JP2008226744A

JP2008226744A - 組電池

Info

Publication number: JP2008226744A
Application number: JP2007066017A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Yoshitake; 伸介吉竹; Hitoshi Kawada; 整河田; Jo Sasaki; 丈佐々木
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2008-09-25

Abstract

【課題】組電池を構成する各電池の正負極端子と、接続基板とを接続するだけで、別途電圧測定線を電池に接続することなく、簡便に組電池の組み立てをすることができるようにする。

【解決手段】非水電解質二次電池を複数個配列した電池群と、接続桿、電圧監視装置、および、電圧均等化装置を一体化した一枚の接続基板とを接続固定した組電池。
【選択図】図２

Description

本発明は複数の非水電解質二次電池を備えた組電池に関する。

大気汚染や二酸化炭素の増加等の環境問題、あるいは石油の枯渇や価格高騰の問題等により、電気自動車、電動バイク、電動自転車、シニアカー等の電動車両の早期実用化が望まれている。また、それらの普及のために、高効率、高出力、高エネルギー密度、軽量等の特徴を有する二次電池の開発が要望されている。

これらの要求を満たす二次電池として、非水電解質を使用した二次電池が開発されている。この電池は、従来の水溶性電解液を使用した電池の数倍のエネルギー密度を有しており、また、出入力密度や寿命にも優れた特長を有するため、電動車両への搭載が期待されている。

電気自動車、電動バイク、電動自転車、シニアカー等の電動車両などに使用される非水電解質二次電池は、通常複数の電池が直列や並列に接続された組電池が使用される。その際、組電池を構成する各電池の電圧を個別に測定し、電圧に異常がある場合にはその電池への充電を停止したり、電池間の電圧差が大きい場合にはその差を小さくしたりする制御がおこなわれる場合があった。しかし、そのような場合、通常各電池から電流を取り出す配線とは別に、電圧測定用の配線を個別に接続する必要があるので、組電池の組み立てに多大な労力がかかるという問題があった。

電動車両等に用いる組電池を開発するには、性能の向上もさることながら、低コスト化や信頼性の向上も重要な開発課題となる。このためには、単電池自体の改良に加えて、組電池化する際に用いる部品の改良も重要である。後者に関して、現在までに報告されている改良例としては、例えば、特許文献１に示されるように、単電池間を接続する接続桿と電圧検出線を樹脂で一体にインサート成形した接続基板を用いる方法が提案されている。また、特許文献２に示されるように、接続桿を定位置に保持するとともに電圧検出線を配線したプリント基板を固定した接続基板も提案されている。さらには、特許文献３に示されるように、電圧検出回路と放電負荷とスイッチ制御回路とを備えた電子基板を固定した接続基板も提案されている。これらの発明は、単電池間の複雑な配線作業を簡略化することで、効率よく迅速に間違いなく組電池化することを主旨としている。しかし、これらの発明においては、電池の安全弁を接続基板側(電池蓋板部)に設けた場合には、異常発熱時や異常昇圧時に発生する高温の電解液蒸気や燃焼ガス、あるいは火炎などに接続基板がさらされるという問題点があった。さらに、接続基板に向かって噴出した高温の電解液蒸気や燃焼ガス、あるいは火炎などは、接続基板に沿って横方向に移動する。その結果、隣接する電池が、高温の電解液蒸気や燃焼ガス、あるいは火炎などにさらされることになる。結果として、被害の拡大の可能性が考えられるため、異常発熱時や異常昇圧時における信頼性の向上をはかるには、接続基板の構造変更が必要であった。
特許第3485162号公報特許第3702149号公報特開2000-14023号公報

本発明で解決しようとする課題は、非水電解質二次電池を複数個配列した電池群と、接続桿、電圧監視装置、および、電圧均等化装置を一体化した一枚の接続基板とを接続固定組電池であって、異常発熱時や異常昇圧時に発生する高温の電解液蒸気や燃焼ガス、あるいは火炎などを安全に逃がすことで信頼性を高めることにある。

