JP2023038001A - 電池モジュール及び電池モジュールを備えた電池パック - Google Patents

電池モジュール及び電池モジュールを備えた電池パック Download PDF

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Abstract

Figure 2023038001000001
【課題】製造コストが低減されると共に、その総重量が低減された電池パックを提供する。
【解決手段】本発明の電池パック10は、少なくとも1組の電池モジュール13を備えて構成される。そして、電池モジュール13は、主に、複数の電池セルを有する電池スタック22と、電池スタック22の短手方向の両側面を覆う一対の側面プレート14と、電池スタック22の長手方向の両側面を覆う一対のエンドプレート15と、電池スタック22の底面側を覆う底面プレート16と、を備える。この構造により、電池パック10の収納スペース等に応じて、複数の電池モジュール13のレイアウトが変更可能となる。そして、従来の電池ケースが省略されることで、製造コストが低減されると共に、その総重量が低減される。
【選択図】図2

Description

本発明は、複数の電池モジュールのレイアウトを設置箇所のスペース等に応じて変更可能な電池モジュール及び電池モジュールを備えた電池パックに関する。
従来の複数の電池モジュールを内蔵した電池パックの構造として、例えば、特許文献1に記載の構造が知られている。
電池パックは、電気自動車やハイブリット自動車等の大きな駆動力を要する電動車両に用いられる。電池パックは、複数の電池モジュールと、複数の電池モジュールを互いに間隔をあけて収納する電池ケースと、を有する。そして、電池ケースは、各電池モジュールを固定するトレイ部材と、トレイ部材の上方を覆うカバー部材と、を有する。
また、従来の電池モジュールを内蔵した電池パックの構造として、例えば、特許文献2に記載の構造が知られている。
電池パックは、車両への電池モジュールの搭載効率を向上させるために、電池モジュールを高さ方向に積層して配置する。電池パックでは、ベースフレーム、中間フレーム及びカバー部材を組み付けることで、上下方向に2つの電池モジュールの搭載空間を形成する。そして、電池モジュールは、上記搭載空間に収納され、フレームに設けられたスタックボルトに対して固定される。
特開2016-46211号公報 特開2014-99257号公報
特許文献1に記載の電池パックは、その内部に複数の電池モジュールを収納する電池ケースを有する。電池ケースのトレイ部材は、板金製であり、その上面に直接電池モジュールが載置される。そして、トレイ部材には、電池モジュールを固定するための固定部が設けられ、電池モジュールは、ブラケットを介して上記固定部に対してボルト及びナットにより固定される。
この構造により、電池パックでは、電池モジュールを収納する電池ケースが必要であり、電池パックの製造コストの増加やその重量増に繋がるという課題がある。また、車種毎に電池パックの収納スペースや使用する電池モジュール数が異なるため、電池ケースを車種毎に準備する必要があり、電池パックの製造コストを低減し難いという課題がある。
また、特許文献2に記載の電池パックは、電池モジュールを積層固定するためのフレームを有する。この構造により、電池モジュールとは別体としてのフレームが必要となり、製造コストを低減し難いという課題がある。また、上記フレームの構造により、電池パックとして、電池モジュールを並設固定する場合には、上記フレームを使用出来ないという課題がある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、複数の電池モジュールのレイアウトを設置箇所のスペース等に応じて変更可能な電池モジュール及び電池モジュールを備えた電池パックに関する。
本発明の一実施形態である電池モジュールでは、複数の電池セルが第1方向に配列された電池スタックを有する電池モジュールであって、前記電池スタックの下面を覆う底面プレートと、前記電池スタックの前記第1方向と直交する第2方向の両端部を覆う側面プレートと、前記電池スタックの前記第1方向の両端部を覆うエンドプレートと、を有し、前記側面プレートは、前記電池スタックの上方側へと突出する第1の連結突出部を有し、前記底面プレートは、前記電池スタックの下方側へと突出する第2の連結突出部を有することを特徴とする。
