JP2021136101A - バッテリモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリセルの積層方向の拘束力を適切な大きさにすることで、バッテリセルを長寿命化させる。【解決手段】バッテリパック１は、第１方向に対向する一対の第１の面部１１を有しかつ正極板１４ａと負極板１４ｂとが第１方向に並ぶように配置されかつ第１方向に積層されるバッテリセル１０と、積層されたバッテリセル１０を収容する外殻部８０と、第１方向に隣り合うバッテリセル１０同士の間に設けられる弾性部材６０と、各バッテリセル１０を外殻部８０に対して固定するための複数のフレーム２０とを備える。弾性部材６０は、第１の面部１１の中央部分を覆うように配置され、フレーム２０は、第１の面部１１の外周部分を覆うように配置されている。【選択図】図６

Description

ここに開示された技術は、バッテリモジュールに関する技術分野に属する。

近年、電気自動車やハイブリッド車などの、モータにより生成されるモータトルクを利用して移動する車両の普及が進んでいる。このような車両には、モータに供給するための電力を蓄積されたバッテリモジュールが設けられる。車両に設けられるバッテリモジュールの多くは、直方体形状のバッテリセルを複数積層させて形成されている。

例えば、特許文献１に記載のバッテリモジュールは、第１方向に複数のバッテリセルが絶縁体を挟んで積層されたセル積層体と、セル積層体の第１方向の両側面に配置される一対のエンドプレートと、セル積層体における第１方向と直交する第２方向の両側面に配置される一対のサイドフレームと、を備え、各サイドフレームは、前側のエンドプレートに沿って互いに近づく方向に延びる前フランジ部と、後側のエンドプレートに沿って互いに近づく方向に延びる後フランジ部とを有し、前フランジ部は前側のエンドプレートに締結され、後フランジ部は後側のエンドプレートに締結され、前フランジ部及び後フランジ部の角度変化により、バッテリセルの劣化による第１方向の膨張を許容するものである。

また、特許文献２に記載のバッテリモジュールは、電池セルと、電池セルを収容するケースと、電池セルの外面とケースの内面との間に挟まれる発泡塗膜層と、を備え、積層された電池セルの間には、電池セルにおける積層方向の面部の外周部分に対応する位置にケースから延びる仕切り板が配置され、電池セルにおける前記面部の中央に対応する部分は隙間が空いているものである。

特開２０１９−７５２８１号公報 特開２０１３−１９１４４０号公報

ところで、本願発明者らが鋭意研究したところ、バッテリセルの積層方向における拘束力とバッテリセルの劣化との間には相関関係があることが分かった。

具体的には、特許文献１に記載のバッテリモジュールのように、バッテリセルの膨張をサイドフレームに設けられたフランジの撓みで吸収するような構成では、特にバッテリセルが膨張するときにフランジのバネ力が強くなって積層方向の拘束力が高くなる。積層方向の拘束力が強くなると電極に対する電解液の染み込みと染み出しとが繰り返されることによる電解液の濃度ムラの発生が大きくなる。これにより、局所的に内部抵抗が上昇して、バッテリセルが劣化してしまう。

逆に、特許文献２に記載のバッテリモジュールのように、バッテリセルの間に隙間がある状態では、バッテリセルの中央部分は、積層方向の拘束力がほぼゼロの状態である。積層方向の拘束力が弱すぎると、電極間の距離にムラが生じてしまう。これにより、局所的に内部抵抗が上昇する。また、車載用のバッテリモジュールの場合には、車両の振動で電極が変位しやすくなる結果、電極体と端子との接続部分に負荷がかかって損傷し、バッテリセルの寿命が低下してしまう。

ここに開示された技術は、複数のバッテリセルが積層されてなるバッテリモジュールにおいて、バッテリセルの積層方向の拘束力を適切な大きさにすることで、バッテリセルを長寿命化させる。

本願発明者らは、バッテリセルにおける膨張しやすい部分に柔らかい部材を配置して低い荷重で拘束するようにした。

具体的に、ここに開示された技術は、第１方向に対向する一対の第１の面部と、前記第１方向に直交する第２方向に対向する一対の第２の面部と、前記第１方向及び前記第２方向の両方に直交する第３方向に対向する一対の第３の面部とを有するとともに、前記第１の面部、前記第２の面部、及び前記第３の面部により形成される空間内に、正極板と負極板とが前記第１方向に並ぶように配置された電極体を収容するバッテリセルを備え、積層された前記バッテリセルを収容する外殻部と、前記第１方向に隣り合う前記バッテリセル同士の間に設けられる弾性部材と、前記各バッテリセルを前記外殻部に対して固定するための固定部と、を更に備え、前記弾性部材は、前記第１の面部の中央部分を覆うように配置され、前記固定部は前記第１の面部の外周部分を覆うように配置されている、という構成とした。

すなわち、バッテリセルの第１の面部の中央部分は膨張しやすく、この膨張によって、バッテリセルの積層方向の拘束力が高くなる。これに対して、前記の構成では、第１方向において、隣り合うバッテリセルの間に弾性部材が配置されているため、第１の面部の中央部分の膨張に合わせて弾性部材が縮小するように変形する。これにより、例えば非弾性部材でバッテリセルの第１の面部の中央部分を覆う場合と比較して、膨張に伴うバッテリセルへの荷重増加が抑えられる。この結果、バッテリセルは低い荷重で拘束された状態に維持される。また、膨張しにくいバッテリセルの外周部分に固定部を配置することにより、振動によるバッテリセルの変位量の増加を抑制するとともに、固定部がバッテリセルの積層方向の拘束力を高めることも抑制することができる。これにより、バッテリセルを固定しながら、電極間における距離のムラや電解液の濃度のムラが抑制されるため、バッテリセルの内部抵抗の上昇が抑制されて、バッテリセルを長寿命化させることができる。

