JP2015207553A - 組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】単電池動作時の膨張により組電池の外形寸法が大きくなるのを抑制する組電池を提供すること。
【解決手段】角型電池の両端に配置される一対のエンドプレート４は、電池ブロック１と外周部で接するように中央に薄肉部を有することで、単電池の動作時に厚さ方向に膨張が起こっても、積層した単電池から成る電池ブロックからの圧力はエンドプレートの外周部で受け、また一部の膨張量は外周部以外の肉厚の薄い部分で吸収するので、外形寸法が大きくなるのを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の角型電池を積層して固定部品を介して構成する組電池に関する。

従来の組電池としては、積層される角型電池を固定して、電池性能の低下を防止するものが知られる（例えば、特許文献１参照）。図８は、特許文献１に記載された従来の組電池を示す構成図である。

図８において、組電池は、複数の角型電池からなる単電池２１を積層して構成される電池ブロック２３と、複数の単電池２１を固定する固定部品２４とからなる。固定部品２４は、複数の単電池２１の両端面に配置される一対のエンドプレート２５と、エンドプレート２５に端部を連結して、積層状態の単電池２１を圧縮状態に固定する金属バンド２６とからなる。

特開２００８−２８２５８２号公報

しかしながら、上記従来の構成では、単電池の動作時において、単電池２１の内部が化学反応により温度上昇し、単電池２１が厚さ方向に膨張することがある。このとき、積層された単電池２１は、圧縮状態で拘束されているため、反発による圧力がエンドプレート２５に掛かり、金属バンド２６に引張力が働くことになる。

単電池の容量が小さい場合は、反発による圧力も小さいため、金属バンドの伸び量も問題ない程度である。しかし近年の単電池の高容量化に伴い、単電池の動作時において、単電池の内部が化学反応を起しやすくなる傾向にある。すると、エンドプレートや金属バンドの変形も大きくなり、組電池の外形寸法が変化するという課題を有することになる。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、単電池の動作時において、組電池の外形寸法が大きくなるのを抑制する組電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の組電池は、単電池の両端に配置されるエンドプレートの構造を、エンドプレートの外周部では単電池と接し、中央部では単電池と接しない構造とする。

本構成によって、単電池の動作時に厚さ方向に膨張が起こっても、複数の単電池からの圧力は、エンドプレートの外周部で受けることができる。また、一部の単電池の膨張量は、エンドプレートの外周部以外の肉厚の薄い部分で吸収するので、外形寸法が大きくなるのを抑制することができる。

以上のように、本発明の組電池は、単電池の動作時において、組電池の外形寸法が大きくなるのを抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る組電池の主要構成図 本発明の実施の形態１に係るエンドプレートの外観図 本発明の実施の形態１に係る単電池が膨張したときの電池ブロックの状態の概念図 本発明の実施の形態１に係るエンドプレートの凹み含む部分の断面図 本発明の実施の形態２に係るエンドプレートの凹み含む部分の断面図 本発明の実施の形態３に係るエンドプレートの外観図 本発明の実施の形態４に係るエンドプレートの外観図 従来の組電池の構成図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る組電池の主要構成図である。

図１において、電池ブロック１は、複数の角型電池である単電池２とセパレータ３とを交互に積層して構成される。

図１の組電池では、電池ブロック１の両側を固定部品であるアルミニウム製のエンドプレート４で挟持し、鋼製の金属バンド５の穴７を通してボルト６をエンドプレート４のタップ８に固定することで、電池ブロック１を圧縮状態にしている。なお、セパレータ３は樹脂であっても良い。

図２は、エンドプレート４の正面図であり、図２（ａ）は凹み９が円形形状であり、図２（ｂ）は凹み９が矩形形状である場合を示す。図２（ｃ）は、図２（ａ）及び図（ｂ）の形状の側面の断面図である。詳細には、エンドプレート４の片面に凹み９が形成され、エンドプレート４は、凹みが形成された面で電池ブロック１を挟み込むように構成されている。