本発明の一実施形態である電池モジュールを備えた電池パックでは、前記電池スタックの上面を覆うと共に、前記第1の連結突出部に対して固定されるカバープレートと、を有し、前記電池モジュール同士は、前記第1の連結突出部と前記第2の連結突出部とを前記電池スタックの高さ方向にて連結させることで積層固定されると共に、前記カバープレートと前記第1の連結突出部とを連結させることで並設固定されることを特徴とする。
本発明の一実施形態である電池モジュールは、電池スタックと、電池スタックの周囲を覆う側面プレート、底面プレート及びエンドプレートと、を備える。この構造により、電池モジュールでは、電池スタックは、車両の振動等により破損することが防止される。
本発明の一実施形態である電池パックは、少なくとも1組の電池モジュールを備えて構成される。そして、電池パックは、電池モジュールの上面を覆うカバープレートを備える。この構造により、電池パックでは、車両等の設置箇所の収納スペースに応じて、複数の電池モジュールのレイアウトが変更可能になる。そして、従来の電池ケースが不要となることで、製造コストが低減され、その総重量が低減される。
本発明の一実施形態である電池モジュールを備えた電池パックを備えた車両を説明する概略図である。 本発明の一実施形態である電池モジュールを説明する斜視図である。 本発明の一実施形態である電池モジュールを説明する分解斜視図である。 本発明の一実施形態である電池モジュールを説明する断面図である。 本発明の一実施形態である電池モジュールを備えた電池パックを説明する斜視図である。 本発明の一実施形態である電池モジュールを備えた電池パックを説明する斜視図である。 本発明の一実施形態である電池モジュールを備えた電池パックを説明する斜視図である。 本発明の一実施形態である電池モジュールを備えた電池パックを説明する斜視図である。 本発明の一実施形態である電池モジュールを説明する斜視図である。 本発明の一実施形態である電池モジュールを説明する断面図である。 本発明の一実施形態である電池モジュールを説明する断面図である。
以下、本発明の一実施形態に係る電池モジュール13及び電池モジュール13を備えた電池パック10を図面に基づき詳細に説明する。尚、本実施形態の説明の際には、同一の部材には原則として同一の符番を用い、繰り返しの説明は省略する。また、紙面前後方向は車両11の前後方向を示し、紙面左右方向は車両11の車幅方向を示し、紙面上下方向は車両11の高さ方向を示す。
図1は、本実施形態の電池パック10(図2参照)を備えた車両11を説明する概略図である。図2は、本実施形態の電池パック10の電池モジュール13を説明する斜視図である。図3は、本実施形態の電池パック10の電池モジュール13を説明する分解斜視図である。図4は、本実施形態の電池パック10の電池モジュール13を説明する断面図であり、図2の電池モジュール13のA―A線方向の断面を示す。
図1に示す如く、自動車や電車等の車両11には、モータや様々の電装部品に電力を供給するための電池パック10(図2参照)が搭載される。車両11として自動車の場合には、近年、EV(Electrical Vehicle)、HEV(Hybrid Electrical Vehicle)やPHEV(Plug-in Hybrid Electrical Vehicle)等が普及している。
また、電池パック10は、例えば、車両11の後方のリアフロア下方の収納スペース12に配設され、電池パック10は、その長手方向が、車両11の左右方向と一致するように配設される。尚、電池パック10は、リアフロア下方の収納スペース12に配設される場合に限定されるものではなく、車両11の運転席や助手席が配設されるフロントフロア等の下方の収納スペースに配設される場合でも良い。また、収納スペース12次第では、例えば、電池パック10の長手方向が車両11の前後方向と一致する場合でも良い。
図2に示す如く、電池パック10は、少なくとも1組の電池モジュール13を備えて構成される。車両11での電力供給量等に応じて、電池パック10として複数の電池モジュール13が用いられる場合には、電池パック10は、複数の電池モジュール13を直列接続または並列接続して用い、あるいは直列接続と並列接続とを組み合わせて用いる。尚、電池パック10が車両11に取り付けられる際には、図5Aから図5Dに示すカバープレート31,33が用いられる。
