JP4513813B2 - 蓄電装置 - Google Patents
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Description
本願発明は、蓄電体の外装部材を弾性ゴムで構成した蓄電装置に関する。
従来の電池は、その外装材として金属板を用いるもの、プラスチック板を用いるもの、あるいはガス透過を防ぐためプラスチック板に金属薄膜層を施したものなどが用いられている。金属材料は、強度はあるものの、充放電の際に発熱する電池の変形に対して回復力がなく、特に変形−回復を繰り返すような場合には、外装材に過剰な負荷がかかる。外装材としてプラスチック材料を使用した場合にも、同様な問題が発生する。
この問題を解決するために、外装材をゴム弾性を有するシートで形成した二次電池が提案されている（特許文献１参照）
この構成によれば、充放電の際に発熱する電池の膨張又は収縮に応じて外装材を弾性変形させることができ、プラスチックや金属よりも変形に対する回復力の優れた外装材を提供することができる。
特開平０６−２６７５１５号公報
この構成によれば、充放電の際に発熱する電池の膨張又は収縮に応じて外装材を弾性変形させることができ、プラスチックや金属よりも変形に対する回復力の優れた外装材を提供することができる。
しかしながら、電気自動車、ハイブリッド自動車などの駆動用又は補助電源として搭載される二次電池には、車両の寿命期間、つまり、１０〜１５年間の長期間に渡って、車両走行に伴う振動や衝撃が加わるため、これらの振動や衝撃から二次電池を保護する必要がある。
したがって、外装材をゴム弾性を有するシートで覆うのみの構成では、車両走行に伴う振動や衝撃により二次電池に過剰な負荷がかかるおそれがある。
そこで、本願発明は、変形に対する回復力の優れた弾性ゴムの利点を生かしつつ、振動や衝撃にも強い蓄電装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本願発明の蓄電装置は、一つの観点として、複数の蓄電
要素を積層した蓄電体の外装部材を弾性ゴムで構成した蓄電装置であって、前記外装部
材の機械的強度を高める補強部材を前記外装部材に内在させており、前記蓄電体は前記
蓄電要素の積層方向に沿った第１の側面及びこの第１の側面に隣接する第２の側面を
有しており、各前記蓄電要素の電圧を検出するための複数の電圧検出端子が前記第１の
側面から突出しており、これらの電圧検出端子は、前記蓄電体の前記積層方向の一端側
から他端側に向かって、前記蓄電体の前記積層方向の端面を含む平面方向に漸次シフト
するように配列されており、前記蓄電体の正極端子及び負極端子が前記第２の側面から
突出していることを特徴とする。また、本願発明の蓄電装置は、別の観点として、蓄電体の外装部材を弾性ゴムで構成した蓄電装置であって、前記外装部材には、前記外装部材の機械的強度を高める補強部材と、両端部が前記外装部材の外部に突出したブラケットとが内在しており、前記ブラケットよりも上側の前記弾性ゴムと下側の前記弾性ゴムとが、前記ブラケットに形成された開口部内の前記弾性ゴムを介して繋がっており、前記ブラケットの両端部に該蓄電装置を固定するための固定部を有することを特徴とする。
要素を積層した蓄電体の外装部材を弾性ゴムで構成した蓄電装置であって、前記外装部
材の機械的強度を高める補強部材を前記外装部材に内在させており、前記蓄電体は前記
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から他端側に向かって、前記蓄電体の前記積層方向の端面を含む平面方向に漸次シフト
するように配列されており、前記蓄電体の正極端子及び負極端子が前記第２の側面から
突出していることを特徴とする。また、本願発明の蓄電装置は、別の観点として、蓄電体の外装部材を弾性ゴムで構成した蓄電装置であって、前記外装部材には、前記外装部材の機械的強度を高める補強部材と、両端部が前記外装部材の外部に突出したブラケットとが内在しており、前記ブラケットよりも上側の前記弾性ゴムと下側の前記弾性ゴムとが、前記ブラケットに形成された開口部内の前記弾性ゴムを介して繋がっており、前記ブラケットの両端部に該蓄電装置を固定するための固定部を有することを特徴とする。
