JP2018032519A

JP2018032519A - 電池モジュール

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Publication number: JP2018032519A
Application number: JP2016163897A
Authority: JP
Inventors: 真之上田; Masayuki Ueda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2036-08-24
Also published as: JP6680145B2

Abstract

【課題】簡易な構成でありながら、電池積層体に適切な拘束荷重を付与できる電池モジュールを提供する。【解決手段】電池モジュール１０は、複数の角型電池１８を厚み方向に積層した電池積層体１４と、前記電池積層体１４の積層方向両端に配される一対のエンドプレート１６と、を含む電池スタック１２と、上端が開口されるとともに前記電池スタック１２が収容される収容空間５６を有するロアケース５２と、を備え、前記一対のエンドプレート１６のうち少なくとも一方は、前記ロアケース５２の下端に近づくにつれて、前記電池スタック１２の積層方向の寸法が小さくなるように傾斜したスタック側対向面１７を有し、前記収容空間５６は、前記スタック側対向面１７に対向し、前記ロアケース５２の下端に近づくにつれて、前記収容空間５６の前記積層方向の寸法が小さくなるように傾斜したケース側対向面５８を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、複数の角型電池を厚み方向に積層した電池積層体と、電池積層体の積層方向両端に配される一対のエンドプレートと、を含む電池スタックを、収容ケースに収容した電池モジュールに関する。

リチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池は、既存の電池に比べて軽量かつエネルギー密度が高いことから、電動車両の駆動用電源や、携帯型電子機器の電源として多用されている。電池モジュールは、かかる非水電解質二次電池からなる電池セルを、複数、組み合わせて、モジュール化したものである。

ここで、非水電解質二次電池からなる電池セルの中には、電極体を扁平な直方体形状のセルケースに収容した角型電池がある。かかる角型電池では、収容ケースに収容した際に略長方形の角型電池の全面に均等に圧力が付与されることが望ましい。付与される圧力に偏りがあると、角型電池の内部で、金属の析出や、内部短絡、ガス発生、ひいては、電池ケースの変形等の意図しない劣化が起こり、電池モジュールの信頼性が低下するおそれがある。

そこで、角型電池の全面に均等に圧力を付与するために、従来から、複数の角型電池（電池セル）と樹脂製のセパレータとを厚み方向に積層して電池積層体を構成した後、当該電池積層体に、積層方向圧縮の力（拘束荷重）を付与することが提案されている。例えば、特許文献１には、電池積層体の積層方向両端に一対のエンドプレートを配した後、金属製の拘束バンドの両端を、リベット締結等で一対のエンドプレートに固定する技術が開示されている。このとき、エンドプレート間の距離が、無負荷状態の電池積層体の積層方向長さより短くなるように拘束バンドの長さを調節すれば、電池積層体には、積層方向の圧縮の力、すなわち、拘束荷重が付与できる。

特開２０１０−２５７６５１号公報

しかし、拘束バンドを利用して各電池セルの全面に均等に拘束荷重を付与するためには、拘束バンドを少なくとも四つ設ける必要がある。つまり、従来技術では、一つの電池積層体に対して、四つの拘束バンドを用意し、さらに、その四つの拘束バンドそれぞれの両端を、エンドプレートに固定する必要があった。この場合、部品点数の増加や、組み付け工数の増加という問題を招く。

また、各電池セルに付与される拘束荷重は、拘束バンドの長さ（エンドプレート間距離）と電池積層体のバネ定数によって定まるが、この電池積層体のバネ定数には個体差がある。その結果、拘束バンドの長さが同じであっても、電池積層体によって、拘束荷重が異なってしまう。そのため、従来技術で拘束荷重を均一にするためには、電池積層体のバネ定数に応じて、拘束バンドの長さを変える必要があり、部品種類数の増加を招いていた。

