KR101104521B1 - 축전 장치 - Google Patents

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히로노리 하라다
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히데유끼 야마무라
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

축전 장치는, 전지 셀(33)과, 전지 셀을 끼우도록 구속하기 위한 전지 홀더(1) 및 엔드 플레이트(40)와, 엔드 플레이트(40)와 전지 셀(33)의 사이에 배치되어 있는 개재 부재(11)를 구비한다. 전지 홀더(1) 및 엔드 플레이트(40)는 수지로 형성되어 있다. 전지 홀더(1) 및 엔드 플레이트(40)는 소정의 온도보다 낮은 온도에 있어서 정의 열팽창 계수를 갖는다. 개재 부재(11)는 소정의 온도보다 낮은 온도에 있어서, 실질적으로 부의 열팽창 계수를 갖도록 형성되어 있다.
축전 장치, 전지 셀, 엔드 플레이트, 전지 홀더, 개재 부재

Description

축전 장치{ELECTRICITY STORAGE DEVICE}
본 발명은, 축전 장치에 관한 것이다.
전동기를 구동원으로서 이용하는 전기 자동차나, 구동원으로서의 전동기와 그 밖의 구동원(예를 들어, 내연 기관, 연료 전지 등)을 조합한 하이브리드 자동차가 실용화되어 있다. 이들 자동차에 있어서는, 전동기에 에너지인 전기를 공급하기 위한 축전 장치가 탑재된다. 축전 장치로서는, 예를 들어 반복 충방전이 가능한 2차 전지나 캐패시터 등의 축전 기기가 포함된다. 2차 전지로서는, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지 또는 리튬 이온 전지 등의 전지 셀이 이용된다.
축전 장치에는, 단일의 축전 셀을 구비하는 것 외에, 복수의 축전 셀이 일체적으로 고정된 축전 모듈을 구비하는 것이 있다. 축전 장치에 있어서는, 예를 들어 축전 모듈이 케이스에 수용되어 있다. 축전 모듈은 복수의 축전 셀을 포함하므로, 큰 전류를 취출하거나 높은 전압을 취출할 수 있다(일본 특허 출원 공개 제2006-156392호 공보, 일본 특허 출원 공개 제2005-116429호 공보 또는 일본 특허 출원 공개 제2004-139924호 공보 참조).
축전 모듈은, 축전 셀 상호의 사이 및 양단부에 배치되어 있는 구속 부재를 구비한다. 축전 모듈은, 예를 들어 축전 셀과 구속 부재가 교대로 적층된 적층체를 구비한다. 적층체는, 양단부의 구속 부재가 서로 둥근 막대 등의 고정 부재에 의해 고정됨으로써 일체화되어 있다.
고정 부재에 의해 적층체를 고정할 때에는, 양단부의 구속 부재가 서로 근접하는 방향으로 하중이 인가된다. 고정 부재에 의해 적층체를 고정할 때에는, 예를 들어 적층체의 적층 방향의 길이가 일정해지도록 고정된다.
구속 부재는, 재질이나 형상 등에 기인하여 온도가 저하되면 수축하는 경우가 있다. 예를 들어, 구속 부재가, 정(正)의 열팽창 계수를 갖는 수지 등으로 형성되어 있는 경우에는, 온도가 저하되면 수축한다. 이러한 구속 부재는, 낮은 온도가 되면 체적이 작아진다. 이로 인해, 축전 셀에 인가되어 있는 구속 하중이 작아져 버리는 경우가 있다.
구속 하중이 작아지면, 축전 기기의 성능에 영향을 미쳐 버리는 경우가 있다. 예를 들어, 리튬 이온 전지 등의 전지 셀은, 우수한 성능을 발휘할 수 있는 구속 하중 범위를 갖는다. 이 구속 하중 범위를 하회하여, 약한 하중으로 구속한 경우에 있어서는, 전지 셀 내부의 전극층끼리의 거리가 커져 출력이 저하되는 경우가 있다.
축전 장치는, 상온에서 제조가 행해진다. 제조 단계에 있어서는, 적층체를 충분히 강하게 구속하고 있었던 경우에 있어서도, 저온의 환경하에서 사용하는 경우에 구속 하중이 작아져 버려, 축전 기기의 성능에 영향을 미쳐 버리는 경우가 있었다. 예를 들어, 축전 장치를 저온의 환경하에 있어서 사용할 때에, 전지 셀의 출력이 작아져 버리는 경우가 있었다.
본 발명은, 저온에 있어서도 안정된 성능이 얻어지는 축전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 국면에 있어서의 축전 장치는, 전기를 비축하기 위한 축전 셀을 구비한다. 상기 축전 셀을 끼우도록 구속하기 위한 구속 부재를 구비한다. 상기 구속 부재와 상기 축전 셀 사이의 영역에 배치되어 있는 개재 부재를 구비한다. 상기 구속 부재는, 소정의 온도보다 낮은 온도에 있어서 정의 열팽창 계수를 갖는다. 상기 개재 부재는, 상기 소정의 온도보다 낮은 온도에 있어서 상기 축전 셀의 구속 하중을 높이도록 형성되어 있다.
상기 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 개재 부재는 상기 소정의 온도보다 낮은 온도에 있어서 부(負)의 열팽창 계수를 갖는다.
상기 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 개재 부재는 상기 소정의 온도보다 낮은 온도에서 제1 열팽창 계수를 갖는 제1 구성 부재를 포함한다. 상기 개재 부재는, 상기 소정의 온도보다 낮은 온도에서 다른 열팽창 계수를 갖는 제2 구성 부재를 포함한다.
상기 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 개재 부재는 기체 및 액체를 포함한다. 상기 기체는, 친수성 폴리머 또는 다공질 부재로 형성되어 있다.
상기 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 개재 부재는 기체 및 액체를 포함한다. 상기 액체는, 물을 포함한다.
상기 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 구속 부재 및 상기 축전 셀은 적층되어 적층체를 구성하고 있다. 상기 개재 부재는, 상기 구속 부재와 상기 축전 셀에 접촉하도록 배치되어 있다.
