▶ プライムプラネットエナジー＆ソリューションズ株式会社の特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-10
(45)【発行日】2024-10-21
(54)【発明の名称】電池モジュール
(51)【国際特許分類】
H01M 50/262 20210101AFI20241011BHJP
H01M 50/264 20210101ALI20241011BHJP
H01M 50/209 20210101ALI20241011BHJP
【ＦＩ】
H01M50/262 S
H01M50/262 M
H01M50/264
H01M50/209
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2022030611
(22)【出願日】2022-03-01
(65)【公開番号】P2023127064
(43)【公開日】2023-09-13
【審査請求日】2023-03-01
(73)【特許権者】
【識別番号】520184767
【氏名又は名称】プライムプラネットエナジー＆ソリューションズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】小村 哲司
【審査官】山下 裕久
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２０－１４０７６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１６９３８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０２１／０２４７７５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／１４６２３８（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ５０／２０－２９８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の方向に配列された複数の電池セルを含む積層体と、前記積層体の前記第１の方向の端部に設けられたエンドプレートと、
前記エンドプレートに締結され、前記積層体および前記エンドプレートを前記第１の方向に拘束する拘束部材と、
前記エンドプレートと前記拘束部材とを締結するボルトとを備え、
前記ボルトは、前記第１の方向に沿って設けられ、
前記エンドプレートは、前記拘束部材に向けて開口する凹部を含み、
前記拘束部材は、前記凹部に連通する貫通孔を有し、
前記ボルトは、前記貫通孔および前記凹部を通過する第１部分と、前記第１部分の先端側に位置する第２部分とを含み、
前記ボルトの前記第１部分と前記貫通孔および前記凹部との間には隙間が形成され、前記ボルトの前記第２部分は前記エンドプレートに螺着され、
前記ボルトの前記第１部分の長さは、前記ボルトの首下長さの４０パーセント以上である、電池モジュール。
【請求項2】
前記凹部の開口部は第１の径を有し、前記貫通孔は前記第１の径よりも大きい第２の径を有する、請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項3】
前記エンドプレートは第１の線膨張係数を有する素材からなり、前記拘束部材は前記第１の線膨張係数と異なる第２の線膨張係数を有する素材からなる、請求項１または請求項２に記載の電池モジュール。
【請求項4】
前記エンドプレートはアルミニウムからなり、前記拘束部材は鉄からなる、請求項３に記載の電池モジュール。
【請求項5】
前記電池セルは角形二次電池セルである、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本技術は、電池モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
特開２０２０－０４７５７３号公報（特許文献１）に記載されるとおり、電池セルの積層体の端部にエンドプレートを設け、積層方向に電池セルを拘束する拘束部材とエンドプレートとをボルトにより締結することが従来から行われている。
【0003】
特開２００５－３１５３８７号公報（特許文献２）には、駆動側回転体と従動側回転体との固定部にボルトを用いることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０２０－０４７５７３号公報
【文献】特開２００５－３１５３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
複数の部材をボルトで締結するとき、たとえば複数の部材間の線膨張係数の違いなどにより、ボルトに対して撓み方向の荷重が作用し、ボルト座面に緩み方向の力が作用し得る。ボルトの緩みを抑制するために、螺合部分を長くすることにより、締結構造が大型化し得る。締結構造が大型化した場合、エンドプレートの厚みが増大し得るため、電池モジュールの大型化にも繋がる。
本技術の目的は、小型化が図られた電池モジュールを提供することにある。
