JP2023150919A - バッテリパック - Google Patents

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Abstract

【課題】二次電池セルに対して負荷をかけずに、全方向にわたってバッテリモジュールの撓みや捩れを抑制することが可能な、バッテリパックを提供する。【解決手段】本発明のバッテリパック100は、複数の固体電池セルの積層体101と、積層体101の積層方向Lの両端にそれぞれ接続されたエンドプレート102と、両端のエンドプレート102に、それぞれ第一自己調心機構103Aを介して接続された第一壁部材104と、第一壁部材104を支持する支持部材106と、を備え、第一自己調心機構103Aは、球状部材107と、球状部材107の表面を摺動可能な二つの板状部材108とで構成され、一方の板状部材108がエンドプレート102に接続され、他方の板状部材108が第一壁部材104に接続されている。【選択図】図1

Description

本発明は、バッテリパックに関する。
近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する二次電池に関する研究開発が行われている。近年開発されている車両には、一般的な電子機器を構成するバッテリモジュールが、パックに取り付けられたバッテリパックの状態で搭載されている。
二次電池セルを備えたバッテリパックには、次のような課題が存在する。車両に搭載したバッテリパックでは、車両の振動によって加圧されたバッテリモジュールに撓みや捩れが発生しやすく、バッテリモジュールを構成する二次電池セルが破損する虞がある。
特許文献1では、バッテリモジュール(電池スタック)を構成する二次電池セルの積層体が、積層方向に加圧された状態であっても、撓みの発生を抑制する技術が開示されている。この技術は、積層体の両端を押圧する爪部材の表面に傾斜を設け、積層体のパック側の膨張を吸収させることによって実現される。
特開2021-096989号公報
特許文献1の技術では、バッテリモジュールのパック側に凸になる撓みが、強制的に抑える。そのため、バッテリモジュールを構成する二次電池セルに対して大きい負荷がかかり、二次電池セルが破損してしまう虞がある。また、特許文献1の技術では、バッテリモジュールのパック側に凸になる撓みを抑えることができるが、その他の側の撓みを抑えることは難しい。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、二次電池セルに対して負荷をかけずに、全方向にわたってバッテリモジュールの撓みや捩れを抑制することが可能な、バッテリパックを提供することを目的とする。そして、延いてはエネルギーの効率化に寄与するものである。
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
(1)本発明の一態様に係るバッテリパックは、複数の固体電池セルの積層体と、前記積層体の積層方向の両端にそれぞれ接続されたエンドプレートと、前記両端の前記エンドプレートに、それぞれ第一自己調心機構を介して接続された第一壁部材と、前記第一壁部材を支持する支持部材と、を備え、前記第一自己調心機構は、球状部材と、前記球状部材の表面を摺動可能な二つの板状部材とで構成され、一方の板状部材が前記エンドプレートに接続され、他方の板状部材が前記第一壁部材に接続されている。
この構成によれば、固体電池セルの積層体が、第一自己調心機構を介して第一壁部材、支持部材等の固定部材に固定されている。したがって、積層体は固定部材と点接触した状態になるため、固体電池セルの膨張等による、積層体の撓みやうねりを、全方向にわたって緩和させて抑えることができる。
また、この構成によれば、固定部材側から伝わる捩れ等による圧力は、第一自己調心機構を経由することによって均等化され、積層体に対してはどの角度からも等圧がかかるため、固体電池セルに対して大きい負荷がかからない状態を実現することができる。
(2)前記(1)に記載のバッテリパックにおいて、前記エンドプレートと前記第一壁部材との間に、前記エンドプレートまたは前記第一壁部材から突出する突出部を備えることが好ましい。
