JPWO2016151646A1

JPWO2016151646A1 - 電源装置

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Publication number: JPWO2016151646A1
Application number: JP2017507120A
Authority: JP
Inventors: 小村　哲司; 哲司小村; 伸一三堀
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-10-02
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2035-10-02
Also published as: WO2016151646A1; JP6369625B2; US10333132B2; US20180145305A1

Abstract

規定以上のトルクで締付けられた場合において、部材の破損を防止するために、電源装置（１）は、電池ブロックと、プレートと、端子固定部（５０）と、緩衝部（３６）と、を備えている。電池ブロックは、電極端子（２３）を有する電池セルを含んでいる。電池ブロックは、電極端子（２３）が位置する端子面を有している。プレートは、端子面に配置される。プレートは、電極端子（２３）に接続される総端子バスバー（３１ｂ）が配置される出力端子部（３３）を含んでいる。出力端子部（３３）は、総端子バスバー（３１ｂ）に沿って立設される壁部（３４）を有している。端子固定部（５０）、先端に接続端子（ＣＴ）を有する出力ライン（ＯＬ）を総端子バスバー（３１ｂ）に接続している。端子固定部（５０）は、螺合構造によって接続端子（ＣＴ）と総端子バスバー（３１ｂ）を固定している。緩衝部（３６）は、変形可能に形成され、接続端子（ＣＴ）と壁部（３４）の間に設けられている。

Description

本発明は、出力ラインの端子固定構造を備える電源装置に関する。

近年、ハイブリットカー、電気自動車が普及している。これらの車両には、走行用モータと、走行用モータに電力を供給する電源装置が搭載される。駆動用の電源装置にはリチウムイオン電池、ニッケル水素電池が用いられることが一般的である。

電源装置は、走行用モータ等の負荷に電力を供給するための出力端子部を有している。出力端子部には、走行用モータ等の負荷と電源装置を接続する出力ラインが固定される。出力ラインは、車両のメンテナンスを考慮し、出力端子部に対して着脱自在に構成されることが好ましい。一般的には、出力ラインは、ボルトやナットを用いた螺合構造によって固定される。

螺合構造によって固定する端子固定構造において、作業性を向上させることができる電気接続箱の端子固定構造が提案されている（特許文献１）。特許文献１の端子固定構造は、出力端子と接続するための端子固定部を有する電気接続箱と、先端に接続金具を有する出力ラインと、を備えている。端子固定部には、挿入される端子金具を適正な挿入姿勢で所定固定位置に導く案内溝を有する挿入案内手段が設けられると共に、所定固定位置まで挿入された端子金具を仮係止する仮係止手段が設けられている。仮止めされた端子金具は、ボルトやナットを介した螺合構造により、端子固定部に固定される。

この構成により、特許文献１の端子接続構造は、出力ラインと電気接続箱とを接続する際に、出力ラインの先端の接続金具を電気接続箱の仮係止手段によって、仮止めできるので、接続金具を出力端子に接続する際に、接続金具の変位を規制することができ、作業を容易に行うことができる。

特開２０００−３３１７２１号公報

一方で、特許文献１の電気接続箱において、端子金具と端子固定部をボルトで固定する際、必要以上に強いトルクでボルトが締め付けられることもあり得る。規定以上のトルクでボルトを螺合すると、軸力が端子金具や端子固定部にかかった状態でボルトが回転されることになり、着座している面に生じる摩擦力により、端子金具に回転モーメントがかかる。端子金具は、仮係止手段で仮係止されるようになっているため、端子金具にかかる回転モーメントによって、仮係止手段に負荷がかかる。そのため、特許文献１の端子接続構造は、螺合構造のトルク管理が充分に行えないような場合には、電気接続箱の仮係止手段や仮係止手段が設けられているハウジングが破損するなどの問題が生じるおそれがあった。

特に、特許文献１に開示されているような端子固定構造を、車両用の電源装置の出力端子の端子固定構造に採用する場合、この問題は顕著となる。車両のメンテナンスは、一般のメンテナンスの作業者が行うため、車両の設計や電源装置の設計を理解しているとは限らず、必ずしも規定のトルクで出力ラインが電気接続箱の端子固定部に固定されるわけではない。

