JP3972885B2

JP3972885B2 - 組電池

Info

Publication number: JP3972885B2
Application number: JP2003351753A
Authority: JP
Inventors: 龍也東野; 丈司宮本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: CN1284253C; US20050079407A1; KR100629222B1; US7393609B2; JP2005116438A; CN1606182A; KR20050035087A; EP1523058B1; EP1523058A1; CN2788366Y; DE602004026392D1

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。
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、耐振動性、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。

上記目的を達成するための本発明は、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、配置された複数の単電池積層体を当該単電池の積層方向両面から板状の保持部材によって狭圧することによって前記単電池積層体を一括して保持してなる組電池であって、前記板状の保持部材に接続するとともに、前記保持部材に前記単電池積層体を狭圧する狭圧力を発生させる接続部材を有し、各単電池積層体の高さは前記接続部材で接続された前記保持部材によってすべての単電池に均等の面圧が付与されるように前記保持部材の撓みを考慮して調整されていることを特徴とするものである。

以上のような構成により、単電池積層体を保持する保持部材の撓みを考慮して単電池積層体の高さが調整されているので、単電池の配置位置によらずすべての単電池に均等の面圧が付与されることになり、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、本発明にかかる組電池を［実施の形態１］と［実施の形態２］に分けて詳細に説明する。
［実施の形態１］
実施の形態１で説明する組電池は、９個の扁平型単電池（以下、単に単電池と記載する）をその縦方向と横方向に３個ずつ配列し、配列した単電池を単電池の厚み方向に複数積層し、積層された単電池を積層方向両面からヒートシンクで加圧して一体的に保持してなるものである。本実施の形態で説明する組電池は、ヒートシンクの撓みを考慮して、すべての単電池に同じ面圧がかかるように、単電池の厚みに応じてその配置位置を決めている。以下にこの組電池の構成を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明にかかる組電池において単電池の積層状態を模式的に示した透視斜視図であり、図２は単電池の厚みの選別の説明に供する図であり、図３は図１に示した組電池の高さ分布を示す図であり、図４は図１のＡ−Ａ断面図である。

図１に示すとおり、本願発明にかかる組電池１００は、単電池１５０をその縦方向と横方向に３行３列の合計９個平面状に配列し、さらに同一の配列で単電池をその積層方向に３段積層し、その上に中間ヒートシンク２００を積層し、さらに、その上に単電池または中間ヒートシンクを何段かにわたって配列、積層し、最後に単電池を積層方向両面から保持部材であるヒートシンク３００Ａ、３００Ｂで挟み、ヒートシンク３００Ａ、３００Ｂの４隅を接続部材である４個の固定ボルト３１０Ａ〜３１０Ｄ（面圧調整機能付き）で連結してヒートシンク３００Ａ、３００Ｂに狭圧力を発生させることによって単電池の積層体を一体的に保持してなるものである。

なお、本実施の形態においては、単電池１５０は１つの電池で構成されているのではなく２つの電池を並列に接続して構成され、縦方向（図１左下から右上方向）に並ぶ３個の単電池１５０は直列に接続されている。

本発明にかかる組電池１００は、ヒートシンク３００Ａ、３００Ｂを４個の固定ボルト３１０Ａ〜３１０Ｄで締め付けたときに、ヒートシンク３００Ａ、３００Ｂに生じる撓み（図１参照）を考慮して、単電池１５０をその配列される位置に応じて高さの異なるものを使用している。なお、ここで撓みとはヒートシンクの固定ボルトによる接続部位に対するヒートシンク厚み方向の変位量を言い、以下、単に撓みと記載する（図４参照）。

単電池は製造工程で例えば３．３ｍｍ±０．１ｍｍの範囲にその厚みが収まるように製造される。したがって、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。本発明では、組電池１００を製造する前に、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、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３００Ａ、３００Ｂの最も撓みの大きくなるＡ領域（中央部分）に積層する。そして、Ｂランクに分類された単電池はヒートシンク３００Ａ、３００ＢのＡ領域の次に撓みの大きくなるＢ領域に積層する。最後に、Ｃランクに分類された単電池はヒートシンク３００Ａ、３００Ｂの最も撓みの小さくなるＣ領域に積層する。ただし、図２に示す４つのＢ領域とＣ領域のそれぞれの単電池積層体間の高さばらつきは数十ミクロン以下に抑えるようにする。このように、単電池の厚みを分類し分類後の単電池を所望の領域に積層することによって、積層された単電池の高さ分布は図３に示されているように、ヒートシンク３００Ａ、３００Ｂの中央部分から４隅に向かって高さが低くなる、つまり中央部分が４隅より高い山なりとすることができる。

