JP7208273B2 - 電池モジュール - Google Patents
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Description
自動車用の電池モジュールでは、複数のリチウムイオン電池セル(以下、電池セルと記す)を直列接続や並列接続、またはそれらを組み合わせて接続して、組電池(電池モジュール)を構成し、それを車両に搭載することが多い。
また、特許文献2の電池モジュールは、エンドプレートの間隔を固定する連結部材を、電池セルおよびスペーサ部品からなる積層体の寸法に合わせて屈曲させるようにして、圧縮力をある範囲内に収めている。
また、上記の特許文献2の技術では、寸法に合わせるための寸法測定や連結部材の屈曲工程の作業時間に加え、装置や設備を要するという問題がある。
各々の前記押圧調整部は、対向する前記側壁部を連接し、前記底面から立ち上がる高さ方向に離散的に配置され、対向する前記電池セルの前記幅広側面の空間において変形して圧縮されている。
更に、前記押圧調整部は、対向する一方の前記電池セルの前記幅広側面に接している部分と、対向する他方の前記電池セルの前記幅広側面に接している部分とが、前記高さ方向において異なり、かつ、反対方向に圧接されている。
以下の説明では、電気自動車やハイブリッド電気自動車や鉄道車両の電源として用いられる車載用の電池モジュールの場合について説明するが、これに限定されず、太陽光発電や風力発電等で発電された電力を蓄電する蓄電システムや、エレベータや医療機器等の非常用電源の電池モジュールの他、家庭用、オフィス用、産業用等のあらゆる電池モジュールにも適用できる。
図1は、本実施形態の電池モジュールを構成する電池セル1の外観斜視図である。
電池セル1は、角形のリチウムイオン二次電池であり、アルミニウム合金製の容器内に、正極電極と負極電極を有する電極群が非水電解液と共に収容されている。
電池セル1は、扁平箱型の電池缶11と、電池缶11の開口部を封口する電池蓋12とを有している。
電池缶11は、長方形の底面PBと、底面PBの長辺から立ち上がる一対の幅広側面PWと、底面PBの短辺から立ち上がる一対の幅狭側面PNを有している。
電池蓋12は、長方形の平板部材によって構成されており、上面PUを有している。
電池蓋12は、電池缶11にレーザー溶接されて電池缶11の開口部を封口する。
スペーサ2は、電池モジュール3(後述の図3参照)において、複数の電池セル1間に介在して、電池セル1の保持、電池セル1と電池セル1との間の電気絶縁を行うとともに、詳細を後述するが、電池セル1の圧縮力(固縛力とも言う)と取付間隔を調整する。
スペーサ2は、例えば、PBT(Poly Butylene Terephtalate:ポリブチレンテレフタレート)やPC(polycarbonate:ポリカーボネート)樹脂を一体成形した部品である。
対向する上壁部25、電池缶11の幅狭側面PNに対向する側壁部22、を有し、底壁部23と上壁部25と側壁部22に囲まれた空間に、電池缶11が挿入される。
これにより、電池缶11の幅広側面PWの動きが拘束され、保持される。
複数の押圧調整部24は、電池缶11の高さ方向に離散的に配置され、2つの電池缶11の幅広側面PWに圧接する。
電池モジュール3は、複数の電池セル1(1a、1b…)とスペーサ2(2a、2b、2c…)とを交互に接続して積層されている。積層された電池セル(1a、1b…)とスペーサ(2a、2b、2c…)の両端には、エンドスペーサ7とエンドプレート4が配置されている。
エンドスペーサ7は、スペーサ2と同様の底壁部と上壁部と側壁部を持ち、底壁部と上壁部と側壁部の辺部で囲まれた一方の面が封止されている。
また、エンドプレート4の側面には、サイドプレート5をボルト6により固定するための固定ネジ穴42が設けられている。
そして、車両取付のため、対向するエンドプレート4の取付穴41の間隔が所定寸法になるように、圧縮力を両端のエンドプレート4から積層方向に加え、ボルト6によりエンドプレート4とサイドプレート5とが締結されて、電池モジュール3を組み立てられている。
この圧縮力は、電池モジュール3の電池セル1の保持力であり、また、電池セル1の電極膨張を抑止する拘束力となっている。したがって、車両の走行振動に対する耐力や電池特性の維持のために、所定範囲の圧縮力を維持する。
つぎに、スペーサ2の詳細を説明する。
スペーサ2は、2つの電池セル1の幅広側面PWの間に挟まれて配置されている。
ここでは、電池セル1aと電池セル1bの間のスペーサ2aについて説明するが、他のスペーサ2でも同様である。
