JP5180505B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電池の設置に関する。本発明は特に、工場、ビル、発電施設等で電力貯蔵施設として使用されるリチウムイオン二次電池の設置構造に関する。

電力貯蔵用電池の収納構造は、スチールラック式、ユニット式、キュービクル式など様々なものがある。スチールラック式とユニット式は特別に電池室を用意する必要があるのに対して、キュービクル式では電池モジュールが鋼板製のキュービクルに収納されるため、容易に屋内外に設置することができ、利便性が高い。

以下に先行技術文献を記載する。これらの文献の内容については、［発明が解決しようとする課題］欄を参照。
特許第３５６５２７１号公報 特許第３８４２０１０号公報 特開２００３−１７８７２３号公報

工場・ビル・発電施設等に設置される電力貯蔵システムが知られている。こうした電力貯蔵システムは、工作機械やエレベータ等が生じる振動を定常的・高頻度に受ける。こうした場合、電力貯蔵システムが受ける振動は、建屋の基礎、梁、床などからの鉛直方向（上下方向）の成分が支配的であると考えられる。本発明の発明者らは、リチウムイオン二次電池を用いた電力貯蔵システムで、こうした環境での利用に適したシステムの開発を進めている。

そこで本発明の目的は、定常的な振動を受ける環境において長期間使用される電力貯蔵システムの耐振動性を向上することである。
本発明の他の目的は、耐振性と共に難燃性の高い電力貯蔵システムを提供することである。

電池の防振構造に関する先行技術として、特許文献１には、組電池内に設置された複数の素電池においてガスが発生したとしても、ガスを組電池の外部に放出するガス抜け構造を提供すると共に、外部からの加振対策を図ることでガス抜け構造と防振構造の両立を図った組電池及びその製造方法が記載されている。

特許文献２には、車載用の電子機器の耐振性に関する技術が記載されている。

特許文献３には、電池の耐振性に関する技術が記載されている。この技術においては、底板部及び側板部を備えた有底筒状の電池容器の、底板部の外面が外底面防振シートで被覆されるとともに、側板部の外面が外側面防振シートで被覆される。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明による電力貯蔵システムは、以下のような構成を備える。キュービクル型の棚に、複数のリチウムイオン二次電池のモジュールケースが置かれる。各々のモジュールケースの内部に複数の単電池が配置される。単電池は、モジュールケースの底から板バネを介して浮いた状態で支持される。隣接する単電池は、波板状の金属板によって電気的に接続される。隣接する電池モジュールも、波板状の金属板によって電気的に接続される。リチウムイオン二次電池の状態を監視する監視回路は、モジュールケースの前面に骨組状の弾性部材を介して、モジュールケースから横に浮いた状態で支持される。こうした構成により、長時間の振動に対して信頼性の高い電力貯蔵システムが実現される。

より詳細には、本発明による電池モジュール（１０）は、棚に支持される第一モジュールケース（２４）と、第一モジュールケース（２４）に収納された第一電池（２６）と、第一電池の第一電極（３０）に接続された第一部分（４０−１）と、第一部分に接続された第二部分（４０−２）と、第二部分の第一部分と反対側に接続された第三部分（４０−３）とを備えた金属板（２８）とを備える。第二部分は、第一部分及び第三部分よりも同一の力を加えられたときに大きく弾性変形する。

本発明による電池モジュール（１０）は、棚に支持される第二モジュールケース（２４）と、第二モジュールケース（２４）に収納され、金属板（２８）の第三部分（４０−３）側に接続された第三電池とを備える。

本発明による電池モジュール（１０）において、第一モジュールケース（２４）は棚（８）と接する底面にバネ（５４）を備える。

本発明による電池モジュール（１０）において、第一電池（２６）の底面は、第一モジュールケース（２４）の内側の底面に対して浮いている位置に支持される。

本発明による電池モジュール（１０）において、第一モジュールケース（２４）が棚（８）に置かれたとき第一電極（３０）は第一電池（２６）の上に位置する。金属板（２８）は、第一電極に接続されたとき水平方向に主面を有する。

