JP2018092833A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】使用状況によらずに電池性能を良好に発揮させることが可能な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、配列体２と、配列体２に対して配列方向Ｄに拘束荷重を付加する拘束部材３と、を備え、拘束部材３によって配列体２に付加される最低荷重量は、電池セル１１の圧縮量と荷重量との関係に基づいて算出される電池セル必要荷重量に、配列体２の長さＬａの減少量ΔＬａに基づいて算出される追加荷重量を加えた荷重量以上に設定され、電池セル必要荷重量は、配列体２に拘束部材３を組み付ける際に、電池セル１１の電極間及び電極組立体１３とケース１２との間のクリアランスが存在しなくなる圧縮量を得るために必要な荷重量であり、減少量は、予め定められた使用条件で電池モジュール１が使用された場合での、配列体２に拘束部材３を組み付けたときの長さＬａからの最大の減少量である。【選択図】図８

Description

本発明は、電池モジュールに関する。

従来、一方向に配列された複数の電池セルを備える電池モジュールが知られている。このような電池モジュールでは、電池セルの配列体を金属プレート等の拘束具で挟み込んで一定の荷重で拘束することで、電池セルにおいて内部抵抗等の特性が変動することを抑制している。例えば、特許文献１には、電池セルの圧縮量と電池セルが受ける荷重量との関係に基づいて、配列体に付加される最低荷重量を算出し、電池セル内の電極組立体に含まれる電極間のクリアランス及び電極組立体とケースの内面とのクリアランスが存在しなくなるように配列体に拘束荷重を付加することが記載されている。

特開２０１６−３９０２２号公報

しかしながら、電池モジュールの使用環境及び使用時間等の使用状況によって、電池モジュールの構成部品が変形することがある。例えば、電池セルの線膨張係数と拘束部材の線膨張係数とは異なるので、電池モジュールの温度によって電池セル及び拘束部材が変形し得る。このような構成部品の変形によって、配列体に付加される拘束荷重が減少する場合がある。特許文献１に記載の電池モジュールでは、使用状況による拘束荷重の減少量が考慮されていない。このため、拘束荷重が不足することによって、電池セルの内部抵抗が増大し、電池性能が十分に発揮されなくなるおそれがある。

本発明は、使用状況によらずに電池性能を良好に発揮させることが可能な電池モジュールを提供する。

本発明の一側面に係る電池モジュールは、第１方向に配列された複数の電池セルを含む配列体と、配列体に対して第１方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、を備える電池モジュールである。複数の電池セルのそれぞれは、第１方向に積層された複数の電極を有する電極組立体と、電極組立体を収容するケースと、を備える。拘束部材によって配列体に付加される拘束荷重の下限値である最低荷重量は、電池セルの圧縮量と電池セルが受ける荷重量との関係に基づいて算出される電池セル必要荷重量に、第１方向における配列体の長さの減少量に基づいて算出される追加荷重量を加えた荷重量以上に設定される。電池セル必要荷重量は、配列体に拘束部材を組み付ける際に、電池セルの電極間及び電極組立体とケースとの間のクリアランスが存在しなくなる圧縮量を得るために必要な荷重量である。減少量は、予め定められた使用条件で電池モジュールが使用された場合における、配列体に拘束部材を組み付けたときの長さからの最大の減少量である。

この電池モジュールでは、電池セル必要荷重量に追加荷重量を加えた荷重量以上となるように、拘束部材によって配列体に付加される最低荷重量が設定されている。電池セル必要荷重量は、配列体に拘束部材を組み付ける際に、電池セルの電極間及び電極組立体とケースとの間のクリアランスが存在しなくなる圧縮量を得るために必要な荷重量である。追加荷重量は、予め定められた使用条件で電池モジュールが使用された場合における、配列体に拘束部材を組み付けたときの第１方向における配列体の長さからの最大の減少量に基づいて算出される。つまり、配列体に拘束部材を組み付けた後に、第１方向における配列体の長さが減少すると、拘束荷重が減少するので、電池モジュールの使用条件において電池モジュールが使用された場合の拘束荷重の最大の減少量に相当する荷重量が追加荷重量として付加されている。したがって、予め定められた使用条件で電池モジュールが使用された場合において、電池モジュールの使用状況によらずに、電池セルの複数の電極同士が互いに密着すると共に、電極組立体とケースとが互いに密着する状態が確保されるので、電池性能を良好に発揮させることができる。

