JP6128431B2 - 蓄電モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電池セル（単電池）やキャパシタなどの蓄電素子と、この蓄電素子を保持するフレームとを備えた蓄電モジュールに関する。

蓄電モジュールとして、整列された複数の蓄電素子と、この複数の蓄電素子を保持するフレームとを備えたものが知られている（例えば、特許文献１）。この種の蓄電素子は、ケースと、このケース内に収容される電極体とを備えている。また、フレームは、蓄電素子のケースを挟む一対の終端部材と、この一対の終端部材同士を連結する連結部材とを備えている。連結部材は、一対の終端部材が蓄電素子のケースを挟む方向と直交する方向に蓄電素子のケースを緊締する。連結部材は、平板状の本体部と、本体部の端部を折り曲げた折曲部とを有している。

そして、蓄電モジュールは、連結部材の本体部から終端部材に通されるボルトによって、複数の蓄電素子をフレームに締め付けた状態に拘束している。しかし、フレームには、大きな外力が加えられたり、長時間にわたる振動が加えられたりする。そうすると、フレームは、単に折曲部を有しているだけでは、撓むなど変形してしまう。フレームが変形しないような厚肉に成形されると、重量化したり、高コスト化したりする。

国際公開第２０１０／１２３０９１号

そこで、本発明は、薄肉であっても必要な強度を有するフレームを備えた蓄電モジュールを提供することを課題とする。

本発明に係る蓄電モジュールは、
それぞれがケースを有する複数の蓄電素子であって、一方向に整列される複数の蓄電素子と、
該複数の蓄電素子を保持するフレームとを備え、
該フレームは、
前記一方向において前記複数の蓄電素子を挟み込み且つそれぞれが前記一方向において隣り合う蓄電素子のケースに対向する一対の終端部材と、前記複数の蓄電素子のケースに対向し、前記一対の終端部材を連結する連結部材とを備え、
前記連結部材は、前記複数の蓄電素子のケースに対向する平板状の本体部と、該本体部の外面から突出した環状凸部とを備えている。

かかる構成によれば、フレームの本体部の外面から環状凸部が突出し、この環状凸部がリブのように作用することから、板状の本体部を薄肉化したフレームに外力が加えられても、フレームは変形しにくくなっている。すなわち、環状凸部は、縦方向と横方向とに突出されるため、縦方向の部分と横方向の部分とが互いに拘束する状態となって、フレームが変形しにくくなっている。

ここで、本発明に係る蓄電モジュールの一態様として、
前記フレームは、前記連結部材と終端部材とを締結する締結部材とを備え、
該締結部材は、前記本体部の外面上に突出する頭部を有し、
前記本体部の外面からの環状凸部の突出量が締結部材の頭部の高さよりも大きくされている。

かかる構成によれば、締結部材の頭部が環状凸部よりも突出しないため、蓄電モジュールと蓄電モジュールとが並べられた際、締結部材の頭部同士が干渉しないようにすることができる。したがって、この蓄電モジュールは、ボルトの頭部が環状凸部から突出する蓄電モジュールよりも占有体積を抑え、デッドスペースを低減することができる。

ここで、本発明に係る蓄電モジュールの他態様として、
環状凸部は、フレームの本体部の外周縁に沿って突出している。

かかる構成によれば、環状凸部がフレームの本体部の外周縁に沿って突出していることによって、変形しやすいフレームの外周側が環状凸部に拘束され、フレーム全体として変形しにくくなっている。

この場合、
本体部と環状凸部との境界部の外側は、曲面状に成形されている。

本体部と環状凸部の境界部が角張っていると、フレームに外力が加えられた際に、その角張った境界部が蓄電素子に集中荷重を加え、ダメージを与えるおそれがある。しかし、かかる構成によれば、本体部と環状凸部との境界部の外側が曲面状に成形されていることにより、フレームに外力が加えられても、蓄電素子に集中荷重が加えられないことから、蓄電素子にダメージが与えられないようにすることができる。

また、前記の場合、
環状凸部は、前記本体部の外面から次第に拡開するようなテーパ状に成形されていてもよい。

かかる構成によれば、蓄電素子の一端部であって、環状凸部と本体部との境界部に隣り合う一端部上に外装部材を実装する場合において、外装部材がテーパ状の環状凸部に誘導され、蓄電素子の一端部上にスムーズに実装することができる。

