JP6859896B2 - 電池システム - Google Patents

Description

本開示は、組電池に関し、より特定的には、組電池を構成する単電池の面圧調整に関する。

特開２００９−２０００５１公報（特許文献１）には、複数の単電池が積層され（以下、単電池を積層する方向を「積層方向」ともいう）、積層された単電池間に樹脂板を配置した組電池が開示されている。単電池の各々は、正極と負極とがセパレータを介して積層され、その積層体が捲回されることにより形成された捲回型の電極体を収容する。積層された複数の単電池は拘束バンドで拘束される（以下、拘束バンドで拘束される対象となる複数の単電池を、単に「拘束対象」ともいう）。

特開２００９−２０００５１号公報 特開２０１７−１０７６４８号公報

ハイブリット自動車などの車両に搭載される組電池は、多くの場合、その規格寸法が決められている。一方、組電池を構成する個々の単電池は、製造ばらつきによって寸法誤差が存在する。

特許文献１に開示されている組電池においては、組電池の規格寸法に収めるために拘束対象が拘束バンドで拘束される。ここで、上記のとおり単電池には寸法誤差が存在し得るため、拘束前の拘束対象の積層方向の長さは、拘束対象毎に異なり得る。そのため、拘束バンドで拘束した際における拘束後の拘束対象にかかる荷重（以下「拘束荷重」ともいう）が大きくなる組電池が存在し得る。つまり、組電池間に拘束荷重の差が生じ得る。拘束荷重が大きい組電池は、各単電池における積層方向にかかる面圧も大きくなる。各単電池における積層方向にかかる面圧が大きくなる場合、単電池内の電極体内の正極と負極との電極間距離が短くなり、電流が流れやすくなるため、組電池の劣化が早まることが懸念される。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、組電池間の拘束荷重の差によって劣化の早い組電池が発生することを防ぐことである。

本開示に係る組電池は、所定の方向に積層された複数の単電池と、複数の単電池の間にそれぞれ介在する複数の樹脂板とを備える。複数の樹脂板の各々は、冷却媒体が供給される流路部を含む。流路部は、冷却媒体の圧力によって、所定の方向に伸縮可能に構成される。

上記構成によれば、樹脂板に含まれる流路部が、冷却媒体の圧力によって所定の方向（積層方向）に伸縮可能に構成される。そのため、拘束対象が拘束された状態において、冷却媒体の圧力を調整することによって、各単電池における積層方向にかかる面圧が組電池の劣化を過剰に早めることのない適正値となるように、流路部を伸縮させることができる。ゆえに、組電池毎に、各単電池内において電極間距離が短くなることを防ぐことができる。その結果、組電池間の拘束荷重の差が抑制され、劣化の早い組電池が発生することを防ぐことができる。

本開示によれば、組電池間の拘束荷重の差よって劣化の早い組電池が発生することを防ぐことができる。

本実施の形態に係る組電池の構成の一例を示す斜視図である。 本実施の形態に係る組電池を構成する単電池および樹脂板の構成の一例を示す斜視図である。 本実施の形態に係る単電池の構成の一例を概略的に示す部分断面図である。 本実施の形態に係る組電池を含む電池システムの一例を示す図である。 図４に示す断面線Ｖ−Ｖにおける断面図である。

以下、本実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜組電池および各構成＞
図１は、本実施の形態に係る組電池１の斜視図である。

組電池１は、たとえば電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）などの駆動電源として使用できる組電池である。組電池１は、複数の単電池２と、複数の樹脂板３と、１対のエンドプレート５１，５２と、４本の拘束バンド６１〜６４と、複数のバスバー４とを含む。

単電池２は、電池ケース２０と、正極外部端子２６Ａと、負極外部端子２６Ｂとを含む。電池ケース２０は、単電池２のｘ軸方向と交差する側壁２１（図３参照）を有する角型形状（略直方体形状）のケースである。図１に示す例では、複数の単電池２は、ｘ軸方向に積層され、電気的に直列に接続されている。すなわち各単電池２は、１個ずつ向きを反転させられながら配列されている。そして、一の単電池２の正極外部端子２６Ａと隣接する別の単電池２の負極外部端子２６Ｂとが、バスバー４によって電気的に接続されている。なお、図１において、単電池２の厚み方向（積層方向）をｘ軸方向とし、単電池２の長さ方向をｙ軸とし、単電池２の高さ方向をｚ軸とする。図２〜５についても同様とする。

