JP6855770B2 - Battery module - Google Patents
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Description
本発明は、電池モジュールに関する。 The present invention relates to a battery module.
従来、一方向に配列された複数の電池セルを備える電池モジュールが知られている。このような電池モジュールでは、電池セルの配列体を金属プレート等の拘束具で挟み込んで一定の荷重で拘束することで、電池セルにおいて内部抵抗等の特性が変動することを抑制している。例えば、特許文献1には、電池セルの圧縮量と電池セルが受ける荷重量との関係に基づいて、配列体に付加される最低荷重量を算出し、電池セル内の電極組立体に含まれる電極間のクリアランス及び電極組立体とケースの内面とのクリアランスが存在しなくなるように配列体に拘束荷重を付加することが記載されている。 Conventionally, a battery module including a plurality of battery cells arranged in one direction is known. In such a battery module, an array of battery cells is sandwiched between restraints such as a metal plate and restrained by a constant load, thereby suppressing fluctuations in characteristics such as internal resistance in the battery cells. For example, in Patent Document 1, the minimum load amount applied to the array is calculated based on the relationship between the compression amount of the battery cell and the load amount received by the battery cell, and is included in the electrode assembly in the battery cell. It is described that a constraining load is applied to the array so that there is no clearance between the electrodes and no clearance between the electrode assembly and the inner surface of the case.
しかしながら、電池モジュールの使用環境及び使用時間等の使用状況によって、電池モジュールの構成部品が変形することがある。例えば、電池セルの線膨張係数と拘束部材の線膨張係数とは異なるので、電池モジュールの温度によって電池セル及び拘束部材が変形し得る。このような構成部品の変形によって、配列体に付加される拘束荷重が減少する場合がある。特許文献1に記載の電池モジュールでは、使用状況による拘束荷重の減少量が考慮されていない。このため、拘束荷重が不足することによって、電池セルの内部抵抗が増大し、電池性能が十分に発揮されなくなるおそれがある。 However, the components of the battery module may be deformed depending on the usage environment such as the usage environment and the usage time of the battery module. For example, since the coefficient of linear expansion of the battery cell and the coefficient of linear expansion of the restraint member are different, the battery cell and the restraint member can be deformed depending on the temperature of the battery module. Such deformation of the components may reduce the constraining load applied to the array. In the battery module described in Patent Document 1, the amount of decrease in the restraint load due to the usage situation is not taken into consideration. Therefore, when the restraint load is insufficient, the internal resistance of the battery cell increases, and the battery performance may not be sufficiently exhibited.
本発明は、使用状況によらずに電池性能を良好に発揮させることが可能な電池モジュールを提供する。 The present invention provides a battery module capable of satisfactorily exhibiting battery performance regardless of usage conditions.
本発明の一側面に係る電池モジュールは、第1方向に配列された複数の電池セルを含む配列体と、配列体に対して第1方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、を備える電池モジュールである。複数の電池セルのそれぞれは、第1方向に積層された複数の電極を有する電極組立体と、電極組立体を収容するケースと、を備える。拘束部材によって配列体に付加される拘束荷重の下限値である最低荷重量は、電池セルの圧縮量と電池セルが受ける荷重量との関係に基づいて算出される電池セル必要荷重量に、第1方向における配列体の長さの減少量に基づいて算出される追加荷重量を加えた荷重量以上に設定される。電池セル必要荷重量は、配列体に拘束部材を組み付ける際に、電池セルの電極間及び電極組立体とケースとの間のクリアランスが存在しなくなる圧縮量を得るために必要な荷重量である。減少量は、予め定められた使用条件で電池モジュールが使用された場合における、配列体に拘束部材を組み付けたときの長さからの最大の減少量である。 The battery module according to one aspect of the present invention is a battery module including an array including a plurality of battery cells arranged in a first direction and a constraint member that applies a constraint load to the array in the first direction. Is. Each of the plurality of battery cells includes an electrode assembly having a plurality of electrodes stacked in the first direction, and a case for accommodating the electrode assembly. The minimum load amount, which is the lower limit of the restraint load applied to the array by the restraint member, is the battery cell required load amount calculated based on the relationship between the compression amount of the battery cell and the load amount received by the battery cell. It is set to be equal to or greater than the load amount including the additional load amount calculated based on the decrease amount of the length of the array in one direction. The battery cell required load amount is a load amount required to obtain a compression amount at which there is no clearance between the electrodes of the battery cell and between the electrode assembly and the case when assembling the restraint member to the array. The amount of reduction is the maximum amount of reduction from the length when the restraint member is assembled to the array when the battery module is used under predetermined usage conditions.
