JP2023073702A - バッテリモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】積層体を好適に加圧できると共に、リチウムイオン電池の使用時において、積層された電池セルの充放電に伴う加圧荷重の変位を吸収し、リチウムイオン電池積層体の積層方向端部の加圧プレートをケースへ固定することができるバッテリモジュールを提供すること。【解決手段】発電要素と、発電要素を被覆する外装体と、を有する複数の電池セルが積層されたセル積層体と、セル積層体を締結する締結部材と、セル積層体の積層方向の両端に配置されるエンドプレートと、締結部材とエンドプレートとをセル積層体の外側において締結する締結ナットと、締結ナットにより締結されるステーと、セル積層体を収容するケースと、を有し、セル積層体は、ステーによってケースに固定される、バッテリモジュール。【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリモジュールに関する。

電動車両などの動力源となるバッテリモジュールを適切に機能させるためには、積層される電池セルに積層方向の圧力を与えて加圧する必要がある。特に、電解質として固体電解質を用いた固体二次電池においては、液体電解質を用いた液体二次電池と比較して遥かに大きな圧力を加える必要がある。加圧方法として、電池セルの積層体の両側端面から積層体を初期加圧した状態で、積層体の両側端面及び側面にエンドプレート及びサイドプレートを接合する方法がある。

上記の加圧方法では、積層体に対して目標圧力よりも大きな初期加圧を行う必要がある。また、積層体の積層方向の弾性率にはバラつきがあるため、残留荷重が不均一になるという問題がある。更に、エンドプレートやサイドプレートの強度や剛性が必要となる結果、部材のスペースが増大し、バッテリモジュールにおける電池セルの占有率が低くなる問題もある。上記以外の加圧方法としては、積層体を一対の加圧プレートで挟み、連結ロッドによって一対の加圧プレートを加圧する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８－２９３７７１号公報

特許文献１に開示された技術は、複数の角型リチウムイオン電池を同一平面上に配置し、中心部連結ロッドと周辺部連結ロッドにより一対の加圧プレートを連結するものである。一対の加圧プレートは、周辺部連結ロッドの両端に取り付けられるネジ部材を締め付けることで、互いに近づくように加圧される。しかし、上記の技術では、リチウムイオン電池が充放電に伴い膨張又は収縮した際にセル積層方向の変位が発生するため、リチウムイオン電池の使用時において、リチウムイオン電池積層体の積層方向端部の加圧プレートを、ケースへ固定することが困難になる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、積層体を好適に加圧できると共に、リチウムイオン電池の使用時において、積層された電池セルの充放電に伴う加圧荷重の変位を吸収し、リチウムイオン電池積層体の積層方向端部の加圧プレートをケースへ固定することができるバッテリモジュールを提供することを目的とする。

（１） 本発明は、発電要素と、前記発電要素を被覆する外装体と、を有する複数の電池セルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体を締結する締結部材と、前記セル積層体の積層方向の両端に配置されるエンドプレートと、前記締結部材と前記エンドプレートとを前記セル積層体の外側において締結する締結ナットと、前記締結ナットにより締結されるステーと、前記セル積層体を収容するケースと、を有し、前記セル積層体は、前記ステーによって前記ケースに固定される、バッテリモジュールに関する。

（１）の発明によれば、セル積層体の膨張収縮に伴う変位を、ステーにより吸収することができるバッテリモジュールを提供できる。

（２） 前記ステーの前記積層方向の剛性は、前記ステーの前記積層方向に対して直交する方向の剛性よりも低い、（１）に記載のバッテリモジュール。

（２）の発明によれば、セル積層体の膨張収縮に伴う変位を、ステーにより好ましく吸収することができる。

（３） 前記ステーは、前記積層方向から視て、下方に向けて広がる方向に傾斜する第１傾斜部を有する、（１）又は（２）に記載のバッテリモジュール。

（３）の発明によれば、セル積層体の膨張収縮に伴う変位を、ステーにより好ましく吸収することができる。

（４） 前記ステーは、前記締結ナットとの締結部から、前記セル積層体の前記積層方向外側に向けて下方に傾斜する第２傾斜部を有する、（１）～（３）のいずれかに記載のバッテリモジュール。