図２は、本実施の形態に係る組電池１を構成する単電池２および樹脂板３の構成の一例を示す斜視図である。

複数の樹脂板３の各々は、単電池２同士の間に介在し、単電池２同士を絶縁する。複数の樹脂板３の各々は、平板上のベース部３０と、複数の流路部３１と、複数の流路部３２とを有する。複数の流路部３１の各々は、ｚ軸方向に延在しており、ベース部３０に対してｘ軸方向に突出するように設けられている。複数の流路部３１は、ｙ軸方向に平行に並べて設けられている。

複数の流路部３２の各々は、ｚ軸方向に延在しており、ベース部３０に対してｘ軸方向に突出するように設けられている。複数の流路部３２は、ｙ軸方向に平行に並べて設けられている。流路部３１と流路部３２とは、略交互に並べられている。このように設けられた複数の流路部３１および複数の流路部３２を冷却ポンプ（図４参照）によって循環される冷却水がｚ軸の負方向に流れる。流路部３１および流路部３２についての詳細は、後述する。

図１に戻り、エンドプレート５１，５２は、その間に複数の単電池２および複数の樹脂板３を挟んで固定する。各拘束バンド６１〜６４は、エンドプレート５１とエンドプレート５２とを連結する。このように、複数の単電池２は、ｘ軸方向に所定の拘束荷重が加えられた状態でエンドプレート５１，５２および拘束バンド６１〜６４により拘束されている。

図３は、本実施の形態に係る単電池２の構成の一例を概略的に示す部分断面図である。かかる断面図は、単電池２の積層方向に平行で、ｙ軸に垂直な断面である。

電池ケース２０には、電極体２２が収容されている。電極体２２は、正極と負極とがセパレータを介して積層され、その積層体が捲回されることにより形成されている。電極体２２に含まれる電極体の一部は、側壁２１と平行になるように配置され、その捲回軸が電池ケース２０のｙ軸方向に延在するように電池ケース２０に収容されている。

＜伸縮可能な流路部を備えた組電池＞
上記のように構成される組電池１は、ハイブリット自動車などの車両に搭載される。一般に、ハイブリット自動車などの車両に搭載される組電池１は、その規格寸法が決められている。一方、組電池１を構成する個々の単電池２は、製造ばらつきによってその厚み方向に寸法誤差が存在し得る。寸法誤差が存在する単電池２を積層した拘束対象は、拘束対象毎に積層方向の長さが異なり得る。このような拘束対象を、組電池１の規格寸法に収めるために拘束バンドで拘束すると、拘束対象毎（組電池１毎）に拘束対象にかかる拘束荷重が異なり、拘束対象にかかる拘束荷重が大きくなる組電池１が存在し得る。つまり、組電池１間に拘束荷重の差が生じ得る。拘束荷重が大きい組電池１における各単電池２の積層方向にかかる面圧は大きくなる。各単電池２における積層方向にかかる面圧が大きくなる場合、単電池２内の電極体２２の正極と負極との電極間距離が短くなり、電流が流れやすくなるため、組電池１の劣化が早まることが懸念される。

具体的には、図３に示すように、電池ケース２０の左側の側壁２１にはｘ軸の正方向に面圧Ｆ１が加わり、電池ケース２０の右側の側壁２１にはｘ軸の負方向に面圧Ｆ２が加わる。これらの面圧が大きい場合、電池ケース２０の左右の側壁２１が互いに近づく方向へ変形することによって、単電池２内の電極体２２の正極と負極との電極間距離が短くなり、電流が流れやすくなる。

そこで、本実施の形態においては、樹脂板３に設けた流路部３２が、流路部３２内の冷却水の圧力によって伸縮可能に構成されている。後述するとおり、本実施の形態においては、流路部３２内の冷却水の圧力を調整可能に構成されており（図４参照）、冷却水の圧力を調整することによって、流路部３２を伸縮させ、各単電池２におけるｘ軸方向にかかる面圧を調整できる。これにより、各単電池２内において電極間距離が短くなることを防ぎ、拘束荷重によって組電池１の劣化が早まることを防止することができる。組電池１毎に各単電池２の面圧を調整することによって、組電池１間の拘束荷重の差が抑制され、劣化の早い組電池１が発生することを防ぐことができる。以下、この点について、一例を示し詳細に説明する。

図４は、本実施の形態に係る組電池１を含む電池システム１００の一例を示す図である。電池システム１００は、組電池１と、樹脂板３と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）７と、冷却ポンプ８と、圧力センサ９１，９２と、熱交換器１０と、第１制御弁１１１と、第２制御弁１１２と、冷媒通路１２０と、第１流入通路１２１と、第２流入通路１２２と、第１流出通路１２３と、第２流出通路１２４とを備える。

