JP2005123069A - 組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡単な構成で複数の電池モジュールを精度良く配設することにより、良好な冷却効果を得ることが可能な組電池を提供する。
【解決手段】 円筒部10と当該円筒部10の中央周面に形成された側部20を持つ絶縁スペーサ1を素電池の連結部分に配設して電池モジュール2を形成する。側部20には六角形状の側面200a〜200fが形成され、これに形成された凸部201a〜201fおよび凹部202a〜202fが連結部として電池モジュール2同士を一定間隔ごとに連結し、組電池3を構成する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、複数の素電池を接続してなる電池モジュールを、さらに複数併設してなる組電池に関し、特に電池モジュールを連結する絶縁スペーサに関する。

ハイブリッド電気自動車（HEV;Hybrid Electric Vehicle）、電気自動車（Pure-EV）、フォークリフト等作業用車両の電源として、組電池を内蔵するバッテリシステムが使用されている。組電池は、例えば一定数の円筒型素電池を導電部材を介して直列に接続してなる電池モジュールを、さらに複数併設し、電気的に直列接続した構成を持つ。接続される素電池は合計数百個に至る場合もあり、これにより組電池では車両の駆動力として大電力を発揮できるようになっている。

組電池の具体的な製造方法としては、例えば特開2001-185102号公報に記載されているように、まず一定数の円筒型電池を金属製の皿状接続体を介して直列に接続し、電池モジュールを形成する。この電池モジュールを、ホルダケースと呼ばれるケースに収納する。ホルダケースには電池モジュールの形状に合わせた溝が形成されており、当該溝にはめ込むように電池モジュールを収納する。このホルダケースにおいて、各電池モジュールを電気的に直列接続することで組電池が作製される。完成した組電池をさらにボックスに収納するとバッテリシステムが完成する。
特開2001-185102号公報 特開2003-229102号公報 特開2003-223879号公報

このような従来の組電池において、電池モジュールはホルダーケースの上記溝で一定間隔おきに並列される。この配置方法は、駆動時（充放電時）に素電池が発熱することを考慮して、電池モジュール間に冷却風を流通させる目的で行うものである。流通させる冷却風の上流側から下流側まで良好な冷却効果を得るためには、冷却風の流れを乱さないために電池モジュールの並列配置に高い精度が要求される。

しかしながら、ホルダケースの溝サイズと、電池モジュールのサイズには機械的な誤差や設計上のクリアランスを設ける等の理由によってバラツキが生じやすく、均一な精度で各電池モジュールをホルダーケースに収納するのは困難であるとされている。
このような電池モジュールの配設において位置決めのバラツキ問題が存在すると、駆動時に組電池に対して冷却風を流通させた場合、冷却風の良好な流通経路が確保されず、発熱する素電池を効率よく冷却することが難しい。その結果、冷却ムラが発生し、ひいては出力低下に繋がることも考えられる。

本発明は以上の課題に鑑みて為されたものであって、その目的は、比較的簡単な構成で複数の電池モジュールを精度良く配設することにより、良好な冷却効果を得ることが可能な組電池を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、複数の素電池が接続されてなる電池モジュールが、さらに複数にわたり併設された構成を持つ組電池であって、前記素電池の接続部分には素電池同士の短絡を防ぐための絶縁スペーサが配されており、各絶縁スペーサは、その側面において、他の電池モジュールの絶縁スペーサと連結可能な連結部を有する構成とした。

ここで前記素電池は、一対の端面を有するとともに、各端面に端子を備えており、隣接する素電池同士で前記端子が電気的に接続されるように、前記一対の端面をそれぞれ対向させて複数の素電池を棒状に接続することで、前記電池モジュールが形成される構成とすることもできる。
また前記絶縁スペーサは、正六角形状に配された六面の側面を持ち、前記連結部は当該側面に配されているようにすることもできる。

