KR20120080543A - 축전 소자 및 축전 장치 - Google Patents

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가부시키가이샤 리튬 에너지 재팬
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Abstract

본 발명은, 국소적으로 고온이 되는 것을 억제하는 축전 소자 및 축전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의하면, 단전지(單電池)(10)는, 케이스(11) 내에, 케이스(11)의 바닥면(18)의 내면과 이격(離隔)된 상태로 수용된 발전 요소(要素)(12)와, 케이스(11)의 바닥면(18)의 외면과 접촉된 전열(傳熱) 부재(21)를 구비한다. 이로써, 열이, 케이스(11)의 바닥면(18)의 외면으로부터, 전열 부재(21)로 전달되므로, 단전지(10)가 국소적으로 고온으로 되는 것을 억제할 수 있다.

Description

축전 소자 및 축전 장치{STORAGE ELEMENT AND STORAGE APPARATUS}
본 발명은, 축전 소자 및 축전 장치에 관한 것이다.
종래, 전지 모듈(축전 장치)로서 특허 문헌 1에 기재된 것이 알려져 있다. 이 전지 모듈은, 복수의 단전지(單電池)(축전 소자)가 배열되어, 전기적으로 접속되어 이루어진다. 단전지는, 케이스 내에 발전 요소(要素)가 수용되어 이루어진다.
단전지의 충전 시 또는 방전 시에는, 발전 요소로부터 열이 발생한다. 이 열이 단전지 내에 축적되어, 단전지의 온도가 상승하면, 전지 성능이 저하될 우려가 있다. 또한, 조전지(組電池)인 경우에는, 발열에 의해 각 단전지에 온도 불균일이 발생하여, 전지 성능 저하의 진행에도 차이가 발생할 우려가 있다.
이에, 종래 기술에 있어서는, 케이스의 외측에, 단전지를 냉각시키기 위한 냉각 장치가 배치되어 있다. 냉각 장치의 내부에는 냉매가 유통되고 있다. 케이스의 외면과 냉각 장치가 접촉함으로써, 충전 시 또는 방전 시에 발전 요소에서 발생한 열은 케이스로 전달되고, 이 케이스로부터 냉각 장치에 전달된다. 이로써, 케이스 내부의 온도가 하강하므로, 전지 성능의 저하가 억제되도록 되어 있다.
일본 특허출원 공개번호 2000-348781호 공보
그러나, 발전 요소는, 충전 시에 팽창할 염려가 있다. 그러므로, 발전 요소와 케이스의 내면이 접촉되어 있는 부분에서는, 팽창한 발전 요소에 의해 케이스가 가압되어, 케이스가 팽창할 우려가 있다.
케이스가 팽창한 경우에는, 팽창한 케이스와, 냉각 장치와의 사이에 간극이 형성될 우려가 있다. 이 간극에는 공기층이 존재하게 된다. 이 공기층은 비교적 열전도율이 작으므로, 냉각 장치와 케이스와의 사이에 간극이 형성된 영역에 있어서는, 케이스로부터 냉각 장치에 열이 충분히 전달되지 않을 우려가 있다. 그러면, 국소적으로 단전지가 고온이 될 우려가 있다.
특히, 충전 및 방전이 반복되면, 케이스는 팽창 및 수축을 반복하게 된다. 그러므로, 케이스와 냉각 장치와의 사이에 더욱 간극이 형성되기 쉬우므로, 단전지를 균일하게 냉각시킬 필요성이 높아진다.
본 발명은 전술한 바와 같은 사정을 감안하여 완성된 것으로서, 축전 소자가 국소적으로 고온으로 되는 것이 억제된 축전 소자 및 축전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 축전 소자로서, 복수개의 벽부(壁部)를 가지는 케이스와, 상기 케이스 내에, 상기 복수개의 벽부 중 적어도 1개의 벽부와 이격(離隔)된 상태로 수용된 축전 요소와, 상기 복수개의 벽부 중 상기 축전 요소가 이격되는 벽부의 외면과 접촉된 전열(傳熱) 부재를 구비한다.
또한, 본 발명은, 상기 축전 소자가 복수개 배열되어 전기적으로 접속된 축전 장치이다.
축전 요소는, 충전 시에 팽창할 우려가 있다. 그러므로, 축전 요소와 케이스의 내면이 접촉되어 있는 부분에서는, 팽창한 축전 요소에 의하여 케이스가 가압되어, 케이스가 팽창할 우려가 있다.
본 발명에 의하면, 케이스의 내면 중 축전 요소와 이격된 벽면과, 전열 부재가 접촉하도록 되어 있다. 이로써, 축전 요소가 팽창한 경우라도, 전열 부재와 접촉하는 케이스의 벽면은, 축전 요소와는 이격되어 있으므로, 팽창한 축전 요소에 의해 가압되는 것이 억제된다. 이 결과, 축전 요소가 팽창한 경우라도, 케이스의 외면과 전열 부재가 접촉된 상태를 유지할 수 있다.
그리고, 케이스의 벽부의 내면과 축전 요소가 이격되는 구성에는, 케이스의 벽부의 내면과 축전 요소와의 사이에 간극이 형성되는 경우가 포함되고, 또한, 케이스의 벽부의 내면과 축전 요소와의 사이에 완충재가 개재됨으로써, 케이스와 축전 요소가 직접 접촉하고 있지 않은 구성도 포함된다.
본 발명의 실시형태로서는 이하의 실시형태가 바람직하다. 상기 전열 부재는 냉각 부재를 겸하는 것이 바람직하다.
상기 실시형태에 의하면, 먼저, 축전 요소에서 발생한 열이 케이스로부터 전열 부재에 전달된다. 이 전열 부재는 냉각 부재를 겸하므로, 전열 부재에 전달된 열이 냉각 부재에 의해 냉각된다. 이로써, 케이스를 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
상기 전열 부재와 접촉하는 냉각 부재를 구비하는 것이 바람직하다.
먼저, 축전 요소에서 발생한 열이 케이스로부터 전열 부재에 전달된다. 이어서, 전열 부재에 전달된 열은, 이 전열 부재와 접촉하는 냉각 부재에 전달되어, 냉각 부재에 의해 냉각된다. 이로써, 케이스를 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
상기 냉각 부재의 내부에는 냉매가 유통되고 있고, 상기 냉각 부재의 외면은 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 실시형태에 의하면, 냉각 부재의 외면은 비교적 하드한 금속으로 이루어지므로, 외부로부터의 압력에 대하여 쉽게 변형되지 않는다. 그러므로, 케이스가 팽창함으로써, 직접적으로, 또는 전열 부재를 통하여 냉각 부재가 가압된 경우라도, 냉각 부재가 변형되는 것을 억제할 수 있다. 이 결과, 냉매의 유통 경로가 변형되는 것을 억제할 수 있으므로, 냉각 부재의 내부를 유통하는 냉매에 압력 손실이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 냉각 부재의 냉각 효율이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
상기 냉각 부재의 내부에는 냉매가 유통되고 있고, 상기 냉매는 액체인 것이 바람직하다.
액체를 냉매로 사용함으로써, 공기를 냉매로 한 이른바 공랭에 비하여, 냉각 효율이 외기 온도에 좌우되지 않는 우수한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 공랭의 경우에는, 외기의 유입에 따라 이물질이 냉각 부재의 내부에 침입할 우려가 있다. 이에 비해 상기 실시형태에 의하면, 냉매가 액체로 되어 있으므로, 냉각 부재의 내부에 이물질이 침입하는 것을 억제할 수 있다.
상기 축전 소자가, 라디에이터가 구비된 차량에 탑재되는 경우에는, 상기 냉매로서 라디에이터액을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기의 실시형태에 의하면, 차량에 사용되는 라디에이터액을 사용할 수 있는 경우에는, 냉각 부재에 유통되는 냉매를 별도로 준비할 필요가 없다. 그리고, 라디에이터액은 에틸렌글리콜 등의 부동액을 포함해도 된다.
상기 케이스는 직육면체 형상을 이루고 있고, 상기 케이스는, 상기 축전 요소에 전기적으로 접속된 전극 단자가 형성된 단자면(端子面)과, 상기 단자면과 반대측에 위치하는 바닥면과, 장측면(長側面)과, 단측면(短側面)을 구비하고, 상기 전열 부재는, 상기 바닥면 및 상기 단측면의, 양측 또는 일측과 열적(熱的)으로 접촉되어 있는 것이 바람직하다.
장측면은 비교적 면적이 넓기 때문에, 케이스 내부의 압력이 상승했을 때, 단측면에 비해 크게 변형된다. 그러므로, 전열 부재를, 장측면과는 상이한 바닥면, 및 단측면의 양측 또는 일측과 접촉시킴으로써, 케이스의 외면과 전열 부재를 접촉시킨 상태로 확실하게 유지할 수 있다.
한편, 전극 단자가 형성된 단자면에는, 전열 부재 및 냉각 부재를 전극 단자와 절연된 상태로 장착하기 위한 스페이스를 충분히 확보할 수 없는 경우가 있다. 그러므로, 단자면에 전열 부재를 장착하고자 하면, 케이스의 외면과 전열 부재와의 사이에 충분한 접촉 면적을 확보할 수 없을 우려가 있다. 상기 실시형태에 의하면, 전열 부재를 바닥면 또는 단측면에 접촉시킴으로써, 케이스의 외면과 전열 부재와의 사이에 충분한 접촉 면적을 확보할 수 있다.
상기 전열 부재는, 탄성(彈性) 변형이 가능하고, 또한 공기보다 열전도율이 높은 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
축전 소자를 충전하면, 축전 요소가 팽창하는 경우가 있다. 그러면, 팽창된 축전 요소에 의해 가압되는 것에 의해 케이스가 팽창한다. 그러면, 케이스의 외면에 접촉하는 전열 부재는, 케이스의 외면에 가압된다. 본 실시형태에 의하면, 전열 부재는 탄성 변형이 가능하므로, 케이스의 외면에 가압되는 것에 의해 탄성 변형된다. 이로써, 케이스의 외면과 전열 부재의 외면이 접촉된 상태로 유지된다. 이 결과, 충전 시 또는 방전 시에 축전 요소에서 발생한 열은, 케이스로부터 전열 부재로 전달되므로, 단전지가 국소적으로 고온이 되는 것을 억제할 수 있다.
한편, 방전 시에는 축전 요소는 수축하고, 이에 따라 케이스도 수축한다. 본 실시형태에 의하면, 전열 부재는 탄성 변형이 가능하므로, 수축된 케이스의 외면에 추종(追從)하여 복귀 변형된다. 이로써, 케이스의 외면과 전열 부재의 외면은, 접촉된 상태로 유지된다. 그 결과, 충전 및 방전이 반복되어, 케이스가 팽창 및 수축을 반복해도, 케이스의 외면, 전열 부재의 외면은 접촉된 상태로 유지된다. 이로써, 케이스가 팽창 및 수축을 반복해도, 충전 시 또는 방전 시에 축전 요소에서 발생한 열은 케이스로부터 전열 부재에 확실히 전달되므로, 축전 소자가 국소적으로 고온이 되는 것을 억제할 수 있다.
