JP2016009621A

JP2016009621A - 蓄電モジュール

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Publication number: JP2016009621A
Application number: JP2014130372A
Authority: JP
Inventors: 信司鈴木; Shinji Suzuki
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2014-06-25
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2016-01-18
Anticipated expiration: 2034-06-25
Also published as: JP6442883B2

Abstract

【課題】蓄電装置の性能の低下を抑制すること。
【解決手段】蓄電モジュール３０を構成する二次電池１０に、拘束板（第１の拘束板３１と第２の拘束板３２）を用いて拘束荷重を付与する場合、その拘束板（第２の拘束板３２）の一部に孔３２ｃを穿設する。孔３２ｃは、電極組立体の積層方向から見て正極活物質層が対向する対向領域が投影される対向領域の中央に対向する部位を含む位置に穿設する。これにより、放熱性が低い電極組立体の中央の部位に拘束荷重が付与されない。
【選択図】図３

Description

本発明は、蓄電装置に拘束荷重を付与する拘束板を有する蓄電モジュールに関する。

ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置としてリチウムイオン電池などの二次電池が搭載されている。この種の二次電池は、例えば、特許文献１に開示されている。二次電池は、ケース本体に電極組立体や電解液などの電池要素を収容し、そのケース本体の開口部を蓋体で閉塞している。そして、二次電池を、例えば電源装置などで利用する場合は、複数の二次電池によって構成される蓄電モジュール（組電池）として扱われる。

特開２００９−２５９４５５号公報

蓄電モジュールは、二次電池をまとめて拘束する拘束部材を有し、この拘束部材によって二次電池には均等に荷重が付与されている。このように均等に荷重が付与されている場合、二次電池のケースに収容されている電極組立体には均等に電流が流れることになり、その結果、電極組立体は均一に発熱する。

しかしながら、二次電池の放熱性は、電極組立体の縁部に近い部位ほど高く、中央の部位ほど低い。このため、電極組立体の中央の部位は、温度が下がりにくいことから、他の部位よりも各電極を絶縁するために介在させているセパレータの目詰まり（シャットダウン）が生じやすく、目詰まりの不均一化が発生する。その結果、電池性能の低下に繋がる。

この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、蓄電装置の性能の低下を抑制し得る蓄電モジュールを提供することにある。

上記課題を解決する蓄電モジュールは、ケースと、前記ケースに収容された電極組立体と、を有する蓄電装置を備えた蓄電モジュールにおいて、前記電極組立体は、正極活物質層を有する複数の正極電極と負極活物質層を有する複数の負極電極とが積層されており、前記ケースは、前記電極組立体の積層方向から見て前記正極活物質層が対向する対向領域が投影される対向ケース壁を有し、前記対向ケース壁には、拘束荷重を付与する拘束板が並設されており、前記拘束板は、前記対向ケース壁に面する第１面と前記第１面の反対側に位置する第２面とを有し、前記第１面と前記第２面のうち何れか一方の面には、前記対向ケース壁に並設した状態において前記対向領域の中央に対向する部位を含む位置に凹部を有する。

上記構成によれば、放熱性の低い部位（対向領域の中央を含む部位）には拘束荷重が付与されないように拘束板を構成したので、セパレータの目詰まり（シャットダウン）の不均一化が発生し難く、蓄電装置の性能の低下を抑制できる。

上記蓄電モジュールにおいて、前記拘束板において前記凹部の開口の外側に位置する面を、前記対向ケース壁に接触する接触面としている。
上記構成によれば、拘束板において凹部の外側に位置する面を接触面としていることで、従前と同様に、蓄電装置に拘束荷重を付与することができる。その結果、電極組立体に電流を流れやすくできる。

上記蓄電モジュールにおいて、前記蓄電モジュールは、前記対向ケース壁を対向させて並設させた複数の蓄電装置と、複数の拘束板と、を有し、前記複数の拘束板は、並設された前記複数の蓄電装置のうち最も外側に位置する蓄電装置よりも並設方向の外側に位置する第１の拘束板と、前記第１の拘束板よりも並設方向の内側において前記蓄電装置の前記対向ケース壁に面する第２の拘束板と、を含み、前記第１の拘束板を除く、全ての第２の拘束板が前記凹部を有している。

上記構成によれば、蓄電モジュールを構成する全ての第２の拘束板が凹部を有することで、全ての蓄電装置を同一条件下で使用することができる。その結果、蓄電モジュールを構成する蓄電装置のうち、一部の蓄電装置が短期間で性能が低下するなどの事態の発生を抑制できる。

