JP2007165164A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電池の冷却性に優れると共に、低コストで組立性を向上させた電池モジュールを提供する。
【解決手段】電池モジュール３は、４個の円柱状単電池の極性が交互となるように配設され電気的に直列に接続された組電池ユニットを６個、直列に接続した組電池ブロック２０を、略六面体の外装ケース内に並設するように収容している。外装ケースは、正面、底面、背面の３面を有する下蓋２２と、左側面、上面、右側面の３面を有する上蓋４１とが結合されている。上蓋４１の左側面、上面、右側面の端部は、下蓋２２の正面ないし背面側で絞られている。
【選択図】図１１

Description

本発明は電池モジュールに係り、特に、複数個の円柱状単電池の極性が交互となるように配設され電気的に接続された組電池を複数個、略六面体の外装ケース内に収容した電池モジュールに関する。

従来、電気自動車等の移動体用電源には、ニッケル水素電池、リチウム電池等の高性能二次電池が使用されている。これらの二次電池は、電池性能を把握するために使用時の個々の単電池電圧を検出する必要があり、使用される電池数も多いため、電池電源装置（電池モジュール）の組立作業が煩雑である。また、使用時の発熱量が比較的大きく、かつ、電池性能の温度依存性もあるため、電池の冷却性と組立性を高める必要がある。

このため、複数個の円柱状の二次電池を直線的に電気接続して細長の円柱状組電池とし、この組電池を複数列に内蔵するホルダーケースを備えた電池モジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このホルダーケースは、プラスチック製で上下部が開口した方形状の箱型に成形されており、組電池を収容保持するための円形貫通口が両端で開口している。組電池をホルダーケースに収容した後、銅バーが所定位置となるように予めインサートした樹脂板をホルダーケースの両端に位置させて組電池間の電気的接続が行われる。組電池は均等に多数個配置されており、電池モジュールを構成する単電池間に温度差が生じるため、単電池の冷却に空気による強制冷却を行い、冷却風を、組電池を収容したホルダーケースの下部から導入し、上部から排出している。冷却風の導入側には単電池を極力冷やさないようなカバー状の整流ルーバー、排出側には冷却風の流速を上げて熱交換率を向上させるために流通経路を絞るような整流ルーバーが配置されており、形状の異なる整流ルーバーを、組電池の配設場所に応じて適切に配置することで、電池モジュール内の各単電池の温度が均等となる冷却系が構成されている。

特開平１０−２７０００６号公報

しかしながら、上記電池モジュールは、円柱状単電池を直線的に直列接続した円柱状組電池を用いているため、組電池同士を樹脂板にインサートされた銅バーで接続するには、安定した寸法の組電池を作らねばならず、そのためには夫々の単電池高さと接続部材の寸法に精度が求められる。また、組電池をホルダーケースへ配置する場合、ホルダーケース内に設けられた丸穴に挿入する作業が必要であり、使用する組電池の個数も多く作業が煩雑となるため、その分、接続作業での安全性が低下するおそれがある。更に、形状の異なる整流ルーバーを各組電池間に配置していため、部品種が多くなり、所定位置に配置するのに手間がかかると共に、ルーバー形状は曲線の多い複雑な形状が多く、コスト的にも割高となるおそれがある。

本発明は上記事案に鑑み、電池の冷却性に優れると共に、低コストで組立性を向上させた電池モジュールを提供す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、複数個の円柱状単電池の極性が交互となるように配設され電気的に接続された組電池を複数個、略六面体の外装ケース内に収容した電池モジュールであって、前記外装ケースは、正面、底面、背面の３面を有する下蓋と、左側面、上面、右側面の３面を有する上蓋とが結合されていることを特徴とする。

一般に、下蓋に複数個の組電池を配置固定する場合に、底の深い箱状のものであれば、複数個の組電池を挿入するような形となるため、挿入固定作業自体が大変なものとなり、その後の接続作業では、外装ケースの壁（正面、背面、左側面、右側面）が邪魔となって作業性が低下する。逆に、板状の下蓋に複数個の組電池を配置固定する場合には、挿入作業がなく固定作業も簡易にはなるが、上蓋を被せるときに、目視確認できない状態での挿入と同じであるため、高電圧となる電池モジュールの組立の安全性が阻害される。そこで、本発明では、両者の折衷案として、下蓋が正面、底面、背面の３面、上蓋が左側面、上面、右側面の３面を有し、下蓋と上蓋とを結合することで略六面体の外装ケースを構成している。下蓋は正面、底面、背面を有するため、壁となるのは正面と背面である。従って、複数個の組電池を配置固定する際、後者の板状の下蓋に配置するのと酷似する作業となり、左側面及び右側面を複数個の組電池に対する作業面とすることで、空間が開いているため、作業性が向上する。また、上蓋は左側面、上面、右側面の３面を有するため、壁となるのは左、右側面の２面であり、上蓋を被せる際、正面と背面方向からの目視確認ができるため、前者と同様に、安全性を向上させることができる。更に、上蓋、下蓋ともに３面を有するため、前者の５面を有する箱構造の外装ケースよりコストを低減させることができる。

本発明において、外装ケースの正面に正、負極出力線取出口を有するようにすれば、正面を構成しているのは下蓋であり、この下蓋に正、負極出力線が配置されるため、下蓋に、複数個の組電池を収容固定する前に予め正、負極電力線を固定しておくことで、結線ミスを防ぎ安全な電気接続が可能となる。また、外装ケースの正面と背面とに通風口を有するようにすれば、通風口と連通した通風経路を予め下蓋に形成しておくことによって、複数個の組電池を下蓋に配置固定し上蓋と結合するのみで冷却系の形成が完了するため、組立性を高めることができる。

