JP2018174094A - 蓄電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】蓄電素子の端子同士を短絡させる構成を簡易にし、且つ短絡の確実性を向上する蓄電装置を提供する。
【解決手段】蓄電装置は、第一正極端子及び第一負極端子を有する第一蓄電素子と、第二正極端子及び第二負極端子を有し、且つ前記第二正極端子が前記第一負極端子と電気的に接続される第二蓄電素子と、前記第一正極端子、前記第一負極端子、前記第二正極端子及び前記第二負極端子と電気的に接続され、且つ前記第一正極端子、前記第一負極端子、前記第二正極端子及び前記第二負極端子を相互に絶縁する放電デバイスとを備え、前記放電デバイスは、付与される信号に応じて絶縁を解除する。
【選択図】図4

Description

本開示は、蓄電素子を備える蓄電装置に関する。
複数の蓄電素子を備える蓄電装置(蓄電モジュールとも呼ばれる)がある。例えば、特許文献1には、蓄電素子として複数の電池セルを備える二次電池モジュールが記載されている。電池セルは、具体的には、リチウムイオン電池である。複数の電池セルは、陽極端子同士が一列に並び且つ陰極端子同士が一列に並ぶように配置されている。さらに、二次電池モジュールは、複数の導電部材を備えている。複数の導電部材は、1つの電池セルの陽極端子と、この電池セルに隣接する電池セルの陰極端子とを接続する。二次電池モジュールが荷重を受けたとき、隣接する導電部材が接触して導通するように、隣接する導電部材の一部が対向している。
特開2015−53145号公報
特許文献1に記載される二次電池モジュールでは、二次電池モジュールが荷重を受けたとき、導電部材が変形して導電部材同士が接触し、電池セルの陽極端子及び陰極端子が短絡する。この短絡は、導電部材の変形に依存しているため、確実性に欠ける。
本開示は、蓄電素子の電極端子同士を短絡させる構成を簡易にし、且つ短絡の確実性を向上する蓄電装置を提供する。
本開示の一態様に係る蓄電装置は、第一正極端子及び第一負極端子を有する第一蓄電素子と、第二正極端子及び第二負極端子を有し、且つ前記第二正極端子が前記第一負極端子と電気的に接続される第二蓄電素子と、前記第一正極端子、前記第一負極端子、前記第二正極端子及び前記第二負極端子と電気的に接続され、且つ前記第一正極端子、前記第一負極端子、前記第二正極端子及び前記第二負極端子を相互に絶縁する放電デバイスとを備え、前記放電デバイスは、付与される信号に応じて絶縁を解除する。
本開示に係る蓄電装置によれば、蓄電素子の電極端子同士を短絡させる構成が簡易であり、且つ短絡の確実性が向上することが可能になる。
図1は、実施の形態に係る蓄電装置の外観を模式的に示す斜視図である。 図2は、図1の蓄電装置の模式的な分解斜視図である。 図3は、図2の1つの蓄電素子の模式的な斜視図である。 図4は、図2の複数の蓄電素子を拡大して示す模式的な平面図である。 図5は、図4の蓄電素子のV−V線に沿った模式的な断面側面図である。 図6は、図3の蓄電素子の変形例を示す模式的な斜視図である。 図7は、図6の蓄電素子の模式的な分解斜視図である。 図8は、図6の蓄電素子が蓄電装置に配置される例を示す模式的な平面図である。
まず、本出願に係る発明者(以下、本発明者と呼ぶ)は、特許文献1に記載される技術において、電池セル等の蓄電素子の電極端子間での短絡の発生が不確実であることを見出した。具体的には、特許文献1に記載される技術では、電極端子間の短絡は、二次電池モジュールに荷重が加わり、それにより、導電部材が変形して導電部材同士が接触した場合のみに生じる。このため、短絡が発生するケースがかなり限定される。しかしながら、二次電池モジュールに導電部材を変形するような荷重が加わらない場合でも、蓄電素子に内部短絡が生じる場合がある。蓄電素子に内部短絡が生じた場合、電圧の過度な上昇を防ぐために、蓄電素子の電極端子同士を短絡する必要がある。本発明者は、様々なケースにおいて、蓄電素子の電極端子同士の短絡の発生を確実にしつつ、この短絡を発生する構成を簡易にするために、以下のような蓄電装置を見出した。
本開示の一態様に係る蓄電装置は、第一正極端子及び第一負極端子を有する第一蓄電素子と、第二正極端子及び第二負極端子を有し、且つ前記第二正極端子が前記第一負極端子と電気的に接続される第二蓄電素子と、前記第一正極端子、前記第一負極端子、前記第二正極端子及び前記第二負極端子と電気的に接続され、且つ前記第一正極端子、前記第一負極端子、前記第二正極端子及び前記第二負極端子を相互に絶縁する放電デバイスとを備え、前記放電デバイスは、付与される信号に応じて絶縁を解除する。
上記態様によると、放電デバイスは、付与される信号に応じて絶縁を解除し、第一正極端子、第一負極端子、第二正極端子及び第二負極端子間の導通を形成する。これにより、第一蓄電素子及び第二蓄電素子において、正極端子及び負極端子が短絡するため、蓄電素子内部を流れる電流を低減できる。この短絡は、例えば、第一蓄電素子及び第二蓄電素子の一方又は両方のいずれで内部短絡が発生した場合でも、電極端子間で電流が流れることを可能にし、蓄電素子おける内部短絡箇所での発熱を抑制する。そして、放電デバイスは、受信する信号に応じて、絶縁を解除するため、電極端子間の短絡を確実に発生することを可能にする。さらに、上述のような放電デバイスを使用した放電機構は、放電デバイスと、放電デバイスを各電極端子に接続する導電部材とによって構成できるため、構成の簡易化を可能にする。
本開示の一態様に係る蓄電装置において、前記第一負極端子と前記第二正極端子とはバスバーで接続されており、前記放電デバイスは、前記バスバーに接続されていてもよい。上記態様によると、放電デバイスがバスバーに接続されているため、放電デバイスを第一負極端子に接続する必要がなく、さらに、放電デバイスを第二正極端子に接続する必要もない。そのため、配線の増加を抑制しつつ、放電デバイスを配置することができる。
本開示の一態様に係る蓄電装置において、前記放電デバイスは、溶融する導電体と、前記導電体を絶縁する絶縁体とを有し、前記放電デバイスは、前記導電体が溶融することによって、絶縁を解除してもよい。上記態様によると、放電デバイスは、導電体及び絶縁体による簡易な構成で形成されることができる。
