JP5673498B2 - 二次電池のケース及び二次電池並びに車両 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池のケース及び二次電池並びに車両に係り、詳しくは温度調整機能を備えた二次電池のケース及び二次電池並びにその二次電池を搭載した車両に関する。

二次電池は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため電源として広く利用されている。近年、化石燃料の使用削減（二酸化炭素排出規制）が求められており、電気自動車やハイブリッド車等の主電源や補助電源に使用される二次電池では、大電流での充電及び放電や二次電池の大容量化が要求されるようになっている。

しかし、大電流での充・放電は電池内部の大きな発熱を伴い、電池温度が上昇し、電池性能の劣化を促進してしまうという問題がある。このような問題を解決するため、電池ケースの外面に温度調整用のフィンを貼り付けたものもある（例えば、特許文献１参照）。

また、複数の二次電池（単電池）が並んで配置された構成において、特定の二次電池が過充電等によって発熱したときに、この熱が隣り合って配置された他の二次電池に対して伝達されるのを抑制する電池モジュールが提案されている（特許文献２参照）。特許文献２には、図８（ａ）に示すように、単電池５１の電池ケース５２の側面５２ａのうち、中央に位置する二点鎖線で囲まれた領域Ｒだけを変形させるように、電池ケース５２が形状記憶合金で形成されている。そして、図８（ｂ）に示すように、隣り合う単電池５１の間には、突起部５３ａを有するスペーサ５３が配置され、例えば図８（ｂ）の中央に位置する特定の単電池５１が発熱した場合、電池ケース５２の温度上昇に応じて側面５２ａが隣の単電池５１から離れる方向に変形するように構成されている。突起部５３ａは熱交換媒体の移動スペースを構成する。

特開２００４−２１３９２２号公報 特開２０１０−６１９８２号公報

ところが、特許文献１等に記載された温度調整用のフィンは、電池ケースの横方向あるいは縦方向（高さ方向）に延びるように設けられている。そのため、電池ケースに内蔵された発電素子（発電要素）の膨張収縮に対してケース側壁の変形を抑制する効果は、ケース側壁が温度調整用のフィンの延びる方向と交差する方向に湾曲しようとする場合に限り、フィンの延びる方向に沿って湾曲する場合には効果がない。

また、特許文献２の構成では、温度上昇で側面５２ａが変形した状態ではスペーサ５３は機能しない。また、膨張収縮に対する効果は、形状記憶合金自身の強度による。しかも、形状記憶合を使用するとコストが高くなる。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は温度調整機能を有し、かつ電池ケース内に収容された発電要素の充放電に伴う膨張収縮によってケースの壁が膨張収縮することを抑制することができる二次電池ケース及び二次電池を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、二次電池のケースであって、少なくとも１つの壁に外側へ突出するリブが複数形成され、前記リブは前記壁の外面に沿って屈曲もしくは湾曲して山部と谷部が形成され、前記壁には前記リブの間にフィンが設けられている。

