JP2005116442A - 組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 単電池または数個を組みにした電池群ごとの電極間電圧を検出するための配線作業をなくした組電池を提供する。
【解決手段】 直列に接続されて積層された複数の２次電池１ａ、１ｂと、２次電池１ａ、１ｂの電極タブ１２、１６の間に設置され、電極タブ１２、１６の間の電圧を検知して、検知された電圧が所定電圧未満である場合は電極タブ１２、１６の間を非導通にし、所定電圧以上である場合は電極タブ１２、１６の間を導通させる充電制御回路内蔵ワッシャ５１と、を有することを特徴とする組電池。
【選択図】 図５

Description

本発明は、組電池に関する。

近年、環境意識の高まりを受けて、自動車の動力源を、化石燃料を利用するエンジンから電気エネルギーを利用するモータに移行しようとする動きがある。このため、モータの電力源となる電池の技術も急速に発展しつつある。

自動車には、小型軽量で、大きな電力を頻繁に充放電可能な、耐震動性、放熱性に優れた電池の搭載が望まれる。大きな電力を供給することができる放熱性に優れた組電池としては、下記特許文献１に示すようなものがある。

特許文献１に開示されている組電池は、直列、並列または直並列に電気的に接続された複数の単電池を、当該単電池の厚み方向に所定の間隔で配置し、単電池間に両側の単電池を押圧する押圧部材を配置して、外装部材によって複数の単電池を固定したものである。このような構造とすることによって単電池の放熱特性を良好にして組電池としてのサイクル特性、レート特性を向上させている。
特開２０００−１９５４８０号公報（段落番号「００１４」〜段落番号「００２９」および図１、図２、図４の記載を参照）

このような組電池では、通常、各単電池の過充電などの不具合を防止するために、単電池ごと、または数個の単電池を一組として、電極間電圧を検出し、過充電が発生しそうな場合にその電極間の電池への充電電流をバイパスする充電制御回路を設けている。

このため、組電池では、各単電池ごと、または数個を組みにした電池群ごとに電圧検出用の端子を付けて、さらにそこから充電制御回路まで配線する必要がある。

ところが上記従来の組電池のように複数の単電池が横方向に、かつ縦方向にも積層されている場合、各単電池や、数個を組みにした電池群ごとに電圧検出用の端子を付けて、さらにそこから充電制御回路まで配線する作業が非常に煩雑であり、かつ難しくなると言った問題があった。

そこで本発明の目的は、各単電池または数個を組みにした電池群ごとの電極間電圧を検出するための配線作業をなくした組電池を提供することである。

本発明の組電池は、直列に接続されて積層された複数の単電池と、少なくとも２つの前記単電池の電極間に介在して設置され、前記電極間の電圧を検知して、検知された電圧が所定電圧未満である場合は前記電極間を非導通にし、前記所定電圧以上である場合は前記電極間を導通させる制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、直列に接続されて積層された単電池の電極の間に充電制御回路を介在させたことで、単電池の電極間電圧を検出するための検出端子や配線を設ける必要がなくなるので、組電池の製作の際の配線作業などが不要となる。したがって、組電池製作にかかる製作工数や時間を削減することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。

［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１における組電池を示す斜視図である。

本実施の形態１で説明する組電池は、複数の単電池をズレ防止手段を介在させて積層し、積層方向両面からヒートシンクで加圧して一体的に保持してなるものである。すべての単電池は直列に接続されている。そして、この直列に接続するための接続手段として、電極タブ間に介在させた導電ワッシャを用い、一方、積層された電極タブの絶縁させる電極タブ間に、充電制御回路内蔵ワッシャを介在させている。

以下、具体的に説明する。

この組電池は、積層された複数個の単電池１と、単電池１と共に積層されるヒートシンク２と、単電池１間および単電池１とヒートシンク２との間に配置される高摩擦シート３（図３および４参照）と、ヒートシンク２同士を接続して積層された複数個の単電池１を積層方向の両面から加圧して一体的に保持する加圧ユニット４０と、２個の単電池を直列に接続して一組の電池とみなしその電極間に介在された充電制御回路内蔵ワッシャ５１を有する。

単電池１は、積層方向に直列に接続されている。単電池１から伸びる２つの電極タブのうち一方のタブは、他の単電池１のタブと嵌合して、電気的および機械的に接続される。また、他方のタブは、タブ間に配置さワッシャおよび充電制御回路内蔵ワッシャを交互に配置することにより、短絡しないように接続されている。詳細は後述する。

以下、各構成について詳細に説明する。

（単電池）
図２は２種類の単電池を示す斜視図、図３は図１に示す組電池のＡ−Ａ断面図、図４は図１に示す組電池のＢ−Ｂ断面図である。

本実施の形態１では、単電池１は図２に示すように片側の電極タブの違いから２種類のものがある。単電池１ａと、単電池１ｂである。

単電池１ａ、１ｂは共に、扁平型に形成された２次電池であり、たとえば、正極板、負極板およびセパレータを順に積層し、電解質としてゲルポリマーを用いた積層型の発電要素（不図示）を内部に複数含むリチウムイオン２リチウムポリマー２次電池である。

組電池においては、単電池１ａ、１ｂは、内包する発電要素の積層方向と同じ方向に積層される。

単電池１は、たとえば、三層構造のラミネートフィルムが外装に用いられている。ラミネートフィルムは、ポリアミド樹脂などの樹脂フィルムの間にアルミ箔を挟んで三層に形成されている。２枚のラミネートフィルムのうち１枚がプレス加工により扁平型に形成され、シート状のままのもう１枚と縁で熱融着により貼り合わされる。

プレス加工の際には、ラミネートフィルムは型内へ材料流入する。しかし、材料流入があっても、ラミネートフィルムの最外層は樹脂フィルムで表面摩擦係数が小さいので、ラミネートフィルムが型との摩擦により破損することはない。

貼り合わされたラミネートフィルム内には、発電要素が密閉され、正極タブおよび負極タブが引き出されている。単電池１ａ、１ｂは、それぞれ、積層方向に対して直交する方向に伸びる２つの電極タブとして、正極タブ１０、１４と負極タブ１２、１６を有する。

単電池１ａは、正極タブ１０および負極タブ１２の一方、たとえば、正極タブ１０に２つの穴部１１が設けられている。そして、負極タブ１２には、穴部１３が１つ設けられている。

単電池１ｂは、単電池１ａの正極タブ１０の穴部１１と嵌合可能な凸部１５が負極タブ１４に２つ設けられている。そして、正極タブ１６には、単電池１ｂの負極タブ１２と同様の穴部１７が１つ設けられている。

単電池１ａ、１ｂの積層時には、単電池１ａの穴部１１と、単電池１ｂの凸部１５とが嵌合される。単電池１ａの正極タブ１０と、単電池１ｂの負極タブ１４が嵌合すると、図３に示すように、正極タブ１０から、負極タブ１４の凸部１５が突き出される。これにより、単電池１ａ、１ｂは、相互に位置決めされつつ、電気的に直列接続される。

一方、単電池１ａの負極タブ１２および単電池１ｂの正極タブ１６は、他のタブ１２、１６との間に導通ワッシャ５０または充電制御回路内ワッシャ５１を挟んで、位置決めピン５２（図１４参照）が挿通されることにより位置決めされ、固定される。

単電池１ａ、１ｂが電極タブ１０、１４で機械的および電気的に接続されている階層では、充電制御回路内蔵ワッシャ５１により絶縁され、電極タブ１０、１４が接続されていない階層では、電極タブ１２、１６間が導通ワッシャ５０で導通されるように、導通ワッシャ５０と充電制御回路内蔵ワッシャ５１を、交互に配置していくことで、単電池１ａと単電池１ｂとが積層方向に直列に接続されている。

位置決めピン５２は、金属棒の表面を樹脂でコーティングまたは被覆して、絶縁処理が施されている。位置決めピン５２は、上下からナット５３が締め付けられる。これにより、単電池１の電極タブ１２、１６は、導通ワッシャ５０および充電制御回路内蔵ワッシャ５１にしっかり挟み込まれる。したがって、電極タブ１２、１６間の導通または絶縁が確実となる。

