JP2017103083A - 電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電池システムを小型化する。【解決手段】複数個の単電池を積層した積層体を備える電池システムにおいて、前記積層体の充放電を制御する充放電制御部と、前記積層体の積層方向両端部の少なくともいずれか一方の端部に配置され、前記積層体の積層方向の圧力を調整する圧力調整電池と、前記圧力調整電池の充放電を制御する圧力調整制御部と、を備えることを特徴とする電池システム。【選択図】図１

Description

本発明は、電池システムに関する。

二次電池、燃料電池等の単電池を複数個積層した積層体を備える電池システムは、電気容量が大きく、かつ高電圧が要求される電気自動車等のエネルギー源として利用されつつある。
従来の電池システム、特に車載用の電池システム等においては、単電池同士が振動・衝撃などによる位置ズレ防止、または電池の寿命・出力性能確保等の観点から、単電池を積層した積層体に、エンドプレートや拘束圧保持部材等の拘束部材を配置し、当該積層体に拘束圧をかけて使用している。
しかし、拘束部材は、小型・軽量化などの制約により、拘束圧力を測定してフィードバックをかける、というような定圧（圧力一定）制御する機構ではなく、定寸（寸法固定）機構で組みつけられている。
そのため、出荷前の組み付け後から徐々に電池及び／又は拘束部材のクリープ（拘束圧抜け）が発生し、使用開始時や経年時に、電池性能に要求される拘束圧以下になり、振動・衝撃による単電池同士の位置ズレが発生するという問題や、電池の寿命・出力性能が不足するという問題があった。
特許文献１には、複数個の単電池の積層体を含む組電池において、積層方向に加わる締結荷重（拘束圧力）を変える締結荷重可変手段としてピエゾ素子を備えることで、経年劣化等で締結荷重が変化した際に、その変化に応じて積層体の締結荷重を調整することができる組電池が開示されている。

特開２００８−２８８１６８号公報 特開２００９−２３８６０６号公報 特開２０１３−１０１７８８号公報

しかし、特許文献１に開示されているような、締結荷重可変手段としてピエゾ素子を用いた場合、電池システムが大型化し、体積効率が低下するという問題がある。
本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、本発明の目的は、電池システムを小型化することである。

本発明の電池システムは、複数個の単電池を積層した積層体を備える電池システムにおいて、
前記積層体の充放電を制御する充放電制御部と、
前記積層体の積層方向両端部の少なくともいずれか一方の端部に配置され、前記積層体の積層方向の圧力を調整する圧力調整電池と、
前記圧力調整電池の充放電を制御する圧力調整制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、電池システムを小型化することができる。

本発明の電池システムの一例を示す模式図である。 圧力調整電池の一例を示す模式図である。 経時に対する拘束圧を示す図である。

本発明の電池システムは、複数個の単電池を積層した積層体を備える電池システムにおいて、
前記積層体の充放電を制御する充放電制御部と、
前記積層体の積層方向両端部の少なくともいずれか一方の端部に配置され、前記積層体の積層方向の圧力を調整する圧力調整電池と、
前記圧力調整電池の充放電を制御する圧力調整制御部と、を備えることを特徴とする。

特許文献１に開示されているような、締結荷重可変手段としてピエゾ素子を用いた場合、ピエゾ素子は作動電圧が数十〜数百Ｖと高い電圧が必要となるため、ピエゾ素子動作用の電源や接続要素が必要になり、電池システムが大型化し、体積効率が低下するという問題がある。
また、過圧縮や電池の温度・ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ：充電量）の変化で、拘束部材が塑性変形しないようにするために、拘束部材の強度を高くする必要があるため、拘束部材が大型になり重くなるという問題がある。
さらに、バネ機構のような拘束圧力一定の機構では、電池が劣化した場合に電池の出力が低下してしまい、電池システムの要求性能を満たさなくなるという問題がある。

本発明者は、積層体の拘束圧を調整するために、３〜５Ｖ程度の低い電圧で動作する圧力調整電池を積層体の積層方向両端部の少なくともいずれか一方の端部に配置することを見出した。
これにより、積層体の組み付け時にクリープを見込んだ過圧縮を行う必要がなくなる。
また、拘束部材についても、電池性能からくる拘束圧力の必要要件以上に拘束部材の強度を高める必要がなくなる。
さらに、ピエゾ素子動作用の電源や接続要素を備える必要が無くなり、電池システムを小型化することができ、コスト削減が可能になる。
そして、出荷後においてもリアルタイムで拘束圧を調整することが容易なため、クリープのほかにも、温度や電池の充放電による膨張収縮についても、拘束圧の調整を行うことができる。

