JP6856519B2 - バッテリモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、単電池セルを複数積層した組電池を有するバッテリモジュールに関する。
従来、複数個の単電池セルを積層した積層体の両端をエンドプレートで拘束し、一方のエンドプレートと積層体との間に曲がった弾性プレートを介挿して、積層体に常時荷重を付加するようにしたバッテリモジュールが提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1のバッテリモジュールでは、弾性プレートの作用により単電池セルの膨張収縮を吸収して単電池セルに付加する荷重を適切に維持し、バッテリモジュールの性能の低下を防止する。
同様に、複数個の単電池セルを積層した積層体の両端をエンドプレートで拘束し、双方のエンドプレートを引張りばねで引きつけ、或いは、一方のエンドプレートと積層体との間に圧縮ばねを介挿して、単電池セルの膨張収縮を吸収するようにしたバッテリモジュールが提案されている(例えば、特許文献2参照)。特許文献2のバッテリモジュールにおいても、ばねの作用により単電池セルの膨張収縮を吸収して単電池セルに付加する荷重を適切に維持し、バッテリモジュールの性能の低下を防止する。
特開2011−228306号公報 特開2009−238606号公報
しかしながら、上記何れの特許文献における技術も、単電池セルに付加する荷重を適切に維持するためには相応のばね定数を持つばね手段が必要である。この必要に応じて比較的大きいばねを適用するとバッテリモジュールの小型化が阻害される。特許文献2には複数のコイルばねを並列に配することが提案されているが、積層体の端部側にコイルばねの圧縮方向と積層体(各単電池セル)の積層方向とが沿う配置であるため、バッテリモジュール全体として積層方向の寸法が増加し小型化が難しい。
本発明は、上述のような従来における問題を解決するべくなされたものであり、小型化が図られると共に単電池セルの性能を十分に引き出すことができるバッテリモジュールを提供することを目的とする。
(1)単電池セル(例えば、後述する単電池セル21,22,23,24)を複数積層した組電池(例えば、後述する組電池2)を有するバッテリモジュール(例えば、後述するバッテリモジュール1)であって、組電池の積層方向の始端側及び終端側の少なくとも何れか一方の側に設けられたエンドプレート(例えば、後述するエンドプレート3)と、前記エンドプレートに対峙する単電池セルに対して荷重を作用させる荷重付加手段(例えば、後述する荷重付加手段9)とを有し、前記荷重付加手段は、前記積層方向と交差する方向の荷重力を発生する荷重力発生手段(例えば、後述するコイルばね6)と、前記荷重力発生手段が発生した荷重力の向きを前記積層方向に変換する荷重力方向変換手段(例えば、後述する荷重力方向変換手段8)とを備える。
上記(1)のバッテリモジュールでは、荷重力発生手段による積層方向と交差する方向の荷重力を、荷重力方向変換手段により積層方向に変換する。方向が変換された荷重力による荷重を、エンドプレートを介して、組電池に印加し加圧する。このため大きな荷重を得る場合にも構造が簡単で積層方向の寸法が増大せず小型化が容易である。
(2)前記エンドプレートは、前記単電池セルへの対向面(例えば、後述する対向面31)に対する背面(例えば、後述する背面32)側が傾斜面(例えば、後述するエンドプレート傾斜面321)であり、前記荷重力方向変換手段は、前記傾斜面に対向した傾斜摺接面(例えば、後述する傾斜摺接面51)を有し前記エンドプレートの前記背面側と所定の固定部材(例えば、後述する構造部材4)との間に前記荷重力を受けつつ前記積層方向と直交する方向に摺動変位可能に介挿されるスライダ(例えば、後述するスライダ5)を含むことを特徴とする(1)のバッテリモジュール。
上記(2)のバッテリモジュールでは、スライダの傾斜摺接面とエンドプレートのエンドプレート傾斜面とを相対変位させるだけの簡素な構成により荷重力方向変換手段が機能する。このため、組電池に十分な荷重を付加する場合にも、全体として構成が簡単であり、小型化が容易である。
