JP2020177747A

JP2020177747A - 電池モジュール

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Publication number: JP2020177747A
Application number: JP2019077565A
Authority: JP
Inventors: 加藤　拓也; Takuya Kato; 拓也加藤
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2019-04-16
Filing date: 2019-04-16
Publication date: 2020-10-29
Anticipated expiration: 2039-04-16
Also published as: DE102020203335A1; CN111834564A; JP7083773B2

Abstract

【課題】電池セルを積層した際に必要となる隙間を小さくすることができ、電池パックの低背化が可能となる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、平板状の複数の電池セル１０からなる電池セル群２と、熱伝導性を有し、各電池セル１０が積層されるプレート３と、プレート３の両端部をそれぞれ固定する一対のカラー５と、弾性を有し、プレート３の両端部とともに、両端部の固定部４ａが一対のカラー５に固定される弾性部材４とを備える。複数の電池セル１０は、積層方向に互いに接触した状態で、積層方向の一方側の電池セル１０がプレート３と接触し、他方側の電池セル１０が弾性部材４と接触する。弾性部材４は、電池セル１０に接触する接触部４ｂと固定部４ａとの間に変化吸収部４ｃを有する。変化吸収部４ｃは、複数の電池セル１０の通常状態時から膨張状態時への変化による、接触部４ｂと固定部４ａとの直線距離の変化を吸収する。【選択図】図１

Description

本発明は、電池モジュールに関する。

電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）等の車両には、駆動源であるモータに電力を供給するための電源として、車両用電池パックが搭載されている。車両用電池パック内には、例えば、複数の電池セルを直列に接続した電池モジュールが収容されている。例えば、特許文献１では、積層された複数のバッテリセルを含むバッテリと、バッテリを収容するバッテリケースと、バッテリセルの積層方向に締め付け力を発生させ、複数のバッテリセルを一体に保持する拘束バンドとを備えるバッテリパック構造が開示されている。

ところで、角型電池では、正極材、セパレータ、負極材が積層され、楕円形状に巻かれた電極シートが内部に収容されている。角型電池を、一般的に弾性力が高いと言われる拘束バンド等で一定の圧力をかけて拘束した場合、充放電により電池が膨張しても、例えば、楕円形状に巻かれた電極シートの中心部に生じる隙間で応力が吸収できることから、電極シートの破損を抑制することができる。

一方、パウチ型電池では、電極シートが積層された状態でラミネートに封止されていることから、充放電により電池が膨張した場合、生じた応力が電池の拘束構造体に直接加わる形となる。拘束構造体に弾性力が高いものを使用すると、電極シート内部に応力がかかり、電極シートが破損するおそれがある。これを回避するために、つるまきバネや板バネ等の弾性部材を用いて電極シートの加圧をコントロールしている（特許文献２、３参照）。

特開２００８−１９２５５１号公報特許第５０９８３１８号公報特開２００５−１１６４３７号公報特開２０１２−２４８３７４号公報

ところで、電池セルに加圧しつつ電池セル自体の伸縮を阻害しない電池の拘束構造として、電池セルの加圧部には弾性を持たせ、電池モジュールをリジットに拘束するものが提案されている。しかしながら、このような電池の拘束構造では、電池セル間に大きな隙間が必要になるため、高エネルギー密度を目的とした電池パックに使用することができず、改善の余地がある。

本発明は、電池セルを積層した際に必要となる隙間を小さくすることができ、電池パックの低背化が可能となる電池モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る電池モジュールは、熱伝導性を有し、かつ複数の電池セルが積層されるプレートと、前記プレートの両端部をそれぞれ固定する一対の固定部材と、弾性を有し、かつ前記プレートの両端部とともに、両端部に設けられた固定部が一対の前記固定部材に固定される弾性部材と、を備え、複数の前記電池セルは、積層方向において互いに接触した状態で、積層方向の一方側の前記電池セルが前記プレートと接触し、他方側の前記電池セルが前記弾性部材と接触し、前記弾性部材は、前記電池セルと接触する接触部と、前記固定部との間に、変化吸収部を有し、前記変化吸収部は、複数の前記電池セルの通常状態時から膨張状態時への変化による、前記接触部と前記固定部との直線距離の変化を吸収することを特徴とする。

