JP6961728B2 - 電池装置及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電池装置及び製造方法に関する。

従来、電池セルと電池セルとの間を成型済みの樹脂部材を挟みながら積層した組電池装置が提案されている。
このような積層型の組電池装置においては、積層数が多くなった場合には、積層に伴う累積誤差を防ぐために、電池セルの外装筐体を樹脂パック外装に部分圧入形状を採るか、あるいは別途弾性力を有した樹脂や金属を備え、圧力を加えながら固定する構成が採られていた。

特開２０１１−０２３２９６号公報

しかしながら、従来技術においては、構成が複雑になるとともに、体積効率が低下し、弾性力を有した樹脂や金属を接着剤、粘着テープ等で固定しなければならないという不具合があった。
さらに部品点数が増加することで、電池セルの放熱を効率的に行い、電池セルの能力を維持するための冷却風の経路の確保が困難となるという不具合もあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、構成を簡略化し、体積効率の低下を抑制し、容易に冷却経路を確保することが可能な電池装置及び製造方法を提供することを目的としている。

実施形態の電池装置は、複数の電池セルと、複数の電池セルを収納可能な外装部材と、自己接着性を有する発泡性樹脂により形成され、一の電池セルと他の電池セルとの間及び電池セルと外装部材との間に配置された発泡樹脂固定部材と、を備える。

図１は、実施形態の電池ユニットの説明図である。 図２は、実施形態の電池ユニットの組み立て説明図である。 図３は、第２実施形態の第１態様の電池ユニットの説明図である。 図４は、第２実施形態の第２態様の電池ユニットの説明図である。 図５は、第２実施形態の第３態様の電池ユニットの説明図である。 図６は、第２実施形態の第４態様の電池ユニットの説明図である。 図７は、第２実施形態の第５態様の電池ユニットの説明図である。 図８は、第３実施形態の第１態様の説明図である。 図９は、第３実施形態の第２態様の説明図である。 図１０は、第４実施形態の一例の説明図である。

次に図面を参照して好適な実施形態について説明する。
［１］第１実施形態
図１は、実施形態の電池ユニットの説明図である。
図１（ａ）は、電池ユニットの平面一部断面図、図１（ｂ）は、電池ユニットのＡ−Ａ断面矢視図、図１（ｃ）は、電池ユニットの側面図である。

図１においては、理解の容易のため、二つの電池セルを積層して電池装置（組電池装置）として電池ユニットを構成した場合を例として説明する。
電池ユニット１０は、ステンレス製（例えば、ＳＵＳ−３０４製）の外装部材１１と、外装部材１１内に収納された一対の電池セル１２Ａ、１２Ｂと、電池セル１２Ａ、１２Ｂを外装部材１１内に固定保持するための発泡樹脂固定部材１３Ｃ１、１３Ｃ２、１３Ｃ３、１３Ｓ１、１３Ｓ２と、を備えている。

上記構成において、外装部材１１は、板金溶接により形成された筒型形状を有している。
電池セル１２Ａは、一端に外装部材１１から突設されるように板状の電極パネルＥＰ１が設けられており、この電極パネルＥＰ１に、例えば、電池セル本体１２Ａ１の正極が接続されている。また電池セル１２Ａの他端には、外装部材１１内に収まるように電極端子ＥＴ１が設けられており、この電極端子ＥＴ１には、例えば、電池セル本体１２Ａ１の負極が接続されている。

一方、電池セル１２Ｂは、一端に外装部材１１から突設されるように板状の電極パネルＥＰ２が設けられており、この電極パネルＥＰ２に、例えば、電池セル本体１２Ｂ１の負極が接続されている。また電池セル１２Ｂの他端には、外装部材１１内に収まるように電極端子ＥＴ２が設けられており、この電極端子ＥＴ２には、例えば、電池セル本体１２Ｂ１の正極が接続されている。