また、本発明に係る蓄電モジュールの別の態様として、前記連結部材の本体部は、開口部を備えているようにしてもよい。

かかる構成によれば、フレームが開口部を備えることにより、軽量化される。開口部を単に備えたフレームにあっては、変形しやすいものの、このフレームは、開口部を囲む環状凸部が本体部から突出しているため、変形しにくくされている。また、フレームの開口部は、蓄電素子を露出させるため、フレーム内に外気が流入し、蓄電素子を冷却することができるものとなる。

この場合、
環状凸部は、本体部の開口部に沿った内周縁に沿って突出していてもよい。

かかる構成によれば、開口部の内周線に沿って突出した環状凸部によって、開口部によって露出している蓄電素子に開口部から異物が当たりにくいようにすることができる。なお、環状凸部が二重に突出した場合は、一重の環状凸部よりも、フレームがより変形しにくいようにすることができる。

また、本発明に係る蓄電モジュールのさらに別の態様として、
環状凸部に連結される環状の風路接続部材を備えていてもよい。

かかる構成によれば、蓄電素子に沿って風路が形成され、フレームの開口部が風路を流通した冷却媒体の通気口となる場合であって、複数の蓄電モジュールが並べられ、風路が隣り合う場合に、風路接続部材が隣り合っている風路を連結することができる。

以上のように、本発明によれば、薄肉であっても必要な強度を有するフレームを備えた蓄電モジュールを提供することができるという優れた効果を奏し得る。

図１は、本発明に係る蓄電装置の一実施形態である電池モジュールの斜視図を示す。 図２は、同電池モジュールの断面側面図を示す。 図３は、同電池モジュールの図２と異なる線での断面側面図を示す。 図４は、同電池モジュールの分解斜視図を示す。 図５は、同電池モジュールを備えた蓄電装置の分解斜視図を示す。 図６は、同電池モジュールを備えた蓄電装置の断面側面図を示す。

以下、本発明に係る蓄電モジュールの一実施形態である電池モジュールについて、図面を参酌しつつ説明する。

図１〜図４に示すように、電池モジュール１は、第一方向に整列される複数の電池セル３と、隣り合う電池セル３間及び第一方向における複数の電池セル３の両側にそれぞれ配置される複数のスペーサ５と、複数の電池セル３及び複数のスペーサ５を保持してパッケージ化する保持体としてのフレーム７と、複数の電池セル３の電圧、電流又は温度の少なくとも一つを電池セル３毎に監視するセル監視回路（ＣＭＵ：Cell Monitor Unit）モジュール９とを備えている。

なお、以下においては、便宜上、第一方向をＸ方向（各図に示された直交軸のうちのＸ軸方向）といい、第一方向と直交する第二方向をＹ方向（各図に示された直交軸のうちのＹ軸方向）といい、第一方向及び第二方向と直交する第三方向をＺ方向（各図に示された直交軸のうちのＺ軸方向）という。各図においては、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のそれぞれ一方側に対し、Ｘ、Ｙ、Ｚの記号を付している。なお、Ｚ方向が鉛直方向に置かれた場合、Ｚ方向は上下方向となり、Ｙ方向は左右方向、Ｘ方向は前後方向となる。

電池セル３は、図４に示すように、開口部を有するケース本体３１と、該ケース本体３１の開口部を塞いで密閉する蓋体３２とで構成されるケース３０を備えている。ケース３０内には、互いに絶縁された正極板と負極板とを含む電極体（図示せず）が収容されている。電池セル３は、Ｘ方向に扁平な角形電池である。

スペーサ５は、合成樹脂製であり、絶縁性を有している。スペーサ５は、スペーサ本体５０と、該スペーサ本体５０からＸ方向に延出し、Ｘ方向において該スペーサ本体５０と対向する電池セル３の外周端部を保持する保持部５１とを備えている。

