JP6047234B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数の角形の電池セルを積層状態で連結した電池モジュールに関する。

モータを駆動源とする電気自動車やハイブリッド自動車は、大きな出力を求められることから多数の電池セルを連結した電池ブロックを備えている。リチウムイオン二次電池の電池セルは、充放電時に電極が膨張し、正極端子と負極端子間の間隔が広くなることで内部抵抗が増大し出力が低下するため、膨張を抑制する必要がある。

また、電池セルは、金属製の外装缶で構成されているので、電位差のある外装缶が電気的に接続されるとショート電流が流れるおそれがあり、複数の電池セルを互いに絶縁状態にする必要がある。

例えば、正極端子、負極端子を同一面に有する複数の角形の電池セルを、それぞれセパレータで直接保持して互いの絶縁状態を保ち、配列方向両端に剛性の高いエンドプレートを配置して連結固定具によって両端から押圧をかけた状態でエンドプレートの間隔を固定する電池ブロックの構造が知られている（特許文献１）。

特開２０１２−１１９１５７号公報

特許文献１に記載された電池ブロックのセパレータは、電池セルの保持と電池セルの外装缶同士の絶縁状態を保つという目的達成のために、電池セルの６面すべてを覆う構造になっており、形状が複雑で絶縁材のプラスチック成型において製造コストを低くすることが難しいという課題がある。

また、上記した電池ブロックは、連結固定具による両端からの押圧のみで各電池セルを支えている構造なので、振動や衝撃などによる電池セルひとつひとつの相対的な位置ずれの動きを抑制するために、押圧力を高くする必要があり、高押圧力に耐えうるセパレータや電池セルを設定しなければならないという課題がある。

上記した電池ブロックの構造の場合、高押圧力にセパレータや電池セルが耐えられず押圧力を小さくする必要がある。また、振動や衝撃などにより押圧力が小さくなってしまうと、電池セルの相対的な位置ずれの動きを樹脂のスペーサのみで押さえることになるため、スペーサの強度や寸法精度に左右され、振動や衝撃から各電池セルの相対的な位置ずれの動きを抑制することは困難である。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構成で各電池セルの相対的な位置ずれの動きを抑制しつつ、隣り合う電池セル同士を絶縁状態に保つことができる電池モジュールを提供することである。

上記課題を解決する本発明の電池モジュールは、角形の電池セルを複数並べて積層させた電池ブロックを有する電池モジュールであって、前記複数の電池セルの間に介在される絶縁性のセル間スペーサと、該セル間スペーサの両面に設けられて前記セル間スペーサを介して互いに隣り合う一対の電池セルを前記セル間スペーサにそれぞれ固定する一対の両面テープと、を有することを特徴としている。

本発明によれば、簡単な構成で各電池セルの相対的な位置ずれの動きを抑制しつつ、互いに隣り合う電池セルどうしの絶縁状態を保つことができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

電池セルの外観斜視図。 電池ブロックの外観斜視図。 電池ブロックの分解斜視図。 電池ブロックの一部断面図。 ロアケースに付帯部品を組み付けた斜視図。 図５の分解斜視図。 図５の積層方向矢視図。 ロアケースに電池ブロックを挿入した斜視図。 図８の電池ブロックの挿入方向を示す分解斜視図。 図９の積層方向矢視図。 基板ユニットの取付状態を示す斜視図。 電池モジュールの分解斜視図。 電池モジュールの外観斜視図。

本発明の電池モジュールは、電池セルと絶縁状態を保つ樹脂のセル間スペーサに両面テープを貼り付けて、電池セル同士を貼り合わせて固定し、電池セルの相対的な位置ずれの動きを抑制する構造を有する。電池セルの四隅には、樹脂のアッパスペーサ、ロアスペーサがそれぞれ両面テープで貼り付けられている。そして、ロアケースに電池ブロックを横から挿入して両端にエンドプレートを配置し、ロアケースとエンドプレートをネジで締結することによって組み立てられる。

以下、本発明にかかわる電池モジュールの一実施形態を図面に基づき説明する。なお、以下の説明では、電池モジュールが電気自動車やハイブリッド電気自動車に用いられる車載用の場合を例に説明するが、用途は車載用に限定されるものではない。

