JP2017084988A

JP2017084988A - 蓄電ユニット

Info

Publication number: JP2017084988A
Application number: JP2015212581A
Authority: JP
Inventors: 巧美三尾; Takumi Mio; 幸弘小松原; Yukihiro Komatsubara
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2017-05-18

Abstract

【課題】蓄電デバイスが外気温度の影響をより受けにくくすることで、所望の特性を発揮できる蓄電ユニットを提供する。
【解決手段】蓄電ユニット（１）は、蓄電要素（２１）、蓄電要素（２１）を内部に収納する蓄電筐体（２５）、及び、蓄電筐体（２５）の外部に露出する電極端子（２２，２３）を有する一以上の蓄電デバイス（２０）と、蓄電デバイス（２０）を内部に収納する収納ケース（１０）と、収納ケース（１０）の外部と内部の間の熱の出入りを遮る断熱手段と（１１ａ）と、収納ケース（１０）の内部に配置され、収納ケース（１０）の外部に設けられた外部装置（５０，６０）との間の受給電を非接触で行い、蓄電デバイス（２０）に接続される非接触受給電装置（３０）と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電ユニットに関するものである。

近年、充放電を繰り返し行うことができる環境問題を考慮した蓄電デバイスが、各種の分野で広範囲にわたって利用されている。例えば、自動車の分野では、電気自動車やハイブリッド自動車及び種々の電動機を駆動源とする車両用装置での利用が促進され、注目されている。これらの車両には、電動機に電力を供給したり、減速時に電気エネルギーを蓄電したりするために、二次電池や電気二重層キャパシタ等からなる蓄電デバイスが搭載されている。

蓄電デバイスは、使用温度によって特性が変化する。そのため、蓄電デバイスが所望の特性を発揮するために、蓄電デバイスを断熱部材によって被覆した蓄電ユニットがある（例えば特許文献１参照）。

特開２００１−３１３４８７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された蓄電ユニットでは、蓄電デバイスの電極端子が断熱部材から露出している（図５参照）ので、電極端子が外気温度の影響を受けることになる。そのため、蓄電ユニットは、蓄電デバイスの特性の変化を低減するため、さらなる断熱効果の向上が望まれている。

本発明は、蓄電デバイスが外気温度の影響をより受けにくくすることで、所望の特性を発揮できる蓄電ユニットを提供することを目的とする。

本発明の蓄電ユニットは、蓄電要素、前記蓄電要素を内部に収納する蓄電筐体、及び、前記蓄電筐体の外部に露出する電極端子を有する一以上の蓄電デバイスと、前記蓄電デバイスを内部に収納する収納ケースと、前記収納ケースの外部と内部の間の熱の出入りを遮る断熱手段と、前記収納ケースの内部に配置され、前記収納ケースの外部に設けられた外部装置との間の受給電を非接触で行い、前記蓄電デバイスに接続される非接触受給電装置と、を備える。

上記の蓄電ユニットによれば、収納ケースの外部と内部との間で断熱するので、収納ケースの外部と蓄電デバイスの蓄電筐体との間の熱の出入りが遮断される。しかも、収納ケースの外部に設けられた外部装置との間の電力の受給電を非接触で行うので、電極端子を介した収納ケースの外部と蓄電要素との間の熱伝導も遮断される。よって、収納ケースの外気温度の影響を受けずに蓄電要素の温度を維持でき、低温時の出力特性の低下や高温時の電極材料の劣化を回避して蓄電デバイスの性能を適切に維持できる。

本実施形態の蓄電ユニットの概要を示す概要図である。同じく、図１の蓄電デバイスの概要を示す概要図である。同じく、図１の制御装置の電気的な構成概要を示すブロック図である。同じく、種々の蓄電デバイスの内部抵抗の温度特性を模式的に示した図である。

（１．蓄電ユニットの構成）
以下、本発明の蓄電ユニットの具体的な実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１において、蓄電ユニット１は、収納ケース１０、蓄電デバイス２０及び非接触受給電装置３０を有する。蓄電ユニット１は、外部装置５０からの電力を受電して、蓄電デバイス２０の充電を行い、各蓄電デバイス２０が出力する電力を外部装置６０に給電して、外部装置６０を介してモータＭを駆動するための装置である。

収納ケース１０は、容器本体１１と蓋体１２とを備える。収納ケース１０は、容器本体１１の収容部１１１に蓄電デバイス２０及び非接触受給電装置３０の制御器３０ａを収容する。蓋体１２は容器本体１１の開口部１１４を覆蓋して収納ケース１０の内部空間が真空状態で維持される真空空間１１ｂであるように密閉する。

