JP2017216095A - 電池モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】電池セルに外力が加わったとき、バスバーを積極的に変形させることにより、蓄電要素と外部端子部分との干渉を抑え、安全性を向上させた電池モジュールを提供することを課題とする。【解決手段】上記課題を解決する本発明の電池モジュールは、電極を有する電池セルが互いに積層され、かつ互いにバスバーを介して接続され、前記電池セルは蓄電要素と接続される外部端子を有し、前記バスバーは、一の電池セルの外部端子と接続される接続部と、他の電池セルの外部端子と接続される接続部とを有し、前記2つの接続部の間には、前記電池セルが積層された方向に対する圧縮強度が、前記接続部よりも小さい脆弱部が配置されることを特徴とする。【選択図】図8

Description

本発明は、車両の電源として用いられる電池モジュールに関する。
電気自動車やハイブリッド型の電気自動車などの電源として、リチウムイオン二次電池などの電池セルを複数備えた電池モジュールが知られている。電池モジュールは、複数の電池セルの電極端子同士をバスバーで電気的に接続することで形成される。
特許文献1には、角形二次電池の電極端子同士を平板状のバスバーで接続された電池モジュールが記載されている。
特開2015-122337号公報
特許文献1に記載された電池モジュールでは、複数の電池セルの電極端子同士を電気的に接続する平板状のバスバーの圧縮荷重に対する抵抗力が高く、変形し難い。そのため、平板状のバスバーを有する電池モジュールに外力が作用したとき、特に電池モジュールの積層方向に電池セルを圧壊させるような外力が作用したとき、電池セルの変形に対してバスバーが追随して変形できないため、電池セルの外部端子部分大きなモーメントが作用して、電池容器内部に配置され、外部端子に接続される電極群を損傷させてしまうおそれがある。
上記課題を解決する本発明の電池モジュールは、電極を有する電池セルが互いに積層され、かつ互いにバスバーを介して接続され、前記電池セルは蓄電要素と接続される外部端子を有し、前記バスバーは、一の電池セルの外部端子と接続される接続部と、他の電池セルの外部端子と接続される接続部とを有し、前記2つの接続部の間には、前記電池セルが積層された方向に対する圧縮強度が、前記接続部よりも小さい脆弱部が配置されることを特徴とする。
本発明によれば、電池セル1間の積層方向に圧縮力がかかったとしても、バスバー9が積層方向とは異なる方向に変形し、外部端子1c、1d部分に加わる荷重を逃がすことができ、外部端子1c、1d部分における変形を抑えることができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下に実施形態により明らかにされる。
電池セルの外観斜視図。 電池セル積層体の外観斜視図。 電池セル積層体の分解斜視図。 電池ブロックの外観斜視図。 電池ブロックの分解斜視図。 電池モジュールの外観斜視図。 電池モジュールの分解斜視図。 脆弱部を有するバスバー カバーを取り付けた電池モジュールの外観斜視図。 脆弱部を有するバスバーの例 脆弱部を有するバスバーの例 脆弱部を有するバスバーの例 脆弱部を有するバスバーの例
<実施形態1>
以下、本発明に関わる電池モジュールの実施形態1について図面に基づき説明する。なお、以下の説明では、電池モジュールが電気自動車やハイブリッド電気自動車の駆動源として用いられる車載用の場合を例に説明するが、用途は車載用に限定されるものではない。また、角形の電池セルを例に説明するが、角形の電池セルに限定されるものではない。
(電池セル)
図1は、電池セルの外観斜視図である。
電池セル1は、角形のリチウムイオン二次電池であり、アルミニウム合金製の電池容器内に、正極電極と負極電極を有する電極群が非水電解液と共に収容されている。電池セル1の電池容器は、有底の電池缶1aと、電池缶1aの開口部を封口する電池蓋1bとを有している。電池缶1aは、深絞り加工により形成された扁平な角形容器であり、長方形の底面PBと、底面PBの長辺部から立ち上がる一対の幅広側面PWと、底面PBの短辺部から立ち上がる一対の幅狭側面PNを有している。
