(57)【要約】【課題】各単電池の潰れが抑制された組電池を提供する。【解決手段】組電池１０は、複数の充放電可能な単電池２０が電気的に接続された状態で所定方向に配列されてなる組電池１０であって、複数の単電池２０の配列方向Ａの両端にそれぞれ配置された一対のエンドプレート３０Ａ，３０Ｂと、一対のエンドプレート３０Ａ，３０Ｂの上面に締結具３８により締結され、複数の単電池２０の配列方向Ａに架け渡されて該複数の単電池２０を拘束する拘束バンド３２と、を備える。拘束バンド３２は、締結具３８を挿通させる挿通孔３４を有する。挿通孔３４は、単電池２０の配列方向Ａに沿って延びた長孔である。【選択図】図１
2018085202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の充放電可能な単電池が電気的に接続された状態で所定方向に配列されてなる組電池であって、
前記複数の単電池の配列方向の両端にそれぞれ配置された一対のエンドプレートと、
前記一対のエンドプレートの上面に締結具により締結され、前記複数の単電池の配列方向に架け渡されて該複数の単電池を拘束する拘束バンドと
を備え、
前記拘束バンドは、前記締結具が挿通された挿通孔を有し、
前記挿通孔は、前記単電池の配列方向に沿って延びた長孔である、組電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の充放電可能な単電池が電気的に接続された組電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−０７２１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、自動車等の車両に搭載される組電池は、搭載スペースが制限されることに加えて振動が発生する状態での使用が前提となることから、多数の単電池を配列し且つ拘束した状態（即ち各単電池を相互に固定した状態）の組電池が構築される。かかる組電池においては、例えば、図６に示すように、単電池の積層方向（配列方向）Ａに配列された単電池１群の最外側（両端面）に一対のエンドプレート２を設置し、一対のエンドプレート２間を架橋するように（複数の単電池１の配列方向Ａに架け渡されるように）拘束バンド３を締結することで、複数の単電池１を配列方向Ａに拘束している。
【０００５】
しかしながら、かかる組電池において、図７に示すように、単電池１の幅方向Ｗ（上面視において単電池１の配列方向Ａに直交する方向）に荷重Ｐが加わると、各単電池１が拘束バンド３で拘束されているため荷重Ｐを逃がすことができず、単電池１が潰れやすいという問題があった。本発明は、上記課題を解決するものである。
【０００６】
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電気的に接続された状態で所定方向に配列されてなる組電池である。この組電池は、前記複数の単電池の配列方向の両端にそれぞれ配置された一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートの上面に締結具により締結され、前記複数の単電池の配列方向に架け渡されて該複数の単電池を拘束する拘束バンドとを備える。前記拘束バンドは、前記締結具が挿通された挿通孔を有する。前記挿通孔は、前記単電池の配列方向に沿って延びた長孔である。かかる構成によると、単電池の幅方向（上面視において単電池の配列方向に直交する方向）に加わる荷重を単電池が可動することで逃がすことができ、単電池を潰れにくくすることができる。
【０００７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】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。
【図２】一実施形態に係る拘束バンドを模式的に示す上面図である。
【図３】一実施形態に係る拘束バンドを模式的に示す側面図である。
【図４】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。
【図５】実施例で用いた組電池の構成を模式的に示す上面図である。
【図６】従来の組電池の構成を模式的に示す上面図である。
【図７】従来の組電池の構成を模式的に示す上面図である。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
図１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は本実施形態の組電池１０の構成を模式的に示す上面図である。
【００１２】
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３個の単電池２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）が直列に配列されている。なお、図面中の符号Ａは単電池の配列方向（単電池の厚み方向）を示し、符号Ｗは単電池の幅方向（上面視において配列方向と直交する方向）を示している。