상기 케이스 내에는, 유기 용매를 포함하는 전해질이 충전되어 있는 구성으로 해도 된다.
전해질이 유기 용매를 포함하는 경우, 비교적 높은 온도에서 축전 소자를 사용하면, 유기 용매가 분해된 가스가 발생할 우려가 있다. 그러면, 케이스 내부의 압력이 상승하고, 충방전 사이클수가 증대함에 따라, 점차로 케이스가 팽창할 우려가 있다. 이와 같은 경우에도, 전열 부재는 탄성 변형 가능한 재료로 이루어지므로, 케이스의 팽창에 추종하여 변형될 수 있다. 이 결과, 케이스의 외면과 전열 부재의 외면을, 접촉된 상태를 유지할 수 있다. 이로써, 충방전 사이클수가 증대해도, 축전 소자가 국소적으로 고온이 되는 것을 확실하게 억제할 수 있다.
상기 전열 부재는 절연성 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
축전 요소에 있어서는 전위가 발생하므로, 축전 요소와 케이스와의 사이에는 전위가 발생한다. 그러므로, 케이스와 냉각 부재와의 사이에도 전위가 발생한다. 상기 실시형태에 있어서는, 케이스와 냉각 부재와의 사이에 배치된 전열 부재는 절연성 재료로 이루어지므로, 케이스와 냉각 부재와의 사이에 전류가 흐르는 것이 억제된다. 이 결과, 케이스 또는 냉각 부재가 전류에 의해 부식되는 것이 억제된다.
본 발명에 의하면, 축전 소자가 국소적으로 고온이 되는 것을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1-1에 따른 단전지를 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 단전지를 나타낸 측면도이다.
도 3은 단전지를 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 3에서의 IV-IV선 단면도이다.
도 5는 도 2에서의 V-V선 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태 1-2에 따른 단전지를 나타내는 분해 사시도이다.
도 7은 단전지를 나타낸 측면도이다.
도 8은 도 7에서의 VIII-VIII선 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시형태 1-3에 따른 단전지를 나타내는 분해 사시도이다.
도 10은 단전지를 나타낸 측면도이다.
도 11은 본 발명의 실시형태 1-4에 따른 조전지가 차량에 탑재된 상태를 나타낸 모식도이다.
도 12는 조전지를 나타낸 측면도이다.
도 13은 본 발명의 실시형태 1-5에 따른 조전지를 나타낸 평면도이다.
도 14는 충방전 사이클수와 단전지의 표면 온도와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 15는 다른 실시형태 1-(6)에 따른 단전지를 나타내는 주요부 확대도이다.
도 16은 실시형태 2-1의 단전지의 사시도이다.
도 17은 단전지의 상면도이다.
도 18은 단전지의 측면도이다.
도 19는 도 18의 B-B선에서의 단면도이다.
도 20은 도 17의 A-A선에서의 단면도이다.
도 21은 변형예 2-1의 단전지의 사시도이다.
도 22는 단전지의 상면도이다.
도 23은 단전지의 측면도이다.
도 24는 도 23의 D-D선에서의 단면도이다.
도 25는 도 22의 C-C선에서의 단면도이다.
도 26은 실시형태 2-2의 조전지가 탑재된 차를 모식적으로 나타낸 모식도이다.
도 27은 조전지의 측면도이다.
도 28은 실시예에서 설명하는 단전지(2A)의 사시도이다.
도 29는 그 측면도이다.
도 30은 실시예에서 설명하는 단전지(2B)의 사시도이다.
도 31은 그 측면도이다.
도 32는 비교예 2-2의 단전지의 사시도이다.
도 33은 그 측면도이다.
도 34는 비교예 2-3의 단전지의 사시도이다.
도 35는 그 측면도이다.
도 36은 다른 실시형태 2-(1)에서 설명하는 조전지의 측면도이다.
<실시형태 1>
(배경 기술)
종래, 조전지(전지 모듈)로서 일본 특허출원 공개번호 2000-348781호 공보에 기재된 것이 알려져 있다. 이 전지 모듈은, 복수개의 단전지(單電池)가 배열되어, 전기적으로 접속되어 있다. 단전지는, 케이스 내에 발전 요소가 수용된다. 케이스에는 발전 요소와 전기적으로 접속된 양극 및 음극이 형성되어 있다.
단전지의 충전 시 또는 방전 시에는, 발전 요소로부터 열이 발생한다. 이 열이 단전지 내에 축적되어, 단전지의 온도가 상승하면, 전지 성능의 저하가 촉진된다. 또한, 조전지의 경우에는, 발열에 의해 각 단전지에 온도가 불균일하게 발생하여, 전지 성능 저하의 진행 상태에 차이가 발생할 우려가 있다.
종래 기술에 있어서는, 케이스의 외측에, 단전지를 냉각시키기 위한 냉각 장치가 배치되어 있다. 냉각 장치의 내부에는 냉매가 유통되고 있다. 케이스의 외면과 냉각 장치가 접촉함으로써, 충전 시 또는 방전 시에 발전 요소에서 발생한 열은 케이스로 전달되고, 이 케이스로부터 냉각 장치에 전달된다. 이로써, 케이스 내부의 온도가 하강하므로, 전지 성능의 저하가 억제되도록 되어 있다.
(본 명세서에 개시된 기술의 개요)
(본 명세서에 개시된 기술이 해결하려고 하는 과제)
그러나, 예를 들면, 충전 시에 극판이 팽창함으로써 케이스가 팽창한 경우에는, 팽창한 케이스와, 냉각 장치와의 사이에 간극이 형성될 우려가 있다. 이 간극에는 공기층이 존재하게 된다. 이 공기층은 비교적 열전도율이 작으므로, 냉각 장치와 케이스와의 사이에 간극이 형성된 영역에 있어서는, 케이스로부터 냉각 장치에 열이 충분히 전달되지 않을 우려가 있다. 그러면, 국소적으로 단전지가 고온이 될 우려가 있다.
특히, 충전 및 방전이 반복되면, 케이스는 팽창 및 수축을 반복하게 된다. 그러므로, 케이스와 냉각 장치 사이에 더욱 간극이 형성되기 쉽게 되므로, 단전지를 균일하게 냉각시킬 필요성이 높아진다.
본 명세서에 개시된 기술은 전술한 바와 같은 사정을 감안하여 완성된 것으로서, 국소적으로 고온이 되는 것이 억제된 축전 소자 및 축전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 명세서에 개시된 기술은, 케이스와, 상기 케이스 내에 수용된 축전 요소와, 상기 케이스에 설치되어 상기 축전 요소에 전기적으로 접속된 전극 단자와, 상기 케이스의 외측에 배치되는 냉각 부재와, 상기 케이스와 상기 냉각 부재와의 사이에 배치되고, 또한 상기 케이스의 외면 및 상기 냉각 부재의 외면에 접촉하는 전열 부재를 구비한 축전 소자로서, 상기 전열 부재는, 탄성 변형 가능하고, 또한 공기보다 열전도율이 높은 재료로 이루어진다.
또한, 본 명세서에 개시된 기술은, 복수개의 상기 축전 소자가 배열되어 전기적으로 접속된 축전 장치이다.
축전 소자를 충전하면, 축전 요소가 팽창하는 경우가 있다. 그러면, 팽창한 축전 요소에 의해 가압됨으로써 케이스가 팽창한다. 그러면, 케이스의 외면에 접촉하는 전열 부재는, 케이스의 외면과 냉각 부재의 외면과의 사이에 협지된 상태로, 케이스의 외면에 가압된다. 본 명세서에 개시된 기술에 의하면, 전열 부재는 탄성 변형 가능하므로, 케이스의 외면에 가압됨으로써 탄성 변형된다. 이로써, 케이스의 외면과 전열 부재의 외면이 접촉된 상태로 유지되고, 또한 전열 부재의 외면과 냉각 부재의 외면과의 사이도, 접촉 형태가 유지된다. 이 결과, 충전 시 또는 방전 시에 축전 요소에서 발생한 열은, 케이스, 전열 부재, 및 냉각 부재로 전달되므로, 축전 소자가 국소적으로 고온이 되는 것을 억제할 수 있다.
한편, 방전 시에는 축전 요소는 수축하고, 이에 따라 케이스도 수축한다. 본 명세서에 개시된 기술에 의하면, 전열 부재는 탄성 변형 가능하므로, 수축된 케이스의 외면에 추종하여 복귀 변형된다. 이로써, 케이스의 외면과 전열 부재의 외면이 접촉된 상태로 유지된다. 이 결과, 충전 및 방전이 반복되어, 케이스가 팽창 및 수축을 반복해도, 케이스의 외면, 전열 부재의 외면, 및 냉각 부재의 외면은 접촉된 상태로 유지된다. 이로써, 케이스가 팽창 및 수축을 반복해도, 충전 시 또는 방전 시에 축전 요소에서 발생한 열은 케이스로부터 전열 부재를 통하여 냉각 부재에 확실하게 전달되므로, 축전 소자가 국소적으로 고온이 되는 것을 억제할 수 있다.
본 명세서에 개시된 기술의 실시형태로서는 이하의 실시형태가 바람직하다. 상기 냉각 부재의 내부에는 냉매가 유통되고 있고, 상기 냉각 부재의 외면은 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 실시형태에 의하면, 냉각 부재의 외면은 비교적 하드한 금속으로 이루어지므로, 외부로부터의 압력에 대하여 쉽게 변형되지 않는다. 그러므로, 케이스가 팽창함으로써, 전열 부재를 통하여 냉각 부재가 가압된 경우라도, 냉각 부재가 변형되는 것을 억제할 수 있다. 이 결과, 냉매의 유통 경로가 변형되는 것을 억제할 수 있으므로, 냉각 부재의 내부를 유통하는 냉매에 압력 손실이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 냉각 부재의 냉각 효율이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
상기 냉각 부재의 내부에는 냉매가 유통되어 있고, 상기 냉매는 액체인 것이 바람직하다.
액체를 냉매로 사용함으로써, 공기를 냉매로 한, 이른바 공랭에 비해, 냉각 효율이 외기 온도에 좌우되지 않는 우수한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 공랭의 경우에는, 외기의 유입에 따라 이물질이 냉각 부재의 내부에 침입할 우려가 있다. 이에 비해 상기 실시형태에 의하면, 냉매가 액체로 되어 있으므로, 냉각 부재의 내부에 이물질이 침입하는 것을 억제할 수 있다.
상기 축전 소자가, 라디에이터가 구비된 차량에 탑재되는 경우에는, 상기 냉매로서 라디에이터액을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 실시형태에 의하면, 차량에 사용되는 라디에이터액을 사용할 수 있는 경우에는, 냉각 부재에 유통되는 냉매를 별도로 준비할 필요가 없다. 그리고, 라디에이터액은 에틸렌글리콜 등의 부동액을 포함해도 된다.
