蓄電装置
【課題】 充放電に伴う蓄電素子の面圧のバラツキを抑制する。
【解決手段】 所定方向（Ｘ方向）に並んで配置され、充放電を行う反応領域（Ａ）を内部に含む複数の蓄電素子（１）と、所定方向において複数の蓄電素子を挟んで拘束する拘束機構（２０，３０）と、を有する。所定方向で隣り合う２つの蓄電素子は、反応領域の一端を含む一部の領域（Ｅ１）が所定方向で互いに重なった状態において、所定方向と直交する方向にずれて配置されている。
【解決手段】 所定方向（Ｘ方向）に並んで配置され、充放電を行う反応領域（Ａ）を内部に含む複数の蓄電素子（１）と、所定方向において複数の蓄電素子を挟んで拘束する拘束機構（２０，３０）と、を有する。所定方向で隣り合う２つの蓄電素子は、反応領域の一端を含む一部の領域（Ｅ１）が所定方向で互いに重なった状態において、所定方向と直交する方向にずれて配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の蓄電素子に拘束力を与える構造を備えた蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の単電池を用いて組電池を構成する場合には、複数の単電池を一方向に並べて配置しておき、複数の単電池を、配列方向における両端から拘束することがある。ここで、単電池の配列方向において、組電池を見たときに、複数の単電池は互いに重なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０５３０１９号公報
【特許文献２】特開２００７−１０９５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明者は、単電池の充放電によっては、単電池の一部分における面圧だけが、他の部分における面圧よりも大きく変化してしまうことが分かった。ここで、単電池の面圧が上昇するときには、単電池が膨張しており、単電池の面圧が低下するときには、単電池が収縮している。したがって、面圧の大きな変化を抑制すれば、単電池の入出力特性が劣化するのを抑制することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明である蓄電装置は、所定方向に並んで配置され、充放電を行う反応領域を内部に含む複数の蓄電素子と、所定方向において複数の蓄電素子を挟んで拘束する拘束機構と、を有する。ここで、所定方向で隣り合う２つの蓄電素子は、反応領域の一端を含む一部の領域が所定方向で互いに重なった状態において、所定方向と直交する方向にずれて配置されている。所定方向で隣り合う２つの蓄電素子は、互いに接触させることができる。
【０００６】
蓄電素子は発電要素を含んでおり、発電要素は、反応領域を含み、正極板、負極板および電解質層が積層された積層体を所定軸の周りで巻くことによって構成することができる。ここで、反応領域の一部の領域としては、所定軸の方向における反応領域の端部を含む領域とすることができる。
【０００７】
所定軸の方向における一部の領域の幅ＷＥ２と、所定軸の方向における反応領域の幅ＷＡとは、下記式（Ｉ）の関係を満たすことが好ましい。
１４≦ＷＥ２／ＷＡ×１００≦２７ ・・・（Ｉ）
【０００８】
拘束機構は、一対のエンドプレートおよび連結部材で構成することができる。一対のエンドプレートは、所定方向において、複数の蓄電素子を挟んでいる。連結部材は、所定方向に延び、一対のエンドプレートに連結される。ここで、エンドプレートのうち、蓄電素子と対向する面には、蓄電素子の側に突出する突起部を設けることができる。突起部は、一部の領域に拘束力を与える位置において、蓄電素子と接触させることができる。
【０００９】
拘束機構の拘束力を受けて、蓄電素子の一部の領域に荷重を与える加圧部材を配置することができる。所定方向で隣り合う２つの蓄電素子のうち、互いに接触する領域とは異なる領域に対して、加圧部材を接触させることができる。
【００１０】
蓄電装置を構成する複数の蓄電素子は、所定方向に並ぶ複数の蓄電素子と、所定方向と直交する方向に並ぶ複数の蓄電素子とで構成することができる。蓄電素子としては、２０Ｃ以上のレートで充電又は放電が行われるリチウムイオン二次電池を用いることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、所定方向で隣り合う２つの蓄電素子は、反応領域の一端を含む一部の領域が所定方向で互いに重なった状態において、所定方向と直交する方向にずれて配置される。このため、拘束機構を用いて、所定方向に並んで配置された複数の蓄電素子を拘束すれば、反応領域内の一部の領域に対して拘束力を与えることにより、一部の領域における面圧の変化を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１における単電池の外観図である。
【図２】実施例１における単電池の内部構造を示す図である。
【図３】実施例１における発電要素の展開図である。
【図４】実施例１における発電要素の外観図である。
【図５】実施例１である電池パックの上面図である。
【図６】実施例１である電池パックの一部の外観図である。
【図７】実施例１である電池パックの組み立て方法の一部を説明する図である。
【図８】実施例１の変形例である電池パックの一部の上面図である。
【図９】実施例１において、反応領域および拘束領域を説明する図である。
【図１０】レート１Ｃの充電における単電池の面圧を示す図である。
【図１１】レート１２Ｃの充電における単電池の面圧を示す図である。
【図１２】レート２０Ｃの充電における単電池の面圧を示す図である。
【図１３】レート３２Ｃの充電における単電池の面圧を示す図である。
【図１４】レート１Ｃの放電における単電池の面圧を示す図である。
【図１５】レート１２Ｃの放電における単電池の面圧を示す図である。
【図１６】レート２０Ｃの放電における単電池の面圧を示す図である。
【図１７】レート３２Ｃの放電における単電池の面圧を示す図である。
【図１８】抵抗増加率およびサイクル数の関係を示す図である。
【図１９】第１拘束領域のサイズを変更した場合において、抵抗増加率およびサイクル数の関係を示す図である。
【図２０】発電要素のサイズを変更した場合において、抵抗増加率およびサイクル数の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１４】
実施例１である単電池（蓄電素子に相当する）について説明する。図１は、単電池の斜視図であり、図２は、単電池の内部構造を示す図である。図１および図２において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸である。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の関係は、他の図面においても同様である。
【００１５】
単電池１としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）を用いることができる。単電池１は、電池ケース１０と、電池ケース１０に収容された発電要素１４とを有する。電池ケース１０は、金属で形成されており、ケース本体１０ａおよび蓋１０ｂを有する。ケース本体１０ａは、発電要素１４を組み込むための開口部を有しており、蓋１０ｂは、ケース本体１０ａの開口部を塞いでいる。これにより、電池ケース１０の内部は、密閉状態となる。蓋１０ｂおよびケース本体１０ａは、例えば、溶接によって固定することができる。