この構成によれば、突出部を備えることにより、積層体が撓んだ際に、エンドプレートが第一壁部材に近接するのを抑えることができ、その結果として、積層体が撓み過ぎるのを抑えることができる。
(3)前記(2)に記載のバッテリパックにおいて、前記第一自己調心機構を挟んで前記支持部材と反対側に、前記突出部を備えていることが好ましい。
この構成によれば、相対的に最も大きく撓むことが想定される側に、突出部を備えることになるため、過度な撓みの抑制効果を最大限に引き出すことができる。
(4)前記(2)または(3)のいずれかに記載のバッテリパックにおいて、前記突出部の先端面が、前記支持部材に近づくにつれて、前記突出部の後端面から遠ざかることが好ましい。
この構成によれば、積層体が撓んだ際に、突出部に近接するエンドプレートまたは第一壁部材に対し、突出部の先端面の全体を面接触させることができる。エンドプレートまたは第一壁部材に対する突出部の接触面積を大きくすることができるため、安定した状態で積層体の過度の撓みを抑えることができる。
(5)前記(2)~(4)のいずれか一つに記載のバッテリパックにおいて、前記積層体および前記エンドプレートが、前記支持部材と離間していることが好ましい。
この構成によれば、固体電池セルの体積膨張等による積層体のうねりが、支持部材との接触によって妨げられることがない。したがって、積層体のうねりが妨げられた場合に、積層体内の固体電池セルに応力が発生し、固体電池セルが破損する問題を回避することができる。
(6)本発明の他の一態様に係るバッテリパックは、複数の固体電池セルの積層体と、前記積層体の積層方向の両端にそれぞれ接続された第二壁部材と、前記両端の前記第二壁部材に、それぞれ第二自己調心機構を介して接続されたエンドプレートと、前記エンドプレートに接続された第一壁部材と、前記第一壁部材を支持する支持部材と、を備え、前記第二自己調心機構は、球状部材と、前記球状部材の表面を摺動可能な二つの板状部材とで構成され、一方の板状部材が前記第二壁部材に接続され、他方の板状部材が前記エンドプレートに接続されている。
この構成によれば、固体電池セルの積層体が、第二自己調心機構を介して第一壁部材、支持部材等の固定部材に固定されている。したがって、積層体は固定部材と点接触した状態になるため、固体電池セルの膨張等による、積層体の撓みやうねりを、全方向にわたって緩和させて抑えることができる。
また、この構成によれば、固定部材側から伝わる捩れ等による圧力は、第二自己調心機構を経由することによって均等化され、積層体に対してはどの角度からも等圧がかかるため、固体電池セルに対して大きい負荷がかからない状態を実現することができる。
(7)前記(6)に記載のバッテリパックにおいて、前記第二壁部材と前記エンドプレートとの間に、前記第二壁部材または前記エンドプレートから突出する突出部を備えることが好ましい。
この構成によれば、突出部を備えることにより、積層体が撓んだ際に、分散板がエンドプレートに近接するのを抑えることができ、その結果として、積層体が撓み過ぎるのを抑えることができる。
(8)前記(7)に記載のバッテリパックにおいて、前記第二自己調心機構を挟んで前記支持部材と反対側に、前記突出部を備えていることが好ましい。
この構成によれば、相対的に最も大きく撓むことが想定される側に、突出部を備えることになるため、過度な撓みの抑制効果を最大限に引き出すことができる。
(9)前記(7)または(8)のいずれかに記載のバッテリパックにおいて、前記突出部の先端面が、前記支持部材に近づくにつれて、前記突出部の後端面から遠ざかることが好ましい。
この構成によれば、積層体が撓んだ際に、突出部に近接する分散板またはエンドプレートに対し、突出部の先端面の全体を面接触させることができる。分散板またはエンドプレートに対する突出部の接触面積を大きくすることができるため、安定した状態で積層体の過度の撓みを抑えることができる。
(10)前記(6)または(9)のいずれかに記載のバッテリパックにおいて、前記第二壁部材および前記エンドプレートが、前記支持部材と離間していることが好ましい。