前記バッテリモジュールにおいて、前記弾性部材は、前記第１方向から見て、前記電極体の全体を覆う大きさを有する、という構成でもよい。

この構成によると、電極の全体を覆う大きさを有しているため、電極が設けられた部分を適切に拘束することができる。これにより、電極全体に対して荷重が均一に加えられるため、バッテリセルの内部抵抗の上昇がより効果的に抑制されて、バッテリセルをより長寿命化させることができる。

前記バッテリモジュールにおいて、前記固定部は、前記バッテリセルの外周部分を覆うように形成された樹脂製のフレームで構成されており、前記フレーム内に前記バッテリセルを嵌めた状態で、該フレームを前記外殻部に固定することで、前記バッテリセルが前記外殻部に対して固定される、という構成でもよい。

この構成によると、固定部がバッテリセルの外周部を覆うフレームで構成されているため、フレームによりバッテリセル全体を支えることができる。また、バッテリセルの外周部分は膨張しにくいため、剛体を配置したとしても内部抵抗が上昇しにくい。したがって、バッテリセルをより長寿命化させることができる。

前記バッテリモジュールの一実施形態では、前記外殻部は、積層された前記バッテリセルの全体を、前記第１方向の両側から挟むようにそれぞれ配置される一対のエンドプレートと、前記第１方向に延び、積層された前記バッテリセルの全体を、前記第２方向の両側から挟むようにそれぞれ配置される一対のサイドプレートと、を有し、前記固定部は、前記各サイドプレートと前記バッテリセルとの間にそれぞれ位置するとともに、前記一対のサイドプレートに対してそれぞれ固定される。

この構成によると、固定部はサイドプレートに固定されるため、第１方向に動きにくくなり、バッテリセルに対して第１方向の拘束力を発生させることはない。固定部によるバッテリセルへの拘束力がないため、バッテリセルに与えられる拘束力は弾性部材によって付与されるようになる。これにより、バッテリセルの第１方向の拘束力を適切な大きさにしやすくなり、バッテリセルを長寿命化させやすくなる。

前記一実施形態において、前記各サイドプレートは、前記第１方向の両側端部に設けられかつ前記第１方向に延びた後、前記第２方向の前記バッテリセル側に折れ曲がって延びるフランジ部をそれぞれ有し、前記各エンドプレートは、前記フランジ部とボルトでそれぞれ結合されている、という構成でもよい。

この構成によると、エンドプレートとサイドプレートとの接続部分がバッテリセルを離れるようになるため、エンドプレートとサイドプレートとの接続は、バッテリセルの第１方向の拘束力にほとんど影響しない。これにより、バッテリセルの第１方向の拘束力を適切な大きさにしやすくなり、バッテリセルを長寿命化させやすくなる。

前記一実施形態において、前記複数のバッテリセルを前記外殻部に収容させたバッテリ積層体が取り付けられる筐体を更に有し、前記各サイドプレートは、前記第２方向における前記バッテリセルとは反対側に向かって延びかつ前記筐体に固定されるブラケットをそれぞれ有し、前記筐体は、前記ブラケットと結合しかつ前記バッテリ積層体を支持する支持部を有する、という構成でもよい。

この構成によると、サイドプレートは第１方向に変形しにくくなる。これにより、サイドプレートがバッテリセルに対して第１方向の拘束力を発生させにくくなる。この結果、バッテリセルの第１方向の拘束力が適切な大きさに保たれるようになり、バッテリセルをより長寿命化させることができる。

バッテリ積層体が筐体に取り付けられる前記一実施形態において、複数の前記バッテリ積層体が前記第２方向に並んだ状態で、前記筐体にそれぞれ取り付けられる構成であり、前記ブラケットは、複数あるとともに、前記支持部に第３方向から載置された状態で該支持部に取り付けられ、前記第２方向の一側のサイドプレートに設けられた各ブラケットと、前記第２方向の他側のサイドプレートに設けられた各ブラケットとは、互いに千鳥状に配置されている、という構成でもよい。

この構成によると、隣り合うバッテリ積層体のブラケットを支持部に交互に並べることができる。これにより、支持部に対する取付部の間隔が短くなる。取付部の間隔が短くなることで、バッテリモジュールの共振周波数が高くなるため、バッテリモジュールの振動を抑制しやすくなる。また、隣り合うバッテリ積層体を出来る限り近づけることができるため、バッテリモジュール全体をコンパクトにすることができる。

前記バッテリモジュールにおいて、前記弾性部材が隣接する前記バッテリセルを押す押力は、１ｋＮ〜１０ｋＮに設定されている、という構成が好ましい。

本願発明者らが研究したところ、内部の電極仕様やバッテリセルの大きさにもよるが、バッテリセルの第１方向の拘束力を１ｋＮ〜１０ｋＮ程度にすると、バッテリセルが経年劣化により膨張したとしても内部抵抗がほとんど変化しないことが分かった。したがって、前記の構成とすることで、バッテリセルをより長寿命化させることができる。

前記バッテリモジュールにおいて、前記複数のバッテリセルを前記外殻部に収容させたバッテリ積層体の前記第１方向の長さは、一対のサイドフレーム間の長さと等しい、という構成でもよい。