(3)前記エンドプレートは、前記スライダの所定の摺動変位方向と異なる方向への変位を規制する案内部材(例えば、後述するガイドレール33)を有することを特徴とする上記(2)のバッテリモジュール。
上記(3)のバッテリモジュールでは、上記(2)のバッテリモジュールにおいて、スライダがエンドプレートの案内部材に案内されて所定の摺動変位方向と異なる方向への変位が規制されるため、動きの途中で正規の方向から逸脱した方向には向かわない。このため、スライダは、変位する途中で動きがロックしたり、荷重力の損失が増大したりすることが防止される。
(4)前記エンドプレートと前記スライダとの少なくとも一方の摺接面に無潤滑摺動材料が配されていることを特徴とする上記(2)又は(3)のバッテリモジュール。
上記(4)のバッテリモジュールでは、上記(2)又は(2)のバッテリモジュールにおいて、エンドプレートとスライダ5の摺接部分における荷重力方向の変換に際しての摩擦に起因する損失が低減され、更に、摺接部分に関係するメンテナンスの手間が軽減される。
(5)前記エンドプレートと前記スライダとの接触部に潤滑剤が配されていることを特徴とする上記(2)又は(3)のバッテリモジュール。
上記(5)のバッテリモジュールでは、上記(2)又は(2)のバッテリモジュールにおいて、エンドプレートとスライダ5の摺接部分における荷重力方向の変換に際しての摩擦に起因する損失が低減され、更に、摩擦の低減を潤滑剤で行う簡素な構成であるため、コストが低減される。
(6)前記荷重力発生手段の変位を緩衝する緩衝部材(例えば、後述するオイルダンパー10)が更に設けられていることを特徴とする上記(1)から(5)の何れかのバッテリモジュール。
上記(6)のバッテリモジュールでは、上記(1)から(5)の何れかのバッテリモジュールにおいて、組電池の各単電池セルに衝撃的に急峻な膨張が発生しても、コイルばねの圧縮変位はその変化率が緩和される。このため、組電池に付加する荷重に望ましくない振動的な変化が生じてしまうことが防止される。
本発明によれば、小型化が図られると共に単電池セルの性能を十分に引き出すことができるバッテリモジュールを具現することができる。
本発明のバッテリモジュールの一実施形態を示す概念図である。 図1のバッテリモジュールの荷重付加手段の一つの構成を示す斜視図である。 図1のバッテリモジュールの荷重付加手段の他の構成を示す斜視図である。 図2、図3の荷重付加手段に関連して設けられる案内手段の詳細を示す図である。 図2、図3の荷重付加手段の平常時の作用を説明する図である。 図2、図3の荷重付加手段の単電池セル膨張時の作用を説明する図である。
以下に、図面を参照して本発明のバッテリモジュールについて詳細に説明する。
図1は、本発明のバッテリモジュールの一実施形態を示す概念図である。
図1におけるバッテリモジュール1は、単電池セル21,22,23,24を複数(本例では、説明の便宜上4つであるとするが、実際には更に多数であり得る)積層した組電池2を有する。単電池セル21,22,23,24は同形同寸の直方体状である。また、単電池セル21,22,23,24は電気的特性についても同仕様である。単電池セル21,22,23,24それぞれは、相対的に外形が最も大きい一対の主面を持つ。単電池セル21,22,23,24は、隣接する単電池セルどうしが互いの対向する主面を合わせるように積層されている。
以下、単電池セル21,22,23,24の主面の長辺方向を「幅方向」という。図1において、幅方向は、紙面に垂直な方向である。
組電池2の積層方向である矢線A方向の始端側(単電池セル21側)及び終端側(単電池セル24側)の少なくとも何れか一方の側(本例では単電池セル24側)に全体として剛性を有するブロック体であるエンドプレート3が設けられている。エンドプレート3は、単電池セル24への対向面31が組電池2の積層方向である矢線A方向に直交する面である。これに対し、対向面31とは反対側の背面32は、対向面31に対して傾斜したエンドプレート傾斜面321を成している。
エンドプレート3のエンドプレート傾斜面321から積層方向に離隔して構造部材4が設けられている。構造部材4は、例えば、バッテリモジュール1の外殻を成すケース部材や、その他自己に作用する力によって移動しない固定部材である。構造部材4のエンドプレート3(その背面32)への対向面41は、そのエンドプレート傾斜面321への対向部分を含む領域が平坦面411を成している。
