JP7111571B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池セルを組み合わせた電池モジュールに関する。

従来、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両をはじめ、種々の機器の電源として、複数の電池セルを組み合わせてなる電池モジュールが広く使用されている。

一般的な電池モジュールとして、円筒形電池セルをモジュール化したものが良く知られている。かかる電池モジュールでは、ホルダの挿込孔に円筒形電池セルを挿し込み固定することで、複数の円筒形電池セルを一体に保持している（例えば、特許文献１参照）。

特表２０１６－５０７８７２号公報

しかしながら、電池セルは円筒形のものだけでなく、ラミネート型や角型のものなども存在するため、近年では、これらを用途に応じて使いわけ、種々の形態に対応できるモジュール構造が求められている。

本発明は、上記事情等に鑑みてなされたものであり、汎用性の向上等を図ることのできる電池モジュールを提供することを主たる目的の一つとしている。

以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する手段に特有の作用効果を付記する。

手段１．電池セルを収容した複数の電池収容体と、
筒状の周壁部と、該周壁部の軸方向一端側及び他端側にそれぞれ配設された一対の対向壁部とを有した収容ケースとを備え、
前記収容ケース内において、その中心軸周りに前記複数の電池収容体が環状に配列されてなる電池モジュールであって、
前記周壁部の軸方向一端側及び他端側のうち少なくとも一方側において、前記対向壁部に複数の挿込孔を形成すると共に、該対向壁部に面する前記電池収容体の壁面において、前記複数の挿込孔の少なくとも１つに対応して設けられかつ該挿込孔に対し挿し込まれる位置決め突部を備えたことを特徴とする電池モジュール。

上記手段１によれば、収容ケースや電池収容体など容器の形状を変更することなく、容器の共通化を図りつつも、そこに収容される電池セルの種類や数などを代えることで、種々の形態に対応することができる。結果として、汎用性の向上やコストの削減等を図ることができる。

尚、上記「電池セル」には、例えば円筒形電池セル、角型電池セル、ラミネート型（パウチ型）電池セルなど、電池要素が所定の外装体に収容されてなる電池セルは勿論のこと、外装体に収容されず、上記「電池収容体」に直接収容される電池要素のみからなる電池セルも含まれる。

また、「電池要素」には、正極板と負極板とがセパレータを介して巻回された巻回型電池や、正極板と負極板とがセパレータを介して交互に積層された積層型電池のみならず、全固体電池なども含まれる。

手段２．前記挿込孔は、所定の規格（国際規格や日本工業規格など）に準拠して形成された所定の電池セル（例えば円筒形電池セル）を挿し込み保持可能に構成されていることを特徴とする手段１に記載の電池モジュール。

上記手段２によれば、電池収容体に代えて、上記「所定の電池セル」を収容することが可能となり、さらなる汎用性の向上を図ることができる。

手段３．前記複数の電池収容体は、互いに隣接する電池収容体同士が当接するように前記収容ケース内に収容されていることを特徴とする手段１又は２に記載の電池モジュール。

上記手段３によれば、互いに隣接する電池収容体同士が支持し合うことで、位置決め突部の数が比較的少ない場合にも位置ズレ等を起こしにくく、収容安定性の向上等を図ることができる。

手段４．前記収容ケースは、その中心軸に沿って軸方向に貫通した貫通孔を備えていることを特徴とする手段１乃至３のいずれかに記載の電池モジュール。

上記手段４によれば、貫通孔を冷却用の通気路として使用することができ、電池冷却効率の向上を図ることができる。また、接続端子を貫通孔内に設けることができる。これにより、接続端子が外部に露出せず、安全性の向上を図ることができる。尚、これらの作用効果は、大電流で充放電を行う仕様の電池モジュールにおいて、より奏功することとなる。

