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JP5535794B2 - 組電池 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の角形電池セルをセパレータを挟んで積層してなる組電池に関し、特にハイブリッドカーや電気自動車等の電動車両に搭載されて、車両を走行させるモータに電力を供給する電源に最適な組電池に関する。
車両用の組電池は、多数の電池セルを直列に接続して出力電圧を高く、出力電力を大きくしている。また、体積に対する充電容量を大きくすることから、多数の角形電池セルを積層状態に配置する組電池が開発されている。（特許文献１参照）
この組電池は、角形電池セルを積層状態で締結するために、アングル材のバインドバーで固定している。バインドバーは、積層状態の角形電池セルの両端面に配置されたエンドプレートに両端を固定している。
特開２０１０−８６８８７号公報
以上の組電池は、バインドバーで挟着される角形電池セルの上下振動を確実に阻止するのが難しい。とくに、車両等のように振動を受ける環境で使用されて、角形電池セルの振動を確実に阻止できない。多数の角形電池セルをセパレータを挟んで積層している組電池は、振動環境に配置されると、中央部の角形電池セルが上下に振動される。この状態で中央部の角形電池セルが振動されて種々の弊害を起こす。たとえば、振動する角形電池セルの表面に設けている絶縁層が、振動しないバインドバーに擦られて破損して、絶縁破壊や漏電の原因となる。また、振動によって角形電池セルが物理的に損傷されて電気特性を悪化させ、あるいは寿命を短くする等の弊害となる。
角形電池セルの振動は、バインドバーで強く加圧するように締結して少なくできるが、この構造では、振動を確実に阻止するのが難しいばかりでなく、角形電池セルを強く加圧することで他の弊害が発生する。たとえば、セパレータが変形して安定して冷却できなくなり、あるいは角形電池セルが変形する等の弊害が発生する。
本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、極めて簡単な構造で角形電池セルの振動を阻止し、振動による種々の弊害を有効に防止できる組電池を提供することにある。
課題を解決するための手段及び発明の効果
本発明の組電池は、複数の角形電池セル１をセパレータ２を挟んで積層してなる電池積層体５と、電池積層体５の端面に配置されたエンドプレート３と、電池積層体５の積層方向に延長され、積層された電池積層体５の両側面を締結するようエンドプレート３に固定されたバインドバー４とを備えている。バインドバー４は、電池積層体５の表面に沿う所定の幅を有する板状で、このバインドバー４とセパレータ２とが、互いに上下方向の移動を制限する嵌合構造で連結されている。
さらに、セパレータ２と角形電池セル１とが上下方向に固定されており、前記セパレータは嵌着溝を有し、前記嵌着溝に前記バインドバーが嵌合し、前記セパレータは上部又は下部に前記嵌着溝を有し、前記バインドバーが電池積層体の側面に沿う垂直部と、前記嵌着溝に挿入される水平部とを有し、水平部を嵌着溝に案内してなる
ただし、本明細書において、「上下方向」は、バインドバーが表面に位置する電池積層体の側面と、セパレータの主面に接する角形電池セルとの両方に平行な方向を意味する。

以上の組電池は、極めて簡単な構造で角形電池セルの振動を阻止し、振動による種々の弊害を有効に防止できる特徴がある。それは、板状であるバインドバーが、電池積層体の表面に沿う面内での曲げ強度、すなわち上下方向の曲げ強度が強く、しかもこれが上下方向に移動しないようにセパレータに嵌合構造で連結しているからである。上下方向に移動しないバインドバーに連結されたセパレータは、バインドバーによって上下方向の振動が阻止される。角形電池セルは両面をセパレータに挟まれているので、角形電池セルを挟着しているセパレータの上下方向の振動を阻止することで、角形電池セルの振動を阻止できる。とくに、セパレータとバインドバーとが相対的に上下に移動しないので、セパレータに挟着してなる角形電池セルとバインドバーとの相対的な振動を確実に阻止でき、角形電池セルとバインドバーとが擦れ合って損傷する弊害を確実に阻止できる。また、角形電池セルの振動を阻止できることから、角形電池セルの振動による弊害も確実に阻止できる。
