JP3888283B2

JP3888283B2 - Battery module

Info

Publication number: JP3888283B2
Application number: JP2002305758A
Authority: JP
Inventors: 丈清川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-10-21
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2022-10-21
Also published as: JP2004139934A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッテリーモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のバッテリーモジュール（組電池）は例えば、特開２００１−３０７７８４号公報に開示されており、セルをシリコン樹脂で覆うことで設置スペースの縮小／軽量化を行う技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３０７７８４号公報（図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報記載の技術では、セルの接触状態が悪く耐振動性が悪いと言う問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記のような問題点を解消するためのものであり、セルの接触状態を向上させるとともに、耐振動性を保持したまま軽量化を図ることができるバッテリーモジュールを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明のバッテリーモジュールは、セルの一面が接するシャシと、前記シャシと対向して配置される保持プレートと、前記シャシと前記保持プレートとの間に配置されるセルと、前記シャシと前記保持プレートとを固定する複数の固定ボルトと、を備え、前記シャシの上部にセルの底面に対して平行で前記セルの一面が接する面と垂直方向に梁を有するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるバッテリーモジュールを示すものである。図1において、セル１はシャシ２と、シャシ２と対向して配置される保持プレート３との間に配置され、保持プレート３の外側より固定ボルト４を締め付けることによって保持されている。なお、固定ボルト４には別の固定具、あるいは弾性を有する機構を用いても良い。
【０００８】
固定ボルト４の適正本数Ｎは、固定ボルト４の１本あたりの軸力をFt[N]、セル１を保持するために必要な面圧をP[MPa]、セル１の接触面積をＡ[mm²]、とすると式１で与えられる。
【０００９】
【数１】

