JP6601324B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数の角型の電池セルと、複数の樹脂枠とが厚み方向に交互に積層された電池モジュールに関する。

従来から、複数の角型の電池セルと、複数の樹脂枠と、を交互に厚み方向に積層した電池モジュールが知られている。例えば、特許文献１には、角型の単電池（電池セル）と、仕切部材（樹脂枠）とを交互に厚み方向に積層し、さらに、この積層体を一対のエンドプレートで挟持して拘束する電池モジュールが開示されている。この電池モジュールにおいて、一対のエンドプレートは、金属製バンドの両端に固着されている。また、仕切部材の表面には、リブが形成されており、このリブが隣接する単電池に当接することで、冷却風が流れる流路が形成される。

特開２０１２−１２９０４３号公報

ところで、こうした電池モジュールでは、樹脂枠の成形時に生じる公差や、組み付け誤差等に起因して、樹脂枠のリブに対して電池セルが斜めに当たった状態で組付けられることがある。リブに電池セルが斜めに当たった状態で組み付けられると、リブに曲げ応力が作用し、リブがクリープ変形することがある。

すなわち、電池モジュールとして組み付けられた樹脂枠は、金属製バンドによる拘束力により、常に圧縮方向の力を受けることになる。このとき、電池セルに斜めに当たっていると、当該圧縮方向の力は、曲げ応力としてリブに作用する。かかる曲げ応力を長期間受け続けることにより、リブには、徐々に、倒れ込む方向への不可逆的な変形、いわゆるクリープ変形が生じる。特に、電池の異常反応時には、電池セルの内部に発生したガスに起因して電池セルが膨張するが、この膨張により、リブに、大きな力が加わると、リブがクリープ変形しやすくなる。

このようにリブが、倒れ込む方向にクリープ変形すると、金属製バンドによる拘束力（圧縮力）が低下する。そこで、電池モジュールの組み付け時には、こうしたリブのクリープ変形が生じても十分な拘束力が得られるように、電池モジュールに付与する初期拘束荷重を大きめに設定している。しかし、初期拘束荷重が大きいと、その分、拘束部材（金属製バンドやエンドプレート）の強度補強が必要であり、コスト増加や製造工程の煩雑化を招く。また、大荷重付加のためのタクトタイムの増加という問題も招く。

そこで、本実施形態では、拘束力の低下を防止できる電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の電池モジュールは、複数の角型の電池セルと、複数の樹脂枠と、が厚み方向に交互に積層された電池モジュールであって、前記樹脂枠は、平板状のベース部と、前記ベース部の表面から前記厚み方向に突出して隣接する電池セルの表面に当接する複数のリブと、を有し、前記リブは、前記厚み方向基端に近づくほど幅広になるような断面台形状であり、前記複数のリブのうち、冷却が必要な箇所または前記リブが変形しやすい箇所に位置する前記リブは、他の箇所に位置する前記リブよりも、前記ベース部と前記リブとが成すテーパー角度が大きい、ことを特徴とする。

本発明によれば、リブが、基端に近づくほど幅広になるような断面台形状であるため、リブに作用する力が、圧縮応力として作用しやすくなり、リブのクリープ変形が生じにくくなる。そして、リブのクリープ変形が生じにくくなることで、拘束力の低下が防止される。

本発明の実施形態である電池モジュールの概略斜視図である。 樹脂枠の正面図である。 図２の概略Ａ−Ａ断面図である。 クリープ応力と温度との関係を示すグラフである。 テーパー型と垂直立脚型との比較を示す図である。 従来の樹脂枠の概略断面図である。 従来の樹脂枠の概略断面図である。 従来の樹脂枠を用いた場合の拘束荷重の変化の一例を示すグラフである。

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モジュール１０の概略斜視図である。また、図２は、この電池モジュール１０で用いられる樹脂枠２０の正面図である。電池モジュール１０は、電池スタック１２と、当該電池スタック１２を挟持する一対のエンドプレート１４と、一対のエンドプレート１４を連結する拘束バンド１６と、を備えている。電池スタック１２は、複数の電池セル１８および複数の樹脂枠２０を交互に積層して成る。

