JP2006099997A - 組電池、組電池群及び電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】構成する単電池の高さ方向のバラツキを排除できると共に、単電池を確実に固定でき組立作業性を向上させることができる組電池を提供する。
【解決手段】組電池２は、４個の単電池１と、単電池１の一側端部に嵌合される樹脂製のホルダＡ４と、単電池１の他側端部に嵌合される樹脂製のホルダＢ５と、ホルダＡ４とホルダＢ５との間隔を画定するホルダ支柱１５とを有している。ホルダＡ４及びホルダＢ５間の間隔はホルダ支柱１５の長さで画定されており、その間隔は、単電池１の製造上のバラツキ及び充放電による温度変化による単電池１の膨張等を許容し得ると共に、組電池２のコンパクト化を図るため最小の間隔に設定されている。
【選択図】図５

Description

本発明は組電池、組電池群及び電池モジュールに係り、特に、複数の単電池の上端部及び下端部にそれぞれ嵌合する電池ホルダを備えた組電池、該組電池を複数個備えた組電池群、並びに、該組電池群が複数個電気的に接続された電池モジュールに関する。

電気自動車用の電池には、例えば、リチウム酸化物等を主要構成材料とした高性能電池が用いられている。このようなリチウム二次電池（単電池）は使用時の個々の電池電圧を常に検出している必要があり組立て作業が煩雑である。また、使用時の発熱量が比較的大きく、かつ、電池性能の温度依存性もあるため、電池の冷却性と組立性とを高める必要がある。

このため、単電池を円筒状に形成し、この単電池を熱伝導率の高い材料からなる２枚のプレートで上下方向から挟み込み、該プレートを介して車体に固定することによって上下プレート間に通風路を形成し、単電池の中空部とプレート間の通風路に冷却風が流通し得るようにした組電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記組電池では上下２枚のプレート間に通風路を形成するため、通風路が狭く熱がこもり易く、前後に単電池を配置した場合にはそれぞれの単電池に冷却ムラを生じてしまう。また、単電池が上下２枚のプレート間で軸方向にずれ易く、これを防止するために、緩衝剤を介して単電池を挟むことで通風路が更に狭くなり、冷却性が悪化してしまう。更に、緩衝材を挟み込み固定しているため、組電池の組立作業性が低下し、取り扱いも困難であった。

このため、本発明者らは複数の単電池の上端部及び下端部にそれぞれ嵌合する電池ホルダを備えた組電池を用いて、冷却性に優れ、組立作業性を向上させた電池モジュールを提案している（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−４７８９２号公報 特開２００２−０４５５０４号公報

しかしながら、単電池に嵌合する電池ホルダを備えた組電池を多数個用いて電池モジュールを構成する場合には、組電池を構成する各単電池の高さ（長さ）方向の製造上のバラツキに起因して、また、単電池の充放電による発熱により単電池自体の高さ方向の寸法の変動に起因して、組電池の外寸に変動が生ずるため、電池モジュールとして構成したときに、アローワンスを考慮しなければならず、電池モジュールの体積密度を高める上で障害の一つとなっていた。

本発明は上記事案に鑑み、構成する単電池の高さ方向のバラツキを排除できると共に、単電池を確実に固定でき組立作業性を向上させることができる組電池、該組電池を複数個備えた組電池群、単電池の冷却性に優れた電池モジュールを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、複数の単電池の上端部及び下端部にそれぞれ嵌合する電池ホルダを備えた組電池であって、前記電池ホルダは、前記上端部に嵌合されるホルダＡと、前記下端部に嵌合されるホルダＢと、前記ホルダＡ及びホルダＢ間の間隔を画定する支柱とを有し、前記ホルダＡ及びホルダＢ間の間隔は嵌合される前記単電池の高さのバラツキを許容する一定間隔であることを特徴とする。

第１の態様では、組電池が複数の単電池の上端部及び下端部にそれぞれ嵌合する電池ホルダを備えており、電池ホルダは、ホルダＡ、ホルダＢ及び支柱の３部品を有している。ホルダＡ及びホルダＢ間の間隔は嵌合される単電池の高さのバラツキを許容する一定間隔であるため、ホルダＡ、Ｂ間の外寸は、単電池の高さで画定されるのではなく、支柱によって画定されている。一般に、単電池の高さにバラツキがあると、組電池の外寸がばらばらになってしまい安定した品質のものとは云えなくなってしまうが、本態様では、支柱による規制によって単電池の高さのバラツキが許容され、単電池高さに関係なく組電池の高さ方向の外寸を一定にすることができる。

第１の態様において、支柱のみで単電池の高さを規制する場合には、単電池を上下端部から挟み込む方式ではないため、単電池自身の遊動があるが、ホルダＡ及びホルダＢの少なくとも一方が、単電池との嵌合部分において、単電池との嵌合により圧接される複数の第１の突起を有していれば、単電池をホルダＡ、Ｂの少なくとも一方を第１の突起に押し当て、第１の突起を変形させながら嵌合させることで、単電池の遊動のない固定が可能となる。このとき、第１の突起が単電池との嵌合方向に延出したリブ状であれば、最初の挿入に違和感がなく、かつ、単電池との接触も均一な状態が得られ、より安定した単電池の固定が可能となる。また、ホルダＡ及びホルダＢの少なくとも一方が、単電池との嵌合部分において、第１の突起間に接着剤が充填されていれば、異種材である単電池とホルダとの固定面が増加し、振動を吸収する緩衝材にもなり、長期間の固定を確保できると共に、第１の突起間に接着剤を流すことによって、第１の突起自体が接着剤を保持するガイドとなり充填作業がし易くなる。

