JP2013120729A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電素子の冷却効率や昇温効率を向上させる。
【解決手段】蓄電装置は所定方向に並んで配置された複数の蓄電素子を有する。各蓄電素子は、倦回体と、正極プレートと、負極プレートと、枠体とを有する。倦回体では、正極素子および負極素子がセパレータを挟んで巻かれている。正極プレート（又は負極プレート）は、正極素子（又は負極素子）の端部と電気的に接続されており、所定方向と直交する面を有する。枠体は、倦回体の外縁に沿って配置されており、枠体には正極プレートおよび負極プレートが固定される。正極プレートおよび負極プレートは、所定方向において倦回体を挟む位置に配置されている。一方の蓄電素子の正極プレートは、他方の蓄電素子の負極プレートと接触している。枠体は、正極素子および負極素子の端部に対して、巻き軸方向で隣り合う位置において、倦回体の温度調節に用いられる熱交換媒体が移動する通路を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電装置の温度を調整する技術に関する。

近年、地球環境を意識した車両として、車両走行用の電動モータを搭載した電気自動車やハイブリッド自動車などが注目され、実用化されている。電動モータは、充放電可能な複数の単電池を有する組電池から出力される電力により駆動する。

またリチウムイオン電池やニッケル水素電池といった二次電池は、低温環境では電池本来のエネルギを出力することができず、一方高温環境では電池寿命が短くなるため、所定の温度範囲内で使用することが望ましい。

公知技術として、セパレータを挟んで正極および負極を配置した電極群と、電極群を浸潤する電解液とを収容したケースと、ケースを保持する樹脂製の保持部材とを備え、ケースと保持部材とをインサート成形により一体に形成すると共に、保持部材の周部にケースを冷却する冷却風を供給するための吸気ダクトと、ケースとの熱交換により昇温した冷却風を排出するための排気ダクトを形成した蓄電デバイスが開示されている（例えば特許文献１）。

特開２０１１−１００６８０号公報

例えば、コイン電池のように、電池両面の金属板をケース且つ電極板とする場合、電池同士の正極、負極の腹面をそれぞれ接触させて電気的に接続する必要がある。よって、特許文献１のように、電池同士の腹面に隙間を設けるのは困難となり、放熱面積で有利な冷却ができない。

本願発明は、蓄電素子の冷却効率や昇温効率を向上させることができる蓄電装置を提供することを目的とする。

本願発明に係る蓄電装置は、所定方向に並んで配置された複数の蓄電素子を有する蓄電装置である。各蓄電素子は、倦回体と、正極プレートと、負極プレートと、枠体とを有する。倦回体では、正極素子および負極素子がセパレータを挟んで巻かれている。正極プレートは、倦回体の巻き軸方向における一端に位置する正極素子の端部と電気的に接続されており、所定方向と直交する面を有する。負極プレートは、倦回体の巻き軸方向における他端に位置する負極素子の端部と電気的に接続されており、所定方向と直交する面を有する。枠体は、所定方向と直交する面内において、倦回体の外縁に沿って配置されており、枠体には、正極プレートおよび負極プレートが固定される。

正極プレートおよび負極プレートは、所定方向において倦回体を挟む位置に配置されている。所定方向で隣り合う２つの蓄電素子のうち、一方の蓄電素子の正極プレートは、他方の蓄電素子の負極プレートと接触している。枠体は、正極素子および負極素子の端部に対して、巻き軸方向で隣り合う位置において、倦回体の温度調節に用いられる熱交換媒体が移動する通路を有する。

倦回体では、巻き軸方向に延びる熱伝播経路において、熱抵抗が低くなりやすい。倦回体の巻き軸方向における両端部には、正極素子および負極素子の端部が位置しており、本発明では、この端部に対して、巻き軸方向で隣り合う位置に、熱交換媒体が移動する通路を設けている。これにより、熱抵抗が低くなりやすい熱伝播経路を用いて、熱交換媒体および倦回体の間の熱交換を効率良く行うことができる。すなわち、熱交換媒体を用いて、倦回体の温度調節を効率良く行うことができる。

第１実施形態の単電池を示す図である。 図１のＡ−Ａ断面を示す図である。 図１のＣ−Ｃ断面を示す図である。 図２の破線領域Ｂを拡大した図である。 第１実施形態の単電池によって構成される組電池を示す図である。 図５のＤ−Ｄ断面を示す図である。 熱の伝播経路を示す図である。 第２実施形態の単電池を示す図である。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態の単電池１（蓄電素子）の構成を示す図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１のＣ−Ｃ断面図である。また図４は、図２で示す領域Ｂの拡大図である。単電池１として、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）を用いることができる。また、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸であり、以降の説明や図面において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸は一致している。