この発明では、ケースの少なくとも１つの壁に形成されたリブは、ケースの内部に収容された発電要素の膨張、収縮にともなって、壁が変形するのを抑制する役割を果たす。発電要素はその膨張、収縮の方向が、壁に形成されたリブの突出方向となるようにケース内に収容される。リブは壁の外面に沿って屈曲もしくは湾曲して山部と谷部が形成されているため、リブが壁の外面に沿って一方の方向に延びる形状の場合と異なり、壁がいずれの方向に湾曲しようとする場合でも、壁の変形を抑制する。また、リブは温度調整用のフィンの役割も果たす。したがって、ケースは、温度調整機能を有し、かつケース内に収容された発電要素の充放電に伴う膨張収縮によってケースの壁が膨張収縮することを抑制することができる。また、フィンの存在により温度調整機能が向上する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記リブには複数の前記山部と複数の前記谷部が形成され、前記壁の外面において、前記山部の凸方向における最も外側に配置された前記リブの前記山部の頂点同士を結んだ直線と、前記山部の凸方向とは反対方向における最も外側に配置された前記リブの前記谷部の底部同士を結んだ直線と、複数の前記リブの一端部同士を結んだ直線と、複数の前記リブの他端部同士を結んだ直線と、によって囲まれた領域の面積は、前記壁の表面積の８割以上の面積を有する。したがって、発電要素の充放電に伴う膨張収縮によってケースの壁が膨張収縮することを抑制する効果が向上する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記リブには複数の前記山部と複数の前記谷部が形成され、
前記壁と水平な面において、前記リブは一部に前記山部の頂点同士を結んだ方向と斜めに交差する方向に延びる部分を有する形状である。リブの間に熱媒体を積極的に流して温度調整を行う方法を採用した場合、リブの形状がリブの山部の頂点同士を結んだ方向と平行に又は直交する方向に延びる部分のみを有する形状の場合、例えば、矩形波状の場合は、熱媒体の流れが円滑に行われない。この発明では、リブは一部にリブの山部の頂点同士を結んだ方向と斜めに交差する方向に延びる部分を有する形状であるため、熱媒体の流れが円滑に行われる。ここで、「熱媒体」とは熱の伝達を行う流体を意味する。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記リブは曲線部が連続する形状に形成されている。この発明では、リブの間に熱媒体を積極的に流して温度調整を行う方法を採用した場合、熱媒体の流れがより円滑に行われる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の二次電池のケースに発電要素が収容された二次電池である。この発明の二次電池は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の二次電池のケースの効果を奏する。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の二次電池を搭載した車両である。したがって、この発明の車両は請求項５に記載の発明の二次電池の効果が得られる。

本発明によれば、温度調整機能を有し、かつ電池ケース内に収容された発電要素の充放電に伴う膨張収縮によってケースの壁が膨張収縮することを抑制することができる二次電池ケース及び二次電池を提供することができる。また、前記二次電池を搭載した車両を提供することができる。

（ａ）は第１の実施形態の二次電池の側面図、（ｂ）は概略斜視図。 複数の二次電池がケースに収容された組電池の模式部分断面図。 第２の実施形態の二次電池の側面図。 フィンの概略斜視図。 （ａ），（ｂ）は別の実施形態のリブの形状を示す模式図。 （ａ），（ｂ）は別の実施形態のフィンの形状を示す概略斜視図。 （ａ）は別の実施形態の断面図、（ｂ）は別の実施形態の二次電池の正面図、（ｃ）はその二次電池を使用した組電池の模式部分断面図。 （ａ）は二次電池が発電要素の膨張収縮に伴い繰り返し応力を受ける部分を示す模式図、（ｂ）は従来技術の部分側面図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、単電池としての二次電池１０は、図示しない発電要素が収容された四角箱状のケース１１を有する角型二次電池であり、ケース１１の上壁に正極端子１２及び負極端子１３が設けられている。ケース１１は、壁としての対向する側壁１４に外側へ突出するリブ１５が複数形成され、各リブ１５は側壁１４の外面に沿って湾曲して山部１５ａと谷部１５ｂが形成され、各リブ１５は側壁１４と水平な面において、一部に山部１５ａの頂点同士を結んだ方向と斜めに交差する方向に延びる部分を有する形状に形成されている。この実施形態では、各リブ１５はその形状が側壁１４の左右方向と斜めに交差する方向に延びる部分を有する形状に形成されている。また、各リブ１５はそれぞれ曲線部が連続する形状に形成されている。曲線部は同じ半径の半円弧状に形成されている。ケース１１は金属製でも樹脂製でもあるいは他の材料製であってもよい。

