JPWO2014083789A1

JPWO2014083789A1 - 電池モジュール

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Publication number: JPWO2014083789A1
Application number: JP2014549791A
Authority: JP
Inventors: 光俊田嶋
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2033-11-13
Also published as: JP6208145B2; WO2014083789A1; US20150303509A1

Abstract

低温環境下において、締結部材による電池積層体に対する拘束力の低下を抑制する。ある態様の電池モジュール(１０)は、複数の電池(３０)、電池(３０)に設けられたセパレータ(７０)、複数の電池(３０)の積層方向の両端部にそれぞれ設置されている一対のエンドプレート(８０ａ、８０ｂ)からなる積層体を有する。バインドバー(９０ａ〜ｄ)は、複数の電池(３０)を締め付けるように、一対のエンドプレート(８０ａ、８０ｂ)に固定されている。３０℃から−３０℃に温度が変化したとき、バインドバー(９０ａ〜ｄ)の長手方向の単位長さ当たりの縮み量ΔＬが積層体の積層方向の単位長さ当たりの縮み量ΔＳに比べて大きい。

Description

本発明は、複数の電池が接続された電池モジュールに関する。

一般に、複数の電池が接続されてなる電池モジュールでは、複数の電池の積層方向の両端部にそれぞれ一対のエンドプレートが設けられ、一対のエンドプレートにバインドバーやロッドなどの締結部材を固定し、複数の電池を締め付ける構造が採用されている。

特開２０１０−１５７４５０号公報

従来の電池モジュールでは、電池モジュールの動作開始時などの低温環境下において、電池およびエンドプレートを含む積層体の膨化力が低下することで締結部材による拘束力が低下し、ひいては耐振動性が低下するという課題があった。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、低温環境下において、締結部材による電池積層体に対する拘束力の低下を抑制することができる技術の提供にある。

本発明のある態様は、電池モジュールである。当該電池モジュールは、一方向に積層される複数の電池を含む積層体と、積層方向に前記積層体を加圧した状態で拘束する締結部材とを備え、前記積層体は、温度変化によって寸法が変化する温度変形部材と、前記締結部材を介して、圧縮した状態で拘束される被圧縮部材とで構成され、少なくとも３０℃から−３０℃の温度領域において、前記締結部材は、積層方向における単位温度当たりの縮み量ΔＬ／ΔＴが、前記温度変形部材の単位温度当たりの縮み量ΔＳ／ΔＴよりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、低温環境下において、締結部材による電池積層体に対する拘束力の低下を抑制することができる。

実施の形態に係る電池モジュールの概略構造を示す斜視図である。図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）は、それぞれ、実施の形態に係る電池モジュールの平面図、側面図、正面図である。電池の概略構造を示す断面図である。３０℃から−３０℃に温度を変化させたときのバインドバーによる拘束力の変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、実施の形態に係る電池モジュールの概略構造を示す斜視図である。図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）は、それぞれ、実施の形態に係る電池モジュールの平面図、側面図、正面図である。図１および図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、電池モジュール１０は、複数の電池３０、バスバー４０、セパレータ７０、エンドプレート８０およびバインドバー（ロッド）９０を有する。本実施形態では、計１２個の電池３０が直列に接続されて組電池が形成されている。なお、電池３０の数は特に限定されない。また、本実施の形態では、１２個の電池３０全てが直列に接続されているが、一部が並列に接続されていてもよい。隣接する電池３０の間に、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などの絶縁樹脂で形成されたセパレータ７０が設けられている。セパレータ７０により、隣接する電池３０間の絶縁性が高められている。

電池３０は、それぞれ扁平な直方体状の筐体を有し、主表面が対向して略平行となるように積層されている。電池３０の筐体上面には、長手方向の一端寄りに負極端子５０が設けられ、他端寄りに正極端子６０が設けられている。以下では適宜、負極端子５０および正極端子６０を併せて外部端子と称する。隣接する電池３０の負極端子５０および正極端子６０は、互いに反対側になるように配列されている。隣接する２つの電池３０の一方の正極端子６０と他方の負極端子５０とがバスバー４０により電気的に接続されて、１２個の電池３０が直列接続されている。