本開示の一態様に係る蓄電装置において、前記絶縁体は、溶融した前記導電体が通過する通路を有してもよい。上記態様によると、溶融した導電体は、絶縁体の通路を通ることによって、絶縁体を通過することができる。そして、導電体が絶縁体を通過することによって、放電デバイスが絶縁を解除するように構成することができる。よって、導電体による電気的な接続、つまり絶縁の解除の構成を簡易にすることができる。
本開示の一態様に係る蓄電装置において、前記導電体は、異種金属が積層されて形成されてもよい。上記態様によると、例えば、導電体に信号として電流を流すことによって、異種金属間で化学反応を発生するように構成することができる。そして、この化学反応熱によって導電体を溶融させるように構成することが可能である。
本開示の一態様に係る蓄電装置において、前記異種金属は、ニッケル及びアルミニウムであってもよい。上記態様によると、導電体に電流を流したとき、ニッケル及びアルミニウムが発熱反応の化学反応を起こし合金化する。この際に、1500℃程度の熱が発生し、この熱により合金が溶融する。よって、導電体の確実な溶融が可能である。
本開示の一態様に係る蓄電装置において、前記放電デバイスは、絶縁動作と絶縁解除動作とを選択的に行うスイッチであってもよい。上記態様によると、スイッチによる簡易な構成によって、放電デバイスの絶縁及び絶縁解除の制御が可能である。
本開示の一態様に係る蓄電装置において、前記第一蓄電素子及び前記第二蓄電素子はそれぞれ、容器を備え、前記第一負極端子が、前記第一蓄電素子の容器を形成し、前記第二正極端子が、前記第二蓄電素子の容器を形成し、前記第一蓄電素子及び前記第二蓄電素子は、互いに前記第一負極端子及び前記第二正極端子を接触して配置されてもよい。上記態様によると、複数の蓄電素子を隣接して配置するだけで互いに電気的に接続することが可能である。よって、蓄電素子の接続構造の簡易化が可能である。
本開示の一態様に係る蓄電装置において、前記第一正極端子及び前記第一負極端子は、前記第一蓄電素子の容器を形成し、前記第二正極端子及び前記第二負極端子は、前記第二蓄電素子の容器を形成し、前記放電デバイスは、前記第一正極端子、前記第一負極端子、前記第二正極端子及び前記第二負極端子のいずれかに直接配置されてもよい。上記態様によると、放電デバイスと、放電デバイスが直接配置される電極端子とを電気的に接続する導電部材が不要になる。
次いで、以下において、図面を参照しつつ、本開示の実施の形態に係る蓄電装置について説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、並びに、構成要素の配置位置及び接続形態等は、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
また、添付の図面における各図は、模式的な図であり、必ずしも厳密に図示されたものでない。さらに、各図において、同一又は同様な構成要素については同じ符号を付している。また、以下の実施の形態の説明において、略平行、略直交のような「略」を伴った表現が、用いられる場合がある。例えば、略平行とは、完全に平行であることを意味するだけでなく、実質的に平行である、すなわち、例えば数%程度の差異を含むことも意味する。他の「略」を伴った表現についても同様である。
[実施の形態]
まず、図1及び図2を参照して、実施の形態に係る蓄電装置100の構成を説明する。図1は、実施の形態に係る蓄電装置100の外観を模式的に示す斜視図である。図2は、図1の蓄電装置100の模式的な分解斜視図である。蓄電装置100は、外部からの電気を充電すること、及び外部へ電気を放電することができる装置である。例えば、蓄電装置100は、電力貯蔵用途又は電源用途等に使用される蓄電モジュールである。例えば、蓄電装置100は、据置用の電源装置として使用されてもよく、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)、無人搬送車(AGV)、鉄道等の車両用電源として車両に搭載されてもよい。
図1に示すように、蓄電装置100は、外装体110と、外装体110に設けられる正極外部端子120及び負極外部端子130とを備える。外装体110は、直方体状の容器であり、モジュールケースとも呼ばれる。外装体110は、有底角筒状の外装本体111と、外装本体111の開口を塞ぐ矩形状の蓋体112とを有している。外装本体111及び蓋体112は、いかなる形状を有してもよく、いかなる材料で構成されてもよい。例えば、外装本体111及び蓋体112は、アルミニウム又は鉄等の金属のような剛性の高い材料で構成されてもよく、ポリプロピレン(PP)、ポリカーボネート(PC)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)又はABS樹脂等の樹脂材料で構成されてもよい。蓋体112には、正極外部端子120及び負極外部端子130が配置されている。正極外部端子120及び負極外部端子130は、蓄電装置100と外部機器との間で、蓄電装置100の充電及び放電を仲介する構成要素である。
図2に示すように、蓄電装置100は、外装本体111及び蓋体112の内部に、複数の蓄電素子1と、複数の導電性を有するバスバー6とを備えている。本実施の形態では、12個の蓄電素子1が一列に並んで配設されている。蓄電素子1は、電極端子として、正極端子3及び負極端子4を有している。なお、以下において、正極端子3及び負極端子4を電極端子と呼ぶこともある。12個の蓄電素子1は、異なる極性の電極端子が隣り合うように、互いに隣接して配置されている。そして、12個の蓄電素子1は、導電性を有するバスバー6によって電気的に直列に接続されている。バスバー6は、導電部材であり、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属のような導電性材料で構成される。一列に並ぶ蓄電素子1の両端に位置する蓄電素子1について、一方の端の蓄電素子1の正極端子3が正極外部端子120に電気的に接続され、他方の端の蓄電素子1の負極端子4が負極外部端子130に電気的に接続されている。