【００１０】
実際のボルト選定にあたっては、前記固定ボルトの実装空間、適正トルク、輸送環境などによって発生する加速度による外力、安全率等を加味して選定し、前記の式により本数を決定する。
【００１１】
なお、図１で保持プレート３は平板によって形成されていたが、図２に示すようにセル１の一部分が収納される形状の保持プレート５であってもよい。この場合、固定ボルト４のボルト頭部を前記バッテリーモジュール内に収容することができ、バッテリーモジュールを小型化することができる。つまり、固定ボルト４を短くすることができ、頭部の突出を無くすことができる。これにより、軽量化と省スペースを実現できる。
また、保持プレート５において、セル１の一部分を収納する形状が、セル１と接触する面に対して垂直な梁を形成することにより、保持プレート５の比剛性を向上することができ、結果として保持プレート５を薄肉化、軽量化が可能となる。
さらに、保持プレート５の詳細な強度解析に基づき、保持プレート５内部の力線を避けて穴を開けたり、外表面上において外表面に対して垂直な梁形状を設けることによって剛性を向上させ、更なる軽量化をはかることができる。
【００１２】
シャシ１と保持プレート５は互いに一部あるいは全部が接触しておらず、固定ボルト４の締め込み量を変化させることによって、セル１における厚み公差、すなわちセル１とシャシ２の接触面およびセル１と保持プレート５の接触面によって形成される平行度公差を吸収することができる。
例えば図３においてセル６が底部から端子部に向かって縮んでいるような形状を有している場合、隙間７から８、９、１０、１１と、徐々に大きくなるように固定ボルト４の締め込み量を変化させることにより、セル６と、シャシ２、および保持プレート５の各々の幾何公差およびそのばらつきによらず、前記接触面において従来より確度の高い接触状態を得ることができる。
【００１３】
また、図３においてセル６の最も広い面積を有する面と、これに対向する面だけが、それぞれシャシ２、および保持プレート５と接触しており、シャシ２と保持プレート５同士は直接接触していない。従って、バッテリーモジュールの構造的な強度はシャシ２の構造が受け持っており、セル６および保持プレート５には、セル６を保持するための機構による外力以外は働かない。仮に隙間１２が無く、保持プレート５がシャシ２に接触し、あるいは固定されていると、振動や衝撃などの環境においてシャシ２に加わった外力が保持プレート５を変形させ、その最も重要な機能であるセル６に面圧を与えて保持する作用が損なわれ、バッテリーモジュールの強度や放熱特性が劣化することとなる。
【００１４】
さらに、保持プレート５の材質が、変形性を有する材料を用いることにより、セル６と保持プレート５の接触面において、保持プレート５の接触面がセル６の接触面形状に沿って変形し、あるいはねじれる事によって、セル６の接触面の平面度公差も吸収し、従来より広範囲にわたって良好な接触状態を得ることができる。
これにより、セル６の発熱を効率よく放熱する性能が得られるだけでなく、セル６内部の電極を確実に保持することができ、結果としてバッテリーモジュールの剛性を従来より上げることができる。
なお、更に放熱性能を向上させるために、シャシ２とセル６の接触面、および保持プレート５とセル６の接触面の間に熱伝導性の良い薄肉のシートや、充填剤等をはさんでも良い。
【００１５】
また、図４に示すように、保持プレート１３において、取付け後の変形の状態を考慮して、事前に保持プレート１３の形状を凸形状１４に成形しておくことによって、図３において、セル６と保持プレート５の接触面内における圧力分布を変化させることができるようになる。従来はセルの中央付近の面圧を向上させようとして、保持プレート全体の剛性を向上させていたが、本形状１４を用いれば、保持プレート１３中央付近の形状を凸型に成形しておくだけで所望の面圧分布が達成されるため、不必要な質量増加を抑制することができる。
【００１６】
図５は、シャシ２の両面にセル１と保持プレート５とを有するバッテリーモジュールを示すものである。この場合、固定ボルト４はシャシ２を貫通させ、対向する保持プレート上にてナット止めしてもよい。
【００１７】
図６は、シャシ２の同一面にセル１と保持プレート５とを有するバッテリーモジュールを示すものである。図６では２セルを実装しているが、並列して実装するセルの数はこの限りでない。
【００１８】
また、図７に示すように、保持プレート１５において、前記固定ボルト取付け部付近の一部を切欠いた形状１６を具備することにより、図８の拡大図Ａに示すように、保持プレート１５Ａと、保持プレート１５Ｂの切欠き部を相互に入れ込む形態にすることによって、バッテリーモジュールの幅を狭め、小型化することが可能となる。
【００１９】
以上の様に、実施の形態１によって、セルの接触状態を従来より向上し、かつ、より安定させることにより、従来より耐振動性能の高い、軽量で、かつ、セルの放熱性能も向上されたバッテリーモジュールを実現できる。
【００２０】
実施の形態２．
図９は、図２の形態において、保持プレート５と固定ボルト４間にレール状の構造物１７を入れた形状を有するバッテリーモジュールを示すものである。レール１７により固定ボルト４の締結部付近の応力集中を緩和し、保持プレート５の取付け機構の強度を向上させることができる。また、離散的に配置される固定ボルト４の締付け力をレール１７により分散して保持プレート５に伝達することにより、取付けボルト４の本数を少なくしても、セル１と保持プレート５およびセル１とシャシ２との接触面において、均一な面圧を得ることができる。
【００２１】
図１０は、図８の形態において、シャシ１８の側部にセル１の底面に垂直で、かつシャシ１８とセル１との接触面に対して垂直な梁を設けた形状を有するバッテリーモジュールを示すものである。本形状により、シャシ１８の比剛性を向上することにができ、バッテリーモジュールの小型化が可能となる。さらに、シャシ１８の詳細な強度解析に基づき、力線を避けて前記梁形状内に穴を開けたり、外表面に対して垂直な別の梁形状を更に設けることによってシャシ１８の比剛性を向上させ、更なる軽量化をはかることができる。
【００２２】
