JP6131966B2 - 電池及び組電池 - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、電池及び組電池に関する。特に、電極端子としてボルトを使用する電池及び組電池に関する。
扁平なケースに発電要素が収容され、ケースの天板(トップパネル、又はケースカバー)に正極と負極の電極端子が設けられている電池が知られている(例えば特許文献1)。複数の扁平な電池を並列状に並べ、それらの電池を電気的に直列に接続することで、高電圧を出力することのできる組電池が得られる。
ケースの天板に両極の電極端子を設ける場合、電極端子を天板から絶縁する必要がある。電極端子は、ケース内の発電要素とは電気的に接続されており、天板からは絶縁されていなければならない。一方、特許文献1の電極端子は、バスバなどを固定するため、その一部にボルトが採用されている。特許文献1の電池は次の構造を備えている。特許文献1の電池の電極端子は、端子ボルトと接続端子板で構成される。ケースの天板の上に絶縁板を配置し、その上に、ボルトヘッドの頭頂面が絶縁板に対向するように端子ボルトを配置する。一方、ケース内部で発電要素と電気的に接続されているとともに天板から絶縁されている接続端子板が端子ボルトに遊嵌しているとともに、端子ボルトのボルトヘッドを絶縁板との間で挟んでいる。絶縁板には、端子ボルトの回転を規制する回り止め壁が、ボルトヘッドを囲むように設けられている(特許文献1;図2)。端子ボルトにナットを締結する際、ボルトヘッドの角が回り止め壁に当接し、ボルトの回転が規制される。一方、バスバなどを端子ボルトにナットで締め付けると、バスバと接続端子板(電極端子)が密着し、両者が電気的に接続される。
ところで、電池は、上からみたときの短手方向(ケース短手方向)の幅が小さくなる傾向にある。即ち、電池は薄くなる傾向にある。特に、複数の電池を並列状に並べたスタックタイプの電池においてはそれが著しい。そのため、ケースの天板の上に配置される絶縁板も、天板の短手方向の幅が小さくなり、端子ボルトのボルトヘッドの直径に近づきつつある。例えば、天板の短手方向の幅が10ミリの場合、天板の短手方向における絶縁板の長さも10ミリ以下となる。一方、例えば、ボルトヘッドの直径は約8ミリである。そうすると、天板の短手方向でボルトヘッドの両側に設けられる回り止め壁の壁厚も薄くせざるを得ない。例えば、ボルトヘッドの形状が正四角形である場合、回り止め壁の壁厚は、単純計算で約2.2ミリ(≒(10−8/√2)/2)である。回り止め壁とボルトヘッドの間に1ミリ程度のクリアランスを確保すると、回り止め壁の壁厚は1ミリ程度になってしまうこともある。なお、ここで「壁厚」とは、ボルトヘッドが回り止め壁に当接した箇所から、絶縁板の横壁の外周面までの最短距離のことをいう。
絶縁板は樹脂やセラミックスで作られるので、回り止め壁も樹脂やセラミックスで作られる。回り止め壁が薄くなると、バスバをナットでねじ締結する際の締め付けトルクによって、ボルトヘッドが当接している箇所で回り止め壁にクラックが生じたり割れたりする虞がある。本明細書は、ケース天板の短手方向の長さが短い電池において、絶縁板に設けられる回り止め板にクラックや割れが生ずるのを抑制する技術を提供する。
本明細書が開示する電池は、細長い天板を有している扁平なケース、ケースに収容される発電要素、絶縁板、端子ボルト、及び、接続端子板を備えている。端子ボルトと接続端子板が、発電要素と外部のデバイスを電気的に接続する電極端子を構成する。絶縁板は、ケースの天板の上に配置されている。端子ボルトは、ボルトヘッドの頭頂面が絶縁板に対向するように絶縁板に配置されている。接続端子板は、発電要素と電気的に接続されているとともに、ケースカバーからは絶縁されている。接続端子板は、貫通孔を有しており、その貫通孔が端子ボルトに遊嵌しているとともに、接続端子板がボルトヘッドを絶縁板との間で挟んでいる。一方、ボルトヘッドは、一般に、偶数N個の頂点を有する正N角形である。偶数N個の頂点を有する正N角形のボルトヘッドに対して、絶縁板には、天板の短手方向でボルトヘッドの両側に一対の回り止め壁が設けられている。回り止め壁は、天板の短手方向の壁厚が一定でない。即ち、一対の回り止め壁の夫々において、端子ボルトに螺合するナットの締め付け方向にボルトヘッドが回転したときにボルトヘッドが当接する第1当接箇所の壁厚が、ナットの緩む方向にボルトヘッドが回転したときにボルトヘッドが当接する第2当接箇所の壁厚よりも大きい。
即ち、上記の電池では、ナットを緩める方向にボルトヘッドが回転したときにその回転を止める箇所(第2当接箇所)の壁厚を薄くして、その分、ナットを締め付ける方向にボルトヘッドが回転したときにその回転を止める箇所(第1当接箇所)の壁厚を厚くする。ナットを緩める場合は、内部の発電要素を交換するときであるから、回り止め壁の破損が許され得る。絶縁板を交換すればよいからである。本明細書が開示する電池は、ナットを緩めるときにボルトヘッドの回転を止める箇所の強度を犠牲にして、ナットを締めるときにボルトヘッドの回転を止める箇所の壁厚を厚くして強度を高める。
上記の構成により、第1当接箇所の壁厚を、回り止め壁の内側壁面(ボルトヘッドに対向する壁面)が天板の長手方向に対して平行に延びている場合の壁厚に比べて厚くすることができる。それゆえ、ナットを締結する際に端子ボルトの回転を規制する回り止め壁にクラックや割れが生じ難い。本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。
図面を参照して実施例の電池及び組電池を説明する。まず、実施例の組電池2の構成を、図1を参照して説明する。図1に、実施例の組電池2の斜視図を示す。組電池2は、複数の密閉型電池10を並列状に並べたものである。密閉型電池10は、扁平角型形状に形成されたケース11(後述)の内部に電極体(発電要素)を収容した非水電解質二次電池である。より具体的には、密閉型電池10は、例えば、角形密閉式のリチウムイオン二次電池である。以下では、説明を簡単にするため、「密閉型電池10」を単に「電池10」と称する。