単電池１は、単電池１の外郭壁を形成する枠体１０と、枠体１０に固定された発電要素２０とを有する。枠体１０の素材は、例えば樹脂などの絶縁材料であり、枠体１０は、発電要素２０を組み込むための開口部を有している。言い換えれば、枠体１０は、Ｘ−Ｚ平面において、発電要素２０の外縁に沿った形状に形成されている。発電要素２０は、充放電可能な最小単位の要素であり、倦回体２１、負極プレート２３、正極プレート２４を有する。

発電要素２０は、負極プレート２３、正極プレート２４が単電池１の外部に露出するように枠体１０の開口部に収容され、倦回体２１は、負極プレート２３、正極プレート２４、および枠体１０に取り囲まれる（図２、図３参照）。負極プレート２３および正極プレート２４のそれぞれは、Ｘ−Ｚ平面に沿って配置される平面部を有する。

倦回体２１は、正極素子、負極素子、およびセパレータを有しており、正極素子および負極素子の間にセパレータを配置した積層体を図１の矢印ＡＲ４の方向に巻くことにより、倦回体２１が構成される。すなわち、Ｘ方向に延びる軸に対して、正極素子、負極素子およびセパレータの積層体を巻くことにより、倦回体２１が構成される。

倦回体２１の正極素子は、領域Ｒ１、領域Ｒ３を有する集電板と、当該集電板の表面であって、領域Ｒ３に形成される正極活物質層とで構成される。単電池１として、リチウムイオン二次電池を用いるとき、例えば、正極素子の集電板の素材として、アルミニウムを用いることができる。正極活物質層は、正極用の活物質、導電剤、バインダーなどを含んでいる。正極素子の領域Ｒ１は正極素子の集電板のみが露出した領域となり、領域Ｒ１は正極素子の集電板だけが巻かれる状態となる。この正極素子の集電板だけが巻かれた部位が正極端部２１Ａとなり（図２、図４参照）、正極端部２１Ａと正極プレート２４とが接触して、これらが単電池１の正極端子として機能する。

正極プレート２４および正極端部２１Ａは、例えば、溶接によって接続することができ、正極プレート２４は、正極端部２１Ａと電気的に接続されている。正極プレート２４は、倦回体２１の領域Ｒ３とも接触しているが、領域Ｒ３には、セパレータが配置されているため、正極プレート２４は、倦回体２１の領域Ｒ３とは電気的に接続されていない。

一方、倦回体２１の負極素子は、領域Ｒ３、領域Ｒ２を有する集電板と、当該集電板の表面であって、領域Ｒ３に形成される負極活物質層とで構成される。単電池１としてリチウムイオン二次電池を用いるとき、例えば、負極素子の集電板の素材として、銅を用いることができる。負極活物質層は、負極用の活物質、導電剤、バインダーなどを含んでいる。負極素子の領域Ｒ２は負極素子の集電板のみが露出した領域となり、領域Ｒ２は負極素子の集電板だけが巻かれる状態となる。この負極素子の集電板だけが巻かれた部位が負極端部２１Ｂとなり（図２参照）、負極端部２１Ｂと負極プレート２３とが接触して、これらが単電池１の負極端子として機能する。

負極プレート２３および負極端部２１Ｂは、例えば、溶接によって接続することができ、負極プレート２３は、負極端部２１Ｂと電気的に接続されている。負極プレート２３は、倦回体２１の領域Ｒ３とも接触しているが、領域Ｒ３には、セパレータが配置されているため、負極プレート２３は、倦回体２１の領域Ｒ３とは電気的に接続されていない。

倦回体２１のセパレータは、上記正極素子と負極素子との間、且つ領域Ｒ３に配置され、電解液を含ませることで極性媒体となる。図１に示す領域Ｒ３は、セパレータ、正極活物質層および負極活物質層が重なっている反応領域であり、単電池１の充放電を行うときに、領域Ｒ３に配置されるセパレータの電解液を介して、イオンの移動が行われる。

正極プレート２４と負極プレート２３は、単電池１の電極端子となるとともに、枠体１０に固定されることで、枠体１０とともに単電池１の外面を構成する。単電池１としてリチウムイオン二次電池を用いるとき、例えば、正極プレート２４の素材をアルミニウムとし、負極プレート２３の素材を銅とすることができる。すなわち、正極プレート２４の素材として、正極素子の集電板と同一の素材を用いることができる。また、負極プレート２３の素材として、負極素子の集電板と同一の素材を用いることができる。