また、本実施形態の説明における三方向を、電池セル1の幅狭側面PNに向かう方向をX方向、電池セル1の幅広側面PWに向かう方向をY方向、電池セル1の上面PU及び底面PBに向かう方向をZ方向と表記する。
電池蓋1bは、長方形の平板部材によって構成されており、上面PUを有している。電池蓋1bには、電圧を入出力するための正極外部端子1cと負極外部端子1dが設けられている。正極外部端子1cと負極外部端子1dは、電池蓋1bの長辺方向に互いに離間した位置に配置されている。正極外部端子1cと負極外部端子1dは、電池蓋1bに対して上面PU側に突設しており、また、それぞれバスバーを締結するためのナット締結用のボルトが突設されている。そして、正極外部端子1cと電池蓋1bとの間、及び負極外部端子1dと電池蓋1bとの間には、樹脂製のガスケット1gが介在されており、絶縁されている。ガスケット1gは、電池蓋1bの上面に沿って正極外部端子1c及び負極外部端子1dの外端縁よりも側方に突出する大きさを有している。
電池蓋1bは、電池缶1a内に電極群を収容した後に、電池缶1aにレーザー溶接されて電池缶1aの開口部を封口する。電池蓋1bの長辺方向中間位置である電池蓋1b中央寄り側の位置には、内圧の上昇により開裂して電池容器内のガスを排出するガス排出弁1eが設けられている。電池セル1は、正極外部端子1c、負極外部端子1d、ガス排出弁1eを除く全面を絶縁性フィルム1fで覆われている。
(電池セル積層体)
図2は、電池セル積層体2の外観斜視図、図3は、電池セル積層体の一部を分解した状態を示す分解斜視図である。
電池セル積層体2は、図2及び図3に示すように、電池セル1を複数並べて積層させることによって構成されている。複数の電池セル1は、正極外部端子1cと負極外部端子1dとが積層方向に沿って交互に連続するように配置されている。複数の電池セル1の積層方向両端には、一対のエンドプレート3が配置される。一対のエンドプレート3は、一対の挟持部材として第1の固縛部を構成する。エンドプレート3の外観面(例えば、上面、幅広側面)には雌ねじ3a、3bが螺設されている。雌ねじ3aは、エンドプレート3の上面に形成され、雌ねじ3bは、エンドプレート3の幅広面に形成されている。
各電池セル1及びエンドプレート3の間には、絶縁性のセル間スペーサー4が介在されている。圧壊時にはこの電池セル1間に配置されたセル間スペーサ4が壊れ、さらに電池セル1間の間隔が近付くことがある。その時に特に工夫の無い平板状のバスバーを使用した場合には、バスバーの剛性が高く、圧壊時に外部端子を介して電池缶内部に配置された蓄電要素に損傷を与える恐れがある。
本発明に開示のバスバーを用いれば、ある程度の圧壊ならば外部端子を介した蓄電要素の損傷を防ぐことが可能な二次電池モジュールを提供することが出来る。
(電池ブロック)
図4は、電池ブロック5の外観斜視図、図5は、電池ブロック5の一部を分解した状態を示す分解斜視図である。
電池ブロック5は、図4及び図5に示すように、電池セル積層体2の上面側にアッパープレート6、底面側にロアープレート7を備える。本実施形態では、アッパープレート6は樹脂製材料により構成され、ロアープレート7は、金属板を折り曲げ加工することによって構成されている。アッパープレート6とロアープレート7は、電池セル積層体2における上面側と缶底側に配置された一対の挟持部材として第2の固縛部を構成する。
電池ブロック5を組み立てるには、電池セル積層体2を積層方向に押圧し、所定の寸法になったところで、アッパープレート6を電池セル1の電池蓋1b(上面PU)に当接させ、両端一対それぞれのエンドプレート3の雌ねじ3aにねじ締結によって固定する。そして、同時にロアープレート7を電池セル1の底面PBに接触させ、両端一対それぞれのエンドプレート3の雌ねじ3bにねじ締結によって固定する。