図４に示すように、各領域に形成される単電池積層体２５０Ａ〜２５０Ｆの高さ分布をヒートシンク３００Ａ、３００Ｂを固定ボルト３１０Ａ〜３１０Ｄで締め付けた時に生じる撓みに沿った高さとなるように調整すれば、組電池１００を構成するすべての単電池に対して積層方向に均等な面圧を与えることができる。また、図４では、上側のヒートシンク３００Ｂと中間ヒートシンク２００が固定ボルト３１０Ａ〜３１０Ｄの締め付けによって撓んでいる状態を誇張して示しているが、実際には、固定ボルト３１０Ａ〜３１０Ｄの締め付けによって下側のヒートシンク３００Ａも上側のヒートシンク３００Ｂとは逆の方向に撓むのは言うまでもない。また、図４ではヒートシンク３００Ｂや中間ヒートシンク２００の撓みを誇張して示しているため、ヒートシンクとシムとの間に隙間が生じているが、実際にはヒートシンクの撓みは電池の厚み方向の変形量以下の微小な撓みであるため、隙間は生じない。

なお、単電池にかかる面圧を均等にするのは次のような理由からである。つまり、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ってしまい、サイクル劣化を起こして寿命が短くなってしまう。このため、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のである。

ヒートシンク３００Ａ、３００Ｂ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３１０Ａ〜３１０Ｄに最も近い位置の単電池積層体により多くの面圧がかかり、ヒートシンク３００Ａ、３００Ｂの中央部分の単電池積層体に最も小さな面圧がかかることになる。ヒートシンク３００Ａ、３００Ｂの４隅を固定ボルト３１０Ａ〜３１０Ｄで締めるだけですべての単電池積層体に等しい面圧を付与するためにはヒートシンク３００Ａ、３００Ｂの剛性をかなり高める必要がある。剛性を高めれば当然のことながらヒートシンク３００Ａ、３００Ｂの厚みが増し重量が重くなる。一方、ヒートシンク３００Ａ、３００Ｂの剛性を高めずにすべての単電池積層体に等しい面圧を付与するためには固定ボルトの数を増やしてより多くの場所を固定する必要がある。固定する場所を増加すれば、固定ボルトの取り付け場所を確保しなければならないのでヒートシンク３００Ａ、３００Ｂの面積が大きくなる。したがって、ヒートシンク３００Ａ、３００Ｂの剛性を高めたり、ヒートシンク３００Ａ、３００Ｂに固定ボルトの取り付け場所を確保したりするのは組電池１００の小型、軽量化に反することになる。

本願発明のように、ヒートシンク３００Ａ、３００Ｂの撓みを考慮して単電池積層体の高さを調整すれば、ヒートシンク３００Ａ、３００Ｂの剛性を上げずに、固定ボルトの取り付け箇所を増加させずに、組電池１００を構成するすべての単電池に均等な面圧を付与することができ、組電池１００の小型、軽量化の要請に応えることができる。

図５は単電池１個当たりの圧縮代と面圧との関係を示したグラフである。本実施の形態で説明したように単電池の厚みを３種類に分類し、単電池積層体の高さ分布を図３に示したようにしたところ、０．７５〜２．１Ｋｇｆ／ｃｍ^２（７４〜２０６ＫＰａ）の範囲で面圧の調整が可能であった。また、そのときの圧縮代は約０．１２〜０．１５ｍｍであった。図に示すように、圧縮代０．１２〜０．１５ｍｍの領域は０．７５〜２．１Ｋｇｆ／ｃｍ^２（７４〜２０６ＫＰａ）の範囲でほぼ直線的に面圧が変化しているので、狙いとする面圧を得るためには必要な圧縮代となるように単電池を選定して積層すれば良いことがわかる。