拘束部材は、配列体の第１方向における両端に設けられる一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートを連結する連結部材と、を備えてもよい。配列体の線膨張係数である第１線膨張係数は、連結部材の線膨張係数である第２線膨張係数よりも大きく、減少量は、第１線膨張係数と第２線膨張係数との差に基づいて算出されてもよい。この場合、配列体の第１線膨張係数は、連結部材の第２線膨張係数よりも大きいので、電池モジュールの温度が低下すると、第１方向において、一対のエンドプレート間の距離の減少量よりも配列体の長さの減少量が上回る。これにより、拘束部材によって配列体に付加される拘束荷重が減少する。上記電池モジュールでは、第１線膨張係数と第２線膨張係数との差に基づいて算出された配列体の長さの減少量に基づいて、追加荷重量が算出され、拘束部材による配列体への最低荷重量が設定される。これにより、電池モジュールの温度によらず、電池セルの複数の電極同士が互いに密着すると共に、電極組立体とケースとが互いに密着する状態が確保されるので、電池性能を良好に発揮させることができる。

減少量は、電池セルの充電率に基づいて算出されてもよい。電池セルの充電率が高くなるにつれ、電池セルは膨張し、電池セルの充電率が低下するにつれ、電池セルは収縮する。このため、電池セルの充電率が低下するにつれ、電池セルの第１方向における長さが減少するので、配列体の第１方向における長さも減少する。上記電池モジュールでは、電池セルの充電率に基づいて算出された配列体の長さの減少量に基づいて、追加荷重量が算出され、拘束部材による配列体への最低荷重量が設定される。これにより、電池セルの充電率によらず、電池セルの複数の電極同士が互いに密着すると共に、電極組立体とケースとが互いに密着する状態が確保されるので、電池性能を良好に発揮させることができる。

配列体は、複数の電池セルとともに第１方向に配列された弾性部材を更に含んでもよい。減少量は、弾性部材のクリープ特性に基づいて算出されてもよい。この場合、弾性部材には、拘束部材によって拘束荷重が付加されているので、時間の経過とともに弾性部材は変形する。つまり、時間の経過とともに、弾性部材の第１方向における長さが減少するので、配列体の第１方向における長さも減少する。上記電池モジュールでは、弾性部材のクリープ特性に基づいて算出された配列体の長さの減少量に基づいて、追加荷重量が算出され、拘束部材による配列体への最低荷重量が設定される。これにより、電池モジュールの使用期間によらず、電池セルの複数の電極同士が互いに密着すると共に、電極組立体とケースとが互いに密着する状態が確保されるので、電池性能を良好に発揮させることができる。

本発明によれば、使用状況によらずに電池性能を良好に発揮させることができる。

一実施形態に係る電池モジュールを示す図である。 図１に示された電池モジュールを構成する電池セルの内部構造を示す図である。 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 電池セルへの荷重の付加の様子を示す図である。 電池セルの圧縮量と電池セルが受ける荷重量との関係の一例を示す図である。 電池セルの充電率と電池セルの電圧との関係の一例を示す図である。 弾性部材の圧縮量と圧縮部材が受ける荷重量との関係の一例を示す図である。 電池モジュールの組立後における配列体の長さと拘束荷重との関係の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

