JP2008204986A

JP2008204986A - 蓄電ユニット

Info

Publication number: JP2008204986A
Application number: JP2007036087A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Inoue; 健彦井上; Shusaku Kawasaki; 周作川▲崎▼; Kimiyasu Kakiuchi; 公康垣内
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2027-02-16
Also published as: JP5162919B2

Abstract

【課題】高さ誤差のある蓄電素子を確実に保持できる高信頼蓄電ユニットを提供すること。
【解決手段】柱形状を有し、電極として柱形状の一方の端面に設けた端面電極１７と側面に設けた側面電極１５を有する複数の蓄電素子１１と、複数の蓄電素子１１を接続する際に、複数の蓄電素子１１の内、最も高い電圧、または最も低い電圧のいずれかとなる側面電極１５を有する蓄電素子１１を除く他の蓄電素子１１の側面電極１５に溶接接続されるとともに、一部が隣の蓄電素子１１の端面電極１７と溶接接続されるバスバー２１と、蓄電素子１１の底部２９が挿入されるとともに、底部２９と当接する少なくとも１つの弾性部３５を設けた下ケース３１と、蓄電素子１１の上部４５が挿入されるとともに、端面周囲部１３の一部との当接部４７を設けた上ケース４３とから構成され、弾性部３５の変位幅は複数の蓄電素子１１の高さ誤差より大きくしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は主に車両の補助電源等として利用される蓄電ユニットに関するものである。

近年、地球環境保護の観点からハイブリッドシステムやアイドリングストップシステムを搭載した自動車（以下、車両という）の開発が急速に進められており、それに伴い車両の制動エネルギーを電気エネルギーとして回生するシステムや、急加速時等でハイブリッド車のモータ駆動を補助するシステムについて各種の提案がなされてきている。

このようなシステムにおいては、回生の場合は急変する制動エネルギーをできるだけ電気エネルギーとして蓄電素子に蓄える必要があり、モータ駆動補助の場合は車両を急加速できるだけの大電流を供給する必要があるので、いずれも蓄電素子としてバッテリよりも急速充放電特性に優れるキャパシタを用いたシステムが特に注目されている。

しかし、車両を急加速できるほどの電力を蓄えるためには大容量の例えば電気二重層キャパシタが必要となり、さらにこのキャパシタの充電電圧は２．２Ｖ程度で低いので、多数のキャパシタを接続して電圧を上げる必要がある。

このように多数の蓄電素子を保持し接続した構成例が特許文献１に記載されている。これは蓄電素子に円筒型電池を用いた蓄電ユニットの例であるが、図６に示すように円筒型電池１（透視図で示す）は、その両端を上下の支持体２の電池穴２ａに挿入することにより保持されている。この際、電池穴２ａには図６の下側の支持体２に示すように段差が設けてあるので、この段差に円筒型電池１の両端周囲部が当接することにより固定できる。支持体２には電極孔２ｂが設けられており、電極孔２ｂを通して円筒型電池１の両端に設けた電極が露出する構成となっている。露出した電極は図示しない接続板（バスバー）で接続される。接続板は溝２ｃに収納される。このような構成とすることにより、多数の蓄電素子を同時に保持できる蓄電ユニットが得られる。
特許第３７７７７４８号公報

このような蓄電ユニットは確かに多数の蓄電素子を保持することが可能となるのであるが、このような蓄電ユニットを車両に搭載すると、次のような問題があった。

蓄電素子である円筒型電池１は例えば有底円筒の中に電池材料を投入後、上部を電極フタで封止する構造を有する。この場合、有底円筒は一般にプレスによる深絞り成型で製造されるので、円筒直径の誤差は小さい。一方、電極フタで封止を行う際は、２つの部材（有底円筒と電極フタ）を重ねて同時にかしめることになるため、それぞれの部材の寸法誤差に加え、かしめ工程による誤差が加わるので、円筒直径の誤差に比べ円筒型電池１の高さ誤差は大きくなる。

