JP6162414B2 - 組電池装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、組電池装置に関する。

従来、リチウムイオン電池（ＬＩＢ）を産業機器や車載用機器に適用するには、１セルでは電圧が低いため、必ず多直列にセルをつなぎ合わせて、組電池を形成する必要があった（例えば、特許文献参照）。
一方、産業向けには平均作動電圧４８Ｖ程度の鉛蓄電池を用いた中大型電動機器が多数存在する。

近年、鉛蓄電池からより高性能なリチウムイオン電池に電池を切り替える動きが活発になってきている。が、例えば平均作動電圧が４８Ｖの中大型機器では、最大充電電圧が６０Ｖ、放電終止電圧（最小放電電圧）がそのモーターの下限性能の３０Ｖ程度まで稼動することが要求される。

特開２００９−２７７６４７号公報

しかしながら、従来の代表的なＬＩＢにおいては、実用的な最小放電電圧が４２Ｖ程度となり、鉛蓄電池と置き換えを計るに当たって、障壁となっていた。
そこで、本発明は、中大型電動機器に搭載されている鉛蓄電池を単純に置き換え可能なリチウムイオン電池を用いた組電池装置を提供することを目的としている。

実施形態の組電池装置は、放電終止電圧に相当する下限ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：電池の容量（充電状態））が、置き換えの対象となる鉛蓄電池と同等のリチウムイオン電池を用いている。
そして、直列接続された複数の前記リチウムイオン電池がバッテリケースに収納されたセルモジュールを構成している。
また、複数の前記セルモジュールを直列接続するとともに、前記直列に接続された複数の前記セルモジュールを保持部材により一体として所望の出力電圧を有するサブバッテリパックモジュールを構成している。

そして、所望の容量となるように複数の前記サブバッテリパックモジュールが並列接続されてバッテリパックモジュールを構成し、バッテリパックモジュールが一の装置ケース内に収納されている。

図１は、実施形態の組電池システムを電動フォークリフトに搭載する場合における電動フォークリフトの電気系統の概要構成ブロック図である。 図２は、サブバッテリパックモジュールの概要構成説明図である。 図３は、第１の態様のリチウムイオン電池を用いた場合の基本セルユニットの配置組み合わせの一例の説明図である。 図４は、基本セルユニットを基本セルユニット群として構成する場合の具体的配線状態の一例の説明図である。 図５は、第２の態様のリチウムイオン電池を用いた場合の基本セルユニットの配置組み合わせの一例の説明図である。 図６は、積層型のサブバッテリパックモジュールの外観斜視図である。 図７は、ホルダの外観斜視図である。 図８は、サブバッテリパックの分解斜視図である。 図９は、バッテリパック装置の外観斜視図である。 図１０は、バッテリパック装置の分解斜視図である。 図１１は、横並び型のサブバッテリパックモジュールの外観斜視図である。 図１２は、ホルダの外観斜視図である。 図１３は、サブバッテリパックの分解斜視図である。 図１４は、第２実施形態のバッテリパック装置の外観斜視図である。 図１５は、第２実施形態のバッテリパック装置の分解斜視図である。

次に実施形態について図面を参照して説明する。
［１］第１実施形態
図１は、実施形態の組電池システムを電動フォークリフトに搭載する場合における電動フォークリフトの電気系統の概要構成ブロック図である。
電動フォークリフトの電気系統１０は、大別すると電動フォークリフトの駆動用電源を供給するバッテリパック装置１１と、バッテリパック装置１１の充電及びバッテリパック装置からの給電を受けた動作を行うフォークリフト電気系統部１２と、を備えている。

バッテリパック装置１１は、複数のサブバッテリパックモジュール１３が並列接続されたバッテリパックモジュール１４と、各サブバッテリパックモジュール１３の充放電制御を行うバッテリマネジメントユニット（ＢＭＵ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）１５と、バッテリパック装置１１全体の制御を行うバッテリコントロールユニット（ＢＣＵ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１６と、過電圧時に電源出力を遮断する電源遮断制御用リレーユニット１７と、電流制限抵抗１８と、電源遮断制御用リレーユニット１７が動作してバッテリパックモジュール１４から電流が流れた場合、溶断されるヒューズ素子１９と、を備えている。

フォークリフト電気系統部１２は、フォークリフト電気系統部１２全体を制御する車両制御部（ＥＴＣ）２１と、車両制御部２１の制御下で駆動されるインバータモータ２２と、車両制御部２１の制御下でバッテリパック装置１１からの電力をインバータモータ２２に供給するコンタクタ２３と、オペレータが正しい運転操作位置（例えば、正しい着座位置）にいることを検出してオン状態となるインターロックスイッチ２４と、オペレータのキー操作によりオン状態となるキースイッチ２５と、ヘッドランプ、警告ホーン、ウインカー（方向指示器）等の補機を備えた補機群２６と、オペレータのキー操作により補機群２６に駆動用の電源を供給する補機群用スイッチ２７と、外部の商用電源（例えば、三相交流電源）が接続されて、バッテリパック装置１１を構成しているバッテリパックモジュール１４の充電を行う充電部２８と、過電流が流れた場合に、バッテリパック装置１１の電源遮断制御用リレーユニット１７が動作して溶断されるヒューズ素子２９と、を備えている。

ここで、電動フォークリフトの電気系統１０の概要動作について説明する。
通常動作状態においては、オペレータが正しい運転操作位置に至ると、インターロックスイッチ２４がオン状態となる。

続いて、オペレータがキーを挿入し、キー操作を行うと、キースイッチ２５がオン状態となる。すなわち、インターロックスイッチ２４及びキースイッチ２５がオン状態となると、インバータモータ２２が始動可能な状態となるので、車両制御部２１は、コンタクタ２３をオン状態として、バッテリパック装置１１のバッテリパックモジュール１４からインバータモータ２２に蓄電電力を供給する。補機群は、インターロックスイッチ２４、キースイッチとは無関係に補機群用スイッチ２７がオン状態となると、ヘッドランプ、警告ホーン、ウインカー（方向指示器）等の補機の操作が可能となる。