すなわち、第１方向に低い拘束力でバッテリセルを拘束すればよいため、拘束力を均一にしやすく、バッテリセルの積層数を出来る限り多くすることができる。そして、バッテリ積層体の第１方向の長さをサイドフレーム間の長さと等しい程度にすれば、バッテリの容量をかなり多くすることができる。したがって、バッテリを長寿命化しつつ、大容量化することができるようになる。

以上説明したように、ここに開示された技術によると、バッテリセルの積層方向の拘束力を適切な大きさにして、バッテリセルを長寿命化させることができる。

例示的な実施形態に係るバッテリパックが配置された車両の構成を示す概略図である。 バッテリ積層体の斜視図である。 バッテリ積層体の分解斜視図である。 バッテリセルの１セルあたりの構成を示す分解斜視図である。 バッテリセルを積層方向から見た正面図である。 バッテリ積層体の積層方向の右側の端部を、積層方向及び上下方向に平行な面で切断した断面図である。 バッテリ積層体を上側から見た平面図である。 バッテリ積層体の積層方向の拘束力と内部抵抗との関係を示すグラフである。 バッテリ積層体と筐体との関係を示す斜視図である。 バッテリ積層体の筐体に対する取り付け部分を示す上側から見た拡大平面図である。 バッテリ積層体の筐体に対する取り付け部分を示す断面図である。

以下、例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係るバッテリモジュールが搭載された電動車両の構成を概略的に示す。この車両は、電気エネルギーのみで駆動される電気自動車である。車両は、バッテリモジュールを有するバッテリパック１に蓄積された電力により回転駆動する駆動源としての電動モータ２を有する。バッテリパック１と電動モータ２との間には、バッテリパック１に蓄積された直流電力を交流電力に変換して電動モータ２に供給するインバータ３が設けられている。インバータ３は、車両に設けられたコントローラ４により制御される。

電動モータ２は、ギヤトレイン５及び差動装置６を介して左右一対のドライブシャフト７と連動連結されている。各ドライブシャフト７の車幅方向外側の端部には、前輪８が結合されている。つまり、この車両は、いわゆるＦＦ車であって、左右２つの前輪８が駆動輪であり、左右２つの後輪９が従動輪である。

電動モータ２は、車両のアクセル（図示省略）が踏み込まれている状態で車両が走行しているときに、バッテリパック１から供給される電力により駆動されて、前輪８を回転させる。つまり、車両の力行時には、バッテリパック１からインバータ３を介して供給される電力により電動モータ２が駆動され、該電動モータ２の駆動力が、ギヤトレイン５、差動装置６、及びドライブシャフト７を介して前輪８に伝達される。

車両には、前輪８及び後輪９に、摩擦による制動力を付与するブレーキ装置Ｂがそれぞれ設けられている。ブレーキ装置Ｂは、油圧式でも電動式でもよい。

〈バッテリ積層体〉
図２及び図３に示すように、バッテリパック１は、複数のバッテリセル１０が積層されたバッテリ積層体１００を有する。積層されるバッテリセル１０の数は、例えば、３６個〜４０個である。本実施形態では、左右方向（つまり車幅方向）がバッテリセル１０の積層方向となるように車両に配置される。バッテリ積層体１００の積層方向の長さは、左右一対のサイドフレーム間の長さと等しい。以下の説明では、積層方向を単に左右方向といい、左右方向及び上下方向と直交する方向を前後方向ということがある。この場合、左右方向は第１方向に相当し、前後方向は第２方向に相当し、上下方向は第３方向に相当する。尚、バッテリセル１０の積層方向は左右方向に限定されない。バッテリセル１０の積層方向は前後方向であってもよい。

バッテリ積層体１００は、積層されたバッテリセル１０を収容する外殻部８０（特に図３参照）を有する。外殻部８０は、積層されたバッテリセル１０の全体を、左右方向の両側から挟むようにそれぞれ配置される一対のエンドプレート３０と、左右方向に延びかつ積層されたバッテリセル１０の全体を、前後方向の両側から挟むようにそれぞれ配置される一対のサイドプレート４０とを有する。バッテリ積層体１００は、各バッテリセル１０を外殻部８０に対してそれぞれ固定するための複数のフレーム２０を有する。以下の説明において、左側のエンドプレート３０を左側エンドプレート３０Ｌといい、右側のエンドプレート３０を右側エンドプレート３０Ｒといい、前側のサイドプレート４０を前側サイドプレート４０Ｆｒといい、後側のサイドプレートを後側サイドプレート４０Ｒｒという。左側及び右側エンドプレート３０Ｌ，３０Ｒを区別しないときには、単にエンドプレート３０といい、前側及び後側サイドプレート４０Ｆｒ，４０Ｒｒを区別しないときには、単にサイドプレート４０という。

〈バッテリセル〉
各バッテリセル１０は、リチウムイオン電池である。図４に示すように、各バッテリセル１０は、左右方向に扁平な直方体形状をなしている。各バッテリセル１０は、左右方向に対向する一対の第１の面部１１と、前後方向に対向する一対の第２の面部１２と、上下方向に対向する一対の第３の面部１３とをそれぞれ有する。第１の面部１１の面積は、第２の面部１２の面積及び第３の面部１３の面積と比べて、かなり大きくなっている。第１の面部１１、第２の面部１２、及び第３の面部１３は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金でそれぞれ形成されている。

図６に示すように、各バッテリセル１０は、第１の面部１１、第２の面部１２、及び第３の面部１３により形成される空間内に、電解液と、該電解液に浸漬される電極体１４とを収容している。電極体１４は、正極板１４ａと負極板１４ｂとを渦巻き状に巻回するとともに、径方向に圧縮することにより、扁平円状に形成されている。これにより、正極板１４ａと負極板１４ｂとが左右方向に交互に並ぶように配置される。

