JP5119640B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、所要の出力電圧を得るのに必要な個数の単電池を配列して電気的に接続し、且つ機械的に連結して構成される電池モジュールに関し、より詳しくは組み立て時のミスをなくし生産性を高める技術に関する。

近年では、ＡＶ機器あるいはパソコンや携帯通信機器などの電子機器のポータブル化やコードレス化が急速に促進されており、これらの電気機器の駆動電源として、信頼性が高く、且つメンテナンスが容易であることから、ニッケルカドミウム蓄電池、ニッケル水素蓄電池またはリチウムイオン二次電池などが使用されている。

一方、ハイブリッドタイプの電気自動車では、内燃機関と組み合わせることにより走行駆動源に用いられる電池駆動モータの電力源として、ニッケル水素蓄電池が用いられている。また、地震や台風などの災害による停電発生時のバックアップ用非常電源装置などの用途には、現在において鉛蓄電池が主に採用されているが、将来的には大容量で、且つ大電流放電が可能なニッケル水素蓄電池の実用化が要望されている。さらに、大容量を有するニッケル水素蓄電池には、無人通信基地局などの非常電源装置や、電車のパンタグラフ昇降用電源装置或いは電車の給電停止時に使用する照明点灯用バックアップ電源装置などの鉄道用電源装置の用途への採用も期待されている。

上述のような電源装置は、複数個の円筒形電池にある各々の異極の電源端子間を互いに接続して電池モジュールを構成し、その電池モジュールを所要の出力電圧を得るのに必要な個数だけ相互に接続して電池パックに組み立てられるのが一般的である。本件出願人は、振動や衝撃に対しても強い堅牢性を有する電池モジュールを先に提案している（例えば、特許文献１参照）。

上記電池モジュールは、円筒形電池の電池軸方向の長さとほぼ等しい厚みを有する直方体に、円筒形電池の直径とほぼ等しい一辺を有する平面視正方形の形状で厚み方向に貫通する電池収納部が、一列または複数列に形成されてなる合成樹脂製のホルダケースを有し、各電池収納部に個々に収納された各円筒形電池のうちの隣接する各２個の円筒形電池の異極間が平板状接続板によって相互に電気的接続された構成になっている。隣接する各２個の円筒形電池を相互に接続する電池間接続構造は、円筒形電池に、これの外周近傍箇所において軸方向外方に突出するリング状の接続電極部を形成し、平板状接続板を、隣接する各２個のうち一方の円筒形電池の接続電極部と他方の円筒形電池の底面とに架け渡して、接続板と接続電極部および電池ケースの底面との各々の接触箇所をそれぞれ溶接により接合した構成になっている。

この電池モジュールは、各円筒形電池を個々の電池収納部に収納することによって完全に電気絶縁した状態で保持できるから、絶縁リングや外装チューブが不要となってコストの低減と生産性の向上を図ることができ、各円筒形電池が、これらの外周の４箇所が電池収納部を形成する４つの隔壁に接した状態に固定されるから、振動や衝撃に対してもがたつくことなく確実に保持される顕著な効果を奏するものである。

また、従来の電池パックとしては、複数個の円筒形電池を一列に電気的、且つ機械的に直列接続して電池モジュールを構成し、上方が開口した直方形状箱形となった合成樹脂製ホルダケース内に、上記電池モジュールを複数列多段の並列配置で挿入して保持させ、ホルダケースにおける両端部に位置する各エンドプレートに電池モジュールの端子間を電気
的に接続するバスバーを設けたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。上記ホルダケースは、全体の外形が細長い円柱状となった電池モジュールを挿入するための円形の貫通孔が両端壁に電池モジュールの収納数だけ形成されているとともに、電池モジュールを安定に保持するための中間壁が両端壁間に平行に設けられており、この中間壁にも円形の貫通孔が両端壁と同数だけ開口されている。各電池モジュールは、両端壁と中間壁の各貫通孔に挿入してホルダケースの定位置に保持されている。

