JP6493144B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電池モジュールに関する。

従来の電池モジュールとして、例えば特許文献１のように、セルホルダによって保持された電池セルの配列体をエンドプレートで挟み込んで拘束荷重を付加した電池モジュールがある。また、例えば特許文献２のように、隣り合う電池セル間に放熱プレート等の温度制御部材を配置し、電池セルの温度制御を実施する電池モジュールがある。

この特許文献２で用いられている温度制御部材は、例えばベースの一方面に所定の間隔をもって平行に配列された複数のリブを有している。温度制御部材は、隣接する電池セルのケースの壁面に各リブが接触するように電池セル間に配置されている。これにより、電池セル間には、ベースと、リブと、電池セルとで囲まれる空間が形成され、当該空間を温度制御媒体の流路として利用することが可能となっている。

特開２００９−８１０５６号公報 特開２００６−２７８３３０号公報

上述したような電池モジュールでは、使用時における電池セルの温度制御が重要となっている。特に、配列体を配列方向から見た場合の電池セルの中央付近には、ケース内に内蔵される電極組立体が位置しており、温度制御効率の十分な確保が求められている。また、上述したような電池モジュールでは、劣化などに起因して電池モジュールが膨張することがある。電池セルの配列体に拘束荷重を付加するタイプの電池モジュールでは、電池セルに膨張が生じた段階でも拘束荷重の付加が継続する。このため、電池セルに隣接して配置された温度制御部材に付加される荷重が増加し、リブの破損や変形が生じる場合がある。リブに破損や変形が生じると、温度制御媒体による電池セルの温度制御効率が低下するおそれがある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、電池セルの非膨張時及び膨張時のいずれにおいても電池セルの温度制御効率を十分に確保できる電池モジュールを提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明の一側面に係る電池モジュールは、電池セルの配列体と、配列体に対して電池セルの配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、を備え、配列体には、電池セルごとに温度制御部材が設けられており、温度制御部材は、板状のベースと、ベースの一方面に配列された複数のリブとを有し、電池セルの配列方向の面にリブが接するように電池セルに対して配置され、複数のリブのそれぞれにおいて、リブの配列方向の中央側を向く側面の少なくとも一部が、リブの配列方向の中央側から外側に向かって傾く傾斜面となっている。

この電池モジュールでは、複数のリブのそれぞれにおいて、リブの配列方向の中央側を向く側面の少なくとも一部が、リブの配列方向の中央側から外側に向かって傾く傾斜面となっている。これにより、リブの配列方向の中央を挟むリブ間の間隔が他のリブ間の間隔よりも広くなる。したがって、電池セルの非膨張時では、温度制御媒体の流路が十分な断面積で電池セルの中央付近に形成され、電池セルの温度制御効率を十分に確保できる。また、電池セルの膨張時では、電池セル側から付加される荷重の一部が傾斜面によってリブの配列方向の中央側から外側に向かって受け流されるため、傾斜面の無い場合に比べてリブの破損や変形を抑えられる。したがって、電池セルの膨張時においても温度制御媒体の流路が維持され、電池セルの温度制御効率を十分に確保できる。

また、複数のリブのそれぞれにおいて、リブの配列方向の中央側を向く側面の全面が、リブの配列方向の中央側から外側に向かって傾く傾斜面となっていてもよい。この場合、電池セルの非膨張時では、温度制御媒体の流路が更に十分な断面積で電池セルの中央付近に形成される。また、電池セルの膨張時では、電池セル側から付加される荷重の一部が傾斜面によって一層確実にリブの配列方向の中央側から外側に向かって受け流される。

また、ベースに対する傾斜面の傾斜角度は、リブの配列方向の中央側に位置するリブほど大きくなっていてもよい。電池セルの膨張時には、配列方向から見て中央付近が周辺部分よりも大きく膨張する傾向にある。したがって、傾斜面の傾斜角度を電池セルの膨張の傾向に応じて設定することで、電池セルの膨張時のリブの破損や変形を好適に抑えられる。