組電池2は、複数の電池10が電気的に直列に接続されており、高電圧の電力を出力することができる。本実施例では、隣り合う電池10がスペーサ5を挟んで並列状に並べられており、それらの正極端子ボルト40と負極端子ボルト50がバスバ7で接続されている。バスバ7は、正極端子ボルト40(又は負極端子ボルト50)とナット60で挟み込まれて固定される。バスバ7により、複数の電池10は、電気的に直列に接続される。
組電池2は、例えば、ハイブリッド車や電気自動車などの電動車両に搭載されて、動力源として電力を供給する。電動車両に搭載される場合には、走行中に路面などから入力される振動から、ケース11内の電極体を保護するため、電池10の並び方向(図1に示す座標系のX軸方向)に拘束荷重が加えられる。図示していないが、例えば、並び方向の両側から複数の電池10を挟み込む一対の加圧プレートによって、これらの電池10に所定の拘束荷重が加えられる。スペーサ5には、電池10の高さ方向(図1に示す座標系のZ軸方向)に延びる複数の溝が形成されている。これらの溝に空気などの冷却媒体を流すことにより各電池10が冷却される。なお、図1に示す符号18、19は、ケース11に収容した電極体に接続される接続プレートを示す。また、符号20及び30は、絶縁プレートを示す。符号12はケース本体を示しており、符号13はケースカバーを示している。ケース本体12とケースカバー13でケース11が構成される。
次に、電池10の構成を、図2−図4を参照して説明する。図2に、電池10をYZ平面でカットした断面図を示す。図3に、電池10の正極周辺の部品を分解した斜視図を示す。図4に、絶縁プレート20の囲み壁21(後述)の内周形状と正極端子ボルト40のボルトヘッド43との位置関係を説明するための平面図を示す。電池10は、主に、ケース11、接続プレート18、19、絶縁プレート20、30、正極端子ボルト40、負極端子ボルト50、電極体70などから構成されている。接続プレート18と正極端子ボルト40が正極の電極端子9を構成し、接続プレート19と負極端子ボルト50が負極の電極端子109を構成する。
ケース11は、ケース本体12とケースカバー13により構成されている。ケース本体12は、長手方向(図中の座標系のY軸方向)及び高さ方向(これらの図に示す座標系のZ軸方向)の長さに比べて短手方向(図中の座標系のX軸方向)の長さが著しく短い扁平な金属製の薄箱である。ケース本体12は、有底の薄箱であり、上部が細長矩形状に開口している(開口部12a、図3参照)。ケースカバー13は、ケース本体12の開口部12aを液密に閉塞する板厚の薄い金属板であり、本実施例では細長の短冊形状に形成されている。ケースカバー13はケース11の天板に相当する。
ケースカバー13の両端には、一対の貫通孔13aが設けられている。一方の貫通孔13aには、正極集電端子14のボルト部14aが挿通される。他方の貫通孔13bには、負極集電端子15のボルト部15aが挿通される。これらの貫通孔13aには、絶縁ガスケット29が挿入され、さらにその絶縁ガスケット29にボルト部14a、15aが挿通される。絶縁ガスケット29は、ボルト部14a、15aとケースカバー13の間の絶縁を確保するとともに、貫通孔13aとボルト部14a、15aの間を液密に封止する。後述するように、ボルト部14aは、正極の電極端子9(接続プレート18と正極端子ボルト40)に電気的に接続されている。ボルト部15aは、負極の電極端子109(接続プレート19と負極端子ボルト50)に電気的に接続されている。
ケース本体12には、扁平形状に捲回された電極体70(発電要素)が収容されているとともに、収容した電極体70を浸す電解液が注入されている。図3に示すように、電極体70は、正極活性物質層を有する正極シートと負極活性物質層を有する負極シートを、セパレータを挟んで扁平形状に捲回した捲回電極体である。図3には、これらを個別には図示していないが、捲回により積層された正極シートなどの一部が図示されている。これらのシートは、捲回軸の方向に所定距離ずらして捲回されている。正極シートのみが捲回された部分が正極電極部72として、また負極シートのみが捲回された部分が負極電極部73として、それぞれ機能する。さらに、正極シートと負極シートがセパレータを挟んで重なり合う範囲が発電部71として機能する。
正極電極部72には、正極集電端子14が接続されている。また、負極電極部73には負極集電端子15が接続されている。先に述べたように、正極集電端子14はケース11の外で正極の電極端子9(接続プレート18と正極端子ボルト40)と電気的に接続されている。負極集電端子15はケース11の外で負極の電極端子109(接続プレート19と負極端子ボルト50)と電気的に接続されている。電解液に浸された電極体70が発電すると、その電力が正極集電端子14と負極集電端子15を介して正極の電極端子9及び負極の電極端子109に出力される。また、外部から供給される電力が正極の電極端子9及び負極の電極端子109から入力されることにより、電極体70が充電される。なお、図3には、電極体70のうち、発電部71及び正極電極部72の一部のみが図示されており、残部は図示を省略している。また、図3では、負極集電端子15、絶縁プレート30、接続プレート19なども図示を省略している。さらに、ケースカバー13には、正極端子ボルト40や負極端子ボルト50のほかに、ケース11の内部空間11aに電解液を注入するための注液口や、ケース11の内圧上昇を防ぐ安全弁などが設けられるが、それらの図示を省略している。
