特開 2024-104412 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】P2024104412

(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 50/262 20210101ALI20240729BHJP

   H01M 50/224 20210101ALI20240729BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20240729BHJP

   H01M 50/249 20210101ALI20240729BHJP

   H01M 50/126 20210101ALI20240729BHJP

   H01M 50/105 20210101ALI20240729BHJP

   H01M 50/178 20210101ALI20240729BHJP

   H01M 50/211 20210101ALI20240729BHJP

   H01M 50/284 20210101ALI20240729BHJP

   H01M 50/209 20210101ALN20240729BHJP

【ＦＩ】

H01M50/204 401D

H01M50/262 Z

H01M50/224

H01M10/48 P

H01M50/249

H01M50/126

H01M50/105

H01M50/178

H01M50/211

H01M50/284

H01M50/209

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023008600

(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

【テーマコード（参考）】

5H011

5H030

5H040

【Ｆターム（参考）】

5H011AA13

5H011CC10

5H011EE04

5H030AA06

5H030AS08

5H030FF42

5H030FF43

5H030FF44

5H040AA37

5H040AS07

5H040AT02

5H040AT04

5H040AT06

5H040AY05

5H040CC34

5H040DD26

5H040LL01

5H040NN03

(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を整列させて配置した構造を有するモジュールＭを備え、列端に配置したセルＣとこれに相対向するケース内面の少なくとも一方側に、セルＣの膨張により相手側であるサイドプレートＰ５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絶縁抵抗の低下を検出する検出器６を備えたバッテリシステムＢＳとし、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を可能にし、製造コストの低減を実現した。
【選択図】図３

【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、
列端に配置したセル及び同セルに相対向するケース内面の少なくとも一方側に、前記セルの膨張により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絶縁抵抗の低下を検出する検出器を備えたことを特徴とするバッテリシステム。

【請求項2】

前記ケースが、列端の前記セルに相対向する前記ケース内面を有するサイドプレートを備え、
前記導電部材が、前記セルの膨張に伴う前記サイドプレートの変形により相手側に接触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】

前記ケースが、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4】

前記セルが、樹脂製の外装体で包まれたラミネートセルであって、その周縁部に、一対の樹脂層の間に金属層を有する三層構造の封止部と、前記封止部から外部に延出する外部端子とを有しており、
前記導電部材が、列端の前記セルに相対向する前記ケース内面に配置してあり、
前記導電部材の相手側が、前記外部端子及び前記封止部のいずれかであ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】

前記導電部材の相手側が、前記封止部であって、
前記導電部材が、尖頭状を成しており、前記封止部の前記樹脂層を貫通して前記金属層に接触することを特徴とする請求項４に記載のバッテリシステム。

【請求項6】

前記セルが、外装体としての金属製の缶を備え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7】

前記モジュールを複数備え、
少なくとも１つの前記モジュールが、前記導電部材及び前記検出器を備え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8】

前記検出器は、絶縁抵抗の低下が一定時間継続した状態、絶縁抵抗の低下が一定頻度を超えた状態、及び複数箇所で絶縁抵抗の低下を検出した状態のうちのいずれかの状態が生じた際に、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７に記載のバッテリシステム。

【請求項9】

請求項１～８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10】

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９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、モジュールが、列端に配置したセル及び同セルに相対向するケース内面の少なくとも一方側に、セルの膨張により相手側に接触する導電部材を備えると共に、導電部材と相手側との接触により生じた絶縁抵抗の低下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、セルが膨張した際の変位を利用して導電部材と相手側とを接触させ、検出器で絶縁抵抗の低下を検出するので、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】セルを説明する端面図（左図）及び正面図（右図）である。

【図3】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4】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5】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6】本発明に係わるバッテリシステムの第３実施形態の２例を示す断面図である。

【図7】本発明に係わるバッテリシステムの第４実施形態を示す分解斜視図である。

【図8】本発明に係わるバッテリシステムの第５実施形態を示す分解斜視図である。

【図9】本発明に係わるバッテリシステムを第６実施形態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４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る。これにより、ケースＫは導電性を有する。

【0012】

セルＣは、図２に示すように、樹脂製の外装体で包まれた周知のラミネートセルであって、扁平な直方体状を成している。セルＣは、電極や電解液を内包した本体部１の周縁部に、一対の樹脂層の間に金属層を有する三層構造の封止部２を全周にわたって有し、一方の短辺に、封止部２から外部に延出する正極端子（外部端子）３Ａを有すると共に、他方の短辺に、同じく封止部２から外部に延出する負極端子（外部端子）３Ｂを有する。

【0013】

上記のセルＣは、図１に示す一対のサイドプレートＰ５，Ｐ６の間に、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４が介装してある。なお、クッション材４に替えて隙間を設けても良い。