この電池モジュールでは、電池セル必要荷重量に追加荷重量を加えた荷重量以上となるように、拘束部材によって配列体に付加される最低荷重量が設定されている。電池セル必要荷重量は、配列体に拘束部材を組み付ける際に、電池セルの電極間及び電極組立体とケースとの間のクリアランスが存在しなくなる圧縮量を得るために必要な荷重量である。追加荷重量は、予め定められた使用条件で電池モジュールが使用された場合における、配列体に拘束部材を組み付けたときの第1方向における配列体の長さからの最大の減少量に基づいて算出される。つまり、配列体に拘束部材を組み付けた後に、第1方向における配列体の長さが減少すると、拘束荷重が減少するので、電池モジュールの使用条件において電池モジュールが使用された場合の拘束荷重の最大の減少量に相当する荷重量が追加荷重量として付加されている。したがって、予め定められた使用条件で電池モジュールが使用された場合において、電池モジュールの使用状況によらずに、電池セルの複数の電極同士が互いに密着すると共に、電極組立体とケースとが互いに密着する状態が確保されるので、電池性能を良好に発揮させることができる。 In this battery module, the minimum load amount applied to the array by the restraint member is set so as to be equal to or more than the load amount obtained by adding the additional load amount to the required load amount of the battery cell. The battery cell required load amount is a load amount required to obtain a compression amount at which there is no clearance between the electrodes of the battery cell and between the electrode assembly and the case when assembling the restraint member to the array. The additional load is calculated based on the maximum reduction from the length of the array in the first direction when the restraint member is assembled to the array when the battery module is used under predetermined usage conditions. Will be done. That is, if the length of the array in the first direction decreases after the restraint member is assembled to the array, the restraint load decreases, so that the maximum restraint load when the battery module is used under the conditions of use of the battery module. A load amount corresponding to the decrease amount of is added as an additional load amount. Therefore, when the battery module is used under predetermined usage conditions, the plurality of electrodes of the battery cell are in close contact with each other and the electrode assembly and the case are in close contact with each other regardless of the usage status of the battery module. Since the state of the battery is ensured, the battery performance can be satisfactorily exhibited.
拘束部材は、配列体の第1方向における両端に設けられる一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートを連結する連結部材と、を備えてもよい。配列体の線膨張係数である第1線膨張係数は、連結部材の線膨張係数である第2線膨張係数よりも大きく、減少量は、第1線膨張係数と第2線膨張係数との差に基づいて算出されてもよい。この場合、配列体の第1線膨張係数は、連結部材の第2線膨張係数よりも大きいので、電池モジュールの温度が低下すると、第1方向において、一対のエンドプレート間の距離の減少量よりも配列体の長さの減少量が上回る。これにより、拘束部材によって配列体に付加される拘束荷重が減少する。上記電池モジュールでは、第1線膨張係数と第2線膨張係数との差に基づいて算出された配列体の長さの減少量に基づいて、追加荷重量が算出され、拘束部材による配列体への最低荷重量が設定される。これにより、電池モジュールの温度によらず、電池セルの複数の電極同士が互いに密着すると共に、電極組立体とケースとが互いに密着する状態が確保されるので、電池性能を良好に発揮させることができる。 The restraint member may include a pair of end plates provided at both ends of the array in the first direction, and a connecting member that connects the pair of end plates. The first linear expansion coefficient, which is the linear expansion coefficient of the array, is larger than the second linear expansion coefficient, which is the linear expansion coefficient of the connecting member, and the amount of decrease is the difference between the first linear expansion coefficient and the second linear expansion coefficient. It may be calculated based on. In this case, since the first linear expansion coefficient of the array is larger than the second linear expansion coefficient of the connecting member, when the temperature of the battery module decreases, the decrease in the distance between the pair of end plates in the first direction Also, the amount of decrease in the length of the array exceeds. As a result, the restraint load applied to the array by the restraint member is reduced. In the above battery module, an additional load amount is calculated based on the amount of decrease in the length of the array calculated based on the difference between the coefficient of linear expansion of the first line and the coefficient of expansion of the second line, and the array is formed by the restraining member. The minimum load amount of is set. As a result, regardless of the temperature of the battery module, the plurality of electrodes of the battery cell are in close contact with each other, and the electrode assembly and the case are in close contact with each other. it can.
減少量は、電池セルの充電率に基づいて算出されてもよい。電池セルの充電率が高くなるにつれ、電池セルは膨張し、電池セルの充電率が低下するにつれ、電池セルは収縮する。このため、電池セルの充電率が低下するにつれ、電池セルの第1方向における長さが減少するので、配列体の第1方向における長さも減少する。上記電池モジュールでは、電池セルの充電率に基づいて算出された配列体の長さの減少量に基づいて、追加荷重量が算出され、拘束部材による配列体への最低荷重量が設定される。これにより、電池セルの充電率によらず、電池セルの複数の電極同士が互いに密着すると共に、電極組立体とケースとが互いに密着する状態が確保されるので、電池性能を良好に発揮させることができる。 The amount of reduction may be calculated based on the charge rate of the battery cell. As the charge rate of the battery cell increases, the battery cell expands, and as the charge rate of the battery cell decreases, the battery cell contracts. Therefore, as the charge rate of the battery cell decreases, the length of the battery cell in the first direction decreases, so that the length of the array in the first direction also decreases. In the battery module, an additional load amount is calculated based on the amount of decrease in the length of the array calculated based on the charge rate of the battery cell, and the minimum load amount on the array by the restraint member is set. As a result, regardless of the charge rate of the battery cell, the plurality of electrodes of the battery cell are in close contact with each other, and the electrode assembly and the case are in close contact with each other, so that the battery performance can be exhibited satisfactorily. Can be done.