（４）の発明によれば、セル積層体の膨張収縮に伴う変位を、ステーにより好ましく吸収することができる。

（５） 前記締結部材は、複数配置され、前記ステーは、前記締結部材の一部が挿通される孔部を複数有し、かつ一体に形成される、（１）～（４）のいずれかに記載のバッテリモジュール。

（５）の発明によれば、ステーの剛性をより精密に設計でき、バッテリモジュールの信頼性を向上できる。

本発明の第１実施形態に係るバッテリモジュールを側面視で示す一部断面図である。 図１のバッテリモジュールの構造を示す分解図である。 図２の要部を拡大して示す図である。 本発明の第２実施形態に係るバッテリモジュールを上面視で示す一部断面図である。 図４のバッテリモジュールを側面視で示す一部断面図である。 図４のバッテリモジュールを一方の積層方向側から視た図である。 図４のバッテリモジュールのステーを一方の積層方向側から視た図である。 図７のバッテリモジュールのステーを側面から視た図である。 図７のバッテリモジュールのステーの全体構成を一方の積層方向側から視た図である。 図７のバッテリモジュールのステーの変形例を示す図である。 図１０のステーを側面から視た図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係るバッテリモジュールについて、図１から図３を参照して説明する。以下に示す各図面において、同一部分及び対応部分には同一符号を付している。

［セル積層体］
第１実施形態に係るバッテリモジュール１０は、図１に示すように、発電要素２と、発電要素２を被覆する外装体３と、を有する複数の電池セル１が積層されたセル積層体１１ａ、１１ｂを有する。発電要素２は、例えば、正極層と、固体電解質層と、負極層とが、この順に繰り返し積層された固体電池である。以下の説明において、発電要素２を固体電池として説明するが、発電要素２は、液体電解質を備える電解液系電池であってもよい。バッテリモジュール１０は、上記以外に、締結部材４と、中央固定部材５と、エンドプレート６と、加圧プレート７と、ステー８と、締結ナットｆ１と、を有する。

発電要素２としての正極層、固体電解質層、及び負極層を構成する材料としては、固体電池を構成する材料として公知の材料を使用できる。

外装体３は、内部に発電要素２を収容する。外装体３は、特に制限されないが、ラミネートフィルムであることが好ましい。外装体３をラミネートフィルムで構成することで、外装体３の体積を低減することができ、バッテリモジュールのエネルギー密度を向上できる。ラミネートセルは、例えば、アルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）等からなる金属層に対し、外側にポリオレフィン等の熱融着性樹脂層が積層された多層構造を有する。外装体３としては、金属缶を用いることもできる。

複数の電池セル１は、発電要素２を構成する電極層の積層方向と同一の方向（図１に示す積層方向Ｌ１）に複数積層されてセル積層体１１ａ、１１ｂを構成する。セル積層体１１ａ、１１ｂは、積層方向Ｌ１の両端側からエンドプレート６によって挟圧されて保持される。

複数の電池セル１には、図２に示すように、積層方向Ｌ１に沿った上下方向の断面の中央部において、発電要素２を構成する各電極層を貫通する方向に、それぞれ第１の貫通孔ｈ１（以下、単に「貫通孔ｈ１」と記載する場合がある）が設けられている。貫通孔ｈ１は、外装体３ごと電池セル１を貫通する孔部である。貫通孔ｈ１の形状は特に制限されないが、後述する締結部材４の断面形状と同様の円形の断面形状を有することが好ましい。貫通孔ｈ１の形成方法としては、例えば、発電要素２を構成する各電極層及び固体電解質層毎に貫通孔を開けて積層体を形成し、上記積層体を外装体３に封入して、上記貫通孔に対応する箇所の外装体３同士をラミネートフィルムの溶着により接合し、上記貫通孔の内周側に、上記貫通孔よりも一回り小さい貫通孔を、パンチ打ち抜き等により外装体３に形成することにより形成できる。

