JP2015162546A - 蓄電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】バスバーに応力が生じることを抑制することができる蓄電モジュールを提供する。
【解決手段】本発明に係る蓄電モジュール１００は、正極端子１７および負極端子１８が設けられた端子面１４を有する複数の蓄電セル１０と、蓄電セル１０の端子面１４と反対の面１５側から、蓄電セル１０を支持する弾性部４２を有する基材４０と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電モジュールに関する。

近年、高出力化および高電圧化を図るために、バスバーによって複数の蓄電セルを直列に接続した蓄電モジュールが知られている。このような蓄電モジュールは、例えば、自動車に搭載される。

上記のような蓄電モジュールにおいて、複数の蓄電セルは若干の公差を有している場合ある。例えば特許文献１には、電池集合体の複数の電池の重なり方向の公差を吸収するためにバスバーモジュールの長さが変動しても、カバー体は弾性変形部を備えているので、カバー体を、バスバーモジュールに対して容易に取り付けることができることが記載されている。

特開２０１１−２３８５４４号公報

上記のような蓄電モジュールにおいて、複数の蓄電セルは、高さ方向においても公差を有する場合がある。バスバーによって複数の蓄電セルを接続する場合は、例えば、複数の蓄電セルの正極端子および負極端子の高さ方向の位置を揃える必要がある。しかしながら、蓄電セルを収容するケースの底面の位置は、高い蓄電セルに合わせるので、低い蓄電セルは、宙吊り状態となってしまい、バスバーに応力が生じる場合がある。これにより、バスバーに金属疲労が生じ、バスバーが断裂してバスバーの抵抗が高くなる場合がある。

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、バスバーに応力が生じることを抑制することができる蓄電モジュールを提供することにある。

本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。

［適用例１］
本発明に係る蓄電モジュールの一態様は、
正極端子および負極端子が設けられた端子面を有する複数の蓄電セルと、
前記蓄電セルの前記端子面と反対の面側から、前記蓄電セルを支持する弾性部を有する基材と、
を含む。

［適用例２］
適用例１において、
前記弾性部は、板バネであってもよい。

［適用例３］
適用例１または２において、
前記蓄電セルは、前記端子面に接続された側面を有し、
前記基材は、前記側面と対向する面を備えた対向部を有していてもよい。

［適用例４］
適用例１ないし３のいずれか１例において、
隣り合う前記蓄電セルのうちの、一方の前記蓄電セルの前記正極端子と、他方の前記蓄電セルの前記負極端子と、を接続するバスバーを含んでいてもよい。

［適用例５］
適用例１ないし４のいずれか１例において、
前記蓄電セルは、リチウムイオンキャパシタであってもよい。

［適用例６］
本発明に係る蓄電モジュールの一態様は、
正極端子および負極端子が設けられた端子面を有する複数の蓄電セルと、
前記端子面の高さ方向の位置を調整する高さ調整部と、
を含む。

本発明に係る蓄電モジュールでは、複数の蓄電セルは、弾性部によって、高さ方向の位置を調整される。これにより、例えば、高さの小さい蓄電セルの端子面の高さ方向の位置と、高さの大きい蓄電セルの端子面の高さ方向の位置と、の差を、弾性部によって小さくすることができ、バスバーに応力が生じることを抑制することができる。

本実施形態に係る蓄電モジュールを模式的に示す分解斜視図。 本実施形態に係る蓄電モジュールを模式的に示す斜視図。 本実施形態に係る蓄電モジュールを模式的に示す断面図。 本実施形態に係る蓄電モジュールを模式的に示す断面図。 本実施形態に係る蓄電モジュールの基材を模式的に示す平面図。 本実施形態に係る蓄電モジュールの基材を模式的に示す側面図。 本実施形態に係る蓄電モジュールの基材を模式的に示す側面図。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、下記に記載された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変型例も含むものとして理解されるべきである。

