JP4513451B2

JP4513451B2 - 組電池

Info

Publication number: JP4513451B2
Application number: JP2004218665A
Authority: JP
Inventors: 俊文高松; 聡村松
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-07-27
Also published as: JP2006040696A

Description

本発明は、電池積層体を構成する各扁平型電池に均一な加圧力が付与できるようにした組電池に関する。

近年、環境意識の高まりを受けて、自動車の動力源を、化石燃料を利用するエンジンから電気エネルギーを利用するモータに移行しようとする動きがある。このため、モータの電力源となる電池の技術も急速に発展しつつある。

自動車には、小型軽量で、大きな電力を頻繁に充放電可能な、耐震動性に優れた電池の搭載が望まれる。これらの要望を受けて、近年では下記特許文献１に示すように、複数の扁平型電池をその厚み方向に積層した組電池が開発されている。
特開２００１−２３６９３７号公報

ところが、このような従来の組電池にあっては、積層した複数の扁平型電池をその積層方向の両側（上下）から一対の拘束プレートで挟み込み、拘束プレートの角部を連結するボルトナットで拘束プレートを相互に近接させる方向に締め付けることによってそれぞれの扁平型電池に面圧を付与するようになっているので、拘束プレートの歪みや締め付け力の局部化が原因となって、扁平型電池の全面に均一な面圧を与えることが難しいという問題がある。

面圧は扁平型電池の寿命を大きく左右する要因であることは良く知られている。均一な面圧が与えられるようにするには、拘束プレートの厚みを増して剛性を高めるか、拘束プレートを連結するボルトナットの数を増やすことが考えられるが、いずれも、組電池の小型軽量化の要請に逆行し、組み立て効率が悪くなるなどの問題が生じるため、いずれの手法も採用することはできない。また、均一な面圧を与えるためにはボルトナットによる締め付け力を個別に調整する必要があることから、この点においても作業性およびメンテナンス性が悪いという問題もある。

本発明は、以上のような従来の技術の問題点に鑑みて成されたものであり、電池積層体を構成する各扁平型電池に均一な加圧力が付与できる組電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明にかかる組電池は、複数の扁平型電池がその厚み方向に積層されてなる電池積層体と、当該電池積層体の積層方向両端に位置する扁平型電池に当接する１組の加圧板と、当該１組の加圧板を前記電池積層体の対向する両側面から挟み込む１組の加圧力付与部材と、当該１組の加圧力付与部材を連結しそれぞれの加圧力付与部材を互いに近接させる方向に付勢することができる連結部材と、を備え、当該連結部材によって前記加圧力付与部材を互いに近接させると前記１組の加圧板が互いに接近する方向に移動して前記電池積層体に前記積層方向への加圧力を付与することができるように構成されており、前記加圧力付与部材と前記加圧板とが線状にまたは複数の点で接触する前記加圧力付与部材または前記加圧板の少なくともいずれか一方の接触面には、前記加圧力付与部材を互いに近接させたときに前記加圧板を互いに近接する方向に移動させるための傾斜部が形成されている。

加圧力付与部材は連結部材によって互いに接続され、連結部材によって互いに近接する方向に付勢することができるようになっている。加圧力付与部材は電池積層体の積層方向両端に当接するそれぞれの加圧板を電池積層体の対向する両側面から挟み込む。連結部材によって加圧力付与部材を互いに近接させると１組の加圧板が互いに接近する方向に移動する。このため、電池積層体に対して積層方向への加圧力を均一に付与することができる。

上記のように構成された本発明にかかる組電池によれば、１組の加圧板は１組の加圧力付与部材によって局部的にではなく全体的に電池積層体を加圧するので、少ない部品で均一な加圧力を各扁平型電池に与えることができ、小型軽量化された組み立て効率およびメンテナンス性の良好な組電池を提供することができる。

以下に、本実施の形態にかかる組電池を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本実施の形態にかかる組電池の斜視図、図２は図１の組電池の側面図である。

図１に示すように、本発明にかかる組電池１００は、板形状のフレームがその厚み方向に複数枚積層されてなる電池積層体としての電池ユニット２００を１組の加圧板であるヒートシンク３００、３５０で挟み、１組の加圧力付与部材である固定プレート４００、４５０を用いて電池ユニット２００をフレームの積層方向の両面から加圧して一体的に保持したものである。

