JP2005285458A - 電源装置および電源装置用電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】電源装置に内蔵される各電池セルの状態を把握するセンサ類の取付を容易に行える電源装置を提供する。
【解決手段】電源装置は、単電池１を直線状に接続した電池セル２を略平行に複数本並べ、電池セルを直列に接続した電源モジュールをホルダ１０Ｎに内蔵する。ホルダは、その内面に電池セルを位置決めした状態で保持するための位置決嵌着部１４と、位置決嵌着部に保持される電池セルの状態を把握するセンサ８６であって、該電池セルを構成する単電池同士を接続する界面に挿入されるよう、位置決嵌着部から電池セルに対して突出して設けられるセンサとを備える。電池セルをホルダの位置決嵌着部に挿入することで、センサが単電池同士の接続界面に位置決めして挿入される。これによって、電池セルをホルダにセットすることで同時にセンサの配置も位置決めして行え、ホルダの組み立て工程およびセンサの配置作業を簡素化できる。
【選択図】図１５

Description

本発明は、主として大電流の放電に適している電源装置および電源装置用電池セルに関し、特にハイブリッドカーや電気自動車等の自動車のように、大電流で駆動されるモーターに電力を供給して車両等の電動機器を駆動する電源装置およびこれに内蔵される電池セルに関する。

電源装置は、電池又は素電池を直列又は並列に接続した電源モジュールの個数を多くして出力電流を大きくでき、また、直列に接続する直列の個数で出力電圧を高くできる。特に、大出力が要求される用途、例えば自動車等の車両、自転車、工具等に使用される電源装置においては、複数の電池を直列に接続して出力を大きくする構造がとることができる。例えば、自動車を走行させるモータを駆動する電源装置は、出力を大きくするために数百個といった極めて多数の二次電池を内蔵している。多数の電池を内蔵する電源装置は高価であるので、好ましい状態で充放電して、寿命を長くすることが大切である。しかしながら、多数の電池を内蔵している電源装置は、大出力な用途に使用されるので、大電流で放電され、また、短時間で充電するために大電流で充電される。大電流の放電と充電は、電池性能を低下させる原因となる。このため、この種の電源装置は、電池の状態を正確に検出しながら、安全に保護して充電し、また放電することが大切である。このことを実現するために、この種の電源装置は、種々の保護回路を設けている。図１９は、このような電源装置の保護回路の一例を示す回路図である。この図に示す電源装置９０は、保護回路として、電池に流れる電流を検出する電流センサ９２と、過電流が流れるときに電流を遮断するヒューズ９６と、異常時に電流を遮断するリレーユニット９４と、リレーユニット９４を制御するコントロールユニット９５とを備えている。また電源装置９０は、複数の電池を内蔵する電池ホルダ９１にヒューズユニット９３を接続している。この電源回路は、電流センサ９２で電流量を検出し、コントロールユニット９５に信号を送出する。コントロールユニット９５は、電流センサ９２からの信号でリレーユニット９４を制御し、電流をオンオフに切り換える。この構成により、電池に設定電流よりも大きな過大電流が流れると、電流センサ９２が過大電流を検出して、コントロールユニット９５はリレーユニット９４をオフに切り換えて電流を遮断する。

電池セルを多く使用して出力電流や電圧を高めた電源装置においては、電池セルの発熱量も大きくなる。また使用する電池数が多くなるに従い、確率的に特性の悪い電池が含まれる、あるいはいずれかの電池で異常が生じるといった問題の発生率も高くなる。何らかの原因によって電池セルの温度が高くなりすぎると電池セルや電源装置の寿命が短くなる等の弊害が生じるため、このような異常を電源装置側で早期に検出して必要な制御を行うことが重要となる。このため電源装置には、電池電圧や電流、温度などを検出して電池セルの状態をモニタするための複数のセンサ類が設けられている（例えば特許文献１）。
特開２００１−１２６６８５号公報

しなしながら、センサ類を電池セル毎に配置すると、センサの配置スペースが必要となるため、電池セルを収納するホルダを大きく設計する必要がある。特に電池セルの使用数が多くなると、このようなセンサの配置スペースも大きくなり、ひいては電源装置の小型化を阻害する要因となる。また、電池セルを構成する単電池毎にセンサを配置すると、センサの使用数も多くなり、その設置、配線などの手間も膨大となる。さらに、電池セルを冷却するために、冷却空気を直接電池セルに流す空冷方式が一般に採用されている。このような空冷方式においては、電池セルの周囲に冷却空気を流す経路を構成する必要があるが、電池セルの表面にセンサ類を固定すると、このような冷却空気の流れを阻害して、電池セルの冷却がスムーズに行われなくといった問題もあった。

本発明は、このような問題点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の主な目的は、電源装置に内蔵される各電池セルの状態を把握するセンサ類の配置に際して、スペースの占有を抑え、また冷却空気の流れを妨げないようにした電源装置およびこのような電源装置に使用される電池セルを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の電源装置は、一以上の単電池を直線状に接続した電池セルを略平行に複数本並べ、かつこれらの電池セルを直列または並列に接続した電源モジュールをホルダに内蔵する。この電源装置では、ホルダは、その内面に電池セルを位置決めした状態で保持するための位置決嵌着部と、位置決嵌着部に保持される電池セルの状態を把握するセンサであって、該電池セルを構成する単電池同士を接続する界面に挿入されるよう、位置決嵌着部から電池セルに対して突出して設けられるセンサとを備えており、電池セルをホルダの位置決嵌着部に挿入することで、センサが単電池同士の接続界面に位置決めして挿入されるよう構成されている。この構成によって、電池セルをホルダにセットすることで同時にセンサの配置も位置決めして行えるので、ホルダの組み立て工程およびセンサの配置作業を簡素化できる利点が得られる。

