JP6379692B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、エンドプレートによって電池体を挟持した電池モジュールに関する。

二次電池の電極は、充放電に伴い膨張と収縮を繰り返す。電極の膨張と収縮が繰り返されると、電極同士の間隔が広がり、電極が歪むことで二次電池の抵抗値が大きくなる。このため、複数の二次電池を並設した電池モジュールでは、二次電池の並設方向の両側に配置されたエンドプレートによって二次電池に拘束荷重を付与する。二次電池に拘束荷重が加えられていると、二次電池が膨張したときにエンドプレートなどの部材に荷重が集中し、破損を招くおそれがある。

特許文献１に記載の電池モジュールは、複数の電池セルと、電池セルを挟むように設けられた複数の電池ホルダとを有している。電池セルと、電池ホルダとは、交互に配置されている。電池セル及び電池ホルダは、電池セルと電池ホルダとの積層方向の両側に配置されたエンドプレートによって挟み込まれている。電池ホルダと、エンドプレートとの間には、円柱状の弾性部材が複数設けられている。電池セルが膨張すると、電池ホルダを介して弾性部材に荷重が加わり、弾性部材が弾性変形することで電池セルの膨張による荷重が弾性部材で吸収される。

特開２００９−８１０５６号公報

ところで、電池セルの膨張による荷重を多く吸収するためには、弾性部材の弾性率が低いことが望ましいが、弾性率を低くすると弾性部材がへたりやすくなり、クリープが生じやすくなる。弾性部材がへたると、エンドプレートから電池セルに加わる拘束荷重が低下するため、弾性部材がへたることを抑制することが望まれている。

本発明の目的は、弾性部材のへたりを抑制することができる電池モジュールを提供することにある。

上記課題を解決する電池モジュールは、並設された複数の電池セルと前記複数の電池セルのうち少なくとも一つの電池セルに並設されて、前記電池セルの膨張を弾性変形により吸収する弾性部材とを有する電池体と、前記電池セルの並設方向の両側に設けられるとともに前記電池体を挟んでいるエンドプレートと、各エンドプレートに互いに近付く方向に荷重を加えている加圧部材と、を備え、前記弾性部材は、低弾性部と、当該低弾性部に接触した状態で設けられ、前記低弾性部よりも弾性率の高い高弾性部とを有し、前記高弾性部は、前記電池セルと前記弾性部材との並設方向と交差する方向に複数設けられ、各高弾性部同士の間には、前記低弾性部が設けられ、前記高弾性部は、前記電池セルの膨張によって前記弾性部材に加わる荷重が規定荷重を超えたときに前記電池セルの並設方向と交差する方向に屈曲する屈曲部を有する。

これによれば、電池セルの膨張に伴い、弾性部材には、電池セルからの荷重が加わる。電池セルの膨張量が少なく、電池セルからの荷重が規定荷重を超えないときには、電池セルからの荷重は高弾性部に多く分散され、高弾性部に加わる荷重が大きい。一方で、弾性率の低い低弾性部に加わる荷重は小さい。電池セルからの荷重が規定荷重を超えると、高弾性部は屈曲する。高弾性部が屈曲すると、高弾性部に加わっていた荷重が低弾性部に分散され、低弾性部に加わる荷重が大きくなる。このため、電池セルからの荷重が規定荷重を超えないときには、へたりやすい低弾性部に加わる荷重が小さく、低弾性部がへたることを抑制することができる。一方、電池セルからの荷重が規定荷重を超えると、高弾性部が屈曲して、弾性部材が弾性変形しやすくなる。したがって、電池セルの膨張による荷重を多く吸収しつつ、電池セルへの拘束荷重が不足することを抑制することができる。

また、高弾性部が低弾性部に支持されて、電池セルの並設方向に対して傾いた状態で強弾性部が配置されることが抑制される。
上記電池モジュールについて、前記高弾性部は、前記低弾性部に周囲を囲まれるとともに、前記低弾性部を貫通して設けられ、柱状に形成されていることが好ましい。

これによれば、高弾性部を屈曲させやすい。

本発明によれば、弾性部材のへたりを抑制することができる。

実施形態の電池モジュールを示す斜視図。 実施形態の電池モジュールを示す一部破断断面図。 実施形態の弾性部材を示す斜視図。 実施形態の電池セルが膨張したときの電池モジュールを示す一部破断断面図。 変形例の弾性部材を示す斜視図。

以下、電池モジュールの一実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、電池モジュール１０は、電池体１１と、電池体１１を挟持するエンドプレート１２，１３とを有している。電池体１１は、並設された複数の電池セル１４と、一端の電池セル１４に並設された弾性部材２１とを有している。電池セル１４は、例えば、リチウムイオン電池などの二次電池である。弾性部材２１は、板状であり、厚み方向が電池セル１４の並設方向と一致している。各電池セル１４は、それぞれ個別の電池ホルダ１５に保持されている。以下の説明において、弾性部材２１に隣り合うエンドプレート１２を第１のエンドプレート１２、第１のエンドプレート１２とは電池セル１４の並設方向で反対側のエンドプレート１３を第２のエンドプレート１３として説明を行う。

