JP6693334B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電池モジュールに関する。

従来、リチウムイオン二次電池などの電池セルの配列体を備えた電池モジュールが知られている。かかる電池モジュールにおいて、配列体の両端に配置され、配列体に拘束荷重を付加する拘束部と、拘束部の配列体と反対側の面に立設され、配列体を筐体などの被固定部に固定する固定部と、を有するブラケットが用いられる場合がある。例えば特許文献１に記載のバッテリ固定装置では、バッテリ電槽において相対する一対の側面に補強用ブラケットがそれぞれ嵌め込まれている。補強用ブラケットは、連結ボルト及びナットにより互いに連結される側面押さえ部と、締結ボルトによりレール状の固定部材に固定される固定用片とを有し、バッテリ電槽を固定している。

特開平８−１６９２４２号公報

電池モジュールでは、電池セルの劣化に伴う電池セルの膨張を吸収するために、配列体の配列端とブラケットの拘束部との間に弾性部材が設けられる場合がある。配列体に当接して配置された拘束部では、配列体により強度が補われた状態となっている。このため、電池セルが膨張したときの荷重に対する抗力が高い。これに対して、弾性部材に当接して配置された拘束部では、弾性部材の強度が低いことから、電池セルが膨張したときの荷重に対する抗力が低い。したがって、電池セルの膨張量が大きくなると、拘束部同士を締結する締結部材を固定端として拘束部が変形するおそれがある。これにより、締結部材に応力集中が生じ、締結部材の耐久性が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、締結部材の耐久性の低下を抑制可能な電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る電池モジュールは、筐体に固定される電池モジュールであって、所定方向に沿って配列された複数の電池セルを有する配列体と、配列体の所定方向の一端に配置された弾性部材と、弾性部材を挟んで一端と対向して配置された第１ブラケットと、配列体の所定方向の他端に配置された第２ブラケットと、第１ブラケットと第２ブラケットとを締結する締結部材と、を備え、締結部材は、ボルトと、ナットと、を有し、ボルトは、第１ブラケット側に配置された頭部と、第２ブラケット側に配置されたネジ部と、頭部及びネジ部を接続する軸部と、を含み、ナットは、ネジ部に締結され、第１ブラケット及び第２ブラケットのそれぞれは、ボルトが挿通される挿通孔が設けられた拘束部と、拘束部から所定方向に沿って配列体と反対側に延び、配列体を筐体に固定するための固定部と、拘束部に立設され、拘束部と固定部とを繋ぐリブと、を有し、リブは固定部に結合される端部を含み、第２ブラケットの端部の所定方向に沿う長さは、第１ブラケットの端部の所定方向に沿う長さよりも長い。

この電池モジュールでは、電池セルの膨張を吸収するために、配列体の所定方向の一端に弾性部材が配置され、第１ブラケットは、弾性部材を挟んで当該一端と対向するように配置されている。第１ブラケットの拘束部では、弾性部材の強度が低いことから、電池セルが膨張したときの荷重に対する抗力が低い。一方、第２ブラケットは、弾性部材を挟まずに配列体の所定方向の他端に配置されている。このため、第２ブラケットの拘束部では、配列体により強度が補われた状態となるので、電池セルが膨張したときの荷重に対する抗力が高い。

また、第２ブラケットのリブの端部の所定方向に沿う長さは、第１ブラケットのリブの端部の所定方向に沿う長さよりも長い。締結部材を固定端として所定方向に曲がるような拘束部の変形は、リブの端部の所定方向に沿う長さが長いほど抑制される。これらのことから、第２ブラケットでは、第１ブラケットよりも拘束部の変形が抑制される。

ここで、拘束部に挿通されるボルトのネジ部は、第２ブラケット側に配置されている。ネジ部はネジ溝のない軸部に比べて強度が低いものの、第２ブラケットでは、上述のように拘束部の変形が抑制されるので、ネジ部に応力集中が生じ難く、ネジ部の強度の低さが補われる。この結果、締結部材の耐久性の低下を抑制可能となる。

