JP7240609B2 - 組電池 - Google Patents

Description

本発明は、組電池に関する。

例えば、特開２０１８－３２５１９号公報には、一対のエンドプレートを含む電池スタックと、電池スタックが収容される収容ケースとを備え、エンドプレートのうちの少なくとも１つは収容ケースへの挿入方向前方に近づくにつれ電池スタックの積層方向の長さが小さくなり、収容ケースの収容空間も挿入方向前方に近づくにつれ電池スタックの積層方向の長さが小さくなる電池モジュールが開示されている。この電池モジュールによれば、エンドプレートと収容空間にそれぞれ傾斜が形成されているため、電池スタックを押し込む力を変更することで電池スタックへの拘束荷重を変更することができる、とされている。従来、拘束バンドで電池スタックを拘束することによって電池スタックに拘束荷重を付与する技術が知られていたが、特開２０１８－３２５１９号公報に開示された技術は、拘束バンドによる電池スタックの拘束に伴う部品点数の増加や、組付け工数の増加の問題を解決しようとしている。

また、特開２０１５－１４９２３８号公報には、電池スタックを挟圧する一対の端部押圧部材を備え、端部押圧部材の少なくとも一方は電池の中央部に向かって突出する湾曲部を有する組電池が開示されている。この組電池によれば、寸法変化が大きい電池の中央部を確実に押圧することができる、とされている。

特開２０１８－３２５１９号公報 特開２０１５－１４９２３８号公報

ところで、本願発明者は、組電池において、単電池が積層方向に均等に押圧されることが好ましいと考えている。ここでは、単電池が積層方向に均等に押圧される組電池の構成を提案する。

ここに開示する組電池は、一面が開口した略直方体のケース本体と、ケース本体の内部に収容された複数の単電池と、ケース本体に収容されたエンドプレートと、を備えている。複数の単電池は、対向する一対の側面をそれぞれ有する単電池が、ケース本体の内部に、ケース本体の一辺に沿って、隣接する単電池同士で側面が対向するように並べられて収容されたものである。エンドプレートは、複数の単電池のうちの一方の端の単電池と複数の単電池の並び方向に並ぶようにケース本体に収容されている。エンドプレートは、複数の単電池の上記一方の端の側面に対向する対向面と、対向面の中央部から複数の単電池の並び方向に凸するとともにケース本体の複数の単電池の並び方向の壁面に接する突部と、を備えている。複数の単電池およびエンドプレートは、ケース本体によって複数の単電池の並び方向に圧縮された状態でケース本体に収容されている。

上記組電池によれば、ケース本体の壁面と接するエンドプレートの突部は、複数の単電池の端の側面に対向し直接または間接に上記側面を押す対向面の中央部から凸している。そのため、突部および対向面を介してケース本体が複数の単電池を圧縮する力は、ケース本体とエンドプレートとの平行度などの条件にかかわらず概ね均等である。そのため、組電池において、単電池が積層方向に均等に押圧されやすい。

図１は、組電池１０の模式的な縦断面図である。 図２は、組電池１０の模式的な平面図である。 図３は、ケース本体２０への単電池４０およびエンドプレート５０の挿入方法を模式的に示す正面図である。

以下、一実施形態に係る組電池について説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。また、各図は模式図であり、必ずしも実際の実施品が忠実に反映されたものではない。以下では、同じ作用を奏する部材、部位には同じ符号を付し、重複する説明は適宜省略または簡略化する。

図１は、組電池１０の模式的な縦断面図である。図２は、組電池１０の模式的な平面図である。図１に示すように、組電池１０は、ケース本体２０と、蓋３０と、ケース本体２０内に収容された複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０と、を備えている。図２は、蓋３０が取り外された状態を図示している。