【0014】

上記モジュールＭを備えたバッテリシステムＢＳは、列端に配置したセルＣ及び同セルＣに相対向するケース内面の少なくとも一方側に、セルＣの膨張により相手側に接触する導電部材５を備えている。この実施形態では、図１中で左側の列端に配置したセルＣと、このセルＣに相対向するサイドプレートＰ５との間において、一方側であるサイドプレートＰ５のケース内面に導電部材５が設けてある。よって、導電部材５が接触する相手側は、列端のセルＣである。

【0015】

導電部材５は、その個数に制限はなく、セルＣ及びサイドプレートＰ５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、この実施形態のケースＫが導電性を有するので、サイドプレートＰ５と別体又は一体のいずれでも良い。なお、ケースＫが導電性を有していない場合には、導電部材５に配線を接続しても良い。

【0016】

導電部材５は、接触する相手側が、列端のセル（ラミネートセル）Ｃにおける封止部２、外部端子である正極端子３Ａ及び負極端子３Ｂのいずれかであり、この実施形態では封止部２である。この封止部２は、一対の樹脂層の間に金属層を配置した三層構造であり、これに対する導電部材５は、円錐や角錐等の尖頭状を成しており、封止部２の樹脂層を貫通して金属層に接触する。

【0017】

この実施形態のバッテリシステムＢＳでは、導電部材５が、セルＣの膨張により相手側に接触するのであるが、とくに、セルＣの膨張に伴うサイドプレートＰ５の変形により相手側である列端のセルＣの封止部１に接触する。この場合、ケースＫは、セルＣが過度に膨張した際、これにより生じた負荷で導電部材５がセルＣに近接するように変形し、且つ破断しない強度を確保し得るように強度設計することができる。また、導電部材５が接触する列端のセルＣは、導電部材５による本体部１の損傷をより確実に防ぐために、例えば樹脂製のカバー等で本体部１を覆うことも有効である。

【0018】

そして、バッテリシステムＢＳは、導電部材５と封止部（相手側）２の接触により生じた絶縁抵抗の低下を検出する検出器６を備えている。図示例の検出器６は、図１に示すケースＫの前側プレートＰ３に設けてある。検出器６の検出は、絶縁抵抗の低下又は電気的導通であり、電圧及び電流のどちらを測定しても良い。

【0019】

また、検出器６は、より望ましい実施形態として、絶縁抵抗の低下が一定時間継続した状態、絶縁抵抗の低下が一定頻度を超えた状態、及び複数箇所で絶縁抵抗の低下を検出した状態のうちのいずれかの状態が生じた際に、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。

【0020】

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４若しくは隙間で吸収することができる。

【0021】

そして、上記のバッテリシステムＢＳは、図３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、列端のセルＣの封止部２に尖頭状の導電部材５が突き刺さる。

【0022】

これにより、上記のバッテリシステムＢＳは、導電部材５が封止部２の樹脂層を貫通して内部の金属層に接触し、接触により生じた絶縁抵抗の低下を検出器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。

【0023】

このようにして、上記のバッテリシステムＢＳは、セルＣが膨張した際の変位を利用して導電部材５とセルＣの封止部（相手側）２とを接触させ、検出器６で絶縁抵抗の低下を検出するので、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。

【0024】

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の変形を利用するので、導電部材５と封止部２（相手側）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４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と封止部２との接触をより確実に行うことができる。

【0025】

さらに、上記のバッテリシステムＢＳは、導電性を有するケースＫを採用することで、導電部材５に対する配線が不要になり、部品点数の削減や製造コストのさらなる低減に貢献することができる。

【0026】

さらに、上記のバッテリシステムＢＳは、セルＣが、封止部２及び外部端子（３Ａ，３Ｂ）を有するラミネートセルであり、ケース内面に設けた導電部材５に接触する相手側を封止部２及び外部端子（３Ａ，３Ｂ）のいずれかにする。これにより、バッテリシステムＢＳは、検出器６により絶縁抵抗の低下を検出することができる。

【0027】

さらに、上記のバッテリシステムＢＳは、検出器６が、絶縁抵抗の低下が一定時間継続した状態、絶縁抵抗の低下が一定頻度を超えた状態、及び複数箇所で絶縁抵抗の低下を検出した状態のうちのいずれかの状態が生じた際に、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、一時的に絶縁抵抗の低下が生じる。そこで、バッテリシステムＢＳは、一時的な絶縁抵抗の低下を誤検出と見なし、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。

【0028】

図５～図９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。

【0029】

＜第２実施形態＞
図５に示すバッテリシステムＢＳにおけるセルＣは、樹脂製の外装体で包まれたラミネートセルであり、第１実施形態（図１参照）と同様に、サイドプレートＰ５の内面に導電部材５が設けてある。そして、この実施形態のバッテリシステムＢＳは、列端のセルＣに対して、サイドプレートＰ５の反対側に、少なくとも封止部２に相対向する支持部材８が配置してある。図示例の支持部材８は、セルＣの全面に相対向する。

