JP6060840B2 - 蓄電装置モジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数の蓄電装置が並設された蓄電装置モジュールに関する。

ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置モジュールとしての電池モジュールが搭載されている。電池モジュールは、蓄電装置としての、複数の二次電池同士を導通部材で電気的に接続した状態で一方向に並設して構成されている。

電池モジュールでは、並設方向中央部の二次電池と、並設方向両端部の二次電池とでは、中央部の二次電池の方が温度が高くなる傾向がある。二次電池は、温度が高い状態で充放電されると劣化しやすい。そして、電池モジュールは、複数の二次電池を直列に接続しているので、いずれかの二次電池が劣化すると、劣化した二次電池は過充電又は過放電されやすく、加速度的に劣化が進行して電池モジュールの寿命を短くする。

そこで、電池モジュールでは、二次電池間の温度差を小さくすることが重要である。例えば、特許文献１では、並設方向に隣り合う二次電池の間に断熱スペーサを配置し、並設方向両端部の二次電池間に配置された断熱スペーサと比べて、並設方向中央部の二次電池間に配置された断熱スペーサの断熱性を大きくしている。そして、並設方向中央部の二次電池は、並設方向に隣り合う二次電池によって加熱されにくく、温度が上がりにくくなる。一方、並設方向両端部の二次電池は、温度が低いが隣りの二次電池によって加熱され、温度が高くなる。その結果、二次電池間の温度差が小さくなる。

特開２００５−３１７４５５号公報

ところで、特許文献１に開示された技術により、隣接する二次電池の放熱の影響には対応できるが、二次電池間の温度差の原因は、隣接する二次電池の影響に限らない。電池モジュールにおいて、二次電池として、四角箱状のケース内に電極組立体を収容した角型電池と呼ばれるものを一方向に並設したものがある。この角型電池のような二次電池としては、ケース内において、電極組立体の積層方向の両端の偏平面と、各偏平面に対向するケース壁部の内面との隙間に、例えば樹脂製のスペーサが介装され、スペーサによって電極組立体を積層方向に拘束するようにしたものがある。電極組立体の積層方向への厚みは、製造公差によってばらつき、二次電池毎に異なるため、ケース内に設けられるスペーサの厚みも二次電池毎に異なってくる。

しかし、電極組立体の積層方向に配置される樹脂製のスペーサは、材質上、熱を伝えにくいため、電極組立体で発生した熱が篭もりやすく、スペーサによって電極組立体のケース外への放熱が妨げられてしまう。このため、電池モジュールを構成する複数の二次電池の中でも、厚みの厚いスペーサを備える二次電池ほど温度が高くなってしまい、厚みの薄いスペーサを備える二次電池との温度差が大きく開いてしまう。

本発明は、スペーサを備える蓄電装置を複数並設した場合に、スペーサに起因する蓄電装置間の温度差を小さくすることができる蓄電装置モジュールを提供することにある。

上記問題点を解決するために、蓄電装置は、正極電極と負極電極とがセパレータを間に介在させた状態で層状に重なる電極組立体が角型のケース内に収容されるとともに、前記電極組立体の積層方向の少なくとも一端に位置する偏平面と該偏平面に対向する前記ケースの壁部の内面との隙間にスペーサを備えた蓄電装置を複数備え、複数の蓄電装置を前記壁部同士が前記電極組立体の厚み方向に対向する状態で並設させた蓄電装置モジュールであって、前記積層方向に沿った前記隙間の長さに応じて前記スペーサの厚みが設定されており、複数の蓄電装置のうち、並設方向の両端部に配置された蓄電装置の備えるスペーサは、その他の蓄電装置の備えるスペーサよりも厚みが厚いことを要旨とする。

これによれば、並設方向両端部に配置された蓄電装置は、その他の蓄電装置に比べてスペーサが厚いために、電極組立体で発生した熱をケースに伝え難いが、一方で、ケースからの放熱性は、その他の蓄電装置よりも高くなっている。したがって、最もスペーサが厚い蓄電装置と、その他の蓄電装置とで温度差を小さくすることができる。