第２のエンドプレート１３には、第１のエンドプレート１２に向けてボルト１６が挿通されている。第２のエンドプレート１３を挿通したボルト１６には、第１のエンドプレート１２を挿通した位置でナット１７が螺合されている。これにより、第１のエンドプレート１２及び第２のエンドプレート１３には、互いに近付く方向に拘束荷重が加わっている。この拘束荷重は、電池体１１に付与されている。この拘束荷重によって隣り合う電池セル１４同士が押し合い、電池セル１４が加圧されている。したがって、ボルト１６及びナット１７が加圧部材として機能している。

図２に示すように、電池セル１４は、ケース１８の内部に電極組立体１９を有している。電極組立体１９は、正負の電極の間にセパレータを介在させたものである。
図２及び図３に示すように、弾性部材２１は、低弾性部２２と、低弾性部２２よりも弾性率の高い高弾性部２３とを有している。本実施形態において、低弾性部２２は矩形板状であり、高弾性部２３は柱状（棒状）である。高弾性部２３は、単数の低弾性部２２に複数埋設されている。これにより、低弾性部２２と、高弾性部２３とは、一体化されている。

低弾性部２２の短手方向に並ぶ各高弾性部２３の列を高弾性部列とすると、低弾性部２２の長手方向に隣り合う高弾性部列同士は、互いの高弾性部２３同士が低弾性部２２の長手方向に隣り合わないように設けられている。

各高弾性部２３の軸方向は、低弾性部２２の厚み方向と同一方向となっている。高弾性部２３は、低弾性部２２の厚み方向に貫通して設けられている。本実施形態では、低弾性部２２の厚み方向の両面と、高弾性部２３の軸方向の両面が面一となっている。隣り合う高弾性部２３の間には全体に亘って低弾性部２２が設けられている。これにより、高弾性部２３の周囲は、低弾性部２２によって囲まれている。低弾性部２２は、例えば、ゴムスポンジなどであり、高弾性部２３は、例えばゴムなどである。

高弾性部２３は、電池セル１４から加わる荷重が規定荷重を超えたときに軸方向と交差する方向に屈曲する屈曲部を有している。本実施形態では、高弾性部２３の軸方向の中心部２４が軸方向と交差する方向に座屈する。しがたって、高弾性部２３の中心部２４が屈曲部となる。規定荷重は、高弾性部２３の寸法、弾性率、弾性部材２１中の割合などを変更することで任意に設定することができる。規定荷重としては、例えば、電池セル１４の充電に伴う膨張によって弾性部材２１に加わる荷重よりも大きな荷重が設定され、電池セル１４の充電に伴う膨張によって高弾性部２３が屈曲しないように設定される。

次に、本実施形態の電池モジュール１０の作用について説明する。
電池セル１４は、充放電に伴い膨張、収縮を繰り返す。また、電池セル１４の電極には、使用に伴って被膜が形成されていき、使用期間が長くなるにつれて電池セル１４が膨張していく。

電池セル１４が膨張すると、隣り合う電池セル１４同士は互いに押し合う。すると、各電池セル１４には並設方向の両側に向けた力が作用する。本実施形態では、第１のエンドプレート１２と、電池セル１４との間に弾性部材２１が設けられているため、弾性部材２１が電池セル１４の並設方向としての厚み方向に弾性変形して、収縮することで、電池セル１４の膨張を吸収する。弾性部材２１が弾性変形すると、各電池セル１４は、第１のエンドプレート１２に向けて移動する。電池セル１４の充電時の膨張では、高弾性部２３が座屈しない状態で弾性部材２１が弾性変形する。高弾性部２３は、低弾性部２２に比べて弾性率が高く変形しにくいたいため、電池セル１４からの荷重は、低弾性部２２よりも高弾性部２３に多く分散されている。電池セル１４が長期間に亘って使用され、電池セル１４の膨張量が多くなると、弾性部材２１に加わる荷重も大きくなっていく。

図４に示すように、弾性部材２１に加わる荷重が規定荷重を超えると、高弾性部２３の中心部２４は軸方向と交差する方向、すなわち、電池セル１４の並設方向と交差する方向に座屈する。高弾性部２３が座屈すると、高弾性部２３は、中心部２４を基点として変形しやすくなることに加えて、高弾性部２３が座屈していない場合に比べて、屈曲によって高弾性部２３に加わる荷重自体が分散されるため、高弾性部２３に加わる荷重が小さくなる。すると、高弾性部２３が受け持っていた荷重は、低弾性部２２に分散され、高弾性部２３に加わる荷重は小さくなる一方で、低弾性部２２に加わる荷重は大きくなり、弾性部材２１は弾性変形する。

