JP6211757B2

JP6211757B2 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP6211757B2
Application number: JP2012261290A
Authority: JP
Inventors: 秋弘小崎; 滋福田; 武徳小林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2017-10-11
Anticipated expiration: 2032-11-29
Also published as: JP2014107217A

Description

本発明は、スペーサ部材を介して複数の単電池を積層した蓄電装置に関する。

ハイブリッド自動車、電気自動車などには、車両用走行用モータに供給される作動電力を蓄電する蓄電装置が搭載されている。この種の蓄電装置として、冷却経路を形成するためのリブが形成されたリブ付きスペーサ部材を介して複数の単電池を積層した蓄電モジュールを、エンドプレートで挟み込んで拘束した蓄電装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

近年、出力密度の高い蓄電装置が求められており、蓄電装置の出力密度を高める方法として、発電要素としての捲回体を大型化することが考えられている。捲回体はいわゆる角型ケースの中に電解液とともに収められるため、捲回体を大型化すると、捲回体に押圧されて角型ケースの中心側が膨らむ。

特開２００６−０４８９９６号公報特開２００９−１８１７３９号公報特開２００９−２７７５７５号公報

しかしながら、従来、壁面が膨らんだ単電池を拘束する方法について、有効な提案がされていない。

そこで、本願発明は、壁面が膨らんだ単電池を複数個含む蓄電装置を適切に拘束することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明は、一つの観点として、（１）発電要素としての捲回体を収容することにより所定方向に電池ケースの壁面が膨らんだ単電池を前記所定方向に積層するとともに、隣接する前記単電池の間にスペーサ部材を介在させた蓄電装置であって、前記スペーサ部材には、前記電池ケースに向かって突出する複数のリブが形成されており、前記複数のリブは、前記所定方向において前記捲回体の曲げ部の間の部位と向き合う領域に形成される複数の中心側リブと、前記中心側リブ以外の外側リブであって、前記所定方向において前記捲回体と向き合わない領域に形成される外側リブと、を有し、前記中心側リブの前記所定方向における高さを、前記外側リブの前記所定方向における高さよりも低くし、かつ全ての前記中心側リブの前記所定方向における高さを同一にすることにより、前記複数のリブの全てを前記電池ケースに当接させたことを特徴とする。

本願発明は、別の観点として、発電要素としての捲回体を収容することにより所定方向に電池ケースの壁面が膨らんだ単電池を前記所定方向に積層するとともに、隣接する前記単電池の間にスペーサ部材を介在させた蓄電装置であって、前記スペーサ部材には、前記電池ケースに向かって突出する複数のリブが形成されており、これらのリブは、前記所定方向において前記捲回体と向き合う領域に対応した位置にのみ形成されていることを特徴とする。

（３）上記（１）又は（２）の構成において、前記電池ケースは、前記所定方向において互いに向き合う一対の第１のケース側壁部と、前記所定方向に直交する方向において互いに向き合う一対の第２のケース側壁部と、底壁部とを有する有底筒状ケースと、前記有底筒状ケースの開口部を閉塞する上蓋とから構成されており、前記複数のリブは、前記第１のケース側壁部に当接している。

（４）上記（１）〜（３）の構成において、前記スペーサ部材を介して前記単電池を積層した電池モジュールを挟む一対のエンドプレートと、この一対のエンドプレートに対して互いに接近させる方向に外力を付与する拘束部材と、を有している。

本発明によれば、壁面が膨らんだ単電池を複数個含む蓄電装置を適切に拘束することができる。

蓄電装置の斜視図である。蓄電モジュールの分解斜視図である。蓄電装置の分解斜視図である。展開された発電要素の一部における斜視図である。単電池の斜視図である。スペーサ部材と単電池とが当接した状態を示す概略断面図である。スペーサ部材と単電池とが当接した状態を示す概略断面図である（実施形態２）。

