JP2020087704A

JP2020087704A - 電池パックの製造方法

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Publication number: JP2020087704A
Application number: JP2018220236A
Authority: JP
Inventors: 雄太根本; Yuta Nemoto; 宏任長友; Hirotaka Nagatomo
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2038-11-26
Also published as: JP7028142B2

Abstract

【課題】電池ケースと電池スタックとの間に、電池スタックの拘束状態を適切に維持できるシムが挿入された電池パックの製造方法を提供すること。【解決手段】電池スタック１０を積層方向に押圧して拘束する拘束工程と、拘束された状態の電池スタック１０を電池ケース２０内に挿入する電池スタック挿入工程と、第１板部材３１と第２板部材３３とそれらの間の袋状部材３２１とを備えるシム３０を、袋状部材３２１がつぶれることで第１板部材３１と第２板部材３３とを接近させた状態で、電池スタック１０の積層方向の端面と電池ケース２０の内壁面との間の空間に挿入するシム挿入工程と、袋状部材３２１を広げることで第１板部材３１と第２板部材３３とを離間させる離間工程と、袋状部材３２１の中にＡＢＳ樹脂を注入してＡＢＳ樹脂を硬化させる硬化工程とを含む電池パックの製造方法である。【選択図】図７

Description

本発明は、複数の電池セルを収容した電池パックの製造方法に関する。

従来から、複数の電池セルを積層して接続した組電池が車両用バッテリ等に用いられている。例えば、特許文献１には、各電池セルの側面にスペーサを当接させて並べ、並べられた複数の電池セルをまとめて拘束部材で拘束した電池モジュールが開示されている。

特開２０１４−１０２９３９号公報

拘束部材で拘束することにより各電池セルに面圧を与えることができ、電池性能を高めることができる。しかしながら、個々の電池セルの厚さにはばらつきがあり、所定の面圧となるように拘束した場合、複数の電池セルの全体としての積層方向の厚さにもばらつきが生じる。そのため、例えば、所定の個数の電池セルを積層した電池スタックを、所定の面圧となるように拘束して、均一な大きさの電池ケースに収容した場合、電池スタックの端面と電池ケースとの間にできる隙間の大きさはそれぞれ異なる。この隙間にそれぞれ適切な厚さのシム（スペーサに相当）を挿入すれば、電池スタックの拘束状態を適切に維持できるが、シムの厚さの調整が煩雑になる。

本発明は、前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、電池ケースと電池スタックとの間に、電池スタックの拘束状態を適切に維持できるシムが挿入された電池パックの製造方法を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の一態様における電池パックの製造方法は、電池ケースに、複数の電池セルを積層した電池スタックを収容して電池パックを製造する電池パックの製造方法であって、前記電池スタックを積層方向に押圧して拘束する拘束工程と、拘束された状態の前記電池スタックを、前記電池ケース内に挿入する電池スタック挿入工程と、第１の板状部材と、第２の板状部材と、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との間に設けられる袋状部材と、を備えるシムを、前記袋状部材がつぶれることで前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とを接近させた状態で、前記電池スタックの積層方向の端面と前記端面に対向する前記電池ケースの内壁面との間の空間に挿入するシム挿入工程と、前記袋状部材を広げることで前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とを離間させる離間工程と、広げられた前記袋状部材の中に樹脂を注入し、当該樹脂を硬化させる硬化工程と、を含むものである。

上述の一態様における電池パックの製造方法によれば、２枚の板状部材で袋状部材を挟んだシムが用意され、電池スタックが電池ケースに収容された後、袋状部材をつぶれて２枚の板状部材が接近した状態のシムが電池ケースに挿入される。さらに、その袋状部材が広げられて２枚の板状部材が離間され、袋状部材の中に樹脂が注入されて硬化される。これにより、２枚の板状部材と樹脂とによって、電池スタックと電池ケースとの隙間の大きさに合わせたシムが電池ケース内に配置される。従って、電池ケースとシムとによって電池スタックが適切に拘束された状態となる。

