特開 2025-8090 電池スタック

(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】P2025008090

(43)【公開日】2025-01-20

(54)【発明の名称】電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/262 20210101AFI20250109BHJP

   H01M 50/264 20210101ALI20250109BHJP

【ＦＩ】

H01M50/262 E

H01M50/262 P

H01M50/264

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023109958

(22)【出願日】2023-07-04

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小林 伊織

【テーマコード（参考）】

5H040

【Ｆターム（参考）】

5H040AA07

5H040AS07

5H040AT02

5H040AT06

5H040AY10

5H040CC26

(57)【要約】

【課題】電池セルの配列体に必要荷重を印加する。
【解決手段】電池スタック１０は、複数の電池セル１２が配列された配列体１６と、配列体１６の電池セル１２の配列方向の両端に配置されて、配列体１６に拘束荷重を印加する一対の拘束部材２０－１，２０－２と、一対の拘束部材２０－１，２０－２の少なくとも一方の側において拘束部材２０－２（２０－１）と配列体１６の間に配置された弾性体１８と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の電池セルが配列された配列体と、
前記配列体の前記電池セルの配列方向の両端に配置されて、前記配列体に拘束荷重を印加する一対の拘束部材と、
一対の前記拘束部材の少なくとも一方の側において、前記拘束部材と前記配列体の間に配置された弾性体と、を備える、
ことを特徴とする電池スタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数の電池セルを拘束してなる電池スタックに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、自動車等の車両に搭載された電池スタックが知られている。電池スタックは、複数の電池セルが配列された配列体と、配列体に拘束荷重を印加する一対の拘束部材（エンドプレート）を備える。電池スタックの使用中は、電池スタック内の複数の電池セルに一定以上の荷重をかけておく必要があるため、一対の拘束部材が設けられている。特許文献１には、電池スタック（電池モジュール）の構造の一例が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－７６５０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

例えば電池スタックを小型化するために、拘束部材をシンプルな構造にしたり、小型化したりすることが考えられる。しかし、この場合、拘束部材に印加される荷重に対する拘束部材の変形量（変位）が大きくなる（ばね定数が小さくなる）可能性がある。それにより、電池セルの配列体に必要荷重を印加できなくなる虞がある。

【0005】

本発明の目的は、拘束部材のばね定数が小さい場合であっても、電池セルの配列体に必要荷重を印加できるようにすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る電池スタックは、複数の電池セルが配列された配列体と、前記配列体の前記電池セルの配列方向の両端に配置されて、前記配列体に拘束荷重を印加する一対の拘束部材と、一対の前記拘束部材の少なくとも一方の側において、前記拘束部材と前記配列体の間に配置された弾性体と、を備える、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、弾性体（ばね定数が小さい物体）が設けられているため、一対の拘束部材により拘束される内側構造物（配列体と弾性体）のばね定数を小さくすることができる。これにより、一対の拘束部材のばね定数が小さい場合であっても、一対の拘束部材と内側構造物のつり合い荷重をあげることができるため、電池セルの配列体に必要荷重を印加することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】電池スタックの分解斜視図である。

【図2】電池スタックの斜視図である。

【図3】（Ａ）は第１拘束部材の斜視図であり、（Ｂ）は第２拘束部材の斜視図であり、（Ｃ）は第１、２拘束部材の接合の説明図である。

【図4】（Ａ）と（Ｂ）は、セルばね力と拘束部材ばね力の線図であり、（Ｃ）は弾性体反力を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。全ての図面において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0010】

図１は、電池スタック１０の分解斜視図である。図２は、電池スタック１０の斜視図であり、電池スタック１０の組立後の状態を示す。電池スタック１０は、複数の電池セル１２と、複数の樹脂枠１４と、弾性体１８と、第１拘束部材２０－１と、第２拘束部材２０－２を備える。以下では、第１拘束部材２０－１と第２拘束部材２０－２を、一対の拘束部材２０－１，２０－２とも言う。

