JP2011222370A - 接続ユニットおよび蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の蓄電素子を電気的に接続するための接続ユニットにおいて、蓄電素子の位置にかかわらず、蓄電素子に対して容易に接続することができる接続ユニットを提供する。
【解決手段】 少なくとも２つの蓄電素子（１０）を電気的に接続するための接続ユニット（２０）であって、一方の蓄電素子における電極端子（１１）と接続される第１導電部材（２１）と、他方の蓄電素子における電極端子（１２）と接続される第２導電部材（２２）と、導電性粒子（２４）を収容しており、第１導電部材および第２導電部材が導電性粒子に接触した状態で接続される弾性ケース（２３）と、を有する。
【選択図】 図２Ｂ

Description

本発明は、複数の蓄電素子を電気的に接続するための接続ユニットに関するものである。

複数の単電池を電気的に直列に接続することにより、組電池を構成することができる。２つの単電池の電気的な接続には、バスバーが用いられている（特許文献１等参照）。バスバーは、一方の単電池の正極端子に接続されるとともに、他方の単電池の負極端子に接続される。

特開２０００−１４９９０９号公報（図２０） 特開２００１−３３８６３３号公報（段落００１９等） 実開平０７−０１１７２０号公報

バスバーを用いて、２つの単電池を電気的に接続するときには、正極端子および負極端子が所定の位置関係となるように２つの単電池を配置する必要がある。すなわち、正極端子および負極端子が所定の位置関係からずれていると、正極端子および負極端子に対してバスバーを接続し難いことがある。また、正極端子および負極端子にバスバーを接続したとしても、バスバーに過度の負荷がかかってしまうおそれがある。

そこで、本発明の目的は、複数の蓄電素子を電気的に接続するための接続ユニットにおいて、蓄電素子の位置にかかわらず、蓄電素子に対して容易に接続することができる接続ユニットを提供することにある。

本発明は、少なくとも２つの蓄電素子を電気的に接続するための接続ユニットであって、一方の蓄電素子における電極端子と接続される第１導電部材と、他方の蓄電素子における電極端子と接続される第２導電部材と、導電性粒子を収容しており、第１導電部材および第２導電部材が導電性粒子に接触した状態で接続される弾性ケースと、を有する。導電性粒子が収容された弾性ケースによって第１導電部材および第２導電部材が接続されているため、折れや捩れなどの様々な変形に対応することができる。また、接続ユニットに外力（負荷）が加わっても、弾性ケースが弾性変形することによって外力に対応可能であり、第１導電部材および第２導電部材の間の導電経路が破断することもない。

ここで、弾性ケースは、樹脂又はゴムで形成することができ、弾性ケースを弾性変形させることができる。また、弾性ケースを、熱可塑性樹脂で形成することができる。この場合には、蓄電素子の温度上昇に応じて弾性ケースを溶融させることができ、導電性粒子を弾性ケースの外部に落下させて、２つの蓄電素子の電気的な接続を遮断することができる。これにより、蓄電素子の通電を禁止して、通電に伴う蓄電素子の更なる温度上昇を抑制することができる。

弾性ケースには、導電性粒子を充填するための充填口を設けることができる。これにより、第１導電部材および第２導電部材を弾性ケースに接続した状態において、弾性ケース内に容易に導電性粒子を充填することができる。導電性粒子を充填した後は、充填口を塞げばよい。

第１導電部材および第２導電部材の少なくとも一方には、弾性ケースと接続され、長手方向と直交する断面が円形に形成された接続部を設けることができる。そして、接続部の長手方向を回転軸として、弾性ケースに対して接続部を回転させることができる。これにより、弾性ケースが捻れることなく、第１導電部材および第２導電部材が互いに捻れた状態で位置させることができる。ここで、弾性ケースは、円筒状に形成しておくことができる。

本発明である接続ユニットを用いることにより、複数の蓄電素子を電気的に接続して、蓄電装置を構成することができる。蓄電装置は、例えば、車両に搭載することができる。具体的には、蓄電装置から出力された電気エネルギを運動エネルギに変換して、車両を走行させたり、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギに変換して蓄電装置に蓄えたりすることができる。

本発明によれば、第１導電部材および第２導電部材が弾性ケースを介して接続されているため、接続ユニットと接続される２つの電極端子の位置がずれていても、弾性ケースを変形させるだけで、第１導電部材および第２導電部材を、対応する電極端子に容易に接続することができる。