このような高さ方向の誤差が大きい複数の円筒型電池１を図６に示す支持体２に挿入保持すると、電池穴２ａの段差は固定されているので、組み立てた時に上下の支持体２の間隔は最も高い円筒型電池１により決定される。ゆえに、他の円筒型電池１は電池穴２ａの段差に確実に当接することができず、高さ誤差に応じた隙間が生じた状態で保持されることになる。この状態で円筒型電池１は接続板で接続されるので、高さの低い円筒型電池１は上下の接続板によりいわゆる宙吊り状態で保持されていることになる。

この蓄電ユニットに車両の振動が加わると、高さの低い円筒型電池１は電池穴２ａの段差との間に隙間があるので、円筒型電池１が隙間の範囲で高さ方向に振動することになる。この振動応力は電極と接続板の接続部分や接続板自体に印加されるので、接続部分の接触抵抗が大きくなって発熱したり、接続板が徐々に変動応力疲労を起こす可能性があり、その結果、信頼性が低下するという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高さ誤差のある蓄電素子を確実に保持できる高信頼蓄電ユニットを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の蓄電ユニットは、柱形状を有し、電極として前記柱形状の一方の端面に設けた端面電極と側面に設けた側面電極を有する複数の蓄電素子と、前記複数の蓄電素子を並べて互いに電気的、機械的に接続する際に、前記複数の蓄電素子の内、最も高い電圧、または最も低い電圧のいずれかとなる前記側面電極を有する前記蓄電素子を除く他の前記蓄電素子の前記側面電極に溶接接続されるとともに、一部が隣の前記蓄電素子の前記端面電極と溶接接続されるバスバーと、前記蓄電素子の底部が挿入されるとともに、前記底部と当接する少なくとも１つの弾性部を設けた下ケースと、前記蓄電素子の上部が挿入されるとともに、前記端面電極を有する前記端面の周囲の一部との当接部を設けた上ケースとから構成され、前記弾性部の変位幅は複数の前記蓄電素子の高さ誤差より大きくしたものである。

本発明によれば、蓄電素子を下ケースに挿入することで、下ケースに設けた弾性部が蓄電素子の底部に当接するので、組み立てた時に蓄電素子の高さ誤差を弾性部で吸収できる。その結果、高さ誤差があっても全ての蓄電素子を保持固定できるので、振動による電極とバスバーの接続部分やバスバー自身への影響を低減でき、高信頼性が得られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態における蓄電ユニットの一部分解斜視図である。図２は本発明の実施の形態における蓄電ユニットの蓄電素子とバスバーの斜視図である。図３は本発明の実施の形態における蓄電ユニットの屈曲部付きバスバーを蓄電素子に取り付けた状態の斜視図である。図４は本発明の実施の形態における蓄電ユニットの完成斜視図である。図５は本発明の実施の形態における蓄電ユニットの断面図である。なお、本実施の形態では車両用の蓄電ユニットの構成例について説明する。

図１において、電力を蓄える蓄電素子１１は例えば直径３ｃｍの円柱形状の電気二重層コンデンサである。蓄電素子１１の製法は従来の円筒型電池と同様である。従って、蓄電素子１１の一方の端面（図１では上面）にはかしめ工程により盛り上がった端面周囲部１３が形成される。なお、蓄電素子１１の円柱側面はアルミニウム製であり、負極になるように内部で接続されている。従って、蓄電素子１１の円柱側面は全体が側面電極１５を形成することになる。また、端面はアルミニウム製のフタであり、これをプレス成型することにより、端面周囲部１３よりも高さが高い半円状の端面電極１７が形成されている。端面電極１７は正極になるように内部で接続される。ゆえに、蓄電素子１１の円柱部分とフタ部分の間には絶縁部材（図示せず）が配されるようにしてかしめている。なお、フタ部分には端面電極１７以外の位置に調圧弁１９が設けてある。調圧弁１９は蓄電素子１１の内部に充填された電解液が気化した際に、それを逃がすためのものである。これにより、蓄電素子１１の内圧上昇を防ぐことができる。

