(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状電池（１２）を厚み方向に複数積層した積層型電池（１１）の拘束構造であって、
前記積層型電池の正面と背面とにそれぞれ設けられ、前記積層型電池を内側に押圧する一対のエンドプレート（１３）と、
積層方向に延び、一対の前記エンドプレートのそれぞれに形成される挿通孔（１８）に挿通して設けられ、一対の前記エンドプレートを連結する締結部材（１５，１６）と、
前記積層方向に延び、少なくともいずれか一方の前記エンドプレートに一体に設けられ、前記挿通孔に挿通された前記締結部材の外周面の一部を支持する支持部材（１４，１４１，１４２）と、を含み、
一対の前記エンドプレートは前記締結部材の締め付けによって互いに接近して、前記締め付けによって前記エンドプレートが前記積層型電池を内側に押圧しており、
前記支持部材は、一対の前記エンドプレートの前記積層方向の内側にそれぞれ設けられ、
一方の前記支持部材は、前記挿通孔に挿通された前記締結部材の外周面の一部を支持し、
他方の前記支持部材は、一方の前記支持部材の外周面の一部を支持することを特徴とする積層型電池の拘束構造。
【請求項２】
少なくとも２本の前記締結部材が前記エンドプレートの連結に用いられ、
２本の前記締結部材は、前記積層方向に見て、前記積層型電池を挟むように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の積層型電池の拘束構造。
【請求項３】
前記エンドプレートにおいて前記挿通孔が形成されている部分は、前記積層型電池を押圧している押圧部分よりも内側に位置しており、
前記締結部材は、前記挿通孔に挿通して前記挿通孔の前記積層方向の外側に位置する部分が、前記押圧部分よりも前記積層方向の内側に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載の積層型電池の拘束構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板状の電池を積層して拘束する積層型電池の拘束構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電池モジュールでは、平板状の電池セルを積層して積層体を構成している。そして積層体内に中間プレートを設け、中間プレートと積層体を貫通する締結ボルトによって積層体を拘束している（たとえば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３０３４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述の特許文献１に記載の技術では、締結ボルトとともに円筒状のカラーが用いられている。カラーは、支柱として機能し、エンドプレートと中間プレートとが平行となるように支持している。
【０００５】
しかし電池セルは、大部分が電極であるので、ばね定数が大きく、電池セル内の部材のコンマミリ単位の公差やクリアランスまたは積層数の変更でも、積層体の厚さがばらつくので、一品一様のカラーの長さが必要である。また拘束された積層体の面圧を均一に保つ必要がある。
【０００６】
そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、積層型電池を均一に押圧しつつ、積層型電池の公差ばらつきを吸収可能な積層型電池の拘束構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
本発明は、積層方向に延び、一対のエンドプレートのそれぞれに形成される挿通孔（１８）に挿通して設けられ、一対のエンドプレートを連結する締結部材（１５，１６）と、積層方向に延び、少なくともいずれか一方のエンドプレートに一体に設けられ、挿通孔に挿通された締結部材の外周面の一部を支持する支持部材（１４，１４１，１４２）と、を含み、一対のエンドプレートは締結部材の締め付けによって互いに接近して、締め付けによってエンドプレートが積層型電池を内側に押圧しており、支持部材は、一対のエンドプレートの積層方向の内側にそれぞれ設けられ、一方の支持部材は、挿通孔に挿通された締結部材の外周面の一部を支持し、他方の支持部材は、一方の支持部材の外周面の一部を支持することを特徴とする積層型電池の拘束構造である。
【０００９】
このような本発明に従えば、積層方向に延びる支持部材が、積層方向に延びる締結部材の外周面の一部を支持する。これによって締結部材による内側への押圧を支持部材が邪魔することなく、エンドプレートの変形を支持部材が抑制することができる。したがって一対のエンドプレートの平行を締結部材および支持部材によって保つことができる。また支持部材は、締結部材の内側への押圧を邪魔しないので、締結部材は一対のエンドプレートを互いに接近させることによって積層型電池を均一に押圧することができる。したがって積層型電池の公差ばらつきを吸収しつつ、積層型電池を一対のエンドプレートによって均一に押圧することができる。
