JP2016139476A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電池モジュールの長さのばらつきを抑制することができると共に、経時的な電池性能劣化の抑制が図られた電池モジュールを提供する。【解決手段】電池モジュールは、複数配列する単位セル２と、単位セル２間に配置された弾性部材２１と、単位セル２間に配置され、弾性部材２１よりも剛性が高い定寸法部材５と、単位セル２間に弾性部材２１と定寸法部材５と配置した状態で、配列する複数の単位セル２を拘束する拘束具とを備え、単位セル２は、ケース３０と、ケース３０内に収容された電極体３１とを含み、電極体３１は、反応部位４６と非反応部位とを含み、弾性部材２１は、ケース３０の反応部位４６が位置する部分に配置され、定寸法部材５は、ケース３０のうち非反応部位が位置する部分と、ケース３０のうち電極体３１が位置していない部分との少なくとも一方に配置される。【選択図】図５

Description

本願発明は、電池モジュールに関し、特に、複数の電池セルを拘束して形成された電池モジュールに関する。

従来、電池モジュールを搭載したハイブリッド車両、電気自動車などが着目されている。下記特許文献１に記載された組電池は、単位セルおよびスペーサ部材を交互に積層した電池群と、一対のエンドプレートと、拘束バンドとを備える。

特開２０１３−０９３２２４号公報

単位セルは、ケースと、ケース内に収容された電極体と、電極体に接続された電極端子とを含む。たとえば、電極体は、正極と負極とセパレータとを順次重ねて、巻回することで形成されている。そして、スペーサ部材は、ケースのうち、電極体が位置する部分を押圧するように配置されている。

ここで、正極および負極の製造過程において、活物質などの膜厚を正確に制御することは困難である。その結果、正極および負極の厚さに関して製造ばらつきが生じる。これにより、電極体ごとに電極体の寸法に差が生じる。たとえば、正極および負極が厚い電極体をケースに収容すると、ケースのうち電極体が位置する部分が膨らんだ状態となる。そして、スペーサ部材をケースのうち電極体が位置する部分に配置した状態で、拘束バンドで電池セルを締め付けて各ケースに拘束力を付与すると、電池セルごとに変形量に差が生じる。その結果、電池ジュールごとに、電池モジュールの長さに差が生じ、電池モジュールによっては車両搭載が困難となる場合が生じる。

また、一般的に、スペーサ部材は、ポリプロピレン樹脂やポリエチレン樹脂などの樹脂によって形成されている。このため、時間の経過とともに、スペーサ部材のクリープ変形が大きくなる傾向がある。スペーサ部材がクリープ変形すると、各単位セルに付加されている拘束力が小さくなる。

単位セルに加えられる拘束力が小さくなると、たとえば、拘束力によって薄くなるように変形していたセパレータの厚さが元の厚さに戻ろうとする。その結果、正極と負極との間の距離が大きくなり、正極および負極間の抵抗が大きくなる。これにより、電池モジュールの電池性能が劣化することにある。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、電池モジュールの長さのばらつきを抑制することができると共に、経時的な電池性能劣化の抑制が図られた電池モジュールを提供することである。

本発明に係る電池モジュールは、単位セル間に配置された弾性部材と、単位セル間に配置され、弾性部材よりも剛性が高い定寸法部材と、単位セル間に弾性部材と定寸法部材と配置した状態で、複数の単位セルを拘束する拘束具とを備える。上記単位セルは、ケースと、ケース内に収容された電極体とを含み、電極体は、反応部位と非反応部位とを含む。上記弾性部材は、ケースの反応部位が位置する部分に配置される。上記定寸法部材は、ケースのうち非反応部位が位置する部分と、ケースのうち電極体が位置していない部分との少なくとも一方に配置される。

上記の構成において、非反応部位の厚さは、製造過程において殆ど製造誤差が生じ難い。そのため、ケースのうち非反応領域が位置する部分に定寸法部材を配置した状態で単位セルに拘束力を加えると、各単位セルごとの変形量は略一定となる。これにより、各単位セル間の距離は略一定となる。また、ケースのうち電極体が位置していない部分においても、製造ばらつきが生じ難く、ケースのうち電極体が位置していない部分の寸法は一定に維持される。そのため、ケースのうち電極体が位置していない部分に定寸法部材を配置して、単位セルに拘束力を加えると、各単位セルごとの変形量は略一定となる。これにより、各単位セル間の距離は一定となる。そして、定寸法部材は剛性が高いため、経時的に変形することが抑制されており、長期間に亘って、単位セル間の距離が一定に維持される。これにより、電池モジュールの長さ寸法にばらつきが生じることが抑制される。