貫通孔ｈ１がそれぞれ連通するように、複数の電池セル１が配置され、貫通孔ｈ１には、セル積層体１１ａ、１１ｂを締結する締結部材４が配置される。一対のエンドプレート６は、締結部材４によって互いの間隔を狭める方向に締め付けられる。これによって、セル積層体１１ａ、１１ｂを初期加圧（予圧）することなく加圧することができる。

［締結部材］
締結部材４は、本体をなす軸部と、軸部の両端に形成された雄ネジ部４１と、上記軸部の一部をなし、軸方向における中央部に形成される拡径部４２と、雄ネジ部４１と軸部との間に配置される回り止め部４３と、を有する。拡径部４２は、後述する中央固定部材５の第２の貫通孔ｈ２内に配置される。締結部材４は、軸部がセル積層体１１ａ、１１ｂの貫通孔ｈ１に挿通されると共に、雄ネジ部４１はセル積層体１１ａ、１１ｂの両端部において、エンドプレート６、加圧プレート７、ステー８にそれぞれ設けられた孔部ｈ３、ｈ４、ｈ５から延出し、締結ナットｆ１と螺着される。締結部材４の断面形状は、断面応力を均一にするという観点から、円形であることが好ましい。

締結部材４をセル積層体１１ａ、１１ｂの積層面における中央部に設けられた貫通孔ｈ１に挿通させ、一対のエンドプレート６及び締結ナットｆ１を用いてセル積層体１１ａ、１１ｂを加圧することで、セル積層体１１ａ、１１ｂに加えられる面圧を均一化することができる。また、セル積層体を固定する外枠が不要となり、バッテリモジュール１０における発電要素２の体積比を向上できるため、バッテリモジュール１０のエネルギー密度を向上できる。なお、本発明において、締結部材４は、セル積層体の積層面における中央部に設けられた貫通孔ｈ１に挿通されるものには限定されない。締結部材４は、セル積層体の積層面における中央部以外の箇所に配置されるものであってもよい。

回り止め部４３は、図１に示すように、締結ナットｆ１の近傍である、エンドプレート６に形成された孔部ｈ３の内部に配置される。回り止め部４３は、例えば、断面視で多角形状又は鋸歯形状を有する部材である。回り止め部４３は締結部材４と一体として形成されていてもよく、締結部材４とは別部材で構成され、締結部材４に固着されたものであってもよい。

回り止め部４３は、例えばエンドプレート６に形成された、回り止め部４３の断面形状に対応する内面形状を有する孔部ｈ３に篏合することで、締結部材４の軸方向へのねじれ応力を受け止める機能を有する。これにより、雄ネジ部４１を締結ナットｆ１と螺着する際のねじれ応力は、締結部材４の雄ネジ部４１及び回り止め部４３にのみ伝達され、回り止め部４３からセル積層体１１ａ、１１ｂの内部側には伝達されない。従って、バッテリモジュール１０の使用中における締結ナットｆ１の緩みを長期間にわたって防止することができる。また、締結ナットｆ１の締め付けにより、より大きな軸力を締結部材４に対して加えることができる。上記に加えて、締結ナットｆ１の締め付け度合いによってセル積層体１１ａ、１１ｂに加えられる面圧を精密に調整することが可能になる。

図２に示す締結部材４の軸部４４の軸方向の断面における直径は、セル積層体１１ａ、１１ｂに加えられる面圧に応じて設計することができる。上記直径を小さくすることにより、軸部４４に加わる単位面積当たりの応力が増加するため、エンドプレート６間距離を圧縮する方向に保持する弾性率を低下させることが可能となり、セル積層体１１ａ、１１ｂに加えられる面圧の変化幅を小さくすることができる。