本発明の実施例１における組電池の上面図である。 実施例１における組電池の側面図である。 実施例１における接続ユニットの上面図である。 実施例１における接続ユニットの断面図である。 実施例１において、接続ユニットが変形した状態を示す図である。 実施例１の変形例における接続ユニットの上面図である。 本発明の実施例２における接続ユニットの上面図である。 実施例２における接続ユニットの側面図である。 実施例２において、２つの金属板が捻れて配置された状態を示す概略図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１における組電池について、図１Ａおよび図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、本実施例の組電池の上面図である。図１Ｂは、本実施例の組電池の側面図であり、図１Ａの矢印Ｄ１で示す方向から見たときの図である。

本実施例の組電池１は、複数の単電池（蓄電素子に相当する）１０を有しており、複数の単電池１０は、一方向に並んで配置されている。また、複数の単電池１０は、接続ユニット２０によって電気的に直列に接続されている。単電池１０は、発電要素１０ａと、発電要素を収容する電池ケース１０ｂとを有しており、電池ケース１０ｂの上面には、正極端子１１および負極端子１２が設けられている。

発電要素１０ａは、充放電を行う要素であり、正極素子と、負極素子と、正極素子および負極素子の間に配置されたセパレータ（電解液を含む）とで構成することができる。正極素子は、集電板の表面に、正極活物質を含む正極層を形成したものであり、負極素子は、集電板の表面に、負極活物質を含む負極層を形成したものである。

本実施例では、正極素子、セパレータおよび負極素子をこの順に積層し、積層体を巻いた状態で電池ケース１０ｂに収容している。正極端子１１は、発電要素１０ａの正極素子と電気的に接続されており、負極端子１２は、発電要素１０ａの負極素子と電気的に接続されている。

単電池１０としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタを用いることができる。

なお、組電池１を構成する単電池１０の数は、組電池１の出力等を考慮して、適宜設定することができる。また、本実施例では、複数の単電池１０を電気的に直列に接続しているが、電気的に並列に接続された複数の単電池１０が含まれていてもよい。

さらに、一方向に並んで配置された複数の単電池１０に対して、拘束力を与える拘束構造を用いることもできる。拘束力とは、並んで配置されている２つの単電池１０を互いに近づける方向に変位させる力である。拘束構造としては、具体的には、複数の単電池１０の配列方向における両端に配置された一対のエンドプレートと、複数の単電池１０の配列方向に延びて、一対のエンドプレートに接続される拘束バンドとで構成することができる。

また、本実施例の組電池１では、隣り合って配置された２つの単電池１０の間に、樹脂等で形成されたスペーサ（不図示）を配置することもできる。スペーサのうち、単電池１０と接触する面は、凹凸状に形成されており、単電池１０の表面において、温度調節用の熱交換媒体を流動させる通路を形成する。

熱交換媒体は、単電池１０の温度上昇を抑制したり、単電池１０の温度低下を抑制したりするために用いられ、気体や液体で構成することができる。充放電等によって単電池１０が発熱しているときには、冷却用の熱交換媒体を用いて単電池１０を冷やすことができる。また、単電池１０が過度に冷却されているときには、加温用の熱交換媒体を用いて単電池１０を温めることができる。

次に、接続ユニット２０の構造について、図２Ａおよび図２Ｂを用いて説明する。図２Ａは、接続ユニット２０の正面図である。図２Ｂは、接続ユニット２０の断面図であり、図２ＡのＡ−Ａ断面図である。

接続ユニット２０は、２つの金属板（導電部材に相当する）２１，２２と、２つの金属板２１，２２に接続された弾性ケース２３とを有している。弾性ケース２３の一端部２３ａは、ベルト（不図示）によって金属板２１に接続されており、弾性ケース２３の他端部２３ｂは、ベルト（不図示）によって金属板２２に接続されている。

具体的には、弾性ケース２３の一端部（開口部）２３ａに金属板２１を挿入した状態において、一端部２３ａの外面にベルトを巻き付けることにより、一端部２３ａを金属板２１に接続することができる。弾性ケース２３の他端部２３ｂおよび金属板２２の接続についても同様である。

なお、弾性ケース２３および各金属板２１，２２の接続は、上述した構成に限るものではなく、適宜設定することができる。すなわち、弾性ケース２３および各金属板２１，２２は、密閉状態で接続されていればよく、例えば、弾性ケース２３および各金属板２１，２２を接着剤によって接続することもできる。ここでいう密閉状態とは、弾性ケース２３内に収容される粒子２４が、弾性ケース２３および各金属板２１，２２の接続部分から漏れない状態をいう。

