特開 2024-104411 バッテリシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024104411

(43)【公開日】2024-08-05

(54)【発明の名称】バッテリシステム

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/204 20210101AFI20240729BHJP

   H01M 50/249 20210101ALI20240729BHJP

   H01M 50/289 20210101ALI20240729BHJP

   H01M 50/224 20210101ALI20240729BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20240729BHJP

【ＦＩ】

H01M50/204 401D

H01M50/249

H01M50/289 101

H01M50/224

H01M10/48 P

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023008599

(22)【出願日】2023-01-24

(71)【出願人】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100102141

【弁理士】

【氏名又は名称】的場 基憲

(74)【代理人】

【識別番号】100137316

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 宏

(72)【発明者】

【氏名】宮本 健史

(72)【発明者】

【氏名】大間 敦史

(72)【発明者】

【氏名】林 弘一

【テーマコード（参考）】

5H030

5H040

【Ｆターム（参考）】

5H030AA07

5H030AS08

5H030FF42

5H030FF52

5H040AA37

5H040AS07

5H040AT02

5H040AY05

5H040CC26

5H040CC34

5H040DD26

5H040NN01

(57)【要約】

【課題】従来のバッテリシステムでは、セルの膨張により生じた負荷を検出するために半導体センサを用いていたため、製造コストが嵩むという問題点があった。
【解決手段】ケースＫ内に複数のセルＣを整列配置したモジュールＭを備え、ケースＫが、列端に配置したセルＣに相対向するサイドプレートＰ５を有し、サイドプレートＰ５のケース外面に所定間隔をおいて相対向する支持プレート３を備え、サイドプレートＰ５が、セルＣの膨張により発生した負荷によって膨出変形可能であり、サイドプレートＰ５及び支持プレート３のいずれか一方側に、サイドプレートＰ５の膨出変形に伴って相手側に接触する導電部材５を備えると共に、導電部材５と相手側との接触により生じた電気的導通を検出する検出器６を備えたバッテリシステムとし、セルＣの劣化による過度な膨張を検知する機能を廉価に得ることを可能にし、製造コストの低減を実現した。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ケース内に複数のセルを整列させて配置した構造を有するモジュールを備え、
前記ケースが、列端に配置したセルに相対向するサイドプレートを有すると共に、
前記サイドプレートのケース外面に所定間隔をおいて相対向する支持プレートを備え、
前記サイドプレートが、前記セルの膨張により発生した負荷によってケース外側に膨出変形可能であり、
前記サイドプレート及び前記支持プレートのいずれか一方側に、前記サイドプレートの膨出変形に伴って相手側に接触する導電部材を備えると共に、前記導電部材と相手側との接触により生じた電気的導通を検出する検出器とを備えたことを特徴とするバッテリシステム。

【請求項2】

前記ケース及び前記支持プレートが、導電性を有することを特徴とする請求項１に記載のバッテリシステム。

【請求項3】

複数の前記モジュールを収容する外部ケースを備えると共に、前記外部ケースが、前記支持プレートを含むことを特徴とする請求項１に記載のバッテリシステム。

【請求項4】

前記検出器は、電気的導通が一定時間継続した状態、及び電気的導通が一定頻度を超えた状態のうちのいずれかの状態、若しくは複数箇所で電気的導通を検出した状態が生じた際に、異常と判定する機能を有していることを特徴とする請求項１に記載のバッテリシステム。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項に記載のバッテリシステムを搭載したことを特徴とする自動車。

【請求項6】

金属製のボディを備え、
前記ボディと前記導電部材とが電気的に導通していることを特徴とする請求項５に記載の自動車。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ケース内に複数のセルを整列配置した構造を有するモジュールを備えたバッテリシステムに関し、とくに、セルの過度な膨張を検知する機能を備えたバッテリシステムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来のバッテリシステムとしては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１には、複数のラミネートセルの集合からなるラミネートセル集積型バッテリと、このラミネートセル集積型バッテリをケースに収納してなるバッテリモジュール構造が開示されている。

