JP7059882B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本開示は、電池モジュールに関し、より特定的には、複数の電池セルが配置された電池モジュールに関する。

近年では、電気自動車およびハイブリッド自動車などの電気で駆動する車両の需要が高まっている。このような車両は、電池モジュールを搭載する。電池モジュールは、充電可能な複数の電池セルを備える。

一般的に、電池セルは、充電されることにより膨張し、放電されることにより収縮する。特許文献１および特許文献２では、電池セルの膨張および収縮を吸収するためのバネ部材を、隣接する電池セルの間に配置させる技術が開示されている。

特開２００５－１９７１７９号公報 特開２００７－２９４４０７号公報

特許文献１および特許文献２記載の技術では、電池モジュールを搭載している移動体が移動した場合には、該移動に基づく振動により、バネ部材が変形する場合がある。バネ部材が変形すると、複数の電池セルの相対的位置が変化し、その結果、電池セル同士を接続させる接続部品（バスバなど）に対して応力がかかり、該接続部品が破損する虞があった。

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、電池モジュールを搭載する移動体が移動した場合であっても、電池セルに接続されている接続部品が破損する虞を低減できる電池モジュールを提供することである。

本開示に係る電池モジュールは、配列された複数の電池セルと、隣接し合う電池セルの間に配置される弾性体とを備え、弾性体は、第１弾性体と、第１弾性体よりも外側に配置される第２弾性体とを含み、第２弾性体は、第１弾性体よりも弾性率が高い特性を有する。

本開示による電池モジュールによれば、電池モジュールを搭載する移動体が移動した場合であっても、電池セルに接続されている接続部品が破損する虞を低減できる。

本実施形態に従う電池モジュールを示す図である。 本実施形態に従う弾性体を示す図である。 別の実施形態に従う電池モジュールを示す図である。 別の実施形態に従う電池モジュールを示す図である。 別の実施形態の第１弾性体の圧縮量と電池セルに加わる荷重との関係を示す図である。 別の実施形態に従う弾性体を示す図である。 スペーサを示す図である。 別の実施形態に従う電池モジュールを示す図である。 別の実施形態に従う電池モジュールを示す図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。以下に、本実施形態の電池モジュールを説明する。この電池モジュールは、該電池モジュールからの電力に基づいて移動する移動体に搭載される。移動体は、車両、自動車、自動二輪車、および飛行体（ドローンなど）などを含む。

［第１実施形態］
まず、第１実施形態の電池モジュールについて説明する。図１は、本実施形態に従う電池モジュール１００の一部の断面図である。電池モジュール１００は、複数の電池セル２と、弾性体１０と、バスバ８２を含む。図１では、複数の電池セル２のうち２つの電池セル２を示し、他の電池セルについては記載していない。なお、本願の図面（図１など）において、電池セル２の配列方向をＸ軸方向とする。また、Ｘ軸方向と直交する方向をＹ軸方向およびＺ軸方向とする。

電池セル２は、典型的には、二次電池である。二次電池は、例えば、リチウムイオン電池、およびニッケル水素電池などの電池である。

複数の電池セルにおいて、隣接し合う電池セル（図１の２つの電池セル２）の間には、弾性体１０が配置される。

電池セル２は、端子８０を有する。隣接する電池セル２の端子８０のそれぞれには、バスバ８２が接続される。バスバ８２は、隣接する電池セル２を電気的に接続する。

図２は、弾性体１０を示す図である。図２（Ａ）は、Ｚ－Ｘ平面において、弾性体１０を示した図である。図２（Ｂ）は、Ｙ－Ｚ平面において、弾性体１０を示した図である。図２（Ａ）は、図２（Ｂ）のＡ－Ａ線での断面図でもある。図１および図２を参照して弾性体１０を説明する。弾性体１０は、第１弾性体４と、第２弾性体６と、板部材８とを含む。

板部材８は、Ｚ軸方向およびＹ軸方向に延伸する板状の部材である。板部材８は互いに対向する２つの主面８ａを有する。板部材８の２つの主面８ａそれぞれには、第１弾性体４が配置される。本実施形態の第１弾性体４は、金属バネである。第１弾性体４の数は１個としてもよく、複数個としてもよい。

