JP2010061982A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の蓄電装置を並べて配置していると、特定の蓄電装置が発熱したときに、隣り合って配置された他の蓄電装置にも熱が伝達されてしまう。
【解決手段】 他の蓄電装置（１０）と隣り合って配置される蓄電装置（１０）において、正極素子および負極素子を含む発電要素（１３）と、発電要素を収容するケース（１４）と、を有する。ケースのうち他の蓄電装置側に面する領域を、ケースの温度上昇に応じて、他の蓄電装置から離れる方向に変形させる。例えば、ケースの上記領域を、温度上昇に応じて、ケースの内側に向かって凸となる形状に変形させることができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、複数の蓄電装置を並べて配置することによって構成される蓄電モジュールにおいて、この蓄電モジュールを構成する蓄電装置に関するものである。

車両の動力源として、二次電池を用いる場合には、複数の二次電池（単電池）で構成された電池モジュールを車両に搭載している。具体的には、電池モジュールを構成する複数の二次電池を電気的に直列に接続することにより、車両の走行に必要なエネルギを出力できるようにしている。ここで、電池モジュールとしては、複数の二次電池を一方向に並べて配置したものがある。
特開２００２−１５１０２５号公報（図１） 特開２００２−１２４２２４号公報

複数の二次電池を並べて配置した構成では、例えば、特定の二次電池が過充電等によって発熱したときに、この熱が、特定の二次電池と隣り合って配置された二次電池にも伝達されてしまうことがある。

そこで、本発明の目的は、複数の蓄電装置が並んで配置された構成において、隣り合って配置された他の蓄電装置に対して熱が伝達されるのを抑制することができる蓄電装置を提供することにある。

本願第１の発明は、他の蓄電装置と隣り合って配置される蓄電装置であって、正極素子および負極素子を含む発電要素と、発電要素を収容するケースと、を有している。そして、ケースのうち他の蓄電装置側に面する領域を、ケースの温度上昇に応じて、他の蓄電装置から離れる方向に変形させている。

具体的には、ケースの上記領域を、温度上昇に応じて、ケースの内側に向かって凸となる形状に変形させることができる。そして、上記領域を変形させるときの温度としては、発電要素からガスが発生するときの温度（予測された設定温度）とすることができる。これにより、蓄電装置からガスが発生した際に、この蓄電装置のケースを変形させることができる。そして、他の蓄電装置の温度が、ガスが発生した蓄電装置の温度まで上昇してしまうのを抑制することができる。

ケースは、形状記憶合金又は形状記憶樹脂で形成したり、バイメタルで形成したりすることができる。ここで、少なくとも上記領域を、上述した材料で形成しておけばよい。例えば、ケースの全体を上述した材料で形成することもできるし、上記領域だけを上述した材料で形成することもできる。

本願第２の発明は、並んで配置された複数の蓄電装置を有する蓄電モジュールであって、複数の蓄電装置のうち少なくとも１つの蓄電装置を、本願第１の発明である蓄電装置としている。複数の蓄電装置は、互いに近づく方向の力を受けた状態で支持することができる。

ここで、隣り合う２つの蓄電装置の間にスペーサを配置することができる。スペーサは、蓄電装置との間で熱交換を行うための熱交換媒体が移動する経路を形成するために用いられる。スペーサを備えた構成において、蓄電装置のケースを、温度上昇に応じて、スペーサから離れる方向に変形させることができる。このとき、ケースは、スペーサに接触したままの接触部分と、スペーサから離れた非接触部分とを有している。

本願第１および第２の発明では、蓄電装置のケースのうち他の蓄電装置側に面する領域を、ケースの温度上昇に応じて、他の蓄電装置から離れる方向に変形させている。これにより、蓄電装置の温度が上昇しても、この熱が他の蓄電装置に伝達されるのを抑制することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である電池モジュール（蓄電モジュール）について、図１および図２を用いて説明する。ここで、図１は、電池モジュールの上面図であり、図２は、電池モジュールの側面図である。図１および図２において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸であり、Ｚ軸は、重力方向に相当する軸である。他の図面においても同様である。

電池モジュール１は、複数の単電池（蓄電装置）１０を有している。複数の単電池１０は、Ｘ方向において並んで配置されており、隣り合う２つの単電池１０の間には、スペーサ２０が配置されている。単電池１０としては、リチウムイオン電池やニッケル水素電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）を用いることもできる。