単位セル間の距離が長期間に亘って一定に維持されるため、弾性部材から各電極体に加えられる荷重も長期化に亘って一定に維持される。これにより、各電極体および電池モジュールの電池性能が経時的に劣化することを抑制することができる。

本願発明に係る電池モジュールによれば、電池モジュールの長さにばらつきが生じることを抑制することができると共に、経時的な電池性能の劣化を抑制することができる。

実施の形態１に係る電池モジュール１を示す平面図である。 電池モジュール１の一部を示す側面図である。 電池モジュール１の一部を示す平面図である。 電池セル２を示す断面図である。 電池セル２、スペーサ４および定寸法部材５を示し、一部を破断視した側面図である。 比較例に係る電池モジュール６０を示す平面図である。 電池モジュール６０の一部を示す平面図である。 実施の形態１に係る電池モジュール１に設けられた定寸法部材５の幅寸法と、比較例に係る電池モジュール６０のスペーサ６４の幅寸法とについて、経時的な変化を示すグラフである。 日数が経過したときにおける電池モジュール１の電池容量および電池モジュール６０の電池容量の変化について示すグラフである。 実施の形態２に係る電池モジュール１Ａを示す平面図である。 電池モジュール１Ａの一部を示す平面図である。 電池モジュール１Ａの電池セル２を示す断面図である。

（実施の形態１）
図１から図９を用いて、実施の形態１に係る電池モジュール１について説明する。図１は、実施の形態１に係る電池モジュール１を示す平面図である。この図１に示すように、電池モジュール１は、複数配列する電池セル２と、複数配列する電池セル２を拘束する拘束具３とを備える。

図２は、電池モジュール１の一部を示す側面図であり、図２に示すように、電池モジュール１は、電池セル２間に配置されたスペーサ４と、電池セル２間に配置され、スペーサ４よりも剛性の高い定寸法部材５とを備える。図１において、拘束具３は、電池セル２の間にスペーサ４および定寸法部材５を配置した状態で、複数の電池セル２を拘束する。電池セル２が複数配列することで電池群６が形成されており、拘束具３は、電池群６の一端に配置されたエンドプレート７と、電池群６の他端に配置されたエンドプレート８と、エンドプレート７およびエンドプレート８を連結する連結部材９，１０と、筒状部材１７，１８とを含む。

連結部材９は、表面にネジ部が形成され、エンドプレート７およびエンドプレート８を貫通する軸部１１と、エンドプレート７側に配置されて軸部１１に取り付けられたナット１２と、エンドプレート８側に配置されて軸部１１に取り付けられたナット１３とを含む。

連結部材１０は、表面にネジ部が形成され、エンドプレート７およびエンドプレート８を貫通する軸部１４と、エンドプレート７側に配置されて軸部１４に取り付けられたナット１５と、エンドプレート８側に配置されて軸部１４に取り付けられたナット１６とを含む。

そして、ナット１２，１３，１５，１６が巻かれることで、エンドプレート７とエンドプレート８との間の距離が短くなり、電池群６が拘束されることになる。筒状部材１７および筒状部材１８は、いずれも樹脂などの絶縁材料によって形成されており、筒状部材１７および筒状部材１８は、エンドプレート７およびエンドプレート８の間に配置されている。筒状部材１７の内部には軸部１４が挿入されており、筒状部材１８の内部には軸部１１が挿入されている。

