(57)【要約】【課題】高容量リチウム二次電池セルを用いた組電池において、万が一、ある電池セルに過電流が流れ込むなどの理由により異常発熱が発生した場合、隣接するセルへの類焼を防止・抑制すること。【解決手段】電池セル２を保持する電池ブロック３を２つの電池ブロック３ａと３ｂに分割し、その間に断熱体４を挟んで接合する。電池セル２と電池ブロック３の隙間を大・小の２水準とする。一つのセルに対して、例えば電池ブロック３ａ側の隙間が大であれば電池ブロック３ｂ側の隙間は小とし、また、一つのブロック内において、となりあう電池セル２の隙間は大・小ができるだけ異なる構造とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セルと、それを保持する金属材料からなるブロックとで構成される組電池において、
前記ブロックは、複数の小ブロックで構成されること、
を特徴とする組電池。
【請求項２】
前記複数の小ブロックは、前記ブロックの高さ方向に配置されてなる、請求項１記載の組電池。
【請求項３】
前記ブロックの高さ方向に配置されてなる第１小ブロック及び第２小ブロックにおいて、前記第１小ブロックに保持される電池セルと前記第１小ブロックとの隙間Ａと、
前記第２小ブロックに保持される電池セルと前記第２小ブロックとの隙間Ｂとは異なる、請求項２記載の組電池。
【請求項４】
前記ブロックの高さ方向に水平な方向において、隣合う小ブロックそれぞれに保持される電池セルと、各々の小ブロックとの隙間は異なる、請求項１記載の組電池。
【請求項５】
前記第１小ブロックと前記第２小ブロックとの間に断熱材が配置される、請求項２または３に記載の組電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の二次電池セルから構成される組電池は、残容量が少なくなれば電池外部から電気エネルギーを供給、すなわち充電して電池内部に蓄えることで、電源として繰り返し使用することができる。
【０００３】
組電池への充電方法としては、例えば電気自動車の場合、専用の電気スタンドがあり、最近では家庭用コンセントから充電する方法もあるが、これ以外に充電時の電力供給方法は様々知られる。特にハイブリッド自動車の場合には、走行中のエンジンの動力を利用して発電機を作動させ、発生した電気を蓄える。近年では、ハイブリッド自動車において、停止時に家庭用のコンセントから充電可能な車種も登場している。更に、自動車の場合、ブレーキをかける際に発生する熱を回生させることで充電する方法もある。
【０００４】
また、蓄電池は、太陽光発電や風力発電と言った、所謂、再生可能エネルギーによって生み出された電気を電池に蓄える方法が主流である。
【０００５】
従来の組電池は、電池セルが金属ケースに収納されて構成されるもの（例えば、特許文献１参照）や、電池セルが２つの部材からなる樹脂ケースに収納されて構成されるもの（例えば、特許文献２及び３参照）が知られる。
【０００６】
図１０は、上記特許文献１に記載の従来の組電池を示す図である。
【０００７】
同図において、電池セル２は、電池ブロック３に正極の方向が揃えられた状態で収納されている。電池セル２の正極側には正極集電板５が、また負極側には、負極集電板６が接続されている。正極側には、集電板との間に樹脂のホルダー７を介する構造となっており、これによって正極と負極が絶縁されて短絡を防止している。正極集電板５および負極集電板６は、それぞれネジ８ａおよびネジ８ｂによってホルダー７に固定される。
【０００８】
また、図１１は、特許文献２に記載の従来の組電池を示す図である。
【０００９】
同図において、電池セル２は、２個に分割された電池ブロック３に納められる構造となっている。電池セル２の両極には、接続板１０が接続され、上蓋１１と下蓋１２が被せられる。電池ブロック３は樹脂材料からなっている。電池ブロック３が２つに分割している理由は、電池セル２の長さ程度の電池ブロック３を一体で作るよりも寸法精度の高いものができるためである。２つの電池ブロック３の間には、弾性体９が挟まれており、これによって上下の電池ブロック３の寸法ずれを吸収している。
【００１０】
更に、図１２は、特許文献３に記載された従来の組電池のうち、電池ブロックの部分を分解して示した図である。
【００１１】
電池セル２は、上下に分割された電池ブロック３ａ，３ｂに収納される構造となっている。２つの電池ブロック３は樹脂材料で別々に成形され、互いに接触する対向面を勘合することで結合される。電池セル２には接続板１０が接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第４９２３３１４号公報
【特許文献２】特開２００４−１７１８５６号公報
【特許文献３】特開２０１０−１４６７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