電池セル１８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、正面視略長方形の角型形状を有している。電池セル１８の上端面からは、略円筒形の正極端子２２ｐおよび負極端子２２ｎが突出している。正極端子２２ｐおよび負極端子２２ｎは、幅方向に間隔をあけて配置されている。電池セル１８の上端面のうち幅方向中央、すなわち、正極端子２２ｐおよび負極端子２２ｎの間には、ガス放出弁（図示せず）が設けられている。ガス放出弁は、電池セル１８の異常反応時に、当該電池セル１８の内部で発生したガスを放出する弁である。ガス放出弁は、電池セル１８の内圧が一定未満の場合には、閉鎖しているが、内圧が一定以上になれば、開放され、ガスを外部に放出する。このガス放出弁の構成は、特に限定されない。したがって、例えば、電池セル１８のケースの一部分だけを、一定以上の圧力を受けたときに破断するように薄肉に形成しておき、当該一部分をガス放出弁として用いることができる。

複数の電池セル１８は、厚み方向に積層される。このとき、複数の電池セル１８は、正極端子２２ｐと負極端子２２ｎが積層方向に交互に並ぶように、その向きを交互に替えて配される。すなわち、ある電池セル１８を、向かって右側に正極端子２２ｐが位置するように配置した場合には、次の電池セル１８は、向かって右側に負極端子２２ｎが位置するように配置する。そして、積層方向に隣接する正極端子２２ｐと負極端子２２ｎをバスバ（図示せず）で順次、連結することで、複数の電池セル１８が、電気的に直列に接続される。

電池セル１８と電池セル１８との間には、樹脂枠２０が配される。換言すれば、電池スタック１２は、複数の電池セル１８と複数の樹脂枠２０とが、交互に積層して成る。樹脂枠２０は、絶縁性材料からなり、略平板状のベース部２４と、当該ベース部２４の周縁から厚み方向に張り出す枠部２６と、ベース部２４の上端に設けられたダクト片２８と、ベース部２４の一面から突出する複数のリブ３０と、を備えている（図２参照）。

枠部２６は、電池セル１８の周面に沿う形状をしており、電池セル１８の面方向への移動を規制する。リブ３０は、樹脂枠２０の高さ方向に真っ直ぐに延びており、幅方向に間隔を開けて複数、設けられている。図３は、図２の概略Ａ−Ａ断面図である。図３から明らかな通り、本実施形態におけるリブ３０は、その両側面が厚み方向に対して傾斜したテーパー面となっている。すなわち、リブ３０は、基端（根元側端部またはベース部２４側端部）に近づくほど幅広となるような断面略台形となっている。リブ３０を、かかる形状とする理由については、後述する。

電池セル１８と樹脂枠２０とを積層した際、リブ３０の先端面は、図３に示すように、隣接する電池セル１８の表面に接触する。そして、これにより、リブ３０の側面、電池セル１８の表面、樹脂枠２０のベース部２４で囲まれた通路が形成される。この通路は、電池セル１８を冷却するための冷却風が流れる冷却流路３２となる。電池モジュール１０の外部から供給された冷却風は、電池セル１８の下方側から、当該冷却流路３２に流れ込む。そして、電池セル１８を冷却しながら、冷却流路３２を流れて、最終的に、電池セル１８の上方側から電池モジュール１０の外部に放出される。図２における太線矢印は、冷却風の流れ方向を示している。

樹脂枠２０の上端、かつ、幅方向中央には、ダクト片２８が設けられている。ダクト片２８は、樹脂枠２０のベース部２４の上端から突出形成されており、電池セル１８の上端面に向かって開口した略Ｕ字形状となっている。このダクト片２８の上面は、電池セル１８のガス放出弁と対向している。また、ダクト片２８は、樹脂枠２０のベース部２４よりも厚み方向に張り出しており、隣接する他の樹脂枠２０のダクト片２８と密着する（図１参照）。複数のダクト片２８が互いに密着することで、電池スタック１２には、積層方向に延びるトンネルが形成される。このトンネルは、ガス放出弁から放出されたガスが流れる排煙ダクトとなる。