本発明の組電池は、セパレータ２が、バインドバー４の嵌着溝２４を有して、この嵌着溝２４にバインドバー４を嵌合させることができる。
この組電池は、セパレータの嵌着溝にバインドバーを嵌着することで、セパレータとバインドバーとの相対的な振動を阻止できるので、簡単に組み立てしながら、角形電池セルの振動を有効に阻止できる。
本発明の組電池は、セパレータ２が、両側上部又は両側下部に嵌着溝２４を有すると共に、バインドバー４を、横断面形状をＬ字状として、電池積層体５の側面に沿う垂直部４１と、嵌着溝２４に挿入される水平部４２とで構成して、水平部４２を嵌着溝２４に案内することができる。
以上の組電池は、Ｌ字状としてバインドバーに設けている水平部をセパレータの嵌着溝に挿入するので、バインドバーとセパレータとを確実に連結して、相対的に振動しない構造にできる。また、バインドバーの上下方向と水平方向の曲げ強度を強くして、バインドバーでもって、電池積層体を強固に連結できる特徴も実現する。
本発明の組電池は、バインドバー４を電池積層体５の両面の上下に配置することができる。
この組電池は、電池積層体の両面の上下をバインドバーで締結するので、積層される複数の角形電池セルをより強固に連結して、角形電池セルの振動をより有効に防止できる。
本発明の組電池は、角形電池セル１が金属外装ケース１１を備えて、金属外装ケース１１の表面を絶縁層１６で被覆することができる。
以上の組電池は、角形電池セルの金属外装ケースを絶縁層で絶縁しながら、この絶縁層がバインドバーに擦られて破損するのを有効に阻止して、絶縁破壊や漏電を確実に阻止できる特徴がある。
本発明の組電池は、セパレータ２が、上端と下端とに、角形電池セル１を内側に嵌着する嵌着突出部２３を有して、上下の嵌着突出部２３の間に角形電池セル１を配置することができる。
以上の組電池は、セパレータと角形電池セルとを上下に移動しないように連結するので、両面のセパレータと角形電池セルとの相対的な上下運動を確実に阻止できる。このため、角形電池セルの上下方向の振動を理想的な状態で防止できる特徴がある。
本発明の組電池は、セパレータ２が、上端と下端とに、角形電池セル１を内側に嵌着する嵌着突出部２３を有し、上下の嵌着突出部２３の間に角形電池セル１を配置すると共に、この嵌着突出部２３にバインドバー４を嵌着する嵌着溝２４を設けることができる。
以上の組電池は、角形電池セルの上下方向の振動を極めて有効に阻止できることに加えて、バインドバーの水平部を角形電池セルの上方や下方の邪魔にならない位置に配置できる。このため、バインドバーの水平部の幅を広くして、バインドバーとセパレータとを確実に連結し、かつ水平部でもってバインドバーの曲げ強度を向上して、強固に角形電池セルを積層状態に固定できる。
本発明の一実施例にかかる組電池を備える電源装置の外観斜視図である。 図１に示す電源装置の垂直横断面図である。 図１に示す電源装置の外ケースを外した状態を示す斜視図である。 本発明の一実施例にかかる組電池の斜視図である。 図４に示す組電池の分解斜視図である。 図４に示す組電池を構成する角形電池セルとセパレータを積層する状態を示す分解斜視図である。 図４に示す組電池の要部拡大断面図である。 本発明の他の実施例にかかる組電池の斜視図である。 図８に示す組電池の分解斜視図である。 本発明の他の実施例にかかる組電池の斜視図である。 図１０に示す組電池の分解斜視図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための組電池を例示するものであって、本発明は組電池を以下のものに特定しない。また特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
