JP5481881B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、コネクタと、そのコネクタが差し込まれる差込口を有する電池モジュールに関する。

複数の扁平薄型電池を直列又は並列接続した組電池において、各扁平薄型電池の電圧を検出するために、電池モジュールに設けられた差込口に、セルコントローラに接続されたコネクタを差し込むことが行われている（特許文献１）。

特開２００６−２１０３１２号公報

しかしながら、従来の電池モジュールの構成では、コネクタが差込口に確実に嵌合しているか否かを容易に確認することができない場合があった。

本発明が解決しようとする課題は、コネクタが差込口に確実に嵌合していることを容易に確認できる差込口を有する宇電池モジュールを提供することである。

本発明は、電池モジュールに突出部を設け、この突出部が挿入される開口部をコネクタに設けることによって上記課題を解決する。

本発明によれば、差込口にコネクタを差し込むと、突出部がコネクタの開口部に挿入され、その挿入状態がコネクタの背面から確認できるので、コネクタが差込口に嵌合されていることを容易に確認することができる。

発明の実施形態に係る電池モジュールを構成する単電池を示す斜視図である。 図１の単電池を複数積層して構成した電池モジュールを示す斜視図である。 図２の電池モジュールが適用される電気自動車の駆動システムを示すブロック図である。 図２の電池モジュールの出力端子面を示すＡ矢視図である。 図２の電池モジュールの突出部を有するスペーサを示す平面図である。 図２の電池モジュールに差し込まれるコネクタを示す斜視図である。 図２の電池モジュールの差込口にコネクタが接続された状態の電池モジュールの出力端子面を示すＡ矢視図である。 発明の他の実施の形態に係る電池モジュール差込口を示すＡ矢視図である。 発明のさらに他の実施の形態に係る電池モジュールの突出部を有するスペーサを示す平面図である。 発明のさらに他の実施形態に係るコネクタを示す断面図である。 発明のさらに他の実施形態に係るコネクタを示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
図１は、発明の第１実施形態に係る電池モジュールを構成する扁平薄型の単電池を示す斜視図、図２は、図１に示す扁平薄型単電池を複数積層して構成された電池モジュールを示す斜視図である。

図１に示す単電池１０１は、端部に板状の電極端子１１１を有し、電極端子１１１の逆向きの端部に板状の電極端子１１２が、それぞれ電池の外方に向けて設けられている。電極端子１１１は陽極を、電極端子１１２は陰極の極性を有している。そしてスペーサ１２１とスペーサ１２２が電極端子１１１を狭持し、スペーサ１２３とスペーサ１２４は電極端子１１２を狭持する。スペーサは絶縁性を有しており、セル電極１０１と積層される単電池１０２との間の絶縁性を保つ。出力端子１３１は、電極端子１１１と電気的に接続されており、図２に示す電池モジュールの出力端子１３１となる。

単電池２０１は、単電池１０１の上面より積層される。スペーサ２２１は、単電池２０１の電極端子２１１を上下から狭持するスペーサであって、下側のスペーサを示す。スペーサ２２３は、単電池２０１の電極端子２１２を上下から狭持するスペーサであって、同様に下側のスペーサを示している。電極端子２１１は陰極の極性を有し、電極端子２１２は陽極の極性を有す。単電池１０１と単電池２０１が積層される際は、電極端子１１１と電極端子２１１が電気的に接続される。これにより、単電池１０１と単電池２０１は、直列に接続され、積層される。よって、スペーサ１２２、２２１が設けられている部分には、単電池１０１と２０１の積層方向に隙間が設けられることとなる。

電圧検出端子１０２は、電池容量などの単電池の特性を検知するために予め設けられたものであって、単電池１０１の陽極側に設けられている。またスペーサ１２１、１２２の電圧検出端子１０２が設けられる部分には切り欠き部が設けられている。同様に、単電池２０１の一端には、電極検出端子２０２を設けている。単電池１０１と単電池２０１は直列接続されているため、電圧検出端子１０２、２０２と外部からの検出線を接続させて、単電池の特性を検出することできる。

