JP2021190161A - 電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】適切な拘束圧を組電池に印加可能でありつつ、セルの交換が容易な電池パックを提供する。【解決手段】電池パック１は、直線状に配列された複数のセル４１を含む組電池４と、エンドプレート５１，５２と、スクリュー機構７と、バネ部材８とを備える。第１および第２のエンドプレート５１，５２は、複数のセル４１の配列方向に関して組電池４の両側に配置され、各々が配列方向に沿って移動可能に構成されている。スクリュー機構７は、エンドプレート５１に接続され、エンドプレート５１の位置を配列方向に沿って調整するように構成されている。バネ部材８は、収容ケース３の側面３２とエンドプレート５２との間に接続され、エンドプレート５２の変位に伴い配列方向に弾性変形するように構成されている。【選択図】図４

Description

本開示は、電池パックに関し、より特定的には、組電池を備えた電池パックに関する。

近年、多くの車両に走行用バッテリとして電池パックが搭載されている。電池パックは、１またはそれ以上の電池スタック（電池モジュールまたは電池ブロックとも呼ばれる）を含む。各電池スタックは、複数のセル（単電池）が配列された組電池を含む。

特開２０１９−１２５４５５号公報（特許文献１）に開示された電池パックは、複数のセルが積層した積層体の積層方向にかかる圧力を調整する圧力調整部材を備える。この圧力調整部材は、積層体の積層方向に弾性変形可能な複数のバネを含む。

特開２０１９−１２５４５５号公報

典型的な電池スタックにおいては、棒材および板材等の拘束部材により組電池が拘束されている。拘束部材による拘束により、組電池を圧縮する方向の圧力が組電池に印加される。このような圧力は「拘束圧」と称される。適切な拘束圧を組電池に印加することで組電池の電池性能を担保できる。

組電池に含まれる複数のセルのうちのいずれかのセルに異常が発生する可能性がある。異常が発生したセル（異常セル）を交換する場合、拘束部材を外して拘束圧を除去し、異常セルを新たなセルに交換し、その後、拘束圧を再び印加することになる。しかし、そのような工程は非常に手間がかかる。したがって、異常セルが少数（たとえば１つ）である場合には、そのセルのみを交換すればよいものの、電池スタックごと交換することが一般的である。言い換えると、一般的には電池スタックが交換単位である。

また、たとえば特許文献１に開示されているように、バネを用いて組電池に拘束圧を印加することも考えられる。しかし、電池性能を担保可能な拘束圧は比較的高い。そのため、依然として、セル単位での交換は困難である。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、本開示の目的は、適切な拘束圧を組電池に印加可能でありつつ、セルの交換が容易な電池パックを提供することである。

本開示のある局面に従う電池パックは、直線状に配列された複数のセルを含む組電池と、第１および第２のエンドプレートと、駆動機構と、バネ部材とを備える。第１および第２のエンドプレートは、複数のセルの配列方向に関して組電池の両側に配置され、各々が配列方向に沿って移動可能に構成されている。駆動機構は、第１のエンドプレートに接続され、第１のエンドプレートの位置を配列方向に沿って調整して調整するように構成されている。バネ部材は、配列方向に固定された固定部材と第２のエンドプレートとの間に接続され、第２のエンドプレートの変位に伴い配列方向に弾性変形するように構成されている。

上記構成においては、第１のエンドプレートの位置を配列方向に沿って調整して第１のエンドプレートと第２のエンドプレートとの間の距離が狭まるように駆動機構を調整することにより、組電池に印加される拘束圧を増大させることができる。これにより、適切な拘束圧を組電池に印加できる。一方で、組電池内のいずれかのセルに異常が発生した場合には、第１のエンドプレートと第２のエンドプレートとの間の距離が広がるように駆動機構を調整することにより、拘束圧を低下させることができる。これにより、セル単位での交換が可能になる。したがって、上記構成によれば、適切な拘束圧を組電池に印加可能でありつつ、容易にセルを交換できる。

適切な拘束圧を組電池に印加可能でありつつ、セルの交換が容易な電池パックを提供できる。

本実施の形態に係る電池パックの使用例を示す模式図である。 電池スタックの構造を概略的に示す斜視図である。 本実施の形態に係る電池パックの構成を示す平面図（上面図）である。 本実施の形態に係る電池パック１の構成を示す側面図である。 電池スタックの組み付け時における拘束圧の管理手法を説明するための図である。 セルの膨張時における拘束圧を説明するための図である。 異常が発生したセルの交換手順を説明するための図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一または相当部分には図中同一符号を付し、その説明は繰り返さない。