エンドプレート3のエンドプレート傾斜面321と構造部材4の平坦面411との間にスライダ5が介挿されている。本例のスライダ5は、エンドプレート傾斜面321に対向した傾斜摺接面51と、平坦面411に対向した平坦摺接面52とを有する多面体である。図1では、スライダ5の外形は概略的に表されているが、図2以降で詳細に説明する。スライダ5の傾斜摺接面51と平坦摺接面52とは、エンドプレート3のエンドプレート傾斜面321の上述の傾斜に相応する傾きを成している。
以下の説明において、エンドプレート3のエンドプレート傾斜面321と構造部材4の平坦面411との間隔が拡大する側を「上方側」、これと反対側を「下方側」と称する。
スライダ5の上方側に、上述の積層方向と交差する方向(本例では、積層方向に直交する方向)の荷重力を発生する荷重力発生手段としてのコイルばね6が設けられている。コイルばね6の一方の端部は、スライダ5の上方側の面に当接又は固定される。また、コイルばね6の他方の端部は、スライダ5より上方側に配置されたばね支承部材7に当接又は固定されている。ばね支承部材7は自己の外部からの力で移動しない固定部材である。
コイルばね6からの弾発力である積層方向に直交する方向の荷重力は、スライダ5の傾斜摺接面51からエンドプレート3のエンドプレート傾斜面321に伝達されるに際し、積層方向の荷重力へとその向きが変換される。即ち、スライダ5(その傾斜摺接面51)とエンドプレート3(そのエンドプレート傾斜面321)とは、荷重力発生手段であるコイルばね6が発生した荷重力の向きを積層方向に変換する荷重力方向変換手段8を構成している。
更に、荷重力発生手段であるコイルばね6と荷重力方向変換手段8とを含んで、エンドプレート3に対峙する単電池セル24に対して荷重を作用させる荷重付加手段9が構成されている。
図2は、図1のバッテリモジュールの荷重付加手段の一つの構成を示す斜視図である。
図2において、図1との対応部は同一の符号により示されている。
上述のように、荷重付加手段9は荷重力発生手段であるコイルばね6と荷重力方向変換手段8とを含んで構成される。荷重力方向変換手段8は、スライダ5(その傾斜摺接面51)とエンドプレート3(そのエンドプレート傾斜面321)とを含んで構成される。
図2において、スライダ5の外形は、二点鎖線で示されるように、概略、直方体の一つの稜部側が切り欠かれた形状を成し、この欠かれた部位が傾斜摺接面51を成している。
コイルばね6は、第1コイルばね61、第2コイルばね62、第3コイルばね63、第4コイルばね64の4つのコイルばねが上述の幅方向に一列に並んで配置されている。
並列の第1ないし第4の4つのコイルばね61,62,63,64のうち、第2コイルばね62と第3コイルばね63との間隔が他よりも広く設定されている。並列した第2コイルばね62と第3コイルばね63との間に位置して、緩衝部材としてのオイルダンパー10が設けられている。オイルダンパー10は、そのシリンダ及びピストンロッドの軸方向が第1ないし第4の4つのコイルばね61,62,63,64の軸方向と平行になる姿勢で配置されている。
第1ないし第4の4つのコイルばね61,62,63,64、及び、オイルダンパー10は、何れもスライダ5の上方側の面から下方側の内部に向けて形成された各対応する円筒状の凹部611,621,631,641、及び、101に自己の下方側の部分が収容されるようにして設けられている。
コイルばね6を上述のように第1ないし第4の4つのコイルばね61,62,63,64を並列に用いて構成しているため、個々のコイルばね61,62,63,64は小型のものでよく、バッテリモジュール1全体としての小型化に有利である。
一方、エンドプレート3のエンドプレート傾斜面321には、幅方向の中央位置に案内部材としてのガイドレール33が設けられている。ガイドレール33は、エンドプレート傾斜面321の幅方向の中央位置に上下に伸びた凸条体である。スライダ5の傾斜摺接面51に、ガイドレール33に対応する案内溝53が形成されている。案内溝53がガイドレール33に摺動可能に嵌り合うことによって、幅方向への横滑りなどのようなスライダ5の正規の摺動変位方向と異なる方向への変位が規制される。