本願発明は、斯かる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、充分なトルク管理が行えない場合であっても、部材の破損を防止できる出力ラインの接続固定構造を備えた電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電源装置は、電池ブロックと、プレートと、端子固定部と、緩衝部と、を備えている。電池ブロックは、電極端子を有する電池セルを含んでいる。電池ブロックは、電極端子が位置する端子面を有している。プレートは、端子面に配置される。プレートは、電極端子に接続される総端子バスバーが配置される出力端子部を含んでいる。出力端子部は、総端子バスバーに沿って立設される壁部を有している。端子固定部は、先端に接続端子を有する出力ラインを総端子バスバーに接続している。端子固定部は、螺合構造によって接続端子と総端子バスバーを固定している。緩衝部は、変形可能に形成され、接続端子と壁部の間に設けられている。

本発明のある態様の構成によれば、螺合構造による固定の際に、回転に伴う接続端子の変位が生じたとしても、接続端子と壁部の当接を防止し、プレート等の部材の破損を防止できる。また、緩衝部によって、接続端子から壁部への負荷を抑制することができる。

本発明の電源装置を備える電動車両の模式図である。図１のある態様の電源装置の斜視図である図２の電源装置の分解斜視図である。図２の電源装置の上面図である。図４の電源装置において出力ラインの固定構造を示すための拡大図である。図２における電池セルの断面図である。本発明の電源装置において、変形例の緩衝部を図示する断面図である。本発明の電源装置において、他の変形例の緩衝部を図示する断面図である。

図１に基づいて、本発明の概要について説明する。図１に示すように、本発明のある態様の電源装置１は、ハイブリッドカーや電気自動車等の電動車両に搭載される。電源装置１は、複数の電池セルを含む電源部２と、電源部２の出力を取り出すための端子部３と、を備えている。電源装置１の端子部３には、出力ラインＯＬが、着脱自在に接続される。また、端子部３には、緩衝部３６が設けられており、出力ラインＯＬを着脱する際に生じる負荷を軽減することができるようになっている。

電動車両には、車両を駆動するためのモータＭと、モータＭを制御するためのパワーコントロールユニットＰＣＵが搭載されている。パワーコントロールユニットＰＣＵは、出力ラインＯＬを介して電源装置１と接続される。パワーコントロールユニットＰＣＵには、インバータＩＮが含まれている。インバータＩＮは、出力ラインＯＬを介して電源装置１の直流電力が入力され、入力される直流電力を交流電力へ変換し、モータＭへ交流電力を供給する。モータＭは、インバータＩＮから供給される交流電力によって動作し、電動車両を走行させることができる。

以上の構成の電源装置１は、出力ラインＯＬが電源装置１の端子部３に着脱自在に固定されており、例えば、電源装置１を交換する際などに、出力ラインＯＬを簡単に電源装置１から切り離すことができるようになっている。また、上述の電源装置１は、端子部３に設けられた緩衝部３６によって、出力ラインＯＬの着脱の際に生じる負荷を軽減することができ、端子部３等を構成する部材の破損を防止できる。なお、本発明の電源装置は、必ずしも図１に例示した電動車両に搭載される電源装置への採用に限られるわけではない。本発明の電源装置は、種々の用途の電源装置に広く採用することができる。

次に、図２ないし図６に基づいて、図１の電源装置１を実現する具体的な構成について説明する。図２ないし図４に示すように、本発明のある態様の電源装置１は、電池ブロック４０と、電池ブロック４０の一面に配置されるプレート３０と、で構成される。電池ブロック４０は、複数の電池セル２０を含む積層体４１と、一対のエンドプレート４２と、複数のバインドバー４３とを備えている。なお、図２ないし図４では、一つの電池ブロック４０を備える電源装置の態様を図示しているが、図２ないし図４の電源装置は、図１の電源装置１の具体的な構成の一例を示しているに過ぎない。図１の電源装置１は、複数の電池ブロック４０を備える電源装置とすることもできる。