상기 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 구속 부재 및 상기 축전 셀은 적층되어 적층체를 구성하고 있다. 상기 개재 부재는, 2개의 상기 축전 셀 또는 2개의 상기 구속 부재에 접촉하도록 배치되어 있다.
본 발명의 다른 국면에 있어서의 축전 장치는, 전기를 비축하기 위한 축전 셀을 구비한다. 상기 축전 셀을 끼우도록 구속하기 위한 구속 부재를 구비한다. 상기 구속 부재는, 소정의 온도보다 낮은 온도에 있어서 부의 열팽창 계수를 갖는다.
상기 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 구속 부재 및 상기 축전 셀이 적층되어 적층체를 구성하고 있다.
또한, 상술한 구성 중 2개 이상을 적절하게 조합해도 좋다.
본 발명에 따르면, 저온에 있어서도 안정된 성능이 얻어지는 축전 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 있어서의 전지 모듈의 개략 분해 사시도이다.
도 2는 제1 실시 형태에 있어서의 전지 모듈의 개략 단면도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 있어서의 제1 개재 부재의 개략 사시도이다.
도 4는 제1 실시 형태에 있어서의 제2 개재 부재의 개략 사시도이다.
도 5는 제1 실시 형태에 있어서의 제3 개재 부재의 개략 사시도이다.
도 6은 제3 실시 형태에 있어서의 제1 전지 모듈의 개략 단면도이다.
도 7은 제3 실시 형태에 있어서의 제2 전지 모듈의 개략 단면도이다.
도 8은 제4 실시 형태에 있어서의 축전 장치의 개략 사시도이다.
도 9는 제4 실시 형태에 있어서의 축전 장치의 개략 분해 사시도이다.
도 10은 제5 실시 형태에 있어서의 축전 장치의 개략 사시도이다.
(제1 실시 형태)
도 1 내지 도 5를 참조하여, 제1 실시 형태에 있어서의 축전 장치에 대해 설명한다. 본 실시 형태에 있어서의 축전 장치는, 축전 모듈이다. 본 실시 형태에 있어서의 축전 모듈은, 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 모듈이다.
도 1은 본 실시 형태에 있어서의 전지 모듈의 개략 사시도이다. 본 실시 형태에 있어서의 전지 모듈(9)은, 가솔린 엔진 등의 내연 기관과, 충방전 가능한 2차 전지에 의해 구동하는 모터를 동력원으로 하는 하이브리드 자동차에 탑재되어 있다.
전지 모듈(9)은, 축전 셀로서의 전지 셀(33)을 구비한다. 전지 모듈(9)은, 복수의 전지 셀(33)이 적층된 적층체를 구비한다. 복수의 전지 셀(33)은, 전지 셀(33)의 두께 방향으로 적층되어 있다. 화살표(89)는, 전지 셀(33)의 적층 방향을 나타낸다.
본 실시 형태에 있어서의 전지 셀(33)은, 각형의 전지 셀이다. 본 실시 형태에 있어서의 전지 셀(33)은, 리튬 이온 전지를 포함한다. 복수의 전지 셀(33) 은, 도시하지 않은 부스 바(bus bar)에 의해 서로 전기적으로 접속되어 있다.
전지 모듈(9)은, 전지 셀(33)을 구속하기 위한 구속 부재를 구비한다. 본 실시 형태에 있어서의 구속 부재는, 엔드 플레이트(40) 및 전지 홀더(1)를 포함한다. 전지 홀더(1)는 전지 셀(33)의 적층 방향에 있어서, 서로 인접하는 전지 셀(33) 상호의 사이에 배치되어 있다. 하나의 전지 셀(33)은, 하나의 전지 셀(33)의 양측에 배치된 2개의 전지 홀더(1)에 의해 끼움 지지되어 있다. 전지 홀더(1)는 전기적으로 절연성을 갖는 재료로 형성되어 있다. 본 실시 형태에 있어서의 전지 홀더(1)는 수지로 형성되어 있다.
엔드 플레이트(40)는 적층체의 적층 방향의 양단부에 배치되어 있다. 본 실시 형태에 있어서의 엔드 플레이트(40)는 판상으로 형성되어 있다. 본 실시 형태에 있어서의 엔드 플레이트(40)는, 수지에 의해 형성되어 있다. 엔드 플레이트(40)는 전지 셀(33) 및 전지 홀더(1)를, 적층 방향의 양측으로부터 끼우도록 배치되어 있다.
본 실시 형태에 있어서의 적층체는, 전지 셀(33), 전지 홀더(1) 및 엔드 플레이트(40)를 포함한다. 적층체는, 전지 셀(33)의 적층 방향에 있어서, 전지 셀(33)과 전지 홀더(1)가 교대로 배치되어 있다. 적층체는 절연 트레이(46)에 적재되어 있다.
도 2에, 본 실시 형태에 있어서의 전지 모듈의 개략 단면도를 도시한다. 도 2는 전지 모듈을 길이 방향으로 연장되는 면으로 절단하였을 때의 단면도이다. 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서의 전지 셀(33)은 전 극(33a)을 갖는다. 전극(33a)은 전지 셀(33)의 단부면으로부터 돌출되도록 형성되어 있다.
전지 모듈(9)은 고정 부재로서의 고정 밴드(42)를 구비한다. 본 실시 형태에 있어서의 고정 밴드(42)는 판상으로 형성되어 있다. 고정 밴드(42)는 길이 방향이 전지 셀(33)의 적층 방향으로 연장되도록 배치되어 있다. 고정 밴드(42)는 엔드 플레이트(40, 40)를 서로 체결하도록 배치되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 전지 모듈의 상부와 하부가 고정 밴드(42)에 의해 고정되어 있다.
고정 밴드(42)는 체결 부재로서의 리벳(45)에 의해 엔드 플레이트(40)에 고정되어 있다. 고정 밴드(42)는 전지 셀(33)을 적층 방향으로 구속하도록 배치되어 있다. 전지 셀(33), 전지 홀더(1) 및 엔드 플레이트(40)는 고정 밴드(42)에 의해 일체적으로 보유 지지되어 있다.