図３は、電池モジュール１の一部を示す平面図であり、図２および図３に示すように、スペーサ４は、板状に形成されたベースプレート２０と、ベースプレート２０の表面および背面にアレイ状に配置された複数の弾性部材２１とを含む。弾性部材２１としては、ＰＥＥＫ樹脂(ポリエーテルエーテルケトン樹脂)やＧＦＲＰ樹脂（ガラス繊維強化プラスチック樹脂）などから形成された樹脂バネを採用することができる。なお、樹脂バネ以外にも、金属バネに樹脂コーティングした絶縁コーティング金属バネも採用することができる。なお、芯材となる金属バネは、たとえば、金属バネ（ＳＷ−Ｃ（硬鋼線））、ＳＷＰ−Ａ（ピアノ線Ａ種）、ＳＷＰ−Ｂ（ピアノ線Ｂ種）、ＳＵＳ３０４ＷＰＢ（ばね用ステンレス鋼線）、ＳＷＯＳＣ−Ｂ（ばね用シリコンクロム鋼オイルテンパー線）などから形成する。ベースプレート２０は、たとえば、金属プレートに樹脂コーティングが施すことで形成されている。

図２において、定寸法部材５は、たとえば、金属部材の表面に樹脂コーティングを施すことで形成されており、スペーサ４よりも剛性が高く、スペーサ４よりも変形し難くなっている。

図４に示すように、電池セル２は、ケース３０と、このケース３０内に収容された電極体３１と、ケース３０に設けられた正極用の外部端子３２および負極用の外部端子３３と、電極体３１に接続された正極用の集電端子３４と、負極用の集電端子３５とを含む。なお、ケース３０内には、電解液が収容されており、電極体３１の少なくとも一部が電解液に浸されている。

ケース３０は、上方が開口するように形成されたケース本体３０Ａと、このケース本体３０Ａの開口部を閉塞するように設けられた蓋３０Ｂとを含む。外部端子３２および外部端子３３は、蓋３０Ｂの上面に設けられている。

電極体３１は、シート状の正極３６と、シート状のセパレータ３７Ａと、シート状の負極３８と、シート状のセパレータ３７Ｂを順次積層して、その後、巻回することで形成されている。

正極３６は、金属箔の表裏面に正極活物質を塗布することで形成されており、正極３６には、正極活物質などが塗布された塗布部位４０と、正極活物質などが塗布されず金属箔が露出した露出部位４１とを含む。集電端子３４は、露出部位４１および外部端子３２を接続するように設けられている。

負極３８は、金属箔の表裏面に負極活物質などを塗布することで形成されており、負極３８には、負極活物質などが塗布された塗布部位４２と、負極活物質などが塗布されたおらず金属箔が露出した露出部位４３とを含む。集電端子３５は、露出部位４３と外部端子３３とを接続するように設けられている。

そして、正極３６の塗布部位４０と、負極３８の塗布部位４２とは、セパレータ３７Ａまたはセパレータ３７Ｂを間に挟んで対向するように配置されており、塗布部位４０および塗布部位４２の間で充放電反応が行われる。その一方で、露出部位４１および露出部位４３は、充放電反応がなされない。このため、電極体３１は、充放電反応がなされる反応部位４６と、充電放電反応がなされない非反応部位４７および非反応部位４８とを含む。なお、反応部位４６は塗布部位４０，４２が位置する部分であり、非反応部位４７，４８は、露出部位４１，４３が位置する部分である。

ここで、正極３６の製造過程において、塗布部位４０の厚さを正確に制御することは困難であり、また、負極３８の製造過程において、塗布部位４２の厚さを正確に制御することは困難である。そのため、図５に示すように、電極体３１ごとに、反応部位４６の厚さＴにばらつきが生じる。このため、反応部位４６の厚さＴが厚い電極体３１がケース３０内に収容されると、ケース３０のうち反応部位４６が位置する部分が膨らむことになる。また、反応部位４６の厚さＴが薄い電極体３１が収容されると、反応部位４６とケース３０との間に隙間が生じることになる。

その一方で、非反応部位４７，４８が位置する部分は、活物質が塗布されていないため、電極体３１ごとに製造ばらつきは殆どない状態である。このように形成された電極体３１は、ケース３０の底板から間隔をあけて配置されている。

そして、定寸法部材５は、ケース３０のうち、電極体３１が位置していない部分に配置されている。反応部位４６の厚さＴにばらつきが生じたとしても、ケース３０のうち電極体３１が位置していない部分は、各電池セル２ごとに同じ厚さであり、また、略同じ剛性である。そのため、定寸法部材５から加えられる拘束力によって、仮に、ケース３０のうち、定寸法部材５によって押圧される部分が変形したとしても、各ケース３０は同じように変形することになる。

