JP2009021048A

JP2009021048A - 電源モジュール

Info

Publication number: JP2009021048A
Application number: JP2007181235A
Authority: JP
Inventors: Jitsuo Marubayashi; 実雄丸林
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-07-10
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2009-01-29
Also published as: US20090017367A1

Abstract

【課題】複数個の単セルが確実かつ強固に拘束された電源モジュールを提供する。
【解決手段】電源モジュールは、複数個の単セルを積層したセル群、積層方向の圧力でセル群を挟む一対のエンドプレート、および一対のエンドプレートを連結する拘束部材を具備する。拘束部材が、セル群の積層方向に延びる稜部に嵌合する凹部を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数個の単セルを積層したセル群を備えた電源モジュールに関し、特にセル群の拘束方法に関する。

従来から、電源モジュールには、複数個の単セルを積層したセル群を備えた電池モジュールが用いられている。
例えば、特許文献１では、複数個の円筒形単セルを軸方向に直列に接続した棒状のセル群の複数個を平行に配置した電池モジュールと、各セル群の両端を挟む一対の合成樹脂製のエンドプレートとを備えた電源モジュールが提案されている。一対のエンドプレートは、それぞれ、セル群端部の単セルの形状に対応する溝と、電極端子を露出させるための貫通穴とを有する。一対のエンドプレートの溝に、セル群の両端を嵌合させて、セル群が固定されている。貫通穴と溝は、セル群の個数と同数設けられている。エンドプレートの外面側（溝を有する面と反対側）には、隣接するセル群同士を直列に接続するための接続部材が埋設され、各セル群の両端はボルトで接続板に固定されている。

また、特許文献２では、上記電池モジュールにおける棒状のセル群の軸方向（積層方向）の寸法ばらつきによる不具合を防ぐため、上記電池モジュールと、各セル群の両端を挟む一対のエンドプレートと、前記エンドプレートとセル群との間に設けられた、電極端子を露出させるための貫通穴、および隣接するセル群同士を直列に接続するための接続部材を有するベースプレートとを備えた電源モジュールにおいて、接続部材を軸方向に沿って進退自在に調整可能な構造とすることが提案されている。
特開平１１−１１１３４９号公報特開２００３−３３１８０７号公報

しかしながら、電池数が多い、比較的大規模な電源モジュールでは、電池の大きさのばらつきにより、エンドプレートの溝に対して高い寸法精度が要求されるため、コストが増大する。また、電池は、エンドプレートで挟み込んだ方向（積層方向）において固定されるが、エンドプレートの溝の寸法精度が高い場合でも、セル群との間に僅かに隙間が生じるため、エンドプレートのセル群との接触面に対して並行な方向に振動等による力が加わると、接続部材が破断する可能性がある。また、電源モジュールが大規模であるほど、エンドプレートのサイズも大きくなり、組立作業が非常に困難となる。

そこで、本発明は、上記従来の問題を解決するため、単セルのサイズが比較的大きい場合でも、複数個の単セルが確実かつ強固に拘束された電源モジュールを提供することを目的とする。また、組立性および信頼性に優れた、安価な電源モジュールを提供することを目的とする。

本発明の電源モジュールは、複数個の単セルを積層したセル群、積層方向の圧力で前記セル群を挟む一対のエンドプレート、および前記一対のエンドプレートを連結する拘束部材を具備し、前記拘束部材が、前記セル群の積層方向に延びる稜部に嵌合する凹部を有することを特徴とする。

前記単セルおよび前記エンドプレートは略四角板状である場合、前記拘束部材は、前記一対のエンドプレートの隅角部同士をそれぞれ連結する４個の拘束梁からなり、前記４個の拘束梁は、それぞれ前記セル群の稜部に嵌合する凹部を有するのが好ましい。
積層方向に延びるセル群の４つの稜部にそれぞれ４つの拘束梁の凹部を嵌合させて、４つの拘束梁でセル群を挟みこむ構造であるため、拘束梁の凹部に対して高い寸法精度を必要とせず、製造コストを抑制することができる。

隣設する一対の拘束梁を連結し、前記セル群を前記積層方向に垂直な方向に締付け可能な拘束補助部材を設けるのが好ましい。
エンドプレートによる単セルの積層方向の締付けと同時に、拘束補助部材により、単セルの積層方向に垂直な方向に対して締付けることにより、より強固にセル群を拘束することができる。