本発明による電池モジュール（１０）において、第一モジュールケース（２４）の内側の底面には上下方向に弾性変形するバネ（４０、４６、５２）が配置される。第一電池（２６）はバネによって支持される。

本発明による電池モジュール（１０）は、第一モジュールケース（２４）に収納され、金属板の第三部分（４０−３）側に接続された第二電極（３０）を備えた第二電池（２６）を備える。

本発明による電池モジュール（１０）において、第一モジュールケース（２４）の内側の底面には上下方向に弾性変形するバネ（４６、５２）が配置される。電池モジュール（１０）は更に、バネに支持され、第一電池と第二電池とを共に支持する支持板（４８、５０）を備える。

本発明による電池モジュール（１０）は、第一電池（２６）と第二電池（２６）とを共に支持し、下面に下面バネ（５２）を備え、下面バネによって第一モジュールケース（２４）の内側の底面に支持される可動板（５０）を備える。

本発明による電池モジュール（１０）において、第一電池はリチウムイオン二次電池である。電池モジュール（１０）は、第一モジュールケース（２４）の側面に配置され、第一電池（２６）の状態を監視する監視回路（１８）を備える。

本発明による電池モジュール（１０）において、監視回路は、第一モジュールケース（２４）に対して弾性的に接続される。

本発明による電池モジュール（１０）は、監視回路取付部を備える。監視回路取付部は、第一モジュールケース（２４）の側面に接続される接続部（３４）と、接続部に接続される取付部（３７）とを備える。監視回路（１８）は、取付部によって取付部よりも側面側に支持される。

本発明による電池モジュール（１０）において、取付部（３７）は、接続部（３４）に脱着可能に接続される。

本発明による電池モジュール（１０）において、取付部（３７）は、監視回路（１８）に対して第一モジュールケース（２４）の反対側に貫通孔を有する。

本発明による電力貯蔵システム（１）は、本発明による電池モジュール（１０）と、互いに電気的に接続される複数の電池モジュールを非固定的に支持する棚（８）とを備える。

本発明により、定常的な振動を受ける環境において長期間使用される電力貯蔵システムの耐振動性を向上することができる。
さらに本発明により、耐振性と共に難燃性の高い電力貯蔵システムが提供される。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１には、電力貯蔵システムの構成が示されている。電力貯蔵システム１は筐体６を備える。筐体６は工場、ビル、発電施設などの施設の基礎２にアンカボルト４で固定される。筐体６の内部の空洞には、機材を置くための場所を提供するための棚材８が設置される。

棚材８の上に複数のモジュール１０が置かれる。モジュール１０は特に棚材８に固定される必要は無い。複数のモジュール１０の各々は、内部のリチウムイオン二次電池により電力を発生し、その電力を外部に設けられた端子から供給する。モジュール１０の棚材８の上に置かれたとき正面となる側には、リチウムイオン二次電池の状態（過充電、過放電など）を監視し、監視結果に応じて電池が安全な状態を保つように制御する監視回路１８が設置される。

複数のモジュール１０の端子はモジュール間接続部材２０によって相互に電気的に接続される。複数のモジュール１０の発生する電力は、棚材８の上に置かれた電力変換装置１４に集められる。電力変換装置１４は、集めた電力を施設の系統電源に合わせて電力変換して、施設内の設備に供給する。あるいは電力変換装置１４は外部の系統電源の電力を複数のモジュール１０に合わせて変換し、複数のモジュール１０に供給する。こうした電力貯蔵システム１の動作は、棚材８の上に置かれた制御回路によって制御される。

図２Ａ〜２Ｃは、モジュール１０の構成を示す。図２Ａは上面図、図２Ｂは側面図、図２Ｃは正面図である。モジュール１０は複数の単電池２６を収納するためのモジュールケース２４を備える。モジュールケース２４は、例えば難燃性の樹脂で形成される。モジュールケース２４の底面には単電池支持部４０が設けられる。単電池支持部４０は、複数の単電池２６の各々に対応する位置に配置され、各々を独立に支持する。図２Ａに示されている例では、単電池支持部４０は各々の単電池２６の四隅に対応する位置に配置されている。単電池支持部４０は、板ばねに例示される弾性部材である。単電池支持部４０は例えば、モジュールケース２４の底面と一体的に成型される難燃性樹脂によって形成されたバネである。より好ましくは、単電池支持部４０は、モジュールケース２４の底面に固定された金属製のバネである。こうした構造は、耐熱性、対火性に優れているため、リチウムイオン二次電池の防振構造として適している。