そして、電池セル１２Ａの電極端子ＥＴ１と、電池セル１２Ｂの電極端子ＥＴ２とは、三角柱形状の導通部材１４により電気的に接続されて、電池セル１２Ａと電池セル１２Ｂとは直列接続され、所定の電圧を出力可能とされている。

電池セル１２Ａ、１２Ｂは、例えば、リチウムイオン二次電池で構成されている。リチウムイオン二次電池は、非水電解質二次電池の一種であり、電解質中のリチウムイオンが電気伝導を担う。正極材料としては、例えば、リチウムマンガン複合酸化物や、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、リチウムマンガンコバルト複合酸化物、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物等が用いられ、負極材料としては、例えば、チタン酸リチウム（ＬＴＯ）等の酸化物系材料や、ニオブ複合酸化物等の酸化物材料等が用いられる。また、電解質（例えば、電解液）としては、フッ素系錯塩（例えばＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６）等のリチウム塩が配合された、例えば、炭酸エチレンや、炭酸プロピレン、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジメチル等の有機溶媒等が単独であるいは複数混合されて用いられる。

ここで、電池セル１２Ａ、１２Ｂの筐体は、薄い偏平な直方体状（断面長方形状の筒状）に構成され、例えば、比較的厚さの薄いＳＵＳ３０４により形成されている。
なお、電池セル１２Ａ、１２Ｂは、ニッケル水素電池や、ニッケルカドミウム電他等、他の二次電池であってもよい。また、電池セル１２Ａ、１２Ｂは、単電池等とも称されている。

発泡樹脂固定部材１３Ｃ１は、電池セル１２Ａの長手方向中央部に対応する位置であって外装部材１１の下面１１Ｌに対応する位置に設けられ、発泡樹脂固定部材１３Ｃ２は、電池セル１２Ａ及び電池セル１２Ｂの長手方向中央部に対応する位置であって電池セル１２Ａと電池セル１２Ｂとの間に設けられ、発泡樹脂固定部材１３Ｃ３は、電池セル１２Ｂの長手方向中央部に対応する位置であって外装部材１１の上面１１Ｕに対応する位置に設けられている。

発泡樹脂固定部材１３Ｓ１及び発泡樹脂固定部材１３Ｓ２は、電池セル１２Ａ、１２Ｂの両側面に対応する位置であって、外装部材１１の左側面１１Ｌ及び右側面１１Ｒに対応する位置にそれぞれ設けられている。さらに発泡樹脂固定部材１３Ｓ１及び発泡樹脂固定部材１３Ｓ２は、断面Ｅ字形状をしており、それぞれ外装部材１１の上面１１Ｕと電池セル１２Ｂとの間、電池セル１２Ａと電池セル１２Ｂとの間及び外装部材の下面１１Ｌと電池セル１２Ａとの間にその一部が位置して、冷却用の空間ＳＰを維持するように形成されている。

上記構成において、発泡樹脂固定部材１３Ｃ１、発泡樹脂固定部材１３Ｃ２、発泡樹脂固定部材１３Ｃ３、発泡樹脂固定部材１３Ｓ１及び発泡樹脂固定部材１３Ｓ２の材料としては、例えば、２液反応硬化型の発泡ウレタン樹脂が用いられる。

より具体的には、発泡ウレタン樹脂としては、ＨＹＵフォーム（超高湿発泡ウレタン：株式会社服部商店製）、インサル［登録商標］パック（簡易型発泡ウレタン：株式会社エービーシー商会製）、チェラスト［登録商標］（発泡ウレタンエラストマー：ＢＡＳＦ ＩＮＯＡＣ ポリウレタン株式会社製）等が挙げられる。
以上の説明においては、発泡樹脂工程部材として発泡ウレタン樹脂を用いているが、自己接着性及び発泡性を有する樹脂であればこれに限られるものではない。

