JP5649387B2 - 電池モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、主として、ハイブリット自動車、電気自動車のモータ駆動用電源として用いられる二次電池を構成する電池モジュールに関する。
従来、前記電池モジュールとして、並列される複数の角形の単位電池11(セル)と、それらの単位電池の間隔を一定に維持する隔壁と、最外側の単位電池11の外側面に密着されるエンドプレートと、それらを一体に結合される連結ロッド30とよりなる電池集合体(電池モジュール)は公知である(後記特許文献1参照)。
特開2006−310309号公報
ところで、かかる電池集合体(電池モジュール)では、並列される複数の単位電池(セル)は、いずれも略同じ温度に保たれることが望ましいが、前記エンドプレートは、単位電池に比べて熱マスが大きいため、このエンドプレートに隣接する単位電池は、エンドプレートにより熱を奪われて、残余の単位電池よりも低く冷却されてしまい、複数の単位電池間の温度にバラツキが生じ、これが電池集合体の性能劣化の原因になるという問題があるが、前記従来のものでは、かかる問題を解決するための技術手段がなされていない。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたもので、電池モジュールを構成する複数のセル間の温度のバラツキを抑制できるようにした、新規な電池モジュールを提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、請求項1記載の発明は、間隔をおいて並列積層される複数のセルと、前記複数のセルを、それらの並列方向の外側から挟持する一対のエンドプレートとを備えた電池モジュールにおいて、前記セルと、前記一対のエンドプレート間には、それら間を断熱する断熱部材介装され、前記一対のエンドプレートの何れか一方の、前記断熱部材と対面する面と反対側の面には、電圧センサ組立体が隣接、固定され、前記エンドプレートは、前記電圧センサ組立体よりも熱伝導率および体積が大きく形成されていることを特徴としている。
前記目的を達成するため、請求項2記載の発明は、前記請求項1記載のものにおいて、 前記断熱部材は、板状部材により構成され、この板状部材には、前記セルと一対のエンドプレートとの間を冷媒が流通する冷却通路が形成されていること特徴としている。
前記目的を達成するため、請求項3記載の発明は、前記請求項1または2記載のものにおいて、前記複数のセル間には、隣合うセル同士の間隔を一定に保持するホルダが設けられ、このホルダは、前記断熱部材と同一のものであり、前記セルと一対のエンドプレートは、前記断熱部材およびホルダに設けた保持部材により保持される略同一形状の被保持部を有することを特徴としている。
前記目的を達成するため、請求項4記載の発明は、前記請求項3記載のものにおいて、前記一対のエンドプレートの、前記断熱部材と対面する面は、格子状に形成されていることを特徴としている。
前記目的を達成するため、請求項5記載の発明は、前記請求項3または4記載のものにおいて、前記一対のエンドプレートが、前記複数のセルの並列方向に延びる金属製の連結フレームで連結され、前記ホルダには、前記連結フレームと前記セルとの間に介装されるホルダ舌片が突設されることを特徴としている。
請求項1記載の発明によれば、セルとエンドプレートとの間に、断熱部材による断熱層が形成されるので、熱マスの大きいエンドプレートに隣接するセルが、残余のセルに比べて過冷却になるのを防止し、これにより、複数のセル間の温度バラツキによる、セルの劣化のバラツキを防止して、電池モジュールの性能向上と寿命延長を図ることができる。
しかも、エンドプレートの一方の、断熱部材と対面する面と反対側の面に、電圧センサ組立体が隣接、固定されるので、エンドプレートを電圧センサ組立体の剛性部材に兼用することができる。しかもエンドプレートは、前記電圧センサ組立体よりも熱伝導率および体積が大きいので、発熱し易い電圧センサ組立体から熱マスの大きいエンドプレートに熱引きが生じて、電圧センサ組立体の過熱を防止することできる。
