JP6315094B2

JP6315094B2 - 電源装置

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Publication number: JP6315094B2
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Authority: JP
Inventors: 小村　哲司; 哲司小村
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2018-04-25
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Description

本発明は、複数の電池セルを集合化してなる電池モジュールを備える電源装置に関する。

近年、ハイブリットカー、電気自動車が普及している。これらの車両には走行用モータが搭載されるとともに、走行用モータに電力を供給する電源装置が搭載される。車載用の電源装置にはリチウムイオン電池、ニッケル水素電池が用いられることが一般的である。

この種の電源装置は、複数の電池ジュールを組み合わせて構成されることが多い。高出力の電源装置を設計する場合には、直列接続される複数の電池セルを含む電池モジュールが用いられる。また、高容量の電源装置を設計する場合には、並列接続される複数の電池セルを含む電池モジュールが用いられる。電池モジュールは、このように、要求される電源装置の性能に応じて、直列接続と並列接続を組み合わせて複数の電池セルを接続して構成される。

電池セルは、充放電や劣化に応じて、膨張したり、収縮したりするため、複数の電池セルを拘束、集合化して電池モジュールが形成される。この種の電池モジュールを備える電源装置として、一方向に積層される複数の電池セルと、両端に配置される一対のエンドプレートと、エンドプレートに固定され、電池セルを拘束する拘束部材と、を備える電源装置の構成が提案されている（特許文献１）。特許文献１の電源装置は、電池モジュールの両側面に配置されるプレート状の拘束部材を備えており、拘束部材はエンドプレートに連結される。この構成により、拘束部材およびエンドプレートを介して、電池セルの膨張を抑制できるようになっている。

上述の構成において、拘束部材は、エンドプレートを介して電池セルを押圧する一方で、拘束部材にその反力がかかる。具体的には、拘束部材に対して、電池セルの積層方向に引張力が加わる。そのため、電池モジュールごとに予め実験等が行われ、電池セルの膨張に起因して拘束部材にかかる外力（引張力）を見積もる。そして、予想される外力に対して、拘束部材が破断しないように、拘束部材の材質や厚さ、形状などを設計する。

一方、電源装置を車両に搭載する場合、さまざまな構成を採用することができる。一般的には、車両の組み立てと電源装置の組み立ては別の工程で行われるため、電源装置を車両に搭載する場合、電池モジュールをプレートや外装ケース等のフレームに固定する構成が採用されることが多い。例えば、特許文献１の電源装置の場合、電池モジュールを外装ケースの上に載置し、外装ケースにエンドプレートを固定する構成を採用することができる。具体的には、エンドプレートに固定用の貫通孔を設け、ボルト等の固定部材を介して、外装ケースに固定される。この構成によると、プレートや外装ケースなどのフレームを車体に固定することで電源装置を車両に搭載することができるので、組み立てられた状態の電源装置を容易に車両に固定することができる。

特開２０１１−１７５７４３号公報

上述の通り、拘束部材は、電池セルの積層方向の引張力に対する剛性を有するように設計されているが、本発明者は、フレームに電池モジュールを固定した状態において、電池セルが膨張すると、拘束部材に歪み変形に伴う応力が生じることを突き止めた。

具体的には、フレームに電池モジュールを固定した状態において、電池セルが膨張すると、フレームに電池モジュールを固定しない場合とは異なり、電池セルの積層方向に延びる電池積層体の中心軸に対して、エンドプレートが非対称的に変位することがわかった。エンドプレートが、電池積層体の中心軸に対して非対称的に変位した場合、拘束部材には歪みが生じ、歪み変形に起因する応力集中が起こる。従来の構成では、電池セルの膨張に起因する引張力しか考慮されていないため、強い歪みが生じた場合には、拘束部材が破断するおそれもある。

本発明は、斯かる問題を解決するためになされた発明であり、その主な目的は、拘束部材の歪み変形を抑制し、拘束部材の破断や破損を防止する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電源装置は、一方向に積層される複数の電池セルを含む電池積層体と、前記電池積層体の両端に位置する第１の端面および第２の端面に配置される一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートに連結される拘束部材とを含む直方体形状の電池モジュールを備える電源装置であって、さらに、固定面を有するフレームと、前記第１の端面および前記第２の端面に隣接する前記電池モジュールの一面を前記フレームの固定面に対向させた状態で、前記電池モジュールを固定する固定部材と、を備える。前記拘束部材は、前記固定面から離間するにつれて、前記複数の電池セルが積層される積層方向に働く外力に対する剛性が強くなるように形成されてなる。