そこで、本発明では、簡易な構成でありながら、電池積層体に適切な拘束荷重を付与できる電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の電池モジュールは、複数の角型電池を厚み方向に積層した電池積層体と、前記電池積層体の積層方向両端に配される一対のエンドプレートと、を含む電池スタックと、上端が開口されるとともに前記電池スタックが収容される収容空間を有する収容ケースと、を備え、前記一対のエンドプレートのうち少なくとも一方は、前記収容ケースの下端に近づくにつれて、前記電池スタックの積層方向の寸法が小さくなるように傾斜したスタック側対向面を有し、前記収容空間は、前記スタック側対向面に対向し、前記収容ケースの下端に近づくにつれて、前記収容空間の前記積層方向の寸法が小さくなるように傾斜したケース側対向面を有する、ことを特徴とする。

本発明によれば、互いに対向するスタック側対向面とケース側対向面とが、それぞれ、傾斜しているため、電池スタックを収容空間内に押し込むことで、電池スタックに拘束荷重を付与できる。また、このときの拘束荷重は、電池スタックを押しこむ力を変更することで変更できるため、電池スタックのバネ定数に応じて部品の寸法を変更する必要がない。結果として、本発明によれば、簡易な構成でありながら、電池積層体に適切な拘束荷重を付与できる電池モジュールを提供することができる。

本発明の電池モジュールに用いられる電池スタックの斜視図である。電池モジュールの模式図である。電池スタックの組み付けの様子を示す模式図である。スタック側対向面およびケース側対向面の一部拡大図である。従来の電池スタックの一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である電池モジュール１０に搭載される電池スタック１２の斜視図である。また、図２は、電池モジュール１０の模式図である。なお、図２では、セパレータ２０の図示は、省略している。

電池モジュール１０は、モジュールケース５０と、当該モジュールケース５０に収容される電池スタック１２と、を備えている。なお、一つのモジュールケース５０に収容される電池スタック１２は、一つでもよいし、複数でもよい。

電池スタック１２は、電池積層体１４と、当該電池積層体１４の積層方向両側に配される一対のエンドプレート１６と、を備えている。さらに、電池積層体１４は、電池セル１８と、樹脂からなるセパレータ２０と、を厚み方向に交互に積層して構成される。

ここで、電池セル１８は、充放電可能な二次電池、例えば、リチウムイオン二次電池や、ナトリウムイオン二次電池等である。本実施形態の電池セル１８は、電極体が扁平な直方体形状のセルケースに収容された角型電池である。電池セル１８の上端面からは、正極端子２２ｐおよび負極端子２２ｎが突出している。この正極端子２２ｐおよび負極端子２２ｎは、幅方向に間隔をあけて配置されている。なお、図１では、正極端子２２ｐおよび負極端子２２ｎを略円筒形として図示しているが、これら端子２２ｐ，２２ｎの形状は適宜、変更されてもよい。

電池セル１８の上端面のうち幅方向中央、すなわち、正極端子２２ｐおよび負極端子２２ｎの間には、ガス放出弁（図示せず）が設けられている。ガス放出弁は、電池セル１８の異常反応時に、当該電池セル１８の内部で発生したガスを放出する弁である。ガス放出弁は、電池セル１８の内圧が一定未満の場合には、閉鎖しているが、内圧が一定以上になれば、開放され、ガスを外部に放出する。このガス放出弁は、例えば、電池セル１８のケースのうちの一部を、一定以上の圧力を受けたときに破断するように薄肉に形成する等して構成される。ただし、ガス放出弁の構成は、これに限定されず、適宜、変更されてもよい。

複数の電池セル１８は、厚み方向に積層される。このとき、複数の電池セル１８は、正極端子２２ｐと負極端子２２ｎが積層方向に交互に並ぶように、その向きを交互に替えて配される。すなわち、ある電池セル１８を、向かって右側に正極端子２２ｐが位置するように配置した場合には、次の電池セル１８は、向かって右側に負極端子２２ｎが位置するように配置する。そして、積層方向に隣接する正極端子２２ｐと負極端子２２ｎをバスバ（図示せず）で順次、連結することで、複数の電池セル１８が、電気的に直列に接続される。

