JP7020140B2

JP7020140B2 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP7020140B2
Application number: JP2018010620A
Authority: JP
Inventors: 善亮辰己
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-01-25
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2022-02-16
Anticipated expiration: 2038-01-25
Also published as: JP2019129088A

Description

この開示は蓄電装置に関するものである。

蓄電装置は、たとえば特開２０１４－１１０１４５号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１に記載の構造では、バスバーのリードには、貫通孔が形成されているこの貫通孔にボルトが挿入されている。これにより、電池ブロックの正極端子が形成されている。一般に正極端子のボルトには接続ケーブルなどが接続され、他の蓄電装置の負極端子に接続される。

特開２０１４－１１０１４５号公報

一般に、バスバーはボス構造などの固定構造によって、ケースに固定されている。ここで正極端子に接続ケーブルなどをナットなどで巻締めて接続する際に、締結トルクにより座面に摩擦力が発生する。リードに締結トルクが加えられると、バスバーがトルク方向に回転して上記の固定構造にもバスバーの回転を抑える反力が加えられる。固定部材の配置位置によっては固定構造に大きなトルクが加えられ、固定部材が損傷するおそれがあった。

そこで、この開示は上記の問題を解決するためになされたものであり、固定構造の破損を防止できる蓄電装置を提供することを目的とするものである。

この開示に従った蓄電装置は、単位電池の電極に接続されたバスバーと、バスバーをケースに取付面上で固定する複数の固定部材と、バスバーに設けられた端子部とを備えた蓄電装置であって、端子部には仮想中心線を中心として螺旋状に延びるネジ溝が形成されており、取付面を平面視したときに少なくとも一部の固定部材は仮想中心線と重なる位置または仮想中心線の近傍に配置されている。

このように構成された蓄電装置では取付面を平面視したときに少なくとも一部の固定部材は仮想中心線と重なる位置または仮想中心線の近傍に配置されているため、仮想中心線を中心としてネジ溝に螺合部材を螺合させて螺合部材を回転させることで回転力がバスバーに伝達される。バスバーが回転するためバスバーが固定部材を外す方向に移動するが、外す方向の負荷を低減することができるため、固定部材を用いた固定構造の破損を防止できる。

蓄電装置１が搭載された車両２を示す模式図である。蓄電装置１の電池ユニット４を示す斜視図である。電池モジュール１１を示す分解斜視図である。電池モジュール１１およびその周囲を示す断面図である。円筒電池４３の下面側を示す斜視図である。正極バスバー４５の平面図である。埋め込みボルトに螺合するネジの斜視図である。図６中の矢印ＶＩＩＩで示す方向から見た電池モジュール１１の一部断面を含む側面図である。比較例に従った電池モジュールの側面図である。正極バスバー４５と一体化された固定部材１０２を示す図である。

図１から図８を用いて、本実施の形態に係る蓄電モジュールについて説明する。図１から図８に示す構成のうち、同一または実質的に同一の構成については、同一の符号を付して重複した説明を省略する場合がある。

図１は、蓄電装置１が搭載された車両２を示す模式図である。車両２は、車内に配置された蓄電装置１を含む。なお、蓄電装置１が搭載された車両２は、ハイブリッド車両、電気自動車や燃料電池車両などの電動車両ある。蓄電装置１は、電池ケース３と、電池ユニット４と、ファン５とを含む。電池ユニット４は、電池ケース３内に収容されており、ファン５は電池ケース３内に車室内の空気を供給する。なお、蓄電装置１は車両２に駆動力を提供するためのものに限られず、車両２に駆動力以外を供給する補助バッテリーであってもよい。

図２は、蓄電装置１の電池ユニット４を示す斜視図である。電池ユニット４は、複数の電池モジュール１０～１３と、電池ユニット４の両端に設けられた固定プレート１４，１５とを備える。電池ユニット４は略直方体形状であり、車両２の幅方向に長くなるように配置されている。

