JP4211561B2 - 組電池 - Google Patents

Description

本発明は、高エネルギー密度かつ小型軽量で大きなエネルギーを供給する電力源として最適な組電池に関する。

近年、環境意識の高まりを受けて、自動車の動力源を、化石燃料を利用するエンジンから電気エネルギーを利用するモータに移行しようとする動きがある。このため、モータの電力源となる電池の技術も急速に発展しつつある。

自動車には、小型軽量で、大きな電力を頻繁に充放電可能な、耐震動性、放熱性に優れた電池の搭載が望まれる。大きな電力を供給することができる放熱性に優れた組電池としては、下記特許文献１に示すようなものがある。

特許文献１に開示されている組電池は、直列、並列または直並列に電気的に接続された複数の扁平型単電池を、当該単電池の厚み方向に所定の間隔で配置し、単電池間に両側の単電池を押圧する押圧部材を配置して、外装部材によって複数の単電池を固定したものである。このような構造とすることによって単電池の放熱特性を良好にして組電池としてのサイクル特性、レート特性を向上させている。

このような組電池においては、外装部材に単電池を固定し、上下に積層した後に、各単電池から突出された電極タブ同士を接続部材により接続している（下記特許文献２参照）。
特開２０００−１９５４８０号公報（段落番号「００１４」〜段落番号「００２９」および図１、図２、図４の記載を参照）

特許文献１の組電池は、単電池として扁平形電池を用いているため、扁平形電池以外の電池を用いて構成した従来の組電池に比較してエネルギー密度が高く、同一の電力容量の電池であれば小型化が可能である。このため、扁平形電池で構成された組電池は、小型、高エネルギー密度という点では自動車搭載用電池として適している。

しかしながら、特許文献１の組電池は、蓄電システム用に開発された組電池であるため、生産効率性、小型軽量化、対振動性、高信頼性が要求される自動車用の組電池として使用できるようにするためにはその構造に大きな改良を加える必要がある。

具体的には、生産効率を高くできる組電池の構造を考える必要があり、また、小型軽量化のためにできるだけ少ない部品により容積効率が最大になるように単電池を配置して組電池を構成できるようにし、さらに、頻繁に充放電が繰り返えされても単電池内部で発生するガスによって容量低下、寿命の低下を起こさないような構造にし、そして、常に振動にさらされていても安定して動作できる耐振動性を備えた構造にし、単電池を極めて高密度に配置しても効率的に放熱が行われるようにするといった種々の改良を加える必要がある。

本発明は、上記の要求に応えることができる、高エネルギー密度かつ小型軽量で大きなエネルギーを供給する電力源として最適な構造を備えた組電池の提供を目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の組電池は、複数の扁平型単電池が積層されてなる単電池積層体を平面的に複数配置し、当該単電池積層体を積層方向両面から保持手段によって挟圧し、所定の面圧が各単電池に加わるように保持してなる組電池であって、前記保持手段は、前記単電池積層体に当接する平板部、および当該平板部の対向する側端部に立設された立板部を有する、前記単電池積層体を加圧する押さえ板と、前記立板部を近接離間させ前記平板部を撓ませる撓み調整部材と、を有することを特徴とする。

本発明の組電池では、単電池積層体の高さに対応して押さえ板の撓みを任意に付与できるので、全体的に面圧の分布が均等化する。この結果、頻繁に充放電が繰り返えされても単電池内部で発生するガスによって容量低下、寿命の低下を起こすことのない、信頼性の高い組電池を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。

図１は一般的な組電池における単電池の積層状態を模式的に示した斜視図、図２は単電池の厚みの選別の説明に供する図、図３は図１に示した組電池の高さ分布を示す図、図４は図１の４−４線に沿う断面図である。

図１に示すとおり、一般的な組電池１０は、たとえば、９個の単電池１を、各単電池の面方向に３個ずつ縦横に配列し、厚み方向に複数積層して単電池積層体２を形成し、この単電池積層体２を積層方向両面から平滑な板状のヒートシンク３により加圧している。

このように加圧するのは、扁平形の単電池の場合、外装材が内部の電極を押さえ込む力が弱いので、充放電を頻繁に繰り返すと電池内で発生するガスが電極間に溜まり、電池容量の低下、寿命の低下を起すため、積層された単電池全体を適切な面圧で押さえ込み、ガスが電極間に溜まらないようにすることが必要になるからである。

したがって、加圧は、すべての単電池を同様に機能させるために各単電池に掛かる面圧が均一になることが好ましい。

一方、単電池１は、製造工程において、たとえば、３．３ｍｍ±０．１ｍｍの範囲にその厚みが収まるように製造され、結果的には３．４ｍｍのものも３．２ｍｍのものも良品として製造されることから、厚みが相違するものを積層して組電池１０を形成すると、高さの相違する凸凹したものとなる。

このような単電池積層体２を、平坦で剛性のあるヒートシンク３により加圧しても、面圧の分布が均等化しない。

このため、組電池１０を固縛する前に、公差の上限に近い（厚みが３．４ｍｍに近い）単電池をＡランクに、公差の中央に近い（厚みが３．３ｍｍ）の単電池をＢランクに、公差の下限に近い（厚みが３．２ｍｍに近い）単電池をＣランクにそれぞれ分類する。