本発明によれば、エンドプレートの変位を効果的に抑制でき、拘束部材の破断や破損を防止することができる。

本発明の実施形態における電池モジュールの斜視図である。本発明の実施形態における電池積層体の構成を説明するための分解斜視図である。本発明の実施形態におけるセパレータの正面図である。第１の比較例における電池モジュールの側面図である。第２の比較例における電池モジュールの側面図である。本発明の実施形態における電池モジュールの側面図である。本発明の実施形態における補強部材の延在方向を説明するための電池モジュールの側面図である。図５の拘束部材を表現するモデル図である。図８において、拘束部材の両端に外力Ｐが加わった状態を示すモデル図である。図６の拘束部材を表現するモデル図である。図１０において、拘束部材の両端に外力Ｐが加わった状態を示すモデル図である。ブレース構造による歪み変形の抑制効果を説明するためのモデル図である。本発明の変形例において、エンドプレート側から見た電池モジュールの側面図である。本発明の実施形態において、エンドプレート側から見た電池モジュールの側面図である。本発明の実施形態において、さらに冷却構造を備える電池モジュールの側面図である。図１５の電池モジュールの断面図である。図１５の電池モジュールの底面図である。本発明の他の実施形態における電池モジュールの側面図である。図１８の電池モジュールにおいて、電池が膨張した際の様子を示す側面図である。

本発明のある態様の電源装置は、少なくとも一つの電池モジュール１００を備えており、ハイブリッドカーや電気自動車等の車両に搭載される。また、図示はしないが、電源装置には、電池モジュール１００の状態を監視する監視部が実装される回路基板等の電装部品が含まれる。図１に示すように、電池モジュール１００は、ボルト等の固定部材３００を介して、外装ケースやプレート等のフレーム２００に固定される。電源装置は、このフレーム２００を介して車両に固定される。なお、フレーム２００は、車両の一部を構成する部材であってもよい。

図１および図２は、本発明の実施形態における電池モジュール１００の構成を説明するための図である。電池モジュール１００は、複数の電池セル１１からなる電池積層体１０と、電池積層体１０の両端に配置される一対のエンドプレート２０と、一対のエンドプレート２０に連結され、電池積層体１０を集合化する拘束部材３０を含む。

図２に示すように、電池セル１１は、扁平な直方体形状の外装缶を有する角形電池である。外装缶は、金属で形成されており、内部に極板や電解液等の発電要素が封入される。外装缶の上面には、正負の電極端子１１ａが設けられる。電池セル１１は、正負の電極端子１１ａから電池セル１１が蓄電した電力を取り出すことができるようになっている。

電池セル１１は、電極端子１１ａを上方へ向けた状態で一方向に積層して配置されて電池積層体１０を構成している。正負の電極端子１１ａは、外装缶の上面の両端に設けられており、電池セル１１を反転させて配置することで、隣接する電池セル１１の正負の電極端子１１ａを近接させることができる。近接する正負の電極端子１１ａはバスバー１２によって接続され、隣接する電池セル１１が直列接続される。なお、同極の電極端子１１ａを近接するように電池セル１１を積層することで、隣接する電池セル１１を、バスバー１２を介して並列接続することもできる。図２に例示する電池モジュールでは、６つの電池セル１１の電極端子１１ａを一つのバスバー１２が接続しており、このバスバー１２によって、並列接続された３つの電池セル１１同士が直列に接続されるようになっている。

電池積層体１０を構成する複数の電池セル１１のうち、隣接する電池セル１１間には、それぞれスペーサ１３が配設される。スペーサ１３は、絶縁性の樹脂で形成され、隣接する電池セル１１を絶縁する。電池セル１１の外装缶は、金属製であるため電位を有しており、スペーサ１３等を用いて隣接する電池セル１１同士を絶縁する必要がある。隣接する電池セル１１を絶縁するための構成としては、スペーサ１３のほか、電池セルの外装缶に絶縁性のシートを巻きつける構成なども知られている。このような構成の一例としては、熱収縮性のシュリンクチューブがある。シュリンクチューブは、熱を加えることで収縮する絶縁性のシートであり生産性に優れる。一方で、シュリンクチューブは、比較的強度が弱い。そのため、絶縁の信頼性を確保する目的で、スペーサ１３とシュリンクチューブの両方を備える構成を採用することもできる。

図２、図３に示すように、スペーサ１３は、各々の電池セル１１の対向する面の間に位置する絶縁部１３ａと、電池セル１１の上面、側面、底面等の一部の面を覆うように、絶縁部１３ａから電池セル１１に向けて突出するリブ１３ｂとを含む。複数のリブ１３ｂが設けられるスペーサ１３は、リブ１３ｂの間に電池セル１１を嵌合させることができ、電池セル１１を積層する際に、電池セル１１の位置ずれを抑制することができる。また、図示はしないが、スペーサ１３は、必要に応じて、絶縁部１３ａの電池セル１１と対向する面に溝を形成する構成とすることもできる。この構成によると、電池セル１１と絶縁部１３ａの間に隙間が形成され、隙間に冷却風を送風することで電池セル１１を冷却することができる。