상기 케이스는 직육면체 형상을 이루고 있고, 상기 케이스의 벽면은, 상기 전극 단자가 형성된 단자면과, 상기 단자면과 반대측에 위치하는 바닥면과, 장측면과, 단측면을 구비하고, 상기 전열 부재는, 상기 바닥면 및 상기 단측면의, 양측 또는 일측과 접촉되어 있는 것이 바람직하다.
장측면은 비교적 면적이 넓기 때문에, 케이스 내부의 압력이 상승했을 때, 단측면에 비해 크게 변형된다. 그러므로, 전열 부재를, 장측면과는 상이한 바닥면, 및 단측면의 양측 또는 일측과 접촉시킴으로써, 케이스의 외면과 전열 부재를 접촉시킨 상태로 확실하게 유지할 수 있다.
한편, 전극 단자가 형성된 단자면에는, 전열 부재 및 냉각 부재를 전극 단자와 절연된 상태로 장착하기 위한 스페이스를 충분히 확보할 수 없는 경우가 있다. 그러므로, 단자면에 전열 부재를 장착하고자 하면, 케이스의 외면과 전열 부재와의 사이에 충분한 접촉 면적을 확보할 수 없게 될 우려가 있다. 상기 실시형태에 의하면, 전열 부재를 바닥면 또는 단측면에 접촉시킴으로써, 케이스의 외면과 전열 부재와의 사이에 충분한 접촉 면적을 확보할 수 있다.
상기 전열 부재는, 상기 케이스의 벽면 중, 상기 케이스의 내면 중 상기 축전과 이격된 벽면과 접촉되어 있는 것이 바람직하다.
축전 요소는, 충전 시에 팽창할 우려가 있다. 그러므로, 축전 요소와 케이스의 내면이 접촉되어 있는 부분에서는, 팽창된 축전 요소에 의하여 케이스가 가압되어, 케이스가 팽창할 우려가 있다.
이에, 상기 실시형태에 의하면, 케이스의 내면 중 축전 요소와 이격된 벽면과 전열 부재가 접촉하도록 되어 있다. 이로써, 축전 요소가 팽창한 경우라도, 전열 부재와 접촉하는 케이스의 벽면은, 축전 요소와는 이격되어 있으므로, 팽창한 축전 요소에 의해 가압되는 것이 억제된다. 이 결과, 축전 요소가 팽창한 경우라도, 케이스의 외면과 전열 부재가 접촉된 상태를 확실하게 유지할 수 있다.
상기 전열 부재는 절연성 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
축전 요소에 있어서는 전위가 발생하므로, 축전 요소와 케이스와의 사이에는 전위가 발생한다. 그러므로, 케이스와 냉각 부재와의 사이에도 전위가 발생한다. 상기 실시형태에 있어서는, 케이스와 냉각 부재와의 사이에 배치된 전열 부재는 절연성 재료로 이루어지므로, 케이스와 냉각 부재와의 사이에 전류가 흐르는 것이 억제된다. 이 결과, 케이스 또는 냉각 부재가 전류에 의해 부식되는 것이 억제된다.
(본 명세서에 개시된 기술의 효과)
본 명세서에 개시된 기술에 의하면, 축전 소자가 국소적으로 고온이 되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 실시형태 1-1을 도 1 내지 도 5를 참조하면서 설명한다. 본 실시형태에 따른 단전지(축전 소자)(10)는, 케이스(11) 내에 발전 요소(축전 요소)(12)를 수용하여 이루어진다. 이하의 설명에 있어서는, 도 2의 상방을 상측으로서, 하방을 하측으로서 설명한다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 케이스(11)는 복수개의 벽부를 가지고, 편평(扁平)한 대략 직육면체 형상을 이루고 있다. 케이스(11)는 상측으로 개구(開口)된 개구부(13)가 형성된 케이스 본체(14)와, 케이스 본체(14) 내에 조립되어 케이스(11)의 개구부(13)를 막는 커버 부재(15)를 구비한다. 케이스 본체(14)는 금속제로서, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스 등, 필요에 따라 임의의 금속을 사용할 수 있다.
커버 부재(15)에는, 도 4에서 좌우의 양 단부에 가까운 위치에, 발전 요소(12)와 전기적으로 접속된 2개의 전극 단자(16, 16)가 상측으로 돌출 형성되어 있다. 전극 단자(16)는 양극 단자와, 음극 단자로 이루어진다. 상세하게는 도시하지 않지만, 양극 단자는, 발전 요소(12)의 양극판과 전기적으로 접속되어 있고, 음극 단자는, 발전 요소(12)의 음극판과 전기적으로 접속되어 있다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 발전 요소(12)는, 양극판과 음극판을, 세퍼레이터를 통하여 적층한 것을 권취하여 이루어진다. 본 실시형태에 있어서는, 1개의 케이스(11) 내에 2개의 발전 요소(12, 12)가 수용되어 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 케이스(11)의 외면은, 전극 단자(16)가 형성된 단자면(17)(도 2에서의 상면)과, 단자면(17)과 반대측에 위치하는 바닥면(18)(도 2에서의 하면)과, 비교적으로 면적이 큰 장측면(19)과, 비교적 면적이 작은 단측면(20)을 구비한다. 단자면(17), 바닥면(18), 장측면(19), 및 단측면(20)에 의해 케이스(11)의 벽부가 구성된다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 케이스(11) 내에 있어서, 발전 요소(12)는, 그 권취축이 단측면(20)과 교차하는 방향을 향하는 자세로 수용되어 있다. 2개의 발전 요소(12, 12)는, 케이스(11)의 장측면(19)과 교차하는 방향으로 나란히 수용되어 있다. 또한, 발전 요소(12)는, 케이스(11)의 내면 중, 바닥면(18) 및 단자면(17)과 이격된 자세로, 케이스(11) 내에 수용되어 있다. 그리고, 발전 요소(12)와 케이스(11)의 내면이 이격된다는 것은, 발전 요소(12)와 케이스(11)의 내면과의 사이에 완충 부재가 개재하는 경우도 포함된다.
케이스(11)의 내부에는, 유기 용매를 포함하는 전해질(도시하지 않음)이 충전되어 있다. 유기용매로서는, 예를 들면, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, 아세트산 메틸, 프로피온산 메틸, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 테트라하이드로피란, 디메톡시에탄, 디메톡시메탄, 인산 에틸렌메틸, 인산 에틸에틸렌, 인산 트리메틸, 인산 트리에틸 등을 사용할 수 있다. 이들 유기 용매는, 1종류만을 선택하여 사용해도 되고, 2종류 이상을 조합하여 사용해도 된다.
전해질의 용질로서는, LiClO4, LiPF6, LiBF4 등의 무기 리튬염이나, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(CF3CF2SO2)2, 및 LiC(CF3SO2)3 등의 불소 함유 유기 리튬염 등을 예로 들 수 있다. 이들 용질은, 1종류만을 선택하여 사용해도 되고, 2종류 이상을 조합하여 사용해도 된다.
케이스(11)의 바닥면(18)에는, 합성 수지제의 전열 부재(21)가, 케이스(11)의 바닥면(18)과 접촉한 상태로 배치되어 있다. 전열 부재(21)는 탄성 변형 가능하고, 또한 절연성의 합성 수지로 이루어진다. 또한, 전열 부재(21)는, 공기보다 열전도성이 높은 재료로 이루어진다. 본 실시형태에 있어서는, 열전도율이 0.2 W/m?K ? 5.0 W/m?K의 재료가 사용하고 있다. 전열 부재(21)는, 66 나일론 등의 폴리아미드, 아크릴 수지, 실리콘 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리올레핀 수지 등, 필요에 따라 임의의 합성 수지를 사용할 수 있다.
본 실시형태에 따른 전열 부재(21)는 두께 1mm의 시트형을 이루고 있다. 전열 부재(21)는 대략 직사각형상을 이루고 있고, 케이스(11)의 바닥면(18)보다 약간 작은 형상으로 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는 전열 부재(21)의 두께는 1mm로 하였으나, 이것으로 한정되지 않고, 필요에 따라 임의의 두께로 형성할 수 있다.
전열 부재(21)의 하면에는, 냉각 부재(22)가 배치되어 있다. 전열 부재(21)의 하면과 냉각 부재(22)의 상면은 접촉되어 있다. 냉각 부재(22)는, 대략 직육면체 형상을 이루고 있고, 전열 부재(21)보다 약간 큰 형상으로 형성되어 있다. 적어도 냉각 부재(22)의 외면은, 동, 동합금, 스테인레스, 알루미늄, 알루미늄 합금 등의 금속으로 이루어진다. 본 실시형태에 있어서는 동이 사용되고 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 냉각 부재(22)의 내부에는, 냉매(도시하지 않음)가 유통되는 유통로(23)가 형성되어 있다. 냉각 부재(22)에는, 유통로(23)와 연통하고, 또한 냉매가 유통로(23) 내로 유입되는 유입구(24)와, 냉매가 유통로(23) 밖으로 유통하는 유출구(25)가 형성되어 있다. 유입구(24) 또는 유출구(25)는, 도시하지 않은 파이프(55)를 통하여 도시하지 않은 펌프에 접속되어 있고, 파이프(55), 유입구(24), 유통로(23), 유출구(25), 파이프(55)의 차례로 냉매가 유통되도록 되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 냉매로서는, 물, 유기 용매, 오일 등의 액체가 사용되고 있다. 냉매로서는, 예를 들면, 물, 광유(鑛油), 알킬벤젠, 폴리부텐, 알킬나프탈렌, 알킬디페닐에탄, 실리콘유, 에틸렌글리콜 등, 필요에 따라 임의의 액체를 사용할 수 있다.
전열 부재(21)는, 점착성을 가지는 재료로 형성되어도 된다. 또한, 전열 부재(21)의 표면에 점착제층을 형성해도 된다. 또한, 전열 부재(21)와 케이스(11)의 바닥면(18) 및 냉각 부재(22)의 외면을 접착제층을 통하여 접착해도 된다. 전술한 구성에 의해, 전열 부재(21)와 케이스(11)의 바닥면(18) 및 냉각 부재(22)를 확실하게 접촉시킬 수 있다.
(작용, 효과)
이어서, 본 실시형태의 작용, 효과에 대하여 설명한다. 본 실시형태에 따른 단전지(10)에 있어서는, 케이스(11)의 바닥면(18)과 냉각 부재(22)의 상면과의 사이에는 전열 부재(21)가 배치되어 있다. 이 전열 부재(21)는 케이스(11)의 외면과 접촉하고, 또한 냉각 부재(22)의 외면과도 접촉되어 있다. 또한, 전열 부재(21)는, 탄성 변형 가능하고, 또한 공기보다 열전도율이 높은 합성 수지로 이루어진다.
