JP6634977B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池セルおよび複数の樹脂枠が、厚み方向に交互に積層された電池モジュールを、導電性を有したパックケースに収納した電池パックに関する。

従来から、複数の電池セルおよび複数の樹脂枠が、厚み方向に交互に積層された電池モジュールが知られている。かかる電池モジュールは、パックケースに収容され、電池パックを構成する。特許文献１には、複数の単電池（電池セル）と、複数の仕切り部材（樹脂枠）と、を交互に並べたものを、アッパーケースとロアケースで構成される電池パックの外装内に配置した電池パックが開示されている。

特開２０１２−１２９０４３号公報

ここで、電池パックは、電動車両等に搭載されることが多く、その設置スペースが限られていることが多い。そのため、電池パックの更なる小型化が求められている。そこで、電池パックを小型化するために、パックケースの内面と電池モジュールとの間隙を極力小さくし、パックケースを小型化することが考えられる。

しかし、電池パックのパックケースは、電磁ノイズの除去などのために、導電体（主に金属）または非導電体に導電体を塗装した導電塗装体からなることが多く、導電性が高いことが多かった。かかる導電性の高いパックケースに、電池セルが過度に近接すると、電池セルとパックケースとの間で十分な絶縁距離が確保できないおそれがあった。

したがって、パックケースが高い導電性を有している場合には、電池セルとパックケースとの距離が、適度な絶縁距離を保てる範囲で、電池モジュールをパックケースに近接配置することが望ましい。しかし、適度な絶縁距離を保ちつつ、電池モジュールをパックケースに近接配置するためには、煩雑な位置決め作業が必要であり、手間であった。そのため、従来は、ある程度の組み付け誤差があっても、絶縁距離を確実に確保できるように、電池モジュールとパックケースとの間に比較的大きな間隙を設けていた。その結果、従来技術では、電池パックを十分に小型化できなかった。

そこで、本発明では、電池セルとパックケースとの絶縁距離を確実に確保しつつ、より小型化できる電池パックを提供することを目的とする。

本発明の電池パックは、複数の電池セルおよび複数の樹脂枠が、厚み方向に交互に積層されるとともに互いに動きが拘束された電池モジュールと、前記電池モジュールを収容し、導電体、または、導電塗装体からなるパックケースと、を備え、前記電池セルは、上面から突出し、幅方向に間隔を開けて並ぶ二つの端子を有し、前記パックケースの内面のうち前記樹脂枠の前記幅方向の側面との対向部分は、凹凸のないフラット形状であり、前記樹脂枠は、前記幅方向の側面から突出し、前記パックケースの内面に当接することで、前記電池セルと前記パックケースの内面との間の絶縁距離を確保する突起体を有する。

本発明によれば、突起部がパックケースの内面に当接するように電池モジュールを組みつければ、電池セルとパックケースの内面との間の絶縁距離を確保できるため、電池セルとパックケースとの絶縁距離を確実に確保しつつ、より小型化できる。

電池パックに搭載される電池モジュールの斜視図である。 電池セルの斜視図である。 樹脂枠の正面図である。 図３のＡ部拡大図である。 突起部を有さない樹脂枠の正面図である。

以下、本発明の実施形態である電池パックについて図面を参照して説明する。図１は、電池パックに設けられる電池モジュール１０の概略斜視図である。なお、以下の説明において、電池セル１８の「上面」とは、二つの端子２２ｐ，２２ｎが突出形成される面であり、「側面」とは、端子の並び方向両側の面を意味する。また、樹脂枠２０の「側面」とは、樹脂枠２０のうち電池セル１８の側面に面する面である。この電池パックは、電動車両、例えば、電気自動車や、ハイブリッド自動車に搭載される。電池パックは、電池モジュール１０と、当該電池モジュール１０を収容するパックケース５０（図１では図示せず、図３参照）と、を備えている。