【0003】

上記のようなバッテリシステムにおけるセルは、充放電を繰り返すと、経年劣化に伴って厚みを増大させるように膨張する。このため、バッテリシステムでは、セル間にクッション材を挟んだり、セル間に空間を設けたりして、セルの膨張を見越した設計を行っているが、セルの膨張は使用状況によって異なり、過度に膨張する可能性もある。そこで、従来のバッテリシステムには、セルの膨張により生じた負荷を圧力センサや歪みゲージで検知するものがあった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７－２６５９４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記したような従来のバッテリシステムでは、圧力センサや歪みゲージに、半導体センサが用いられており、この半導体センサが高価なため、バッテリシステムの製造コストが嵩むという問題点があった。

【0006】

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであって、セルの劣化による過度な膨張を検知する機能を廉価に得ることができ、製造コストの低減を実現し得るバッテリシステムを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係わるバッテリシステムは、ケース内に複数のセルを整列させて配置した構造を有するモジュールを備えている。そして、バッテリシステムは、ケースが、列端に配置したセルに相対向するサイドプレートを有すると共に、サイドプレートのケース外面に所定間隔をおいて相対向する支持プレートを備え、サイドプレートが、セルの膨張により発生した負荷によってケース外側に膨出変形可能である。そして、バッテリシステムは、サイドプレート及び支持プレートのいずれか一方側に、サイドプレートの膨出変形に伴って相手側に接触する導電部材を設けると共に、導電部材と相手側との接触により生じた電気的導通を検出する検出器を備えたことを特徴としている。

【発明の効果】

【0008】

本発明に係わるバッテリシステムは、セルの膨張により発生した負荷によってサイドプレートが膨出変形し、その変位を利用して導電部材と相手側とを接触させ、検出器で電気的導通を検出するので、セルの経年劣化による過度な膨張によりモジュールが破損するような事態を未然に阻止し得ると共に、セルの過度な膨張を検知する機能を廉価に得ることができ、製造コストの低減を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明に係わるバッテリシステムの第１実施形態を示す分解斜視図である。

【図2】セルの通常時の状態（左図）と膨張時の状態（右図）を示す断面説明図である。

【図3】ケースのサイドプレートを示す断面図（左図）及び正面図（右図）である。

【図4】本発明に係わるバッテリシステムの第２実施形態を示す分解斜視図である。

【図5】図４に示すバッテリシステムの平面説明図である。

【図6】図４に示すバッテリシステムの要部を示す断面説明図である。

【図7】本発明に係わるバッテリシステムの第３実施形態を示す分解斜視図である。

【図8】図７に示すバッテリシステムの平面説明図である。

【図9】図７に示すバッテリシステムの要部を示す断面説明図である。

【図10】本発明に係わるバッテリシステムの第４実施形態として同システムを搭載した自動車を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

＜第１実施形態＞
図１～図３は、本発明に係わるバッテリシステムＢＳの第１実施形態を示す図である。 以下の説明において、上下や前後等の位置関係を示す語句は、図面上で理解し易くするために用いており、方向性を規定するものではない。また、図面では、便宜上、セルの変位量などを誇張して示している。

【0011】

図１に示すバッテリシステムＢＳは、ケースＫ内に複数のセル（二次電池）Ｃを整列させて配置した構造を有するモジュールＭを備えている。図示例のケースＫは、上下のプレートＰ１，Ｐ２、前後のプレートＰ３，Ｐ４、及び左右一対のサイドプレートＰ５，Ｐ６を備え、これらのプレートＰ１～Ｐ６を互いに連結した直方体状を成している。各プレートＰ１～Ｐ６は、その材料が限定されるものではないが、代表的には金属であり、これにより導電性を有するケースＫを構成する。

