JP6015594B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電装置に関するものである。

ＥＶ（電気自動車）などの電源では、複数の電池セルを接続し、モジュール化したものが用いられている。このとき、各セル間はバスバーでねじ締結する。この際、特許文献１等に開示のように爪付きワッシャによりボルトの緩みを防止する構成が知られている。

特開平９−２１９１８６号公報

しかしながら、セル間をバスバーで接続する場合にはバスバーの一端を第１のセルの電極端子とねじ締結するとともにバスバーの他端を第２のセルの電極端子とねじ締結することから、爪付きワッシャが１つのセルにつき２つ必要となり、緩み防止のための機構として複雑になる。

本発明の目的は、簡単な構成にてバスバーを電極端子に締結するボルトまたはナットの緩みを防止することができる蓄電装置を提供することにある。

上記課題を解決する蓄電装置は、電極端子が本体部から突出するセルを複数並設して構成した蓄電モジュールと、隣接する前記セルの電極端子同士を電気的に接続する平板状のバスバーと、前記電極端子に螺入されて前記バスバーを前記電極端子に締結するボルトまたはナットと、を有する蓄電装置であって、前記バスバーにおける前記電極端子との接続部において少なくとも前記ボルトの頭部の外側またはナットの外側に薄肉部を形成して当該薄肉部において折り曲げて前記ボルトの頭部またはナットに接触させてなることを要旨とする。

これによれば、バスバーにおける少なくともボルトの頭部の外側またはナットの外側に形成した薄肉部において折り曲げられてボルトの頭部またはナットに接触させてボルトまたはナットの緩みが防止される。これにより、簡単な構成にてバスバーを電極端子に締結するボルトまたはナットの緩みを防止することができる。

上記蓄電装置において、前記薄肉部は、溝の底面部により構成されているとよい。
上記蓄電装置において、前記溝の溝幅を、前記ボルトの頭部またはナットにおける最大半径と最小半径の差分としているとよい。

これによれば、ボルトまたはナットの締付位置によらず対応することができる。
上記蓄電装置において、前記溝は直線的に延び、溝の延設方向と前記バスバーの延設方向とでなす角度を３０〜６０°の範囲としているとよい。

上記蓄電装置において、前記溝の延設方向と前記バスバーの延設方向とでなす角度を４５°としているとよい。
これによれば、折り曲げる距離を最も短くすることができる。

本発明によれば、簡単な構成にてバスバーを電極端子に締結するボルトまたはナットの緩みを防止することができる。

（ａ）は実施形態のリチウムイオン二次電池を模式的に示す平面図、（ｂ）はリチウムイオン二次電池を模式的に示す右側面図、（ｃ）はリチウムイオン二次電池を模式的に示す正面図。 （ａ）はリチウムイオン二次電池の電極端子部分を示す平面図、（ｂ）はリチウムイオン二次電池の電極端子部分の一部断面正面図。 （ａ）はバスバーの角部を折り曲げる前の電極端子部分を示す平面図、（ｂ）は同じく電極端子部分の一部断面正面図。 （ａ）はバスバーを示す平面図、（ｂ）はバスバーを示す正面図（（ａ）のＡ矢視図）。 （ａ）はバスバーの角部を折り曲げる前のバスバーの平面図、（ｂ）は同じくバスバーの正面図（（ａ）のＡ矢視図）。 バスバーの溝の形成領域を説明するための電極端子部分の平面図。 別例を説明するための電極端子部分の平面図。 （ａ）は別例を説明するための電極端子部分の平面図、（ｂ）は同じく電極端子部分の正面図（（ａ）のＡ矢視図）。 （ａ）は別例を説明するための電極端子部分の正面図、（ｂ）は別例を説明するための電極端子部分の正面図。 別例を説明するための電極端子部分の平面図。 （ａ）は別例を説明するための電極端子部分の平面図、（ｂ）は同じく電極端子部分の正面図（（ａ）のＡ矢視図）。 別例を説明するための電極端子部分の正面図。 （ａ）は別例を説明するための電極端子部分の平面図、（ｂ）は同じく電極端子部分の正面図。

以下、車載用リチウムイオン二次電池に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
なお、図面において、水平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向をＺ方向で規定している。