正極集電端子14の上部にボルト部14aが設けられている。ケースカバー13には、貫通孔13aが設けられており、ボルト部14aが貫通孔13aを通り、ケース11の外側へと延びている。なお、ボルト部14aと貫通孔13a(ケースカバー13)との間には絶縁ガスケット29が挿入されている。絶縁ガスケット29は、正極集電端子14とケースカバー13との間を絶縁するとともに、ケースカバー13の貫通孔13aを液密に封止する。負極集電端子15も同様であり、その上部にボルト部15aが設けられている。ケースカバー13には、別の貫通孔13aが設けられており、ボルト部15aがその貫通孔13aを通り、ケース11の外側へと延びている。なお、ボルト部15aと別の貫通孔13a(ケースカバー13)との間にも絶縁ガスケット29が挿入されている。絶縁ガスケット29は、負極集電端子15とケースカバー13との間を絶縁するとともに、ケースカバー13の別の貫通孔13aを液密に封止する。
接続プレート18、19は、次に説明する絶縁プレート20、30の上に重ねられるように、短冊形状の金属板を折り曲げ加工したものである。本実施例では、接続プレート18は、正極端子ボルト40とともに、電極体70(正極電極部72)を外部のデバイスと電気的に接続する電極端子9を構成する。同時に、接続プレート18は、正極端子ボルト40がケースカバー13から外れないように正極端子ボルト40を抑える役割を有する。同様に、接続プレート19は、負極端子ボルト50とともに、電極体70(負極電極部73)を外部のデバイスと電気的に接続する電極端子109を構成する。同時に、接続プレート19は、負極端子ボルト50がケースカバー13から外れないように負極端子ボルト50抑える役割を有する。
接続プレート18には、正極集電端子14のボルト部14aが挿通される貫通孔18aと、正極端子ボルト40のボルト本体41が遊嵌する貫通孔18bが夫々形成されている。接続プレート19には、負極集電端子15のボルト部15aが挿通される貫通孔19aと、負極端子ボルト50のボルト本体51が遊嵌する貫通孔19bが夫々形成されている。接続プレート18は、ナット16により、絶縁プレート20及びケースカバー13と一緒に正極集電端子14のボルト部14aに締め付けられる。こうして、接続プレート18がケースカバー13に固定される。先に述べたように、ケースカバー13の貫通孔13aには絶縁ガスケット29が嵌められており、正極集電端子14のボルト部14aをケースカバー13から絶縁している。また、ケースカバー13と電極端子9(接続プレート18及び正極端子ボルト40)の間には絶縁プレート20が挟まれており、絶縁プレート20がそれらの間の絶縁を確保している。
負極の側も同様である。接続プレート19も、ナット16により、絶縁プレート30及びケースカバー13と一緒に負極集電端子15のボルト部15aに締め付けられる。こうして接続プレート19がケースカバー13に固定される。絶縁ガスケット29によってボルト部15aがケースカバー13から絶縁されており、絶縁プレート30によって負極の電極端子109(負極端子ボルト50と接続プレート19)がケースカバー13から絶縁されている。
絶縁プレート20、30は、高い絶縁性を有する樹脂材料で作られる板状部材である。本実施例では、絶縁プレート20、30は、長手方向(Y軸方向)の長さがケースカバー13よりも短く、短手方向(X軸方向)の長さがケースカバー13とほぼ同サイズに設定された短冊形状に形成されている。以下、説明を簡単にするため、「ケースカバー13の短手方向(X軸方向)」を単に「短手方向」と称し、「ケースカバー13の長手方向(Y軸方向)」を単に「長手方向」と称する。
電池10の正極側と負極側は同じ構造を有している。それゆえ、図3に正極側の周辺の部品分解図を示し、正極側の部品の構造を更に詳しく説明する。絶縁プレート20の一端側に貫通孔20aが形成されている。この貫通孔20aは、絶縁ガスケット29と正極集電端子14のボルト部14aが挿通される孔である。絶縁プレート20の他端側には平坦部20bが設けられている。その平坦部20bの上に、ボルトヘッド43の頭頂面43aが対向するように、正極端子ボルト40が配置される。正極端子ボルト40が平坦部20bの上に配置された後、接続プレート18が正極端子ボルト40に被せられる。接続プレート18の一端には貫通孔18aが設けられており、ナット16で正極集電端子14のボルト部14aに固定される。また、接続プレート18は、絶縁プレート20を挟んでケースカバー13から絶縁されるとともに、ケースカバー13に固定される。接続プレート18の他端には貫通孔18bが設けられている。その貫通孔18bがボルト本体41に遊嵌しているとともに、接続プレート18が絶縁プレート20との間でボルトヘッド43を挟み込んでいる。接続プレート18は、正極端子ボルト40がケースカバー13から外れないように、ボルトヘッド43を押さえている。但し、接続プレート18は、ボルトヘッド43の自由な回転と、僅かな揺動を許容する。正極端子ボルト40がケースカバー13に対して僅かに揺動することで、バスバ7の取り付け作業が容易となる。
電極体70(正極電極部72)から正極端子ボルト40に至る構造をまとめると次の通りである。ケース11は扁平であり、上部に細長いケースカバー13(天板)を有している。ケース11に電極体70が収容されている。ケースカバー13には貫通孔13aが設けられている。ケースカバーの上に絶縁プレート20が配置されている。絶縁プレート20の上に、ボルトヘッドの頭頂面43aが絶縁プレート20に対向するように正極端子ボルト40が配置されている。一方、正極集電端子14は、一端が電極体70(正極電極部72)と電気的に接続しており、他端はケースカバー13に対して絶縁されつつ、ケースカバー13と絶縁プレート20を貫通している。絶縁プレート20の上に接続プレート18が配置されている。接続プレート18の一端は正極集電端子14と電気的に接続されており、構造的に連結されている。接続プレート18の他端は、正極端子ボルト40に遊嵌しているとともに、ボルトヘッド43を絶縁プレート20との間で挟み込んでいる。負極側の構造も正極側の構造と同様である。