また正極プレート２４と負極プレート２３とが接触するのを抑止するため、正極プレート２４と負極プレート２３の間には、絶縁性の接着シール１２が設けられる（図２、図３、図４参照）。接着シール１２は、発電要素２０の外縁に沿って、言い換えれば、枠体１０に沿って配置されている。

枠体１０には、通風路１１が形成されている。具体的には、通風路１１は、枠体１０のうち、Ｚ方向に延びる領域に形成されている。通風路１１は、Ｘ軸方向において、正極端部２１Ａ、負極端部２１Ｂよりも単電池１の外面側に位置している。通風路１１では、図１、図２、図４の太矢印に示す向き、すなわちＹ軸と平行となるように熱交換媒体が移動する。本実施形態では、熱交換媒体を空気等の気体とするが、態様は限定されず、液体であってもよい。

単電池１が充放電などによって発熱しているときには、冷却用の熱交換媒体を通風路１１に流すことにより、冷却用の熱交換媒体および単電池１の間で熱交換を行わせ、単電池１の温度上昇を抑制することができる。単電池１が過度に冷却されているときには、加温用の熱交換媒体を通風路１１に流すことにより、加温用の熱交換媒体および単電池１の間で熱交換を行わせ、単電池１の温度低下を抑制することができる。冷却用又は加温用の熱交換媒体を用いることにより、単電池１の温度を調節することができ、単電池１の温度を所望の温度範囲内に維持することができる。通風路１１が形成される位置に関する技術的意義については後述する。

図５は、複数の単電池１を一方向（Ｙ軸方向）に並べることで構成される電池パックを示す図であり、図６は、図５のＤ−Ｄ断面を示す図である。電池パック１００（蓄電装置）は、例えば、車両に搭載することができる。電池パック１００から出力された電気エネルギをモータ・ジェネレータによって運動エネルギに変換すれば、この運動エネルギを用いて車両を走行させることができる。また、車両の制動時に発生する運動エネルギをモータ・ジェネレータによって電気エネルギに変換すれば、この電気エネルギを電池パック１００に蓄えることができる。

電池パック１００は、複数の単電池１をＹ軸方向に配列した構成となっており、Ｙ軸方向で隣り合う２つの単電池１に関して、一方の単電池１の正極プレート２４と、他方の単電池１の負極プレート２３とが接触している。一方の単電池１の正極プレート２４と、他方の単電池１の負極プレート２３とは、Ｙ軸方向において向かい合っている。これにより電池パック１００は、複数の単電池１を直列に接続した構成となる。直列に接続される単電池１の数は、電池パック１００に要求される出力に応じて適宜変更可能である。

Ｙ軸方向における電池パック１００の両端には、一対のエンドプレート２が配置されている。エンドプレート２は、例えば、樹脂などの絶縁材料で形成することができる。一対のエンドプレート２には、Ｙ軸方向に延びる拘束バンド（不図示）の両端が固定されている。一対のエンドプレート２に拘束バンドを固定すれば、一対のエンドプレート２によって挟まれる複数の単電池１に対して、拘束力を与えることができる。拘束力は、Ｙ軸方向において、複数の単電池１を挟む力である。

エンドプレート２には、外部（例えば車室）の空気を単電池１の通風路１１に導く通風路２Ｂが形成されている。またエンドプレート２には、リレーや、電流センサ、電圧センサ等の各種センサを有する制御計測ユニット２Ａが取り付けられている。制御計測ユニット２Ａは、エンドプレート２のうち、単電池１と接触する面とは反対側の面に取り付けられている。本実施形態では、制御計測ユニット２Ａを電池パック１００（エンドプレート２）に固定しているが、電池パック１００から離れた位置に設置されていてもよい。

次に、通風路１１の位置に関する技術的意義について、図７を参照して説明する。図７（Ａ）は単電池１の斜視図であり、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＡ−Ａ断面図、図７（Ｃ）は図７（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。尚、以下の例は単電池１の冷却についての説明であるが、単電池１の昇温、加温についても同様である。

倦回体２１の巻き軸方向であるＸ軸方向と、倦回体２１の厚み方向であるＹ軸方向とでは熱伝導率が異なる。倦回体２１の中心部から倦回体２１の最外面までの熱伝導率は、Ｙ軸方向における熱伝播経路よりも、Ｘ軸方向における熱伝播経路のほうが高くなる。