容器本体１１は、丸みを帯びた略直方体箱形の全体形状をなし、図１において上方に開口する略方形の開口部１１４を中央部に有し、略直方体状に凹む収容部１１１が形成される。開口部１１４の周縁には、径方向外方（水平方向）に向けて相似大形に拡径された接合部１１ｃが形成される。接合部１１ｃの上端面は平坦な接合端面１１５をなし、容器本体１１に蓋体１２の端面を重ね合わせ、開口部１１４を覆蓋する。図１中の符号１１６，１１７は、蓄電デバイス２０と制御器３０ａを収容部１１１の底面から離間させて真空空間１１ｂに配置するための台座である。

容器本体１１を形成する全部の壁部は、非磁性の金属材料を容器本体１１の外形状に成形した金属板状の第１容器本体壁１１２と第２容器本体壁１１３とを、真空層１１ａを介して外側と内側に配して接合した二重層をなして形成される。真空層１１ａを有する容器本体１１は公知の方法によって成形される。例えば、高温の真空炉中で第１容器本体壁１１２と第２容器本体壁１１３との接合部を、所定の接合材で溶接しながら封じる製造方法が知られている。容器本体１１を形成する非磁性の金属材料としては、例えばＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス、ないしはアルミニウム等を用いることができる。

蓋体１２は、容器本体１１の接合部１１ｃの外周形状に対応する同一の外周形状を有し、丸みを帯びた略方形板状の全体形状をなす。蓋体１２を形成する全部の壁部は、容器本体１１と同様に、非磁性の金属材料を蓋体１２の外形状に成形した金属板状の第１蓋体壁１２２と第２蓋体壁１２３とを、真空層１２ａを介して外側と内側に配して接合させた二重層をなして形成される。蓋体１２の内側の第２蓋体壁１２３には、制御器３０ａと連動する一対の共振コイル３１，３２が取り付られる。なお、一対の共振コイル３１，３２は、第２蓋体壁１２３から離間させて真空空間１１ｂに配置するように取り付けられる。

蓋体１２の外周縁部は、容器本体１１との接合部１２ｃを形成する。接合部１２ｃの第２蓋体壁１２３側の下端面は、接合端面１２５をなし、容器本体１１の接合端面１１５との重ね合わせ面を形成し、開口部１１４を覆蓋する。容器本体１１と蓋体１２との接合は、収納ケース１０の外周面に露出する接合部１１ｃ、１２ｃ同士の境界線に沿って全周を溶接することによって行う。容器本体１１と蓋体１２との接合強度、及び内部空間を真空空間１１ｂとして維持できるだけの密着度を保つことができる。例えば、蓄電デバイス２０や制御器３０ａ等を容器本体１１に収容し、共振コイル３１，３２に制御器３０ａを接続し、蓋体１２で開口部１１４を覆蓋する等の組み付け作業を真空下で行うのなら、境界線に沿って電子ビームを照射して溶接できる。この場合、収納ケース１０の内部空間を真空空間１１ｂに維持できる。組み付け作業を大気下で行うのなら、レーザー溶接を行うことができる。この場合は内部空間に大気が残存する。図１中の符号１３は、適当な方法によって溶接を行った部分を示す。

なお、容器本体１１と蓋体１２との接合は、上記した接合部１１ｃ、１２ｃ同士の境界線に沿って全周を溶接する以外に、適当なシール材を用いる方法でも構わない。例えば、接合端面１１５，１２５の間にＯリングを装着できる。この場合、内径側と外径側の大小一対の２本のＯリングを用いることもできる。収納ケース１０の内部空間に大気が残存する場合は、２本のＯリング間に真空空間を形成して断熱することもできる。

蓄電デバイス２０は、図示しない枠体に所定の複数枚が保持される。蓄電デバイス２０は扁平な直方体の箱状をなしており、それぞれ枠体に保持された状態で、全体の電池容量を考慮して直列又は並列接続される。なお、図２は、未接続の蓄電デバイス２０を積層配置した状態を示す。各蓄電デバイス２０は、収容部１１１の底面（第２容器本体壁１１３）と離間させて収納ケース１０中に載置及び収容される。蓄電デバイス２０は、各蓄電デバイス２０の正極端子２２及び負極端子２３が所定のポートに接続されるように、適当な接続手段を介して制御器３０ａに電気的に接続される。