【００１０】
なお、前述の各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態の電池モジュール１０を示す平面図である。
【図２】電池モジュール１０を分解した状態を示す平面図である。
【図３】電池モジュール１０を拡大して示す平面図である。
【図４】締め付け状態を説明するための図である。
【図５】比較例の締め付け状態を説明するための図である。
【図６】拘束荷重と内部抵抗との関係を示すグラフである。
【図７】第２実施形態の電池モジュール１０Ａを示す平面図である。
【図８】電池モジュール１０Ａを分解した状態を示す平面図である。
【図９】第３実施形態の電池モジュール１０Ｂを分解した状態を示す平面図である。
【図１０】電池モジュール１０Ｂを拡大して示す平面図である。
【図１１】第４実施形態の電池モジュール１０Ｃを分解した状態を示す平面図である。
【図１２】電池モジュール１０Ｃを拡大して示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を、複数の形態について説明する。各実施形態で先行する実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付すか、または先行の参照符号に一文字追加し、重複する説明を略する場合がある。また各実施形態にて構成の一部を説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している実施形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。
【００１３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に関して、図１〜図６を用いて説明する。電池モジュール１０は、内部に積層型電池１１を有する。積層型電池１１は、平板状電池１２を複数積層して構成される。複数の電池モジュール１０は、互いに電気的に接続されて電池モジュール集合体を構成する。電池モジュール集合体は、例えば内燃機関と電池に充電された電力によって駆動されるモータとを組み合わせて走行駆動源とするハイブリッド自動車、モータを走行駆動源とする電気自動車等に用いられる。平板状電池１２は、例えばニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池および有機ラジカル電池である。
【００１４】
以下、電池セルが積層されている方向を積層方向Ｙと称する。積層方向Ｙに直交し、長方形状の電池セルの長辺に沿った方向を長さ方向Ｘと称する。また積層方向Ｙに直交し、長方形状の電池セルの短辺に沿った方向を幅方向Ｚと称する。
【００１５】
電池モジュール１０は、複数個の平板状電池１２の充電及び放電または温度調節に用いられる電子部品によって制御される。また、電池モジュール１０は、電気的に直列接続し、かつ積層設置された複数個の平板状電池１２を内部に収納している。電子部品は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ、送風部材を駆動するモータ、インバータによって制御される電子部品、各種の電子式制御装置等である。
【００１６】
平板状電池１２は、外装ケースが薄い平板状の形態をなす。外装ケースは、たとえば絶縁性を有するラミネートシートで構成されている。平板状電池１２は、２枚のラミネートシートの外縁部同士を熱融着して密閉された内部空間を有する。この内部空間には、図示は省略するが、電極積層体、電解質、端子接続部、正極端子部の一部、及び負極端子部の一部が内蔵されている。
【００１７】
正極端子部及び負極端子部の夫々の残部は、平板状電池１２の外装ケースから外部に突出している（図示せず）。外装ケースから露出する端子は、隣り合う平板状電池１２における異極の端子と接続される。したがって積層される複数の平板状電池１２は、直列に接続される。そして直列に接続された端子のうち両端の端子、すなわち積層型電池１１の両端に設置されたプラス端子およびマイナス端子は、電力が供給されたり、他の電気機器へ向けて放電されたりするために使用される。
【００１８】
次に、電池モジュール１０の保持構造について説明する。電池モジュール１０は、図１に示すように、一対のエンドプレート１３、カラー１４、ボルト１５およびナット１６を含んで構成される。
【００１９】
電池モジュール１０の外装は、一対のエンドプレート１３によって構成されている。一対のエンドプレート１３は、積層型電池１１の正面と背面とにそれぞれ設けられ、積層型電池１１を内側に押圧する。
【００２０】
