JP7356079B2 - 電池システム - Google Patents

Description

本発明は、移動体に搭載される二次電池に付与する加圧力を調整可能な電池システムに関する。

一般に、二次電池は、矩形板状の正極電極と矩形板状の負極電極とが矩形板状の不織布製のセパレータを介して交互に複数積層されてなる電極組立体及び電解液を外装ケースによって密封した構成になっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１－１１３９６１号公報

ところで、上述のような二次電池は、セパレータが脆弱な不織布製であるため、例えば電気自動車などの移動体に搭載すると、走行時の振動によってセパレータが各電極と擦れ合って破損するおそれがあるという問題がある。

本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされた。その目的は、二次電池を構成する不織布製のセパレータの振動による破損を抑制できる電池システムを提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する電池システムは、移動体に搭載される電池システムであって、正極と負極とが不織布製のセパレータを介して交互に複数積層されてなる電極積層体及び電解液が可撓性を有した外装部材によって包み込まれた二次電池と、前記二次電池に対して前記電極積層体の積層方向の加圧力を付与可能な加圧機構と、を備えることを要旨とする。

通常、移動体は、加速または減速するときに、振動する。移動体の振動は二次電池に伝わるので、二次電池を構成する正極、負極、及びセパレータも個別に振動する。これにより、正極及び負極に比べて脆弱な不織布製のセパレータは、正極及び負極とそれぞれ擦れ合うことで、破損するおそれがある。この点、この構成によれば、加圧機構によって二次電池に加圧力を付与すると、二次電池が拘束されるので、二次電池の振動が抑制される。したがって、二次電池を構成する不織布製のセパレータの振動による破損を抑制できる。

一実施形態の電池システムの概略構成を示す側面模式図。 二次電池の断面模式図。

以下、電池システムの一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、電池システム１１は、例えば電気自動車などの移動体１２に搭載され、複数の二次電池１３と、複数の電池冷却器１４と、複数の温度センサ１５と、複数の送風機１６と、加圧機構１７と、加速度取得部の一例としての加速度センサ１８と、電流センサ１９と、制御部２０とを備えている。

図２に示すように、二次電池１３は、例えばリチウムイオン電池などによって構成される。二次電池１３は、矩形板状をなす金属製の正極２１と矩形板状をなす金属製の負極２２とが矩形板状の不織布製のセパレータ２３を介して交互に複数積層されてなる電極積層体２４及び電解液が可撓性を有した外装部材２５によって包み込まれた構成になっており、略直方体状をなしている。外装部材２５は、例えばアルミラミネートフィルムによって構成される。

図１及び図２に示すように、複数の二次電池１３は、直方体状をなす中空のベース部材２６上に水平方向における一方向Ｘに並ぶように配置されている。この場合、一方向Ｘは、ベース部材２６の長手方向及び電極積層体２４の積層方向と一致している。複数の二次電池は、電極端子２７を有しており、バスバー（図示略）によって直列に接続されている。複数の二次電池には、複数の二次電池の総電流を検出する電流センサ１９が直列に接続されている。

図１に示すように、各電池冷却器１４は、略直方体状をなしており、一方向Ｘに並んだ隣り合う二次電池１３同士の間に二次電池１３と接触するように配置されている。つまり、ベース部材２６上には、複数の二次電池１３と複数の電池冷却器１４とが最大限面接触するように一方向Ｘに交互に並んで配置されている。この場合、一方向Ｘの両端にはいずれも二次電池１３が配置されるため、電池冷却器１４の数は二次電池１３の数よりも一つ少なくなっている。

各電池冷却器１４は、冷却用の流体としての空気が流れる複数の流路２８を有している。複数の流路２８は、一方向Ｘ及び鉛直方向Ｚの両方と直交する幅方向Ｙに延びている。複数の流路２８は、互いに平行となるように鉛直方向Ｚに等間隔で並んで配置されている。各流路２８は、断面視で四角形状をなしている。各電池冷却器１４は、例えばアルミニウムなどの比較的熱伝導性の高い材料によって構成される。

ベース部材２６上における一方向Ｘの両端に位置する２つの二次電池１３の外側には、一対のＬ字板状の挟持部材２９が、これら２つの二次電池１３とそれぞれ面接触するように配置されている。すなわち、一対の挟持部材２９は、複数の二次電池１３及び複数の電池冷却器１４を一方向Ｘにおいて両側から纏めて挟むように配置されている。一対の挟持部材２９のうちの一方はベース部材２６上にボルト３０で固定された固定挟持部材３１とされ、他方はベース部材２６上において一方向Ｘに往復移動可能に設けられた可動挟持部材３２とされている。

