JP2022099718A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より小型化され、強度剛性が向上した蓄電装置を提供する。【解決手段】蓄電装置は、樹脂製の絶縁部材、及び電池セルが互いに交互に積層されてなるセルモジュールと、積層方向に延びるとともに、樹脂よりも高い剛性を有する材料で形成され、セルモジュールを積層方向に直交する複数の方向から囲う複数の構造部材と、複数の構造部材同士を互いに近接する方向に締め付ける拘束材と、構造部材を基準としてセルモジュールを積層方向の両側から押圧する押さえ板と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、蓄電装置に関する。

近年、リチウムイオン電池に代表される電池セルを有する蓄電装置が、産業機械や輸送機械の電源として広く用いられている。この種の蓄電装置では、板状の電池セルと絶縁部材とが交互に複数積層されることで１つの大きなセルモジュールが構成されている。電池セルを積層した状態で保持するために、例えば下記特許文献１に示されるように、箱型の容器によって外側からセルモジュールを覆う構成が知られている。また、下記特許文献２に示されるように、複数の電池セルを拘束バンドで両端側から保持する構成も提唱されている。

特表２０１３－５１９２０３号公報 特開２００７－１１５４３７号公報

しかしながら、上記特許文献１のように箱型の容器に電池セルを収容した場合、蓄電装置全体の寸法体格が大型化してしまう。また、電池セルごとの寸法の個体差を吸収しきれずにセルモジュールを容器に正常に収容できなくなる虞もある。さらに、上記特許文献２のように拘束バンドで電池セルを保持する構成では、拘束バンド自体の剛性が小さいことから、蓄電装置としての強度剛性が不足し、セルモジュールを安定的に保持できない可能性がある。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、より小型化され、強度剛性が向上した蓄電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る蓄電装置は、樹脂製の絶縁部材、及び電池セルが互いに交互に積層されてなるセルモジュールと、前記積層方向に延びるとともに、前記樹脂よりも高い剛性を有する材料で形成され、前記セルモジュールを前記積層方向に直交する複数の方向から囲う複数の構造部材と、前記複数の構造部材同士を互いに近接する方向に締め付ける拘束材と、前記構造部材を基準として前記セルモジュールを前記積層方向の両側から押圧する押さえ板と、を備える。

本開示によれば、より小型化され、強度剛性が向上した蓄電装置を提供することができる。

本開示の実施形態に係る蓄電装置の構成を示す斜視図である。 本開示の実施形態に係る絶縁部材の構成を示す斜視図である。 本開示の実施形態に係る絶縁部材の構成を示す正面図である。 本開示の実施形態に係る電池セルと絶縁部材の構成を示す分解図である。

（蓄電装置の構成）
以下、本開示の実施形態に係る蓄電装置１００について、図１から図４を参照して説明する。図１又は図３に示すように、蓄電装置１００は、セルモジュール１０と、構造部材２０と、固定ブロック３０と、拘束材４０と、押さえ板５０と、押さえねじ６０と、ゴム板Ｒ（図３参照）と、を備えている。

セルモジュール１０は、絶縁部材１と、電池セル２とを交互に積層することで構成されている。本実施形態では一例として１２個の電池セル２が積層されている。なお、電池セル２の数は１２個に限定されず、設計や仕様に応じて適宜変更することが可能である。また、以下の説明では、電池セル２が積層される方向を単に「積層方向Ｄ」と呼ぶ。