また本発明の他の電源装置は、ホルダが複数のカセットホルダを連結することで構成される。各カセットホルダは他のカセットホルダ同士と連結するためのモジュール連結部材を一面に備えており、モジュール連結部材でカセットホルダ同士を連結して複数の電源モジュールを連結した電源モジュールブロックを構成している。このカセットホルダは、保持する電池セルの両面をカバーする一対のカバー片に分割されており、一対のカバー片は対向する一方の側面に折曲可能な折曲連結部を固定して互いに連結されると共に、折曲連結部を設けた側と反対の側面に一対のカバー片を嵌合して連結する連結フックを設けており、一対のカバー片を折曲連結部と連結フックとで固定状態とし電池セルがカセットホルダから脱離しないよう保持している。さらに位置決嵌着部に電池セルを挿入して一対のカバー片を固定した状態で、位置決嵌着部から突出するセンサが電池セルに対して位置決めされた状態で電気的に接触状態に保持されている。この構成によって、ホルダを構成するカセットホルダ毎にセンサを配置すると共に、カセットホルダに電池セルをセットして一対のカバー片を嵌合することでセンサを位置決めして配置することができる。

さらに本発明の他の電源装置は、カセットホルダが、位置決嵌着部の一部を突出させて支持凸部とし、支持凸部で電池セルの長手方向に沿った側面を部分的に押圧するように保持することで、位置決嵌着部に電池セルをセットした状態で電池セルと位置決嵌着部との間で電池セルの長手方向に沿って冷却空気を流すための冷却隙間を構成し、さらに支持凸部にセンサを固定することにより、センサを単電池同士の接続界面に挿入すると共に冷却隙間を妨げないよう構成されている。このように冷却隙間を構成する支持凸部にセンサを配置することで、冷却隙間からセンサを排除し、電池セルを冷却する冷却空気の流れをセンサで妨げる事態を回避し冷却性能を維持できる利点が得られる。

さらにまた本発明の他の電源装置は、電池セルを構成する単電池が円筒形であり、電池セルを保持する位置決嵌着部が単電池の円筒形に沿うように上カバー片と下カバー片とが各々半円形に形成されている。この構成によって、円筒形の電池セルを位置決嵌着部で確実に保持してセンサを配置できる。

さらにまた本発明の他の電源装置は、カセットホルダが樹脂により構成されており、センサは樹脂のインサート成型によって、少なくとも一部をカセットホルダ内面に埋め込まれて固定されている。この構成によってセンサを部分的にカセットホルダに埋設して位置決めされた状態で確実に固定できると共に、センサの突出部分を少なくしてセンサのスペース占有を極小化できる。

さらにまた本発明の他の電源装置は、電池セルが単電池同士の連結面を絶縁性のＯリングで被覆しており、電池セルを位置決嵌着部にセットする際、センサがＯリングを貫通して単電池同士の連結界面に挿入されている。この構成によって、連結面をＯリングで絶縁して保護しつつ、センサの配置も容易に行え、組み立て工程の簡素化を図ることができる。

さらにまた本発明の他の電源装置は、センサが電池セルの電圧、電流、温度の少なくとも何れか一以上を検出するセンサである。この構成よって、センサで電池セルの電圧、電流、温度等をモニタでき、電池の異常を監視できる。

さらにまた本発明の他の電源装置は、センサがサーミスタである。この構成よって、電池温度をサーミスタで検出できる。

さらにまた本発明の他の電源装置は、センサが、電池セルの異常を検出して電流量を抑制する電流抑制素子である。この構成よって、センサが電池セルの異常を検出したとき電流抑制素子で電流量を抑え、発熱を低減できる。

さらにまた本発明の他の電源装置は、電流抑制素子がＰＴＣ素子である。この構成によって、ＰＴＣの負の温度特性により温度上昇時に抵抗値を上げて電流による発熱を抑制できる。

また本発明の電源装置用電池セルは、電動機器を駆動するための電力を供給可能な電源装置に使用される。この電池セルは、一以上の円筒形の単電池を長手方向に直列に電気的に接続し、単電池同士を接続する連結面で、隣接する単電池と電気的に接続されてこれら単電池の電圧、電流、温度の少なくとも何れか一以上を検出可能なセンサを配置しており、センサは対向する単電池の端面で挟着されて該端面の内側に含まれており、かつ連結面の周囲を絶縁性のＯリングで被覆している。この構成により、電池セルに予めセンサ類を実装しておくことができ、電源装置のホルダなどに電池セルをセットした後にセンサを固定する作業を大幅に簡素化できる。また、センサは電池セルの表面から外部に突出しないよう単電池の連結界面内に含めることで、センサを配置するためのスペースを占有することもなく、省スペース化が実現される。さらに、電池セルの表面から突出しないセンサは、電池セルを冷却する冷却空気の流れを妨げることもなく、電池セルの冷却性能も維持される。