また、組電池の外寸を画定する支柱を別部品として扱うと、ホルダＡ、Ｂへの接続が必要となり、接続箇所が増えるたび寸法誤差が大きくなってしまうため、支柱がホルダＡ及びホルダＢのいずれか一方に一体成形されており、該支柱の先端にホルダＡ及びホルダＢのいずれか他方が固定されていれば、接続箇所が少なくなり寸法誤差が減少すると共に、作業工数が削減され低コストの組電池とすることができる。更に、組電池を構成する単電池が電気的に直列接続されていながら配置が並列構造を採る場合にはコンパクトな構造となるが、ホルダＡ及びホルダＢの固定時に電気的接続が異なると単電池同士が短絡する可能性があるため、ホルダＡ及びホルダＢの固定部にそれぞれ嵌合位置を定めるキー及びキー溝が形成されていれば、ホルダＡ及びホルダＢの誤った位置での固定、すなわち、単電池の短絡を防止することができ安全性が向上する。

また、第１の態様において、ホルダＡ及びホルダＢのいずれか一方の一側面両隅にそれぞれ正・負出力端子部を有していれば、一方のホルダ両隅に正・負出力端子部が集約されているため、出力端子を接続する際、同一面にあるため、ワークを動かしたり作業者が移動したりする必要がなく、組立（接続）作業性を向上させることができる。このとき、複数の金属箔が電気絶縁性の樹脂シートで被覆され金属箔の端部にコネクタが配された配線シートが、正・負極出力端子部を有するホルダに固定されていれば、電気的に絶縁されパターン回路化された配線シートにより各単電池の電圧は一箇所に集められ、配線作業がネジ類を使わずに嵌合するコネクタの挿入のみで行えるため、組立作業性を著しく向上させることができる。

更に、第１の態様において、正・負極性が交互になるように４個の単電池が正方直交配置されていれば、各単電池は電気的に直列接続されていながら配置が並列構造となり、よりコンパクトな構造とすることができ、該単電池間を電気的に接続する金属ブスバのプロジェクションがホルダＡ及びホルダＢの中心から対角線上の位置に配置されていれば、組電池を回転させることで、ワークの移動距離とそれに要する時間が最短となって金属ブスバ（のプロジェクション）と単電池との接続を容易に行うことができる。このとき、ホルダＡ及びホルダＢは金属ブスバが配置される箇所に第２の突起を有し、金属ブスバと配線シートの末端部とに第２の突起の形状に対応した穴が形成されていれば、ホルダＡ及びホルダＢに予め金属ブスバと配線シートとを固定することで、作業性を向上させることができると共に、熱溶融を利用した接続が可能となる。すなわち、機械的な固定と同時に電気的な接続が可能となるため、工数が削減されより低コストで組電池の組立が可能となる。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様の組電池を複数個備えた組電池群であって、前記複数の組電池は、断面形状が略ｈ字状で平行に配置された２つの枠間に配設固定されており、該組電池同士が電気的に直列接続されていることを特徴とする。複数の組電池を配設固定する場合に、一般に箱型の容器に収容する場合が多いが、単に固定するだけにしては重量が大きくなり体積もかさ張ってしまう。そこで、複数個の組電池を配設固定するだけであれば、平坦な固定面を有し断面係数の高い枠状のものでこと足りる。本態様では、組電池を配設固定する２つの枠の断面形状を略ｈ字状とし、平坦かつ断面係数の高い枠としたので、組電池群全体の重量を減少させることができると共に、２つの枠を平行にしてそれぞれホルダＡ及びホルダＢと固定するため、組電池を構成する単電池の寸法バラツキに対しても有効に機能させることができ、更に、組電池同士が電気的に直列接続されているため、１個の電源ユニットとして使用することができる。

更に、本発明の第３の態様は、第２の態様の組電池群が複数個電気的に接続された電池モジュールであって、前記電池モジュールは、前記組電池群を配設固定するための下蓋と、該下蓋の上部を覆う上蓋とを有する外装ケースを備え、該外装ケースは前記上蓋と下蓋とが接合されて密閉されていると共に、前記組電池を冷却する冷却風を導入、排出するためのダクトを前記外装ケースの側面部及び底面部に備えていることを特徴とする。第３の態様では、ダクトを備えているため冷却風で組電池を冷却することができると共に、ダクトが外装ケースと一体となっているため、組立時における部品数を減らすことができ組立工数を削減することができ、下蓋に組電池群を複数個配設した後に、例えば、金属ブスバもしくはケーブル線を用いて電気的に直列に接続し、その上方から上蓋を配置して下蓋と接合することで、組立作業が上方からの作業だけで行えるため組立作業性を向上させることができる。

第３の態様において、一般に、冷却風を流通させて単電池を冷却する場合に、冷却風の温度は導入側から順次熱交換されて行き、排出側では高温となり、冷却風の導入側と排出側とに均等な大きさの通風孔を形成しただけでは冷却風の温度が場所によって異なり単電池を均等に冷却することができない。本態様では、ダクトに、配設された組電池群毎に単電池間に相当する箇所に通風孔が形成されており、通風孔の面積を冷却風の導入側が排出側より大きくして、導入側と排出側との通風孔の穴面積を変化させ、高温になっている場所の通風孔を絞り、流速を上げて熱伝達を向上させることで、略均等な熱交換が可能となり、単電池間の温度を一定に保つことができる。このとき、冷却風には、例えば、フィルタ等で除去できなかった水分や埃が含まれるため、外装ケース内は、組電池群が収容された電池室のみであり、下蓋の外側面部に制御基板を収容した制御室が配置されているようにすれば、水分や埃等を制御基板に流通させることを防止し安定した動作を確保することできると共に、制御基板又は制御基板を構成する電子部品の取り付けや交換を行う際に、電池室とは別個の制御室にアクセスすることで作業性の向上を図ることができる。