上記態様において、下蓋と上蓋とが、下蓋の底面部から側方へ張り出した第１のフランジ部と、上蓋の左右側面から側方へ張り出した第２のフランジ部とが対応するように固定されていれば、側方へ張り出した第１及び第２のフランジ部よって上蓋、下蓋の位置決めが簡易になり作業性が向上すると共に、第１及び第２のフランジ部によりフラットな面ができるため、ネジ締結がしやすくなる。この場合に、下蓋と上蓋との結合部が外装ケースの載置面に直に接触すると、振動等が加わったときに下蓋と上蓋の結合に要する以上の負荷が印加され、結合部が破壊される危険性があるが、第１のフランジ部が下蓋の底面よりも上方に位置していれば、下蓋と上蓋との結合部は外装ケースの載置面より浮いており第１のフランジ部は外装ケースの載置面とは接触しない構造となるため、結合部の振動等による破壊が回避され結合部の信頼性が向上する。このとき、第１のフランジ部の端部が上方に屈曲していれば、第１のフランジ部の端部が平坦である場合より剛性が増し構造強度が増加するため、板厚を小さくし材料使用量を減らすこができ、下蓋の重量及びコストを低減させることができると共に、端部が上方に屈曲しているため、下蓋と上蓋とを結合する際の位置決めが容易になり作業性が向上する。この第１のフランジ部の端部が波形形状を有していれば、直線形状の端部よりも曲げなどの歪みに対する剛性が向上すると共に、第２のフランジを第１のフランジ部の端部の波形形状に対応させた形状にすることで、下蓋と上蓋との結合時の位置合わせに利用できるため、電池モジュールの組立性が向上する。また、上蓋の左側面、上面、右側面の端部が、下蓋の正面ないし背面側で絞られていれば、構造強度が増加し上蓋自体の歪みも少なくなると共に、強度が増したことによって、板厚を小さくし材料使用量を減らすこができ、上蓋の重量及びコストを低減させることができる。

また、組電池を断面が略ｈ字状で平行に対向配置された２つの枠間に配置固定すれば、枠が断面略ｈ字状のため断面係数が高く平坦な面で複数の組電池を固定することができ組電池毎に固定部品を必要としないため、軽量化と省スペース化を図ることができると共に、組電池の寸法バラツキに対して有効に機能する。このように枠間に配置固定された組電池同士を電気的に接続して組電池群とすれば、組立工程での取り扱いが容易となり、このような組電池群を複数個並設して外装ケース内に収容固定すれば、電池モジュールの組立性が著しく向上する。このとき、組電池の底面は断面略ｈ字状の２つの枠によって固定されている訳であるが、組電池群全体に対して上向きの大きな衝撃が加わった場合、組電池底面のみの固定では組電池の夫々がバラバラに振動するおそれがあるため、組電池群の上方に、組電池を配置固定する枠に平行となるよう配設され、断面が略Ｌ字状の補強板を有するようにすれば、単なる平板より横方向に対して強い略Ｌ字状の補強板によって、上下、左右方向への大きな衝撃に耐える構造となる。

更に、下蓋が、配置された組電池群毎に冷却ダクトを有しており、該冷却ダクトが組電池を構成する単電池間に対応する箇所に通風孔を有していれば、冷却風は各単電池間を下側から吹き上がっていく構造となり、下蓋に設けられた冷却ダクトの冷却風の温度は一定であるため、夫々の単電池へは一定の温度の空気が当たり冷却条件はほとんど一定となる。しかし、組電池を構成する単電池を多段式とした（上下方向に積層した）場合、上の段にある単電池の冷却条件が問題となるが、組電池内にルーバー機能を補えればある程度改善は可能であり、内部にルーバー機能をもった同一形状の組電池を固定した組電池群を、冷却ダクトと通風孔とを有する下蓋へ形成するだけで、冷却系が完結する極めて効率的な構造となり、単電池毎にルーバー形状を変える必要がなく簡易な組み立てが可能となる。このとき、通風孔の開口面積が冷却風の導入側が大きく排出側へいくほど小さくなり、かつ、最も導入側に近い通風孔は略半分が斜めに傾斜したリブで覆われており、最も排出側に近い通風口が最も導入側に近い通風孔と略同じ開口面積を有することが好ましい。すなわち、原則として、通風孔の開口面積は冷却風の導入側が大きく排出側へいくほど小さくなるように設定し、例外として、冷却風の導入側では渦流が発生しやすく単電池が冷えなかったり、逆に、冷えすぎるという現象が起こるため、最も導入側に近い通風孔は略半分を斜めに傾斜したリブで覆うことで、渦流による弊害や過冷却を防止すると共に、排出側では、強制冷却によって熱交換された空気（冷却風）が集中するため、通風孔を絞って流速を増すだけでは不十分で、温度の低い冷却風を大量に当てる方が効果が大きいため、最も排出側に近い通風口の開口面積を最も導入側に近い通風孔と略同じ開口面積に設定することで、組電池群の組電池を構成する各単電池を均一に冷却し電池性能をほぼ一様とすることができる。

また、下蓋が底面に突起を有しており、上蓋が電池モジュールを積層して配設可能なように、突起に対応した位置に窪みを有していれば、上蓋の窪みに下蓋底面の突起を係合させて電池モジュールの重ね配置（積層）が可能となるため、電池モジュールの平面的な配置に比べ立体的な配置ができ空間の利用率が向上する。

本発明によれば、外装ケースを、下蓋が正面、底面、背面の３面、上蓋が左側面、上面、右側面の３面を有し、下蓋と上蓋とを結合することで略六面体としたので、複数個の組電池を下蓋に配置固定する際に、左側面及び右側面の空間が開いているため、作業性を向上させることができ、下蓋と上蓋とを結合する際、正面と背面方向からの目視確認ができるため、安全性を向上させることができると共に、上蓋、下蓋ともに３面を有するため、５面を有する箱構造の外装ケースよりコストを低減させることができる、という効果を得ることができる。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、本発明を電気自動車用の電池モジュールに適用した第１の実施の形態について説明する。

（構成）
図１に示すように、本実施形態の電池モジュール３は、上蓋４１と下蓋２２とからなり金属製で略六面体の外装ケースを備えている。外装ケース内には、複数個の組電池ユニット２が収容固定されている（図１１参照）。

