JP6065823B2 - 蓄電装置の温度調節構造 - Google Patents

Description

本発明は、複数の蓄電素子が積層された蓄電装置の温度調節構造に関する。

組電池は、例えば、単電池を複数積層して構成することができる。このとき、積層方向に隣り合う単電池間には、各単電池を冷却するための冷却風の冷却経路を形成することができる。

特開２００７−３１１１２４号公報

組電池において、冷却経路の断面積が小さいと冷却風の圧力損失が生じ、単電池の冷却性能の低下を招くおそれがある。一方、単電池の冷却性能を向上させるために単電池間の間隔を大きくして冷却風の経路断面積を大きくすると、組電池が大型化してしまう。

また、単電池の冷却性能を向上させる方法として、特許文献１のように単電池表面に放熱フィンを設ける方法があるが、放熱フィンが隣り合う他方の単電池に向かって突出して位置するので、単電池間の間隔を大きくしなければならず、組電池が大型化を抑制することができない。

本発明の目的は、蓄電装置の大型化を抑制しつつ、効率良く蓄電装置を温度調節できる蓄電装置の温度調節構造を提供することにある。

本発明の蓄電装置の温度調節構造は、蓄電素子が所定の方向に複数並んで配置される蓄電装置の温度調節構造あり、所定の方向に隣り合う蓄電素子間に配置され、蓄電素子を構成する電池ケースの底面側から温度調節用の空気を流入させ、所定の方向から見た蓄電素子の左右方向の端部側に空気を流出させる流路を形成するスペーサを備える。そして、電池ケースには、流路の流出側に対応する端部に、電池ケースの底面と対向する蓄電素子の電極端子が設けられる上面から底面に向かって延び、所定の方向内側に凹んだ段差部が設けられているとともに、段差部が、電池ケースの上面から底面に向かって傾斜するように形成されている。

本発明によれば、隣り合う蓄電素子間に形成される流路の流出側（出口側）に対応する電池ケース端部に、内側に凹んだ段差部が設けられているので、蓄電素子間の間隔を大きくすることなく温度調節用の空気の流路において出口付近の断面積を大きくすることができる。このため、空気の圧力損失を抑制できるとともに、空気が接触する面積が段差分拡大するので、温度調節性能を向上させることができる。

さらに、段差部は、電池ケースの上面から底面に向かって傾斜するように構成することができる。このため、流路の流出側の流路断面積が、底面から上面に向かって狭くなる（上面から底面に向かって広くなる）。このため、底面から上面に向かう空気の流れは、流路断面積が小さい上面側よりも流路断面積が大きい底面側において左右方向に流れ易くなる。したがって、底面側から流路に流れ込んだ空気は、左右方向に誘導され易くなり、蓄電素子の上面に位置する電極端子に対して温度調節用の空気が当り難くなるので、例えば、空気が電極端子に当たることで電極端子が結露等することを抑制することができる。

温度調節構造を備えた組電池の側面図である。 スペーサの平面図を示す図である。 単電池の概略斜視図である。 発電要素を構成する積層体電極シートを示す図である。 単電池の平面図及び各部位の断面図である。 図５のＦ−Ｆ断面図である。 Ｘ−Ｙ平面における隣り合う単電間の冷却経路の拡大断面図である。 変形例のスペーサが適用されたＸ−Ｙ平面における隣り合う単電間の冷却経路の拡大断面図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
図１から図８は、実施例１を示す図である。図１は、本実施例の温度調節構造を備えた組電池１の側面図である。図１等において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸である。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の関係は、他の図面においても同様である。本実施例では、鉛直方向に相当する軸をＺ軸としている。なお、以下の説明では、＋Ｚ方向を上方、−Ｚ方向を下方、Ｘ方向から見た左右方向を＋−Ｙ方向（−＋Ｙ方向）として説明する。

本実施例の組電池（蓄電装置の相当する）１は、車両に搭載し、車両を走行させるための動力源として用いることができる。車両としては、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。ハイブリッド自動車とは、車両を走行させるための動力源として、組電池１に加えて、燃料電池や内燃機関といった他の動力源を備えた車両である。電気自動車は、車両の動力源として、組電池１だけを備えた車両である。