図１および図２（Ａ）の例では、各主面８ａ上に、Ｚ軸方向に沿って、３個の第１弾性体４が配置されている。図２（Ｂ）の例では、各主面８ａ上に、Ｙ軸方向に沿って、３個の第１弾性体４が配置されている。つまり、図１および図２の例では、各主面８ａ上に、９個の第１弾性体４が配置されている。第１弾性体４の数は、電池セル２のＺ軸方向の長さ、およびＹ軸方向の長さに応じて、適宜、変更するようにしてもよい。

第１弾性体４は、押し板部４ａと基部４ｂとを含む。基部４ｂの一端は、板部材８に接続されており、基部４ｂの他端には、押し板部４ａが設けられている。押し板部４ａは、電池セル２に当接する。

次に、第２弾性体６について説明する。第２弾性体６は、第１弾性体４よりも弾性率が高い特性を有する。第２弾性体６は、典型的には、ゴム材、およびダイラタンシー材などのいずれかである。ダイラタンシー材は、高周波である振動に対しては高い弾性率となり、低周波である振動に対しては低い弾性率となる特性を有する。移動体の移動による振動は、一般的に、高周波である振動となる。したがって、ダイラタンシー材は、移動体の移動による振動に対して高い弾性率となる特性を有する。

第２弾性体６は、第１弾性体４よりも外側に配置される。図１および図２に示すように、第２弾性体６は、典型的には、額縁形状に形成される。第１弾性体４は、第２弾性体６がなす額縁の内部に形成される。換言すれば、図１および図２に示すように、Ｚ軸方向、およびＹ軸方向において、第２弾性体６は、第１弾性体４よりも外側に配置される。

電池セル２が充電されたときは、電池セル２は樽形状に膨張する。つまり、図１に示すように、電池セル２が充電されたときは、Ｘ軸方向における電池セル２の中央部２ａの寸法が大きくなる一方、電池セル２の端部２ｂの寸法はあまり大きくならない。電池セル２は放電されたときは、電池セル２は元の形状に戻る。つまり、電池セル２は充電時および放電時において、Ｘ軸方向における電池セル２の中央部２ａの寸法が変化する。

電池セル２の充電時および放電時において、電池セル２のこのような変化が生じた場合において、隣接する電池セル２のそれぞれが直接当接されていると、該隣接する電池セル２の相対的な位置関係が変化してしまう。その結果、電池セル２に接続されている接続部品（バスバ８２など）に応力がかかってしまい、接続部品が破損する場合などがある。

そこで、本実施形態の電池モジュール１００は、隣接する電池セル２の間に第１弾性体４を配置する。第１弾性体４は、電池セル２の中央部２ａに配置される。その結果、第１弾性体４は、電池セル２の中央部２ａの寸法の変化を吸収することができる。したがって、バスバ８２などの電池セル２に接続されている接続部品に応力がかかることを防止でき、結果として、接続部品が破損することを防止できる。

また、電池モジュール１００は移動体に搭載され、移動体の移動により、振動が生じる。この振動により、第１弾性体４は弾性変形する虞がある。第１弾性体４が弾性変形すると、隣接する電池セル２の相対的な位置関係が変化してしまう。その結果、電池セル２に接続されている接続部品（バスバ８２など）に応力がかかってしまい、接続部品が破損する場合などがある。

そこで、本実施形態の電池モジュール１００は、第１弾性体４に加えて、隣接する電池セル２の間に第２弾性体６を配置する。第２弾性体６は、第１弾性体４よりも弾性率が高い。また、第２弾性体６は、第１弾性体４よりも外側に配置される。その結果、第２弾性体６は、移動体の移動に基づく振動を吸収できる。したがって、電池セル２に接続されている接続部品に応力がかかることを防止でき、結果として、接続部品が破損することを防止できる。

なお、第２弾性体６を、第１弾性体４の内部に配置させる構成を採用することも考えられる。しかしながら、この構成を採用した場合には、第２弾性体６は第１弾性体４よりも弾性率が高いことから、電池セル２の中央部２ａの寸法変化の第１弾性体４による吸収を阻害してしまう。本実施形態のように、第２弾性体６を、第１弾性体４の外部に設けることにより、電池セル２の中央部２ａの寸法変化を第１弾性体４に適切に吸収させることができる。