＜組電池ユニット＞
図２に示すように、組電池ユニット２は、４個の単電池１の極性が交互となるように２行２列に配設され、これら４個の単電池１が直列に接続されている。単電池形状には様々な種類があるが、本実施形態では、図３に示すように、マンガン酸リチウム等を主要構成材料（活物質）とし熱伝導性の高いケーシングで被覆した円柱状のリチウム二次電池が用いられている。

図２に示すように、組電池ユニット２は、単電池１を電気絶縁性の高い樹脂成形品からなる中枠ホルダ４と外枠ホルダ５とで、単電池１の円周方向に対して上下方向から挟み込むように構成されており、４個の単電池１は互いに金属ブスバで溶接されることによって電気的に直列に接続されている。また、組電池ユニット２には、各単電池１の電圧を検出するための電圧検出線１５が予め接続されている。電気的部品の金属ブスバと電圧検出線１５とは中枠ホルダ４に集約、固定されており、作業性を向上させるために、組電池ユニット２の組立前に金属ブスバと電圧検出線末端とは予め接続されている。また、中枠ホルダ４の上下には同一形状の２つの外枠ホルダ５が向き合うように配置されており、中枠ホルダ４と２つの外枠ホルダ５とは複数箇所（６箇所）で相互に嵌合するスナップフィット構造が採られている。

外枠ホルダ５は、単電池１の端部周面に当接する２つの単電池保持部と、これらの単電池保持部間の間隔を画定すると共に、単電池１の周面に冷却風を流通させるために、断面が略Ｕ状のアーチ状ルーバー６とを有している。一方、中枠ホルダ４は、外枠ホルダ５と反対側（内側）から単電池１の端部周面に当接する２つの単電池保持部と、これらの単電池保持部間の間隔を画定すると共に、単電池１の周面に冷却風を流通させるために、断面がクロス状の十字状ルーバー７とを有している（図１２参照）。なお、電圧検出線１５のリード線部は十字状ルーバー７の長手方向に沿って十字状ルーバー７に固定されている。また、外枠ホルダ５の単電池保持部には、組電池ユニット２をネジ固定するための固定孔（雌ネジ部）が形成されている。

中枠ホルダ４に集約された金属ブスバには、単電池１間を接続する単電池間ブスバ８と正極出力を行うための正極ブスバ９、負極出力を行うための負極ブスバ１０があり、正ブスバ９、負極ブスバ１０にはネジ締結するためのナットが樹脂にインサートされている。なお、金属ブスバは、基本的には電気接続できればよいため、電気抵抗の低い金属であればよいが、本実施形態では、単電池１と金属ブスバとが抵抗溶接で接続されているため、銅にニッケルメッキを施したものを用いた。

＜組電池ブロック＞
図４及び図７に示すように、本実施形態では、電池モジュール３の組立性及び取り扱いの利便性を向上させるために、断面が略ｈ字状で互いに向き合うように配置された２本のチャネル状ブロックベース１１上に６個の組電池ユニット２が配置されて、上述した固定孔（雌ネジ部）に螺合するタッピングネジ１２で固定され、隣接する組電池ユニット２同士の負極ブスバ１０と正極ブスバ９とを締結する組電池間ブスバにより直列接続がなされた組電池ブロック２０が組み立てられる。

ブロックベース１１は、断面形状と材質とにより、組電池ユニット２を配置する面に荷重を加えた際に発生する最大応力が異なってくる。図５及び下表１に、組電池ユニット２の配置固定用のブロックベース１１の断面形状と材質による相違点を示す。

図５（Ａ）〜図５（Ｄ）に示すブロックベースは鉄板の曲げ加工で作製したもので、図５（Ｅ）に示すブロックベースはアルミニウムを押し出し成形したものである。図５（Ａ）〜図５（Ｄ）の鉄板で作ったブロックベースは、図５（Ｅ）のアルミニウムのブロックベースに比べて重量が約１．５倍も重く、発生した応力も２．５倍以上大きいことが分かる。一般的には鉄の方がアルミニウムよりも強度が大きいため、薄い鉄板を曲げて作るほうが軽く強いものとなるように思われるが、現実には、重量比と最大応力比との関係で、少し厚めのアルミニウムを押し出しで作る方が有効であることが分かった。本実施形態では、このような検討結果から、図５（Ｅ）に示した断面略ｈ字形のアルミニウム製ブロックベース１１が用いられている。

図４に示すように、ブロックベース１１は、側面に飛び出し組電池ブロック２０を側方から下蓋２２に固定するための複数のフランジを有している。このフランジは２種類あり、電池モジュール３の外側に位置するものをブロックフランジＡ１３、内側に位置するものをブロックフランジＢ１４とする。換言すると、電池モジュール３の外側に位置する面を組電池ユニット２の電圧検出線１５が固定されている面とすると、この面でのブロックベース１１にはブロックフランジＡ１３が配設されている。ブロックフランジＡ１３は、下蓋２２と上蓋４１とで挟み込まれ、下蓋２２と上蓋４１との締結と同時にブロックベース１１も締め付けられ固定されている（図１１参照）。また、ブロックベース１１の両端には、組電池ブロック２０を正面及び背面側から下蓋２２に固定するためのブロックベース丸穴３０が形成されている。

図６及び図７に示すように、組電池ブロック２０の上方には、断面略Ｌ字状でチャネル状のブロック補強板１６がブロックベース１１と平行に配置されている。組電池ユニット２は、タッピングネジ１２により、側方からブロック補強板１６に固定されている。電圧検出線１５が固定された面側のブロック補強板１６には、組電池ブロック２０を構成する各組電池ユニット２の電圧検出線に接続された電圧検出ハーネス２１が固定されている。すなわち、結束バンド１７を装着するためのケーブルタイ１８がタッピングネジ１２でブロック補強板１６に取り付けられており、電圧検出ハーネス２１はこの結束バンド１７でブロック補強板１６に固定されている。また、ブロック補強板１６は、２箇所で湾曲しており丸穴が形成されたブロック補強板湾曲部１９を有している。この丸穴に太い針金で作ったフックを差し込んで組電池ブロック２０の持ち運び等の取り扱いが行われる。なお、この部分は強度的な要求仕様上、ケーブルタイ１８の取り付けができない。

