JP2013026191A - 電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】バスバーと電池セルの出力端子との位置ずれを吸収可能としつつ、電池セル同士の接続の信頼性を向上させる。
【解決手段】 出力端子を有し、外形が直方体形状に形成される電池セルを複数積層すると共に、出力端子を介して、隣接する電池セルを電気的に接続するバスバーを備えた電源装置であって、バスバーは、接続する電池セルの出力端子と対応する位置に形成される接続孔を有し、出力端子は、弾性変形可能に形成されると共に、弾性変形した状態で接続孔に嵌合して溶接固定される先端部を有することを特徴とする。
【選択図】図5
【解決手段】 出力端子を有し、外形が直方体形状に形成される電池セルを複数積層すると共に、出力端子を介して、隣接する電池セルを電気的に接続するバスバーを備えた電源装置であって、バスバーは、接続する電池セルの出力端子と対応する位置に形成される接続孔を有し、出力端子は、弾性変形可能に形成されると共に、弾性変形した状態で接続孔に嵌合して溶接固定される先端部を有することを特徴とする。
【選択図】図5
Description
本発明は、バスバーを介して、接続される複数の電池セルで構成される電源装置に関するものである。
ハイブリッドカーや電気自動車等には、電動機駆動用の高電圧出力の電源装置が備えられており、この電源装置は、複数の電池セルで構成されている。電池セルは直列に接続することで電源装置の出力電圧を高く、並列に接続することで電源装置の電流容量を大きくすることができる。電源装置を構成する電池セルとしては、繰り返し充放電ができるように、二次電池やキャパシタ等が使用される。
この種の電源装置としては、出力端子を有する電池セルを積層して形成される電池ブロックと、隣接する電池セルの出力端子を電気的に接続するバスバーとを備えた電源装置が知られている(特許文献1)。特許文献1の電源装置において、バスバーは、接続する出力端子と対応する位置に、出力端子を挿通可能に構成される接続孔が形成されており、バスバーの接続孔に出力端子を挿通し、溶接や半田付け等により、バスバーと出力端子とが電気的に接続される。バスバーを溶接で出力端子に固定した場合、バスバーの接触抵抗を小さくできる。特に、電気自動車等の大電流を扱う電源装置では、バスバーの接触抵抗が大きくなると発熱量が増えて電池セルに悪影響を及ぼすおそれがあるため、バスバーは出力端子に溶接されることが多い。
一方、電池セルの寸法のばらつきによって、出力端子同士の相対位置にずれが生じるため、この相対位置のずれを吸収できるように、バスバーに形成される接続孔は、出力端子の径よりも少許大きく形成する必要がある。しかしながら、接続孔の径が大きすぎると、バスバーと出力端子との間に大きな隙間ができ、バスバーと出力端子とをうまく溶接できないという問題がある。
上記問題を解決するために、溶接リングを介して、電池セルの出力端子とバスバーとを溶接する構成の電源装置が知られている(特許文献2)。図9乃至図11は、特許文献2の電源装置の構成を説明するための図で、301は電池セル、302はバスバー、303は電池セル301の出力端子、304は溶接リング、305はバスバー302に形成される接続孔である。特許文献2の電源装置は、出力端子303を有する電池セル301を積層して形成される電池ブロックと、隣接する電池セル301の出力端子303が挿通可能に構成されると共に、出力端子よりも少許大きい径の接続孔305が形成されるバスバー302と、出力端子303に嵌着され、バスバー302の接続孔305を閉塞する溶接リング304とを備え、溶接リング304の当接部分を溶接することで、バスバー302と出力端子303とを電気的に接続できるように構成されている。この構成により、特許文献2の電源装置は、出力端子303の位置ずれを接続孔305により吸収することができるようになっている。
前述の通り、特許文献2の電源装置は、出力端子同士の相対位置のずれに起因する問題を解決できるが、溶接リング304を介して、バスバー302と出力端子303は接続される構成であるため、図11に示すように、バスバー302と溶接リング304、出力端子303と溶接リング304の二箇所を溶接する必要がある。溶接箇所が増加すると、溶接の工程数が増加して生産効率が低下する上、確率的に溶接の不具合が生じる可能性が高くなるという問題がある。