弾性ケース２３の内部には、導電性を有する粒子２４が充填されている。ここで、弾性ケース２３および各金属板２１，２２の接続部分は、上述したベルトによって密閉状態となっているため、導電性粒子２４を弾性ケース２３の内部に収容させておくことができる。弾性ケース２３は、例えば、樹脂やゴムといった、弾性変形が可能で、絶縁性を有する材料で形成されている。また、導電性粒子２４の材料としては、例えば、カーボン、銅、銀を用いることができる。

なお、本実施例では、弾性ケース２３の断面が矩形状に形成されているが、これに限るものではない。ここでいう断面とは、金属板２１，２２の並ぶ方向（図２Ａや図２Ｂの左右方向）と直交する面で弾性ケース２３を切断したときの断面である。弾性ケース２３の断面は、例えば、円形や楕円形に形成することもできる。

ここで、弾性ケース２３に金属板２１，２２を接続した後に、弾性ケース２３の内部に導電性粒子２４を充填することができる。本実施例では、図２Ａに示すように、導電性粒子２４を充填するための充填口２３ｃが弾性ケース２３に設けられている。導電性粒子２４を弾性ケース２３に充填した後は、充填口２３ｃは、蓋（不図示）によって塞がれる。

本実施例では、金属板２１，２２が接続された弾性ケース２３に対して導電性粒子２４を充填するようにしているため、導電性粒子２４を弾性ケース２３内に容易に充填することができる。ここで、導電性粒子２４が充填された弾性ケース２３に対して、金属板２１，２２を接続しようとすると、金属板２１，２２を接続する際に、導電性粒子２４が弾性ケース２３から漏れてしまうおそれがある。

弾性ケース２３の内部に充填される導電性粒子２４としては、所定の平均粒径を有する粒子群を用いることもできるし、平均粒径が互いに異なる複数の粒子群を混合したものを用いることもできる。平均粒径が互いに異なる粒子群を混合するようにすれば、第１粒径を有する複数の粒子の間に形成されたスペースに、第２粒径（第１粒径よりも小さい）を有する粒子を位置させることができ、粒子間の接触面積を増加させて、導電性粒子２４の充填層における抵抗を低下させることができる。

また、導電性粒子２４としては、１つの材料で構成することもできるし、複数の材料を混合して構成することもできる。さらに、導電性粒子２４の粒径を変更したり、導電性粒子２４の充填率を変更したりすることにより、導電性粒子２４の充填層における抵抗値を変更することができる。ここで、導電性粒子２４の粒径を大きくなれば、充填層の抵抗が大きくなり、導電性粒子２４の粒径を小さくなれば、充填層の抵抗が小さくなる。また、導電性粒子２４の充填率を高くなれば、充填層の抵抗が小さくなり、充填率を低くなれば、充填層の抵抗が大きくなる。

金属板２１の一部は、弾性ケース２３内の導電性粒子２４と接触しているとともに、金属板２２の一部は、弾性ケース２３内の導電性粒子と接触している。これにより、２つの金属板２１，２２は、導電性粒子２４を介して、電気的に接続される。

金属板２１には、単電池１０の正極端子１１が貫通する貫通孔２１ａが形成されており、貫通孔２１ａに正極端子１１を挿入した状態において、正極端子１１を金属板２１に固定することができる。例えば、正極端子１１にネジ溝を形成しておき、このネジ溝と噛み合うナットを用いて、正極端子１１を金属板２１に固定することができる。

金属板２２には、単電池１０の負極端子１２が貫通する貫通孔２２ａが形成されており、貫通孔２２ａに負極端子１２を挿入した状態において、負極端子１２を金属板２２に固定することができる。例えば、負極端子１２にネジ溝を形成しておき、このネジ溝と噛み合うナットを用いて、負極端子１２を金属板２２に固定することができる。

本実施例の接続ユニット２０によれば、弾性ケース２３を変形させることにより、各金属板２１，２２の位置を互いに変化させることができる。例えば、図３に示すように、接続ユニット２０が接続される正極端子１１および負極端子１２が単電池１０の高さ方向において、ΔＸだけずれている場合には、弾性ケース２３を変形させるだけで、金属板２１を正極端子１１に接続するとともに、金属板２２を負極端子１２に接続することができる。図３は、正極端子１１および負極端子１２が同一の水平面内に位置していないときの単電池１０の配置状態を示している。ここで、上述したずれΔＸは、単電池１０の製造誤差や、単電池１０を載置する面の形状等により、発生することがある。

接続ユニット２０を用いれば、複数の単電池１０の位置決めを精度良く行わなくても、単電池１０に対して接続ユニット２０を容易に接続することができる。言い換えれば、正極端子１１および負極端子１２の位置ずれが大きくなってもよく、位置ずれを小さくしようとする場合に比べて、組電池１の構造を簡素化することができる。