電池セル１８と電池セル１８との間には、セパレータ２０が配される。換言すれば、電池積層体１４は、複数の電池セル１８と複数のセパレータ２０とを、交互に積層して成る。セパレータ２０は、絶縁性材料からなり、略平板のベース部と、当該ベース部（図１では見えず）の周縁から厚み方向に張り出す枠部２６と、ベース部の上端から突出するダクト片２８と、を備えている。ベース部は、電池セル１８の間に配される部分で、その表面には、冷媒流路を構成するためのリブが複数、間隔を開けて形成されている。

枠部２６は、電池セル１８の周面に沿う形状をしており、電池セル１８の面方向への移動を規制する。セパレータ２０の上端、かつ、幅方向中央には、ダクト片２８が設けられている。ダクト片２８は、セパレータ２０のベース部の上端から突出形成されており、電池セル１８の上端面に向かって開口した略Ｕ字形状となっている。このダクト片２８の上面は、電池セル１８のガス放出弁と対向している。また、ダクト片２８は、セパレータ２０のベース部よりも厚み方向に張り出しており、隣接する他のセパレータ２０のダクト片２８と密着する。複数のダクト片２８が互いに密着することで、電池積層体１４には、積層方向に延びるトンネルが形成される。このトンネルは、ガス放出弁から放出されたガスが流れる排煙ダクトとなる。

電池セル１８およびセパレータ２０からなる電池積層体１４の積層方向両側には、一対のエンドプレート１６が配される。この電池積層体１４および一対のエンドプレート１６で構成される積層体が、電池スタック１２である。なお、電池スタック１２は、樹脂からなるセパレータ２０等を有する関係上、積層方向にバネ定数を持った伸縮体となる。エンドプレート１６は、アルミニウム等の金属、あるいは、十分な剛性を有した樹脂等からなる板材である。本実施形態では、このエンドプレート１６のうち、積層方向外側面であるスタック側対向面１７を、下方に近づくにつれて、厚みが低下するような傾斜面としている。換言すれば、電池スタック１２は、下方に近づくにつれて、積層方向長さが小さくなっている。かかる構成とするのは、電池積層体１４に適切な拘束荷重Ｆｔを付与するためであるが、これについては、後述する。

モジュールケース５０は、アルミニウム等の金属からなる箱部材で、電池スタック１２を収容するための収容空間５６が形成されている。このモジュールケース５０は、ロアケース５２と、アッパーカバー５４と、に大別される。ロアケース５２は、電池スタック１２を収容する収容ケースとして機能するものである。なお、一つのロアケース５２に収容する電池スタック１２の個数は、限定されておらず、一つでもよいし、複数でもよい。また、ロアケース５２には、電池スタック１２に加えて、さらに、他の部材、例えば、冷却ファンや冷却ダクト、ヒータ、ジャンクションボックス等（いずれも図示せず）が収容されてもよい。

ロアケース５２には、電池スタック１２を収容する収容空間５６が形成されている。収容空間５６は、上部が開口した空間で、この上部開口から電池スタック１２を押し入れることができる。収容空間５６の積層方向両端面であるケース側対向面５８、すなわち、スタック側対向面１７との対向面は、下方に近づくにつれて、収容空間５６の積層方向長さが小さくなるような傾斜面となっている。

ここで、このケース側対向面５８の傾斜角度は、スタック側対向面１７の傾斜角度とほぼ同じとなっている。また、無負荷状態における電池スタック１２の下端における積層方向長さをＤｓとし、収容空間５６の下端の積層方向長さをＤｄとした場合、Ｄｄ＜Ｄｓである（図３参照）。また、収容空間５６の上端の積層方向長さをＤｕとした場合、Ｄｓ＜Ｄｕである。かかる構成とすることで、収容空間５６に押し込み収容されて収縮した電池スタック１２に拘束荷重Ｆｔを付与できるが、これについては後述する。

