JP2015099647A - 蓄電モジュールおよび蓄電セル - Google Patents

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Abstract

【課題】 蓄電セルの異種金属で構成されたプラス端子およびマイナス端子をバスバーで電気的に接続する際に、ねじ結合部の数を最小限に抑えながら接続部の信頼性を確保する。
【解決手段】 蓄電モジュールＭは積層された複数の蓄電セル１１を備え、隣接する一対の蓄電セル１１のうちの一方の蓄電セル１１のプラス端子２２と他方の蓄電セル１１のマイナス端子１１ｆとをバスバー２０で電気的に接続する。プラス端子２２およびマイナス端子１１ｆは異種の金属で構成され、マイナス端子１１ｆとバスバー２０とを同種の金属で構成して溶接により接続するとともに、プラス端子２２とバスバー２０とをねじ結合により接続するので、同種の金属よりなるマイナス端子１１ｆとバスバー２０とを溶接により強固に接続しながら、異種の金属よりなるプラス端子２２とバスバー２０とをねじ結合により強固に接続することで、ねじ結合の数を最小限に抑えながら信頼性を確保することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、積層された複数の蓄電セルを備え、隣接する一対の蓄電セルのうちの一方の蓄電セルのプラス端子と他方の蓄電セルのマイナス端子とをバスバーで電気的に接続した蓄電モジュールに関する。また本発明は、蓄電セル本体に異種の金属で構成されたプラス端子およびマイナス端子を備える蓄電セルに関する。
蓄電モジュールの相互に隣接する一対の蓄電セルのプラス端子およびマイナス端子に雄ねじを形成し、金属板よりなるバスバーに形成した２個の孔をプラス端子およびマイナス端子に嵌合した状態で前記雄ねじにそれぞれナットを螺合することで、プラス端子およびマイナス端子をバスバーを介して電気的に接続するものが、下記特許文献１により公知である。
特開２０１０−１７６９９７号公報
ところで、上記従来のものは、プラス端子およびマイナス端子をバスバーを介して電気的に接続するために２個のボルト（端子の雄ねじ）および２個のナットが必要になり、部品点数が増加してコストアップの要因となる問題があった。
そこで、ボルトおよびナットを廃止し、プラス端子およびマイナス端子にバスバーの両端部を溶接することが考えられる。しかしながら，例えばリチウムイオンバッテリはプラス端子がアルミニウム合金製であり、マイナス端子が銅合金製であるため、バスバーを銅合金で構成すると、異種金属であるプラス端子およびバスバーの溶接がうまくできず、溶接部の信頼性が低下する虞があり、逆にバスバーをアルミニウム合金で構成すると、異種金属であるマイナス端子およびバスバーの溶接がうまくできず、溶接部の信頼性が低下する虞がある。
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、蓄電セルの異種金属で構成されたプラス端子およびマイナス端子をバスバーで電気的に接続する際に、ねじ結合の数を最小限に抑えながら接続部の信頼性を確保することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、積層された複数の蓄電セルを備え、隣接する一対の蓄電セルのうちの一方の蓄電セルのプラス端子と他方の蓄電セルのマイナス端子とをバスバーで電気的に接続した蓄電モジュールであって、前記プラス端子および前記マイナス端子は異種の金属で構成され、前記プラス端子および前記マイナス端子のうちの一方の端子と前記バスバーとを同種の金属で構成して溶接により接続するとともに、他方の端子と前記バスバーとをねじ結合により接続することを特徴とする蓄電モジュールが提案される。
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記他方の端子は前記蓄電セルの表面から突出する主端子と、前記主端子に一端を溶接された金属製の補助端子とからなり、前記補助端子の他端に設けたボルトに前記バスバーをナットで締結することを特徴とする蓄電モジュールが提案される。
また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、前記ボルトおよび前記ナットで電圧検出用端子を共締めすることを特徴とする蓄電モジュールが提案される。