（ワッシャ）
図５は、ワッシャ部分を部分拡大図である。

ワッシャは、上記の通り、導通ワッシャ５０と充電制御回路内蔵ワッシャ５１が有る。

（導通ワッシャ）
導通ワッシャ５０は、銅などの導電性金属から形成され、その上下に接触する電極タブ１６、１２間を電気的に接続する。

（充電制御回路内蔵ワッシャ）
一方、充電制御回路内蔵ワッシャ５１は、電圧検知ワッシャ６１と、抵抗ワッシャ６２からなり、２つの電圧検知ワッシャ６１の間に電流制限ワッシャ６２が挟まれている。

充電制御回路内蔵ワッシャ５１は制御手段であり、単電池１ｂの正極タブ１６および単電池１ａの負極タブ１２の間に配置されている。この場合、導通ワッシャ５０は単電池１ａの負極タブ１２および単電池１ｂの正極タブ１６の間に配置される。この充電制御回路内蔵ワッシャ５１は、これ自体単独で単電池への充放電を制御する制御装置となる。

電圧検知ワッシャ６１は、具体的には、たとえば、ツェナーダイオード、バリスター、ＶＲＤ（シリコンサ一ジアブソーバー）などを使用することができる。一方、電流制限ワッシャ６２は、セラミックス製の抵抗体などをワッシャ形状に加工した抵抗ワッシャである。

図６は、電圧検知ワッシャとしてツェナーダイオードを用いた場合における充電制御回路内蔵ワッシャと単電池との等価回路図である。

この等価回路図に示すように、電圧検知ワッシャ６１であるツェナーダイオード６１ａは、直列に接続された２つの単電池１ｂおよび１ａに対して並列に、ダイオードとしての向きが電池の電流の向きと逆方向となるように接続、配置される。また、抵抗体である電流制限ワッシャ６２は、ツェナーダイオードと直列に接続される。

図７は、ツェナーダイオードの電圧−電流特性を示すグラフである。

ツェナーダイオードは、周知の通り、所定の電圧（ツェナー電圧Ｖｚ）がダイオードの逆方向に加わった場合に逆方向への電流が流れるツェナー特性を有する。

本実施の形態では、ツェナーダイオードのツェナー特性を利用して単電池への過充電を検知している。すなわち、電圧検知ワッシャ６１を、２つの単電池に対してダイオードとして逆方向となるように接続することで、この２つの単電池間電圧がツェナー電圧Ｖｚ以上となったときに、自動的に電流制限ワッシャ６２方向へ電流が流れ、単電池への充電電流の流れがバイパスされるようになる。

ツェナー電圧Ｖｚは、単電池の満充電電圧となるように選択する。ここでは、２つの単電池に対して一つの充電制御回路を取り付けた構成となっているため、たとえば、単電池一つの定格電圧（満充電電圧）が４Ｖとした場合、ツェナー電圧Ｖｚ＝４Ｖのものを２個直列に接続して使用している。これは、図７に示したツェナーダイオードの特性としてツェナー電圧が４〜５Ｖの素子が最も安定しているために、ツェナー電圧Ｖｚ＝４Ｖのものを２個直列に接続して使用しているものである。

これにより、２直列に接続されている単電池の電極間電圧が２つのツェナーダイオードのツェナー電圧の合計値未満である場合は電極間が非導通であり、ツェナー電圧の合計値以上となった場合には電極間が導通になり電流が流れる。

電流制限ワッシャ６２は、抵抗体であり、過電圧が生じた場合にこの電流制限ワッシャ６２へ電流を流したときに、この抵抗体によって、短絡電流となって急激に電流が流れてツェナーダイオードなどの素子が破壊されるのを防止するために用いている。

用いる抵抗体としては、ツェナーダイオードに流せる定格電流に応じて決めればよく、たとえば、２個の直列に接続された単電池の電圧が８Ｖの場合、ツェナーダイオードの最大電流が０．１Ａとすると、抵抗体は８０Ωのものを用いることになる。

なお、ツェナーダイオードに代えて、バリスター、ＶＲＤなどを用いた場合でも、素子に応じた電圧電流特性が変化するものの、その作用、すなわち、２つの単電池の間の電圧値が所定値に達した時点で、電流制限ワッシャ６２へ電流をバイパスさせることになる。

図８は、電圧検知ワッシャの構造を示す概略図であり、図８（Ａ）はツェナーダイオード６１ａを用いた場合、図８（Ｂ）はバリスター６１ｂまたはＶＲＤを用いた場合である。なお、ツェナーダイオード、バリスター、ＶＲＤを、ここでは電圧検知素子と称する。

いずれの場合も、セラミックスなどをワッシャ形状に加工した絶縁支持部材６６の中にツェナーダイオード６１ａ（図８（Ａ））、あるいはバリスター６１ｂまたはＶＲＤ（図８（Ｂ））を埋め込み、このツェナーダイオード６１ａ、あるいはバリスター６１ｂまたはＶＲＤの端子を絶縁支持部材６６の両側に設けた導電ワッシャ６７に接続した構造である。

なお、制御手段としては、上述したような抵抗体を用いるほかに、定電流回路を用いてもよい。

図９は、定電流回路を用いた例を説明するための等価回路図である。

定電流回路としては、図示するように、たとえば、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）６１ｃを用いる。

ここでは、ＦＥＴ６１ｃのソース（またはドレイン）とゲートを接続してドレインとソースを導電ワッシャに接続し、単電池の電極タブの間に配置している。

ＦＥＴ６１ｃは内部抵抗によって、ツェナーダイオードが導通状態となったとき、すなわち、電極間電圧が単電池の満充電電圧を超えるようになった場合に、ＦＥＴ６１ｃのソース−ドレイン間に電流が流れる。このとき流れる電流は、ゲート電圧に比例するため、一定の電流が電極間に流れることになる。

このようなＦＥＴ６１ｃを用いた場合に、ＦＥＴ自体をワッシャ形状に加工することはできないので、セラミックするなどの絶縁体６６の内部にＦＥＴ埋め込んでワッシャ形状とし、埋め込まれたＦＥＴ６１ｃのソース・ドレインを上下の導電ワッシャと接続する。

なお、ＦＥＴを用いた場合もゲートの閾値電圧やソース・ドレイン間の電流量を調整するために、さらに抵抗体を接続してもよい。

（ヒートシンク）
図１０は、２種類のヒートシンクを示す斜視図である。

ヒートシンク２には、図１０に示すように、組電池の積層の最外層に配置される外層ヒートシンク２ａと、単電池１と共に途中に積層される内層ヒートシンク２ｂとの２種類がある。

いずれのヒートシンク２ａ、２ｂも、空気等の冷媒が通り抜け可能な複数の通風孔２０が形成されている。これらの通風孔２０は、２枚の板材の表面にそれぞれ複数の溝を形成し、溝同士が合うように２枚の板材を貼り合わせて形成される。

外層ヒートシンク２ａは、積層される単電池１の電極タブ１０、１２、１４、１６を露出するための切り欠き２１が形成されている。該切り欠き２１を挟んで、四隅に孔２２が形成されている。孔２２は、外層ヒートシンク２ａ間に配置され、単電池１に必要な面圧を加えるための加圧ユニット４０（図１１参照）を取り付けるために設けられている。

内層ヒートシンク２ｂには、外層ヒートシンク２ａのような孔２２はない。内層ヒートシンク２ｂは、組電池に積層されるときには、単電池１と共に加圧ユニット４０による面圧により保持されている。内層ヒートシンク２ｂは、たとえば、図３、図４に示すように、単電池１が４枚積層されたら、その上に１枚積層されるといった具合に、単電池１間に配置される。これにより、積層の中央の単電池１の発熱も放散できる。