各フレーム２１０にはその長手方向に４個の扁平型電池（具体的には長方形状のラミネート電池）が並列に配置され、このフレーム２１０を２４枚その厚み方向に積層することによって電池ユニット２００が形成される。したがって、組電池１００は４個並列に配置された扁平型電池がその厚み方向にそれぞれ２４個ずつ積層されて構成され、合計９６個の扁平型電池を有していることになる。また、フレームの積層方向６枚おきに中間ヒートシンク３２５Ａ、３２５Ｂ、３２５Ｃが挿入されており、電池ユニット２００の放熱効率を高めている。

電池ユニット２００の熱を放熱させる機能を有しているヒートシンク３００および３５０は、図２に示すように、電池ユニット２００の積層方向両端に位置する扁平型電池に当接している。ヒートシンク３００および３５０には、固定プレート４００および４５０と接触する接触部３１０Ａ、３１０Ｂ、３６０Ａ、３６０Ｂが形成されている。固定プレート４００、４５０は四角形状の板でありヒートシンク３００および３５０を電池ユニット２００の対向する両側面から挟み込んでいる。固定プレート４００および４５０には、ヒートシンク３００および３５０と接触する柱状部４１０Ａ、４１０Ｂ、４６０Ａ、４６０Ｂが形成されている。固定プレート４００の柱状部４１０Ａ、４１０Ｂとヒートシンク３００および３５０の接触部３１０Ａ、３６０Ａ、並びに固定プレート４５０の柱状部４６０Ａ、４６０Ｂとヒートシンク３００および３５０の接触部３１０Ｂ、３６０Ｂは、それぞれ線状にまたは複数の点で接触するように構成されている。固定プレート４００および４５０の柱状部４１０Ａ、４１０Ｂ、４６０Ａ、４６０Ｂのそれぞれに対するヒートシンク３００および３５０の接触部３１０Ａ、３１０Ｂ、３６０Ａ、３６０Ｂのいずれか一方の接触面には、固定プレート４００および４５０を互いに近接させたときにヒートシンク３００および３５０を互いに近接する方向に移動させるためのテーパー状の傾斜部が形成されている。固定プレート４００、４５０は、電池ユニット２００の側面に対してほぼ平行に伸延している連結部材として機能するボルトナット４７５（ボルト４７５Ａ〜４７５Ｄとナット４８０Ａ〜４８０Ｄの総称）によってその４隅において互いに連結される。

ボルト４７５Ａ〜４７５Ｄにナット４８０Ａ〜４８０Ｄを締め付けると、固定プレート４００、４５０は互いに近接させる方向に付勢される。固定プレート４００、４５０が近接する方向に移動すると、固定プレート４００、４５０並びにヒートシンク３００、３５０それぞれの接触面によってヒートシンク３００と３５０とを互いに接近させる方向（扁平型電池の加圧方向）の加圧力がヒートシンク３００、３５０の端面全体に付与され、この加圧力によってヒートシンク３００、３５０が互いに近接し電池ユニット２００に積層方向への適切な加圧力が付与される。

以上では、固定プレート４００、４５０を四角形状の板としているが、固定プレートは板状のものではなく四角形状の枠状のものであっても良い。また、固定プレート４００、４５０にはその重量の軽量化のため、その剛性に悪影響を与える恐れがない場所に適切な数の孔を開口しても良い。

また、以上では、連結部材はボルトナットによって構成されているが、ボルトの一部分にその長手方向に伸縮自在なばね部材を含ませても良い。さらに、連結部材は、一方の固定プレートと一体的に形成されていても良い。

