JP5285877B2

JP5285877B2 - 電源システム

Info

Publication number: JP5285877B2
Application number: JP2007188588A
Authority: JP
Inventors: 敏和前島; 健介後藤
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2027-07-19
Also published as: JP2009026607A

Description

本発明は電源システムに係り、特に、複数の電池モジュールを積み重ねてボルト締結により固定された電源システムに関する。

従来、複数個の単電池を接続・収容した電池モジュールのように、ある程度の重量物を積層して電源システムを構成する際は、一段目の電池モジュールを固定した後に、構造強度を確保するための架台を上部に取り付け、その上に二段目の電池モジュールを配置・固定するなどの方法がとられている。その架台は、一段目の電池モジュールを固定しているベースと同程度の強度を有しており、二段目の電池モジュールを配置・固定するという機能のわりには、重量が大きく、大きさもかさばるものとなっていた。

電源システムは、例えば、車両等の移動体にも搭載される。このような用途の場合、重量が増加することで、車両からみた見かけ上の重量出力密度が減少する。電源システムの主要機能は電気の充放電であるため、架台の機能である配置・固定は副機能にすぎない。従って、複数のモジュールを積み重ねて固定する際に（電源システムを構成する場合に）架台を設けることは、架台が総重量における割合が高く、ムダな部分を構成することとなる。このため、電池モジュール間にスペーサを介在させて積み重ねて配置する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１６５１６４号公報

上記特許文献１の技術は架台に代えてスペーサにより軽量化が達成されたが、上位の電池モジュールをボルト締結する際、ボルト固定部には、少なくともボルトの締結による軸力に耐えるだけの強度（厚み）が必要であり、この部分において重量が増加する原因となっていた。

本発明は上記事案に鑑み、スペーサを介して電池モジュールを積み重ねた電源システムにおいてボルト固定部の軽量化を図ることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、複数の電池モジュールを積み重ねてボルト締結により固定された電源システムであって、下位の電池モジュールの側面に当接し上位の電池モジュールの荷重方向に挿入されたスペーサを備え、前記スペーサは、前記荷重方向に対して平行に折り曲げ加工された金属部材であり、前記ボルトの座面またはこれに用いるワッシャ面が、前記金属部材の端面に重なるように配置されており、該端面は前記折り曲げ加工面の少なくとも２面の端面であることを特徴とする。

本発明では、上位の電池モジュールをボルト締結する際、その軸力は上位の電池モジュールのボルト固定部のみで受けるのではなく、ボルトの座面または、使用されたワッシャと上位の電池モジュールのボルト固定部を通して、スペーサが受ける構成となっている。このため、上位の電池モジュールのボルト固定部は、ボルトの軸力に耐えうる強度が必要なくなり、軽量化が可能になる。

本発明において、金属部材は矩形波板状または三角波形状であることが好ましい。また、金属部材の下位の電池モジュールの側面との当接面に突起物を有することがより好ましい。さらに、電池モジュールのスペーサ配置箇所側面部に、スペーサを支持するためのガイドが予め配置されているようにしてもよい。これらの作用効果については後述する実施の形態で詳述する。

本発明によれば、上位の電池モジュールをボルト締結する際、その軸力は上位の電池モジュールのボルト固定部のみで受けるのではなく、ボルトの座面または、使用されたワッシャと上位の電池モジュールのボルト固定部を通して、スペーサが受けるので、上位の電池モジュールのボルト固定部は、ボルトの軸力に耐えうる強度が必要なくなり、軽量化が可能になる、という効果を得ることができる。

（構成）
以下、図面を参照して、本発明が適用可能な電源システムの実施の形態について説明する。

図１に示すように、本実施形態の電源システム１０は、上下二段に電池モジュール１を積み重ねてボルト４による締結で固定したものであり、例えば、ハイブリッド車（ＨＥＶ）の電源として用いられるものであるが、本発明はこの用途に限られるものではない。

図２に示すように、電池モジュール１は、側面にフランジを有する上蓋と同じく側面にフランジを有する下蓋とからなり金属製で略直方体状の外装ケースを有している。すなわち、外装ケースは、上蓋が平面、右側面、左側面、下蓋が正面、背面、底面をなしており、下蓋のフランジに上蓋のフランジを載置しこれらのフランジ同士をネジ締結することで、フランジ部３を有する密閉状の筺体を構成している。なお、下蓋のフランジは、端部側に上方に屈曲した屈曲部を有している。

