JP2016181408A

JP2016181408A - 電池モジュール

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Publication number: JP2016181408A
Application number: JP2015061203A
Authority: JP
Inventors: 浩生植田; Hiromi Ueda; 英史大石; Eiji Oishi; 加藤　崇行; Takayuki Kato; 崇行加藤
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2016-10-13
Anticipated expiration: 2035-03-24
Also published as: WO2016151972A1; JP6277987B2

Abstract

【課題】電池セル間の温度制御効率の均一化が図られる電池モジュールを提供する。
【解決手段】電池モジュール１は、電池セル１１を温度制御部材３３を介して配列してなる配列体２と、配列体２を挟むように配置され、電池セル１１の配列方向に拘束荷重を付加する一対の拘束部材３，３と、を備え、温度制御部材３３は、ベース３４と、当該ベース３４の一方側に突出して隣接する電池セル１１に接触する複数のリブ３５と、を有し、リブ３５の突出方向の配列端に位置する一端側電池セル１１Ａと拘束部材３の一方との間には弾性体４が配置され、リブ３５の突出方向と反対の配列端に位置する他端側電池セル１１Ｂは、弾性体４を介さずに拘束部材３の他方に接触している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池モジュールに関する。

従来の電池モジュールとして、例えば特許文献１に記載の電池モジュールがある。この従来の電池モジュールは、電池セル、電池ホルダ、及びエンドプレートが積層された積層体と、積層体を積層方向に拘束するための拘束バンドと、弾性を有する複数の弾性体とを備えて構成されている。弾性体は、電池セルの積層方向に弾性を有し、積層体内において電池セルと電池ホルダとが対向する領域に複数個点在して配置されている。

特開２００９−８１０５６号公報

ところで、上述した電池モジュールでは、電池セルの温度制御効率を確保する観点から、電池セル間に温度制御部材を介在させる場合がある。温度制御部材は、例えば板状のベースの一面側に複数のリブを所定の間隔で並設して構成されている。この温度制御部材では、リブの先端を隣接する電池セルに当接させることで、リブと電池セルの壁面とで囲まれる空間を温度制御媒体などの流路として用いることができる。

しかしながら、電池セル間に上述の温度制御部材を介在させる場合、配列端に位置する電池セルに対して流路が形成されず、配列端に位置する電池セルの温度制御効率が他の電池セルの温度制御効率に対して劣ってしまうおそれがある。また、電池モジュールでは、拘束荷重による電池セル及び拘束部材の破損を防止するために、配列体とエンドプレートとの間にゴムなどの弾性体を介在させる場合がある。かかる弾性体は、電池セル及び拘束部材の破損の防止の目的に関しては、拘束部材間の任意の位置に配置可能であるが、弾性体に隣接する電池セルの温度制御効率を低下させる要因となり得る。したがって、各電池セル間の温度制御効率を均一化するためには、弾性体の配置位置を考慮する必要がある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、電池セル間の温度制御効率の均一化が図られる電池モジュールを提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明の一側面に係る電池モジュールは、電池セルを温度制御部材を介して配列してなる配列体と、配列体を挟むように配置され、電池セルの配列方向に拘束荷重を付加する一対の拘束部材と、を備え、温度制御部材は、ベースと、当該ベースの一方側に突出して隣接する電池セルに接触する複数のリブと、を有し、リブの突出方向の配列端に位置する一端側電池セルと拘束部材の一方との間には弾性体が配置され、リブの突出方向と反対の配列端に位置する他端側電池セルは、弾性体を介さずに拘束部材の他方に接触している。

この電池モジュールでは、配列体と拘束部材との間に弾性体を介在させることにより、拘束荷重による電池セル及び拘束部材の破損の防止が図られている。この電池モジュールでは、リブの突出方向の配列端に位置する一端側電池セルと拘束部材との間に弾性体が配置されているが、一端側電池セルには温度制御部材のリブが接触して温度制御媒体の流路が形成される。一方、リブの突出方向と反対の配列端に位置する他端側電池セルには温度制御部材のリブが接触せず、温度制御媒体の流路が形成されないが、他端側電池セルには、弾性体を介さずに拘束部材が接触するため、拘束部材を介した熱伝導による温度制御が可能となる。したがって、この電池モジュールでは、配列端に位置する電池セルの温度制御効率のばらつきを低減でき、各電池セル間の温度制御効率を均一化が図られる。