なお、蓄電装置100が有する蓄電素子1の数量は、12に限定されず、いかなる数量でもよい。蓄電装置100が有する蓄電素子1の配列は、一列に限定されず、複数列であってもよく、その他いかなる配列であってもよい。さらに、外装体110における正極外部端子120及び負極外部端子130の位置も、図示される位置でなくてもよく、いかなる位置であってもよい。例えば、正極外部端子120及び負極外部端子130の位置が、図示の位置と逆であってもよい。正極外部端子120及び負極外部端子130の位置の変更に伴い、蓄電素子1の配列も変更されてよい。
ここで、図3を参照して、蓄電素子1の構成を説明する。なお、図3は、図2の1つの蓄電素子1の模式的な斜視図である。蓄電素子1は、充放電可能な二次電池である。例えば、蓄電素子1は、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。しかしながら、蓄電素子1は、非水電解質二次電池に限定されず、非水電解質二次電池以外の二次電池であってもよく、使用者が充電をしなくても蓄えられている電気を使用できる一次電池であってもよく、キャパシタであってもよい。
蓄電素子1は、容器2と、容器2に配置された正極端子3及び負極端子4と、容器2の内部に配設された図示しない電極体5とを備えている。本実施の形態では、容器2の外形は、直方体状であるが、これに限定されない。容器2を構成する材料は、特に限定されないが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼等の金属である。容器2が、導電性を有する金属で構成される場合、複数の蓄電素子1は、互いに電気的に絶縁されて、蓄電装置100の外装体110内に収納され得る。本実施の形態では、電極体5は、正極と負極とを含む電気を蓄積可能な蓄電要素(発電要素とも呼ばれる)であるが、これに限定されない。
正極端子3及び負極端子4はそれぞれ、導電性を有する材料で構成される。本実施の形態では、正極端子3及び負極端子4はいずれも、バスバー6(図2参照)と溶接により接続されるが、これに限定されない。正極端子3及び負極端子4において、バスバー6と接続される部位は少なくとも、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼等の溶接可能な金属で構成される。正極端子3及び負極端子4はそれぞれ、電極体5の正極及び負極と電気的に接続されている。正極端子3及び負極端子4は、電極体5に蓄えられている電気エネルギーを蓄電素子1の外部に導出すること、及び、電気を蓄えるために蓄電素子1内の電極体5に電気エネルギーを導入することを仲介する構成要素である。
図4及び図5を参照して、蓄電装置100に配置された蓄電素子1の正極端子3及び負極端子4の周辺の構成を説明する。なお、図4は、図2の複数の蓄電素子1を拡大して示す模式的な平面図であり、蓄電素子1の正極端子3及び負極端子4を上方から見た図である。図4では、複数の蓄電素子1の一部のみが示されている。図5は、図4の蓄電素子1のV−V線に沿った模式的な断面側面図である。
図4に示すように、複数の蓄電素子1は、隣接する蓄電素子1の2つの電極端子に2つの電極端子が隣り合うように、一列に並んで配置されている。そして、各蓄電素子1は、隣接する蓄電素子1の電極端子に異極の電極端子が隣り合うように方向付けられている。各バスバー6は、隣接する2つの蓄電素子1において、複数の蓄電素子1の並び方向で隣り合う正極端子3及び負極端子4に架け渡されるように配置され、これら正極端子3及び負極端子4と、溶接等によって接合される。なお、本実施の形態では、バスバー6は、矩形板状の形状を有しているが、これに限定されず、いかなる形状を有してもよい。このような複数の蓄電素子1は、複数のバスバー6によって電気的に直列に接続される。そして、図2及び図4に示されるように、複数のバスバー6は、一列に配列された複数の蓄電素子1上において、複数の蓄電素子1の並び方向に沿った2つの列を形成するように配置される。2つの列のうちの一方は、複数のバスバー6のうちの複数のバスバー6aで構成され、2つの列のうちの他方は、複数のバスバー6のうちの複数のバスバー6bで構成されている。
さらに、一方の列のバスバー6aの上に、放電デバイス10が配置されている。放電デバイス10は、各バスバー6aに配置及び固定され、バスバー6aと接触している。このような放電デバイス10は、複数のバスバー6において、2つに1つのバスバー6に配置されている。より具体的には、放電デバイス10は、蓄電素子1の直列接続に沿ったバスバー6の配列において、1つおきのバスバー6に配置されている。なお、当該配列において、バスバー6aとバスバー6bとは交互に並ぶ。よって、複数の蓄電素子1において、2つの蓄電素子1に対して1つの放電デバイス10が配置されている。
放電デバイス10は、通常時、電気的な絶縁性を有し、電気信号が付与されると、導電性を有するようになる特性を備えている。本実施の形態では、放電デバイス10は、シート状又は板状の形状を有するが、これに限定されず、いかなる形状を有してもよい。
また、各放電デバイス10に、導電線7及び8が配置されている。導電線7及び8それぞれの一方の端部が、放電デバイス10上に固定され、放電デバイス10と接触している。導電線7及び8は、放電デバイス10上で互いから離れて配置されている。さらに、導電線7及び8はいずれも、放電デバイス10によって、互いから及びバスバー6aから電気的に絶縁されている。例えば、導電線7及び8は、放電デバイス10を挟んで、バスバー6aと反対側に配置されている。
