JP2006100272A - 二次電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ナットの締結力を向上させることによって，振動や外部衝撃に対する耐久性を強化させることができる二次電池モジュールを提供する。
【解決手段】複数の単位電池１１０と，各単位電池１１０と単位電池１１０−１とを電気的に連結する連結具１６０とを含み，連結具１６０は，単位電池１１０，単位電池１１０−１が有する正極端子１４０上および負極端子１５０上にナット１８によって固定され，ナット１８は，内周面にネジ山を有し，内周面は，ナット１８の中心軸に対して所定の角度で傾斜して形成される二次電池モジュールが提供される。
【選択図】図３

Description

本発明は，二次電池に関し，より詳しくは，高出力で大容量の二次電池モジュールに関する。

最近，高エネルギー密度の非水電解液を利用した高出力の二次電池が開発されている。高電力を必要とする機器，例えば，電気自動車などに適用することができるように，複数の高出力の二次電池（以下では，便宜上，単位電池とする）が直列（または並列）に連結されて一つの電池モジュールを構成する。

ここで，単位電池は，通常，正極および負極の間にセパレータが介在されて形成される電極組立体，電極組立体が内蔵される空間を有するケース，ケースに結合されてこれを密閉するキャップ組立体，キャップ組立体から突出して電極組立体の正極および負極に電気的に連結される正極端子および負極端子を含む。

このような単位電池を利用してこれをモジュール化するためには，一つの単位電池の正極端子および負極端子が一つの単位電池に隣接する他の単位電池の正極端子および負極端子と交差するように単位電池を交差配列して，導電部材を利用して端子を互いに連結する。

この時，導電部材は，端子から離脱しないように端子に嵌合された状態で，この端子にナットによって締結されて固定される。このために，端子の外周上にはネジ山が形成されている。

このように従来の二次電池モジュールは，数個から多くは数十個の単位電池が導電部材を利用したネジ締結方式によって電気的に連結されて構成されている。

しかし，このような単位電池間の締結方式は，連結具を連結させるために一つの単位電池において一端子当り２つのナットを当該端子に締結するので，使用されるナットの数が多くなるのに伴って，ナットの締結不良が起こる可能性が高くなり，正確に締結されているナットであっても外部条件によって次第に締結力が低下してナットが外れる可能性がある。特に，二次電池モジュールが電動掃除機または電動スクーターや自動車（電気自動車やハイブリッド自動車）のモータ駆動用の大容量の電池モジュールとして適用される場合には，この電池モジュールには適用装置が有する外部環境の影響で電池モジュールそのものの振動や外部衝撃による振動が持続的に加えられ，これによりナットの離脱がより深刻になる。つまり，電池モジュールに振動が持続的に加えられて流動して温度の変化が続くのに伴って，ナットが次第に緩くなることがある。このような理由でナットが外れると，当該二次電池モジュールの耐久性が低下し，さらには，不安定な二次電池モジュールの状態によって，この二次電池モジュールが適用された装置の機能を低下させる問題があった。

そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，ナットの締結力を向上させることによって，振動や外部衝撃に対して耐久性を強化させることができる，二次電池モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明の第１の観点によれば，複数の単位電池と，各々の上記単位電池を電気的に連結する連結具とを含み，上記連結具は，上記単位電池が有する端子上にナットによって固定され，上記ナットは，内周面にネジ山を有し，上記内周面は，上記ナットの中心軸に対して所定の角度で傾斜して形成される二次電池モジュールが提供される。

本発明によれば，二次電池モジュールにおいて，各々単位電池を連結するために用いられるナットは，上記ナットの中心軸に対して所定の角度で傾いて形成された内周面にネジ山を有するので，ナットの締結力を向上することができ，各々単位電池を締結するために使用されるナット数を減らすことができるため，二次電池モジュールそのものの振動や外部衝撃による振動によってナットが離脱するのを防止することができる。また，ナットにかかる荷重を軽減できるので，破損を防止し，電池モジュールの耐久性を高めて，電池モジュールの信頼性を向上させることができる。

上記ナットは，上記端子に，上記内周面に形成された上記ネジ山を締結させることができる。

上記ナットの上記内周面の内径は，上記ナットの一側から対向する他側に向かって大きくなるテーパ形状を有することができる。

上記所定の角度は，０度から１度の間の値を有するように維持されることができる。

上記二次電池モジュールは，モータ駆動用であってよい。

上記課題を解決するために，本発明の第２の観点によれば，整列された複数の単位電池を固定するように，両端部に位置する上記単位電池の外側に配置されるフレームと，上記フレームの間に連結される連結バーと，上記連結バーに締結され，上記フレームを締めて固定するナットとを含み，上記ナットは，内周面にネジ山を有し，上記内周面は，上記ナットの中心軸に対して所定の角度で傾斜して形成される二次電池モジュールが提供される。