ベース部材２６内における可動挟持部材３２の下側には、可動挟持部材３２を一方向Ｘに往復移動可能なアクチュエータ３３が設けられている。アクチュエータ３３は、一方向Ｘに延びるボールねじ軸３４と、ボールねじ軸３４に螺合した状態で可動挟持部材３２に連結されたナット３５と、ボールねじ軸３４を正逆両方向に回転駆動可能なモータ３６とを備えている。

したがって、モータ３６によってボールねじ軸３４を正方向に回転駆動したり逆方向に回転駆動したりすることで、可動挟持部材３２が一方向Ｘにおいて固定挟持部材３１に対して近づいたり離れたりするように移動する。そして、モータ３６によってボールねじ軸３４を正方向に回転駆動することによって可動挟持部材３２を一方向Ｘにおいて固定挟持部材３１に対して近づくように移動させた場合には、一対の挟持部材２９によって複数の電池冷却器１４及び複数の二次電池１３に対して一方向Ｘにおける加圧力が付与される。

なお、本実施形態では、アクチュエータ３３及び一対の挟持部材２９により、二次電池１３に対して一方向Ｘの加圧力を付与可能な加圧機構１７が構成されている。
複数の送風機１６は、幅方向Ｙにおいて複数の電池冷却器１４の流路２８と対向するように、一方向Ｘに等間隔で並ぶように配置されている。複数の送風機１６は、その駆動により、複数の電池冷却器１４の流路２８及び複数の二次電池１３に対して冷却用の空気を供給する。

制御部２０は、電池システム１１を統括的に制御する。複数の二次電池１３には、複数の二次電池１３の温度を検出する温度センサ１５がそれぞれ取り付けられている。制御部２０は、複数の送風機１６、複数の温度センサ１５、移動体１２が移動するときの加速度を検出する加速度センサ１８、電流センサ１９、及びモータ３６とそれぞれ電気的に接続されている。制御部２０は、複数の温度センサ１５によってそれぞれ検出された複数の二次電池１３の温度の平均値に基づいて、複数の送風機１６の駆動を制御する。

制御部２０は、電流センサ１９によって検出された複数の二次電池１３の総電流値を積算することによって二次電池１３の充電率を算出する。制御部２０は、二次電池１３の充電率、複数の温度センサ１５によってそれぞれ検出された複数の二次電池１３の温度の平均値、及び加速度センサ１８によって検出された移動体１２の加速度に基づいて、加圧機構１７を構成するモータ３６の駆動を制御する。

制御部２０には、加圧機構１７によって各二次電池１３に付与される加圧力を、各二次電池１３のセパレータ２３が目詰まりすることなくセパレータ２３の振動を抑制できる程度に調節するためのデータが記憶されている。このデータは、移動体１２の加速度、二次電池１３の充電率、及び複数の二次電池１３の温度の平均値に基づいて加圧機構１７によって各二次電池１３に付与する加圧力を決定するためのデータであり、予め実験やシミュレーションによって求められる。

この場合、各二次電池１３に付与する加圧力は、移動体１２の加速度が大きくなるほど大きくなり、二次電池１３の充電率が高いほど小さくなり、複数の二次電池１３の温度の平均値が高いほど小さくなるように設定されている。さらに、制御部２０には、各二次電池１３を効率よく使用する上での各二次電池１３の適切な温度範囲である所定温度範囲Ｔが記憶されている。

次に、電池システム１１を移動体１２の動力源として用いた場合の作用について説明する。
電池システム１１は、移動体１２が停止している状態では、加圧機構１７を構成する一対の挟持部材２９により各二次電池１３に対して一方向Ｘにおける加圧力が付与されていない。そして、移動体１２は移動し始めて加速すると振動し、この振動は移動体１２の加速度が大きくなるにつれて大きくなる。このとき、電池システム１１では、モータ３６の駆動により、移動体１２の加速度に応じた加圧力が一対の挟持部材２９によって各二次電池１３に付与される。

さらにこのとき、各二次電池１３は温度変化及び充電率の変化によって膨張率が変化するが、一対の挟持部材２９によって各二次電池１３に付与される加圧力は各二次電池１３の温度変化及び充電率の変化に基づく膨張率の変化も考慮されている。このため、各二次電池１３が一対の挟持部材２９によって適切に加圧されるので、各二次電池１３のセパレータ２３が適切に拘束される。

すなわち、セパレータ２３が目詰まりすることなくセパレータ２３の振動が抑制される程度に各二次電池１３が一対の挟持部材２９によって加圧される。このため、各二次電池１３のセパレータ２３の陽イオンの透過率の低下が抑制されつつ、各二次電池１３のセパレータ２３の正極２１及び負極２２とのそれぞれの擦れ合いが抑制される。したがって、電池システム１１では、各二次電池１３の性能の低下が抑制されつつ、各二次電池１３を構成する不織布製のセパレータ２３の振動による破損が抑制される。