本発明による第一の発明は、非水電解質二次電池を複数個配列した電池群と、接続桿、電圧監視装置、および、電圧均等化装置を一体化した一枚の接続基板とを接続固定したことを特徴とする組電池である。
本発明による第二の発明は、第一の発明の組電池において、さらに、非水電解質電池の電池ケースの、接続基板に対向する面に、非水電解質電池の内圧が上昇した際に開放する安全弁が設けられており、かつ安全弁が開放した際に噴出するガスが通過するための穴が接続基板に設けられたことを特徴とする。

本発明による第一の発明によれば、組電池を構成する各電池の正負極端子と、接続基板とを接続するだけで、別途電圧測定線を電池に接続することなく、簡便に組電池の組み立てをおこなうことができる。

本発明による第二の発明によれば、異常発熱時や異常昇圧時に発生する高温の電解液蒸気や燃焼ガス、あるいは火炎などを安全に放出するため、接続基板や隣接する電池のダメージを防ぎ、さらには車体への被害の拡大を防ぐなど、安全性や信頼性の向上も実現できる。従来の発明においては、非水電解質二次電池において異常発熱時や異常昇圧時に発生する高温の電解液蒸気や燃焼ガス、あるいは火炎などを逃がす事に触れておらず、本発明によると、接続基板にこれら噴出物を逃がす為の穴を設けることで安全性や信頼性の向上を発現できる。

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明が以下の実施の形態に限定されないことはいうまでもない。

以下に示す本発明による組電池の具体例は、正極端子、負極端子および安全弁を蓋板に設けた単電池を複数個配列した電池群と、接続桿、電池電圧検出部、温度検出部、CPU部、通信部、電圧均等化装置および、ガス排出口を一体化した一枚の接続基板とを接続固定したものである。このような構成を有する非水電解質二次電池からなる組電池は生産性に優れ、部品点数が少ないことから低コストであり、かつ、安全性・信頼性に優れており、電気自動車や携帯電話など大量普及を前提とした機器の電源として活用できる。

以下に図面を参照して本発明を説明する。

図1に接続基板の平面図を示す。

接続基板4には、ガス抜き用の為の穴41、単電池を直列接続する為の接続桿となる配線パターン42、単電池の電圧を検出する単電池電圧検出回路43、単電池の温度を検出する温度検出回路44、コントローラーと接続されるCPU45、通信部46および電圧均等化部47が設けられており、これらの部品が一体化されて一つの接続基板4が構成されている。

接続桿４２には、各電池の端子を貫通させることによって、電池と接続基板とを電気的に接続するための貫通穴421が形成してあり、貫通穴421の周りには同軸上に各銅層をつなぐ為の穴422が複数個形成してある。

図2に本発明の組電池の分解図を示す。図 2には、10個の単電池１が、上記の接続基板 4に接続されることによって、直列に接続されて組電池となる際の様子が図示されている。

組電池本体を構成する単電池1は片端に正極端子11、負極端子12および、安全弁13を有する長円筒形のものである。この図の組電池は、１０個の単電池1が下部ホルダー21と接続基板4によってモシ゛ュール化されたものである。下部ホルダー21はブロック状の、ポリプロピレン等の樹脂成型品で、単電池1を挿入する凹部が１０個形成され、単電池1の底側を保持している。組電池本体の各電池は、隣に配置される電池と正負極端子の位置が反対となるように配置される。各電池の正極端子11と負極端子12とは、接続基板４に設けられた貫通穴４２１に挿入されて、接続桿42に電気的に接続される。一端の電池を除いた９個の電池の正極端子１１は、その隣の電池の負極端子１２と、接続桿42と電気的に接続される。その接続桿42は、接続基板4内に設けられている。ナット5により単電池1の端子11,12と接続基板4とを密着、導通して、単電池1を直列に接続している。さらに、各単電池1の正極端子11および負極端子12は、接続基板４に設けられた配線パターンを介して単電池電圧検出用コネクタ48と放電負荷R1〜Rnに導通する。

単電池1と接続基板4間には絶縁と基板保護を目的とした耐熱性と弾力性を備えたゴム板6を挟み込み、下部ホルダー21と接続基板4を６ヶ所の通しボルト7により固定している。