この電池パックは、電池モジュールの支持強度および剛性を格段に向上させることができるとともに、ボルトなどの締結作業のみで電池モジュールをバスバーに結合できる結果、電池モジュールをホルダケースに組み込む作業が簡単容易となる効果が得られる。
特開２００３−１６２９９３号公報 特開平１０−２７０００６号公報

しかしながら、上記従来の電池モジュールにおいては、１つの電池モジュール内に収納される電池の個数が予め決められていることから、使用者や用途ごとに異なる形状の電池モジュールが要望された場合には、その形状に合わせた構成の電池モジュールを新たに設計・製造する必要があることから、要望にタイムリーに答えることができないという問題点を有していた。また併せて、電池モジュール内の特定の電池のみが劣化した場合に、従来の電池モジュールの構成ではその電池のみを効率的に排出し新規な電池に交換することは不可能であり、一旦電池モジュール全体を解体する必要があった。

そこで電池の外周面の一部分に嵌合する保持受け部を備えた複数個の枠部からなる保持枠で複数個の電池を保持する方法を採れば、上述した課題を解決することができると考えられる。ところが上述した保持枠は、種々の理由によってその表裏の形状が異なるのが常である。一例として、電池を保持枠で保持した後で隣接し合う各２個の電池を互いに電気的に接続する際に、接続部品（電池間接続板など）は保持枠の表側に配置されるが、体積効率を向上して電池モジュールのエネルギー密度をより大きくするために、接続部品の厚みに相当する窪みを保持枠の表側に設けて、電池間接続板を接続した後の電池モジュールを、不要な突出部のない略矩形状に設計することになる。このような構成を採ることにより保持枠の表裏の形状が異なった場合、表裏を違わぬように個々の枠部を組み合わせ、保持枠を構成する必要が生じる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、複数個の枠部からなる保持枠を備えた体積効率と利便性の高い電池モジュールを組み立てたり修繕したりする際に、ミスをなくして生産や修繕に要する時間を短縮させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電池モジュールは、複数個の電池と、電池の外周面の一部分に嵌合する保持受け部を備えた複数個の枠部からなる保持枠とを有し、電池の電池軸方向の両端部が保持枠のそれぞれの枠部の保持受け部にて保持され、隣接し合う各２個の電池が互いに電気的に接続されたものであって、保持枠の表裏の形状が異なっており、互いを係合しあいかつ保持枠の表裏を違わぬようパターニングされた複数個の係合凸部および係合凹部の少なくとも一方を枠部が備えていることを特徴とする。

このような構成とすることにより、複数個の枠部からなり電池を保持する保持枠を、要望された電池モジュールの構成に応じて自在に組み立てたり特定の電池を交換する修理を行ったりする際に、表裏のある保持枠をミスなく組み立てられるので、生産性および修繕効率を向上させることができる。また係合凸部と係合凹部との係合により、組み立て後の
保持枠の機械的強度を高いものにできる。

本発明によれば、体積効率と利便性の高い電池モジュールを短時間でミスなく組立あるいは修繕できるようになる。

以下、本発明の最良の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

第１の発明は、複数個の電池と、電池の外周面の一部分に嵌合する保持受け部を備えた複数個の枠部からなる保持枠とを有し、電池の電池軸方向の両端部が保持枠のそれぞれの枠部の保持受け部にて保持され、隣接し合う各２個の電池が互いに電気的に接続された電池モジュールであって、保持枠の表裏の形状が異なっており、互いを係合しあいかつ保持枠の表裏を違わぬようパターニングされた複数個の係合凸部および係合凹部の少なくとも一方を枠部が備えていることを特徴とする。

図１は本発明の電池モジュール１の一例の外観イメージを示す概略斜視図である。この電池モジュール１は、１０個の円筒形電池２を、電池軸方向に沿って平行な配置で５個並置してなる電池列を上下２段に配置して、この計１０個の円筒形電池２の電池軸方向の両端部をそれぞれ保持枠３で固定して保持した構成になっている。またこの電池モジュール１は、１０個の円筒形電池２が各々の両端部を除く外面が外部に露出された状態で接続されているので、従来の電池収納部に個々に円筒形電池を収納する構成と比較して体積効率が高いものとなっている。