この構成によれば、固体電池セルの体積膨張等による積層体のうねりが、支持部材との接触によって妨げられることがない。したがって、積層体のうねりが妨げられた場合に、積層体内の固体電池セルに応力が発生し、固体電池セルが破損する問題を回避することができる。
本発明によれば、二次電池セルに対して負荷をかけずに、全方向にわたってバッテリモジュールの撓みや捩れを抑制することが可能な、バッテリパックを提供することができ、延いてはエネルギーの効率化に寄与することができる。
(a)本発明の第一実施形態に係るバッテリパックの平面図である。(b)(a)のバッテリパックのうち、自己調心機構の近傍の領域を拡大した図である。 同実施形態におけるバッテリモジュールの断面図である。 本発明の第二実施形態に係るバッテリパックの断面図である。 本発明の第三実施形態に係るバッテリパックの平面図である。 同実施形態におけるバッテリパックの断面図である。 同実施形態の変形例1に係るバッテリパックの断面図である。 同実施形態の変形例2に係るバッテリパックの断面図である。 同実施形態の変形例3に係るバッテリパックの断面図である。 (a)本発明の第四実施形態に係るバッテリパックの断面図である。(b)(a)のバッテリパックのうち、突出部の近傍の領域を拡大した図である。
以下、本発明を適用した実施形態に係るバッテリパックについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
<第一実施形態>
図1(a)は、本発明の第一実施形態に係るバッテリパック100の平面図である。バッテリパック100は、主に、複数の固体電池セルの積層体101と、一対のエンドプレート102と、一対の自己調心機構103と、一対の第一壁部材104と、連結部材105と、支持部材106と、を備える。図1(b)は、図1(a)のバッテリパック100のうち、第一自己調心機構103の近傍の領域を拡大した図である。
積層体101を構成する複数の固体電池セル(不図示)は、Y方向に積層されているものとする。積層された複数の固体電池セルは、それぞれ正極集電体、正極活物質、固体電解質、負極活物質、負極集電体を備えており、それらが、Y方向に直接または他の部材を挟んで重なるように積層されてなるものとする。
積層体101の積層方向Lの両端に、それぞれ一対のエンドプレート102のうちいずれかが接続されている。一方の第一エンドプレート102Aは、固体電池セル101の積層方向Lにおける一端Lに接するように配置され、他方の第二エンドプレート102Bは、同積層方向における他端Lに接するように配置されている。
拘束手段(不図示)が、複数の固体電池セル101に対し、第一エンドプレート102Aおよび第二エンドプレート102Bを介して両端L、Lから積層方向Lに押圧し、全固体電池セル101を拘束しているものとする。拘束手段としては、例えば、積層された全固体電池セル101の周りを囲むバンド状のもの(拘束フープ等)が挙げられるが、他の形態のものであってもよい。
積層体101の両端のエンドプレート102(102A、102B)のそれぞれに対し、積層体101と反対側に、自己調心機構103(第一自己調心機構103A)を介して第一壁部材104(104A、104B)が接続されている。つまり、エンドプレート102Aは、第一自己調心機構103Aを介して第一壁部材104Aに接続され、エンドプレート102Bは、第一自己調心機構103Aを介して第一壁部材104Bに接続されている。第一壁部材104A、104Bは、それぞれ支持部材(パック)106によって支持されている。第一壁部材104Aと第一壁部材104Bとは、一つまたは二つ以上の連結部材105を介して連結されていてもよい。
自己調心機構103は、球状部材107と、球状部材107の表面を摺動可能な二つの板状部材108(108A、108B)とで構成され、板状部材108Aがエンドプレート102に取り付けられ、板状部材108Bが第一壁部材104に取り付けられている。いずれの板状部材108A、108Bも、球状部材107に対して摺動する面に窪みを有する。球状部材107の一部は板状部材108Aの窪みに嵌め込まれ、球状部材107の他の一部は板状部材108Bの窪みに嵌め込まれている。球状部材107は、板状部材108Aと板状部材108Bとで挟まれた状態で把持されている。