上述の通り、一対のエンドプレート２０は、電池積層体１０の両端に配置されるが、具体的には、電池セル１１の積層方向における電池積層体１０の両端に位置する一対の端面にそれぞれ配置される。一対のエンドプレート２０には、電池セル１１の積層方向に延在する拘束部材３０が固定される。拘束部材３０は、電源装置として使用される充電率の範囲および環境温度のうちの任意の状態において、常に電池積層体１０を加圧した状態で拘束できるように、電池セル１１の積層方向に圧縮された状態の電池積層体１０を拘束するようになっている。この構成によると、例えば、電池セル１１は、環境温度が低くなったり、放電されたりすることで収縮するが、寸法が収縮した状態でも電池積層体１０を拘束することができる。

また、エンドプレート２０は、ボルト等の固定部材３００が挿通可能に構成される固定用の貫通孔２１が形成される。電池モジュール１００は、エンドプレート２０に形成された貫通孔２１に挿通される固定部材３００を介して、フレーム２００に固定される。なお、図１では、電池モジュール１００がフレーム２００の上に載置される構成について図示しているが、必ずしも、電池モジュール１００をフレーム２００に載置する必要はない。フレーム２００から電池モジュール１００が吊り下げられる構成など種々の構成を採用することもできる。

拘束部材３０は、電池積層体１０の対向する二面に沿って配置されるプレート状の本体部３１と、エンドプレート２０に固定される連結部３２とを含む。なお、拘束部材３０の本体部３１が配置される電池積層体１０の対向する二面は、エンドプレート２０が配置される一対の端面および電池モジュール１００が固定される固定面２００ａに対して隣接する面となる。拘束部材３０は、電池積層体１０を均等な力で拘束する必要があるため、電池積層体１０の対向する二面に配置する必要があるが、フレーム２００と電池モジュール１００との固定構造との物理的な干渉を避ける必要もあるため、拘束部材３０の本体部３１は、固定面２００ａに対して隣接する電池積層体１０の両側面に沿って配置される。

拘束部材３０の本体部３１および連結部３２は、板材を折曲して形成され、連結部３２には、ネジやリベットなどの連結部材３３が挿通される貫通孔が形成される。拘束部材３０は、連結部３２の貫通孔に挿通される連結部材３３によって、エンドプレート２０に固定される。エンドプレート２０に固定される拘束部材３０は、エンドプレート２０の変位を抑制することができる。扁平な直方体形状の外装缶を有する電池セル１１は、充電されたり、劣化したりすることで、特に外装缶の幅広面が、電池セル１１の中心に対して外側に広がるように膨張するが、この構成により、電池積層体１０を構成する電池セル１１の膨張が抑制される。

なお、上述の通り、拘束部材３０は、電源装置として使用される充電率の範囲および環境温度のうちの任意の状態において、常に電池積層体１０を加圧した状態で拘束できるように構成されている。つまり、拘束部材３０には、常に積層方向への引張力が働くことになる。拘束部材３０は、この引張力に対する強度を有することで、拘束部材３０の変形およびエンドプレート２０の変位を抑制することができ、電池セル１１の膨張を抑制できるようになっている。

図１に示すように、拘束部材３０の本体部３１には、複数の開口が形成されている。本体部３１に形成される開口は、拘束部材３０の軽量化に寄与している。拘束部材３０は、電池セル１１の膨張を抑制できるようにある程度の強度が必要であるが、一方で、電池モジュール１００の重量の増加は好ましくない。従って、拘束部材３０は、ある程度の強度を保ちつつ、軽量化を行う必要がある。強度を保ちつつ、軽量化するには、プレート状の拘束部材３０に、開口を設ける構成が効果的である。このように開口を設けることで、強度の低下を最小限にとどめながら、拘束部材の軽量化が図ることができる。

なお、電池セル１１とスペーサ１３の間に隙間を設ける構成を採用する場合には、本体部３１に形成される開口をスペーサ１３と電池セル１１の間に設けられる隙間に対応させて形成することが好ましい。この構成によると、拘束部材３０の開口から送風される冷却風がスペーサ１３と電池セル１１の間に形成される隙間を通過するように構成することができる。

次に、本体部３１に設けられる開口の形状と拘束部材の強度について説明する。本発明の実施形態を含む三つのパターンの形状の開口を有する拘束部材をそれぞれ図４、図５、図６として図示している。このうち、図４、図５は、本発明の比較例における拘束部材の構成を図示したものであり、図６は本発明の実施形態における拘束部材の構成を図示したものである。

図４は、第１の比較例における電池モジュール１００Ａの側面図である。電池モジュール１００Ａは、本体部３１Ａに大きな開口を形成する形状の拘束部材３０Ａを備えている。拘束部材３０Ａは、本体部３１Ａに形成される開口の両側に延在する二本のバーを備える形状となる。拘束部材３０Ａは、電池セル１１の積層方向に延びる二本のバーが電池セル１１の膨張を抑制する。