図２および図３に示される電池セル２０は、直方体形状の外形を有する角形電池であり、具体的な構成は図６に示される。図６の電池セル２０は、扁平な直方体形状の外装缶２１と、外装缶２１内に封入される発電要素２２と、外装缶２１の一面に設けられる正負の電極端子２３と、を備える。外装缶２１は、一対の幅広面を有している。

図３に示すように、積層体４１は、交互に積層される複数の電池セル２０および複数のスペーサ２４を含んでいる。積層体４１において、複数の電池セル２０は、隣接する電池セル２０の幅広面が対向し、かつ、各々の電池セル２０の電極端子２３が同一面に位置する姿勢で積層される。この構成により、積層体４１の一面に複数の電極端子２３が並設される端子面が形成される。また、複数のスペーサ２４は、絶縁性の樹脂で形成されており、積層される複数の電池セル２０の間に、それぞれ配置される。隣接する電池セル２０の間に配置されるスペーサ２４は、隣接する電池セル２０同士の短絡を防止する。

図２および図３に示すように、一対のエンドプレート４２は、積層方向における積層体４１の両端に配置される。一対のエンドプレート４２には、拘束部材として、複数のバインドバー４３が架設される。エンドプレート４２およびバインドバー４３は、剛性の高い金属等で形成される。この構成により、バインドバー４３は、一対のエンドプレート４２の相対変位を規制することができる。なお、図２および図３には、複数のバー形状の拘束部材を備える電池ブロック４０が例示されているが、本発明の実施の形態における拘束部材は、必ずしもバー形状とする必要はない。

以上の構成によると、積層体４１の寸法変化を抑制することができる。例えば、積層体４１を構成する複数の電池セル２０は、充放電に応じて、外装缶２１の内圧が変化したり、外装缶２１に封入される発電要素２２が膨張したりするため、外装缶２１の寸法が変化するおそれがあるが、このような場合であっても、本発明の電源装置１では、一対のエンドプレート４２の相対変位を規制するように構成することで、積層体４１を構成する電池セル２０の外装缶２１の寸法変化を抑制することができるようになっている。

図３に示すように、プレート３０は、電池ブロック４０を構成する積層体４１の端子面に配置される。プレート３０は、絶縁性の樹脂で形成されている。プレート３０は、端子面に設けられた複数の電極端子２３の位置に対応して貫通孔が形成されており、それぞれの貫通孔に対応する電極端子２３を挿通することができるようになっている。図４に示すように、プレート３０の貫通孔から突出した電極端子２３は、隣接する電池セル２０の電極端子２３同士がバスバー３１を介して接続される。なお、バスバー３１は、金属製の導電部材であり、銅やアルミニウム等で形成することができる。また、バスバー３１は、バスバー３１の腐食防止やバスバー３１と電極端子２３の溶接強度向上のために、メッキが施されることもある。

図４に示すように、プレート３０に配置される複数のバスバー３１は、隣接する電池セル２０の電極端子２３を接続するための複数の接続バスバー３１ａと、電池ブロック４０の出力端子を構成するための一対の総端子バスバー３１ｂと、を含んでいる。プレート３０は、接続バスバー３１ａが配置されるバスバー固定部３２と、総端子バスバー３１ｂが配置される出力端子部３３と、を備える。なお、図２ないし図５の電源装置において、出力端子部３３が図１の端子部３に対応する。

バスバー固定部３２および出力端子部３３は、それぞれに配置されるバスバー３１に沿って立設される壁部３４を有している。この構成により、バスバー３１をバスバー固定部３２や出力端子部３３に配置する際に、壁部３４を介して、バスバー３１を所定の位置に案内することができる。

また、組立性の向上を目的として、配置されるバスバー３１を係止する係止部３５を、壁部３４に設けることもできる。係止部３５は、テーパーを有するツメ形状の部材で、係止部３５を弾性変形させてバスバー３１を圧入することで、バスバー３１を係止部３５によって仮止めすることができる。この構成により、複数のバスバー３１をプレート３０に配置した状態で、プレート３０を運搬することができ、組立の作業性を向上させることができる。