上記ナットは，上記連結バーの一側先端に形成された雄ネジに，上記内周面に形成された上記ネジ山を締結させることができる。

上記ナットの上記内周面の内径は，上記ナットの一側から対向する他側に向かって大きくなるテーパ形状を有することができる。

上記所定の角度は，０度から１度の間の値を有するように維持されることができる。

上記二次電池モジュールは，モータ駆動用であってよい。

以上説明したように本発明によれば，ナットの締結力を向上させて，二次電池モジュールそのものの振動や外部衝撃による振動によってナットが離脱するのを防止することができる。また，ナットの破損を防止し，電池モジュールの耐久性を高めて，電池モジュールの信頼性を向上させることができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。以下，本発明の好ましい実施例を，添付した図面を参照して詳細に説明する。

図１は，一般的な二次電池モジュールを示した斜視図である。図１を参照すると，二次電池モジュールは，複数の単位電池が連結具を媒介として電気的に連結された構造を有する。

このような二次電池モジュール１０を構成するために，各単位電池１１，単位電池１１’は，キャップ組立体１３の上部に突出した正極端子１４および負極端子１５が互いに交差するように配列されて，外周面がネジ加工された負極端子１５および正極端子１４の間にナット１７，ナット１７’を媒介として連結具１６が連結設置される。

つまり，二次電池モジュール１０において，正極端子１４，負極端子１５は，表面に雄ネジが形成されたボルト形態に構成される。正極端子１４，負極端子１５に一次的にナット１７が締結されて，ナット１７上に一つの単位電池１１の正極端子１４およびこれと隣接する次の単位電池１１’の負極端子１５を電気的に連結するように配置される連結具１６が正極端子１４，負極端子１５に嵌合されて，連結具１６上に再び他のナット１７’が締結されることによって，連結具１６が固定される。

図２は，二次電池モジュール１０に適用することができる本発明の実施形態に係るナット１８を示した断面図である。本実施形態によれば，ナット１８は，その内周面にネジ山を有し，その内周面は，このナット１８の中心軸（Ｚ）に対して所定の角度で傾斜して形成される。

図２を参照すれば，ナット１８の内周面に形成されたネジ山１８ａがなす面がナット１８の中心軸（Ｚ）に対して所定の角度で傾斜して形成されていることが分かる。

この構造によって，ナット１８は，一側から他側（図２では，上側から下側）にナット１８のナットホール１８ｂの内径が次第に大きくなり，上端側のナットホール１８ｂの内径が下端側のナットホール１８ｂの内径より小さい構造からなる。つまり，ナット１８の内周面の内径は，ナット１８の一側から対向する他側に向かって大きくなるテーパ形状を有する。

図２では，本発明の実施形態に係る二次電池モジュールに適用される連結具１６を固定させるためのナット１８について説明したが，このような構造は，ナットだけに限定されず，以下で説明される全てのナットに適用される。本実施形態の二次電池モジュールに適用されるナットは，上述のような構造を有するので，従来の二次電池モジュールに適用されるナットより締結力を向上することができるため，少ないナット数で単位電池を締結することができ，二次電池モジュールそのものの振動や外部振動の衝撃によるナットの離脱を防止できる。

図３は，このような本発明の実施形態に係るナット１８が単位電池１１０および単位電池１１０−１の正極端子１４０，負極端子１５０間の連結に適用されることを示している。

図３を参照すると，ボルト形態を有し単位電池１１０および単位電池１１０−１の外側に突出した正極端子１４０，負極端子１５０に連結具１６０が嵌合され，この連結具１６０を固定するように正極端子１４０，負極端子１５０にナット１８が締結される。ナット１８は，上述のように，その内周面にネジ山１８ａを有し，その内周面は，ナット１８の中心軸（Ｚ）に対して所定の角度で傾斜して形成される。

図４は，図３に示した単位電池１１０，単位電池１１０−１を利用して実質的に二次電池モジュール２を構成する時に，この二次電池モジュール２に含まれるフレーム２０，フレーム２０’の固定に本発明の実施形態に係るナット２２が使用される形態を示している。

