JP2021096989A - 電池スタックの挿入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池スタックを長手方向に沿って加圧しても、電池セルの高さ方向のずれを抑制することが可能な電池スタックの挿入方法を得る。【解決手段】電池スタック１２の長手方向の両端に設けられたエンドプレート１８及び電池スタック１２を加圧する爪部材２４にそれぞれ傾斜面４２、傾斜面３０を形成することによって、爪部材２４の弾性変形による変形量を吸収し、見かけ上、爪部材２４が弾性変形しない状態で当該爪部材２４によって電池スタック１２を長手方向に沿って加圧することが可能となる。これにより、爪部材２４によって電池スタック１２を長手方向に沿って加圧した状態で、当該電池スタック１２の撓みを抑制することが可能となり、電池スタック１２の撓みに伴って生じる電池セル１６の高さ方向のずれが抑制される。【選択図】図２

Description

本発明は、電池スタックの挿入方法に関する。

下記特許文献１には、上部が開口された箱状のダイカストケース（収容ケース）と、複数の電池セルが積層され当該ダイカストケースに収容される電池スタックと、を備えた電池モジュールに関する技術が開示されている。

この先行技術では、電池スタックとダイカストケースとの間で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略同じ角度でそれぞれ傾斜して形成されており、ダイカストケースの収容空間内に電池スタックを圧入することによって、電池スタックに拘束荷重を付与できるというものである。

特開２０１８−０３２５１９号公報

ところで、上記先行技術では、電池スタックをダイカストケースの収容空間内に挿入する際、電池スタックには、長手方向（電池セルの積層方向）に沿って所定の圧力が作用した状態で、当該電池スタックの長手方向の両端部が把持される。

このとき、電池スタックでは、電池スタックの長手方向の中央部が下方側へ向かって突出する、いわゆる下凸の状態で当該電池スタックが撓む可能性がある。このように、電池スタックが下凸の状態で撓んだ場合、電池スタックの長手方向の両端部と中央部とでは、電池セルにおいて高さ方向の位置がずれてしまう。

このような状態でダイカストケースの収容空間内に当該電池スタックが収容されてしまうと、電池セルにおいて、電池スタックの高さ方向で必要な精度を確保することができない可能性がある。

本発明は上記事実を考慮し、電池スタックを長手方向に沿って加圧しても、電池セルの高さ方向のずれを抑制することが可能な電池スタックの挿入方法を得ることを目的とする。

請求項１に記載の発明に係る電池スタックの挿入方法は、水平方向に沿って複数の電池セルが積層され前記電池セルの積層方向を長手方向とする電池スタックの長手方向の両端部に設けられ上下方向の下方側へ向かうにつれて当該電池スタックの長手方向の長さが短くなる方向へ向かって傾斜する第１傾斜面が形成されたエンドプレートに対して、前記第１傾斜面に当接する第２傾斜面が形成された加圧爪で前記電池スタックの長手方向に沿って当該電池スタックを加圧する加圧工程と、前記加圧爪によって加圧された電池スタックを収容ケース内に挿入する挿入工程と、を有している。

請求項１に記載の発明に係る電池スタックの挿入方法では、加圧工程と、挿入工程と、を有している。電池スタックは、複数の電池セルが水平方向に沿って積層されており、当該電池セルの積層方向を長手方向としている。この電池スタックにおける長手方向の両端部には、エンドプレートがそれぞれ設けられている。このエンドプレートには第１傾斜面がそれぞれ形成されており、第１傾斜面は、上下方向の下方側へ向かうにつれて当該電池スタックの長手方向の長さが短くなる方向へ向かって傾斜している。

一方、電池スタックは、加圧爪によって当該電池スタックの長手方向に沿って加圧されるようになっており、加圧爪には、エンドプレートに形成された第１傾斜面に当接する第２傾斜面が形成されている。

