JP2004227788A

JP2004227788A - 車両用リチウムイオン組電池

Info

Publication number: JP2004227788A
Application number: JP2003010520A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Matsuura; 智浩松浦
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-01-20
Also published as: JP4127060B2

Abstract

【課題】車両用リチウムイオン組電池において、サイクル特性を改善し、放熱特性を改善することである。
【解決手段】リチウムイオン組電池１０は、４個のリチウムイオン電池１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと、表面に絶縁処理が施された５枚の金属放熱板１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅとを交互に積層した積層体１６を含む。各リチウムイオン電池は金属製の扁平箱型の筐体を有し、各リチウムイオン電池の両側面に接触して、表面に絶縁処理が施された各金属放熱板が配置される。積層体１６の周囲には一対のエンドプレート１８ａ，１８ｂと、エンドプレート１８ａ，１８ｂに取り付けられた締め付けベルト２０ａ，２０ｂとが設けられ、エンドプレート１８ａ，１８ｂと締め付けベルト２０ａ，２０ｂとは相互に締め付けられる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用リチウムイオン組電池に係り、特に箱型のリチウムイオン電池を複数結合して組電池とした車両用リチウムイオン組電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両に搭載される電気機器等に電力を供給する電池として、従来ニッケル・水素電池が用いられている。例えば、特許文献１には、複数の角型の単位電池を並列配置して構成したニッケル・水素組電池が開示されている。ニッケル・水素電池は、開放端電圧が約１．２Ｖであるため、車両用の電源として必要な高電圧を得るためには直列接続段数が多くなり不便である。そこで、開放端電圧が約３．６Ｖと高いリチウムイオン電池が注目されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１９６１０３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
リチウムイオン電池は開放端電圧がニッケル・水素電池より約３倍高い特徴を有するが、やはり車両用の電源として用いるには複数段の接続を要する。例えば、約１４．４Ｖの出力電圧を必要とするスタータ電源として用いる場合、開放端電圧３．６Ｖのリチウムイオン電池を４段直列接続して１個の組電池とすることが取り扱い上便利である。
【０００５】
組電池化の構造については、上記特許文献１において、直方体状の単位電池をその最大面積の側面を重ねるようにかつ各単位電池間に冷却媒体通路を形成した状態で並列配置した組電池において、単位電池間の対向面間に金属材料からなるスペーサを介装して冷却媒体通路を形成する例が開示されている。
【０００６】
しかし、リチウムイオン電池は、その起電力のメカニズムから水分を嫌うため、電池を構成する筐体は金属製が用いられる。この点そのような制約がないために一般的に樹脂製の筐体が用いられるニッケル・水素電池と大きく異なる。すなわち、リチウムイオン電池の電池構成上から、金属筐体の電位はそのリチウムイオン電池の正電極電位と負電極電位との中間電位となるため、複数のリチウムイオン電池を組電池化する際に、各リチウムイオン電池の金属筐体同士が直接接触することがおこると、そこで電位が同電位となるため、組電池としての十分な開放端電圧が得られない。
【０００７】
なお、各筐体の表側に絶縁膜のラミネート処理等を施すことも考えられるが、絶縁処理に余分のコストがかかり、またその絶縁処理に欠陥があるときにはやはり組電池として十分に機能しない。また、各金属筐体の間に絶縁板を介することも考えられるが、一般に絶縁物は熱伝導率がよくなく、組電池としての放熱特性を確保できない。
【０００８】
また、リチウムイオン電池には、充放電を繰り返すことにより充放電可能回数が次第に低下するいわゆるサイクル特性劣化の課題がある。充放電を繰り返すと、筐体が膨れてくることから、サイクル特性を改善するため、筐体に圧力を加えてその変形を抑えることが行われる。組電池にすることを考えると、１個１個のリチウムイオン電池に圧力をかけるより、複数個まとめた上で圧力を加えるのが便利である。この場合にも、上記のように、複数の筐体を直接接触させて圧力をかけ、あるいは放熱性のよい金属板を介して複数の筐体に圧力をかけると、組電池として十分な開放端電圧が得られず、絶縁板を介して複数の筐体に圧力をかけると、十分な放熱特性を得ることができない。
【０００９】