（絶縁部材、電池セルの構成）
絶縁部材１は、積層方向Ｄに隣接する一対の電池セル２同士の間を電気的に絶縁するために設けられた樹脂製の部材である。図２に示すように、絶縁部材１は、絶縁部材本体１１と、保持部１２と、流路形成部１３と、を有している。絶縁部材本体１１は、矩形板状をなしている。積層方向Ｄから見た場合の絶縁部材本体１１の寸法（面積）は電池セル２の寸法と同一かわずかに大きく設定されている。絶縁部材本体１１における積層方向Ｄを向く一対の面はそれぞれ主面１１Ａとされている。主面１１Ａにおける一部の領域には、主面１１Ａから積層方向Ｄに突出する流路形成部１３が設けられている。具体的には流路形成部１３は、積層方向Ｄから見て、主面１１Ａの側方の端縁に接する矩形状をなしている。つまり、流路形成部１３は主面１１Ａの上方の端縁、及び下方の端縁には接していない。流路形成部１３の積層方向Ｄを向く面は突出面１３Ａとされている。

絶縁部材本体１１の外周側の端縁には、主面１１Ａを囲うようにして当該端縁から積層方向Ｄに突出する矩形枠状の保持部１２が設けられている。保持部１２は、絶縁部材本体１１の端縁から積層方向Ｄの両側に向かってそれぞれ１つずつ形成されている。また、保持部１２の各端縁のうち、上側に位置する端縁には積層方向Ｄに向かって凹む端子孔１４が形成されている。さらに、保持部１２のうち、側方に位置する部分には、主面１１Ａ側と外部とを連通する開口部Ｈがそれぞれ形成されている。また、保持部１２のうち、下方に位置する部分には下方開口部Ｈｂが形成されている。

以上のように構成された絶縁部材１に対して、図４に示すように、積層方向Ｄの両側から電池セル２が取り付けられている。電池セル２は、矩形板状をなしており、その上面には２つの端子Ｔが設けられている。電池セル２は、保持部１２によって囲まれた空間に収容される。複数（１２個）の電池セル２を同様の方法で絶縁部材１に積層し、セルモジュール１０が形成される。また、端子Ｔは上述した端子孔１４から外部に突出した状態となる。なお、図２では、セルモジュール１０の端部以外に配置される絶縁部材１の形状を例示している。一方で、セルモジュール１０の端部に配置される絶縁部材１では、保持部１２が積層方向Ｄの一方側にのみ設けられている。つまり、保持部１２が設けられていない側の面には突出物が設けられておらず、平坦である。さらに、このように保持部１２が一方側にのみ設けられている絶縁部材１を、セルモジュール１０の端部以外に設けることも可能である。

また、電池セル２を絶縁部材１に組み合わせた時、電池セル２は上記の主面１１Ａではなく、流路形成部１３の突出面１３Ａに当接した状態となっている。このため、流路形成部１３の厚さの分だけ、電池セル２と主面１１Ａとの間には隙間（空間）が形成される。この空間は、開口部Ｈと連通することで外部から空気が流入する冷却流路Ｆとして機能する。具体的には図２中に矢印で示すように、一対の開口部Ｈから流入した空気は、主面１１Ａに沿って互いに近接する方向に流れた後、一対の流路形成部１３同士の間の空間を上方に向かって進む。この中途で電池セル２が冷却される。なお、詳しくは図示しないが、保持部１２の上側の端面に空気の排出口を設けることが望ましい。

（構造部材、固定ブロック、拘束材の構成）
図１に示すように、セルモジュール１０の４つの角部にはそれぞれ積層方向Ｄに延びる構造部材２０が配置されている。構造部材２０は、図１の例では、Ｌ字型の断面形状を有する形鋼である。この構造部材２０によってセルモジュール１０の角部が外側から覆われている。なお、より具体的には図３に示すように、構造部材２０とセルモジュール１０（絶縁部材１）の間にはゴム板Ｒが介在している。構造部材２０の積層方向Ｄにおける寸法は、セルモジュール１０の積層方向Ｄにおける寸法よりも大きく設定されている。