電池モジュール１の側面には、後述するスペーサ６を支持するクランク状板片のガイド２が予め配置（溶接）されている（図１も参照）。

電池モジュール１（下蓋）の正面（図２の左側）には正極、負極出力端子が配置されている。上蓋の背面側（図２の右側）には、上位に配置される電池モジュール１との位置決めのための２つの窪み５が形成されている。また、下蓋には、上蓋の窪み５が形成された位置に対応して、窪み５に嵌合する２つの円錐状の突起（不図示）が形成されている。このため、電源システム１０の組み立ての際の位置決めを容易に行うことができ、電池モジュール１を積層する際に出力端子の導出位置を同一側に合わせることができる。

外装ケース内には、複数（本例では１２個）の組電池が収容固定されている。各組電池は、複数（本例では４個）の単電池を直列接続して構成されている。従って、本実施形態の電池モジュール１は４８個の単電池を有している。このような単電池には、例えば、マンガン酸リチウム等を主要材料としたリチウムイオン二次電池を用いることができる。

また、外装ケース内には、電圧や温度を検出するための配線が多数存在しているが、外装ケースを、例えば、車両のシャーシと同電位とすることで、これらが電気的な外部からのノイズから保護されている。単電池は外装ケースで保護されており、仮に交通事故が発生したとしても電源システムの安全性が維持される。

図１に示すように、本実施形態の電源システム１０では、下位の電池モジュール１の側面に当接し上位の電池モジュール１の荷重方向に挿入された６個のスペーサ６を有している。上位の電池モジュール１の荷重を支えるために、さらに車載を考慮すると、このようなスペーサは合理的な構造強度を有する必要がある。

図３（Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態の電源システム１０に使用したスペーサ６の斜視図である。スペーサ６として、例えば、２個の突起を有する形状（矩形波形状）のもの（図３（Ａ））、三角波形状のもの（図３（Ｂ））を用いることができる。なお、図１および後述する図５では矩形波形状のスペーサを用いたことを示したが、これに代えて三角波形状のスペーサを用いることができることは言うまでもない。

スペーサ６は、長手方向に（下位の電池モジュール１の側面に当接する位置に）半円弧状の形状を有した突起物（不図示）を備えている。スペーサ６は一段目の電池モジュール１の側面との当接面にこの突起物が接触するわけであるが、該突起物が円錐台形状であれば、平面部同士の平行度の精度、突起高さの精度等の電源システムの組み立て時の精度が要求される。しかしながら、本実施形態では突起物の形状を半円弧状にすることで、突起高さに関しては同程度の精度が要求されるが、平行度の要求がなくなり、点接触とすることができる。また、この突起物は、下位の電池モジュール１の受け側にある屈曲部の曲げ代（Ｒ部）を回避させる意味もあり、このことでスペーサ６の端部が屈曲部の曲げ代に乗り上げることなく固定のための固縛力をしっかりとした面で受けることができる。

スペーサ６は、ガイド２により支持され、ボルト４により固定されている。ここで、ボルト４のゆるみやボルト４が固定される２段目の電池モジュール１のフランジ部３の変形を防止するために重要なことは、ボルト４の座面が、フランジ部３を介して、金属部材を折り曲げ加工したスペーサ６の端面に重なるように配置されており、該端面が折り曲げ加工面の少なくとも２面の端面であることである（図４参照）。なお、ガイド２は、対として二段目の電池モジュール１の荷重方向にスペーサ６を挿入することができるように、電池モジュール１の側面と略平行となるスリットを形成するように予め電池モジュール１の側面に取り付けられている。ガイド２によりスペーサ６は電池モジュール１からの離間最大間隔が規定され、上述した突起物により電池モジュール１からの離間最小距離が規定されている。