電池モジュール１０は、ハウジング（図示せず）内に収容される。電池３０の直列接続の一方の終端となる正極端子６０’および他方の終端となる負極端子５０’は、ハウジングの外部に引き回される配線を介して外部負荷（ともに図示せず）と接続可能になっている。

図３は、電池の概略構造を示す断面図である。図２に示すように、電池３０は、外装缶（筐体）３１内に、正負極が渦巻状に巻回されてなる電極体３２が外装缶３１の缶軸方向に対し横向きに収納されている。外装缶３１の開口は、筐体の一部を構成する封口板３３により封口されている。封口板３３には、負極端子５０および正極端子６０が設けられている。また、封口板３３には、ガス排出弁（図示せず）が形成されている。

負極端子５０は、基部５０ａおよび鍔部５０ｂを有する。基部５０ａは略円柱状であり、筐体の外部側に配置される一方の端部に円盤状の鍔部５０ｂが接続されている。負極端子５０の基部５０ａは、側面にガスケット３４が当接した状態で、封口板３３の負極用開口３３ａに嵌め込まれている。ガスケット３４は、鍔部５０ｂの封口板３３と対向する表面にも当接している。また、基部５０ａは、封口板３３の電池内側において負極タブ部材５４と接続している。

基部５０ａの電池内側に位置する先端には、負極用開口３３ａに沿って側壁が形成されるような凹部５１が設けられている。凹部５１の縁部分が広がるようにかしめることで、負極端子５０が負極タブ部材５４に対して固定されている。また、鍔部５０ｂの上面には、上方に突出するねじ５２が設けられている。

負極タブ部材５４と封口板３３の電池内側面との間には、絶縁板３５が設けられている。負極用開口３３ａにおいて、絶縁板３５とガスケット３４とが当接している。これにより、負極タブ部材５４および負極端子５０が封口板３３から絶縁されている。負極タブ部材５４は、電極体３２の一方の端面から突出した負極集電板群３２ａに接続されている。なお、負極集電板群３２ａは、電極体３２の一方の端面から突出した複数の負極集電板を束ねたものである。

正極端子６０は、基部６０ａおよび鍔部６０ｂを有する。基部６０ａは略円柱状であり、筐体の外部側に配置される一方の端部に円盤状の鍔部６０ｂが接続されている。正極端子６０の基部６０ａは、側面にガスケット３４が当接した状態で、封口板３３の正極用開口３３ｂに嵌め込まれている。ガスケット３４は、鍔部６０ｂの封口板３３と対向する表面にも当接している。また、基部６０ａは、封口板３３の電池内側において正極タブ部材６４と接続している。

基部６０ａの電池内側に位置する先端には、正極用開口３３ｂに沿って側壁が形成されるような凹部６１が設けられている。凹部６１の縁部分が広がるようにかしめることで、正極端子６０が正極タブ部材６４に対して固定されている。また、鍔部６０ｂの上面には、上方に突出するねじ６２が設けられている。

正極タブ部材６４と封口板３３の電池内側面との間には、絶縁板３５が設けられている。正極用開口３３ｂにおいて、絶縁板３５とガスケット３４とが当接している。これにより、正極タブ部材６４および正極端子６０が封口板３３から絶縁されている。正極タブ部材６４は、電極体３２の他方の端面から突出した正極集電板群３２ｂに接続されている。なお、正極集電板群３２ｂは、電極体３２の他方の端面から突出した複数の正極集電板を束ねたものである。

バスバー４０は、金属等の導電性材料からなる帯状部材である。バスバー４０の一方の貫通穴に隣接する電池３０のうち一方の電池３０のねじ５２（図１参照）を通して、ナット（図示せず）で締結することにより、バスバー４０と負極端子５０とが物理的および電気的に接続される。また、バスバー４０の他方の貫通穴に隣接する電池３０のうち他方の電池３０にねじ６２（図１参照）を通して、ナット（図示せず）で締結することにより、バスバー４０と正極端子６０とが物理的および電気的に接続される。

