JP2015210971A

JP2015210971A - 電源装置

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Publication number: JP2015210971A
Application number: JP2014092425A
Authority: JP
Inventors: 小村　哲司; Tetsuji Komura; 哲司小村
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2015-11-24

Abstract

【課題】充放電による角形電池セルのＳＯＣの変化により電池がずれた場合、エンドプレートと底面プレートを固定する締結ボルトに対して高負荷がかかることを防止する。【解決手段】本発明は、複数の角形電池セルと、角形電池セルの間に配置される絶縁スペーサと、角形電池セルと絶縁スペーサとを交互に積層してなる電池ブロックと、電池ブロックの両端に配設されるエンドプレートと、電池ブロックを加圧した状態で締結するバインドバーと、電池ブロックを配置する底面プレートと、エンドプレートと底面プレートを締結する締結ボルトと、角形電池セルの反力の増加量が、角形電池セルの初期の充放電の反力変化の１．５倍以上である電源装置において、エンドプレートと底面プレートが接する締結座面における摩擦力が、角形電池セルのＳＯＣの変化によって生じる締結座面をずらす力の変化力よりも大きいことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は複数の角形電池セルを備えた電源装置に関するものである。

ハイブリッドカーや電気自動車、大型の蓄電装置等に使用される電源装置は、高電圧出力であることや高電流容量であることが求められる。この種の電源装置として、複数の電池セルを積層して形成される電源装置があり、電池セルを直列に接続することで電源装置の出力電圧を高く、並列に接続することで電源装置の電流容量を大きくすることができる。電源装置を構成する電池セルとしては、繰り返し充放電ができるように、二次電池が使用される。

この種の電源装置としては、例えば、電池セルとして、直方体形状の外装缶を有する角形電池セルが使用されることが多い。角形電池セルを用いた場合、角形電池セルを保持する絶縁性スペーサとを交互に積層して形成される電池ブロックと、電池ブロックの両端に配設される一対のエンドプレートと、エンドプレートに架設され、積層されている角形電池セルを積層方向に加圧した状態で締結するバインドバーとを、底面プレートに配置する電源装置が知られている（特許文献１）。

また、このような電源装置において、エンドプレートと底面プレートとを締結ボルトにより固定する構成が採用される。

しかしながら、このような構成において、角形電池セルの初期の充放電における高ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ）と低ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ）の間で反力の変化が生じ、この反力の変化の増加量が大きくなると、充放電により角形電池セルが膨れ、バインドバーにより締結固定されているとはいえ、電池ブロックの外側に対して高反力がかかる。

この高反力に対してエンドプレートが電池ブロックの外側方向に移動し、さらに低ＳＯＣの領域では電池ブロックが内側方向に移動することにより、エンドプレートと底面プレートとが接触している面が摩耗してくる。

さらに、締結ボルトに対しても高反力（疲労負荷）がかかるとともに、エンドプレートと底面プレートの接触面の摩耗により、締結ボルトの軸力が弱まり、締結ボルトが外れるという課題がある。

特開２０１３−１２４４１号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、充放電による角形電池セルの膨張収縮による電池ブロックの変形によっても締結ボルトが外れることなく、確実に電池ブロックを固定できるものである。

本発明は、種々検討を重ねた結果、角形電池セルは劣化により反力が増加し、その全体
の増加量が、前記角形電池セルの初期の充放電のＳＯＣの反力の差の１．５倍以上である電源装置において、締結ボルトに対し、角形電池セルの充放電のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ）の変化によって生じる締結座面をずらす力（角形電池セルの反力とバインドバー力の差）の変化よりも、底面プレート上に配置されるエンドプレートの締結座面における摩擦力を大きくすることで、充放電の繰り返しによる角形電池セルの内側方向への移動を抑制でき、エンドプレートと底面プレートを固定する締結ボルトに対する負荷及びエンドプレートと底面プレートの接触面の摩耗を軽減することが可能となるものである。

これらの課題を解決するために、本発明の電源装置は、複数の角形電池セルと、角形電池セルの間に配置される絶縁スペーサと、前記角形電池セルと前記絶縁スペーサとを交互に積層してなる電池ブロックと、前記電池ブロックの両端に配設されるエンドプレートと、前記電池ブロックを加圧した状態で締結するバインドバーと、前記電池ブロックを配置する底面プレートと、前記エンドプレートと前記底面プレートを締結する締結ボルトとを備え、前記エンドプレートと前記底面プレートが接する締結座面における摩擦力が、前記角形電池セルのＳＯＣの変化によって生じる前記締結座面をずらす力の変化力よりも大きいことを特徴とする。

角形電池セルの反力の変化量が初期充放電のＳＯＣの反力の差の１.５倍以上の場合、充放電による角形電池セルの移動が大きく、エンドプレートと底面プレートの接触面の摩耗が激しい。これによりエンドプレートと底面プレートを締結する締結ボルトの軸力が弱まる。