各バッテリセル１０における上側の第３の面部１３は、一対の電極端子１５をそれぞれ有する。電極端子１５は、正極板１４ａに接続される正極端子１５ａと、負極板１４ｂに接続される負極端子１５ｂとを有する。電極端子１５は、それぞれ、上側の第３の面部１３から上側に向かって突出している。図示は省略しているが、隣り合うバッテリセル１０の電極端子１５同士は、バスバーにより直列に接続されている。バスバーの一端部は、バッテリセル１０の正極端子１５ａに接合され、該バスバーの他端部は、隣のバッテリセル１０の負極端子１５ｂに接合される。

〈フレーム〉
図３及び図４に示すように、フレーム２０は、各バッテリセル１０を個別に収容する。各フレーム２０は、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート等の樹脂材料で構成されている。フレーム２０は、バッテリセル１０を固定するための前後一対のフレーム本体２１を有する。一対のフレーム本体２１は、それぞれＵ字状をなしており、Ｕ字開口が互いに向かい合った状態でそれぞれ配置されている。図２及び図５に示すように、フレーム本体２１は、隣り合う２つのフレーム２０が結合された状態で、バッテリセル１０の第２の面部１２の全体と第３の面部１３の前後方向の端部とをそれぞれ覆う。一対のフレーム本体２１における上下方向の中間部の距離は、バッテリセル１０の第１の面部１１における長辺の長さ（前後方向の長さ）と略同じである。また、各フレーム本体２１の上側端部と下側端部との間の距離は、バッテリセル１０の第１の面部１１における短辺の長さ（上下方向の長さ）と略同じである。

図４及び図５に示すように、各フレーム本体２１の内側部分には、隣り合うバッテリセル１０同士を左右方向に仕切るための第１仕切り壁２２が設けられている。各第１仕切り壁２２は、フレーム本体２１の幅方向の中央に位置しかつ上下方向に延びている。各第１仕切り壁２２の下側端部同士及び上側端部同士は、前後方向に延びかつ隣り合うバッテリセル１０同士を左右方向に仕切るための第２仕切り壁２３により連結されている。つまり、一対のフレーム本体２１は、第２仕切り壁２３により連結されている。第１及び第２仕切り壁２２，２３は、第１の面部１１（特に、図４参照）の外周部分を覆うように配置される。第１及び第２仕切り壁２２，２３は、同じ厚みであって、２〜３ｍｍ程度の厚みを有する。

各フレーム本体２１は、上側端部及び下側端部に、隣り合うフレーム２０と結合するための結合部２５をそれぞれ有する。結合部２５は雄雌構造をなしている。図４に示す例では、左側に雄部が形成され、左側に雌部（図示省略）が形成されている。雄部が隣り合うフレーム２０の雌部に挿入されることで、図３に示すように、隣り合うフレーム２０同士が互いに結合される。

図６に示すように、隣り合うフレーム２０が結合された状態で、左右方向に隣り合う第２仕切り壁２３間の距離は、バッテリセル１０の左右方向の幅と略同じである。このため、２つのフレーム２０に挟まれた状態のバッテリセル１０は、左右方向に動きにくくなる。つまり、第２仕切り壁２３によって、各バッテリセルは外殻部に対して固定される。第２仕切り壁２３は、後述の弾性部材６０と上下方向に隣り合うよう配置される。

各フレーム本体２１の外側の面には爪部２６がそれぞれ設けられている。爪部２６は、フレーム２０をサイドプレート４０に固定するための部分である。爪部２６は、サイドプレート４０に設けられた係合孔４５に入り込んで、サイドプレート４０の主面部４１に引っ掛かる。これにより、各フレーム２０は、図５に示すように、各サイドプレート４０とバッテリセル１０との間にそれぞれ位置するとともに、一対のサイドプレート４０に対してそれぞれ固定される。尚、フレーム２０をサイドプレート４０に固定する方法は、前述のような爪部２６を用いた方法に限定されない。フレーム２０は、ボルトや接着によりサイドプレート４０に固定されてもよい。

図６に示すように、左右方向の両側端に位置するバッテリセル１０に対しては、端部フレーム２７が用いられている。端部フレーム２７は、基本的な構成は通常のフレーム２０と同じであるが、フレーム本体２１が第１及び第２仕切り壁２２，２３の部分で途切れている点で通常のフレーム２０とは異なる。図６では右側の端部フレーム２７を示している。左側の端部フレーム２７は、右側の端部フレーム２７と左右対称な構成となっている。

〈外殻部〉
エンドプレート３０は、図２及び図３に示すように、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金などの金属のプレートをＬ字状に折り曲げて構成されている。具体的には、エンドプレート３０は、上下方向に延びる主面部３１と、主面部３１の下側端部から左右方向に延びる底面部３２とを有する。左側エンドプレート３０Ｌの底面部３２は、主面部３１の下側端部から左側に向かって延び、右側エンドプレート３０Ｒの底面部３２は、主面部３１の下側端部から右側に向かって延びている。図３に示すように、各エンドプレート３０の主面部３１は、前後方向の両側端部に２つのボルト孔３３をそれぞれ有する。ボルト孔３３は、上下方向に離間して形成されている。

各サイドプレート４０は、前後方向に延びる矩形状の主面部４１を有する。各サイドプレート４０は、主面部４１の上下方向の両側端部からバッテリセル１０側にそれそれ延びる第１のフランジ部４２を有する。具体的に、前側サイドプレート４０Ｆｒの第１のフランジ部４２は、主面部４１の上下方向の両側端部から後側に向かってそれぞれ延び、後側サイドプレート４０Ｒｒの第１のフランジ部４２は、主面部４１の上下方向の両側端部から前側に向かってそれぞれ延びている。図５に示すように、主面部４１及び第１のフランジ部４２は、フレーム２０のフレーム本体２１を外側から覆う。