構造部材２０の積層方向Ｄにおける両端部にはそれぞれ固定ブロック３０が設けられている。固定ブロック３０は、構造部材２０に対して溶接によって固定されている。固定ブロック３０は直方体状をなし、Ｌ字型をなす構造部材２０の内側（つまり、セルモジュール１０を向く側）の端面に固定されている。固定ブロック３０の各面のうち、積層方向Ｄに直交する方向を向く２つの面（つまり、一対の固定ブロック３０における互いに対向する２つの面）には、それぞれ積層方向Ｄに直交する方向に延びる第一ねじ穴ｈ１が形成されている。

これら第一ねじ穴ｈ１には拘束材４０が挿入されている。拘束材４０は棒状をなすとともにその両端部にねじ溝が形成されている。積層方向Ｄに直交する方向で互いに対向する一対の第一ねじ穴ｈ１に対して１つの拘束材４０がねじ込まれている。つまり、積層方向Ｄのそれぞれの端部では、４つの固定ブロック３０に対して、４つの拘束材４０が取り付けられている。拘束材４０は固定ブロック３０同士を互いに近接する方向に締め付けるように張力を伴って取り付けられている。これにより、固定ブロック３０を介して４つの構造部材２０に対して、互いに近接する方向の力が加わっている。

（押さえ板、押さえねじの構成）
セルモジュール１０の積層方向Ｄにおける両端面には、押さえ板５０が積層されている。なお、詳しくは図示しないが、セルモジュール１０と押さえ板５０との間には絶縁のためのゴム板が設けられることが望ましい。押さえ板５０は、絶縁部材１（セルモジュール１０）と同一かわずかに小さな寸法（面積）を有する矩形板状をなしている。

上記の固定ブロック３０の各面のうち、セルモジュール１０側を向く面には、積層方向Ｄに延びる第二ねじ穴ｈ２が形成されている。この第二ねじ穴ｈ２には、押さえねじ６０が挿入されている。押さえねじ６０を締め込むことによって、押さえ板５０が積層方向Ｄに押圧されている。つまり、一対の押さえ板５０によってセルモジュール１０が積層方向Ｄの両側から押圧されている。なお、押さえ板５０を押さえねじ６０によらず、拘束バンド等の他の部材によって押圧する構成を採ることも可能である。

（作用効果）
次いで、蓄電装置１００の使用方法の一例について説明する。蓄電装置１００を使用するに当たっては、電池セル２を十分に充電した状態で、端子Ｔに所定の配線ケーブルを接続する。この配線ケーブルを通じて外部の機器に電力が供給される。

ここで、上記のような蓄電装置１００を構成する場合、従来は箱型の容器にセルモジュールを収容することが一般的であった。また、その他、樹脂製の拘束バンドによってセルモジュールの積層状態を維持する方法も知られている。

しかしながら、箱型の容器に電池セル２を収容した場合、蓄電装置１００全体の寸法体格が大型化してしまう。また、電池セル２ごとの寸法の個体差を吸収しきれずにセルモジュール１０を正常に収容できなくなる虞もある。さらに、樹脂製の拘束バンドで電池セル２を保持する構成では、拘束バンド自体の剛性が小さいことから、蓄電装置１００としての強度剛性が不足し、セルモジュール１０を安定的に保持できない可能性がある。

そこで、本実施形態では上記のような構造部材２０を用いてセルモジュール１０を外側から囲む構成を採っている。上記構成によれば、樹脂よりも高い剛性を有する構造部材２０によってセルモジュール１０が複数の方向から囲われている。構造部材２０が有する剛性によって、積層方向Ｄに対する曲げ方向への応力に対して十分に抗することができる。これにより、蓄電装置１００としての強度剛性を高めることができる。また、構造部材２０のみによってセルモジュール１０が囲われていることから、例えば箱型の容器を用いた場合に比べてセルモジュール１０を覆う部分の面積が削減されるため、蓄電装置１００の寸法体格や重量を小さく抑えることができる。さらに、これら構造部材２０が拘束材４０によって互いに近接する方向に締め付けられている。したがって、例えば電池セル２ごとに寸法の個体差が生じている場合であっても、当該個体差を吸収して、複数の電池セル２を強固に積層することができる。また、押さえ板５０によってセルモジュール１０を積層方向Ｄの両側からも押圧することで、電池セル２と絶縁部材１とをさらに強固に積層することができる。その結果、蓄電装置１００をより安定的に使用することが可能となる。