本発明によれば、電池ケースと電池スタックとの間に、電池スタックの拘束状態を適切に維持できるシムが挿入された電池パックの製造方法が実現される。

本形態の電池パックを示す分解斜視図である。電池スタックを示す説明図である。電池パックの概略部分断面図である。電池パックの製造方法を示す工程図である。挿入前のシムを示す説明図である。電池スタックの挿入方法を示す説明図である。電池パックの製造方法を示す説明図である。

以下、本発明を具体化した形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は、電池ケースに複数の電池セルを収容した電池パックの製造方法に、本発明を適用したものである。

本形態の電池パック１は、図１の分解斜視図に示すように、２つの電池スタック１０と、電池ケース２０と、各電池スタック１０に対応する２つのシム３０とを備えている。電池パック１は、電池スタック１０とシム３０とが電池ケース２０に収容されたものである。なお、本形態では、２つの電池スタック１０を収容可能な電池ケース２０を用いているが、１つの電池ケース２０に収容される電池スタック１０の個数は２に限らず、１でも良いし、３以上でも良い。

本形態の電池ケース２０は、例えば、ダイカスト法によってアルミニウム等の金属で製造された箱形状のものであり、所定の剛性を備えている。本形態の電池ケース２０には、図１に示すように、電池スタック１０を収容する２つの空間が形成されており、電池ケース２０の図中で上方の面は開口している。電池スタック１０やシム３０は、上方の開口から電池ケース２０内に挿入される。本明細書では、図１中に矢印で示すように、電池スタック１０の長手方向を積層方向とし、電池ケース２０の開口側を上方として上下方向を規定する。

電池スタック１０は、図２に示すように、複数の電池セル１１と、複数の絶縁部材１２と、２つのエンドプレート１３とを含む。各電池セル１１は、図２（Ａ）に示すように、扁平な略直方体形状の電池であり、細長い側面の１つに正負の両電極１１１が突出して設けられている。

絶縁部材１２は、例えば、絶縁性を有する樹脂によって形成され、各電池セル１１の間、及び、両端の電池セル１１の外側に配置される。本形態の電池スタック１０では、各電池セル１１は、図２（Ｂ）に示すように、各電極１１１が図中上方の同じ側に突出して扁平面が互いに対向する配置で、絶縁部材１２を間に挟んで並べられる。電池セル１１の並び方向が積層方向である。絶縁部材１２は、例えば、エアー等の冷却部材の流路を備えても良い。

エンドプレート１３は、絶縁性を有し、所定の強度を備える板材である。図２（Ｃ）に示すように、所定の個数の電池セル１１及び絶縁部材１２を積層した後、その両端にそれぞれエンドプレート１３が配置される。

本形態の電池セル１１は、例えば、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。このような二次電池では、扁平面の全体を適切な圧力で押圧した状態とすることで、充放電の繰り返しによる劣化の進行を遅延させることができる。本形態の電池パック１では、図１に示したように、拘束状態での電池スタック１０の積層方向の外寸ｘとシム３０の積層方向の厚さｙとの合計が電池ケース２０の内寸ｚと同等になる厚さｙのシム３０が、電池ケース２０内に配置されている。これにより、拘束バンド等による恒久的な拘束を行わなくても、電池ケース２０とシム３０とによって、電池スタック１０に適切な面圧が加わった状態が維持される。

ここで、電池ケース２０の内寸ｚのばらつきは、製品公差の範囲内であるのに対し、拘束状態の電池スタック１０の積層方向の外寸ｘには、個々の電池セル１１の積層方向の厚さのばらつき等によって、±１０ｍｍ程度のばらつきがある。本形態の電池ケース２０は、その内寸ｚが電池スタック１０の外寸ｘの最大値以上であり、どの電池スタック１０でも挿入できる大きさである。一方、シム３０の厚さｙは、電池ケース２０の内寸ｚと電池スタック１０の外寸ｘとの差に応じたものとする必要がある。

本形態の電池パック１の部分断面図を図３に示す。シム３０は、図３に示すように、第１板部材３１と、中間部材３２と、第２板部材３３とが一体に形成されている。第１板部材３１は、第１の板状部材の一例であり、第２板部材３３は、第２の板状部材の一例である。第１板部材３１は、ＰＰ樹脂製の板状の部材であり、電池スタック１０の一方のエンドプレート１３に接触している。中間部材３２は、厚さ０．１ｍｍ程度のＰＰ樹脂製の袋状部材３２１に硅砂とＡＢＳ樹脂との混合物３２２が封入されたものである。第２板部材３３は、ＰＰ樹脂製の板状の部材であり、電池ケース２０の側面２１の内壁面に接触している。