また、各電池セルの内部には、電極組立体が収容され、各電池セルは、セルホルダによって保持され、温度制御部材は、配列体の配列方向から見て電極組立体と重なる領域に複数のリブが配置されるようにセルホルダに取り付けられていてもよい。これにより、温度制御媒体の流路が一定の位置決め精度で電極組立体に近接して形成されるので、温度制御部材による温度制御効率を向上できる。

本発明によれば、電池セルの非膨張時及び膨張時のいずれにおいても電池セルの温度制御効率を十分に確保できる。

第１実施形態に係る電池モジュールを示す概略図である。 電池セルの内部を示す断面図である。 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 セルホルダの斜視図である。 温度制御部材の要部拡大断面図である。 電池セルに膨張が生じた場合の温度制御部材の要部拡大断面図である。 第２実施形態に係る電池モジュールの温度制御部材の要部拡大断面図である。 電池セルに膨張が生じた場合の温度制御部材の要部拡大断面図である。 第１実施形態の変形例に係る電池モジュールの温度制御部材の要部拡大断面図である。 第２実施形態の変形例に係る電池モジュールの温度制御部材の要部拡大断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る電池モジュールの好適な実施形態について詳細に説明する。
［第１実施形態］

図１は、第1実施形態に係る電池モジュールを示す概略図である。同図に示すように、電池モジュール１は、電池セル１１を配列してなる配列体２と、配列体２に対して電池セルの配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材３と、を備えている。電池モジュール１は、例えばフォークリフトといった車両のバッテリーとして用いられる。

配列体２は、複数（本実施形態では７体）の電池セル１１を含んで構成されている。本実施形態では、各電池セル１１は、セルホルダ３１によって保持された状態で配列されている。また、配列体２には、弾性体８と、温度制御部材４１とがそれぞれ含まれている。

拘束部材３は、例えば一対のエンドプレート４，４と、エンドプレート４，４同士を締結する締結部材５とを備えている。エンドプレート４は、例えば電池セル１１を配列方向から見た場合の面積よりも大きい面積を有する略矩形の板状をなしており、エンドプレート４の外縁部分が電池セル１１の外縁部分よりも外側に張り出した状態で、配列体２の配列方向の両端にそれぞれ配置されている。

締結部材５は、例えば長尺のボルト６と、ボルト６に螺合されるナット７とによって構成されている。ボルト６は、例えばエンドプレート４の外縁部分において、配列体２の縁部に対応する位置でエンドプレート４に挿通されている。各ボルト６の先端にエンドプレート４の外側からナット７が螺合されることで、電池セル１１、弾性体８、及び温度制御部材４１が挟持されてユニット化されると共に拘束荷重が付加される。

弾性体８は、電池セル１１に膨張が生じた場合等に、拘束荷重による電池セル１１及びエンドプレート４の破損を防止する目的で用いられる部材である。弾性体８は、図１に示すように、例えばウレタン製のゴムスポンジによって矩形の板状に形成され、配列方向の一端側の電池セル１１とエンドプレート４との間に配置されている。弾性体８の他の形成材料としては、例えばエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、クロロプレンゴム、シリコンゴム等が挙げられる。また、弾性体８は、ゴムに限られず、バネ材などであってもよい。

電池モジュール１を構成する電池セル１１は、例えばリチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池である。電池セル１１は、図２及び図３に示すように、例えば略直方体形状をなす中空のケース１２と、ケース１２内に収容された電極組立体１３とを備えている。

ケース１２は、例えばアルミニウム等の金属によって形成されている。また、ケース１２の内部には、例えば有機溶媒系又は非水系の電解液が注入されている。ケース１２の頂面には、図２に示すように、正極端子１５と負極端子１６とが互いに離間して配置されている。正極端子１５は、絶縁部材１７を介してケース１２の頂面における幅方向の一方側に固定され、負極端子１６は、絶縁部材１８を介してケース１２の頂面における幅方向の他方側に固定されている。