固定プレート１４は電池ユニット４の長手方向の一端に設けられており、固定プレート１５は電池ユニット４の他端に設けられている。

固定プレート１４は複数のボルト２０～２７によって電池モジュール１０～１３に固定されており、固定プレート１４によって、電池モジュール１０～１３は互いに固定されている。固定プレート１４は、ボルト２８，２９によって、電池ケース３の底面に固定されている。固定プレート１５も固定プレート１４と同様に、各電池モジュール１０～１３および電池ケース３の底面に固定されている。

このため、電池モジュール１０～１３は、固定プレート１４，１５によって互いに連結されると共に、電池ケース３の底面に固定されている。

図３は、電池モジュール１１を示す分解斜視図である。電池モジュール１１は、底蓋４０と、負極バスバーアッセンブリ４１と、電池ホルダー４２と、円筒電池４３と、樹脂カバー４４と、正極バスバー４５と、天井蓋４６と、複数の接続板４７と、を含む。

電池ホルダー４２は、金属製の板状部材である。この電池ホルダー４２には電池ホルダー４２の厚さ方向に延びる複数の貫通孔５０が形成されている。貫通孔５０はアレイ状に形成されている。

電池ホルダー４２は、上面５１と、下面５２と、一対の側面５３，５４と、一対の端面５５，５６とを含む。各貫通孔５０は、上面５１から下面５２に達している。

電池ホルダー４２の端面５５および端面５６側には、排気路および排気口が形成されている。なお、この図３においては、端面５５側に形成された排気路５７および排気口５８が図示されているが、端面５６側にも同様の排気路および排気口が形成されている。

排気路５７は、下面５２から電池ホルダー４２内に入り込むように延び、その後、端面５５に向けて延びるように形成されている。そして、排気路５７は、端面５５に形成された排気口５８に接続されている。

円筒電池４３は、充放電可能な二次電池である。円筒電池４３としては、たとえば、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などである。円筒電池４３の上端部に正極６０が形成されており、円筒電池４３の下端部には負極６１が形成されている。なお、本実施の形態としては、単位蓄電部として、円筒電池を採用した例について説明したが、角型電池でもよく、また、キャパシタであってもよい。

円筒電池４３は、電池ホルダー４２に形成された貫通孔５０に挿入されている。円筒電池４３の正極６０は電池ホルダー４２の上面５１よりも上方に配置されており、円筒電池４３の負極６１は電池ホルダー４２の下面５２よりも上方に位置している。円筒電池４３の上端部には、正極６０が形成されており、円筒電池４３の下端部には、負極６１が形成されている。

電池ホルダー４２の貫通孔５０の内周面と、円筒電池４３の外周面との間には樹脂などが配置されており、円筒電池４３が電池ホルダー４２に固定されている。

樹脂カバー４４は、電池ホルダー４２の上面５１に配置されている。樹脂カバー４４は下方に向けて開口するよう形成されており、樹脂カバー４４は、天板６５と、一対の側壁６６，６７と、一対の端壁６８，６９とを含む。

側壁６６には、複数の通風口７３が形成されている。通風口７３は、側壁６６の長手方向に間隔をあけて形成されている。側壁６７にも、側壁６６と同様に複数の通風口が形成されている。側壁６６，６７の下端部と、端壁６８，６９の下端部は、電池ホルダー４２の上面５１に配置される。

複数の正極バスバー４５は、樹脂カバー４４の天板６５側に配置されている。各正極バスバー４５は、たとえば、１０個程度の円筒電池４３の正極６０を並列に接続する。

天井蓋４６は、正極バスバー４５の上方に配置されている。天井蓋４６は樹脂などの絶縁材料によって形成されている。

負極バスバーアッセンブリ４１は、電池ホルダー４２の下面５２側に配置されている。負極バスバーアッセンブリ４１は、図示されていない複数の負極バスバーと、この複数の負極バスバーを一体成形する樹脂モールドとを含む。負極バスバーの外形形状と、正極バスバー４５の外形形状とは近似している。そして、負極バスバーアッセンブリ４１（負極バスバー）には、複数の孔７５が形成されている。各孔７５には、孔７５の内周面から突出するように形成された端子７６が形成されている。端子７６は、円筒電池４３の負極６１に接続される。