手段５．前記電池収容体は、前記収容ケースの周壁部に当接するよう構成されていることを特徴とする手段１乃至４のいずれかに記載の電池モジュール。

上記手段５によれば、充電時等における電池収容体の膨張を抑制することができ、容器強度の向上を図ることができる。

手段６．前記収容ケースの周壁部は多角筒状（例えば六角筒状）に形成されていることを特徴とする手段１乃至５のいずれかに記載の電池モジュール。

上記手段６によれば、電池収容体や周壁部にかかる応力を分散させることができ、容器強度の向上を図ることができる。

手段７．前記収容ケースの軸方向と直交する平面に対して、前記電池収容体の前記軸方向一端側の壁面に形成された位置決め突部と、前記電池収容体の前記軸方向他端側の壁面に形成された位置決め突部とを前記軸方向に沿って投影した場合に、両者の位置が異なるようにしたことを特徴とする手段１乃至６のいずれかに記載の電池モジュール。

上記手段７によれば、位置決め突部の数が比較的少ない場合にも位置ズレ等を起こしにくく、収容安定性の向上等を図ることができる。

手段８．前記位置決め突部において、前記電池収容体の内外を通気可能に連通させる通気孔を形成したことを特徴とする手段１乃至７のいずれかに記載の電池モジュール。

上記手段８によれば、電池冷却効率の向上を図ることができる。

電池モジュールを示す分解斜視図である。 蓋体を取り外した状態の電池モジュールを示す斜視図である。 収容ケース内の収容空間の区画を説明するための模式図である。 電池ブロックを示す斜視図である。 内壁部側から視た電池ブロックの正面図である。 円筒形電池セルを収容した状態のケース本体を示す斜視図である。 別の実施形態に係る電池ブロックを模式的に示す断面図である。 別の実施形態に係る位置決め突部を示す部分拡大断面図である。 別の実施形態に係る位置決め突部を示す部分拡大断面図である。 別の実施形態に係る電池ブロックを示す斜視図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明に係る電池モジュールの用途は特に限定されず、種々の機器の電源として用いることができる。例えば、電気自動車等の車両に搭載される電池パックに利用することができる。

図１，２に示すように、本実施形態に係る電池モジュール１は、その外殻を構成する六角柱状の収容ケース２と、該収容ケース２内に収容される６個の台形柱状の電池ブロック３とを備えている。電池ブロック３が本実施形態における電池収容体を構成する。

収容ケース２は、上面が開口した有底六角筒状をなすケース本体２Ａと、該ケース本体２Ａの上開口部に嵌め込まれる六角形状の蓋体２Ｂとからなり、その内部に上記６個の電池ブロック３を収容する収容空間Ｓ１が形成されている。

ケース本体２Ａは、収容ケース２の中心軸Ｃ１に沿って上下方向に延在しかつ貫通する円筒状の内筒部５と、該内筒部５の周囲を囲むように配設された６つの平板状の側壁部６ａ～６ｆからなる六角筒状の周壁部６と、内筒部５の下端縁部及び周壁部６の下端縁部を連結するように形成された底壁部７とを有している。

一方、蓋体２Ｂには、その中心において、ケース本体２Ａへの組付時において内筒部５が嵌め込まれる軸孔９が形成されている。これにより、ケース本体２Ａ及び蓋体２Ｂの組付後となる収容ケース２において、その上下両外表面に開口する貫通孔５ａを備えた構成となる。

また、蓋体２Ｂには、その周縁部３箇所において、所定のネジ孔（符号略）を有する固定片１１が径方向外側へ突出形成されている。これに対応して、ケース本体２Ａには、その上開口部周縁の３箇所（側壁部６ａ，６ｃ，６ｅ）において、所定のネジ孔（符号略）を有する受部１２が径方向外側へ突出形成されている。

かかる構成の下、ケース本体２Ａに対し蓋体２Ｂを組付ける際には、ケース本体２Ａの各受部１２に対し、これに対応する蓋体２Ｂの各固定片１１を嵌め込み、両者を図示しないボルト等により締結する。

