JP7192665B2 - スペーサ材 - Google Patents

Description

本開示は、スペーサ材に関する。

特開２００８－１２４０３３号公報（特許文献１）および特開２０１６－１３９４７６号公報（特許文献２）には、電池モジュールが開示されている。特許文献１に開示された電池モジュールにおいては、積層したセルの間に配置された加圧板にスペーサが取り付けられ、スペーサは弾性体を兼ねる。

特開２００８－１２４０３３号公報 特開２０１６－１３９４７６号公報

特許文献１に開示された電池モジュールでは、加圧板に取り付けられたスペーサが弾性体から構成されており、電池セルが膨張した際にスペーサが過圧縮されることによって破壊される場合がある。

本開示は、電池セルが膨張した場合であっても電池セル間に配置されたスペーサ材が圧縮破壊されることを抑制可能とすることを目的とする。

スペーサ材は、隣り合う電池セル間に配置されるスペーサ材であって、第１部材と、厚み方向における軸剛性が上記第１部材よりも高い第２部材と、を備え、上記第１部材は、上記第２部材に対して上記電池セルが配置される方向に突出しており、上記電池セルが上記スペーサ材を押圧する際、押圧量が所定値未満の場合は上記第１部材のみが上記電池セルに当接し、押圧量が上記所定値以上の場合は上記第１部材および上記第２部材が上記電池セルに当接する。

上記スペーサ材によれば、電池セルがスペーサ材を押圧する際、押圧量が所定値以上の場合は第１部材および第２部材が電池セルに当接する。第１部材よりも高い軸剛性を有する第２部材が第１部材と協働して電池セルからの荷重を受ける。スペーサ材が第１部材のみから構成される場合に比べて、第１部材に作用する荷重が小さくなるため、第１部材が過圧縮により破壊されることは抑制され、ひいてはスペーサ材が圧縮破壊されることを抑制可能となる。

本開示によれば、電池セルが膨張した場合であっても電池セル間に配置されたスペーサ材が圧縮破壊されることを抑制可能となる。

実施の形態における蓄電装置１０を示す平面図である。 図１中のＩＩ－ＩＩ線に沿った矢視断面図である。 図２に示すスペーサ材５の斜視図である。 蓄電装置の充電パターンの一例を示す図である。 実施の形態における蓄電装置において、（ａ）はＳＯＣと荷重の関係を示すグラフであり、（ｂ）はＳＯＣと変位の関係を示すグラフである。 比較例１の蓄電装置において、電池セル１Ｘ，２Ｘ間に硬質材７Ｘを備えることを示す断面図である。 図６に示す比較例１の蓄電装置において、（ａ）はＳＯＣと荷重の関係を示すグラフであり、（ｂ）はＳＯＣと変位の関係を示すグラフである。 比較例２の蓄電装置において、電池セル１Ｙ，２Ｙ間に弾性体６Ｙを備えることを示す断面図である。 図８に示す比較例２の蓄電装置において、（ａ）はＳＯＣと荷重の関係を示すグラフであり、（ｂ）はＳＯＣと変位の関係を示すグラフである。 実施の形態の第１変形例における、弾性体部６Ａと硬質部７Ａとを備えるスペーサ材５Ａを示す斜視図である。 実施の形態の第２変形例における、弾性体部６Ｂと硬質部７Ｂとを備えるスペーサ材５Ｂを示す斜視図である。

実施するための形態について、以下、図面を参照しながら説明する。以下の説明において同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

（蓄電装置１０）
図１は、実施の形態における蓄電装置１０を示す平面図であり、たとえば、鉛直方向に対して平行な方向から蓄電装置１０を見た際に現れる様子を示している。図２は、図１中のＩＩ－ＩＩ線に沿った矢視断面図であり、鉛直方向に対して平行な断面によって蓄電装置１０を仮想的に切断した際に現れる様子を示している。図３は、図２に示すスペーサ材５の斜視図である。

図１～図３に示すように、蓄電装置１０は、所定方向（矢印ＤＲ方向）に積層された複数の電池セルと、隣り合う電池セル１，２間に配置されるスペーサ材５を備えている。スペーサ材５は、第１部材としての弾性体部６と、厚み方向における軸剛性が弾性体部６よりも高い、第２部材としての硬質部７とを備えている。硬質部７は、平板状の形状を有しており、弾性体部６は、硬質部７に対して電池セル１，２が配置される方向に突出している。スペーサ材５は、電池セル１，２を保持する。