単電池２６は、モジュールケース１０の開放された上側から内部に入れられ、単電池支持部４０の上に置かれる。このとき隣接する単電池２６の間には隙間がある。単電池４０は、モジュールケース１０の内部の底面から浮いた状態で、単電池支持部４０により支持される。

単電池２６は、上面に電池端子３０を備える。単電池２６の内部のリチウムイオン二次電池が生成する電力は電池端子３０から外部に供給される。あるいは単電池２６は、電池端子３０を介して外部から電力を供給される。単電池２６の電池端子３０は、電池間接続部材２８を介してモジュールケース２４内部で隣接する他の単電池２６の電池端子３０と電気的に接続され、直列又は並列に接続された電池群を形成する。

電池間接続部材２８は、基本的には剛性で、力を加えないで持ち上げられたとき自己の形状を維持する板状の電極バーである。電池端子３０は、板の主面（広い方の面）を水平にした状態で電池端子３０に接続される。こうした電池端子３０は、隣接する単電池２６の距離が近いときに固定しやすい点で好ましい。

図３（ａ）は、電池間接続部材２８の形状の例を示す側面図である。紙面左右方向が長手方向（一の電池端子３０と隣接する電池端子３０との並ぶ方向）である。電池間接続部材２８は、長手方向に沿って第一部分４０−１と、第二部分４０−２と、第三部分４０−３との３つの領域を備える。第一部分４０−１は電池間接続部材２８の一端であり、一の単電池２６の電池端子３０に接続される。第三部分４０−３は電池間接続部材２８の他端であり、隣接する他の単電池２６の電池端子３０に接続される。第二部分４０−２は第一部分４０−１と第三部分４０−３とによって挟まれる領域である。

第二部分４０−２は、第一部分４０−１及び第三部分４０−３と比べて、同じ力を加えたときに、より大きく弾性変形する。この性質により、第二部分４０−２はバネとして機能する。図３（ａ）においては第二部分４０−２は上方に膨らんだアーチ形状である。図３（ｂ）においては第二部分４０−２は上下方向に波打つウェーブ形状である。図３（ｃ）においては第二部分４０−２は上方に突出するΩ形状である。図３（ｄ）においては第二部分４０−２は板厚が他の部分に比べて薄い。図３（ｅ）の上図は平面図、下図は側面図を示す。この場合、下図に示されるように、第二部分４０−２は図３（ｄ）の場合と同様に板厚が他の部分に比べて薄い。そして上図に示されるように、第二部分４０−２の板幅は他の部分に比べて広い。こうした形状により、第二部分４０−２が弾性変形により変位を吸収する一方で、必要な断面積が確保される。

これらの形状は、板金をプレス加工することにより容易に成型される。必要なバネとしての機能を達成するために、電池間接続部材２８は、主面の長手方向に垂直な短方向に一様であり、この短方向を法線とする任意の切断面の形状は同一であることが好ましい。こうした様々な形態により、バネ構造を形成することができる。

図２Ａ〜２Ｃに戻って、電池端子３０に、モジュール端子３２の一端が電気的に接続される。モジュール端子３２の他端はモジュールケース２４に設けられた引き出し穴２２を介してモジュールケース２４の外に引き出され、モジュール間接続部材２０に電気的に接続される。外力が加えられていないとき、引き出し穴２２とモジュール端子３２との間には隙間があり、接触していない。モジュール端子３２とモジュール間接続部材２０とは、図２Ａ〜図３を参照して説明された電池間接続部材２８と同様のバネ構造を有する。

棚材８に置かれたときのモジュールケース２４の前面側には、爪３４が設けられる。爪３４はモジュールケース２４の前面と一体的に成型される難燃性樹脂によって形成される。あるいは爪３４は、モジュールケース２４の前面に固定された金属製の部材である。