以上のように本発明の電源装置および電源装置用電池セルによれば、センサの配置作業を容易にして組み立て工程を簡素化できることに加えて、センサの配置に要する占有スペースを極小化して電源装置の小型化や電池セルの冷却を妨げないといった優れた特長が実現される。特に、電池セルを構成する単電池同士の連結界面にセンサを配置することにより、センサを電池セルの表面から突出させず、センサ配置のための空間を割くことなくコンパクトに配置できる。また電池セルをホルダにセットした状態でセンサがこのような単電池連結界面に挿入されるよう予め位置決めしておくことで、センサの位置決めや取付工程が大幅に簡素化される。特に多数の電池セルを使用する程、このメリットが大きくなる。またセンサ表面から突出しないセンサは、電池セルの外表面を冷却空気で空冷する際にも、冷却空気の流路を妨げることがない。このように本発明によればセンサをコンパクトに配置して、小型化や冷却に支障がなく、組み立て作業を大幅に簡略し、またセンサの配置の位置ずれや配置忘れなどのトラブルを少なくし、組立の精度を向上させ生産コストを安価にできる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電源装置および電源装置用電池セルを例示するものであって、本発明は電源装置および電源装置用電池セルを以下のものに特定しない。また特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号（主に下２桁の数字）については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

本発明の一実施の形態に係る電源装置を構成する電源モジュールの一例を、図１〜図４に示す。図１は電源モジュール１００の斜視図、図２は平面図、図３は側面図、図４は正面図をそれぞれ示している。これらの図に示す電源モジュール１００は、カセットホルダ１０内に計８本の単電池１を保持している。単電池１は、一以上を長手方向に直線状に配置して電池セル２を構成する。単電池１同士の端面で正極、負極を電気接続状態に固定することで、これらの単電池１同士を直列に接続できる。また単電池１同士の接続部分にＯリング３（後述）を設けて保護している。このようにして構成された電池セル２を平行に複数本並べ、互いに電気接続して電源モジュール１００を構成する。図１の例では、単電池２本からなる電池セル２を４本横並びに配列しているが、単電池１や電池セル２の数は一個の電源モジュール１００に要求される出力やサイズなどに応じて適宜設定される。例えば単電池や電池セルを一とすることも可能である。なお本実施の形態ではすべての単電池を直列に接続したが、並列接続や直列、並列接続の組み合わせも可能であることはいうまでもない。
（単電池１）

単電池１は充電可能な二次電池、あるいは静電容量の大きなスーパーキャパシタを使用する。このような二次電池としては、ニッケル−水素電池やリチウムイオン電池、ニッケル−カドミウム電池等が使用できる。リチウムイオン電池は充電容量が大きいので、大電流を必要とする用途の場合でも容量不足を招かずに十分な使用時間を確保できる。またこれらの図においては、単電池１を円筒型電池としている。ただ、単電池には角型電池や薄型電池も使用できる。
（カセットホルダ１０）

カセットホルダ１０は、内部で保持する電池セル２を振動や外力などから保護できるよう、十分な強度とする。例えばプラスチックやセラミック、金属等の成形材で構成され、絶縁性を備えるプラスチックが好適に使用できる。プラスチックを使用する場合は、グラスファイバ入りなどガラス繊維を混入させて強度を増すタイプが好ましい。一方金属製のカセットホルダを使用する場合は、電池セル２のショートなどを防止するための絶縁構造を設ける。金属製のカセットホルダは熱伝導性に優れ、放熱特性を改善できる。
（カセットホルダの嵌合構造）

カセットホルダ１０は、一対のカバー片１２に分割されており、上下のカバー片１２Ａ、１２Ｂを連結することで電池セル２を両面から保持する。このようなカセットホルダ１０の嵌合構造を図５及び図６に示す。図５は上カバー片１２Ａを開放して電池セル２をセットした状態の斜視図、図６はその正面図をそれぞれ示している。上カバー片１２Ａおよび下カバー片１２Ｂは、単電池１を複数直線状に接続した電池セル２を収納できるよう、それぞれ同じ形状に形成されている。具体的には、カセットホルダ１０は内面に、電池セル２を位置決めした状態で保持する位置決嵌着部１４を形成している。位置決嵌着部１４は電池セル２の側面を挟着して保持する。位置決嵌着部１４は、保持する単電池１の形状に応じて、これを確実に保持できる大きさ及び形状に設計される。図の例では円筒形の電池の周囲を保持するように、これとほぼ同じ大きさの円弧状の嵌着溝としている。上カバー片１２Ａおよび下カバー片１２Ｂで電池セル２を上下から保持するよう、嵌着溝は半円状としている。

さらに、隣接する円筒形の電池セル２同士の間には嵌合突起１６を突出させる。嵌合突起１６によって隣接する電池セル２を区画し、これらを絶縁すると共に確実に保持し、外部の衝撃から電池セル２を保護する。

なお位置決嵌着部１４は必ずしも電池セル２の側面と完全に一致させる必要はなく、若干の隙間を設けて電池セル２を冷却する冷却隙間を設けることが好ましい。本実施の形態では、位置決嵌着部１４の一部を突出させて支持凸部１８とし、支持凸部１８で電池セル２の側面に部分的に押圧するように保持して、非接触の部分を冷却隙間とすることでカセットホルダ１０内の電池セル２を効果的に冷却できる。支持凸部１８は、好ましくは電池セル２の円周上を４箇所でほぼ均等に保持する。

さらに、上下のカバー片１２Ａ、１２Ｂに分割されたカセットホルダ１０は、カバー片１２の開放及び閉塞を容易に行うための折曲連結部２０及び連結フック２２を設けている。折曲連結部２０は、ほぼ同じ形状に形成された上下のカバー片１２Ａ、１２Ｂの一端辺においてこれらを連結し、ピボット状に開閉させる。折曲連結部２０は、上下のカバー片１２Ａ、１２Ｂをヒンジ等の可動片で予め回動可動に固定する構成や、上下のカバー片１２Ａ、１２Ｂを一体成型して、折曲部分の肉厚を薄く構成して折曲可能とした構成などが利用できる。特にカセットホルダ１０をプラスチックで一体成型する構成では、一の金型で上下のカバー片１２Ａ、１２Ｂおよび折曲連結部２０を成型できるので好ましい。