本実施の形態においては、複数の電池セルは、所定方向（矢印ＤＲ方向）において互いに離間し、各々の側面１Ｓ，２Ｓ同士が対向するように配置された電池セル１および電池セル２を含んでいる。電池セル１の上部には一対の端子部１Ｔが設けられており、電池セル２の上部には一対の端子部２Ｔが設けられている。複数の電池セルは、端子部１Ｔ，２Ｔ等が図示しないバスバー等を介して電気的に接続されることで、一つの蓄電モジュールを構成している。

蓄電モジュールの所定方向（矢印ＤＲ方向）における両端部には、図示しない拘束用のエンドプレートも配置される。蓄電モジュールの一体化した状態は図示しない拘束バンドの押圧固定の作用によって保持され得る。蓄電装置は、電池セル側面を押してスペーサ材を拘束する構成となっている。これは、電池セル間に隙間ができないようにすることにより、電池性能劣化を抑制するためである。

以上のような構成を備えた蓄電装置１０は、ハイブリッド車両のみならず、電気自動車や燃料電池車両にも適用することができる。ハイブリッド車両に適用される蓄電装置１０は、シリーズ方式、パラレル方式およびシリーズ・パラレル方式のいずれにも適用することができる。蓄電装置１０は、回転電機が２つ設けられたハイブリッド車両に限られず、回転電機が１つ設けられた、いわゆるワンモータハイブリッドにも適用することができる。

（作用および効果）
実施の形態の蓄電装置１０では、電池セル１，２がスペーサ材５を押圧する際、押圧量が所定値未満の場合は弾性体部６のみが電池セル１，２に当接し、押圧量が所定値以上の場合は弾性体部６および硬質部７が電池セル１，２に当接する。弾性体部６よりも厚み方向（ここでは積層方向である所定方向に同じ）において高い軸剛性を有する硬質部７が弾性体部６と協働して電池セル１，２からの荷重を受ける。スペーサ材５が弾性体部６のみから構成される場合に比べて、弾性体部６に作用する荷重が小さくなるため、弾性体部６が過圧縮により破壊されることは抑制され、ひいてはスペーサ材５が圧縮破壊されることを抑制可能となる。

図４は、蓄電装置の充電パターンの一例を示す図である。この充電パターンの一例では、充電電流レートは、所定値（たとえば５０％）のＳＯＣ（State of charge：充電容量）までは一定であり、所定値以上では徐々に小さくなる。

図５は、実施の形態における蓄電装置において、（ａ）はＳＯＣと荷重の関係を示すグラフであり、（ｂ）はＳＯＣと変位の関係を示すグラフである。荷重とは、膨張する電池セルがスペーサ材を押圧することによって生じる、スペーサ材が受ける軸方向の力をいう。変位とは、膨張前の電池セルの側面の軸方向位置に対する膨張後の電池セルの側面の軸方向の移動距離をいう。図４に示した充電パターンで蓄電装置の充電を行なうと、たとえば図５（ａ）および（ｂ）に示すような挙動が得られる。

図５（ａ）を参照すると、所定のＳＯＣに達するまで、荷重は比較的緩やかに上昇する。これは、膨張する電池セル１，２がスペーサ材５を押圧する際、弾性体部６が荷重を受けて圧縮されるためである。このとき、電池セル間に隙間ができないようにすることにより、充電時の蓄電装置の劣化が抑制される。所定のＳＯＣに達した後は、荷重は比較的急峻に上昇する。これは、電池セル１，２が膨張したときに弾性体部６のみならず硬質部７が電池セル１，２に当接し、硬質部７が荷重を受け、弾性体部６のさらなる圧縮を抑制するためである。このとき、弾性体部６の圧縮破壊を抑制することができる。上記構成によれば、電池セル１，２間に弾性体のみを備える蓄電モジュールと比較して、電池セル１，２間のスペーサ材５の厚みを薄くすることが可能となるため、蓄電モジュールのエネルギ密度を高くすることができる。

図５（ｂ）を参照すると、所定のＳＯＣに達するまで、変位は比較的急峻に上昇する。これは、膨張する電池セル１，２がスペーサ材５を押圧する際、弾性体部６が圧縮されることにより、電池セル１，２の対向する側面１Ｓ，２Ｓが軸方向に（それぞれ側面２Ｓ，１Ｓに向かって）移動しやすいためである。所定のＳＯＣに達した後は、変位は比較的緩やかに上昇する。これは、硬質部７が電池セル１，２に当接することにより、膨張する電池セル１，２の側面１Ｓ，２Ｓの軸方向の移動が抑制されるためである。