さらに前記絶縁スペーサには、当該絶縁スペーサが配された素電池と外部とが連通する貫通孔が穿孔されており、素電池の安全弁から排出されたガスが前記貫通孔へ誘導される構成とすることもできる。
さらに、前記連結部で互いに連結された絶縁スペーサ同士の貫通孔が互いに接続される構成とすることも可能である。

以上の構成からなる本発明の組電池によれば、前記絶縁スペーサを用いることにより、従来技術のようにホルダーケースを必要とせず、電池モジュール自体で連結して構成できる。
すなわち本発明では、一方の電池モジュールにおいて隣接する素電池の接続部分ごとに配された絶縁スペーサが、他方の電池モジュールに配された絶縁スペーサに対して、連結部により互いに連結される。このような簡便な連結方法を取ることで、本発明の組電池では、従来（例えば特開2001-185102号公報に記載の技術）のホルダケースが不要となり、部品点数を低減する効果が奏される。

また本発明の組電池では、一方の絶縁スペーサに設けられた連結部が、これと隣接する他方の絶縁スペーサの連結部と連結することで、複数の電池モジュール間における素電池同士が一定の間隔で精度よく保持される。これにより、従来技術においてホルダケースの溝と電池モジュールとの精度誤差やクリアランス確保の理由より発生していた電池モジュール同士の位置バラツキの問題が抑制されるので、例えば組電池のモジュール長手方向に垂直な方向から冷却風を流通させた場合でも、冷却風の良好な流通経路が確保され、素電池の冷却ムラが発生するのが防止される。

さらに本発明の組電池では、絶縁スペーサの数に比例して電池モジュール同士の連結部分が増大するので、電池モジュールはこの豊富な連結部分が存在することによって、従来に比べて飛躍的に堅牢に連結される。特に絶縁スペーサが隣接する絶縁スペーサと面接触する側面を有する構成であれば、その側面を利用した面接触によって絶縁スペーサ同士が連結するので、高い連結強度を得ることができる。

また絶縁スペーサに貫通孔を設けることで、素電池の安全弁より排出された内部ガスはを当該貫通孔を通して外部に排気することができる。絶縁スペーサ同士とともに貫通孔も連結される構成とすることで、前記内部ガスは貫通孔により排気経路が案内されるため、内部ガスが一カ所に滞留するのが防止されるとともに、内部ガスが不用意に特定の部材と接触することで生じる問題（例えば部材の腐食、漏電等）を回避して、安全に排気することも可能である。

さらに本発明の組電池は、各電池モジュール同士を絶縁スペーサの連結により直接連結して構成できるので、従来のホルダケースの形状にとらわれず、平板状から台形状、六角状等、高いフレキシビリティを発揮して様々な形態を取ることが可能である。このような形態の柔軟な対応性によって、HEVやPure-EVの電源装置として車内の限られたスペースに良好に搭載する効果も望むことができる。

（実施の形態1）
本実施の形態1における組電池3は、全体的には絶縁スペーサ1を介して素電池を接続してなる電池モジュール2を用い、これを複数併設した構成を有する（図5を参照）。そこで、以下では順に、絶縁スペーサ、電池モジュール、および組電池の各構成について説明していく。

1.絶縁スペーサの構成
図1は絶縁スペーサの構成を示す。図1（a）は斜視図、図1（b）は側面図、図1（c）は上面図をそれぞれ示す。また図2は、素電池と絶縁スペーサの組図である。
図1に示す絶縁スペーサ1は、素電池30A、30Bの接続部分に配されつつ、素電池30Aの外装缶301Aと素電池30Bの外装缶301とを絶縁してこれらが短絡するのを防止するものであって、円筒部10と、当該円筒部10の中央周面に形成された側部20とから構成される。当該絶縁スペーサ1は、ポリプロピレンなど、硬質の絶縁性樹脂等から作製することができる。素電池30A、30Bにアルカリ二次電池を用いる場合は、耐アルカリ性を考慮した絶縁樹脂やセラミック材料を用いて構成するのが望ましい。サイズ例としては、円筒部10厚み約5mm、側部20の対辺間距離約60mmである。

