JP2020098753A

JP2020098753A - 電池スタックの製造方法

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Publication number: JP2020098753A
Application number: JP2018237334A
Authority: JP
Inventors: 幹宮崎; Miki Miyazaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2020-06-25
Anticipated expiration: 2038-12-19
Also published as: JP7247575B2

Abstract

【課題】複数の単電池よりなる，高い品質の電池スタックを安定して製造することができる電池スタックの製造方法を提供すること。【解決手段】締結工程では，複数の電池モジュール１１０を配列してなる電池モジュール群１００の第１面１０１に配置した樹脂ブラケット２００と，第１面１０１と隣接する第２面１０２に配置したＨ／Ｙクランプブラケット３００とを，ボルト４００を用いて締結する。また，締結工程は，樹脂ブラケット２００の向きＢの回転移動をサポート冶具６００によって規制しつつ，ボルト４００を，その締付けの向きＡに回転させる。このとき，サポート冶具６００によって規制されている樹脂ブラケット２００の回転の向きＢは，ボルト４００の締付けの向きＡと同じ向きである。【選択図】図４

Description

本発明は，電池スタックの製造方法に関する。より詳細には，複数の単電池よりなる電池スタックの製造方法に関するものである。

リチウムイオン二次電池などの電池は，車両等の所定の用途に用いられる際には，所望の作動電圧や充電容量を得るため，単電池を複数，組み合わせてなる組電池（電池モジュールや電池スタック）として搭載されていることがある。

例えば，特許文献１には，複数の単電池を組み合わせてなる電池モジュールが記載されている。そして，特許文献１では，電池モジュールを，複数の単電池を並べた両端にエンドプレートを配置するとともに，両端のエンドプレートをブラケットによって接続することで構成している。

特開２０１２−１７４６９３号公報

ところで，上記の従来技術のように組電池を構成する際には，漏電等の抑制のため，エンドプレートやブラケット等のような組電池の外郭を構成するような部材に絶縁性の樹脂材料を用いることが好ましい。しかし，樹脂材料は，たわみ等の変形が生じやすい材料である。そして，例えば，組電池の組み付けの際に樹脂材料の部材の変形が生じ得るような場合には，高い品質の組電池を安定して製造することができないことがあった。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点の解決を目的としてなされたものである。すなわちその課題とするところは，複数の単電池よりなる，高い品質の電池スタックを安定して製造することができる電池スタックの製造方法を提供することである。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の電池スタックの製造方法は，複数の単電池よりなる電池モジュールを複数，組み付けて構成される電池スタックの製造方法であって，複数の電池モジュールを配列してなる電池モジュール群における第１面に配置された第１の樹脂ブラケットと，電池モジュール群における第１面と隣接する第２面に配置された第２の樹脂ブラケットとを，ねじの軸線が第２面と交差する方向に延びるねじ部品を用いて締結する締結工程を有し，締結工程を，第２の樹脂ブラケットの，ねじ部品の締付けの向きの回転を規制しつつ，ねじ部品を締付けの向きに回転させることで行うことを特徴とする電池スタックの製造方法である。

本発明に係る電池スタックの製造方法では，締結工程を，第２の樹脂ブラケットの，ねじ部品の締付けの向きの回転を規制しつつ，ねじ部品を締付けの向きに回転させる。このため，ねじ部品を締付けの向きに回転させる際の締付けトルクが，樹脂材料よりなる部品の変形に作用してしまうこと等を抑制できる。つまり，締付けトルクの損失を抑制し，ねじ部品による締結を安定した品質で行うことができる。これにより，高い品質の電池スタックを安定して製造することができる。

本発明によれば，複数の単電池よりなる，高い品質の電池スタックを安定して製造することができる電池スタックの製造方法が提供されている。

電池スタックの正面図である。電池スタックの左側面図である。締結工程における電池スタックの正面図である。締結工程における電池スタックの左側面図である。サポート冶具を用いて行った締結工程における締付け角度と締付けトルクとの関係を示す図である。サポート冶具を用いずに行った締結工程における締付け角度と締付けトルクとの関係を示す図である。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，図面を参照しつつ詳細に説明する。

