JP2010108734A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】複数のバッテリセルを機械的に信頼性よくかつ簡素な構成で集合、一体化させた電池モジュールを提供すること。
【解決手段】バッテリセルと；バッテリセルのもっとも広い２面のうちの一方の面に離間して対向する壁状部と、壁状部のバッテリセルと対向する一部領域からバッテリセル側に突き出した段状部と、壁状部の四隅にバッテリセルと対向する領域から張り出して設けられた、壁状部の厚み方向に延びる丸穴とを有するケーシング部材と；を具備し、ケーシング部材の丸穴のうち対角に向かい合う２つの丸穴の縦断面形状がＨ字状で、残り２つの丸穴の縦断面形状が矩形状であり、さらに、ケーシング部材の縦断面Ｈ字状の丸穴から、隣に位置するケーシング部材の縦断面矩形状の丸穴に抜け、かつ、頭部が縦断面Ｈ字状の丸穴の内側に収まる、隣り合うケーシング部材どうしを互いに連結する締結ねじを具備する。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数のバッテリセルを有する電池モジュールに係り、特に、複数のバッテリセルをケーシング部材を介して集合させ一体化構成とした電池モジュールに関する。

ＨＥＶ（hybrid electric vehicle）、ＥＶ（electric vehicle）などの車両で使われるバッテリ装置は、比較的高出力でかつ頻繁な出力変化に対応する必要がある。一般的に、必要な出力や容量に応じてバッテリセルを複数個電気的に接続しかつ機械的にも一体化されたひとつの電池モジュールとして構成されている。電池モジュールの各バッテリセルは、放熱性を考慮して、例えば、それらの間に適度の空間が生じるような配置にされている。

複数のバッテリセルを機械的に一体に保持しかつそれら間に空間が生じるような配置にするための部材については、次のような一般的に望まれる条件がある。まず、その部材自体が小型、軽量、簡素な構成であり、さらに各バッテリセルの放熱性を妨げないことが好ましい。これらに加えて、各バッテリセルが経時的に変形する場合もあることに注意が必要である。すなわち、使用時に経時的に内部のガス圧力が変化し外装缶に変形をもたらす。このような変形に対しても一体に保持された状態を信頼性を損ねることなく維持することが必要になる。

なお、上記用途の電池モジュールの例として、下記特許文献１に開示のものがある。この開示には、複数のバッテリセルを機械的に一体に保持する部材の構成について、本願内容に類似する事項が開示されている。しかしながら、組み立ての容易性、部材の数、バッテリセル数の可変対応などの点で、さらなる考慮がなされ得る余地があると見ることができる。
特表２００８−５２１１９９号公報

本発明は、上記した事情を考慮してなされたもので、複数のバッテリセルを有する電池モジュールにおいて、複数のバッテリセルを機械的に信頼性よくかつ簡素な構成で集合、一体化させた電池モジュールを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様である電池モジュールは、ほぼ直方体状の形状を有するバッテリセルと；前記バッテリセルの前記直方体状の形状のもっとも広い２面のうちの一方の面に離間して対向する壁状部と、前記壁状部の前記バッテリセルと対向する一部領域から前記バッテリセル側に突き出した段状部と、前記壁状部の四隅に前記バッテリセルと対向する領域から張り出して設けられた、前記壁状部の厚み方向に延びる丸穴とを有するケーシング部材と；を具備し、前記バッテリセルと前記ケーシング部材との組が、前記ケーシング部材をひとつずつ介して前記バッテリセルが積層的に位置するように、複数設けられ、前記ケーシング部材の前記丸穴のうちの対角に向かい合う位置の２つの丸穴が、それぞれ、両端に段部を有して縦断面形状がＨ字状をなし、前記ケーシング部材の前記丸穴のうちの対角に向かい合う位置の残りの２つの丸穴が、それぞれ、全長にわたり同径で縦断面形状が矩形状をなし、さらに、前記ケーシング部材の前記縦断面Ｈ字状の丸穴から該ケーシング部材の隣に位置するケーシング部材の前記縦断面矩形状の丸穴に抜け、かつ、頭部が前記縦断面Ｈ字状の丸穴の内側に収まる、隣り合うケーシング部材どうしを互いに連結する締結ねじを具備することを特徴とする。