次に、このような蓄電素子１１を複数個並べて互いに電気的、機械的に接続する際に用いるバスバー２１について説明する。バスバー２１は側面電極１５や端面電極１７と同一のアルミニウム製とした。なお、これらは同一の金属であれば他の金属でも構わないが、電気二重層キャパシタの内部電極がアルミニウム製であるため、内部電極を側面電極１５や端面電極１７に溶接接合する上で、これらもアルミニウム製としている。従って、後述するがバスバー２１を側面電極１５や端面電極１７に接合する際も溶接するので、バスバー２１もアルミニウム製としている。また、同一金属とすることで、溶接性が向上するだけでなく、湿気で局部電池を形成することがないので防食性も向上する。

バスバー２１は図２に示すように蓄電素子１１の側面にはめ込む円周部と、隣の蓄電素子１１の端面電極１７に溶接接続するための平坦部を有しており、これらは板厚０．５ｍｍのアルミニウム板をプレス成型することにより得られる。なお、バスバー２１の形状は図３に示すように、端面電極１７に接続する部分（平坦部）と、側面電極１５に接続する部分（円周部）の間に屈曲部２３を設けてもよい。なお、屈曲部２３は平坦部側に設ける方が加工しやすい。屈曲部２３の役割については後述する。

バスバー２１は図１に示す方向で蓄電部１１の側面にはめ込まれ、側面電極１５と確実な電気的、機械的接続を得るために、レーザ溶接により接続される。レーザ溶接部位を図１の×印で示す。図１ではスポット状に多点を溶接しているが、これは溶接位置を順次ずらして線状に溶接接続してもよい。この場合はスポット状に比べ接続信頼性が向上する。このようにして、バスバー２１と一体になった蓄電素子１１が形成される。

なお、バスバー２１は複数の蓄電素子１１の内、最も高い電圧、または最も低い電圧のいずれかとなる側面電極１５を有する蓄電素子１１を除く他の蓄電素子１１に接続されている。すなわち、本実施の形態では図１に示すように蓄電素子１１を５個直列に接続する構成であり、側面電極１５が負極、端面電極１７が正極であるので、これら５個の蓄電素子１１を直列に接続すると、図１の最も手前の蓄電素子１１の側面電極１５が最も低い電圧となる。従って、最も手前の蓄電素子１１を除く他の４個の蓄電素子１１にバスバー２１が接続されている。なお、蓄電素子１１の内部接続を逆転させた場合は、最も手前の蓄電素子１１の側面電極１５は最も高い電圧となる。この場合であっても正極と負極が逆転するだけで、蓄電ユニットの構造は同じである。

最も手前の蓄電素子１１には、バスバー２１に代わり負極端子バスバー２５が接続されている。負極端子バスバー２５の構成はバスバー２１とほぼ同じであるが、隣の蓄電素子１１がないので端面電極１７に接続する部分が不要となる。しかし、蓄電ユニットの外部と電気的接続を行うために、負極端子バスバー２５には電力線や後述する外部バスバーと接続するためのネジ穴２７が設けられている。また、電力線や外部バスバーと接続しやすくするために、後述する上ケースの端部に嵌合するよう曲げ加工が施されている。この部分は図１の構造に限定されるものではなく、蓄電ユニットの形状や電力線の引き回し等により適宜変更すればよい。なお、最も手前の蓄電素子１１の側面電極１５と負極端子バスバー２５の接続は他の蓄電素子１１にバスバー２１を接続する場合と同じ方法で溶接されている。