전지 셀(33)은 서로 대향하는 한 쌍의 표면(33b)을 갖는다. 표면(33b)은 전지 셀(33)의 복수의 표면 중 가장 큰 면적을 갖는 면적 최대면이다. 복수의 전지 셀(33)은 각각의 표면(33b, 33b)이 서로 대략 평행해지도록 배치되어 있다.
전지 홀더(1)는 판상부로서의 베이스부(1a)를 포함한다. 전지 홀더(1)는 리브(1b)를 갖는다. 리브(1b)는 베이스부(1a)의 전지 셀(33)에 대향하는 표면에 형성되어 있다. 리브(1b)는 전지 셀(33)의 표면(33b)에 접촉한다. 전지 셀(33)은 하나의 전지 홀더(1)의 리브(1b)와, 대향하는 전지 홀더(1)의 베이스부(1a)의 표면에 접촉하면서 끼움 지지되어 있다.
본 실시 형태에 있어서의 전지 셀(33)은, 유체로서의 공기에 의해 냉각된다. 리브(1b) 상호의 사이에는, 전지 셀(33)을 냉각하기 위한 냉각 공기가 흐르는 유로(100)가 형성되어 있다. 전지 셀(33)은 전지 셀(33)의 표면(33b)을 따라 공기가 흐름으로써 냉각된다. 전지 셀(33)은 유로(100)를 통과하는 공기에 의해 냉각된다.
본 실시 형태에 있어서의 전지 모듈(9)은, 제1 개재 부재로서의 개재 부재(11)를 구비한다. 본 실시 형태에 있어서의 개재 부재(11)는, 엔드 플레이트(40)와 전지 셀(33)에 접촉하고 있다. 본 실시 형태에 있어서의 개재 부재(11)는, 엔드 플레이트(40), 전지 셀(33) 및 전지 홀더(1)의 적층체의 내부에 배치되어 있다. 개재 부재(11)는 적층체의 적층 방향의 단부에 배치되어 있다.
도 3에 본 실시 형태에 있어서의 제1 개재 부재의 개략 사시도를 도시한다. 본 실시 형태에 있어서의 개재 부재(11)는 직육면체 형상으로 형성되어 있다. 본 실시 형태에 있어서의 개재 부재(11)는 친수성 폴리머로 형성되어 있는 기체(基體)에, 액체로서의 물을 포함시킨 것을 라미네이트 필름으로 밀폐한 구조를 갖는다.
친수성 폴리머에는 친수성 작용기를 포함하는 고분자, 또는 이들을 가교한 것이 포함된다. 친수성 폴리머로서는, 예를 들어 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜 또는 폴리아크릴아미드 등이 포함된다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 실시 형태에 있어서의 전지 모듈의 제조 공정에 있어서는, 전지 홀더(1), 엔드 플레이트(40) 및 전지 셀(33)을 적층한 후에, 화살표(89)로 나타내는 적층 방향으로 압축함으로써 하중을 인가한다. 적층 방향으로 하중을 인가한 상태에서, 고정 밴드(42)에 의해 적층체를 고정한다. 하중의 인 가에 있어서는, 예를 들어 적층체의 길이 방향의 길이가 일정해지도록 치수 구속을 행한다.
적층체의 조립 공정은 공장 내 등에서 행해지므로, 상온의 환경하에서 행해진다. 예를 들어, 약 25℃의 환경하에서 행해진다. 전지 모듈(9)은 우수한 성능을 발휘할 수 있는 구속 하중 범위 내의 하중으로 구속된다.
본 실시 형태에 있어서의 축전 장치는, 사용 환경이 저온이 되는 경우가 있다. 예를 들어, 전지 모듈(9)이 탑재된 하이브리드 자동차가, 매우 기온이 낮은 지역에서 사용되는 경우가 있다. 전지 모듈(9)은, 예를 들어 -30℃의 환경하에 배치된다.
본 실시 형태에 있어서의 구속 부재는 수지로 형성되고, 온도가 높아지면 체적이 팽창하는 정의 열팽창 계수를 갖는다. 구속 부재는, 온도가 저하됨으로써 수축하고, 화살표(89)로 나타내는 적층 방향의 두께가 얇아진다. 이로 인해, 전지 셀(33)의 구속 하중이 작아져 버린다.
본 실시 형태에 있어서의 개재 부재(11)는 라미네이트 필름의 내부에 물을 포함한다. 물은 소정의 온도로서의 +4℃에서 최소의 체적을 갖는다. 물은, 0℃ 이상 4℃ 이하의 범위 내에서는 온도가 하강하는 것에 수반하여, 체적이 팽창하는 부의 열팽창 계수를 갖는다. 또한, 0℃ 이하의 상태에 있어서는, 물이 응고함으로써 체적이 팽창한다. 즉, 물이 얼음으로 됨으로써 체적이 커져 실질적으로 부의 열팽창 계수를 나타낸다.
개재 부재(11)는 +4℃보다도 온도가 낮아짐으로써 체적이 팽창하여, 적층체 의 적층 방향의 두께가 두꺼워진다. 개재 부재(11)는 +4℃보다도 낮은 온도에 있어서, 전지 셀(33)의 구속 하중을 높이도록 형성되어 있다. 이로 인해, 온도가 낮은 상태에 있어서도 전지 셀(33)을 적절한 구속 하중으로 구속할 수 있어, 전지 셀(33)의 성능 저하를 억제할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 있어서의 개재 부재는, 소정의 온도보다 낮은 온도에 있어서 축전 셀의 구속 하중을 높이도록 형성되어 있다. 본 실시 형태에 있어서의 개재 부재는, 소정의 온도보다도 낮은 온도에서 부의 열팽창 계수를 갖는다. 즉, 소정의 온도보다도 온도가 저하되면 체적이 커지도록 형성되어 있다. 이로 인해, 온도가 저하되었을 때에 구속 부재의 수축에 수반되는 구속 하중의 저하를 보충할 수 있어, 낮은 온도에 있어서도 축전 셀의 구속 하중을 높게 유지할 수 있다. 축전 셀의 우수한 성능을 발휘할 수 있는 구속 하중 범위를 하회하는 것을 방지하여 안정된 구동을 행할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서의 개재 부재는, 액체 및 기체를 포함한다. 이 구성에 의해, 용이하게 부의 열팽창 계수를 갖는 개재 부재를 형성할 수 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 액체로서 물이 이용되어 있지만, 이 형태에 한정되지 않고 다른 액체가 이용되어 있어도 상관없다.