さらに、ケース本体２Ａの底壁部７には、内筒部５の周囲において、中心軸Ｃ１を中心に同心六角環状に配列された多数の円形状の挿込孔１３が形成されている。これら各挿込孔１３に１対１で対応するように、蓋体２Ｂには、底壁部７と同様、軸孔９の周囲において、中心軸Ｃ１を中心に同心六角環状に配列された多数の円形状の挿込孔１４が形成されている。従って、底壁部７及び蓋体２Ｂによって、本実施形態における一対の対向壁部が構成されることとなる。

本実施形態に係る底壁部７及び蓋体２Ｂには、それぞれ最内周側（内筒部５側、軸孔９側）に１２個の挿込孔１３，１４が環状配列され、その外側に１８個の挿込孔１３，１４が環状配列され、さらにその外側に２４個の挿込孔１３，１４が環状配列され、最外周側に３０個の挿込孔１３，１４が環状配列され、全体として計８４個の挿込孔１３，１４が形成されている。

図３に示すように、収容ケース２内の収容空間Ｓ１は、中心軸Ｃ１と周壁部６の各頂点（隣接する２つの側壁部６ａ～６ｆの連接部）とを結ぶように、該中心軸Ｃ１から放射状に延びる６本の仮想区画線Ｄにより、中心軸Ｃ１周りに６０°の等間隔で６つの収容エリアＥ１～Ｅ６に区画されている。図３は、収容ケース２内の収容空間Ｓ１の区画を説明するための模式図である。

かかる収容エリアＥ１～Ｅ６内に上記各電池ブロック３が１つずつ収容される。つまり、収容ケース２内の収容空間Ｓ１において、６個の電池ブロック３が中心軸Ｃ１周りに環状に配列されることとなる。

図２～図５に示すように、電池ブロック３は、その外殻を構成するケース部分が、各収容エリアＥ１～Ｅ６への収容時において内筒部５に当接する内壁部３ａと、周壁部６（側壁部６ａ～６ｆ）に当接する外壁部３ｂと、底壁部７に当接する下壁部３ｃと、蓋体２Ｂに当接する上壁部３ｄと、仮想区画線Ｄに沿って配設される一対の側壁部３ｅ，３ｆとにより構成され、その内部に収容空間Ｓ２が形成されている。尚、各仮想区画線Ｄを挟んで隣り合う２つの電池ブロック３は、互いの側壁部３ｅ，３ｆ同士が面当接した状態で収容されている。

電池ブロック３内の収容空間Ｓ２には、複数の電池セルが直列又は並列接続されてなる組電池Ｇが収容されている。本実施形態において、組電池Ｇを構成する各電池セルは、繰り返し充放電が可能なニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池である。また、本実施形態では、電池セルとして、正極板と負極板とがセパレータを介して交互に積層された電極積層体と電解液とがラミネートフィルム等の外装体により密封されてなるラミネート型（パウチ型）のものを用いている。

各電池ブロック３には、それぞれ正極端子及び負極端子が設けられている（図示略）。そして、収容ケース２内に収容される６個の電池ブロック３は、バスバーや電源ケーブルなど図示しない電気的接続手段によって直列接続されて、電池モジュール１の貫通孔５ａ内に設けられた外部接続用の電極端子に接続されている。勿論、電池ブロック３の電気的接続構成は、これに限定されるものではなく、他の電気的接続構成を採用してもよい。

また、各電池ブロック３には、下壁部３ｃにおいて、ケース本体２Ａの底壁部７に形成された複数の挿込孔１３のうちの所定の挿込孔１３に挿し込まれる円柱状の位置決め突部１７が１つ突出形成され、上壁部３ｄにおいて、蓋体２Ｂに形成された複数の挿込孔１４のうちの所定の挿込孔１４に挿し込まれる円柱状の位置決め突部１８が１つ突出形成されている。

尚、本実施形態では、収容ケース２の軸方向と直交する平面に対して、電池ブロック３の下壁部３ｃに形成された位置決め突部１７と、電池ブロック３の上壁部３ｄに形成された位置決め突部１８とを前記軸方向に沿って投影した場合に、両者の位置が異なるように構成されている。

