JP2013020891A

JP2013020891A - 組電池の拘束構造および組電池の拘束力可変方法

Info

Publication number: JP2013020891A
Application number: JP2011155128A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Mitsui; 正彦三井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2013-01-31

Abstract

【課題】組電池に拘束バンドを取り付けた後であっても、拘束力やバンド長を調整し、組電池の電池特性を安定的に維持する。
【解決手段】組電池の拘束構造では、温度検出器５０からの出力により、制御部６０が組電池の温度情報を取得して、検出された実測温度と予め格納されている基準温度とを比較し、実測温度が基準温度より高い場合には、制御部６０から拘束力可変装置４０に「拘束力を下げる」指令が出力され、この指令に基づき、拘束力可変装置４０によって拘束バンド３０の拘束力が調整される。
【選択図】図２

Description

本発明は、組電池の拘束構造および組電池の拘束力可変方法に関する。

例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車等の、電動機により車両を駆動力を得る自動車には、二次電池が搭載されている。この二次電池は、限られた容量やサイズを達成するために、複数の電池セルを積層してモジュール化して、組電池として製造されている。

一般に、複数の電池セルを積層してなる組電池は、その外周に、電池セルの積層方向へ所定の圧力で加圧するための拘束バンドが設けられている。拘束バンドは、それ自体が経時劣化することから、通常、経時で拘束バンドによる拘束力が低下する傾向にある。

そこで、特許文献１において、拘束バンドに振動を与えて、測定された振動状態に基づいて、拘束バンドの拘束力を判定する電池モジュール（いわゆる、組電池）における拘束バンドの拘束力検査方法が提案され、さらに、拘束力検査方法により拘束バンドの拘束力を判定し、その判定結果に応じて、拘束バンドの拘束力を調整することが提案されている。一方、特許文献２には、組電池のメンテナンス時に、ナットを緩めることによって、徐々に単位電池（いわゆる、電池セル）の拘束力を解除することが記載されている。

また、特許文献３には、組電池の電池セル間に介在させる加圧スペーサが、一対の加圧板とその一対の加圧板の間に配置された板ばねとから構成されていることが記載されている。また、特許文献４には、組電池の電池セル間に介在させるスペーサが、冷却媒体の通路として機能するとともに、電池セルの変形に対するために、ばねで構成されていることが記載されている。

特開２００７−３０５３２０号公報特開２００１−６８０８１号公報特開２００９−１７０１４０号公報特開２０００−４８８６７号公報

組電池は、経時により、電池セル間に介在するスペーサの弾性力劣化に伴って、複数の電池セルへの拘束力が低下していく。その結果、例えば、電池セルの内部抵抗が増加し、組電池の充放電性能が低下するおそれがある。また、電池セルの内部抵抗が大きくなって電池セルの発熱量が大きくなった場合や、特に充放電時に電池セルの温度が上昇する場合には、電池セルを冷却するために、電池セル間に介在させるスペーサへの冷却媒体流量を多くしたいという要望がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、組電池に拘束バンドを取り付けた後であっても、拘束力やバンド長を調整し、電位温度に応じて、組電池の拘束力を変化させ、組電池の電池特性を安定的に維持する組電池の拘束構造および組電池の拘束力可変方法を提供する。

上記目的を達成するために、本発明の組電池の拘束構造および組電池の拘束力可変方法は以下の特徴を有する。

（１）複数の電池セルを積層してなる組電池の外周を、電池セルの積層方向へ加圧しながら拘束する拘束バンドと、前記拘束バンドの合わせ目端に設けられた拘束力可変装置と、前記組電池の温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器からの出力に応じて前記拘束力可変装置の拘束力を調整させる制御部と、を有する組電池の拘束構造である。

組電池の温度に応じて、組電池を拘束する拘束バンドの拘束力を調整することによって、例えば、組電池の温度が上昇した場合、拘束バンドの拘束力を下げ、電池セル間の距離を開けて、電池セルを冷却することにより、組電池の温度が所定温度まで冷却され、組電池の電池特性（例えば、充放電容量等）が維持される。

（２）上記（１）に記載の組電池の拘束構造において、さらに、複数の電池セル間に冷却媒体の流路となる冷却リブを有するスペーサを設け、前記冷却リブは弾性部材からなり、前記冷却リブのリブ高が可変である組電池の拘束構造である。