예를 들어, 액체로서는, 염화나트륨 등의 지지염을 포함하는 물을 이용해도 상관없다. 물에, 지지염과 같은 불순물을 용해시킴으로써 응고점을 낮출 수 있어, 응고에 의한 체적 팽창의 온도를 조정할 수 있다. 예를 들어, 물에 불순물이 혼입되어 있지 않은 경우에 있어서는, 0℃의 근방에 있어서 크게 팽창하지만, 지지염의 농도를 크게 함으로써, 응고에 의해 체적이 팽창하는 온도를 낮출 수 있다.
상기한 개재 부재에 있어서는, 액체를 포함시킨 친수성 폴리머의 기체를 구비하는 구성에 대해 설명하였지만, 이 형태에 한정되지 않고, 개재 부재로서는 소정의 온도보다 낮은 온도에 있어서 축전 셀의 구속 하중을 높이도록 형성되어 있는 임의의 부재를 이용할 수 있다.
도 4에, 본 실시 형태에 있어서의 제2 개재 부재의 개략 사시도를 도시한다. 제2 개재 부재는 복수의 구성 부재를 구비하고, 복수의 구성 부재가 적층되어 있다. 제2 개재 부재로서의 개재 부재(12)는 구성 부재(12a), 구성 부재(12b) 및 구성 부재(12c)가 적층된 구성을 갖는다. 각각의 구성 부재(12a 내지 12c)는 판상으로 형성되어 있다. 각각의 구성 부재(12a 내지 12c)는 면적이 최대가 되는 면적 최대면이 서로 접하도록 배치되어 있다.
본 실시 형태에 있어서의 구성 부재(12a 내지 12c)는, 지지염을 갖는 물이 포함되는 친수성 폴리머의 기체가 라미네이트 필름에 의해 밀폐되어 있다. 각각의 구성 부재(12a 내지 12c)는 내부의 지지염의 농도가 서로 다르도록 형성되어 있다. 구성 부재(12a)의 지지염의 농도는, 구성 부재(12b)의 지지염의 농도보다도 높아지도록 형성되어 있다. 또한, 구성 부재(12b)의 지지염의 농도는, 구성 부재(12c)의 지지염의 농도보다도 높아지도록 형성되어 있다. 즉, 구성 부재(12a)의 지지염의 농도가 가장 높고, 구성 부재(12c)의 지지염의 농도가 가장 낮아지도록 형성되어 있다. 각각의 구성 부재(12a 내지 12c)는 열팽창 계수가 상이하다.
개재 부재(12)의 주위의 온도가 저하되면, 지지염의 농도가 가장 낮은 구성 부재(12c)가 0℃ 근방에서 응고한다. 구성 부재(12b)는 구성 부재(12c)보다도 낮은 온도에서 응고한다. 또한, 구성 부재(12a)는 구성 부재(12b)보다도 낮은 온도에서 응고한다. 이와 같이, 각각의 구성 부재(12a 내지 12c)의 응고점이 상이하므로, 응고에 의한 체적 팽창의 온도를 각각의 구성 부재에서 어긋나게 할 수 있다. 지지염의 농도가 서로 다른 구성 부재를 복수 적층함으로써, 온도가 저하되었을 때에, 개재 부재의 체적을 서서히 크게 할 수 있다.
예를 들어, 수지로 형성되어 있는 구속 부재는, 온도를 낮춤으로써 서서히 체적이 작아진다. 개재 부재로서, 지지염의 농도가 상이한 복수의 구성 부재를 적층함으로써, 구속 부재의 수축에 대응하여 개재 부재의 길이를 서서히 길게 할 수 있다. 이 결과, 온도 변화에 따라서 보다 적절한 하중을 축전 셀에 인가할 수 있다. 제2 개재 부재는 소정의 온도에서 급격하게 체적이 팽창하여, 전지 셀에 큰 하중이 인가되는 것을 억제할 수 있다.
본 실시 형태의 제2 개재 부재에 있어서는, 직육면체 형상의 3개의 구성 부재가 적층되어 있지만, 이 형태에 한정되지 않고, 개재 부재는 임의의 형상의 구성 부재 및 임의의 개수의 구성 부재를 적층할 수 있다.
도 5에, 본 실시 형태에 있어서의 제3 개재 부재의 개략 사시도를 도시한다. 제3 개재 부재로서의 개재 부재(13)는 구성 부재(13b)와, 구성 부재(13b)의 내부에 배치되어 있는 구성 부재(13a)를 포함한다. 구성 부재(13a)는 지지염이 포함된 물을 포함하는 친수성 폴리머의 기체가 라미네이트 필름에 의해 밀폐되어 있다. 구성 부재(13b)는 구성 부재(13a)를 둘러싸도록, 지지염이 포함된 물을 포함하는 친 수성 폴리머의 기체와, 이 기체를 밀폐하는 라미네이트 필름을 포함한다. 구성 부재(13a)의 내부의 지지염의 농도는, 구성 부재(13a)의 외측에 배치되어 있는 지지염의 농도보다도 낮아지도록 형성되어 있다.