また請求項４に記載された発明によれば、請求項２または請求項３の構成に加えて、前記プラス端子の前記主端子および前記補助端子がアルミニウム合金製であり、前記マイナス端子および前記バスバーが銅合金製であることを特徴とする蓄電モジュールが提案される。
また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、前記バスバーの中間部に細幅部を形成したことを特徴とする蓄電モジュールが提案される。
また請求項６に記載された発明によれば、請求項１〜請求項５の何れか１項の構成に加えて、前記バスバーの中間部に上下方向に高さが変化する段差部を形成したことを特徴とする蓄電モジュールが提案される。
また請求項７に記載された発明によれば、請求項５または請求項６の構成に加えて、前記バスバーは上下方向に見たときに中間部においてＬ字状に屈曲することを特徴とする蓄電モジュールが提案される。
また請求項８に記載された発明によれば、請求項１〜請求項７の何れか１項の構成に加えて、前記一方の端子は円柱形状であり、前記バスバーに形成した円形の溶接孔が前記円柱形状の端子に嵌合して溶接され、前記ねじ結合の方向は前記円柱形状の軸方向と一致することを特徴とする蓄電モジュールが提案される。
また請求項９に記載された発明によれば、蓄電セル本体に異種の金属で構成されたプラス端子およびマイナス端子を備える蓄電セルであって、前記プラス端子および前記マイナス端子の一方は、前記蓄電セル本体の表面から突出する主端子と、前記主端子に一端を溶接されて他端にボルトを有する補助端子とからなることを特徴とする蓄電セルが提案される。
尚、実施の形態のプラス側のセル端子１１ｅは本発明の主端子に対応し、実施の形態のマイナス側のセル端子１１ｆは本発明のマイナス端子に対応する。
請求項１の構成によれば、蓄電モジュールは積層された複数の蓄電セルを備え、隣接する一対の蓄電セルのうちの一方の蓄電セルのプラス端子と他方の蓄電セルのマイナス端子とをバスバーで電気的に接続する。プラス端子およびマイナス端子は異種の金属で構成され、プラス端子およびマイナス端子のうちの一方の端子とバスバーとを同種の金属で構成して溶接により接続するとともに、他方の端子とバスバーとをねじ結合により接続するので、同種の金属よりなる一方の端子とバスバーとを溶接により強固に接続しながら、異種の金属よりなる他方の端子とバスバーとをねじ結合により強固に接続することで、ねじ結合の数を最小限に抑えながら信頼性を確保することができる。
また請求項２の構成によれば、他方の端子は蓄電セルの表面から突出する主端子と、主端子に一端を溶接された金属製の補助端子とからなり、補助端子の他端に設けたボルトにバスバーをナットで締結するので、ボルトを持たない主端子に補助端子を介してバスバーをねじ結合することができる。
また請求項３の構成によれば、ボルトおよびナットで電圧検出用端子を共締めするので、電圧検出用端子を接続するための特別の部材や溶接が不要になってコストダウンが可能になる。
また請求項４の構成によれば、プラス端子の主端子および補助端子がアルミニウム合金製であり、マイナス端子およびバスバーが銅合金製であるので、プラス端子の主端子および補助端子の溶接が同一材料どうしで容易であり、かつマイナス端子およびバスバーの溶接が同一材料どうしで容易である。
また請求項５の構成によれば、バスバーの中間部に細幅部を形成したので、バスバーにより接続されるプラス端子およびマイナス端子の相対位置に誤差が存在しても、バスバーの細幅部が容易に撓むことで前記相対位置の誤差を吸収することができる。
また請求項６の構成によれば、バスバーの中間部に上下方向に高さが変化する段差部を形成したので、バスバーにより接続されるプラス端子およびマイナス端子の相対位置に誤差が存在しても、バスバーの段差部が容易に撓むことで前記相対位置の誤差を吸収することができる。
また請求項７の構成によれば、バスバーは上下方向に見たときに中間部においてＬ字状に屈曲するので、バスバーの全長を拡大して可撓性を更に高めることができる。
また請求項８の構成によれば、一方の端子は円柱形状であり、バスバーに形成した円形の溶接孔が円柱形状の端子に嵌合して溶接されるので、円柱形状の端子および円形の溶接孔間のクリアランスを小さく管理して溶接の信頼性を確保することができる。またバスバーの両端をプラス端子およびマイナス端子に溶接する場合には、蓄電セルの位置誤差等により前記クリアランスを小さくすることが困難であるが、バスバーの他端をねじ結合とすることで、円柱形状の端子および円形の溶接孔を小さいクリアランスで嵌合して溶接することが可能となる。またねじ結合の方向が円柱形状の軸方向と一致するので、ねじ結合時に溶接部に過大な荷重が作用することが防止され、溶接部の信頼性が一層高められる。