図３は、組電池１００を構成する扁平型電池の外観図である。

本実施の形態で用いる扁平型電池２１４は、図３に示すような矩形状の積層二次電池であり、少なくとも正極板と負極板を順に積層した積層型の発電要素を内部に備えており、例えば、特開２００３−０５９４８６号公報に開示されているような構造を持つものである。扁平型電池２１４はその外装材としてラミネートフィルムが用いられ、内蔵されている発電要素は扁平型電池２１４の周縁部が熱融着接合されることで封止される。扁平型電池２１４の長手方向両側面からは電極タブ２１５Ａ、２１５Ｂが引き出されている。電極タブ２１５Ａは＋の電極タブでありたとえば厚さ０．２ｍｍ程度のアルミニウム薄板で構成されている。一方、電極タブ２１５Ｂは−の電極タブでありたとえば厚さ０．２ｍｍ程度の銅の薄板で構成されている。両電極タブ２１５Ａ、２１５Ｂには積層されている電極同士を連結する通しボルトを挿入するための挿入孔２７２Ａ、２７２Ｂが開口されている。なお、熱融着接合されている扁平型電池２１４の周縁部２１６はフレームに形成されている保持部で位置決め保持される。扁平型電池の積層方向は、この発電要素を構成する正極板と負極板の積層方向と同一の方向である。

図４および図５は扁平型電池のフレームへの配置状態を示す図であり、図６はフレームの積層状態を示す図である。

フレーム２１０は、図４および図５に示すように、４枚の扁平型電池２１４Ａ〜２１４Ｄをその長手方向に配列できるようになっている。フレーム２１０には、扁平型電池２１４Ａ〜２１４Ｄがその極性を交互にして配列される。フレーム２１０の一端部には絶縁性の部材である絶縁ワッシャ２１２または導通ワッシャが埋め込まれ、フレーム２１０にはそれぞれの扁平型電池の周縁部２１６を支持する周縁支持部２１８が形成されている。フレーム２１０において周縁支持部２１８によって囲まれているフレーム２１０の中央部分は開口され、図６に示すように、積層方向に隣接する要素(ヒートシンク３００、３５０、中間ヒートシンク３２５Ａ〜３２５Ｃまたは積層されるフレーム２２０の他の扁平型電池２２５Ａ〜２２５Ｄ)と扁平型電池２１４Ａ〜２１４Ｄの外装面とが直接接触できるようになっている。また、フレーム２１０の他端部には扁平型電池２１４Ａ〜２１４Ｄの電極タブ２１５Ａまたは２１５Ｂを、積層方向に隣接する扁平型電池の電極タブと超音波溶接するための開口部２１７Ａが設けられている。

フレームは、図６に示すように、絶縁ワッシャが埋め込まれているものと、導通ワッシャが埋め込まれているものとを交互に６枚積層する。その上に中間ヒートシンク３２５Ｃを積層し、さらにその上に６枚のフレーム、中間ヒートシンク３２５Ｂ、６枚のフレーム、中間ヒートシンク３２５Ａ、６枚のフレームを積層して電池ユニット２００を形成し、最後にその積層方向両端からヒートシンク３００、３５０で挟んで固定プレート４００、４５０およびボルトナット４７５で固定する。

以上のように構成された組電池１００は、２４個の扁平型電池が積層された４列の電池積層体を有しているが、図７に示すように、各電池積層体２５０、２６０、２７０、２８０は、扁平型電池がその積層方向にすべて直列に接続されている。

すなわち、電池積層体２５０の左側の扁平型電池同士の接続（図中の×印部分）は超音波溶接によって行われ、扁平型電池同士の絶縁（図中の四角印部分）は絶縁テープによって行われている。一方、電池積層体２５０の右側の扁平型電池同士の接続（図中の○印部分）は導通ワッシャによって行われ、扁平型電池同士の絶縁（図示三角印部分）は絶縁ワッシャによって行われている。したがって、組電池１００が組み上がると、電池積層体２５０を構成するすべての扁平型電池が直列に接続される。他の電池積層体２６０、２７０、２８０も同一の構造によりすべての扁平型電池が直列に接続される。

各電池積層体２５０、２６０、２７０、２８０は、バスバー２９２、２９４、２９６（ヒートシンク３００、３５０に設けられている）によって直列に接続される。このように、組電池１００を構成するすべての扁平型電池は直列に接続される。このような接続方法を採用すると、電力端子４９０Ａ、４９０Ｂの接続部を一方向（ヒートシンク３００の上側）のみにすることができるので、組電池設置後の電力配線が行いやすくなり生産性が向上する。