電池セル１８および樹脂枠２０からなる電池スタック１２は、一対のエンドプレート１４で挟持される。エンドプレート１４は、アルミ等の金属からなる板材である。この一対のエンドプレート１４は、拘束バンド１６により連結される。拘束バンド１６は、金属製の薄板である。この拘束バンド１６の両端近傍にエンドプレート１４を締結することで、二つのエンドプレート１４間の距離が固定される。このときの二つのエンドプレート１４間の距離は、電池スタック１２の設計上の長さとほぼ同じか僅かに小さい。そのため、拘束バンド１６に二つのエンドプレート１４を締結することで、電池スタック１２は、エンドプレート１４から圧縮力を受けることになる。この圧縮力を受けることにより、電池スタック１２を構成する複数の電池セル１８および樹脂枠２０の相互の動きが規制され、拘束される。なお、図１で示したエンドプレート１４および拘束バンド１６の形状は、一例であり、電池スタック１２を積層方向に圧縮・挟持できるのであれば、これらの構成は、適宜、変更されてもよい。

次に、本実施形態において、樹脂枠２０のリブ３０を、断面台形状とした理由について、従来技術を参照して説明する。図６、図７は、従来技術における樹脂枠２０の概略断面図である。図６，図７に示す通り、従来の樹脂枠２０においても、ベース部２４から複数のリブ３０が立脚している。ただし、従来のリブ３０は、その両サイド面がテーパー面ではなく、ベース部２４から略垂直に立脚する垂直面であった。以下では、こうしたベース部２４から垂直に立脚するリブ３０のタイプを「垂直立脚型」と呼び、本実施形態のように、両サイド面がテーパー面となっているリブ３０のタイプを「テーパー型」と呼ぶ。

図６、図７に示すような垂直立脚型のリブ３０の場合、リブ３０がクリープ変形しやすいという問題があった。すなわち、通常、樹脂枠２０の成形時に生じる公差や、組み付け誤差等に起因して、樹脂枠２０のリブ３０に対して電池セル１８が斜めに当たった状態で組付けられることがある。例えば、図６（ａ）では、樹脂枠２０の公差に起因して、一部のリブ３０ａのみが他のリブ３０よりも高くなっている。電池スタック１２を拘束する際には、電池セル１８がリブ３０に押し当てられるが、この押し当ての方向は、厚み方向（リブ３０の立脚方向）に対して僅かに傾くことが多い。押し当て方向が傾くと、他よりも高いリブ３０ａに、電池セル１８が斜めに当たることになり、当該リブ３０ａには、斜め方向の応力がかかることになる。この斜め方向の応力は、リブ３０ａに対して、曲げ応力として作用するため、当該リブ３０ａは、図６（ｂ）に示すように、倒れ込む方向に傾く。

その後、この状態で、電池セル１８内で異常反応が起こり、ガスが発生したとする。この場合、図７（ａ）に示すように、電池セル１８の表面が膨張し、リブ３０が、電池セル１８により押圧される。その結果、他より高く、僅かに傾いていたリブ３０ａには、更に、大きな曲げ応力が作用することになり、更に、傾く。また、その他のリブ３０も、膨張した電池セル１８に押圧される。この押圧の力は、厚み方向に対して傾いているため、各リブ３０に対しても曲げ応力が作用することになる。そして、この曲げ応力を受けて、各リブ３０も傾く。

電池セル１８の内圧が一定以上となり、ガス放出弁が開放されると、図７（ｂ）に示すように、電池セル１８の膨張が解消され、元の形状に戻る。このとき、リブ３０も、元の形状に戻れば問題ないが、リブ３０は、一定以上の曲げ応力を継続して受け続けることで、傾いた状態、すなわち、変形した状態のまま戻らないクリープ変形することがある。そして、図７（ｂ）に示すように、リブ３０が、傾いた姿勢に不可逆的に変形すると、樹脂枠２０と電池セル１８との間に隙間が生じ、電池セル１８の拘束力が損なわれ、電池セル１８が適切に保持できなくなる。

図８は、従来技術における電池スタック１２の拘束荷重の変化の一例を示す図である。時刻ｔ０において、電池スタック１２には、初期拘束荷重Ｗ０が付加される。この初期拘束荷重Ｗ０を受けて、樹脂枠２０のリブ３０の一部が変形するため、拘束荷重は、時間の経過とともに徐々に低下する。ただし、一定時間が経過した時刻ｔ１以降、拘束荷重は、ほぼ一定の値Ｗ１前後で安定する。

しかし、その後、時刻ｔ２において、電池の異常反応に伴い電池セル１８が膨張すると拘束荷重が急激に増加する。この拘束荷重の増加に伴い、樹脂枠２０のリブ３０のクリープが発生し、リブ３０が倒れ込む方向に不可逆的に変形する。この場合、時刻ｔ３において、電池セル１８の膨張が解消された後、拘束荷重が急激に低下する。