二次電池モジュール２は，複数の単位電池（１１０，１１０−１，・・・，１１０−ｎ）が任意の間隔をおいて，例えば，単位電池上の正極端子と，単位電池と隣り合う他の単位電池上の負極端子とが電気的に連結するように横一列に配置された状態で，両端に位置した単位電池１１０，単位電池１１０−ｎの外側にフレーム２０，フレーム２０’が配置される。このフレーム２０とフレーム２０’との間に連結バー２３が装着された後，この連結バー２３の一側先端に形成された雄ネジ２１にナット２２が締結されることによって，この時に発生する締める力によってフレーム２０，フレーム２０’が単位電池（１１０，１１０−１，・・・，１１０−ｎ）を固定するようにしている。

ここで，フレーム２０に装着される連結バー２３の先端に締結されるナット２２は，上述のように，その内周面にネジ山を有し，その内周面は，図２に示されているように，ナット２２の中心軸（Ｚ）から所定の角度で傾斜して形成される。ナット２２の内周面の内径は，ナット２２の一側から対向する他側に向かって大きくなるテーパ形状を有する。

本発明の実施形態において，図２によれば，内周面が有する所定の角度（λ）は，ナット１８の大口径の直径をＤ_Ｎ１，ナット１８の小口径の直径をＤ_Ｎ２，ナット１８の高さをＨとする時，下記の式を満たす。実質的に，所定の角度（λ）は，０度から１度の間の値を有するように維持される。ここで，角度（λ）は，ネジ山１８ａの頂点がつくる線と垂直線（ナット１８の中心軸（Ｚ））がなす角度であり，テーパ角度である。
0＜Tan^-1 {（D_N1−D_N2）／2H}＜（D_N1−D_N2）／2H

以下，ナット１８の作用について，図５を参照してより詳細に説明する。図５は，本発明の実施形態に係るナット１８の締結状態を説明するために示した断面図である。以下の説明では，図３で示された正極端子１４０，負極端子１５０に連結具１６０を固定させるために締結されるナット１８を例示して説明する。

ボルト，ナットのネジ部にかかる荷重の分布は，ネジ部の長さによって均一でなく，第１ネジ部（図５では，Ｂｏｔｔｏｍ）で最も高い荷重がかかるため，ネジ部の破損は主に第１ネジ部で起こるようになる。

しかし，本発明の実施形態のように所定の角度で傾斜した内周面に形成されるネジ山を有するナット１８の場合には，第１ネジ部の応力集中を緩和して，ネジ部にかかる荷重の分布を均一にすることができる。

つまり，締結荷重がかかっているナット１８のネジ部にかかる荷重の分布は，ネジ部の長さによって均一でなく，第１ネジ部に応力が集中するため，主に第１ネジ部で破損が起こるようになる。

これは，ＳｔｏｅｃｋｌｙとＭａｃｋｅによって１９５０年頃に提案されたボルトナットのネジ部の長さによる平ネジおよびテーパネジのネジ荷重の分布に対する下記の理論式１によって導出される。

ここで，ネジ荷重ωは，ネジ山のルート（Ｒｏｏｔ；図５では，Ｂｏｔｔｏｍに相当する）部に作用する剪断力を意味する。平均ネジ荷重ωｎは，ネジ荷重を全てのネジ部に対して平均して計算される。ｘ_０，ｐ，ｑ，Ｋは，下記の式によって決定される。

上述のテーパネジのネジ荷重に対する理論式１から，ナットのネジ山がなすテーパ角度λが０である平ネジのネジ荷重は，下記の式２ように表現される。

上記式および図５に記載の各記号の意味は，下記の通りである。
ａ：ネジのピッチ，ｂ：ネジの深さ，ｄ：ネジの半径，ｃ＝ｄ／ｂ，Ｄ_ｂ：ボルトのピッチの直径，Ｄ_ｎ：ナットのピッチの直径，Ａ_ｂ：ボルトの平均面積，Ａ_ｎ：ナットの平均面積，Ｄ＝（Ｄ_ｂ＋Ｄ_ｎ）／２：平均直径，Ａ＝πＤ_２／４：平均面積，Ｌ：ナットの長さ，ｎ：ネジ山の数，ｓ：ナットのＢｏｔｔｏｍ部からの距離，ｓ_１＝πｎＤ値：ナットのＢｏｔｔｏｍ部からのｓの値，λ：テーパ角度，λ_ｏｂ：最適テーパ角度，ｘ＝ｓ／ｓ_１ｘ_０：ボルト，ナットの接触部位でのｘの値，β：ネジ角の１／２，ω：ネジ荷重，ω_ｎ：平均ネジ荷重（ω_ｎ＝σＡ／πｎＤ），Ｅ：弾性係数，ν：ポアソン比，μ：摩擦係数，σ：締結応力（Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ）