本発明の一形態に係る電池モジュールでは、第２ブラケットのリブの所定方向に沿う長さは、端部から所定範囲にわたって一定であってもよい。この場合、第２ブラケットの拘束部では、リブの所定方向への曲げ剛性が高まるので、電池セルの膨張による荷重に対する抗力が更に高まる。これにより、第２ブラケットの拘束部の変形が更に抑制される。

本発明によれば、締結部材の耐久性の低下を抑制可能な電池モジュールを提供することができる。

実施形態に係る電池モジュールの斜視図である。 図１に示される電池モジュールを筐体の反対側から見た平面図である。 図１に示される電池モジュールを下方から見た平面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一または同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。

図１は、実施形態に係る電池モジュールの斜視図である。図２は、図１に示される電池モジュールを筐体の反対側から見た平面図である。図３は、図１に示される電池モジュールを下方から見た平面図である。図１〜図３に示される電池モジュール１は、例えば電気自動車及びフォークリフトなどの車両のバッテリとして使用される装置である。電池モジュール１は、電池モジュール１を収容する筐体（不図示）に固定される。電池モジュール１は、配列体２と、弾性部材３と、ブラケット４と、ブラケット５と、締結部材６と、カバー７と、制御装置８と、を備えている。以下の説明では、電池モジュール１において、制御装置８の設けられる方向を上方、その反対方向を下方とする。

配列体２は、複数の電池セル２１と、複数のセルホルダ２２と、ミドルプレート２３とを有している。ここでは、複数の電池セル２１は、Ｘ方向（所定方向）に沿って配列されている。配列体２は、Ｘ方向に沿って電池セル２１と交互に配置された伝熱プレートを更に有していてもよい。ここでは、配列体２は、７つの電池セル２１を有し、電池セル２１ごとにセルホルダ２２が設けられている。

電池セル２１は、リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池といった蓄電池、または電気二重層キャパシタなどである。電池セル２１は、例えば直方体形状を呈する中空のケースと、ケース内に電解液と共に収容された電極組立体と、ケースに取り付けられた一対の電極端子と、を有している。

一対の電極端子は互いにＹ方向に離間してケースの上面に取り付けられている。電極端子の一方は、電極組立体の正極と接続された正極端子であり、電極端子の他方は、電極組立体の負極と接続された負極端子である。複数の電池セル２１は、隣り合う電池セル２１において、正極端子と負極端子とが互いにＸ方向に沿って隣り合うように配列されている。複数の電池セル２１は、隣り合う正極端子と負極端子とがバスバー部材で接続されることにより、互いに電気的に直列に接続されている。

セルホルダ２２は、電池セル２１を保持する部材である。具体的には、セルホルダ２２は、電池セル２１のケースの下面に宛がわれる下壁部と、ケースのＹ方向に沿って互いに反対側を向く一対の側面に宛がわれる一対の側壁部と、を有している。一対の側壁部は、ケースの上面よりも上方に突出し、カバー７及び制御装置８が配置される空間を画成している。セルホルダ２２は、例えば、樹脂製の成形部材により構成されている。

ミドルプレート２３は、電池セル２１の位置ずれを抑制するための部材であって、例えば矩形平板状を呈する樹脂製部材である。ミドルプレート２３には、後述するボルト６１が挿通される挿通孔２３ａが設けられている。挿通孔２３ａは、Ｘ方向から見て、後述の挿通孔４１ａ及び挿通孔５１ａと互いに重なるように設けられている。ここでは、ミドルプレート２３の上縁部に２箇所、下縁部に２箇所の計４箇所に挿通孔２３ａが設けられている。挿通孔２３ａは、丸孔である。