一方向に延在するバー形状の部材は、延在方向への引張力に対しては、比較的高い強度を有する。一方、延在方向への圧縮力に対しては、座屈が起こるため、引張力に対する強度と比べると弱くなる。また、延在方向に対して垂直方向の力に対しては、せん断方向に力が加わることになるので、延在方向への力に対する強度と比べると格段に弱くなる。拘束部材３０Ａは、電池セルの積層方向に沿って、拘束部材３０Ａの二本のバーが延在する構成となっている。

上述の通り、電源装置として使用される充電率の範囲および環境温度のうちの任意の状態において、常に電池積層体１０を加圧した状態で拘束できるように構成されているため、電池セルが収縮したとしても、拘束部材３０にかかる引張力が弱くなるだけである。基本的には、拘束部材に対して、電池セルの積層方向への圧縮力が働くことはないため、拘束部材３０Ａの延在方向への圧縮力に対する強度は問題とはならない。また、電池セルの膨張に起因する積層方向への引張力に対しては、バーの延在方向が一致しているので、充分な強度を有する。

しかしながら、車両へ電源装置を搭載した場合、車両の振動によって電池モジュールに対して上下方向の外力が加わることは有り得る。このような上下方向に加わる外力が大きい場合、拘束部材は、延在方向の強度だけではなく、延在方向に対して垂直な方向の強度についても考慮する必要がある。

図５は、第２の比較例における電池モジュール１００Ｂの側面図であり、垂直方向に働く力に対する強度を有する拘束部材３０Ｂを図示したものである。拘束部材３０Ｂは、本体部３１Ｂに複数の開口が形成される。複数の開口のうち、各々の開口の間には、電池セル１１の積層方向に対して垂直方向に延びる補強部３４Ｂが設けられている。図４の拘束部材３０Ａと比較すると、電池セルの積層方向に対して垂直方向に延びる補強部３４Ｂがあることで、垂直方向の力に対する強度を高めることができる。従って、例えば、車両の走行時における振動が比較的大きい車両などに電源装置が搭載される場合には、図５の拘束部材３０Ｂを備える構成とすることが好ましい。

図６は、上述の本発明の実施形態における拘束部材３０を備えた電池モジュール１００の側面図である。拘束部材３０は、複数の開口が形成されており、各々の開口の間に補強部が設けられている。複数の補強部は、図６に示すように、平面視において、積層方向に対して交差する方向に延在している。具体的には、複数の補強部は、異なる方向に延在する三種類の補強部を含む。

ここで、電池積層体の一対の端面と、電池モジュールが固定される固定面２００ａを使って、補強部の延在方向について説明する。図７に示すように、電池積層体１０の一対の端面の一方を第１の端面１０Ｌ、他方を第２の端面１０Ｒとし、固定面２００ａと対向する面を底面１０Ｂする。平面視において、拘束部材３０の中心軸Ａ１−Ａ２に対して、第１の端面１０Ｌ側に第１の補強部３４Ｌが設けられ、第２の端面１０Ｒ側に第２の補強部３４Ｒが設けられる。また、第３の補強部３４Ｖは、第１の端面１０Ｌから第２の端面１０Ｒにかけて均等に設けられている。第１の補強部３４Ｌは、第１の端面１０Ｌから底面１０Ｂにかけて交差する第１の方向に沿って延在する。具体的には、第１の方向は、第１の端面１０Ｌ上の任意の点および底面１０Ｂ上の任意の点を結ぶ線分に対して平行な方向となる。第２の補強部３４Ｒは、第２の端面１０Ｒから底面１０Ｂにかけて交差する第２の方向に沿って延在する。具体的には、第２の方向は、第２の端面１０Ｒ上の任意の点および底面１０Ｂ上の任意の点を結ぶ線分に対して平行な方向となる。つまり、第１の補強部３４Ｌは、固定面２００ａから離間するにつれて第１の端面１０Ｌに近接する方向に延在し、第２の補強部３４Ｒは、固定面２００ａから離間するにつれて第２の端面１０Ｒに近接する方向に延在する構成となる。なお、第３の補強部３４Ｖは、電池セル１１の積層方向に対して垂直な方向に沿って延在する。

次に、上述の構成の電源装置において、電池セル１１が膨張した場合のエンドプレート２０の変位について説明する。拘束部材３０は、一対のエンドプレート２０間の距離を一定に保つような働きがあるが、厳密には、拘束部材３０が若干変形し、エンドプレート２０は変位することになる。一方、上述の通り、エンドプレート２０は、フレーム２００に対しても固定されている。フレーム２００は、車体のフレームや複数の電池モジュール１００を収納する外装ケースであるため、電池モジュール１００の拘束部材３０に対して比較的大きな構造体である。そのため、フレーム２００は、拘束部材３０の変形量と比較すると、実質的にほとんど変形しない。本発明者は、フレーム２００に固定された状態の電池モジュール１００において、電池セル１１が膨張すると、エンドプレート２０の上端が、下端（底面１０Ｂ側の端部）と比べて大きく変位することを見出した。このように、フレームに電池モジュールを固定した状態において、電池積層体１０を構成する電池セル１１が膨張すると、エンドプレートが非対称的に変位し、エンドプレート２０に固定されている拘束部材３０は、歪み変形を引き起こす。

