JP6807026B2 - 蓄電モジュール - Google Patents

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Description

本明細書に開示された技術は、蓄電モジュールに関する。
従来、複数の蓄電素子を接続してなる蓄電モジュールとして、例えば特許文献１の電源装置が知られている。この技術においては、複数の角形電池セルが被覆ケース内に収容されるとともに、各角形電池セルの電極端子にはバスバーが取り付けられ、電気的に接続されている。このバスバーは、電極端子が挿通される各接続穴の間に切りこみを設けた波形の形状に形成されている。これにより、電池セルが熱により膨張し電極端子間の距離が変化しても、その変化分をバスバーの波形部分の変形によって吸収し、安定的に電池セルの接続状態を保持している。
また、特許文献２のバッテリシステムにおいては、複数の電池セルを固定部品で定位置に固定し、電極端子をバスバーで接続するとともに、バスバーの上に溶接リングを載置している。そして、溶接リングの内周面を電極端子にレーザー溶接し、外周面をバスバーにレーザー溶接して電極端子とバスバーとの隙間を埋め、これにより確実な電気接続を図っている。
特開２０１２−２４３６８９号公報 特開２０１３−２４６９９１号公報
しかし、特許文献１の場合はバスバーを所定の波形形状に精密加工することが要求されるため、製造コストの削減が難しい。また、特許文献２の場合は、電極端子とバスバーの間が溶接リングにより隙間なく埋められて溶接固定されているため、電池セルが熱により膨張し電極端子間の距離が変化した際にその変化分を逃がす余地がなく、電極端子に負担が過大にかかるおそれがある。
本明細書に開示された技術は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、蓄電モジュールにおいて各蓄電素子の公差および熱膨張による寸法差を解消し、組み付けを容易にするとともに電極におけるストレスを軽減することを目的とする。
本明細書に開示された技術に係る蓄電モジュールは、複数の蓄電素子と、前記蓄電素子を接続する接続導体と、前記蓄電素子を収容する金属製のケースと、前記蓄電素子を保持する保持部材と、を備える蓄電モジュールであって、前記保持部材は、前記蓄電素子が嵌め入れられるキャップと、前記ケースに固定される固定部と、前記キャップと前記固定部との間に弾性伸縮可能に設けられ、樹脂で構成される樹脂弾性部と、を備えることに特徴を有する。
この構成によれば、蓄電素子は保持部材を介してケースに固定されるから、蓄電素子とケースとの相対的な位置を保持部材に備えられた樹脂弾性部の弾性伸縮により調整することができる。これにより、ケースに蓄電素子を固定する際に、各蓄電素子の寸法誤差を吸収し、電極と接続導体との接続箇所に負担をかけることなく容易に作業を行うことができる。また、保持部材と金属ケースに熱膨張率の相違による寸法差が生じた場合にも、その寸法差を樹脂弾性部の弾性伸縮により吸収することができる。
本明細書に開示された技術に係る実施態様として、次の構成が好ましい。
（１）前記樹脂弾性部は、前記保持部材の長手方向における少なくとも一端側に配されている。
この構成によれば、合成樹脂製の保持部材と金属ケースの熱膨張率の相違による寸法差が累積して大きくなりがちな保持部材の長手方向の少なくとも一端側に伸縮可能な樹脂弾性部が配されているから、この寸法差を効果的に吸収することができる。
（２）各前記蓄電素子は、前記接続導体に固定される電極と、前記ケース内に収容される蓄電素子本体と、を備え、前記キャップは前記蓄電素子本体と前記接続導体との間に配され、前記ケース内には、各前記蓄電素子本体を前記キャップに向かって付勢する弾性片が設けられている。