この結果、インバータモータ２２は駆動状態となり、電動フォークリフトは駆動され、オペレータにより操作されることとなる。

また、充電動作状態においては、充電部２８に外部の商用電源（例えば、三相交流電源）が接続されて、バッテリパック装置１１を構成しているバッテリパックモジュール１４の充電を行う。この場合において、バッテリパック装置１１全体の制御は、バッテリコントロールユニット１６によって行われ、サブバッテリパックモジュール１３の充放電制御は、バッテリマネジメントユニット１５により行われる。

さらに、何らかの理由により電源供給ラインに過電圧が発生した場合には、過電流を検出したバッテリコントロールユニット１６は、電源遮断制御用リレーユニット１７を構成する二つのリレーユニットをオン状態とする。
電源遮断制御用リレーユニット１７を構成する二つのリレーユニットがオン状態となると、ヒューズ素子１９及びヒューズ素子２９は、過電流により溶断される。

この結果、バッテリコントロールユニット１６に配置された電源遮断制御用リレーユニット１７の制御部に対する電源供給も遮断され、電源遮断制御用リレーユニット１７を構成する二つのリレーユニットは再びオフ状態となる。
したがって、過電流を遮断するコンタクタ等を設ける必要が無いので、バッテリパック装置１１の小型化及び軽量化を図ることができる。

ところで、上記バッテリパック装置１１の構成において、サブバッテリパックモジュール１３は、最大充電圧６０Ｖ、最小放電電圧３０Ｖの鉛蓄電池を置き換えることを考えると、例えば、４８Ｖ、４００Ａｈの性能を有するリチウムイオン電池として機能することが望まれる。
そこで、本実施形態は、定格電流２０Ａｈ−定格電圧２．４Ｖ（最大電圧２．７−２．８Ｖ）のリチウムイオン電池を用いて、サブバッテリパックモジュール１３を構成している。

ここで、バッテリパック装置１１を構成しているリチウムイオン電池の構成について説明する。
従来、鉛蓄電池を用いた平均作動電圧が４８Ｖの中大型機器では、最大充電電圧が６０Ｖ、最小放電電圧がそのモーターの下限性能の３０Ｖ程度まで稼動することが要求されていた。

これを従来の代表的なリチウムイオンバッテリ（定格電圧３．６Ｖ）で置き換えて最大充電電圧を合わせたとすると、稼働電圧範囲が鉛蓄電池の特性と大きく異なった範囲となってしまい、何らかの電圧を調整する手段を用いなければ置き換えることはできなかった。

そこで、本実施形態においては、稼働電圧範囲が従来の鉛蓄電池と同様になるようにリチウムイオン電池を設計し、これを用いてバッテリパック装置１１を構成している。
すなわち、放電終止電圧に相当する下限ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が鉛蓄電池と同等のリチウムイオン電池を設計し、バッテリパック装置１１を構成している。
この結果、本実施形態のバッテリパック装置１１によれば、鉛蓄電池とそっくり置き換えることが可能となっている。

次に実施形態のバッテリパック装置１１に用いるリチウムイオン電池の組成について具体的に説明する。
リチウムイオン電池の第１の態様としては、コバルト、ニッケルおよびマンガンよりなる群から選択される少なくとも一種類の金属元素を含有するリチウム金属化合物を含みリチウム金属化合物はＬｉ_aＮｉ_ｂＣｏ_ｃＭｎ_ｄＯ_２（但し、モル比ａ，ｂ，ｃ及びｄは０≦ａ≦１．１、ｂ＋ｃ＋ｄ＝１）で表される正極活物質含有層を備えた正極と、チタン含有金属複合酸化物を含む負極と、非水溶媒を含む非水電解質とを備えた非水電解質二次電池として構成される。
この場合、本第１の態様のリチウムイオン電池を用いて、鉛蓄電池を置き換えることを想定すると、その電圧から、２１個直列に接続して組電池が構成される。

また、リチウム電池の第２の態様としては、コバルト、ニッケルおよびマンガンよりなる群から選択される少なくとも一種類の金属元素を含有するリチウム金属化合物を含みリチウム金属化合物はＬｉ_aＮｉ_ｂＣｏ_ｃＭｎ_ｄＯ_４（但し、モル比ａ，ｂ，ｃ及びｄは０≦ａ≦１．１、ｂ＋ｃ＋ｄ＝２） で表される正極活物質含有層を備えた正極と、チタン含有金属複合酸化物を含む負極と、非水溶媒を含む非水電解質と、を備えた非水電解質二次電池として構成される。

本第２の態様のリチウムイオン電池を用いて、鉛蓄電池を置き換えることを想定すると、その電圧から、２０個直列に接続して組電池が構成される。
また、上記第１の態様及び第２の態様のリチウムイオン電池を構成する場合にリチウムチタン酸化物の一次粒子の平均粒径が１μｍ以下で、負極層のＢＥＴ法による比表面積が３〜５０ｍ^２／ｇの範囲であるようにすることが望ましい。

さらに、リチウムチタン酸化物は、Ｌｉ_４＋ｘＴｉ_５Ｏ_１２（ｘは−１≦ｘ≦３）もしくはＬｉ_２＋ｘＴｉ_３Ｏ_７（ｘは−１≦ｘ≦３）で表されるようにするのが望ましい。
さらにまた、チタン含有金属複合酸化物はＰ、Ｖ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＦｅよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素とＴｉとを含有する金属複合酸化物であるようにするのが望ましい。

図２は、サブバッテリパックモジュールの概要構成説明図である。
より具体的には、まず、２０Ａｈ−定格電圧２．４Ｖのリチウムイオン電池３１を２個用い、これらを並列接続して、基本セルユニット３２を構成する。ここで、リチウムイオン電池３１は、薄型の直方体形状を有するアルミニウム缶に、正極及び負極がセパレータを介して巻回された状態で収納された角型扁平非水電解質二次電池として構成されている。さらにアルミニウム缶の上面の同一面には正極端子、負極端子及び内圧上昇を防止するためのガス排出弁が設けられている。
この結果、基本セルユニット３２は、一個の４０Ａｈ−定格電圧２．４Ｖのリチウムイオン電池として機能する。