組電池１は、複数の単電池（蓄電素子に相当する）２を有する。単電池２は、発電要素が収容される電池ケース２２を有する。単電池２は、いわゆる角型電池であり、電池ケース２２は、直方体に形成されている。電池ケース２２は、例えば、金属で形成することができる。単電池２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）を用いることもできる。

組電池１を構成する複数の単電池２は、Ｘ方向（本発明の所定方向に相当）に間隔を空けて複数並んで配置されている。また、Ｘ方向に隣り合う単電池２間には、スペーサ３が配置されている。本実施例の組電池１は、複数の単電池２がスペーサ３を挟んでＸ方向に積層するように並んで配置されている。

なお、組電池１のＸ方向両端には一対のエンドプレート４を設けることができる。一対のエンドプレート４は、組電池１を構成する複数の単電池２を挟んでおり、複数の単電池２に対して拘束力を与えるために用いられる。一対のエンドプレート４間を接続する不図示の拘束部材により、エンドプレート４を介して複数の単電池２に拘束力を与えることができる。

図２は、本実施例のスペーサ３の平面図である。スペーサ３は、樹脂等の絶縁部材で構成することできる。図１に示すように、スペーサ３は、温度調節用の空気である冷却風の冷却経路９を単電池２間に形成する仕切り部材である。スペーサ３は、単電池２の＋Ｘ方向側（図１の右側）のケース側面２２１に取り付けられる平板状の本体部３１と、本体部３１の上端にある上端側突起部３２１と、本体部３１の下端にある下端側突起部３２２とを備える。突起部３２１，３２２は、単電池２の−Ｘ方向側（図１の左側）のケース側面２２１に当接する。

スペーサ３の各突起部３２１，３２２は、Ｘ方向から見た左右方向（図２の左右方向）に延びている。下端側突起部３２２において、左右方向における中央部には切欠き状の開口部３２３がある。冷却風は、この開口部３２３とケース側面２２１との間を通って、ケース底面２２３側から単電池２間に流入する。

図２に示すように、上端側突起部３２１によって冷却経路９の上部が閉塞しており、かつ左右方向が開口している。このため、開口部３２３から単電池２間に流入する冷却風は、電池ケース２２の各端部から、Ｘ方向から見た左右方向に向かって単電池２間外に流出する。

このように本実施例のスペーサ３は、単電池２を構成する電池ケース２２のケース底面２２３側から温度調節用の空気を流入させ、Ｘ方向から見た単電池２の左右方向の端部側に向かって空気を流出させる流路を形成する。なお、スペーサ３の表面に、空気のガイド部材として突起状のリブを設けることもできる。例えば、図２の矢印で示す冷却風の流れの沿ったリブを１つ又は複数設けてもよい。

また、本実施例のスペーサ３は、図１に示すように、Ｘ方向に隣り合う単電池２間において、一方の単電池２のケース側面２２１との間に冷却経路９を形成しつつ、他方の単電池２のケース側面２２１と本体部３１が接触して配置されている。冷却経路９を流れる空気は、一方の単電池２のケース側面２２１と接触しつつ、他方の単電池２と接触する本体部３１に接触し、冷却経路９のＸ方向両側に位置する単電池２それぞれと直接に又は本体部３１を介して間接的に熱交換を行う。

図３は、本実施例の単電池２の外観斜視図である。図３に示すように単電池２（電池ケース２２）の上面２２２は、内部に収容される発電要素２１と接続される正極端子２３１及び負極端子２３２が設けられている。正極端子２３１及び負極端子２３２は、単電池２の電極端子であり、それぞれが上面２２２においてＹ方向に離間して設けられている。

電池ケース２２は、例えば、発電要素２１の収容空間を形成するケース本体と蓋とで構成することができる。上面２２２は、発電要素２１を組み込むためのケース本体の開口を上方から塞ぐ蓋に相当する。蓋およびケース本体は、例えば、溶接によって固定することができ、電池ケース２２の内部は、密閉状態となる。