配列体は、複数の電池セルとともに第1方向に配列された弾性部材を更に含んでもよい。減少量は、弾性部材のクリープ特性に基づいて算出されてもよい。この場合、弾性部材には、拘束部材によって拘束荷重が付加されているので、時間の経過とともに弾性部材は変形する。つまり、時間の経過とともに、弾性部材の第1方向における長さが減少するので、配列体の第1方向における長さも減少する。上記電池モジュールでは、弾性部材のクリープ特性に基づいて算出された配列体の長さの減少量に基づいて、追加荷重量が算出され、拘束部材による配列体への最低荷重量が設定される。これにより、電池モジュールの使用期間によらず、電池セルの複数の電極同士が互いに密着すると共に、電極組立体とケースとが互いに密着する状態が確保されるので、電池性能を良好に発揮させることができる。 The array may further include elastic members arranged in the first direction along with the plurality of battery cells. The amount of reduction may be calculated based on the creep characteristics of the elastic member. In this case, since the restraining load is applied to the elastic member by the restraining member, the elastic member is deformed with the passage of time. That is, with the passage of time, the length of the elastic member in the first direction decreases, so that the length of the array in the first direction also decreases. In the battery module, an additional load amount is calculated based on the amount of decrease in the length of the array calculated based on the creep characteristics of the elastic member, and the minimum load amount on the array by the restraint member is set. As a result, regardless of the usage period of the battery module, the plurality of electrodes of the battery cell are in close contact with each other, and the electrode assembly and the case are in close contact with each other, so that the battery performance can be exhibited satisfactorily. Can be done.
本発明によれば、使用状況によらずに電池性能を良好に発揮させることができる。 According to the present invention, the battery performance can be satisfactorily exhibited regardless of the usage conditions.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same reference numerals are used for the same or equivalent elements, and duplicate description is omitted.
図1は、一実施形態に係る電池モジュールを示す図である。図1に示されるように、電池モジュール1は、配列体2と、拘束部材3と、を備えている。電池モジュール1は、予め定められた使用条件において使用される。使用条件としては、動作最低温度、動作最高温度、使用保証期間、電池セルの最低充電率、及び電池セルの最高充電率等が定められている。動作最低温度とは、電池モジュール1が正常に動作可能な電池モジュール1の最低温度であり、動作最高温度とは、電池モジュール1が正常に動作可能な電池モジュール1の最高温度である。使用保証期間とは、電池モジュール1が正常に動作可能な期間であり、電池モジュール1の製造時からの経過時間である。最低充電率とは、電池セルが取り得る最も小さい充電率(SOC:State Of Charge)であり、最高充電率とは、電池セルが取り得る最も大きいSOCである。 FIG. 1 is a diagram showing a battery module according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the battery module 1 includes an array 2 and a restraint member 3. The battery module 1 is used under predetermined usage conditions. As the usage conditions, the minimum operating temperature, the maximum operating temperature, the guaranteed usage period, the minimum charge rate of the battery cell, the maximum charge rate of the battery cell, and the like are defined. The minimum operating temperature is the minimum temperature of the battery module 1 in which the battery module 1 can normally operate, and the maximum operating temperature is the maximum temperature of the battery module 1 in which the battery module 1 can normally operate. The usage guarantee period is a period during which the battery module 1 can operate normally, and is an elapsed time from the time when the battery module 1 is manufactured. The minimum charge rate is the smallest charge rate (SOC: State Of Charge) that the battery cell can take, and the maximum charge rate is the highest SOC that the battery cell can take.
配列体2は、複数の電池セル11と、弾性部材20と、を含む。複数の電池セル11は、配列方向D(第1方向)に配列されている。電池セル11は、例えばリチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。本実施形態では、7つの電池セル11と弾性部材20とを配列方向Dに配列することによって配列体2が構成されている。また、配列体2において、電池セル11に隣接して伝熱プレートが配列されていてもよい。電池セル11の線膨張係数は、例えば1900ppm/K程度である。
The array 2 includes a plurality of
ここで、図2及び図3を参照して、電池セル11の詳細について説明する。図2は、図1に示された電池モジュールを構成する電池セルの内部構造を示す図である。図3は、図2におけるIII−III線断面図である。図2及び図3に示されるように、複数の電池セル11のそれぞれは、ケース12と、電極組立体13と、を備えている。