円筒部10は、後述のように互いに電気的に接続される素電池30A、30Bの間に介するように設けられるものであって、その内径は素電池30A、30Bの外装缶301A、301Bの外径寸法に合わせて設定されている。円筒部10の内部には、その内周面に沿って鍔部11が環状（内径約25mm）に形成されており、これによって開口部15が設けられている。そして鍔部11の上面と下面、および円周部10の上端部10Aと下端部10Bとで素電池30A、30Bを保持するようになっている（図3を参照）。

側部20は円筒部10の中央周面から突出するように正六角形盤状に形成されたものであって、当該正六角形の計六面の側面200a〜200fには、直方体状の凸部201a〜201f、および凸部201a〜201fと同様の形状に側面200a〜200fの表面を陥没してなる前記凹部202a〜202fがそれぞれ併設するように形成されている。詳細を後述するように、凸部201a〜201fおよび凹部202a〜202fは、他の絶縁スペーサ1同士と嵌合して連結する連結部として作用する。また側部20が円筒部10から突出するように設けられていることにより、電池モジュール2が一定間隔ごとに連結される効果を発揮する。

さらに図1（c）に示すように、各側面200a〜200fでは凸部201a〜201fおよび凹部202a〜202fの間において、合計6本の貫通孔203a〜203fが形成されている。この貫通孔203a〜203fは、側面200a〜200fの表面から円筒部10内部を連通するように形成されており、素電池（ここでは30B）の内部ガスを外部へ排出する作用をなすものである。貫通孔の数はこれ以外であってもよい。

2.電池モジュールの構成
以上の構成を持つ絶縁スペーサ1は、図2に示すように、素電池30A、30Bの接続部分、すなわち溶接部分に対応して配される。
図2では、素電池30A、30Bの一例として、JIS規格におけるDセル（単一型電池）を用いた構成を示している。素電池30A、30Bは同様の構成を持つ円筒型アルカリ二次電池（ニッケル−水素電池）であって、正極板320A、320Bと負極板321A、321Bとがフィルムセパレータ322A、322Bを介して渦巻状に巻回されてなる渦巻状電極体が、アルカリ電解液に含浸されて発電要素310A、310Bとなり、円筒型外装缶301A、301Bに収納されたものである。

正極板320A、320Bは、パンチングメタルからなる芯体に活物質として水酸化ニッケルが充填された極板である。このニッケル極板は、焼結式、非焼結式のいずれかで構成される。
負極板321A、321Bは、パンチングメタルからなる芯体に活物質として水素吸蔵合金が充填された水素吸蔵合金電極である。

フィルムセパレータ322A、322Bは、微多孔性のポリエチレン膜から構成されている。
外装缶301A、301Bの開口部は、ガスケット323A、323Bを介して封口板302Aで封口されている。封口板302A、302Bには正極端子304A、304Bが取り付けられ、封口板302A、302Bに開設された排出孔305A、305Bが弾性弁306A、306Bで押圧された弁板307A、307Bで塞がれている。発電要素310A、310Bの正極板320A、320Bは正極集電体309A、309Bを介して封口板302Aおよび正極端子304Aと接続され、負極板321A、321Bは負極集電体311A、311Bを介して外装缶301A、301Bと接続されている（上記302B、304B、305B、306B、307B、309B、311A、323Bは不図示）。

なお当然ながら素電池30A、30Bには、ニッケル−水素電池以外の種類のものを用いてもよい。
以上の構成を持つ素電池30Aは、例えば接続体としての溶接リング40を用いることによって、円筒型外装缶301Aの端面である底部303A（負極端子）と、外装缶301Aの上部にカシメ加工で固定された端面である封口板302A（正極端子側）とが隣接素電池同士で電気的に接続するように、素電池上下方向から抵抗溶接電極を当て、例えば約4Kアンペアの電流値で3秒間溶接電流を通電することで接続される。