例えば、組電池の温度が上昇した場合、拘束バンドの拘束力を下げ、電池セル間に設けられたスペーサにおける冷却リブのリブ高を高くし、冷却リブ内の冷却媒体の流量を上げることによって、電池セルが冷却される。その結果、組電池の温度が所定温度まで冷却され、組電池の電池特性（例えば、充放電容量等）が維持される。

（３）上記（１）または（２）に記載の組電池の拘束構造において、さらに、組電池の内部抵抗を検出する内部抵抗検出器を有し、前記制御部は、温度検出器からの出力と内部抵抗検出器からの出力とに応じて、前記拘束力可変装置の拘束力を調整する組電池の拘束構造である。

電池セルの内部抵抗が大きくなった場合、電池セルの発熱量が大きくなり、その結果、組電池の温度が上昇するため、例えば、組電池の温度が上昇した場合、拘束バンドの拘束力を下げ、電池セル間の距離を開けて、電池セルを冷却することにより、組電池の温度が所定温度まで冷却され、組電池の電池特性（例えば、充放電容量等）が維持される。

（４）上記（１）に記載の組電池の拘束構造において、前記拘束力可変装置は、拘束バンドの合わせ目の一方端に設けられたねじ歯車と、拘束バンドの合わせ目の他方端に設けられたはす歯車とからなる組電池の拘束構造である。

拘束バンドの合わせ目の一方端にねじ歯車を設け、他方端にはす歯車を設けて、このねじ歯車とはす歯車からなる、いわゆるウォームギアを用いることにより、拘束バンド長を可変することができる。

（５）複数の電池セルを積層してなる組電池の温度を検出する温度測定工程と、組電池の温度に応じて、組電池の外周を電池セルの積層方向へ加圧しながら拘束する拘束バンドの合わせ目端に設けられた拘束力可変装置の拘束力を調整させる拘束力調整工程と、を有する組電池の拘束力可変方法である。

（６）複数の電池セルを積層してなる組電池の温度を検出する温度測定工程と、組電池の内部抵抗を検出する内部抵抗検出工程と、組電池の温度と内部抵抗に応じて、組電池の外周を電池セルの積層方向へ加圧しながら拘束する拘束バンドの合わせ目端に設けられた拘束力可変装置の拘束力を調整させる拘束力調整工程と、を有する組電池の拘束力可変方法である。

本発明によれば、組電池に拘束バンドを取り付けた後であっても、拘束力やバンド長が調整可能であり、組電池の電池特性が安定的に維持される。

本発明の実施の形態における組電池の拘束構造の一例の概略構成を示す図である。本発明の実施の形態における組電池の拘束力可変方法に用いる装置の構成の一例を説明する図である。本発明の実施の形態に用いる拘束バンドの構成の一例を説明する図である。本発明の実施の形態に用いる拘束バンドのバンド長可変構造の一例を説明する図である。本実施の形態における、電池セル間に介在させる冷却リブが設けられたスペーサとその配置を説明する図である。本実施の形態における、電池セル間に介在させる冷却リブのリブ長可変のスペーサの構造の一例を説明する図である。本発明の実施の形態における、組電池の拘束力可変方法の一例を説明するフロー図である。本発明の実施の形態における、組電池の拘束力可変方法の他の例を説明するフロー図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

本実施の形態における組電池の拘束構造は、まず、図１に示すように、複数の電池セル１０を積層してなる組電池の外周を、電池セル１０の積層方向へ加圧しながら拘束する拘束バンド３０を有し、拘束バンド３０の合わせ目端には、ねじ歯車４２とはす歯車４４とで構成された、いわゆるウォームギアからなる拘束力可変装置が設けられている。さらに、電池セル１０間には、後述する冷却媒体の流路となる冷却リブを有するスペーサ２０が介在している。また、電池セル１０には、プラス及びマイナスからなる２つの出力端子１２が設けられている。