本発明は、斯かる問題を鑑みてなされたもので、バスバーに対する電池セルの出力端子の位置ずれを吸収可能としつつ、電池セル同士の接続の信頼性を向上させることができる電源装置を提供することを課題とするものである。
第一の発明は、出力端子を有し、外形が直方体形状に形成される電池セルを複数積層すると共に、前記出力端子を介して、隣接する電池セルを電気的に接続するバスバーを備えた電源装置であって、前記バスバーは、接続する前記電池セルの前記出力端子と対応する位置に形成される接続孔を有し、前記出力端子は、弾性変形可能に形成されると共に、弾性変形した状態で前記接続孔に嵌合して溶接固定される先端部を有することを特徴とする。
第二の発明として、前記先端部は、中空の柱形状に形成されており、さらに前記先端部の先端には、前記先端部を分割するための切込部が形成されていることを特徴とする。
第三の発明として、前記先端部は、前記切込部が複数形成されていることを特徴とする。
第四の発明として、前記切込部は、コ字状の切り込みであることを特徴とする。
第五の発明として、前記切込部は、V字状の切り込みであることを特徴とする。
第六の発明として、前記先端部は、中空の柱形状に形成されると共に、中央側に折りこまれた折りこみ部を含むことを特徴とする。
第七の発明として、前記接続孔は、前記出力端子が挿入される挿入方向に向かって漸次狭くなるように傾斜した傾斜面を有することを特徴とする。
第八の発明として、前記出力端子は、正極側の出力端子と負極側の出力端子とで構成されると共に、前記正極側の出力端子と前記負極側の出力端子とは異なる材料で形成され、
前記出力端子のいずれか一方に、前記先端部を有することを特徴とする。
前記出力端子のいずれか一方に、前記先端部を有することを特徴とする。
請求項1の構成によると、出力端子は、弾性変形可能に構成される先端部を有しているので、バスバーの接続孔に出力端子を挿通する際、接続孔に先端部を弾性変形させて嵌合させることができ、出力端子と接続孔との位置ずれを吸収できる。さらに、嵌合した先端部は、接続孔に密着した状態でバスバーにしっかりと固定されているので、バスバーと出力端子とを容易に溶接することができ、電池セル同士の接続の信頼性を向上させることができる等の効果を奏する。
請求項2乃至請求項6の構成によると、簡単な構成で、先端部を弾性変形可能に形成することができる等の効果を奏する。
請求項7の構成によると、接続孔の傾斜面により、出力端子を挿通する際、接続孔に先端部を案内することができる等の効果を奏する。
請求項8の構成によると、より簡単な構成で、出力端子と接続孔との位置ずれを吸収でき、生産効率を高めることができる等の効果を奏する。
本発明の実施形態について図1乃至図8に基づいて、以下に詳述する。
図1は、本発明の実施形態における電源装置1の斜視図で、2は幅薄の直方体形状の電池セル、3は電池セル2を絶縁した状態で保持するセパレータで、電池セル2とセパレータ3とを交互に電池セル2の幅方向(以下、積層方向と称す)に積層することで、電池ブロック4を構成している。5は電池ブロック4の積層方向両端に配設される一対のエンドプレートで、該エンドプレート5に架設されるバインドバー6を介して、電池ブロック4を積層方向に加圧した状態で締結している。電池ブロック4を構成している電池セル2は、出力端子21が電池ブロック4の上面に位置するように配置されており、各電池セル2の出力端子21が近接するようになっている。各電池セル2の出力端子21は、バスバー7を介して、直列に接続されており、電池ブロック4と、エンドプレート5と、バインドバー6と、バスバー7とで、電源装置1を構成している。
図2は、本発明の実施形態における電源装置の分解斜視図であり、バインドバー6による電池ブロック4の締結の構造を示している。エンドプレート5は、外形が電池セル2の外形とほぼ等しい或いは少許大きい直方体形状で、アルミニウムやアルミニウム合金等の比較的高い強度を有する金属や硬質のプラスチック等で形成されている。加えて、エンドプレート5は、曲げ強度を高めるために、外側面に縦横に延設される補強リブ51を備え、外側表面には、バインドバー6を架設するためのネジ穴52が形成されている。