さらに、上記構成によれば、構造部材２０によって電池セル２（セルモジュール１０）の角部が外側から覆われている。蓄電装置１００に外力が加わった場合、角部では応力集中が特に生じやすい。上記構成によれば、この角部に構造部材２０が設けられていことから、このような応力に対して十分に抗することができる。その結果、蓄電装置１００の強度剛性をさらに高めることが可能となる。

また、上記構成によれば、拘束材４０を固定ブロック３０の第一ねじ穴ｈ１に挿入することで、固定ブロック３０を介して構造部材２０同士を互いに近接する方向に締め付けることができる。これにより、セルモジュール１０の積層状態をより安定的に維持することができる。また、拘束材４０のねじこみ量を調整することで、電池セルごとの寸法の個体差を柔軟に吸収することができる。さらに、拘束材４０の長さを変えることで、寸法の異なる多種類の電池セル２に構造部材２０を含む構成を適用することが可能となる。これにより、装置の汎用性を高めることができる。

加えて、上記構成によれば、押さえねじ６０を固定ブロック３０の第二ねじ穴ｈ２に挿入することで、固定ブロック３０を基準として押さえ板５０を積層方向Ｄに押圧することができる。これにより、セルモジュール１０の積層状態をより安定的に維持することが可能となる。また、押さえねじ６０のねじこみ量を調整することで、電池セル２ごとの寸法の個体差を柔軟に吸収することができる。さらには、押さえねじ６０の長さを変えることで、一例として上述した１２個よりも少ない数、又は多い数の電池セル２を有するセルモジュール１０にも本実施形態に係る構成を適用することができる。これにより、装置の汎用性をさらに高めることができる。

また、ゴム板Ｒを設けた場合には、ゴム板Ｒが構造部材２０とセルモジュール１０とに挟まれて弾性変形することで、電池セル２ごとの寸法の個体差をさらに柔軟に吸収することができる。また、構造部材２０とセルモジュール１０との間の絶縁性を高めることもできる。

さらに、上記構成によれば、電池セル２と絶縁部材１との間に冷却流路Ｆが形成されている。これにより、電池セル２を効率的に冷却することができる。特に、絶縁部材１に流路形成部１３を設けた上で電池セル２と絶縁部材１を積層することのみによって冷却流路Ｆとしての空間を確保することができる。これにより、冷却流路Ｆを形成するための専用部品が不要となるため、部品点数及び組立工数の削減を図ることもできる。

また、上記構成によれば、開口部Ｈを通じて冷却流路Ｆ内に外気が流れ込むことで、電池セル２をより効率的に冷却することが可能となる。

（その他の実施形態）
以上、本開示の実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

例えば、上記実施形態では、電池セル２が矩形板状をなしている場合について説明した。しかしながら、電池セル２の形状は矩形板状に限定されず、円盤状であってもよい。この場合、上述の構造部材２０は円盤の外周面に合わせてＣ字状の型鋼によって構成されることが望ましい。このような構造部材２０を外周面上で周方向に間隔をあけて複数配置し、上述の拘束材４０、及び押さえ板５０を用いることで、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、構造部材２０がＬ字型の形鋼である例について説明した。しかしながら、構造部材２０の形状はＬ字型に限定されず、Ｈ型の形鋼を構造部材２０として用いることも可能である。この場合、構造部材２０に沿って配線ケーブルを収容する空間を確保することが可能となる。その結果、配線ケーブルの取り回しを容易に行うことができる。