図3に戻り、絶縁プレート20の説明を続ける。絶縁プレート20には、ボルトヘッド43を囲むように、囲み壁21が形成されている。接続プレート18はボルトヘッド43の自由回転を許容するが、囲み壁21がボルトヘッド43の回転を規制する。上(Z軸方向)からみると、囲み壁21の内周形状は、ボルトヘッド43の外周形状と相似形をなしている。なお、ボルトヘッド43の外周形状とは、ボルトヘッド43をボルト本体41の軸方向からみた場合に現れるボルトヘッド43の外側輪郭線(外形線)により形成される形状のことである。囲み壁21の内周形状とは、絶縁プレート20を上(Z軸方向)からみたときにボルトヘッド43と対向する囲み壁21の内壁面により形成される形状のことである。Z軸方向は、絶縁プレート20に載置された正極端子ボルト40の軸線方向に一致する。
囲み壁21の内壁面とボルトヘッド43の外周面との間には所定の空隙(クリアランス)が確保されている。ボルトヘッド43は、囲み壁21の中で所定の角度内で回転することはできるが、自由な回転はできない。ボルトヘッド43は、所定の角度だけ回転すると、囲み壁21の内壁面と当接し、回転が規制される。囲み壁21の内周形状については後に詳しく説明する。
なお、囲み壁21は、短手方向(ケースカバー13の短手方向)でボルトヘッド43の両側に位置する一対の横壁23と、長手方向(ケースカバー13の長手方向)でボルトヘッド43の両側に位置する一対の縦壁25によって構成されている。一対の横壁23は、長手方向に沿って延びており、一対の縦壁25は、短手方向に沿って延びている。一対の横壁23と一対の縦壁25はともに回り止めの機能を有する。
例えば、バスバ7の貫通孔7aにボルト本体41を挿通させた後、ボルト本体41にナット60を螺合させて、バスバ7は正極端子ボルト40にねじ止め固定される。その際、ボルトヘッド43がナット60とともにねじ締め方向に回転しようとする。このとき、ボルトヘッド43がねじ締め方向に回転しようとするのを囲み壁21(横壁23及び縦壁25)が阻止する。つまり、囲み壁21(横壁23及び縦壁25)が正極端子ボルト40の自由回転を規制する。本実施例では、ボルトヘッド43の外周形状は、正四角形(正方形)である。そのため、囲み壁21の内周形状は、ボルトヘッド43の正四角形よりも大きい四角形状に形成されている。
なお、負極端子ボルト50は、ボルト本体51とボルトヘッド53で構成されており、負極端子ボルト50は絶縁プレート30の平坦部30bに載置される。絶縁プレート30にはボルトヘッド53を囲むように囲み壁31が設けられている。負極端子ボルト50と絶縁プレート30の囲み壁31との関係は、正極端子ボルト40と絶縁プレート20の囲み壁21との関係と同じである。以下では主に正極側の絶縁プレート20について説明するが、負極側の絶縁プレート30についても同様の説明が適用される。
囲み壁21の内周形状の説明をする前に、電極端子9が正極端子ボルト40と接続プレート18で構成されており、正極端子ボルト40が絶縁プレート20の囲み壁21で回り止めされる構造の利点を説明しておく。
ケースカバー13に両極の電極端子9、109を設ける場合、電極端子9、109をケースカバー13から絶縁する必要がある。ここからは、正極の電極端子9について説明する。電極端子9は、ケース内の電極体70とは電気的に接続されており、ケースカバー13からは絶縁されていなければならない。一方、電極端子9は、ナット60との間でバスバ7を挟み込んで固定するためにネジ山(ボルト本体41)を有しており、バスバ7を固定する際に電極端子9には締め付けトルクが加わる。また、バスバ7を固定する際、電極端子9にはそれを傾ける力が加わることもある。ナット60を締め付ける際に電極端子9に力が加わるが、その力がケース内部の電極体70にダイレクトに伝わらない構造が望ましい。即ち、電極端子9には、上記した電気的条件と構造的条件が求められる。
実施例の電池10では、電極端子9は絶縁プレート20と絶縁ガスケット29によってケースカバー13から絶縁されており、上記した電気的条件が満たされている。一方、電極端子9は正極端子ボルト40と接続プレート18で構成されている。正極端子ボルト40が接続プレート18に遊嵌しており、両者は摺動する。正極端子ボルト40の回転は絶縁プレート20が規制する。それゆえ、ナット60を締め付ける際、正極端子ボルト40に加わる力がダイレクトに電極体70の加わることがなく、上記した構造的条件が成立する。
図4を参照しつつ、ボルトヘッド43の回転を規制する囲み壁21の内周形状について説明する。なお、負極側の囲み壁31についても同様であるので、囲み壁31についての説明は省略する。
本実施例では、囲み壁21の内周形状が構成する正四角形は、横壁23の内壁面23aに相当する辺が、長手方向(ケースカバー13の長手方向)に対して角度θを持つように規定されている。なお、横壁23の外壁面23bは、上からみたときにケースカバー13の長手方向の縁と一致している。長手方向に対する内周形状のZ軸回りの角度θは、別言すれば、囲み壁21の内周形状の姿勢と捉えることができる。図4(A)−図4(C)は、絶縁プレート20を上から(Z軸方向から)みた平面図である。図4(A)−図4(C)は、内周形状の角度θが異なる3つのケースを示している。
囲み壁21の内壁面が作る内周形状は、一対の横壁23の内壁面23aと、一対の縦壁25の内壁面25aで構成される。図4(A)に示すように、囲み壁21の正四角形の内周形状は、その一辺が長手方向に対して平行になる姿勢ではない。囲み壁21の内周形状は、内周形状の正四角形の一辺が長手方向と平行になるときの姿勢に対して、正極端子ボルト40に螺合するナット60の緩み方向に角度θだけ回転させた姿勢に形成されている。ナット60の緩み方向とは、ナット60の締め付け方向(図4の平面図において時計回り方向)の逆方向に相当する。
また、回り止めが成立する条件として、囲み壁21の内周形状は、その内周形状に内接する円(内接円)の径が、正極端子ボルト40のボルトヘッド43の外周形状に外接する円(外接円)の径よりも小さくなるように設定されている。