ＥＣＵ７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリ（より具体的にはＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）と、各種信号を入出力するための入出力ポートとを含んで構成される（いずれも図示せず）。ＥＣＵ７は、圧力センサ９１，９２から受ける信号ならびにメモリに記憶されたプログラムに基づいて、冷却ポンプ８を制御したり、第１制御弁１１１および第２制御弁１１２を制御したりする。

冷却ポンプ８は、冷媒通路１２０内に冷却水を循環させるためのポンプであり、ＥＣＵ７により制御される。ＥＣＵ７は、組電池１の冷却が必要な場合に、冷却ポンプ８を駆動して冷却水を第１流入通路１２１および第２流入通路１２２を通じて、流路部３１および流路部３２にそれぞれ供給する。本実施の形態においては、冷却媒体は冷却水の例を示すが、液冷媒であればよく、冷却水に限定されるものではない。

圧力センサ９１は、第１流入通路１２１の圧力を、流路部３１内の圧力として検出する。圧力センサ９２は、第２流入通路１２２の圧力を、流路部３２内の圧力として検出する。圧力センサ９１および圧力センサ９２によって検出されたそれぞれの圧力は、ＥＣＵ７に送られる。

熱交換器１０は、後述する冷媒通路１２０を流通する冷却水と、外気との間で熱交換を行なう。外気は、車両の走行によって発生する自然の通風によって供給されてもよいし、またはファンからの強制通風によって供給されてもよい。

第１制御弁１１１は、流路部３１に流れる冷却水の流量を制御するための弁である。図示しない温度センサなどによって検出された組電池１の温度情報を用いて、ＥＣＵ７が、組電池１を所定の温度にするために必要な冷却水の流量を決定する。決定された冷却水の流量が流れるように、ＥＣＵ７が、第１制御弁１１１を制御して冷却水の流量を調整する。

第２制御弁１１２は、流路部３２に流れる冷却水の流量を制御するための弁である。第２制御弁１１２は、後述するように流路部３２を伸縮させるために、ＥＣＵ７によって制御される。

冷媒通路１２０は、組電池１を冷却するための冷却水が流れる流路である。冷媒通路１２０を流れる冷却水は、分岐点において、後述する第１流入通路１２１および第２流入通路１２２に分岐する。

第１流入通路１２１は、冷媒通路１２０を流れる冷却水のうち、流路部３１へ供給される冷却水が流れる流路である。第２流入通路１２２は、冷媒通路１２０を流れる冷却水のうち、流路部３２へ供給される冷却水が流れる流路である。

第１流出通路１２３は、流路部３１へ供給された冷却水が流出する流路である。第２流出通路１２４は、流路部３２へ供給された冷却水が流出する流路である。

ここで、図４における冷却水の流動について説明する。冷却ポンプ８によって、冷媒通路１２０内を循環されている冷却水は、分岐点において第１流入通路１２１および第２流入通路１２２に分岐される。第１流入通路１２１および第２流入通路１２２に分岐される冷却水の割合は、第１制御弁１１１と第２制御弁１１２との開閉の程度に関係して定められる。

第１流入通路１２１に流入された冷却水は、樹脂板３の流路部３１に供給され、単電池２（組電池１）の熱を吸収して第１流出通路１２３へ流出される。第１流出通路１２３へ流出された冷却水は、熱交換器１０において冷却されて冷媒通路１２０へ戻される。

第２流入通路１２２に流入された冷却水は、樹脂板３の流路部３２に供給され、単電池２（組電池１）の熱を吸収して第２流出通路１２４へ流出される。ここで、第２流出通路１２４は閉塞されているため、冷却水は第２流出通路１２４から流出しない。そのため、第２流出通路１２４が冷却水で満たされた場合には、冷却水は流路部３２に留まる。

このように構成された電池システム１００において、第２流出通路１２４が閉塞しているため、第２制御弁１１２を制御することによって、第２流入通路１２２への冷却水の流入を増加させ、流路部３２内の冷却水の圧力を上げることにより、流路部３２を膨張させることができる。それによって、各単電池２の面圧を上げることができる。また、第２制御弁１１２を制御することによって、第２流入通路１２２への冷却水の流入を減少させ、流路部３２内の冷却水の圧力を下げることにより、膨張した流路部３２を収縮させることができる。それによって、各単電池２の面圧を下げることができる。

