JP2017120693A - 電池モジュールの固定構造 - Google Patents

Abstract

【課題】衝撃荷重が加わった場合でも電池モジュールと筐体との締結状態に緩みが生じることを防止できる電池モジュールの固定構造を提供する。【解決手段】電池モジュール１１を筐体２に対して固定してなる電池モジュール１１の固定構造Ｍであって、電池モジュール１１は、複数の電池セル１２を配列してなる配列体１３と、配列体１３に対して電池セル１２の配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材１４と、配列体１３において電池セル１２の配列方向の一方側に偏在して配置された弾性体１６と、配列体１３の配列端にそれぞれ配置され、ボルト２５によって筐体２に締結される一対のブラケット２３，２３と、を備え、弾性体１６から遠い方の第１のブラケット２３Ａと筐体２との間の第１の締結力が、弾性体１６に近い方の第２のブラケット２３Ｂと筐体２との間の第２の締結力よりも大きくなっている。【選択図】図２

Description

本発明は、電池モジュールの固定構造に関する。

従来、例えばフォークリフト等の車両に搭載されるバッテリとして、筐体内に複数の電池モジュールを収容してなる電池パックが知られている。電池モジュールは、リチウムイオン二次電池等の電池セルを複数配列した配列体と、配列体に対して電池セルの配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材とを備えて構成されている。配列体における電池セルの配列端には、エンドプレート及びブラケットがそれぞれ設けられ、これらのブラケットを介して電池モジュールと筐体とが締結されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１４−１２０３４０号公報

電池モジュールでは、使用時の電池セルの膨張による拘束荷重の破損を防止する目的で、配列体における配列端の電池セルとエンドプレートとの間などにゴムなどの弾性体を介在させる場合がある。かかる弾性体が介在する場合、車両の振動などによって電池モジュールに衝撃荷重が加わると、弾性体において荷重に対する応答が遅れることが想定される。特に、電池セルの配列方向については、大半の荷重が弾性体から遠い方に位置するブラケットに流れてしまうおそれがある。この場合、大半の荷重を受ける片側のブラケットで締結部材の滑りが生じ、電池モジュールと筐体との締結状態に緩みが生じてしまうことが考えられる。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、衝撃荷重が加わった場合でも電池モジュールと筐体との締結状態に緩みが生じることを防止できる電池モジュールの固定構造を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る電池モジュールの固定構造は、電池モジュールを筐体に対して固定してなる電池モジュールの固定構造であって、電池モジュールは、複数の電池セルを配列してなる配列体と、配列体に対して電池セルの配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、配列体において電池セルの配列方向の一方側に偏在して配置された弾性体と、配列体の配列端にそれぞれ配置され、締結部材によって筐体に締結される一対のブラケットと、を備え、弾性体から遠い方の第１のブラケットと筐体との間の第１の締結力が、弾性体に近い方の第２のブラケットと筐体との間の第２の締結力よりも大きくなっている。

この電池モジュールの固定構造では、弾性体から遠い方の第１のブラケットと筐体との間の第１の締結力が、弾性体に近い方の第２のブラケットと筐体との間の第２の締結力よりも大きくなっている。このため、電池モジュールに衝撃荷重が加わった場合に、電池セルの配列方向について大半の荷重が弾性体から遠い方に位置する第１のブラケットに流れたとしても、第１のブラケットと筐体との締結状態に緩みが生じることを防止できる。

また、拘束部材は、配列体を挟むように設けられた一対のエンドプレートと、エンドプレート同士を締結する拘束ボルトとを有し、配列体には、弾性体に隣接して配置されると共に、拘束ボルトが挿通するミドルプレートが配置されていてもよい。

このような構成によれば、電池モジュールに衝撃荷重が加わった場合に、ミドルプレート及び拘束ボルトを介して第２のブラケットに荷重を分担させることができる。したがって、第１の締結力と第２の締結力との比が過剰にならず、構成の複雑化を回避できる。特に、電池セルの配列方向に直交する方向（ミドルプレートの面内方向）の荷重については、ミドルプレート及び拘束ボルトを介して第１のブラケット及び第２のブラケットに略均等に分担させることが可能となる。