このように囲み壁21を構成することにより、正極端子ボルト40のボルトヘッド43は、囲み壁21の内側で所定の角度だけ回転することが許容される。例えば、図4(A)において、実線で表したボルトヘッド43は、囲み壁21の中でナット60の締め付け方向に回転して横壁23にその回転が阻止されている場合の例である。これに対して、破線で表したボルトヘッド43は、ナット60の緩み方向にボルトヘッド43が回転して横壁23にその回転が阻止されている場合の例である。つまり、両例とも、ボルトヘッド43が横壁23に当接して回り止めされている状態である。これらの例を比較すると、横壁23において、締め付け方向に回転したボルトヘッド43が当接する箇所(第1当接箇所Ps)の壁厚Tsの方が、緩み方向に回転したボルトヘッド43が当接する箇所(第2当接箇所Pr)の壁厚Trよりも大きくなっている(厚くなっている)。
壁厚Tsと壁厚Trの平均の壁厚が、内周形状の一辺(横壁23の内壁面23a)が長手方向に平行な場合における壁厚に等しい。このことから、図4(A)の態様は、緩み方向に回転したボルトヘッド43が当接する箇所(第2当接箇所Pr)の壁厚Trを減らし、締め付け方向に回転したボルトヘッド43が当接する箇所(第1当接箇所Ps)の壁厚Tsの増やすことに相当することがわかる。図4(A)の態様は、内周形状の一辺(横壁23の内壁面23a)が長手方向に平行な場合と比較して、締め付け方向に回転したボルトヘッド43が当接する箇所(第1当接箇所Ps)の強度が高くなっている。従って、締め付け方向に回転したボルトヘッド43が第1当接箇所Psに当接してもクラックや割れが発生し難い。
ナット60を緩める場合は、ケース11の内部空間11aに収容する電極体70を交換するときであるから、たとえ絶縁プレート20の横壁23が破損したとしても、絶縁プレート20を交換すれば足りる。
このように本実施例の電池10は、正極端子ボルト40にねじ締結されているナット60を緩めるときにボルトヘッド43の回転を止める横壁23の当接箇所(第2当接箇所)の厚みを犠牲にして、ナット60を締めるときにボルトヘッド43の回転を止める横壁23の当接箇所(第1当接箇所)の壁厚を厚くするように構成した。絶縁プレート20の囲み壁21の内周形状が正四角形である場合には、第1当接箇所の厚みを大きくすることのできる角度θの範囲は、0(ゼロ)度<θ<45度(=180度/4)である。0(ゼロ)度を僅かに超える最小角度θaの場合を図4(B)に示す。この場合、ナット60を締め付ける方向にボルトヘッド43が回転したとき(実線の矩形状)にボルトヘッド43が当接する第1当接箇所Psの壁厚Tsaは、ナット60を緩める方向にボルトヘッド43が回転したとき(破線の矩形状)にボルトヘッド43が当接する第2当接箇所Prの壁厚Traよりも、僅かに大きくなる(厚くなる)。
また、45度を僅かに下回る最大角度θbの場合の内周形状を図4(C)に示す。図4(C)の場合、ナット60を締め付ける方向にボルトヘッド43が回転したとき(実線の矩形状)にボルトヘッド43が当接する第1当接箇所Psの壁厚Tsbは、ナット60を緩める方向にボルトヘッド43が回転したとき(破線の矩形状)にボルトヘッド43が当接する第2当接箇所Prの壁厚Trbよりも顕著に大きくなる(厚くなる)。ただし、図4(C)の場合は、ナット60を締め付ける方向にボルトヘッド43が回転したとき(実線の矩形状)にボルトヘッド43が当接する縦壁25の当接箇所Ps2における壁厚Tsb2が、第2当接箇所Prの壁厚Trbに近づく。しかしながら、ナット60を締め付ける方向に回転するボルトヘッド43が当接箇所Ps2に当接した場合、囲み壁21に作用する力はケースカバー13の長手方向(図中のY軸方向)となる。それゆえ、縦壁25の当接箇所Ps2においてもクラックや破断は生じ難い。
図4(C)の場合において、縦壁25の当接箇所Ps2の壁厚Tsb2は、横壁23の第2当接箇所Prの壁厚Trbよりも大きい。即ち、当接箇所Ps2とPrについても、ナット60の締め付け方向に回転したボルトヘッド43が当接する縦壁25の当接箇所Ps2の壁厚Tsb2は、ナット60の緩む方向に回転したボルトヘッド43が当接する横壁23の第2当接箇所Prの壁厚Trbよりも大きい、という関係が成立していることに留意されたい。従って、ナットを締め付ける方向で回り止めするときの囲み壁の強度を高めるための内周形状の要件は、次のように表現することができる。即ち、囲み壁21の内周形状は、ナットを締め付ける方向にボルトヘッドが回転したときに、ケースカバー13の短手方向の縁に最も近い当接箇所における壁厚が、ナットを緩める方向にボルトヘッドが回転したときに、上記短手方向の縁に最も近い当接箇所における壁厚よりも厚くなるように規定される。
なお、図4(B)及び図4(C)に示す各例は、最小角度θaや最大角度θbという極端な角度θの場合を例示したものである。そのため、上述した角度θは、ゼロ度より大きく45度未満の間において、個別具体的な実験やコンピュータシミュレーションの結果に基づいて適切な値に設定される。図4(B)及び図4(C)から理解されるとおり、θ=0、θ=45(180/4)の場合は、第1当接箇所における壁厚と第2当接箇所における壁厚が等しくなる。
電池10は、ケース11の形状が扁平薄箱状に移行する傾向にある。特に、複数の電池10を並列状に並べた組電池2においては、電池10の短手方向(X軸方向)の幅を極力小さくする仕様ニーズがある。そのため、絶縁プレート20においては、その短手方向(X軸方向)において長さが制限される場合があり、図4(C)に示すような構成は採り難い。このような制限がある場合には、図4(A)に示すような構成が有効である。図4(A)の構成では、囲み壁21の中でボルトヘッド43がナット60の締め付け方向に回転して横壁23にその回転が阻止されている状態(実線)において、ボルトヘッド43の外周形状の一辺が長手方向と平行になっている。このとき、ボルトヘッド43のケースカバー13の短手方向における幅が最も小さくなる。その姿勢で回転が阻止されるのが、第1当接箇所Psの壁厚Tsを適度に厚くするとともに、第2当接箇所Prの壁厚Trを適度に残すことができる。このように、ナットの締め付け方向にボルトヘッドが回転してボルトヘッドが一対の横壁に当接したときにボルトヘッドの一辺がケースカバーの長手方向と平行となるように第1当接箇所の壁厚を定めることが一つの好適な例である。
