JP7337117B2

JP7337117B2 - 蓄電モジュール

Info

Publication number: JP7337117B2
Application number: JP2021071964A
Authority: JP
Inventors: 裕也茂木
Original assignee: Prime Planet Energy and Solutions Inc
Current assignee: Prime Planet Energy and Solutions Inc
Priority date: 2021-04-21
Filing date: 2021-04-21
Publication date: 2023-09-01
Anticipated expiration: 2041-04-21
Also published as: JP2022166627A; KR20220145275A; US20220344755A1; KR102770140B1; EP4080657A1; CN115224431A; EP4080657B1; CN115224431B

Description

本技術は、蓄電モジュールおよびその製造方法に関する。

国際公開第２０１９／１３０９３６号（特許文献１）には、電池積層体を軸方向に拘束する拘束部材において、エンドプレートに当接させる係止ブロックを板状バーにスポット溶接することが開示されている。

国際公開第２０１９／１３０９３６号

特許文献１に記載の構造のように、スポット溶接を用いた場合、溶接部において応力集中が発生する場合がある。また、拘束部材の寸法精度により応力集中が発生しやすくなることもあり得る。

応力集中が生じにくい構造を採用することにより拘束部材の強度を高めることが求められる。他方、製造コストの増大を抑制することも求められる。従来の拘束部材は、これらの課題を必ずしも十分に解決し得るものではない。

本技術の目的は、強度が高く、かつ製造コストの増大が抑制された蓄電モジュールおよびその製造方法を提供することにある。

本技術に係る蓄電モジュールは、第１方向に沿って積層された複数の蓄電セルと、複数の蓄電セルの積層体の両端に設けられるエンドプレートと、エンドプレートおよび複数の蓄電セルを第１方向に拘束する拘束部材とを備える。拘束部材は、薄肉部と、厚肉部とを含み、薄肉部と厚肉部とが一体成形される。薄肉部と厚肉部との間の段差面が、第１方向からエンドプレートに当接する。

本技術に係る蓄電モジュールの製造方法は、複数の蓄電セルを第１方向に沿って積層する工程と、積層された複数の蓄電セルの両端にエンドプレートを設ける工程と、拘束部材を準備する工程と、エンドプレートおよび複数の蓄電セルを拘束部材によって第１方向に拘束する工程とを備える。拘束部材を準備する工程は、薄肉部と厚肉部とを一体成形し、薄肉部と厚肉部との間に段差面を形成することを含む。薄肉部と厚肉部との間の段差面が、第１方向からエンドプレートに当接する。

本技術によれば、強度が高く、かつ製造コストの増大が抑制された蓄電モジュールおよびその製造方法を提供することができる。

組電池の基本的構成を示す図である。図１に示す組電池における電池セルおよびエンドプレートを示す図である。図１に示す組電池における電池セルを示す図である。図１に示す組電池における拘束部材を内面側から見た状態を示す図である。図４に示す拘束部材をエンドプレートに取り付けた状態を示す図である。拘束部材の製造方法の一例を示すフロー図である。母材の準備工程を示す図である。熱間プレス工程を示す図（その１）である。熱間プレス工程を示す図（その２）である。熱間プレス工程を示す図（その３）である。エンドプレート当接面の形成（切削加工）工程を示す図である。切削加工後のエンドプレート当接面の周辺を示す図である。薄肉部と厚肉部とが一体成形された拘束部材を示す斜視図である。拘束部材の製造方法の変形例を示すフロー図である。冷間鍛造による段差形成工程を示す図である。拘束部材の製造方法の他の変形例を示すフロー図である。母材の押出成形工程を示す図である。押出材のカット工程を示す図である。エンドプレート当接面の形成（切削加工）工程を示す図である。薄肉部と厚肉部とが一体成形された拘束部材を示す斜視図である。薄肉部と厚肉部との段差部周辺の構造の一例を示す図である。薄肉部と厚肉部との段差部周辺の構造の他の例を示す図である。参考例に係る拘束部材の構造を示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。本明細書において、「電極」は正極および負極を総称し得る。また、「電極板」は正極板および負極板を総称し得る。