（高摩擦シート）
高摩擦シート３は、図３および図４に太線で示したように、単電池１間または単電池１とヒートシンク２との間に配置される。高摩擦シート３は、シリコンゴムをシート状に形成したものである。シリコンゴムは、たとえば、単電池１同士を直接積層した場合の摩擦抵抗より高い摩擦抵抗を発現する。したがって、単電池１間または単電池１とヒートシンク２との間に介在させることにより、これらの横ズレを防止する。

一方で、高摩擦シート３は、横ズレに対しては高い摩擦力を発現するが、単電池１の積層方向に対しては、ほとんど摩擦力を発現しない。したがって、高摩擦シート３は、単電池１およびヒートシンク２に対しては非接着性を有している。換言すると、高摩擦シート３は、単電池１同士、または単電池１とヒートシンク２とを恒久的に接合するものではなく、所望のときに、それらを積層方向に分離し得る性質を有する。

保持手段４は、最外層に積層される外層ヒートシンク２ａ（保持プレート）と、外層ヒートシンク２ａ間に配置される加圧ユニット４０と、加圧ユニット４０を外層ヒートシンク２ａに取り付けるナット４１とを含む。

外層ヒートシンク２ａは、上述の通り、組電池の最外層に積層され、単電池１を冷却する冷却手段として機能する。その一方で、外層ヒートシンク２ａは、中間に積層される単電池１および内層ヒートシンク２ｂに積層方向の面圧を付与しつつ保持する保持手段の一部としても機能する。保持手段の一部として、外層ヒートシンク２ａは、加圧ユニット４０により相互に接近される方向の力が加えられる。

加圧ユニット４０は、外層ヒートシンク２ａに設けられた孔２２に挿通されて、ナット４１により締結されている。加圧ユニット４０の具体的構成は、図１１および図１２に示される。

図１１は加圧ユニットを示す図で、図１１（Ａ）は加圧ユニットの全体構成を示す図、図１１（Ｂ）はバネ保持部の構成を示す図である。また図１２は図１のＣ−Ｃ断面図であり、図１２（Ａ）は加圧ユニットの初期状態を示す図、図１２（Ｂ）は加圧ユニット２を外層ヒートシンク２ａ間に取り付けた様子を示す図である。

加圧ユニット４０は、引っ張りコイルバネ４２（弾性体）と、引っ張りコイルバネ４２の両端を保持するバネ保持部４３とからなる。

引っ張りコイルバネ４２は、引き延ばされた状態で外層ヒートシンク２ａ間に取り付けられることによって、収縮しようと作用し、外層ヒートシンク２ａを相互に接近させる方向の弾性力を発現する。

バネ保持部４３は、本体部４４と、引っ張りコイルバネ４２のピッチＰ１よりも大きなピッチＰ２でねじ山が形成された螺合部４５と、螺合部４５から引っ張りコイルバネ４２の中心に向かって伸びる突合せ部４６と、本体部４４から伸びて外層ヒートシンク２ａに挿通される挿通部４７とを含む。

本体部４４は、引っ張りコイルバネ４２が外れないように、これに当接する。また、本体部４４は、加圧ユニット４０を組電池に取り付けたときに、外層ヒートシンク２ａと当接して、引っ張りコイルバネ４２の伸びを定める役割も果たす。

螺合部４５は、図示の通り、引っ張りコイルバネ４２の端部にねじ込まれて、引っ張りコイルバネ４２の内側と螺合し、これを固定する。螺合部４５は、図１１（Ｂ）に示すように、表面にピッチＰ２のねじ山が形成されている。螺合部４５のピッチＰ２は、引っ張りコイルバネ４２のピッチＰ１より大きい。したがって、螺合部４５を図１１（Ｂ）中矢印の方向にねじ込むことができる。螺合部４５をねじ込むことによって、突合せ部４６が、引っ張りコイルバネ４２の中央に向かって進行する。

引っ張りコイルバネ４２の両端から螺合部４５をねじ込んでいくと、図１０に示すように、両側から進行してきた突合せ部４６が突き当たる。この状態で、引っ張りコイルバネ４２は自然長より伸ばされ、加圧ユニット４０の初期状態として、初期張力が与えられている。

挿通部４７は、先端にナット４１に締結可能なねじ山が形成されている。挿通部４７の頭には、後述する回り止め用のスリット４８が設けられている。スリット４８に、マイナスドライバーを挿す等して、バネ保持部４３を容易に回り止めできる。

以上のような、加圧ユニット４０を、外層ヒートシンク２ａ間に配置すると、図１２（Ａ）に示すようになる。

ここで、挿通部４７は、外層ヒートシンク２ａの孔２２に挿通されている。この状態で、一方のバネ保持部４３を回り止めしながら、他方のバネ保持部４３の挿通部４７をナット４１で締結する。すると、バネ保持部４３がナット４１側に引き寄せられる。これを両方のバネ保持部４３で行うと、図１２（Ｂ）に示すように、バネ保持部４３が引っ張りコイルバネ４２を保持した状態で相対的に引き離され、引っ張りコイルバネ４２が外層ヒートシンク２ａ間に引き伸ばされた状態で保持される。

このように、外層ヒートシンク２ａ間の幅に合わせて、引っ張りコイルバネ４２を引き伸ばすので、ナット４１の締め付けトルクに関わらず、引っ張りコイルバネ４２による収縮する方向の弾性力が得られる。該弾性力が外層ヒートシンク２ａによる単電池１への加圧力となる。

（組み立て手順）
次に、本発明の組電池の組み立て手順を説明する。

図１３〜図１５は組電池の組み立て手順を示す図である。

図１３に示すように、最初に、外層ヒートシンク２ａ上に高摩擦シート３を配置する。次に、図１４に示すように、外層ヒートシンク２ａ上に、単電池１ｂ、１ａの順に積層する。この際、各単電池１ａ、１ｂ上には高摩擦シート３を配置する。また、積層の際には、単電池１ｂの負極タブ１４の凸部１５を、単電池１ａの正極タブ１０の穴部１１に嵌合させる。これにより、単電池１ａ、１ｂを一組とする。なお、単電池１ａ、１ｂの嵌合しないほうの電極タブ１２、１６は、その間に充電制御回路内蔵ワッシャ５１が挟まれて、位置決めピン５２が挿通される。

上記手順で、単電池１ａ、１ｂを２枚一組として複数組積層し、さらに、図１４に示すように、その上に、ヒートシンク２ｂを積層する。ヒートシンク２ｂ上にも、高摩擦シート３を配置する。何組かの単電池１ａ、１ｂとヒートシンク２ｂの積層を繰り返した後、最後に図１５に示すように、外層ヒートシンク２ａを積層する。外層ヒートシンク２ａ間に、加圧ユニット４０を配置し、加圧ユニット４０の引っ張りコイルバネ４２が外層ヒートシンク２ａ間で伸びるまで、ナット４１で締結する。以上の手順で、図１に示す組電池が組み上がる。

なお、本実施の形態では、縦に積層した組電池を１つだけ例示したが、これに限定されない。複数の単電池１を積層して出来た組電池を、複数個横に並べ、それらを接続することによって、より出力の高い電池モジュールとすることができる。この場合、一の組電池と他の組電池の両者に取り付けられるバスバーにより、電気的に接続する。バスバーは、たとえば、ナット５３と導通ワッシャ５０との間（図１４参照）で、位置決めピン５２に取り付けられ固定される。

本実施の形態１の組電池によれば、以下の効果を奏する。

本実施の形態１の組電池では、単電池の電極タブを絶縁するためのワッシャ部分に制御手段となる充電制御回路を内蔵したので、従来のように、単電池の電圧検出のための検出端子や配線を設ける必要がなくなるので、組電池の製作の際の配線作業などが不要となる。

また、本実施の形態１によれば、単電池１間および、単電池１とヒートシンク２との間に、高摩擦シート３が配置されるので、積層されている各単電池１およびヒートシンク２に振動が加わった場合でも電池がずれない。したがって、自動車などに搭載しても、その振動によって、各単電池１およびヒートシンク２のズレや、脱落を防止できる。