負極バスバーは、正極バスバー４５と同じ円筒電池４３の負極６１を並列に接続するように形成されている。

複数の接続板４７は、側壁６６に設けられている。各接続板４７は、正極バスバー４５および複数バスバーを接続する。複数の接続板４７は、複数の正極バスバー４５および複数の負極バスバーを直列に接続する。ここで、正極バスバー４５および負極バスバーによって並列に接続された複数の円筒電池４３を円筒電池群とすると、複数の円筒電池群が接続板４７によって直列に接続される。

負極バスバーアッセンブリ４１の一端には排気路７７が形成されており、他端には排気路７８が形成されている。排気路７７，７８は、いずれも、負極バスバーアッセンブリ４１の厚さ方向に貫通するように形成されている。

排気路７７は、電池ホルダー４２に形成された排気路５７と連通している。排気路７８は電池ホルダー４２の端面５６側に形成された排気路と連通している。

底蓋４０は、負極バスバーアッセンブリ４１の下面側に配置されている。底蓋４０は、アルミニウムなどの金属によって形成されている。

図４は、電池モジュール１１およびその周囲を示す断面図である。この図４に示すように、底蓋４０および負極バスバーアッセンブリ４１によって、排気路８０が形成されている。図５は、円筒電池４３の下面側を示す斜視図である。円筒電池４３は、周壁部７１と、下壁部７２とを含む。負極６１および排気部７０は、下壁部７２に形成されている。

下壁部７２において、排気部７０が位置する部分の厚さは、他の部分の厚さよりも薄い。このため、円筒電池４３内の内圧が上昇して、円筒電池４３内の内圧が所定圧以上になると、排気部７０が破断する。そして、破断した部分から排気ガスが、円筒電池４３の外部に排出される。図４を参照して、各円筒電池４３に形成された排気部７０は排気路８０に露出している。

なお、通風口７３には、図１に示すファン５からの冷却風が供給される。冷却風は、電池モジュール１１内に入り込み、複数の円筒電池４３を冷却した後、側壁６７に形成された通風口から排気される。

図６は、正極バスバー４５の平面図である。図６で示すように、正極バスバー４５はケースの上に設けられている。正極バスバー４５は平板形状である。正極バスバー４５の取付面４５ｆには複数の孔４５ｈが設けられている。孔４５ｈに正極６０が嵌合している。正極６０と正極バスバー４５とはヒューズ１０１により接続されている。

樹脂カバー４４はボス４４ａを有する。ボス４４ａは樹脂カバー４４の一部分が突出することで形成されている。ボス４４ａは樹脂カバー４４を貫通している。ボス４４ａの先端に固定部材１０２が嵌合している正極バスバー４５が樹脂カバー４４と環状の固定部材１０２との間に挟まれることで正極バスバー４５が樹脂カバー４４上に固定されている。

樹脂カバー４４にはボルト４４ｔが設けられている。埋め込みボルト４４ｔの外周にはネジ溝４４ｓが設けられている。ネジ溝４４ｓの軸線が仮想中心線４４ｉである。取付面４５ｆから見て、仮想中心線４４ｉと重なるようにボス４４ａおよび固定部材１０２が設けられている。

図６では一つの固定部材１０２のみが示されているが、取付面４５ｆには複数の固定部材１０２が存在する。複数の固定部材１０２を設けることで、確実に樹脂カバー４４に正極バスバー４５を固定することができる。

図７は、埋め込みボルトに螺合するネジの斜視図である。図７で示すように、埋め込みボルト４４ｔはバッテリ端子板４５Ｌおよびケーブル端子板２０１を貫通している。バッテリ端子板４５Ｌおよびケーブル端子板２０１は、それぞれ導電部材により構成されている。

バッテリ端子板４５Ｌは正極バスバー４５の一部分を構成している。バッテリ端子板４５Ｌは取付面４５ｆに直交するように配置されている。ケーブル端子板２０１は、導電ケーブルの末端に設けられている。ケーブル端子板２０１およびバッテリ端子板４５Ｌはナット１１０により固定されている。ケーブル端子板２０１の幅Ｗの範囲においてナット１１０の回転トルクが正極バスバー４５を構成するバッテリ端子板４５Ｌに伝達される。

