JP7596247B2

JP7596247B2 - 積み重ね型の電源装置

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Publication number: JP7596247B2
Application number: JP2021168231A
Authority: JP
Inventors: 達大石原; 泰弘田中
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2021-10-13
Filing date: 2021-10-13
Publication date: 2024-12-09
Anticipated expiration: 2041-10-13
Also published as: CN115966836A; DE102022210750A1; JP2023058298A; US20230115722A1

Description

本発明は、複数の電池スタックが鉛直方向に積み重ねられるように配置された積み重ね型の電源装置に関する。

従来から、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用電源として、複数の電池セルを積層した電池スタックを内蔵した電源装置が用いられる場合がある。従来の電源装置の一つは、電池スタックを収容したケースを鉛直方向に積み重ねるとともに、それぞれの電池スタックを、専用のケーブルで接続するようになっている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１５－０８８３１２号公報

上述した従来の電源装置では、ケースを積み重ねるだけでなく、ケーブルを各々の電池スタックに接続する作業が求められる。駆動用電源のように高電圧の電池スタック同士を接続するケーブルには、一般に、物理的に太い電線（いわゆる太物電線）が用いられる。そのため、積み重ねたケース間を繋ぐようにケーブルを狭い範囲内で取り回すことが難しく、電池スタック間を接続する作業の作業性を向上させ難い。即ち、電源装置の生産性において、改善の余地がある。

本発明の目的の一つは、生産が容易な積み重ね型の電源装置を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る積み重ね型の電源装置は、以下を特徴としている。

複数の電池セルが積層された第１電池スタックと、前記第１電池スタックが収容される第１ケースと、前記第１電池スタックに電気的に接続され且つ前記第１ケースに設けられた第１開口部に露出するように配置される第１コネクタと、
複数の電池セルが積層された第２電池スタックと、前記第２電池スタックが収容される第２ケースと、前記第２電池スタックに電気的に接続され且つ前記第２ケースに設けられた第２開口部に露出するように配置される第２コネクタと、を備え、
前記第１電池スタック及び前記第２電池スタックの積層方向に交差する鉛直方向において、前記第１ケースの上に前記第２ケースが積み重ねられ、前記第１開口部及び前記第２開口部を通じて前記第１コネクタと前記第２コネクタとが嵌合することにより、前記第１電池スタックと前記第２電池スタックとが電気的に接続され、
前記第１電池スタックは、前記積層方向と一致する長手方向を有する形状を有する前記第１ケースの第１内部空間における前記長手方向の一側の端部に第１スペースが確保されるように、前記第１スペースより前記長手方向の他側の前記第１内部空間に配置され、前記第１コネクタは、前記第１ケースの上壁の前記長手方向の前記一側の端部に設けられた前記第１開口部に露出するように、前記第１スペースの上部に配置され、
前記第２電池スタックは、前記積層方向と一致する長手方向を有する形状を有する前記第２ケースの第２内部空間における前記長手方向の前記一側の端部に第２スペースが確保されるように、前記第２スペースより前記長手方向の前記他側の前記第２内部空間に配置され、前記第２コネクタは、前記第２ケースの底壁の前記長手方向の前記一側の端部に設けられた前記第２開口部に露出するように、前記第２スペースの下部に配置され、
前記第１電池スタックの総正極又は総負極の何れか一方に前記第１コネクタが接続され、前記第１コネクタから離れる向きに前記複数の前記電池セルが順次積層され、
前記第２電池スタックの総正極又は総負極の前記何れか一方とは逆の他方に前記第２コネクタが接続され、前記第２コネクタから離れる向きに前記複数の前記電池セルが順次積層される、
積み重ね型の電源装置であること。