つまり、加圧工程では、電池スタックは、加圧爪に形成された第２傾斜面がエンドプレートに形成された第１傾斜面に当接した状態で、加圧爪の第２傾斜面及びエンドプレートの第１傾斜面を介して、当該電池スタックの長手方向に沿って加圧（圧縮）される。そして、挿入工程では、加圧爪によって長手方向に沿って加圧された電池スタックが収容ケース内に挿入される。

本発明では、エンドプレートに形成された第１傾斜面が、上下方向の下方側へ向かうにつれて当該電池スタックの長手方向の長さが短くなる方向（電池スタックの長手方向の内側）へ向かって傾斜し、当該第１傾斜面に対して加圧爪に形成された第２傾斜面が当接する。つまり、エンドプレートの第１傾斜面及び加圧爪に形成された第２傾斜面が、上下方向の下方側へ向かうにつれて当該電池スタックの長手方向の内側へ向かってそれぞれ傾斜している。

比較例として、エンドプレート及び加圧爪において、エンドプレートと加圧爪とが当接する接触面が上下方向に沿って形成された垂直面とされ、加圧爪に形成された垂直面がエンドプレートに形成された垂直面に当接した状態で、加圧爪によって電池スタックが長手方向に沿って加圧された場合について検討する。

加圧爪が片持ち状とされ当該加圧爪の下端が自由端となっている場合、当該加圧爪は、当該電池スタックの長手方向の外側へ向かって弾性変形する。この場合、加圧爪の下端側では加圧力が逃げ、電池スタックは、当該加圧爪の形状に倣って下凸の状態で撓んでしまう可能性がある。

これに対して、本発明では、前述のように、エンドプレートの第１傾斜面及び加圧爪に形成された第２傾斜面が、上下方向の下方側へ向かうにつれて当該電池スタックの長手方向の内側へ向かって傾斜している。

このため、当該加圧爪によって電池スタックを長手方向に沿って加圧したとき、当該加圧爪が、電池スタックの長手方向の外側へ向かって弾性変形しても、当該加圧爪の第２傾斜面は上下方向に沿うように当該加圧爪を配置することが可能となる。

すなわち、本発明では、エンドプレート及び加圧爪にそれぞれ第１傾斜面、第２傾斜面を形成することによって、見かけ上、加圧爪が弾性変形しない状態で当該加圧爪によって電池スタックを長手方向に沿って加圧することが可能となる。

これにより、本発明では、加圧爪によって電池スタックを長手方向に沿って加圧した状態で、当該電池スタックの撓みを抑制することが可能となる。したがって、本発明では、電池スタックの撓みに伴って生じる電池セルの高さ方向のずれが抑制される。

以上説明したように、本発明に係る電池スタックの挿入方法は、電池セルの高さ方向のずれが抑制された状態で電池スタックを収容ケース内に挿入することができる、という優れた効果を有する。

本実施形態に係る電池スタック及び加圧爪を示す側面図である。 本実施形態に係る電池スタック及び収容ケースの側面図である。 （Ａ）は、本実施形態に係る電池スタックの要部を示す縦断面図であり、（Ｂ）は、電池スタックを加圧する加圧爪を示す斜視図である。 本実施形態に係る電池スタックを加圧する加圧爪において、（Ａ）は、自然状態を示す側面図であり、（Ｂ）は、弾性変形した状態を示す側面図である。 本実施形態に係る電池スタックのエンドプレートにおいて、一部が断面で示された斜視図である。 本実施形態に係る電池スタックのエンドプレートの縦断面図である。 本実施形態に係る電池スタックのエンドプレートに加圧爪が係合された状態を示す斜視図である。 比較例を示す電池スタックの側面図である。

本発明の実施形態に係る電池スタックの挿入方法について、図面を用いて説明する。なお、各図中に適宜示される矢印ＵＰ、矢印Ｌ、矢印Ｗは、本実施形態に係る電池スタック１２の上方向、長手方向、幅方向をそれぞれ示している。

