JP2016085784A - 電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】電池モジュールを経由せずに電池スタックや電池パックの仕様に適合できるようにすることである。【解決手段】電池スタック１は、複数の電池ブロック２と、複数の電池ブロックを所定の配置関係で保持する保持部３を備える。複数の電池ブロック２は、安全弁を有する複数の電池であって、安全弁を有する側を安全弁側として、電池の長手方向に沿った一方側に前記安全弁側を揃えて整列配置した複数の電池と、複数の電池の前記安全弁側を覆って、安全弁から排出される排ガスを排気するダクト室を構成するダクトカバーと、複数の電池とダクトカバーを内部に収容する絶縁性ケースとを含み、保持部は、ダクトカバーを押し付ける方向の押付力を与えて複数の電池ブロックを保持する。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池を互いに接続して構成される電池ブロックを複数接続して構成される電池スタックに関する。

所望の電圧と電流を得るために、複数の電池を接続して構成される電池ブロックが用いられ、さらに複数の電池ブロックを接続して構成される電池モジュールが用いられ、複数の電池モジュールを接続して構成される電池スタックが用いられる。電池スタックを複数用いて、ユーザ仕様の電池パックとなる。

特許文献１には、複数のリチウムイオン電池セルを電気的に直列に接続した接続体である電池ブロックを２つ電気的に直列に接続して電池モジュールとすることが述べられている。

特許文献２には、電源装置として、安全弁を備える電池を複数個ケースに収納し、ケース内の上側に電池室を設け、下側に排気室を設け、安全弁は電池の下側の端部に設けられる例と、ケース内の下側に電池室を設け、上側に排気室を設け、安全弁は電池の上側の端部に設けられる例を述べている。

特開２０１２−２２１８４４号公報 特開２０１２−１５１２１号公報

電池モジュールを経由せずに電池ブロックによって電池スタックを構成できるようにすることが望まれる。

本発明に係る電池スタックは、複数の電池ブロックと、複数の電池ブロックを所定の配置関係で保持する保持部と、を備え、複数の電池ブロックは、安全弁を有する複数の電池であって安全弁を有する側を安全弁側として、電池の長手方向に沿った一方側に安全弁側を揃えて整列配置した複数の電池と、複数の電池の安全弁側を覆って安全弁から排出される排ガスを排気するダクト室を構成するダクトカバーと、複数の電池とダクトカバーを内部に収容する絶縁性ケースと、を含み、保持部は、ダクトカバーを押し付ける方向の押付力を与えて複数の電池ブロックを保持する。

本発明によれば、電池モジュールを経由せずに電池ブロックによって電池スタックを構成できるようにすることができる。

本発明に係る実施の形態の一例の電池スタックを示す斜視図である。 本発明に係る実施の形態の一例の電池ブロックを示す図で、図２（ａ）は外観図、（ｂ）は部分破断図である。 本発明に係る実施の形態の一例の電池ブロックの断面図である。 本発明に係る実施の形態の一例の電池スタックにおいて、保持部を示す図である。 本発明に係る実施の形態の一例の電池スタックが用いられる電池パックを示す図である。

以下に図面を用いて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下で述べる材質、寸法、形状、電池の数、電池ブロックの数等は説明のための例示であって、電池ブロック、電池スタック、電池パックの仕様に応じ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、電池スタック１の斜視図である。電池スタック１は、複数の電池ブロック２と、複数の電池ブロック２を所定の配置関係で保持する保持部３を含んで構成される。電池ブロック２は、長さ方向の寸法がＬ、縦方向の寸法がＨ、幅方向の寸法がＷの直方体の外形を有する。Ｌ，Ｈ，Ｗは、寸法の大きい順とした。寸法の一例を挙げると、Ｌ＝２８１ｍｍ、Ｈ＝８４．５ｍｍ、Ｗ＝５８ｍｍである。

図１では、２０個の電池ブロック２で電池スタック１が構成されるが、そのうち、１８個は縦方向であるＨ方向が配置平面に平行な横置きで配置され、２個はＨ方向が配置平面に垂直な立て置きで配置される。２０個がこのように配置されるのは、電池スタック１が配置される空間の仕様が、左右に平たく、中央部の天井が高い場合である。