［中央固定部材］
中央固定部材５は、複数の電池セル１の間に配置される部材であり、図１に示すように、バッテリモジュール１０における積層方向Ｌ１の中央に配置される部材である。中央固定部材５により、セル積層体１１ａ、１１ｂに加えられる面圧は、積層方向Ｌ１において均一化される。中央固定部材５は、積層方向Ｌ１に圧縮される力しか受けることが無いため、例えばアルミニウム等の軽量の金属により構成することができる。

中央固定部材５は、締結部材４の拡径部４２が配置される、第２の貫通孔ｈ２（以下、単に「貫通孔ｈ２」と記載する場合がある）が設けられている。図２に示すように、貫通孔ｈ２が貫通孔ｈ１と連通するように中央固定部材５が配置される。貫通孔ｈ２は、拡径部４２とインロー固定等により軸方向に対して垂直な面で固定可能であってもよい。これにより、中央固定部材５と締結部材４とを位置決めして固定することが可能となり、中央固定部材５をバッテリモジュール１０における積層方向Ｌ１の中央に容易に配置することができる。

［エンドプレート］
エンドプレート６は、セル積層体１１ａ、１１ｂの積層方向Ｌ１の両端に配置される一対の部材である。エンドプレート６には、図２に示すように、締結部材４を挿通可能な孔部ｈ３が形成される。孔部ｈ３に締結部材４が挿通され、締結ナットｆ１により締結されることで、エンドプレート６はセル積層体１１ａ、１１ｂを挟圧して保持する。

エンドプレート６は、図３に示すように、傾斜部６１と、荷重点６２と、を有する。荷重点６２は、傾斜部６１と連続する面であり、積層方向Ｌ１に対して略垂直な面である。エンドプレート６は、複数の荷重点６２において、加圧プレート７と当接している。これにより、エンドプレート６からセル積層体１１ａ、１１ｂに加えられる面圧は、積層面に対して均一化される。

［加圧プレート］
加圧プレート７は、エンドプレート６と共に締結ナットｆ１により締結される一対の部材である。加圧プレート７は、セル積層体１１ａ、１１ｂの積層方向Ｌ１の両端における、エンドプレート６の積層方向Ｌ１の外側に配置される。加圧プレート７は、弾性変形可能な部材であり、例えば金属製の板バネ状の部材である。加圧プレート７には、図２に示すように、締結部材４を挿通可能な孔部ｈ４が形成される。孔部ｈ４に締結部材４が挿通され、締結ナットｆ１により締結されることで、加圧プレート７を介して、締結ナットｆ１の締め付けによる軸力がエンドプレート６に伝達される。

加圧プレート７は、図３に示すように、傾斜部７１と、荷重点７２と、を有する。傾斜部７１は、傾斜部６１に沿って傾斜する面である。荷重点７２は、傾斜部７１と連続する面であり、積層方向Ｌ１に対して略垂直な面である。

［ステー］
ステー８は、エンドプレート６及び加圧プレート７と共に締結ナットｆ１により締結される一対の部材である。ステー８は、セル積層体１１ａ、１１ｂを固定するための部材である。ステー８は、セル積層体１１ａ、１１ｂの積層方向Ｌ１の両端における、加圧プレート７の積層方向Ｌ１の外側に配置される。ステー８には、図２に示すように、締結部材４を挿通可能な孔部ｈ５が形成される。孔部ｈ５に締結部材４が挿通され、締結ナットｆ１により締結される。締結部材４を利用してステー８を固定することで、ステー８の設置スペースや部品点数を低減することができる。ステー８の構成の詳細については、以下の第２実施形態において説明する。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について、図４～図９を参照して説明する。以下の説明において、上記第１実施形態と同様の構成については、図面に同一の符号を付して説明を省略する場合がある。