以下では適宜、複数の単電池４０の並び方向を左右方向と呼び、ケース本体２０に対する蓋３０の側を上方と呼ぶ。上下方向は、ケース本体２０と蓋３０との並び方向である。前後方向は、左右方向および上下方向に直交している。なお、上記した方向は説明の都合上のものであり、組電池１０の設置態様を限定するものではない。以下の各図においては、上記した前、後、左、右、上、下をそれぞれＦ、Ｒｒ、Ｌ、Ｒ、Ｕ、Ｄの符号で表す。

ケース本体２０は、一面が開口した略直方体に形成されている。開口部２０ａは、ケース本体２０の上面に設けられている。図２に示すように、ケース本体２０は、前壁２１、後壁２２、左壁２３、および右壁２４を備えている。開口部２０ａは、ここでは、平面視において前壁２１、後壁２２、左壁２３、および右壁２４の内方に構成されている。ケース本体２０は、図１に示すように、底壁２５をさらに備えている。ケース本体２０は、有底無蓋の箱状に形成されている。ケース本体２０は、例えば、アルミニウム合金によって形成されている。ケース本体２０の内部は、内部空間２０ｂを構成している。なお、ケース本体２０は、開口部２０ａ以外の開口部を有していてもよい。

蓋３０は、ケース本体２０の開口部２０ａを覆う部材である。蓋３０も、例えば、アルミニウム合金によって形成されている。蓋３０は、ケース本体２０の内部空間２０ｂに内容物が収容された後、例えば溶接によってケース本体２０に固定される。

ケース本体２０の内部空間２０ｂには、複数の単電池４０と、一対のエンドプレート５０とが収容されている。複数の単電池４０は、ケース本体２０の内部に、ケース本体２０の一辺に沿って並べられている。複数の単電池４０の並び方向は、図１においては左右方向である。一対のエンドプレート５０は、複数の単電池４０の並び方向の両端にそれぞれ配置されている。図示および詳しい説明は省略するが、内部空間２０ｂには、例えば、複数の単電池４０を電気的に接続するバスバーや、組電池１０の正極および負極の一部なども収容されている。ケース本体２０には、その他の部材、例えば、冷却機構などが収容されていてもよく、組電池１０の構成は限定されない。また、並んで配置された単電池４０同士の間には、例えば、スペーサ等が挟まれていてもよい。

図２に示すように、単電池４０は、対向する一対の幅広面４０ａと、対向する一対の幅狭面４０ｂとをそれぞれ有している。単電池４０は、扁平な略直方体状に構成されている。複数の単電池４０は、隣接する単電池４０同士で幅広面４０ａが対向するように並べられてケース本体２０に収容されている。幅広面４０ａは、図１および図２においては、左右方向を向いている。単電池４０は、ここでは密閉型のセル電池である。例えば、単電池４０は、電池ケースを備え、電池ケースの内部に電極体と電解液とを収納している。複数の単電池４０の並び方向は、単電池４０内部の電極体の積層方向と略一致している。単電池４０は、ここでは、充電および放電可能に構成された二次電池であり、例えば、リチウムイオン電池である。ただし、単電池４０の種類は特に限定されるわけではない。また、組電池１０が備える単電池４０の数量も特に限定されない。

一対のエンドプレート５０は、それぞれ、複数の単電池４０のうちの一方の端の単電池４０と複数の単電池４０の並び方向に並ぶように、ケース本体２０に収容されている。一対のエンドプレート５０のうち左側のエンドプレート５０Ｌは、左端の単電池４０（以下、符号４０Ｌで表す）の左方に設けられている。一対のエンドプレート５０のうち右側のエンドプレート５０Ｒは、右端の単電池４０（以下、符号４０Ｒで表す）の右方に設けられている。複数の単電池４０は、一対のエンドプレート５０によって挟まれている。２つのエンドプレート５０は、ここでは、左右対称の構成を有している。そこで、以下では、右側のエンドプレート５０Ｒについて説明し、左側のエンドプレート５０Ｌの詳しい説明は省略する。