図１は、本発明の電池システムの一例を示す模式図である。
図１に示す電池システム１００は、複数個の単電池１を積層した積層体２と圧力調整電池３と、拘束圧保持部材４と、エンドプレート５と、圧力調整制御部（ＥＣＵ）６と、充放電制御部（図示せず）を備える。圧力調整電池３は、圧力調整制御部６と配線により連結している。積層体２は、充放電制御部と配線（図示せず）により連結している。図１中の矢印は、組み付け時の拘束圧を示す。

単電池１の種類は、二次電池、燃料電池等の発電体等であれば特に限定されず、二次電池としては、液電池、全固体電池等の従来公知の電池を用いることができる。単電池１の形状は特に限定されず、ラミネート型、角型缶等が挙げられる。
また、単電池１の個数は特に限定されるものではない。

拘束圧保持部材４としては、例えば、ステンレス、チタン、アルミニウム、高張力鋼板等の金属材料、及び、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の複合材料等を用いることができる。
拘束圧保持部材４は、例えば、拘束圧保持部材４の両端部をねじ切り加工等して、エンドプレート５に設けられた孔部に挿通させ、挿通させた拘束圧保持部材４の両端部をナット等により締め付けて固定することができる。また、電池システム１００の製造時には、ナットの締め付けによって、積層体２に拘束圧を加え、積層体２を固定することができる。

エンドプレート５は、積層体２の積層方向の端部に配置され、拘束圧保持部材４とともに積層体２の積層姿勢を保持するためのものである。また、エンドプレート５は、積層体２と圧力調整電池３を挟持する。
エンドプレート５は、積層体２に加わる拘束圧に耐える強度を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、ステンレス、チタン、アルミニウム、高張力鋼板等の金属材料、炭素繊維強化プラスチック等の複合材料、及び、ガラス繊維樹脂等が挙げられる。
エンドプレート５の形状は、特に限定されないが、単電池１の形状に合わせることが好ましい。

充放電制御部は、積層体２を構成する単電池１の充放電を制御することができるものであれば特に限定されず、電子制御ユニット（ＥＣＵ）等を用いることができ、後述する圧力調整制御部６が、充放電制御部の機能を兼ね備えるものであってもよい。

図２は、圧力調整電池３の一例を示す模式図である。
圧力調整電池３は、充電に伴い電池厚みが膨張し、放電に伴い電池厚みが収縮する。
圧力調整電池３は、複数個の単電池１を積層した積層体２の積層方向両端部の少なくともいずれか一方の端部に配置されていればよい。
圧力調整電池３の種類は、電池の充放電に伴い膨張収縮するものであれば特に限定されない。膨張収縮を大きくして、拘束圧の調整機能を向上させる観点から、圧力調整電池３に用いる負極活物質にはＳｉを用いることが好ましい。
圧力調整電池３の形状は、特に限定されず、ラミネート型、角型缶等が挙げられる。

圧力調整制御部６は、積層体２に加えられている拘束圧力を検出し、圧力調整電池３の充放電を制御するものであれば特に限定されず、電子制御ユニット（ＥＣＵ）等を用いることができる。
また、拘束圧力の検出には、圧力センサ等を用いることができる。
圧力センサの配置位置は、積層体２に加えられている拘束圧力を検出することができれば、どの位置（例えば、単電池１同士間や積層体２の端部の単電池１とエンドプレート５との間等）に設けられていてもよい。
ＥＣＵは、圧力調整電池３、圧力センサ等と信号配線によって接続されており、圧力センサからの信号に応じて、圧力調整電池３の充放電の制御を行う。

圧力調整電池３は、圧力調整制御部６からの３〜５Ｖ程度の低電圧の信号により充放電を制御されることにより、膨張収縮を制御することができる。
また、圧力調整電池３と、圧力調整制御部６は、信号配線で連結されているため、電圧制御装置等の大きな電源を準備する必要がなく、電池システムを小型化することができる。

圧力調整制御部６による拘束圧の制御方法は、特に限定されないが、例えば、エンドプレート５間の距離と拘束圧との関係、必要拘束圧と電気特性（内部抵抗、ＳＯＣ）の関係等を表す制御マップと、圧力センサにより検出された拘束圧、電気特性検出器により検出された電気特性（内部抵抗、ＳＯＣ等）等から、積層体２に加える拘束圧値を決定し、決定した拘束圧値となるようにモニターにより、加えられる拘束圧を制御する方法等が挙げられる。なお、電気特性検出器は、従来公知の電圧計、電流計等を用いることができる。

