JP6905141B2 - バッテリパック - Google Patents

Description

本発明は、複数の角形セルを積層したセル積層体をバッテリケースの内部に収納したバッテリパックに関する。

積層した複数のバッテリセルの両端部に更に一対のエンドプレートを積層し、バッテリセルの積層方向に沿って配置した一対のラダーフレームの両端部を一対のエンドプレートにボルトで結合することで、複数のバッテリセルに緊圧力を加えて膨張を抑制しながら一体化してバッテリモジュールを構成するものが、下記特許文献１により公知である。

日本特開２０１２−２５６４６６号公報

ところで、従来の車両用のバッテリパックは、複数のバッテリモジュールをバッテリケースの内部に収納してバッテリセルの積層方向に緊圧した構造であるため、バッテリモジュールの状態での緊圧と、バッテリパックの状態での緊圧とが重複することになり、結果としてバッテリパックの寸法や重量が増加するという問題があった。しかも複数のバッテリモジュールをバッテリケースの内部に収納する際に無駄空間が発生してしまい、バッテリパックの体積当たりのエネルギー密度が低下する可能性があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、バッテリケースの内部で複数の角形セルをコンパクトに緊圧してバッテリパックの体積当たりのエネルギー密度を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、複数の角形セルを積層したセル積層体をバッテリケースの内部に収納したバッテリパックであって、前記セルセル積層体の積層方向一端側に配置されるエンドプレートと、前記エンドプレートの前記セル積層体とは反対側に配置される楔部材と、前記積層方向に直交するボルト締め込み方向に配置されて前記楔部材を前記バッテリケースの底壁に向けて付勢するボルトとを備え、前記楔部材および前記エンドプレートが相互に当接する第１当接面は、前記ボルト締め込み方向に向かって前記ボルト側に傾斜する傾斜面で構成されることを第１の特徴とするバッテリパックが提案される。

また本発明によれば、前記第１の特徴に加えて、前記バッテリケースは金属ダイキャスト製であり、前記ボルトが螺合する雌ねじ部が前記バッテリケースに直接形成されていることを第２の特徴とするバッテリパックが提案される。

また本発明によれば、前記第１または第２の特徴に加えて、前記楔部材の前記エンドプレートとは反対側において、前記楔部材および前記バッテリケースの側壁は第２当接面で相互に当接し、前記第２当接面は前記第１当接面に対して同一角度で逆方向に傾斜することを第３の特徴とするバッテリパックが提案される。

また本発明によれば、前記第３の特徴に加えて、前記バッテリケースの前記積層方向両側の側壁は、前記バッテリケースの他の部分よりも板厚が大きいことを第４の特徴とするバッテリパックが提案される。

また本発明によれば、前記第１または第２の特徴に加えて、前記楔部材は前記積層方向両側にそれぞれ前記第１当接面を備えるとともに、一対の前記セルセル積層体および一対の前記エンドプレートが前記楔部材の前記積層方向両側に対称に配置されることを第５の特徴とするバッテリパックが提案される。

また本発明によれば、複数の角形セルを積層したセル積層体をバッテリケースの内部に収納したバッテリパックであって、前記セル積層体の積層方向一端部と前記バッテリケースの側壁との間に配置される楔部材と、前記積層方向に直交するボルト締め込み方向に配置されて前記楔部材を前記バッテリケースの底壁に向けて付勢するボルトと、前記ボルトの頭部と前記楔部材との間に挟まれ、前記楔部材に対して前記積層方向に摺動可能な押圧部材とを備え、前記楔部材および前記側壁が相互に当接する当接面は、前記ボルト締め込み方向に向かって前記ボルト側に傾斜する傾斜面で構成されることを第６の特徴とするバッテリパックが提案される。