本明細書において、「蓄電装置」、「蓄電セル」ないし「蓄電モジュール」なる用語が用いられる場合、「蓄電装置」、「蓄電セル」ないし「蓄電モジュール」は、電池、電池セルないし電池モジュールに限定されず、キャパシタセルないしキャパシタモジュールを含み得る。

図１は、組電池１の基本的構成を示す図である。図２は、組電池１に含まれる電池セル１００とエンドプレート２００とを示す図である。図３は、組電池１における電池セル１００を示す図である。

図１，図２に示すように、「蓄電モジュール」の一例としての組電池１は、電池セル１００と、エンドプレート２００と、拘束部材３００とを備える。

複数の電池セル１００は、Ｙ軸方向（第１方向）に並ぶように設けられる。電池セル１００は、電極端子１１０を含む。複数の電池セル１００の間には、図示しないセパレータが介装されている。２つのエンドプレート２００に挟持された複数の電池セル１００は、エンドプレート２００によって押圧され、２つのエンドプレート２００の間で拘束されている。

エンドプレート２００は、Ｙ軸方向において組電池１の両端に配置されている。エンドプレート２００は、組電池１を収納するケースなどの基台に固定される。エンドプレート２００のＸ軸方向の両端には、段差部２１０が形成される。段差部２１０は、Ｚ軸方向に延びるように形成される。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向は、互いに直交する。

エンドプレート２００は、たとえばアルミニウムまたは鋳鉄からなる。エンドプレート２００を構成する素材は、これらに限定されない。

拘束部材３００は、２つのエンドプレート２００を互いに接続する。拘束部材３００は、２つのエンドプレート２００に各々形成された段差部２１０に取り付けられる。

複数の電池セル１００およびエンドプレート２００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３００を段差部２１０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２００を接続する拘束部材３００に引張力が働く。その反作用として、拘束部材３００は、２つのエンドプレート２００を互いに近づける方向に押圧する。

拘束部材３００は、たとえばアルミニウム、鉄またはステンレスからなる。拘束部材３００を構成する素材は、これらに限定されない。

図３に示すように、電池セル１００は、平坦面状の直方体形状に形成されている。電極端子１１０は、正極端子１１１と、負極端子１１２とを含む。正極端子１１１と負極端子１１２とは、Ｘ軸方向に並ぶ。電極端子１１０は、角型の筐体１２０の上面に設けられている。筐体１２０には、図示しない電極体および電解液が収容されている。

組電池１を製造する際は、まず、複数の電池セル１００をＹ軸方向に沿って積層する。次に、積層された複数の電池セル１００の両端にエンドプレート２００が設けられる。そして、複数の電池セル１００およびエンドプレート２００が、拘束部材３００によってＹ軸方向に拘束される。

図４は、拘束部材３００を内面側から見た状態を示す図である。図５は、拘束部材３００をエンドプレート２００に取り付けた状態を示す図である。

図４，図５に示すように、拘束部材３００は、薄肉部３１０と、厚肉部３２０とを含む。薄肉部３１０と厚肉部３２０とは一体成形されている。薄肉部３１０と厚肉部３２０との間には、段差面３３０が形成されている。段差面３３０は、Ｙ軸方向からエンドプレート２００に当接する。厚肉部３２０は、孔部３２１を有する。孔部３２１にボルト（固定部材）が挿通される。ボルトは、エンドプレート２００に螺合され、これにより、拘束部材３００がエンドプレート２００に固定される。

拘束部材３００は、電池セル１００の筐体１２０の側面から電池セル１００の上面および底面に回り込むフランジ部３４０を有する。フランジ部３４０は、電池セル１００の筐体１２０の上面および底面に対向する。拘束部材３００の長さ方向（Ｙ軸方向）の全体にわたってフランジ部３４０が形成されることにより、拘束部材３００の剛性および強度が向上する。