図４および図５に示すように、総端子バスバー３１ｂは、一方の端部が電池セル２０の電極端子２３に接続され、他方の端部に出力ラインＯＬを固定するための貫通孔が設けられている。図５に示すように、出力ラインＯＬの先端には、総端子バスバー３１ｂと接続するための接続端子ＣＴが設けられている。接続端子ＣＴは、貫通孔を有する丸端子等で構成することができる。接続端子ＣＴは、総端子バスバー３１ｂの貫通孔と丸端子の孔の位置を合わせた状態で、総端子バスバー３１ｂの上面に配置される。接続端子ＣＴと総端子バスバー３１ｂは、端子固定部５０によって固定される。端子固定部５０は、ボルトやナットなどの螺合構造を利用した固定構造であり、軸力によって接続端子ＣＴと総端子バスバー３１ｂと保持している。充分な軸力で保持された接続端子ＣＴと総端子バスバー３１ｂは、適度な接触抵抗で電気的に接続される。

ここで、螺合構造を利用する端子固定部５０において、ボルトやナットにかけるトルクと、接続端子ＣＴと総端子バスバー３１ｂとの接触抵抗の関係について説明する。本発明の実施の形態のように、螺合構造を利用した端子接続構造は、ボルトやナットにかけるトルクの値が重要になる。ボルトやナットを締め付ける際にかけるトルクが充分でないと、ボルトやナットが緩んで、接続端子ＣＴと総端子バスバー３１ｂがルーズコンタクトの状態となったり、接続端子ＣＴが総端子バスバー３１ｂから外れてしまったりするおそれがある。そのため、電源装置１の生産工程では、ボルトやナットを締め付ける際に、トルク管理を行うことでこのような接続不良が発生することを防止している。

ところが、上述の通り、メンテナンスの際、電源装置１の交換などの目的で、出力ラインＯＬを電源装置１の出力端子部３３から取り外す場合、作業終了後に、メンテナンスの作業者が、出力ラインＯＬの接続端子ＣＴを電源装置１の出力端子部３３の総端子バスバー３１ｂに取り付けることになる。このような場合、必ずしもメンテナンスの作業者が規定のトルクで接続端子ＣＴを総端子バスバー３１ｂに固定するとは限らない。そのため、充分なトルク管理が行えない状態で、出力ラインＯＬと出力端子部３３が接続されることが起こりうる。充分なトルク管理が行えない状態を想定すると、通常、メンテナンスの作業者は、ルーズコンタクト等の接続不良を防止しようとするため、結果的に、接続端子ＣＴが総端子バスバー３１ｂに規定以上のトルクで固定されることになる。

上述の通り、螺合構造を利用して、出力ラインＯＬとバスバー３１を固定する場合、ボルトやナットを締め付ける際、ボルトやナットが着座することでバスバー３１や出力ラインＯＬに軸力がかかるようになっている。接続不良を防止するためには、この軸力が所定の大きさ以上となるようにする必要がある。ボルトやナットを螺合する際にかけるトルクの大きさと軸力との間には相関があるため、一般的には、トルクを管理することで、間接的に螺合構造の締付けの管理を行っている。

一方、螺合構造を利用して固定する際、トルクを必要以上にかけると、軸力が生じるだけでなく、着座している面同士の摩擦力によって、回転モーメントが生じる。そのため、トルク管理が充分に行えない状態で、出力ラインＯＬが出力端子部３３に固定する場合、図５に矢印で示すように、出力ラインＯＬの接続端子ＣＴが、出力端子部３３のボルトの軸を中心として回転することがある。回転した出力ラインＯＬの接続端子ＣＴがプレート３０の壁部３４に当接すると、壁部３４にも負荷がかかるため、プレート３０が破損するおそれがある。

なお、出力ラインＯＬの接続端子ＣＴが変位するかどうかは、着座する面の材質や表面粗さなど摩擦に関係する要素によって影響を受ける。具体的には、ボルトやナットなどの螺合構造と出力ラインＯＬとの間で発生する摩擦力が大きいと、出力ラインＯＬは回転しやすくなり、出力ラインＯＬとバスバー３１の間で発生する摩擦力が大きいと、出力ラインＯＬは回転しにくくなる。摩擦力は、発生する軸力とも関連があり、総合的に考慮する必要がある。