なお、図１は、２個の単電池１０１，２０１を積層した状態のみを示したが、図２に示す電池モジュールのように３個以上の単電池を積層する場合は、別の単電池が、単電池の上面より積層され、別の単電池の正極の電極端子は電極端子２１２と接続する。これにより、３個の単電池が直列接続に積層する。

また上述したスペーサ１２１〜１２４，２２１，２２３の形状は、このスペーサによって挟まれる電極端子１１１，１１２，２１１，２１２の形状や電圧検出端子１０２，２０２の有無によって適宜決まるものであるから、図示する形状にのみ限定されるものではない。

図２は、本実施形態に係る電池モジュールを示す斜視図である。この電池モジュールの単電池３０１は、図１に示す単電池１０１、２０１を８個積層したものである（以下、８個の単電池を単電池３０１と総称する）。

単電池３０１の一端には、陽極、陰極それぞれの出力端子１３１、１３２が接続される。スリーブ３０２は、積層されたそれぞれのスペーサに設けられた孔に挿入され、ボルト等により締め付けることでセル電池３０１及びスペーサ３０５を固定する。絶縁カバー３３１は、出力端子３１１及び３１２が接続された単電池３０１の端面側に取り付けられ、電極端子を覆い、電極端子と単電池外部との間の絶縁性を保つ。同様に絶縁カバー３３２は、出力端子３１１、３１２の接続面とは逆側に取り付けられ、電極端子を覆う。スペーサ３０５とアッパーケース２５の間には、緩衝材３０４挿入する。緩衝材３０４は、車両等に電池モジュールを搭載する時に、車両の振動による単電池への影響を防ぐ機能を司る。

ケース３６０は、アッパーケース３６１とロアケース３６２を有し、図示するようにロアケース３６２に単電池３０１等のアッセンブリを入れ、アッパーケース３６１の開口部とロアケース３６２とをカシメ加工することで、単電池３０１及びスペーサ３０５等が収容される。

差込口３０７は、絶縁カバー３３１に設けられ、後述するコネクタ６０１（図６参照）と嵌合する。コネクタ６０１が差込口に３０７に嵌合されると、単電池３０１を構成する単電池の電圧検出端子は、コネクタ６０１の端子と電気的に接続される。

なお、本例に係る電池モジュールは、単電池を８個積層されたものであるが、必ずしも８個に限定されることはなく、それぞれの電池モジュールで適宜、構成する単電池の数を設定することができる。

図３は、電気自動車などに適用される、組電池４０１によるモータ４０２の駆動システムを示すブロック図ある。同図に示す組電池４０１は、複数の電池モジュール３０１を直列に接続し、その両極に電力供給線４０３を介してインバータ４０４を接続したものである。組電池４０１から供給される直流電流は、電力変換装置であるインバータ４０４により交流電流に変換されて交流モータ４０２に供給され、当該交流モータ４０２を駆動する。

なお、同図に示す組電池４０１によるモータ４０２の駆動システムは、本実施形態に係る電池モジュールユニットを搭載した形態を説明するための一例であって、複数の電池モジュール３０１を直列に接続して組電池４０１を構成する以外にも、複数の電池モジュール１１を直列及び／又は並列に接続して組電池４０１を構成することもできる。また、組電池４０１による電力の供給対象が直流モータの場合はインバータ４０４を省略することができ、さらに電力の供給対象はモータ４０２以外の負荷とすることもできる。

本実施形態に係る駆動システムは、各電池モジュール３０１の両端子間の電圧を検出する電圧検出回路４０５と、各電圧検出回路４０５により検出された各単電池の電池３０１の電圧値を取り込んで組電池４０１の電池容量を把握し、過充電や過放電を防止するためのトータル的な制御を実行する制御回路４０６とを備える。電圧検出回路と電池モジュール３０１とは、コネクタ６０１を電池モジュール３０１の差込口３０７に差し込むことで、電気的に接続される。

なお、本例の電圧検出回路４０５は、一つの電圧検出回路で一つの電池モジュール３０１の端子間電圧を検出するように構成したが、幾つかの電池モジュール３０１をグループ化し、これら複数の電池モジュールの電圧を検出するように構成することもできる。また、一つの電池モジュールを構成する複数の単電池ごと又は幾つかの単電池ごとに電圧を検出するように構成することもできる。