ここで、弾性ケース２３のサイズや弾性ケース２３を形成する材料を適宜選択することにより、金属板２１，２２の向きを適宜変更することができる。例えば、弾性ケース２３の長さ（金属板２１，２２の間隔に相当する）を長くすれば、弾性ケース２３を変形させやすくなり、金属板２１，２２の向きの自由度を向上させることができる。また、弾性ケース２３を形成する材料として、変形しやすい材料を用いれば、弾性ケース２３を変形させやすくなる。

本実施例において、弾性ケース２３を熱可塑性樹脂で形成すれば、単電池１０の発熱に応じて、２つの単電池１０の電気的な接続を遮断させることができる。単電池１０が発熱すると、単電池１０の熱が金属板２１（又は金属板２２）を介して弾性ケース２３に伝達される。ここで、弾性ケース２３の温度が、弾性ケース２３を形成する材料の融点に到達すると、弾性ケース２３が溶融することにより、導電性粒子２４を弾性ケース２３の外部に落下させることができる。

弾性ケース２３の内部において、導電性粒子２４が金属板２１，２２に接触していなければ、金属板２１，２２は、非導通状態となり、２つの単電池１０の電気的な接続を遮断することができる。このように、単電池１０が発熱したときに、２つの単電池１０の電気的な接続を遮断することにより、単電池１０の通電を阻止し、通電に伴う単電池１０の更なる発熱を抑制することができる。

弾性ケース２３を形成する樹脂材料は、単電池１０の発熱温度、言い換えれば、単電池１０の電気的な接続を遮断させるときの温度に基づいて、選択することができる。弾性ケース２３を形成する樹脂材料としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンを用いることができる。ポリエチレンを用いた場合には、予め設定した弾性ケース２３の融点に応じて、ポリエチレンの密度を適宜設定することができる。ここで、ポリエチレンの密度を高くするほど、弾性ケース２３の融点を高くすることができる。

本実施例の接続ユニット２０では、２つの単電池１０を電気的に直列に接続するために用いているが、複数の単電池１０を電気的に並列に接続するために用いることもできる。例えば、接続ユニット２０を図４に示す構成とすることもできる。図４は、本実施例の変形例である接続ユニット２０の構成を示す上面図であり、図１Ａに対応する図である。

図４に示す構成において、金属板２１には、２つの正極端子１１を貫通させる貫通孔２１ａが形成されており、金属板２２には、２つの負極端子１２を貫通させる貫通孔２２ａが形成されている。また、金属板２１，２２は、本実施例と同様に、導電性粒子を収容した弾性ケース２３に接続されている。図４に示す接続ユニット２０を用いても、本実施例と同様の効果を得ることができる。

一方、本実施例では、正極端子１１や負極端子１２と接続される金属板２１，２２が板状に形成されているが、他の形状に形成されていてもよい。すなわち、金属板２１，２２を正極端子１１や負極端子１２に接続することができればよい。

本発明の実施例２における接続ユニットについて、図５Ａおよび図５Ｂを用いて説明する。図５Ａは、接続ユニットの上面図である。図５Ｂは、接続ユニットの側面図であり、図５Ａの矢印Ｄ２で示す方向から見た図である。ここで、実施例１で説明した部材と同一の機能を有する部材については、同一符号を用い、詳細な説明は省略する。以下、実施例１と異なる点について、主に説明する。

本実施例において、金属板２１は、外径Ｒ１の円筒部（接続部に相当する）２１ｂを有しており、円筒部２１ｂは、弾性ケース２３と接続されているとともに、弾性ケース２３の内部に充填された導電性粒子２４と接触している。実施例１と同様に、円筒部２１ｂは、弾性ケース２３に対して、ベルトを用いて接続することができ、導電性粒子２４が弾性ケース２３の外部に漏れないようになっている。

ここで、円筒部２１ｂは、弾性ケース２３に対して、矢印Ｄ３の方向に摺動可能（回転可能）な状態で接続されている。なお、円筒部２１ｂを弾性ケース２３に固定することもできる。また、本実施例では、弾性ケース２３が円筒状に形成されており、外径Ｒ２を有している。

また、金属板２２は、外径Ｒ１の円筒部（接続部に相当する）２２ｂを有しており、円筒部２２ｂは、弾性ケース２３と接続されているとともに、弾性ケース２３の内部に充填された導電性粒子２４と接触している。実施例１と同様に、円筒部２２ｂは、弾性ケース２３に対して、ベルトを用いて接続することができ、導電性粒子２４が弾性ケース２３の外部に漏れないようになっている。