図１は、一実施形態に係る電池モジュールを示す図である。図１に示されるように、電池モジュール１は、配列体２と、拘束部材３と、を備えている。電池モジュール１は、予め定められた使用条件において使用される。使用条件としては、動作最低温度、動作最高温度、使用保証期間、電池セルの最低充電率、及び電池セルの最高充電率等が定められている。動作最低温度とは、電池モジュール１が正常に動作可能な電池モジュール１の最低温度であり、動作最高温度とは、電池モジュール１が正常に動作可能な電池モジュール１の最高温度である。使用保証期間とは、電池モジュール１が正常に動作可能な期間であり、電池モジュール１の製造時からの経過時間である。最低充電率とは、電池セルが取り得る最も小さい充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）であり、最高充電率とは、電池セルが取り得る最も大きいＳＯＣである。

配列体２は、複数の電池セル１１と、弾性部材２０と、を含む。複数の電池セル１１は、配列方向Ｄ（第１方向）に配列されている。電池セル１１は、例えばリチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。本実施形態では、７つの電池セル１１と弾性部材２０とを配列方向Ｄに配列することによって配列体２が構成されている。また、配列体２において、電池セル１１に隣接して伝熱プレートが配列されていてもよい。電池セル１１の線膨張係数は、例えば１９００ｐｐｍ／Ｋ程度である。

ここで、図２及び図３を参照して、電池セル１１の詳細について説明する。図２は、図１に示された電池モジュールを構成する電池セルの内部構造を示す図である。図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図２及び図３に示されるように、複数の電池セル１１のそれぞれは、ケース１２と、電極組立体１３と、を備えている。

ケース１２は、電極組立体１３を収容する。ケース１２は、例えば中空の略直方体形状を呈している。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、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、絶縁リング１７を介してケース１２の頂面に固定されている。負極端子１６は、絶縁リング１８を介してケース１２の頂面に固定されている。

電極組立体１３は、ケース１２内に収容され、例えば正極２１（電極）と、負極２２（電極）と、正極２１と負極２２との間に配置されたセパレータ２３とによって構成されている。本実施形態の電極組立体１３では、袋状のセパレータ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。電極組立体１３における正極２１及び負極２２の積層方向は、配列方向Ｄと一致している。つまり、電極組立体１３は、配列方向Ｄに積層された複数の電極（正極２１及び負極２２）を有する。

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、及び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。

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、その内部に正極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、シート状であってもよい。

図１に戻って、電池モジュール１の説明を続ける。弾性部材２０は、電池セル１１に膨張が生じた場合に、拘束荷重による電池セル１１等の破損を防止する目的で用いられる部材である。弾性部材２０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。弾性部材２０は、複数の電池セル１１とともに配列方向Ｄに配列されている。本実施形態では、弾性部材２０は、配列方向Ｄにおいて、配列体２の一端に位置する。弾性部材２０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、及びシリコンゴム等が挙げられる。また、弾性部材２０は、ゴムに限られず、バネ材等であってもよい。弾性部材２０の線膨張係数は、例えば１１０ｐｐｍ／Ｋ程度である。

拘束部材３は、配列体２に対して配列方向Ｄに拘束荷重を付加する部材である。拘束部材３は、一対のエンドプレート３１と、連結部材３２とを備えている。エンドプレート３１は、例えば電池セル１１を配列方向Ｄから見た場合の面積よりも大きい面積の面を有する略矩形の板状をなしている。エンドプレート３１は、ＳＳ４００等の鋼材によって構成されている。一対のエンドプレート３１は、配列体２の配列方向Ｄにおける両端に設けられる。具体的には、一対のエンドプレート３１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における配列方向Ｄの両端に配置されている。エンドプレート３１には、後述のボルト３３を挿通させるための複数の挿通孔（不図示）が設けられている。