また本発明によれば、前記第６の特徴に加えて、前記押圧部材と前記楔部材との間にベアリングが配置されることを第７の特徴とするバッテリパックが提案される。

なお、実施の形態の第１側壁１２ａおよび第２側壁１２ｂは本発明の側壁に対応する。

本発明の第１の特徴によれば、複数の角形セルを積層したセル積層体をバッテリケースの内部に収納したバッテリパックは、セル積層体の積層方向一端側に配置されるエンドプレートと、エンドプレートのセル積層体とは反対側に配置される楔部材と、積層方向に直交するボルト締め込み方向に配置されて楔部材をバッテリケースの底壁に向けて付勢するボルトとを備え、楔部材およびエンドプレートが相互に当接する第１当接面は、ボルト締め込み方向に向かってボルト側に傾斜する傾斜面で構成されるので、ボルトを締め込んで楔部材をバッテリケースの底壁側に移動させると、傾斜面よりなる第１当接面によってエンドプレートが積層方向に移動し、セル積層体をバッテリケースの内部で積層方向に緊圧して角形セルの膨張を抑制することができる。ボルトの軸力は傾斜した第１当接面の楔効果により拡大されてセル積層体の緊圧力となるので、簡単な構造でセル積層体を強く緊圧して角形セルの膨張を抑制することができる。

そして複数個のセル積層体を緊圧して構成したバッテリモジュールを更に複数個緊圧してバッテリパックを構成する必要がなくなり、複数個のセル積層体を一度緊圧するだけでバッテリパックを構成することができるので、バッテリパックを小型軽量化しながら体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。

また本発明の第２の特徴によれば、バッテリケースは金属ダイキャスト製であり、ボルトが螺合する雌ねじ部がバッテリケースに直接形成されているので、バッテリケースをダイキャストする際に雌ねじ部を容易に成形することができる。

また本発明の第３の特徴によれば、楔部材のエンドプレートとは反対側において、楔部材およびバッテリケースの側壁は第２当接面で相互に当接し、第２当接面は第１当接面に対して同一角度で逆方向に傾斜するので、楔部材がセル積層体から受ける反力を、楔部材がバッテリケースの側壁から受ける反力で相殺し、楔部材の倒れを防止することができる。

また本発明の第４の特徴によれば、バッテリケースの積層方向両側の側壁は、バッテリケースの他の部分よりも板厚が大きいので、セル積層体の緊圧力が作用するバッテリケースの側壁に充分な強度を与えることができる。

また本発明の第５の特徴によれば、楔部材は積層方向両側にそれぞれ第１当接面を備えるとともに、一対のセル積層体および一対のエンドプレートが楔部材の積層方向両側に対称に配置されるので、一つの楔部材で一対のセル積層体を同時に緊圧することができる。

また本発明の第６の特徴によれば、複数の角形セルを積層したセル積層体をバッテリケースの内部に収納したバッテリパックは、セル積層体の積層方向一端部とバッテリケースの側壁との間に配置される楔部材と、積層方向に直交するボルト締め込み方向に配置されて楔部材をバッテリケースの底壁に向けて付勢するボルトと、ボルトの頭部と楔部材との間に挟まれ、楔部材に対して積層方向に摺動可能な押圧部材とを備え、楔部材および側壁が相互に当接する当接面は、ボルト締め込み方向に向かってボルト側に傾斜する傾斜面で構成されるので、ボルトを締め込んで楔部材をバッテリケースの底壁側に移動させると、傾斜面よりなる当接面によって楔部材が積層方向に移動し、セル積層体をバッテリケースの内部で積層方向に緊圧して角形セルの膨張を抑制することができる。このとき、押圧部材は楔部材に対して積層方向に摺動可能であるため、楔部材の積層方向への移動が阻害されることはない。ボルトの軸力は傾斜した当接面の楔効果により拡大されてセル積層体の緊圧力となるので、簡単な構造でセル積層体を強く緊圧することができる。

そして複数個のセル積層体を緊圧して構成したバッテリモジュールを更に複数個緊圧してバッテリパックを構成する必要がなくなり、複数個のセル積層体を一度緊圧するだけでバッテリパックを構成することができるので、バッテリパックを小型軽量化しながら体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。

また本発明の第７の特徴によれば、押圧部材と楔部材との間にベアリングが配置されるので、ボルトの軸力で押圧部材が楔部材に押し付けられたとき、押圧部材に対して楔部材を積層方向にスムーズに摺動させることで、角形セルに充分な緊圧力を作用させるとともに、押圧部材が楔部材から受ける摩擦力でボルトがバッテリケースに対して傾くのを確実に防止することができる。