＜電池モジュール＞
図８に示すように、下蓋２２は、下蓋ベース２３、導入側固定台２４、排出側固定台２５、ブロック固定台２６、補強ルーバー２７、センターポール２８の６種類の部品よりなる。

下蓋ベース２３は外装ケースの正面、底面、背面を構成している。下蓋ベース２３の正面部は、中央両側に、正極強電ケーブル３７、負極強電ケーブル３８（図１参照）を取り出すための丸穴が形成されており、下側に、冷却風を導入するためのスリット状の冷却風導入ゲート４７が形成されている。また、下蓋ベース２３の正面部の上面側及び左右側面側端部はＬ字状に折り曲げられている。一方、下蓋ベース２３の背面部の下側には、正面部に形成された冷却風導入ゲート４７に対応する位置に、冷却風を排出するためのスリット状の冷却風排出ゲート５０が形成されている（図９参照）。下蓋ベース２３の底面部からは、下蓋ベース２３の底面より上方に位置し、略水平面を有する下蓋フランジ部３９が左右側方に張り出している。下蓋フランジ部３９の端部には、上方に屈曲した屈曲リブ４０が形成されている。

下蓋ベース２３の底面部の正面部側には、組電池ブロック２０のブロックベース１１を正面側から固定すると共に、冷却風導入ゲート４７から導入された冷却風を補強ルーバー２７まで案内するための導入側固定台２４が固定されている（図９、図１２も参照）。一方、下蓋ベース２３の底面部の背面部側には、組電池ブロック２０のブロックベース１１を背面側から固定すると共に、電池モジュール３内を流通した冷却風を上面に形成された２つの排気口４９を介して冷却風排出ゲート５０まで案内するための排出側固定台２５が固定されている（図１２も参照）。また、下蓋ベース２３の底面部の長手方向中央に沿って、上蓋４１の長手方向中央部を支持し上蓋４１と結合（ネジ締結）するためのセンターポール２８（図１１も参照）、電池ブロック２０のブロックベース１１のブロックフランジＢ１４を固定するためのブロック固定台２６が交互に固定されている。

更に、下蓋ベース２３には、下蓋ベース２３の底面強度を補強すると共に、組電池ブロック２０毎に冷却風を供給するための補強ルーバー２７が固定されている。補強ルーバー２７の長手方向中央は、下蓋ベース２３の底面部に当接しており、下蓋ベース２３に固定されたセンターポール２８及びブロック固定台２６を挿通するための丸穴及び矩形穴が形成されている。補強ルーバー２７の長手方向中央を挟む両側は一段高くなっており（以下、この部分をダクト形成部という。）、下蓋ベース２３と共に開口断面が矩形状のダクト４８が形成されている。補強ルーバー２７のダクト形成部には、組電池ユニット２を構成する単電池１間に対応する箇所に、矩形状の通風口２９が形成されている（図１２も参照）。冷却風導入ゲート４７に最も近い通風孔は、斜めに傾斜したリブ状の遮へいルーバー５１で開口面積の略半分が覆われている。

補強ルーバー２７のダクト形成部の側方両側は、長手方向中央と同様に、下蓋ベース２３の底面部に当接している。補強ルーバー２７の側方両側端部は立ち上がっており、更に、略水平面を有するフランジ部が左右側方に張り出している。補強ルーバー２７のフランジ部は、下蓋ベース２３の下蓋フランジ部３９と面接触して固定されている。また、補強ルーバー２７は、下蓋ベース２３に固定された導入側固定台２４、排出側固定台２５の位置を避けるように、正面及び背面側で切り欠かれている。なお、補強ルーバー２７のダクト形成部の導入側固定台２４側の端部は、ダクト４８が冷却風導入ゲート４７と連通するように、導入側固定台２４に挿入されている（図９、図１２も参照）。

図９及び図１０に示すように、下蓋２２には２個の組電池ブロック２０が並設するように固定されている。すなわち、導入側固定台２４、排出側固定台２５に立設されたスタッドボルト３１に、各組電池ブロック２０のブロックベース１１の両端のブロックベース丸穴３０が挿通されており、スプリング組み込みナット３２で固定されている。また、組電池ブロック２０のブロックベース１１のブロックフランジＢ１４同士は、ブロック固定台２６上で相対するようにスプリング組み込みナット３２で固定されている。

排出側固定台２５上には、セルコントローラー（Ｃ／Ｃ）３３を搭載したＣ/Ｃボックス３４が下蓋ベース２３にネジ固定されている。セルコントローラー３３は基板上にコネクタを有しており、電圧検出ハーネス２１の一側に取り付けられた電圧ハーネスコネクタ３５（図６参照）がセルコントローラー３３のコネクタに接続されている。

下蓋２２に並設固定された組電池ブロック２０同士は、ブロックケーブル３６により直列に接続されている。下蓋ベース２３の正面部に形成された丸穴にはグロメットが固定されており、正極強電ケーブル３７、負極強電ケーブル３８が導出されている（図１も参照）。

図１１に示すように、上蓋４１は外装ケースの左側面、上面、右側面を構成している。上蓋４１は特徴的な形状を有しており、正面・背面側が絞られた上蓋絞り部４２が形成されている。換言すれば、上蓋４１の左側面、上面、右側面の両端部は、外装ケース全体のねじり方向に耐力を増加させるため、下蓋ベース２３の正面部側ないし背面部側に屈曲して狭まっている。また、上蓋４１の左右側面には、後述するカラー４５（図１４参照）の動きを規制するカラーガイド４４が溶接されている。上蓋４１の左右側からは、略水平面を有する上蓋フランジ部４３が張り出している。上蓋フランジ部４３には、ブロックベース１１から飛び出したブロックフランジＡ１３が、下蓋フランジ部３９の上に乗っている状態でその部分を避けるように、フランジ部窪み４６が形成されている。

