JP2020077482A

JP2020077482A - 電池パック

Info

Publication number: JP2020077482A
Application number: JP2018208777A
Authority: JP
Inventors: 雄太根本; Yuta Nemoto; 宏任長友; Hirotaka Nagatomo
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-06
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2020-05-21

Abstract

【課題】電池ケースと電池スタックとの間にシムを挿入した電池パックであって、電池スタックの収納不良を低減する技術を提供すること。【解決手段】一面が開放されている箱状の電池ケース２０に、複数の電池セル１１を積層した電池スタック１０と、板状のシム組３０と、が収容されている電池パック１であって、電池ケース２０の一端側の側面２１には、上下方向の凹部２１１が形成されており、凹部２１１は、側面２１の厚さ方向の少なくとも一部の位置の幅が開口部の位置の幅よりも広く、シム組３０の一方の表面には凹部２１１に対応する形状の凸部３１２が形成されており、凸部３１２は、シム組３０の表面から離れる方向の少なくとも一部の位置の幅が表面の位置の幅よりも広く、電池ケース２０の凹部２１１にシム組３０の凸部３１２が挿入されている電池パック１である。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池セルを収容した電池パックに関する。

従来から、複数の電池セルを積層して接続した組電池が車両用バッテリ等に用いられている。例えば、特許文献１には、各電池セルの側面にスペーサを当接させて並べ、並べられた複数の電池セルをまとめて拘束部材で拘束した電池モジュールが開示されている。

特開２０１４−１０２９３９号公報

拘束部材で拘束することにより各電池セルに面圧を与えることができ、電池性能を高めることができる。しかしながら、個々の電池セルの厚さにはばらつきがあり、所定の面圧となるように拘束した場合、複数の電池セルの全体としての積層方向の厚さにもばらつきが生じる。そのため、例えば、所定の個数の電池セルを積層した電池スタックを、所定の面圧となるように拘束して、均一な大きさの電池ケースに収容した場合、電池スタックの端部と電池ケースの内壁との間にできる隙間の大きさはそれぞれ異なる。

この隙間にそれぞれ適切な厚さのシム（スペーサに相当）を挿入すれば、電池スタックの拘束状態を適切に維持できる。ただし、シムを電池スタックよりも先に電池ケースに挿入する場合、シムが電池ケース内で倒れ，電池スタックの収納不良の原因となる場合がある。

本発明は、前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、電池ケースと電池スタックとの間にシムを挿入した電池パックであって、電池スタックの収納不良を低減する技術を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の一態様における電池パックは、一面が開放されている箱状の電池ケースと、複数の電池セルを積層した電池スタックと、板状のシムと、を備え、前記電池スタックと、前記電池スタックの積層方向の一端側に配置された前記シムと、が前記電池ケース内に収容されている電池パックであって、前記電池ケースのうちの前記一端側の壁面には、前記壁面の前記一面の側の縁部から前記電池ケースの深さ方向に溝部が形成されており、前記溝部は、前記壁面の厚さ方向の少なくとも一部の位置の幅が前記溝部の開口部の位置の幅よりも広く、前記シムの一方の表面には前記溝部に対応する形状の凸部が形成されており、前記凸部は、前記表面から離れる方向の少なくとも一部の位置の幅が前記表面の位置の幅よりも広く、前記電池ケースの前記溝部に、前記シムの前記凸部が挿入されている、ものである。

上述の一態様における電池パックでは、電池ケースの内壁面に形成された溝部にシムに形成された凸部が挿入されている。溝部には壁面の厚さ方向の少なくとも一部の位置で開口部の位置での幅よりも広い幅の箇所があり、凸部も同様であることから、挿入された凸部が厚さ方向へ抜けることはない。例えば、電池ケースの開放されている一面を上方とし壁面を鉛直方向に配置すれば、電池スタックの収納時にシムが電池ケース内で倒れる可能性は低い。従って、シムに起因した電池スタックの収納不良は抑制されている。