（組み立て手順）
次に、本実施形態の電源システム１０の組み立て手順について説明する。

図５に示すように、下蓋の底面形状に対応した床ベース（取り付け部）に電池モジュール１を載置する（図１の破線部も参照）。この取り付け部は車両側に配置されていても、または、図１に示した上下二段の電池モジュール１をさらに収容するケース内に配置されていてもよい。このとき、電池モジュール１はフランジ部３を有しているので、載置時の位置決めを容易に行うことができる。また、フランジ部３には取り付け部への取り付け用の穴が形成されており、これを利用して電池モジュール１の配置後にボルトにより締結を行う。これにより、一段目の電池モジュール１が固定される。

その後、上蓋に予め配置されたガイド２間にスペーサ６が差し込まれ（挿入され）、二段目の電池モジュール１が配置される。このとき、スペーサ６は二段目の電池モジュール１のフランジ部３の背面に接触する。電池モジュール１を上下二段に重ね合わせて配置する際の位置決めは、上述した上蓋の窪み５（一段目の電池モジュール１）と下蓋の図示しない突起（二段目の電池モジュール１）とが担っている。すなわち、二段目の電池モジュール１の下蓋の突起が一段目の電池モジュール１の上蓋の窪み５に嵌合するように、二段目の電池モジュール１が配置される。

次いで、二段面の電池モジュール１のフランジ部３に形成された穴を介して、スペーサ６が装着されている丸穴に長めのボルト４が差し込まれ、二段目の電池モジュール１が固定される。本実施形態では、ボルト４にＭ８ボルトを用い、１２．５Ｎ・ｍで締結した。なお、本実施形態の電源システム１０は、一段目の電池モジュール１が取り付け部に対して直に４個のボルトで固定され、二段目の電池モジュール１がスペーサ６を介して６個のボルト４で固定される。

下表１は、本実施形態で用いたスペーサ６、ボルト４座面とスペーサ６との位置、および、二段目（上位）の電池モジュール１のボルト固定部の板材の厚みについて検討したものである。表１には比較のための比較例も併記した。なお、表１において、（Ａ）は図３（Ａ）に示した矩形波形状のスペーサ、（Ｂ）は図３（Ｂ）に示した三角波形状のスペーサ、（１）〜（７）は図４（１）〜（７）に示すボルト４座面とスペーサ６との位置関係を表している。

このようにして製作した電源システムを用い、掃引振動耐久試験を実施した。試験条件は、加速度：５Ｇ、周波数：２０Ｈｚ〜２００Ｈｚ、試験時間：Ｘ軸５時間，Ｙ軸５時間，Ｚ軸１０時間とした。表１にはこの試験結果も示している。なお、表１において、ボルト４のゆるみ、二段目（上位）の電池モジュールのボルト固定部の変形について、有ったものには×、なかったものには○で表した。

表１に示すように、実施例の電源システムは、二段目の電池モジュール１のボルト固定部の板材を薄くてもＭ８ボルトには緩みが見られず、振動試験結果として良好であったのに対し、比較例の電源システムは該板材の厚みが厚い場合のみ振動試験結果が良好で該板材を薄くすることにより、振動試験にてＭ８ボルトの緩みが発生した。また、試験後、二段目の電池モジュールのボルト固定部の変形を確認したところ、実施例では、変形が確認されなかったのに対し、比較例で板材を薄くしたものには一応に変形が確認された。この変形がボルトのゆるみの原因であるというのは容易に推察され、実施例の電源システムは該板材を軽量化できる点で優れていることが分かる。このため、本実施形態では表１の実施例に示したスペーサ、ボルト４座面とスペーサとの位置関係、電池モジュール１のフランジ部３の板厚を用いた。

（効果等）
次に、本実施形態の電源システム１０の効果等について説明する。

本実施形態の電源システム１０では、電池モジュール１間にスペーサ６を介在させて積み重ねて配置する際に、スペーサ６を下位の電池モジュール１の側面に当接させ荷重方向に配置することで、上位の電池モジュール１はスペーサ６を介して取り付け部（床ベース）に固定される。このため、架台を用いることなくスペーサ６の取り付け空間を小さくすることができる（本実施形態では、電池モジュール１がフランジ部３を有しているので、電池モジュール１の空間内に配置することができる。）。また、スペーサ６は金属部材を二段目の電池モジュール１の荷重方向に対して平行に折り曲げ加工されているので、電池モジュールの固定に必要な接触面積を確保し、構造強度（特に、ねじり方向、曲げ方向の構造強度）を増加させることができる。さらに、二段目の電池モジュール１をボルト締結する際、その軸力は二段目の電池モジュール１のボルト固定部のみで受けるのではなく、ボルト４の座面と二段目の電池モジュール１のボルト固定部を通して、スペーサ６が受けるので、二段目の電池モジュール１のボルト固定部は、ボルトの軸力に耐えうる強度が必要なくなり、軽量化が可能になる。