本例の電圧検出回路４０５は、制御回路４０６からの検出指令信号に基づいて、対応する一つの電池モジュール３０１の端子間電圧を検出し、検出された電圧値に相当する信号を制御回路４０６へ送出する。また、制御回路４０６からの放電指令信号に基づいて、対応する電池モジュール３０１の電力を、容量調整用抵抗などを用いて消費し、組電池４０１を構成する電池モジュール３０１間の容量バラツキを解消する。

さて、本例の電池モジュールは、電圧検出回路４０５に接続されたコネクタ６０１を差込口３０７に差し込む際に、確実に差し込まれたことを容易に確認できるよう以下の構成とされている。

図４は、本実施の形態に係る電池モジュールの出力端子面を示し、図２において矢印Ａ方向からみた電池モジュールを示す。

上述したとおりケース３６０は複数の単電池を封止し、差込口３０７が出力端子面の中央付近に配置され、単電池の電圧検出端子４１１〜４１４が差込口３０７から臨む構成となっている。それぞれの電圧検出端子４１１〜４１４は、図１で示す電圧検出端子、１０２又は２０２に相当する。なお、図４には４つの電圧検出端子４１１〜４１４のみが示されているが、残りの４つの電圧検出端子はケース３６０の他方の面に設けられた差込口に臨む構成となっている。

同図に示す電池モジュールでは、電圧検出端子４１１がスペーサ４２１とスペーサ４２２の間に、電圧検出端子４１２がスペーサ４２３と４２４との間に、電圧検出端子４１３がスペーサ４２５と４２６との間に、電圧検出端子４２４がスペーサ４２７と４２８との間にそれぞれ配置されていることになる。

なお、電池モジュールの端面に設けられた出力端子１３１、１３２は、電池モジュールが図３に示す駆動システムに搭載される場合における出力端子に相当し、単電池に蓄積される電力が出力端子１３１、１３２から電力供給線を経由して出力する。

ここで、スペーサ４２１〜４２８は、電極端子の形状、嵌合するスペーサの形状、電圧検出端子の有無に応じて種々の形状をとることができるが、本実施の形態では４種類のスペーサを用いている。スペーサ４２１、４２３、４２５及び４２７は同一の形状を、スペーサ４２２及び４２６は同一の形状をしている。そして、４種類のうち１種類のスペーサ４２２及び４２６が突出部４３１及び突出部４３２をそれぞれ備える。

なお、スペーサの形状の種類は４種類に限る必要はない。また本実施の形態は、１個の単電池を２個のスペーサで狭持する構成としているが、単電池間のスペーサを１個として、スペーサの上下の単電池を兼用して狭持する構成とし、よりスペーサの形状の種類を減らすこともできる。また電圧検出端子４１１〜４１４の数も必ずしも４個にする必要はない。

図５は、単電池を狭持するスペーサのうち突出部４３１を有するスペーサ４２２又は４２６の平面図である。差込口３０７は本図では省略されているが、スペーサ４２２の中央付近に配置されている。コネクタ６０１は、スペーサ４２２の中央付近に向けて（図５では、矢印Ｂの方向に向けて）接続され、差込口３０７にはめ込まれる。突出部４３１は、スペーサ４２２の差込口が配置される部分に、電池モジュールの外方に向けて突出する形状又はコネクタのはめ込み方向に向けて突出する形状である。また、突出部４３１は、棒状の突起であって、スペーサ４２２と一体成形されている。これにより、突出部４３１を有するスペーサ４２２を、一つの金型で製造することができる。

なお突出部４３１は、棒状に限る必要はなく、またスペーサと別の構成としても良い。また突出部４３１を取り付ける位置は、コネクタ６０１が電池モジュールにはめ込まれる位置の中に配設されれば良い。また、図４に示すように、本例では８つのスペーサ４２１〜４２８のうちの２つのスペーサ４２２，４２６という、上下方向において差込口の中心に対して非対称のスペーサに突出部４３１，４３２を設けたが、差込口の中心に対し非対称に配置する以外にも、例えば、スペーサ４２２，４２７に設け、差込口の中心に対し対称に配設してもよい。