シム３０の厚さｙは、中間部材３２の厚さによって調整可能である。つまり、中間部材３２の厚さが、電池ケース２０の内寸ｚから電池スタック１０の外寸ｘと第１板部材３１と第２板部材３３の厚さとを減じた寸法となるように、混合物３２２が封入されている。なお、本形態では、シム３０は、電池スタック１０の一方の端部側のみに設けられているが、他方の端部側にも設けてもよい。

本形態の電池ケース２０は、ダイカスト法によって製造されることから、製造し易さのために、電池ケース２０の側面２１には１〜３度程度の抜き勾配ｓが形成されている。また、電池ケース２０の底面２２と側面２１との境界部ｔは、なめらかなカーブを描く曲面となっている。そこで、本形態のシム３０の第２板部材３３は、この電池ケース２０の側面２１の形状に合わせた形状となっている。

具体的には、図３に示すように、第２板部材３３の積層方向の厚さは、抜き勾配ｓに合わせて、上方に向かって次第に大きくなっている。また、第２板部材３３の下部は、境界部ｔのＲ形状に合わせた曲面形状となっている。これにより、シム３０を直立させやすく、第１板部材３１と電池スタック１０との接触面積を大きくできることから、電池スタック１０に適切な面圧を加えることができる。

次に、本形態の電池パック１を製造する製造方法について、図４の工程図および図５〜図７の説明図を参照して説明する。なお、本形態では、図１に示したように、２つの電池スタック１０を収容する電池ケース２０を用いる。そして、以降の手順では、１つの電池ケース２０に収容される２つの電池スタック１０について同様の工程を、並行して、または、順に行う。

なお、本形態では、あらかじめ、電池ケース２０と、２つの電池スタック１０と、２つのシム３０と、袋状部材３２１（図３参照）に収容するための硅砂及びＡＢＳ樹脂材料と、をそれぞれ用意する。この段階のシム３０には、中間部材３２の混合物３２２（図３参照）が入っていない。この段階のシム３０は、例えば、図５に示すように、第１板部材３１と第２板部材３３と袋状部材３２１とが一体に設けられたものであり、袋状部材３２１の上端は開口されている。なお、袋状部材３２１は、電池スタック１０の外寸ｘが最小であっても、電池ケース２０と電池スタック１０との間の隙間を埋めるのに十分な大きさまで積層方向に広げることが可能な大きさとなっている。

本形態の製造方法では、まず、電池スタック１０を適切な拘束力で拘束した状態とする（図４の工程１）。工程１は、拘束工程の一例である。具体的には、図６に示すように、電池スタック１０を搬送する搬送装置に一対の搬送治具１００が設けられ、さらに各搬送治具１００の脚部１０１が、各エンドプレート１３の外側面に形成された溝部１３１に挿入される。そして、搬送装置によって、両側の搬送治具１００を互いに近づける方向の押圧力が電池スタック１０に加えられる。これにより、電池スタック１０は、各電池セル１１に適切な面圧が加わった状態となる。

次に、拘束状態の電池スタック１０を電池ケース２０に挿入する（図４の工程２）。工程２は、電池スタック挿入工程の一例である。具体的には、図６に示したように、搬送治具１００によって電池スタック１０を拘束した状態で、搬送装置によって、電池ケース２０の一方の側面２１と底面２２とに接触する位置まで電池スタック１０を移動させる。電池ケース２０の内寸ｚが電池スタック１０の外寸ｘの最大値以上であることから、電池スタック１０を電池ケース２０に挿入することは容易である。なお、電池ケース２０を電池スタック１０に向けて移動させても良い。

