JP6355956B2

JP6355956B2 - 電池パック及び電源装置

Info

Publication number: JP6355956B2
Application number: JP2014084550A
Authority: JP
Inventors: 和俊田澤; 麻理子鈴木
Original assignee: Yazaki Energy System Corp
Current assignee: Yazaki Energy System Corp
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2034-04-16
Also published as: JP2015204262A; US20150303421A1; US9786881B2

Description

本発明は、電池パック及び電源装置に関する。

従来、互いに直列または並列に接続された複数の電池を筐体等で一体的に纏めて構成される電池パックが知られている。例えば特許文献１には、組電池を枠体で固定すると共に電気的に接続してサブモジュールとし、複数のサブモジュールを六面体の外装ケース内に収容して電気的に接続する構成が開示されている。

特開２００８−２４３５２６号公報

しかしながら、従来の電池パックは、例えばラックなどの所定位置に固設した際に、地震等の振動に対して強度を保持するための耐振動性に改善の余地があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、耐振動性を向上できる電池パック及び電源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る電池パックは、互いに直列または並列に接続される複数の電池を含む電池ユニットと、前記電池ユニットの底面側の一部分を収容し、設置面上に載置される第一フレームと、前記底面の対向面である前記電池ユニットの上面側の一部分を収容すると共に、前記第一フレームと接続されることで、前記電池ユニットを挟持する第二フレームと、前記第一フレームに取り付けられ、前記設置面に固定される支持部材と、を備え、前記設置面と当接する前記第一フレームの底面にハニカム構造体が形成されることを特徴とする。

また、上記の電池パックにおいて、前記支持部材は、前記設置面への固定時に前記設置面と面接触する当接面を有することが好ましい。

同様に、上記課題を解決するため、本発明に係る電源装置は、上記の複数の電池パックと、前記設置面を備え、前記複数の電池パックが該設置面上に配列される基部と、前記複数の電池パックにおいて、前記設置面と当接する前記第一フレームの底面上に設けられる電池側嵌合部と、前記第一フレームが前記設置面上の所定位置に載置されるときに前記電池側嵌合部と嵌合するよう前記設置面上に設けられる設置面側嵌合部と、
を具備し、前記電池側嵌合部は、前記ハニカム構造体のセルであり、前記設置面側嵌合部は、前記第一フレームが前記設置面上の前記所定位置に載置されるときに、前記セルの隔壁と接触する状態で前記セルと嵌合するよう形成される突起であることを特徴とする。

本発明によれば、複数の電池を挟持して収容するフレームが設置面に固定されるので、電池パックの耐振動性を向上できるという効果を奏する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電池パックと、この電池パックを複数具備する電源装置の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す電源装置における電池パックの設置構造の詳細を示す分解斜視図である。図３は、図１，２中の電池パックの分解斜視図である。図４は、電池パックを下側から視た斜視図である。図５は、下部フレームのハニカム構造体と嵌合するナットの各種パラメータと、水平方向振動時の接触面積を示す模式図である。

以下に、本発明に係る電池パック及びこの電池パックを複数具備する電源装置の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

［実施形態］
まず図１〜４を参照して、本発明の一実施形態に係る電池パック１、及び、この電池パック１を複数具備する電源装置１００の構成について説明する。図１は、図１は、本発明の一実施形態に係る電池パックと、この電池パックを複数具備する電源装置の概略構成を示す斜視図であり、図２は、図２は、図１に示す電源装置における電池パックの設置構造の詳細を示す分解斜視図であり、図３は、図１，２中の電池パックの分解斜視図であり、図４は、電池パックを下側から視た斜視図である。