一対のエンドプレート８０ａ、８０ｂは、複数の電池３０の積層方向の両端にそれぞれ配置されている。

本実施の形態の締結部材としてのバインドバー９０ａ〜ｄは、それぞれエンドプレート８０ａ、８０ｂの対応する四隅を締め付けるように設けられている。

本実施の形態では、バインドバー９０の一方の端部は、ねじ９２ａによりエンドプレート８０ａの外表面の角部に固定され、バインドバー９０の他方の端部は、ねじ９２ｂによりエンドプレート８０ｂの外表面の角部に固定されている。

本実施の形態の電池モジュール１０は、３０℃から−３０℃に温度が変化したとき、バインドバー９０の長手方向の単位長さ当たりの縮み量ΔＬが、電池３０を含む積層体の積層方向の単位長さ当たりの縮み量ΔＳに比べて大きいことを特徴とする。ここで、電池３０を含む積層体には、複数の電池３０、隣接する電池３０に設けられたセパレータ７０、一対のエンドプレート８０ａ、８０ｂを含む。

なお、電池３０は絶縁フィルムで被覆されていてもよい。この場合には、絶縁フィルムも積層体に含まれ、絶縁フィルムの厚さが積層体の厚さの一部となる。

エンドプレート８０やバインドバー９０の材料は、３０℃から−３０℃に温度が変化したときの縮み量ΔＬ＞縮み量ΔＳという関係を満たせば特に限定されないが、エンドプレート８０としては、たとえば、鉄鋼、アルミニウムなどが挙げられる。また、バインドバー９０としては、鉄鋼、ステンレス鋼などが挙げられる。なお、縮み量ΔＬ＞縮み量ΔＳという関係を満たせば、エンドプレート８０の材料とバインドバー９０の材料とが同じであってもよい。特に、ステンレス鋼系の素材は、ＳＵＳ４１０やＳＵＳ３０４など、比較的、熱膨張係数に幅があるので、ステンレス鋼系の素材のうち、どの素材を各部位の部材として採用するかによって、縮み量を選択することができる。なお、各部材の代表的な熱膨張係数の範囲は、鉄鋼系の材料が１１．２〜１１．６×１０^−６、ステンレス鋼系の材料が９．９〜１７．３×１０^−６、アルミニウム２３．２×１０^−６となり、単位はいずれも、１／Ｋである。代表的な各部材の熱膨張率について、表１に示す。

以上説明した電池モジュール１０によれば、低温時における積層体の膨化力の低下が締結部材（バインドバー９０）の熱収縮によって補われるため、締結部材による積層体に対する拘束力が常温時と比べて同程度に保たれる。この結果、動作開始時などの低温環境下での耐振動性を向上させることができる。

逆に、常温時には、締結部材が熱膨張することにより、積層体が過度に結束されることが抑制され、積層体に対する拘束力を適度に保つことができる。

（電池モジュールの寸法変化評価）
電池モジュールを構成する複数の電池は、充電率（ＳＯＣ）や劣化度（ＳＯＨ）の状態によって、寸法が変化することに加え、電池モジュールを組み立てる際、エンドプレートで押圧して一定寸法に圧縮した状態で、バインドバーにより拘束されている。つまり、電池モジュールを構成する部材のうち、複数の電池３０は、温度変化だけで寸法が決まらない。具体的には、電池の外装缶は、アルミニウムで形成されることが多いが、外装缶内には電極体が封入されており、電池をエンドプレートで押圧して一定寸法に圧縮した状態では、電極体等が弾性変形した状態となる。加えて、電極体には、電池３０の充電率が高くなるにつれて膨張する性質や、電池性能の劣化に伴って膨張する性質がある。そのため、温度が低下した場合であっても、弾性変形の復元力や電極体の膨張によって、外装缶には常に膨張する方向に力が働くことになる。そのため、上記実施形態における電池モジュール１０を構成する電池３０は、単純に温度変化に依存して寸法が縮むわけではない。つまり、電池３０は、エンドプレートやバインドバーほど、温度変化の影響を受けないため、実質的に電池の寸法変化はほとんどないと考えられる。従って、電池モジュールを構成する部材は、被圧縮部材と、温度変形部材と、締結部材の三つに分けることができる。具体的には、被圧縮部材は、上述の実施形態における複数の電池３０が対応し、温度変形部材は、エンドプレート８０とセパレータ７０が対応し、締結部材は、バインドバー９０が対応する。本発明の発明者らは、電池モジュールを構成する部材を、前述の被圧縮部材、温度変形部材、締結部材の三つに分類し、上記予測に基づく実験を行い、温度変形部材と締結部材の材料を適宜選択することで、低温時の拘束力の低下を低減できることを突き止めた。以下にその実験についての説明を行う。