図１（ａ）に示すように、側壁１４の外面において、山部１５ａの凸方向における最も外側に配置されたリブ１５の山部１５ａの頂点同士を結んだ直線Ｌ１と、山部１５ａの凸方向とは反対方向における最も外側に配置されたリブ１５の谷部１５ｂの底部同士を結んだ直線Ｌ２と、複数のリブ１５の一端部同士を結んだ直線Ｌ３と、複数のリブ１５の他端部同士を結んだ直線Ｌ４と、によって囲まれた領域の面積は、側壁１４の表面積の８割以上の面積を有する。

また、上側に隣接するリブ１５が存在する任意のリブ１５は、例えば、図１（ａ）に示すように、上側から３番目のリブ１５に、その山部１５ａに共通の接線Ｌを引くと、その接線Ｌがそのリブ１５の上側に隣接するリブ１５と交差するように配置されている。即ち、各リブ１５は上側に隣接するリブ１５が存在する任意のリブ１５の各山部１５ａの頂部が、上側に隣接するリブ１５の谷部１５ｂの底部より上側に位置するように配置されている。リブ１５はケース１１と一体に形成された構成であっても、別体に形成されたものを接着剤等でケース１１に貼り付けた構成であってもよい。

前記のように構成された二次電池１０は、図２に示すように、複数個の二次電池１０からなる組電池（電池モジュール）２０として使用される。組電池２０は、複数の二次電池１０を互いに平行な状態で収容する収容部２１を有するハウジング２２を備えている。収容部２１内には複数の二次電池１０が、リブ１５が互いに当接する状態で平行に配置されている。組電池２０を構成する複数の二次電池１０は、隣り合う二次電池１０の正極端子１２と負極端子１３とが図示しない配線部材としてのバスバーを介して電気的に接続されることにより、全ての二次電池１０が直列に接続されている。

ハウジング２２には、二次電池１０をその動作に適した所定の温度範囲内に保持するための温度調整を行う熱媒体が流れる熱媒体流路が形成されており、収容部２１は熱媒体流路の一部に設けられている。熱媒体流路は、図２において熱媒体が紙面と垂直方向に、即ち二次電池１０のケース１１の側壁１４に沿って流れるようになっている。例えば、ハウジング２２は吸気ダクト及び排気ダクトを備え、ファンやブロアー等の送風手段により吸気ダクトからハウジング内に空気が供給されるとともに排気ダクトから排出されるようになっている。

次に前記のように構成された二次電池１０の作用を説明する。
組電池２０の使用時、ハウジング２２には冷却用の熱媒体が供給され、収容部２１に収容された各二次電池１０のケース１１の側壁１４に沿って熱媒体が流れる。二次電池１０の充電あるいは放電時に発生した熱は、ケース１１の側壁１４及びリブ１５を介して熱媒体に伝達され、熱媒体の収容部２１からの排出により奪われて、二次電池１０が冷却される。そして、二次電池１０はその動作に適した所定の温度範囲内に保持され、電池性能の劣化を促進してしまうような高温になることが防止される。

組電池２０が使用される場合、急速充電時や急速放電時には二次電池１０の発熱が大きくなり、ケースの内部に収容された発電要素の膨張、収縮が大きくなる。このとき、ケース１１の対向する側壁１４に形成されたリブ１５は、発電要素の膨張、収縮にともなって、側壁１４が変形するのを抑制する役割を果たす。リブ１５の形状が側壁１４の左右方向（図２においては紙面と垂直方向）に真っ直ぐ延びる形状の場合は、側壁１４が上下方向に湾曲しようとする場合には、側壁１４の変形を抑制する効果が発揮されない。しかし、各リブ１５はその形状が山部１５ａの頂点同士を結んだ方向と斜めに交差する方向に延びる部分を有する形状であるため、リブ１５が側壁１４の左右方向あるいは上下方向のいずれか一方の方向に沿って延びる形状の場合と異なり、側壁１４がいずれの方向に湾曲しようとする場合でも、側壁１４の変形を抑制する。また、側壁１４の外面において、山部１５ａの凸方向における最も外側に配置されたリブ１５の山部１５ａの頂点同士を結んだ直線Ｌ１と、山部１５ａの凸方向とは反対方向における最も外側に配置されたリブ１５の谷部１５ｂの底部同士を結んだ直線Ｌ２と、複数のリブ１５の一端部同士を結んだ直線Ｌ３と、複数のリブ１５の他端部同士を結んだ直線Ｌ４と、によって囲まれた領域の面積は、側壁１４の表面積の８割以上の面積を有する。そのため、急速充電や急速放電が繰り返されても、側壁１４の劣化が促進されることが防止され、耐久性が向上する。

