JP5472059B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の蓄電素子が一方向に並んで配置され、隣り合う２つの蓄電素子の間にスペーサが配置された蓄電装置に関するものである。

複数の単電池（いわゆる角型の単電池）を一方向に並べることにより、組電池を構成しているものがある。複数の単電池は、一対のエンドプレートによって挟まれており、一対のエンドプレートには、複数の単電池の配列方向に延びる拘束バンドが固定されている。エンドプレートおよび拘束バンドを用いることにより、複数の単電池に対して拘束力を与えることができる。

一方、単電池は、電池ケースと、電池ケースの内部に収容される発電要素とで構成される。発電要素は、充放電を行う要素である。電池ケースは、ケース本体および電池蓋を有しており、ケース本体は、発電要素を収容させるための開口部を有している。電池蓋は、ケース本体の開口部を塞ぐために用いられる。ケース本体および電池蓋は、溶接によって固定することができ、電池ケースの内部を密閉状態とすることができる。

特開２００７−０４８７５０号公報 実開平０６−０２３１５８号公報

電池蓋をケース本体に溶接する構成では、溶接部分に過度の負荷がかかるおそれがある。具体的には、単電池の過充電等を行うと、電池ケースの内部でガスが発生し、電池ケースの内圧が上昇するおそれがある。この場合には、電池ケースの内圧が上昇することに応じて、電池蓋およびケース本体の溶接部分が変形し、溶接部分に過度の負荷がかかるおそれがある。

本発明の目的は、電池蓋およびケース本体を溶接した構成において、ガスの発生に応じて溶接部分が変形し、溶接部分に過度の負荷がかかるのを抑制することができる蓄電装置を提供することにある。

本発明である蓄電装置は、所定方向に並んで配置された複数の蓄電素子と、所定方向で隣り合う２つの蓄電素子の間に配置されたスペーサと、所定方向において、複数の蓄電素子およびスペーサを挟む力を発生させる拘束機構と、を有する。各蓄電素子は、発電要素と、一部分の溶接によって発電要素を密閉状態で収容するケースと、を有している。また、スペーサは、所定方向に突出し、ケースの溶接部分に接触する押さえ部を有する。

スペーサを用いることにより、蓄電素子の温度調節に用いられる熱交換媒体の移動通路を蓄電素子の外面に形成することができる。ケースは、例えば、発電要素を収容するための開口部を備えたケース本体と、開口部を塞ぎ、ケース本体に溶接される蓋とで構成することができる。ここで、蓋は、蓄電素子の上面に配置することができる。ケースは、２つの部材で構成されている必要はなく、３つ以上の部材で構成されていてもよい。この場合において、少なくとも２つの部材が溶接されていれば、本発明を適用することができる。

スペーサには、押さえ部が形成された面と同一面内において、所定方向に突出して熱交換媒体の移動通路を形成するための突起部を設けることができる。ここで、所定方向における押さえ部の長さを、所定方向における突起部の長さよりも短くすることができる。これにより、ケース内の発電要素に対しては、突起部によって所望の拘束力を与えることができるとともに、ケースの溶接部分に対しては過度の荷重がかかるのを防止することができる。

押さえ部は、溶接部分に接触する領域と、蓄電素子と接触して、所定方向と直交する方向において蓄電素子を位置決めするための領域とで構成することができる。これにより、ケースの溶接部分の変形を抑制することができるとともに、蓄電素子の位置決めを行うことができる。

拘束機構としては、所定方向において複数の蓄電素子およびスペーサを挟む一対のエンドプレートと、所定方向に延びて、一対のエンドプレートに接続される連結部材と、で構成することができる。また、電解液を含む発電要素を、ケースに収容することができる。

本発明によれば、スペーサに押さえ部を設け、押さえ部をケースの溶接部分に接触させることにより、ガスの発生に伴う蓄電素子の内圧上昇により、溶接部分が変形し、溶接部分に過度の負荷がかかるのを抑制することができる。

