JP6494754B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、主として、モーターを駆動源とするハイブリッド自動車や電気自動車の電源として用いられる電池モジュールであって、複数の角形の二次電池セルのセル端子面を一面に揃えて積層した電池セル積層体を、その両端にエンドプレートを設けて連結した構成を有する電池モジュールに関する。

前記電池セル及び電池積層体は、振動や衝撃による電池セルに内部部品や電池セル同士の接続の破壊を防ぐため、電池セルの三方向の位置規制及び電池セル同士の相対的位置ずれの動きを抑制する必要がある。また、リチウムイオン電池の場合には、充放電時に電極が膨張し、正極と負極の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。

例えば、電池セルと電池セルの間にホルダを配置した電池セル積層体と、その両端に配置した一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートそれぞれに固定され、またホルダと係合する連結部材を備えた構造が知られている（特許文献１）。

特開２０１２−０６４３５５号公報

特許文献１に記載された電池セルと電池セルの間に配置されるホルダは、電池セルの三方向の位置規制及び電池セル同士の相対的位置ずれの動きを抑制するために、電池セル及びエンドプレートに係合する保持形状や、連結部材と係合する突起が設けられており、形状が複雑になっている。そして、このように形状が複雑な樹脂成形品を、電池セルとほぼ同数用いている。したがって、部品点数が多くなり、組立工数を含む全体の製造コストが高くなるという課題がある。

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、簡単な構成で電池セルの三方向の位置規制及び電池セル同士の相対的位置ずれの動きの抑制を達成す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、正極外部端子及び負極外部端子を一面に備えた角形の電池セルが複数、前記一面を同じ方向に面するように一方向に積層されてなる電池セル積層体と、前記電池セル積層体の積層方向の両端に配置された一対の挟持部材を備えた第１の固縛部と、前記電池セル積層体における前記一面の側及び前記一面とは反対側の面の側に配置された一対の挟持部材を備えた第２の固縛部とを有し、前記第１の固縛部の一対の挟持部材のそれぞれと前記第２の固縛部の一対の挟持部材のそれぞれとが固定され、前記第２の固縛部は、前記複数の電池セルの位置を、少なくとも前記電池セル積層体の積層方向で且つ該積層方向に直角で前記一面に水平な方向から規制する位置規制手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で電池セルの三方向の位置規制及び電池セル同士の相対的位置ずれの動きの抑制を達成する電池モジュールを提供することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下に実施形態により明らかにされる。

電池セルの外観斜視図。 電池セル積層体の外観斜視図。 電池セル積層体の分解斜視図。 電池ブロックの外観斜視図。 電池ブロックの分解斜視図。 図４のVI−VI線に沿う拡大断面図。 電池モジュールの外観斜視図。 電池モジュールの分解斜視図。 図７の拡大上面図。 カバーを取り付けた電池モジュールの外観斜視図。 熱交換機能を付与した電池モジュールの外観斜視図。 熱交換機能を付与した電池モジュールの分解斜視図。

＜実施形態１＞
以下、本発明に関わる電池モジュールの実施形態１について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の駆動源として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、有底の電池缶１ａと、電池缶１ａの開口部を封口する電池蓋１ｂとを有している。電池缶１ａ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の長辺部から立ち上がる一対の幅広側面ＰＷと、底面ＰＢの短辺部から立ち上がる一対の幅狭側面ＰＮを有している。

また、本実施形態の説明における三方向を、電池セル１の幅狭側面ＰＮに向かう方向をＸ方向、電池セル１の幅広側面ＰＷに向かう方向をＹ方向、電池セル１の上面ＰＵ及び底面ＰＢに向かう方向をＺ方向と表記する。

電池蓋１ｂ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１ｂには、電圧を入出力するための正極外部端子１ｃと負極外部端子１ｄが設けられている。正極外部端子１ｃと負極外部端子１ｄは、電池蓋１ｂ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１ｃと負極外部端子１ｄは、電池蓋１ｂに対して上面ＰＵ側に突設しており、また、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。そして、正極外部端子１ｃと電池蓋１ｂとの間、及び負極外部端子１ｄと電池蓋１ｂとの間には、樹脂製のガスケット１ｇが介在されており、絶縁されている。ガスケット１ｇは、電池蓋１ｂの上面に沿って正極外部端子１ｃ及び負極外部端子１ｄの外端縁よりも側方に突出する大きさを有している。