図１に示すように、右側のエンドプレート５０Ｒは、複数の単電池４０の右端の幅広面４０ａ（右端の単電池４０Ｒの右側の幅広面４０ａ）に対向する対向面５１Ｒと、対向面５１Ｒから右方に凸した突部５２Ｒとを備えている。突部５２Ｒは、ケース本体２０の右壁２４に接している。右壁２４は、ケース本体２０の壁面のうち、複数の単電池４０の並び方向の一方側の壁面である。対向面５１Ｒは、前後方向および上下方向に延びる平面である。対向面５１Ｒは、左方を向いている。図１に示すように、本実施形態では、対向面５１Ｒの上下方向の長さは、幅広面４０ａの上下方向の長さと同じである。図２に示すように、対向面５１Ｒの前後方向の長さは、ここでは、幅広面４０ａの前後方向の長さと同じである。対向面５１Ｒの面積は、ここでは、単電池４０の幅広面４０ａの面積と同じである。ただし、対向面５１Ｒの上下方向の長さは、幅広面４０ａの上下方向の長さより長くてもよい。また、対向面５１Ｒの前後方向の長さは、幅広面４０ａの前後方向の長さより長くてもよい。

対向面５１Ｒは、右端の単電池４０Ｒの右側の幅広面４０ａに接している。ただし、対向面５１Ｒは、右端の単電池４０Ｒの右側の幅広面４０ａに直接接していなくてもよい。例えば、対向面５１Ｒと、右端の単電池４０Ｒの右側の幅広面４０ａとの間には、スペーサや寸法調整用の薄板等が介在していてもよい。対向面５１Ｒは、直接または間接に、右端の単電池４０Ｒの右側の幅広面４０ａを左方に向かって押している。

突部５２Ｒは、対向面５１Ｒの中央部から右方に凸している。より詳しくは、図１に示すように、突部５２Ｒは、対向面５１Ｒの上下方向に関する中心付近から右方に凸している。上下方向は、ここでは、複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０のケース本体２０への挿入方向である。本実施形態では、突部５２Ｒは、前方から見て円弧の一部状に形成されている。

図２に示すように、突部５２Ｒは、前後方向に延びている。ここでは、突部５２Ｒは、同じ縦断面形状を保ったまま前後方向に延びている。突部５２Ｒの前後方向の長さは、対向面５１Ｒの前後方向の長さと同じである。突部５２Ｒは、円弧の頂点５２Ｒ１でケース本体２０の右壁２４に接している。頂点５２Ｒ１は前後方向に延びているため、右側のエンドプレート５０Ｒは、ケース本体２０の右壁２４に前後方向（複数の単電池４０の並び方向に略直交する方向）に延びる１本の線で接している。

前述したように、左側のエンドプレート５０Ｌは、右側のエンドプレート５０Ｒと左右対称に構成されている。左側のエンドプレート５０Ｌは、複数の単電池４０の左端の幅広面４０ａ（左端の単電池４０Ｌの左側の幅広面４０ａ）に対向する対向面５１Ｌと、対向面５１Ｌの中央部から左方に凸した突部５２Ｌとを備えている。突部５２Ｌは、ケース本体２０の左壁２３に頂点５２Ｌ１で接している。左側のエンドプレート５０Ｌの突部５２Ｌも、右側のエンドプレート５０Ｒの突部５２Ｒと同様に、前後方向に延びている。

複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０は、ケース本体２０によって複数の単電池４０の並び方向に圧縮された状態でケース本体２０に収容されている。複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０は、ケース本体２０の弾性力によって圧縮されている。詳しくは後述するが、複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０は、ケース本体２０を左右方向に押し広げながらケース本体２０に挿入される。その反発力によって、複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０は、左右方向の圧縮力を受けている。