蓄電デバイス２０は、充電放電を繰り返し行うことができ、例えば電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン二次電池等を用いることができる。蓄電デバイス２０は、蓄電要素２１、正極端子２２、負極端子２３及び蓄電筐体２５を備え、ラミネートの蓄電筐体２５の内部に蓄電要素２１を収納する。蓄電筐体２５の内部には、蓄電要素２１に接続し、一部分が蓄電筐体２５の外部に突出する正極端子２２と負極端子２３が収容される。

蓄電要素２１は、正極板２１２、負極板２１３、及び電解液を備える。図２に、セパレータ２１４を介して交互に積層した平板状の正極板２１２と負極板２１３、及び非水性電解液（図示せず）を備える蓄電要素２１の構成例を示す。正極板２１２及び負極板２１３は、正極集電体同士又は負極集電体同士を一体に接続される。

正極板２１２は、正極材料に種々の添加材、例えば導電助材、結着材、増粘剤等を適宜に添加した正極合材を適切な溶媒に懸濁させて混合し、スラリーとしたものを正極集電体の片面又は両面に塗布し、プレスし、乾燥して作製できる。正極材料としては、特に限定されるものではなく、公知材料を用いることができる。電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタであれば、活性炭やポリアセン等を用いることができる。リチウムイオン二次電池であれば、リチウムイオンを可逆的に挿入・脱離できる、代表的には、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２等のリチウム遷移金属複合酸化物等を用いることができる。

正極集電体としては、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、ニッケル等からなる箔、メッシュ等を用いることができる。導電助材としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等を、結着材としては、ポリフッ化ビニリデン、ＳＢＲゴム、ポリアクリル酸等を、増粘剤としてカルボキシルメチルセルロース等を、溶媒としては、Ｎ−メチルピロリドン等の有機溶媒又は水を用いることができる。

負極板２１３は、正極板２１２と同様に負極材料に適宜な添加材を添加した負極合材を負極集電体に塗布し、プレスし、乾燥することで作製できる。電気二重層キャパシタであれば、正極材料と同様の負極材料を用いることができる。リチウムイオンキャパシタ又はリチウムイオン二次電池であれば、リチウムイオンを可逆的に挿入・脱離できる、黒鉛（グラファイト）等の炭素系材料を用いることができる。負極集電体としては、銅、ステンレス鋼、ニッケル等からなる箔、メッシュ等を用いることができる。リチウムイオンキャパシタであれば、リチウムイオンプレドープ用のリチウム極を製作できる。例えば、銅、ステンレス等のリチウム極集電体にリチウム金属箔を圧着して作製する。

電解液は、公知の支持塩を電解質とする非水性電解液を用いることができる。電気二重層キャパシタであれば、代表的には、主溶媒として、γ−ブチロラクトン、プロピレンカーボネート等を、副溶媒として、エチレンカーボネート等のカーボネート類を用い、電解質として、金属の陽イオン、４級アンモニウムカチオン等のカチオンと、ＢＦ^４−、ＰＦ^６−等のアニオンとの塩を用いて所定濃度に調整する。リチウムイオンキャパシタ又はリチウムイオン二次電池であれば、電気二重層キャパシタと同様の非水性溶媒中に、リチウム塩としてＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４等を用いることができる。

正極板２１２同士で一体化した正極体、及び負極板２１３同士で一体化した負極体は、導体よりなる電力取り出し用のタブ状の正極端子２２及び負極端子２３に接続する。正極端子２２及び負極端子２３は、正極体又は負極体それぞれに電気的に接続される。正極端子２２及び負極端子２３は、ラミネート樹脂フィルムの溶着面に挿入された状態で固定され、蓄電筐体２５内部の蓄電要素２１に、蓄電筐体２５外部の非接触受給電装置３０を接続する。

非接触受給電装置３０は、外部装置との間で非接触で電力の受給電を行うための装置であり、いわゆるワイヤレス給電及び受電を行うことができれば公知の装置を用いることができ、特に限定されない。非接触受給電装置３０は、磁気共鳴方式、電磁誘導方式、電波受信方式などを適用できる。例えば、磁気共鳴方式を用いた非接触受給電装置３０について、図１及び図３を用いて簡単に説明する。非接触受給電装置３０は、制御器３０ａと一対の共振コイル３１，３２とを有する。収納ケース１０の蓋体１２の裏面には、コイルケース中に収納された共振コイル３１，３２が固定される。

共振コイル３１は、外部装置５０の共振コイル５１と電磁場を介して共鳴する。これにより、蓄電ユニット１が外部装置５０から供給される電力を受電し、蓄電デバイス２０の充電を可能にする。共振コイル３１は、外部装置５０の共振コイル５１との距離や、共振コイル３１及び共振コイル５１の共鳴周波数等に基づいて、共鳴強度及びその結合度等が大きくなるように巻数が適宜設定される。共振コイル３１は、共振コイル５１を介して外部装置５０から受電した電力を制御器３０ａ（整流器３３）に出力する。なお、符号５３は、所定の交流電圧を共鳴可能な高周波に変換するための装置である。