一方、連結フック２２は折曲連結部２０と反対側の端辺に設けられ、上下のカバー片１２Ａ、１２Ｂを閉塞した状態で固定する。連結フック２２は、好ましくはネジなどの別部材を使用することなく上下のカバー片１２Ａ、１２Ｂを連結できる嵌合構造とする。例えば図５及び図６に示すように、一方のカバー片１２にカギ状に先端に引掛片を設け、他方のカバー片１２にはこの引掛片と対応する位置に引掛片が係止されるよう段差部を設ける。このような引掛片、段差部といった嵌合構造は、カバー片１２に一体成型で構成することが好ましい。

このように、片開き式に上下のカバー片１２Ａ、１２Ｂを予め連結しておくと共に、連結フック２２で容易に固定できる構造のカセットホルダ１０は、組み立て作業を容易に行える利点がある。特にツメによる嵌め込み構造であれば、従来のように上ケースと下ケースに分離された別部材のカセットホルダをネジ止めなどにより固定する構造に比較して、ネジ等の固定部材やネジ止め作業、特別な工具などが不要で、極めて容易に電池セルをカセットホルダに内蔵して固定でき、コスト及び作業性の面で好ましい。ただ、カセットホルダの固定は嵌合構造に限られず、熱溶着や超音波溶着、接着材、ネジの螺合などによる固定方法も採用できる。ネジを使用する方法であっても、上下のカバー片１２Ａ、１２Ｂの片側は既に固定されているため、螺合作業が半分で済む利点が得られる。
（Ｏリング３）

電池セル２の表面には、所定の間隔で複数のＯリング３を装着している。Ｏリング３は、好ましくは電池セル２の中間部分の複数部分に設けられる。Ｏリング３は、弾性変形できるゴム状弾性体で、断面図形状を円形とし、あるいは図示しないが断面形状を楕円形又は多角形としている。Ｏリング３は、図５および図６に示すように、電池セル２とカセットホルダ１０の位置決嵌着部１４との間に挟着されて、電池セル２を位置決嵌着部１４に装着する。Ｏリング３は、その内径を電池セル２の外径よりもわずかに小さく、あるいは等しくして、電池セル２の表面に隙間なく密着される。Ｏリング３は緩衝作用がある。このため、電池セル２とカセットホルダ１０との間に挟着されるＯリング３は、自動車等の車両に固定されるカセットホルダ１０の振動を吸収して、電池セル２の振動を少なくできる。また、電池セル２をカセットホルダ１０に隙間なくしっかりと固定する。

Ｏリング３のある電池セル２は、簡単な構造でカセットホルダ１０にしっかりと保持できる状態で装着される。それは、図５および図６に示すように、カセットホルダ１０に位置決嵌着部１４として設けている嵌着溝に入れて、しっかりと固定できるからである。従来のホルダーケースは、電源モジュールを固定するために、複雑な取り付け構造としている。この取り付け構造は、ホルダーケースの内面に、電源モジュールと直交する方向にリブを設けている。リブは、電源モジュールを嵌着するアーチ状の凹部を設けている。さらに、このアーチ状の凹部に沿って、弾性ゴムを固定する複雑な固定構造としている。これに対して、Ｏリング３のある電池セル２は、位置決嵌着部１４を簡単な構造の溝状に成形して、Ｏリング３を介して電池セル２をしっかりと振動しないように保持して固定できる。
（電源モジュール同士の連結）

以上のようにして構成された電源モジュールを複数連結して、電源モジュールブロックを構成する。図７〜図１２に、電源モジュール１００で構成された電源モジュールブロック１０００を示す。図７はベースフレーム２８上に載置された電源モジュールブロック１０００を示す斜視図、図８はその平面図、図９は、締結バンド４４で電源モジュールブロック１０００を固定した状態を示す斜視図、図１０はその正面図、図１１はその側面図、図１２は締結バンド４４を固定する部分の断面図を、それぞれ示している。これらの図に示す電源モジュールブロック１０００は、カセットホルダをカートリッジ式に複数連結していくことで、電源出力に必要な本数の単電池１や電池セル２を使用した電源装置を構築する。図７の例では、複数の電源モジュール１００を連結した小ブロック１０００ａを複数並べて電源モジュールブロック１０００を構成している。また、ベースフレーム２８の端部及び中央部分を断面凸型の凸条４２に突出させ、この凸条４２同士の上に跨るようにカセットホルダ１０を連結する。図９の例では、ベースフレーム２８上に２列の電源モジュール１００を配置するように、中央部分の凸条４２Ａを左右の電源モジュール１００共通の台座とし、左右の凸条４２Ｂよりも大きく構成している。電源モジュール１００とベースフレーム２８の固定は、カセットホルダ１０毎に設けたカギ状の突起を、突起を係止するためベースフレーム２８に形成されたスリットに挿入するなどの構成が利用できる。
（モジュール連結部材３２）

カセットホルダは同じ構造に形成され、一方の面と他方の面とが連結できるモジュール連結部材３２を備えている。これによって、同一種類のカセットホルダを使用して、同じ姿勢で隣接する面同士を連結して図７のように電源装置を構成できる。このようなカセットホルダ同士を連結するモジュール連結部材３２の一例を図１３及び図１４に示す。図１３はモジュール連結部材３２によるカセットホルダ１０Ｃ同士の連結状態を示す斜視図であり、図１４はその側面図をそれぞれ示している。これらの図に示すカセットホルダ１０Ｃは、面積の広い面にモジュール連結部材３２を設け、電池セル２が直立姿勢のまま連結後も、異なる電源モジュールの電池セル２同士が互いに平行状態を維持している。すなわち、電源モジュール内で電池セル２が平行に並ぶ方向と垂直に、電源モジュールを継ぎ足す構成としている。
（嵌着凸部３３、嵌着凹部３４）