パックケース５０は、１以上の電池モジュール１０を収容するケースである。パックケース５０は、電磁ノイズの除去などを目的として、金属等の導電体、また、表面に金属などの導電体を塗装した導電塗装体で構成される。通常、導電体は、伝熱性が高い一方で、熱容量は小さいことが多い。したがって、パックケース５０は、導電性および伝熱性が比較的高く、熱容量が比較的小さいと言える。かかるパックケース５０の構成は、種々考えられるが、本実施形態のパックケース５０は、電池モジュール１０が載置されるロアケースと、電池モジュール１０の上側に配されてロアケースに締結されるアッパーカバーと、を備えている。ロアケースに電池モジュール１０を組み付けて、固定した後、アッパーカバーをロアケースに締結し、アッパーカバーで電池モジュール１０の上方を覆う。

電池モジュール１０は、電池スタック１２と、当該電池スタック１２を挟持する一対のエンドプレート１４と、一対のエンドプレート１４を連結する拘束バンド１６と、を備えている。電池スタック１２は、複数の電池セル１８および複数の樹脂枠２０を厚み方向に交互に積層して成る。

電池セル１８は、充放電可能な二次電池、例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等で、正面視略長方形の角型形状を有している。図２に示すように、電池セル１８の上面からは、略円筒形の正極端子２２ｐおよび負極端子２２ｎが突出している。正極端子２２ｐおよび負極端子２２ｎは、幅方向に間隔をあけて配置されている。

電池セル１８の上面のうち幅方向中央、すなわち、正極端子２２ｐおよび負極端子２２ｎの間には、安全弁２４が設けられている。安全弁２４は、電池セル１８の内圧が一定以上になった場合に開放され、電池セル１８内部に溜まったガスを外部に放出する弁である。すなわち、電池セル１８は、既述した通り、充放電可能な二次電池であるが、かかる二次電池は、充放電あるいは高温保持過程において種々のガスを発生する。こうしたガスが電池セル１８のケース内に溜まり続けると電池セル１８の内圧が過度に高まるため、電池セル１８の内圧が一定以上になれば、安全弁２４を開放し、ガスを外部に放出する。この安全弁２４の構成は、特に限定されないが、本実施形態では、電池セル１８の外装ケースのうち、局所的に薄肉にして脆弱にした箇所を安全弁２４として用いている。

複数の電池セル１８は、厚み方向に積層される。このとき、複数の電池セル１８は、正極端子２２ｐと負極端子２２ｎが積層方向に交互に並ぶように、その向きを交互に替えて配される。すなわち、ある電池セル１８を、向かって右側に正極端子２２ｐが位置するように配置した場合には、次の電池セル１８は、向かって右側に負極端子２２ｎが位置するように配置する。そして、積層方向に隣接する正極端子２２ｐと負極端子２２ｎをバスバ（図示せず）で順次、連結することで、複数の電池セル１８が、電気的に直列に接続される。

隣接配置されている電池セル１８の間には、樹脂枠２０が配される。換言すれば、電池スタック１２は、複数の電池セル１８と複数の樹脂枠２０とを、交互に積層して成る。図３は、樹脂枠２０の正面図であり、図４は、図３におけるＡ部拡大図である。樹脂枠２０は、絶縁性材料からなり、略平板状のベース部２６と、当該ベース部２６の周縁から厚み方向に張り出す枠部２８と、ベース部２６の上端に設けられたダクト片３２と、ベース部２６の一面から突出する複数のリブ３０と、を備えている。枠部２８は、電池セル１８の周面に沿う形状をしており、電池セル１８の面方向への移動を規制する。

ベース部２６の一面からは、複数のリブ３０が突出している。リブ３０は、樹脂枠２０の高さ方向に真っ直ぐに延びており、幅方向に間隔を開けて複数、設けられている。電池セル１８と樹脂枠２０とを積層した際、リブ３０の先端面は、隣接する電池セル１８の表面に接触する。そして、これにより、リブ３０の側面、電池セル１８の表面、ベース部２６で囲まれた通路が形成される。この通路は、電池セル１８を冷却するための冷却風が流れる冷却流路となる。図３における太線矢印は、冷却風の流れ方向を示している。図３に示すように、電池モジュール１０の外部から供給された冷却風は、電池セル１８の下方側から、当該冷却流路に流れ込む。そして、冷却風は、電池セル１８を冷却しながら、冷却流路を流れて、最終的に、電池セル１８の上方側から電池モジュール１０の外部に放出される。