また、スペーサ６は矩形波板状または三角波形状であることから、二段目の電池モジュール１の固定にボルト４によるネジ締結を採用する際に、ネジの通し穴を避ける構造にもしやすい。矩形波板状のスペーサを用いた場合にはさらに、一段目の電池モジュール１の側面に当接する箇所がフラット状のため、一段目の電池モジュール１への当接がしやすく、かつ、配置する際の位置決めがしやすくなる。

さらに、スペーサ６は下位の電池モジュール１の側面との当接面に突起物を有している。本実施形態では、突起物の形状を半円弧状にしたため、突起高さに関しては精度が要求されるが、平行度については精度の要求がなくなったことで部品単価が低減し、突起物による下位の電池モジュール１との接触を点接触とすることで被当接物（フランジ３）への傷がつきにくくなる。

また、電池モジュール１の側面にはスペーサ６を支持するためのガイド２が予め配置されているので、スペーサ６を挿入する際の作業が容易となる。本実施形態ではこのスペーサ６に必要最小限の形状であるクランク状板片を用いたので、重量増加分も抑えることができ、ガイド２によって発生する占有空間も抑制することができる。さらに、本実施形態では、電池モジュール１全てにガイド２が配置されているので、一段目、二段目という配置による作り分けの必要がなく、電源システム１０の組み立ての際の作業性を向上させることができる。

なお、本実施形態では、電源システム１０を２つの電池モジュール１を積み重ねて固定する例を示したが、本発明はこれに限らず、３つ以上の電池モジュール１を積み重ねて固定するようにしてもよい。また、このような電源システムは、２つの電池モジュール１を収容するケースをさらに備えていてもよく、そのケース内には、電源システムを構成する各単電池の電圧や温度を監視するコントローラ等を内蔵していてもよい。

また、本実施形態では、二段目の電池モジュール１のフランジ部３にボルト６の座面を直接当接させる例を示したが、ワッシャを介して当接させるようにしてもよい。

以上説明したように、本発明は、スペーサを介して電池モジュールを積み重ねた電源システムにおいてボルト固定部の軽量化を図るものであるため、電源システムの製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態の電源システムの外観斜視図である。実施形態の電源システムを構成する電池モジュールの外観斜視図である。実施形態の電源システムに使用したスペーサの斜視図であり、（Ａ）は矩形波形状のスペーサ、（Ｂ）は三角波形状のスペーサを示す。実施形態の電源システムのボルト座面とスペーサとの位置関係を示す説明図であり、（１）は第１の位置関係、（２）は第２の位置関係、（３）は第３の位置関係、（４）は第４の位置関係、（５）は第５の位置関係、（６）は第６の位置関係、（７）は第７の位置関係を示す。実施形態の電源システムの組み立て時の斜視図である。

符号の説明

１電池モジュール
２ガイド
３フランジ部
６スペーサ
１０電源システム

Claims

複数の電池モジュールを積み重ねてボルト締結により固定された電源システムであって、下位の電池モジュールの側面に当接し上位の電池モジュールの荷重方向に挿入されたスペーサを備え、前記スペーサは、前記荷重方向に対して平行に折り曲げ加工された金属部材であり、前記ボルトの座面またはこれに用いるワッシャ面が、前記金属部材の端面に重なるように配置されており、該端面は前記折り曲げ加工面の少なくとも２面の端面であることを特徴とする電源システム。
前記金属部材は、矩形波板状または三角波形状であることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
前記金属部材の前記下位の電池モジュールの側面との当接面に突起物を有することを特徴とした請求項１または請求項２に記載の電源システム。
前記電池モジュールの前記スペーサ配置箇所側面部に、前記スペーサを支持するためのガイドが予め配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電源システム。