JP7054441B2

JP7054441B2 - 組電池

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Publication number: JP7054441B2
Application number: JP2018032143A
Authority: JP
Inventors: 僚各務
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2022-04-14
Anticipated expiration: 2038-02-26
Also published as: JP2019149248A

Description

本発明は、複数の充放電可能な単電池が電気的に接続された組電池に関する。

近年、リチウムイオン二次電池等の二次電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両駆動用電源などに好適に用いられている。

車両駆動用電源用途においては高出力化のために、二次電池は一般的に、単電池（電池セル）を複数接続して成る組電池の形態として用いられる。かかる組電池においては、各単電池において充放電を行う際に熱が発生するため、発生した熱を速やかに放出する放熱部材が用いられている。例えば、特許文献１には、所定の方向に配列された単電池間の間隙に放熱部材としての間隔保持板を配置した技術が開示されている。また、特許文献２～４には、単電池間に配置される放熱部材の他の例が開示されている。

特開２００８－１０８６５１号公報特開２０１７－０７６５４０号公報特開２０１６－１９２５２０号公報特開２０１１－１５９６１７号公報

ところで、単電池間に放熱部材が配置された状態において、一の単電池に対して例えば、単電池の配列方向に外部から荷重が加わると、該荷重は放熱部材を介して他の一の単電池に伝達される。単電池に過度な荷重が加わると、単電池に不具合が発生し得る。このため、放熱部材においてより効果的に荷重を吸収することができれば、他の一の単電池に加わる荷重を低減することができる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、単電池に加わる荷重を低減することができる組電池を提供することである。

本発明に係る組電池は、正極および負極を有する第１電極体と、前記第１電極体を収容し、金属材料から形成された直方体形状の第１ケースと、を備えた充放電可能な第１単電池と、正極および負極を有する第２電極体と、前記第２電極体を収容し、金属材料から形成された直方体形状の第２ケースと、を備えた充放電可能な第２単電池と、前記第１単電池と前記第２単電池との間に配置された放熱部材と、を備え、前記放熱部材は、矩形状に形成され、前記第１ケースと接触する第１壁と、前記第１壁から前記第２ケースに向けて延び、前記第２ケースと接触する複数の第２壁と、を備え、複数の前記第２壁は、前記第１壁から前記第２ケースに向けて同じ方向に傾斜している。

本発明に係る組電池によれば、第１単電池と第２単電池との間に配置された放熱部材の第２壁は、放熱部材の第１壁から第２単電池の第２ケースに向けて同じ方向に傾斜している。このため、例えば、第２単電池から第１単電池に向けて外部から所定以上の荷重が加わると、第２壁は、傾斜している方向に向けて変形する。このように、外部からの荷重は、放熱部材の第２壁によって吸収されるため、放熱部材を介して第１単電池に伝達する荷重は低減される。

一実施形態に係る組電池を模式的に示す斜視図である。一実施形態に係る組電池の一部断面図である。図２のＩＩＩ部分の拡大図であり、放熱部材の一部を模式的に示す断面図である。他の一実施形態に係る組電池を模式的に示す斜視図である。他の一実施形態に係る組電池を模式的に示す斜視図である。他の一実施形態に係る組電池を模式的に示す斜視図である。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、各図面は、模式的に描いており、必ずしも実物を反映しない。また、各図面は、一例を示すのみであり、各図面は、特に言及されない限りにおいて本発明を限定しない。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る組電池１００の構造を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、組電池１００は、複数の充放電可能な第１単電池２０Ａ、第２単電池２０Ｂ、第３単電池２０Ｃ、第４単電池２０Ｄ、第５単電池２０Ｅ、第６単電池２０Ｆおよび複数の放熱部材３０を備えている。以下、第１単電池２０Ａ～第６単電池２０Ｆを総称して単電池２０と呼ぶことがある。第１単電池２０Ａ～第６単電池２０Ｆは、それぞれ電気的に接続された状態で前後方向に並んで配置されている。第１単電池２０Ａ～第６単電池２０Ｆは、直列に接続されている。第１単電池２０Ａ～第６単電池２０Ｆは、同形状に形成されている。なお、図面中の符号Ｆ、Ｒｒ、Ｌ、Ｒ、Ｕ、Ｄは、それぞれ前、後、左、右、上、下を意味するものとする。ただし、上記方向は説明の便宜上定めた方向に過ぎず、組電池１００の設置態様を何ら限定するものではなく、本発明を何ら限定するものでもない。