そして、この基本セルユニット３２を９個直列接続することにより、第１セルモジュールを構成する。したがって、この第１セルモジュール３３は、２０Ａｈ−定格電圧２．４Ｖのリチウムイオン電池３１が並列２接続−直列９接続（２ｐ９ｓ）された４０Ａｈ−定格電圧合計２１．６Ｖ（最大電圧２５．２Ｖ）のリチウムイオン電池として機能する。

同様に基本セルユニット３２を１２個直列接続することにより、第２セルモジュール３４を構成する。したがって、この第２セルモジュール３４は、２０Ａｈ−定格電圧２．４Ｖのリチウムイオン電池３１が並列２接続−直列１２接続（２ｐ１２ｓ）された４０Ａｈ−定格電圧２８．８Ｖ（最大電圧３３．６Ｖ）のリチウムイオン電池として機能する。

続いて第１セルモジュール３３及び第２セルモジュールを直列接続することにより、サブバッテリパックモジュール１３を構成する。したがって、このサブバッテリパックモジュール１３は、２０Ａｈ−定格電圧２．４Ｖのリチウムイオン電池３１が並列２接続−直列２１接続（２ｐ２１ｓ）された４０Ａｈ−定格電圧５０．４Ｖ（最大電圧５８．８Ｖ）のリチウムイオン電池として機能する。

ここで、各リチウムイオン電池３１の最小放電電圧を１．５Ｖとすれば、サブバッテリパックモジュール１３の最小放電電圧は、１．５×２１＝３１．５Ｖとなり、サブバッテリパックモジュール１３は、最大充電電圧５８．８Ｖ、最小放電電圧３１．５Ｖのリチウムイオン電池として機能することとなり、最大充電圧６０Ｖ、最小放電電圧３０Ｖの鉛蓄電池を置き換えることが可能となる。

ここで、第１セルモジュール３３あるいは第２セルモジュール３４等のセルモジュールを構成する際の基本セルユニット３２の配置構成について説明する。
従来大型の組電池を製作する場合、１つのケースにセルを全て詰め込む方法では組電池重量が重くなり、ハンドリングが難しく、生産性が大きく低下していた。

そこで、本実施形態では、ハンドリング可能なサイズで４８Ｖ系の倍数の電圧のアプリケーションに適した基本パックを製作し、それらを組み立てることで多直列多並列の大型電池パックを簡易に組み立てることができる、製造性に優れた基本電池パックを提供する。

また本実施形態では、リチウムイオン電池３１として構成されたアルミニウム缶の電極端子が設けられた面におけるアスペクト比を規定することで、基本セルユニット３２のアスペクト比をより正方形に近づけることにより、大型パック構成時の製造性をさらに向上させている。

以下の説明においては、４８Ｖ系の電源（最大充電圧６０Ｖ、放電終止電圧［最小放電電圧］３０Ｖ）として用いる場合について説明する。
ここで、基本セルユニット３２を構成するリチウムイオン電池３１として、上述した第１の態様のリチウムイオン電池を用いた場合、４８Ｖ系の電源として用いるには、リチウムイオン電池３１を２１個、直列接続する必要がある。

図３は、第１の態様のリチウムイオン電池を用いた場合の基本セルユニットの配置組み合わせの一例の説明図である。
具体的には、以下の３通りの基本セルユニット群を基本組み合わせとしてセルモジュールを構成し、これらを適宜組み合わせて所望の電圧、容量を有するサブバッテリパックモジュールを構成することとなる。
図３（ａ）は、２×３個（＝６個）の基本セルユニット３２を組み合わせた基本セルユニット群３２Ｇ１を構成した場合の配置である。

図３（ｂ）は、３×３個（＝９個）の基本セルユニット３２を組み合わせた基本セルユニット群３２Ｇ２を構成した場合の配置である。
図３（ｃ）は、３×４個（＝１２個）の基本セルユニット３２を組み合わせた基本セルユニット群３２Ｇ３を構成した場合の配置である。

リチウムイオン電池３１は、最も面積の小さい面である電極が形成されている面のアスペクト比を１：２〜２：３にするのが望ましい。
そして、さらに第１セルモジュール３３及び第２セルモジュール３４において、第１セルモジュール３３あるいは第２セルモジュール３４を構成している基本セルユニット３２の電極が形成されている面のアスペクト比を１：２〜２：３にするのが望ましい。

一方、基本セルユニット３２を構成するリチウムイオン電池３１として、上述した第２の態様のリチウムイオン電池を用いた場合、４８Ｖ系の電源として用いるには、リチウムイオン電池３１を２０個、直列接続する必要がある。

図４は、基本セルユニットを基本セルユニット群として構成する場合の具体的配線状態の一例の説明図である。
図４（ａ）は、２×３個（＝６個）の基本セルユニット３２を組み合わせ、基本セルユニット３２を６個直列接続した基本セルユニット群３２Ｇ１を構成した場合であり、図４（ａ）中、右上に配置された基本セルユニット３２の正極端子（＋）がケースに形成された外部正極端子ＥＴＰに接続され、右下に配置された基本セルユニット３２の負極端子（−）が外部負極端子ＥＴＮに接続されている。
また、各基本セルユニット３２間は接続バーＣＢにより接続されている。

図４（ｂ）は、３×３個（＝９個）の基本セルユニット３２を組み合わせ、基本セルユニット３２を９個直列接続した基本セルユニット群３２Ｇ２を構成した場合であり、図４（ｂ）中、左上に配置された基本セルユニット３２の正極端子（＋）がケースに形成された外部正極端子ＥＴＰに接続され、右下に配置された基本セルユニット３２の負極端子（−）が外部負極端子ＥＴＮに接続されている。
また、各基本セルユニット３２間は接続バーＣＢにより接続されている。

図４（ｃ）は、３×４個（＝１２個）の基本セルユニット３２を組み合わせ、基本セルユニット３２を１２個直列接続した基本セルユニット群３２Ｇ３を構成した場合であり、図４中、右上に配置された基本セルユニット３２の正極端子（＋）がケースに形成された外部正極端子ＥＴＰに接続され、左下に配置された基本セルユニット３２の負極端子（−）が外部負極端子ＥＴＮに接続されている。
また、各基本セルユニット３２間は接続バーＣＢにより接続されている。
以上の説明は、基本セルユニット群の具体的な配線の一例の説明であり、各端子の配置、端子の引出方向、接続方向等は適宜変更が可能である。