図２は、実施形態の電池ユニットの組み立て説明図である。
まず、外装部材１１を用意する（ステップＳ１１）。
次に第１の案内スペーサＧＳ１を外装部材１１の両端の開口からはみ出すように設置し、電池セル１２Ａを載置し、さらに電池セル１２Ａの上面（図２中、上方向）に第２の案内スペーサＧＳ２を載置する。続いて、電池セル１２Ａの電極端子ＥＴ１と、電池セル１２Ｂの電極端子ＥＴ２とを対向させるように電池セル１２Ｂを電池セル１２Ａに向かい合うように案内スペーサＧＳ２に載置し、さらに電池セル１２Ｂの上面（図２中、上方向）に第３の案内スペーサＧＳ３を載置する。そして、電池セル１２Ａ及び電池セル１２Ｂが、電極パネルＥＰ１，ＥＰ２を除き、外装部材１１内に収納される状態とする（ステップＳ１２）。

そして、外装部材１１と、案内スペーサＧＳ１〜ＧＳ３、電池セル１２Ａ及び電池セル１２Ｂとの間に形成される断面Ｅ字状のサイドスペースに発泡樹脂を図示しない樹脂注入ノズルを介して注入し、発泡樹脂固定部材１３Ｓ１及び発泡樹脂固定部材１３Ｓ２を形成する（ステップＳ１３）。

そして、発泡樹脂固定部材１３Ｓ１及び発泡樹脂固定部材１３Ｓ２の硬化が完了した後、案内スペーサＧＳ１〜ＧＳ３を抜き取り、今度は、発泡樹脂固定部材１３Ｃ１、発泡樹脂固定部材１３Ｃ２及び発泡樹脂固定部材１３Ｃ３に対応する位置に発泡樹脂を図示しない樹脂注入ノズルを介して注入し、発泡樹脂固定部材１３Ｃ１、発泡樹脂固定部材１３Ｃ２及び発泡樹脂固定部材１３Ｃ３を形成する（ステップＳ１４）。

この場合において、樹脂注入ノズルは、案内スペーサＧＳ１〜ＧＳ３を抜き取った後に形成されている空隙内を移動しつつ（空隙内から引き抜かれつつ）、発泡樹脂固定部材１３Ｃ１、発泡樹脂固定部材１３Ｃ２及び発泡樹脂固定部材１３Ｃ３をそれぞれ形成する。

続いて電池セル１２Ａの電極端子ＥＴ１と、電池セル１２Ｂの電極端子ＥＴ２と、の双方に三角柱形状の導通部材１４を溶接することにより、電池セル１２Ａと電池セル１２Ｂとを溶接して電気的に接続し、直列接続する（ステップＳ１５）。
これらの結果、二つの電池セルを備えた電池ユニットが形成される。

上記構成において、発泡樹脂固定部材１３Ｓ１及び発泡樹脂固定部材１３Ｓ並びに発泡樹脂固定部材１３Ｃ１、発泡樹脂固定部材１３Ｃ２及び発泡樹脂固定部材１３Ｃ３として硬質ウレタンフォームを用いているため、その自己接着性により、接着剤を使わない場合でも、外装部材１１を構成している金属、合板などの対象物表面に強固に接着させることができる。

さらに硬質ウレタンフォームの発泡倍率を制御することで、硬質ウレタンフォームの硬度をある程度制御することが可能であるので、振動吸収能力あるいは形状維持能力（耐荷重能力）のうち、いずれをより重視した電池ユニットとするのかを設計することが可能となる。

本第１実施形態の電池ユニット１０によれば、耐震性、耐衝撃性を確保して構成を簡略化できる。この場合において、体積効率の低下を抑制しつつ、容易に冷却経路を確保することが可能となる。

また固定部材として発泡樹脂を用いて隙間内で硬化を行わせるため、外装部材及び電池セルの様々な形状に対応することが可能であり、成型部品と異なり、様々な仕様に適応できる。