また、角形電池セルの初期の充放電のＳＯＣの反力の差の１．５倍以上である場合、角形電池セルが移動しないように固定することも考えられるが、この場合、エンドプレートを必要以上に大きくしなければならず、電源装置全体が大型化するという別の問題を生じる。

なお、角形電池セルの反力の変化量が初期充放電のＳＯＣの反力の差の１．５倍以上ということは、２０キロニュートン（ｋＮ）以上の反力がかかることを想定している。

しかしながら、エンドプレートと底面プレートが接する締結座面における摩擦力が、角形電池セルのＳＯＣの変化によって生じる締結座面をずらす力よりも大きくすると、角形電池セルは外側には移動するが、内側への移動を抑制することが可能となる。

これにより、エンドプレートが底面プレート上で移動する距離が少なくなるため、接触面における摩耗を抑制することが可能となる。

本発明の電源装置では、充放電による角形電池セルの膨張収縮によって、締結ボルトに対する負荷及びエンドプレートと底面プレートの接触面の摩耗を低減することができ、確実に電池ブロックを底面プレートに固定することができる。

電源装置の斜視図である。角形電池セルの斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態について、各種実験例により詳細に説明する。ただし、以下に示す各種実験例は、本発明の技術思想を理解するために例示するものであって
、本発明をこの実施形態に特定することを意図するものではない。本発明は、特許請求の範囲に示した技術思想を逸脱することなく種々の変更を行ったものにも均しく適用し得るものである。

本発明の実施形態を図１、図２に基づいて以下に詳述する。

図１は、本発明の実施形態における電源装置の斜視図で、図２は角形電池セルの分解斜視図である。図１及び図２に示すように、電源装置１は、角形電池セル２と絶縁性のスペーサ３とを交互に積層して形成される電池ブロック４と、電池ブロック４の積層方向の両端に配設されるエンドプレート５と、このエンドプレート５を介して電池ブロック４を積層方向に加圧した状態で締結するバインドバー６と、電池ブロック４を上面に配置する底面プレート８と、エンドプレート５と底面プレート８を締結する締結ボルト７とを備えている。

尚、上記実施形態では、各角形電池セルは直列に接続されているが、並列に接続してもよい。角形電池セルを並列に接続することで、電源装置の電流容量を大きくすることができる。また、目的の出力電圧や電流容量に応じて、並列接続や直列接続を組み合わせて電池ブロックを構成することもできる。また、上記実施形態では、バインドバーを用いた締結構造を例示しているが、例えば、他の構成としては、先端がネジきりされたロッドを備え、両端のエンドプレートを貫通させた状態で、先端にナットを螺合させて、電池セルを加圧する構成や、電池セルを収納する収納ボックスを備え、電池セルが収納ボックスの寸法より膨張しないように抑制する構成等もある。これら締結構造の目的は、電池セルの集合化と、電池セルの膨張に伴う電池セルの性能低下の抑制であり、本発明の電源装置は、いずれの構成も採用することができる。

また、本発明でいう底面プレートとは、電池ブロックを固定するフレーム、電池ケースあるいは電池ブロックを冷却するための冷却プレートなどを含むものである。

図２は本発明の実施形態における角形電池セルの斜視図である。角形電池セル２は、上面を開口した直方体形状の外装缶９と、外装缶９を封止する封口体１０と、外装缶内に封入される発電要素とを有している。外装缶９は、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属で形成されており、放熱性能を高めるように構成されている。封口体１０には、正極や負極と電気的に接続される一対の出力端子１１が設けられており、出力端子１１を介して電力を出力することができるようになっている。角形電池セル２を複数積層する構成において、隣接する角形電池セルの正負極の出力端子をバスバーで連結して互いに接続している。

また、封口体１０は、外装缶９にレーザー溶接等により接合されている。外装缶９は、上面の開口を封止する封口体１０と、底面と、一対の側面と、一対の幅広面とを備える扁平な直方体形状に形成されている。扁平な直方体形状の角形電池セル２は、電池セルを積層して形成される電源装置１において、無駄なスペースを極力排除することができ、優れたエネルギー密度を有する電源装置を構成することができる。

尚、本発明の実施形態における角形電池セル２の発電要素は、電解液と、正極と負極からなるシート状の電極と、正極と負極とを絶縁するシート状のセパレータとで構成されているが、発電要素の構成は、この構成に限定されるものではなく、その他の構成の電池セルを採用することもできる。

電池ブロック４を構成する角形電池セル２の間には、スペーサ３が配設されている。スペーサ３は、絶縁材で形成されており、隣接する角形電池セル２同士の短絡を防止するこ
とができるようになっている。絶縁材としては、例えば、絶縁性、耐熱性に優れた樹脂などが使用される。スペーサ３は、両面に角形電池セル２が嵌合するように形成されており、角形電池セル２を積層する際、隣接する角形電池セルの位置ずれを阻止するような構成になっている。