図５は、第２の態様のリチウムイオン電池を用いた場合の基本セルユニットの配置組み合わせの一例の説明図である。
図５（ａ）は、２×４個（＝８個）の基本セルユニット３２を組み合わせた基本セルユニット群３２Ｇ１１を構成した場合の配置である。

図５（ｂ）は、３×４個（＝１２個）の基本セルユニット３２を組み合わせた基本ルユニット群３２Ｇ１２を構成した場合の配置である。
図５（ｃ）は、５×２個（＝１０個）の基本セルユニット３２を組み合わせた基本セルユニット群３２Ｇ１３を構成した場合の配置である。
上記構成においても、基本セルユニットを基本セルユニット群として構成する場合の具体的配線状態については、図４の場合と同様である。

図６は、積層型のサブバッテリパックモジュールの外観斜視図である。
積層型のサブバッテリパックモジュール１３Ａを構成する第１セルモジュール３３及び第２セルモジュール３４は、それぞれ、正極端子及び負極端子が同一面に設けられたリチウムイオン電池セル（角形セル）を用いて多直列の組電池として構成されている。

ここで、リチウムイオン電池３１の端子面が同じ面となるように、直列接続して、第１セルモジュール３３及び第２セルモジュール３４をそれぞれ構成する。
第１セルモジュール３３及び第２セルモジュール３４をそれぞれ構成するサブバッテリケース４１、４２は、直方体形状を有する樹脂で構成されており、リチウムイオン電池３１の正極端子（外部正極端子ＥＴＰに相当）及び負極端子（外部負極端子ＥＴＮに相当）が設けられた端子面を上面とした場合の側面のうち面積の小さい側の面Ｆ１、Ｆ２にそれぞれ第１連結端子台４３、第２連結端子台４４、端子台４５が設けられている。

次に第１セルモジュール３３及び第２セルモジュール３４を一体に形成してサブバッテリパックモジュール１３Ａとして形成するためのホルダ（保持部材）について説明する。

図７は、ホルダの外観斜視図である。
ホルダ５０は、第１セルモジュール３３の電極形成面を覆うように第１セルモジュール３３に取りつけられる第１固定用ホルダ５１と、第１セルモジュール３３及び第２セルモジュール３４の電極形成面と対向する面に取りつけられる積層用ホルダ５２と、第２セルモジュール３４の電極形成面を覆うように第２セルモジュール３４に取りつけられる第２固定用ホルダ５３と、を備えている。

第１固定用ホルダ５１は、金属板で形成されており、大別すると、長方形平板状の第１固定用ホルダ本体５５と、第１固定用ホルダ本体５５の周縁部の長手部分に立設された複数の第１セルモジュール係止用部材５６と、第１固定用ホルダ本体５５の周縁部の短手部分に立設された複数の第２セルモジュール係止用部材５７と、を備えている。

なお、図６において、手前側の第２セルモジュール係止用部材５７には、後述する固定板が固定される一対の固定用ボルト５８及び端子台が固定される一対の固定用ボルト５９が設けられている。

ここで、第１セルモジュール係止用部材５６は、弾性を有しており、第１セルモジュール３３の周面に設けられた係止突起３３Ａ（図５参照）を乗り越えた後に係止突起３３Ａと係合する係合孔５６Ａが設けられている。
また、第２セルモジュール係止用部材５７は、弾性を有しており、第２セルモジュール３４の周面に嵌めあわされる。

積層用ホルダ５２は、金属板で形成されており、大別すると、平板状の積層用ホルダ本体６１と、積層用ホルダ本体６１の周縁部の長手部分において第１セルモジュール３３側に立設され、第１セルモジュール３３の周面に設けられた係止突起３３Ａを乗り越えた後に係止突起３３Ａと係合する係合孔６２Ａが設けられた第１セルモジュール係止用部材６２と、積層用ホルダ本体６１の周縁部の長手部分において第２セルモジュール３４側に立設され、第２セルモジュール３４の周面に設けられた係止突起を乗り越えた後に係止突起３４Ａと係合する係合孔６３Ａが設けられた第２セルモジュール係止用部材６３と、積層用ホルダ本体６１の周縁部の短手部分に立設された複数の第３セルモジュール係止用部材６４と、後述する固定板及び端子台が固定される固定用ボルト６５が設けられた固定用部材６６と、を備えている。

第２固定用ホルダ５３は、金属板で形成されており、大別すると、平板状の第２固定用ホルダ本体７１と、第２固定用ホルダ本体７１の周縁部の長手部分に立設され、第２セルモジュール３４の周面に設けられた係止突起３４Ａを乗り越えた後に係止突起３４Ａと係合する係合孔７２Ａが設けられた複数のセルモジュール係止用部材７２と、第２固定用ホルダ本体の周縁部の手前側の短手部分において第２セルモジュール３４側に立設され、後述する固定板が固定される一対の固定用ボルト７３が設けられた固定用部材７４と、第２固定用ホルダ本体の周縁部の奥側の短手部分において第２セルモジュール側に立設され、端子台が固定される固定用ボルト７５が設けられた固定用部材７６と、を備えている。

図８は、サブバッテリパックの分解斜視図である。
図８中、符号ＮＧは、ナット群、すなわち、ナット、一または複数のワッシャ（平ワッシャあるいはスプリングワッシャ）の一群を表し、使用される場所によってその組み合わせ、サイズなどは異なっているものとする。

第１セルモジュール３３の第１電極端子（本実施形態では、正極端子とする。）８１には、第１端子引出部材８２の一端が固定されている。この第１端子引出部材８２の他端には、第１連結端子台４３の連結用ボルト８３が接続されている。

また、第１セルモジュール３３の第２電極端子（本実施形態では、負極端子とする）８４には、第２端子引出部材８５の一端が固定される。この第２端子引出部材８５の他端には、第１固定用ホルダ５１に設けられた一対の固定用ボルト５９に固定される端子台４５が接続されている。