保持部３は、電池スタック１の形態を維持するように２０個の電池ブロック２の配置を保持する。特に、電池ブロック２の縦方向の寸法Ｈを規制するように締結される。すなわち、横置き配置の電池ブロック２では、９個の横置き配置における両端部の間の間隔が初期配置のときの設定間隔Ａ₀よりも広がらないように規制される。立て置きの電池ブロック２では、縦方向の寸法Ｈが初期配置のときの設定高さＢ₀よりも広がらないように規制される。その意義については後述する。

図２は、電池ブロック２を示す図で、図２（ａ）は外観図、（ｂ）は、部分破断図である。電池ブロック２は、その内部に、整列容器４に収容された複数の電池５と、ダクトカバー６と、絶縁性ケース７を含む。図２（ｂ）では一部しか示されていないが、整列容器４には、合計で４１個の電池が収容される。４１個の電池５は、電池ブロック２の内部で互いに並列接続されて、容量が１つの電池５の容量の４１倍となる。つまり、電池ブロック２は、１つの電池の４１倍の容量を有する組電池である。

整列容器４は、電池５を所定の配置関係で整列配置して保持する保持容器である。整列容器４は、高さ方向の両端側がそれぞれ開口する４１個の電池収容部が設けられる枠体である。それぞれの電池５は、電池収容部の１つに収納配置される。電池収容部の配置は、隣接する電池５の間の隙間を最小にする千鳥型の配置関係とされる。かかる整列容器４としては、プラスチックを材料として所定の形状に成形したものを用いることができる。またこれに代えて、例えば、アルミニウムを主材料として、押出成形やダイキャストによって所定の形状としたものを用いることができる。

電池５は、充放電可能な二次電池である。二次電池としては、リチウムイオン電池が用いられる。これ以外に、ニッケル水素電池、アルカリ電池等が用いられてもよい。電池５は、円筒形の外形を有する。円筒形の両端部のうち一方端が正極端子、他方端が負極端子として用いられる。電池５の一例を挙げると、それぞれは、直径が１８ｍｍ、高さが６５ｍｍ、端子間電圧が３．６Ｖ、容量が２．５Ａｈのリチウムイオン電池である。これは説明のための例示であって、これ以外の形状、寸法、特性値であってもよい。例えば、角型の電池であってもよい。

電池５は、安全弁８を有する。安全弁８は、電池５の内部で行われる電気化学反応によって発生するガスの圧力が予め定めた閾値圧力を超すときに、電池内部から外部に排ガスとして放出する機構である。安全弁８は、電池５の正極側に配置される。安全弁８は、４１個の電池のそれぞれに設けられる。

電池５は、安全弁８を有する側を安全弁側として、電池５の長手方向に沿った一方側に安全弁側を揃えて整列配置される。一方側とは、電池ブロック２のダクトカバー６が設けられる方向である。

このように、安全弁側をダクトカバー６が設けられる側に揃えたのは、安全弁８から排ガスが排出されたとき、排ガスをダクトカバー６で形成されるダクト空間９を通して電池ブロック２の外部へ排出するためである。いまの場合、安全弁８は電池５の正極側に設けられるので、電池５の正極側を、ダクトカバー６が設けられる方向である一方側に揃える。仮に、負極側に安全弁が設けられる電池の場合は、ダクトカバー６が配置される方向である一方側に電池５の負極側を揃える。

ダクトカバー６は、電池ブロック２の安全弁側を覆い、整列容器４の側面と気密に接合して、電池ブロック２の正極側の端部に沿って排ガスを流すことができるダクト空間９を形成する部品である。ダクト空間９を利用することで、安全弁８から排出される排ガスを他に漏らすことなく、ダクト空間９を通って所定の排気口から電池ブロック２の外部に排ガスを排出することができる。かかるダクトカバー６としては、所定の耐熱性と強度を有する材料を用いて、所定の形状に加工したものが用いられる。

絶縁性ケース７は、４１個の電池５とダクトカバー６を内部に収容する絶縁体の容器である。整列容器４の他に絶縁性ケース７を用いたのは、ダクトカバー６を含んで電池ブロック２を一体化するためと、電池５の活電部を外部から電気的に分離するためである。かかる絶縁性ケース７としては、耐熱性と電気絶縁性を備えたプラスチック材料を所定の形状に成形したものを用いることができる。プラスチック材料としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリカーボネイト、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート等を用いることができる。