図１３及び図１４の例では、電源モジュール３００のカセットホルダ１０Ｃの一面にモジュール連結部材３２として嵌着凸部３３と嵌着凹部３４を設け、これらの嵌着によってカセットホルダ１０Ｃ同士を連結する。図の例ではカセットホルダ１０Ｃの一方の面（図１３において前面、図１４において左面）に嵌着凹部３４を上部、嵌着凸部３３を下部に設け、さらに反対側の面（図１３において背面、図１４において右面）には、上部には嵌着凸部３３、下部には嵌着凹部３４を、前面の嵌着凸部３３、嵌着凹部３４とそれぞれ対応する位置に設けている。図に示す嵌着凸部３３は円筒状に形成された突起であり、これに対応して嵌着凹部３４は円形の穴に形成され、嵌着凸部３３を挿入して保持できる大きさに形成される。これら嵌着凸部３３および嵌着凹部３４は、好適にはカセットホルダ１０Ｃと一体成型により形成される。カセットホルダ１０Ｃをプラスチックなどの弾性部材で構成することにより、弾性変形して嵌着凸部３３が嵌着凹部３４に挿入されて嵌着される。この例では嵌着凹部３４と嵌着凸部３３をそれぞれ上下に分けて配置しているが、左右に分けて配置することもできる。あるいは、カセットホルダの前面に嵌着凸部を、背面に嵌着凹部を形成してもよい。さらに嵌着凸部３３の形状は円形に限られず、正方形や長方形、三角形などの多角形状や十字状などとしてもよく、また先端に鍔やカギ条、フック等を設けて、嵌着凹部に挿入された状態で外れないように構成することもできる。またこの例では、嵌着凸部３３、嵌着凹部３４の配置を上下に対称な位置として、前後を反転させた状態でも連結可能としている。ただ、これらを上下非対称に配置して反転した状態では連結できないように構成することもできる。例えば電源モジュールの電極端子が上下いずれかの面に位置している場合に、カセットホルダの前後を反転させても連結可能とすると、電源モジュールの連結後に電極端子面が片面に揃わなくなるおそれがある。このような場合に前後を反転させるとカセットホルダ同士が連結できないように構成することで、このような逆向きの連結を阻止できる。
（電源モジュールブロック１０００）

以上のようにして、カセットホルダ同士をカードリッジ式に連結していくことで、複数の電源モジュールを連結した電源モジュールブロック１０００が形成される。特に電源モジュールの連結数を加減することで、電源モジュールブロック１０００に含まれる電池セル数（単電池数）を容易に変更できる利点が得られる。また電源モジュールブロック１０００は、ベースフレーム２８上に固定される。ベースフレーム２８は電源モジュールブロック１０００を載置する基台であり、十分な強度を備える金属又はプラスチック製とする。金属製のベースフレーム２８は熱伝導性に優れ、放熱性がよい。一方プラスチック製のベースフレーム２８は絶縁性が高く、電池のショートなどを阻止できる。

また電源モジュール同士の連結をさらに強固にするために、図９〜図１２に示すように電源モジュールブロック１０００に締結バンド４４を締結する。図９は締結バンド４４で電源モジュールブロック１０００を締結した状態の斜視図を、図１０はこの正面図、図１１はこの側面図、さらに図１２は締結バンド４４のずれを防止するバンドガイド４６を設けた部分を示す拡大断面図を、それぞれ示している。これらの図に示す締結バンド４４は、金属製または樹脂製のバンドであり、好適にはチューブバンドが利用できる。また金属製のバンドはネジで締結力を調整可能なタイプが使用できる。この例では締結バンド４４を２つ、上下に離間して電源モジュールブロック１０００を締結している。もちろん、締結バンド４４の位置及び数は適宜調整でき、１あるいは３以上とすることもできる。

さらに、締結バンド４４で電源モジュールブロック１０００を締結後に、ずれたり脱離したりしないよう、これを定位置に保持する保持機構を設ける。この例では、図１２に示すように電源モジュールのカセットホルダ１０に、締結バンド４４を保持するバンドガイド４６を設けている。バンドガイド４６はカセットホルダ１０の表面で締結バンド４４を位置させる部分に形成された段差であり、締結バンド４４の幅とほぼ同じか若干大きい大きさに形成される。バンドガイド４６はカセットホルダ１０の成型時に形成される。また、バンドガイド４６の開口部分に締結バンド４４を挿入し易いよう、開口部の端縁を面取りしたり斜面させてもよい。以上のようにして、電源モジュールブロック１０００は締結バンド４４によって確実に連結状態を維持される。

以上は、電源モジュールをブロック化して連結する構造について説明したが、本発明はこの構成に限られず、電源モジュールブロックを一のホルダで構成して電池セルを収納することもできる。
（センサ８６）