エンドプレート１３は、四隅にＬ字状の４本の脚部１７を有している。脚部１７には、ボルト１５が挿通する挿通孔１８が形成されている。また図２の上方に位置するエンドプレート１３の挿通孔１８には、支持部材として機能するカラー１４が、エンドプレート１３に一体に設けられている。カラー１４は、図３に示すように、積層方向Ｙに延び、挿通孔１８に挿通されたボルト１５の外周面の一部を支持する。カラー１４は、ボルト１５の長さよりも短い。またカラー１４の下方の端部は、図３に示すように、一対のエンドプレート１３が積層型電池１１を挟んだ状態で、下方のエンドプレート１３の内側の面から離れた位置にある。したがってボルト１５を締め込んだとしても、カラー１４がボルト１５の締め付けを邪魔にすることはない。
【００２１】
ボルト１５およびナット１６は、締結部材であって、少なくとも２本、本実施形態では４本のボルト１５がエンドプレート１３の連結に用いられる。挿通孔１８は、積層方向Ｙに見て、エンドプレート１３の４隅に設けられる。したがって図１に示すように、幅方向Ｚに見て、長さ方向Ｘの両端部に挿通孔１８が位置している。そして積層型電池１１は、幅方向Ｚに見て、長さ方向Ｘの中央に配置されている。したがって四隅にあるボルト１５およびナット１６は、積層方向Ｙに見て、積層型電池１１を挟むように配置されている。
【００２２】
図１の下方の位置するエンドプレート１３の挿通孔１８には、ボルト１５が挿通孔１８に挿通された状態で、頭部１９がエンドプレート１３に溶接などによって固定されている。前述のように上方に位置するエンドプレート１３の挿通孔１８には、カラー１４が溶接などによって固定されている。
【００２３】
そしてカラー１４は、円筒状であって、内径はボルト１５の外径よりもやや大きい。したがって図３に示すように、カラー１４の内部をボルト１５は挿通可能である。そしてカラー１４の内部にボルト１５が挿通された状態では、ボルト１５のカラー１４の内部に挿通されている外周面の少なくとも一部がカラー１４の内周面で支持されている。カラー１４の長さは、前述のようにボルト１５よりも短いが、好ましくは一対のエンドプレート１３の挿通孔１８が形成されている部分の積層方向Ｙの間隔の半分以上に設定される。
【００２４】
またエンドプレート１３において挿通孔１８が形成されている部分は、積層型電池１１を押圧する押圧部分よりも内側に位置するように変形している。本実施形態では、挿通孔１８は、前述のようにＬ字状の脚部１７に設けられている。これによって挿通孔１８は、押圧部分の表面から積層方向Ｙの内側（中央側）にずれた位置に配置されている。これによってボルト１５は、挿通孔１８に挿通して挿通孔１８の積層方向Ｙの外側に位置する部分である頭部１９が、押圧部分よりも積層方向Ｙの内側に位置している。またナット１６も、図３に示すように、エンドプレート１３の押圧部分よりも積層方向Ｙの内側に位置している。
【００２５】
積層型電池１１を拘束するときは、まず、相対向する一対のエンドプレート１３の脚部１７同士の挿通孔１８にボルト１５を挿通する。そして図３に示すように、連結した状態で、ボルト１５とナット１６とを締め付けていくと、ボルト１５とナット１６の間隔が狭まり、積層型電池１１は１組のエンドプレート１３によって両側から挟み込まれる。さらにボルト１５とナット１６によって締め付けることにより互いに接近して、締め付けによってエンドプレート１３が積層型電池１１を内側に押圧している。これによって相対向する一対のエンドプレート１３の間の積層された平板状電池１２を押圧し、平板状電池１２の膨張を拘束している。積層型電池１１が一対のエンドプレート１３によって拘束されて、積層型電池１１の拘束構造が実現される。
【００２６】
以上説明したように本実施形態の積層型電池１１の拘束構造では、積層方向Ｙに延びるカラー１４が、積層方向Ｙに延びるボルト１５の外周面の一部を支持する。これによってボルト１５による内側への押圧をカラー１４が邪魔することなく、エンドプレート１３の変形をカラー１４が抑制することができる。またカラー１４を設けるこっとによってエンドプレート１３の面に対して、垂直方向に拘束圧をかけることができ、一対のエンドプレート１３の平行をボルト１５およびカラー１４によって保つことができる。カラー１４は、ボルト１５の内側への押圧を邪魔しないので、ボルト１５は一対のエンドプレート１３を互いに接近させることによって積層型電池１１を均一に押圧することができる。したがって積層型電池１１の公差ばらつきを吸収しつつ、積層型電池１１を一対のエンドプレート１３によって均一に押圧することができる。
【００２７】
図４に示すように、カラー１４によってボルト１５の変形が抑制されているので、一対のエンドプレート１３の平行を保つことができる。図５に示す比較例では、カラー１４を用いずボルト１５だけの場合にはボルト１５の締め付けによって、エンドプレート１３が変形した場合である。積層型電池１１を保持するボルト１５の軸上の支持がないため、エンドプレート１３が傾斜し、積層型電池１１を支点にエンドプレート１３に応力集中が発生する。これによって比較例のエンドプレートは、積層型電池１１の四隅を押圧することになり、積層型電池１１の表面を均一に押圧することができない。
