JP4944374B2

JP4944374B2 - 電気デバイス集合体

Info

Publication number: JP4944374B2
Application number: JP2004363230A
Authority: JP
Inventors: 猛金井; 貴昭藤谷
Original assignee: NEC Corp; Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp; NEC Corp
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2024-12-15
Also published as: JP2006172882A

Description

本発明は、充放電可能な電気デバイス要素がフィルムによって被覆されてなるフィルム外装電気デバイスが複数積層された電気デバイス集合体に関するものである。

近年、電動モータを駆動源とする電気自動車やハイブリッド電気自動車（以下、単に「電気自動車等」という）の開発が急速に進められつつある。電気自動車等に搭載される電動モータの電源には、電気自動車等の操縦特性や一充電走行距離等を向上させるために、小型軽量化が求められる。かかる要求に応える電源を実現すべく、特許文献１等に開示されているフィルム外装電池が開発される。さらに、この種のフィルム外装電池をセルケース内に個別に収容してなるケース入りのフィルム外装電池（以下「電池セル」）をその厚み方向に複数積層させた組電池を備えた電池パックも開発されている。

特許文献１等に開示されているフィルム外装電池の基本構造を図８に示す。このフィルム外装電池１００は、正極側活電極、負極側活電極、及び電解液からなる発電要素１０１がアルミニウムなどの金属フィルムと熱融着性の樹脂フィルムとを重ね合わせてなるラミネートフィルム１０２によって被覆されたものである。尚、発電要素１０１を被覆している２枚のラミネートフィルム１０２の対向する４辺は、熱融着によって気密に封止されている。また、熱融着されたラミネートフィルム１０２の一方の短辺からは、フィルム状の正極用電極端子１０３が引き出され、他方の短辺からはフィルム状の負極用電極端子１０４が引き出されている。

次に、従来の電池パックの一例について説明する。特許文献２には、図９に示す構造の組電池１１０を備えた電池パックが開示されている。図９に示す組電池１１０は、積層された角型電池セル１１１を一対の拘束プレート１１２によってその積層方向両外側から挟持したものである。より具体的には、この組電池１１０は、平板状をした複数の角型電池セル１１１がその厚み方向に多数積層され、積層方向の両端の各角型電池セル１１１に一対の拘束プレート１１２がそれぞれ突き当てられている。さらに、前記一対の拘束プレート１１２は、それら拘束プレート１１２間の角型電池セル１１１が積層方向に押圧されるように、連結ロッド１１３によって相互に連結されている。
特開２００１−７６６９１号公報特開２００１−２３６９３７号公報

特許文献２に開示されている組電池には、次のような問題があった。すなわち、図９に示されているように、連結ロッド１１３は各角型電池セル１１１の外面上に、その積層方向に沿って架け渡されている。また、連結ロッド１１３が角型電池セル１１１の外面上に架け渡されていることに伴って、拘束プレート１１２の上下の側縁には、角型電池セル１１１の外面よりも外側に突出する突出部１１４が設けられ、連結ロッド１１３はこの突出部１１４に固定されている。

しかし、電池セルの外側に連結ロッドを架け渡すと、その分だけ組電池が大型化してしまう。また、組電池が大型化すれば、該組電池を収容するためのケースも大型化し、電池パック全体の大型化を招く。さらに、電池パックのケースを開けると金属製の連結ロッドが剥き出しになり、安全上好ましくない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電気デバイス集合体の大型化を招くことなく、該電気デバイス集合体を構成している複数の電気デバイスを確実に固定可能な構造を提供することにある。

本発明の電気デバイス集合体は、充放電可能な電気デバイス要素がフィルムによって被覆されたフィルム外装電気デバイスが複数積層された電気デバイス集合体であって、複数のフィルム外装電気デバイスがセルケース内に個別に収容され、フィルム外装電気デバイスが収容されたセルケースを少なくとも一本の棒状部材が上記積層方向に貫いていることを特徴とするものである。

