JP7167103B2 - 蓄電装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本開示は、蓄電装置およびその製造方法に関する。
電源装置の様々な冷却方式が従来から知られている。特許文献１（特許第５５３５５２０号公報）、特許文献２（特許第６４００８３８号公報）、および特許文献３（特許第６４４９４３８号公報）には、空冷方式のバッテリが開示されている。特許文献４（特許第５１８３１７２号公報）、特許文献５（国際公開第２０１２/１３３７０８号）および特許文献６（特開２０１２－２８３２１号公報）には、水冷方式のバッテリが開示されている。
特許文献７（特表２０１５－５２０４８０号公報）には、バッテリモジュールの２つのセルの間に弾塑性的な部材を配置し、その積層体をプレスした状態でケースに収納することが開示されている。
特許第５５３５５２０号公報 特許第６４００８３８号公報 特許第６４４９４３８号公報 特許第５１８３１７２号公報 国際公開第２０１２/１３３７０８号 特開２０１２－２８３２１号公報 特表２０１５－５２０４８０号公報
バッテリなどの蓄電装置の更なる軽量化、小型化が求められている。他方、複数の蓄電セルを安定して保持することも求められている。
特許文献１ないし特許文献７に記載の構造は、上記２つの課題を解決するために必ずしも十分なものではない。
本開示の目的は、蓄電セルの安定した保持を実現しながら軽量化および小型化が図られた蓄電装置およびその製造方法を提供することにある。
本開示に係る蓄電装置は、複数の蓄電セルが積層方向に沿って積層された蓄電モジュールと、蓄電モジュールを収納するケースとを備え、蓄電モジュールにおける蓄電セルは、積層方向に略直交する方向に延びる主面を各々有し、ケースは、ケースに収納された蓄電モジュールを積層方向に沿って支持する支持部と、支持部とは異なる位置に設けられ、主面に向けて開口する凹部とを含む。
本開示に係る蓄電装置の製造方法は、複数の蓄電セルを積層方向に沿って積層して蓄電モジュールを形成する工程と、蓄電モジュールを治具を用いて積層方向に挟持する工程と、蓄電モジュールを治具により挟持した状態で治具および蓄電モジュールをケース内に挿入する工程と、積層方向に沿って蓄電モジュールをケースに支持させる工程とを備え、治具および蓄電モジュールをケース内に挿入する工程は、ケースに設けられた凹部に治具を挿入することを含み、蓄電モジュールをケースに支持させる工程は、ケースにおける凹部とは異なる位置に設けられた支持部によって蓄電モジュールを拘束することを含む。
本開示によれば、蓄電セルの安定した保持を実現しながら軽量化および小型化が図られた蓄電装置およびその製造方法を提供することができる。
電池パックの構成を示す分解斜視図である。 電池モジュールに含まれる電池セルを示す図である。 １つの実施の形態に係る電池パックにおけるケースの構造を示す図である。 図３におけるＩＶ－ＩＶ断面を含む斜視図である。 電池セルにおける拘束部を示す図である。 図３に示す電池パックの分解斜視図である。 図３に示す電池パックの組み立て時の状態を示す図である。 図７に示すケースおよび治具のみを示す図である。 １つの実施の形態に係る電池パックにおけるケースの構造の変形例を示す図である。 図９におけるＸ－Ｘ断面を含む斜視図である。
以下に、本開示の実施の形態について説明する。以下に説明する実施の形態において、個数、量等に言及する場合、特に記載がある場合を除き、本開示の範囲は必ずしもその個数、量等に限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本開示にとって必ずしも必須のものではない。
図１は、電池パック１の構成を示す分解斜視図である。電池パック１は、電池モジュール１００と、ケース２００と、熱伝導材３００と、冷却機構４００とを含む。
電池モジュール１００（蓄電モジュール）は、Ｙ軸方向（積層方向）に沿って積層された複数の電池セル１１０（蓄電セル）を含む。
ケース２００は、電池モジュール１００を収納する。ケース２００は、たとえばアルミニウム、マグネシウムなどの金属材からなる鋳造部品（ダイキャスト材）であってもよいし、カーボン含有素材からなるプレス成型部品であってもよい。ケース２００は上記の態様に限定されず、強度、放熱性、熱伝導性などの点において、所定の特性を満たすものであればよい。たとえば樹脂製のケース２００である場合もあり得る。