前記単セルは、一方の端面に正極端子を有し、前記一方の端面と反対側に位置する他方の端面に負極端子を有し、前記セル群の同一面上において、前記複数個の単セルの前記一方の端面と前記他方の端面とが交互に配置されることにより、前記正極端子と前記負極端子とが交互に配置されているのが好ましい。
この場合、前記セル群において、前記正極端子と前記負極端子とを電気的に接続する接続板を設けるのが好ましい。

前記接続板は、前記単セルの積層方向に平行で、当該接続板の前記セル群への設置面に対して垂直な方向を含む断面形状がＺ字状であるのが好ましい。
上記のような形状を有する接続板を用いることにより、接続板の平面方向（セル群への設置面）に垂直な方向の振動だけでなく、接続板の単セルの積層方向の振動を吸収することができる。このため、接続板の破断や電極端子との接触不良を防ぐことができる。

本発明によれば、単セルのサイズが比較的大きい場合でも、複数個の単セルが確実かつ強固に拘束された電源モジュールを提供することができる。また、組立性および信頼性に優れた、安価な電源モジュールを提供することができる。

本発明は、複数個の単セルを積層したセル群、積層方向の圧力で前記セル群を挟む一対のエンドプレート、および前記一対のエンドプレートを連結する拘束部材を具備し、前記拘束部材が、前記セル群の積層方向に延びる稜部に嵌合する凹部を有する電源モジュールに関する。
これにより、単セルのサイズが比較的大きい場合でも、複数個の単セルが確実かつ強固に拘束された電源モジュールを提供することができる。また、組立性および信頼性に優れた、安価な電源モジュールを提供することができる。

以下、本発明に係る一実施形態を、図１〜４を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。
図１は、本発明の一実施形態に係る電源モジュールの斜視図である。図１中の矢印Ｐは、単セルの積層方向と平行な向きを表し、矢印ＱおよびＲは、それぞれ矢印Ｐに垂直な向きを表す。
図２は、図１の電源モジュールにおける拘束梁４ａの斜視図である。図３は、図１の電源モジュール１におけるセル群１０の一部を示す要部斜視図である。図４は、図１の電源モジュール１における接続板２０の斜視図である。

図１に示すように、電源モジュール１は、１０個の角形単セル２を厚み方向（図１中の矢印Ｐと平行な方向）に積層して構成されたセル群１０と、セル群１０の両面（積層方向すなわち矢印Ｐの向きに垂直な面）を挟む一対のエンドプレート３と、一対のエンドプレート３を連結する拘束部材とを具備する。
拘束部材は、一対のエンドプレート３における４つの隅角部同士をそれぞれ連結する４本の棒状の抱束梁４ａ〜４ｄからなる。各拘束梁４ａ〜４ｄは、それぞれセル群１０の積層方向に延びる稜部を嵌合する凹部４１を有する。エンドプレート３や拘束梁４ａ〜４ｄの材料には、例えば、GF-PET（ガラス繊維強化ポリエチレンテレフタレート）やPC（ポリカーボネート）のような、軽量かつ高強度のエンジニアリングプラスチックが用いられる。

図２に示すように、凹部４１は、セル群１０の稜部の形状に対応する形状を有する。図２に示すように、セル群１０の上面および下面に対応する単セル２の端部は、角が取れた曲面部を有する。このため、セル群１０の積層方向に延びる稜部の形状は曲線状である。凹部４１は、この曲線部が１０個連続して配されるような形状に対応する形状を有する。４本の拘束梁４ａ〜４ｄの凹部４１が、セル群１０の積層方向に延びる４つの稜部に、それぞれ嵌合することにより、セル群１０は、積層方向に垂直な方向において、固定され、拘束されている。このため、凹部４１の寸法精度を高くする必要がなく、コストを低減することができる。拘束梁４ａ〜４ｄは同形状であるため、電源モジュールの組立性が向上し、コストを低減することができる。

エンドプレート３は、セル群１０との接触面において、セル群１０の形状に対応するくぼみを有する。これにより、エンドプレート３で両側からセル群を確実に挟むことができ、ずれを防止でき、組立性が向上する。また、セル群１０の拘束には、エンドプレート１０以外に、拘束部材が用いられるため、エンドプレート３のくぼみの寸法精度を高くする必要がなく、コストを低減することができる。