電池蓋１ｂは、電池缶１ａ内に電極群を収容した後に、電池缶１ａにレーザー溶接されて電池缶１ａの開口部を封口する。電池蓋１ｂの長辺方向中間位置である電池蓋１ｂ中央寄り側の位置には、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１ｅが設けられている。電池セル１は、正極外部端子１ｃ、負極外部端子１ｄ、ガス排出弁１ｅを除く全面を絶縁性フィルム１ｆで覆われている。

（電池セル積層体）
図２は、電池セル積層体２の外観斜視図、図３は、電池セル積層体の一部を分解した状態を示す分解斜視図である。

電池セル積層体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１ｃと負極外部端子１ｄ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。複数の電池セル１の積層方向両端には、一対のエンドプレート３が配置される。一対のエンドプレート３は、一対の挟持部材として第１の固縛部を構成する。エンドプレート３の外観面（例えば、上面、幅広側面）には雌ねじ３ａ、３ｂが螺設されている。雌ねじ３ａは、エンドプレート３の上面に形成され、雌ねじ３ｂは、エンドプレート３の幅広面に形成されている。

各電池セル１及びエンドプレート３の間には、絶縁性のセル間スペーサー４が介在されている。セル間スペーサー４は電池セル１同士の絶縁と断熱を目的とするものであり、その目的が達成されていれば、必ずしも備えることに限定されるものではない。また、セル間スペーサー４は各電池セル１及びエンドプレート３の間に単に介在してもよいし、接着（例えば、両面テープや接着剤）による固定をしてもよい。

（電池ブロック）
図４は、電池ブロック５の外観斜視図、図５は、電池ブロック５の一部を分解した状態を示す分解斜視図である。

電池ブロック５は、図４及び図５に示すように、電池セル積層体２の上面側にアッパープレート６、底面側にロアープレート７を備える。本実施形態では、アッパープレート６は樹脂製材料により構成され、ロアープレート７は、金属板を折り曲げ加工することによって構成されている。アッパープレート６とロアープレート７は、電池セル積層体２における上面側と缶底側に配置された一対の挟持部材として第２の固縛部を構成する。

電池ブロック５を組み立てるには、電池セル積層体２を積層方向に押圧し、所定の寸法になったところで、アッパープレート６を電池セル１の電池蓋１ｂ（上面ＰＵ）に当接させ、両端一対それぞれのエンドプレート３の雌ねじ３ａにねじ締結によって固定する。そして、同時にロアープレート７を電池セル１の底面ＰＢに接触させ、両端一対それぞれのエンドプレート３の雌ねじ３ｂにねじ締結によって固定する。

上記した電池ブロック５の構成によれば、電池セル積層体２に押圧力が加わった状態で、両端一対のエンドプレート３の間隔が一定に保たれる。したがって、Ｙ方向の車両の振動や衝撃に対して電池セル１の個別の動きや電池セル積層体２の動きを抑制することができる。また、アッパープレート６及びロアープレート７が電池セル１の上面ＰＵ及び底面ＰＢそれぞれに挟み込む形で接触状態を保つことから、Ｚ方向の車両の振動や衝撃に対して電池セル１の個別の動きや電池セル積層体２の動きを抑制することができる。

図６は、図４のVI−VI線に沿う拡大断面図である。
アッパープレート６は、複数の電池セル１の位置を、少なくとも電池セル積層体２の積層方向で且つ積層方向に直角で一面に水平な方向から規制する位置規制手段として、押さえ片６ａ、６ｂ、６ｃを有している。