実施例１である電池スタックの外観図である。 実施例１における単電池の分解図である。 実施例１において、単電池および仕切り板の側面図である。 実施例１において、単電池および仕切り板の上面図である。 実施例１における仕切り板の一部を示す拡大図である。 実施例１において、電池ケースに作用するガスの力を示す図である。 実施例１において、単電池および仕切り板の一部を示す側面図である。

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である電池スタック（蓄電装置に相当する）について説明する。図１は、本実施例の電池スタックの外観図である。図１において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸であり、本実施例では、鉛直方向に相当する軸をＺ軸としている。

図１に示す電池スタック１は、パックケース（図示せず）に収容され、電池スタック１およびパックケースにより、電池パックが構成される。電池パックは、例えば、車両に搭載することができる。電池パックから出力された電気エネルギをモータ・ジェネレータによって運動エネルギに変換することにより、車両を走行させることができる。また、車両の制動時に発生する運動エネルギをモータ・ジェネレータによって電気エネルギに変換することにより、この電気エネルギを電池パックに蓄えることができる。

電池スタック１は、Ｘ方向（所定方向）に並んで配置された複数の単電池（蓄電素子に相当する）１０を有する。単電池１０は、いわゆる角型の単電池であり、単電池１０の外面は、複数の単電池１０の配列方向（Ｘ方向）と直交する平面（Ｙ−Ｚ平面）を含んでいる。単電池１０としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）を用いることができる。電池スタック１を構成する単電池１０の数は、電池スタック１（電池パック）の要求出力等に基づいて適宜設定することができる。

本実施例では、複数の単電池１０をＸ方向に並べているが、これに限るものではない。具体的には、複数の単電池によって１つの電池モジュールを構成し、複数の電池モジュールをＸ方向に並べて配置することができる。この場合には、電池モジュールが、本発明の蓄電素子に相当する。電池モジュールは、以下に説明する単電池１０の構造（具体的には、電池ケースの構造）と同様の構造を有していればよい。

Ｘ方向に並べられた複数の単電池１０は、バスバー（図示せず）によって、電気的に直列に接続されている。本実施例では、すべての単電池１０が電気的に直列に接続されているが、電気的に並列に接続された複数の単電池１０が含まれていてもよい。

バスバーは、導電性を有する部材である。Ｘ方向で隣り合う２つの単電池１０において、バスバーは、一方の単電池１０の正極端子１１と、他方の単電池１０の負極端子１２とに接続される。複数のバスバーは、バスバーモジュールとして構成することができる。バスバーモジュールは、複数のバスバーと、複数のバスバーを保持する保持プレートとで構成することができる。保持プレートは、樹脂などの絶縁材料で形成することができる。

正極端子１１および負極端子１２は、単電池１０の上面に設けられている。図２に示すように、正極端子１１および負極端子１２は、電池蓋１３ａに固定されている。電池蓋１３ａは、ケース本体１３ｂに溶接される。電池蓋１３ａおよびケース本体１３ｂにより、単電池１０の外装である電池ケース１３が構成される。電池蓋１３ａおよびケース本体１３ｂは、金属で形成することができる。

ケース本体１３ｂは、発電要素１５を収容するスペースを有しており、ケース本体１３ｂの上部には、発電要素１５を収容させるための開口部１３ｂ１が形成されている。ケース本体１３ｂは、底面と、２つの第１側面１３ｂ２と、２つの第２側面１３ｂ３とで構成されている。２つの第１側面１３ｂ２は、Ｘ方向で向かい合っており、Ｙ−Ｚ平面に沿って形成されている。２つの第２側面１３ｂ３は、Ｙ方向で向かい合っており、Ｘ−Ｚ平面に沿って形成されている。開口部１３ｂ１は、電池蓋１３ａによって塞がれ、電池ケース１３の内部は、密閉状態となる。