自己調心機構103を介することにより、エンドプレート102および積層体101は、第一壁部材104に対して点接触した状態で固定される。そのため、支持部材106の捩れによる圧力は、自己調心機構103において均等化され、積層体101を構成する固体電池セルに対しては、どの角度からも等圧がかかることになる。
第一壁部材104に対し、エンドプレート102および積層体101の点接触状態を維持する観点から、球状部材107は、例えばハイス鋼、クロムモリブデン鋼等の強硬度材や、SUSであればSUS440CやSUS630といった硬度の材料で構成され、第一壁部材以上の硬度を有することが好ましい。第一壁部材104がSUS304(硬度187:ビッカース硬さHV換算)やアルミ合金(ジェラルミン)(硬度155)で構成される場合、球状部材107は、それらを上回る200以上の硬度を有することが好ましい。
図2は、図1のバッテリパック100を、A-A線に沿って切断した際の断面図である。積層体101は、固体電池セルの体積膨張等によって、あらゆる方向にうねる。このうねりが妨げられた場合、積層体101内の固体電池セルに負荷が加わり、固体電池セルが破損する虞がある。そこで、積層体101のうねりを妨げないようにするために、少なくとも、積層体101およびエンドプレート102は、支持部材106から離間していることが好ましい。
以上により、本実施形態のバッテリパック100では、固体電池セルの積層体101が、自己調心機構103を介して第一壁部材、支持部材等の固定部材に固定されている。したがって、積層体101は固定部材と点接触した状態になるため、固体電池セル101の膨張等による、積層体101の撓みやうねりを、全方向にわたって緩和させて抑えることができる。
また、固定部材側から伝わる捩れ等による圧力は、自己調心機構103を経由することによって均等化され、積層体101に対してはどの角度からも等圧がかかるため、固体電池セルに対して大きい負荷がかからない状態を実現することができる。本実施形態は、このようなバッテリパック100を提供することにより、エネルギーの効率化に寄与し得るものである。
<第二実施形態>
図3は、本発明の第二実施形態に係るバッテリパック110の平面図である。バッテリパック110では、固体電池セルの積層体101の積層方向の両端に、それぞれ分散板(第二壁部材)111(111A、111B)が接続され、分散板111とエンドプレート102(102A、102B)との間に、自己調心機構103(第二自己調心機構103B)が取り付けられている。エンドプレート102A、102Bは、それぞれ、支持部材106で支持された第一壁部材104A、104Bに接続されている。分散板111は、自己調心機構103Bによる圧力を、積層体101の各端面の全体に均等にかかるように分散させる機能を有する。積層体101および分散板111は、支持部材106と離間していることが好ましい。バッテリパック110の他の構成は、上記バッテリパック100と同様であり、少なくともバッテリパック100と同様の効果を奏する。バッテリパック100と対応する箇所については、同じ符号で示している。
本実施形態は、エンドプレート102A、102Bが、第一壁部材104A、104Bを介して支持部材106に固定され、自己調心機構103Bを両端に備えた積層体(セルスタック体)101を、固定されたエンドプレート102Aと102Bの間に差し込むように構成された形態を想定したものである。この形態のバッテリパック110であれば、荷重を保ったまま、エンドプレート102を積層体101に締結させる作業を発生させずに製造することができる。
<第三実施形態>
図4は、本発明の第三実施形態に係るバッテリパック120の平面図である。図5は、図4のバッテリパック120を、A-A線に沿って切断した際の断面図である。バッテリパック120は、エンドプレート102と第一壁部材104との間に、エンドプレート102または第一壁部材104から突出する突出部109を備える。バッテリパック120の他の構成は、上記バッテリパック100と同様であり、少なくともバッテリパック100と同様の効果を奏する。バッテリパック100と対応する箇所については、同じ符号で示している。
