JP6735451B2 - 組電池 - Google Patents

Description

本発明は、組電池に関する。

複数のリチウムイオン二次電池セルから構成される組電池は、残容量が少なくなると電池外部から電気エネルギーを供給、すなわち、充電して電池内部に蓄えることで、電源として繰り返し使用することができる。

組電池への充電方法としては、例えば電気自動車の場合、専用の電気スタンドがあり、最近では家庭用コンセントから充電する方法もある。これ以外にも充電時の電力供給方法は様々知られる。特にハイブリッド自動車の場合には、走行中のエンジンの動力を利用して発電機を作動させ、発生した電気を蓄える。

近年では、ハイブリッド自動車において、停止時に家庭用のコンセントから充電可能な車種も登場している。更に、自動車の場合、ブレーキをかける際に発生する熱を回生させることで充電する方法もある。また、蓄電池は、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーによって生み出された電気を電池に蓄える方法が主流である。

従来の組電池は、複数の電池セルを直列に並べ、その周囲を板状の部材で保持する構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、上記特許文献１に記載の従来の組電池を示す図である。

同図において、複数の電池セル２は、電池の広い面同士が対向するように、互いに所定の間隔を隔てて積層状態に配置されている。その両端は、エンドプレート３が配置され、２つのエンドプレートは、電池セル２の側面に対向するように設けられたホルダ部材９によって保持される。電池セル２は、充放電中に膨張し、セル同士およびセルとエンドプレートの間隔が小さくなるが、これを抑制するために、間隔保持部材１０が並行に連接される。

特開２０１２−０５９５８１号公報

上記特許文献１記載の組電池に代表されるように、リチウムイオン二次電池は動作中に膨張することは避けられず、所定の寸法に収める必要がある場合には、膨張による電池セル２の変形を小さくするか、組電池全体としての伸びを抑える対策が必要となり、多くの場合は後者の工夫がなされる。

上記従来の組電池においては、電池セルの膨張を抑えることを目的に、棒状スペーサーを連接している。このとき、１箇所の電池セル同士、又は、電池セルとエンドプレートの隙間にある棒状スペーサーが多いほど良いとされる。電池セルの膨張量は、電池の容量と関係しており、容量が小さな電池であれば電池セルの膨張量も小さく、上記特許文献１に記載の方法は有効である。

しかしながら、最近では特に車載用途などで電池の高容量化が望まれており、電池セルの膨張量も大きくなっている。この場合、電池セル同士の間隔を保つことが困難になることに加え、電池セルの膨張を棒状スペーサーが拘束することで発生する反力によって組電池全体が伸びることになる。

特に車載用途では、電池の搭載スペースが限られていることが多く、組電池の寸法が伸びるとなると、周囲の部品に干渉する恐れがある。したがって、電池の動作時においては、組電池の伸びは小さい方が望ましい。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、電池セルが膨張する場合においても、全体としては伸びを抑えることが可能な組電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の組電池は、複数の電池セルが、電池の長側面同士が対向するように直列に配置され、その両端を複数に分割されたエンドプレートで挟み、両端一対のエンドプレートが、少なくとも組電池の４隅以外のエンドプレート端、すなわち電池の正負両端子の内側で金属バンドと接合されている構造をとる。

以上のように、本発明の組電池によれば、高容量の電池セルを使用した場合でも、電池セルの膨張による反力を緩和することができ、組電池全体の伸びを小さく抑えることができる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る組電池が組み上がった状態を示す図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る組電池において、電池セルを除いた構成部品を示す図である。 図１Ｃは、本発明の実施の形態１に係る組電池の電池セルを示す図である。 図２Ａは、電池セルが膨張した際の解析事例を示す図である。 図２Ｂは、解析結果から得られたエンドプレート，金属バンド及び連結部材を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態３におけるエンドプレートおよび連結部材の図である。 図４は、本発明の実施の形態４におけるエンドプレートの図である。 図５Ａは、エンドプレートの寸法変化を示す図である。 図５Ｂは、エンドプレートの寸法変化を示す図である。 図５Ｃは、エンドプレートの寸法変化を示す図である。 図６は、特許文献１に記載された従来の組電池の電池ブロックを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１Ａ〜図１Ｃは本発明の実施の形態１における組電池の全体図である。図１Ａ〜図１Ｃにおいて、図６と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図１Ａ〜図１Ｃにおいて、組電池１は、電池セル２、エンドプレート３、金属バンド４、連結部材５から構成される。図１Ａは、組電池１が組み上がった状態を示し、図１Ｂは、電池セル２を除いた構成部品を示し、図１Ｃは、電池セル２を示す。