また、請求項2記載の発明によれば、断熱部材は、板状部材により形成されるので、セおよびエンドプレート間の間隔を狭めて複数のセルの並列方向の長さが拡大するのを抑制することができ、また、断熱部材に設けた冷却通路に冷媒を流通させることにより、断熱効果を一層高めることができる。
さらに、請求項3記載の発明によれば、セル間をホルダによりに一定の間隔に保持できると共にそれら間を断熱することができ、また、ホルダは断熱部材と同一あるので部品点数の削減を図ることができ、さらに、セルと一対のエンドプレートは、略同一形状の被保持部を有して同一の断熱部材およびホルダにより保持できるので、その保持構造を簡素化することができると共に確実に保持することができる。
さらに、請求項4記載の発明によれば、一対のエンドプレートの、断熱部材と対面する面は、格子状に形成されるので、エンドプレートとセル間の伝熱面積を小さくして、それら間の断熱効果を高めることができる。
本発明電池モジュールの全体分解斜視図 図1の2線矢視の電池モジュール側面図 図2の3矢視の電池モジュールの平面図 図2の4矢視の電池モジュールの底面図 図1の5矢視仮想線囲い部分の拡大図 図5の6矢視のホルダの斜視図 図3の7−7線に沿う拡大断面図 図7の8−8線に沿う拡大断面図 図1の9矢視の拡大斜視図 図9の10−10線に沿う拡大断面図
以下、発明の実施の形態を、添付図に例示した本発明の実施例に基づいて以下に具体的に説明する。
図1に示すように、本発明にかかる電池モジュールは、間隔をおいて並列配置される複数の角型のセル10と、それらのセル10の間および最外側のセル10の外側にそれぞれ配設される複数のホルダ20と、一方の最外側のホルダ20の外側に設けられる角型の一方のエンドプレート50と、他方の最外側のホルダ20の外側に設けられる角型の他方のエンドプレート(ベースエンドプレート)51とを備えており、相互に密着積層される複数のセル10およびホルダ20は、対をなす一方および他方のエンドプレート50,51により挟持され、それらのエンドプレート50,51は、アッパ連結フレーム60およびロアー連結フレーム70により一体に緊締される。さらに、前記一方のエンドプレート50,51の外側には電圧センサ組立体(ボルテージセンサ)90が結合される。
前記角型のセル10は、従来公知の構造のものであり、偏平な直方体に形成され、その上面左右に、正、負電極端子11,12が突設され、また、その中央部に防爆弁13により閉じられる弁口14(図7)が設けられる。
前記ホルダ20は、隣り合うセル10間にそれぞれ並列して介装されて、セル10間に所定間隔をあけて、そのセル10を保持し、それら間に一定間隔の断熱空間を保つためのものであり、以下に、このホルダ20の構造を主に図1,5および図6,7を参照して説明する。
ホルダ20の主体部分21は、合成樹脂板により、セル10と略同じ大きさの四角な板状に形成されている。このホルダ20の主体部分21には、横方向に互いに平行に延びる縦断面コ字状の、複数の第1の突条部22と、複数の第2の突条部23とが上下方向に交互にコルゲート状に屈曲形成されており、それら第1の突条部22および第2の突条部23の内側には、左右両端に開放する断面凹状の横方向の冷却通路24がそれぞれ形成されている。また、前記主体部分21には、その全面にわたり冷却風などの冷媒を均等に流通させるための複数の円形の通風口25が穿設され、具体的には、これらの通風口25は、図5,6に示すように、主体部分21の上、下部および前記第1、2の突条部22,23にそれぞれ形成され、これらの通風口25は、ホルダ20の前後面を流れる冷媒に乱流を生起させ、セル10の冷却効果を高めるようにしている。