なお、絶縁プレート20の長手方向(Y軸方向)については、その短手方向(X軸方向)よりも制限が緩い。そのため、例えば、横壁23に比べて縦壁25は、壁厚を大きく(厚く)設定することが可能である。よって、バスバ7などをナット60でねじ締結する際の締め付けトルクによって、ナット60と一緒に正極端子ボルト40や負極端子ボルト50が回転しても、縦壁25にクラックが生じたり、割れたりする虞は少ない。
一対の縦壁25だけで回り止めをすることも考えられるが、そうすると、一対の縦壁25と一対の横壁23で回り止めをする場合と比較して2倍の力が一対の縦壁25の夫々に加わることになる。絶縁プレート20に設けられる縦壁25や横壁23は樹脂あるいはセラミックスで作られる場合が多い。縦壁25や横壁23が樹脂で作られる場合は、壁面に過大な力が加わるとそれらの壁が変形し、ボルトヘッドの自由回転を許してしまう虞がある。縦壁25や横壁23がセラミックスで作られる場合は、壁面に過大な力が加わるとそれらの壁が割れる虞がある。従って、ボルトヘッドは、なるべく多くの箇所で回り止めすることが望ましい。それゆえ、ケースカバーの短手方向でボルトヘッドの両側に設けられる横壁の第1当接箇所の強度を高めることは有用である。
正極側の絶縁プレート20について説明したが、負極側の絶縁プレート30についても同様である。引き続き、正極側の絶縁プレート20の変形例を説明するが、以下の説明も、負極側の絶縁プレート30に適用することができる。絶縁プレート20に形成される囲み壁の変形例として、例えば、図5(A)−(C)に示すものがある。
上述した囲み壁21の構成例では、正極端子ボルト40のボルトヘッド43の外形形状は、正四角形であった。そのため、囲み壁21の内周形状は、ボルトヘッド43の正四角形よりも大きい相似形の正四角形に形成される。内周形状は、さらに、横壁23の内壁面23aが、ケースカバーの長手方向(横壁23の外壁面23b)に対して角度θ(0度<θ<45度)を持つようにナット60の緩む方向に回転した姿勢で形成される。
これに対して、図5(A)に示す絶縁プレート120xの囲み壁121xは、囲み壁の内周形状の正四角形を回転させることなく、次の形状を備えている。図5(A)の絶縁プレート120xは、図4(A)に示す締め方向に回転させたボルトヘッド43が第1当接箇所Psに相当する箇所に当接するように、一対の横壁23の内壁面23aの夫々に凸部24xを設けている。この凸部24xは、ナット60を締め付ける方向にボルトヘッド43が回転したとき(実線の矩形状)にボルトヘッド43が当接する箇所(図4(A)に示す第1当接箇所Ps)に形成する。また、縦壁25の内壁面25aにも、凸部24xと同様の位置に凸部26xを形成する。凸部24x、26xは、絶縁プレート120xに一体に形成してもよいし、また別体に構成してもよい。このような構成によっても、締め付け方向に回転したボルトヘッド43(実線の矩形状)が当接する箇所(第1当接箇所)の壁厚の方が、緩み方向に回転したボルトヘッド43(破線の矩形状)が当接する箇所(第2当接箇所)の壁厚よりも大きくなる(厚くなる)。そのため、正極端子ボルト40がナット60と一緒に回転したとしても、横壁23にクラックや割れが生じ難くなる。一方、第2当接箇所の厚みを薄くすることで、ボルトヘッドには所定の角度範囲の回転が許容される。
このような凸部24x、26xは、例えば、図5(B)に示すような囲み壁121yの段部24y、26yに変更してもよい。この段部24yは、ナット60を締め付ける方向にボルトヘッド43が回転したとき(実線の矩形状)にボルトヘッド43が当接する箇所(図4(A)に示す第1当接箇所Ps)に形成する。また、縦壁25の内壁面25aにも、段部24yと同様の位置に段部26yを形成する。段部24y、26yも、絶縁プレート120yに一体に形成してもよいし、また別体に構成してもよい。このような構成によっても、締め付け方向に回転したボルトヘッド43(実線の矩形状)が当接する箇所(第1当接箇所)の壁厚の方が、緩み方向に回転したボルトヘッド43(破線の矩形状)が当接する箇所(第2当接箇所)の壁厚よりも大きくなる(厚くなる)。そのため、正極端子ボルト40がナット60と一緒に回転したとしても、横壁23にクラックや割れが生じ難くなる。
また、図5(C)に示す絶縁プレート120zの囲み壁121zように、段部24y、26yを残したまま、ナット60を緩める方向にボルトヘッド43が回転したとき(破線の矩形状)にボルトヘッド43が当接する箇所(図4(A)に示す第2当接箇所Pr)に、凹部24z、26zを形成してもよい。つまり、段部24y、26yを形成した位置の横壁23や縦壁25の壁厚が大きく(厚く)なった分、第2当接箇所Prの位置の横壁23や縦壁25の壁厚を小さく(薄く)するように構成してもよい。このような構成によっても、締め付け方向に回転したボルトヘッド43(実線の矩形状)が当接する横壁23の箇所(第1当接箇所)の壁厚の方が、緩み方向に回転したボルトヘッド43(破線の矩形状)が当接する横壁23の箇所(第2当接箇所)の壁厚よりも大きくなる(厚くなる)。そのため、正極端子ボルト40がナット60と一緒に回転したとしても、横壁23にクラックや割れが生じ難くなる。
図5(A)−(C)に示す各例は、正極側の絶縁プレートについて説明したが、負極側の絶縁プレートについても同様に適用することが可能である。上記の説明では、正極端子ボルト40や負極端子ボルト50のボルトヘッド43、53の外形形状として、正四角形の場合を例示して説明したが、頂点数が偶数個である正多角形であれば、例えば、正六角形や正八角形であっても、上記した絶縁プレート20の構成を適用することが可能である。