ここで、前記補強部材は、前記弾性ゴムよりも機械的強度の高い材料で形成することができる。また、前記補強部材は金属又は樹脂で形成することができる。また、前記補強部材は、線状部材を網目状に配列することにより形成することができる。
また、前記外装部材に、該蓄電装置を締結固定するための締結固定部を一体形成するとよい。また、前記締結固定部を、前記外装部材の一部を用いて形成するとよい。前記締結固定部は、締結部材を締結するための締結穴部を有し、前記締結穴部にスリーブを設けるとよい。
本願発明の蓄電装置の製造方法は、蓄電体の外装部材を弾性ゴムで構成し、前記外装部材の機械的強度を高める補強部材を前記外装部材に内在させた蓄電装置の製造方法であって、前記蓄電体及び前記補強部材がセットされた金型に、該金型の外部に前記蓄電体の正極端子、負極端子及び電圧検出端子を突出させた状態で液状の弾性ゴムを充填することにより前記蓄電装置を製造する。
これらの蓄電装置は、車両（例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車）の駆動用又は補助電源として使用することができる。
本発明によれば、変形に対する回復力の優れた弾性ゴムの利点を生かしつつ、振動や衝撃から蓄電体を確実に保護することができる。
以下、本発明の実施例について説明する。
図１乃至図４を参照しながら、本発明の実施例である電池ユニット（蓄電装置）について説明する。ここで、図１は電池ユニットをフロアパネルに固定した車両の前後方向の断面図であり、図２は電池ユニットの分解斜視図である。図３は図２のバイポーラ型電池のＸ−Ｘ´断面図であり、図４は電池ユニットの斜視図である。
本発明の実施例である車両用の電池ユニット１は、ハイブリッド車両の駆動電源であり、助手席８下側のフロアパネル９に固定される。
電池ユニット１は、バイポーラ型電池（蓄電体）２と、このバイポーラ型電池２を覆う電池ケース３（外装部材）と、この電池ケース３に内在する補強部材４とから構成されており、電池ケース３は弾性ゴムによって形成され、補強部材４は補強ワイヤーを網目状に配列することにより形成されている。
電池ケース３には、フランジ部（締結固定部）３ａが一体形成されており、このフランジ部３ａの取り付け穴部（締結穴部）３１ａに挿入された締結ボルト７ｂ（締結部材）に締結ナット（締結部材）７ａを締結することにより、電池ユニット１はフロアパネル９に固定される。
電池ケース３に補強部材４を内在させることにより、車両走行に伴って発生する振動や衝撃から、バイポーラ型電池２を保護することができる。また、電池ケース３を弾性ゴムで形成することにより、充放電の際に発生するバイポーラ型電池２の熱変形に応じて電池ケース３を弾性変形させることができる。
次に、図１及び図２を参照しながら、本実施例の電池ユニットについて詳細に説明する。
バイポーラ型電池２は、図３に示すように、固体電解質層１４を介して複数の電極体１１を積層した構成となっている。
バイポーラ型電池２は、図３に示すように、固体電解質層１４を介して複数の電極体１１を積層した構成となっている。
各電極体１１は、集電体１１ａと、集電体１１ａの一方の面に形成された正極層１１ｂと、他方の面に形成された負極層１１ｃとを有する。すなわち、各電極体１１は、バイポーラ型の電極構造となっている。なお、正極層１１ｂ、負極層１１ｃ及びこれらの間に介在する固体電解質層１４により、蓄電要素が構成される。
ただし、バイポーラ型電池２の積層方向両端に位置する最外層集電体１１ａ´、１１ａ´´には、一方の面にのみ電極層（正極層又は負極層）が形成されている。
最外層集電体１１ａ´、１１ａ´´の平面には、電流引き出し用の正極端子１９ａ及び負極端子１９ｂが電気的及び機械的に接続されている（図２参照）。なお、正極端子１９ａ、負極端子１９ｂの接続方法として、溶接を例示できる。