上記接続体には溶接リング以外のものを用いてもよいし、素電池同士をはんだ付けしてもよいが、溶接により素電池同士の接続を行う場合には、絶縁スペーサ1により素電池30A、30Bの間が覆われることを考慮する必要がある。
具体的には、例えば電池モジュールの製造工程では特開2001-185102号公報の図1〜図3に開示されているように、中央が穿孔された円盤と、この周囲に側壁が形成されてなる皿状接続体（皿タブ）を用いることがある。この皿タブを用いる場合、一方の素電池の正極端子に前記穿孔部を通して溶接し、他方の素電池の缶底部周辺の側面に対して前記側壁を溶接する。しかしながら、絶縁スペーサ1を用いると、素電池の缶底部周辺が覆われるので、皿タブの側壁を素電池に溶接することが困難となる。このような理由から本実施の形態1では、素電池の缶底部周辺側面に溶接工程を行う必要のない上記溶接リングを用いることが望ましい。

ここで図3は、接続された素電池と絶縁スペーサの位置関係を示す部分断面図である。溶接リング40には上面と下面にそれぞれ溶接突起部401、401が形成されており、正極端子304Aをリング中央の開口部403に挿通させつつ、素電池30A、30Bと確実に接触しながら抵抗溶接される。このとき、絶縁スペーサ1は前記10Aおよび鍔部11で素電池30Bの外装缶301B側面および缶底部302B（負極端子）と接触し、且つ、前記10Bおよび鍔部11で素電池30Aの外装缶側面301A上部と接触することで、外装缶側面301A、301Bが短絡しないよう絶縁しながら素電池30A、30Bの間で保持される。

絶縁リング40を中心とする素電池30A、30Bの接続領域には、絶縁スペーサ1の貫通孔203a〜203fと連通する間隙が存在する。これにより駆動時や過充電時において、何らかの理由により外装缶301A内部の正極集電体309A下に納められた発電要素310Aより内部ガス（酸素ガス、水素ガス、アルカリミスト等）が発生し、内圧上昇により弁板307Aおよび弾性弁306Aが押し上げられて正極端子304Aの排出孔305Aより排出されると、その後内部ガスは滞留することなく速やかに前記貫通孔203a〜203f側に流通するようになっている。

なお、円筒体10の内径は素電池30A、30Bに合わせて作製されているので、円筒体10と素電池30A、30Bの隙間から内部ガスは漏れにくく設定されているが、さらに気密性を高めるために、素電池30A、30Bと絶縁スペーサ1との間に粘着テープや充填剤を介在させて目張りを施してもよい。
このように絶縁スペーサ1を介して素電池30A、30Bを一定数接続することによって、最終的には図4に示す電池モジュール2が形成される。このように実施の形態2の電池モジュール2は、隣接する素電池同士で前記正極・負極端子が電気的に接続されるように、前記一対の端面（封口板と缶底部）をそれぞれ対向させて複数の素電池を棒状に接続する構成なので、各素電池の側面が露出している。このため、駆動時には各素電池の側面に冷却風を流通させることができるといったメリットを持つ。

当該電池モジュール2では、その長手方向両端に、素電池と電気的に接続されたモジュール端子51、52（ここではネジ状体）がそれぞれ配されている。
ここでは一本の電池モジュール2で4個の素電池30A〜30Dを接続しているが、もちろん本発明はこの個数に限定するものではなく、さらに個数を増して増設してもよい。
また、一本の電池モジュール2に配設する各絶縁スペーサ1は、あとで多数の電池モジュール同士を互いに一定間隔で連結する際を考慮して、六角形側面200a〜200fがすべて平行になるように配するのが望ましい。一本の電池モジュール2に配設された各絶縁スペーサ1は、必ずしもそれぞれの側面が平行になるように配設しなくてもよいが、上記理由により平行に配すると便宜上都合がよい。

