JP4479753B2

JP4479753B2 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP4479753B2
Application number: JP2007162601A
Authority: JP
Inventors: 好志中村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2027-06-20
Also published as: CN101330136A; US20080318120A1; JP2009004163A; CN101330136B

Description

本発明は、発電要素を収容するケースに溝部が形成された蓄電体を複数有する蓄電装置に関するものである。

従来、発電要素をケース内に収容した二次電池では、過充電等によって発電要素からガスが発生するおそれがある。この場合には、ケース内における圧力が過度に上昇してしまう。

そこで、ケースに溝部を形成し、溝部が形成された部分におけるケースの厚みを薄くした二次電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この二次電池では、ガスの発生に伴ってケース内における圧力が過度に上昇した場合に、溝部を形成した部分に割れを生じさせ、ガスをケースの外部に放出させるようにしている。
実公平６−２１１７２号公報（第１図等）

しかしながら、特許文献１に記載の二次電池を複数用いて組電池を構成する場合においては、以下に説明する不具合が生じてしまう。

まず、二次電池のケースが溝部を含む部分で開いた状態になると、ケースの一部が二次電池の外側に向かって変形することになる。ここで、この二次電池と隣り合う位置に他の二次電池が配置されている場合には、変形したケースの一部が他の二次電池に接触してしまうおそれがある。特に、隣り合う二次電池の間隔が狭い場合には、変形したケースの一部が隣り合う他の二次電池に接触しやすくなってしまう。

ここで、隣り合う二次電池の間隔を広げれば、ガスの放出に伴ってケースの一部が変形したとしても、隣り合う他の二次電池に接触することを防止することができる。

しかしながら、隣り合う二次電池の間隔を広げた場合には、複数の二次電池から構成される電池パックが大型化してしまう。

本発明である蓄電装置は、所定面内で隣り合って配置され、蓄電体ケースの内部に発電要素を収容した複数の蓄電体と、複数の蓄電体及び、絶縁性を有する液体を収容する蓄電装置ケースとを有し、各蓄電体の蓄電体ケースのうち、隣り合う他の蓄電体と向かい合う領域以外の領域内には、蓄電体ケースの内部における圧力上昇に応じて蓄電体ケースの一部を開き状態とさせるための溝部が設けられている。

ここで、複数の蓄電体が、第１の蓄電体と、該第１の蓄電体に対して重力方向に位置する第２の蓄電体とを含む場合において、第２の蓄電体における溝部を、この開口方向が重力方向となる位置に設けることができる。

また、溝部は、蓄電体の長手方向に延びるように形成することができる。さらに、蓄電体としては、この長手方向と直交する面内における形状が略円形に形成されたものを用いることができる。

本発明によれば、蓄電体における蓄電体ケース（溝部）が開き状態となって変形しても、隣り合う他の蓄電体に接触するのを防止することができる。しかも、隣り合う蓄電体を近づけて配置することができ、蓄電装置を小型化することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である電池パック（蓄電装置）の構成について、図１を用いて説明する。ここで、図１は、電池パックの構成を示す分解斜視図である。本実施例の電池パックは、車両に搭載されている。

本実施例の電池パック１は、パックケース（蓄電装置ケース）３と、パックケース３の内部に収容される電池ユニット２及び冷却媒体４とを有している。

パックケース３は、電池ユニット２及び冷却媒体４を収容するための空間を形成する第１のケース部材３１と、第１のケース部材３１に固定される蓋としての第２のケース部材３２とを有している。第２のケース部材３２は、第１のケース部材３１に対して、ボルト等の締結部材（不図示）又は溶接等によって固定される。これにより、パックケース３の内部は、密閉状態となる。

また、第１のケース部材３１は、ボルト等の締結部材（不図示）又は溶接等によって、車両本体（不図示）に固定される。これにより、パックケース３の底面は、車両本体の表面と接触する。なお、車両本体としては、例えば、フロアパネル、フロアパン、車両のフレームがある。