接続基板４に設けられたガス抜き用の為の穴41は、単電池１に設けられた安全弁１３が開放された際に噴出するガスが通過する位置に設けられている。

単電池1はリチウムイオンを吸蔵放出する正極および負極がセパレータを介して積層された電極群を電池容器に収納し、電極群に非水電解液を含浸して構成されている。この非水電解質二次電池に用いられる正極、負極、セパレータおよび電解液などは、特に従来用いられてきたものと異なるところなく、通常用いられているものを使用できる。また、本発明に使用する単電池1は1つの蓋に正極端子部11と負極端子部12が取り付けてある。各組電池の最端部の単電池1は、さらに別の組電池の最端部の単電池1と直列接続され、電気自動車の動力用モータに高い電圧での給電を可能としている。

図１および２では、接続桿42は接続基板４内に設けられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、接続桿42は接続基板４上に設けられていてもよい。

以下に、接続基板上に設けられた、各部品について説明する。

先ず、電池電圧検出部43について説明する。電池電圧検出部43は、接続桿42に接続されている配線パターンから１０個の各電池電圧を入力し、電圧を保持する。

次に、温度検出部４４について説明する。温度検出部44は、電池温度を検出するため、単電池を接続する為の配線パターン上に温度センサーを配置し、温度センサーに接続する配線パターンから各部の温度を入力し、温度を検出する。

次に、CPU部４５について説明する。CPU部45は、各電池電圧、各電池温度の情報の流れを制御し各電池電圧、各電池温度の計測値をアナログ量からデジタル量に変換し処理する。

次に、通信部46について説明する。通信部46は組電池全体を監視する電池監視装置と通信を行う。

次に、電圧均等化部47について説明する。電圧均等化部47は、電池と並列に接続された抵抗R1〜Rnとスイッチ素子SW１〜SWｎから構成され、CPU部45から指定される電池に対してスイッチ素子SW１〜SWｎをオンし、指定された電池に抵抗R1〜Rnを接続し、放電することにより電池電圧を均等化する。

本実施形態の構成によれば、接続バーや信号用ハーネスが不要になるので、部品数が減りコストの低減や作業の簡略化を図ることができる。さらに、本実施形態の構成では、非水電解質電池の電池ケースの、接続基板に対向する面に、非水電解質電池の内圧が上昇した際に開放する安全弁が設けられており、かつ安全弁が開放した際に噴出するガスが通過するための穴が接続基板に設けられている。そのため、電池の異常発熱時や異常昇圧時に発生する高温の電解液蒸気や燃焼ガス、あるいは火炎などが、接続基板に設けられた穴を通り抜けることができる。その結果、接続基板がガスや火炎などにさらされるという問題が生じにくい。さらに、接続基板に向かって噴出した高温の電解液蒸気や燃焼ガス、あるいは火炎などが、接続基板によって遮られて、接続基板に沿って横方向に移動することも無い。その結果、隣接する電池が、高温の電解液蒸気や燃焼ガス、あるいは火炎などにさらされることを防止することができるため、被害の拡大を防止することができる。

以下に、本発明の実施例を、比較例とあわせて説明する。

組電池化検討の為に今回作製した単電池について以下に記す。

厚さ0.8mmのアルミニウム合金(JIS3003)板の両面にポリプロピレンフィルムを熱圧着して約100μmの絶縁層で被覆した金属板を作製した。次に、金属板を打ち抜き、絞り加工をすることで幅100mmx厚み20mmx深さ80mmの有底のケースを作製した。負極ボルト端子の上部には電解液を注液するため直径1mmの穴を開けた。ケースの開口部には巻き締め加工用のフランジを設けた。また、ケース開口部の寸法に合わせて金属板を切り出し、正極端子および負極端子を取り付けるための開口部を設けた蓋を作製した。蓋にはステンレス製の正極端子と負極端子を、それぞれ気密用の樹脂パッキンを介して取り付けた。