電池セル２は、使用中に充放電が繰り返される過程で徐々に膨張する。これは以下の理由による。

電池セル２は、その製造過程において、電極材料となる物質を金属箔に塗布した後に乾燥し、更に、厚さ方向に圧縮された状態で巻き取られ、電解液とともにセル缶内に封止される。電池の使用状態では、電極の化学反応による発熱やジュール発熱によって電極材料が膨張する。寿命初期では膨張した材料は、やがては元に戻るが、製造途中の圧縮過程で生じた残留応力が徐々に解放され、充放電が繰り返されると電極の厚さが増加し、電池セル全体の厚さも増加していく。

また、電極の厚さが増加し続けると、セル缶による拘束から圧縮の力を受け、やがて電極が座屈する。座屈で生じた隙間の電解液は常温でも気化し、温度が上がると体積が増え、これに伴って電池セルの厚さが増加する。

図１Ｃに示すように、電池セル２の上端には電極の端子があり、巻き取られた電極は、角型電池の長い寸法の方向を軸として、矢印７で示されるように倦回された状態で収納される。この状態では、巻取りの軸方向には殆ど膨張せず、また、電池セル２の端子がある上側には巻き取られた電極群とセル缶の上側に隙間があることで、電池セル２は、動作中でも見かけ上は殆ど膨張しないため、電池セル２は、面積の広い方向に膨張する。

このようにリチウム二次電池セルは、使用上、膨張して幅が大きくなることは避けられない。一方で、特に車載用途の場合、電池を搭載できる空間が限られているために、電池以外の部品や構造物がすぐ近くに配置されることが多く、電池の寸法変化が大きくなると周囲の部品と干渉することが懸念される。そのため、組電池１の寸法変化は、最小限に留める必要がある。

その対策としては、組電池１を構成する部材の寸法を大きくしたり、ヤング率の高い材料を使用したりすることで、部材の剛性を大きくする方法と、電池セル２の膨張で構成部材に発生する反力を緩和する方法とがある。前者の方法では、組電池が大きくかつ重くなる傾向にあり、特に小型化や軽量化が要求される車載用途には好ましくない。

図１Ａに示した組電池は、寸法や重量が大きくなることを極力抑える構造としている。電池セル２は、面積が広い面同士が向かい合うようにして複数個が直列に配置される。エンドプレート３は、その両端に一対に配置され、それぞれ高さ寸法は電池セル２と同じで幅寸法は電池セル２の長側面の長辺よりも小さい２つの板と、２つの板を連結する連結部材５から構成される。

２つの板は、端に配置される電池セル２の長側面の両端に配置され、電池セル２の端面と反対側の端に、ベースへ締結されるボルト締結部６が設けられる。２つの板と連結部材５は、溶接等の方法で接合され、これにより、端にある電池セル２の面積が広い面は、中央にエンドプレート３と接しない部分が生じる。電池セル２が膨張する際には、面積が広い面の中央が膨らむ。

従来の組電池では、電池セル２を並べた両端に「エンドプレート３」若しくは「端板」と称される部材を配置する場合、電池セル２と大きさが同程度の１枚の板が使用されている。この場合、電池セル２が膨張すると、最も変形が大きい中央で発生する大きな反力を受けることになる。

