JP2020068101A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電セルに過充電や損傷等が生じたとしても、隣り合う蓄電セル同士が接触してしまうことを抑制可能な蓄電装置を得る。【解決手段】蓄電装置１０は、所定方向において互いに離間し、各々の側面１Ｓ，２Ｓ同士が対向するように配置された第１蓄電セル１および第２蓄電セル２と、熱可塑性樹脂から形成され、第１蓄電セル１の側面１Ｓと第２蓄電セル２の側面２Ｓとの間に配置された仕切り板３と、無機材から形成され、仕切り板３を所定方向において貫通するように配置されたスペーサ４ａとを備える。【選択図】図２

Description

本開示は、蓄電装置に関する。

蓄電装置は、たとえば動力源として電気自動車やハイブリッド自動車などの車両に搭載される。蓄電装置は、ケースと、ケース内に設けられた蓄電モジュールとを備える。蓄電モジュールは複数の蓄電セルを所定方向に積層することによって構成される。特開２０１０−０９７６９３号公報（特許文献１）に開示されるように、一般的には、蓄電モジュールの所定方向における両端部には拘束用のエンドプレートを配置されており、所定方向に隣り合う蓄電セルの間には仕切り板が配置されている。

特開２０１０−０９７６９３号公報

蓄電セルに過充電や損傷などが発生した場合、蓄電セルは発熱し得る。複数の蓄電セルを所定方向に積層して配置した構成では、たとえば、特定の蓄電セルが過充電等によって発熱したときに、この熱が、特定の蓄電セルと隣り合って配置された他の蓄電セルにも伝達されてしまうことがある。

特開２０１０−０９７６９３号公報（特許文献１）に開示された仕切り板においては、エステル系の材料から母材が形成されており、熱硬化性樹脂で形成されたスペーサが母材の中に埋め込まれている。特許文献１は、発熱により仕切り板（母材）のすべてが溶融したとしても、隣り合う蓄電セルの間にはスペーサが残存したままとなるため、隣り合う蓄電セルの間の間隔を維持することができると述べている。

近年、蓄電セルには高容量化がますます求められている。蓄電セルの容量が高くなると、過充電や損傷時の発熱量がより大きくなり発熱温度もより高くなる。蓄電セルに過充電や損傷等が生じたとしても、隣り合う蓄電セル同士が接触してしまうことを、特許文献１に開示された構成よりもさらに抑制することが可能な構成を備えた蓄電装置を提供できることが望まれる。

本開示は、蓄電セルに過充電や損傷等が生じたとしても、隣り合う蓄電セル同士が接触してしまうことを従来に比して抑制することが可能な構成を備えた蓄電装置を提供することを目的とする。

蓄電装置は、所定方向において互いに離間し、各々の側面同士が対向するように配置された第１蓄電セルおよび第２蓄電セルと、熱可塑性樹脂から形成され、上記第１蓄電セルの上記側面と上記第２蓄電セルの上記側面との間に配置された仕切り板と、無機材から形成され、上記仕切り板を上記所定方向において貫通するように配置されたスペーサと、を備える。

上記蓄電装置によれば、無機材は、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂よりも高い耐熱温度（融点）を有しており、蓄電セルからの熱が加わっても溶融しにくく、隣り合う第１蓄電セルと第２蓄電セルとの間において、隣り合う第１蓄電セルと第２蓄電セルとの間の間隔を維持することができる。

上記蓄電装置においては、上記仕切り板は、上記仕切り板を上記所定方向に貫通する開口部を形成しており、上記スペーサは、上記開口部の内側に圧入により配置されていてもよい。

上記蓄電装置によれば、スペーサを仕切り板に容易に配置することができ、製造コストの低減も図れる。

上記蓄電装置においては、上記スペーサは、上記所定方向に沿って延在する柱状の形状を有していてもよい。

上記蓄電装置によれば、スペーサを仕切り板に容易に配置することができ、仮に仕切り板が溶融した場合に、上記第１蓄電セルと上記第２蓄電セルとの間に空気の移動経路をより確保しやすい。