電池パック１は、典型的には、互いに直列または並列に接続された複数の電池１０ａ〜１０ｃからなる電池ユニット１０を筐体等で一体的に纏めて構成されるものである。また、電源装置１００は、このような電池パック１を複数個電気的に接続して構成されるものである。電源装置１００は、例えば図１に示すように、複数の電池パック１をラック２０内に設置し、これらの複数の電池パック１を電気的に接続することで、要求される容量または電圧を出力する。このような電源装置１００は、主に交換局や病院非常用等の定置型蓄電池（ＥＳＳ：ＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅＳｙｓｔｅｍ）として利用される。

以下の説明では、図１，２に示すように、電池パック１がラック２０に設置された状態において、ラック２０の開口側の棚板端面２１ｂから背板２６への方向を「奥行き方向」とし、この奥行き方向と直交する、棚板端面２１ｂの延在方向を「幅方向」とし、電池パック１の設置面である棚板上面２１ａの法線方向を「高さ方向」とする。また、高さ方向のうち、電池ユニット１０を基準とした場合の棚板上面２１ａ側を下側、上部フレーム４側を上側とする。

電池パック１は、図１，２に示すように、ラック２０の棚板２１（基部）の棚板上面２１ａ（設置面）の締結孔２４に、１つの電池パック１に対して４個の締結ボルト２３を螺合することによって固定される。また、図２に示すように、棚板上面２１ａには、電池パック１の個別の設置位置において、それぞれ４個のナット２２（設置面側嵌合部）が固設されている。一方、電池パック１の底面（後述する下部フレーム２の底面２ｃ）には、図４に示すように、複数のセル２ｄが隔壁２ｅによって区画された柱状のユニットであるハニカム構造体が設けられている。ハニカム構造体の各セル２ｄの形状は、上記のナット２２と同形状であり、ナット２２が嵌合可能とされている。そして、棚板上面２１ａのナット２２のそれぞれは、電池パック１が棚板上面２１ａの所定位置に載置されるときに、このハニカム構造体の隔壁２ｅと接触する状態で、各セル２ｄのいずれかと嵌合するように設けられている。つまり、ハニカム構造体の各セル２ｄのうち、ナット２２と嵌合するものが電池側嵌合部として機能する。このように、本実施形態に係る電源装置１００は、電池パック１の設置構造として、複数の電池パック１と、これらの複数の電池パック１を配列する基部としての複数の棚板２１と、設置面側嵌合部としてのナット２２と、電池側嵌合部としてのハニカム構造体のセル２ｄとを具備するものである。

電池パック１は、図３に示すように、上記の電池ユニット１０と、下部フレーム２（第一フレーム）と、ブラケット３（支持部材）と、上部フレーム４（第二フレーム）とを備えている。下部フレーム２及び上部フレーム４は、例えば樹脂材料により形成される。ブラケット３は、例えば金属材料により形成される。

電池ユニット１０を構成する複数の電池１０ａ〜１０ｃのそれぞれは、略直方体形状であり、高さ方向上側の上面に正極端子１１ａ〜１１ｃ及び負極端子１２ａ〜１２ｃが幅方向に沿って並設されている。複数の電池１０ａ〜１０ｃは、奥行き方向に沿って一列に配列され、隣接する他の電池とバスバー１３ａ，１３ｂを介して直列接続されている。図３に示す例では、中央に配置されている電池１０ｂが、両隣に配置されている他の電池１０ａ，１０ｃに対して、正極端子と負極端子の位置が反対となるように配置されている。そして、電池１０ａの負極端子１２ａが、バスバー１３ａにより電池１０ｂの正極端子１１ｂと電気的に接続され、電池１０ｂの負極端子１２ｂが、バスバー１３ｂにより電池１０ｃの正極端子１１ｃと電気的に接続されている。なお、複数の電池１０ａ〜１０ｃの接続構成は、図３に示す構成例以外のものでもよい。複数の電池１０ａ〜１０ｃのそれぞれは、例えば、ニッケル水素二次電池、リチウム二次電池などを含む。

