JP6575323B2

JP6575323B2 - 電池ユニット

Info

Publication number: JP6575323B2
Application number: JP2015229820A
Authority: JP
Inventors: 篤山中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-11-25
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2019-09-18
Anticipated expiration: 2035-11-25
Also published as: JP2017098115A

Description

本発明は、複数の単電池および絶縁体が交互に積層された積層体と、この積層体を収容するケースと、を備えた電池ユニットに関する。

複数の単電池および絶縁体を交互に積層した積層体を有した電池ユニットが知られている。積層体は、ケース内に固定され、収容される。積層体をケースに安定して固定するには、積層体を構成する単電池や絶縁体の相互の動きを規制する必要がある。

例えば、特許文献１には、電池セル（単電池）と絶縁板（絶縁部材）とを交互に積層して積層体を構成し、この積層体を固定部材で固定する構成が開示されている。固定部材は、長さが一定（定寸）で、両端が積層体の積層方向両端に連結される金属製バンドである。定寸の金属製バンドが積層方向両端に連結されることで、積層体には、積層方向かつ圧縮方向の力がかかることになる。そして、この圧縮方向の力により、積層体を構成する単電池や絶縁体の相互の動きが規制される。

特開２０１３−２４２９７９号公報

ところで、ケースに収容される積層体は、予め規定された寸法を維持した状態で相互の動きが規制（拘束）されること、すなわち、定寸拘束されることが望ましい。一方、積層体を構成する単電池や絶縁体等には、微小ながらも寸法のばらつき、いわゆる部品公差がある。定寸拘束を実現するためには、こうした部品公差を吸収することが必要となる。そこで、例えば、積層体のバネ定数を低下（低バネ化）させることが考えられる。積層体が低バネ化すれば、積層体が、部品公差を吸収するべく変形するため、積層体の寸法のばらつきを吸収できる。

しかしながら、積層体を低バネ化させると、剛性が低くなり、圧縮方向の力のみで、安定して拘束することが困難になる。例えば、低バネ化した積層体を、圧縮方向の力のみで拘束した場合、積層体に振動が発生した際、その振幅が大きくなる。この場合、各単電池に設けられた端子や、当該端子間を連結するバスバーに大きな負荷がかかり、これら部品の劣化を招くおそれがあった。

そこで、本発明では、積層体をより安定して定寸拘束できる電池ユニットを提供することを目的とする。

本発明の電池ユニットは、交互に積層された複数の単電池および絶縁体である樹脂枠を含む積層体と、前記積層体を予め規定された位置に収容するケースと、を備え、前記ケースおよび前記絶縁体である樹脂枠の一方が第１磁石を含み、他方が磁性体または第２磁石を含み、前記第１磁石は、前記規定位置に前記積層体を配した際に、前記磁性体または第２磁石と対向する位置に配されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、ケースおよび絶縁体の一方に設けられた磁石と、他方に設けられた磁性体と、が対向配置されているため、磁気吸引力により絶縁体および当該絶縁体で挟持された単電池の動きが規制される。結果として、被拘束部材である積層体（単電池および絶縁体を含む電池スタック）をより安定して定寸拘束できる。

本発明の実施形態である電池ユニットの縦断面図である。セルスタックの一部斜視図である。図１のＸ−Ｘ線でのセルスタックの概略断面図である。他の電池ユニットの縦断面図である。従来技術におけるセルスタックの概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である電池ユニット１０の縦断面図である。また、図２は、セルスタック１２の一部斜視図であり、図３は、図１のＸ−Ｘ線でのセルスタック１２の概略断面図である。

電池ユニット１０は、並行に並んだ二つのセルスタック１２を有している。セルスタック１２は、単電池である電池セル１４と、絶縁体である樹脂枠１６と、を交互に複数積層して構成される。電池セル１４は、充放電可能な二次電池、例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等である。電池セル１４は、略直方体形状となっている。電池セル１４の上面からは、二つの円柱状のセル端子１８、すなわち、正極端子１８ｐおよび負極端子１８ｎが突出している。なお、以下の説明において、正極端子１８ｐと負極端子１８ｎとを区別しない場合は、単に「セル端子１８」と呼ぶ。