【００１６】
正極端子１１および負極端子１２は、蓋１０ｂに固定されている。正極端子１１は、正極タブ１５ａを介して、発電要素１４と接続されており、負極端子１２は、負極タブ１５ｂを介して、発電要素１４と接続されている。また、蓋１０ｂには、弁１３が設けられている。弁１３は、電池ケース１０の内部でガスが発生したときに、電池ケース１０の外部にガスを排出するために用いられる。具体的には、ガスの発生に伴って電池ケース１０の内圧が弁１３の作動圧に到達すると、弁１３は、閉じ状態から開き状態に変化することにより、電池ケース１０の外部にガスを排出させる。
【００１７】
図３は、発電要素１４の展開図である。発電要素１４は、正極板１４１と、負極板１４２と、セパレータ１４３とを有する。正極板１４１は、集電板１４１ａと、集電板１４１ａの表面に形成された正極活物質層１４１ｂとを有する。正極活物質層１４１ｂは、正極活物質、導電剤、バインダーなどを含んでいる。正極活物質層１４１ｂは、集電板１４１ａの一部の領域に形成されており、集電板１４１ａの他の領域は露出している。負極板１４２は、集電板１４２ａと、集電板１４２ａの表面に形成された負極活物質層１４２ｂとを有する。負極活物質層１４２ｂは、負極活物質、導電剤、バインダーなどを含んでいる。負極活物質層１４２ｂは、集電板１４２ａの一部の領域に形成されており、集電板１４２ａの他の領域は露出している。セパレータ１４３は、電解液を含んでいる
【００１８】
図３に示す順番で、正極板１４１、負極板１４２およびセパレータ１４３を積層し、この積層体を図４の矢印Ｒで示す方向に巻くことにより、発電要素１４が構成される。積層体の巻き終わる部分は、テープを用いて固定しておくことができる。図３において、Ｙ方向における発電要素１４の一端では、正極板１４１の集電板１４１ａだけが巻かれている。この集電板１４１ａには、図２を用いて説明したように、正極タブ１５ａが固定される。Ｙ方向における発電要素１４の他端では、負極板１４２の集電板１４２ａだけが巻かれており、この集電板１４２ａには、負極タブ１５ｂが固定される。
【００１９】
図２および図４に示す領域（反応領域という）Ａは、正極活物質層１４１ｂおよび負極活物質層１４２ｂが互いに重なっている領域であり、単電池１の充放電を行うときに、化学反応が行われる領域である。
【００２０】
次に、本実施例である電池パック（蓄電装置に相当する）について、図５および図６を用いて説明する。図５は、電池パック１００の上面図であり、図６は、電池パック１００の一部を示す斜視図である。図５および図６に示す電池パックは、ケース（不図示）に収容することができる。
【００２１】
電池パック１００は、複数の単電池１を有する。単電池１の数は、電池パック１００の要求出力に基づいて、適宜設定することができる。電池パック１００は、例えば、車両に搭載することができる。電池パック１００から出力された電気エネルギをモータ・ジェネレータによって運動エネルギに変換すれば、この運動エネルギを用いて車両を走行させることができる。また、車両の制動時に発生する運動エネルギをモータ・ジェネレータによって電気エネルギに変換すれば、この電気エネルギを電池パック１００に蓄えることができる。
【００２２】
複数の単電池１は、Ｘ方向およびＹ方向に並んでいる。Ｘ方向で隣り合う２つの単電池１は、Ｙ方向にずれて配置されており、単電池１の一部の領域において互いに接触している。２つの単電池１が互いに接触していない領域には、スペースＳが形成されている。スペースＳは、単電池１の温度調節に用いられる空気の移動スペースとして用いることができる。
【００２３】
単電池１が発熱しているときには、冷却用の空気をスペースＳに流すことにより、冷却用の空気および単電池１の間で熱交換を行わせ、単電池１の温度上昇を抑制することができる。単電池１が過度に冷却されているときには、加温用の空気をスペースＳに流すことにより、加温用の空気および単電池１の間で熱交換を行わせ、単電池１の温度低下を抑制することができる。
【００２４】
電池パック１００を構成する複数の単電池１は、複数のバスバー５０によって電気的に直列に接続されている。バスバー５０は、電気的に直列に接続される２つの単電池１のうち、一方の単電池１の正極端子１１と、他方の単電池１の負極端子１２とに固定されている。
【００２５】
複数のバスバー５０は、絶縁材料（例えば、樹脂）で形成されたホルダに固定することができる。これにより、複数のバスバー５０をまとめて取り扱うことができる。本実施例では、図５に示すように、バスバー５０を配置しているが、これに限るものではない。すなわち、複数の単電池１を電気的に直列に接続することができれば、バスバー５０の配置は適宜設定することができる。
【００２６】
Ｘ方向における電池パック１００の両端には、一対のエンドプレート（拘束機構の一部）２０が配置されている。エンドプレート２０は、例えば、樹脂で形成することができる。エンドプレート２０は、単電池１と対向する面に、複数の突起部２１を有する。突起部２１は、Ｘ方向に突出している。
【００２７】
一対のエンドプレート２０には、Ｘ方向に延びる拘束バンド（連結部材に相当する）３０の両端３１が固定されている。拘束バンド３０の両端３１は、エンドプレート２０に沿って曲げられており、例えば、ボルトやリベットを用いてエンドプレート２０に固定されている。
【００２８】
本実施例では、一対の拘束バンド３０が、Ｙ方向における電池パック１００の両端に配置されているが、拘束バンド３０の数や、拘束バンド３０を配置する位置は、適宜設定することができる。また、拘束バンド３０の形状は、適宜設定することができる。拘束バンド３０の形状には、拘束バンド３０の長手方向と直交する断面における形状が含まれる。拘束バンド３０は、一対のエンドプレート２０に接続することができればよい。
【００２９】
一対のエンドプレート２０に拘束バンド３０を固定すれば、一対のエンドプレート２０によって挟まれる複数の単電池１に対して、拘束力Ｆを与えることができる。拘束力Ｆは、Ｘ方向において、複数の単電池１を挟む力である。
【００３０】
Ｙ方向における電池パック１００の両端には、複数のスペーサ４０が配置されている。スペーサ４０は、Ｘ方向において２つの単電池１によって挟まれたり、Ｘ方向において単電池１およびエンドプレート２０によって挟まれたりしている。スペーサ４０は、例えば、樹脂で形成することができる。
【００３１】
エンドプレート２０の突起部２１および単電池１が互いに接触する部分では、拘束力Ｆが作用する。また、スペーサ４０および単電池１が互いに接触する部分や、２つの単電池１が互いに接触する部分にも、拘束力Ｆが作用する。本実施例では、図６に示すように、各単電池１の一部の領域（拘束領域という）Ｅ１だけに、拘束力Ｆが作用している。単電池１のうち、Ｙ−Ｚ平面を構成する側面には、図６に示すように、２つの拘束領域Ｅ１が設けられている。拘束領域Ｅ１を決定する方法については、後述する。
【００３２】
次に、電池パック１００の製造方法について、図７を用いて簡単に説明する。図７は、複数の単電池１を所定位置に配置するための治具２００を示す図である。
【００３３】
治具２００は、複数の第１ストッパ２０１および第２ストッパ２０２を有する。第２ストッパ２０２は、Ｙ方向における治具２００の両端に設けられており、Ｘ方向に延びている。第１ストッパ２０１および第２ストッパ２０２は、単電池１およびスペーサ４０を、図５に示す位置に位置決めするために用いられる。単電池１やスペーサ４０は、第１ストッパ２０１および第２ストッパ２０２の間に形成されたスペースに配置することができる。第１ストッパ２０１および第２ストッパ２０２を用いることにより、単電池１およびスペーサ４０の位置決めを容易に行うことができる。