この構成によれば、蓄電素子のうち電極が接続導体に固定され、接続導体と蓄電素子本体との間にキャップが配され、蓄電素子本体が弾性片によりキャップに向かって付勢されるから、電極においてストレスを生じることなく蓄電素子本体をキャップと弾性片との間に保持することができる。
（３）前記キャップには前記接続導体に当接可能な導体受け部が設けられている。
この構成によれば、キャップは導体受け部において接続導体に当接できるから、電極が接続導体から受ける押圧力を分散させ、電極におけるストレスを軽減することができる。
本明細書に開示された技術に係る蓄電モジュールによれば、蓄電モジュールにおいて各蓄電素子の公差および熱膨張による寸法差を解消し、組み付けを容易にするとともに電極におけるストレスを軽減することができる。
実施形態１の蓄電モジュールを示す縦断面図 蓄電モジュールの上面図 蓄電モジュールの分解断面図 蓄電モジュールの縦断面図 保持部材の上面図 保持部材の正面図 金属ケースおよびホルダの上面図 実施形態２の蓄電モジュールを示す上面図 蓄電モジュールの縦断面図
＜実施形態１＞
本明細書に開示された技術に係る実施形態１を、図１から図７によって説明する。なお以下では、図示におけるＸ方向を右方、Ｙ方向を前方、Ｚ方向を上方として説明する。また、以下の説明においては、複数の同一部材については一の部材にのみ符号を付し、他の部材の符号を省略することがある。
本実施形態の蓄電モジュールＢＭは、主電源とは別途設けられたサブ電源として車両に搭載されるものである。蓄電モジュールＢＭは、図１に示すように、複数本（本実施形態では３本）の蓄電素子１０と、回路基板２０（接続導体の一例）と、保持部材４０と、ケース５０と、ホルダ６０と、を備えている。蓄電素子１０と回路基板２０とはネジ３０により一体に固定されてケース５０に収容され、蓄電素子１０に被せられた保持部材４０を介してケース５０に固定されている。ホルダ６０はケース５０内に配され、各蓄電素子１０を包囲している。ケース５０にはケースカバー５１が被せられている。
蓄電素子１０は、図３に示すように、円柱形状の蓄電素子本体１１（蓄電素子本体の一例）と、蓄電素子本体１１の上面から突出する一対の電極１２とを備えている。各電極１２は、円筒形状のベース部１３およびベース部１３よりも小径のスペーサ部１４を軸心を揃えて上下に重ねた形状に一体に形成されている。ベース部１３の上面は、後述する回路基板２０を支持するための電極肩部１３Ａとなっている。各電極１２には、上方に開口するネジ部１５が形成されている。なお、蓄電素子本体１１の上面は、後述する保持部材４０の突き当て面４４に当接する本体肩部１１Ａとなっている。
回路基板２０は平板形状の積層基板であり、電極１２のスペーサ部１４の高さ寸法と同等かまたはそれよりも僅かに厚い程度とされている。回路基板２０は、６つの貫通孔２１（２１Ａ〜２１Ｆ）と、複数の貫通孔２１間を導通させるための電力用パターン２２と、を備え、前述の電極肩部１３Ａに載置されている。
各貫通孔２１は左右に長い長円形状をなしており、その短軸寸法は、蓄電素子１０の電極１２のうちスペーサ部１４の直径より僅かに大きく、ベース部１３の直径よりは小さく形成されている。各貫通孔２１には、各電極１２のスペーサ部１４が挿通され、ネジ部１５にネジ３０が螺合されている。これにより、回路基板２０は電極１２に固定されている。ネジ３０は、頭部３１と軸部３２とを一体に備える周知のものである。ネジ３０は、軸部３２が電極１２のネジ部１５に挿通され螺合されるとともに、頭部３１は回路基板２０の上面に当接し、これを電極１２のベース部１３に対して押圧している。また、頭部３１は電極１２のスペーサ部１４の上面にも当接し、これに支持されている。
