JP5903564B2 - 組電池 - Google Patents

Description

本発明は、組電池に関するものである。

複数の二次電池セルから構成される組電池は、残容量が少なくなれば電池外部から電気エネルギーを供給、すなわち、充電して電池内部に蓄えることで、電源として繰り返し使用することができる。

組電池への充電方法としては、例えば電気自動車の場合、専用の電気スタンドがあり、最近では家庭用コンセントから充電する方法もあるが、これ以外に充電時の電力供給方法は様々知られる。特にハイブリッド自動車の場合には、走行中のエンジンの動力を利用して発電機を作動させ、発生した電気を蓄える。

近年では、ハイブリッド自動車において、停止時に家庭用のコンセントから充電可能な車種も登場している。更に、自動車の場合、ブレーキをかける際に発生する熱を回生させることで充電する方法もある。

従来の組電池は、電池セルが金属ケースに収納され、セル両端が集電板に接続されて構成されるものが知られる（例えば、特許文献１参照）。

図４は、上記特許文献１に記載の従来の組電池を示す図である。

同図において、電池セル２は、金属ブロック１１に正極の方向が揃えられた状態で収納されている。

電池セル２の正極側には正極集電板４が、負極側には、負極集電板５が溶接されている。正極側には、集電板との間に樹脂ホルダー１０を介する構造となっており、これによって正極と負極が絶縁されて短絡を防止している。正極集電板４および負極集電板５は、ネジ１２によって樹脂ホルダー１０に固定される。

特許第４９２３３１４号公報

特許文献１記載の組電池に代表されるように、リチウムイオン二次電池を用いた組電池は通常、複数の電池セルを組み合わせることで一つのシステムが構成される。この際、各電池セルの正極および負極はそれぞれ１枚の集電板に接続され、その方法として広く用いられるのは溶接である。

複数の電池セルで構成される組電池は、何らかの要因で一つでも異常を示すセルが存在すると、組電池としては使用できなくなる。例えば、製造過程においては、要求される特性を満足しない電池セルの混入、或いは、電池セルの正極や負極を集電板との溶接不良によって電気特性が満足されない場合がこれに相当する。

また、使用中においては、セル内部での異物に起因する短絡や集電板との溶接の不具合により特定のセルに過剰な電流が流れ込むことで、一つのセルが著しく劣化したり、電池としての機能を損なうことが起こりうる。

この場合、異常を示した電池セルのみを交換する、或いは、複数の組電池から正常な電池セルを集めて新たに組み合わせることができれば組電池として再利用が可能となる。しかしながら、特許文献１のように電池セルと集電板を溶接すると、正常な電池セルを、形状や電気特性を損なわずに集電板から分離することが困難となる。

そこで、本発明は、前記従来の課題を解決するもので、組電池として問題なく動作し、従来の組電池と比較して簡単に、また安全に分解して電池セルを取り出すことが可能で、さらには取り出した電池セルは正極や負極に損傷がなく再利用が可能な組電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の組電池は、組電池のケースと集電板の間に圧縮バネを設けることと、後述のように電池を組み立て、分解する際の安全性の面からケースにツメを設ける。

本構成によって、バネが元の長さに戻ろうとする力で電池セルと集電板が常に接触することで電池としての機能を果たしながら、何らかの不具合で組電池としての機能が損なわれた場合でも、簡単かつ安全に分解ができて、電池セルでの取替えや、正常な電池セルの再利用が容易に行える。

以上のように、本発明の組電池によれば、組み立てや分解が簡単にできる。

電池セルの異常による不良が発生した場合、組電池として完成した後でも、不良の電池セルのみを簡単に交換できる。また、例えば車載用電池として長時間使用し、容量劣化によって寿命に達した電池であっても、他の用途ではまだ使い道が残っている場合、簡単に分解して電池セルを再利用することができる。