【００３４】
複数の単電池１および複数のスペーサ４０を位置決めした後は、一対のエンドプレート２０を配置するとともに、一対のエンドプレート２０に拘束バンド３０を固定する。また、複数の単電池１に対して複数のバスバー５０を接続すれば、電池パック１００を組み立てることができる。
【００３５】
本実施例では、図５および図６に示すように、２つの単電池１の間に１つのスペーサ４０を配置しているが、これに限るものではない。例えば、図８に示すスペーサ４１を用いることができる。スペーサ４１は、複数の突起部４１ａを有する。突起部４１ａは、図８に示すように、２つの単電池１の間に挟まれたり、単電池１およびエンドプレート２０の間に挟まれたりする。
【００３６】
本実施例では、単電池１をＸ方向だけでなく、Ｙ方向にも並べているが、これに限るものではない。具体的には、複数の単電池１をＸ方向に並べるだけでもよい。この場合にも、Ｘ方向で隣り合う２つの単電池１は、一部の拘束領域Ｅ１において、互いに接触する。また、各単電池１は、スペーサ４０と接触する。
【００３７】
次に、単電池１に拘束力Ｆを与える拘束領域Ｅ１について、具体的に説明する。
【００３８】
本願発明者は、レートが異なる条件で充放電を行いながら、単電池１の複数箇所における面圧を測定したら、充放電時のレートが高くなるにつれて、Ｙ方向における発電要素１４の両端における面圧が大きく変化することが分かった。単電池１の面圧とは、単電池１（発電要素１４）が膨らんだり、縮んだりするときの圧力である。単電池１が膨らめば、面圧が上昇し、単電池１が縮めば、面圧が低下することになる。例えば、圧力センサを測定箇所に配置することにより、面圧を測定することができる。
【００３９】
図９は、正極板１４１、負極板１４２およびセパレータ１４３の位置関係を示す図である。反応領域Ａは、正極活物質層１４１ｂおよび負極活物質層１４２ｂがセパレータ１４３を挟んで互いに重なっている領域であり、Ｙ方向における反応領域Ａの幅はＷＡである。本実施例では、Ｙ方向の長さに関して、正極活物質層１４１ｂが最も短くなっているため、反応領域Ａの幅ＷＡは、正極活物質層１４１ｂの幅に対応している。拘束領域Ｅ１は、第１拘束領域Ｅ２および第２拘束領域Ｅ３を含む。
【００４０】
図１０から図１３には、レートを変えながら充電を行ったときの単電池１の面圧を示している。図１０から図１３において、縦軸は、単電池１の面圧を示し、横軸は、発電要素１４のＹ方向における位置を示している。横軸の一端は、Ｙ方向における発電要素１４の一端側に相当し、横軸の他端は、Ｙ方向における発電要素１４の他端側に相当する。図１０から図１３において、点線は、充電を開始する前の単電池１の面圧（０秒時の面圧）を示し、実線は、充電を開始して１０秒経過した後の単電池１の面圧を示している。
【００４１】
図１０は、レート１Ｃで充電を行ったときの面圧の変化を示し、図１１は、レート１２Ｃで充電を行ったときの面圧の変化を示している。また、図１２は、レート２０Ｃで充電を行ったときの面圧の変化を示し、図１３は、レート３２Ｃで充電を行ったときの面圧の変化を示している。図１０から図１３に示すように、充電時のレートが高くなるにつれて、反応領域Ａの両端（第１拘束領域Ｅ２に相当する）における面圧が、反応領域Ａの他の領域よりも高くなる。図１０から図１３に示す面圧分布から分かるように、充電時のレートが２０Ｃ以上になると、面圧のバラツキが大きくなりやすい。
【００４２】
図１４から図１７には、レートを変えながら放電を行ったときの単電池１の面圧を示している。図１４から図１７において、縦軸は、単電池１の面圧を示し、横軸は、発電要素１４のＹ方向における位置を示している。また、図１４から図１７において、点線は、放電を開始する前の単電池１の面圧（０秒時の面圧）を示し、実線は、放電を開始して１０秒経過した後の単電池１の面圧を示している。
【００４３】
図１４は、レート１Ｃで放電を行ったときの面圧の変化を示し、図１５は、レート１２Ｃで放電を行ったときの面圧の変化を示している。また、図１６は、レート２０Ｃで放電を行ったときの面圧の変化を示し、図１７は、レート３２Ｃで放電を行ったときの面圧の変化を示している。図１４から図１７に示すように、放電時のレートが高くなるにつれて、反応領域Ａの両端（第１拘束領域Ｅ２に相当する）における面圧が、反応領域Ａの他の領域よりも低下している。図１４から図１７に示す面圧分布から分かるように、放電時のレートが２０Ｃ以上になると、面圧のバラツキが大きくなりやすい。
【００４４】
本実施例では、Ｘ方向で隣り合う２つの単電池１をＹ方向にずらして、単電池１の一部の領域を互いに接触させることにより、拘束領域Ｅ１（特に、第１拘束領域Ｅ２）に拘束力Ｆを作用させ、第１拘束領域Ｅ２が充放電によって変形（膨張および収縮）するのを抑制するようにしている。発電要素１４が部分的に変形するのを抑制することにより、発電要素１４の内部における劣化のバラツキを抑制することができる。
【００４５】
第１拘束領域Ｅ２は、以下の式（１）に基づいて決定することができる。
【００４６】
１４≦ＷＥ２／ＷＡ×１００≦２７ ・・・（１）
ここで、ＷＡは、反応領域Ａの幅（Ｙ方向の長さ）を示し、ＷＥ２は、第１拘束領域Ｅ２の幅（Ｙ方向の長さ）を示す（図９参照）。幅ＷＥ２は、反応領域Ａの両端を基準とした長さである。
【００４７】
幅ＷＡを決定すれば、上記式（１）に基づいて幅ＷＥ２を決定することができる。第１拘束領域Ｅ２は、面圧の変化量が、反応領域Ａの他の領域よりも大きい領域を特定するものである。
【００４８】
上記式（１）において、幅ＷＡ，ＷＥ２の関係が下限値（ＷＥ２／ＷＡ＝１４）よりも小さいと、拘束力Ｆを与える領域が不十分となるおそれがある。すなわち、発電要素１４の膨張および収縮を抑制することに関して、不十分な領域が発生してしまう。また、幅ＷＡ，ＷＥ２の関係が、上記式（１）の上限値（ＷＥ２／ＷＡ＝２７）よりも大きいと、面圧の変化量が小さい領域にも拘束力Ｆを与えることになる。
【００４９】
図１８は、本実施例における単電池１の抵抗増加率と、比較例としての単電池の抵抗増加率との関係を示す図である。図１８の縦軸は抵抗増加率を示し、横軸はサイクル数を示す。抵抗増加率は、初期状態（製造時）における単電池１の抵抗値と、充放電後における単電池１の抵抗値との関係を示す値であり、抵抗値の増加率を示す値である。抵抗増加率が上昇するほど、単電池１が劣化していることが分かる。サイクル数は、所定時間の充放電を繰り返して行うときの回数であり、１サイクルにおいて、所定時間の充放電が１回行われる。
【００５０】
比較例では、発電要素１４の全体、言い換えれば、図９で説明した反応領域Ａおよび第２拘束領域Ｅ３に対して拘束力Ｆを与えている。本実施例では、拘束領域Ｅ１だけに拘束力Ｆを与えている。図１８に示すグラフは、２５℃の温度条件において、レート２５Ｃで充放電を繰り返した結果を示している。
【００５１】
図１８に示すように、本実施例では、比較例に比べて、抵抗増加率の上昇を抑制することができ、単電池１の劣化を抑制することができる。
【００５２】
図１９に示すグラフは、第１拘束領域Ｅ２の幅（Ｙ方向の長さ）を変えたときの抵抗増加率の変化を示している。図１８と同様に、図１９の縦軸は、抵抗増加率を示し、横軸は、サイクル数を示している。図１９に示すデータは、レート３２Ｃで充放電を繰り返したときの測定結果を示している。