図4、5に示す突出部109の構成は、一例である。突出部109は、エンドプレート102と第一壁部材104のうち、いずれか一方とのみ接続され、他の一方と離間しているものとする。ここでは、突出部109がY方向に延在する棒状(柱状等)を有し、一端が第一壁部材104に接続され、他端がエンドプレート102から離間した構成を例示している。突出部109を備えることにより、積層体101が撓んだ際に、エンドプレート102が第一壁部材104に近接するのを抑えることができ、その結果として、積層体101が撓み過ぎるのを抑えることができる。
積層体101の撓みは、支持部材106側では大きさが制限されたものになるのに対し、支持部材106の反対側では、周囲が開放されているため、制限なしで大きくなってしまう。したがって、突出部109は、撓みが相対的に大きくなる側に備えることが好ましく、支持部材106の反対側に備えることが最も好ましい。
図6は、第三実施形態の変形例1に係るバッテリパック130の断面図である。突出部109は、第一壁部材104とエンドプレート102の間の複数の箇所に接続されていてもよい。例えば図6に示すように、支持部材106と反対側(上側)と支持部材106側(下側)との二箇所に接続されていれば、積層体101の上側の膨張による過度のうねりだけでなく、下側の膨張による過度のうねりも抑えることができる。
図7は、第三実施形態の変形例2に係るバッテリパック140の断面図である。突出部109は、第一壁部材104に接続されず、エンドプレート102に接続されていてもよい。例えば、図7に示すように、突出部109のうち一端がエンドプレート102に接続され、他端が第一壁部材104から離間した状態であってもよい。ここでは、第一壁部材104とエンドプレート102の間において、突出部109が一箇所のみに接続されている場合を例示しているが、変形例1と同様に、複数箇所に接続されてもよい。
図8は、第三実施形態の変形例3に係るバッテリパック150の断面図である。自己調心機構103は、少なくとも積層体101の一端L側と他端L側の二箇所に備えていればよい。例えば、第二実施形態と同様に、分散板111とエンドプレート102との間に、自己調心機構103(第二自己調心機構103B)を備えてもよい。ここでは、分散板111とエンドプレート102との間において、突出部109が一箇所のみに接続されている場合を例示しているが、変形例1と同様に、複数箇所に接続されてもよい。
<第四実施形態>
図9(a)は、本発明の第四実施形態に係るバッテリパック160の断面図である。固体電池セルの体積膨張等によって積層体101が撓み、エンドプレート102の上端部が第一壁部材104に近接している状態を示している。図9(b)は、図9(a)のバッテリパック160のうち、突出部109の近傍の領域を拡大した図である。
バッテリパック160では、突出部109の表面のうち、エンドプレート102または第一壁部材104の上端部と近接(対向)する先端面109aが、支持部材106の表面の法線方向(Z方向)に対して傾斜している。つまり、突出部109の先端面109aは、支持部材106に近づくにつれて、突出部109の後端面(エンドプレート102または第一壁部材104と接続される面)から遠ざかるように傾斜している。ここでは、エンドプレート102と近接する突出部の先端面109aが、傾斜している場合を例示している。バッテリパック160の他の構成は、上記バッテリパック120と同様であり、少なくともバッテリパック120と同様の効果を奏する。バッテリパック120と対応する箇所については、同じ符号で示している。
突出部の表面109aがこのように傾斜していることにより、積層体101が撓んだ際に回転するエンドプレートの表面102aに対し、突出部の表面109a全体を面接触させることができる。つまり、エンドプレート102に対する突出部109の接触面積を、大きくすることができる。したがって、本実施形態においては、近接するエンドプレート102の表面102aに対し、突出部の表面109aの一部のみが接触するような場合に比べて、より安定した状態で積層体101の過度の撓みを抑えることができる。