各サイドプレート４０は、主面部４１の左右方向の両側端部から左側及び右側にそれぞれ延びた後、バッテリセル１０側に折れ曲がって延びる第２のフランジ部４３をそれぞれ有する。具体的に、前側サイドプレート４０Ｆｒの第２のフランジ部４３は、主面部４１の左右方向の両側端部から左側及び右側にそれぞれ延びた後、後側に向かって延びている。一方で、後側サイドプレート４０Ｒｒの第２のフランジ部４３は、主面部４１の左右方向の両側端部から左側及び右側にそれぞれ延びた後、前側に向かって延びている。各第２のフランジ部４３は、２つのボルト孔４３ａをそれぞれ有する。２つのボルト孔４３ａは、エンドプレート３０のボルト孔３３に対応するように、上下方向に離間して形成されている。エンドプレート３０とサイドプレート４０とを結合させるときには、まず、エンドプレート３０のボルト孔３３と第２のフランジ部４３のボルト孔４３ａとが連通するように、エンドプレート３０を第２のフランジ部４３にあてがう。その後、ボルト１０１を各ボルト孔３３，４３ａに締結させる。

図５及び図７に示すように、各サイドプレート４０は、前後方向におけるバッテリセル１０とは反対側に向かって延びる複数（図７では６個）のブラケット４４をそれぞれ有する。各ブラケット４４は、アルミプレートをＬ字状に折り曲げて形成されている。各ブラケット４４の一面部はサイドプレート４０の主面部４１にそれぞれ溶接されており、各ブラケット４４の他面部は孔がそれぞれ形成されている。前側サイドプレート４０Ｆｒに設けられた各ブラケット４４と、後側サイドプレート４０Ｒｒに設けられた各ブラケット４４とは、互いに千鳥状に配置されている。具体的には、後側サイドプレート４０Ｒｒのブラケット４４が、前側サイドプレート４０Ｆｒの隣り合う２つのブラケット４４の中央に対応する部分に位置するように千鳥状に配置されている。詳しくは後述するが、このブラケット４４は、バッテリ積層体１００を後述の筐体７０に取り付けるために用いられる。

図６に示すように、右側のエンドプレート３０と右側の端部フレーム２７との間には、スペーサ５０が設けられている。スペーサ５０は、バッテリセル１０の第１の面部１１と同程度の面積を有する。図７に示すように、スペーサ５０の前後方向の両側端部には、サイドプレート４０の第２のフランジ部４３が嵌め込まれる段差部５１が形成されている。左側のスペーサ５０も同様の構成となっている。

〈弾性部材〉
ここで、本願発明者らが鋭意研究したところ、バッテリセル１０の積層方向（ここでは左右方向）におけるバッテリセル１０の拘束力、すなわち、バッテリセル１０を積層方向に押す押力と、バッテリセル１０の劣化との間には相関関係があることが分かった。

図８は、バッテリセル１０の積層方向の拘束力と、バッテリセル１０の内部抵抗との関係を示すグラフである。横軸はバッテリセル１０の積層方向の拘束力を示し、縦軸はバッテリセル１０に生じる内部抵抗を示す。実線は未使用のバッテリセル１０を表し、破線は使用後のバッテリセル１０を示す。

図８に示すように、バッテリセル１０が未使用であっても、ある程度使用したとしても、バッテリセル１０の積層方向の拘束力とバッテリセル１０の内部抵抗との関係は、いわゆるバスタブカーブのようになることが分かる。具体的には、バッテリセル１０の積層方向の拘束力が過剰に強い領域及び過剰に弱い領域において、内部抵抗が上昇することが分かる。積層方向の拘束力が過剰に強い場合、バッテリセル１０内の電極体１４に対する電解液の染み込みと染み出しとが繰り返されることにより発生する電解液の濃度ムラが大きくなる。これにより、局所的に内部抵抗が上昇する。一方で、積層方向の拘束力が弱すぎると、正極板１４ａと負極板１４ｂとの間の距離にムラが生じてしまう。これにより、局所的に内部抵抗が上昇する。また、本実施形態のように車両に設けられるバッテリパック１の場合には、車両の振動で電極体１４が変位しやすくなる結果、電極体１４と電極端子１５との接続部分に負荷がかかって、損傷するおそれがある。

特に、拘束力が過剰に強い場合、ある程度使用したバッテリセル１０では、内部抵抗が顕著に増加する。バッテリセル１０のようなリチウムイオン電池は、充電し続けると、負極板１４ｂにリチウムイオンが蓄積される。このリチウムイオンの分だけ、電極体１４が大きくなり、バッテリセル１０が積層方向に膨張する。これにより、積層方向の拘束力が更に強くなってしまい、図８のように、内部抵抗が急上昇する。

一方で、図８にハッチングで示すように、バッテリセル１０の積層方向の拘束力を適切な値にすれば、バッテリセル１０の劣化がある程度進んだとしても、内部抵抗を低い状態に維持することができる。本願発明者らが研究を進めたところ、バッテリセル１０の積層方向の拘束力を１ｋＮ〜１０ｋＮ程度にすれば、バッテリセル１０の内部抵抗を低い状態に維持することができることが分かった。