本発明の目的は、かかる従来技術の課題を解決し、リチウムイオン電池のサイクル特性を改善することができる車両用リチウムイオン組電池を提供することである。他の目的は、放熱特性を改善することができる車両用リチウムイオン組電池を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る車両用リチウムイオン組電池は、箱型リチウムイオン電池を複数結合して組電池とし、車両用機器に電力を供給する車両用リチウムイオン組電池において、金属製の扁平箱型筐体を備え、間隔をおいて側面を対向させて整列配置された複数のリチウムイオン電池と、各リチウムイオン電池の両側面に接触して配置され、表面に絶縁処理が施された複数の放熱金属板と、複数のリチウムイオン電池と複数の放熱金属板を交互に積層した積層体の両外端に設けられる一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートの両外端に拘束力を付与し、各積層体の両外端に締め付け圧を与える拘束手段と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
上記構成により、金属製の扁平箱型筐体を備える複数のリチウムイオン電池と、表面に絶縁処理が施された複数の放熱金属板とを交互に積層した積層体を形成し、その積層体の両外端に一対のエンドプレートを設ける。そして、一対のエンドプレートの両外端に拘束力を付与して積層体の両外端に締め付け圧を与える。
したがって、各金属製の扁平箱型筐体の間に、表面に絶縁処理が施された放熱金属板が配置されるので、各金属製筐体間は電気的に絶縁され、組電池として十分な開放端電圧を確保でき、また、放熱特性を改善できる。さらに、この状態の積層体の両外端に締め付け圧が与えられるので、リチウムイオン電池のサイクル特性を改善できる。
【００１２】
また、放熱金属板は、表面にアルマイト処理が施されたアルミ板であることが好ましい。上記構成により、軽量でかつ放熱特性のよい車両用リチウムイオン電池を得ることができる。また、放熱金属板は、表面に絶縁樹脂膜が形成された金属板であることが好ましい。また、放熱金属板は、表面にセラミック膜が形成された金属板であることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１は、リチウムイオン組電池１０の斜視図で、図２はその側面図である。リチウムイオン組電池１０は、４個のリチウムイオン電池１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと、表面に絶縁処理が施された５枚の金属放熱板１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅとを交互に積層した積層体１６を含む。積層体１６の周囲には一対のエンドプレート１８ａ，１８ｂと、エンドプレート１８ａ，１８ｂに取り付けられた締め付けベルト２０ａ，２０ｂ（締め付けベルト２０ｂは、積層体１６の裏側に配置され、図には現れていない）とが設けられ、エンドプレート１８ａ，１８ｂと締め付けベルト２０ａ，２０ｂとは後述するように相互に締め付けられる。
【００１４】
図３は、リチウムイオン電池１２の構成を示す図である。リチウムイオン電池１２は、上部開口を有する金属製の扁平箱型の筐体３０と、筐体３０の上部開口にはまりあう蓋３２と、筐体３０の内部に収納される電池積層ロール体３４と、電池積層ロール体３４に浸み込ませる電解液とからなる。
【００１５】
筐体３０は、例えば、板厚が約１ｍｍの金属板を絞り加工により、高さ約１０２ｍｍ、広いほうの横幅約１２０ｍｍ、狭いほうの横幅約２５ｍｍの扁平な箱に成形したものを用いることができる。取り扱い上必要があれば筐体の外表面を絶縁塗装等の表面処理を行ってもよい。蓋３２は、相互に絶縁された正電極取出部４０及び負電極取出部４２が取り付けられる。蓋３２には筐体３０と同じ材質の金属板を用いることができ、その場合には、蓋３２と正電極取出部４０及び負電極取出部４２との間に樹脂あるいはセラミック等の絶縁層が設けられる。
【００１６】
電池積層ロール体３４は、図４の展開図に示すように、活物質が塗布された２枚の電極体４４，４６の間にセパレータ４８をはさんで重ね合わせ、これをロール状に巻いたものである。２枚の電極体のうち一方の電極体４４はアルミニウム箔が下地材料で、その表面に活物質が塗布され、電荷を取り出す正電極部５０がアルミニウムの部分に溶接等で接続される。他方の電極体４６は銅箔が下地材料で、その上に活物質が塗布され、電荷を取り出す負電極部５２が銅の部分に溶接等で接続される。電池積層ロール体３４は、電極体４４、セパレータ４８、電極体４６の順に重ねてこれをロール状に巻き、正電極部５０と負電極部５２とを筐体３０の上部開口部に突き出すようにして、筐体３０の内部に収納され、その後電解液が注入されて電極体４４とセパレータ４８と電極体４６との間に浸み込む。電池積層ロール体３４の正電極部５０、負電極部５２は、それぞれ蓋３２の正電極取出部４０及び負電極取出部４２に接続される。
【００１７】