図８および図９は、図５の拘束部材３０Ｂを備えた電池モジュールをフレームに固定した状態を再現する簡易的なモデルである。このモデルでは、拘束部材３０Ｂは、図８に示すように節点、支点（固定端）および節点や支点を結ぶフレーム要素で表現される。図８、図９のモデルは、電池セル１１の積層方向に対して垂直方向に延びる三つの補強部３４Ｂを有する拘束部材３０Ｂを再現している。具体的には、８つの節点ｎ１〜ｎ８と、２つの支点ｃ１、ｃ２と、１３個のフレーム要素とで構成される。上述の通り、拘束部材が連結される一対のエンドプレートは、車体のフレームに固定されており、実質的に変位しないため、図８のモデルにおいても、両端の支点は、固定端として図示されている。このモデルにおいて、図９に示すように、電池セルの膨張に伴う外力Ｐが拘束部材に加わると、拘束部材３０Ｂの上端に対応する節点が大きく変位することになる。支点や節点は、拘束部材３０Ｂの形状に対応するので、図９は、節点の変位に応じて拘束部材３０Ｂが歪み変形を起こすことを示している。

図１０および図１１は、図６に示す本発明の実施形態における拘束部材３０を備えた電池モジュールをフレームに固定した状態を再現する簡易的なモデルである。このモデルでは、拘束部材３０は、図１０に示すように節点、支点（固定端）および節点や支点を結ぶフレーム要素で表現される。図１０、図１１のモデルは、二つの第１の補強部３４Ｌと、二つの第２の補強部３４Ｒと、三つの第３の補強部３４Ｖを有する拘束部材３０を再現している。具体的には、８つの節点ｎ１〜ｎ８と、２つの支点ｃ１、ｃ２と、１７個のフレーム要素とで構成される。上述の通り、拘束部材が連結される一対のエンドプレートは、車体のフレームに固定されており、実質的に変位しないため、図１０のモデルにおいても、両端の支点は、固定端として図示されている。図１０、図１１において、節点ｎ１と節点ｎ３を結ぶフレーム要素と、節点ｎ２と節点ｎ４を結ぶフレーム要素が、第１の補強部３４Ｌに対応し、節点ｎ５と節点ｎ６を結ぶフレーム要素と、節点ｎ７と節点ｎ８を結ぶフレーム要素が、第２の補強部３４Ｒに対応する。このモデルにおいて、図１１に示すように、電池セルの膨張に伴う外力Ｐが拘束部材に加わっても、拘束部材３０の上端に対応する節点の変位を抑制することができる。具体的には、同じ外力を加えた場合は、図１１のモデルのほうが図９のモデルのほうがよりも変位量が小さくなる。

本発明の実施形態の拘束部材３０は、それぞれの補強部３４（３４Ｌ、３４Ｖ、３４Ｒ）が、補強部の延在方向に対する外力を分担すると共に、第１の補強部３４Ｌと第２の補強部３４Ｒがブレース構造を構成するため、拘束部材３０は、本体部３１の歪み変形に対する強度も有する。なお、ブレース構造と、外力との関係については図１０に示す。四角形の枠形状を形成するようにフレーム要素を連結する構成において、対角に延在するフレーム要素がブレース構造となるが、図１２に示すように、ブレース構造を設けることで、上端の変位量を小さくすることができる（ｄ２−ｄ１＞０）。

また、上述の通り、本発明の実施形態の拘束部材３０は、拘束部材３０の中心軸Ａ１−Ａ２に対して、第１の端面１０Ｌ側に第１の補強部３４Ｌが設けられ、第２の端面１０Ｒ側に第２の補強部３４Ｒが設けられている。図１１の各々の節点の変位から明らかなように、第１の補強部３４Ｌおよび第２の補強部３４Ｒには、引張力が加わることになる。そのため、本発明の実施形態のように、拘束部材３０の中心軸Ａ１−Ａ２に対して、第１の端面１０Ｌ側に第１の補強部３４Ｌを設け、第２の端面１０Ｒ側に第２の補強部３４Ｒが設ける構成とすることで、効果的に拘束部材３０の変形を防止することができる。

以上の通り、フレーム２００に電池モジュール１００を固定する構成では、エンドプレート２０の下端は、ほとんど変位しないが、エンドプレート２０の上端は、拘束部材３０によって固定されているだけであり、拘束部材３０が変形すると変位することになる。本発明の実施形態の電源装置は、拘束部材３０に第１の補強部３４Ｌおよび第２の補強部３４Ｒを設けることで、このエンドプレートの上端の変位を抑制できるようになっている。そのため、上述の構成の電源装置の構成を採用することで、拘束部材３０の歪み変形を抑制できる。