［実施の形態］
＜車両構成＞
図１は、本実施の形態に係る電池パックの使用例を示す模式図である。図１に示すように、本実施の形態に係る電池パック１は、たとえば車両９に搭載される。電池パック１の搭載位置は、荷室内であってもよいし車室下方であってもよい。車両９は、走行用バッテリが搭載される車両であれば特に限定されるものではなく、ハイブリッド車両、プラグインハイブリッド車両、電気自動車または燃料電池車などである。

電池パック１は、１以上の電池スタック２と、それらの電池スタック２を収容する収容ケース３とを備える。電池スタック２の個数は特に限定されるものではないが、典型的には数個である。電池スタック２の構造については図２にて説明する。

電池パック１には、電池スタック２を冷却するための冷媒が流れる冷媒経路９１が設けられている。冷媒経路９１は、冷媒ダクト９２により冷媒供給源９３に接続されている。冷媒供給源９３は、冷媒ダクト９２を介して冷媒経路９１へと流れる冷媒を供給する。冷媒供給源９３は、たとえば送風ファンであり、その場合には冷媒は冷却風である。ただし、電池パック１の冷却方式は空冷式に限られず、液冷式であってもよい。なお、本開示に係る電池パック１の用途は車両用に限定されず、たとえば定置用であってもよい。

＜電池スタック構成＞
図２は、電池スタック２の構造を概略的に示す斜視図である。図２を参照して、電池スタック２は、組電池４と、一対のエンドプレート５１，５２とを含む。組電池４は、複数のセル（単電池）４１と、複数のスペーサ４２とを含む。

複数のセル４１は、直線状（一列）に配列されている。以下、この方向を「配列方向Ｌ」と記載する。複数のセル４１の各々は角型形状を有する。なお、図２に示すセル４１の個数は、例示に過ぎないことを確認的に記載する。セル４１の個数は、電池スタック２に求められる寸法および性能に応じて適宜設定される。

各セル４１は、リチウムイオン電池またはニッケル水素電池等の二次電池である。この二次電池は、液状の電解質を用いるもの（液系電池）であってもよいし、固体状の電解質を用いるもの（全固体電池）であってもよい。図示しないが、互いに隣り合う２つ（３以上であってもよい）のセル４１は、導電性のバスバーにより電気的に接続されている。

なお、セル４１として、充放電可能に構成された単位キャパシタを採用することも可能である。言い換えると、本開示に係る「組電池」は、複数のキャパシタからなる蓄電体を包含する用語である。

複数のスペーサ４２の各々は、互いに隣り合う２つのセル４１の間の隙間に配置されている。複数のスペーサ４２は、絶縁性の樹脂等により構成されている。スペーサ４２によりセル４１間に冷媒（この例では冷却風）が流れるスペースが確保され、セル４１の冷却が促進される。ただし、スペーサ４２は必須の構成要素ではない。

エンドプレート５１とエンドプレート５２とは、複数のセル４１の配列方向Ｌに関して組電池４の両外側に配置されている。エンドプレート５１は、配列方向Ｌにおける組電池４の一方端に配置されている。エンドプレート５２は、配列方向Ｌにおける組電池４の他方単に配置されている。エンドプレート５１，５２の各々は、たとえば硬質のプラスチックにより構成されている。エンドプレート５１，５２は、金属材料（アルミニウム等）により構成されていてもよい。なお、エンドプレート５１は本開示に係る「第１のエンドプレート」に相当し、エンドプレート５２は本開示に係る「第２のエンドプレート」に相当する。

＜異常セルの交換＞
典型的な電池スタックにおいては、拘束部材により組電池を拘束することで拘束圧が組電池に印加される。適切な拘束圧を組電池に印加することで組電池の電池性能を担保できる。一方、組電池に含まれるいずれかのセルに異常が発生し、その異常セルの交換が必要になった場合、拘束部材を外して拘束圧を除去し、異常セルを新たなセルに交換し、その後、拘束圧を再び印加することになる。このような工程は非常に手間がかかる。したがって、たとえ異常セルが１つのみであっても電池スタックごと交換することが一般的である。しかし、交換に際しての部材コスト低減の観点からは異常セルのみを交換可能であることが望ましい。