導電線7及び8の他方の端部は、バスバー6bと接続されている。導電線7の他方の端部と導電線8の他方の端部とは、異なるバスバー6bと接続されている。具体的には、複数の蓄電素子1のうち、電極端子3及び4がバスバー6aと接合されている第一蓄電素子1a及び第二蓄電素子1bにおいて、当該バスバー6a上の放電デバイス10から延びる導電線7は、第一蓄電素子1aの正極端子3aに接合されたバスバー6bに接続される。また、当該バスバー6a上の放電デバイス10から延びる導電線8は、第二蓄電素子1bの負極端子4bに接合されたバスバー6bに接続される。なお、バスバー6aは、第一蓄電素子1aの負極端子4a及び第二蓄電素子1bの正極端子3bに接合されている。このような導電線7は、第一蓄電素子1aの正極端子3aと電気的に接続され、導電線8は、第二蓄電素子1bの負極端子4bと電気的に接続されている。第一及び第二蓄電素子1a及び1b以外の隣接する蓄電素子1についても、放電デバイス10は、上述と同様の構成を有している。
上述のような放電デバイス10は、第一蓄電素子1aの正極端子3a、第一蓄電素子1aの負極端子4a、第二蓄電素子1bの正極端子3b、及び第二蓄電素子1bの負極端子4bと電気的に接続されている。そして、放電デバイス10は、第一蓄電素子1aにおける負極端子4aと正極端子3aとの間での、導電線7を介した電気的な導通を遮断する。放電デバイス10は、第一蓄電素子1aの負極端子4aと第二蓄電素子1bの負極端子4bとの間での、導電線8を介した電気的な導通も遮断する。放電デバイス10は、第二蓄電素子1bの正極端子3bと第一蓄電素子1aの正極端子3aとの間での、導電線7を介した電気的な導通も遮断する。放電デバイス10は、第二蓄電素子1bにおける正極端子3bと負極端子4bとの間での、導電線8を介した電気的な導通も遮断する。また、放電デバイス10は、第一蓄電素子1aの負極端子4aと第二蓄電素子1bの正極端子3bとの間での、放電デバイス10を介した電気的な導通を遮断する。放電デバイス10は、第一蓄電素子1aの正極端子3aと第二蓄電素子1bの負極端子4bとの間での、導電線7及び8を介した電気的な導通を遮断する。よって、放電デバイス10は、第一蓄電素子1aの正極端子3a、第一蓄電素子1aの負極端子4a、第二蓄電素子1bの正極端子3b、及び第二蓄電素子1bの負極端子4bを、放電デバイス10並びに導電線7及び8を介して導通しないように、相互に絶縁する。
なお、導電線7及び8はそれぞれ、バスバー6bにではなく、第一蓄電素子1aの正極端子3a及び第二蓄電素子1bの負極端子4bと接続されてもよい。また、放電デバイス10は、バスバー6aから離れて配置され、導電線等の導電部材が、放電デバイス10とバスバー6aとを接続してもよく、又は、導電部材が、放電デバイス10と第一蓄電素子1aの負極端子4aとの間、及び、放電デバイス10と第二蓄電素子1bの正極端子3bとの間のそれぞれを接続してもよい。
図5には、放電デバイス10の詳細な構成が示されている。図5に示すように、放電デバイス10は、シート状又は板状の形状を有している。本実施の形態では、放電デバイス10は、3つの層による積層構造を有している。具体的には、放電デバイス10は、シート状又は板状の第一絶縁体11と、シート状又は板状の導電体12と、シート状又は板状の第二絶縁体13とを備えている。第一絶縁体11、導電体12及び第二絶縁体13は、この順で積層され、放電デバイス10の積層構造を形成している。放電デバイス10は、第一絶縁体11又は第二絶縁体13をバスバー6aに接触させて、バスバー6a上に配置される。図5に示す例では、第二絶縁体13がバスバー6aと接触し、第一絶縁体11上に、導電線7及び8が固定されている。これにより、バスバー6aと導電線7及び8とは、第一絶縁体11及び第二絶縁体13によって、互いから電気的に絶縁され、さらに、導電体12からも電気的に絶縁される。
第一絶縁体11及び第二絶縁体13は、電気的な絶縁性を有する材料で構成されている。例えば、第一絶縁体11及び第二絶縁体13の構成材料として、樹脂、セラミック、及び、樹脂とセラミックとの複合体等が挙げられる。第一絶縁体11には、複数の貫通孔が形成されている。これら貫通孔は、放電デバイス10の積層方向、つまり、第一絶縁体11から第二絶縁体13に向かう方向に第一絶縁体11を貫通し、第一絶縁体11を貫通する複数の第一通路11aを形成する。第二絶縁体13にも、複数の貫通孔が形成されている。これら貫通孔は、放電デバイス10の積層方向に第二絶縁体13を貫通し、第二絶縁体13を貫通する複数の第二通路13aを形成する。第一通路11a及び第二通路13aの構成は、貫通孔に限定されず、例えば、第一絶縁体11及び第二絶縁体13の周縁などを部分的に切り欠いて形成される切り欠き等であってもよい。
導電体12は、導電性を有する材料で構成されている。導電体12は、昇温することによって溶融する。具体的には、導電体12は、電気信号が印加されることによって、溶融する構成を有している。導電体12は、異種金属が積層された構成を有している。積層された異種金属は、電気信号が印加されると、互いに化学反応を起こし、発熱する。この発生した熱によって、導電体12が溶融する。上述のように作用する材料の一例として、ナノフォイル(登録商標)が挙げられる。ナノフォイル(登録商標)は、ニッケル(Ni)及びアルミニウム(Al)のナノレイヤーが交互に積層された構造を有している。ナノフォイル(登録商標)では、電気信号が印加されると、ニッケル及びアルミニウムが、発熱反応の化学反応をし、合金NiAlを生成する。この発熱反応による熱により、ナノフォイル(登録商標)は、1500℃程度にまで昇温し、溶融する。電気信号は、上述の化学反応を開始するために必要な、所定の大きさの電流であればよい。
また、第一絶縁体11及び第二絶縁体13において、第一通路11a及び第二通路13aは、溶融した導電体12が流れることができるような形状及び寸法で形成されている。溶融した導電体12は、第一通路11a及び第二通路13aに流入し、これらを通って流れ、導電線7及び8、並びにバスバー6aと接触する。それにより、導電線7、導電線8及びバスバー6aが導電体12を介して相互に電気的に接続される。つまり、導電線7が、導電線8及びバスバー6aそれぞれと電気的に接続され、さらに、導電線8が、バスバー6aと電気的に接続される。これにより、第一蓄電素子1aの正極端子3a、第一蓄電素子1aの負極端子4a、第二蓄電素子1bの正極端子3b、及び第二蓄電素子1bの負極端子4bが、相互に電気的に接続される。このように、放電デバイス10は、2つの蓄電素子1a及び1bにおける電極端子間の絶縁及び導通を制御する。このため、2つの蓄電素子1当たりに、1つの放電デバイス10が配置されてよい。