Here, the details of the
ケース12は、電極組立体13を収容する。ケース12は、例えば中空の略直方体形状を呈している。ケース12は、例えばアルミニウム等の金属によって形成され、ケース12の内部には、例えば有機溶媒系又は非水系の電解液が注入されている。ケース12の頂面には、正極端子15と負極端子16とが互いに離間して配置されている。正極端子15は、絶縁リング17を介してケース12の頂面に固定されている。負極端子16は、絶縁リング18を介してケース12の頂面に固定されている。
The
電極組立体13は、ケース12内に収容され、例えば正極21(電極)と、負極22(電極)と、正極21と負極22との間に配置されたセパレータ23とによって構成されている。本実施形態の電極組立体13では、袋状のセパレータ23内に正極21が収容されており、この状態で正極21と負極22とがセパレータ23を介して交互に積層された状態となっている。電極組立体13における正極21及び負極22の積層方向は、配列方向Dと一致している。つまり、電極組立体13は、配列方向Dに積層された複数の電極(正極21及び負極22)を有する。
The
正極21は、例えばアルミニウム箔からなる金属箔21aと、金属箔21aの両面に形成された正極活物質層21bとを有している。正極活物質層21bは、正極活物質とバインダとを含んで形成されている。正極活物質としては、例えば複合酸化物、金属リチウム、及び硫黄等が挙げられる。複合酸化物には、例えばマンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも1つと、リチウムとが含まれる。また、正極21の上縁部には、正極端子15の位置に対応してタブ21cが形成されている。タブ21cは、正極21の上縁部から上方に延び、導電部材24を介して正極端子15に接続されている。
The
負極22は、例えば銅箔からなる金属箔22aと、金属箔22aの両面に形成された負極活物質層22bとを有している。負極活物質層22bは、負極活物質とバインダとを含んで形成されている。負極活物質としては、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、SiOx(0.5≦x≦1.5)等の金属酸化物、ホウ素添加炭素等が挙げられる。また、負極22の上縁部には、負極端子16の位置に対応してタブ22cが形成されている。タブ22cは、負極22の上縁部から上方に延び、導電部材25を介して負極端子16に接続されている。
The
セパレータ23は、例えば袋状に形成され、その内部に正極21のみを収容している。セパレータ23の形成材料としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、メチルセルロース等からなる織布又は不織布等が例示される。なお、セパレータ23は、袋状に限られず、シート状であってもよい。
The
図1に戻って、電池モジュール1の説明を続ける。弾性部材20は、電池セル11に膨張が生じた場合に、拘束荷重による電池セル11等の破損を防止する目的で用いられる部材である。弾性部材20は、例えばウレタン製のゴムスポンジによって矩形の板状に形成されている。弾性部材20は、複数の電池セル11とともに配列方向Dに配列されている。本実施形態では、弾性部材20は、配列方向Dにおいて、配列体2の一端に位置する。弾性部材20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、及びシリコンゴム等が挙げられる。また、弾性部材20は、ゴムに限られず、バネ材等であってもよい。弾性部材20の線膨張係数は、例えば110ppm/K程度である。
Returning to FIG. 1, the description of the battery module 1 will be continued. The
拘束部材3は、配列体2に対して配列方向Dに拘束荷重を付加する部材である。拘束部材3は、一対のエンドプレート31と、連結部材32とを備えている。エンドプレート31は、例えば電池セル11を配列方向Dから見た場合の面積よりも大きい面積の面を有する略矩形の板状をなしている。エンドプレート31は、SS400等の鋼材によって構成されている。一対のエンドプレート31は、配列体2の配列方向Dにおける両端に設けられる。具体的には、一対のエンドプレート31の外縁部分が電池セル11の外縁部分よりも外側に張り出した状態で、配列体2における配列方向Dの両端に配置されている。エンドプレート31には、後述のボルト33を挿通させるための複数の挿通孔(不図示)が設けられている。
The restraint member 3 is a member that applies a restraint load to the array body 2 in the arrangement direction D. The restraint member 3 includes a pair of
連結部材32は、一対のエンドプレート31同士を連結する部材である。連結部材32は、例えば長尺のボルト33と、ボルト33に螺合されるナット34と、を含む。ボルト33及びナット34は、鉄等の金属から構成されている。ボルト33は、一対のエンドプレート31の挿通孔に順次挿通される。ナット34は、一対のエンドプレート31同士を互いに締め付けるように、エンドプレート31の外側においてボルト33の端部に螺合される。これにより、一対のエンドプレート31が配列方向Dにおいて配列体2を挟持し、一対のエンドプレート31を介して、配列体2(電池セル11)に拘束荷重が付加される。連結部材32(ボルト33)の線膨張係数(第2線膨張係数)は、例えば12ppm/K程度である。
The connecting
続いて、拘束部材3による配列体2への拘束荷重について更に詳細に説明する。 Subsequently, the restraint load on the array 2 by the restraint member 3 will be described in more detail.
拘束部材3による配列体2への拘束荷重を設定するにあたっては、配列体2を構成する電池セル11について、電池セル11の圧縮量と電池セル11が受ける荷重量との関係が予め求められる。電池セル11の圧縮量と電池セル11が受ける荷重量との関係を求める場合、例えば図4に示されるように、電池セル11のケース12を一対の加圧部材41で挟み、電極組立体13の積層方向から電池セル11に荷重が付加される。
In setting the restraint load on the array 2 by the restraint member 3, the relationship between the compression amount of the
図5は、電池セルの圧縮量と電池セルが受ける荷重量との関係(圧縮特性)の一例を示す図である。図5に示される例では、横軸は電池セル11の圧縮量を示し、縦軸は電池セル11が受ける荷重量を示す。本実施形態では、圧縮量は、ケース12への荷重の付加が無い状態(ケース12に加圧部材41が接した状態)を原点とし、一対の加圧部材41で荷重を付加する方向におけるケース12の厚さの変化量を示している。また、本実施形態では、荷重量は、ケース12が受ける荷重量である。
FIG. 5 is a diagram showing an example of the relationship (compression characteristic) between the amount of compression of the battery cell and the amount of load received by the battery cell. In the example shown in FIG. 5, the horizontal axis represents the amount of compression of the