すなわち、この電池モジュールは、基本的に、バッテリセルとケーシング部材とで構成される組を複数用意し、これらを、バッテリセルが積層的に位置するような配置で構成したものである。ケーシング部材には、バッテリセルの最も広い面に対向位置する壁状部と、この壁状部から突き出して設けられた、バッテリセルの上記最も広い面の一部領域に対向して位置する段状部とがある。この段状部は、バッテリセルの変形に対応してバッテリセルと壁状部との間に空間を確保するためのものである。

ケーシング部材には、壁状部の四隅にバッテリセルと対向する領域から張り出して、壁状部の厚み方向に延びる丸穴が設けられている。これらの丸穴は、対角に向かい合う位置の２つの丸穴が、それぞれ、縦断面形状としてＨ字状になっており、対角に向かい合う残りの２つの丸穴が、それぞれ、縦断面形状として矩形状になっている。そして、ケーシング部材と隣のケーシング部材とを固定するために、ケーシング部材の縦断面Ｈ字状の丸穴からこのケーシング部材の隣に位置するケーシング部材の縦断面矩形状の丸穴に抜け、頭部が縦断面Ｈ字状の丸穴の内側に収まる締結ねじを具備している。

このようなケーシング部材どうしの連結、固定によれば、その２つケーシング部材の固定態様を、さらにその外側に設けるべきケーシング部材とバッテリセルとの組を追加、固定する場合に適用することができる。多くの組を一度に固定するよりも位置合わせに難がなく、組み立てが容易である。構成も簡素であり、さらにバッテリセルの変形にも対応しているので、信頼性もよい。

本発明によれば、複数のバッテリセルを機械的に信頼性よくかつ簡素な構成で集合、一体化させた電池モジュールを提供することができる。

本発明の実施態様として、前記ケーシング部材のそれぞれが、前記壁状部の厚み中心を通る仮想面を対称面とする面対称立体である、とすることができる。これによれば、ケーシング部材として、縦断面Ｈ字状の丸穴の位置の異なる２種のものを用意する必要がない。

ここで、前記ケーシング部材のそれぞれが、前記壁状部の端部から該壁状部に直交する両方向に起立した起立部を有し、該起立部の端面が、隣に位置するケーシング部材の前記起立部の端面に対向して互いに固定され、前記バッテリセルの前記一方の面に対向する前記ケーシング部材の前記段状部と、該バッテリセルの前記もっとも広い２面のうちの他方の面に対向する別の前記ケーシング部材の前記段状部との距離が、該バッテリセルの前記もっとも広い２面間の距離より長い、とすることができる。この態様は、バッテリセルと、その隣の組のケーシング部材との間の空間の確保を、隣の組のケーシング部材の段状部ではなく隣り合うケーシング部材の壁状部から起立して設けられた起立部の端面の対向により行うものである。

ここで、前記ケーシング部材の前記起立部の端面が、前記隣に位置するケーシング部材の前記起立部の端面に対向して接着剤により互いに固定されている、とすることができる。ケーシング部材どうしをねじで締結することに加えてこのように接着剤を用いることで、電池モジュールとしてさらに強固で信頼性の高い一体化を図ることができる。

また、実施態様として、前記組を構成する前記バッテリセルと前記ケーシング部材とが、該ケーシング部材の前記段状部において接着剤により固定されている、とすることができる。ケーシング部材とバッテリセルとをこのように接着剤で固定することにより、電池モジュールとしてさらに強固で信頼性の高い一体化を図ることができる。

以上を踏まえ、以下では本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電池モジュールを構成するためのケーシング部材およびバッテリセルを示す斜視図である。概略として、この実施形態の電池モジュールは、図示のケーシング部材１０とバッテリセル２０とを交互に重ね合わせて一体化し構成する。そこで、まず、これらのケーシング部材１０、バッテリセル２０の構成についてそれぞれ説明する。