発電要素１５は、例えば、正極素子と、負極素子と、正極素子および負極素子の間に配置されたセパレータ（電解液を含む）とで構成することができる。正極素子は、集電板の表面に、正極活物質等を含む層を形成したものであり、負極素子は、集電板の表面に、負極活物質等を含む層を形成したものである。本実施例では、正極素子と、負極素子と、セパレータとを重ねた積層体を、所定の軸（Ｙ軸）の周りで捲くことにより、発電要素１５が構成されている。正極端子１１は、発電要素１５の正極素子と電気的に接続されており、負極端子１２は、発電要素１５の負極素子と電気的に接続されている。

一方、電池蓋１３ａには、弁１４が設けられている。弁１４は、電池ケース１３の内部で発生したガスを、電池ケース１３の外部に排出させるために用いられる。単電池１０の過充電等を行ったときには、電池ケース１３の内部において、例えば、電解液が分解することによって、ガスが発生するおそれがある。ガスの発生によって電池ケース１３の内圧が、弁１４の作動圧に到達すると、弁１４が閉じ状態から開き状態に変化する。これにより、ガスが弁１４を通過して、電池ケース１３の外部に排出される。

本実施例では、弁１４として、いわゆる破壊型の弁を用いている。破壊型の弁とは、閉じ状態から開き状態に不可逆的に変化する弁である。具体的には、電池蓋１３ａの一部に溝を形成することにより、破壊型の弁を構成している。なお、破壊型の弁に限るものではなく、いわゆる復帰型の弁を用いることもできる。復帰型の弁とは、電池ケース１３の内圧および外圧に応じて、閉じ状態および開き状態の間で切り替わる弁である。

Ｘ方向で隣り合う２つの単電池１０の間には、スペーサ２０が配置されており、スペース２０は、例えば、樹脂で形成することができる。スペーサ２０の具体的な形状については、後述する。

Ｘ方向における電池スタック１の両端には、一対のエンドプレート（拘束機構の一部）３１が配置されている。拘束バンド（連結部材、拘束機構の一部）３２は、Ｘ方向に延びており、拘束バンド３２の両端は、一対のエンドプレート３１に固定されている。拘束バンド３２およびエンドプレート３１の固定方法は、適宜選択することができ、例えば、ボルトやリベットを用いた固定方法がある。また、拘束バンド３２は、一対のエンドプレート３１に固定されればよく、拘束バンド３２の形状は、適宜設定することができる。

拘束バンド３２の両端を一対のエンドプレート３１に固定することにより、一対のエンドプレート３１によって挟まれた複数の単電池１０に対して拘束力を与えることができる。拘束力は、Ｘ方向において、単電池１０を挟む力である。単電池１０に拘束力を与えることにより、単電池１０の膨張等を抑制することができ、単電池１０の入出力特性の劣化を抑制することができる。

電池スタック１の上面には、２つの拘束バンド３２が配置され、電池スタック１の下面には、２つの拘束バンド３２が配置されている。拘束バンド３２を配置する位置は、適宜設定することができる。例えば、Ｙ方向における電池スタック１の両側面に対して、拘束バンド３２を配置することができる。

なお、本実施例では、エンドプレート３１および拘束バンド３２を用いて、複数の単電池１０に拘束力を与えているが、これに限るものではない。すなわち、Ｘ方向において単電池１０を挟む力を発生させることができる構造であればよい。例えば、拘束バンド３２を省略し、一対のエンドプレート３１を互いに近づかせる方向に押す力を各エンドプレート３１に与えることができる。

次に、スペーサ２０の構造について、図３および図４を用いて説明する。図３は、単電池１０およびスペーサ２０をＹ方向から見たときの側面図であり、図４は、単電池１０およびスペーサ２０をＺ方向から見たときの上面図である。

スペーサ２０は、Ｙ方向に延びる複数のリブ２１を有しており、複数のリブ２１は、Ｚ方向において並んで形成されている。単電池１０およびスペーサ２０に拘束力が加わると、リブ２１の先端が、電池ケース１３（ケース本体１３ｂ）に密接する。これにより、単電池１０およびスペーサ２０の間には、スペースＳが形成される。スペースＳは、単電池１０の温度を調節するための気体（熱交換媒体）が通過する通路となる。スペースＳはＹ方向に延びているため、温度調節用の気体は、電池ケース１３の外面に沿ってＹ方向に移動する。