（電池スタック、係止爪の構成）
まず、本発明の実施形態に係る電池スタック１２、爪部材２４の構成について説明する。

図１には、電池スタック１２及び当該電池スタック１２を加圧する爪部材２４の側面図が示されており、図２には、電池モジュール１０を構成する電池スタック１２及び当該電池スタック１２が収容される収容ケース１４の側面図が示されている。

図１に示されるように、電池スタック１２は、複数の電池セル１６が水平方向に沿って積層されており、当該電池セル１６の積層方向（矢印Ｌ方向）に沿った方向を電池スタック１２の長手方向としている。また、当該電池スタック１２の長手方向の両端には、樹脂製のエンドプレート１８（後述する）がそれぞれ設けられている。

また、各電池セル１６は、例えば、充放電可能な二次電池、例えば、リチウムイオン二次電池であり、扁平な直方体形状の角型電池とされているが、リチウムイオン二次電池に限らず、ニッケル水素二次電池等の他の種類であってもよい。

さらに、電池セル１６の長手方向の両端部には、各電池セル１６の上面１６Ａに円柱状の正極端子１６Ｂ及び負極端子１６Ｃが設けられている。なお、図１は、側面図であるため、何れか一方の端子のみ図示されている。

そして、正極端子１６Ｂと負極端子１６Ｃは、電池スタック１２の長手方向に沿って交互に配置されるように電池セル１６は向きを変えて配置されている。そして、電池スタック１２の長手方向に沿って隣り合う電池セル１６の正極端子１６Ｂ及び負極端子１６Ｃに対して導電性部材である図示しないバスバーを溶接し、当該バスバーを介して正極端子１６Ｂ及び負極端子１６Ｃが互いに接続されている。

また、当該電池スタック１２は、電池セル１６と電池セル１６の間に、ポリプロピレン等の樹脂によって形成された絶縁部材としての樹脂枠２０（図３（Ａ）参照）が設けられている。つまり、電池スタック１２は、電池セル１６と樹脂枠２０とが交互に積層された構成となっており、電池スタック１２の長手方向の外側には樹脂枠２０が配置されている。

そして、電池スタック１２の長手方向の両端には、電池スタック１２の長手方向の外側に配置された樹脂枠２０に対して、ポリプロピレン等の樹脂で形成されたエンドプレート１８が溶着等により一体化されている。つまり、当該電池スタック１２には、長手方向の両端にエンドプレート１８がそれぞれ設けられている。なお、図３（Ａ）には、電池スタック１２の要部を示す縦断面図が示されている。

一方、図２に示されるように、収容ケース１４は、上方側が開口された箱状を成しており、アルミニウム等のダイカストで形成されている。この収容ケース１４の収容部２２内に電池スタック１２が収容可能とされる。

なお、図示はしないが、収容ケース１４の収容部２２の底壁には、当該収容ケース１４の収容部２２の底壁と電池スタック１２の下面１２Ａとの間でシール性を確保するため、シールスポンジが設けられている。また、これらの部材に加え、図示はしないが、収容ケース１４の収容部２２内には電池セル１６を冷却する冷却ファン等の冷却部材が収容されてもよい。

ところで、本実施形態では、図１、図２に示されるように、電池スタック１２は、一対の爪部材２４によって、当該電池スタック１２の長手方向に沿って加圧されるようになっている。このため、当該一対の爪部材２４は、電池スタック１２の長手方向に沿って、当該電池スタック１２に設けられたエンドプレート１８の外側にそれぞれ配置され、互いに近づく方向へ向かって移動可能とされる。

図３（Ｂ）には、爪部材２４の斜視図が示されており、図７には、爪部材２４がエンドプレート１８に係合された状態を示す斜視図が示されている。図３（Ｂ）、図７に示されるように、当該爪部材２４は、電池スタック１２の幅方向（矢印Ｗ方向）の寸法に合わせて略直方体状に形成された基部２６と、当該基部２６の下端から垂下され略直方体状を成す爪部２８と、を含んで構成されている。