また、振動による単電池のズレや脱落がないので、直列または並列に接続された単電池１の電池の電極タブの破損を防止できる。

さらに、高摩擦シート３の配置により単電池１がズレないので、ズレ防止のために保持手段４により単電池１を積層の上下から加圧する加圧力を高める必要がない。したがって、強い加圧力に耐えるために単電池１の外装を強くしなくてもよいので、単電池１を軽量化できる。結果として、組電池全体を軽量化できる。

また、ズレ防止手段として高摩擦シート３を用いたので、単電池１を積層する際に、単電池１と高摩擦シート３とを交互に積層すればよく、容易に組電池を作成出来る。

また、高摩擦シート３は、単電池１に対して非接着性を有するので、単電池１の一つが故障したときでも、任意の単電池１を取り出して交換できる。

また、単電池１の電極タブ１２、１６に位置決めピンを挿通するための穴部１３、１７が設けられているので、位置決めピン５２の挿通により容易に単電池１同士を位置決めできる。

また、電極タブ１４に設けられた凸部１５と他の電極タブ１０に設けられた穴部１１とが嵌合するので、容易に単電池１同士の位置決めができる。また、嵌合により容易に電気的接続が行えるので、積層時に単電池１の重ねる向きを間違えることがなく、組み立てが容易となる。

また、保持手段４が加圧手段および冷却手段として機能するので、単電池１に適切な面圧を加えつつ、該単電池１が発生する熱を放散できる。

また、外層ヒートシンク２ａ間に取り付けられた加圧ユニット４０により外層ヒートシンク２ａ間が近接されて単電池１を加圧できるので、組電池内部に加圧手段を組み込むことができ、組電池を小型化できる。

また、発電要素の積層方向と同じ方向に単電池が積層されているので、安定的に電流が得られる。

また、単電池１が偏平型電池であるので、組電池の厚さを薄くできる。

以上、本発明を適用した実施の形態１を説明したが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではない。本実施の形態１では組電池を、単電池の一方側の電極タブに相対する凹凸を設けて嵌合させることにより接合し、他方側の電極タブをワッシャを介して接合することとしているため、２つの単電池に対して一つの充電制御回路を取り付けた構成としている。しかしながら、本発明は、このような構成に限定されるものではなく、たとえば、両側ともワッシャを介して接合し、一つひとつの単電池に対して充電制御回路内蔵ワッシャを取り付けた構成としてもよい。

また、２つ以上の単電池を直列に接続した一組として、その一組の単電池群に対して充電制御回路内蔵ワッシャを取り付ける構成としてもよい。特に、二つ以上複数の単電池を一組として用いることで、一つの単電池の電圧より閾値電圧が高い電圧の電圧検知素子を用いることができるようになる。

なお、上記実施の形態では、ズレ防止手段として高摩擦シート３を用いていたが、これに限定されない。

ズレ防止手段は、単電池１またはヒートシンク２に塗布された粘着性液体から構成されてもよい。ここで、粘着性液体とは、たとえば、ウレタン系接着剤、ラバー液などである。ズレ防止手段として、粘着性液体を採用すれば、単電池１を積層する際に、単電池１の外装表面に粘着性液体を塗布すればよく、容易に組電池を作成できる。

また、ズレ防止手段は、単電池１の外装表面の面粗度を粗くすることにより構成されてもよい。単電池１の外相表面の面粗度を高くする方法としては、サンドブラスト方、レーザーピーニング法、あるいはなどを用いることができる。もちろんサンドペーパーなどによる研磨によっても作成可能である。ズレ防止手段として、単電池１の外装表面の面粗度を粗くすることを採用すれば、順次単電池１を積層しただけで、それらのズレを防止できる。

また、上記実施の形態では、単電池１ａの正極タブ１０に穴部１１を、単電池１ｂの負極タブ１４に凸部１５を、それぞれ、形成していたが、これに限定されない。穴部および凸部を設ける電極タブを正負逆転してもよい。また、凸部１５に嵌合する穴部１１に代えて、凹部を電極タブに形成してもよい。

また、上記実施の形態では、単電池１の一方の側に伸びる電極タブを凸部１５および穴部１１の嵌合により接続し、他方の側を充電制御回路内蔵ワッシャ５１および導通ワッシャ５０により接続していたが、これに限定されない。両側を嵌合により接続し、または絶縁／導通ワッシャにより接続してもよい。または、これらによらず、電極タブを超音波溶接により接合してもよい。

また、上記実施の形態では、高摩擦シート３をシリコンゴムだけで形成していたが、これに限定されない。たとえば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）からなる基材上にシリコンゴムを配置したものでもよい。このように、基材を設けることによって、高摩擦シート３の剛性が向上し、ヒートシンク２および単電池１表面上に配置する際の作業性が向上する。

基材を採用する場合、基材に接着剤を塗布し、単電池１またはヒートシンク２上に接着してもよい。この場合、高摩擦シート３は、基材側では単電池１またはヒートシンク２と接着するが、シリコンゴム側では接着しない。これにより、所望のときに、積層上下の単電池１同士、または単電池１とヒートシンク２とを分離できる。

［実施の形態２］
実施の形態２で説明する組電池は、フレームに４個の単電池をその幅方向に配列し、このフレームを２４枚積層して電池ユニットを構成し、この電池ユニットを積層方向両面からヒートシンクで加圧して一体的に保持してなるものである。組電池ユニットは９６個の単電池を有しているが、すべての単電池はフレームやヒートシンクに設けられた接続手段によって直列に接続されている。そして、この直列に接続するための接続手段として、電極タブ間に介在させた導電ワッシャを用い、一方、積層された電極タブの絶縁させる電極タブ間に、充電制御回路内蔵ワッシャを介在させている。

実施の形態２の組電池は概略以上のような構造となっているが、以下にこの組電池の構造とその製造手順を図面に基づいて詳細に説明する。

（組電池の構造）
図１６は本発明にかかる組電池の外観を示す斜視図、図１７は図１６に示した組電池の主要な構成要素の積層状態を示す図１６Ａ−Ａ方向の模式的な部分断面図、図１８は図１７の一部拡大断面図、図１９は図１６に示した組電池のバスバーと通しボルトとの接続関係を示す図、図２０は図１６に示した組電池を構成する単電池相互間の接続状態を模式的に示す図である。

図１６に示すとおり、本実施の形態２における組電池１００は、板形状のフレームがその厚み方向に複数個積層されてなる電池ユニット２００を、保持手段として機能するヒートシンク３００、３５０でその積層方向の両面から挟んで加圧し一体的に保持したものである。

図示されていないフレームは４個の扁平状の単電池を並列に配置するため４箇所の保持部を有している。組電池１００はフレームが２４枚積層され、積層方向６枚おきに内層ヒートシンク３２５が介挿される。したがって、組電池１００は４個並列に配置された単電池がそれぞれ２４個ずつ積層されており、合計９６個の単電池を有している。

ヒートシンク３００および３５０は両ヒートシンクを連結する６個の加圧ユニットをナット３１０Ａ〜３１０Ｆで取り付けることによって固定する。加圧ユニットは引っ張りコイルばねの両端にナット３１０Ａ〜３１０Ｆで固定されるシャフトを取り付けたものであり、これをヒートシンク３００および３５０間に取り付けることによって電池ユニット２００を構成するすべての単電池に対して積層方向に適切な面圧を与えている。

組電池１００の積層構造は図１７および図１８に示すとおりである。フレーム２１０（充電制御回路内蔵ワッシャ埋め込みフレーム）の一端部には充電制御回路内蔵ワッシャ２１２が埋め込まれ、フレーム２１０の周囲には単電池２１４の周縁部２１６を支持する周縁支持部２１８が形成されている。フレーム２１０において周縁支持部２１８によって囲まれているフレーム２１０の中央部分は開口され、積層方向に隣接する要素（ヒートシンク３５０および単電池２２４）と単電池２１４の外装面とが直接接触するようになっている。フレーム２１０の他端部には単電池２１４の電極タブ２１５Ｂを、積層方向に隣接する単電池２２４の電極タブ２２５Ｂと超音波溶接するための開口部２１７Ａが設けられている。単電池２１４の電極タブ２１５Ａは充電制御回路内蔵ワッシャ２１２と接触している。なお、充電制御回路内蔵ワッシャ２１２の厚みは、フレーム２１０の厚みよりも厚く単電池２１４の厚みよりも薄くしてある。つまり、充電制御回路内蔵ワッシャ２１２の厚みはフレーム２１０と単電池２１４の厚みの間となるようにしている。組電池１００を構成するすべての充電制御回路内蔵ワッシャ埋め込みフレームはこのような厚み関係の充電制御回路内蔵ワッシャを使用している。