図６は、本実施の形態に係る電池モジュールのうち、コネクタ６０１を示す図である。コネクタ６０１は、当該コネクタが差し込まれる方向の面からコネクタの背面に向けて空洞となった貫通孔である開口部６１１及び開口部６１２を有する。そして、コネクタ６０１を差込口３０７へはめ込むと、開口部６１１及び開口部６１２には突出部４３１及び突出部４３２がそれぞれ挿入される。コネクタ６０１が差込口３０７に接続されると、検出線６０２は電圧検出端子４１１〜４１４と電気的に接続する。これにより電圧検出回路４０５は検出線６０２を介して単電池と電気的に接続する。

図７は、差込口３０７にコネクタ６０１が接続された状態の電池モジュールの出力端子面を示す。コネクタ６０１が差込口３０７と接続すると、コネクタ６０１の外周の嵌合部分が差込口３０７と嵌合する。そして、コネクタ６０１が差込口３０７に嵌合すると、コネクタ６０１の外方に向けた面に設けた開口部６１１の窓より、突出部４３１の先端が目視できる構成となっている。同様に、突出部４３２の先端が、開口部６１２の窓より目視できる構成となっている。また、突出部４３１又は突出部４３２のコネクタはめ込み方向の長さは、すなわち突出長は、コネクタ６０１が差込口３０７に確実に嵌合されている時に突出部４３１，４３２の先端が開口部６１１，６１２の窓の面と同一平面となるよう構成されている。

なお本実施の形態に係る電池モジュールでは、コネクタ６０１の嵌合時に、突出部４３１，４３２の先端が開口部６１１，６１２の窓の面と同一平面上であるとしたが、必ずしも同一平面である必要はなく、目視可能である限り飛び出たり又は凹んだりしてもよい。

従来の組電池は、コネクタを電池モジュール内のケースの内側に設けられた差込口に挿入すると、コネクタの嵌合部分と差込口が電池モジュール内で嵌合するため、確実に嵌合しているか否か容易に目視確認することが困難であった。また、従来のコネクタ構造で、プッシュプルゲージを用いてコネクタの押圧力を測定して嵌合状態を検査することも可能であるが、例えばコネクタと差込口の間に異物が混入されている場合は、押圧力による確認をしても異常を検出することは困難であった。車両等に本実施形態のような駆動システムを搭載した状態で、仮にコネクタの嵌合が不十分な場合は、車両の振動により電池モジュールの電圧特性が検出できないおそれがあった。

しかし、本発明に係る実施の形態では、差込口３０７に突出部４３１，４３２を設け、コネクタ６０１に突出部４３１，４３２が挿入される開口部６１１，６１２を設けたため、たとえ差込口３０７が電池モジュール内に設けられていたとしても、開口部６１１，６１２の窓より突出部４３１，４３２の挿入具合を目視確認することで、嵌合状態を確認することができる。これにより、組電池として組み立てる際に確実にコネクタが嵌合されていることを目視確認した上で組み立てられるため、車両等が本実施の形態に係る電池モジュールを搭載し振動が生じやすい環境下で用いる場合でも、より確実に電池モジュールの電圧特性を検出することができる。

またコネクタ６０１と差込口３０７との間に異物が混入した場合に、プッシュプルゲージで押圧力を測定すると充分な値が得られて、そのような嵌合状態に気が付かないおそれがあった。しかし、本発明に係る実施の形態では、コネクタ６０１と差込口３０７との間に異物等が混入した場合には、コネクタ６０１のはめ込み方向の突出部４３１，４３２の位置が、確実に嵌合されている場合と比較し異なることを開口部６１１，６１２の窓から容易に目視確認することができる。さらに、差込口３０７に配設された突出部４３１，４３２が、コネクタ６０１を差し込むときに、ガイド機能の役割を持つため、差込口３０７に対するコネクタ６０１の位置決めを容易にすることができる。