また、一端側電池セルを除く電池セルは、隣接する電池セルにリブが接触するように温度制御部材が固定されたセルホルダによって保持され、一端側電池セルは、セルホルダに保持されない状態で弾性体に接触していてもよい。この場合、電池セルに対する温度制御部材の位置決めが容易なものとなる。また、一端側電池セルを保持するセルホルダを省略することで、セルホルダの配置数を削減できる。

また、一端側電池セルを除く電池セルは、隣接する電池セルにリブが接触するように温度制御部材が固定されたセルホルダによって保持され、一端側電池セルは、隣接する弾性体にリブが接触するように温度制御部材が固定されたセルホルダによって保持されていてもよい。このような構成によれば、電池セルに膨張が生じて弾性体が圧縮変形した際に、リブ間の空間を弾性体の変形の逃げ部として用いることができる。

また、拘束部材の一方には、弾性体を位置決めする位置決め部が設けられていてもよい。この場合、弾性体を拘束部材に位置決めできるので、配列体の組み付け作業が容易となる。

本発明の一側面に係る電池モジュールによれば、電池セル間の温度制御効率の均一化が図られる。

本発明の第１実施形態に係る電池モジュールを示す概略図である。図１に示した電池モジュールに用いられる電池セルの構成を示す断面図である。図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。本発明の第２実施形態に係る電池モジュールを示す概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る電池モジュールの好適な実施形態について詳細に説明する。
［第１実施形態］

図１は、本発明の第１実施形態に係る電池モジュールを示す概略図である。同図に示すように、第１実施形態に係る電池モジュール１は、複数の電池セル１１を配列してなる配列体２と、配列体２に対して電池セル１１の配列方向に拘束荷重を付加するエンドプレート（拘束部材）３と、配列体２とエンドプレート３との間に介在する弾性体４とを備えて構成されている。

配列体２は、ここでは６体の電池セル１１を含んでいる。電池セル１１は、例えばリチウムイオン二次電池である。電池セル１１は、例えば図２及び図３に示すように、例えば略直方体形状をなす中空のケース１２と、ケース１２内に収容された電極組立体１３とを備えている。

ケース１２は、例えばアルミニウム等の金属によって形成され、ケース１２の内部には、例えば有機溶媒系又は非水系の電解液が注入されている。ケース１２の頂面には、図２に示すように、正極端子１５と負極端子１６とが互いに離間して配置されている。正極端子１５は、絶縁部材１７を介してケース１２の頂面における幅方向の一方側に固定され、負極端子１６は、絶縁部材１８を介してケース１２の頂面における幅方向の他方側に固定されている。

電極組立体１３は、図３に示すように、例えば正極２１と、負極２２と、正極２１と負極２２との間に配置された袋状のセパレータ２３とによって構成されている。電極組立体１３では、セパレータ２３内に正極２１が収容されており、この状態で正極２１と負極２２とがセパレータ２３を介して交互に積層された状態となっている。

正極２１は、例えばアルミニウム箔からなる金属箔２１ａと、金属箔２１ａの両面に形成された正極活物質層２１ｂとを有している。正極活物質層２１ｂは、正極活物質とバインダとを含んで形成されている。正極活物質としては、例えば複合酸化物、金属リチウム、硫黄等が挙げられる。複合酸化物には、例えばマンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも１つと、リチウムとが含まれる。また、正極２１の上縁部には、正極端子１５の位置に対応してタブ２１ｃが形成されている。タブ２１ｃは、正極２１の上縁部から上方に延び、導電部材２４を介して正極端子１５に接続されている。

一方、負極２２は、例えば銅箔からなる金属箔２２ａと、金属箔２２ａの両面に形成された負極活物質層２２ｂとを有している。負極活物質層２２ｂは、負極活物質とバインダとを含んで形成されている。負極活物質としては、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素等が挙げられる。また、負極２２の上縁部には、負極端子１６の位置に対応してタブ２２ｃが形成されている。タブ２２ｃは、負極２２の上縁部から上方に延び、導電部材２５を介して負極端子１６に接続されている。