また、蓄電装置モジュールについて、前記並設方向における端部から中央部に向けて、前記スペーサの厚みが順番に薄くなっているのが好ましい。
これによれば、複数の蓄電装置は、並設方向両端部から中央部に向かう程、ケースからの放熱性が低く、かつ、隣り合う蓄電装置から加熱されやすくなっていく。一方、スペーサの厚みは、並設方向両端部から中央部に向かう程薄くなっていくため、蓄電装置に熱が篭もりにくくなる。したがって、スペーサの厚みのばらつきに起因する温度のばらつきを小さくすることができる。

蓄電装置モジュールについて、前記並設方向に隣り合う蓄電装置同士は熱的に結合されている。
これによれば、隣り合う蓄電装置同士で熱の受け渡しが生じるため、蓄電装置同士での温度差をより小さくすることができる。

蓄電装置モジュールについて、前記蓄電装置は二次電池である。

本発明によれば、スペーサを備える蓄電装置を複数並設した場合に、スペーサに起因する蓄電装置間の温度差を小さくすることができる。

電池パックを備えるフォークリフトを示す側面図。 カウンタウェイトと電池モジュールを備える電池パックを示す斜視図。 電池モジュールを示す斜視図。 二次電池を示す分解斜視図。 電池モジュールを示す分解斜視図。 電池モジュール内を示す断面図。

以下、蓄電装置モジュールを電池モジュールに具体化した一実施形態について、図１〜図６に従って説明する。
まず、電池モジュールが搭載されるフォークリフト１０について説明する。なお、以下の説明において「前」「後」「左」「右」「上」「下」は、フォークリフトの運転者がフォークリフトの前方を向いた状態を基準とした場合の「前」「後」「左」「右」「上」「下」を示すものとする。

図１に示すように、フォークリフト１０の車体１１の前下部には駆動輪１２が設けられているとともに、車体１１の後下部には操舵輪１３が設けられている。また、車体１１の前部には、荷役装置が設けられている。荷役装置を構成するマスト１４は、車体１１の前部に立設されているとともに、当該マスト１４にはリフトブラケット１５を介して左右一対のフォーク１６が設けられている。そして、フォーク１６は、マスト１４に連結されたリフトシリンダ１７の駆動により、リフトブラケット１５とともに昇降される。また、フォーク１６は、マスト１４に連結されたティルトシリンダ１８の駆動により、マスト１４とともに傾動される。フォーク１６には、積荷１９が搭載される。車体１１には、駆動輪１２の駆動源となる走行用モータＭ１と、フォーク１６の駆動源となる荷役用モータＭ２が搭載されている。

また、車体１１の中央には、運転室２０が設けられている。運転室２０には、作業者（運転者）が着座可能な運転シート２１が設けられている。運転シート２１の前方にはハンドル２２が設けられている。運転室２０の下部には、電池パック３０が搭載されている。

次に、電池パック３０について説明する。
図２に示すように、電池パック３０は、フォーク１６に搭載される積荷１９とつりあいをとるためのカウンタウェイト３１を備える。カウンタウェイト３１は、直方体状をなすウェイト部３２と、ウェイト部３２の短手方向一端からウェイト部３２の厚み方向に立設された矩形板状のウェイト本体３３とからなる。そして、カウンタウェイト３１の側面視はＬ型である。ウェイト部３２の短手方向他端には、ウェイト本体３３から離間して設けられる逆Ｕ字状のフレーム３４が立設されている。フレーム３４の上面とウェイト本体３３の上面には、天板３５が支持されている。ウェイト本体３３の厚み方向の一面は電池モジュール７０が設置される設置面３３ａとされている。設置面３３ａには、複数の電池モジュール７０が設置されるとともに、複数の電池モジュール７０は直列接続されている。

図３に示すように、各電池モジュール７０は、電池ホルダ６０に保持された二次電池４０が厚み方向（一方向）に複数並設されて構成され、設置面３３ａには６つの電池モジュール７０が設置されている。