図４は、第２実施形態に係るバッテリモジュール１００の上面図である。バッテリモジュール１００は、バッテリモジュール１０を組み合わせ、より大型のバッテリモジュールとしたものである。図４及び図５に示すように、複数の電池セル１ａにおいて、積層方向Ｌ１に沿った上下方向の断面の中央部には、複数の孔部が形成され、それぞれ複数の締結部材４（本実施形態においては、３本）が挿通配置されている。締結部材４の配置される数は、上記に限定されず、例えば、２本や４本であってもよい。バッテリモジュール１００は、図５及び図６に示すように、電池セル１ａの積層体を収容するケース９を備える。

本実施形態に係る中央固定部材５ａは、締結部材４が挿通される複数の貫通孔ｈ２を有している。また、中央固定部材５ａは、ケース９との連結部５１を有している。連結部５１に対し、締結ボルトｆ２が螺入されて中央固定部材５ａとケース９とが連結される。これによって、電池セル１ａの積層体の剛性をより高めることができる。

本実施形態に係る加圧プレート７は、図６に示すように、積層方向Ｌ１に対して直交する方向である、方向Ｌ２において、３つ配置されている。また、加圧プレート７がエンドプレート６と当接する荷重点７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、及び７２ｄは、本実施形態において、締結ナットｆ１を基準として対称となる位置に４つ配置されている。

［ステー］
本実施形態に係るステー８ａは、図６及び図７に示すように、積層方向Ｌ１に直交する方向Ｌ２の両端及び／又は締結部材４間に、ケース９との連結部８３を有する。連結部８３に対し、締結ボルトｆ３が螺入されてステー８ａとケース９とが連結される。これによって、電池セル１ａの積層体の剛性をより高めることができる。また、ステー８ａは、弾性変形可能な部材により構成され、積層方向Ｌ１における剛性が、積層方向Ｌ１に直交する方向の剛性よりも低く設定される。これによって、ステー８ａは、電池セル１ａの積層体の膨張収縮に伴う変位を吸収することができる。従って、バッテリモジュール１０の使用時に電池セル１ａが膨張収縮するにも拘らず、ステー８ａを介して加圧プレート７をケース９に固定することができる。

図７は、図６と同じ視点で、積層方向Ｌ１からバッテリモジュール１００の積層端部側に配置されるステー８ａの一部を視た図である。ステー８ａは、図７に示すように、積層方向Ｌ１から視て、下方に向けて広がる方向に傾斜する第１傾斜部８１を有する。また、図８に示すように、ステー８ａは、締結ナットｆ１との締結部である孔部ｈ５から、積層方向Ｌ１外側に向けて下方に傾斜する第２傾斜部８２を有する。上記構成により、ステー８ａは積層方向Ｌ１において撓み変形することで、電池セル１ａの積層体の膨張収縮に伴う変位を吸収することができる。一方で、電池セル１ａの積層面に対する剛性は高く、電池セル１ａの積層体を好ましく固定できる。

図９は、図６と同じ視点で、バッテリモジュール１００に用いられるステー８ａの全体を視た図である。ステー８ａは、締結部材４及び孔部ｈ５の数に応じて個別に設けられるのではなく、図９に示すように、締結部材４及び孔部ｈ５の数に依らず、一体成型されたステー８ａであることが好ましい。ステー８ａを一体成型することで、各孔部ｈ５の間に設けられるケース９との連結部８３ａを単一のものにすることができる。従って、個別にステー８ａを設けて、連結部８３ａ同士を重ね合わせて締結ボルトｆ３で共締めする場合と比較して、連結部８３ａに段差が発生しない。従って各セル積層体の膨張収縮に伴う変位を吸収するためのステー８ａの剛性をより精密に設計できるので、バッテリモジュール１００の信頼性を向上できる。また、バッテリモジュール１００の部品点数を削減でき、組立作業性を向上できる。更に、複数の孔部ｈ５に締結部材４を挿通し、締結ナットｆ１により締結することで、上記締結部材４の回り止め部４３と同様の効果が得られるため、回り止め部４３を設けずに締結部材４を構成できる。