アッパーカバー５４は、ロアケース５２の上部を覆う。このアッパーカバー５４は、ロアケース５２に電池スタック１２や、必要な他部材（例えば冷却ファン等）を収容した後、ロアケース５２の上側に配され、ロアケース５２と締結される。

ところで、これまでの説明で明らかな通り、本実施形態では、電池スタック１２および収容空間５６の積層方向端面を、傾斜面としている。かかる構成とする理由について、従来技術と比較して説明する。電極体を角型のセルケースに収容した角型電池（電池セル１８）では、その表面全体に、均等に圧力が付与されることが望ましい。付与される圧力に偏りがあると、電池セル１８の内部において、金属（リチウム）の析出や、内部短絡、ガス発生、ひいては、セルケースの変形等の意図しない劣化が起こり、電池モジュールの信頼性が低下するおそれがある。

そこで、従来から、複数の電池セル１８を厚み方向に積層して電池積層体１４を構成した後、当該電池積層体１４に積層方向圧縮の力、すなわち、拘束荷重Ｆｔを付与することが提案されている。拘束荷重Ｆｔが付与されることで、電池セル１８の表面に圧力が付与されるとともに、電池積層体１４を構成する複数の電池セル１８およびセパレータ２０の相互の動きが規制され、拘束される。

この拘束荷重Ｆｔを得るために、従来では、拘束バンド１００と呼ばれる金属製のバンドを利用していた。図５は、従来技術の電池スタック１２の一例を示す図である。図５に示す通り、従来は、電池積層体１４の積層方向両端に一対のエンドプレート１６を配し、さらに、所定の長さの拘束バンド１００の両端を、一対のエンドプレート１６に固定している。ここで、拘束バンド１００の長さは、当該拘束バンド１００の両端に固定されたエンドプレート１６間の距離が、無負荷状態における電池積層体１４の長さより短くなるように設定されている。そのため、拘束バンド１００の両端に一対のエンドプレート１６を固定することで、電池積層体１４が、一対のエンドプレート１６で圧縮されながら挟持されることになる。そして、これにより、電池積層体１４に拘束荷重Ｆｔが付与される。

ただし、こうした拘束バンド１００を利用する従来技術で、各電池セル１８の表面に均等に圧力を付与するためには、拘束バンド１００を複数本（例えば、電池積層体１４の上側に二本、下側に二本の合計四本）、設ける必要がある。そのため、従来技術では、部品点数の増加を招いていた。また、複数の拘束バンド１００の両端は、それぞれ、リベット締結等で、エンドプレート１６に固定されている。したがって、拘束バンド１００が四本あれば、少なくとも八箇所をリベット締結する必要があり、電池モジュール１０の組み付け工数の増加も招いていた。

さらに、拘束バンド１００を利用した技術では、電池積層体１４に付与される拘束荷重Ｆｔは、拘束バンド１００の長さ（エンドプレート１６間距離）、および、電池積層体１４のバネ定数Ｋによって定まるが、この電池積層体１４のバネ定数Ｋには個体差がある。その結果、拘束バンド１００の長さが同じであっても、電池積層体１４によって、付与される拘束荷重Ｆｔが異なってしまう。そのため、従来技術で拘束荷重Ｆｔを均一にするためには、電池積層体１４のバネ定数Ｋに応じて、拘束バンド１００の長さを変える必要があり、部品種類数の増加を招いていた。

一方、本実施形態では、電池スタック１２および収容空間５６の積層方向端面（スタック側対向面１７およびケース側対向面５８）を、傾斜面としている。かかる構成とすることで、拘束バンド１００を用いることなく、電池積層体１４に適切な拘束荷重Ｆｔを付与することができる。これについて図３を参照して説明する。

