JP7380630B2 - 組電池 - Google Patents

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Description

本開示は、蓄電装置に関する。
従来、複数の蓄電セルを備える蓄電装置が知られている。例えば、特開２０１３－２２９２６６号公報には、一方向に積層された複数の電池と、複数の電池を包囲する筐体と、を備える電池モジュールが開示されている。各電池は、ラミネートフィルムを外装とした長方形状のラミネート型電池である。各電池の短辺となる両端部の中央からそれぞれ薄い金属板からなる電極タブが帯状に導出されている。
特開２０１３－２２９２６６号公報
特開２０１３－２２９２６６号公報に記載される蓄電装置では、各電池の膨張に伴ってケースが膨張することにより、ケースが破損する懸念がある。
一方、ケースに対する各電池の相対変位が許容される状態では、蓄電装置が振動したときに各電池が共振する場合がある。
本開示の目的は、蓄電セルの膨張時におけるケースの破損の抑制と、蓄電セルの共振の抑制と、を両立可能な蓄電装置を提供することである。
本開示の一局面に従った蓄電装置は、一方向に積層された複数の蓄電セルと、前記複数の蓄電セルを収容するケースと、前記ケース内に配置されており、前記一方向における前記ケースに対する前記複数の蓄電セルの相対変位を制限する制限ユニットと、を備え、前記制限ユニットは、前記複数の蓄電セルの各蓄電セルが膨張するときにおける前記ケースに対する前記各蓄電セルの相対速度である第１速度で前記各蓄電セルが前記ケースに対して相対変位したときに第１弾性率を示し、前記ケースに対して前記各蓄電セルが前記一方向に前記第１速度よりも大きな第２速度で相対変位したときに前記第１弾性率よりも大きな第２弾性率を示す。
本開示によれば、蓄電セルの膨張時におけるケースの破損の抑制と、蓄電セルの共振の抑制と、を両立可能な蓄電装置を提供することができる。
本開示の第１実施形態の蓄電装置を含む組電池の構成を概略的に示す斜視図である。 図１におけるＩＩ－ＩＩ線での断面図である。 蓄電モジュールの構成を概略的に示す分解斜視図である。 制御ユニットの配置の変形例を概略的に示す断面図である。 本開示の第２実施形態の蓄電装置の構成を概略的に示す断面図である。 本開示の第３実施形態の蓄電装置における制限ユニットの構成を概略的に示す断面図である。
本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
（第１実施形態）
図１は、本開示の第１実施形態の蓄電装置を含む組電池の構成を概略的に示す斜視図である。図２は、図１におけるＩＩ－ＩＩ線での断面図である。この組電池１は、例えば、電気自動車等の電動車に搭載される。
図１及び図２に示されるように、組電池１は、蓄電装置１０と、冷却装置２０と、を備えている。冷却装置２０は、蓄電装置１０を冷却する装置である。冷却装置２０は、蓄電装置１０の側部に接するように配置されている。図１に示されるように、冷却装置２０は、その内部を冷却媒体（水等）Ｃが流れるように構成されている。なお、図１では、冷却装置２０の一部が破断された状態が示されている。
図１に示されるように、蓄電装置１０は、一対の外部端子１１，１２を有している。一方の外部端子１１は、正極端子であり、他方の外部端子１２は、負極端子である。図２に示されるように、蓄電装置１０は、蓄電モジュール１００と、ケース２００と、絶縁シート３００と、充填部４００と、制限ユニット５００と、を備えている。
図３は、蓄電モジュールの構成を概略的に示す分解斜視である。図２及び図３に示されるように、蓄電モジュール１００は、少なくとも一つの蓄電セル１０１を含んでいる。本実施形態では、蓄電モジュール１００は、複数の蓄電セル１０１を有している。複数の蓄電セル１０１は、一方向（図１における上下方向）に積層されている。なお、図２及び図３には、３つの蓄電セル１０１が示されているが、蓄電セル１０１の数は、特に限定されない。蓄電セル１０１として、例えば、リチウムイオン電池が挙げられる。
蓄電セル１０１は、いわゆるラミネート型セルである。すなわち、蓄電セル１０１は、複数の電極体１１０と、集電板１２０と、ラミネートフィルム１３０と、接着部材１４０と、電解液（図示略）と、を有している。なお、蓄電セル１０１は、セパレータと電解液の代わりに、固定電解質を有する全固体電池で構成されてもよい。