スペーサ2aの狭壁部21は、電池セル1aと電池セル1b間の絶縁と、スペーサ2aの底壁部23と上壁部25と側壁部22の構造変形を防止する強度維持部材であり、電池セル1aと電池セル1bの幅広側面PWに圧接しないようにする。
押圧調整部24の場合は、弾性部材の場合よりも、圧縮長さの変化に対する圧縮力の変化(直線の傾き)が小さくなっている。
また、電池セル1の電極膨張が発生して電池セル1が膨らんでも、圧縮力の変化を小さくすることができる。
以下、押圧調整部24の、具体的な構造を説明する。
図4に示すように、スペーサ2には、4つの押圧調整部24が設けられている。これらは、図6Aに示す断面を有する押圧調整部24であり、三日月形の凸部が交互に突出すように配置されている。
押圧調整部24は、この圧接点で受ける圧縮力により、三日月形から直線状に変形する。
または、押圧調整部24は、圧接する一方の電池セル1の幅広側面PWに対向する他方の電池セル1側に、圧縮力により押圧調整部24が変位できる空間を設けた断面を形成している。
押圧調整部24が三日月形の中央部で側壁部22に連接する場合には、押圧調整部24の断面端部の圧接点は、圧縮力を受けた際に幅広側面PWに沿って移動する。
押圧調整部24が三日月形の一方の端部で側壁部22に連接する場合も同様に、他方の端部と中央部の圧接点は、圧縮力を受けた際に幅広側面PWに沿って移動する。
これにより、幅広側面PWの面内方向において押圧調整部24の変形を可能にする。
なお、押圧調整部24は、断面の全体で側壁部22に連接するように成形されていても
よい。
図6BのS字形の断面を有する押圧調整部24は、2つの電池セル1の幅広側面PW間に挟持され、押圧調整部24のS字形の凸部が、幅広側面PWに圧接している。
押圧調整部24は、この圧接点で受ける圧縮力により、S字形から直線状に変形する。
また、押圧調整部24は、押圧調整部24が圧接する一方の電池セル1の幅広側面PWに対向する他方の電池セル1側に、圧縮力により押圧調整部24が変位できる空間を設けた断面を形成している。
押圧調整部24がS字形の中央部で側壁部22に連接する場合には、押圧調整部24の断面端部の圧接点は、圧縮力を受けた際に幅広側面PWに沿って移動する。
押圧調整部24がS字形断面の一方の端部で側壁部22に連接する場合も同様に、他方の端部と中央部の圧接点は、圧縮力を受けた際に幅広側面PWに沿って移動する。
これにより、幅広側面PWの面内方向において押圧調整部24の変形を可能にする。
なお、押圧調整部24は、断面の全体で側壁部22に連接するように成形されていてもよい。
図6Cの山型形状(ウェッジ形状、サーカムフレックス形状ともいう)の断面を有する押圧調整部24は、2つの電池セル1の幅広側面PW間に挟持され、押圧調整部24の山型形状の裾部が、幅広側面PWに圧接している。
押圧調整部24は、この圧接点で受ける圧縮力により、山型形状が鋭角に変形する。
また、押圧調整部24の山型形状断面の裾部は、圧縮力により、押圧調整部24の内側に変位できる空間を設けるように形成している。
押圧調整部24の山型形状断面の裾部は、自由端となっているため、圧縮力を受けた際に幅広側面PWに沿って移動する。
なお、押圧調整部24は、図示の形状が上下反転されて配置するようにしてもよい。
図6Dに示す、くの字形状(<マーク形状、>マーク形状、不等号記号形状ともいう)の断面を有する押圧調整部24は、2つの電池セル1の幅広側面PWに挟持され、くの字の始点・終点と屈曲点が、幅広側面PWに圧接している。
押圧調整部24は、この圧接点で受ける圧縮力により、くの字形状が潰される形状に変形する。
また、押圧調整部24は、くの字形状の押圧調整部24の圧接点が、圧縮力により、圧縮方向に変位できる空間を設けた断面を形成している。
押圧調整部24がくの字形状の屈曲点で側壁部22に連接する場合には、くの字形状の始点と終点の圧接点は、圧縮力を受けた際に幅広側面PWに沿って移動する。
押圧調整部24がくの字形状の始点で側壁部22に連接する場合には、くの字形状の屈曲点と終点の圧接点は、圧縮力を受けた際に幅広側面PWに沿って移動する。
押圧調整部24がくの字形状の終点で側壁部22に連接する場合には、くの字形状の屈曲点と始点の圧接点は、圧縮力を受けた際に幅広側面PWに沿って移動する。
これにより、幅広側面PW内方向の押圧調整部24の変形を可能にする。
なお、押圧調整部24は、断面の全体で側壁部22に連接するように成形されていてもよい。
図6Eのフラップ形状の断面を有する押圧調整部24aは、2つの電池セル1の幅広側面PW間に挟持され、押圧調整部24aの両端が、幅広側面PWに圧接している。
押圧調整部24aは、この圧接点で受ける圧縮力により、弓なりに変形する。
また、押圧調整部24aの端部は、圧縮力により、圧縮方向に変位できる空間を設ける
