JP7052680B2

JP7052680B2 - 電池ケース

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Publication number: JP7052680B2
Application number: JP2018209588A
Authority: JP
Inventors: 英利四方田; 昇平池本; 忍石田; 泰弘上野; 翔太朗石川; 健志朗三村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2038-11-07
Also published as: JP2020077512A

Description

本発明は、電池ケースに関する。

上ケース及び下ケースにアルミニウム板を用い、そのアルミニウム板に凹凸状の補強部を設けた電池ケースが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、単電池を押圧した状態で収容する収容ケースにおいて、単電池の電極の積層方向に沿って収容ケースの中央部分をその中央部分の外周部分と段違いに形成した収容ケースも知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１－１７６４００号公報特開２０１６－０３５８７６号公報

ところで、ケース外側に突出した凸状の補強部を設けた電池ケースに対してケース側面から外力を一方向に加えると、電池ケースは外力に対する十分な反力を維持できずにケース中央部分から外側へ一方向に膨らんで変形し、破損するおそれがある。外力に対する高い反力を得る場合、例えば電池ケースの板厚を厚くすることなども想定されるが、この場合、電池ケースの重量が増加するという問題がある。

本発明では、電池ケースの板厚を変えずに反力を向上することを目的とする。

本発明に係る電池ケースは、電池を収容する電池ケースであって、底の中央部分が前記電池ケースの内側に凹んだ凹部を含む箱と、前記箱の内側で前記凹部を横切って延伸し、前記凹部の稜線と交差するリブと、を有し、前記稜線が前記凹部の中心に向けて突出した円弧状であることを特徴とする。

本発明によれば、電池ケースの板厚を変えずに反力を向上することができる。

図１は電池ケースの分解斜視図の一例である。図２は電池ケースのＡ－Ａ断面図の一例である。図３は補強リブの配置関係を説明するための図である。図４は第２ケース部材のＢ－Ｂ断面図の一部である。図５（ａ）は座屈モードのモード次数ｍ＝３の場合の反力の一例を説明するための図である。図５（ｂ）は座屈モードのモード次数ｍ＝１の場合の反力の一例を説明するための図である。図６は比較例を説明するための図である。図７は実施形態を説明するための図である。図８は比較例と実施形態の関係の一例を説明するためのグラフである。

以下、本件を実施するための形態について図面を参照して説明する。

図１は電池ケース１００の分解斜視図の一例である。図２は電池ケース１００のＡ－Ａ断面図の一例である。図１に示すように、電池ケース１００は、ラミネートシート容器５を内部に収容する。電池ケース１００はそれぞれ箱としての第１ケース部材１０と第２ケース部材２０を備えている。第１ケース部材１０と第２ケース部材２０は基本的に同じ形状であるため上下関係を逆にしてもよい。第１ケース部材１０と第２ケース部材２０を組み合わせることにより電池ケース１００が構成される。

まず、ラミネートシート容器５について説明する。ラミネートシート容器５はラミネートシート６を備えている。ラミネートシート６はアルミニウム箔やニッケル箔に例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムやＰＥ（ポリエチレン）などをラミネートしたシートである。ラミネートシート６の内部には、例えば正極と負極をセパレータを介して積層して形成した発電要素が非水電解液と共に封入されている。すなわち、発電要素と非水電解液を収容したラミネートシート容器５はリチウムイオン二次電池といった非水電解質二次電池に相当する。ラミネートシート容器５の封止部からは、内部の発電要素の正極に接続された正極リード線７と負極に接続されたが負極リード線８がそれぞれ引き出されている。

次に、第１ケース部材１０と第２ケース部材２０について説明する。図１及び図２に示すように、第１ケース部材１０における天板１１の中央部分は天板１１における中央部分以外である外周部分から電池ケース１００のケース内側に向けて凹んでいる。これにより、第１の凹み部分（以下、第１凹部という）１２が第１ケース部材１０に形成され、第１凹部１２の稜線１２ａが第１ケース部材１０に出現する。同様に、第２ケース部材２０における底板２１の中央部分は底板２１における中央部分以外である外周部分から電池ケース１００のケース内側に向けて凹んでいる。これにより、第２の凹み部分（以下、第２凹部という）２２が第２ケース部材２０に形成され、第２凹部２２の稜線２２ａが第２ケース部材２０に出現する。尚、第１凹部１２及び第２凹部２２の具体的な凹みの量については後に第２凹部２２を代表して詳しく説明する。