また、第２弾性体６を、弾性を有さない剛体とする構成を採用することも考えられる。しかしながら、この構成を採用した場合には、剛体である第２弾性体６は、移動体の移動に基づく振動を吸収することができない。したがって、電池セル２に接続されている接続部品に応力がかかってしまい、結果として、接続部品が破損し得る。

そこで、本実施形態では、第２弾性体６として、第１弾性体４よりも弾性率が高い特性を有する材料を用いる。これにより、移動体の移動に基づく振動を、第２弾性体６に吸収させることができる。

［第２実施形態］
第１実施形態の電池モジュール１００は、第１弾性体４として、金属バネを用いるとして説明した。しかしながら、第１弾性体４として、金属バネ以外にも空気バネを採用することもできる。空気バネは、典型的には、梱包材などに用いられる気泡緩衝材、およびラミネートフィルムを熱圧着した空気袋などである。

図３は、第１弾性体４２として、気泡緩衝材を用いた例を示した図である。図３（Ａ）は、第２実施形態の電池モジュール１０２をＺ－Ｘ平面において示した図である。図３（Ｂ）は、第２実施形態の弾性体３０をＹ－Ｚ平面において示した図である。

弾性体３０は、気泡緩衝材である第１弾性体４２と、第２弾性体６と、板部材８とを含む。

図３（Ｂ）に示されるように、板部材８の一面には、第２弾性体６が、額縁形状に形成される。複数の第１弾性体４２は、第２弾性体６で構成される額縁の内部に形成される。図３（Ｂ）の例では、１８個の第１弾性体４２が形成される。複数の第１弾性体４２にはそれぞれ、空気が充填されている。図３（Ａ）に示されるように、第１弾性体４２は、電池セル２に対して面接触する。

弾性体３０の製造方法の一例として、複数の第１弾性体４２が形成された板部材８に対して、この板部材８の周縁に、額縁形状の第２弾性体６を接合させる。これにより、弾性体３０を製造することができる。

図４は、第１弾性体４４として、ラミネートフィルムを用いた実施形態を示した図である。図４（Ａ）は、この実施形態の電池モジュール１０３をＺ－Ｘ平面において示した図である。図４（Ｂ）は、この実施形態の弾性体３２をＹ－Ｚ平面において示した図である。

弾性体３２は、第１弾性体４４と、第２弾性体６と、板部材８とを含む。
図４（Ｂ）に示されるように、板部材８の一面には、第２弾性体６が、額縁形状に形成される。第１弾性体４４は、第２弾性体６で構成される額縁の内部に形成される。第１弾性体４４は、ラミネートフィルムの周縁を、板部材８に対して熱圧着し、ラミネートフィルムと板部材の間に空気Ｒを介在させることで構成される。図４（Ａ）に示されるように、第１弾性体４４は、電池セル２に対して面接触する。

また、弾性体３２の製造方法の一例として、第１弾性体４４が形成された板部材８に対して、この板部材８の周縁に、額縁形状の第２弾性体６を接合させる。これにより、弾性体３２を製造することができる。

図５は、弾性体として、弾性体３０または弾性体３２が用いられた場合の第１弾性体（第１弾性体４２、第１弾性体４４）の圧縮量と、隣接する電池セル２それぞれに加わる荷重との関係を示した図である。図５の縦軸は荷重を示し、横軸は圧縮量を示す。図５で示されている圧縮量の値であるＡ、Ｂ、Ｃについては、Ａ＜Ｂ＜Ｃとなる。また、図５で示されている荷重の値であるＡＬ、ＢＬ、ＣＬについては、ＡＬ＜ＢＬ＜ＣＬとなる。

電池セル２が完全に放電した状態、つまり、ＳＯＣ（State Of Charge）が０％である状態であるときには、第１弾性体の圧縮量は、Ａとなり、電池セル２に加わる荷重は、ＡＬとなる。