実施の形態の蓄電装置１０において、図４に示す充電パターンの条件下では、たとえば、充電１００ｃｙｃ後容量維持率は９５％となり、電池セルの劣化はほとんど発生しない。モジュール発生荷重（ＳＯＣ１００％時）は４０ｋＮであり、後述する比較例２の場合よりは高いが、比較例１の場合よりは低くなる。エネルギ密度（体積当たり）は９５％であり、後述する比較例１の場合よりは低いが、比較例２の場合よりは高くなる。充電１００ｃｙｃ後容量維持率とは、蓄電装置の充電を１００サイクル繰り返した後、初期容量と比較してどれほど容量が維持されるかを示す値である。モジュール発生荷重とは、モジュール内で発生する荷重である。エネルギ密度とは、蓄電モジュールの体積当りのエネルギ密度を示し、後述の図６に示す比較例１における蓄電装置のエネルギ密度を１００％としたときの相対的な値である。

図６は、比較例１の蓄電装置において、電池セル１Ｘ，２Ｘ間に硬質材７Ｘを備えることを示す断面図である。図６に示す比較例１における蓄電装置では、電池セル１Ｘ，２Ｘが膨張したとき、電池セル１Ｘ，２Ｘは硬質材７Ｘを押圧する。図７は、図６に示す比較例１の蓄電装置において、（ａ）はＳＯＣと荷重の関係を示すグラフであり、（ｂ）はＳＯＣと変位の関係を示すグラフである。図６に示す比較例１における蓄電装置の充電パターンは、実施の形態と同様に、図４に示した充電パターンの条件を前提としたものである。

図７（ａ）を参照すると、ＳＯＣに比例して、荷重は比較的急峻に上昇する。これは、電池セル１，２が膨張したときに硬質材７Ｘが比較的高い軸剛性を有して電池セル１，２に当接するため、硬質材７Ｘが受ける荷重が高くなりやすいためである。図７（ｂ）を参照すると、ＳＯＣに比例して、変位は比較的緩やかに上昇する。これは、硬質材７Ｘが電池セル１，２に当接するため、膨張する電池セル１，２の側面１Ｓ，２Ｓの軸方向の移動が抑制されるためである。

図６に示す比較例１における蓄電装置において、図４に示す充電パターンの条件下では、たとえば、充電１００ｃｙｃ後容量維持率は８３％であり、モジュール発生荷重（ＳＯＣ１００％時）は９０ｋＮであり、エネルギ密度（体積当たり）は１００％であった。この結果から、図６に示す比較例１における蓄電装置においては、実施の形態における蓄電装置と比較して、硬質材７Ｘの厚さが小さいためにエネルギ密度は高い一方、モジュールに発生する荷重が高いために充電１００ｃｙｃ後容量維持率は低くなることから蓄電装置の劣化の可能性が示唆される。

図８は、比較例２の蓄電装置において、電池セル１Ｙ，２Ｙ間に弾性体６Ｙを備えることを示す断面図である。図８に示す比較例２の蓄電装置では、電池セル１Ｙ，２Ｙが膨張したとき、電池セル１Ｙ，２Ｙは弾性体６Ｙを押圧する。図９は、図８に示す比較例２の蓄電装置において、（ａ）はＳＯＣと荷重の関係を示すグラフであり、（ｂ）はＳＯＣと変位の関係を示すグラフである。図８に示す比較例２における蓄電装置の充電パターンは、実施の形態と同様に、図４に示した充電パターンの条件を前提としたものである。

図９（ａ）を参照すると、ＳＯＣに比例して、荷重は比較的緩やかに上昇する。これは、電池セル１，２が膨張したときに弾性体６Ｙが比較的低い軸剛性を有して変形するため、弾性体６Ｙが受ける荷重が高くなりにくいためである。図９（ｂ）を参照すると、ＳＯＣに比例して、変位は比較的急峻に上昇する。これは、膨張する電池セル１，２が弾性体６Ｙを圧縮するため、電池セル１，２の対向する側面１Ｓ，２Ｓが軸方向に移動しやすいためである。