図１に示すように、第２ケース部材２０におけるラミネートシート容器５の収容部分には複数本の補強リブ２３が設けられている。補強リブ２３の幅はいずれも数ミリメートル程度である。一方、補強リブ２３の高さは、図２に示すように、第２ケース部材２０の側壁２４より低い。また、第２凹部２２の存在により、補強リブ２３の高さは底板２１の外周部分と中央部分で異なっている。具体的には、底板２１の外周部分に位置する補強リブ２３の方が底板２１の中央部分に位置する補強リブ２３より高く（又は厚く）なっている。

尚、第１ケース部材１０にも、いずれも幅が数ミリメートル程度である複数本の補強リブが設けられているが、図１では、天板１１により隠れているため、補強リブが示されていない。図２に示すように、第１ケース部材１０に設けられる補強リブ１３の高さは第１ケース部材１０の側壁１４より低く、また、第１凹部１２の存在により、補強リブ１３の高さは天板１１の外周部分と中央部分で異なっている。

図１及び図２に示すように、第１ケース部材１０の側壁１４の外側にはバンパー１５が設けられている。また、側壁１４と面が共通する第２ケース部材２０の側壁２４の外側にもバンパー２５が設けられている。図２では、バンパー１５の天面と天板１１の天面が平坦になるようにバンパー１５が設けられているが、バンパー１５の天面と天板１１の天面の間に段差があってもよい。同様に、バンパー２５の底面と底板２１の底面が平坦になるようにバンパー２５が設けられているが、バンパー２５の底面と底板２１の底面の間に段差があってもよい。

バンパー１５，２５には、図２に示すように、電池ケース１００の圧壊試験に利用する試験用押し子（以下、単に押し子という）３０が当接する。押し子３０の材料は金属であり、押し子３０の形状は円柱である。圧壊試験ではバンパー１５，２５と逆側の側壁１４，２４が固定されている。図２に示すように、押し子３０が矢印Ｐの方向に進行すると、押し子３０は最初にバンパー１５，２５に当接する。その後、押し子３０が進行を継続すると、電池ケース１００が押圧され、電池ケース１００に外力（即ち荷重）が加えられる。詳細は後述するが、電池ケース１００は押し子３０により外力が加えられると、第１凹部１２、第２凹部２２、補強リブ１３，２３に基づいて電池ケース１００には外力に対する反力が発生する。この反力の大きさを計測し、その大きさが所定の基準を満たした場合に、電池ケース１００の圧壊試験を通過することができる。

尚、図２では、バンパー１５，２５の高さを同じ一定の高さで示しているが、バンパー１５の最上端及びバンパー２５の最下端がもっとも早く押し子３０に当接するように、バンパー１５及びバンパー２５の断面形状を台形などの形状にするようにしてもよい。

ここで、第１ケース部材１０及び第２ケース部材２０の作製工程を説明する。天板１１及び底板２１の作製工程と補強リブ１３，２３、側壁１４，２４及びバンパー１５，２５の作製工程は相違する。天板１１については、まず、織物や一方向繊維で強化したＣＦＲＴＰ（カーボン繊維強化熱可塑性プラスチック）を加熱し、加熱したＣＦＲＴＰを所定の金型に挿入して型締めを行う。これにより、加熱したＣＦＲＴＰが第１凹部１２を有する天板１１にプレス成形される。底板２１については天板１１と同様である。その後、第１凹部１２を有する天板１１に対して、短繊維で強化したＣＦＲＴＰを溶融後に射出成形する。これにより、天板１１に補強リブ１３、側壁１４及びバンパー１５を設けた第１ケース部材１０が完成する。補強リブ２３、側壁２４及びバンパー２５を底板２１に設けた第２ケース部材２０についても第１ケース部材１０の場合と同様である。

次に、図３を参照して、第２ケース部材２０をさらに詳しく説明する。尚、上述したように、第１ケース部材１０と第２ケース部材２０は基本的に同じ形状であるため、第１ケース部材１０の詳細な説明については省略する。

