JP2020119731A - 電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】電極の膨張に起因するエンドプレートの破損を抑制することが可能な電池パックを提供すること。【解決手段】電池パック１は、複数の二次電池１０と、一対のエンドプレート２０と、拘束部材３０と、を備える。各二次電池１０は、筐体１１と、電極と、ガスと、を含む。複数の二次電池１０は、筐体１１の側面同士が一方向に互いに対向するように配置されている。拘束部材３０は、複数の二次電池１０および一対のエンドプレート２０の拘束に必要な必要荷重以上の荷重が拘束荷重として複数の二次電池１０に作用するように複数の二次電池１０および一対のエンドプレート２０を拘束している。筐体１１の内圧をＰ、筐体１１の側面の面積をＳ、必要荷重をＦｎとすると、Ｓ×Ｐ≧Ｆｎを満たす。【選択図】図１

Description

本開示は、電池パックに関する。

たとえば、特開２０１４−４４８８４号公報（以下、「特許文献１」という。）には、複数の二次電池と、一対のエンドプレートと、バインドバーと、を備えるバッテリシステム（電池パック）が開示されている。複数の二次電池は、一方向に並ぶように配置されている。各二次電池は、直方体形状でかつ扁平に形成されている。一対のエンドプレートは、一方向における複数の二次電池の両端に配置されている。バインドバーは、一対のエンドプレートに連結されており、複数の二次電池を積層方向に加圧して固定している。

特開２０１４−４４８８４号公報

特許文献１に記載されるような電池パックでは、振動に対する強度を高めるため（振動に起因するたわみを低減するため）、複数の二次電池を加圧した状態で拘束する必要がある。しかし、電池パックの使用期間の経過とともに各二次電池の電極が劣化することによって膨張するため、エンドプレートに作用する拘束荷重が大きくなる。そのため、エンドプレートが破損する恐れがある。

本開示の目的は、電極の膨張に起因するエンドプレートの破損を抑制することが可能な電池パックを提供することである。

本開示に従った電池パックは、一方向に並ぶように配置された複数の二次電池と、前記一方向における前記複数の二次電池の両端に配置された一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートから前記複数の二次電池に対して前記一方向における内向きの拘束荷重が作用する状態で前記複数の二次電池および前記一対のエンドプレートを拘束する拘束部材と、を備える。前記複数の二次電池の各前記二次電池は、直方体形状に形成された筐体と、前記筐体内に収容された電極と、前記筐体内に充填されたガスと、を含む。前記複数の二次電池は、前記筐体の側面同士が前記一方向に互いに対向するように配置されている。前記拘束部材は、前記複数の二次電池および前記一対のエンドプレートの拘束に必要な必要荷重以上の荷重が前記拘束荷重として前記複数の二次電池に作用するように前記複数の二次電池および前記一対のエンドプレートを拘束している。前記筐体の内圧をＰ、前記筐体の前記側面の面積をＳ、前記必要荷重をＦｎとすると、Ｓ×Ｐ≧Ｆｎを満たす。

本電池パックでは、筐体内へのガスの充填後、一定期間は、ガスが筐体の側面を押圧する力によって必要荷重が確保され、また、時間の経過とともにガスが筐体から漏出するものの、電極が劣化に起因して膨張することによって当該電極が筐体の側面を押圧する力が生じるため、ガスが筐体の側面を押圧する力と電極が筐体の側面を押圧する力とによって必要荷重が確保される。このため、筐体内へのガス充填から一定期間経過後における拘束荷重は、筐体内にガスが充填されなかった場合において、使用開始から一定期間経過後に電極が筐体の側面を押圧することによる力と対応する拘束荷重に比べて小さくなる。よって、電極の膨張に起因するエンドプレートの破損が抑制される。

また、前記電池パックにおいて、各前記二次電池は、前記筐体に設けられた安全弁を有し、前記ガスは、前記筐体の内圧が前記安全弁の作動圧の半分以下となるように前記筐体に充填されていることが好ましい。

このようにすれば、安全弁の誤作動が抑制される。

また、前記ガスの前記筐体内への充填量は、前記ガスの前記筐体内への充填時における前記拘束荷重の値よりも小さな最小値が前記必要荷重の値以上となるように設定されることが好ましい。