図８に示す比較例２における蓄電装置において、図４に示す充電パターンの条件下では、たとえば、充電１００ｃｙｃ後容量維持率は９６％であり、モジュール発生荷重（ＳＯＣ１００％時）は１５ｋＮであり、エネルギ密度（体積当たり）は８０％であった。この結果から、図８に示す比較例２における蓄電装置においては、実施の形態における蓄電装置と比較して、弾性体６Ｙの圧縮により荷重を低くすることができるために充電１００ｃｙｃ後容量維持率はほぼ同等である一方、弾性体６Ｙの厚さが大きいことからエネルギ密度は低いことが示唆される。

蓄電モジュールにおいては、電池性能劣化を抑制するために、電池セル内に配置される電極体の極間に隙間ができないように、電池側面が押圧されて電極体が拘束される。電池セルを保持するスペーサが硬質材のみからなる場合は、スペーサ材の変位が小さいため、充電による電極体の膨張で荷重が高くなることが考えられる。このとき、エンドプレートおよび拘束バンド等の高強度化が必要になるため、コストおよび質量等が上がることが考えられる。荷重が高くなると、セパレータの潰れなどにより、電池性能へ悪影響が発生する場合がある。

電池セルを保持するスペーサが弾性体のみからなる場合は、蓄電装置の充電によって、電池セル、より具体的には電極体の膨張等により、弾性体の許容圧縮率を超えて弾性体が圧縮されて、弾性体の破壊に至る場合がある。これは、弾性体の圧縮率を規定するものがなく、電極体の厚み変化に応じて弾性体が圧縮されるためである。弾性体の圧縮破壊を防止するために圧縮率が許容内にあるように弾性体の厚さを大きくすると、弾性体の厚みが大きくなることによって、モジュールのエネルギ密度が低くなることが考えられる。

本実施の形態の蓄電装置１０によれば、弾性体部６と、硬質部７とを備え、電池セル１，２がスペーサ材５を押圧する際、押圧量が所定値未満の場合は弾性体部６のみが電池セル１，２に当接し、押圧量が所定値以上の場合は弾性体部６および硬質部７が電池セル１，２に当接する。当該構成によれば、荷重の増加を抑制することにより弾性体部６の圧縮破壊を抑制するとともに、弾性体の厚みを低減することにより高エネルギ密度で大電流充電時の劣化を抑制することができる。

上述の実施の形態では、硬質部７に対して電池セル１が配置される方向と、硬質部７に対して電池セル２が配置される方向との両方に、弾性体部６が突出している。このような構成に限られず、弾性体部６は、硬質部７に対して電池セル１が配置される方向のみに突出していてもよいし、硬質部７に対して電池セル２が配置される方向のみに突出していてもよい。

（第１変形例）
図１０は、実施の形態の第１変形例における、弾性体部６Ａと硬質部７Ａとを備えるスペーサ材５Ａを示す斜視図である。第１変形例におけるスペーサ材５Ａは、板状の硬質部７Ａ上に、点状に配置された複数の円柱形状の弾性体部６Ａを備える。当該構成によっても、上述と同様な作用および効果を得ることができる。

（第２変形例）
図１１は、実施の形態の第２変形例における、弾性体部６Ｂと硬質部７Ｂとを備えるスペーサ材５Ｂを示す斜視図である。第２変形例におけるスペーサ材５Ｂは、弾性体部６Ｂに対して凹んだ硬質部７Ｂを備える。当該構成によっても、上述と同様な作用および効果を得ることができる。

スペーサ材５の形状は、硬質部が弾性体部の変形を規制すれば、特に限定されるものではない。

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は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。

１，１Ｘ，１Ｙ，２，２Ｘ，２Ｙ 電池セル、１Ｓ，２Ｓ 側面、１Ｔ，２Ｔ 端子部、５，５Ａ，５Ｂ スペーサ材、６，６Ａ，６Ｂ 弾性体部、６Ｙ 弾性体、７，７Ａ，７Ｂ 硬質部、７Ｘ 硬質材、１０ 蓄電装置。

Claims (1)

1. 隣り合う電池セル間に配置されるスペーサ材であって、
   複数の第１部材と、厚み方向における軸剛性が前記複数の第１部材よりも高い第２部材と、を備え、
   前記複数の第１部材の各々は、前記第２部材に対して前記電池セルが配置される方向に突出し、且つ、相互に独立して点状に配置されており、
   前記電池セルが前記スペーサ材を押圧する際、押圧量が所定値未満の場合は前記複数の第１部材のみが前記電池セルに当接し、押圧量が前記所定値以上の場合は前記複数の第１部材および前記第２部材が前記電池セルに当接する、スペーサ材。

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