上記電池モジュールにおいて、前記変化吸収部は、１以上の屈曲点を有するものである。

上記電池モジュールにおいて、一対の前記固定部材は、積層方向から見た場合に、前記固定部材の一方の端部において連結部により互いに連結されるものである。

本発明に係る電池モジュールによれば、電池セルを積層した際に必要となる隙間を小さくすることができ、電池パックの低背化が可能となる、という効果を奏する。

図１は、実施形態に係る電池モジュールの概略構成を示す縦断面図である。図２は、実施形態に係る電池モジュールの概略構成を示す部分分解斜視図である。図３は、実施形態に係る電池モジュールの要部の概略構成を示す模式図である。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、実施形態に係る電池モジュールの要部の仕組みを説明するための模式図である。

以下に、本発明の実施形態に係る電池モジュールについて図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。また、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。

［実施形態］
図１は、実施形態に係る電池モジュールの概略構成を示す縦断面図である。図２は、実施形態に係る電池モジュールの概略構成を示す部分分解斜視図である。図３は、実施形態に係る電池モジュールの要部の概略構成を示す模式図である。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、実施形態に係る電池モジュールの要部の仕組みを説明するための模式図である。なお、図１は、一対のカラーの幅方向において連結する連結部が省略されている。図４（Ａ）は、電池セルの膨張前の弾性部材の状態の一例を表し、図４（Ｂ）は、電池セルの膨張時の弾性部材の状態の一例を表す。

以下の説明において、図示のＸ方向は、本実施形態における電池モジュールの幅方向である。Ｙ方向は、本実施形態における電池モジュールの奥行き方向であり、幅方向と直交する方向である。Ｚ方向は、本実施形態における電池モジュールの積層方向であり、幅方向および奥行き方向と直交する方向である。特に、積層方向において一方を上方側、他方を下方側と称する。なお、本実施形態の積層方向は、例えば、電池モジュールが車両に搭載された状態において、鉛直方向に沿った方向とする。

電池モジュール１は、筐体（不図示）に収容され、電池パックを構成する。電池パックは、例えば、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）等の車両（不図示）に搭載され、当該車両の走行用の駆動源（不図示）に電力を供給する二次電池である。電池モジュール１は、電池セル群２と、プレート３と、弾性部材４と、一対のカラー５とを備える。

電池セル群２は、図１に示すように、平板状の複数の電池セル１０からなる。複数の電池セル１０は、積層方向に互いに接触した状態で、積層方向の一方側の電池セル１０がプレート３と接触し、他方側の電池セル１０が弾性部材４と接触する。本実施形態の電池セル群２は、プレート３に対して、積層方向の上方側に配置され、かつ積層方向の下方側に配置されている。電池モジュール１は、積層方向に配列される複数の電池セル群２を有する。複数の電池セル群２のうち、弾性部材４を介して隣り合う電池セル群２は、積層方向に隙間Ｇを空けて配列されている。隙間Ｇは、一対の弾性部材４に拘束され、積層方向の上方側に配置される２つの電池セル群２と、一対の弾性部材４に拘束され、積層方向の下方側に配置される２つの電池セル群２との間に設けられている。電池セル１０は、充放電可能な二次電池である。本実施形態の電池セル１０は、例えば、平板状のリチウムイオン電池であり、Ｌ字型のプラス電極端子とマイナス電極端子とが奥行き方向の一方から突出している。複数の電池セル１０は、積層方向に積層され、互いに直列または並列に接続されている。