電極組立体１３は、図３に示すように、正極２１と、負極２２と、正極２１と負極２２との間に配置されたセパレータ２３とによって構成されている。電極組立体１３では、袋状のセパレータ２３内に正極２１が収容されており、正極２１が収容された袋状のセパレータ２３と負極２２とが交互に積層されている。

正極２１は、例えばアルミニウム箔からなる金属箔２１ａと、金属箔２１ａの両面に形成された正極活物質層２１ｂとを有している。正極活物質層２１ｂは、正極活物質とバインダとを含んで形成されている。正極活物質としては、例えば複合酸化物、金属リチウム、硫黄等が挙げられる。複合酸化物には、例えばマンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも１つと、リチウムとが含まれる。また、正極２１の上縁部には、正極端子１５の位置に対応してタブ２１ｃが形成されている。タブ２１ｃは、正極２１の上縁部から上方に延び、導電部材２４を介して正極端子１５に接続されている。

一方、負極２２は、例えば銅箔からなる金属箔２２ａと、金属箔２２ａの両面に形成された負極活物質層２２ｂとを有している。負極活物質層２２ｂは、負極活物質とバインダとを含んで形成されている。負極活物質としては、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素等が挙げられる。また、負極２２の上縁部には、負極端子１６の位置に対応してタブ２２ｃが形成されている。タブ２２ｃは、負極２２の上縁部から上方に延び、導電部２５を介して負極端子１６に接続されている。

セパレータ２３は、例えば袋状に形成され、内部に正極２１のみを収容している。セパレータ２３の形成材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース等からなる織布又は不織布等が例示される。なお、セパレータ２３は、袋状に限られず、シート状のものを用いてもよい。

続いて、上述したセルホルダ３１及び温度制御部材４１の構成について、更に詳細に説明する。

セルホルダ３１は、電池セル１１を保持する部材である。セルホルダ３１は、例えばポリプロピレン等の樹脂材料によって形成され、図４に示すように、枠体３２と、仕切部３３と、端子収容部３４と、ボルトガイド部３５とを有している。枠体３２は、底板３６と、底板３６の幅方向の縁部に立設された一対の側板３７，３７とを有している。仕切部３３は、底板３６と略平行に設けられた板状部材である。仕切部３３は、電池セル１１のケース１２の高さに応じた位置で、側板３７，３７同士を連結している。このような構成により、セルホルダ３１に電池セル１１を嵌め込むと、ケース１２における配列方向の側面１２ａ（図３参照）が枠体３２から露出した状態で、ケース１２の底面１２ｂ及び幅方向の側面１２ｃ（図２参照）がセルホルダ３１の枠体３２によって保持される。

端子収容部３４は、電池セル１１の正極端子１５及び負極端子１６を収容する部分である。端子収容部３４は、仕切部３３上に設けられ、枠体３２に電池セル１１が嵌め込まれた際に正極端子１５及び負極端子１６をそれぞれ包囲する。ボルトガイド部３５は、拘束部材３のボルト６を挿通させる部分である。ボルトガイド部３５は、仕切部３３及び底板３６にそれぞれ設けられている。仕切部３３側のボルトガイド部３５は、仕切部３３上において、端子収容部３４の内側に隣接して設けられている。また、底板３６側のボルトガイド部３５は、底板３６の幅方向の端部において、底板３６の底面側に設けられている。

温度制御部材４１は、電池セル１１の温度制御に用いられる部材である。温度制御部材４１は、図１及び図４に示すように、板状のベース４２と、ベース４２の一面側に配列された複数のリブ４３とを有している。ベース４２は、例えばポリプロピレン等の樹脂材料によって、ケース１２における配列方向の側面１２ａと略同寸法の矩形状に形成されている。また、ベース４２の厚さは、セルホルダ３１の仕切部３３の厚さと略同一となっている。

リブ４３は、ベース４２と同様にポリプロピレン等の樹脂材料によってベース４２と一体に形成されている。リブ４３は、例えば断面略矩形状をなし、ベース４２の幅方向に一端側から他端側まで延在している。リブ４３の厚さは、ベース４２の厚さと同程度となっており、当該厚さ分の間隔をもってベース４２の高さ方向に略平行に配列されている。