１． 蓄電モジュール
まず、本実施形態に係る蓄電モジュールについて、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る蓄電モジュール１００を模式的に示す分解斜視図である。図２は、本実施形態に係る蓄電モジュール１００を模式的に示す斜視図である。図３は、本実施形態に係る蓄電モジュール１００を模式的に示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図４は、本実施形態に係る蓄電モジュール１００を模式的に示す図３の領域ＩＶの拡大図である。図５は、本実施形態に係る蓄電モジュール１００の基材４０を模式的に示す平面図である。図６および図７は、本実施形態に係る蓄電モジュール１００の基材４０を模式的に示す側面図である。

なお、図３および図４では、蓄電セル１０を簡略化して図示している。また、図１〜図７では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。また
、図５は、基材４０をＺ軸方向から見た図である。図６は、基材４０をＹ軸方向から見た図である。図７は、基材４０をＸ軸方向から見た図である。

蓄電モジュール１００は、図１〜図７に示すように、蓄電セル１０と、バスバー２０と、ケース体３０と、カバー体３４と、弾性部４２を有する基材４０と、第１絶縁部材５０と、第２絶縁部材５２と、を含む。

蓄電セル１０は、複数設けられている。蓄電セル１０の数は、特に限定されない。複数の蓄電セル１０は、積層されている。図示の例では、複数の蓄電セル１０は、Ｙ軸方向に積層されている。具体的には、蓄電セル１０は４つ設けられ（蓄電セル１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）、蓄電セル１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、この順でＹ軸方向に配列されている。

複数の蓄電セル１０の高さ（Ｚ軸方向の大きさ）は、例えば異なる。図３および図４に示す例では、蓄電セル１０ｂの高さは、蓄電セル１０ａ，１０ｃ，１０ｄの高さと異なる。例えば、蓄電セル１０の高さは、５０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であればよく、好ましくは６０ｍｍ以上８０ｍｍ以下であり、さらに好ましくは７０ｍｍ以上７５ｍｍ以下であり、蓄電セル１０ｂと蓄電セル１０ｃとの高さの差ΔＨは、０を超え２ｍｍ以下である。

蓄電セル１０は、例えば、リチウムイオンキャパシタ、二次電池、電気二重層キャパシタである。以下では、蓄電セル１０を、リチウムイオンキャパシタであるとして説明する。なお、リチウムイオンキャパシタとは、電気二重層キャパシタの原理を使いながら負極材料としてリチウムイオン吸蔵可能な炭素系材料を用い、負極材料にリチウムイオンをインターカレートすることでエネルギー密度を向上させたキャパシタである。

蓄電セル１０は、外装体１１と、封口板１２と、正極端子１７と、負極端子１８と、を有している。

外装体１１は、図示はしないが、電極体および電解液を収容している。電極体の形態は、シート状の、正極、負極、リチウム極、およびセパレータを重ねて積層シートを形成し、該積層シートを捲回させた捲回型でもあってもよいし、該積層シートを複数積層させた積層型であってもよい。正極の正極活物質層として、例えば、活性炭、芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であるポリアセン系物質（ＰＡＳ）を用いる。負極の負極活物質層として、例えば、黒鉛（グラファイト）、難黒鉛化炭素（ハードカーボン）を用いる。リチウム極は、電解液に溶解してリチウムイオンとなることができ、リチウムイオンは、電気化学的に電解液を介して負極の負極活物質層にドープ（「プレドープ」ともいえる）されることができる。その結果、負極の電位を下げることができ、高容量、高エネルギー密度化を図ることができる。

外装体１１の形状は、電極体および電解液を収容することができれば、特に限定されないが、図示の例では、外装体１１は、その厚さ（Ｙ軸方向の大きさ）を、幅（Ｘ軸方向の大きさ）および高さ（Ｚ軸方向の大きさ）より小さくした略箱型の形状を有している。外装体１１は、上方に（＋Ｚ軸方向に）開口を有している。外装体１１の材質は、例えば、アルミニウム、ステンレス、鉄等である。