図3は、図1のバッテリモジュールの荷重付加手段の他の構成を示す斜視図である。
図3において、図2との対応部は同一の符号を附して示し、これら対応部については図2における説明を援用する。
図3の実施形態における図2の実施形態との相違点は、オイルダンパーが設けられていない点であり、その余の点は図2の実施形態と変わりがない。
図4は、図2、図3の荷重付加手段に関連して設けられる案内手段の詳細を示す図である。図4では、説明の便宜のために、スライダ5の幅方向の半分の部分を切り欠いた状態で図示されている。
案内手段は、エンドプレート3のエンドプレート傾斜面321に上述のように設けられたガイドレール33であり、側面が案内面331を成している。ガイドレール33は、これに対応するスライダ5側の案内溝53と摺動可能に嵌合して変位方向を規制する機能を生じる。ガイドレール33は、ボルト穴332ら挿入されるボルト333によりエンドプレート傾斜面321に取付けられる。この取付け位置は、エンドプレート傾斜面321幅方向の中央位置であり、ここに上下に伸びるように配されてエンドプレート傾斜面321から凸出した凸条体を成す。スライダ5の傾斜摺接面51には、上述のように、ガイドレール33に対応する案内溝53が形成されている。
次に、図5及び図6を参照して、上述の実施形態による作用について説明する。
図5は、図2、図3の荷重付加手段の平常時の作用を説明する図である。
図6は、図2、図3の荷重付加手段の単電池セル膨張時の作用を説明する図である。
図5及び図6において、図1から図4との対応部には同一の符号が付されている。
図5におけるように、組電池2の各単電池セル21,22,23,24(図1参照)が特段に膨張していない平常時においても、荷重力を発生する荷重力発生手段としてのコイルばね6(第1ないし第4の4つのコイルばね61,62,63,64)による荷重力Fvが、積層方向(図1の矢線Aの方向)と交差する方向に且つその時のコイルばね6の圧縮量に応じた大きさで作用する。荷重力Fvは、スライダ5の傾斜摺接面51からエンドプレート3のエンドプレート傾斜面321に伝達されるに際して、傾斜摺接面51及びエンドプレート傾斜面321の傾斜に応じて生じる積層方向の分力Fhに変換される。図1及び図2を参照して説明したように、スライダ5(その傾斜摺接面51)とエンドプレート3(そのエンドプレート傾斜面321)とを含んで荷重力方向変換手段8が構成される。荷重力方向変換手段8の変換出力である積層方向の分力Fhによって、エンドプレート3を介して組電池2の各単電池セル21,22,23,24に荷重が印加される。
図6におけるように、組電池2の各単電池セル21,22,23,24に膨張の原因が生じて組電池2の積層方向の寸法が増大すると、図5を参照して説明した積層方向分力Fhに対して相対的に大きな積層方向反力Rhが作用する。積層方向反力Rhは組電池2からエンドプレート3に伝達される。積層方向反力Rhはエンドプレート3のエンドプレート傾斜面321からスライダ5の傾斜摺接面51へと伝達されるに際して、コイルばね6(第1ないし第4の4つのコイルばね61,62,63,64)による荷重力Fvに対抗する成分の反力Rvとなる。コイルばね6はそれによる荷重力Fvと上述の反力Rvとが釣り合うまで圧縮される。従って、この圧縮の程度に応じた弾発力である相対的に大きな荷重力Fvが荷重力方向変換手段8で積層方向分力Fhに変換され、エンドプレート3を介して組電池2の各単電池セル21,22,23,24に相対的に大きな荷重が印加される。
本発明では、上述のように、荷重力発生手段としてのコイルばね6が発生した荷重力が、荷重力方向変換手段8によって積層方向の分力Fhに変換されて組電池2に伝達される。このため、コイルばね6(第1ないし第4の4つのコイルばね61,62,63,64)として軸方向の寸法が大きいバネを用いても、その寸法はバッテリモジュール1の積層方向の寸法には略影響しない。従って、バッテリモジュール1の小型化が図り易い。