단전지(10)를 충전하면, 발전 요소(12)가 팽창하는 경우가 있다. 그러면, 팽창된 발전 요소(12)에 의해 가압되는 것에 의해 케이스(11)도 팽창한다. 그러면, 케이스(11)의 외면에 접촉하는 전열 부재(21)는, 케이스(11)의 외면과 냉각 부재(22)의 외면 사이에 협지된 상태로, 케이스(11)의 외면에 가압된다. 이 전열 부재(21)는 탄성 변형 가능하므로, 케이스(11)의 외면에 가압되는 것에 의해 탄성 변형된다. 이로써, 케이스(11)의 외면과 전열 부재(21)의 외면이 접촉된 상태로 유지되고, 또한 전열 부재(21)의 외면과 냉각 부재(22)의 외면과의 사이도, 접촉 형태가 유지된다. 이 결과, 충전 시 또는 방전 시에 발전 요소(12)에서 발생한 열은, 케이스(11), 전열 부재(21), 및 냉각 부재(22)로 전달되므로, 단전지(10)가 국소적으로 고온이 되는 것을 억제할 수 있다.
한편, 방전 시에는 발전 요소(12)는 수축하고, 이에 따라 케이스(11)도 수축한다. 이 때, 전열 부재(21)는 탄성 변형 가능하므로, 수축한 케이스(11)의 외면에 추종하여 복귀 변형된다. 이로써, 케이스(11)의 외면과 전열 부재(21)의 외면이, 접촉된 상태로 유지된다. 이 결과, 충전 및 방전이 반복되어, 케이스(11)가 팽창 및 수축을 반복해도, 케이스(11)의 외면, 전열 부재(21)의 외면, 및 냉각 부재(22)의 외면은 접촉된 상태로 유지된다. 이로써, 케이스(11)가 팽창 및 수축을 반복해도, 충전 시 또는 방전 시에 발전 요소(12)에서 발생한 열은 케이스(11)로부터 전열 부재(21)를 통하여 냉각 부재(22)에 확실하게 전달되므로, 단전지(10)가 국소적으로 고온으로 되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는 냉각 부재(22)의 외면은 비교적 하드한 금속으로 이루어지므로, 외부로부터의 압력에 대하여 쉽게 변형되지 않는다. 그러므로, 케이스(11)가 팽창함으로써, 전열 부재(21)를 통하여 냉각 부재(22)가 가압된 경우라도, 냉각 부재(22)가 변형되는 것을 억제할 수 있다. 이 결과, 냉매의 유통로(23)의 변형을 억제할 수 있으므로, 냉각 부재(22)의 내부를 유통하는 냉매에 압력 손실이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 냉각 부재(22)의 냉각 효율이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 냉매로서 액체가 사용되고 있다. 이로써, 공기를 냉매로 한, 이른바 공랭에 비하여, 냉각 효율이 외기 온도에 좌우되지 않는 우수한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 공랭의 경우에는, 외기의 유입에 따라 이물질이 냉각 부재(22)의 내부에 침입할 우려가 있다. 이에 비해 상기 실시형태에 의하면, 냉매가 액체로 되어 있으므로, 냉각 부재(22)의 내부에 이물질이 침입하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 케이스(11) 내에는, 유기 용매를 포함하는 전해질이 충전되어 있다. 이와 같이 전해질이 유기 용매를 포함하는 경우, 비교적 높은 온도에서 단전지를 사용하면, 유기 용매가 분해된 가스가 발생할 우려가 있다. 그러면, 케이스(11) 내부의 압력이 상승하고, 충방전 사이클수가 증대함으로써, 점차로 케이스(11)가 팽창할 우려가 있다. 이와 같은 경우에도, 전열 부재(21)는 탄성 변형 가능한 재료로 이루어지므로, 케이스(11)의 팽창에 추종하여 변형될 수 있다. 이 결과, 케이스(11)의 외면, 전열 부재(21)의 외면, 및 냉각 부재(22)의 외면을, 접촉된 상태를 유지할 수 있다. 이로써, 충방전 사이클수가 증대해도, 단전지(10)가 국소적으로 고온이 되는 것을 확실하게 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 전열 부재(21)는 바닥면(18)과 접촉되어 있다. 케이스(11)의 장측면(19)은 비교적 면적이 넓기 때문에, 케이스(11) 내부의 압력이 상승했을 때, 바닥면(18) 및 단측면(20)에 비해 크게 변형된다. 그러므로, 전열 부재(21)를, 장측면(19)과는 상이한 바닥면(18)과 접촉시킴으로써, 케이스(11)의 외면과 전열 부재(21)를 접촉시킨 상태로 확실하게 유지할 수 있다.
한편, 전극 단자(16)가 형성된 단자면(17)에는, 전열 부재(21) 및 냉각 부재(22)를 전극 단자(16)와 절연된 상태로 장착하기 위한 스페이스를 충분히 확보할 수 없는 경우가 있다. 그러므로, 단자면(17)에 전열 부재(21)를 장착하고자 하면, 케이스(11)의 외면과 전열 부재(21)와의 사이에 충분한 접촉 면적을 확보할 수 없을 우려가 있다. 상기 실시형태에 의하면, 전열 부재(21)를 바닥면(18)에 접촉시킴으로써, 케이스(11)의 외면과 전열 부재(21)와의 사이에 충분한 접촉 면적을 확보할 수 있다.
또한, 상기 발전 요소(12)는, 충전 시에 팽창할 우려가 있다. 그러므로, 발전요소(12)와 케이스(11)의 내면이 접촉되어 있는 부분에서는, 팽창된 발전 요소(12)에 의해 케이스(11)가 가압되어, 케이스(11)가 팽창할 우려가 있다.
본 실시형태에 있어서는, 전열 부재(21)는, 케이스(11)의 벽면 중, 발전 요소(12)와의 간격이 비교적 큰 바닥면(18)과 접촉하는 구성으로 되어 있다. 이로써, 케이스(11)의 벽면 중 발전 요소(12)와의 간격이 비교적 큰 벽면과, 전열 부재(21)가 접촉하도록 되어 있다. 이로써, 발전 요소(12)가 팽창한 경우라도, 전열 부재(21)와 접촉하는 케이스(11)의 벽면은, 발전 요소(12)와는 이격되어 있으므로, 팽창된 발전 요소(12)에 의해 가압되는 것이 억제된다. 이 결과, 발전 요소(12)가 팽창한 경우라도, 케이스(11)의 외면과 전열 부재(21)가 접촉된 상태를 확실하게 유지할 수 있다.
또한, 발전 요소(12)에 있어서는 전위가 발생하므로, 발전 요소(12)와 케이스(11)와의 사이에는 전위가 발생한다. 그러므로, 케이스(11)와 냉각 부재(22)와의 사이에도 전위가 발생한다. 그러면, 케이스(11)와 냉각 부재(22)와의 사이에 전류가 흘러, 케이스(11) 또는 냉각 부재(22)가 부식될 우려가 있다. 본 실시형태에 있어서는, 전열 부재(21)는 절연성 재료로 이루어지도록 구성하였다. 이로써, 케이스(11)와 냉각 부재(22)와의 사이에 전류가 흐르는 것이 억제된다. 이 결과, 케이스(11) 또는 냉각 부재(22)가 전류에 의해 부식되는 것이 억제된다.
<실시형태 1-2>
다음으로, 본 발명의 실시형태 1-2를 도 6 내지 도 8을 참조하면서 설명한다. 본 실시형태에서는, 케이스(11)의 단측면(20)에 전열 부재(31)가 접촉하는 구성으로 되어 있다. 전열 부재(31)는 대략 직사각형상을 이루고 있고, 케이스(11)의 단측면(20)보다 약간 작은 형상으로 되어 있다.
전열 부재(31)에는, 케이스(11)의 단측면(20)의 반대측면에, 냉각 부재(32)가 배치되어 있다. 전열 부재(31)는, 케이스(11)의 단측면(20)과 냉각 부재(32)의 양측과 접촉되어 있다.
전술한 것 이외의 구성에 대하여는, 실시형태 1-1과 거의 동일하므로, 동일 부재에 대하여는 동일 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다.
이어서, 본 실시형태의 작용 및 효과에 대하여 설명한다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 있어서는, 전열 부재(31)는, 비교적 면적이 큰 장측면(19)과는 상이한 단측면(20)과 접촉하고 있다. 이로써, 케이스(11)의 외면과 전열 부재(31)를 접촉시킨 상태로 확실하게 유지할 수 있다.
또한, 도 8에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 있어서는, 발전 요소(12)는, 그 권취축이, 단측면(20)과 교차하는 방향을 향하는 자세로 케이스(11) 내에 수용되어 있다. 충전 및 방전을 반복할 경우, 발전 요소(12)는 그 권취축의 직경 방향의 외측을 따라 팽창 및 수축을 반복한다. 그러나, 발전 요소(12)의 변형량은, 그 축방향에 대해서는 비교적 작다. 그러므로, 본 실시형태에 있어서는, 발전 요소(12)가 팽창하여도, 발전 요소(12)의 축 방향의 외측에 위치하는 케이스(11)의 단측면(20)에 대하여는, 발전 요소(12)로부터 가압력이 인가되기 어렵다. 전열 부재(31)는, 케이스(11)의 단측면(20)과 접촉되어 있으므로, 발전 요소(12)가 팽창한 경우라도, 케이스(11)의 외면과 전열 부재(31)가 접촉된 상태를 확실하게 유지할 수 있다.
<실시형태 1-3>
다음으로, 본 발명의 실시형태 1-3을 도 9 및 도 10을 참조하면서 설명한다. 본 실시형태에 있어서는, 케이스(11)의 장측면(19)에 전열 부재(41)가 접촉하는 구성으로 되어 있다. 전열 부재(41)는 대략 직사각형상을 이루고 있고, 케이스(11)의 장측면(19)보다 약간 작은 형상으로 되어 있다(도 9 참조).
전열 부재(41)에는, 케이스(11)의 장측면(19)과 반대측면에, 냉각 부재(42)가 배치되어 있다. 전열 부재(41)는, 케이스(11)의 장측면(19)과 냉각 부재(42)의 양측과 접촉되어 있다(도 10 참조).
전술한 것 이외의 구성에 대하여는, 실시형태 1-1과 거의 동일하므로, 동일 부재에 대하여는 동일 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다.
본 실시형태에 있어서는, 장측면(19)과 전열 부재(41)가 접촉되어 있고, 또한 전열 부재(41)와 냉각 부재(42)가 접촉되어 있다. 이로써, 충전 시 및 방전 시에 있어서 발전 요소(12)에서 발생한 열은, 비교적 면적이 큰 장측면(19)으로부터 전열 부재(41)로 전달되고, 이 전열 부재(41)로부터 냉각 부재(42)로 전달된다. 케이스(11)의 장측면(19)은, 케이스(11) 중 가장 면적이 큰 면으로 되어 있다. 장측면(19)은, 케이스(11) 중 면적이 가장 넓은 면이므로, 효율적으로 발전 요소(12)를 냉각시킬 수 있다.
그리고, 전술한 바와 같이, 장측면(19)은, 케이스(11) 중 면적이 가장 넓은 면이므로, 케이스(11)가, 그 내부의 압력 상승에 의해 팽창한 경우, 가장 변형되기 쉬운 면으로 되어 있다. 이와 같은 점을 감안하여, 본 실시형태에 있어서는, 이 장측면(19)에, 탄성 변형 가능한 전열 부재(41)가 접촉하는 구성으로 되어 있다. 이로써, 장측면(19)이 변형된 경우라도, 전열 부재(41)가 탄성 변형됨으로써 장측면(19)의 변형에 추종하도록 되어 있다. 이 결과, 장측면(19)과 전열 부재(41)가 접촉하는 상태가 유지되므로, 단전지(10)가 국소적으로 고온이 되는 것을 억제할 수 있다.