本実施形態では、爪部２８は、電池スタック１２の幅方向に沿って４本設けられている。これらの爪部２８を介して、電池スタック１２は長手方向に沿って加圧され圧縮されることとなる。そして、電池スタック１２は、長手方向に沿って圧縮された状態で収容ケース１４（図２参照）内へ収容可能となる。

ここで、爪部２８は、基部２６の下端から垂下されており、片持ち状とされている。このため、電池スタック１２を加圧する際に、当該爪部２８は、電池スタック１２からの反力によって電池スタック１２の長手方向の外側へ向かって撓み変形する。

当該爪部２８の撓み変形量（以下、単に「撓み量」という）は、爪部２８の剛性、電池スタック１２を加圧する際の加圧力等によって略決まる。したがって、本実施形態では、爪部２８の撓み量を考慮して、当該爪部２８は、下方側へ向かうにつれて対向して配置される爪部材２４の爪部２８に対して近づく方向（電池スタック１２の長手方向の内側）へ向かって傾斜している。

具体的には、図４（Ａ）に示されるように、爪部２８は、基部２６の軸線Ｐに対して傾斜角度θを有するように予め傾斜して形成されている。つまり、爪部２８は、図１に示されるように、下方側へ向かうにつれて電池スタック１２の内側へ向かって傾斜するように形成されており、電池スタック１２側の面には、エンドプレート１８と当接する傾斜面（第２傾斜面）３０が設けられている。

このように、本実施形態では、爪部２８を基部２６に対して傾斜させることによって、電池スタック１２を加圧する際に、爪部２８が電池スタック１２の長手方向の外側へ向かって撓み変形すると、図２、図４（Ｂ）に示されるように、当該爪部２８は下方側へ向かって垂下された状態となる。つまり、爪部２８の傾斜角度θ（図４（Ａ）参照）は略ゼロの状態となる。

一方、図５には、一部が断面で示されたエンドプレート１８の斜視図が示されている。図５に示されるように、エンドプレート１８は、電池スタック１２の長手方向を板厚方向として略矩形板状の本体部３２を備えており、本体部３２の外面１８Ａには、係合部３４が設けられている。そして、図５、図７に示されるように、当該係合部３４には、爪部材２４に設けられた爪部２８が係合可能とされる。

また、係合部３４は、エンドプレート１８の上端部１８Ｂを除き上下方向に沿って形成された縦壁部３６と、縦壁部３６に接続され電池スタック１２の幅方向に沿って形成された横壁部３８と、によって格子状に形成されている。

さらに、係合部３４には、当該係合部３４の上端３４Ａから上下方向に沿って４本の溝部４０が設けられており、当該溝部４０内には、爪部材２４に設けられた爪部２８がそれぞれ挿入可能とされる。

ここで、図６には、エンドプレート１８の縦断面図が示されている。図６に示されるように、溝部４０の深さＨは、爪部２８の板厚ｔ（図１参照）よりも大きくなるように設定されている（Ｈ＞t）。このため、図５、図７に示されるように、当該爪部２８がエンドプレート１８の溝部４０に挿入された状態で、エンドプレート１８の係合部３４の端面３４Ｂが爪部２８の外面２８Ａよりも外側へ突出するように設定されている。

したがって、本実施形態では、エンドプレート１８の溝部４０内に爪部材２４の爪部２８が挿入された状態で、電池スタック１２を収容ケース１４内に収容させることができる。また、電池スタック１２が収容ケース１４内に収容された状態で、収容ケース１４と干渉することなく当該爪部材２４の爪部２８を溝部４０内から退避させることができる。

さらに、本実施形態では、図６に示されるように、エンドプレート１８の本体部３２の外面１８Ａには、エンドプレート１８の下方側へ向かうにつれて電池スタック１２（図１参照）の長手方向の長さが短くなる方向（電池スタック１２の長手方向の内側）へ向かって傾斜する傾斜面（第１傾斜面）４２が形成されている。

この傾斜面４２に対して、図１に示される爪部材２４の爪部２８に形成された傾斜面３０が面接触可能（当接）とされる。なお、図６では、分かりやすくするため傾斜角度を大きくした状態で図示している。