連結部材３２は、一対のエンドプレート３１同士を連結する部材である。連結部材３２は、例えば長尺のボルト３３と、ボルト３３に螺合されるナット３４と、を含む。ボルト３３及びナット３４は、鉄等の金属から構成されている。ボルト３３は、一対のエンドプレート３１の挿通孔に順次挿通される。ナット３４は、一対のエンドプレート３１同士を互いに締め付けるように、エンドプレート３１の外側においてボルト３３の端部に螺合される。これにより、一対のエンドプレート３１が配列方向Ｄにおいて配列体２を挟持し、一対のエンドプレート３１を介して、配列体２（電池セル１１）に拘束荷重が付加される。連結部材３２（ボルト３３）の線膨張係数（第２線膨張係数）は、例えば１２ｐｐｍ／Ｋ程度である。

続いて、拘束部材３による配列体２への拘束荷重について更に詳細に説明する。

拘束部材３による配列体２への拘束荷重を設定するにあたっては、配列体２を構成する電池セル１１について、電池セル１１の圧縮量と電池セル１１が受ける荷重量との関係が予め求められる。電池セル１１の圧縮量と電池セル１１が受ける荷重量との関係を求める場合、例えば図４に示されるように、電池セル１１のケース１２を一対の加圧部材４１で挟み、電極組立体１３の積層方向から電池セル１１に荷重が付加される。

図５は、電池セルの圧縮量と電池セルが受ける荷重量との関係（圧縮特性）の一例を示す図である。図５に示される例では、横軸は電池セル１１の圧縮量を示し、縦軸は電池セル１１が受ける荷重量を示す。本実施形態では、圧縮量は、ケース１２への荷重の付加が無い状態（ケース１２に加圧部材４１が接した状態）を原点とし、一対の加圧部材４１で荷重を付加する方向におけるケース１２の厚さの変化量を示している。また、本実施形態では、荷重量は、ケース１２が受ける荷重量である。

図５に示される領域は、荷重量に応じて低弾性領域Ｒ１と高弾性領域Ｒ２とに区分される。低弾性領域Ｒ１は、荷重量が０からＫ_０までの領域である。この低弾性領域Ｒ１では、電池セル１１内において、電極組立体１３における電極（セパレータ２３を含めた正極２１及び負極２２）間のクリアランス、及び電極組立体１３とケース１２の内面とのクリアランスが存在しており、圧縮量の増加に対する荷重量の増加が緩やかとなっている。低弾性領域Ｒ１では、電池セル１１内の電極に十分な荷重が付加されないので、電池セル１１の電池性能が十分に発揮されない。なお、正極２１と負極２２との間がセパレータ２３の厚さと同じである場合を電極間のクリアランスが存在しない状態とし、正極２１と負極２２との間がセパレータ２３の厚さよりも大きい場合を電極間のクリアランスが存在する状態とする。

一方、高弾性領域Ｒ２は、荷重量がＫ_０より大きい領域である。この高弾性領域Ｒ２では、圧縮の進行により、電池セル１１内において、電極組立体１３における電極（セパレータ２３を含めた正極２１及び負極２２）間のクリアランス、及び電極組立体１３とケース１２の内面とのクリアランスが存在しなくなり、低弾性領域Ｒ１と比較して、圧縮量の増加に対する荷重量の増加が大きくなっている。高弾性領域Ｒ２では、電池セル１１内の電極に十分な荷重が付加され、電池セル１１の電池性能が十分に発揮される。

電池セル１１についての圧縮量に対する荷重量の関係を予め求めた後、拘束部材３によって配列体２に付加される拘束荷重の下限値（以下、「最低荷重量」という。）が決定される。図５に示されるグラフは、電池モジュール１の組立時（つまり、配列体２に拘束部材３を組み付けた時の環境温度、及び電池セル１１のＳＯＣ）における電池セル１１の圧縮量と電池セル１１が受ける荷重量との関係を示しているともいえる。