パックケース３の外表面には、電池パック１の放熱性を向上させるための、複数の放熱フィン３１ａが設けられている。なお、放熱フィン３１ａを設けなくてもよい。また、第１のケース部材３１及び第２のケース部材３２は、耐久性及び耐食性に優れた材料で形成することが好ましく、この材料として、具体的には、アルミ等の金属を用いることができる。

電池ユニット２は、複数の単電池（蓄電体）２０ａからなる組電池２０と、組電池２０（具体的には、各単電池２０ａの両端側）を支持するための２つの支持部材２１とを有している。また、各単電池２０ａは、隣り合う単電池２０ａに対してバスバー２２を介して電気的及び機械的に接続されている。すなわち、複数の単電池２０ａは、バスバー２２を介して電気的に直列に接続されており、高出力（例えば、２００[Ｖ]）が得られるようになっている。

組電池２０には、正極用及び負極用の配線（不図示）が接続されており、これらの配線は、パックケース３を貫通して、パックケース３の外部に配置された電子機器（例えば、車両の走行に用いられるモータ）に接続されている。

ここで、本実施例では、単電池２０ａとして、円筒型の二次電池を用いている。二次電池としては、ニッケル−水素電池やリチウムイオン電池等がある。なお、単電池２０ａの形状は、円筒型に限るものではなく、角型等の他の形状であってもよい。また、本実施例では、二次電池を用いているが、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）を用いることもできる。

パックケース３の内部に収容される冷却媒体４は、組電池２０（各単電池２０ａ）の外周面及びパックケース３の内壁面に接触している。ここで、充放電等により組電池２０が発熱した場合において、組電池２０に接触する冷却媒体４は、組電池２０との熱交換を行うことにより、組電池２０の温度上昇を抑制する。組電池２０との熱交換が行われた冷却媒体４は、パックケース３の内部で自然対流することにより、パックケース３の内壁面と接触する。これにより、冷却媒体４の熱は、パックケース３に伝達され、パックケース３を介して外部（大気中）に放出されたり、パックケース３と接触する車両本体に導かれたりする。

なお、本実施例では、冷却媒体４を、温度差を利用して自然対流させているが、これに限るものではない。例えば、パックケース３の内部に、冷却媒体４を強制的に流動させるための撹拌部材（いわゆるファン）を配置することができる。

冷却媒体４としては、絶縁性の油や不活性液体を用いることができる。絶縁性の油としては、シリコンオイルが用いられる。また、不活性液体（絶縁性を有する液体）としては、フッ素系不活性液体である、フロリナート、ＮｏｖｅｃＨＦＥ(hydrofluoroether)、Ｎｏｖｅｃ１２３０（スリーエム社製）を用いることができる。

次に、単電池２０ａの構成について、図２を用いて具体的に説明する。ここで、図２（Ａ）は、単電池２０ａの外観斜視図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡ−Ａ断面における一部の領域（後述する溝部が形成された領域）を示す図である。

単電池２０ａの長手方向における両端部には、正極端子２０ｂ１及び負極端子２０ｂ２が設けられている。正極端子２０ｂ１及び負極端子２０ｂ２は、隣り合う他の単電池２０ａにおける正極端子２０ｂ１及び負極端子２０ｂ２とバスバー２２を介して電気的に接続されている。

また、単電池２０ａは、発電要素（不図示）と、この発電要素を収容する電池ケース２０ｃとで構成されている。ここで、発電要素とは、正極体、負極体及び電解液で構成され、充放電が可能なものである。

例えば、単電池２０ａとしてニッケル−水素電池を用いた場合には、正極体のうち集電体上に形成される活物質としてニッケル酸化物を用い、負極体のうち集電体上に形成される活物質としてＭｍＮｉ_{（５−ｘ−ｙ−ｚ）}Ａｌ_ｘＭｎ_ｙＣｏ_ｚ（Ｍｍ：ミッシュメタル）等の水素吸蔵合金を用いることができる。そして、電解液としての水酸化カリウムを用いることができる。

また、単電池２０ａとしてリチウムイオン電池を用いた場合には、正極体のうち集電体上に形成される活物質としてリチウム−遷移金属複合酸化物を用い、負極体のうち集電体上に形成される活物質としてカーボンを用いることができる。そして、有機電解液を用いることができる。