セパレータ２３は、例えば袋状に形成され、内部に正極２１のみを収容している。セパレータ２３の形成材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース等からなる織布又は不織布等が例示される。なお、セパレータ２３は、袋状に限られず、シート状のものを用いてもよい。

エンドプレート３は、例えば金属製の板状部材である。エンドプレート３は、図１に示すように、例えば電池セル１１を配列方向から見た場合の面積よりも大きい面積を有しており、エンドプレート３の外縁部分が電池セル１１の外縁部分よりも外側に張り出した状態で、配列体２及び弾性体４の配列方向の両端にそれぞれ配置されている。エンドプレート３，３の外縁部分には、複数のボルト５が挿通されている。各ボルト５の先端にエンドプレート３の外側からナット６が螺合されることで、電池セル１１及び弾性体４が挟持されてユニット化されると共に、拘束荷重が付加される。

弾性体４は、電池セル１１に膨張が生じた場合などに、拘束荷重による電池セル１１及びエンドプレート３の破損を防止する目的で用いられる部材である。弾性体４は、図１に示すように、例えばウレタン製のゴムスポンジによって、エンドプレート３の厚さと同等以上の厚さを有する矩形の板状に形成されている。弾性体４の形成材料としては、例えばエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、クロロプレンゴム、シリコンゴムなどが挙げられる。

続いて、上述した配列体２及び弾性体４の構成について更に詳細に説明する。

図１に示すように、電池セル１１には、セルホルダ３１が取り付けられている。セルホルダ３１は、例えば樹脂によって一体成型された枠体３２を有している。枠体３２は、電池セル１１のケース１２の側面のうち、電池セル１１の配列方向の側面を除いた各側面に沿うように、ケース１２に嵌め込まれている。

また、セルホルダ３１の枠体３２の一方側には、温度制御部材３３が設けられている。温度制御部材３３は、例えばポリプロピレンといった樹脂によって形成され、板状のベース３４と、ベース３４の一方面側に等間隔で形成された複数の断面矩形のリブ３５とを有している。温度制御部材３３は、リブ３５の無い他方面側が電池セル１１に接し、かつリブ３５が外向きで電池セル１１の幅方向（図１における奥行方向）に延在するようにベース３４をセルホルダ３１の枠体３２に嵌め込むことによって、セルホルダ３１に取り付けられている。なお、温度制御部材３３は、セルホルダ３１の枠体３２と一体成型されていてもよい。

配列体２において、外向きのリブ３５は、枠体３２から外側に突出し、リブ３５の先端は、隣接する電池セル１１のケース１２に当接している。したがって、隣り合う電池セル１１，１１間には、ベース３４、リブ３５，３５、及び電池セル１１のケース１２によって囲まれる空間Ｓが形成される。この空間Ｓは、例えば冷却された空気などの温度制御媒体が流通する流路として用いられ、隣接する電池セル１１の温度制御に寄与する。

このように、外向きのリブ３５を隣接する電池セル１１に当接させる構成では、リブ３５の突出方向の配列端に位置する電池セル１１（以下、「一端側電池セル１１Ａ）と称す）にはケース１２に当接するリブ３５が存在するが、リブ３５の突出方向と反対の配列端に位置する電池セル１１（以下、「他端側電池セル１１Ｂ」と称す）にはケース１２に当接するリブ３５が存在しない。このため、一端側電池セル１１Ａには、ベース３４、リブ３５，３５、及び電池セル１１のケース１２によって囲まれる空間Ｓがケース１２に接して形成されるのに対し、他端側電池セル１１Ｂには、当該空間Ｓがケース１２に接して形成されず、他端側電池セル１１Ｂの温度制御効率が他の電池セル１１の温度制御効率に対して劣ってしまうおそれがある。

また、弾性体４は、電池セル１１及びエンドプレート３の破損の防止の観点からは、エンドプレート３，３間の任意の位置に配置可能であるが、弾性体４に隣接する電池セル１１の温度制御効率を低下させる要因となり得る。したがって、各電池セル１１、１１間の温度制御効率を均一化するためには、弾性体４の配置位置を考慮する必要がある。