図８〜図１１は、本実施の形態にかかる組電池の組み立て過程の説明に供する図である。

組電池１００を組み立てるに当たっては、まず、図３に示した扁平型電池２１４を、図４および図５のようにフレーム２１０、２２０に配列し、扁平型電池が配列されたフレームを６枚積層するごとに中間ヒートシンクを介在させ、全部で２４枚のフレームを積層して電池ユニット２００を形成する。次に、電池ユニット２００の積層方向両面からヒートシンク３００および３５０で電池ユニット２００を挟み込む。ヒートシンク３００の上面側およびヒートシンク３５０の下面側のそれぞれの端面は、図８および図９に示すように、その全周に渡ってテーパー状の傾斜面３１５が形成されている。

そして、固定プレート４００および４５０を電池ユニット２００の対向する両側面から挟み込むように配置させ、固定プレート４００および４５０の４隅に開口されているボルト貫通孔にボルト４７５Ａ〜４７５Ｄを通し、そのボルト４７５Ａ〜４７５Ｄの先端にナット４８０Ａ〜４８０Ｄを取り付けて締め込む。固定プレート４００および４５０には、図８および図９に示すように、ヒートシンク３００および３５０の長手方向の対抗する２辺の傾斜面３１５と全体にわたって接触する（線状に接触する）傾斜面４１５を備えた柱状部４１０Ａ、４１０Ｂ、４６０Ａ、４６０Ｂが形成されている。図９に示すように、固定プレート４００が有する柱状部４１０Ａと柱状部４１０Ｂとの傾斜面開始間距離Ｌ１は電池ユニット２００にヒートシンク３００および３５０を積層した場合のヒートシンク３００とヒートシンク３５０との傾斜面終了間距離Ｌ２よりも大きくその傾斜面開始間距離Ｌ３よりも小さくなっている。ただし、Ｌ１〜Ｌ３の寸法関係は、ボルト４７５Ａ〜４７５Ｄが完全に締め付けられた状態でも、Ｌ３＜Ｌ１＜Ｌ２の関係が保たれるようにする。傾斜面は、上記のように傾斜面３１５の全体に対して線状に接触するものに限らず、傾斜面３１５に対して一定間隔をおいて点状に接触させるようにしても良い。

固定プレート４００および４５０をボルト４７５Ａ〜４７５Ｄで連結した状態でナット４８０Ａ〜４８０Ｄを締め込むと、固定プレート４００、４５０は徐々に互いに近接させる方向に付勢され、これに伴って、図１０に示すように、柱状部４１０Ａが図示左方向に移動する。この移動に伴って柱状部４１０Ａの傾斜面４１５がヒートシンク３００の傾斜面３１５と摺接し、ヒートシンク３００を図示下方向に押し下げる。逆にヒートシンク３５０は柱状部４１０Ｂの傾斜面４１５によって押し上げられる。ヒートシンク３００、３５０を押し下げまたは押し上げる作用は、柱状部４１０Ｂ、４１０Ｃ、４１０Ｄにおいても同じように生じる。したがって、ナット４８０Ａ〜４８０Ｄを締め込むことによってヒートシンク３００および３５０が互いに近接され電池ユニット２００に積層方向への適切な加圧力が付与されることになる。

なお、ヒートシンク３００および３５０には図１１に示すように傾斜面が形成されていなくとも良い。傾斜面が形成されていなくとも図１０と同様に電池ユニット２００に積層方向への適切な加圧力を付与することができるからである。

本実施の形態では、ヒートシンク３００、３５０を、板厚７．４ｍｍ、大きさ２９４ｍｍ×５８６ｍｍのアルミニウム板で形成し、これらに従来のように６箇所のボルトナットを用いて合計１６０ｋｇｆの加重を与えた場合と、本実施の形態のように固定プレート４００、４５０を用いて合計１６０ｋｇｆの加重を与えた場合とでヒートシンクの変位量にどの程度の差があるかを検証した。従来の場合、ヒートシンク３００、３５０の長手方向における最大変位量と最小変位量との差が最大で０．６ｍｍあった。ところが、本実施の形態の場合、その差はほぼ０ｍｍであった。この検証結果により、本実施の形態によれば、ヒートシンク３００、３５０の短手方向の歪み分布をほぼ一定にすることができ、電池ユニット２００を構成する各扁平型電池に均一な加圧力を与えることができることがわかる。

