JP2012009389A - 蓄電モジュールおよび蓄電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ケーシング110を構成する一対の側板250、251には、それぞれ、電池セル140を保持する正極、負極の端子受部205、206が形成されている。側板250、251の各端子受部205、206の内側には貫通孔201が形成され、その周囲には、環状の溝205a、206aが形成されている。環状の溝205a、206a内部およびその周囲に接着剤が接着され、電池セル140に接着される。環状の溝205a、206a内に充填された接着剤により、ミスト状のガスがケーシング110の内部に流入することが防止される。
【選択図】図7
Description
以下では、一実施の形態による蓄電モジュールを、電動車両、特に電気自動車の車載電源装置を構成する蓄電装置に適用した場合を例として説明する。電気自動車は、内燃機関であるエンジンと電動機とを車両の駆動源として備えたハイブリッド電気自動車、および電動機を車両の唯一の駆動源とする純正電気自動車等を含む。
車載電機システムは、モータジェネレータ10、インバータ装置20、車両全体を制御する車両コントローラ30、および車載電源装置を構成する蓄電装置1000等を備える。蓄電装置1000は、例えば、複数の電池セル等を備えたリチウムイオンバッテリ装置として構成される。
直流正極側モジュール端子は直流正極側外部端子に、直流負極側モジュール端子は直流負極側外部端子にそれぞれ電気的に接続されている。直流正極側外部端子及び直流負極側外部端子は、蓄電装置1000との間において直流電力を授受するための電源側端子であり、蓄電装置1000から延びる電源ケーブル610、620が電気的に接続されている。交流側モジュール端子は交流側外部端子に電気的に接続されている。交流側外部端子は、モータジェネレータ10との間において三相交流電力を授受するための負荷側端子であり、モータジェネレータ10から延びる負荷ケーブルが電気的に接続されている。
蓄電モジュール100は、それぞれ、電気的に直列に接続される高電位側蓄電モジュール100a及び低電位側蓄電モジュール100bから構成されている。各蓄電モジュールには、複数のリチウムイオン電池セル(以下、「電池セル」とする)が直列に接続されて収納されている。複数の電池セルおよびこれらの電池セルを直列に接続する接続体により組電池が構成される。各蓄電モジュール100の構成については後述する。
バッテリコントローラ300は、蓄電装置1000の状態を管理及び制御すると共に、上位制御装置である車両コントローラ30やモータコントローラ23に蓄電装置1000の状態や許容充放電電力などの充放電制御指令を通知する。蓄電装置1000の状態の管理及び制御には、蓄電装置1000の電圧及び電流の計測、蓄電装置1000の蓄電状態(SOC:State Of Charge)及び劣化状態(SOH:State Of Health)などの演算、各蓄電モジュールの温度の計測、セルコントローラ310に対する指令(例えば各電池セルの電圧を計測するための指令、各電池セルの蓄電量を調整するための指令など)の出力などがある。
高電位側蓄電モジュール100aの正極端子とインバータ装置20の直流正極側外部端子との両者は正極側電源ケーブル610を介して電気的に接続されている。低電位側蓄電モジュール100bの負極端子とインバータ装置20の直流負極側外部端子との間は負極側電源ケーブル620を介して電気的に接続されている。
車載電機システムの起動時にあたっては、まず、負極側メインリレー412が投入され、この後に、プリチャージリレー421が投入される。これにより、蓄電装置1000から供給された電流が抵抗422によって制限された後、インバータ搭載の平滑コンデンサに供給されて充電される。平滑コンデンサが所定の電圧まで充電された後、正極側メインリレー411が投入され、プリチャージリレー421が開放される。これにより、蓄電装置1000から正極側メインリレー411を介してインバータ装置20に主電流が供給される。
蓄電装置1000は大きく分けて、蓄電モジュール100及び制御装置900の二つのユニットから構成されている。まず、蓄電モジュール100の構成について説明する。