<실시형태 1-4>
다음으로, 본 발명의 실시형태 1-4를 도 11 및 도 12를 참조하면서 설명한다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 따른 조전지(축전 장치)(56)는, 복수개의 단전지(10)를 배열하여 전기적으로 접속하여 이루어진다. 각 단전지(10)는, 직렬로 또는 병렬로 접속되어 있다. 복수개의 단전지(10)는, 밴드 등의 공지의 방법에 의해, 배열된 상태로 고정되어 있다.
또한, 도 11에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 따른 조전지(56)는, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 차량(53)에 탑재되어, 전원으로서 사용된다. 차량(53)에는 라디에이터(54)가 배치되어 있다. 라디에이터(54)와 냉각 부재(52)는, 파이프(55)로 접속되어 있다. 라디에이터(54), 파이프(55), 및 냉각 부재(52)의 내부에는, 라디에이터액(도시하지 않음)이 유통되고 있다. 라디에이터액으로서는, 물, 에틸렌글리콜 등의 부동액, 또는 물과 부동액과의 혼합물 등, 필요에 따라 임의의 액체를 사용할 수 있다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 조전지(56)는, 복수개의 단전지(10)를, 그 장측면(19)끼리를 대향시킨 자세로 배열하여 형성되어 있다. 복수개의 단전지(10)는, 1개의 냉각 부재(52)의 상면에, 1개의 전열 부재(51)를 통하여 탑재되어 있다.
그리고, 단전지(10)에 대한 전술한 것 이외의 구성에 대하여는, 실시형태 1-1과 거의 동일하므로, 동일 부재에 대하여는 동일 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다.
본 실시형태에 의하면, 냉매로서 차량(53)에 사용되는 라디에이터액을 사용할 수 있으므로, 냉각 부재(52)에 유통되는 냉매를 별도로 준비할 필요가 없다.
그리고, 본 실시형태에 있어서는, 1개의 전열 부재(51)의 상면에 복수개의 단전지(10)를 탑재하는 구성으로 하였으나, 각 전열 부재(51)의 상면에 각 단전지(10)를 탑재하는 구성으로 해도 된다.
<실시형태 1-5>
다음으로, 본 발명의 실시형태 1-5를 도 13을 참조하면서 설명한다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 따른 조전지(66)는, 복수개의 단전지(10)를, 그 장측면(19)끼리를 대향시킨 자세로 배열하여 형성되어 있다. 복수개의 단전지(10)는, 한쌍의 전열 부재(61, 61)에 의해 협지되어 있다. 전열 부재(61)는, 각 단전지(10)의 단측면(20)과 접촉되어 있다.
각 전열 부재(21) 중 단전지(10)와 반대측면에는, 각각 냉각 부재(62)가 배치되어 있다. 전체적으로 복수개의 단전지(10)는, 한쌍의 냉각 부재(62, 62)의 사이에, 한쌍의 전열 부재(61, 61)를 통하여 협지된 상태로 되어 있다.
전술한 것 이외의 구성에 대하여는, 실시형태 1-4와 거의 동일하므로, 동일 부재에 대하여는 동일 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다.
<실험예>
이어서, 본 실시형태에 따른 단전지의 냉각 효과를 나타내는 실험예에 대하여 설명한다. 본 실시형태에 있어서는, 단전지로서 (주)리튬에너지재팬 제품인, LEV50(전지 용량 50Ah)을 사용하였다.
[전지(1A)]
전지(1A)로서는, 단전지의 바닥면에 전열 부재를 배치하여, 전열 부재의 바닥면에 냉각 부재를 배치한 것을 사용하였다. 전열 부재로서는, 스미토모3M(주) 제품인, 5580H(두께 1.0mm, 열전도율 3W/m?K)를 사용하였다. 냉각 부재는 동제(銅製)를 사용하였다. 냉매로서는 물을 사용하였다.
[전지(1B)]
전지(1B)로서는, 단전지의 장측면에 전열 부재를 배치하여, 전열 부재 중 케이스와 반대측면에 냉각 부재를 배치한 것을 사용하였다. 그 외의 구성에 대하여는 전지(B)와 동일하게 하였다.
(비교예)
비교예로서는, 단전지에 대하여 전열 부재 및 냉각 부재의 양측을 배치하지 않은 것을 사용하였다.
(실험 수순)
실험은, 단전지(1A), 단전지(1B), 및 비교예에 대하여, 40℃의 분위기 온도에서 실시하였다. 단전지(1A), 및 단전지(1B)에 대하여는, 냉각 부재의 내부에, 냉매로서 온도 35℃, 유속 2.5 L/min의 물을 유통시켰다. 비교예에 대하여는, 냉각 부재에 의한 냉각은 행하지 않았다.
단전지(1A), 단전지(1B), 및 비교예에 대하여, 사이클 충방전을 실행하고, 케이스의 외면에서의 온도 변화를 측정하였다. 케이스의 외면에서의 온도는, 케이스의 장측면에 장착한 열전대(thermocouple)에 의해 측정하였다. 열전대는, 케이스의 장측면의 대략 중앙(대각선의 교점의 근사)에 장착하였다.
전지(1A), 전지(1B), 비교예에 대한 충방전은 이하의 조건에서 실행하였다. 충방전에 대하여는, 정격 용량의 100% 충방전을 실행하였다. 충전에 대하여는, 정전류(1CA), 정전압(4.1V), 충전 시간 4시간으로 하고, 방전에 대하여는, 정전류(1CA), 방전 종지(終止) 전압(2.75V)으로 하고, 이것을 1사이클로 하였다. 상기의 사이클을 반복하고, 소정의 사이클수에서의 전지(1A), 전지(1B), 및 비교예의 케이스 외면의 온도를 측정하였다. 결과를 표 1 및 도 14에 나타내었다.
[표 1]
Figure pat00001
200 사이클 종료 시에 있어서, 비교예(도 14의 ●로 표기)에 따른 케이스의 외면의 온도는 42℃로 상승한 것에 비해, 전지(1A)(도 14의 ○로 표기)의 케이스 외면의 온도는 39℃, 전지(1B)(도 14에 있어서 △으로 표기)의 케이스 외면의 온도는, 40℃까지 밖에 상승하지 않았다.
또한, 1600 사이클 종료시에 있어서는, 비교예에 따른 케이스 외면의 온도가 51℃까지 상승한 것에 비해, 전지(1A)는 41℃까지 밖에 상승하지 않았고, 전지(1B)는 45℃까지 밖에 상승하지 않았다.
이와 같이, 전지(1A) 및 전지(1B)에 있어서는, 케이스의 외면에 탄성 변형 가능한 전열 부재가 접촉되어 있으므로, 충방전 사이클의 진행에 따라 케이스가 팽창한 경우라도, 전열 부재가 탄성 변형하여 케이스의 변형에 추종할 수 있다. 이로써, 케이스의 외면과 전열 부재가 접촉된 상태를 유지할 수 있으므로, 케이스의 외면으로부터 전열 부재로 열이 효율적으로 전달되도록 되어 있다. 이 결과, 충방전 시에 발전 요소에서 발생한 열은, 케이스로부터 전열 부재를 거쳐서 냉각 부재로 전달되므로, 전지가 국소적으로 고온이 되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 케이스의 바닥면은, 케이스 내에 수용된 발전 요소와 이격되어 있으므로, 충방전 사이클의 진행에 따라 발전 요소가 팽창한 경우라도, 발전 요소에 의해 케이스의 바닥면이 가압되는 것이 억제된다. 이로써, 케이스의 바닥면이 팽창하는 것이 억제되므로, 케이스의 바닥면과 전열 부재가 확실하게 접촉하도록 되어 있다. 이 결과, 케이스의 바닥면으로부터 전열 부재로 열이 확실하게 전달되므로, 전지가 국소적으로 고온이 되는 것을 확실하게 억제할 수 있다.
<다른 실시형태>
본 발명은 상기 기술 및 도면에 의해 설명한 실시형태로 한정되지 않고, 예를 들면, 다음과 같은 실시형태도 본 명세서에 개시된 기술적 범위에 포함된다.
1-(1) 전열 부재(21)는, 케이스(11)의 장측면(19)과 케이스(11)의 바닥면(18)의 양측에 접촉하여 배치되는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 케이스(11)의 장측면(19)에 접촉하여 배치된 전열 부재(21)와 케이스(11)의 바닥면(18)에 접촉하여 배치된 전열 부재(21) 각각에 대하여, 냉각 부재(22)가 접촉하여 배치된다. 또한, 전열 부재(21)는, 케이스(11)의 단측면(20)과 케이스(11)의 바닥면(18)의 양측에 접촉하여 배치되는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 케이스(11)의 단측면(20)에 접촉하여 배치된 전열 부재(21)와 케이스(11)의 바닥면(18)에 접촉하여 배치된 전열 부재(21) 각각에 대하여, 냉각 부재(22)가 접촉하여 배치된다.
또한, 전열 부재(21)는, 케이스(11)의 장측면(19)과, 케이스(11)의 단측면(20)과, 케이스(11)의 바닥면(18)에 접촉하여 배치되는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 상기 케이스(11)의 각 면에 접촉하여 배치된 전열 부재(21) 각각에 대하여, 냉각 부재(22)가 접촉하여 배치된다.
1-(2) 본 실시형태에 있어서는, 냉매는 액체가 사용되며, 이것으로 한정되지 않고, 냉매는 공기라도 된다.
1-(3) 전열 부재(21)는, 단자면(17)에 접촉하여 배치되는 구성으로 해도 된다.
1-(4) 케이스(11)의 벽면 중, 케이스(11) 내에 수용된 발전 요소(12)가 접촉하는 벽면과, 전열 부재(21)의 외면이 접촉하는 구성으로 해도 된다.
1-(5) 본 실시형태에 있어서는, 발전 요소(12)는 권취형이었지만, 이것으로 한정되지 않고, 발전 요소(12)는, 양극판, 세퍼레이터, 및 음극판을 적층하여 이루어지는 스택형이라도 된다.
1-(6) 실시형태 1-2에 있어서는, 전열 부재(31)는 시트형을 이루는 구성으로 하였으나, 이것으로 한정되지 않는다. 도 15에 나타낸 바와 같이, 전열 부재(71)로서는, 기부(基部)(73)로부터 돌출하는 탄성 변형 가능한 탄성 변형부(74)를 구비하는 구성으로 해도 된다. 이 전열 부재(73)는, 케이스(11)의 외면에 기부(73)를 접촉시키고, 탄성 변형부(74)의 선단(先端)을 냉각 부재(32)의 외면에 접촉시키는 구성으로 해도 된다. 탄성 변형부(74)는, 탄성 변형한 상태로, 냉각 부재(32)의 외면과 접촉되어 있다. 이로써, 케이스(11)가 팽창해도, 탄성 변형부(74)가 탄성 변형됨으로써 케이스(11)의 변형에 추종할 수 있다. 또한, 전열 부재(71)는, 냉각 부재(32)의 외면에 기부(73)를 접촉시키고, 탄성 변형부(74)의 선단을 케이스(11)의 외면에 접촉시키는 구성으로 해도 된다.