図３は、電池ブロック２について、長さ方向に垂直な面で切断した断面図である。長さ方向に垂直な断面とは、縦方向と幅方向で規定される断面である。

図３に示されるように、電池ブロック２は、複数の電池５を整列容器４の中に配置し、安全弁８が設けられる正極側を一方側に揃え、ダクトカバー６で正極側を覆ってダクト空間９を形成したものを絶縁性ケース７の内部に収容して一体化したものである。

図３では、千鳥配置型の場合に長さ方向に垂直な断面に現れる２つの電池５が示される。電池５は、正極端子１３を有する正極側に正極側集電部１４が配置され、負極側に負極側集電部１５が配置される。

図３では図示されていないが、正極側集電部１４は、正極側絶縁板と正極集電体と正極板の積層体である。正極側絶縁板で４１個の正極端子１３が互いに分離され、正極集電体によって４１個の正極端子１３のそれぞれに独立して電気的接触が行われ、正極板によってそれぞれの正極集電体が並列接続される。同様に、負極側集電部１５は、負極側絶縁板と負極集電体と負極板の積層体である。負極側絶縁板で４１個の電池５の負極端子が互いに分離され、負極集電体によって４１個の負極端子のそれぞれに独立して電気的接触が行われ、負極板によってそれぞれの負極集電体が並列接続される。このようにして、４１個の電池５が互いに並列接続される。

絶縁性ケース７は、電池５の側を保持する下ケース１０と、ダクトカバー６の側を保持する上ケース１１とで構成される下ケース１０と上ケース１１は、組み合わせ部１２で互いに組み合わされて、絶縁性ケース７の気密性が維持される。組み合わせ部１２は、保持部３で複数の電池ブロック２を締結した場合に、下ケース１０と上ケース１１とに印加される押付圧によって下ケース１０と上ケース１１とが破壊されないための、緩衝材としても機能する。

ダクトカバー６は、整列容器４の側面と気密に接合されて、ダクト空間９に排ガスが流れるとき、他に漏れないようにする。安全弁８から排ガスが排出されるときは、排ガスの噴出によって、ダクトカバー６は力Ｆを受ける。この力Ｆによって、ダクトカバー６は、縦方向であるＨ方向に移動し、場合によっては絶縁性ケース７の組み合わせ部１２を破壊して、電池ブロック２から飛び出す恐れがある。これを防止するには、高さ方向の寸法Ｈが初期設定の状態から広がらないようにすることが必要である。

図４は、保持部３の詳細を示す図である。図１の電池スタック１は、横置き配置された電池ブロック２の上に、立て置き配置された電池ブロック２がある。このため、図１の保持部３は立て置き配置された電池ブロック２を考慮して配置されるが、図４での説明を簡単にするため、立て置き配置された電池ブロック２を省略して、１列に９個横置き配置された電池ブロック２の場合を述べる。

保持部３は、９個横置き配置された電池ブロック２の上面に配置される上面中間部材２０と、電池ブロック２の両側面に配置される側面中間部材２１ａ，２１ｂを有する。これらは、それぞれの両端に、締結部材であるボルト部２５が一体化されて設けられる。また、保持部３は、上面中間部材２０の両端側に配置され、Ｌ字型に曲げられた上端部保持部材２２ａ，２２ｂを有する。さらに、やはりＬ字型に曲げられた下端部保持部材２３ａ，２３ｂを有する。これらは、Ｌ字型に曲げられたそれぞれの両端に、ボルト部２５が通る長穴２４がそれぞれ設けられる。