ここで、電池モジュール１の使用環境及び使用時間等の使用状況に応じて、配列体２の配列方向Ｄにおける長さＬａが変化し得る。配列体２の長さＬａは、複数の電池セル１１の配列方向Ｄにおける長さＬｂと、弾性部材２０の配列方向Ｄにおける長さＬｅと、の和である。配列体２に対して拘束部材３を組み付けた後、長さＬａが変化すると、拘束荷重が変化する。長さＬａが減少すると、電池モジュール１の組立時の電池セル１１の圧縮量に対し、電池セル１１が受ける荷重量が減少する。このため、最低荷重量は、上述した電池セル１１の圧縮量と電池セル１１が受ける荷重量との関係に基づいて算出される電池セル必要荷重量に、長さＬａの減少量に基づいて算出される追加荷重量を加えた荷重量以上となるように決定される。

電池セル必要荷重量は、配列体２に拘束部材３を組み付ける際に、電池セル１１の電極間及び電極組立体１３とケース１２（の内面）との間のクリアランスが存在しなくなる圧縮量を得るために必要な荷重量である。本実施形態では、例えば図５に示されるように、低弾性領域Ｒ１から高弾性領域Ｒ２に移行する荷重量Ｋ_０が電池セル必要荷重量に相当する。

追加荷重量は、電池モジュール１の使用条件下において、電池モジュール１の使用状況によらずに電池セル１１に付加される荷重量を高弾性領域Ｒ２とするために電池セル必要荷重量に加えられる荷重量である。配列体２に拘束部材３が組み付けられた後において、電池セル１１が受ける荷重量は、長さＬａに応じて変化する。長さＬａの減少量としては、電池モジュール１の使用条件で電池モジュール１が使用された場合における、配列体２に拘束部材３を組み付けたときの長さＬａからの最大の減少量が用いられる。長さＬａは、例えば電池モジュール１の温度、電池セル１１のＳＯＣ、及び電池モジュール１の使用期間によって変化し得る。以下、追加荷重量の算出方法について詳細に説明する。

まず、電池モジュール１の温度による長さＬａの減少量ΔＬｔについて説明する。配列体２（電池セル１１及び弾性部材２０）の線膨張係数（第１線膨張係数）は、連結部材３２の線膨張係数よりも大きい。このため、電池モジュール１の温度が上昇すると、配列方向Ｄにおいて、一対のエンドプレート３１間の距離Ｌｅｎｄの増加量よりも長さＬａの増加量が上回る。これにより、拘束部材３によって配列体２に付加される拘束荷重が増加する。一方、電池モジュール１の温度が低下すると、配列方向Ｄにおいて、距離Ｌｅｎｄの減少量よりも長さＬａの減少量が上回る。これにより、拘束部材３によって配列体２に付加される拘束荷重が減少する。

追加荷重量に関しては、拘束荷重が減少する場合が考慮される。つまり、追加荷重量は、電池モジュール１の温度が、配列体２に拘束部材３を組み付ける際の基準温度Ｔ_０から電池モジュール１の動作最低温度Ｔ_Ｌまで低下した場合でも、電池セル１１が受ける荷重量を高弾性領域Ｒ２とするように算出される。減少量ΔＬｔは、配列体２の線膨張係数と連結部材３２の線膨張係数との差に基づいて算出される。具体的には、基準温度Ｔ_０と動作最低温度Ｔ_Ｌとの温度差ΔＴによる長さＬａの減少量及び距離Ｌｅｎｄの減少量を算出する。長さＬａの減少量から距離Ｌｅｎｄを減算することによって、距離Ｌｅｎｄに対する長さＬａの減少量ΔＬｔが算出される。

