WO2018155081A1

WO2018155081A1 - 電池モジュール

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Publication number: WO2018155081A1
Application number: PCT/JP2018/002629
Authority: WO
Inventors: 修久保田; 和則小島; 貴支鈴木; 祥隆綿引; 青木　定之
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2018-08-30
Also published as: JPWO2018155081A1; JP6876119B2

Abstract

耐振性を向上させた電池モジュールを提供する。　上面、下面及び側面を有する電池を複数個積層させた電池群と、前記電池群の側面に対向して配置される一対のサイドプレートと、を備えた電池モジュールにおいて、前記サイドプレートは凸部を有し、前記凸部に沿って当該凸部の変形を抑制する変形抑制部を備えたことを特徴とする電池モジュールが提供される。

Description

電池モジュール

　本発明は、繰り返し充放電可能な二次電池を複数個連結して構成される電池モジュールに関する。

　近年、特にハイブリット自動車の電源装置のような大電流で充放電される用途として、複数のリチウムイオン電池を連結した電池モジュールの開発が進められている。この電池モジュールは単独で使用することもできるが、これらを複数個組み合わせて電池パックとして使用されることもある。電池パックとして使用する場合には電池モジュールを高密度に実装することがエネルギ密度の観点で有効である。このような高密度実装に向いた電池モジュールの一例として、特許文献１には、平坦な板状のサイドプレートを適用した電池モジュールが開示されている。特許文献１に開示された電池モジュールは、穴の開いた平坦な板状のサイドプレートを電池の積層方向の両端に配置された平坦な板状のエンドプレートにボルトで締結した構成であり、電池を拘束するためのサイドプレートやエンドプレートが嵩張らないために高密度実装に有効である。

特開平８－２１２９８６

　特許文献１に記載の電池モジュールは、平坦な板状のサイドプレートで電池の積層方向の側面を保持しているため、電池モジュールに電池の積層方向に垂直な方向へ振動が加えられる場合の振動対策に課題があった。即ち該電池モジュールはサイドプレートが平坦な板状であるために、サイドプレートは薄く、そのためサイドプレートの板厚方向に対応する電池の積層方向に垂直な方向への振動に対して、振動しやすい構成であった。

　本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、耐振性を向上させた電池モジュールを提供することにある。

　上記目的を達成すべく、本発明では、上面、下面及び側面を有する電池を複数個積層させた電池群と、前記電池群の側面に対向して配置される一対のサイドプレートと、を備えた電池モジュールにおいて、前記サイドプレートは凸部を有し、前記凸部に沿って当該凸部の変形を抑制する変形抑制部を備えたことを特徴とする電池モジュールが提供される。

　本発明によれば、サイドプレートに凸部を設けることでサイドプレートの剛性を向上することができ、電池モジュールの積層方向に垂直な方向への振動に対して電池モジュールの耐振性を向上できる。

第一の実施の形態に係る組電池を示す外観斜視図。第一の実施の形態に係る組電池を示す分解外観斜視図。中間ホルダと端ホルダと端部セルとエンドプレートとの位置関係を説明するための部分斜視図。第一の実施の形態に係る電池モジュールのサイドプレートを説明するための外観斜視図。第一の実施の形態に係る電池モジュールのサイドプレートを説明するための外観斜視図。第一の実施の形態に係る電池モジュールのサイドプレートを説明するための外観斜視図。第一の実施の形態に係る電池モジュールのサイドプレートを説明するための外観斜視図。第一の実施の形態に係る電池モジュールのサイドプレートを説明するための外観斜視図。

　以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を具体的な実施例によって説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても本発明の範囲内に含まれる。また、実施例における図は、略図であり、図中の位置関係や寸法等に正確さを保証するものではない。本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

　≪実施例１≫
　図１は本発明の第１の実施の形態に係る電池モジュールの外観斜視図である。なお、方向の定義は特に断りがない場合には、各図の左下にある上下左右前後のことである。図２は図１の電池モジュールの分解外観斜視図である。ただし図２では一部の構成を省略してある。

　図１に示す電池モジュール１００は、複数の電池セル８を積層させた電池積層体１を、一対の端ホルダ２と一対の板状部材であるエンドプレート３で挟持し、一対のサイドプレート４でこれらを一体化し、中間バスバ５で電池間の電力ラインを、端バスバ６と外部端子ケーブル７で組電池と外部との電力ラインを形成する構成である。