これに対し、電池モジュール１では、図１に示すように、リブ３５の突出方向の配列端に位置する一端側電池セル１１Ａとエンドプレート３の一方との間に弾性体４が配置され、リブ３５の突出方向と反対の配列端に位置する他端側電池セル１１Ｂは、弾性体４を介さずにエンドプレート３の他方に接触している。

本実施形態では、一端側電池セル１１Ａを除く各電池セル１１は、外向きのリブ３５を有する温度制御部材３３が固定されたセルホルダ３１によって保持され、一端側電池セル１１Ａは、セルホルダ３１に保持されない状態で配列体２の配列端に配置されている。一端側電池セル１１Ａのケース１２の一面（配列中央を向く面）側には、温度制御部材３３のリブ３５が当接することによって温度制御媒体が流通可能な空間Ｓが形成され、他面（配列端を向く面）側には、弾性体４が略全面にわたって直に当接している。

また、弾性体４は、一端側電池セル１１Ａとエンドプレート３との間に位置している。弾性体４に当接するエンドプレート３には、当該弾性体４を位置決めする位置決め部３７が設けられている。位置決め部３７は、例えば金属又は樹脂によって弾性体４の寸法に応じて形成された矩形の枠体であり、エンドプレート３に一体に設けられている。弾性体４は、位置決め部３７に嵌め込まれた状態でエンドプレート３に保持されている。

一方、他端側電池セル１１Ｂのケース１２の一面（配列中央を向く面）側には、当該他端側電池セル１１Ｂを保持するセルホルダ３１に固定された温度制御部材３３のベース３４が略全面にわたって直に当接しており、他端側電池セル１１Ｂのケース１２の他面（配列端を向く面）側には、弾性体４を介することなく、エンドプレート３が略全面にわたって直に当接している。

以上説明したように、電池モジュール１では、配列体２とエンドプレート３との間に弾性体４を介在させることにより、拘束荷重による電池セル１１及びエンドプレート３の破損の防止が図られている。また、電池モジュール１では、リブ３５の突出方向の配列端に位置する一端側電池セル１１Ａとエンドプレート３との間に弾性体４が配置されているが、当該一端側電池セル１１Ａには温度制御部材３３のリブ３５が接触して温度制御媒体の流路が形成される。

一方、リブ３５の突出方向と反対の配列端に位置する他端側電池セル１１Ｂには温度制御部材３３のリブ３５が接触せず、温度制御媒体の流路が形成されないが、当該他端側電池セルには弾性体４を介さずにエンドプレート３が接触しているため、エンドプレート３を介した熱伝導による温度制御が可能となる。したがって、電池モジュール１では、配列端に位置する電池セル１１Ａ，１１Ｂの温度制御効率のばらつきを低減でき、各電池セル１１間の温度制御効率を均一化が図られる。

また、電池モジュール１では、一端側電池セル１１Ａを除く電池セル１１は、隣接する電池セル１１にリブ３５が接触するように温度制御部材３３が固定されたセルホルダ３１によって保持され、一端側電池セル１１Ａは、セルホルダ３１に保持されない状態で弾性体４に接触している。このような構成によれば、電池セル１１に対する温度制御部材３３の位置決めが容易なものとなる。電池セル１１において発熱が生じる部分（例えば電極組立体１３）に対応するように、温度制御部材３３によって形成される空間Ｓを位置させることにより、電池セル１１の温度制御を好適に実施できる。また、一端側電池セル１１Ａを保持するセルホルダ３１を省略することで、セルホルダ３１の配置数を削減できる。

また、拘束部材の一方には、弾性体を位置決めする位置決め部が設けられていてもよい。この場合、弾性体を拘束部材に位置決めできるので、配列体の組み付け作業が容易となる。
［第２実施形態］

図４は、本発明の第２実施形態に係る電池モジュールを示す概略図である。同図に示すように、第２実施形態に係る電池モジュール４１は、一端側電池セル１１Ａがセルホルダ３１に保持されている点で、一端側電池セル１１Ａがセルホルダ３１に保持されていない第１実施形態と相違している。この電池モジュール４１では、一端側電池セル１１Ａがセルホルダ３１に保持され、セルホルダ３１に固定された温度制御部材３３の外向きのリブ３５は、一端側電池セル１１Ａに隣接する弾性体４に接触している。