爪３４に取付部３７が取り付けられる。爪３４は難燃性の樹脂あるいは金属によって形成される。取付部３７の少なくとも一部である弾性部３６は弾性部材である。弾性部３６に力が加えられることにより、弾性部３６は弾性変形し、爪３４に引っ掛けて固定することが可能となる。

取付部３７とモジュールケース２４の前面との間には隙間が形成される。この隙間に監視回路１８が配置され、取付部材３８を介して取付部３７に固定される。監視回路１８と単電池２６とは図示しない配線により電気的に接続される。実際の組立においては、取付部材３８を備えた取付部３７に監視回路１８が取り付けられ、その後、取付部３７が爪３４に引っ掛けられてモジュールケース２４に固定される。この構造により、監視回路１８は弾性部３４の弾性によってモジュールケース２４に対して弾性的な柔構造によって接続される。監視回路１８のメンテナンスが必要な場合には、弾性部３６を弾性変形させて爪３４から外すことにより容易に監視回路１８をモジュールケース２４から取り外すことができる。

取付部３７の、監視回路１８に対してモジュールケース２４の反対側の領域には、貫通孔が設けられる。図２Ｃに示される場合には、スケルトン構造の隙間の部分が貫通孔に相当する。この貫通孔により、監視回路１８の放熱性が向上する。

図２Ｃに示されるような骨組状の柔構造によれば、三軸（上下、左右、前後）方向の振動成分を減衰させることができる。更に、骨組の隙間部分から回路基板にアクセスしやすくなるため、配線の自由度及びメンテナンス性を向上させることが可能となる。

以上の構成を備えた電力貯蔵システム１が工場、ビル、発電施設などの施設で使用される。電力貯蔵システム１は、床からの定常的な振動を受ける。その振動は、棚材８を介してモジュールケース２４の底面に伝わる。単電池２６は、単電池支持部４０によりモジュールケース２４の底面に弾性的に支持されている。この単電池支持部４０の弾性変形により振動が吸収され、単電池２６の振動は抑制される。

モジュールケース２４内の一の単電池２６と隣接する他の単電池２６とは、電池間接続部材２８の第二部分４０−２によって弾性的に結合される。このため、一の単電池２６の振動の他の単電池２６への波及が抑制される。特に、電池端子３０と電池間接続部材２８との間の接続（ボルト等によって実現される）が長時間の定常的な振動によって緩むことが防止される。一のモジュール１０と隣接する他のモジュール１０との振動も、モジュール端子３２とモジュール間接続部材２０との弾性変形により、相互に波及することが抑制される。

監視回路１８は、取付部３７によってモジュールケース２４に対して弾性的に接続されている。そのため監視回路１８にかかる振動が緩和され、長時間に渡る振動環境の中で運転するときの信頼性が向上する。

このような防振構造が設けられているため、筐体６の振動の機器に対する影響が低減する。そのため設置環境によっては、基礎２に対する筐体６の振動を抑制するための防振機構を設けることが不要である。重量の大きい筐体６の防振機構を省略することができれば、設置の手間とコストが大幅に低減する。

図４は、監視回路１８の取付構造の他の例を示す。この例においては、爪３４ａと取付部３７ａとがコイルバネ４２を介して接続される。このコイルバネ４２の弾性変形により、モジュールケース２４が振動しているときの監視回路１８の振動が緩和される。図５は、監視回路１８の取付構造の更に他の例を示す。この例においては、取付部３７ｂと監視回路１８とがコイルバネ４４を介して接続されている。こうしたコイルバネ４４も、振動の緩和に有効である。図４、図５に示された例ではいずれも、取付部３７を剛構造とした場合でも振動が緩和される。

図６は、モジュール１０の防振構造の他の例を示す。モジュールケース２４の内部の底面に、上下方向に弾性変形する板ばねである可動床支持部４６が形成される。この可動床支持部４６は、図２Ａ、２Ｂに示された単電池支持部４０と同様の弾性部材である。ただし単電池支持部４０が単電池２６を個別に支持していたのに対して、可動床支持部４６は複数の単電池２６を共通に支持する。そのため、可動床支持部４６の設置間隔は単電池支持部４０の設置間隔よりも広くすることができる。図６の例では、４個の単電池２６を収納するモジュールケース２４の底面の四隅に一つずつ可動床支持部４６が設けられている。