さらに、上記実施形態で説明した拘束材４０に代えて、拘束バンドによって固定ブロック３０同士を締め付ける構成を採ることも可能である。

加えて、上記実施形態で説明したゴム板Ｒを備えない構成を採ることも可能である。

＜付記＞
各実施形態に記載の蓄電装置１００は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る蓄電装置１００は、樹脂製の絶縁部材１、及び電池セル２が互いに交互に積層されてなるセルモジュール１０と、前記積層方向Ｄに延びるとともに、前記樹脂よりも高い剛性を有する材料で形成され、前記セルモジュールを前記積層方向Ｄに直交する複数の方向から囲う複数の構造部材２０と、前記複数の構造部材２０同士を互いに近接する方向に締め付ける拘束材４０と、前記構造部材２０を基準として前記セルモジュール１０を前記積層方向Ｄの両側から押圧する押さえ板５０と、を備える。

上記構成によれば、樹脂よりも高い剛性を有する構造部材２０によってセルモジュール１０が複数の方向から囲われている。これにより、蓄電装置１００としての強度剛性を高めることができる。また、構造部材２０のみによってセルモジュールが囲われていることから、例えば箱型の容器を用いた場合に比べて蓄電装置１００の寸法体格や重量を小さく抑えることができる。さらに、これら構造部材２０が拘束材４０によって互いに近接する方向に締め付けられている。したがって、例えば電池セル２ごとに寸法の個体差が生じている場合であっても、当該個体差を吸収して、複数の電池セル２を強固に積層することができる。また、押さえ板５０によってセルモジュール１０を積層方向Ｄからも押圧することで、電池セル２をさらに強固に積層することができる。

（２）第２の態様に係る蓄電装置１００では、前記電池セル２は、前記積層方向Ｄから見て矩形の断面形状を有し、前記構造部材２０は、前記電池セル２の角部をそれぞれ外側から覆うように配置されている。

上記構成によれば、構造部材２０によって電池セル２の角部が外側から覆われている。蓄電装置１００に外力が加わった場合、角部では応力集中が特に生じやすい。上記構成によれば、このような応力に対して十分に抗することができる。

（３）第３の態様に係る蓄電装置１００は、前記構造部材２０の端部に設けられ、前記近接する方向に延びる第一ねじ穴ｈ１が形成された固定ブロック３０をさらに備え、前記拘束材４０は、前記第一ねじ穴ｈ１に挿入されるねじ溝を有する。

上記構成によれば、拘束材４０を固定ブロック３０の第一ねじ穴ｈ１に挿入することで、固定ブロック３０を介して構造部材２０同士を互いに近接する方向に締め付けることができる。また、拘束材４０のねじこみ量を調整することで、電池セル２ごとの寸法の個体差を柔軟に吸収することができる。

（４）第４の態様に係る蓄電装置１００は、前記構造部材２０の端部に設けられ、前記積層方向Ｄに延びる第二ねじ穴ｈ２が形成された固定ブロック３０をさらに備え、前記第二ねじ穴ｈ２には、前記押さえ板５０を前記積層方向Ｄに押圧する押さえねじ６０が挿入されている。

上記構成によれば、押さえねじ６０を固定ブロック３０の第二ねじ穴ｈ２に挿入することで、固定ブロック３０を基準として押さえ板５０を積層方向Ｄに押圧することができる。また、押さえねじ６０のねじこみ量を調整することで、電池セル２ごとの寸法の個体差を柔軟に吸収することができる。

（５）第５の態様に係る蓄電装置１００は、前記構造部材２０と前記セルモジュール１０との間に設けられたゴム板Ｒをさらに備える。

上記構成によれば、ゴム板Ｒが構造部材２０とセルモジュール１０とに挟まれて弾性変形することで、電池セル２ごとの寸法の個体差をさらに柔軟に吸収することができる。また、構造部材２０とセルモジュール１０との間の絶縁性を高めることもできる。