電池モジュール13は、主に、複数の電池セル21(図3参照)から構成される電池スタック22と、電池スタック22の短手方向(紙面前後方向)の両側面を覆う一対の側面プレート14と、電池スタック22の長手方向(紙面左右方向)の両側面を覆う一対のエンドプレート15と、電池スタック22の底面側を覆う底面プレート16と、を備える。
尚、図示していないが、電池モジュール13の上面には、電池スタック22と接続するバスバやバスバを被覆する絶縁カバー体等が配設される。また、電池モジュール13は、電子機器であるBCU(Battery Control Unit)やジャンクションボックスと電気的に接続する。
図3に示す如く、電池スタック22は、底面プレート16の上面に載置され、複数の電池セル21がバスバ(図示せず)を介して直列接続される。電池セル21は、例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の2次電池である。個々の電池セル21は、例えば、角型平板形状であり、電池スタック22の長手方向(紙面左右方向)に沿って、その前後に小さな冷却隙間46(図6B参照)を有した状態にて等間隔に配列される。尚、本実施形態の説明では、特許請求の範囲に記載の第1方向は上記電池セル21の配列方向に対応し、特許請求の範囲に記載の第2方向は上記電池セル21の配列方向に対して直交する方向に対応する。
側面プレート14は、例えば、アルミニウムの押し出し材から形成される。側面プレート14は、電池スタック22の長手方向に沿って配設される。そして、側面プレート14は、電池スタック22の側方を覆う板状部14Aと、板状部14Aの上部に形成される第1の連結突出部14Bと、を有する。
電池パック10が、複数の電池モジュール13を電気的に接続して構成される場合には、第1の連結突出部14Bは、電池モジュール13同士を積層して固定し、または並設して固定する部材として用いられる。そして、板状部14Aには、エンドプレート15や底面プレート16と、例えば、リベット23,24を介して連結するための複数の連結孔14Cが形成される。一方、第1の連結突出部14Bには、2種類の連結孔14D,14Eが形成される。
複数の連結孔14Dは、第1の連結突出部14Bの上面に形成される。そして、第1の連結突出部14Bは、連結孔14Dを介してカバープレート31,33(図5A、図5B参照)とボルト及びナットを用いて連結される。一方、複数の連結孔14Eは、第1の連結突出部14Bの側面に形成される。そして、電池モジュール13同士が積層して固定される際には、第1の連結突出部14Bは、連結孔14Eを介して他の電池モジュール13の底面プレート16とボルト及びナットを用いて連結される。
底面プレート16は、例えば、アルミニウムの押し出し材から形成される。底面プレート16は、電池スタック22の長手方向(紙面左右方向)に沿って配設される。そして、底面プレート16は、電池スタック22を載置する載置部16Aと、載置部16Aの両端部に形成される第2の連結突出部16Bと、を有する。
電池パック10が、複数の電池モジュール13を電気的に接続して構成される場合には、第2の連結突出部16Bは、電池モジュール13同士を積層して固定する部材として用いられる。そして、第2の連結突出部16Bの側面には、2種類の連結孔16C,16Dが形成される。
複数の連結孔16Cは、第2の連結突出部16Bの上段側に形成される。そして、第2の連結突出部16Bは、連結孔16Cを介して同じ電池モジュール13を構成する側面プレート14と、例えば、リベット24を介して連結される。一方、複数の連結孔16Dは、第2の連結突出部16Bの下段側に形成される。そして、電池モジュール13同士が積層して固定される際には、第2の連結突出部16Bは、連結孔16Dを介して他の電池モジュール13を構成する側面プレート14と、例えば、ボルト及びナットを用いて連結される。
エンドプレート15は、例えば、鋼板を折り曲げ加工等して形成される。エンドプレート15は、電池スタック22の長手方向の前端面及び後端面を覆う部材である。詳細は後述するが、前端側(紙面左側)のエンドプレート15には、電池モジュール13の冷却機構41(図6A参照)を構成する吸気口42が形成され、後端側(紙面右側)のエンドプレート15には、電池モジュール13の冷却機構41を構成する排気口43(図6A参照)が形成される。
