JP2006156392A - 二次電池モジュールおよびこれに適用される単位電池固定用エンドプレート - Google Patents

二次電池モジュールおよびこれに適用される単位電池固定用エンドプレート Download PDF

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Abstract

【課題】重量を減少させた電池モジュールおよびこれに適用される単位電池固定用エンドプレートを提供する。
【解決手段】本発明によれば，複数の単位電池と；積層された単位電池の最も外側に配された一対のエンドプレートと；エンドプレートに突出形成された締結部材に挿通されて一対のエンドプレートを締結する締結ロッドと；を含み，エンドプレートの厚さが締結部材の厚さより小さい二次電池モジュールが提供される。これによって，エンドプレートの厚さを締結部材の厚さより小さくすることにより，二次電池モジュール自体を軽量化することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は，二次電池に関し，より詳しくは，複数の単位電池が連結されて構成される電池モジュールに関する。
二次電池（secondary battery）は，充電が不可能な一次電池とは異なり，充電および放電が可能な電池である。小容量二次電池は，携帯電話，ノートブックコンピュータ，カムコーダ等の携帯可能な小型電子機器用の電源として用いられ，大容量二次電池は，ハイブリッド自動車等のモータ駆動用の電源として広範に用いられている。
二次電池は，円筒形または角形等の多様な形状で製造されている。高出力が要求される機器，例えば電気自動車等のモータ駆動用の電源として用いられるように，複数の二次電池が直列に連結されて大容量二次電池を構成する。このように大容量二次電池（以下では，「電池モジュール」と称する）は，通常，直列に連結された複数の二次電池（以下では，「単位電池」と称する）からなる。
各々の単位電池は，正および負極板がセパレータを介在してなる電極組立体，電極組立体が収容される空間部が形成されたケース，ケースに係合されて，それを密閉するキャップ組立体，電極組立体に形成された正および負極板の集電体と電気的に連結されるキャップ組立体に突出形成された正および負極端子を含む。そして，複数の単位電池が直列に配され，隣接する単位電池の負極端子と正極端子との間に導電体がナットによって連結されて，電池モジュールを構成する。
ここで，電池モジュールは，数個から数十個の単位電池が連結されて構成されるため，積層された単位電池を固定するために一対のエンドプレートが用いられる。また，一対のエンドプレートは，積層された単位電池の最も外側に配されて，互いに締結ロッドおよびナットで締結されることにより，その間に単位電池を締付けて固定させる。
かかる構造により，エンドプレートには，ナットからの応力が作用する。この場合，エンドプレートは，その剛性を確保するために高強度の材料で形成されると，製造費用の増加をもたらす。よって，従来のエンドプレートでは，その厚さを増加させることにより，その剛性を確保して変形および破損を防止してきた。
しかし，エンドプレートの厚さが増加すると，電池モジュール自体の重量が増加し，電池モジュールが装着される機器の性能を低下させる原因となる。特に，ＨＥＶ（ハイブリッド電気自動車），電気自転車，電気スクーター等に用いられるモータ駆動用の二次電池の場合，装着される機器の性能を向上させるためには，電池自体の重量を減少させることが重要であるといえる。しかし，かかる従来の構造では，電池モジュール自体の重量の増加により，装着される機器の出力が低下して，モータ駆動用の電源としての適用が困難であるという問題を有する。
本発明は，上記問題に鑑みてなされたものであり，その目的は，軽量化された新規かつ改良された電池モジュールおよびこれに適用される単位電池固定用エンドプレートを提供することにある。
上記課題を解決するため，本発明のある観点によれば，複数の単位電池と；積層された単位電池の最も外側に配された一対のエンドプレートと；エンドプレートに突出形成された締結部材に挿通されて一対のエンドプレートを締結する締結ロッドと；を含み，エンドプレートの厚さが締結部材の厚さより小さい二次電池モジュールが提供される。
かかる構成によれば，エンドプレートの厚さを締結部材の厚さより小さくすることにより，二次電池モジュール自体を軽量化することができる。
上記単位電池の間に電池隔壁が配されてもよい。
上記エンドプレートは，単位電池の側面に対応する寸法で形成されて単位電池に隣接して配された平板部材と，平板部材の上端および下端に突出形成されてホールが貫通形成された締結部材とを含むようにしてもよい。
上記エンドプレートには，互いに対向する両側端に締結部材が突出形成されてもよい。また，上記エンドプレートには，互いに対向する上下端に締結部材が突出形成されてもよい。
上記締結ロッドは，先端にねじ切り加工されたボルト状の構造を有し，ナットによって締結されてもよい。
上記のエンドプレートと締結部材との間の連結部は，円弧状の断面形状を有するようにしてもよい。