封口板１２は、外装体１１の開口に設けられている。封口板１２は、溶接によって、外装体１１に接合されていてもよい。封口板１２の形状は、外装体１１の開口を封止できれば、特に限定されない。封口板１２としては、例えば、アルミニウム、ステンレス、鉄などからなる金属板上に（＋Ｚ軸方向に）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などからなるガスケット（図示せず）を設けたものを用いる。なお、負極端子１８側は
、封口板１２の金属板に対してガスケットがインサート樹脂成型された構成となっていることから、封口板１２の金属板と負極端子１８とは電気的に絶縁された構成となる。そのため、正極端子１７と負極端子１８とは絶縁を保つことが可能となる構成となっている。

封口板１２には、安全弁１３が設けられている。安全弁１３は、外装体１１および封口板１２によって規定される空間（密閉空間）の圧力が所定値以上に上昇した場合に開弁し、密閉空間のガスを、外部に放出することができる。これにより、密閉空間の圧力が上昇することを抑制することができる。

蓄電セル１０は、端子面１４と、端子面１４と反対の面（底面）１５と、側面１６と、を有している。端子面１４は、正極端子１７および負極端子１８が設けられた面である。端子面１４は、封口板１２の面である。図示の例では、端子面１４は、＋Ｚ軸方向を向く面である。底面１５は、外装体１１の面である。図示の例では、底面１５は、−Ｚ軸方向を向く面である。側面１６は、端子面１４に接続された面である。側面１６は、例えば、外装体１１の面のうち最も面積が大きい面である。図示の例では、側面１６は、＋Ｙ軸方向または−Ｙ軸方向を向く面である。

正極端子１７は、端子面１４に設けられている。正極端子１７は、正極と電気的に接続されている。正極端子１７の形状は、例えば、板状である。図示の例では、正極端子１７には、ボルト７が設けられている。正極端子１７およびボルト７の材質は、例えば、アルミニウムである。

負極端子１８は、端子面１４に設けられている。負極端子１８は、負極と電気的に接続されている。負極端子１８の形状は、例えば、板状である。図示の例では、負極端子１８には、ボルト８が設けられている。負極端子１８およびボルト８の材質は、例えば、銅、ニッケルである。

バスバー２０は、複数の蓄電セル１０を直列に接続している。バスバー２０は、隣り合う蓄電セル１０のうちの、一方の蓄電セル１０の正極端子１７と、他方の蓄電セル１０の負極端子１８と、を接続している。図示の例では、バスバー２０は、３つ設けられている（バスバー２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）。バスバー２０ａは、蓄電セル１０ａの負極端子１８と、蓄電セル１０ｂの正極端子１７と、を接続している。バスバー２０ｂは、蓄電セル１０ｂの負極端子１８と、蓄電セル１０ｃの正極端子１７と、を接続している。バスバー２０ｃは、蓄電セル１０ｃの負極端子１８と、蓄電セル１０ｄの正極端子１７と、を接続している。

バスバー２０には、例えば、貫通孔が設けられており、該貫通孔にボルト７，８を通して図示せぬナットで締結することにより、バスバー２０を蓄電セル１０に固定することができる。バスバー２０の材質は、例えば、銅、アルミニウムである。また、バスバー２０と正極端子１７または負極端子１８を直接溶接によって接合することも可能である。この場合、ボルトおよびナットを設ける必要がないため、軽量化を図ることが可能となる。

ケース体３０は、蓄電セル１０およびバスバー２０を収容している。ケース体３０の形状は、蓄電セル１０およびバスバーを収容することができれば、特に限定されない。ケース体３０は、下方に（−Ｚ軸方向に）開口３２を有している。ケース体３０の材質は、例えば、プラスチック等の絶縁性物質である。

カバー体３４は、ケース体３０上に設けられている。カバー体３４の材質は、例えば、ケース体３０と同じである。ケース体３０およびカバー体３４によって記載される空間２（図３参照）には、蓄電セル１０の電圧を制御する制御基板（図示せず）が設けられてい
てもよい。カバー体３４には、例えば、基材４０を固定するための留め具３６が装着される。