本技術の目的は、小型化が図られた電池モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本技術に係る電池モジュールは、第１の方向に配列された複数の電池セルを含む積層体と、積層体の第１の方向の端部に設けられたエンドプレートと、エンドプレートに締結され、積層体およびエンドプレートを第１の方向に拘束する拘束部材と、エンドプレートと拘束部材とを締結するボルトとを備える。エンドプレートは、拘束部材に向けて開口する凹部を含む。拘束部材は、凹部に連通する貫通孔を有する。ボルトは、貫通孔および凹部を通過する第１部分と、第１部分の先端側に位置する第２部分とを含む。ボルトの第１部分と貫通孔および凹部との間には隙間が形成され、ボルトの第２部分はエンドプレートに螺着される。ボルトの第１部分の長さは、ボルトの首下長さの４０パーセント以上である。
【発明の効果】
【0007】
本技術によれば、適切な深さの凹部を形成することにより、エンドプレートと拘束部材の線膨張係数が異なる等に理由により拘束部材とエンドプレートとの間に当接面方向のずれが生じた場合にも、ボルトの撓みにより当該ずれを吸収できる。この結果、ボルトの首下長さを過度に大きくすることなくボルト軸力の低下を抑制できる。以上の結果として、小型化が図られた電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】電池モジュールの斜視図である。
【図2】電池モジュールに含まれる電池セルを示す斜視図である。
【図3】電池モジュールに含まれる拘束部材を示す図である。
【図4】エンドプレートと拘束部材の締結構造を電池セルの積層方向（第１の方向）から見た状態を示す図である。
【図5】参考例に係る締結構造の断面図である。
【図6】１つの実施の形態に係る締結構造の断面図である。
【図8】ボルト周辺の構造を説明するための図である。
【図9】変形状態のボルトを示す図である。
【図10】変形例に係る締結構造が変形した状態を示す図である。
【図11】凹部の深さとボルト座面に作用する反力との関係を示す図である。
【図12】非締結部の長さとボルト首下長さとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下に、本技術の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
【0010】
なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本技術の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本技術にとって必ずしも必須のものではない。また、本技術は、本実施の形態において言及する作用効果を必ずしもすべて奏するものに限定されない。
【0011】
なお、本明細書において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「有する（ｈａｖｅ）」の記載は、オープンエンド形式である。すなわち、ある構成を含む場合に、当該構成以外の他の構成を含んでもよいし、含まなくてもよい。
【0012】
また、本明細書において幾何学的な文言および位置・方向関係を表す文言、たとえば「平行」、「直交」、「斜め４５°」、「同軸」、「沿って」などの文言が用いられる場合、それらの文言は、製造誤差ないし若干の変動を許容する。本明細書において「上側」、「下側」などの相対的な位置関係を表す文言が用いられる場合、それらの文言は、１つの状態における相対的な位置関係を示すものとして用いられるものであり、各機構の設置方向（たとえば機構全体を上下反転させる等）により、相対的な位置関係は反転ないし任意の角度に回動し得る。
【0013】
本明細書において、「電池」は、リチウムイオン電池に限定されず、ニッケル水素電池など他の電池を含み得る。
【0014】
本明細書において、「電池セル」は、ハイブリッド車（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ：Plug-in Hybrid Electric Vehicle）、および電気自動車（ＢＥＶ：Battery Electric Vehicle）などに搭載可能である。ただし、「電池セル」の用途は、車載用に限定されるものではない。
【0015】
【0016】
電池セル１００は、角形の電池セルであって、Ｙ軸方向（第１の方向）に沿って複数設けられる。セパレータ部材２００は、複数の電池セル１００の間に設けられる。セパレータ部材２００は、隣接する電池セル１００の意図しない電気的導通を防止する。セパレータ部材２００は、隣接する電池セル１００の電気的絶縁性を確保する。エンドプレート３００は、Ｙ軸方向において電池セル１００およびセパレータ部材２００の積層体の両端に配置されている。エンドプレート３００は、電池モジュール１を収納するケースなどの基台に固定される。
【0017】
【0018】
電極端子１１０は、筐体１２０上に形成されている。電極端子１１０は、Ｙ軸方向（第１の方向）に直交するＸ軸方向（第２の方向）に沿って並ぶ正極端子１１１および負極端子１１２を有する。正極端子１１１および負極端子１１２は、Ｘ軸方向において、互いに離れて設けられている。
【0019】
筐体１２０は、直方体形状を有し、電池セル１００の外観をなしている。筐体１２０は、図示しない電極体および電解液を収容するケース本体１２０Ａと、ケース本体１２０Ａの開口を封止する封口板１２０Ｂとを含む。封口板１２０Ｂは、溶接によりケース本体１２０Ａに接合される。