電池モジュール１に振動又は衝撃が加わることにより、弾性部材３がＸ方向に直交する方向に弾性変形しようとする場合がある。このとき、電池セル２１が弾性部材３と直接接触していると、電池セル２１が弾性部材３の弾性変形に追従して位置ずれを起こすおそれがある。ボルト６１が挿通孔２３ａに挿通されることで、Ｘ方向に直交する方向へのミドルプレート２３の移動が規制される。したがって、ミドルプレート２３を設けることにより、電池セル２１の位置ずれが抑制される。なお、電池モジュール１では、ミドルプレート２３が設けられなくてもよい。

弾性部材３は、例えばウレタン製のゴムスポンジによって形成された矩形平板状の部材である。弾性部材３は、配列体２のＸ方向の一端２ａに配置されている。即ち、弾性部材３は、ミドルプレート２３に当接して配置されている。弾性部材３の他の形成材料としては、例えばエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、クロロプレンゴム、シリコンゴムなどが挙げられる。弾性部材３は、ゴムに限られず、バネ材などであってもよい。弾性部材３は、電池セル２１の劣化に伴う電池セル２１の膨張が生じた場合に、電池セル２１のＸ方向の膨張を吸収する。

ブラケット４とブラケット５とは、金属などの剛性の高い材料で構成されている。ブラケット４は、弾性部材３を挟んで配列体２の一端２ａと対向して配置されている。ブラケット５は、配列体２のＸ方向の他端２ｂに配置されている。ブラケット４とブラケット５とは、配列体２及び弾性部材３を挟んで、Ｘ方向において互いに対向している。

ブラケット４は、拘束部４１と、固定部４２と、リブ４３と、を有している。拘束部４１は、配列体２に対してＸ方向に沿う拘束荷重を付加するための部材である。拘束部４１は、例えば矩形平板状を呈している。拘束部４１には、後述するボルト６１が挿通される挿通孔４１ａが設けられている。ここでは、拘束部４１の上縁部に２箇所、下縁部に２箇所の計４箇所に挿通孔４１ａが設けられている。挿通孔４１ａは、丸孔である。

固定部４２は、配列体２を筐体に固定するための部材である。固定部４２は、例えば、矩形平板状を呈している。固定部４２は、拘束部４１の筐体側の端部４１ｂから、Ｘ方向に沿って配列体２と反対側に延びている。拘束部４１と固定部４２とは、Ｚ方向から見てＬ字状を呈し、端部４１ｂは、拘束部４１と固定部４２との接続部を構成している。固定部４２には、筐体との固定に用いられるボルト（不図示）が挿通される挿通孔４２ａが設けられている。ここでは、４つの挿通孔４２ａがＺ方向に沿って等間隔に設けられている。挿通孔４２ａは、丸孔である。

リブ４３は、拘束部４１を補強するための部材である。リブ４３は、例えば、拘束部４１が端部４１ｂを支点として固定部４２側に倒れ込むように変形するのを抑制する。また、リブ４３は、例えば、電池セル２１が膨張したときの荷重に対する拘束部４１の抗力を高めることにより、Ｘ方向に曲がるような拘束部４１の変形を抑制する。リブ４３は、Ｙ方向に沿って延びる板状部材であり、拘束部４１の配列体２と反対側の面に立設されている。リブ４３は、拘束部４１と固定部４２とを繋いでいる。リブ４３は、拘束部４１に結合された端部４３ａと、固定部４２に結合された端部４３ｂと、を含んでいる。端部４３ｂは、具体的には、固定部４２における隣り合う挿通孔４２ａの間に結合されている。即ち、ここでは、３つのリブ４３がＺ方向に沿って等間隔に設けられている。リブ４３は、端部４３ａと端部４３ｂとにより構成される略直角の角部を含んでいる。なお、挿通孔４２ａが設けられる間隔は、必ずしも等間隔でなくてもよい。また、リブ４３が設けられる間隔は、必ずしも等間隔でなくてもよい。