上記電池モジュールは，モータ駆動用の電源として用いられてもよい。
また，本発明の他の観点によれば，複数の単位電池と；単位電池が積層された電池集合体の外側に配されて応力集中部に補強部が形成された一対のエンドプレートと；一対のエンドプレートの間に設置され，一対のエンドプレートを締結する締結ロッド，およびナットと；を含む二次電池モジュールが提供される。
かかる構成によれば，締結ロッドおよびナットを通じた締付け力が作用するエンドプレートの応力集中部は，補強部によって剛性を確保できるため，二次電池モジュール自体を軽量化するとともに，エンドプレートの変形および破損を防止することもできる。
上記補強部は，他の部分より高強度の材料で形成されてもよい。また，上記補強部は，締結ロッドおよびナットの締結部位に形成されてもよい。
上記エンドプレートは，電池集合体の外側に密着する平板部材と，平板部材の対向する二つの側端に平板部材より高強度の材料で形成された複数の締結部材と，締結ロッドを挿通するために締結部材の中央に形成されたホールとを含むようにしてもよい。
また，上記エンドプレートは，ホールの周囲に平板部材より高強度の材料で形成されたホール周辺部を含むようにしてもよい。上記ホール周辺部は，締結部材より高強度の材料で形成されてもよい。
上記締結部材は，アルミニウム３００３からなるようにしてもよい。また，上記ホール周辺部は，ステンレススチール３０４からなるようにしてもよい。
上記エンドプレートには，互いに対向する両側端に締結部材が突出形成されてもよい。また，上記エンドプレートには，互いに対向する上下端に締結部材が突出形成されてもよい。
発明によれば，軽量化された電池モジュールおよびこれに適用される単位電池固定用エンドプレートが提供される。
以下に，添付した図面を参照しながら，本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する発明特定事項については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図１は本発明の第１の実施形態による二次電池モジュールの構成を示す斜視図である。図１に示すように，本実施形態による電池モジュール１０は，大容量電池モジュールであり，所定の離隔距離を有して直列に配された複数の単位電池１１を含む。なお，以下の実施形態の説明では，単位電池１１として角形の単位電池が用いられる場合について説明する。
各々の単位電池１１は，セパレータを介在して，その両側に正および負極板が配された電極組立体を含み，所定の電力を充電および放電する二次電池である。単位電池１１の間には，各々の単位電池１１の離隔距離を維持し，その間に冷却媒体を流通させるための電池隔壁１２が配される。よって，複数の単位電池１１は，単位電池１１の間に配された電池隔壁１２によって所定の離隔距離を有して直列に配される電池列を構成する。
この電池列は，それを構成する最も外側に配された単位電池１１の外側に配される一対のエンドプレート２０によって密着され，エンドプレート２０を締結する締結ロッド３０により固定されて，電池モジュール１０を構成する。エンドプレート２０は，図２に示すように，単位電池１１の全面に対応する寸法で形成され，単位電池１１の全面に密着する平板部材２１と，平板部材２１の上端および下端にそれぞれ突出形成された締結部材２２とを含む。以下の説明では，単位電池１１がその端子が鉛直上向きになるように設置された状態で，単位電池１１の上側および下側に対応する平板部材２１の先端を，平板部材２１の上端および下端とそれぞれ定義する。
締結部材２２には，締結ロッド３０が挿通されるホール２４が形成される。この締結ロッド３０は，その両端がねじきり加工されたボルト状の構造を有し，締結部材２２のホール２４に挿通されてナット３１により締結される。これにより，締結ロッド３０が締結部材２２に形成されたホール２４に挿通されてナット３１で締結されると，電池列の両側に配されたエンドプレート２０が単位電池を締付けて固定する。
一方，本実施形態では，エンドプレート２０の平板部材２１および締結部材２２は，図３に示すように，平板部材２１の厚さ（ｄ）と比べて締結部材２２の厚さ（Ｄ）が相対的に大きい構造を有する。これは，締結ロッド３０を通じて締結力が作用する締結部材２２の厚さ（Ｄ）を大きくして剛性を確保するとともに，平板部材２１の厚さ（ｄ）を小さくしてエンドプレート２０の重量を減少させて，電池モジュール１０の重量を減少させるためである。これにより，単位電池１１の締付け力を高めるとともに，電池モジュール１０の軽量化を図ることができる。
また，図３に示すように，エンドプレート２０の平板部材２１と締結部材２２との間の連結部２３は，厚さ方向で内側に凹むような円弧状の断面形状を有する。これにより，エンドプレート２０と締結部材２２との厚さにかかわらず，エンドプレート２０および締結部材２２が円滑に連結され，さらに，連結部２３に作用する応力は，円弧状の連結部２３全体に分散されて，応力集中による連結部２３の破断を防止できる。