本発明の第１の態様によれば、ホルダＡ及びホルダＢ間の間隔は嵌合される単電池の高さのバラツキを許容する一定間隔であり、組電池のホルダＡ、Ｂ間の外寸は支柱によって画定されているので、単電池の高さのバラツキが許容され、単電池高さに関係なく組電池の高さ方向の外寸を一定にすることができ、第２の態様によれば、組電池を配設固定する２つの枠の断面形状を略ｈ字状とし、平坦かつ断面係数の高い枠としたので、組電池群全体の重量を減少させることができると共に、２つの枠を平行にしてそれぞれのホルダと固定するため、組電池を構成する単電池の寸法バラツキに対しても有効に機能させることができ、第３の態様によれば、ダクトを備えているため冷却風で組電池を冷却することができると共に、ダクトが外装ケースと一体となっているため、組立時における部品数を減らすことができ組立工数を削減することができ、下蓋に組電池群を複数個配設した後に電気的に直列に接続し、その上方から上蓋を配置して下蓋と接合することで、組立作業が上方からの作業だけで行えるため組立作業性を向上させることができる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明を電気自動車用の電池モジュールに適用した実施の形態について説明する。

（構成）
図１及び図１５に示すように、本実施形態の電池モジュール３は、複数個の組電池群２０が配設固定された下蓋２８と、この下蓋２８の上部を覆う断面略コ字状の上蓋３２とを有する外装ケースを備えている。各組電池群２０は６個の組電池２で構成されている。上蓋３２と下蓋２８とはネジ４４（図１６参照）で接合されて密閉されており、外装ケース内は組電池群２０が収容された電池室を構成している。また、下蓋２８の外側面部には、制御基板３９を収容した制御室としての制御ボックス４０が取り付けられている。

＜組電池＞
図２〜図４に示すように、組電池２は、熱伝導性の高いケーシングで被覆された高性能の４個の円柱状二次電池（以下、単電池という。）１と、単電池１の一側端部（上端部）に嵌合される樹脂製のホルダＡ４と、単電池１の他側端部（下端部）に嵌合される樹脂製のホルダＢ５と、ホルダＡ４とホルダＢ５との間隔を画定するホルダ支柱１５とを有している。ホルダＡ４及びホルダＢ５間の間隔はホルダ支柱１５の長さで画定されており、その間隔は、単電池１の製造上のバラツキ及び充放電による温度変化による単電池１の膨張等を許容し得ると共に、組電池２のコンパクト化を図るため最小の間隔に設定されている。

ホルダＡ４及びホルダＢ５には、それぞれ単電池１を把持するための４つの円筒状孔が形成されている。組電池２は、ホルダＡ４とホルダＢ５とに形成された円筒状孔で４個の単電池１を、隣接する単電池１間で左右（ないし上下）逆方向に挟み込むことで、正・負極性が交互となるように縦２列横２列の正方直交状に配置されており、これら４個の単電池１は組電池１内で電気的に直列に接続されている。組電池２０を構成する各単電池１には、例えば、円筒状で負極側となる有底電池缶内に、マンガン酸リチウム等を主要構成材料とした正極と炭素材を主要構成材料とした負極とをセパレータを介して捲回した捲回群を内蔵し、円柱状の外形形状を有したリチウム二次電池を用いることができる。

図３に示すように、ホルダＡ４には、単電池１間を電気的に接続する金属ブスバ７が２つ、ホルダＡ４側の単電池１の電圧を検出するために、薄い金属箔を所定の形状に打ち抜いた電圧検出プレート８が２つ固定されている。すなわち、ホルダＡ４の外側（単電池１の嵌合側との反対側）には円柱状の突起９が２個突設されており、金属ブスバ７及び電圧検出プレート８には突起９に対応した丸穴１０が形成されている。突起９に金属ブスバ７、電圧検出プレート８の順で配設され、電圧検出プレート８の丸穴１０に予め塗布された低融点ハンダ及び突起９を溶融することで、金属ブスバ７と電圧検出プレート８との電気的接続、並びに、突起９（ホルダＡ）への金属ブスバ７及び電圧検出プレート８との機械的接続（固定）がなされている。

図３、４に示すように、ホルダＢ５の外側には、円柱状の突起９が３個突設されている。この突起９のうち２つには、それぞれ、丸穴１０が形成された組電池２の正極出力端子１１、負極出力端子１２と、丸穴１０が形成された配線シート６の末端部とが配設され、配線シート６の末端部の丸穴１０に予め塗布された低融点ハンダ及び突起９を溶融することで、ボルダＢ５の外側（一側面）両隅に正極出力端子１１及び負極出力端子１２（正・負出力端子部）が固定されている。残りの突起９には、金属ブスバ７、配線シート６の末端部の順で配設され、配線シート６の末端部の丸穴１０に予め塗布された低融点ハンダ及び突起９を溶融することで、ホルダＢへの電気的接続、並びに、機械的接続がなされている。

配線シート６には複数の金属箔がプリント配線されている。金属箔には、例えば、銅箔やアルミニウム箔を用いることができる。金属箔は電気絶縁性の樹脂シートで被覆されており、金属箔の末端部には、上述したように、突起９の形状に対応した丸穴１０が形成されており、この丸穴１０に予め低融点ハンダが塗布されている。金属箔の他端部は配線シートコネクタ２５に接続されている。従って、配線シートコネクタ２５は金属箔との接続により配線シート６に固定されており、配線シート６は金属箔の末端部が突起９に固定されると共に中央部がネジ止めされる（図６参照）ことでホルダＢ５に固定されている。

ホルダＡ４及びホルダＢ５の単電池１との嵌合部には、単電池１との嵌合により圧接される複数の板状リブ１４が一体成形されており、各板状リブ１４は単電池１との嵌合方向に延出されている。これらの板状リブ１４間には接着剤が塗布されており、４個の単電池１はホルダＡ４及びホルダＢ５に固定されている。

図３及び図５に示すように、ホルダＡ４の内側（単電池１の嵌合側）中央からは、ホルダＢ５の方向に向けてホルダ支柱１５が立設されている。ホルダ支柱１５はホルダＡ４と一体成形されている。ホルダ支柱１５の先端部には直線状のキー１８が形成されており、このキー１８がホルダＢ５の内側に形成された直線状のキー溝１９に嵌合し固定されている。従って、直線状のキー１８及びキー溝１９によるキー構造により、１８０度単位での装着（嵌合）に限定され、単電池１の極性の違いによる外部短絡の発生を防止している。