正極端子１８ｐおよび負極端子１８ｎは、幅方向に間隔を開けて設けられている。複数の電池セル１４は、図２に示すように、一つの電池セル１４の正極端子１８ｐに、隣接する電池セル１４の負極端子１８ｎが隣り合うように、交互に向きを入れ替えて積層される。隣り合う正極端子１８ｐおよび負極端子１８ｎは、バスバー２０により、電気的かつ機械的に接続されている。バスバー２０は、導電性材料、例えば銅等からなる略直方体形状の板材である。各バスバー２０は、隣り合う電池セル１４の正極端子１８ｐおよび負極端子１８ｎが挿通される一対の貫通孔を有している。かかる貫通孔に、正極端子１８ｐおよび負極端子１８ｎを挿通させることで、隣り合う電池セル１４の正極端子１８ｐと負極端子１８ｎとが電気的かつ機械的に接続される。そして、かかるバスバー２０で全てのセル端子１８を電気的に接続することで、複数の電池セル１４が直列に接続される。

電池セル１４と電池セル１４との間には、樹脂枠１６が配されている。樹脂枠１６は、絶縁性材料、例えば、樹脂等からなる部材で、略矩形の平板部２２と、当該平板部２２の周縁から積層方向に張り出す枠部２４と、を備えている。平板部２２は、電池セル１４間に介在する略平板状部位である。この平板部２２の表面および裏面には、厚み方向に立脚する複数のリブが設けられている。この複数のリブで仕切られた空間は、冷却風が流れる冷却風流路となる。

枠部２４は、平板部２２の周縁から積層方向に突出する壁である。枠部２４は、対応する電池セル１４の上下面および側面の一部を覆うことで、電池セル１４の面方向および上下方向の動きを規制する。本実施形態では、この枠部２４の底部を構成する底壁２４ａに、二つの永久磁石２６を埋め込んでいる。二つの永久磁石２６は、幅方向に間隔を開けて配置されている。この永久磁石２６の埋め込みを可能にするために、底壁２４ａを部分的に肉厚にするとともに、当該肉厚部分に厚み方向に貫通する収容孔を形成している。

こうした永久磁石２６は、例えば、樹脂枠１６を射出成型した後に収容孔に永久磁石２６を挿入するアウトサート方式で埋め込むことができる。また、別の形態として、樹脂枠１６の金型内に予め永久磁石２６をセットした状態で樹脂を流し込むインサート成型で、永久磁石２６を埋め込んでもよい。また、本実施形態では、永久磁石２６を、樹脂枠１６の幅方向端部近傍に配置しているが、永久磁石２６は、ロアケース３０の底面と近接できるのであれば、他の位置に設けられてもよい。また、永久磁石２６の個数は、１個でもよいし、３個以上でもよい。

こうした樹脂枠１６は、バネ定数が比較的小さくなるような材質および形状になっている。樹脂枠１６のバネ定数を低くしているのは、セルスタック１２全体の積層方向の寸法を一定に保つためである。すなわち、樹脂枠１６や電池セル１４には、微小な寸法のばらつき、いわゆる、部品公差が存在するが、樹脂枠１６を低バネ化して、弾性変形しやすくすることで、こうした部品公差が吸収できる。そして、部品公差が吸収できることで、セルスタック１２全体の寸法を一定に保つことができる。

二つのセルスタック１２は、ユニットケース内の予め規定された位置に収容され、固定される。ユニットケースは、セルスタック１２が載置されるロアケース３０と、ロアケース３０の上部開口を覆うアッパーカバーと、に大別される。なお、図１では、アッパーカバーの図示を省略している。

本実施形態のロアケース３０は、ケイ素鋼や、鉄等の磁性材料からなる。ロアケース３０は、幅方向両端が上方に向かって折りあげられた断面略コ字状であり、金属製薄板にプレス加工を施すことで成形される。ロアケース３０の底部は、セルスタック１２が載置される載置面として機能する。ただし、本実施形態では、ロアケース３０の底部のうち、セルスタック１２の幅方向中央付近と対向する部分は、下方に窪ませている。そのため、ロアケース３０の底部は、セルスタック１２の幅方向両端近傍にのみ接触して支持する構成となっている。

ロアケース３０の底部には、部分的に窪ませることにより形成される二列の溝３２が設けられている。この二列の溝３２は、いずれも、積層方向に延びている。ロアケース３０内にセルスタック１２を載置した際、この溝３２の上部開口は、樹脂枠１６の底壁２４ａにより閉鎖され、ロアケース３０と底壁２４ａとの間には、積層方向に延びる空間が形成される。この空間は、電池セル１４を冷却する冷却風または電池セル１４から発生したガスが通る流路となる。