なお、温度を正確に計測しながら、電池モジュールの寸法を計測することは非常に困難であるため、実際には、上記実施形態の電池モジュールの構成を模擬的に再現した実験で、電池モジュールの拘束力と温度の関係を測定する実験を行っている。

＜試験条件＞
電池モジュールを恒温槽に入れた後、充分に時間が経過してから電池モジュールの拘束力の値を評価する。なお、室温は、約３０℃であり、３０℃から−３０℃まで温度を変化させた際の拘束力の変化をプロットする。

実験で使用する実験例１及び実験例２の電池モジュールは、セル数を最小単位である１とし、セルの両端にエンドプレートに対応する部材を配置した構造としている。両端に配置されているエンドプレートは、ロッドを介して締結され、エンドプレートを介してセルを押圧する構成となっている。なお、計測上の都合上、エンドプレートに相当する部材は、いくつかの部材に分かれている（温度変形部材１〜４）。この実験例１及び実験例２の電池モジュールは、セルと計測器が被圧縮部材、ロッドが締結部材、その他の部材が温度変形部材に相当する。

実験で使用した３０℃における各部材の材料、寸法等の試験条件は、以下のとおりである。
＜実験例１＞
温度変形部材１の材料：Ｓ４５Ｃ（炭素鋼）
温度変形部材１の厚さ：１５ｍｍ
温度変形部材２の材料：Ｓ４５Ｃ（炭素鋼）
温度変形部材２の厚さ：１８ｍｍ
温度変形部材３の材料：Ａｌ合金
温度変形部材３の厚さ：１５ｍｍ
温度変形部材４の材料：ＳＫ１０５（炭素鋼）
温度変形部材４の厚さ：１５ｍｍ
締結部材の材料：ＳＵＳ３０４
締結部材の厚さ：１３６．５ｍｍ
＜実験例２＞
温度変形部材１の材料：Ａｌ合金
温度変形部材１の厚さ：１５ｍｍ
温度変形部材２の材料：Ｓ４５Ｃ（炭素鋼）
温度変形部材２の厚さ：１８ｍｍ
温度変形部材３の材料：Ａｌ合金
温度変形部材３の厚さ：１５ｍｍ
温度変形部材４の材料：ＳＫ１０５（炭素鋼）
温度変形部材４の厚さ：１５ｍｍ
締結部材の材料：Ｓ４５Ｃ（炭素鋼）
締結部材の厚さ：１３６．５ｍｍ

なお、実験例２の電池モジュールは締結部材の材料をＳ４５Ｃ、温度変形部材１の材料をＡｌ合金としたことを除いて実験例１の電池モジュールと同様な構造となっている。この比較を行うことで、上述の縮み量ΔＬ＞縮み量ΔＳとなるように、エンドプレートの材料と、バインドバーの材料を変更した場合の変化を、実質的に評価することができる。