次に、電池モジュール７０の二次電池４０について説明する。
図４〜図６に示すように、二次電池４０は、四角箱状のケース４１に電極組立体４２及び電解液が収容されて構成されている。ケース４１は、有底四角箱状のケース本体４３と、当該ケース本体４３に電極組立体４２を挿入する開口部を閉塞する平板状の蓋体４４とからなる。ケース本体４３と蓋体４４は、何れも金属製（例えば、ステンレスやアルミニウム）である。また、二次電池４０は、ケース本体４３が有底四角箱状であり、蓋体４４が矩形平板状であることから、その外観が角型をなす角型電池である。また、この実施形態の二次電池４０は、リチウムイオン電池である。

ケース本体４３は、矩形状の底板４３ａと、底板４３ａの短側縁から立設された一対の短側壁４３ｂと、底板４３ａの長側縁から立設された一対の長側壁４３ｃを備える。ケース４１において、短側壁４３ｂ及び長側壁４３ｃの開口端は蓋体４４に接合されている。

電極組立体４２は、シート状の正極電極２３、シート状の負極電極２４、及び正極電極２３と負極電極２４を絶縁するシート状のセパレータ２５を有する。正極電極２３は、正極金属箔（アルミニウム箔）２３ａの両面に正極活物質層２３ｂを有する。負極電極２４は、負極金属箔（銅箔）２４ａの両面に負極活物質層２４ｂを有する。そして、電極組立体４２は、複数の正極電極２３と複数の負極電極２４とが間にセパレータ２５を介在させた状態で層状に重ねた積層構造とされている。また、電極組立体４２には、正極端子４５と負極端子４６が電気的に接続されている。これらの正極端子４５と負極端子４６の各一部分は、蓋体４４からケース４１外に露出している。また、正極端子４５及び負極端子４６には、ケース４１から絶縁するためのリング状の絶縁リング４１ａがそれぞれ取り付けられている。

電極組立体４２において、積層方向の両端の偏平面４２ａと、両偏平面４２ａに対向するケース本体４３の両長側壁４３ｃの内面４３ｄとの間には、スペーサ５０が介装されている。よって、本実施形態では、長側壁４３ｃが偏平面４２ａと向き合うケース４１の壁部を構成する。

スペーサ５０は矩形板状であり、樹脂製である。スペーサ５０の平面形状は、長側壁４３ｃの平面形状より小さく、かつ電極組立体４２の偏平面４２ａとほぼ同じである。各スペーサ５０は、その最も面積が大きい２つの側面５０ａ，５０ｂのうち、一方の側面５０ａが電極組立体４２の偏平面４２ａと接触し、他方の側面５０ｂが、長側壁４３ｃの内面４３ｄと接触している。そして、電極組立体４２は、積層方向の両側にスペーサ５０が配置されるとともに、両スペーサ５０によって、電極組立体４２は、その積層方向に沿ったケース４１内での移動が規制されている。すなわち、電極組立体４２は、両スペーサ５０によって積層方向に拘束されている。

電池モジュール７０において、全ての二次電池４０で、電極組立体４２を構成する正極電極２３、負極電極２４、及びセパレータ２５の使用枚数は同じでありながら、各活物質層２３ｂ，２４ｂの厚みの違い等の影響を受けて、積層方向への長さが異なる。このため、電極組立体４２の偏平面４２ａと、対向する長側壁４３ｃの内面４３ｄとの間隔、つまり隙間Ｓの長さが異なる。よって、隙間Ｓに介装されたスペーサ５０も、二次電池４０毎に厚みが異なっている。なお、スペーサ５０の厚みとは、電極組立体４２の積層方向に沿った長さのことである。

図３及び図５に示すように、電池ホルダ６０は、Ｕ字枠状をなすホルダ本体６１と、ホルダ本体６１の外面の４隅から突出する直方体状の脚部６２とを有している。ホルダ本体６１は、ケース４１の底板４３ａと、一対の短側壁４３ｂと、蓋体４４の両短側壁４３ｂ側を取り囲む状態で二次電池４０と一体化されている。このため、電池ホルダ６０に一体化された二次電池４０は、一対の長側壁４３ｃが、ホルダ本体６１から外部に露出している。各脚部６２には、ボルトＢ１が挿通される挿通孔６２ａが脚部６２の長手方向に貫通して設けられている。