単電池２０は、例えば、非水電解液二次電池である。単電池２０は、図２に示すように、正極、負極およびセパレータを有する電極体２２と、電極体２２および非水電解液を収容するケース２４とを備える。正極、負極、およびセパレータの積層方向は、前後方向と同じである。単電池２０内の電極面に対して垂直方向に拘束荷重が印加される。なお、単電池２０は、全固体電池（例えば全固体リチウム二次電池）であってもよい。全固体電池は、典型的には、正極、負極、および固体電解質を備える。単電池２０が全固体電池であった場合、正極、負極、および固体電解質の積層方向は、前後方向と同じである。また、単電池２０は、燃料電池や、ニッケル水素電池その他の二次電池であってもよい。

ケース２４は、金属材料から形成されている。ケース２４は、例えば、アルミニウムから形成されている。ケース２４は、直方体形状に形成されている。図２に示すように、ケース２４は、底壁２４Ａと、前壁２４Ｂと、後壁２４Ｃと、左壁２４Ｄ（図２参照）と、右壁２４Ｅと、上壁２４Ｆとを有している。前壁２４Ｂは、底壁２４Ａの前端からから上方に延びる。後壁２４Ｃは、底壁２４Ａの後端から上方に延びる。前壁２４Ｂは、後壁２４Ｃと対向している。左壁２４Ｄは、底壁２４Ａの左端から上方に延びる。右壁２４Ｅは、底壁２４Ａの右端から上方に延びる。左壁２４Ｄは、右壁２４Ｅと対向している。前壁２４Ｂおよび後壁２４Ｃは、左壁２４Ｄおよび右壁２４Ｅより幅広に形成されている。即ち、前壁２４Ｂおよび後壁２４Ｃは、左壁２４Ｄおよび右壁２４Ｅより面積が大きい。上壁２４Ｆは、前壁２４Ｂの上端と、後壁２４Ｃの上端と、左壁２４Ｄの上端と、右壁２４Ｅの上端とを接続する。上壁２４Ｆは、底壁２４Ａと対向している。ケース２４の上壁２４Ｆには、電極体２２の正極と電気的に接続された正極端子２５と、電極体２２の負極と電気的に接続された負極端子２６とが設けられている。そして、隣接する単電池２０間において一方の正極端子２５と他方の負極端子２６とが端子間接続具（図示せず）によって電気的に接続される。このように各単電池２０を直列に接続することにより、所望する電圧の組電池１００が構築される。

なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、いわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。

図１に示すように、放熱部材３０は、単電池２０と単電池２０との間に配置される。放熱部材３０は、単電池２０のケース２４と接触するように配置されている。放熱部材３０は、充放電時に単電池２０内で発生する熱を外部に放出する機能を有する。放熱部材３０は、熱伝導性のよい材料から形成されている。放熱部材３０は、ケース２４より剛性（或いは硬度）の低い材料から形成されている。放熱部材３０は、例えば、ポリプロピレンその他の合成樹脂から形成されている。なお、放熱部材３０には後述するように前後方向に拘束荷重が加わるが、放熱部材３０は、該拘束荷重に対して変形しない程度の剛性を有する。本実施形態では、放熱部材３０のうち、第１単電池２０Ａの前方側に配置された放熱部材３０Ａについては、その前方側に単電池２０が配置されていないが、他の放熱部材３０と同様の構成である。

以下の説明では、放熱部材３０のうち第１単電池２０Ａと第２単電池２０Ｂとの間に配置された放熱部材３０Ｂについて説明するが、他の放熱部材３０も同様の構成である。図１に示すように、放熱部材３０Ｂは、矩形状に形成された第１壁３２と、第１壁３２と一体的に形成された複数の第２壁３４とを備えている。第１壁３２は、左右方向および上下方向に延びる。第１壁３２の上下方向の長さは、ケース２４の上下方向の長さより短い。第１壁３２の左右方向の長さは、ケース２４の左右方向の長さより短い。図２に示すように、第１壁３２は、第１単電池２０Ａのケース２４と面接触するように形成されている。第１壁３２は、ケース２４の後壁２４Ｃと面接触するように形成されている。複数の第２壁３４は、上下方向に並んでいる。第２壁３４は、左右方向に延びる。第２壁３４は、第１壁３２から離れる方向に延びる。図２に示す例では、第２壁３４は、第１壁３２から第２単電池２０Ｂのケース２４に向けて延びる。第２壁３４は、第２単電池２０Ｂのケース２４と接触するように形成されている。第２壁３４は、第２単電池２０Ｂのケース２４の前壁２４Ｂと接触するように形成されている。放熱部材３０において、上下方向に配列された第２壁３４と第２壁３４との間には凹部３６が形成されている。凹部３６に、図１の矢印ＦＬに示すように例えば空気が流れることによって、単電池２０内で発生する熱が外部に放出される。なお、本実施形態では、第２壁３４は、第１壁３２と一体的に形成されているが、第１壁３２と第２壁３４とは別体に形成されていてもよい。