また請求項９の構成によれば、蓄電セルは蓄電セル本体に異種の金属で構成されたプラス端子およびマイナス端子を備えており、プラス端子およびマイナス端子の一方は、蓄電セル本体の表面から突出する主端子と、主端子に一端を溶接されて他端にボルトを有する補助端子とからなるので、隣接する一対の蓄電セルのうちの一方の蓄電セルのプラス端子と他方の蓄電セルのマイナス端子とをバスバーで電気的に接続する際に、異種の金属よりなる一方の端子とバスバーとをねじ結合により強固に接続しながら、同種の金属よりなる他方の端子とバスバーとを溶接により強固に接続することで、ねじ結合の数を最小限に抑えながら信頼性を確保することができる。
蓄電モジュールの分解斜視図。 蓄電モジュールの部分斜視図。 プラス端子およびマイナス端子の接続部の分解斜視図。 図２の４−４線拡大断面図およびそのＢーＢ線矢視図。
以下、図１〜図４に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１に示すように、電気自動車やハイブリッド自動車の電源として使用される蓄電モジュールＭは、積層方向に積層された所定個数（実施の形態では１２個）の蓄電セル１１…を備える。本実施の形態の蓄電セル１１…はリチウムイオンバッテリである。各蓄電セル１１は直方体状に形成され、相互に対向する一対の主面１１ａ，１１ａと、主面１１ａ，１１ａに対して直交して相互に対向する一対の側面１１ｂ，１１ｂと、主面１１ａ，１１ａおよび側面１１ｂ，１１ｂに対して直交して相互に対向する頂面１１ｃおよび底面１１ｄとを備えており、頂面１１ｃにはプラス側のセル端子１１ｅおよびマイナス側のセル端子１１ｆが設けられる。１２個の蓄電セル１１…のプラス側のセル端子１１ｅ…およびマイナス側のセル端子１１ｆ…は電気的に直列に接続される。
尚、本明細書において、積層方向に直交して蓄電セル１１の頂面１１ｃおよび底面１１ｄを結ぶ方向を上下方向と定義し、積層方向に直交して蓄電セル１１の一対の側面１１ｂ，１１ｂを結ぶ方向を幅方向と定義する。
１２個の蓄電セル１１…の主面１１ａ…と、合成樹脂で構成された１１個の四角い板状の中間蓄電セルホルダ１２…とが積層方向に交互に重ね合わされ、積層方向両端の２個の蓄電セル１１，１１の積層方向外側に合成樹脂で構成された一対の四角い板状の端部蓄電セルホルダ１３，１３が重ね合わされ、更にその積層方向外側に一対の金属製のエンドプレート１４，１４が重ね合わされる。
蓄電セル１１…、中間蓄電セルホルダ１２…、端部蓄電セルホルダ１３，１３およびエンドプレート１４，１４を積層方向に積層した状態で、一対の金属製の板状部材よりなる側部締結フレーム１５，１５の積層方向両端部を一対のエンドプレート１４，１４の幅方向両端部にボルト１７…で締結することで、１２個の蓄電セル１１…を有する蓄電モジュールＭが組み立てられる。このとき、蓄電セル１１…、中間蓄電セルホルダ１２…および端部蓄電セルホルダ１３，１３と側部締結フレーム１５，１５との間に、結露水によって蓄電セル１１…と側部締結フレーム１５，１５とが液絡するのを防止するための合成樹脂製のインシュレータ１９，１９が配置される。
図２〜図４に示すように、相互に隣接する一対の蓄電セル１１，１１は、プラス側のセル端子１１ｅおよびマイナス側のセル端子１１ｆが接近するように、交互に逆向きに積層されており、プラス側のセル端子１１ｅおよびマイナス側のセル端子１１ｆがバスバー２０および補助端子２１で電気的に接続される。リチウムイオンバッテリよりなる蓄電セル１１は、プラス側のセル端子１１ｅがアルミニウム合金製であり、マイナス側のセル端子１１ｆが銅合金製である。一方、バスバー２０は銅合金製であり、補助端子２１はアルミニウム合金製である。
バスバー２０はＬ字状に形成された板状部材であり、その一端に円形の溶接孔２０ａが形成され、他端に円形のボルト孔２０ｂが形成される。またバスバー２０がＬ字状に屈曲する中間部には、その断面積が小さくなる細幅部２０ｃが形成されるとともに、溶接孔２０ａ側が低くなってボルト孔２０ｂ側が高くなるように上下方向に屈曲した段差部２０ｄが形成される。マイナス側のセル端子１１ｆは単独で蓄電セル１１のマイナス端子を構成するものであり、マイナス側のセル端子１１ｆと同一の直径を有するバスバー２０の溶接孔２０ａは、マイナス側のセル端子１１ｆに嵌合して溶接により固定される。