Ｌ字型に曲げられた上端部保持部材２２ａ，２２ｂの両端部のうち、電池ブロック２の上面側に沿って曲げられた端部に設けられる長穴２４は、上面中間部材２０の両端部に設けられるボルト部２５が通される。Ｌ字型に曲げられた上端部保持部材２２ａ，２２ｂの両端部のうち、電池ブロック２の側面側に沿って曲げられた端部に設けられる長穴２４は、側面中間部材２１ａ，２１ｂの２つのボルト部２５のうち、上面側に配置されるボルト部２５が通される。同様に、Ｌ字型に曲げられた下端部保持部材２３ａ，２３ｂの両端部のうち、電池ブロック２の側面側に沿って曲げられた端部に設けられる長穴２４は、側面中間部材２１ａ，２１ｂの２つのボルト部２５のうち、下面側に配置されるボルト部２５が通される。なお、下端部保持部材２３ａ，２３ｂの両端部のうち、電池ブロック２の下面側に沿って曲げられた端部に設けられる長穴２４は、図４では図示されていない基板取付部材（図１参照）に設けられるボルト部が通される。長穴２４に通されたボルト部２５には、それぞれ締結部材であるナット部２６が取り付けられる。

このようにして、ボルト部２５、長穴２４、ナット部２６を介して、下端部保持部材２３ａ、側面中間部材２１ａ、上端部保持部材２２ａ、上面中間部材２０、上端部保持部材２２ｂ、側面中間部材２１ｂ、下端部保持部材２３ｂが、１列に９個横置き配置された電池ブロック２の側面と上面に沿って配置されて、保持部３を形成する。

電池スタック１を形成するため、図１の配置で、複数の電池ブロック２を初期配置したとき、電池ブロック２の縦方向寸法Ｈは公差を持っている。それが９個並んで配置されると、その配置長さは、９個分の公差を考慮する必要がある。その配置長さのばらつきを吸収するように、長穴２４を用いて、上面中間部材２０に対する上端部保持部材２２ａ，２２ｂの締結位置を定める。その際に、Ｌ字型の上端部保持部材２２ａ，２２ｂによって９個の電池ブロック２を互いに強く押し付けることがないように、適当な押付圧を与えて、上面中間部材２０と上端部保持部材２２ａ，２２ｂとの間の締結位置を定める。押付圧としては、数Ｎ程度でよい。このようにして、９個横置きされた電池ブロック２の初期配置が行われる。そのときの９個の電池ブロック２の両端部の間の間隔が設定間隔Ａ₀である。

ここで、９個の電池ブロック２において、いずれかの安全弁８から排ガスが排出されると、排ガスの噴出により、図３で説明した力Ｆがダクトカバー６に懸り、最終的には、保持部３のＬ字型の上端部保持部材２２ａ，２２ｂに懸る。ダクトカバー６に力Ｆが印加された場合でも、保持部３によってダクトカバー６が整列容器４から分離することが防止され、また保持部３により締結された前後に電池ブロックから受ける圧力によってもダクトカバー６が整列容器４から分離することが防止される。つまり、ダクトカバー６に懸る力Ｆは、保持部３の締結位置で受け止められることになる。また、Ｌ字型の上端部保持部材２２ａ，２２ｂは長穴２４を有するので、その長穴２４に起因する弾性力がダクトカバー６を押し付ける押付力として電池ブロック２に与えられる。

これによって、安全弁８から排ガスが噴出しても、ダクトカバー６が縦方向であるＨ方向に移動することがなく、絶縁性ケース７の組み合わせ部１２が破壊されることもない。したがって、電池５の安全弁８から排ガスが噴出しても、ダクト空間９を通して外部に排出させることができ、排ガスが漏れることによって引き起こされる電池５の連鎖的な事故発生を未然に防止できる。これによって、電池ブロック２、電池スタック１の信頼性が向上する。

上記では、横置き配置の設定間隔Ａ₀を維持することについて説明したが、立て置き配置の設定高さＢ₀を維持する場合も、立て置き配置される電池ブロック２を保持する保持部３において、長穴を利用して、同様に行うことができる。

図１では、１つの電池スタック１について、１９個の横置き配置の電池ブロック２と２個の立て置き配置の電池ブロック２とを用いて、電池スタック１が配置される空間の仕様を有効利用できることを説明した。

図５は、電池パック３０において、電池パック３０の基板３１の上の配置可能空間３２が複雑な場合に、複数の電池スタックを用い、それぞれの電池スタックの構成を最適化して、電池パック３０の仕様を満たすようにする例を示す図である。ここでは、各電池スタックについて、横置き配置する電池ブロック２の数と立て置き配置する電池ブロック２の数を最適化するようにした。