電源モジュール１には、セル群１０を積層方向（矢印Ｐの方向）に垂直な方向に締付け可能な、上下連結棒６および前後連結棒７からなる拘束補助部材（例えば、アルマイト加工したアルミニウム製）が設けられている。
より具体的には、電源モジュール１の前面（図１中の矢印Ｑの方向からみた面）には、拘束梁４ａと拘束梁４ｂとを両端付近において連結する２本の上下連結棒６が設けられている。また、電源モジュール１の後面（図１中の矢印Ｑと反対の方向からみた面）には、抱束梁４ｃと拘束梁４ｄとを両端付近において連結する２本の上下連結棒が設けられている。この４本の上下連結棒により、セル群１０は上下方向（矢印Ｒと平行な方向）に締付けられている。
電源モジュール１の上面（図１中の矢印Ｒの方向からみた面）には、拘束梁４ｂと拘束梁４ｄとを中央部分において連結する前後連結棒７が設けられている。電源モジュール１の下面（図１中の矢印Ｒと反対の方向からみた面）には、抱束梁４ａと拘束梁４ｃとを中央部分において連結する前後連結棒が設けられている。この２本の前後連結棒により、セル群１０は前後方向（矢印Ｑと平行な方向）に締付けられている。

これにより、セル群１０を、エンドプレート３によるセル群１０の左右方向（単セルの積層方向）だけでなく、積層方向と垂直な方向、すなわち前後方向および上下方向において拘束することができる。このように、複数の方向からセル群１０を拘束するため、より強固なセル群１０の拘束が可能となる。

拘束梁４ａ〜４ｄは、エンドプレート３、上下連結棒６、および前後連結棒７との連結部分に、ねじ穴を有する。各ねじ穴に、例えばステンレス鋼製のボルト８を配することにより、各部材間が固定される。

図３に示すように、セル群１０において、単セル２が膨張した際に冷却用の隙間が塞がらないように、単セル２の間に５本の棒状のスペーサー５（例えば、PC（ポリカーボネイト）製）が上下方向に等間隔に配されている。スペーサー５の本数や配列の仕方は、これに限定されない。単セルのサイズや形状に合わせて適宜決めればよい。

図３に示すように、互いに隣接する２個の単セル２は接続板２０により直列に接続されている。
単セル２は、正極、負極、およびこれらの間に介在させたセパレータで構成された電気素子を金属製の電池ケースに収納した二次電池である。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が挙げられる。ニッケル水素電池の場合、正極にオキシ水酸化ニッケル、負極に水素吸蔵合金、電解液に水酸化カリウム水溶液が用いられる。また、リチウムイオン電池の場合、正極にコバルト酸リチウム、負極に黒鉛などの炭素材料が用いられる。また、電池ケースおよび正極端子にはアルミニウム、および負極端子には銅が用いられる。

単セル２は、一方の端面に正極端子２２を有し、前記一方の端面と反対側に位置する他方の端面に負極端子２３を有する。また、単セル２は、一方の端面に防爆弁２４および注液口２５を有する。
セル群１０の同一面（前面または後面）において、複数個の単セル２の前記一方の端面と他方の端面とが交互に配置されることにより、正極端子２２と負極端子２３とが交互に配置されている。電源モジュール１には、互いに隣接する単セル２の端面（電源モジュール１の前面または後面に対応する面）において、正極端子２２と負極端子２３とを電気的に接続する接続板２０が設けられている。これにより、単セル２を直列に接続する場合、正極端子２２と負極端子２３とを隣接させることができるため、接続板２０を小型化でき、接続板２０の低抵抗化が可能となる。

図３に示すように、接続板２０は、正極端子２２を接続するための穴２２ａ、およびねじ２１により負極端子２３を接続し、固定するための穴２３ａを有する。より具体的には、正極端子２２は、穴２２ａに通した後、レーザー溶接することにより接続板２０に固定されている。単セル２の負極端子２３と接続板２０とは、ねじ２１による固定および溶接により接続されている。単セル２の接続板２０との接続部分は、ねじ止めまたは溶接がしやすいような形状にすればよい。