また、導電体12は、スイッチ51及び電源60を含む電気回路50に接続されている。電源60は、直流電源であっても交流電源であってもよい。例えば、電源60は、蓄電素子1であってもよく、蓄電素子1とは別に設けられた電源であってもよい。スイッチ51は、電源60から導電体12への電気信号の印加及び遮断を選択的に行う。スイッチ51がON状態のとき、導電体12に電気信号が印加され、スイッチ51がOFF状態のとき、導電体12に電気信号は印加されない。よって、導電体12は、スイッチ51がONされると、溶融する。スイッチ51のON、OFF操作は、蓄電装置100が備える制御部70によって制御される。制御部70は、蓄電装置100に配置された電圧計、温度センサなどの検知装置の検知結果等に基づき、スイッチ51を制御する。制御部70は、マイクロコンピュータを中心とする回路、又はマイクロコンピュータを有しない回路等によって構成されてもよい。制御部70は、蓄電装置100とは別の装置等に設けられてもよい。
なお、電気回路50に関して、図4に示すように複数の放電デバイス10が配置される場合、放電デバイス10それぞれに1つの電気回路50が設けられてもよく、全ての放電デバイス10又は2つ以上の放電デバイス10に対して1つの電気回路50が設けられてもよい。前者の場合、制御部70は、各放電デバイス10への電気信号の印加を、個別に行ってもよく、一緒に行ってもよい。
次に、図4及び図5を参照して、実施の形態に係る蓄電装置100の動作を説明する。蓄電装置100の制御部70は、蓄電素子1に過度な電圧の上昇、昇温等の異常が発生した場合、電流計、電圧計、温度センサ、蓄電素子1の内部圧力を検知する圧力計等の検知結果から当該異常の発生を判定し、電気回路50のスイッチ51をON状態にする。これにより、放電デバイス10の導電体12に、パルス電流等の電気信号が印加され、導電体12が溶融する。制御部70は、全て又は複数の放電デバイス10に電気信号を印加してもよく、異常のある蓄電素子1を特定できる場合は、当該蓄電素子1のバスバー6aに配置された放電デバイス10にのみ電気信号を印加してもよい。全て又は複数の放電デバイス10に電気信号を印加する場合には、特定の放電デバイスにのみ電気信号を印加する場合に比べ、スイッチ51の数を少なくすることが可能である。なお、蓄電素子1の平常時、スイッチ51はOFF状態とされている。
例えば、第一及び第二蓄電素子1a及び1bの電極端子間のバスバー6a上の放電デバイス10は、溶融した導電体12を介してバスバー6a、導電線7及び導電線8を相互に電気的に接続する。これにより、例えば、第二蓄電素子1bに内部短絡が発生した場合、第二蓄電素子1bの負極端子4bに接続されたバスバー6bの電流は、導電線8及びバスバー6aを通って、第一蓄電素子1aの負極端子4aに流れることができる。これにより、第二蓄電素子1bにおける内部短絡箇所に流れる電流が低減し、第二蓄電素子1bにおける内部短絡箇所での発熱が抑えられる。例えば、第一蓄電素子1aに内部短絡が発生した場合、第二蓄電素子1bの正極端子3bに接続されたバスバー6bの電流は、導電線7及びバスバー6bを通って、第一蓄電素子1aを迂回するように流れることができる。これにより、第一蓄電素子1aにおける内部短絡箇所に流れる電流が低減し、第一蓄電素子1aにおける内部短絡箇所での発熱が抑えられる。また、例えば、第一及び第二蓄電素子1a及び1bに内部短絡が発生した場合、第二蓄電素子1bの負極端子4bに接続されたバスバー6bの電流は、導電線7及び8並びにバスバー6bを通って、第一及び第二蓄電素子1a及び1bを迂回するように流れることができる。これにより、第一及び第二蓄電素子1a及び1bにおける内部短絡箇所に流れる電流が低減し、第一及び第二蓄電素子1a及び1bにおける内部短絡箇所での発熱が抑えられる。
上述したように、実施の形態に係る蓄電装置100は、第一正極端子3a及び第一負極端子4aを有する第一蓄電素子1aと、第二正極端子3b及び第二負極端子4bを有する第二蓄電素子1bと、放電デバイス10とを備える。第二蓄電素子1bの第二正極端子3bが第一蓄電素子1aの第一負極端子4aと電気的に接続される。放電デバイス10は、第一正極端子3a、第一負極端子4a、第二正極端子3b及び第二負極端子4bと電気的に接続され、且つ、第一正極端子3a、第一負極端子4a、第二正極端子3b及び第二負極端子4bを相互に絶縁する。さらに、放電デバイス10は、付与される信号に応じて絶縁を解除する。
上述の構成において、放電デバイス10は、付与される信号に応じて絶縁を解除し、第一正極端子3a、第一負極端子4a、第二正極端子3b及び第二負極端子4b間の導通を形成する。これにより、第一蓄電素子1a及び第二蓄電素子1bにおいて、正極端子及び負極端子が短絡するため、蓄電素子1a及び1b内部を流れる電流を低減できる。この短絡は、例えば、第一蓄電素子1a及び第二蓄電素子1bの一方又は両方のいずれで内部短絡が発生した場合でも、電極端子間で電流が流れることを可能にし、蓄電素子における内部短絡箇所での発熱を抑制する。そして、放電デバイス10は、受信する信号に応じて、絶縁を解除するため、電極端子間の短絡を確実に発生することを可能にする。さらに、上述のような放電デバイス10を使用した放電機構は、放電デバイス10と、放電デバイス10を各電極端子に接続する導電部材とによって構成されるに過ぎないため、構成の簡易化を可能にする。
本開示の一態様に係る蓄電装置100において、第一蓄電素子1aの第一負極端子4aと第二蓄電素子1bの第二正極端子3bとはバスバー6aで接続されており、放電デバイス10は、バスバー6aに接続されている。上述の構成において、放電デバイス10がバスバー6aに接続されているため、放電デバイス10を第一負極端子4aに接続する必要がなく、さらに、放電デバイス10を第二正極端子3bに接続する必要もない。そのため、配線の増加を抑制しつつ、放電デバイス10を配置することができる。