一方，本発明の第２の実施形態による電池モジュールでは，図４に示すように，締結部材２２が平板部材２１の両側端に突出形成される。
ここで，単位電池１１がその端子が鉛直上向きになるように設置された状態で，単位電池１１の左右側に対応する平板部材２１の先端を，平板部材２１の側端と定義する。図４に示すように，本発明の第２の実施形態では，平板部材２１上での締結部材２２の形成位置を除けば，エンドプレート２０および電池モジュール１０の構成は，第１の実施形態と同様である。図４で説明されていない図面符号については，第１の実施形態に係る図面符号を参照するものとし，以下での説明を省略する。
かかる構成の電池モジュール１０の作用は，次のとおりである。複数の単位電池１１およびそれに介在される電池隔壁１２が積層されることにより電池列が構成され，電池列の最も外側に配された単位電池１１の外側に本実施形態による一対のエンドプレート２０が配される。この状態で，エンドプレート２０に突出形成された締結部材２２のホール２４に締結ロッド３０が挿通され，締結部材２２の外側に突出した締結ロッド３０の端部にナット３１が締結されて電池列を締付けることにより，複数の単位電池１１および電池隔壁１２を一体的に固定することができる。かかる構造を有する締結部材２２は，締結ロッド３０およびナット３１によって内側に締付けられて，エンドプレート２０と締結部材２２との間の連結部２３に応力が作用する。しかし，この応力が円弧状に形成された連結部２３全体に分散されるため，応力集中は生じない。
図５および図６は，本発明の第３の実施形態を示す図面である。図５および図６に示すように，本実施形態による電池モジュール１０のエンドプレート２０は，単位電池１１に密着する平板部材２１，平板部材２１の上端および下端に形成された締結部材２２，締結部材２２の中央に形成されて締結ロッド３０が挿通されるホール２４，およびホール周辺部２５を含む。
本実施形態によるエンドプレート２０は，全体の厚さが従来のエンドプレート２０と比べて相対的に小さく形成され，締結部材２２およびホール周辺部２５も，平板部材２１より高強度の材料で形成される。ホール周辺部２５は，締結部材２２より高強度の材料で形成されることが望ましい。この場合，異なる強度を有する材料間の結合方法は，特に限定されない。例えば，コンポジット鋼（composite steel）またはクラッド鋼（clad steel）のように従来から用いられている多様な方法により結合される。よって，本実施形態によるエンドプレート２０は，その応力集中部に既存の鋼材からなるエンドプレート２０より高強度の材料を用いることで，その厚さを減少させた場合でも，ナット３１および締結ロッド３０により生じる応力に耐え得る。
本実施形態では，エンドプレート２０の平板部材２１が低価格で１００ＭＰａの引張強度を有する鋼材で形成される場合，締結部材２２が１５０ＭＰａの引張強度を有する日本工業標準規格（ＪＩＳ）のアルミニウム合金３００３種，ホール周辺部２５が３００ＭＰａの引張強度を有する韓国産業規格（ＫＳ）のステンレススチール３０４種を用いてそれぞれ形成されることが望ましい。本実施形態のように，応力集中部に引張強度および剪断強度が高い材料を用いる場合，エンドプレート２０の厚さを従来と比べて１／３〜１／２程度に減少させることができる。
ここで，締結部材２２は，上述のように平板部材２１の上端および下端のみならず，図７に示すように，平板部材２１の両側端にもまた形成されうる。本実施形態では，エンドプレート２０が電池列を締付けることにより，締結ロッド３０に締結されたナット３１がホール周辺部２５に応力を作用させるが，ホール周辺部２５は，その応力に十分に耐え得る強度を有する材料で形成されているため，その応力によって容易に変形または破断されることがない。また，ホール周辺部２５に作用する応力が締結部材２２に伝達されるため，ホール周辺部２５と接する部分で電池列の内側方向に応力が作用する。この場合，締結部材２２は，一般的な鋼材より高強度の材料で形成されるため，この応力に耐え得ることができ，この応力が平板部材２１に伝達され，平板部材２１が単位電池１１を十分に締付けることができる。よって，単位電池１１がより安定的に連結され，かつエンドプレート２０が応力による変形または破損から防止される。また，エンドプレート２０の重量が減少するため，電池モジュール１０が装着される機器の性能を向上させうる。
図８は，図１，図４，図５または図７に示す二次電池モジュールおよびモータの概略を示すブロック図である。本発明の電池モジュール１０は，高出力／大容量が要求されるＨＥＶ，ＥＶ，無線掃除機，電動自転車，電動スクーター等のようなモータ駆動機器において，それら機器のモータ駆動用の電池として効果的に用いられるが，その用途は必ずしも限定されるものではない。
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範疇に属するものと了解される。