図5に示される領域は、荷重量に応じて低弾性領域R1と高弾性領域R2とに区分される。低弾性領域R1は、荷重量が0からK0までの領域である。この低弾性領域R1では、電池セル11内において、電極組立体13における電極(セパレータ23を含めた正極21及び負極22)間のクリアランス、及び電極組立体13とケース12の内面とのクリアランスが存在しており、圧縮量の増加に対する荷重量の増加が緩やかとなっている。低弾性領域R1では、電池セル11内の電極に十分な荷重が付加されないので、電池セル11の電池性能が十分に発揮されない。なお、正極21と負極22との間がセパレータ23の厚さと同じである場合を電極間のクリアランスが存在しない状態とし、正極21と負極22との間がセパレータ23の厚さよりも大きい場合を電極間のクリアランスが存在する状態とする。
The region shown in FIG. 5 is divided into a low elasticity region R1 and a high elasticity region R2 according to the load amount. Low elasticity region R1, the amount of load is a region from 0 to K 0. In this low elasticity region R1, there is a clearance between the electrodes (
一方、高弾性領域R2は、荷重量がK0より大きい領域である。この高弾性領域R2では、圧縮の進行により、電池セル11内において、電極組立体13における電極(セパレータ23を含めた正極21及び負極22)間のクリアランス、及び電極組立体13とケース12の内面とのクリアランスが存在しなくなり、低弾性領域R1と比較して、圧縮量の増加に対する荷重量の増加が大きくなっている。高弾性領域R2では、電池セル11内の電極に十分な荷重が付加され、電池セル11の電池性能が十分に発揮される。
On the other hand, the highly elastic region R2 is a region in which the load amount is larger than K 0. In this highly elastic region R2, due to the progress of compression, the clearance between the electrodes (
電池セル11についての圧縮量に対する荷重量の関係を予め求めた後、拘束部材3によって配列体2に付加される拘束荷重の下限値(以下、「最低荷重量」という。)が決定される。図5に示されるグラフは、電池モジュール1の組立時(つまり、配列体2に拘束部材3を組み付けた時の環境温度、及び電池セル11のSOC)における電池セル11の圧縮量と電池セル11が受ける荷重量との関係を示しているともいえる。
After obtaining the relationship of the load amount with respect to the compression amount of the
ここで、電池モジュール1の使用環境及び使用時間等の使用状況に応じて、配列体2の配列方向Dにおける長さLaが変化し得る。配列体2の長さLaは、複数の電池セル11の配列方向Dにおける長さLbと、弾性部材20の配列方向Dにおける長さLeと、の和である。配列体2に対して拘束部材3を組み付けた後、長さLaが変化すると、拘束荷重が変化する。長さLaが減少すると、電池モジュール1の組立時の電池セル11の圧縮量に対し、電池セル11が受ける荷重量が減少する。このため、最低荷重量は、上述した電池セル11の圧縮量と電池セル11が受ける荷重量との関係に基づいて算出される電池セル必要荷重量に、長さLaの減少量に基づいて算出される追加荷重量を加えた荷重量以上となるように決定される。
Here, the length La of the array 2 in the array direction D may change depending on the usage environment such as the usage environment and the usage time of the battery module 1. The length La of the array body 2 is the sum of the length Lb of the plurality of
電池セル必要荷重量は、配列体2に拘束部材3を組み付ける際に、電池セル11の電極間及び電極組立体13とケース12(の内面)との間のクリアランスが存在しなくなる圧縮量を得るために必要な荷重量である。本実施形態では、例えば図5に示されるように、低弾性領域R1から高弾性領域R2に移行する荷重量K0が電池セル必要荷重量に相当する。
The battery cell required load amount obtains a compression amount at which there is no clearance between the electrodes of the
追加荷重量は、電池モジュール1の使用条件下において、電池モジュール1の使用状況によらずに電池セル11に付加される荷重量を高弾性領域R2とするために電池セル必要荷重量に加えられる荷重量である。配列体2に拘束部材3が組み付けられた後において、電池セル11が受ける荷重量は、長さLaに応じて変化する。長さLaの減少量としては、電池モジュール1の使用条件で電池モジュール1が使用された場合における、配列体2に拘束部材3を組み付けたときの長さLaからの最大の減少量が用いられる。長さLaは、例えば電池モジュール1の温度、電池セル11のSOC、及び電池モジュール1の使用期間によって変化し得る。以下、追加荷重量の算出方法について詳細に説明する。
The additional load amount is added to the required load amount of the battery cell under the usage condition of the battery module 1 in order to set the load amount applied to the
まず、電池モジュール1の温度による長さLaの減少量ΔLtについて説明する。配列体2(電池セル11及び弾性部材20)の線膨張係数(第1線膨張係数)は、連結部材32の線膨張係数よりも大きい。このため、電池モジュール1の温度が上昇すると、配列方向Dにおいて、一対のエンドプレート31間の距離Lendの増加量よりも長さLaの増加量が上回る。これにより、拘束部材3によって配列体2に付加される拘束荷重が増加する。一方、電池モジュール1の温度が低下すると、配列方向Dにおいて、距離Lendの減少量よりも長さLaの減少量が上回る。これにより、拘束部材3によって配列体2に付加される拘束荷重が減少する。
First, the amount of decrease ΔLt in the length La due to the temperature of the battery module 1 will be described. The linear expansion coefficient (first linear expansion coefficient) of the array 2 (
追加荷重量に関しては、拘束荷重が減少する場合が考慮される。つまり、追加荷重量は、電池モジュール1の温度が、配列体2に拘束部材3を組み付ける際の基準温度T0から電池モジュール1の動作最低温度TLまで低下した場合でも、電池セル11が受ける荷重量を高弾性領域R2とするように算出される。減少量ΔLtは、配列体2の線膨張係数と連結部材32の線膨張係数との差に基づいて算出される。具体的には、基準温度T0と動作最低温度TLとの温度差ΔTによる長さLaの減少量及び距離Lendの減少量を算出する。長さLaの減少量から距離Lendを減算することによって、距離Lendに対する長さLaの減少量ΔLtが算出される。
Regarding the additional load amount, the case where the restraint load decreases is considered. That is, the additional load amount is received by the