本発明の一実施形態である蓄電装置について、図面を参照しながら説明する。図１は蓄電装置の斜視図である。図２は、蓄電モジュールの分解斜視図である。図３は、蓄電装置の分解斜視図であり、吸気チャンバ及び排気チャンバを省略して図示する。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに直交する３軸である。以下の説明において、Ｘ軸方向を＋Ｘ軸方向、Ｘ軸方向に対する反対方向を−Ｘ軸方向、Ｙ軸方向を＋Ｙ軸方向、Ｙ軸方向に対する反対方向を−Ｙ軸方向、Ｚ軸方向を＋Ｚ軸方向、Ｚ軸方向に対する反対方向を−Ｚ軸方向と定義する。ただし、＋Ｘ軸方向及び−Ｘ軸方向を特に区別する必要がない場合には、これらを纏めてＸ軸方向と表記する。＋Ｙ軸方向及び−Ｙ軸方向を特に区別する必要がない場合には、これらを纏めてＹ軸方向と表記する。＋Ｚ軸方向及び−Ｚ軸方向を特に区別する必要がない場合には、これらを纏めてＺ軸方向と表記する。

本実施形態の蓄電装置１は、車両走行用モータに供給される電力を蓄電するバッテリであって、電気自動車、ハイブリッド自動車に搭載することができる。電気自動車とは、車両走行用モータのみを動力源とする車両のことである。ハイブリッド自動車とは、車両走行用モータと内燃機関とを動力源として兼用する車両のことである。

図１乃至図３を参照して、蓄電装置１は、単電池１１をＸ軸方向に積層した蓄電モジュール１２Ａと、単電池１１をＸ軸方向に積層した蓄電モジュール１２Ｂと、を含む。蓄電モジュール１２Ａ及び１２Ｂは、Ｙ軸方向において並ぶ位置に配置されている。

Ｘ軸方向に隣接する単電池１１の間には、スペーサ部材１３が配置される。スペーサ部材１３には、樹脂を用いることができる。エンドプレート１９Ａは、蓄電モジュール１２ＡをＸ軸方向から挟む位置に配置されている。アッパー拘束バンド１６Ａ（拘束部材に相当する）は、Ｘ軸方向に延びており、両端部には−Ｚ軸方向に折れ曲がった曲げ部１６０Ａが形成されている。アッパー拘束バンド１６Ａの曲げ部１６０Ａは、エンドプレート１９ＡのＸ軸方向の端面に沿って−Ｚ軸方向に延びており、エンドプレート１９Ａに対して固定されている。

ロア拘束バンド１７Ａ（拘束部材に相当する）は、Ｘ軸方向に延びており、両端部には＋Ｚ軸方向に折れ曲がった曲げ部１７０Ａが形成されている。ロア拘束バンド１７Ａの曲げ部１７０Ａは、エンドプレート１９ＡのＸ軸方向の端面に沿って＋Ｚ軸方向に延びており、エンドプレート１９Ａに対して固定されている。

曲げ部１６０Ａ及び１７０Ａの一部はＸ軸方向において互いに重なっており、この重なり部分をエンドプレート１９Ａに対してリベット止めすることにより、アッパー拘束バンド１６Ａ及びロア拘束バンド１７Ａを一体化した状態で、エンドプレート１９Ａに対して固定することができる。これにより、蓄電モジュール１２ＡをＸ軸方向に圧縮することができる。

エンドプレート１９Ａの＋Ｙ軸方向の端面には、足部１９０Ａが形成されている。足部１９０Ａは、蓄電モジュール１２Ａよりも＋Ｙ軸方向に張り出している。足部１９０Ａは、不図示のロアケースに載置される。足部１９０Ａには、貫通穴１９１Ａが形成されている。この貫通穴１９１Ａに不図示の締結ボルトを締結することにより、該ロアケース及び足部１９０Ａを互いに固定することができる。

エンドプレート１９Ｂは、蓄電モジュール１２ＢをＸ軸方向から挟む位置に配置されている。アッパー拘束バンド１６Ｂ（拘束部材に相当する）は、両端部が−Ｚ軸方向に折れ曲がった曲げ部１６０Ｂを有している。ロア拘束バンド１７Ｂ（拘束部材に相当する）は、両端部が＋Ｚ軸方向に折れ曲がった曲げ部１７０Ｂを有している。アッパー拘束バンド１６Ｂの構成や組み付け方法は、アッパー拘束バンド１６Ａと同様であるため、詳細な説明を省略する。ロア拘束バンド１７Ｂの構成や組み付け方法は、ロア拘束バンド１７Ａと同様であるため、詳細な説明を省略する。