電池モジュール７０の並設方向の両端にはエンドプレート５３が設けられている。エンドプレート５３は、矩形平板状をなす基部５４と、基部５４の四隅から突出する矩形平板状の突出部５５とを備える。突出部５５には、ボルトＢ１が挿通される挿通孔５５ａが突出部５５の厚み方向に貫通して設けられている。

そして、電池モジュール７０は、一方のエンドプレート５３の挿通孔５５ａに挿通されたボルトＢ１が、各電池ホルダ６０の挿通孔６２ａに挿通されるとともに、他方のエンドプレート５３の挿通孔５５ａに挿通され、ボルトＢ１にナットＮが螺合されることで一体に組み付けられている。よって、全ての二次電池４０は、両エンドプレート５３によって並設方向から挟持されている。電池モジュール７０では、複数の二次電池４０は、長側壁４３ｃが一方向に並ぶ状態で並設されている。電池モジュール７０は、それぞれ両エンドプレート５３に固定されたブラケット５８に挿通したボルトＢ２がウェイト本体３３に螺合されることで、ウェイト本体３３に固定されている。

電池モジュール７０において、並設方向に隣り合う二次電池４０の長側壁４３ｃ同士の間には、放熱プレート７１及び伝熱シート８０が介装されている。また、エンドプレート５３と、そのエンドプレート５３に隣り合う二次電池４０の長側壁４３ｃの間にも放熱プレート７１及び伝熱シート８０が介装されている。

放熱プレート７１は、矩形平板状の放熱板７２を備える。この放熱板７２は、二次電池４０の長側壁４３ｃ及び蓋体４４の長側縁の全面を覆う大きさである。また、放熱プレート７１は、放熱板７２の一対の短側縁のうちの一方から放熱板７２の厚み方向に延びる矩形平板状の伝熱板７３を備え、放熱板７２と伝熱板７３とから平面視Ｌ字型となっている。

そして、一対の二次電池４０の間に介装された放熱板７２は、一面が一方の二次電池４０におけるケース本体４３の長側壁４３ｃ、及び蓋体４４の長側縁に接触した状態で覆っており、放熱板７２と一方の二次電池４０の長側壁４３ｃとは熱的に結合されている。また、放熱板７２は、他面が伝熱シート８０を介して他方の二次電池４０におけるケース本体４３の長側壁４３ｃ、及び蓋体４４の長側縁に接触した状態で覆っており、放熱板７２と他方の二次電池４０の長側壁４３ｃとは熱的に結合されている。

また、放熱プレート７１の伝熱板７３は、二次電池４０の一方の短側壁４３ｂ側に配置された状態で、電池ホルダ６０の外面側に配置されている。したがって、電池モジュール７０において、並設方向に延びる一側面には全ての放熱プレート７１の伝熱板７３が配設され、電池モジュール７０外に露出している。そして、電池モジュール７０の一側面に露出した全ての伝熱板７３は、ウェイト本体３３の設置面３３ａに接触し、伝熱板７３と設置面３３ａとが熱的に結合されている。すなわち、放熱プレート７１とカウンタウェイト３１とが熱的に結合されている。

図６に示すように、上記構成の二次電池４０を複数並設した電池モジュール７０において、並設方向一端部に配置された二次電池４０は、全ての二次電池４０の中で、電極組立体４２の積層方向への長さが一番短くなっている。また、電池モジュール７０において、並設方向他端部に配置された二次電池４０は、全ての二次電池４０の中で電極組立体４２の積層方向への長さが二番目に短くなっている。このため、並設方向一端部に配置された二次電池４０は、電極組立体４２の積層方向両側の隙間Ｓが、全ての二次電池４０の中で一番長く、並設方向他端部に配置された二次電池４０は、電極組立体４２の積層方向両側の隙間Ｓが、全ての二次電池４０の中で二番目に長くなっている。