また、組電池２０は、隣り合うように配置された各二次電池１０が、その側壁１４に設けられたリブ１５が互いに当接する状態でハウジング２２の収容部２１に収容されているため、二次電池１０の発電熱要素の膨張時に側壁１４が外側へ湾曲するように変形することが隣に位置する二次電池１０のリブ１５の作用により抑制される。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）二次電池１０のケース１１は、対向する側壁１４に外側へ突出するリブ１５が複数形成されており、各リブ１５は側壁１４の外面に沿って屈曲もしくは湾曲して山部１５ａと谷部１５ｂが形成されている。したがって、ケース１１は、温度調整機能を有し、かつケース１１内に収容された発電要素の充放電に伴う膨張収縮によってケース１１の側壁１４が膨張収縮することを抑制することができる。

（２）側壁１４の外面において、山部１５ａの凸方向における最も外側に配置されたリブ１５の山部１５ａの頂点同士を結んだ直線Ｌ１と、山部１５ａの凸方向とは反対方向における最も外側に配置されたリブ１５の谷部１５ｂの底部同士を結んだ直線Ｌ２と、複数のリブ１５の一端部同士を結んだ直線Ｌ３と、複数のリブ１５の他端部同士を結んだ直線Ｌ４と、によって囲まれた領域の面積は、側壁１４の表面積の８割以上の面積を有する。したがって、発電要素の充放電に伴う膨張収縮によってケース１１の側壁１４が膨張収縮することを抑制する効果が向上する。

（３）側壁１４と水平な面において、リブ１５は一部に山部１５ａの頂点同士を結んだ方向と斜めに交差する方向に延びる部分を有する形状である。リブ１５の間に熱媒体を積極的に流して温度調整を行う方法を採用した場合、リブ１５の形状がリブ１５の山部１５ａの頂点同士を結んだ方向と平行に又は直交する方向に延びる部分のみを有する形状の場合、例えば、矩形波状の場合は、熱媒体の流れが円滑に行われない。しかし、リブ１５は一部に山部１５ａの頂点同士を結んだ方向と斜めに交差する方向に延びる部分を有する形状であるため、熱媒体の流れが円滑に行われる。

（４）リブ１５は曲線部が連続する形状に形成されている。したがって、リブ１５の間に熱媒体を積極的に流して温度調整を行う方法を採用した場合、熱媒体の流れがより円滑に行われる。

（５）組電池２０は、複数の二次電池１０がそのケース１１の側壁１４に設けられたリブ１５が互いに当接する状態でハウジング２２の収容部２１に収容されている。したがって、隣り合う二次電池１０が、そのリブ１５が互いに当接しない状態で収容部２１に収容された場合に比べて、二次電池１０の発電要素の膨張時に側壁１４が外側へ湾曲するように変形するのが抑制される。