補助端子２１は主端子であるプラス側のセル端子１１ｅと協働して蓄電セル１１のプラス端子２２を構成する。アルミニウム合金製の矩形板状部材からなる補助端子２１は、その一端に円形の溶接孔２１ａが形成され、他端に鉄製のボルト２３がカシメにより固定される。溶接孔２１ａは蓄電セル１１…のプラス側セル端子１１ｅと同一の直径を有しており、溶接孔２１ａはプラス側セル端子１１ｅに嵌合して溶接により固定される。またバスバー２０のボルト孔２０ｂの半径は補助端子２１のボルト２３の半径よりもαだけ大きく設定されており（図４参照）、ボルト２３にボルト孔２０ｂを嵌合した状態でナット２４を螺合することで、バスバー２０および補助端子２１が接続される。このとき、図示せぬ電圧センサに接続される電圧検出用端子２５がボルト２３およびナット２４で共締めされる。
次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。
１２個の蓄電セル１１…を側部締結フレーム１５，１５で一体に締結した後、蓄電セル１１…のプラス側のセル端子１１ｅ…およびマイナス側のセル端子１１ｆ…をバスバー２０…を介して直列に接続する。先ずプラス端子２２を組み立てるべく、アルミニウム合金製のプラス側のセル端子１１ｅにアルミニウム合金製の補助端子２１の溶接孔２１ａを嵌合して溶接する。この溶接は、アルミニウム合金の同種金属どうしの溶接であるために容易であり、溶接部の信頼性も確保される。
次に、蓄電セル１１の銅合金製のマイナス側のセル端子１１ｆに銅合金製のバスバー２０の溶接孔２０ａを嵌合して溶接する。この溶接は、銅合金の同種金属どうしの溶接であるために容易であり、溶接部の信頼性も確保される。このとき、バスバー２０のボルト孔２０ｂは補助端子２１のボルト２３に嵌合するが、ボルト孔２０ｂの半径はボルト２３の半径よりもαだけ大きく設定されているため（図４参照）、蓄電セル１１…の相対位置に誤差が存在しても、ボルト孔２０ｂおよびボルト２３の嵌合作業が容易になる。そして最後に、ボルト２３に電圧検出用端子２５を嵌合し、ボルト２３にナット２４を螺合して補助端子２１にバスバー２０および電圧検出用端子２５を共締めすれば良い。
以上のように、本実施の形態によれば、マイナス側のセル端子１１ｆおよびバスバー２０を共に銅合金で構成して溶接により接続するとともに、プラス側のセル端子１１ｅおよび補助端子２１を共にアルミニウム合金で構成して溶接により接続し、異種金属よりなるバスバー２０および補助端子２１をボルト２３およびナット２４で締結することで、ねじ結合の数を最小限に抑えながら、異種金属どうしの溶接部分をなくして信頼性を確保することができる。
特に、プラス端子２２は、プラス側のセル端子１１ｅと、そのプラス側のセル端子１１ｅに一端を溶接された補助端子２１とからなり、補助端子２１の他端に設けたボルト２３にバスバー２０をナット２４で締結するので、ボルト２３を持たないプラス側のセル端子１１ｅに補助端子２１を介してバスバー２０をねじ結合することができる。
更に、ボルト２３およびナット２４で電圧検出用端子２５を共締めするので、電圧検出用端子２５を接続するための特別の部材や溶接が不要になって一層のコストダウンが可能になる。
また隣接する一対の蓄電セル１１，１１間に位置誤差が存在すると、バスバー２０が変形して応力集中が発生することで耐久性に悪影響が及ぶ可能性があるが、バスバー２０は撓み易いようにＬ字状に屈曲して全長が長くなっており、しかもバスバー２０の中間部は細幅部２０ｃおよび段差部２０ｄによって更に撓み易くなっており、これによりバスバー２０に過大な荷重が作用して耐久性が低下するのを防止することができる。
またマイナス側のセル端子１１ｆは円柱形状であり、そこに嵌合して溶接されるバスバー２０の溶接孔２０ａは円形であるので、マイナス側のセル端子１１ｆおよびバスバー２０の溶接孔２０ａ間のクリアランスを小さく管理して溶接の信頼性を確保することができる。仮に、バスバー２０の両端部をマイナス側のセル端子１１ｆおよびプラス側のセル端子１１ｅに溶接する場合には、蓄電セル１１，１１間の位置誤差等により前記クリアランスを小さくすることが困難であるが、バスバー２０のボルト孔２０ｂを補助端子２１にねじ結合することで、マイナス側のセル端子１１ｆおよびバスバー２０の溶接孔２０ａを小さいクリアランスで嵌合して溶接することが可能となる。しかもボルト２３およびナット２４のねじ結合の方向がマイナス側のセル端子１１ｆの軸方向と一致するので、ねじ結合時にセル端子１１ｆおよび溶接孔２０ａの溶接部に過大な捩じり荷重が作用することが防止され、溶接部の信頼性が一層高められる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
