JP4946621B2

JP4946621B2 - 電池ユニットの車両搭載構造

Info

Publication number: JP4946621B2
Application number: JP2007130278A
Authority: JP
Inventors: 忠史吉田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2027-05-16
Also published as: JP2008284946A

Description

本発明は、複数のバイポーラ電池を含む電池ユニット（組電池）の車両搭載構造に関する。

従来から、電解質層を介してシート状の電極を積層したバイポーラ電池や、このバイポーラ電池を複数接続した電池ユニット（組電池）は知られている。該電池ユニットは、様々な機器や装置等に搭載されるが、電池ユニットの中には車両に搭載されるものもある。

たとえば組電池を車両の床下、シートバック裏、あるいはシート下に設置することが、特開２００５−６３７７６号公報に記載されている。また、自動車のドアの内部空間を充放電可能な三次元電池のセルとして使用することが、たとえば国際公開第００／５９０６２号パンフレットに記載されている。
特開２００５−６３７７６号公報国際公開第００／５９０６２号パンフレット

上記のように、特開２００５−６３７７６号公報や国際公開第００／５９０６２号パンフレットには、車両の各部に組電池等を設置する旨の記載はあるが、具体的にどのようにして設置するかについては全く記載されていない。

車両の各部のスペースは限られており、狭い設置スペースに対し特有の工夫を施して組電池等を各部に設置することが必要となるが、上記の各文献には、組電池等を各部に設置するための工夫点についても全く記載されていない。したがって、上記各文献を参照しても、実際に車両の各部に組電池等を設置することは容易なことではない。

そこで、本発明は、複数のバイポーラ電池を含む電池ユニット（組電池）を実際に車両に搭載することが可能となる電池ユニットの車両搭載構造を提供することを目的とする。

本発明に係る電池ユニット（組電池）の車両搭載構造は、車両のドア本体の内部空間を規定する外側部材および内側部材と、内部空間内に配置され複数のバイポーラ電池を含む電池ユニットと、内側部材から立ち上がるように設けられ、電池ユニットを内部空間内で内側部材に対し固定可能な固定部材とを備える。ここで、外側部材は、ドア本体の車外側の部分を形成する部材であり、単数または複数の部材で構成可能である。また、内側部材は、ドア本体の車内側の部分を形成する部材であり、単数または複数の部材で構成可能である。

上記ドア本体は、ドアガラスを有し、該ドアガラスを駆動することで内部空間内にドアガラスの少なくとも一部を収納可能である。電池ユニットは、内部空間内においてドアガラスが移動可能である、車両の外側に向かって凸に湾曲する移動可能経路と、内側部材との間の領域に配置される。

上記電池ユニットは、複数の蓄電セルと、該蓄電セル間の電気的接続状態を解除可能なプラグとを有する。プラグは、ドアガラスの収納用開口部の近傍に配置される。

本発明に係る電池ユニットの車両搭載構造は、好ましくは、車両の内部に設置され、座部と、背もたれ部と、バックフレーム部とを有するシートと、バックフレーム部に装着され複数のバイポーラ電池を含む他の電池ユニットと、シートに設けられ他の電池ユニットから放散される熱を伝達可能な伝熱媒体の流通を許容する通風路と、該通風路を形成するようにバックフレーム部に他の電池ユニットを固定可能な固定部材とをさらに備える。

本発明の電池ユニットの車両搭載構造は、電池ユニットを内部空間内で内側部材に対し固定可能な固定部材を備えるので、電池ユニットを内部空間内に搭載することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図１〜図６を用いて説明する。なお、下記の各図において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、重複説明は省略する。また、実施の形態の各構成要素は、全てが必須のものであるとは限らず、一部の構成要素を省略可能な場合もある。

（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１における電池ユニット（組電池）の搭載構造を備えた自動車（車両）１を示す。

図１に示すように、自動車１は、エンジン等を含む各種機器と、シャーシと、ボディとを備える。ボディは、図１の例では、４つのドア２を有する。本実施の形態１では、ドア２の内部に電池ユニット（組電池）３を搭載する。このようにドア２の内部に電池ユニット３を搭載することにより、車両の各部の内部空間を有効利用して該車両に電池ユニット３を搭載することができる。