本発明の積み重ね型の電源装置によれば、第１電池スタックを収容する第１ケースの開口部に露出するように第１コネクタが配置され、第２電池スタックを収容する第２ケースの開口部に露出するように第２コネクタが配置される。そして、第１ケースと第２ケースとを積み重ねることで、各々の開口部が連通されるとともに、連通された開口部を通じて第１コネクタと第２コネクタとが嵌合されて第１電池スタックと第２電池スタックとが接続される。このように、従来の電源装置のように専用のケーブルを要することなく、第１ケースと第２ケースとを積み重ねるだけで、各々の電池スタックを電気的に接続することができる。即ち、ケースの積み重ね作業と、電池スタック間の接続作業と、を一括して行うことができる。したがって、本構成の電源装置は、従来の電源装置に比べて生産が容易である。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、本発明の実施形態に係る積み重ね型の電源装置の内部を透視した側面図である。図２は、図１に示す上部電池パックの内部を透視した上面図である。図３は、図１に示す下部電池パックの内部を透視した上面図である。図４は、図１のＡ－Ａ断面の主要部を示す図（一部は側面図）である。

＜実施形態＞
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る積み重ね型の電源装置１について説明する。図１に示すように、電源装置１は、下部電池パック１Ａに上部電池パック１Ｂを積み重ねることで構成されている。電源装置１は、典型的には、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載されて、当該車両の電源として使用される。

以下、説明の便宜上、図１～図４に示すように、「前後方向」、「上下方向」及び「左右方向」を定義する。「前後方向」、「上下方向」及び「左右方向」は、互いに直交している。上下方向は、下部電池パック１Ａと上部電池パック１Ｂとの積層方向と一致しており、「前後方向」は、後述する電池スタック１０Ａ，１０Ｂの各々を構成する複数の電池セル１１の積層方向と一致している。以下、電源装置１を構成する下部電池パック１Ａの構成及び上部電池パック１Ｂの構成について順に説明する。

まず、下部電池パック１Ａの構成について説明する。下部電池パック１Ａは、図１及び図３に示すように、電池スタック１０Ａと、電池スタック１０Ａが収容されるケース２０Ａと、を備えている。電池スタック１０Ａは、複数の電池セル１１が積層されて構成されている。電池セル１１は、典型的には、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池である。

電池セル１１は、上下方向且つ左右方向に延びる矩形平板状の形状を有している。電池セル１１の上面における左右方向の一側端部及び他側端部には、それぞれ、正極端子１１ａ及び負極端子１１ｂが設けられている。本例の電池スタック１０Ａでは、図３に示すように、正極端子１１ａが左側に位置する向きの複数の電池セル１１と、負極端子１１ｂが左側に位置する向きの複数の電池セル１１とが、前後方向に交互に積層され、且つ、所定の固定手段（図示省略）によって互いに固定されている。

電池スタック１０Ａでは、複数の「前後方向に隣接する一対の電池セル１１」の各々について、前側の電池セル１１の正極端子１１ａと後側の電池セル１１の負極端子１１ｂとが金属製のバスバ１２により電気的に接続されている。この結果、電池スタック１０Ａでは、複数の電池セル１１が電気的に直列に接続され、且つ、総負極１１ｂｂ及び総正極１１ａａがそれぞれ、電池スタック１０Ａの前端及び後端に位置している。

ケース２０Ａは、金属製であり、図１に示すように、前後方向に延び且つ上方に開口した直方体状のケース本体２１と、ケース本体２１の上端開口を塞ぐ矩形平板状の蓋体２２と、で構成されている。電池スタック１０Ａは、ケース本体２１に収容される。より具体的には、電池スタック１０Ａは、ケース本体２１の内部空間の前側領域に所定のスペースが確保されるように、ケース本体２１の底壁に載置され且つ固定される。

ケース本体２１には、図１及び図３に示すように、コネクタ３０Ａが、前記所定のスペースの上部に位置するように固定されている。コネクタ３０Ａの上部には、上方に開口する嵌合口（図示省略）が形成されており、コネクタ３０Ａには、上方を向いた金属製の端子（雄端子又は雌端子。図示省略）が、嵌合口に臨むように収容されている。