図４は、発電要素２１を構成する積層体電極シート２１０の一例を示す図である。積層体電極シート２１０は、正極板２１１、負極板２１２、およびセパレータ２１３を備える。各要素は、図４の紙面垂直方向に伸びる帯状であり、正極板２１１、セパレータ２１３、負極板２１２、セパレータ２１３の順で積層される。各要素には電解液がしみ込んでいる。

正極板２１１は、集電箔２１１Ａの両面上に正極活物質２１１Ｂが積層されて構成される。正極活物質２１１Ｂは、集電箔２１１Ａにおいて、セパレータ２１３と対向する領域にのみ積層される。集電箔２１１Ａにおける＋Ｙ方向の端側には、正極活物質２１１Ｂは積層されてない。負極板２１２も、集電箔２１２Ａの両面上に負極活物質２１２Ｂが積層されて構成される。集電箔２１２Ａにおける−Ｙ方向の端側には、負極活物質２１２Ｂは積層されてない。

発電要素２１は、積層体電極シート２１０が、正極板２１１が内側となるようにＹ軸を回転軸として巻き回されたものである。また、発電要素２１は、Ｙ方向に延びた長手状である。発電要素２１におけるＹ方向中央側には複数の発電部Ｒ（蓄電部）がある。発電部Ｒは、セパレータ２１３を介して正極板２１１と負極板２１２とが向かい合う領域部分であり、単電池２の放充電時に化学反応が行われる。

発電要素２１では、発電部Ｒを挟んで正極部Ｒｐおよび負極部Ｒｎが位置する。正極部Ｒｐは、発電要素２１の＋Ｙ方向側にあり、正極板２１１の集電箔２１１Ａのみが巻かれた領域部分である。負極部Ｒｎは、発電要素２１の−Ｙ方向側にあり、負極板２１２の集電箔２１２Ａのみが巻かれた領域部分である。正極部Ｒｐおよび負極部Ｒｎは、集電箔２１１Ａ、２１２Ａのみが巻かれた領域部分であるため、セパレータ２１３や集電箔２１１Ａ、２１２Ａが積層された状態で巻かれた発電部Ｒに比べて薄くなる。正極部Ｒｐは正極端子２３１に電気的に接続し、負極部Ｒｎは負極端子２３２に電気的に接続する。

そして、図３に示すように、電池ケース２２は、Ｙ方向に長尺状に形成されており、電池ケース２２の長手方向に対して、発電部Ｒを挟んで正極部Ｒｐおよび負極部Ｒｎが位置する発電要素２１の長手方向が略一致するように、発電要素２１が電池ケース２２内に収容される。

電池ケース２２は、当該単電池２の＋−Ｘ方向にある各単電池２と対向する２つのケース側面２２１、ケース上面２２２、ケース底面２２３、およびＸ方向から見た左右方向に向く端面２２４を備える。ケース側面２２１のＸ方向から見た左右方向の中央側は平面部２４となっており、ケース側面２２１のＸ方向から見た左右方向の両端部は、Ｘ方向内部に凹んだ段差部２５が設けられている。平面部２４および段差部２５は、＋−Ｘ方向（図３の紙面奥側および紙面手前側）の各ケース側面２２１に形成することができる。

段差部２５は、単電池２（電池ケース２２）の底面２２３と対向する単電池２の正極端子２３１，負極端子２３２が設けられる上面２２２から底面２２３に向かって延びている。段差部２５は、ケース側面２２１の一部を形成する上下方向に延びるテーパ面部２５１と、平面部２４とテーパ面部２５１との間に位置し、ケース側面２２１に対して略鉛直方向に延びる段差面２５２とを含んで構成されている。

テーパ面部２５１は、電池ケース２２の上面２２２から底面２２３に向かって傾斜している。テーパ面部２５１が形成される端部領域では、上面２２２のＸ方向の幅に対して底面２２３の幅が小さく形成されており、上面２２２から底面２２３に向かってＸ方向の幅が狭くなっている。