上記蓄電装置においては、上記第１蓄電セルの上記側面は、上記所定方向に対して直交する面方向において上記側面の中心に位置する中心部と、上記面方向において上記側面の外周縁を規定する外周縁部と、を有し、上記スペーサと上記中心部とを結ぶ基準方向における上記スペーサと上記中心部との間の第１距離は、上記基準方向における上記スペーサと上記外周縁部との間の第２距離よりも短い。

蓄電セル内の発電要素からガスが発生した場合、蓄電セルは側面の中央領域において膨らみやすい。これに対して上記蓄電装置によれば、スペーサが第１蓄電セルの側面の中央領域の近傍に配置されていることとなり、第１蓄電セルの膨らみに対してスペーサは効果的に対抗することが可能となる。

上記蓄電装置においては、複数の上記スペーサが上記仕切り板に設けられていてもよい。

上記蓄電装置によれば、仮に仕切り板が溶融した場合に、複数のスペーサが異常状態の発生時に荷重を支えることが可能となり、隣り合う蓄電セル同士が接触してしまうことを効果的に抑制可能となる。

上記蓄電装置においては、複数の上記スペーサは、上記所定方向に対して直交する平面内において所定位置を中心とする点対称の関係、または、上記所定方向に対して直交する上記平面内において所定直線を中心とする線対称の関係を満足するように配置されていてもよい。

上記蓄電装置によれば、仮に仕切り板が溶融した場合に、複数のスペーサが均等な力で異常状態の発生時に荷重を支えることが可能となり、隣り合う蓄電セル同士が接触してしまうことを効果的に抑制可能となる。

本開示の蓄電装置によれば、蓄電セルに過充電や損傷等が生じたとしても、隣り合う蓄電セル同士が接触してしまうことを従来に比して抑制することが可能となる。

実施の形態における蓄電装置１０を示す平面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面図である。 実施の形態における蓄電装置１０に備えられる第１蓄電セル１、仕切り板３およびスペーサ４ａ〜４ｄの分解した状態を示す斜視図である。 図３中の矢印ＩＶ方向から仕切り板３および第１蓄電セル１を見た際に現れる様子を示した図である。 実施の形態における蓄電装置１０において、発熱により仕切り板３が溶融した状態を模式的に示す断面図である。 比較例における蓄電装置において、発熱により仕切り板３が溶融した状態を模式的に示す断面図である。 実施の形態の第１変形例における蓄電装置に備えられる仕切り板３Ｍおよびスペーサ４ａ〜４ｅを示す斜視図である。 実施の形態の第２変形例における蓄電装置に備えられる仕切り板３Ｎおよびスペーサ４ａを示す斜視図である。

実施するための形態について、以下、図面を参照しながら説明する。以下の説明において同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

（蓄電装置１０）
図１は、実施の形態における蓄電装置１０を示す平面図であり、たとえば、鉛直方向に対して平行な方向から蓄電装置１０を見た際に現れる様子を示している。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面図であり、鉛直方向に対して平行な断面によって蓄電装置１０を仮想的に切断した際に現れる様子を示している。図３は、実施の形態における蓄電装置１０に備えられる第１蓄電セル１、仕切り板３およびスペーサ４ａ〜４ｄの分解した状態を示す斜視図である。図４は、図３中の矢印ＩＶ方向から仕切り板３および第１蓄電セル１を見た際に現れる様子を示した図である。

図１〜図４に示すように、蓄電装置１０は、所定方向（矢印ＤＲ方向）に積層された複数の蓄電セルと、隣り合う２つの蓄電セルの間に各々が配置された複数の仕切り板３と、複数の仕切り板３の各々に設けられた複数のスペーサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ（図３，図４）とを備える。

蓄電セルは、ケース体と、ケース体に収容される発電要素（不図示）とから構成されている。蓄電セルは全体として、ニッケル水素電池およびリチウムイオン電池等の二次電池を構成しており、蓄電セルのケース体は角型形状を有している。蓄電セルは、液状の電解質を用いるものであってもよいし、固体状の電解質を用いるものであってもよい。