上記蓄電モジュールにおいて、前記蓄電装置の好適な例としては、二次電池を挙げることができる。

本発明によれば、蓄電モジュールを構成する蓄電装置の性能の低下を抑制できる。

二次電池を示す分解斜視図。蓄電モジュールを示す斜視図。蓄電モジュールを示す分解斜視図。二次電池と拘束板を示す正面図。（ａ）、（ｂ）は別例の拘束板を示す断面図。

以下、蓄電モジュールを具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、蓄電モジュールを構成する蓄電装置としての二次電池１０は、ケース１１に、直方体状の電極組立体１２と、電極組立体１２の外面を覆う樹脂製の絶縁部材１３と、電解液（図示略）と、が収容されている。絶縁部材１３は、ケース１１と電極組立体１２と、を絶縁する。この実施形態の二次電池１０は、リチウムイオン電池である。

ケース１１は、ケース本体１４と、当該ケース本体１４に電極組立体１２を挿入する開口部１５を塞ぐ平板状の蓋体１６と、からなる。ケース本体１４と蓋体１６は、何れも金属製（例えば、ステンレスやアルミニウム）である。この実施形態においてケース本体１４と蓋体１６は、溶接（例えば、レーザ溶接）によって接合される。

ケース本体１４は、四角箱状であり、長辺と短辺を有する矩形平板状の底壁１４ａと、底壁１４ａの四辺から立設された複数の側壁と、を有する。底壁１４ａは、ケース本体１４の開口部１５を塞ぐ蓋体１６と対向する。複数の側壁は、底壁１４ａの四辺において長辺に立設されるとともに対向する２つの長側壁１４ｂと、底壁１４ａの四辺において短辺に立設されるとともに対向する２つの短側壁１４ｃと、からなる。この実施形態において底壁１４ａ、長側壁１４ｂ、短側壁１４ｃ及び蓋体１６は、ケース１１の外側に位置する面が平坦状である。また、この実施形態において、長側壁１４ｂと短側壁１４ｃは、同一高さである。長側壁１４ｂは、短側壁１４ｃよりも面積が大きく、この実施形態においてはケース１１を構成するケース壁の中で最も面積が大きい。この実施形態の二次電池１０は、その外観が角型をなす角型電池である。なお、この明細書において、角型電池における「面積の大小」は、ケース１１の各壁面を法線方向から平面視した場合の大小を言う。

電極組立体１２は、正極電極１２ａ、負極電極１２ｂ、及び正極電極１２ａと負極電極１２ｂを絶縁するセパレータ１２ｃを有する。正極電極１２ａは、正極金属箔（例えば、アルミニウム箔）の両面に正極活物質を含む正極活物質層を有するとともに、長辺と短辺からなる矩形状である。負極電極１２ｂは、負極金属箔（例えば、銅箔）の両面に負極活物質を含む負極活物質層を有するとともに、長辺と他辺からなる矩形状である。電極組立体１２は、正極電極１２ａ及び負極電極１２ｂの活物質層同士が一方向に沿って対向し合うように正極電極１２ａと負極電極１２ｂとが交互に積層されるとともに、両電極の間にセパレータ１２ｃが介在された積層構造である。セパレータ１２ｃは、微多孔性フィルムである。

積層構造の電極組立体１２では、正極電極１２ａ及び負極電極１２ｂの活物質層同士が対向する方向が電極組立体１２の積層方向Ｘとなる。そして、電極組立体１２は、積層方向Ｘから見て正極活物質層と負極活物質層とが対向する対向領域１７を有する。なお、対向領域１７を正面視した場合の面積は、正極活物質層を正面視した面積と同一若しくはほぼ同一である。このため、対向領域１７は、正極活物質層と負極活物質層とが対向する対向部であるとともに、積層された正極電極１２ａの正極活物質層に着目すれば正極活物質層が積層方向Ｘで対向する対向部でもある。

そして、電極組立体１２は、図１に示すように、積層方向Ｘとケース本体１４の長側壁１４ｂの対向方向と、が一致するようにケース本体１４に収容されている。これにより、対向領域１７は、電極組立体１２をケース本体１４に収容した状態において、図１のケース本体１４に二点鎖線で示すように長側壁１４ｂに面する。つまり、対向領域１７は、長側壁１４ｂに投影される。なお、長側壁１４ｂは、ケース１１に電極組立体１２を収容した状態において、電極組立体１２の積層方向Ｘに垂直なケース壁である。このため、電極組立体１２の対向領域１７は、電極組立体１２の積層方向Ｘに垂直なケース壁に面するとも言える。因みに、短側壁１４ｃは、電極組立体１２の積層方向Ｘに平行なケース壁である。