1-(7) 전지 모듈은 차량(53)에 탑재되는 구성으로 한정되지 않고, 선박, 항공기 등, 필요에 따라 임의의 탈것에 탑재되어 이들의 전원으로서 사용해도 된다. 또한, 예를 들면, 긴급용 전원 등, 필요에 따라 임의의 기기의 전원으로서 사용할 수 있다.
1-(8) 본 실시형태에 있어서는, 냉각 부재의 내부에는 냉매가 유통되는 구성으로 하였으나, 반드시 냉매가 유통되는 구성이 아니라도 된다. 냉각 부재로서는, 예를 들면, 복수개의 팬이 설치된 금속판이라도 되고, 또한, 평탄한 표면을 가지는 금속판이라도 된다.
1-(9) 본 실시형태에 있어서는, 축전 소자로서 충방전 가능한 단전지로 하였으나, 이것으로 한정되지 않고, 전기 화학 커패시터, 전기 이중층 커패시터 등의 커패시터라도 된다.
1-(10) 케이스의 벽부의 내면과 축전 요소가 이격되는 구성에는, 케이스의 벽부의 내면과 축전 요소와의 사이에 간극이 형성되는 경우가 포함되고, 또한, 케이스의 벽부의 내면과 축전 요소와의 사이에 완충재가 개재됨으로써, 케이스와 축전 요소가 직접적으로 접촉하지 않는 구성도 포함된다.
<실시형태 2-1>
(배경 기술)
전기 자동차 등에 있어서는, 복수개의 단전지를 배열하여 이루어지는 조전지가 탑재된다. 이와 같은 조전지를 냉각시키기 위하여, 예를 들면, 일본 특허출원 공개번호 2000-294302호 공보에 있어서는, 냉각풍(공기)을 흐르게 하는 것이 제안되어 있다.
이 일본 특허출원 공개번호 2000-294302호 공보에 기재된 조전지에 있어서는, 조전지를 구성하는 전지 모듈을 간격을 두고 배열하고, 또한 전지 모듈을 구성하는 복수개의 단전지를 간격을 두고 배열함으로써, 냉각 유로를 형성하고 있다.
(본 명세서에 개시된 기술의 개요)
(본 명세서에 개시된 기술이 해결하려고 하는 과제)
상기 일본 특허출원 공개번호 2000-294302호 공보에 기재된 조전지와 같이, 단전지나 전지 모듈의 간격을 두고 형성된 냉각 유로를 구비하는 조전지에 있어서, 냉각 효율을 높이기 위하여, 단전지의 간격이나 전지 모듈의 간격을 크게 하면 조전지를 탑재하기 위해 큰 스페이스가 필요하게 된다. 한편, 단전지의 간격이나 전지 모듈의 간격을 작게 하면, 냉각풍이 유통하기 어려워져 조전지를 구성하는 복수개의 단전지에 균일하게 냉각풍을 제공하는 것이 곤란해져, 전지 온도에 불균일이 발생한다. 또한, 단전지가 사용에 의해 팽창하여 단전지 사이의 간격이나 전지 모듈의 간격이 더욱 작아지기 때문에 냉각풍의 유통이 악화하여 냉각 성능이 저하되는 문제가 있다.
본 명세서에 개시된 기술은 전술한 바와 같은 사정에 따라 완성된 것으로서, 공간을 절약하면서도 냉각 성능이 우수한 축전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
상기 과제를 해결하는 것으로서, 본 명세서에 개시된 기술은, 축전 요소와, 상기 축전 요소를 수용하고, 또한 전극 단자가 돌출 형성된 케이스와, 상기 케이스의 외측에 배치되고, 상기 케이스를 냉각시키는 냉각 부재를 구비하는 축전 소자로서, 상기 냉각 부재는, 상기 케이스의 상기 전극 단자가 형성된 단자면을 제외한 면 중, 면적이 가장 넓은 면 이외의 면과 직접적으로 또는 간접적으로 접촉하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 기술은, 상기 축전 소자를 복수개 배열하여 이루어지는 축전 장치이다.
본 명세서에 개시된 기술에 있어서는, 냉각 부재를 케이스의 면에 직접적으로 또는 간접적으로 접촉하도록 배치하므로, 축전 소자 간의 간격을 두면서 냉각 유로를 형성하는 경우와 같이, 냉각 효율을 향상시키기 위해 간격을 크게 할 필요는 없기 때문에 공간이 절약된다.
그런데, 축전 장치를 구성하는 축전 소자는, 축전 요소의 팽창이나 전지 내압(內壓)의 상승 등에 기인하여 팽창하였다. 그러므로, 냉각 부재를, 예를 들면, 편평각형(扁平角形)의 케이스의 면에 직접적으로 또는 간접적으로 접촉하도록 배치한 후에 축전 소자가 팽창함으로써, 케이스의 면과 냉각 부재와의 접촉 면적이 작아지면, 냉각 부재에 의한 냉각 효과가 충분히 얻을 수 없는 것에 기인하여, 축전 소자에 대한 냉각 효과가 저하되고, 또한 축전 장치로 만든 경우에는, 축전 장치 내의 온도 분포가 불균일하게 되는 경우가 있다.
축전 소자의 케이스의 면 중, 가장 면적이 넓은 면은, 축전 소자가 팽창했을 때 가장 팽창하기 쉬운 면이므로, 이 면에만 냉각 부재를 배치하면, 냉각 부재와의 접촉 면적이 작아져 냉각 부재에 의한 냉각 효과가 충분히 얻을 수 없게 될 우려가 있다.
그러나, 본 명세서에 개시된 기술에 있어서, 냉각 부재는, 케이스의 면 중, 가장 면적이 넓은 면 이외의 면과 직접적으로 또는 간접적으로 배치되어 있으므로, 팽창하기 어려운 면과 접촉하도록 배치되어 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 기술에서는, 축전 소자 자체가 팽창한다고 하더라도, 냉각 부재는 케이스의 팽창하기 어려운 면에 접촉하도록 배치되어 있으므로, 냉각 부재와 케이스의 면과의 접촉 면적을 크게 할 수 있어, 냉각 부재에 의한 냉각 효과를 충분히 얻을 수 있다. 그 결과, 본 명세서에 개시된 기술에 의하면, 축전 장치에서의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 개시된 기술은 이하의 구성이라도 된다. 상기 냉각 부재는, 냉매를 유통시킴으로써 상기 전지 케이스를 냉각시키는 부재라도 된다.
상기 냉매는, 차량의 라디에이터액이라도 된다. 이와 같은 구성으로 하면, 본 명세서에 개시된 기술에 따른 축전 소자를 사용한 축전 장치가, 라디에이터를 구비한 자동차에 탑재되는 경우에, 냉매로서 라디에이터액이 바람직하게 사용할 수 있다. 자동차에 사용되는 라디에이터액을 사용할 수 있는 경우에는, 냉각 부재에 유통되는 냉매를 별도로 준비할 필요가 없다. 그리고, 라디에이터액은 에틸렌글리콜 등의 부동액을 포함해도 된다.
상기 냉각 부재와 상기 케이스와의 사이에는, 공기보다 열전도율이 높고 탄성 변형 가능한 부재로 이루어지는 열전도 부재가 배치되어 있어도 된다.
축전 소자의 사용에 의해, 냉각 부재가 배치되어 있는 케이스의 면이 변형되면, 케이스와 냉각 부재와의 접촉 면적이 작아져 냉각 효과의 저하가 염려된다.
그래서, 전술한 바와 같은 구성으로 하면, 케이스의 변형에 추종하여 열전도 부재가 변형되므로, 축전 소자의 장기 사용에 의해 케이스가 변형되어도, 케이스와 냉각 부재와의 접촉 면적을 크게 유지할 수 있어, 냉각 효과의 저하를 방지할 수 있다.
상기 열전도 부재는 절연성을 가지고 있어도 된다. 예를 들면, 축전 소자의 케이스가 금속제로 열전도 부재가 비절연성의 재료로 구성되어 있는 경우, 케이스와 열전도 부재가 도통(導通)하여 부식되는 등, 안전 면의 우려가 있다. 그러나, 전술한 바와 같은 구성으로 하면, 축전 소자의 케이스가 금속제인 경우라도, 열전도 부재와 도통하지 않으므로, 안전성을 높일 수 있다.
본 명세서에 개시된 기술에 따른 축전 장치는, 이하의 구성으로 해도 된다. 2 이상의 축전 소자에 대하여 상기 냉각 부재를 1개 설치해도 된다. 이와 같은 구성으로 하면 부품수를 줄이고, 또한 공간을 절약할 수 있다.
2 이상의 축전 소자에 대하여 상기 열전도 부재를 1개 설치하는 구성으로 해도 된다. 이와 같은 구성으로 하면 부품수를 줄이고, 또한 공간을 절약할 수 있다.
(본 명세서에 개시된 기술의 효과)
본 명세서에 개시된 기술에 의하면, 공간을 절약하면서도 냉각 성능이 우수한 축전 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시형태 2-1의 단전지(축전 소자)(110)를, 도 16 내지 도 20에 의해 설명한다.
본 실시형태의 단전지(110)는, 도 16에 나타낸 바와 같이, 직육면체 형상(편평각형의 일례)의 전지 케이스(케이스)(111)와, 전지 케이스(111)의 하측에 배치되는 열전도 부재(전열 부재)(125)와 냉각 부재(120)를 구비한다.
전지 케이스(111)의 상면(111A)은, 도 16 및 도 17에 나타낸 바와 같이, 양극 단자(112A) 및 음극 단자(112B)[전극 단자(112)]가 돌출 형성된 단자면(111A)이다. 전지 케이스(111)의 측면(111B, 111C)은, 도 16 및 도 18에 나타낸 바와 같이, 면적이 넓은 면(111B)["장측면(111B)"이라고도 함]과 면적이 작은 면(111C)["단측면(111C)"이라고도 함]으로 구성되어 있다. 전지 케이스(111)의 하측 면(111D)에는 냉각 부재(120)가 배치되도록 구성되어 있다. 전지 케이스(111)의 하측 면(111D)을 바닥면(111D)으로 한다. 단자면(111A), 장측면(111B), 단측면(111C), 및 바닥면(111D)에 의해 전지 케이스(111)의 복수개의 벽부가 구성된다.