流路部３２の伸縮と単電池２の面圧との関係について具体的に図５を用いて説明する。図５は、図４に示す断面線Ｖ−Ｖにおける断面図である。流路部３２を膨張させると、図５で示された単電池２が流路部３２から受ける力Ｆが増加することによって、各単電池２の面圧を上げることができる。また、流路部３２を収縮させると、単電池２が、隣接する単電池２から受ける力Ｆを低下させることによって各単電池２の面圧を下げることができる。なお、流路部３２を収縮させることに伴い、流路部３１も収縮する。これによって、単電池２が複数の流路部３２から受ける力Ｆに加えて流路部３１から受ける力も均一に低下させることができる。ゆえに、各単電池２の面圧を適切に下げることができる。

続いて、本実施の形態に係る組電池１を含む電池システム１００における流路部３２の圧力調整に関して説明する。

圧力センサ９２は、第２流入通路１２２の圧力を検出する。圧力センサ９２によって検出された第２流入通路１２２の圧力値は、流路部３２内の圧力値としてＥＣＵ７に送られる。

ここで、組電池１の規定寸法および単電池２の積層数の関係から、予め実験などによって複数の流路部３２にかかるべき圧力値（以下「目標圧力値」ともいう）が決定されており、データとしてＥＣＵ７のメモリに記憶されている。目標圧力値は、単電池２にかかる面圧を、組電池の劣化を過剰に早めることのない適正な単電池２の面圧にすることができる流路部３２の圧力値として算出され決定されている。適正な単電池２の面圧とは、拘束対象に拘束荷重がかかっている状態において、単電池２内の電極体２２の正極と負極との電極間距離に影響がでない範囲内にある面圧である。

なお、目標圧力値は、組電池１の規定寸法と想定され得る単電池２の寸法誤差とから算出してもよいし、組電池１の規定寸法と事前に測定した実際の拘束対象の積層方向の長さとから算出されてもよい。

ＥＣＵ７は、圧力センサ９２によって検出された流路部３２内の圧力と目標圧力値とを比較する。ＥＣＵ７は、この比較結果を用いて流路部３２内の圧力が目標圧力値となるように第２制御弁１１２を制御する。

具体的には、圧力センサ９２によって検出された流路部３２内の圧力値が目標圧力値未満である場合、ＥＣＵ７は、第２制御弁１１２を制御して冷却水の流量を増加させて流路部３２内にかかる圧力を加圧して、流路部３２を膨張させる。圧力センサ９２によって検出された流路部３２内の圧力値が目標圧よりも大きい場合、ＥＣＵ７は、第２制御弁１１２を制御して冷却水の流量を減少させ、あるいは流量をゼロとし、流路部３２内にかかる圧力を減圧して、膨張させていた流路部３２を収縮させる。

以上のように、本実施の形態によれば、組電池１を構成する各単電池２のそれぞれの間に樹脂板３を介在させ、冷却水の圧力によって伸縮可能に構成された複数の流路部３２を樹脂板３に設ける。そして、拘束対象が拘束された状態において、複数の流路部３２を適切に伸縮させることによって、各単電池２の面圧が調整される。ゆえに、各単電池２内において電極間距離が短くなることを防ぎ、組電池１の劣化が早まることを防ぐことができる。組電池１毎に各単電池２の面圧を調整することによって、組電池１間の拘束荷重の差が抑制され、劣化の早い組電池１が発生することを防ぐことができる。

＜変形例＞
本実施の形態においては、第２制御弁１１２によって流路部３２内にかかる圧力を制御したが、特にこれに限定されるものではない。流路部３２内にかかる圧力を制御できればよく、たとえば、冷却ポンプによって冷却水による流路部３２内にかかる圧力を制御してもよい。冷却ポンプ８の送圧を加圧して冷却水を流入させることによって、流路部３２内にかかる圧力を上げて流路部３２を膨張させる。それによって、各単電池２の面圧を上げることができる。また、冷却ポンプ８の送圧を減圧することによって、流路部３２内にかかる圧力を下げて流路部３２を収縮させる。それによって、各単電池２の面圧を下げることができる。

また、組電池１の面圧を下げるために、冷却ポンプ８を切替弁などで冷却水の流入口と流出口とを逆接続させて、流路部３２を負圧にさせてもよい。流路部３２を負圧にさせることによって、初期の状態（冷却水を流していない状態）よりも流路部３２を収縮させることができる。そのため、各単電池２の面圧を下げることができる。

本実施の形態においては、流路部３２へ供給された冷却水が流出する流路である第２流出通路１２４を閉塞させたが、特にこれに限定されるものではない。流路部３２内の圧力を調整することが可能であればよく、流路部３２内にオリフィスなどを設けて流路部３２を狭めることによって、流路部３２の出口方向の冷却水の流出量を制限してもよいし、第２流出通路１２４に流量を制御するための弁を設けて流路部３２からの冷却水の流出量を制御可能としてもよい。