フレーム２２０（導通ワッシャ埋め込みフレーム）の一端部には導通ワッシャ２２２が埋め込まれ、フレーム２２０の周囲にはフレーム２１０と同様の周縁支持部２２８が形成され、また、周縁支持部２２８によって囲まれているフレーム２２０の中央部分は開口されている。フレーム２２０の他端部にはフレーム２１０と同様の開口部２１７Ｂが設けられている。単電池２２４の一方の電極タブ２２５Ａは導通ワッシャ２２２と接触している。なお、導通ワッシャ２２２の厚みは、フレーム２２０の厚みよりも厚く単電池２２４の厚みよりも薄くしてある。つまり、導通ワッシャ２２２の厚みはフレーム２２０と単電池２２４の厚みの間となるようにしている。このような厚み関係とすれば、単電池２２４に所望の面圧を与えつつ電極タブ２２５Ａと導通ワッシャ２２２とを接触させることができるからである。組電池１００を構成するすべての導通ワッシャ埋め込みフレームはこのような厚み関係の導通ワッシャを使用している。

フレーム２１０に位置決め支持されている単電池２１４の電極タブ２１５Ｂとフレーム２２０に位置決め支持されている単電池２２４の電極タブ２２５Ｂは、それぞれのフレームに設けられている開口部２１７Ａ、２１７Ｂの両側から図示しない冶具で加圧され超音波溶接が施されている。

フレーム２３０（充電制御回路内蔵ワッシャ埋め込みフレーム）の一端部には充電制御回路内蔵ワッシャ２３２が埋め込まれ、フレーム２３０の周囲にはフレーム２１０と同様の周縁支持部２３８が形成され、また、周縁支持部２３８によって囲まれているフレーム２３０の中央部分は開口されている。フレーム２３０の他端部にはフレーム２１０と同様の開口部２１７Ｃが設けられている。単電池２３４の一方の電極タブ２３５Ａは充電制御回路内蔵ワッシャ２３２と接触している。フレーム２２０とフレーム２３０を積層すると、開口部２１７Ｃの存在によって、単電池２３４の電極タブ２３５Ｂが溶接済みの下側の電極タブ２１５Ｂ、２２５Ｂと接触してしまうので、電極タブ２２５Ｂの上側には絶縁テープ２５０Ａが貼り付けてある。

フレーム２６５（導通ワッシャ埋め込みフレーム）の一端部には導通ワッシャ２６６が埋め込まれ、このフレーム２６５の上に積層される内層ヒートシンク３２５の載置部２７３が形成されている。また、フレーム２６５の周囲にはフレーム２１０と同様の周縁支持部２７８が形成され、また、周縁支持部２７８によって囲まれているフレーム２６５の中央部分は開口されている。フレーム２６５の他端部にはフレーム２１０と同様の開口部２７７Ｄが設けられている。単電池２７４の一方の電極タブ２７５Ａは導通ワッシャ２６６と接触している。なお、導通ワッシャ２６６の厚みは、充電制御回路内蔵ワッシャまたは導通ワッシャの厚み（充電制御回路内蔵ワッシャの厚み＝導通ワッシャの厚み）に内層ヒートシンク３２５の厚みを加えた厚みに等しくしている。

以上のようにして、下側の層から（充電制御回路内蔵ワッシャ埋め込みフレーム）−（導通ワッシャ埋め込みフレーム）−（充電制御回路内蔵ワッシャ埋め込みフレーム）−（導通ワッシャ埋め込みフレーム）−（充電制御回路内蔵ワッシャ埋め込みフレーム）−（導通ワッシャ埋め込みフレーム）という順番でフレームが６枚積層される。

フレーム２６５の載置部２７３には内層ヒートシンク３２５が載せられる。内層ヒートシンク３２５と導通ワッシャ２６６とはフレーム２６５によって絶縁されている。

内層ヒートシンク３２５の上側にはさらに（６枚のフレーム）−（内層ヒートシンク）−（６枚のフレーム）−（内層ヒートシンク）−（６枚のフレーム）−ヒートシンク３００がこの順番で積層される。ヒートシンク３００の直下のフレーム２４０は、フレーム２２０と同様の構成となっている。つまり、フレーム２４０には導通ワッシャ２４２が埋め込まれ、フレーム２１０と同様の周縁支持部２４８が形成され、また、周縁支持部２４８によって囲まれているフレーム２４０の中央部分は開口されている。フレーム２４０の他端部にはフレーム２１０と同様の開口部２１７Ｅが設けられている。単電池２４４の一方の電極タブ２４５Ａは導通ワッシャ２４２と接触している。図示はしていないが、単電池２４４の電極タブ２４５Ｂはその下側に位置する単電池の電極タブと超音波溶接されている。電極タブ２４５Ｂの上側にはヒートシンク３００との絶縁を図るため絶縁テープ２５０Ｂが貼り付けられている。

積層されたすべてのフレームは通しボルト２７０とボルト２７１とによって固定される。ナット２７１と導通ワッシャ２４２との間には絶縁ワッシャ２７８、ワッシャ２７９が介在しているが、絶縁ワッシャ２７８はバスバー２６２の絶縁用として、ワッシャ２７９は絶縁ワッシャ２７８がセラミック製のためその破損防止用としてそれぞれ用いられる。

ヒートシンク３５０には積層されている単電池をその単電池の配列方向に隣接する単電池と電気的に接続するためのバスバー２６０が設けられている。バスバー２６０は絶縁ワッシャ２６１によってヒートシンク３５０と絶縁されている。バスバー２６０にはその周囲を絶縁処理した通しボルト２７０が機械的に接続されている。組電池１００に存在しているバスバー２６０、２６２、２６４と通しボルト２７０とは図１９に示すように連結されている。通しボルト２７０はヒートシンク３５０の底面から立設され、通しボルト２７０は積層されている単電池同士をバスバー２６０、２６２、２６４によって直列に接続する。

図１７および図１８において、これらの図が図１９のＡ−Ａ断面を表しているとするならば、符番２６２は強電端子４５０Ａに繋がる部材２６３を、これらの図が図１９のＢ−Ｂ断面を表しているとするならば、符番２６２はバスバーをそれぞれ表すことになる。

ヒートシンク３００と３５０が電池ユニット２００を介在させた状態でボルトおよびナット３１０Ａ〜３１０Ｆによって固定され、６本の通しボルトが６個の連結端子で締め付けられると、組電池１００を構成する単電池は図２０に示すように直列に接続される。

組電池１００は、２４個の単電池が積層された４列の単電池積層体を有しているが、図２０に示すように、各単電池積層体４００、４１０、４２０、４３０は、単電池がその積層方向にすべて直列に接続されている。すなわち、単電池積層体４００の左側の単電池同士の接続（図中の×印部分）は超音波溶接によって行われ、単電池同士の絶縁（図中の四角印部分）は絶縁テープ（図１７の２５０Ａ、２５０Ｂ）によって行われている。一方、単電池積層体４００の右側の単電池同士の接続（図中の○印部分）は導通ワッシャ（図１７の２２２、２６６など）によって行われ、単電池同士の絶縁（図示三角印部分）は充電制御回路内蔵ワッシャによって行われている。したがって、組電池１００が組み上がると、単電池積層体４００を構成するすべての単電池が直列に接続される。他の単電池積層体４１０、４２０、４３０も同一の構造によりすべての単電池が直列に接続される。