また本実施の形態に係る電池モジュールは、突出部４３１，４３２をスペーサ４２２，４２６に設けているため、スペーサ４２２，４２６の形成時に突出部４３１，４３２と合わせて製造することでき、製造過程の短縮化を図ることができ、また部品点数の増加も抑制できる。また、本来単電池の積層方向に隙間を設けるために用いるスペーサ４２２，４２６を突出部４３１，４３２に利用しているため、突出部４３１，４３２をスペーサ４２２，４２６以外の別構成で設ける必要がなく、単電池の積層方向において電池モジュールの小型化を実現することができる。さらに突出部４３１，４３２を設けるスペーサ４２２，４２６を１種類に限定しているため、突出部４３１，４３２を設けるためにスペーサの種類を増加させる必要もない。

また本実施の形態に係る電池モジュールは、突出部４３１，４３２を複数有しているため、例えば図７において、突出部４３１の周辺に異物が混入された状態でコネクタ６０１が差込口３０７に嵌合すると、開口部６１１内での突出部４３１の位置と開口部６１２内での突出部４３２の位置が異なり、コネクタ６０１の傾きをコネクタ６０１の背面から確認できるため、より確実に嵌合状態の確認の信頼性を高めることができる。

また、本実施の形態では、コネクタ６０１と差込口３０７が確実に嵌合している時、突出部４３１，４３２の先端とコネクタ６０１の背面が面一になるため、嵌合時にコネクタ背面に触れることで、開口部６１１，６１２の窓に不具合を示す凹凸がなければ確実に嵌合しており、異様な凹凸があれば嵌合が不十分であることを触感によっても確認することができる。

また突出部４３１，４３２の配設位置を、はめ込み方向の断面において、差込口３０７の中心に対して非対称とすることで、コネクタ６０１の差し込み方向の位置付けをより正確にし、嵌合を確実にすることができる。

《第２実施形態》
図８は、発明の他の実施の形態に係る電池モジュールの差込口３０７を示す概略図であって、図２のＡ矢視図である。

出力端子４１１〜４１４の数及びスペーサ４２１〜４２８の数、種類は、上述した第１の実施の形態と変わりはないが、一方の突出部４３２の断面形状を三角形状とした点が相違する。また図は省略しているが、突出部４３２が挿入される開口部６１２の断面形状も三角形状としている。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであるため、その記載をここに援用する。

このように構成することにより、コネクタ６０１の差し込み方向が逆の場合は、突出部４３１，４３２の断面形状が異なるので嵌合し難くなり、作業者はコネクタ６０１の天地が逆であることを即座に気付くことになる。よって、より正確にコネクタ６０１を差込口３０７に接続することができる。

《第３実施形態》
図９は、発明のさらに他の実施の形態に係る電池モジュールの出力端子面を示す平面図である。本例では上述した第１及び第２実施形態に対し、スペーサ４２２、コネクタ６０１の形状等に変わりはないが、突出部４３１及び／又は４３２の先端を尖った形状とした点が相違する。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであるため、その記載をここに援用する。

これによりコネクタ６０１が差込口３０７に挿入される時に開口部６１１，６１２の中心から突出部４３１，４３２の先端がずれていたとしても、突出部４３１，４３２の先端が開口部内にあれば、突出部４３１，４３２を開口部６１１，６１２に挿入することができるため、ガイド機能の役割を有し、より確実に嵌合することができ、嵌合時の作業性の向上を図ることができる。

《第４実施形態》
図１０は、発明のさらに他の実施の形態に係るモジュール電池の、図６のＣ−Ｃ線に沿うコネクタの断面図である。なお、矢印Ｄはコネクタ６０１の差し込み方向であって、矢印Ｄの先には差込口３０７の突出部４３１，４３２がある。

本例では、開口部６１１、６１２が、コネクタ６０１の差し込み方向に対して先端にテーパー部を有している点が上述した第１実施形態と相違する。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであるため、その記載をここに援用する。