【0030】

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、導電部材５がセルＣの封止部２を突き刺して封止部２の内部の金属層に接触し、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。このとき、バッテリシステムＢＳは、導電部材５が封止部２を突き刺す際に、封止部２が背面側に撓まないように支持部材８で支持する。これにより、バッテリシステムＢＳは、導電部材５が封止部２を容易に突き刺し、導電部材５と封止部２の内部の金属層との接触をより確実に行うことができる。

【0031】

＜第３実施形態＞
図６に示すバッテリシステムＢＳは、セルＣが、外装体としての金属製の缶９を備えた缶型セルである。そして、図６の左側に示すバッテリシステムＢＳは、サイドプレートＰ５の内面に導電部材５が配置してある。この場合、導電部材５が接触する相手側は、セルＣの外装体である金属製の缶９である。また、図６の右側に示すバッテリシステムＢＳは、セルＣに導電部材５が配置してあり、この場合、導電部材５が接触する相手側は、導電性を有するサイドプレートＰ５である。

【0032】

また、図６に示すバッテリシステムＢＳにおける導電部材５は、いずれも第１実施形態と同様に尖頭状を成しており、クッション材４に埋没した状態にある。図６中で左図のバッテリシステムＢＳは、図中に仮想線で示すようにセルＣが過度に膨張すると、圧縮されたクッション材４を導電部材５が貫通してセルＣの缶（外装体）９に接触する。また、図６中で右図のバッテリシステムＢＳは、仮想線で示す如くセルＣが膨張すると、圧縮されたクッション材４を導電部材５が貫通してサイドプレートＰ５に接触する。これにより、夫々のバッテリシステムＢＳは、検出器（図１参照）により、導電部材５と、缶９又はサイドプレートＰ５との接触により生じた絶縁抵抗の低下又は電気的導通を検出する。

【0033】

上記のバッテリシステムＢＳは、缶型セルＣを用いているので、同セルＣの膨張だけで導電部材５と相手側である缶９又はサイドプレートＰ５を接触させるので、第１実施形態のようにサイドプレートＰ５を変形させる必要が無くなり、サイドプレートＰ５ひいてはケースＫの機械的強度を充分に確保することができる。

【0034】

＜第４実施形態＞
図７に示すバッテリシステムＢＳは、第１実施形態と同等の基本構成を備えると共に、図中で右側に示す列端のセルＣ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、上記セルＣに相対向するサイドプレートＰ６である。導電部材５は、尖頭状を成しており、セルＣの本体部１に配置してある。

【0035】

上記のバッテリシステムＢＳは、セルＣが過度に膨張すると、導電部材５がクッション材４を貫通してサイドプレートＰ６に接触し、その接触により生じた絶縁抵抗の低下又は電気的導通を検出器６で検出する。

【0036】

上記のバッテリシステムＢＳは、セルＣ側に導電部材５を設ける際に、セルＣが膨張した際に変形量が大きい本体部１に導電部材５を配置することができ、また、サイドプレートＰ６を変形させずに導電部材５とサイドプレートＰ６とを確実に接触させることができるので、サイドプレートＰ５ひいてはケースＫの機械的強度を充分に確保し得る。

【0037】

＜第５実施形態＞
図８に示すバッテリシステムＢＳは、モジュールＭを複数備え、少なくとも１つのモジュールＭが、導電部材及び検出器６を備えている。図示例のバッテリシステムＢＳは、４つのモジュールＭを備えており、図中で右下のモジュールＭに導電部材（図示せず）と検出器６が設けてある。

【0038】

上記のバッテリシステムＢＳでは、全てのモジュールＭに導電部材及び検出器６を設けることも当然可能であるが、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。

【0039】

＜第６実施形態＞
図９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、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である。

【0040】

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９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。

【0041】

バッテリを動力源とする自動車Ｖは、安全性をより一層高めるため、一般的に、強電バッテリと金属製ボディ５０間の絶縁抵抗の低下を検知する機構を有している。そのため、バッテリシステムＢＳを有する自動車Ｖは、金属製ボディ５０と導電部材（５）を導通させることにより、導電部材５とセルの導電部、若しくは導電部材（５）とモジュールＭのケースＫとの間の絶縁抵抗のみを検出する検出器を省略することができ、コストのさらなる低減を図ることができる。

【0042】

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】

【0043】

ＢＳ バッテリシステム
Ｃ セル
Ｋ ケース
Ｍ モジュール
Ｐ５，Ｐ６ サイドプレート
Ｖ 自動車
５ 導電部材
６ 検出器
２ 封止部
３Ａ 正極端子（外部端子）
３Ｂ 負極端子（外部端子）
９ 缶
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】