개재 부재(13)에 있어서는, 온도가 저하됨으로써, 0℃의 근방에서 구성 부재(13a)의 내부의 물이 응고하여 팽창한다. 또한, 저온에서 구성 부재(13b)의 내부 중 구성 부재(13a)의 외측에 배치되어 있는 지지염을 포함하는 물이 응고하여 팽창한다. 개재 부재로서, 하나의 구성 부재의 내부에, 지지염의 농도가 상이한 다른 구성 부재가 배치되어 있음으로써, 온도가 저하되었을 때에, 개재 부재의 체적을 서서히 크게 할 수 있다. 이 결과, 온도 변화에 따라서 보다 적절한 하중을 축전 셀에 인가할 수 있다. 제3 개재 부재는, 소정의 온도에서 급격하게 체적이 팽창하여, 전지 셀에 큰 하중이 인가되는 것을 억제할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서의 제3 개재 부재는, 직육면체 형상의 구성 부재가 이중으로 형성되어 있지만, 이 형태에 한정되지 않고, 임의의 형상의 구성 부재 및 임의의 개수를 겹칠 수 있다.
다음에, 본 실시 형태에 있어서의 축전 장치의 성능을 검증하는 제1 시험의 결과를 나타낸다. 시험에 있어서는, 전지 셀로서 각형의 리튬 이온 전지를 이용하였다. 전지 셀을 구속 부재로서의 2매의 금속판을 이용하여 끼워 넣음으로써 구속하여, 금속판에 하중을 인가하였다. 금속판으로서는, 스테인리스로 형성되어 있는 것을 이용하였다.
시험에 있어서는, 리튬 이온 전지를 충전하여 출력 전압을 소정의 전압으로 설정한 후에 정전류 방전을 10초간 행하였다. 정전류 방전의 후의 전압을 판독하여, 초기의 소정의 전압으로부터의 전압 저하량을 구하였다. 이 전압 저하량이 작을수록 내부 저항이 작아 우수한 것을 나타낸다. 전지 셀의 구속 조건은, 상온의 환경하로서의 25℃에서 전압 저하량이 동일한 값을 나타내도록 구속을 행하였다. 다음에, 항온조를 이용하여 -30℃의 환경하에 전지 셀을 4시간 배치한 후에, 동일한 측정을 행하였다.
시험에 있어서는, -30℃에서 얻어진 저항값을 25℃에서 얻어진 저항값으로 나눈 계수를 저항 증가율이라 정의하였다. 저항 증가율이 작을수록, 외기 온도에 의한 출력 변동이 적은 것을 나타내고, 외기 온도가 저하되어도 안정된 구동을 행하는 것을 나타낸다.
제1 시험에 있어서는, 개재 부재로서 기체에 액체를 포함시킨 것을 이용하고 있다. 제1 시험에 있어서는, 친수성 폴리머로 형성되어 있는 기체에 물 또는 지지염(NaCl)을 갖는 물을 포함시킨 개재 부재에 대해 시험을 행하였다. 비교예에 대해서도 시험을 행하였다. 제1 시험의 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure 112009072309734-pct00001
제1 비교예에 있어서는, 개재 부재를 배치하지 않고 전지 셀을 금속판 사이에 끼워 넣어 구속하였다.
제2 비교예에 있어서는, 개재 부재의 기체로서의 가교 폴리아크릴산폴리머에, 액체로서 시클로헥산을 10중량％ 포함시킨 것을 사용하였다. 이 개재 부재를 금속판과 전지 셀의 사이에 끼워 넣어 구속하였다.
제1 내지 제4 실시예의 각각의 개재 부재의 기체와 액체의 구성은, 표 1과 같다. 예를 들어, 제1 실시예에 있어서는, 개재 부재의 기체로서의 가교 폴리아크릴산폴리머에, 액체로서의 물을 10중량％ 포함시킨 것을 이용하고 있다. 제1 내지 제4 실시예에 있어서는, 각각의 개재 부재를 금속판과 전지 셀의 사이에 끼워 넣어 구속하였다.
제1 시험의 결과, 제1 내지 제4 실시예의 저항 증가율은, 제1, 제2 비교예의 저항 증가율보다도 작아 우수한 것을 알 수 있다. 전지 셀과 금속판의 사이에 부의 열팽창 계수를 갖는 개재 부재를 배치함으로써, 외기 온도가 저하되어도 안정된 구동을 행할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 제2 비교예와 제1 실시예를 비교하였을 때에, 액체로서 물을 이용함으로써 저항 증가율을 저감시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
다음에, 본 실시 형태에 있어서의 개재 부재 중 제3 개재 부재(도 5 참조)에 대한 제2 시험의 결과를 나타낸다. 제2 시험에 있어서는, 구성 부재가 이중으로 형성되어 있는 개재 부재에 대해 시험을 행하였다. 제2 시험의 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure 112009072309734-pct00002
제5 실시예에 있어서는, 가교 폴리아크릴산폴리머의 기체에 물을 10중량％ 포함시킨 것을 라미네이트로 감싸 내측의 구성 부재로 한다. 또한, 내측의 구성 부재를, 가교 폴리아크릴산폴리머에 5％ NaCl수를 10중량％로 포함시킨 것으로 라미네이트 필름에 의해 밀폐하여 외측의 구성 부재로 한다.
제5 실시예에 있어서는, 내측의 구성 부재의 지지염의 농도보다도 외측의 구성 부재의 지지염의 농도의 쪽이 높아지도록 형성하였다. 제5 실시예의 구성에 있어서는, 온도가 저하됨으로써, 내측의 구성 부재의 물이 먼저 응고하고, 이후에 내측의 구성 부품의 외측의 물이 응고한다.
제2 시험을 행한 결과, 제5 실시예에 있어서도 제1, 제2 비교예에 비해 저항 증가율이 작아져 있어, 우수한 성능을 갖는 것을 알 수 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 축전 셀을 구속하기 위한 구속 부재가 정의 열팽창 계수를 갖고, 개재 부재가 부의 열팽창 계수를 갖지만, 이 형태에 한정되지 않고, 구속 부재가 소정의 온도보다도 낮은 온도에 있어서 부의 열팽창 계수를 갖고 있어도 상관없다. 예를 들어, 복수의 전지 홀더 중, 하나의 전지 홀더가 부의 열팽창 계수를 갖도록 형성되어 있어도 상관없다. 이 구성에 의해서도, 저온에 있어서 안정된 구동을 행할 수 있는 축전 장치를 제공할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서의 개재 부재는, 직육면체 형상으로 형성되어 있지만, 이 형태에 한정되지 않고, 임의의 형상을 채용할 수 있다. 예를 들어, 개재 부재가 원기둥 형상으로 형성되고, 복수의 개재 부재가 구속 부재와 축전 셀의 사이의 영역에 배치되어 있어도 상관없다.