ホルダＡ４側のキー１８には、それぞれ、電圧検出プレート８の円弧状の先端部（丸穴１０とは反対側）が嵌着されており、ホルダＢ５においても、配線シート６からキー溝１９と交差する位置まで金属箔が延出されている。この両者は、ホルダＡ４（ホルダ支柱１５）及びホルダＢ５同士の嵌合によって接触し、ホルダＡ４側の金属ブスバ７からの電圧検出を可能にしている。従って、キー構造による嵌合により、ホルダＡ４、Ｂ５同士の機械的接続と、電圧検出プレート８の電気的接続とを同時に行うことができる構造が採られている。

図６に示すように、ホルダＡ４及びホルダＢ５に固定された金属ブスバ７、正極出力端子１１、及び、負極出力端子１２の端部には、単電池１との溶接用のプロジェクションが２個ずつ形成されている。これらのプロジェクションは、ホルダＡ４及びホルダＢ５の中心から対角線上の位置に配置されており、単電池１とはスポット溶接により電気的・機械的に接続されている。

なお、図２及び図４に示すように、正極出力端子１１及び負極出力端子１２の屈曲部と、ホルダＢ５との間には、後述する銅製四角ナット２３（図９参照）を挿入するための空間２２が形成されている。また、ホルダＡ４及びホルダＢ５の外側下部中央部には、組電池２を固定するためのネジ穴１６が形成されている。

＜組電池群＞
図７〜図１０に示すように、組電池群（以下、電池ブロックという。）２０は、６個の組電池２と、これらの組電池２を配設・固定する２本の枠（以下、ブロックベースという。）２１とを有している。

図８に示すように、ブロックベース２１は、断面形状がアルファベットのｈ字に酷似しており、部分的な溶接箇所が存在するが、基本的には１枚の板を折り曲げ加工することで形成されている。発明者らは、ブロックベース２１について、１枚板から形成できるように種々の形状を検討したが、このｈ字状の形状がベース部材として適していた。

図９に示すように、電池ブロック２０は、２つのブロックベース２１が組電池２の寸法の幅に合わせて平行に（そり状に）配設されており、６個の組電池２がブロックベース２１の平坦部に横置されている。ブロックベース２１の側面には、ホルダＡ４及びホルダＢ５のネジ穴１６に対応した箇所に丸穴が形成されており、この部分でブロックベース２１と組電池２とがタッピングネジ１７で固定されている。

正極出力端子１１及び負極出力端子１２の屈曲部とホルダＢ５との間の空間２２（図２、４も参照）には、銅製四角ナット２３が挿入されており、ナット２３は銅製のフランジ付き六角ボルト２４で締結されている。この締結により、６個の組電池２は直列接続されている。なお、ブロックベース２１の中央には、ブロックベース２１の長手方向と交差する方向に延出されたブロックベースアーム部４６が溶接されている。ブロックベースアーム部４６の先端部には六角形の半分の切り欠きが形成されている。

＜電池モジュール＞
図１１に示すように、電池モジュール３の外装ケースを構成する下蓋２８は、大きく分けて、下蓋ベース２９、ダクト３０、センターリブ３１の３つの部品より成り立っている。いずれも１枚板から折り曲げ加工で成形できる形状であり、これら３つの部品は溶接により接合され下蓋２８を構成している。下蓋ベース２９の両側面は他の面よりも突出しており内側ないし外側に倒れ易いため、上蓋３２との接合と冷却風の仕切りを兼ね備えたセンターリブ３１が下蓋２８の構成部材とされている。ダクト３０は、組電池２（単電池１）を冷却する冷却風を導入、排出するためのものであり、外装ケースに対して側面部及び底面部に位置している（図１５も参照）。ダクト３０には、電池ブロック２０の収容を容易にするレール状の窪み３４が形成されており、電池ブロック２０のブロックベースアーム部４６を固定するボルトが配設されている。

図１２に示すように、ダクト３０には、配置された電池ブロック２０の単電池１間に相当する箇所に冷却風の通風孔３３が形成されている。ダクト３０に設けられた通風孔３３の大きさ（面積）は、排出側に最も近い通風孔３３の大きさを１．０としたときに、図１６の左側から右側に順に、その比率が１．５、２．０、２．０、３．０、３．０、３．０、４．０、４．０、６．０、１．０とされており、冷却風の導入側の面積が排出側より大きく設定されている。なお、下蓋ベース２９は両端で階段状に屈曲しており、底面部から一段高くなった段差平坦部３８が形成されている（図１３も参照）。この部分に外部との接続ダクトの機能をもたせ、余分な空間を利用している。

図１３に示すように、下蓋２８の外側面部には、制御基板３９を収容した制御ボックス４０と、電池モジュール３及び外部間の充放電を遮断するためのＳ／Ｄスイッチ４１とが固定されている。すなわち、下蓋２８は、上蓋３２との気密を確保するパッキンを配置するためのフラット部４２を有しているが、フラット部直下には空間４３が形成されるため、この空間４３に制御ボックス４０とＳ／Ｄスイッチ４１とが固定されている。制御ボックス４０が固定された側のフラット部４２には、制御基板３９のコネクタと、電池ブロック２０を構成する各組電池２の配線シートコネクタ２５とを接続し端部に複数のコネクタを有する電圧検出ケーブルが着脱可能な下蓋切り欠き４５が形成されている（図１４も参照）。