基材４０の材質は、例えば、鉄やステンレスである。基材４０は、底部４１と、底部４１に接続された対向部４３と、を有している。

基材４０の底部４１は、蓄電セル１０の下方に（−Ｚ軸方向に）位置している。底部４１は、弾性部４２を有している。弾性部４２は、例えば、板バネである。弾性部４２は、蓄電セル１０の底面１５側から、第２絶縁部材５２を介して蓄電セル１０を支持している。弾性部４２は複数設けられ、複数の蓄電セル１０の各々の下方に設けられている。弾性部４２は、例えば、蓄電セル１０をバスバー２０側に付勢することができる。そのため、複数の蓄電セル１０は、弾性部４２によって、高さ方向（Ｚ軸方向）の位置を調整される。図４に示す例では、蓄電セル１０ｂの底面は、蓄電セル１０ｃの底面よりも＋Ｚ軸方向側に位置している。弾性部４２は、例えば、蓄電セル１０の端子面１４の高さ方向（Ｚ軸方向）の位置を調整する高さ調整部である。蓄電モジュール１００では、弾性部４２によって、例えば複数の蓄電セル１０の高さの公差を吸収することができる。

なお、弾性部４２は、蓄電セル１０の底面１５側から、蓄電セル１０を支持することができれば、板バネに限定されない。また、弾性部４２の形状は、蓄電セル１０の底面１５側から、蓄電セル１０を支持することができれば、特に限定されない。

基材４０の対向部４３は、図３に示すように、蓄電セル１０の側面１６と対向する対向面４４を備えている。具体的には、対向面４４は、ケース体３０を介して、側面１６と対向している。図示の例では、対向部４３は、複数の蓄電セル１０の＋Ｙ軸方向側と−Ｙ軸方向側とに２つ設けられている。対向部４３は、弾性部４２を有する底部４１と一体に設けられている。

基材４０の対向部４３の先端（＋Ｚ軸方向側）には、図１に示すように、カバー体３４と留め具３６とに挟持される被挟持部４５が設けられている。被挟持部４５には開口部４６が形成されており、開口部４６に留め具３６の突起部３７を挿入して、突起部３７を被挟持部４５に引っ掛けることにより、基材４０をカバー体３４に固定することができる。

基材４０には、基材４０をケース体３０に固定するためのネジ孔４７が形成されている。例えば、ネジ４８を、ネジ孔４７、およびケース体３０に形成されたネジ孔３３に挿入することにより、基材４０をケース体３０に固定することができる。

第１絶縁部材５０は、隣り合う蓄電セル１０の間に設けられている。第１絶縁部材５０の材質は、例えば、プラスチック等の樹脂である。第１絶縁部材５０は、隣り合う蓄電セル１０の外装体１１が接触して導通することを防ぐことができる。さらに、第１絶縁部材５０は、隣り合う蓄電セル１０の間に空隙を形成することができ、蓄電セル１０の放熱性を向上させることができる。

第２絶縁部材５２は、蓄電セル１０と弾性部４２との間に設けられている。図示の例では、第２絶縁部材５２は、蓄電セル１０および弾性部４２と接触している。第２絶縁部材５２は、弾性部４２の変形に伴って、変形可能であってもよいし、Ｚ軸方向に移動可能であってもよい。第２絶縁部材５２は、第１絶縁部材５０と一体に設けられていてもよい。第２絶縁部材５２の材質は、例えば、第１絶縁部材５０の材質と同じである。第２絶縁部材５２は、基材４０の底部４１を介して複数の蓄電セル１０が導通することを防ぐことができる。

次に、蓄電モジュール１００の組み立て方法について、図面を参照しながら説明する。
まず、図１に示すように、複数の蓄電セル１０をバスバーによって直列に接続する。次に、基材４０の底部４１に、複数の蓄電セル１０および絶縁部材５０，５２を載置する。次に、上方からカバー体３４が設けられたケース体３０を、複数の蓄電セル１０に被せ、複数の蓄電セル１０をケース体３０に収容する。次に、ネジ４８を用いて、基材４０をケース体３０に固定する。次に、留め具３６によって、基材４０をカバー体３４に固定する。以上により、蓄電モジュール１００を組み立てることができる。