第２セルモジュール３４の図７においては図示されていない第１電極端子（本実施形態では、負極端子とする）には、第３端子引出部材８６の一端が固定されている。この第３端子引出部材８６の他端には、第２連結端子台４４の連結用ボルト８７が接続されている。

第２セルモジュール３４の図７においては図示されていない第２電極端子（本実施形態では、正極端子とする）には、第４端子引出部材８８の一端が固定されている。第４端子引出部材８８の他端には、第２連結端子台４４の外部電極端子用ボルト８９が接続されている。

上記構成において、第１連結端子台４３の連結用ボルト８３と、第２連結端子台４４の連結用ボルト８７と、の間は、第１セルモジュール３３の第１電極端子８１と、第２セルモジュール３４の第１端子とを短絡して、第１セルモジュール３３と、第２セルモジュール３４とを直列接続する端子連結板９０が設けられている。

さらにサブバッテリパックモジュール１３Ａの第１固定用ホルダ５１と、第２固定用ホルダ５３とは、一端側（図８中、左奥側）において、第１固定部材９１により互いに固定されている。さらにこの第１固定部材９１は端子連結板９０を覆って保護している。
また、サブバッテリパックモジュール１３Ａの第１固定用ホルダ５１と、第２固定用ホルダ５３とは、他端側（図８中、右手前側）において、第２固定部材９２により互いに固定されている。

次に複数のサブバッテリパックモジュール１３Ａを用いて構成したバッテリパックモジュールについて説明する。

図９は、バッテリパック装置の外観斜視図である。
図１０は、バッテリパック装置の分解斜視図である。
バッテリパック装置１１は、図９に示すように、ケース本体１０１と、ケース本体１０１の奥側に取りつけられた第１サイドパネル１０２（図１０参照）、ケース本体１０１の手前側に取りつけられた第２サイドパネル１０３、第１サイドパネル１０２をケース本体にねじ止めするねじ１０４の目隠しを行う目隠し板１０５と、第２サイドパネル１０３をケース本体１０１にねじ止めするねじ１０６の目隠しを行う目隠し板１０７と、ケース本体１０１のゆがみを防止するために強度を向上するためのベースプレート１０８と、ケース本体１０１、第１サイドパネル１０２及び第２サイドパネル１０３の上部開口を覆い、塵埃がケース本体１０１内に侵入するのを防止する奥側に傾斜部を有し、手前側が水平とされ、ケース本体１０１にボルト１０９により固定されたトップパネル１１０と、を備えている。

バッテリパック装置１１において、ケース本体１０１は、複数（本実施形態では、１０個）のサブバッテリパックモジュール１３Ａを収納するとともに、底面が長方形状とされ、かつ、側面視コの字状とされている。
このケース本体１０１内には、サブバッテリパックモジュール１３Ａのずれを抑制するために、弾性を有する樹脂製の緩衝シート１１１が敷かれ、この緩衝シート１１１上に５個のサブバッテリパックモジュール１３Ａが一列に並べて載置される。この場合において、５個のサブバッテリパックモジュール１３Ａは、交互に上下方向が逆向きとされている。

さらに５個のサブバッテリパックモジュール１３Ａの上面（図１０中、Ｚ軸正方向）には、サブバッテリパックモジュール１３Ａのずれを抑制するために、弾性を有する樹脂製の緩衝シート１１２が敷かれ、この緩衝シート１１２上に２段目の５個のサブバッテリパックモジュール１３Ａが一列に並べて載置される。この場合においても、５個のサブバッテリパックモジュール１３Ａは、交互に上下方向が逆向きとされている。

そして、１０個のサブバッテリパックの左右方向（図１０中、Ｙ軸方向）には、ケース本体との間にスペーサ１１３、１１４がそれぞれ配置されている。

スペーサ１１３と、左端のサブバッテリパックモジュール１３Ａとの間には、スペーサ部材１１５、１１６が設けられている。また、スペーサ１１４と、右端のサブバッテリパックモジュール１３Ａとの間には、スペーサ部材１１７が設けられている。

そして２段目の５個のサブバッテリパックモジュール１３Ａの上面には、サブバッテリパックモジュール１３Ａのずれを抑制するために、弾性を有する樹脂製の緩衝シート１１８が敷かれ、さらにトップパネル１１０が載置される。
そして、トップパネル１１０は、ケース本体１０１に４個のボルト１０９によりねじ止めされる。

１０個のサブバッテリパックモジュール１３Ａの奥側（図１０中、Ｘ軸負方向）には、第１電極（正極電極あるいは負極電極のいずれか一方）を連結して１０個のサブバッテリパックモジュール１３Ａを並列接続するためのバスバー１２１と、ＢＭＵ１５を構成する各種電子部品１２２と、ＢＭＵ１５を構成する第１制御基板１２３と、ＢＭＵ１５を構成する電子部部品を保護する保護カバー１２４と、スペーサ１２５と、サブバッテリパックモジュール１３Ａの第１サイドパネル１０２と、第１サイドパネル１０２をケース本体１０１にねじ止めした際のねじ１０４を目隠しするための４個の目隠し板１０５と、が位置している。

１０個のサブバッテリパックモジュール１３Ａの手前側（図１０中、Ｘ軸正方向）には、第２電極（第１電極とは逆極性の電極）を連結するためのバスバー１３１と、ＢＣＵ１６を構成する各種電子部品１３２と、ＢＣＵを構成する第２制御基板１３３と、サブバッテリパックモジュール１３Ａの第２サイドパネル１０３と、第２サイドパネル１０３をケース本体にねじ止めする際のねじ１０６を目隠しするための４個の目隠し板１０７と、が位置している。

以上のような構成を採ることにより、本第１実施形態によれば、サブバッテリパックモジュール１３Ａを構成するに際し、第１セルモジュール３３単位及び第２セルモジュール３４単位で組み上げることが可能であるので、中大型電動機器に搭載された鉛蓄電池を置き換えるために多数のリチウムイオン電池を直列−並列接続するに際して第１セルモジュール３３単位及び第２セルモジュール３４単位あるいはサブバッテリパックモジュール１３Ａ単位で行うことができ、ハンドリングが容易であるとともに、所望の電圧及び容量を有する組電池装置を容易に組み上げることが可能となり、生産性が向上する。