例えば、本発明の蓄電セル１１は実施の形態のリチウムイオンバッテリに限定されるものではない。
またプラス側のセル端子１１ｅおよび補助端子２１は実施の形態のアルミニウム合金製に限定されるものではなく、マイナス側のセル端子１１ｆおよびバスバー２０は実施の形態の銅合金製に限定されるものではない。
また実施の形態ではプラス端子側に補助端子２１を設け、マイナス端子（マイナス側のセル端子１１ｆ）側にバスバー２０を設けているが、マイナス端子側に補助端子２１を設け、プラス端子側にバスバー２０を設けても良い。
１１ 蓄電セル
１１ｅ プラス側のセル端子（主端子）
１１ｆ マイナス側のセル端子（マイナス端子）
２０ バスバー
２０ａ 溶接孔
２０ｃ 細幅部
２０ｄ 段差部
２１ 補助端子
２２ プラス端子
２３ ボルト
２４ ナット
２５ 電圧検出用端子

Claims (9)

  1. 積層された複数の蓄電セル（１１）を備え、隣接する一対の蓄電セル（１１）のうちの一方の蓄電セル（１１）のプラス端子（２２）と他方の蓄電セル（１１）のマイナス端子（１１ｆ）とをバスバー（２０）で電気的に接続した蓄電モジュールであって、
    前記プラス端子（２２）および前記マイナス端子（１１ｆ）は異種の金属で構成され、前記プラス端子（２２）および前記マイナス端子（１１ｆ）のうちの一方の端子（１１ｆ）と前記バスバー（２０）とを同種の金属で構成して溶接により接続するとともに、他方の端子（２２）と前記バスバー（２０）とをねじ結合により接続することを特徴とする蓄電モジュール。
  2. 前記他方の端子（２２）は前記蓄電セル（１１）の表面から突出する主端子（１１ｅ）と、前記主端子（１１ｅ）に一端を溶接された金属製の補助端子（２１）とからなり、前記補助端子（２１）の他端に設けたボルト（２３）に前記バスバー（２０）をナット（２４）で締結することを特徴とする、請求項１に記載の蓄電モジュール。
  3. 前記ボルト（２３）および前記ナット（２４）で電圧検出用端子（２５）を共締めすることを特徴とする、請求項２に記載の蓄電モジュール。
  4. 前記プラス端子（２２）の前記主端子（１１ｅ）および前記補助端子（２１）がアルミニウム合金製であり、前記マイナス端子（１１ｆ）および前記バスバー（２０）が銅合金製であることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の蓄電モジュール。
  5. 前記バスバー（２０）の中間部に細幅部（２０ｃ）を形成したことを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の蓄電モジュール。
  6. 前記バスバー（２０）の中間部に上下方向に高さが変化する段差部（２０ｄ）を形成したことを特徴とする、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の蓄電モジュール。
  7. 前記バスバー（２０）は上下方向に見たときに中間部においてＬ字状に屈曲することを特徴とする、請求項５または請求項６に記載の蓄電モジュール。
  8. 前記一方の端子（１１ｆ）は円柱形状であり、前記バスバー（２０）に形成した円形の溶接孔（２０ａ）が前記円柱形状の端子（１１ｆ）に嵌合して溶接され、前記ねじ結合の方向は前記円柱形状の軸方向と一致することを特徴とする、請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の蓄電モジュール。
  9. 蓄電セル本体に異種の金属で構成されたプラス端子（２２）およびマイナス端子（１１ｆ）を備える蓄電セルであって、
    前記プラス端子（２２）および前記マイナス端子（１１ｆ）の一方は、前記蓄電セル本体の表面から突出する主端子（１１ｅ）と、前記主端子（１１ｅ）に一端を溶接されて他端にボルト（２３）を有する補助端子（２１）とからなることを特徴とする蓄電セル。
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