また、電池モジュールの全重量の半分の重量と、電池モジュールにおける弾性体を挟んだ他方側の重量との比に基づいて、第２の締結力に対する第１の締結力の比が設定されていてもよい。これにより、第１の締結力と第２の締結力との比が過剰にならず、構成の複雑化を回避できる。

また、電池モジュールにおける弾性体を挟んだ一方側及び他方側の重量比に基づいて、第２の締結力に対する第１の締結力の比が設定されていてもよい。これにより、第１の締結力と第２の締結力との比が過剰にならず、構成の複雑化を回避できる。

また、配列体と筐体との間には、シート状の伝熱部材と、シート状の摩擦低減部材とが介在していてもよい。配列体と筐体との間には、電池セルで発生した熱を筐体側に効率良く放熱するためにシート状の伝熱部材が配置されることがある。

この場合、使用時の電池セルの膨張を考慮し、膨張による電池セルの変位を許容するために、配列体と筐体との間にシート状の摩擦低減部材を介在させることが好適である。一方、配列体と筐体との間にシート状の摩擦低減部材を介在させる場合、荷重がブラケットに流れたときに締結部材の滑りが生じ易くなることが考えられる。これに対し、この電池モジュールの固定構造では、上述のように第１の締結力が第２の締結力に対して大きくなっているため、配列体と筐体との間にシート状の摩擦低減部材が介在している場合でも、ブラケットと筐体との締結状態に緩みが生じることを好適に防止できる。

本発明によれば、衝撃荷重が加わった場合でも電池モジュールと筐体との締結状態に緩みが生じることを防止できる。

電池モジュールの固定構造を適用した電池パックの一実施形態を示す斜視図である。 筐体に対する電池モジュールの固定構造を示す断面図である。 第１のブラケット側の構成を示す要部拡大斜視図である。 第２のブラケット側の構成を示す要部拡大斜視図である。

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固定構造の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、電池モジュールの固定構造を適用した電池パックの一実施形態を示す斜視図である。同図に示すように、電池パック１は、略直方体形状をなす筐体２を備えている。筐体２は、矩形平板状の底板３と、底板３の周縁に立設する側板４と、側板４によって画成される開口を塞ぐ天板５とを有している。

筐体２内には、複数の電池モジュール１１が収容されている。本実施形態では、筐体２内の収容空間に上下２段で２列に電池モジュール１１が配置されている。各電池モジュール１１は、後述のブラケット２３（２３Ａ，２３Ｂ）を介して側板４の内面に対して固定されている。

図２は、筐体に対する電池モジュールの固定構造を示す断面図である。同図に示すように、電池モジュール１１は、複数の電池セル１２を含む配列体１３と、配列体１３に対して電池セル１２の配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材１４とを備えている。配列体１３には、ミドルプレート１５と、弾性体１６と、伝熱プレート１７とが更に含まれている。また、拘束部材１４は、一対のエンドプレート１８，１８と、エンドプレート１８，１８同士を締結する長尺の拘束ボルト１９及びナット２０とによって構成されている。

電池セル１２は、例えばリチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池である。本実施形態では、配列体１３に７体の電池セル１２が含まれており、各電池セル１２は、枠体をなすセルホルダＫによって保持された状態で配列されている。電池セル１２は、非水系の電解液が注入されたケース内に電極組立体を収容して構成されている。電極組立体は、正極、負極、及びセパレータを所定の順序で積層したものである。本実施形態では、袋状のセパレータ内にシート状の正極が収容されており、正極が収容された袋状のセパレータとシート状の負極とが交互に積層されている。

ミドルプレート１５は、エンドプレート１８，１８間に配置されるプレートである。ミドルプレート１５は、配列方向から見た電池セル１２の形状に対応した略矩形の板状をなしており、配列方向の最も一方端側に位置する電池セル１２に隣接して配置されている。ミドルプレート１５には、後述する拘束ボルト１９を挿通させる挿通孔（不図示）が設けられている。