【００５３】
グラフＧ１１は、発電要素１４の全体（反応領域Ａおよび第２拘束領域Ｅ３）に拘束力Ｆを与えたときの抵抗増加率の変化を示す。グラフＧ１２，Ｇ１３は、拘束領域Ｅ１に拘束力Ｆを与えたときの抵抗増加率の変化を示す。グラフＧ１２の試験では、下記式（２）の条件を満たすように、拘束領域Ｅ１（第１拘束領域Ｅ２）を設定し、グラフＧ１３の試験では、下記式（３）の条件を満たすように、拘束領域Ｅ１（第１拘束領域Ｅ２）を設定している。なお、グラフＧ１１〜Ｇ１３において、発電要素１４における反応領域Ａおよび第２拘束領域Ｅ２のサイズは同一である。
【００５４】
ＷＥ２／ＷＡ×１００＝３５ ・・・（２）
ＷＥ２／ＷＡ×１００＝２７ ・・・（３）
【００５５】
図１９に示すように、グラフＧ１１，Ｇ１２では、サイクル数が増えるにつれて、抵抗増加率が上昇している。一方、グラフＧ１３では、サイクル数が増えても、抵抗増加率が上昇していない。
【００５６】
図２０に示すグラフは、幅ＷＡのサイズ（言い換えれば、発電要素１４のサイズ）を変更したときの抵抗増加率の変化を示している。図１８と同様に、図２０の縦軸は、抵抗増加率を示し、横軸は、サイクル数を示している。図２０に示すデータは、レート３２Ｃで充放電を繰り返したときの測定結果を示している。
【００５７】
グラフＧ２１，Ｇ２２，Ｇ２３は、発電要素１４の全体（反応領域Ａおよび第２拘束領域Ｅ３）に拘束力Ｆを与えたときの抵抗増加率の変化を示す。グラフＧ２１の試験では、基準サイズの反応領域Ａを有する発電要素１４を用いている。基準サイズとは、図１９で説明した試験に用いられた発電要素１４の反応領域Ａと同じサイズである。グラフＧ２２では、反応領域Ａのサイズを、基準サイズの１．４倍としている。グラフＧ２３では、反応領域Ａのサイズを、基準サイズの１．６５倍としている。
【００５８】
グラフＧ２４，Ｇ２５，Ｇ２６は、下記式（４）の条件において、拘束領域Ｅ１に拘束力Ｆを与えたときの抵抗増加率の変化を示している。
【００５９】
ＷＥ２／ＷＡ×１００＝２７ ・・・（４）
【００６０】
グラフＧ２４では、反応領域Ａのサイズを基準サイズとしている。グラフＧ２５では、反応領域Ａのサイズを、基準サイズの１．４倍とし、グラフＧ２６では、反応領域Ａのサイズを、基準サイズの１．６５倍としている。
【００６１】
図２０に示すように、グラフＧ２１，Ｇ２２，Ｇ２３では、サイクル数が増加するにつれて、抵抗増加率も上昇している。一方、グラフＧ２４，Ｇ２５，Ｇ２６では、サイクル数が増加しても、抵抗増加率が変化していない。また、グラフＧ２４，Ｇ２５，Ｇ２６では、反応領域Ａのサイズが異なっていても、抵抗増加率の変化は、同様の挙動を示している。図２０に示す試験結果から分かるように、反応領域Ａおよび第１拘束領域Ｅ２の比率が所定条件（上記式（１））を満たせば、反応領域Ａのサイズが変わっても、抵抗増加率の上昇を抑制することができる。
【００６２】
本実施例の変形例としては、発電要素１４をラミネートフィルムで覆った単電池１を用いることができる。ラミネートフィルムを用いた単電池１であっても、本実施例と同様に、単電池１を配置することができる。ここで、単電池１の内部に配置される発電要素１４は、正極板１４１、セパレータ１４３および負極板１４２が積層されることによって構成されており、発電要素１４には、正極端子および負極端子が接続される。正極端子および負極端子は、ラミネートフィルムに挟まれた状態において、単電池１の外部に突出している。
【００６３】
ラミネートフィルムを用いた単電池１において、発電要素１４は、正極板１４１、セパレータ１４３および負極板１４２を積層しただけの構成である。そこで、面圧の変化（膨張および収縮）を抑制するとともに、発電要素１４の外部に電解液が漏れてしまうのを抑制するためには、発電要素の外縁全体に拘束力Ｆを与えることが好ましい。拘束力Ｆは、正極板１４１、セパレータ１４３および負極板１４２の積層方向に作用するものであり、発電要素１４の外縁とは、拘束力Ｆが作用する方向と直交する面内における発電要素１４の端部である。拘束力Ｆを与える領域は、本実施例と同様の方法で決定することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１００：電池パック（蓄電装置） １：単電池（蓄電素子）
１０：電池ケース １０ａ：ケース本体
１０ｂ：蓋 １１：正極端子
１２：負極端子 １３：弁
１４：発電要素 １５ａ：正極タブ
１５ｂ：負極タブ １４１：正極板
１４１ａ：集電板 １４１ｂ：正極活物質層
１４２：負極板 １４２ａ：集電板
１４２ｂ：負極活物質層 １４３：セパレータ（電解質層）
２０：エンドプレート ２１：突起部
３０：拘束バンド（連結部材） ４０：スペーサ（加圧部材）
５０：バスバー ２００：治具
２０１：第１ストッパ ２０２：第２ストッパ
Ａ：反応領域 Ｅ１：拘束領域
Ｅ２：第１拘束領域 Ｅ３：第２拘束領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の蓄電素子に拘束力を与える構造を備えた蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の単電池を用いて組電池を構成する場合には、複数の単電池を一方向に並べて配置しておき、複数の単電池を、配列方向における両端から拘束することがある。ここで、単電池の配列方向において、組電池を見たときに、複数の単電池は互いに重なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０５３０１９号公報
【特許文献２】特開２００７−１０９５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明者は、単電池の充放電によっては、単電池の一部分における面圧だけが、他の部分における面圧よりも大きく変化してしまうことが分かった。ここで、単電池の面圧が上昇するときには、単電池が膨張しており、単電池の面圧が低下するときには、単電池が収縮している。したがって、面圧の大きな変化を抑制すれば、単電池の入出力特性が劣化するのを抑制することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明である蓄電装置は、所定方向に並んで配置され、充放電を行う反応領域を内部に含む複数の蓄電素子と、所定方向において複数の蓄電素子を挟んで拘束する拘束機構と、を有する。ここで、所定方向で隣り合う２つの蓄電素子は、反応領域の一端を含む一部の領域が所定方向で互いに重なった状態において、所定方向と直交する方向にずれて配置されている。所定方向で隣り合う２つの蓄電素子は、互いに接触させることができる。
【０００６】
蓄電素子は発電要素を含んでおり、発電要素は、反応領域を含み、正極板、負極板および電解質層が積層された積層体を所定軸の周りで巻くことによって構成することができる。ここで、反応領域の一部の領域としては、所定軸の方向における反応領域の端部を含む領域とすることができる。
【０００７】
所定軸の方向における一部の領域の幅ＷＥ２と、所定軸の方向における反応領域の幅ＷＡとは、下記式（Ｉ）の関係を満たすことが好ましい。
１４≦ＷＥ２／ＷＡ×１００≦２７ ・・・（Ｉ）
【０００８】