エンドプレート５０は、好ましくは、繊維強化プラスチック等の弾性変形しにくい樹脂材料や、アルミニウム合金などの金属材料によって形成される。エンドプレート５０は、ケース本体２０による圧縮力に対して変形量を十分に小さく保てる材料によって構成されていることが好ましい。また、エンドプレート５０は、絶縁体によって構成されている方がより好ましい。ただし、エンドプレート５０の材料は、特に限定されるわけではない。

複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０は、ケース本体２０の開口部２０ａから内部空間２０ｂに挿入される。図３は、ケース本体２０への単電池４０およびエンドプレート５０の挿入方法を模式的に示す正面図である。本実施形態では、ケース本体２０の内部空間２０ｂの左右方向の長さＤ１は、複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０の左右方向の長さＤ２よりも僅かに短く設定されている。そのため、複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０は、ケース本体２０に収容されるときケース本体２０を押し広げる。これにより、複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０は、ケース本体２０の反発力によって左右方向に圧縮される。

１つのエンドプレート５０の左右方向の長さは、ケース本体２０の内部空間２０ｂの左右方向の長さＤ１から複数の単電池４０の左右方向の長さの合計Ｄ３を減じた長さの２分の１よりも僅かに大きく設定される。エンドプレート５０の上下方向の長さと左右方向の長さの比は、好ましくは、２対１またはその近辺であるとよい。

エンドプレート５０の左右方向の詳細な長さは、単電池４０に対する圧縮力のスペックに基づいて設定される。複数の単電池４０を並び方向に圧縮する圧縮力には、単電池４０の構造等に基づいて上限値および下限値が定められている。複数の単電池４０は、並び方向に適切な圧縮力を加えることにより、電極体同士が接近し、効率が上昇する。ただし、過度の圧縮力を加えると破損等のおそれがある。

ケース本体２０が発生させる圧縮力は、複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０の左右方向の長さＤ２と、内部空間２０ｂの左右方向の長さＤ１との間の差分に依存している。エンドプレート５０の左右方向の長さは、上記差分から算出される圧縮力が上記定められた上限値と下限値との間に入るように設定される。逆に言えば、エンドプレート５０の左右方向の長さを変更することによって、単電池４０を圧縮する圧縮力を変更することができる。各部品の寸法は、寸法公差を含む寸法が好ましい。ただし、複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０の左右方向の長さＤ２は、スペーサや寸法調整用の薄板によって調整されてもよい。

図３において二点鎖線で示すように、本実施形態では、一対のエンドプレート５０は、ケース本体２０への挿入時、左右の端の単電池４０Ｌおよび４０Ｒの幅広面４０ａに密着していなくてもよい。複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０は、例えば、治具によって左右から挟み込まれてケース本体２０に挿入される。その挿入途中で、治具は複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０を離してもよい。その際、一対のエンドプレート５０が左右の端の単電池４０Ｌおよび４０Ｒの幅広面４０ａから離れてもよい。または、例えば、左右のエンドプレート５０Ｌおよび５０Ｒは、それぞれ左右の端の単電池４０Ｌおよび４０Ｒの挿入方向前端（ここでは、下端）にテープで固定され、上記前端周りに回動するようになっていてもよい。エンドプレート５０の挿入方向前方側（ここでは、下方側）の半分は、正面視において、挿入方向後方側（ここでは、上方側）に向かうに従ってケース本体２０の外方になだらかに傾斜している。そのため、図３の二点鎖線で示すように一対のエンドプレート５０が挿入方向後方に向かって開いている場合でも、複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０をケース本体２０にスムーズに挿入することができる。このとき、開いていた一対のエンドプレート５０の対向面５１Ｌおよび５１Ｒは、次第に単電池４０の端の幅広面４０ａに接近し、一対のエンドプレート５０がケース本体２０に収容された状態では、幅広面４０ａに密着する。