また、前記必要荷重は、１０００Ｎ以上に設定されることが好ましい。

以上に説明したように、本開示によれば、電極の膨張に起因するエンドプレートの破損を抑制することが可能な電池パックを提供することができる。

本開示の一実施形態の電池パックの構成を概略的に示す斜視図である。 電池パックの使用期間と拘束荷重Ｆｂとの関係を示すグラフである。 二次電池の概略を示す断面において、使用期間がゼロであるときの拘束荷重Ｆｂと力Ｆｐとの関係を示す図である。 二次電池の概略を示す断面において、使用期間が所定期間であるときの拘束荷重Ｆｂと力Ｆｐと力Ｆｅとの関係を示す図である。 筐体にガスを充填しなかった場合に対する筐体にガスを充填した場合の拘束荷重の低減効果を模式的に示すグラフである。 拘束荷重の測定方法を概略的に示す図である。 拘束荷重の測定方法を概略的に示す図である。 筐体の内圧の測定方法を概略的に示す図である。 拘束荷重と共振周波数との関係を示すグラフである。 ガスケットの材質、充填ガスの種類及び透過係数の関係を示す表である。

本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、本開示の一実施形態の電池パックの構成を概略的に示す斜視図である。この電池パック１は、例えば、車両の車室内に搭載される。図１に示されるように、本実施形態の電池パック１は、電池スタック３と、拘束部材３０と、を有している。

電池スタック３は、複数の二次電池１０と、スペーサ１５と、一対のエンドプレート２０と、を有している。

複数の二次電池１０は、一方向に並ぶように配置されている。各二次電池１０は、筐体１１と、電極１２（図２を参照）と、セパレータ（図示略）と、電解液（図示略）、正極端子１３と、負極端子１４と、安全弁Ｖと、を有している。

筐体１１は、直方体形状に形成されている。筐体１１は、扁平に形成されている。つまり、筐体１１は、相対的に大きな面積を有する第１側面と、第１側面の面積よりも小さな面積を有する第２側面と、を有している。複数の二次電池１０は、各筐体１１の第１側面同士が前記一方向に互いに対向するように配置されている。換言すれば、複数の筐体１１は、各筐体１１の厚さ方向が前記一方向と平行となるように配置されている。

電極１２は、筐体１１内に収容されている。電極１２は、正極及び負極を含んでいる。筐体１１には、ガス（二酸化炭素、一酸化炭素、メタン等）が充填されている。

正極端子１３及び負極端子１４は、筐体１１の上部に設けられている。正極端子１３及び負極端子１４は、筐体１１の上面から上方に向かって突出する形状を有している。正極端子１３及び負極端子１４は、筐体１１の幅方向（厚さ方向及び高さ方向の双方に直交する方向）に互いに離間した位置に配置されている。

正極端子１３及び負極端子１４と筐体１１との間は、筐体１１からの電解液の漏出を防止するガスケット（図示略）によって絶縁されている。ガスケットは、筐体１１内に充填されているガスを透過させる性質を有する樹脂（例えばＰＦＡ）からなる。

安全弁Ｖは、筐体１１の上面のうち正極端子１３と負極端子１４との間の部位に設けられている。安全弁Ｖは、筐体１１の内圧が設定圧に達したときに筐体１１内から筐体１１外へのガスの流出を許容する。

スペーサ１５は、互いに隣接する筐体１１間に配置されている。スペーサ１５は、例えば樹脂からなる。

一対のエンドプレート２０は、前記一方向における複数の二次電池１０の両端に配置されている。各エンドプレート２０は、直方体形状に形成されている。各エンドプレート２０は、当該エンドプレート２０の側面が筐体１１の第１側面と前記一方向に対向する姿勢で配置されている。各エンドプレート２０は、例えば絶縁材料からなる。

拘束部材３０は、一対のエンドプレート２０から複数の二次電池１０に前記一方向における内向きの拘束荷重Ｆｂが作用する状態（一対のエンドプレート２０に対して一対のエンドプレート２０が互いに近づく方向の力を付与した状態）で電池スタック３を拘束している。具体的に、拘束部材３０は、押付け部３２と、連結部３４と、を有している。

押付け部３２は、エンドプレート２０を前記一方向における内向きに押圧する部位である。押付け部３２は、平板状に形成されている。押付け部３２は、各エンドプレート２０の外側面に当接している。

連結部３４は、押付け部３２同士を連結している。連結部３４は、前記一方向に沿って伸びる形状を有している。連結部３４は、平板状に形成されている。

ここで、図９を参照しながら、拘束荷重Ｆｂについて説明する。図９は、拘束荷重と共振周波数との関係を示すグラフである。図９に示されるように、拘束荷重Ｆｂは、共振周波数が増大するにしたがって次第に増大する。また、車両における周波数帯が知られているため、その周波数の最大値に基づいて、必要な拘束荷重Ｆｂの最小値である必要荷重Ｆｎが決定される。拘束荷重Ｆｂは、必要荷重Ｆｎ（例えば１０００Ｎ）以上に設定される。

本実施形態では、筐体１１の内圧Ｐ［ＭＰａ］と筐体１１の第１側面の面積Ｓ［ｍｍ^２］との積が必要荷重Ｆｎ［Ｎ］以上となるように筐体１１内へのガスの充填量が設定されている。すなわち、電池パック１は、以下の関係式を満たしている。