【0011】

樹脂枠１４は、電池セル１２同士を絶縁するための部材である。樹脂枠１４は、電池セル１２ごとに設けられている。樹脂枠１４と電池セル１２は、交互に並べて配列されている。電池セル１２は、図２に示すように、樹脂枠１４の内側に配置されている。樹脂枠１４と電池セル１２は、配列体１６を構成している。以下、電池セル１２を単にセルとも言う。

【0012】

弾性体１８は、電池セル１２に荷重をかけるための反力を出す部材である。図１に示すように、弾性体１８は、配列体１６と第２拘束部材２０－２の間に配置されている。配列体１６と弾性体１８は、内側構造物を構成しており、一対の拘束部材２０－１，２０－２により拘束される。

【0013】

一対の拘束部材２０－１，２０－２は、電池セル１２を拘束して、固定するための部材である。図３（Ａ）は、第１拘束部材２０－１の斜視図である。第１拘束部材２０－１は、ベース板３０と、２つの側板３２を備える。２つの側板３２は、ベース板３０から折り曲げられて設けられており、ベース板３０に対して垂直方向に延びている。２つの側板３２はそれぞれ、内側に開口を有している。ベース板３０の上部には、折り曲げリブ３６が設けられており、ベース板３０の下部には、折り曲げリブ３７が設けられている。折り曲げリブ３６，３７は、第１拘束部材２０－１に荷重が印加された際に、第１拘束部材２０－１の変形を抑制する部分として機能する。第１拘束部材２０－１は、金属製である。

【0014】

図３（Ｂ）は、第２拘束部材２０－２の斜視図である。第２拘束部材２０－２は、ベース板４０と、２つの側板４２を備える。２つの側板４２は、ベース板４０から折り曲げられて設けられており、ベース板４０に対して垂直方向に延びている。ベース板４０の上部には、折り曲げリブ４６が設けられており、ベース板４０の下部には、折り曲げリブ４７が設けられている。折り曲げリブ４６，４７は、第２拘束部材２０－２に荷重が印加された際に、第２拘束部材２０－２の変形を抑制する部分として機能する。第２拘束部材２０－２は、金属製である。

【0015】

第１拘束部材２０－１の側板３２は、第２拘束部材２０－２の側板４２に比べて、長く延びている。図２に示すように、左右の両側で（図２には左側のみを示す）、第１拘束部材２０－１の側板３２の先端内側に、第２拘束部材２０－２の側板４２が配置されており、それらがレーザ溶接で接合されている。図３（Ｃ）に示すように、第２拘束部材２０－２の側板４２を受ける側とし、第１拘束部材２０－１の側板３２を変形させる側としている。すなわち、側板３２，４２の間の板隙間をなくすために、図３（Ｃ）の右側に示すように、第１拘束部材２０－１の側板３２（変形させる側）の外側から荷重を印加して、それを変形させている。そして、側板３２，４２の間の板隙間をなくした状態で、レーザ溶接が施されている。

【0016】

電池スタック１０の使用中は、電池スタック１０内の複数の電池セル１２に、一定以上の荷重をかけて固定しておく必要がある。本実施形態では、電池スタック１０内に弾性体１８を入れることで弾性体１８の反力を用いて、荷重をかけている。また、一対の拘束部材２０－１，２０－２の接合には、レーザ溶接を用いることで、電池スタック１０の小型化を実現している。

【0017】

ここで、セルにかかる荷重の考え方を説明する。これは「セルばね力」と、「拘束部材ばね力」のつり合いで考える。「セルばね力」とは、一対の拘束部材２０－１，２０－２により拘束される側の部材（電池セル１２、樹脂枠１４、及び弾性体１８）に生じる力である。「拘束部材ばね力」とは、一対の拘束部材２０－１，２０－２に生じる力である。