またこの実施形態では、円筒形電池２として、１００Ａｈ程度の大容量および１．６Ｋｇ程度の比較的大きな重量を有するニッケル水素蓄電池のような大型の円筒形電池２を用いる場合を例示してあり、この電池モジュール１は、上述のような大型の円筒形電池２であっても、高い生産性で効率的に組み立てることが可能であり、しかも、十分な堅牢性を有する構成とすることができる。これについての詳細は後述する。

図１の前後に位置する一対の保持枠３は、内枠部４とこれの上下に配置した第１および第２の外枠部７、８とを互いに組み合わせて着脱自在に固定することにより、全体として略矩形の外形を有する直方体に一体化されている。内枠部４と第１および第２の外枠部７、８は何れも合成樹脂による一体成形品であるが、放熱性を考慮したアルミニウム製による一体成形品でもよい。また、前後に配置される一対の保持枠３は、ともに同一のものである。但し、この一対の保持枠３は、互いに逆方向を向き、且つ上下位置を反転させた相対位置で互いに平行に配置されている。電池列方向において隣接する各２個の円筒形電池２は、各々に固着した電池間接続板９の一部を重ね合わせた状態でボルト１０とナット（図示せず）との螺合締結により連結することにより、互いに電気的接続されている。

なお図１では、保持枠３の外側平面は外周部に対して平面部を窪ませてあり、電池間接続板９をボルト１０とナットとの螺合締結により連結する際に、ボルト１０の突出によって電池モジュール１を所定位置に収納する際の体積効率が低下しないように配慮されている。この構造によって、保持枠３は表裏が異なる形状を採ることになる。

このように本発明の保持枠３を用いれば、１０個の円筒形電池２を保持するための専用の保持枠を作製する必要がなく、第１の外枠部７と、第２の外枠部８と、内枠部４とを自由に組み合わせることにより、使用者や用途ごとに異なる様々な形状に構成することができ、様々な要望にタイムリーに答えることができる、非常に汎用性に優れた効果が得られる。

つぎに、前記電池モジュール１の細部について説明する。図２は組立状態の保持枠３のみを抜粋し、上記電池モジュールにおける後方側の保持枠３を手前側から見た斜視図であって、保持枠３の電池モジュール１における内面側を示したものである。また図３は図２の保持枠３を組み立てる前の、内枠部４と第１および第２の外枠部７、８とを互いに固定しあう前の状態を示した図である。

第１の外枠部７に係合凸部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅおよび１３ｆを設け、これを内枠部４に設けた係合凹部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅおよび１４ｆとそれぞれ係合させることで、第１の外枠部７と内枠部４とを固定させている。同様に内枠部４に係合凸部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅおよび１５ｆを設け、これを第２の外枠部８に設けた係合凹部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅおよび１６ｆとそれぞれ係合させることで、内枠部４と第２の外枠部８とを固定させている。

本発明は保持枠３の表裏の形状が異なっているので、係合凸部１３ａ〜１３ｆは保持枠３の表裏を違わぬようパターニングされているが、その具体的な態様は後ほど詳述する。なおこのことは係合凸部１５ａ〜１５ｆ、係合凹部１４ａ〜１４ｆおよび１６ａ〜１６ｆにおいても同様である。

このような構成とすることにより、要望された電池モジュール１の構成に応じて保持枠３を自在に組み立てたり、特定の円筒形電池２を交換する修理を行ったりする際に、表裏のある保持枠３をミスなく組み立てられるので、生産性および修繕効率を向上させることができる。また係合凸部と係合凹部との立体的な係合により、組み立て後の保持枠の機械的強度を高いものにできる。