【００２８】
図６にて拘束荷重と内部抵抗との関係を示すように、拘束荷重が低い低荷重域および拘束荷重が高い高荷重域のどちらであって、積層型電池１１の内部抵抗は高くなる。高荷重（過拘束）域では、電極間から電解液が染み出しＬｉイオン量が低下するので、内部抵抗増加する。また低荷重域では、電極間距離が遠くなり、発生したガスが電極間にたまるので、反応に寄与しない部分が発生し、内部抵抗が増加する。
【００２９】
しかし適正荷重域であると、内部抵抗は低くなる。適正荷重域であると、電極間距離が適正であり、電極間距離が遠すぎないので、電解液の染み出しによるＬｉイオン不足がない。そして発生したガスよる反応に寄与しない部分の発生がない。結果、適正荷重域であると、抵抗値が小さくなる。換言すると、拘束面圧にムラがあると、局所的に上記のような現象が発生する可能性があるので、理想的には、拘束面全体を均一に適正荷重で押圧することが電池性能を出す上では必要である。
【００３０】
そこで本実施形態のように、ボルト１５の締め付けによって均一に押圧しつつ、さらにボルト１５の締め付け量によって拘束荷重も調整することができるので、適正荷重域に調節することができる。これによって積層型電池１１を確実に拘束しつつ、積層型電池１１の能力を最大限ひきだすことができる。
【００３１】
このようにエンドプレート１３に直角に固定されたカラー１４と、締結するボルト１５が接触することで、エンドプレート１３の平行を維持し、積層型電池１１を均一に押圧する。その結果、エンドプレート１３の変形も抑制できる。
【００３２】
また本実施形態では、４本のボルト１５がエンドプレート１３の連結に用いられ、４本のボルト１５は、積層方向Ｙに見て、積層型電池１１を挟むように配置されている。このように積層型電池１１を貫通する位置ではなく、積層型電池１１を挟む、換言すると、積層型電池１１の外側にボルト１５が配置されている。このような配置の場合には、積層型電池１１の外周をボルト１５によって締め付けるので、エンドプレート１３が図５に示すように、湾曲するおそれがある。しかし本実施形態では、カラー１４がエンドプレート１３に固定されているので、カラー１４によってエンドプレート１３の湾曲を抑制することができる。
【００３３】
また積層型電池１１をボルト１５が貫通できない理由がある場合、ボルト１５を外周に配置する必要があるが、そのような場合であっても、ボルト１５によって好適に締め付けることができる。積層型電池１１をボルト１５が貫通できない場合は、たとえば電池が、電気的および気密構造的に独立するため、電池にボルト１５を貫通させることが困難な場合である。
【００３４】
さらに本実施形態では、エンドプレート１３において挿通孔１８が形成されている部分は、押圧部分よりも積層方向Ｙの内側に位置するように変形している。またボルト１５は、挿通孔１８に挿通して挿通孔１８の積層方向Ｙの外側に位置する部分が、エンドプレート１３の押圧部分よりも積層方向Ｙの内側に位置している。ボルト１５を取り付けることによって、エンドプレート１３の表面から外方にボルト１５の頭部１９やナット１６が突出することを防ぐことができる。換言すると、挿通孔１８が形成されている部分を、ボルト１５の頭部１９およびナット１６を収納する収納空間として用いることができる。これによって電池モジュール１０が大型化することを抑制することができる。また電池モジュール１０に、表面から部分的に突出する部分ができることを防ぐことができる。
【００３５】
換言すると、エンドプレート１３は、積層型電池１１の外周に沿って形成された凹または凸形状とを有し、両端にて積層型電池１１を保持する。これによってボルト１５およびナット１６からなる締結部を小型化し、積層型電池１１に沿った小型のケース形状にすることができる。
【００３６】
また本実施形態では、カラー１４は、エンドプレート１３の内側に設けられている。これによってカラー１４の収納空間を新たに形成することがないので、電池モジュール１０の大型化を抑制することができる。またカラー１４を内側に配置することによって、ボルト１５が変形しやすい中央部を支持することができるので、ボルト１５の変形をより確実に抑制することができる。
【００３７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に関して、図７および図８を用いて説明する。本実施形態では、エンドプレート１３Ａが平板状である点に特徴を有する。
【００３８】
図７および図８に示すように、エンドプレート１３Ａは平板状であり、挿通孔１８が形成される部分も平坦である。このようなエンドプレート１３Ａに、前述の第１実施形態と同様に、カラー１４およびボルト１５がそれぞれ固定されている。そして前述の第１実施形態と同様に組み付けて、ボルト１５を締結することによって、積層型電池１１を拘束することができる。またエンドプレート１３Ａが単純な構成であるので、製造コストを低減する。