温度制御部材４１は、図４に示すように、枠体３２で囲まれた空間（電池セル１１の保持空間）側にリブ４３が向くように、予めセルホルダ３１に対して内向きに取り付けられている。セルホルダ３１の枠体３２に電池セル１１が嵌め込まれた状態では、図５に示すように、ベース４２に対して略平行に設けられたリブ４３の先端面４３ａがケース１２の側面１２ａに接し、ケース１２の側面１２ａ、ベース４２、及びリブ４３，４３によって囲まれる断面矩形の空間がリブ４３の延在方向に沿って形成される。当該空間は、例えば冷却空気等の温度制御媒体が流通する流路Ｓとして用いられる。

なお、温度制御部材４１のベース４２及びリブ４３は、セルホルダ３１と一体に形成されていてもよい。また、温度制御部材４１は、配列体２の配列方向から見て、電極組立体１３と重なる領域にリブ４３が配置されるようにセルホルダ３１に取り付けられていることが好適である。より具体的には、配列体２の配列方向から見て、電極組立体１３における正極活物質層２１ｂと負極活物質層２２ｂとの対向領域（図３参照）と重なるようにリブ４３が配置されていることが好適である。

ここで、上述した複数のリブ４３のそれぞれは、リブ４３の配列方向の中央側を向く側面の少なくとも一部が、リブ４３の配列方向の中央側から外側に向かって傾く傾斜面となっている。より具体的には、本実施形態では、図５に示すように、リブ４３の断面形状は、略平行四辺形状となっている。リブ４３の配列方向の中央側を向く側面４３ｂは、ベース４２の法線に対して傾斜角度θをもって傾斜しており、その全面がリブ４３の配列方向の中央側から外側に向かって傾く傾斜面Ｋとなっている。

また、リブ４３の配列方向の中央側を向く側面４３ｃについても、側面４３ｂと同様に、ベース４２の法線に対して傾斜角度θをもって傾斜しており、その全面がリブ４３の配列方向の中央側から外側に向かって傾く傾斜面となっている。本実施形態では、傾斜角度θは、例えば５°〜３０°となっており、全てのリブ４３の傾斜面Ｋの傾斜角度θが互いに等しくなっている。

リブ４３の配列方向の中央ラインＬの一方側に位置するリブ４３は、いずれも中央ラインＬ側から一方側に傾斜した状態でベース４２から突出しており、リブ４３の配列方向の中央ラインＬの他方側に位置するリブ４３は、いずれも中央ラインＬ側から他方側に傾斜した状態でベース４２から突出している。リブ４３，４３間の流路Ｓ（Ｓ１）の断面形状は、リブ４３の断面形状と略同形の平行四辺形状をなしている。

一方、中央ラインＬを挟んで隣り合うリブ４３，４３間の流路Ｓ（Ｓ２）の断面形状は、ベース４２から電池セル１１におけるケース１２の側面１２ａに向かって裾広がりとなる等脚台形状をなしている。したがって、中央ラインＬを挟んで隣り合うリブ４３，４３間の間隔は、他のリブ４３，４３間の間隔よりも広くなっており、流路Ｓ２の断面積は、流路Ｓ１の断面積よりも大きくなっている。したがって、電池セル１１の非膨張時では、温度制御媒体の流路Ｓ２が十分な断面積で電池セル１１の中央付近に形成され、電池セル１１の温度制御効率を十分に確保できる。

劣化或いは過充電などによって電池セル１１に膨張が生じた場合、図６に示すように、電池セル１１におけるケース１２の側面１２ａが電池セル１１の配列方向に対して外側に凸となるように湾曲しながら膨張する。ケース１２の側面１２ａの膨張量は、中央ラインＬの近辺で最も大きくなり、側面１２ａの端部側ほど小さくなる傾向にある。電池セル１１に膨張が生じた場合でも、拘束部材３による配列体２への拘束荷重の付加は継続する。このため、電池セル１１に隣接して配置された温度制御部材４１に付加される荷重が増加する。