（電池セル）
図１は、電池セルの外観斜視図である。

電池セル１は、角形のリチウムイオン二次電池であり、アルミニウム合金製の電池容器内に、正極電極と負極電極を有する電極群が非水電解液と共に収容されている。電池セル１の電池容器は、扁平箱形の電池缶１１と、電池缶１１の開口部を封口する電池蓋１２とを有している。電池缶１１は、深絞り加工により形成された扁平な角形容器であり、長方形の底面ＰＢと、底面ＰＢの長辺から立ち上がる一対の幅広側面ＰＷと、底面ＰＢの短辺から立ち上がる一対の幅狭側面ＰＮを有している。

電池蓋１２は、長方形の平板部材によって構成されており、上面ＰＵを有している。電池蓋１２には、電圧を入出力するための正極外部端子１３と負極外部端子１４が設けられている。正極外部端子１３と負極外部端子１４は、電池蓋１２の長辺方向に互いに離間した位置に配置されている。正極外部端子１３と負極外部端子１４には、それぞれバスバーを締結するためのナット締結用のボルトが突設されている。電池蓋１２は、電池缶１１内に電極群を収容した後に、電池缶１１にレーザ溶接されて電池缶１１の開口部を封口する。電池蓋１２の長辺方向中間位置には、非水電解液を電池缶１１内に注入するための注入口１５と、内圧の上昇により開裂して電池容器内のガスを排出するガス排出弁１６が設けられている。電池セル１は、その厚さ方向に複数配列して積層することにより、電池モジュール１００の電池ブロック２を構成する（図８を参照）。

（電池ブロック）
図２は、電池ブロックの外観斜視図、図３は、電池ブロックの一部を分解した状態を示す分解斜視図、図４は、電池ブロックの一部断面図である。

電池ブロック２は、図２及び図３に示すように、電池セル１を複数並べて積層させることによって構成されている。複数の電池セル１は、正極外部端子１３と負極外部端子１４とが積層方向に沿って交互に連続するように配置されている。そして、各電池セル１の間には、絶縁性のセル間スペーサ５が介在されている。セル間スペーサ５は、その両面に両面テープ８が設けられており、互いに隣り合う電池セル１どうしを貼り合わせて固定している。

すなわち、電池ブロック２は、複数の電池セル１の間に介在される絶縁性のセル間スペーサ５と、セル間スペーサ５の両面に設けられてセル間スペーサ５を介して互いに隣り合う一対の電池セル１をセル間スペーサ５にそれぞれ固定する一対の両面テープ８とを有している。

電池ブロック２は、電池セル１との絶縁状態を保つ樹脂のセル間スペーサ５に両面テープ８を貼り付けて、セル間スペーサ５を間に介在させた形で電池セル１同士を貼り合わせて互いの位置を固定しているので、電池セル１の相対的な位置ずれの動きを抑制することができる。

セル間スペーサ５は、電池セル１の幅広側面ＰＷとほぼ同じ大きさを有する平板形状を有しており、その両面には、セル幅方向に亘って溝状に延在する凹部５ａが設けられている。凹部５ａは、セル高さ方向に所定間隔をおいて複数設けられている。そして、凹部５ａに、両面テープ８が設けられている。

セル間スペーサ５は、電池缶１１が膨張した際にその膨張を効率よく押さえることができる箇所にセル間スペーサ５の表面が露出し、残りの他の箇所に両面テープ８が配置されるように、凹部５ａの位置が設定されている。

両面テープ８は、テープ厚さ方向に圧縮可能なクッション性を有しており、セル間スペーサ５の凹部５ａの深さよりも厚さが厚く、押圧によってセル間スペーサ５の表面と面一の位置まで圧縮可能になっている。したがって、電池ブロック２を積層方向に圧縮した場合に、図４に示すように、セル間スペーサ５の両面を、互いに隣り合う電池セル１の幅広側面ＰＷにそれぞれ当接させて、電池セル１どうしを積層方向に位置決めすることができる。

そして、電池ブロック２には、ケース間スペーサが取り付けられている。ケース間スペーサは、後述するブロックケース内に電池ブロック２を収容した際に、ブロックケースのケース内壁部と電池ブロック２との間に介在される絶縁性のスペーサである。ケース間スペーサは、一対のアッパスペーサ３と一対のロアスペーサ４を有している。