以上のように、本実施の形態によれば、単電池積層体の高さを調整することによって、単電池に付与される面圧を最適な面圧に調整することができる。また、単電池積層体の高さをヒートシンクの撓みに応じた高さとすることによって、ヒートシンクの剛性を低下させることもできるようになり、組電池の軽量化、低コスト化を図ることができる。さらに、固定ボルトの数を必要最小限に抑えることができ、組電池の軽量化、低コスト化を図ることができる。加えて、異なる高さの単電池積層体の組み合わせによって、単電池に与えられる面圧を調整することができる。
［実施の形態２］
実施の形態２で説明する組電池は、実施の形態１で説明した電池とほぼ同じであるが、単電池積層体の高さ調整をシムによって行っている点が相違する。

実施の形態１では、単電池をその厚みに応じて分類する作業が必要であるが、本実施の形態ではシムを用いて高さ調整を行うので実施の形態１よりも作業性は良い。本実施の形態で使用するシムは、図６Ａに示すような高さ調整用シム２６０Ａと高さ微調整用シム２６０Ｂである。高さ調整用シム２６０Ａは燐青銅などの金属材料を用いて形成され、その材料は非弾性材料であり弾性がないので単電池積層体の高さを調整するために用いている。高さ微調整用シム２６０Ｂは樹脂、ゴム材などの弾性材料を用いて形成され、その材料は容易に変更可能であるため面圧の微調整を行うために用いている。したがって、図６Ａに示すように、高さ調整用シム２６０Ａは単電池積層体２５０の下（ヒートシンク３００Ａ側）に、高さ微調整用シム２６０Ｂは単電池積層体２５０の上（ヒートシンク３００Ｂ側）に介在させている。また、図６Ｂに示すシム２７０は、高さ調整用シム２６０Ａと高さ微調整用シム２６０Ｂとを一体化したものである。このシム２７０は電池積層体２５０の下（ヒートシンク３００Ａ側）に介在させる。

本実施の形態では、個々の単電池の厚みを気にすることなく積層し、積層したら９個の単電池積層体の高さを測定し、図７に示すようにその高さの分布がヒートシンク３００Ａ、３００Ｂの中央部分から４隅に向かって高さが低くなる、つまり中央部分が４隅より高い山なりになるようにシムを各単電池積層体に介在させる。高さ調整を行う際、図６Ａに示した分離型のシムを用いる場合には、組電池１００の断面を示す図８に示すように、電池積層体２５０Ａ〜２５０Ｆの下側に高さ調整用シム２６０Ａを、それらの上側に高さ微調整用シム２６０Ｂを介在させる。電池積層体２５０Ａ〜２５０Ｆの下側に高さ調整用シム２６０Ａを介在させるのは、このシム２６０Ａは非弾性体であるため高さ調整機能が大きい（大体の高さ調整ができる）からである。また、電池積層体２５０Ａ〜２５０Ｆの上側に高さ微調整用シム２６０Ｂを介在させるのは、このシム２６０Ｂは弾性体であるため高さ調整機能が小さいからである。一方、図８には示していないが、図６Ｂに示したシムを用いる場合には、電池積層体２５０Ａ〜２５０Ｆの下側にシム２７０を介在させる。

図８に示すように、各領域に形成される単電池積層体２５０Ａ〜２５０Ｆの高さ分布をヒートシンク３００Ａ、３００Ｂを固定ボルト３１０Ａ〜３１０Ｄで締め付けた時に生じる撓みに沿った高さとなるように、介在させるシムの厚みを選んで調整すれば、組電池１００を構成するすべての単電池に対して積層方向に均等な面圧を与えることができる。また、図８では、上側のヒートシンク３００Ｂと中間ヒートシンク２００が固定ボルト３１０Ａ〜３１０Ｄの締め付けによって撓んでいる状態を誇張して示しているが、実際には、固定ボルト３１０Ａ〜３１０Ｄの締め付けによって下側のヒートシンク３００Ａも上側のヒートシンク３００Ｂとは逆の方向に撓むのは言うまでもない。また、図８ではヒートシンク３００Ｂや中間ヒートシンク２００の撓みを誇張して示しているため、ヒートシンクとシムとの間に隙間が生じているが、実際にはヒートシンクの撓みはシム２６０Ｂの弾性変形量以下の微小な撓みであるため、隙間は生じない。

実施の形態１と同様に、本発明によれば、ヒートシンク３００Ａ、３００Ｂの剛性を上げずに、固定ボルトの取り付け箇所を増加させずに、組電池１００を構成するすべての単電池に均等な面圧を付与することができ、組電池１００の小型、軽量化の要請に応えることができる。

