JP2017123280A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電池セル間の段差が発生して配線基板が歪んだ場合であっても、ヒューズが破断しない電池モジュールを提供する。【解決手段】隣接する複数電池セル１１の端子間に固定される板状部２１と立設部２３とを備える金属リード２０と、金属リード２０の立設部２３が差し込まれる差込穴から延在する配線パターンが設けられる配線基板５０と、配線パターン上に設けられたヒューズ６１とを有しており、金属リード２０の立設部２３には配線基板５０の下面と接触して配線基板５０を支持する補強部２５が設けられ、金属リード２０の補強部２５が配線基板５０を支持する位置の上方にヒューズ６１の少なくとも一部が配置されている電池モジュール。【選択図】図６

Description

本発明は、ヒューズの破断を防ぎ、防水機能を有する電池モジュールに関する。

電池モジュールの一例として、電池セルの正極と負極との間に基板を配置し、基板上に保護素子（ヒューズ、ダイオード）を配置することがある。例えば、特許文献１では、電池セル上に基板を配置し、電池監視回路やセルバランス回路をハーネスで接続する。この例では、ヒューズの電極部は金属が露出している。

しかし、上記構成では、ヒューズがむき出しのため、水没時および塩水没時に、ヒューズ端子間でリークの恐れがある。

上記のヒューズのむき出し状態を解消するため、ヒューズをモールド樹脂で被膜することが提案されている（特許文献２）。

また、ヒューズのリークを防止するため、ヒューズを電池端子近傍に配置することが提案されている（特許文献３）。

特開２０１２−２３０９６３号公報 特開平０６−３１４５３８号公報 特開２０１４−０９３８６４号公報

しかし、ヒューズを電池端子近傍に配置すると、電池セル間に段差が発生し、配線基板が歪んだ場合に、ヒューズが破断するおそれがあった。

そこで、本発明は上記事情に鑑み、上記課題を解決した、電池セル間の段差が発生して配線基板が歪んだ場合であっても、ヒューズが破断しない、電池モジュールの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。

一つの案では、電池モジュールは、並設される複数の電池と、隣接する電池の端子間に固定される板状部と上下方向に立設する立設部とを備える金属リードと、前記金属リードの前記立設部が差し込まれる差込穴が形成され、前記差込穴から延在する配線パターンが設けられる配線基板と、前記配線パターン上に設けられたヒューズと、を有しており、
前記金属リードの前記立設部が、前記配線基板の前記差込穴に差込まれて固定されて、前記金属リードと前記配線基板とが電気的及び機械的に接続され、前記金属リードの前記立設部には、前記配線基板の下面と接触して前記配線基板を支持する補強部が設けられ、
前記金属リードの前記補強部が前記配線基板を支持する位置の上方に、前記ヒューズの少なくとも一部が配置されている。

一態様によれば、電池モジュールにおいて、電池セル間の段差が発生して配線基板が歪んだ場合であっても、ヒューズが破断しない。

本発明の実施形態の電池モジュールの概略斜視図。 本発明の第１の実施形態の電池モジュールの短手方向側面図。 図１のＢ面で切断した配線基板などの断面上面図。 本発明の第１の実施形態の電池モジュールの回路図。 本発明の第１の実施形態のヒューズの拡大断面図。 図１の矢印Ｃから見たリード周辺の長手方向側面図。 （Ａ）は、本発明の第２の実施形態の配線基板などの断面上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＤ部分の拡大図。 本発明の第３の実施形態のヒューズの拡大断面図。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

本発明の実施形態である電池モジュール（蓄電モジュール）について説明する。本発明の複数の実施形態に係る電池モジュール１は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車などの車両に搭載することができ、走行用モータに電力を供給する電源装置として使用される。

まず、本発明に係る電池モジュール１の一例の概略構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電池モジュール１の一例の概略構成を示す斜視図である。図２は、本発明の第１の実施形態の電池モジュール１の短手方向（矢印Ａ方向の）側面断面図である。

図１〜図３及び図５〜図８において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸である。本実施形態では、鉛直方向に相当する軸をＺ軸としている。なお、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の関係は、他の図面においても図１と同様である。

図１に示すように、電池モジュール１は、電池スタック１０、金属リード２０、リード締結部３０、排煙ダクト４０、配線基板５０、保護素子部６０、電圧監視回路（電池監視手段）７０、基板間コネクタ８０、及び支持体９０を備える。