これに対して、本発明のエンドプレート３は、電池セル２の中央が膨張しても接触することはなく、膨張による反力を緩和することができる。その結果、１枚のエンドプレートに比べて、電池が動作する際の組電池１全体の長側面方向の変形量は小さくすることができる。エンドプレート３の材質としては、樹脂や金属を使えばよいが、曲げ弾性率が１５０ＧＰａ以上であることが望まし。また、締結部のボルト孔を設ける関係で、加工が容易でなければならないこと。この点を考慮すると、例えばアルミニウムなどを使用すればよい。

電池セル２の膨張による反力を緩和するためには、複数のエンドプレート３の電池セル２の広い面に対する面積比は合計２０％以上あることが望ましい。但し、後述の金属バンド４ｃは、電池セル２上部にある端子と干渉してはならず、エンドプレート３はこれを満足する大きさが必要となる。

一対のエンドプレート３は、金属バンド４で互いに締結される。金属バンド４は、電池セル２の膨張によって発生する反力で組電池１全体が伸びるのを抑える役割を果たす。例えば、高張力鋼のように縦弾性係数が高いことが求められる。例えば、図１Ｂにおいて、金属バンド４の構成は、組電池１の両短側面で金属バンド４ａの側面上と金属バンド４ｂの側面下とがそれぞれ２本ずつ、一対のエンドプレート３締結部を連結するように、金属バンド４ｃの天面と金属バンド４ｄの底面とが２本ずつ、すなわち、組電池１全体で計八本となっている。

エンドプレート３は、ベースにボルト締結された状態で電池セル２が膨張すると、下側はほとんど変位がなく、上側の変位が大きくなる。

図２Ａ〜図２Ｂは、この状態を示した解析事例である。図２Ａは、解析に使ったモデルを示しており、組電池１をベースに取り付けた状態を、電池セル２を除いて示したものである。但し、組電池１は、長手方向および短手方向の中央断面で対称な形状であるとして、全体の１／４をモデル化し、対称面には、対称面と垂直な方向の変位を拘束する境界条件を与えることで、全体をモデル化して解析したものと等価な解析を行っている。

このモデルに対して、ボルト締結部６にボルトを通してベースに固定した状態で、エンドプレート３の内側、電池セル２と接する面に、電池セル２が膨張したときに発生する反力を想定した荷重を負荷した。図２Ｂは、その解析から得られたエンドプレート３、金属バンド４、及び、連結部材５の変形図である。

エンドプレート３は、下側がボルト締結によって固定されているために変位が小さく、上側はそのような制約がないため、下側よりも変位が大きくなることが示されている。電池セルがこの変位を抑えるためには、少なくとも金属バンド４ｃの天面には、設置されることが好ましい。但し、エンドプレート３の上側も、例えばベースを設けて締結するなど、何らかの方法で拘束することができる場合はこの限りではない。

金属バンド４ｄの底面は、他の金属バンド４と同様に組電池１の長手方向の変位を小さくする役割を持つとともに、組電池１を組み立てる際に電池セル２を支持することで脱落を防止する機能も有する。この機能に関しては、短側面下側の金属バンド４ｂの側面下をＬ字型にして、電池セル２の両端で支持することで代用することもできる。この場合、組電池１を何らかのベースにボルト締結して使用するのであれば、組電池１下側の変位は、概ねゼロにできるため、金属バンド４ｄの底面はなくても問題ない。

かかる構成によれば、電池セル２が動作中に膨張しても、組電池１全体での伸びを小さく抑えることができる。

（実施の形態２）
また、エンドプレート３は、例えば両短側面は上下二本に分かれていなくても、図２Ａ〜図２Ｂに示すように上下が結合された一体物としてもよい。組電池１の動作中に電池セル２の温度上昇を抑制する必要があり、直列に並んだ電池セル２の隙間に風を通して冷やすような場合には上下二本に分かれている方が良い。

