JPWO2016013150A1 - 電池モジュール - Google Patents

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Abstract

電池ケースには、第1の電池ホルダと第2の電池ホルダが、隣り合うように収容される。第1の電池ホルダと第2の電池ホルダは、平面視において全体的に四角形である。ただし、第1の電池ホルダは、第2の電池ホルダに対向する一辺上に切り欠き部を有する。第2の電池ホルダも同様である。第1の電池ホルダの切り欠き部と第2の電池ホルダの切り欠き部とは隣り合うように配置される。

Description

本発明は、複数の電池ブロックを電池ケースに収容した電池モジュールに関する。
電気自動車等のモータ駆動用の電源として、又は家庭用若しくは産業用の電源として、リチウムイオン電池などの電池を並列接続して電池ブロックを構成し、複数の電池ブロックを直列又は並列に接続して構成した電池モジュールが利用されている。
特許文献1には、電池を収納した電池ホルダが弾性変形する部材を備えることにより、外部から電池ホルダへの衝撃に対する耐性を向上させることが開示されている。
特開2013−73845号公報
特許文献1に記載の技術では、外部からの衝撃を吸収できる範囲は、弾性変形できる部材が変形できる範囲にとどまる。したがって、弾性変形できる部材の変形量を超えるような衝撃が外部から加えられたような場合には、その衝撃が電池にまで到達し、電池が内部短絡するという課題があった。
本発明は、外部からの衝撃による電池の破損や内部短絡を抑制しうる電池モジュールを提供することを目的とする。
本発明に係る電池モジュールは、複数の貫通孔を有する第1の電池ホルダと、前記複数の貫通孔の各々に収容された電池と、を含む第1の電池ブロックと、複数の貫通孔を有する第2の電池ホルダと、前記複数の貫通孔の各々に収容された電池と、を含む第2の電池ブロックと、前記第1の電池ブロックと前記第2の電池ブロックとが隣り合うように収容する電池ケースと、を備える。前記第1の電池ブロックと前記第2の電池ブロックとは、前記第1の電池ホルダに収容された電池の長手方向と前記第2の電池ホルダに収容された電池の長手方向とが同じ方向となるように、前記電池ケースに収容される。前記第1の電池ホルダは、前記電池の長手方向からの平面視において全体的に四角形状である。前記第1の電池ホルダは、前記平面視において、前記第2の電池ホルダに対向する一辺と他の一辺とで構成される角部を切り欠いた形状に形成された第1の切り欠き部を有する。前記第2の電池ホルダは、前記平面視において全体的に四角形状である。前記第2の電池ホルダは、前記平面視において、前記第1の電池ホルダに対向する一辺と他の一辺とで構成される角部を切り欠いた形状に形成された第2の切り欠き部を有する。前記第1の切り欠き部と前記第2の切り欠き部とは、隣り合うように配置される。
本発明にかかる電池モジュールによれば、外部からの衝撃による電池の破損や内部短絡を抑制しうる。
図1は電池モジュールの外観を示す斜視図である。 図2は電池モジュールの分解斜視図である。 図3は電池モジュールの内部に含まれる構造の斜視図である。 図4は電池モジュールの内部に含まれる構造の側面図である。 図5は電池の断面図である。 図6は電池モジュールの内部に含まれる構造の上面図である。 図7は外力が分散される様子を説明するための概念図である。 図8は外力が分散される様子を説明するための概念図である。 図9は外力が緩和される様子を説明するための概念図である。 図10は参考図である。
以下、本発明の実施形態の例を、図面を参照して具体的に説明する。参照される各図において、同一の部分には同一の符号を付す。原則として、同一の部分に関する重複する説明を省略する。
図1は、電池モジュール100の外観を示す斜視図である。図2は、電池モジュール100の分解斜視図である。図3は、電池モジュール100の内部に含まれる構造の部分的な斜視図である。図4は、電池モジュール100の内部に含まれる構造の部分的な側面図である。なお、図4の斜線部分は、正極側絶縁部品38である。