拘束機構は、一対のエンドプレートおよび連結部材で構成することができる。一対のエンドプレートは、所定方向において、複数の蓄電素子を挟んでいる。連結部材は、所定方向に延び、一対のエンドプレートに連結される。ここで、エンドプレートのうち、蓄電素子と対向する面には、蓄電素子の側に突出する突起部を設けることができる。突起部は、一部の領域に拘束力を与える位置において、蓄電素子と接触させることができる。
【０００９】
拘束機構の拘束力を受けて、蓄電素子の一部の領域に荷重を与える加圧部材を配置することができる。所定方向で隣り合う２つの蓄電素子のうち、互いに接触する領域とは異なる領域に対して、加圧部材を接触させることができる。
【００１０】
蓄電装置を構成する複数の蓄電素子は、所定方向に並ぶ複数の蓄電素子と、所定方向と直交する方向に並ぶ複数の蓄電素子とで構成することができる。蓄電素子としては、２０Ｃ以上のレートで充電又は放電が行われるリチウムイオン二次電池を用いることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、所定方向で隣り合う２つの蓄電素子は、反応領域の一端を含む一部の領域が所定方向で互いに重なった状態において、所定方向と直交する方向にずれて配置される。このため、拘束機構を用いて、所定方向に並んで配置された複数の蓄電素子を拘束すれば、反応領域内の一部の領域に対して拘束力を与えることにより、一部の領域における面圧の変化を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１における単電池の外観図である。
【図２】実施例１における単電池の内部構造を示す図である。
【図３】実施例１における発電要素の展開図である。
【図４】実施例１における発電要素の外観図である。
【図５】実施例１である電池パックの上面図である。
【図６】実施例１である電池パックの一部の外観図である。
【図７】実施例１である電池パックの組み立て方法の一部を説明する図である。
【図８】実施例１の変形例である電池パックの一部の上面図である。
【図９】実施例１において、反応領域および拘束領域を説明する図である。
【図１０】レート１Ｃの充電における単電池の面圧を示す図である。
【図１１】レート１２Ｃの充電における単電池の面圧を示す図である。
【図１２】レート２０Ｃの充電における単電池の面圧を示す図である。
【図１３】レート３２Ｃの充電における単電池の面圧を示す図である。
【図１４】レート１Ｃの放電における単電池の面圧を示す図である。
【図１５】レート１２Ｃの放電における単電池の面圧を示す図である。
【図１６】レート２０Ｃの放電における単電池の面圧を示す図である。
【図１７】レート３２Ｃの放電における単電池の面圧を示す図である。
【図１８】抵抗増加率およびサイクル数の関係を示す図である。
【図１９】第１拘束領域のサイズを変更した場合において、抵抗増加率およびサイクル数の関係を示す図である。
【図２０】発電要素のサイズを変更した場合において、抵抗増加率およびサイクル数の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１４】
実施例１である単電池（蓄電素子に相当する）について説明する。図１は、単電池の斜視図であり、図２は、単電池の内部構造を示す図である。図１および図２において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸である。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の関係は、他の図面においても同様である。
【００１５】
単電池１としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）を用いることができる。単電池１は、電池ケース１０と、電池ケース１０に収容された発電要素１４とを有する。電池ケース１０は、金属で形成されており、ケース本体１０ａおよび蓋１０ｂを有する。ケース本体１０ａは、発電要素１４を組み込むための開口部を有しており、蓋１０ｂは、ケース本体１０ａの開口部を塞いでいる。これにより、電池ケース１０の内部は、密閉状態となる。蓋１０ｂおよびケース本体１０ａは、例えば、溶接によって固定することができる。
【００１６】
正極端子１１および負極端子１２は、蓋１０ｂに固定されている。正極端子１１は、正極タブ１５ａを介して、発電要素１４と接続されており、負極端子１２は、負極タブ１５ｂを介して、発電要素１４と接続されている。また、蓋１０ｂには、弁１３が設けられている。弁１３は、電池ケース１０の内部でガスが発生したときに、電池ケース１０の外部にガスを排出するために用いられる。具体的には、ガスの発生に伴って電池ケース１０の内圧が弁１３の作動圧に到達すると、弁１３は、閉じ状態から開き状態に変化することにより、電池ケース１０の外部にガスを排出させる。
【００１７】
図３は、発電要素１４の展開図である。発電要素１４は、正極板１４１と、負極板１４２と、セパレータ１４３とを有する。正極板１４１は、集電板１４１ａと、集電板１４１ａの表面に形成された正極活物質層１４１ｂとを有する。正極活物質層１４１ｂは、正極活物質、導電剤、バインダーなどを含んでいる。正極活物質層１４１ｂは、集電板１４１ａの一部の領域に形成されており、集電板１４１ａの他の領域は露出している。負極板１４２は、集電板１４２ａと、集電板１４２ａの表面に形成された負極活物質層１４２ｂとを有する。負極活物質層１４２ｂは、負極活物質、導電剤、バインダーなどを含んでいる。負極活物質層１４２ｂは、集電板１４２ａの一部の領域に形成されており、集電板１４２ａの他の領域は露出している。セパレータ１４３は、電解液を含んでいる
【００１８】
図３に示す順番で、正極板１４１、負極板１４２およびセパレータ１４３を積層し、この積層体を図４の矢印Ｒで示す方向に巻くことにより、発電要素１４が構成される。積層体の巻き終わる部分は、テープを用いて固定しておくことができる。図３において、Ｙ方向における発電要素１４の一端では、正極板１４１の集電板１４１ａだけが巻かれている。この集電板１４１ａには、図２を用いて説明したように、正極タブ１５ａが固定される。Ｙ方向における発電要素１４の他端では、負極板１４２の集電板１４２ａだけが巻かれており、この集電板１４２ａには、負極タブ１５ｂが固定される。
【００１９】
図２および図４に示す領域（反応領域という）Ａは、正極活物質層１４１ｂおよび負極活物質層１４２ｂが互いに重なっている領域であり、単電池１の充放電を行うときに、化学反応が行われる領域である。
【００２０】
次に、本実施例である電池パック（蓄電装置に相当する）について、図５および図６を用いて説明する。図５は、電池パック１００の上面図であり、図６は、電池パック１００の一部を示す斜視図である。図５および図６に示す電池パックは、ケース（不図示）に収容することができる。
【００２１】
電池パック１００は、複数の単電池１を有する。単電池１の数は、電池パック１００の要求出力に基づいて、適宜設定することができる。電池パック１００は、例えば、車両に搭載することができる。電池パック１００から出力された電気エネルギをモータ・ジェネレータによって運動エネルギに変換すれば、この運動エネルギを用いて車両を走行させることができる。また、車両の制動時に発生する運動エネルギをモータ・ジェネレータによって電気エネルギに変換すれば、この電気エネルギを電池パック１００に蓄えることができる。
【００２２】