アッパープレート６には、図６に示すように、電池セル１に突設された正極外部端子１ｃ及び負極外部端子１ｄに対応して押さえ片６ａ、６ｂ、６ｃが突設されており、この押さえ片６ａ、６ｂ、６ｃと正極外部端子１ｃ及び負極外部端子１ｄとが当接される。押さえ片６ａ、６ｂ、６ｃは、正極外部端子１ｃ及び負極外部端子１ｄに対して電池蓋１ｂ（一面）に沿った方向で且つ電池セル１の積層方向に直交する方向である積層体幅方向、すなわち、電池セル１の幅方向に対向して配置されるように設けられている。そして、正極外部端子１ｃ及び負極外部端子１ｄのガスケット１ｇと電池セル１の幅狭側面ＰＮに直接当接することによって、電池セル１がＸ方向である電池セル積層体２の積層体幅方向に移動するのを規制して位置決めすることができる。

押さえ片（第１の押さえ片）６ａは、電池セル１の正極外部端子１ｃ及び負極外部端子１ｄの積層体幅方向中央寄りの内側端部にそれぞれ対向して配置されるように対をなして設けられており、正極外部端子１ｃ及び負極外部端子１ｄのガスケット１ｇと直接当接することによって、電池セル１が電池セル積層体２の積層体幅方向に移動するのを規制して位置決めをする。

押さえ片（第２の押さえ片）６ｂは、電池セル１の正極外部端子１ｃ及び負極外部端子１ｄの積層体幅方向外側の外側端部にそれぞれ対向して配置されるように対をなして設けられており、正極外部端子１ｃ及び負極外部端子１ｄのガスケット１ｇと直接当接することによって、電池セル１が電池セル積層体２の積層体幅方向に移動するのを規制して位置決めをする。

押さえ片（第３の押さえ片）６ｃは、電池セル１の積層体幅方向両側の端面である幅狭側面ＰＮにそれぞれ対向して配置されるように対をなして設けられており、電池セル１の幅狭側面ＰＮと当接することによって、電池セル１が電池セル積層体２の積層体幅方向に移動するのを規制して位置決めをする。

アッパープレート６の押さえ片６ａ、６ｂ、６ｃは、必ずしも全てを設ける必要はなく、少なくともいずれか一つを有していればよい。押さえ片６ａ、６ｂ、６ｃによって電池セル１のＸ方向の位置決めがなされるほか、Ｘ方向の車両の振動や衝撃に対して電池セル１の個別の動きや電池セル積層体２の動きを抑制することができる。

ロアープレート７は、図５に示すように、電池セル積層体２の底面に対向する底部７ａと、底部７ａの積層方向両端部で折曲されてエンドプレート３に対向するフランジ部７ｂと、底部７ａの幅方向両端部で折曲されて電池セル１の幅狭側面ＰＮに対向するエッジ部７ｃを有している。底部７ａには、電池セル積層体２の各電池セル１の缶底を露出させるように複数の開口穴が設けられている。フランジ部７ｂには、エンドプレート３の雌ねじ３ｂに連通する穴が設けられており、エンドプレート３にねじ締結できるようになっている。エッジ部７ｃ（第４の押さえ片）は、各電池セル１の幅狭側面ＰＮに対向して当接することにより、電池セル１が電池セル積層体２の積層体幅方向に移動するのを規制して位置決めをする。

上記した電池ブロック５の構成によれば、アッパープレート６の押さえ片６ａ、６ｂ、６ｃ及びロアープレート７のエッジ部７ｃによって電池セル１のＸ方向の位置決めがなされる。したがって、従来のように電池セルを保持するセルホルダーを別個に設ける必要がなく、全体の部品点数を減らし、組立工数を削減することができる。

本実施形態におけるアッパープレート６は、電池セル１のガス排出弁１ｅに対応するとともに、Ｙ方向断面に対して一様な形状の空間（６ｉ）を設けている。アッパープレート６は、電池セル積層体２の積層体幅方向中央位置で積層方向に沿って延在するガスレール部６ｇを有している。ガスレール部６ｇは、断面コ字状を有しており、電池セル１のガス排出弁１ｅと対向する位置に配置されて、電池セル１の電池蓋１ｂとの協働により、積層方向に連通する閉空間６ｉを形成する。これによれば、電池セル１の内圧の上昇によりガス排出弁１ｅが開裂して排出された電池容器内のガスを、ガス排出弁１ｅが連通するガスレール部６ｇに誘導し、ガスレール部６ｇの閉空間６ｉによって所定の領域に流出させることができ、意図しない領域（例えば、正極外部端子１ｃや負極外部端子１ｄの周辺、図示しない車両搭載のためのケースなどの部品）への流出を防ぐことができる。