また、接続板２０は、単セル１０の積層方向に平行で、接続板２０のセル群１０への設置面に対して垂直な方向を含む断面形状がＺ字状である。すなわち、接続板２０は、矢印Ｐおよび矢印Ｑと平行な方向を含む断面形状がＺ字状である。
接続板２０において、正極端子２２との接触面は、負極端子２３の接触面と同一面上になく、正極端子２２との接触面は、負極端子２３との接触面よりも、単セル２の本体から高い位置となるように、接続板２０はセル群１０上に設けられている。

このように、接続板２０は、Ｚ字状に折り曲げられることにより、構造上弾性を有する。このため、電源モジュール１の前後方向（矢印Ｑと平行な方向）および左右方向（矢印Ｐと平行な方向）の二つの方向の振動を吸収することができ、振動による接続板２０の破断を防ぐことができる。接続板２０には、低抵抗化を実現するため、例えば、アルミニウム、銅、または銅とニッケルとのクラッド材が用いられる。

本発明の他の実施の形態を図５に示す。図５は大型の電源モジュールの斜視図である。図５では、上記図１の電源モジュールよりも、多数の単セル２を用いてセル群が構成されている。図５の電源モジュールでは、単セル２の一部を省略する。また、単セル２の端面に設けられている、正極端子、負極端子、および接続板等の部材も省略する。図５に示すように、拘束梁４ａ〜４ｄの代わりに、上記で用いた拘束梁４ａ〜４ｄよりも積層方向の寸法の長い、凹部５１を有する長手拘束梁４２ａ〜４２ｄを用い、上下連結棒６および前後連結棒７の本数を増やすことにより大型の電源モジュールにも容易に対応することができる。

上記では角形単セルを用いた電源モジュールを示したが、これ以外に、例えば、円筒形単セルを用いた電源モジュールでもよい。この場合、円筒形の筒状側部（曲面）同士が接して配列するため、円筒形単セル間には隙間が生じる。従って、円筒形単セルの場合、スペーサー５を用いずに電源モジュールを構成することができる。

本発明の電源モジュールは、ハイブリッドカーなどの高出力かつ大電流を要する電源装置や大型のバックアップ電源として好適に用いられる。

本発明の一実施の形態の電源モジュール１の斜視図である。図１の電源モジュール１における拘束梁４ａの斜視図である。図１の電源モジュール１におけるセル群１０の一部を示す要部斜視図である。図１の電源モジュール１における接続板２０の斜視図である。本発明の他の実施の形態の電源モジュールの斜視図である。

符号の説明

１電源モジュール
２単セル
３エンドプレート
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ拘束梁
５スペーサー
６上下連結棒
７前後連結棒
８ボルト
１０セル群
２０接続板
２１ねじ
２２正極端子
２３負極端子
２２ａ、２３ａ穴
２４防爆弁
２５注液口
４１、５１凹部
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ長手拘束梁

Claims

複数個の単セルを積層したセル群、
積層方向の圧力で前記セル群を挟む一対のエンドプレート、および
前記一対のエンドプレートを連結する拘束部材を具備し、
前記拘束部材が、前記セル群の積層方向に延びる稜部に嵌合する凹部を有することを特徴とする電源モジュール。
前記単セルおよび前記エンドプレートは略四角板状であり、
前記拘束部材は、前記一対のエンドプレートの隅角部同士をそれぞれ連結する４個の拘束梁からなり、
前記４個の拘束梁は、それぞれ前記セル群の積層方向に延びる稜部に嵌合する凹部を有する請求項１記載の電源モジュール。
隣設する一対の拘束梁を連結し、前記セル群を前記積層方向に垂直な方向に締付け可能な拘束補助部材が設けられた請求項２記載の電源モジュール。
前記単セルは、一方の端面に正極端子を有し、前記一方の端面と反対側に位置する他方の端面に負極端子を有し、
前記セル群の同一面上において、前記複数個の単セルの前記一方の端面と前記他方の端面とが交互に配置されることにより、前記正極端子と前記負極端子とが交互に配置されている請求項２または３記載の電源モジュール。
前記セル群において、前記正極端子と前記負極端子とを電気的に接続する接続板が設けられた請求項４記載の電源モジュール。
前記接続板は、前記単セルの積層方向に平行で、当該接続板の前記セル群への設置面に対して垂直な方向を含む断面形状がＺ字状である請求項５記載の電源モジュール。