バインドバー６は、電池ブロック４の両端面に配設された一対のエンドプレート５に固定され、電池ブロック４を積層方向に加圧した状態で締結している。

このバインドバー６は、電池ブロック４の側面に沿った本体部と、本体部の両端部で折曲され、エンドプレート５に固定される折曲部を有する。この折曲部には複数の穴が設けられており、この穴を介してエンドプレート５に締結ネジなどで固定されている。なお、バインドバー６は、十分な強度を有する材質、例えば金属製とする。

さらに、電源装置１において、角形電池セル２とスペーサ３とを交互に積層した電池ブロック４の両端面には、一対のエンドプレート５が配設されている。この一対のエンドプレート５で、電池ブロック４を両面から挟持し、積層方向に加圧した状態で締結している。エンドプレート５は、十分な強度を発揮する材質、例えば、金属製とする。

エンドプレート５には、上下に貫通する貫通孔が設けられ、電池ブロック４を底面プレート８上に配置する際、この貫通孔を通して、締結ボルト７により、エンドプレート５を底面プレート８に固定できる構成となっている。

ここで、電池ブロック４は上記締結ボルト７により底面プレート８に固定されるが、充電による角形電池セルが膨張した場合、電池ブロック４に対して外側に外力が加わる。そして、放電による角形電池セル２が収縮した場合、電池ブロック４に対して内側に内力が加わる。

角形電池セル２の膨張による電池ブロック４の外側方向に対する外力は、バインドバー６による締結力及び締結ボルトによる締結力を高めれば、ある程度は対応可能である。

これに対して、バインドバー６による角形電池セル２の積層方向の締結力が大きければ大きいほど、角形電池セル２が放電により収縮した際、この大きな締結力により、角形電池セル２が内側に加圧され、即ち、角形電池セル２が内側に移動することになる。

このような角形電池セルの移動が繰り返されると、角形電池セルの反力の増加量が、前記角形電池セルの初期の充放電の反力変化の１．５倍以上である電源装置の場合、締結ボルトによりエンドプレートが底面プレートに固定されている面の摩耗が激しくなり、締結ボルトの軸力が弱まり、締結ボルトが外れることになる。

しかしながら、エンドプレートと底面プレートが接触するエンドプレート締結座面における摩擦力を、角形電池セルのＳＯＣの変化により締結座面をずらす力の変化力よりも大きくすると、充放電による角形電池セルの移動が抑えられ、締結ボルトが外れることがなく、高い信頼性を得ることが可能となる。

また、本発明でのエンドプレート締結座面における摩擦力とは、エンドプレート締結座面でのエンドプレートと底面プレートの摩擦係数に垂直効力を乗じたものである。なお、垂直効力は、締結ボルトのボルト軸力に相当するものとする。

さらに、締結座面のずらす力の変化とは、ＳＯＣの変化によって生じる角形電池セルの反力とバインドバーによって締結されている力の差のことをいう。

さらに、角形電池セルの反力とは、角形電池セルのＳＯＣの変化、即ち、ＳＯＣ０％からＳＯＣ１００％にした際の差による膨張した電池ブロックがバインドバーによって、もとに戻ろうとする力のこととする。

このようなＳＯＣの変化の差における反力よりも、エンドプレート締結座面の摩擦力を大きくすると、角形電池セルの内側への移動は抑制することできる。角形電池セルの内側への移動が抑制できるということは、エンドプレートと底面プレートとの接触面の摩耗を抑制することができということであり、さらに、締結ボルトに対する高負荷も抑制できるため、締結ボルトで確実にエンドプレートを底面プレートに固定することができる。

１電源装置
２角形電池セル
３スペーサ
４電池ブロック
５エンドプレート
６バインドバー
７締結ボルト
８底面プレート
９外装缶
１０封口体
１１出力端子

Claims

複数の角形電池セルと、
角形電池セルの間に配置される絶縁スペーサと、
前記角形電池セルと前記絶縁スペーサとを交互に積層してなる電池ブロックと、
前記電池ブロックの両端に配設されるエンドプレートと、
前記電池ブロックを加圧した状態で締結するバインドバーと、
前記電池ブロックを配置する底面プレートと、
前記エンドプレートと前記底面プレートを締結する締結ボルトと、
前記角形電池セルの反力の増加量が、前記角形電池セルの初期の充放電のＳＯＣの反力の差の１．５倍以上である電源装置において、
前記エンドプレートと前記底面プレートが接する締結座面における摩擦力が、前記角形電池セルのＳＯＣの変化によって生じる前記締結座面をずらす力の変化力よりも大きいことを特徴とする電源装置。