まず，図１および図２により，本形態において製造される電池スタック１０について説明する。図１は，電池スタック１０の正面図である。図２は，電池スタック１０を，図１における矢印Ｘの方向から見たときの図（左側面図）である。なお，図１に示す正面図における左右方向，奥行き方向，上下方向はそれぞれ，電池スタック１０の幅方向，厚み方向，高さ方向に対応している。

図１に示すように，電池スタック１０は，複数の電池モジュール１１０よりなる電池モジュール群１００を含んで構成されている。各電池モジュール１１０は，複数の単電池をベースとなる筐体に組み合わせることで構成されたものである。本形態において，各電池モジュール１１０を構成する単電池は，円筒型（円柱状）で密閉型のリチウムイオン二次電池（具体的には１８６５０型のリチウムイオン二次電池）である。

また，電池モジュール群１００は，電池モジュール１１０を，幅方向および高さ方向にそれぞれ２列ずつ，配置してなるものである。よって，本形態の電池スタック１０は，合計４つの電池モジュール１１０よりなる電池モジュール群１００を含んで構成されている。なお，電池モジュール群１００における電池モジュール１１０の数は，特に限定されるものではない。また，図１および図２には，電池モジュール群１００の第１面１０１，第２面１０２をそれぞれ，符号を付けて示している。図１および図２に示すように，電池モジュール群１００の第１面１０１と第２面１０２とは，互いに隣接した面である。

電池スタック１０において，電池モジュール群１００の第１面１０１には，樹脂ブラケット２００が配置されている。本形態の樹脂ブラケット２００は，絶縁性の樹脂材料により構成されている。また，樹脂ブラケット２００は，電池モジュール群１００の各電池モジュール１１０を固定している部材である。そして，樹脂ブラケット２００は，電池モジュール１１０を固定して電池モジュール群１００としているとともに，電池モジュール群１００の第１面１０１に固定されている。

また，樹脂ブラケット２００は，電池モジュール群１００の第２面１０２側の位置に，ねじ穴部２１０を有している。ねじ穴部２１０には，電池スタック１０の幅方向の外側の面に開口しためねじが形成されている。このため，ねじ穴部２１０に形成されているめねじのねじの軸線は，電池モジュール群１００の第１面１０１と平行であり，第２面１０２と交差している。なお，絶縁性の樹脂材料により構成された樹脂ブラケット２００において，ねじ穴部２１０のめねじは，ねじインサートによって設けられている。

電池スタック１０において，電池モジュール群１００の第２面１０２には，Ｈ／Ｙ（ワイヤーハーネス）クランプブラケット３００が配置されている。Ｈ／Ｙクランプブラケット３００は絶縁性の樹脂材料により構成されている。また，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００は，電池スタック１０に接続される配線部材の取り回し経路を適切に形成することができるクランプ等が設けられたものである。電池スタック１０に接続される配線部材は，本形態においては，電池スタック１０の充放電に係る電気が流れる電気配線である。

また，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００は，電池モジュール群１００の第１面側の位置に，貫通穴部３１０を有している。貫通穴部３１０には，電池スタック１０の幅方向について，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００を貫通する貫通穴が形成されている。Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の貫通穴部３１０に形成された貫通穴の位置は，樹脂ブラケット２００のねじ穴部２１０に設けられためねじに対応する位置である。このため，貫通穴部３１０に形成されている貫通穴の中心軸は，ねじ穴部２１０に形成されているめねじのねじの軸線と平行である。

そして，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００は，ボルト４００により，樹脂ブラケット２００に締結されている。具体的に，ボルト４００は，おねじ部分が，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の貫通穴部３１０に形成された貫通穴を通って，樹脂ブラケット２００のねじ穴部２１０に形成されためねじに挿入されている。つまり，ボルト４００のおねじ部分のねじの軸線は，ねじ穴部２１０に形成されているめねじのねじの軸線と平行である。

このため，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の貫通穴部３１０は，ボルト４００の頭部と樹脂ブラケット２００のねじ穴部２１０との間に挟み込まれている。これにより，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００は，樹脂ブラケット２００に締結され，固定されている。