一対のアッパスペーサ３と一対のロアスペーサ４は、絶縁性を有する樹脂によって構成されており、各電池セル１に対して、電池セル１の積層方向に直交する方向の四隅に配置されている。アッパスペーサ３は、電池蓋１２の上面ＰＵと電池缶１１の幅狭側面ＰＮとの間の隅部に配設され、ロアスペーサ４は、電池缶１１の底面ＰＢと幅狭側面ＰＮとの間の隅部に配設されている。

アッパスペーサ３とロアスペーサ４は、電池セル１の四隅に沿った断面Ｌ字形状を有している。そして、例えば図４に示すアッパスペーサ３のように、電池セル１の厚さ方向に亘る長さを有している。アッパスペーサ３とロアスペーサ４は、それぞれ両面テープ６、７によって電池セル１に固定されている。両面テープ６、７は、両面テープ８と同様に、テープ厚さ方向に圧縮可能なクッション性を有しており、後述するブロックケース内に収容した際に、積層方向に直交する方向の公差を吸収することができる。

上記した構成を有する電池ブロック２によれば、簡単な構成で各電池セル１の相対的な位置ずれの動きを抑制しつつ、互いに隣り合う電池セル１どうしの絶縁状態を保つことができる。

電池ブロック２は、積層方向の両端から押圧力をかけている状態はもちろんのこと、積層方向の両端から押圧力をかけていない状態においても、各電池セル１の相対的な位置ずれの動きを抑制することが可能である。そして、位置ずれの動きが抑制されているため、ネジや溶接などの締結部材および締結作業がない状態でも複数の電池セル１を持ち運ぶことができ、組立作業性が向上する。また、電池ブロック２の組み立てに、ネジなどの締結手段を用いていないので、締結作業などの作業工数を削減でき、部品点数の削減による軽量化を図ることもできる。

また、セル間スペーサ５は、単なる平板形状であり、従来のような電池セルの６面の全てを覆う構造のものと比較して、形状が簡単であるので、プラスチック成型による製造コストを安価にできる。そして、両面テープ８も単価の安い汎用品を用いることができ、製品コストを安価にできる。

また、セル間スペーサ５を介在させることにより、例えば車両衝突等によって電池缶１１に変形を生ずるような大きな衝撃が加えられた場合にも、電池セル１の電池缶１１どうしが互いに電気的に接続することがないよう絶縁状態に保つことができる。

セル間スペーサ５は、凹部５ａによって電池セル１に対する両面テープ８の位置を規定することができ、両面テープ８を常に一定の場所に精度良く取り付けることができ、取り付け作業を簡単化することができる。

セル間スペーサ５の凹部５ａおよび両面テープ８は、本実施形態においては短冊形状を５本並べた形状となっているが、例えば電池セル１の幅広側面ＰＷ全面や円形など貼り合わせたい範囲によって自由に変更することができる。

セル間スペーサ５の形状は、必ずしも電池セル１の断面形状と同じである必要はなく、電池セル１の電池缶１１どうしや正極外部端子１３と負極外部端子１４との間を絶縁状態に保つという目的達成のため自由に変更することができる。

（電池モジュール）
図５は、ロアケースに付帯部品を組み付けた斜視図、図６は、図５の分解斜視図、図７は、図５の積層方向矢視図である。

上記電池ブロック２は、ブロックケースに収容される。ブロックケースは、電池ブロック２の挿入方向に沿って延在するケース内壁部を有しており、電池ブロック２を電池セル１の積層方向に沿って相対的に移動させて挿入することによって収容可能な構成を有している。本実施の形態では、２つの電池ブロック２を収容する構成を有している。

ブロックケースは、ロアケース１０１と、一対のエンドプレート１０２（図９を参照）と、セクションプレート１０４と、アッパプレート１０３（図１３を参照）を有している。ロアケース１０１は、積層方向に一様な断面形状を有しており、軽量で比熱が低い材料、例えばアルミニウム合金の押し出し加工などで作られる。ロアケース１０１は、ケース外壁部に複数の突起部が設けられており、表面積をより広く確保して放熱性の向上を図るようになっている。

ロアケース１０１は、電池ブロック２を積層方向に沿って相対的に移動可能に支持する支持プレートとして、互いに平行に延在する一対のサイドプレート１１１と、これら一対のサイドプレート１１１の下端を連結するロアプレート１１２を有しており、断面が略コ字状を形成している。

