JP6988641B2 - Battery stack - Google Patents
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Description
本開示は、電池スタックに関する。 The present disclosure relates to a battery stack.
ケースを介して電極体に荷重を加える加圧部材を備える二次電池に関する技術が、たとえば特開2016−004724号公報(特許文献1)に開示されている。 A technique relating to a secondary battery including a pressurizing member that applies a load to an electrode body via a case is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-004724 (Patent Document 1).
上記特許文献1に開示される二次電池において、電池セルが発熱したとき、発熱した電池セルから加圧部材を介して、発熱した電池セルに隣接する電池セルへ熱が伝達されると、上記隣接する電池セルの性能が低下する可能性がある。 In the secondary battery disclosed in Patent Document 1, when the battery cell generates heat, the heat is transferred from the generated battery cell to the battery cell adjacent to the generated battery cell via the pressurizing member. The performance of adjacent battery cells may deteriorate.
本開示では、発熱した電池セルに隣接する電池セルへの熱伝達を抑制できる電池スタックが提供される。 The present disclosure provides a battery stack capable of suppressing heat transfer to a battery cell adjacent to a heat-generating battery cell.
本開示に係る電池スタックは、支持部と、膨張部と、電池セルとを備えている。膨張部は、支持部に支持されている。膨張部は、支持部よりも大きい熱膨張係数を有している。複数の電池セルは、支持部および膨張部を介して積層されている。複数の電池セルの積層方向に見て、膨張部の面積は、電池セルの面積の25%以上67%以下である。 The battery stack according to the present disclosure includes a support portion, an expansion portion, and a battery cell. The expansion portion is supported by the support portion. The expansion portion has a larger coefficient of thermal expansion than the support portion. A plurality of battery cells are stacked via a support portion and an expansion portion. The area of the expansion portion is 25% or more and 67% or less of the area of the battery cells when viewed in the stacking direction of the plurality of battery cells.
上記電池スタックによると、電池セルが発熱した際に膨張部が熱膨張することにより、発熱した電池セルと、その電池セルに隣接する電池セルとの距離が大きくなる。これにより、発熱した電池セルに隣接する電池セルへの熱伝達を抑制できる。 According to the battery stack, when the battery cell generates heat, the expansion portion thermally expands, so that the distance between the generated battery cell and the battery cell adjacent to the battery cell becomes large. As a result, heat transfer to the battery cell adjacent to the generated battery cell can be suppressed.
本開示に従えば、発熱した電池セルに隣接する電池セルへの熱伝達を抑制することができる。 According to the present disclosure, heat transfer to a battery cell adjacent to the generated battery cell can be suppressed.
以下、図面に基づいて、実施の形態における電池スタックについて説明する。以下に示す実施の形態において、同一または実質的に同一の構成については、同一の符号を付して、重複した説明は繰り返さない。 Hereinafter, the battery stack according to the embodiment will be described with reference to the drawings. In the embodiments shown below, the same or substantially the same configuration will be designated by the same reference numerals, and duplicate description will not be repeated.
(構成)
図1は、実施の形態に従う電池スタック1の概略正面図である。図2は、実施の形態に従うスペーサ13および膨張部11の概略側面図である。図1および図2を参照して電池スタック1について説明する。
(composition)
FIG. 1 is a schematic front view of the battery stack 1 according to the embodiment. FIG. 2 is a schematic side view of the
電池スタック1は、ハイブリッド自動車に搭載されている。電池スタック1は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関とともに、ハイブリッド自動車の動力源とされている。別の例として、電池スタック1は、電気自動車または燃料電池自動車に搭載されている。 The battery stack 1 is mounted on a hybrid vehicle. The battery stack 1 is used as a power source for a hybrid vehicle together with an internal combustion engine such as a gasoline engine or a diesel engine. As another example, the battery stack 1 is mounted on an electric vehicle or a fuel cell vehicle.