蓄電モジュール１００は、例えば、以下の特徴を有する。

蓄電モジュール１００では、端子面１４と反対側の底面１５から、蓄電セル１０を支持する弾性部４２を有する基材４０を含む。そのため、複数の蓄電セル１０の高さが異なる場合に、複数の蓄電セル１０は、弾性部４２によって、高さ方向（Ｚ軸方向）の位置を調整される。これにより、例えば、高さの小さい蓄電セル１０の端子面１４の高さ方向の位置と、高さの大きい蓄電セル１０の端子面１４の高さ方向の位置と、の差を、弾性部４２によって小さくすることができ、バスバー２０に応力が生じることを抑制することができる。その結果、蓄電モジュール１００では、バスバー２０に金属疲労が生じることを抑制することができ、バスバー２０が断裂してバスバー２０の抵抗が高くなることを抑制することができる。したがって、蓄電モジュール１００は、高い信頼性を有することができる。

蓄電モジュール１００では、基材４０は、蓄電セル１０の側面１６と対向する対向面４４を備えた対向部４３を有する。そのため、蓄電モジュール１００では、蓄電セル１０内に（外装体１１および封口板１２によって規定される空間に）ガスが発生した場合に、対向部４３によって蓄電セル１０が膨れることを抑制することができる。例えば基材の対向部が設けられていない場合では、蓄電セルが膨れることにより他の部材（例えば蓄電モジュールを車載用のモジュールとして用いる場合は、他の車載部材）に圧力がかかることがある。さらに、蓄電モジュール１００では、弾性部４２は、対向部４３を有する基材４０の一部であるため、弾性部と対向部とを別々の部材として設ける場合に比べて、部材数（部品数）を削減することができる。そのため、蓄電モジュール１００を組み立てる際の工数を削減することができる。

蓄電モジュール１００では、蓄電セル１０は、リチウムイオンキャパシタである。そのため、蓄電セル１０は、電気二重層キャパシタと比べて、大きなエネルギー密度や静電容量を有することができる。さらに、蓄電セル１０は、リチウムイオン二次電池と比べて、熱暴走を起こしにくく高い安全性を有することができる。

上述した蓄電モジュール１００は、例えば、自動搬送機、自動車、フォークリフト等の車載用途や、発電装置、風力発電装置等の静置用途などに適用することができる。

本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を包含する。また本発明は、上記の実施形態で説明した構成の本質的でない部分を他の構成に置き換えた構成を包含する。さらに本発明は、上記の実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成をも包含する。さらに本発明は、上記の実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成をも包含する。

２ 空間、７，８ ボルト、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 蓄電セル、１１ 外装体、１２ 封口体、１３ 安全弁、１４ 端子面、１５ 底面、１６ 側面、１７
正極端子、１８ 負極端子、２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ バスバー、３０ ケース体、３２ 開口、３３ ネジ孔、３４ カバー体、３６ 留め具、３７ 突起部、４０ 基材、４１ 底部、４２ 弾性部、４３ 対向部、４４ 対向面、４５ 被挟持部、４６ 開口部、４７ ネジ孔、４８ ネジ、５０ 第１絶縁部材、５２ 第２絶縁部材、１００ 蓄電モジュール

Claims (6)

1. 正極端子および負極端子が設けられた端子面を有する複数の蓄電セルと、
   前記蓄電セルの前記端子面と反対の面側から、前記蓄電セルを支持する弾性部を有する基材と、
   を含む、蓄電モジュール。
2. 請求項１において、
   前記弾性部は、板バネである、蓄電モジュール。
3. 請求項１または２において、
   前記蓄電セルは、前記端子面に接続された側面を有し、
   前記基材は、前記側面と対向する面を備えた対向部を有する、蓄電モジュール。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   隣り合う前記蓄電セルのうちの、一方の前記蓄電セルの前記正極端子と、他方の前記蓄電セルの前記負極端子と、を接続するバスバーを含む、蓄電モジュール。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記蓄電セルは、リチウムイオンキャパシタである、蓄電モジュール。
6. 正極端子および負極端子が設けられた端子面を有する複数の蓄電セルと、
   前記端子面の高さ方向の位置を調整する高さ調整部と、
   を含む、蓄電モジュール。

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