締結部材６を固定端としてＸ方向に曲がるような拘束部４１の変形は、端部４３ｂのＸ方向に沿う長さＬ１が長いほど抑制される。ここでは、長さＬ１は、リブ４３のＸ方向に沿う長さの最大値であり、固定部４２のＸ方向に沿う長さと等しい。また、リブ４３のＸ方向に沿う長さは、端部４３ｂからＹ方向の所定範囲にわたって一定（即ち、長さＬ１）である。所定範囲とは、例えば、リブ４３のＹ方向の全長の約１／４の長さである。

ブラケット５は、拘束部５１と、固定部５２と、リブ５３と、を有している。拘束部５１は、配列体２に対してＸ方向に沿う拘束荷重を付加するための部材である。拘束部５１は、例えば矩形平板状を呈している。拘束部５１には、後述するボルト６１が挿通される挿通孔５１ａが設けられている。ここでは、拘束部５１の上縁部に２箇所、下縁部に２箇所の計４箇所に挿通孔５１ａが設けられている。挿通孔５１ａは、丸孔である。拘束部５１は、例えば、拘束部４１と同形状でもよい。

固定部５２は、配列体２を筐体に固定するための部材である。固定部５２は、例えば、矩形平板状を呈している。固定部５２は、拘束部５１の筐体側の端部５１ｂから、Ｘ方向に沿って配列体２と反対側に延びている。拘束部５１と固定部５２とは、Ｚ方向から見てＬ字状を呈し、端部５１ｂは、拘束部５１と固定部５２との接続部を構成している。固定部５２には、筐体との固定に用いられるボルト（不図示）が挿通される挿通孔５２ａが設けられている。ここでは、４つの挿通孔５２ａがＺ方向に沿って等間隔に設けられている。

固定部５２のＸ方向に沿う長さは、固定部４２のＸ方向に沿う長さよりも長い。挿通孔５２ａは、Ｘ方向に延びる長孔である。挿通孔５２ａが長孔であることにより、電池モジュール１を筐体に固定する際、挿通孔４２ａの位置を基準として、挿通孔５２ａのＸ方向に沿う長さの範囲で、ボルトを挿通する位置を調整できる。これにより、電池モジュール１の寸法公差を吸収しながら、電池モジュール１を筐体に固定することができる。

リブ５３は、拘束部５１を補強するための部材である。リブ５３は、例えば、拘束部５１が端部５１ｂを支点として固定部５２側に倒れ込むように変形するのを抑制する。また、リブ５３は、例えば、電池セル２１が膨張したときの荷重に対する拘束部５１の抗力を高めることにより、Ｘ方向に曲がるような拘束部５１の変形を抑制する。リブ５３は、Ｙ方向に沿って延びる板状部材であり、拘束部５１の配列体２と反対側の面に立設されている。リブ５３は、拘束部５１と固定部５２とを繋いでいる。リブ５３は、拘束部５１に結合された端部５３ａと、固定部５２に結合された端部５３ｂと、を含んでいる。端部５３ｂは、具体的には、固定部５２における隣り合う挿通孔５２ａの間に結合されている。即ち、ここでは、３つのリブ５３がＺ方向に沿って等間隔に設けられている。リブ５３は、端部５３ａと端部５３ｂとにより構成される略直角の角部を含んでいる。なお、挿通孔５２ａが設けられる間隔は、必ずしも等間隔でなくてもよい。また、リブ５３が設けられる間隔は、必ずしも等間隔でなくてもよい。

締結部材６を固定端としてＸ方向に曲がるような拘束部５１の変形は、端部５３ｂのＸ方向に沿う長さＬ２が長いほど抑制される。長さＬ２は、長さＬ１よりも長い。ここでは、長さＬ２は、リブ５３のＸ方向に沿う長さの最大値であり、固定部５２のＸ方向に沿う長さと等しい。また、リブ５３のＸ方向に沿う長さは、端部５３ｂからＹ方向の所定範囲にわたって一定（即ち、長さＬ２）である。所定範囲とは、例えば、リブ５３のＹ方向の全長の約１／４の長さである。