コネクタ３０Ａの端子と、電池スタック１０Ａの総負極１１ｂｂとは、図１及び図３に示すように、ケース本体２１の内部にて、金属製の板状の導電部材４０Ａにより電気的に接続される。導電部材４０Ａは、例えば、１枚の金属板に対してプレス加工を施すことにより形成される。

蓋体２２には、コネクタ３０Ａ（の嵌合口）に対応して、図４に示すように、上下方向に貫通する開口部２３が形成されている。蓋体２２の上面における開口部２３の周囲には、環状のＯリング溝２４が、開口部２３を取り囲むように形成されている。Ｏリング溝２４には、Ｏリング５０（図４参照）が収容される。

蓋体２２は、電池スタック１０Ａ、コネクタ３０Ａ及び導電部材４０Ａが収容されたケース本体２１の上端開口を塞ぐように、ケース本体２１に装着される。ケース本体２１と蓋体２２とは、所定の固定手段（図示省略）によって互いに固定される。蓋体２２のケース本体２１への装着完了状態では、図４に示すように、コネクタ３０Ａ（の嵌合口）が、蓋体２２に形成された開口部２３に露出している。以上、下部電池パック１Ａの構成について説明した。

次いで、上部電池パック１Ｂの構成について説明する。上部電池パック１Ｂの構成は、下部電池パック１Ａの構成と類似している。上部電池パック１Ｂに関し、図１～図４において、下部電池パック１Ａを構成する各部材と同じ機能を有する部材については、下部電池パック１Ａに付された符号と同じ符号が付されている（なお、符号の末尾に「Ａ」が付された部材については、符号の末部に「Ａ」に代えて「Ｂ」が付されている）。

上部電池パック１Ｂは、図１及び図２に示すように、電池スタック１０Ｂと、電池スタック１０Ｂが収容されるケース２０Ｂと、を備えている。電池スタック１０Ｂの構成については、電池スタック１０Ａの構成と同様であるので、詳細な説明は省略する。本例の電池スタック１０Ｂでは、図２に示すように、複数の「前後方向に隣接する一対の電池セル１１」の各々について、前側の電池セル１１の負極端子１１ｂと後側の電池セル１１の正極端子１１ａとが金属製のバスバ１２により電気的に接続されている。この結果、電池スタック１０Ｂでは、電池スタック１０Ａとは逆に、総正極１１ａａ及び総負極１１ｂｂがそれぞれ、電池スタック１０Ｂの前端及び後端に位置している。

ケース２０Ｂは、金属製であり、ケース２０Ａと同様、前後方向に延び且つ上方に開口した直方体状のケース本体２１（図１参照）と、ケース本体２１の上端開口を塞ぐ矩形平板状の蓋体と、で構成されている。電池スタック１０Ｂは、ケース２０Ｂのケース本体２１に収容される。より具体的には、電池スタック１０Ｂは、ケース２０Ｂのケース本体２１の内部空間の前側領域に所定のスペースが確保されるように、ケース本体２１の底壁に載置され且つ固定される。

ケース２０Ｂのケース本体２１の底壁には、図４に示すように、ケース２０Ａ（蓋体２２）の開口部２３に対応して、上下方向に貫通する開口部２３が形成されている。ケース２０Ｂ（ケース本体２１）の底壁の下面における開口部２３の周囲には、ケース２０ＡのＯリング溝２４に対応して、環状のＯリング溝２４が、ケース２０Ｂの開口部２３を取り囲むように形成されている。

ケース２０Ｂのケース本体２１には、図１及び図２に示すように、コネクタ３０Ｂが、前記所定のスペースの下部に位置するように固定されている。コネクタ３０Ｂの下部には、下方に開口する嵌合口（図示省略）が形成されており、コネクタ３０Ｂには、下方を向いた金属製の端子（雌端子又は雄端子。図示省略）が、嵌合口に臨むように収容されている。コネクタ３０Ｂ（の嵌合口）は、ケース２０Ｂの開口部２３に露出している。