ように形成されている。
押圧調整部24aが中央部で側壁部22に連接する場合には、押圧調整部24aの端部の圧接点は、圧縮力を受けた際に幅広側面PWに沿って移動する。
押圧調整部24aが一方の端部で側壁部22に連接する場合には、他方の端部の圧接点は、圧縮力を受けた際に幅広側面PWに沿って移動する。
これにより、幅広側面PW内方向の押圧調整部24aの変形を可能にする。
なお、押圧調整部24は、断面の全体で側壁部22に連接するように成形されていてもよい。
電池モジュール3の圧縮力を均一な面圧にするために、押圧調整部24の断面形状を、側壁部22方向で変化させてもよい。
これは、図5の圧縮力と圧縮長さの関係においては、押圧調整部24の中央部は、端部よりも直線の傾きが小さいバネ特性を持つようにすることを意味している。
これにより、電池セル1が電極膨張した場合にも、面圧の均一な圧縮力を発生することができる。
この場合には、中央部の圧縮力が大きくなり、電池セル1の太鼓状の電極膨張を抑止することができる。
図2や図4では、4つの押圧調整部24を均等に配置することを示しているが、中央部の押圧調整部24の間隔が、端部の押圧調整部24の間隔よりも広くなるように、配置する。
これにより、中央部の押圧調整部24の圧縮力を小さくして、圧縮力の面圧を均一にする。
つぎに、第2実施形態の電池モジュール3を図7と図8により説明する。
図7は、スペーサ2の外観斜視図である。
図7のスペーサ2は、図2に示した第1実施形態のスペーサ2において、対向する側壁部22のそれぞれに、押圧調整部24に挟まれた空間に連通する開口部26を設けた構成となっている。
の幅広側面PWと対向する押圧調整部24より形成される冷却流路を通流し、他方の側壁部22の開口部26から流出するようにする。
この冷媒通流により、幅広側面PWにおいて電池セル1の冷却を行うことができる。
図3に示した第1実施形態の電池モジュール3において、サイドプレート5に、図7で説明した開口部26に連通する開口部51を設けた構成となっている。
また、押圧調整部24をスペーサ2に一体成型可能な同質部材としたので、スペーサ2の製造コストを低減できる。
また、押圧調整部24を構造変形部材としたので、寸法ばらつきと圧縮力の変動範囲の関係において設計自由度を高くすることができる。
PW 幅広側面
2 スペーサ
24 押圧調整部
26 開口部
3 電池モジュール
51 開口部
Claims (5)
- 長方形の底面と、前記底面の長辺から立ち上がる一対の幅広側面と、前記底面の短辺から立ち上がる一対の幅狭側面と、を有し、前記幅広側面の側において積層される複数の電池セルと、
積層方向で対向する前記電池セルの前記幅狭側面に対向する側壁部と、対向する前記電池セルの前記幅広側面の間に挟まれた複数の押圧調整部と、を有するスペーサと、を備え、
各々の前記押圧調整部は、対向する前記側壁部を連接し、前記底面から立ち上がる高さ方向に離散的に配置され、対向する前記電池セルの前記幅広側面の空間において変形して圧縮されていると共に、
前記押圧調整部は、対向する一方の前記電池セルの前記幅広側面に接している部分と、対向する他方の前記電池セルの前記幅広側面に接している部分とが、前記高さ方向において異なり、かつ、反対方向に圧接されている
ことを特徴とする電池モジュール。 - 請求項1に記載の電池モジュールにおいて、
前記押圧調整部は、前記積層方向において、突出形状、三日月形状、くの字形状、S字形状、フラップ形状、または山型形状の断面を有している、
ことを特徴とする電池モジュール。 - 請求項1から2のいずれか1項に記載の電池モジュールにおいて、
前記押圧調整部は、対向する前記側壁部を連接する連結方向に沿った中央部の前記積層方向における断面形状が、前記連結方向に沿った端部の前記積層方向における断面形状より大きい、
ことを特徴とする電池モジュール。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の電池モジュールにおいて、
各々の前記押圧調整部は、対向する前記側壁部を連接する連結方向に沿った中央部の前記高さ方向における間隔が、前記連結方向に沿った端部の前記高さ方向における間隔よりも広い、
ことを特徴とする電池モジュール。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の電池モジュールにおいて、
前記側壁部には、前記空間と連通された開口部が設けられ、
前記空間は、冷媒による前記電池セルの冷却流路を構成している、
ことを特徴とする電池モジュール。
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