下蓋フランジ部３９と上蓋フランジ部４３とは、スタッドボルト３１によりネジ締結されている（図８参照）。また、上蓋絞り部４２と下蓋ベース２３の正面部及び背面部もネジ締結されている。なお、上蓋絞り部４２によって、上蓋４１の上面との間に段差が形成されているため、締結後のネジ頭が上蓋４２の上面から飛び出すことがない（図１２も参照）。更に、下蓋ベース２３に立設されたセンターポール２８の頂部には雌ネジが形成されており、上蓋４１と下蓋２２とはこの箇所でもネジ締結されている。

＜冷却系＞
図１２に示すように、電池モジュール３は、各単電池１を冷却風で強制的に冷却する強制冷却方式を採用している。すなわち、電池モジュール３の冷却系は、冷却風導入ゲート４７から導入された冷却風が、下蓋２２の導入側固定台２４の内側を通り、補強ルーバー２７と下蓋ベース２３とで形成され、組電池ブロック２０毎に対応したダクト４８を流通し、補強ルーバー２７（のダクト形成部）に形成された各通風孔２９を抜けて、単電池１の周囲を回りながら上蓋４１との間に形成されている空間でまとまり、排出側固定台２５の上面に形成された排出口４９からＣ/Ｃボックス３４の下を通り排出ゲート５０から抜けていく構造である。

上述したアーチ状ルーバー６、十字状ルーバー７は、組電池ユニット２を構成する中枠ホルダ４、外枠ホルダ５の柱としての機能と、内部ルーバーとしての機能とをもたせている。ここで最も重要な点は、補強ルーバー２７に形成された通風孔２９の位置と開口面積である。また、導入側に最も近い通風孔２９に遮へいルーバー５１を設け、導入側から遠くなるにつれて通風孔２９の開口面積を絞り、最も排出側に近い通風孔２９を大きくしていることである。

図１３は、冷却風の風速１５ｍ／ｓ、環境温度４０°Ｃで電池モジュール３を放電させたときの、全単電池１の表面温度の平均値からのズレ（表面温度のバラツキ）を示したものである。横軸の番号は排出側からの単電池１の位置を示し、黒四角が１段目の単電池表面温度、白丸が２段目の単電池表面温度を示している。

図１３（Ａ）は、単電池１間に開口面積が均等の通風孔２９を形成したときの単電池表面温度のバラツキを示している。単純に同一開口面積の通風孔を配置しただけでは、かなり大きなバラツキが発生してしまう。更に、１段目の単電池１では上下の大きく振れていることから、一種異常な流れが発生していると考えられる。図１３（Ｂ）は、ダクト４８の後方（排出側固定台２５側）に行くほど通風孔２９の開口面積を絞り込んだときの単電池表面温度のバラツキを示している。図１３（Ａ）の場合と比べるとかなり安定した流れが得られていることが分かる。しかし、導入側近傍の電池表面温度が異常に高くなっており、この部分での流れが滞っていると考えられる。図１３（Ｃ）は、図１３（Ｂ）の通風孔２９の開口面積を維持しつつ、導入側に最も近い通風孔２９を斜めに遮断する遮へいルーバー５１を形成したときの単電池表面温度のバラツキを示している。導入側に最も近い電池の１段目下方から流れ込んだ冷却風と、組電池ユニット２の中枠ホルダ４の十字状ルーバー７によって横方向に向けられた冷却風とがぶつかり渦流を発生させていたものと考えられるため、下方からの流入を防ぐという意味で遮へいルーバー５１を設けた。この結果、導入側に最も近い電池表面温度の異常なズレは小さくなったが、排出側に最も近い電池の表面温度が高くなってしまった。冷却風の流れは複雑な上、いわゆるモグラ叩きのように、一部を変えると、今までよかったものまで変化してしまう。

排出側では、強制冷却によって熱交換がなされた冷却風が集中するため、通風孔２９の開口面積を絞って流速を増すだけでは不十分で、温度の低い状態の冷却風を大量に当てる方が効果が大きい。本発明者らは、鋭意検討した結果、中央部を１．０としたときに、通風孔２９の開口面積の比率を、排出側から０．７、０．２５、０．４、０．７、０．８、１．０、１．０、１．０、１．０、１．０、０．６５に設定することで、最適な冷却系となることを発見した。図１３（Ｄ）は、この開口面積比のときの単電池表面温度のバラツキを示している。本実施形態では、この開口面積比の通風孔２９を補強ルーバー２７のダクト形成部に形成することによって、安定した冷却性能が得られると共に、組電池ユニット２内に複雑なルーバーが不要で、単純な形状でいて同一のものを使うことができるため、非常に低コストで有効な冷却系を得ることができる。

（組立手順）
次に、本実施形態の電池モジュール３の組立手順について、組電池ユニット２、組電池ブロック２０、電池モジュール３の順に説明する。

＜組電池ユニット２の組立手順＞
外枠ホルダ５の単電池１と接触する湾曲部に接着剤を塗布し、単電池１を極性が互い違いになるように配設し、同様に接着剤を湾曲部に塗布した中枠ホルダ４を被せる。この時、外枠ホルダ５と中枠ホルダ４のスナップフィット結合箇所は６箇所であるため、ある程度の力で加圧する必要がある。次に、極性に注意しながら単電池１を中枠ホルダ４の開いている湾曲部に配置し、外枠ホルダ５を被せる。そして、中枠ホルダ４に接続されている金属ブスバと各単電池１とを抵抗溶接で接続する。単電池１と２つの外枠ホルダ５及び中枠ホルダ４との最終固定は接着剤に依存している訳であるが、接着剤が乾燥・固化するまでの間、スナップフィットによる物理的拘束力でも十分まかなえる構造である。このため、接着工程から後の溶接、検査、組み立ての各工程へ乾燥時間を待たなくても移ることができるため、時間効率が高くなる。