熱伝導材３００は、電池モジュール１００とケース２００との間に設けられ、電池モジュール１００において発生した熱のケース２００への伝達を促進する。
冷却機構４００（放熱促進機構）は、ケース２００からの放熱を促進する。一例として、冷却機構４００は、冷却液が流れる流路を含む水冷式の冷却ユニットであるが、放熱促進機構は、水冷式の冷却装置に限定されず、たとえば強制空冷方式、自然放熱方式の放熱促進機構（放熱フィンなど）が用いられてもよい。
図２は、電池モジュール１００に含まれる電池セル１１０を示す図である。図２に示すように、電池セル１１０は、電極端子１１１と、収容ケース１１２とを含む。電極端子１１１は、正極端子１１１Ａと、負極端子１１１Ｂとを含む。電極端子１１１は、収容ケース１１２上に形成されている。収容ケース１１２には、図示しない電極体および電解液が収容されている。
収容ケース１１２は、平坦面状の直方体形状に形成されている。収容ケース１１２は、Ｙ軸方向に直交するＸ－Ｚ平面に沿って延びる主面１１２Ａを有する。すなわち、電池セル１１０は角型セルである。
一例として、電池セル１１０は、リチウムイオン電池である。電池セル１１０はニッケル水素電池など他の電池であってもよい。また、本開示において「蓄電モジュール」は電池モジュール１００に限定されず、電池セル１１０に代えて、たとえばキャパシタが「蓄電セル」として用いられてもよい。
図３は、電池パック１におけるケース２００の構造を示す図である。図４は、図３におけるＩＶ－ＩＶ断面を含む斜視図である。なお、図４において、電池モジュール１００の図示は省略している。
図３、図４に示すように、ケース２００は、支持部２１０と、凹部２２０と、空洞２３０とを含む。
支持部２１０は、電池モジュール１００のＹ軸方向の両端部に位置する電池セル１１０の主面１１２Ａに直接当接し、電池モジュール１００をＹ軸方向に沿って支持する。支持部２１０は、電池セル１１０のＸ軸方向（幅方向）の中央領域に対向する位置に形成される。
凹部２２０は、Ｘ軸方向において支持部２１０に隣接する位置に設けられる。凹部２２０は、電池セル１１０のＸ軸方向の両端部に対向する位置に形成される。凹部２２０は、主面１１２Ａに向けて開口する。なお、凹部２２０の位置は図３に示すものに限定されない。また、凹部２２０の形状も適宜変更可能であり、図３に示す矩形状の凹部２２０に代えて、たとえば曲線状の輪郭を有する凹部２２０が設けられてもよい。
凹部２２０は、ケース２００の上端から底面近傍にわたって形成される。換言すると、凹部２２０は、ケース２００に収納された電池モジュール１００の高さ方向の全体にわたって形成されている。凹部２２０がケース２００の底面近傍にまで達することにより、凹部２２０をケース２００内の結露水の貯留部ないし排出流路として機能させることができる。かかる機能は、水冷方式の冷却機構４００を適用する場合に特に有効である。また、強制空冷方式、自然放熱方式の冷却を適用する場合も、凹部２２０がケース２００内の対流を促進し、冷却効率の向上が期待できる。
なお、凹部２２０は、ケース２００の上端から底面近傍にわたって形成される例に限定されず、ケース２００の高さ方向の一部に形成される場合もあり得る。
空洞２３０は、支持部２１０に対して電池モジュール１００の反対側（ケース２００の外側）に形成される。換言すると、空洞２３０の電池モジュール側（ケース２００の内側）に、電池モジュール１００を支持する支持部２１０が形成される。支持部２１０は、空洞２３０の一端から他端に達する両端支持の梁構造とみなすことができる。
図４に示すように、空洞２３０を形成することにより、支持部２１０が薄肉化し、Ｙ軸方向に変形しやすくなる。支持部２１０は、Ｙ軸方向に沿って支持部２１０が電池モジュール１００を付勢可能である。なお、本開示において、空洞２３０は必ずしも必須の要素ではない。
電池モジュール１００をケース２００に挿入するとき、Ｙ軸方向に沿って電池モジュール１００に圧縮力が加えられる。このとき、たとえば各電池セル１１０間に圧縮可能な素材をセパレータとともに設けることなどにより、電池モジュール１００が全体としてＹ軸方向に圧縮され得る。電池モジュール１００がケース２００に挿入された後、上記圧縮力が徐荷されると、圧縮された電池モジュール１００のＹ軸方向の長さが元に戻り、この結果、電池モジュール１００がケース２００の内面をＹ軸方向に押圧する。この押圧力に対する反力が、ケース２００が電池モジュール１００を支持する支持力となる。