複数の単電池１は、Ｘ方向およびＹ方向に並んでいる。Ｘ方向で隣り合う２つの単電池１は、Ｙ方向にずれて配置されており、単電池１の一部の領域において互いに接触している。２つの単電池１が互いに接触していない領域には、スペースＳが形成されている。スペースＳは、単電池１の温度調節に用いられる空気の移動スペースとして用いることができる。
【００２３】
単電池１が発熱しているときには、冷却用の空気をスペースＳに流すことにより、冷却用の空気および単電池１の間で熱交換を行わせ、単電池１の温度上昇を抑制することができる。単電池１が過度に冷却されているときには、加温用の空気をスペースＳに流すことにより、加温用の空気および単電池１の間で熱交換を行わせ、単電池１の温度低下を抑制することができる。
【００２４】
電池パック１００を構成する複数の単電池１は、複数のバスバー５０によって電気的に直列に接続されている。バスバー５０は、電気的に直列に接続される２つの単電池１のうち、一方の単電池１の正極端子１１と、他方の単電池１の負極端子１２とに固定されている。
【００２５】
複数のバスバー５０は、絶縁材料（例えば、樹脂）で形成されたホルダに固定することができる。これにより、複数のバスバー５０をまとめて取り扱うことができる。本実施例では、図５に示すように、バスバー５０を配置しているが、これに限るものではない。すなわち、複数の単電池１を電気的に直列に接続することができれば、バスバー５０の配置は適宜設定することができる。
【００２６】
Ｘ方向における電池パック１００の両端には、一対のエンドプレート（拘束機構の一部）２０が配置されている。エンドプレート２０は、例えば、樹脂で形成することができる。エンドプレート２０は、単電池１と対向する面に、複数の突起部２１を有する。突起部２１は、Ｘ方向に突出している。
【００２７】
一対のエンドプレート２０には、Ｘ方向に延びる拘束バンド（連結部材に相当する）３０の両端３１が固定されている。拘束バンド３０の両端３１は、エンドプレート２０に沿って曲げられており、例えば、ボルトやリベットを用いてエンドプレート２０に固定されている。
【００２８】
本実施例では、一対の拘束バンド３０が、Ｙ方向における電池パック１００の両端に配置されているが、拘束バンド３０の数や、拘束バンド３０を配置する位置は、適宜設定することができる。また、拘束バンド３０の形状は、適宜設定することができる。拘束バンド３０の形状には、拘束バンド３０の長手方向と直交する断面における形状が含まれる。拘束バンド３０は、一対のエンドプレート２０に接続することができればよい。
【００２９】
一対のエンドプレート２０に拘束バンド３０を固定すれば、一対のエンドプレート２０によって挟まれる複数の単電池１に対して、拘束力Ｆを与えることができる。拘束力Ｆは、Ｘ方向において、複数の単電池１を挟む力である。
【００３０】
Ｙ方向における電池パック１００の両端には、複数のスペーサ４０が配置されている。スペーサ４０は、Ｘ方向において２つの単電池１によって挟まれたり、Ｘ方向において単電池１およびエンドプレート２０によって挟まれたりしている。スペーサ４０は、例えば、樹脂で形成することができる。
【００３１】
エンドプレート２０の突起部２１および単電池１が互いに接触する部分では、拘束力Ｆが作用する。また、スペーサ４０および単電池１が互いに接触する部分や、２つの単電池１が互いに接触する部分にも、拘束力Ｆが作用する。本実施例では、図６に示すように、各単電池１の一部の領域（拘束領域という）Ｅ１だけに、拘束力Ｆが作用している。単電池１のうち、Ｙ−Ｚ平面を構成する側面には、図６に示すように、２つの拘束領域Ｅ１が設けられている。拘束領域Ｅ１を決定する方法については、後述する。
【００３２】
次に、電池パック１００の製造方法について、図７を用いて簡単に説明する。図７は、複数の単電池１を所定位置に配置するための治具２００を示す図である。
【００３３】
治具２００は、複数の第１ストッパ２０１および第２ストッパ２０２を有する。第２ストッパ２０２は、Ｙ方向における治具２００の両端に設けられており、Ｘ方向に延びている。第１ストッパ２０１および第２ストッパ２０２は、単電池１およびスペーサ４０を、図５に示す位置に位置決めするために用いられる。単電池１やスペーサ４０は、第１ストッパ２０１および第２ストッパ２０２の間に形成されたスペースに配置することができる。第１ストッパ２０１および第２ストッパ２０２を用いることにより、単電池１およびスペーサ４０の位置決めを容易に行うことができる。
【００３４】
複数の単電池１および複数のスペーサ４０を位置決めした後は、一対のエンドプレート２０を配置するとともに、一対のエンドプレート２０に拘束バンド３０を固定する。また、複数の単電池１に対して複数のバスバー５０を接続すれば、電池パック１００を組み立てることができる。
【００３５】
本実施例では、図５および図６に示すように、２つの単電池１の間に１つのスペーサ４０を配置しているが、これに限るものではない。例えば、図８に示すスペーサ４１を用いることができる。スペーサ４１は、複数の突起部４１ａを有する。突起部４１ａは、図８に示すように、２つの単電池１の間に挟まれたり、単電池１およびエンドプレート２０の間に挟まれたりする。
【００３６】
本実施例では、単電池１をＸ方向だけでなく、Ｙ方向にも並べているが、これに限るものではない。具体的には、複数の単電池１をＸ方向に並べるだけでもよい。この場合にも、Ｘ方向で隣り合う２つの単電池１は、一部の拘束領域Ｅ１において、互いに接触する。また、各単電池１は、スペーサ４０と接触する。
【００３７】
次に、単電池１に拘束力Ｆを与える拘束領域Ｅ１について、具体的に説明する。
【００３８】
本願発明者は、レートが異なる条件で充放電を行いながら、単電池１の複数箇所における面圧を測定したら、充放電時のレートが高くなるにつれて、Ｙ方向における発電要素１４の両端における面圧が大きく変化することが分かった。単電池１の面圧とは、単電池１（発電要素１４）が膨らんだり、縮んだりするときの圧力である。単電池１が膨らめば、面圧が上昇し、単電池１が縮めば、面圧が低下することになる。例えば、圧力センサを測定箇所に配置することにより、面圧を測定することができる。
【００３９】
図９は、正極板１４１、負極板１４２およびセパレータ１４３の位置関係を示す図である。反応領域Ａは、正極活物質層１４１ｂおよび負極活物質層１４２ｂがセパレータ１４３を挟んで互いに重なっている領域であり、Ｙ方向における反応領域Ａの幅はＷＡである。本実施例では、Ｙ方向の長さに関して、正極活物質層１４１ｂが最も短くなっているため、反応領域Ａの幅ＷＡは、正極活物質層１４１ｂの幅に対応している。拘束領域Ｅ１は、第１拘束領域Ｅ２および第２拘束領域Ｅ３を含む。
【００４０】
図１０から図１３には、レートを変えながら充電を行ったときの単電池１の面圧を示している。図１０から図１３において、縦軸は、単電池１の面圧を示し、横軸は、発電要素１４のＹ方向における位置を示している。横軸の一端は、Ｙ方向における発電要素１４の一端側に相当し、横軸の他端は、Ｙ方向における発電要素１４の他端側に相当する。図１０から図１３において、点線は、充電を開始する前の単電池１の面圧（０秒時の面圧）を示し、実線は、充電を開始して１０秒経過した後の単電池１の面圧を示している。
【００４１】