上記のような本形態の電池スタック１０において，電池モジュール群１００よりも外側に配置されている樹脂ブラケット２００およびＨ／Ｙクランプブラケット３００はともに，絶縁性の樹脂材料により構成されている。よって，本形態の電池スタック１０は，樹脂ブラケット２００やＨ／Ｙクランプブラケット３００の箇所に，電池スタック１０の外部の導電性を有する部品が接触したとしても，漏電等が生じないようになっている。

次に，本形態の電池スタック１０の製造方法について説明する。電池スタック１０は，電池モジュール１１０，樹脂ブラケット２００，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００を組み付けることで製造される。具体的には，所定数の電池モジュール１１０を樹脂ブラケット２００に組み付け，その後，樹脂ブラケット２００にＨ／Ｙクランプブラケット３００をボルト４００によって締結する締結工程を行うことで製造する。なお，締結工程後，その他の部品を組み付ける工程をさらに行うことも可能である。

図３および図４は，本形態の締結工程を説明するための図である。図３は，締結工程における電池スタック１０の正面図である。図４は，締結工程における電池スタック１０の左側面図である。

図３に示すように，本形態の締結工程では，樹脂ブラケット２００が組み付けられた電池モジュール群１００を載置台５００の載置面５０１上に配置し，電池モジュール群１００の第２面１０２にＨ／Ｙクランプブラケット３００を配置する。このとき，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の貫通穴部３１０に設けられた貫通穴と，樹脂ブラケット２００のねじ穴部２１０に設けられためねじとが合うように，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００を配置する。そして，その状態で，ボルト４００によるＨ／Ｙクランプブラケット３００の締結を行う。

また，図３に示すように，本形態の締結工程では，サポート冶具６００を用いる。サポート冶具６００は，上方に位置する上ブロック６１０，下方に位置する下ブロック６２０，ターンバックルねじ６３０を有している。ターンバックルねじ６３０は，一端側と他端側とに逆ねじ（右ねじと左ねじ）を有し，その中間部分に六角柱の部分を有している。このため，ターンバックルねじ６３０は，軸中心に回転することで，上ブロック６１０と下ブロック６２０との隙間の大きさを調整できるものである。よって，サポート冶具６００は，上ブロック６１０の上面６１１と，下ブロック６２０の下面６２１との距離を調整できるようになっている。

図３に示すように，サポート冶具６００は，載置台５００とＨ／Ｙクランプブラケット３００との間に配置されている。また，締結工程におけるサポート冶具６００は，ターンバックルねじ６３０によって，上ブロック６１０の上面６１１の高さを，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の下面３０１に合わせた状態で配置されている。つまり，載置台５００とＨ／Ｙクランプブラケット３００との間に配置されたサポート冶具６００の上面６１１は，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の下面３０１に接触している。

そして，本形態の締結工程は，サポート冶具６００を配置した状態でボルト４００のねじ締めを行う。図４には，ボルト４００のねじ締めを行う際の締付けの向きＡを示している。本形態において，ボルト４００および樹脂ブラケット２００のねじ穴部２１０のめねじは，右ねじである。このため，ボルト４００の締付けの向きＡは，図４において時計回りとなる向きである。

ここで，ボルト４００を締付けの向きＡに回転させた際の締付けトルクにより，ボルト４００は，そのおねじ部分が樹脂ブラケット２００のめねじの内部に進入する。これにより，ボルト４００には軸力が発生する。このため，締付けトルクの損失のバラつきが大きい場合には，ボルト４００に適切な軸力が発生させることができず，樹脂ブラケット２００とＨ／Ｙクランプブラケット３００とのボルト４００を用いた締結を，適切に行えないおそれがある。

そして，樹脂材料によって構成されている樹脂ブラケット２００やＨ／Ｙクランプブラケット３００は，力が加えられたときのたわみが大きな傾向にある。すなわち，ボルト４００を締付けの向きＡに回転させたとき，ボルト４００とＨ／Ｙクランプブラケット３００との間には摩擦が生じる。その摩擦によって，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００には，図４に示すように，ボルト４００の締付けの向きＡと同じ向きＢに回転するような力が作用する。そして，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００が向きＢに回転移動したときには，その回転移動に伴う締付けトルクの損失が発生する。