図１を参照して、電池スタック１０は、例えば複数の電池セル１１がセパレータ１４を介して、図１のＹ方向に沿って一方向に配列（積層）された組電池である。

電池セル１１は、例えば図１のＸ方向を長手方向とする直方体形状を有する。電池セル１１の上面の長手方向（Ｘ軸方向）の両端部近傍には、一対の電極としての電極端子１２，１３が突出するように設けられている。一対の電極端子１２，１３は、例えば電池セル１１の正極端子及び負極端子である。

また、電池スタック１０において、隣接する電池セル１１は、例えば正極端子１２と負極端子１３の位置が逆向きとなるように配置されている。電池セル１１の種類としては、例えばニッケル水素電池、リチウムイオン電池等が挙げられるが、本発明はこの点において限定されるものではない。

セパレータ１４は、互いに隣接する電池セル１１の間に配置されて、隣接する電池セル１１を一定の間隔に保持する。セパレータ１４としては、例えばプラスチック等の絶縁部材を成形したもの等が挙げられるが、本発明はこの点において限定されるものではない。

電池スタック１０内に並んだ複数の電池セル１１間を金属リード（バスバー）２０が接続している。電池スタック１０のＹ軸方向の両端には、支持体９０が設けられている。

電池モジュール１には、配線パターン５１（図３参照）を夫々備える配線基板５０が２つ設けられている。２つの配線基板５０は、全ての電池セル１１に共通であるため、電池セル１１毎のハーネス等の接続が不要になり、組み付け、配索を簡素化することができ、配線基板の固定のためのスペースを最小限にすることができる。

図２を参照して、排煙ダクト４０の上方には、基板間コネクタ８０が設けられており、基板間コネクタ８０は２つの配線基板５０を接続する。基板間コネクタ８０は、車両に設けられるＥＣＵ（電気制御ユニット：Electrical control unit）基板と接続されてもよい。

配線基板５０の配線パターン５１上の端子と、セルバランスや過電流などの電池セル１１の状態を監視するための電圧監視回路７０とは、監視線（ハーネス）７２を介して接続される。配線パターン５１と電圧監視回路７０とを接続するハーネス７２を基板間コネクタ８０に集めることで、配線基板５０の脱着を、基板間コネクタ８０と一括して行うことができる。

したがって、配線に関わる部品点数を削減することができる。

図１及び図２を参照して、２つの配線基板５０は、電池モジュール１の上部であって、電池モジュール１の短手方向（電池セル１１の長手方向、Ｘ軸方向）両端部近傍に設けられている。すなわち、２つの配線基板５０は、電池モジュール１の短手方向中央部を避けて配置されている。

したがって、排煙ダクト４０を、配線基板５０と干渉させることなく、電池モジュール１の短手方向中央部に設けることができる。排煙ダクト４０は、電池セル１１内部の異常により発火や発煙が生じた場合に、発生したガスを回収して、電池モジュール１の外へ排気し、さらにはそのガスを電池モジュール１が搭載される車両の外へ排出させる機能を備える。

上述のように、電池モジュール１の中央部を避けて配線基板５０が配置できるので、配線基板５０と排煙ダクト４０とが干渉しないという利点がある。

ここで、電池セル１１間に段差が発生して、配線基板５０が歪むと、ヒューズに荷重がかかり、破断してしまうおそれがあった。

そこで、上記問題を解決すべく、本発明の実施形態において、ヒューズ６１及び金属リード２０を下記のように配置する。

図３は、図１のＢ面で切断した配線基板５０などの断面上面図であり、図４は本発明の実施形態の電池モジュール１の回路図である。

配線基板５０は、一例として、ガラスエポキシ（ガラエポ）樹脂を母材として、銅などの金属層である配線パターン５１が積層されることで構成されている。配線基板５０には、金属リード２０の一部が差し込まれる差込穴５５が形成されている。配線基板５０において、配線パターン５１は差込穴５５から延在している。

金属リード２０は、電池セル１１間を接続し、配線基板５０内の配線パターン５１へ接続される。配線パターン５１の途中には、保護素子としてヒューズ６１が直列で接続される。

