JP2023074273A - 電池モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】製造コストを低減しながら効率的な冷却を行うことが可能な電池モジュールを提供する。【解決手段】電池モジュールは、第1の方向に並んで配置され、角型形状を各々有する複数の電池セルと、複数の電池セルの間に設けられ、複数の電池セルの間の電気的絶縁性を確保する隔壁部とを備える。隔壁部は、第1隔壁部と、第1隔壁部と交互に設けられ、第1隔壁部とは異なる形状を有し、第1の方向の両側に位置する2つの電池セルとの間に冷却空間を各々形成する第2隔壁部とを含む。【選択図】図10

Description

本技術は、電池モジュールに関する。
複数の電池セルが積層された電池モジュールが従来から知られている。複数の電池セル間に絶縁性を確保するための隔壁部(セパレータ)が設けられ、隔壁部に冷却風のための通路を設けることも行われている(特許文献1および特許文献2)。
特開2010-61982号公報 特開2004-362879号公報
しかしながら、電池モジュールの冷却構造については、製造コストのさらなる低減という観点から、依然として改善の余地がある。
本技術の目的は、製造コストを低減しながら効率的な冷却を行うことが可能な電池モジュールを提供することにある。
本技術に係る電池モジュールは、第1の方向に並んで配置され、角型形状を各々有する複数の電池セルと、複数の電池セルの間に設けられ、複数の電池セルの間の電気的絶縁性を確保する隔壁部とを備える。隔壁部は、第1隔壁部と、第1隔壁部と交互に設けられ、第1隔壁部とは異なる形状を有し、第1の方向の両側に位置する2つの電池セルとの間に冷却空間を各々形成する第2隔壁部とを含む。
本技術によれば、製造コストを低減しながら電池モジュールの効率的な冷却を行うことが可能な構造を提供できる。
本技術の一実施の形態に係る電池モジュールの構成を示す斜視図である。 図1の電池モジュールを矢印II方向から見た斜視図である。 本技術の一実施の形態に係る電池モジュールが備えるユニットおよびエンドプレートの構成を示す斜視図である。 本技術の一実施の形態に係る電池モジュールが備えるユニットの構成を示す斜視図である。 図4のユニットを矢印V方向から見た断面図である。 本技術の一実施の形態に係る電池モジュールが備える電池セルの構成を示す斜視図である。 本技術の一実施の形態に係る電池モジュールが備える電圧検出線の構成を示す部分斜視図である。 図4のユニットをVIII-VIII線矢印方向から見た断面図である。 図8におけるIX部の拡大図である。 図8におけるX-X線矢印方向から見た断面図である。
以下に、本技術の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本技術の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本技術にとって必ずしも必須のものではない。
なお、本明細書において、「備える(comprise)」および「含む(include)」、「有する(have)」の記載は、オープンエンド形式である。すなわち、ある構成を含む場合に、当該構成以外の他の構成を含んでもよいし、含まなくてもよい。また、本技術は、本実施の形態において言及する作用効果を必ずしもすべて奏するものに限定されない。
本明細書において、「電池」は、リチウムイオン電池に限定されず、ニッケル水素電池など他の電池を含み得る。本明細書において、「電極」は正極および負極を総称し得る。また、「電極板」は正極板および負極板を総称し得る。
なお、図面においては、電池セルの積層方向をY方向としての第1の方向、電池セルの2つの電極端子が沿って並ぶ方向をX方向としての第2の方向、電池セルの高さ方向をZ方向としての第3の方向とする。
図1は、本技術の一実施の形態に係る電池モジュールの構成を示す斜視図である。図2は、図1の電池モジュールを矢印II方向から見た斜視図である。図3は、本技術の一実施の形態に係る電池モジュールが備えるユニットおよびエンドプレートの構成を示す斜視図である。
電池モジュール1は、たとえば、ハイブリッド車(HEV:Hybrid Electric Vehicle)、プラグインハイブリッド車(PHEV:Plug-in Hybrid Electric Vehicle)または電気自動車(BEV:Battery Electric Vehicle)などの車両の駆動用電源として用いられる。
まず、電池モジュール1の全体構造について説明する。図1~図3に示すように、電池モジュール1は、複数のユニット10と、エンドプレート400と、拘束部材500と、下部拘束部材550と、配線部材600と、ダクト700と、接続端子800とを備える。
複数のユニット10は、第1の方向(Y方向)に並んで配置されている。本実施の形態に係る複数のユニット10は、Y方向に6つ並んで配置されている。なお、複数のユニット10の数量は、2以上であれば、特に限定されない。