この実施形態において、長側壁１４ｂは対向ケース壁となり、短側壁１４ｃは電極組立体１２の対向領域１７に面しておらず、長側壁１４ｂに連設される非対向ケース壁となる。また、この実施形態において、ケース本体１４の底壁１４ａと、蓋体１６は、何れも電極組立体１２の対向領域１７に面していない非対向ケース壁となる。

二次電池１０は、各正極電極１２ａから突出した各正極タブ１８に接合（例えば溶接）された金属製の正極導電板１９と、各負極電極１２ｂから突出した各負極タブ２０に接合（例えば溶接）された金属製の負極導電板２１と、を有する。正極導電板１９は、蓋体１６からケース１１外に露出する正極端子２２と電気的に接続されているとともに、負極導電板２１は、正極端子２２と同様にケース１１外に露出する負極端子２３と電気的に接続されている。これにより、電極組立体１２は、正極端子２２と負極端子２３のそれぞれに電気的に接続されている。

図２及び図３に示すように、蓄電モジュール３０は、前述した二次電池１０を有する。この実施形態において蓄電モジュール３０は、複数の二次電池１０を並設させて構成している。複数の二次電池１０は、隣り合う二次電池１０の長側壁１４ｂが対向するように並設されている。

そして、蓄電モジュール３０は複数の拘束板を有し、蓄電モジュール３０を構成する各二次電池１０には拘束板を通じて拘束荷重が付与されている。この実施形態において拘束板は、金属製である。また、この実施形態の拘束板には、第１の拘束板３１と第２の拘束板３２と、を含む。第１の拘束板３１は、図２及び図３に示すように、並設された複数の二次電池１０のうち最も外側に位置する二次電池１０よりも並設方向の外側に位置し、エンドプレートとして機能している。この実施形態の蓄電モジュール３０は、一対の第１の拘束板３１を有する。一方、第２の拘束板３２は、図２及び図３に示すように、第１の拘束板３１よりも二次電池１０の並設方向の内側に位置し、二次電池１０の長側壁１４ｂに面している。この実施形態の蓄電モジュール３０は、複数枚の第２の拘束板３２を有する。

そして、図２及び図３に示すように、各第１の拘束板３１の四隅には、それぞれ通しボルト３３が挿通されているとともに、各通しボルト３３にナット３４が螺合されている。これにより、全ての二次電池１０及び全ての第２の拘束板３２は、二次電池１０の並設方向に挟持された状態で一体化されている。この実施形態の蓄電モジュール３０において各二次電池１０は、各第１の拘束板３１と、各第２の拘束板３２と、各通しボルト３３と、各ナット３４と、からなる拘束部材によって二次電池１０の並設方向に拘束されている。この拘束により、各二次電池１０は、二次電池１０の並設方向に沿って位置するケース本体１４の長側壁１４ｂに拘束荷重が付与されているとともに、長側壁１４ｂを通じて電極組立体１２は積層方向Ｘから荷重が付与されている。

図３及び図４に示すように、各第２の拘束板３２は、隣り合う二次電池１０の間に位置する場合に二次電池１０の長側壁１４ｂに面する第１面３２ａと第２面３２ｂと、を有する。第１面３２ａと第２面３２ｂは、第２の拘束板３２の板厚方向で対向しており、第２面３２ｂは第１面３２ａの反対側に位置する。また、この実施形態において第１面３２ａと第２面３２ｂを正面視した場合の面積は、ケース本体１４の長側壁１４ｂを正面視した場合の面積と同一若しくはほぼ同一である。

各第２の拘束板３２は、第１面３２ａと第２面３２ｂとを板厚方向に貫通する凹部としての孔３２ｃを有する。この実施形態において孔３２ｃは正面視矩形状に穿設されている。図４に示すように、孔３２ｃは、第２の拘束板３２を二次電池１０に並設した状態において対向領域１７の中央に対向する部位を含む位置に穿設されている。なお、対向領域１７の中央は、電極組立体１２を積層方向Ｘから正面視した場合の中央と一致する場合もあれば、一致しない場合もある。つまり、中央が一致するか否かは、電極が有する活物質層の位置によって決まる。