【0020】
筐体１２０は、上面１２１と、下面１２２と、第１側面１２３と、第２側面１２４と、２つの第３側面１２５とを有する。
【0021】
上面１２１は、Ｙ軸方向およびＸ軸方向に直交するＺ軸方向（第３の方向）に直交する平面である。上面１２１には、電極端子１１０が配置されている。下面１２２は、Ｚ軸方向に沿って上面１２１に対向している。
【0022】
第１側面１２３および第２側面１２４の各側面は、Ｙ軸方向に直交する平面からなる。第１側面１２３および第２側面１２４の各側面は、筐体１２０が有する複数の側面のうちで最も大きい面積を有する。第１側面１２３および第２側面１２４の各側面は、Ｙ軸方向に見て、矩形形状を有する。第１側面１２３および第２側面１２４の各側面は、Ｙ軸方向に見て、Ｘ軸方向が長手方向となり、Ｚ軸方向が短手方向となる矩形形状を有する。
【0023】
複数の電池セル１００は、Ｙ軸方向に隣り合う電池セル１００，１００の間において、第１側面１２３どうし、第２側面１２４どうしが向かい合わせとなるように積層されている。これにより、複数の電池セル１００が積層されるＹ軸方向において、正極端子１１１と負極端子１１２とが、交互に並んでいる。
【0024】
ガス排出弁１３０は、上面１２１に設けられている。ガス排出弁１３０は、電池セル１００の温度が異常に上昇し（熱暴走）、筐体１２０の内部で発生したガスにより筐体１２０の内圧が所定値以上となった場合に、そのガスを筐体１２０の外部に排出する。
【0025】
図３は、拘束部材４００を示す図である。図３に示すように、拘束部材４００は、２つのエンドプレート３００を互いに接続する。複数の電池セル１００、セパレータ部材２００およびエンドプレート３００の積層体に対してＹ軸方向の圧縮力を作用させた状態で拘束部材４００をエンドプレート３００に係合させ、その後に圧縮力を解放することにより、２つのエンドプレート３００を接続する拘束部材４００に引張力が働く。その反作用として、拘束部材４００は、２つのエンドプレート３００を互いに近づける方向に押圧する。
【0026】
【0027】
図４に示すように、エンドプレート３００と拘束部材４００とは、ボルト５００により締結される。ボルト５００は、Ｚ軸方向に複数（本実施の形態の例では２本）並んで設けられる。ボルト５００は、Ｙ軸方向に沿って設けられ、エンドプレート３００と拘束部材４００とを締結する。
【0028】
このように、電池モジュール１は、Ｙ軸方向に配列された複数の電池セル１００を含む積層体と、積層体のＹ軸方向の端部に設けられたエンドプレート３００と、エンドプレート３００に締結され、電池セル１００、セパレータ部材２００、およびエンドプレート３００をＹ軸方向に拘束する拘束部材４００と、エンドプレート３００と拘束部材４００とを締結するボルト５００とを備える。
【0029】
【0030】
たとえばエンドプレート３００がアルミニウムからなり、拘束部材４００が鉄からなる場合、両者の線膨張係数の違いにより、エンドプレート３００と拘束部材４００との界面にＺ方向のずれが発生する。ボルト５００は、エンドプレート３００に螺着されているため、エンドプレート３００と拘束部材４００との界面にＺ方向のずれが発生すると同時に、ボルト５００の座面は拘束部材４００とともに変位し、撓み力が発生する。この撓み力に対して、ボルト５００座面と拘束部材４００との間の界面に摩擦力（垂直抗力×摩擦力＝軸力×界面の摩擦係数）が働くことで、拘束部材４００とボルト座面との界面のずれをある程度抑えることができる。この撓み力（ずれ力）が摩擦力を越え、ボルト５００座面と拘束部材４００との界面がずれた場合、ボルト５００の座面に対して緩みの回転力が発生し得る。ボルト５００の緩みを抑制するために、軸力を上げ、摩擦力を高くすることが可能だが、同時にボルト５００、エンドプレート３００の螺着部の強度を確保することが必要となる。つまり、ボルト５００の首下長さ（螺着長さ）を長くすることにより、締結構造が大型化し得る。
【0031】
【0032】
図６，図７に示すように、本実施の形態に係る締結構造において、エンドプレート３００は、拘束部材４００に向けて開口する凹部３１０を含み、ボルト５００は、貫通孔４１０および凹部３１０を通過する第１部分５１０（非締結部）と、第１部分５１０の先端側に位置する第２部分５２０（締結部）とを含む。ボルト５００の第１部分５１０と貫通孔４１０および凹部３１０との間には隙間が形成される。ボルト５００の第２部分５２０はエンドプレート３００に螺着される。
【0033】
１つの実施形態において、エンドプレート３００は、第１の線膨張係数を有する素材からなる。拘束部材４００は、第１の線膨張係数と異なる第２の線膨張係数を有する素材からなる。一例として、エンドプレート３００はアルミニウムからなり、拘束部材４００は鉄からなる。この場合、エンドプレート３００の線膨張係数は拘束部材４００の線膨張係数よりも大きい。具体的には、アルミニウムの線膨張係数は２３μ／℃程度であり、鉄の線膨張係数は１１．７μ／℃程度である。したがって、エンドプレート３００の線膨張係数は、拘束部材４００の線膨張係数の約２倍である。
【0034】
このように、エンドプレート３００と拘束部材４００との線膨張係数が異なる場合、電池モジュール１の使用時に温度変化が生じたときに、エンドプレート３００と拘束部材４００との間で変形量に違いが生じる。