即ち、図6に示す絶縁プレート220のように、囲み壁221(横壁223及び縦壁225)の内周形状がボルトヘッド243の正六角形の相似形である場合には、横壁223及び縦壁225の内周形状を次のように構成する。そのような内周形状は、当該内周形状を構成する辺の一辺がケースカバー13の長手方向(Y軸方向)と平行になる姿勢に対して、ナット60を緩める方向に、ゼロ度より大きく30度(=180度/6)未満の角度だけ回転させた姿勢に形成される。
図6(A)は、囲み壁221の内周形状が正四角形の場合における図4(A)に相当するものである。即ち、図6(A)において、実線の正六角形状で表したボルトヘッド243は、囲み壁221の内側においてナット60の締め付け方向に回転して横壁223にその回転が阻止されている場合である。これに対して、破線の正六角形状で表したボルトヘッド243は、ナット60の緩み方向にボルトヘッド243が回転して横壁223にその回転が阻止されている場合である。締め付け方向に回転したボルトヘッド243が当接する横壁223の箇所(第1当接箇所Ps)の壁厚Tsが、緩み方向に回転したボルトヘッド143が当接する横壁223の箇所(第2当接箇所Pr)の壁厚Trよりも大きい(厚い)。
また、図6(B)に示すように、例えば、0(ゼロ)度を僅かに超える最小角度θaの場合には、ナット60を締め付ける方向にボルトヘッド243が回転したとき(実線の正六角形状)にボルトヘッド243が当接する横壁223の箇所(第1当接箇所Ps)の壁厚Tsaは、ナット60を緩める方向にボルトヘッド243が回転したとき(破線の正六角形状)にボルトヘッド243が当接する横壁223の箇所(第2当接箇所Pr)の壁厚Traよりも、僅かに大きい(厚い)。さらに、図6(C)に示すように、例えば、30度を僅かに下回る最大角度θbの場合には、ナット60を締め付ける方向に回転したときにボルトヘッド243(実線の正六角形状)が当接する横壁223の箇所(第1当接箇所Ps)の壁厚Tsbは、ナット60を緩める方向に回転したときにボルトヘッド243(破線の正六角形状)が当接する横壁223の箇所(第2当接箇所Pr)の壁厚Trbよりも、僅かに大きい(厚い)。
したがって、囲み壁の内周形状が正六角形であっても、上述した正四角形の場合と同様に、正極端子ボルト40や負極端子ボルト50がナット60と一緒に回転したとしても、横壁223にクラックや割れが生じ難くなる。なお、囲み壁の内周形状が正八角形の場合については、図示しないが、正六角形の場合と同様に、ナット60を緩める方向にボルトヘッドが回転したときにボルトヘッドが当接する横壁の箇所(第2当接箇所)の壁厚よりも、ナット60を締め付ける方向にボルトヘッドが回転したときにボルトヘッドが当接する横壁の箇所(第1当接箇所)の壁厚を大きく(厚く)することができる。そのため、正極端子ボルト40や負極端子ボルト50がナット60と一緒に回転したとしても、横壁223にクラックや割れが生じ難くなる。
以上から、絶縁プレートに形成される囲み壁を囲む回り止め壁の内周形状が、ボルトヘッドの偶数N個の頂点を有する正N角形と相似形である場合には、囲み壁の内周形状は、次のような姿勢で形成される。内周形状は、その正N角形の一辺がケースカバー13の長手方向と平行になる姿勢に対して、ナットを緩める方向に、ゼロ度よりも大きく(180/N)度未満の角度だけ回転させた姿勢で形成される。そのような条件の内周形状を有する囲み壁は、一対の横壁の内壁面がケースカバーの長手方向と平行に形成されている場合に比べて、ナット締め付け方向での当接箇所(第1当接箇所)の壁厚がナットを緩める方向での当接箇所(第2当接箇所)の壁厚よりも大きくなる。ねじ締結する際の締め付けトルクによって、ボルトがナットと一緒に回転したとしても、横壁にクラックや割れが生じ難い。
以上説明したように、本実施例の組電池2を構成する電池10では、正極端子ボルト40のボルトヘッド43が偶数N個の頂点を有する正N角形である場合において、ナット60を緩める方向にボルトヘッド43が回転したときにその回転を止める横壁23の箇所(第2当接箇所)の壁厚Trを薄くして、その分、ナット60を締め付ける方向にボルトヘッド43が回転したときにその回転を止める横壁23の箇所(第1当接箇所)の壁厚Tsを厚くする。負極端子ボルト50の側の囲み壁でも同様の条件が成立するように囲み壁を形成する。
なお、上述した実施例では、ナット60と正極端子ボルト40及び負極端子ボルト50のねじ締め方向が時計回り方向である場合を例示して説明したが、例えば、ねじ締め方向が反時計回り方向であるナットと正極端子ボルト及び負極端子ボルトの組み合わせの場合には、図4−6に示す囲み壁21、121、221の内周形状は、囲み壁21、121、221の図形中心をX軸方向に通る対称軸を境界にY軸方向に左右反転させた位置関係になる。
例えば図4(A)や図5に示した例では、囲み壁21は、一対の横壁23と一対の縦壁25で構成されている。そして、一対の横壁23の夫々において、端子ボルトに螺合するナットの締め付け方向にボルトヘッドが回転したときにボルトヘッドが当接する第1当接箇所の壁厚が、ナットの緩む方向にボルトヘッドが回転したときにボルトヘッドが当接する第2当接箇所の壁厚よりも大きくなっている。一対の縦壁25も、一対の横壁23と同じ構造を有している。即ち、一対の縦壁25の夫々において、端子ボルトに螺合するナットの締め付け方向にボルトヘッドが回転したときにボルトヘッドが当接する第1当接箇所の壁厚が、ナットの緩む方向にボルトヘッドが回転したときにボルトヘッドが当接する第2当接箇所の壁厚よりも大きくなっている。図4(A)や図5に示した例の電池の特徴は、次のように表現することもできる。絶縁プレートには、ケースカバーの短手方向でボルトヘッドの両側にボルトヘッドの回転を止める一対の第1回り止め壁(横壁23)が設けられている。絶縁プレートには、ケースカバーの長手方向でボルトヘッドの両側にボルトヘッドの回転を止める一対の第2回り止め壁(縦壁25)が設けられている。一対の第1回り止め壁の夫々において、端子ボルトに螺合するナットの締め付け方向にボルトヘッドが回転したときにボルトヘッドが当接する第1当接箇所の壁厚が、ナットの緩む方向にボルトヘッドが回転したときにボルトヘッドが当接する第2当接箇所の壁厚よりも大きい。一対の21回り止め壁の夫々においても、端子ボルトに螺合するナットの締め付け方向にボルトヘッドが回転したときにボルトヘッドが当接する第1当接箇所の壁厚が、ナットの緩む方向にボルトヘッドが回転したときにボルトヘッドが当接する第2当接箇所の壁厚よりも大きい。