なお、図２では、一例として凹みを示す形態であるが、凹みに限定されるものではなく、穴（貫通孔）であってもよい。例えば図２（ｄ）のような形態である。

図３は、単電池２が膨張したときの電池ブロック１の状態を示す概念図であり、図１のＸ−Ｘ線とＹ−Ｙ線における断面である。高容量の単電池２の中央部は動作時に膨張し、両端のセパレータ３や単電池２の中央部は、エンドプレート４の凹み９に入り込む状態になる。これにより単電池２などの中央部の膨張がエンドプレート４に作用する圧力を軽減することができる。

単電池２は、帯状の電極が、矩形に巻き取られた状態で封止されて構成される。電池の動作により充放電が繰り返されると、単電池２内部の電極が徐々に膨張する。電極は、上下に折り返すように巻かれていることから、電極が膨張すると単電池２を矩形状に押すことになる。従って、エンドプレート４の凹み９或いは穴の形状としては、図２（ｂ）に示す矩形形状の方が効果は高いが、図２（ａ）に示すの円形形状でも、一定の効果は得られる。

図４は、エンドプレート４の凹み９ｂを含む部分の断面図である。

単電池２の膨張量は、充放電の動作状態に起因するが、最小量は０．０３ｍｍである。一方、凹み量が大きいほど、エンドプレート４に作用する圧力の軽減効果は大きくなり、凹み９を円形または矩形の貫通孔にすると、エンドプレート４の中央部では単電池２の膨張による圧力を受けないようにすることもできる。

また、エンドプレート４への負荷のみを考えると、エンドプレート４の中央部に圧力の掛からない貫通孔は構造としては有利である。他方、孔となることで部材の剛性は小さくなり変形は大きくなる。従って、エンドプレート４の凹み量は、圧力軽減効果と剛性低下のバランスによって最適な範囲が決まる。

エンドプレート４の剛性を低下させないために、凹みによる薄肉化は、凹み部以外の板厚の１０％以下が望ましい。すなわち、凹み９ｂの深さは０．０３ｍｍ以上、または、エンドプレート４の板厚ｔの１０％程度とすると良い。

凹み９の開口面積は、エンドプレート４が単電池２と接する面積の３０〜８０％とすることが望ましい。

単電池２が膨張する場合に、エンドプレート４と接触して圧力が掛かる部分の面積が３０％以上あり、凹み９もこれ以上の開口面積が必要となる。一方、開口面積が大きくなると、単電池２の膨張によって圧力を受ける領域が小さくなる。この部分に負荷が集中することで、エンドプレート４に塑性変形や破損が発生する恐れが生じ得る。この状態を避けるためには、エンドプレートの面積の２０％以上の領域で圧力を受ける必要があるが、凹み９の開口面積を８０％以下とすると良い。

また、単電池２の膨張時の外形の傾斜角については、膨張時の最小の傾斜角は１度以下であり、膨張時の最大傾斜角は１０度以下である。従って、単電池２が膨張時に凹み９ｂの外周部から圧力を受けないためには、凹み９ｂの周囲の傾斜角θは、１０度以上とすれば、傾斜角が膨張を妨げることは無い。

また、凹み９ｂを機械加工で製作することを想定すると、工具形状の制約から傾斜角θの上限は９０度となる。更に、単電池２と接触し、電池ブロック１から凹み９ｂを除いたエンドプレート４の外周部の圧力を受ける部分Ｌの長さで決まる面積は、金属バンド５の締結力により電池セルが塑性変形しない面積であれば良い。電池ブロック１と接するＬの部分は、金属バンド５と隣接することが、変形を抑制するために有効である。単電池２の容量により動作時に発生する圧力は異なるため、Ｌの最小値を規定できないが、１０ｍｍ以上は確保している。

かかる構成によれば、単電池２が動作時に中央部に膨張を起こし、積層された電池ブロック１を通じてエンドプレート４に圧力が作用する。エンドプレート４の凹み９で膨張量を吸収することでエンドプレート４に作用する圧力を低下させる。