ここで、既述した通り、樹脂枠１６の底部には、永久磁石２６が配され、ロアケース３０は、磁性材料からなる。そのため、ロアケース３０内に樹脂枠１６を配置すると、永久磁石２６の磁気吸引力により樹脂枠１６がロアケース３０に吸引保持される。また、樹脂枠１６の位置が固定されることにより、当該樹脂枠１６で挟持された電池セル１４の上下方向および積層方向の動きも規制される。結果として、セルスタック１２を構成する複数の樹脂枠１６および電池セル１４が、互いに拘束されるとともに、ロアケース３０の規定位置に固定されることになる。

次に、以上のような構成とする理由について従来術と比較して説明する。図５は、従来技術におけるセルスタック１２の概略構成を示す図である。従来の電池ユニットでも、複数の電池セル１４および樹脂枠１６を交互に積層したセルスタック１２が設けられていた。セルスタック１２の積層方向両端には、金属等の高剛性の材料からなるエンドプレート４０が配されている。セルスタック１２を構成する複数の電池セル１４および樹脂枠１６の相互の動きを拘束する場合には、セルスタック１２を挟持する一対のエンドプレート４０に、拘束バンド４２の両端をボルト締結する。拘束バンド４２は、無負荷状態におけるエンドプレート４０付きのセルスタック１２よりも僅かに短くなっている。そのため、拘束バンド４２の両端を、一対のエンドプレート４０にボルト締結すると、セルスタック１２には、積層方向圧縮方向の力（圧縮力）が作用する。そして、この圧縮力を受けて、電池セル１４および樹脂枠１６は、互いに密着し、大きな摩擦力が発生する。そして、この摩擦力により、電池セル１４および樹脂枠１６の相互の動きが規制され、拘束される。

ここで、従来技術では、振動が生じても拘束された電池セル１４および樹脂枠１６が相互に変位しないように、電池セル１４および樹脂枠１６の剛性やバネ定数を比較的高くしていた。しかし、電池セル１４および樹脂枠１６のバネ定数が高いと、セルスタック１２全体の寸法が一定に保ちにくいという別の問題を招いていた。すなわち、セルスタック１２を構成する複数の電池セル１４および樹脂枠１６には、僅かながらも寸法のばらつき、いわゆる部品公差が存在している。こうした部品公差を有する電池セル１４および樹脂枠１６を複数積層していくと、部品公差が積算されていく。そして、結果として、セルスタック１２全体の積層方向の寸法に、比較的、大きな誤差が発生することがあった。

そこで、本実施形態では、セルスタック１２の寸法を一定に保つために、樹脂枠１６のバネ定数を比較的小さくしている。樹脂枠１６のバネ定数を低くすることにより、樹脂枠１６が、比較的容易に変形し、部品公差を吸収できる。しかし、樹脂枠１６のバネ定数を低くした状態で、従来技術と同様に圧縮力で、電池セル１４および樹脂枠１６を拘束すると、電池セル１４および樹脂枠１６が振動しやすいという新たな問題を招く。すなわち、樹脂枠１６のバネ定数が低いと、拘束バンド４２で拘束しても、振動発生時における電池セル１４および樹脂枠１６の振幅が大きくなる。そして、電池セル１４および樹脂枠１６の振幅が大きくなると、電池セル１４間を接続するバスバー２０や、当該バスバー２０が連結されるセル端子１８への負荷が大きくなり、劣化や破損を招くおそれがあった。

そこで、本実施形態では、複数の電池セル１４および樹脂枠１６を、拘束バンド４２による圧縮力ではなく、磁力により拘束している。すなわち、既述した通り、本実施形態では、樹脂枠１６の底部に永久磁石２６を設けるとともに、ロアケース３０を磁性材料で構成している。かかる構成とすることで、樹脂枠１６がロアケース３０に磁気吸引されるため、振動が生じても、また、樹脂枠１６のバネ定数が低くても、樹脂枠１６は、殆ど変位しない。また、樹脂枠１６が変位しないことで、当該樹脂枠１６で挟持された電池セル１４の変位も小さくなる。結果として、バスバー２０やセル端子１８への負荷を低減できる。つまり、本実施形態によれば、樹脂枠１６を低バネ化しても、セルスタック１２の寸法を一定に保ったまま電池セル１４および樹脂枠１６を安定して拘束できる。