本発明の組電池の全体図 本発明の組電池における集電板終端の配置を示す図 本発明の組電池のケースに設けられたツメを示す図 特許文献１に記載された従来の組電池の電池ブロックを示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における組電池の全体図である。図１において、図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図１において、組電池１は、電池セル２、セルホルダー３、正極集電板４、負極集電板５、バネ６およびケース７から構成される。図１（ａ）は組電池１が組みあがった状態を示しており、図１（ｂ）はケース７内部の部品の構成を示している。

組電池１を構成する電池セル２の個数は、電池としての要求性能、例えば必要な容量や電圧から決定されるものであるため、特に限定されるものではない。また、電池セル２は、正極および負極の方向が全て揃えられて配置される。

一つの組電池１におけるセルホルダー３の個数は１ないしは２個とする。セルホルダー３は、電池セル２を保持する役割を果たす。セルホルダー３は、電池として動作している間に何らかの外部負荷が生じた場合や、組電池１を組み立てる際に、電池セル２が傾くことで、集電板との接続が途切れてはならない。

これを防ぐためには、電池セル２を保持するためのセルホルダー３の高さを、１個の場合はセル高さの２０％以上、２個の場合は１個当たりセル高さの１０％以上にすることが望ましい。

セルホルダー３の材質については特に限定はないが、電池の特性によって選択すればよい。例えば、熱伝導率の低い樹脂材料などを使用すれば、隣接する電池セルへの熱伝播を抑制することができるのでよい。このとき、セルホルダー３の高さは、前述の範囲で可能な限り小さいことが望ましい。

また、通常使用時におけるセル温度上昇を抑えることを重視する場合は、アルミニウムなど熱伝導率の高い金属材料を用いればよい。このときは、セルホルダー３の高さは大きい方が、熱伝導性がよくなるため望ましい。

正極集電板４は、電池セル２の正極側で、負極集電板５は負極側で、それぞれ電池セル２と接続される。集電板は、他の組電池１の集電板と接続する必要があるため、終端はケース７の外側へ延長される。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、正極側若しくは負極側に両方の終端を配置する方法、図２（ｃ）に示すように、正極側と負極側に分けて配置する方法のどちらでもよい。なお、集電板終端のケースからはみ出した部分については便宜上、図２以外の図では図示を省略している。

電池セル２、セルホルダー３、正極集電板４、負極集電板５はケース７に収容される。

正極集電板４および負極集電板５とケース７の間には少なくとも１個のバネ６が配置される。バネ６が圧縮された状態で組電池１が形成される。

このとき、ケース７の天面（正極側）と床面（負極側）との距離Ｌは、正極側・負極側のバネ６が圧縮されたときの長さ（それぞれｌａ，ｌｂとする）、正極集電板４の厚さＤ、負極集電板５の厚さｄおよび電池セル２の高さｈの和に等しくなる。すなわち、次式が成立する。

Ｌ＝ｈ＋Ｄ＋ｄ＋ｌａ＋ｌｂ
圧縮されたバネ６が自然長に戻ろうとする力を利用して、電池セル２と２つの集電板を接触させ、電気的な接続を行うことができる。

かかる構造によると、外部から何らかの負荷を受けることで電池セル２、正極集電板４や負極集電板５の位置がずれた場合でも、圧縮されたバネ６がこれらの変位を吸収することができるため、電池セルと集電板は常に接触状態を保つことができ、電流が途絶えることはない。

バネ６の数は特に制限はないが、バネが配置されていない箇所では外部からの何らかの負荷が生じた場合、集電板と電池セルが離れることもあり得るので、図１（ｂ）に示すように、少なくとも集電板の中心および４隅の合計、５箇所には配置されることが望ましい。

また、電気自動車やハイブリッド自動車などへの搭載で、振動負荷が頻繁にかかり、かつ大きな負荷が想定される場合は、電池セルの個数と対応させて、電池セルの真上および真下には必ず配置させる構造とすることが望ましい。

本発明の組電池１は、後述のように電池セル２の再利用を可能とすることを目的としている。そのため、電池セル２と集電板は接合されない構造としているが、バネ６と正極集電板４および負極集電板５は溶接などの手段で接合されていてもよい。