バインドバー6は、電池セル2の膨張を抑制できるように、充分な強度の金属板、例えばステンレス板や鋼板等の金属板で形成され、強度を高めるために、断面略コ字状に形成することが好ましい。また、バインドバー6は、金属板の両端が折り曲げられて形成される折曲部61を備えており、該折曲部61は、止めネジ8が挿通可能に形成される孔62を有している。バインドバー6は、止めネジ8を孔62に挿通した状態で、エンドプレート5のネジ穴52に螺合することで、エンドプレート5に固定され、該エンドプレート5を介して、電池ブロック4を積層方向に押圧するようになっている。
実際の組立工程では、エンドプレート5を積層方向に押圧するバインド治具を使って、電池ブロック4を積層方向に加圧し、電池ブロック4の両端に備えられているエンドプレート5にバインドバー6を架設して、ネジ止め固定する。この構成により、電池ブロック4を構成する電池セル2の充放電に伴う膨張を抑制でき、電池セル2の膨張による電池性能の劣化を抑制することができる。
尚、エンドプレート5の電池セル2との積層面を嵌合構造とすることで、電池セル2を定位置に固定して連結することもできる。このように構成することで、電池ブロック4をバインドバー6で締結する際、電池ブロック4とエンドプレート5との位置ずれを防止でき、バインドバー6による締結を容易に行うことができる。
図3は電池セル2の断面図である。22は上面を開口した幅薄の直方体形状に形成される外装缶、23は外装缶22の上面を気密に封止する封口板で、外装缶22の内部に発電要素として、電解液(図示せず)と電極板24とが封入される。出力端子21は、外装缶22内に配設されている電極板24と接続される。また、出力端子21は、封口板に固定するための端子固定部21aを備えており、先端を封口板23から突出させた状態で固定できるようになっている。尚、本実施形態では、端子固定部21aは、出力端子21と一体に構成されているが、別部品で構成しても良い。外装缶22と、封口板23と、電解液と、電極板24と、出力端子21と、端子固定部21aとで、電池セル2を構成している。電池セル2は、外装缶22及び封口板23を熱伝導性に優れた金属で形成することで、冷却性を向上させている。熱伝導性に優れた金属としては、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金等がある。また、出力端子21は、正極と負極で異なる材料で形成されており、例えば、電池セル2がリチウムイオン電池の場合、正極の出力端子がアルミニウム、負極の出力端子が銅で形成される。
図4は電池セル2とセパレータ3との積層の様子を説明するための分解斜視図である。セパレータ3は、電池セル2に挾着される本体部31と、該本体部31の上部及び下部の外周に立設される外周壁32とで構成されており、セパレータ3の前後(積層方向の両面)に電池セル2が嵌合するようになっている。33は本体部31の電池セル2と対向する面に形成され、セパレータ3の左右方向に延びる溝で、電池セル2をセパレータ3に嵌合させることで流路が形成される。この流路には、図示しない送風機から送風される冷却風が通過し、電池セル2を冷却できるようになっている。また、セパレータ3は絶縁材で形成されており、隣接する電池セル2を絶縁した状態で保持するようになっている。セパレータ3を形成する絶縁材としては、例えば、絶縁性、耐熱性に優れた樹脂やプラスチックが使用される。
上記実施形態において、電池セル2は、外装缶22を熱伝導性に優れた金属で形成することで、電池セルの冷却効率を高めるようになっているため、導電性を有する外装缶22内に電解液と電極板24が封入される構成となる。このように構成された電池セル2は、外装缶22の表面が、正極の電位と負極の電位の中間の電位となる。そのため、隣接する電池セル2を直列に接続する場合、隣接する外装缶22との間に電位差が生じ、外装缶22同士が当接して短絡するおそれがあるが、本実施形態では、セパレータ3を備えることで、電池セル2を絶縁状態で積層させることができるようになっている。
また、隣接する電池セル2の間にセパレータ3が介在させることで、隣接する電池セル2は、熱的にも遮断されているので、電池セル2の温度が異常に高くなって熱暴走する状態となっても、熱暴走が隣接する電池セル2の熱暴走を誘発するのを防止する作用もある。