（６）二次電池１０を車両に搭載して使用すると、その車両は二次電池１０における前記の効果が得られる。
（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した第２の実施形態を図３及び図４にしたがって説明する。この実施形態では、温度調整機能を高めるために側壁１４にフィンが設けられている点が前記第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図３に示すように、側壁１４にはリブ１５の間の二点鎖線で囲んだ領域Ａにフィン１６（図４に図示）が設けられている。フィン１６としてはオフセットフィンが使用されており、この実施形態では、図４に示すように、薄い金属板が、高さ幅がそれぞれ一定の矩形波状に折り曲げ形成されたものが、隣り合う矩形波のピッチが半ピッチずれた状態で繰り返すように配置された構成となっている。フィン１６の列数や一列に存在する凹凸の数は領域Ａの大きさにより変更される。フィン１６は、側壁１４が外側に湾曲変形した場合に隣り合う二次電池１０に設けられたフィン１６と干渉しないように、その高さがリブ１５の高さより低く形成されている。

したがって、この実施形態の二次電池１０は、前記第１の実施形態の（１）〜（５）の効果に加えて次の効果を得ることができる。
（７）側壁１４にはリブ１５の間にフィン１６が設けられている。したがって、フィン１６の存在により温度調整機能が向上する。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ リブ１５は壁の外面に沿って屈曲もしくは湾曲して山部と谷部が形成されていればよく、リブ１５は曲線部が連続する形状に限らず、直線部が屈曲して連続する形状でもよい。

○ リブ１５はその形状が、一部に山部１５ａの頂点同士を結んだ方向と斜めに交差する方向に延びる部分を有する形状に形成されていればよく、半円個状の曲線部が連続する形状に限らない。例えば、サイン波状の形状としたり、図５（ａ）に示すように、斜めに延びる直線部１５ｃが波状に屈曲する形状としたり、図５（ｂ）に示すように、左右方向に延びる直線部１５ｄが、上下方向に延びる直線部１５ｅと斜めに延びる直線部１５ｃとを介して接続された形状としてもよい。

○ リブ１５は壁（側壁１４）と水平な面において、一部に山部１５ａの頂点同士を結んだ方向と斜めに交差する方向に延びる部分がない形状である矩形波状であってもよい。しかし、リブ１５が熱媒体の流れを案内するためには、壁（側壁１４）と水平な面において、一部に山部１５ａの頂点同士を結んだ方向と斜めに交差する方向に延びる部分を有する形状の方が好ましい。

○ 二次電池１０のケース１１内に収容された発電素子は中央部の膨張が大きいため、リブ１５を側壁１４の中央部近くにのみ少なくとも２本設けた構成にしてもよい。
○ リブ１５は同じ形状のもののみが複数設けられる構成に限らず、異なる形状のリブ１５が混在する状態で設けられてもよい。

○ リブ１５は側壁１４の左右方向に延びる構成に限らず、熱媒体が側壁１４の上下方向に流れる状態で使用される場合は、側壁１４の上下方向に延びる構成にしてもよい。
○ リブ１５は必ずしも各リブ１５が側壁１４の左右方向あるいは上下方向の略全長にわたって延びる状態に設ける構成に限らない。例えば、側壁１４の左右方向あるいは上下方向の略全長より短い複数のリブ１５が、その一部が上下方向あるいは左右方向から見た状態において重なる状態に設けてもよい。

○ リブ１５が形成される壁は側壁に限らず、ケース１１内に収容された発電要素の膨張収縮方向と対向する壁面を有する壁であればよく、場合によっては、前壁及び後壁にリブ１５が形成されてもよい。

○ リブ１５は少なくとも１つの壁に設けられていればよく、対向する壁の両方に設けられずに、１つ壁にのみ設けられてもよい。
○ フィン１６を構成するオフセットフィンは図４に示す形状に限らず、例えば図６（ａ）に示すように、隣り合う矩形波が２個ずつ組になった形状としたり、図６（ｂ）に示すように、隣り合う矩形波が交互に半ピッチずれた状態で連続する形状としたりしてもよい。

○ フィン１６はオフセットフィンに限らず、平板あるいは波状の板が突設された形状であってもよい。
○ 二次電池１０は単電池として複数の二次電池１０が組電池２０を構成して使用される場合に限らず、図７（ａ）に示すように、１個の二次電池１０をその動作に適した所定の温度範囲内に保持するための温度調整を行う熱媒体が流れる熱媒体流路が形成されたハウジング２２に収容した状態で使用してもよい。