電池モジュール100は、上ケース22と下ケース24で構成される電池ケースの内部に、電池20や第1の電池ホルダ29および第2の電池ホルダ30を含んで構成される。以下、電池ホルダとは、第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30のことである。上ケース22は、薄肉部22aを有する。下ケース24は、薄肉部24aを有する。下ケース24の開口された部分より、正極端子26と負極端子28が突出する。下ケース24には4つの固定部25が設けられる。電池モジュール100は、固定部25により車体側のメンバーや蓄電システムの筐体内部の設置面に固定される。固定部25には、ボルトのような取り付け具が取り付けられる。
電池ホルダは、熱伝導性の良い材料が用いられる。電池ホルダは、例えばアルミニウムを主材料として、押出成形によって成形できる。電池ホルダは、複数の電池20を収容するために、複数の貫通孔31が設けられる。複数の貫通孔31は、千鳥型に配置される。電池ホルダは、複数の電池20を固定し、複数の電池20の均熱化を図るために用いられる。これらの目的を達成できれば、電池20の長手方向における電池ホルダの高さは、電池20の側面の全面を覆うほどの高さは必要ない。特に、電池20の外装缶5がカシメられた部分は、電池ホルダで覆う必要はない。
電池ブロックは、1つの電池ホルダと複数の電池20で構成され、複数の電池20を並列接続して所定の容量を得るようにしたものである。本実施形態では、1つの電池ホルダに対して25個の電池20が組み合わされて、電池ブロックが構成される。電池ホルダには、25個の電池20が、千鳥型の配置関係で整列配置され、各電池20の正極側を一方側にそろえ、各電池20の負極側を他方側にそろえて、保持される。
電池ブロックには、電池20の正極側に正極集電板34が配置され、電池20の負極側に負極集電板36が配置される。正極集電板34は正極端子26と電気的に接続され、負極集電板36は負極端子28と電気的に接続される。正極側絶縁部品38は、電池20と正極集電板34との間に配置される。負極側絶縁部品40は、電池20と負極集電板36との間に配置される。正極側絶縁部品38と負極側絶縁部品40は、電池20の電極に対応する部分が開口されている。正極集電板34は、正極側絶縁部品38の開口された部分を介して、電池20の正極キャップ16と接続端子44によって電気的に接続される。負極集電板36も、負極側絶縁部品40の開口された部分を介して、電池20の負極と不図示の接続端子によって電気的に接続される。
電池モジュール100は、複数の電池ホルダを含む。本実施形態では、1つの電池モジュール100に、第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30の2つの電池ホルダが含まれる。複数の電池ホルダは、電池20の正極側を一方側にそろえ、電池20の負極側を他方側にそろえて、所定の配置関係で配置される。所定の配置関係については、後述する。接続板42は、2つの電池ブロックを直列に接続する。
図5は、円筒型の電池20の断面図である。電池20は、充放電可能な二次電池である。本実施形態の電池20は、リチウムイオン電池を用いた。電池20は、リチウムイオン電池のほかに、ニッケル水素電池やアルカリ電池を用いることもできる。電池20は、正極1と負極2とをセパレータ3を介して捲回された電極群4を有する。正極1は、正極リード8を備える。負極2は、正極1と対向する負極リードを一端に備える。正極1は、正極集電体1aと正極活物質を含む正極層1bから構成されている。負極2は、負極集電体11と負極活物質を含む負極層15から構成されている。電極群4は、その上下に絶縁板10a、10bを装着され、外装缶5に挿入される。リチウムイオンを伝導する非水電解質(図示せず)が、外装缶5の内部に注入される。正極リード8の端部は、封口板6に溶接される。負極リード9の端部は、外装缶5の底部に溶接される。外装缶5は、負の電位を有する。
外装缶5の開放端部は、ガスケット7を介して、正極キャップ16と電流遮断部材18と封口板6とをカシメた構造を有する。正極キャップ16は、正極の電極部である。電流遮断部材18は、例えば、PTC素子である。正極キャップ16は、外装缶5の開放端部の上面5Aから突出して設けられる。正極キャップ16の側面には、開放部17が設けられる。開放部17は、電極群4の不具合による安全弁などのベント機構19の開放により生じるガスを抜くために設けられる。
外装缶5の外側面には、熱収縮する絶縁性の樹脂フィルム12が巻かれている。樹脂フィルム12は、電池ホルダと外装缶5との間の絶縁性を維持する。樹脂フィルム12の材質は、例えば、ハロンを用いうる。