さらに、セパレータ3は、嵌合している電池セル2を外周壁32により保持する構成となっているため、電池セル2の位置ずれを防止する効果がある。電池セル3を定位置で保持することで、出力端子21同士の相対位置のずれを防止でき、バインドバー6の締結を容易に行うことができる。
加えて、セパレータ3は、冷却風が通過する流路となる溝33を有しているため、溝33を介して、電池セル2の冷却を行うことができる。
尚、上記実施形態では、電池ブロック4は、電池セル2とセパレータ3とを交互に積層して形成しているが、セパレータ3を備えず、電池セル2のみを一方向に積層して形成しても良い。この場合、電池セル2の外装缶22を樹脂等の絶縁材で形成したり、外装缶22を囲繞する絶縁性のシュリンクチューブやゴム製チューブを備えたりすることで、隣接する電池セル2を絶縁する構成とすることが好ましい。
また、上記実施形態では、直方体形状の電池セル2として、外装缶22を備えた角形電池を用いる構成としているが、そのほかの電池セル、例えば、発電要素をラミネートフィルムで覆うことで形成されるラミネート電池であっても良い。ラミネート電池を用いた電源装置では、複数のラミネート電池を筐体に封入してモジュールを形成し、このモジュールを積層して電池ブロック4を構成する場合があるが、このような場合、モジュールが上記実施形態における電池セル2に相当する。また、ラミネート電池とラミネート電池を保持する枠体を備え、ラミネート電池を保持した枠体を積層して電池ブロックを構成する場合もあるが、この場合、ラミネート電池を保持した枠体が上記実施形態における電池セル2に相当する。すなわち、本発明において、電池セル2自体はどのような構成であっても良い。
さらに、上記実施形態では、電池セル2を冷却するために、セパレータ3に溝33を設ける構成としているが、電池セル2の冷却構造としては、上述した冷却風による冷却のほかに、電池ブロックに冷却プレートを接触させ、冷却プレート内に冷媒を循環させる構成も知られている。このような場合、セパレータ3に溝33を設ける必要はないので、セパレータ3を積層方向に薄くすることができる。また、電源装置の使用する条件によっては、特に電池セルを冷却するための構造を必要としない場合もある。
図5及び図6は、本発明の実施形態における電池セル2の出力端子21及びバスバー7の形状を示す断面図である。バスバー7には、接続する出力端子21と対応する位置に接続孔71が形成され、この接続孔71に出力端子21が挿入される。接続孔71は、図6に示すように、バスバー7の上面から下面にかけて広がるように傾斜した、即ち、出力端子21が挿入される方向に向かって漸次狭くなるように傾斜した傾斜面72を備えるように構成することが好ましい。傾斜面72を備える構成とすることで、出力端子21を接続孔71へ案内することができる。
図6乃至図8は、本発明の実施形態におけるいくつかの出力端子21の形状を例示する斜視図である。出力端子21は、平板状の端子固定部21aと、該端子固定部21aから立設される先端部21bとを有しており、端子固定部21aと先端部21bとは一体に形成される。先端部21bは中空でかつ有底の柱形状に形成され、好ましくは円柱形状に形成される。
図6に示す出力端子21は、先端部21bにコ字状に切り込みが形成される複数の切込部21Cを備えており、先端部21bの厚さは、先端部21bが弾性変形可能となる厚さに形成されている。例えば、先端部21bは、アルミニウムや銅で形成され、厚さが1〜3mm程度となるように形成される。この構成よると、先端部21bの先端は、中央に向かって倒れるように弾性変形させることができる。そのため、バスバー7の接続孔71に出力端子21を挿入する際、接続孔71に対して、出力端子21の位置がずれていても、出力端子21の先端部21bが弾性変形して、その位置ずれを吸収することができる。特に、バスバー7の接続孔71には傾斜面72が形成されているので、先端部21bを傾斜面72に沿って弾性変形させることができる。そのため、先端部21bと接続孔71の縁とが密着し、バスバー7と出力端子21との溶接を容易とすることができ、溶接の不具合の発生も抑制することができる。
尚、先端部21bは、中央に向けて倒れるように弾性変形した際、変形の応力が先端部21bの基端側、即ち、端子固定部21aから立ち上がる先端部21bの根元部分に集中するため、先端側と比較して、先端部21bの基端側を厚く形成し、先端部21bの強度を高めるように構成しても良い。また、先端部21bを変形容易に構成するために、先端が中央に向かって傾斜するように先端部21bを形成しても良い。