図１０は、レート１Ｃで充電を行ったときの面圧の変化を示し、図１１は、レート１２Ｃで充電を行ったときの面圧の変化を示している。また、図１２は、レート２０Ｃで充電を行ったときの面圧の変化を示し、図１３は、レート３２Ｃで充電を行ったときの面圧の変化を示している。図１０から図１３に示すように、充電時のレートが高くなるにつれて、反応領域Ａの両端（第１拘束領域Ｅ２に相当する）における面圧が、反応領域Ａの他の領域よりも高くなる。図１０から図１３に示す面圧分布から分かるように、充電時のレートが２０Ｃ以上になると、面圧のバラツキが大きくなりやすい。
【００４２】
図１４から図１７には、レートを変えながら放電を行ったときの単電池１の面圧を示している。図１４から図１７において、縦軸は、単電池１の面圧を示し、横軸は、発電要素１４のＹ方向における位置を示している。また、図１４から図１７において、点線は、放電を開始する前の単電池１の面圧（０秒時の面圧）を示し、実線は、放電を開始して１０秒経過した後の単電池１の面圧を示している。
【００４３】
図１４は、レート１Ｃで放電を行ったときの面圧の変化を示し、図１５は、レート１２Ｃで放電を行ったときの面圧の変化を示している。また、図１６は、レート２０Ｃで放電を行ったときの面圧の変化を示し、図１７は、レート３２Ｃで放電を行ったときの面圧の変化を示している。図１４から図１７に示すように、放電時のレートが高くなるにつれて、反応領域Ａの両端（第１拘束領域Ｅ２に相当する）における面圧が、反応領域Ａの他の領域よりも低下している。図１４から図１７に示す面圧分布から分かるように、放電時のレートが２０Ｃ以上になると、面圧のバラツキが大きくなりやすい。
【００４４】
本実施例では、Ｘ方向で隣り合う２つの単電池１をＹ方向にずらして、単電池１の一部の領域を互いに接触させることにより、拘束領域Ｅ１（特に、第１拘束領域Ｅ２）に拘束力Ｆを作用させ、第１拘束領域Ｅ２が充放電によって変形（膨張および収縮）するのを抑制するようにしている。発電要素１４が部分的に変形するのを抑制することにより、発電要素１４の内部における劣化のバラツキを抑制することができる。
【００４５】
第１拘束領域Ｅ２は、以下の式（１）に基づいて決定することができる。
【００４６】
１４≦ＷＥ２／ＷＡ×１００≦２７ ・・・（１）
ここで、ＷＡは、反応領域Ａの幅（Ｙ方向の長さ）を示し、ＷＥ２は、第１拘束領域Ｅ２の幅（Ｙ方向の長さ）を示す（図９参照）。幅ＷＥ２は、反応領域Ａの両端を基準とした長さである。
【００４７】
幅ＷＡを決定すれば、上記式（１）に基づいて幅ＷＥ２を決定することができる。第１拘束領域Ｅ２は、面圧の変化量が、反応領域Ａの他の領域よりも大きい領域を特定するものである。
【００４８】
上記式（１）において、幅ＷＡ，ＷＥ２の関係が下限値（ＷＥ２／ＷＡ＝１４）よりも小さいと、拘束力Ｆを与える領域が不十分となるおそれがある。すなわち、発電要素１４の膨張および収縮を抑制することに関して、不十分な領域が発生してしまう。また、幅ＷＡ，ＷＥ２の関係が、上記式（１）の上限値（ＷＥ２／ＷＡ＝２７）よりも大きいと、面圧の変化量が小さい領域にも拘束力Ｆを与えることになる。
【００４９】
図１８は、本実施例における単電池１の抵抗増加率と、比較例としての単電池の抵抗増加率との関係を示す図である。図１８の縦軸は抵抗増加率を示し、横軸はサイクル数を示す。抵抗増加率は、初期状態（製造時）における単電池１の抵抗値と、充放電後における単電池１の抵抗値との関係を示す値であり、抵抗値の増加率を示す値である。抵抗増加率が上昇するほど、単電池１が劣化していることが分かる。サイクル数は、所定時間の充放電を繰り返して行うときの回数であり、１サイクルにおいて、所定時間の充放電が１回行われる。
【００５０】
比較例では、発電要素１４の全体、言い換えれば、図９で説明した反応領域Ａおよび第２拘束領域Ｅ３に対して拘束力Ｆを与えている。本実施例では、拘束領域Ｅ１だけに拘束力Ｆを与えている。図１８に示すグラフは、２５℃の温度条件において、レート２５Ｃで充放電を繰り返した結果を示している。
【００５１】
図１８に示すように、本実施例では、比較例に比べて、抵抗増加率の上昇を抑制することができ、単電池１の劣化を抑制することができる。
【００５２】
図１９に示すグラフは、第１拘束領域Ｅ２の幅（Ｙ方向の長さ）を変えたときの抵抗増加率の変化を示している。図１８と同様に、図１９の縦軸は、抵抗増加率を示し、横軸は、サイクル数を示している。図１９に示すデータは、レート３２Ｃで充放電を繰り返したときの測定結果を示している。
【００５３】
グラフＧ１１は、発電要素１４の全体（反応領域Ａおよび第２拘束領域Ｅ３）に拘束力Ｆを与えたときの抵抗増加率の変化を示す。グラフＧ１２，Ｇ１３は、拘束領域Ｅ１に拘束力Ｆを与えたときの抵抗増加率の変化を示す。グラフＧ１２の試験では、下記式（２）の条件を満たすように、拘束領域Ｅ１（第１拘束領域Ｅ２）を設定し、グラフＧ１３の試験では、下記式（３）の条件を満たすように、拘束領域Ｅ１（第１拘束領域Ｅ２）を設定している。なお、グラフＧ１１〜Ｇ１３において、発電要素１４における反応領域Ａおよび第２拘束領域Ｅ２のサイズは同一である。
【００５４】
ＷＥ２／ＷＡ×１００＝３５ ・・・（２）
ＷＥ２／ＷＡ×１００＝２７ ・・・（３）
【００５５】
図１９に示すように、グラフＧ１１，Ｇ１２では、サイクル数が増えるにつれて、抵抗増加率が上昇している。一方、グラフＧ１３では、サイクル数が増えても、抵抗増加率が上昇していない。
【００５６】
図２０に示すグラフは、幅ＷＡのサイズ（言い換えれば、発電要素１４のサイズ）を変更したときの抵抗増加率の変化を示している。図１８と同様に、図２０の縦軸は、抵抗増加率を示し、横軸は、サイクル数を示している。図２０に示すデータは、レート３２Ｃで充放電を繰り返したときの測定結果を示している。
【００５７】
グラフＧ２１，Ｇ２２，Ｇ２３は、発電要素１４の全体（反応領域Ａおよび第２拘束領域Ｅ３）に拘束力Ｆを与えたときの抵抗増加率の変化を示す。グラフＧ２１の試験では、基準サイズの反応領域Ａを有する発電要素１４を用いている。基準サイズとは、図１９で説明した試験に用いられた発電要素１４の反応領域Ａと同じサイズである。グラフＧ２２では、反応領域Ａのサイズを、基準サイズの１．４倍としている。グラフＧ２３では、反応領域Ａのサイズを、基準サイズの１．６５倍としている。
【００５８】
グラフＧ２４，Ｇ２５，Ｇ２６は、下記式（４）の条件において、拘束領域Ｅ１に拘束力Ｆを与えたときの抵抗増加率の変化を示している。
【００５９】
ＷＥ２／ＷＡ×１００＝２７ ・・・（４）
【００６０】
グラフＧ２４では、反応領域Ａのサイズを基準サイズとしている。グラフＧ２５では、反応領域Ａのサイズを、基準サイズの１．４倍とし、グラフＧ２６では、反応領域Ａのサイズを、基準サイズの１．６５倍としている。
【００６１】
図２０に示すように、グラフＧ２１，Ｇ２２，Ｇ２３では、サイクル数が増加するにつれて、抵抗増加率も上昇している。一方、グラフＧ２４，Ｇ２５，Ｇ２６では、サイクル数が増加しても、抵抗増加率が変化していない。また、グラフＧ２４，Ｇ２５，Ｇ２６では、反応領域Ａのサイズが異なっていても、抵抗増加率の変化は、同様の挙動を示している。図２０に示す試験結果から分かるように、反応領域Ａおよび第１拘束領域Ｅ２の比率が所定条件（上記式（１））を満たせば、反応領域Ａのサイズが変わっても、抵抗増加率の上昇を抑制することができる。
【００６２】
本実施例の変形例としては、発電要素１４をラミネートフィルムで覆った単電池１を用いることができる。ラミネートフィルムを用いた単電池１であっても、本実施例と同様に、単電池１を配置することができる。ここで、単電池１の内部に配置される発電要素１４は、正極板１４１、セパレータ１４３および負極板１４２が積層されることによって構成されており、発電要素１４には、正極端子および負極端子が接続される。正極端子および負極端子は、ラミネートフィルムに挟まれた状態において、単電池１の外部に突出している。