複数のユニット10は、2つのエンドプレート400に挟持されている。本実施の形態に係る複数のユニット10は、エンドプレート400に押圧され、2つのエンドプレート400の間で拘束されている。
エンドプレート400は、複数のユニット10のY方向の両端に設けられている。エンドプレート400は、電池モジュール1を収納するパックケースなどの基台に固定される。エンドプレート400は、たとえば、アルミニウムまたは鉄により構成されている。
拘束部材500は、複数のユニット10およびエンドプレート400のX方向の両端に設けられている。並んで配置された複数のユニット10およびエンドプレート400に対してY方向の圧縮力を作用させた状態で拘束部材500をエンドプレート400に係合させ、その後に圧縮力を解放することにより、2つのエンドプレート400を接続する拘束部材500に引張力が働く。その反作用として、拘束部材500は、2つのエンドプレート400を互いに近づける方向に押圧する。その結果、拘束部材500は、複数のユニット10を第1の方向(Y方向)に拘束する。
拘束部材500は、板状部510と、第1フランジ部520と、第2フランジ部530とを含む。拘束部材500は、たとえば、鉄により構成されている。
板状部510は、Y方向に延在している部材である。板状部510には、複数の開口部511が設けられている。複数の開口部511は、Y方向において、互いに間隔をあけて設けられている、開口部511は、X方向において、板状部510を貫通する貫通孔から構成されている。
第1フランジ部520は、複数のユニット10の側面から複数のユニット10の上面に回り込む。第1フランジ部520を設けることにより、比較的薄く形成された拘束部材500の剛性を確保することができる。
第2フランジ部530は、板状部510のY方向の両端に接続されている。第2フランジ部530は、エンドプレート400に固定される。第2フランジ部530は、たとえば、ボルト締結などの公知の固定方法によってエンドプレート400に固定される。これにより、拘束部材500は、2つのエンドプレート400を互いに接続する。
図2に示すように、下部拘束部材550は、複数のユニット10およびエンドプレート400の底面に設けられている。下部拘束部材550は、後述する電池セル100を底面側から保護する。下部拘束部材550は、たとえば、鉄により構成されている。
図1に示すように、配線部材600は、Z方向において、複数のユニット10と対向する位置に設けられている。配線部材600は、X方向における複数のユニット10の各々の中央部を通って、Y方向に延びている。配線部材600は、複数のユニット10と電気的に接続されている。配線部材600は、たとえば、フレキシブルプリント基板である。
ダクト700は、Y方向に延びている。ダクト700は、Z方向に見て、配線部材600と重なる位置で延びている。ダクト700は、Z方向において、複数のユニット10と、配線部材600との間に配置されている。
接続端子800は、Y方向に並んで配置される複数のユニット10の両側に配置されている。接続端子800は、Z方向から見て、エンドプレート400と重なる位置に設けられている。接続端子800は、電池モジュール1と、電池モジュール1の外部に配置される図示しないケーブルなどの外部配線とを接続する。
次に、ユニット10の構造について説明する。図4は、本技術の一実施の形態に係る電池モジュールが備えるユニットの構成を示す斜視図である。図5は、図4のユニットを矢印V方向から見た斜視図である。
図4および図5に示すように、複数のユニット10の各々は、複数の電池セル100と、支持部材としてのケース200と、バスバー300とを含む。
ユニット10は、2個以上の電池セル100を含んでいる。本技術の一実施の形態に係るユニット10は、偶数の個数として4つの電池セル100を含んでいる。なお、複数のユニット10の各々に備わる電池セル100の数は、2以上であれば、特に限定されない。また、複数のユニット10の各々に備わる電池セル100の数は、奇数個であってもよい。
複数の電池セル100は、第1の方向(Y方向)に並んで配置されている。本技術の一実施の形態に係る複数の電池セル100は、Y方向に4つ並んで配置されている。複数のユニット10の配列方向と、複数のユニット10の各々における複数の電池セル100の配列方向とは、同一方向である。
ケース200は、直方体形状の外観を有する。ケース200は、複数の電池セル100を収容している。ケース200は、たとえば、ポリプロピレンなどの樹脂により形成されている。図1~図3に示すように、ケース200は、拘束部材500により第1の方向(Y方向)に圧縮されている。
図4および図5に示すように、ケース200は、前壁部210と、後壁部220と、第1側壁部230と、第2側壁部240と、上面部250とを有する。
前壁部210は、一方の拘束部材500に隣接する面である。図4に示すように、前壁部210には、複数の第1通気口211が設けられている。第1通気口211は、X方向において、前壁部210を貫通する貫通孔である。