図２に示すように、複数の第２壁３４は、第１壁３２から第２単電池２０Ｂのケース２４に向けて同じ方向に傾斜している。ここでは、第２壁３４は、後斜め下方に向けて傾斜している。なお、第２壁３４は、後斜め上方に向けて傾斜していてもよい。図３に示すように、第２壁３４は、第１壁３２の第１面３２Ｘに対してθだけ傾いている。θは９０°より小さい。θは例えば、凡そ６０°～凡そ８５°である。第２壁３４の第２面３４Ｘが第２単電池２０Ｂのケース２４に接触する。第２壁３４の第２面３４Ｘが第２単電池２０Ｂのケース２４の前壁２４Ｂに接触する。第２面３４Ｘは、第１壁３２の第１面３２Ｘと平行である。即ち、第１面３２Ｘおよび第２面３４Ｘは、鉛直方向と平行な面である。第２壁３４と第１壁３２との上下方向の接続部分の長さをｔとし、第２壁３４の前後方向の長さをＬとしたとき、Ｌは例えば１．５ｔより大きい。Ｌは例えば２ｔより小さい。なお、本実施形態では、第２壁３４の第２面３４Ｘの上下方向の長さは、ｔである。

前後方向に配列した単電池２０および放熱部材３０の周囲には、複数の単電池２０および複数の放熱部材３０をまとめて拘束する拘束部材（図示せず）が設けられている。すなわち、複数の放熱部材３０のうち最も前方側に位置する放熱部材３０Ａの前側と、第６単電池２０Ｆの後側には、一対のエンドプレート（図示せず）が配置され、一対のエンドプレートには、該一対のエンドプレートを拘束する拘束バンド（図示せず）が取り付けられている。このように、拘束バンドによって、複数の単電池２０および複数の放熱部材３０は、前後方向に拘束されている。

上述したように、拘束バンド（図示せず）によって単電池２０および放熱部材３０が拘束されているときには、放熱部材３０の第２壁３４は、変形しない。ここで、例えば拘束方向（前後方向）に外部から拘束バンドによる荷重を大きく超えた所定の外部荷重が加わると、放熱部材３０の第２壁３４は、図３の矢印Ｈの方向に変形する。ここで、放熱部材３０の第２壁３４が、所定の方向に傾斜していない場合には、放熱部材３０を介して単電池２０に上記外部荷重が直接的に加わることになる。しかしながら、放熱部材３０の第２壁３４が傾斜しているため、上記外部荷重が加わったときに放熱部材３０の第２壁３４において上記外部荷重が吸収されて、第２壁３４が図３の矢印Ｈの方向に変形する。これにより、放熱部材３０を介して単電池２０に隣接する他の単電池２０に加わる上記外部荷重を低減することができる。

以上のように、本実施形態の組電池１００によると、第１単電池２０Ａと第２単電池２０Ｂとの間に配置された放熱部材３０の第２壁３４は、放熱部材３０の第１壁３２から第２単電池２０Ｂのケース２４に向けて後斜め下方に傾斜している。このため、例えば、第２単電池２０Ｂから第１単電池２０Ａに向けて外部から所定以上の荷重が加わると、第２壁３４は、傾斜している方向に（即ち下方に）向けて変形する。このように、外部からの荷重は、放熱部材３０の第２壁３４によって吸収されるため、放熱部材３０を介して第１単電池２０Ａに伝達する荷重は低減される。

＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態に係る組電池１００Ａの構造を模式的に示す斜視図である。図４に示すように、組電池１００Ａは、前後方向に並ぶ複数の第１単電池２０Ａ～第５単電池２０Ｅと、前後方向に並ぶ複数の第６単電池２０Ｆ～第１０単電池２０Ｊと、第１放熱部材３０Ａと、第２放熱部材３０Ｂとを備えている。第７単電池２０Ｇ～第１０単電池２０Ｊの構成は、第１単電池２０Ａ～第６単電池２０Ｆの構成と同様である。第１放熱部材３０Ｃおよび第２放熱部材３０Ｄの構成は、放熱部材３０の構成と同様である。なお、本実施形態では、第１放熱部材３０Ｃおよび第２放熱部材３０Ｄの第２壁３４は、右斜め下方に向けて傾斜している。