本実施の形態に係る拘束部材３００を準備する工程は、薄肉部３１０と厚肉部３２０とを一体成形し、薄肉部３１０と厚肉部３２０との間に段差面３３０を形成することを含む。この工程の一例について、図６～図１３を用いて説明する。

図６は、拘束部材３００の製造方法の一例を示すフロー図である。図６に示すように、拘束部材３００を製造する方法は、母材（厚板）を準備する工程（Ｓ１１０）と、厚板を加熱する工程（Ｓ１２０）と、熱間加工により段差部およびフランジ部を形成する工程（Ｓ１３０）と、エンドプレート２００の当接面に切削加工を施す工程（Ｓ１４０）とを含む。熱間加工する工程（Ｓ１３０）は、熱間差厚プレスにより段差を形成すること（Ｓ１３１）と、フランジ部を形成すること（Ｓ１３２）とを含む。ここで、段差部の形成（Ｓ１３１）とフランジ部の形成（Ｓ１３２）とは同時に行われる。

図７に示すように、母材１０が準備され（Ｓ１１０）、母材１０は加熱される（Ｓ１２０）。次に、図８～図１０に示すように、金型２０Ａを用いて熱間プレス加工（Ｓ１３０）が施される。図８～図１０は、同時に実施される工程を示すものである。図８～図１０に示す熱間プレス工程により、薄肉部２１、厚肉部２２、段差部２３、およびフランジ部２４を有する部材２０が形成される。焼き入れは、ダイクエンチ工法により行ってもよいし、液冷方式により行ってもよい。

続いて、図１１に示すように、切削工具３０Ａを用いて段差部２３に切削加工が施される（Ｓ１４０）。これにより、図１２に示すように、薄肉部３１０と厚肉部３２０との間に段差面３３０が形成された拘束部材３００が形成される。

以上の工程を経て、図１３に示すように、薄肉部３１０、厚肉部３２０、およびフランジ部３４０が一体成形された拘束部材３００が形成される。上記の例によれば、熱間加工により薄肉部３１０、厚肉部３２０、およびフランジ部３４０を形成するため、高精度な加工が可能となる。また、段差部に切削加工を施して形成された段差面３３０をエンドプレート２００との当接面とすることにより、寸法精度の高い当接面が得られる。また、加工硬化により強度を向上させることもできる。以上の結果として、応力の不均一が抑制された、強度ないし疲労強度の高い拘束部材３００を得ることが可能となる。

図１４は、拘束部材３００の製造方法の変形例を示すフロー図である。図１４に示す変形例に係る方法は、母材（厚板）を準備する工程（Ｓ２１０）と、冷間鍛造により厚板に段差部を形成する工程（Ｓ２２０）と、熱間加工により段差部の形状を固定化および高精度化するとともにフランジ部を形成する工程（Ｓ２３０）と、エンドプレート２００の当接面に切削加工を施す工程（Ｓ２４０）とを含む。熱間加工する工程（Ｓ２３０）は、段差部の形状を固定化および高精度化すること（Ｓ２３１）と、フランジ部を形成すること（Ｓ２３２）とを含む。段差部の形状の固定化および高精度化（Ｓ２３１）とフランジ部の形成（Ｓ２３２）とは同時に行われる。

図１５は、冷間鍛造による段差形成工程（Ｓ２２０）を示す図である。図１５に示すように、準備された母材１０に対して治具１０Ａを用いた鍛造加工を施すことにより、薄肉部２１、厚肉部２２、および段差部２３を有する部材２０が形成される。その後、熱間加工工程（Ｓ２３０）および切削加工工程（Ｓ２４０）を経て、薄肉部３１０、厚肉部３２０、およびフランジ部３４０が一体成形された拘束部材３００が形成される。

図１６は、拘束部材３００の製造方法の他の変形例を示すフロー図である。図１６に示す変形例に係る方法は、段差部を有する母材を押出成形する工程（Ｓ３１０）と、押出材をカットする工程（Ｓ３２０）と、エンドプレート２００の当接面に切削加工を施す工程（Ｓ３３０）とを含む。