ケース７は、上下、２つに分かれ、止め具８によって簡単に開閉が行える構造とする。内部に収納される電池セル２などを完全に密閉される構造でもよい。

また、図１（ａ）のように、電池セル２の冷却が必要な場合には、冷媒を通すための開口部を設ける構造としてもよい。開口部を設ける場合は、ケース７のバネと接しない側面に設けることとし、長辺側、短辺側のどちらに設けてもよいが、組電池１の内部を冷媒が効率よく流れるようにするため、必ず相対する２面に設けなければならない。

また、ケース７の材質は、樹脂材料のように絶縁性の高いものであることが望ましいが、ケース表面に絶縁性のある物質を塗布するか、或いは絶縁性の薄膜を貼るなどの方法で組電池１外側の絶縁が確保され、かつ正極集電板４、負極集電板５やバネ６と電気的に絶縁できるのであれば、特に限定されない。

本発明の組電池は、電池セル２をセルホルダー３で固定し、両極から正極集電板４および負極集電板５で挟み、さらに２つの集電板の上下にバネを設置した状態で、上下からケースで囲い、上下のケースを止め具８で固定する構造となっている。

この組電池１を組み立てる際、ケース７内の全ての構成要素を配置した後に上下のケースを閉じるには、バネを圧縮するために上下から大きな力で押さえつけた状態で止め具８を固定する必要がある。この作業を人の手で行おうとすると危険が伴う。また、組電池１を分解する際、止め具８を外すと圧縮されたバネ６が自然長に戻ろうとする大きな力が働いてケース７が急激に飛び出す恐れがある。

これらの問題を解決し、安全に組み立ておよび分解を行うことができるように、本発明の組電池１のケース７には、図３（ａ）に示すように、上ケースの側面上部および下ケースの側面下部にツメ９を設けている。組み立てを行う際は、まず、図３（ｂ）に示すように、正極集電板４、若しくは、負極集電板５とケース７の間にバネ６を配置し、図３（ｃ）に示すようにバネ６が縮むように集電板をケースに押し込む。

ツメ９の位置まで完全に押し込むと、圧縮されたバネ６が元の長さに戻ろうとしても、集電板はツメ９の位置より動くことはない。

ツメ９は、ケース７の長尺側の両面に、各面に少なくとも１つ以上配置されなければならない。長尺側のみに配置される場合は、側面の長さよりも少し短い程度の幅を持つ１つのツメ９とするか、或いは集電板の両端近傍、２箇所には必ず配置される、２つ以上のツメ９とすることが望ましい。構造上可能であれば、短尺側にもツメ９を設けてよい。

このようにしておいて、次に図３（ｄ）に示すように、セルホルダー３に固定された電池セル２をケースの間に挟み、止め具８を固定することで組電池は完成する。組電池を分解する際にも、止め具８を外して開放しても、バネ６は伸びようとするが集電板がツメ９の位置以上には動かないので、急激に飛び出ることはなく、安全に分解することができる。

作業中の安全性をさらに高めるためには、集電板をケースに取り付ける際や、上下のケースを結合または開放する際に、ケースや集電板を抑える治具を用いればよい。特に分解の際は、まず組電池１を治具に固定し、その状態で止め具８を開放して、治具を徐々に動かすことで、極めて安全に組電池を分解することができる。

ケース７のツメ９がこのような役割を果たすためには、組電池１の状態において、ツメ９の集電板を受ける平面が、セルの天面や底面よりもセル中心に近い位置となる必要がある。集電板を受ける平面がセル天面または底面よりもセル中心から遠い位置にある場合は、組電池として組みあがったときに、セルと集電板の間に隙間が生じ、電気的な接続がとれないからである。

また、両者が等しい位置にある場合、組みあがった状態ではセルと集電板の接触は保たれる。例えば車載用電池として使用される場合に、自動車の走行時に発生する振動の影響でケースが変形すると、セルと集電板が離れて電気的な接続が途切れるか可能性がある。