본 실시형태에 있어서, 전지 케이스(111)는, 스테인레스 등의 금속으로 이루어지고, 내부에는, 도 19에 나타낸 바와 같이, 발전 요소(축전 요소)(113)가 수용되어 있다. 발전 요소(113)는, 자세한 것은 도시하지 않지만, 양극판과 음극판을 세퍼레이터를 통하여 권취하여 이루어진다. 본 실시형태에서는 2개의 발전 요소(113, 113)가, 권취축을 단측면(111C)에 대하여 수직인 방향으로 배치하여 수용되어 있다. 양극판은 양극 단자(112A)와 접속되고, 음극판은 음극 단자(112B)와 접속되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 전지 케이스(111)의 면 중, 발전 요소(113)로부터의 이격 거리가 가장 긴 면은 단측면(111C)이며, 발전 요소(113)로부터의 이격 거리가 가장 짧은 면은 장측면(111B)이다. 전지 케이스(111)의 면 중, 면적의 가장 넓은 면은 장측면(111B)이며, 면적의 가장 작은 면은 단측면(111C)이다.
전지 케이스(111)의 바닥면(111D)의 하측에 배치되는 냉각 부재(120)는, 도 18에 나타낸 바와 같이, 내부에 도시하지 않은 냉매를 수용하여 냉매를 유통시키는 금속제의 본체부(121)와, 본체부(121)의 도 18에 나타내는 좌측의 단부(端部)에 설치된 냉매를 본체부(121) 내에 도입하는 냉매 유입구(122)와, 본체부(121)의 도 18에 나타내는 우측의 단부에 설치된 본체부(121) 내의 냉매를 본체부(121) 밖으로 유출시키는 냉매 유출구(123)를 구비한다.
냉각 부재(120)의 본체부(121) 내를 유통하는 냉매로서는 자동차용 라디에이터액, 물, 공기 등을 예로 들 수 있다. 라디에이터액의 구체예로서는 에틸렌글리콜 등을 예로 들 수 있다. 이들 냉매 중, 물이나 라디에이터액은, 외기 온도에 쉽게 좌우되지 않는 점에서 바람직하다.
냉각 부재(120)와 전지 케이스(111)의 바닥면(111D)과의 사이에는, 도 18 및 도 20에 나타낸 바와 같이, 시트형의 열전도 부재(전열 부재)(125)가, 협지되어 있다. 상세하게는, 열전도 부재(125)의 상측면은 전지 케이스(111)의 바닥면(111D)과 직접 접촉하고, 열전도 부재(125)의 하측 면은 냉각 부재(120)의 본체부(121)의 상면과 직접 접촉하도록 배치되어 있다.
열전도 부재(125)를 구성하는 열전도성 재료로서는, 공기보다 열전도율이 높고, 전지의 팽창에 추종하여 탄성 변형 가능한 재료를 예로 들 수 있다.
그런데, 단전지(110)의 전지 케이스(111)가 금속제이며, 열전도 부재(125)가 금속 등의 비절연 재료로 구성되어 있는 경우, 전지 케이스(111)와 열전도 부재(125)가 도통하여 전지 케이스(111)가 부식되는 등, 안전면의 우려가 있다. 안전성을 고려하면, 열전도성 재료로서는 절연성 재료가 바람직하다. 이와 같은 열전도성 재료의 구체예로서는, 폴리아미드 수지나, 아크릴 수지 등을 예로 들 수 있다.
다음으로, 본 실시형태의 작용?효과에 대하여 설명한다. 본 실시형태에 의하면, 냉각 부재(120)가 전지 케이스(111)의 바닥면(111D)에 열전도성 재료를 통하여 간접적으로 접촉하도록 배치되어 있으므로, 단전지(110)의 간격을 두어 냉각 유로를 형성하는 경우와 같이, 냉각 효율을 향상시키기 위해 간격을 크게 할 필요는 없기 때문에 공간이 절약된다.
그런데, 본 실시형태에 있어서, 전지 케이스(111)의 면 중 단측면(111C)은, 발전소(113)로부터의 이격 거리가 가장 길기 때문에 발전 요소(113)의 팽창 영향을 쉽게 받지 않지만, 면적이 가장 작으므로 냉각 효율이 낮다. 전지 케이스(111)의 바닥면(111D)은, 발전 요소(113)로부터의 이격 거리는 단측면(111C)보다 약간 짧지만, 단측면(111C)보다 면적이 넓은 면이면서도, 장측면(111B)보다 면적이 작은 면이므로, 발전 요소(113)가 팽창하거나 전지 내압이 상승하더라도 팽창하기 어렵고, 냉각 효율도 단측면(111C)보다 높다. 따라서, 본 실시형태에서는, 단전지(110) 자체가 팽창하여도, 냉각 부재(120)는 전지 케이스(111)의 면 중, 팽창하기 어려운 면[바닥면(111D)]에 배치되어 있으므로, 냉각 부재(120)와 전지 케이스(111)와의 접촉 면적을 크게 할 수 있다. 그 결과, 본 실시형태의 단전지(110)를 사용한 조전지(축전 장치)에 있어서 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
그런데, 단전지(110)의 사용에 의해, 냉각 부재(120)가 배치되어 있는 전지 케이스(111)의 면이 변형되면, 전지 케이스(111)와 냉각 부재(120)와의 접촉 면적이 작아져 냉각 효과의 저하가 우려된다. 그러나, 본 실시형태에 있어서는, 냉각 부재(120)와 전지 케이스(111)와의 사이에, 공기보다 열전도율이 높고 탄성 변형 가능한 재료로 이루어지는 열전도 부재(125)가 배치되어 있기 때문에, 전지 케이스(111)의 변형에 추종하여 열전도 부재(125)가 변형되므로, 단전지(110)의 장기 사용에 의해 전지 케이스(111)가 변형되어도, 전지 케이스(111)와 냉각 부재(120)와의 접촉 면적을 크게 유지할 수 있어, 냉각 효과의 저하를 방지할 수 있다.
<변형예 2-1>
실시형태 2-1의 변형예를 도 21 내지 도 25에 의해 설명한다. 변형예 2-1의 단전지(30)는, 도 21에 나타낸 바와 같이, 전지 케이스(111)와 냉각 부재(120)와의 사이에 열전도 부재(125)를 구비하지 않는 점에서 실시형태 2-1과 상이하다. 본 변형예에 있어서, 실시형태 2-1과 동일한 구성에 대하여는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략한다.
변형예 2-1의 단전지(130)에 있어서는, 도 23?도 25에 나타낸 바와 같이, 냉각 부재(12O)가 전지 케이스(111)의 바닥면(111D)과 직접 접촉하도록 배치된다. 본 변형예에 있어서, 전술한 것 이외의 구성은, 도 21 내지 도 25에 나타낸 바와 같이, 실시형태 2-1의 단전지(110)와 거의 동일하다. 따라서, 본 변형예에 의해서도, 실시형태 1과 마찬가지로, 공간을 절약하면서 냉각 성능이 향상된 조전지를 제공할 수 있다.
<실시형태 2-2>
실시형태 2-2의 조전지(150)를 도 26 및 도 27에 의해 설명한다. 본 실시형태의 조전지(150)는, 도 26에 나타낸 바와 같이, 전기 자동차 EV의 차량 후부에 탑재된다. 본 실시형태에서는, 복수개의 단전지(140)를 구비하는 점, 및 복수개의 단전지(140)에 대하여, 1개의 냉각 부재(160)와 1개의 열전도 부재(165)를 구비하는 점에서 실시형태 2-1과 상이하다. 실시형태 2-1와 동일한 구성에 대하여는 동일한 부호를 부여하고 중복되는 설명은 생략한다.
본 실시형태의 조전지(150)는, 도 27에 나타낸 바와 같이, 복수개(본 실시형태에서는 5개)의 단전지(140)는, 장측면(111B, 111B)이 대향하도록 배열된다. 조전지(150)를 구성하는 복수개의 단전지(140)는, 도시하지 않은 버스바(busbar) 등의 도전 부재를 접속함으로써, 전기적으로 접속되도록 되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 냉각 부재(160)는, 전지 케이스(111)의 바닥면(111D)과, 시트형의 열전도 부재(165)를 통하여 간접적으로 접촉하도록 배치되어 있다.
냉각 부재(160)는 내부에 도시하지 않은 냉매를 수용하여 냉매를 유통시키는 금속제의 본체부(161)와, 본체부(161)의 도 27에 나타내는 좌측의 단부에 설치된 냉매를 본체부(161) 내에 도입하는 냉매 유입구(162)와, 본체부(161)의 도 12에 나타내는 우측의 단부에 설치된 본체부(161) 내의 냉매를 본체부(161) 밖으로 유출시키는 냉매 유출구(163)를 구비한다. 본 실시형태에 있어서, 냉매 유입구(162) 및 냉매 유출구(163)는 단전지(140)의 장측면(111B) 측에 배치되어 있다.
그리고, 냉매 유입구(162) 및 냉매 유출구(163)는, 도 26에 나타낸 바와 같이, 라디에이터 R과 접속되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 냉각 부재(160)의 본체부(161) 내를 유통하는 냉매는 자동차용 라디에이터액이다. 상기 이외의 구성은 실시형태 2-1과 대체로 동일하다.
다음으로, 본 실시형태의 작용?효과에 대하여 설명한다. 본 실시형태에 의하면, 실시형태 2-1과 마찬가지로, 냉각 부재(160)가, 전지 케이스(111)의 면 중, 팽창하기 어렵고, 단측면(111C)보다 냉각 효율이 높은 면인 바닥면(111D)에, 열전도 부재(165)를 통하여 간접적으로 접촉하도록 배치되므로, 공간을 절약하면서 온도 분포가 균일한 조전지(150)를 제공할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 냉매로서 라디에이터액을 사용하므로, 자동차용 라디에이터액과 조전지(150)의 냉각을 겸할 수 있어 전지 냉각용의 냉매를 별도로 준비할 필요가 없다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 2 이상의 단전지(140)에 대하여 냉각 부재(160)를 1개 설치하고 있고 또한, 2 이상의 단전지(140)에 대하여 열전도 부재(165)를 1개 설치하고 있으므로, 부품수를 줄일 수 있어 공간을 절약할 수 있다.
<실시예>
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더 구체적으로 설명한다.
1. 단전지의 제작
[단전지(2A)]
도 28 및 도 29에 나타낸 바와 같이, (주)리튬에너지재팬 제품인 리튬 이온 전지(품번: LEV50, 전지 용량 50Ah)의 직육면체 형상을 이루는 전지 케이스(111)의 측면 중, 면적이 작은 면(111C)[단측면(111C)]에, 1셀용의 냉각 부재(120)를 직접 접촉하도록 배치한 것을 단전지(2A)(도면 중, 부호 110A)로 하였다. 도 28 및 도 29에 있어서, 실시형태 2-1과 동일한 구성에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.
[단전지(2B)]
도 30 및 도 31에 나타낸 바와 같이, 전지 케이스(111)의 단측면(111C)과 냉각 부재(120)와의 사이에 열전도 부재(125)(아크릴계의 열전도성 젤 시트, 스미토모3M 제품, 품번5580H, 열전도율 3 W/m?K, 두께 1.0mm)를 배치한 점 이외는 단전지(2A)와 동일하게 행하여 비교예 2-3의 단전지(2B)(도면 중, 부호 110B)를 얻었다. 도 30 및 도 32에 있어서, 실시형태 2-1과 동일한 구성에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.
