JP5490652B2 - 組電池構造 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池が組み合わされた組電池の構造に関する。特に平板状の電池が所定間隔を隔てる積層状態で配置される組電池構造に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車などには、動力源として二次電池を集合させた組電池が用いられている。充電や放電の過程において、電池が過熱したり電池間の温度差が大きくなったりすると、電池の性能が低下したり、電池が損傷することが起こるため、通常、これら組電池を電池ケースに収納して、冷却風を電池ケース内に送り込んで組電池を冷却することが行われる。

組電池に用いられる電池には、リチウムイオン電池のように、略平板状の電池があり、このような電池はその形状から角型電池と呼ばれることもある。
平板状の電池を組電池として構成する場合には、冷却風による冷却が効率的に行われるように、電池の広い面同士が対向するように、互いに所定の間隔を隔てるように平板状電池を積層状態に配置することが一般的に行われている。

そして、これら組電池の冷却にあたっては、組電池を構成する複数の電池の温度を極力均一化し、かつ、効率的に電池を冷却することが必要であり、そのために、さまざまな組電池構造や電池冷却構造が提案されるに至っている。
例えば、特許文献１には、所定間隔を隔てて配置された平板状電池の間に分配された冷却風を導いて、複数の電池が均一に冷却されるようにした組電池冷却構造が開示されている。また、特許文献２には、電池と電池の間に絶縁セパレータを挟みこんで、絶縁セパレータの凹凸形状によって冷却風通路（冷却隙間）を形成し、電池間の絶縁性を確保した組電池構造が開示されている。

特開２００８−２５４６２７号公報 特開２０１０−１５３１４１号公報

電気自動車などに使用される組電池は、システムの軽量化や省スペース化のために、電池外装缶が薄型化される傾向にある。ここで、リチウムイオン電池のような平板状の電池で電池外装缶が薄型化されると、電池の温度変化や内部でのガスの発生などによって、電池の広い面が内圧によってふくれる傾向が顕著となりやすい。

特許文献１に記載の組電池構造のように、平板状の電池と電池の間に、特に電池の膨張を拘束する部材を有しない組電池構造の場合には、電池の広い面が膨張することにより、電池間の隙間が小さくなって、その隙間に空気が流れにくくなり、冷却風の風量が少なくなり、電池の均一な冷却がうまくできなくなったり、一部の電池が異常加熱してしまうおそれがある。また、電池の膨張が著しい場合には、隣接する電池外装缶同士が接触してその絶縁性が破られるおそれもある。

特許文献２に記載されたような、凹凸板状の絶縁セパレータを電池の間に挟みこむタイプの組電池構造であれば、電池の膨張が積極的に抑制されると共に、電池間の隙間が適切に維持され、電池外装缶の接触も確実に防止されるが、このような組電池構造は、多数の構成部品を精度良く製造して組み付ける必要があり、製造のコストが高く、その製造工程も煩雑なものである。

即ち、本発明の目的は、組電池を構成する電池の膨張を効果的に抑制可能であると共に、構成部品が少ない組電池構造を提供することにある。

本発明の発明者は、鋭意検討の結果、複数本の棒状スペーサがくし状に連設された間隔保持部材を使用して、この棒状スペーサが電池と電池の間にそれぞれ挟持されるように組電池を構成すれば、電池間に挟持される棒状スペーサによって平板状の電池のふくれが効果的に抑制され、かつ、多数のスペーサが極少数の間隔保持部材として取り扱い可能となることを知見し、本発明を完成させた。

本発明は、複数の平板状の電池が、その広い面が対向するように所定間隔を隔てた積層状に並べられた組電池構造であって、電池の両端部をそれぞれ保持可能な保持部が設けられた対をなすホルダ部材により、電池を所定位置に保持すると共に、電池と電池の間の空間に対応する複数本の棒状スペーサが電池積層方向に並んでくし状に連設された、少なくとも１つの間隔保持部材を有し、前記棒状スペーサは、電池と電池の間にそれぞれ挟持されるとともに、電池の広い面のうち前記保持部で保持されていない領域が、前記棒状スペーサによって分割されるように前記間隔保持部材を配置した組電池構造である（第１発明）。