下部フレーム２は、電池ユニット１０を下方から支持する。下部フレーム２は、高さ方向に厚みを有する平板状の部材であり、高さ方向から視たときに電池ユニット１０より大きい四角形状をとる。下部フレーム２の上方の表面には電池ユニット１０の個々の電池１０ａ〜１０ｃの底面側の一部を収容するための電池収容溝２ａが設けられている。奥行き方向に対向する一対の側面には、ブラケット３を取り付けるための接続部２ｂが設けられている。また、上述のとおり、図４に示すように、設置時にラック２０の棚板上面２１ａと当接する底面２ｃの全面に亘ってハニカム構造体が形成されている。さらに、高さ方向から視たときの四角形状の各角には、高さ方向上側に沿って延在する柱部２ｆが設けられている。

ブラケット３は、下部フレーム２に取り付けられると共に、締結ボルト２３によって棚板上面２１ａに固定されることで、電池パック１を棚板上面２１ａに固設する。ブラケット３は、棚板上面２１ａへの固定時に棚板上面２１ａと面接触する当接面３ａと、下部フレーム２の接続部２ｂに取り付けるための取付部３ｂとを有する。当接面３ａには、締結ボルト２３を貫通させるための切欠き部３ｃが設けられている。取付部３ｂは、例えばその縁端が下方に折り曲げられ、下部フレーム２の接続部２ｂに設けられた係合溝に係合させることで、ブラケット３を下部フレーム２に係合させることができる。なお、取付部３ｂと下部フレーム２の接続部２ｂとの接続構造は周知のものでもよい。

上部フレーム４は、電池ユニット１０を上方から支持する。上部フレーム４は、高さ方向に厚みを有する枠状の樹脂部材であり、高さ方向から視たときに電池ユニット１０より大きい四角形状をとる。上部フレーム４の内側面には、全周に亘って周縁部４ａが水平方向内側へ突出している。また、奥行き方向に対向する対辺の間にはリンク部４ｂ、４ｃが接続されている。また、高さ方向から視たときの四角形状の各角には、貫通孔４ｄが設けられ、上方からこの貫通孔４ｄに取り付けネジ２５を通し、下部フレーム２の柱部２ｆの上端面に設けられたネジ孔２ｇに螺合させることで、上部フレーム４を下部フレーム２と一体的に接続することができるよう構成されている。電池ユニット１０が収容された状態で上部フレーム４と下部フレーム２とを連結することにより、上部フレーム４と下部フレーム２とが電池ユニット１０を挟持している状態とすることができる。

次に、本発明の一実施形態に係る電池パック１及び電源装置１００の作用効果について説明する

本実施形態の電池パック１は、互いに直列または並列に接続される複数の電池１０ａ〜１０ｃを含む電池ユニット１０と、電池ユニット１０の底面側の一部分を収容し、棚板上面２１ａ上に載置される下部フレーム２と、上記底面の対向面である電池ユニット１０の上面側の一部分を収容すると共に、下部フレーム２と接続されることで、電池ユニット１０を挟持する上部フレーム４と、下部フレーム２に取り付けられ、棚板上面２１ａに固定されるブラケット３と、を備える。

この構成により、電池ユニット１０は、上部フレーム４と下部フレーム２によって高さ方向上側と下側の両方から挟持された状態で、さらに、ブラケット３を介して棚板上面２１ａ上に固設されるため、電池ユニット１０を非常に安定した状態で設置することが可能となる。これにより、地震等の振動に対して強度を好適に保持することができ、電池パック１の耐振動性を向上できる。また、電池ユニット１０を上部フレーム４と下部フレーム２によって上下方向から押さえることで、地震等の縦振動時に電池ユニット１０の各電池１０ａ〜１０ｃが電池パック１から飛び出すのを抑制できる。