本開示の一態様に係る蓄電装置100において、放電デバイス10は、溶融する導電体12と、導電体12を絶縁する絶縁体11,13とを有し、放電デバイス10は、導電体12が溶融することによって、絶縁を解除する。上述の構成において、放電デバイス10は、導電体12及び絶縁体11,13による簡易な構成で形成されることができる。
本開示の一態様に係る蓄電装置100において、放電デバイス10の絶縁体11,13は、溶融した導電体12が通過する通路11a,13aを有する。上述の構成において、溶融した導電体12は、絶縁体11,13の通路11a,13aを通ることによって、絶縁体11,13を通過することができる。そして、導電体12が絶縁体11,13を通過することによって、放電デバイス10が絶縁を解除するように構成することができる。よって、導電体12による電気的な接続、つまり絶縁の解除の構成を簡易にすることができる。
本開示の一態様に係る蓄電装置100において、放電デバイス10の導電体12は、異種金属が積層されて形成されている。上述の構成において、例えば、導電体12に信号として電流を流すことによって、異種金属間で化学反応を発生するように構成することができる。そして、この化学反応熱によって導電体12を溶融させるように構成することが可能である。
本開示の一態様に係る蓄電装置100において、放電デバイス10の導電体12を構成する異種金属は、ニッケル及びアルミニウムである。上述の構成において、導電体12に電流を流したとき、ニッケル及びアルミニウムが発熱反応の化学反応を起こし合金化する。この際に、1500℃程度の熱が発生し、この熱により合金が溶融する。よって、導電体12の確実な溶融が可能である。
[変形例]
実施の形態に係る蓄電装置100の変形例について、説明する。変形例に係る蓄電装置では、蓄電素子の構成が、実施の形態に係る蓄電装置100の蓄電素子1と異なる。具体的には、変形例に係る蓄電装置の蓄電素子21は、その容器が電極端子を兼ねる構成を有している。以下において、実施の形態と異なる点を中心に説明する。
図6及び図7を参照すると、変形例に係る蓄電素子21が示されている。なお、図6は、図3の蓄電素子1の変形例を示す模式的な斜視図である。図7は、図6の蓄電素子21の模式的な分解斜視図である。蓄電素子21は、電極端子を兼ねる直方体状の容器22を備えている。容器22は、有底矩形筒状の正極容器部22aと有底矩形筒状の負極容器部22bとを備えている。正極容器部22a及び負極容器部22bは、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属のような導電性材料で構成される。
負極容器部22bの開口端は、正極容器部22aの開口端が内側に挿入できるように、正極容器部22aの開口端よりも大きく形成されている。正極容器部22aは、その開口端を負極容器部22bの開口端内に挿入して、負極容器部22bと連結される。なお、図示しない絶縁シート等の絶縁部材が、正極容器部22aと負極容器部22bとの間に配置され、正極容器部22aと負極容器部22bとを電気的に絶縁する。そして、正極容器部22aの挿入方向でもある正極容器部22a及び負極容器部22bの連結方向と垂直な方向において、負極容器部22bは、正極容器部22aよりも幅広であり、正極容器部22aよりも突出する。本実施の形態では、負極容器部22bの開口端の全周にわたって、負極容器部22bは、正極容器部22aよりも突出するが、負極容器部22bの対向する2つの側部のみが正極容器部22aよりも突出してもよい。
容器22内に収容される電極体5は、正極板と負極板とが、正極板及び負極板の間に、電気的に絶縁性のシート状のセパレータを介在させて積層された構成を有する。本変形例では、電極体5は、上述のように積層型電極体であるが、これに限定されない。例えば、電極体5は、シート状の正極板、シート状の負極板及びシート状のセパレータが巻回軸を中心に多重に巻回されることによって形成される巻回型の電極体であってもよく、重ねられた一組又は二組以上の正極板、負極板及びセパレータを複数回ジクサグに折り曲げて形成されるZ型の電極体であってもよい。なお、実施の形態に係る蓄電素子1の電極体5も、上述した蓄電素子21の電極体5と同様の構成を有してもよい。
電極体5において、正極板は、正極板、負極板及びセパレータの積層方向Aと垂直な方向の電極体5の一方の端部5aで、負極板よりも突出している。負極板は、積層方向Aと垂直な方向の電極体5の他方の端部5bで、正極板よりも突出している。容器22に収容された電極体5では、突出する正極板が正極容器部22aと電気的に接続され、突出する負極板が負極容器部22bと電気的に接続されている。これにより、正極容器部22aは、蓄電素子21の正極端子を構成し、負極容器部22bは、蓄電素子21の負極端子を構成する。
複数の蓄電素子21が蓄電装置内に配置される場合、図8に示すように、複数の蓄電素子21は、互いの正極容器部22aと負極容器部22bとを隣接させて配置される。隣接する2つの蓄電素子21において、隣接する正極容器部22a及び負極容器部22bの組が、2組存在する。1組の隣接する正極容器部22a及び負極容器部22bでは、正極容器部22a及び負極容器部22bが互いに接触している。別の1組の隣接する正極容器部22a及び負極容器部22bでは、正極容器部22a及び負極容器部22bの間に絶縁部材30が配置され、正極容器部22a及び負極容器部22bが互いに電気的に絶縁されている。絶縁部材30は、電気的な絶縁性を有する材料で構成され、例えば、放電デバイス10の絶縁体11及び13に関して挙げた材料と同様の材料で構成されてもよい。上述のように配置された複数の蓄電素子21は、電気的に直列に接続されている。
また、本変形例でも、実施の形態と同様に、複数の蓄電素子21において、2つの蓄電素子21に対して1つの放電デバイス10が配置される。例えば、複数の蓄電素子21のうちの隣接する第一及び第二蓄電素子21a及び21bにおいて、放電デバイス10は、第二蓄電素子21bの正極容器部22a上に配置される。なお、第一蓄電素子21aの正極容器部22aと第二蓄電素子21bの負極容器部22bとは、絶縁部材30を介して隣接し、第一蓄電素子21aの負極容器部22bと第二蓄電素子21bの正極容器部22aとは、直接接触している。