電池スタック1は、複数の電池セル10と、スペーサ13とを備えている。隣り合う電池セル10の間に、スペーサ13が介在している。図1,2中に図示された両矢印は、積層方向DR1と、上下方向DR2と、奥行方向DR3とを示している。
The battery stack 1 includes a plurality of
積層方向DR1は、電池セル10が積層されている方向であり、図1においては図中の左右方向である。上下方向DR2は、電池セル10の高さ方向であり、積層方向DR1と直交している。上下方向DR2は、図1においては図中の上下方向である。奥行方向DR3は、積層方向DR1および上下方向DR2に直交する方向であり、図2においては図中の左右方向である。
The stacking direction DR1 is the direction in which the
電池セル10は、第一側面10aおよび第二側面10bを含んでいる。第一側面10aおよび第二側面10bは、積層方向DR1に向いている。第一側面10aは、電池セル10の一方の側面であり、第二側面10bは、電池セル10の他方の面である。
The
スペーサ13は、支持部15、突出部12、および膨張部11を含んでいる。複数の電池セル10は、支持部15、突出部12、および膨張部11を介して、積層方向DR1に積層されている。
The
支持部15は、積層方向DR1に厚みを有する板状の形状を有している。支持部15は、第一主面15aおよび第二主面15bを有している。第一主面15aは、支持部15のうちの積層方向DR1に向く一方の面であり、第二主面15bは、支持部15のうちの積層方向DR1に向く他方の面である。第一主面15aおよび第二主面15bは、平坦な平面である。
The
突出部12は、支持部15の第一主面15aに設けられている。突出部12は、支持部15の第一主面15aから突出しており電池セル10の第二側面10bに向けて延びている。突出部12の先端は、第二側面10bと接触している。積層方向DR1における、突出部12の先端から支持部15の第二主面15bまでの長さは、たとえば1.9[mm]である。突出部12は、間隔を空けて上下方向DR2に並んで配置されている。突出部12は、奥行方向DR3に沿って延びるリブ状の形状を有している。
The
第二側面10b、突出部12、および第一主面15aに囲われた領域には、冷却路12aが形成されている。図示しないファンから供給される空気が冷却路12aを通過することで、電池セル10が冷却される。
A
膨張部11は、支持部15の第二主面15bに支持されている。膨張部11は、上下方向DR2における支持部15の中央に配置されている。膨張部11は、支持部15の第二主面15bから電池セル10の第一側面10aに向かって突出している。膨張部11は、板状の形状を有している。膨張部11は、積層方向DR1に厚みを有している。膨張部11の厚みは、たとえば1.5[mm]である。膨張部11は、奥行方向DR3における電池セル10の一方の端部から電池セル10の他方の端部に亘って配置されている。膨張部11は、突出面11aを有している。突出面11aは、第一側面10aと接触している。
The
膨張部11は、支持部15よりも大きい熱膨張係数を有している。膨張部11には、たとえば無機繊維、アラミド繊維、ゴム、および膨張性黒鉛等を混合した材料が用いられている。膨張部11は、200[℃]以上の温度において、積層方向DR1における厚みが元の厚みに対して2倍以上になる材料で構成されている。
The
膨張部11が、第二主面15bと第一側面10aとの間に配置されることにより、隙間14が形成される。隙間14は、上下方向DR2における膨張部11の両側に形成されている。図示しないファンから供給される空気が隙間14を通過することで、電池セル10が冷却される。
The
積層方向DR1に見て、膨張部11の面積は、電池セル10の面積の25%以上67%以下である。突出面11aの面積は、第二側面10bの面積の25%以上67%以下である。以下、積層方向DR1に見た際の膨張部11の面積を単に「膨張部11の面積」、積層方向DR1に見た際の電池セル10の面積を単に「電池セル10の面積」と称する。
Seen in the stacking direction DR1, the area of the
(作用効果)
図1に示す電池セル10のうち、過剰に発熱した電池セル10を発熱電池セル10C、発熱電池セル10Cの第一側面10a側における隣の電池セル10を第一電池セル10L、発熱電池セル10Cの第二側面10b側における隣の電池セル10を第二電池セル10Rと称して、作用効果について説明する。
(Action effect)
Among the
まず、発熱電池セル10Cから第一電池セル10Lへの熱伝達について説明する。発熱電池セル10Cから発せられた熱は、膨張部11に伝達される。膨張部11に熱伝達されることにより、膨張部11が熱膨張し、膨張部11の積層方向DR1における長さが大きくなる。これにより、支持部15および突出部12は、発熱電池セル10Cから離れる方向に移動し第一電池セル10Lを押圧する。突出部12に押圧された第一電池セル10Lは、発熱電池セル10Cから離れる方向に移動する。発熱電池セル10Cと第一電池セル10Lとの距離が大きくなるので、発熱電池セル10Cから第一電池セル10Lへの熱伝達を抑制できる。
First, heat transfer from the heat generating
次に、発熱電池セル10Cから第二電池セル10Rへの熱伝達について説明する。発熱電池セル10Cから発せられた熱は、支持部15および突出部12を介して膨張部11に伝達される。これにより、膨張部11が熱膨張し、膨張部11の積層方向DR1における長さが大きくなる。熱膨張した膨張部11に押圧された第二電池セル10Rは、発熱電池セル10Cから離れる方向に移動する。発熱電池セル10Cと第二電池セル10Rとの距離が大きくなるので、発熱電池セル10Cから第二電池セル10Rへの熱伝達を抑制できる。
Next, heat transfer from the heat generating