なお、本実施形態に係る電池モジュール１では、スペーサ５の保持部５１によって電池セル３間に隙間が形成されている。この隙間は、冷却媒体である空気が流通する風路２とされる。すなわち、電池セル３に沿って風路２が形成されている。この電池モジュールは、風路２内に空気が流通することで電池セル３が冷却される、いわゆる空冷式が採用されている。空冷式のスペーサ５は、風路２を確保するために、例えば矩形並み形状の断面形状を有するスペーサ本体５０が用いられる。

フレーム７は、Ｘ方向における複数の電池セル３の両側に配置され且つＸ方向において複数の電池セル３及び複数のスペーサ５を挟み込む一対の終端部材７０（いわゆるエンドプレート）と、該一対の終端部材７０同士を連結し、複数の電池セル３及び複数のスペーサ５を一体に緊締する連結部材７５とを備えている。

終端部材７０は、例えば鋳造によって形成された、例えばアルミなどの金属製である。終端部材７０は、終端部材本体７１と、該終端部材本体７１の下部からＸ方向外方に突出する脚部７２とを備えている。終端部材本体７１は、スペーサ本体５０と同様、電池セル３のケース３０がＸ方向から見て矩形状であるのに対応して、矩形状に形成されている。終端部材本体７１は、矩形状の枠部と、該枠部内に形成された格子形状のリブとで構成され、Ｘ方向にある程度の厚みを有しながらも、軽量であり、剛性を有している。

終端部材本体７１の側部には、後述する締結部材であるボルト８５の雄ネジ部８５１が螺入される雌ネジ７１０がＹ方向に沿って形成されている。雌ネジ７１０は、終端部材本体７１のＹ方向における一方の側部及び他方の側部（以下、単に「一側部」、「他側部」という）のそれぞれにおいて、Ｚ方向に互いに間隔を有して一対設けられている。

連結部材７５は、Ｙ方向における複数の電池セル３の両側に一対設けられている。すなわち、連結部材７５は、Ｙ方向の一方側から複数の電池セル３に対向配置される連結部材７５と、Ｙ方向の他方側から複数の電池セル３に対向配置される連結部材７５とを備えている。

そして、連結部材７５は、平板状の本体部７５０と、該本体部７５０の外面（電池セル３に接する面と反対面）から突出した環状凸部７８，７９とを備えている。本体部７５０は、Ｘ方向に沿って延びて互いに間隔を有して平行する一対の横梁部７６と、該一対の横梁部７６のＸ方向における一端部同士及び他端部同士を連結する一対の縦梁部７７とを備え、全体として、開口部７５１を有する矩形の枠形状を呈している。開口部７５１によって、電池セル３間の隙間が露出する。

そして、環状凸部７８，７９は、開口部７５１を囲むように本体部７５０の外面から突出している。具体的には、環状凸部７８，７９は、枠状の本体部７５０の内周縁、すなわち、開口部７５１に沿った内周側環状凸部７８と、枠状の本体部７５０の外郭である外周縁に沿った外周側環状凸部７９との二重に突出している。この環状凸部７８，７９が本体部７５０の表面から突出することにより、環状凸部７８，７９がリブのように作用するため、本体部７５０を薄肉としても、本体部７５０は、必要な強度を備えることができる。

特に、環状凸部７８，７９が本体部７５０の外周縁及び内周縁の二重に突出することで、環状凸部７８，７９が一重に突出した本体部７５０よりも撓みにくくすることができる。したがって、二重の環状凸部７８，７９を突出させた本体部７５０は、より薄肉とされても、必要な強度を有し、変形しない。このような環状凸部７８，７９は、本体部７５０の外周縁及び内周縁を折り曲げることで成形される。本体部７５０が薄肉とされることにより、折り曲げて環状凸部７８，７９を成形することができる。

また、本体部７５０と外周側環状凸部７９との境界部の少なくとも外側は、曲面状（断面が四分の一円弧状）に成形されている。いうまでもなく、本体部７５０と内周側環状凸部７８との境界部の外側も曲面状に成形してもよい。

そして、本体部７５０の四つの角部、すなわち、連結部材７５の一対の縦梁部７７には、ボルト８５の雄ネジ部８５１を通すための貫通孔７７１がＹ方向に沿って形成されている。貫通孔７７１は、連結部材７５のＸ方向における一端部及び他端部（以下、単に「一端部」、「他端部」という）のそれぞれにおいて、Ｚ方向に互いに間隔を有し、前記雌ネジ７１０と連通するように一対設けられている。