なお、図１の例では、１つのドア２に電池ユニット３を搭載しているが、複数のドア２に電池ユニットを搭載してもよい。また、図１の例では自動車１の前方側のドア２に電池ユニット３を搭載しているが、これ以外のドア２、たとえば後方側のドア２に電池ユニット３を搭載してもよい。

図１に示すように、本実施の形態１では、ドア２に通風口９を設けている。この通風口９は、ドア２の外部空間と内部空間とを連通し、電池ユニット３を冷却するための空気（伝熱媒体）をドア２の内部空間に供給する機能を有する。図１の例では、電池ユニット３の両側に１組の通風口９を設けているが、通風口９の位置、数、形状等については任意に変更可能である。また、通風口９は、外部から視認可能であるので、意匠的にも優れた形状とすることが好ましく、たとえば流星形等のように前後方向に細長い形状とすることも考えられる。

図２に、ドア２の拡大図を示す。図２に示すように、ドア２は、ドア本体と、ドアガラス４と、フレーム２４とを有する。ドア本体は内部空間を有する。このドア本体の上部にドアガラス４とフレーム２４とが設置される。ドアガラス４は、上下に移動可能であり、ドアガラス４を駆動することで内部空間内にドアガラス４の少なくとも一部を収納可能である。フレーム２４は、自動車１の窓部を規定する開口部を中央に有し、該開口部内にドアガラス４を受入れた際に、ドアガラス４の周縁部を受入れ可能である。このフレーム２４は、ドア本体側に位置する本体側フレーム２４ａと、該本体側フレーム２４ａから立ち上がる１組の縦フレーム部と、縦フレーム部の上端部を接続するルーフ側フレーム部とを有し、自動車１の１つの窓部を規定する。

図２に示すように、電池ユニット３は、ドア本体の内部空間内に固定部材５を介して固定される。それにより、ドア本体の内部空間内で電池ユニット３を固定することができ、実際に車両に電池ユニット３を搭載することができる。

図２の例では、ドア本体の内表面から立ち上がるように複数の板状部材を設け、ボルト等の締結部材を用いて上記板状部材を電池ユニット３と固定することで、電池ユニット３をドア本体に固定しているが、これ以外の任意の部材を用いて電池ユニット３をドア本体に固定してもよい。

図２に示すように、電池ユニット３には、ケーブル６を介してコネクタ７が接続されている。また、電池ユニット３にはプラグ８が設置される。このプラグ８により、電池ユニット３内を流れる電流の導通／遮断を制御することができる。電池ユニット３が複数の蓄電セルを備える場合には、複数の蓄電セル間の電気的接続状態の制御をも行なえる。たとえば、電池ユニット３にプラグ８を装着することで電池ユニット３内の複数の蓄電セル間を電気的に接続することができ、電池ユニット３からプラグ８を取外すことで電池ユニット３内の複数の蓄電セル間の電気的接続状態を解除することができる。上記プラグ８は、図２の例では、本体側フレーム２４ａの近傍、つまりドアガラス４の収納用開口部の近傍に設けられている。それにより、必要に応じてドア２の窓を介して車外からプラグ８を容易に着脱することができる。

図３に、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って見たドア本体の断面図を示す。図３に示すように、ドア本体は、車外に露出しドア本体の外側部分を形成するアウタパネル（外側部材）１１と、車内に露出しドア本体の室内側部分を形成するインナパネル（内側部材）１４とで主に形成され、このアウタパネル１１とインナパネル１４との間に内部空間が形成される。アウタパネル１１とインナパネル１４は、いずれも単一の部材で構成可能であるが、複数の部材を組合せて構成してもよい。

図３に示すように、ドア本体はヒンジ１３を介して回動可能である。なお、図３の例では、アウタパネル１１の近傍にバー１２を設置しているが、これ以外の任意の部材を上記内部空間内に設置してもよい。