さらには、多数の電池モジュール実施の形態1のように正六角形状（ハニカム状）に配列できるようにすれば、エネルギー密度の高いバッテリシステムとして構成できるので望ましい。
3.組電池の構成
次に示す図5は、実施の形態1の組電池の構成を示す図である。組電池3は、上記電池モジュール2を複数本（ここでは合計13本）にわたり、長手方向が平行且つ両端部を揃うように保持しつつ（このとき任意の電池モジュール2の極性が上下方向で交互になるよう適宜整列させる）、各電池モジュール2を連結してなる。各電池モジュール2は、絶縁スペーサ1がハニカム状に配列するように連結することができる。

その後は各電池モジュール2に配されたモジュール端子51、52を銅芯の板状体にニッケルメッキを施してなる導電性の高いバスバー（連結部材）54とボルト55を用いて、例えば各電池モジュール2を電気的に直列に接続する。
使用時には、当該組電池3の全体的な形状に合わせたバッテリケースに収納されてバッテリシステムとなる。

ここにおいて、本実施の形態1の組電池3は前述した絶縁スペーサ1を用いることにより、従来技術のようにホルダーケースを必要とせず、電池モジュール2自体で連結して構成できるといった大きな特徴を持つ。すなわち本実施の形態1では、一方の電池モジュール2において隣接する素電池の接続部分ごとに配された絶縁スペーサ1が、他方の電池モジュール2に配された絶縁スペーサ1に対して、凸部201a〜201fおよび凸部201a〜201fを互いに嵌合して連結される。このように本実施の形態1では従来（例えば特開2001-185102号公報に記載の技術）のホルダケースが不要となることから、部品点数を減らす効果が奏されるとともに、複雑な手間を必要とせず簡単に組電池3を作製できる。

また組電池3では、絶縁スペーサ1の数に比例して電池モジュール同士の連結部分が増大するので、電池モジュール2はこの豊富な連結部分が存在することによって、従来に比べて飛躍的に堅牢に連結される。特に絶縁スペーサ1が側面200a〜200fを有することにより、その面接触によって絶縁スペーサ1同士が連結する構成であるため、高い連結強度を得ることができる。

ここで図6は、駆動時の組電池の様子（冷却風と内部ガスの流れ）を示す模式図である。
組電池3では、一方の絶縁スペーサ1に設けられた側部20が、これと隣接する他方の絶縁スペーサ1の側部20と連結することで、連結された電池モジュール2間の素電池同士が短絡することなく一定の間隔をおいて精度よく保持される。これにより、従来技術においてホルダケースの溝と電池モジュールとの精度誤差や設計時のクリアランス確保等の理由により発生していた位置決めのバラツキ問題が抑制されるので、例えば組電池3の電池モジュール長手方向に垂直な方向から（図6では下方から上方へ向けて）冷却風を流通させた場合でも、冷却風の良好な流通経路が確保され、駆動時に発熱する素電池を効率よく冷却することが可能であって、冷却ムラが発生するのが防止される。

なお冷却風は、具体的には吸引ファンで引き込むようにして組電池3内部に流通させることができる。
さらに本発明において、寒冷地域や真冬の環境下で組電池3を駆動させる場合には、上記冷却風の代わりに温風を流通させるようにしても、電池モジュール2の間隙に良好に温風を流通させることができ、高い温暖効果が望める。

また組電池3では、素電池の安全弁より排出された内部ガスは、図6に示すように、互いに連通するように接続された絶縁スペーサの貫通孔を通して外部に排気することができる。内部ガスは貫通孔により排気経路が案内されるため、内部ガスが一カ所に滞留するのが防止されるとともに、バッテリケース中で内部ガスが不用意に特定の部材と接触することで生じる問題（例えば部材の腐食、漏電等）を回避して、安全に排気することも可能である。

さらに組電池3は、各電池モジュール2同士を絶縁スペーサ1の六角形側面200a〜200fのいずれかで自由な形で直接連結して構成できるので、従来のホルダケースの形状にとらわれず、平板状から台形状、六角状等、高いフレキシビリティを発揮して様々な形態を取ることが可能である。このような形態の柔軟な対応性によって、HEVやPure-EVの電源装置として車内の限られたスペースに良好に搭載する効果も望むことができる。