また、各電極体１１の板厚方向の面には、電圧を検出するための電圧検出端子１８が電気的及び機械的に接続されている。各電圧検出端子１８は、バイポーラ型電池２の積層方向に直交する方向（Ｙ軸方向）において異なる位置に接続されており、具体的には、Ｚ軸反対方向にむかって、Ｙ軸方向に漸次シフトするように配置されている（図２参照）。このように、各電圧検出端子１８の引き出し位置をＹ軸方向において異ならせることにより、各電圧検出端子１８への配線が容易となる。なお、電圧検出端子１８の接続方法として、溶接を例示できる。
正極層１１ｂ及び負極層１１ｃの各電極層には、正極及び負極に応じた活物質が含まれている。また、各電極層１１ｂ、１１ｃには、必要に応じて、導電助材、バインダ、イオン伝導性を高めるための高分子ゲル電解質、高分子電解質、添加剤などが含まれる。
正極活物質としては、例えば、遷移金属とリチウムとの複合酸化物を用いることができる。具体的には、ＬｉＣｏＯ２などのＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ２などのＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ２Ｏ４などのＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ２などのＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物がある。この他にも、ＬｉＦｅＰＯ４などの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物や、Ｖ２Ｏ５、ＭｎＯ２、ＴｉＳ２、ＭｏＳ２、ＭｏＯ３などの遷移金属酸化物や硫化物や、ＰｂＯ２、ＡｇＯ、ＮｉＯＯＨなどがある。
一方、負極活物質としては、例えば、金属酸化物、リチウム−金属複合酸化物、カーボンを用いることができる。
固体電解質層１４としては、高分子固体電解質や無機固体電解質を用いることができる。
高分子固体電解質としては、例えば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体を用いることができる。この高分子固体電解質中には、イオン伝導性を確保するためにリチウム塩が含まれる。リチウム塩としては、例えば、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２、又はこれらの混合物を用いることができる。
高分子固体電解質としては、例えば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体を用いることができる。この高分子固体電解質中には、イオン伝導性を確保するためにリチウム塩が含まれる。リチウム塩としては、例えば、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２、又はこれらの混合物を用いることができる。
図２に図示するように、電池ケース３は、上壁部３ｃ、下壁部３ｄ及び側壁部３ｅから構成され、内部にバイポーラ型電池２を収容するための収容部３ｂが形成されている。
電池ケース３の長手方向の側壁部３ｅ（ＸＺ平面の側壁部）におけるＸ軸方向両端部には、フランジ部３ａが形成されており（図２、図４参照）、このフランジ部３ａには車両の上下方向（Ｚ軸方向）に延びる取り付け穴部３１ａが形成されている。各取り付け穴部３１ａ内には、金属材料からなる筒状のスリーブ３４が圧入されている。
図１に図示するように、フロアパネル９には、板厚方向に延びるネジ穴部９ａが形成されており、このネジ穴部９ａには、フロアパネル９の背面側から締結ボルト７ｂが締結されている。この締結ボルト７ｂは、その長さがフロアパネル９の板厚寸法よりも大きく設定されており、車室側（フロアパネル９の上側）の領域に延出している。