【0012】

セルＣは、金属製の外装体を有する缶型セルであって、扁平な直方体状を成し、一方の長辺に沿った厚さ方向の端面に、正極端子１Ａ及び負極端子１Ｂを有している。セルＣは、図１に示す一対のサイドプレートＰ５，Ｐ６の間に、各端子１Ａ，１Ｂを上側にして複数枚を並べて配置すると共に、隣接するセルＣ，Ｃ同士の間、及び列端のセルＣ，Ｃと各サイドプレートＰ５，Ｐ６との間に、シート状のクッション材２が介装してある。なお、クッション材２に替えて隙間を設けても良い。なお、本発明のセルＣは、缶型セルに限定されるものではなく、ラミネートタイプのセルであっても良い。

【0013】

上記のバッテリシステムＢＳは、図１中で左側のサイドプレートＰ５のケース外面に所定間隔をおいて相対向する支持プレート３を備えると共に、サイドプレートＰ５が、セルＣの厚さ方向の膨張により発生した負荷によってケース外側に膨出変形可能である。支持プレート３は、例えば金属製であって、導電性を有し、ケースＫを構成する前後のプレートＰ３，Ｐ４間に架設した状態で取り付けてある。

【0014】

そして、バッテリシステムＢＳは、サイドプレートＰ５及び支持プレート３のいずれか一方側に、サイドプレートＰ５の膨出変形に伴って相手側に接触する導電部材５を備えると共に、導電部材５と相手側との接触により生じた電気的導通を検出する検出器６を備えている。この実施形態では、支持プレート３の中央部分に導電部材５が配置してある。よって、導電部材５が接触する相手側は、サイドプレートＰ５である。

【0015】

導電部材５は、その個数に制限はなく、サイドプレートＰ５及び支持プレート３の両方に設けても良いが、コストや配線等を考慮して少数にすることが好ましい。また、導電部材５の材料は、とくに限定されないが、アルミや銅などの導電性を有する金属であることが好ましい。さらに、導電部材５は、サイドプレートＰ５や支持プレート３と別体又は一体のいずれでも良い。この際、導電部材５，サイドプレートＰ５及び支持プレート３は、互いに電気的に絶縁された構造であり、例えば、絶縁性の接着剤を用いて互いに接合してある。

【0016】

検出器６は、図１に示すケースＫの上側プレートＰ１に設けてある。検出器６の検出は、電圧及び電流のどちらを測定しても良い。また、検出器６は、より望ましい実施形態として、電気的導通が一定時間継続した状態、及び電気的導通が一定頻度を超えた状態のうちのいずれかの状態、若しくは複数箇所で電気的導通を検出した状態が生じた際に、異常と判定する機能を有する。なお、図１に示す左右両側のサイドプレートＰ５，Ｐ６に導電部材５を夫々配置すれば、複数箇所での絶縁抵抗低下の検出が可能である。

【0017】

上記構成を備えたバッテリシステムＢＳは、夫々のセルＣが充放電を繰り返すと、同セルＣが、厚みを増大させるように膨張する。この膨張は全てのセルＣで起こり得るので、通常時の膨張変形は、クッション材２若しくは隙間で吸収することができる。

【0018】

そして、上記のバッテリシステムＢＳは、図２の左右に通常時と異常時を示すように、セルＣが過度に膨張すると、膨張に伴って生じた負荷によりサイドプレートＰ５が変形する。この際、バッテリシステムＢＳは、サイドプレートＰ５が中央部を外側に膨出させるように変形し、支持プレート３の導電部材５に接触する。

【0019】

これにより、上記のバッテリシステムＢＳは、サイドプレートＰ５と導電部材５との接触により生じた電気的導通を検出器６で検出する。検出器６の検出結果は、視覚的表示や音響などで外部に知らせることが可能である。

【0020】

このようにして、上記のバッテリシステムＢＳは、セルＣの膨張により発生した負荷によってサイドプレートＰ５がケース外側に膨出変形し、その変位を利用して導電部材５と相手側であるサイドプレートＰ５とを接触させ、検出器６で電気的導通を検出するので、セルＣの経年劣化による過度な膨張によりモジュールＭが破損するような事態を未然に阻止し得ると共に、セルＣの過度な膨張を検知する機能を廉価に得ることができ、製造コストの低減を実現することができる。