【００３９】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に関して、図９および図１０を用いて説明する。本実施形態では、一対のエンドプレート１３Ｂの両方にカラー１４１，１４２が設けられている点に特徴を有する。
【００４０】
図９の上方に位置するエンドプレート１３Ｂのカラー１４１は、前述の第１実施形態と同様の構成である。図９の下方に位置するエンドプレート１３Ｂのカラー１４２は、円筒状であって、内径は上方のカラー１４１の外径よりもやや大きい。したがって図１０に示すように、下方のカラー１４２の内部を上方のカラー１４１は挿通可能である。そして下方のカラー１４２の内部に上方のカラー１４１が挿通された状態では、下方のカラー１４２の内部に挿通されている外周面の少なくとも一部が下方のカラー１４２の内周面で上方のカラー１４１が支持されている。下方のカラー１４２の長さは、上方のカラー１４１と同様にボルト１５よりも短いが、好ましくは一対のエンドプレート１３Ｂの挿通孔１８が形成される部分の積層方向Ｙの間隔の半分以上に設定される。
【００４１】
また本実施形態では、ボルト１５の頭部１９とエンドプレート１３Ｂとの間には、ボルト１５の回り止め２０が設けられている。回り止め２０によって、電池モジュール１０が振動などによって、ボルト１５が緩むことを防ぐことができる。
【００４２】
このように１つのカラー１４から、一方のカラー１４１と他方のカラー１４２のように増やすことによって、ボルト１５の変形をさらに防ぐことができる。また２つのカラー１４１，１４２の変形も抑制することができる。これによって締め付ける力が大きい場合であっても、エンドプレート１３Ｂの変形を抑制しつつ、エンドプレート１３Ｂの平行を保つことができる。
【００４３】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に関して、図１１および図１２を用いて説明する。本実施形態では、カラー１４Ｃがエンドプレート１３Ｃの外側に設けられている点に特徴を有する。
【００４４】
カラー１４Ｃは、エンドプレート１３Ｃの外側に固定されている。図１２に示すように、拘束状態では、ボルト１５がカラー１４Ｃの内部を挿通しているので、ボルト１５の長さは一対のエンドプレート１３Ｃの間とカラー１４Ｃとの合計の寸法よりも長くなるように設定される。
【００４５】
このように本実施形態では、カラー１４Ｃがエンドプレート１３Ｃの外側に設けられるが、カラー１４Ｃの内周面がボルト１５の外周面を支持するので、一対のエンドプレート１３Ｃの平行を維持することができる。
【００４６】
（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
【００４７】
上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。
【００４８】
前述の第１実施形態では、複数の電池セルは側面を互いに積層させて１列に並べて配置しているが、このような配列に限るものではない。電池セルの配列は、複数列であってもよい。
【００４９】
前述の第１実施形態では、電池モジュール１０は、車両に搭載されるが、車両に限るものではなく、他の移動手段、たとえば航空機および船舶などに搭載してもよい。また移動手段でなく、他の装置に搭載してもよい。
【００５０】
前述の第１実施形態では、ボルト１５は、４本用いられるが、４本に限るものではなく、２本以上であればよい。
【００５１】
前述の第１実施形態では、締結部材はボルト１５とナット１６によって実現されているが、このような構成に限るものではなく、たとえば一方のエンドプレート１３に雌ねじを有する穴を形成して締結部材を実現してもよい。
【００５２】
前述の第１実施形態では、カラー１４は円筒状であったが、円筒状に限るものではなく、ボルト１５の外周面を支持する形状であればよい。たとえば支持部材として、中実の柱を複数本、挿通孔１８の周囲に環状に配置してもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１０…電池モジュール              １１…積層型電池
１２…平板状電池                  １３…エンドプレート
１４…カラー（支持部材）          １５…ボルト（締結部材）
１６…ナット（締結部材）          １７…脚部
１８…挿通孔                      １９…頭部
２０…回り止め                    １４１…上方のカラー（支持部材）
１４２…下方のカラー（支持部材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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