図１３は、本発明の実施形態の変形例を示すエンドプレート２０側から見た電池モジュール１００の側面図である。上述の通り、拘束部材３０は、エンドプレート２０に連結部材３３を介して、連結部３２が固定される。図１３に示すように、変形例では、固定面から離間する方向に沿って、連結部材３３が密集して位置するように、エンドプレート２０に対して連結部材３３が偏在して設けられる。具体的には、エンドプレート２０の水平方向の中心軸Ｂ１−Ｂ２に対して、連結部材３３が、エンドプレート２０の上端側に偏って配置される。この構成により、拘束部材３０の上端側の剛性を高めることができ、エンドプレート２０の上端の変位を抑制することができる。

一方、図９、図１１に示すように、エンドプレートの下端が固定端となるモデルにおいて、電池セル１１の膨張に起因する外力Ｐが拘束部材に働いた場合、エンドプレートだけでなく電池モジュールの中央部分に対応する箇所も上方向に変位する。特に、エンドプレート２０に対応する位置は固定端となっているので、拘束部材３０の中央部分のみが上方に変位し、拘束部材３０に曲げ変形が生じる。このような変形が起こると、曲げ方向の内側に応力が集中することになる。上述の構成では、エンドプレート２０の変位を抑制することで拘束部材３０の歪み変形を抑制しているが、完全に変形を阻止できるわけではない。従って、フレーム２００に電池モジュール１００を固定する構成において、電池セル１１の膨張に起因する外力の大きさによっては、拘束部材の下端側（固定面２００ａ側）に応力が集中する。

図１４は、エンドプレート２０側から見た電池モジュール１００の側面図である。図１４に示すように、拘束部材３０は、さらに、本体部３１から突出するとともに、固定面２００ａに対して平行な面に延在する複数の折曲部を備えている。複数の折曲部は、固定面２００ａ側の端部に設けられる第１の折曲部３５ａと、固定面２００ａから離間する側の端部に設けられる第２の折曲部３５ｂとを含む。本発明の実施形態では、電池セル１１の底面（底面１０Ｂ）側に第１の折曲部３５ａが位置し、電池セル１１の電極端子１１ａ側に第２の折曲部３５ｂが位置している。電池積層体１０は、第１の折曲部３５ａと第２の折曲部３５ｂの間に配置される。電池積層体１０を構成する電池セル１１は、第１の折曲部３５ａおよび第２の折曲部３５ｂによって上下方向の移動が規制される。本発明の実施形態では、第１の折曲部３５ａのほうが、第２の折曲部３５ｂよりも、本体部３１から突出する長さが短くなるように形成される。第１の折曲部３５ａは、拘束部材の下端側に設けられているが、第２の折曲部３５ｂの突出する長さを短くすることで、拘束部材３０の下端側の剛性が低減し、応力を緩和することができるようになっている。

なお、上述の構成では、第１の折曲部３５ａと第２の折曲部３５ｂの本体部３１から突出する長さを異ならせることで、拘束部材３０の下端側の剛性が低減するように構成しているが、第１の折曲部３５ａと第２の折曲部３５ｂの材厚、補強用のリブの有無等によって、拘束部材３０の下端側の剛性が低減するように構成することもできる。

図１５に示すように、本発明の実施形態における電池モジュール１００は、冷却装置を備える構成とすることもできる。冷却装置は、熱伝導性の高い冷却ジャケット４０と、冷却ジャケット４０内に流れる冷媒と、冷却ジャケット４０の表面に配置される絶縁性の熱伝導部材４１と、を含む。冷却ジャケット４０は、金属製の板材で、内部に冷媒が流れる配管を有している。冷却ジャケット４０は、電池積層体１０とフレーム２００の間に配置される。

図１６は、電池モジュール１００の断面図、図１７は、電池モジュール１００の底面図である。図１６に示すように、冷却ジャケット４０と電池積層体１０との間には、絶縁性の熱伝導部材４１は配置される。熱伝導部材４１は、絶縁性の熱伝導シートや、絶縁性のシリコーンゲル、接着剤等を用いることができる。拘束部材３０の第１の折曲部３５ａは、複数の貫通孔が形成される取り付け部を有しており、貫通孔に挿通されるボルト４２が設けられる。冷却ジャケット４０は、この貫通孔に挿通されるボルト４２を介して、拘束部材３０に固定される。

また、この構成によると、電池積層体１０と拘束部材３０の第１の折曲部３５ａとの間に、ボルト４２のヘッド部分が位置することになる。図３、図１６に示すように、本発明の実施形態では、スペーサ１３の下部に段部１３ｃを形成し、段部１３ｃが第１の折曲部３５ａとの間にボルト収納空間を形成する。この構成により、第１の折曲部３５ａの貫通孔に挿通されるボルト４２と電池積層体１０が干渉しないようになっている。