本発明によれば、電池ケースと電池スタックとの間にシムを挿入した電池パックであって、電池スタックの収納不良を低減する技術が実現される。

本形態の電池パックを示す分解斜視図である。電池スタックを示す説明図である。電池パックの概略部分断面図である。シムと電池ケースの一部を示す上面図である。シムの形状を示す説明図である。電池ケースの形状を示す説明図である。電池パックの製造方法を示す工程図である。電池パックの製造方法を示す説明図である。シムと電池ケースの一部を示す上面図である。

以下、本発明を具体化した形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は、電池ケースに複数の電池セルを収容した電池パックに、本発明を適用したものである。

本形態の電池パック１は、図１の分解斜視図に示すように、２つの電池スタック１０と、電池ケース２０と、各電池スタック１０に対応する２組のシム組３０とを備えている。電池パック１は、電池スタック１０とシム組３０とが電池ケース２０に収容されたものである。シム組３０は、複数（図では３個）のシム３１を組み合わせたものであり、電池スタック１０の積層方向の一端側に配置されている。電池スタック１０の積層方向の他端側は電池ケース２０に接触している。シム組３０の詳細に付いては、後述する。

本形態の電池ケース２０は、例えば、ダイカスト法によってアルミニウム等の金属で製造された箱状のものであり、所定の剛性を備えている。本形態の電池ケース２０には、図１に示すように、電池スタック１０を収容する２つの空間が形成されており、一面（図中で上方の面）が開放されている。電池スタック１０やシム組３０は、上方から電池ケース２０内に挿入される。本明細書では、図１中に矢印で示すように、電池スタック１０の長手方向を積層方向とし、電池ケース２０のうちの開放されている側を上方として上下方向を規定する。

電池スタック１０は、図２に示すように、複数の電池セル１１と、複数の絶縁部材１２と、２つのエンドプレート１３とを含む。各電池セル１１は、図２（Ａ）に示すように、扁平な略直方体形状の電池であり、細長い側面の１つに正負の両電極１１１が突出して設けられている。

絶縁部材１２は、例えば、絶縁性を有する樹脂によって形成され、各電池セル１１の間、及び、両端の電池セル１１の外側に配置される。本形態の電池スタック１０では、各電池セル１１は、図２（Ｂ）に示すように、各電極１１１が図中上方の同じ側に突出して扁平面が互いに対向する配置で、絶縁部材１２を間に挟んで並べられる。電池セル１１の並び方向が積層方向である。絶縁部材１２は、例えば、エアー等の冷却部材の流路を備えても良い。

エンドプレート１３は、絶縁性を有し、所定の強度を備える板材である。図２（Ｃ）に示すように、所定の個数の電池セル１１及び絶縁部材１２を積層した後、その両端にそれぞれエンドプレート１３が配置される。

本形態の電池セル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。このような二次電池では、扁平面の全体を適切な圧力で押圧した状態とすることで、充放電の繰り返しによる劣化の進行を遅延させることができる。本形態の電池パック１では、図１に示したように、拘束状態での電池スタック１０の積層方向の外寸ｘとシム組３０の積層方向の厚さｙとの合計が電池ケース２０の内寸ｚと同等になる厚さｙのシム組３０が、電池ケース２０内に配置されている。これにより、拘束バンド等による恒久的な拘束を行わなくても、電池ケース２０とシム組３０とによって、電池スタック１０に適切な面圧が加わった状態が維持される。

ここで、電池ケース２０の内寸ｚのばらつきは、製品公差の範囲内であるのに対し、拘束状態の電池スタック１０の積層方向の外寸ｘには、個々の電池セル１１の積層方向の厚さのばらつき等によって、±１０ｍｍ程度のばらつきがある。本形態の電池ケース２０は、その内寸ｚが電池スタック１０の外寸ｘの最大値以上であり、どの電池スタック１０でも挿入できる大きさである。一方、シム組３０の厚さｙは、電池ケース２０の内寸ｚと電池スタック１０の外寸ｘとの差に応じたものとする必要がある。