ロアケース５２に電池スタック１２を組み付ける際には、図３に示すように、収容空間５６の上部開口から電池スタック１２を当該収容空間５６に押し入れる。ここで、既述した通り、無負荷状態における電池スタック１２の下端長さＤｓは、収容空間５６の上端長さＤｕより小さく、かつ、収容空間５６の下端長さＤｄよりも大きい。そのため、電池スタック１２は、途中までは、ケース側対向面５８に当たることなく、収容空間５６内に進入できるが、一定以上、進入すると、電池スタック１２のスタック側対向面１７がケース側対向面５８に当たることになる。スタック側対向面１７がケース側対向面５８に当たった状態で、電池スタック１２をさらに、下方に押し込むと、ケース側対向面５８は、スタック側対向面１７により、下向きの力Ｆ１を受ける。この下向きの力Ｆ１は、ケース側対向面５８に平行な力Ｆ２と、ケース側対向面５８に垂直な垂直分力Ｆ３とに分解される。同時に、スタック側対向面１７には、この垂直分力Ｆ３の垂直抗力Ｆ４が発生する。そして、電池スタック１２は、この垂直抗力Ｆ４の水平方向の分力Ｆ５の大きさの力を、積層方向両側から受ける。つまり、電池スタック１２は、Ｆ５×２の拘束荷重Ｆｔを受けることになる。なお、ケース側対向面５８と水平と成す角度をαとした場合、垂直分力Ｆ３および垂直抗力Ｆ４の大きさは、Ｆ１・ｓｉｎαであり、垂直抗力Ｆ４の水平方向分力Ｆ５の大きさは、Ｆ４・ｓｉｎα＝Ｆ１・ｓｉｎ^２αとなる。そして、拘束荷重Ｆｔは、Ｆｔ＝２・Ｆ１・ｓｉｎ^２αとなる。

こうした拘束荷重Ｆｔを受けて、電池スタック１２は、積層方向に収縮変形する。例えば、電池スタック１２を、収容空間５６の底部まで押し込んだ際、電池スタック１２の積層方向長さは、無負荷状態と比べてε＝Ｄｓ−Ｄｄだけ小さくなる。このとき、電池スタック１２は、変形量εにバネ定数Ｋを乗じた大きさの拘束荷重Ｆｔ＝Ｋ×εを受ける。そして、このとき電池スタック１２を構成する複数の電池セル１８は、その全面に均等に圧力がかかることになる。

つまり、本実施形態によれば、電池スタック１２を収容空間５６内において下方に押し込むだけで、電池スタック１２に積層方向圧縮の力である拘束荷重を付与できる。このとき、拘束バンドは不要であるため、従来技術に比べて、部品点数や組み付け工数を大幅に低減できる。

また、電池スタック１２に付与する拘束荷重Ｆｔの大きさは、当該電池スタック１２を下方に押し込む力、すなわち、組み付け荷重Ｆ１の大きさと、両対向面１７，５８の傾斜角度と、によって定まる。そして、両対向面１７，５８の傾斜角度は、ほぼ固定であるため、拘束荷重Ｆｔは、組み付け荷重Ｆ１さえ調節すれば、自由に調節できる。あるいは、上述したとおり、拘束荷重Ｆｔは、電池スタック１２の変形量εとバネ定数Ｋとの乗算値であるため、電池スタック１２の変形量ε、ひいては、電池スタック１２の押し込み量を調節して、拘束荷重Ｆｔを調節してもよい。いずれにしても、本実施形態によれば、電池スタック１２ごとのバネ定数のバラツキに応じて、拘束用部品の寸法を個別に調整する必要がない。結果として、部品種類数を低減しつつも、電池スタック１２に適切な拘束荷重Ｆｔを付与できる。