一方、電池ケース２０ｃの外表面には、単電池２０ａの長手方向に延びる溝部２０ｄが形成されている。この溝部２０ｄは、図２（Ｂ）に示すように、単電池２０ａの外表面における幅が最も広くなっており、単電池２０ａの径方向内側に向かって徐々に幅が狭くなっている。これにより、溝部２０ｄが形成された領域における電池ケース２０ｃの厚みが、他の領域における厚みよりも薄くなっている。言い換えれば、電池ケース２０ｃのうち、溝部２０ｄが形成された領域における機械的強度が、他の領域における機械的強度よりも低くなっている。

このように電池ケース２０ｃの外周面（いわゆる側面）に溝部２０ｄを設ければ、溝部２０ｄを含む部分が開き状態となったときのガスの放出速度を低下させることができる。すなわち、電池ケース２０ｃの側面に溝部２０ｄを形成すれば、電池ケース２０ｃの端面（端子２０ｂ１，２０ｂ２が設けられた面）に溝部（溝部２０ｄに相当する）を形成する場合に比べて、溝部を長くすることができる。

言い換えれば、単電池２０ａからガスを放出させる際の開口面積を広げることができ、ガスの放出速度を低下させることができる。そして、ガスの放出速度を低減すれば、ガスの放出時にパックケース３に与える負荷を低減でき、パックケース３の構造を簡素化することもできる。

なお、溝部２０ｄの断面形状は、図２（Ｂ）に示す形状に限るものではなく、他の形状とすることもできる。すなわち、溝部２０ｄが形成された領域における電池ケース２０ｃの厚みが他の領域よりも薄くなるようにすればよい。

上述した溝部２０ｄは、単電池２０ａ（電池ケース２０ｃ）の内部における圧力が上昇したときに電池ケース２０ｃを開き状態とさせるための弁（いわゆる破壊弁）として機能している。ここで、破壊弁とは、開き状態から閉じ状態に不可逆的に変化するものである。

例えば、単電池２０ａが過充電された場合には、上述した発電要素からガスが発生することがある。この場合には、ガスの発生によって、単電池２０ａの内部における圧力が上昇することになる。そして、単電池２０ａの内部における圧力が所定値に到達した場合には、溝部２０ｄが形成された部分が開き状態となり、発電要素から発生したガスを単電池２０ａの外部に放出させることができる。

次に、上述した複数の単電池２０ａから構成される組電池２０において、各単電池２０ａにおける溝部２０ｄの位置について、図３を用いて説明する。ここで、図３は、電池パック１の断面を示す概略図であって、各単電池２０ａにおける溝部２０ｄの位置関係を示す図である。図３において、三角形状で示す黒塗りの指標は、溝部２０ｄの位置を示すものである。また、各指標において、単電池２０ａから突出している頂角が示す方向は、溝部２０ｄが開いている方向（開口方向）を示している。

各平面（仮想平面）Ｐ１〜Ｐ２には、複数の単電池２０ａが隣り合って配置されている。ここで、図３では、隣り合う単電池２０ａの間隔を空けて表示しているが、実際には、隣り合う単電池２０ａが互いに近づいた状態で配置されている。なお、隣り合う単電池２０ａは、互いに接触していない。

平面Ｐ１，Ｐ２内に配置された単電池２０ａにおいて、溝部２０ｄは単電池２０ａの上方の位置に形成されている。また、平面Ｐ２内に位置する単電池２０ａは、平面Ｐ１内に配置された隣り合う単電池２０ａの間の領域に対応した位置に配置されている。すなわち、平面Ｐ１，Ｐ２内に配置された複数の単電池２０ａは、重力方向（図３の上下方向）と直交する方向（図３の左右方向）に関して位置をずらした状態で配置されている。

一方、平面Ｐ３，Ｐ４内に配置された単電池２０ａにおいて、溝部２０ｄは単電池２０ａの下方の位置に形成されている。また、平面Ｐ３内に位置する単電池２０ａは、平面Ｐ４内に配置された隣り合う単電池２０ａの間の領域に対応した位置に配置されている。すなわち、平面Ｐ３，Ｐ４内に配置された複数の単電池２０ａは、重力方向（図３の上下方向）と直交する方向（図３の左右方向）に関して位置をずらした状態で配置されている。