高電位側蓄電モジュール100a及び低電位側蓄電モジュール100bの上部は、後述する制御装置900の筐体910によって固定されている。
図5に示すように、蓄電モジュール100は、ケーシング110、ケーシング110内に収納された16個の電池セル140、および16個の電池セル140を電気的に直列に接続する、後述する、複数の導電部材により構成されている。
なお、以下の説明において、ケーシング110の長さが最も長い方向、および、冷却媒体入口114(図3参照)側から冷却媒体出口115側に至る方向を、長手方向と定義する。
また、二つの側板250、251が対向する方向を、短手方向と定義する。電池セル140の中心軸方向(正極端子及び負極端子の二つの電極が対向する方向)は短手方向に向いている。
さらに、入口流路形成板111と出口流路形成板118とが対向する方向を、蓄電モジュール100の設置方向に関係なく高さ方向と定義する。
蓄電モジュールの組立性を考慮して、入口流路形成板111、出口側案内板113、冷却媒体入口114及び冷却媒体入口ダクト116が一体に形成されるとともに、出口流路形成板118、入口側案内板112、冷却媒体出口115及び冷却媒体出口ダクト117が一体に形成されている。
電池セル140は、円柱形状の構造体であり、電解液が注入された電池容器の内部に電池素子および安全弁等の構成部品が収納されて構成されている。正極側の安全弁は、過充電などの異常によって電池容器の内部の圧力が所定の圧力になったときに開裂する開裂弁である。安全弁は、開裂によって電池蓋と電池素子の正極側との電気的な接続を遮断するヒューズ機構として機能するとともに、電池容器の内部に発生したガス、すなわち電解液を含むミスト状の炭酸系ガスを電池容器の外部に噴出させる減圧機構として機能する。
図5に示すように、一実施の形態では、例えば第1電池セル列121の最も冷却媒体出口115側に位置する電池セル140の中心軸の長手方向の位置が、第2電池セル列122の最も冷却媒体出口115側に位置する電池セル140の中心軸と、それに隣接する電池セル140の中心軸との間の中間位置になるように、第1電池セル列121及び第2電池セル列122が長手方向にずれて配置されている。
このように、第1電池セル列121と第2電池セル列122とを長手方向にずらして配置することにより、ケーシング110の高さ方向の寸法を低くでき、蓄電モジュール100を高さ方向に小型化することができる。
ただし、第1電池セル列121の一端側に配列された電池セル140の正極側に電気的に接続されたセル正極側接続端子180、及びそれに隣接する第1電池セル列121の電池セル140の負極側に電気的に接続されたセル負極側接続端子181は、側板250のみに設けられている。接続端子180、181には、蓄電モジュール100とは別にサブアセンブリ185として形成された正極側入出力端子183および負極側入出力端子184がそれぞれ接続される。
高電位側蓄電モジュール100aの正極側入出力端子183には正極側電源ケーブル610の端子が接続され、負極側入出力端子184には、SDスイッチ700の一端側に電気的に接続されたケーブルの端子が接続される。低電位側蓄電モジュール100bの正極側入出力端子183には、SDスイッチ700の他端側に電気的に接続されたケーブルの端子が接続される。低電位側蓄電モジュール100bの負極側入出力端子184には負極側電源ケーブル620の端子が接続される。なお、図2において、高電位側蓄電モジュール100aのサブアセンブリ185は端子カバーで覆われた状態を示し、低電位側蓄電モジュール100bのサブアセンブリ185は端子カバーを取り外した状態を示している。
側板250(251)は、周囲に所定の厚さの側部204を有し、側部204の内側には、電池セル140を収納するための16個の貫通孔201が形成されている。各貫通孔201の周囲には、電池セル140の外径より僅かに大きい開口部202aが設けられたリング状の壁部202が形成されている。壁部202は、電池セル140を収納する際の案内部材である。上段側に配列された貫通孔201と下段側に配列された貫通孔201とは、相互に、中心が相手側の中間に位置するように配置されている。リング状の壁部202は、隣接する貫通孔201に対応するリング状の壁部202と一部において連結され、全体が一体的に形成されている。上段側のリング状の壁部202と上部側の側部204との間および下段側の壁部202と下部側の側部204との間は、陥没しており、この領域における側板250の厚さは薄くなっている。