そこで、本実施形態では、左右方向（積層方向）に隣り合うバッテリセル１０同士の間にそれぞれ弾性部材６０を設けるようにした。この弾性部材６０は、例えば、発泡充填材、ジェル部材、ラバー部材、樹脂材等で構成されている。図５に示すように、弾性部材６０は、弾性部材６０は、左右方向から見て、第１の面部１１の中央部分を覆うように配置されている。弾性部材６０は、左右方向から見て、電極体１４の全体を覆う大きさを有する。具体的には、弾性部材６０は、バッテリセル１０に挟まれた状態において、左右方向から見て長方形状をなすとともに、長辺の長さが電極体１４の巻回軸方向（前後方向）の長さ以上でありかつ短辺の長さが電極体１４の上下方向の長さ以上である。

図５及び図６に示すように、弾性部材６０は、左右方向において、第１及び第２仕切り壁２２，２３の位置に位置する。弾性部材６０は、第１及び第２仕切り壁２２，２３により囲まれた領域に配置される。弾性部材６０は、無負荷状態では、第１及び第２仕切り壁２２，２３よりも大きな厚みを有する。弾性部材６０は、バッテリセル１０により左右方向の両側から挟まれて押されることで、第１及び第２仕切り壁２２，２３と同じ厚みになる。弾性部材６０は、バッテリセル１０により左右方向の両側から押される際の反発力により、左右両側に位置するバッテリセル１０を押す。このとき、弾性部材６０が隣接するバッテリセル１０を押す押力は、１ｋＮ〜１０ｋＮに設定されている。これにより、バッテリセル１０の積層方向の拘束力を１ｋＮ〜１０ｋＮにすることができる。

バッテリ積層体１００の左側及び右側の端にそれぞれ配置される弾性部材６０は、スペーサ５０とバッテリセル１０により左右方向に挟まれる。このとき、弾性部材６０が、弾性部材６０をバッテリセル１０同士で挟んだときと同じ反発力を、端のバッテリセル１０に与える必要がある。これは、例えば、スペーサ５０は、バッテリセル１０と同じような中空箱状にして、左右方向の面部をバッテリセル１０の第１の面部１１と同じ素材及び同じ厚みにすることで可能となる。

弾性部材６０のバッテリセル１０に対する拘束力は、弾性部材６０の材料や、第１及び第２仕切り壁２２，２３の厚みに対する弾性部材６０の厚みを変更することで調整することができる。すなわち、無負荷時における弾性部材６０の厚みを大きくすれば、弾性部材６０をバッテリセル１０で挟んで、第１及び第２仕切り壁２２，２３と同じ厚みにしたときの、該弾性部材６０の反発力が大きくなる。これにより、弾性部材６０のバッテリセル１０に対する拘束力を調整することができる。弾性部材６０の厚みは、弾性部材６０の材料が有するバネ定数に応じて、フックの法則により、バッテリセル１０の積層方向の拘束力を１ｋＮ〜１０ｋＮにすることができる厚みに調整すればよい。

前述したように、バッテリパック１を充電し続けると、バッテリセル１０が積層方向に膨張する。バッテリセル１０が積層方向に膨張すると、弾性部材６０のバッテリセル１０に対する拘束力が変化する。このため、弾性部材６０の素材や厚みは、バッテリセル１０が積層方向に膨張したとしても、弾性部材６０のバッテリセル１０に対する拘束力が１ｋＮ〜１０ｋＮになるように選択することが好ましい。

このように、バッテリセル１０に対する拘束力を適切な値にすることで、バッテリセル１０の内部抵抗を出来る限り低くすることができる。これにより、バッテリセル１０を長寿命化させることができる。

〈バッテリパック〉
バッテリパック１において、前述のようにして構成されたバッテリ積層体１００は、樹脂製の筐体７０に取り付けられる。図９に示すように、筐体７０は、箱状をなし、左右方向の側壁部７１を連結するように延びる複数（図９では５つ）のクロスメンバ７２が、前後方向に平行に並んで設けられている。図１０に示すように、バッテリパック１は、複数のバッテリ積層体１００が、前後方向に並んだ状態で、筐体７０にそれぞれ取り付けられる。尚、図示は省略しているが、筐体７０は、該筐体７０にバッテリ積層体１００が取り付けられた状態で、該バッテリ積層体１００を上側から覆う蓋部材を有する。

図１１に示すように、サイドプレート４０の各ブラケット４４は、クロスメンバ７２に上側から載置される。そして、ボルト７３が各ブラケット４４の孔を通ってクロスメンバ７２に締結されることで、バッテリ積層体１００がクロスメンバ７２に支持される。つまり、各クロスメンバ７２は、サイドプレート４０のブラケット４４と結合しかつバッテリ積層体１００を支持する支持部に相当する。

ここで、図１０に示すように、前側及び後側サイドプレート４０Ｆｒ，４０Ｒｒにそれぞれ設けられたブラケット４４が千鳥状に並んでいるため、一のバッテリ積層体１００のブラケットの間に、隣のバッテリ積層体１００のブラケット４４が位置するように配置することができる。これにより、クロスメンバ７２の幅をできる限り小さくすることができ、筐体７０をコンパクトにすることができる。この結果、バッテリパック１全体をコンパクトにすることができる。また、クロスメンバ７２に対するバッテリ積層体１００の取付部の間隔が短くなる。取付部の間隔が短くなることで、バッテリ積層体１００の共振周波数が高くなるため、バッテリ積層体１００の振動を抑制しやすくなる。

また、図１１に示すように、バッテリ積層体１００がクロスメンバ７２に支持された状態で、該バッテリ積層体１００は、筐体７０の底壁部７４からは離間した状態となる。これにより、筐体７０とバッテリ積層体１００との接触点を出来る限り少なくすることができる。この結果、車両の振動がバッテリセル１０に伝達されるのを出来る限り抑制することができる。