図１４及び図１５に示すように、下蓋２８には４個の電池ブロック２０が配設されている。各電池ブロック２０は、ブロックベース２１の中央に溶接されたブロックベースアーム部４６を先端が六角形をした支柱ナット４７で締結することで固定されている。制御ボックス４０側の電池ブロック２０間はボルト止めされたブロックブスバ（図１４参照）で締結されており、Ｓ／Ｄスイッチ４１側ではＳ／Ｄスイッチ４１を経由して電池ブロック２０間を接続することで、４個の電池ブロック２０が直列接続されている。電池モジュール３の出力を取り出す（充電のために入力する）電源ケーブル４９は、振動から保護するために、コルゲートチューブ５０で覆われており、下蓋２８に装着されたゴム製のグロメット５１を介して外部へ導出されている。

図１５及び図１６に示すように、上蓋３２には電池ブロック２０の配列方向に沿って上方に隆起し冷却風を流通させるための流通バイパス３７が形成されている。電池モジュール３の中央部には、下蓋２８と上蓋３２とを接続している支柱が３本配設されており、電池モジュール３の剛性を確保している。

（組立手順）
次に、本実施形態の電池モジュール３の組立手順について説明する。

図３に示すように、丸穴１０を利用して、ホルダＡ４の突起９に金属ブスバ７、電圧検出プレート８の順に配置し、それぞれを溶着する。この接続には発熱を伴う接続方法でなければならない。従来、金属ブスバと電圧検出プレートとを電気的に接続する場合には、組立て後に、ハンダ接続か、カシメ接続、もしくはネジによる締結を行って、金属ブスバの固定とは別の工程で行っていたが、単電池が電気的に接続された状態であったため、その扱いに注意が必要で作業上の制約が多かった。本実施形態では、金属ブスバ７の固定と同時に電圧検出プレート８との電気的接続が可能なように、電圧検出プレート８、金属ブスバ７の接続される箇所である丸穴１０に予め低融点ハンダを塗布しておき、金属ブスバ７を固定する時に発生する熱を利用してハンダ接続する。この際、低融点ハンダの選定と温度管理が重要な項目となり、ホルダＡ４、Ｂ５を構成する樹脂材によっても管理項目が異なる。最も好ましいのは、短時間で大きな熱量を加え、樹脂材への影響を最小限に抑えることである。例えば、短時間に大きな熱量を発生させることができる超音波熱溶着を用いることができる。ホルダＢ５でも、正極出力端子１１、負極出力端子１２と金属ブスバ７、配線シート６を配置し、ホルダＡ４と同様に固定する。

ホルダＡ４及びＢ５に各部品を固定した後、ホルダＡ４の４つの円筒状穴に形成された板状リブ１４間に接着剤を充填（塗布）して、各単電池１を極性が交互になるよう挿入し、ホルダＢ５の４つの円筒状穴に形成された板状リブ１４間に接着剤を充填し、図５に示すように、ホルダＡ４のホルダ支柱１５の先端のキー１８をホルダＢ５のキー溝１９に嵌合させ、ホルダＡ４、Ｂ５間をタッピングネジで固定する。ここで、組み付け時に板状リブ１４を変形させながら単電池１と圧接させる訳であるが、この板状リブ１７の高さ寸法が重要となる。板状リブ１７の高さが大き過ぎると、変形量が多くなり過ぎ過剰な力を加えねばならないし、小さ過ぎると、隙間が多く接着剤が固化するまで遊動してしまう。このため、この板状リブ１４は単電池１との嵌合方向に延出されていることが必要である。なお、キー１８及びキー溝１９に直線状のキー構造を採用しているため、１８０度単位での装着に限定され、極性の間違いは発生しない。

続いて、組電池２に配置固定されたそれぞれの単電池１を電気的に直列接続する。電気的な接続には、様々な接続形態があるが、金属ブスバを抵抗溶接するのが最も効率的であるが、溶接箇所間の距離が長ければ、ワークの移動又は溶接ヘッドの移動距離が長くなり、その位置決めも精度が要求される。更に、移動時間もかかるため、時間やコストがかかる。本実施形態では、溶接ヘッド位置を組電池２の対角線上に固定し、組電池２の中心を回転させることで、対角線上に配置されたプロジェクションにより、ワークの移動距離とそれに要する時間が最短となって簡易な溶接が可能となる。図６に示すように、組電池２の中心を基点として９０度毎に回転させても、同じ位置に金属ブスバ７、正極出力端子１１及び負極出力端子１２のプロジェクションがくるため、短時間で溶接が可能となる。

次に、複数個の組電池２を集約させて電池ブロック２０とする訳であるが、通常であれば、箱状の枠に収容することになるが、余分な部分が多く重くなる場合が多い。本実施形態では、ブロックベース２１を２本並べソリ状にして使用するため、図９に示すように、ブロックベース２１を組電池２の幅にあわせて平行に配置し、ブロックベース２１の平坦部に組電池２を横置する。次いで、ブロックベース２１と組電池２のネジ穴１６とをタッピングネジ１７で固定する。次に、組電池２間を電気的に接続する訳であるが、組電池２の空間２２に四角ナット２３を横からスライドさせて挿入する。その後、ブロックベース２１の上方から六角ボルト２４で締結することで、組電池２間の電気的接続を行う。すなわち、締結に使用する四角ナット２３と六角ボルト２４とが組電池２間の電気的接続を行うブスバになっている訳である。更に、この状態で各組電池２の配線シート６に設けられたコネクタ２５に電圧検出ケーブルのコネクタを接続して、電池ブロック２０としての電圧検出出力を他側の１個のコネクタに集約させる。この電池ブロック２０の状態が電池モジュール３としての１つの単位となる（本実施形態では１つの電池ブロック２０に単電池１が２４個直列接続されている。）。この電池ブロック２０を取り扱う（運搬する）場合には、図１０で示すように、着脱が可能な取っ手２６をつけることで、その作業性が向上する。