電池セル11のSOCによる長さLaの減少量ΔLsocについて説明する。図6に示されるように、電池セル11のSOCに対して、電池セル11の端子電圧は変化する。この端子電圧の変化が少ないSOCの範囲において、電池セル11の使用範囲(0%〜100%)が設定される。このように、SOCは、0%よりも小さい値、及び100%よりも大きい値を取り得る。電池セル11のSOCが高くなるにつれ、電池セル11は膨張する。このため、電池セル11のSOCが高くなると、長さLaが増加する。これにより、拘束部材3によって配列体2に付加される拘束荷重が増加する。一方、電池セル11のSOCが低下するにつれ、長さLaが減少する。これにより、拘束部材3によって配列体2に付加される拘束荷重が減少する。
The reduction amount ΔLsoc of the length La due to the SOC of the
追加荷重量に関しては、電池セル11のSOCが低下する場合が考慮される。つまり、追加荷重量は、配列体2に拘束部材3を組み付ける際の電池セル11のSOCである初期充電率から、電池モジュール1の使用条件において想定されるSOCの最低値である最低充電率まで低下した場合でも、電池セル11が受ける荷重量を高弾性領域R2とするように算出される。初期充電率は、例えば0%である。最低充電率としては、例えば、電池セル11の過放電が生じた場合のSOCが用いられ得る。つまり、減少量ΔLsocは、電池セル11のSOCに基づいて算出される。具体的には、初期充電率における配列体2の長さLaから最低充電率における配列体2の長さLaを減算することによって、距離Lendに対する長さLaの減少量ΔLsocが算出される。なお、電池セル11のSOCの変化によって、長さLe及び距離Lendは変化しない。つまり、減少量ΔLsocは、長さLbの減少量である。
Regarding the additional load amount, the case where the SOC of the
電池モジュール1の使用期間による長さLaの減少量ΔLcについて説明する。弾性部材20には、拘束部材3によって拘束荷重が付加されているので、時間の経過とともに弾性部材20は変形する。つまり、時間の経過とともに、長さLeが減少するので、長さLaも減少する。言い換えれば、減少量ΔLcは、拘束荷重による弾性部材20のクリープ変形による減少量である。図7は、弾性部材の圧縮量と圧縮部材が受ける荷重量との関係の一例を示す図である。図7に示される例では、横軸は弾性部材20の圧縮量を示し、縦軸は弾性部材20の反力を示す。グラフG1は、配列体2に拘束部材3を組み付けた時の弾性部材20の特性を示す。グラフG2は、電池モジュール1の使用保証期間経過時の弾性部材20の特性を示す。時間の経過とともに長さLeが減少するので、図7に示されるように、同じ圧縮量でも、弾性部材20の反力、つまり拘束部材3によって配列体2に付加される拘束荷重が減少する。なお、図7に示される関係は、弾性部材20のクリープ特性に基づいて予め計算される。弾性部材20のクリープ特性は、弾性部材20の材料によって定まる。
The decrease amount ΔLc of the length La due to the usage period of the battery module 1 will be described. Since the restraint load is applied to the
追加荷重量は、電池モジュール1の使用保証期間が経過しても、電池セル11が受ける荷重量を高弾性領域R2とするように算出される。つまり、減少量ΔLcは、弾性部材20のクリープ特性に基づいて算出される。具体的には、配列体2に拘束部材3を組み付けた時における弾性部材20の長さLeから使用保証期間経過時における弾性部材20の長さLeを減算することによって、距離Lendに対する長さLaの減少量ΔLcが算出される。なお、電池セル11も時間の経過とともに僅かながら変形する。つまり、時間の経過とともに、長さLbが減少する。このため、配列体2に拘束部材3を組み付けた時における配列体2の長さLaから使用保証期間経過時における配列体2の長さLaを減算することによって、距離Lendに対する長さLaの減少量ΔLcが算出されてもよい。なお、使用保証期間経過時における長さLbの減少量は、電池セル11のクリープ特性に基づいて予め計算される。この場合、減少量ΔLcは、拘束荷重による電池セル11及び弾性部材20のクリープ変形による減少量である。
The additional load amount is calculated so that the load amount received by the
以上のようにして算出された減少量ΔLt、減少量ΔLsoc、及び減少量ΔLcを用いて、式(1)に示されるように、各減少量の和を計算することによって、距離Lendに対する長さLaの減少量ΔLaが得られる。
続いて、図8を用いて、追加荷重量の決定方法について説明する。図8は、電池モジュールの組立後における配列体の長さと拘束荷重との関係(圧縮特性)の一例を示す図である。図8に示される例では、横軸は配列体2の長さLaを示し、縦軸は拘束荷重を示す。電池セル11が受ける荷重量が高弾性領域R2に含まれる場合、図8に示されるように、配列体2に拘束部材3を組み付けた後における配列体2の長さLaと拘束荷重とは略比例している。この関係を用いて、減少量ΔLaに対する拘束荷重の減少量ΔKが算出される。なお、電池セル11の圧縮特性は、図5に示される高弾性領域R2における特性である。また、弾性部材20の圧縮量と弾性部材20が受ける荷重量との関係(圧縮特性)を求める場合、電池セル11と同様に、弾性部材20を一対の加圧部材41で挟み、弾性部材20に荷重が付加される。このようにして、電池セル11の圧縮特性及び弾性部材20の圧縮特性が予め測定される。図8に示される配列体2の圧縮特性は、電池セル11と弾性部材20の圧縮特性との和によって予め求められる。
Subsequently, a method of determining the additional load amount will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram showing an example of the relationship (compression characteristics) between the length of the array and the restraint load after assembling the battery module. In the example shown in FIG. 8, the horizontal axis represents the length La of the array 2, and the vertical axis represents the restraint load. When the amount of load received by the
電池モジュール1が使用条件下で使用された場合には、長さLaは、電池モジュール1の組立時における配列体2の長さLa0から、最大で減少量ΔLaだけ減少し得る。このため、配列体2の長さLaの最小値は、長さLa0から減少量ΔLaを減算した長さLa1となり得る。配列体2の長さLaが、長さLa0から長さLa1に減少することにより、電池セル11に付加される荷重量(つまり、拘束荷重)は、減少量ΔKだけ減少する。 When the battery module 1 is used under the conditions of use, the length La can be reduced by a maximum reduction amount ΔLa from the length La 0 of the array 2 at the time of assembling the battery module 1. Therefore, the minimum value of the length La of the array 2 can be the length La 1 obtained by subtracting the reduction amount ΔLa from the length La 0. When the length La of the array 2 is reduced from the length La 0 to the length La 1 , the load applied to the battery cell 11 (that is, the restraint load) is reduced by the reduction amount ΔK.