なお、本実施形態での表面109aの向き(傾斜方向)は、図9(a)に示すように、積層体101が支持部材106と反対側(上側)に撓んだ状態を想定して設定したものである。他の側に撓んだ状態に想定し、異なる傾斜面を有する突出部109を用いてもよい。例えば、支持部材側(下側)への撓みに対しては、支持部材106から離れるにつれて、積層体101側に広がるように傾斜する表面109aが適しており、そのような表面109aを有する突出部109を用いてもよい。
第一壁部材104とエンドプレート102の間において、第一自己調心機構103Aより支持部材106に近い側に、突出部110を備えていてもよい。この場合、支持部材106側が凸になるような積層体101の湾曲(撓み)を抑えることができ、湾曲した積層体101が支持部材106に接触し、積層体101中のセル側面部が損傷するのを防ぐことができる。
100、110、120、130、140、150、160・・・バッテリパック
101・・・積層体
102、102A、102B・・・エンドプレート
102a・・・エンドプレートの表面
103・・・自己調心機構
103A・・・第一自己調心機構
103B・・・第二自己調心機構
104、104A、104B・・・第一壁部材
105・・・連結部材
106・・・支持部材
107・・・球状部材
108、108A、108B・・・板状部材
109・・・突出部
109a・・・突出部の先端面
111、111A、111B・・・分散板(第二壁部材)
L・・・積層方向
・・・積層方向の一端
・・・積層方向の他端

Claims (10)

  1. 複数の固体電池セルの積層体と、
    前記積層体の積層方向の両端にそれぞれ接続されたエンドプレートと、
    前記両端の前記エンドプレートに、それぞれ第一自己調心機構を介して接続された第一壁部材と、
    前記第一壁部材を支持する支持部材と、を備え、
    前記第一自己調心機構は、球状部材と、前記球状部材の表面を摺動可能な二つの板状部材とで構成され、一方の板状部材が前記エンドプレートに接続され、他方の板状部材が前記第一壁部材に接続されていることを特徴とするバッテリパック。
  2. 前記エンドプレートと前記第一壁部材との間に、前記エンドプレートまたは前記第一壁部材から突出する突出部を備えることを特徴とする請求項1に記載のバッテリパック。
  3. 前記第一自己調心機構を挟んで前記支持部材と反対側に、前記突出部を備えていることを特徴とする請求項2に記載のバッテリパック。
  4. 前記突出部の先端面が、前記支持部材に近づくにつれて、前記突出部の後端面から遠ざかることを特徴とする請求項2または3のいずれかに記載のバッテリパック。
  5. 前記積層体および前記エンドプレートが、前記支持部材と離間していることを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載のバッテリパック。
  6. 複数の固体電池セルの積層体と、
    前記積層体の積層方向の両端にそれぞれ接続された第二壁部材と、
    前記両端の前記第二壁部材に、それぞれ第二自己調心機構を介して接続されたエンドプレートと、
    前記エンドプレートに接続された第一壁部材と、
    前記第一壁部材を支持する支持部材と、を備え、
    前記第二自己調心機構は、球状部材と、前記球状部材の表面を摺動可能な二つの板状部材とで構成され、一方の板状部材が前記第二壁部材に接続され、他方の板状部材が前記エンドプレートに接続されていることを特徴とするバッテリパック。
  7. 前記第二壁部材と前記エンドプレートとの間に、前記第二壁部材または前記エンドプレートから突出する突出部を備えることを特徴とする請求項6に記載のバッテリパック。
  8. 前記第二自己調心機構を挟んで前記支持部材と反対側に、前記突出部を備えていることを特徴とする請求項7に記載のバッテリパック。
  9. 前記突出部の先端面が、前記支持部材に近づくにつれて、前記突出部の後端面から遠ざかることを特徴とする請求項7または8のいずれかに記載のバッテリパック。
  10. 前記積層体および前記第二壁部材が、前記支持部材と離間していることを特徴とする請求項6~9のいずれか一項に記載のバッテリパック。
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