図１はバッテリパックの縦断面および水平断面を示す図である。（第１の実施の形態） 図２はバッテリパックの水平断面を示す図である。（第２、第３の実施の形態） 図３はバッテリパックの縦断面および横断面を示す図である。（第４の実施の形態） 図４はバッテリパックの縦断面を示す図である。（第５の実施の形態）

１２ バッテリケース
１２ａ 第１側壁（側壁）
１２ｂ 第２側壁（側壁）
１２ｃ 底壁
１２ｄ 雌ねじ部
１２ｅ 第２当接面
１２ｈ 当接面
１４ 角形セル
１５ セル積層体
１８ ボルト
１８ａ 頭部
１９ 楔部材
１９ｂ 第１当接面
１９ｃ 第２当接面
１９ｆ 当接面
２０ エンドプレート
２０ａ 第１当接面
２１ ベアリング
２２ 押圧部材

[第１の実施の形態]
以下、図１に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。

バッテリパック１１は、上面が開放した容器状のバッテリケース１２と、バッテリケース１２の上面開口部を閉塞するバッテリカバー１３とを、それらのフランジ部で結合して構成され、バッテリケース１２の内部には直方体形状を有する複数の角形セル１４…が積層方向に沿って積層された状態で収納される。積層された複数の角形セル１４…はセル積層体１５を構成し、本実施の形態では２個のセル積層体１５，１５がバッテリケース１２の内部に並列に収納される。各々のセル積層体１５は、従来のバッテリモジュールと異なり、自由状態では複数の角形セル１４…を単に積層状態で並べたものであり、積層方向に緊圧されていない。

アルミニウム製のバッテリケース１２をダイキャストにより製造するとき、そのバッテリケース１２の相互に対向する第１側壁１２ａおよび第２側壁１２ｂは、抜き勾配により底壁１２ｃに直交する方向に対して角度θで傾斜している。バッテリケース１２の第１側壁１２ａには楔形状のスペーサ１６が固定されており、バッテリケース１２の内側を向くスペーサ１６のセル積層体支持面１６ａは積層方向に対して直交する。バッテリケース１２に収納されたセル積層体１５，１５は、その積層方向一端部がスペーサ１６のセル積層体支持面１６ａに対向しており、その積層方向他端部とバッテリケース１２の第２側壁１２ｂとの間に、セル緊圧手段１７が配置される。

セル緊圧手段１７は、バッテリケース１２の底壁１２ｃに形成された２個の雌ねじ部１２ｄ，１２ｄと、雌ねじ部１２ｄ，１２ｄに螺合する２本のボルト１８，１８と、ボルト１８，１８が貫通する２個のボルト孔１９ａ，１９ａが形成された楔部材１９と、セル積層体１５，１５の他端部と楔部材１９の一方の端面との間に配置されたエンドプレート２０とを備える。

ボルト１８，１８が貫通する楔部材１９のボルト孔１９ａ，１９ａは、積層方向に長い長孔で構成される。また楔部材１９は、バッテリケース１２の底壁１２ｃ側に向けて先細にテーパーする第１当接面１９ｂおよび第２当接面１９ｃを備えており、第１当接面１９ｂはエンドプレート２０に形成した第１当接面２０ａに当接し、第２当接面１９ｃはバッテリケース１２の第２側壁１２ｂの内面である第２当接面１２ｅに当接する。エンドプレート２０の第１当接面２０ａとは反対側に、セル積層体１５，１５の他端面に当接するセル積層体支持面２０ｂが形成される。

相互に当接する楔部材１９の第１当接面１９ｂおよびエンドプレート２０の第１当接面２０ａのボルト締め込み方向に対する傾斜角はθであり、相互に当接する楔部材１９の第２当接面１９ｃおよびバッテリケース１２の第２側壁１２ｂの第２当接面１２ｅのボルト締め込み方向に対する傾斜角もθである。つまり、第１当接面１９ｂ，２０ａと第２当接面１９ｃ，１２ｅとは、同一角度θで逆方向に傾斜している。またバッテリケース１２の第１側壁１２ａおよび第２側壁１２ｂは、バッテリケース１２の他の壁部である底壁１２ｃ、第３側壁１２ｆおよび第４側壁１２ｇよりも板厚が大きくなっている。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