図7は他の一例として示される出力端子21の斜視図である。図7において、先端部21bは、先端側にV字状の切り込みが形成される複数の切込部21Dを備えており、先端部21bが弾性変形可能となる厚さに形成されている。この構成によると、先端部21bの先端は、中央に向かって倒れるように弾性変形させることができることに加えて、コ字状の切り込みを設ける構成と比較して切り込み部分の体積を少なくすることができる。つまり、応力が集中しやすい先端部21bの基端側の強度を高めることができるので、図6の形態の出力端子21と比較して、先端部21bの厚さを薄くすることができる。
図8は他の一例として示される出力端子21の斜視図である。図8において、先端部21bは、中央に折りこまれた折りこみ部21Eを複数備えている。尚、折りこみ部Eを形成する部分の厚さは、先端部21bの他の部分と比べて、薄くなるように形成することが好ましい。図8に示す出力端子21の形状は、図6や図7のような切り込みを設ける形状と比較して、先端部21bの強度を高めることができる。
先端部21bの弾性変形の容易性と、先端部21bの強度とはトレードオフの関係にあり、図6に示した形状の出力端子21は、弾性変形の容易性に優れ、図8に示した形状の出力端子21は、先端部21bの強度が高く、図7に示した形状の出力端子21は、図6と図8に示した形状の出力端子21の中間の特徴を備えている。また、図6乃至図8に示した形状はあくまで例示であり、本発明の趣旨を損なわない程度の形状の変更は可能である。図6乃至図8において、先端部21bは、各々、最良の形態として、切込部21C、切込部21D、折りこみ部21Eを複数備える構成となっているが、必ずしも複数備える必要があるわけではなく、一つだけ備える構成であっても良い。
尚、各電池セル2に備えられている二つの出力端子21の両方を、図6乃至図8に例示されるような、先端が弾性変形可能に構成される出力端子の形状とすることもできるが、片方の出力端子21のみ、例えば、正極側の出力端子21のみとしても良い。上述した通り、一般には、電池セルの出力端子は、正極側と負極側とで材料が異なっており、リチウムイオン電池の場合では、正極側の出力端子はアルミニウム、負極側の出力端子は銅で形成されるため、正極側の出力端子のほうが形状の加工が容易である。また、使用する二次電池の種類によっては、正極側の出力端子よりも負極側の出力端子のほうが、加工が容易な材料で形成されることもあり得る。そのような場合は、負極側の出力端子を先端が弾性変形可能な形状に形成しても良い。この構成によると、より簡単な構成で、バスバーと出力端子との位置ずれを吸収させることができるので、生産効率を高めることができる。
而して、上記実施形態の電源装置は、以下のようにして組み立てることができる。
電池セル2とセパレータ3を交互に積層して電池ブロック4を形成する。電池ブロック4の積層方向両端にエンドプレート5を配置し、エンドプレート5にバインドバー6を架設して締結する。この時、電池ブロック4を構成する電池セル2の出力端子21は、電池ブロック4の上面に並ぶように位置している。そして、隣接する電池セル2を電気的に接続するために、接続する電池セル2の出力端子21をバスバー7の接続孔71に挿通する。この時、出力端子21の先端部21bは、図6乃至図8に例示されるような形状に形成されているので、接続孔71の傾斜面72によって、先端部21bが接続孔71に案内されると共に、弾性変形して接続孔71に嵌合する。接続孔71に嵌合した出力端子21の先端部21bは、接続孔71の縁に当接しており、その当接部分をレーザ溶接により、バスバー7と出力端子21とを溶接する。
このようにして形成された電源装置は、出力端子を接続孔に嵌合させた状態で、バスバーと出力端子を確実に溶接することができるので、接続の信頼性を高めることができる。また、弾性変形可能に形成されているため、図9乃至図11に示す溶接リング304を介することなく、バスバーと出力端子との位置ずれを吸収することができるので、溶接リング304のコストを削減することができる。