（電池モジュール）
図７は、電池モジュール８の外観斜視図、図８は、電池モジュール８の一部を分解した状態を示す分解斜視図、図９は図７の拡大上面図である。
電池モジュール８は、電池ブロック５の互いに隣り合う電池セル１の正極外部端子１ｃと負極外部端子１ｄとの間が複数のバスバー９によってそれぞれ電気的に接続される。電池セル１の正極外部端子１ｃ及び負極外部端子１ｄの一部には、各電池セル１の電圧を測定するための電圧検出線１０が接続されている。これらのバスバー９及び電圧検出線１０は、正極外部端子１ｃ及び負極外部端子１ｄに突設されたボルトにナットを締結することで固着される。

アッパープレート６には、バスバー９を保持するための固定フック６ｅが設置されている。これによれば、あらかじめアッパープレート６にバスバー９を保持させておくことができるので、アッパープレート６を電池セル積層体２に組み付ける際に、バスバー９を所定位置に配置することが可能である。したがって、複数のバスバー９を簡単にセットすることができ、組立作業の効率を向上させることができる。

アッパープレート６には複数本ある電圧検出線１０を１本ずつに仕切る仕切り板６ｄが設置されている。これによれば、衝撃や衝突によって電圧検出線１０の被覆部分が露出しても、電圧検出線１０同士の短絡を防ぐことができる。また、アッパープレート６には、電圧検出線１０の締結部に回転防止片６ｆが設けられている。これによれば、ナット締結時に電圧検出線１０の端子が伴って回ってしまうことを防ぐことができる。

図１０は、電池モジュール８のアッパープレート６にカバー１１を取り付けた状態を示す外観斜視図である。
カバー１１は、アッパープレート６に設置された突起６ｈに係合される。カバー１１は、アッパープレート６のバスバー９及び電圧検出線１０を覆う。カバー１１で覆うことによって、バスバー９及び電圧検出線１０の絶縁を図ることができる。

上記構成を有する電池モジュール８によれば、アッパープレート６に押さえ片６ａ、６ｂを設けてアッパープレート６の押さえ片６ａをガスケット１ｇに直接当接させることによって、電池セル１のＸ方向の移動を規制し、位置決めをすることができる。したがって、一対のエンドプレート３と、アッパープレート６と、ロアープレート７という極めて簡単な構成で、電池セル１のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の位置規制と、電池セル１同士の相対的な位置ずれの動きの抑制を達成することができる。

＜実施形態２＞
図１１は、電池セル積層体２とロアープレート７の間に熱伝導シート１２及び熱交換器１３を介在させた実施例、図１２は、図１１の一部を分解した状態を示す分解斜視図を示す。

ロアープレート７は、熱交換手段として熱伝導シート１２及び熱交換器１３を各電池セル１の底面ＰＢに押し付けた状態で固定する。固定後、各電池セル１の底面ＰＢと熱交換器１３は熱伝導シート１２を介して熱的に結合状態となる。図示しないが、ロアープレート７自体に熱交換機能を設けてもよい（ロアープレート７と熱交換器１３をひとつの部品で実施してもよい）。上記によれば、入出力性能が温度によって左右される電池セル１において、加温や冷却の温度制御が可能となる。

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
１ａ 電池缶
１ｂ 電池蓋
１ｃ 正極外部端子
１ｄ 負極外部端子
１ｅ ガス排出弁
１ｆ 絶縁性フィルム
２ 電池セル積層体
３ エンドプレート
５ 電池ブロック
６ アッパープレート
６ａ 押さえ片(第１の押さえ片)
６ｂ 押さえ片(第２の押さえ片)
６ｃ 押さえ片(第３の押さえ片)
６ｇ ガスレール部
７ ロアープレート
７ｃ エッジ部（第４の押さえ片）
８ 電池モジュール
９ バスバー
１１ カバー
１２ 熱伝導シート
１３ 熱交換器