また、本実施形態の電池パック１において、ブラケット３は、棚板上面２１ａへの固定時に棚板上面２１ａと面接触する当接面３ａを有する。この構成により、ブラケット３を棚板上面２１ａに面接触させることができ、電池パック１と棚板上面２１ａとの接触面積を大きくできるので、地震等の縦振動時に電池パック１にかかる応力集中を抑制できる。さらに、当接面３ａの面積を変えることで、電池パック１と棚板上面２１ａとの接触面積を調整でき、上記の応力集中を調整できる。

また、本実施形態の電池パック１において、棚板上面２１ａと当接する下部フレーム２の底面２ｃにハニカム構造体が形成される。この構成により、電池ユニット１０の自重に対して下部フレーム２の強度を強化することができるので、下部フレーム２を金属以外のプラスチック等の比較的軽量な材料で形成しても強度を確保できる。

本実施形態の電源装置１００は、上記の複数の電池パック１と、棚板上面２１ａを備え、複数の電池パック１がこの棚板上面２１ａ上に配列される複数の棚板２１と、複数の電池パック１において、ラック２０の棚板上面２１ａと当接する下部フレーム２の底面２ｃ上に設けられる電池側嵌合部としてのハニカム構造体のセル２ｄと、下部フレーム２が棚板上面２１ａ上の所定位置に載置されるときに、ハニカム構造体のセル２ｄの隔壁２ｅと接触する状態でセル２ｄと嵌合するよう棚板上面２１ａ上に設けられる設置面側嵌合部としてのナット２２と、を具備する。

この構成により、電池パック１を棚板上面２１ａ上の所定位置に載置したときに、棚板上面２１ａ上のナット２２が、下部フレーム２の底面２ｃのハニカム構造体のセル２ｄの隔壁２ｅと接触する状態でセル２ｄと嵌合するので、電池パック１は、ブラケット３及び締結ボルト２３によって鉛直方向（高さ方向）に固定されるだけでなく、水平方向（幅方向、奥行き方向）に対しても固定された状態となる。これにより、地震等の縦振動時に電池パック１にかかる応力集中を抑制できるだけでなく、さらに、地震等の横振動時に電池パック１にかかる応力集中も抑制できる。さらに、セル２ｄと嵌合するナット２２の数を実施形態に例示した４個より多く増やせば、横揺れ時の接触面積を多く確保できるので、応力をより一層分散でき、応力集中によるフレームの割れなどを防止できる。また、棚板上面２１ａ上にナット２２を設けることで、電池パック１を棚板上面２１ａ上の所定位置に載置する際の位置決めを容易に行うことができる。

ここで、図５と下記の表１及び表２を参照して、本実施形態の電源装置１００において、電池パック１を棚板に配列するときに、電池パック１の下部フレーム２のハニカム構造体と、棚板上面２１ａ上のナット２２とを嵌合させることの効果についてさらに詳しく説明する。

図５は、下部フレームのハニカム構造体と嵌合するナットの各種パラメータと、水平方向振動時の接触面積を示す模式図である。表１は、ナットサイズ毎（Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５）の各種パラメータを示す表である。表１中の「Ｘ方向」及び「Ｙ方向」とは、図５に示すように、図１〜４における幅方向及び奥行き方向である。表１中のパラメータｍ，ｅは、図５に示すとおり、ナット２２の高さ［ｍｍ］と対角距離［ｍｍ］を示す。表１には他に、ナット２２の六角形状の一辺の長さである一辺長［ｍｍ］と、Ｘ方向に振動を受けた場合にナット２２の周面のうちハニカム構造体の周壁２ｅと主に接触する部分（図５に太い点線で示す六角形状の一辺）の面積であるＸ方向接触面積［ｍｍ^２］と、Ｙ方向に振動を受けた場合にナット２２の周面のうちハニカム構造体の周壁２ｅと主に接触する部分（図５に太線で示す六角形状の二辺）の面積であるＹ方向接触面積［ｍｍ^２］と、が示されている。