図１１は、図８の形態において、シャシ１９の上部にセル１の底面に平行で、かつシャシ１９とセル１との接触面に対して垂直な梁を設けた形状を有するバッテリーモジュールを示すものである。前記梁によってシャシ１９の比剛性が向上し、シャシ全体の薄肉化、軽量化がはかれる。また、前記の梁はあらかじめシャシ１９と一体成形してもよいし、後から部品として付け足しても良い。ただし、特定のバッテリーモジュールにおいて、梁の剛性を上げても、必ずしもバッテリーモジュールの剛性向上が、前記梁の幅を広げた質量増に見合わない臨界の幅２０が存在する。この幅の値を解析により最適化することにより、バッテリーモジュールにおいて無駄な質量増加を抑止し、比剛性を効率よく高めることができる。
【００２３】
図１２は、図６の形態において、シャシ２の同一面上で隣り合うセル１同士の間に剛性強化板２１を入れた形状を有するバッテリーモジュールを示すものである。剛性強化板２１は、その最も広い面に対して垂直な２面にてシャシ２に結合されており、剛性強化板２１の取付け機構は、セル１、保持プレート５、固定ボルト４によって形成されるセル１の保持機構になんら外力を与えない。剛性強化板２１により、シャシ２の比剛性が向上し、シャシ全体の薄肉化、軽量化がはかれる。なお、図１２では剛性強化板２１は矩形を形成しているが、必ずしもこの形でなくても良い。また、剛性強化板２１は、あらかじめシャシ２と一体成形してもよいし、後から部品として付け足しても良い。剛性強化板２１を部品として後から取付ける場合、様々な形状による剛性の異なる剛性強化板を用意しておくことで、剛性の異なるバッテリーモジュールを容易に得ることができる。すなわち、様々な剛性要求に対して、従来の様に種類の異なるシャシをそれぞれ用意する必要が無く、多品種化をはかる上で飛躍的に生産性を向上させることができる。
【００２４】
図１３は、以上の形態を複合したバッテリーモジュールの形状を示す。すなわち、図1３において、シャシ２２の両面および同一面にそれぞれ２セルずつ、合計４セルが保持プレート２７にて保持されており、シャシ２２の片面において同一面に配置されるセル１同士の間に剛性強化板２１を入れた形状を有する。さらにシャシ２２は側部にセル１の底面に対して垂直で、かつシャシ２２とセル１との接触面に対して垂直な梁２３を設けた形状を有し、かつ、シャシ２２はその上部にセル１の底面に対して平行で、かつシャシ２２とセル１との接触面に対して垂直な幅２６を有する梁２５を設けた形状を有する。梁形状２３には軽量化のためにいくつかの丸穴が設けられており、さらに梁２３の端部には、後に図１３の形態を有するバッテリーモジュール同士を複数連結するためのフランジ２４がいくつか設けられている。本フランジ２４を用いてバッテリーモジュール同士を連結することにより、バッテリーモジュールの大型化が可能となる。なお、図１３では剛性強化板２１はシャシ２２の片側のみに付与したが、シャシ２２の両面に配置しても良い。
【００２５】
ここで、図１３の形態における梁形状２５の効果について、解析および実験の結果を示す。図１３において、梁形状２５の幅２６を変数とし、バッテリーモジュールの剛性を評価する値として１次固有振動数を解析にて求め、グラフに示したものが図１４である。図１１の形態で述べたように、図１４において、幅１２．５[mm]付近で著しい固有振動数の向上が認められるが、以後は幅２６を大きくしても、優位な固有振動数の上昇は得られないことが分かる。すなわち、本バッテリーモジュールにおいては、幅２６の値は１２．５[mm]が最適値と認められる。
【００２６】
図１５は図１３において幅２６の値を１２．５[mm]とし、強度剛性板２１を取り外した場合の１次固有振動数およびバッテリーモジュールの挙動解析結果を示す。図１５において、２８は図１３におけるセル１をあらわし、２９は図１３におけるシャシ２２をあらわし、３０は図１３における保持プレート２７をあらわしている。なお、図１３における梁２５の効果をより明瞭に確認するため、剛性強化板２１は図１５に示す解析モデルには含まれていない。図はバッテリーモジュールの静止状態および振動中の変位状態が重ねて表記されており、１次固有振動数におけるバッテリーモジュールの挙動は、倒れ方向に支配的であることが分かる。
【００２７】
図１６は図１５にて解析を実施したバッテリーモジュールを実際に製作し、固有振動数を測定した結果である。図１６において、横軸は周波数、縦軸は応答倍率を表す。図１６より、１次固有振動数の解析値と実測値の差は１０％未満であり、解析は妥当であるといえる。また、１次固有振動数における応答倍率、３２倍となる。この応答倍率を考慮しても問題ない場合には、本構成を利用することが可能となる。
【００２８】
次に、図１３における剛性強化板２１の効果について、解析および実験の結果を示す。図１７は図１５の解析モデルに対して、図１３における剛性強化板２１を模擬する形状３１を付与した解析モデルによる、１次固有振動数およびバッテリーモジュールの挙動解析結果を示す。なお、図１３における剛性強化板２１の効果をより明瞭に確認するため、梁２５は幅２６の値を図１５の解析モデルと同一の１２．５[mm]とした。図１７はバッテリーモジュールの静止状態および振動中の変位状態が重ねて表記されており、１次固有振動数におけるバッテリーモジュールの挙動は、図１５と同様に、倒れ方向に支配的であることが分かる一方、１次固有振動数の値は１０８．９[Hz]まで上昇している。
【００２９】
図１８は図１７にて解析を実施したバッテリーモジュールを実際に製作し、固有振動数を測定した結果である。図１８において、横軸は周波数、縦軸は応答倍率を表す。図１８より、１次固有振動数の解析値と実測値の差は１０％未満であり、解析は妥当であるといえる。また、１次固有振動数における応答倍率、は８倍となり、図１５の構成と比較して強度が向上している。よって、強度剛性板２１の質量増加と振動条件をトレードオフし、設計により最適な構成を選択すればよい。
【００３０】
以上より、剛性強度板を付与することによって、１次固有振動数は約２倍に上昇し、応答倍率は四分の一程度に減少させることができた。すなわちバッテリーモジュールの剛性を向上させることができた。
【００３１】
図１９は、図１３の形態を有するバッテリーモジュールを基本モジュールとし、複数の基本モジュールを、図１３におけるシャシ２２上に設けられたフランジ２４同士をねじ結合にて連結させることによって大型化したバッテリーモジュールを示す。図１９では６つの基本モジュールを連結して２４セルのバッテリーモジュールとしているが、連結する基本モジュールの数はこの限りでない。また、基本モジュール内のセル数は４セルを実装する形態を表記しているが、セル数もこの限りでない。すなわち、本形態によれば１セル単位のセル実装が可能となり、従来実現が困難であった奇数セルのバッテリーモジュールが容易に得られる。