本形態の電池パック１の部分断面図を、図３に示す。本形態の電池パック１に用いられている電池ケース２０は、前述したように、ダイカスト法によって製造されるものであり、製造し易さのために、電池ケース２０の側面２１には１〜３度程度の抜き勾配ｓが形成されている。また、電池ケース２０の底面２２と側面２１との境界部ｔは、なめらかなカーブを描く曲面となっている。そのため、電池ケース２０内に、単に板状のシムを挿入した場合、抜き勾配ｓによる傾きと境界部ｔの曲面での滑りなどにより、シムの姿勢が安定せず、例えば、電池ケース２０内で倒れる可能性がある。

本形態のシム組３０は、例えば、図３に示すように、１個以上のシム３１を含み、電池ケース２０の内壁面に係止されている。本形態の電池パック１では、３個のシム３１が互いに係止されたシム組３０が用いられている。各シム３１は、樹脂製の部材であり、電池スタック１０の積層方向の端面とほぼ同じ大きさの略四角板形状である。各シム３１は、同じ板厚のものであっても良いし、板厚の異なるものがあっても良い。そして、シム組３０は、複数のシム３１を組み合わせて適切な厚さとして使っても良いし、適切な厚さのシム３１を選択して１個で使っても良い。そして、適切にシム３１を選択または組み合わせることで、電池ケース２０の内寸ｚと電池スタック１０の外寸ｘとの差に応じた厚さｙのシム組３０とすることができる。

次に、シム３１の係止方法について、図４〜図６を参照して説明する。図４は、電池パック１に挿入されているシム組３０を上方から見た図である。図３は、図４のＡ−Ａ断面に相当する。図４に示すように、シム３１には、一方の面には凹部３１１が、他方の面には凸部３１２が、それぞれ対応する位置に形成されている。図４の例では、シム３１のうち、図中で左側の面、すなわち、電池スタック１０に近い側には、２箇所に凹部３１１が形成されている。また、シム３１のうち、図中で右側の面、すなわち、電池ケース２０の内壁面に近い側には、２箇所に凸部３１２が形成されている。

そして、凹部３１１および凸部３１２は、例えば、図５に示すように、シム３１の上下方向に上端から下端まで連続して同形状に形成されている。図５の（ａ）は、シム３１のうち凸部３１２が形成されている側から見た図であり、図５の（ｂ）は、同じシム３１を反対側の凹部３１１が形成されている側から見た図である。

さらに、図４に示したように、電池ケース２０の一方の側面２１の内壁面には、シム３１の凸部３１２に対応する位置に、シム３１の凹部３１１と同様の形状の凹部２１１が形成されている。図６に示すように、電池ケース２０の凹部２１１は、側面２１のうち、上端から境界部ｔよりも上方の位置までの範囲に形成されている。つまり、凹部２１１は、側面２１の平面部分に上下方向に形成された溝である。凹部２１１は溝部の一例である。

凹部２１１は、電池ケース２０の側面２１の厚さ方向の内部ヘ向かって次第に幅広となっており、例えば、上面視で略台形形状のものである。図４や図６に示すように、側面２１の板厚方向（図中の積層方向）について、少なくとも一部における凹部２１１の幅Ｗ１は、開口部における凹部２１１の幅Ｗ２よりも大きい。すなわち、本形態の電池パック１の電池ケース２０の内壁面には、積層方向について電池スタック１０から遠い少なくとも一部の箇所で、電池スタック１０に近い側よりも幅広となっている凹部２１１が形成されている。

シム３１の凹部３１１も、電池ケース２０の凹部２１１と同様の形状である。つまり、図４や図５に示したように、シム３１の内側（凹部３１１の底面）へ向かって次第に幅広となり、上面視で略台形形状である。また、シム３１の凸部３１２は、凹部３１１や凹部２１１に入る大きさや形状であって、シム３１の外側（凸部３１２の頂面）へ向かって次第に幅広となり、上面視で略台形形状である。すなわち、本形態の電池パック１に組み込まれているシム組３０に含まれる各シム３１には、積層方向について電池スタック１０から遠い少なくとも一部の箇所で、電池スタック１０に近い側よりも幅広となっている凹部３１１及び凸部３１２が形成されている。