締結部材６は、ブラケット４とブラケット５とを締結するための部材である。締結部材６は、ボルト６１と、ナット６２と、を有している。ボルト６１は、ブラケット４の挿通孔４１ａからブラケット５の挿通孔５１ａに向かって挿通され、Ｘ方向に沿って延びている。ボルト６１は、頭部６１ａと、ネジ部６１ｂと、軸部６１ｃと、を含んでいる。頭部６１ａは、ブラケット４側に配置されている。頭部６１ａは、拘束部４１の配列体２と反対側において、挿通孔４１ａを塞ぐように配置されている。ネジ部６１ｂは、ブラケット５側に配置されている。ネジ部６１ｂの少なくとも一部は、挿通孔５１ａから配列体２と反対側に突出している。ネジ部６１ｂには、ネジ溝が設けられている。軸部６１ｃは、頭部６１ａ及びネジ部６１ｂを接続している。

ナット６２は、ブラケット５側に配置され、ネジ部６１ｂに締結されている。ナット６２は、具体的には、拘束部５１の配列体２と反対側に配置され、ネジ部６１ｂの挿通孔５１ａから突出した部分に締結されている。これにより、配列体２を構成する複数の電池セル２１が挟持されてユニット化されると共に、配列体２に対してＸ方向に沿う拘束荷重が付加される。

カバー７は、セルホルダ２２によって電池セル２１の上方に画成された空間に配置されている。カバー７は、例えば樹脂製の絶縁部材であって、電池セル２１の上方の略全体を覆っている。カバー７は、複数の電池モジュール１が積層される場合に、隣り合う電池モジュール間を電気的に絶縁する機能と、異常時に電池セル２１から放出されるガスの噴出を防止する機能とを有している。

制御装置８は、電池モジュール１に関する各種制御を行う装置である。制御装置８は、カバー７上に載置されている。制御装置８には、外部の機器との通信に用いられるケーブル（不図示）が接続されている。

以上のように構成された電池モジュール１では、電池セル２１の膨張を吸収するために、配列体２の一端２ａに弾性部材３が配置され、ブラケット４は、弾性部材３を挟んで一端２ａと対向するように配置されている。電池モジュール１では、４つの締結部材６が用いられている。電池セル２１の膨張量が大きくなると、各締結部材６を固定端としてＸ方向に拘束部４１，５１を曲げるような曲げ応力が拘束部４１，５１に作用する。その結果、拘束部４１，５１における締結部材６で囲まれる部分が、Ｘ方向において配列体２とは反対方向に膨出するように拘束部４１，５１が変形しようとする。

拘束部４１では、拘束部４１に当接して配置される弾性部材３の強度が低いことから、電池セル２１が膨張したときの荷重に対する抗力が低い。一方、ブラケット５は、弾性部材３を挟まずに配列体２の他端２ｂに配置されている。このため、拘束部５１では、拘束部５１に当接して配置される配列体２により強度が補われた状態となるので、電池セル２１が膨張したときの荷重に対する抗力が高い。また、長さＬ２は長さＬ１よりも長い。これらのことから、拘束部５１では、締結部材６を固定端としてＸ方向に曲がるような変形が拘束部４１よりも抑制される。

電池モジュール１では、ボルト６１のネジ部６１ｂは、ブラケット５側に配置されている。ネジ部６１ｂはネジ溝のない軸部６１ｃに比べて強度が低い。しかしながら、上述のように、ブラケット５の拘束部５１では、ブラケット４の拘束部４１よりも変形が抑制されるので、ネジ部６１ｂに応力集中が生じ難く、ネジ部６１ｂの強度の低さが補われる。これにより、締結部材６、具体的にはボルト６１の耐久性の低下を抑制可能となる。

また、電池モジュール１では、リブ５３のＸ方向に沿う長さは、端部５３ｂから所定範囲にわたって一定である。これにより、拘束部５１では、リブ５３のＸ方向への曲げ剛性が高まるので、電池セル２１の膨張による荷重に対する抗力が更に高まる。これにより、拘束部５１の変形が更に抑制される。