さらに、本実施の形態における組電池の拘束構造は、図２に示すように、電池セル１０間には、冷却媒体の流路となる冷却リブを有するスペーサ２０が介在し、また、複数の電池セル１０を積層してなる組電池の外周に拘束バンド３０が設けられ、拘束バンドの合わせ目には、上述したねじ歯車４２とはす歯車４４とからなる拘束力可変装置４０が設けられている。さらに、組電池の１個所または２個所以上に、組電池の温度を検出する温度検出器５０が設けられている。そして、拘束力可変装置４０と温度検出器５０は、電気的に制御部６０に接続されている。さらに、本実施の形態における組電池の拘束構造は、組電池の総プラスとなる出力端子１２と組電池の総マイナスとなる出力端子１２とに電気的に接続され組電池に流れる電流を測定する電流計７０と、組電池の総プラスとなる出力端子１２と組電池の総マイナスとなる出力端子１２とに電気的に接続され組電池に印加される電圧を測定する電圧計８０とを有し、電流計７０と電圧計８０とは、それぞれ電気的に制御部６０に接続されている。従って、制御部６０は、電流計７０と電圧計８０からの出力から組電池の内部抵抗を算出することができる。ここで、制御部６０として、例えば、車両に設けられたバッテリコンピュータ又はＥＣＵを用いてもよい。

次に、本実施の形態で用いる拘束バンドの構造の一例について、図３，４を用いて説明する。まず、図３に示すように、拘束バンド３０は、一対のバンド片３２，３４からなり、バンド片３４との合わせ目となるバンド片３２の端部には、ねじ歯車４２がバンド片３２の面よりやや突出するように設けられ、一方、バンド片３２との合わせ目となるバンド片３４の端部には、はす歯車４４が設けられている。本実施の形態では、バンド片３２，３４のそれぞれ両端部に、それぞれねじ歯車４２とはす歯車４４とを設け、それぞれのねじ歯車４２を進退させることにより、各バンド片３２の端部上へのバンド片３４の端部の重なり長を可変させ、２つのウォームギアを用いて拘束バンド３０の拘束力を調整している。なお、拘束バンドの拘束力の調整方式は、これに限るものではなく、バンド片３２，３４の合わせ目の一方端のみに、いわゆるウォームギアを設け、バンド片３２，３４の合わせ目の他方端は、凸部と孔との嵌合からなっていても良い。さらに、拘束バンドは、１本のバンドであって、１本のバンドの一方端と他方端に、それぞれねじ歯車４２とはす歯車４４とが設けられ、これらによって、拘束バンドの拘束力を調整してもよい。また、本実施の形態では、拘束力可変装置として、ねじ歯車４２とはす歯車４４とからなるウォームギアを用いたが、これに限るものではなく、アクチュエータなどの他の駆動装置を用いてもよい。

さらに、本実施の形態における組電池の拘束構造は、図５に示すように、複数の電池セル１０間に冷却媒体の流路となる冷却リブ２２を有するスペーサ２０が設けられ、冷却リブ２２は弾性部材からなり、冷却リブ２２のリブ高が可変になる構造を有する。従って、例えば、組電池の温度が上昇した場合、拘束バンドの拘束力を下げ、電池セル１０間に設けられたスペーサ２０における冷却リブ２２のリブ高を高くして、冷却リブ２２内の冷却媒体の流量を上げることによって、電池セル１０が冷却される。ここで、弾性部材として、例えば、樹脂製部材や弾力性のある金属製部材が挙げられる。

また、本実施の形態に用いるスペーサの他の例として、図６に示すように、冷却リブ２２の冷却媒体流路内に、ばね２４が設けられていてもよい。ばね２４を有することにより、例えば、組電池の温度が上昇し、拘束バンドの拘束力を緩めた場合、ばね２４の反発力によってリブ高が高くなり、冷却リブ２２内への冷却媒体の流量が多くなって、電池セル１０の冷却効率が向上する。

次に、本実施の形態における組電池の拘束力可変方法について、図１，図２，図７，図８を用いて、２つの拘束力可変方法の例を以下に説明する。

まず、本実施の形態の組電池の拘束力可変方法における第１の例について、図１，図２，図７を用いて説明する。温度検出器５０からの出力によって、制御部６０は、組電池の温度情報を取得する（Ｓ１００）。次に、制御部６０は、検出された実測温度と、予め格納されている基準温度とを比較し（Ｓ１０２）、実測温度が基準温度より高い場合には、制御部６０から拘束力可変装置４０に「拘束力を下げる」指令が出力される（Ｓ１０４）。この指令に基づき、拘束力可変装置４０は、拘束力可変装置４０を構成するねじ歯車４２を退行させて拘束バンド３０の拘束を緩める。拘束力の下げ量は、基準温度に対する実測温度の高さ、電池セル１０の表面積に対する冷却リブ２２のリブ数など応じて、制御部６０において、適宜決定される。