本実施の形態においては、複数の蓄電セルは、所定方向（矢印ＤＲ方向）において互いに離間し、各々の側面１Ｓ，２Ｓ同士が対向するように配置された第１蓄電セル１および第２蓄電セル２を含んでいる。第１蓄電セル１の上部には一対の端子部１Ｔが設けられており、第２蓄電セル２の上部には一対の端子部２Ｔが設けられている。複数の蓄電セルは、端子部１Ｔ，２Ｔ等が図示しないバスバー等を介して電気的に接続されることで、一つの蓄電モジュールを構成している。

蓄電モジュールの所定方向（矢印ＤＲ方向）における両端部には、図示しない拘束用のエンドプレートも配置される。蓄電モジュールの一体化した状態は図示しない拘束バンドの押圧固定の作用によって保持され得る。蓄電セルは、充放電によって発熱することがある。複数の蓄電セルの外表面（たとえば底面）には、冷却用の熱交換器などが外表面に接触するように適宜配置され得る。

仕切り板３は、側面３ａ，３ｂ（図３）を有する平板状に形成される。仕切り板３は、熱可塑性樹脂から形成され、第１蓄電セル１の側面１Ｓと第２蓄電セル２の側面２Ｓとの間に配置される。熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニルおよびポリスチレンが例示され得る。仕切り板３は、樹脂成形によって容易に平板状に形成可能である。

図２〜図４に示すように、本実施の形態においては、１枚の仕切り板３に、計４つのスペーサ４ａ〜４ｄが設けられている。スペーサ４ａ〜４ｄは、無機材から形成されている。無機材は、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂よりも高い耐熱温度（融点）を有する。無機材としては、ガラス系材料であってもよく、セラミックス系材料（シリカ、アルミナおよびジルコニアなど）であってもよい。スペーサ４ａ〜４ｄは、いずれも所定方向（矢印ＤＲ方向）に沿って延在する柱状の形状を有している。柱状の形状としては、多角柱、円柱、楕円柱など任意の柱状の形状が例示され得る。

スペーサ４ａ〜４ｄは、仕切り板３を所定方向（矢印ＤＲ方向）において貫通するように配置されており、スペーサ４ａ〜４ｄの各々の周囲は仕切り板３によって囲まれている。スペーサ４ａ〜４ｄの同方向における両端は、いずれも仕切り板３の表面から外部に露出している。図２に示すように、所定方向（矢印ＤＲ方向）におけるスペーサ４ａ〜４ｄの長さは、同方向における仕切り板３の厚みと同じか略同じであり、スペーサ４ａ〜４ｄの同方向における両方の端面は、側面１Ｓ，２Ｓに接触している。

仕切り板３はたとえば、仕切り板３を所定方向（矢印ＤＲ方向）に貫通する開口部３ｈを形成しており、スペーサ４ａ〜４ｄの各々は、開口部３ｈの内側に圧入により、安価で容易に配置され得る。スペーサ４ａ〜４ｄは、インサート成形によって仕切り板３と一体的に作製されてもよい。インサート成形の場合も、スペーサ４ａ〜４ｄの同方向における両端は、いずれも仕切り板３の表面から外部に露出する。

上述した構成により、所定方向（矢印ＤＲ方向）に並べられた複数の蓄電セルおよび仕切り板３には、一対のエンドプレートから同方向の内向きの力が作用する。力は、一対のエンドプレートが複数の蓄電セルおよび仕切り板３を挟んで支持するための力となる。各蓄電セルは、力を受けることにより、仕切り板３やエンドプレートに接触する。

以上のような構成を備えた蓄電装置１０は、ハイブリッド車両のみならず、電気自動車や燃料電池車両にも適用することができる。ハイブリッド車両に適用される蓄電装置１０は、シリーズ方式、パラレル方式およびシリーズ・パラレル方式のいずれにも適用することができる。蓄電装置１０は、回転電機が２つ設けられたハイブリッド車両に限られず、回転電機が１つ設けられた、いわゆるワンモータハイブリッドにも適用することができる。