電力用パターン２２は、複数の貫通孔２１を包囲して形成されている。本実施形態においては、隣り合う蓄電素子１０の正極と負極とがそれぞれ挿通される２つの貫通孔２１Ｂおよび２１Ｃ、ならびに２１Ｄおよび２１Ｅをそれぞれ包囲して形成されている。各電力用パターン２２は、図４に示すように、２層のパターン層２２Ａ、２２Ｂからなり、うち下層のパターン層２２Ｂは回路基板２０の下面に露出している。また、各貫通孔２１の内壁にはメッキ層２３が各パターン層２２Ａ、２２Ｂと連続して形成されている。これにより、メッキ層２３と各パターン層２２Ａ、２２Ｂとが全体として一つの接続導体を形成している。回路基板２０が各電極１２（ベース部１３の電極肩部１３Ａ）に載置された状態においては、各電極１２は下層のパターン層２２Ｂに接触し、接続導体全体により電気的に接続されている。
このように、各蓄電素子１０は各電極１２において、回路基板２０に形成された電力用パターン２２により電気的に接続されるとともに、回路基板２０に一体に固定されている。
保持部材４０は樹脂を含む絶縁材により形成され、図５および図６に示すように、キャップ４１と、固定部４２と、樹脂弾性部４３と、を備えている。なお本実施形態の保持部材４０は、ガラス入りＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）を金型の左右方向（長手方向）に流し込んで略平板形状に形成されている。これにより、保持部材４０の長手方向の熱伸縮が軽減されている。
保持部材４０のキャップ４１は略平板形状をなし、下方に開口する３つの外嵌凹部４１Ｂと、上下に開口する３つの挿通孔４１Ａと、を備えている。各外嵌凹部４１Ｂは横断面が円形状をなし、その直径は、蓄電素子本体１１の直径よりもやや大寸であり、かつ後述のホルダ６０に設けられた収容凹部６１の１辺よりも小寸となっている。各外嵌凹部４１Ｂの頂面は、蓄電素子１０の本体肩部１１Ａが当接する突き当て面４４となっている。各挿通孔４１Ａは横断面が各外嵌凹部４１Ｂよりも小径の円形状をなしている。各挿通孔４１Ａは各外嵌凹部４１Ｂと同軸状に配され、各外嵌凹部４１Ｂの内部空間と連通している。また、キャップ４１の上面側には、扁平な円柱形状の基板受け部４１Ｃが複数突設されている。各基板受け部４１Ｃは、各挿通孔４１Ａの間に、前後それぞれ一つずつ配されている。
キャップ４１は、図４に示すように、蓄電素子本体１１と回路基板２０との間に配されている。外嵌凹部４１Ｂには、蓄電素子本体１１の上端が嵌め入れられ、突き当て面４４に本体肩部１１Ａが当接している。蓄電素子本体１１の周面と外嵌凹部４１Ｂの内周壁との間にはクリアランスＷが設けられている。挿通孔４１Ａには各電極１２のベース部１３が挿通されている。
保持部材４０の固定部４２は、保持部材４０の左右両端に形成されている。固定部４２は、前後に長い幅広部４２Ａと、幅広部４２Ａの前後方向における中心から側方に張り出し形成された延出部４２Ｂとを備えている。延出部４２Ｂの中央には、固定孔４２Ｃが貫通して設けられている。
保持部材４０の樹脂弾性部４３は、キャップ４１と同一平面において伸縮可能な蛇腹形状をなす４本の板ばね片４３Ａにより構成されている。各板ばね片４３Ａは、キャップ４１の両側端における前後端部と、各固定部４２の幅広部４２Ａのキャップ４１側の側端における前後端部を連結して配されている。本実施形態においては、各板ばね片４３Ａは上面視でＶ字形状をなし、その上下厚みはキャップ４１と同等に形成されている。これにより、樹脂弾性部４３は、キャップ４１と各固定部４２との間で弾性的に伸縮し、キャップ４１を各固定部４２の間において左右方向に変位可能に保持している。
ケース５０は、図３に示すように、上方に開口する中空の直方体形状のケース本体５０Ａと、タブ部５０Ｂと、を備えている。タブ部５０Ｂは、ケース本体５０Ａの側面上縁部から側方に張り出し形成されている。タブ部５０Ｂの中心には、ボルト挿通孔５０Ｃが設けられている。