エンドプレート１９Ｂの−Ｙ軸方向の端面には、足部１９０Ｂが形成されている。足部１９０Ｂは、蓄電モジュール１２Ｂよりも−Ｙ軸方向に張り出している。足部１９０Ｂは、不図示のロアケースに載置される。足部１９０Ｂには、不図示の貫通穴が形成されている。この貫通穴に不図示の締結ボルトを締結することにより、該ロアケース及び足部１９０Ｂを互いに固定することができる。

蓄電モジュール１２Ａ及び１２Ｂは、不図示のアッパーケース及びロアケースからなるパックケースに収容される。ロアケースと蓄電モジュール１２Ａ、１２Ｂとの間には、絶縁シート２４が配設されている。

蓄電モジュール１２Ａの＋Ｙ軸方向の端部には、吸気チャンバ３１が取り付けられている。蓄電モジュール１２Ｂの−Ｙ軸方向の端部には、排気チャンバ３２が取り付けられている。図１において、吸気チャンバ３１の吸気口に向かう矢印は吸気方向を示しており、排気チャンバ３２の排気口から延びる矢印は排気方向を示している。

次に、単電池１１の構成について詳細に説明する。図４は、展開された発電要素の一部における斜視図である。図５は、単電池の斜視図である。図６は、スペーサ部材と単電池とが当接した状態を示す概略断面図である。単電池１１は、ケース１１０（電池ケースに相当する）を含み、このケース１１０は有底筒状のケース本体１１１と、ケース１１１本体の開口部を閉塞する上蓋１１２とから構成されている。ケース本体１１１は、Ｘ軸方向（つまり、単電池１１の積層方向）において互いに向き合う一対の第１のケース側壁部１１１Ａと、Ｙ軸方向において互いに向き合う一対の第２のケース側壁部１１１Ｂと、底壁部１１１Ｃとから構成されている。

ケース本体１１１の内部には、発電要素としての捲回体１５が電解液とともに収容されている。捲回体１５は、正極体１５Ａ及び負極体１５Ｂをセパレータ１５Ｃを介して積層したシート形状に形成されており、Ｙ軸方向に延びる軸周りに巻かれた状態でケース本体１１１の内部に収められている。

ここで、正極体１５Ａは、集電体と、集電体の表面に塗布される正極層とを含む。正極層は、集電体の片面又は両面に形成することができる。正極層とは、正極に応じた活物質や導電剤等を含む層である。負極体１５Ｂは、集電体と、集電体の表面に塗布された負極層とを含む。負極層は、集電体の片面又は両面に形成することができる。負極層とは、負極に応じた活物質や導電剤等を含む層である。なお、捲回体１５の外縁部（つまり、第１のケース側壁部１１１Ａに近接している部分）において屈曲が開始する部分を、曲げ部１５１と称するものとする。

ここで、単電池１１がニッケル−水素電池である場合には、正極層の活物質として、ニッケル酸化物を用い、負極層の活物質として、ＭｍＮｉ_{（５−ｘ−ｙ−ｚ）}Ａｌ_ｘＭｎ_ｙＣｏ_ｚ（Ｍｍ：ミッシュメタル）等の水素吸蔵合金を用いることができる。また、単電池１１がリチウムイオン電池である場合には、正極層の活物質として、リチウム−遷移金属複合酸化物を用い、負極層の活物質として、カーボンを用いることができる。また、導電剤として、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維、カーボンナノチューブを用いることができる。

単電池１１の＋Ｚ軸方向における端面には、突状の正極端子１１Ａ及び負極端子１１ＢがＹ軸方向に並んで設けられている。Ｘ軸方向において隣り合う一方の単電池１１の正極端子１１Ａと他方の単電池１１の負極端子１１Ｂとは、図示しないバスバーを介して電気的に接続されている。正極端子１１Ａ及び負極端子１１Ｂの間には、ガス放出弁１１Ｃが形成されている。ガス放出弁１１Ｃは、ケース本体１１１の内圧が作動圧に達すると破壊する破壊式の弁である。したがって、過充電などにより電解液からガスが発生した場合には、ガス放出弁１１Ｃが破断することにより、ケース本体１１１の外部にガスを逃がすことができる。