エンドプレート５０の挿入方向前方側の半分がケース本体２０に挿入された後は、突部５２Ｌおよび５２Ｒの頂点５２Ｌ１および５２Ｒ１だけがそれぞれ、ケース本体２０の左壁２３および右壁２４に接する。この接触は、線接触である。そのため、摩擦が小さく、滑りが良い。従って、比較的小さな力で複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０をケース本体２０に挿入することができる。また、複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０が摩擦抵抗によって挿入方向にずれにくい。

なお、突部５２Ｌおよび５２Ｒは全体がなだらかに凸していなくてもよく、頂点５２Ｌ１および５２Ｒ１よりも挿入方向前方側がなだらかであればよい。ここで、「なだらかである」とは、突部の頂点よりも挿入方向前方側に、少なくとも複数の単電池４０の並び方向と略平行な部分、またはそれよりも挿入方向前方側に倒れた部分が形成されていないことを意味する。

複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０は、例えば図３に示すように、挿入方向に対向する平面を有する押し込み治具Ｊ１で挿入方向に押すことによってケース本体２０に挿入されてもよい。かかる方法によれば、複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０の並び方向への過圧縮を避けることができる。例えば、複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０の並び方向の両端をアームで把持してケース本体２０に挿入しようとすれば、アームもケース本体２０に挿入される必要があることから、アームの左右方向の幅分だけ過圧縮が生じ得る。左右方向の長さがケース本体２０よりも小さくなるように単電池４０およびエンドプレート５０を過圧縮すると、例えば、単電池４０が破損する等の不具合が発生するおそれがある。そのため、過圧縮は行わない方が好ましい。押し込み治具Ｊ１を使う方法によれば、上記のような複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０の過圧縮を避けることができる。

上記のように、本実施形態に係る組電池１０は、一面が開口した略直方体のケース本体２０と、ケース本体２０の内部に収容された複数の単電池４０と、ケース本体２０に収容されたエンドプレート５０と、を備えている。複数の単電池４０は、ケース本体２０の内部に、ケース本体２０の一辺に沿って、隣接する単電池４０同士で幅広面４０ａが対向するように並べられている。エンドプレート５０は、複数の単電池４０のうちの一方の端の単電池４０Ｌまたは４０Ｒと複数の単電池４０の並び方向に並ぶようにケース本体２０に収容されている。エンドプレート５０は、複数の単電池４０の一方の端の幅広面４０ａに対向する対向面５１Ｌまたは５１Ｒと、対向面５１Ｌまたは５１Ｒの中央部から複数の単電池４０の並び方向に凸するとともにケース本体２０の複数の単電池４０の並び方向の壁面２３または２４に接する突部５２Ｌまたは５２Ｒと、を備えている。複数の単電池４０およびエンドプレート５０は、ケース本体２０によって複数の単電池４０の並び方向に圧縮された状態でケース本体２０に収容されている。

上記のような構成によれば、ケース本体２０の壁面２３または２４と接するエンドプレート５０の突部５２Ｌまたは５２Ｒは、複数の単電池４０の端の幅広面４０ａに対向するとともに直接または間接に幅広面４０ａを押す対向面５１Ｌまたは５１Ｒの中央部から凸している。そのため、突部５２Ｌ、５２Ｒおよび対向面５１Ｌ、５１Ｒを介してケース本体２０が複数の単電池４０を圧縮する力は、ケース本体２０とエンドプレート５０との平行度などの条件にかかわらず概ね均等である。そのため、組電池１０の性能を安定させることができる。

また、上記のような構成によれば、拘束バンドで複数の単電池を並び方向に拘束することにより圧縮力を加える従来知られた方法に比べ、部品点数や、組付け工数を削減することができる。その結果、組電池１０のコストを削減しうる。