さらに，ボルト４００による締結時には，締結される樹脂ブラケット２００とＨ／Ｙクランプブラケット３００との間にも摩擦が生じる。このため，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００が向きＢに回転移動したときには，樹脂ブラケット２００にも向きＢの大きな力が作用することとなる。従って，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００が向きＢに回転したときには，樹脂ブラケット２００がたわむように変形してしまうことがあった。そして，樹脂ブラケット２００がたわむように変形したときには，その変形に伴う締付けトルクの損失が発生する。そして，この樹脂ブラケット２００の変形に伴う締付けトルクの損失は，特に，その損失自体も大きく，部品ごとの誤差に伴う損失のバラつきも大きな傾向にある。

しかし，本形態の締付け工程は，サポート冶具６００の上面６１１を，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の下面３０１に接触させた状態で，ボルト４００による締結を行っている。このため，本形態の締結工程では，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の向きＢの回転移動は，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の下面３０１がサポート冶具６００の上面６１１に接触することによって規制されている。よって，上記のような締付けトルクの損失を抑制することができる。

図５は，本形態の締結工程における締付け角度と締付けトルクとの関係を示す図である。図５に示すように，締付け角度が大きくなるにつれ，締付けトルクは大きくなる傾向にある。そして，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の回転移動が抑制されている本形態においては，締付けトルクの損失が抑制されていることで，締付けトルクＴを効率よく，ねじ締めに作用させることができる。またこれにより，締付けトルクＴを安定してボルト４００のねじ締めに作用させることができる。よって，本形態の締結工程では，ボルト４００に，所望の軸力を安定して発生させることができる。

一方，図６には，本形態とは異なり，サポート冶具を用いない場合の締結工程における締付け角度と締付けトルクとの関係を示している。そして，図６には，締付けトルクＴのうち，樹脂材料で構成された部材の変形等に伴って損失した分のトルクである損失トルクＴ１を示している。図６からわかるように，サポート冶具を用いない場合には，大きな損失トルクＴ１が存在することで，締付けトルクＴをねじ締めに効率よく作用させることができない。また，損失トルクＴ１は，ボルトのねじ締めに係る部品の誤差に伴って大きく変動し得るものである。このため，サポート冶具を用いない場合には，一定の締付けトルクＴでねじ締めを行ったとしても，ボルトに発生する軸力がバラついてしまう。従って，本形態とは異なり，サポート冶具を用いずに締結工程を行った場合には，ボルトに，所望の軸力を安定して発生させることができない。

また，本形態の締結工程後には，ボルト４００の締結が適切に行われたか否かを検査する検査工程を行うこととしてもよい。この検査工程における検査方法としては，締結工程後のボルト４００に，所定の締付けトルクで締付けの向きの回転力を作用させることが考えられる。そして，このような検査工程においても，上記のサポート冶具６００を用いることが好ましい。樹脂部材をたわむように変形させること等がなく，ボルト４００に適切に，検査のための締付けトルクをかけることができるからである。すなわち，検査工程においては，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の回転をサポート冶具６００によって規制することで，精度の高い検査を行うことが可能である。よって，高い品質の電池スタック１０を製造することができる。

以上詳細に説明したように，本実施の形態には，複数の電池モジュール１１０を組み付けて構成される電池スタックの製造方法が記載されている。電池モジュール１１０は，複数の単電池よりなるものである。また，電池スタック１０の製造においては締結工程を行う。締結工程では，複数の電池モジュール１１０を配列してなる電池モジュール群１００の第１面１０１に配置した樹脂ブラケット２００と，第１面１０１と隣接する第２面１０２に配置したＨ／Ｙクランプブラケット３００とを，ボルト４００を用いて締結する。より具体的には，締結工程は，樹脂ブラケット２００の向きＢの回転移動をサポート冶具６００によって規制しつつ，ボルト４００を，その締付けの向きＡに回転させる。このとき，サポート冶具６００によって規制されている樹脂ブラケット２００の回転の向きＢは，ボルト４００の締付けの向きＡと同じ向きである。これにより，複数の単電池よりなる，高い品質の電池スタックを安定して製造することができる電池スタックの製造方法が実現されている。