各単電池積層体４００、４１０、４２０、４３０は、さらにヒートシンク（図１７の３００、３５０）に取り付けられたバスバー２６０、２６２、２６４によって直列に接続される。したがって、組電池１００を構成するすべての単電池は直列に接続される。このような接続方法を採用すると、電力端子４５０Ａ、４５０Ｂの接続部を一方向（ヒートシンク３００の上側）のみにすることができるので、組電池設置後の電力配線が行いやすくなり生産性が向上する。

組電池１００の全体の構造は以上のとおりである。次に、組電池を構成する主要な構成要素について詳細に説明する。

（単電池）
本実施の形態で用いる単電池２１４は、図２１に示すような矩形状の扁平形積層二次電池であり、電極タブの形状が異なるのみで、基本的には、前述した実施の形態１と同様に、ラミネートフィルムによって外装され、電解質としてゲルポリマーを用いたリチウムポリマー２次電池である。

この単電池２１４は、長手方向両側面から電極タブ２１５Ａ、２１５Ｂが引き出されている。電極タブ２１５Ａは＋の電極タブでありアルミニウム箔で構成されている。一方、電極タブ２１５Ｂは−の電極タブであり銅箔で構成されている。両電極タブ２１５Ａ、２１５Ｂには通しボルト（図１７の２７０）を挿入するための挿入孔２７２Ａ、２７２Ｂが開口されている。なお、熱融着接合されている単電池２１４の周縁部２１６はフレームに形成されている保持部で位置決め保持される。単電池の積層方向は、この発電要素を構成する正極板と負極板の積層方向と同一の方向である。

（フレーム）
本実施の形態で用いるフレームは、図２２Ａに示すような充電制御回路内蔵ワッシャ埋め込みフレーム２１０、図２２Ｂに示すような導通ワッシャ埋め込みフレーム２２０の２種類である。

充電制御回路内蔵ワッシャ埋め込みフレーム２１０は、その一端部２１０Ａに充電制御回路内蔵ワッシャ２１２が埋め込まれている。充電制御回路内蔵ワッシャ２１２の厚みはフレーム２１０の厚みよりも若干厚く単電池の厚みよりも薄くなっている。

導通ワッシャ埋め込みフレーム２２０は、その一端部２２０Ａに導通ワッシャ２２２が埋め込まれている。導通ワッシャ２２２の厚みは充電制御回路内蔵ワッシャと同様、フレーム２２０の厚みよりも若干厚く単電池の厚みよりも薄くなっている。導通ワッシャは、フレームに保持されている単電池の一方の電極タブを積層方向に隣接するほかのフレームに保持されている単電池の一方の電極タブと電気的に接続する第１接続手段としての機能を備えている。

上記の各フレーム２１０、２２０は、図２２に示すように、１の平面上に配列される４個の単電池を位置決め保持する保持部を備えている。すなわち、単電池２１４（図６参照）の周縁部２１６の少なくとも１部を支持する周縁支持部２１８、２２８と、単電池２１４を位置決めする位置決め部とを備えている。なお、位置決め部とは、周縁支持部２１８、２２８の周囲に形成され、単電池２１４の周縁端がはまり込むように形取られている部分である。

単電池はフレームの位置決め部によってその位置が固定され、周縁支持部でその周縁部が支持される。単電池の周縁部とフレームの周縁支持部は両面テープで仮止めされる。したがって、製造段階において単電池をフレームに載置した状態で容易に搬送することができる。

（充電制御回路内蔵ワッシャ）
ここで、充電制御回路内蔵ワッシャ２１２、２３２は、前述した実施の形態１における充電制御回路内蔵ワッシャ（図５〜９参照）と同様である。

すなわち、実施の形態１において詳述したとおり、ツェナーダイオード、バリスター、ＶＲＤなどの素子を用いた電圧検知ワッシャと抵抗体である抵抗ワッシャの組み合わせ、または定電流回路としてＦＥＴを用いた充電制御回路内蔵ワッシャなどである。

この充電制御回路内蔵ワッシャによって、通常状態では充電制御回路内蔵ワッシャ２１２、２４２が有る電極間は絶縁状態が保たれ、２直列分の単電池の電圧が過充電となる所定電圧以上となったときには、その部分の電極間がバイパスされることになる。

（ヒートシンク）
本実施の形態で用いるヒートシンクは、図１６に示したとおり、最上段に位置される外層ヒートシンク３００、積層されているフレーム間に少なくとも１以上介挿される内層ヒートシンク３２５、最下段に位置される外層ヒートシンク３５０の３種類である。

最下段の外層ヒートシンク３５０は、図２３に示すように、積層されるフレームを位置決めするためのロケートピン５１０、５２０を備えている。もちろんフレームにはこれらのロケートピン５１０、５２０が挿入されるロケートピン挿入孔が開口されている。

外層ヒートシンク３５０にフレームを積層する場合には、フレームのロケートピン挿入孔をこれらのロケートピン５１０、５２０に挿入しフレームの位置決めを行う。また、外層ヒートシンク３５０の一端部には隣り合う単電池積層体同士、例えば単電池積層体４００と４１０（図２０参照）を電気的に直列接続するためのバスバー２６０、２６４を埋め込むバスバー埋め込み溝３６０、３７０が設けられている。バスバー埋め込み溝３６０、３７０には通しボルト２７０（図２０参照）を外層ヒートシンク３５０の底面から立設するための通しボルト挿入孔３６２、３６４、３７２、３７４が開口されている。さらに、外層ヒートシンク３５０には、電池ユニット２００に適切な面圧を付与するとともに電池ユニット２００を外層ヒートシンク３００、３５０と一体的に保持するための保持手段としての機能を有する加圧ユニットの取り付け孔３８０〜３８５が設けられている。

これらの取り付け孔３８０〜３８５には図２４に示すように、６個の加圧ユニット５３０〜５３５が取り付けられる。加圧ユニット５３０〜５３５は、外層ヒートシンク３００と３５０で電池ユニット２００を挟み込むときに、電池ユニット２００に付与する面圧を容易に微調整できるようにするものである。外層ヒートシンク３００、３５０の材質としては銅、アルミニウム、マグネシウムなどが適切であるが、放熱性や軽量化を考慮するとアルミニウムが最適である。外層ヒートシンク３５０は、放熱効率を向上させるためその長手方向に貫通する通気口３５２が形成されている。

加圧ユニット５３０〜５３５は実施の形態１と同様であり（図１１および１２参照）、引っ張りコイルバネ４２（弾性体）と、引っ張りコイルバネ４２の両端を保持するバネ保持部４３などからなる。

内層ヒートシンク３２５は、図２５に示すように、ロケートピン５１０、５２０を貫通するロケートピン貫通孔３３０、３３２、加圧ユニット５３０〜５３５を貫通させる加圧ユニット貫通孔３３５〜３４０、通しボルトを貫通させる通しボルト貫通口３４１〜３４４が開口されている。

内層ヒートシンク３２５は外層ヒートシンク３５０に取り付けられているロケートピン５１０、５２０をロケートピン挿入孔３３０、３３２に挿入することで位置決めされる。内層ヒートシンク３２５は、電池ユニット２００に等間隔で３枚介挿される。内層ヒートシンク３２５の材質としては外層ヒートシンク３５０と同一のものでもよいが、軽量化を考慮して表面が波型形状に加工された樹脂を用いてもよい。

最上段の外層ヒートシンク３００は、図２６に示すように、ロケートピン５１０、５２０を挿入するロケートピン挿入孔３１２、３１４、加圧ユニット５３０〜５３５の上に取り付けられているボルトを貫通させそれをナット３１０Ａ〜３１０Ｆで固定するためのボルト挿入孔３１５〜３２０、通しボルトを貫通させる通しボルト貫通口３２１、３２２、電力端子４５０Ａ、４５０Ｂ（図３参照）を取り付けるための電力端子取り付け孔３２３、３２４が開口されている。