本実施形態では、電池セル２のＳＯＣが予め定められた値である場合に、本実施形態の弾性体３０または弾性体３２を組み付けることが好ましい。弾性体３０または弾性体３２の組付け時には、第１弾性体の圧縮量は、Ｂとなり、電池セル２に加わる荷重は、ＢＬとなる。

電池セル２が完全に充電した状態、つまり、ＳＯＣが１００％である状態であるときには、第１弾性体の圧縮量は、Ｃとなり、電池セル２に加わる荷重は、ＣＬとなる。圧縮量Ｃは、第１弾性体の圧縮限界量となる。

また、本実施形態の第１弾性体の吸収ストロークは、「Ｃ－Ａ」となる。
図６は、図３に示した第２実施形態の変形例の弾性体３４を示す図である。図６（Ａ）は、Ｚ－Ｘ平面において弾性体３４を示した図である。図６（Ｂ）は、Ｙ－Ｚ平面において、弾性体３４を示した図である。

図３の例では、複数個（図３（Ｂ）の例では１８個）の収容体の全てに空気を充填させることにより、該複数個の第１弾性体４２を構成し、さらに、第２弾性体６を別個に設けるとして説明した。

図６の例では、Ｙ－Ｚ平面において、板部材８に複数（図６の例では２０個）の収容体を設ける。さらに、各収容体において、Ｙ－Ｚ平面の外周部に位置するほど、ゴム材、およびダイラタンシー材のいずれかの封入割合を高めるようにする。

図６（Ｂ）の例では、Ｙ－Ｚ平面の外側に配置される収容体に、ゴム材、およびダイラタンシー材のいずれかが封入されることにより、第２弾性体５４が形成される。この第２弾性体５４が、額縁形状の第２弾性体６（図２（Ｂ）など参照）の役割を果たす。一方、Ｙ－Ｚ平面の内側に配置される収容体に、空気が封入されることにより、第１弾性体５２が形成される。

図６（Ｃ）は、電池セル２の中央部２ａの膨張時の変化量を、第１弾性体５２および第２弾性体５４が吸収する量を示す図である。図６（Ｄ）は、移動体の移動に基づく振動を、第１弾性体５２および第２弾性体５４が吸収する量を示す図である。図６（Ｅ）は、収容体の内部に混合されている空気の割合を示す図である。

図６（Ｃ）に示すように、第１弾性体５２は、電池セル２の中央部２ａの膨張時の変化量を吸収する量は多く、第２弾性体５４は、該変化量を吸収する量は少ない。図６（Ｄ）に示すように、第１弾性体５２は、移動体の移動に基づく振動を吸収する量は少なく、第２弾性体５４は、該変化量を吸収する量は多い。図６（Ｅ）に示すように、第１弾性体５２は、収容体の内部に混合されている空気の割合が大きく、第２弾性体５４は、収容体の内部に混合されている空気の割合が少ない。