ここで、平面Ｐ１内に位置する各単電池２０ａと、平面Ｐ３内に位置する各単電池２０ａとは、重力方向において対向するように配置されている。同様に、平面Ｐ２内に位置する各単電池２０ａと、平面Ｐ４内に位置する各単電池２０ａとは、重力方向において対向するように配置されている。

なお、図３に示す構成では、４つの平面Ｐ１〜Ｐ４において複数の単電池２０ａを配置しているが、これに限るものではない。すなわち、複数の単電池２０ａが隣り合って配置される平面の数は、適宜設定することができる。また、本実施例では、隣り合う平面内に位置する単電池２０ａを、重力方向と直交する方向にずらして配置しているが、これに限るものではなく、すべての単電池２０ａを重力方向にも並べて配置するものであってもよい。

ここで、各単電池２０ａにおける溝部２０ｄの位置を決定するための概念について、図４を用いて説明する。

図４（Ａ）は、所定の平面（上述した各平面Ｐ１〜Ｐ４に相当する）内に配置された隣り合う２つの単電池２０ａの関係を示している。ここで、Ｒ１は、特定の単電池２０ａの外周面において、隣り合う他の単電池２０ａと向かい合う領域を示しており、Ｒ２は、単電池２０ａの外周面のうち領域Ｒ１を除く領域を示している。すなわち、領域Ｒ２は、隣り合う単電池２０ａと対向しない領域となる。

ここで、溝部２０ｄは、領域Ｒ２の範囲内に位置するように設けられる。溝部２０ｄを領域Ｒ１の範囲内に位置させると、電池ケース２０ｃのうち溝部２０ｄを含む部分が開き状態となったときに、隣り合う他の単電池２０ａと接触してしまうことがある。すなわち、溝部２０ｄを含む部分が開き状態になると、この部分において電池ケース２０ｃが径方向外側に変形することになり、変形した電池ケース２０ｃが隣り合う他の単電池２０ａと接触してしまう。

一方、溝部２０ｄが領域Ｒ２の範囲内に位置していれば、電池ケース２０ｃのうち溝部２０ｄを含む部分が開き状態となって変形したとしても、隣り合う単電池２０ａと接触することはない。

次に、図４（Ｂ）では、所定の平面内に３つの単電池２０ａが配置され、中央の単電池２０ａが両側の単電池２０ａの間に位置している。

ここで、中央に位置する単電池２０ａでは、この外周面におけるほとんどが領域Ｒ１となっている。このとき、右側に位置する単電池２０ａと対向する領域Ｒ１と、左側に位置する単電池２０ａと対向する領域Ｒ１との境界が、領域Ｒ２となる。したがって、溝部２０ｄは、２つの領域Ｒ１の境界となる領域Ｒ２に位置するように設けられる。

このように設定すれば、中央に位置する単電池２０ａに関して、電池ケース２０ｃのうち溝部２０ｄを含む部分が開き状態となって変形したとしても、両側に位置する単電池２０ａに接触することはない。

図３に示す各平面Ｐ１〜Ｐ４内に配置された複数の単電池２０ａに関しては、図４を用いて説明した内容に基づいて、溝部２０ｄの位置が決定されている。

一方、図３に示す構成では、重力方向において向かい合う２つの単電池２０ａに関して、これらの単電池２０ａの溝部２０ｄは、この開口方向が互いに逆方向を向くような位置に設けられている。ここで、各単電池２０ａにおいて、溝部２０ｄを含む部分が開き状態になると、単電池２０ａから放出されたガスが上方（重力方向とは逆方向）に向かって移動することになる。このとき、２つの単電池２０ａが重力方向で向かい合って配置されている場合には、下方に位置する単電池２０ａから放出されたガスが上方に位置する単電池２０ａに接触することになる。