こうしてバスバー２１、または負極端子バスバー２５が溶接接続された蓄電素子１１の底部２９は、下ケース３１に設けた保持穴３３に挿入される。下ケース３１は樹脂製であり、保持穴３３の底面には弾性部３５が一体形成されている。また、保持穴３３の直径は蓄電素子１１がスムースに収納できるように蓄電素子１１の外径より例えば０．１〜０．２ｍｍ程度大きくしている。

弾性部３５は図１に示すように片持ち梁形状であり、その先端が保持穴３３の底面より高い位置になるように形成されている。従って、蓄電素子１１の底部２９が弾性部３５に当接すると、蓄電素子１１を上方向に押し上げることになる。なお、弾性部３５の先端における保持穴３３の底面からの高さは弾性部３５の変位幅に相当するが、これはあらかじめ求めた複数の蓄電素子１１の高さ誤差よりも大きくなるようにしてある。また、図１では弾性部３５を４ヶ所に設けたが、これは蓄電素子１１を保持できる弾性を有していれば４ヶ所より多くても少なくてもよい。但し、少なくとも１つは必要である。また、弾性部３５の形状も保持穴３３の底面中央に向かって片持ち梁の先端が高くなるようにしているが、これも逆方向（底面周囲に向かって高くなる）にしたり、斜め方向や円周方向に配置してもよい。さらに、弾性部３５を下ケース３１とは別体構成とし、バネ等の弾性材を保持穴３３の底面に配してもよいが、この場合は弾性材の弾性がばらつく可能性がある。従って、一体形成する方が弾性のバラツキを低減できるので望ましい。

また、下ケース３１には後述する上ケースと強固に固定するために、あらかじめ固定棒３７を取り付けておく。本実施の形態では４本の固定棒３７を用いた。固定棒３７は両端にメネジが形成されており、一方下ケース３１には固定ネジ穴３９が設けられている。従って、固定棒３７を固定ネジ穴３９の位置に配した状態で固定ネジ４１を締め込むことにより、下ケース３１と固定棒３７を固定している。この際、固定ネジ４１の頭部が下ケース３１から突出しないように、例えば固定ネジ４１を皿ネジにしている。

次に、蓄電素子１１を下ケース３１の保持穴３３に挿入する際、バスバー２１の平坦部は隣の蓄電素子１１の端面電極１７に被せる必要があるので、図１に示すように最も手前の蓄電素子１１から順に奥に向かって挿入していく。これにより、端面電極１７には隣の蓄電素子１１に接続したバスバー２１の平坦部が当接する。但し、図１で最も奥の蓄電素子１１の端面電極１７には隣の蓄電素子１１がないので、バスバー２１が被されない。ここには後述する正極端子バスバーが接続されるが、これについては後で説明する。

蓄電素子１１を下ケース３１に挿入した後は、上ケース４３に蓄電素子１１の上部４５を挿入する。上ケース４３はバスバー２１や調圧弁１９が露出するように、上面から見ると「ロ」の字形状をしている。また、上ケース４３には蓄電素子１１の端面周囲部１３の一部が当接する当接部４７が設けられている。当接部４７は上ケースに一体形成されているので、当接部４７が各蓄電素子１１の固定位置の基準になる。また、上ケース４３にも固定棒３７と機械的に接続するために下ケース３１と同様の固定ネジ穴３９が設けられている。さらに、負極端子バスバー２５のネジ穴２７に対向する位置にインサートナット４９が埋め込まれている。なお、図１の最も奥の蓄電素子１１に設けた端面電極１７は最も高い電圧となるので、ここに外部配線を行うために正極端子バスバー５１が取り付けられるが、正極端子バスバー５１にも負極端子バスバー２５のネジ穴２７と同様のネジ穴（図示せず）を有している。従って、正極端子バスバー５１のネジ穴に対向する位置にもインサートナット（図示せず）が埋め込まれている。また、上ケース４３も下ケース３１と同じ樹脂製であるので、射出成型により上記した構成要素を一体形成している。