コネクタ３０Ｂの端子と、電池スタック１０Ｂの総正極１１ａａとは、図１及び図２に示すように、ケース２０Ｂのケース本体２１の内部にて、金属製の板状の導電部材４０Ｂにより電気的に接続される。導電部材４０Ｂは、例えば、１枚の金属板に対してプレス加工を施すことにより形成される。以上、上部電池パック１Ｂの構成について説明した。

以上、図４に示すように、下部電池パック１Ａでは、電池スタック１０Ａを収容するケース２０Ａの上部に設けられた開口部２３に露出するように、電池スタック１０Ａの総負極１１ｂｂと接続されたコネクタ３０Ａが配置され、上部電池パック１Ｂでは、電池スタック１０Ｂを収容するケース２０Ｂの下部に設けられた開口部２３に露出するように、電池スタック１０Ｂの総正極１１ａａと接続されたコネクタ３０Ｂが配置されている。

積み重ね型の電源装置１の組み付けは、Ｏリング溝２４にＯリング５０（図４参照）が収容された下部電池パック１Ａの上に上部電池パック１Ｂを積み重ね、且つ、両者を所定の固定手段（図示省略）によって互いに固定するだけで、完了する（図１参照）。

電源装置１の組付完了状態では、下部電池パック１Ａ及び上部電池パック１Ｂの開口部２３同士が上下方向に連通され、連通された開口部２３同士を通じてコネクタ３０Ａとコネクタ３０Ｂとが嵌合される。これにより、コネクタ３０Ａ及びコネクタ３０Ｂの端子同士が電気的に接続されることで、電池スタック１０Ａと電池スタック１０Ｂとが電気的に直列に接続される。更に、下部電池パック１Ａ及び上部電池パック１ＢのＯリング溝２４同士が、上下方向に並ぶように且つＯリング５０を上下方向に押圧挟持するように配置されることで、コネクタ３０Ａとコネクタ３０Ｂとの嵌合箇所の防水を図ることができる。

＜作用・効果＞
以上、本実施形態に係る積み重ね型の電源装置１によれば、電池スタック１０Ａを収容するケース２０Ａの開口部２３に露出するようにコネクタ３０Ａが配置され、電池スタック１０Ｂを収容するケース２０Ｂの開口部２３に露出するようにコネクタ３０Ｂが配置される。そして、ケース２０Ａとケース２０Ｂとを積み重ねることで、各々の開口部２３が連通され、連通された開口部２３を通じてコネクタ３０Ａとコネクタ３０Ｂとが嵌合されて電池スタック１０Ａと電池スタック１０Ｂとが接続される。このように、従来の電源装置のように専用のケーブルを要することなく、ケース２０Ａとケース２０Ｂとを積み重ねるだけで、電池スタック１０Ａ及び電池スタック１０Ｂを電気的に接続することができる。即ち、電池スタック１０Ａ，１０Ｂの積み重ね作業と電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の接続作業とを一括して行うことができる。したがって、本実施形態に係る電源装置１は、従来の電源装置に比べて生産が容易である。

更に、コネクタ３０Ａの配置を基準に、コネクタ３０Ａから離れる向きに（後方に向けて）電池セル１１が積層されて電池スタック１０Ａが配置され、コネクタ３０Ｂの配置を基準に、コネクタ３０Ｂから離れる向きに（後方に向けて）電池セル１１が積層されて電池スタック１０Ｂが配置される。これにより、電池スタック１０Ａ，１０Ｂの各々の配置を合理化でき、電源装置１の小型化を図ることができる。

更に、ケース２０Ａ及びケース２０Ｂの双方の開口部２３の連通箇所を取り囲むように、Ｏリング５０が配置される。これにより、複雑な構造の防水コネクタ等を要することなく、コネクタ３０Ａとコネクタ３０Ｂとの嵌合箇所の防水を図ることができる。