図5,6に示すように、ホルダ20の主体部分21の中間に位置する、複数条の第1の突条部22および第2の突条部23の外面の上下方向の中間部には、それらの長手方向に延びるリブ26,27が一体に突出形成されている。これらのリブ26,27は、ホルダ20自体を補強すると共に電池モジュールの組付時に、このホルダ20を挟んで隣り合うセル10との間を所定の間隔に保つためのものであり、これらのリブ26,27間の高さは、図7,8に示すように、主体部分21の中央部に対応するリブ27の高さが最も高く(a)、それらの並列方向の外方にいくにつれてリブ26,27の高さ(b,c)が順に低く(a>b>c)され、かつ、各リブ26,27自体の長手に沿う高さは、その中央部分が最も高く(b,c)、その先端、すなわち主体部分21の端縁にいくにつれて漸次低く、その先端が最も低く(a′,b′)になっており、このように、リブ26,27の高さを設定することにより、電池モジュールの組付時には、ホルダ20によりセル10、特にその中央部の膨出変形を抑制できるようにされている。
また、図5,6に明瞭に示すように、ホルダ20の主体部分21の4つの角部には、保持部材30がそれぞれ固着されている。各保持部材30は、アングル材により構成されていて、ホルダ20の主体部分21の前後面より外方に突出し、それらのアングル凹部31には、電池モジュールの組付時に、セル10あるいはエンドプレート50,51の4つの角部にそれぞれ形成される共通の被保持部10A,10A;10A,50A;10A,51Aにそれぞれ係合して、複数のセル10、およびエンドプレート50,51が相互にずれることなく、それらを正規の組付位置に整合させることができる。また、ホルダ20の主体部21の一側の中間部には、抑え片32が屈曲形成され、この抑え片32は、セル10の側面を抑えるようにされている。
図5,7に示すように、ホルダ20の上面の幅方向の中央部には、ホルダ舌片33が一体に形成されている。このホルダ舌片33は、ホルダ20の前後面に対して略直角、すなわち略水平に屈曲形成されて、セル10の方向に延びる立壁37を有して断面門型に形成されていて、ホルダ20に対してその前後方向の一方に片持状に延びており、電池モジュールの組付時には、隣接するセル10の上面中央部の、弁口14を閉じる防爆弁13の上面を間隙34を存して覆うようにされている。また、弁口14の周縁には、セル10の上面に向かって上り勾配に傾斜する漏斗状の傾斜面15が形成されている。そして、防爆弁14の開弁時に放出される電解液のガスなどの噴出体をホルダ舌片33により一次的に受けたのちに、液化した電解液などの噴出体は、弁口14を伝わってセル10内に戻すようにされ、さらに前記間隙34内に、噴出した噴出体を止めるようにして、その噴出体の外部への飛散を防止できるようにされている(図7参照)。
また、このホルダ舌片33の上面には、後述する、アッパ連結フレーム60の位置決め孔61に嵌入し得る位置決め突起35が一体に突設されている。またホルダ舌片33の基部には、隣接するセル10の上面に係合し得る係合片36が一体に設けられる。
図6に示すように、ホルダ20の下面の幅方向の中央部には、後述するサーミスタTの取付フレーム38が一体に形成されている。この取付フレーム38は、前記ホルダ舌片33と同じ方向に略直角、すなわち略水平に屈曲形成されて、ホルダ20の前後方向の一方に片持状に延びている。
つぎに、主に図6,9および図10を参照して、この取付フレーム38の構造を説明すると、この取付フレーム38には、セル10の温度を測定するためのサーミスタTを選択的に着脱可能に取り付けるためのサーミスタ取付部39が設けられている。取付フレーム38の外面には、サーミスタTを案内する一対のガイド40が一体に平行に設けられ、さらに、それらのガイド40に隣接してサーミスタTを抑える一対の抑え片41が設けられる。さらに、取付フレーム38の基部には、ホルダ20に隣接するセル10の下面に係合し、サーミスタTの抜けを防止する一対の係合片42が、前記抑え片41と反対側に延びている。さらに、一対のガイド40には、後述するロアー連結フレーム70の位置決め孔71に嵌入し得る一対に位置決め突起43が一体に形成されている。図9に示すように、サーミスタTは、一対のガイド40間に挿入されて、一対の抑え片41により所定位置に保持され、その感温部が、セル10の下面に接触して、セル10の温度を測定する。サーミスタTの位置は、目視により外部から容易に確認することができる。サーミスタTに接続されるリード線95は、後述する電圧センサ組立体90に接続される。