上記のように、発熱電池セル10Cに隣接する電池セル10への熱伝達を抑制することで、発熱電池セル10Cの発熱による連鎖的な発熱を抑制することができる。
As described above, by suppressing heat transfer to the
支持部15と第一側面10aとの間には、隙間14が形成されている。隙間14から放熱されることにより、電池セル10の第一側面10aと支持部15との間に熱がこもりにくくなるので、電池セル10の過剰な発熱を抑制できる。したがって、スペーサ13が融点に達することを抑制することができる。
A
(その他)
支持部15は板状の形状に限られず、たとえば、枠状に構成されていてもよい。支持部15が膨張部11を支持する態様は、膨張部11を支持部15の主面へ取り付ける態様に限られず、たとえば、枠状の支持部または凹部を有する支持部15に膨張部11をはめ込む態様であってもよい。
(others)
The
以下、実施例について説明する。積層方向に見た際の面積が異なる複数の膨張部を作製し、上記膨張部を用いて以下に示す試験を実施した。試験に用いた電池セルは、積層方向における寸法を26.4[mm]、上下方向における寸法を91[mm]、奥行方向における寸法を148[mm]とした(第一側面および第二側面の面積を13468[mm2]とした)。電池セルの容量は、50[Ah]とした。電池セル内部の正極箔にはアルミニウムを使用し、その厚みは12[μm]とした。電池セル内部の負極箔には銅を使用し、その厚みは10[μm]とした。試験時の温度は、25[℃]とした。電池セルの充電率(State Of Charge)は、100%とした。 Hereinafter, examples will be described. A plurality of expansion portions having different areas when viewed in the stacking direction were prepared, and the tests shown below were carried out using the expansion portions. The battery cell used in the test had a dimension of 26.4 [mm] in the stacking direction, a dimension of 91 [mm] in the vertical direction, and a dimension of 148 [mm] in the depth direction (on the first side surface and the second side surface). The area was set to 13468 [mm 2 ]). The capacity of the battery cell was set to 50 [Ah]. Aluminum was used for the positive electrode foil inside the battery cell, and the thickness thereof was 12 [μm]. Copper was used for the negative electrode foil inside the battery cell, and the thickness thereof was set to 10 [μm]. The temperature at the time of the test was 25 [° C.]. The state of charge of the battery cell was set to 100%.
図3は、連鎖発熱試験の方法を示す概略図である。連鎖発熱試験では、直列に接続した7つの電池セルを積層させて電池スタックを形成し、電池セルのうちの1つを発熱させ、発熱した電池セル(発熱電池セル)に隣接する電池セル(隣接電池セル)の温度を評価した。電池セルの発熱方法として、所定の速度で徐々に釘を電池セルの内部に刺し込み、内部短絡を疑似的に発生させることにより電池セルを発熱させる方法を採用した。釘の径は3[mm]とし、釘の先端角度は30[度]とした。釘の速度は10[mm/sec]とした。 FIG. 3 is a schematic view showing a method of a chain heat generation test. In the chain heat generation test, seven battery cells connected in series are stacked to form a battery stack, and one of the battery cells is heated to generate heat, and the battery cell adjacent to the heat-generating battery cell (heat-generating battery cell) (adjacent). The temperature of the battery cell) was evaluated. As a method of generating heat of the battery cell, a method of gradually inserting a nail into the inside of the battery cell at a predetermined speed to generate a pseudo internal short circuit to generate heat of the battery cell was adopted. The diameter of the nail was 3 [mm], and the tip angle of the nail was 30 [degrees]. The speed of the nail was 10 [mm / sec].