弾性体１６は、電池セル１２に膨張が生じた場合等に、拘束荷重による電池セル１２及びエンドプレート１８の破損を防止する目的で用いられる部材である。弾性体１６は、例えばウレタン製のゴムスポンジによって矩形の板状に形成されている。弾性体１６は、配列体１３における電池セル１２の配列方向の一方側に偏在して配置されている。本実施形態では、弾性体１６は、配列体１３の一方側において、ミドルプレート１５とエンドプレート１８との間に配置されている。弾性体１６の他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、シリコンゴム等が挙げられる。また、弾性体１６は、ゴムに限られず、バネ材などであってもよい。

伝熱プレート１７は、電池セル１２で発生した熱を筐体２側に放熱するための部材である。伝熱プレート１７は、伝熱性を有する材料（例えば金属）によって板状に形成され、電池セル１２における配列方向の一側面（電池セル１２の厚さ方向の一側面）に当接する当接部２１と、電池セル１２の幅方向の一側面と対向する対向部２２とを有している。

当接部２１は、電池セル１２の配列方向の一側面の形状に対応して矩形状に形成されている。当接部２１は、両面テープ（不図示）などを用いて電池セル１２の配列方向の一側面に対して固定されている。両面テープとしては、電気絶縁性及び伝熱性を確保する観点から、例えばポリプロピレンなどの基材を有するテープを用いることが好適である。対向部２２は、電池セル１２の幅方向の側面の形状に対応して矩形状に形成されている。対向部２２は、当接部２１の幅方向（電池セル１２の幅方向）の一端部において当接部２１に対して略直角に設けられ、セルホルダＫの枠部分の外面側を覆うように配置されている。

エンドプレート１８は、ミドルプレート１５と同様に、配列方向から見た電池セル１２の形状に対応した略矩形の板状をなしており、配列体１３の一方の配列端と他方の配列端とにそれぞれ配置されている。エンドプレート１８，１８に対し、拘束ボルト１９は、一方のエンドプレート１８からミドルプレート１５及び他方のエンドプレート１８を挿通するように配置され、ナット２０は、他方のエンドプレート１８から突出した拘束ボルト１９の先端部分に螺合されている。これにより、配列体１３を構成する電池セル１２、ミドルプレート１５、弾性体１６、及び伝熱プレート１７が挟持されてユニット化されると共に、配列体１３に対して拘束荷重が付加されている。

筐体２への電池モジュール１１の固定構造Ｍには、一対のブラケット２３，２３が用いられる。ブラケット２３は、略長方形状の第１の板状部分２３ａと、第１の板状部分２３ａの一方の長辺において第１の板状部分２３ａに対して略直角に設けられた第２の板状部分２３ｂとを有し、全体としてＬ字形状をなしている。第１の板状部分２３ａは、ボルト２４（図３及び図４参照）によってエンドプレート１８の外面側に締結されている。第２の板状部分２３ｂは、配列体１３における伝熱プレート１７の対向部２２と略面一となるように、エンドプレート１８から突出している。

電池モジュール１１は、ブラケット２３の第２の板状部分２３ｂ及び伝熱プレート１７の対向部２２が側板４の内面側を向くようにして筐体２内に配置され、ボルト（締結部材）２５によって第２の板状部分２３ｂを側板４に締結することにより、筐体２に対して固定されている。

また、図２に示すように、電池モジュール１１と側板４との間には、シート状の伝熱部材２６と、シート状の摩擦低減部材２７とが介在している。伝熱部材２６は、側板４側に配置されている。伝熱部材２６は、例えば液状の伝熱材料（ＴＩＭ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）を硬化させることによって形成されている。伝熱部材２６を構成する伝熱材料としては、例えばポリウレタンが挙げられる。伝熱部材２６は、一定の体積及びシート形状を保持するものであれば、ゲル状であってもよく、接着性を有していてもよい。

摩擦低減部材２７は、電池モジュール１１と伝熱部材２６との間に配置されている。摩擦低減部材２７は、電気絶縁性の有無は問わないが、本実施形態では、電気絶縁性及び一定の伝熱性を有する材料によって摩擦低減部材２７が形成されている。このような材料としては、例えばポリエチレンテレフタレートが挙げられる。