プレート３は、複数の電池セル１０が積層されるものである。プレート３は、熱伝導性を有し、銅やアルミニウム合金等の金属材料により平板状に形成される。プレート３は、積層方向から視た場合、電池セル１０を覆う大きさを有し、略四角形状に形成される。プレート３は、積層方向において２つの電池セル１０の間に挟まれており、これらの電池セル１０と積層方向に面接触する。プレート３は、幅方向の両端部にボルト９が貫通する２つの貫通孔を有する。プレート３は、幅方向の両端部が、積層方向の上方側に配置される一対のカラー５と、積層方向の下方側に配置される一対のカラー５とに挟み込まれ固定される。プレート３は、積層方向において電池セル１０に接触した状態で、当該電池セル１０から熱を奪って放熱したり、当該熱を物理的および熱的に接続された各カラー５に伝達するものである。

弾性部材４は、弾性を有し、かつプレート３の両端部とともに、両端部に設けられた固定部４ａが一対のカラー５に固定されるものである。弾性部材４は、電池セル群２を挟んでプレート３に対向して配置され、当該電池セル群２を加圧して拘束するものである。弾性部材４は、熱伝導性を有し、銅やアルミニウム合金等の金属板により形成される。弾性部材４は、ｔ＝０．５〜１．０ｍｍ程度の厚みを有する。弾性部材４は、積層方向から視た場合、電池セル１０を覆う大きさを有し、略四角形状に形成される。弾性部材４は、電池セル群２に適切な加圧をした上で、プレート３に溶接等で固定される。弾性部材４は、図１〜図３に示すように、電池セル１０と接触する接触部４ｂと、固定部４ａとの間に、変化吸収部４ｃを有する。固定部４ａは、弾性部材４の両端部にそれぞれ設けられ接続点４１を介して変化吸収部４ｃに接続されている。固定部４ａは、弾性部材４において、平板状の形成された部分である。接触部４ｂは、弾性部材４において、平板状に形成された部分である。接触部４ｂは、幅方向の両端がそれぞれ接続点４２を介して変化吸収部４ｃに接続されている。

変化吸収部４ｃは、複数の電池セル１０の通常状態時から膨張状態時への変化による、接触部４ｂと固定部４ａとの直線距離の変化を吸収する。電池セル１０の通常状態とは、例えば、電池パックに対して充放電が行われていない状態を表す。電池セル１０の膨張状態とは、例えば、充放電が行われている状態を表す。変化吸収部４ｃは、１以上の屈曲点ＣＰを有する。変化吸収部４ｃは、屈曲点ＣＰが直線状に伸びて弾性変形することで弾性力を得ることができる。本実施形態の変化吸収部４ｃは、図１、図３、および図４に示すように、２つの屈曲点ＣＰを有する。屈曲点ＣＰは、電池セル１０の通常状態時（例えば電池セル１０が収縮した状態）において弾性変形することで、弾性部材４が電池セル群２に加圧する。

一対のカラー５は、固定部材であり、弾性部材４の固定部４ａとともに、プレート３の両端部をそれぞれ固定するものである。一対のカラー５は、幅方向に対向して配置され、かつ積層方向に沿って配列される。各カラー５は、積層方向に貫通する貫通孔を有し、ボルト９の締結によりプレート３の両端部および弾性部材４の固定部４ａを固定する。一対のカラー５は、積層方向から見た場合に、カラー５の一方の端部において連結部５ａにより互いに連結される。言い換えると、一対のカラー５は、積層方向から視た場合に、Ｕ字型形状を有する。

次に、本実施形態の電池モジュール１の組み立てについて説明する。まず、作業者は、ＳＯＣ（ｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ）を使用下限にした状態の複数の電池セル１０を用意する。作業者は、それら複数の電池セル１０を積層方向に積層して電池セル群２とし、当該電池セル群２をプレート３の積層方向の上方側および下方側にそれぞれ配置する。次に、作業者は、プレート３に配置された電池セル群２を一対の弾性部材４で上下方向から挟み込み、予め一定の圧力を加えた状態で、弾性部材４の両端の固定部４ａと、プレート３の両端部と、カラー５とを抵抗溶接等により互いに接合する。弾性部材４は、電池セル１０が最も収縮した状態において、電池セル群２に一定の圧力がかかるようにプレート３に接合される。このとき、変化吸収部４ｃの２つの屈曲点ＣＰは、若干直線状に伸びて弾性変形させた状態になる。これにより、弾性部材４は、電池セル１０の膨張および収縮に追従することができる。次に、作業者は、積層方向に沿って配列された複数のカラー５をボルト９により締結する。