【００１３】
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容器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。電極体は、捲回電極体に限らず、例えば正極と負極とがセパレータを介して交互に繰り返し積層された積層電極体であっても構わない。
【００１４】
本実施形態の容器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、容器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が使用され得る。
【００１５】
容器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（図示せず）および負極と電気的に接続する負極端子（図示せず）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と他方の負極端子とが端子間接続具（図示せず）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。
【００１６】
ここに開示される単電池２０は、所定方向Ａに配列されて拘束されている。具体的には、複数の単電池２０は、それぞれの正極端子（図示せず）および負極端子（図示せず）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、容器５０の側壁（容器５０の幅広な面、すなわち容器５０内に収容され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。
【００１７】
そして、配列させた単電池２０の周囲には、複数の単電池２０をまとめて拘束する拘束部材が配備される。すなわち、複数の単電池２０の配列方向Ａの両端（最外側に位置する単電池２０の更に外側）には、一対のエンドプレート３０Ａ，３０Ｂが配置される。また、一対のエンドプレート３０Ａ，３０Ｂには、該一対のエンドプレート３０Ａ，３０Ｂを架橋するように拘束バンド３２が取り付けられている。この実施形態では、幅方向Ｗの両側の離れた２箇所において、２本の拘束バンド３２が一対のエンドプレート３０Ａ，３０Ｂを架橋するように取り付けられている。拘束バンド３２は、複数の単電池２０の配列方向Ａに架け渡されて複数の単電池２０を拘束している。また、拘束バンド３２は、エンドプレート３０Ａ，３０Ｂの上面に締結具３８により締結されている。この実施形態では、締結具３８は、ボルト３８およびナット（図示せず）である。エンドプレート３０Ａ，３０Ｂの上面には、拘束バンド３２を取り付けるためのボルト３８が設けられている。ボルト３８は、エンドプレート３０Ａ，３０Ｂの上面から上方に延びている。
【００１８】
図２は、拘束バンド３２の上面図（平面図）である。図３は、拘束バンド３２の側面図である。拘束バンド３２は、図１〜図３に示すように、帯状の部材であり、拘束時に切れない材料（例えば鉄、典型的には腐食防止表面コート処理が施された鉄材料）で構成されている。拘束バンド３２には、該拘束バンド３２をエンドプレート３０Ａ，３０Ｂに締結するための挿通孔３４が形成されている。ここで、挿通孔３４には、エンドプレート３０Ａ，３０Ｂの上面に設けられたボルト３８が挿通される。この実施形態では、挿通孔３４は、拘束バンド３２の配列方向Ａの両側の離れた２箇所に設けられている。２箇所の挿通孔３４は、エンドプレート３０Ａ，３０Ｂの上面に設けられたボルト３８に位置を合わせて設けられている。拘束バンド３２は、エンドプレート３０Ａ，３０Ｂおよび単電池２０の上面に沿って配置され、エンドプレート３０Ａ，３０Ｂから上方に延びるボルト３８に挿通孔３４が装着され、図示しないナットで締結固定されている。ナットの締め付けトルクは、特に限定されないが、例えば２Ｎ／ｍ〜５Ｎ／ｍ（典型的には３±０．５Ｎ／ｍ）に設定され得る。
【００１９】
ここに開示される技術では、拘束バンド３２の挿通孔３４は、単電池２０の配列方向Ａに沿って延びた長孔である。換言すれば、挿通孔３４は、上面視において、配列方向Ａの長さＬ１（図２）が該配列方向Ａに直交する幅方向Ｗの長さＬ２（図２）よりも長い。挿通孔３４の配列方向Ａの長さＬ１は、幅方向Ｗの長さＬ２よりも長ければよく（すなわちＬ１＞Ｌ２であればよく）特に限定されない。配列方向Ａの長さＬ１は、例えば１６ｍｍ以上にすることが適当である。
【００２０】
好ましい一態様では、挿通孔３４の配列方向Ａの長さＬ１は、幅方向Ｗにおける単電池２０の幅ｗ２（図１）に対して√５１／１０倍以上の長さである。すなわち、単電池２０の幅方向Ｗの幅ｗ２に対する挿通孔３４の配列方向Ａの長さＬ１の比（Ｌ１／ｗ２）が、（Ｌ１／ｗ２）≧√５１／１０を満足する。このような長さＬ１の挿通孔３４を有する拘束バンド３２を用いることにより、単電池２０の圧壊がより良く抑制され得る。ここに開示される技術は、例えば、Ｌ１とｗ２との関係が、（Ｌ１／ｗ２）≧√５１／８、より好ましくは（Ｌ１／ｗ２）≧√５１／６、さらに好ましくは（Ｌ１／ｗ２）≧√５１／５である態様で好ましく実施され得る。なお、√５１は「５１」の平方根（ルート）を意味している。