正極は、LiCoO₂の粉体を87重量%、導電助剤であるアセチレンブラックを5重量%、結着剤であるポリフッ化ビニリデンを8重量%混合し、これに含水量50ppm以下のN-メチル-2-ピロリドン（以下NMP）を加えてペースト状としたスラリーをアルミニウム箔上に塗布、乾燥して作製した。負極は、人造グラファイトの粉体を90重量%、結着剤であるポリフッ化ビニリデンを10重量%と混合し、これにNMPを加えてペースト状としたスラリーを銅箔上に塗布、乾燥して作製した。正負極の乾燥は、0.01torr以下の真空下150℃で12時間以上おこない、その後室温まで冷却した後にロールプレスをおこなった。次に、正極と負極とをポリエチレン製セパレータを介して捲回して電極群を構成した。

この電極群中の正極と蓋に取り付けた正極端子とを正極集電体を介して接合し、また、電極群中の負極と蓋に取り付けた負極端子とを負極集電体を介して接合することで、蓋と正負極端子と電極群を一体化した。次に、電極群をケース内に収納し、蓋とケースのフランジを重ね合わせた後に、二重巻き締めにより蓋とケースを一体化した。

負極端子に設けた貫通孔を通じて電解液を注液し、注液後、スポットＴＩＧ溶接にて注液口を封口した。電解液には、エチレンカーボネート(EC)：ジメチルカーボネート(DMC)：エチルメチルカーボネート(EMC)=3:2:5(体積比)の混合溶媒に、LiPF₆を１mol/Lとなるように溶解したものを用いた。注液後、貫通孔をアルミ合金の小片で栓をしてレーザー溶接で密閉化し、さらに溶接部に絶縁性樹脂テープを被せて電池を完成させた。

次に組電池化検討の為に今回作製した接続基板について以下に記す。

図1に今回作製した接続基板の平面図を示す。

接続基板4には、ガス抜き用の為のΦ5の穴４１を計２０箇所設けた。さらに、接続基板４には、単電池を直列接続する為の接続桿（配線パターン）42、電池電圧検出部43、温度検出部44、CPU部45、通信部46および電圧均等化部47を設けた。

接続基板４に設けられた接続桿４２は、一つの層の厚さが75μmである６層の銅層と、その銅層を挟み込むように配置された７層の樹脂層とからなっている。６層の銅層間の導通の為、単電池の端子接続用の貫通穴４２１の周囲に、各銅層を電気的に接続する為のΦ１の穴422を形成した。

実施例２として、ガス抜き用の穴を設けない接続基板を組電池化の際に使用した以外は実施例1と同様にして作製した。

以上の実施例1および２の組電池の信頼性について、組電池の安全性試験を実施して比較した。
（組電池の過充電試験）
実施例１および２の組電池を各５個づつ用いて過充電特性を測定した。測定は組電池中央付近に位置する単電池１個を電流１４Aで12Vまで定電流で充電し、その後、12Vの定電圧で充電することによって過充電試験をおこない、単電池の状態および接続基板の破損状態を観察した。試験結果を表1に示す。

表１に示す結果より、接続基板にガス抜け用の穴を設けることによって、組電池の安全性が改善されることが明らかとなった。

本発明の組電池を構成する接続基板の平面図本発明の組電池の分解図

符号の説明

１単電池
４接続基板
５ナット
６ゴム板
７ボルト
１１正極端子
１２負極端子
１３安全弁
２１下部ホルダー
４１ガス抜き用穴
４２接続桿
４２１単電池の端子接続用の貫通穴
４２２各銅層を電気的に接続する為の穴
４３電池電圧検出部
４４温度検出部
４５ CPU部
４６通信部
４７電圧均等化部
４８単電池電圧検出用コネクタ

Claims

非水電解質二次電池を複数個配列した電池群と、
接続桿、電圧監視装置、および、電圧均等化装置を一体化した一枚の接続基板とを接続固定したことを特徴とする組電池。
前記非水電解質電池の電池ケースの、前記接続基板に対向する面に、前記非水電解質電池の内圧が上昇した際に開放する安全弁が設けられており、かつ前記安全弁が開放した際に噴出するガスが通過するための穴が前記接続基板に設けられたことを特徴とする、請求項１に記載の組電池。