一対のサイドプレート１１１は、電池セル１の幅狭側面ＰＮに対向する対向面１１１ａを有し、ロアプレート１１２は、電池セル１の底面ＰＢに対向する対向面１１２ａを有しており、これらの対向面１１１ａ、１１２ａによってケース内壁部が形成される。一対のサイドプレート１１１は、上端部から互いに接近する方向に突出して電池セル１の上面ＰＵに対向する凸部１１３を有している。

ロアケース１０１には、積層方向に沿って延在して冷媒が流通される冷却流路が設けられている。冷却流路は、ロアケース１０１のロアプレート１１２を積層方向に沿って貫通する貫通孔１１４によって形成されている。貫通孔１１４の両端には、雌ネジが螺設されており、配管継ぎ手１１５が取り付けられるようになっている。

セクションプレート１０４は、ブロックケースに収容される複数の電池ブロック２の間に介在されて区画するものであり、積層方向一方側からロアケース１０１内に挿入され、予め設定された区画位置で、両側方と下方の３方向からネジを締結することによって一対のサイドプレート１１１とロアプレート１１２に固定される。

サイドプレート１１１の対向面１１１ａには、絶縁プレート１０５が取り付けられている。絶縁プレート１０５は、絶縁性の樹脂により構成されており、両面テープ１０６によってサイドプレート１１１に固定されている。絶縁プレート１０５は、電池セル１の幅狭側面ＰＮとサイドプレート１１１との間に介在されて両者の間を絶縁しており、例えば車両衝突等によって電池モジュール１００に変形を生ずるような大きな衝撃が加えられた場合に、ロアケース１０１のサイドプレート１１１が電池セル１に電気的に接続することがないように絶縁状態に保つことができる。

ロアプレート１１２の対向面１１２ａには、伝熱シート１０７が取り付けられている。伝熱シート１０７は、電池セル１の底面ＰＢに当接して電池セル１の熱をロアプレート１１２に伝達できるようになっている。絶縁プレート１０５、伝熱シート１０７は、セクションプレート１０４を境にそれぞれ分離、独立しており、セクションプレート１０４によって区画されたセクション毎に設けられている。ロアケース１０１には、電池モジュール１００を車両に取り付けるための取り付け穴が複数設けられている。

図８は、ロアケースに電池ブロックを挿入した斜視図、図９は、図８の電池ブロック２の挿入方向を示す分解斜視図、図１０は、図９の積層方向矢視図である。

電池ブロック２は、付帯する部品を組み付けた状態のロアケース１０１の積層方向端部から挿入される。本実施の形態では、図９に示すように、セクションプレート１０４を境にして２つの電池ブロック２をロアケース１０１の積層方向両側からそれぞれ互いに接近する方向に移動させて挿入する。

電池ブロック２は、ロアケース１０１の一対のサイドプレート１１１とロアプレート１１２に支持されて、電池セル１の積層方向に沿って移動される。電池ブロック２は、図１０に示すように、ロアケース１０１内において、一対のアッパスペーサ３がサイドプレート１１１の対向面１１１ａと凸部１１３との角部に当接し、かつ、一対のロアスペーサ４がサイドプレート１１１とロアプレート１１２との角部に当接しており、積層方向に直交する方向への移動が規制されて、積層方向にのみ移動される。

電池ブロック２の挿入時、積層方向に直交する方向の電池ブロック２の寸法公差およびロアケース１０１の寸法公差は、アッパスペーサ３およびロアスペーサ４の両面テープ６、７のクッション性により吸収される。

アッパスペーサ３およびロアスペーサ４の材料としてロアケース１０１に対して滑りやすい材料を選定し、また、伝熱シート１０７の材料として電池ブロックに対して滑りやすい材料を選定することで、電池ブロック２のロアケース１０１への挿入を円滑に行うことができる。

電池ブロック２を挿入後、ロアケース１０１の両端にエンドプレート１０２を配置し、ネジ締結によってロアケース１０１に固定する。電池ブロック２は、エンドプレート１０２によって積層方向に押圧された状態で固縛される。エンドプレート１０２をロアケース１０１に締結する締結ボルトには、引っ張り方向の応力が作用する。挿入後、電池セル１の底面ＰＢとロアケース１０１は、伝熱シート１０７を介して熱的に結合状態となる。