高容量のリチウム二次電池セルを用いた組電池においては、万が一何らかの理由で、あるセル（トリガーセル）が異常発熱を起こした際、隣のセル（隣接セル）への異常発熱の伝播が繰り返されると、組電池を用いた製品が破壊されるだけでなく、安全性を著しく損なう恐れがある。電気自動車や蓄電用として用いられる組電池には数年〜十数年の長期信頼性が要求される一方、万が一不良が発生した場合であっても、その影響を最小限に留める必要がある。
【００１４】
従って、トリガーセルの異常発熱が隣接セルに伝ぱしないようにしなければならない。そのための手段としては二つの考え方があり、一つはブロック全体に素早く熱を拡散して隣接セルへ流れ込む熱量を相対的に小さくすることである。もう一つは、トリガーセルから隣接セルへ熱を伝わりにくくすることである。
【００１５】
前者の方法の代表例が特許文献１に記載の電池ブロックで、ブロックには熱伝導率の高い金属材料を用いている。後者の方法の代表例が特許文献２或いは３に記載の電池ブロックで、ブロック材料は熱伝導率の低い樹脂材料である。
【００１６】
しかしながら、電池セルの高容量化が進むにつれ、それに伴って異常発熱時の発熱量も大きくなることで、前記従来の構成だけでは、隣接セルへ伝ぱする熱量が許容値を超えて隣接セルで異常発熱が起こり、電池ブロック全体への類焼につながるという課題を有している。また、セルの異常発熱は、主にはセルに過剰な電流が流れ込むことなどが原因で発生するものであり、ブロック内でのセルの位置には依存しない。よって、全てのセルが異常発熱する可能性があり、特定の位置に対してのみ対策を行うことで組電池の異常発熱を抑制することは難しい。
【００１７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、異常発熱の連鎖を抑制することが可能な組電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明の組電池は、セルとブロック間の隙間パターンが異なる、熱伝導率の高い２つの金属ブロックを結合することで構成される。具体的には、
本構成によって、あるセルが異常発熱を起こした場合においても、そのセルから発生する熱を金属ブロックによって素早く組電池全体に拡散するとともに、隣接するセルへは熱を伝わりにくくすることで、隣接するセルへの熱の流れ込みを減少させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明の組電池によれば、万が一異常発熱が発生した場合においても、隣接するセルへ燃え移る類焼を、従来の組電池よりもさらに抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１における組電池のブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における組電池の分解図
【図３】本発明の実施の形態１における、熱の流れ説明図
【図４】ブロック／セル隙間と熱抵抗の関係の説明図
【図５】本発明の実施の形態１における、ブロック／セル隙間の説明図
【図６】本発明の実施の形態１における組電池構成例を示す図
【図７】本発明の実施の形態１における組電池のブロック／セル隙間を示す図
【図８】数値解析に使用した、特許文献１に基づく従来ブロックモデルを示す図
【図９】数値解析より得られたセル温度の時間変化を示す図
【図１０】特許文献１に記載された従来の組電池の電池ブロックを示す図
【図１１】特許文献２に記載された従来の組電池の電池ブロックを示す図
【図１２】特許文献３に記載された従来の組電池の電池ブロックを示す図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における組電池の全体図である。図１において、上述の図１０と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。また、組電池は、例えば図１０に示される正極集電板５や負極集電板６なども含まれて構成されるが、図１では本発明の根幹に関わる部分のみを示し、その他部品は省略する。
【００２３】
図１において、電池ブロック３は金属からなる２つの電池ブロック３ａと３ｂ、およびそれらに挟まれる断熱体４からなる。ブロックを構成する金属材料は熱伝導率の高い材料で、熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である材料が好ましく、例えばアルミニウムなどが用いられる。逆に、断熱体４は後述のように熱を遮断することを目的としているため、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋよりも小さなものが好ましく、たとえば樹脂材料が用いられる。ＰＢＴやＰＢＳのように、高いグレードの難燃性を有するものであればなおよい。