本実施の形態においては、樹脂板３に複数の流路部３１および複数の流路部３２を設けたが、流路部３１を設けなくともよい。すべての流路部を流路部３２としてもよい。また、すべての流路部を流路部３２とする場合、組電池１の冷却を考慮すると、第２流出通路１２４を閉塞させず、上述の流路部３２内にオリフィスなどを設けて流路部３２を狭めることによって、流路部３２の出口方向の冷却水の流出量を制限したり、第２流出通路１２４に流量を制御するための弁を設けて流路部３２からの冷却水の流出量を制御可能とすることが望ましい。

本実施の形態においては、樹脂板３複数の流路部３２を設けたが、流路部３２を複数設けることに限定されるものではない。樹脂板３のベース部３０を設けずに、樹脂板３の全体を１つの流路部３２としてもよい。

また、流路部３１および流路部３２は、ベース部３０に対して、ｘ軸方向に突出するように設けられたが、流路部３１および流路部３２を突出させずともｘ軸方向に伸縮可能に構成されていればよい。

本実施の形態においては、ＥＣＵ７は、圧力センサ９２で検出された流路部３２内の圧力を用いて流路部３２の伸縮を制御したが、圧力センサ９２で検出された流路部３２内の圧力を用いることに限定されるものではない。たとえば、ＥＣＵ７は、圧力センサ９１，９２でそれぞれ検出された流路部３１内，および流路部３２内の圧力の平均圧力を用いて、流路部３２の伸縮を制御してもよいし、組電池１の中央に積層されている単電池２や左右の端に積層されている単電池２などの代表的な単電池２の面圧を検出して、検出した面圧と予め実験などによって決定される目標とする面圧とを用いて流路部３２の伸縮を制御してもよい。

また、ＥＣＵ７は、事前に測定した実際の拘束対象の積層方向の長さＬ１と目標圧とから、流路部３２にかかるべき圧力値を予測して決定してもよい。

本実施の形態においては、組電池１は、単電池２を単電池２の厚み方向に直列に接続した例を示したが、特にこれに限定されるものではない。たとえば、組電池１において、電気的に直列に接続された複数の単電池２同士が並列に接続されていてもよい。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 組電池、２ 単電池、２０ 電池ケース、２１ 側壁、２２ 電極体、２６Ａ 正極外部端子、２６Ｂ 負極外部端子、３ 樹脂板、３０ ベース部、３１ 流路部、３２ 流路部、４ バスバー、５１，５２ エンドプレート、６１〜６４ 拘束バンド、８ 冷却ポンプ、９１，９２ 圧力センサ、１０ 熱交換器、１００ 電池システム、１１１ 第１制御弁、１１２ 第２制御弁、１２０ 冷媒通路、１２１ 第１流入通路、 １２２ 第２流入通路、１２３ 第１流出通路、１２４ 第２流出通路。

Claims (2)

1. 電池システムであって、
   組電池と、
   冷却媒体が流通する冷媒通路と、
   制御装置とを備え、
   前記組電池は、
   所定の方向に積層された複数の単電池と、
   前記複数の単電池の間にそれぞれ介在する複数の樹脂板とを含み、
   前記複数の樹脂板の各々は、前記冷媒通路と接続され、前記冷媒通路を介して前記冷却媒体が供給される流路部を含み、
   前記流路部は、前記冷却媒体の圧力によって、前記所定の方向に伸縮可能に構成され、
   前記電池システムは、前記流路部の圧力を調整可能に構成された圧力調整部をさらに備え、
   前記制御装置は、前記流路部の圧力が目標圧力となるように、前記圧力調整部を制御し、
   前記目標圧力は、前記複数の単電池にかかる面圧を適正値にするための値である、電池システム。
2. 前記冷媒通路に設けられ、前記冷却媒体を冷却するための熱交換器をさらに備え、
   前記流路部は、第１流路部および第２流路部を含み、
   前記冷媒通路は、第１流入通路、第１流出通路、第２流入通路および第２流出通路を含み、
   前記第１流入通路の一方端および前記第２流入通路の一方端は、前記冷媒通路の分岐点に接続され、前記第１流入通路の他方端は前記第１流路部の一方端に接続され、前記第２流入通路の他方端は前記第２流路部の一方端に接続され、
   前記第１流出通路の一方端は前記第１流路部の他方端に接続され、前記第１流出通路の他方端は前記熱交換器に接続され、
   前記第２流出通路の一方端は前記第２流路部の他方端に接続され、前記第２流出通路の他方端は閉塞されている、請求項１に記載の電池システム。

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