樹脂枠２０の上端、かつ、幅方向中央には、ダクト片３２が設けられている。ダクト片３２は、ベース部２６の上端に固着されており、電池セル１８の上面に向かって開口した略Ｕ字形となっている。また、ダクト片３２は、樹脂枠２０のベース部２６よりも厚み方向に張り出しており、隣接する他の樹脂枠２０のダクト片３２と密着する（図１参照）。複数のダクト片３２が互いに密着することで、電池スタック１２には、積層方向に延びるトンネルが形成される。このトンネルは、安全弁２４から放出されたガスが流れる排煙ダクト４０となる。

樹脂枠２０の側面、すなわち、枠部２８のうち、電池セル１８の側面に沿う部分には、突起部３４が設けられている。この突起部３４が設けられる樹脂枠２０の側面とは、排煙や冷却のための部材が配置されない箇所とも言える。この突起部３４の厚み方向幅は、枠部２８の厚み方向幅よりも十分に小さく、一つの樹脂枠２０の突起部３４と、隣接する樹脂枠２０の突起部３４との間には、十分な間隔が生じる。また、突起部３４は、正面視で、略三角形状または略半円形状であり、突起部３４の高さ方向幅は、枠部２８の表面から離れるほど小さくなっている。電池モジュール１０を、パックケース５０内に収容した際、この突起部３４の先端は、パックケース５０の内面５２に接触するようになっている。かかる突起部３４を設ける理由については、後述する。

電池セル１８および樹脂枠２０からなる電池スタック１２は、一対のエンドプレート１４で挟持される。エンドプレート１４は、アルミ等の金属からなる板材である。この一対のエンドプレート１４は、拘束バンド１６により連結される。拘束バンド１６は、金属製の薄板である。この拘束バンド１６の両端近傍にエンドプレート１４を締結することで、二つのエンドプレート１４間の距離が固定される。このときの二つのエンドプレート１４間の距離は、電池スタック１２の設計上の長さとほぼ同じか僅かに小さい。そのため、拘束バンド１６に二つのエンドプレート１４を締結することで、電池スタック１２は、エンドプレート１４から圧縮力を受けることになる。この圧縮力を受けることにより、電池スタック１２を構成する複数の電池セル１８および樹脂枠２０の相互の動きが規制され、拘束される。なお、図１で示したエンドプレート１４および拘束バンド１６の形状は、一例であり、電池スタック１２を積層方向に圧縮・挟持できるのであれば、これらの構成は、適宜、変更されてもよい。

次に、枠部２８に突起部３４を設ける理由について、従来技術と比較して説明する。従来の電池パックでも、電池モジュール１０は、パックケース５０に収容されており、電池モジュール１０は、複数の電池セル１８と複数の樹脂枠２０とを交互に積層した電池スタック１２を有していた。ただし、従来の樹脂枠２０は、側面に突起部３４を有していなかった。

ここで、電池パックは、電動車両等に搭載されることが多く、その設置スペースが限られていることが多い。そのため、電池パックの更なる小型化が求められていた。そこで、電池パックを小型化するために、パックケース５０の内面５２と電池モジュール１０との間隙を極力小さくし、パックケース５０を小型化することが考えられる。

しかし、パックケース５０は、既述した通り、電磁ノイズの除去などのために、導電性を有している。そのため、かかるパックケース５０に電池セル１８が過度に近接すると、電池セル１８とパックケース５０との間で十分な絶縁距離が確保できないおそれがあった。

