JP2017098149A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異常時に正負の電極端子を短絡させること。【解決手段】二次電池１０は、電極組立体１４と、電極組立体１４を収容するケース１１と、ケース１１の長側壁１２ｂの内面に沿って配置された圧電フィルム５１とを備える。圧電フィルム５１は、加えられた力を電圧に変換する。二次電池１０は、圧電フィルム５１に所定の力が加えられたときに生じる電圧によってオンとなり、正極端子と負極端子１８とを短絡させるスイッチング素子４１を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、蓄電装置に関する。

従来から、ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、電動機などへの供給電力を蓄える蓄電装置としてリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池などの二次電池が搭載されている。二次電池は、ケースと、ケースに収容されている電極組立体と、ケースの外部に突出している正負の電極端子とを備える。また、二次電池は、過充電時などの異常時に正負の電極端子を短絡させて放電を行わせる短絡機構を備えている場合がある。

特許文献１に記載の二次電池は、電極端子に接続された第１電気伝導体と、第１電気伝導体が接続された電極端子とは異なる極性の電極端子に接続された第２電気伝導体と、第１電気伝導体と第２電気伝導体との間に配置された絶縁体とを備える。また、二次電池は、第１電気伝導体と第２電気伝導体との間に、絶縁体に加えて低融点合金層を備える。

そして、二次電池の過充電等により、内部温度が上昇し、低融点合金層の温度が融点に達すると、低融点合金層は溶融する。溶融した低融点合金層は絶縁体の孔に流れ込み、第１電気伝導体と第２電気伝導体とを接続させ、正負の電極端子を短絡させる。

特開２０１３−９８１３２号公報

ところで、二次電池の内部温度が急速に上昇した場合、その温度上昇に低融点金属の温度が追従できず、二次電池に異常が生じたときに速やかに正負の電極端子を短絡できないおそれがある。また、二次電池に外部から力が加わったときなど、内部温度の上昇を伴わない異常が生じた場合には、正負の電極端子を短絡させることができない。

本発明の目的は、異常時に正負の電極端子を短絡させることができる蓄電装置を提供することにある。

上記課題を解決する蓄電装置は、正負の電極が互いに絶縁された電極組立体と、前記電極組立体を収容するケースと、前記電極組立体と電力の授受を行う正負の電極端子と、前記ケースの壁面に沿って配置され、加えられた力を電圧に変換する圧電素子と、前記圧電素子が所定の力を受けたときに生じる電圧によってオンとなり、前記正負の電極端子を短絡させるスイッチング素子と、を備える。

これによれば、圧電素子に所定の力が加わったときに生じる電圧によってスイッチング素子がオンされ、正負の電極端子を短絡させることができる。所定の力としては、蓄電装置の過充電時に膨張した電極組立体から圧電素子に加わる力や、蓄電装置の使用に支障を来すほどの力が外部から加わったときに圧電素子に加わる力が設定される。電極組立体の膨張によって圧電素子に力が加わると正負の電極端子が短絡するため、過充電時には速やかに正負の電極端子を短絡させることができる。また、圧電素子に加わる力によって正負の電極端子を短絡させることで、外部から加わる力など、内部温度の上昇を伴わない異常が生じたとしても正負の電極端子を短絡させることができる。

上記蓄電装置について、前記圧電素子はフィルム状であってもよい。
これによれば、電極組立体が膨張して圧電素子に接触したときに、電極組立体との接触面積を広く確保しやすく、圧電素子によって電極組立体が損傷することが抑止される。

上記蓄電装置について、前記電極組立体は、複数の正極電極と、複数の負極電極を互いに絶縁して積層した構造であり、前記圧電素子は前記正極電極及び前記負極電極の積層方向に位置する前記壁面に沿って配置されていてもよい。

蓄電装置の過充電時には、正極電極及び負極電極のそれぞれが膨張する。このとき、正極電極及び負極電極の膨張量が積み重なる方向である積層方向への膨張量が最も多くなる。正極電極及び負極電極の積層方向に位置する壁面に沿って圧電素子を配置することで、電極組立体が膨張したときの力を受けやすい。

本発明によれば、異常時に正負の電極端子を短絡させることができる。

二次電池の分解斜視図。 二次電池の断面図。 短絡機構を模式的に示す図。 変形例の二次電池に用いられる圧電フィルムを示す斜視図。

以下、蓄電装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、ケース１１を備える。ケース１１は、一方に開口した有底箱状のケース本体１２と、そのケース本体１２の開口部分を塞ぐ板状の蓋１３とを備える。ケース本体１２と蓋１３とは、溶接により接合されている。本実施形態の二次電池１０は、リチウムイオン二次電池である。