各リチウムイオン電池１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは、間隔をおいて、側面を対向させて整列配置される。ここで側面というのは、扁平箱型筐体の側面の中でより広い面積の側面のことで、上記の例では、高さ約１０２ｍｍ、横幅約１２０ｍｍを有する側面のことである。整列配置については、４個のリチウムイオン電池１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを直列接続しやすいように、正電極取出部４０と負電極取出部４２の配置が１個おきに逆になるように配置することができる。すなわち、リチウムイオン電池１２ａの負電極取出部４２ａにリチウムイオン電池１２ｂの正電極取出部４０ｂが隣接し、リチウムイオン電池１２ｂの負電極取出部４２ｂにリチウムイオン電池１２ｃの正電極取出部４０ｃが隣接し、リチウムイオン電池１２ｃの負電極取出部４２ｃにリチウムイオン電池１２ｄの正電極取出部４０ｄが隣接するように配置される。
【００１８】
ここで隣接する４２ａと４０ｂ，４２ｂと４０ｃ，４２ｃと４０ｄを接続すれば、正電極取出部４０ａと負電極取出部４２ｄとの間に、４段直列接続の開放端電圧３．６Ｖ×４＝１４．４Ｖを取り出すことができる。
【００１９】
図５、図６は、表面に絶縁処理が施された金属放熱板の例を示す斜視図である。図５に示す金属放熱板６０は、例えば板厚が約２−５ｍｍの表面が平らなアルミニウム板を下地材料として、その表面にアルマイト処理を施したものである。
リチウムイオン電池の側面に接触する面の大きさは、リチウムイオン電池の側面よりやや小さめに設定するのが好ましい。例えば上記の例で、高さ９０ｍｍ、幅８５ｍｍ等である。図６に示す金属放熱板６２は、アルミニウムの板厚の中程に、例えば横幅方向に放熱用の複数個の貫通穴６４を設けたものである。この場合も、アルマイト処理が表面に施される。
【００２０】
アルマイト処理の代わりに、絶縁樹脂膜を下地材料の表面に形成してもよい。
例えばポリイミド、フェノール樹脂、ポリアミドイミド等の熱硬化性の合成樹脂を下地材料の表面に塗布することができる。また、セラミック膜を下地材料の表面に形成してもよい。例えばアルミナ（酸化アルミニウム）やジルコニアをプラズマ溶融法により吹き付けて下地材料の表面をコーティングすることができる。下地材料にはアルミニウム以外の金属を用いてもよい。
【００２１】
表面に絶縁処理が施された金属放熱板は、各リチウムイオン電池の両側面に接触して配置される。図２の例では、リチウムイオン電池が４個であるので、間隔をおいて配置された各リチウムイオン電池の間の隙間に計３枚、両外端のリチウムイオン電池１２ａ，１２ｄの外側側面に対応して計２枚、あわせて合計５枚の金属放熱板が用いられる。
【００２２】
再び図１、図２に戻り、エンドプレート１８ａ，１８ｂ周りの説明を行う。エンドプレート１８ａ，１８ｂは、金属板をプレス加工等で成型したもので、積層体１６の両外端の金属放熱板１４ａ，１４ｅに接触して配置される。エンドプレート１８ａ，１８ｂは、積層体１６を締め付ける機能を果たすための板であるので、締め付け圧が金属放熱板１４ａ，１４ｅに十分に伝達できるように適当な波型形状やリブを設けることが好ましい。なお、エンドプレート１８ａ，１８ｂには、車両にリチウムイオン組電池を取り付ける取付穴２２を設けることもできる。
【００２３】
上記のように、エンドプレート１８ａには、積層体１６の周囲に沿うようにエンドプレート１８ｂに向かって延びる締め付けベルト２０ａが取り付けられる。締め付けベルト２０ａの先端には締め付けボルト２４ａが設けられ、エンドプレート１８ｂには締め付けボルト２４ａの挿入用穴２６ｂが設けられる。同様にエンドプレート１８ｂには、積層体１６の周囲に沿うようにエンドプレート１８ａに向かって延びる締め付けベルト２０ｂが取り付けられる。締め付けベルト２０ｂの先端には締め付けボルト２４ｂが設けられ、エンドプレート１８ａには締め付けボルト２４ｂの挿入用穴２６ａが設けられる。
【００２４】
かかるエンドプレート１８ａの挿入用穴２６ａには、エンドプレート１８ｂから延びる締め付けボルト２４ｂの先が挿入され、締め付けボルト２４ｂに締め付けナット２８ｂが取り付けられる。同様にエンドプレート１８ｂの挿入用穴２６ｂには、エンドプレート１８ａから延びる締め付けボルト２４ａの先が挿入され、締め付けボルト２４ａに締め付けナット２８ａが取り付けられる。
【００２５】
こうして、締め付けナット２８ａ，２８ｂと締め付けボルト２４ａ，２４ｂとの間でそれぞれしっかり締め付けが行われることで、積層体１６の周囲がエンドプレート１８ａ，１８ｂと締め付けベルト２０ａ，２０ｂによりしっかりと締め付けられ、積層体１６の両外端の放熱金属板１４ａ，１４ｅの間に締め付け圧が与えられる。したがって、各リチウムイオン電池１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄには、筐体の両側面に接触する放熱金属板を介して締め付け圧が与えられる。
締め付け圧としては、上記の寸法のリチウムイオン電池の場合で、例えば数１００Ｎを用いることができる。締め付け圧は、リチウムイオン電池内部における活物質の特性のばらつき等を考慮して増減することが好ましい。
【００２６】