［２］第２実施形態
上記第１実施形態においては、電池セルの縦横比が２対１程度であったが、本第２実施形態の電池セルは、電池容量を大きくして厚さを低減するため、電池セルの縦横比が４対１程度となっており、外装部材の長さが長くなるため、積層設置した場合の冷却経路を確保するための実施形態である。

［２．１］第１態様
図３は、第２実施形態の第１態様の電池ユニットの説明図である。
図３において、図１と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
図３においては、理解の容易のため、外装部材１１の上面１１Ｕ及び上面１１Ｕ側に配置されている電池セルを取り除いて電池セル１２Ｃのみとした状態を示している。

第２実施形態の第１態様の電池ユニット１０Ａ１は、発泡樹脂固定部材２１を複数の電池セルの積層方向における電池セル間の隙間に、蛇行した帯状に配置した場合のものである。

この発泡樹脂固定部材２１によれば、発泡樹脂固定部材２１の両側方に冷却風の流れＣＷを形成可能な冷却用経路を構成するための空間ＳＰを形成することができ、効率的に電池セル１２Ｃを冷却して、効率よく動作させることが可能となる。

［２．２］第２態様
図４は、第２実施形態の第２態様の電池ユニットの説明図である。
図４において、図３と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
図４においても、図３の場合と同様に、理解の容易のため、外装部材１１の上面１１Ｕ及び上面１１Ｕ側に配置されている電池セルを取り除いて電池セル１２Ｃのみとした状態を示している。

上記第２実施形態の第１態様においては、蛇行した帯状の発泡樹脂固定部材を設ける構成としていたが、本第２態様の電池ユニット１０Ａ２は、複数の発泡樹脂固定部材２２Ａ、２２Ｂを複数の電池セルの積層方向における電池セル間の隙間に、ドット状（円形状あるいは楕円形状）に一列に配置した場合のものである。

この発泡樹脂固定部材２２Ａ、２２Ｂによれば、発泡樹脂固定部材２１の両側方の冷却風流れＣＷに加えて、発泡樹脂固定部材２２Ａと発泡樹脂固定部材２２Ｂとの間に冷却風の流れＣＷを形成可能な冷却用経路を構成するための空間ＳＰを形成することができ、効率的に電池セル１２Ｃを冷却して、効率よく動作させることが可能となる。

［２．３］第３態様
図５は、第２実施形態の第３態様の電池ユニットの説明図である。
上記第２実施形態の第１態様においては、蛇行した帯状の発泡樹脂固定部材を一列設ける構成としていたが、本第３態様の電池ユニット１０Ａ３は、発泡樹脂固定部材を複数の電池セルの積層方向における電池セル間の隙間に、直線帯状の発泡樹脂固定部材を複数列（図５の例では、３列）配置した場合のものである。
すなわち、直線帯状の発泡樹脂固定部材２３Ａ〜２３Ｃを配置している。

これらの発泡樹脂固定部材２３Ａ〜２３Ｃによれば、発泡樹脂固定部材２３Ａの両側方及び発泡樹脂固定部材２３Ｃの両側方に冷却風の流れＣＷを形成可能な冷却用経路を構成するための空間ＳＰを形成することができ、効率的に電池セル１２Ｃを冷却して、効率よく動作させることが可能となる。
さらに複数列で接着固定しているため、より剛性を向上することができる。

［２．４］第４態様
図６は、第２実施形態の第４態様の電池ユニットの説明図である。
上記第２実施形態の第１態様及び第３態様においては、独立している各発泡樹脂固定部材の幅（長手方向と直交する方向の長さ）は、一定であったが、本第４態様の電池ユニット１０Ａ４は、長手方向の位置によって発泡樹脂固定部材２４Ａ〜２４Ｃの幅を周期的に変化させて配置した場合のものである。