図6は、電池モジュール8の外観斜視図、図7は、電池モジュール8の一部を分解した状態を示す分解斜視図である。
電池モジュール8は、電池ブロック5の互いに隣り合う電池セル1の正極外部端子1cと負極外部端子1dとの間が複数のバスバー9によってそれぞれ電気的に接続される。電池セル1の正極外部端子1c及び負極外部端子1dの一部には、各電池セル1の電圧を測定するための電圧検出線10が接続されている。これらのバスバー9及び電圧検出線10は、正極外部端子1c及び負極外部端子1dに突設されたボルトにナットを締結することで固着される。なお、本実施形態ではバスバー9が正極外部端子1cや負極外部端子1dとナット締結される例が開示されているが、直接正極外部端子1cや負極外部端子1dと溶接されていても良い。
図9は、電池モジュール8のアッパープレート6にカバー11を取り付けた状態を示す外観斜視図である。
カバー11は、アッパープレート6に設置された突起6hに係合される。カバー11は、アッパープレート6のバスバー9及び電圧検出線10を覆う。カバー11で覆うことによって、バスバー9及び電圧検出線10の絶縁を図ることができる。
以下、本発明のポイントとなる バスバー9の構造について説明する。
図8は、脆弱部を有するバスバーの斜視図である。バスバー9は、電気的に接続される電池セル1の外部端子1c、1d間に接続され、対応する外部端子1c,1dに接続された接続部9cと、接続部9c間を渡る渡り部9bと、を有し、渡り部9bには、荷重に対する抵抗力が、前記外部端子1c、1d及び前記接続部9cを含む端子部よりも弱い脆弱部9aが設けられている。
なお、ここで言う接続部9cとは電池セル1の外部端子1c、1dと当接するバスバーの部分である。この接続部9c間には上述する脆弱部9aが設けられている。脆弱部9aは、接続部9cよりも電池セル1の積層方向に対する圧縮強度が弱い部分として定義される。ここで言う圧縮強度とは、材料の圧縮方向に対する強さ度合いを表わす指標である。材料に圧縮方向の外力を加えると潰れが発生しやがて材料は破断を迎えるが、破断の際に示す最大の応力値(荷重/断面積)を圧縮強度と言う。
本発明の脆弱部9aは、導電性を有しており、かつ接続部9cよりも電池セル1積層方向に対する圧縮強度が弱ければどのような構造であっても良い。
本実施形態では、電池セル1の積層方向とは異なる方向に突出した渡り部9b(突出部)の頂点に溝状の脆弱部9aが設けられ、この脆弱部9aによって電池セル1の積層方向に積極的に変形することが出来る。従って、外部端子1c、1d部分に加わる荷重を接続導体の渡り部9bや脆弱部9aによって吸収することができ、外部端子1c、1d部分における変形を抑えることができる。
これにより、電池セルに外力が加わったときの蓄電要素(電極の捲回群)と外部端子1c、1dとの干渉が抑えられ、電池モジュール8の安全性を向上させることができる。
なお、本実施形態のバスバーは渡り部9aを有する構造としたが、渡り部9aが無い構造であっても良い。その場合、溝状の脆弱部9aは、積層方向の圧縮に対して変形しやすいように設けるのが好ましい。具体的には、バスバー9の面であって、電池セル1の上面PUと平行な面内に溝状の脆弱部9aを設けることが考えられる。
このような構造であれば、電池セル1間の積層方向に圧縮力がかかったとしても、バスバー9が積層方向とは異なる方向に変形し、外部端子1c、1d部分に加わる荷重を逃がすことができ、外部端子1c、1d部分における変形を抑えることができる。
<実施形態2>
続いて第二の実施形態について説明する。
第一の実施形態と同様の構造については説明を省略し、第一の実施形態と異なる部分を中心に説明する。図10に第二の実施形態のバスバー90について説明する。バスバー90が第一の実施形態と異なる点は、渡り部9bと溝状の脆弱部9aが無く、代わりに肉抜きされた脆弱部90aが接続部90c間に配置されている点であある。このように、溝状でなくても接続部9cよりも電池セル1の積層方向に対する圧縮強度が弱い脆弱部90aを構成することが可能である。この時、脆弱部90aの形状を電池セル1の積層方向と垂直な方向に突出させた構造とすることによって、電池セル1間の積層方向に圧縮力がかかったとしても、バスバー90が積層方向とは異なる方向に変形し、外部端子1c、1d部分に加わる荷重を逃がすことができ、外部端子1c、1d部分における変形を抑えることができる。