一方、拘束部材３０の第１の折曲部３５ａを介して、冷却ジャケット４０を固定する構成の場合、ボルト４２を挿通させるための貫通孔が形成できるように、第１の折曲部３５ａは、ある程度の長さで本体部３１から突出させる必要がある。しかしながら、上述の通り、拘束部材３０の下端部における応力集中を緩和させるためには、第１の折曲部３５ａが本体部３１から突出する長さを短くする必要がある。そのため、本発明の実施形態では、図１７に示すように、第１の折曲部３５ａにおいて、本体部３１から突出する長さが異なる第１の領域３６と第２の領域３７を設け、ボルト４２が挿通する貫通孔が形成される複数の取り付け部を第２の領域３７に形成するようになっている。この構成によると、冷却装置を電池モジュールに備えながら、第１の折曲部３５ａの突出量の増加を最小限とすることができ、応力集中による拘束部材３０の破損を防止することができる。

上述の実施形態では、主にプレート状の拘束部材について説明しているが、他の構成の拘束部材を採用することもできる。図１８は、本発明の他の実施形態を示す電池モジュール１００ｄの側面図である。拘束部材の構成が異なっていたとしても、フレーム２００に電池モジュールを固定する構成では、エンドプレート２０の下端は、ほとんど変位しないが、エンドプレート２０の上端は、拘束部材３０によって固定されているだけであり、拘束部材３０が変形すると、エンドプレート２０の上端が変位することになる。図１９は、図１８の電池モジュール１００ｄにおいて、電池セル１１が膨張した際の電池セルの変位を示している。

図１８に示すように、電池モジュール１００ｄは、拘束部材として、電池モジュール１００ｄの上端と下端にそれぞれ一対のバインドバー３０ｄが設けられている。バインドバー３０ｄは、バー形状の拘束部材で、両端に配置されている一対のエンドプレート２０に連結される。バインドバー３０ｄは、電池モジュール１００ｄの上下面に配置することもできるし、電池モジュールの側面に沿って配置することもできる。いずれの構成においても、上端側に位置するバインドバーの剛性を高めることで、エンドプレート２０の上端の変位を抑制することができる。拘束部材としてバインドバー３０ｄを備える構成の場合、具体的には、上端側に配置されるバインドバー３０ｄの材厚や曲げ加工などを加えることで、上端側に位置するバインドバー３０ｄの剛性を高めることができる。また、この構成では、部材が分離されているので、上下のバインドバー３０ｄを異なる材質で構成することで、上端側に位置するバインドバー３０ｄの剛性を高めることもできる。

なお、拘束部材として、上面と下面にそれぞれ一対のバインドバー３０ｄを設ける上述の構成の電池モジュール１００ｄの場合、エンドプレート２０の変位によるバインドバー３０ｄの変形は、本発明の実施形態とは若干異なる部分がある。以下に、図１９に基づいて、上面と下面にそれぞれ一対のバインドバー３０ｄを設ける上述の構成の電池モジュール１００ｄにおけるエンドプレート２０の変位とバインドバー３０ｄの変形について説明する。

上述の通り、エンドプレート２０の下端が固定端となる構成において、電池セル１１の膨張に起因する外力Ｐが拘束部材に働いた場合、エンドプレート２０だけでなく電池モジュール１００ｄの中央部分に対応する箇所も上方向に変位することになる。従って、電池モジュール１００ｄも、図１９に示すような変位が起こる。なお、図１９は、現象の理解を助けるために誇張して表現している。図１９に示すような変位が起こると、下面側に配置されているバインドバー３０ｄは、実質的に変形しないが、上面に配置されているバインドバー３０ｄは、中央部分に位置する電池セルによって、上方へ押し上げられる。この状態では、上面に位置するバインドバー３０ｄにせん断方向の外力が加わることになるため、バインドバーが破断するおそれがある。このような変位は、エンドプレート２０の変位を抑制することで抑制できるため、図１８に示す電池モジュールにおいても、上端側に位置するバインドバー３０ｄの剛性を高めることで、拘束部材の破断や破損を防止できるようになる。

以上、本発明を実施の形態を基に説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１００電池モジュール、２００フレーム、２００ａ固定面、１０電池積層体、１１電池セル、１３スペーサ、１３ｃ段部、２０エンドプレート、３０拘束部材、３１本体部、３２連結部、３３連結部材、３４Ｌ第１の補強部、３４Ｒ第２の補強部、３４Ｖ第３の補強部、３５ａ第１の折曲部、３５ｂ第２の折曲部、３６第１の領域、３７第２の領域、４０冷却ジャケット、４２ボルト。