図5に示すように、後壁部220は、X方向において複数の電池セル100を間に挟んで前壁部210に対向する面である。後壁部220には、複数の第2通気口221が設けられている。第2通気口221は、X方向において、後壁部220を貫通する貫通孔である。複数の第2通気口221の各々は、後述する連通空間280によって、X方向において並んで対応する第1通気口211と連通している。
第1側壁部230および第2側壁部240は、第1の方向(Y方向)に並んで配置され、互いに対向している。
図4に示すように、第1側壁部230は、凸部231を有している。凸部231は、第2側壁部240とは反対側に突出している。図5に示すように、第2側壁部240は、凹部241を有している。凹部241は、第1側壁部230に向かって凹み、凸部231と係合可能な形状を有している。複数のユニット10において、隣り合うユニット10の凸部231と凹部241とが各々係合する。
上面部250は、第1壁部251と、第2壁部252と、第3壁部253と、第4壁部254と、係合面255と、孔部256とを含む。第1壁部251は、X方向の中央部においてY軸方向に延びるように2本平行に形成される。第2壁部252、第3壁部253、および第4壁部254は、第1壁部251に対してX方向の両側に設けられ、バスバー300の設置箇所を区画する。第2壁部252には、後述の電圧検出線610を通すための切り欠き252Aが形成される。係合面255には、拘束部材500の第2フランジ部530が係合する。孔部256は、後述のガス排出弁130と連通する。
バスバー300は、導電体からなる。複数のバスバー300は、複数の電池セル100を互いに電気的に接続する。
図6は、本技術の一実施の形態に係る電池モジュールが備える電池セルの構成を示す斜視図である。
図6に示すように、電池セル100は、たとえば、リチウムイオン電池である。電池セル100は、角型形状を有する。個々の電池セル100の出力密度は、たとえば、8000W/L以上程度である。
本実施の形態に係る電池セル100は、電極端子110と、筐体120と、ガス排出弁130とを有する。
電極端子110は、筐体120上に形成されている。電極端子110は、第1の方向(Y方向)に直交する第2の方向(X方向)に沿って並ぶ2つの電極端子110として、正極端子111および負極端子112を有する。
正極端子111および負極端子112は、X方向において、互いに離れて設けられている。正極端子111および負極端子112は、X方向において、配線部材600およびダクト700の両側にそれぞれ設けられている。
筐体120は、直方体形状を有し、電池セル100の外観をなしている。筐体120には、図示しない電極体および電解液が収容されている。
筐体120は、上面121と、下面122と、第1側面123と、第2側面124と、第3側面125とを有する。
上面121は、Z方向に直交する平面である。上面121には、電極端子110が配置されている。下面122は、第1の方向(Y方向)に直交する第3の方向(Z方向)に沿って上面121に対向している。
第1側面123および第2側面124の各側面は、Y方向に直交する平面からなる。第1側面123および第2側面124の各側面は、筐体120が有する複数の側面のうちで最も大きい面積を有する。第1側面123および第2側面124の各側面は、Y方向に見て、矩形形状を有する。第1側面123および第2側面124の各側面は、Y方向に見て、X方向が長手方向となり、Z方向が短手方向となる矩形形状を有する。
複数の電池セル100は、Y方向に隣り合う電池セル100,100の間において、第1側面123同士、第2側面124同士が向かい合わせとなるように積層されている。これにより、複数の電池セル100が積層されるY方向において、正極端子111と負極端子112とが、交互に並んでいる。
なお、ユニット10に備わる電池セル100の数が、奇数個である場合、Y方向に隣り合うユニット10間において、ユニット10の姿勢がZ軸を中心に180°反転されるとよい。
ガス排出弁130は、上面121に設けられている。ガス排出弁130は、筐体120の内部で発生したガスにより筐体120の内圧が所定値以上となった場合に、そのガスを筐体120の外部に排出する。ガス排出弁130からのガスは、図1中のダクト700を流れて、電池モジュール1の外部に排出される。
図7は、本技術の一実施の形態に係る電池モジュールが備える電圧検出線の構成を示す部分斜視図である。
図7に示すように、配線部材600は、電圧を検出する電圧検出線610を含む。複数の電圧検出線610は、バスバー300に向かって延出して接続されている。電圧検出線610は、複数のユニット10の各々に1つずつ配置されている。これにより、電圧検出線610は、ユニット10の電圧を検出することが可能である。
図8は、図4のユニットをVIII-VIII線矢印方向から見た断面図である。図9は、図8におけるIX部の拡大図である。図10は、図8におけるX-X線矢印方向から見た断面図である。