図6を用いて、電池モジュール100に含まれる複数の電池ブロックの所定の配置関係について説明する。図6は、下ケース24に第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30と電池20とが収められている様子を示したものであり、電池の長手方向からの上面図である。
第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30は、電池20の長手方向からの平面視において全体的に四角形である。下ケース24には、第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30が隣り合うように収容される。第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30とは、互いに絶縁性を担保するための空間を有して配置される。
第1の電池ホルダ29は、第2の電池ホルダ30に対向する一辺上に第1の切り欠き部29A、第3の切り欠き部29B、第5の切り欠き部29Cを有する。第2の電池ホルダ30は、第1の電池ホルダ29に対向する一辺上に第2の切り欠き部30A、第4の切り欠き部30B、第6の切り欠き部30Cと有する。図6では、第1の切り欠き部29Aと第2の切り欠き部30Aが対面するように配置され、第3の切り欠き部29Bと第4の切り欠き部30Bが対面するように配置され、第5の切り欠き部29Cと第6の切り欠き部30Cが対面するように配置される。第1の切り欠き部29A、第3の切り欠き部29Bは第1の電池ホルダ29の平面視において四角形のそれぞれ所定の角部を切り欠いた形状に形成され、第2の切り欠き部30A、第4の切り欠き部30Bは第2の電池ホルダ30の平面視において四角形のそれぞれ所定の角部を切り欠いた形状に形成されている。また、第5の切り欠き部29Cは第1の電池ホルダ29の辺の一部を切り欠いた形状に形成され、第6の切り欠き部30Cは第2の電池ホルダ30の四角形の辺の一部を切り欠いた形状に形成されている。
図7乃至図10を用いて、電池モジュール100に外部からの衝撃(以下、外力と示す)が加えられた際の電池ホルダの作用について説明する。図7乃至図10は、電池の長手方向からの平面視において、電池ホルダを模式化したものである。図7乃至図9の要素を組み合わせたものが、図6の第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30である。
図7に示されるように、第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30は、平面視において全体的に四角形である。第1の電池ホルダ29は、第2の電池ホルダ30に対向する一辺と他の一辺とで構成される角部が円弧形状となるように成形された第1の切り欠き部29Aを有する。第2の電池ホルダ30は、第1の電池ホルダ29に対向する一辺と他の一辺とで構成される角部が円弧形状となるように成形された第2の切り欠き部30Aを有する。第1の切り欠き部29Aと第2の切り欠き部30Aとは、隣り合うように配置される。第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30に対して第1の切り欠き部29Aおよび第2の切り欠き部30Aが設けられた方向から外力46が加えられる場合、第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30に垂直方向から加えられた外力46は、第1の切り欠き部29Aと第2の切り欠き部30Aにより水平方向に分散される。したがって、第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30にかかる荷重を緩和することができ、各電池ホルダに含まれる電池20への荷重も緩和することができる。電池20の内部短絡も抑制しうる。
