JP7307069B2

JP7307069B2 - 電池モジュールの固定構造

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Publication number: JP7307069B2
Application number: JP2020533488A
Authority: JP
Inventors: 和博原塚; 伸一三堀
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2023-07-11
Anticipated expiration: 2039-07-26
Also published as: CN112514148B; WO2020026966A1; US20210288371A1; EP3832751A4; CN112514148A; EP3832751A1; JPWO2020026966A1

Description

本発明は、電池モジュールの固定構造に関する。

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、複数個の電池が直列接続された構造を有する電池モジュールが知られている。例えば特許文献１には、積層された複数の電池を含む電池積層体と、電池の積層方向における電池積層体の両端に配置される一対のエンドプレートと、一対のエンドプレート間に掛け渡されて、複数の電池を積層方向に拘束する固定用バーとを備えた電池モジュールが開示されている。

また、特許文献１では、Ｌ字状の固定プレートによって電池モジュールが車体に固定されている。具体的には、固定プレートの一端側がエンドプレートの中心部に接続され、他端側が車体に固定されている。

特開２０１３－８５２４号公報

電池モジュールを安定的に固定する構造について、これまで十分な検討がなされていなかった。本発明者らは、電池モジュールの固定構造について鋭意研究を重ねた結果、従来の固定構造には、電池モジュールをより安定的に固定する上で改善の余地があることを認識するに至った。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、電池モジュールをより安定的に固定するための技術を提供することにある。

本発明のある態様は、電池モジュールの固定構造である。この固定構造は、積層された複数の電池を有する電池積層体、電池の積層方向における電池積層体の両端に配置される一対のエンドプレート、および一対のエンドプレートと係合して複数の電池を挟み込む拘束部材を備える電池モジュールの固定構造であって、電池モジュールを電池モジュールの固定対象に固定する固定部と、電池の寸法変化によって固定部に生じる応力を低減する低減機構と、を備える。

以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、電池モジュールをより安定的に固定することができる。

実施の形態１に係る電源装置の斜視図である。電源装置の分解斜視図である。電池の膨張によりエンドプレートおよびバインドバーに生じる応力の分布をシミュレーションにより算出した結果を示す図である。図４（Ａ）は、実施の形態２に係る固定構造が備える固定部の斜視図である。図４（Ｂ）は、実施の形態２に係る固定部が拘束部材に接続された状態を示す斜視図である。実施の形態３に係る固定構造が備える固定部の斜視図である。

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。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る電源装置の斜視図である。図２は、電源装置の分解斜視図である。電源装置１は、電池モジュール２と、固定構造４とを備える。電池モジュール２は、電池積層体６、一対のエンドプレート８、および拘束部材１０を主な構成として備える。

電池積層体６は、複数の電池１２と、セパレータ１４と、を有する。各電池１２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。電池１２は、いわゆる角形電池であり、扁平な直方体形状の外装缶１６を有する。外装缶１６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１６に電極体や電解液等が収容される。外装缶１６の開口には、外装缶１６を封止する封口板１８が設けられる。

封口板１８には、長手方向の一端寄りに正極の出力端子２０が設けられ、他端寄りに負極の出力端子２０が設けられる。以下では適宜、正極の出力端子２０を正極端子２０ａと称し、負極の出力端子２０を負極端子２０ｂと称する。また、出力端子２０の極性を区別する必要がない場合、正極端子２０ａと負極端子２０ｂとをまとめて出力端子２０と称する。外装缶１６、封口板１８および出力端子２０は導電体であり、例えば金属製である。

本実施の形態では、封口板１８が設けられる側を電池１２の上面、反対側を電池１２の底面とする。また、電池１２は、上面及び底面をつなぐ２つの主表面を有する。この主表面は、電池１２が有する６つの面のうち面積の最も大きい面である。上面、底面および２つの主表面を除いた残り２つの面は、電池１２の側面とする。また、電池１２の上面側を電池積層体６の上面とし、電池１２の底面側を電池積層体６の底面とし、電池１２の側面側を電池積層体６の側面とする。また便宜上、電池積層体６の上面側を鉛直方向上方とし、電池積層体６の底面側を鉛直方向下方とする。

封口板１８には、一対の出力端子２０の間に安全弁２２が設けられる。安全弁２２は、外装缶１６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。各電池１２の安全弁２２は、図示しないガスダクトに接続され、電池内部のガスは安全弁２２からガスダクトに排出される。