そして、電池ケース２０の凹部２１１にシム３１の凸部３１２が嵌め込まれることで、電池ケース２０にシム３１が係止される。例えば、電池ケース２０の内壁面に沿って、上方からシム３１が差し込まれることで、凸部３１２が凹部２１１の中に挿入される。さらに、シム３１の凹部３１１に、隣り合う別のシム３１の凸部３１２が嵌め込まれて、シム３１同士が係止される。前述した形状であることから、凹部２１１や凹部３１１に凸部３１２を嵌め込むと、シム３１の積層方向への移動が制限され、シム３１が電池ケース２０から自然に外れる可能性は小さい。

また、電池スタック１０の外寸ｘと電池ケース２０の内寸ｚとの差の大きさに合わせて、複数のシム３１を単に重ねて挿入する場合、複数のシム３１の間に隙間ができ、電池スタック１０の収納不良の原因となる可能性がある。本形態のシム組３０は、各シム３１の凹部３１１と凸部３１２とが互いに嵌め込まれ、シム３１同士が係止されているので、シム３１の間に隙間ができる可能性は小さい。

なお、凹部３１１や凸部３１２の大きさや位置は、シム３１の厚さに関わらず一様であるものとすれば、どのシム３１同士も組み合わせることができ、どのシム３１も電池ケース２０の内壁面に係止させることができる。その場合、シム３１の板厚方向（図４中の積層方向）についての凹部３１１の深さは、最も薄いシム３１の板厚の半分未満とすることが好ましい。

次に、本形態の電池パック１の製造方法について、図７と図８を参照して説明する。本形態では、あらかじめ、電池ケース２０と、２つの電池スタック１０と、複数のシム３１を用意する。なお、本形態では、図１に示したように、２つの電池スタック１０を収容する電池ケース２０を用いる。そして、以降の手順では、１つの電池ケース２０に収容される２つの電池スタック１０について同様の工程を、並行して、または、順に行う。

本形態の製造方法では、まず、電池スタック１０を適切な拘束力で拘束した状態とする（図７の工程１）。具体的には、図８に示すように、電池スタック１０を搬送する搬送装置に一対の搬送治具１００が設けられ、さらに各搬送治具１００の脚部１０１が、各エンドプレート１３の外側面に形成された溝部１３１に挿入される。そして、搬送装置によって、両側の搬送治具１００を互いに近づける方向の押圧力が電池スタック１０に加えられる。これにより、電池スタック１０は、各電池セル１１に適切な面圧が加わった状態となる。

次に、拘束状態の電池スタック１０の積層方向の外寸ｘを取得する（図７の工程２）。例えば、各電池セル１１に適切な面圧が加わった状態における両側の脚部１０１の距離を測定する。

さらに、工程２にて取得した外寸ｘに基づいて、適切なシム組３０となるシム３１を選択する（図７の工程３）。例えば、電池ケース２０の内寸ｚから工程２で取得した外寸ｘを減じて、適切なシム組３０の厚さｙを求め、各シム３１の厚さの合計が厚さｙとなるようにシム組３０を選択する。なお、電池ケース２０の内寸ｚは、直接測定しても良いし、部品メーカの検査値を使用しても良い。

そして、工程３で選択したシム組３０を電池ケース２０に挿入する（図７の工程４）。具体的には、図８に示すように、電池ケース２０の内壁面の凹部２１１にシム３１の凸部３１２を上方から嵌め込む。複数のシム３１を含むシム組３０であれば、全てのシム３１を連結してから電池ケース２０に嵌め込んでも良いし、１つのシム３１をまず電池ケース２０に嵌め込んでから他のシム３１を嵌め込んでも良い。