図１（ａ）に示すように、このケーシング部材１０は、壁状部１１、段状部１２、Ｈ字状縦断面丸穴１３、１５、矩形状縦断面丸穴１４、１６、通気孔部１７、スリット１８、起立部１９を有する。このような構成のケーシング部材１０は、例えばポリカーボネート樹脂のような樹脂を用いて金型成形により形成することができる。ポリカーボネート樹脂以外では、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂やＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）樹脂も採用し得る。適宜、樹脂中に補強材を含有させるようにして剛性を増すようにしてもよい。

壁状部１１は、直方体状のバッテリセル２０をこのケーシング部材１０に収容したときに、バッテリセル２０の最も広い２面のうちの一方の面に離間して対向させるための壁である。この離間のため、壁状部１１には、バッテリセル１０の上記一方の面の一部領域に対向して位置する段状部１２が、突き出し形成されている。バッテリセル２０と壁状部１０とが離間することで、バッテリセル２０の６面のうちの経時的にもっとも変形の大きい面のひとつとの間に空間が形成され、電池モジュールとしての信頼性向上に寄与できる。

段状部１２は、上記のように、壁状部１１から突き出し設けられた、バッテリセル２０の変形に対応するためのスペーサとしての部位である。図示するように、壁状部１１の端部近くに設けることが、バッテリセル２０が変形するための余裕空間を効率よく作り出す上で適当である。段状部１２として、具体的にその高さは例えば１．５ｍｍ程度にすることができる。

Ｈ字状縦断面丸穴１３、１５および矩形状縦断面丸穴１４、１６は、壁状部１１をバッテリセル２０の上記一方の面の外側に仮想的に延長した領域上の位置であってこの一方の面の四隅からの近傍位置それぞれに設けられている。これらの丸穴１３、１５、１４、１６は、壁状部１１の厚み方向に設けられており、ケーシング部材１０およびバッテリセル２０を多数積層して一体化するための、締結ねじの取り付け穴（締結ねじ穴）として用いられる。

より具体的な位置関係として、壁状部１１の対角に向かい合う位置にＨ字状縦断面丸穴１３、１５が設けられ、壁状部１１の対角に向かい合う残りの位置に矩形状縦断面丸穴１４、１６が設けられる。縦断面形状の異なるこれら２種の穴の効用については後述する（図３、図４）。Ｈ字状縦断面丸穴１３、１５は、その内壁面にねじ山の形成されていない穴であり、矩形状縦断面丸穴１４、１６は、その内壁面にねじ山を形成してもよく、またはねじ山のない穴とすることもできる。

通気孔部１７は、このケーシング部材１０にバッテリセル２０を収容したときの、バッテリセル２０のガス排気面部２３の位置に対応して設けられている。通気孔部１７は、ケーシング部材１０とバッテリセル２０とで構成される組が積層的に重ねられて電池モジュールが組み上げられたときに、各ガス排気面部２３に連通し、さらに複数の組を壁状部１１に直交する方向に貫く、ひとつに連なる通気孔になる。

スリット１８は、放熱のための通風を確保するように、段状部１２により形成されるバッテリセル２０と壁状部１１と間の空間に通じて、起立部１９に設けられている。例えば、図示するように、収容された後のバッテリセル２０の位置から見てその左右の位置、および下側の位置に設けることができる。

起立部１９は、壁状部１１の端部から起立して設けられて、バッテリセル２０をケーシング部材１０内に収めるための位置規制の機能を有する。起立部１９の壁状部１１からの高さの設定については、後述する。

ケーシング部材１０は、壁状部１１の厚み中心を通る仮想面を対称面として、面対称立体に設計することができる。これによれば、ケーシング部材１０として、縦断面Ｈ字状の丸穴の位置の異なる２種のものを用意する必要がなくなり、組み立て性が向上する（後述でさらに説明する）。以下では、断りのない限り、ケーシング部材１０はこのように面対称立体であるとして説明する。