ここで、円筒部２２ｂは、弾性ケース２３に対して、矢印Ｄ４の方向に摺動可能（回転可能）な状態で接続されている。なお、円筒部２２ｂを弾性ケース２３に固定することもできる。また、本実施例では、円筒部２２ｂの外径Ｒ１を、円筒部２１ｂの外径Ｒ１と等しくしているが、円筒部２１ｂ，２２ｂの外径を互いに異なる値に設定することもできる。

図５Ａに示す状態において、金属板２１のうち、貫通孔２１ａが形成された領域における幅Ｗ１は、円筒部２１ｂの径Ｒ１よりも大きくなっている。同様に、金属板２２のうち、貫通孔２２ａが形成された領域における幅Ｗ１は、円筒部２２ｂの径Ｒ１よりも大きくなっている。本実施例では、金属板２１，２２の幅Ｗ１を等しくしているが、互いに異ならせることもできる。

図５Ｂに示す状態において、金属板２１のうち、貫通孔２１ａが形成された領域における厚さＷ２は、円筒部２１ｂの径Ｒ１よりも小さくなっている。同様に、金属板２２のうち、貫通孔２２ａが形成された領域における厚さＷ２は、円筒部２２ｂの径Ｒ１よりも小さくなっている。本実施例では、金属板２１，２２の厚さＷ２を等しくしているが、互いに異ならせることもできる。

本実施例によれば、円筒部２１ｂ、２２ｂが弾性ケース２３に対して矢印Ｄ３，Ｄ４で示す方向に回転することができるようになっている。このため、正極端子１１と接続される金属板２１が位置する面と、負極端子１２と接続される金属板２２が位置する面とが、図６に示すように互いに捻れていても、この捻れに合わせて接続ユニット２０を配置することができる。

図６は、金属板２１，２２が互いに捻れている状態を示す図であり、図５Ａの矢印Ｄ５の方向から見たときの図である。また、図６では、金属板２１，２２の位置関係だけを示しており、弾性ケース２３を省略している。また、本実施例でも、金属板２１，２２が弾性ケース２３を介して接続されているため、実施例１と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施例では、中空構造を有する円筒部２１ｂ，２２ｂを金属板２１，２２に形成しているが、中空構造としなくてもよい。すなわち、金属板２１，２２のうち、弾性ケース２３と接続される部分は、長手方向と直交する断面が円形に形成されていればよい。このような構造であれば、本実施例で説明したように、弾性ケース２３に対して金属板２１，２２を回転させることができる。

また、本実施例では、２つの金属板２１，２２に対して、円筒部２１ｂ，２２ｂを形成しているが、一方の金属板だけに円筒部を形成することもできる。このような構成であっても、金属板２１，２２を捻れた状態で配置させることができ、本実施例と同様の効果を得ることができる。

１：組電池（蓄電装置） １０：単電池（蓄電素子）
１０ａ：発電要素 １０ｂ：電池ケース
１１：正極端子（電極端子） １２：負極端子（電極端子）
２０：接続ユニット ２１：金属板（第１導電部材）
２２：金属板（第２導電部材） ２１ａ，２２ａ：貫通孔
２１ｂ，２２ｂ：円筒部（接続部） ２３：弾性ケース
２４：導電性粒子

Claims (7)

1. 少なくとも２つの蓄電素子を電気的に接続するための接続ユニットであって、
   一方の前記蓄電素子における電極端子と接続される第１導電部材と、
   他方の前記蓄電素子における電極端子と接続される第２導電部材と、
   導電性粒子を収容しており、前記第１導電部材および前記第２導電部材が前記導電性粒子に接触した状態で接続される弾性ケースと、
   を有することを特徴とする接続ユニット。
2. 前記弾性ケースは、樹脂又はゴムで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の接続ユニット。
3. 前記弾性ケースは、熱可塑性樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の接続ユニット。
4. 前記弾性ケースは、前記導電性粒子を充填するための充填口を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の接続ユニット。
5. 前記第１導電部材および前記第２導電部材の少なくとも一方は、前記弾性ケースと接続され、長手方向と直交する断面が円形に形成された接続部を有しており、
   前記接続部は、前記長手方向を回転軸として、前記弾性ケースに対して回転可能であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の接続ユニット。
6. 前記弾性ケースは、円筒状に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の接続ユニット。
7. 請求項１から６のいずれか１つに記載の接続ユニットと、
   前記接続ユニットによって電気的に接続される複数の蓄電素子と、
   を有することを特徴とする蓄電装置。
   

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