図8に示されるように、第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30は、平面視において全体的に四角形である。第1の電池ホルダ29は、第2の電池ホルダ30に対向する一辺と他の一辺とで構成される角部が円弧形状となるように成形された第3の切り欠き部29Bを有する。第2の電池ホルダ30は、第1の電池ホルダ29に対向する一辺と他の一辺とで構成される角部が円弧形状となるように成形された第4の切り欠き部30Bを有する。第3の切り欠き部29Bと第4の切り欠き部30Bとは、隣り合うように配置される。第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30とが対向する一辺に沿って第3の切り欠き部29Bおよび第4の切り欠き部30Bに向かって外力46が加えられると、切り欠き部29Bと切り欠き部30Bにより、第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30は、バランスを崩して互いに接触する。そして、外力46のベクトルは、第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30の接点を支点として、第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30とが互いに離れる方向に転換される。したがって、第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30に垂直方向から加えられる荷重を緩和することができ、各電池ホルダに含まれる電池20への荷重も緩和することができる。電池20の内部短絡も抑制しうる。
図9は本実施形態を説明するためのものであり、図10は図9の参考図である。図9と図10に示されるように、第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30は、平面視において全体的に四角形である。
図9において、第1の電池ホルダ29は第2の電池ホルダ30に対向する一辺上に第5の切り欠き部29Cを有し、第2の電池ホルダ30は第1の電池ホルダ29に対向する一辺上に第6の切り欠き部30Cを有する。電池ホルダでは、貫通孔31が千鳥型に配置されている。つまり、全体的に四角形の電池ホルダの4辺のうちの2辺では、電池ホルダの貫通孔31は凹凸に配置される。なお、貫通孔31が配置された部分が凸部分であり、貫通孔31が配置されていない部分が凹部分である。貫通孔31A・31B・31Cで囲まれた凹部分に、第5の切り欠き部29Cと第6の切り欠き部30Cは設けられる。第5の切り欠き部29Cと第6の切り欠き部30Cとは、互いに対面するように配置される。
図10では、第3の電池ホルダ32と第4の電池ホルダ33は、切り欠き部を有さない。図10では、貫通孔31A・31B・31Cで囲まれた凹部52の領域には電池ホルダの材料である金属が存在する。
第3の電池ホルダ32と第4の電池ホルダ33とが対向する一辺に沿って、第3の電池ホルダ32と第4の電池ホルダ33に対して外力46が加えられた場合、凹部52に存在する金属からの応力が、貫通孔31Aおよび貫通孔31Cに保持された電池20に集中する。この結果、貫通孔31Aおよび貫通孔31Cに保持された電池20が破損し、内部短絡が発生する恐れがある。
これに対し、第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30とが対向する一辺に沿って、第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30に対して外力46が加えられた場合、第5の切り欠き部29Cと第6の切り欠き部30Cによって、凹部52に存在した金属からの応力を緩和することができる。したがって、貫通孔31Aや貫通孔31Cに保持された電池20の内部短絡を抑制することができる。
本実施形態について、図3乃至図5に基づいて、さらに説明する。電池20の長手方向における第1の電池ホルダ29の高さは、電池20の側面の全面を覆うほどの高さは必要ない。特に、電池20の外装缶5がカシメられた部分を電池ホルダで覆う必要はない。電池ホルダは、外装缶5の側面の平面部分を収容する。図5に図示されたように、電池20では外装缶5がカシメられた部分は、負の電位を有する外装缶5と正の電位を有する正極キャップ16が近い距離に存在する。
外装缶5がカシメられた部分に電池ホルダが存在する場合、外力により電池ホルダが変形すると、電池ホルダによって外装缶5と正極キャップ16とが短絡する可能性がある。また、電池ホルダを介して外装缶5に外力が加えられた場合に、外装缶5が変形し、外装缶5と正極キャップ16とが短絡する場合も想定しうる。したがって、電池ホルダは、外装缶5がカシメられた部分を覆う必要がない。
なお、電池ホルダと正極側絶縁部品38との間に冷気等の冷媒を流すことにより、電池20を冷却することができる。