본 실시 형태에 있어서는, 엔드 플레이트와 전지 셀의 사이에 개재 부재가 배치되어 있지만, 이 형태에 한정되지 않고, 개재 부재는 어느 하나의 구속 부재와 어느 하나의 축전 셀의 사이의 영역에 배치되어 있으면 좋다. 예를 들어, 전지 홀더와 전지 셀의 적층체에 있어서, 전지 셀끼리의 사이에 개재 부재가 배치되어 있어도 상관없다. 또는, 전지 홀더끼리의 사이에 개재 부재가 배치되어 있어도 상관없다. 또는, 전지 홀더와 전지 셀의 사이에 개재 부재가 배치되어 있어도 상관없다.
본 실시 형태에 있어서는, 전지 셀, 전지 홀더 및 엔드 플레이트의 적층체의 양측의 단부에 2개의 개재 부재가 배치되어 있지만, 이 형태에 한정되지 않고, 임의의 개수의 개재 부재를 배치할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서의 전지 홀더 및 엔드 플레이트의 각각은 수지로 형성되어 있지만, 이 형태에 한정되지 않고, 예를 들어 금속으로 형성되어 있어도 상관없다.
본 실시 형태에 있어서의 전지 셀은 리튬 이온 전지이지만, 이 형태에 한정되지 않고, 전기를 비축하는 기능을 갖는 임의의 축전 셀을 구비하는 축전 장치에 본 발명을 적용할 수 있다. 예를 들어, 축전 셀은 캐패시터를 포함하고 있어도 좋다.
본 실시 형태에 있어서는, 자동차에 탑재되는 축전 장치를 예로 들어 설명하였지만 이 형태에 한정되지 않고, 임의의 축전 장치에 적용할 수 있다. 예를 들어, 임의의 이동체에 배치되는 축전 장치에 본 발명을 적용할 수 있다. 또는, 이동하지 않는 피고정물에 고정되는 축전 장치에 본 발명을 적용할 수 있다.
(제2 실시 형태)
도 3을 참조하여, 제2 실시 형태에 있어서의 축전 장치에 대해 설명한다. 본 실시 형태에 있어서의 축전 장치는, 전지 모듈을 구비한다. 전지 모듈이, 구속 부재 및 전지 셀이 적층된 적층체를 포함하고, 적층체의 내부에 개재 부재가 배치되어 있는 것은 제1 실시 형태와 동일하다. 본 실시 형태에 있어서의 전지 모듈은, 개재 부재의 구성이 제1 실시 형태와 상이하다.
본 실시 형태에 있어서의 개재 부재의 외형은, 도 3에 도시하는 개재 부재(11)와 동일하다. 본 실시 형태에 있어서의 개재 부재는, 기체로서 다공질 부재를 포함한다. 다공질 부재로서는, 제올라이트 또는 활성탄 등으로 형성되어 있는 부재를 포함한다. 제올라이트로서는, 예를 들어 합성 제올라이트, 천연 제올라이트 및 인공 제올라이트를 들 수 있다. 본 실시 형태에 있어서의 개재 부재는, 제올라이트로 형성되어 있는 기체와, 액체를 포함한다.
다공질 부재는, 유로의 단면적이 작은 세공을 갖는다. 세공 내에 침입한 액체는, 통상의 응고점보다도 저온에서 응고한다. 다공질 부재를 기체로서 이용함으로써, 온도를 낮추어 가면 액체가 서서히 응고한다. 이로 인해, 개재 부재는 서서히 팽창한다. 즉, 온도를 낮추어 가면 세공의 외부에 배치되어 있는 액체가 응고한 후에, 세공의 내부에 배치되어 있는 액체가 응고하기 때문에 전체적으로 서서히 팽창한다.
본 실시 형태에 있어서의 개재 부재는, 온도가 낮아짐으로써 서서히 팽창하기 때문에, 구속 부재의 온도 저하에 수반되는 수축에 대응하도록 서서히 전지 셀에 하중을 인가할 수 있다. 본 실시 형태에 있어서의 개재 부재는, 소정의 온도에서 급격하게 체적이 팽창하여, 전지 셀에 큰 하중이 인가되는 것을 억제할 수 있다.
다음에, 본 실시 형태에 있어서의 축전 장치의 성능을 검증하는 제3 시험의 결과를 나타낸다. 제3 시험에 있어서는, 제1 실시 형태에 있어서의 시험과 동일한 방법에 의해 시험을 행하였다. 표 3에 제3 시험의 결과를 나타낸다.
Figure 112009072309734-pct00003
제6, 제7 실시예의 개재 부재에 있어서는, 인공 제올라이트로 형성되어 있는 기체를 이용하고, 액체로서 물 또는 NaCl수를 이용하고 있다. 제1, 제2 비교예는 제1 실시 형태에 있어서의 제1, 제2 비교예와 동일하다.
제3 시험의 결과, 제6 및 제7 실시예의 양쪽에 있어서, 저항 증가율이 제1 및 제2 비교예의 저항 증가율보다도 작아져 있는 것을 알 수 있다. 즉, 온도가 낮아진 경우에 있어서도, 비교예보다 안정된 구동을 행할 수 있는 것을 알 수 있다.
그 밖의 구성, 작용 및 효과에 대해서는, 제1 실시 형태와 동일하므로 여기서는 설명을 반복하지 않는다.
(제3 실시 형태)
도 6 및 도 7을 참조하여, 제3 실시 형태에 있어서의 축전 장치에 대해 설명한다. 본 실시 형태에 있어서의 축전 장치는, 전지 모듈을 구비한다. 본 실시 형태에 있어서의 전지 모듈은, 개재 부재가 배치되어 있는 위치가 제1 실시 형태와 상이하다.