さらに、2つのバスバー27及び28が、放電デバイス10に配置されている。具体的には、バスバー27及び28それぞれの一方の端部が、放電デバイス10上に配置され固定される。バスバー27及び28は、互いから離して配置されている。バスバー27及び28は、放電デバイス10によって、互いから及び第二蓄電素子21bの正極容器部22aから電気的に絶縁されている。バスバー27の他方の端部は、第一蓄電素子21aの正極容器部22aに接合され、当該正極容器部22aに電気的に接続されている。バスバー28の他方の端部は、第二蓄電素子21bの負極容器部22bに接合され、当該負極容器部22bに電気的に接続されている。放電デバイス10は、第一蓄電素子21aの正極容器部22a及び第二蓄電素子21bの負極容器部22bがそれぞれ、バスバー27及び28を介して、互いに導通することを遮断し、第一蓄電素子21aの負極容器部22b及び第二蓄電素子21bの正極容器部22aのいずれと導通することも遮断する。
放電デバイス10は、電気信号が印加されると、第一蓄電素子21aの正極容器部22a、第一蓄電素子21aの負極容器部22b、第二蓄電素子21bの正極容器部22a及び第二蓄電素子21bの負極容器部22bを相互に導通する。
例えば、バスバー27及び放電デバイス10は、容器22、バスバー27及び放電デバイス10を通る第一電流経路を形成し、第一電流経路は、第一蓄電素子21aの正極容器部22a及び負極容器部22b間の絶縁部材を迂回して、第二蓄電素子21bの正極容器部22a及び第一蓄電素子21aの負極容器部22bを第一蓄電素子21aの正極容器部22aに導通する。また、バスバー28及び放電デバイス10は、容器22、バスバー28及び放電デバイス10を通る第二電流経路を形成し、第二電流経路は、第二蓄電素子21bの正極容器部22a及び負極容器部22b間の絶縁部材を迂回して、第二蓄電素子21bの正極容器部22a及び負極容器部22bを導通する。
よって、第一蓄電素子21aに内部短絡が発生した場合、バスバー27を含む第一電流経路が、第一蓄電素子21aの電極体5を流れる電流を低減する。第二蓄電素子21bに内部短絡が発生した場合、バスバー28を含む第二電流経路が、第二蓄電素子21bの電極体5を流れる電流を低減する。第一及び第二蓄電素子21a及び21bに内部短絡が発生した場合、第一電流経路及び第二電流経路が、第一及び第二蓄電素子21a及び21bの電極体5を流れる電流を低減する。
なお、図8に示す例では、放電デバイス10は、第二蓄電素子21bの正極容器部22a上に配置されていたが、これに限定されず、第二蓄電素子21bの負極容器部22b、第一蓄電素子21aの正極容器部22a、第一蓄電素子21aの負極容器部22bのいずれに配置されてもよい。いずれの場合も、放電デバイス10及びバスバーが形成する電流経路を、内部短絡が発生した蓄電素子の電極体を流れる電流を低減するように構成することができる。
上述したように、変形例に係る蓄電装置によれば、実施の形態に係る蓄電装置100と同様の効果が得られる。さらに、変形例に係る蓄電装置において、第一蓄電素子21a及び第二蓄電素子21bはそれぞれ、容器22を備える。第一蓄電素子21aでは、第一正極端子としての正極容器部22a及び第一負極端子としての負極容器部22bは、第一蓄電素子21aの容器22を形成する。第二蓄電素子21bでは、第二正極端子としての正極容器部22a及び第二負極端子としての負極容器部22bは、第二蓄電素子21bの容器22を形成する。放電デバイス10は、第二蓄電素子21bの正極容器部22aに直接配置される。なお、放電デバイス10は、第一蓄電素子21aの正極容器部22a、第一蓄電素子21aの負極容器部22b、及び第二蓄電素子21bの負極容器部22bのいずれに配置されてもよい。上述の構成において、複数の蓄電素子21の容器22を互いに接触して配置するだけで互いに電気的に接続することが可能である。よって、蓄電素子21の接続構造の簡易化が可能である。さらに、放電デバイス10と、放電デバイス10が直接配置される容器部とを電気的に接続する導電部材が不要になる。
なお、第一蓄電素子21a及び第二蓄電素子21bにおいて、第一蓄電素子21aの少なくとも負極端子が、第一蓄電素子21aの容器22を形成し、第二蓄電素子21bの少なくとも正極端子が、第二蓄電素子21bの容器22を形成する。このとき、第一蓄電素子21a及び第二蓄電素子21bは、第一蓄電素子21aの負極端子及び第二蓄電素子21bの正極端子を互いに接触して配置されてもよい。このとき、第一蓄電素子21aの正極端子及び第二蓄電素子21bの負極端子は、蓄電素子の容器22を形成せず、ボルト端子、溶接端子等の容器22とは異なる電極端子を形成してもよい。上述の構成においても、第一蓄電素子21aの容器22及び第二蓄電素子21bの容器22を互いに接触させるだけで、第一蓄電素子21a及び第二蓄電素子21bを互いに電気的に接続することが可能である。
[その他の変形例]
以上、本開示の実施の形態及び変形例に係る蓄電装置について説明したが、本開示は、上記実施の形態及び変形例に限定されるものではない。つまり、今回開示された実施の形態及び変形例は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
実施の形態及び変形例に係る蓄電装置では、放電デバイス10の導電体12にナノフォイル(登録商標)が適用されていたが、これに限定されない。導電体12は、低融点金属又は低融点合金であってもよい。上述の構成において、電流等の電気信号を付与することによって発熱する電熱コイル等の発熱体を放電デバイス10に配置してもよい。このとき、発熱体による発熱により導電体12が溶融し、放電デバイス10の絶縁を解除することができる。例えば、低融点金属を、鉛(融点327.5℃)以下の融点の金属とすることができ、低融点合金を、すず(融点230℃)以下の融点の合金とすることができる。ナノフォイル(登録商標)と低融点金属と組み合わせて用いてもよい。また、第一絶縁体11、第二絶縁体13及び導電体12の積層方向に圧力をかけておいてもよい。このように構成することで、導電体12が溶融した際に、溶融した導電体12が第一絶縁体11、第二絶縁体13に設けられた通路に充填されやすくなる。