第２の発明は、第１の発明において、同一の枠部における複数個の係合凸部どうしおよび係合凹部どうしの配置パターンが非対称であることを特徴とする。一例として、図３の同一の枠部（例えば第１の外枠部７）における係合凸部どうしおよび係合凹部どうし（例えば係合凸部１３ａ〜１３ｆ）の位置関係は対象であるが、第１の外枠部７と内枠部４とを固定させる場合において、係合凸部１３ａ、１３ｃおよび１３ｅの高さ（係合凹部１４ａ、１４ｃおよび１４ｅの深さ）と係合凸部１３ｂ、１３ｄおよび１３ｆの高さ（係合凹部１４ｂ、１４ｄおよび１４ｆの深さ）とを違えることにより、第１の外枠部７と内枠部４との表裏を違えて固定できなくなるので、保持枠３をミスなく組み立てられるようになる。

第３の発明は、第２の発明において、同一の枠部における複数個の係合凸部どうしおよび係合凹部どうしの位置関係が非対称であることを特徴とする。

図４は本発明の電池モジュール１の他の例の外観イメージを示す平面図である。以下、図４のＡ−Ａ‘線に沿って第１の外枠部１８の係合凸部２１ａ、２１ｂおよび２１ｃを上方から俯瞰した平面図をもとに、第３の発明について詳述する。

図５は第３の発明における係合凸部どうしの位置関係を示す平面図である。係合凸部２１ａと２１ｃとを結ぶ直線に対し、係合凸部２１ｂを図５（ａ）のように上方にずらせたり、図５（ｂ）のように下方にずらせたりすることにより、係合凸部どうしの位置関係が非対称になる。あるいは係合凸部２１ａと２１ｃとを結ぶ直線に対し、係合凸部２１ｂを複数個にした上でその中心点を図５（ｃ）のように上方にずらせたり、図５（ｄ）のように下方にずらせたりすることにより、係合凸部どうしの位置関係が非対称になる。また係合凸部２１ａと２１ｃとを複数個にした上で、その中心点どうしを結ぶ直線に対し、複数個の係合凸部２１ｂの中心点を図５（ｅ）のようにずらせることにより、係合凸部どうし
の位置関係が非対称になる。さらには図５（ｆ）のように係合凸部２１ｂ自身を複数個にした上で位置関係を非対称にすると、係合凸部２１ａと２１ｃとを結ぶ直線に対する位置に関係なく、係合凸部どうしの位置関係が非対称になる。

上述した第２の発明の中でも、第３の発明を採ることにより、係合凸部が係合凹部に全く嵌まらない（第２の発明の説明に用いた例では途中まで嵌まる）ので、保持枠３の表裏を違えた際に早く気付くことができる。

第４の発明は、第２の発明において、同一の前記枠部における前記複数個の係合凸部どうしおよび係合凹部どうしの形状が相違していることを特徴とする。第４の発明についても、図４のＡ−Ａ‘線に沿って第１の外枠部１８の係合凸部２１ａ、２１ｂおよび２１ｃを上方から俯瞰した平面図をもとに詳述する。

図６は第４の発明における係合凸部どうしの位置関係を示す平面図である。ここでは係合凸部２１ａは断面が円形であり、係合凸部２１ｂは断面が矩形であり、係合凸部２１ｃは断面が三角形である例を示しているが、係合凸部２１ａ〜２１ｃが相似形であってもその大きさが異なっていればよい。

上述した第２の発明の中でも、第４の発明を採ることにより、係合凸部どうしの位置関係を視覚に訴えて記憶させることができるので、保持枠３の表裏を違えにくくすることができる。

なお上述した構成のほかに、第３の発明と第４の発明とを組み合わせた例として、図７（ａ）および図７（ｂ）のように、係合凸部２１ａと２１ｃとを結ぶ直線に対し、係合凸部２１ｂの位置をずらせた上にその形状を相違させることもできる。あるいは図７（ｃ）のように、係合凸部２１ａと２１ｃとを結ぶ直線に対し、係合凸部２１ｂを複数個にした上でその形状を相違させると、係合凸部２１ａと２１ｃとを結ぶ直線に対する位置に関係なく、本発明の効果を発揮させることができる。