セル積層体１５，１５をバッテリケース１２に組み付けるには、まずセル積層体１５，１５を、その一端部がスペーサ１６のセル積層体支持面１６ａに当接するようにバッテリケース１２の内部に配置した状態で、セル積層体１５，１５の他端部にエンドプレート２０のセル積層体支持面２０ｂを当接させる。続いて、楔部材１９をエンドプレート２０およびバッテリケース１２の第２側壁１２ｂ間に挿入し、楔部材１９のボルト孔１９ａ，１９ａを貫通するボルト１８，１８をバッテリケース１２の雌ねじ部１２ｄ，１２ｄに螺合すると、ボルト１８，１８の頭部１８ａ，１８ａに押圧された楔部材１９がバッテリケース１２の底壁１２ｃ側に移動し、楔部材１９の第１当接面１９ｂがエンドプレート２０の第１当接面２０ａに当接するとともに、楔部材１９の第２当接面１９ｃがバッテリケース１２の第２側壁１２ｂの第２当接面１２ｅに当接する。

この状態からボルト１８，１８を更に締め込むと、楔部材１９の第１当接面１９ｂに第１当接面２０ａを押圧されたエンドプレート２０が積層方向一方側に移動し、スペーサ１６との間にセル積層体１５，１５を緊圧することで、角形セル１４…の膨張を抑制する。楔部材１９の第１当接面１９ｂがエンドプレート２０の第１当接面２０ａを図中左向きに押圧すると、楔部材１９はエンドプレート２０から図中右向きの反力荷重を受けるが、楔部材１９の第２当接面１２ｅがバッテリケース１２の第２側壁１２ｂの第２当接面１２ｅを図中右向きに押圧し、楔部材１９がバッテリケース１２の第２側壁１２ｂから図中左向きの反力荷重を受けるため、両反力荷重が相殺して楔部材１９の傾きが防止される。

また楔部材１９からの荷重が作用するバッテリケース１２の積層方向両側の第１側壁１２ａおよび第２側壁１２ｂは、バッテリケース１２の他の底壁１２ｃ、第３側壁１２ｆおよび第４側壁１２ｇよりも板厚が大きいので、楔部材１９からの荷重が作用する第１側壁１２ａおよび第２側壁１２ｂに充分な強度を与えることができる。

またバッテリケース１２は、ボルト１８，１８が螺合する雌ねじ部１２ｄ，１２ｄが金属ダイキャスト製のバッテリケース１２に直接形成されているので、バッテリケース１２をダイキャストする際に雌ねじ部１２ｄ，１２ｄを容易に成形することができる。さらに楔部材１９のボルト孔１９ａ，１９ａは積層方向に長い長孔で構成されるため、楔部材１９が積層方向に移動したとしても、ボルト１８，１８の傾きを防止することができる。

そして従来のバッテリパックは、複数個の角形セルを緊圧してバッテリモジュールを構成し、そのバッテリモジュールを更に複数個緊圧して構成していたが、本実施の形態のバッテリパック１１は、複数個の角形セル１４…をセル緊圧手段１７で一度緊圧するだけで構成されるので、バッテリパック１１を小型軽量化しながら体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。

[第２、第３の実施の形態]
次に、図２に基づいて本発明の第２、第３の実施の形態を説明する。

第１の実施の形態の楔部材１９はボルト１８，１８が貫通するボルト孔１９ａ，１９ａを備えているが、図２（Ａ）に示す第２の実施の形態の楔部材１９は、その長手方向両側面に開放する長溝状のボルト溝１９ｄ，１９ｄを備えており、これらのボルト溝１９ｄ，１９ｄにボルト１８，１８が側方から嵌合する。また図２（Ｂ）に示す第３の実施の形態の楔部材１９は、その第１当接面１９ｂに開放する長溝状のボルト溝１９ｄ，１９ｄを備えており、これらのボルト溝１９ｄ，１９ｄに積層方向からボルト１８，１８が嵌合する。