本実施形態では、第１放熱部材３０Ｃは、第１単電池２０Ａ～第５単電池２０Ｅより左方に配置されている。第１放熱部材３０Ｃの第２壁３４は、第１単電池２０Ａ～第５単電池２０Ｅのケース２４の左壁２４Ｄと接触するように配置されている。第２放熱部材３０Ｄは、第１単電池２０Ａ～第５単電池２０Ｅより右方かつ第６単電池２０Ｆ～第１０単電池２０Ｊより左方に配置されている。第２放熱部材３０Ｄの第１壁３２は、第１単電池２０Ａ～第５単電池２０Ｅケース２４の右壁２４Ｅと面接触するように形成されている。第２放熱部材３０Ｄの第２壁３４は、第６単電池２０Ｆ～第１０単電池２０Ｊのケース２４の左壁２４Ｄと接触するように配置されている。

＜第３実施形態＞
図５は、第３実施形態に係る組電池１００Ｂの構造を模式的に示す斜視図である。図５に示すように、組電池１００Ｂは、前後方向に並ぶ複数の第１単電池２０Ａ～第５単電池２０Ｅと、第３放熱部材３０Ｅと、第４放熱部材３０Ｆとを備えている。第３放熱部材３０Ｅおよび第４放熱部材３０Ｆの構成は、放熱部材３０の構成と同様である。なお、本実施形態では、第３放熱部材３０Ｅの第２壁３４は、右斜め下方に向けて傾斜し、第４放熱部材３０Ｆの第２壁３４は、左斜め下方に向けて傾斜している。

本実施形態では、第３放熱部材３０Ｅは、第１単電池２０Ａ～第５単電池２０Ｅより左方に配置されている。第３放熱部材３０Ｅの第２壁３４は、第１単電池２０Ａ～第５単電池２０Ｅのケース２４の左壁２４Ｄと接触するように配置されている。第４放熱部材３０Ｆは、第１単電池２０Ａ～第５単電池２０Ｅより右方に配置されている。第４放熱部材３０Ｆの第２壁３４は、第１単電池２０Ａ～第５単電池２０Ｅのケース２４の右壁２４Ｅと接触するように配置されている。

＜第４実施形態＞
図６は、第４実施形態に係る組電池１００Ｃの構造を模式的に示す斜視図である。図６に示すように、組電池１００Ｃは、前後方向に並ぶ複数の第１単電池２０Ａ～第５単電池２０Ｅと、第５放熱部材３０Ｇとを備えている。第５放熱部材３０Ｇの構成は、放熱部材３０の構成と同様である。なお、本実施形態では、第５放熱部材３０Ｇの第２壁３４は、上斜め左方に向けて傾斜している。

本実施形態では、第５放熱部材３０Ｇは、第１単電池２０Ａ～第５単電池２０Ｅの下方に配置されている。第５放熱部材３０Ｇの第２壁３４は、第１単電池２０Ａ～第５単電池２０Ｅのケース２４の底壁２４Ａと接触するように配置されている。

上述した各実施形態の組電池１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃは、ハイブリッド車や、電気自動車等の車両の駆動用電源等に好適である。

以上、本発明を詳細に説明したが、上記各実施形態は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

上述した第１実施形態では、放熱部材３０の第２壁３４は、後斜め下方に向けて傾斜していたがこれに限定されない。第２壁３４は、後斜め左方に傾斜していてもよいし、後斜め右方に傾斜していてもよい。この場合、第２壁３４は、左右方向に複数形成されている。

２０単電池
２２電極体
２４ケース
３０放熱部材
３２第１壁
３４第２壁
１００組電池

Claims

正極および負極を有する第１電極体と、前記第１電極体を収容し、金属材料から形成された直方体形状の第１ケースと、を備えた充放電可能な第１単電池と、
正極および負極を有する第２電極体と、前記第２電極体を収容し、金属材料から形成された直方体形状の第２ケースと、を備えた充放電可能な第２単電池と、
前記第１単電池と前記第２単電池との間に配置された放熱部材と、を備え、
少なくとも、前記第１単電池と、前記放熱部材と、前記第２単電池とが拘束部材により所定方向にまとめて拘束されている、組電池であって、
前記放熱部材は、
矩形状に形成され、前記第１ケースと接触する第１壁と、
前記第１壁から前記第２ケースに向けて延び、前記第２ケースと接触する複数の第２壁と、を備え、
複数の前記第２壁は、前記拘束されているときに変形することなく前記第１壁から前記第２ケースに向けて同じ方向に傾斜しており、該変形していない状態での該第２壁と該第１壁との間の角度θは６０°～８５°である、組電池。