複数の電池１２は、隣り合う電池１２の主表面同士が対向する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１２の積層には、複数の電池１２を水平に並べることも含まれる。また、各電池１２は、出力端子２０が同じ方向（ここでは便宜上、鉛直方向上方とする）を向くように配置される。隣接する２つの電池１２は、一方の正極端子２０ａと他方の負極端子２０ｂとが隣り合うように積層される。正極端子２０ａと負極端子２０ｂとは、図示しないバスバーを介して電気的に接続される。なお、隣接する複数個の電池１２における同極性の出力端子２０同士をバスバーで並列接続して電池ブロックを形成し、電池ブロック同士を直列接続する場合もあり得る。

セパレータ１４は、絶縁スペーサとも呼ばれ、例えば絶縁性を有する樹脂からなる。セパレータ１４を構成する樹脂としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ノリル（登録商標）樹脂（変性ＰＰＥ）等の熱可塑性樹脂が例示される。

セパレータ１４は、複数の第１絶縁部材１４ａと、一対の第２絶縁部材１４ｂとを有する。各第１絶縁部材１４ａは、隣接する２つの電池１２の間に配置されて当該２つの電池１２間を電気的に絶縁する。各第２絶縁部材１４ｂは、電池１２の積層方向Ｘに延びて電池積層体６の各側面に嵌め合わされる。これにより、各電池１２と拘束部材１０とが電気的に絶縁される。

第２絶縁部材１４ｂの電池積層体６側を向く面には、電池１２の積層方向Ｘに並ぶ複数の仕切り１４ｃが設けられている。隣り合う仕切り１４ｃの間隔は、電池１２の主表面間の寸法に対応する。第２絶縁部材１４ｂが電池積層体６の側面に嵌め合わされると、隣り合う電池１２間に仕切り１４ｃが差し込まれる。これにより、各電池１２の積層方向Ｘにおける位置決めがなされる。

積層された複数の電池１２は、一対のエンドプレート８で挟まれる。一対のエンドプレート８は、電池１２の積層方向Ｘにおける電池積層体６の両端に配置される。エンドプレート８は、例えば金属板からなる。エンドプレート８と電池１２との間にも第１絶縁部材１４ａが配置されて、両者が絶縁される。

拘束部材１０は、バインドバーとも呼ばれ、電池１２の積層方向Ｘに長い長尺状の部材である。本実施の形態では、電池１２の積層方向Ｘと直交する水平方向Ｙ、つまり正極端子２０ａと負極端子２０ｂとが並ぶ方向に、一対の拘束部材１０が配列される。一対の拘束部材１０の間には、電池積層体６および一対のエンドプレート８が配置される。各拘束部材１０は、電池積層体６の側面に平行な矩形状の平面部１０ａと、平面部１０ａの上辺および下辺から電池積層体６に突出する庇部１０ｂとを有する。

各拘束部材１０の平面部１０ａに一対のエンドプレート８が係合することで、複数の電池１２が積層方向Ｘに挟み込まれる。平面部１０ａにおける各エンドプレート８と対向する表面には、コンタクトプレート２４が溶接等により固定されている。コンタクトプレート２４は、電池１２の上面－底面方向Ｚに長い部材であり、エンドプレート８と対向する面に溝部２４ａを有する。溝部２４ａの底面には、コンタクトプレート２４の平面部１０ａに接する面まで至る貫通孔２４ｂが設けられている。本実施の形態では、３つの貫通孔２４ｂが電池１２の上面－底面方向Ｚに所定の間隔をあけて、溝部２４ａ内に配置されている。

平面部１０ａには、コンタクトプレート２４の貫通孔２４ｂに対応する位置に、貫通孔１１が設けられている。また、エンドプレート８は、平面部１０ａと対向する面に、電池１２の上面－底面方向Ｚに長い凸部８ａを有する。凸部８ａの形状は、溝部２４ａの形状に対応する。凸部８ａには、コンタクトプレート２４の貫通孔２４ｂに対応する位置に、締結孔８ｂが設けられている。

凸部８ａが溝部２４ａに嵌め込まれることで、拘束部材１０とエンドプレート８とが連結される。凸部８ａが溝部２４ａに嵌め込まれた状態で、拘束部材１０の貫通孔１１、コンタクトプレート２４の貫通孔２４ｂおよびエンドプレート８の締結孔８ｂが重なり合う。ここに、ねじ等の締結部材２６が挿通されることで、エンドプレート８と拘束部材１０とが固定される。

電池１２の膨張によって積層方向Ｘにおける電池積層体６の寸法が大きくなると、凸部８ａには剪断方向の力がかかる。また、拘束部材１０には、両端が引っ張られる方向の力がかかる。これにより、電池積層体６の寸法の増大、ひいては電池１２の膨張を押さえ込むことができる。一般に金属は、曲げ強さよりも引っ張り強さのほうが強い。このため、例えば拘束部材１０の積層方向Ｘの両端部を電池積層体６側に折り曲げて、その先端をエンドプレート８の主表面に固定する構造に比べて、電池１２の膨張をより確実に押さえ込むことができる。