〈まとめ〉
したがって、本実施形態では、左右方向（積層方向）に対向する一対の第１の面部１１と、前後方向に対向する一対の第２の面部１２と、上下方向に対向する一対の第３の面部１３とを有するとともに、第１の面部１１、第２の面部１２、及び第３の面部１３により形成される空間内に、正極板１４ａと負極板１４ｂとが左右方向に並ぶように配置された電極体１４を収容するバッテリセル１０を備え、バッテリセル１０が左右方向に複数積層されたバッテリパック１において、積層されたバッテリセル１０を収容する外殻部８０と、左右方向（積層方向）に隣り合うバッテリセル１０同士の間にそれぞれ設けられる弾性部材６０と、各バッテリセル１０を外殻部８０に対してそれぞれ固定するための複数のフレーム２０とを更に備え、弾性部材６０は、第１の面部１１の中央部分を覆うように配置されている。この構成では、バッテリセル１０の第１の面部１１の中央部分は膨張しやすく、この膨張によって、バッテリセル１０の積層方向の拘束力が高くなる。これに対して、本実施形態では、第１の面部１１の中央部分の膨張に合わせて弾性部材６０が縮小するように変形する。これにより、例えば非弾性部材でバッテリセル１０の第１の面部１１の中央部分を覆う場合と比較して、膨張に伴うバッテリセル１０への荷重増加が抑えられる。この結果、バッテリセル１０は低い荷重で拘束された状態に維持される。また、フレーム２０により各バッテリセル１０が外殻部８０に対して支持されるため、振動によるバッテリセル１０の変位も抑制される。特に、膨張しにくいバッテリセル１０の第１の面部１１の外周部分に、フレーム２０の第１及び第２仕切り壁２２，２３を配置することにより、各バッテリセル１０の左右方向（積層方向）への変位が効果的に抑制される。これらの結果、バッテリセル１０を固定しながら、電極板１４ａ，１４ｂ間における距離のムラや電解液の濃度のムラが抑制される。よって、バッテリセル１０の内部抵抗の上昇が抑制されて、バッテリセル１０を長寿命化させることができる。

また、第１及び第２仕切り壁２２，２３は各バッテリセル１０の膨張が少ない第１の面部１１の外周部分に配置されているため、各バッテリセル１０の膨張によって第１及び第２仕切り壁２２，２３が損傷することも防止される。

また、第２仕切り壁２３は弾性部材６０と上下方向に隣り合うよう配置されるため、バッテリモジュールをコンパクトな構造にできる。また、本実施形態では、バッテリパック１内におけるバッテリセル１０の膨張を弾性部材６０が吸収するため、バッテリパック１の左右方向の長さが変化しない。そのため、バッテリパック１の固定部分に一般的に配置されている変位吸収機構の設置が不要となり、バッテリパック１をコンパクトにできる。

特に、本実施形態において、弾性部材６０は、左右方向から見て、電極体１４の全体を覆う大きさを有する。これにより、バッテリセル１０における電極体１４が設けられた部分を適切に拘束することができる。この結果、バッテリセル１０の内部抵抗の上昇がより効果的に抑制されて、バッテリセル１０をより長寿命化させることができる。

また、本実施形態において、フレーム２０は、バッテリセル１０の外周部分を覆うように形成されており、フレーム２０内にバッテリセル１０を嵌めた状態で、該フレーム２０を外殻部８０に固定することで、バッテリセル１０が外殻部８０に対して固定される。これにより、フレーム２０でバッテリセル１０全体を支えることができる。この結果、車両の振動などによりバッテリセル１０が移動して、破損することを抑制できる。また、バッテリセル１０の外周部分は膨張しにくいため、剛体を配置したとしても内部抵抗が上昇しにくい。したがって、バッテリセル１０をより長寿命化させることができる。

また、本実施形態において、外殻部８０は、積層されたバッテリセル１０の全体を、左右方向の両側から挟むようにそれぞれ配置される一対のエンドプレート３０と、左右方向に延び、積層されたバッテリセル１０の全体を、前後方向の両側から挟むようにそれぞれ配置される一対のサイドプレート４０とを有し、フレーム２０は、各サイドプレート４０とバッテリセル１０との間にそれぞれ位置するとともに、一対のサイドプレート４０に対してそれぞれ固定される。これにより、フレーム２０はサイドプレート４０に固定されるため、左右方向に動きにくくなり、バッテリセル１０に対して左右方向の拘束力を発生させることはない。フレーム２０によるバッテリセル１０への拘束力がないため、バッテリセル１０に与えられる拘束力は弾性部材６０によって付与されるようになる。これにより、バッテリセル１０の左右方向の拘束力を適切な大きさにしやすくなり、バッテリセル１０を長寿命化させやすくなる。

また、本実施形態において、各サイドプレート４０は、左右方向の両側端部に設けられかつ左右方向に延びた後、前後方向のバッテリセル１０側に折れ曲がって延びる第２のフランジ部４３をそれぞれ有し、各エンドプレート３０は、第２のフランジ部４３とボルトでそれぞれ結合されている。これにより、エンドプレート３０とサイドプレート４０との接続部分がバッテリセル１０から離れた位置になるため、エンドプレート３０とサイドプレート４０との接続は、バッテリセル１０の左右方向の拘束力にほとんど影響しない。これにより、バッテリセル１０の左右方向の拘束力を適切な大きさにしやすくなり、バッテリセル１０を長寿命化させやすくなる。

（その他の実施形態）
ここに開示された技術は、前述の実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。