収容空間５６内において、電池スタック１２を所定の組み付け荷重で押し下げることで、当該電池スタック１２に所望の拘束荷重が付与できれば、当該電池スタック１２を固定する。電池スタック１２の固定方法としては、種々考えられる。本実施形態では、電池スタック１２を所望の押し込み位置で固定するために、スタック側対向面１７およびケース側対向面５８それぞれの表面に鋸歯状凹凸６０，６２を形成している。これについて図４を参照して説明する。

図４に示す通り、本実施形態では、スタック側対向面１７に、水平面６０ａと、下方に近づくにつれて内側に近づく傾斜面６０ｂとが、上下方向に、所定ピッチで交互に並ぶ鋸歯状凹凸６０を形成している。同様に、ケース側対向面５８にも、水平面６２ａと、下方に近づくにつれて内側（電池スタック１２側）に近づく傾斜面６２ｂとが、上下方向に、所定ピッチで交互に並ぶ鋸歯状凹凸６２を形成している。スタック側対向面１７の鋸歯状凹凸６０、および、ケース側対向面５８の鋸歯状凹凸６２は、その配設ピッチおよび傾斜面６０ｂ，６２ｂの傾斜角度は、ほぼ同じとなっており、一方の鋸歯状凹凸の山部が、他方の鋸歯状凹凸の谷部に係合できるようになっている。

かかる構成の電池スタック１２を収容空間５６内で下方に押し込んだ場合、両対向面１７，５８の鋸歯状凹凸６０，６２の傾斜面６０ｂ，６２ｂが互いに当たるため、電池スタック１２の下方への移動が許容される。一方で、一度、押し込まれた電池スタック１２が上方に移動しようとしたときには、両対向面１７，５８の鋸歯状凹凸６０，６２の水平面６０ａ，６２ａが互いに係止し合うため、電池スタック１２の上方への移動が阻害される。その結果、電池スタック１２は、押し込まれた位置で固定される。

なお、ここで説明した固定方法は、一例であり、所望の深さまで押しこまれた電池スタック１２の上方への移動を防止できるのであれば、他の固定方法でもよい。例えば、アッパーカバー５４で、電池スタック１２の上面を押さえることで、電池スタック１２を固定してもよい。また、電池スタック１２を、螺合や溶接等の固定手段で固定してもよい。

また、これまで説明した構成は、一例であり、少なくとも電池スタック１２の積層方向一端面と、収容空間５６の前記一端面との対向面と、が傾斜しているのであれば、その他の構成は、変更されてもよい。例えば、上述の説明では、電池スタック１２の積層方向両端面、および、収容空間５６の積層方向両端面を傾斜面としているが、いずれか一方のみを傾斜面とし、他方は、垂直面としてもよい。また、本実施形態で例示した電池セル１８やセパレータ２０の形状や個数は、全て一例であり、電池セル１８が角型であるのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。また、本実施形態では、複数の電池セル１８を直列接続しているが、複数の電池セル１８は、並列接続されてもよい。

１０電池モジュール、１２電池スタック、１４電池積層体、１６エンドプレート、１７スタック側対向面、１８電池セル、２０セパレータ、２２ｎ負極端子、２２ｐ正極端子、２６枠部、２８ダクト片、５０モジュールケース、５２ロアケース、５４アッパーカバー、５６収容空間、５８ケース側対向面、６０，６２鋸歯状凹凸、１００拘束バンド。

Claims

複数の角型電池を厚み方向に積層した電池積層体と、前記電池積層体の積層方向両端に配される一対のエンドプレートと、を含む電池スタックと、
上端が開口されるとともに前記電池スタックが収容される収容空間を有する収容ケースと、
を備え、
前記一対のエンドプレートのうち少なくとも一方は、前記収容ケースの下端に近づくにつれて、前記電池スタックの積層方向の寸法が小さくなるように傾斜したスタック側対向面を有し、
前記収容空間は、前記スタック側対向面に対向し、前記収容ケースの下端に近づくにつれて、前記収容空間の前記積層方向の寸法が小さくなるように傾斜したケース側対向面を有する、
ことを特徴とする電池モジュール。