　図１と図２を用いて、電池積層体１について説明する。電池積層体１は、複数の単電池８と、複数の中間ホルダ９とを備えている。各単電池は、扁平な直方体形状であって、一対の幅広面を有している。電池積層体を構成する複数の単電池は、隣り合う単電池５の互いの幅広面同士が対向するように積層配置されている。隣接する単電池同士は、電池蓋に設けられた正極端子および負極端子の位置が逆転するように、向きが反転して配置されている。隣り合う各単電池８の正極端子８１と負極端子８２とは金属製の平板状導電部材である中間バスバ５によって互いに電気的に接続されている。すなわち、本実施の形態に係る電池モジュール１００を構成する複数の単電池８は、電気的に直列に接続されている。また、電池積層体１の両端の単電池８の正極端子８１もしくは負極端子８２には端バスバ６が備えられている。この端バスバ６が外部端子ケーブル７と電気的に接続されて電池モジュールの外に電力を取り出すことができる構造となっている。

　続いて図２を用いて電池積層体１を構成する単電池８について説明する。複数の単電池８は、いずれも同様の構造である。単電池８は、電池缶８８ａと電池蓋８８ｂとからなる角形の電池容器８８を備えている。電池缶８８ａおよび電池蓋８８ｂの材質は、たとえばアルミニウムやアルミニウム合金である。電池缶８８ａは、二枚の面積の大きい面（幅広面８８ａ１）と二枚の面積の小さい面（狭側面８８ａ２）と一面の底板８８ａ３と開口部を有する矩形箱状とされる。電池蓋８８ｂは、矩形平板状であって、電池缶の開口部を塞ぐようにレーザ溶接されている。つまり、電池蓋８８ｂは、電池缶８８ａを封止している。電池蓋８８ｂと電池缶８８ａとからなる角形の電池容器８８は、中空の直方体形状とされている。

　電池蓋８８ｂには、正極端子８１および負極端子８２が設けられている。電池容器８８の内部には、充放電要素が絶縁ケースに覆われた状態で収納されている。充放電要素の正極電極は正極端子８１に接続され、充放電要素の負極電極は負極端子８２に接続されている。電池蓋８８ｂには、電池容器８８内に電解液を注入するための注液孔が穿設されている。注液孔は、電解液注入後に注液栓８３によって封止される。電解液としては、たとえば、エチレンカーボネート等の炭酸エステル系の有機溶媒に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）等のリチウム塩が溶解された非水電解液を用いることができる。電池蓋８８ｂには、ガス排出弁８４が設けられている。ガス排出弁８４は、プレス加工によって電池蓋８８ｂを部分的に薄肉化することで形成されている。ガス排出弁８４は、単電池が過充電等の異常により発熱してガスが発生し、電池容器８８内の圧力が上昇して所定圧力に達したときに開裂して、内部からガスを排出することで電池容器８８内の圧力を低減させる。

　図３は、中間ホルダ９と端ホルダ２と電池積層体の端に位置する単電池８とエンドプレート３との位置関係を説明するための部分斜視図である。同図を用いて中間ホルダ９と端ホルダ２とエンドプレート３を説明する。

　中間ホルダ９は、電池積層体１の前後方向に複数枚積層配置されている。中間ホルダ９の材質は、絶縁性および耐熱性を有する樹脂であり、たとえば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）やポリカーボネイト（ＰＣ）等のエンジニアリングプラスチックやゴム等である。各単電池同士の間に中間ホルダ９が介在しているため、隣り合う単電池８同士の絶縁性が確保されている。中間ホルダ９は、隔離部９Ａ、連結部９Ｂを有す。隔離部９Ａは電池の幅広面８８ａ１に対向し、隣接する二個の電池の幅広面８８ａ１が当接することを防止する。連結部９Ｂは山部と谷部を有し、隣接する中間ホルダおよび、後述する端ホルダと連結するために使用される。

　端ホルダ２は、電池積層体の前端に配置される単電池８とエンドプレート３との間、および、後端に配置される単電池８とエンドプレート３との間に配置されている。単電池８とエンドプレート３との間に端ホルダ２が介在しているためエンドプレートと単電池８との絶縁性が確保されている。