以上詳述したように、本実施形態によれば、収容ケース２や電池ブロック３など容器の形状を変更することなく、容器の共通化を図りつつも、そこに収容される電池セルの種類や数などを代えることで、種々の形態に対応することができる。結果として、汎用性の向上やコストの削減等を図ることができる。

また、収容ケース２内において中心軸Ｃ１周りに環状に配列される６個の電池ブロック３は、互いに隣接する電池ブロック３同士が当接し支持し合うように収容されると共に、位置決め突部１７，１８の位置が上下面において異なるように構成されている。結果として、本実施形態のように、位置決め突部１７，１８の数がそれぞれ１つと比較的少ない場合にも位置ズレ等を起こしにくく、収容安定性の向上等を図ることができる。

さらに、電池モジュール１には、その中心軸Ｃ１に沿って軸方向に貫通しかつ上下両外表面に開口する貫通孔５ａが設けられると共に、該貫通孔５ａ内に外部接続用の電極端子が設けられた構成となっている。これにより、電極端子が外部に露出せず、安全性の向上を図ることができる。また、貫通孔５ａに冷却風を通すことにより電池冷却効率の向上を図ることも可能となる。

加えて、本実施形態では、収容ケース２の底壁部７及び蓋体２Ｂにそれぞれ対応して上下一対に設けられた上記挿込孔１３，１４が、所定の規格に準拠して製造された円筒形電池セルＨ（図６参照）を挿し込み保持可能な形状及び大きさに形成されている。

具体的には、１８６５０型（直径１８ｍｍ×長さ６５．０ｍｍ）のリチウムイオン二次電池に対応して平面視円形状の挿込孔１３，１４が形成されている。併せて、収容ケース２の高さ（底壁部７及び蓋体２Ｂ間の距離）に関しても円筒形電池セルＨに対応して設定されている。

かかる構成により、本実施形態によれば、上記電池ブロック３に代えて、上記円筒形電池セルＨを収容ケース２内に収容した電池モジュール１として利用することが可能となり、さらなる汎用性の向上を図ることができる。

ここで、電池ブロック３に代えて、円筒形電池セルＨを収容ケース２内に収容した電池モジュール１について説明する。

図６は、円筒形電池セルＨを収容した状態のケース本体２Ａを示す斜視図である。尚、図６では、便宜上、蓋体２Ｂを取り外した状態で図示しているが、以下の説明においては、ケース本体２Ａの上開口部に対し蓋体２Ｂが組付けられた状態にあるものとして説明する。

図６に示すように、本実施形態では、収容ケース２内に８４個の円筒形電池セルＨが保持されている。各円筒形電池セルＨは、その下端部がケース本体２Ａの底壁部７に設けられた挿込孔１３に挿し込まれ保持されると共に、その上端部が蓋体２Ｂに設けられた挿込孔１４に挿し込まれ保持されている。

円筒形電池セルＨの軸方向両端には、それぞれ電極である正極又は負極が設けられている。本実施形態では、全ての円筒形電池セルＨが正極及び負極の向きを揃えた状態で起立保持される。例えば円筒形電池セルＨは、正極がある端面を上に向けた起立姿勢で保持される。

また、挿込孔１３，１４の軸方向の深さは、保持した円筒形電池セルＨがぐらつかない程度に十分な深さを有している。挿込孔１３，１４は、軸方向に貫通しており、円筒形電池セルＨの下端は下方に露出し、上端は上方に露出している。

かかる構成の下、８４個の円筒形電池セルＨは、例えば６個ごとに１４つのグルーブにグループ分けされる。同一グループに属する６個の円筒形電池セルＨは、図示しないバスバー等により並列接続される。さらに、６個の円筒形電池セルＨを並列接続してなる組電池は、図示しない電源ケーブル等により直列接続されて、電池モジュール１の貫通孔５ａ内に設けられた外部接続用の電極端子に接続される。勿論、円筒形電池セルＨの電気的接続構成は、これに限定されるものではなく、他の電気的接続構成を採用してもよい。