도 6에, 본 실시 형태에 있어서의 제1 전지 모듈의 개략 단면도를 도시한다. 본 실시 형태에 있어서의 제1 전지 모듈은 개재 부재(11)를 구비하고, 개재 부재(11)는 2개의 전지 홀더(1) 상호의 사이에 배치되어 있다. 개재 부재(11)는 엔드 플레이트(40), 전지 셀(33) 및 전지 홀더(1)의 적층체 중, 전지 홀더(1) 서로에 끼워지는 공간에 배치되어 있다. 개재 부재(11)는 표리의 양면이 전지 홀더(1)에 접촉하고 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 있어서의 제1 전지 모듈에 있어서는, 개재 부재가, 구속 부재 및 전지 셀의 적층체 중, 2개의 구속 부재에 접촉하도록 배치되어 있다.
도 7에, 본 실시 형태에 있어서의 제2 전지 모듈의 개략 단면도를 도시한다. 제2 전지 모듈은 구속 부재로서의 전지 홀더(1) 및 전지 홀더(2)를 구비한다. 전지 홀더(2)는 베이스부(2a) 및 리브(2b)를 갖는다. 리브(2b)가 전지 셀(33)의 표면(33b)에 접함으로써, 냉각 공기의 유로가 구성되어 있다.
제2 전지 모듈은 개재 부재(11)를 구비하고, 개재 부재(11)는 전지 셀(33) 상호의 사이에 배치되어 있다. 개재 부재(11)는 2개의 전지 셀(33)에 끼워져 있다. 개재 부재(11)는 표리의 양면이 전지 셀(33)에 접촉하고 있다.
본 실시 형태에 있어서의 제2 전지 모듈에 있어서는, 개재 부재가, 구속 부재 및 전지 셀의 적층체 중, 2개의 전지 셀에 접촉하도록 배치되어 있다.
본 실시 형태에 있어서의 축전 장치에 있어서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로 저온에 있어서 안정된 구동을 행할 수 있다.
그 밖의 구성, 작용 및 효과에 대해서는, 제1 실시 형태와 동일하므로 여기서는 설명을 반복하지 않는다.
(제4 실시 형태)
도 8 및 도 9를 참조하여, 제4 실시 형태에 있어서의 축전 장치에 대해 설명한다.
도 8은 본 실시 형태에 있어서의 축전 장치의 개략 사시도이다. 도 9는 본 실시 형태에 있어서의 축전 장치의 개략 분해 사시도이다. 본 실시 형태에 있어서의 축전 장치는, 축전 셀로서의 단일의 전지 셀(33)을 구비한다. 전지 셀(33)은 직육면체 형상으로 형성되어 있다.
본 실시 형태에 있어서의 축전 장치는, 전지 셀(33)을 구속하기 위한 구속 부재로서의 전지 케이스(3)를 구비한다. 전지 셀(33)은 전지 케이스(3)의 내부에 배치되어 있다. 전지 케이스(3)는 덮개 부재(3a)와 받침 부재(3b)를 갖는다. 전지 셀(33)은 받침 부재(3b)와 덮개 부재(3a)로 둘러싸이는 공간에 배치되어 있다.
본 실시 형태에 있어서의 축전 장치는, 한 쌍의 개재 부재(14a, 14b)를 구비한다. 본 실시 형태에 있어서의 개재 부재(14a, 14b)는 소정의 온도보다도 낮은 온도에서 부의 열팽창 계수를 갖도록 형성되어 있다. 본 실시 형태에 있어서의 개재 부재(14a, 14b)는 물을 포함한 친수성 폴리머가 라미네이트 필름으로 싸여 있다.
개재 부재(14a, 14b)는 전지 셀(33)의 표면 중, 면적이 최대가 되는 표면(33b)에 접하도록 배치되어 있다. 개재 부재(14a, 14b)는 전지 셀(33)의 표면측 및 이면측의 표면에 각각 배치되어 있다. 개재 부재(14b)는 전지 셀(33)과 받침 부재(3b)에 끼워져 있다. 또한, 개재 부재(14a)는 전지 셀(33)과 덮개 부재(3a)에 끼워져 있다.
본 실시 형태에 있어서의 축전 장치는, 고정 부재로서의 고정 밴드(47)를 구비한다. 고정 밴드(47)는 전지 셀(33)의 두께 방향으로, 덮개 부재(3a) 및 받침 부재(3b)를 구속하도록 형성되어 있다. 고정 밴드(47)는 전지 케이스(3)의 두께 방향으로 연장되도록 배치되어 있다. 화살표(93)는 구속하는 방향을 나타낸다.
본 실시 형태에 있어서의 축전 장치의 조립에 있어서는, 화살표(91)로 나타내는 바와 같이, 받침 부재(3b)가 움푹 패인 부분에 개재 부재(14b)를 끼워 전지 셀(33)을 배치한다. 이후에, 화살표(92)로 나타내는 바와 같이, 전지 셀(33)의 표면측의 표면(33b)에 개재 부재(14a)를 배치하여, 덮개 부재(3a)에 의해 압박한다. 전지 셀(33)은 표면측 및 이면측의 표면(33b)에 각각 배치되어 있는 한 쌍의 개재 부재(14a, 14b)에 끼워짐으로써 하중이 인가된다.
덮개 부재(3a)를 압박한 상태에서, 고정 부재로서의 고정 밴드(47)에 의해, 전지 셀(33)의 두께 방향으로 전지 케이스(3)를 구속한다. 고정 밴드(47)에 의해, 하중을 인가하면서 덮개 부재(3a)를 받침 부재(3b)에 고정한다.
본 실시 형태의 축전 장치에 있어서도, 온도가 저하됨으로써 개재 부재(14a, 14b)가 팽창하여, 전지 셀(33)에 적절한 하중을 인가할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 있어서의 축전 장치는, 저온에서 안정된 구동을 행할 수 있다.
그 밖의 구성, 작용 및 효과에 대해서는, 제1 실시 형태와 동일하므로 여기서는 설명을 반복하지 않는다.