【００３２】
例えば図１９において、任意の基本モジュールから１セルを除けば２３セルのバッテリーモジュールが得られる。この時１セルを除いた部位のシャシは無駄となるため、質量の無駄を省くためには、不要部を削除した形状のシャシが必要となる。
また、前記の基本モジュールから２セルを除けば２２セルのバッテリーモジュールが得られる。この時は前記の基本モジュールのみ図１０におけるシャシ１８の形状を用いれば質量の無駄はない。さらにこれより１セルを除けば、すなわち前記の基本モジュールにおけるセル数が１となり、２１セルのバッテリーモジュールが得られる。この場合も図１０におけるシャシ１８より不要部を削除した形状のシャシが必要となる。この様に、１セル用、２セル用、３セル用、４セル用の４種類のシャシを事前に用意しておけば、シャシ以外の部品はセル数によらず全く同一であるため、１セルから任意のセルまでのバッテリーモジュールを質量の無駄無く達成することが可能であり、多品種化をはかる上で大幅なコストダウンが可能となる。
【００３３】
ここで、基本モジュールにおけるセル数を４としたが、例えば基本モジュールのセル数を１にすればシャシの種類は１種類ですむ。逆にシャシの同一面に配置するセルの数を増やすことによって基本モジュールのセル数を多くした場合、バッテリーモジュールを多品種化するが、シャシ構造が強固であるため、あえてシャシの補強が必要ない。この様に、設計条件などの状況によって基本モジュールを構成するセルの最適数を適当に設定すればよい。
【００３４】
図１９の例では比剛性の向上をはかり、バッテリーモジュールを軽量化し、大容量の大型バッテリーセルを用いることによって、バッテリーモジュールとしては従来と比して格段にエネルギー効率の高い、１０８．３Ｗｈ／ｋｇという値を実現した。
【００３５】
前記の例は長楕円円筒形バッテリーセルを用いているが、バッテリーモジュールに用いるセルの形状、さらに種類は任意で良い。
【００３６】
図２０に図１９の形態のバッテリーモジュールを製造し、実際に固有振動数を測定した結果を示す。基本モジュールを連結したことによりさらに剛性が上昇し、１次固有振動数が１８０[Hz]近くまで上昇している。最低限必要な剛性は基本モジュールレベルにて確保しているため、基本モジュールの連結数を増やしていっても必要最低限の剛性を下回ることはない。このため、多品種化において、過去に実績の無いセル数のバッテリーモジュールを開発する場合でもリスクや開発費を大幅に低減できる。
【００３７】
次に、図１９に示すバッテリーモジュールにおいて、実際に対環境試験を実施した条件を示す。以後に示す環境条件は、前記バッテリーモジュールが実際に搭載される環境における条件要求値である。図２１は各軸方向における正弦波振動条件を示し、グラフを図２２に示す。５[Hz]から１００[Hz]間で、面内方向において最大１０Ｇ、面外方向で最大１５Ｇの正弦波による加速度を印可し、いずれの振動においても機械性能、電気性能に異常なく、耐性が確認された。なお、１Ｇは地上における重力加速度を表す。
【００３８】
図２３に、各軸方向におけるランダム振動条件をＰＳＤ（Power Spectrum Density ）値で示し、グラフを図２４に示す。２０[Hz]から２０００[Hz]間で、面内方向においてオーバーオール実効値１１．８Ｇｒｍｓ、面外方向で同１４．１５Ｇｒｍｓのランダム振動を各軸３分間ずつ印可し、いずれの振動においても機械性能、電気性能に異常なく、耐性が確認された。なお、オーバーオールは各周波数における密度（ＰＳＤ）を振動周波数帯域内で積分した値で、Ｇｒｍｓの単位で表す。
【００３９】
図２５に、各軸方向における衝撃試験条件をＳＲＳ（Shock Response Spectrum）値で示し、グラフを図２６に示す。２００[Hz]から７０００[Hz]間で、各軸において１４００Ｇもの衝撃を３回ずつ、合計９回印可した。いずれの衝撃印可においても機械性能、電気性能に異常なく、耐性が確認された。なお、１Ｇは地上における重力加速度を表す。
【００４０】
以上の様に、本発明を用いることにより、非常に軽量で、かつ、充分な機械強度を具備したバッテリーモジュールを実現することが可能である。
【発明の効果】
【００４１】
以上のように、本発明によれば、セルの接触状態を向上させるとともに、耐振動性を保持したまま軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施の形態１を示すバッテリーモジュールの外観図である。
【図２】実施の形態１において、セル１の一部分が収納される形状の保持プレート５を有するバッテリーモジュールの外観図である。
【図３】図２において、保持プレート５とシャシ２間の隙間を示す三面図である。
【図４】凸形状１４が成形してある保持プレートの外観図である。
【図５】シャシ２の両面にセル１と保持プレート５とを有するバッテリーモジュールの外観図である。
【図６】シャシ２の同一面にセル１と保持プレート５とを有するバッテリーモジュールの外観図である。
【図７】固定ボルト取付け部付近の一部を切欠いた形状１６を具備する保持プレートの外観図である。
【図８】保持プレートの一部に切欠き形状１６を具備するバッテリーモジュールの外観図である。
【図９】保持プレート５と固定ボルト４間にレール状の構造物１７を入れた形状を有するバッテリーモジュールの外観図である。
【図１０】図８の形態において、シャシ１８の側部にセル１の底面に垂直で、かつシャシ１８とセル１との接触面に対して垂直な梁を設けた形状を有するバッテリーモジュールの外観図である。
【図１１】図８の形態において、シャシ１９の上部にセル１の底面に平行で、かつシャシ１９とセル１との接触面に対して垂直な梁を設けた形状を有するバッテリーモジュールの外観図である。
【図１２】図６の形態において、シャシ２の同一面上で隣り合うセル１同士の間に剛性強化板２１を入れた形状を有するバッテリーモジュールの外観図である。
【図１３】シャシ２２の両面および同一面にそれぞれ２セルずつ、合計４セルと保持プレート２７とを有し、シャシ２２の片面において同一面に配置されるセル１同士の間に剛性強化板２１を入れた形状を有し、さらにシャシ２２の側部および上部に梁２５を設けた形状を有するバッテリーモジュールの外観図である。
【図１４】梁形状２５の幅２６と、バッテリーモジュールの１次固有振動数の関係を、グラフに示したものである。