図３の例では、インナパネル１４においてドア本体の内部空間を規定する側（車両の室内側とは異なる側）の表面である内表面に固定部材５を設け、該固定部材５を介してインナパネル１４に電池ユニット３を固定している。より詳しくは、ドアガラス４の上下方向（移動方向）の中心線およびドアガラス４の移動方向に該中心線を延長した線であるガラスセンター１０とインナパネル１４との間の領域、つまりドア本体の内部空間内においてドアガラス４が移動可能である移動可能経路および／またはその延長部と、インナパネル１４との間の領域に電池ユニット３を固定している。当該領域に電池ユニット３を設置することにより、ドアガラス４と電池ユニット３との干渉を回避しながら、ドア本体の内部空間内のデッドスペースを有効利用することができる。

このとき、図３に示すように、インナパネル１４と電池ユニット３との間に空間を設けることが望ましい。それにより、電池ユニット３で発生する熱が直接インナパネル１４に伝達するのを回避することができる。

ここで、図４を用いて、電池ユニット３の構造例について説明する。図４の例では、電池ユニット３は直方体形状を有しているが、これ以外の任意の形状とすることができる。また、図４に示すように、電池ユニット３は、複数の蓄電セル３１と、この蓄電セル３１を覆うケーシング３０とを備える。ケーシング３０の材料としては、樹脂等の絶縁材料を使用することができる。なお、図示しないが、ケーシング３０から突出あるいは露出する複数の端子部を設けてもよい。この端子部やコネクタ７等を介して、電池ユニット３から放電される電流を外部に供給することができ、また充電する際には外部から電池ユニット３に電流を供給することができる。

蓄電セル３１は、バイポーラ電池（積層型電池）で構成可能である。各バイポーラ電池は、集電体（集電電極）をそれぞれ備えており、この集電体の先端部をそれぞれ端子部とすることができる。集電体は、典型的には板状の導電部材で構成可能であるが、板状以外の形態の集電体も採用可能である。バイポーラ電池の一方の集電体が正極集電電極として機能し、他方の集電体が負極集電電極として機能する。

各バイポーラ電池は、複数の単位電池（電池要素：電解質と、その両側に配置された正極および負極とを含む構成）と、各単位電池間に設けられた集電箔（集電体）とを積層して形成することができる。バイポーラ電池の上下端には、集電箔よりも厚みが大きく板状に形成された上述の集電体が配置される。

単位電池は、板状に形成された電解質層と、電解質層の一方の主表面上に形成された正極活物質層と、電解質層の他方の主表面上に形成された負極活物質層とを備える。１つの単位電池の厚みは、たとえば数十μｍ程度である。各単位電池は、集電箔を介して直列に接続される。

次に、バイポーラ電池の各要素の材質例について説明する。上記集電箔は、たとえばアルミニウムで形成することができる。この場合、集電箔の表面に設けられる活物質層が固体高分子電解質を含んでも、集電箔の機械的強度を十分に確保することができる。集電箔は、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼（ＳＵＳ）もしくはこれらの合金等、アルミニウム以外の金属の表面にアルミニウムを被膜することによって形成してもよい。

負極活物質層は固体高分子電解質を含む。負極活物質層は、イオン伝導性を高めるための支持塩（リチウム塩）、電子伝導性を高めるための導電助剤、スラリー粘度の調整溶媒としてのＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、重合開始剤としてのＡＩＢＮ（アゾビスイソブチロニトリル）等を含んでもよい。

負極活物質層としては、リチウムイオン２次電池で一般的に用いられる、リチウムと遷移金属との複合酸化物を使用することができる。また、負極活物質層として、ＬｉＣｏＯ_２等のＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ_２等のＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ_２Ｏ_４等のＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ_２等のＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物なども使用可能である。その他、ＬｉＦｅＰＯ_４等の遷移金属とリチウムとのリン酸化合物や硫酸化合物；Ｖ_２Ｏ_５、ＭｎＯ_２、ＴｉＳ_２、ＭｏＳ_２、ＭｏＯ_３等の遷移金属酸化物や硫化物、ＰｂＯ_２、ＡｇＯ、ＮｉＯＯＨ等も使用可能である。

固体高分子電解質としては、イオン伝導性を示す高分子であれば、特に限定されず、たとえば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体などが挙げられる。このようなポリアルキレンオキシド系高分子は、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２等のリチウム塩を容易に溶解する。固体高分子電解質は、負極活物質層と正極活物質層の少なくとも一方に含まれればよいが、好ましくは、負極活物質層と正極活物質層の双方に含まれる。