そして、第１発明においては、棒状スペーサが少なくとも２つ以上の列をなすように配列されて、それぞれの電池の間には複数本の棒状スペーサが挟持され、電池の広い面のうち保持部で保持されていない領域が前記複数本の棒状スペーサによってほぼ等分される。また、本発明においては、ホルダ部材が板状とされて組電池側部からの空気漏れを防止することが好ましい（第２発明）。

本発明によれば、複数本の棒状スペーサが電池積層方向に並んでくし状に連設された間隔保持部材により、電池間の隙間を維持するようにしたので、従来技術のように多数枚の絶縁スペーサを製造・組み立てする必要がなく、組電池構造を構成する部品点数を大幅に少なくすることができる。また、電池と電池の間に挟持される棒状スペーサによって、電池の広い面のうち前記保持部で保持されていない領域が分割されるようにしたので、電池の間に少数の棒状スペーサを挟持するという簡単な構成で、電池の膨張変形を効果的に抑制できる。

また、第１発明においては、複数本の棒状スペーサを電池間に挟持して電池の広い面を棒状スペーサによって等分するようにしたので、特に効果的に電池の膨張変形を抑制できるという効果が得られる。

また、本発明において、第２発明のように、ホルダ部材が板状とされて組電池側部からの空気漏れを防止するようにした場合には、ホルダ部材を通気経路の構成部材として兼用でき、組電池構造を含む電池冷却構造をより少数の部品により構成することが可能となる。

本発明の実施形態の組電池構造を示す斜視図である。 本発明の実施形態の組電池構造の構成を示す分解図である。 本発明の実施形態の間隔保持部材を示す斜視図である。 本発明の実施形態のホルダ部材を示す斜視図である。 本発明の実施形態における棒状スペーサの配置を示す断面図である。 本発明の第２実施形態の組電池構造の構成を示す分解図である。 本発明の第２実施形態における棒状スペーサの配置を示す断面図である。 本発明における間隔保持部材の他の形態例を示す斜視図である。

以下図面に基づいて、本発明の組電池構造の実施形態について、ハイブリッド自動車用の組電池構造を例にして説明する。図１は本発明の組電池構造の実施形態の斜視図である。また、図２は本実施形態の組電池構造の部品構成を分解図で示した図である。図２における白抜き矢印は、構成部品の組みつけの方向を示すものである。

組電池構造体１において、組電池を構成する平板状の電池２，２は、電池の広い面同士が対向するように、互いに所定の間隔を隔てて積層状態に配置されている。電池２，２は直列あるいは並列に電気的に接続されて組電池を構成する。本実施形態においては、電池モジュールを構成する電池はリチウムイオンバッテリーであり、電池２は平板状（扁平な直方体状）の形状となっている。電池２，２は広い平坦面が互いに対向するように積層されて、それぞれの電池の側面（広い平坦面に隣接する面）に端子が設けられている。

電池２，２が積層状態で位置決めされて保持されるために、電池２，２の側面に対向するように、一対のホルダ部材３，３が設けられる。ホルダ部材３は電池２，２の両端の側面部全体を覆うような板状に形成されるとともに、ホルダ部材３、３には、電池の両端部２１，２１をそれぞれ保持する形状の保持部３１，３１が設けられている。図４にホルダ部材３の形状を示す。本実施形態においては、保持部３１は電池の両端部２１を取り囲んで嵌合するような形状に、ホルダ部材本体から突出して設けられている。また、ホルダ部材３には、電池の端子部分や固定用の突起が貫通する貫通穴Ｈが設けられている。ホルダ部材の貫通穴から外部に露出させた電池端子を互いに結線して、組電池として機能させる。ホルダ部材は、電池の位置を適度に固定できるものであれば、他の形状のものであっても良い。又貫通穴Ｈはその必要がなければなくても良い。

積層状に位置決めされた組電池の積層方向の両端の電池の広い面に対向するように、一対のエンドプレート４、４が設けられている。エンドプレート４、４には、一対のホルダ部材３，３が取付けられて、ボルトやバンドなどによって固定され、互いに電池の固定構造を維持する働きをする。エンドプレート４，４はホルダ部材の取付けが適切に行われる限りにおいて、省略あるいは簡素化することができる。