[단전지(2C)]
전지 케이스(111)의 바닥면(111D)에, 1셀용의 냉각 부재(120)를 접촉하도록 배치한 점 이외는 단전지(2A)와 동일하게 행하여 단전지(2C)를 얻었다(도 21 및 도 23 참조).
[단전지(2D)]
전지 케이스(111)의 바닥면(111D)과 냉각 부재(120)와의 사이에 열전도 부재(125)를 배치한 점 이외는 단전지(2C)와 동일하게 행하여 단전지(2D)를 얻었다(도 16 및 도 18 참조).
(비교예 2-1의 단전지)
냉각 부재(120) 및 열전도 부재(125)를 배치하지 않은 리튬 이온 전지[(주)리튬에너지재팬 제품인 리튬 이온 전지(품번: LEV50)]를 비교예 2-1의 단전지로 하였다.
(비교예 2-2의 단전지)
도 32 및 도 33에 나타낸 바와 같이, (주)리튬에너지재팬 제품인 리튬 이온 전지(품번: LEV50, 전지 용량 50Ah)의 직육면체 형상을 이루는 전지 케이스(111)의 측면 중, 면적이 넓은 면(111B)[장측면(111B)]에, 1셀용의 냉각 부재(120)를 직접 접촉하도록 배치한 것을 비교예 2-2의 단전지(1A)로 하였다. 도 32 및 도 33에 있어서, 실시형태 2-1과 동일한 구성에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.
(비교예 2-3의 단전지)
도 34 및 도 35에 나타낸 바와 같이, 전지 케이스(111)의 장측면(111B)과 냉각 부재(120)와의 사이에 열전도 부재(125)(아크릴계의 열전도성 젤 시트, 스미토모3M 제품, 품번 5580H, 열전도율 3W/m?K, 두께 1.0mm)를 배치한 점 이외는 단전지(2A)와 동일하게 행하여 비교예 2-3의 단전지(1B)를 얻었다. 도 34 및 도 35에 있어서, 실시형태 2-1와 동일한 구성에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.
2. 평가 시험
1.에서 제작한 단전지[단전지(2A?2D), 비교예 2-1?2-3의 단전지]를 각각 40℃의 분위기 하에서, 이하의 방법으로 리사이클 시험을 행하였다.
냉각 부재(120)의 냉매로서는, 35℃의 수도물을 사용하고, 유속 2.5 리터/분으로 냉각 부재(120)의 본체부(21) 내에 유통시켰다.
각 단전지를, 정전류(1CA), 정전압(4.1V)으로 4시간 충전하고, 정전류(1CA), 방전 종지 전압 2.75V로 방전을 행하여, 이것을 1사이클로부터 1600사이클까지 충방전을 반복하였다.
각 단전지에 대하여 200사이클마다 전지 표면 온도를 측정하여 표 2에 나타내었다. 그리고, 전지 표면 온도는, 전지의 장측면(111B)의 대략 중앙에 열전대를 첨부하여, 1사이클 중의 최고 온도를 측정하였다.
[표 2]
Figure pat00002
3. 결과와 고찰
표 2에서 밝혀진 바와 같이, 냉각 부재를, 전지 케이스의 단측면과 직접적으로 또는 간접적으로 접촉하도록 배치한 단전지(2A) 및 단전지(2B), 및 전지 케이스의 바닥면과 직접적으로 또는 간접적으로 접촉하도록 배치한 단전지(2C) 및 단전지(2D)에서는, 비교예 2-1?2-3의 단전지와 비교하여, 전지 표면 온도의 온도 상승이 완만했다.
이 결과로부터, 본 발명의 단전지에 의하면, 냉각 부재에 의한 냉각 효과를 충분히 얻을 수 있으므로, 조전지에서의 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 것으로 여겨진다.
또한, 바닥면에 냉각 부재만을 배치한 단전지(2C)에서는, 단측면에 냉각 부재만을 배치한 단전지(2A)보다 전지 표면 온도의 온도 상승이 완만하고, 바닥면에 냉각 부재와 열전도 시트를 배치한 단전지(2D)에서는, 단측면에 냉각 부재와 열전도 시트를 배치한 단전지(2B)보다 전지 표면 온도의 온도 상승이 완만했다.
이 결과로부터, 전지 케이스의 바닥면에 냉각 부재를 배치하는 것이, 냉각 효과가 높은 것을 알았다.
단전지(2A와 단전지(2B)를 비교하면, 열전도 시트를 구비하는 단전지(2B) 쪽이, 열전도 시트를 구비하지 않은 단전지(2A)보다, 400사이클 경과 후의 온도 상승을 억제하는 효과가 높았다. 단전지(2C)와 단전지(2D)의 비교에 있어서도 열전도 시트를 구비하는 단전지(2D)에 있어서 600사이클 경과 후의 온도 상승을 억제하는 효과가 높았다. 이 결과로부터, 열전도 부재를 구비하는 것에는, 전지의 장기 사용에 의해 전지 케이스가 변형되어도, 전지 케이스와 냉각 부재와의 접촉 면적을 크게 유지할 수 있고, 냉각 효과의 저하를 방지할 수 있는 것을 알았다.
<다른 실시형태>
본 발명은 상기 기술 및 도면에 의해 설명한 실시형태로 한정되지 않고, 예를 들면, 다음과 같은 실시형태도 본 명세서에 개시된 기술적 범위에 포함된다.
2-(1) 상기 실시형태 2-2에서는, 전지 케이스(111)와 냉각 부재(160)와의 사이에 열전도 부재(165)를 배치하여, 전지 케이스(111)와 냉각 부재(160)가 간접적으로 접촉하는 구성을 나타냈으나, 도 36에 나타낸 바와 같이, 전지 케이스(111)와 냉각 부재(160)가 직접 접촉하도록 구성할 수도 있다. 이 경우, 냉각 부재(160)는, 열전도 부재를 겸하는 구성으로 되어 있다. 도 36에 나타내는 조전지(170)는, 열전도 부재(165)가 없는 점 이외는 실시형태 2-2의 조전지(150)와 거의 동일한 구성이다.
2-(2) 상기 실시형태 및 실시예에서는, 전지 케이스의 하나의 면에만 냉각 부재를 구비하는 단전지 및 조전지를 나타냈으나, 2 이상의 면에 냉각 부재를 포함하고 있어도 된다. 면적이 가장 넓은 면 이외의 면에 냉각 부재를 구비하고 있으면, 면적이 가장 넓은 면에 냉각 부재를 구비할 수도 있다.
2-(3) 상기 실시형태 2-2에서는, 5개의 단전지에 대하여, 1개의 열전도 부재를 배치하고, 또한 5개의 단전지에 대하여 1개의 냉각 부재를 배치한 것을 나타냈으나, 이것으로 한정되지 않는다. 열전도 부재 및 냉각 부재를 2개의 단전지마다 구비하는 구성 등을 가져도 된다. 또한, 열전도 부재와 냉각 부재의 수는 동일하지 않아도 된다.
2-(4) 상기 실시형태 2-2에서는 조전지로서 5개의 단전지를, 장측면을 대향하도록 배열하여 이루어지는 것을 나타냈으나, 단전지의 단측면을 대향하도록 배열하여 이루어지는 조전지 등일 수도 있다. 또한, 조전지를 구성하는 단전지의 수는 5개보다 많아도 되고 5개 미만이라도 된다.
2-(5) 상기 실시형태 및 실시예에서는 직육면체형의 전지 케이스를 나타냈으나 타원통형 등일 수도 있다.
2-(6) 본 실시형태에 있어서는, 축전 소자로서 충방전 가능한 단전지로 형성하였으나, 이것으로 한정되지 않고, 전기 화학 커패시터, 전기 이중층 커패시터 등의 커패시터일 수도 있다.
2-7) 전지 케이스의 벽부의 내면과 축전 요소가 이격되는 구성에는, 전지 케이스의 벽부의 내면과 축전 요소와의 사이에 간극이 형성되는 경우가 포함되고, 또한, 전지 케이스의 벽부의 내면과 축전 요소와의 사이에 완충재가 개재됨으로써, 전지 케이스와 축전 요소가 직접적으로 접촉하고 있지 않은 구성도 포함된다.
10: 단전지(축전 소자) 11: 케이스
12: 발전 요소(축전 요소) 16: 전극 단자
17: 단자면 18: 바닥면
19: 장측면 20: 단측면
21, 31, 41, 51, 61: 전열 부재 22, 32, 42, 52, 62: 냉각 부재
53: 차량 54: 라디에이터
56, 66: 조전지(축전 장치) 110, 130, 140: 단전지(축전 소자)
111: 전지 케이스(케이스) 111A: 단자면
111B: 장측면(면적이 가장 넓은 면) 111C: 단측면
111D: 바닥면 112: 전극 단자
113: 발전 요소(축전 요소) 120, 160: 냉각 부재
125, 165: 열전도 부재(전열 부재) 150, 170: 조전지(축전 장치)
EV: 전기 자동차 R: 라디에이터

Claims (11)

  1. 복수개의 벽부(壁部)를 가지는 케이스;
    상기 케이스 내에, 상기 복수개의 벽부 중 적어도 1개의 벽부와 이격된 상태로 수용된 축전 요소(要素); 및
    상기 복수개의 벽부 중 상기 축전 요소가 이격(離隔)되는 벽부의 외면과 접촉된 전열(傳熱) 부재
    포함하는 축전 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전열 부재는 냉각 부재를 겸하는, 축전 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전열 부재와 접촉하는 냉각 부재를 포함하는 축전 소자.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 냉각 부재의 내부에는 냉매가 유통되고, 상기 냉각 부재의 외면은 금속으로 이루어지는, 축전 소자.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 부재의 내부에는 냉매가 유통되고, 상기 냉매는 액체인, 축전 소자.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 케이스는 라디에이터를 구비한 차량에 탑재되는 것이며, 상기 냉매는 라디에이터액인, 축전 소자.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이스는 직육면체 형상을 이루고 있고, 상기 케이스는, 상기 축전 요소에 전기적으로 접속된 전극 단자가 형성된 단자면(端子面)과, 상기 단자면과 반대측에 위치하는 바닥면과, 장측면(長側面)과, 단측면(短側面)을 구비하고,
    상기 전열 부재는, 상기 바닥면 및 상기 단측면의, 양측 또는 일측과 열적(熱的)으로 접촉되어 있는, 축전 소자.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전열 부재는, 탄성 변형 가능하고, 또한 공기보다 열전도율이 높은 재료로 이루어지는, 축전 소자.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이스 내에는, 유기 용매를 포함하는 전해질이 충전되어 있는, 축전 소자.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전열 부재는 절연성 재료로 이루어지는, 축전 소자.
  11. 제1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 기재된 상기 축전 소자가 복수개 배열되어 전기적으로 접속된, 축전 장치.
KR1020120001767A 2011-01-07 2012-01-06 축전 소자 및 축전 장치 KR101736886B1 (ko)

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