このような電池モジュール４１においても、リブ３５の突出方向の配列端に位置する一端側電池セル１１Ａとエンドプレート３との間に弾性体４が配置されているが、当該一端側電池セル１１Ａには温度制御部材３３のリブ３５が接触して温度制御媒体の流路が形成される。一方、リブ３５の突出方向と反対の配列端に位置する他端側電池セル１１Ｂには温度制御部材３３のリブ３５が接触せず、温度制御媒体の流路が形成されないが、当該他端側電池セルには弾性体４を介さずにエンドプレート３が接触しているため、エンドプレート３を介した熱伝導による温度制御が可能となる。したがって、電池モジュール４１においても、配列端に位置する電池セル１１Ａ，１１Ｂの温度制御効率のばらつきを低減でき、各電池セル１１間の温度制御効率を均一化が図られる。

また、電池モジュール４１では、一端側電池セル１１Ａを除く電池セル１１は、隣接する電池セル１１にリブ３５が接触するように温度制御部材３３が固定されたセルホルダ３１によって保持され、一端側電池セル１１Ａは、隣接する弾性体４にリブ３５が接触するように温度制御部材３３が固定されたセルホルダ３１によって保持されている。これにより、電池セル１１に膨張が生じて弾性体４が圧縮変形した際に、リブ３５，３５間の空間Ｓを弾性体４の変形の逃げ部として用いることができる。したがって、電池セル１１及びエンドプレート３にかかる応力が急激に増大することが抑制され、電池セル１１及びエンドプレート３の破損等をより確実に防止できる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、エンドプレート３，３同士をボルト５及びナット６で締結して配列体２及び弾性体４に拘束荷重を付加しているが、エンドプレート３，３同士を拘束バンド（金属プレートなど）で連結し、拘束バンドの両端部をエンドプレート３，３にそれぞれボルトなどで締結して配列体２及び弾性体４に拘束荷重を付加してもよい。また、上記実施形態では、温度制御部材３３がセルホルダ３１に固定されているが、温度制御部材３３は、必ずしもセルホルダ３１に固定されていなくてもよい。

なお、エンドプレート３を介した温度制御としては、例えばエンドプレート３に冷却装置を取り付ける構成や、エンドプレート３を別の放熱部材等に接続する構成が挙げられる。また、エンドプレート３をブラケットと一体のＬ字形状とし、ブラケットを通じて電池モジュール１，４１の固定先となる筐体に放熱させる構成としてもよい。

１，４１…電池モジュール、２…配列体、３…エンドプレート（拘束部材）、４…弾性体、１１…電池セル、１１Ａ…一端側電池セル、１１Ｂ…他端側電池セル、３１…セルホルダ、３３…温度制御部材、３４…ベース、３５…リブ、３７…位置決め部。

Claims

電池セルを温度制御部材を介して配列してなる配列体と、
前記配列体を挟むように配置され、前記電池セルの配列方向に拘束荷重を付加する一対の拘束部材と、を備え、
前記温度制御部材は、ベースと、当該ベースの一方側に突出して隣接する電池セルに接触する複数のリブと、を有し、
前記リブの突出方向の配列端に位置する一端側電池セルと前記拘束部材の一方との間には弾性体が配置され、
前記リブの突出方向と反対の配列端に位置する他端側電池セルは、前記弾性体を介さずに前記拘束部材の他方に接触している電池モジュール。
前記一端側電池セルを除く前記電池セルは、隣接する電池セルに前記リブが接触するように前記温度制御部材が固定されたセルホルダによって保持され、
前記一端側電池セルは、前記セルホルダに保持されない状態で前記弾性体に接触している請求項１記載の電池モジュール。
前記一端側電池セルを除く前記電池セルは、隣接する電池セルに前記リブが接触するように前記温度制御部材が固定されたセルホルダによって保持され、
前記一端側電池セルは、隣接する前記弾性体に前記リブが接触するように前記温度制御部材が固定されたセルホルダによって保持されている請求項１記載の電池モジュール。
前記拘束部材の一方には、前記弾性体を位置決めする位置決め部が設けられている請求項１〜３のいずれか一項記載の電池モジュール。