また、電池システム１１では、移動体１２の移動に伴って複数の二次電池１３が使用されると、複数の二次電池１３の平均温度が上昇する。そして、複数の二次電池１３の平均温度が所定温度範囲Ｔの上限になると、各送風機１６が駆動されて各電池冷却器１４の流路２８及び各二次電池１３に対して冷却用の空気が供給される。

すると、各電池冷却器１４によって二次電池１３から奪われた熱が流路２８を流れる空気によって持ち去られるので、各二次電池１３が電池冷却器１４によって効率的に冷却される。そして、各二次電池１３が冷却されて複数の二次電池１３の平均温度が所定温度範囲Ｔの下限になると、各送風機１６が停止される。すると、複数の二次電池１３の平均温度が再び上昇する。このようにして、複数の二次電池１３の平均温度が所定温度範囲Ｔに保たれる。

以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）電池システム１１は、各二次電池１３に対して一方向Ｘの加圧力を付与可能な加圧機構１７を備えている。通常、移動体１２は、加速または減速するときに、振動する。移動体１２の振動は各二次電池１３に伝わるので、各二次電池１３を構成する正極２１、負極２２、及びセパレータ２３も個別に振動する。これにより、正極２１及び負極２２に比べて脆弱な不織布製のセパレータ２３は、正極２１及び負極２２とそれぞれ擦れ合うことで、破損するおそれがある。この点、本実施形態の電池システム１１では、加圧機構１７によって各二次電池１３に加圧力を付与することで、各二次電池１３を拘束できるので、各二次電池１３の振動を抑制できる。したがって、各二次電池１３を構成する不織布製のセパレータ２３の振動による破損を抑制できる。

（２）電池システム１１において、制御部２０は、加速度センサ１８によって検出された移動体１２の加速度に基づいて加圧機構１７の駆動を制御する。通常、移動体１２は加速または減速するときに振動し、この振動は移動体１２の加速度が大きくなるにつれて大きくなる。移動体１２の振動は各二次電池１３に伝わるので、各二次電池１３を構成する正極２１、負極２２、及びセパレータ２３も個別に振動する。これにより、正極２１及び負極２２に比べて脆弱な不織布製のセパレータ２３は、正極２１及び負極２２とそれぞれ擦れ合うことで、破損するおそれがある。このため、加圧機構１７によって各二次電池１３に加圧力を付与して各二次電池１３を拘束すれば、各二次電池１３の振動を抑制できるので、セパレータ２３の振動による破損を抑制できる。しかし、各二次電池１３に付与する加圧力が大きすぎると、脆弱な不織布製のセパレータ２３は目詰まりを起こす。この結果、陽イオンがセパレータ２３を透過し難くなり、各二次電池１３の性能が低下してしまう。この点、本実施形態の電池システム１１では、移動体１２が移動するときの加速度に基づいて加圧機構１７によって各二次電池１３に付与される加圧力が制御される。すなわち、移動体１２の加速度に応じて、加圧機構１７によって各二次電池１３に付与される加圧力を、セパレータ２３が目詰まりすることなくセパレータ２３の振動を抑制できる程度に調節している。このため、各二次電池１３の性能の低下を抑制しつつ、各二次電池１３を構成する不織布製のセパレータ２３の振動による破損を抑制できる。

（３）電池システム１１において、制御部２０は、複数の温度センサ１５によってそれぞれ検出された複数の二次電池１３の温度の平均値に基づいて加圧機構１７の駆動を制御する。通常、各二次電池１３は、温度に応じて膨張及び収縮する。このため、各二次電池１３の温度が変化すると、加圧機構１７によって各二次電池１３に付与される加圧力も変化してしまう。この点、本実施形態の電池システム１１では、複数の二次電池１３の温度の平均値に基づいて加圧機構１７によって複数の二次電池１３に付与される加圧力が制御される。すなわち、複数の二次電池１３の温度の平均値に応じて、加圧機構１７によって複数の二次電池１３に付与される加圧力を、セパレータ２３が目詰まりすることなくセパレータ２３の振動を抑制できる程度に調節している。このため、各二次電池１３の性能の低下を抑制しつつ、各二次電池１３を構成する不織布製のセパレータ２３の振動による破損を効果的に抑制できる。

