JP2018081886A - 組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】砂埃に起因する各単電池間の短絡が抑制された組電池を提供する。【解決手段】組電池は、配列された単電池間の間隙に配置された板状のスペーサ３０と、スペーサ３０の上端に開口した上端開口３２と、スペーサ３０の下端に開口した下端開口３４と、上端開口３２と下端開口３４とを連通する連通経路３６とを備える。単電池の配列方向と単電池の高さ方向Ｈとに直交する幅方向Ｗにおいて、上端開口３２の開口幅ｗ１は、下端開口３４の開口幅ｗ２よりも大きく、連通経路３６は、該連通経路３６の幅方向Ｗにおける幅が上端開口３２に向かって拡がり、かつ、下端開口３４に向かって狭まるように傾斜した傾斜面３８を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、複数の充放電可能な単電池が所定方向に配列されて構成された組電池に関する。

軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池その他の二次電池あるいはキャパシタ等の蓄電素子を単電池とし、該単電池を複数直列接続して成る組電池は高出力が得られる電源として、車両搭載用電源、或いはパソコンおよび携帯端末の電源として好ましく用いられている。例えば車両搭載用組電池の一例として特許文献１には、角型の単電池を複数個配列すると共に各単電池の上面に設けられた正極端子および負極端子をそれぞれ直列に接続することにより構成された組電池が開示されている。

特開２０１６−０９１６６５号公報

複数の単電池が所定方向に配列されて構成された組電池においては、図９に示すように、組電池の外部から混入した金属粉等を含む砂埃１が単電池２の上面に堆積する場合があり得る。単電池２の上面に砂埃１が堆積すると、砂埃１が隣接する単電池２間を架橋することで、単電池２（例えば電池ケース）間が短絡する虞がある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、上記砂埃に起因する単電池間の短絡を抑制し得る組電池を提供することである。

本発明によって提供される組電池は、複数の充放電可能な単電池が所定方向に配列されて構成された組電池である。この組電池は、前記配列された単電池間の間隙に配置された板状のスペーサと、前記スペーサの上端に開口した上端開口と、前記スペーサの下端に開口した下端開口と、前記上端開口と前記下端開口とを連通する連通経路とを備える。前記単電池の配列方向と前記単電池の高さ方向とに直交する幅方向において、前記上端開口の開口幅は、前記下端開口の開口幅よりも大きく、かつ、前記スペーサの全幅と同じ幅で形成されている。そして、前記連通経路は、該連通経路の前記幅方向における幅が前記上端開口に向かって拡がり、かつ、前記下端開口に向かって狭まるように傾斜した傾斜面を有する。かかる構成によれば、単電池の上面に堆積した砂埃に起因する単電池間の短絡を抑制し得る、信頼性の高い組電池を提供することができる。

なお、本明細書において「単電池」とは、組電池を構成するために相互に直列接続され得る個々の蓄電素子を指す用語であり、特に限定しない限り種々の組成の電池、キャパシタを包含する。また、「二次電池」とは、繰り返し充電可能な電池一般をいい、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等のいわゆる蓄電池を包含する。リチウムイオン二次電池を構成する蓄電素子は、ここでいう「単電池」に包含される典型例であり、そのような単電池を複数備えて成るリチウムイオン二次電池パックは、ここで開示される「組電池」の典型例である。

一実施形態に係る組電池の構成を模式的に示す側面図である。 一実施形態に係る組電池の構成を模式的に示す上面図である。 一実施形態に係るスペーサの構成を模式的に示す上面図である。 一実施形態に係るスペーサの構成を模式的に示す正面図である。 一実施形態に係るスペーサの構成を模式的に示す側面図である。 図４のＡ−Ａ断面図である。 一実施形態に係る組電池の構成を模式的に示す側面図である。 一実施形態に係るスペーサの構成を模式的に示す正面図である。 従来の組電池の構成を模式的に示す側面図である。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、各図面は、模式的に描いており、必ずしも実物を反映しない。また、各図面は、一例を示すのみであり、各図面は、特に言及されない限りにおいて本発明を限定しない。