ここで、電池セルを適切に保持するためには、拘束荷重は、荷重下限値Ｗｍｉｎ以上であることが求められる。そのため、従来技術では、リブ３０のクリープ変形に伴う拘束荷重の低下が生じても、荷重下限値Ｗｍｉｎを確保できるように、初期拘束荷重Ｗ０を大きめに設定していた。すなわち、拘束バンド１６により規定される一対のエンドプレート１４間の距離を小さめに設定していた。しかし、初期拘束荷重Ｗ０を大きくするためには、拘束部材である拘束バンド１６やエンドプレート１４の強度を高くする必要があり、コストの増加や、製造の煩雑化等を招いていた。また、大荷重を付加する場合、タクトタイムの増加という問題もあった。

こうしたリブ３０のクリープ変形を防止し、ひいては、拘束部材の簡素化、タクトタイムの低減を図るために、本実施形態では、樹脂枠２０のリブ３０を、基端に近づくにつれて幅広となるテーパー型としている。テーパー型とすることで、電池セル１８による押し当ての力が、圧縮応力としてリブ３０に作用し、クリープ変形が効果的に防止される。これについて、図４、図５を参照して説明する。クリープ変形には、曲げ応力を受けて曲がったまま戻らなくなる曲げクリープと、圧縮応力を受けて発生する圧縮したまま戻らなくなる圧縮クリープと、がある。この二種類のクリープ変形を比較すると、曲げクリープ変形は、圧縮クリープ変形よりも、小さい応力で発生することが知られている。図４は、クリープ変形が発生するクリープ応力と温度との関係を示すグラフである。図４において、横軸は、温度、縦軸は、応力を示す。また、図４において、実線は、曲げクリープ応力を、破線は、圧縮クリープ応力を示している。図４から明らかな通りに、温度が同じであれば、圧縮クリープ応力の方が、曲げクリープ応力よりも高く、圧縮クリープ変形のほうが、曲げクリープ変形よりも生じにくいことが分かる。

そこで、本実施形態では、リブ３０を基端に近づくにつれて幅広となるテーパー型としている。かかる構成とすることで、リブ３０が電池セル１８から受ける押圧力が、圧縮応力として作用し、クリープ変形が発生しにくくなる。すなわち、図５（ｂ）に示すように、リブ３０の両サイド面がベース部２４から略垂直に立脚する「垂直立脚型」の場合、押圧力の向きが、厚み方向（リブ３０の立脚方向）に対して、僅かでも傾けば、押圧力の少なくとも一部は、リブ３０の幅方向外側に向かう曲げ応力として作用する。一方、図５（ａ）に示すように、リブ３０の両サイド面を傾斜させたテーパー型とした場合、押圧力の角度が、テーパー角度αを越えない限り、押圧力は、リブ３０を厚み方向に圧縮する圧縮応力として作用する。そして、圧縮クリープ応力は、曲げクリープ応力に比べて大きいため、電池セル１８から受ける押圧力が同じであっても、テーパー型にした方が、クリープ変形が生じにくい。

また、「垂直立脚型」とした場合、リブ３０とベース部２４とが成す角度（以下「テーパー角度α」という）は、リブ３０が僅かでも傾けば、即座に、鋭角となる。そして、テーパー角度αが鋭角となれば、当該鋭角の箇所に応力が集中し、リブ３０の倒れ（変形）がより生じやすくなる。一方、テーパー型とした場合、リブ３０とベース部２４とが成すテーパー角度αが鈍角となるため、根元への応力集中が生じにくくなり、リブ３０の倒れ込みがより効果的に防止できる。

つまり、本実施形態のように、リブ３０を、基端に近づくにつれ幅広となるテーパー型、断面略台形とすることで、リブ３０のクリープ変形を効果的に防止できる。そして、これにより、拘束力の低下を防止できるため、初期拘束荷重Ｗ０を低下でき、拘束部材の簡素化、タクトタイムの短縮等も可能となる。