次に、図１（ｂ）に示すように、バッテリセル２０は、電極２１、２２、ガス排気面部２３を有する。バッテリセル２０は、例えばアルミニウム製の外装缶を備えてほぼ直方体状の形状を有し、ケーシング部材１０に収容するときには、バッテリセル２０のもっとも広い２面のうちの一方の側の面をケーシング部材１０の壁状部１１に対向させる。なお、バッテリセル２０は、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池のような２次電池である。

また、バッテリセル２０は、直方体状の形状のうちのもっとも狭い面の一方に電極２１、２２を有する。さらに、バッテリセル２０の電極２１、２２が設けられている面のほぼ中央に、ガス排気面部２３が設けられている。ガス排気面部２３は、バッテリセル２０内部のガス圧が使用時にある程度以上上昇した場合にこれを逃がす機能を有する。すでに述べたように、ガス排気面部２３は、このバッテリセル２０がケーシング部材１０に収容されさらにその組が連結されて電池モジュールが構成された状態では、排気孔部１７が連なって形成される通気孔内の空間に面する。

図２は、図１（ａ）中に示したケーシング部材１０における締結ねじ穴の構成を示す断面図である。図２において、図１中に示した部分と同一のものには同一符号を付してある。図２（ａ）に示すように、丸穴１３、１５は、縦断面形状がＨ字状、すなわち、より小径の丸穴が厚みの中央付近に形成され、より大径の丸穴が厚みの両端側に形成された貫通穴である。丸穴１４、１６は、縦断面形状が矩形状、すなわち一定の径の貫通穴である。丸穴１４、１６の径の大きさは、Ｈ字状縦断面丸穴１３、１５の厚み中央付近の径よりも多少小さく設定されている。

図３は、図１に示したケーシング部材１０およびバッテリセル２０を用いて、このケーシング部材１０に別のケーシング部材を連結する態様を示す斜視図である。図３において、すでに説明した図中に示した構成要素と同一のものには同一符号を付してある。以下、図３を参照して、ケーシング部材どうしの連結について説明する。

図３において、上記別のケーシング部材を符号１０Ａで示し、その構成要素についてはそれぞれ、ケーシング部材１０の相当部分の符号にＡを加えて示している。ケーシング部材１０Ａは、この場合、ケーシング部材１０とまったく同じ構成の部材であり、それらの向きは互いに逆方向（裏返し）にされている。これは、図示するように、ケーシング部材１０Ａの丸穴１３Ａ（縦断面Ｈ字状）とケーシング部材１０の丸穴１６（縦断面矩形状）とを締結ねじ３２で連結し、同じく、丸穴１５Ａ（縦縦断面Ｈ字状）と丸穴１４（縦断面矩形状）とを締結ねじ３１で連結するためである。

このように、締結ねじ３１、３２は、壁状部１１Ａの対角に位置する丸穴１３Ａ、１５Ａでのみ使用される。壁状部１１Ａの残りの対角に位置する丸穴１４Ａ、１６Ａは、図示のケーシング部材１０Ａの上側に重畳的に位置させるさらに別のケーシング部材との連結のため使用される。このように締結ねじを、隣に位置するケーシング部材どうしのみを連結するため使用するので、多くのケーシング部材を一度に連結、固定するよりもケーシング部材どうしの位置合わせに難がなく、組み立ては容易である。

図４は、図３に示したようにして連結されたケーシング部材における締結ねじ穴の部分を示す断面図である。図４において、すでに説明した図中に示した要素と同一のものには同一符号を付してある。

図４に示すように、締結ねじ３２（３１）は、Ｈ字状縦断面丸穴１３Ａを貫通し、矩形状縦断面丸穴１６で螺合される。すでに述べたように、縦断面矩形状丸穴１６の内壁面には、あらかじめ締結ねじ３２に対応するようにねじ山を形成しておいてもよく、または、縦断面矩形状丸穴１６として、ねじ山をあらかじめ設けずに、締結ねじ３２が有するねじ山を内壁面の塑性変形で受け入れる程度の径にして対応するようにしてもよい。