本実施形態の組電池構造においては、ホルダ部材３，３とエンドプレート４，４とは、角筒状の通気経路を構成して、冷却風通気経路の一部を構成する。すなわち、本組電池構造の上流側や下流側には、送風ファンや他の通経路部材（ダクトなど）が設けられて、全体として電池冷却システムを構成する。そして、積層状に並べられた電池２，２はこの角筒状通気経路内に置かれて、通路内部を通流する冷却風により冷却される。従って、ホルダ部材３やエンドプレート４は、組み立てられた状態でダクトなどに嵌合しやすいような開口部を形成するような形状とすることが好ましい。また、ホルダ部材３やエンドプレート４がダクトなどに接続される部分には、シール部材などを設けることが好ましい。
なお、組電池構造体１を収容する電池ケースなどにより、冷却風通路が組電池構造とは別個に形成される場合には、ホルダ部材やエンドプレートによって角筒状の通気経路を構成する必要はない。

１対のホルダ部材３，３のほぼ中央となる位置に、１枚の板状の間隔保持部材５が配置されている。図３に示すように、間隔保持部材５には、ホルダ部材や平板状電池と平行に延在すべき複数本の棒状スペーサ５１，５１が互いに平行にくし状に連設され、それら棒状スペーサの一端が棒状の連結部５２によって一体化されて、１枚の板状に構成されている。すなわち、本実施形態においては、棒状スペーサ５１，５１は１列の直線状に並んで配置されている。組電池の組み立て状態において、それぞれの棒状スペーサ５１，５１は、互いに所定間隔を隔てて配置された電池２，２の間の空間に対応するようにそれぞれ配置されて、電池２，２の対向する広い面の間に挟持されている。また、間隔保持部材５は、必要に応じて、連結部５２の両端部をボルト止め又は嵌合するなどして、エンドプレート４に固定しても良い。

図５は積層される電池２，２の隙間部分を電池積層方向に沿って見た断面図である。電池２の両端部２１，２１はホルダ部材３の保持部３１，３１により保持されており、電池２の広い面の略中央部分を横切るように、棒状スペーサ５１が配置されている。即ち、平板状電池２の広い面（平板状領域）において、保持部に保持されていない平板状領域Ｓ（図中の点線で囲った領域）は、棒状スペーサ５１によって、２等分されるように分割されている。図５において、冷却風は図の上側から下側に向かって流れるように構成され、棒状スペーサは、この冷却風の流れを妨げないように流れ方向に沿って配置されている。

上記組電池構造は、公知の製造方法により構成することができる。例えば、ホルダ部材３やエンドプレート４や間隔保持部材５は例えば合成樹脂の射出成形により製造することができ、互いにボルトやクリップなどの締結部材を介して結合して、上記組電池構造を構成できる。強度や熱的要件等の要件に応じて、これら部材を金属部材で構成することもできる。これら部材においてシール性や弾力性が必要な部分がある場合には、その部位をゴムやエラストマーなどの弾性材料などにより構成することが好ましい。

上記組電池構造の組み立てにおいて、間隔保持部材５の取付は、適宜の時期に行うことができる。例えば、ホルダ部材３に電池２，２を保持させていく工程に並行して、間隔保持部材５の棒状スペーサ５１を電池と電池の間に挟持させていっても良い。あるいは、ホルダ部材３，３により電池２，２を積層状に整列配置させた後に、間隔保持部材５をホルダ部材３と平行にして、棒状スペーサ５１，５１が電池の間の隙間に入り込むように、間隔保持部材５を押し込むようにしても良い。

本発明の組電池構造による作用と効果を説明する。
本発明の組電池構造においては、特許文献２に記載の技術のような多数枚の絶縁セパレータが必要なく、ごく少数枚数の（上記第１実施形態では１枚の）間隔保持部材５を使用するだけで、それぞれの電池の間に棒状スペーサ５１，５１を配置することができる。即ち、組電池構造を構成する部品点数を大幅に削減できる。

また、本発明の組電池構造によれば、多数の棒状スペーサ５１，５１の配置および固定が、ごく少数の（上記実施形態では１個の）間隔保持部材５としての配置および固定で行うことができるようになり、組電池構造の組立工程も大幅に簡略化される。

そして、本発明の組電池構造によれば、電池２，２の間に挟持される棒状スペーサ５１，５１により、効果的に電池の膨張が抑制される。本発明においては、電池２，２の両端部はホルダ部材３の保持部３１で保持されており、電池の広い面において保持部３１に保持されていない領域Ｓ（図５中に点線で囲って示した領域）が、棒状スペーサ５１によって分割されるように、棒状スペーサは挟持されている。