また、スライダ5がエンドプレート3に対して相対変位するに際して、エンドプレート3側の案内手段としてのガイドレール33の案内面331によってスライダ5側の案内溝53の対向面が接する。これによりスライダ5は、その変位方向が幅方向に横滑りするなど正規の方向から逸脱した方向には向かわないように変位方向が規制される。このため、スライダ5は、変位する途中で動きがロックしたり、荷重力の損失が増大したりすることが防止される。
また、図2を参照して説明した実施形態の場合は、緩衝部材としてのオイルダンパー10が設けられているため、組電池2の各単電池セル21,22,23,24に衝撃的に急峻な膨張が発生しても、コイルばね6(第1ないし第4の4つのコイルばね61,62,63,64)の圧縮変位はその変化率が緩和される。このため、望ましくない振動的な変位が生じてしまうことが防止される。
尚、上述した実施形態の何れにおいても、エンドプレート3のエンドプレート傾斜面321とスライダ5の傾斜摺接面51との一方又は双方に無潤滑摺動材料が配された構成を採ることは好ましい。この場合には、傾斜摺接面51とエンドプレート傾斜面321とを含んで構成される荷重力方向変換手段8における荷重力方向の変換における摩擦に起因する損失が低減される。更に、荷重力方向変換手段8に関するメンテナンスの手間が軽減される。
この無潤滑摺動材料としては、樹脂ではポリアセタール樹脂(例えば、ポリプラスチックス株式会社製、ジュラコン(登録商標))等を適用することができる。また、金属では黒鉛が配合された焼結金属等を適用することができる。
また、上述した実施形態の何れにおいても、エンドプレート3のエンドプレート傾斜面321とスライダ5の傾斜摺接面51との接触部に潤滑剤が配された構成を採ることは好ましい。この場合も、傾斜摺接面51とエンドプレート傾斜面321とを含んで構成される荷重力方向変換手段8における荷重力方向の変換における摩擦に起因する損失が低減される。更に、摩擦の低減を潤滑剤で行う簡素な構成であるため、コストが低減される。
以上に説明した本発明の実施形態としてのバッテリモジュール1は、単電池セル21,22,23,24を複数積層した組電池2を有するバッテリモジュール1であって、組電池2の積層方向(A)の始端側及び終端側の少なくとも何れか一方の側に設けられたエンドプレート3と、エンドプレート3に対峙する単電池セル24に対して荷重を作用させる荷重付加手段9とを有し、荷重付加手段9は、積層方向(A)と交差する方向の荷重力を発生する荷重力発生手段としてのコイルばね6と、荷重力発生手段としてのコイルばね6が発生した荷重力の向きを積層方向(A)に変換する荷重力方向変換手段8としての傾斜摺接面51及びエンドプレート傾斜面321を備える。
バッテリモジュール1では、荷重力発生手段としてのコイルばね6による積層方向(A)と交差する方向の荷重力を、傾斜摺接面51及びエンドプレート傾斜面321を含む荷重力方向変換手段8により積層方向(A)に変換する。方向が変換された荷重力による荷重を、エンドプレート3を介して、単電池セル21,22,23,24を複数積層した組電池2に印加し加圧する。このため荷重付加手段9で大きな荷重を得て組電池2に十分な荷重を付加する場合にも、構造が簡単で積層方向(A)の寸法が増大せず小型化が容易である。
また、本発明の実施形態としてのバッテリモジュール1では、エンドプレート3は、単電池セル24への対向面31に対する背面32側がエンドプレート傾斜面321であり、荷重力方向変換手段8は、エンドプレート傾斜面321に対向した傾斜摺接面51を有しエンドプレート3の背面32側と所定の固定部材である構造部材4との間に荷重力を受けつつ積層方向(A)と直交する方向に摺動変位可能に介挿されるスライダ5を含む。
バッテリモジュール1では、スライダ5の傾斜摺接面51とエンドプレート3のエンドプレート傾斜面321とを相対変位させるだけの簡素な構成により荷重力方向変換手段8が機能する。このため、組電池2に十分な荷重を付加する場合にも、全体として構成が簡単であり、小型化が容易である。
また、本発明の実施形態としてのバッテリモジュール1では、エンドプレート3は、スライダ5の所定の摺動変位方向と異なる方向への変位を規制する案内部材としてのガイドレール33を有する。
バッテリモジュール1では、スライダ5がエンドプレート3のガイドレール33に案内されて所定の摺動変位方向と異なる方向への変位が規制されるため、動きの途中で正規の方向から逸脱した方向には向かわない。このため、スライダ5は、変位する途中で動きがロックしたり、荷重力の損失が増大したりすることが防止される。