ここに開示される組電池は、単電池（典型的には、扁平形状の外形を有する単電池）を配列してなる組電池であればよく、単電池の構成は特に制限されない。特に限定することを意図したものではないが、以下、扁平形状のリチウムイオン二次電池を単電池とし、該単電池の複数個を直列に接続してなる組電池を例にして本発明を詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１および図２を参照しながら本実施形態の組電池１０の構成について説明する。図１および図２は本実施形態の組電池１０の構成を模式的に示す図であり、図１は側面図、図２は上面図である。

組電池１０は、複数の充放電可能な単電池２０が直列に接続されて構成されている。図示した例では、同形状の４個の単電池２０が一定の間隔で直列に配列されている。なお、図面中の符号Ｌは単電池の配列方向（単電池の厚み方向）を示し、符号Ｈは単電池の高さ方向を示し、符号Ｗは単電池の幅方向（単電池の配列方向と単電池の高さ方向とに直交する方向）を示している。

単電池２０は、正極および負極を備える電極体（図示せず）と、該電極体および電解質を収容する電池ケース５０とを備える。本実施形態の電極体は、典型的な組電池に装備される単電池と同様、所定の電池構成材料（正負極それぞれの活物質、正負極それぞれの集電体、セパレータ等）から構成されている。また、ここでは電極体として扁平形状の捲回電極体が用いられている。

本実施形態の電池ケース５０は扁平形状の捲回電極体を収容し得る形状（図示した例では箱型）を有する。また、電池ケース５０の材質は、典型的な単電池で使用されるものと同じであればよく特に制限はないが、組電池自体の軽量化の観点から、例えば薄い金属製或いは合成樹脂製の容器電池ケースが使用され得る。

電池ケース５０の上面には、捲回電極体の正極と電気的に接続する正極端子６０および負極と電気的に接続する負極端子６２が設けられている。そして、隣接する単電池２０間において一方の正極端子６０と他方の負極端子６２とが端子間接続具によって電気的に接続される。このように各単電池２０を直列に接続することにより、所望する電圧の組電池１０が構築される。

本実施形態の単電池２０は、所定方向に配列されている。具体的には、複数の単電池２０は、それぞれの正極端子６０および負極端子６２が交互に配置されるように一つずつ反転させて配置されており、電池ケース５０の側壁（電池ケース５０の幅広な面、即ち電池ケース５０内に収容される後述する捲回電極体の扁平面に対応する面）が対向する方向に配列される。

また、このように配列された単電池２０間の間隙には、板状のスペーサ３０が配置されている。図３〜図６は、隣接する単電池２０間に配置されたスペーサ３０を模式的に示す図であり、図３は上面図、図４は正面図、図５は側面図、図６は図４のＡ−Ａ断面図である。

図３〜図６に示すように、スペーサ３０は樹脂製の板状部材であり、隣接する単電池２０の双方に接触するように配置されている。スペーサ３０には、単電池２０が載置される載置台３１が取り付けられている。また、スペーサ３０は、該スペーサ３０の上端に開口した上端開口３２と、該スペーサ３０の下端に開口した下端開口３４と、上端開口３２と下端開口３４とを連通する連通経路３６とを備えている。この実施形態では、上端開口３２は、外部から混入した砂埃をスペーサ３０の連通経路３６内に導入するための開口部である。また、下端開口３４は、スペーサ３０の連通経路３６内を通過した砂埃を外部に排出するための開口部である。

幅方向Ｗにおいて、上端開口３２の開口幅ｗ１は、下端開口３４の開口幅ｗ２よりも大きい。また、幅方向Ｗにおいて、上端開口３２は、スペーサ３０の全幅と同じ幅で形成されている。この実施形態では、下端開口３４は、幅方向Ｗにおいて、スペーサ３０の下面の中央部に設けられている。下端開口３４は、幅方向Ｗにおいて、スペーサ３０の全幅の１／８〜１／４（例えば１／６程度）の幅で形成されている。連通経路３６は、幅方向Ｗにおける幅が上端開口３２に向かって拡がり、かつ、下端開口３４に向かって狭まるように徐々に傾斜した傾斜面３８を有する。この実施形態では、連通経路３６は、傾斜面３８と鉛直面３９とを有するＹ形状に形成されている。傾斜面３８は、上端開口３２から下方に傾斜して延びている。鉛直面３９は、下端開口３４から鉛直上方に延びている。鉛直面３９の上端は、傾斜面３８の下端と連結されている。