このため、この電池モジュール１によれば、電極体３１の製造過程において、反応部位４６の厚さＴにばらつきが生じたとしても、各電池セル２間の間隔は定寸法部材５によって均一とされる。その結果として、各電池モジュール１ごとに長さ寸法を所定寸法にすることができ、電池モジュール１ごとに寸法ばらつきが生じることを抑制することができる。その結果、たとえば、電池モジュール１を車両に組み付ける際に、電池モジュール１の寸法ばらつきによって生じる弊害を回避することができる。

また、各定寸法部材５の剛性は高いため、拘束具３からの拘束力によってクリープなどの変形が生じ難い。その結果、長期間、拘束具３による拘束力が電池セル２および定寸法部材５に加えられたとしても、各電池セル２同士間の距離は一定に維持される。

図５に示されるように、ケース３０のうち、電極体３１が位置する部分には、複数の弾性部材２１が配置されている。上述のように各電池セル２間の距離は均一なものとなっており、長期間経過したとしても、各電池セル２間の距離は均一な状態が維持される。

このため、長期間経過したとしても、弾性部材２１から電極体３１に加えられる荷重に差が生じ難くなっている。電極体３１に加えられる荷重が経時的に変化し難いため、長期間にわたって、電極体３１のセパレータ３７の厚さが変化せず、正極３６の塗布部位４０と負極３８の塗布部位４２との間の距離が殆ど変化しなくなる。これにより、電極体３１の抵抗に変化が生じ難く、長期間に亘って、電極体３１の電気性能を維持することができる。

ここで、図６から図９を用いて、本実施の形態１に係る電池モジュール１と、比較例に係る電池モジュール６０とを比較して、電池モジュール１の効果について説明する。

図６は、比較例に係る電池モジュール６０を示す平面図である。この図６に示すように、電池モジュール６０は、複数の電池セル６２が配列して形成された電池群６６と、この電池群６６を拘束する拘束具６３とを備える。図７に示すように、各電池セル６２間には、スペーサ６４が配置されている。スペーサ６４は、樹脂材料によって形成されている。スペーサ６４は、電池セル６２を押圧する本体部８０と、本体部８０の各側面から外方に向けて張り出す張出部８１Ａ，８１Ｂを備える。張出部８１Ａには、貫通孔８３が形成されている。

図６において、拘束具６３は、各電池セル６２間にスペーサ６４が配置された状態で、電池群６６を拘束している。拘束具６３は、電池群６６の一端側に配置されたエンドプレート６７と、電池群６６の他端側に配置されたエンドプレート６８と、エンドプレート６７およびエンドプレート６８を接続する接続部材６９，７０とを含む。

接続部材６９，７０は、エンドプレート６７およびエンドプレート６８を貫通するように形成された軸部７１，７４と、軸部７１，７４に設けられたナット７２，７３，７５，７６とを含む。そして、各ナット７２，７３，７５，７６を巻き締めることで、電池群６６に加えられる拘束力を高めることができる。なお、軸部７１は、図７に示す張出部８１Ａの貫通孔８３を通るように配置されている。

図８は、実施の形態１に係る電池モジュール１に設けられた定寸法部材５の幅寸法と、比較例に係る電池モジュール６０のスペーサ６４の幅寸法とについて、経時的な変化を示すグラフである。

グラフの実線は、図２に示す定寸法部材５の幅寸法Ｌ１を示し、初期状態における定寸法部材５の幅寸法を１００としたときに、日数が経過したときにおける定寸法部材５の幅寸法Ｌ１の変化を示す。グラフの点線は、図７に示す本体部８０の幅寸法Ｌ２を示し、初期状態における本体部８０の幅寸法を１００としたときに、日数が経過したときにおける本体部８０の幅寸法Ｌ２の変化を示す。

この図８に示すように、定寸法部材５の幅寸法Ｌ１は、日数が経過したも初期状態の幅寸法Ｌ１を略維持することができることが分かる。その一方で、本体部８０の幅寸法Ｌ２は、日数が経過するにつれて小さくなることが分かる。すなわち、本実施の形態１に係る電池モジュール１によれば、各電池セル２間の距離を略一定に維持し続けることができることが分かる。