ケース本体１２は、矩形板状の底壁１２ａと、底壁１２ａの対向する一対の長辺から立設された長側壁１２ｂと、底壁１２ａの対向する一対の短辺から立設された短側壁１２ｃとを備える。

図１及び図２に示すように、二次電池１０はケース１１に収容された電極組立体１４を備える。電極組立体１４は、正負の電極である正極電極２１及び負極電極３１が、セパレータ１５を介して互いに絶縁された状態で積層された構造である。正極電極２１、負極電極３１及びセパレータ１５は、長方形状のシートである。以下の説明において、積層方向とは正極電極２１と負極電極３１の積層方向を示す。

正極電極２１は、例えばアルミニウム製の長方形状の正極金属箔２２と、正極金属箔２２の両面に存在する正極活物質層２３と、正極金属箔２２から突出した形状の正極タブ２４とを備える。

負極電極３１は、例えば銅製の長方形状の負極金属箔３２と、負極金属箔３２の両面に存在する負極活物質層３３と、負極金属箔３２から突出した形状の負極タブ３４とを備える。

電極組立体１４では、正極タブ２４が積層方向に沿って列状に配置され、且つ正極タブ２４と重ならない位置にて負極タブ３４が積層方向に沿って列状に配置されるように、正極電極２１及び負極電極３１が積層されている。正極タブ２４及び負極タブ３４は、電極組立体１４における積層方向の一端から他端までの範囲内でそれぞれ集められた状態で折り曲げられている。電極組立体１４は、積層方向に長側壁１２ｂが位置するようにケース本体１２内に収容されている。

二次電池１０は、電極組立体１４と電力の授受を行う正負の電極端子である正極端子１７及び負極端子１８を備える。正極端子１７及び負極端子１８は蓋１３に固定されている。また、二次電池１０は、正極端子１７及び負極端子１８と、蓋１３とを電気的に絶縁する円環状の絶縁部材１９を備える。

二次電池１０は、正極タブ２４と正極端子１７とを電気的に接続する正極導電部材２５と、負極タブ３４と負極端子１８とを電気的に接続する負極導電部材３５とを備える。
次に、二次電池１０の異常時に正極端子１７と負極端子１８とを短絡させる短絡機構４０について説明する。

短絡機構４０は、スイッチング素子４１と、圧電フィルム５１とを備える。
スイッチング素子４１は、蓋１３の内面に配置された基板４２に実装されている。図示は省略するが、二次電池１０は電解液の注液口や、圧力開放弁などを蓋１３に備えており、基板４２はこれらの部材を避けた位置に配置される。

短絡機構４０は、正極導電部材２５を基板４２に接続する正極接続部材４３と、負極導電部材３５を基板４２に接続する負極接続部材４４とを備える。正極接続部材４３及び負極接続部材４４としては、例えば、導電性の板材や、線材などが用いられる。正極接続部材４３及び負極接続部材４４は、基板４２に設けられたパターンによってスイッチング素子４１に電気的に接続されている。

図３に示すように、スイッチング素子４１としては例えばバイポーラトランジスタが用いられる。正極接続部材４３は、スイッチング素子４１のコレクタに電気的に接続され、負極接続部材４４はスイッチング素子４１のエミッタに電気的に接続されている。これにより、スイッチング素子４１のコレクタには正極端子１７が電気的に接続され、スイッチング素子４１のエミッタには負極端子１８が電気的に接続されている。

図１及び図２に示すように、圧電フィルム５１は、フィルム状の圧電素子であり、例えば、圧電体を２つの電極によって挟んだ構造である。圧電フィルム５１は、少なくとも厚み方向への力を電圧に変換して、図示しない電極（端子）間に電圧を発生させる。圧電フィルム５１は、ケース本体１２の２つの長側壁１２ｂのうちの一方の内面（ケース１１の壁面）に沿って配置されている。圧電フィルム５１は、電極組立体１４の積層方向において、電極組立体１４から離間して配置されており、圧電フィルム５１と電極組立体１４との間にはクリアランスＣが存在している。積層方向に沿ったクリアランスＣの寸法は、例えば過充電に至らない二次電池１０の充電時（通常の充電時）における積層方向への電極組立体１４の膨張量よりも長く、過充電時における積層方向への電極組立体１４の膨張量よりも短い。クリアランスＣは、電極組立体１４の積層方向への膨張を許容できる寸法であり、クリアランスＣの寸法を超えて電極組立体１４が膨張した場合には二次電池１０が過充電されているといえる。