単電池１０が発熱しているときには、冷却用の気体を単電池１０に接触させることにより、気体および単電池１０の間で熱交換を行わせて、単電池１０の温度上昇を抑制することができる。また、単電池１０が過度に冷えているときには、加温用の気体を単電池１０に接触させることにより、気体および単電池１０の間で熱交換を行わせて、単電池１０の温度低下を抑制することができる。本実施例の電池パックを車両に搭載した場合には、ブロワを駆動することにより、車室内の空気を電池パックに供給することができる。車室とは、乗員の乗車するスペースである。車室内の空気は、車両に搭載された空調装置等によって、単電池１０の温度調節に適した温度に設定されていることがあるため、単電池１０の温度を調節するために、車室内の空気を用いることができる。

スペーサ２０の上部には、Ｙ方向に延びる押さえ部２２が設けられている。押さえ部２２は、リブ２１が形成された面と同一面内に設けられており、図５に示すように、第１領域２２ａおよび第２領域２２ｂを有する。図５は、図３の領域Ａにおけるスペーサ２０の拡大図である。スペーサ２０のうち、リブ２１が形成された面とは反対側の面２３は、平坦な面で構成されている。

第１領域２２ａは、Ｙ−Ｚ平面を構成し、第２領域２２ｂは、Ｘ−Ｙ平面を構成している。第１領域２２ａは、Ｘ方向において、電池蓋１３ａおよびケース本体１３ｂの溶接部分（接続部分）Ｃと向かい合っている。溶接部分Ｃは、電池蓋１３ａおよびケース本体１３ｂが互いに接触する部分であり、溶接によって互いに固定される部分である。第２領域２２ｂは、Ｚ方向において、電池蓋１３ａの上面と向かい合っている。

単電池１０の上面を、第２領域２２ｂに接触させることにより、単電池１０をＺ方向において位置決めすることができる。また、図４に示すように、Ｙ方向におけるスペーサ２０の両端部２４は、Ｘ方向に突出しており、Ｙ方向において、単電池１０を挟んでいる。これにより、単電池１０をＹ方向において位置決めすることができる。なお、Ｙ方向において単電池１０を位置決めしないのであれば、スペーサ２０の両端部２４を、Ｘ方向に突出させなくてもよい。

単電池１０およびスペーサ２０に拘束力を与えているとき、第１領域２２ａは、電池蓋１３ａおよびケース本体１３ｂの溶接部分Ｃに接触する。これにより、電池蓋１３ａおよびケース本体１３ｂの溶接部分Ｃが変形するのを抑制することができる。ここで、単電池１０は、Ｘ方向において、２つのスペーサ２０によって挟まれており、溶接部分Ｃは、一方のスペーサ２０の押さえ部２２と、他方のスペーサ２０の平坦面２３とによって挟まれる。他方のスペーサ２０の平坦面２３も溶接部分Ｃに接触している。このように構成することにより、溶接部分Ｃの変形を抑制することができる。以下、具体的に説明する。

単電池１０を過充電等したときには、電池ケース１３の内部（主に、発電要素１５）からガスが発生するおそれがある。電池ケース１３の内部は密閉状態となっているため、ガスの発生に伴って、電池ケース１３の内圧が上昇する。電池ケース１３の内圧が上昇すると、電池蓋１３ａおよびケース本体１３ｂの溶接部分Ｃに過度の負荷がかかるおそれがある。

電池ケース１３の内部でガスが発生すると、図６に示すように、電池蓋１３ａは、矢印Ｄ１の方向の力を受けやすくなり、ケース本体１３ｂは、矢印Ｄ２の方向の力を受けやすくなる。このように、電池蓋１３ａおよびケース本体１３ｂに対して、互いに異なる方向の力が作用すると、溶接部分Ｃに過度の負荷がかかり易くなることがある。