（作用および効果）
蓄電装置１０を構成している複数の蓄電セルのうち、いずれか１つの蓄電セル、たとえば第１蓄電セル１が発熱すると、第１蓄電セル１に隣接する仕切り板３の温度も上昇する。第１蓄電セル１内の発電要素からガスが発生した場合、第１蓄電セル１の温度が過度に上昇することがある。仕切り板３は、熱可塑性樹脂から形成されており、温度上昇に応じて溶融する。仕切り板３の温度が仕切り板３を形成している材料（熱可塑性樹脂）の融点よりも高くなると、仕切り板３が溶け出す。

蓄電装置１０（蓄電セル）が通常の使用状態（充放電状態）である場合には、仕切り板３は自身の形状を維持する。仕切り板３を形成している材料の融点は、通常の使用状態における蓄電セルの温度や環境温度よりも高い。通常の使用状態とは、たとえば、車両における所定の充電容量（ＳＯＣ：State of Charge）の範囲内において充放電が行なわれる状態である。

一方、仕切り板３を形成している材料の融点は、過充電等により異常状態となった蓄電セルの温度よりも低い。蓄電セルが異常状態となって蓄電セルの温度が過度に上昇したときにのみ仕切り板３は溶融する。仕切り板３の少なくとも一部を溶融させることにより、蓄電セルからの熱は仕切り板３によって吸収される。

蓄電セルで発生した熱エネルギは、仕切り板３を溶融させるエネルギとして利用される。蓄電セルで発生した熱が他の蓄電セルに伝達してしまうことは抑制される。仕切り板３を熱可塑性樹脂で形成すれば、仕切り板３を溶融させやすくすることができ、蓄電セルで発生した熱エネルギを効率良く仕切り板３により吸収することが可能である。熱抵抗の高い素材（熱可塑性樹脂）から仕切り板３を形成することで、仕切り板３の厚みを抑えることができ、搭載性が向上したり、あるいは同スペースに多数のセルを搭載したりすることも可能となる。

一方、仕切り板３に設けられたスペーサ４ａ〜４ｄは、無機材で形成されているため、蓄電セルからの熱が加わっても溶融することはない。図５に示すように、たとえば第１蓄電セル１と第２蓄電セル２との間に仕切り板３が配置されており、この仕切り板３のすべてが溶融すると、第１蓄電セル１と第２蓄電セル２との間にはスペーサ４ａ〜４ｄだけが残存することになる。

スペーサ４ａ〜４ｄを挟む第１蓄電セル１と第２蓄電セル２には、所定方向（矢印ＤＲ方向）の内向きの力（相互に接近する方向の力）が常に作用している。仕切り板３の溶融前の状態において、スペーサ４ａ〜４ｄの両端部は仕切り板３の表面に露出しており、第１蓄電セル１および第２蓄電セル２に接触している。

仕切り板３が溶融したとしても、スペーサ４ａ〜４ｄは、隣り合う第１蓄電セル１と第２蓄電セル２との間において、位置を変えることなく元の状態を維持する。スペーサ４ａ〜４ｄは、隣り合う第１蓄電セル１と第２蓄電セル２との間の間隔を維持することができる。スペーサ４ａ〜４ｄを用いることにより、仕切り板３の強度を向上させることもできる。

隣り合う蓄電セルの間には、仕切り板３が溶けることにより所定のスペース（空気層）が形成される。異常状態にある蓄電セルの熱が他の蓄電セルに伝達されることは、空気層の存在により抑制される。他の蓄電セルが連鎖的に発熱することも抑制される。図６は、比較例における蓄電装置において、発熱により仕切り板３が溶融した状態を模式的に示す断面図である。