スリーブ３４に締結ボルト７ｂを挿通させ、スリーブ３４から延出する締結ボルト７ｂの先端部に締結ナット７ａを締結することにより、電池ユニット１をフロアパネル９に固定することができる。
上述の構成において、弾性ゴムからなる取り付け穴部３１ａ内にスリーブ３４を圧入させることにより、締結ナット７ａの締結トルクを確保することができる。
図２に図示するように、電池ケース３の長手方向の側壁部３ｅ（ＸＺ平面の側壁部）には、正極及び負極端子１９ａ、１９ｂを電池ユニット１の外側にそれぞれ引き出すための、正極及び負極端子用スリット３２ａ、３２ｂが形成されている。
また、電池ケース３の短尺方向の側壁部３ｅ（ＹＺ平面の側面）には、各電圧検出端子１８を電池ユニット１の外側に引き出すための複数の検出端子用スリット３１が形成されている。
ここで、電池ケース３を構成する弾性ゴムは、天然ゴム、合成ゴムのいずれでもよく、広い温度範囲でゴム弾性を失わず電気化学的に安定であるとともに、有機溶媒に対して溶解しないものが好ましい。具体的には、ポリブタジエンゴム、ポリイソプレンゴム、ポリクロロプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブチルゴム、シリコンゴム、ブタジエンアクリロニトリルゴム、アクリルゴム、フッ素ゴムなどを使用できる。
電池ケース３を弾性ゴムで構成することにより、充放電の際に発生するバイポーラ型電池２の熱変形に応じて電池ケース３を弾性変形させることができる。これにより、電池ケース３に割れが発生するのを防止でき、バイポーラ型電池２を確実に封止することができる。
電池ケース３には、図４に図示するように、補強部材４が内在している。補強部材４は、弾性ゴム（電池ケース）よりも機械的強度（剛性）の高い金属、樹脂などで形成することができる。
本実施例では、弾性ゴムよりも機械的強度の高い補強ワイヤー４ａを網目状に配列することにより補強部材４としており、この補強部材４を正極端子１９ａ，負極端子１９ｂ，電圧検出端子１８に干渉しないように電池ケース３の上壁部３ｃと側壁部３ｅの一部とに内在させている。
電池ケース３に補強部材４を内在させることにより、車両走行に伴って発生する振動や衝撃から、バイポーラ型電池２を長期的（車両の耐用年数）に保護することができる。
電池ユニット１は、下記の方法により製造することができる。まず、バイポーラ型電池２及び補強部材４を不図示の金型にセットし、この金型に液状の弾性ゴムを流し込む。なお、バイポーラ型電池２を金型にセットした状態において、正極端子１９ａ、負極端子１９ｂ、電圧検出端子１８はそれぞれ金型の外側に突出している。
したがって、金型に流し込まれた弾性ゴムは、突出した正極端子１９ａ、負極端子１９ｂ、電圧検出端子１８を回避するように、金型内に充填される。これにより、弾性ゴムを流し込むと同時（電池ケース３の成型と同時）に、正極端子１９ａ、負極端子１９ｂ、電圧検出端子１８をそれぞれ電池ケース３の外側に引き出すための正極及び負極端子用スリット３２ａ、３２ｂ、検出端子用スリット３１を形成することができる。
また、金型にはフランジ部３ａに対応した形状部が設けられている。したがって、電池ケース３及びフランジ部３ａを一体形成することができる。
このように、本実施例によれば、電池ユニット１を金型で射出成型する際に、正極及び負極端子用スリット３２ａ、３２ｂ、検出端子用スリット３１及びフランジ部３ａを同時に形成することができる。これにより、フランジ部３ａの取り付けや、正極及び負極端子用スリット３２ａ、３２ｂ、検出端子用スリット３１を形成する手間がなくなり、電池ユニット１を効率良く製造することができる。
また、電池ケース３の外側に正極端子１９a、負極端子１９ｂが突出しているため、電流の引き出しが容易となる。
さらに、バイポーラ型電池２の周りを弾性ゴムで覆うことにより、各蓄電要素の位置ズレを防止できる。
図５及び図６を参照しながら、本発明の実施例２について説明する。ここで、図５は実施例２の電池ユニット１´の斜視図であり、図６（ａ）は図５のＹ−Ｙ´断面図であり、図６（ｂ）は金属ブラケット６の平面図である。なお、実施例１と同一の構成要素については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