【００２４】
組電池１内の電池セル２のうち、ある一つ（トリガーセル）が異常発熱を起こしたとする。このとき、トリガーセルに隣接したセルの温度が上昇してさらなる異常発熱を誘発することが最も危険で、これを防止しなければならない。そのための対策の一つとして、トリガーセルから発生する熱量をブロック内へすばやく拡散することで、隣接セルに伝わる熱量を低減することができる。
【００２５】
図３は、トリガーセルからの熱の伝わりを模式的に示したものである。トリガーセルから発生した熱量は、通常は近くのセルから順に伝わっていく。つまり、トリガーセルを除けば、隣接セルが最も多くの熱量を負担することになり、受ける熱量が過大になると異常発熱を誘発する。以降、トリガーセルに近い順に多くの熱量を負担する。
【００２６】
類焼を防止するためには隣接セルが受ける熱量を減らせばよい。その考え方としては２つの方法があり、一つは前述のように、ブロックに熱伝導率の高い材料を使用し、熱をすばやく拡散することである。もう一つは、隣接するセルに伝わる熱量を小さくしながら、遠くのセルへ伝わる熱量を大きくする方法である。セルへの熱の伝わりやすさは、電池セル２と電池ブロック３の間の隙間を変えることでコントロールが可能である。
【００２７】
図４は、電池セル２と電池ブロック３の位置関係を示した模式図である。図４に示したδが電池セル２と電池ブロック３の隙間である。δは電池セル２とブロック３間の熱抵抗と密接な関係があり、δが小さいほど熱抵抗は小さく、したがってセルからブロックへ、或いはブロックからセルへ、熱が伝わりやすくなる。逆にδが大きいほど熱抵抗は大きくなり、両者間へはお互いに熱が伝わりにくくなる。つまり、δの大きさを変えることで、ブロックからセルへの熱の伝わりやすさを調整することが可能である。
【００２８】
これらを踏まえて考えると、隣接セルに関してはブロックとセルの隙間を大きくしてセルへ熱が伝わりにくくし、トリガーセルから見て隣接セルよりも遠い位置にあるセルに対しては、ブロックとセルの隙間を小さくしてセルが熱を吸収しやすいようにすることで、トリガーセルから発生する熱量を分散させ、隣接セルが吸収する熱量を減らすことができ、結果として類焼を抑制・防止することができる。
【００２９】
なお、トリガーセルとブロックとの隙間については、隙間を大きくすると、トリガーセルからブロックへ伝わる熱量を減らし、従って隣接セルへ伝わる熱量を減らすことができるので、類焼防止の観点から見れば有利である。
【００３０】
しかし、通常使用時に、充放電中の電池においてセルの温度は上昇する。その熱を効率よく逃がすためには、ブロックと電池セルの隙間は小さい方が望ましい。
【００３１】
さらには、異常発熱のトリガーとなるセルがあらかじめ決まっており、特定できるものであれば、必然的に隣接セルも限定され、それらのみについて対応をすればよいことになる。しかし、実際に使用する際においては、組電池内の全てのセルがトリガーとなる可能性があり、特定の箇所のみへの対策は必ずしも有効な手段とは言えない。
【００３２】
本発明では、電池ブロックを２つに分割し、ブロックとセル隙間にある一定のパターンを与えることでこの問題を解決し、組電池内のどのセルがトリガーとなった場合においても類焼を抑制することを可能とした。
【００３３】
以下に本発明の組電池で使用する電池ブロックの基本的な考え方を説明する。図５は、組電池１を構成する電池セル２と電池ブロック３について、セル高さ方向と平行な平面で切断したときの断面図を示している。電池ブロック３は、断熱体４によって上側の３ａと下側の３ｂに分割される。電池セル２と電池ブロック３の隙間は、大および小の２水準の設定とする。
【００３４】
図５において、ここでは、電池セル２ａと上側の電池ブロック３ａとの隙間を小とする。この場合は、電池セル２ｂと電池ブロック３ａとの隙間を大とし、電池セル２ｃと電池ブロック３ａとの隙間を小とし、以降これを交互に繰り返す。この状態で、例えば電池セル２ａがトリガーセルとなった場合、電池セル２ｂには熱が伝わりにくく、電池セル２ｃには伝わりやすくなるため、セルとブロック間を全セルに対して均一とする場合に比べて、電池セル２ｂへの熱の移動は小さくなる。
【００３５】
また、電池セル２ｂがトリガーセルとなった場合は、ブロックとの隙間が大なのでセルからブロックへの熱移動が小さくなり、したがって隣接する電池セル２ａや２ｃへ伝わる熱量は小さくなる。
【００３６】
一方、下側の電池ブロック３ｂについては、電池セル２ｂとの隙間を小とする。この場合、電池セル２ａと２ｃの隙間が大となり、これら以外のセルについても、大と小が交互となるように隙間を設定することで、前述と同様、どのセルがトリガーとなっても、隣接セルへ伝わる熱量は小さくなる。
【００３７】