可動床支持部４６の上に可動床４８が置かれる。可動床４８は難燃性の樹脂などの絶縁性材料によって形成される。可動床４８は、フラットであるか、もしくは単電池２６を支持するのに支障のない開口（網目状、パンチングメッシュ状等）を有する。単一の板材によって形成された可動床４８の上に複数の単電池２６が置かれる。電池端子３０、電池間接続部材２８、モジュール端子３２及びモジュール間接続部材２０の構成は図２Ａ〜２Ｃに示された場合と同様である。監視回路１８については図２Ａ〜２Ｃと同様であるため図示を省略した。

このような防振構造により、振動による機器への影響が抑制される。同じ可動床４８に置かれた複数の単電池２６は概ね同位相で振動するため、隣接する単電池２６の、電池間接続部材２８と電池端子３０の接続部の相対的な変位が抑制される。そのため接続部の緩みが防がれる。この特性のため、条件によっては、電池間接続部材２８として弾性変形の大きい第二部分４０−２を備えない平板状の電極バーを採用することができる。

更に、可動床４８に上下方向に貫通する孔を設けることにより、単電池２６の底面の放熱性が向上し、冷却効果を高めることができる。

図７は、可動床の他の構成例を示す。この例において、モジュールケース２４の底面には弾性部材が設けられない。その代わりに、板バネ構造の脚５２を備えた絶縁性の板材である可動床５０が使用される。この可動床５０が、主面を水平にしてモジュールケース２４の内部の底面に置かれる。脚５２により、可動床５０の板材はモジュールケース２４の底面から浮いた位置に支持される。単一の板材によって形成された可動床５０の上に、複数の単電池２６が置かれる。これにより、図６を参照して説明された構成例と同様の防振効果が得られる。可動床５０に孔を設けることにより、同様の放熱効果が得られる。更に、この構成例ではモジュールケース２４として防振構造を持たない通常のものを用いた場合でも、可動床５０により防振効果が得られる。

図８、図９は、モジュールケース２４の振動を抑制する防振構造を示す。モジュールケース２４の外側の底面にモジュール支持部５４が設けられる。モジュール支持部５４は難燃性の樹脂によって形成された弾性部材である。モジュール１０はモジュール支持部５４により支持される。棚材８の上に置かれたとき、棚材８の表面とモジュールケース２４の外側の底面との間には隙間ができる。棚材８の振動はモジュール支持部５４の弾性によって吸収され、モジュール１０に伝わる振動が抑制される。モジュールケース２４の底面の貫通孔の設けることにより、放熱性を向上させることもできる。更に、隣接するモジュール１０の振動位相がずれている場合であっても、相互干渉を避けて振動の影響を低減させることができる。

電力貯蔵システムの構成を示す。 電池モジュールの上面図である。 電池モジュールの側面図である。 電池モジュールの正面図である。 電池間接続部材を示す。 監視回路の取付構造を示す。 監視回路の取付構造を示す。 可動床を備える防振構造を示す。 可動床を備える防振構造を示す。 モジュールケース自身の振動を抑制する防振構造を示す。 モジュールケース自身の振動を抑制する防振構造を示す。

符号の説明

１…電力貯蔵システム
２…基礎
４…アンカボルト
６…筐体
８…棚材
１０…モジュール
１４…電力変換装置
１８…監視回路
２０…モジュール間接続部材
２２…引き出し穴
２４…モジュールケース
２６…単電池
２８…電池間接続部材
３０…電池端子
３２…モジュール端子
３４…爪
３６…弾性部
３７…取付部
３８…取付部材
４０…単電池支持部
４０−１…第一部分
４０−２…第二部分
４０−３…第三部分
４２…コイルバネ
４４…コイルバネ
４６…可動床支持部
４８…可動床
５０…可動床
５２…脚
５４…モジュール支持部

Claims (14)