図１に示すように、リチウムイオン二次電池１０は、複数の電池セルＣ１〜Ｃ９を並設して構成した蓄電モジュールとしての電池モジュール２０と、電池セル間を電気的に接続する平板状のバスバー３０と、六角ボルト４０，４１を有している。各電池セルＣ１〜Ｃ９は角型電池セルであり、電池セルＣ１〜Ｃ９の本体部２１が薄い四角箱型をなしている。本体部２１は、シート状の正極とシート状の負極とセパレータとを積層して構成される電極組立体が、電槽（缶）の内部に収容され、構成されている。電池セルＣ１〜Ｃ９の本体部２１はＹ方向において並設して配置され、隣接する電池セルの本体部２１は側面が接触する状態で固定されている。

各電池セルＣ１〜Ｃ９は、本体部２１の上面から正極用の電極端子２２と負極用の電極端子２３が上方に突出している。図１において、電池セルＣ１は、本体部２１において左側に正極用の電極端子２２が配置され、右側に負極用の電極端子２３が配置されている。電池セルＣ２は、本体部２１において左側に負極用の電極端子２３が配置され、右側に正極用の電極端子２２が配置されている。以下、電池セルＣ３は本体部２１の左側に正極用の電極端子２２が右側に負極用の電極端子２３が、電池セルＣ４は本体部２１の左側に負極用の電極端子２３が右側に正極用の電極端子２２が、電池セルＣ５は本体部２１の左側に正極用の電極端子２２が右側に負極用の電極端子２３が配置されている。電池セルＣ６は本体部２１の左側に負極用の電極端子２３が右側に正極用の電極端子２２が、電池セルＣ７は本体部２１の左側に正極用の電極端子２２が右側に負極用の電極端子２３が配置されている。電池セルＣ８は本体部２１の左側に負極用の電極端子２３が右側に正極用の電極端子２２が、電池セルＣ９は本体部２１の左側に正極用の電極端子２２が右側に負極用の電極端子２３が配置されている。

電池セルＣ１〜Ｃ９は、本体部２１の上面において台座（ナット）２４を電極端子２２，２３が貫通する状態で配置されている。
バスバー３０は、Ｙ方向に延びている。バスバー３０は隣接する電池セルの電極端子２２，２３に締結されている。即ち、バスバー３０の一端側においてバスバー３０の上側から六角ボルト４０がバスバー３０を貫通して電極端子２２に螺入され、六角ボルト４０によりバスバー３０が電池セルの電極端子２２に締結されている。バスバー３０の他端側においてバスバー３０の上側から六角ボルト４１がバスバー３０を貫通して電極端子２３に螺入され、六角ボルト４１によりバスバー３０が電池セルの電極端子２３に締結されている。

このようにして、セル間接続用導電部材としてのバスバー３０により隣接する電池セルの電極端子同士を電気的に接続して、各電池セルＣ１〜Ｃ９が直列接続されている。
バスバー３０と電極端子２２，２３との接続構造について図２，３，４，５，６を用いて詳しく説明する。

図４に示すように、バスバー３０は直線的に延びる銅製の帯板よりなり、長辺方向であるＹ方向において両端部には円形の貫通孔３１が形成されている。なお、図４等において便宜上バスバー３０の片側の先端部のみ図示するが、他方の先端部においても同様な構成となっている。貫通孔３１に六角ボルト４０，４１のねじ部が通る。このように、バスバー３０は、両方の端部が電極端子２２，２３との接続部となっている。

図２（ｂ）に示すように、電池セルＣ１〜Ｃ９は、本体部２１の天板５０に貫通孔５１が形成されている。
電極端子２２，２３は同一構成をなしている。図２に示すように、電極端子２２，２３の本体部５２は立設する柱状をなし、下端には鍔部５３を有する。図２に示すように、電極端子２２，２３の本体部５２が、電池セルＣ１〜Ｃ９の本体部２１の内部から天板５０の貫通孔５１を通して天板５０から上方に突出している。電極端子２２，２３の本体部５２の外周面と天板５０の貫通孔５１との間には絶縁樹脂カラー５４およびシール材５５が配置され、絶縁樹脂カラー５４およびシール材５５により電極端子２２，２３と天板５０とは絶縁されている。電極端子２２，２３の本体部５２の外周面は雄ねじが形成され、電極端子２２，２３の本体部５２における天板５０から上方に突出している部位に台座（ナット）２４が螺入されている。この台座（ナット）２４により電極端子２２，２３が天板５０に締結固定されている。電極端子２２，２３の本体部５２の上面にバスバー３０が配置されている。