タブ部５０Ｂおよびボルト挿通孔５０Ｃには、図１に示すように、保持部材４０のうち固定部４２および固定孔４２Ｃがそれぞれ重ねて配されている。固定孔４２Ｃおよびボルト挿通孔５０Ｃにはボルト７０が上方から挿通され、ボルト挿通孔５０Ｃの下面側に配されたナット７１に螺合されている。これにより、保持部材４０のキャップ４１は、樹脂弾性部４３を介して固定部４２によりケース５０に固定されている。
ホルダ６０は樹脂を含む絶縁材により形成され、図示しない手段によりケース本体５０Ａ内に固定されている。ホルダ６０には収容凹部６１が３つ、左右に並んで形成されている。各収容凹部６１は、図７に示すように、断面が略正方形で上方に開口する角筒形状をなしている。ホルダ６０とケース本体５０Ａの内壁との間には、ケース本体５０Ａの内壁の全周に亘ってクリアランスが設けられている。
各収容凹部６１の底面における中央には、弾性片６２が形成されている。本実施形態の弾性片６２は、図７に示すように、収容凹部６１の底面の一部を切り起こした形状に形成された２枚のタブ片により構成されている。各タブ片は、左右方向における外側の辺を基端として、図３に示すように、収容凹部６１の底面から斜め上方に突出している。
図１に示すように、蓄電素子１０がケース５０に収容された状態においては、蓄電素子本体１１は保持部材４０の突き当て面４４に当接して上方への変位が規制されるとともに、下方においては各弾性片６２に支持され（すなわち保持部材４０と弾性片６２により挟持され）、収容凹部６１の底面から浮いた状態で保持されている。なお各蓄電素子本体１１には寸法誤差があるが、各弾性片６２が個別に弾性変形し各蓄電素子本体１１の下端位置を各々異なる高さレベルとすることでその寸法誤差を吸収している。また、蓄電素子本体１１は上端においてキャップ４１の外嵌凹部４１Ｂにより水平方向の変位が規制されており、これにより収容凹部６１の内周壁との間に十分なクリアランスが保たれている。回路基板２０は、各電極１２のベース部１３および保持部材４０（キャップ４１）の基板受け部４１Ｃにより支持されるとともに、各電極１２に螺合されたネジ３０により上方への変位を規制されている。
かかる蓄電モジュールＢＭの組み立て手順を例示する。
まず、３本の蓄電素子１０を正極と負極とが交互に並んで配されるように向きを揃えて並べる。そして、保持部材４０のキャップ４１を各蓄電素子本体１１の上端に外嵌し、本体肩部１１Ａに載置する。そして、キャップ４１の上に回路基板２０を被せ、キャップ４１の挿通孔４１Ａから突出したスペーサ部１４を貫通孔２１に挿通させつつベース部１３に載置する。そして、電極１２（スペーサ部１４）のネジ部１５にネジ３０を挿入し、螺合して、各蓄電素子１０と回路基板２０とを一体的に固定する。
そして、各蓄電素子１０と回路基板２０とを一括して持ち上げ、ケース５０内に配されたホルダ６０の各収容凹部６１内に各蓄電素子本体１１を挿入する。すると、各蓄電素子本体１１は各弾性片６２の先端に支持され、各収容凹部６１の底面から各々浮いた状態で静止する。
最後に、保持部材４０の樹脂弾性部４３を適宜側方へ弾性的に伸縮させて各固定孔４２Ｃをケース５０の各ボルト挿通孔５０Ｃに位置合わせしつつ、固定孔４２Ｃおよびボルト挿通孔５０Ｃに対し上方からボルト７０を挿通させ、下方に配したナット７１に螺合する。すると、螺合が進むに従い、保持部材４０の固定部４２がケース５０のタブ部５０Ｂに向かって引き寄せられる。これに伴い、各蓄電素子１０およびそれらに一体的に固定された回路基板２０が下方に抑え込まれ、各蓄電素子本体１１が各弾性片６２を弾性変形させつつ各収容凹部６１の底面に向かって進入する。そして、螺合が完了し、保持部材４０がケース５０に固定されると、蓄電素子本体１１が弾性片６２により上方に（すなわちキャップ４１に向かって）付勢されるとともにキャップ４１によって上方への変位を規制された状態で、収容凹部６１の内周壁から離間してケース５０内に収容された蓄電モジュールＢＭが得られる。