実施の形態及び変形例に係る蓄電装置の放電デバイス10では、導電体12の両側に第一絶縁体11及び第二絶縁体13が設けられていたが、これに限定されない。導電体12の片側に第一絶縁体11又は第二絶縁体13が設けられるだけでもよい。この場合、例えば、導電体12の一方の表面は、バスバー6a、又は、蓄電素子21の正極容器部22aと接触し、他の表面は、第一絶縁体11又は第二絶縁体13によって電気的に絶縁されてよい。
実施の形態及び変形例に係る蓄電装置において、放電デバイス10は、絶縁動作と絶縁解除動作とを選択的に行うスイッチであってもよい。例えば、スイッチは、第一蓄電素子1aの正極端子3a、第一蓄電素子1aの負極端子4a、第二蓄電素子1bの正極端子3b、及び第二蓄電素子1bの負極端子4bと電気的に接続されてよい。スイッチは、OFF状態で、第一蓄電素子1a及び第二蓄電素子1bの電極端子を相互に絶縁し、ON状態で、第一蓄電素子1a及び第二蓄電素子1bの電極端子を相互に導通してもよい。ON状態では、スイッチは、4つの電極端子の全てを相互に導通させてもよく、4つの電極端子のうちの少なくとも2つを相互に導通させてもよい。又は、ON状態では、スイッチは、4つの電極端子のうちの2つの電極端子を相互に導通させ、別の2つの電極端子を相互に導通させてもよい。また、スイッチは、第一蓄電素子1aの負極端子4a及び第二蓄電素子1bの正極端子3bの代わりに、バスバー6aと接続されてもよい。上述の構成において、スイッチによる簡易な構成によって、放電デバイスの絶縁及び絶縁解除の制御が可能である。
実施の形態及び変形例に係る蓄電装置では、蓄電装置の制御部70は、蓄電素子1の異常時に、スイッチ51をON状態にしていたが、スイッチ51をON状態にするタイミングは、これに限定されず、任意なタイミングであってもよい。例えば、蓄電素子1の検査時に、制御部70は、スイッチ51をON状態にしてもよい。また、放電デバイス10がスイッチである場合も同様である。
変形例に係る蓄電装置の蓄電素子21では、容器22は、正極容器部22a及び負極容器部22bを備えていたが、これに限定されない。例えば、容器22は、正極容器部22a及び負極容器部22bの間に中間容器部を備えてもよい。さらに、中間容器部は、電気的な絶縁性を有してもよい。
変形例に係る蓄電装置の蓄電素子21では、容器22の正極容器部22a及び負極容器部22bはそれぞれ、全体が導電性を有する材料で構成されていたが、これに限定されず、一部が導電性を有さない材料で構成されてもよい。
また、実施の形態及び変形例に含まれる構成要素を任意に組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。
本開示は、リチウムイオン二次電池などの蓄電素子を備える蓄電装置等に適用できる。
1,21 蓄電素子
1a,21a 第一蓄電素子
1b,21b 第二蓄電素子
3 正極端子
3a 第一正極端子
3b 第二正極端子
4 負極端子
4a 第一負極端子
4b 第二負極端子
6,6a,6b バスバー
10 放電デバイス
11 第一絶縁体
11a 第一通路
12 導電体
13 第二絶縁体
13a 第二通路
2,22 容器
22a 正極容器部(第一正極端子、第二正極端子)
22b 負極容器部(第一負極端子、第二負極端子)
100 蓄電装置

Claims (9)

  1. 蓄電装置であって、
    第一正極端子及び第一負極端子を有する第一蓄電素子と、
    第二正極端子及び第二負極端子を有し、且つ前記第二正極端子が前記第一負極端子と電気的に接続される第二蓄電素子と、
    前記第一正極端子、前記第一負極端子、前記第二正極端子及び前記第二負極端子と電気的に接続され、且つ前記第一正極端子、前記第一負極端子、前記第二正極端子及び前記第二負極端子を相互に絶縁する放電デバイスとを備え、
    前記放電デバイスは、付与される信号に応じて絶縁を解除する
    蓄電装置。
  2. 前記第一負極端子と前記第二正極端子とはバスバーで接続されており、
    前記放電デバイスは、前記バスバーに接続されている
    請求項1に記載の蓄電装置。
  3. 前記放電デバイスは、溶融する導電体と、前記導電体を絶縁する絶縁体とを有し、
    前記放電デバイスは、前記導電体が溶融することによって、絶縁を解除する
    請求項1または2に記載の蓄電装置。
  4. 前記絶縁体は、溶融した前記導電体が通過する通路を有する
    請求項3に記載の蓄電装置。
  5. 前記導電体は、異種金属が積層されて形成される
    請求項3または4に記載の蓄電装置。
  6. 前記異種金属は、ニッケル及びアルミニウムである
    請求項5に記載の蓄電装置。
  7. 前記放電デバイスは、絶縁動作と絶縁解除動作とを選択的に行うスイッチである
    請求項1に記載の蓄電装置。
  8. 前記第一蓄電素子及び前記第二蓄電素子はそれぞれ、容器を備え、
    前記第一負極端子が、前記第一蓄電素子の容器を形成し、
    前記第二正極端子が、前記第二蓄電素子の容器を形成し、
    前記第一蓄電素子及び前記第二蓄電素子は、互いに前記第一負極端子及び前記第二正極端子を接触して配置される
    請求項1〜7のいずれか一項に記載の蓄電装置。
  9. 前記第一正極端子及び前記第一負極端子は、前記第一蓄電素子の容器を形成し、
    前記第二正極端子及び前記第二負極端子は、前記第二蓄電素子の容器を形成し、
    前記放電デバイスは、前記第一正極端子、前記第一負極端子、前記第二正極端子及び前記第二負極端子のいずれかに直接配置される
    請求項8に記載の蓄電装置。
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