冒頭で述べたように、近年、蓄電セルには高容量化がますます求められている。蓄電セルの容量が高くなると、過充電や損傷時の発熱量がより大きくなり発熱温度もより高くなる。本実施の形態で用いられているスペーサ４ａ〜４ｄは無機材から形成されており十分に高い耐熱温度（融点）を有している。無機材に比べて低い耐熱温度（融点）の場合には、図６に示すようにスペーサもが溶融し、ひいては蓄電セル同士が接触してしまう可能性がある。本実施の形態においてはそのようなことが発生することは効果的に抑制できる。

隣り合う蓄電セルの間にはスペーサ４ａ〜４ｄが位置しているだけなので、空気の移動経路を確保することができる。スペーサ４ａ〜４ｄが柱状であれば、空気の移動経路をより確保しやすい。異常状態にある蓄電セルの熱を複数の方向に拡散させることができ、他の蓄電セルに熱が伝達してしまうことは抑制される。仕切り板３を熱可塑性樹脂で形成しておけば、仕切り板３のすべてを容易に溶かすことができ、蓄電セルの間において空気の移動経路を複数形成することが可能である。

スペーサ４ａ〜４ｄの数や形状、スペーサ４ａ〜４ｄを配置する位置、およびスペーサ４ａ〜４ｄを配置する向き（姿勢）は、適宜設定することができる。スペーサ４ａ〜４ｄを用いることにより、隣り合う蓄電セル間の間隔を確保できればよい。スペーサ４ａ〜４ｄを球状に形成することもできる。

図３および図４を参照して、たとえば、第１蓄電セル１の側面１Ｓは、所定方向（矢印ＤＲ方向）に対して直交する面方向において側面１Ｓの中心に位置する中心部１Ｃと、面方向において側面１Ｓの外周縁を規定する外周縁部１Ｐとを有している。図３に示すように、所定方向（矢印ＤＲ方向）に対して平行な方向から仕切り板３および第１蓄電セル１を見た場合に、スペーサ４ｃと中心部１Ｃとを結ぶ基準方向ＣＬにおけるスペーサ４ｃと中心部１Ｃとの間の第１距離Ｄ１は、基準方向ＣＬにおけるスペーサ４ｃと外周縁部１Ｐとの間の第２距離Ｄ２よりも短くなるように設定され得る。基準方向ＣＬは、所定方向（矢印ＤＲ方向）に対して直交する平面内で直線状に延びる方向である。

スペーサ４ｃが以上のような関係を満足するように配置されている。このことは、スペーサ４ｃが第１蓄電セル１の側面１Ｓの中央領域の近傍に配置されていることと同義である。第１蓄電セル１内の発電要素からガスが発生した場合、第１蓄電セル１は、側面１Ｓの中央領域において膨らみやすい。第１蓄電セル１の膨らみに対してスペーサ４ｃは効果的に対抗することが可能となる。上記のような関係は、スペーサ４ａ，４ｂ，４ｄの全てについて満足されているとよい。

図４を参照して、設計上および製作上等の観点から、第１蓄電セル１の側面１Ｓを幅方向において三等分割する線上にスペーサ４ａ〜４ｄを配置してもよい。スペーサ４ａ，４ｃが幅方向において等間隔Ｐ１で配置されることとなり、スペーサ４ｂ，４ｄが幅方向において等間隔Ｐ１で配置されることとなる。同様に、第１蓄電セル１の側面１Ｓを高さ方向において三等分割する線上にスペーサ４ａ〜４ｄを配置してもよい。スペーサ４ａ，４ｂが高さ方向において等間隔Ｐ２で配置されることとなり、スペーサ４ｃ，４ｄが高さ方向において等間隔Ｐ２で配置されることとなる。これらの構成によれば、隣り合う蓄電セル同士が接触してしまうことを効果的に抑制可能となる。