（第３実施形態）
図１０は、第３実施形態に係るステー８ｂの一部を、図７と同じ視点で視た図である。ステー８ｂは、ステー８ａが適用されるバッテリモジュール１００と同様のバッテリモジュールに対して適用できる。

ステー８ｂは、ステー８ａと同様に、積層方向Ｌ１に直交する方向Ｌ２の両端及び／又は締結部材４間に、ケース９との連結部８３を有する。連結部８３に対し、締結ボルトｆ３が螺入されてステー８ｂとケース９とが連結される。また、図１０に示すように、第１傾斜部８１ａを有する。図１１は、図８と同様に、ステー８ｂを積層方向Ｌ１に沿った方向から視た図である。ステー８ｂは、ステー８ａと同様に第２傾斜部８２を有する。

ステー８ｂは、図１０に示すように、孔部ｈ６を有する。ステー８ｂに孔部ｈ６を設けることで、ステー８ｂの積層方向Ｌ１における剛性を設計しやすい。孔部ｈ６の大きさを調整することで、ステー８ｂの積層方向Ｌ１における剛性を調整することができるためである。上記に加えて、ステー８ｂが孔部ｈ６を有することで、積層方向Ｌ１における撓み許容量を大きくすることができる。このため、電池セル１ａの積層体の膨張収縮に伴う変位をより好ましく吸収することができる。図１０において孔部ｈ６の形状は略方形状の開口を有するものであるが、孔部ｈ６の形状は特に限定されない。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、適宜変更が可能である。

上記実施形態において、回り止め部４３は、例えばエンドプレート６に形成された、回り止め部４３の断面形状に対応する内面形状を有する孔部ｈ３に篏合するものとして説明した。上記に限定されない。回り止め部４３は、雄ネジ部４１の端部に設けられ、雄ネジ部４１の端部を固定するものであってもよい。

上記実施形態において、ステー８、８ａは、締結部材４を挿通可能な孔部ｈ５が形成され、締結ナットｆ１により締結されるものとして説明した。上記に限定されない。本発明におけるステーは、加圧プレートと１箇所又は複数箇所で連結されるものであってもよい。

１０、１００ バッテリモジュール
１、１ａ 電池セル
１１ａ，１１ｂ セル積層体
２ 発電要素
３ 外装体
４ 締結部材
４３ 回り止め部
５、５ａ 中央固定部材
５１ 連結部
６ エンドプレート
８ ステー
８１ 第１傾斜部
８２ 第２傾斜部
９ ケース
ｆ１ 締結ナット
ｈ１ 第１の貫通孔
ｈ２ 第２の貫通孔
ｈ５ 孔部
Ｌ１ 積層方向

Claims (5)

1. 発電要素と、前記発電要素を被覆する外装体と、を有する複数の電池セルが積層されたセル積層体と、
   前記セル積層体を締結する締結部材と、
   前記セル積層体の積層方向の両端に配置されるエンドプレートと、
   前記締結部材と前記エンドプレートとを前記セル積層体の外側において締結する締結ナットと、
   前記締結ナットにより締結されるステーと、
   前記セル積層体を収容するケースと、を有し、
   前記セル積層体は、前記ステーによって前記ケースに固定される、バッテリモジュール。
2. 前記ステーの前記積層方向の剛性は、前記ステーの前記積層方向に対して直交する方向の剛性よりも低い、請求項１に記載のバッテリモジュール。
3. 前記ステーは、前記積層方向から視て、下方に向けて広がる方向に傾斜する第１傾斜部を有する、請求項１又は２に記載のバッテリモジュール。
4. 前記ステーは、前記締結ナットとの締結部から、前記セル積層体の前記積層方向外側に向けて下方に傾斜する第２傾斜部を有する、請求項１～３のいずれかに記載のバッテリモジュール。
5. 前記締結部材は、複数配置され、
   前記ステーは、前記締結部材の一部が挿通される孔部を複数有し、かつ一体に形成される、請求項１～４のいずれかに記載のバッテリモジュール。

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