近年、蓄電装置の出力密度を向上させために、捲回体１５を大型化することが求められている。そのため、単電池１１のケース１１０は、図５に図示するように、充放電していない状態であってもＸ軸方向に膨らんでいる。

スペーサ部材１３のＸ軸方向の端面には、リブ群１３１（複数のリブに相当する）が形成されている。リブ群１３１は、捲回体１５と向き合う第１の領域に位置する中心側リブ１３１Ａと、中心側リブ１３１Ａ以外の外側リブ１３１Ｂとから構成されており、中心側リブ１３１Ａは外側リブ１３１ＢよりもＸ軸方向における高さが低い。つまり、本実施形態では、ケース本体１１１の膨張部分に対して接触する中心側リブ１３１Ａの高さを、外側リブ１３１Ｂよりも小さくしている。

隣接するリブの間に、吸気チャンバ３１を介して吸気された空気を導通させることにより、各単電池１１が冷却される。各単電池１１の冷却に用いられた空気は、排気チャンバ３２から排気される。

ここで、比較例として、全てのリブが同じ高さである場合、ケース本体１１１の膨張していない部分に位置する外側リブと単電池とが非接触になる。そのため、スペーサ部材１３と単電池１１との接触面積が小さくなり、拘束力の低下により各単電池１１が積層方向に対して直交する方向に位置ずれを起こすおそれがある。単電池１１の位置ずれを防止するためには、アッパー拘束バンド１６Ａなどによる拘束力を高める必要があり、特別な設備、工程を追加する必要がある。さらに、エンドプレート１９Ａ等の剛性を高めなければならないため、コストが増大する。

これに対して、本実施形態の構成によれば、全てのリブが単電池１１の外面に接触するため、アッパー拘束バンド１６Ａなどによる拘束力を高めなくても、各単電池１１の位置ずれを十分に抑制することができる。

ここで、単電池１１の個数が多くなると、蓄電モジュール１２Ａ、１２Ｂは、長大化してより撓みやすくなるが、本実施形態の構成によれば、中心側リブ１３１Ａ及び外側リブ１３１Ｂが単電池１１の外面に圧接するため、単電池１１の個数が増加しても、長大化した蓄電モジュール１２Ａ、１２Ｂに生じる撓みを小さくすることができる。

より好ましくは、図６に図示するように、捲回体１５における曲げ部１５１よりも中心側の領域、つまり、第２の領域を押圧できるような位置に中心側リブ１３１Ａを配設するのが望ましい。第１のケース側壁部１１１Ａのうち第２の領域が特に膨張しやすいことがわかっているため、中心側リブ１３１Ａ及び外側リブ１３１Ｂの寸法設定が容易になる。

（第２実施形態）
図７は、図６に対応しており、スペーサ部材と単電池とが当接した状態を示す概略断面図である。第１実施形態と同一の機能を有する要素には、同一符号を付している。

スペーサ部材２３は、Ｘ軸方向に隣接する単電池１１の間に配置されている。スペーサ部材２３のＸ軸方向の端面には、複数のリブ２３１と、複数のリップ２３２とが形成されている。アッパー拘束バンド１６Ａ等による拘束状態において、リブ２３１は、第１のケース側壁部１１１Ａに対して圧接しており、リップ２３２は、第１のケース側壁部１１１Ａに対して接触していない。

リブ２３１は、Ｘ軸方向において捲回体１５と向き合う領域に形成されている。すなわち、リブ２３１は、部品公差、組み付け時のバラツキを考慮して、必ず第１のケース側壁部１１１Ａにおける捲回体１５と向き合う第１の領域を押圧できる位置に配設されている。これにより、単電池１１のうち捲回体１５が位置する領域のみがリブ２３１によって押圧される。捲回体１５が押圧されることにより、正極体１５Ａ及び負極体１５Ｂがセパレータ１５Ｃを介して強固に密着し、所望の入出力特性を維持することができる。このように、本実施形態の構成によれば、アッパー拘束バンド１６Ａ等による拘束力を、捲回体１５を押圧するための外力として効率良く利用することができる。