このため、ケーシング110内を、冷却媒体入口114から冷却媒体出口115に向かって流通する冷却媒体は、正極端子受部205の環状の溝205aに充填された接着剤220および負極端子受部206の環状の溝206aに充填された接着剤221に遮断され、側板250(251)の外面側に流出することはない。
これに対して、本発明では、環状の溝140内に充填された接着剤により、電池セル140から噴出あるいはリークしたミスト状のガスが側板250(251)の内側に流入することを確実に防止することができる。
電圧検出導体805を側板250に埋め込んだ状態の平面図を示す。
導電部材150は、中央部156の2つの貫通孔155が、側板250に設けられた2つの固定ガイド130aに嵌合するように側板250に装着される。導電部材150が側板250に装着されると、導電部材150の両端部157は、貫通孔201に入り込んだ状態となり、電池セル140の端子面と当接する。また、導電部材150の溶接部位154は、側板250に形成された貫通孔201から露出した電圧検出導体805の先端部800aと当接する。なお、電池セル140の接続構造上、図8に示すように、一部の貫通孔201からは先端部800aが露出していない。
図12において導電材部150と電池セル140の関係を示す。図10において説明したように導電材部150は、接合部位152を各端部157に2箇所、計4箇所有する。各端部157は1つの電池セル140の正極および負極の端子面に対応するので、言い換えれば、1つの電池セル140に対し2箇所で溶接される。接合部位152の数は、蓄電モジュールによって異なりこの蓄電モジュールでは2つである。
筐体910は、扁平な直方体状の金属製箱体であり、高電位側蓄電モジュール100a及び低電位側蓄電モジュール100bに対して、ボルト或いはネジなどの固定手段により固定されている。これにより、高電位側蓄電モジュール100a及び低電位側蓄電モジュール100bは互いの短手方向の端部同士が制御装置900によって接続されて固定される。すなわち、制御装置900が支持具の機能を兼ねているので、蓄電モジュール100の強度をより向上させることができる。
図13において、ステップS1〜S6が蓄電モジュール100を作製する工程である。蓄電装置1000は、高電位側蓄電モジュール100aおよび低電位側蓄電モジュール100bを備えているが、高電位側蓄電モジュール100aと低電位側蓄電モジュール100bとは構造は同一であり、各蓄電モジュールを制御装置900に接続する際の接続方法により、いずれかに確定する。つまり、蓄電モジュール100の組立方法は同一であり、以下に説明する蓄電モジュール100の作成方法は、高電位側および低電位側に共通する。
ステップS1において、入口流路形成板111、出口側案内板113、冷却媒体入口114及び冷却媒体入口ダクト116、さらに、出口流路形成板118、入口側案内板112、冷却媒体出口115及び冷却媒体出口ダクト117を一体に形成する。そして、側板250、251の一方を、図示はしないがシール部材(図示省略)を介して、ボルト、ネジ、リベットなどの締結手段により固定し、ケース組立体を作製する。この場合、側板250、251は、図8に図示されるように、予め、2個の接続端子810および電圧検出導体805が成形により一体化して形成されている。この実施形態では一方の側板を側板250の場合で説明するが、側板251であっても差し支えない。但し、この段階では、他方の側板251はケース組立体には組付けない。この他方の側板が組み付けられていないケース組立体を、一方の側板250側を下にして支持部材上に載置する。
この状態では、ケーシング110内に収納された各電池セル14は、正極端子面140aが環状の溝205a内に充填された接着剤220により全周囲が接着され、負極端子面140bの周縁部の全周囲が接着剤221により確実に接着されている。