圧電フィルム５１は、電極組立体１４における圧電フィルム５１との対向面（積層方向の面）を全体に亘って覆うことができるような大きさである。
短絡機構４０は、圧電フィルム５１の電極（端子）の一方を負極導電部材３５に接続する圧電接続部材５２と、圧電フィルム５１の電極（端子）の他方を基板４２に接続する基板接続部材５３とを備える。圧電接続部材５２及び基板接続部材５３としては、例えば、導電性の板材や、線材などが用いられる。基板接続部材５３は、基板４２に設けられたパターンによってスイッチング素子４１のベースに電気的に接続されている。

スイッチング素子４１は、圧電フィルム５１が所定の力を受けたときにエミッタ−ベース間に加わる電圧によってオンされる。所定の力としては、過充電時に電極組立体１４が膨張して、圧電フィルム５１を押圧することによって発生する力や、二次電池１０に支障を来すほどの力がケース１１の外部から加わったときに圧電フィルム５１に加わる力が設定され、本実施形態ではこれらの力のうち小さい方の力を所定の力として設定している。

次に、本実施形態の二次電池１０の作用について説明する。
二次電池１０の充電時には、正極電極２１及び負極電極３１が膨張する。電極組立体１４は、各正極電極２１及び各負極電極３１の膨張量が積み重なる方向となる積層方向の膨張量が最も多い。

二次電池１０の過充電時には、通常の充電時に比べて電極組立体１４の膨張量が多くなり、積層方向への膨張量が積層方向へのクリアランスＣの寸法を超えると、膨張した電極組立体１４によって圧電フィルム５１が厚み方向へ押される。

圧電フィルム５１は、電極組立体１４に押されると、この力を電圧に変換する。これにより、スイッチング素子４１のエミッタ−ベース間に電圧が加わることで、スイッチング素子４１はオンされ、正極導電部材２５と負極導電部材３５が電気的に接続される。すなわち、正極端子１７と負極端子１８とが短絡する。正極端子１７と負極端子１８とが短絡することで、二次電池１０の充電が停止されるとともに二次電池１０の放電が行われる。

また、電極組立体１４の積層方向において、二次電池１０の外部から力が加わり、この力が圧電フィルム５１に加わると、二次電池１０の過充電時と同様に、スイッチング素子４１がオンとなり、正極端子１７と負極端子１８とが短絡する。

なお、通常の充電時など、圧電フィルム５１に力が加わっていないときには、スイッチング素子４１はオフに維持され、正極端子１７と負極端子１８とは短絡していない。
したがって、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）二次電池１０の短絡機構４０は、圧電フィルム５１と、圧電フィルム５１が所定の力を受けたときに生じる電圧によってオンされるスイッチング素子４１とを備え、スイッチング素子４１はオンされることで正極端子１７と負極端子１８とを短絡させる。圧電フィルム５１が電極組立体１４から力を受けてスイッチング素子４１を介して正極端子１７と負極端子１８とを短絡させることで、過充電時には電極組立体１４の膨張に直接追従して速やかに正極端子１７と負極端子１８とを短絡させることができる。また、圧電フィルム５１を用いることで過大な外力に直接的に反応して正極端子１７と負極端子１８とを短絡させることができる。したがって、異常時には、正極端子１７と負極端子１８とを短絡させることができる。

（２）圧電フィルム５１は、フィルム状であるため、電極組立体１４との接触面積を広く確保しやすい。このため、電極組立体１４が膨張して、圧電フィルム５１に接触したときに電極組立体１４から加わる力を広い面で受けることができ、圧電フィルム５１から電極組立体１４に作用する反力を小さくすることができる。このため、電極組立体１４が損傷しにくい。

（３）圧電フィルム５１は、正極電極２１及び負極電極３１の積層方向に位置する長側壁１２ｂの内面に沿って配置されている。電極組立体１４は、各正極電極２１及び各負極電極３１の膨張量が積み重なる方向である積層方向への膨張量が最も多い。このため、積層方向に位置する長側壁１２ｂの内面に沿って圧電フィルム５１を配置することで、電極組立体１４が膨張したときの力を受けやすい。

（４）長側壁１２ｂは、ケース１１の各側壁の内面のうち、最も広い面積を有する。このため、長側壁１２ｂに沿わせて圧電フィルム５１を配置することで、圧電フィルム５１の面積も広くすることができる。よって、圧電フィルム５１において電極組立体１４の力を受ける面積を広くすることができ、電極組立体１４が膨張したときに生じる電圧が高くなる。このため、スイッチング素子４１をオンさせるための大きな起電力を確保することができる。