Claims (6)

1. 正極外部端子及び負極外部端子を一面に備えた角形の電池セルが複数、前記一面を同じ方向に面するように一方向に積層されてなる電池セル積層体と、
   前記電池セル積層体の積層方向の両端に配置された一対の挟持部材を備えた第１の固縛部と、
   前記電池セル積層体における前記一面の側及び前記一面とは反対側の面の側に配置された一対の挟持部材を備えた第２の固縛部とを有し、
   前記正極外部端子と前記負極外部端子は、前記電池セルの前記一面である電池蓋において前記積層方向に直交する方向に互いに離間した位置に設けられており、
   前記第１の固縛部の一対の挟持部材のそれぞれと前記第２の固縛部の一対の挟持部材のそれぞれとが固定され、
   前記第２の固縛部は、前記複数の電池セルの位置を、少なくとも前記電池セル積層体の積層方向で且つ該積層方向に直角で前記一面に水平な方向から規制する位置規制手段を有するとともに、該第２の固縛部の一対の挟持部材として、前記電池セルの前記一面である電池蓋に対向するアッパープレートと、前記電池セルの缶底に対向するロアープレートとを有しており、
   前記アッパープレートと前記ロアープレートの少なくとも一方は、前記位置規制手段として前記正極外部端子及び前記負極外部端子に対して前記電池蓋に沿った方向で且つ前記積層方向に直交する方向である積層体幅方向に対向して配置された押さえ片を有し、
   前記アッパープレートは、前記押さえ片として前記正極外部端子及び前記負極外部端子の前記積層体幅方向の中央寄りの内側端部にそれぞれ対向して配置される一対の第１の押さえ片を有することを特徴とする電池モジュール。
2. 正極外部端子及び負極外部端子を一面に備えた角形の電池セルが複数、前記一面を同じ方向に面するように一方向に積層されてなる電池セル積層体と、
   前記電池セル積層体の積層方向の両端に配置された一対の挟持部材を備えた第１の固縛部と、
   前記電池セル積層体における前記一面の側及び前記一面とは反対側の面の側に配置された一対の挟持部材を備えた第２の固縛部とを有し、
   前記正極外部端子と前記負極外部端子は、前記電池セルの前記一面である電池蓋において前記積層方向に直交する方向に互いに離間した位置に設けられており、
   前記第１の固縛部の一対の挟持部材のそれぞれと前記第２の固縛部の一対の挟持部材のそれぞれとが固定され、
   前記第２の固縛部は、前記複数の電池セルの位置を、少なくとも前記電池セル積層体の積層方向で且つ該積層方向に直角で前記一面に水平な方向から規制する位置規制手段を有するとともに、該第２の固縛部の一対の挟持部材として、前記電池セルの前記一面である電池蓋に対向するアッパープレートと、前記電池セルの缶底に対向するロアープレートとを有しており、
   前記アッパープレートと前記ロアープレートの少なくとも一方は、前記位置規制手段として前記正極外部端子及び前記負極外部端子に対して前記電池蓋に沿った方向で且つ前記積層方向に直交する方向である積層体幅方向に対向して配置された押さえ片を有し、
   前記アッパープレートは、前記押さえ片として前記正極外部端子及び前記負極外部端子の前記積層体幅方向の外側の外側端部にそれぞれ対向して配置される一対の第２の押さえ片を有することを特徴とする電池モジュール。
3. 前記アッパープレートは、前記押さえ片として前記電池セルの前記積層体幅方向の両側の端面にそれぞれ対向して配置される一対の第３の押さえ片を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電池モジュール。
4. 前記ロアープレートは、前記押さえ片として前記電池セルの前記積層体幅方向の両側の端面にそれぞれ対向して配置される一対の第４の押さえ片を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電池モジュール。
5. 前記電池セルは、前記電池蓋にガス排出弁が設けられており、
   前記アッパープレートは、前記ガス排出弁に連通するガスレール部を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の電池モジュール。
6. 前記第２の固縛部は、熱交換手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電池モジュール。

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