一方、出力ラインやバスバー３１は、電池セルの電力を供給するための導電部材であるため、使用する材質にも制限がある。一般的には、銅やアルミニウム等が使われ、ニッケルメッキ等のメッキを施すこともあるが、使用される材質の範囲では、材質の違いによる摩擦力の変化は比較的少ない。本発明の発明者らは、銅やアルミニウム等のバスバーを用いる場合、締付の際のトルクの値に応じて、２〜６度程度回転することがあるとの知見を得た。

以上の知見をもとに、本発明のある態様の電源装置１は、図５に示すように、プレート３０の壁部３４に沿って、緩衝部３６が設けられている。緩衝部３６は、特に出力端子部３３の壁部３４に設けられており、総端子バスバー３１ｂに接続される接続端子ＣＴと、壁部３４の間に配置されている。緩衝部３６は、変形可能な材料で形成されている。緩衝部３６は、厚さ１ｍｍ以上の材厚の弾性部材である。なお、緩衝部３６は、反発係数が小さい材料であることが好ましい。具体的には、低反発ウレタンや軟質シリコンなどで形成することができる。

厚さ１ｍｍの緩衝部３６を壁部３４と接続端子ＣＴの間に設けることで、接続端子ＣＴをプレート３０に配置する際、接続端子ＣＴを壁部３４から１ｍｍ以上、離間させた位置とすることができる。なお、図５の態様の電源装置では、緩衝部３６の材厚を１ｍｍとしているが、接続端子ＣＴや壁部の設計寸法によって最適な値は変化する。この最適な材厚は、接続端子ＣＴや壁部の設計寸法と、接続端子ＣＴが２〜６度回転する場合を想定することで算出される。

上述の通り、端子固定部５０によって接続端子ＣＴを固定する際、総端子バスバー３１ｂの上に配置された接続端子ＣＴは、螺合構造の締付けの際にかけられるトルクの値によって、接続端子ＣＴの先端が１ｍｍ程度、変位する。上述の構成の電源装置１では、緩衝部３６によって、接続端子ＣＴが壁部３４から１ｍｍ以上、離間させた位置とすることができるため、締付けの際、接続端子ＣＴが変位したとしても、壁部３４に当接することがない。特に、緩衝部３６を反発係数が小さい弾性部材で形成することで、応力の緩和作用が期待され、壁部３４に弾性部材の復元力が加わることを抑制できる。また、緩衝部３６を、スポンジ形状に形成することで、応力の緩和作用を期待することもできる。

なお、上述の実施の形態の電源装置では、プレート３０とは別の部材で形成される緩衝部３６を設ける構成を例に説明しているが、緩衝部３６は、必ずしもプレート３０と異なる材料で形成する必要はない。例えば、図７および図８に例示する変形例の電源装置では、緩衝部３６は、形状を工夫することで、接続端子ＣＴが壁部３４から１ｍｍ以上、離間させながら、接続端子ＣＴから壁部３４への負荷を抑制することもできるようになっている。具体的には、図７および図８の緩衝部３６は、プレート３０と一体に設けられたリブである。リブは、厚さが薄い突起形状であり、厚さ方向の外力を加えた際に弾性変形する。

また、図８の緩衝部３６は、先端が細くなるように断面が三角となる形状に形成されている。図８の緩衝部３６は、接続端子ＣＴが当接する箇所と比べて、緩衝部３６の根元部分が太く形成することができ、図７の変形例と比較して緩衝部３６の強度を向上させることができる。

これらのように、形状のみで緩衝部３６を実現する構成の場合、素材をプレート３０と変える必要がないので、プレート３０と一体成型することができ、製造コストを低減することができる。

以上の構成の電源装置では、緩衝部３６により、出力ラインＯＬの接続端子ＣＴは、壁部３４から所定の寸法以上、離間させることができる。そのため、ボルトやナットを締め付ける際、接続端子ＣＴが回転したとしても、壁部３４と接続端子ＣＴは当接しない。一方、接続端子ＣＴは緩衝部３６に当接することになるが、緩衝部３６は、変形可能な弾性部材で形成されるため、緩衝部３６が変形することで、回転モーメントに起因する負荷を吸収させることができる。特に、緩衝部３６を低反発の弾性部材によって形成することで、緩衝部３６の復元力を小さくすることができ、壁部３４に伝達される負荷を抑制することを防止できる。これにより、接続端子ＣＴにかかる回転モーメントに起因する負荷によって、壁部３４やプレート３０が破損することを防止できる。