電池セル１１のＳＯＣによる長さＬａの減少量ΔＬｓｏｃについて説明する。図６に示されるように、電池セル１１のＳＯＣに対して、電池セル１１の端子電圧は変化する。この端子電圧の変化が少ないＳＯＣの範囲において、電池セル１１の使用範囲（０％〜１００％）が設定される。このように、ＳＯＣは、０％よりも小さい値、及び１００％よりも大きい値を取り得る。電池セル１１のＳＯＣが高くなるにつれ、電池セル１１は膨張する。このため、電池セル１１のＳＯＣが高くなると、長さＬａが増加する。これにより、拘束部材３によって配列体２に付加される拘束荷重が増加する。一方、電池セル１１のＳＯＣが低下するにつれ、長さＬａが減少する。これにより、拘束部材３によって配列体２に付加される拘束荷重が減少する。

追加荷重量に関しては、電池セル１１のＳＯＣが低下する場合が考慮される。つまり、追加荷重量は、配列体２に拘束部材３を組み付ける際の電池セル１１のＳＯＣである初期充電率から、電池モジュール１の使用条件において想定されるＳＯＣの最低値である最低充電率まで低下した場合でも、電池セル１１が受ける荷重量を高弾性領域Ｒ２とするように算出される。初期充電率は、例えば０％である。最低充電率としては、例えば、電池セル１１の過放電が生じた場合のＳＯＣが用いられ得る。つまり、減少量ΔＬｓｏｃは、電池セル１１のＳＯＣに基づいて算出される。具体的には、初期充電率における配列体２の長さＬａから最低充電率における配列体２の長さＬａを減算することによって、距離Ｌｅｎｄに対する長さＬａの減少量ΔＬｓｏｃが算出される。なお、電池セル１１のＳＯＣの変化によって、長さＬｅ及び距離Ｌｅｎｄは変化しない。つまり、減少量ΔＬｓｏｃは、長さＬｂの減少量である。

電池モジュール１の使用期間による長さＬａの減少量ΔＬｃについて説明する。弾性部材２０には、拘束部材３によって拘束荷重が付加されているので、時間の経過とともに弾性部材２０は変形する。つまり、時間の経過とともに、長さＬｅが減少するので、長さＬａも減少する。言い換えれば、減少量ΔＬｃは、拘束荷重による弾性部材２０のクリープ変形による減少量である。図７は、弾性部材の圧縮量と圧縮部材が受ける荷重量との関係の一例を示す図である。図７に示される例では、横軸は弾性部材２０の圧縮量を示し、縦軸は弾性部材２０の反力を示す。グラフＧ１は、配列体２に拘束部材３を組み付けた時の弾性部材２０の特性を示す。グラフＧ２は、電池モジュール１の使用保証期間経過時の弾性部材２０の特性を示す。時間の経過とともに長さＬｅが減少するので、図７に示されるように、同じ圧縮量でも、弾性部材２０の反力、つまり拘束部材３によって配列体２に付加される拘束荷重が減少する。なお、図７に示される関係は、弾性部材２０のクリープ特性に基づいて予め計算される。弾性部材２０のクリープ特性は、弾性部材２０の材料によって定まる。

追加荷重量は、電池モジュール１の使用保証期間が経過しても、電池セル１１が受ける荷重量を高弾性領域Ｒ２とするように算出される。つまり、減少量ΔＬｃは、弾性部材２０のクリープ特性に基づいて算出される。具体的には、配列体２に拘束部材３を組み付けた時における弾性部材２０の長さＬｅから使用保証期間経過時における弾性部材２０の長さＬｅを減算することによって、距離Ｌｅｎｄに対する長さＬａの減少量ΔＬｃが算出される。なお、電池セル１１も時間の経過とともに僅かながら変形する。つまり、時間の経過とともに、長さＬｂが減少する。このため、配列体２に拘束部材３を組み付けた時における配列体２の長さＬａから使用保証期間経過時における配列体２の長さＬａを減算することによって、距離Ｌｅｎｄに対する長さＬａの減少量ΔＬｃが算出されてもよい。なお、使用保証期間経過時における長さＬｂの減少量は、電池セル１１のクリープ特性に基づいて予め計算される。この場合、減少量ΔＬｃは、拘束荷重による電池セル１１及び弾性部材２０のクリープ変形による減少量である。