図３は補強リブ２３の配置関係を説明するための図である。図３では第２ケース部材２０の平面図とその平面図の一部を部分的に拡大した部分拡大図が示されている。図３に示すように、第２ケース部材２０には上述した補強リブ２３としてＸ軸方向に延伸する複数本の補強リブ２３ａとＹ軸方向に延伸する複数本の補強リブ２３ｂが設けられている。特に、複数本の補強リブ２３ａはいずれも押し子３０による外力が集中する部分及びその付近から放射状に配置されている。また、補強リブ２３ａはバンパー２５が設けられた側壁２４からその側壁２４と対向する側壁２４にかけて延伸している。補強リブ２３ｂも補強リブ２３ａと同様に放射状に配置され、延伸している。したがって、補強リブ２３ａ，２３ｂはいずれも第２凹部２２を横切っている。

第２ケース部材２０のＸ軸方向の寸法とＹ軸方向の寸法が同じ寸法である場合には、補強リブ２３ａの本数と補強リブ２３ｂの本数は基本的に同数になる。尚、第２ケース部材２０のＸ軸方向の寸法とＹ軸方向の寸法が異なる寸法としてもよく、この場合、補強リブ２３ａの本数と補強リブ２３ｂの本数を異数としてもよい。本実施形態では、補強リブ２３ａの本数と補強リブ２３ｂの本数はいずれも３本である。補強リブ２３ａ及び補強リブ２３ｂに基づく反力を考慮して補強リブ２３ａの本数と補強リブ２３ｂの本数を増減してもよいが、電池ケース１００の重量増加を回避することも考慮して、補強リブ２３ａの本数と補強リブ２３ｂの本数は少なくとも３本であることが望ましい。

また、図３の部分拡大図に示すように、複数本の補強リブ２３ａはいずれも稜線２２ａと交差するように配置される。交差は直交であることが望ましいが、完全な直交でなくてもよく、概ね直交であればよい。部分拡大図で示されていない残りの部分についても同様である。したがって、補強リブ２３ｂについても補強リブ２３ａと同様に配置されている。ここで、図３の平面図に示すように、第２凹部２２の稜線２２ａが共通して含む対称的な４本の円弧状の曲線の中心はいずれも第２凹部２２の中心に向けて窪んでいる。言い換えれば、４本の曲線が押し子３０に対し円弧になるように稜線２２ａの４つの曲線の中心は第２凹部２２の中心に向けて窪んでいる。このような稜線２２ａが出現するように第２凹部２２は第２ケース部材２０に形成される。

図３において、第２凹部２２の中心を直線的に横切る１本の補強リブ２３ａは、対向してＹ軸方向に延伸する２本の曲線と交差する。第２凹部２２の中心以外の部分を曲線的に横切る残り２本の補強リブ２３ａは対向してＹ軸方向に延伸する稜線２２ａの２本の曲線と交差する。特に、これら残り２本の補強リブ２３ａは、対向してＹ軸方向に延伸する稜線２２ａの２本の曲線の形状と逆方向に湾曲している。尚、補強リブ２３ｂの交差については基本的に補強リブ２３ａの場合と同様であるため、説明を省略する。

このように、複数本の補強リブ２３ａと複数本の補強リブ２３ｂが配置された第２ケース部材２０の中心部に向かって押し子３０が進行すると、図３に示すように、押し子３０はバンパー２５に当接する。そして、押し子３０が進行を継続すると、押し子３０からバンパー２５に外力が加えられ、その外力はバンパー２５と底板２１との接合面付近に集中して底板２１上又は底板２１内を広がるように放射状に作用して伝搬する。

これに対し、外力が集中する部分及びその付近から放射状に配置された複数本の補強リブ２３ａには反力が発生して押し子３０の進行に抵抗する。特に、第２凹部２２により底板２１には段差が形成されており、複数本の補強リブ２３ａはその段差を表す稜線２２ａに含まれる円弧状の曲線と交差するため、強固な反力が発生する。このように、本実施形態によれば、Ｘ軸方向に進行する押し子３０の外力に対し、外力が集中する箇所から放射状に配置された複数本の補強リブ２３ａと第２凹部２２の稜線２２ａの形状により、強力な反力を得ることができる。

次に、図４及び図５を参照して、第２凹部２２の凹みの量について説明する。

図４は第２ケース部材２０のＢ－Ｂ断面図の一部である。図５（ａ）は座屈モードのモード次数ｍ＝３の場合の反力の一例を説明するための図である。図５（ｂ）は座屈モードのモード次数ｍ＝１の場合の反力の一例を説明するための図である。特に、図５（ａ）及び（ｂ）では一端が固定され、他端が自由である場合の反力が示されている。