単電池１０は、図３に示すように、電池ケース１４と、電池ケース１４内に収容される発電要素１３と、発電要素１３に接続される電極端子とを有している。電池ケース１４は、後述するように、形状記憶合金で形成されている。発電要素１３は、充放電を行うことができる要素であり、公知の構成を適宜用いることができる。具体的には、正極素子、セパレータおよび負極素子を、この順に積層したものを、図３に示すように巻くことによって、発電要素１３を構成することができる。また、複数の正極素子および複数の負極素子を、セパレータを挟んで交互に積層することにより、発電要素を構成することもできる。正極素子および負極素子はそれぞれ、集電板と、集電板の表面に形成された活物質層とで構成することができる。

電極端子としては、発電要素１３の正極素子と電気的および機械的に接続された正極端子１１と、発電要素１３の負極素子と電気的および機械的に接続された負極端子１２とがある。正極端子１１および負極端子１２は、電池ケース１４の上面に設けられている。

単電池１０の正極端子１１は、隣り合って配置された他の単電池１０における負極端子１２に対して、バスバー２１を介して電気的に接続されている。また、単電池１０の負極端子１２は、隣り合って配置された他の単電池１０における正極端子１１に対して、バスバー２１を介して電気的に接続されている。これにより、電池モジュール１を構成する複数の単電池１０が電気的に直列に接続される。ここで、複数の単電池１０のうち、１つの単電池１０における正極端子１１は、電池モジュール１の総プラス端子となる。また、他の１つの単電池１０における負極端子１２は、電池モジュール１の総マイナス端子となる。

単電池１０は、角形に形成されており、６つの外面を有している。具体的には、単電池１０は、上面、下面、２つの第１側面および２つの第２側面を有している。第１側面とは、単電池１０のうちＹ−Ｚ平面を構成する側面であり、第２側面とは、単電池１０のうちＸ−Ｚ平面を構成する側面である。単電池１０の第１側面は、スペーサ２０に接触している。

ここで、電池モジュール１を構成する複数の単電池１０のうち、Ｘ方向における両端に位置する単電池１０については、２つの第１側面のうち、１つの第１側面だけがスペーサ２０に接触している。そして、他の第１側面は、後述するエンドプレート２２に接触している。

スペーサ２０は、樹脂で形成されており、図４に示すように、複数の突起部２０ａを有している。各突起部２０ａは、Ｙ方向に延びている。また、複数の突起部２０ａは、Ｚ方向に関して、所定の間隔を空けた状態で配置されている。なお、突起部２０ａの形状および数は、適宜設定することができる。すなわち、突起部２０ａにより、後述する熱交換媒体の移動スペースを形成することができればよい。

スペーサ２０は、２つの単電池１０によって挟まれているため、突起部２０ａの先端は、一方の単電池１０における第１側面に接触している。また、スペーサ２０のうち、突起部２０ａが形成された面とは反対側の面は、他方の単電池１０における第１側面に接触している。ここで、突起部２０ａが単電池１０の第１側面に接触することにより、単電池１０の第１側面およびスペーサ２０の間には、スペースＳ（図４参照）が形成される。このスペースＳは、熱交換媒体（不図示）を移動させるための流路となる。

単電池１０は、充放電によって発熱することがある。また、単電池１０は、所定の温度範囲内において所望の出力特性を示し、この温度範囲を外れる場合には、出力特性が劣化してしまうことがある。そこで、単電池１０の状態に応じて、単電池１０を温めたり、冷やしたりする必要がある。具体的には、電池モジュール１０に対して、空気といった熱交換媒体（気体）を供給することにより、単電池１０の温度を調節することができる。

上述したスペースＳで熱交換媒体を移動させると、熱交換媒体が単電池１０と接触することにより、単電池１０との間で熱交換が行われる。これにより、単電池１０の温度を調節することができる。

電池モジュール１のうち、Ｘ方向における両端には、一対のエンドプレート２２が配置されている。各エンドプレート２２は、電池モジュール１を構成する複数の単電池１０のうち、Ｘ方向における両端に位置する単電池１０と接触している。また、一対のエンドプレート２２には、複数（４つ）の拘束部材２３が固定されている。具体的には、各エンドプレート２２の上面に、２つの拘束部材２３が固定されているとともに、各エンドプレート２２の下面に、２つの拘束部材２３が固定されている。