したがって、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）弾性部材２１は、低弾性部２２と高弾性部２３とを有している。高弾性部２３は、電池セル１４からの荷重が規定荷重を超えると座屈するため、電池セル１４からの荷重が規定荷重を超えるまでは、へたりやすい低弾性部２２に加わる荷重が小さく、弾性部材２１がへたりにくい。一方、電池セル１４からの荷重が規定荷重を超えると、高弾性部２３が座屈して弾性部材２１が弾性変形しやすくなるため、電池セル１４の荷重を多く吸収することができる。このため、電池セル１４の充電に伴う膨張（電池セル１４の使用に伴う膨張）による荷重が低弾性部２２に加わりにくく、電極に形成された被膜による膨張（経年に伴う膨張）によって弾性部材２１に加わる荷重が規定荷重を超えたときに、弾性部材２１がへたっていることが抑制される。したがって、弾性部材２１の全体が高弾性部２３の場合に比べて、電池セル１４からの荷重を多く吸収することができ、弾性部材２１の全体が低弾性部２２の場合に比べて電池セル１４への拘束荷重が不足しにくい。

（２）各高弾性部２３の間には全体に亘って低弾性部２２が設けられている。このため、各高弾性部２３が、低弾性部２２によって支持されて、高弾性部２３が電池セル１４の並設方向に対して傾いて配置されることが抑制される。このため、高弾性部２３に加わる荷重が分散されることで、高弾性部２３が意図しない位置で座屈したり、規定荷重を超える前に高弾性部２３が座屈したりすることが抑制される。

（３）高弾性部２３は、柱状である。このため、高弾性部２３が板状などの場合と比べて、高弾性部２３が座屈しやすい。
なお、実施形態は以下のように変更してもよい。

○高弾性部の形状は、柱状以外でもよい。例えば、図５に示すように、弾性部材２１の高弾性部３１は、板状であってもよい。高弾性部３１は、弾性部材２１の厚み方向と直交する方向に間隔を空けて複数設けられている。この場合であっても、実施形態の場合と同様に、弾性部材２１に規定荷重を超えた荷重が加わると、高弾性部３１が電池セル１４の並設方向と交差する方向（板状であれば、高弾性部２３の厚み方向）に屈曲する。

○高弾性部２３は単数であってもよい。
○高弾性部２３における電池セル１４の並設方向の面は、低弾性部２２における電池セル１４の並設方向の面よりも電池セル１４の並設方向に突出していてもよい。

○低弾性部２２と、高弾性部２３とは、弾性率の異なるバネなどでもよい。
○低弾性部２２と、高弾性部２３とは、一体化されていなくてもよく、互いに分離した状態で設けられていてもよい。この場合、低弾性部２２と、高弾性部２３とは第１のエンドプレート１２などに固定されていることが好ましい。

○弾性部材２１は、電池セル１４と並設して設けられていればよく、第１のエンドプレート１２と電池セル１４との間に換えて、隣り合う電池セル１４間や、電池セル１４と第２のエンドプレート１３の間に設けられていてもよい。また、弾性部材２１は、複数設けられていてもよく、第１のエンドプレート１２と電池セル１４との間、隣り合う電池セル１４間及び第２のエンドプレート１３と電池セル１４との間のうちの複数箇所に設けられていてもよい。

○各電池セル１４間に電池セル１４を加圧するための加圧プレートを設けてもよい。
○高弾性部列は、隣り合う高弾性部列の高弾性部２３が、隣り合うように設けられていてもよい。

○加圧部材は、第１のエンドプレート１２から第２のエンドプレート１３まで延びてそれぞれのエンドプレート１２，１３に固定される金属製のバンドであってもよい。

１０…電池モジュール、１１…電池体、１２，１３…エンドプレート、１４…電池セル、１６…ボルト、１７…ナット、２１…弾性部材、２２…低弾性部、２３…高弾性部、２４…中心部。

Claims (2)

1. 並設された複数の電池セルと前記複数の電池セルのうち少なくとも一つの電池セルに並設されて、前記電池セルの膨張を弾性変形により吸収する弾性部材とを有する電池体と、
   前記電池セルの並設方向の両側に設けられるとともに前記電池体を挟んでいるエンドプレートと、
   各エンドプレートに互いに近付く方向に荷重を加えている加圧部材と、を備え、
   前記弾性部材は、低弾性部と、当該低弾性部に接触した状態で設けられ、前記低弾性部よりも弾性率の高い高弾性部とを有し、
   前記高弾性部は、前記電池セルと前記弾性部材との並設方向と交差する方向に複数設けられ、
   各高弾性部同士の間には、前記低弾性部が設けられ、
   前記高弾性部は、前記電池セルの膨張によって前記弾性部材に加わる荷重が規定荷重を超えたときに前記電池セルの並設方向と交差する方向に屈曲する屈曲部を有する電池モジュール。
2. 前記高弾性部は、前記低弾性部に周囲を囲まれるとともに、前記低弾性部を貫通して設けられ、柱状に形成されている請求項１に記載の電池モジュール。