図４に示すように、第２ケース部材２０の底板２１はその外周部分から電池ケース１００の内側に向けて凹んだ第２凹部２２を有する。図４において、「Ｌ」は第２凹部２２の凹み量を表し、「ｔ」は底板２１の板厚を表している。本実施形態では、座屈モードのモード次数ｍ＝３を実現するため、第２凹部２２の凹み量は底板２１の板厚より内側に入っている。すなわち、本実施形態ではＬ＞ｔが成立する。仮に、第２凹部２２が底板２１の板厚より内側に入っていても、Ｌ＝ｔの場合には、モード次数ｍ＝３を実現できない可能性があるため、本実施形態ではＬ＝ｔは除外している。

ここで、上述したように、押し子３０が第２ケース部材２０に当接して押圧した場合、第２凹部２２が電池ケース１００の内側に向けて膨らむように変形する。特に、図２を参照して説明したように、押し子３０がバンパー２５に当接した状態でＸ軸の負方向に進行を継続した場合、外力はバンパー２５と底板２１との接合面付近に集中して底板２１上又は底板２１内を広がるように放射状に作用していく。このため、図５（ａ）に示すように、第２ケース部材２０の底板２１は高次（本実施形態では３次）の変形となる。すなわち、図４に示す第２凹部２２が電池ケース１００の内側に向けて膨らむように変形し、底板２１における第２凹部２２以外の外周部分が電池ケース１００の外側に向けて膨らむように変形する。

仮に、第２ケース部材２０の底板２１がその外周部分からケース外側に向けて突出した凸部（不図示）を有する場合に、押し子３０が第２ケース部材２０に当接して押圧すると、その凸部はケース外側に向けて膨らむように変形する。この場合、押し子３０が上述したように進行を継続すると、図５（ｂ）に示すように、第２ケース部材２０の底板２１は低次（本実施形態では１次）の変形となる。すなわち、凸部も底板２１における凸部以外の外周部分もケース外側に向けて膨らむように変形する。

ここで、以下の数式（１）に示すように、モード次数が高次になると反力が増加することが知られている。
Ｐ＝（２ｍ＋１）^２×（π^２ＥＩ／４ｌ^２）・・・（１）
Ｐは反力を表している。ｍは座屈モードのモード次数を表している。Ｅは縦弾性係数を表している。Ｉは断面二次モーメントを表しており、本実施形態では底板２１の断面の二次モーメントに相当する。ｌ（エル）は座屈長さを表しており、本実施形態では底板２１の長さに相当する。このように、数式（１）によれば、モード次数が増加するほど反力が増加するため、底板２１が上述した凸部を有する場合に比べて、第２凹部２２を有する場合の方が反力は増加する。

このように、本実施形態によれば、底板２１に設けた第２凹部２２により座屈モードが高次になり外力に対する反力が増加する。また、図３を参照して説明したように、外力が集中する部分及びその付近を中心に放射状に配置された補強リブ２３は、第２凹部２２の稜線２２ａが含む円弧状の曲線に対して交差するため、第２凹部２２に基づく反力がより一層増加する。尚、第２ケース部材２０を代表して説明したが、第１ケース部材１０についても第２ケース部材２０と同様である。

続いて、図６乃至図８を参照して、比較例と対比した本実施形態を説明する。

図６は比較例を説明するための図である。図７は実施形態を説明するための図である。図８は比較例と実施形態の関係の一例を説明するためのグラフである。図６では、凸部５２を有する第３ケース部材５０及び凸部６２を有する第４ケース部材６０の断面図が示されている。第３ケース部材５０の天板５１の板厚は図７に示す第１ケース部材１０の天板１１の板厚と同等である。第４ケース部材６０の底板６１の板厚は図７に示す第２ケース部材２０の底板２１の板厚と同等である。

第３ケース部材５０には複数本の補強リブ５３が設けられている。補強リブ５３は本実施形態に係る補強リブ１３と重量は同等だが、第３ケース部材５０に対する配置は相違する。すなわち、第３ケース部材５０には図３を参照して説明した特定の配置関係と異なる配置関係で複数本の補強リブ５３が設けられている。同様に、第４ケース部材６０には複数本の補強リブ６３が設けられている。補強リブ６３は本実施形態に係る補強リブ２３と重量は同等だが、第４ケース部材６０に対する配置は相違する。すなわち、第４ケース部材６０には図３を参照して説明した特定の配置関係と異なる配置関係で複数本の補強リブ６３が設けられている。