電池モジュール１００の使用時に、収容ケース１１２内における電解液のガス化等の要因により、収容ケース１１２が膨張することがある。この膨張に起因する電池モジュール１００からケース２００への押圧力、およびその反力も、ケース２００による電池モジュール１００の支持に寄与し得る。
図５に示すように、電池セル１１０の主面１１２Ａにおける幅方向（Ｘ軸方向）の中央部を含む領域が拘束部１１２Ｂとなる。拘束部１１２Ｂは、ケース２００の支持部２１０から積層方向（Ｙ軸方向）の反力を受け、拘束される部分である。
拘束部１１２Ｂは、収容ケース１１２の高さ方向（Ｚ軸方向）においても、その両端から離間した位置に形成されている。収容ケース１１２の電極端子１１１側においては、本体と封口板との接合部（溶接部）が設けられるため、この位置を避けて支持部２１０および拘束部１１２Ｂを形成することにより、本体と封口板との接合部の保護を図ることができる。
図６は、電池パック１の分解斜視図である。図６に示すように、電池モジュール１００がケース２００に収納された後、蓋部材５００が取り付けられる。電池モジュール１００は、ケース２００と蓋部材５００とにより形成された密封空間に収納される。
図７、図８は、電池パック１の組み立て時の状態を示す図である。なお、図８においては、電池モジュール１００の図示を省略している。
図７に示すように、複数の電池セル１１０をＹ軸方向に沿って積層して形成された電池モジュール１００が、治具６００を用いてＹ軸方向に挟持される。この状態で、電池モジュール１００が治具６００とともにケース２００内に挿入される。ここで、治具６００は、凹部２２０に挿入される（図８参照）。
電池モジュール１００がケース２００に挿入された後、治具６００による圧縮力が徐荷される。これにより、電池モジュール１００が全体としてＹ軸方向に若干膨張し、Ｙ軸方向の両端にある電池セル１１０がケース２００の支持部２１０に直接当接し、支持部２１０をＹ軸方向に押圧する。この押圧力に対する反力により、電池モジュール１００が支持部２１０に拘束され、電池モジュール１００がケース２００に支持される。
図９は、電池パック１におけるケース２００の構造の変形例を示す図である。図１０は、図９におけるＸ－Ｘ断面を含む斜視図である。なお、図１０において、電池モジュール１００の図示は省略している。
図９に示す変形例において、ケース２００は、支持部２１０に対して電池モジュール１００の反対側に溝部２４０を有する。溝部２４０は、片側の凹部２２０と連通するように形成されている。換言すると、溝部２４０の電池モジュール１００側（ケース２００の内側）に、電池モジュール１００を支持する支持部２１０が形成される。支持部２１０は、溝部２４０の一端から他端に達する片持ち梁構造とみなすことができる。
図９、図１０に示す片持ち梁構造によっても、支持部２１０がＹ軸方向に変形しやすくなる。支持部２１０は、Ｙ軸方向に沿って電池モジュール１００を付勢可能である。なお、本開示において、溝部２４０は必ずしも必須の要素ではない。
本実施の形態に係る電池パック１によれば、ケース２００の内面により電池モジュール１００に対してＹ軸方向の拘束力を加え、エンドプレートなどの拘束部材を設けることなく電池モジュール１００をケース２００により保持することができる。したがって、電池セル１１０の安定した保持を実現しながら電池パック１の軽量化および小型化を図ることができる。
また、電池モジュール１００がケース２００に直接保持されるため、電池モジュール１００において発生した熱がケース２００に伝達されやすい。よって、ケース２００を外部から冷却することで、電池モジュール１００を効果的に冷却することが可能である。
ケース２００に形成された凹部２２０は、電池モジュール１００のケース２００への挿入時において、治具６００を挿入することに利用され得る。また、凹部２２０は、完成後の電池パック１において、ケース２００内の結露水の貯留部ないし排出流路としての機能、およびケース２００内の空気循環の促進機能などを果たし得る。
なお、上述の例では、Ｚ軸方向に沿って電池モジュール１００をケース２００に挿入する方式（縦挿入方式）について説明したが、ケース２００をＸ軸方向に向けて開口させ、Ｘ軸方向に沿って電池モジュール１００をケース２００に挿入する方式（横挿入方式）が採用されてもよい。横挿入方式が採用される場合、Ｚ軸方向に延びる凹部２２０は必ずしも必要ない。