そして、単電池１の厚みに応じてその配置位置を決めて積層する。図１および図２に示すように、Ａランクに分類された単電池は、ヒートシンク３の最も撓みの大きくなるＡ領域（中央部分）に配置し、Ｂランクに分類された単電池は、ヒートシンク３のＡ領域の次に撓みの大きくなるＢ領域に配置し、Ｃランクに分類された単電池は、ヒートシンク３の最も撓みの小さくなるＣ領域に配置してそれぞれ積層する。

このように、単電池１の厚みを分類し、分類後の単電池１を所望の領域に積層することによって、単電池積層体２の高さ分布は、図３に示すように、ヒートシンク３の中央部分から４隅にかけて山なり形状となる。

この状態で、上下にヒートシンク３を設け単純に均等に加圧すると、図４に示すように、ヒートシンク３は、中高状に撓み、すべての単電池１に対して積層方向に均等な面圧を与えることはできないので、各領域に形成される単電池積層体２ａ〜２ｆの高さ分布を調整する必要がある。

また、固定ボルト４ａ〜４ｄにより締め付けたときに生じるヒートシンク３自体の撓みも考慮する必要がある。ヒートシンク３の撓みを考慮せずにすべての単電池積層体の高さを均一にした場合、固定ボルト４ａ〜４ｄに近い位置の単電池積層体に高い面圧が掛かり、ヒートシンク３の中央部分の単電池積層体の面圧は小さなものとなる。

ヒートシンク３の４隅を固定ボルト４ａ〜４ｄで締めるだけですべての単電池積層体２ａ〜２ｆに等しい面圧を付与するには、ヒートシンク３に予め反りを与えておくことも考えられるが、この反りに逆らってヒートシンク３を撓めて単電池を押さえようとすると、ヒートシンク３に過大な応力が発生する可能性がある。

また、適当な反りを与えるためにアルミニウムなどの押し出し材を利用することも考えられるが、断面形状が一定であり、場所に応じて適正な反りを与えることはできない。

図５は本実施形態に係る保持手段を示す斜視図、図６は同保持手段の平面図、図７は同保持手段の側面図である。なお、前記図１〜４に示す部材と共通する部材には同一符号を使用し、一部説明を省略する。

そこで、本実施形態は、図５に示す保持手段２０を使用し、前記ヒートシンク３に相当する上押さえ板２１ａに適正な撓みを与え、単電池の面圧分布を均等にしている。

この保持手段２０は、単電池積層体２を積層方向両面から加圧する上下の押さえ板２１ａ，２１ｂと、上押さえ板２１ａに任意の撓みを付与する撓み調整部材２５とから構成し、この撓み調整部材２５により単電池積層体２を加圧する前に、予め上押さえ板２１ａに任意の撓みを付与できるようになっている。以下、さらに詳述する。

前記上押さえ板２１ａは、単電池積層体２に当接する平板部２２と、当該平板部２２の対向する側端部に立設された、リブ状の立板部２３とを有している。平坦な上押さえ板２１ａにリブ状の立板部２３を設けると、上押さえ板２１ａ自体の強度が高まり、単電池積層体２の加圧もより強力に行うことができる。ただし、この上押さえ板２１ａは、前記ヒートシンク３に相当するものであるため、図中、内部に空気（白抜き矢印で示す）が流通するように一端部から他端部まで貫通した流通孔２４を全幅に渡って設けることが好ましい。場合によっては、前記立板部２３にも設けても良い。

下押さえ板２１ｂは、リブ状の立板部２３を有していない平板部２２のみから構成されているが、この下押さえ板２１ｂもヒートシンク３に相当するものであるため、上押さえ板２１ａと同様、一端部から他端部まで貫通した流通孔２４を全幅に渡って設けることが好ましい。

これら押さえ板２１（２１ａと２１ｂの総称）は、４隅に通孔が開設され、この通孔に前記固定ボルト４ａ〜４ｄが設けられ、この４隅で両押さえ板２１を挟圧し、単電池積層体２に面圧を掛けるようにしている。

前記撓み調整部材２５は、前記立板部２３を近接離間するネジ機構２６を有している。このネジ機構２６は、立板部２３を近接離間するものであれば、どのようなものであっても良いが、本実施形態では、対向する立板部２３に開設された通孔を挿通するボルト２７と、当該ボルト２７に設けられたナット２８とから構成されている。このナット２８は、立板部２３の外面に設けられる場合と、破線で示すように内面に設けられる場合がある。立板部２３の外面の場合は両立板部２３を近接し、上押さえ板２１ａを中凸形状とし、内面の場合は両立板部２３を離間させ、上押さえ板２１ａを中凹形状とする。