電池セル１０は、ＳＯＣが少ないほど収縮し、充電により膨張する特性を有する。そこで、ＳＯＣを使用下限にした状態の電池セル１０を使用し、弾性部材４を電池セル１０の膨張、収縮に追従させるように、当該弾性部材４に一定の圧力をかけた状態で弾性部材４とプレート３とを接合する。これにより、電池セル１０が最も収縮した状態でも、弾性部材４が電池セル群２に対して一定の圧力をかけた状態を作り出すことができる。この一定の圧力は、例えば、弾性部材４から積層方向にあるプレート３に向かうものである（図３の矢印）。これより、放電時に電池セル１０が収縮した場合でも、弾性部材４が電池セル１０に加圧するこができる。

次に、本実施形態の電池モジュール１において、電池セル１０が膨張または収縮した場合の弾性部材４の状態変化について説明する。電池モジュール１の充放電時には、複数の電池セル１０が積層方向において膨張、収縮を繰り返すこととなる。電池セル１０の積層方向における膨張・収縮により、電池セル群２が積層方向に相対移動すると、接触部４ｂと固定部４ａとの直線距離が変化する（図４（Ａ）、図４（Ｂ））。例えば、２つの電池セル１０で構成された電池セル群２の積層方向の長さｌ１は、電池セル１０の積層方向の膨張により、長さｌ２に変化する。この場合、長さｌ２＞長さｌ１となる。本実施形態では、弾性部材４の変化吸収部４ｃが弾性変形することで、接触部４ｂと固定部４ａとの直線距離の変化を吸収する。例えば、電池セル１０が膨張した場合、接触部４ｂと固定部４ａとの直線距離の伸びに対して、変化吸収部４ｃが弾性変形して、その伸びを吸収する。一方、電池セル１０が収縮した場合、電池セル１０が膨張した場合、接触部４ｂと固定部４ａとの直線距離の縮みに対して、変化吸収部４ｃの弾性により、その縮みを吸収する。

本実施形態では、一対の弾性部材４に拘束された複数の電池セル群２との間に隙間Ｇが形成されている。電池セル１０の積層方向における膨張・収縮により、電池セル群２が積層方向に相対移動すると、弾性部材４の変化吸収部４ｃが弾性変形により屈曲の程度が変化することで、当該相対移動を吸収して隙間Ｇの大きさが変化可能になる。したがって、電池セル１０の積層方向における膨張・収縮による電池セル群２の移動を、電池モジュール１を収容する筐体内で吸収することができ、筐体を積層方向における長さ、すなわち厚みを薄くすることができ、電池モジュール１の小型化、低背化が可能となり、高エネルギー密度の電池パックを提供することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係る電池モジュール１は、熱伝導性を有し、かつ複数の電池セル１０が積層されるプレート３と、プレート３の両端部をそれぞれ固定する一対のカラー５と、弾性を有し、かつプレート３の両端部とともに、両端部に設けられた固定部４ａが一対のカラー５に固定される弾性部材４とを備える。複数の電池セル１０は、積層方向において互いに接触した状態で、積層方向の一方側の電池セル１０がプレート３に接触し、他方側の電池セル１０が弾性部材４と接触する。弾性部材４は、電池セル１０と接触する接触部４ｂと、固定部４ａとの間に、変化吸収部４ｃを有する。変化吸収部４ｃは、複数の電池セル１０の通常状態時から膨張状態時への変化による、接触部４ｂと固定部４ａとの直線距離の変化を吸収する。