上記は第1の電池ホルダ29について説明をしたが、第2の電池ホルダ30についても同様である。
本実施形態について、図6に基づいて、さらに説明する。平面視において、第1の切り欠き部29Aの周縁と近傍の電池20との間に存在する金属の厚みは、第5の切り欠き部29Cと近傍の電池20との間に存在する金属の厚みよりも、厚い。前者を厚くすることにより、第1の電池ホルダ29自体に剛性を持たせることができ、外力によって第1の電池ホルダ29が潰されるのを抑制することができる。後者に厚みを持たせると、後者の部分に存在する金属の剛性が電池に加えられ、電池の破損や内部短絡につながる場合がある。なお、第2の電池ホルダ30においても、同様である。
次に、薄肉部22aと薄肉部24aについて補足する。薄肉部22aと24aとは、それぞれ上ケース22と下ケースの24の厚みが、部分的に薄くされたものである。薄肉部22aと24aを設けることで、電池ケースに外力が加わった場合に、薄肉部22aと24aを設けた部分から電池ケースに亀裂を生じさせることができ、電池ケースを破断させる箇所を調整できる。電池ケースの破断箇所を任意に設定できるため、電池ケースの破損部材が不本意に電池と接触し、電池が破損することを抑制できる。薄肉部22aと24aは、電池ケースの外側面ではなく内側面に設けられても良い。
上記の実施形態では貫通孔31が5行5列で千鳥型に配置された第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30について説明したが、本発明の実施形態は、これに限られない。複数行で配列された貫通孔が千鳥型に配置された電池ホルダについて、本発明を実施できる。
また、上記の実施形態において、第1の切り欠き部29Aと第2の切り欠き部30A、および第3の切り欠き部29Bと第4の切り欠き部30Bはそれぞれ角部を円弧形状にしており、第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30に垂直方向から加えられる荷重を緩和するのに最適な形状としているが、第1の切り欠き部29Aと第2の切り欠き部30A、および第3の切り欠き部29Bと第4の切り欠き部30Bの各角部は第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30に垂直方向から加えられる荷重を緩和するべく円弧形状の他、多角形状や直線状で切り欠いた形状に形成されても良い。
また、上記の実施形態では第1の電池ホルダ29と第2の電池ホルダ30の2つの電池ホルダが電池ケースに保持されたものについて説明したが、本発明の実施は、これに限られない。複数の電池ホルダが電池ケースに保持されるような電池モジュールについて、電池ホルダが互いに対向するように配置された場合に、本発明を実施できる。
本発明に係る電池ブロックは、電気自動車等のモータ駆動用の電源、バックアップ電源等に有用である。
1 正極
1a 正極集電体
1b 正極層
2 負極
3 セパレータ
4 電極群
5 外装缶
5A 上面
6 封口板
7 ガスケット
8 正極リード
9 負極リード
10a,10b 絶縁板
11 負極集電体
12 樹脂フィルム
15 負極層
16 正極キャップ(電極部)
17 開放部
18 電流遮断部材
19 ベント機構
20 電池
22 上ケース
24 下ケース
22a、24a 薄肉部
25 固定部
26 正極端子
28 負極端子
29 第1の電池ホルダ
30 第2の電池ホルダ
29A、29B、30A、30B、29C、30C 切り欠き部
31 貫通孔
34 正極集電板
36 負極集電板
38 正極側絶縁部品
40 負極側絶縁部品
42 接続板
44 接続端子
46 外力
52 凹部

Claims (8)

  1. 複数の貫通孔を有する第1の電池ホルダと、前記複数の貫通孔の各々に収容された電池と、を含む第1の電池ブロックと、
    複数の貫通孔を有する第2の電池ホルダと、前記複数の貫通孔の各々に収容された電池と、を含む第2の電池ブロックと、
    前記第1の電池ブロックと前記第2の電池ブロックとが隣り合うように収容する電池ケースと、
    を備え、
    前記第1の電池ブロックと前記第2の電池ブロックとは、前記第1の電池ホルダに収容された電池の長手方向と前記第2の電池ホルダに収容された電池の長手方向とが同じ方向となるように、前記電池ケースに収容され、