上記した電池モジュール１００によれば、図１０の断面図に示すように、電池セル１の四角がアッパスペーサ３およびロアスペーサ４を介してロアケース１０１に固定されて位置が規制され、電池ブロック２を構成するそれぞれの電池セル１とロアケース１０１が一体化される。したがって、車両の振動や衝撃に対して電池セル１の動きを抑制することができる。

そして、ロアケース１０１には貫通孔１１４が設けられて冷却流路が形成されているので、冷却流路として必要なパイプなどの部材や熱交換用のプレートなどの部材が不要となり、モジュールの軽量化、部品点数の削減が図れる。また、ロアケース１０１は、ケース外壁部に突起部を有しており、単純なプレート形状に比べて表面積が大きく、熱交換の効率に優れる。

そして、ロアケース１０１は、その内部で電池ブロック２が積層方向に可動できる構造のため、エンドプレート１０２による積層方向の荷重を電池セル１のみに確実に伝達することが可能であり、複数の電池セル１それぞれにかかる荷重を均等にすることができる。また、エンドプレート１０２をロアケース１０１に締結する締結ボルトには、引っ張り方向の応力を作用させることができ、剪断応力が作用する場合と比較して、締結ボルトの耐久性を向上させることができる。

図１１は、基板ユニットの取付状態を示す斜視図、図１２は、電池モジュールの分解斜視図である。

互いに隣り合う電池セル１の正極外部端子１３と負極外部端子１４との間が複数のバスバー１２３によってそれぞれ電気的に接続される。各バスバー１２３は、基板ユニット１２２の基板接続端子１２２ａに接続されている。基板ユニット１２２は、各電池セル１の電圧を測定する回路、コネクタ、ヒューズを有している。基板ユニット１２２の電池セル高さ方向上側には、絶縁カバー１２１に嵌合して各電池セル１の端子を覆う絶縁キャップ１２４が設けられている。

図１３は、ロアケース１０１にアッパプレート１０３を組み付けた状態を示す斜視図である。電池モジュール１００は、ロアケース１０１にアッパプレート１０３をかぶせ、ネジで締結することにより完成する。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 電池セル
２ 電池ブロック
３ アッパスペーサ
４ ロアスペーサ
５ セル間スペーサ
１１ 電池缶
１２ 電池蓋
１３ 正極外部端子
１４ 負極外部端子
１５ 注入口
１００ 電池モジュール
１０１ ロアケース
１０２ エンドプレート
１０３ アッパケース
１０４ セクションプレート
１０５ サイドプレート
１０７ 伝熱シート
１１５ 配管継ぎ手
１２１ 絶縁カバー
１２２ 基板ユニット
１２２ａ 基板接続端子
１２３ バスバー
１２４ 絶縁キャップ

Claims (4)

1. 角形の電池セルを複数並べて積層させた電池ブロックを有する電池モジュールであって、
   前記複数の電池セルの間に介在される絶縁性のセル間スペーサと、
   該セル間スペーサの両面に設けられて前記セル間スペーサを介して互いに隣り合う一対の電池セルを前記セル間スペーサにそれぞれ固定する一対の両面テープと、
   を有し、
   前記セル間スペーサは、該セル間スペーサの両面に凹部を有し、
   前記両面テープは、前記凹部に設けられており、
   前記電池ブロックを前記電池セルの積層方向に沿って相対的に移動させて挿入することによって収容可能なブロックケースと、
   該ブロックケースの電池ブロック挿入方向に沿って延在するケース内壁部と前記電池ブロックとの間に介在される絶縁性のケース間スペーサと、
   該ケース間スペーサを前記電池ブロックの前記電池セルに固定する両面テープと、
   を有することを特徴とする電池モジュール。
2. 前記ブロックケースは、
   前記電池ブロックを前記電池セルの積層方向に沿って相対的に移動可能に支持する支持プレートと、
   該支持プレートの両端部にそれぞれ締結されて前記電池ブロックを前記電池セルの積層方向に押圧した状態に保持する一対のエンドプレートと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記支持プレートは、前記電池セルの積層方向に沿って延在して冷媒が流通される冷却流路を有することを特徴とする請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記ケース間スペーサは、前記電池セルに対して該電池セルの積層方向に直交する方向の四隅に配置される一対のアッパスペーサと一対のロアスペーサを有することを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。

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