【図１５】図１３において幅２６の値を１２．５[mm]とした場合の１次固有振動数およびバッテリーモジュールの挙動解析結果を示したものである。
【図１６】図１５にて解析を実施したバッテリーモジュールを実際に製作し、固有振動数を測定した結果を示したものである。
【図１７】図１５の解析モデルに対して、図１３における剛性強化板２１を模擬する形状３１を付与した解析モデルによる、１次固有振動数およびバッテリーモジュールの挙動解析結果を示したものである。
【図１８】図１７にて解析を実施したバッテリーモジュールを実際に製作し、固有振動数を測定した結果を示したものである。
【図１９】図１３の形態を有するバッテリーモジュールを基本モジュールとし、複数の基本モジュールを、図１３におけるシャシ２２上に設けられたフランジ２４同士をねじ結合にて連結させることによって大型化したバッテリーモジュールの外観図である。
【図２０】図１９の形態のバッテリーモジュールを製造し、実際に固有振動数を測定した結果を示したものである。
【図２１】各軸方向における正弦波振動条件を示したものである。
【図２２】図２１をグラフに示したものである。
【図２３】各軸方向におけるランダム振動条件をＰＳＤ（Power Spectrum Density ）値で示したものである。
【図２４】図２３をグラフで示したものである。
【図２５】各軸方向における衝撃試験条件をＳＲＳ（Shock Response Spectrum ）値で示したものである。
【図２６】図２５をグラフで示したものである。
【符号の説明】
１セル、２シャシ、３保持プレート、４固定ボルト、５保持プレート、６セル、７、８、９、１０、１１、１２隙間、１３保持プレート、１４凸形状、１５保持プレート、１６切欠き形状、１７レール、１８、１９シャシ、２０幅、２１剛性強化板、２２シャシ、２３梁、２４フランジ、２５梁、２６幅、２７保持プレート、２８セル、２９シャシ、３０保持プレート、３１剛性強化板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a battery module.
[0002]
[Prior art]
A conventional battery module (assembled battery) is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-307784, and discloses a technique for reducing the installation space / lightening by covering cells with silicon resin.
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2001-307784 A (FIG. 1)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the technique described in the above publication has a problem that the contact state of the cells is poor and the vibration resistance is poor.
[0005]
An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide a battery module capable of improving the contact state of cells and reducing the weight while maintaining vibration resistance. And
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The battery module according to the present invention includes a chassis that contacts one surface of a cell, a holding plate that is disposed to face the chassis, a cell that is disposed between the chassis and the holding plate, and the chassis and the holding plate. A plurality of fixing bolts for fixing the upper and lower ends of the chassis to each other, and having a beam in a direction perpendicular to a surface parallel to the bottom surface of the cell and contacting one surface of the cell .
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 shows a battery module according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, the cell 1 is arranged between a chassis 2 and a holding plate 3 arranged to face the chassis 2, and is held by tightening a fixing bolt 4 from the outside of the holding plate 3. The fixing bolt 4 may be another fixing tool or an elastic mechanism.
[0008]
The appropriate number N of fixing bolts 4 is the axial force per fixing bolt 4 is Ft [N], the surface pressure required to hold the cell 1 is P [MPa], and the contact area of the cell 1 is A [ mm ² ], which is given by Equation 1.
[0009]
[Expression 1]