複数の電極体１１０は、一方向に積層されている。複数の電極体１１０は、正極シートと負極シートとを含む。正極シート及び負極シート間には、セパレータが配置されている。各電極体１１０の端部は、集電板１２０に電気的に接続されている。
ラミネートフィルム１３０は、複数の電極体１１０及び集電板１２０の一部を被覆している。ラミネートフィルム１３０内には、電解液（図示略）が充填されている。
図２及び図３に示されるように、集電板１２０は、ラミネートフィルム１３０から突出する突出部１２２を有している。各突出部１２２は、複数の蓄電セル１０１が電気的に直列に接続されるようにバスバー１０２によって接続されている。
図３に示されるように、一方向における一方側の端部に配置された蓄電セル１０１の突出部１２２には、外部端子１１を有するバスバー１３が接続されており、一方向における他方側の端部に配置された蓄電セル１０１の突出部１２２には、外部端子１２を有するバスバー１４が接続されている。
接着部材１４０は、ラミネートフィルム１３０を集電板１２０に接着する部材である。接着部材１４０は、絶縁性を有する材料（樹脂等）からなる。接着部材１４０は、ラミネートフィルム１３０から突出する形状を有している。つまり、接着部材１４０は、突出部１２２の一部を被覆している。
ケース２００は、蓄電モジュール１００を収容している。ケース２００は、金属（アルミニウム等）からなる。図１に示されるように、ケース２００は、ケース本体２１０と、閉塞板２２０と、を有している。
ケース本体２１０は、少なくとも一方向に開口している。本実施形態では、ケース本体２１０は、各蓄電セル１０１の積層方向と直交する方向に延びる中心軸を有する四角筒状に形成されている。ケース本体２１０には、注入口ｈ（図２を参照）が設けられている。
閉塞板２２０は、ケース本体２１０の開口を塞ぐようにケース本体２１０に溶接されている。閉塞板２２０は、平板状に形成されている。
冷却装置２０は、ケース本体２１０の外側面に接するように設けられている。換言すれば、冷却装置２０は、各蓄電セル１０１の積層方向と直交する方向にケース２００に接するように設けられている。
絶縁シート３００は、ケース本体２１０の内面及び閉塞板２２０の内面を被覆している。図２に示されるように、絶縁シート３００は、ケース本体２１０の上面及び下面を被覆していてもよい。
充填部４００は、絶縁性を有する材料からなる。充填部４００は、熱伝導性を有する材料からなることが好ましい。充填部４００は、ケース２００の注入口ｈを通じてケース２００内に前記材料（本実施形態ではポッティング材）を注入することにより形成される。
図２に示されるように、充填部４００は、突出部１２２の先端を被覆している。充填部４００は、接着部材１４０とともに、突出部１２２の全域を被覆している。なお、充填部４００は、接着部材１４０及びラミネートフィルム１３０の端部を被覆していてもよい。
充填部４００は、バスバー１０２，１３，１４の全域を被覆していることが好ましい。充填部４００は、ケース本体２１０の内面に設けられた絶縁シート３００と、閉塞板２２０の内面に設けられた絶縁シート３００と、に接していることが好ましい。このようにすれば、ケース２００に対する蓄電モジュール１００の相対変位が抑制される。
制限ユニット５００は、ケース２００内に配置されている。制限ユニット５００は、蓄電モジュール１００とケース本体２１０との間に配置されている。本実施形態の蓄電装置１０は、図２に示されるように、蓄電モジュール１００の上面とケース本体２１０との間に配置された第１制御ユニット５０１と、蓄電モジュール１００の下面とケース本体２１０との間に配置された第２制御ユニット５０２と、を備えている。ただし、第１制御ユニット５０１及び第２制御ユニット５０２のいずれか一方は、省略されてもよい。
制限ユニット５００は、各蓄電セル１０１の積層方向におけるケース２００に対する蓄電モジュール１００の相対変位を制限する。制限ユニット５００は、第１速度で各蓄電セル１０１がケース２００に対して相対変位したときに第１弾性率を示し、第２速度で各蓄電セル１０１がケース２００に対して相対変位しようとしたときに第１弾性率よりも大きな第２弾性率を示す。
第１速度は、蓄電モジュール１００の各蓄電セル１０１が膨張するときにおけるケース２００に対する各蓄電セル１０１の相対速度である。第２速度は、ケース２００に対する各蓄電セル１０１の相対速度であって第１速度よりも大きな速度である。第２速度は、例えば、蓄電装置１０ないし組電池１が振動するときにおけるケース２００に対する各蓄電セル１０１の相対速度である。