また、本実施例のケース本体１３ｂでは、第１側面１３ｂ２が第２側面１３ｂ３よりも大きいため、電池ケース１３の内圧が上昇すると、第１側面１３ｂ２は、第２側面１３ｂ３よりも変形しやすくなる。第１側面１３ｂ２が変形しやすくなると、第１側面１３ｂ２および電池蓋１３ａの溶接部分Ｃに過度の負荷がかかり易くなることがある。ここで、第１側面１３ｂ２は、溶接部分Ｃなどの端部を基準として変形するため、溶接部分Ｃに対して過度の負荷がかかりやすい。

本実施例では、押さえ部２２の第１領域２２ａが、溶接部分Ｃに接触しているため、溶接部分Ｃにおけるケース本体１３ｂの変形を抑制することができる。ここで、押さえ部２２は、変形しやすい第１側面１３ｂ２に接触しているため、溶接部分Ｃにおける第１側面１３ｂ２の変形を効率良く抑制することができる。また、ケース本体１３ｂが変形したとしても、押さえ部２２（第１領域２２ａ）がケース本体１３ｂの変形量を低減でき、溶接部分Ｃから電池ケース１３内の電解液等が飛散してしまうのを抑制することができる。

Ｘ方向から見たときに、溶接部分Ｃは、押さえ部２２の第１領域２２ａ内に位置している。溶接部分Ｃは、第１領域２２ａ内に位置していればよく、第１領域２２ａ内であれば、いかなる位置にあってもよい。本実施例では、単電池１０を押さえ部２２の第２領域２２ｂに接触させることにより、溶接部分Ｃを第１領域２２ａ内に容易に位置させることができる。

次に、リブ２１および押さえ部２２の関係について、図７を用いて説明する。図７は、単電池１０およびスペーサ２０の一部を、Ｙ方向から見たときの図である。

Ｘ方向におけるリブ２１の突出量（長さ）Ｘ１は、Ｘ方向における押さえ部２２（第１領域２２ａ）の突出量（長さ）Ｘ２よりも、ΔＸの分だけ大きい。この構成では、押さえ部２２の第１領域２２ａが単電池１０に接触する前に、リブ２１の先端が単電池１０に接触する。そして、第１領域２２ａが単電池１０に接触するまで、スペーサ２０を単電池１０に押し付けると、リブ２１および単電池１０の接触部分で発生する荷重（拘束力）は、第１領域２２ａおよび単電池１０の接触部分で発生する荷重よりも大きくなる。

ここで、リブ２１の突出量Ｘ１と、押さえ部２２（第１領域２２ａ）の突出量Ｘ２とを等しくすると、リブ２１から受ける荷重と、押さえ部２２（第１領域２２ａ）から受ける荷重とが等しくなる。この場合には、以下に説明する不具合が生じるおそれがある。

リブ２１は、単電池１０（電池ケース１３）の内部に配置された発電要素１５を拘束する機能を有しており、この機能を確保しようとすると、溶接部分Ｃに対しても、発電要素１５の拘束力と同様の力が作用してしまう。発電要素１５の拘束力によっては、溶接部分Ｃに過度の荷重が作用してしまうことがある。一方、溶接部分Ｃに過度の荷重が作用しないようにすると、発電要素１５に対して必要な拘束力が与えられなくなってしまう。

そこで、本実施例のように、リブ２１の突出量Ｘ１を、押さえ部２２（第１領域２２ａ）の突出量Ｘ２よりも多くすることにより、発電要素１５に対して必要な拘束力を与えるとともに、押さえ部２２（第１領域２２ａ）を溶接部分Ｃに対して過度の負荷無く接触させることができる。

なお、本実施例では、図４に示すように、押さえ部２２の第１領域２２ａが、電池蓋１３ａおよび第１側面１３ｂ２のすべての溶接部分Ｃと対向しているが、これに限るものではない。具体的には、第１領域２２ａは、電池蓋１３ａおよび第１側面１３ｂ２の溶接部分Ｃのうちの一部の領域と対向しているだけでもよい。このような構成であっても、溶接部分Ｃにおいて、第１側面１３ｂ２の変形を抑制することができる。