図4は、隣接電池セルの温度と膨張部の面積との関係を示すグラフを示す図である。図4中の横軸は膨張部の面積(単位:mm2)を、縦軸は隣接電池セルの温度(単位:℃)を示している。図4のグラフに示す実線は、連鎖発熱試験の評価結果に基づく近似曲線を示している。図4より、膨張部の面積が3400[mm2]以上であれば、隣接電池セルが過剰に発熱せず、電池セルの発煙温度(電池セルが発煙し始める温度)である250[℃]に到達しないことがわかった。 FIG. 4 is a diagram showing a graph showing the relationship between the temperature of the adjacent battery cell and the area of the expansion portion. In FIG. 4, the horizontal axis represents the area of the expansion portion (unit: mm 2 ), and the vertical axis represents the temperature of the adjacent battery cell (unit: ° C.). The solid line shown in the graph of FIG. 4 shows an approximate curve based on the evaluation result of the chain heat generation test. From FIG. 4, when the area of the expansion portion is 3400 [mm 2 ] or more, the adjacent battery cell does not generate excessive heat, and the temperature reaches 250 [° C.], which is the smoke generation temperature of the battery cell (the temperature at which the battery cell begins to smoke). It turned out not to reach.
膨張部11の面積が、電池セル10の面積の25%(≒3400[mm2]/13468[mm2])以上であることにより、支持部15が膨張部11に対して倒れ込むことを抑制できる。これにより、支持部15と電池セル10とが接触することによる熱伝達を抑制できる。したがって、発熱電池セルから隣接電池セルへの熱伝達を抑制できる。
Area of the
図5は、過充電試験の方法を示す概略図である。電池セルを両側からスペーサを介して拘束板で挟み込んで試験を実施した。電池セルの寸法、電極箔および容量、ならびに試験時の温度の条件は、連鎖発熱試験と同じとした。充電率100%(満充電)の電池セルに対して、1[C]で充電した。充電を終了するタイミングは、電池セルの電圧が満充電時の電池セルの電圧の1.5倍に達した後か、60分経過した後とした。 FIG. 5 is a schematic view showing a method of an overcharge test. The test was carried out by sandwiching the battery cell from both sides with a restraint plate via a spacer. The battery cell dimensions, electrode foil and capacity, and temperature conditions during the test were the same as in the chain heat generation test. A battery cell having a charging rate of 100% (fully charged) was charged at 1 [C]. The timing for ending charging was set to be after the voltage of the battery cell reached 1.5 times the voltage of the battery cell at the time of full charge, or after 60 minutes had passed.
上記過充電試験の結果、膨張部の面積が電池セルの面積の67%よりも大きい場合に、電池セルが過剰に発熱し発熱することがわかった。膨張部が断熱材として機能し、電池セルから十分に放熱されないためである。 As a result of the overcharge test, it was found that when the area of the expanded portion is larger than 67% of the area of the battery cell, the battery cell generates excessive heat and generates heat. This is because the expansion portion functions as a heat insulating material and does not sufficiently dissipate heat from the battery cell.
膨張部の面積を電池セルの面積の67%以下とすることにより、電池セル10と支持部15との間に十分な大きさの隙間14が形成され、電池セル10の放熱性を確保することができる。したがって、電池セル10の過剰な発熱を抑制することができる。
By setting the area of the expansion portion to 67% or less of the area of the battery cell, a
図6は、連鎖発熱試験および過充電試験の評価結果をまとめたグラフを示す図である。図6中の横軸は電池セルの奥行方向における寸法(単位:mm)を、縦軸は電池セルの上下方向における寸法(単位:mm)を示している。 FIG. 6 is a diagram showing a graph summarizing the evaluation results of the chain heat generation test and the overcharge test. In FIG. 6, the horizontal axis shows the dimension (unit: mm) in the depth direction of the battery cell, and the vertical axis shows the dimension (unit: mm) in the vertical direction of the battery cell.