図１７に示すように、薄肉部４１、厚肉部４２、および段差部４３を有する母材４０が押出成形される（Ｓ３１０）。図１８に示すように、切断線４４において母材４０（押出材）がカットされる（Ｓ３２０）。続いて、図１９に示すように、切削工具４０Ａを用いて段差部４３に切削加工が施される（Ｓ３３０）。これにより、図２０に示すように、薄肉部３１０と厚肉部３２０との間に段差面３３０が形成された拘束部材３００が形成される。

次に、図２１，図２２を用いて、薄肉部３１０と厚肉部３２０との段差部周辺の寸法関係について説明する。図２１は、薄肉部３１０の厚み（Ａ）に対する段差面３３０の厚み（Ｂ）が比較的大きい構造を示し、図２２は、薄肉部３１０の厚み（Ａ）に対する段差面３３０の厚み（Ｂ）が比較的小さい構造を示す。

段差面３３０の厚み（Ｂ）の決定には、エンドプレート２００および拘束部材３００の面圧が影響する。

たとえばアルミニウムなどの柔らかい（ヤング率が小さい）素材からエンドプレート２００が構成される場合、エンドプレート２００の面圧が大きくなるとエンドプレート２００（アルミニウム）が座屈するため、段差面３３０の厚みを比較的厚く設定しておく必要が生じる。たとえば、鋳鉄などの硬い（ヤング率が大きい）素材からエンドプレート２００が構成される場合、エンドプレート２００の面圧が大きくなってもエンドプレート２００（鋳鉄）が座屈しにくいため、段差面３３０の厚みを比較的薄く設定することができる。

たとえばアルミニウムなどの柔らかい（ヤング率が小さい）素材から拘束部材３００が構成される場合、拘束部材３００の面圧が大きくなると拘束部材３００（アルミニウム）が座屈するため、段差面３３０の厚みを比較的厚く設定しておく必要が生じる。たとえば、鉄などの硬い（ヤング率が大きい）素材から拘束部材３００が構成される場合、拘束部材３００の面圧が大きくなっても拘束部材３００（鉄）が座屈しにくいため、段差面３３０の厚みを比較的薄く設定することができる。

エンドプレート２００および拘束部材３００の少なくとも一方がアルミニウムなどの比較的柔らかい素材から構成される場合、薄肉部３１０の厚み（Ａ）に対する段差面３３０の厚み（Ｂ）の比を１よりも大きくすることが好ましい。すなわち段差面３３０の厚み（Ｂ）を薄肉部３１０の厚み（Ａ）よりも大きくすることが好ましい。より好ましくは、段差面３３０の厚み（Ｂ）を薄肉部３１０の厚み（Ａ）の３倍以上程度とする。

エンドプレート２００および拘束部材３００の両方が鋳鉄や鉄などの比較的硬い素材から構成される場合、薄肉部３１０の厚み（Ａ）に対する段差面３３０の厚み（Ｂ）の比を１以下程度にすることが好ましい。すなわち段差面３３０の厚み（Ｂ）を薄肉部３１０の厚み（Ａ）以下程度とすることが好ましい。

ただし、薄肉部３１０の厚み（Ａ）に対する段差面３３０の厚み（Ｂ）の比は、上記の範囲に限定されない。

一例として、Ｙ軸方向に沿う厚肉部３２０の幅（Ｃ）は、７．５ｍｍ以上１５．０ｍｍ以下程度である。ただし、厚肉部３２０の幅（Ｃ）は、上記の範囲に限定されない。

一例として、エンドプレート２００の厚み（Ｄ）は、２０ｍｍ以上２５ｍｍ以下程度である。ただし、エンドプレート２００の厚み（Ｄ）は、上記の範囲に限定されない。

図２３は、参考例に係る拘束部材３００Ａの構造を示す図である。図２３に示すように、拘束部材３００Ａは、第１部材３１０Ａ（本体部材）と第２部材３２０Ａ（コンタクトプレート）とを含む。第１部材３１０Ａの内面に第２部材３２０Ａが取付けられる。第２部材３２０Ａは、第１部材３１０Ａとスポット溶接により接合される。