図９は、日数が経過したときにおける電池モジュール１の電池容量および電池モジュール６０の電池容量の変化について示すグラフである。グラフの実線は、電池モジュール１の電池容量を示し、点線は、電池モジュール６０の電池容量を示す。図９からも明らかなように、本実施の形態１に係る電池モジュール１は、初期状態の電池容量を１００としたときに、日数が経過しても、電池容量が略１００に維持されることが分かる。その一方で、電池モジュール６０においては、初期状態の電池容量を１００としたときに、日数の経過と共に電池容量が低下することが分かる。したがって、本実施の形態１に係る電池モジュールは、電池容量の経時的な劣化が抑制されていることが分かる。
（実施の形態２）
図１０から図１２を用いて、本実施の形態２に係る電池モジュール１Ａについて説明する。なお、図１０から図１２に示す構成において、図１から図９に示す構成と同一または実質的に同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。

図１０は、実施の形態２に係る電池モジュール１Ａを示す平面図である。この図１０に示すように各電池セル２間には、定寸法部材５Ａ，５Ｂが設けられている。

図１１に示すように、定寸法部材５Ａ，５Ｂは、電池セル２の両端側に配置されている。具体的には、図１２の二点鎖線で示すように、定寸法部材５Ａは、ケース３０のうち、非反応部位４８が位置する部分に配置されている。また、定寸法部材５Ｂは、非反応部位４７が位置する部分に配置されている。

ここで、非反応部位４７，４８には露出部位４１，４３と集電端子３４，３５が位置しており、正極活物質や負極活物質などが形成されていない。このため、正極３６や負極３８の製造過程において、塗布部位４０や塗布部位４２の厚さに差が生じたとしても、ケース３０のうち、非反応部位４７，４８が位置する部分の寸法に大きな影響はない。

このため、ケース３０のうち非反応部位４７，４８が位置する部分は、いずれの電池セル２においても略同じ幅寸法になる。したがって、電池モジュール１Ａにおいても、各電池セル２間の距離は、定寸法部材５Ａ，５Ｂによって規定され、各電池セル２間の距離は均一なものとなり、電池モジュール１Ａの長さ寸法は略設計値とすることができる。

また、定寸法部材５Ａ、５Ｂも剛性の高い部材であり、たとえば、金属の表面に樹脂コーティングを施することで形成されている。

このため、長期間経過したとしても、電池セル２間の間隔は長期化に亘って維持され、電池モジュール１Ａの電池容量も長期間、一定に維持することができる。

以上、本発明に基づいた各実施の形態および各実施例について説明したが、今回開示された事項はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的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ことが意図される。

本発明は、複数の電池セルを備えた電池モジュールに適用することができる。

１，１Ａ，６０ 電池モジュール、２，６２ 電池セル、３，６３ 拘束具、４，６４ スペーサ、５，５Ａ，５Ｂ 定寸法部材、６，６６ 電池群、７，８，６７，６８ エンドプレート、９，１０ 連結部材、１１，１４，７１，７４ 軸部、１２，１３，１５，１６，７２，７３，７５，７６ ナット、２０ ベースプレート、２１ 弾性部材、３０ ケース、３０Ａ ケース本体、３０Ｂ 蓋、３１ 電極体、３２，３３ 外部端子、３４，３５ 集電端子、３６ 正極、３７ セパレータ、３８ 負極、４０，４２ 塗布部位、４１，４３ 露出部位、４６ 反応部位、４７，４８ 非反応部位、６９，７０ 接続部材、８０ 本体部、８１Ａ，８１Ｂ 張出部、８３ 貫通孔。

Claims (1)

1. 複数配列する単位セルと、
   前記単位セル間に配置された弾性部材と、
   前記単位セル間に配置され、前記弾性部材よりも剛性が高い定寸法部材と、
   前記単位セル間に前記弾性部材と前記定寸法部材と配置した状態で、配列する複数の前記単位セルを拘束する拘束具と、
   を備え、
   前記単位セルは、ケースと、前記ケース内に収容された電極体とを含み、
   前記電極体は、反応部位と非反応部位とを含み、
   前記弾性部材は、前記ケースの前記反応部位が位置する部分に配置され、
   前記定寸法部材は、前記ケースのうち前記非反応部位が位置する部分と、前記ケースのうち前記電極体が位置していない部分との少なくとも一方に配置された、電池モジュール。
   

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