支持塩としては、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２、もしくはこれらの混合物等を使用することができる。導電助剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト等を使用することができる。

正極活物質層は固体高分子電解質を含む。この正極活物質層も、イオン伝導性を高めるための支持塩（リチウム塩）、電子伝導性を高めるための導電助剤、スラリー粘度の調整溶媒としてのＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、重合開始剤としてのＡＩＢＮ（アゾビスイソブチロニトリル）等を含んでもよい。

正極活物質層としても、リチウムイオン２次電池で一般的に用いられる材料を使用することができる。固体電解質を使用する場合には、正極活物質層として、カーボンもしくはリチウムと金属酸化物もしくは金属との複合酸化物を用いることが好ましい。より好ましくは、正極活物質層は、カーボンもしくはリチウムと遷移金属との複合酸化物を用いる。遷移金属としてはチタンを挙げることができる。

電解質層を形成可能な固体電解質としては、たとえば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体等、固体高分子電解質を使用することができる。固体電解質は、イオン伝導性を確保するための支持塩（リチウム塩）を含む。支持塩としては、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２、もしくはこれらの混合物等を使用することができる。

下記の表１から表３に、負極活物質層を形成可能な材料（負極材料）、正極活物質層を形成可能な材料（正極材料）および電解質層を形成可能な材料（固体電解質または高分子基材）の具体例を示す。

なお、表１には電解質層が有機系固体電解質である場合の各要素の具体例を示し、表２には電解質層が無機系固体電解質である場合の各要素の具体例を示し、表３には、電解質層がゲル状電解質である場合の各要素の具体例を示す。

（実施の形態２）
次に、図５および図６を用いて、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２では、車両のシートに上述の電池ユニット３を設置する。

図５に示すように、シート１５は、バックフレーム１６と、背もたれ部１７と、座部１８とを備える。本実施の形態２では、バックフレーム１６に電池ユニット３を設置する。それにより、車両の各部の空きスペースを有効利用して該車両に電池ユニット３を搭載することができ、車両のユーティリティを犠牲にすることなく電池ユニット３を搭載することができる。

図６にシート１５の断面構造例を示す。図６に示すように、バックフレーム１６に、図示しない固定部材を介して電池ユニット３を固定する。このとき、電池ユニット３の周囲に通風路１９ａ，１９ｂを設けておく。それにより、電池ユニット３で発生した熱を通風路１９ａ，１９ｂに放散することができる。

電池ユニット３をシート等に実際に搭載する場合には、放熱対策が必要であると考えられるので、上記のように電池ユニット３の周囲に放熱空間を確保するようにバックフレーム１６に電池ユニット３を固定することにより、放熱性を確保しながら電池ユニット３を車両のシート１５に搭載することができる。

図６に示すように、通風路１９ａ，１９ｂは、排気口２０を介して車両の室内に連通している。したがって、排気口２０を介して、電池ユニット３で発生した熱を車両の室内に放散することができる。

また、通風路１９ａ，１９ｂは、背もたれ部１７と座部１８とにそれぞれ設けられた通風路１９ｃ，１９ｄとも連通可能である。通風路１９ａ，１９ｂを通風路１９ｃ，１９ｄと連通することにより、電池ユニット３で発生した熱を、通風路１９ａ，１９ｂから通風路１９ｃ，１９ｄに伝達することができる。それにより、背もたれ部１７や座部１８を温めることができる。つまり、電池ユニット３で発生した熱を有効利用することもできる。

通風路１９ｃ，１９ｄは、排気口２１を介して車両の室内に連通している。よって、電池ユニット３で発生した熱を、排気口２１を介してシート１５の前方側に放散することができる。このとき、図６に示すように、座部１８の下部に排気口２１を配置することにより、シート１５に座っている人の足元あたりに温風を供給することができる。