上記のとおり、本実施形態によれば、電池モジュール１（収容ケース２）を電池ブロック３と、円筒形電池セルＨとに兼用することができる。結果として、汎用性の向上やコストの削減等を図ることができる。

尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。

（ａ）収容ケース及び電池収容体の形状や数など、これらの構成は上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、収容ケース２が六角柱状をなし、電池ブロック３が台形柱状に構成されている。

これに限らず、例えば収容ケース２を円柱状としてもよい。また、これに対応して、電池ブロック３の外壁部３ｂが湾曲形成され、湾曲した周壁部６内面に当接する構成としてもよい。勿論、上記実施形態のまま、外壁部３ｂを平坦状とし、該外壁部３ｂと、湾曲した周壁部６内面との間が離間した状態となる構成としてもよい。

また、収容ケース２が上記実施形態の六角柱形状とは異なる他の多角柱形状、例えば八角柱形状に形成された構成としてもよい。また、ケース本体２Ａにおける周壁部６と底壁部７とが別体となった構成としてもよい。

（ｂ）上記実施形態では、ケース本体２Ａにおいて内筒部５が設けられた構成となっている。これに限らず、内筒部５を省略した構成としてもよい。また、これ対応して、電池ブロック３の内壁部３ａを省略し、中心軸Ｃ１の位置まで側壁部３ｅ，３ｆが延在し、三角形状に先細りした構成としてもよい。

（ｃ）上記実施形態では、各仮想区画線Ｄを挟んで隣り合う２つの電池ブロック３が当接した状態となっている。これに限らず、各仮想区画線Ｄを挟んで隣り合う２つの電池ブロック３が離間した状態となる配置構成としてもよい。

（ｄ）挿込孔や位置決め突部の形状や位置、数など、これらの構成は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば上記実施形態では、電池ブロック３の下壁部３ｃに位置決め突部１７が１つ突出形成され、上壁部３ｄに位置決め突部１８が１つ突出形成された構成となっている。

これに限らず、電池ブロック３の下壁部３ｃ及び上壁部３ｄのうち一方にだけ１又は２以上の位置決め突部を備えた構成としてもよいし、電池ブロック３の下壁部３ｃ及び上壁部３ｄのうち一方に１つの位置決め突部を備え、他方に２以上の位置決め突部を備えた構成としてもよいし、下壁部３ｃ及び上壁部３ｄの両方に２以上の位置決め突部を備えた構成としてもよい。

尚、挿込孔や位置決め突部の形状は、直接、挿込孔１３，１４に挿し込まれる電池セルの形状に合わせて決められる。例えば四角柱形の電池セルを挿し込み保持する場合には、該電池セルに合わせて挿込孔や位置決め突部が平面視矩形状に形成されることとなる。

（ｅ）図７に示すように、位置決め突部１７，１８において、電池ブロック３の内外を通気可能に連通させる通気孔１７ａ，１８ａを形成した構成としてもよい。

かかる構成の下、収容ケース２へ電池ブロック３を組付けた状態、すなわち底壁部７の挿込孔１３に対し位置決め突部１７が挿し込まれ、蓋体２Ｂの挿込孔１４に対し位置決め突部１８が挿し込まれた状態において、例えば位置決め突部１７の通気孔１７ａを介して外部の空気（冷却空気）が電池ブロック３内（収容空間Ｓ２）へ流入し、電池ブロック３内を通過した後、位置決め突部１８の通気孔１８ａを介して電池ブロック３外へ流出する。尚、図７中に点線で示す矢印は、冷媒である空気の流れ（気流）を示すものである。

（ｆ）図８に示すように、上記通気孔１８ａを備えた構成の下、位置決め突部１８の外周面１８ｂが基端側から先端側へかけてテーパ状に先細った形状となり、弾性変形しやすく挿込孔１４への挿し込み作業が容易となる構成としてもよい（位置決め突部１７についても同様）。