また、本発明の実施形態としてのバッテリモジュール1では、エンドプレート3とスライダ5との少なくとも一方の摺接面に無潤滑摺動材料が配されている。
上述のように無潤滑摺動材料が配されたバッテリモジュール1では、エンドプレート3とスライダ5との摺接部分における荷重力方向の変換に際しての摩擦に起因する損失が低減され、更に、荷重力方向変換手段8に関するメンテナンスの手間が軽減される。
また、本発明の実施形態としてのバッテリモジュール1では、エンドプレート3とスライダ5との接触部に潤滑剤が配されている。
上述のように潤滑剤が配されたバッテリモジュール1では、エンドプレート3とスライダ5との摺接部分における荷重力方向の変換に際しての摩擦に起因する損失が低減され、更に、摩擦の低減を潤滑剤で行う簡素な構成であるため、コストが低減される。
また、本発明の実施形態としてのバッテリモジュール1では、荷重力発生手段としてのコイル6の変位を緩衝する緩衝部材としてのオイルダンパー10が更に設けられている。
上述のようにオイルダンパー10が配されたバッテリモジュール1では、組電池2の各単電池セル21,22,23,24に衝撃的に急峻な膨張が発生しても、コイルばね6の圧縮変位はその変化率が緩和される。このため、組電池に付加する荷重に望ましくない振動的な変化が生じてしまうことが防止される。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、上述した実施形態ではエンドプレート及び荷重付加手段を組電池の積層方向の終端側に設けたが、これに替えて、エンドプレート及び荷重付加手段を始端側に設けても、上述の実施形態と同様の作用効果を奏する。また、エンドプレート及び荷重付加手段を組電池の積層方向の始端側及び終端側の双方に設けてもよい。この場合は、組電池の積層方向の収縮が大きい場合にも容易に応じることができる。
1…バッテリモジュール
2…組電池
3…エンドプレート
5…スライダ
6…コイルばね(荷重力発生手段)
8…荷重力方向変換手段
9…荷重付加手段
10…オイルダンパー(緩衝部材)
21,22,23,24…単電池セル
51…傾斜摺接面
31…対向面
32…背面
33…ガイドレール
61…第1コイルばね
62…第2コイルばね
63…第3コイルばね
64…第4コイルばね
321…エンドプレート傾斜面

Claims (5)

  1. 単電池セルを複数積層した組電池を有するバッテリモジュールであって、
    組電池の積層方向の始端側及び終端側の少なくとも何れか一方の側に設けられたエンドプレートと、
    前記エンドプレートに対峙する単電池セルに対して荷重を作用させる荷重付加手段とを有し、
    前記荷重付加手段は、
    前記積層方向と交差する方向の荷重力を発生する荷重力発生手段と、
    前記荷重力発生手段が発生した荷重力の向きを前記積層方向に変換する荷重力方向変換手段とを備え、
    前記エンドプレートは、前記単電池セルへの対向面に対する背面側が傾斜面であり、前記荷重力方向変換手段は、前記傾斜面に対向した傾斜摺接面を有し前記エンドプレートの前記背面側と所定の固定部材との間に前記荷重力を受けつつ前記積層方向と直交する方向に摺動変位可能に介挿されるスライダを含むことを特徴とするバッテリモジュール。
  2. 前記エンドプレートは、前記スライダの所定の摺動変位方向と異なる方向への変位を規制する案内部材を有することを特徴とする請求項に記載のバッテリモジュール。
  3. 前記エンドプレートと前記スライダとの少なくとも一方の摺接面に無潤滑摺動材料が配されていることを特徴とする請求項又はに記載のバッテリモジュール。
  4. 前記エンドプレートと前記スライダとの接触部に潤滑剤が配されていることを特徴とする請求項又はに記載のバッテリモジュール。
  5. 前記荷重力発生手段の変位を緩衝する緩衝部材が更に設けられていることを特徴とする請求項1からの何れか一項に記載のバッテリモジュール。
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