＜電池スタックの挿入方法の作用及び効果＞
次に、本発明の実施形態に係る電池スタックの挿入方法の作用及び効果について説明する。

図１、図２に示されるように、本実施形態に係る電池スタック１２の挿入方法では、電池スタック１２を加圧する加圧工程と、電池スタック１２を収容ケース１４内に挿入する挿入工程と、を含んでいる。

図１に示されるように、電池スタック１２の長手方向の両端には、エンドプレート１８が設けられている。このエンドプレート１８には、図３（Ａ）に示されるように、傾斜面４２が形成されており、傾斜面４２は、上下方向の下方側へ向かうにつれて当該電池スタック１２の長手方向の内側へ向かって傾斜している。

一方、図１、図２に示されるように、電池スタック１２は、爪部材２４の爪部２８によって当該電池スタック１２の長手方向に沿って加圧されるようになっており、爪部２８には、エンドプレート１８に形成された傾斜面４２と面接触する傾斜面３０が形成されている。

つまり、本実施形態では、エンドプレート１８に形成された傾斜面４２及び爪部２８に形成された傾斜面３０が、上下方向の下方側へ向かうにつれて当該電池スタック１２の長手方向の内側へ向かって傾斜している。

そして、本実施形態における加圧工程では、電池スタック１２は、爪部材２４の爪部２８に形成された傾斜面３０がエンドプレート１８に形成された傾斜面４２に当接された状態で、当該電池スタック１２の長手方向に沿って加圧される。

比較例として、図示はしないが、加圧爪の爪部が上下方向に沿って形成された垂直面とされ、かつ加圧爪の爪部が当接するエンドプレートの接触面が上下方向に沿って形成された垂直面とされ、爪部に形成された垂直面がエンドプレートに形成された垂直面に当接した状態で電池スタックが長手方向に沿って加圧された場合について検討する。

電池スタックの加圧時に爪部が当該電池スタックの長手方向の外側へ向かって弾性変形した場合、加圧爪の下端側では加圧力が逃げ、図８に示されるように、電池スタック１００は、当該加圧爪の形状に倣って下凸の状態で撓んでしまう可能性がある。

これに対して、本実施形態では、図１、図６に示されるように、前述のように、エンドプレート１８に形成された傾斜面４２及び爪部材２４の爪部２８に形成された傾斜面３０が、上下方向の下方側へ向かうにつれて当該電池スタック１２の長手方向の内側へ向かって傾斜している。

これにより、図２に示されるように、爪部材２４によって爪部材２４を長手方向に沿って加圧したとき、図４（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、当該爪部材２４が、電池スタック１２の長手方向の外側へ向かって弾性変形しても、当該爪部材２４の傾斜面３０は上下方向に沿うように当該爪部材２４を配置することが可能となる。

すなわち、本実施形態では、図１、図２に示されるように、エンドプレート１８及び爪部材２４にそれぞれ傾斜面４２、傾斜面３０を形成することによって、見かけ上、爪部材２４が弾性変形しない状態で当該爪部材２４によって電池スタック１２を長手方向に沿って加圧することが可能となる。

これにより、本実施形態では、爪部材２４によって電池スタック１２を長手方向に沿って加圧した状態で、当該電池スタック１２の撓みを抑制することが可能となる。したがって、本実施形態では、電池スタック１２の撓みに伴って生じる電池セル１６の高さ方向のずれが抑制される。

このように、本実施形態では、エンドプレート１８及び爪部材２４にそれぞれ傾斜面４２、傾斜面３０を形成することによって、電池スタック１２の撓みを抑制する。例えば、図示はしないが、電池スタックの加圧時に爪部が弾性変形しないようにするため、爪部の板厚を厚くして、爪部の剛性を高くする方法も考えられる。