＜組電池ブロック２０の組立手順＞
以上のように作製した組電池ユニット２を、図４に示すように、２つのブロックベース１１（図５（Ｅ）参照）が向き合うように平行に配置してタッピングネジ１２で固定して行く。図６、７に示すように、ブロックベース１１に組電池ユニット２を固定した後、ブロック補強板１６を組電池ユニット２の上部に配置し、ブロックベース１１のときと同様に、タッピングネジ１２で固定する。このとき、電圧検出線１５が配置された面では、結束バンド１７を装着するためのケーブルタイ１８を４箇所、タッピングネジ１２で取り付ける。その後、ケーブルタイ１９近傍に電圧検出ハーネス２１を配置し、結束バンド１７で組電池ブロック２０に固定する。

＜電池モジュール３の組立手順＞
図９に示すように、下蓋２２に組電池ブロック２０を配置・固定する。このとき、組電池ブロック２０は、ブロック補強板１６のブロック補強板湾曲部１９の丸穴に、太い針金で作ったフックを差し込んで持ち運び等の取り扱いが行われる。組電池ブロック２０のブロックベース１１の両端に形成したブロックベース丸穴３０を、下蓋２２を構成する導入側固定台２４、排出側固定台上２５のスタッドボルト３１を通してスプリング組み込みナット３２で締結し固定する。２つの組電池ブロック２０を並設して固定した後、組電池ブロック２０のブロックベース１１から飛び出しているブロックフランジＢ１４同士がブロック固定台２６上で相対しているのを確認してスプリング組み込みナット３２で締結する。

組電池ブロック２０の締結が終了すると、Ｃ/Ｃボックス３４を、下蓋２２の排出側固定台２５の組電池ブロック２０と下蓋２２との間に挿入し、電圧検出ハーネスコネクタ３５（図６参照）とＣ/Ｃボックス３４内のコネクタとを嵌合させる。その後、下蓋２２の背面の壁側へスライドさせて押し当ててモジュール３の外部からネジで締結する。Ｃ/Ｃボックス３４の固定点は４点で、下蓋２２の背面からの横方向固定と、排出側固定台２５上に設けられた溶接ナット部分への上方固定とで行われる。コネクタ同士を締結するには、コネクタを差し込むストローク分の遊びが電圧検出ハーネス２１側に必要であるが、そうすると必要以上に長くなってしまう。本実施形態のように、Ｃ/Ｃボックス３４を固定していないフリーの段階でコネクタ同士を接続し、固定点までスライドさせることによって、必要遊びを最小に抑えることができる。

図１０に示すように、組電池ブロック２０間の電気的接続を行うブロックケーブル３６を取り付けネジで締結し、下蓋２２に予め固定されていたグロメット付の正極強電ケーブル３７、負極強電ケーブル３８を夫々の組電池ブロック２０に接続しネジにて締結する。これら強電ケーブルの末端には圧着端子が接続されているため、その取り付けは簡易に行える。

図１１に示すように、全ての電気的接続が終了した後、上蓋４１を被せて各個ネジで下蓋２２と上蓋４１とを締結する。すなわち、下蓋２２の下蓋フランジ部３９に立設されたスタッドボルト３１と、上蓋４１の上蓋フランジ部４３に形成された丸穴とを介してネジで締結する。このとき、ブロックベース１１から飛び出しているブロックフランジＡ１３が、下蓋フランジ部３９の上に乗っており、フランジ部窪み４６で上蓋４１と下蓋２２とを締結し、組電池ブロック２０も締結する。また、上蓋絞り部４２でも下蓋２２とネジ締結し、上蓋４１の上面とセンターポール２８とをネジ締結することで、電池モジュール３の組立が完了する。

（第２実施形態）
次に、本発明を電気自動車用の電池電源装置に適用した第２の実施の形態について説明する。本実施形態の電池電源装置は、２個の電池モジュールを積層したものである。なお、本実施形態において、第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付してその説明を省略し、以下、異なる箇所のみ説明する。

図１４及び図１５に示すように、本実施形態の電池電源装置１００は、電池モジュール３を載置するための基台５５を有している。下蓋フランジ部３９が下蓋２２の底面よりも上方に位置しているため、取り付け側（車輌側）での配置、固定が簡易に行える。また、取り付け側のフランジにスタッドボルトもしくは溶接ナットが取り付けられていれば、組み付け作業が簡易になることは言うまでもない。基台５５には溶接ナットが取り付けており、電池モジュール３の配置後にネジ締結を行う。その後、上蓋４１のカラーガイド４４にカラー４５を差し込み、２段目の電池モジュール３を配置する。このとき、カラー４５は２段目の電池モジュール３の下蓋フランジ部３９に接触するようになっており、その位置決めは下蓋２２に形成された下蓋突起５２（図１２参照）と上蓋４１に形成された上蓋窪み５３が担っている。下蓋突起５２と上蓋窪み５３とは、それぞれ円錐台形の形状をしており、電池モジュール３の後方２箇所に位置している。下蓋突起５２を上蓋窪み５３に合わせて２段目のモジュール３を配置し、カラー４５が装着されている丸穴に長ボルト５４を差し込んで２段目のモジュール３を固定する。すなわち、１段目の電池モジュール３は基台５５に対して直に４箇所のボルトで固定され、２段目の電池モジュール３はカラー４５を介して６箇所のボルトで固定されることとなる。