上記セルケースを所定数ずつモジュールケース内に収容してモジュール化し、複数のモジュールケース及び各モジュールケース内のセルケースに上記棒状部材を貫通させることもできる。また、上記積層方向一端のセルケース又はモジュールケースから突出した棒状部材の一方の端部に固定部材を装着し、棒状部材によって貫かれた複数のセルケース又はモジュールケースを固定部材と棒状部材との間に挟持することもできる。或いは、上記積層方向両端のセルケース又はモジュールケースから突出した棒状部材の両端部に固定部材を装着し、それら固定部材間に複数のセルケース又はモジュールケースを挟持することもできる。さらに、上記セルケース内のフィルム外装電気デバイスに上記棒状部材を貫通させることもできる。

本発明の電気デバイス集合体では、フィルム外装電気デバイスが収容されたセルケースを棒状部材が貫通しているので、棒状部材がセルケースの外部に現れることがない。従って、本発明によれば、電気デバイス集合体の大型化させたり、安全性を損なったりすることなく、電気デバイス集合体を構成する複数のフィルム外装電気デバイスを確実に固定することができる。

（実施形態１）
以下、本発明の電気デバイス集合体の実施形態の一例について詳細に説明する。本例の電気デバイス集合体は、フィルム外装電気デバイスとしてのフィルム外装電池をその厚み方向に複数積層してなる組電池を本体ケース内に収容してなる電池パックである。

まず、本例の電池パックを構成しているフィルム外装電池について図１を参照しながら説明する。フィルム外装電池１０は、不図示の正極側活電極、負極側活電極、及び電解液を有する発電要素１１を２枚のラミネートフィルム１２によって気密に包装したものであり、出力電圧は約３．６Ｖである。ラミネートフィルム１２は、アルミニウムなどの金属フィルムと熱融着性の樹脂フィルムとを重ね合わせてなるフィルムであって、発電要素１１を包囲している上下２枚のラミネートフィルム１２の対向する４辺は熱融着によって気密に封止されている。

ここでフィルム外装電池の発電要素には、セパレータを介して積層された正極側活電極と負極側活電極とからなる積層型と、帯状の正極側活電極と負極側活電極とをセパレータを介して重ねこれを捲回した後、扁平状に圧縮することによって正極側活電極と負極側活電極とを交互に積層させた捲回型とがあり、図１に示すフィルム外装電池１０の発電要素１１は、上記積層型及び捲回型のいずれであってもよい。さらに、上記正極側活電極及び負極側活電極には、一般的なリチウムイオン二次電池において用いられている正極板及び負極板を用いることができる。すなわち、リチウム・マンガン複合酸化物、コバルト酸リチウム等の正極活物質をアルミニウム箔などの両面に塗布した正極板と、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料を銅箔などの両面に塗布した負極板とを、セパレータを介して対向させ、それにリチウム塩を含む電解液を含浸させることによって上記発電要素２を得ることができる。もっとも、発電要素１１は、正極、負極および電解質を含むものであればよく、通常の電池に用いられる任意の発電要素をそのまま、或いは適宜設計変更して適用可能である。

再び図１を参照すると、フィルム外装電池１０の一方の短辺からは、上記正極側活電極に電気接続された正極用電極端子１３が引き出され、他方の短辺からは、上記負極側活電極に電気接続された負極用電極端子１４が引き出されている。正極用電極端子１３及び負極用電極１４の素材は、その電気的特性を考慮して選択されるが、本例では、正極用電極端子１３にアルミニウム、負極用電極端子１４に銅又はニッケルを用いた。

本例の電池パックでは、上記構造を有するフィルム外装電池１０が１つずつセルケース２０に収容され、セルケース２０に収容されたフィルム外装電池１０（以下「電池セル２１」）がその厚み方向に９６個積層されて組電池を構成している。図２に示すように、セルケース２０は、ケース本体２０ａと枠体２０ｂとから構成されている。ケース本体２０ａは、略枠状の底板２３と、底板２３の周縁から立ち上げられた側壁２４とを有し、図１のフィルム外装電池１０を側壁２４の内側に収容可能な形状及び寸法を有する。一方、枠体２０ｂは、ケース本体２０ａの側壁２４の内側に嵌合可能な形状及び寸法を有し、ケース本体２０ａに収容されたフィルム外装電池１０の上に被せることによって、フィルム外装電池１０の周縁をケース本体２０ａの底板２３との間に挟持する。また、ケース本体２０ａの底板の周縁には、７個の貫通孔２５が形成されている。これら貫通孔２５は、ケース本体２０ａ内に収容されたフィルム外装電池１０、及びそのフィルム外装電池１０の上に被せられた枠体２０ｂと重複しない位置に形成されており、電池セル２１の表裏面に連通するように設計されている。もっとも、ケース本体２０ａの底面２３と枠体２０ｂとによって挟持されるフィルム外装電池１０の周縁部に貫通孔２５と連通する穴を形成しておけば、貫通孔２５の位置が上記位置に限定されることはない。尚、フィルム外装電池１０の正極用電極端子１３及び負極用電極１４は、ケース本体２０ａの短辺に設けられている２つの切り欠き２６を通してセルケース２０の外部にそれぞれ引き出されている。