【００６３】
ラミネートフィルムを用いた単電池１において、発電要素１４は、正極板１４１、セパレータ１４３および負極板１４２を積層しただけの構成である。そこで、面圧の変化（膨張および収縮）を抑制するとともに、発電要素１４の外部に電解液が漏れてしまうのを抑制するためには、発電要素の外縁全体に拘束力Ｆを与えることが好ましい。拘束力Ｆは、正極板１４１、セパレータ１４３および負極板１４２の積層方向に作用するものであり、発電要素１４の外縁とは、拘束力Ｆが作用する方向と直交する面内における発電要素１４の端部である。拘束力Ｆを与える領域は、本実施例と同様の方法で決定することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１００：電池パック（蓄電装置） １：単電池（蓄電素子）
１０：電池ケース １０ａ：ケース本体
１０ｂ：蓋 １１：正極端子
１２：負極端子 １３：弁
１４：発電要素 １５ａ：正極タブ
１５ｂ：負極タブ １４１：正極板
１４１ａ：集電板 １４１ｂ：正極活物質層
１４２：負極板 １４２ａ：集電板
１４２ｂ：負極活物質層 １４３：セパレータ（電解質層）
２０：エンドプレート ２１：突起部
３０：拘束バンド（連結部材） ４０：スペーサ（加圧部材）
５０：バスバー ２００：治具
２０１：第１ストッパ ２０２：第２ストッパ
Ａ：反応領域 Ｅ１：拘束領域
Ｅ２：第１拘束領域 Ｅ３：第２拘束領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定方向に並んで配置され、充放電を行う反応領域を内部に含む複数の蓄電素子と、
前記所定方向において前記複数の蓄電素子を挟んで拘束する拘束機構と、を有し、
前記所定方向で隣り合う２つの前記蓄電素子は、前記反応領域の一端を含む一部の領域が前記所定方向で互いに重なった状態において、前記所定方向と直交する方向にずれて配置されていることを特徴とする蓄電装置。
【請求項２】
前記所定方向で隣り合う２つの前記蓄電素子は、互いに接触していることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記蓄電素子は、正極板、負極板および電解質層が積層された積層体を、所定軸の周りで巻くことによって構成され、前記反応領域を含む発電要素を有しており、
前記一部の領域は、前記所定軸の方向における前記反応領域の端部を含む領域であることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記所定軸の方向における前記一部の領域の幅ＷＥ２と、前記所定軸の方向における前記反応領域の幅ＷＡとが下記式（Ｉ）の関係を有する、
１４≦ＷＥ２／ＷＡ×１００≦２７ ・・・（Ｉ）
ことを特徴とする請求項３に記載の蓄電装置。
【請求項５】
前記拘束機構は、
前記所定方向において、前記複数の蓄電素子を挟む一対のエンドプレートと、
前記所定方向に延び、前記一対のエンドプレートに連結される連結部材と、
を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の蓄電装置。
【請求項６】
前記エンドプレートは、前記蓄電素子と対向する面において、前記蓄電素子の側に突出する突起部を有しており、
前記突起部は、前記一部の領域に拘束力を与える位置において、前記蓄電素子と接触することを特徴とする請求項５に記載の蓄電装置。
【請求項７】
前記蓄電素子と接触し、前記拘束機構の拘束力を受けて、前記一部の領域に荷重を与える加圧部材を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の蓄電装置。
【請求項８】
前記複数の蓄電素子は、前記所定方向と直交する方向に並ぶ複数の蓄電素子を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の蓄電装置。
【請求項９】
前記蓄電素子は、２０Ｃ以上のレートで充電又は放電が行われるリチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の蓄電装置。
【請求項１】
所定方向に並んで配置され、充放電を行う反応領域を内部に含む複数の蓄電素子と、
前記所定方向において前記複数の蓄電素子を挟んで拘束する拘束機構と、を有し、
前記所定方向で隣り合う２つの前記蓄電素子は、前記反応領域の一端を含む一部の領域が前記所定方向で互いに重なった状態において、前記所定方向と直交する方向にずれて配置されていることを特徴とする蓄電装置。
【請求項２】
前記所定方向で隣り合う２つの前記蓄電素子は、互いに接触していることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記蓄電素子は、正極板、負極板および電解質層が積層された積層体を、所定軸の周りで巻くことによって構成され、前記反応領域を含む発電要素を有しており、
前記一部の領域は、前記所定軸の方向における前記反応領域の端部を含む領域であることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記所定軸の方向における前記一部の領域の幅ＷＥ２と、前記所定軸の方向における前記反応領域の幅ＷＡとが下記式（Ｉ）の関係を有する、
１４≦ＷＥ２／ＷＡ×１００≦２７ ・・・（Ｉ）
ことを特徴とする請求項３に記載の蓄電装置。
【請求項５】
前記拘束機構は、
前記所定方向において、前記複数の蓄電素子を挟む一対のエンドプレートと、
前記所定方向に延び、前記一対のエンドプレートに連結される連結部材と、
を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の蓄電装置。
【請求項６】
前記エンドプレートは、前記蓄電素子と対向する面において、前記蓄電素子の側に突出する突起部を有しており、
前記突起部は、前記一部の領域に拘束力を与える位置において、前記蓄電素子と接触することを特徴とする請求項５に記載の蓄電装置。
【請求項７】
前記蓄電素子と接触し、前記拘束機構の拘束力を受けて、前記一部の領域に荷重を与える加圧部材を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の蓄電装置。
【請求項８】
前記複数の蓄電素子は、前記所定方向と直交する方向に並ぶ複数の蓄電素子を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の蓄電装置。
【請求項９】
前記蓄電素子は、２０Ｃ以上のレートで充電又は放電が行われるリチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の蓄電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−１６９１０８（Ｐ２０１２−１６９１０８Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８３４６（Ｐ２０１１−２８３４６）
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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