上蓋４１に上蓋窪み５３を、下蓋２２に下蓋突起５２を形成することによって電池モジュール３の重ね配置が可能となり、平面的な配置に比べ立体的な配置ができるため空間の利用率が向上する。このとき、注意すべき点は、１段目の電池モジュール３の上蓋４１の強度を上げておくことである。本実施形態では、下蓋フランジ部３９から上方に屈曲している屈曲リブ４０は波状に湾曲しており、この湾曲部によって、カラー４５から受ける応力を分散させている。また、下蓋２２と上蓋４１との結合時の位置合わせを容易にするために、上蓋フランジ部４３の端部は下蓋フランジ部３９の屈曲リブ４０の形状に対応する形状（波状）を有している。なお、上蓋４１の強度をある程度大きくすれば、第１実施形態で例示した単純な上向きの屈曲リブ４０でも十分な機能が得られる。

（作用等）
次に、上記実施形態の電池モジュール３及び電池電源装置１００の作用等について説明する。

上記実施形態の電池モジュール３は、外装ケースを、下蓋２２が正面、底面、背面の３面、上蓋４１が左側面、上面、右側面の３面を有し、下蓋２２と上蓋４１とを結合することで略六面体としたので、各６個の組電池ユニット２で構成された２つの組電池ブロック２０を下蓋２２に配置固定する際に、左側面及び右側面の空間が開いているため、作業性（組立性）を向上させることができ、下蓋２２と上蓋４１とを結合する際、正面と背面方向からの目視確認ができるため、安全性を向上させることができる。また、上蓋４１、下蓋２２ともに３面を有するため、５面を有する箱構造の外装ケースよりコストを低減させることができる。

また、上記実施形態の電池モジュール３では、外装ケース（下蓋ベース２３）の正面に正極強電ケーブル３７、負極強電ケーブル３８を取り出すための丸穴を形成し、下蓋２２に、組電池ブロック２０を収容固定する前に予め正極強電ケーブル３７、負極強電ケーブル３８を固定したので、結線ミスを防ぎ安全な電気接続を行うことができる。また、外装ケース（下蓋ベース２３）の正面と背面に、それぞれ、冷却風導入ゲート５０、冷却風排出ゲート４９が形成されており、補強ルーバー２７にはダクト形成部が形成されているので、組電池ブロック２０を下蓋２２に配置固定し上蓋４１と結合することで冷却系の形成が完了するため、組立性を高めることができる。

更に、上記実施形態の電池モジュール３では、下蓋２２と上蓋４１とが、下蓋２２の底面部から側方両側へ張り出した下蓋フランジ部３９と、上蓋４１の左右側面から側方両側へ張り出した上蓋フランジ部４３とが対応するように固定されているので、下蓋フランジ部３９、上蓋フランジ部４３よって上蓋４１、下蓋２２の位置決めが簡易になり作業性が向上すると共に、下蓋フランジ部３９、上蓋フランジ部４３によりフラット面（略水平面）が形成されるため、ネジ締結がしやすくなる。

また、上記実施形態の電池モジュール３では、下蓋フランジ部４３が下蓋２２の底面よりも上方に位置しており、下蓋フランジ部３９と上蓋フランジ部４３との結合部は外装ケースの載置面より浮いており下蓋フランジ部４３は外装ケースの載置面とは接触しない構造となるため、結合部の振動等による破壊が回避され結合部の信頼性が向上する。また更に、下蓋フランジ部３９の端部に上方に屈曲した屈曲リブ４０が形成されているので、下蓋フランジ部３９の剛性が増し構造強度が増加するため、下蓋ベース２３の板厚を小さくし材料使用量を減らすこができ、下蓋２２の重量及びコストを低減させることができると共に、屈曲リブ４０が上方に屈曲しているため、下蓋２２と上蓋４１とを結合する際の位置決めが容易になり作業性が向上する。第２実施形態では、この屈曲リブ４０が波形形状を有しているため、第１実施形態の直線形状の屈曲リブ４０よりも曲げなどの歪みに対する剛性が向上すると共に、上蓋フランジ部４３の端部を下蓋フランジ部４３の屈曲リブ４０の波形形状に対応させた形状にしたので、下蓋２２と上蓋４１との結合時の位置合わせに利用でき、電池モジュール３の組立性が更に向上する。また、上蓋４１の左側面、上面、右側面の端部が、下蓋２２の正面ないし背面側で絞られているので、構造強度が増加し上蓋２２自体の歪みも少なくなると共に、強度が増したことによって、上蓋２２の板厚を小さくし材料使用量を減らすこができ、上蓋２２の重量及びコストを低減させることができる。

更に、上記実施形態の電池モジュール３では、組電池ユニット２を断面が略ｈ字状で平行に対向配置された２つのブロックベース１１間に配置固定したので、ブロックベース１１が断面略ｈ字状のため断面係数が高く平坦な面で６個の組電池ユニット２を固定することができ組電池ユニット２毎に固定部品を必要としないため、軽量化と省スペース化を図ることができると共に、組電池ユニット２の寸法バラツキに対して有効に機能する。また、ブロックベース１１間に配置固定された組電池ユニット２同士を電気的に直列に接続して組電池ブロック２０を作製したので、電池モジュール３の組立工程での取り扱いが容易となる。更に、電池モジュール３は、このような組電池ブロック２０を２個並設して外装ケース内に収容固定したので、電池モジュール３の組立性が著しく向上する。更にまた、組電池ブロック２０の上方に、断面が略Ｌ字状のブロック補強板１９をブロックベース１１と平行になるよう配設したので、上下、左右方向への大きな衝撃に耐え、自動車用電源に適合する構造となる。

また、上記実施形態の電池モジュール３では、下蓋２２が、配置された組電池ブロック２０毎にダクト４８を形成しており、ダクト４８には組電池ユニット２を構成する単電池１間に対応する箇所に通風孔２９が形成されているので、冷却風は各単電池１間を下側から吹き上がっていく構造となり、ダクト４８を流通する冷却風の温度は一定であるため、夫々の単電池１へは一定の温度の空気が当たり冷却条件はほとんど一定となる。また、内部にルーバー機能（アーチ状ルーバー６、十字状ルーバー７）をもった同一形状の組電池ユニット２を固定した組電池ブロック２０を、ダクト４８と通風孔２９とを有する下蓋２２へ形成するだけで、冷却系が完結する極めて効率的な構造となり、単電池１毎にルーバー形状を変える必要がなく簡易な組み立てが可能となる。更に、通風孔２９の開口面積が冷却風の導入側が大きく排出側へいくほど小さくなり、かつ、最も導入側に近い通風孔は略半分が遮へいルーバー５１で覆われており、最も排出側に近い通風口が最も導入側に近い通風孔と略同じ開口面積を有しているため、図１３（Ｄ）に示したように、単電池１の温度をほぼ一定とすることができる。