外層ヒートシンク３００はロケートピン挿入孔３１２、３１４にロケートピン５１０、５２０を挿入することで位置決めされる。外層ヒートシンク３００を位置決めするときに加圧ユニット５３０〜５３５の上に取り付けられているボルトをボルト挿入孔３１５〜３２０に挿入し、ナット３１０Ａ〜３１０Ｆで外層ヒートシンク３００を固定する。この固定によって外層ヒートシンク３００と３５０が電池ユニット２００と一体化される。通しボルト貫通口３２１、３２２には図示上から下方向に向けて通しボルトが挿入される。この通しボルトにはバスバー２６２（図２０参照）が取り付けられる。電力端子取り付け孔３２３、３２４には電力端子４５０Ａ、４５０Ｂが取り付けられ、これらの電力端子が充電装置または動力源のモータに接続される。

外層ヒートシンク３００と３５０は、電池ユニット２００をその積層方向の両面から加圧して一体的に保持する保持手段として機能し、この保持手段は、電池ユニット２００を構成するすべての単電池に積層方向の面圧を付与する加圧手段としての機能と、電池ユニット２００から生じる熱を放散する冷却手段としての機能とを備えている。また、外層ヒートシンク３００と３５０は、電池ユニット２００を構成する１つの単電池積層体（例えば図３の電池積層体４００）を別の単電池積層体（例えば図３の電池積層体４１０）に電気的に接続する第３接続手段としてのバスバー（例えば図３の２６０）を取り付ける機能を備えている。

（組電池の製造手順）
次に、本実施の形態にかかる組電池の製造手順を図面に基づいて詳細に説明する。

まず、図２７に示すように、電池ユニット２００の最下層に位置されることになるフレーム２１０に単電池２１４Ａ〜２１４Ｄを載置する。単電池を載置するときには、各単電池の周縁部２１６に厚みの非常に薄い両面テープを貼り付け、周縁部２１６をフレーム２１０の周縁支持部２１８に載置させてその位置決め部にはめ込むようにする。これによって４個の単電池はフレームに仮止めされ、製造現場での搬送が可能になる。４個の単電池がフレームに載置された状態は図２８に示すとおりであるが、単電池をフレームに配列させるときには、その電極タブ２１５の極性が図２７、図２８に示すように、単電池の配列方向に正負交互となるようにする。つまり、単電池の極性が＋−交互に並ぶように単電池の向きを変えながら配列する。

以上の単電池の配列を、電池ユニット２００を構成することになる２４枚のフレームに対して行う。なお、単電池を配列するときには図２８に示すようにその極性が、配列方向が正負交互となるようにするだけではなく、フレームの積層方向にもその極性が正負交互となるように注意する。例えば、最下層位置されるフレームに載置する単電池の極性が図２８に示すように手前左端から「＋」、「−」、「＋」、「−」と並んでいるのであれば、そのフレームの上に積層されるフレームに載置する単電池の極性は手前左端から「−」、「＋」、「−」、「＋」となるように配列する。単電池をこのように配列しないと、最終的に図２０に示すような回路を構成することができないからである。

次に、充電制御回路内蔵ワッシャが埋め込まれているフレーム２１０に導通ワッシャが埋め込まれているフレーム２２０を図３０に示すように重ねる。重ねるときには、導通ワッシャと充電制御回路内蔵ワッシャが取り付けられている側を同一方向にして重ねる。フレームの導通ワッシャと充電制御回路内蔵ワッシャが取り付けられていない側の端部には図２７に示すように開口部２１７Ａが形成されている。フレーム２１０の下側およびフレーム２２０の上側の開口部２１７Ａに超音波溶接装置の冶具を挿入し、フレーム２１０とフレーム２２０に載置されている単電池の電極タブをその冶具で挟んで超音波溶接を行う。この超音波溶接は４組の単電池の片側の電極タブ２１５、２２５に対して行う。

電極タブ同士の接合に超音波溶接を用いるのは次の２つの理由からである。超音波溶接は、接合される部分に高周波振動を与えることによって金属の原子を拡散させ、再結晶させることによって機械的な接合を行うため、同種、異種の金属の重ね溶接に対して非常に効果的である。本実施の形態で用いている単電池は、その一方の電極タブがアルミニウム箔であり、他方の電極タブが銅箔である。また、バスバーは銅製である。したがって、電極タブ同士の接合は異種金属同士の接合になる。これがまず１つ目の理由である。次に、超音波溶接は、接合時に高い温度に達することなく、接合面の最高温度は融点の３５〜５０％程度に抑えることができるため、高温溶接を行ったときに生じる母材の溶融やもろい鋳造組織が形成されることはない。本実施の形態で用いている単電池は、外装がラミネート材であり電極タブをあまり高い温度に上げることができないため、単電池を高温状態にさらすことなく、非常に薄い金属で形成されている電極タブを接合するのには最適である。これが２つ目の理由である。

ここまでの作業によって制御回路内蔵ワッシャが埋め込まれているフレーム２１０と導通ワッシャが埋め込まれているフレーム２２０を１組とするフレームユニットが形成される。

この溶接は、電池ユニット２００を構成することになる１２組のフレームユニットに対して行う。溶接作業が終了すると、フレームユニットが積層されて行くときに、フレームユニット間で電気的な絶縁を図るため、図２９に示すように電極タブ２１５の外側の面に絶縁テープ２５０Ａを貼り付ける。

次に、図３１に示すように、外層ヒートシンク３５０にロケートピン５１０、５２０を立て、加圧ユニット５３０〜５３５を取り付け、バスバー２６０、２６４を設置して通しボルト２７０、２７５、２８０、２８５を取り付ける。そして、上記のフレームユニット５５０に設けられているそれぞれの孔に図に示すようにロケートピン５１０、５２０、加圧ユニット５３０〜５３５、通しボルト２７０、２７５、２８０、２８５を通し、フレームユニット５５０を外層ヒートシンク３５０上に載せる。フレームユニット５５０は導通ワッシャが取り付けられているフレームを下側にして載置する。フレームに取り付けられている導通ワッシャは、バスバー２６０または２６４と直接接触し電気的に接続される。バスバー２６０、２６４は外層ヒートシンク３５０との間は、絶縁シールなどの絶縁部材によって絶縁されている。

上記のようにしてフレームユニット５５０を３組、導通ワッシャが取り付けられているフレームを下側にして図３２のように積層する。３組のフレームユニットが積層されると６個の単電池が積層されることになる。フレームは単電池を支持する周縁部以外が開口されているので、積層方向に積み重ねられる単電池の外装面同士は直接接触する。３組のフレームユニットの上には図に示すように内層ヒートシンク３２５が積み重ねられる。したがって、６個の単電池が外層ヒートシンク３５０と内層ヒートシンク３２５に挟まれる。単電池の外装面同士は直接接触しているので、単電池の内部で発生した熱は外層ヒートシンク３５０および内層ヒートシンク３２５に効率的に伝達されて放熱される。もちろん熱の一部はフレームから間接的にこれらのヒートシンクに伝えられる。放熱性を考慮すれば、フレームの材料は熱伝達特性のよいものを使用することが望ましい。

さらに、内層ヒートシンク３２５の上に（３組のフレームユニット）−（内層ヒートシンク３２５）−（３組のフレームユニット）−（内層ヒートシンク３２５）−（３組のフレームユニット）を積み重ね、最後に外層ヒートシンク３００を重ねて、ナット３１０Ａ〜３１０Ｆ（図１６参照）で外層ヒートシンク３００を仮止めし、通しボルト２７０、２７５、２８０、２８５をナットで仮止めする。

なお、フレームユニットを積層するごとに直列接続される単電池の数が増加して行くため、作業者が取り扱う電圧も増加する。作業を安全に行うためには、その電圧を４０Ｖ以下とすることが望ましい。したがって、本実施の形態における製造過程では、１枚のフレームユニットが積層される度に通しボルト（図２０の２７０）に紙製の絶縁ワッシャを挿入している。このようにすれば、各フレームユニットは絶縁させることになるので、作業者が高電圧にさらされずに済む。

以上のようにして組電池１００が組み立て、フレームユニット間に介在されている紙製の絶縁ワッシャを取り除き、最後に仮止め状態のすべてのナットを締め込むと、組電池１００を構成するすべての単電池は、図２０に示したように電力端子４５０Ａ、４５０Ｂ間で直列に接続される。単電池１個の電圧は３Ｖ程度であるので、電力端子４５０Ａ、４５０Ｂ間には３００Ｖ弱の高電圧が得られる。

