WO2021199593A1

WO2021199593A1 - 電池モジュール

Info

Publication number: WO2021199593A1
Application number: PCT/JP2021/001785
Authority: WO
Inventors: 大樹森下
Original assignee: 三洋電機株式会社
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2021-10-07
Also published as: EP4131602A1; US20230187683A1; JPWO2021199593A1; CN115053390A; EP4131602A4

Abstract

電池モジュールは、複数の電池（２０）を積層した電池積層体（２）と、複数の電池（２０）の積層方向における端部の電池（２０）の外側に設けられたエンドプレート（１１）と、端部の電池（２０）とエンドプレート（１１）との間に設けられたエンドセパレータ（４）であって、端部の電池（２０）の積層方向に交差する表面の周縁部を支持する第１支持部材（４１）、および前記表面の中央部を支持し、積層方向への変形に対する剛性が第１支持部材（４１）よりも低い第２支持部材（４２）を有するエンドセパレータ（４）と、を備える。

Description

電池モジュール

　本発明は、電池モジュールに関する。

　例えば車両用等の高い出力電圧が要求される電源として、複数個の電池が電気的に接続された電池モジュールが知られている。一般に、電池モジュールを構成する各電池は、内部の電極体や電解液等が経年劣化し、金属物質の析出や酸化によって膨出し外形状に変化が現れる。このような電池を備える電池モジュールに関して、特許文献１には、複数の電池を積層し、各電池間に絶縁シートを介在させた電池積層体と、電池積層体の積層方向における両端部に設けたエンドプレートと、を備える電池モジュールが開示されている。

国際公開２０１３／１６１６５５号

　経年劣化によって各電池が膨らむと、積層方向において電池積層体の寸法が増し、電池積層体の両端部のエンドプレートに全ての電池の寸法変化による荷重が掛かり、その反力が各電池に加わり、電池の破損等の不具合が発生する可能性があった。例えば、積層方向に変位するばねを電池とともに積層し、過大な反力の発生を抑制してもよいが、衝撃荷重が発生すると電池が当該ばねの変位を伴って大きく変位し、各電池に接続しているバスバーが破損してしまう懸念があった。

　本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電池モジュール内で積層方向に生じる反力を低減しつつ、衝突荷重に対して電池の変位を抑制する技術を提供することにある。

　本発明のある態様の電池モジュールは、複数の電池を積層した電池積層体と、複数の前記電池の積層方向における端部の電池の外側に設けられたエンドプレートと、前記端部の電池と前記エンドプレートとの間に設けられたエンドセパレータであって、前記端部の電池の前記積層方向に交差する表面の周縁部を支持する第１支持部材、および前記表面の中央部を支持し、前記積層方向への変形に対する剛性が前記第１支持部材よりも低い第２支持部材を有するエンドセパレータと、を備えることを特徴とする。

　本発明によれば、電池モジュール内で積層方向に生じる反力を低減しつつ、衝突荷重に対して電池の変位を抑制することができる。

実施形態に係る電池モジュールの外観を示す斜視図である。電池モジュールの一部の分解斜視図である。エンドセパレータの電池側から見た斜視図である。衝撃荷重の発生時における変位について説明するための模式図である。電池の膨らみによる反力の発生について説明するための模式図である。変形例に係る電池積層体を説明するための模式図である。

　以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項中に「第１」、「第２」等の用語が用いられる場合には、特に言及がない限りこの用語はいかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

（実施形態）
　図１は実施形態に係る電池モジュール１００の外観を示す斜視図であり、図２は電池モジュール１００の一部の分解斜視図である。電池モジュール１００は、直方体形状の筐体１、電池積層体２、セパレータ３およびエンドセパレータ４を備える。電池モジュール１００は、エンドセパレータ４に第１支持部材４１および第２支持部材４２を有し、第１支持部材４１によって衝撃荷重を受けて電池２０の変位を抑制し、電池２０の膨らみによって生じる変位を第２支持部材４２の変形で吸収し、積層方向に生じる反力を低減する。