その後、電池ケース２０の残りの空間に拘束状態の電池スタック１０を挿入する（図７の工程５）。シム組３０が電池ケース２０の内壁面に適切に係止されていることで、電池スタック１０の積層方向の外寸ｘに相当する空間が残っているので、電池スタック１０をその空間に挿入する。そして、搬送治具１００が取り外されて電池パック１が完成し、完成した電池パック１は、後工程に進む。シム組３０によって電池スタック１０の積層方向の挿入スペースが制限されているので、搬送治具１００を取り外しても、電池スタック１０に適切な面圧が加わった状態が維持される。

なお、凹部３１１や凸部３１２、凹部２１１は、図４に示した例に限らず、適切に係止されるものであればよい。例えば、凹部３１１や凸部３１２は、シム３１の上下方向の全体に形成されているとしたが、上下方向の一部であっても良い。例えば、シム３１の上部のみに形成されていても良い。また、１つのシム３１に形成される凹部３１１や凸部３１２の数は、各シム３１で共通であって電池ケース２０の凹部２１１の数と同じであれば良く、２箇所に限らず、１箇所でも良いし、３箇所以上でも良い。

また、各凹部３１１や凸部３１２、凹部２１１の形状は、上面視で台形形状のものに限らず、シム３１や側面２１の厚さ方向について、開口部よりも広幅の箇所、あるいは、開口部の面積よりも大きい断面積である箇所があればよい。例えば、図９に示すように、段付き形状の凸部や凹部であっても良い。あるいは、上面視で菱形や、円、楕円などの形状の凸部や凹部でも良い。

以上詳細に説明したように本形態の電池パック１は、凹部２１１が形成された電池ケース２０に凸部３１２が形成されたシム組３０が挿入されており、凹部２１１や凸部３１２が、電池ケース２０の側面２１の厚さ方向について、電池スタック１０から離れる向きに次第に幅広となっていることから、凹部２１１と凸部３１２とによって電池ケース２０にシム組３０が係止されている。さらに、シム組３０の各シム３１は、凹部３１１と凸部３１２とによって同様に互いに係止されている。従って、電池ケース２０内でシム３１が倒れる可能性は低い。これにより、電池スタック１０の収納スペースがシム組３０によって適切に確保され、電池スタック１０の収納不良が低減されている。

なお、本形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。例えば、電池ケース内に配列される電池セルの個数や列数は、何れも一例であり、本形態の例に限らない。つまり、本形態では２つの電池スタック１０を収容可能な電池ケース２０を用いているが、１つの電池ケース２０に収容される電池スタック１０の個数は２に限らず、１でも良いし、３以上でも良い。

また、本形態では、ダイカスト法によって製造された電池ケース２０を用いているが、これに限らない。例えば、抜き勾配の形成されていない電池ケースにも、本発明は適用可能である。ただし、抜き勾配があることでシムの倒れが発生しやすいので、ダイカスト法によって製造された電池ケース２０の場合に、より好適に作用する。

１電池パック
１０電池スタック
１１電池セル
２０電池ケース
３０シム組
２１１凹部
３１２凸部

Claims

一面が開放されている箱状の電池ケースと、
複数の電池セルを積層した電池スタックと、
板状のシムと、
を備え、前記電池スタックと、前記電池スタックの積層方向の一端側に配置された前記シムと、が前記電池ケース内に収容されている電池パックであって、
前記電池ケースのうちの前記一端側の壁面には、前記壁面の前記一面の側の縁部から前記電池ケースの深さ方向に溝部が形成されており、前記溝部は、前記壁面の厚さ方向の少なくとも一部の位置の幅が前記溝部の開口部の位置の幅よりも広く、
前記シムの一方の表面には前記溝部に対応する形状の凸部が形成されており、前記凸部は、前記表面から離れる方向の少なくとも一部の位置の幅が前記表面の位置の幅よりも広く、
前記電池ケースの前記溝部に、前記シムの前記凸部が挿入されている、
ことを特徴とする電池パック。