【００２１】
ここに開示される好ましい一態様では、２本の拘束バンド３２の間隔ｗ１（図１）は、単電池２０の幅方向Ｗの幅ｗ２に対して０．３倍を超える長さである。すなわち、単電池２０の幅方向Ｗの幅ｗ２に対する２本の拘束バンド３２の間隔ｗ１の比（ｗ１／ｗ２）が、（ｗ１／ｗ２）＞０．３を満足する。幅方向Ｗにおいて、単電池２０の幅ｗ２に対する２本の拘束バンド３２の間隔ｗ１を上記のように設定することにより、単電池２０の圧壊がより良く抑制され得る。ここに開示される技術は、例えば、ｗ１とｗ２との関係が、例えば（ｗ１／ｗ２）≧０．３２、典型的には（ｗ１／ｗ２）≧０．３５である態様で好ましく実施され得る。（ｗ１／ｗ２）の上限は特に限定されないが、通常は（ｗ１／ｗ２）≦０．６、典型的には（ｗ１／ｗ２）≦０．５であり得る。
【００２２】
図４は、上述したエンドプレート３０Ａ，３０Ｂおよび拘束バンド３２で拘束された組電池１０について、幅方向Ｗに沿って単電池２０に荷重Ｐを加える圧壊試験を実施したときの状態を示している。この組電池１０は、拘束バンド３２の挿通孔３４が単電池２０の配列方向Ａに沿って延びており、配列方向Ａの長さＬ１（図２）が幅方向Ｗの長さＬ２（図２）よりも長い。そのため、挿通孔３４に挿通された締結具（ここではエンドプレート３０Ａ，３０Ｂの上面に設けられたボルト）３８は、挿通孔３４内において幅方向Ｗへの移動（変位）は規制されるが、配列方向Ａへの移動はある程度許容される。そのため、単電池２０に幅方向Ｗの荷重Ｐが加わると、図４に示すように、挿通孔３４内において締結具３８が配列方向Ａに移動（変位）することで、各単電池２０が可動になり（典型的には斜めにずれて）、単電地２０に加わる荷重を逃がすことができる。その結果、単電池２０が潰れにくくなり、上記圧壊試験における各単電池２０の圧壊量を従来に比して低減することができる。
【００２３】
上記拘束バンド３２を用いることによる効果を確認するため、以下の試験を行った。すなわち、図５に示すように、３個の単電池２０と４個のスペーサ４０とを交互に配置した単電池積層体と、該単電池積層体の配列方向Ａの両端にそれぞれ配置された一対のエンドプレート３０Ａ，３０Ｂと、一対のエンドプレート３０Ａ，３０Ｂ間を架橋するように、一対のエンドプレート３０Ａ，３０Ｂの上面にボルトナットにより締結された拘束バンド３２と、を備える組電池を構築した。ボルトナットの締結トルクは３Ｎ／ｍに調整した。
【００２４】
拘束バンド３２は、ボルト３８（図１）を挿通させる挿通孔３４を有している。実施例では、拘束バンド３２の挿通孔３４は、配列方向Ａの長さＬ１（図２）が幅方向Ｗの長さＬ２（図２）よりも長い。ここでは、挿通孔３４の配列方向Ａの長さＬ１は、単電池２０の幅方向Ｗの幅ｗ２（図１）に対して√５１／５倍の長さとした。一方、比較例では、拘束バンド３２の挿通孔３４は、幅方向Ｗの長さＬ２が配列方向Ａの長さＬ１よりも長い。幅方向Ｗの長さＬ２は、実施例と比較例とで同じ長さとした。
【００２５】
実施例および比較例の組電池に対して、幅方向Ｗに沿って単電池２０に最大２００ｋＮの荷重Ｐを加える圧壊試験をそれぞれ５回ずつ実施した。また、圧壊試験時における単電池の発熱の有無を確認した。その結果、比較例の組電池については、５回の圧壊試験の全部において単電池２０に潰れが発生し、単電池２０に発熱が認められた。一方、実施例の組電池では、比較例に比べて単電池２０の潰れが抑制されており、発熱も認められなかった。この結果から、配列方向Ａに延びた挿通孔を有する拘束バンドを用いることにより、圧壊試験時における単電池の圧壊量を低減し得る組電池を実現できることが確認された。
【００２６】
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。
【００２７】
ここに開示される組電池１０は、各単電池の潰れが抑制され、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。
【符号の説明】
【００２８】
１０      組電池
２０      単電池
３０Ａ，３０Ｂ              エンドプレート
３２      拘束バンド
３４      挿通孔
３８      締結具
５０      容器
【図１】
2018085202.tif 000003
【図２】
2018085202.tif 000004
【図３】
2018085202.tif 000005
【図４】
2018085202.tif 000006
【図５】
2018085202.tif 000007
【図６】
2018085202.tif 000008
【図７】
2018085202.tif 000009