4.その他の事項
上記実施の形態1では、絶縁スペーサ1の側部20の側面200において、連結部として凸部201a〜201fと凹部202a〜202fを併設する構成を示したが、本発明はこの構成に限定するものではなく、例えば凸部のみを備える絶縁スペーサと、凹部のみを備える絶縁スペーサを組み合わせ、互いに連結させることで組電池3を構成してもよい。

また上記連結部として凸部と凹部を嵌合させる構成に限定せず、「コ」の字型突起部を相補的に組み合わせる構成や、絶縁スペーサ側面に雌ねじを形成しておき、雄ねじを用いた螺合構造によって連結する構成の連結部としてもよい。
また絶縁スペーサ1の形状としては、六角形状以外の多角形状（四角形状、三角形状等）として構成してもよいし、円状に形成してもよい。ただし実際上、絶縁スペーサとしては、平面状の側面を有する形状である方が、連結時に面接触により高い精度で連結することができるので望ましい。

さらに絶縁スペーサの円筒部は、素電池の側面を覆うように延長して設けても良い。しかしながら、良好な冷却効果を得るためには、素電池の側面はできるだけ絶縁スペーサで覆わずに外部に露出させるのが望ましい。

本発明は、極度の高温・低温環境下でも良好に使用でき、且つ、電池特性のバラツキをなくしつつ多数の素電池を組み合わせて高出力を得ることが可能な組電池として最適である。
具体的には、本発明の組電池は、ハイブリッド電気自動車や電気自動車、作業用車両、作業用ロボット等の電源装置、またはエレベータの非常用電源装置に利用できる。

実施の形態1の絶縁スペーサの構成を示す図である。 素電池と絶縁スペーサの組図である。 素電池と絶縁スペーサの部分断面図である。 電池モジュールの構成を示す図である。 組電池の構成を示す図である。 駆動時の組電池の冷却風と内部ガスの流れを示す図である。

符号の説明

1 絶縁スペーサ
2 電池モジュール
3 組電池
10 円筒部
10A 上端部
10B 下端部
11 鍔部
20 側部
30A、30B 素電池
40 溶接リング（接続体）
51、52 モジュール端子
53 バスバー（導電部材）
200a〜200f 側面
201a〜201f 凸部
202a〜202f 凹部
203a〜203f 貫通孔
301A、301B 外装缶
302A、302B 封口体
303A、303B 缶底部（負極端子）
304A、304B 正極端子
305A、305B 排出孔
401、402 溶接突起部

Claims (5)

1. 複数の素電池が接続されてなる電池モジュールが、さらに複数にわたり併設された構成を持つ組電池であって、
   前記素電池の接続部分には素電池同士の短絡を防ぐための絶縁スペーサが配されており、
   各絶縁スペーサは、その側面において、他の電池モジュールの絶縁スペーサと連結可能な連結部を有する構成であることを特徴とする組電池。
2. 前記素電池は、一対の端面を有するとともに、各端面に端子を備えており、
   隣接する素電池同士で前記端子が電気的に接続されるように、前記一対の端面をそれぞれ対向させて複数の素電池を棒状に接続することで、前記電池モジュールが形成されることを特徴とする請求項1に記載の組電池。
3. 前記絶縁スペーサは、正六角形状に配された六面の側面を持ち、前記連結部は当該側面に配されていることを特徴とする請求項1または2に記載の組電池。
4. 前記絶縁スペーサには、当該絶縁スペーサが配された素電池と外部とが連通する貫通孔が穿孔されており、
   素電池の安全弁から排出されたガスが前記貫通孔へ誘導される構成であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の組電池。
5. さらに、前記連結部で互いに連結された絶縁スペーサ同士の貫通孔が互いに接続される構成であることを特徴とする請求項4に記載の組電池。

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