すなわち、スペーサ部材２３におけるリブ２３１が捲回体１５と向き合う領域以外の領域にも形成されている場合には、アッパー拘束バンド１６Ａ等による拘束力が、捲回体１５を押圧する以外の用途に利用されてしまう。しかしながら、本実施形態の構成を採用することにより、アッパー拘束バンド１６Ａ等による拘束力を、捲回体１５を押圧するための外力として効率良く利用することができる。

より好ましくは、図７に図示するように、捲回体１５における曲げ部１５１よりも中心側の領域、つまり、第２の領域を押圧できるような位置にリブ２３１は配設される。リブ２３１を第１のケース側壁部１１１Ａにおける第２の領域を押圧する位置にのみ形成することにより、アッパー拘束バンド１６Ａ等による拘束力を、捲回体１５を押圧するための外力として、より効率的に利用することができる。

また、リップ２３２とリブ２３１とに挟まれた領域を冷媒通路として用いることにより、冷却不足を抑制することができる。ただし、リップ２３２は、省略することもできる。単電池１１における捲回体１５と向き合わない領域は、ケース１１０が変形しやすいため、この位置にリブ２３１を形成しても、寸法誤差などにより第１のケース側壁部１１１Ａに対してリブ２３１が当接しない場合がある。この場合、リブ２３１は本来の機能、つまり、単電池１１を押圧する機能を失っている。したがって、この種のリブ２３１を無くすことにより、単電池１１に対する拘束力の低下を抑制しながら、コストを削減することができる。

（変形例１）
上述の実施形態では、二つの異なる蓄電モジュール１２Ａ、１２ＢをＹ軸方向に並設したが、本発明はこれに限られるものではなく、１個の蓄電モジュール、或いは３個以上の蓄電モジュールにも適用することができる。

（変形例２）
上述の実施形態では、吸気チャンバ３１を介しての吸気方向を＋Ｘ軸方向、排気チャンバ３２を介しての排気方向を−Ｘ軸方向に設定したが、本発明はこれに限るものではなく、吸気方向及び排気方向を共に＋Ｘ軸方向又は−Ｘ軸方向に設定することもできる。

１…蓄電装置１１…単電池１２Ａ、１２Ｂ…蓄電モジュール
１３、２３…スペーサ部材１５…捲回体１６Ａ、１６Ｂ…アッパー拘束バンド
１７Ａ、１７Ｂ…ロア拘束バンド１９Ａ、１９Ｂ…エンドプレート
１１０…ケース１１１…ケース本体１１１Ａ…第１のケース側壁部
１１１Ｂ…第２のケース側壁部１１１Ｃ…底壁部１１２…上蓋
２３１…リブ２３２…リップ

Claims

発電要素としての捲回体を収容することにより所定方向に電池ケースの壁面が膨らんだ単電池を前記所定方向に積層するとともに、隣接する前記単電池の間にスペーサ部材を介在させた蓄電装置であって、
前記スペーサ部材には、前記電池ケースに向かって突出する複数のリブが形成されており、
前記複数のリブは、
前記所定方向において前記捲回体の曲げ部の間の部位と向き合う領域に形成される複数の中心側リブと、
前記中心側リブ以外の外側リブであって、前記所定方向において前記捲回体と向き合わない領域に形成される外側リブと、を有し、
前記中心側リブの前記所定方向における高さを、前記外側リブの前記所定方向における高さよりも低くし、かつ全ての前記中心側リブの前記所定方向における高さを同一にすることにより、前記複数のリブの全てを前記電池ケースに当接させたことを特徴とする蓄電装置。
前記電池ケースは、前記所定方向において互いに向き合う一対の第１のケース側壁部と、前記所定方向に直交する方向において互いに向き合う一対の第２のケース側壁部と、底壁部とを有する有底筒状ケースと、前記有底筒状ケースの開口部を閉塞する上蓋とから構成されており、
前記複数のリブは、前記第１のケース側壁部に当接し、
前記中心側リブは、前記上蓋および前記底壁部が対向する第１方向であって、前記所定方向と直交する前記第１方向における中央側の第１中心側リブと、前記第１方向における前記第１中心側リブの両側にある第２中心側リブとを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
前記スペーサ部材を介して前記単電池を積層した電池モジュールを挟む一対のエンドプレートと、
この一対のエンドプレートに対して互いに接近させる方向に外力を付与する拘束部材と、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。