本発明の電池モジュールは、保持枠を、複数個の枠部が着脱自在に連結された構成としているから、容易に分解して消耗または劣化した単電池のみを取り替え、短時間でメンテナンスを終えることが可能となる。よってハイブリッドタイプの電気自動車における電池駆動モータの電力源のほかに、大型蓄電装置の電源としても有用であり、かつその利用可能性は高い。

本発明の電池モジュール１の一例の外観イメージを示す概略斜視図 組立状態の保持枠のみを抜粋し、電池モジュールにおける後方側の保持枠を手前側から見た斜視図 図２の保持枠を組み立てる前の、内枠部と第１および第２の外枠部とを互いに固定しあう前の状態を示した図 本発明の電池モジュール１の他の例の外観イメージを示す平面図 第３の発明における係合凸部どうしの位置関係を示す、図４のＡ−Ａ‘線に沿って第１の外枠部の係合凸部を上方から俯瞰した平面図 第４の発明における係合凸部どうしの位置関係を示す、図４のＡ−Ａ‘線に沿って第１の外枠部の係合凸部を上方から俯瞰した平面図 第３の発明と第４の発明とを組み合わせた例の係合凸部どうしの位置関係を示す、図４のＡ−Ａ‘線に沿って第１の外枠部の係合凸部を上方から俯瞰した平面図

符号の説明

１ 電池モジュール
２ 円筒形電池
３ 保持枠
４ 内枠部
７ 第１の外枠部
８ 第２の外枠部
９ 電池間接続板
１０ ボルト
１３ａ〜ｆ 係合凸部
１４ａ〜ｆ 係合凹部
１５ａ〜ｆ 係合凸部
１６ａ〜ｆ 係合凹部
２１ａ〜ｃ 係合凸部
２２ａ〜ｃ 係合凹部
２３ａ〜ｃ 係合凸部
２４ａ〜ｃ 係合凹部

Claims (3)

1. 複数個の電池と、前記電池の外周面の一部分に嵌合する保持受け部を備えた複数個の枠部からなる保持枠とを有し、前記電池の電池軸方向の両端部が前記保持枠のそれぞれの枠部の保持受け部にて保持され、隣接し合う各２個の電池が互いに電気的に接続されてなる電池モジュールであって、
   前記保持枠は、その表裏の形状が異なっており、
   前記枠部は、互いを係合しあい、かつ前記保持枠の表裏を違えて固定できないよう複数個の高さの異なる係合凸部および複数個の深さの異なる係合凹部の少なくとも一方を備えていることを特徴とする電池モジュール。
2. 複数個の電池と、前記電池の外周面の一部分に嵌合する保持受け部を備えた複数個の枠部からなる保持枠とを有し、前記電池の電池軸方向の両端部が前記保持枠のそれぞれの枠部の保持受け部にて保持され、隣接し合う各２個の電池が互いに電気的に接続されてなる電池モジュールであって、
   前記保持枠は、その表裏の形状が異なっており、
   前記枠部は、互いを係合しあい、かつ前記保持枠の表裏を違えて固定できないよう前記枠部における前記複数個の係合凸部どうしおよび係合凹部どうしの位置関係が、前記枠部の両端に位置する２つの係合凸部もしくは係合凹部の中心を結ぶ直線に対して非対称であることを特徴とする電池モジュール。
3. 複数個の電池と、前記電池の外周面の一部分に嵌合する保持受け部を備えた複数個の枠部からなる保持枠とを有し、前記電池の電池軸方向の両端部が前記保持枠のそれぞれの枠部の保持受け部にて保持され、隣接し合う各２個の電池が互いに電気的に接続されてなる電池モジュールであって、
   前記保持枠は、その表裏の形状が異なっており、
   前記枠部は、互いを係合しあい、かつ前記保持枠の表裏を違えて固定できないよう前記枠部における前記複数個の係合凸部どうしおよび係合凹部どうしの形状が相違していることを特徴とする電池モジュール。