次に、本例の電池パックを構成している組電池６０について図３を参照しながら説明する。組電池６０は、図２に示す電池セル２１をその厚み方向に９６個積層して電池セル群を形成し、該電池セル群に長尺ロッド６１を貫通させて固定したものである。より具体的には、積層された各電池セル２１の各貫通孔２５（図２）は、他の電池セル２１の対応する貫通孔２５と連通している。すなわち、電池セル群は、電池セル２１の積層方向に連続する９６個の貫通孔２５からなる連通孔６２を７本有する。そして、各連通孔６２に金属製の長尺ロッド６１が挿入されている。長尺ロッド６１は、連通孔６２の全長よりも若干長く、連通孔６２に挿入すると、両端部６３が積層方向両端の電池セル２１から外側に突出する。さらに、長尺ロッド６１の端部６３の外周面には不図示の螺子が形成されており、電池セル２１から突出した両端部６３には、不図示の固定部材（本例では上記螺子に螺合可能なナット）がそれぞれ装着されている。これにより、積層された９６個の電池セル２１は、これらを貫通する長尺ロッド６１の両端部６３に螺合された複数組のナットの間に挟持されて一体化されている。尚、図３では、組電池６０の構造を明確にすべく、一部の電池セル２１を省略してある。また、一端に連通孔６２よりも大径の頭部が形成された長尺ロッドを用いることによって、長尺ロッドの頭部と該ロッドの他端に螺合されたナットとの間に積層された電池セル２１を挟持させることもできる。

以上の構造を有する組電池６０は、図４に示すように、本体ケース５１内に収容されて電池パック５０となる。本体ケース５１は、板状の下カバー５２及びケース蓋５４と、断面コ字形の上カバー５３とから構成されている。組電池６０は、下カバー５２上に載置され、その上に上カバー５３が被せられている。また、上カバー５３の長手方向一方は、ケース蓋５４によって閉塞されている。さらに、下カバー５２の長手方向一端には、ヒューズ、リレー、電流センサなどの電装部品が収容されたリレーボックス５５が載置されており、このリレーボックス５５も組電池６０と共に上カバー５３に覆われている。尚、リレーボックス５５は、上カバー５３の長手方向他方を閉塞する蓋としての役割も果たす。また、下カバー５２の幅方向両側には、該下カバー５２の長手方向に沿って複数の固定用ブラケット８０が所定間隔で設けられている。この固定用ブラケット８０は、電池パック５０を自動車その他の搭載対象物に固定するためのものである。

（実施形態２）
次に、本発明の電気デバイス集合体の実施形態の他例について説明する。本例の電気デバイス集合体も電池パックであり、その基本構造は、実施形態１の電池パックと共通である。本例の電池パックが実施形態１の電池パックと異なるのは、組電池が複数の電池モジュールから構成されている点である。各電池モジュールは、実施形態１で説明した電池セルを樹脂製の保持部材及び蓋板を有するモジュールケース内に複数個収容し、これら電池セルを一体化したものである。

まず、電池モジュールの構造について図面を参照しながら詳細に説明する。尚、実施形態１で既に説明した構成と同一の構成については図中に同一の符号を付して説明を省略する。図５に示すように、保持部材３１は、側板３３と、側板３３の四隅から蓋板３２に向けて突設された４本のアーム３４とを有する。さらに、各アーム３４の内側には、電池セル２１及び蓋板３２の四隅がそれぞれ嵌合可能な略Ｌ字形の案内溝３５がその長手方向に沿って形成されており、１２個の電池セル２１が案内溝３５の案内に従って４本のアーム３４の内側に収容され、厚み方向に積層されている。