そして、並設方向一端部には、全ての二次電池４０の中で、厚みの一番厚いスペーサ５０を備えた二次電池４０が配置され、並設方向他端部には、全ての二次電池４０の中で、厚みの二番目に厚いスペーサ５０を備えた二次電池４０が配置されている。また、並設方向中央部の二次電池４０は、全ての二次電池４０の中で電極組立体４２の積層方向への長さが最も長く、隙間Ｓの長さが最も短くなっている。このため、並設方向中央部には、全ての二次電池４０の中で、最も厚みの薄いスペーサ５０を備えた二次電池４０が配置されている。そして、並設方向両端部から中央部に向かうに従い、スペーサ５０の厚みが徐々に薄くなっている。すなわち、並設方向における両端部から中央部に向かう方向では、中央部側より両端部側に配置された二次電池４０のスペーサ５０の方が厚くなっている。

次に、電池モジュール７０の作用を記載する。
電池モジュール７０の複数の二次電池４０で、充放電に伴い電極組立体４２が発熱すると、その熱の大半は、スペーサ５０を介してケース本体４３に伝わる。スペーサ５０は樹脂製であり、伝熱性が低く、複数の二次電池４０に使用されたスペーサ５０は、平面形状は全て同じであるため、厚みが厚いほど、電極組立体４２に熱が篭もりやすい。また、二次電池４０で発生した熱は、ケース本体４３より放熱プレート７１の放熱板７２及び伝熱板７３を介してウェイト本体３３に放熱されるとともに、伝熱シート８０を介して隣り合う二次電池４０に伝わる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電池モジュール７０において、並設方向両端部に配置された二次電池４０として、スペーサ５０の厚みが、その他の二次電池４０が備えるスペーサ５０の厚みより厚いものを選択した。そして、並設方向両端部の二次電池４０では、その配置から、一方の長側壁４３ｃは伝熱シート８０及びエンドプレート５３を介して大気に面しているため、並設方向両端部の二次電池４０はケース４１からの放熱性がその他の二次電池４０より高くなっている。したがって、並設方向両端部に配置された二次電池４０は、スペーサ５０の厚みが厚いことから、電極組立体４２よりケース本体４３に熱が伝わりにくいが、ケース４１からの放熱性は良く、スペーサ５０の厚みに起因するケース４１内の温度上昇が抑えられる結果、その他の二次電池４０との温度差が小さく抑えられる。よって、スペーサ５０の厚い二次電池４０の温度が、その他の二次電池４０より高くなることが抑制され、温度差が小さくなる。したがって、電池モジュール７０において、温度差が大きくなるような温度の高い二次電池４０は存在せず、加速度的に劣化が進行する二次電池４０を無くして、電池モジュール７０の寿命が短くなることを抑制できる。

（２）電極組立体４２を積層方向に拘束するためにスペーサ５０を採用している。そして、このスペーサ５０の厚みと、二次電池４０の配置を考慮することで、並設方向両端部に配置された二次電池４０と、その他の二次電池４０とで温度差を抑制することができる。したがって、既存の構成を有効利用して電池モジュール７０の寿命が短くなることを抑制できる。

（３）電池モジュール７０において、並設方向両端部から中央部に向けて、スペーサ５０の厚みが順番に薄くなるように、二次電池４０を配置した。このため、並設方向中央部ほどスペーサ５０に熱が篭もりにくく、また、並設方向外側から熱が伝わりやすい。一方、並設方向両端部ほどケース４１からの放熱性がよい。このため、スペーサ５０の厚みと放熱性とから、スペーサ５０の厚みのばらつきに起因する二次電池４０間での温度のばらつきを小さくすることができる。

（４）電池モジュール７０において、並設方向に隣り合う二次電池４０同士は、放熱板７２と伝熱シート８０を介して熱的に結合されている。このため、隣り合う二次電池４０同士で熱の受け渡しが生じるため、二次電池４０同士での温度差をより小さくすることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態では、電池モジュール７０を構成する全ての二次電池４０に、スペーサ５０が備わっていることとしたが、これに限定されず、電池モジュール７０にはスペーサ５０を備えない二次電池４０が含まれていてもよい。電極組立体４２の積層方向への長さは、製造公差によりばらつきを有するが、製造公差の最小値をゼロとして設計及び製造した場合、電池モジュール７０に含まれる幾つかの二次電池４０は、スペーサ５０を備えないこととなる。