本発明の電池システム１００に用いる圧力調整電池３の使用時期は特に限定されず、組み付け後、輸送等における時間経過により、クリープによる拘束圧の低下が発生した場合や、温度、ＳＯＣの変化により電池や拘束部材が膨張収縮して、拘束圧が変動した場合に使用することができる。

圧力調整電池３の使用例は、特に限定されず、以下の例を挙げることができる。
クリープを考慮し、積層体２を構成する単電池１の使用開始のタイミングに合わせて、時間経過に応じて、圧力減少した分だけ圧力調整電池３の厚みを膨張させ、拘束圧を上昇させる。
また、温度、ＳＯＣの変化による電池や拘束部材の膨張収縮に合わせて圧力調整電池３の厚みを膨張収縮させ、拘束圧を一定に保つ。
さらに、電池の劣化に伴う電池の出力性能の低下を補うために、圧力調整電池３の厚みを膨張させ、拘束圧を上昇させる。

（実施例１）
まず、単電池を準備し、単電池を必要数積層し、積層体を形成した。次に、積層体の積層方向片側に圧力調整電池を配置した。そして、エンドプレートを積層体の積層方向両端に配置した。その後、組み付けのためにエンドプレートを介して積層体に組み付け荷重を印加した。そして、荷重を印加した状態のまま、拘束圧を保持するための拘束圧保持部材を組み付けた。その後、組み付け荷重を開放し、電池システムを得た。

（比較例１）
圧力調整電池を配置せず、組み付け荷重印加時に、積層体を過圧縮したこと以外は、実施例１と同様の方法で、電池システムを得た。

（比較例２）
圧力調整電池を配置しなかったこと以外は、実施例１と同様の方法で、電池システムを得た。

［検証実験］
実施例１及び比較例１〜２の電池システムについて、組み付け完了後、動作確認、検査をして、その後、出荷・輸送した（その間にクリープによる拘束圧の低下が確認された）。
実施例１の電池システムについては、圧力調整制御部が電池の使用開始を検知すると、クリープにより拘束圧が低下した分を補うために、圧力調整電池を充電し、拘束圧を上昇させた。
その後、実施例１の電池システムについては、温度変化やＳＯＣ変化による積層体や拘束部材の膨張収縮に応じた拘束圧変化に対応して、拘束圧を一定に保った場合（実施例１−１）と、使用における電池性能の劣化を考慮し、徐々に拘束圧を上昇させた場合（実施例１−２）の経時と拘束圧との関係を評価した。結果を図３に示す。
また、比較例１〜２の電池システムについても、経時と拘束圧との関係を示した結果を図３に示す。
なお、図３において、要求値以上の拘束圧が確保されていれば、所望の電池性能が得られていることを示す。

図３に示すように、比較例１では、組み付け時に積層体に過圧縮をかけている。そのため、拘束部材の高強度化が必要であり、組み付け設備が大型化し、コストが大きくなるという問題がある。
また、比較例２では、組み付け時に積層体に過圧縮をかけていない。そのため、使用時に温度、ＳＯＣ変化で拘束圧が要求値を下回ってしまい、所望の電池性能が得られないことがわかる。
一方、実施例１−１では、組み付け時に積層体に過圧縮をかけなくても、電池使用開始時に圧力調整電池により、積層体の拘束圧を調整できる。そのため、所望の電池性能を確保できる。また、圧力調整電池を設けることにより、組み付け設備の小型化、低コスト化が図れる。
そして、実施例１−２では、使用における電池性能の劣化を考慮し、徐々に拘束圧を上昇させているため、電池の寿命末期においても、電池性能を確保することができることがわかる。

１ 単電池
２ 積層体
３ 圧力調整電池
４ 拘束圧保持部材
５ エンドプレート
６ 圧力調整制御部
１００ 電池システム

Claims (1)

1. 複数個の単電池を積層した積層体を備える電池システムにおいて、
   前記積層体の充放電を制御する充放電制御部と、
   前記積層体の積層方向両端部の少なくともいずれか一方の端部に配置され、前記積層体の積層方向の圧力を調整する圧力調整電池と、
   前記圧力調整電池の充放電を制御する圧力調整制御部と、を備えることを特徴とする電池システム。