これにより、一対のエンドプレート２２は、複数の拘束部材２３を介して連結されている。そして、Ｘ方向で並べられた複数の単電池１０は、エンドプレート２２を介して図１の矢印Ｆで示す力を受けている。力Ｆは、一対のエンドプレート２２によって、複数の単電池１０を狭持するための力となる。各単電池１０は、力Ｆを受けることにより、スペーサ２０に接触する。

ここで、複数の単電池１０を狭持するための構造は、図１および図２に示す構造に限るものではない。すなわち、複数の単電池１０に対して、図１の矢印Ｆで示す力を作用させるものであれば、いかなる構造であってもよい。例えば、１つの拘束部材２３を用いて一対のエンドプレート２２を連結したり、エンドプレート２２のうち、Ｙ方向における端面に対して拘束部材２３を固定したりすることができる。

上述した電池モジュール１は、パックケース（不図示）に収容することにより、電池パックを構成することができる。ここで、電池モジュール１は、パックケースに固定することができる。

次に、本実施例における電池モジュール１の特長について、図５および図６を用いて説明する。ここで、図５および図６は、電池モジュール１における一部分の構成を示す側面図である。まず、本実施例における電池ケース１４の構成について説明する。

本実施例では、後述するように、単電池１０の温度上昇に応じて、電池ケース１４を変形させるようにしている。具体的には、本実施例における電池ケース１４が、形状記憶合金で形成されている。形状記憶合金は、低温相（マルテンサイト）で変形させた後に、所定の温度（形状回復温度）以上に加熱すると、変形前の状態に回復する性質を有している。形状記憶合金の材料は、電池ケース１４を変形させるときの温度に基づいて、適宜選択することができる。具体的には、Ｎｉ−Ｔｉ系合金やＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ系合金を用いることができる。

単電池１０が発熱していない場合には、各単電池１０の電池ケース１４は、図１および図２に示すように、スペーサ２０に接触している。ここで、過充電等によって単電池１０が発熱すると、この単電池１０における電池ケース１４は、図５に示すように変形する。具体的には、電池ケース１４の第１側面１４ａが、電池ケース１４の内側に向かって凸となるように変形する。そして、図６に示すように、電池ケース１４（単電池１０）の第１側面１４ａがスペーサ２０から離れる方向に変形する。ここで、図６は、３つの単電池１０のうち、中央に位置する単電池１０が発熱している状態を示している。

なお、単電池１０に対して過充電を行うと、発電要素１３からガスが発生するとともに、単電池１０の温度が過度に上昇してしまうことがある。そこで、電池ケース１４を変形させる温度として、発電要素１３からガスが発生するときの予測温度（予測された設定温度）とすることができる。これにより、単電池１０（発電要素１３）からガスが発生した際に、この単電池１０の電池ケース１４を変形させることができる。

本実施例では、図７に示すように、電池ケース１４の第１側面１４ａのうち、中央に位置する領域Ｒだけを変形させるようにしている。すなわち、第１側面１４ａのうち、領域Ｒ以外の領域（いわゆる外縁領域）は、スペーサ２０に接触させたままとしている。これにより、第１側面１４ａにおける領域Ｒを、スペーサ２０から離すことができる。ここで、複数の単電池１０には、図１に示す矢印Ｆの力が作用しているため、第１側面１４ａの全体を変形させても、第１側面１４ａをスペーサ２０から離しにくくなる。そこで、本実施例では、第１側面１４ａの一部（領域Ｒ）だけを変形させるようにしている。

なお、本実施例では、第１側面１４ａを変形させる際に、この外縁領域をスペーサ２０に接触させたままとしているが、これに限るものではない。すなわち、温度上昇に応じて第１側面１４ａが変形した際に、第１側面１４ａの一部がスペーサ２０に接触していればよい。そして、第１側面１４ａの残りの部分をスペーサ２０から離せばよい。