次に、図１３に示すように、下蓋２８に制御基板３９を固定した制御ボックス４０とＳ／Ｄスイッチ４１を固定し、制御ボックス４０とＳ／Ｄスイッチ４１とを固定した下蓋２８に、図１４で示すように、電池ブロック２０を挿入していく。下蓋２８を構成するダクト３０にはレール窪み３４が形成されているため、電池ブロック２０の位置決めが簡易にできる。更に、電池ブロック２０の耐振動性とモジュール自体の剛性とを向上させるために、電池ブロック２０を構成するブロックベース２１の中央に設けられたブロックベースアーム部４６を先端が六角形をした支柱ナット４７で締結する。このブロックベースアーム部４６は下蓋２８を構成するダクト３０に設けられたボルト位置にくるように設定されている。下蓋２８に電池ブロック２０を挿入配置し、ブロックベース２１の固定部にナットを配置して締結し、電池ブロック２０の中央部を先端が六角形状をし、かつ、両端にネジ穴が加工されている支柱ナット４７で締結する。先端が六角形状をしているため、通常のラチェットレンチで締結が可能であり、上蓋３２を被せた後は上蓋３２と締結される支柱となり、締結時に増し締め状態となるため緩み防止につながる。

電池ブロック２０締結後、制御ボックス４０側の電池ブロック２０間をブロックブスバで締結し、Ｓ／Ｄスイッチ４１側では外装ケースの外側に固定されているＳ／Ｄスイッチ４１を経由して電池ブロック２０間を接続する。固定及び取り付け作業が終了した後、上蓋３２を被せて所定位置をネジ４４で締結して上蓋３２と下蓋２８とをパッキンを介して固定する。このとき、シーリング材を充填して固定することが好ましい。これにより、電池モジュール３の組立が完了する。

（作用等）
次に、本実施形態の電池モジュール３の作用等について説明する。

本実施形態の電池モジュール３は、図１２に示すように、下蓋ベース２９が両端で階段状に屈曲しており底面部から一段高くなっており、この部分に外部との接続ダクトの機能をもたせている。組電池２（単電池１）を冷却する冷却風は、外装ケースの側面底部（図１２の右側）から導入され、ダクト３０内を直進する。ダクト３０の左端は行き止まりになっているため、冷却風はダクト３０に形成された通風孔３３から上方に向きを変え、単電池１を回り込みながら上蓋３２に設けられた流通バイパス３７を経由して、電池ブロック２０の固定点である階段状の段差平坦部３８から排出される。

このダクト３０に設けられた通風孔３３の大きさは、上述したように、冷却風の導入側が排出側より大きく設定されているため、排出側の冷却風の流速が大きくなり導入側、排出側で電池モジュール３の電池室に格納された単電池１の温度を略均等に冷却することが可能となる。すなわち、冷却風を流通させて組電池２（単電池１）を冷却する場合に、冷却風の温度は導入側から順次熱交換されて行き、排出側では高温となり、大きさが均等な通風孔を形成しただけでは冷却風の温度が場所によって異なるので、単電池１に対して均等な熱交換、つまり、均等な冷却がなされない。このため、導入側と排出側との通風孔３３の面積を変化させ、高温となる箇所の通風孔を絞り、流速を上げて熱伝達を向上させることで均一な熱交換を行わせることが可能となる。

また、本実施形態の電池モジュール３では、制御基板３９を収容した制御ボックス４０を外装ケースの外側面に固定して電池室と隔離している。電池室には冷却風が流通するが、冷却風にはフィルタ等で除去できなかった水分や埃が多量に含まれることになる。このため、制御基板３９にマウントされた電子部品が冷却風の影響を直接受けることは避けなければならず、電子部品の交換を考慮すると、外装ケース内に配置する場合には、配置箇所での制約を受けるため、交換（取り出し）が困難であることも考えられる。本実施形態では、必要最小限の接続部分だけを開口した下蓋２８に、制御基板３９を収容した制御ボックス４０を外装ケースの外側に固定することで、固定作業を簡易にさせ、かつ、冷却風の侵入を防ぐことで、制御基板３９の安定した動作を確保している。

更に、本実施形態の電池モジュール３では、ダクト３０が外装ケース（下蓋２８）と一体となっているため、組立て時における部品数を減らすことができ工数が削減される。また、外装ケースは下蓋２８と上蓋３２から成り立っており、下蓋２８に電池ブロック２８を４個並べて配設した後に、金属ブスバもしくはケーブル線を用いて電気的に直列に接続し、その上方から上蓋３２を配置して固定するため、その作業は上方からの作業だけで行えるので、組立作業性を向上させることができる。また更に、本実施形態の電池モジュール３では、空間を極力排除した結果、体積効率の高い電池モジュールとなり、その作業もアッセンブリ化したものを組み付けていく工程が多く、組立作業性が向上している。更にまた、外装ケースを構成する部材はほとんど一枚板から曲げ加工だけで成形することが可能であるため、材料費も低コストとなる。

また、本実施形態の電池モジュール３では、断面形状がｈ字状のブロックベース２１を平行に２つ配設し、平坦部に組電池２を固定して電池ブロック２０を構成している。このため、箱型の容器に複数の組電池２を収容固定する場合に比べ、重量が軽く、体積高率の向上を図ることができる。また、ブロックベース２１の断面形状をｈ字状とすることで、組電池２を載置（固定）する平坦な面を確保でき、かつ、断面係数の高い支持体を確保することができる。更に、２つのブロックベース２１を平行にしてホルダＡ４、ホルダＢ５と固定する構造としたため、組電池２の寸法バラツキに対して有効に機能する。

更に、本実施形態の電池モジュール３では、４個の単電池１を収容する組電池２のホルダが、ホルダＡ４、ホルダＢ５、ホルダ支柱１５の３部品よりなり、組み立てたホルダＡ４、Ｂ５間の外法は、単電池１の高さで画定されるのではなく、ホルダ支柱１５によって画定されている。このため、単電池１自体の高さにバラツキがあっても、ホルダ支柱１５によって単電池１の高さのバラツキに関係なく組電池２の外寸を一定に確保することができる。