金属ブラケット６は、電池ケース３内に配置されるブラケット本体部６１と、電池ケース３外に配置されるブラケット固定部６２とから構成され、ブラケット本体部６１の両端部において下向きに屈曲形成された屈曲部６３を介してブラケット本体部６１及びブラケット固定部６２は繋がっている。
ブラケット固定部６２には、取り付け穴部６２ａが形成されており、この取り付け穴部６２ａ内にはフロアパネル９の背面側から締結ボルト７ｂが締結されている。実施例１と同様に、フロアパネル９の上側から締結ボルト７ｂを締結ナット７ａに締結することにより、電池ユニット１´をフロアパネル９に固定することができる。
ブラケット本体部６１には、弾性ゴムを通すための開口部６１ａが二つ形成されている。
電池ユニット１´は、バイポーラ型電池２、補強部材４及び金属ブラケット６を金型にセットし、この金型に液状の弾性ゴム（電池ケース３の資材となる弾性ゴム）を流し込むことにより製造することができる。
電池ユニット１´は、バイポーラ型電池２、補強部材４及び金属ブラケット６を金型にセットし、この金型に液状の弾性ゴム（電池ケース３の資材となる弾性ゴム）を流し込むことにより製造することができる。
この際、金型に流し込まれた弾性ゴムは、ブラケット本体部６１の開口部６１ａを通ってブラケット本体部６１の下側に流動し、開口部６１ａ内の弾性ゴムを介してブラケット本体部６１ｂの上側の弾性ゴムと下側の弾性ゴムとが接続される。
上述の構成によれば、電池ユニット１´に平面（ＸＹ平面）方向の外力が加わると、開口部６１ａ内の弾性ゴムに金属ブラケット６が当接するため、金属ブラケット６の位置ずれを防止できる。また、実施例１と同様の効果を得ることができる。
（他の実施例）
上述の実施例では、補強ワイヤー４ａを網目状に配列することにより補強部材４を形成したが、図７に図示する構成とすることもできる。すなわち、図７（ａ）に図示するように金属板で構成された補強部材４を電池ケース３に内在させてもよい。
（他の実施例）
上述の実施例では、補強ワイヤー４ａを網目状に配列することにより補強部材４を形成したが、図７に図示する構成とすることもできる。すなわち、図７（ａ）に図示するように金属板で構成された補強部材４を電池ケース３に内在させてもよい。
さらに、複数の金属パイプ４ｃを矩形状に連結した骨組み状の補強部材４（図７（ｂ）参照）や、図７（ｂ）の構成に筋交４ｄを付加した補強部材４（図７（ｃ）参照）を使用することもできる。
また、補強部材４は、正極端子１９ａ、負極端子１９ｂ、電圧検出端子１８に干渉しなければ、電池ケース３のどの位置に内在させてもよい。例えば、電池ケース３の下壁部３ｄに内在させてもよい。
また、電池ユニット１を、運転席と助手席との間、後部トランクルームの下部などに配置することもできる。さらに、バイポーラ型電池２は耐熱性が高いため、エンジンルームに配置することもできる。エンジンルームは、前述の座席下部よりも振動の強い領域であるが、本発明では電池ケース３に補強部材４を内在させているため、振動からバイポーラ型電池２を効果的に保護することができる。
上述の実施例では、バイポーラ型電池を例にして説明したが、バイポーラ型ではない二次電池（蓄電装置）についても本発明を適用することができる。ここで、バイポーラ型ではない二次電池では、集電体を二つの異なる金属で構成し、集電体の一方の面に正極層、他方の面に負極層を施した電極が用いられたりする。例えば、アルミニウム金属に正電極層が形成され、銅に負電極層が形成された電極を用いたリチウムイオン電池についても適用することができる。
また、蓄電装置としての電気二重層キャパシタにも本発明は適用することができる。この電気二重層キャパシタは、複数の正極及び負極を、セパレータを介在させて交互に重ね合わせたものである。