図8ないし図10に示すように、支持部材としてのケース200は、隔壁部をさらに有する。隔壁部は、複数の電池セル100の間に位置し、複数の電池セル100間の電気的絶縁性を確保するセパレータとして機能する。本実施の形態に係る隔壁部は、第1隔壁部260と、第2隔壁部270とを有する。
図8に示すように、ケース200の第1隔壁部260および第2隔壁部270により電池セル100が挟持される。ケース200は、第1の方向(Y方向)に電池セル100を支持する。
第1隔壁部260は、Y方向において、ユニット10の略中央に位置する。本実施の形態における第1隔壁部260は、ユニット10に収容された4つの電池セル100のうち、Y方向の中央側に配置された2つの電池セル100同士の間に配置されている。第1隔壁部260は、ケース200の内部において、Z方向に連続している。
第2隔壁部270は、Y方向における第1隔壁部260の両側に、電池セル100を間に挟んで設けられている。第2隔壁部270は、ケース200の内部において、Z方向に連続している。
第2隔壁部270は、薄肉部271と、リブ272とを有する。薄肉部271は、第2隔壁部270において、Y方向の厚みが薄い部分である。薄肉部271は、第2隔壁部270のZ方向における中央より上面部250側を中心としてZ方向に沿って4つ設けられている。リブ272は、4つの薄肉部271の間に位置している。
電池モジュール1において、第1隔壁部260と第2隔壁部270とが第1の方向(Y方向)に並んで交互に配置される。第1隔壁部260と第2隔壁部270とは、互いに異なる形状を有する。第1隔壁部260および第2隔壁部270は、第1の方向(Y方向)から電池セル100に当接する。このとき、第2隔壁部270と電池セル100との接触面積(第2の面積)は、第1隔壁部260の接触面(第1の面積)よりも小さい。
隔壁部には、第1の方向(Y方向)および第3の方向(Z方向)に交差する第2の方向(X方向)に延びる連通空間280(冷却空間)が設けられている。本実施の形態に係る隔壁部においては、第2隔壁部270の両面に複数の連通空間280が設けられている。連通空間280は、第2隔壁部270に薄肉部271およびリブ272が形成されることによって、電池セル100が収容されたケース200の内部を連通している。連通空間280は、第1通気口211および第2通気口221と連通している。
図10に示すように、連通空間280は、第2の方向(X方向)における第2隔壁部270の幅方向全体にわたって形成される。連通空間280は、第2の方向(X方向)において開口部511と連続している。これにより、第1通気口211または第2通気口221から冷却風を導入し、連通空間280に冷却風を通流させることによって、ケース200に収容された電池セル100を冷却することができる。
連通空間280の少なくとも一部は、筐体120の上面121と下面122との間の中央より上面121側に位置している。本技術の一実施の形態においては、Z方向に並んだ4つの連通空間281,282,283,284のうちの上面121側に設けられる2つの連通空間281,282が、上面121と下面122との間の中央より上面121側に位置している。
連通空間280の少なくとも一部が、上面121と下面122との間の中央より上面121側に位置していることによって、支持部材としてのケース200の重心を低くして、ケース200を安定して自立させることができる。
本技術の一実施の形態に係る電池モジュール1においては、電池セル100の冷却に寄与する連通空間280が両面に形成された第2隔壁部270を第1の方向(Y方向)に沿って1つおきに設けることにより、全ての電池セル100に同じ冷却効果を付与することができる。他方、連通空間280を形成しない第1隔壁部260は第2隔壁部270と比較すると厚みを小さくすることができる。したがって、電池モジュール1の製造コストの低減および小型化を実現しながら効率的かつ均一な電池セル100の冷却を行うことが可能となる。
さらに、電池モジュール1においては、複数の電池セル100を第1の方向(Y方向)に並べてケース200に収容するユニット10を構成し、かつ、複数のユニット10を第1の方向(Y方向)に並べて配置して電池モジュール1を構成することによって、複数の電池セル100の各々を一単位として電池モジュール1を製造する場合と比較して、製造工程を簡素化することができる。簡素化の例として、たとえば、小さく構成されたユニット10を溶接機に通してユニット10内のバスバー300の溶接を行った後、異なるユニット10を跨ぐバスバー300を個別に接合することで、溶接工程を効率化できること等が挙げられる。
さらに、電池モジュール1においては、複数の電池セル100をケース200に収容するユニット10を構成することによって、電池モジュール1をユニット10の単位で容易に解体または交換することができる。