以上、本開示の実施の形態について説明したが、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及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。
１ 電池パック、１００ 電池モジュール、１１０ 電池セル、１１１ 電極端子、１１１Ａ 正極端子、１１１Ｂ 負極端子、１１２ 収容ケース、１１２Ａ 主面、１１２Ｂ 拘束部、２００ ケース、２１０ 支持部、２２０ 凹部、２３０ 空洞、２４０ 溝部、３００ 熱伝導材、４００ 冷却機構、５００ 蓋部材、６００ 治具。

Claims (10)

  1. 複数の蓄電セルが積層方向に沿って積層された蓄電モジュールと、
    前記蓄電モジュールを収納するケースとを備え、
    前記蓄電モジュールにおける前記蓄電セルは、前記積層方向に略直交する方向に延びる主面を各々有し、
    前記ケースは、前記ケースに収納された前記蓄電モジュールを前記積層方向に沿って支持する支持部と、前記支持部とは異なる位置に設けられ、前記主面に向けて開口する凹部とを含み、
    前記支持部は、前記積層方向に沿って前記蓄電モジュールを付勢可能であり、
    前記ケースは、前記支持部に対して前記蓄電モジュールの反対側に空洞を有する、蓄電装置。
  2. 前記支持部は、前記蓄電セルの前記主面に直接当接する、請求項１に記載の蓄電装置。
  3. 前記支持部は、前記蓄電セルの幅方向の中央領域に対向する位置に形成され、前記凹部は、前記蓄電セルの幅方向の端部に対向する位置に形成される、請求項１または請求項２に記載の蓄電装置。
  4. 前記凹部は、前記ケースの高さ方向の全体にわたって形成される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の蓄電装置。
  5. 前記蓄電セルは電極端子および収容ケースを有し、
    前記支持部は、収容ケースの前記電極端子側の端部から離間した位置に形成される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の蓄電装置。
  6. 複数の蓄電セルが積層方向に沿って積層された蓄電モジュールと、
    前記蓄電モジュールを収納するケースとを備え、
    前記蓄電モジュールにおける前記蓄電セルは、前記積層方向に略直交する方向に延びる主面を各々有し、
    前記ケースは、前記ケースに収納された前記蓄電モジュールを前記積層方向に沿って支持する支持部と、前記支持部とは異なる位置に設けられ、前記主面に向けて開口する凹部とを含み、
    前記支持部は、前記積層方向に沿って前記蓄電モジュールを付勢可能であり、
    前記ケースは、前記支持部に対して前記蓄電モジュールの反対側に溝部を有し、前記溝部は前記凹部と連通するように形成される、蓄電装置。
  7. 前記ケースからの放熱を促進する放熱促進機構をさらに備えた、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の蓄電装置。
  8. 前記ケースは、金属材またはカーボン含有素材により構成される、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の蓄電装置。
  9. 複数の蓄電セルを積層方向に沿って積層して蓄電モジュールを形成する工程と、
    前記蓄電モジュールを治具を用いて前記積層方向に挟持する工程と、
    前記蓄電モジュールを前記治具により挟持した状態で前記治具および前記蓄電モジュールをケース内に挿入する工程と、
    前記積層方向に沿って前記蓄電モジュールを前記ケースに支持させる工程とを備え、
    前記治具および前記蓄電モジュールを前記ケース内に挿入する工程は、前記ケースに設けられた凹部に前記治具を挿入することを含み、
    前記蓄電モジュールを前記ケースに支持させる工程は、前記ケースにおける前記凹部とは異なる位置に設けられた支持部によって前記蓄電モジュールを拘束することを含む、蓄電装置の製造方法。
  10. 前記蓄電モジュールを前記ケースに支持させる工程は、前記支持部を前記蓄電セルに直接当接させることを含む、請求項９に記載の蓄電装置の製造方法。
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