　筐体１は、エンドプレート１１、サイドプレート１２、ベースプレート１３、カバープレート１４およびバスバープレート１５を備える。エンドプレート１１は、電池積層体２における電池２０の積層方向の両端部に位置する電池２０の外側に設けられる。サイドプレート１２は、エンドプレート１１を挟み電池積層体２の側面を覆う。ベースプレート１３は、電池積層体２の底部を覆うによって構成される。カバープレート１４は、電池積層体２の上面を覆う。バスバープレート１５は、板状であり、電池積層体２の上面とカバープレート１４との間に設けられ、後述するバスバー２８を保持する。

　電池積層体２は、筐体１の内側に収納されている。電池積層体２は、複数の電池２０を一方向に沿って積層して構成されている。各電池間には樹脂材料等で形成されるセパレータ３が設けられている。セパレータ３は、電池積層体２の各電池２０を電気的に絶縁する。セパレータ３は、電池積層体２に組込まれて一体化されることから、電池積層体２の一部を構成していると考えてもよい。

　各電池２０は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル－水素電池、ニッケル－カドミウム電池等の充電可能な二次電池である。また、各電池２０はいわゆる角形電池であり、扁平な直方体形状の外装缶２１を有する。外装缶２１の一面には図示しない略長方形状の開口が設けられ、この開口を介して外装缶２１に電極体や電解液等が収容される。外装缶２１の開口には、開口を塞ぐ封口板２１ａが設けられる。

　封口板２１ａには、長手方向の一端寄りに正極の出力端子２２が配置され、他端寄りに負極の出力端子２２が配置される。一対の出力端子２２はそれぞれ、電極体を構成する正極板、負極板と電気的に接続される。各出力端子２２は、封口板２１ａに形成された貫通孔（図示せず）に挿通される。各出力端子２２と各貫通孔との間には、絶縁性のシール部材（図示せず）が介在する。以下の説明では便宜上、封口板２１ａを電池２０の上面、封口板２１ａと対向する外装缶２１の底面を電池２０の下面とする。

　また、電池２０は、上面および下面をつなぐ２つの主表面を有する。この主表面は、電池２０が有する６つの面のうち面積の最も大きい面である。主表面は、上面および下面の長辺と接続される長側面である。上面、下面および２つの主表面を除いた残り２つの面は、電池２０の側面とする。この側面は、上面および下面の短辺と接続される一対の短側面である。これらの方向および位置は、便宜上規定したものである。したがって、例えば、本発明において上面と規定された部分は、下面と規定された部分よりも必ず上方に位置することを意味するものではない。

　封口板２１ａには、一対の出力端子２２の間に弁部２４が設けられる。弁部２４は、安全弁とも呼ばれ、各電池２０が電池内部のガスを噴出するための機構である。弁部２４は、外装缶２１の内圧が所定値以上に上昇した際に開弁して、内部のガスを放出できるように構成される。弁部２４は、例えば封口板２１ａの一部に設けられる、他部よりも厚さが薄い薄肉部と、この薄肉部の表面に形成される線状の溝とで構成される。この構成では、外装缶２１の内圧が上昇すると、溝を起点に薄肉部が裂けることで開弁される。

　複数の電池２０は、隣り合う電池２０の主表面同士が対向するようにして所定の間隔で積層される。なお、「積層」は、任意の１方向に複数の部材を並べることを意味する。したがって、電池２０の積層には、複数の電池２０を水平に並べることも含まれる。本実施形態では、電池２０は水平に積層されている。各電池２０は、出力端子２２が同じ方向を向くように配置される。本実施形態の各電池２０は、出力端子２２が鉛直方向上方を向くように配置される。

　エンドセパレータ４は、電池積層体２における電池２０の積層方向の端部に位置する電池２０とエンドプレート１１との間に設けられている。図３は、エンドセパレータ４の電池２０側から見た斜視図である。

　エンドセパレータ４は、第１支持部材４１、第２支持部材４２、弾性体４４およびホルダ部４５を備える。第２支持部材４２は、長方形の板状であり、電池２０の積層方向に交差し、一面側で電池２０の表面Ｓ（主表面）に接触し、他面側はエンドプレート１１に対向する。第１支持部材４１は、第２支持部材４２の四隅に設けられ、各隅部で交わる２側辺に沿うようにＬ字状をなし、電池２０の積層方向へ延びるように形成されている。