これらの伝熱部材２６及び摩擦低減部材２７は、ブラケット２３を側板４に締結するボルト２５によって共締めされている。伝熱部材２６の配置により、電池セル１２から伝熱プレート１７の当接部２１、対向部２２、及び伝熱部材２６を経由して側板４に至る伝熱経路が確立され、電池セル１２で発生した熱が筐体２側に効率良く放熱される。また、摩擦低減部材２７の配置により、電池モジュール１１と側板４との間に伝熱部材２６を配置した状態においても、電池パック１の使用時の電池セル１２の膨張による変位が許容される。

電池モジュール１１では、上述したように、使用時の電池セル１２の膨張による拘束荷重の破損を防止する目的で、配列体１３における配列端の電池セル１２とエンドプレート１８との間に弾性体１６が介在している。かかる弾性体１６が介在する場合、電池パック１が搭載された車両の振動などによって電池モジュール１１に衝撃荷重が加わると、弾性体１６において荷重に対する応答が遅れることが想定される。特に、電池セル１２の配列方向については、大半の荷重が弾性体１６から遠い方に位置するブラケット２３に流れてしまうおそれがある。この場合、大半の荷重を受ける片側のブラケット２３でボルト２５の滑りが生じ、電池モジュール１１と筐体２との締結状態に緩みが生じてしまうことが考えられる。

このような問題に対し、この電池モジュール１１の固定構造Ｍでは、弾性体１６から遠い方のブラケット２３（第１のブラケット２３Ａ）と筐体２との間の締結力（第１の締結力）が、弾性体１６に近い方のブラケット２３（第２のブラケット２３Ｂ）と筐体２との間の締結力（第２の締結力）よりも大きくなっている。ブラケット２３と筐体２との間のボルト２５による締結力は、ボルト２５の本数とトルクとの積に基づいて定められる。したがって、ボルト２５の本数、ボルト２５のネジ径などを調整することにより、第１の締結力及び第２の締結力を調整することができる。また、ボルト２５の材質の硬度を上げることでも締結力の調整が可能である。

第２の締結力に対する第１の締結力の比は、エンドプレート１８，１８間にミドルプレート１５が配置されている場合には、例えば電池モジュール１１の全重量の半分の重量と、電池モジュール１１における弾性体１６を挟んだ他方側の重量との比に基づいて設定される。また、第２の締結力に対する第１の締結力の比は、エンドプレート１８，１８間にミドルプレート１５が配置されていない場合には、電池モジュール１１における弾性体１６を挟んだ一方側及び他方側の重量比に基づいて設定される。

電池モジュール１１における一方側の重量は、例えば弾性体１６の厚さ方向の中心線Ｌ（図２参照）よりも第１のブラケット２３Ａ側に位置する構成の重量である。図２の例では、一方側の重量として、中心線Ｌよりも第１のブラケット２３Ａ側に位置する電池セル１２、セルホルダＫ、弾性体１６の一方部分、伝熱プレート１７、ミドルプレート１５、エンドプレート１８、及び第１のブラケット２３Ａの重量が含まれる。

電池モジュール１１における他方側の重量は、例えば弾性体１６の厚さ方向の中心線Ｌ（図２参照）よりも第２のブラケット２３Ｂ側に位置する構成の重量である。図２の例では、他方側の重量として、中心線Ｌよりも第２のブラケット２３Ｂ側に位置する電池セル１２、セルホルダＫ、弾性体１６の他方部分、エンドプレート１８、及び第２のブラケット２３Ｂの重量が含まれる。

本実施形態では、上述したように、電池モジュール１１において、エンドプレート１８，１８間にミドルプレート１５が配置されている。また、ミドルプレート１５には、エンドプレート１８，１８間を締結して配列体１３に拘束荷重を付加する拘束ボルト１９が挿通している（図２参照）。このため、電池セル１２の配列方向に直交する方向（ミドルプレート１５の面内方向）の荷重については、電池モジュール１１に衝撃荷重が加わった際に拘束ボルト１９がミドルプレート１５（例えば拘束ボルト１９を挿通させるミドルプレート１５の貫通孔の内壁）に当たることで、ミドルプレート１５の面内方向の振動が規制される。これにより、弾性体１６から遠い方の第１のブラケット２３Ａの締結面に回転モーメントが加わることが抑制される。したがって、ミドルプレート１５及び拘束ボルト１９を介して第１のブラケット２３Ａ及び第２のブラケット２３Ｂに略均等に分担させることが可能である。