Ｓ×Ｐ≧Ｆｎ

内圧Ｐの上限値は、安全弁Ｖの作動圧の半分以下に設定されることが好ましい。これにより、安全弁Ｖの誤作動が抑制される。なお、内圧Ｐは、筐体１１内に充填したガスによる圧力と、電池パック１の使用期間中に筐体１１内で生じたガスによる圧力と、の和である。

次に、図２を参照しながら、電池パック１の使用期間と拘束荷重Ｆｂとの関係について説明する。図２において、Ｆｐは、筐体１１内のガスが筐体１１の第１側面を押す力、つまり、筐体１１の内圧Ｐと筐体１１の第１側面の面積Ｓとの積であり、Ｆｅは、電極１２が筐体１１の第１側面を押す力であり、Ｆｂは、拘束荷重、つまり、拘束部材３０から筐体１１の第１側面に作用する力である。拘束荷重Ｆｂは、力Ｆｐと力Ｆｅとの和に等しい。

図２に示されるように、力Ｆｐは、時間の経過とともに低下する。この理由は、時間の経過とともに筐体１１からガスが漏出するためである。一方、力Ｆｅは、時間の経過とともに増大する。この理由は、時間の経過とともに電極１２が劣化することによって膨張するためである。なお、本実施形態では、電池パック１は、力Ｆｅが０Ｎより大きくかつ１００Ｎ以下となるように構成されている。このようにすれば、電極１２の筐体１１内における変位が抑制され、かつ、市場末期における拘束荷重Ｆｂの著しい増大が抑制される。

力Ｆｐと力Ｆｅとが上記のような挙動を示すため、図２に示されるように、拘束荷重Ｆｂは、使用期間の経過とともに減少した後、増大し始める。この拘束荷重Ｆｂの最小値が必要荷重Ｆｎ以上確保されるように力Ｆｐ（筐体１１内へのガスの充填量）が設定される。

ここで、図３及び図４を参照しながら、使用期間がゼロであるときの拘束荷重Ｆｂと、使用期間が所定期間Ｔ１であるときの拘束荷重Ｆｂと、について説明する。図３は、二次電池の概略を示す断面において、使用期間がゼロであるときの拘束荷重Ｆｂと力Ｆｐとの関係を示す図である。図４は、二次電池の概略を示す断面において、使用期間が所定期間であるときの拘束荷重Ｆｂと力Ｆｐと力Ｆｅとの関係を示す図である。

図３に示されるように、電池パック１の使用期間Ｔがゼロであるとき（電池パック１の使用開始時）は、電極１２は劣化していないことから、電極１２の膨張による力Ｆｅが実質的にゼロである。このため、拘束荷重Ｆｂは、ガスによる力Ｆｐと実質的に等しい。このとき、力Ｆｐは、必要荷重Ｆｎより大きい。

図４に示されるように、電池パック１の使用期間Ｔが所定期間Ｔ１であるときは、ガスの筐体１１からの漏出によって力Ｆｐが必要荷重Ｆｎよりも小さくなっている一方、電極１２の劣化によって力Ｆｅが増大している。このため、拘束荷重Ｆｂは、ガスによる力Ｆｐと電極１２の膨張による力Ｆｅとの和によって必要荷重Ｆｎ以上に保たれている。

図５は、筐体にガスを充填しなかった場合に対する筐体にガスを充填した場合の拘束荷重の低減効果を模式的に示すグラフである。図５に示されるように、筐体１１にガスを充填しなかった場合（本実施形態に対する比較例の場合）、拘束荷重Ｆｂは、使用開始時における値（必要荷重Ｆｎ）から使用時間の経過とともに増大する。この理由は、時間の経過とともに電極１２が劣化することによって膨張するためである。一方、筐体１１にガスを充填した場合（本実施形態の場合）、拘束荷重Ｆｂは、使用時間の経過とともに減少した後に増大するため、使用期間が所定期間Ｔ１であるときの拘束荷重Ｆｂの値は、比較例のそれに比べて低減される。

続いて、図６〜図８を参照しながら、拘束荷重Ｆｂの計測の仕方、及び、筐体１１の内圧Ｐの計測の仕方について説明する。図６及び図７は、拘束荷重の測定方法を概略的に示す図である。図８は、筐体の内圧の測定方法を概略的に示す図である。

図６に示されるように、拘束部材３０によって電池スタック３に拘束荷重Ｆｂを作用させた状態において、荷重計測器１００を各エンドプレート２０の外側面に当接させ、その位置で固定する。このとき、荷重計測器１００の計測値は、ゼロである。その状態において、図７に示されるように、拘束部材３０を電池スタック３から取り外す。これにより、電池スタック３が荷重計測器１００を押圧する。このときに荷重計測器１００によって計測された荷重が拘束荷重Ｆｂである。なお、荷重計測器１００として、オートグラフやロードセル等が挙げられる。