　第１支持部材４１は、電池２０の積層方向から見ると、電池２０の表面Ｓの周縁部に対応した位置にあり、電池２０の表面Ｓの周縁部を支持する。第１支持部材４１は、第２支持部材４２の四隅以外の側辺部分に設けられていてもよい。第２支持部材４２は周縁部で第１支持部材４１に接続されている。尚、第１支持部材４１は、図２に示す屈曲した板状であっても柱状であってもよい。

　第２支持部材４２は、第１支持部材４１に接続される周縁部と中央部との間に、変形許容部４３を有する。変形許容部４３は、積層方向の一側へ凹となる部分および他側へ凹となる部分が形成され、断面がＳ字状となっている。変形許容部４３を設けることで第１支持部材４１は周縁部に対して中央部が電池２０の積層方向へ変形し易くなる。第２支持部材４２は、電池２０の積層方向における変形に対する剛性が、第１支持部材４１よりも低い。電池２０の積層方向における変形許容部４３の高さは、後述する風路形成部４６の高さよりも低く、電池２０は風路形成部４６に接触する。また、第２支持部材４２の電池２０側の面の周縁部には、風路形成部４６と同程度の高さをもつ、電池２０が接触する座部が設けられている。

　弾性体４４は、第１支持部材４１の中央部に設けられており、電池２０の積層方向に延び、端面がエンドプレート１１に接触する。弾性体４４は、例えば、ばねやゴム等である。ホルダ部４５は、第１支持部材４１の電池２０側の面における、底側の側辺および積層方向に交差する水平方向の両端の側辺に設けられており、ホルダ部４５の内側に電池２０が嵌め合わされる。

　第２支持部材４２の電池２０側の面には風路形成部４６が設けられている。風路形成部４６は、第２支持部材４２の電池２０側の面から突起する複数の条で構成されており、各条の間に風路４７が形成される。

　次に電池モジュール１００の動作を、衝撃荷重の発生時の変位、および電池２０の膨らみによる反力の発生に基づいて説明する。図４は衝撃荷重の発生時における変位について説明するための模式図である。電池モジュール１００は、例えば車両に搭載されている場合に、車両の衝突によって衝撃荷重を受ける。電池積層体２における電池２０の積層方向に衝突による加速度が働くと、各電池２０が一方向へ移動するように衝突荷重を受ける。

　エンドセパレータ４の第１支持部材４１は、電池２０の積層方向に延びており、衝突荷重を第１支持部材４１の軸力で受ける。エンドセパレータ４の第１支持部材４１が硬質性の樹脂材料で形成されていれば、積層方向への変位に対する第１支持部材４１の剛性が高くなり、電池２０の衝突荷重による変位は小さく抑えられる。電池２０の変位が抑制されるため、バスバー２８の変形量は小さく破損し難くなる。

　図５は電池２０の膨らみによる反力の発生について説明するための模式図である。上述のように、各電池２０は、内部の電極体や電解液等が経年劣化し、金属物質の析出や酸化によって膨出し外形状に変化が現れる。各電池２０は角形電池であり、扁平な直方体形状の外装缶２１を有しており、電池２０の６面のうち、面積の最も大きい主表面が膨らむように変形する。

　電池積層体２に設けられるセパレータ３は、電池２０の膨らみによる変位の一部をクリープによって変形して吸収することで、電池２０が受ける反力が低減化される。エンドセパレータ４の第２支持部材４２は、第１支持部材４１よりも積層方向への変位に対する剛性が低く、電池２０の積層方向に弾性的に変位し、電池２０の膨らみによる変位を吸収し、反力を低下させることができる。変形許容部４３は、第２支持部材４２において電池２０の積層方向への変位に対する剛性を低下させるよう機能する。

　エンドセパレータ４の弾性体４４は、電池２０の積層方向への変位に対する剛性を第２支持部材４２に与える。弾性体４４は、ばねやゴムなどで構成することによって、積層方向への変位を軸力で受ける第１支持部材４１よりも低剛性とすることができ、第２支持部材４２の剛性を低く保つことができる。なお、弾性体４４は設けられていない場合でも、変形許容部４３によって、積層方向への変位に対する第２支持部材４２の低剛性化を図ることができる。

　エンドセパレータ４は、電池２０の側に風路形成部４６が設けられている。電池モジュール１００は、風路形成部４６に電池２０が接触した状態で、電池２０の空冷用の風路４７を確保することができる。

