請求項8に記載の電源装置を備える車両。
- 角形の外装缶(12)と、
前記外装缶(12)の上面に設けた電極端子(13)と、
前記外装缶(12)を被覆する絶縁性の防水シート(20)と、
を備える電池セルの製造方法であって、
前記外装缶(12)の表面よりも大きい面積の前記防水シート(20)を中心で折曲して、対向する合わせ面の間に前記外装缶(12)を、その底面が該折曲位置に位置する姿勢で挿入し、前記外装缶(12)上面の電極端子(13)を表出させる工程と、
前記外装缶(12)の側面で、前記防水シート(20)同士を重ね、熱溶着して袋状に形成する工程と、
を含むことを特徴とする電池セルの製造方法。 - 請求項10に記載の電池セルの製造方法であって、
前記防水シート(20)を熱溶着する工程において、熱溶着する線(HL)に沿うように、充填剤(32)を注入するための注入管(30)を配置することを特徴とする電池セルの製造方法。
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