＜他の形態＞
なお、本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

上記実施形態では、下部電池パック１Ａにおいて、電池スタック１０Ａの総負極１１ｂｂとコネクタ３０Ａとが導電部材４０Ａにより接続され、且つ、上部電池パック１Ｂにおいて、電池スタック１０Ｂの総正極１１ａａとコネクタ３０Ｂとが導電部材４０Ｂにより接続されている。これに対し、下部電池パック１Ａにおいて、電池スタック１０Ａの総正極１１ａａとコネクタ３０Ａとが導電部材４０Ａにより接続され、且つ、上部電池パック１Ｂにおいて、電池スタック１０Ｂの総負極１１ｂｂとコネクタ３０Ｂとが導電部材４０Ｂにより接続されてもよい。

更に、上記実施形態では、下部電池パック１Ａのケース２０Ａ及び上部電池パック１Ｂのケース２０Ｂの双方の開口部２３の連通箇所を取り囲むように、環状のシール部材（Ｏリング５０）が配置されている。これに対し、このような環状のシール部材が配置されていなくてもよい。この場合、ケース２０Ａ，２０Ｂの各々に設けられたＯリング溝２４（図４参照）を省略することができる。

ここで、上述した本発明に係る電源装置１の実施形態の特徴をそれぞれ以下［１］～［３］に簡潔に纏めて列記する。

［１］
複数の電池セル（１１）が積層された第１電池スタック（１０Ａ）と、前記第１電池スタック（１０Ａ）が収容される第１ケース（２０Ａ）と、前記第１電池スタック（１０Ａ）に電気的に接続され且つ前記第１ケース（２０Ａ）に設けられた開口部（２３）に露出するように配置される第１コネクタ（３０Ａ）と、
複数の電池セル（１１）が積層された第２電池スタック（１０Ｂ）と、前記第２電池スタック（１０Ｂ）が収容される第２ケース（２０Ｂ）と、前記第２電池スタック（１０Ｂ）に電気的に接続され且つ前記第２ケース（２０Ｂ）に設けられた開口部（２３）に露出するように配置される第２コネクタ（３０Ｂ）と、を備え、
前記第１電池スタック（１０Ａ）及び前記第２電池スタック（１０Ｂ）の積層方向に交差する鉛直方向において、前記第１ケース（２０Ａ）に前記第２ケース（２０Ｂ）が積み重ねられ、双方の前記開口部（２３）を通じて前記第１コネクタ（３０Ａ）と前記第２コネクタ（３０Ｂ）とが嵌合することにより、前記第１電池スタック（１０Ａ）と前記第２電池スタック（１０Ｂ）とが電気的に接続される、
積み重ね型の電源装置（１）。

上記［１］の構成の積み重ね型の電源装置によれば、第１電池スタックを収容する第１ケースの開口部に露出するように第１コネクタが配置され、第２電池スタックを収容する第２ケースの開口部に露出するように第２コネクタが配置される。そして、第１ケースと第２ケースとを積み重ねることで、各々の開口部が連通され、連通された開口部を通じて第１コネクタと第２コネクタとが嵌合されて第１電池スタックと第２電池スタックとが接続される。このように、従来の電源装置のように専用のケーブルを要することなく、第１ケースと第２ケースとを積み重ねるだけで、各々の電池スタックを電気的に接続することができる。即ち、積み重ね作業と電池スタック間の接続作業とを一括して行うことができる。したがって、本構成の電源装置は、従来の電源装置に比べて生産が容易である。

［２］
上記［１］に記載の電源装置（１）において、
前記第１電池スタック（１０Ａ）の総正極（１１ａａ）又は総負極（１１ｂｂ）の何れか一方に前記第１コネクタ（３０Ａ）が接続され、前記第１コネクタ（３０Ａ）から離れる向きに前記複数の前記電池セル（１１）が順次積層され、
前記第２電池スタック（１０Ｂ）の総正極（１１ａａ）又は総負極（１１ｂｂ）の前記何れか一方とは逆の他方に前記第２コネクタ（３０Ｂ）が接続され、前記第２コネクタ（３０Ｂ）から離れる向きに前記複数の前記電池セル（１１）が順次積層される、
積み重ね型の電源装置（１）。