蓋板３２は、１２個の電池セル２１がアーム３４の内側に収容された後に、同じく案内溝３５の案内に従って４本のアーム３４の内側に嵌め込まれ、積層方向の最も手前の電池セル２１ａに当接している。ここで、アーム３４の長さは、１２個の電池セル２１の厚みの合計よりも蓋板３２の厚み分だけ長い。従って、１２個の電池セル２１に次いでアーム３４の内側に嵌め込まれた蓋板３２の表面とアーム３４の端面とは面一になっている。尚、側板３３及びアーム３４の表面には、補強のために多数のリブが形成されている。

保持部材３１の側板３３には、電池セル２１のセルケース２０に設けられている貫通孔２５（詳しくは図２参照）と連通するロッド挿入孔３６ａ〜３６ｇが形成され、蓋板３２には、ボルト挿入孔３７ａ〜３７ｇが複数形成されている。そして、ロッド挿入孔３６ａ、３６ｂ及び３６ｃからそれぞれ挿入された細長中空の短尺ロッド３８が全ての電池セル２１を貫き、蓋板３２のボルト挿入孔３７ａ、３７ｂ及び３７ｃからそれぞれ挿入されたボルト３９が各短尺ロッド３８の先端内周面に形成されている螺子に螺合されている。すなわち、保持部材３１、１２個の電池セル２１及び蓋板３２は、これらを貫く３本の短尺ロッド３８によって一体化（モジュール化）されている。

尚、短尺ロッド３８にボルト３９を螺合するに際して、短尺ロッド３８が共回りすることがないように、短尺ロッド３８の他端には矩形の頭部４０が形成され、ロッド挿入孔３６の周縁には頭部４０が嵌合可能な矩形の凹部（不図示）が形成されている。さらに、この凹部に嵌合した頭部４０が側板３３の表面から突出することがないように、凹部の深さは頭部４０の厚み以上とされている。また、蓋板３２のボルト挿入孔３７の周縁にもボルト３９の頭部４１が嵌合可能な凹部が形成されており、頭部４１が蓋板３２の表面から突出しないようにしてある。

本例における組電池７０は、上記構造を有する電池モジュール３０を図６に示すように一列に並べてモジュール群を形成し、該モジュール群に４本の長尺ロッド７１を貫通させて固定したものである。より具体的には、上記構造の電池モジュール３０を一列に並べると、隣接する電池モジュール３０のロッド挿入孔３６ｄ〜３６ｇ（図５）とボルト挿入孔３７ｄ〜３７ｇ（図５）とが連通する。さらに、各電池モジュール３０内の電池セル２１に設けられている貫通孔２５のうち、短尺ロッド３８が挿入されていない貫通孔２５（図５）は、該モジュール３０のロッド挿入孔３６ｄ〜３６ｇ及びボルト挿入孔３７ｄ〜３７ｇを介して隣接するモジュール３０内の電池セル２１に設けられている貫通孔２５のうち、同じく短尺ロッド３８が挿入されていない貫通孔２５（図５）と連通する。すなわち、複数の電池モジュール３０を図６に示すように一列に並べてモジュール群を形成すると、実施形態１で説明した連通孔６２と実質的に同一の連通孔７２が４つ形成される。本例における組電池７０は、上記のように形成された各連通孔７２に長尺ロッド７１を挿入して、８個の電池モジュール３０を一体化したものである。尚、図６では、組電池７０の構造を明確にすべく、一部の電池モジュール３０を省略してある。

図６に示す長尺ロッド７１は、軸部の長さが異なる以外は図５に示す短尺ロッド３８と同一の構造を有しており、全ての電池モジュール３０を貫通した長尺ロッド７１の先端内周面には、配列方向一端（図６では紙面最も手前）の電池モジュール３０の蓋板３２に設けられているボルト挿入孔３７ｄ〜３７ｇから挿入された不図示のボルトが螺合されている。