電池モジュール1の使用条件において、電池セル11に付加される荷重量を常に高弾性領域R2とするためには、この拘束荷重の減少量ΔKを補填する必要がある。つまり、拘束荷重の減少量ΔKが追加荷重量に相当する。したがって、荷重量K0に拘束荷重の減少量ΔKを加えた荷重量K1が最低荷重量として決定される。なお、配列体2に付加される拘束荷重の上限値については、例えば、拘束部材3の強度又は正極21と負極22との間の金属イオンの移動が阻害されない範囲で適宜決定される。
In order to keep the load amount applied to the
以上説明したように、電池モジュール1では、電池セル必要荷重量に追加荷重量を加えた荷重量以上となるように、拘束部材3によって配列体2に付加される最低荷重量が設定されている。電池セル必要荷重量は、配列体2に拘束部材3を組み付ける際に、電池セル11の電極間及び電極組立体13とケース12との間のクリアランスが存在しなくなる圧縮量を得るために必要な荷重量である。追加荷重量は、予め定められた使用条件で電池モジュール1が使用された場合における、配列体2に拘束部材3を組み付けたときの配列体2の配列方向Dにおける長さLaからの最大の減少量ΔLaに基づいて算出される。つまり、配列体2の配列方向Dにおける長さLaが減少すると、拘束荷重が減少するので、電池モジュール1の使用条件において電池モジュール1が使用された場合の拘束荷重の最大の減少量ΔKに相当する荷重量が追加荷重量として付加されている。したがって、使用条件で電池モジュール1が使用された場合において、電池モジュール1の使用状況によらずに、電池セル11の複数の電極同士が互いに密着すると共に、電極組立体13とケース12とが互いに密着する状態が確保されるので、電池性能を良好に発揮させることができる。
As described above, in the battery module 1, the minimum load amount applied to the array 2 by the restraint member 3 is set so as to be equal to or more than the load amount obtained by adding the additional load amount to the battery cell required load amount. .. The required load amount of the battery cell is necessary to obtain a compression amount at which the clearance between the electrodes of the
具体的には、電池モジュール1では、配列体2の線膨張係数と連結部材32の線膨張係数との差に基づいて算出された減少量ΔLt、電池セル11のSOCに基づいて算出された減少量ΔLsoc、及び弾性部材20のクリープ特性に基づいて算出された減少量ΔLcに基づいて、一対のエンドプレート31間の距離Lendに対する配列体2の長さLaの減少量ΔLaが算出される。そして、減少量ΔLaに基づいて、減少量ΔLaによる拘束荷重の減少量ΔKを補填するための追加荷重量が算出される。電池セル必要荷重量に追加荷重量を加えた荷重量以上となるように、拘束部材3によって配列体2に付加される最低荷重量が設定される。これにより、電池モジュール1の温度、電池セル11のSOC、及び電池モジュール1の使用期間によらず、電池セル11の複数の電極同士が互いに密着すると共に、電極組立体13とケース12とが互いに密着する状態が確保されるので、電池性能を良好に発揮させることができる。
Specifically, in the battery module 1, the reduction amount ΔLt calculated based on the difference between the linear expansion coefficient of the array 2 and the linear expansion coefficient of the connecting
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られない。例えば、長さLaの減少量ΔLaに、減少量ΔLt、減少量ΔLsoc、及び減少量ΔLcの全てが含まれる必要はなく、少なくとも1つが含まれていればよい。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, the reduction amount ΔLa of the length La does not have to include all of the reduction amount ΔLt, the reduction amount ΔLsoc, and the reduction amount ΔLc, but at least one of them may be included.
また、配列体2は、弾性部材20を備えていなくてもよい。この場合、弾性部材20のクリープによって、配列体2の長さLaは減少しないので、その分の追加荷重量は不要となる。
Further, the array body 2 does not have to include the
また、上記実施形態では、電池セル必要荷重量に追加荷重量を加えた荷重量が最低荷重量とされているが、これに限られない。電池セル必要荷重量に追加荷重量を加えた荷重量よりも僅かに大きい荷重量が最低荷重量とされてもよい。この場合、電池モジュール1の使用状況によらずに電池セル11に付加される荷重量をさらに確実に高弾性領域R2とすることができる。
Further, in the above embodiment, the load amount obtained by adding the additional load amount to the battery cell required load amount is defined as the minimum load amount, but the load amount is not limited to this. The minimum load amount may be a load amount slightly larger than the load amount obtained by adding the additional load amount to the required load amount of the battery cell. In this case, the amount of load applied to the
1…電池モジュール、2…配列体、3…拘束部材、11…電池セル、12…ケース、13…電極組立体、20…弾性部材、21…正極(電極)、22…負極(電極)、31…エンドプレート、32…連結部材、D…配列方向(第1方向)。 1 ... Battery module, 2 ... Arrangement, 3 ... Restraint member, 11 ... Battery cell, 12 ... Case, 13 ... Electrode assembly, 20 ... Elastic member, 21 ... Positive electrode (electrode), 22 ... Negative electrode (electrode), 31 ... end plate, 32 ... connecting member, D ... arrangement direction (first direction).