膨張部の面積が電池セルの面積の25%よりも小さい場合(図6中の領域X)、連鎖発熱試験の評価結果が不可(隣接電池セルから発熱)となり、膨張部の面積が電池セルの面積の67%よりも大きい場合(図6中の領域Y)、過充電試験の評価結果が不可(電池セルから発熱)となった。 When the area of the expansion part is smaller than 25% of the area of the battery cell (region X in FIG. 6), the evaluation result of the chain heat generation test becomes impossible (heat generation from the adjacent battery cell), and the area of the expansion part is the battery cell. When it was larger than 67% of the area (region Y in FIG. 6), the evaluation result of the overcharge test was impossible (heat was generated from the battery cell).
膨張部11の面積を電池セル10の面積の25%以上67%以下(図6中の領域Z)とすることにより、発熱電池セルの過剰な発熱を抑制した上で、発熱した電池セル10に隣接する電池セル10への熱伝達を抑制できることが示された。
By setting the area of the
今回開示された実施の形態および実施例は全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。本発明の範囲は上記した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全ての変更が含まれることが意図される。 The embodiments and examples disclosed this time should be considered to be exemplary and not restrictive in all respects. The scope of the present invention is shown by the scope of claims rather than the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
1 電池スタック、10 電池セル、10C 発熱電池セル、10L 第一電池セル、10R 第二電池セル、10a 第一側面、10b 第二側面、11 膨張部、11a 突出面、12 突出部、12a 冷却路、13 スペーサ、14 隙間、15 支持部、15a 第一主面、15b 第二主面、DR1 積層方向、DR2 上下方向、DR3 奥行方向。 1 battery stack, 10 battery cell, 10C heat generating battery cell, 10L first battery cell, 10R second battery cell, 10a first side surface, 10b second side surface, 11 expansion part, 11a protrusion surface, 12 protrusion part, 12a cooling path , 13 spacers, 14 gaps, 15 supports, 15a first main surface, 15b second main surface, DR1 stacking direction, DR2 vertical direction, DR3 depth direction.
Claims (1)
隣り合う前記電池セルの間に介在するスペーサとを備え、
前記スペーサは、前記積層方向に厚みを有する板状の形状を有する支持部を有し、
前記支持部は、前記積層方向に向く第一主面と第二主面とを有し、
前記スペーサはさらに、前記第一主面に設けられ前記第一主面から突出するリブ状の突出部を複数有し、
前記突出部は、間隔を空けて前記電池セルの高さ方向に並んで配置されており、
前記スペーサはさらに、前記第二主面に支持され、前記支持部よりも大きい熱膨張係数を有し、前記高さ方向における前記支持部の中央に配置された、板状の膨張部を有し、
前記膨張部は、200℃以上の温度において前記積層方向における厚みが元の厚みに対して2倍以上になる材料で構成されており、
前記膨張部が前記支持部と隣の前記電池セルとの間に配置されることにより、前記高さ方向における前記膨張部の両側に隙間が形成され、
前記積層方向に見て、前記膨張部の面積は、前記電池セルの面積の25%以上67%以下である、電池スタック。 Multiple battery cells stacked in the stacking direction,
It is provided with a spacer interposed between the adjacent battery cells.
The spacer has a support portion having a plate-like shape having a thickness in the stacking direction,
The support portion has a first main surface and a second main surface facing in the stacking direction.
The spacer further has a plurality of rib-shaped protrusions provided on the first main surface and projecting from the first main surface.
The protrusions are arranged side by side in the height direction of the battery cell at intervals.
The spacer is further supported by the second main surface the has a larger thermal expansion coefficient than the support portion, wherein arranged in the center of the support portion in the height direction, has a plate-like expansion portion ,
The expanded portion is made of a material whose thickness in the laminating direction is at least twice the original thickness at a temperature of 200 ° C. or higher.
By arranging the expansion portion between the support portion and the adjacent battery cell, gaps are formed on both sides of the expansion portion in the height direction.
Before looking at the miracle layer direction, the area of the expansion portion is less 67% 25% or more of the area of the battery cell, the battery stack.
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