以上のようにして算出された減少量ΔＬｔ、減少量ΔＬｓｏｃ、及び減少量ΔＬｃを用いて、式（１）に示されるように、各減少量の和を計算することによって、距離Ｌｅｎｄに対する長さＬａの減少量ΔＬａが得られる。

続いて、図８を用いて、追加荷重量の決定方法について説明する。図８は、電池モジュールの組立後における配列体の長さと拘束荷重との関係（圧縮特性）の一例を示す図である。図８に示される例では、横軸は配列体２の長さＬａを示し、縦軸は拘束荷重を示す。電池セル１１が受ける荷重量が高弾性領域Ｒ２に含まれる場合、図８に示されるように、配列体２に拘束部材３を組み付けた後における配列体２の長さＬａと拘束荷重とは略比例している。この関係を用いて、減少量ΔＬａに対する拘束荷重の減少量ΔＫが算出される。なお、電池セル１１の圧縮特性は、図５に示される高弾性領域Ｒ２における特性である。また、弾性部材２０の圧縮量と弾性部材２０が受ける荷重量との関係（圧縮特性）を求める場合、電池セル１１と同様に、弾性部材２０を一対の加圧部材４１で挟み、弾性部材２０に荷重が付加される。このようにして、電池セル１１の圧縮特性及び弾性部材２０の圧縮特性が予め測定される。図８に示される配列体２の圧縮特性は、電池セル１１と弾性部材２０の圧縮特性との和によって予め求められる。

電池モジュール１が使用条件下で使用された場合には、長さＬａは、電池モジュール１の組立時における配列体２の長さＬａ_０から、最大で減少量ΔＬａだけ減少し得る。このため、配列体２の長さＬａの最小値は、長さＬａ_０から減少量ΔＬａを減算した長さＬａ_１となり得る。配列体２の長さＬａが、長さＬａ_０から長さＬａ_１に減少することにより、電池セル１１に付加される荷重量（つまり、拘束荷重）は、減少量ΔＫだけ減少する。

電池モジュール１の使用条件において、電池セル１１に付加される荷重量を常に高弾性領域Ｒ２とするためには、この拘束荷重の減少量ΔＫを補填する必要がある。つまり、拘束荷重の減少量ΔＫが追加荷重量に相当する。したがって、荷重量Ｋ_０に拘束荷重の減少量ΔＫを加えた荷重量Ｋ_１が最低荷重量として決定される。なお、配列体２に付加される拘束荷重の上限値については、例えば、拘束部材３の強度又は正極２１と負極２２との間の金属イオンの移動が阻害されない範囲で適宜決定される。

以上説明したように、電池モジュール１では、電池セル必要荷重量に追加荷重量を加えた荷重量以上となるように、拘束部材３によって配列体２に付加される最低荷重量が設定されている。電池セル必要荷重量は、配列体２に拘束部材３を組み付ける際に、電池セル１１の電極間及び電極組立体１３とケース１２との間のクリアランスが存在しなくなる圧縮量を得るために必要な荷重量である。追加荷重量は、予め定められた使用条件で電池モジュール１が使用された場合における、配列体２に拘束部材３を組み付けたときの配列体２の配列方向Ｄにおける長さＬａからの最大の減少量ΔＬａに基づいて算出される。つまり、配列体２の配列方向Ｄにおける長さＬａが減少すると、拘束荷重が減少するので、電池モジュール１の使用条件において電池モジュール１が使用された場合の拘束荷重の最大の減少量ΔＫに相当する荷重量が追加荷重量として付加されている。したがって、使用条件で電池モジュール１が使用された場合において、電池モジュール１の使用状況によらずに、電池セル１１の複数の電極同士が互いに密着すると共に、電極組立体１３とケース１２とが互いに密着する状態が確保されるので、電池性能を良好に発揮させることができる。