また、磁力を利用する本実施形態によれば、従来技術で用いていた拘束バンド４２やエンドプレート４０を、廃止することができる。結果として、電池ユニット１０の構成を簡易化でき、コストも低減できる。なお、当然ながら、拘束バンド４２やエンドプレート４０は、必ずしも廃止する必要はなく、拘束力の補強や、セルスタック１２をロアケース３０に配置する前の仮拘束等の目的で用いてもよい。磁力に加え、拘束バンド４２等を用いた圧縮力も利用して、被拘束部材を拘束することで、電池セル１４および樹脂枠１６の相互の動きをより確実に制限できる。また、磁力のみで電池セル１４および樹脂枠１６を拘束する場合、セルスタック１２をロアケース３０内に収容するまで、樹脂枠１６および電池セル１４を拘束することができない。そこで、ロアケース３０に収容する前の段階では、エンドプレート４０や拘束バンド４２を用いて、セルスタック１２が定寸になるように、当該セルスタック１２に圧縮力を付与して、仮拘束してもよい。この場合、仮拘束したセルスタック１２を、ロアケース３０に配置した後、拘束バンド４２等を取り外してもよいし、そのまま残してもよい。いずれにしても、磁力を利用して拘束することで、樹脂枠１６を低バネ化しても、電池セル１４および樹脂枠１６の振動による変位を防止できる。

なお、これまで説明した構成は、一例であり、樹脂枠１６およびケースの一方に永久磁石２６、他方に磁性体または別の磁石が設けられるのであれば、他の構成でもよい。例えば、図４に示すように、ロアケース３０に永久磁石２６を、樹脂枠１６に磁性体を設けてもよい。図４の例では、ロアケース３０は、非磁性体、例えば、アルミニウム等からなる。ロアケース３０のうち、樹脂枠１６との近接位置には、積層方向に延びる収容孔が形成されており、当該収容孔に永久磁石２６が埋設されている。また、樹脂枠１６の底部にも、積層方向に延びる収容孔が形成されており、この収容孔に磁性材料からなる金属製バンド２８（磁性体）が挿通されている。かかる構成とすることで、樹脂枠１６とロアケース３０との間に磁気吸引力が発生し、樹脂枠１６の動きが規制される。結果として、樹脂枠１６および電池セル１４がより安定して拘束される。また、別の形態として、樹脂枠１６およびロアケース３０の双方に永久磁石を配してもよい。この場合、樹脂枠１６に設けられた永久磁石と、ロアケース３０に設けられた永久磁石は、互いに磁気吸引力が発揮するように、互いに異なる極が向かい合うように配置する。

また、これまでの説明では、樹脂枠１６またはロアケース３０の底面に、永久磁石２６を設けているが、永久磁石２６や磁性体は、樹脂枠１６と電池ケースとが近接する位置であれば、他の位置に設けられてもよい。例えば、電池ユニットの中には、樹脂枠１６の天面または側面から、アッパーカバーの天面、またはロアケース３０の側面に当接する一対の突起を突出させたものがある。かかる電池ユニット１０では、一対の突起と、アッパーカバーの天面またはロアケース３０の側面と、で囲まれる空間を、冷却風や、電池セル１４から生じるガスの流路として利用する。かかる構成の電池ユニット１０では、突起の先端面に磁性体または永久磁石２６を設け、アッパーカバーまたはロアケース３０のうち突起との接触部分に永久磁石２６または磁性体を配するようにしてもよい。

また、これまでの説明では、樹脂枠１６のみを低バネ化しているが、樹脂枠１６に加えて、または、替えて、電池セル１４を低バネ化してもよい。また、部品公差が小さい場合には、樹脂枠１６または電池セル１４を低バネ化していなくてもよい。

１０電池ユニット、１２セルスタック、１４電池セル、１６樹脂枠、１８セル端子、１８ｎ負極端子、１８ｐ正極端子、２０バスバー、２２平板部、２４枠部、２４ａ底壁、２６永久磁石、２８金属製バンド、３０ロアケース、３２溝、４０エンドプレート、４２拘束バンド。

Claims

交互に積層された複数の単電池および絶縁体である樹脂枠を含む積層体と、
前記積層体を予め規定された位置に収容するケースと、
を備え、
前記ケースおよび前記絶縁体である樹脂枠の一方が第１磁石を含み、他方が磁性体または第２磁石を含み、
前記第１磁石は、前記規定位置に前記積層体を配した際に、前記磁性体または第２磁石と対向する位置に配されている、
ことを特徴とする電池ユニット。