以下、本発明の実施例として組電池を車両を走行させるモータに電力を挟着する車載用の電源装置に適用した例を、図１ないし図７に基づいて説明する。
組電池は、外ケース６に収納されて電源装置として車両に搭載される。外ケース６と組電池との間には、組電池の角形電池セル１を冷却する冷却ダクト７を設けている。この冷却ダクト７に強制送風される冷却気体は、セパレータ２と角形電池セル１との間に送風されて、角形電池セル１を冷却する。
組電池は、図４ないし図６に示すように、複数の角形電池セル１をセパレータ２を挟んで積層した電池積層体５で構成される。セパレータ２は角形電池セル１同士の間に送風隙間２６を形成するスペーサとして機能する。送風隙間２６には、強制送風機構（図示せず）によって冷却気体が強制送風され、これにより角形電池セル１が冷却される。さらに複数の角形電池セル１の内、いくつかには温度センサ（図示せず）が熱結合されており、角形電池セル１の温度を温度センサで検出することにより、組電池全体の温度を推測する。温度センサで検出した電気信号は温度制御回路（図示せず）に送出され、温度制御回路側で電気信号に対応する温度情報として受領し、必要な温度制御、例えば強制送風機構の送風ファン駆動モータの回転数を変化させたり、あるいは充放電回路の充放電電流を制限する。
［組電池］
組電池は、図４ないし図６に示すように、複数枚の角形電池セル１を、絶縁性のセパレータ２を介して積層し、端面に一対のエンドプレート３を配置している。一対のエンドプレート３は、バインドバー４で連結されて、角形電池セル１を積層した電池積層体５を固定している。
［角形電池セル１］
角形電池セル１は、その厚さを上辺の横幅よりも薄くした薄型の外装缶１２を利用している。この外装缶１２は、両側を湾曲面として、外装缶１２の四隅のコーナ部を面取りした略箱形形状としている。この形状の外装缶１２は、円筒電池に対する角形電池とも呼ばれる。また外装缶１２の上面で外装缶１２を封止する封口板１３には、正負一対の電極端子１４を突出させると共に、電極端子１４の間に安全弁１５を設けている。安全弁１５は、外装缶１２の内圧が所定値以上に上昇した際に開弁して、内部のガスを放出できるように構成される。安全弁１５の開弁により、外装缶１２の内圧上昇を停止することができる。
角形電池セル１を構成する素電池は、リチウムイオン電池、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池等の充電可能な二次電池である。とくに、角形電池セル１にリチウムイオン電池を使用すると、パック電池全体の体積や質量に対する充電容量を大きくできる特長がある。
図６の角形電池セル１は、所定の厚さを有する四角形で、上面の両端部には正負の電極端子１４を突出して設けており、上面の中央部には安全弁１５の開口部を設けている。積層される角形電池セル１は、隣接する正負の電極端子１４をバスバー１７で連結して互いに直列に接続している。隣接する角形電池セル１を互いに直列に接続するバッテリシステムは、出力電圧を高くして出力を大きくできる。ただ、バッテリシステムは、隣接する角形電池セルを並列に接続することもできる。
図７の角形電池セル１は、外装缶１２と封口板１３からなる金属外装ケース１１で外装しており、この金属外装ケース１１を絶縁層１６で被覆している。絶縁層１６は熱収縮チューブである。熱収縮チューブの絶縁層１６は、角形電池セル１を入れて加熱して、角形電池セル１の表面に密着して、表面を絶縁する。ただし、絶縁層１６には熱収縮チューブに代わって、絶縁性のフィルムや塗膜も使用できる。角形電池セル１は、金属外装ケース１１の表面を絶縁層１６で絶縁して、金属板のバインドバー４による外装缶１２のショートを防止する。金属外装ケース１１がプラスとマイナスの出力端子には接続されない角形電池セル１は、外装缶１２に電位がある。したがって、この角形電池セル１が金属板のバインドバー４に接触するとショート電流が流れる。絶縁層１６は、角形電池セル１がバインドバー４に接触してショート電流が流れるのを防止する。