以上のように、本実施の形態２では、単電池の一方の電極タブを超音波溶接し、他方の電極タブを通しボルトで固定したが、両側の電極タブを通しボルトで固定するようにしてもよい。両側の電極タブを通しボルトで固定する場合には、通しボルトに導通ワッシャと充電制御回路内蔵ワッシャとを交互に入れて隣接する電極タブ同士を導通させ、２直列分の単電池の電極間に電圧制御回路を入れることになる。

本実施の形態２の組電池によれば、以下の効果を奏する。

以上のように実施の形態２によれば、フレームによって複数の単電池を保持した上で、さらにこのフレームによって保持された複数の電池ユニット積層することで、多くの単電池を一組の無味電池をすることができ、そして、フレーム内に制御手段となる充電制御回路を内蔵した充電制御回路内蔵ワッシャを埋め込むこととしているので、従来のように、単電池の電圧検出のための検出端子や配線を設ける必要がなくなるので、組電池の製作の際の配線作業などが不要となる。

また、本実施の形態２によれば、単電池間に隙間を設けることなく積層し、必要放熱量に応じた数の内層ヒートシンクを介在させ、各単電池に適切な面圧を付与しているので、小型でエネルギー密度の高い自動車搭載用電池が構成できる。

さらに、隙間の存在しない堅固な構造であるので、剛性が高く耐振動性に優れている。また、その組み立てはフレームユニットを単に積み重ねてボルト締めするだけでよいので、組み立て作業性も良好である。

なお、本発明にかかる組電池は耐振動性、放熱性が特に優れ、また、小型軽量であるので、自動車用の電池に限られず、環境の劣悪な現場で作業を行うロボット用電源、工事現場用電源としても利用することができる。

本発明にかかる組電池は、自動車積載用電池として利用できるだけでなく、環境の劣悪な生産現場や工事現場で使用する電源として利用できる。

実施の形態１における組電池を示す斜視図である。 ２種類の単電池を示す斜視図である。 図１に示す組電池のＡ−Ａ断面図である。 図１に示す組電池のＢ−Ｂ断面図である。 ワッシャ部分を部分拡大図である。 電圧検知ワッシャとしてツェナーダイオードを用いた場合における充電制御回路内蔵ワッシャと単電池との等価回路図である。 ツェナーダイオードの電圧−電流特性を示すグラフである。 電圧検知ワッシャの構造を示す概略図である。 定電流回路を用いた例を説明するための図面である。 ２種類のヒートシンクを示す斜視図である。 加圧ユニットを示す図である。 図１１のＣ−Ｃ断面図であり、図１１（Ａ）は加圧ユニットの初期状態を示す図、図１１（Ｂ）は加圧ユニット２を外層ヒートシンク２ａ間に取り付けた様子を示す図である。 組電池の組み立て手順を示す図である。 組電池の組み立て手順を示す図である。 組電池の組み立て手順を示す図である。 実施の形態２における組電池の外観を示す斜視図である。 図１６に示した組電池の主要な構成要素の積層状態を示す図１Ａ−Ａ方向の模式的な断面図である。 図１７の一部を拡大した部分断面図である。 図１６に示した組電池のバスバーと通しボルトとの接続関係を示す図である。 図１６に示した組電池を構成する単電池相互間の接続状態を模式的に示す図である。 単電池の外観を示す斜視図である。 組電池の各フレームの構成図である。 最下部に位置されるヒートシンクの構成を示す斜視図である。 最下部に位置されるヒートシンクに加圧ユニットが取り付けられた状態を示す図である。 内層ヒートシンクの構成を示す斜視図である。 外層ヒートシンクの構成を示す斜視図である。 組電池の組み立て手順を示す図である。 組電池の組み立て手順を示す図である。 組電池の組み立て手順を示す図である。 組電池の組み立て手順を示す図である。 組電池の組み立て手順を示す図である。 組電池の組み立て手順を示す図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ…単電池、
２、２ａ、２ｂ…ヒートシンク、
３…高摩擦シート、
４…保持手段、
１０、１４…正極タブ、
１１…穴部、
１２、１６…負極タブ、
１３…穴部、
１５…凸部、
１７…穴部、
２０…通風孔、
２２…孔、
４０…加圧ユニット、
４１…ナット、
４２…引っ張りコイルバネ、
４３…バネ保持部、
４４…本体部、
４５…螺合部、
４６…突合せ部、
４７…挿通部、
４８…スリット、
５０…導通ワッシャ、
５１…充電制御回路内蔵ワッシャ、
５２…位置決めピン、
５３…ナット、
１００…組電池、
２００…電池ユニット、
２１０、２２０、２３０、２４０…フレーム、
２２２、２４２…導通ワッシャ、
２１４、２２４、２３４、２４４…単電池、
２１５Ａ、２１５Ｂ、２２５Ａ、２２５Ｂ、２３５Ａ、２３５Ｂ、２４５Ａ、２４５Ｂ…電極タブ、
２１６…周縁部、
２１７Ａ、２１７Ｂ、２１７Ｃ、２１７Ｄ、３２７…開口部、
２１８、２２８、２３８、２４８…周縁支持部、
２１２、２３２…充電制御回路内蔵ワッシャ、
２５０Ａ、２５０Ｂ…絶縁テープ、
３１０、３２９…導通部材、
２６０、２６２、２６４…バスバー、
２７０、２７５、２８０、２８５…通しボルト、
２７２Ａ、２７２Ｂ…挿入孔、
３００、３５０…ヒートシンク、
３０５…連結端子、
３１０Ａ〜３１０Ｆ…ナット、
３２５…内層ヒートシンク、
３１２、３１４、３３０、３３２…ロケートピン貫通孔、
３１５〜３２０…ボルト挿入孔、
３３５〜３４０…加圧ユニット貫通孔、
３２１、３２２…通しボルト貫通口、
３２３、３２４…電力端子取り付け孔、
３４１〜３４４…通しボルト貫通口、
３５２…通気口、
３６０、３７０…バスバー埋め込み溝、
３６２、３６４、３７２、３７４…通しボルト挿入孔、
３８０〜３８５…取り付け孔、
４００、４１０、４２０、４３０…単電池積層体、
４５０Ａ、４５０Ｂ…電力端子、
５１０、５２０…ロケートピン、
５３０〜５３５…加圧ユニット、
５５０…フレームユニット、

Claims (7)

1. 直列に接続されて積層された複数の単電池と、
   少なくとも２つの前記単電池の電極間に介在して設置され、前記電極間の電圧を検知して、検知された電圧が所定電圧未満である場合は前記電極間を非導通にし、前記所定電圧以上である場合は前記電極間を導通させる制御手段と、
   を有することを特徴とする組電池。
2. 前記制御手段は、ツェナーダイオード、バリスター、シリコンサージアブソーバー、のうちいずれか一つを有することを特徴とすることを特徴とする請求項１記載の組電池。
3. 前記制御手段は、前記電極間を導通させた場合に、前記電極間を流れる電流量を制限する抵抗体を有することを特徴とする請求項２記載の組電池。
4. 前記制御手段は、前記電極間を導通させた場合に、前記電極間をあらかじめ定められた一定電流が流れる定電流回路を有することを特徴とする請求項１記載の組電池。
5. 前記制御手段は、電界効果トランジスタを有することを特徴とすることを特徴とする請求項４記載の組電池。
6. 前記単電池の電極のうち少なくとも一つの電極は、前記単電池の位置を決める位置決めピンを挿通するための穴部を有し、
   前記制御手段は、前記位置決めピンを挿通するための穴部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の組電池。
7. 少なくとも２つの単電池の電極間に介在されて設置される制御装置であって、
   前記電極間の電圧を検知し、検知された電圧が所定電圧未満である場合は前記電極間を非導通にし、前記所定電圧以上である場合は前記電極間を導通させる制御手段と、
   を有することを特徴とする制御装置。

Images