棒状スペーサ５１が電池２と直接接触する部分では、棒状スペーサが電池間に挟持されることにより、電池外装缶の膨張変形を直接的に抑制する。そして、棒状スペーサや保持部により直接的には膨張変形が抑制されない領域は、膨張変形する余地があるものの、電池の広い面において保持部３１に保持されていない領域Ｓが、棒状スペーサ５１によって分割されるようにされているため、変形が許容される領域の大きさが小さくなって、その膨張変形が大幅に抑制可能である。

発明者らの構造解析シミュレーション検討によれば、大きさ１２０ｍｍ×８０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの外形の平板状電池で、厚さ０．５ｍｍのアルミニウム製の電池外装缶に対し１ＭＰａ程度の内圧を与えた際の膨張変形は、棒状スペーサがない場合には２．２ｍｍの膨張変形がを生じたのに対し、一本の棒状スペーサを中央部に備えさせた場合には、膨張変形が０．１７ｍｍにまで減少するなど、電池外装缶の膨張変形を大幅に抑制できることを確認した。

すなわち、本発明の組電池構造によれば、電池の広い面において保持部３１に保持されていない領域Ｓを、棒状スペーサによって分割するようにしたので、少数の棒状スペーサを挟持するという簡単な構成で、大幅な膨張変形抑制効果が得られている。

この膨張変形抑制効果をより効果的に発揮するには、領域Ｓを分割した後の領域の幅Ｗを小さくすることが非常に効果的である。その観点から、棒状スペーサを、領域Ｓを等分するように、すなわち、１枚の間隔保持部材５が一対のホルダ部材３の中央になるように配置して、大きな幅の分割領域が生じないようにすることが好ましい。

また、上記実施形態では、電池と電池の間に一本の棒状スペーサを挟持するようにしたが、より好ましくは、電池と電池の間に２本以上の棒状スペーサを配置して、これらスペーサによって領域Ｓを分割（特に好ましくは等分割）するようにすれば、分割された領域の幅が小さくなって、電池外装缶の膨張変形が特に効果的に抑制される。

また、上記実施形態においては、ホルダ部材３，３とエンドプレート４，４によって角筒状の通気経路が構成されるようにしているが、ホルダ部材３を板状にして電池の両端部全体を覆うようにして、組電池側部からの空気漏れを防止するようにすれば、電池間の隙間を流れる冷却風の漏れを効果的に防止可能な通気経路を、構造部材であるホルダ部材３，３を活用して実現できて、特に簡単な構成で組電池構造や電池冷却構造が構成可能となる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変をして実施することができる。以下に本発明の他の実施形態について説明するが、以下の説明においては、上記実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様である部分についてはその説明を簡略化または省略する。

まず、間隔保持部材の変更例を説明する。電池間に挟持される棒状スペーサを連設した間隔保持部材は、複数の棒状スペーサを効率よく配置可能なものであれば特に限定されないが、上記実施形態のように、棒状スペーサが電池積層方向に１列の直線状に並んで連設されていることが好ましい。棒状スペーサの連設の形態は直線状に限定されず、例えば千鳥状の連設形態であっても良いが、直線状に連設されていると、個々の電池もまた、一対の棒状スペーサによって電池積層方向に挟持されるようになって、電池に曲げ変形入力が加えられるおそれがなくなって、電池外装缶の変形防止の観点から特に好ましい。

また、間隔保持部材は、図６に示した第２実施形態のように、棒状スペーサ７１，７１が、２列の直線状に連設されるような間隔保持部材７であっても良い。この場合は、棒状スペーサは、それぞれの電池の間に２本ずつ配置されるようになる。図７に示したように、棒状スペーサ７１,７１によって、電池の広い面のうち保持部３１により保持されていない平板状領域Ｓが短冊状に３等分されるように棒状スペーサを配置することが特に好ましい。

本実施形態においても、簡単な部品構成で、電池外装缶のふくれを効果的に抑制できる。

棒状スペーサを電池積層方向に連設する形態は、１列でも２列でも、それ以上であっても良い。そしてこれら棒状スペーサは、上記第２実施形態のように、全てを１つの間隔保持部材に一体化しても良いし、それぞれの列をなす棒状スペーサごとに第１実施形態のような１つの間隔保持部材を構成し、１つまたは複数の間隔保持部材を組電池構造に備えさせるようにしても良い。また、間隔保持部材は、適宜、電池積層方向にわたって分割して（例えば２分割あるいは３分割して）設けることも可能である。