○ 単独で使用されずに組電池２０の単電池として使用される二次電池１０の場合、リブ１５をケース１１の両側壁１４に設けずに、図７（ｂ）に示すように、一方の側壁１４にのみ設けてもよい。この二次電池１０は、図７（ｃ）に示すように、ハウジング２２の収容部２１に収容された各二次電池１０のリブ１５が存在しない側の側壁１４に、隣り合う二次電池１０のリブ１５が当接する状態で収容される。そして、収容部２１の図示しない端部側に配置される二次電池１０は、両側壁１４にリブ１５が形成された二次電池１０が使用される。この場合、二次電池１０の発電要素の膨張により側壁１４が外側に湾曲変形しようとする際、リブ１５の存在しない側壁１４は、隣り合う二次電池１０の側壁１４に設けられたリブ１５により、その変形が抑制される。

○ ケース１１は対向する側壁１４を有する形状であればよく、ケース１１が角型二次電池用の四角箱状に限らず、例えば、四角箱状のケース１１の四隅の角部が円弧状に形成された長円筒状であってもよい。

○ 組電池２０は、複数の二次電池１０が直列に接続された構成に限らず、複数の二次電池１０が並列に接続された構成としてもよい。
○ 組電池２０を構成するハウジング２２は複数の二次電池１０を１列ではなく複数列に収容する収容部２１を備えており、各列の隣り合う二次電池１０同士をリブ１５が当接する状態で配置してもよい。

○ 組電池２０は複数の二次電池１０を熱媒体が供給、排出されるハウジング２２の収容部２１内に収容した構成に限らず、複数の二次電池１０を所定の位置に保持可能なフレームで支持した構成としてもよい。そして、熱媒体としての空気をファンやブロアー等の送風手段により二次電池１０に向けて吹き付けるようにしてもよい。

○ 熱媒体は空気などの気体に限らず、電気的に絶縁性の液体を使用してもよい。熱媒体として液体を使用する場合は、熱媒体を循環使用する。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。

（１）二次電池のケースに発電要素が収容された二次電池を複数、互いに平行な状態で収容する収容部に、複数の前記二次電池を前記リブが互いに当接する状態で平行に配置されている組電池。

Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４…直線、１０…二次電池、１１…ケース、１４…壁としての側壁、１５…リブ、１５ａ…山部、１５ｂ…谷部、１６…フィン。

Claims (6)

1. 二次電池のケースであって、少なくとも１つの壁に外側へ突出するリブが複数形成され、前記リブは前記壁の外面に沿って屈曲もしくは湾曲して山部と谷部が形成され、前記壁には前記リブの間にフィンが設けられていることを特徴とする二次電池のケース。
2. 前記リブには複数の前記山部と複数の前記谷部が形成され、
   前記壁の外面において、前記山部の凸方向における最も外側に配置された前記リブの前記山部の頂点同士を結んだ直線と、前記山部の凸方向とは反対方向における最も外側に配置された前記リブの前記谷部の底部同士を結んだ直線と、複数の前記リブの一端部同士を結んだ直線と、複数の前記リブの他端部同士を結んだ直線と、によって囲まれた領域の面積は、前記壁の表面積の８割以上の面積を有する請求項１に記載の二次電池のケース。
3. 前記リブには複数の前記山部と複数の前記谷部が形成され、
   前記壁と水平な面において、前記リブは一部に前記山部の頂点同士を結んだ方向と斜めに交差する方向に延びる部分を有する形状である請求項１又は請求項２に記載の二次電池のケース。
4. 前記リブは曲線部が連続する形状に形成されている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の二次電池のケース。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の二次電池のケースに発電要素が収容された二次電池。
6. 請求項５に記載の二次電池を搭載した車両。