本実施例では、Ｙ方向に延びるリブ２１をスペーサ２０に形成しているが、これに限るものではなく、リブ２１の形状は適宜設定することができる。すなわち、単電池１０およびスペーサ２０の間において、単電池１０の温度調節に用いられる気体が移動する通路を形成できればよい。例えば、Ｚ方向に延びるリブ２１を形成したり、円柱状の突起を形成したりすることができる。

一方、単電池１０の表面に、スペースＳを設けなくてもよい。この場合には、スペースＳにも、スペーサ２０の一部が存在することになり、複数のリブ２１が形成された領域には、１つの突起が形成されることになる。この突起の先端は、電池ケース１３（ケース本体１３ｂ）に接触する。

本実施例において、押さえ部２２は、第１領域２２ａおよび第２領域２２ｂを有しているが、第２領域２２ｂを省略することができる。すなわち、第１領域２２ａを溶接部分Ｃに接触させれば、溶接部分Ｃの変形を抑制することができる。

本実施例において、電池ケース１３は、電池蓋１３ａおよびケース本体１３ｂで構成されているが、これに限るものではない。電池ケース１３は、３つ以上の部材によって構成することができる。例えば、電池ケース１３は、電池蓋１３ａと、第１側面１３ｂ２および第２側面１３ｂ３で構成された部材と、底蓋とで構成することができる。このような構成であっても、本発明を適用することができる。すなわち、スペーサ２０に対して、押さえ部２２（第１領域２２ａ）に相当する突起部を形成しておき、２つの部材の溶接部分を突起部で押さえておけばよい。これにより、本実施例と同様の効果を得ることができる。

１：電池スタック（蓄電装置） １０：単電池（蓄電素子）
１１：正極端子 １２：負極端子
１３：電池ケース １３ａ：電池蓋
１３ｂ：ケース本体 １３ｂ１：開口部
１３ｂ２：第１側面 １３ｂ３：第２側面
１４：弁 １５：発電要素
２０：スペーサ ２１：リブ（突起部）
２２：押さえ部 ２２ａ：第１領域
２２ｂ：第２領域 ３１：エンドプレート
３２：拘束バンド（連結部材）

Claims (8)

1. 所定方向に並んで配置された複数の蓄電素子と、
   前記所定方向で隣り合う２つの前記蓄電素子の間に配置されたスペーサと、
   前記所定方向において、前記複数の蓄電素子および前記スペーサを挟む力を発生させる拘束機構と、を有し、
   前記各蓄電素子は、発電要素と、一部分の溶接によって前記発電要素を密閉状態で収容するケースと、を有しており、
   前記スペーサは、前記所定方向に突出し、前記ケースの溶接部分に接触する押さえ部を有することを特徴とする蓄電装置。
2. 前記スペーサは、前記蓄電素子の温度調節に用いられる熱交換媒体の移動通路を前記蓄電素子の外面に形成することを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記ケースは、
   前記発電要素を収容するための開口部を備えたケース本体と、
   前記開口部を塞ぎ、前記ケース本体に溶接される蓋と、
   を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電装置。
4. 前記蓋は、前記蓄電素子の上面に配置されることを特徴とする請求項３に記載の蓄電装置。
5. 前記スペーサは、前記押さえ部と同一面内において、前記所定方向に突出して前記移動通路を形成するための突起部を有しており、
   前記所定方向における前記押さえ部の長さは、前記所定方向における前記突起部の長さよりも短いことを特徴とする請求項２に記載の蓄電装置。
6. 前記押さえ部は、前記溶接部分に接触する領域と、前記蓄電素子と接触して、前記所定方向と直交する方向において前記蓄電素子を位置決めするための領域とを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の蓄電装置。
7. 前記拘束機構は、
   前記所定方向において前記複数の蓄電素子および前記スペーサを挟む一対のエンドプレートと、
   前記所定方向に延びて、前記一対のエンドプレートに接続される連結部材と、
   を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の蓄電装置。
8. 前記発電要素は、電解液を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の蓄電装置。
   

Images