また、第１セルモジュール３３及び第２セルモジュール３４を構成している基本セルモジュール、ひいては、基本セルモジュールを構成しているリチウムイオン電池３１は、放電終止電圧に相当する下限ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が鉛蓄電池と同等であるので、中大型電動機器に搭載されている鉛蓄電池を単純に置き換え可能なリチウムイオン電池を用いた組電池装置を提供することが可能となる。

［２］第２実施形態
図１１は、横並び型のサブバッテリパックモジュールの外観斜視図である。
横並び型のサブバッテリパックモジュール１３Ｂは、第１実施形態と同一の第１セルモジュール３３及び第２セルモジュール３４により構成されている。
まず、第１セルモジュール３３及び第２セルモジュール３４を一体に形成してサブバッテリパックモジュール１３Ｂとして形成するためのホルダ（保持部材）について説明する。

図１２は、ホルダの外観斜視図である。
ホルダ１５０は、横並びに配置された第１セルモジュール３３及び第２セルモジュール３４の電極形成面を覆うように第１セルモジュール３３及び第２セルモジュール３４に取りつけられる第１固定用ホルダ１５１と、第１固定用ホルダ１５１と第１セルモジュール３３及び第２セルモジュール３４との間に、第１固定用ホルダ１５１に嵌め込まれて配置され、第１固定用ホルダ１５１の強度補強を行う第１補強板１５２と、横並びに配置された第１セルモジュール３３及び第２セルモジュール３４の電極形成面と対向する面を覆うように第１セルモジュール３３及び第２セルモジュール３４に取りつけられる第２固定用ホルダ１５３と、第２固定用ホルダ１５３と第１セルモジュール３３及び第２セルモジュール３４との間に、第２固定用ホルダ１５３に嵌め込まれて配置され、第２固定用ホルダ１５３の強度補強を行う第２補強板１５４と、を備えている。

第１固定用ホルダ１５１は、金属板で形成されており、大別すると、略正方形平板状の第１固定用ホルダ本体１５５と、第１固定用ホルダ本体１５５に立設された複数の第１セルモジュール係止用部材１５６と、第１固定用ホルダ本体１５５に立設された複数の第２セルモジュール係止用部材１５７と、後述する第１固定板が固定される一対の固定用ボルト１５８が設けられた第１固定板１５９と、後述する第２固定板（脚付）が固定される一組の固定用ボルト１６０及び端子板が固定される一対の固定用ボルト１６１が設けられた第２固定板１６２と、を備えている。

ここで、第１セルモジュール係止用部材１５６は、弾性を有しており、第１セルモジュール３３の周面に設けられた係止突起３３Ａ（図６参照）を乗り越えた後に係止突起３３Ａと係合する係合孔１５６Ａが設けられている。
また、第２セルモジュール係止用部材１５７は、弾性を有しており、第２セルモジュール３４の周面に設けられた係止突起３４Ａ（図６参照）を乗り越えた後に係止突起３４Ａと係合する係合孔１５６Ａが設けられている。

第１補強板１５２は、金属板で形成されており、左右方向（図１２におけるＹ軸方向）の中央部分に、上下方向（図１２におけるＺ軸方向）に沿って、第１固定用ホルダ１５１の第１セルモジュール係止用部材１５６が挿入される第１挿入孔１５２Ａ及び第１固定用ホルダ１５１の第２セルモジュール係止用部材１５７が挿入される第２挿入孔１５２Ｂが設けられている。

第２固定用ホルダ１５３は、金属板で形成されており、大別すると、略正方形平板状の第１固定用ホルダ本体１６５と、第１固定用ホルダ本体１６５に立設された複数の第１セルモジュール係止用部材１６６と、第１固定用ホルダ本体１６５に立設された複数の第２セルモジュール係止用部材１６７と、後述する第１固定板が固定される一対の固定用ボルト１６８及び後述するカバー部材が固定される一対の固定用ボルト１６９が設けられた第１固定板１７０と、後述する第２固定板（脚付）が固定される一組の固定用ボルト１７１が設けられた第２固定板１７２と、を備えている。

ここで、第１セルモジュール係止用部材１６６は、弾性を有しており、第１セルモジュール３３の周面に設けられた係止突起３３Ａ（図６参照）を乗り越えた後に係止突起３３Ａと係合する係合孔１６６Ａが設けられている。
また、第２セルモジュール係止用部材１６７は、弾性を有しており、第２セルモジュール３４の周面に設けられた係止突起３４Ａ（図６参照）を乗り越えた後に係止突起３４Ａと係合する係合孔１６７Ａが設けられている。

第２補強板１５４は、金属板で形成されており、左右方向（図１２におけるＹ軸方向）の中央部分に、上下方向（図１２におけるＺ軸方向）に沿って、第２固定用ホルダ１５３の第１セルモジュール係止用部材１６６が挿入される第１挿入孔１５４Ａ及び第２固定用ホルダ１５３の第２セルモジュール係止用部材１６７が挿入される第２挿入孔１５４Ｂが設けられている。

図１３は、サブバッテリパックの分解斜視図である。
図１３中、符号ＮＧは、ナット群、すなわち、ナット、一または複数のワッシャ（平ワッシャあるいはスプリングワッシャ）の一群を表し、使用される場所によってその組み合わせ、サイズなどは異なっているものとする。

第１セルモジュール３３の第１電極端子（本実施形態では、正極端子とする。）８１には、第１端子引出部材１８２の一端が固定されている。この第１端子引出部材１８２の他端には、第１連結端子台４３Ａの連結用ボルト１８３が接続されている。

また、第１セルモジュール３３の第２電極端子（本実施形態では、負極端子とする）８４には、第２端子引出部材１８５の一端が固定される。この第２端子引出部材１８５の他端には、第２固定用ホルダ１５３に設けられた一対の端子固定用ボルト（図示せず）に固定される端子台４５Ａが接続されている。