これらの発泡樹脂固定部材２４Ａ〜２４Ｃによれば、発泡樹脂固定部材２４Ｂの両側方に蛇行する冷却風の流れＣＷを形成可能な冷却用経路を構成するための空間ＳＰを形成することができ、効率的に電池セル１２Ｃを冷却して、効率よく動作させることが可能となる。

さらに第３態様と同様に、複数列で接着固定しているため、より剛性を向上することができる。

［２．５］第５態様
図７は、第２実施形態の第５態様の電池ユニットの説明図である。
上記第２態様においては、ドット状の発泡樹脂固定部材を直線上に配置していたが、本第５態様の電池ユニット１０Ａ５は、千鳥状（千鳥足状）にトッド状の発泡樹脂固定部材２５を分散配置させた場合のものである。

本第５態様によれば、機械的強度を確保しつつ、冷却風経路を電池セルの上下面の全面にわたって確実に形成して冷却効率を確保することが可能となる。

［３］第３実施形態
上記各実施形態においては、電池セル自身の共振を考慮していなかったが、本第３実施形態では、電池セルの共振について、曲げ１次モード〜曲げ３次モードを考慮して発泡樹脂固定部材を設けている。

［３．１］第１態様
図８は、第３実施形態の第１態様の説明図である。
電池セルの長手方向の長さをＬとした場合、図８に示すように、曲げ１次モードの振動の腹の位置とみなしたＬ／２の位置（電池セルの長さの１／２の位置）、曲げ２次モードの振動の腹の位置とみなしたＬ／４及び３・Ｌ／４の位置（電池セルの長手方向両端からそれぞれ電池セルの長さの１／４の位置）及び曲げ３次モードの振動の腹の位置とみなしたＬ／６、３・Ｌ／６及び５・Ｌ／６の位置に発泡樹脂固定部材３１Ａを電池セルの短手方向一杯の長さで並行して配置している。

このように発泡樹脂固定部材３１Ａを配置することにより、共振に伴う電池セル１２Ｃの振動を抑制し、電池ユニット１０Ｂ１全体の剛性を向上させることが可能となる。

［３．２］第２態様
図９は、第３実施形態の第２態様の説明図である。
上記第１態様によっても抑制しきれない振動を抑制するため、第３実施形態の第１態様の構成に加えて、電池ユニット１０Ｂ２は、曲げ１次モードの振動の腹と曲げ２次モードの振動の腹との間にさらに振動を抑制するための発泡樹脂固定部材３１Ｂを配置し、長手方向の中央部に長手方向全域にわたる発泡樹脂固定部材３１Ｃを配置している。
これによりさらなる振動抑制と、剛性の向上が図れる。

［４］第４実施形態
上記各実施形態においては、電池セル数が最大２個の場合であったが、本第４実施形態は、積層数を３層以上とする場合の実施形態である。
図１０は、第４実施形態の一例の説明図である。
図１０は、電池セルを５層積層した場合のものである。
図１０（ａ）は、電池ユニットを構成する電池セルの積層途中の説明図、図１０（ｂ）は、電池ユニットの側面図、図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）のＢ−Ｂ断面矢視図である。

電池ユニット４０は、図１０（ｂ）に示すように、樹脂製の外装部材４１と、外装部材４１内に収納された５個の電池セル４２Ａ〜４２Ｅと、電池セル４２Ａ〜４２Ｅを外装部材４１内に固定保持するためのそれぞれ複数の発泡樹脂固定部材４３Ｃ、４３Ｓ１、４３Ｓ２と、を備えている。

上記構成において、外装部材４１は、断面略Ｃ字状をしており、その内面側には、電池セル４２Ａ〜４２Ｅのそれぞれの長手方向に沿って設けられた鍔部４４Ａ、４４Ｂがスライドして挿入されて、各電池セル４２Ａ〜４２Ｅを個別に支持可能な保持溝部４１Ａ、４１Ｂが設けられている。