間隔保持部材の形態も、種々の改変が可能である。図８（ａ）に示すように、間隔保持部材８は、連設された棒状スペーサ８１，８１の両端を連結部８２，８２で連結一体化して構成することもできる。この場合は、棒状スペーサ８１，８１の間に電池２を通すようにして、組電池を組み立てればよい。また、図８（ｂ）のように、棒状スペーサ９１，９１の端部を連結一体化する連結部のうち一方の連結部９２は棒状スペーサ９１，９１と一体に形成すると共に、他方の連結部９３は棒状スペーサと組み付け／取り外し可能に構成しても良い。このようにすると、棒状スペーサの配置・固定を確実にしながら、組電池の組立工程の自由度を高めることができる。

また、図８（ｃ）のような間隔保持部材１０とすることもでき、本形態においては、連設される棒状スペーサ１０１，１０１は、その端部が短い連結部１０２，１０２によって交互に連結されて、全体として一本の線材が弓の字状に折り曲げられたような板状の形状とされている。本形態の間隔保持部材は、例えば、所定寸法に押し出し成形された線材を曲げ加工して製造することができる。

また、組電池の上流側や下流側に、冷却風の流れを調整するための流れ制御板（電池間の隙間に対応するようにスリットが設けられた板など）が設けられるような場合には、棒状スペーサを連結一体化する連結部として流れ制御板を利用して間隔保持部材を構成することも好ましい実施の形態である。

なお、上記実施形態においては、ホルダ部材３やエンドプレート４を板状の部材で構成して角筒状の通気経路とする実施形態について説明したが、必ずしも、板状の部材とする必要はなく、組電池の構造が適切に維持可能な範囲で、棒状部材やブロック状部材、バンド部材などにより構成してもよく、その場合には、他の部材（例えば電池ケース）により、冷却風の通気経路が構成されるようにすればよい。また、これら部材は、適宜、分割して構成することもできる。

組電池を構成する平板状電池の種類には、一次電池、二次電池（リチウムイオンバッテリー、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池など）、二重電気キャパシタなどが例示でき、さらには、複数個のそれら電池をモジュール化したものが例示できる。電池は、上記実施形態においては、平板状のものについて説明したが、多少の曲がりを有する平板状であっても良い。さらに、平板状電池の表面は平坦である必要はなく、冷却性向上や電池外装缶の剛性向上のための凹凸条などを有する電池であってもよい。

組電池が使用される目的・用途も、自動車用に限定されるものではなく、例えば、風力発電装置や太陽電池発電装置などにおいて発電電力を平準化する目的で二次電池が使用される用途など、広い用途に使用される組電池の構成に本発明は活用できる。

本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車、発電装置などに使用される大容量組電池の構成に使用することができ、それら組電池を構成する平板状電池を少ない部品で整列配置し、電池のふくれ変形を抑制することができ、産業上の利用価値が高い。

１ 組電池構造体
２ 電池
３ ホルダ部材
３１ 保持部
４ エンドプレート
５ 間隔保持部材
５１ 棒状スペーサ
５２ 連結部
７，８，９，１０ 間隔保持部材

Claims (2)

1. 複数の平板状の電池が、その広い面が対向するように所定間隔を隔てた積層状に並べられた組電池構造であって、
   電池の両端部をそれぞれ保持可能な保持部が設けられた対をなすホルダ部材により、電池を所定位置に保持すると共に、
   電池と電池の間の空間に対応する複数本の棒状スペーサが電池積層方向に並んでくし状に連設された、少なくとも１つの間隔保持部材を有し、
   前記棒状スペーサは、電池と電池の間にそれぞれ挟持されるとともに、
   電池の広い面のうち前記保持部で保持されていない領域が、前記棒状スペーサによって分割されるように前記間隔保持部材を配置すると共に、
   棒状スペーサが少なくとも２つ以上の列をなすように配列されて、それぞれの電池の間には複数本の棒状スペーサが挟持され、電池の広い面のうち保持部で保持されていない領域が前記複数本の棒状スペーサによってほぼ等分された組電池構造。
2. ホルダ部材が板状とされて組電池側部からの空気漏れを防止した請求項１に記載の組電池構造。

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