電池セルには、電池の異常を検出し、また異常発生時に電池を保護する保護回路等のセンサが装着される。これらのセンサは、電池セルに固定されて電池セルあるいは単電池の温度や端子電圧、電流値などを測定して、充放電制御回路に送出する。充放電制御回路はセンサからの信号に基づいて充電電流などを制御する。なおセンサとは、本明細書においては電池の温度、電圧、電流を検出する部材、および検出された値に基づいて電池を保護する保護回路を含む意味で使用する。具体的には、電池の温度を検出するサーミスタや熱電対、温度上昇によって抵抗値を増して電流を制限するＰＴＣ素子、温度上昇等の異常を検出して回路を遮断するブレーカ等が利用できる。さらに複数の検出素子を組み合わせた統合型のセンサとすることもできる。

このようなセンサを電池セルに接続する状態を、図１５〜図１７に基づいて説明する。これらの図において、図１５は本発明の他の実施の形態に係るカセットホルダ１０Ｎの上カバー片１２Ｇを開いた状態を示す要部拡大斜視図、また図１６は図１５のカセットホルダ１０Ｎの下カバー片１２Ｈを示す平面図、さらに図１７は図１６のカセットホルダ１０ＮのＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線における垂直断面図である。これらの図に示すカセットホルダ１０Ｎは、上記図５等に示すカセットホルダ１０と同様に、上カバー片１２Ｇと下カバー片１２Ｈに分割されており、上カバー片１２Ｇと下カバー片１２Ｈは折曲連結部２０を介して折曲自在に連結される。また上下カバー片１２Ｇ、１２Ｈはそれぞれ、円筒形の電池セル２を保持する位置決嵌着部１４として半円状の嵌着溝を形成すると共に、電池セル２同士の間に挿入されてこれらを絶縁すると共に電池セル２を嵌合する嵌合突起１６を備えている。このカセットホルダ１０Ｎは電池セル２を位置決嵌着部１４にセットした状態で、上カバー片１２Ｇと下カバー片１２Ｈを折曲連結部２０を介して折曲して開口面端縁を結合し、閉塞して他端を連結フック（図１５に図示せず）で固定する。上下カバー片１２Ｇ、１２Ｈの固定には上述した連結フックの他、ネジ止めや熱溶着、超音波溶着、接着剤による固定などが適宜利用できる。
（支持凸部１８へのセンサ８６配置）

またカセットホルダ１０Ｎの位置決嵌着部１４には、その底面にセンサ８６が配置される。図１５のカセットホルダ１０Ｎも、上記図５等と同様に上下カバー片１２Ｇ、１２Ｈに位置決嵌着部１４として半円状の嵌着溝を形成しており、半円状のほぼ底面に円弧面を突出させた支持凸部１８を形成している。そして図１５（ｂ）の要部拡大図に示すように、下カバー片１２Ｈの支持凸部１８から突出するようにセンサ８６を配置している。図１５（ｂ）に示すセンサ８６は略矩形状のブロック８６ａから垂直に円柱状の検知部８６ｂを突出させている。検知部８６ｂは円柱状の側面を検知面としており、この検知面を電池セル２の単電池１に接触させて電池温度など各種情報を検知する。またセンサ８６からはリード線８８が延出されており、図示しないコントロールユニットに接続されている。コントロールユニット９５は図１９に示すようにセンサ８６からの信号を受けてリレーユニット９４や充放電回路、電流制御素子等を制御する。

センサ８６は、図１６に示すように位置決嵌着部１４に電池セル２をセットした状態で、図１７に示すように各電池セル２の単電池１同士の連結界面に検知部８６ｂを突出させる位置に設けられる。図１７の例では同一タイプの単電池１を２本直列に接続して電池セル２を構成しているため、位置決嵌着部１４の長手方向のほぼ中央にセンサ８６を配置する。またセンサ８６の検知部８６ｂは、単電池１の連結界面に挿入できる大きさおよび形状とする。特に単電池１の正極は一般に円柱状電極に構成されているため、対向する単電池１の負極と溶接などの手段で固定されると、円柱状電極の高さに応じた隙間が生じる。この隙間を利用してセンサ８６の検知部８６ｂを挿入することで、余分なスペースを設けることなくセンサ８６を配置できる。また検知部８６ｂの大きさをこの隙間に合わせることで、単電池１の電極面でセンサ８６の検知部８６ｂを挟持するように保持でき、接着部材などを使用せずともセンサ８６と単電池１の接触状態を維持したままセンサ８６を所定位置に固定できる。このようにセンサ８６の物理的な接触および必要な場合は電気的な接触も同時に得られる。

またセンサ８６の検知面を円柱状にすることで、１つのセンサ８６を挟着する２つの単電池１の状態を同時に検知できる利点も得られる。例えば単電池の温度を検出する温度センサの場合、一のセンサで２つの単電池温度を検知することができる。なおこの例では検知部８６ｂを円柱状としているが、直方体などの角柱状やシート状としてもよい。例えばシート状の両面を検知面とすることで、同時に２個以上の単電池をモニタできる。

センサ８６は、好ましくはブロック８６ａの一部を支持凸部１８に埋め込み、センサ８６をカセットホルダ１０Ｎに強固に固定すると共に、センサ部分がカセットホルダ１０Ｎ内面に突出する占有スペースを少なくする。センサ８６の埋め込みは、カセットホルダ１０Ｎの樹脂成型時にインサート成型により行うことができる。この方法であればセンサ８６を位置決めした状態で確実に固定できる。ただ、センサの固定は接着剤や両面テープなどによる固定とすることもできる。