材料と部材の寸法、温度変化量（本実験では６０℃）、及び表１に示した熱膨張係数がわかれば、電池モジュールの各部材の縮み量が計算できる。
具体的には、縮み量△Ｌは下記式（１）で表される。
△Ｌ＝α・Ｌ・△Ｔ・・・（１）
Ｌ：部材の長さ（ｍｍ）
△Ｌ：温度変化量６０℃（＝６０Ｋ）のときの部材の縮み量（ｍｍ）
△Ｔ：温度変化量（Ｋ）
α：熱膨張係数（１／Ｋ）
従って、単位温度あたりの縮み量△Ｌ／△Ｔ（ｍｍ／Ｋ）は下記式（２）で表される。
△Ｌ／△Ｔ＝α・Ｌ・・・（２）

なお、本実施形態において検証した部材は、熱膨張係数の温度依存性はほとんどないので、一定値として表１の値を使用することができるが、温度依存性を考慮する必要がある部材を採用する場合については、想定される環境温度となる５０℃〜−５０℃の温度領域、より好ましくは、３０℃〜−３０℃の温度領域において、縮み量ΔＬ＞縮み量ΔＳの関係が成り立つような部材が選定される。

また、試験条件が決まっているので、実験例１と実験例２のそれぞれについて、バインドバーに相当する部材の縮み量△Ｌと、積層体に相当する部材の縮み量を計算することができる。以下に計算によって求めた各部材の縮み量の値を記載する。
＜実験例１＞
温度変形部材（１〜４）の縮み量：０．０４８ｍｍ
締結部材の縮み量：０．１４２ｍｍ
＜実験例２＞
温度変形部材（１〜４）の縮み量：０．０５９ｍｍ
締結部材の縮み量：０．０９２ｍｍ

実験例１および実験例２の電池モジュールをそれぞれ３０℃から−３０℃に温度変化させた。図４に示すように、−３０℃になった際、実験例２に対して実験例１の拘束力は、三倍近い値となっていることがわかる。従って、実験例１の構成の電池モジュールは、低温下においても充分な拘束力を保つことができる。

図４は、３０℃から−３０℃に温度を変化させたときのバインドバーによる拘束力の変化を示すグラフである。図４に示すように、実験例２の電池モジュールでは、温度が低下するに従って結束力が大幅に減少し、−３０℃では拘束力が０Ｎに近づいた。これに対して、実験例１の電池モジュールでは、温度が低下しても拘束力が維持され、−３０℃での拘束力が３０℃の場合の７０％に保たれることが確認された。

なお、上記実施形態における縮み量とは、バインドバーやエンドプレート等の実際の寸法変化ではなく、線膨張係数と部材の寸法から見積もられる理論値を表すものとする。実際の電池モジュールでは、温度変化のほか、弾性変形等さまざまな要因によって、寸法が変化するため、実際の寸法変化と上記縮み量とは必ずしも一致するとは限らないためである。

１０電池モジュール、３０電池、４０バスバー、７０セパレータ、８０エンドプレート、９０バインドバー。

Claims

一方向に積層される複数の電池を含む積層体と、
積層方向に前記積層体を加圧した状態で拘束する締結部材とを備え、
前記積層体は、
温度変化によって寸法が変化する温度変形部材と、
前記締結部材を介して、圧縮した状態で拘束される被圧縮部材とで構成され、
少なくとも３０℃から−３０℃の温度領域において、前記締結部材は、積層方向における単位温度当たりの縮み量ΔＬ／ΔＴが、前記温度変形部材の単位温度当たりの縮み量ΔＳ／ΔＴよりも大きいことを特徴とする電池モジュール。
請求項１記載の電池モジュールにおいて、
前記温度変形部材は、
前記積層体の積層方向の両端に配置されるエンドプレートと
前記複数の電池を構成する電池の間に配置され、隣接する前記電池を絶縁するセパレータとを含むことを特徴とする電池モジュール。
請求項１記載の電池モジュールにおいて、
前記被圧縮部材は、前記複数の電池を含むことを特徴とする電池モジュール。
請求項２記載の電池モジュールにおいて、
前記エンドプレートの材料が、Ａｌ合金、Ｍｇ合金、ステンレス鋼、鉄鋼からなる群より選ばれ、
前記セパレータの材料が、ＰＰ、ＰＢＴからなる群より選ばれることを特徴とする電池モジュール。