また、本実施形態の電池モジュール３では、ホルダＡ４及びホルダＢ５の４つの円筒状孔に複数の板状リブ１４が形成されている。ホルダ支柱１５のみでの高さ規制では、単電池１自身の遊動があるが、板状リブ１４に単電池１を押し当て、板状リブ１４を変形させながら単電池１をホルダＡ４、Ｂ５に嵌合させるため、単電池１の遊動を防止することができる。また、板状リブ１４は嵌合方向に延出されたリブ状を呈しているため、単電池１と板状リブ１４との接触によって、最初の挿入に違和感がなく、かつ、単電池１との接触も均一な状態が得られ、安定した単電池１の固定が可能となる。更に、本実施形態の電池モジュール３では、単電池１と板状リブ１４との単なる圧接固定では異種材である単電池１とホルダＡ４、Ｂ５とを長期間固定し続けることは厳しいため、板状リブ１４間に充填された接着剤で単電池１が固定されている。このため、固定面が増加し、振動を吸収する緩衝材にもなり、両者の長期間の固定が可能となる。また、板状リブ１４間に接着剤を流すことによって、板状リブ１４自体が接着剤を保持するガイドとなり充填作業がし易くなる。

更にまた、本実施形態の電池モジュール３では、ホルダ支柱１５がホルダＡ４と一体に形成されている。組電池２の外寸を画定するホルダ支柱１５を別部品として扱うと、ホルダＡ４への固定が必要となり、接続箇所が増えるたびに寸法の誤差が大きくなってしまうが、ホルダ支柱１５をホルダＡ４に一体形成することで、接続箇所が少なくなり寸法誤差が減少するため、作業数が減ることで低コスト化を図ることができると共に、アローアンスを多くとる必要がなくコンパクト化を図ることができる。

また、本実施形態の電池モジュール３では、ホルダＢ５の両隅に正極出力端子１１、負極出力端子１２を集約している。出力端子を接続する際、同一面になければ、ワークを動かすか、作業者が移動しなければならず、手間が掛かるが、本実施形態では、組電池２の出力端子が同一面に集約されているため、作業性が向上する。更に、本実施形態の電池モジュール３では、単電池１を極性が交互になるように正方直交状に４個並べた状態で、電気的に直列に接続して組電池２を組み立ており、電気的接続の金属ブスバ７、正極出力端子１１及び負極出力端子１２のプロジェクションの位置が組電池２の中心から対角線上に配置されているため、溶接ヘッド位置を組電池２の対角線上に固定し、組電池２の中心を回転させることで、ワークの移動距離とそれに要する時間が最短となって簡易な溶接が可能となる。このため、溶接箇所間の距離が短くワークの移動又は溶接ヘッドの移動距離が短くなり、移動時間も短くなるため、組電池２を低コストで作製することができると共に、その位置決め精度も向上する。

更に、本実施形態の電池モジュール３では、ホルダＢ５に固定された金属ブスバ７から、ホルダＡ４、Ｂ５の接続個所を避ける形でパターン回路化された金属箔を、接触部以外の個所を絶縁化した配線シート６を用い、各単電池１の電圧を一個所（配線シート６のコネクタ）に集め、コネクタを接続することによって配線作業がネジ類を使わずにコネクタの挿入のみで行えるため、組立作業性が著しく向上する。

また、本実施形態の電池モジュール３では、単電池１が電気的に直列接続されていながら配置が並列構造の組電池２を用いているため、よりコンパクトな設計とできるが、金属ブスバ７の配置がホルダＡ４、Ｂ５で異なっている。このため、ホルダＡ４（ホルダ支柱１５）とホルダＢ５との嵌合時に接続個所が異なった場合、単電池１同士が短絡してしまうおそれがあるが、本実施形態では上述したキー構造を採用したため、誤挿入を防ぐことができ安全性が向上する。

そして、本実施形態の電池モジュール３では、ホルダＡ４、ホルダＢ５に突起９が突設され、突起９に対応した形状の穴が金属ブスバ７、正極出力端子１１、負極出力端子１２、電圧検出プレート８、及び、配線シート６の金属箔の末端部に形成されており、更に、配線シート７の金属箔の末端部の丸孔１０及び電圧検出プレート８の丸孔１０には低融点ハンダが塗布されていることから、熱溶着を用いることで、機械的な固定と同時に電気的な接続が可能となるため、工数が削減され低コストで組電池２を製造することが可能となる。

なお、本実施形態では、組電池２に冷却風の流れを案内ないし整流するルーバを備えない構造を例示したが、ホルダ支柱１５に整流ルーバを形成するようにしてもよい。この場合には、同一ルーバ形状をしていてもダクト３０の通風孔３３位置と大きさで、単電池１を更に均等に冷却することができ、組電池２毎にルーバ形状を変える必要がなくなるためコストを抑えることができる。

また、本実施形態では、ホルダＡ４、Ｂ５の双方の円筒状孔に板状リブ１４を形成する例を示したが、ホルダＡ４、Ｂ５のいずれか一方に板状リブ１４を形成するようにしてもよい。この場合には、ホルダＡ４、Ｂ５のいずれか一方の板状リブ１４間に接着材を充填すれば、単電池１の遊動を防止することができる。更に、本実施形態では、ホルダ支柱１５をホルダＡ４と一体に形成した例を示したが、ホルダ支柱１５をホルダＢ５と一体に形成してもよいことは論を待たない。また、同様に、正極出力端子１１及び負極出力端子１２をホルダＡ４側に配置するようにしてもよい。また更に、本実施形態では電気自動車用の電池モジュールや電池モジュールを構成する単電池にリチウム二次電池を例示したが、本発明はこれらに限らず、例えば、据置用の電池モジュールに適用可能であり、電池モジュールを構成する単電池にニッケル水素電池等の二次電池を用いるようにしてもよい。