幅方向Ｗに対する傾斜面３８の傾斜角度θは特に限定されないが、砂埃が傾斜面３８に堆積することを抑制する等の観点から、例えば３０度以上にすることが適当であり、好ましくは３５度以上、より好ましくは４０度以上である。傾斜面３８の傾斜角度θの上限は特に限定されないが、後述する冷却経路のスペースを確保する等の観点から、好ましくは６０度以下、例えば５０度以下、典型的には４５度以下である。ここで開示される技術は、傾斜面３８の傾斜角度θが３０度以上６０度以下である態様で好ましく実施され得る。

この実施形態では、スペーサ３０の下面に突起３５が設けられている。図示した例では、２つの突起３５が下端開口３４を挟んで一定の間隔をあけて配置されている。この突起３５によってスペーサ３０の下面が持ち上げられ、下端開口３４の下方に空間が形成されている。この空間に下端開口３４から排出された砂埃９０が溜まるようになっている。

この実施形態では、スペーサ３０は、該スペーサ３０の幅方向Ｗの側面に開口して冷却媒体が導入される冷却媒体導入口４２と、該スペーサ３０の幅方向Ｗの側面に開口して冷却媒体が排出される冷却媒体排出口４４と、冷却媒体導入口４２と冷却媒体排出口４４とを連結する冷却経路４６とを備えている。図示した例では、冷却媒体導入口４２と冷却媒体排出口４４と冷却経路４６とは、スペーサ３０の幅方向Ｗの左右の側面にそれぞれ設けられている。冷却媒体導入口４２は、スペーサ３０の左右の側面の上部に設けられている。冷却媒体排出口４４は、スペーサ３０の左右の側面の下部に設けられている。冷却媒体導入口４２から冷却媒体排出口４４に至る冷却経路４６には、冷却媒体の流れを整える複数の整流面４８が設けられている。この実施形態では、冷却媒体は空気（冷却風）である。

この組電池１０においては、図４に示すように、外部から混入した砂埃は、スペーサ３０の上端開口３２に導入される。上端開口３２から導入された砂埃は、連通経路３６の傾斜面３８および鉛直面３９を滑落して下端開口３４に到達する。図４においては、上端開口３２から導入された砂埃が連通経路３６を通過して下端開口３４に到達するルートを矢印９２で示している。下端開口３４に到達した砂埃は、下端開口３４から下方に排出され、下端開口３４の下方に形成された空間に堆積する（砂埃９０参照）。

このように構成された組電池１０によると、図１〜６に示すように、外部から混入した砂埃がスペーサ３０の上端開口３２から連通経路３６内に導入され、連通経路３６の傾斜面３８を滑落して下端開口３４から外部に排出されるので、砂埃が単電池２０およびスペーサ３０の上面に堆積して単電池２０（電池ケース５０）間を架橋するような事態が生じ難い。そのため、砂埃が単電池２０間を架橋することに起因して、単電池２０間が短絡する不都合が解消または緩和され得る。このことにより、従来に比して信頼性の高い組電池１０を提供することができる。

また、本組電池１０によれば、幅方向Ｗに対する傾斜面３８の傾斜角度θが３０度以上に設定されているので、上端開口３２から導入された砂埃が連通経路３６の傾斜面３８に堆積することなく円滑に滑落する。そのため、上端開口３２から導入された砂埃を下端開口３４からより確実に排出することができる。

さらに、本組電池１０によれば、スペーサ３０の下面に突起３５が設けられている。このようにスペーサ３０の下面に突起３５を設けることで、スペーサ３０の下面が持ち上げられ、下端開口３４の下方に砂埃９０の堆積スペースを確保することができる。このようにすれば、後述する第２実施形態とは異なり、単電池２０の上面以外の面を絶縁体で覆う処理が不要となり、単電池２０の構成を簡略化できる。