電圧監視回路７０は、端子部７１、保護回路及びＩＣ等を備えており、電池セル１１又は／及び接続されるＥＣＵの電圧を監視する。

図３の上面図からわかるように、保護素子部６０（ヒューズ６１）は、差込穴５５に嵌合された基板接合部（端子）２４の近傍に配置される。よって、過電流が発生した場合であっても、電圧監視回路７０や配線パターン５１と電圧監視回路７０とを接続するハーネスには過電流は流れない。

図５は保護素子部６０周辺の拡大断面図である。また、保護素子部６０において、ヒューズ６１、その電極（ヒューズ電極）６２、及びヒューズ電極６２と配線パターン５１とを接続するはんだ６５は水の進入を防ぐ封止樹脂６６で覆われている。

したがって、例えば本構成の電池モジュール１を車両へ搭載する場合、塩水没などで、電圧監視回路７０や電圧監視回路７０の端子部７１や配線パターン５１で端子間のリークが発生することがある。その場合、ＥＣＵ内でリークが発生し、過電流が流れた際、ヒューズ６１を切って絶縁状態にして電流を遮断することで延焼を防止する。

図５に示すように、本構成では、ヒューズ６１及びヒューズ電極６２は、樹脂６６（エポキシ樹脂）で封止しているので、この部位に水が進入を防ぐことができる。さらに、ヒューズ電極６２の間で塩水や金属異物が付着し、遮断した箇所が再導通することを防ぐことができる。

従って、簡易な構成で、電圧監視回路７０の塩水没後の過電流保護が可能になる。

図６は、第１の実施形態に係る金属リード２０周辺の長手方向（矢印Ｃ方向）の側面図である。

金属リード２０は、電池セル１１間を接続するとともに、配線基板５０の配線パターン５１へ接続される。金属リード２０は、板状リード２１、監視端子部２２、立設部２３、基板接合部（差込部、セル端子、電池端子）２４、及び補強部２５を備えている。

板状リード（板状部）２１は、並設されている複数の電池セル１１において、隣接する電池セル１１の正極端子１２と負極端子１３とをそれぞれ接続して、固定するように設けられている。ここで、板状リード２１が夫々の電池セル１１に対してリード締結部３０で締結される。

監視端子部２２は、板状リード２１と一体になって設けられている。立設部２３は監視端子部２２から略垂直に折り曲げられ（接続され）、上下方向に立設して配線基板５０を支持する支柱として機能する。

立設部２３の上端部が、配線基板５０と接続され、配線基板５０の穴５２に差し込まれる、基板接合部２４として機能する。ここで、立設部２３（基板接合部２４）が、配線基板５０の差込穴５５に、差込まれて（嵌め込まれて）固定されることで、金属リード２０と配線基板５０とが電気的・機械的に接続される。

本実施形態では、金属リード２０の立設部２３の、配線基板５０と接続する部分の一部において、配線基板５０の下面と接触するように、補強部２５が設けられている。

なお、補強部２５をリード（立設部２３）とは一体的に構成してもよいし、別に取り付けてもよい。

本実施形態では、上述の図３の上面断面図を参照して保護素子部６０は、監視端子部２２と可能な限り近接して設けられている。したがって、図６を参照して、保護素子部６０内のヒューズ６１は配線基板５０において、金属リード２０の補強部２５が配線基板５０の下に配置されている位置の上面側に設けられる。

一般的に、ヒューズ６１を構成するヒューズ基板部は、セラミックで構成されている場合が多く、圧縮応力には強いが、特に引っ張り応力に対して弱い特性があり、引っ張りにより割れが発生しやすい。

上記のように、板状リード２１は、電池セル１１を２つずつ隣り合う端子１２，１３間を接続するように固定しているため、電池モジュール１に対して外部からの応力がかかると、板状リード２１によって、対応するＸ方向の端部が固定されていない、隣り合う電池セル１１間が垂直方向にずれて、隣りあう電池セル１１に高さの違いが生じることがある。

隣りあう電池セル１１間で高さの違いがあると、この違いにより、配線基板５０を電池セル１１に接続するように金属リード２０へ固定していると、配線基板５０に歪みが発生する。