これに対し、電池モジュール１では、上述したように、温度制御部材４１の複数のリブ４３のそれぞれは、リブ４３の配列方向の中央側を向く側面４３ｂの全体が、リブ４３の配列方向の中央側から外側に向かって傾く傾斜面Ｋとなっている。これにより、電池セル１１の膨張時では、電池セル１１側から付加される荷重の一部が傾斜面Ｋによってリブ４３の配列方向の中央側から外側に向かって受け流されるため、傾斜面Ｋの無い場合（すなわち、リブ４３が単純な断面矩形状に形成されている場合）に比べてリブ４３の破損や変形を抑えられる。したがって、電池セル１１の膨張時においても温度制御媒体の流路Ｓが維持され、電池セル１１の温度制御効率を十分に確保できる。

また、仮にリブ４３が荷重によって変形する場合、電池セル１１側から付加される荷重の一部が傾斜面Ｋによってリブ４３の配列方向の中央側から外側に向かって付加されるため、リブ４３の配列方向の外側に向かって倒れるようにリブ４３が変形する。中央ラインＬを挟んで隣り合うリブ４３，４３は、互いに反対方向に倒れるように変形するため、電池セル１１の膨張時においても、温度制御媒体の流路Ｓ２が十分な断面積で電池セル１１の中央付近に形成され、電池セル１１の温度制御効率を十分に確保できる。

本実施形態では、複数のリブ４３のそれぞれにおいて、リブ４３の配列方向の中央側を向く側面４３ｂの全面が、リブの配列方向の中央側から外側に向かって傾く傾斜面Ｋとなっている。このため、電池セル１１の非膨張時では、温度制御媒体の流路Ｓ２が更に十分な断面積で電池セルの中央付近に形成される。また、電池セル１１の膨張時では、電池セル１１側から付加される荷重の一部が傾斜面Ｋによって一層確実にリブ４３の配列方向の中央側から外側に向かって受け流される。

本実施形態では、各電池セル１１の内部には、電極組立体１３が収容され、各電池セル１１は、セルホルダ３１によって保持されている。また、温度制御部材４１は、配列体の配列方向から見て電極組立体１３と重なる領域に複数のリブ４３が配置されるようにセルホルダ３１に取り付けられている。これにより、温度制御媒体の流路Ｓが一定の位置決め精度で電極組立体１３に近接して形成されるので、温度制御部材４１による温度制御効率を向上できる。
［第２実施形態］

図７は、第２実施形態に係る電池モジュールの温度制御部材の要部拡大断面図である。同図に示すように、第２実施形態に係る電池モジュール５１は、リブ４３の配列方向の中央側を向く側面４３ｂの一部のみが、リブ４３の配列方向の中央側から外側に向かって傾く傾斜面Ｋとなっている点で、第１実施形態と異なっている。

より具体的には、電池モジュール５１では、傾斜面Ｋは、リブ４３の配列方向の中央側を向く側面４３ｂの先端側のみに設けられている。ベース４２の法線に対する傾斜面Ｋの傾斜角度θは、例えば５°〜３０°となっている。側面４３ｂの基端側及びリブ４３の配列方向の外側を向く側面４３ｃは、いずれもベース４２に対して略直角となっている。

このような構成においても、第１実施形態と同様に、中央ラインＬを挟んで隣り合うリブ４３，４３間の間隔が、他のリブ４３，４３間の間隔よりも広くなっており、流路Ｓ２の断面積が、流路Ｓ１の断面積よりも大きくなっている。したがって、電池セル１１の非膨張時では、温度制御媒体の流路Ｓ２が十分な断面積で電池セル１１の中央付近に形成され、電池セル１１の温度制御効率を十分に確保できる。