また、上記実施形態では、スペーサ３０は、冷却媒体が導入される冷却媒体導入口４２と、冷却媒体が排出される冷却媒体排出口４４と、冷却媒体導入口４２と冷却媒体排出口４４とを連結する冷却経路４６とを備えている。かかる構成によると、冷却媒体導入口４２から導入された冷却風は、冷却経路４６を通過して冷却媒体排出口４４に到達し、冷却媒体排出口４４から外部に排出される。冷却媒体が冷却経路４６を通過する間に、スペーサ３０と接触している単電池２０が冷却され得る。このようにすれば、砂埃を排出する機能と単電池を冷却する機能とを１つのスペーサ３０に持たせることができる。そのため、冷却用のスペーサを別途設ける必要がなく、組電池１０の構成を簡略化できる。

＜第２実施形態＞
図７は、第２実施形態に係る組電池１１０の構成を模式的に示す側面図である。図８は、第２実施形態に係るスペーサ１３０の構成を模式的に示す正面図である。図７および図８に示すように、第２実施形態では、スペーサ１３０の下面に突起３５（図１および図４参照）が形成されていない点において、前述した第１実施形態とは相違する。また、この実施形態では、各単電池１２０の上面を除く面（４つの側面および下面）が図示しない絶縁体（例えば樹脂フィルム）で覆われている。なお、その他の形態については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

この組電池１１０においては、図８に示すように、外部から混入した砂埃がスペーサ１３０の上端開口１３２に導入される。上端開口１３２から導入された砂埃は、連通経路１３６の傾斜面１３８および鉛直面１３９を滑落して（連通経路１３６を通過して）下端開口３４に到達する。図８においては、上端開口１３２から導入された砂埃が連通経路１３６を通過して下端開口１３４に到達するルートを矢印１９２で示している。下端開口１３４に到達した砂埃は、下端開口３４の周辺に堆積して溜められる（砂埃１９０参照）。

上記のように構成された組電池１１０によると、外部から混入した砂埃がスペーサ１３０の上端開口１３２から連通経路１３６に導入され、連通経路１３６の傾斜面１３８を滑落して下端開口１３４周辺に溜められるので、砂埃が単電池１２０およびスペーサ１３０の上面に堆積して単電池１２０（例えば電池ケース）間を架橋するような事態が生じ難い。そのため、砂埃が単電池１２０間を架橋することに起因して、単電池１２０間が短絡する不都合が解消または緩和され得る。また、砂埃が下端開口１３４の周辺に溜まると、単電池１２０の下部で単電池１２０間の短絡が発生する可能性があるが、本構成によれば、単電池１２０の上面を除く面（４つの側面および下面）が絶縁体で覆われているので、単電池１２０の下部での短絡を抑制することができる。このようにすれば、スペーサ１３０の下面に突起を設けるスペースがなくて下端開口１３４の下方に砂埃を逃がす空間を十分に確保できない場合でも、砂埃に起因する単電池２０間の短絡を抑制することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

ここに開示される組電池１０は、砂埃に起因する各単電池間の短絡が抑制され、高性能を発揮し得ることから、例えば、車両に搭載される電源として好適である。したがって、ここに開示される組電池１０は、ハイブリッド自動車、電気自動車のように電動機を備えた車両に搭載されるモーター用の電源（典型的には駆動用電源）として好適に使用され得る。

１０ 組電池
２０ 単電池
３０ スペーサ
３２ 上端開口
３４ 下端開口
３５ 突起
３６ 連通経路
３８ 傾斜面
５０ 電池ケース
９０ 砂埃

Claims (1)

1. 複数の充放電可能な単電池が所定方向に配列されて構成された組電池であって、
   前記配列された単電池間の間隙に配置された板状のスペーサと、
   前記スペーサの上端に開口した上端開口と、
   前記スペーサの下端に開口した下端開口と、
   前記上端開口と前記下端開口とを連通する連通経路と
   を備え、
   前記単電池の配列方向と前記単電池の高さ方向とに直交する幅方向において、前記上端開口の開口幅は、前記下端開口の開口幅よりも大きく、かつ、前記スペーサの全幅と同じ幅で形成され、
   前記連通経路は、該連通経路の前記幅方向における幅が前記上端開口に向かって拡がり、かつ、前記下端開口に向かって狭まるように傾斜した傾斜面を有する、組電池。
   

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