　電池積層体１の末端に配置される端ホルダ２は、隔離部２Ａと連結部２Ｂと固定部２Ｃを有する。隔離部２Ａは単電池８の幅広面とエンドプレート３に対向し、電池の幅広面とエンドプレートが当接することを防止する。連結部２Ｂは山部と谷部を有し、隣接する中間ホルダと連結するために使用される。
　固定部２Ｃは、端ホルダの隔離部２Ａからエンドプレート３側に突き出している。固定部２Ｃは、端バスバ６と外部端子ケーブル７を締結して、電気的に接続するための部位であり、固定部２Ｃにはインサートナット１０が一体化されている。なお、本実施形態ではインサートナット１０を用いる例としたが、インサートボルトが一体化されている構造としてもよい。固定部２Ｃは、後述するエンドプレート３の収容部３Ａに挿入される構成になっており、端バスバ６と外部端子ケーブル７を締結するときに固定部に負荷される回転トルクをエンドプレートに伝えて、固定部２Ｃの安定性が確保される。

　隣接する中間ホルダ同士、あるいは中間ホルダと端ホルダとは、各ホルダの連結部を嵌合することで連結される。具体的には、中間ホルダ９の連結部９Ｂと隣接する中間ホルダの連結部９Ｂを嵌合することで隣接する中間ホルダ９同士は連結され、中間ホルダ９の連結部９Ｂと端ホルダ２の連結部２Ｂとを嵌合することで、中間ホルダ９と端ホルダ２は互いに連結される。

　エンドプレート３は、矩形平板状とされ、単電池８とほぼ同じ大きさに形成されている。エンドプレート３は、電池積層体１の積層方向の前方および後方のそれぞれに配置され、一対の端ホルダを介して電池積層体１を挟持している。収容部３Ａは、エンドプレート３の上面をくぼませたような形状をしており、そのくぼみの一部を端ホルダ２側に開口させている。収容部３Ａの形状は固定部２Ｃとほぼ等しい形状をしており、固定部２Ｃは収容部３Ａに収容される。エンドプレート３は、電池積層体１とは逆方向へ突き出たエンドプレート締結部３Ｂを有する。エンドプレート締結部３Ｂは締結穴３Ｃを有し、この締結穴にボルトを通して、エンドプレート３を電池パックの筐体（不図示）に固定する。このようにエンドプレート３を電池パックの筐体に固定することで、電池モジュール１００は底面側で電池パックの筐体に固定されることになる。なお、エンドプレート３の材質は、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属である。

　続いて図４に本発明の特徴部となるサイドプレート４の形状を示す。サイドプレート４は、電池積層体１の積層方向の左方および右方において、左右対称に配置されている。そのため、図４では一方側のサイドプレート４を取り出して説明する。サイドプレート４は、一対のエンドプレート３とボルト１１によって物理的に接続されている。サイドプレート４は、所定の厚さのステンレス板や鋼板等の金属板を用いて製作される。

　サイドプレート４は平坦な板形状ではなく、サイドプレートの板厚方向（右方向）へ突き出る凸部４Ａを有す。凸部４Ａは電池モジュールの長手方向即ち電池の積層方向（前後方向）へ沿ってサイドプレート４の端から端まで形成されている。凸部は様々な方法で形成することができ、例えば図４に示したサイドプレート４では一枚の板に折り曲げ加工や、絞り加工等を施すことによって凸部４Ａが形成されている。サイドプレート４をエンドプレート３に接続するための締結穴４Ｂは、凸部４Ａとボルトとの干渉を避けるために位置が限定され、凸部４Ａとサイドプレート端部との間、もしくは凸部４Ａの頂上に設けられる。

　この凸部４Ａによって、電池モジュール１００の長手方向に垂直な方向（左右方向）への振動に対してサイドプレートの耐振性を向上させることができる。また、凸部４Ａを挟む領域には、平板部４Ｃが形成されており、この平板部によって、凸部を形成することによるサイドプレートの変形を抑制することができる。もしこの平坦部４Ｃがなく、サイドプレート４を連続する凹凸形状（蛇腹形状）で形成した場合、左右方向への剛性が低くなり、上述するように左右方向の振動に対して弱くなってしまう。本実施例では凸部を挟むように一対の平坦部４Ｃが設けられているため、左右方向の振動に対して強くなっている。なお、平坦部４Ｃについては、凸部４Ａよりも完全な平坦形状でなくてもよいが、平坦部４Ｃとする方が様々な方向からの振動に対して強くなるため、より左右方向の振動を抑制するという点で好ましい。