電池モジュール２は、固定構造４によって固定対象２８に固定される。固定対象２８は、電池パックの筐体や車体などである。電池モジュール２の固定構造４は、固定部３０と、低減機構３２と、を備える。固定部３０は、電池モジュール２および固定対象２８に接続される。これにより、電池モジュール２が固定対象２８に固定される。本実施の形態の固定部３０は、電池モジュール２の拘束部材１０に接続されている。

より具体的には、固定部３０は、拘束部材１０の両端部において、平面部１０ａの底面側領域および底面側の庇部１０ｂから、積層方向Ｘでエンドプレート８の外側まで突出している。また、拘束部材１０と固定部３０とは一体構造である。なお、拘束部材１０と固定部３０とは別体であってもよい。

固定部３０は、エンドプレート８よりも積層方向Ｘで外側に配置される部分に、固定対象２８への接続部３０ａを有する。本実施の形態の接続部３０ａは、図示しない締結部材が挿通される貫通孔３１を有する。固定対象２８は図示しない締結孔を有し、この締結孔と貫通孔３１とが重ね合わされ、ここに締結部材が挿通されることで、電池モジュール２が固定対象２８に固定される。なお、接続部３０ａは、溶接等の他の方法によって固定対象２８に固定されてもよい。

低減機構３２は、電池１２の寸法変化によって固定部３０に生じる応力を低減する機構である。本実施の形態では、電池モジュール２はおおよそ直方体形状であり、低減機構３２は電池モジュール２の角部Ｃに固定部３０が配置された構造で構成される。

図３は、電池の膨張によりエンドプレートおよびバインドバーに生じる応力の分布をシミュレーションにより算出した結果を示す図である。なお、水平方向Ｙの中央で分かれる２つの領域で、エンドプレートおよびバインドバーに生じる応力の分布は同様である。このため、図３では、一方の領域の応力分布を示している。

図３に示すように、電池１２の膨張によって生じる応力は、エンドプレート８の水平方向Ｙにおける中央部で最も大きく、外側つまり拘束部材１０に近づくにつれて徐々に小さくなっていく。このため、エンドプレート８および拘束部材１０にかかる応力が小さい角部Ｃに固定部３０を配置することで、固定部３０にかかる応力を小さくすることができる。つまり、電池１２の寸法変化によって固定部３０に生じる応力を低減することができる。

また、低減機構３２は、電池モジュール２の角部Ｃのなかでも、エンドプレート８および拘束部材１０の連結部３３に固定部３０が配置された構造を含む。連結部３３とは、エンドプレート８の凸部８ａ、コンタクトプレート２４および拘束部材１０が係合する部分を含む領域である。さらに、本実施の形態では、連結部３３において固定部３０が拘束部材１０に接続されている。つまり、固定部３０は、角部Ｃのなかでも応力がより小さい電池モジュール２の外縁部において、電池モジュール２に接続されている。

また、固定対象２８に接続される固定部３０の接続部３０ａは、エンドプレート８よりも積層方向Ｘの外側に突き出ている。また、接続部３０ａは、拘束部材１０の平面部１０ａよりも水平方向Ｙにおける内側に配置されている。これにより、複数の電池モジュール２を固定対象２８に並べる際に、隣り合う電池モジュール２間の水平方向Ｙの距離を詰めることができる。したがって、複数の電池モジュール２を設置する際のスペース効率を高めることができる。

以上説明したように、本実施の形態に係る電池モジュール２の固定構造４は、電池モジュール２および固定対象２８に接続されて、電池モジュール２を固定対象２８に固定する固定部３０と、電池１２の寸法変化によって固定部３０に生じる応力を低減する低減機構３２とを備える。

一般に電池モジュールは、電池の膨張によって寸法が変化し得る。つまり、エンドプレートや拘束部材が変形し得る。電池モジュールの寸法が変化すると、電池モジュールの固定構造には負荷がかかる。特に、近年は電池モジュールのさらなる高容量化が求められており、この要求を満たすために各電池の高容量化や電池積層数の増加が進んでいる。これにともない、電池モジュールの寸法変化量は増加する傾向にある。電池モジュールの寸法変化が大きくなると、電池モジュールの固定構造にかかる負荷も大きくなり、電池モジュールを安定的に固定することが困難となる。電池モジュールの固定構造にかかる負荷が著しく大きくなれば、固定構造が破断するおそれも生じ得る。この結果、電池モジュールを備える電源装置の信頼性が低下し得る。