図５は、単電池２の正面図及び各部位での断面図を示している。図５（ａ）において、単電池２（電池ケース２２）内に収容される発電要素２１は、中央の発電部Ｒの両側に正極部Ｒｐおよび負極部Ｒｎがそれぞれ位置している。本実施例では、発電部Ｒが位置する領域を除く端部であって、正極部Ｒｐおよび負極部Ｒｎが位置する左右方向端部をＸ方向内側に凹まして段差部２５を形成している。このとき、正極部Ｒｐおよび負極部Ｒｎは、上述のように、Ｘ方向の幅が発電部Ｒよりも小さいため、段差部２５が形成された端部領域に、正極部Ｒｐおよび負極部Ｒｎが配置されるように、電池ケース２２に対して発電要素２１を収容することができる。

図５（ｂ）は、図５（ａ）のＣ−Ｃ断面図であり、図５（ｃ）は、図５（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。また、図５（ｄ）は、図５（ｃ）のＥ−Ｅ断面図である。図５（ｂ）に示すように、テーパ面部２５１で挟まれる電池ケース２２内部の収容空間は、上面２２２と同じ幅を有しており、テーパ面部２５１の内面と正極部Ｒｐ，負極部Ｒｎは、接触してない。

一方、上面２２２から底面２２３につれて、Ｘ方向の幅が狭くなり、図５（ｄ）に示すように、底面２２３側のテーパ面部２５１で挟まれる収容空間では、テーパ面部２５１の内面と正極部Ｒｐ，負極部Ｒｎが接触するほど狭くなっている。なお、発電要素２１の外周は、絶縁フィルム等で覆うことができ、発電要素２１は、電池ケース２２に対して絶縁された状態で収容される。

また、図５に示すように、ケース側面２２１の平面部２４で挟まれる電池ケース２２内部の収容空間のＸ方向の幅は、発電要素２１を構成する発電部Ｒの幅に応じた大きさに形成されており、上下方向において略鉛直な平面となっている。

このように本実施例の単電池２は、段差部２５が設けられる電池ケース２２の左右方向端部の領域が、内部に収容される発電要素２１の正極部Ｒｐおよび負極部Ｒｎに対応している。すなわち、平面部２４を挟んでＹ方向両側に形成される段差部２５は、平面部２４に位置する発電部Ｒを挟んで両側に位置する正極部Ｒｐおよび負極部Ｒｎそれぞれに対応して形成されている。

図６は、図５（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。図６に示すように、電池ケース２２の段差部２５は、Ｙ方向左右の正極部Ｒｐ，負極部Ｒｎが配置される端部領域において、上面２２２から底面２２３に向かって狭まるテーパ状に形成されている。発電要素２１を電池ケース２２に収容するとき、正極部Ｒｐ，負極部Ｒｎを徐々に狭くなるテーパ面部２５１の内面に沿って挿入し、正極部Ｒｐ，負極部Ｒｎがテーパ面部２５１間に挟まれるように、発電要素２１を電池ケース２２に収容することができる。このように本実施例のテーパ面部２５１は、発電要素２１を収容する際のガイド面（位置決め部）として機能し、電池ケース２２に対して発電要素２１が挿入し易くなっている。

また、本実施例では、段差部２５がケース上面２２２側からケース底面２２３側に向かって延びるテーパ面部２５１は、上面２２２のＸ方向の幅に対して底面２２３の幅が小さく形成されており、上面２２２側の幅が狭くなっていないため、発電要素２１が挿入される電池ケース２２の開口及び発電要素２１を封止する蓋体を長方形状とすることができ、封缶溶接し易い。

図７は、本実施例の組電池１の温度調節構造を説明するための図である。図７の例は、図１のＡ−Ａ断面の一部拡大図である。

図７に示すように、冷却風は、スペーサ３１の開口部３２３を介して単電池２間に流入する。単電池２の底面２２３側から冷却経路９内に流入した冷却風は、Ｙ方向左右に進み、単電池２の左右方向端部から単電池２の外側に排出される。このとき、Ｘ−Ｙ平面における冷却経路９の流路断面積は、段差部２５が形成される電池ケース２２の端部領域において大きくなっている。