そこで、本実施の形態においては、組電池４を挟み込むエンドプレート５１，５２に、拘束圧を調整可能な拘束圧の印加機構を設ける構成を採用する。より詳細には、エンドプレート５１側にスクリュー機構７を設ける一方で、エンドプレート５２側にバネ部材８を設ける。これにより、以下に説明するように、適切な拘束圧を組電池４に印加可能でありつつ、異常セルを容易に交換することが可能になる。

＜拘束圧の印加機構＞
図３は、本実施の形態に係る電池パック１の構成を示す平面図（上面図）である。図４は、本実施の形態に係る電池パック１の構成を示す側面図である。図３および図４を参照して、収容ケース３は、たとえば略直方体形状を有する。収容ケース３は、複数のセル４１の配列方向Ｌに関して対向する側面（内壁）３１，３２と、底面３３とを有する。なお、図面が煩雑になるのを避けるため、図３および図４では収容ケース３内に１つの電池スタック２のみが図示されているが、２以上の電池スタック２が収容されていてもよい。

本実施の形態において、エンドプレート５１，５２の各々は可動式である。より詳細には、収容ケース３の底面３３にレール６１，６２が配置されている。レール６１は、複数のセル４１の配列方向Ｌに沿ってエンドプレート５１を移動させることが可能なように設けられている。同様に、レール６２は、複数のセル４１の配列方向Ｌに沿ってエンドプレート５２を移動させることが可能なように設けられている。

収容ケース３の対向する一方の側面３１とエンドプレート５１との間には、スクリュー機構７が配置されている。収容ケース３の対向する他方の側面３２とエンドプレート５２との間には、バネ部材８が配置されている。

スクリュー機構７は、たとえば精密ボールねじ機構を含み、複数のセル４１の配列方向Ｌに沿ってエンドプレート５１の位置を調整し、調整した位置にエンドプレート５１を固定することが可能に構成されている。この調整は、電池スタック２の組み付け工程を担当する作業員が手動で実行してもよいし、電池スタック２の組み付け装置（図示せず）が自動で実行してもよい。なお、スクリュー機構７は、本開示に係る「駆動機構」に相当する。

バネ部材８は、複数のセル４１の配列方向Ｌに沿ってエンドプレート５２が変位するのに伴って配列方向Ｌに弾性変形する。バネ部材８に用いられるバネの種類は特に限定されず、コイルバネ、皿バネ、板バネ、空気バネなどの各種バネを採用できる。

なお、この例では、収容ケース３の側面３２が本開示に係る「固定部材」に相当する。ただし、本開示に係る「固定部材」が収容ケース３の壁面などとして収容ケース３と一体的に構成されていることは必須ではない。「固定部材」は、収容ケース３とは別々の構造（たとえば、「ついたて」のような構造）であってもよい。

＜組み付け時＞
図５は、電池スタック２の組み付け時における拘束圧の管理手法を説明するための図である。図５を参照して、電池スタック２の組み付け時には、スクリュー機構７を操作（調整）することで、スクリュー機構７からバネ部材８に向かう方向（右方向）にエンドプレート５１を変位させる（矢印ＡＲ１参照）。そうすると、エンドプレート５１が変位するに従ってバネ部材８の長さが次第に短くなる（矢印ＡＲ２参照）。そして、バネ部材８の長さが規定の長さに達した時点でエンドプレート５１の変位を停止し、エンドプレート５１の位置を固定する。

バネ部材８が組電池４（エンドプレート５２）を配列方向Ｌに押す力Ｆと、バネ部材８の配列方向Ｌの圧縮量Δｘとの間には、フックの法則（Ｆ＝ｋΔｘ）が成り立つ。ｋはバネ部材８のバネ定数であり、バネ部材８の仕様により既知である。したがって、バネ部材８の圧縮量Δｘから力Ｆを決定できる。