図1に示すように、並列積層される、複数のセル10およびホルダ20を外側より緊締挟持する一対のエンドプレート50,51は、セル10およびホルダ20と略同型の偏平な直方体に形成されており、最外側のセル10に両外面に、断熱部材として機能する前記ホルダ20を介してそれぞれ重ね合わせ配置される。
一対のエンドプレート50,51は、いずれも金属製(例えばマグネシウム合金製)であり、かつホルダ20との対向面が格子状に形成されていて伝熱面積が小さく放熱性がよい。エンドプレート50,51の内面とセル10との間には、断熱部材として機能する、前記ホルダ20がそれぞれ介在されており、セル10の過度の冷却を防止できるようにされている。
対をなす一方および他方のエンドプレート50,51は、後述する、アッパ連結フレーム60およびロアー連結フレーム70によって一体に連結される。図1および3,4に示すように、一対のエンドプレート50および51の上面には、アッパ連結フレーム60を連結するための第1、第2の固定部52u,53uおよび第1、第2の固定部54u,555uがそれぞれ一体に設けられており、また、一対のエンドプレート50および51の下面には、ロアー連結フレーム70を連結するための第1、第2の固定部52d,53dおよび第1、第2の固定部54d,55dがそれぞれ一体に設けられている。これら第1の固定部52u、54u(52d,54d)および第2の固定部53u,55u(53d,55d)は、いずれも四角なブロック体よりなり、エンドプレート50,51の幅方向の中央部に間隔をあけて配置されており、これらの固定部の中央には連結孔hがそれぞれ穿設されている。各連結孔hは、複数のセル10、ホルダ20およびエンドプレート50,51の中心を通って、それらの並列方向に延長される中心線C−C対して略直交し、かつ、エンドプレート50,51の上下方向の内方に向いている。図3に示すように、第1の固定部52u、54u(52d,54d)および第2の固定部53u,55u(53d,55d)の中心から、前記中心線C−Cまでの距離D1は、それらの固定部の中心から、エンドプレート50,51の最外側面までの距離D2よりも小さい(D1<D2)。
図1,3に示すように、前記アッパ連結フレーム60は、金属板により細長く形成されており、複数の位置決め孔61を列設すると共にその長手方向に複数のリブ62を隆起した平坦部63と、その両側に一体に起立したフランジ片64とより横断面U字状に形成されて高い剛性を有しており、その両端には、一対のボルト孔67をそれぞれ穿設した連結耳片65,66がそれぞれ横方向に一体に張り出し形成されている。
図3に示すように、前記アッパ連結フレーム60は、相互に並列積層される複数のセル10およびホルダ20の上面に、それらの中心を通り、それらの並列方向に延長される前記中心線C−Cに沿わせて配置され、その複数の位置決め孔61を、該アッパ連結フレーム60と各セル10との間に介装されるホルダ舌片33の上面の位置決め突起35に嵌入して、そのアッパ連結フレーム60を複数のセル10およびホルダ20に対して位置決めする。アッパ連結フレーム60の両端の連結耳片65,66を、一対のエンドプレート50,51の上面の第1の固定部52u,54uおよび第2の固定部53u,55u上にそれぞれ位置させ、連結ボルト68を、連結耳片65,66のボルト孔67を通して第1の固定部52u,54uおよび第2の固定部53u,55uの連結孔hにそれぞれ螺締すれば、アッパ連結フレーム60は、一対のエンドプレート50,51の上部を一体に緊締連結することができる。
また、図3に示すように、アッパ連結フレーム60の平坦部63の横幅d1 は、前記ホルダ舌片33の横幅d2 よりも幅広に形成され、前記平坦部63は、ホルダ舌片33の上面の全面を覆うようにされている。これにより、防爆弁13に開弁時に放出される電解液のガスなどの噴出体の飛散を、ホルダ舌片33により、前述したように一次的に防止し、さらに、アッパ連結フレーム60により二次的に防止することができる。