そして、各第２の拘束板３２は、図２及び図３に示すように蓄電モジュール３０を組み立てた際に、孔３２ｃの開口領域を除く第１面３２ａと第２面３２ｂのそれぞれの部位が二次電池１０の長側壁１４ｂに接触する接触面３２ｄ，３２ｅとなる。第１面３２ａの接触面３２ｄ、及び第２面３２ｂの接触面３２ｅは、それぞれ孔３２ｃの開口の外側に位置する面である。なお、この実施形態の蓄電モジュール３０では、第１の拘束板３１に孔３２ｃが穿設されておらず、第１の拘束板３１を除く、全ての第２の拘束板３２が孔３２ｃを有する。

以下、この実施形態の作用を説明する。
蓄電モジュール３０は、前述した拘束部材の作用によって二次電池１０の並設方向に沿って拘束荷重が付与されている。拘束荷重は、第２の拘束板３２を介して二次電池１０に付与される。このとき、各二次電池１０には、第２の拘束板３２に孔３２ｃが穿設されていることから、長側壁１４ｂに接触している第２の拘束板３２の接触面３２ｄ，３２ｅを通じて拘束荷重が付与されることになる。つまり、孔３２ｃの穿設部位は長側壁１４ｂに非接触の状態であるから、孔３２ｃと対向する長側壁１４ｂの部位には拘束荷重が付与されない。そして、孔３２ｃは、対向領域１７の中央を含む部位、つまり正極活物質層の中央を含む部位に対向していることから、当該中央を含む孔３２ｃの開口面積分の領域には拘束荷重が付与されない。

上記のように二次電池１０を拘束した場合、第２の拘束板３２との接触によって拘束荷重が付与されている部位では極間距離が短くなり、抵抗の低下によって電流が流れやすく、その結果、発熱が増加する。しかし、上記部位は、孔３２ｃの開口面積分の領域の外側に位置し、対向領域１７の中央から離間した部位（電極組立体１２の縁部に近い部位）であるから、放熱性は高い。一方、第２の拘束板３２と接触していない部位、つまり孔３２ｃの開口に対向している部位は、拘束荷重が付与されていない部位となることで、極間距離が長くなり、抵抗が高くなることによって電流が流れ難く、その結果、発熱が低下する。

なお、第２の拘束板３２の孔３２ｃは、対向領域１７の中央に対向する部位を含む位置に穿設することを前提とし、その開口面積は任意に設定することができる。つまり、孔３２ｃの開口面積は、二次電池１０の出力と放熱性を加味し、シミュレーションなどによって得られた最適な結果をもとに決めることができる。

また、この実施形態において第２の拘束板３２は、上記したように二次電池１０に拘束荷重を付与する部材として機能するとともに、二次電池１０の発熱を吸収する吸熱部としても機能する。なお、第２の拘束板３２は、二次電池１０から吸収した熱を外部に放熱させる部材として作用させても良いし、二次電池１０から吸収した熱を一時的に受ける所定の熱容量を有する部材（ヒートマス）として作用させても良い。

したがって、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）放熱性の低い部位（対向領域１７の中央を含む部位）には拘束荷重が付与されないように第２の拘束板３２を構成したので、セパレータの目詰まり（シャットダウン）の不均一化が発生しにくい。したがって、二次電池１０の性能の低下を抑制できる。

（２）一方、第２の拘束板３２において孔３２ｃの外側に位置する面を接触面３２ｄ，３２ｅとしていることで、従前と同様に、二次電池１０に拘束荷重を付与することができる。つまり、拘束荷重を付与することで、電流を流れやすくできる。

（３）蓄電モジュール３０を構成する全ての第２の拘束板３２が孔３２ｃを有することで、全ての二次電池１０を同一条件下で使用することができる。その結果、蓄電モジュール３０を構成する二次電池１０のうち、一部の二次電池１０が短期間で性能が低下するなどの事態の発生を抑制できる。つまり、各二次電池１０の劣化を均一化することができる。

（４）第２の拘束板３２に孔３２ｃを穿設したことにより、簡単な構成で上記（１）〜（３）の効果を生じさせることができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。