本実施形態では、同じ二つの連結部材７５が一対の連結部材７５に使用されている。すなわち、本実施形態では、同じ向きに並ぶ同じ二つの連結部材７５の一方の連結部材７５が１８０度ひっくり返され（Ｚ軸を中心として回転させられ）、互いに内面が対向した状態で、同じ二つの連結部材７５が使用されている。

セル監視回路モジュール９は、セル監視回路（図示しない）を回路ケース９０に収容したものである。回路ケース９０は、開口部７５１を有するケース本体９１と、該ケース本体９１の開口部７５１を塞いで密閉する蓋体９２とを備えている。

以上の構成からなる電池モジュール１は、間にスペーサ５が配置されつつ複数の電池セル３が積層され、一端及び他端にある電池セル３の外側にもスペーサ５が配置され、さらにその両側に一対の終端部材７０が配置され、一対の終端部材７０間にＸ方向の圧縮力が掛けられた状態で、一対の連結部材７５が複数の電池セル３にＹ方向から配置されるとともに、連結部材７５の各貫通孔７７１に挿通されたボルト８５の雄ネジ部８５１が終端部材７０の各雌ネジ７１０に螺入され、複数の電池セル３及び複数のスペーサ５がフレーム７とともに一体化された後、セル監視回路モジュール９が複数の電池セル３にＺ方向から配置されて取り付けられることによって、完成する。

以上の構成からなる電池モジュール１では、ボルト８５が連結部材７５の貫通孔７７１を挿通し、終端部材７０の雌ネジ７１０に螺入されることで、連結部材７５は複数の電池セル３を保持する。この状態において、連結部材７５には、大きな力が加えられる。しかし、連結部材７５には、本体部７５０の外面から環状凸部７８，７９が突出し、環状凸部７８，７９がリブのように作用し、本体部７５０を補強することにより、連結部材７５は変形しない。

また、以上の構成からなる電池モジュール１では、環状凸部７８，７９が二重に突出することで、環状凸部７８，７９が本体部７５０の内周縁又は外周縁のいずれか一方にのみ一重に突出した本体部よりも撓みにくいようにされている。

また、以上の構成からなる電池モジュール１では、ボルト８５の頭部８５２は、連結部材７５の本体部７５０の外面から突出する。本体部７５０が薄肉とされたことにより、本体部７５０の外面は、厚肉の連結部材よりも電池セル３側に近づく。したがって、薄肉の本体部７５０から突出しているボルト８５の頭部８５２の高さは、厚肉の連結部材の外面から突出していた高さよりも低くなる。したがって、この電池モジュール１は、厚肉の本体によって形成された連結部材を備えた電池モジュールよりもコンパクト化が図られている。

そして、電池モジュール１は、連結部材７５の本体部７５０の外面から内周側環状凸部７８及び外周側環状凸部７９の少なくとも一方の突出量が、ボルト８５の頭部８５２の高さよりも大きくされている。換言すれば、ボルト８５の頭部８５２の頂端面が環状凸部７８，７９よりも突出しない。

そして、連結部材７５が向き合うように隣り合わされることで、蓄電装置Ｂ（図５、図６参照）が構成される。この蓄電装置Ｂにおいては、ボルト８５の頭部８５２同士も向き合う。したがって、本体部７５０の外面から突出する環状凸部７８，７９の突出量がボルト８５の頭部８５２の高さよりも大きくされていることにより、ボルト８５の頭部８５２同士が緩衝しない。そして、ボルト８５の頭部８５２が連結部材７５の環状凸部７８，７９よりも突出しないことで、蓄電装置Ｂは、占有面積が抑えられ、ボルト８５によるデッドスペースが生じないものとなっている。

また、以上の構成からなる電池モジュール１では、連結部材７５が開口部７５１を備えることにより、軽量化される。開口部７５１を単に備えた連結部材７５にあっては、変形しやすい。しかし、この連結部材７５は、開口部７５１を囲む環状凸部７８，７９が本体部７５０から突出しているため、変形しにくくされている。なお、開口部７５１によって電池セル３が露出するため、フレーム７の内部に外気が流入し、電池セル３を冷却することができるものとなる。