なお組み立て手順は上述に限らず、例えばまずケース５０内に配された各収容凹部６１に各蓄電素子１０を挿入し、各弾性片６２に載置してから保持部材４０および回路基板２０を順に被せて電極１２にネジ３０を螺合し、最後に保持部材４０をケース５０に固定してもよい。
このように、本実施形態の蓄電モジュールＢＭは、複数の蓄電素子１０と、蓄電素子１０を接続する回路基板２０と、蓄電素子１０を収容する金属製のケース５０と、蓄電素子１０を保持する保持部材４０と、を備える蓄電モジュールＢＭであって、保持部材４０は、蓄電素子１０が嵌め入れられるキャップ４１と、ケース５０に固定される固定部４２と、キャップ４１と固定部４２との間に弾性伸縮可能に設けられ、樹脂で構成される樹脂弾性部４３と、を備える。
この構成によれば、各蓄電素子１０は保持部材４０を介してケース５０に固定されているから、各蓄電素子１０とケース５０との相対的な位置を樹脂弾性部４３の弾性伸縮により調整することができる。これにより、ケース５０に各蓄電素子１０を固定する際に、各蓄電素子１０の寸法誤差を吸収し、電極１２と回路基板２０との接続箇所にストレスを与えることなく容易に作業を行うことができる。また、合成樹脂製の保持部材４０と金属製のケース５０に熱膨張率の相違による寸法差が生じた場合にも、その寸法差を樹脂弾性部４３の弾性伸縮により吸収することができる。
また、上記の構成によれば、合成樹脂製の保持部材４０と金属製のケース５０に熱膨張率の相違による寸法差が累積して大きくなりがちな保持部材４０の長手方向の少なくとも一端側に弾性的に伸縮可能な樹脂弾性部４３が配されているから、この寸法差を効果的に吸収することができる。
また、蓄電素子１０は各々が個別に各弾性片６２によりキャップ４１へ向かって付勢されているから、各蓄電素子１０の寸法誤差や個別の熱膨張による寸法変化に関わらず各蓄電素子１０を弾性片６２とキャップ４１との間に保持することができる。また、蓄電素子１０のうち電極１２が回路基板２０に接続され、蓄電素子本体１１がキャップ４１と弾性片６２との間に挟持されるから、電極１２にストレスを与えることなく蓄電素子１０を保持することができる。
また、キャップ４１には回路基板２０に当接可能な基板受け部４１Ｃが設けられているから、電極１２が回路基板２０から受ける押圧力を分散させ、回路基板２０および電極１２におけるストレスを軽減することができる。特に本実施形態のようにネジ３０を電極１２に螺合する構成の場合、ネジ３０の締結力が回路基板２０と電極１２との当接箇所に集中することを抑制することができる。

また、各蓄電素子１０のうち、電極１２は回路基板２０に固定されているが、蓄電素子本体１１は収容凹部６１の内周壁から全周に亘って離間し、弾性変形可能な弾性片６２に支持された状態で収容凹部６１内に収容されている。したがって、蓄電素子本体１１が熱などにより内圧が高まり膨張した場合にも、電極１２と回路基板２０との固定部位を中心として弾性片６２を下方へ弾性変形させつつ収容凹部６１の内部空間において膨張することができる。
＜実施形態２＞
次に、本明細書に開示された技術に係る実施形態２を図８および図９によって説明する。
本実施形態の蓄電モジュールＢＭ１００においては、回路基板２０の代わりに複数のバスバー１２０（接続導体の一例）により、各蓄電素子１１０を電気的に接続している。そして、保持部材１４０には基板受け部４１Ｃの代わりにバスバー位置決め部１４１Ｃ（導体受け部の一例）を設け、ここにバスバー１２０を載置する構成としている。その他の構成は実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