　続いて電池積層体１と端ホルダ２とエンドプレート３を一体化する方法について記載する。電池積層体１と端ホルダ２とエンドプレート３を一体化するには、電池積層体１の積層方向の前方および後方に端ホルダ２を当接させた状態で、電池積層体１を端ホルダ２ごとエンドプレート３で挟持し、その後、一対のサイドプレート４をエンドプレート３にボルト１１でネジ止めする。サイドプレート４がエンドプレート３にボルト１１でネジ止めされると、一対のエンドプレートに挟まれた電池積層体と端セルホルダが所定量圧縮された状態で保持される。なお、本実施の形態では、ボルトを用いてサイドプレートをエンドプレートに固定する方法について説明したが、リベットを用いて、あるいは、かしめ、溶接などにより、サイドプレートをエンドプレートに固定してもよい。

　≪変形例１≫
　ここで、本発明のサイドプレートの変形例を、図５から図８を用いて説明する。

　まず図５に変形例１のサイドプレート１２を示す。本変形例が第１の実施例のサイドプレート１２と異なる点は、凸部を複数個設けた点である。

　このように図５に記載のサイドプレート１２には複数の凸部１２Ａを備える。このように凸部の数を増やすことでサイドプレートの耐震性を向上できる。

　続いて図６に変形例２のサイドプレート１２を示す。本変形例が第１の実施例のサイドプレート１２と異なる点は、凸部を複数個設けた上で、この凸部の外周をすべて平坦部１３で囲んだ点である。

　このように図６のサイドプレート１３は、長手方向に沿って（前後方向に沿って）形成された平板部１３Ｃに加えて、長手方向の両端（前後方向の両端）にも平板部１３Ｄを備える。このようにすることで凸部１３Ａの周囲は全て平板部で覆われるため、凸部を形成することによるサイドプレートの変形を更に抑制することができる。特に平坦部１３Ｄが凸部１３Ａを連続して接続するため、実施例１よりも上下方向のねじれに対してより強くなる構造となる。また、平板部１３Ｄを長手方向の両端に備えることでサイドプレート１３をエンドプレート３に接続するための締結穴１３Ｂは、位置が限定されず任意の場所に設けることができる。そのため、設計自由度が向上する。

　続いて図７に変形例３のサイドプレート１４を示す。本変形例が第１の実施例のサイドプレートと異なる点は、凸部がサイドプレート１４の上側に配置した点である。

　このように図７のサイドプレート１４は、電池モジュールの上面に偏った位置に凸部１４Ａを備える。そのため、下側平坦部１４Ｃ２よりも幅の狭い上側平坦部１４Ｃ１が設けられる構造となっている。本実施例の電池モジュール１００は底面が電池パックの筐体に固定されているため、電池モジュールに振動が加えられるとき、底面と比較して上面の方が振動しやすい。そのため、図７のように凸部を上面に偏らせることで、より効率よく耐振性を向上できる。

　最後に図８に変形例４のサイドプレート１５を示す。本変形例が第１の実施例のサイドプレートと異なる点は、凸部が別部材で作成されている点である。

　このように図８のサイドプレート１５は平板部１５Ｃに、別部材で作製した凸部１５Ａを一体化した構成である。凸部１５Ａの材質は限定的ではなく、金属や樹脂で作製できる。凸部が金属の場合は、例えば溶接で平板部１５Ｃと一体化でき、凸部が樹脂の場合は、例えば接着剤で平板部１５Ｃと一体化できる。凸部を別部材にすることで、凸部を折り曲げ加工や絞り加工で作製するよりも凸部の形状や凸部の位置を自由に設計できる。
以上、本発明について簡単にまとめる。本発明に記載の電池モジュール１００は、上面（８８ｂ）、下面（８８ａ３）及び側面（８８ａ１、８８ａ２）を有する電池を複数個積層させた電池群（１）と、電池群（１）の側面に対向して配置される一対のサイドプレート（４）と、を備え、サイドプレート（４）は凸部（４Ａ）を有し、凸部（４Ａ）に沿って凸部（４Ａ）の変形を抑制する変形抑制部（４Ｃ、１２Ｃ、１３Ｃ、１４Ｃ、１５Ｃ）を備え、変形抑制部（４Ｃ、１２Ｃ、１３Ｃ、１４Ｃ、１５Ｃ）は凸部（４Ａ）を挟む一対の領域に設けられることを特徴とする。このような構成にすることによって、左右方向の振動抑制効果が向上する。