このように、一対のエンドプレート１８ａ，１８ｂを用いて積層体１６に締め付け圧を与えつつ、４個のリチウムイオン電池１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを直列に４段接続することで、開放端電圧約１４．４Ｖのリチウムイオン組電池１０が構成される。このリチウムイオン組電池１０を、エンドプレート１８ａ，１８ｂに設けられた取付穴２２を用いて車両に取り付け、開放端電圧約１４．４Ｖをスタータ電源として用いることができる。
【００２７】
各リチウムイオン電池１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの両側面には表面に絶縁処理が施された金属放熱板１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅが接触しているので、各リチウムイオン電池１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの金属筐体間が電気的に短絡されることもなく、電池作用による発熱を逃がすことができ、放熱特性を向上させることができる。
【００２８】
また、各リチウムイオン電池１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの筐体の両側面には締め付け圧、上記の例では数１００Ｎの締め付け圧がかけられるので、充放電を繰り返すことで生ずる筐体の膨れを抑制でき、リチウムイオン電池のサイクル特性を改善することができる。
【００２９】
筐体の膨れを抑制するとリチウムイオン電池のサイクル特性が改善されるメカニズムの一つとして、次のように考えることができる。上記のように、リチウムイオン電池において、充放電を繰り返すと筐体が膨れてくる。リチウムイオン電池の横幅を２５ｍｍとして、その横幅が１−２ｍｍ膨れることも起こる。この膨れは、電池反応により生じたガスによるものと考えることができる。このガスが電極体−セパレータ−電極体の積層の隙間にとどまったままのときは、電極体と電極体との間隔が広がって電池特性、サイクル特性が劣化する。ここで筐体の両側面に圧力を加え、筐体の膨れの抑制、ひいては電極体−セパレータ−電極体の積層の膨れの抑制を行うことで、発生したガスを電極体−セパレータ−電極体の積層の隙間から、筐体内部のデッドスペースの方に排出させ、電極体間の間隔が広がることを抑制できる。こうして、リチウムイオン電池のサイクル特性が改善される。
【００３０】
【発明の効果】
本発明に係る車両用リチウムイオン組電池によれば、リチウムイオン電池のサイクル特性を改善することができる。本発明に係る車両用リチウムイオン組電池によれば、放熱特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態におけるリチウムイオン組電池の斜視図である。
【図２】本発明に係る実施の形態におけるリチウムイオン組電池の側面図である。
【図３】リチウムイオン電池の構成を示す図である。
【図４】リチウムイオン電池の電池積層ロール体の展開図である。
【図５】本発明に係る実施の形態における、表面に絶縁処理が施された金属放熱板の例を示す斜視図である。
【図６】他の実施の形態における金属放熱板を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０リチウムイオン組電池、１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄリチウムイオン電池、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，６０，６２表面に絶縁処理が施された金属放熱板、１６積層体、１８ａ，１８ｂエンドプレート、２０ａ，２０ｂ締め付けベルト、２４ａ，２４ｂ締め付けボルト、２６ａ，２６ｂ挿入用穴、２８ａ，２８ｂ締め付けナット、３０筐体、３２蓋、３４電池積層ロール体、４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ正電極取出部、４２，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ負電極取出部。

Claims

箱型リチウムイオン電池を複数結合して組電池とし、車両用機器に電力を供給する車両用リチウムイオン組電池において、
金属製の扁平箱型筐体を備え、間隔をおいて側面を対向させて整列配置された複数のリチウムイオン電池と、
各リチウムイオン電池の両側面に接触して配置され、表面に絶縁処理が施された複数の放熱金属板と、
複数のリチウムイオン電池と複数の放熱金属板を交互に積層した積層体の両外端に設けられる一対のエンドプレートと、
一対のエンドプレートの両外端に拘束力を付与し、積層体の両外端に締め付け圧を与える拘束手段と、を含むことを特徴とする車両用リチウムイオン組電池。
請求項１に記載の車両用リチウムイオン組電池において、
放熱金属板は、表面にアルマイト処理が施されたアルミ板であることを特徴とする車両用リチウムイオン組電池。
請求項１に記載の車両用リチウムイオン組電池において、
放熱金属板は、表面に絶縁樹脂膜が形成された金属板であることを特徴とする車両用リチウムイオン組電池。
請求項１に記載の車両用リチウムイオン組電池において、
放熱金属板は、表面にセラミック膜が形成された金属板であることを特徴とする車両用リチウムイオン組電池。