図12に示すように、側板250、251の一方、例えば側板250の固定ガイド130aに導電部材150の貫通孔155を嵌合させ、側板250に導電部材150を装着する(図10、図12参照)。そして、導電部材150の溶接部位152と、対応する電池セル140の端子面とをTIG(Titan Inert Gas)溶接により接合する。同様に、側板250、251の他方、すなわち側板251にも導電部材150を装着し、導電部材150の溶接部位152と電池セル140とをTIG溶接により接合する。
なお、蓄電モジュール100を形成する各構成部材の組立順は、上述したものには限定されず、各構成部材の固定順番を変更してもよい。
以上のステップS1〜S7の組み立て作業により、蓄電装置1000が完成する。
(1)蓄電モジュール100は、複数の電池セル140と、複数の電池セル140を収納するケーシング110と、複数の電池セル140を電気的に接続するための複数の導電部材150と、複数の電池セル140のそれぞれの電圧を検出するための電圧検出導体805とを備える。ケーシング110は、少なくとも、複数の電池セル140を両側から挟みこんで支持する一対の樹脂製の側板250、251を有する。図8、9に示すように、電圧検出導体805は、所定の形状に成形されて、側板250、251と一体化されている。これにより、電圧検出用のリード線を手作業で側板250、251に引回して設置するためのスペースおよび煩雑な製造工程が不要となり、蓄電モジュール100を効率的に製造することができる。とくに、小型化が要求される蓄電モジュール100に対する電圧検出導体805の設置を容易に行うことができる。
の場合、配線800および電流遮断部811を取り替えることにより、蓄電モジュール100を再利用することが可能となる。なお、電圧検出導体805は、所定の形状に成形されたうえで側板250、251と一体化されているため、電圧検出導体805自体では実質的に短絡が発生しない。
110 ケーシング、
140 電池セル
150 導電部材
201 貫通孔
205 正極端子受部
205a 溝
205b 突起部
205c 正極端子受面
206 負極端子受部
206a 溝
206b 負極端子受面
220、221 接着剤
250、251 側板、
900 制御装置
1000 蓄電装置
Claims (6)
- 電池セルの正極端子面および負極端子面に対応する複数の貫通孔が形成された一対の側板を含むケース部材と、前記ケース部材に収納された各電池セルを電気的に接続する導電部材とを備え、
前記各側板における前記電池セルの正極端子面が接着される正極端子受部および前記電池セルの負極端子面が接着される負極端子受部に前記電池セルを接着する蓄電装置であって、
前記正極端子受部および負極端子受部に環状の溝を設け、前記環状の溝内に前記電池セルの正極端子面または負極端子面の周囲全体に接着されるように接着剤が設けられていることを特徴とする蓄電モジュール。 - 請求項1に記載の蓄電モジュールにおいて、前記ケース部材の内部に冷媒通路が形成され、前記ケース部材の側板の外面側に電池セルからのガスまたは電解液の通路が形成され、前記冷媒通路と前記電池セルからのガスまたは電解液の通路とが、前記環状の溝内に設けられた接着剤により分離されていることを特徴とする蓄電モジュール。
- 請求項1または2に記載の蓄電モジュールにおいて、前記正極端子受部における前記環状の溝の内側に前記接着剤により正極端子面に接着される正極端子受面が形成され、前記負極端子受部における前記環状の溝の内側に前記接着剤により負極端子面に接着される負極端子受面が形成されていることを特徴とする蓄電モジュール。
- 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の蓄電モジュールにおいて、前記正極端子受部は、前記環状の溝と前記正極端子受面との間に突起部を有することを特徴とする蓄電モジュール。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の蓄電モジュールにおいて、前記環状の溝の幅は、前記正極端子受面または前記負極端子受面の幅よりも小さいことを特徴とする蓄電モジュール。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載された蓄電モジュールの電池セルに接続され、前記電池セルの電圧の計測回路を有する制御装置を備えることを特徴とする蓄電装置。
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