従って、集電板を受ける平面とケース天面または底面の距離が、セルの天面または底面とケース天面または底面との距離よりも大きいことになるが、この距離が大きすぎると、安全に組み立てることや分解するという目的が達成されない。

集電板を受ける平面の位置としては、組電池として組み上がった際の電池セル天面または底面の位置よりも０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度、セル中心に近い位置にあることが望ましい。０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度が好ましいと考える理由は、部品の公差を０．２ｍｍで考えて、下限として少なくとも０．５ｍｍ以上開ける必要があり、一方、上限として２ｍｍまでとしたのは、分解するときにはバネは集電板がツメにひっかかる位置まで伸びるが、これが長すぎると安全に分解できなくなることからの知見である。

ツメ９の形状は、図３では五角柱となっているが、集電板との接触部分の平面が確保されていれば特には限定されない。

また、集電板との接触部分の平面の面積も特には限定されないが、大きくすると組電池１の体積が大きくなり、エネルギー密度が低くなるという影響が出るため、小さい方が望ましい。但し、正極集電板４または負極集電板５とバネ６がケース７に取り付けられた際、バネの力によってツメ９が押されることになるが、このときにツメ９に発生する応力が、ケース７に用いられる材料の降伏応力を超えてはならないことから、材料によって最小面積が決定される。

かかる構成による組電池１では、電池を容易に組み立てたり分解したりできる上、電池セル２は集電板と溶接されることがないので、分解の際に電池セルは無傷で取り出され、リサイクルが可能となる。

また、製造の際に電池セルに不良が発見された場合でも、当該セルのみを簡単に交換できるので、組電池としての歩留まりを向上させることができる。

（実施の形態２）
実施の形態１では、電池セル２の正極・負極がすべて同一方向である場合を例に説明したが、隣り合うセルどうしで正極と負極が交互に並ぶ場合でも適用が可能である。

この場合は、実施の形態１で示した１枚の正極集電板４や負極集電板５は用いることはできない。しかし、隣り合うセルの正極と負極を接続する端子を、絶縁性を有する１枚の板に貼りつけることでこれを集電板とすれば、実施の形態１と同様の組電池１が作成可能となる。

（実施の形態３）
実施の形態１では電池セル２として円筒型のものを用いているが、角型のものを用いてもよい。角型セルは円筒セルと異なり、正極と負極が同一面にある。そのため、実施の形態１で示した樹脂のケース７のツメ９は片方のケースにのみ設ければよい。

また、角型電池では実施の形態１で示したような１枚の集電板を使うことはできないので、実施の形態２と同様に絶縁性を持つ板に端子を貼り付けた板を用いる構造とすればよい。

電気自動車やハイブリッド車等の輸送機器、或いは、家庭用の蓄電池、緊急時の備蓄電源等の用途にも適用できる。

１ 組電池
２ 電池セル
３ セルホルダー
４ 正極集電板
５ 負極集電板
６ バネ
７ ケース
８ 止め具
９ ツメ
１０ 樹脂ホルダー
１１ 金属ブロック

Claims (3)

1. 複数の電池セルと、
   前記複数の電池セルを保持するホルダーと、
   前記電池セルと電気的に接続される集電板と、
   これらを収容する一対のケースと、から構成される組電池において、
   前記集電板と前記ケースとの間に圧縮された複数のバネが設置され、かつ、前記ケースの内壁にツメが、ケースの内壁面のうち少なくとも２つの長尺面に配置され、圧縮された複数のバネが元の長さに戻れない位置に、前記ケースの内側に向けて延出して形成されており、
   前記一対のケースの外壁には止め具が設けられており、前記止め具によって前記一対のケースを固定すること、
   を特徴とする組電池。
2. 前記複数のバネの個数は、前記電池セルの個数と同一であり、かつ、前記電池セルの軸上にぞれぞれのバネが配置されてなる、
   請求項１記載の組電池。
3. 前記ツメは、前記ケースの内壁面のうち２つの長尺面に少なくとも１つ配置される、
   請求項１又は２に記載の組電池。

Images