このネジ機構２６は、流通孔２４の軸線と直交して複数本のボルト２７が設けられているが、相互に等間隔であってもよく、異なる間隔で配置しても良い。

いずれにしてもネジ機構２６による立板部２３の近接離間を容易にするために、前記上押さえ板２１ａの平板部２２には、当該押さえ板２１の剛性を弱める切込み部２９を形成することが好ましい。この切込み部２９は、平板部２２の剛性を弱めるものであれば、どのような切込みあるいは溝であっても良いが、平板部２２を円滑に変形し得るようにするには、前記立板部２３に平行で一端部から他端部まで伸延する複数本の溝により形成することが好ましい。また、前記平板部２２の単電池積層体２との接触面は、平面であることが好ましいため、切込み部２９は、単電池積層体２との接触面に対して逆側に形成することが好ましい。なお、平板部２２を円滑に変形し得るようにするには、前記流通孔２４も前記切込み部２９と同様に、前記立板部２３に平行に形成することが好ましい。

次に、作用を説明する。

下押さえ板２１ｂの上に単電池積層体２が形成されると、固定ボルト４ａ〜４ｄで上押さえ板２１ａを締め付ける前に、単電池積層体２の高さから判断し、撓み調整部材２５により上押さえ板２１ａに所望の撓みを付与する。たとえば、図４に示すように中高状であれば、ネジ機構２６のナット２８を立板部２３の内面に設け、このナット２８を締めると、ボルト２７を介して両立板部２３が離間する。これにより上押さえ板２１ａは、単電池積層体２の中高状に対応する中凹状に変形する。

この状態で４隅の通孔に固定ボルト４ａ〜４ｄを設けて締め付ければ、単電池積層体の高さが高い部分でも高い面圧が掛かることはなく、全体的に面圧の分布が均等化する。

また、単電池積層体２の高さから判断し、たとえば、中凹状であれば、ネジ機構２６のナット２８を立板部２３の外面に設け、このナット２８を締めると、ボルト２７を介して両立板部２３が近接する。これにより上押さえ板２１ａは、図７に一点鎖線で示すように中凸状に円滑に変形する。

したがって、この状態で４隅の通孔に固定ボルト４ａ〜４ｄを設けて締め付ければ、単電池積層体の高さが低い中央部分でも高い面圧が掛かることはなく、全体的に面圧の分布が均等化する。

なお、単電池積層体２の上面が、前述のような左右対称形でない状態であれば、複数本あるボルト２７において、適宜ナット２８を立板部２３の内面または外面に配置し、両立板部２３を一部離間、一部近接などの調節を行えばよい。

以上のように、本実施形態によれば、保持手段２０を使用し、ヒートシンク３に相当する上押さえ板２１ａに適正な撓みを与えるようにしたので、ヒートシンク３の反りに逆らって撓めて単電池を押さえる場合のように、ヒートシンク３に過大な応力が発生することはなく、また、上押さえ板２１ａの断面形状が全域にわたり一定でないので、適当な反りを容易に得ることができる。

本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々変更使用することができる。たとえば、前記実施形態のネジ機構は、対向する前記立板部に開設された通孔を挿通するボルトと、当該ボルトに螺合されるナットから構成したものであるが、簡単な撓み付けの場合は、１本のねじ軸でねじ傾きが相違するものを複数本立板部２３に設け、両立板部２３を近接離間しても良い。

本発明にかかる組電池は、組電池を構成する単電池に均一に面圧が掛かるようにし、組電池の寿命や信頼性を向上し、自動車搭載用電池に適したものである。

組電池の一般的な積層状態を模式的に示した斜視図である。 単電池の厚みの選別の説明に供する図である。 図１に示した組電池の高さ分布を示す図である。 図１の４−４線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に係る保持手段を示す斜視図である。 同保持手段の平面図である。 同保持手段の側面図である。

符号の説明

１…単電池、
２…単電池積層体、
１０…組電池、
２０…保持手段、
２１…押さえ板、
２２…平板部、
２３…立板部、
２４…通孔、
２５…撓み調整部材、
２６…ネジ機構、
２７…ボルト、
２８…ナット、
２９…切込み部。

Claims (6)

1. 複数の扁平型単電池が積層されてなる単電池積層体を平面的に複数配置し、当該単電池積層体を積層方向両面から保持手段によって挟圧し、所定の面圧が各単電池に加わるように保持してなる組電池であって、
   前記保持手段は、前記単電池積層体に当接する平板部、および当該平板部の対向する側端部に立設された立板部を有する、前記単電池積層体を加圧する押さえ板と、前記立板部を近接離間させ前記平板部を撓ませる撓み調整部材と、を有することを特徴とする組電池。
2. 前記保持手段の撓み調整部材は、対向する前記立板部に開設された通孔を挿通するボルトと、当該ボルトに設けられたナットとを有するネジ機構からなる請求項１に記載の組電池。
3. 前記保持手段は、前記押さえ板に当該押さえ板の剛性を弱める切込み部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の組電池。
4. 前記切込み部は、前記立板部に平行に端部から他端部まで伸延するように形成したことを特徴とする請求項３に記載の組電池。
5. 前記保持手段は、前記押さえ板に空気が流通する流通孔を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の組電池。
6. 前記流通孔は、前記立板部に平行に伸延していることを特徴とする請求項５に記載の組電池。

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