そこで、補強部２５を金属リード２０へ取り付ける又は一体形成することで、電池セル１１間の高さ違いにより発生する、配線基板５０の歪みによるヒューズ６１、及び封止樹脂６６への応力は、抑制できる（図６参照）。詳しくは、補強部２５の上に少なくとも一部が配置された保護素子部６０に対して、配線基板５０における補強された部分の、圧縮応力は変わらず、引っ張り方向の応力が抑制されるため、ヒューズ６１や封止樹脂６６の破断を防ぐことができる。

＜第２の実施形態＞
図７の（Ａ）は、本発明の第２の実施形態の配線基板５０Ａなどの断面上面図を示し、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＤ部分の拡大図を示す。

本実施形態では、配線基板５０Ａにおいて、保護素子部６０の実装近傍の配線パターン５１について、パターンの幅を広くする、幅広部５２としている。

この構成により、保護素子部６０の実装近傍の配線幅が広い幅広部５２が、剛性が強くなり、その他の部分（通常の配線パターン５１）の配線幅が相対的に細く（狭く）なり、細い部分の剛性が相対的に弱くなる。

ここで、外部からの応力がかかったときに、配線幅が細く、剛性が弱い部位（５１）を積極的に歪ませることで、保護素子部６０の実装近傍（幅広部５２）にかかる引っ張り応力及び圧縮応力を抑制することができる。よって、保護素子部６０の実装近傍の歪みが緩和でき、ヒューズ６１及び封止樹脂６６への応力を減らし、ヒューズ６１や封止樹脂６６の破断を防ぐことができる。

また、本実施形態においても、図６に示す第１実施形態のように、金属リード２０に補強部２５を設けて、ヒューズ６１や封止樹脂６６の破断をさらに防止することができる。

＜第３の実施形態＞
図８は第３の実施形態の保護素子部６０Ｂの拡大断面図を示す。
本実施形態において、保護素子部（ヒューズ部）６０Ｂの下部の凹部に、ヒューズエレメント（ヒューズ）６１Ｂを配置し、ガラエポ基板（ガラスエポキシ基板）である配線パターン５１と、ヒューズエレメント６１Ｂを覆うヒューズ筐体６３によって壁を作る。

本構成では、封止樹脂６６がヒューズエレメント６１Ｂに直接付着しないので、冷熱サイクル時に発生する封止樹脂６６からの熱応力がヒューズエレメント６１Ｂに付与されず、ヒューズエレメント６１Ｂの破断を抑制できる。

また、本実施形態においても、図６に示す第１実施形態のように、金属リード２０に補強部２５を設けて、ヒューズ６１や封止樹脂６６の破断をさらに防止することができる。

しかし、万一、ヒューズエレメント６１Ｂが溶断したとしても、その後の封止樹脂６６の樹脂炭化による絶縁性低下を防ぐことができる。

以上、電池モジュールを複数の実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

１ 電池モジュール
１０ 電池スタック
１１ 電池セル
１２ 正極端子
１３ 負極端子
１４ セパレータ
２０ 金属リード（リード端子、導線）
２１ 板状部（板状リード）
２２ 監視端子部
２３ 立設部
２４ 基板接合部（電池端子）
２５ 連結部
３０ リードネジ締結部
４０ 排煙ダクト
５０，５０Ａ 配線基板
５１ 配線パターン
５３ 下部配線パターン
５５ 差込穴
６０，６０Ｂ 保護素子部
６１，６１Ｂ ヒューズ（ヒューズエレメント）
６２ ヒューズ電極
６３ ヒューズ保護体
６５ はんだ
６６ 封止樹脂
７０ 電圧監視回路
８０ 基板間コネクタ
９０ 支持体（フレーム）

Claims (1)

1. 並設される複数の電池と、
   隣接する電池の端子間に固定される板状部と上下方向に立設する立設部とを備える金属リードと、
   前記金属リードの前記立設部が差し込まれる差込穴が形成され、前記差込穴から延在する配線パターンが設けられる配線基板と、
   前記配線パターン上に設けられたヒューズと、を有しており、
   前記金属リードの前記立設部が、前記配線基板の前記差込穴に差込まれて固定されて、前記金属リードと前記配線基板とが電気的及び機械的に接続され、
   前記金属リードの前記立設部には、前記配線基板の下面と接触して前記配線基板を支持する補強部が設けられ、
   前記金属リードの前記補強部が前記配線基板を支持する位置の上方に、前記ヒューズの少なくとも一部が配置されている、
   電池モジュール。

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