なお，本実施の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。従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，上記の実施形態では，本発明をリチウムイオン二次電池について適用した例について記載した。しかし，その他の種類の電池に適用することも可能である。

また例えば，上記の実施形態では，樹脂ブラケット２００のねじ穴部２１０のめねじのねじの軸線が，電池モジュール群１００の第１面１０１と平行であることとして説明した。しかし，締結に係るねじの軸線は，第１面１０１に必ずしも平行でなくてもよく，第２面１０２と交差していればよい。すなわち，締結に係るねじの軸線が第２面１０２と交差している場合には，ねじを用いて締結する締結工程において，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００に，ねじの軸線を回転中心とする回転移動の力が作用し得るからである。

また例えば，上記の実施形態では，樹脂ブラケット２００とＨ／Ｙクランプブラケット３００との締結時に回転させるねじ部品として，ボルト４００を用いた例について説明している。しかし，例えば，樹脂ブラケット２００とＨ／Ｙクランプブラケット３００との締結時に回転させるねじ部品には，ナットを用いることとしてもよい。具体的には，樹脂ブラケット側におねじ部を設け，そのおねじ部に，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の貫通穴を通し，ナットと樹脂ブラケットとでＨ／Ｙクランプブラケット３００を挟み込むように締付けを行うこととしてもよい。またこの場合，樹脂ブラケットに設けるおねじ部の材質には，金属を採用することもできる。樹脂ブラケットに金属性のおねじ部を設ける場合，樹脂ブラケットに金属性のシャフトを固定するとともに，その金属性のシャフトの一端を，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の貫通穴を通るように突出させ，その突出した先端部におねじを形成しておけばよい。なお，樹脂ブラケットに金属性のおねじ部を設ける場合，その金属部分は，電池モジュールと絶縁されていることが好ましい。

また例えば，上記の実施形態では，サポート冶具６００を用いることにより，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の，ボルト４００の締付けの向きの回転を規制している。すなわち，上記の実施形態では，サポート冶具６００の上面６１１を，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００のボルト４００の締付けの向きの回転を規制する規制面として機能させている。しかし，例えば，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の回転の規制は，必ずしも上記のサポート冶具６００を用いるようなかたちでなくてもよい。具体的には，例えば，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００を第２面１０２に配置する際に，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００を保持する保持部（ロボットハンド等）を用いるような場合，その保持部にＨ／Ｙクランプブラケット３００の回転を規制する規制面を設けておいてもよい。

なお，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００を保持する保持部に規制面を設ける場合，その規制面とＨ／Ｙクランプブラケット３００との隙間を微調整する機構を，構造上，設けることができないことがある。このように規制面とＨ／Ｙクランプブラケット３００との隙間を微調整できない場合，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の寸法のバラつきによっては，その回転移動を適切に規制できない可能性がある。これに対し，上記の実施形態のサポート冶具６００は，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の回転を規制する規制面の位置（高さ）を微調整できる構造であることで，Ｈ／Ｙクランプブラケット３００の回転を適切に規制できるものである。

１０電池スタック
１００電池モジュール群
１０１第１面
１０２第２面
１１０電池モジュール
２００樹脂ブラケット
３００Ｈ／Ｙクランプブラケット
４００ボルト

Claims

複数の単電池よりなる電池モジュールを複数，組み付けて構成される電池スタックの製造方法において，
複数の前記電池モジュールを配列してなる電池モジュール群における第１面に配置された第１の樹脂ブラケットと，前記電池モジュール群における前記第１面と隣接する第２面に配置された第２の樹脂ブラケットとを，ねじの軸線が前記第２面と交差する方向に延びるねじ部品を用いて締結する締結工程を有し，
前記締結工程を，前記第２の樹脂ブラケットの，前記ねじ部品の締付けの向きの回転を規制しつつ，前記ねじ部品を前記締付けの向きに回転させることで行うことを特徴とする電池スタックの製造方法。