図２に示すように、電極端子２２，２３の本体部５２の上面中央には上面に開口する雌ねじ穴５６が形成され、雌ねじ穴５６は下方に延びている。雌ねじ穴５６に対し、バスバー３０を貫通するボルト４０，４１のねじ部が螺入されている。

バスバー３０における端部、即ち、電流経路となる部位よりも先端側において、六角ボルト４０，４１の緩み止めのための折曲部３４，３５が形成されている。詳しく説明する。バスバー３０における電極端子との接続部においてバスバー３０の先端側の角部における六角ボルト４０，４１の頭部４５の外側が上方に折り曲げられ、三角形の折曲部３４，３５が六角ボルト４０，４１の頭部４５に接触している。図５に示すように、バスバー３０には案内用の溝３２，３３が設けられ、この溝３２，３３の底面部においては薄肉部が形成されている。この薄肉部で折り曲げやすくなっている。詳しくは、図５に示すように、帯板状のバスバー３０の下面に、断面矩形の溝３２，３３が形成されている。溝３２，３３は、バスバー３０の先端側の両方の角部に形成されている。溝３２，３３は、バスバー３０の先端面におけるＸ方向で中央部分を始端として、直線的に、かつ、帯板状のバスバー３０の延設方向（Ｙ軸）とでなす角度θ１，θ２が４５°となるように延びている。そして、六角ボルト４０，４１の頭部４５の外側に形成した薄肉部（溝３２，３３の底面部）において折り曲げて六角ボルト４０，４１の頭部４５に接触させている。

図６に示すように、六角ボルト４０，４１の頭部４５における最外周の円および最内周の円を一点鎖線で示し、最外周の円の半径をｒ１で、また、最内周の円の半径をｒ２で示す。ここで、溝３２，３３は、六角ボルト４０，４１の頭部４５の最大半径ｒ１と最小半径ｒ２の差分Δｒを溝幅Ｗｓとしている。溝３２，３３が最大半径ｒ１と最小半径ｒ２に接していることで、六角ボルト４０，４１がどの位置にきても折り曲げることができる。断面矩形の溝３２，３３は切削加工により形成されている。また、溝３２，３３の深さは、板状のバスバーにおける電流経路となる部位の厚さの半分程度である。

図５の状態から図４に示すように、溝３２，３３を案内溝としてバスバー３０の先端側の両角部を上方に折り曲げることができる。具体的には、図３に示すように、六角ボルト４０，４１を電極端子２２，２３の雌ねじ穴５６に螺入してねじ込んでバスバー３０を締結した後において、図２に示すように、バスバー３０の先端側の角部が折り曲げられて三角形の折曲部３４，３５が六角ボルト４０，４１の頭部４５に接触している。この折曲部３４，３５により振動等による六角ボルト４０，４１の緩みが防止されている。

次に、電池セル間の接続方法、即ち、リチウムイオン二次電池１０の電極端子２２，２３へのバスバー３０の組付け工程について説明する。
図３に示すように、絶縁樹脂カラー５４およびシール材５５により電極端子２２，２３と天板５０とを絶縁した状態で電極端子２２，２３の本体部５２における天板５０から上方に突出している部位に台座（ナット）２４を螺入して台座（ナット）２４により電極端子２２，２３を天板５０に締結する。

引き続き、電極端子２２，２３の上面にバスバー３０を配置する。このとき、バスバー３０は図５に示すように先端側の角部は折り曲げる前の状態である。そして、六角ボルト４０，４１をバスバー３０の貫通孔３１を通して電極端子２２，２３の雌ねじ穴５６に螺入する。これにより、バスバー３０が電極端子２２，２３に固定される。

その後、図４および図２に示すように、バスバー３０の先端側の両側の角部を上側に折り曲げて六角ボルト４０，４１の頭部４５の側面に当接させる。これにより六角ボルト４０，４１の緩みを防止できることになる。