また、複数のスペーサ４ａ〜４ｄは、所定方向（矢印ＤＲ方向）に対して直交する平面内において、所定位置（たとえば中心部１Ｃ）を中心とする点対称の関係を満足するように配置されていてもよい。あるいは、複数のスペーサ４ａ〜４ｄは、所定方向（矢印ＤＲ方向）に対して直交する平面内において、所定方向（矢印ＤＲ方向）に対して直交する平面内において所定直線を中心とする線対称の関係を満足するように配置されていてもよい。所定直線とはたとえば、中心部１Ｃを通りかつ側面１Ｓの幅方向に対して平行な直線Ｌ１であってもよく、所定直線とはたとえば、中心部１Ｃを通りかつ側面１Ｓの高さ方向に対して平行な直線Ｌ２であってもよい。幅方向および／または高さ方向において、スペーサ４ａ〜４ｄは均等な力で異常状態の発生時に荷重を支えることが可能となり、隣り合う蓄電セル同士が接触してしまうことを効果的に抑制可能となる。

（第１変形例）
図７に示す仕切り板３Ｍのように、５つのスペーサ４ａ〜４ｅが用いられてもよい。仕切り板３Ｍにおいては、スペーサ４ａ〜４ｄが外周縁部（外周縁部１Ｐ）寄りに配置されており、スペーサ４ｅが中心部（中心部１Ｃ）寄りに配置されている。当該構成によっても、上述と同様な作用および効果を得ることができる。

（第２変形例）
図８に示す仕切り板３Ｎのように、１つのスペーサ４ａが用いられてもよい。仕切り板３Ｎにおいては、スペーサ４ａが円柱状の形状を有しており、スペーサ４ａの内側に樹脂４ｐが埋め込まれている。スペーサ４ａは中心部（中心部１Ｃ）寄りに配置されている。無機材は、高い耐熱性（融点）を有しているが、高い熱伝導性を有している場合もある。スペーサ４ａと同じ直径を有する円柱状のスペーサを用いる場合に比べて、本変形例におけるスペーサ４ａによれば、蓄電セル間の熱移動を樹脂４ｐの存在により軽減することが可能である。スペーサ４ａの内側に密閉空間が形成されていると結露の懸念があるが、樹脂４ｐの存在により結露が発生する可能性も軽減することができる。

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 第１蓄電セル、１Ｃ 中心部、１Ｐ 外周縁部、１Ｓ，２Ｓ，３ａ，３ｂ 側面、１Ｔ，２Ｔ 端子部、２ 第２蓄電セル、３，３Ｍ，３Ｎ 仕切り板、３ｈ 開口部、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ スペーサ、４ｐ 樹脂、１０ 蓄電装置、ＣＬ 基準方向、Ｄ１ 第１距離、Ｄ２ 第２距離、Ｌ１，Ｌ２ 直線、Ｐ１，Ｐ２ 間隔。

Claims (6)

1. 所定方向において互いに離間し、各々の側面同士が対向するように配置された第１蓄電セルおよび第２蓄電セルと、
   熱可塑性樹脂から形成され、前記第１蓄電セルの前記側面と前記第２蓄電セルの前記側面との間に配置された仕切り板と、
   無機材から形成され、前記仕切り板を前記所定方向において貫通するように配置されたスペーサと、を備える、
   蓄電装置。
2. 前記仕切り板は、前記仕切り板を前記所定方向に貫通する開口部を形成しており、
   前記スペーサは、前記開口部の内側に圧入により配置されている、
   請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記スペーサは、前記所定方向に沿って延在する柱状の形状を有している、
   請求項１または２に記載の蓄電装置。
4. 前記第１蓄電セルの前記側面は、前記所定方向に対して直交する面方向において前記側面の中心に位置する中心部と、前記面方向において前記側面の外周縁を規定する外周縁部と、を有し、
   前記スペーサと前記中心部とを結ぶ基準方向における前記スペーサと前記中心部との間の第１距離は、前記基準方向における前記スペーサと前記外周縁部との間の第２距離よりも短い、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の蓄電装置。
5. 複数の前記スペーサが前記仕切り板に設けられている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の蓄電装置。
6. 複数の前記スペーサは、前記所定方向に対して直交する平面内において所定位置を中心とする点対称の関係、または、前記所定方向に対して直交する前記平面内において所定直線を中心とする線対称の関係を満足するように配置されている、
   請求項５に記載の蓄電装置。

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