本実施形態では、図５、図７に示されるように、爪部材２４の爪部２８がエンドプレート１８の溝部４０に挿入された状態で、図２に示す電池スタック１２を収容ケース１４内に収容させる。また、電池スタック１２が収容ケース１４内に収容された状態で、当該爪部材２４の爪部２８を溝部４０内から退避させる。このため、エンドプレート１８の係合部３４の端面３４Ｂが、爪部２８の外面２８Ａよりも外側へ突出するように設定される。

したがって、前述のように、爪部の板厚を厚くするとなると、これに伴って、エンドプレートの板厚も厚くする必要が生じる。その結果、電池スタックの長手方向の長さが長くなり、製品コストが増加してしまう。

これに対して、本実施形態では、前述のように、エンドプレート１８及び爪部材２４にそれぞれ傾斜面４２、傾斜面３０を形成することによって、電池スタック１２の撓みを抑制することが可能となるため、電池スタック１２の長手方向の長さを維持することが可能であり、製品コストの増加を抑制することができる。

一方、図２に示されるように、電池スタック１２の挿入工程では、爪部２８によって長手方向に沿って加圧された電池スタック１２が収容ケース１４内に挿入される。前述のように、本実施形態では、爪部材２４によって電池スタック１２を長手方向に沿って加圧した状態で、当該電池スタック１２の撓みが抑制され、電池スタック１２の撓みに伴って生じる電池セル１６の高さ方向のずれが抑制された状態で、電池スタック１２は収容ケース１４内に挿入される。

このため、収容ケース１４の収容部２２の底壁に設けられた図示しないシールスポンジにおいて、電池スタック１２が撓んだ場合、電池スタック１２の撓み量が大きい箇所では電池スタック１２がシールスポンジに強く当たる。この場合、シールスポンジが過荷重により破損し、シール不良が生じる可能性があるが、本実施形態では、電池スタック１２の撓みが抑制されるため、そのような問題は生じない。

また、電池スタック１２の挿入工程の後工程として、電池スタック１２が収容ケース１４内に挿入された状態で、電池スタック１２の長手方向に沿って隣り合う電池セル１６の正極端子１６Ｂ及び負極端子１６Ｃに対して図示しないバスバーが溶接される。本実施形態では、電池セル１６の高さ方向のずれが抑制されるため、電池セル１６の高さ方向のずれによって生じる溶接の接合強度のばらつきを抑制することできる。

なお、本実施形態では、図３（Ｂ）に示されるように、爪部２８は略直方体状を成しており、爪部２８の板厚はｔとしている。つまり、本実施形態では、爪部２８の板厚は略一定となっているが、これに限るものではない。

例えば、爪部２８において、上下で板厚を変えてもよい。このように、爪部２８の上下で板厚を変えることによって、爪部２８の上下で剛性を変えることができる。これにより、電池スタック１２（エンドプレート１８）に対して、爪部材２４による加圧力を爪部２８の上下で変えることもできる。裏を返せば、爪部２８の上下で爪部材２４による加圧力を略均等にすることもできる。

以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施できる。また、本発明の権利範囲が上記実施形態に限定されないことは勿論である。

１０ 電池モジュール
１２ 電池スタック
１４ 収容ケース
１６ 電池セル
１８ エンドプレート
２４ 爪部材（加圧爪）
２８ 爪部（加圧爪）
３０ 傾斜面（第２傾斜面）
４２ 傾斜面（第１傾斜面）

Claims (1)

1. 水平方向に沿って複数の電池セルが積層され前記電池セルの積層方向を長手方向とする電池スタックの長手方向の両端部に設けられ上下方向の下方側へ向かうにつれて当該電池スタックの長手方向の長さが短くなる方向へ向かって傾斜する第１傾斜面が形成されたエンドプレートに対して、前記第１傾斜面に当接する第２傾斜面が形成された加圧爪で前記電池スタックの長手方向に沿って当該電池スタックを加圧する加圧工程と、
   前記加圧爪によって加圧された電池スタックを収容ケース内に挿入する挿入工程と、
   を有する電池スタックの挿入方法。
   

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