電池スタック１０を一方の側面２１に寄せて電池ケース２０に挿入することで、電池スタック１０と他方の側面２１との間には、電池スタック１０の外寸ｘに応じた隙間ができる。そこで、シム３０を電池スタック１０と電池ケース２０の他方の側面２１との間の隙間に挿入する（図４の工程３）。工程３は、シム挿入工程の一例である。この工程３では、図７の（Ａ）に示すように、袋状部材３２１を押しつぶして第１板部材３１と第２板部材３３とを互いに接近させ、積層方向の厚さを小さくした状態でシム３０を挿入する。第１板部材３１と第２板部材３３との間隔を小さくすることで、隙間の大きさに関わらずシム３０を挿入できる。

次に、電池ケース２０に挿入したシム３０の袋状部材３２１の中にエアーノズルを挿入し、エアー供給装置によってエアーを吹き込んで、袋状部材３２１を広げる（図４の工程４）。袋状部材３２１を広げることにより、第１板部材３１と第２板部材３３とが離間される。工程４は、離間工程の一例である。図７の（Ｂ）に示すように、袋状部材３２１の開口からエアーを吹き込むことで、つぶれていた袋状部材３２１をふくらませ、第１板部材３１と第２板部材３３とを移動させて、第１板部材３１と第２板部材３３との間隔を大きくする。これにより、第１板部材３１が電池スタック１０の端面に接触し、第２板部材３３が電池ケース２０の内壁面に接触する。なお、この工程４では、袋状部材３２１に５０℃程度の高温エアーを吹き込み、袋状部材３２１の内部の昇温も行う。

そして、広げた袋状部材３２１の内部に、硅砂注入用のノズルとＡＢＳ樹脂噴霧用のノズルとを挿入し、それぞれの供給装置によって硅砂とＡＢＳ樹脂とを注入する（図４の工程５）。硅砂としては、例えば、市販の７号硅砂を使用できる。ＡＢＳ樹脂の供給装置は、加温により液状となったＡＢＳ樹脂を、硅砂の注入と同時に袋状部材３２１の内部に向けて噴霧する。前工程にて袋状部材３２１の内部が昇温されているので、硅砂にＡＢＳ樹脂が付着して袋状部材３２１の内部に注入される。

さらに、噴霧されたＡＢＳ樹脂の温度が低下することで、例えば、図７の（Ｃ）に示すように、硅砂と適度に混合された状態となってＡＢＳ樹脂が硬化し、袋状部材３２１の内部に溜まる。工程５は、硬化工程の一例である。これにより、シム３０の厚さｙを、電池スタック１０の積層方向の端面と電池ケース２０の内壁面との隙間をちょうど埋める大きさとすることができる。また、樹脂を混合することにより一塊の混合物３２２となって硬化するので、袋状部材３２１が破損したとしても、硅砂が漏れる可能性は小さい。

袋状部材３２１が満杯となるまで硅砂とＡＢＳ樹脂とを注入したら、袋状部材３２１の開口を封止する（図４の工程６）。例えば、混合物３２２の上面位置をセンサで検知し、検知位置が第１板部材３１や第２板部材３３の上面の高さ等の所定の位置を超えたら、袋状部材３２１が満杯となったと判断する。そして、例えば、図７の（Ｄ）に示すように袋状部材３２１の開口を１００℃のアイロン５０で挟んで溶着し、袋状部材３２１を封止する。これにより、図１に示したシム３０が完成する。

その後、電池スタック１０の拘束を解除する（図４の工程７）。具体的には、図６に示した搬送装置による押圧力を解除し、搬送治具１００を図中で上方へ移動させて、脚部１０１をエンドプレート１３から離間させる。これで、電池パック１が完成した。

本形態の電池パック１では、袋状部材３２１に注入される混合物３２２の量によって、シム３０の厚さｙの調整が可能である。そして、シム３０によって、電池スタック１０と電池ケース２０との間の隙間が埋められている。これにより、電池スタック１０の外寸ｘにばらつきがあっても、搬送治具１００を取り外した後も、各電池セル１１には適切な面圧が加わった状態が維持される。