図８は、図６中の矢印ＶＩＩＩで示す方向から見た電池モジュール１１の一部断面を含む側面図である。図８で示すように、埋め込みボルト４４ｔにナット１１０が螺合している。バッテリ端子板４５Ｌは正極バスバー４５の一部分である。ボス４４ａは正極バスバー４５を貫通している。固定部材１０２は取付面４５ｆ上でボス４４ａに嵌合している。図８では図７で示すケーブル端子板２０１を省略している。

ナット１１０を矢印Ｒで示す方向に回転させるとナット１１０の回転がバッテリ端子板４５Ｌを経由して正極バスバー４５へ伝達される。その結果正極バスバー４５は矢印Ｒで示す方向に回転しようとする。回転中心（ボルト４４ｔの中心）と固定部材１０２とを結ぶ直線１０９が取付面４５ｆに対してなす角度をθとする。固定部材１０２の端部もボルト４４ｔを中心に回転するため矢印１０５で示す方向に回転力Ｆが加えられる。この力の垂直成分（取付面４５ｆに垂直な成分）はＦｃｏｓθであり、矢印１０６で示す垂直成分は固定部材１０２を上方向に動かす。固定部材１０２が仮想中心線近傍に位置しているため、ｃｏｓθを小さくすることができる。その結果、固定部材１０２を上方向へ動かす力Ｆｃｏｓθを小さくできる。

すなわち、ナット１１０を矢印Ｒで示す方向に回転させるとこの回転力がバッテリ端子板４５Ｌおよび正極バスバー４５に伝達される。正極バスバー４５は矢印Ｒで示す方向に回転しようとする。この回転の力はボス４４ａおよび固定部材１０２にも伝達される。固定部材１０２はボルト４４ｔの真上に位置しているため、固定部材１０２には矢印１０３で示す方向の力が加わり、これと直交する方向（矢印ｚで示す方向）の力が小さくなる。その結果、ボス４４ａから固定部材１０２が外れることを防止できる。

図９は、比較例に従った電池モジュールの一部断面を含む側面図である。図９で示すように、ボルト４４ｔから離れた位置にボス４４ｂ、４４ｃが設けられている。各々のボス４４ｂ，４４ｃには固定部材１０２が嵌合している。ボス４４ｂ，４４ｃは樹脂カバー４４の一部分である。

ナット１１０を矢印Ｒで示す方向に回転させるとナット１１０の回転がバッテリ端子板４５Ｌを経由して正極バスバー４５へ伝達される。その結果正極バスバー４５は矢印Ｒで示す方向に回転しようとする。回転中心（ボルト４４ｔの中心）と固定部材１０２とを結ぶ直線１０９が取付面４５ｆに対してなす角度をθとする。図９中の左側の固定部材１０２の端部もボルト４４ｔを中心に回転するため矢印１０５で示す方向に回転力Ｆが加えられる。この力の垂直成分（取付面４５ｆに垂直な成分）はＦｃｏｓθであり、矢印１０６で示す垂直成分は固定部材１０２を上方向に動かす。図９におけるｃｏｓθは図８におけるｃｏｓθよりも大きい。その結果、固定部材１０２がボス４４ｂから外れる。矢印Ｒと反対方向にナット１１０を回転させた場合には、図９中の右側の固定部材１０２がボス４４ｃから外れる。

固定部材１０２を回転させる力のうち、垂直成分（Ｆｃｏｓθ）が固定部材１０２をボス４４ｂから外して固定構造を破壊する原因であることを見出した。そしてＦｃｏｓθの値を小さくすることで固定構造の破壊を抑制できることを見出した。

図１０は、正極バスバー４５と一体化された固定部材１０２を示す図である。図１０で示すように正極バスバー４５と固定部材１０２が一体化されていてもよい。正極バスバー４５と固定部材１０２とを一体化することで、部品点数を減少させることができる。