なお、実施形態は以下のように変更してもよい。
○図４に示すように、電極組立体１４において正極タブ２４及び負極タブ３４が設けられる面とは異なる面の全てを覆うように圧電フィルム６１が設けられていてもよい。実施形態中では図示を省略しているが、ケース本体１２の内面と電極組立体１４との間には、電極組立体１４とケース１１とを絶縁するための絶縁部材が設けられている。圧電フィルム６１によって電極組立体１４の正極タブ２４及び負極タブ３４が設けられる面とは異なる面の全てを覆うことで、圧電フィルム６１を電極組立体１４とケース１１とを絶縁するための絶縁部材として兼用することができる。更に、電極組立体１４の１つの面に対向するように圧電フィルム６１を設ける場合に比べて、電極組立体１４が膨張したときに力を受ける面積を広くすることができるため、スイッチング素子４１をオンさせるための大きな起電力を確保することができる。更に、二次電池１０の外部から力が加わったときに、蓋１３に向けて加わる力以外であれば、いずれの方向から力が加わった場合であっても正極端子１７及び負極端子１８を短絡させることができる。

○複数の二次電池１０と、各二次電池１０に隣り合って設けられる拘束板との間に圧電フィルム５１を設けてもよい。圧電フィルム５１は、ケース１１の外面に沿って設けられる。二次電池１０の過充電時に電極組立体１４が膨張すると、電極組立体１４に押されることでケース１１が外方へ変形し、変形したケース１１と拘束板に挟まれた圧電フィルム５１に力が加わる。圧電フィルム５１は、受けた力を電圧に変換してスイッチング素子４１をオンさせる。なお、この場合には、スイッチング素子４１はケース１１外に設けられ、コレクタは正極端子１７に、エミッタは負極端子１８にそれぞれ接合される。圧電フィルム５１をケース１１外に配置することで、ケース１１内に圧電フィルム５１を配置する場合に比べて配置が容易である。また、圧電フィルム５１が電解液などに晒されることがなく、耐腐食性のない圧電フィルム５１であっても使用することができる。

○電極組立体１４は、積層型に限らず、帯状の正極電極２１と帯状の負極電極３１を捲回して層状に積層した捲回型であってもよい。
○圧電フィルム５１は、底壁１２ａの内面に沿って配置されていてもよい。

○圧電フィルム５１は、短側壁１２ｃの内面に沿って配置されていてもよい。すなわち、圧電フィルム５１は、電極組立体１４の正極タブ２４及び負極タブ３４が設けられていない面と対向するケース１１の壁面であれば、いずれの面に沿って設けられていてもよい。また、これらの面のうち、複数の面に沿って圧電フィルム５１を設けてもよいし、単数の面に沿って圧電フィルム５１を設けてもよい。

○スイッチング素子４１は、ＭＯＳＦＥＴや、絶縁ゲートバイポーラトランジスタなどでもよい。
○圧電素子は、フィルム状の圧電フィルム５１に限られず、ブロック状などでもよい。

○蓄電装置は、例えばキャパシタなど、二次電池１０以外の蓄電装置でもよい。
○正極電極２１及び負極電極３１は、金属箔の片面に活物質層が存在する構造でもよい。

○二次電池１０は、ニッケル水素二次電池などでもよい。
次に、上記実施形態及び変形例から把握することができる技術的思想について追記する。

（イ）電極端子に電気的に接続されるタブが設けられていない電極組立体の全面を覆うように圧電フィルムが設けられている。
（ロ）正負の電極が互いに絶縁された電極組立体と、電極組立体を収容するケースと、電極組立体と電力の授受を行う正負の電極端子と、電極組立体が許容できる寸法を超えて膨張したときに電極組立体から力を受ける圧電素子と、圧電素子が電極組立体から受ける力を変換した電圧によってオンされ、正負の電極端子を短絡させるスイッチング素子とを備える。

１０…二次電池、１１…ケース、１２ｂ…長側壁、１４…電極組立体、１７…正極端子、１８…負極端子、２１…正極電極、３１…負極電極、４１…スイッチング素子、５１…圧電フィルム。

Claims (3)

1. 正負の電極が互いに絶縁された電極組立体と、
   前記電極組立体を収容するケースと、
   前記電極組立体と電力の授受を行う正負の電極端子と、
   前記ケースの壁面に沿って配置され、加えられた力を電圧に変換する圧電素子と、
   前記圧電素子が所定の力を受けたときに生じる電圧によってオンとなり、前記正負の電極端子を短絡させるスイッチング素子と、を備える蓄電装置。
2. 前記圧電素子はフィルム状である請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記電極組立体は、複数の正極電極と、複数の負極電極を互いに絶縁して積層した構造であり、
   前記圧電素子は前記正極電極及び前記負極電極の積層方向に位置する前記壁面に沿って配置されている請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。

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