第２部材３２０ＡのＹ軸方向の端面は、段差面３３０Ａを構成する。段差面３３０Ａは、積層方向（Ｙ軸方向）からエンドプレート２００に当接する。

第１部材３１０Ａは、電池セル１００の筐体１２０の側面から電池セル１００の上面および底面に回り込むフランジ部３４０Ａを有する。

第１部材３１０Ａおよび第２部材３２０Ａには、孔部３２１Ａが設けられている。孔部３２１Ａにボルト（固定部材）が挿通される。ボルトは、エンドプレート２００に螺合され、これにより、拘束部材３００がエンドプレート２００に固定される。また、第１部材３１０Ａと第２部材３２０Ａとは、縦方向（Ｚ軸方向）に並ぶ複数（図２３の例では４つ）のスポット溶接部３２２Ａにより固定されている。

図２３に示す参考例においては、第１部材３１０Ａと第２部材３２０Ａとの二部材から拘束部材３００を形成しているため、部品点数が増大するとともに、第１部材３１０Ａと第２部材３２０Ａとのスポット溶接などの工程が必要とされる。これにより、拘束部材３００Ａの加工コストが増大し得る。図２３に示す参考例においては、スポット溶接部３２２Ａにおいて応力集中が生じやすい。これに対し、本実施の形態に係る拘束部材３００は、薄肉部３１０と厚肉部３２０とを一体成形したものであるため、部品点数や製作工数の増大が抑制される。また、参考例のスポット溶接部３２２Ａのような応力集中部が生じることを抑制することができる。

以上のとおり、本実施の形態によれば、強度の高い拘束部材を低コストで形成することが可能となる。本技術の発明者は、図４，図５に示す拘束部材３００と、図２３に示す拘束部材３００Ａとに同じ反力を作用させた場合に生じる応力分布をシミュレーション解析により測定した結果、本実施の形態に係る拘束部材３００においては、参考例に係る拘束部材３００Ａに対して最大応力の値が半分程度にまで低減されることを確認している。ただし、本技術の範囲は、これと同程度の効果を奏するものに限定されない。

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。

１組電池、１０母材、１０Ａ治具、２０部材、２０Ａ金型、２１薄肉部、２２厚肉部、２３段差部、２４フランジ部、３０Ａ切削工具、４０母材、４０Ａ切削工具、４１薄肉部、４２厚肉部、４３段差部、４４切断線、１００電池セル、１１０電極端子、１１１正極端子、１１２負極端子、１２０筐体、２００エンドプレート、２１０段差部、３００，３００Ａ拘束部材、３１０薄肉部、３１０Ａ第１部材、３２０厚肉部、３２０Ａ第２部材、３２１孔部、３２１Ａ孔部、３２２Ａスポット溶接部、３３０，３３０Ａ段差面、３４０，３４０Ａフランジ部。

Claims

電極端子と、前記電極端子が設けられる上面および前記上面に対向する底面を有する筐体とを各々含み、第１方向に沿って積層された複数の蓄電セルと、
前記複数の蓄電セルの積層体の両端に設けられるエンドプレートと、
前記エンドプレートおよび前記複数の蓄電セルを前記第１方向に拘束する拘束部材とを備え、
前記拘束部材は、薄肉部と、厚肉部と、前記薄肉部および前記厚肉部の間にある段差部とを含み、前記薄肉部と前記厚肉部と前記段差部とが一体成形され、
前記段差部に形成された段差面が、前記第１方向から前記エンドプレートに当接し、
前記複数の蓄電セルの前記筐体の前記上面および前記底面に対向し、前記エンドプレートに当接しないフランジ部が前記拘束部材に形成され、
前記段差部は、前記フランジ部に達するように設けられる、蓄電モジュール。
前記エンドプレートは、アルミニウムまたは鋳鉄からなる、請求項１に記載の蓄電モジュール。
前記拘束部材は、アルミニウム、鉄またはステンレスからなる、請求項１または請求項２に記載の蓄電モジュール。