図２に示されるように、制限ユニット５００は、収容袋５１０と、液体５２０と、を有している。
収容袋５１０は、液体５２０を密封状体で収容している。収容袋５１０は、柔軟な樹脂材料等からなる。
液体５２０は、収容袋５１０内に充填されている。液体５２０は、ダイラタンシー性を有する材料（樹脂を含む流体等）からなる。ダイラタンシー性を有する材料は、ケース２００に対して各蓄電セル１０１が第１速度で相対変位したとき、つまり、各蓄電セル１０１の膨張時に各蓄電セル１０１から第１の力を受けたときに、第１弾性率を示す。ダイラタンシー性を有する材料は、ケース２００に対して蓄電モジュール１００が第２速度で相対変位しようとしたとき、つまり、蓄電装置１０の振動時に各蓄電セル１０１から第１の力よりも大きな第２の力を受けたときに、第２弾性率を示す。
すなわち、制限ユニット５００は、ケース２００に対する蓄電モジュール１００の第１速度での相対変位を許容し、ケース２００に対する蓄電モジュール１００の第２速度での相対変位を規制する。
以上のように、本実施形態の蓄電装置１０では、各蓄電セル１０１の膨張時、すなわち、ケース２００に対して各蓄電セル１０１が第１速度で相対変位するときには、制限ユニット５００が相対的に小さな第１弾性率を示すため、制限ユニット５００の弾性変形により各蓄電セル１０１の膨張が吸収される。一方、蓄電装置１０の振動時等、ケース２００に対して各蓄電セル１０１が第２速度で相対変位するときには、制限ユニット５００が相対的に大きな第２弾性率を示すことによってケース２００に対する蓄電モジュール１００の相対変位が規制されるため、蓄電モジュール１００の共振が抑制される。
また、本実施形態では、前記積層方向と直交する方向におけるケース２００の側部から、熱伝導性を有する材料からなる充填部４００を介して冷却装置２０によって集電板１２０及びバスバー１０２が冷却される。集電板１２０及びバスバー１０２は金属からなるため、蓄電モジュール１００が有効に冷却される。
さらに、制限ユニット５００に接する蓄電セル１０１の熱は、制限ユニット５００を介してケース本体２１０に伝わるため、当該蓄電セル１０１が有効に冷却される。
なお、上記実施形態において、図４に示されるように、制限ユニット５００は、互いに隣接する一対の蓄電セル１０１間に配置されてもよい。
（第２実施形態）
次に、図５を参照しながら、本開示の第２実施形態の蓄電装置１０について説明する。図５は、本開示の第２実施形態の蓄電装置の構成を概略的に示す断面図である。なお、第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第１実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は繰り返さない。
本実施形態では、制限ユニット５００は、波板５３０を有している。波板５３０の熱伝導率は、例えば、１０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。波板５３０は、複数の第１湾曲部５３２と、複数の第２湾曲部５３４と、を有している。
各第１湾曲部５３２は、一方向における一方側に凸となるように湾曲するとともに、一方向と直交する直交方向（図５において紙面と直交する方向）に延びる形状を有している。
各第２湾曲部５３４は、一方向における他方側に凸となるように湾曲するとともに、直交方向に延びる形状を有している。
図５に示されるように、各第１湾曲部５３２及び各第２湾曲部５３４は、一方向及び直交方向の双方に直交する方向に沿って交互に並ぶように配置されている。
波板５３０は、ケース２００に対して各蓄電セル１０１が第１速度で相対変位したとき、つまり、各蓄電セル１０１の膨張時に各蓄電セル１０１から第１の力を受けたときに、各湾曲部５３２，５３４が開くように弾性変形する。このとき、波板５３０は、第１弾性率を示す。
波板５３０は、各湾曲部５３２，５３４が直交方向に延びる形状を有していることによって曲げ剛性が確保されているため、ケース２００に対して蓄電モジュール１００が第２速度で相対変位しようとするとき、つまり、蓄電装置１０の振動時に各蓄電セル１０１から第１の力よりも大きな第２の力を受けたときに、ケース２００に対する蓄電モジュール１００の相対変位を規制する。このとき、波板５３０は、第２弾性率を示す。