＜他の実施形態＞
本明細書に開示された技術は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような形態で実施することが可能である。
（１）上記実施形態においては、保持部材４０に蓄電素子１０に対応した数の挿通孔４１Ａおよび３つの外嵌凹部４１Ｂを設けたが、挿通孔４１Ａおよび３つの外嵌凹部４１Ｂを設ける代わりに電極１２に対応した数の挿通孔を設け、ここに各電極を挿通させてもよい。この場合、接続導体が電極との固定部位の近傍において挿通孔により支持されるので、接続導体と電極との接続部位におけるストレスをよりいっそう軽減することができる。
（２）上記実施形態においては弾性片６２として一対のタブ片を各収容凹部１６１の底面から起立させているが、弾性片はこれに限らず、例えば２つの板バネを各収容凹部の内側壁において軸を挟んだ位置に形成し、これらを上方に向かって突出させてもよく、または絶縁性のコイルばねを採用し、軸心を立てて各収容凹部の底面に配してもよい。要は蓄電素子本体をケースから絶縁した状態でキャップに向かって付勢できればよい。また、例えば各電極とバスバーとがレーザ溶接等により強固に固定され、蓄電素子をバスバーから懸垂させた状態で電気的接続を確実に維持できる場合には、弾性片は省略してもよい。
（３）上記実施形態においては蓄電素子１０は３本としているが、蓄電素子の本数はこれに限らず、例えば１本でもよい。また上記実施形態においては各蓄電素子１０を直列接続しているが、例えば各蓄電素子を並列接続する構成としてもよい。
（４）上記実施形態１においては基板受け部４１Ｃを扁平な円柱形状としているが、基板受け部の形状はこれに限らず、例えば回路基板に向かって突出する細いピン形状の基板受け部を多数設けてもよい。また、下方からの押圧力を所定の範囲内に抑制できる場合には、基板受け部は省略してもよい。
（５）上記実施形態においては、保持部材４０全体がガラス入りＰＢＴから形成されているが、保持部材４０は他の樹脂材料から形成されてもよい。また、保持部材４０のうち、樹脂弾性部４３を樹脂から形成し、キャップ４１および固定部４２の両方またはその一方は樹脂以外の材料から形成する構成としてもよい。
ＢＭ：蓄電モジュール
１０：蓄電素子
１２：電極
２０：回路基板（接続導体）
２１：貫通孔
２２：電力用パターン
４０：保持部材
４１：キャップ
４２：固定部
４３：樹脂弾性部
５０：ケース
６０：ホルダ
６２：弾性片
７０：ボルト

Claims (4)

  1. 複数の蓄電素子と、前記複数の蓄電素子を接続する接続導体と、前記蓄電素子を収容する金属製のケースと、前記蓄電素子を保持する保持部材と、を備える蓄電モジュールであって、
    前記保持部材は、前記蓄電素子が嵌め入れられるキャップと、前記ケースに固定される固定部と、前記キャップと前記固定部との間に弾性伸縮可能に設けられ、樹脂で構成される樹脂弾性部と、を備える蓄電モジュール。
  2. 前記樹脂弾性部は、前記保持部材の長手方向における少なくとも一端側に配されている請求項１に記載の蓄電モジュール。
  3. 各前記蓄電素子は、前記接続導体に固定される電極と、前記ケース内に収容される蓄電素子本体と、を備え、
    前記キャップは前記蓄電素子本体と前記接続導体との間に配され、
    前記ケース内には、各前記蓄電素子本体を前記キャップに向かって付勢する弾性片が設けられている請求項１または請求項２に記載の蓄電モジュール。
  4. 前記キャップには前記接続導体に当接可能な導体受け部が設けられている請求項３に記載の蓄電モジュール。
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