この場合において、外装部材４１は、各電池セル４２Ａ〜４２Ｅを保持溝部４１Ａ、４１Ｂに挿入した場合に、電池セル同士の対向面の間が所定距離離間して隙間が形成されるように保持溝部４１Ａ、４１Ｂの形成位置が設定されている。

また電池セル４２Ａ〜４２Ｅと外装部材４１との間には、発泡樹脂固定部材４３Ｓ１、発泡樹脂固定部材４３Ｓ２がそれぞれ複数離間して配置され、最上部に配置された電池セル４２Ａと外装部材４１との間には、複数の発泡樹脂固定部材４３Ｃがそれぞれ離間して形成されている。

さらに、電池セル４２Ａと電池セル４２Ｂとの間、電池セル４２Ｂと電池セル４２Ｃとの間、電池セル４２Ｃと電池セル４２Ｄとの間及び電池セル４２Ｄと電池セル４２Ｅとの間には、それぞれ複数の発泡樹脂固定部材４３Ｃがそれぞれ離間して形成されている。
したがって、本第４実施形態によれば、電池セルを多層積層する場合であっても、機械的強度を確保して耐震性及び耐衝撃性を得、さらに冷却風経路を電池セルの上下面の全面にわたって確実に形成して冷却効率を確保することが可能となる。

以上の説明は、積層数を５段とした場合であったが、より積層数を増した場合には、下層の発泡樹脂固定部材をより上層の発泡樹脂固定部材よりも硬度を高くする（＝発泡倍率を低下させるようにして機械的強度を高くするように構成することも可能である。
同様に、電池ユニット４０を複数積層する場合においても、より下層に積層された電池ユニット４０の発泡樹脂固定部材をより上層に積層された電池ユニット４０の発泡樹脂固定部材よりも硬度を高くするように構成することも可能である。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (8)

1. 複数の電池セルと、
   前記複数の電池セルを収納可能な外装部材と、
   自己接着性を有する発泡性樹脂により形成され、一の前記電池セルと他の前記電池セルとの間及び前記電池セルと前記外装部材との間に配置された発泡樹脂固定部材と、
   を備えた電池装置。
2. 複数の前記電池セルは、積層して配置され、
   前記発泡樹脂固定部材は、積層数に応じて硬さが設定されている、
   請求項１記載の電池装置。
3. 複数の前記電池セルは、積層して配置され、
   前記発泡樹脂固定部材は、対応する前記電池セルの積層位置に応じて硬さが設定されている、
   請求項１記載の電池装置。
4. 前記発泡樹脂固定部材は、前記電池セルの曲げｎ次モード（ｎは、自然数）の振動の腹に対応する位置に配置されている、
   請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載の電池装置。
5. 前記発泡樹脂固定部材は、帯状、ドット状、並行配置された複数の帯状あるいは千鳥足状に配置されている、
   請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の電池装置。
6. 前記発泡樹脂固定部材は、幅が前記発泡樹脂固定部材の長手方向において変化する帯状に形成されている、
   請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の電池装置。
7. 前記外装部材内において、前記発泡樹脂固定部材の非配置位置が冷却風通路を形成している、
   請求項１乃至請求項６のいずれか一項記載の電池装置。
8. 複数の電池セルと、前記複数の電池セルを積層状態で複数収納可能な外装部材と、を備える電池装置を製造するための製造方法であって、
   前記外装部材内で、前記複数の電池セルの少なくとも一部が前記外装部材と所定距離離間して隙間を形成するように保持するとともに、一の前記電池セルの少なくとも一部が他の前記電池セルの少なくとも一部と所定距離離間して第２の隙間を形成するように保持する保持工程と、
   前記隙間の一部及び前記第２の隙間の一部に自己接着性を有する発泡性樹脂を注入し、接着固化させて前記電池セルと前記外装部材との間及び一の前記電池セルと他の前記電池セルとの間に発泡樹脂固定部材を形成する形成工程と、
   を備えた製造方法。

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