電池セル２と電池ブロック３ａおよび３ｂの隙間をこのように配置しても、電池ブロック３が一体のブロックであるとすると、例えば電池セル２ａがトリガーセルとなった場合、このセルと電池ブロック３ａとの隙間は小であり、また隣接する電池セル２ｂについては電池ブロック３ｂとの隙間が小であるため、隣接セルに熱が伝わりやすくなる。この問題を解消するため、電池ブロック３ａと３ｂの間に、断熱体４を介して結合させる構造とする。このようにすることで、電池セル２ａから電池ブロック３ａへ伝わる熱量は、断熱体４で遮断されて電池ブロック３ｂへはほとんど伝わらないため、電池ブロック３ｂを介して電池セル２ｂへ伝わることはない。
【００３８】
以上の構造のブロックにより、任意の電池セルがトリガーセルとなった場合に対して、隣接する電池セルへ伝わる熱量を抑制することができる。
【００３９】
この考え方を拡張すれば、電池ブロック３として図６のような構造となる。図６（ａ）は電池ブロック３の斜視図、図６（ｂ）は上面図である。本構造においては、電池セル２は格子状に配置されている。また、図６（ｂ）において、電池セル２の外側にある２つの円は電池ブロック３の縁を表している。
【００４０】
２つの円がともに実線の場合は上側の電池ブロック３ａの方が隙間大、下側の電池ブロック３ｂの方が隙間小となっている（パターンＡ）ことを示しており、外側の円が点線、内側の円が実線の場合はその逆となっている（パターンＢ）ことを示す。格子配置されているセルに対して、パターンＡの電池セルに隣接する電池セルは必ずパターンＢとなり、また、パターンＢの電池セルに隣接する電池セルは必ずパターンＡとなる。
【００４１】
電池セル２の距離を短くしてエネルギー密度を高くしようとすると、図７のような千鳥配置が有利となる。格子配列の場合には前述のように、任意のセルに対して最も距離の近い隣接セルの隙間パターンは異なるようにすることが可能であったが、千鳥配置ではこれが不可能となる。したがって、千鳥配置では隣接セルが最大６個存在することになるが、隙間パターンが同じとなるものをできるだけ少なくする必要がある。例えば図７のように、実線の円で示す隙間パターンＡと、網掛けの円で示す隣接パターンＢが１列ずつ交互に並ぶ配置とすれば、任意のセルに対して、６個の隣接セルのうち隙間パターンが同じとなるものは２個とすることができる。
【００４２】
本発明による電池セルと電池ブロック間隙間パターンを有する組電池の類焼防止効果について、数値解析を用いて検証を行った。解析モデルとして、図１に示す電池ブロックを使用した。ここでは電池ブロック、１つに対して２０本のセルが千鳥配置で挿入され、セルは電気的には並列に接続される。このブロックはセル本数が７本、６本、７本の並びとなっており、このような配置では、電池ブロックの４隅において隙間パターンが前述の考え方に合わない箇所が発生する。
【００４３】
これについては、事前の検討によって、電池ブロックの４隅の電池セルがトリガーセルとなる場合が最も危険となることが明らかになっていることから、「４隅セルに隣接する２セルについては必ず４隅のセルと隙間パターンが異なる」ことを最優先とした隙間パターンとした。
【００４４】
この組電池の端部に位置するセルに対して、異常発熱の発生を想定した熱量を与える熱伝導解析を行った。解析は、ＡＮＳＹＳ社の汎用流体解析ソフトＦＬＵＥＮＴを用いて実施した。評価は、隣接セル底面のピーク温度で行っており、この温度が低いと異常発熱の伝ぱや類焼が起こりにくい。
【００４５】
なお、比較のために図８のような従来のブロック、すなわちブロック全体が一体物かつセルとブロックの隙間は全て等しいブロックに対しても同様の解析を実施した。
【００４６】
解析の結果として、図９に隣接セル底面温度の時間変化を示す。点線は従来ブロック、実線は本発明によるブロックでの結果で、隣接セル底面のピーク温度は６℃以上低くなり、類焼の抑制に効果があることが示されている。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の組電池は、電池セル発熱量の大きな高容量セルを用いた場合でも類焼を抑制できる安全性の高い電池を提供でき、電気自動車やハイブリッド車等の輸送機器、或いは、家庭用の蓄電池、緊急時の備蓄電源等の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４８】
１  組電池
２，２ａ，２ｂ，２ｃ  電池セル
３，３ａ，３ｂ  電池ブロック
４  断熱体
５  正極集電板
６  負極集電板
７  ホルダー
８ａ，８ｂ  ネジ
９  弾性体
１０  接続板
１１  上蓋
１２  下蓋
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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