[0010]
In actual bolt selection, the number of bolts is determined by the above formula, taking into account the mounting force of the fixed bolt, appropriate torque, external force due to acceleration generated by the transportation environment, safety factor, and the like.
[0011]
Although the holding plate 3 is formed of a flat plate in FIG. 1, it may be a holding plate 5 having a shape in which a part of the cell 1 is stored as shown in FIG. In this case, the bolt head of the fixing bolt 4 can be accommodated in the battery module, and the battery module can be reduced in size. That is, the fixing bolt 4 can be shortened and the protrusion of the head can be eliminated. Thereby, weight reduction and space saving are realizable.
Further, in the holding plate 5, the specific rigidity of the holding plate 5 can be improved by forming a beam in which a part of the cell 1 is accommodated to form a beam perpendicular to the surface in contact with the cell 1. The holding plate 5 can be reduced in thickness and weight.
Furthermore, based on the detailed strength analysis of the holding plate 5, the rigidity is improved by making a hole avoiding the force line inside the holding plate 5 or by providing a beam shape perpendicular to the outer surface on the outer surface, Further weight reduction can be achieved.
[0012]
The chassis 1 and the holding plate 5 are not partly or entirely in contact with each other, and by changing the tightening amount of the fixing bolt 4, the thickness tolerance in the cell 1, that is, the contact surface between the cell 1 and the chassis 2 and the cell 1 And the parallelism tolerance formed by the contact surface of the holding plate 5 can be absorbed.
For example, in FIG. 3, when the cell 6 has a shape that shrinks from the bottom toward the terminal, the fixing bolt 4 is tightened so that the gaps 7 to 8, 9, 10, 11 gradually increase. By changing the amount of insertion, it is possible to obtain a contact state with higher accuracy than before in the contact surface regardless of the geometrical tolerances and variations of each of the cell 6, the chassis 2, and the holding plate 5.
[0013]
Further, in FIG. 3, only the surface of the cell 6 having the largest area and the surface facing the cell 6 are in contact with the chassis 2 and the holding plate 5, respectively, and the chassis 2 and the holding plate 5 are in direct contact with each other. Absent. Therefore, the structural strength of the battery module is handled by the structure of the chassis 2, and the cell 6 and the holding plate 5 do not work except for an external force by a mechanism for holding the cell 6. If there is no gap 12 and the holding plate 5 is in contact with or fixed to the chassis 2, the external force applied to the chassis 2 in the environment such as vibration or impact deforms the holding plate 5, and its most important function The action of applying a surface pressure to a certain cell 6 is impaired, and the strength and heat dissipation characteristics of the battery module are deteriorated.
[0014]
Further, by using a deformable material as the material of the holding plate 5, the contact surface of the holding plate 5 is deformed along the contact surface shape of the cell 6 in the contact surface of the cell 6 and the holding plate 5, or By twisting, the flatness tolerance of the contact surface of the cell 6 is also absorbed, and a good contact state can be obtained over a wider range than before.
Thereby, not only can the performance of efficiently dissipating the heat generated in the cell 6 be obtained, but also the electrode inside the cell 6 can be securely held, and as a result, the rigidity of the battery module can be increased as compared with the conventional case.
In order to further improve the heat dissipation performance, a thin sheet with good thermal conductivity or a filler or the like is interposed between the contact surface of the chassis 2 and the cell 6 and the contact surface of the holding plate 5 and the cell 6. good.
[0015]
In addition, as shown in FIG. 4, in consideration of the deformation state after the mounting in the holding plate 13, the shape of the holding plate 13 is formed into a convex shape 14 in advance, so that in FIG. The pressure distribution in the contact surface of the holding plate 5 can be changed. Conventionally, the rigidity of the entire holding plate has been improved in order to improve the surface pressure near the center of the cell. However, if this shape 14 is used, the shape near the center of the holding plate 13 is simply formed into a convex shape. Since a desired surface pressure distribution is achieved, an unnecessary increase in mass can be suppressed.
[0016]
FIG. 5 shows a battery module having cells 1 and holding plates 5 on both sides of the chassis 2. In this case, the fixing bolt 4 may penetrate the chassis 2 and be nut-fixed on the opposing holding plate.
[0017]
FIG. 6 shows a battery module having the cell 1 and the holding plate 5 on the same surface of the chassis 2. Although two cells are mounted in FIG. 6, the number of cells mounted in parallel is not limited to this.
[0018]
Further, as shown in FIG. 7, the holding plate 15 has a shape 16 in which a part near the fixing bolt mounting portion is cut out, so that as shown in an enlarged view A of FIG. By adopting a configuration in which the notches of the holding plate 15B are inserted into each other, the width of the battery module can be reduced and the size can be reduced.
[0019]
As described above, according to the first embodiment, the contact state of the cell is improved as compared with the conventional case, and the vibration resistance performance is higher than that of the conventional case, and the heat dissipation performance of the cell is also improved. A battery module can be realized.
[0020]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 9 shows a battery module having a shape in which a rail-like structure 17 is inserted between the holding plate 5 and the fixing bolt 4 in the embodiment of FIG. The rail 17 can relieve stress concentration near the fastening portion of the fixing bolt 4 and improve the strength of the attachment mechanism of the holding plate 5. In addition, by dispersing the fastening force of the fixing bolts 4 arranged discretely by the rails 17 and transmitting them to the holding plate 5, even if the number of the mounting bolts 4 is reduced, the cell 1, the holding plate 5 and the cell 1 A uniform surface pressure can be obtained on the contact surface between the chassis 2 and the chassis 2.
[0021]
FIG. 10 shows a battery module having a shape in which a beam perpendicular to the bottom surface of the cell 1 and perpendicular to the contact surface between the chassis 18 and the cell 1 is provided on the side of the chassis 18 in the form of FIG. Is. With this shape, the specific rigidity of the chassis 18 can be improved, and the battery module can be miniaturized. Furthermore, based on the detailed strength analysis of the chassis 18, the specific rigidity of the chassis 18 is improved by making a hole in the beam shape avoiding the lines of force, or by providing another beam shape perpendicular to the outer surface. And further weight reduction can be achieved.
[0022]
FIG. 11 shows a battery module having a shape in which a beam parallel to the bottom surface of the cell 1 and perpendicular to the contact surface of the chassis 19 and the cell 1 is provided on the chassis 19 in the form of FIG. It is. The specific rigidity of the chassis 19 is improved by the beams, so that the entire chassis can be reduced in thickness and weight. Further, the beam may be integrally formed with the chassis 19 in advance, or may be added later as a part. However, in a specific battery module, there is a critical width 20 in which the improvement in the rigidity of the battery module does not necessarily match the increase in mass of the beam even if the rigidity of the beam is increased. By optimizing the width value by analysis, it is possible to suppress a useless increase in mass in the battery module and efficiently increase the specific rigidity.
[0023]
FIG. 12 shows a battery module having a shape in which a rigid reinforcing plate 21 is inserted between adjacent cells 1 on the same surface of the chassis 2 in the embodiment of FIG. The rigid reinforcing plate 21 is coupled to the chassis 2 at two surfaces perpendicular to the widest surface, and the attachment mechanism of the rigid reinforcing plate 21 is formed by the cell 1, the holding plate 5, and the fixing bolt 4. No external force is applied to the holding mechanism of the cell 1. The rigidity-enhancing plate 21 improves the specific rigidity of the chassis 2 and reduces the overall thickness and weight of the chassis. In FIG. 12, the rigid reinforcing plate 21 has a rectangular shape, but it does not necessarily have this shape. Moreover, the rigidity reinforcement board 21 may be integrally formed with the chassis 2 in advance, or may be added later as a component. When the rigidity reinforcing plate 21 is attached later as a component, a battery module having different rigidity can be easily obtained by preparing different rigidity reinforcing boards having various shapes. That is, it is not necessary to prepare different types of chassis for various rigidity requirements as in the prior art, and productivity can be drastically improved in increasing the number of products.
[0024]
FIG. 13 shows the shape of a battery module in which the above forms are combined. That is, in FIG. 13, a total of 4 cells are held by the holding