なお、本発明のある態様の電源装置は、図４に示すように、プレート３０の上面に回路基板６０を配置し、プレート３０に回路基板６０を固定することもできる。回路基板６０には、電圧検出回路等の状態監視回路が実装されており、電池ブロック４０の電池セル２０の状態を監視している。また、プレート３０は、各々のバスバー３１と回路基板６０とを接続する電圧検出ライン６１が設けられている。電圧検出ライン６１は、接続されているバスバー３１の電位に関する情報を電圧検出回路へ入力し、各々の電池セル２０の電圧を検出することができるようになっている。プレート３０の上面に、回路基板６０を配置することで、回路基板６０を電池ブロック４０に近接させることができ、電圧検出ライン６１を短くすることができる。この構成により、配線インピーダンスを小さくすることができるようになっている。

以上の構成の電源装置は、プレート３０に回路基板６０が固定されているため、プレート３０が変形または破損すると、回路基板６０に歪みが生じるおそれがある。具体的には、回路基板６０に実装される状態監視回路は、精密な集積回路で構成されることが多いが、回路基板６０に歪みが生じると、集積回路に負荷がかかり、状態監視回路に不具合が生じるおそれがある。本発明の緩衝部３６を備えた電源装置は、出力ラインＯＬの接続端子ＣＴが壁部３４に当接してプレート３０が変形または破損することを防止できるため、上述のようなプレート３０に回路基板６０が固定される構成の電源装置において、プレート３０の変形または破損に起因する回路基板６０の変形を抑制でき、状態監視回路の信頼性を向上させる効果も期待することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各々の構成要素や各々の処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１電源装置、２電源部、２０電池セル、２１外装缶、２２発電要素、２３電極端子、２４スペーサ、３端子部、３０プレート、３１バスバー、３１ａ接続バスバー、３１ｂ総端子バスバー、３２バスバー固定部、３３出力端子部、３４壁部、３５係止部、３６緩衝部、４０電池ブロック、４１積層体、４２エンドプレート、４３バインドバー、５０端子固定部、６０回路基板、６１電圧検出ライン、Ｍモータ、ＰＣＵパワーコントロールユニット、ＩＮインバータ、ＯＬ出力ライン、ＣＴ接続端子

Claims

電極端子を有する少なくとも一つの電池セルを含む電池ブロックであって、前記電極端子が位置する端子面を有している、該電池ブロックと、
前記端子面に配置されるプレートであって、前記電極端子に接続される総端子バスバーが配置される出力端子部を含んでおり、かつ、前記出力端子部が前記総端子バスバーに沿って立設される壁部を有している、該プレートと、
先端に接続端子を有する出力ラインを前記総端子バスバーに接続する端子固定部であって、螺合構造によって前記接続端子と前記総端子バスバーを固定している、該端子固定部と、
前記接続端子と前記壁部の間に設けられる変形可能な緩衝部と、
を備える電源装置。
請求項１に記載の電源装置において、
前記緩衝部は、前記接続端子が前記壁部に近接する方向に、弾性変形する弾性部材を含む電源装置。
請求項２に記載の電源装置において、
前記緩衝部は、内部に複数の空間を有するスポンジ状に形成されることを特徴とする電源装置。
請求項２または請求項３に記載の電源装置において、
前記弾性部材は、前記接続端子の変位を吸収して応力を緩和することを特徴とする電源装置。
請求項２または請求項３に記載の電源装置において、
前記弾性部材は、低反発ウレタンまたは軟質シリコンで形成されることを特徴とする電源装置。
請求項１から５のいずれかに記載の電源装置において、
前記緩衝部は、前記接続端子が前記螺合構造の軸に対して６度回転した際に、前記接続端子の先端が前記壁部に当接しないように所定の厚さを有することを特徴とする電源装置。