このようにして構成されたセンサ８６は、電池セル２を図１５および図１６に示すようにカセットホルダ１０Ｎに装着することで、所定位置、すなわち電池セル２を構成する単電池１の連結界面に挿入される。上述のように電池セル２は、単電池１との連結界面を絶縁性のＯリング３で保護している。Ｏリング３は、連結界面を含むように単電池１を跨って側面を捲回した絶縁性のキャップである。電池セル２を位置決嵌着部１４にセットすると、予め位置決めして配置された円柱状のセンサ検知部８６ｂ先端がＯリング３を破断して単電池連結界面に挿入され、対向する単電池１の電極面で検知部８６ｂが挟持されてセンサ８６と単電池１とが接触される。またセンサ８６で検知された信号を送出するためのリード線８８は予めカセットホルダ１０Ｎに配線されている。これによって、電池セル２をカセットホルダ１０Ｎにセットすると同時にセンサ８６の配置が行われるので、従来のように電池セルの装着後にセンサを電池セルの所定の位置に固定し配線する作業が大幅に簡略化される。
（冷却隙間の確保）

またセンサ８６を支持凸部１８に配置することで、電池セル２を冷却する冷却隙間の経路を妨げないという利点も得られる。上述の通り、支持凸部１８は電池セル２を位置決嵌着部１４から浮かすように支承することで、電池セル２の周囲に冷却空気を通過させる冷却隙間を構成している。冷却空気との熱交換により電池セルを冷却するという構成上、電池セルはできる限り広い面積で冷却空気に晒されるよう、広い冷却隙間を確保することが望ましい。いいかえると、電池セルと接触する部材は少ない程好ましい。一方でセンサは電池セルをモニタするために電池セルと接触させて配置する必要がある。そこで本実施の形態では、電池セル２を支承して冷却隙間を構成するために最低限必要な支持凸部１８にセンサ８６を配置する構成とすることで、冷却隙間を占有することなく電池セルとの接触を得、電池セルの監視を実現している。これによって、冷却隙間は従来と同様に確保でき、センサを設けることによる電池セルの冷却性能の低下を回避できる。

なお、上記の例では支持凸部１８を電池セル２の断面に対して十字方向、すなわち上下左右に計４箇所設けているが、支持凸部を約１２０°毎に離間して３つ、あるいは１８０°離間して２つとすることもできる。支持凸部を少なくすることで、冷却隙間を広く確保できる。また逆に支持凸部を５つ以上配置し、各々の支持凸部の幅すなわち電池セルの円周方向に接触する円弧を小さくすることもできる。

また上記の例では、センサは下カバー片の支持凸部に配置しているが、上ケース片の支持凸部に設けてもよいことはいうまでもない。この場合は、下ケース片に電池セルをセットして上ケース片を閉塞すると、上ケース片の内面に突出したセンサの検知部が電池セルの単電池連結界面に挿入される。あるいは、支持凸部を位置決嵌着部に設ける位置を、半円形の間着溝の底面から変更して、斜め４５℃の位置など任意の位置としてもよい。斜めに配置されるセンサは、円筒形の電池セルを配置する際に生じるデッドスペースを有効利用できる。例えば該デッドスペースにセンサを埋め込み、検知面のみを位置決嵌着部から突出させることで、大きめのセンサを使用することもできる。
（センサ内蔵電池セル）

上記の例では、ホルダ側にセンサを配置して電池セルのセットすることでセンサと電池との接触を得ている。一方、予め電池セルにセンサを内蔵し、この電池セルをホルダにセットしてセンサとの配線を行う構成とすることもできる。このような本発明の他の実施の形態を、図１８に基づいて説明する。図１８は、センサ８６Ｂを内蔵する電池セル２Ｂを示す断面図である。この図に示す電池セル２Ｂは、上記と同様複数の単電池１を直線状に接続して、連結界面をＯリング３で被覆している。また連結界面において、対向する単電池１の端面で挟着されるようにセンサ８６Ｂを配置している。センサ８６Ｂは単電池１の端面の円から大きく外部に突出しないよう、円のほぼ内側に含まれるように配置される。またセンサ８６Ｂには電気信号を送出するためのリード線８８が接続されており、リード線８８はＯリング３から外部に延出されている。このように予めセンサ８６Ｂを実装した電池セル２Ｂを、上記図５等のカセットホルダ１０にセットし、リード線８８をコントロールユニットなどと接続するよう配線する。この電池セルを使用することでもセンサの固定作業を簡略化でき、特に多数の電池セルを使用する場合の電源装置の組立を安価かつ容易に行える。またこの電池セルは外部にセンサを突出させず、通常の電池セルとほぼ同じ大きさに維持できるため、センサの配置スペースを別途設ける必要がなく、既存のホルダを使用して安価かつコンパクトに電源装置にセットできる。さらに電池セル周囲に設けられる冷却隙間を占有あるいは妨げることもなく、冷却力を悪化させない利点も得られる。

本発明の電源装置および電源装置用電池セルは、ハイブリッドカーや電気自動車等の車両用電源装置など、高出力、大電流の電源装置およびこれに内蔵される電池セルとして好適に適用できる。

本発明の一実施の形態に係る電源モジュールを示す斜視図である。 図１の電源モジュールを示す平面図である。 図１の電源モジュールを示す側面図である。 図１の電源モジュールを示す正面図である。 カセットホルダに電池セルを収納する状態を示す斜視図である。 図５のカセットホルダの側面図である。 ベースフレーム上に載置された電源モジュールブロックを示す斜視図である。 図７の電源モジュールブロックの平面図である。 図７の電源モジュールブロックを締結バンドで固定した状態を示す斜視図である。 図９の電源モジュールブロックの正面図である。 図９の電源モジュールブロックの側面図である。 カセットホルダの表面で締結バンドを保持する部分を示す拡大断面図である。 カセットホルダ同士の連結状態の一例を示す斜視図である。 図１３のカセットホルダの連結状態を示す側面図である。 本発明の他の実施の形態に係る電源装置のカセットホルダの上カバー片を開いた状態を示す斜視図および要部拡大斜視図である。 図１５のカセットホルダの下カバー片を示す平面図である。 図１６のカセットホルダのＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線における垂直断面図である。 本発明の他の実施の形態に係る電源装置用電池セルを示す垂直断面図である。 電源装置の保護回路の一例を示す回路図である。