電池スタック２の組み付けに先立ち、所望の拘束圧に相当する力Ｆを算出し、その力Ｆに応じた圧縮量Δｘを算出しておく。そして、電池スタック２の組み付け時には、バネ部材８の長さが初期長さ（自然長）から圧縮量Δｘだけ短くなった時点でエンドプレート５１の変位を停止する。すべての電池スタック２を同様の手順により組み付けることで、すべての組電池４に所望の規定値の拘束圧を印加することが可能である。

拘束圧を規定値に管理するため、エンドプレート５１，５２のうちの一方と組電池４との間に拘束圧の検出器（たとえば面圧センサ）を設置することとも考えられる。しかし、検出器の分だけ電池パック１の部材コストが増大し得る。これに対し、本実施の形態によれば、検出器を削減できるので、電池パック１の部材コストを削減できる。

＜セル膨張時＞
図６は、セル４１の膨張時における拘束圧を説明するための図である。図６を参照して、組電池４の劣化に伴い、組電池４に含まれる複数のセル４１のうちの１以上のセルが膨張し、組電池４の体積が増加し得る（図中、膨張したセルにハッチングを付して示す）。組電池４の体積が増加した場合、組電池４からエンドプレート５１，５２に作用する圧力が大きくなる分だけ、組電池４がエンドプレート５１，５２から受ける反力も大きくなる。その結果、組電池４に印加される拘束力が増大する。

本実施の形態においては、組電池４の体積が増加すると、それに応じてエンドプレート５２がスクリュー機構７からバネ部材８に向かう方向（右方向）に変位し（矢印ＡＲ３参照）、バネ部材８を収縮させる。これにより、両方のエンドプレート５１，５２の位置が固定されている仮想的な構成（たとえば特許文献１参照）と比べて、組電池４の劣化に伴う拘束圧の増大量を抑制できる。したがって、本実施の形態によれば、適切な拘束圧を組電池４に継続的に印加することが可能である。

＜セル交換時＞
図７は、異常が発生したセル４１（異常セル）の交換手順を説明するための図である。図７を参照して、異常セルの交換時には、スクリュー機構７を操作することで、バネ部材８からスクリュー機構７に向かう方向（左方向）にエンドプレート５１を変位させる（矢印ＡＲ４参照）。これにより、エンドプレート５１とエンドプレート５２との間の距離が広がるため、組電池４に印加される拘束圧が低下する（拘束圧が抜ける）。その結果、異常セルのみを取り外すことが可能になる。

異常セルを取り外して正常セル（新たなセル）と交換した後には、図５にて説明したように、バネ部材８の長さが規定の長さに達するまで、スクリュー機構７からバネ部材８に向かう方向（右方向）にエンドプレート５１を戻す。これにより、セル交換後の組電池４に規定値の拘束圧を再び印加できる。

以上のように、本実施の形態においては、スクリュー機構７に対する操作によりエンドプレート５１，５２間の距離が狭めることによって、組電池４に印加される拘束圧を増大させることができる。特に、バネ部材８の長さを制御することで、拘束圧を所望の値（規定値）に調整して適切な拘束圧を組電池４に印加できる。一方で、異常セルが発生した場合には、スクリュー機構７に対する操作によりエンドプレート５１，５２間の距離が広げることによって、組電池４に印加される拘束圧を低下させることができる。これにより、異常セルのみを容易に取り外し、新たなセルに交換することが可能になる。よって、本実施の構成によれば、適切な拘束圧を組電池４に印加可能でありつつ、容易にセル４１を交換できる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 電池パック、２ 電池スタック、３ 収容ケース、３１，３２ 側面、３３ 底面、４ 組電池、４１ セル、４２ スペーサ、５１，５２ エンドプレート、６１，６２ レール、７ スクリュー機構、８ バネ部材、９ 車両、９１ 冷媒経路、９２ 冷媒ダクト、９３ 冷媒供給源。

Claims (1)

1. 直線状に配列された複数のセルを含む組電池と、
   前記複数のセルの配列方向に関して前記組電池の両側に配置され、各々が前記配列方向に沿って移動可能に構成された第１および第２のエンドプレートと、
   前記第１のエンドプレートに接続され、前記第１のエンドプレートの位置を前記配列方向に沿って調整するように構成された駆動機構と、
   前記配列方向に固定された固定部材と前記第２のエンドプレートとの間に接続され、前記第２のエンドプレートの変位に伴い前記配列方向に弾性変形するように構成されたバネ部材とを備える、電池パック。
   

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