さらに、隣接する角形電池セル１は、金属外装ケース１１のショートを防止するために絶縁材のセパレータ２を挟着している。なお、角形電池セルの外装缶は、プラスチックなどの絶縁材で製作することもできる。この場合、角形電池セルは外装缶を絶縁して積層する必要がないので、セパレータを金属製とすることもできる。
［セパレータ２］
セパレータ２は、隣接する角形電池セル１を電気的、熱的に絶縁して積層するスペーサである。このセパレータ２はプラスチック等の絶縁材で製作して、隣接する角形電池セル１を絶縁している。セパレータ２は、図６に示すように、角形電池セル１を冷却するために、角形電池セル１との間に、空気などの冷却気体を通過させる送風隙間２６を設けている。図６のセパレータ２は、角形電池セル１との対向面に、両側縁まで延びる溝２１を設けて、角形電池セル１との間に送風隙間２６を設けている。図のセパレータ２は、複数の溝２１を、互いに平行に所定の間隔で設けている。また、このセパレータ２は、両面に溝２１を設けており、互いに隣接する角形電池セル１とセパレータ２との間に送風隙間２６を設けている。この構造は、セパレータ２の両側に形成される送風隙間２６で、両側の角形電池セル１を効果的に冷却できる特長がある。ただ、セパレータ２は、片面にのみ溝を設けて、角形電池セルとセパレータとの間に送風隙間を設けることもできる。図の送風隙間２６は、電池積層体５の左右に開口するように水平方向に設けている。さらに、図６のセパレータ２は、両側に切欠部２２を設けている。このセパレータ２は、両側に設けた切欠部２２において、隣接する角形電池セル１の対向面の間隔を広くして、冷却気体の通過抵抗を少なくできる。このため、冷却気体を切欠部２２からセパレータ２と角形電池セル１との間の送風隙間２６にスムーズに送風して、角形電池セル１を効果的に冷却できる。以上のように、送風隙間２６に強制送風される空気は、角形電池セル１の外装缶１２を直接に効率よく冷却する。この構造は、角形電池セル１の熱暴走を有効に阻止しながら、角形電池セル１を効率よく冷却できる特徴がある。
セパレータ２は、両面に角形電池セル１を嵌着構造で連結するために、図５と図６に示すように、上端と下端とに、角形電池セル１を内側に嵌着する嵌着突出部２３を両面に突出するように設けて、上下の嵌着突出部２３の間に角形電池セル１を配置している。上下の嵌着突出部２３は、角形電池セル１の上面と下面に沿う位置に配置されて、角形電池セル１を上下で挟んで定位置に嵌着する。
角形電池セル１の下面に配置される嵌着突出部２３は、セパレータ２の長手方向に伸びて、セパレータ２の下縁の全体に設けている。角形電池セル１の上面に配置される嵌着突出部２３は、両端部にのみ設けて、セパレータ２を積層する状態で、角形電池セル１の電極端子１４を外部に露出できるようにしている。
角形電池セル１の上面に配置している嵌着突出部２３は、図５ないし図７に示すように、バインドバー４を嵌着する嵌着溝２４を設けている。上側の嵌着突出部２３に設けた嵌着溝２４は、角形電池セル１の積層方向に伸びるバインドバー４の水平部４２を挿入できる形状としている。図のセパレータ２は、上側の嵌着突出部２３にのみバインドバー４の嵌着溝２４を設けているが、下側の嵌着突出部に嵌着溝を設けることもできる。また、上下の嵌着突出部に嵌着溝を設けることもできる。
図４ないし図７のセパレータ２は、嵌着突出部２３にバインドバー４の嵌着溝２４を設けているが、セパレータ２は、図８と図９に示すように、板状のバインドバー４の上下に位置するように一対の凸部２５を設けて、一対の凸部２５の間を嵌着溝２４として、ここに板状のバインドバー４を配置することもできる。セパレータ２に嵌着溝２４を設けて、ここにバインドバー４を嵌着する構造は、バインドバー４とセパレータ２を、互いに上下方向の移動を制限する嵌合構造で連結して、セパレータ２のバインドバー４に対する上下方向の振動を阻止し、セパレータ２によって角形電池セル１の上下方向の振動も阻止する。