具体的には、電池モジュール１では、配列体２の線膨張係数と連結部材３２の線膨張係数との差に基づいて算出された減少量ΔＬｔ、電池セル１１のＳＯＣに基づいて算出された減少量ΔＬｓｏｃ、及び弾性部材２０のクリープ特性に基づいて算出された減少量ΔＬｃに基づいて、一対のエンドプレート３１間の距離Ｌｅｎｄに対する配列体２の長さＬａの減少量ΔＬａが算出される。そして、減少量ΔＬａに基づいて、減少量ΔＬａによる拘束荷重の減少量ΔＫを補填するための追加荷重量が算出される。電池セル必要荷重量に追加荷重量を加えた荷重量以上となるように、拘束部材３によって配列体２に付加される最低荷重量が設定される。これにより、電池モジュール１の温度、電池セル１１のＳＯＣ、及び電池モジュール１の使用期間によらず、電池セル１１の複数の電極同士が互いに密着すると共に、電極組立体１３とケース１２とが互いに密着する状態が確保されるので、電池性能を良好に発揮させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、長さＬａの減少量ΔＬａに、減少量ΔＬｔ、減少量ΔＬｓｏｃ、及び減少量ΔＬｃの全てが含まれる必要はなく、少なくとも１つが含まれていればよい。

また、配列体２は、弾性部材２０を備えていなくてもよい。この場合、弾性部材２０のクリープによって、配列体２の長さＬａは減少しないので、その分の追加荷重量は不要となる。

また、上記実施形態では、電池セル必要荷重量に追加荷重量を加えた荷重量が最低荷重量とされているが、これに限られない。電池セル必要荷重量に追加荷重量を加えた荷重量よりも僅かに大きい荷重量が最低荷重量とされてもよい。この場合、電池モジュール１の使用状況によらずに電池セル１１に付加される荷重量をさらに確実に高弾性領域Ｒ２とすることができる。

１…電池モジュール、２…配列体、３…拘束部材、１１…電池セル、１２…ケース、１３…電極組立体、２０…弾性部材、２１…正極（電極）、２２…負極（電極）、３１…エンドプレート、３２…連結部材、Ｄ…配列方向（第１方向）。

Claims (4)

1. 第１方向に配列された複数の電池セルを含む配列体と、
   前記配列体に対して前記第１方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、
   を備える電池モジュールであって、
   前記複数の電池セルのそれぞれは、前記第１方向に積層された複数の電極を有する電極組立体と、前記電極組立体を収容するケースと、を備え、
   前記拘束部材によって前記配列体に付加される前記拘束荷重の下限値である最低荷重量は、前記電池セルの圧縮量と前記電池セルが受ける荷重量との関係に基づいて算出される電池セル必要荷重量に、前記第１方向における前記配列体の長さの減少量に基づいて算出される追加荷重量を加えた荷重量以上に設定され、
   前記電池セル必要荷重量は、前記配列体に前記拘束部材を組み付ける際に、前記電池セルの前記電極間及び電極組立体とケースとの間のクリアランスが存在しなくなる前記圧縮量を得るために必要な前記荷重量であり、
   前記減少量は、予め定められた使用条件で前記電池モジュールが使用された場合における、前記配列体に前記拘束部材を組み付けたときの前記長さからの最大の減少量である、電池モジュール。
2. 前記拘束部材は、前記配列体の前記第１方向における両端に設けられる一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートを連結する連結部材と、を備え、
   前記配列体の線膨張係数である第１線膨張係数は、前記連結部材の線膨張係数である第２線膨張係数よりも大きく、
   前記減少量は、前記第１線膨張係数と前記第２線膨張係数との差に基づいて算出される、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記減少量は、前記電池セルの充電率に基づいて算出される、請求項１又は請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記配列体は、前記複数の電池セルとともに前記第１方向に配列された弾性部材を更に含み、
   前記減少量は、前記弾性部材のクリープ特性に基づいて算出される、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の電池モジュール。

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