第１のブラケット２３Ａに加わる力Ｗ１は、電池モジュール１１における弾性体１６を挟んだ一方側の重量×振動加速度×重力加速度で表される。また、第２のブラケット２３Ｂに加わる力Ｗ２は、電池モジュール１１の全重量／２×振動加速度×重力加速度で表される。したがって、第１の締結力：第２の締結力＝Ｗ１：Ｗ２＝電池モジュール１１における弾性体１６を挟んだ一方側の重量：電池モジュール１１の全重量／２、となる。

電池セル１２の配列方向に直交する方向の荷重に対しては、第１の締結力と第２の締結力とは均等であってよく、本実施形態では２本分のボルト２５の締結力がそれぞれ設定されている。一方、電池セル１２の配列方向の荷重については、上述の重量比に基づいて設定され、本実施形態では更に２本分のボルト２５の締結力が第１の締結力のみに加算されている。したがって、電池モジュール１１では、第１のブラケット２３Ａは、図３に示すように、４本のボルト２５によって筐体２の側板４に締結され、第２のブラケット２３Ｂは、図４に示すように、２本のボルト２５によって筐体２の側板４に締結されている。

なお、電池モジュール１１に衝撃荷重が加わった際の回転モーメントは、距離に応じて増幅される。したがって、ミドルプレート１５は、弾性体１６の近傍に配置されていることが好ましく、本実施形態のように弾性体１６に隣接して配置されていることがより好ましい。ミドルプレート１５を配置した場合でも、電池セル１２の配列方向の荷重に対する振動の規制には寄与しないが、当該荷重は、回転モーメントとは異なり、距離に応じて増幅されることはない。

以上説明したように、この電池モジュール１１の固定構造Ｍでは、弾性体１６から遠い方の第１のブラケット２３Ａと筐体２との間の第１の締結力が、弾性体１６に近い方の第２のブラケット２３Ｂと筐体２との間の第２の締結力よりも大きくなっている。このため、電池モジュール１１に衝撃荷重が加わった場合に、電池セル１２の配列方向について大半の荷重が弾性体１６から遠い方に位置する第１のブラケット２３Ａに流れたとしても、第１のブラケット２３Ａと筐体２との締結状態に緩みが生じることを防止できる。

また、電池モジュール１１の固定構造Ｍでは、配列体１３を挟むように設けられた一対のエンドプレート１８，１８と、エンドプレート１８，１８同士を締結する拘束ボルト１９とによって拘束部材１４が構成され、配列体１３には、弾性体１６に隣接して配置されると共に、拘束ボルト１９が挿通するミドルプレート１５が配置されている。

これにより、電池モジュール１１に衝撃荷重が加わった場合に、ミドルプレート１５及び拘束ボルト１９を介して第２のブラケット２３Ｂに荷重を分担させることができる。したがって、第１の締結力と第２の締結力との比が過剰にならず、構成の複雑化を回避できる。特に、電池セル１２の配列方向に直交する方向の荷重については、ミドルプレート１５及び拘束ボルト１９を介して第１のブラケット２３Ａ及び第２のブラケット２３Ｂに略均等に分担させることが可能となる。

また、電池モジュール１１の固定構造Ｍでは、電池モジュール１１の全重量の半分の重量と、電池モジュール１１における弾性体１６を挟んだ他方側の重量との比に基づいて、第２の締結力に対する第１の締結力の比が設定されている。これにより、第１の締結力と第２の締結力との比が過剰にならず、構成の複雑化を回避できる。

また、電池モジュール１１の固定構造Ｍでは、配列体１３と筐体２との間に、シート状の伝熱部材２６と、シート状の摩擦低減部材２７とが介在している。伝熱部材２６により、電池セル１２から筐体２に至る伝熱経路が確立され、電池セル１２で発生した熱を筐体２側に効率良く放熱できる。また、摩擦低減部材２７により、膨張による電池セル１２の変位が許容される。