もっとも、図７に示すように、ある電池モジュール３０のボルト挿入孔３７ｄ〜３７ｇを貫通して突出した長尺ロッド７１を順次他の電池モジュールのロッド挿入孔に挿入し、該電池モジュールのボルト挿入孔から突出させるといった工程を繰り返して図６に組電池７０を組上げることもできる。換言すれば、本例の組電池７０は、ある電池モジュールを貫通させた長尺ロッドに他の電池モジュールを順次串刺しにすることによっても製作可能である。

尚、本例における長尺ロッド７１は、図３に示す長尺ロッド６１よりも長い。もっとも、長尺ロッドの長さの違いは本質的なものではない。すなわち、図５に示す電池モジュール３０を８個並べてなる本例の組電池７０は、図３に示す組電池６０に比べて全長が長い（電池セル２１の個数は同一）。そこで、本例においては、組電池７０の全長に応じて長尺ロッド７１が延長されている。

以上の構造を有する組電池７０は、図４に示す本体ケース５１と同一のケース内に、同図に示すリレーボックス５５と同一のリレーボックスと共に収容されて電池パックとなる。

尚、両端部に螺子が形成された長尺ロッドを上記のようにして複数の電池モジュールに貫通させ、両端の電池モジュールから突出した長尺ロッドの両端部にナットその他の固定部材を装着することによって、該固定部材間に複数の電池モジュールを挟持することもできる。

これまでは、フィルム外装電気デバイスがフィルム外装電池である場合を例にとって、本発明の実施形態を説明してきた。しかし、本発明の電気デバイス集合体を構成するフィルム外装電気デバイスは、フィルム外装電池に限られない。例えば、電気二重層キャパシタなどのキャパシタや電解コンデンサなどに代表されるキャパシタ要素のような、電気エネルギを内部に蓄積し化学反応または物理反応でガスが発生しうる電気デバイス要素を外装用のフィルムで封止したフィルム外装電気デバイスも含まれる。

実施形態１の電池パックを構成するフィルム外装電池を示す外観斜視図である。実施形態１の電池パックを構成する電池セルを示す分解斜視図である。実施形態１の電池パックを構成する組電池を示す一部省略の外観斜視図である。実施形態１の電池パックから上カバーを外した状態の外観斜視図である。実施形態２の電池パックを構成する電池モジュールの分解斜視図である。実施形態２の電池パックを構成する組電池を示す一部省略の外観斜視図である。図６に示す組電池の組立工程の一例を示す斜視図である。従来のフィルム外装電池を示す外観斜視図である。従来の電池パックを示す外観斜視図である。

符号の説明

１０フィルム外装電池
１１発電要素
１２ラミネートフィルム
１３正極用電極端子
１４負極用電極端子
２０セルケース
２０ａケース本体
２０ｂ枠体
２３底板
２４側壁
２５貫通孔
２６切り欠き
３０電池モジュール
３１保持部材
３２蓋板
３３側板
３４アーム
３５案内溝
３６ロッド挿入孔
３８短尺ロッド
５０電池パック
５１本体ケース
５２下カバー
５３上カバー
５４ケース蓋
５５リレーボックス
６０、７０組電池
６１、７１長尺ロッド
６２、７２連通孔
６３端部
８０固定用ブラケット

Claims

充放電可能な電気デバイス要素がフィルムによって被覆されたフィルム外装電気デバイスが複数積層された電気デバイス集合体において、
前記複数のフィルム外装電気デバイスが複数のセルケース内に個別に収容され、前記フィルム外装電気デバイスが収容された前記複数のセルケースが所定数ずつ複数のモジュールケース内に収容され、前記複数のモジュールケース及び各モジュールケース内の前記セルケースを少なくとも一本の棒状部材が前記積層方向に貫いている電気デバイス集合体。
前記積層方向一端のモジュールケースから突出した前記棒状部材の一方の端部に固定部材が装着され、前記棒状部材によって貫かれた前記複数のモジュールケースが前記固定部材と前記棒状部材の他方の端部との間に挟持されている請求項１記載の電気デバイス集合体。
前記積層方向両端のモジュールケースから突出した前記棒状部材の両端部に固定部材が装着され、前記棒状部材によって貫かれた前記複数のモジュールケースが前記固定部材間に挟持されている請求項１記載の電気デバイス集合体。
前記棒状部材が前記セルケース内の前記フィルム外装電気デバイスをも貫いている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電気デバイス集合体。