その結果、配置可能空間３２の天井の高さ、広さを考えて、４種類の電池スタック３３，３４，３５，３６を配置することにした。それぞれの電池スタック３３，３４，３５，３６について、配置可能空間３２の天井の高さ、広さに応じて、立て置き配置する電池ブロック２の段数とそれぞれの数と、横置き配置する電池ブロック２の段数とそれぞれの数を求めた。

その結果は以下の通りである。電池スタック３３は、横置き配置する電池ブロック２を９個の２段積みとし、その上に立て置き配置する電池ブロック２を２個配置した。この例は、図１で説明した構成と同じである。電池スタック３４は、電池スタック３３が配置されるところよりも天井の高さがやや低いので、立て置き配置する電池ブロック２を１４個１段とし、その上に立て置き配置する電池ブロック２を２個配置した。電池スタック３５は、電池スタック３４が配置されるところよりも高い天井の広さがやや広いので、立て置き配置する電池ブロック２を１４個１段とし、その上に立て置き配置する電池ブロック２を４個配置した。電池スタック３６は、天井が十分高く、その高い天井が十分広いので、立て置き配置する電池ブロック２を１４個３段とした。

このように、複数の電池５とダクトカバー６を有する電池ブロック２と保持部３を用いることで、取付具が多数配置される電池モジュールを用いることなく、電池スタックや電池パックの仕様を満たすことができる。また、電池ブロック２の縦方向の寸法Ｈと幅方向の寸法Ｗの違いを有効に利用することで、配置可能空間３２の天井の高さ、広さに応じた複数の電池スタックの配置方法の自由度を高めることができる。

１ 電池スタック、２ 電池ブロック、３ 保持部、４ 整列容器、５ 電池、６ ダクトカバー、７ 絶縁性ケース、８ 安全弁、９ ダクト空間、１０ 下ケース、１１ 上ケース、１２ 組み合わせ部、１３ 正極端子、１４ 正極側集電部、１５ 負極側集電部、２０ 上面中間部材、２１ａ，２１ｂ 側面中間部材、２２ａ，２２ｂ 上端部保持部材、２３ａ，２３ｂ 下端部保持部材、２４ 長穴、２５ ボルト部、２６ ナット部、３０ 電池パック、３１ 基板、３２ 配置可能空間、３３，３４，３５，３６ 電池スタック。

Claims (4)

1. 複数の電池ブロックと、
   前記複数の電池ブロックを所定の配置関係で保持する保持部と、
   を備え、
   前記複数の電池ブロックは、
   安全弁を有する複数の電池であって前記安全弁を有する側を安全弁側として、前記電池の長手方向に沿った一方側に前記安全弁側を揃えて整列配置した複数の電池と、
   前記複数の電池の前記安全弁側を覆って前記安全弁から排出される排ガスを排気するダクト室を構成するダクトカバーと、
   前記複数の電池と前記ダクトカバーを内部に収容する絶縁性ケースと、
   を含み、
   前記保持部は、
   前記ダクトカバーを押し付ける方向の押付力を与えて前記複数の電池ブロックを保持する、電池スタック。
2. 請求項１に記載の電池スタックにおいて、
   前記絶縁性ケースは、
   前記電池の側を保持する下ケースと、
   前記ダクトカバーの側を保持する上ケースと、
   を有する、電池スタック。
3. 請求項１に記載の電池スタックにおいて、
   前記保持部は、
   前記複数の電池ブロックの配置方向に沿って締結用の長穴を有する保持部材を含み、
   前記複数の電池ブロックを初期配置したとき配置長さのばらつきを吸収するように前記長穴を用いて前記保持部材の締結位置を定めて締結し、前記安全弁から前記排ガスが排出されたときの前記ダクトカバーに懸る力を前記締結位置で受け止める、電池スタック。
4. 請求項１に記載の電池スタックにおいて、
   前記電池ブロックは、縦方向の寸法と幅方向の寸法が異なり、
   前記保持部は、
   配置面上に垂直な方向を前記幅方向として前記複数の電池ブロックを配置する幅方向配置法と、前記配置面上に垂直な方向を前記縦方向として前記複数の電池ブロックを配置する縦方向配置法と、を、前記配置面上の配置可能空間の制約に応じて選択して、前記複数の電池ブロックを配置して保持する、電池スタック。

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