なお，本発明による締結部材２２は，実施形態を説明する図１〜７で示されるような位置におよび数量で形成されることに限定されるものではなく，エンドプレート２０がその全面で単位電池１１を均一に締付けるようないかなる構成で形成されている場合にも適用できる。また，上述の実施形態の説明では，単位電池１１の形状が角形である場合について説明したが，本発明は，かかる形状に限定されるものではなく，単位電池１１が角形以外の形状を有する場合にも適用できる。
第１の実施形態による二次電池モジュールの構成を示す斜視図である。 第１の実施形態による二次電池モジュールの概略を示す断面図である。 第１の実施形態による二次電池モジュールのエンドプレートの構成を示す断面図である。 第２の実施形態による二次電池モジュールの構成を示す斜視図である。 第３の実施形態による二次電池モジュールの構成を示す分解斜視図である。 第３の実施形態による二次電池モジュールのエンドプレートの構成を示す正面図である。 第４の実施形態による二次電池モジュールの構成を示す分解斜視図である。 図１，図４，図５または図７に示す二次電池モジュールおよびモータの概略を示すブロック図である。
符号の説明
１０ 電池モジュール
１１ 単位電池
１２ 電池隔壁
２０ エンドプレート
２１ 平板部材
２２ 締結部材
２４ ホール
２５ ホール周辺部
３０ 締結ロッド
３１ ナット

Claims (18)

  1. 複数の単位電池と；
    積層された前記単位電池の最も外側に配された一対のエンドプレートと；
    前記エンドプレートに突出形成された締結部材に挿通されて一対の前記エンドプレートを締結する締結ロッドと；
    を含み，
    前記エンドプレートの厚さが前記締結部材の厚さより小さいことを特徴とする，二次電池モジュール。
  2. 前記単位電池の間に電池隔壁が配されることを特徴とする，請求項１に記載の二次電池モジュール。
  3. 前記エンドプレートは，前記単位電池の側面に対応する寸法で形成されて前記単位電池に隣接して配された平板部材と，前記平板部材の上端および下端に突出形成されてホールが貫通形成された締結部材とを含むことを特徴とする，請求項１または２に記載の二次電池モジュール。
  4. 前記エンドプレートには，互いに対向する両側端に締結部材が突出形成されることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池モジュール。
  5. 前記エンドプレートには，互いに対向する上下端に締結部材が突出形成されることを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池モジュール。
  6. 前記締結ロッドは，先端にねじ切り加工されたボルト状の構造を有し，ナットによって締結されることを特徴とする，請求項１〜５のいずれかに記載の二次電池モジュール。
  7. 前記エンドプレートと前記締結部材との間の連結部は，円弧状の断面形状を有することを特徴とする，請求項１〜６のいずれかに記載の二次電池モジュール。
  8. 前記電池モジュールは，モータ駆動用の電源として用いられることを特徴とする，請求項１〜７のいずれかに記載の二次電池モジュール。
  9. 複数の単位電池と；
    前記単位電池が積層された電池集合体の外側に配され，応力集中部に補強部が形成された一対のエンドプレートと；
    一対の前記エンドプレートの間に設置されて一対の前記エンドプレートを締結する締結ロッド，およびナットと；
    を含むことを特徴とする，二次電池モジュール。
  10. 前記補強部は，他の部分より高強度の材料で形成されることを特徴とする，請求項９に記載の二次電池モジュール。
  11. 前記補強部は，前記締結ロッドおよび前記ナットの締結部位に形成されることを特徴とする，請求項９または１０に記載の二次電池モジュール。
  12. 前記エンドプレートは，前記電池集合体の外側に密着する平板部材と，前記平板部材の対向する二つの側端に前記平板部材より高強度の材料で形成された複数の締結部材と，前記締結ロッドを挿通するために前記締結部材の中央に形成されたホールとを含むことを特徴とする，請求項９〜１１のいずれかに記載の二次電池モジュール。
  13. 前記エンドプレートは，前記ホールの周囲に前記平板部材より高強度の材料で形成されたホール周辺部を含むことを特徴とする，請求項１２に記載の二次電池モジュール。
  14. 前記ホール周辺部は，前記締結部材より高強度の材料で形成されることを特徴とする，請求項１３に記載の二次電池モジュール。
  15. 前記締結部材は，アルミニウム３００３からなることを特徴とする，請求項１２に記載の二次電池モジュール。
  16. 前記ホール周辺部は，ステンレススチール３０４からなることを特徴とする，請求項１３に記載の二次電池モジュール。
  17. 前記エンドプレートには，互いに対向する両側端に締結部材が突出形成されることを特徴とする，請求項９〜１６のいずれかに記載の二次電池モジュール。
  18. 前記エンドプレートには，互いに対向する上下端に締結部材が突出形成されることを特徴とする，請求項９〜１７のいずれかに記載の二次電池モジュール。
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