上記構成により、電池セル１０の積層方向における膨張・収縮により、電池セル群２が積層方向に相対移動しても、弾性部材４の変化吸収部４ｃが弾性変形により変化することで、当該相対移動を吸収するので、電池セル群２を拘束して加圧しつつ電池セル１０自体の伸縮を可能とする。また、電池セル１０の積層方向における膨張・収縮による電池セル群２の移動を、電池モジュール１を収容する筐体内で吸収することで、筐体を積層方向における厚みを薄くすることができ、電池セル１０を積層した際に必要となる隙間Ｇを小さくすることができる。この結果、電池パックの小型化、低背化が可能となり、高エネルギー密度の電池パックを提供することができる。また、電池モジュール１を筐体に収容する際に、当該筐体の上面、下面に緩衝材が不要となる。そのため、積層方向に加圧するための緩衝材が電池セル１０の収縮による応力や熱により塑性変形してしまい、積層方向への圧力を与え続けることができなくなることを抑制することができる。

また、本実施形態に係る電池モジュール１は、変化吸収部４ｃが、１以上の屈曲点ＣＰを有する。これにより、変化吸収部４ｃは、電池セルが膨張または収縮して積層方向に伸縮しても追従することができ、生じた応力が弾性部材４を介して電池セル１０へ伝わることを抑制することができる。

また、本実施形態に係る電池モジュール１は、一対のカラー５は、積層方向から見た場合に、カラー５の一方の端部において連結部５ａにより互いに連結される。これにより、電池モジュール１の組み立て時において、弾性部材４の幅方向の位置ずれを低減することができ、例えば、電池セル１０が最も収縮した状態において、弾性部材４が電池セル群２に対して一定の圧力をかけた状態を作り出すことができる。

なお、上記実施形態では、電池セル群２は、２つの電池セル１０を積層方向に積層して構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、３つの電池セル１０を積層したものであってもよいし、４つの電池セルを積層したものであってもよい。この場合、プレート３は、電池セル１０の増加に合わせて増やしてもよい。また、積層方向は、鉛直方向に沿った方向としているが、これに限定されるものではない。

また、上記実施形態では、プレート３は、平板状の金属板で構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、プレート３は、内部に液冷流路を有するものであってもよい。

また、上記実施形態では、変化吸収部４ｃは、２つの屈曲点ＣＰを有するが、これに限定されるものではない。例えば、３つ以上であってよいし、１つ以下であってもよい。また、変化吸収部４ｃは、弾性を有するものであれば、屈曲点ＣＰがなくてもよく、例えばＳ字形状を有するものであってもよい（図３の破線４０）。

１電池モジュール
２電池セル群
３プレート
４弾性部材
４ａ固定部
４ｂ接触部
４ｃ変化吸収部
５カラー
５ａ連結部
１０電池セル
４１，４２接続点
ＣＰ屈曲点

Claims

熱伝導性を有し、かつ複数の電池セルが積層されるプレートと、
前記プレートの両端部をそれぞれ固定する一対の固定部材と、
弾性を有し、かつ前記プレートの両端部とともに、両端部に設けられた固定部が一対の前記固定部材に固定される弾性部材と、
を備え、
複数の前記電池セルは、
積層方向において互いに接触した状態で、積層方向の一方側の前記電池セルが前記プレートと接触し、他方側の前記電池セルが前記弾性部材と接触し、
前記弾性部材は、
前記電池セルと接触する接触部と、前記固定部との間に、変化吸収部を有し、
前記変化吸収部は、
複数の前記電池セルの通常状態時から膨張状態時への変化による、前記接触部と前記固定部との直線距離の変化を吸収する
ことを特徴とする電池モジュール。
前記変化吸収部は、１以上の屈曲点を有する
請求項１に記載の電池モジュール。
一対の前記固定部材は、
積層方向から見た場合に、前記固定部材の一方の端部において連結部により互いに連結される
請求項１または２に記載の電池モジュール。