一方、図1,4の示すように、前記ロアー連結フレーム70は、前記アッパ連結フレーム60と概ね同じ形状に形成されており、複数の位置決め孔71を2列に列設した平坦部72と、その両側に一体に起立したフランジ片73とより横断面逆U字状に形成されて高い剛性を有しており、その両端にボルト孔74を穿設した対をなす連結耳片75,76が横方向に一体に張り出し形成されている。
図1,4に示すように、交互に並列積層される複数のセル10およびホルダ20の下面には、板状のカバープレート78が重ね合わされ、さらに、このカバープレート78の下面には、肋骨状に形成される板バネ80が積層され、そのカバープレート78と板バネ80を介して複数のセル10およびホルダ20の下面に、前記ロアー連結フレーム70が重ね合わされ、このロアー連結フレーム70により、一対のエンドプレート50,51の下面が一体に連結される。図4に示すように、前記ロアー連結フレーム70は、相互に並列積層される複数のセル10およびホルダ20の下面に、前記カバープレート78およびバネ板80を挟んで前記中心線C−Cに沿わせて配置する。前記取付フレーム38の位置決め突起43を、前記カバープレート78の通孔79およびバネ板80を通過(図5参照)させたのち、位置決め孔71に嵌入する。これにより、複数のセル10およびホルダ20とロアー連結フレーム70とが位置決めされる。ロアー連結フレーム70の両端の連結耳片75,76を、一対のエンドプレート50,51下面の第1の固定部52d,54dおよび第2の固定部53d,55d上に位置させ、連結ボルト77を、連結耳片75,76のボルト孔74を通して第1の固定部52d,54dおよび第2の固定部53d,55dの各連結孔hにそれぞれ螺締すれば、ロアー連結フレーム70は、一対のエンドプレート50,51の下部を一体に緊締連結することができる。
かくして、相互に並列積層される複数のセル10およびホルダ20を挟持する一対のエンドプレート50,51は、アッパ連結フレーム60およびロアー連結フレーム70により一体の緊締される。そして、この状態では、図3に示すように、一対のエンドプレート50,51の、第1の固定部52u,54u(52d,54d)および第2の固定部53u,55u(53d,55d)の中心から前記中心線C−Cまでの距離D1は、それらの固定部の中心から一対のエンドプレート50,51の最外側面までの距離D2よりも小さく(D1<D2)してあるので、アッパ連結フレーム60およびロアー連結フレーム70により、複数のセル10の劣化により、それらのセルの膨出変形、(その中央部が最も大きく膨出変形)を有効に抑えることができる。
図1に示すように、一方のエンドプレート50の外面には、電圧センサ組立体90が重ね合わせて固定される。この電圧センサ組立体90は、エンドプレート50よりも若干小さい偏平な直方体で、エンドプレート50よりも熱伝導率および体積が小さく形成され、その対角位置に取付片91,92が突設されている。また、一方のエンドプレート50の対角位置には、前記取付片91,92に対応する取付ボス81,82が突設され、取付片91,92と取付ボス81,82とを連結ボルト93により連結して、一方のエンドプレート50の外面に、電圧センサ組立体90が間隙を存して固定される。
エンドプレート50は、電圧センサ組立体90のケースの剛性部材に兼用されており、電圧センサ組立体90の剛性向上に役立っている。また、電圧センサ組立体90は、その充放電時に発熱するが、その熱をエンドプレート50に伝達することができ、熱に弱い電圧センサ組立体90の放熱が促進される。
図1に示すように、複数のホルダ20には、選択的にサーミスタTが取り付けられる。この実施例では、最外側のホルダ20、すなわちセル10と一方のエンドプレート50およびセル10と他方のエンドプレート51間のホルダ20の取付フレーム38に、それぞれサーミスタTが取り付けられ、それらのサーミスタTに接続されるリード線95は、電圧センサ組立体90に結着され、電池モジュールの温度が計測される。
ところで、セル10とエンドプレート50,51との間に、ホルダ20よりなる断熱部材で断熱層が形成されるので、熱マスの大きいエンドプレート50,50に隣接するセル10が、残余のセル10に比べて過冷却になるのを防止し、これにより、複数のセル10間の温度のバラツキによる、セル10の劣化のバラツキを防止して、電池モジュールの性能向上と寿命延長を図ることができる。