図８に示されるように、筐体１１の内圧Ｐは、内圧計測器２００によって計測される。内圧計測器２００は、ベース２０２と、針２０４と、チューブ２０６と、シール材２０８と、を有している。

ベース２０２は、針２０４を支持している。チューブ２０６の一端は、針２０４の基端部（先端部と反対側の端部）に接続されている。チューブ２０６の他端は、圧力センサ２１０に接続されている。シール材２０８は、針２０４を包囲する形状を有している。シール材２０８は、ベース２０２と筐体１１との間に配置される。シール材２０８は、ゴム等の弾性材料からなる。

荷重計測器１００で電池スタック３が拘束された状態で、かつ、図８に示されるように、シール材２０８が筐体１１に押し付けられた状態において、針２０４によって筐体１１に穴が開けられる。これにより、筐体１１の内圧Ｐが圧力センサ２１０によって計測される。

ここで、筐体１１内に充填されるガスの選定について説明する。図１０は、ガスケットの材質、充填ガスの種類及び透過係数の関係を示す表である。

電極１２の劣化に起因する力Ｆｅの増大速度は、電極１２を構成する正極及び負極の物性に依存することが知られている。そこで、力Ｆｅの増大速度を予め取得しておき、拘束荷重Ｆｂが常に必要荷重Ｆｎ以上となるように、その増大速度に応じた透過係数を有するガスを筐体１１内に封入することが好ましい。例えば、力Ｆｅの増大速度が小さな物性からなる電極１２が用いられる場合、筐体１１の内圧維持の観点から、ガスとして透過係数の小さなメタンが封入されることが好ましい。

以上に説明したように、本実施形態の電池パック１では、筐体１１内へのガスの充填後、一定期間は、ガスが筐体１１の第１側面を押圧する力Ｆｐによって必要荷重Ｆｎが確保され、また、時間の経過とともにガスが筐体１１から漏出するものの、電極１２が劣化に起因して膨張することによって当該電極１２が筐体１１の第１側面を押圧する力Ｆｅが生じるため、ガスが筐体１１の第１側面を押圧する力Ｆｐと電極１２が筐体１１の第１側面を押圧する力Ｆｅとによって必要荷重Ｆｎが確保される。このため、筐体１１内へのガス充填から一定期間経過後における拘束荷重Ｆｂは、筐体１１内にガスが充填されない場合において、使用開始から一定期間経過後に電極１２が筐体１１の第１側面を押圧することによる力Ｆｅと対応する拘束荷重Ｆｂに比べて小さくなる。よって、電極１２の膨張に起因するエンドプレート２０の破損が抑制される。

また、上記実施形態では、内圧Ｐの上限値が安全弁Ｖの作動圧の半分以下となるように筐体１１内へのガスの充填量が設定されているため、安全弁Ｖの誤作動が抑制される。

なお、今回開示された実施形態はすべ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、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに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。

１ 電池パック、３ 電池スタック、１０ 二次電池、１１ 筐体、１２ 電極、１３ 正極端子、１４ 負極端子、１５ スペーサ、２０ エンドプレート、３０ 拘束部材、３２ 押付け部、３４ 連結部、１００ 荷重計測器、２００ 内圧計測器、２０２ ベース、２０４ 針、２０６ チューブ、２０８ シール材、２１０ 圧力センサ、Ｖ 安全弁。

Claims (1)

1. 一方向に並ぶように配置された複数の二次電池と、
   前記一方向における前記複数の二次電池の両端に配置された一対のエンドプレートと、
   前記一対のエンドプレートから前記複数の二次電池に対して前記一方向における内向きの拘束荷重が作用する状態で前記複数の二次電池および前記一対のエンドプレートを拘束する拘束部材と、を備え、
   前記複数の二次電池の各前記二次電池は、
   直方体形状に形成された筐体と、
   前記筐体内に収容された電極と、
   前記筐体内に充填されたガスと、を含み、
   前記複数の二次電池は、前記筐体の側面同士が前記一方向に互いに対向するように配置されており、
   前記拘束部材は、前記複数の二次電池および前記一対のエンドプレートの拘束に必要な必要荷重以上の荷重が前記拘束荷重として前記複数の二次電池に作用するように前記複数の二次電池および前記一対のエンドプレートを拘束しており、
   前記筐体の内圧をＰ、前記筐体の前記側面の面積をＳ、前記必要荷重をＦｎとすると、
   Ｓ×Ｐ≧Ｆｎ
   を満たす、電池パック。