第２セルモジュール３４の図示されていない第１電極端子（本実施形態では、負極端子とする）には、第３端子引出部材１８６の一端が固定されている。この第３端子引出部材１８６の他端には、第２連結端子台４４Ａの連結用ボルト１８７が接続されている。

第２セルモジュール３４の図７においては図示されていない第２電極端子（本実施形態では、正極端子とする）には、第４端子引出部材１８８の一端が固定されている。第４端子引出部材１８８の他端には、第２連結端子台４４Ａの外部電極端子用ボルト１８９が接続されている。

上記構成において、第１連結端子台４３Ａの連結用ボルト１８３と、第２連結端子台４４Ａの連結用ボルト１８７と、の間は、第１セルモジュール３３の第１電極端子８１と、第２セルモジュール３４の第１電極端子とを短絡して、第１セルモジュール３３と、第２セルモジュール３４とを直列接続する端子連結板１９０が設けられている。

さらにサブバッテリパックモジュール１３Ｂの第１固定用ホルダ１５１と、第２固定用ホルダ１５３とは、上端側（図１３中、Ｚ軸正方向側）において、第１固定部材１９１により互いに固定されている。さらにカバー部材１９２は端子連結板１９０を覆って保護している。
また、サブバッテリパックモジュール１３Ｂの第１固定用ホルダ１５１と、第２固定用ホルダ１５３とは、下端側（図１３中、Ｚ軸負方向側）において、第２固定部材１９３により互いに固定されている。ここで、第２固定部材１９３の下面には、折り曲げ加工による脚１９４が設けられている。

次に複数のサブバッテリパックモジュール１３Ｂを用いて構成したバッテリパックモジュールについて説明する。

図１４は、第２実施形態のバッテリパック装置の外観斜視図である。
図１５は、第２実施形態のバッテリパック装置の分解斜視図である。
第２実施形態のバッテリパック装置１１Ａは、図１４に示すように、ケース本体２０１と、ケース本体２０１の奥側に取りつけられた第１サイドパネル２０２（図１５参照）、ケース本体２０１の手前側に取りつけられた第２サイドパネル２０３、第１サイドパネル２０２をケース本体２０１にねじ止めするねじ２０４の目隠しを行う目隠し板２０５と、第２サイドパネル２０３をケース本体２０１にねじ止めするねじ２０６の目隠しを行う目隠し板２０７と、ケース本体２０１のゆがみを防止するために強度を向上するためのベースプレート２０８と、ケース本体２０１、第１サイドパネル２０２及び第２サイドパネル２０３の上部開口を覆い、塵埃がケース本体２０１内に侵入するのを防止し、ケース本体２０１にボルト２０９により固定されたトップパネル２１０と、を備えている。

バッテリパック装置１１Ａにおいて、ケース本体２０１は、複数（本実施形態では、１０個）のサブバッテリパックモジュール１３Ｂを収納するとともに、底面が長方形状とされ、かつ、側面視コの字状とされている。
このケース本体２０１には、サブバッテリパックモジュール１３Ｂのずれを抑制するために、サブバッテリパックモジュール１３Ｂの脚１９４が固定される。この場合において、１０個のサブバッテリパックモジュール１３Ｂは、５個ずつ、２列に並べられて配置されている。

１０個のサブバッテリパックモジュール１３Ｂの下方側（図１５中、Ｚ軸負方向）及び上方側（図１５中、Ｚ軸正方向）には、電極を連結して１０個のサブバッテリパックモジュール１３Ｂを並列接続するためのバスバー２２１が配置されている。
また、１０個のサブバッテリパックモジュール１３Ｂの奥側（図１５中、Ｘ軸負方向）には、ＢＭＵ１５を構成する各種電子部品２２２が載置され、ＢＭＵ１５を構成する第１制御基板２２３と、スペーサ２２４と、バッテリパックモジュール１３Ｂの第１サイドパネル２０２と、第１サイドパネル２０２をケース本体１０１にねじ止めした際のねじ２０４を目隠しするための４個の目隠し板２０５と、が位置している。

さらに、１０個のサブバッテリパックモジュール１３Ｂの手前側（図１５中、Ｘ軸正方向）には、ＢＣＵ１６を構成する各種電子部品２３２が載置され、ＢＣＵ１６を構成する第２制御基板２３３と、スペーサ２３４と、バッテリパックモジュール１３Ｂの第２サイドパネル２０３と、第２サイドパネル１０３をケース本体にねじ止めする際のねじ２０６を目隠しするための４個の目隠し板２０７と、各列５個のサブバッテリパックモジュール１３Ｂを物理的に一体に結合する結合部材２３５、２３６と、各列５個のサブバッテリパックモジュール１３Ｂを電気的に結合して、１０個ののサブバッテリパックモジュール１３Ｂを直列に接続するバスバー２３７が位置している。

以上のような構成を採ることにより、本第２実施形態によれば、サブバッテリパックモジュール１３Ｂを構成するに際し、第１セルモジュール３３単位及び第２セルモジュール３４単位で組み上げることが可能であるので、中大型電動機器に搭載された鉛蓄電池を置き換えるために多数のリチウムイオン電池を直列−並列接続するに際して第１セルモジュール３３単位及び第２セルモジュール３４単位あるいはサブバッテリパックモジュール１３Ｂ単位で行うことができ、ハンドリングが容易であるとともに、所望の電圧及び容量を有する組電池装置を容易に組み上げることが可能となり、生産性が向上する。

また、第１セルモジュール３３及び第２セルモジュール３４を構成している基本セルモジュール、ひいては、基本セルユニット３２を構成しているリチウムイオン電池３１は、放電終止電圧に相当する下限ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が鉛蓄電池と同等であるので、中大型電動機器に搭載されている鉛蓄電池を単純に置き換え可能なリチウムイオン電池を用いた組電池装置を提供することが可能となる。