これにより、第１実施の形態に係る突出部４３１，４３２の断面積に対する開口部６１１又は開口部６１２のコネクタ差し込み方向側の窓の面積がより大きくなるため、ガイド機能の役割を有することができ、コネクタ嵌合時の作業性の向上を図ることができる。さらに図９に示す先端が尖った突出部と組み合わせることで、上記ガイド機能の性能をより向上させることができる。

《第５実施形態》
図１１は、発明のさらに他の実施の形態に係るモジュール電池のコネクタ６０１を示す斜視図である。本実施の形態では、開口部６１１及び６１２がコネクタ６０１の背面に樹脂製の膜９０１を有する点が相違する。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであるため、その記載をここに援用する。

そして、突出部４３１，４３２が開口部６１１，６１２に挿入されると、突出部４３１，４３２の先端が膜９０１を貫通する。これにより、コネクタ６０１が確実に嵌合されると、開口部６１１，６１２に設けた膜９０１が破れるため、より確実に嵌合の目視確認をすることできる。また図９に示す先端が尖った突出部と組み合わせることで、膜が破れやすくなるため、より確実に嵌合の確認をすることできる。

なお、膜９０１はコネクタ６０１を成形する際に同時に形成することができ、また膜９０１は、必ずしもコネクタ６０１の背面の面一に配設する必要はなく、突出部４３１，４３２の長さに応じて開口部６１１，６１２の内部に配設し、突出部４３１，４３２により膜９０１を貫通させ得る構成であればよい。また膜９０１の材質についても必ずしも樹脂を用いる必要はなく、突出部４３１，４３２が貫通することで破れる材質を用いればよい。

１０１、２０１、３０１ 単電池
１０２、２０２ 電圧検出端子
１１１、１１２、２１１、２１２ 電極端子
１２１〜１２４、２２１、２２３ スペーサ
１３１ １３２ 出力端子
３０２ スリーブ
３３１、３３２ 絶縁カバー
３０４ 緩衝材
３０５ スペーサ
３６０ ケース
３６１ アッパーケース
３６２ ロアケース
３０７ 差込口
４０１ 組電池
４０２ モータ
４０３ 電力供給線
４０４ インバータ
４０５ 電圧検出回路
４０６ 制御回路
４１１〜４１４ 出力端子
４２１〜４２８ スペーサ
４３１、４３２ 突出部
６０１ コネクタ
６０２ 検出線
６１１、６１２ 開口部
９０１ 膜

Claims (8)

1. 電極端子と前記電極端子に導通する電圧検出端子とを有する複数の薄型単電池と、
   積層された前記複数の単電池の端部に取り付けられ、複数の前記電極端子を覆う絶縁カバーと、
   前記積層された複数の単電池を収容するケースと、
   前記電圧検出端子に接続されて前記単電池の電圧を検出するコネクタと、
   前記絶縁カバーに設けられ、前記電圧検出端子が露出して前記コネクタがはめ込まれる差込口と、
   前記差込口から前記コネクタのはめ込み方向に向けて突出する突出部と、
   前記コネクタに設けられ前記突出部が挿入される開口部と、
   前記電極端子を狭持し、複数の前記単電池の積層方向に隙間を設ける絶縁性を有する複数のスペーサとを備え、
   前記突出部は、前記複数のスペーサのうち少なくとも一つのスペーサに設けられている
   ことを特徴とする電池モジュール。
2. 前記複数のスペーサは形状が異なる複数種類のスペーサを有し、
   前記複数種類のスペーサのうちいずれか一種類のスペーサに前記突出部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の電池モジュール。
3. 複数の前記突出部を有することを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載の電池モジュール。
4. 前記複数の突出部は、はめ込み方向の断面形状がそれぞれ異なることを特徴とする請求項３記載の電池モジュール。
5. 前記複数の突出部は、差込口の中心に対し非対称に配設されていることを特徴とする請求項３又は４記載の電池モジュール。
6. 前記突出部の先端は尖った形状とされていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
7. 前記開口部は、前記突出部の挿入方向に対してテーパー部を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電池モジュール。
8. 前記開口部は、前記突出部が前記開口部に挿入されることで貫通される膜を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電池モジュール。

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