これらの実施の形態によれば、ボルト１８，１８をボルト孔１９ａ，１９ａに挿通することなく、ボルト溝１９ｄ，１９ｄに側方あるいは積層方向から嵌合するだけで良いため、ボルト１８，１８による楔部材１９の組み付け作業が容易になる。

[第４の実施の形態]
次に、図３に基づいて本発明の第４の実施の形態を説明する。

第４の実施の形態のバッテリパック１１は、バッテリケース１２の積層方向中央部にセル緊圧手段１７を配置し、その積層方向両側にそれぞれ２個のエンドプレート２０，２０と、２個のセル積層体１５，１５とを配置したものである。セル緊圧手段１７の楔部材１９、ボルト１８，１８および雌ねじ部１２ｄ，１２ｄは第１の実施の形態と同じであるが、楔部材１９の積層方向両側にそれぞれエンドプレート２０，２０が配置される点で第１の実施の形態と異なっている。

楔部材１９は積層方向両側に第１当接面１９ｂ，１９ｂを備えるとともに、各々のエンドプレート２０は、楔部材１９の第１当接面１９ｂに当接する第１当接面２０ａと、セル積層体１５…の端部に当接するセル積層体支持面２０ｂとを備える。またバッテリケース１２の第１側壁１２ａおよび第２側壁１２ｂは傾斜せずに底壁１２ｃから垂直に起立しており、したがって第１の実施の形態のスペーサ１６，１６は廃止される。

本実施の形態によれば、ボルト１８，１８を回転させて楔部材１９をボルト締め込み方向に移動させると、楔部材１９の第１当接面１９ｂ，１９ｂに第１当接面２０ａ，２０ａを押圧された一対のエンドプレート２０，２０が積層方向両側に移動することで、各２個のセル積層体１５，１５がバッテリケース１２の第１側壁１２ａと第２側壁１２ｂとの間に緊圧され、角形セル１４…の膨張が抑制される。このとき、各２個のセル積層体１５，１５がバッテリケース１２の第１側壁１２ａおよび第２側壁１２ｂから受ける相互に逆向きの反力が楔部材１９において相殺されるので、楔部材１９の傾きを防止することができる。

[第５の実施の形態]
次に、図４に基づいて本発明の第５の実施の形態を説明する。

第５の実施の形態の楔部材１９は、セル積層体１５，１５の端部とバッテリケース１２の第２側壁１２ｂとの間に配置される楔部材１９を備える。楔部材１９は、ボルト締め込み方向に対して平行なセル積層体支持面１９ｅと、ボルト締め込み方向に対して角度θで傾斜する当接面１９ｆとを備えており、セル積層体支持面１９ｅはセル積層体１５，１５の端部に当接し、当接面１９ｆはバッテリケース１２の第２側壁１２ｂの当接面１２ｈに当接する。

楔部材１９の上面にはシート状のベアリング２１を挟んで押圧部材２２が重ね合わされ、ボルト１８，１８は押圧部材２２のボルト孔２２ａ，２２ａと、ベアリング２１のボルト孔２１ａ，２１ａと、楔部材１９のボルト孔１９ａ，１９ａとを貫通してバッテリケース１２の雌ねじ部１２ｄ，１２ｄに螺合する。楔部材１９のボルト孔１９ａ，１９ａは、第１の実施の形態と同様に積層方向に長い長孔であるが、押圧部材２２のボルト孔２２ａ，２２ａおよびベアリング２１のボルト孔２１ａ，２１ａは、ボルト１８，１８が隙間なく貫通する丸孔である。

本実施の形態によれば、ボルト１８，１８を雌ねじ部１２ｄ，１２ｄに螺合することで、押圧部材２２、ベアリング２１および楔部材１９をボルト締め込み方向に移動させると、楔部材１９の傾斜した当接面１９ｆと、バッテリケース１２の第２側壁１２ｂの傾斜した当接面１２ｈとが当接することで、楔部材１９が長孔状のボルト孔１９ａ，１９ａの範囲で図中左側に位動し、バッテリケース１２の第１側壁１２ａに設けたスペーサ１６との間にセル積層体１５，１５を緊圧することで、角形セル１４…の膨張が抑制される。