上ケース４３に蓄電素子１１の上部４５を挿入すると、蓄電素子１１の端面周囲部１３の一部が当接部４７に当接する。しかし、弾性部３５が蓄電素子１１を図１の上方向に押し上げる状態であるので、その分、上ケース４３と固定棒３７の間には隙間が生じた状態となる。ここで、前記隙間がなくなるように上ケース４３を押し下げた状態で固定ネジ４１を締め込む。その結果、上ケース４３と下ケース３１が接続固定される。

ここまで組み立てた状態を図４に示す。バスバー２１は隣の蓄電素子１１の端面電極１７上に被さるので、ここをレーザ溶接して電気的、機械的に接続する。この際、端面電極１７の高さは端面周囲部１３より高いので、バスバー２１が端面周囲部１３に接触して短絡することはない。また、レーザ溶接部分は図４の×印で示しているが、側面電極１５に対するレーザ溶接と同様に、スポット状に多点溶接しても線状に溶接してもよい。

この時、図４で最も奥の蓄電素子１１の端面電極１７には正極端子バスバー５１を被せ、これも他のバスバー２１と同様にレーザ溶接接続する。これにより、正極端子バスバー５１に外部配線を行うことができる。一方、負極端子バスバー２５は図４に示すように折り曲げ部分が上ケース４３と嵌合するので、負極端子バスバー２５にも外部配線を行うことができる。なお、本実施の形態では外部配線を外部バスバー５３により行っている。外部バスバー５３は厚さ１ｍｍの銅製であり、その一部に屈曲部５５が一体形成されている。屈曲部５５は外部バスバー５３を固定した時に振動や熱膨張などによる応力を吸収するためのものである。また、ネジ固定を行うためのネジ穴５７も設けられている。従って、外部バスバー５３はネジ穴５７が負極端子バスバー２５のネジ穴２７と合致するように配してネジ５９をワッシャ６０とともにインサートナット４９に締め込むことにより、外部バスバー５３と負極端子バスバー２５を電気的に接続している。これは正極端子バスバー５１に対しても同様に接続している。なお、図４では省略しているが、外部バスバー５３の他端は別の蓄電ユニット６１に接続している。これにより、さらに多くの蓄電ユニット６１を接続することができる。

なお、隣り合う蓄電素子１１は、上ケース４３と下ケース３１に挿入した際に、隙間を有するようにしている。これにより、バスバー２１の平坦部が隙間の分、長くなるので、バスバー２１の変位が容易になる。その結果、当接部４７で蓄電素子１１が押し込まれた時に、バスバー２１が容易に変位できるので、他の蓄電素子１１のバスバー２１による押さえ付け等の影響が低減でき、各々の蓄電素子１１を、より独立して固定することができる。なお、図３に示すようにバスバー２１に屈曲部２３を設ければ、他の蓄電素子１１のバスバー２１による押さえ付け等の影響をさらに吸収できる。なお、この屈曲部２３は他にも、前記した屈曲部５５と同様にバスバー２１を固定した時の振動や熱膨張などによる応力を吸収する役割も有する。

ここで、図４の点線で示した部分の断面図を図５に示す。上ケース４３を固定ネジ４１で固定棒３７に締め込むと、蓄電素子１１は端面周囲部１３の一部が当接部４７により押し下げられる。これにより、蓄電素子１１の底部２９が弾性部３５を押し下げて固定される。この時の弾性部３５の変位幅は図５に示すように蓄電素子１１の高さ誤差より大きくしているので、当接部４７を基準として、蓄電素子１１の高さに誤差があったとしても、弾性部３５の変位量が変わることにより誤差を吸収できる。ゆえに、全ての蓄電素子１１を確実に固定することができ、溶接接続部分やバスバー２１への車両振動応力が低減され、高信頼性が得られる。

以上の構成、動作により、蓄電素子１１の高さ誤差を弾性部３５が吸収するので、溶接接続部分の発熱やバスバー２１の変動応力疲労が低減され、高信頼性が得られる蓄電ユニットを実現できる。