(제5 실시 형태)
도 10을 참조하여, 제5 실시 형태에 있어서의 축전 장치에 대해 설명한다.
도 10은 본 실시 형태에 있어서의 축전 장치의 개략 사시도이다. 본 실시 형태에 있어서의 축전 장치는, 전지 셀(34)을 구비한다. 전지 셀(34)은 원기둥 형상으로 형성되어 있다. 전지 셀(34)은 전극(34a)을 갖는다. 전극(34a)은 전지 셀(34)의 원기둥 형상의 상면으로부터 돌출되도록 형성되어 있다.
본 실시 형태에 있어서의 축전 장치는, 전지 셀(34)을 구속하기 위한 구속 부재로서 판 부재(4)를 구비한다. 판 부재(4)는 평판 형상으로 형성되어 있다. 판 부재(4)는 개재 부재(15)를 통해 전지 셀(34)을 끼우도록 배치되어 있다.
본 실시 형태에 있어서의 축전 장치는 개재 부재(15)를 구비한다. 개재 부재(15)는 전지 셀(34)의 주위를 덮도록 형성되어 있다. 개재 부재(15)는 전지 셀(34)과, 판 부재(4)의 사이에 배치되어 있다. 본 실시 형태에 있어서의 개재 부재(15)는 삽입 구멍(15a)을 갖는다. 삽입 구멍(15a)은 전지 셀(34)의 형상을 따르도록 형성되어 있다. 전지 셀(34)은 삽입 구멍(15a)의 내부에 배치되어 있다.
본 실시 형태에 있어서의 개재 부재(15)는 친수성 폴리머로 형성되어 있는 기체에 물을 포함시켜, 라미네이트 필름으로 밀봉함으로써 형성되어 있다. 개재 부재(15)는 소정의 온도보다도 낮은 온도에서 부의 열팽창 계수를 갖도록 형성되어 있다.
본 실시 형태에 있어서의 축전 장치의 조립 공정에 있어서는, 개재 부재(15)의 삽입 구멍(15a)에, 전지 셀(34)을 배치한다. 다음에, 개재 부재(15)를 판 부재(4) 사이에 끼워 넣는다. 이때에, 화살표(93)로 나타내는 방향으로 하중을 인가한다. 판 부재(4)가 서로 근접하는 방향으로 하중을 인가하면서, 고정 밴드(48)에 의해 판 부재(4)를 서로 구속한다.
본 실시 형태에 있어서의 축전 장치에 있어서도, 저온에 있어서 안정된 구동을 행할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 한 방향으로만 하중을 인가하고 있지만, 이 형태에 한정되지 않고, 임의의 방향으로 하중을 인가할 수 있다. 예를 들어, 상기한 한 방향과 수직인 방향의 양단부에 추가의 판 부재를 배치하여, 상기한 한 방향과 수직인 방향으로 더욱 하중을 인가해도 상관없다.
그 밖의 구성, 작용 및 효과에 대해서는, 제1 실시 형태와 동일하므로 여기서는 설명을 반복하지 않는다.
상술한 각각의 도면에 있어서, 동일 또는 상당하는 부분에는, 동일한 번호를 부여하고 있다. 또한, 상기한 각각의 실시 형태를 적절하게 조합할 수 있다.
또한, 금회 개시한 상기한 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아닌 청구의 범위에 의해 나타내어지고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 포함하는 것이다.
본 발명에 따르면, 저온에 있어서도 안정된 성능이 얻어지는 축전 장치를 제공할 수 있다.

Claims (9)

  1. 전기를 비축하기 위한 축전 셀(33, 34)과,
    상기 축전 셀(33, 34)을 끼우도록 구속하기 위한 구속 부재와,
    상기 구속 부재와 상기 축전 셀(33, 34)의 사이의 영역에 배치되어 있는 개재 부재(11 내지 15)를 구비하고,
    상기 구속 부재는, 소정의 온도보다 낮은 온도에 있어서 정의 열팽창 계수를 갖고,
    상기 개재 부재(11 내지 15)는, 상기 소정의 온도보다 낮은 온도에 있어서 상기 축전 셀(33, 34)의 구속 하중을 높이도록 형성되어 있는, 축전 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 개재 부재(11 내지 15)는, 상기 소정의 온도보다 낮은 온도에 있어서 부의 열팽창 계수를 갖는, 축전 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 개재 부재(12, 13)는, 상기 소정의 온도보다 낮은 온도에서 제1 열팽창 계수를 갖는 제1 구성 부재(12a, 13a)와,
    상기 소정의 온도보다 낮은 온도에서 제2 열팽창 계수를 갖는 제2 구성 부재(12b, 13b)를 포함하는, 축전 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 개재 부재는 기체 및 액체를 포함하고,
    상기 기체는 친수성 폴리머 또는 다공질 부재로 형성되어 있는, 축전 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 개재 부재(11 내지 15)는 기체 및 액체를 포함하고,
    상기 액체는 물을 포함하는, 축전 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구속 부재 및 상기 축전 셀(33, 34)은 적층되어 적층체를 구성하고,
    상기 개재 부재(11 내지 15)는, 상기 구속 부재와 상기 축전 셀(33, 34)에 접촉하도록 배치되어 있는, 축전 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 구속 부재 및 상기 축전 셀(33, 34)은 적층되어 적층체를 구성하고,
    상기 개재 부재(11 내지 15)는, 2개의 상기 축전 셀(33, 34) 또는 2개의 상기 구속 부재에 접촉하도록 배치되어 있는, 축전 장치.
  8. 전기를 비축하기 위한 축전 셀(33, 34)과,
    상기 축전 셀(33, 34)을 끼우도록 구속하기 위한 구속 부재를 구비하고,
    상기 구속 부재는, 소정의 온도보다 낮은 온도에 있어서 부의 열팽창 계수를 갖는, 축전 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 구속 부재 및 상기 축전 셀(33, 34)은 적층되어 적층체를 구성하고 있는, 축전 장치.
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