図６に示すように、通風路１９ａ，１９ｂと通風路１９ｃとの連通部に、弁２２を設けることが好ましい。それにより、通風路１９ａ，１９ｂと通風路１９ｃとの連通状態を制御することができる。たとえば、シートの後方に温風を排出したい場合には、弁２２を駆動して通風路１９ａ，１９ｂと排気口２０とを連通状態とし、排気口２０から車両の室内に温風を排出し、シートを温めたい場合には、弁２２を駆動して通風路１９ａ〜１９ｄと排気口２１とを連通状態とし、排気口２１から車両の室内に温風を排出すればよい。なお、弁２２は手動で操作してもよいが、自動制御するようにしてもよい。また、弁２２の形態も任意に選択可能である。

図６の例では、電池ユニット３の近傍にファン２３を設けている。また、ファン２３の後方側（通風路１９ａ，１９ｂと反対側）に、背面空間および該背面空間への空気供給口を設けている。それにより、空気を通風路１９ａ〜１９ｄ内で強制的に流動させることができ、電池ユニット３を効率的に冷却することができる。

なお、上述の例では、電池ユニット３から放散される熱を伝達可能な伝熱媒体として空気を使用する場合について説明したが、空気以外の伝熱媒体を使用することもできる。また、通風路１９ａ〜１９ｄについては、空気等の伝熱媒体が移動可能な隙間等のスペースにより通風路１９ａ〜１９ｄを形成してもよいが、パイプ等の部材を用いて通風路１９ａ〜１９ｄを形成してもよい。さらに、背もたれ部１７については、人が背もたれ部１７にもたれた場合に背もたれ部１７が電池ユニット３と干渉しないように、電池ユニット３と背もたれ部１７との間にスペースを確保することが好ましい。

また、上述の例では、バックフレーム１６に嵌め込むようにして電池ユニット３を設置する場合について説明したが、バックフレーム１６の表面上に電池ユニット３を取り付けるようにしてもよい。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、各実施の形態の構成を適宜組合せることも当初から予定している。また、今回開示した実施の形態はすべての点での例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

本発明の実施の形態１における電池ユニットの搭載構造を備えた自動車を示す斜視図である。図１に示す自動車のドアの一部切欠き正面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って見たドア本体の断面図である。電池ユニットの構造例を示す一部断面斜視図である。本発明の実施の形態２における電池ユニットの搭載構造を備えたシートを示す一部断面斜視図である。本発明の実施の形態２における電池ユニットの搭載構造を備えたシートの拡大断面図である。

符号の説明

１自動車、２ドア、３電池ユニット、４ドアガラス、５固定部材、６ケーブル、７コネクタ、８プラグ、９通風口、１０ガラスセンター、１１アウタパネル、１２バー、１３ヒンジ、１４インナパネル、１５シート、１６バックフレーム、１７背もたれ部、１８座部、１９ａ〜１９ｄ通風路、２０，２１排気口、２２弁、２３ファン、２４フレーム、２４ａ本体側フレーム、３０ケーシング、３１蓄電セル。

Claims

車両のドア本体の内部空間を規定する外側部材および内側部材と、
前記内部空間内に配置され、複数のバイポーラ電池を含む電池ユニットと、
前記内側部材から立ち上がるように設けられ、前記電池ユニットを前記内部空間内で前記内側部材に対し固定可能な固定部材とを備え、
前記ドア本体はドアガラスを有し、該ドアガラスを駆動することで前記内部空間内に前記ドアガラスの少なくとも一部を収納可能であり、
前記内部空間内において前記ドアガラスが移動可能である、前記車両の外側に向かって凸に湾曲する移動可能経路と、前記内側部材との間の領域に前記電池ユニットを配置し、
前記電池ユニットは、複数の蓄電セルと、該蓄電セル間の電気的接続状態を解除可能なプラグとを有し、
前記プラグを前記ドアガラスの収納用開口部の近傍に配置した、電池ユニットの車両搭載構造。
車両の内部に設置され、座部と、背もたれ部と、バックフレーム部とを有するシートと、
前記バックフレーム部に装着され、複数のバイポーラ電池を含む他の電池ユニットと、
前記シートに設けられ、前記他の電池ユニットから放散される熱を伝達可能な伝熱媒体の流通を許容する通風路と、
前記通風路を形成するように前記バックフレーム部に前記他の電池ユニットを固定可能な固定部材とをさらに備えた、請求項１に記載の電池ユニットの車両搭載構造。