これに対し、本実施の形態の固定構造４は、固定部３０にかかる負荷を低減する低減機構３２を備える。これにより、電池モジュール２をより安定的に固定することができる。この結果、電源装置１の信頼性も高めることができる。

また、固定構造にかかる負荷を低減して、電池モジュールを安定的に固定する方法としては、エンドプレートや拘束部材をより強固な構造とし、これにより電池の膨張を押さえ込んで、電池モジュールの寸法変化を小さくすることが考えられる。しかしながら、この方法ではエンドプレートや拘束部材が大型化し、したがって電池モジュールの大型化を招く。この大型化は、電池積層数の増加といった高容量化に基づくものではないため、極力避けることが望まれる。

これに対し、本実施の形態の低減機構３２は、電池モジュール２の角部Ｃに固定部３０が配置された構造を含む。電池モジュール２の角部Ｃは、電池１２の膨張によってエンドプレート８および拘束部材１０にかかる応力が、他の領域に比べて小さい。つまり、エンドプレート８および拘束部材１０は、角部Ｃにおいて変形量が少ない。このため、角部Ｃ、言い換えればエンドプレート８と拘束部材１０とで構成される稜線部を含む領域に固定部３０を接続することで、固定部３０にかかる負荷を低減することができる。

また、低減機構３２は、角部Ｃにおいて、エンドプレート８および拘束部材１０の連結部３３に固定部３０が配置された構造を含む。これにより、固定部３０にかかる負荷をより低減することができる。さらに、本実施の形態では、固定部３０は拘束部材１０に接続されている。これにより、固定部３０にかかる負荷をより低減することができる。

また、固定対象２８が車両等である場合、固定対象２８側の振動が電源装置１に入力される。この振動により、電池モジュール２には積層方向Ｘに延びる軸周りの回転モーメントが発生しやすい。これに対し、水平方向Ｙで最外側に位置する拘束部材１０に固定部３０を接続することで、回転モーメントの発生をより抑制することができる。よって、電池モジュール２をより安定的に固定することができる。

また、本実施の形態において、固定部３０における固定対象２８への接続部３０ａは、エンドプレート８よりも積層方向Ｘで外側に配置されている。これにより、固定部３０に生じる応力をより小さくすることができる。

（実施の形態２）
実施の形態２は、電池モジュール２の固定構造４が異なる点を除き、実施の形態１と共通の構成を有する。以下、本実施の形態について実施の形態１と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。図４（Ａ）は、実施の形態２に係る固定構造が備える固定部の斜視図である。図４（Ｂ）は、実施の形態２に係る固定部が拘束部材に接続された状態を示す斜視図である。

本実施の形態の固定構造４において、固定部３０は、電池１２の寸法変化によって生じる力を受けて変形する変形部３４を有する。本実施の形態の変形部３４は、固定対象２８への接続部３０ａと電池モジュール２への接続部３０ｂとの間に配置される貫通孔３６を有する。そして、低減機構３２は変形部３４を含む。

つまり、変形部３４が貫通孔３６を有することで、固定部３０の積層方向Ｘに直交する断面の面積は、接続部３０ａおよび接続部３０ｂに比べて変形部３４において小さくなる。したがって、固定部３０は、変形部３４において剛性が低下する。このため、電池１２の膨張によってエンドプレート８や拘束部材１０にかかる応力が固定部３０に伝達されると、変形部３４の形状が変化する。つまり、変形部３４によって固定部３０に生じる応力を吸収することができる。これにより、固定部３０に生じる応力を低減することができる。また、接続部３０ｂ側から接続部３０ａ側への応力の伝達を低減することができる。

また、低減機構３２は実施の形態１と同様に、拘束部材１０の両端部に固定部３０が配置された構造を含む。したがって、固定部３０は、電池モジュール２の角部Ｃに配置される。この構造と変形部３４との組み合わせにより、固定部３０にかかる応力をより一層低減することができる。

接続部３０ａは、貫通孔３１に締結部材が挿通されることで、固定対象２８に固定される。一方、接続部３０ｂは、溶接等により拘束部材１０に接合される。また、固定部３０は、締結部材２６が挿通される貫通孔３８を有する。本実施の形態では、固定部３０は拘束部材１０と別体であるが、実施の形態１と同様に拘束部材１０と一体構造であってもよい。

（実施の形態３）
実施の形態３は、電池モジュール２の固定構造４が異なる点を除き、実施の形態１と共通の構成を有する。以下、本実施の形態について実施の形態１と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。図５は、実施の形態３に係る固定構造が備える固定部の斜視図である。