セパレータ25は、エンドプレート15と電池スタック22との間及び各電池セル21間に配設される。セパレータ25は、例えば、樹脂モールドにより成形される絶縁部材である。セパレータ25は、その内側に複数の電池セル21を位置固定し、電池スタック22を支持する部材である。そして、セパレータ25が、底面プレート16に位置固定されることで、電池スタック22も底面プレート16に固定される。尚、詳細は後述するが、セパレータ25は、側面プレート14の第1の連結突出部14Bと載置部16Aとの間に挟持された状態にて固定される。
図4に示す如く、側面プレート14の第1の連結突出部14Bは、断面視略正方形形状の中空構造の骨格フレームとして形成される。そして、電池スタック22の短手方向(紙面前後方向)両端部近傍の上方に配設されると共に、電池スタック22の長手方向(紙面左右方向)に渡り配設される。
一方、底面プレート16の第2の連結突出部16Bは、断面視略正方形形状の中空構造の骨格フレームとして形成される。そして、電池スタック22の短手方向(紙面前後方向)両端部近傍の下方に配設され、電池スタック22の長手方向(紙面左右方向)に渡り配設される。尚、第2の連結突出部16Bの一部は、電池モジュール13の下方側へと延在する。
図示したように、側面プレート14と底面プレート16とは、連結孔14C,16C(図3参照)を介してリベット24を用いて連結される。一方、側面プレート14とエンドプレート15とは、連結孔14C,15A(図3参照)を介してリベット23を用いて連結される。
この構造により、側面プレート14、エンドプレート15及び底面プレート16は、互いにリベット23,24を介して連結し、電池スタック22をその内部に収納する箱状の収納保護フレームとして構成される。そして、電池パック10を車両11の車体に取り付けた後には、電池スタック22が、車両11の振動等により、車体等と直接接触することが防止され、電池セル21が損傷することを防止出来る。
更には、上述したように、第1及び第2の連結突出部14B,16Bが、上記収納保護フレームの4つのコーナー部に対して、電池スタック22の長手方向(紙面左右方向)に沿って配設され、骨格フレームとして機能する。
その結果、例えば、車両11の後方から衝突が発生した場合には、車両11の後方に大きな衝撃が加わり、リヤバンパ11B(図1参照)は車両11の内側に向かって進入する。このとき、第1及び第2の連結突出部14B,16Bが、上記衝撃を受け止めることで、電池スタック22を構成する電池セル21が破損することを防止出来る。
つまり、電池モジュール13は、車両11に取り付けられる際に、従来の電池ケースを用いない構造となるが、側面プレート14、エンドプレート15及び底面プレート16から構成される上記収納保護フレームにより保護される。そして、従来の電池ケースが不要となることで、電池パック10としての製造コストを低減すると共に、その重量を低減することが出来る。また、従来の電池ケースが不要となることで、電池モジュール13を電池ケースに取り付けるブラケットも不要となる。
また、上述したように、側面プレート14は、押し出し材により一体に形成され、電池スタック22の長さに応じてその長手方向の長さが調整される。同様に、底面プレート16も押し出し材により一体に形成され、電池スタック22の長さに応じてその長手方向の長さが調整される。その結果、側面プレート14及び底面プレート16は、電池スタック22の長さ等に応じて、容易にその形状変更が可能となり、従来の電池ケースの様に、車種毎に準備することが不要となり、製造コストが低減される。
次に、図5Aから図5Dは、本実施形態の電池パック10を説明する斜視図である。図5A及び図5Bは、電池パック10が2個の電池モジュール13から構成される場合を示す。一方、図5C及び図5Dは、電池パック10が4個の電池モジュール13から構成される場合を示す。
図5Aに示す電池パック10では、2個の電池モジュール13が、その長手方向(紙面左右方向)に並設され、カバープレート31を用いて平置き状態にて固定される。カバープレート31は、例えば、樹脂や鋼板を用いて形成される。上述したように、カバープレート31は、側面プレート14の第1の連結突出部14B(図3参照)に対して、連結孔14D,14E(図3参照)を介してボルト及びナットを用いて連結される。そのため、カバープレート31には、その長手方向に沿って連結孔14D,14E(図3参照)に対応した連結孔31A,31Bが形成される。