したがって、パックケース５０が高い導電性を有している場合には、電池セル１８とパックケース５０との距離が、適度な絶縁性を保てる範囲で、電池モジュール１０をパックケース５０に近接配置することが望ましい。しかし、そのような配置をするためには、高い位置決め精度が必要となるため、電池モジュール１０の組み付け作業を煩雑にする。したがって、従来は、ある程度の組み付け誤差があっても、絶縁距離を確実に保てるように、電池セル１８とパックケース５０との間に比較的大きな間隙を設けていた。

かかる問題を避けるために、図５に示すように、樹脂枠２０の側面（枠部２８）の厚みを、必要とされる絶縁距離相当にするとともに、当該側面をパックケース５０の内面５２に接触させることが考えられる。この場合、樹脂枠２０をパックケース５０の内面５２に接触するように電池モジュール１０を組みつければ、煩雑な位置決め作業を行わなくても、電池セル１８とパックケース５０との間の絶縁が確保できる。しかし、樹脂枠２０の側面全体の厚みを大きくすることは、材料量の増加、ひいては、コストの増加を招く。

また、樹脂枠２０の側面全体が、パックケース５０の内面５２に接触すると、電池セル１８から放出された熱が、樹脂枠２０を介してパックケース５０に伝わりやすくなる。ここで、導電体または導電塗装体からなるパックケース５０は、伝熱性が高い一方で、熱容量が小さいことが多い。そのため、低温環境下では、樹脂枠２０を介してパックケース５０に伝わった熱は、外部に放出されやすい。結果として、樹脂枠２０の側面全体が、パックケース５０の内面５２に接触する図５のような構成では、低温環境下において電池セル１８の温度が上がりにくくなる。ここで、リチウムイオン電池等である電池セル１８は、低温時には性能が低下することが知られている。したがって、樹脂枠２０とパックケース５０との接触面積が大きい図５の構成では、低温環境下における電池セル１８の性能が低下するという問題を招く。

また、樹脂枠２０の側面全体が、パックケース５０の内面５２に接触する構成では、パックケース５０の外側面に付加された力が、パックケース５０、枠部２８を介して、電池セル１８の側面にも伝達される。そのため、図５の構成では、外部からの応力付与に耐えられるように、電池セル１８の外装ケースの剛性を高くする必要があった。

一方、本実施形態では、樹脂枠２０の側面（枠部２８）に突起部３４を設け、当該突起部３４がパックケース５０の内面５２に接触する構成となっている。突起部３４の突出量は、当該突起部３４がパックケース５０の内面５２に接触した際に、当該内面５２と電池セル１８の側面との距離Ｄが、絶縁性を保てるような大きさに設定されている。したがって、この突起部３４がパックケース５０の内面５２に接触するように、電池モジュール１０をパックケース５０内に設置することで、電池セル１８の側面とパックケース５０の内面５２との絶縁が自動的に保てる。換言すれば、突起部３４を設けることで、絶縁性確保のために、電池モジュール１０の煩雑な位置決め作業が不要となり、電池モジュール１０の組み付け作業を簡易化できる。

また、かかる突起部３４を設けることで、電池セル１８の側面とパックケース５０の内面５２との間には、間隙５６が形成されるが、この間隙５６は、伝熱を阻害する断熱空気層として機能する。かかる断熱空気層（間隙５６）が存在することで、電池セル１８からパックケース５０への伝熱が阻害され、低温環境下における電池セル１８の温度低下、ひいては、電池セル１８の性能低下を防止できる。

ここで、突起部３４の先端部は、パックケース５０に接触するため、当該先端部を介してパックケース５０への伝熱が僅かながら生じる。しかし、既述した通り、突起部３４は、正面視で略三角形状または略半円形状となっており、パックケース５０に対して線接触する。また、突起部３４の厚み方向幅は、樹脂枠２０の厚み方向幅よりも十分に小さい。そのため、突起部３４とパックケース５０との接触面積は、非常に小さく、突起部３４を介しての伝熱量も小さくなる。結果として、突起部３４がパックケース５０に接触していても、電池セル１８のパックケース５０への伝熱量を低下でき、低温環境下における電池セル１８の放熱を抑制できる。なお、本実施形態では、突起部３４をパックケース５０に線接触する形状としているが、突起部３４を、パックケース５０に点接触する形状、例えば、半球形状や円錐形状、角錐形状等としてもよい。また、突起部３４は、パックケース５０との接触面積が十分に小さくなるのであれば、パックケース５０に面接触する形状でもよい。