また、上記通気孔１８ａを有しない上記実施形態に係る構成の下、図９に示すように、通気孔１８ａに代えて、凹部１８ｃを形成することにより、上記同様、弾性変形しやすく挿込孔１４への挿し込み作業が容易となる構成としてもよい（位置決め突部１７についても同様）。

（ｇ）図１０に示すように、電池ブロック３の内壁部３ａ等において、電池ブロック３の内外を通気可能に連通させるスリット２１を形成した構成としてもよい。また、これに対応して、内筒部５や周壁部６に同様のスリットを形成した構成としてもよい。

また、底壁部７の挿込孔１３や、蓋体２Ｂの挿込孔１４のうち、使用していない挿込孔１３，１４を利用して収容ケース２の内外を通気させる構成としてもよい。また、これに対応して、電池ブロック３の下壁部３ｃや上壁部３ｄにおいて、電池ブロック３の内外を通気可能に連通させるスリットを形成した構成としてもよい。

また、電池ブロック３の外面や収容ケース２の内面にリブを突設し、冷却用の流路が確保される構成としてもよい。

（ｈ）上記実施形態では、各種部材の材質について特に言及していないが、各種部材の用途や機能に応じて適切な素材を用いることができる。

例えば蓋体２Ｂについて、冷却性能の向上を図るため金属材料により構成してもよい。さらに、蓋体２Ｂにフィンを突設して、さらなる冷却性能の向上を図るようにしてもよい。

また、位置決め突部１７，１８について、ゴム材料を用いることにより、接触部分との摩擦を生み、がたつきを防止することができる。

１…電池モジュール、２…収容ケース、２Ａ…ケース本体、２Ｂ…蓋体、３…電池ブロック、３ａ…内壁部、３ｂ…外壁部、３ｃ…下壁部、３ｄ…上壁部、３ｅ，３ｆ…側壁部、５…内筒部、５ａ…貫通孔、６…周壁部、６ａ～６ｆ…側壁部、７…底壁部、１３，１４…挿込孔、１７，１８…位置決め突部、Ｄ…仮想区画線、Ｅ１～Ｅ６…収容エリア、Ｇ…組電池、Ｈ…円筒形電池セル、Ｓ１，Ｓ２…収容空間。

Claims (8)

1. 電池セルを収容した複数の電池収容体と、
   筒状の周壁部と、該周壁部の軸方向一端側及び他端側にそれぞれ配設された一対の対向壁部とを有した収容ケースとを備え、
   前記収容ケース内において、その中心軸周りに前記複数の電池収容体が環状に配列されてなる電池モジュールであって、
   前記周壁部の軸方向一端側及び他端側のうち少なくとも一方側において、前記対向壁部に複数の挿込孔を形成すると共に、該対向壁部に面する前記電池収容体の壁面において、前記複数の挿込孔の少なくとも１つに対応して設けられかつ該挿込孔に対し挿し込まれる位置決め突部を備えたことを特徴とする電池モジュール。
2. 前記挿込孔は、所定の規格に準拠して形成された所定の電池セルを挿し込み保持可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記複数の電池収容体は、互いに隣接する電池収容体同士が当接するように前記収容ケース内に収容されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池モジュール。
4. 前記収容ケースは、その中心軸に沿って軸方向に貫通した貫通孔を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電池モジュール。
5. 前記電池収容体は、前記収容ケースの周壁部に当接するよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電池モジュール。
6. 前記収容ケースの周壁部は多角筒状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電池モジュール。
7. 前記収容ケースの軸方向と直交する平面に対して、前記電池収容体の前記軸方向一端側の壁面に形成された位置決め突部と、前記電池収容体の前記軸方向他端側の壁面に形成された位置決め突部とを前記軸方向に沿って投影した場合に、両者の位置が異なるようにしたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電池モジュール。
8. 前記位置決め突部において、前記電池収容体の内外を通気可能に連通させる通気孔を形成したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の電池モジュール。

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