次に、作用について説明する。
図４，５に示すように、ねじ締結構造のバスバー３０において、締結後の振動等による六角ボルト４０，４１の緩みを防止するために、バスバー３０の先端側の角部を溝３２，３３に沿って４５°付近で折り曲げて折曲部３４，３５を六角ボルト４０，４１の頭部４５に接触させる。

また、バスバー３０は純銅あるいは純アルミもしくは純鉄素材を用いる。そのため、ビッカース硬さＨＶが１００以下であり、安易に曲げることができる。また、バスバー３０の長辺（帯板状のバスバー３０の延設方向）と溝３２，３３とでなす角度θ１，θ２は、４５°が望ましい。これにより、曲げる距離が最も短く簡単に曲がる。なお、角度θ１，θ２は、３０°〜６０°の範囲であると好ましい。

以上のごとく本実施形態では安価な製造方法で、電池セル間の接続部位における六角ボルト４０，４１の緩みを防止することができる。詳しくは、電動式産業車両や自動車搭載時の振動や温度の上下に起因する六角ボルト４０，４１の緩みを防止することができる。その結果、電極端子とバスバーとの間の接続抵抗が上昇しない。さらに、バスバー３０と接触する電極端子２２，２３などの寸法を変更することなく、平板状のバスバー３０と電極端子２２，２３との接触面積を維持できる。その結果、電極端子とバスバーの接続抵抗が増加することが回避され、電池出力電圧や電力供給容量等の諸特性を向上させることができる。

ちなみに、バスバーが単なる長方形の板であったならば、大電流を流すために板厚が厚く、電池モジュールとして固定された後でバスバーを折り曲げる作業が困難であるが、本実施形態ではバスバー３０の一部を薄肉化して当該部位で折り曲げて六角ボルト４０，４１の頭部４５に接触することにより、容易に六角ボルトの緩み止め対策を講じることができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）蓄電装置としてのリチウムイオン二次電池１０の構成として、バスバー３０における電極端子との接続部において少なくとも六角ボルト４０，４１の頭部４５の外側に薄肉部を形成して当該薄肉部において折り曲げて六角ボルト４０，４１の頭部４５に接触させた。よって、簡単な構成にてバスバーを電極端子に締結する六角ボルト４０，４１の緩みを防止することができる。

（２）薄肉部は、溝３２，３３の底面部により構成したので、容易に薄肉部を形成することができる。
（３）溝３２，３３の溝幅Ｗｓを、六角ボルト４０，４１の頭部４５における最大半径ｒ１と最小半径ｒ２の差分Δｒとしたので、六角ボルト４０，４１の締付位置によらず対応することができる。即ち、少なくとも折り線において薄くなっており、ボルトの頭部の締め付け終了時の回転位置によらずに容易にバスバーの角部を曲げてボルトの頭部に接触させることができる。

（４）溝３２，３３は直線的に延び、溝３２，３３の延設方向とバスバー３０の延設方向とでなす角度を３０〜６０°の範囲とした。特に、溝３２，３３の延設方向とバスバー３０の延設方向とでなす角度を４５°とした。よって、折り曲げる距離を最も短くすることができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・バスバー３０の一端の両方の角部を折り曲げたが、片側だけでもよい。具体的には、図２（ａ）において、締付方向が時計回りである順ねじの場合、折曲部３５のみを用いてもよい。

・図７に示すように、六角ボルト４０，４１の頭部４５における緩み防止のためにバスバー３０が接触する箇所は、点接触ではなく面接触でもよく、図７のように順ねじの場合、符号Ｃで示したナット面で接触させる。ここで、六角ボルト４０，４１の頭部４５における一つの辺の全長のうち全てが接触していてもよいが、図７に示すように半分程度接触していてもよい。この場合、溝３２，３３の延設方向に平行になるように折り曲げるのではなく溝の延設方向に対して斜めに折り曲げることになる。

・図８に示すように、バスバー３０における案内溝３６は、帯板状のバスバー３０における短辺（図８のＸ方向）と平行であってもよい。
・溝の形状は問わない。例えば、図３（ｂ）では溝の断面形状として角が直角であったが、これに限ることなく、図９（ａ）に示すように、バスバー３０における溝形状は、Ｕ字形状でもよい。このＵ字溝はプレス加工でバスバーに対し溝形成部を押しつぶすようにして形成することができる。さらに、図９（ｂ）に示すように、溝の断面形状として先端面が斜状となった溝の形状でもよく、この場合、溝はスクラッチ加工で形成することができる。