○ スペーサ５０は、予め用意された厚みの異なる複数の樹脂シートを、各々の二次電池４０に適用してもよい。また、所定厚み（例えば０．２ｍｍ）の樹脂シートを、各二次電池４０の隙間Ｓの長さに対応するように積層してスペーサ５０としてもよい。

○ 実施形態では、並設方向に隣り合う二次電池４０同士の間に、放熱板７２と伝熱シート８０を介装したが、放熱板７２と伝熱シート８０は無くてもよいし、放熱板７２及び伝熱シート８０のいずれか一方が介装されていてもよい。

○ 実施形態では、並設方向に隣り合う二次電池４０同士の間に、放熱板７２と伝熱シート８０を介装したが、二次電池４０同士の間に流体が流通可能な流路を介在させてもよい。

○ 電池モジュール７０において、並設方向両端部の二次電池４０のスペーサ５０の厚みが、その他の二次電池４０のスペーサ５０より厚ければ、並設方向両端部に配置された二次電池４０より内側の二次電池４０のスペーサ５０の厚みは、並設方向両端部から中央部に向かって順番に薄くなっていなくてもよい。

○ 実施形態では、電極組立体４２の積層方向両側の偏平面４２ａと、長側壁４３ｃとの間にスペーサ５０を介装したが、電極組立体４２の積層方向一方の偏平面４２ａを一方の長側壁４３ｃに接触させ、他方の偏平面４２ａと、他方の長側壁４３ｃとの間だけにスペーサ５０を介装してもよい。

○ スペーサ５０は、樹脂製に限定されず、他の材質であってもよい。
○ 電極組立体４２は積層型としたが、正極電極２３と負極電極２４の間にセパレータ２５を挟んでこれらを層状に捲回した捲回型としてもよい。

○ 電極組立体４２を構成する正極電極２３、及び負極電極２４の枚数は適宜変更してもよい。
○ 実施形態では、正極電極２３は、正極金属箔２３ａの両面に正極活物質層２３ｂを有するとしたが、正極金属箔２３ａの片面のみに正極活物質層２３ｂを有していてもよい。同様に、負極電極２４は、負極金属箔２４ａの両面に負極活物質層２４ｂを有するとしたが、負極金属箔２４ａの片面のみに負極活物質層２４ｂを有していてもよい。

○ 蓄電装置としてのニッケル水素二次電池や、電気二重層キャパシタとして具体化してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。

（イ）前記電極組立体は積層型である蓄電装置モジュール。

Ｓ…隙間、２３…正極電極、２４…負極電極、２５…セパレータ、４０…蓄電装置としての二次電池、４１…ケース、４２…電極組立体、４２ａ…偏平面、４３ｃ…壁部としての長側壁、４３ｄ…内面、５０…スペーサ、７０…蓄電装置モジュールとしての電池モジュール。

Claims (4)

1. 正極電極と負極電極とがセパレータを間に介在させた状態で層状に重なる電極組立体が角型のケース内に収容されるとともに、前記電極組立体の積層方向の少なくとも一端に位置する偏平面と該偏平面に対向する前記ケースの壁部の内面との隙間にスペーサを備えた蓄電装置を複数備え、複数の蓄電装置を前記壁部同士が前記電極組立体の厚み方向に対向する状態で並設させた蓄電装置モジュールであって、
   前記積層方向に沿った前記隙間の長さに応じて前記スペーサの厚みが設定されており、
   複数の蓄電装置のうち、並設方向の両端部に配置された蓄電装置の備えるスペーサは、その他の蓄電装置の備えるスペーサよりも厚みが厚いことを特徴とする蓄電装置モジュール。
2. 前記並設方向における端部から中央部に向けて、前記スペーサの厚みが順番に薄くなっている請求項１に記載の蓄電装置モジュール。
3. 前記並設方向に隣り合う蓄電装置同士は熱的に結合されている請求項２に記載の蓄電装置モジュール。
4. 前記蓄電装置は二次電池である請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の
   蓄電装置モジュール。