本実施の形態において、固定部３０は、電池モジュール２を積層方向Ｘに変位可能に支持する支持部４０を有する。本実施の形態の支持部４０は、積層方向Ｘに延びる溝４２を有するレール構造であり、電池積層体６の底面側に位置する庇部１０ｂが溝４２に差し込まれる。これにより、支持部４０は、庇部１０ｂを積層方向Ｘにスライド可能に支持することができる。本実施の形態の固定構造４は、４つの固定部３０を有し、各固定部３０は、電池モジュール２の四隅に配置される。

固定部３０は、水平方向Ｙおよび上面－底面方向Ｚにおける電池積層体６の変位を規制し、積層方向Ｘにおける電池積層体６の変位を許容する。固定部３０は、締結部材による締結や溶接等によって固定対象２８に接続される。そして、低減機構３２は支持部４０を含む。

つまり、庇部１０ｂを支持部４０に引っ掛けることで、電池モジュール２の積層方向Ｘへの変位を許容しながら、電池モジュール２を固定対象２８に固定することができる。このため、電池１２の寸法変化によって固定部３０に生じる応力を低減することができる。また、低減機構３２は実施の形態１と同様に、拘束部材１０の両端部に固定部３０が配置された構造を含む。したがって、固定部３０は、電池モジュール２の角部Ｃに配置される。この構造と支持部４０との組み合わせにより、固定部３０にかかる応力をより一層低減することができる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明した。前述した実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体例を示したものにすぎない。実施の形態の内容は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、請求の範囲に規定された発明の思想を逸脱しない範囲において、構成要素の変更、追加、削除等の多くの設計変更が可能である。設計変更が加えられた新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形それぞれの効果をあわせもつ。前述の実施の形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「本実施の形態の」、「本実施の形態では」等の表記を付して強調しているが、そのような表記のない内容でも設計変更が許容される。以上の構成要素の任意の組み合わせも、本発明の態様として有効である。図面の断面に付したハッチングは、ハッチングを付した対象の材質を限定するものではない。

実施の形態は、以下に記載する項目によって特定されてもよい。
［項目１］
積層された複数の電池（１２）を有する電池積層体（６）、電池（１２）の積層方向（Ｘ）における電池積層体（６）の両端に配置される一対のエンドプレート（８）、および一対のエンドプレート（８）と係合して複数の電池（１２）を挟み込む拘束部材（１０）を有する電池モジュール（２）と、
電池モジュール（２）を電池モジュール（２）の固定対象（２８）に固定する固定部（３０）、および電池（１２）の寸法変化によって固定部（３０）に生じる応力を低減する低減機構（３２）を有する固定構造（４）と、を備える電源装置（１）。

２電池モジュール、４固定構造、６電池積層体、８エンドプレート、１０拘束部材、１２電池、２８固定対象、３０固定部、３０ａ，３０ｂ接続部、３２低減機構、３３連結部、３４変形部、４０支持部、Ｃ角部。

Claims

積層された複数の電池を有する電池積層体、前記電池の積層方向における前記電池積層体の両端に配置される一対のエンドプレート、および前記一対のエンドプレートと係合して前記複数の電池を挟み込む拘束部材を備える電池モジュールの固定構造であって、
前記電池モジュールを前記電池モジュールの固定対象に固定する固定部と、
前記電池の寸法変化によって前記固定部に生じる応力を低減する低減機構と、を備え、
前記電池モジュールは直方体形状であり、
前記低減機構は、前記固定部が前記電池モジュールの角部に配置されるとともに前記エンドプレートおよび前記拘束部材の連結部に配置された構造を含み、
前記固定部は、前記固定対象に接するとともに前記拘束部材に接続されることを特徴とする電池モジュールの固定構造。
前記固定部における前記固定対象への接続部は、前記エンドプレートよりも前記積層方向で外側に配置される請求項１に記載の電池モジュールの固定構造。
前記電池積層体および前記一対のエンドプレートを挟むように配置される一対の前記拘束部材を備え、
前記一対の拘束部材は、互いに離間するとともに、それぞれに前記固定部が接続される請求項１または２に記載の電池モジュールの固定構造。
前記固定部は、前記電池の寸法変化によって生じる力を受けて変形する変形部を有し、
前記低減機構は、前記変形部を含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電池モジュールの固定構造。
前記固定部は、前記電池モジュールを前記積層方向に変位可能に支持する支持部を有し、
前記低減機構は、前記支持部を含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電池モジュールの固定構造。