倦回体２１の中心部とは、倦回体２１の積層方向における中心であって、倦回体２１の巻き軸方向（Ｘ軸方向）における倦回体２１の中心である。倦回体２１の最外面とは、倦回体２１のうち、最も外側に位置する面である。倦回体２１の中心部では、発電要素２０の充放電によって最も温度が高くなりやすい。したがって、倦回体２１の内部における熱伝導を考慮するときには、倦回体２１の中心部から、倦回体２１の最外面までの熱伝導率を考慮することができる。

Ｙ軸方向における熱伝播経路では、セパレータを介して熱が伝播されるため、熱が伝播されにくくなる。ここで、セパレータは、正極素子の集電板や負極素子の集電板よりも熱伝導率が低い材料で形成されているため、セパレータでは、正極素子や負極素子と比べて、熱が伝播し難くなる。一方、Ｘ軸方向における熱伝播経路では、正極素子の集電板や負極素子の集電板を介して熱が伝播されるため、熱が伝播されやすくなる。

倦回体２１には、Ｚ軸方向における熱伝播経路も存在するが、Ｚ軸方向における熱伝播経路では、Ｙ軸方向における熱伝播経路と同様に、セパレータを介して熱が伝播される。また、Ｚ軸方向における熱伝播経路では、倦回体２１の間に隙間（空気層）が発生することもあり、この空気層によって、熱が伝播し難くなる。このため、倦回体２１の中心部から最外面までの熱伝導率に関して、Ｘ軸方向における熱伝播経路は、Ｚ軸方向における熱伝播経路よりも高くなる。

倦回体２１にて充放電時に発せられた熱はＸ軸方向へ熱伝播しやすいため、倦回体２１の中心部での熱は、正極端部２１Ａ、負極端部２１Ｂまで容易に熱伝播される（図７の矢印ＡＲ１参照）。一方、倦回体２１の中心部から、倦回体２１と正極プレート２４、負極プレート２３が電気的に接続されていない箇所（図７（Ｃ）の一点鎖線円で示す端部）までの熱伝播経路は、Ｘ軸方向へ伝播された熱が正極プレート２４、負極プレート２３を介して伝播してくる経路（図７の矢印ＡＲ２）、または、倦回体２１の最外面まで伝播された熱が正極プレート２４、負極プレート２３を介して伝播してくる経路（図７の矢印ＡＲ３）となる。

矢印ＡＲ１の熱伝播経路では、倦回体２１の中心部で発生した熱が、正極素子（主に、集電板）や負極素子（主に、集電板）を介して、正極端部２１Ａ又は負極端部２１Ｂに伝播する。矢印ＡＲ２の熱伝播経路では、倦回体２１の中心部で発生した熱が、正極端部２１Ａ又は負極端部２１Ｂまで移動した後に、正極プレート２４又は負極プレート２３を介して、図７（Ｃ）の一点鎖線円で示す端部まで伝播する。したがって、矢印ＡＲ２の熱伝播経路では、矢印ＡＲ１の熱伝播経路と比べて、熱が正極プレート２４又は負極プレート２３を移動する分だけ、熱抵抗が高くなる。

矢印ＡＲ３の熱伝播経路では、倦回体２１の中心部で発生した熱が、セパレータを介して倦回体２１の積層方向に移動した後に、正極プレート２４又は負極プレート２３を介して、図７（Ｃ）の一点鎖線円で示す端部まで伝播する。したがって、矢印ＡＲ３の熱伝播経路では、矢印ＡＲ１の熱伝播経路と比べて、セパレータでの熱抵抗や、正極プレート２４又は負極プレート２３の熱抵抗の分だけ、熱抵抗が高くなる。

上述した熱伝播経路の熱抵抗を比較すると、下記式（１）の関係がある。
（ＡＲ１の熱伝播経路）＜（ＡＲ２、ＡＲ３の熱伝播経路） ・・・（１）

上述した説明では、倦回体２１の中心部から倦回体２１の外面に熱が伝播する経路について説明したが、倦回体２１の外面から倦回体２１の中心部に熱が伝播する経路についても、熱抵抗の関係は同様となる。

本実施形態では、矢印ＡＲ１の熱伝播経路に通風路１１を設けているため、熱抵抗が最も小さい熱伝播経路を用いて、発電要素２０の温度を調節することができ、温度調節を効率良く行うことができる。

熱抵抗（Ｋ／Ｗ）は、ある物体から１Ｗの熱量を放出するために必要な温度差と定義される。よって、冷却環境と発熱量が同一であれば熱抵抗が高いほど電池温度は高くなる。
ゆえに、本実施形態のように、Ｘ軸方向における単電池１の両端に通風路１１を設ける方が単電池１の温度は調節しやすくなる。