【0021】

また、上記のバッテリシステムＢＳは、セルＣの膨張に伴うサイドプレートＰ５の膨出変形を利用するので、導電部材５とサイドプレートＰ５とが接触し易い配置になり、双方を確実に接触させることができる。また、サイドプレートＰ５は、図３に示すように、中央部の両側にスリットや溝などの変形促進部７を設けることで、規則的に変形させることが可能になり、導電部材５との接触をより確実に行うことができる。

【0022】

さらに、上記のバッテリシステムＢＳは、検出器６が、電気的導通が一定時間継続した状態、及び電気的導通が一定頻度を超えた状態のうちのいずれかの状態、若しくは複数箇所で電気的導通を検出した状態が生じた際に、異常と判定する機能を有する。つまり、バッテリシステムＢＳは、振動や衝撃等の外力により電気的導通が生じた場合、一時的な電気的導通を誤検出と見なし、一定の条件を満たした場合に異常と判定することで、検出の信頼性のさらなる向上を実現することができる。

【0023】

図４～図１０は、本発明に係わるバッテリシステムＢＳの他の実施形態を説明する図である。以下の各実施形態では、第１実施形態と同一の構成部位に同一符号を付して、詳細な説明を省略する。

【0024】

＜第２実施形態＞
図４～図６に示すバッテリシステムＢＳは、複数のモジュールＭを収容する外部ケースＯＫを備えると共に、外部ケースＯＫが、支持プレート（３）を含む構成である。外部ケースＯＫは、先述のケースＫと同様に、上下のプレートＰ１１，Ｐ１２、前後のプレートＰ１３，Ｐ１４、及び左右のプレートＰ１５，Ｐ１６を備えている。

【0025】

外部ケースＯＫは、上記のプレートＰ１１～Ｐ１６を互いに連結した直方体状を成している。各プレートＰ１１～Ｐ１６は、その材料が限定されるものではないが、代表的には金属であって、外部ケースＯＫも導電性を有する。

【0026】

この実施形態のバッテリシステムでは、外部ケースＯＫ内に、４個のモジュールＭが縦横に配置してあると共に、左右のプレートＰ１５，Ｐ１６が第１実施形態の支持プレート（３）に相当する。そして、上記のバッテリシステムＢＳは、外部ケースＯＫを構成する左右のプレートＰ１５，Ｐ１６のケース内面において、各モジュールＭに相対向する位置に導電部材５が設けてある。よって、導電部材５が接触する相手側は、モジュールＭのケースＫを構成する一方のサイドプレート（Ｐ５，Ｐ６）である。

【0027】

上記のバッテリシステムＢＳは、セルＣが過度に膨張した際、その負荷によってモジュールＭのサイドプレートＰ５（Ｐ６）がケース外側に膨張変形し、そのサイドプレートＰ５（Ｐ６）に導電部材５が接触し、これにより生じた絶縁抵抗低下又は電気的導通を検出器６で検出する。

【0028】

上記のバッテリシステムＢＳは、複数のモジュールＭを外部ケースに収容した構成であり、第１実施形態と同様の効果を得ることができると共に、車載用の電池パックに用いるのに好適である。また、上記のバッテリシステムＢＳは、複数のモジュールＭと単一の検出器６を配線することで、検出器６の個数を削減することができ、これによりコストを低減することができる。

【0029】

上記のバッテリシステムＢＳでは、セルＣの劣化には熱が大きく影響する。そこで、バッテリシステムＢＳは、設置箇所の周囲環境を鑑み、事前実験やシミュレーションを実施することで、バッテリシステムＢＳ中の熱の分布を把握し、劣化によりセルＣが膨張しやすい位置のモジュールＭを特定することができる。このようにして、導電部材や検出器６の設置数を絞ることによりコストの低減を実現することができる。