Claims

直方体形状の電池モジュールであって、一方向に積層される複数の電池セルを含む電池積層体と、前記電池積層体の両端に位置する第１の端面および第２の端面に配置される一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートに連結される拘束部材とを含んでいる、該電池モジュールと、
前記電池モジュールが配置される固定面を有するフレームであって、前記固定面が前記第１の端面および前記第２の端面に隣接する前記電池モジュールの一面と対向している、該フレームと、
前記電池モジュールを前記フレームに固定する固定部材と、を備え、
前記拘束部材は、前記固定面、前記第１の端面および第２の端面に対して隣接する前記電池モジュールの側面に沿って配置される本体部を含んでおり、前記固定面から離間するにつれて、前記複数の電池セルが積層される積層方向に働く外力に対する剛性が強くなるように、前記本体部が、前記第２の端面よりも前記第１の端面に近接する位置に設けられ、前記固定面から離間するにつれて前記第１の端面に近接する第１の方向に沿って延在する第１の補強部と、前記第１の端面よりも前記第２の端面に近接する位置に設けられ、前記固定面から離間するにつれて前記第２の端面に近接する第２の方向に沿って延在する第２の補強部と、を含んでいることを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置であって、
前記本体部は、さらに、前記電池セルの積層方向に対して垂直な方向となる第３の方向に沿って延在する第３の補強部を含むことを特徴とする電源装置。
直方体形状の電池モジュールであって、一方向に積層される複数の電池セルを含む電池積層体と、前記電池積層体の両端に位置する第１の端面および第２の端面に配置される一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートに連結される拘束部材とを含んでいる、該電池モジュールと、
前記電池モジュールが配置される固定面を有するフレームであって、前記固定面が前記第１の端面および前記第２の端面に隣接する前記電池モジュールの一面と対向している、該フレームと、
前記電池モジュールを前記フレームに固定する固定部材と、を備え、
前記拘束部材は、前記固定面、前記第１の端面および第２の端面に対して隣接する前記電池モジュールの側面に沿って配置される本体部と、前記本体部から突出し、前記電池積層体に対して、前記エンドプレートの外側に位置する連結部と、を含んでおり、
さらに、前記拘束部材の連結部と前記一対のエンドプレートを連結する複数の連結部材であって、それぞれのエンドプレートに対して、前記拘束部材を介して前記固定面から離間する方向に位置する該エンドプレートの上端部の変位を抑制するように、該エンドプレートの上端側に偏って配置されている、該複数の連結部材を備え、
前記拘束部材は、前記固定面から離間するにつれて、前記複数の電池セルが積層される積層方向に働く外力に対する剛性が強くなるように形成されてなることを特徴とする電源装置。
直方体形状の電池モジュールであって、一方向に積層される複数の電池セルを含む電池積層体と、前記電池積層体の両端に位置する第１の端面および第２の端面に配置される一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートに連結される拘束部材とを含んでいる、該電池モジュールと、
前記電池モジュールが配置される固定面を有するフレームであって、前記固定面が前記第１の端面および前記第２の端面に隣接する前記電池モジュールの一面と対向している、該フレームと、
前記電池モジュールを前記フレームに固定する固定部材と、を備え、
前記拘束部材は、前記固定面、前記第１の端面および第２の端面に対して隣接する前記電池モジュールの側面に沿って配置される本体部と、前記本体部から突出するとともに、前記固定面に対して平行な面に延在する複数の折曲部であって、前記電池積層体を挾持する複数の折曲部と、を含み、
前記複数の折曲部のうち、前記固定面に近接する折曲部を第１の折曲部とし、前記固定面から離間する位置に設けられる折曲部を第２の折曲部とした際に、前記複数の電池セルの積層方向に対して垂直な断面において、前記第１の折曲部が、前記第２の折曲部よりも、前記本体部から突出する長さが短くなるように形成され、前記拘束部材が、前記固定面から離間するにつれて、前記複数の電池セルが積層される積層方向に働く外力に対する剛性が強くなるように形成されてなることを特徴とする電源装置。
請求項４に記載の電源装置であって、
さらに、前記電池モジュールと前記フレームとの間に配置され、前記電池積層体と熱的に接触する冷却ジャケットを備え、
前記第１の折曲部は、前記冷却ジャケットを固定するためのボルトが設けられる取り付け部を含み、該ボルトを介して、前記冷却ジャケットが前記拘束部材に固定されることを特徴とする電源装置。
請求項５に記載の電源装置であって、
前記電池モジュールは、さらに、前記複数の電池セルのうち、隣接する電池セルの間に設けられる複数のスペーサを含み、
前記複数のスペーサは、下部に形成される段部を含み、該段部は、前記スペーサと前記第１の折曲部との間に前記ボルトのヘッドが収容可能な空間を形成することを特徴とする電源装置。
請求項６に記載の電源装置であって、
前記第１の折曲部は、前記本体部から突出する長さが異なる第１の領域と第２の領域とを含み、前記第１の領域より突出する長さが長い第２の領域に、前記取り付け部が形成されることを特徴とする電源装置。