締結ねじ３２（３１）の頭部は、図示するように、Ｈ字状縦断面丸穴１３Ａのより大径の部分の内部に収められる。これにより、ケーシング部材１０Ａにさらに別のケーシング部材が連結される場合に干渉要因とならないようにしている。

図５は、図３に示すようにして連結されたケーシング部材およびバッテリセルを用いて、別のバッテリセル２０Ａおよびさらに別のケーシング部材１０Ｂを連結する態様を示す斜視図である。図５において、すでに説明した図中に示した要素と同一のものには同一符号を付してある。ケーシング部材１０Ｂは、この場合、ケーシング部材１０、ケーシング部材１０Ａとまったく同じ構成の部材であり、ケーシング部材１０Ａとはそれらの向きは互いに逆方向（裏返し）にされる。

これにより、図示するように、ケーシング部材１０Ｂの縦断面Ｈ字状の丸穴とケーシング部材１０Ａの縦断面矩形状の丸穴とを締結ねじ３３、３４で連結することができる。このようにして、さらに多くのバッテリセルおよびケーシング部材を重ね合わせ一体化することができる。一体化したのち、各バッテリセルの電極間を導電部材で所定に接続することでひとつの電池モジュールが得られる。

このような構成の電池モジュールは、バッテリセルの経時的な変形にかかわらず、安定的にバッテリセルを集合、一体化している状態を保てる。また、ケーシング部材の上記説明したような機能的なまとまりによって、電池モジュールとして簡素な構成になる。さらに、必要なバッテリセルの数に応じて、その数を可変することが容易であるとともに、多くのケーシング部材を一度に連結、固定するよりもケーシング部材どうしの位置合わせに難がなく、締結ねじによる組み立ては容易である。

以上、本発明の一実施形態である電池モジュールについて説明したが、以下いくつか補足する。まず、ケーシング部材としては、壁状部の厚み中心を通る仮想面を対称面とする面対称立体とはせずに、縦断面Ｈ字状の丸穴の位置と縦断面矩形状の丸穴の位置とが互いに逆に位置している２種のものを用意するようにしてもよい。この場合には、起立部１９の壁状部１１からの両方向の高さを互いに変えるようにしてもよい。極端には、片側の起立部はなくすこともできる。また、段状部１２は、壁状部１１の片面のみの形成とすることができる。

また、ケーシング部材のそれぞれが、その壁状部の厚み中心を通る仮想面を対称面とする面対称立体である場合であっても、起立部の高さとしては、次のように設定することができる。すなわち、バッテリセルのもっとも広い一方の面に対向するケーシング部材の段状部と、このバッテリセルのもっとも広い他方の面に対向する別のケーシング部材の段状部との距離を、このバッテリセルのもっとも広い２面間の距離より長くするように、起立部の高さを設定する。この場合、起立部どうしがその端面で当接することになり、その当接面を例えば接着剤で固定することができる。接着剤を用いることで、電池モジュールとしてさらに強固で信頼性の高い一体化を図ることができる。

また、バッテリセルとケーシング部材とは、ケーシング部材の段状部において接着剤によって互いに固定するようにしてもよい。ケーシング部材とバッテリセルとをこのように接着剤で固定することにより、電池モジュールとしてさらに強固で信頼性の高い一体化が実現する。このようなバッテリセルとケーシング部材との接着剤による固定は、バッテリセルに対向位置する片方のケーシング部材でのみ行うのでもよい。または、起立部どうしがその端面で当接しないようにそれらの高さが設定されている場合には、バッテリセルに対向位置する両方のケーシング部材に対してバッテリセルを接着剤で固定することもできる。

なお、起立部の端面どうしを固定する接着剤としては、固着の強固性に鑑みて、例えば熱硬化性の接着剤を使用することができる。また、バッテリセルとケーシング部材とを固定する接着剤としては、例えば、２液系の常温硬化型エポキシ樹脂を使用することができる。常温硬化型とするのは、バッテリセルに直接接触する接着剤であるため、固着時にバッテリセルに高温が伝わる恐れが生じる熱硬化型とするのがあまり適当でないためである。