1. 棚に支持される第一モジュールケースと、
   前記第一モジュールケースに収納された第一電池と、
   前記第一電池の第一電極に接続された第一部分と、前記第一部分に接続された第二部分と、前記第二部分の前記第一部分と反対側に接続された第三部分とを備えた金属板とを具備し、
   前記第二部分は、前記第一部分及び前記第三部分よりも同一の力を加えられたときに大きく弾性変形し、
   更に、前記棚に支持される第二モジュールケースと、
   前記第二モジュールケースに収納され、前記金属板の前記第三部分側に接続された第三電池とを具備し、
   前記第一モジュールケースは前記棚と接する底面にバネを備える
   電池モジュール。
2. 請求項１に記載された電池モジュールであって、
   前記第一モジュールケースが前記棚に置かれたとき前記第一電極は前記第一電池の上に位置し、
   前記金属板は、前記第一電極に接続されたとき水平方向に主面を有する
   電池モジュール。
3. 請求項１に記載された電池モジュールであって、
   前記第一電池の底面は、前記第一モジュールケースの内側の底面に対して浮いている位置に支持される
   電池モジュール。
4. 請求項３に記載された電池モジュールであって、
   前記第一モジュールケースの内側の底面には上下方向に弾性変形するバネが配置され、
   前記第一電池は前記バネによって支持される
   電池モジュール。
5. 請求項１から４のいずれかに記載された電池モジュールであって、
   更に、前記第一電池の第二電極に接続された第一部分と、前記第一部分に接続された第二部分と、前記第二部分の前記第一部分と反対側に接続された第三部分とを備えた第二金属板と、
   前記第一モジュールケースに収納され、前記第二金属板の前記第三部分側に接続された第三電極を備えた第二電池
   を具備する電池モジュール。
6. 請求項１に記載された電池モジュールであって、
   更に、前記第一電池の第二電極に接続された第一部分と、前記第一部分に接続された第二部分と、前記第二部分の前記第一部分と反対側に接続された第三部分とを備えた第二金属板と、
   前記第一モジュールケースに収納され、前記第二金属板の前記第三部分側に接続された第三電極を備えた第二電池を具備し、
   前記第一モジュールケースの内側の底面には上下方向に弾性変形するバネが配置され、
   更に、前記バネに支持され、前記第一電池と前記第二電池とを共に支持する支持板
   を具備する電池モジュール。
7. 請求項５に記載された電池モジュールであって、
   更に、前記第一電池と前記第二電池とを共に支持し、下面に下面バネを備え、前記下面バネによって前記第一モジュールケースの内側の底面に支持される可動板
   を具備する電池モジュール。
8. 請求項１に記載された電池モジュールであって、
   前記第一電池はリチウムイオン二次電池であり、
   更に、前記第一モジュールケースの側面に配置され、前記第一電池の状態を監視する監視回路
   を具備する電池モジュール。
9. 請求項８に記載された電池モジュールであって、
   前記監視回路は、前記第一モジュールケースに対して弾性的に接続された
   電池モジュール。
10. 請求項８に記載された電池モジュールであって、
    更に、前記第一電池の第二電極に接続された第一部分と、前記第一部分に接続された第二部分と、前記第二部分の前記第一部分と反対側に接続された第三部分とを備えた第二金属板と、
    前記第一モジュールケースに収納され、前記第二金属板の前記第三部分側に接続された第三電極を備えた第二電池を具備し、
    前記監視回路は、前記第一モジュールケースに対して弾性的に接続された
    電池モジュール。
11. 請求項９又は１０に記載された電池モジュールであって、
    更に、監視回路取付部を具備し、
    前記監視回路取付部は、
    前記第一モジュールケースの側面に接続される接続部と、
    前記接続部に接続される取付部
    とを具備し、
    前記監視回路は、前記取付部によって前記取付部よりも前記側面側に支持される
    電池モジュール。
12. 請求項１１に記載された電池モジュールであって、
    前記取付部は、前記接続部に脱着可能に接続される
    電池モジュール。
13. 請求項１１又は１２に記載された電池モジュールであって、
    前記取付部は、前記監視回路に対して前記第一モジュールケースの反対側に貫通孔を有する
    電池モジュール。
14. 請求項１から１３のいずれかに記載された電池モジュールと、
    互いに電気的に接続される複数の前記電池モジュールを非固定的に支持する棚
    とを具備する
    電力貯蔵システム。

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