以上詳細に説明したように本形態の製造方法によれば、第１板部材３１と第２板部材３３との間に袋状部材３２１を有するシム３０を用意し、袋状部材３２１をつぶすことでシム３０の厚さを小さくして電池ケース２０に挿入する。そして、挿入後に袋状部材３２１を広げて硅砂とＡＢＳ樹脂とを注入し、ＡＢＳ樹脂を袋状部材３２１の内部で硬化させる。従って、電池ケース２０と電池スタック１０との間の隙間の大きさに関わらず、適切な厚さのシム３０を形成することができる。つまり、電池ケース２０の側面２１と電池スタック１０の端面との間に、適切な厚さのシム３０が配置された電池パック１が製造されるので、電池ケース２０とシム３０とによって電池スタック１０への押圧状態が維持され、安定した電池性能の電池パック１を製造できる。また、電池スタック１０の挿入後にシム３０を挿入できるので、シム３０が電池スタック１０の収納不良の原因となる可能性は小さい。

さらに、本形態では、袋状部材３２１を充分大きくしているので、注入する硅砂とＡＢＳ樹脂との量によって、１種類の部品で様々な大きさの隙間に対応できる。つまり、部品点数と部品費の低減が可能である。硅砂やＡＢＳ樹脂は、市場に安定的に供給されているものを使用可能なので、電池パック１を安定して生産できる。

また、本形態の製造方法によれば、シム３０を挿入する隙間の大きさを計測したり、計測した隙間の大きさに応じてシムを選択したりする手間が不要であり、電池パック１の製造工程を簡略化できる。さらに、硅砂やＡＢＳ樹脂を自動で注入する注入装置や、注入した硅砂等の上面位置を検知する検知装置を用いることで、製造工程の自動化が可能である。自動化した設備による製造工程では、作業者が設備に近づく必要が無く、製造工程の安全性が高い。

なお、本形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。例えば、電池ケース内に配列される電池セルの個数や列数は、何れも一例であり、本形態の例に限らない。

また、本形態では、第１板部材３１と第２板部材３３と袋状部材３２１とを一体に備えるシム３０を用いるとしたが、これらは別部材であっても良い。つまり、３つの部材をそれぞれ隙間に挿入しても良い。ただし、一体となっていれば一度に挿入できることから、製造が容易であるので好ましい。

また、本形態では、ダイカスト法によって製造された電池ケース２０を使用するとしているが、これに限らない。適切な剛性を備えた電池ケースであれば良く、その製造方法は限定されない。

また、本形態では、第２板部材３３として、上方と下方で厚さの異なるものを使用しているが、一定の厚さの板材としても良い。例えば、第２板部材３３が電池ケース２０の内壁面に沿って傾いていても、袋状部材３２１に封入される混合物３２２の形状によって、上方と下方とで厚さの異なるシム３０とすることができる。

また、本形態では、工程６にて袋状部材３２１の開口を封止するとしているが、封止しなくても良い。ただし、硅砂の流出を確実に防止できることから封止した方が望ましい。

また、本形態では、シム３０を形成した後、電池スタック１０の拘束を解除しているが、拘束を維持しても良い。つまり、さらに拘束部材を備えた電池パック１としても良い。ただし、本形態ではシム３０によって電池スタック１０の面圧を維持できることから他の拘束部材は不要であり、部品点数を減少させる観点から拘束部材を設けないことが好ましい。

１電池パック
１０電池スタック
１１電池セル
２０電池ケース
３０シム
３１第１板部材
３３第２板部材
３２１袋状部材

Claims

電池ケースに、複数の電池セルを積層した電池スタックを収容して電池パックを製造する電池パックの製造方法であって、
前記電池スタックを積層方向に押圧して拘束する拘束工程と、
拘束された状態の前記電池スタックを、前記電池ケース内に挿入する電池スタック挿入工程と、
第１の板状部材と、第２の板状部材と、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との間に設けられる袋状部材と、を備えるシムを、前記袋状部材がつぶれることで前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とを接近させた状態で、前記電池スタックの積層方向の端面と前記端面に対向する前記電池ケースの内壁面との間の空間に挿入するシム挿入工程と、
前記袋状部材を広げることで前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とを離間させる離間工程と、
広げられた前記袋状部材の中に樹脂を注入し、当該樹脂を硬化させる硬化工程と、
を含むことを特徴とする電池パックの製造方法。