このように、本実施形態の弾性体では、第１弾性体を金属バネではなく、空気バネで構成する。これにより、以下のような効果を奏する。
（１） 空気バネは、金属バネと比較して、収縮するストロークが長い（圧縮率が高い）。したがって、電池セル２の中央部２ａが膨張した場合であっても、該膨張を効率的に吸収することができる。よって、電池セル２の中央部２ａが膨張した場合であっても、電池モジュール１００のスタック長（Ｘ軸方向の長さ）が長くなることを低減でき、電池モジュール１００のエネルギー密度が低下してしまうことを低減できる。エネルギー密度とは、典型的には、電池モジュール１００の電力を、電池モジュール１００の体積で除算した値である。「エネルギー密度が低下する」とは、電池モジュール１００が占める体積（サイズ）が大きくなることをいう。つまり、本実施形態の電池モジュール１００では、電池セル２の中央部２ａが膨張した場合であっても、電池モジュール１００が大きくなることを低減できる。
（２） 空気バネは、空気であることから、金属バネと比較して、電池モジュールの重量を軽くできる。
（３） 図３（Ａ）で説明したように、空気バネ（第１弾性体４２）は、電池セル２に対して面接触する。したがって、第１実施形態で説明した押し板部４ａを設ける必要がない。よって、第１実施形態と比較して、電池モジュール１００のスタック長を短くでき、電池モジュール１００のエネルギー密度が低下することを低減できる。
（４） 空気バネ（第１弾性体４２）は、電池セル２に対して面接触する。したがって、第１弾性体４２が電池セル２の接触面において摺動することを防止でき、結果として、電池セル２が摩耗することを防止できる。
（５） 第１弾性体としての気泡緩衝材およびラミネートフィルムなどについては、樹脂フィルムの熱付着などで形成できる。したがって、第１実施形態の第１弾性体と比較して、部品点数も少なくすることができるとともに、低コストにすることができる。
（６） 第１弾性体としての気泡緩衝材およびラミネートフィルムなどは、樹脂製である。したがって、この第１弾性体を隣接する電池セル２の間に配置することにより、この第１弾性体をこの隣接する電池セル２の間での絶縁体として機能させることができる。
（７） 複数の電池セル２は隣接して配置されている。したがって、複数の電池セル２のうちの１つの電池セル２が破損すると、連鎖して他の電池セル２も破損する虞がある。そこで、本実施形態では、収容体に空気を充填させた第１弾性体を電池セル２間に配置させる。これにより、仮に、複数の電池セル２のうちの１つの電池セル２が破損したとしても、第１弾性体を断熱材として機能させることができる。したがって、複数の電池セル２のうちの１つの電池セル２が破損したとしても、連鎖して他の電池セル２が破損することを防止できる。
（８） 第１弾性体４２の、電池セル２と面接触する箇所にゴムを付着するようにしてもよい。このような構成によれば、第１弾性体４２の、電池セル２に対する摩擦力を向上させることができる。したがって、移動体の移動に基づく振動を吸収する機能を第１弾性体４２にも、持たせることができる。

［第３実施形態］
前述のように、複数の電池セル２それぞれは、充電されたときには膨張する。ここで、複数の電池セル２それぞれの膨張時の変化量にばらつきが生じる場合がある。このばらつきが生じた場合には、複数の電池セル２それぞれの相対的位置が変動する。この相対的位置が変動した場合には、電池セル２に接続されている接続部品に応力がかかってしまい、電池セル２に接続されている接続部品（バスバ８２など）が破損する虞がある。

そこで、第３実施形態では、複数の電池セル２それぞれの膨張時の変化量のばらつきが生じた場合であっても、電池セル２に接続されている接続部品が破損することを防止する電池モジュールを説明する。

図７は、本実施形態で用いるスペーサ７０を示す図である。図７（Ａ）は、Ｚ－Ｘ平面において、スペーサ７０を示した図である。図７（Ｂ）は、Ｙ－Ｚ平面において、スペーサ７０を示した図である。

スペーサ７０は、剛体７２と弾性体７４とを含む。剛体７２は、弾性体７４の外周部に設けられる。さらに、弾性体７４のうち内側の箇所が、第１弾性体として機能する。弾性体７４のうち外側の箇所が、第２弾性体として機能する。前述のように、第２弾性体は、第１弾性体よりも弾性力が高い。また、弾性体７４が、第１実施形態および第２実施形態で説明した弾性体１０、弾性体３０、弾性体３２、および弾性体３４に対応する。

特に図示しないが、電池セル２は、電池本体と、該電池本体を収容するセル缶とを含む。図７（Ｂ）に示すように、Ｚ－Ｙ平面におけるスペーサ７０の剛体の幅ｂは、セル缶の厚みと同一または略同一である。

図８は、Ｘ－Ｙ平面における本実施形態の電池モジュール１０４を示した図である。図８の例では、複数の電池セル２それぞれにおいて、隣接する電池セル２の端子８０同士が、バスバ８２により接続される。複数の電池セル２それぞれにおいて、隣接する電池セル２の間には、スペーサ７０が配置される。Ｘ軸方向において、複数の電池セル２を挟むように、１組のエンドプレート８６が配置される。

Ｙ軸方向において、複数の電池セル２を挟むように、１組の拘束バンド８４が取り付けられる。本実施形態では、拘束バンド８４は金属製の剛性の帯状部材である。ここで、１組の拘束バンド８４の接合手法（取付手法）について説明する。