ここで、重力方向で互いに向かい合う２つの単電池２０ａに関して、下方に位置する単電池２０ａの溝部２０ｄが上方に位置する単電池２０ａの側に位置していると、下方の単電池２０ａから放出されたガスが上方の単電池２０ａに到達し易くなってしまう。ここで、単電池２０ａから放出されるガスは高温であるため、このガスと接触する単電池２０ａは加熱されてしまう。そして、加熱状態によっては、ガスが接触した単電池２０ａにおいてもガスが発生してしまうことがある。

本実施例では、重力方向で向かい合う２つの単電池２０ａにおける溝部２０ｄを、この開口方向が互いに逆方向を向くように配置しているため、下方に位置する単電池２０ａからガスが放出されたとしても、このガスが上方に位置する単電池２０ａに到達するまでの距離を長くすることができる。すなわち、単電池２０ａから放出されたガスが、冷却媒体４を通過する距離が長くなり、ガスが冷却媒体４と接触している時間も長くなる。

このように冷却媒体４との接触時間が長くなれば、ガスの温度を効率良く低下させることができ、上方に位置する単電池２０ａにガスが接触したとしても、この単電池２０ａがガスによって過度に加熱されてしまうのを抑制することができる。そして、ガスが接触した単電池２０ａにおいて、加熱に伴うガスの発生を防止することができる。

上述したように、組電池２０を構成する各単電池２０ａにおける溝部２０ｄの位置を決定すれば、ガスの発生に伴って変形する電池ケース２０ｃの一部が隣り合う単電池２０ａに接触してしまうのを防止しつつ、隣り合う単電池２０ａを近づけて配置することができる。このように、単電池２０ａを近づけて配置することにより、電池パック１の小型化を図ることができる。

ここで、組電池２０を構成するすべての単電池２０ａの構成は、図２に示したように同一の構成であり、単電池２０ａを支持部材２１に取り付ける際に、単電池２０ａを回転させれば、溝部２０ｄの位置を変化させることができる。

なお、本実施例では、単電池２０ａの長手方向に延びる溝部２０ｄを形成したが、これに限るものではない。すなわち、溝部２０ｄの延びる方向は、適宜設定することができる。また、溝部２０ｄは、各単電池２０ａに対して１つだけではなく、複数形成することもできる。

但し、各単電池２０ａに対して複数の溝部２０ｄを形成したり、溝部２０ｄが単電池２０ａの周方向にも延びたりしている場合には、単電池２０ａの周方向に関して溝部２０ｄの形成される幅が広がってしまうことになり、上述した領域Ｒ２の範囲内に溝部２０ｄを位置させることができないこともある。

したがって、溝部２０ｄは、単電池２０ａの長手方向に延びるように形成することが好ましい。この場合には、単電池２０ａの周方向に関して、溝部２０ｄが形成される幅を最も狭くすることができる。

本発明の実施例１である電池パックの構成を示す分解斜視図である。実施例１の単電池における外観斜視図（Ａ）及び部分断面図（Ｂ）である。実施例１の電池パック内の構成を示す概略図である。単電池に形成される溝部の位置を説明するための図（Ａ，Ｂ）である。

符号の説明

１：電池パック（蓄電装置）
３：パックケース（蓄電装置ケース）
４：冷却媒体（絶縁性を有する液体）
２０：組電池
２０ａ：単電池（蓄電体）
２０ｃ：電池ケース（蓄電体ケース）
２０ｄ：溝部

Claims

所定面内で隣り合って配置され、蓄電体ケースの内部に発電要素を収容した複数の蓄電体と、
前記複数の蓄電体及び、絶縁性を有する液体を収容する蓄電装置ケースと、を有し、
前記各蓄電体の前記蓄電体ケースのうち、隣り合う他の蓄電体と向かい合う領域以外の領域内には、前記蓄電体ケースの内部における圧力上昇に応じて前記蓄電体ケースの一部を開き状態とさせるための溝部が設けられていることを特徴とする蓄電装置。
前記複数の蓄電体は、第１の蓄電体と、該第１の蓄電体に対して重力方向に位置する第２の蓄電体とを含み、
前記第２の蓄電体における前記溝部は、この開口方向が重力方向となる位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
前記溝部は、前記蓄電体の長手方向に延びていることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電装置。
前記蓄電体の長手方向と直交する面内における形状が略円形に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の蓄電装置。