・帯板状のバスバー３０における曲げ部である角部は、図１０に示すように、面取りした形状でもよい。具体的には、図１０に示す４５°面取りであるＣ面形状でも、丸み面取りであるＲ面形状でもよい。

・バスバー３０において溝を形成したが、図１１に示すように、溝ではなく曲げる領域３７，３８の全体が他の曲げない部位よりも薄く形成してもよい。つまり、折り曲げる部位全体の板厚が薄くてもよい。バスバー３０の先端側の角部は電流が流れる部位ではないので薄くても電気特性に影響を及ぼすことはない。また、図１２に示すように薄肉にする部位における境界での隅部の形状も直角でなく斜状部を有する形状としてもよい。

・図２等ではバスバー３０の締結のためにボルト４０，４１を用いたが、図１３に示すようにバスバー３０の締結のためにナット６０を用いてもよい。
つまり、図１３に示すように、電池セルＣ１〜Ｃ９は、本体部２１の天板５０から雄ねじの電極端子６１が突出し、天板５０の上面において台座（ナット）６２が電極端子６１を貫通する状態で配置されている。電池セルの電極端子６１がバスバー３０を貫通するとともにバスバー３０の上側から六角ナット６０が螺入され、六角ナット６０によりバスバー３０が電池セルの電極端子６１に締結されている。この構造においてバスバー３０の一部を折り曲げて六角ナット６０の緩みを防止してもよい。つまり、バスバー３０における電極端子６１との接続部において少なくともナット６０の外側に溝３２，３３の底面部よりなる薄肉部を形成して当該薄肉部において折り曲げてナット６０に接触させる。

この場合においても、溝３２，３３の溝幅Ｗｓをナット６０における最大半径と最小半径の差分とするとよく、ナット６０がどの位置にきても折り曲げることができる。また、溝３２，３３は直線的に延び、溝３２，３３の延設方向とバスバー３０の延設方向とでなす角度を３０〜６０°の範囲とするとよく、特に、溝３２，３３の延設方向とバスバー３０の延設方向とでなす角度を４５°とすると曲げる距離が最も短くでき最も簡単に曲げることができる。

・蓄電装置はリチウムイオン二次電池であったが、これに限定されることなく、他にも例えば、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、キャパシタ等であってもよい。
・蓄電装置（リチウムイオン二次電池１０）を搭載する車両は問わない。例えば、電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車、産業車両等に搭載するとよい。

・車載用以外の蓄電装置に適用してもよい。

１０…リチウムイオン二次電池、２０…電池モジュール、２１…本体部、２２，２３…電極端子、３０…バスバー、３２，３３…溝、４０，４１…六角ボルト、４５…頭部、６０…六角ナット、Ｃ１〜Ｃ９…電池セル、ｒ１…最大半径、ｒ２…最小半径、Δｒ…差分、Ｗｓ…溝幅。

Claims (5)

1. 電極端子が本体部から突出するセルを複数並設して構成した蓄電モジュールと、
   隣接する前記セルの電極端子同士を電気的に接続する平板状のバスバーと、
   前記電極端子に螺入されて前記バスバーを前記電極端子に締結するボルトまたはナットと、
   を有する蓄電装置であって、
   前記バスバーにおける前記電極端子との接続部において少なくとも前記ボルトの頭部の外側またはナットの外側に薄肉部を形成して当該薄肉部において折り曲げて前記ボルトの頭部またはナットに接触させてなることを特徴とする蓄電装置。
2. 前記薄肉部は、溝の底面部により構成されてなることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記溝の溝幅を、前記ボルトの頭部またはナットにおける最大半径と最小半径の差分としてなることを特徴とする請求項２に記載の蓄電装置。
4. 前記溝は直線的に延び、溝の延設方向と前記バスバーの延設方向とでなす角度を３０〜６０°の範囲としてなることを特徴とする請求項２または３に記載の蓄電装置。
5. 前記溝の延設方向と前記バスバーの延設方向とでなす角度を４５°としてなることを特徴とする請求項４に記載の蓄電装置。