次に、本実施の形態の組電池の拘束力可変方法における第２の例について、図１，図２，図８を用いて説明する。なお、第１の例と同じ動作についての説明は省略する。制御部６０は、電流計７０および電圧計８０からの出力により、電流値および電圧値を取得し（Ｓ２００）、組電池の内部抵抗を算出する（Ｓ２０２）。次いで、算出された内部抵抗値と、予め制御部６０に格納されている組電池の基準内部抵抗値とを比較し（Ｓ２０４）、算出された内部抵抗値が基準内部抵抗値より高い場合には、内部抵抗上昇に伴う、電池セルの発熱量増大と判定して、制御部６０から拘束力可変装置４０に「拘束力を下げる」指令が出力される（Ｓ１０４）。この指令に基づき、拘束力可変装置４０は、拘束力可変装置４０を構成するねじ歯車４２を退行させて拘束バンド３０の拘束を緩める。拘束力の下げ量は、基準温度に対する実測温度の高さ、電池セル１０の表面積に対する冷却リブ２２のリブ数など応じて、制御部６０において、適宜決定される。ここで、第２の例では、組電池の温度上昇と、組電池の内部抵抗の上昇との両方を検出しており、いずれかが検出された場合に、拘束バンドの拘束力を調整してもよい。また、場合によっては、両方の内のいずれかを優先的に考慮して、拘束力を調整して電池セルの冷却速度を調整してもよい。

なお、本実施の形態では、拘束バンドの拘束力を下げる場合について説明したが、拘束バンドの拘束力調整はこれらに限るものではなく、組電池の温度上昇が生じていないにもかかわらず、組電池の内部抵抗が上昇している場合には、図８の動作にかかわらず、制御部６０から拘束力可変装置４０に「拘束力を上げる」指令を出力し、拘束力を上げる。これにより、組電池の充放電性能を向上する。

本発明の組電池の状態検出装置は、組電池を用いる用途であれば、如何なる用途にも有効であるが、特に車両に搭載される組電池からなる二次電池に供することができる。

１０電池セル、１２出力端子、２０スペーサ、２２冷却リブ、３０拘束バンド、３２，３４バンド片、４０拘束力可変装置、４２ねじ歯車、４４はす歯車、５０温度検出器、６０制御部、７０電流計、８０電圧計。

Claims

複数の電池セルを積層してなる組電池の外周を、電池セルの積層方向へ加圧しながら拘束する拘束バンドと、
前記拘束バンドの合わせ目端に設けられた拘束力可変装置と、
前記組電池の温度を検出する温度検出器と、
前記温度検出器からの出力に応じて前記拘束力可変装置の拘束力を調整させる制御部と、
を有することを特徴とする組電池の拘束構造。
請求項１に記載の組電池の拘束構造において、
さらに、複数の電池セル間に冷却媒体の流路となる冷却リブを有するスペーサを設け、
前記冷却リブは弾性部材からなり、
前記冷却リブのリブ高が可変であることを特徴とする組電池の拘束構造。
請求項１または請求項２に記載の組電池の拘束構造において、
さらに、組電池の内部抵抗を検出する内部抵抗検出器を有し、
前記制御部は、温度検出器からの出力と内部抵抗検出器からの出力とに応じて、前記拘束力可変装置の拘束力を調整することを特徴とする組電池の拘束構造。
請求項１に記載の組電池の拘束構造において、
前記拘束力可変装置は、拘束バンドの合わせ目の一方端に設けられたねじ歯車と、拘束バンドの合わせ目の他方端に設けられたはす歯車とからなることを特徴とする組電池の拘束構造。
複数の電池セルを積層してなる組電池の温度を検出する温度測定工程と、
組電池の温度に応じて、組電池の外周を電池セルの積層方向へ加圧しながら拘束する拘束バンドの合わせ目端に設けられた拘束力可変装置の拘束力を調整させる拘束力調整工程と、
を有することを特徴とする組電池の拘束力可変方法。
複数の電池セルを積層してなる組電池の温度を検出する温度測定工程と、
組電池の内部抵抗を検出する内部抵抗検出工程と、
組電池の温度と内部抵抗に応じて、組電池の外周を電池セルの積層方向へ加圧しながら拘束する拘束バンドの合わせ目端に設けられた拘束力可変装置の拘束力を調整させる拘束力調整工程と、
を有することを特徴とする組電池の拘束力可変方法。