また、ホルダ20よりなる断熱部材は、板状部材により形成されるので、複数のセル10間の間隔を狭めて複数のセル10の並列方向の長さが拡大するのを抑制することができ、また、断熱部材20に設けた冷却通路24に冷媒を流通させることにより、断熱効果を一層高めることができる。
さらに、セル10間をホルダ20によりに一定の間隔に保持できると共にそれら間を断熱することができ、また、ホルダ20と断熱部材20とは同一のものであるので、部品点数の削減を図ることができ、またセル10と一対のエンドプレート50,51は、略同一形状の被保持部10A,50A,51Aを有して、同一である、断熱部材20とホルダ20により保持できるので、その保持構造が簡素化されると共に確実に保持することができる。
一対のエンドプレート50,51の、ホルダ、すなわち断熱部材20と対面する面は、格子状に形成されので、エンドプレート50,51とセル10間の伝熱面積を小さくして、それら間の断熱効果を高めることができる。
エンドプレート50の、ホルダ、すなわち断熱部材20と対面する面と反対側の面に、電圧センサ組立体90が配列され、エンドプレート50は、前記電圧センサ組立体90よりも熱伝導率および体積が大きいので、発熱し易い電圧センサ組立体90から熱マスの大きいエンドプレート50に熱引きが生じて、電圧センサ組立体90の過熱を防止することできる。
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はその実施例に限定されることなく、本発明の範囲内で種々の実施例が可能である。
10・・・・・・セル
20・・・・・・ホルダ(断熱部材)
24・・・・・・冷却通路
30・・・・・・保持部材
33・・・・・・ホルダ舌片
50・・・・・・エンドプレート
51・・・・・・エンドプレート
60・・・・・・連結フレーム(アッパ連結フレーム)
90・・・・・・電圧センサ組立体

Claims (5)

  1. 間隔をおいて並列積層される複数のセル(10)と、
    前記複数のセル(10)を、それらの並列方向の外側から挟持する一対のエンドプレート(50,51)とを備えた電池モジュールにおいて、
    前記セル(10)と、前記一対のエンドプレート(50,51)間には、それら間を断熱する断熱部材(20)介装され、
    前記一対のエンドプレート(50,51)の何れか一方の、前記断熱部材(20)と対面する面と反対側の面には、電圧センサ組立体(90)が隣接、固定され、
    前記エンドプレート(50,51)は、前記電圧センサ組立体(90)よりも熱伝導率および体積が大きく形成されていることを特徴とする電池モジュール。
  2. 前記断熱部材(20)は、板状部材により構成され、この板状部材には、前記セル(10)と一対のエンドプレート(50,51)との間を冷媒が流通する冷却通路(24)が形成されていること特徴とする前記請求項1記載の電池モジュール。
  3. 前記複数のセル(10)間には、隣合うセル(10)同士の間隔を一定に保持するホルダ(20)が設けられ、このホルダ(20)は、前記断熱部材(20)と同一のものであり、前記セル(10)と一対のエンドプレート(50,51)は、前記断熱部材(20)およびホルダ(20)に設けた保持部材(30)により保持される略同一形状の被保持部(10A,50A,51A)を有することを特徴とする前記請求項1または2記載の電池モジュール。
  4. 前記一対のエンドプレート(50,51)の、前記断熱部材(20)と対面する面は、格子状に形成されていることを特徴とする前記請求項3記載の電池モジュール。
  5. 前記一対のエンドプレート(50,51)が、前記複数のセル(10)の並列方向に延びる金属製の連結フレーム(60)で連結され、前記ホルダ(20)には、前記連結フレーム(60)と前記セル(10)との間に介装されるホルダ舌片(33)が突設されることを特徴とする前記請求項3または4記載の電池モジュール。
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