制御器３０ａは、整流器３３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４と、ＤＣ／ＡＣインバータ３５と、高周波ドライバ３６と、ＥＣＵ３７と、電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ３８とを有する。整流器３３は、共振コイル３１を介して受電した電力の交流電圧を整流して直流電圧に変換する。電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ３８は、整流器３３によって整流された直流電圧を入力して所定の直流電圧に変換し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４、ＤＣ／ＡＣインバータ３５、高周波ドライバ３６、ＥＣＵ３７に電源電圧（駆動電圧）として供給する。

ＥＣＵ３７は、蓄電デバイス２０から得る現在のデバイス状態を示す出力信号を監視し、例えば充電状態（いわゆるＳＯＣ）に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ３４から蓄電デバイス２０へ出力する電圧を制御する。また、非接触受給電装置３０は、受給電の開始や終了等の各種電気信号（制御信号等）の交換を非接触で行う、図示しない制御信号交換手段を有している。制御信号交換手段を介して非接触受給電装置３０に入力される制御信号は、ＥＣＵ３７に入力され、ＥＣＵ３７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４、ＤＣ／ＡＣインバータ３５、高周波ドライバ３６の出力を制御する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３４は、ＥＣＵ３７からの制御信号に基づいて、整流器３３によって整流された直流電圧を適切な電圧レベルに変換して蓄電デバイス２０に出力する。このようにして、蓄電デバイス２０への充電を外部装置５０と非接触で行うことができる。

ＤＣ／ＡＣインバータ３５は、蓄電デバイス２０から放電される電力を入力し、ＥＣＵ３７からの制御信号に基づいて、所定の交流電圧に変換し、高周波ドライバ３６に出力する。高周波ドライバ３６は、ＥＣＵ３７からの制御信号に基づいて、ＤＣ／ＡＣインバータ３５から入力された交流電力を、共振コイル６２と共鳴可能な高周波の交流電圧に変換し、その高周波電力を共振コイル３２に出力する。高周波電力を入力した共振コイル３２は、電磁場を介して外部装置６０の共振コイル６２と共鳴する。共振コイル６２が共振コイル３２と共鳴することにより、外部装置６０は蓄電ユニット１から供給される電力を受電する。このようにして、蓄電デバイス２０が放電する電力が、非接触で外部装置６０のＰＣＵ（パワーコントロールユニット）６３に給電され、ＰＣＵ６３はモータＭに電力を供給可能となる。

図４に、上記した電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）、リチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）、リチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）について、温度変化に対する内部抵抗の変化度合いの違いを誇張気味に、わかりやすく表したグラフを示す。内部抵抗は、蓄電デバイスの温度や電気化学的な反応速度等によって変化することが周知されている。図示のとおり、リチウムイオン二次電池＞リチウムイオンキャパシタ＞電気二重層キャパシタの順で、温度変化に対する内部抵抗の変化度合いが大きくなる。外部装置５０，６０と蓄電ユニット１との間の電力の受給電を非接触で行うことによる断熱効果は、内部抵抗の変化度合いが大きいリチウムイオン二次電池、或いはリチウムイオンキャパシタにおいて、特に低温時の出力特性の低下を補うことができる点で、好ましい。

（２．蓄電ユニットの作用効果）
上記実施形態によれば、蓄電ユニット１は、蓄電要素２１、蓄電要素２１を内部に収納する蓄電筐体２５、及び、蓄電筐体２５の外部に露出する正極端子２２、負極端子２３を有する一以上の蓄電デバイス２０と、蓄電デバイス２０を内部に収納する収納ケース１０と、収納ケース１０の外部と内部の間の熱の出入りを遮る断熱手段（真空層１１ａ，真空空間１１ｂ）と、収納ケース１０の内部に配置され、収納ケース１０の外部に設けられた外部装置５０、６０との間の受給電を非接触で行い、蓄電デバイス２０に接続される非接触受給電装置３０と、を備える。

よって、収納ケース１０の外部と内部との間で断熱するので、収納ケース１０の外部と蓄電デバイス２０の蓄電筐体２５との間の熱の出入りが遮断される。しかも、外部装置５０，６０との間の電力の受給電を非接触で行うので、正極端子２２、負極端子２３を介した収納ケース１０の外部と蓄電要素２１との間の熱伝導も遮断される。よって、収納ケース１０の外気温度の影響を受けずに蓄電要素２１の温度を維持でき、低温下の出力特性低下（内部抵抗の増加）や高温下の電極材料の熱劣化を回避して蓄電デバイス２０の性能を適切に維持できる。