【0030】

＜第３実施形態＞
図７及び図８に示すバッテリシステムＢＳは、第２実施形態と同等の基本構成を備えると共に、外部ケースＯＫの下側プレートＰ２に、絶縁性を有する接着剤４により各モジュールＭを固定した構成である。

【0031】

上記のバッテリシステムＢＳは、セルＣの劣化前には、導電部材５とモジュールＭのケースＫとの間を絶縁状態にし、セルＣの劣化時に生じた接触による電気的導通を検出するので、モジュールＭのケースＫと外部ケースＯＫとの間を上記接着剤４で絶縁することで、導電部材５と外部ケースＯＫとの間を導通させる構造にすることができる。この場合には、バッテリシステムＢＳは、各導電部材５と検出器６をつなぐ複数の配線の代わりに、外部ケースＯＫと検出器６をつなぐ単一の配線にすることもできるので、コスト削減や検知性の容易化等に寄与することができる。

【0032】

＜第４実施形態＞
図８及び図９に示すバッテリシステムＢＳは、第２実施形態（図５参照）と同等の基本構成を備え、第２実施形態では外部ケースＯＫに導電部材５を配置したのに対して、モジュールＭのサイドプレートＰ５（Ｐ６）に導電部材５を配置した構成である。よって、導電部材５が接触する相手側は外部ケースＯＫの左右のプレートＰ１５（Ｐ１６）である。

【0033】

上記のバッテリシステムＢＳは、セルＣが過度に膨張した際、その負荷によってモジュールＭのサイドプレートＰ５（Ｐ６）がケース外側に膨張変形し、同サイドプレートＰ５（Ｐ６）に設けた導電部材５が外部ケースＯＫの左右のプレートＰ１５（Ｐ１６）に接触し、これにより生じた絶縁抵抗低下又は電気的導通を検出器６で検出する。

【0034】

上記のバッテリシステムＢＳは、第２実施形態と同様に、複数のモジュールＭを外部ケースに収容した構成であり、車載用の電池パックに用いるのに好適であると共に、複数のモジュールＭと単一の検出器６を配線することで、検出器６の個数を削減することができ、これによりコストを低減することができる。

【0035】

＜第５実施形態＞
図１０に示すバッテリシステムＢＳは、自動車Ｖに搭載してある。自動車Ｖは、電気自動車であって、金属製のボディ５０と、前後左右の車輪５１及び前後の車軸５２と、駆動源であるモータ５３と、モータ５３とバッテリシステムＢＳとの間に配置したインバータ５４を備えている。そして、上記の自動車Ｖは、選択肢の一つとして、金属製のボディ５０と導電部材（５）とを電気的に導通させた構成にすることが可能であり、その際、ボディ５０と相手側を等電位にしても良い。

【0036】

上記の自動車Ｖは、バッテリシステムＢＳからの直流電源をインバータ５４で交流変換し、交流電源によってモータ５３を駆動して走行する。なお、バッテリシステムＢＳの充電機構等の図示は省略した。図１０は、電気自動車の構成であるが、内燃機関とバッテリシステムを併用したハイブリッド自動車の形態でも同様に実施することができる。

【0037】

上記の自動車Ｖは、バッテリや空調のコントローラに本発明の検出機能を一体化することで、絶縁抵抗のみを検出する検出器を省略することが可能であり、コストのさらなる低減に貢献し得る。

【0038】

本発明に係わるバッテリシステムは、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、上記説明中にも記載したように、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

【符号の説明】

【0039】

ＢＳ バッテリシステム
Ｃ セル
Ｋ ケース
Ｍ モジュール
ＯＫ 外部ケース
Ｐ５，Ｐ６ サイドプレート
Ｐ１５，Ｐ１６ 外部ケースの左右のプレート（支持プレート）
Ｖ 自動車
３ 支持プレート
５ 導電部材
６ 検出器
５０ 金属製ボディ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】