また、電池モジュール１では、ブラケット５の固定部５２のＸ方向に沿う長さは、ブラケット４の固定部４２のＸ方向に沿う長さよりも長い。このため、拘束部５１と固定部５２とにより画定される空間は、拘束部４１と固定部４２とにより画定される空間よりも大きく、例えば、ケーブルを把持する把持部材を配置するための空間として有効利用することができる。把持部材は、例えば結束バンドなどである。

また、ネジ部６１ｂは、拘束部５１から拘束部５１と固定部５２とにより画定される空間に突出するように配置されている。上述のように、拘束部５１と固定部５２とにより画定される空間は、拘束部４１と固定部４２とにより画定される空間よりも大きい。このため、ネジ部６１ｂが拘束部４１から拘束部４１と固定部４２とにより画成される空間に突出するように配置されている場合に比べて、空間が有効利用される。これにより、電池モジュール１のＸ方向の全長を押さえることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、または他のものに適用してもよい。

例えば、配列体２における電池セル２１の配列数、リブ４３及びリブ５３の形状などについては、電池モジュール１の仕様に応じて設計変更が適宜可能である。例えば、電池セル２１のＸ方向の膨張量を２ｍｍとし、電池セル２１の配列数を１３とすると、配列体２のＸ方向の膨張量は最大で２６ｍｍ（２ｍｍ×１３）となる。リブ４３及びリブ５３は、このように膨張量が最大となるときの弾性部材３の反力に耐え得るような設計とすることができる。

挿通孔４２ａは丸孔に限定されず、長孔であってもよい。また、挿通孔５２ａは長孔に限定されず、丸孔であってもよい。また、リブ５３の長さＬ２がリブ４３の長さＬ１よりも長ければよく、固定部５２のＸ方向に沿う長さが、固定部４２のＸ方向に沿う長さよりも短くてもよい。

１…電池モジュール、２…配列体、２ａ…一端、２ｂ…他端、２１…電池セル、３…弾性部材、４…ブラケット、４１…拘束部、４２…固定部、４３…リブ、４３ｂ…端部、５…ブラケット、５１…拘束部、５２…固定部、５３…リブ、５３ｂ…端部、６…締結部材、６１…ボルト、６１ａ…頭部、６１ｂ…ネジ部、６１ｃ…軸部、６２…ナット。

Claims (2)

1. 筐体に固定される電池モジュールであって、
   所定方向に沿って配列された複数の電池セルを有する配列体と、
   前記配列体の前記所定方向の一端に配置された弾性部材と、
   前記弾性部材を挟んで前記一端と対向して配置された第１ブラケットと、
   前記配列体の前記所定方向の他端に配置された第２ブラケットと、
   前記第１ブラケットと前記第２ブラケットとを締結する締結部材と、を備え、
   前記締結部材は、ボルトと、ナットと、を有し、
   前記ボルトは、前記第１ブラケット側に配置された頭部と、前記第２ブラケット側に配置されたネジ部と、前記頭部及び前記ネジ部を接続する軸部と、を含み、
   前記ナットは、前記ネジ部に締結され、
   前記第１ブラケット及び前記第２ブラケットのそれぞれは、
   前記ボルトが挿通される挿通孔が設けられた拘束部と、
   前記拘束部から前記所定方向に沿って前記配列体と反対側に延び、前記配列体を前記筐体に固定するための固定部と、
   前記拘束部に立設され、前記拘束部と前記固定部とを繋ぐリブと、を有し、
   前記リブは前記固定部に結合される端部を含み、
   前記第２ブラケットの前記端部の前記所定方向に沿う長さは、前記第１ブラケットの前記端部の前記所定方向に沿う長さよりも長い、電池モジュール。
2. 前記第２ブラケットの前記リブの前記所定方向に沿う長さは、前記端部から所定範囲にわたって一定である、請求項１に記載の電池モジュール。

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