摩擦低減部材２７を介在させる場合には、荷重がブラケット２３に流れたときにブラケットの滑りが生じ易くなることが考えられる。これに対し、この電池モジュール１１の固定構造Ｍでは、第１の締結力が第２の締結力に対して大きくなっているため、配列体１３と筐体２との間にシート状の摩擦低減部材が介在している場合でも、ブラケット２３（特に第１のブラケット２３Ａ）と筐体２との締結状態に緩みが生じることを好適に防止できる。

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１８，１８間にミドルプレート１５が配置された電池モジュール１１を例示したが、ミドルプレート１５は必ずしも配置されていなくてもよい。ミドルプレート１５を配置しない場合、電池セル１２の配列方向に直交する方向の荷重についても弾性体１６による応答の遅れを考慮する必要がある。このため、上記実施形態と比較して、第２の締結力に対する第１の締結力の比を大きく設定することが好適であり、上述したように、電池モジュール１１における弾性体１６を挟んだ一方側及び他方側の重量比に基づいて設定される。

この場合、第１のブラケット２３Ａに加わる力Ｗ１は、電池モジュール１１における弾性体１６を挟んだ一方側の重量×振動加速度×重力加速度×電池セル１２の配列方向に直交する方向の振動により発生する増幅力αで表される。また、第２のブラケット２３Ｂに加わる力Ｗ２は、電池モジュール１１における弾性体１６を挟んだ他方側の重量×振動加速度×重力加速度で表される。したがって、第１の締結力：第２の締結力＝Ｗ１：Ｗ２＝電池モジュール１１における弾性体１６を挟んだ一方側の重量：電池モジュール１１における弾性体１６を挟んだ他方側の重量×増幅力α、となる。

また、上記実施形態では、エンドプレート１８とミドルプレート１５との間に弾性体１６を配置しているが、弾性体１６は、配列体１３において電池セル１２の配列方向の一方側に偏在していれば、任意の位置に配置してよい。

２…筐体、１１…電池モジュール、１２…電池セル、１３…配列体、１４…拘束部材、１５…ミドルプレート、１６…弾性体、１８…エンドプレート、１９…拘束ボルト、２３…ブラケット、２３Ａ…第１のブラケット、２３Ｂ…第２のブラケット、２５…ボルト（締結部材）、２６…伝熱部材、２７…摩擦低減部材、Ｍ…固定構造。

Claims (5)

1. 電池モジュールを筐体に対して固定してなる電池モジュールの固定構造であって、
   前記電池モジュールは、
   複数の電池セルを配列してなる配列体と、
   前記配列体に対して前記電池セルの配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、
   前記配列体において前記電池セルの配列方向の一方側に偏在して配置された弾性体と、
   前記配列体の配列端にそれぞれ配置され、締結部材によって前記筐体に締結される一対のブラケットと、を備え、
   前記弾性体から遠い方の第１のブラケットと前記筐体との間の第１の締結力が、前記弾性体に近い方の第２のブラケットと前記筐体との間の第２の締結力よりも大きくなっている電池モジュールの固定構造。
2. 前記拘束部材は、前記配列体を挟むように設けられた一対のエンドプレートと、前記エンドプレート同士を締結する拘束ボルトとを有し、
   前記配列体には、前記弾性体に隣接して配置されると共に、前記拘束ボルトが挿通するミドルプレートが配置されている請求項１記載の電池モジュールの固定構造。
3. 前記電池モジュールの全重量の半分の重量と、前記電池モジュールにおける前記弾性体を挟んだ他方側の重量との比に基づいて、前記第２の締結力に対する前記第１の締結力の比が設定されている請求項１記載の電池モジュールの固定構造。
4. 前記電池モジュールにおける前記弾性体を挟んだ一方側及び他方側の重量比に基づいて、前記第２の締結力に対する前記第１の締結力の比が設定されている請求項２記載の電池モジュールの固定構造。
5. 前記配列体と前記筐体との間には、シート状の伝熱部材と、シート状の摩擦低減部材とが介在している請求項１〜４のいずれか一項記載の電池モジュールの固定構造。

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