［３］実施形態の効果
以上の説明のように、各実施形態によれば、セルモジュール単位あるいはサブバッテリパックモジュール単位で扱うことができ、大型の組電池を製作する場合であっても、一つのケースにセルを全て詰め込む従来の手法と比較して、ハンドリングが容易となり、生産性が大きく向上する。
また、産業向電源にリチウムイオン電池を用い、多並列のモジュールを製作し、それを多直列に接続する場合でも、モジュール間を結ぶバスバーがの形状が簡易な形状となるとともに、部品点数を削減することができ、組立性の向上及び体積エネルギー密度の向上を図ることが可能となる。

［４］実施形態の変形例
以上の説明においては、サブバッテリパックモジュール１３Ａ、１３Ｂとしては、第１セルモジュール３３及び第２セルモジュールを二つ用いる場合について説明したが、３個以上組み合わせてサブバッテリパックモジュールを構成するように構成することも可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。例えば、本実施形態で使用した定格電圧２．４Ｖの電池は定格電圧２．３Ｖ−２．４Ｖ（最小放電電圧１．４Ｖ−１．５Ｖ，最大電圧２．７Ｖ−２．８）の各種正極、負極を組み合わせた二次電池に置き換えられる。定格電圧、最大電圧の違いによって直列数も適宜変更可能であり、これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１１、１１Ａ バッテリパック装置
１２ フォークリフト電気系統部
１３、１３Ａ、１３Ｂ サブバッテリパックモジュール
１４ バッテリパックモジュール
１５ バッテリマネジメントユニット
１５ ＢＭＵ
１６ ＢＣＵ
１７ 電源遮断制御用リレーユニット
３１ リチウムイオン電池
３１Ａ 係止突起
３２ 基本セルユニット
３３ 第１セルモジュール
３４ 第２セルモジュール
３４Ａ 係止突起
４１ サブバッテリケース
５０ ホルダ
５１ 第１固定用ホルダ
５２ 積層用ホルダ
５３ 第２固定用ホルダ
１０１ ケース本体
１０２ 第１サイドパネル
１０３ 第２サイドパネル
１０８ ベースプレート
１１０ トップパネル
１２１ バスバー
１３１ バスバー
１５０ ホルダ
１５１ 第１固定用ホルダ
１５２ 第１補強板
１５３ 第２固定用ホルダ
１５４ 第２補強板
２０１ ケース本体
２０２ 第１サイドパネル
２０３ 第２サイドパネル
２０８ ベースプレート
２０９ ボルト
２１０ トップパネル
２２１ バスバー
２３７ バスバー
３２Ｇ１ 基本セルユニット群
３２Ｇ２ 基本セルユニット群
３２Ｇ３ 基本セルユニット群
３２Ｇ１１ 基本セルユニット群
３２Ｇ１２ 基本ルユニット群
３２Ｇ１３ 基本セルユニット群

Claims (12)

1. 放電終止電圧に相当する下限充電状態が、置き換えの対象となる鉛蓄電池と同等のリチウムイオン電池を用い、直列接続された複数の前記リチウムイオン電池がバッテリケースに収納されたセルモジュールを構成し、
   複数の前記セルモジュールを直列接続するとともに、前記直列に接続された複数の前記セルモジュールを保持部材により一体として所望の出力電圧を有するサブバッテリパックモジュールを構成し、
   所望の容量となるように複数の前記サブバッテリパックモジュールが並列接続されてバッテリパックモジュールを構成し、
   前記バッテリパックモジュールが一の装置ケース内に収納された、
   組電池装置。
2. 前記サブバッテリパックモジュールは、複数の前記セルモジュールが、前記保持部材により積層配置されている、
   請求項１記載の組電池装置。
3. 前記サブバッテリパックモジュールは、一対のセルモジュールが、各前記セルモジュールにそれぞれ係合する係合用アームが突設された前記保持部材として機能する積層用ホルダにより連結されて積層されている、
   請求項２記載の組電池装置。
4. 前記装置ケース内には、前記セルモジュールが横並びに配置されたサブバッテリパックモジュールが積層配置されている、
   請求項２又は請求項３記載の組電池装置。
5. 前記サブバッテリパックモジュールは、複数のセルモジュールが、前記保持部材により横並びに配置されている、
   請求項１記載の組電池装置。
6. 前記サブバッテリパックモジュールは、横並びに配置された複数の前記セルモジュールと、前記複数のセルモジュールを覆って一体に連結する前記保持部材として機能する固定用ホルダと、
   を備えている請求項５記載の組電池装置。
7. 前記装置ケース内には、前記セルモジュールが横並びに配置されたサブバッテリパックモジュールが横並びに配置されている、
   請求項５又は請求項６記載の組電池装置。
8. 前記サブバッテリパックモジュールは、定格電圧が異なる複数種類のセルモジュールにより構成されている、
   請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の組電池装置。
9. 前記リチウムイオン電池は、コバルト、ニッケルおよびマンガンよりなる群から選択される少なくとも一種類の金属元素を含有するリチウム金属化合物を含みリチウム金属化合物はＬｉaＮｉｂＣｏｃMｎｄＯ2（但し、モル比ａ，ｂ，ｃ及びｄは０≦ａ≦１．１、ｂ＋ｃ＋ｄ＝１）で表される正極活物質含有層を備えた正極と、チタン含有金属複合酸化物を含む負極と、非水溶媒を含む非水電解質とを備えた非水電解質二次電池として構成されている、
   請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の組電池装置。
10. 前記サブバッテリパックモジュールは、直列に２１個の前記リチウムイオン電池が接続されている、
    請求項９記載の組電池装置。
11. 前記リチウムイオン電池は、コバルト、ニッケルおよびマンガンよりなる群から選択される少なくとも一種類の金属元素を含有するリチウム金属化合物を含みリチウム金属化合物はＬｉaＮｉｂＣｏｃＭｎｄＯ４（但し、モル比ａ，ｂ，ｃ及びｄは０≦ａ≦１．１、ｂ＋ｃ＋ｄ＝２） で表される正極活物質含有層を備えた正極と、チタン含有金属複合酸化物を含む負極と、非水溶媒を含む非水電解質と、を備えた非水電解質二次電池として構成されている、
    請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の組電池装置。
12. 前記サブバッテリパックモジュールは、直列に２０個の前記リチウムイオン電池が接続されている、
    請求項１１記載の組電池装置。

Images