○ 図５（ａ），（ｂ）に示すように、第２の拘束板３２に凹部として穴（又は溝）４０を設けても良い。また、穴４０の場合は、図５（ａ）に示すように、第２の拘束板３２の一面（例えば、第１面３２ａ）に設けても良い。あるいは、穴４０の場合は、図５（ｂ）に示すように、第２の拘束板３２の両面（第１面３２ａと第２面３２ｂ）に設けても良い。このように第２の拘束板３２に穴４０を設けることで、実施形態の孔３２ｃと同様に拘束荷重が付与されなくなる。なお、第２の拘束板３２の一面に穴４０を設ける場合は、反対側の面が長側壁１４ｂに接触することになるが、拘束荷重は付与されない、あるいはほぼ付与されない。

○ 実施形態の孔３２ｃ、及び上記別例の穴４０における開口形状は、任意に変更することができる。例えば、正面視した形状として、円形、楕円形、三角形、あるいは五角形以上の多角形でも良い。

○ 蓄電モジュール３０において第２の拘束板３２の配置（枚数を含む）は任意に変更することができる。例えば、２つの二次電池１０を考えた場合に、一方の長側壁１４ｂ同士を直接接触させ、他方の長側壁１４ｂにそれぞれ第２の拘束板３２を並設させても良い。

○ 第２の拘束板３２は、金属製に限らず、例えば樹脂製でも良い。
○ 蓄電モジュール３０に拘束荷重を付与する場合、第１の拘束板３１同士を締結することに限らず、他の方法を採用しても良い。

○ 蓄電モジュール３０は、単一の二次電池１０と、一対の第１の拘束板３１と、二次電池１０に並設される第２の拘束板３２と、によって構成しても良い。
○ 正極活物質層の面積と負極活物質層の面積は、同一面積でも良いし、異なる面積でも良い。

○ 電極組立体１２は、積層型に限らず、帯状の正極電極と帯状の負極電極を捲回して層状に積層した捲回型でも良い。捲回型の電極組立体の場合、扁平面が重なる方向を電極組立体の積層方向とする。そして、正極活物質層と負極活物質層とが対向する対向領域（正極活物質層が対向する対向領域）は、扁平面に投影される。捲回型の電極組立体は、扁平面がケース本体１４の長側壁１４ｂに面するように収容される。

○ 二次電池１０は、リチウムイオン二次電池であったが、これに限らず、他の二次電池であっても良い。要は、正極活物質層と負極活物質層との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであれば良い。また、蓄電装置としてキャパシタでも良い。

○ 二次電池１０は、車両電源装置として自動車に搭載しても良いし、産業用車両に搭載しても良い。また、定置用の蓄電装置に適用しても良い。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。

（イ）凹部は、第１面と第２面とを貫通する孔である。

１０…二次電池、１１…ケース、１２…電極組立体、１４…ケース本体、１４ｂ…長側壁、１２ａ…正極電極、１２ｂ…負極電極、１２ｃ…セパレータ、１７…対向領域、３０…蓄電モジュール、３１…第１の拘束板、３２…第２の拘束板、３２ａ…第１面、３２ｂ…第２面、３２ｃ…孔、３２ｄ…接触面、３２ｅ…接触面、Ｘ…積層方向。

Claims

ケースと、前記ケースに収容された電極組立体と、を有する蓄電装置を備えた蓄電モジュールにおいて、
前記電極組立体は、正極活物質層を有する複数の正極電極と負極活物質層を有する複数の負極電極とが積層されており、
前記ケースは、前記電極組立体の積層方向から見て前記正極活物質層が対向する対向領域が投影される対向ケース壁を有し、
前記対向ケース壁には、拘束荷重を付与する拘束板が並設されており、
前記拘束板は、前記対向ケース壁に面する第１面と前記第１面の反対側に位置する第２面とを有し、前記第１面と前記第２面のうち何れか一方の面には、前記対向ケース壁に並設した状態において前記対向領域の中央に対向する部位を含む位置に凹部を有する蓄電モジュール。
前記拘束板において前記凹部の開口の外側に位置する面が、前記対向ケース壁に接触する接触面である請求項１に記載の蓄電モジュール。
前記蓄電モジュールは、前記対向ケース壁を対向させて並設させた複数の蓄電装置と、複数の拘束板と、を有し、
前記複数の拘束板は、並設された前記複数の蓄電装置のうち最も外側に位置する蓄電装置よりも並設方向の外側に位置する第１の拘束板と、前記第１の拘束板よりも並設方向の内側において前記蓄電装置の前記対向ケース壁に面する第２の拘束板と、を含み、
前記第１の拘束板を除く、全ての第２の拘束板が前記凹部を有する請求項１又は請求項２に記載の蓄電モジュール。
前記蓄電装置は、二次電池である請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載の蓄電モジュール。