なお、本実施形態では、突部５２Ｌおよび５２Ｒは前後方向（複数の単電池４０の並び方向および挿入方向に直交する方向）に延びている。ただし、突部は、前後方向に延びていなくてもよく、前後方向に関しても対向面の中央部から凸していてもよい。例えば、突部は、角錐状や円錐状、または球面状等であって、ケース本体の壁面に点で接触していてもよい。かかる突部の形状によっても、上記と同様の効果が得られる。また、かかる突部の形状によれば、ケース本体の壁面との摩擦を一層小さくすることができる。ただし、突部５２Ｌおよび５２Ｒが前後方向に延びる構成によれば、複数の単電池４０に加えられる並び方向（左右方向）の圧縮力が、前後方向に沿ってもより均等になる。

さらに、本実施形態では、対向面５１Ｌおよび５１Ｒの大きさは、単電池４０の幅広面４０ａの大きさと等しい。かかる構成によれば、幅広面４０ａの全面を対向面５１Ｌおよび５０Ｒによって押圧できるため、複数の単電池４０を積層方向に押圧する力がより均等になる。なお、対向面５１Ｌおよび５１Ｒの大きさは、単電池４０の幅広面４０ａの大きさより大きくてもよい。

また、本実施形態では、突部５２Ｌおよび５２Ｒは、複数の単電池４０の並び方向の外方に向かってなだらかに凸している。そのため、複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０をケース本体２０にスムーズに挿入することができる。特に、本実施形態では、突部５２Ｌおよび５２Ｒは、それぞれケース本体２０の左壁２３および右壁２４に線で接触している。そのため、複数の単電池４０および一対のエンドプレート５０をケース本体２０に挿入する際の摩擦が小さい。

なお、上記した実施形態では、エンドプレート５０は、単電池４０の並び方向の両端に一対設けられていたが、一方の端部にだけ設けられていてもよい。エンドプレートが複数の単電池の一方の端にだけ設けられていても、当該一方のエンドプレートは、複数の単電池を均等に押圧することができる。また、突部の形状は、特に限定されない。例えば、突部は、点または線でケース本体に接しなくてもよく、若干の面積を有する面でケース本体に接してもよい。

以上、ここで提案される組電池について、種々説明した。特に言及されない限りにおいて、ここで挙げられた組電池の実施形態などは、本発明を限定しない。

１０ 組電池
２０ ケース本体
２０ａ 開口部
２０ｂ 内部空間
２１ 前壁
２２ 後壁
２３ 左壁
２４ 右壁
２５ 底壁
３０ 蓋
４０ 単電池
４０Ｌ 左端の単電池
４０Ｒ 右端の単電池
４０ａ 幅広面
４０ｂ 幅狭面
５０ エンドプレート
５０Ｌ 左側のエンドプレート
５０Ｒ 右側のエンドプレート
５１Ｌ 左側エンドプレートの対向面
５１Ｒ 右側エンドプレートの対向面
５２Ｌ 左側エンドプレートの突部
５２Ｌ１ 左側エンドプレートの頂点
５２Ｒ 右側エンドプレートの突部
５２Ｒ１ 右側エンドプレートの頂点
Ｊ１ 押し込み治具

Claims (1)

1. 一面が開口した略直方体のケース本体と、
   対向する一対の側面をそれぞれ有する単電池が、前記ケース本体の内部に、前記ケース本体の一辺に沿って、隣接する単電池同士で前記側面が対向するように並べられて収容された複数の単電池と、
   前記複数の単電池のうちの一方の端の単電池と前記複数の単電池の並び方向に並ぶように前記ケース本体に収容されたエンドプレートと、を備え、
   前記エンドプレートは、
   前記複数の単電池の前記一方の端の側面に対向する対向面と、
   前記対向面の中央部から前記複数の単電池の並び方向に凸するとともに、前記ケース本体の前記複数の単電池の並び方向の壁面に接する突部と、を備え、
   前記複数の単電池および前記エンドプレートは、前記ケース本体によって前記複数の単電池の並び方向に圧縮された状態で前記ケース本体に収容され、
   前記突部は、前記壁面の側に凸した円弧状の断面を有しており、円弧の頂点で前記壁面に接している、組電池。

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