本実施形態では、Ｘ軸方向における単電池１の両端に通風路１１を設けているが、Ｘ軸方向における単電池１の一端だけに通風路１１を設けることもできる。

第１実施形態では、通風路１１を用いることにより、Ｙ軸方向に熱交換媒体を流しているが、これに限るものではなく、例えば、Ｚ軸方向に熱交換媒体を流すこともできる。この場合には、Ｚ軸方向に熱交換媒体が流れるように、通風路１１の形状を適宜変更すればよい。この場合であっても、通風路１１を設ける位置は、本実施形態で説明した位置とする必要がある。上記説明の通り、少なくとも倦回体２１のＸ軸方向の端（正極端部２１Ａ、負極端部２１Ｂの少なくとも一方）と熱交換媒体との間で効率良く熱交換が行われるように、熱交換媒体の流路が形成されていればよい。

（第２実施形態）
第２実施形態の単電池を図８に示す。図８（Ａ）は、第２実施形態の単電池１Ａの斜視図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＡ−Ａ断面図、図８（Ｃ）は図８（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。

単電池１Ａの枠体１０Ａは、図８（Ａ）、図８（Ｃ）に示すように、第１実施形態の枠体１０に対して、正極端部２１Ａ、負極端部２１Ｂの形成されない側にも通風路１１Ａを追加した構成であり、発電要素２０を囲む４つの領域に熱交換媒体の流路を有する構成である。具体的には、Ｘ軸方向に関して、発電要素２０を挟む枠体１０Ａの領域に通風路１１が形成されているとともに、Ｚ軸方向に関して、発電要素２０を挟む枠体１０Ａの領域に通風路１１Ａが形成されている。第１実施形態と比べて、通風路１１Ａを増やすことにより、発電要素２０および熱交換媒体の間で熱交換が行われる領域を増やすことができ、発電要素２０の温度調節性能を向上させることができる。尚、この通風路１１Ａを設けたこと以外は、第１実施形態と同様である。

複数の単電池１Ａを直列接続させて、エンドプレートや拘束バンドを用いて、複数の単電池１Ａに拘束力を加えることで、第１実施形態と同様に組電池１００を構成することができる。

第２実施形態では、発電要素２０を囲む４つの領域に通風路１１，１１Ａを設けているが、第１実施形態で説明した２つの通風路１１に加えて、第２実施形態で説明した２つの通風路１１Ａの一方だけを設けることもできる。

巻き軸方向は、本実施形態ではＸ軸方向に相当し、第１端部、第２端部は、正極端部２１Ａ、負極端部２１Ｂに相当する。また第１プレート、第２プレートは、本実施形態では正極プレート２４、負極プレート２３に相当し、外周縁枠体は、枠体１０、１０Ａに相当する。

以上詳説したように、本実施形態によって、簡素な構成で組電池の温度を効率よく調整することができる。

１、１Ａ 単電池 ２ エンドプレート ２Ａ 制御計測ユニット
２Ｂ 通風路 １０、１０Ａ 枠体 １１、１１Ａ 通風路
１２ 接着シール ２０ 電池要素 ２１ 倦回体 ２１Ａ 正極端部
２１Ｂ 負極端部 ２３ 負極プレート ２４ 正極プレート
１００ 組電池

Claims (1)

1. 所定方向に並んで配置された複数の蓄電素子を有する蓄電装置であって、
   前記各蓄電素子は、
   正極素子および負極素子がセパレータを挟んで巻かれた倦回体と、
   前記倦回体の巻き軸方向における一端に位置する前記正極素子の端部と電気的に接続され、前記所定方向と直交する面を有する正極プレートと、
   前記倦回体の巻き軸方向における他端に位置する前記負極素子の端部と電気的に接続され、前記所定方向と直交する面を有する負極プレートと、
   前記所定方向と直交する面内において、前記倦回体の外縁に沿って配置され、前記正極プレートおよび前記負極プレートが固定される枠体と、を有し、
   前記正極プレートおよび前記負極プレートは、前記所定方向において前記倦回体を挟む位置に配置されているとともに、前記所定方向で隣り合う２つの前記蓄電素子のうち、一方の前記蓄電素子の前記正極プレートは、他方の前記蓄電素子の前記負極プレートと接触しており、
   前記枠体は、前記正極素子および前記負極素子の前記端部に対して、前記巻き軸方向で隣り合う位置において、前記倦回体の温度調節に用いられる熱交換媒体が移動する通路を有することを特徴とする蓄電装置。
   

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