また、電池セル２の底面で冷やすような場合には、短側面は冷却用の機構は不要で、一体物でも良い。

（実施の形態３）
組電池１の両方の長側面端にある２つのエンドプレート３と連結部品について、連結部品を図４に示すような、コの字型部品とする。エンドプレート３には、図４に示すような、連結部品をはめ込む連結部材挿入穴８を設け、組立時にはこの部分に連結部品をはめ込んでおく。

ベースに取り付けた後に連結部品を外す。電池セル２が膨張してその反力でエンドプレート３が変形する場合、実施の形態１では長側面の最も外側にある連結部品の変位が最も大きい。すなわち、連結部品を外す方が、最大変位は小さくなり、したがって組電池１の伸びを抑える効果がある。

万が一、組電池１の中の一つの電池セル２に不具合が発生して取替えが必要な場合も、コの字型の連結部品を再度差し込んでから分解すれば、安全かつ容易に作業を行うことができる。本構造では、少なくとも電池セル２とそれ以外の部品には簡単に分解することができるため、万が一電池に異常が発生した場合でも、該当する電池セルを取り出して交換することで、比較的容易に修復が可能である。

また、組電池１を組み立てる設備で、図４に示した、エンドプレートの連結部材挿入穴８を位置決めに利用するような治具を用いれば、連結部品がなくても組み立てることができる。

（実施の形態４）
エンドプレート３について、図５Ａに示すように、電池セル２と接する反対側の面、すなわち、組電池１の長側面最外周側の表面を削り、窪んだ形状にする。このエンドプレート内側を側面から見たものが図５Ｃである。

図１Ａ〜図１Ｃに示す実施の形態１の構成では、エンドプレート３は直方体で、内側の側面から見ると図５Ｂのような長方形になる。本構成では、電池セル２の膨張による反力でエンドプレート３が押されると、中央部の変位が最も大きくなる。

これに対し、図５Ｃのように、中央が凹んだエンドプレート３では、セルが膨張した際の反力を受けると、図５Ｂと同様にエンドプレート３の中央部分の変位が大きくなり、外側に膨らむが、組電池１の最大寸法は変わらない。すなわち、組電池全体としては見かけ上、伸びはほとんど発生しないようにすることができる。

本発明の組電池は、電気自動車やハイブリッド車等の輸送機器、或いは、家庭用の蓄電池、緊急時の備蓄電源等の用途にも適用できる。

１ 組電池
２ 電池セル
３ エンドプレート
４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 金属バンド
５ 連結部材
６ ボルト締結部
８ 連結部材挿入穴
９ ホルダ部材
１０ 間隔保持部材

Claims (6)

1. 複数の電池セルが直列に並び、両端を一対のエンドプレートで挟み、前記一対のエンドプレートが金属バンドで締結される組電池において、
   前記一対のエンドプレートはそれぞれ小プレートＡと小プレートＢとからなり、前記小プレートＡと前記小プレートＢとが、前記複数の電池セルのうち端に配置される電池セルの長側面の両端に配置され、それぞれの高さ寸法は電池セルと同じで幅寸法は電池セル２の長側面の長辺よりも小さく、一方に配置される小プレートＡと、前記複数の電池セルを挟んで対向して配置される他方の小プレートＢとが、第１金属バンドで接合されてなること、
   を特徴とする組電池。
2. 前記一方に配置される小プレートＡの内側端部と、前記他方の小プレートＢの内側端部とが前記第１金属バンドで接合されてなる、請求項１記載の組電池。
3. 前記小プレートＡと前記小プレートＢとは、同一形状である、請求項１または２に記載の組電池。
4. 前記小プレートＡと前記小プレートＢは、連結部材で締結されてなり、前記連結部材は着脱可能に構成される、請求項１〜３の何れか一項に記載の組電池。
5. 前記一方に配置される小プレートＡと前記他方の小プレートＢとは、前記第１金属バンドが配設される面の側面の前記複数の電池セルが積層される方向において、更に第２金属バンドで接合されてなる、請求項１〜４の何れか一項に記載の組電池。
6. 前記第２金属バンドは、複数の部材で構成される、請求項５記載の組電池。