尚、近年では、電池ブロック4を構成する電池セル2は、直列に接続されるだけでなく、高電流容量の電源装置1とするために、並列に接続されることがある。並列接続を含んだ電池ブロック4の構成としては、例えば、二つの電池セル2を並列に接続し、残り二つを直列に接続できるように、4つの電池セル2を接続するバスバーを備える構成等が知られている。このような構成の場合においても、上述したように出力端子21の先端部21bを弾性収縮可能に構成することで、バスバーと電池セル2の出力端子21との位置ずれを吸収可能としつつ、電池セル2同士の接続の信頼性を向上させることができる。特に、並列接続を含む電池ブロック4は、一つのバスバーに対して、接続される電池セル2の数が多くなるため、出力端子21のバスバーに対する位置ずれが顕著になるが、本発明によると、上述の通り、簡単な構成で、出力端子の位置ずれの問題を解決することができる。
以上の電源装置は、車載用の電源として利用できる。電源装置を搭載する車両としては、エンジンとモータのみで走駆するハイブリッド自動車やプラグインハイブリッド自動車、またはモータのみで走行する電気自動車等の電動車両が利用でき、これらの車両の電源として使用される。
また、車両用の電源装置のほかに、コンピュータサーバのラックに搭載可能なバックアップ電源装置、携帯電話等の無線基地局用のバックアップ電源装置、家庭内用、工場用の蓄電用電源、街路灯の電源等、太陽電池と組み合わせた蓄電装置、信号機等のバックアップ電源用等の用途にも適宜利用できる。
本発明は、複数の電池セルを積層して形成する電源装置に広く利用可能である。
1 電源装置
2 電池セル
21 出力端子
21a 端子固定部
21b 先端部
21C 切込部
21D 切込部
21E 折りこみ部
22 外装缶
23 封口板
24 電極板
3 セパレータ
31 本体部
32 外周壁
33 溝
4 電池ブロック
5 エンドプレート
51 補強リブ
52 ネジ穴
6 バインドバー
61 折曲部
62 孔
7 バスバー
71 接続孔
72 傾斜面
8 止めネジ
2 電池セル
21 出力端子
21a 端子固定部
21b 先端部
21C 切込部
21D 切込部
21E 折りこみ部
22 外装缶
23 封口板
24 電極板
3 セパレータ
31 本体部
32 外周壁
33 溝
4 電池ブロック
5 エンドプレート
51 補強リブ
52 ネジ穴
6 バインドバー
61 折曲部
62 孔
7 バスバー
71 接続孔
72 傾斜面
8 止めネジ
Claims (8)
- 出力端子を有し、外形が直方体形状に形成される電池セルを複数積層すると共に、前記出力端子を介して、隣接する電池セルを電気的に接続するバスバーを備えた電源装置であって、
前記バスバーは、接続する前記電池セルの前記出力端子と対応する位置に形成される接続孔を有し、
前記出力端子は、弾性変形可能に形成されると共に、弾性変形した状態で前記接続孔に嵌合して溶接固定される先端部を有することを特徴とする電源装置。 - 前記先端部は、中空の柱形状に形成されており、さらに前記先端部の先端には、前記先端部を分割するための切込部が形成されていることを特徴とする請求項1記載の電源装置。
- 前記先端部は、前記切込部が複数形成されていることを特徴とする請求項2記載の電源装置。
- 前記切込部は、コ字状の切り込みであることを特徴とする請求項2または請求項3記載の電源装置。
- 前記切込部は、V字状の切り込みであることを特徴とする請求項2または請求項3記載の電源装置。
- 前記先端部は、中空の柱形状に形成されると共に、中央側に折りこまれた折りこみ部を含むことを特徴とする請求項1記載の電源装置。
- 前記接続孔は、前記出力端子が挿入される挿入方向に向かって漸次狭くなるように傾斜した傾斜面を有することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の電源装置。
- 前記出力端子は、正極側の出力端子と負極側の出力端子とで構成されると共に、前記正極側の出力端子と前記負極側の出力端子とは異なる材料で形成され、
前記出力端子のいずれか一方に、前記先端部を有することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の電源装置。
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Cited By (5)
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