plate

27, 2 cells on both sides and the same surface of the chassis 22, and between the cells 1 arranged on the same surface on one side of the chassis 22. It has a shape with a rigid reinforcing plate 21. Furthermore, the chassis 22 has a shape in which a beam 23 perpendicular to the bottom surface of the cell 1 and perpendicular to the contact surface of the chassis 22 and the cell 1 is provided on the side, and the chassis 22 is formed on the upper portion thereof. It has a shape provided with a beam 25 having a width 26 parallel to the bottom surface of the cell 1 and perpendicular to the contact surface between the chassis 22 and the cell 1. The beam shape 23 is provided with several round holes for weight reduction. Further, the end of the beam 23 is provided with a number of flanges 24 for connecting a plurality of battery modules having the form shown in FIG. Is provided. By connecting the battery modules using the flange 24, the battery module can be increased in size. In FIG. 13, the rigidity reinforcing plate 21 is provided only on one side of the chassis 22, but it may be disposed on both sides of the chassis 22.
[0025]
Here, the results of analysis and experiment on the effect of the beam shape 25 in the embodiment of FIG. 13 are shown. In FIG. 13, the width 26 of the beam shape 25 is used as a variable, and the primary natural frequency is obtained by analysis as a value for evaluating the rigidity of the battery module. FIG. 14 shows the graph. As described in the form of FIG. 11, in FIG. 14, a remarkable improvement in the natural frequency is recognized in the vicinity of the width of 12.5 [mm]. It can be seen that there is no increase. In other words, in this battery module, the optimum value for the width 26 is 12.5 [mm].
[0026]
FIG. 15 shows the primary natural frequency and the behavior analysis result of the battery module when the value of the width 26 in FIG. 13 is 12.5 [mm] and the strength rigid plate 21 is removed. 15, 28 indicates the cell 1 in FIG. 13, 29 indicates the chassis 22 in FIG. 13, and 30 indicates the holding plate 27 in FIG. In addition, in order to confirm the effect of the beam 25 in FIG. 13 more clearly, the rigid reinforcement board 21 is not included in the analysis model shown in FIG. In the figure, the stationary state of the battery module and the displacement state during vibration are overlaid, and it can be seen that the behavior of the battery module at the primary natural frequency is dominant in the tilt direction.
[0027]
FIG. 16 shows the result of actually producing the battery module analyzed in FIG. 15 and measuring the natural frequency. In FIG. 16, the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents response magnification. From FIG. 16, the difference between the analysis value of the primary natural frequency and the actual measurement value is less than 10%, and it can be said that the analysis is appropriate. Further, the response magnification at the primary natural frequency is 32 times. If there is no problem even if this response magnification is taken into account, this configuration can be used.
[0028]
Next, analysis and experiment results will be shown for the effect of the rigid reinforcing plate 21 in FIG. FIG. 17 shows the result of analyzing the primary natural frequency and the behavior of the battery module according to an analysis model in which a shape 31 simulating the rigid reinforcing plate 21 in FIG. 13 is added to the analysis model of FIG. In addition, in order to confirm the effect of the rigidity reinforcement board 21 in FIG. 13 more clearly, the value of the width | variety 26 of the beam 25 was set to 12.5 [mm] same as the analysis model of FIG. In FIG. 17, the stationary state of the battery module and the displacement state during vibration are superimposed, and it can be seen that the behavior of the battery module at the primary natural frequency is dominant in the tilting direction, as in FIG. 15. On the other hand, the value of the primary natural frequency has increased to 108.9 [Hz].
[0029]
FIG. 18 shows the result of actually producing the battery module analyzed in FIG. 17 and measuring the natural frequency. In FIG. 18, the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents response magnification. From FIG. 18, the difference between the analysis value of the primary natural frequency and the actual measurement value is less than 10%, and it can be said that the analysis is appropriate. Further, the response magnification at the primary natural frequency is 8 times, and the strength is improved as compared with the configuration of FIG. Therefore, it is only necessary to trade off the increase in mass of the rigid rigid plate 21 and the vibration condition and select an optimal configuration by design.
[0030]
From the above, by providing the rigid strength plate, the primary natural frequency increased about twice, and the response magnification could be reduced to about a quarter. That is, the rigidity of the battery module could be improved.
[0031]
FIG. 19 shows the battery module having the configuration of FIG. 13 as a basic module, and a plurality of basic modules are enlarged by connecting flanges 24 provided on the chassis 22 in FIG. 13 by screw connection. Indicates. In FIG. 19, six basic modules are connected to form a 24-cell battery module, but the number of basic modules to be connected is not limited to this. Moreover, although the number of cells in the basic module indicates a form in which four cells are mounted, the number of cells is not limited to this. That is, according to the present embodiment, cell mounting can be performed in units of one cell, and an odd-cell battery module that has been difficult to realize in the past can be easily obtained.
[0032]
For example, in FIG. 19, a battery module of 23 cells can be obtained by removing one cell from an arbitrary basic module. At this time, the chassis other than one cell is useless, and thus a chassis having a shape in which unnecessary portions are removed is necessary in order to eliminate waste of mass.
Further, by removing 2 cells from the basic module, a 22-cell battery module can be obtained. At this time, there is no waste of mass if the shape of the chassis 18 in FIG. Further, if 1 cell is excluded from this, that is, the number of cells in the basic module becomes 1, and a battery module of 21 cells is obtained. Also in this case, a chassis having a shape in which unnecessary portions are removed from the chassis 18 in FIG. 10 is required. Thus, if four types of chassis for 1 cell, 2 cells, 3 cells, and 4 cells are prepared in advance, the parts other than the chassis are exactly the same regardless of the number of cells. It is possible to achieve a battery module from a cell to an arbitrary cell without waste of mass, and it is possible to significantly reduce the cost for increasing the number of products.
[0033]
Here, the number of cells in the basic module is set to 4, but if the number of cells in the basic module is set to 1, for example, only one type of chassis is required. Conversely, if the number of cells in the basic module is increased by increasing the number of cells arranged on the same surface of the chassis, the battery modules will be diversified, but the chassis structure is strong, so there is no need to reinforce the chassis . In this way, the optimum number of cells constituting the basic module may be appropriately set according to the design conditions and the like.
[0034]
In the example of FIG. 19, the specific rigidity is improved, the battery module is reduced in weight, and a large-capacity large-sized battery cell is used. As a battery module, 108.3 Wh / kg is much more energy efficient than the conventional battery module. The value was realized.
[0035]
Although the above example uses an elliptical cylindrical battery cell, the shape and type of the cell used in the battery module may be arbitrary.
[0036]