つまり、電池ケース２２の段差部２５が内側に凹んでいるため、単電池２間の隙間を広くすることなく、段差部２５の凹み分（段差面２５２の面積とテーパ面部２５１の傾斜によって拡大された面積分）、冷却経路９の流路断面積が拡大される。

本実施例の組電池１の温度調節構造は、Ｘ方向に隣り合う単電池２間に形成される冷却経路９の流出側（出口側）に対応する電池ケース２２の端部に、内側に凹んだ段差部２５が設けられているので、単電池２間の間隔を大きくすることなく、温度調節用の空気の冷却経路９において出口付近の断面積を大きくすることができる。このため、空気の圧力損失を抑制できるとともに、空気が接触する面積が段差分拡大するので、温度調節性能を向上させることができる。

なお、図７の例では、段差部２５が形成される電池ケース２２の端部領域において、スペーサ３の本体部３１と段差部２５とが接触していないが、段差部２５に形状に合わせて本体部３１のＹ方向端部領域を形成し、例えば、図８に示す変形例のように、本体部３１を段差部２５に沿って密接させる形状に形成してもよい。この場合、スペーサ３が、Ｘ方向において、冷却経路９に対してＸ方向に凹んだ形状となり、左右方向端部において冷却経路９の流路断面積が、２つの段差部２５分拡大されることになり、単電池２間の間隔を大きくすることなく、温度調節性能をさらに向上させることができる。

さらに、段差部２５は、電池ケース２２の上面２２２から底面２２３に向かって傾斜するように構成されている。このため、冷却経路９の流出側の流路断面積が、底面２２３から上面２２２に向かって狭くなる（上面２２２から底面２２３に向かって広くなる）。このため、底面２２３から上面２２２に向かう空気の流れは、流路断面積が小さい上面２２２側よりも流路断面積が大きい底面２２３側において左右方向に流れ易くなる。したがって、底面２２３側から冷却経路９に流れ込んだ空気は、左右方向に誘導され易くなる。

上述のようにスペーサ３の上端側突起部３２１によって冷却経路９の上部が閉塞しているものの、正極端子２３１，負極端子２３２に対して少なからず冷却風が接触する。したがって、単電池２の上面２２２に位置する正極端子２３１，負極端子２３２に対して温度調節用の空気が当り難くなるので、例えば、空気が正極端子２３１，負極端子２３２に当たることで結露等することを抑制することができる。

また、底面２２３側から冷却経路９に流れ込んだ空気が、左右方向に誘導され易くなるので、正極端子２３１，負極端子２３２が位置する単電池２の上面２２２に冷却風が多く誘導され、単電池２の上面２２２側が積極的に冷却されてしまうことを抑制することができる。この場合も、単電池２の上面２２２側が積極的に冷却されてしまうことで、組電池１の周囲を流れる空気が正極端子２３１，負極端子２３２に接触して結露等が生じることを抑制することができる。

１…組電池（蓄電装置）、２…単電池（蓄電素子）、９…冷却経路、２２…電池ケース、２４…平面部、２５…段差部、２２１…ケース側面、２２２…ケース上面、２２３…ケース底面、２３１…正極端子（電極端子）、２３２…負極端子（電極端子）、２５１…テーパ面部２５１

Claims (1)

1. 蓄電素子が所定の方向に複数並んで配置される蓄電装置の温度調節構造であって、
   前記所定の方向に隣り合う蓄電素子間に配置され、前記蓄電素子を構成する電池ケースの底面側から温度調節用の空気を流入させ、前記所定の方向から見た前記蓄電素子の左右方向の端部側に前記空気を流出させる流路を形成するスペーサを備え、
   前記電池ケースには、前記流路の流出側に対応する端部に、前記電池ケースの底面と対向する前記蓄電素子の電極端子が設けられる上面から底面に向かって延び、前記所定の方向内側に凹んだ段差部が設けられているとともに、前記段差部が、前記電池ケースの上面から底面に向かって傾斜していることを特徴とする蓄電装置の温度調節構造。
   

Images