図９は単電池１個当たりの圧縮代と面圧との関係を示したグラフである。本実施の形態で説明したように各単電池積層体にシムを介在させ、単電池積層体の高さ分布を図７に示したようにしたところ、１．１〜２．１Ｋｇｆ／ｃｍ^２（１０８〜２０６ＫＰａ）の範囲で面圧の調整が可能であった。また、そのときの圧縮代は約０．１２７〜０．１５０ｍｍであった。図に示すように、圧縮代０．１１〜０．１５ｍｍの領域は０．５０〜２．１Ｋｇｆ／ｃｍ^２（４９〜２０６ＫＰａ）の範囲でほぼ直線的に面圧が変化しているので、狙いとする面圧を得るためには必要な圧縮代となるように適当な厚みのシムを選定して単電池積層体に介挿すれば良いことがわかる。

以上のように、本実施の形態によれば、シムを介在させて単電池積層体の高さを調整することによって、単電池に付与される面圧を最適な面圧に調整することができる。また、シムにより単電池積層体の高さをヒートシンクの撓みに応じた高さとすることによって、ヒートシンクの剛性を低下させることもできるようになり、組電池の軽量化、低コスト化を図ることができる。さらに、固定ボルトの数を必要最小限に抑えることができ、組電池の軽量化、低コスト化を図ることができる。加えて、シムによって異なる高さの単電池積層体を形成し、それを組み合わせによって、単電池に与えられる面圧を調整することができる。

本発明にかかる組電池では、組電池を構成するすべての単電池に均等に面圧がかかるようにしているので、組電池の寿命が向上するだけではなく、その信頼性をも向上させることができ、自動車搭載用電池として適した組電池となる。

本発明にかかる組電池において単電池の積層状態を模式的に示した透視斜視図である。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Ａ−Ａ断面図である。単電池１個当たりの圧縮代と面圧との関係を示したグラフである（実施の形態１）。高さ微調整用シムと高さ微調整用シムを示す図である。組電池の高さ分布を示す図である。シムを介在させた状態の組電池の断面図である。単電池１個当たりの圧縮代と面圧との関係を示したグラフである（実施の形態２）。

符号の説明

１００組電池、
１５０単電池、
２００中間ヒートシンク、
２５０、２５０Ａ〜２５０Ｆ単電池積層体、
２６０Ａ高さ調整用シム、
２６０Ｂ高さ微調整用シム、
２７０シム、
３００Ａ、３００Ｂヒートシンク、
３１０Ａ〜３１０Ｄ固定ボルト。

Claims

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、配置された複数の単電池積層体を当該単電池の積層方向両面から板状の保持部材によって狭圧することによって前記単電池積層体を一括して保持してなる組電池であって、
前記板状の保持部材に接続するとともに、前記保持部材に前記単電池積層体を狭圧する狭圧力を発生させる接続部材を有し、
各単電池積層体の高さは前記接続部材で接続された前記保持部材によってすべての単電池に均等の面圧が付与されるように前記保持部材の撓みを考慮して調整されていることを特徴とする組電池。
各単電池積層体の高さの調整は単電池積層体ごとに異なる厚みの単電池を積層させることによって行うことを特徴とする請求項１記載の組電池。
各単電池積層体の高さの調整は各単電池積層体と前記保持部材との間に介在させるシムの厚みによって行うことを特徴とする請求項１記載の組電池。
前記シムは、非弾性材料で構成された高さ調整用シムと弾性材料で構成された高さ微調整用シムの２種類のシムから形成されることを特徴とする請求項３記載の組電池。
前記シムは、非弾性材料で構成された高さ調整用シムと弾性材料で構成された高さ微調整用シムとが一体となっているシムであることを特徴とする請求項４記載の組電池。
前記単電池積層体を狭圧する狭圧力を発生させる接続部材は単電池積層方向両側の２枚の保持部材を接続し、前記接続部材との接続部位に対する前記保持部材の撓みが大きな領域程単電池積層体の高さは高くなっていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の組電池。
前記保持部材と接続部材との接続部位は、前記保持部材の外周方向に沿って設けられ、前記単電池積層体の高さは組電池外周の領域から中央の領域に向かうにつれて高くなっていることを特徴とする請求項６記載の組電池。
前記保持部材は、前記単電池積層体を冷却するヒートシンクであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の組電池。