（４）電池システム１１において、制御部２０は、各二次電池１３の充電率に基づいて加圧機構１７の駆動を制御する。通常、各二次電池１３は、充電率に応じて膨張及び収縮する。このため、各二次電池１３の充電率が変化すると、加圧機構１７によって各二次電池に付与される加圧力も変化してしまう。この点、本実施形態の電池システム１１では、各二次電池１３の充電率に基づいて加圧機構１７によって各二次電池１３に付与される加圧力が制御される。すなわち、各二次電池１３の充電率に応じて、加圧機構１７によって各二次電池１３に付与される加圧力を、セパレータ２３が目詰まりすることなくセパレータ２３の振動を抑制できる程度に調節している。このため、各二次電池１３の性能の低下を抑制しつつ、各二次電池１３を構成する不織布製のセパレータ２３の振動による破損をより一層効果的に抑制できる。

（５）電池システム１１において、一方向Ｘで隣り合う二次電池１３同士の間には、冷却用の空気が流れる流路２８を有した電池冷却器１４が各二次電池１３と接触するように配置されている。この構成によれば、各電池冷却器１４の流路２８に送風機１６によって冷却用の空気を流すことで、各電池冷却器１４と接触する二次電池１３を効果的に冷却することができる。

（変更例）
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・電池冷却器１４は省略してもよい。
・複数の二次電池１３と複数の電池冷却器１４とは、一方向Ｘにおいて必ずしも交互に配置する必要はない。例えば、複数の二次電池１３に対して二つおきに電池冷却器１４を一つ配置するようにしてもよいし、複数の二次電池１３に対して三つおきに電池冷却器１４を一つ配置するようにしてもよい。

・制御部２０は、必ずしも各二次電池１３の充電率に基づいて加圧機構１７の駆動を制御する必要はない。
・制御部２０は、必ずしも複数の温度センサ１５によってそれぞれ検出された複数の二次電池１３の温度の平均値に基づいて加圧機構１７の駆動を制御する必要はない。

・制御部２０は、必ずしも加速度センサ１８によって検出された移動体１２の加速度に基づいて加圧機構１７の駆動を制御する必要はない。
・加速度センサ１８を省略し、移動体１２の加速度を移動体１２に搭載されたスピードメータの速度と時間とに基づいて制御部２０が算出するようにしてもよい。この場合、加速度取得部は、制御部２０によって構成される。

・二次電池１３は、１つであってもよい。
・冷却用の流体は、空気以外の気体であってもよいし、液体であってもよいし、気体と液体の混合物であってもよい。冷却用の流体として液体を用いる場合には、例えばフッ素系不活性液体であるフロリナート（登録商標）などの電気絶縁性を有する液体を採用することが好ましい。

・移動体１２は、自動車に限らず、自転車、オートバイ、船舶、飛行機、ヘリコプタ、ドローン（無人航空機）などであってもよい。

１１…電池システム、１２…移動体、１３…二次電池、１４…電池冷却器、１５…温度センサ、１７…加圧機構、１８…加速度取得部の一例としての加速度センサ、１９…電流センサ、２０…制御部、２１…正極、２２…負極、２３…セパレータ、２４…電極積層体、２５…外装部材、２８…流路、Ｘ…一方向（積層方向）。

Claims (5)

1. 移動体に搭載される電池システムであって、
   正極と負極とが不織布製のセパレータを介して個別に振動し得るように交互に複数積層されてなる電極積層体及び電解液が可撓性を有した外装部材によって包み込まれた二次電池と、
   前記二次電池に対して前記電極積層体の積層方向の加圧力を付与可能であり、かつ前記二次電池を加圧することによって、前記セパレータを目詰まりさせることなく、前記セパレータの振動に起因する前記セパレータと前記正極及び前記負極との擦れ合いを抑制可能な加圧機構と、を備えることを特徴とする電池システム。
2. 前記移動体が移動するときの加速度を取得する加速度取得部と、
   前記加圧機構の駆動を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記加速度取得部によって取得された前記加速度に基づいて前記加圧機構の駆動を制御することを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
3. 前記二次電池の温度を検出する温度センサを備え、
   前記制御部は、前記温度センサによって検出された前記温度に基づいて前記加圧機構の駆動を制御することを特徴とする請求項２に記載の電池システム。
4. 前記二次電池の電流を検出する電流センサを備え、
   前記制御部は、前記電流センサによって検出された電流値を積算することによって前記二次電池の充電率を算出し、前記充電率に基づいて前記加圧機構の駆動を制御することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電池システム。
5. 前記二次電池は、前記積層方向に並ぶように複数配置され、
   隣り合う前記二次電池同士の間には、冷却用の流体が流れる流路を有した電池冷却器が前記二次電池と接触するように配置されていることを特徴とする請求項１～請求項４のうちいずれか一項に記載の電池システム。