当接面１９ｆ，１２ｈどうしの当接によって楔部材１９が図中左側に移動すると、ボルト１８，１８に移動不能に拘束された押圧部材２２に対して楔部材１９が相対変位するが、楔部材１９および押圧部材２２間にベアリング２１が挟まれているため、楔部材１９の積層方向の移動が摩擦力によって妨げられることがない。

さらに楔部材１９のセル積層体支持面１９ｅがセル積層体１５，１５から受ける図中右向きの反力が、楔部材１９の当接面１９ｆがバッテリケース１２の第２側壁１２ｂの当接面１２ｈから受ける図中左向きの反力で相殺されるので、楔部材１９の傾きが防止される。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態ではバッテリケース１２の内部にセル積層体１５を２列に配置しているが、それを１列あるいは３列以上に配置しても良い。

また実施の形態では押圧部材２２および楔部材１９間にベアリング２１を配置しているが、ベアリング２１を配置する代りにグリスのような潤滑材を塗布しても良い。

Claims (7)

1. 複数の角形セル（１４）を積層したセル積層体（１５）をバッテリケース（１２）の内部に収納したバッテリパックであって、
   前記セル積層体（１５）の積層方向一端側に配置されるエンドプレート（２０）と、前記エンドプレート（２０）の前記セル積層体（１５）とは反対側に配置される楔部材（１９）と、前記積層方向に直交するボルト締め込み方向に配置されて前記楔部材（１９）を前記バッテリケース（１２）の底壁（１２ｃ）に向けて付勢するボルト（１８）とを備え、前記楔部材（１９）および前記エンドプレート（２０）が相互に当接する第１当接面（１９ｂ，２０ａ）は、前記ボルト締め込み方向に向かって前記ボルト（１８）側に傾斜する傾斜面で構成されることを特徴とするバッテリパック。
2. 前記バッテリケース（１２）は金属ダイキャスト製であり、前記ボルト（１８）が螺合する雌ねじ部（１２ｄ）が前記バッテリケース（１２）に直接形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリパック。
3. 前記楔部材（１９）の前記エンドプレート（２０）とは反対側において、前記楔部材（１９）および前記バッテリケース（１２）の側壁（１２ｂ）は第２当接面（１９ｃ，１２ｅ）で相互に当接し、前記第２当接面（１９ｃ，１２ｅ）は前記第１当接面（１９ｂ，２０ａ）に対して同一角度で逆方向に傾斜することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のバッテリパック。
4. 前記バッテリケース（１２）の前記積層方向両側の側壁（１２ａ，１２ｂ）は、前記バッテリケース（１２）の他の部分よりも板厚が大きいことを特徴とする、請求項３に記載のバッテリパック。
5. 前記楔部材（１９）は前記積層方向両側にそれぞれ前記第１当接面（１９ｂ）を備えるとともに、一対の前記セル積層体（１５）および一対の前記エンドプレート（２０）が前記楔部材（１９）の前記積層方向両側に対称に配置されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のバッテリパック。
6. 複数の角形セル（１４）を積層したセル積層体（１５）をバッテリケース（１２）の内部に収納したバッテリパックであって、
   前記セル積層体（１５）の積層方向一端部と前記バッテリケース（１２）の側壁（１２ｂ）との間に配置される楔部材（１９）と、前記積層方向に直交するボルト締め込み方向に配置されて前記楔部材（１９）を前記バッテリケース（１２）の底壁（１２ｃ）に向けて付勢するボルト（１８）と、前記ボルト（１８）の頭部（１８ａ）と前記楔部材（１９）との間に挟まれ、前記楔部材（１９）に対して前記積層方向に摺動可能な押圧部材（２２）とを備え、前記楔部材（１９）および前記側壁（１２ｂ）が相互に当接する当接面（１９ｆ，１２ｈ）は、前記ボルト締め込み方向に向かって前記ボルト（１８）側に傾斜する傾斜面で構成されることを特徴とするバッテリパック。
7. 前記押圧部材（２２）と前記楔部材（１９）との間にベアリング（２１）が配置されることを特徴とする、請求項６に記載のバッテリパック。

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