また、上記実施形態によれば、収納ケース１０が、容器本体１１及び蓋体１２を備え、断熱手段が、容器本体１１及び蓋体１２の少なくとも一方に設けられた真空層１１ａである。よって、蓄電ユニット１の組み付け易さを損なわずに、気体分子を介した収納ケース１０の内部と外部との間の熱伝導を抑制することができ、効果的に断熱できる。

なお、断熱手段は上記実施形態に記載した真空を介した手段に必ずしも限定されず、公知の断熱材等を用いることができる。具体的には、容器本体及び蓋体を適当な発泡性断熱材（ウレタンフォーム等）で形成したり、容器本体及び蓋体の内部空間に繊維系断熱材（グラスウール等）等の材料を充填したりすることができる。

また、上記実施形態によれば、断熱手段が、収納ケース１０の内部に形成する真空空間１１ｂである。よって、収納ケース１０の内部と外部との間の熱伝導がより効果的に遮断されるとともに、蓄電デバイス２０又は非接触受給電装置３０と収納ケース１０との間の断熱が図られ、適切な蓄電要素２１の温度をより良好に維持できる。

また、上記実施形態によれば、収納ケース１０が非磁性材料で形成され、非接触受給電装置３０が電磁誘導方式又は磁気共鳴方式によって非接触受給電を行う装置とできる。よって、電磁誘導又は磁気共鳴によって発生させる相互誘導又は電磁界共鳴すべき電磁波の損失を少なくして受給電の効率を高めることができる。

また、上記実施形態によれば、蓄電デバイス２０を、リチウムイオンキャパシタ又はリチウムイオン二次電池とできる。よって、少なくとも一方の電極（正極板２１２，負極板２１３）で酸化還元の電極反応を伴う蓄電デバイス２０であり、電極反応速度の温度依存性により、外気温度によって特に低温時の蓄電デバイス２０の出力が小さくなり、更に高温時の出力との増減幅が大きく電気負荷の制御が複雑化する欠点が有る。蓄電要素２１の温度を所定範囲に維持することで欠点を補いながら、高エネルギー密度を有する有利なポテンシャルを生かすことができる。

また、上記実施形態によれば、蓄電デバイス２０を、電気二重層キャパシタとできる。よって、入手容易な電極材料を用いることができ、且つ、特に外気温度が高温の際の蓄電要素２１材料の安定化を図ることができる。

また、例えば上記した実施形態の蓄電ユニット１を、ステアリング装置の操舵力を補助するために回転駆動されるモータの駆動補助電源として用いることができる。高出力化の要請に応えるべく、必要に応じて、バッテリとは別に設けたキャパシタの高電圧によって大電力を供給する用途に好適に用いることができる。

１：蓄電ユニット、１０：収納ケース、１１ａ、１２ａ：真空層、１１ｂ：真空空間、２１：蓄電要素、２０：蓄電デバイス、２２：正極端子（電極端子）、２３：負極端子（電極端子）、２５：蓄電筐体、３０：非接触受給電装置、５０，６０：外部装置

Claims

蓄電要素、前記蓄電要素を内部に収納する蓄電筐体、及び、前記蓄電筐体の外部に露出する電極端子を有する一以上の蓄電デバイスと、
前記蓄電デバイスを内部に収納する収納ケースと、
前記収納ケースの外部と内部の間の熱の出入りを遮る断熱手段と、
前記収納ケースの内部に配置され、前記収納ケースの外部に設けられた外部装置との間の受給電を非接触で行い、前記蓄電デバイスに接続される非接触受給電装置と、
を備える蓄電ユニット。
前記収納ケースが、容器本体及び蓋体を備え、
前記断熱手段が、前記容器本体及び前記蓋体の少なくとも一方に設けられた真空層である、請求項１に記載の蓄電ユニット。
前記断熱手段が、前記収納ケースの内部に形成する真空空間である、請求項１又は２に記載の蓄電ユニット。
前記収納ケースが非磁性材料で形成され、前記非接触受給電装置が電磁誘導方式又は磁気共鳴方式によって非接触受給電を行う装置である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電ユニット。
前記蓄電デバイスが、リチウムイオンキャパシタ又はリチウムイオン二次電池である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電ユニット。
前記蓄電デバイスが、電気二重層キャパシタである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電ユニット。