また、以上の構成からなる電池モジュール１では、連結部材７５の本体部７５０と外周側環状凸部７９との境界部が曲面状に形成されている。セル監視回路モジュール９は、電池セル３の蓋体３２に重なるように取り付けられる。この電池モジュール１において、連結部材７５の本体部７５０と外周側環状凸部７９との境界部が角張っていると、フレーム７に外力が加えられた際、角張った境界部が電池セル３に集中荷重を加えることで、ダメージを与えるおそれがある。しかし、本体部７５０と外周側環状凸部７９との境界部が曲面状に成形されることで、フレーム７に外力が加えられても、電池セル３に集中荷重が加えられないことからダメージが与えられない。

また、連結部材７５のＺ方向の幅は、取り付けられたセル監視回路モジュール９のケース本体９１の底板部９１０が連結部材７５の外周側環状凸部７９に挟まれるような幅とされる。したがって、電池セル３上に配置されたセル監視回路モジュール９は、一対の連結部材７５の外周側環状凸部７９によって位置決めされた状態となる。

尚、本発明に係る蓄電モジュールは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態における電池モジュール１を複数並べた蓄電装置Ｂは、図５及び図６に示すように、連結部材７５に開口部７５１が設けられていることにより、隣り合っている電池モジュール１の風路２が向き合う。

したがって、電池モジュール１は、この隣り合った風路２と風路２とを連結する風路接続部材２０を備えてもよい。この風路接続部材２０は、内周側環状凸部７８又は外周側環状凸部７９に接合される一対の環状接合部２１と、一対の環状接合部２１の間に設けられる中間部２２とを備えている。

環状接合部２１と内周側環状凸部７８又は外周側環状凸部７９とが密着し、中間部２２によって、隣り合っている電池モジュール１の風路２同士が連結される。したがって、風路接続部材２０を備えた電池モジュール１は、隣り合った電池モジュール１の風路２内に冷却媒体を流通させた場合に、その冷却媒体は圧力損失なく上流側から下流側へ流通する。なお、ボルト８５の頭部８５２が連結部材７５の環状凸部７８，７９よりも突出しないことで、風路接続部材２０のサイズを抑えることができる。

ただし、風路接続部材２０を使用せず、連結部材の内周側環状凸部７８及び外周側環状凸部７９の少なくとも一方を突き合わせるように電池モジュール１を並べることで、隣り合った電池モジュール１の風路２同士を連結することができる。風路接続部材２０を使用しないことにより、コストの低減を図ることができる。

また、上記実施形態においては、連結部材７５に開口部７５１を設けた。しかしながら、電池セル３を水などで冷却する場合及び電池セル３を冷却しない場合においては、開口部７５１を必ずしも設ける必要はない。

また、上記実施形態では、環状凸部７８，７９がボルト８５の頭部８５１よりも突出する高さとした。しかしながら、連結部材７５は、環状凸部７８，７９が設けられることで、本体部７５０が薄肉化されている。したがって、連結部材７５を厚肉とする態様における、ボルト８５の頭部８５１の位置よりは、ボルト８５の頭部８５１が電池セル３側に近寄っている。したがって、ボルト８５の頭部８５１が環状凸部７８，７９よりも多少はみ出しても、電池モジュール１の占有面積を抑えることができる。

また、上記実施形態においては、環状凸部７８，７９を二重に突出した。しかしながら、環状凸部７８，７９は、一重に突出させてもよい。この場合、内周側環状凸部７８を突出させることなく、外周側環状凸部７９を突出させる方が連結部材７５を全体として補強することができる。また、環状凸部７８，７９は、三重以上に突出させてもよい。この場合、少なくとも一つの環状凸部７８，７９がボルト８５の頭部８５１よりも突出させることで、ボルト８５の頭部８５２同士が干渉しないようにすることができ、ボルト８５の頭部８５１よりも低くした他の環状凸部は、本体部７５０を補強するリブとして作用するだけとしてもよい。

ただし、内周側環状凸部７８を突出させることにより、内周側環状凸部７８が開口部７５１で露出している電池セル３に異物が当たりにくいようにすることができる。また、上記実施形態においては、環状凸部７８，７９は、本体部７５０の内周縁及び外周縁に沿って突出させた。しかしながら、環状凸部は、内周縁と外周縁との中間に設けてもよい。