本実施例では、第１側面１４ａが電池ケース１４の内側に向かって凸となるように電池ケース１４を形成したうえで、電池ケース１４の第１側面を低温相で平坦状に変形させておく。これにより、電池ケース１４の温度が所定温度（形状回復温度）に到達するまでは、電池ケース１４の第１側面１４ａは、平坦状に形成された状態で、スペーサ２０に接触していることになる。

複数の単電池１０のうち特定の単電池１０の温度が過度に上昇した場合には、特定の単電池１０の熱が、スペーサ２０を介して他の単電池１０に伝達してしまうおそれがある。ここで、スペーサ２０は、樹脂で形成されているため、金属で形成された電池ケース１４に比べて熱伝導率が小さいものの、大気（空気）よりは熱伝導率が大きくなっている。このため、スペーサ２０は、大気よりも熱を伝達しやすくなっている。また、電池モジュール１を小型化するために、スペーサ２０をＸ方向で薄くすれば、特定の単電池１０の熱が他の単電池１０に伝わりやすくなってしまう。

そこで、本実施例のように、電池ケース１４の一部を変形させてスペーサ２０から離すことにより、電池ケース１４の熱がスペーサ２０を介して他の単電池１０に伝達されるのを抑制するようにしている。すなわち、電池ケース１４およびスペーサ２０の接触面積を減少させることにより、電池ケース１４およびスペーサ２０の間における熱伝達を抑制するようにしている。また、電池ケース１４の一部をスペーサ２０から離すことにより、電池ケース１４およびスペーサ２０の間には、空気層が形成されることになる。この空気層により、電池ケース１４の熱がスペーサ２０に伝達されるのを抑制することができる。

なお、本実施例では、電池ケース１４を形状記憶合金で形成しているが、これに限るものではない。具体的には、電池ケース１４を形状記憶樹脂で形成したり、電池ケース１４をバイメタルで形成したりすることができる。バイメタルとは、互いに異なる熱膨張率を有する複数の金属板を貼り合わせたものであり、温度変化によって変形するものである。

電池ケース１４をバイメタルで形成する場合には、電池ケース１４が本実施例と同様に変形するように、金属材料を選択すればよい。具体的には、電池ケース１４の第１側面１４ａを、内壁面を構成する第１の金属板と、外壁面を構成する第２の金属板とで構成することができる。そして、第１の金属板の熱膨張率を、第２の金属板の熱膨張率よりも大きくしておけばよい。

本実施例では、電池ケース１４の全体を形状記憶合金で形成しているが、これに限るものではない。すなわち、電池ケース１４のうち、変形させる部分だけを、形状記憶合金等で形成することができる。本実施例では、電池ケース１４の第１側面１４ａだけを形状記憶合金等で形成することができる。

また、本実施例では、図５および図６に示すように、電池ケース１４における２つの第１側面１４ａを変形させているが、これに限るものではない。ここで、電池ケース１４における２つの第１側面１４ａのうち、一方の第１側面１４ａは、スペーサ２０の突起部２０ａと接触し、他方の第１側面１４ａは、スペーサ２０の全面と接触している。すなわち、２つの第１側面１４ａは、スペーサ２０との接触面積が互いに異なっている。このため、スペーサ２０とより多く接触している第１側面１４ａだけを変形させることもできる。

さらに、本実施例では、角形の単電池を用いた場合について説明したが、これに限るものではない。具体的には、円筒形の単電池を用いることもできる。

円筒形の単電池を複数用いて電池モジュールを構成する場合には、一般的に、各単電池は、この両端部において一対の支持プレートによって支持されることになる。具体的には、各支持プレートに、単電池の数だけ開口部を形成しておき、各開口部において単電池の端部を支持することができる。このとき、複数の単電池は、支持プレートの面内において、並んで配置され、隣り合って配置された単電池の間には所定のスペースが存在している。

円筒形の単電池を用いた場合には、上述したように、隣り合って配置された単電池の間に予めスペースが存在するため、発熱した単電池を本実施例のように変形させてスペースを形成する必要がない。ただし、単電池の少なくとも一部を本実施例のように変形させれば、隣り合って配置された他の単電池との間における距離を長くすることができる。この場合には、円筒形の単電池の一部を変形させてもよいし、単電池の全体を変形させてもよい。単電池の全体を変形させる場合としては、単電池の径が小さくなり、単電池の長手方向における長さが長くなるように、変形させることができる。