セパレータ２の両側に嵌着溝２４を設けて、ここにバインドバー４を嵌着する連結構造は、簡単な構造でバインドバー４とセパレータ２との上下方向の移動を阻止できるが、本発明の組電池は、バインドバー４とセパレータ２の嵌合構造を以上の構造には特定しない。バインドバー４とセパレータ２とが、互いに上下方向の移動を制限する全ての嵌合構造に連結することができる。たとえば、図示しないが、バインドバーに貫通孔を設け、この貫通孔に挿入される凸部をセパレータに設け、この凸部をバインドバーの貫通孔に挿入して、バインドバーとセパレータとを上下方向の移動を制限する嵌合構造で連結し、あるいは、バインドバーにセパレータに向かって突出する嵌着凸部を設け、この嵌着凸部を挿入する嵌着凹部をセパレータの側面に設けて、嵌着凸部を嵌着凹部に挿入して、バインドバーとセパレータとを上下方向の移動を制限する嵌合構造で連結することもできる。
［エンドプレート３］
また、角形電池セル１とセパレータ２とを交互に積層した電池積層体５の両端面には一対のエンドプレート３を配置して、一対のエンドプレート３で電池積層体５を締結している。図５のエンドプレート３は、プラスチックを成形して製作している本体部３１の外側に、アルミニウムなどの金属で製作している金属プレート３２を積層する構造としている。ただし、エンドプレートは、全体を金属で製作することもでき、また、全体をプラスチックで成形することもできる。エンドプレート３は、外側表面の四隅部に、バインドバー４を固定する止ネジ３５をねじ込む４個の雌ネジ孔３３を設けている。さらに、図に示すエンドプレート３は、バインドバー４を定位置に配置して固定するために、本体部３１の上面の両側に 、バインドバー４の水平部４２を嵌着する嵌着溝３４を設けている。ただ、エンドプレート３は、図９に示すように、本体部３１の上部の両側に、板状のバインドバー４の上下に位置するように凸部３６を設けて、一対の凸部２５の間を嵌着溝３４としてバインドバー４を案内することもできる。
このように、角形電池セル１とセパレータ２との積層体を両端面からエンドプレート３で狭持するよう、バインドバー４で側面を締結する。バインドバー４は、止ネジ３５をエンドプレート３の雌ネジ孔３３にねじ込んで、エンドプレート３に固定される。
［バインドバー４］
バインドバー４は、図４、図５、図８、及び図９に示すように電池積層体５の両側面で電池積層体５を締結する。このバインドバー４は、電池積層体５の積層方向に延長され、かつ電池積層体５の表面に沿う所定の幅を有する金属板である。図の組電池は、電池積層体５の側面上下に位置する２本のバインドバー４により締結しており、左右の側面で計４本のバインドバー４により電池積層体５を結束している。また、バインドバー４の端縁は、エンドプレート３の外側面に沿うようにほぼ直角に折曲して折曲片４３としている。折曲片４３には貫通孔４４を設けている。貫通孔４４に挿通される止ネジ３５が、エンドプレート３にねじ込まれて、バインドバー４はエンドプレート３に固定される。
さらに、図４、図５、及び図７に示すバインドバー４は、金属板の横断面形状をＬ字状に加工して、電池積層体５の側面に沿う垂直部４１と、セパレータの嵌着溝２４に挿入される水平部４２とを設けている。バインドバー４の水平部４２は、セパレータ２に設けた嵌着溝２４に案内され位置に設けている。図の組電池は、上側のバインドバー４に水平部４２を設けて、水平部４２をセパレータ２の嵌着溝２４に挿通している。バインドバー４の水平部４２は、角形電池セル１の上面に配置している嵌着突出部２３の嵌着溝２４に挿通される。この水平部４２は、角形電池セル１の上面に、セパレータ２で絶縁して配置される。このバインドバー４は、水平部４２を角形電池セル１の内側に向かって突出させるので、横幅を広くして強靱な構造としながら、電池積層体５の外形を大きくすることがない。