このように表１に示す寸法のナット２２をハニカム構造体に４個嵌合させる構成（すなわち本実施形態と同様の構成）を、以下では「実施例」と表記する。一方、ハニカム構造体と嵌合するナットを棚板上面２１ａ上に設けずに、締結ボルト２３のみで電池パック１を棚板上面２１ａに固設させる構成を、以下では「比較例」と表記する。そして、このような実施例と比較例とが震度７相当の振動を受けた場合に電池パック１が受ける応力を比較した結果を表２に示す。一般に、震度７相当の振動を受けた場合には、物体は９．３Ｇ以上の加速度を受ける。電池パック１の重量を５ｋｇとすると、電池パック１と棚板上面２１ａとの接続部分にかかる力は、５ｋｇ×９．８ｍ/ｓ^２×９．３Ｇ＝４５５ｋｇ＝４５５０Ｎとなる。表２は、この条件下における比較例及び実施例の概算応力を示す表である。表２に示すように、比較例では４本の締結ボルト２３が１本あたりで受ける力は１１３８Ｎである。これに対して、実施例では、４個のナット２２がハニカム構造体の隔壁２ｅと面接触するため、表２に示すように、電池パック１が受ける応力は、Ｘ方向の振動の場合には約１／２０〜１／４２倍程度、Ｙ方向の振動の場合には１／４０〜１／８４倍程度、比較例に対して低減する。

このように、本実施形態の電源装置１００において、電池パック１の下部フレーム２のハニカム構造体と、棚板上面２１ａ上のナット２２とを嵌合させることによって、地震等の振動時（特に横振動時）に電池パック１にかかる応力集中を抑制できることがわかる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

上記実施形態では、ハニカム構造体のセル２ｄと嵌合する設置面側嵌合部として、棚板上面２１ａにナット２２を固設する構成を例示したが、ハニカム構造体のセル２ｄと嵌合できればよく、ナット２２以外の突起に置き換えてもよい。

また、上記実施形態では、設置面側嵌合部として凸形状のナット２２を設け、電池側嵌合部として凹形状のセルを設ける構成を例示したが、これとは反対に、設置面側に凹形状を設け、電池パック側に底面から突出する凸形状を設ける構成でもよい。

１電池パック
２下部フレーム（第一フレーム）
２ｃ下部フレームの底面
２ｄハニカム構造体の各セル
２ｅハニカム構造体の隔壁
３ブラケット（支持部材）
３ａ当接面
４上部フレーム（第二フレーム）
１０電池ユニット
１０ａ〜１０ｃ電池
２１棚板（基部）
２１ａ棚板上面（設置面）
２２ナット（設置面側嵌合部）
１００電源装置

Claims

互いに直列または並列に接続される複数の電池を含む電池ユニットと、
前記電池ユニットの底面側の一部分を収容し、設置面上に載置される第一フレームと、
前記底面の対向面である前記電池ユニットの上面側の一部分を収容すると共に、前記第一フレームと接続されることで、前記電池ユニットを挟持する第二フレームと、
前記第一フレームに取り付けられ、前記設置面に固定される支持部材と、
を備え、
前記設置面と当接する前記第一フレームの底面にハニカム構造体が形成されることを特徴とする電池パック。
前記支持部材は、前記設置面への固定時に前記設置面と面接触する当接面を有することを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
前記請求項１または２に記載の複数の電池パックと、
前記設置面を備え、前記複数の電池パックが該設置面上に配列される基部と、
前記複数の電池パックにおいて、前記設置面と当接する前記第一フレームの底面上に設けられる電池側嵌合部と、
前記第一フレームが前記設置面上の所定位置に載置されるときに前記電池側嵌合部と嵌合するよう前記設置面上に設けられる設置面側嵌合部と、
を具備し、
前記電池側嵌合部は、前記ハニカム構造体のセルであり、
前記設置面側嵌合部は、前記第一フレームが前記設置面上の前記所定位置に載置されるときに、前記セルの隔壁と接触する状態で前記セルと嵌合するよう形成される突起であることを特徴とする電源装置。