実施例技術に関する留意点を述べる。電極体70は、発電要素の一例に相当する。ケースカバー13が、電池のケースの天板の一例に相当する。絶縁プレート20、30、120が絶縁板の一例に相当する。接続プレート18、19が接続端子板の一例に相当する。横壁23、123、223が、ケースカバーの短手方向でボルトヘッドの両側に設けられた一対の回り止め壁の一例に相当する。正極端子ボルト40及び負極端子ボルト50が端子ボルトの一例に相当する。
実施例において、「第1当接箇所の壁厚」、「第2当接箇所の壁厚」とは、ボルトヘッドが当接する箇所(第1当接箇所、第2当接箇所)における横壁(回り止め壁)の厚みをいう。別言すれば、「第1当接箇所の壁厚」、「第2当接箇所の壁厚」とは、ボルトヘッドの当接箇所から絶縁プレートの短手方向の縁までの最短距離である。
実施例の組電池2において、スペーサ5は、電池10の高さ方向に延びる複数の溝を備えている。スペーサに設けられる溝は、冷媒が流れることのできるものであれば、高さ方向に直線的に延びるものに限られない。溝は、どの方向に延びていてもよい。また、溝は、湾曲していてもよい。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
2:組電池
5:スペーサ
7:バスバ
9、109:電極端子
10:密閉型電池
11:電池ケース
12:ケース本体
12a:開口部
13:ケースカバー(天板)
14:正極集電端子
14a、15a:ボルト部
15:負極集電端子
16:ナット
18、19:接続プレート
20、30、120、220:絶縁プレート
21、121、221:囲み壁
21a、31a:凹部
23、223:横壁
25、225:縦壁
29:絶縁ガスケット
40:正極端子ボルト
41、51:ボルト本体
43、53:ボルトヘッド
50:負極端子ボルト
60:ナット
70:電極体
Pr:緩み方向当接箇所
Ps:締め方向当接箇所
Tr:緩み方向当接箇所の壁厚
Ts:締め方向当接箇所の壁厚
θ:角度
θa:最小角度
θb:最大角度
5:スペーサ
7:バスバ
9、109:電極端子
10:密閉型電池
11:電池ケース
12:ケース本体
12a:開口部
13:ケースカバー(天板)
14:正極集電端子
14a、15a:ボルト部
15:負極集電端子
16:ナット
18、19:接続プレート
20、30、120、220:絶縁プレート
21、121、221:囲み壁
21a、31a:凹部
23、223:横壁
25、225:縦壁
29:絶縁ガスケット
40:正極端子ボルト
41、51:ボルト本体
43、53:ボルトヘッド
50:負極端子ボルト
60:ナット
70:電極体
Pr:緩み方向当接箇所
Ps:締め方向当接箇所
Tr:緩み方向当接箇所の壁厚
Ts:締め方向当接箇所の壁厚
θ:角度
θa:最小角度
θb:最大角度
Claims (4)
- 天板を有している扁平なケースと、
前記ケースに収容される発電要素と、
前記天板の上に配置されている絶縁板と、
ボルトヘッドの頭頂面が前記絶縁板に対向するように前記絶縁板の上に配置されている端子ボルトと、
前記発電要素と電気的に接続されているとともに前記天板から絶縁されており、前記端子ボルトに遊嵌しているとともに前記ボルトヘッドを前記絶縁板との間で挟んでいる接続端子板と、
を備えており、
前記ボルトヘッドは、偶数N個の頂点を有する正N角形であり、
前記絶縁板に、前記ボルトヘッドの回転を規制するように、前記天板の短手方向で前記ボルトヘッドの両側に一対の回り止め壁が設けられており、
前記一対の回り止め壁の夫々において、前記端子ボルトに螺合するナットの締め付け方向に前記ボルトヘッドが回転したときに当該ボルトヘッドが当接する第1当接箇所の壁厚が、前記ナットの緩む方向に前記ボルトヘッドが回転したときに当該ボルトヘッドが当接する第2当接箇所の壁厚よりも大きい、
ことを特徴とする電池。 - 前記ボルトヘッドは、前記一対の回り止め壁を含む囲み壁によって囲まれており、
前記端子ボルトの軸線方向からみたときの前記囲み壁の内周形状が、
前記ボルトヘッドの正N角形の外周形状と相似であり、
当該内周形状の正N角形の一辺が前記天板の長手方向と平行になるときの姿勢に対して、前記ナットを緩める方向に、ゼロ度より大きく(180/N)度未満の角度だけ回転させた姿勢に形成されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の電池。 - 前記ナットの締め付け方向に前記ボルトヘッドが回転して当該ボルトヘッドが前記一対の回り止め壁に当接したときに前記ボルトヘッドの一辺が天板の長手方向と平行となるように前記第1当接箇所の壁厚が定められていることを特徴とする請求項1又は2に記載の電池。
- 請求項1から3のいずれか1項に記載の電池を複数個並列状に並べた組電池であり、
隣り合う前記電池の前記端子ボルト同士がバスバで連結されており、当該バスバは、各ボルトに対して前記ナットで締め付けられていることを特徴とする組電池。
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