ここで、図６に示すように、第３ケース部材５０及び第４ケース部材６０に対して押し子３０が当接して進行すると、第３ケース部材５０及び第４ケース部材６０は変形する。特に、上述したように、第３ケース部材５０及び第４ケース部材６０はそれぞれ凸部５２，６２を有するため１次モードで変形する。すなわち、図６に示すように、第３ケース部材５０及び第４ケース部材６０はいずれもケース外側に向けて膨らむように変形する。

図７では、上述した第１凹部１２を有する第１ケース部材１０及び上述した第２凹部２２を有する第２ケース部材２０の断面図が示されている。第１ケース部材１０には複数本の補強リブ１３が設けられている。具体的には、第１ケース部材１０には図３を参照して説明した特定の配置関係で複数本の補強リブ１３が設けられている。同様に、第２ケース部材２０には複数本の補強リブ２３が設けられている。具体的には、第２ケース部材２０には図３を参照して説明した特定の配置関係で複数本の補強リブ２３が設けられている。

ここで、図７に示すように、第１ケース部材１０及び第２ケース部材２０に対して押し子３０が当接して進行すると、第１ケース部材１０及び第２ケース部材２０は変形する。具体的には、上述したように、第１ケース部材１０は第１凹部１２を有するため、第１ケース部材１０は３次モードで変形する。また、第２ケース部材２０は第２凹部２２を有するため、第２ケース部材２０も３次モードで変形する。すなわち、図７に示すように、第１ケース部材１０及び第２ケース部材２０では第１凹部１２及び第２凹部２２がそれぞれ電池ケース１００の内側に向けて膨らむように変形し、第１凹部１２以外の外周部分及び第２凹部２２以外の外周部分がそれぞれ電池ケース１００の外側に向けて膨らむように変形する。

ここで、上述したように、補強リブ５３の重量と補強リブ１３の重量は同等である。同様に、補強リブ６３の重量と補強リブ２３の重量は同等である。したがって、第３ケース部材５０における補強リブ５３以外の重量と第１ケース部材１０における補強リブ１３以外の重量が同等であり、第４ケース部材６０における補強リブ６３以外の重量と第２ケース部材２０における補強リブ２３以外の重量が同等であれば、図８に示すように、比較例に係る電池ケースと本実施形態に係る電池ケース１００の重量は同等になる。

しかしながら、本実施形態では、比較例と異なり、第１ケース部材１０は電池ケース１００の内側に凹む第１凹部１２を有し、第２ケース部材２０は電池ケース１００の内側に凹む第２凹部２２を有する。また、本実施形態では、比較例と異なり、第１ケース部材１０には特定の配置関係で複数本の補強リブ１３が設けられており、第２ケース部材２０には特定の配置関係で複数本の補強リブ２３が設けられている。このような構成により、比較例に係る電池ケースと本実施形態に係る電池ケース１００の重量が同等であっても、本実施形態に係る電池ケース１００の反力は比較例に係る電池ケースに比べて２５％程度向上する。

以上、本実施形態に係る電池ケース１００はラミネートシート容器５を収容する。そして、電池ケース１００は底板２１の中央部分が電池ケース１００の内側に凹んだ第２凹部２２を含む第２ケース部材２０と、第２ケース部材２０の内側で第２凹部２２を横切って延伸し、第２凹部２２の稜線２２ａと交差する補強リブ２３と、を有し、稜線２２ａが第２凹部２２の中心に向けて突出した円弧状であることを特徴とする。これにより、電池ケース１００の板厚を変えずに反力を向上することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定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要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、電池ケース１００の材料としてＣＦＲＴＰを利用したが、材料は特に限定されず、例えばアルミニウムなどの金属であってもよい。

５ラミネートシート容器
１０第１ケース部材
１２第１凹部
１２ａ稜線
１３補強リブ
２０第２ケース部材
２２第２凹部
２２ａ稜線
２３補強リブ
１００電池ケース

Claims

電池を収容する電池ケースであって、
底の中央部分が前記電池ケースの内側に凹んだ凹部を含む箱と、
前記箱の内側で前記凹部を横切って延伸し、前記凹部の稜線と交差するリブと、を有し、
前記稜線が前記凹部の中心に向けて突出した円弧状であることを特徴とする電池ケース。