図４と図５の組電池は、上側のバインドバー４のみを横断面形状をＬ字状とするが、この構造は、組電池の上下幅を広くすることなく、バインドバー４とセパレータ２の上下方向の移動を制限できる。バインドバー４を嵌着している嵌着突出部２３を、角形電池セル１の上面の両側部であって、電極端子１４よりも下方に配置できるからである。
ただ、組電池は、上下のバインドバーの横断面形状をＬ字状として、セパレータの上下に嵌着溝のある嵌着突出部を設けて、上下のバインドバーの水平部をセパレータの上下に設けた嵌着突出部の嵌着溝に挿入する構造とすることもでき、また、下側のバインドバーのみの横断面形状をＬ字状として、セパレータの下側に設けた嵌着突出部の嵌着溝にバインドバーの水平部を挿入する構造とすることもできる。
さらに、図８と図９の組電池は、バインドバー４を平面状の金属板としている。このバインドバー４は、セパレータ２の両側面に設けている、一対の凸部２５の間に設けてなる嵌着溝２４に案内されて、嵌合構造でセパレータ２に連結している。
さらに、図１０と図１１の組電池は、上下のバインドバー４の中間を補強板４５で連結している。図の組電池は、上下のバインドバー４を複数の補強板４５で連結している。補強板４５は、電池積層体５の側面に沿う金属板で、上下を溶接などの方法でバインドバー４に固定している。この組電池は、バインドバー４をより強靱な構造として、電池積層体５をより振動しない状態で締結できる。
１…角形電池セル
２…セパレータ
３…エンドプレート
４…バインドバー
５…電池積層体
６…外ケース
７…冷却ダクト
１１…金属外装ケース
１２…外装缶
１３…封口板
１４…電極端子
１５…安全弁
１６…絶縁層
１７…バスバー
２１…溝
２２…切欠部
２３…嵌着突出部
２４…嵌着溝
２５…凸部
２６…送風隙間
３１…本体部
３２…金属プレート
３３…雌ネジ孔
３４…嵌着溝
３５…止ネジ
３６…凸部
４１…垂直部
４２…水平部
４３…折曲片
４４…貫通孔
４５…補強板

Claims (5)

  1. 複数の角形電池セルをセパレータを挟んで積層してなる電池積層体と、
    前記電池積層体の端面に配置されたエンドプレートと、
    前記電池積層体の積層方向に延長され、積層された電池積層体の両側面を締結するよう前記エンドプレートに固定されたバインドバーと、
    を備える組電池であって、
    前記セパレータと前記角形電池セルとが上下方向に固定されており、
    前記バインドバーが、電池積層体の表面に沿う所定の幅を有する板状で、
    このバインドバーと前記セパレータとが、互いに上下方向の移動を制限する嵌合構造に連結され、
    前記セパレータは嵌着溝を有し、前記嵌着溝に前記バインドバーが嵌合し、
    前記セパレータは上部又は下部に前記嵌着溝を有し、前記バインドバーが電池積層体の側面に沿う垂直部と、前記嵌着溝に挿入される水平部とを有し、水平部を嵌着溝に案内してなる組電池。
  2. 前記バインドバーが電池積層体の両面の上下に配置されてなる請求項１に記載される組電池。
  3. 前記角形電池セルが金属外装ケースを備え、前記金属外装ケースの表面を絶縁層で被覆してなる請求項１または２に記載される組電池。
  4. 前記セパレータが上端と下端とに、角形電池セルを内側に嵌着する嵌着突出部を有し、上下の嵌着突出部の間に角形電池セルを配置してなる請求項１ないし３のいずれかに記載される組電池。
  5. 前記セパレータが上端と下端とに、角形電池セルを内側に嵌着する嵌着突出部を有し、上下の嵌着突出部の間に角形電池セルが配置されると共に、
    前記嵌着突出部に前記嵌着溝を設けてなる請求項１ないし請求項３のいずれかに記載される組電池。
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