上記式２によって，実際の設計に使用される平ネジの場合，ω／ωｎは，約３以上，つまり，第１ネジ部（図５では，Ｂｏｔｔｏｍ）にかかるネジ荷重が平均ネジ荷重の３倍以上となる。

しかし，図５のようにナット１８のネジ山１８ａを傾斜角度を有する内周面に沿って傾くように形成することによって，第１ネジ部にかかるネジ荷重を減少させることができ，これによりネジ部にかかる荷重の分布を均一にすることができるようになる。

ここで，正極端子１４０および負極端子１５０に形成されたネジ山がなす面に対するナット１８のネジ山１８ａがなす面の角度については，その数値は特に限定されない。

これにより，単位電池１１０，単位電地１１０−１の正極端子１４０，負極端子１５０のネジ山のルート部で比較的均一な荷重が作用して，従来のナットの場合には，最大剪断荷重が平均剪断荷重に対して４．８６倍であるのに比べて，ネジ山１８ａが傾斜した内周面に形成される本発明の実施形態に係るナット１８の場合には，最大剪断荷重が平均剪断荷重に対して２．５倍程度の水準に低下させることができる。よって，本実施形態のナットは，従来のナットに比べて，第１ネジ部にかかるネジ荷重を減少させてナットの破損を防止することができるので，電池モジュールの耐久性を高めて，電池モジュールの信頼性を向上させることができる。

このような二次電池は，ハイブリッド電気自動車（Ｈｉｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ＨＥＶ），電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ＥＶ），無線掃除機，電動自転車，電動スクーターなどのようにモータを使用して作動する機器において，当該機器のモータを駆動するためのエネルギー源として使用することができる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

一般的な二次電池モジュールを示した斜視図である。 本発明の実施形態に係る二次電池モジュールの連結具締結用ナットを示した断面図である。 本発明の実施形態に係るナットが適用された二次電池モジュールを示した図面である。 本発明の実施形態に係るナットが適用された他の二次電池モジュールを示した図面である。 本発明の実施形態に係るナットの締結状態を説明するために示した断面図である。

符号の説明

２，１０ 二次電池モジュール
１１，１１’，１１０，１１０−１ 単位電池
１３ キャップ組立体
１４，１４０ 正極端子
１５，１５０ 負極端子
１６，１６０ 連結具
１７，１７’，１８，２２ ナット
２０，２０’ フレーム
２１ 雄ネジ
２３ 連結バー

Claims (10)

1. 複数の単位電池と；
   各々の前記単位電池を電気的に連結する連結具と；
   を含み，
   前記連結具は，前記単位電池が有する端子上にナットによって固定され，前記ナットは，内周面にネジ山を有し，前記内周面は，前記ナットの中心軸に対して所定の角度で傾斜して形成されることを特徴とする，二次電池モジュール。
2. 前記ナットは，前記端子に，前記内周面に形成された前記ネジ山を締結させることを特徴とする，請求項１に記載の二次電池モジュール。
3. 前記ナットの前記内周面の内径は，前記ナットの一側から対向する他側に向かって大きくなるテーパ形状を有することを特徴とする，請求項１または２に記載の二次電池モジュール。
4. 前記所定の角度は，０度から１度の間の値を有するように維持されることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池モジュール。
5. 前記二次電池モジュールは，モータ駆動用であることを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池モジュール。
6. 整列された複数の単位電池を固定するように，両端部に位置する前記単位電池の外側に配置されるフレームと；
   前記フレームの間に連結される連結バーと；
   前記連結バーに締結され，前記フレームを締めて固定するナットと；
   を含み，
   前記ナットは，内周面にネジ山を有し，前記内周面は，前記ナットの中心軸に対して所定の角度で傾斜して形成されることを特徴とする，二次電池モジュール。
7. 前記ナットは，前記連結バーの一側先端に形成された雄ネジに，前記内周面に形成された前記ネジ山を締結させることを特徴とする，請求項６に記載の二次電池モジュール。
8. 前記ナットの前記内周面の内径は，前記ナットの一側から対向する他側に向かって大きくなるテーパ形状を有することを特徴とする，請求項６または７に記載の二次電池モジュール。
9. 前記所定の角度は，０度から１度の間の値を有するように維持されることを特徴とする，請求項６〜８のいずれかに記載の二次電池モジュール。
10. 前記二次電池モジュールは，モータ駆動用であることを特徴とする，請求項６〜９のいずれかに記載の二次電池モジュール。
    
    
    

Images