    前記第1の電池ホルダは、前記電池の長手方向からの平面視において全体的に四角形状であり、
    前記第1の電池ホルダは、前記平面視において、前記第2の電池ホルダに対向する一辺と他の一辺とで構成される角部を切り欠いた形状に形成された第1の切り欠き部を有し、
    前記第2の電池ホルダは、前記平面視において全体的に四角形状であり、
    前記第2の電池ホルダは、前記平面視において、前記第1の電池ホルダに対向する一辺と他の一辺とで構成される角部を切り欠いた形状に形成された第2の切り欠き部を有し、
    前記第1の切り欠き部と前記第2の切り欠き部とは、隣り合うように配置された電池モジュール。
  2. 前記第1の電池ホルダは、前記平面視において、前記第2の電池ホルダに対向する一辺と前記第1の切り欠き部が形成された他の一辺とは異なる一辺とで構成される角部を切り欠いた形状に形成された第3の切り欠き部をさらに有し、
    前記第2の電池ホルダは、前記平面視において、前記第1の電池ホルダに対向する一辺と前記第2の切り欠き部が形成された他の一辺とは異なる一辺とで構成される角部を切り欠いた形状に形成された第4の切り欠き部をさらに有し、
    前記第3の切り欠き部と前記第4の切り欠き部とが、各々隣り合うように配置された、請求項1に記載の電池モジュール。
  3. 前記第1の電池ホルダの前記複数の貫通孔は、千鳥型に配置され、
    前記第2の電池ホルダの前記複数の貫通孔は、千鳥型に配置され、
    前記第1の電池ホルダは、前記第2の電池ホルダに対向する一辺上であって、三方が貫通孔で囲われた領域に第5の切り欠き部を有し、
    前記第2の電池ホルダは、前記第1の電池ホルダに対向する一辺上であって、三方が貫通孔で囲われた領域に第6の切り欠き部を有し、
    前記第5の切り欠き部と前記第6の切り欠き部とが対面するように配置された、請求項1に記載の電池モジュール。
  4. 前記第1の電池ホルダの材質は金属であり、
    前記平面視において、前記第1の切り欠き部の周縁と近傍の電池との間に存在する金属の厚みは、前記第5の切り欠き部と近傍の電池との間に存在する金属の厚みよりも、厚い、請求項3に記載の電池モジュール。
  5. 複数の貫通孔を有する第1の電池ホルダと、前記複数の貫通孔の各々に収容された電池と、を含む第1の電池ブロックと、
    複数の貫通孔を有する第2の電池ホルダと、前記複数の貫通孔の各々に収容された電池と、を含む第2の電池ブロックと、
    前記第1の電池ブロックと前記第2の電池ブロックとが隣り合うように収容する電池ケースと、
    を備え、
    前記第1の電池ブロックと前記第2の電池ブロックとは、前記第1の電池ホルダに収容された電池の長手方向と前記第2の電池ホルダに収容された電池の長手方向とが同じ方向となるように、前記電池ケースに収容され、
    前記第1の電池ホルダは、前記電池の長手方向からの平面視において全体的に四角形状であり、
    前記第1の電池ホルダの前記複数の貫通孔は、千鳥型に配置され、
    前記第1の電池ホルダは、前記第2の電池ホルダに対向する一辺上であって、三方が貫通孔で囲われた領域に第5の切り欠き部を有し、
    前記第2の電池ホルダの前記複数の貫通孔は、千鳥型に配置され、
    前記第2の電池ホルダは、前記第1の電池ホルダに対向する一辺上であって、三方が貫通孔で囲われた領域に第6の切り欠き部を有し、
    前記第5の切り欠き部と前記第6の切り欠き部とが対面するように配置された電池モジュール。
  6. 前記第1のホルダに収容される電池は、前記第1のホルダの前記複数の貫通孔に収容される各々の電池の収容方向が同一方向を向くように収容され、
    前記第1の電池ホルダに収容される電池は、円筒型電池であり、
    前記円筒型電池の外装缶は、正極側がカシメられた部分を有し、
    前記カシメられた部分は、前記第1の電池ホルダより突出している、請求項1または請求項5に記載の電池モジュール。
  7. 前記第1の電池ホルダの材質と前記第2の電池ホルダの材質は金属であり、
    前記第1の電池ホルダと前記第2の電池ホルダとは、空間をあけて配置される、請求項1または請求項5に記載の電池モジュール。
  8. 前記電池ケースは薄肉部を有する、請求項1または請求項5に記載の電池モジュール。
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