また、エンドプレート４の圧力を受ける部分は外周部で、固定部品である金属バンド５と隣接するため、エンドプレート４の剛性が高い部分で圧力を受けることになるため、組電池の外形寸法が大きくなるのを抑制することができる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２のエンドプレート４の凹み９ｃを含む部分の断面図である。図５において、実施の形態１と異なる点は、凹み９ｃの深さ方向の形状を曲面にしたことである。

エンドプレート４の凹み９ｃの深さ方向の形状を曲面にすることで、単電池２の中央付近が膨張し、エンドプレート４の凹み９ｃと接した場合であっても、単電池２の外装ケースの中央部の圧力負荷が均等になり、外装ケースの中央が損傷しやすくなるのを防ぐことができる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３の組電池のエンドプレート１０の上面（ａ）と正面（ｂ）の外観図である。

図６において、実施の形態１と異なる点は、凹み１１を縦方向に貫通して設け、板厚の厚い部分を金属バンド５と隣接するように固定した点である。図２のように、エンドプレート４の外周部の四方に接触部を残す場合には、凹み９は現実的には機械加工により形成される。

一方、図６のように、凹み１１が一方向に貫通した形状の場合には、アルミニウム製の部品であれば押出し材を採用できるので、生産性が高く安価にできる。

また、単電池２の膨張により発生する圧力により、エンドプレート１０と金属バンド５との隣接部分で負荷応力が最大になるので、この部分のエンドプレート１０の板厚を厚くして剛性を高くすることで変形を最小限にすることができる。

（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態３の組電池のエンドプレート１２の上面（ａ）と側面（ｂ）の外観図である。図７において、実施の形態１及び２と異なる点は、エンドプレート１２が、アルミニウム製のエンドプレート１３と鋼製のエンドプレート１４の２部品から構成される点である。エンドプレート１３とエンドプレート１４は接合されても良いし、ネジで締結されても良い。

鋼製のエンドプレート１４は、電池ブロック１と接する側に配置する方が、膨張源である単電池２に近いので剛性を高める効果は大きくなる。外形形状が同じでも、アルミニウムよりも合成の高い鋼製エンドプレートを採用することで剛性は高まるが、重量は重くなる。重くなることについては、凹み１５の存在により材料が無いことで緩和される。

本発明の組電池は、角型電池以外の円筒型やパウチ型の組電池の用途にも適用できる。

１，２３ 電池ブロック
２，２１ 単電池
３ セパレータ
４，１０，１２，１３，１４，２５ エンドプレート
５，２６ 金属バンド
６ ボルト
７ 穴
８ タップ

Claims (7)

1. 複数の単電池を積層してなる電池ブロックと、
   前記複数の単電池を固定する固定部品とで構成される組電池であって、
   前記固定部品は、
   前記複数の単電池の両端に配置されるエンドプレートと、
   前記エンドプレートの端部を連結して前記複数の単電池を圧縮状態にする金属バンドとからなり、
   前記エンドプレートは、外周部においては前記単電池と接し、中央部においては前記単電池とは接しない構造である、組電池。
2. 前記エンドプレートは、中央部において貫通孔を有する、請求項１記載の組電池。
3. 前記エンドプレートは、中央部に薄肉部を有する、請求項１記載の組電池。
4. 前記薄肉部は、前記エンドプレートの前記単電池と面する側の表面に形成されている、請求項３記載の組電池。
5. 前記エンドプレートの電池ブロックと接する部分は、前記金属バンドと隣接する、請求項１記載の組電池。
6. 前記薄肉部は、最大の凹み量が０．０３ｍｍ以上で、エンドプレートの肉厚の１０％以下である、請求項３又は４に記載の組電池。
7. 前記エンドプレートは、２種類の異なる材料で構成されており、相対的に剛性の高い材料が、電池ブロック側である内側に配置されている、請求項１，２，３の何れか一項に記載の組電池。

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