本発明の一実施形態に係る電池モジュールを構成するためのケーシング部材およびバッテリセルを示す斜視図。 図１（ａ）中に示したケーシング部材における締結ねじ穴の構成を示す断面図。 図１に示したケーシング部材およびバッテリセルを用いて、ケーシング部材に別のケーシング部材を連結する態様を示す斜視図。 図３に示したようにして連結されたケーシング部材における締結ねじ穴の部分を示す断面図。 図３に示すようにして連結されたケーシング部材およびバッテリセルを用いて、別のバッテリセルおよびさらに別のケーシング部材を連結する態様を示す斜視図。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ…ケーシング部材、１１，１１Ａ…壁状部、１２，１２Ａ…段状部、１３，１３Ａ，１５，１５Ａ…Ｈ字状縦断面丸穴、１４，１４Ａ，１６，１６Ａ…矩形状縦断面丸穴、１７，１７Ａ…通気孔部、１８，１８Ａ…スリット、１９，１９Ａ…起立部、２０，２０Ａ…バッテリセル、２１…電極、２２…電極、２３…ガス排気面部、３１，３２，３３，３４…締結ねじ。

Claims (5)

1. ほぼ直方体状の形状を有するバッテリセルと；
   前記バッテリセルの前記直方体状の形状のもっとも広い２面のうちの一方の面に離間して対向する壁状部と、前記壁状部の前記バッテリセルと対向する一部領域から前記バッテリセル側に突き出した段状部と、前記壁状部の四隅に前記バッテリセルと対向する領域から張り出して設けられた、前記壁状部の厚み方向に延びる丸穴とを有するケーシング部材と；を具備し、
   前記バッテリセルと前記ケーシング部材との組が、前記ケーシング部材をひとつずつ介して前記バッテリセルが積層的に位置するように、複数設けられ、
   前記ケーシング部材の前記丸穴のうちの対角に向かい合う位置の２つの丸穴が、それぞれ、両端に段部を有して縦断面形状がＨ字状をなし、
   前記ケーシング部材の前記丸穴のうちの対角に向かい合う位置の残りの２つの丸穴が、それぞれ、全長にわたり同径で縦断面形状が矩形状をなし、
   さらに、前記ケーシング部材の前記縦断面Ｈ字状の丸穴から該ケーシング部材の隣に位置するケーシング部材の前記縦断面矩形状の丸穴に抜け、かつ、頭部が前記縦断面Ｈ字状の丸穴の内側に収まる、隣り合うケーシング部材どうしを互いに連結する締結ねじを具備すること
   を特徴とする電池モジュール。
2. 前記ケーシング部材のそれぞれが、前記壁状部の厚み中心を通る仮想面を対称面とする面対称立体であることを特徴とする請求項１記載の電池モジュール。
3. 前記ケーシング部材のそれぞれが、前記壁状部の端部から該壁状部に直交する両方向に起立した起立部を有し、該起立部の端面が、隣に位置するケーシング部材の前記起立部の端面に対向して互いに固定され、
   前記バッテリセルの前記一方の面に対向する前記ケーシング部材の前記段状部と、該バッテリセルの前記もっとも広い２面のうちの他方の面に対向する別の前記ケーシング部材の前記段状部との距離が、該バッテリセルの前記もっとも広い２面間の距離より長いこと
   を特徴とする請求項２記載の電池モジュール。
4. 前記ケーシング部材の前記起立部の端面が、前記隣に位置するケーシング部材の前記起立部の端面に対向して接着剤により互いに固定されていることを特徴とする請求項３記載の電池モジュール。
5. 前記組を構成する前記バッテリセルと前記ケーシング部材とが、該ケーシング部材の前記段状部において接着剤により固定されていることを特徴とする請求項１記載の電池モジュール。

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