また、電池セル１１の膨張時では、図８に示すように、電池セル１１側から付加される荷重の一部が傾斜面Ｋによってリブ４３の配列方向の中央側から外側に向かって受け流されるため、傾斜面Ｋの無い場合（すなわち、リブ４３が単純な断面矩形状に形成されている場合）に比べてリブ４３の破損や変形を抑えられる。したがって、電池セル１１の膨張時においても温度制御媒体の流路Ｓが維持され、電池セル１１の温度制御効率を十分に確保できる。中央ラインＬを挟んで隣り合うリブ４３，４３は、互いに反対方向に倒れるように変形するため、電池セル１１の膨張時においても、温度制御媒体の流路Ｓ２が十分な断面積で電池セル１１の中央付近に形成され、電池セル１１の温度制御効率を十分に確保できる。
［変形例］

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上述した第１実施形態では、全てのリブ４３の傾斜面Ｋの傾斜角度θが互いに等しくなっているが、図９に示すように、ベース４２の法線に対する傾斜面Ｋの傾斜角度θが、リブ４３の配列方向の中央側に位置するリブ４３ほど大きくなっていてもよい。また、図１０に示すように、第２実施形態においても、ベース４２の法線に対する傾斜面Ｋの傾斜角度θが、リブ４３の配列方向の中央側に位置するリブ４３ほど大きくなっていてもよい。電池セル１１の膨張時には、配列方向から見て中央付近が周辺部分よりも大きく膨張する傾向にある。したがって、傾斜面Ｋの傾斜角度θを電池セル１１の膨張の傾向に応じて設定することで、電池セル１１の膨張時のリブ４３の破損や変形を好適に抑えられる。

また、第１実施形態及び第２実施形態のいずれにおいても、全てのリブ４３の先端面４３ａがベース４２に対して略平行となっているが、電池セル１１の膨張時のケース１２の側面１２ａの形状に対応して、各リブ４３の先端面４３ａがベース４２側に向かって凹となる仮想の湾曲面に沿っていてもよい。この場合、電池セル１１の膨張時に各リブ４３が受ける荷重を均一化でき、電池セル１１の膨張時のリブ４３の破損や変形を好適に抑えられる。

１，５１…電池モジュール、２…配列体、３…拘束部材、１１…電池セル、１２ａ…側面、１３…電極組立体、３１…セルホルダ、４１…温度制御部材、４２…ベース、４３…リブ、４３ｂ…側面、Ｋ…傾斜面、θ…傾斜角度。

Claims (5)

1. 電池セルの配列体と、
   前記配列体に対して前記電池セルの配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、を備え、
   前記配列体には、前記電池セルごとに温度制御部材が設けられており、
   前記温度制御部材は、板状のベースと、前記ベースの一方面に配列された複数のリブとを有し、前記電池セルの配列方向の側面に前記リブが接するように前記電池セルに対して配置され、
   前記複数のリブのそれぞれにおいて、前記リブの配列方向の中央側を向く側面の少なくとも一部が、前記リブの配列方向の中央側から外側に向かって傾く傾斜面となっており、
   前記ベースに対する前記傾斜面の傾斜角度は、前記リブの配列方向の中央側に位置するリブほど大きくなっている電池モジュール。
2. 前記複数のリブのそれぞれにおいて、前記リブの配列方向の中央側を向く側面の全面が、前記リブの配列方向の中央側から外側に向かって傾く傾斜面となっている請求項１記載の電池モジュール。
3. 前記複数のリブのそれぞれにおいて、前記リブの配列方向の中央側を向く側面の一部のみが、前記リブの配列方向の中央側から外側に向かって傾く傾斜面となっている請求項１記載の電池モジュール。
4. 前記各電池セルの内部には、電極組立体が収容され、
   前記各電池セルは、セルホルダによって保持され、
   前記温度制御部材は、前記配列体の配列方向から見て前記電極組立体と重なる領域に前記複数のリブが配置されるように前記セルホルダに取り付けられている請求項１〜３のいずれか一項記載の電池モジュール。
5. 前記複数のリブのうち前記リブの配列方向の中央から一方側に位置する前記リブは、前記中央側から前記一方側に傾斜した状態で前記ベースから突出しており、
   前記複数のリブのうち前記リブの配列方向の中央から他方側に位置する前記リブは、前記中央側から前記他方側に傾斜した状態で前記ベースから突出している請求項１〜４のいずれか一項記載の電池モジュール。

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