符号の説明

１００、３００…電源モジュール
１０００…電源モジュールブロック；１０００ａ…小ブロック
１…単電池
２…電池セル
３…Ｏリング
１０、１０Ｃ、１０Ｎ…カセットホルダ
１２…カバー片；１２Ａ、Ｇ…上カバー片；１２Ｂ、Ｈ…下カバー片
１４…位置決嵌着部
１６…嵌合突起
１８…支持凸部
２０…折曲連結部
２２…連結フック
２８…ベースフレーム
３２…モジュール連結部材
３３…嵌着凸部
３４…嵌着凹部
４２、４２Ａ〜Ｂ…凸条
４４…締結バンド
４６…バンドガイド
８６、８６Ｂ…センサ；８６ａ…ブロック；８６ｂ…検知部
８８…リード線
９０…電源装置
９１…電池ホルダ
９２…電流センサ
９３…ヒューズユニット
９４…リレーユニット
９５…コントロールユニット
９６…ヒューズ

Claims (11)

1. 一以上の単電池を直線状に接続した電池セルを略平行に複数本並べ、かつこれらの電池セルを直列または並列に接続した電源モジュールをホルダに内蔵する電源装置であって、
   前記ホルダは、その内面に前記電池セルを位置決めした状態で保持するための位置決嵌着部と、
   前記位置決嵌着部に保持される電池セルの状態を把握するセンサであって、該電池セルを構成する単電池同士を接続する界面に挿入されるよう、前記位置決嵌着部から電池セルに対して突出して設けられるセンサと、
   を備えてなり、電池セルを前記ホルダの位置決嵌着部に挿入することで、前記センサが単電池同士の接続界面に位置決めして挿入されるよう構成されてなることを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置であって、
   前記ホルダは、複数のカセットホルダを連結することで構成され、各カセットホルダは他のカセットホルダ同士と連結するためのモジュール連結部材を一面に備えており、モジュール連結部材でカセットホルダ同士を連結して複数の電源モジュールを連結した電源モジュールブロックを構成してなり、
   前記カセットホルダが、保持する電池セルの両面をカバーする一対のカバー片に分割されており、一対のカバー片は対向する一方の側面に折曲可能な折曲連結部を固定して互いに連結されると共に、前記折曲連結部を設けた側と反対の側面に一対のカバー片を嵌合して連結する連結フックを設けており、一対のカバー片を折曲連結部と連結フックとで固定状態とし電池セルがカセットホルダから脱離しないよう保持してなり、
   前記位置決嵌着部に電池セルを挿入して前記一対のカバー片を固定した状態で、前記位置決嵌着部から突出するセンサが電池セルに対して位置決めされた状態で電気的に接触状態に保持されてなることを特徴とする電源装置。
3. 請求項２に記載の電源装置であって、
   前記カセットホルダは、前記位置決嵌着部の一部を突出させて支持凸部とし、前記支持凸部で前記電池セルの長手方向に沿った側面を部分的に押圧するように保持することで、前記位置決嵌着部に電池セルをセットした状態で電池セルと位置決嵌着部との間で電池セルの長手方向に沿って冷却空気を流すための冷却隙間を構成し、さらに前記支持凸部にセンサを固定することにより、センサを単電池同士の接続界面に挿入すると共に冷却隙間を妨げないよう構成されてなることを特徴とする電源装置。
4. 請求項２または３に記載の電源装置であって、
   前記電池セルを構成する単電池が円筒形であり、前記電池セルを保持する位置決嵌着部が前記単電池の円筒形に沿うように前記上カバー片と下カバー片とが各々半円形に形成されてなることを特徴とする電源装置。
5. 請求項２から４のいずれかに記載の電源装置であって、
   前記カセットホルダが樹脂により構成されており、前記センサは樹脂のインサート成型によって、少なくとも一部をカセットホルダ内面に埋め込まれて固定されてなることを特徴とする電源装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の電源装置であって、
   前記電池セルが単電池同士の連結面を絶縁性のＯリングで被覆しており、
   前記電池セルを前記位置決嵌着部にセットする際、前記センサが前記Ｏリングを貫通して単電池同士の連結界面に挿入されてなることを特徴とする電源装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の電源装置であって、
   前記センサが電池セルの電圧、電流、温度の少なくとも何れか一以上を検出するセンサであることを特徴とする電源装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の電源装置であって、
   前記センサがサーミスタであることを特徴とする電源装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の電源装置であって、
   前記センサが、電池セルの異常を検出して電流量を抑制する電流抑制素子であることを特徴とする電源装置。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の電源装置であって、
    前記電流抑制素子がＰＴＣ素子であることを特徴とする電源装置。
11. 電動機器を駆動するための電力を供給可能な電源装置用電池セルであって、
    一以上の円筒形の単電池を長手方向に直列に電気的に接続し、前記単電池同士を接続する連結面で、隣接する単電池と電気的に接続されてこれら単電池の電圧、電流、温度の少なくとも何れか一以上を検出可能なセンサを配置しており、前記センサは対向する単電池の端面で挟着されて該端面の内側に含まれており、かつ連結面の周囲を絶縁性のＯリングで被覆してなることを特徴とする電源装置用電池セル。

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