【0035】
本実施の形態に係る締結構造においては、適切な深さの凹部３１０をエンドプレート３００に形成することにより、エンドプレート３００と拘束部材４００との間に当接面方向のずれが生じた場合にも、図７に示すようにボルト５００の撓みにより拘束部材４００とボルト５００の座面と間の撓み力（ずれ力）を低下させ、当該ずれを抑えることができる。この結果、ボルト５００の首下長さを過度に大きくすることなくボルト５００の軸力の低下を抑制できる。
【0036】
【0037】
図８に示すように、凹部３１０の開口部は、第１の径（Ｄ１）を有する。第１の径（Ｄ１）は、以下の式（１）により求められる。
【0038】
第１の径（Ｄ１）≧ボルト直径＋（［エンドプレート３００の線膨張係数］－［拘束部材４００の線膨張係数］）×［ボルト５００の締結間距離］×［電池モジュール１使用時の目標温度差］×２＝ボルト直径＋線膨張量×２・・・（１）
【0039】
たとえば、エンドプレート３００がアルミニウムからなり、拘束部材４００が鉄からなる場合であって、ボルト５００の締結間距離が７０ｍｍ程度、目標温度差が４５℃程度であるとすると、線膨張量は０．０７ｍｍ程度となる。ボルト５００の撓み量（図９中のＤ）により上記線膨張量を吸収できるように第１の径（Ｄ１）が定められる。
【0040】
拘束部材４００の貫通孔４１０は、第２の径（Ｄ２）を有する。図８の例において、第２の径（Ｄ２）は、第１の径（Ｄ１）よりも大きい。第２の径（Ｄ２）は第１の径（Ｄ１）と略同じであってもよい。
【0041】
ボルト５００の第１部分５１０の長さ（Ｈ）および第２部分５２０の長さ（Ｌ）は、ボルト５００の締結力を確保しながらボルト５００の首下長さ（Ｈ＋Ｌ）を可能な限り短くできるように定められる。
【0042】
【0043】
エンドプレート３００の凹部３１０および拘束部材４００の貫通孔４１０は、Ｙ軸方向から見たときに（Ｘ－Ｚ平面上において）典型的には略円形形状を有する。ただし、凹部３１０および貫通孔４１０の形状はこれに限定されず、たとえばＸ軸方向よりもＺ軸方向において長い形状を有してもよい。
【0044】
図１１は、エンドプレート３００の凹部３１０の深さと、温度変化による変形時にボルト５００の座面に作用する緩み方向の反力との関係を示す図である。エンドプレート３００にボルト５００の第２部分５２０（締結部）が螺着され、ボルト５００の座面が線膨張により拘束部材４００とともに変位させられた結果、ボルト５００に撓み力（ずれ力）が発生する。この撓み力（ずれ力）が拘束部材４００とボルト５００の座面との緩み方向の反力となる。図１１に示すように、凹部３１０の深さが１０ｍｍ程度のときは、ボルト５００の撓み部が短いため（剛性が高く）、温度変化による変形時にボルト５００の座面に作用する緩み方向の反力が大きい。これに対し、凹部３１０の深さが２０ｍｍ以上程度のときは、ボルト５００の撓み部が長いため（剛性が低くなり）、温度変化による変形時にボルト５００の座面に作用する緩み方向の反力が低下する。この結果、ボルト５００の締結部分の過度な強度アップは不要となり、ボルト５００の長さを短くすることが可能となる。したがって、ボルト５００の首下長さ（Ｈ＋Ｌ）を短くして、締結構造を小型化することが可能となる。
【0045】
図１２は、非締結部の長さ（Ｈ）とボルト５００の首下長さ（Ｈ＋Ｌ）との関係を示す図である。図１２の例において、ボルト５００の首下長さ（Ｈ＋Ｌ）は、温度変化による変形を考慮して最低限必要なボルト５００の締結力を確保できる第２部分５２０の長さを前提とするものである。
【0046】
図１２に示すように、ボルト５００の第１部分５１０の長さ（Ｈ）が、ボルト５００の首下長さ（Ｈ＋Ｌ）の４０パーセント以上８０パーセント以下程度（好ましくは、５０パーセント以上７０パーセント以下程度）である場合に、ボルト５００の首下長さ（Ｈ＋Ｌ）を全体として短くし得る。
【0047】
以上に説明したとおり、本実施の形態における電池モジュール１においては、適切な深さの凹部３１０を形成することにより、ボルト５００の撓みを許容することができる。この結果、エンドプレート３００と拘束部材４００との線膨張係数が異なる等の理由によりエンドプレート３００と拘束部材４００との間に当接面（Ｘ－Ｚ平面）方向のずれが生じた場合にも、ボルト５００の撓みによりボルト５００座面と拘束部材４００との間のずれを防ぎ、ボルト５００の緩み（軸力低下）を抑制することができる。
【0048】
以上、本技術の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本技術の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0049】
１ 電池モジュール、１００ 電池セル、１１０ 電極端子、１１１ 正極端子、１１２ 負極端子、１２０ 筐体、１２０Ａ ケース本体、１２０Ｂ 封口板、１２１ 上面、１２２ 下面、１２３ 第１側面、１２４ 第２側面、１２５ 第３側面、１３０ ガス排出弁、２００ セパレータ部材、３００ エンドプレート、３１０ 凹部、４００ 拘束部材、４１０ 貫通孔、５００ ボルト、５１０ 第１部分、５２０ 第２部分。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】