図示したように、カバープレート31は、その長手方向(紙面左右方向)において、電池スタック22よりも長く形成される。そして、カバープレート31の両端部には、車両11の車体へ取付けられる車体固定部32が設けられる。
この構造により、カバープレート31の車体固定部32が、車両11の車体に対してボルト及びナットを用いて固定されることで、電池パック10が、車両11へと固定される。上述したように、カバープレート31は、骨格フレームとしての第1の連結突出部14Bに対して固定されることで、車両11の走行時の振動等を緩和し、電池セル21同士が衝突することが防止される。
図5Bに示す電池パック10では、2個の電池モジュール13が、その短手方向(紙面前後方向)に並設され、カバープレート33を用いて平置き状態にて固定される。カバープレート33には、上述したカバープレート31と同様に、第1の連結突出部14B(図3参照)の連結孔14D,14E(図3参照)に対応した位置に連結孔33A,33Bが形成される。
図示したように、電池パック10は、車両11の収納スペース12(図1参照)に応じて電池モジュール13同士の連結方向を変更して対応することが出来る。そして、電池パック10は、カバープレート33の車体固定部34を介して、車両11の車体に対してボルト及びナットを用いて固定される。
図5Cに示す電池パック10では、2段に積層して固定された電池モジュール13が、その長手方向(紙面左右方向)に並設して固定されることで、4個の電池モジュール13から構成される。この構造の場合には、図5Aに示すカバープレート31が用いられ、カバープレート31は、上段に位置する電池モジュール13の第1の連結突出部14B(図3参照)に対して固定される。そして、電池パック10は、カバープレート31の車体固定部32を介して、車両11の車体に対してボルト及びナットを用いて固定される。
図5Dに示す電池パック10では、2段に積層して固定された電池モジュール13が、その短手方向(紙面前後方向)に並設して固定されることで、4個の電池モジュール13から構成される。この構造の場合には、図5Bに示すカバープレート33が用いられ、カバープレート33は、上段に位置する電池モジュール13の第1の連結突出部14B(図3参照)に対して固定される。そして、電池パック10は、カバープレート33の車体固定部34を介して、車両11の車体に対してボルト及びナットを用いて固定される。
次に、図6Aは、本実施形態の電池パック10の冷却機構41を説明する斜視図である。図6Bは、本実施形態の電池パック10の冷却機構41を説明する断面図である。図6Cは、本実施形態の電池パック10の冷却機構41及び組み付け構造を説明する断面図である。尚、図6Aでは、説明の都合上、エンドプレート15を側面プレート14から分解した状態を示す。
図6Aに示す如く、電池パック10の電池モジュール13には、その内部に配設される電池セル21を冷却するための冷却機構41が設けられる。そして、冷却機構41は、主に、前端側(紙面左側)のエンドプレート15に形成される吸気口42と、後端側(紙面右側)のエンドプレート15に形成される排気口43と、吸気口42と連通する冷却風路44と、排気口43と連通する冷却風路45と、冷却風路44,45を連通させる冷却隙間46(図6B参照)と、吸気口42と連通する冷却ダクト(図示せず)と、を備える。尚、本実施形態の説明では、特許請求の範囲に記載の第1冷却風路は冷却風路44に対応し、特許請求の範囲に記載の第2冷却風路は冷却風路45に対応する。
図示したように、冷却機構41の上流側に位置するエンドプレート15には、吸気口42が形成される。そして、図示しないが、エンドプレート15の吸気口42には、車両11の空調機構(図示せず)と連通する冷却ダクトが接続し、空調機構にて生成された冷却風が、吸気口42を介して電池モジュール13内へと送られる。
図6Bに示す如く、電池モジュール13の内部では、側面プレート14が、電池スタック22の側方から離間して配設されることで、側面プレート14と電池スタック22との間に、冷却風路44,45が形成される。上述したように、電池スタック22を構成する電池セル21は、電池スタック22の長手方向(紙面左右方向)に冷却隙間46を有した状態にて配列される。