例えば前述の実施形態では、弾性部材６０の大きさは、積層方向（左右方向）から見て、電極体１４の全体を覆う大きさであった。これに限らず、弾性部材６０の大きさは、積層方向から見たときに、電極体１４よりも僅かに小さくでもよい。

また、前述の実施形態では、バッテリ積層体１００の積層方向の長さは、一対のサイドフレーム間の長さと等しかった。これに限らず、バッテリ積層体１００の積層方向の長さは、一対のサイドフレーム間の長さよりも短くてもよい。

前述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本開示の範囲を限定的に解釈してはならない。本開示の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本開示の範囲内のものである。

ここに開示された技術は、第１方向に対向する一対の第１の面部と、第１方向に直交する第２方向に対向する一対の第２の面部と、第１方向及び第２方向の両方に直交する第３方向に対向する一対の第３の面部とを有するとともに、第１の面部、第２の面部、及び第３の面部により形成される空間内に、第１方向に正極板と負極板とが並ぶように配置された電極体を収容するバッテリセルを備え、バッテリセルが第１方向に複数積層されたバッテリモジュールに有用である。

１ バッテリパック
１０ バッテリセル
１１ 第１の面部
１２ 第２の面部
１３ 第３の面部
１４ 電極体
１４ａ 正極板
１４ｂ 負極板
２０ フレーム（固定部）
３０ エンドプレート
４０ サイドプレート
４３ 第２のフランジ部
４４ ブラケット
７０ 筐体
７２ クロスメンバ（支持部）
８０ 外殻部
１００ バッテリ積層体
１０１ ボルト

Claims (9)

1. 第１方向に対向する一対の第１の面部と、前記第１方向に直交する第２方向に対向する一対の第２の面部と、前記第１方向及び前記第２方向の両方に直交する第３方向に対向する一対の第３の面部とを有するとともに、前記第１の面部、前記第２の面部、及び前記第３の面部により形成される空間内に、正極板と負極板とが前記第１方向に並ぶように配置された電極体を収容するバッテリセルを備え、
   前記バッテリセルが前記第１方向に複数積層されたバッテリモジュールであって、
   積層された前記バッテリセルを収容する外殻部と、
   前記第１方向に隣り合う前記バッテリセル同士の間に設けられる弾性部材と、
   前記各バッテリセルを前記外殻部に対して固定するための固定部と、を更に備え、
   前記弾性部材は、前記第１の面部の中央部分を覆うように配置され、
   前記固定部は前記第１の面部の外周部分を覆うように配置されていることを特徴とするバッテリモジュール。
2. 請求項１に記載のバッテリモジュールにおいて、
   前記弾性部材は、前記第１方向から見て、前記電極体の全体を覆う大きさを有することを特徴とするバッテリモジュール。
3. 請求項１又は２に記載のバッテリモジュールにおいて、
   前記固定部は、前記バッテリセルの外周部分を覆うように形成された樹脂製のフレームで構成されており、
   前記フレーム内に前記バッテリセルを嵌めた状態で、該フレームを前記外殻部に固定することで、前記バッテリセルが前記外殻部に対して固定されることを特徴とするバッテリモジュール。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載のバッテリモジュールにおいて、
   前記外殻部は、
   積層された前記バッテリセルの全体を、前記第１方向の両側から挟むようにそれぞれ配置される一対のエンドプレートと、
   前記第１方向に延び、積層された前記バッテリセルの全体を、前記第２方向の両側から挟むようにそれぞれ配置される一対のサイドプレートと、
   を有し、
   前記固定部は、前記各サイドプレートと前記バッテリセルとの間にそれぞれ位置するとともに、前記一対のサイドプレートに対してそれぞれ固定されることを特徴とするバッテリモジュール。
5. 請求項４に記載のバッテリモジュールにおいて、
   前記各サイドプレートは、前記第１方向の両側端部に設けられかつ前記第１方向に延びた後、前記第２方向の前記バッテリセル側に折れ曲がって延びるフランジ部をそれぞれ有し、
   前記各エンドプレートは、前記フランジ部とボルトでそれぞれ結合されていることを特徴とするバッテリモジュール。
6. 請求項４又は５に記載のバッテリモジュールにおいて、
   前記複数のバッテリセルを前記外殻部に収容させたバッテリ積層体が取り付けられる筐体を更に有し、
   前記各サイドプレートは、前記第２方向における前記バッテリセルとは反対側に向かって延びかつ前記筐体に固定されるブラケットをそれぞれ有し、
   前記筐体は、前記ブラケットと結合しかつ前記バッテリ積層体を支持する支持部を有することを特徴とするバッテリモジュール。
7. 請求項６に記載のバッテリモジュールにおいて、
   複数の前記バッテリ積層体が前記第２方向に並んだ状態で、前記筐体にそれぞれ取り付けられる構成であり、
   前記ブラケットは、複数あるとともに、前記支持部に第３方向から載置された状態で該支持部に取り付けられ、
   前記第２方向の一側のサイドプレートに設けられた各ブラケットと、前記第２方向の他側のサイドプレートに設けられた各ブラケットとは、互いに千鳥状に配置されていることを特徴とするバッテリモジュール。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載のバッテリモジュールにおいて、
   前記弾性部材が隣接する前記バッテリセルを押す押力は、１ｋＮ〜１０ｋＮに設定されていることを特徴とするバッテリモジュール。
9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載のバッテリモジュールにおいて、
   車両に搭載されるものであり、
   前記複数のバッテリセルを前記外殻部に収容させたバッテリ積層体の前記第１方向の長さは、一対のサイドフレーム間の長さと等しいことを特徴とするバッテリモジュール。

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