また、本実施形態によれば、パックケース５０の内面５２が、電池セル１８の側面から離間している。そのため、パックケース５０の外側面に付加された力は、パックケース５０の剛性分、分散、低減される。すなわち、本実施形態では、パックケース５０の内面５２と枠部２８との間に間隙５６があるため、パックケース５０の外側面に力がかかると、まず、その間隙５６分だけ、パックケース５０の変形が可能となる。そして、このパックケース５０の変形により応力エネルギーが消費されるため、枠部２８や電池セル１８に伝わる力は、パックケース５０の剛性分、分散、低減されたものとなる。つまり、本実施形態によれば、パックケース５０の剛性を高くすれば、電池セル１８への力の伝達を低減できるため、電池セル１８の外装ケースの剛性を高くする必要が無くなる。その結果、電池セル１８の構成をより簡易化できる。

なお、本実施形態では、樹脂枠２０の側面にのみ突起部３４を設け、樹脂枠２０の上面および底面には、突起部３４を設けていない。これは、樹脂枠２０の上側には排煙ダクト４０が、下側には、冷却風の流れる流路が設けられるため、突起部３４を設けなくても、パックケース５０と電池セル１８との絶縁が十分に確保できるためである。

また、これまでの説明は、一例であり、樹脂枠２０の側面に、パックケース５０に接触して絶縁距離を確保する突起部３４を設けるのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。例えば、本実施形態では、樹脂枠２０の両側面に突起部３４を設けたが、パックケース５０の内面５２に面する側面が一つだけであれば、当該一つの側面にのみ突起部３４を設けてもよい。例えば、電池パックの中には、一つのパックケース５０内に、二つの電池モジュール１０を幅方向に並べたものがある。この場合、電池モジュール１０の一側面のみが、パックケース５０の内面５２に面することになるため、この場合は、当該一側面にのみ突起部３４を設けるようにしてもよい。また、本実施形態では、樹脂枠２０の一側面に設けられる突起部３４の個数を、一つとしているが、突起部３４の個数は、二以上であってもよい。

いずれにしても、樹脂枠２０の側面とパックケース５０の内面５２との間に、１以上の突起部３４が介在する構成とすることで、電池パックを小型化しつつ電池セル１８とパックケース５０との絶縁性および断熱性を確保することができる。

１０ 電池モジュール、１２ 電池スタック、１４ エンドプレート、１６ 拘束バンド、１８ 電池セル、２０ 樹脂枠、２２ｎ 負極端子、２２ｐ 正極端子、２４ 安全弁、２６ ベース部、２８ 枠部、３０ リブ、３２ ダクト片、３４ 突起部、４０ 排煙ダクト、５０ パックケース、５２ 内面、５６ 間隙。

Claims (1)

1. 複数の電池セルおよび複数の樹脂枠が、厚み方向に交互に積層されるとともに互いに動きが拘束された電池モジュールと、
   前記電池モジュールを収容し、導電体、または、導電塗装体からなるパックケースと、
   を備え、
   前記電池セルは、上面から突出し、幅方向に間隔を開けて並ぶ二つの端子を有し、
   前記パックケースの内面のうち前記樹脂枠の前記幅方向の側面との対向部分は、凹凸のないフラット形状であり、
   前記樹脂枠は、前記幅方向の側面から突出し、前記パックケースの内面に当接することで、前記電池セルと前記パックケースの内面との間の絶縁距離を確保する突起体を有する、
   ことを特徴とする電池パック。

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