ここで、図6Cに示す如く、側面プレート14では、板状部14Aの上部側及び第1の連結突出部14Bが、セパレータ25(図3参照)の上端側のコーナー部を押圧して固定する構造となる。一方、底面プレート16では、第2の連結突出部16Bが、セパレータ25の下端側のコーナー部を位置決めする構造となる。この構造により、セパレータ25は、側面プレート14により底面プレート16へと押圧された状態にて固定される。そして、車両11の走行時には振動が発生し、また、車両衝突による衝撃が発生しても、セパレータ25のずれを抑制し、電池スタック22が周辺部品等と衝突し、電池セル21が損傷することを防止出来る。
そして、側面プレート14によるセパレータ25の固定構造を利用して、側面プレート14と電池スタック22との間に、冷却風路44,45が形成される。
この構造により、矢印48にて示すように、冷却ダクトを介して吸気口42から冷却風路44に送られた冷却風は、反対側のエンドプレート15まで流れながら、冷却隙間46を通過して冷却風路45へと流れる。その後、冷却風路45を流れる冷却風は、エンドプレート15の排気口43から電池モジュール13の外部へと排出される。
冷却風は、冷却風路44,45を流れる際に電池セル21を側方から冷却すると共に、特に、冷却隙間46を流れる際に電池セル21をその前面及び背面から冷却し、電池セル21が過熱状態となることを防止する。
尚、図5Aから図5Dを用いて上述したように、電池パック10を車体に取り付ける際には、電池スタック22の上面はカバープレート31,33(図5A、図5B参照)により塞がれることで、冷却風が、冷却隙間46から電池モジュール13の外部へと漏れ難くなる。
10 電池パック
11 車両
13 電池モジュール
14 側面プレート
14A 板状部
14B 第1の連結突出部
14C,14D,14E,15A,16C,16D 連結孔
15 エンドプレート
16 底面プレート
16A 載置部
16B 第2の連結突出部
21 電池セル
22 電池スタック
25 セパレータ
31,33 カバープレート
32,34 車体固定部
41 冷却機構
42 吸気口
43 排気口
44,45 冷却風路
46 冷却隙間

Claims (5)

  1. 複数の電池セルが第1方向に配列された電池スタックを有する電池モジュールであって、
    前記電池スタックの下面を覆う底面プレートと、
    前記電池スタックの前記第1方向と直交する第2方向の両端部を覆う側面プレートと、
    前記電池スタックの前記第1方向の両端部を覆うエンドプレートと、を有し、
    前記側面プレートは、前記電池スタックの上方側へと突出する第1の連結突出部を有し、
    前記底面プレートは、前記電池スタックの下方側へと突出する第2の連結突出部を有することを特徴とする電池モジュール。
  2. 前記側面プレート及び前記底面プレートは、それぞれ押し出し材から形成されることを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。
  3. 前記側面プレートは、前記電池スタックとの間に前記第1方向へと延在する第1冷却風路及び第2冷却風路を形成した状態にて前記底面プレートに対して固定され、
    前記エンドプレートには、前記第1冷却風路と連通する吸気口と前記第2冷却風路と連通する排気口とが形成され、
    前記第1方向に隣り合う前記電池セル間には、前記第1冷却風路及び前記第2冷却風路と連通する冷却隙間が形成されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電池モジュール。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の前記電池モジュールを備えた電池パックであって、
    前記電池スタックの上面を覆うと共に、前記第1の連結突出部に対して固定されるカバープレートと、を有し、
    前記電池モジュール同士は、前記第1の連結突出部と前記第2の連結突出部とを前記電池スタックの高さ方向にて連結させることで積層固定されると共に、前記カバープレートと前記第1の連結突出部とを連結させることで並設固定されることを特徴とする電池モジュールを備えた電池パック。
  5. 前記カバープレートは、前記電池スタックよりも外側まで延在した車体固定部を有し、
    前記車体固定部は、車両の車体に対して固定されることを特徴とする請求項4に記載の電池モジュールを備えた電池パック。
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