<実施形態3>
続いて第三の実施形態について説明する。
第二の実施形態と同様の構造については説明を省略し、第二の実施形態と異なる部分を中心に説明する。図11に第三の実施形態のバスバー91について説明する。バスバー91が第二の実施形態と異なる点は、肉抜きされた脆弱部90aの形状が異なる点である。具体的には、脆弱部91aの穴は長円形形状をしており、長軸が電池セル1の積層方向と傾いて配置されている。このような構造にすることによって、突出部を設けなくても意図する方向に変形させることが可能となる。特に電池セル1の積層方向とはズレた方向に変形が可能となり、電池セル1間の積層方向に圧縮力がかかったとしても、外部端子1c、1d部分に加わる荷重を逃がすことができ、外部端子1c、1d部分における変形を抑えることができる。
本発明について簡単にまとめる。本発明は電池セルに外力が加わったとき、接続導体の接続部間に設けられた脆弱部によって積極的に変形するので、外部端子部分(電池セルの外部端子及び接続導体の接続部を含む部分)に加わる荷重を接続導体の渡り部によって吸収することができ、外部端子部分における変形を抑えることができる。これにより、電池セルに外力が加わったときの電極(捲回群)と外部端子部分との干渉が抑えられ、電池モジュールの安全性を向上させることができる。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
1 電池セル
1a 電池缶
1b 電池蓋
1c 正極外部端子
1d 負極外部端子
1e ガス排出弁
1f 絶縁性フィルム
2 電池セル積層体
3 エンドプレート
5 電池ブロック
6 アッパープレート
6a 押さえ片
6b 押さえ片
6c 押さえ片
6g ガスレール部
7 ロアープレート
7c エッジ部(第4の押さえ片)
8 電池モジュール
9 バスバー
9a バスバー(脆弱部)
9b バスバー(渡り部)
9c バスバー(接続部)
11 カバー
12 熱伝導シート
13 熱交換器

Claims (7)

  1. 電極を有する電池セルが互いに積層され、かつ互いにバスバーを介して接続される電池モジュールにおいて、
    前記電池セルは蓄電要素と接続される外部端子を有し、
    前記バスバーは、一の電池セルの外部端子と接続される接続部と、他の電池セルの外部端子と接続される接続部とを有し、
    前記2つの接続部の間には、前記電池セルが積層された方向に対する圧縮強度が、前記接続部よりも小さい脆弱部が配置されることを特徴とする電池モジュール。
  2. 請求項1に記載の電池モジュールにおいて、
    前記脆弱部は、切り欠き部を有する構造であることを特徴とする二次電池モジュール。
  3. 請求項2に記載の二次電池モジュールにおいて、
    前記脆弱部は、前記電池セルの積層方向とは異なる方向に突出する湾曲部を有することを特徴とする二次電池モジュール。
  4. 請求項3に記載の二次電池モジュールにおいて、
    前記切り欠き部は前記湾曲部の頂部に設けられることを特徴とした二次電池モジュール。
  5. 請求項1に記載の二次電池モジュールにおいて、
    前記脆弱部は、穴を有することを特徴とする二次電池モジュール。
  6. 請求項5に記載の二次電池モジュールにおいて、
    前記穴は、長円形であり、当該長円の軸は前記電池セルが積層する方向に対して傾いていることを特徴とする二次電池モジュール。
  7. 請求項5又は6に記載の二次電池モジュールにおいて、
    前記脆弱部は、前記電池セルの積層方向とは異なる方向に突出する湾曲部を有することを特徴とする二次電池モジュール。
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