本発明の組電池によれば、各扁平型電池の面圧が均一になるため、組電池としてのサイクル（充放電）特性を安定化させることができ、組電池の信頼性と寿命が向上する。

部品点数削減のため、図１２に示すように、連結部材として機能するボルト４７５Ａ〜４７５Ｄを固定プレート４００と一体的に形成するようにしても良い。さらに、図１３に示すように、ボルト４７５Ａ〜４７５Ｄを金属ベルト５００で連結し、固定プレート４００、４５０を同時に締め付けることができるようにしても良い。

本発明は、比較的簡単な構成で、組電池を構成する扁平型電池に均一な加圧力を付与することができるので、車両に搭載する電池として相応しい組電池が提供できる。

本実施の形態にかかる組電池の斜視図である。図１の組電池の側面図である。組電池を構成する扁平型電池の外観図である。扁平型電池のフレームへの配置状態を示す図である。扁平型電池のフレームへの配置状態を示す図である。フレームの積層状態を示す図である。組電池を構成する扁平型電池の接続状態を示す図である。本実施の形態にかかる組電池の組み立て過程の説明に供する図である。本実施の形態にかかる組電池の組み立て過程の説明に供する図である。本実施の形態にかかる組電池の組み立て過程の説明に供する図である。本実施の形態にかかる組電池の組み立て過程の説明に供する図である。他の形態の連結部材を示す図である。他の形態の連結部材を示す図である。

符号の説明

１００組電池、
２００電池ユニット、
２１０、２２０フレーム、
２１４、２１４Ａ〜２１４Ｄ、２１５Ａ〜２１５Ｄ扁平型電池、
２１５Ａ、２１５Ｂ電極タブ、
２５０、２６０、２７０、２８０電池積層体、
３００、３５０ヒートシンク、
３１０Ａ、３１０Ｂ、３６０Ａ、３６０Ｂ接触部、
３１５傾斜面、
３２５Ａ、３２５Ｂ、３２５Ｃ中間ヒートシンク、
４１０Ａ、４１０Ｂ、４６０Ａ、４６０Ｂ柱状部、
４００、４５０固定プレート、
４７５ボルトナット、
４７５Ａ〜４７５Ｄボルト、
４８０Ａ〜４８０Ｄナット、
４９０Ａ、４９０Ｂ電力端子、
５００金属ベルト。

Claims

複数の扁平型電池がその厚み方向に積層されてなる電池積層体と、
当該電池積層体の積層方向両端に位置する扁平型電池に当接する１組の加圧板と、
当該１組の加圧板を前記電池積層体の対向する両側面から挟み込む１組の加圧力付与部材と、
当該１組の加圧力付与部材を連結しそれぞれの加圧力付与部材を互いに近接させる方向に付勢することができる連結部材と、を備え、
当該連結部材によって前記加圧力付与部材を互いに近接させると前記１組の加圧板が互いに接近する方向に移動して前記電池積層体に前記積層方向への加圧力を付与することができるように構成されており、
前記加圧力付与部材と前記加圧板とが線状にまたは複数の点で接触する前記加圧力付与部材または前記加圧板の少なくともいずれか一方の接触面には、前記加圧力付与部材を互いに近接させたときに前記加圧板を互いに近接する方向に移動させるための傾斜部が形成されていることを特徴とする組電池。
前記１組の加圧力付与部材は、前記電池積層体の側面に対してほぼ平行に伸延する連結部材によって互いに連結されていることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
前記１組の加圧力付与部材は、四角形状の板または四角形状の枠であることを特徴とする請求項１または２に記載の組電池。
前記１組の加圧力付与部材は、軽量化用の複数の孔を有していることを特徴とする請求項３に記載の組電池。
前記連結部材は、一方の加圧力付与部材と一体的に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の組電池。
前記連結部材は、ボルトおよびナットから形成されていることを特徴とする請求項２または５に記載の組電池。
前記連結部材は、その長手方向に伸縮自在なばね部材を含むことを特徴とする請求項２に記載の組電池。
前記１組の加圧板は、前記電池積層体の熱を放散させるヒートシンクであることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
前記扁平型電池は、長方形状のラミネート電池であることを特徴とする請求項１に記載の組電池。