蓄電装置１は、単位電池の電極に接続されたバスバーとしての正極バスバー４５と、正極バスバー４５をケースとしての樹脂カバー４４に取付面４５ｆ上で固定する複数の固定部材１０２と、正極バスバー４５に設けられた端子部としてのボルト４４ｔとを備え、ボルト４４ｔには仮想中心線４４ｉを中心として螺旋状に延びるネジ溝４４ｓが形成されており、取付面４５ｆを平面視したときに少なくとも一部の固定部材１０２は仮想中心線４４ｉと重なる位置または仮想中心線４４ｉの近傍に配置されている。仮想中心線４４ｉと重なる位置または仮想中心線４４ｉの近傍に固定部材１０２を配置すれば、Ｆｃｏｓθの値は小さくなるため固定部材１０２が外れることを防止できる。

固定部材１０２は図６における仮想中心線４４ｉと重ねて配置される必要はなく、仮想中心線４４ｉの近傍に配置されていればよい。「近傍に配置」とは幅Ｗ内に固定部材１０２の一部分が配置されていることをいう。

なお上記の実施の形態では正極バスバー４５にボス４４ａを貫通させ、これに固定部材１０２を嵌合させる構成を示したが、負極バスバーアッセンブリ４１にボス４４ａを貫通させ、これに固定部材１０２を嵌合させてもよい。

さらに、樹脂カバー４４にボルト４４ｔが設けられている例について説明したが、樹脂カバー４４にネジ孔が設けられており、このネジ孔にボルトが螺合していてもよい。ボルトを回転させることで樹脂カバー４４にバッテリ端子板４５Ｌを押圧することができる。その場合にネジ孔の仮想中心線上またはその近傍に固定部材１０２を配置する。

以上、本発明に基づいた各実施の形態について説明したが、今回開示された事項はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１蓄電装置、２車両、３電池ケース、４電池ユニット、５ファン、１０，１１，１３電池モジュール、１４，１５固定プレート、２０，２７，２８，２９，４４ｔボルト、４０底蓋、４１負極バスバーアッセンブリ、４２電池ホルダー、４３円筒電池、４４樹脂カバー、４４ａ，４４ｂ，４４ｃボス、４４ｉ仮想中心線、４４ｓネジ溝、４５正極バスバー、４５Ｌバッテリ端子板、４５ｆ取付面、４５ｈ，７５孔、４６天井蓋、４７接続板、５０貫通孔、５１上面、５２下面、５３，５４側面、５５，５６端面、５７，７７，７８，８０排気路、５８排気口、６０正極、６１負極、６５天板、６６，６７側壁、６８，６９端壁、７０排気部、７１周壁部、７２壁部、７３通風口、７６端子、１０１ヒューズ、１０２固定部材、１０３，１０５，１０６，Ｒ，ＶＩＩＩ，ｚ矢印、１０９直線、１１０ナット、２０１ケーブル端子板。

Claims

単位電池の電極に接続された、取付面およびバッテリー端子板を有するバスバーと、
前記バスバーをケースに前記取付面上で固定する、複数のボスの各々に嵌合する複数の固定部材と、
前記バスバーの前記バッテリー端子板に設けられた端子部とを備えた蓄電装置であって、
前記端子部には仮想中心線を中心として螺旋状に延びるネジ溝が形成されており、
前記取付面を平面視したときに少なくとも一部の前記固定部材は前記仮想中心線と重なる位置または前記仮想中心線の近傍に配置され、
前記端子部の回転中心と前記少なくとも一部の前記固定部材の端部とを結ぶ直線が前記取付面に対してなす角度をθとし、前記バッテリー端子板を前記回転中心を中心に回転させると前記少なくとも一部の前記固定部材の端部が前記端子部を中心に回転するため前記少なくとも一部の前記固定部材の端部に回転力Ｆが加えられ、この力の垂直成分はＦｃｏｓθであり前記少なくとも一部の前記固定部材を前記ボスから外す方向の力である、蓄電装置。