典型的には、拘束バンド８４と、スペーサ７０とが溶着により接合される。図８の例では、拘束バンド８４と、スペーサ７０との間に、樹脂材８３を介在させる。そして、この樹脂材８３を介して、拘束バンド８４と、スペーサ７０とは溶着される。図８では、この溶着の箇所を溶着箇所９０として示す。

溶着の手法については、典型的には、超音波で、拘束バンド８４と、電池セル２とを溶着するようにしてもよい。また、レーザで、拘束バンド８４と、電池セル２とを溶着するようにしてもよい。

図９は、Ｚ－Ｘ平面における第３実施形態の他の実施形態の電池モジュール１０５を示す図である。図９の例では、拘束バンド８４と、スペーサ７０の側面とにそれぞれが連通する穴を設ける。その後、その穴に、ホットメルト材（例えば、はんだ材）を流し込むことにより、拘束バンド８４と、スペーサ７０とが固定される。図９では、この溶着の箇所を溶着箇所９２として示す。

なお、変形例として、図８および図９の例において、電池セル２およびスペーサ７０とのうち少なくとも一方と、拘束バンド８４とを固定するようにしてもよい。つまり、拘束バンド８４と、電池セル２とを溶着により接合するようにしてもよい。また、拘束バンド８４と、電池セル２およびスペーサ７０との双方を溶着により接合するようにしてもよい。

複数の電池セル２それぞれの膨張時の変化量のばらつきにより、複数の電池セル２それぞれの相対的位置が変動する。この相対的位置が変動した場合には、電池セル２に接続されている接続部品に応力がかかってしまい、電池セル２に接続されている接続部品が破損する虞がある。

そこで、本実施形態の電池モジュール１０４および電池モジュール１０５は、複数の電池セルを拘束する拘束体を有する。図８および図９の例では、拘束体は、拘束バンド８４とエンドプレート８６とを含む。さらに、拘束体は、電池セル２およびスペーサ７０とのうち少なくとも一方と固定される。

したがって、複数の電池セル２それぞれの膨張時の変化量のばらつきが生じたとしても、複数の電池セル２それぞれの相対的位置の変動を防止できる。よって、電池セル２に接続されている接続部品の破損を防止できる。

［変形例］
図２などでは、第２弾性体６は額縁形状であるとして説明した。しかしながら、第２弾性体６は、第１弾性体４よりも外側に配置されるのであれば、第２弾性体６は如何なる形状であってもよい。第２弾性体６は、例えば、円周形状としてもよい。この場合には、第１弾性体４は、第２弾性体６がなす円周形状の内部に形成される。

また、第２弾性体の形状は、図２で示した第２弾性体６のうち一部としてもよい。例えば、第２弾性体は、第２弾性体６の縦方向の部分を削除し、縦方向の部分で構成される弾性体としてもよい。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２ 電池セル、２ａ 中央部、２ｂ 端部、４，４２，４４，５２ 第１弾性体、４ａ 板部、４ｂ 基部、６，５４ 第２弾性体、８ 板部材、８ａ 主面、１０，３０，３２，３４，７４ 弾性体、７０ スペーサ、７２ 剛体、８０ 端子、８２ バスバ、８３ 樹脂材、８４ 拘束バンド、８６ エンドプレート、９０，９２ 溶着箇所、１００，１０２，１０３，１０４，１０５ 電池モジュール。

Claims (2)

1. 第１面を有する第１電池セルと、
   第２面を有し、かつ前記第１電池セルと隣接する第２電池セルと、
   前記第１面と前記第２面との間に配置される弾性体とを備え、
   前記弾性体は、
   空気が充填された部材を含む第１弾性体と、
   前記第１面および前記第２面において前記第１弾性体よりも外側に配置される第２弾性体とを含み、
   前記第２弾性体は、前記第１弾性体よりも弾性率が高い特性を有する、電池モジュール。
2. 前記電池モジュールは、前記第１電池セルと前記第２電池セルとを拘束する拘束体をさらに備え、
   前記弾性体は、前記拘束体に固定されている、請求項１に記載の電池モジュール。

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