（６）第６の態様に係る蓄電装置１００では、前記絶縁部材１は、前記積層方向Ｄに隣接する一対の前記電池セル２同士を隔てる絶縁部材本体１１と、該絶縁部材本体１１の外周側の端縁から前記積層方向Ｄに突出することで前記電池セル２を外周側から覆う保持部１２と、前記絶縁部材本体１１における前記電池セル２側を向く面から突出することで該絶縁部材本体１１と前記電池セル２との間に冷却流路Ｆとしての空間を形成する流路形成部１３と、を有する。

上記構成によれば、電池セル２と絶縁部材１との間に冷却流路Ｆが形成されている。これにより、電池セル２を効率的に冷却することができる。特に、絶縁部材１に流路形成部１３を設けた上で電池セル２と絶縁部材１を積層することのみによって冷却流路Ｆとしての空間を確保することができる。これにより、部品点数及び組立工数の削減を図ることもできる。

（７）第７の態様に係る蓄電装置１００では、前記絶縁部材本体１１の側面には、前記冷却流路Ｆに連通する開口部Ｈが形成されている。

上記構成によれば、開口部Ｈを通じて冷却流路Ｆ内に外気が流れ込むことで、電池セル２をより効率的に冷却することが可能となる。

１００ 蓄電装置
１ 絶縁部材
２ 電池セル
１０ セルモジュール
１１ 絶縁部材本体
１１Ａ 主面
１２ 保持部
１３ 流路形成部
１３Ａ 突出面
１４ 端子孔
２０ 構造部材
３０ 固定ブロック
４０ 拘束材
５０ 押さえ板
６０ 押さえねじ
Ｄ 積層方向
ｈ１ 第一ねじ穴
ｈ２ 第二ねじ穴
Ｈ 開口部
Ｒ ゴム板
Ｔ 端子

Claims (7)

1. 樹脂製の絶縁部材、及び電池セルが互いに交互に積層されてなるセルモジュールと、
   前記積層方向に延びるとともに、前記樹脂よりも高い剛性を有する材料で形成され、前記セルモジュールを前記積層方向に直交する複数の方向から囲う複数の構造部材と、
   前記複数の構造部材同士を互いに近接する方向に締め付ける拘束材と、
   前記構造部材を基準として前記セルモジュールを前記積層方向の両側から押圧する押さえ板と、
   を備える蓄電装置。
2. 前記電池セルは、前記積層方向から見て矩形の断面形状を有し、
   前記構造部材は、前記電池セルの角部をそれぞれ外側から覆うように配置されている請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記構造部材の端部に設けられ、前記近接する方向に延びる第一ねじ穴が形成された固定ブロックをさらに備え、
   前記拘束材は、前記第一ねじ穴に挿入されるねじ溝を有する請求項１又は２に記載の蓄電装置。
4. 前記構造部材の端部に設けられ、前記積層方向に延びる第二ねじ穴が形成された固定ブロックをさらに備え、
   前記第二ねじ穴には、前記押さえ板を前記積層方向に押圧する押さえねじが挿入されている請求項１から３のいずれか一項に記載の蓄電装置。
5. 前記構造部材と前記セルモジュールとの間に設けられたゴム板をさらに備える請求項１から４のいずれか一項に記載の蓄電装置。
6. 前記絶縁部材は、
   前記積層方向に隣接する一対の前記電池セル同士を隔てる絶縁部材本体と、
   該絶縁部材本体の外周側の端縁から前記積層方向に突出することで前記電池セルを外周側から覆う保持部と、
   前記絶縁部材本体における前記電池セル側を向く面から突出することで該絶縁部材本体と前記電池セルとの間に冷却流路としての空間を形成する流路形成部と、
   を有する請求項１から５のいずれか一項に記載の蓄電装置。
7. 前記絶縁部材本体の側面には、前記冷却流路に連通する開口部が形成されている請求項６に記載の蓄電装置。

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