また、第２実施形態の電池電源装置１００では、下蓋２２が底面に下蓋突起５２を有しており（図１２参照）、上蓋４１に上蓋窪み５３が形成されているので、上蓋窪み５３に下蓋突起５２を係合させて電池モジュール３の重ね配置（積層）が可能となるため、電池モジュール３の平面的な配置に比べ立体的な配置ができ空間の利用率が向上する。

本発明は電池の冷却性に優れると共に、低コストで組立性を向上させた電池モジュールを提供するものであるため、電池モジュールの製造、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第１実施形態の電池モジュールの外観斜視図である。 第１実施形態の電池モジュールに使用される組電池ユニットの外観斜視図である。 組電池ユニットを構成する円柱状単電池の外観斜視図である。 組電池ユニットを集合した組電池ブロックの組立状態を示す斜視図である。 組電池ブロックに使用可能なブロックベースの断面図であり、（Ａ）〜（Ｄ）は鉄板折り曲げ加工によるブロックベースの断面図、（Ｅ）はアルミニウム押出成形によるブロックベースの断面図を示す。 組電池ブロックの側面図である。 組電池ブロックの外観斜視図である。 下蓋構成部品の一部分解斜視図である。 組電池ブロックの下蓋への組み付け状態を示す斜視図である。 組電池ブロックを下蓋に組み付け、ブロックゲーブルを取り付けた状態を示す斜視図である。 上蓋の組み付け状態を示す斜視図である。 冷却風の流通経路を模式的に示す電池モジュールの概略断面図である。 電池モジュールを構成する組電池の単電池表面温度のバラツキを示すグラフであり、（Ａ）は通風孔の開口面積を同一としたとき、（Ｂ）は冷却風の排出側の通風孔の開口面積を絞ったとき、（Ｃ）は冷却風の導入側の通風口に遮へいルーバーを配置したとき、（Ｄ）冷却風の排出側の通風孔の開口面積を大きくし、かつ、導入側の通風口に遮へいルーバーを配置したとき、の単電池表面温度のバラツキを示す。 本発明が適用可能な第２実施形態の電池電源装置の組み付け状態を示す斜視図である。 第２実施形態の電池電源装置の外観斜視図である。

符号の説明

１ 単電池
２ 組電池ユニット（組電池）
３ 電池モジュール
１１ ブロックベース（枠）
１６ ブロック補強板（補強板）
２０ 組電池ブロック（組電池群）
２２ 下蓋
２９ 通風孔
３７ 正極強電ケーブル（正極出力線）
３８ 負極強電ケーブル（負極出力線）
３９ 下蓋フランジ部（第１のフランジ部）
４０ 屈曲リブ
４１ 上蓋
４２ 上蓋絞り部
４３ 上蓋フランジ部（第２のフランジ部）
４７ 冷却風導入ゲート（通気口）
４８ ダクト（冷却ダクト）
５０ 冷却風排出ゲート（通気口）
５１ 遮へいルーバー（リブ）
５２ 下蓋突起（突起）
５３ 上蓋窪み（窪み）
１００ 電池電源装置（電池モジュール）

Claims (13)

1. 複数個の円柱状単電池の極性が交互となるように配設され電気的に接続された組電池を複数個、略六面体の外装ケース内に収容した電池モジュールであって、前記外装ケースは、正面、底面、背面の３面を有する下蓋と、左側面、上面、右側面の３面を有する上蓋とが結合されていることを特徴とする電池モジュール。
2. 前記外装ケースの正面に正、負極出力線取出口を有することを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記外装ケースの正面と背面とに通風口を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記下蓋と前記上蓋とは、前記下蓋の底面部から側方へ張り出した第１のフランジ部と、前記上蓋の左右側面から側方へ張り出した第２のフランジ部とが対応するように固定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項に記載の電池モジュール。
5. 前記第１のフランジ部は、前記下蓋の底面よりも上方に位置することを特徴とする請求項４に記載の電池モジュール。
6. 前記第１のフランジ部の端部は、上方に屈曲していることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の電池モジュール。
7. 前記第１のフランジ部の端部は波形形状を有することを特徴とする請求項６に記載の電池モジュール。
8. 前記上蓋の左側面、上面、右側面の端部は、前記下蓋の正面ないし背面側で絞られていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の電池モジュール。
9. 断面が略ｈ字状で平行に対向配置された２つの枠間に前記組電池が配置固定され、該組電池同士が電気的に接続された組電池群が、複数個並設されて前記外装ケース内に収容固定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８に記載の電池モジュール。
10. 前記組電池群の上方に、前記組電池を配置固定する枠に平行となるよう配設され、断面が略Ｌ字状の補強板を有することを特徴とする請求項９に記載の電池モジュール。
11. 前記下蓋は、配置された前記組電池群毎に冷却ダクトを有しており、該冷却ダクトは前記組電池を構成する単電池間に対応する箇所に通風孔を有していることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の電池モジュール。
12. 前記通風孔の開口面積は冷却風の導入側が大きく排出側へいくほど小さくなり、かつ、最も導入側に近い通風孔は略半分が斜めに傾斜したリブで覆われており、最も排出側に近い通風口は前記最も導入側に近い通風孔と略同じ開口面積を有することを特徴とする請求項１１に記載の電池モジュール。
13. 前記下蓋は底面に突起を有しており、前記上蓋は前記電池モジュールを積層して配設可能なように、前記突起に対応した位置に窪みを有していることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の電池モジュール。

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