上記［２］の構成の積み重ね型の電源装置によれば、第１コネクタの配置を基準に、第１コネクタから離れる向きに電池セルが積層され、第２コネクタの配置を基準に、第２コネクタから離れる向きに電池セルが積層される。これにより、各々の電池スタックの配置や電池セルの積層の向きを合理化でき、電源装置の小型化を図ることができる。

［３］
上記［１］又は上記［２］に記載の電源装置（１）であって、
双方の前記開口部（２３）の連通箇所を取り囲むように配置される環状のシール部材（５０）を、更に備える、
積み重ね型の電源装置（１）。

上記［３］の構成の積み重ね型の電源装置によれば、双方の開口部の連通箇所を取り囲むように、シール部材（例えば、パッキン等）が配置される。これにより、複雑な構造の防水コネクタ等を要することなく、第１コネクタと第２コネクタとの嵌合箇所の防水を図ることができる。

１電源装置
１０Ａ電池スタック（第１電池スタック）
１０Ｂ電池スタック（第２電池スタック）
１１電池セル
１１ａａ総正極
１１ｂｂ総負極
２０Ａケース（第１ケース）
２０Ｂケース（第２ケース）
２３開口部
３０Ａコネクタ（第１コネクタ）
３０Ｂコネクタ（第２コネクタ）
５０Ｏリング（シール部材）

Claims

複数の電池セルが積層された第１電池スタックと、前記第１電池スタックが収容される第１ケースと、前記第１電池スタックに電気的に接続され且つ前記第１ケースに設けられた第１開口部に露出するように配置される第１コネクタと、
複数の電池セルが積層された第２電池スタックと、前記第２電池スタックが収容される第２ケースと、前記第２電池スタックに電気的に接続され且つ前記第２ケースに設けられた第２開口部に露出するように配置される第２コネクタと、を備え、
前記第１電池スタック及び前記第２電池スタックの積層方向に交差する鉛直方向において、前記第１ケースの上に前記第２ケースが積み重ねられ、前記第１開口部及び前記第２開口部を通じて前記第１コネクタと前記第２コネクタとが嵌合することにより、前記第１電池スタックと前記第２電池スタックとが電気的に接続され、
前記第１電池スタックは、前記積層方向と一致する長手方向を有する形状を有する前記第１ケースの第１内部空間における前記長手方向の一側の端部に第１スペースが確保されるように、前記第１スペースより前記長手方向の他側の前記第１内部空間に配置され、前記第１コネクタは、前記第１ケースの上壁の前記長手方向の前記一側の端部に設けられた前記第１開口部に露出するように、前記第１スペースの上部に配置され、
前記第２電池スタックは、前記積層方向と一致する長手方向を有する形状を有する前記第２ケースの第２内部空間における前記長手方向の前記一側の端部に第２スペースが確保されるように、前記第２スペースより前記長手方向の前記他側の前記第２内部空間に配置され、前記第２コネクタは、前記第２ケースの底壁の前記長手方向の前記一側の端部に設けられた前記第２開口部に露出するように、前記第２スペースの下部に配置され、
前記第１電池スタックの総正極又は総負極の何れか一方に前記第１コネクタが接続され、前記第１コネクタから離れる向きに前記複数の前記電池セルが順次積層され、
前記第２電池スタックの総正極又は総負極の前記何れか一方とは逆の他方に前記第２コネクタが接続され、前記第２コネクタから離れる向きに前記複数の前記電池セルが順次積層される、
積み重ね型の電源装置。
請求項１に記載の電源装置であって、
双方の前記開口部の連通箇所を取り囲むように配置される環状のシール部材を、更に備える、
積み重ね型の電源装置。