本発明は、構成する単電池の高さ方向のバラツキを排除できると共に、単電池を確実に固定でき組立作業性を向上させることができる組電池、該組電池を複数個備えた組電池群、単電池の冷却性に優れた電池モジュールを提供するものであるため、組電池、組電池群及び電池モジュールの製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態の電池モジュールの外観斜視図である。 実施形態の電池モジュールに用いられる組電池の外観斜視図である。 組電池のホルダＡ、ホルダＢ及びホルダ支柱の分解斜視図である。 ホルダＢの部品組み付け後の外観斜視図である。 組電池の組立状態を示す外観斜視図である。 ホルダＢ側の単電池の溶接作業の手順を示す正面図であり、（Ａ）は溶接手順１、（Ｂ）は溶接手順２、（Ｃ）は溶接手順３、（Ｄ）は溶接手順４を示している。 電池モジュールを構成するブロックベース（枠）の外観斜視図である。 ブロックベースの断面図である。 電池ブロック（組電池群）の組立状態を示す外観斜視図である。 電池ブロックに取っ手を装着した状態を示す外観斜視図である。 電池モジュールの下蓋の構成部材を示す分解斜視図である。 導入された冷却風の流れを模式的に示す電池モジュールの断面図である。 制御ボックス及びＳ／Ｄスイッチを組み付けるときの状態を示した下蓋の外観斜視図である。 電池ブロックを組み付ける状態を示す下蓋の外観斜視図である。 電池モジュールの下蓋に上蓋を取り付けるときの状態を示す外観斜視図である。 電池モジュールの横断面図である。

符号の説明

１ 二次電池（単電池）
２ 組電池
３ 電池モジュール
４ ホルダＡ
５ ホルダＢ
６ 配線シート
７ 金属ブスバ
９ 突起（第２の突起）
１１ 正極出力端子（正・負出力端子部の一部、金属ブスバ）
１２ 負極出力端子（正・負出力端子部の一部、金属ブスバ）
１４ 板状リブ（第１の突起）
１５ ホルダ支柱（支柱）
１８ キー
１９ キー溝
２０ 電池ブロック（組電池群）
２１ ブロックベース（枠）
２５ 配線シートコネクタ（コネクタ）
２８ 下蓋
３０ ダクト
３２ 上蓋
３３ 通風孔
３９ 制御基板
４０ 制御ボックス（制御室）

Claims (14)

1. 複数の単電池の上端部及び下端部にそれぞれ嵌合する電池ホルダを備えた組電池であって、前記電池ホルダは、前記上端部に嵌合されるホルダＡと、前記下端部に嵌合されるホルダＢと、前記ホルダＡ及びホルダＢ間の間隔を画定する支柱とを有し、前記ホルダＡ及びホルダＢ間の間隔は嵌合される前記単電池の高さのバラツキを許容する一定間隔であることを特徴とする組電池。
2. 前記ホルダＡ及びホルダＢの少なくとも一方は、前記単電池との嵌合部分において、前記単電池との嵌合により圧接される複数の第１の突起を有していることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
3. 前記第１の突起は、前記単電池との嵌合方向に延出したリブ状であることを特徴とする請求項２に記載の組電池。
4. 前記ホルダＡ及びホルダＢの少なくとも一方は、前記単電池との嵌合部分において、前記第１の突起間に接着剤が充填されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の組電池。
5. 前記支柱は前記ホルダＡ及びホルダＢのいずれか一方に一体成形されており、該支柱の先端に前記ホルダＡ及びホルダＢのいずれか他方が固定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の組電池。
6. 前記ホルダＡ及びホルダＢの固定部にはそれぞれ嵌合位置を定めるキー及びキー溝が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の組電池。
7. 前記ホルダＡ及びホルダＢのいずれか一方の一側面両隅にそれぞれ正・負出力端子部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の組電池。
8. 複数の金属箔が電気絶縁性の樹脂シートで被覆され前記金属箔の端部にコネクタが配された配線シートが、前記正・負極出力端子部を有するホルダに固定されていることを特徴とする請求項７に記載の組電池。
9. 正・負極性が交互になるように４個の単電池が正方直交配置されており、該単電池間を電気的に接続する金属ブスバのプロジェクションが、前記ホルダＡ及びホルダＢの中心から対角線上の位置に配置されたことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の組電池。
10. 前記ホルダＡ及びホルダＢは前記金属ブスバが配置される箇所に第２の突起を有し、前記金属ブスバと前記配線シートの末端部とには前記第２の突起の形状に対応した穴が形成されており、前記配線シートの末端部に予め塗布された低融点ハンダ及び前記第２の突起が熱溶融され前記金属シートの末端部と前記金属ブスバとが電気的に接続されていると共に、前記第２の突起に前記金属ブスバと前記配線シートの末端部が固定されていることを特徴とする請求項９に記載の組電池。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の組電池を複数個備えた組電池群であって、前記複数の組電池は、断面形状が略ｈ字状で平行に配置された２つの枠間に配設固定されており、該組電池同士が電気的に直列接続されていることを特徴とする組電池群。
12. 請求項１１に記載の組電池群が複数個電気的に接続された電池モジュールであって、前記電池モジュールは、前記組電池群を配設固定するための下蓋と、該下蓋の上部を覆う上蓋とを有する外装ケースを備え、該外装ケースは前記上蓋と下蓋とが接合されて密閉されていると共に、前記組電池を冷却する冷却風を導入、排出するためのダクトを前記外装ケースの側面部及び底面部に備えていることを特徴とする電池モジュール。
13. 前記ダクトには、配設された前記組電池群毎に前記単電池間に相当する箇所に通風孔が形成されており、前記通風孔の面積は前記冷却風の導入側が排出側より大きいことを特徴とする請求項１２に記載の電池モジュール。
14. 前記外装ケース内は、前記組電池群が収容された電池室のみであり、前記下蓋の外側面部に制御基板を収容した制御室が配置されていることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の電池モジュール。

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