そして、この電気二重層キャパシタにおいては、例えば、集電体としてアルミ箔、正極活物質及び負極活物質として活性炭、セパレータとしてポリエチレンからなる多孔質膜を用いることができる。
また、複数の電池ユニット１を車両の前後方向に並設して、電池集合体にしてもよい。
１ １´ 電池ユニット
２ バイポーラ型電池
３ 電池ケース
３ａ フランジ部
４ 補強部材
４ａ 補強ワイヤー
６ 金属ブラケット
７ａ 締結ナット
７ｂ 締結ボルト
８ 助手席
９ フロアパネル
１１ａ 集電体
１１ｂ 正極層
１１ｃ 負極層
１４ 固体電解質層
１８ 電圧検出端子
１９ａ １９ｂ 端子
３１ 検出端子用スリット
３１ａ 取り付け穴部
３２ａ ３２ｂ 端子用スリット
６１ ブラケット本体部
６２ ブラケット固定部
６３ 屈曲部
２ バイポーラ型電池
３ 電池ケース
３ａ フランジ部
４ 補強部材
４ａ 補強ワイヤー
６ 金属ブラケット
７ａ 締結ナット
７ｂ 締結ボルト
８ 助手席
９ フロアパネル
１１ａ 集電体
１１ｂ 正極層
１１ｃ 負極層
１４ 固体電解質層
１８ 電圧検出端子
１９ａ １９ｂ 端子
３１ 検出端子用スリット
３１ａ 取り付け穴部
３２ａ ３２ｂ 端子用スリット
６１ ブラケット本体部
６２ ブラケット固定部
６３ 屈曲部
Claims (10)
- 複数の蓄電要素を積層した蓄電体の外装部材を弾性ゴムで構成した蓄電装置であって、
前記外装部材の機械的強度を高める補強部材を前記外装部材に内在させており、
前記蓄電体は前記蓄電要素の積層方向に沿った第１の側面及びこの第１の側面に隣接する第２の側面を有しており、
各前記蓄電要素の電圧を検出するための複数の電圧検出端子が前記第１の側面から突出しており、これらの電圧検出端子は、前記蓄電体の前記積層方向の一端側から他端側に向かって、前記蓄電体の前記積層方向の端面を含む平面方向に漸次シフトするように配列されており、
前記蓄電体の正極端子及び負極端子が前記第２の側面から突出していることを特徴とする蓄電装置。 - 前記補強部材を、前記弾性ゴムよりも機械的強度の高い材料で形成したことを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
- 前記補強部材を金属又は樹脂で形成したことを特徴とする請求項２に記載の蓄電装置。
- 前記補強部材を、線状部材を網目状に配列することにより形成したことを特徴とする請求項３に記載の蓄電装置。
- 該蓄電装置を締結固定するための締結固定部を前記外装部材に一体形成したことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の蓄電装置。
- 前記締結固定部を、前記外装部材の一部を用いて形成したことを特徴とする請求項５に記載の蓄電装置。
- 前記締結固定部は、締結部材を締結するための締結穴部を有し、前記締結穴部にスリーブを設けたことを特徴とする請求項６に記載の蓄電装置。
- 前記蓄電体は車両用であることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか一つに記載の蓄電装置。
- 蓄電体の外装部材を弾性ゴムで構成し、前記外装部材の機械的強度を高める補強部材を前記外装部材に内在させた蓄電装置の製造方法であって、
前記蓄電体及び前記補強部材がセットされた金型に、該金型の外部に前記蓄電体の正極端子、負極端子及び電圧検出端子を突出させた状態で液状の弾性ゴムを充填することにより前記蓄電装置を製造する蓄電装置の製造方法。 - 蓄電体の外装部材を弾性ゴムで構成した蓄電装置であって、
前記外装部材には、前記外装部材の機械的強度を高める補強部材と、両端部が前記外装部材の外部に突出したブラケットとが内在しており、前記ブラケットよりも上側の前記弾性ゴムと下側の前記弾性ゴムとが、前記ブラケットに形成された開口部内の前記弾性ゴムを介して繋がっており、前記ブラケットの両端部に該蓄電装置を固定するための固定部を有することを特徴とする蓄電装置。
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