【0018】

図４（Ａ）は、「セルばね力」と「拘束部材ばね力」の荷重線図である。同図では、横軸が変形量、縦軸が荷重となっている。まず、治具で強制的に、荷重をかけて拘束した状態を、変形量ゼロとする。この時、「セルばね力」は、治具により強制的に荷重がかかった状態なので、治具による荷重を起点に、セルばね定数で線を引ける。一方、「拘束部材ばね力」は、治具での荷重を受けないため、ゼロを起点に、拘束部材ばね定数で線が引ける。ここから、治具による強制荷重を開放すると、それぞれの力は各ばね定数に沿って変動し、交点でつり合う。このときのつり合い荷重が、セルにかかる荷重となる。この荷重が、必要荷重よりも大きくなるように、設計を行う必要がある。このように、セルにかかる荷重は、「セルばね力」と「拘束部材ばね力」のつり合いで決まることが分かる。

【0019】

本実施形態では、第１、２拘束部材２０－１，２０－２をシンプルな構造にして、小型化している。このようにシンプルで小型化したときの拘束部材の「拘束部材ばね力」を、図４（Ｂ）に示す。本実施形態では、従来の拘束部材に存在していた剛性部分を無くしたことにより、図４（Ｂ）に示すように、拘束部材のばね定数が小さくなり、「拘束部材ばね力」の傾きが小さくなる。すると、つり合い荷重は、セルばね定数にそって小さくなる。このときの荷重が、必要荷重を下回ってしまうため、つり合い荷重を上げる対策が必要になる。

【0020】

つり合い荷重を大きくするためには、図４（Ｂ）のグラフから、セルばね定数の傾きを小さくすればよいことが分かる。セルばね定数の傾きを小さくすると、つり合い荷重は大きくなり、必要荷重を上回ることが可能になる。以上から、セルばね定数を小さくしたいが、セルばね定数はセル構造で決まってしまう。そこで、本実施形態では、セル側にばね定数が小さい弾性体１８を入れることで、セルばね定数を小さくし、つり合い荷重を上げる設計としている。

【0021】

すなわち、本実施形態によれば、弾性体１８が設けられているため、内側構造物（配列体１６と弾性体１８）のばね定数（セルばね定数）を小さくすることができる。これにより、一対の拘束部材２０－１，２０－２のばね定数（拘束部材のばね定数）が小さい場合であっても、一対の拘束部材２０－１，２０－２と内側構造物（配列体１６と弾性体１８）のつり合い荷重を上げることができる。そのため、電池セル１２の配列体１６に必要荷重を印加することができる。

【0022】

なお、弾性体１８の反力の設計は、図４（Ｃ）に示すように、材料特性と部品変形を考慮している。同図では、横軸が圧縮量、縦軸が反力値となっている。ここで、反力低下要因の材料特性として、往路復路のヒステリシスがある。これは、セル厚み寸法を安定化させるために、過圧縮をしたあと、拘束荷重値まで荷重を落とすので、拘束時は必ず復路の反力になることを考慮している。次に、拘束部材の変形と、セルの収縮による寸法変化を考慮する。最後に、再び材料特性として、温度依存性と圧縮永久歪による反力低下を考慮する。これらを考慮した値を荷重Ｍｉｎ値とする。この荷重値が必要荷重を上回るように、弾性体１８の設計を行っている。

【0023】

次に、変形例について説明する。以上で説明した実施形態では、電池スタック１０の内側に弾性体１８を設けた。しかし、弾性体１８に代えて、スプリングを入れる変形例を考えることができる。また、各樹脂枠１４を弾性材料（弾性体）により形成する別の変形例を考えることもできる。

【符号の説明】

【0024】

１０ 電池スタック、１２ 電池セル、１４ 樹脂枠、１６ 配列体、１８ 弾性体、２０－１ 第１拘束部材（拘束部材）、２０－２ 第２拘束部材（拘束部材）、３０ ベース板、３２ 側板、３６，３７ 折り曲げリブ、４０ ベース板、４２ 側板、４６，４７ 折り曲げリブ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】