ところで、「垂直立脚型」のリブ３０であっても、その幅を大きくして、リブ３０の強度（剛性）を増加すれば、クリープ変形を一応、防止できる。しかし、既述した通り、リブ３０とリブ３０との間の空間は、冷却風が流れる冷却流路３２となる。リブ３０の幅、ひいては、断面積を大きくすると、その分、冷却流路３２の断面積が小さくなり、電池セル１８の冷却効率が低下する。一方、本実施形態のように、リブ３０を、テーパー型とした場合、リブ３０の断面積、ひいては、冷却流路３２の断面積を同じにしても、クリープ変形を抑制できる。

また、リブ３０および冷却流路３２の断面積が同じであっても、テーパー型のほうが、垂直立脚型に比べて、冷却風と電池セル１８との接触面積を広くでき、冷却効率をより向上できる。すなわち、図５（ａ）と図５（ｂ）において、太線を施した箇所は、冷却風と、電池セル１８との接触面となる。「テーパー型」の場合、冷却流路３２の幅は、電池セル１８に近づくほど、幅広となるため、「テーパー型」と「垂直立脚型」とで冷却流路３２の断面積が同じであったとしても、「テーパー型」の方が、「垂直立脚型」よりも、冷却風と電池セル１８との接触面積を大きくでき、冷却効率をより向上できる。

なお、ここまで説明した構成は一例であり、電池セル１８間に配される樹脂枠２０が、テーパー型のリブ３０を有するのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。例えば、本実施形態では、ベース部２４の一面からのみリブ３０を突出させているが、リブ３０は、ベース部２４の両面に突出形成されてもよい。また、リブ３０の延びる方向は、高さ方向に限らず、幅方向でもよく、また、途中で屈曲してもよい。

また、リブ３０のテーパー角度αは、要求される冷却性能や、予想される付加応力の大きさ等に応じて、適宜、選択されればよい。例えば、リブ３０は、断面積が同じであれば、テーパー角度αが大きい程、クリープ変形しにくく、また、冷却効率が向上する。一方で、リブ３０は、テーパー角度αが大きい程、電池セル１８との接触面積が低下するため、電池セル１８が動きやすくなる。つまり、電池セル１８の動きを規制するためには、テーパー角度αが小さいほうが望ましく、リブ３０の変形防止および冷却効率向上のためには、テーパー角度αは、大きいほうが望ましい。

そのため、冷却が必要な箇所、あるいは、リブ３０が変形しやすい箇所については、リブ３０のテーパー角度αを大きくし、その他の箇所は、テーパー角度αを小さくして、電池セル１８とリブ３０との接触面積を確保するようにしてもよい。具体的には、電池セル１８は、中央ほど高温になりやすい。そこで、中央に配されたリブ３０のテーパー角度αを、端部に配されたリブ３０のテーパー角度αよりも大きくしてもよい。また、通常、リブ３０は、長手方向（本実施形態では高さ方向）端部において変形しやすく、長手方向中央においては、変形しにくい。そこで、各リブ３０は、長手方向端部におけるテーパー角度αを、長手方向中央におけるテーパー角度αよりも大きくしてもよい。

いずれにしても、リブ３０にテーパーを設けることで、リブ３０の断面積を増加させることなく、換言すれば、電池セル１８の冷却効率を下げることなく、リブ３０のクリープ変形を効果的に防止できる。結果として、拘束力の低下を防止できるため、初期拘束荷重Ｗ０を低減でき、拘束部材の簡素化や、タクトタイムの低減などが可能となる。

１０ 電池モジュール、１２ 電池スタック、１４ エンドプレート、１６ 拘束バンド、１８ 電池セル、２０ 樹脂枠、２２ｎ 負極端子、２２ｐ 正極端子、２４ ベース部、２６ 枠部、２８ ダクト片、３０ リブ、３２ 冷却流路。

Claims (1)

1. 複数の角型の電池セルと、複数の樹脂枠と、が厚み方向に交互に積層された電池モジュールであって、
   前記樹脂枠は、平板状のベース部と、前記ベース部の表面から前記厚み方向に突出して隣接する電池セルの表面に当接する複数のリブと、を有し、
   前記リブは、前記厚み方向基端に近づくほど幅広になるような断面台形状であり、
   前記複数のリブのうち、冷却が必要な箇所または前記リブが変形しやすい箇所に位置する前記リブは、他の箇所に位置する前記リブよりも、前記ベース部と前記リブとが成すテーパー角度が大きい、
   ことを特徴とする電池モジュール。

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