本実施形態において、制限ユニット５００は、一対の板材５４０をさらに有していてもよい。一対の板材５４０は、一方向における両側から波板５３０に接するように配置されている。各板材５４０のうち波板５３０に接する面は、平坦に形成されている。各板材５４０は、各湾曲部５３２，５３４が開くように波板５３０が弾性変形する際に当該波板５３０に生じる摩擦力を低減する機能を有する。各板材５４０の熱伝導率は、例えば、１０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。一対の板材５４０のうち少なくとも蓄電セル１０１に接している板材５４０の端部５４０ａは、充填部４００から離間していることが好ましい。
この態様では、各蓄電セル１０１の膨張時には、各湾曲部５３２，５３４が開くように波板５３０が弾性変形することによって各蓄電セル１０１の膨張が吸収され、一方、各湾曲部５３２，５３４が直交方向に延びる形状を有することによって波板５３０の曲げ剛性が確保されているため、蓄電装置１０の振動時におけるケース２００に対する蓄電モジュール１００の相対変位が有効に規制される。
また、制限ユニット５００は、一対の板材５４０を有するため、各蓄電セル１０１の膨張時において波板５３０が弾性変形する際に当該波板５３０に生じる摩擦が低減される。
さらに、蓄電セル１０１に接している板材５４０の端部５４０ａが充填部４００から離間しているため、各蓄電セル１０１の膨張時に当該板材５４０がケース２００に対して一方向に有効に相対変位する。
（第３実施形態）
次に、図６を参照しながら、本開示の第３実施形態の蓄電装置１０における制限ユニット５００について説明する。図６は、本開示の第３実施形態の蓄電装置における制限ユニットの構成を概略的に示す断面図である。なお、第３実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第１実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は繰り返さない。
本実施形態では、制限ユニット５００は、収容袋５１０内に配置された波板５３０をさらに有している。波板５３０の構成は、第２実施形態のそれと同じである。収容袋５１０内への液体５２０の充填量は、第１実施形態のそれよりも少なく設定されている。
この態様では、液体５２０及び波板５３０によって制限ユニット５００の曲げ剛性がより高まるため、蓄電モジュール１００の共振がより確実に抑制される。
上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
上記実施形態における蓄電装置は、一方向に積層された複数の蓄電セルと、前記複数の蓄電セルを収容するケースと、前記ケース内に配置されており、前記一方向における前記ケースに対する前記複数の蓄電セルの相対変位を制限する制限ユニットと、を備え、前記制限ユニットは、前記複数の蓄電セルの各蓄電セルが膨張するときにおける前記ケースに対する前記各蓄電セルの相対速度である第１速度で前記各蓄電セルが前記ケースに対して相対変位したときに第１弾性率を示し、前記ケースに対して前記各蓄電セルが前記一方向に前記第１速度よりも大きな第２速度で相対変位したときに前記第１弾性率よりも大きな第２弾性率を示す。
この蓄電装置では、各蓄電セルの膨張時、すなわち、ケースに対して各蓄電セルが第１速度で相対変位するときには、制限ユニットが相対的に小さな第１弾性率を示すため、制限ユニットの弾性変形により各蓄電セルの膨張が吸収され、一方、蓄電装置の振動時等、ケースに対して各蓄電セルが第２速度で相対変位するときには、制限ユニットが相対的に大きな第２弾性率を示すことによってケースに対する複数の蓄電セルの相対変位が規制されるため、複数の蓄電セルの共振が抑制される。
また、前記制限ユニットは、ダイラタンシー性を有する材料からなってもよい。
また、前記制限ユニットは、複数の第１湾曲部と複数の第２湾曲部とを有する波板を含み、前記複数の第１湾曲部の各第１湾曲部は、前記一方向における一方側に凸となるように湾曲するとともに、前記一方向と直交する直交方向に延びる形状を有し、前記複数の第２湾曲部の各第２湾曲部は、前記一方向における他方側に凸となるように湾曲するとともに、前記直交方向に延びる形状を有し、前記各第１湾曲部及び前記各第２湾曲部は、前記一方向及び前記直交方向の双方に直交する方向に沿って交互に並ぶように配置されていてもよい。