さらに、電池モジュール1においては、複数の電池セル100をケース200に収容するユニット10を構成することによって、電池モジュール1を廃棄する際に、電池モジュール1を分割して、ユニット10を一単位として低電圧化して取り扱うことができるため、電池モジュール1の廃棄を容易にすることができる。
さらに、電池モジュール1においては、電池セル100をユニット10の構成を介して拘束部材500によって拘束することができる。
さらに、電池モジュール1においては、複数のユニット10同士をバスバー300によって接続することによって、ユニット10単位で電池モジュール1を製造することができる。
さらに、電池モジュール1においては、1つのユニット10に電圧検出線610を1つ配置するため、電圧検出線610を電池セル100の各々に配置する場合と比較して、電池モジュール1を低コスト化することができる。
さらに、電池モジュール1においては、1つのユニットに2個以上の電池セル100を含み、2個以上の電池セル100の各々の出力密度を8000W/L以上程度にすることによって、ユニット単位で所定の電圧以上の電源装置を形成することができる。
以上、本技術の実施の形態について説明したが、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。本技術の範囲は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 電池モジュール、10 ユニット、100 電池セル、110 電極端子、111 正極端子、112 負極端子、120 筐体、121 上面、122 下面、123 第1側面、124 第2側面、125 第3側面、130 ガス排出弁、200 ケース、210 前壁部、211 第1通気口、220 後壁部、221 第2通気口、230 第1側壁部、231 凸部、240 第2側壁部、241 凹部、250 上面部、251 第1壁部、252 第2壁部、253 第3壁部、254 第4壁部、255 係合面、256 孔部、260 第1隔壁部、270 第2隔壁部、271 薄肉部、272 リブ、280,281,282,283,284 連通空間、300 バスバー、400 エンドプレート、500 拘束部材、510 板状部、511 開口部、520 第1フランジ部、530 第2フランジ部、550 下部拘束部材、600 配線部材、610 電圧検出線、700 ダクト、800 接続端子。

Claims (8)

  1. 第1の方向に並んで配置され、角型形状を各々有する複数の電池セルと、
    前記複数の電池セルの間に設けられ、前記複数の電池セルの間の電気的絶縁性を確保する隔壁部とを備え、
    前記隔壁部は、第1隔壁部と、
    前記第1隔壁部と交互に設けられ、前記第1隔壁部とは異なる形状を有し、前記第1の方向の両側に位置する2つの電池セルとの間に冷却空間を各々形成する第2隔壁部とを含む、電池モジュール。
  2. 前記複数の電池セルは、前記第1の方向に直交する第2の方向に沿って並ぶ2つの電極端子を各々有し、
    前記冷却空間は、前記第2の方向に延びる、請求項1に記載の電池モジュール。
  3. 前記冷却空間は、前記第2の方向における前記第2隔壁部の幅方向全体にわたって形成される、請求項2に記載の電池モジュール。
  4. 前記複数の電池セルを収容して少なくとも前記第1の方向に支持し、前記複数の電池セルを含むユニットを形成するケースと、
    複数の前記ユニットを前記第1の方向に拘束する拘束部材とをさらに備えた、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電池モジュール。
  5. 前記ケースは2つの電池セルを支持し、前記2つの電池セルの間に前記第2隔壁部が設けられた、請求項4に記載の電池モジュール。
  6. 前記複数の電池セルは、前記第1の方向に直交する第2の方向に沿って並ぶ2つの電極端子を各々有し、
    前記冷却空間は、前記第2の方向に延び、
    前記複数の電池セルを収容して少なくとも前記第1の方向に支持し、前記複数の電池セルを含むユニットを形成するケースと、
    複数の前記ユニットを前記第1の方向に拘束する拘束部材とをさらに備え、
    前記拘束部材には、前記第2の方向において前記冷却空間と連続した開口部が設けられている、請求項1に記載の電池モジュール。
  7. 前記ユニットは、2個以上の電池セルを各々含み、前記2個以上の電池セルの各々の出力密度は8000W/L以上である、請求項4から請求項6のいずれか1項に記載の電池モジュール。
  8. 前記第1隔壁部は、前記第1の方向から第1の面積をもって隣接する電池セルに当接し、
    前記第2隔壁部は、前記第1の方向から第2の面積をもって隣接する電池セルに当接し、
    前記第2の面積は前記第1の面積よりも小さい、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電池モジュール。
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