FIG. 20 shows the result of manufacturing the battery module of the form of FIG. 19 and actually measuring the natural frequency. The rigidity is further increased by connecting the basic modules, and the primary natural frequency is increased to nearly 180 [Hz]. Since the minimum required rigidity is secured at the basic module level, even if the number of connection of the basic modules is increased, the required minimum rigidity is not lowered. For this reason, when developing a variety of battery modules, the risk and development cost can be greatly reduced even when developing battery modules with a number of cells that have not been used in the past.
[0037]
Next, in the battery module shown in FIG. 19, conditions for actually carrying out an environmental test are shown. The environmental conditions shown below are condition requirement values in an environment where the battery module is actually mounted. FIG. 21 shows sinusoidal vibration conditions in the respective axial directions, and a graph is shown in FIG. A maximum of 10G acceleration in the in-plane direction and 15G maximum in the out-of-plane direction is applied between 5 [Hz] and 100 [Hz]. confirmed. Note that 1G represents gravitational acceleration on the ground.
[0038]
FIG. 23 shows a random vibration condition in each axial direction as a PSD (Power Spectrum Density) value, and FIG. 24 shows a graph. Between 20 [Hz] and 2000 [Hz], a random vibration with an overall effective value of 11.8 Grms in the in-plane direction and 14.15 Grms of the same in the out-of-plane direction is applied for 3 minutes on each axis. As a result, the electrical performance was not abnormal and the tolerance was confirmed. The overall is a value obtained by integrating the density (PSD) at each frequency within the vibration frequency band, and is expressed in units of Grms.
[0039]
FIG. 25 shows the shock test conditions in each axial direction as SRS (Shock Response Spectrum) values, and FIG. 26 shows a graph. Between 200 [Hz] and 7000 [Hz], an impact of 1400G was applied three times on each axis, nine times in total. In any impact application, there was no abnormality in mechanical performance and electrical performance, and resistance was confirmed. Note that 1G represents gravitational acceleration on the ground.
[0040]
As described above, by using the present invention, it is possible to realize a battery module that is very lightweight and has sufficient mechanical strength.
【The invention's effect】
[0041]
As described above, according to the present invention, it is possible to improve the contact state of the cells and reduce the weight while maintaining the vibration resistance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view of a battery module showing a first embodiment according to the present invention.
2 is an external view of a battery module having a holding plate 5 having a shape in which a part of a cell 1 is accommodated in Embodiment 1. FIG.
FIG. 3 is a three-sided view showing a gap between the holding plate 5 and the chassis 2 in FIG. 2;
FIG. 4 is an external view of a holding plate on which a convex shape 14 is formed.
FIG. 5 is an external view of a battery module having cells 1 and holding plates 5 on both sides of a chassis 2;
6 is an external view of a battery module having a cell 1 and a holding plate 5 on the same surface of a chassis 2. FIG.
FIG. 7 is an external view of a holding plate having a shape 16 in which a part near the fixing bolt mounting portion is cut away.
FIG. 8 is an external view of a battery module having a notch shape 16 in a part of a holding plate.
9 is an external view of a battery module having a shape in which a rail-like structure 17 is inserted between the holding plate 5 and the fixing bolt 4. FIG.
10 is an external view of a battery module having a shape in which a beam perpendicular to the bottom surface of the cell 1 and perpendicular to the contact surface between the chassis 18 and the cell 1 is provided on the side portion of the chassis 18 in the embodiment of FIG. FIG.
FIG. 11 is an external view of a battery module having a shape in which a beam parallel to the bottom surface of the cell 1 and perpendicular to the contact surface between the chassis 19 and the cell 1 is provided on the chassis 19 in the form of FIG. 8; It is.
12 is an external view of a battery module having a shape in which a rigid reinforcing plate 21 is inserted between adjacent cells 1 on the same surface of a chassis 2 in the embodiment of FIG. 6;
13 includes two cells on both sides and the same surface of the chassis 22, a total of four cells and a holding plate 27, and a rigid reinforcing plate 21 between the cells 1 arranged on the same surface on one side of the chassis 22. FIG. FIG. 2 is an external view of a battery module having a shape in which a beam 25 is provided and a beam 25 is provided on the side and upper part of a chassis 22.
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the width 26 of the beam shape 25 and the primary natural frequency of the battery module.
15 shows the primary natural frequency and the behavioral analysis result of the battery module when the value of width 26 in FIG. 13 is 12.5 [mm].
FIG. 16 shows the result of actually producing the battery module analyzed in FIG. 15 and measuring the natural frequency.
FIG. 17 shows the primary natural frequency and the behavior analysis result of the battery module by an analysis model in which a shape 31 simulating the rigid reinforcing plate 21 in FIG. 13 is added to the analysis model of FIG. .
FIG. 18 shows the result of actually manufacturing the battery module analyzed in FIG. 17 and measuring the natural frequency.
19 is a battery module in which the battery module having the form of FIG. 13 is used as a basic module, and a plurality of basic modules are increased by connecting flanges 24 provided on the chassis 22 in FIG. FIG.
20 shows the result of manufacturing the battery module of the form of FIG. 19 and actually measuring the natural frequency.
FIG. 21 shows sinusoidal vibration conditions in each axial direction.
FIG. 22 is a graph of FIG. 21.
FIG. 23 shows a random vibration condition in each axis direction as a PSD (Power Spectrum Density) value.
FIG. 24 is a graphical representation of FIG.
FIG. 25 shows shock test conditions in each axial direction as SRS (Shock Response Spectrum) values.
FIG. 26 is a graphical representation of FIG.
[Explanation of symbols]
1 cell, 2 chassis, 3 holding plate, 4 fixing bolt, 5 holding plate, 6 cell, 7, 8, 9, 10, 11, 12 gap, 13 holding plate, 14 convex shape, 15 holding plate, 16 notch shape , 17 Rail, 18, 19 Chassis, 20 Width, 21 Stiffening Plate, 22 Chassis, 23 Beam, 24 Flange, 25 Beam, 26 Width, 27 Holding Plate, 28 Cell, 29 Chassis, 30 Holding Plate, 31 Stiffening Plate

Claims

A chassis where one side of the cell touches,
A holding plate disposed opposite the chassis;
A cell disposed between the chassis and the holding plate;
A plurality of fixing bolts for fixing the chassis and the holding plate;
With
A battery module having a beam in a direction perpendicular to a surface of the upper portion of the chassis parallel to a bottom surface of the cell and in contact with one surface of the cell .

The battery module according to claim 1, wherein the chassis is not in contact with the holding plate.

3. The battery module according to claim 1, wherein a part of the cell is stored in the holding plate.

The battery module according to claim 1, wherein a material of the holding plate is a deformable material.

The battery module according to claim 1, wherein the battery and the holding plate are provided on both sides of the chassis.

5. The battery module according to claim 1, further comprising a plurality of the cells and the holding plate on the same surface side of the chassis.

The battery module according to claim 6 , wherein an end portion of the holding plate is shaped to be inserted into an adjacent holding plate.

The battery module according to claim 1, wherein a width of the beam is 12.5 mm or more.