（変形例）
　図６は、変形例に係る電池積層体２を説明するための模式図である。変形例に係る電池積層体２では、板状の緩衝部材５をエンドプレート１１とエンドセパレータ４との間に設けている。緩衝部材５は、ゴム等の樹脂で形成されており、電池積層体２に衝撃荷重が加わった場合に衝撃を和らげる。また緩衝部材５は、経年劣化により電池２０が膨らんだ場合にも、弾性体４４とともに電池２０の積層方向へ変形し、電池２０の変位を吸収し、反力を低減する。

　また上述の実施形態では弾性体４４を用いているが、弾性体４４の代わりにクリープによる変形がエンドセパレータ４における他の部分よりも大きい部材を設けてよい。この場合にも、同部材のクリープによって、電池２０の膨らみによる変位を吸収し、反力を低減することができる。

　以上、本発明の実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

　尚、実施形態は以下の項目によって特定されてもよい。
［項目１］
　複数の電池（２０）を積層した電池積層体（２）と、
　複数の前記電池（２０）の積層方向における端部の電池（２０）の外側に設けられたエンドプレート（１１）と、
　前記端部の電池（２０）と前記エンドプレート（１１）との間に設けられたエンドセパレータ（４）であって、前記端部の電池（２０）の前記積層方向に交差する表面の周縁部を支持する第１支持部材（４１）、および前記表面の中央部を支持し、前記積層方向への変形に対する剛性が前記第１支持部材（４１）よりも低い第２支持部材（４２）を有するエンドセパレータ（４）と、
を備えることを特徴とする電池モジュール（１００）。これにより、電池モジュール（１００）は、電池モジュール（１００）内で積層方向に生じる反力を低減しつつ、衝突荷重に対して電池の変位を抑制することができる。
［項目２］
　前記第１支持部材（４１）は、前記積層方向へ延びるように形成されていることを特徴とする項目１に記載の電池モジュール（１００）。これにより、電池モジュール（１００）は、積層方向への変位に対する第１支持部材（４１）の剛性が高くなり、電池（２０）の衝突荷重による変位が小さく抑えられる。
［項目３］
　前記第２支持部材（４２）は、前記表面に接触し、周縁部で前記第１支持部材（４１）に接続される板状に形成されており、周縁部と中央部との間に、前記積層方向の一側へ凹となる部分および他側へ凹となる部分が形成された変形許容部（４３）を有することを特徴とする項目２に記載の電池モジュール（１００）。これにより、電池モジュール（１００）は、電池（２０）の積層方向への変位に対する第２支持部材（４２）の剛性を低下させる。
［項目４］
　前記第２支持部材（４２）は、前記表面の中央部において前記積層方向へ延びるように形成された弾性体（４４）を有することを特徴とする項目１から３のいずれか１項に記載の電池モジュール（１００）。これにより、電池モジュール（１００）は、弾性体（４４）によって第２支持部材（４２）の剛性を低く保つことができる。

　１１　エンドプレート、　２　電池積層体、　２０　電池、　４　エンドセパレータ、　４１　第１支持部材、　４２　第２支持部材、　４３　変形許容部、　４４　弾性体、　１００　電池モジュール。

Claims

　複数の電池を積層した電池積層体と、
　複数の前記電池の積層方向における端部の電池の外側に設けられたエンドプレートと、
　前記端部の電池と前記エンドプレートとの間に設けられたエンドセパレータであって、
前記端部の電池の前記積層方向に交差する表面の周縁部を支持する第１支持部材、および前記表面の中央部を支持し、前記積層方向への変形に対する剛性が前記第１支持部材よりも低い第２支持部材を有するエンドセパレータと、
を備えることを特徴とする電池モジュール。
　前記第１支持部材は、前記積層方向へ延びるように形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。
　前記第２支持部材は、前記表面に接触し、周縁部で前記第１支持部材に接続される板状に形成されており、周縁部と中央部との間に、前記積層方向の一側へ凹となる部分および他側へ凹となる部分が形成された変形許容部を有することを特徴とする請求項２に記載の電池モジュール。
　前記第２支持部材は、前記表面の中央部において前記積層方向へ延びるように形成された弾性体を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電池モジュール。