上述したように、単電池間の距離を長くすれば、単電池間における熱の伝達を抑制することができる。また、円筒形の単電池を接触させた状態で配置した場合には、本実施例と同様の効果を得ることができる。ここで、電池ケース１４を樹脂（形状記憶樹脂）で形成した場合には、スペーサ２０を用いずに、単電池１０を互いに接触させることもでき、この場合であっても、本発明を適用することができる。

一方、本実施例では、電池ケース１４の第１側面１４ａをスペーサ２０から離れるように変形させているが、これに限るものではない。ここで、図１に示す電池モジュール１は、Ｙ方向に並べて配置することができる。すなわち、複数の電池モジュール１を用意しておき、これらの電池モジュール１をＹ方向に並べて配置することができる。この構成では、複数の単電池１０がＹ方向で隣り合って配置されることになる。

そこで、単電池１０の第２側面（Ｘ−Ｚ平面）、すなわち、図７に示す電池ケース１４の第２側面１４ｂを、本実施例のように変形させることができる。これにより、Ｙ方向における単電池１０間の距離を長くすることができ、Ｙ方向に関して、単電池１０間における熱の伝達を抑制することができる。

本実施例の電池モジュール１は、車両に搭載することができる。この車両としては、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。ハイブリッド自動車とは、動力源としての電池モジュール１に加えて、内燃機関や燃料電池といった他の動力源も備えた車である。また、電気自動車は、電池モジュール１の出力だけを用いて走行する車である。本実施例の電池モジュール１は、放電によって車両の走行に用いられるエネルギを出力したり、車両の制動時に発生する運動エネルギを回生電力として充電したりする。なお、車両の外部からの電力供給を受けて充電を行うこともできる。

本発明の実施例１である電池モジュールの上面図である。 実施例１の電池モジュールの側面図である。 単電池の内部構造を示す概略図である。 スペーサの外観斜視図である。 発熱した単電池の構成を示す断面図である。 特定の単電池が発熱した場合における、電池モジュールの一部の構成を示す側面図である。 電池ケースにおける変形領域を示す図である。

符号の説明

１：電池モジュール（蓄電モジュール） １０：単電池（蓄電装置）
１１：正極端子 １２：負極端子
１３：発電要素 １４：電池ケース
２０：スペーサ ２１：バスバー
２２：エンドプレート ２３：拘束部材

Claims (10)

1. 他の蓄電装置と隣り合って配置される蓄電装置であって、
   正極素子および負極素子を含む発電要素と、
   前記発電要素を収容するケースと、を有し、
   前記ケースのうち前記他の蓄電装置側に面する領域が、前記ケースの温度上昇に応じて、前記他の蓄電装置から離れる方向に変形することを特徴とする蓄電装置。
2. 前記ケースの前記領域は、温度上昇に応じて、前記ケースの内側に向かって凸となる形状に変形することを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記ケースの前記領域は、前記発電要素からガスが発生するときの温度に応じて、変形することを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電装置。
4. 前記ケースのうち少なくとも前記領域は、形状記憶合金又は形状記憶樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の蓄電装置。
5. 前記ケースのうち少なくとも前記領域は、バイメタルで形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の蓄電装置。
6. 並んで配置された複数の蓄電装置を有する蓄電モジュールであって、
   前記複数の蓄電装置のうち少なくとも１つの蓄電装置が、請求項１から５のいずれか１つに記載の蓄電装置であることを特徴とする蓄電モジュール。
7. 隣り合う２つの前記蓄電装置の間に配置されており、前記蓄電装置との間で熱交換を行うための熱交換媒体が移動する経路を形成するスペーサを有することを特徴とする請求項６に記載の蓄電モジュール。
8. 前記少なくとも１つの蓄電装置における前記ケースは、温度上昇に応じて、前記スペーサから離れる方向に変形することを特徴とする請求項７に記載の蓄電モジュール。
9. 前記ケースの前記領域は、前記スペーサから離れる方向に変形した際に、前記スペーサに接触したままの接触部分と、前記スペーサから離れた非接触部分とを有していることを特徴とする請求項８に記載の蓄電モジュール。
10. 前記複数の蓄電装置は、互いに近づく方向の力を受けた状態で支持されていることを特徴とする請求項６から９のいずれか１つに記載の蓄電モジュール。
    

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