なお、本実施の形態ではネジ５９をインサートナット４９で締め込む構成としたが、これはナットが当接する内幅を有するナット収納部を、上ケース４３の、ネジ穴２７と対向する位置に一体成型で設け、ナット収納部にナットを収納する構成としてもよい。この場合、ナットの角がナット収納部の内幅部分の壁面に当接するので、ナットが空回りすることなくネジ５９を締め込むことができる。これと同じ構成を正極端子バスバー５１側にも設けてもよい。

また、本実施の形態では蓄電素子１１が円柱形状であるとして説明したが、これは角柱形状でもよい。さらに、蓄電素子１１に電気二重層キャパシタを用いた構成を説明したが、これは電気化学キャパシタ等の他のキャパシタや二次電池等でもよい。

また、本実施の形態では蓄電ユニットを車両に適用した場合について述べたが、それに限らず、一般の非常用補助電源等にも適用可能である。

本発明にかかる蓄電ユニットは、蓄電素子の高さ誤差を弾性部が吸収する構成としたので、溶接接続部分の発熱やバスバーの変動応力疲労が低減でき高信頼性が得られ、特に振動を受ける車両用補助電源に利用される蓄電ユニット等として有用である。

本発明の実施の形態における蓄電ユニットの一部分解斜視図本発明の実施の形態における蓄電ユニットの蓄電素子とバスバーの斜視図本発明の実施の形態における蓄電ユニットの屈曲部付きバスバーを蓄電素子に取り付けた状態の斜視図本発明の実施の形態における蓄電ユニットの完成斜視図本発明の実施の形態における蓄電ユニットの断面図従来の蓄電ユニットの斜視図

符号の説明

１１蓄電素子
１３端面周囲部
１５側面電極
１７端面電極
２１バスバー
２３屈曲部
２９底部
３１下ケース
３５弾性部
３７固定棒
３９固定ネジ穴
４１固定ネジ
４３上ケース
４５上部
４７当接部

Claims

柱形状を有し、電極として前記柱形状の一方の端面に設けた端面電極と側面に設けた側面電極を有する複数の蓄電素子と、
前記複数の蓄電素子を並べて互いに電気的、機械的に接続する際に、前記複数の蓄電素子の内、最も高い電圧、または最も低い電圧のいずれかとなる前記側面電極を有する前記蓄電素子を除く他の前記蓄電素子の前記側面電極に溶接接続されるとともに、一部が隣の前記蓄電素子の前記端面電極と溶接接続されるバスバーと、
前記蓄電素子の底部が挿入されるとともに、前記底部と当接する少なくとも１つの弾性部を設けた下ケースと、
前記蓄電素子の上部が挿入されるとともに、前記端面電極を有する前記端面の周囲の一部との当接部を設けた上ケースとから構成され、
前記弾性部の変位幅は複数の前記蓄電素子の高さ誤差より大きくした蓄電ユニット。
前記弾性部は前記下ケースと一体形成した請求項１に記載の蓄電ユニット。
前記側面電極、前記端面電極、および前記バスバーは同一の金属製である請求項１に記載の蓄電ユニット。
前記バスバーと前記側面電極、および前記バスバーと前記端面電極は、それぞれレーザ溶接により線状に接続される請求項１に記載の蓄電ユニット。
隣り合う前記蓄電素子は、前記上ケースと前記下ケースに挿入した際に、隙間を有するようにした請求項１に記載の蓄電ユニット。
前記バスバーにおいて、前記端面電極に接続する部分と、前記側面電極に接続する部分の間に屈曲部を設けた請求項１に記載の蓄電ユニット。
前記上ケースと前記下ケースは、それぞれに設けた固定ネジ穴を介して、両端にメネジを形成した固定棒に固定ネジを締め込むことにより接続固定される請求項１に記載の蓄電ユニット。