　また、本発明に記載の電池モジュール１００は、変形抑制部が一例として平板部（４Ｃ、１２Ｃ、１３Ｃ、１４Ｃ、１５Ｃ）となっている。

　また、本発明に記載の電池モジュール１００は、一例として電池の上面から下面に向かう方向に一対の平板部（４Ｃ、１２Ｃ、１３Ｃ、１４Ｃ、１５Ｃ）と凸部が並んでいる。他の例としては電池の前から後に向かう方向に一対の平板部（４Ｃ）と凸部が並んでいるような構造もあるが、本実施例のように電池モジュール１００は底面が電池パックの筐体に固定されている構造では左右方向の振動抑制がより重要となるので、電池の上面から下面に向かう方向に一対の平板部（４Ｃ、１２Ｃ、１３Ｃ、１４Ｃ、１５Ｃ）と凸部が並んでいる構造の方が好ましい。

　また、本発明に記載の電池モジュール１００は、上面側の平板部（１４Ｃ１）の幅は、下面側の平板部（１４Ｃ２）の幅よりも狭い構成となっている。電池モジュール１００は底面が電池パックの筐体に固定されているため、電池モジュールに振動が加えられるとき、底面と比較して上面の方が振動しやすい。そのため、このように凸部を上面に偏らせることで、より効率よく耐振性を向上できる。

　また、本発明に記載の電池モジュール１００は、凸部（１２Ａ、１３Ａ）が複数の凸部からなることを特徴とする。このような構造にすることによって、サイドプレートの剛性が向上して耐振動性が向上する。

　以上説明した本実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。本実施の形態では、サイドプレートが凸部を備えることでサイドプレートの剛性を向上することができ、電池モジュールの積層方向に垂直な方向への振動に対して電池モジュールの耐振性を向上できる。

　以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１　　　　　　　　電池積層体
２　　　　　　　　端ホルダ
２Ａ　　　　　　　隔離部
２Ｂ　　　　　　　連結部
２Ｃ　　　　　　　固定部
３　　　　　　　　エンドプレート
３Ａ　　　　　　　収容部
３Ｂ　　　　　　　エンドプレート締結部
３Ｃ　　　　　　　締結穴
４　　　　　　　　サイドプレート
５　　　　　　　　中間バスバ
６　　　　　　　　端バスバ
７　　　　　　　　外部端子ケーブル
８　　　　　　　　　　単電池
９　　　　　　　　　　中間ホルダ
９Ａ　　　　　　　　　隔離部
９Ｂ　　　　　　　　　連結部
１０　　　　　　　インサートナット
１１　　　　　　　ボルト
１２　　　　　　　サイドプレート
１２Ａ　　　　　　凸部
１２Ｂ　　　　　　締結穴
１２Ｃ　　　　　　平板部
１３　　　　　　　サイドプレート
１３Ａ　　　　　　凸部
１３Ｂ　　　　　　締結穴
１３Ｃ　　　　　　平板部
１４　　　　　　　サイドプレート
１４Ａ　　　　　　凸部
１４Ｂ　　　　　　締結穴
１４Ｃ　　　　　　平板部
１５　　　　　　　サイドプレート
１５Ａ　　　　　　凸部
１５Ｂ　　　　　　締結穴
１５Ｃ　　　　　　平板部

Claims

上面、下面及び側面を有する電池を複数個積層させた電池群と、
前記電池群の側面に対向して配置される一対のサイドプレートと、を備えた電池モジュールにおいて、
前記サイドプレートは凸部を有し、前記凸部に沿って当該凸部の変形を抑制する変形抑制部を備え、
前記変形抑制部は前記凸部を挟む一対の領域に設けられることを特徴とする電池モジュール。
請求項１に記載の電池モジュールにおいて、
前記変形抑制部は平板部であることを特徴とする電池モジュール。
請求項２に記載の電池モジュールにおいて、
前記電池の上面から下面に向かう方向に前記一対の平板部と前記凸部が並んでいることを特徴とする電池モジュール。
請求項２または３に記載の電池モジュールにおいて、
前記電池の積層方向に前記一対の平板部と前記凸部が並んでいることを特徴とする電池モジュール。
請求項３に記載の電池モジュールにおいて、
前記上面側の平板部の幅は、前記下面側の平板部の幅よりも狭いことを特徴とする電池モジュール。
請求項１乃至５の何れかに記載の電池モジュールにおいて、
前記凸部は複数の凸部からなることを特徴とする電池モジュール。