また、上記実施形態においては、外側環状凸部７９と本体部７５０との境界部が曲面状に成形された。しかしながら、外側環状凸部７９は、本体部７５０の外面から次第に拡開するようなテーパ状に成形されてもよい。テーパ状に成形された外側環状凸部７９によっても、セル監視回路モジュール９を案内して電池セル３上に取り付けることができる。

また、上記実施形態においては、一対の連結部材７５の間に一対の終端部材７０が介在している。しかしながら、電池モジュール１は、一対の終端部材７０を備えず、一対の連結部材７５に架け渡されるボルト８５によって、一対の連結部材７５を締結してもよい。この場合は、ボルト８５の頭部８５２が一方の連結部材７５の本体部から突出し、ボルト８５の雄ネジ部８５１の先端部が他方の連結部材の本体部から突出し、ナット（図示しない）によって雄ネジ部８５１に締結される。

また、上記実施形態においては、締結部材としてボルト８５について説明した。しかしながら、締結部材は、ボルト８５以外に、リベットやネジを切っていない単なる棒体であってもよい。

また、上記実施形態においては、リチウムイオン二次電池について説明した。しかしながら、電池の種類や大きさ（容量）は任意である。

また、本発明は、リチウムイオン二次電池に限定されるものではない。本発明は、種々の二次電池、その他、一次電池や、電気二重層キャパシタ等のキャパシタにも適用可能である。

１…電池モジュール、２…風路、２０…風路接続部材、３…電池セル、３０…ケース、３１…ケース本体、３２…蓋体、３３…電極端子、３４…バスバー、３５…外部端子、５…スペーサ、５０…スペーサ本体、５１…保持部、５２…角部保持部、５３…角部間保持部、７…フレーム、７０…終端部材、７１…終端部材本体、７１０…雌ネジ、７１１…頂部、７１２…凸条、７１３…座、７１４…雌ネジ、７２…脚部、７２０…貫通孔、７５…連結部材、７５０…本体部、７５０ａ…外面、７６…横梁部、７７…縦梁部、７８…環状凸部（内周側環状凸部）、７９…環状凸部（外周側環状凸部）、７７０…折り曲げ部、７７１…貫通孔、８５…ボルト（ネジ部材）、８５１…雄ネジ部、９…セル監視回路（ＣＭＵ）モジュール

Claims (8)

1. それぞれがケースを有する複数の蓄電素子であって、一方向に整列される複数の蓄電素子と、
   該複数の蓄電素子を保持するフレームとを備え、
   該フレームは、
   前記一方向において前記複数の蓄電素子を挟み込み且つそれぞれが前記一方向において隣り合う蓄電素子のケースに対向する一対の終端部材と、前記複数の蓄電素子のケースに対向し、前記一対の終端部材を連結する連結部材とを備え、
   前記連結部材は、前記複数の蓄電素子のケースに対向する平板状の本体部と、該本体部の外面から突出した環状凸部とを備えている
   蓄電モジュール。
2. 前記フレームは、前記連結部材と終端部材とを締結する締結部材とを備え、
   該締結部材は、前記本体部の外面上に突出する頭部を有し、
   前記本体部の外面からの環状凸部の突出量が締結部材の頭部の高さよりも大きくされている
   請求項１に記載の蓄電モジュール。
3. 前記環状凸部は、前記フレームの本体部の外周縁に沿って突出している
   請求項１又は請求項２に記載の蓄電モジュール。
4. 前記本体部と環状凸部との境界部の外側は、曲面状に成形されている
   請求項３に記載の蓄電モジュール。
5. 前記環状凸部は、前記本体部の外面から次第に拡開するようなテーパ状に成形されている請求項３に記載の蓄電モジュール。
6. 前記連結部材の本体部は、開口部を備えている
   請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の蓄電モジュール。
7. 前記環状凸部は、本体部の開口部に沿った内周縁に沿って突出している
   請求項６に記載の蓄電モジュール。
8. 前記環状凸部に連結される環状の風路接続部材を備えている
   請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の蓄電モジュール。
   

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