この態様では、各蓄電セルの膨張時には、各湾曲部が開くように波板が弾性変形することによって各蓄電セルの膨張が吸収され、一方、各湾曲部が直交方向に延びる形状を有することによって波板の曲げ剛性が確保されているため、蓄電装置の振動時におけるケースに対する各蓄電セルの相対変位が有効に規制される。
また、前記制限ユニットは、前記一方向における両側から前記波板に接するように配置された一対の板材をさらに有し、前記一対の板材のうち前記波板に接する面は、平坦に形成されていてもよい。
この態様では、各蓄電セルの膨張時において波板が弾性変形する際に当該波板に生じる摩擦が低減される。
あるいは、前記制限ユニットは、前記波板を密封状態で収容する収容袋と、前記収容袋内に充填された液体と、をさらに含んでいてもよい。
この態様では、液体によって制限ユニットの曲げ剛性がより高まるため、各蓄電セルの共振がより確実に抑制される。
この場合において、前記液体は、ダイラタンシー性を有する材料からなることが好ましい。
また、前記制限ユニットは、互いに隣接する前記蓄電セル間に配置されていてもよい。
なお、今回開示された実施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。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに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。
１ 組電池、１０ 蓄電装置、１１ 外部端子、１２ 外部端子、２０ 冷却装置、１００ 蓄電モジュール、１０１ 蓄電セル、１０２ バスバー、１１０ 電極体、１２０ 集電板、１２２ 突出部、１３０ ラミネートフィルム、１４０ 接着部材、２００ ケース、２１０ ケース本体、２２０ 閉塞板、３００ 絶縁シート、４００ 充填部、５００ 制限ユニット、５１０ 収容袋、５２０ 液体、５３０ 波板、５３２ 第１湾曲部、５３４ 第２湾曲部、５４０ 板材、Ｃ 冷却媒体、ｈ 注入口。

Claims (4)

  1. 蓄電装置と、
    前記蓄電装置を冷却する冷却装置と、を備え、
    前記蓄電装置は、
    一方向に積層された複数の蓄電セルと、
    前記複数の蓄電セルを収容するケースと、
    前記ケースの内面を被覆する絶縁シートと、
    前記ケース内に配置されており、前記一方向における前記ケースに対する前記複数の蓄電セルの相対変位を制限する制限ユニットと、を備え、
    前記冷却装置は、前記ケースの外側面に接するように配置されており、
    前記各蓄電セルは、
    正極シート及び負極シートを含み、前記一方向に積層された複数の電極体と、
    前記複数の電極体の各々の端部に電気的に接続された集電板と、
    前記複数の電極体と前記集電板の一部とを被覆するラミネートフィルムと、を有し、
    前記制限ユニットは、前記複数の蓄電セルの各蓄電セルが膨張するときにおける前記ケースに対する前記各蓄電セルの相対速度である第１速度で前記各蓄電セルが前記ケースに対して相対変位したときに第１弾性率を示し、前記ケースに対して前記各蓄電セルが前記一方向に前記第１速度よりも大きな第２速度で相対変位したときに前記第１弾性率よりも大きな第２弾性率を示し、
    前記制限ユニットは、前記複数の蓄電セルのうち前記一方向における最も外側に配置された蓄電セルの前記ラミネートフィルムと前記絶縁シートとに接するように配置されている、組電池。
  2. 前記制限ユニットは、ダイラタンシー性を有する材料からなる、請求項１に記載の組電池。
  3. 前記制限ユニットは、複数の第１湾曲部と複数の第２湾曲部とを有する波板を含み、
    前記複数の第１湾曲部の各第１湾曲部は、前記一方向における一方側に凸となるように湾曲するとともに、前記一方向と直交する直交方向に延びる形状を有し、
    前記複数の第２湾曲部の各第２湾曲部は、前記一方向における他方側に凸となるように湾曲するとともに、前記直交方向に延びる形状を有し、
    前記各第１湾曲部及び前記各第２湾曲部は、前記一方向及び前記直交方向の双方に直交する方向に沿って交互に並ぶように配置されている、請求項１に記載の組電池。
  4. 前記制限ユニットは、前記一方向における両側から前記波板に接するように配置された一対の板材をさらに有し、
    前記一対の板材のうち前記波板に接する面は、平坦に形成されている、請求項３に記載の組電池。
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