Claims (4)
前記配列体に対して前記第1方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、
を備える電池モジュールであって、
前記複数の電池セルのそれぞれは、前記第1方向に積層された複数の電極を有する電極組立体と、前記電極組立体を収容するケースと、を備え、
前記拘束部材によって前記配列体に付加される前記拘束荷重の下限値である最低荷重量は、前記電池セルの圧縮量と前記電池セルが受ける荷重量との関係に基づいて算出される電池セル必要荷重量に、前記第1方向における前記配列体の長さの減少量に基づいて算出される追加荷重量を加えた荷重量以上に設定され、
前記電池セル必要荷重量は、前記配列体に前記拘束部材を組み付ける際に、前記電池セルの前記電極間及び電極組立体とケースとの間のクリアランスが存在しなくなる前記圧縮量を得るために必要な前記荷重量であり、
前記減少量は、予め定められた使用条件で前記電池モジュールが使用された場合における、前記配列体に前記拘束部材を組み付けたときの前記長さからの最大の減少量であり、
前記拘束部材は、前記配列体の前記第1方向における両端に設けられる一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートを連結する連結部材と、を備え、
前記配列体の線膨張係数である第1線膨張係数は、前記連結部材の線膨張係数である第2線膨張係数よりも大きく、
前記減少量は、前記第1線膨張係数と前記第2線膨張係数との差に基づいて算出される、電池モジュール。 An array containing a plurality of battery cells arranged in the first direction,
A restraining member that applies a restraining load to the array in the first direction, and
It is a battery module equipped with
Each of the plurality of battery cells includes an electrode assembly having a plurality of electrodes stacked in the first direction, and a case for accommodating the electrode assembly.
The minimum load amount, which is the lower limit of the restraint load applied to the array by the restraint member, is calculated based on the relationship between the compression amount of the battery cell and the load amount received by the battery cell. It is set to be equal to or greater than the load amount obtained by adding the additional load amount calculated based on the decrease in the length of the array in the first direction to the load amount.
The required load amount of the battery cell is necessary to obtain the compression amount at which the clearance between the electrodes of the battery cell and between the electrode assembly and the case does not exist when the restraining member is assembled to the array. The above-mentioned load amount
The amount of reduction in the case where the battery module in a predetermined use conditions are employed, Ri maximum reduction der from the length when assembled said restraining member to said array,
The restraint member includes a pair of end plates provided at both ends of the array in the first direction, and a connecting member for connecting the pair of end plates.
The first linear expansion coefficient, which is the linear expansion coefficient of the array, is larger than the second linear expansion coefficient, which is the linear expansion coefficient of the connecting member.
The reduction amount is calculated based on the difference between the first-line expansion coefficient and the second-line expansion coefficient .
前記配列体に対して前記第1方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、
を備える電池モジュールであって、
前記複数の電池セルのそれぞれは、前記第1方向に積層された複数の電極を有する電極組立体と、前記電極組立体を収容するケースと、を備え、
前記拘束部材によって前記配列体に付加される前記拘束荷重の下限値である最低荷重量は、前記電池セルの圧縮量と前記電池セルが受ける荷重量との関係に基づいて算出される電池セル必要荷重量に、前記第1方向における前記配列体の長さの減少量に基づいて算出される追加荷重量を加えた荷重量以上に設定され、
前記電池セル必要荷重量は、前記配列体に前記拘束部材を組み付ける際に、前記電池セルの前記電極間及び電極組立体とケースとの間のクリアランスが存在しなくなる前記圧縮量を得るために必要な前記荷重量であり、
前記減少量は、予め定められた使用条件で前記電池モジュールが使用された場合における、前記配列体に前記拘束部材を組み付けたときの前記長さからの最大の減少量であり、
前記配列体は、前記複数の電池セルとともに前記第1方向に配列された弾性部材を更に含み、
前記減少量は、前記弾性部材のクリープ特性に基づいて算出される、電池モジュール。 An array containing a plurality of battery cells arranged in the first direction,
A restraining member that applies a restraining load to the array in the first direction, and
It is a battery module equipped with
Each of the plurality of battery cells includes an electrode assembly having a plurality of electrodes stacked in the first direction, and a case for accommodating the electrode assembly.
The minimum load amount, which is the lower limit of the restraint load applied to the array by the restraint member, is calculated based on the relationship between the compression amount of the battery cell and the load amount received by the battery cell. It is set to be equal to or greater than the load amount obtained by adding the additional load amount calculated based on the decrease in the length of the array in the first direction to the load amount.
The required load amount of the battery cell is necessary to obtain the compression amount at which the clearance between the electrodes of the battery cell and between the electrode assembly and the case does not exist when the restraining member is assembled to the array. The above-mentioned load amount
The amount of reduction in the case where the battery module in a predetermined use conditions are employed, Ri maximum reduction der from the length when assembled said restraining member to said array,
The array further includes the elastic members arranged in the first direction together with the plurality of battery cells.
The reduction amount is calculated based on the creep characteristics of the elastic member, the battery module.
前記減少量は、前記弾性部材のクリープ特性に基づいて算出される、請求項1に記載の電池モジュール。 The array further includes the elastic members arranged in the first direction together with the plurality of battery cells.
The battery module according to claim 1 , wherein the reduction amount is calculated based on the creep characteristics of the elastic member.
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