JP2008516406A - 交互配向の構成を有する二次電池パック - Google Patents
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Abstract
複数のカートリッジを備えた二次電池パックが開示されている。カートリッジの各々は、中に複数のユニットセルを備えている。これらのカートリッジは、隣接するカートリッジの電極端子がカートリッジが互いに電気的に接続したときに同一面上に位置しない交互配向構造で互いに積層されている。これにより、カートリッジ間を容易且つ安全に電気的に接続することができる。
Description
本発明は、交互配向構造を有する二次電池パックに関する。より詳細には、本発明は、複数のカートリッジを備え、複数のカートリッジの各々には中に複数のユニットセルが取り付けられており、且つ前記複数のカートリッジが互いに積層されているが、これらのカートリッジは、カートリッジを互いに電気的に接続するときに隣接するカートリッジの電極端子が同一面上に位置しないよう積層されており、それによりカートリッジ間が容易且つ安全に電気的に接続されることができる、二次電池パックに関する。
近年、充放電のできる二次電池が、ワイヤレスモバイル装置のエネルギー源として広く使用されている。また、二次電池は、化石燃料を用いた既存のガソリン及びディーゼル車両により生じる大気汚染等の問題を解決するために開発された電気車両及びハイブリッド電気車両用電源としてかなり注目されてきた。
小型モバイル装置は、装置ごとに、１個以上のユニットセル、例えば、３個又は４個のユニットセルを使用する。これに対して、車両等の中型又は大型装置では、高出力大容量電池を必要とすることから、複数のユニットセルを互いに電気的に接続して備えている電池パックを使用する。
一般的に、互いに直列又は並列に接続した複数のユニットセルを、カートリッジに取り付け、複数のこのようなカートリッジを、互いに電気的に接続することにより、電池パックを製造している。
図１は、中に４個のユニットセルを備えたカートリッジの典型的な構造を示す斜視図である。
図１において、カートリッジ１００は、互いに接続された一対のフレーム１２０及び１２２を備えている。ユニットセル２００及び２０１は、フレーム１２０及び１２２のセルパーティション１３０内に位置し、一方、フレーム１２０及び１２２は、互いに分離しており、且つフレーム１２０及び１２２が互いに接合された後のフレーム１２０及び１２２のセルパーティション１３０にしっかりと固定されている。ユニットセル２００は、電極リード線（図示せず）を備えており、この電極リード線は、カートリッジ１００の上部に位置するバス１４０を介して隣接するユニットセル２０１の電極リード線に電気的に接続されている。図１に示すように、ユニットセル２００及び２０１は互いに直列に接続されているが、ユニットセルは互いに並列に接続してもよい。ユニットセルは、カソード端子１５０及びアノード端子１６０に電気的に接続されている。カソード端子１５０及びアノード端子１６０は、カートリッジ１０の上端のそれぞれ対向側に突き出ている。
図２は、従来の電池パックにおけるカートリッジの電気的接続を示す代表的な図である。
図２において、複数のユニットセル（図示せず）が、図１に示すのと同様にカートリッジ１０１、１０２、１０３．．．１１０の各々に取り付けられている。カートリッジ１０１は、その上端の対向側にカソード端子１５１とアノード端子１６１とを備えている。カートリッジ１０１、１０２、１０３．．．１１０間を電気的に接続するために、第一カートリッジ１０１を第二カートリッジ１０２の上に設けるとともに、第一カートリッジ１０１と第二カートリッジ１０２を、第一カートリッジ１０１のカソード端子１５１が第二カートリッジ１０２のアノード端子１６２に隣接するように互いに対向して配置されている。カートリッジ１０１、１０２、１０３．．．１１０間の電気的接続は、バスバー１７０によりおこなわれている。バスバー１７０は、溶接によりカートリッジのそれぞれの端子に固定されている。また、第二カートリッジ１０２を第三カートリッジ１０３上に積層するとともに、第二カートリッジ１０２と第三カートリッジ１０３が、第二カートリッジ１０２のカソード端子１５２が第三カートリッジ１０３のアノード端子１６３に隣接するように互いに対向して配置されている。同様にして、他のカートリッジ１０４．．．１１０が順次積層されるとともに、カートリッジ１０４．．．１１０は互いに対向して配置されている。第一カートリッジ１０１のアノード端子１６１及び最後のカートリッジ１１０のカソード端子１５０は、電池管理システム（ＢＭＳ）（図示せず）に接続されている。カートリッジ１０１、１０２、１０３．．．１１０は互いに積層されるとともに、カートリッジ１０１、１０２、１０３．．．１１０は上記したように互いに対向するように配置されており、このようにして、互いに直列に接続された複数のユニットセルを備えた高出力電池パック３００が完成する。
しかしながら、上記した構造の電池パック３００では、２つの隣接するカートリッジ（例えば、カートリッジ１０１及び１０２）の端子１５１と端子１６２との間の接続長さが極めて小さく、隣接するカートリッジ１０１及び１０２の端子を接続するための端子接続部（第一接続部）４０１と、隣接するカートリッジ１０３及び１０４の端子を接続するための別の端子接続部（第二接続部）４０２との間の距離も極めて小さいことから、以下のような問題がある。
第一に、端子を接続するのが困難である。各カートリッジの厚さは、ユニットセルの厚さとほぼ等しい。その結果、カートリッジを互いに積層したときに、隣接するカートリッジの端子間の接続長さは極めて小さい。そのため、互いに極めて近接している端子を接続するプロセス及び隣接する端子接続部に影響することなく端子接続部を形成するプロセスは、時間がかかるだけでなく、高精度が要求されるので、電池パックの製造効率が大きく減少する。
第二に、電線を用いて端子を互いに接続すると、電池パックの構造が極めて複雑となる。さらに、電線同士を接続することがあるので、電線間の干渉が生じる。
第三に、端子接続部は、電池パックの一方の側に集中しているため、第二端子接続部を、第一端子接続部付近に形成しなければならない。その結果、感電の恐れが大きい。
上記したように、従来の電池パックはいくつかの構造的問題を有しており、したがって、これらの問題を解決する新規な構造を有する電池パックが必要とされている。
したがって、本発明の目的は、上記した従来技術の問題だけでなく、従来から必要とされていた技術的問題を実質的に解決することである。
本発明者等は、種々の実験及び研究をおこない、その結果、第一カートリッジ及び第二カートリッジを、第一カートリッジ及び第二カートリッジの電極端子間の配向角が９０度以上として互いに積層し、第二カートリッジに隣接する第三カートリッジの電極端子を、第一カートリッジの電極端子と同じ向きで配置し、同じ向きで配置した第一カートリッジ及び第三カートリッジの電極端子を互いに電気的に接続し、第二カートリッジの電極端子を第二カートリッジと同じ向きをしており且つ第三カートリッジと隣接する第四カートリッジの電極端子に電気的に接続するとき、接続端子間の接続長さ及び端子接続部間の距離が一つのカートリッジの厚さだけ増加し、端子接続部が電池パックの一方の側に集中せず、その結果、電池パックが容易に製造され、製造効率が増加し、且つ電池パックの製造中の安全が顕著に向上することを見いだした。
本発明によれば、上記及び他の目的は、複数のカートリッジを互いに積層するとともに、互いに電気的に接続して備えている電池パックであって、前記カートリッジが向きが交互に積層されており、前記カートリッジのうちの第一カートリッジに隣接している前記カートリッジのうちの第二カートリッジの電極端子が前記カートリッジの第一カートリッジの電極端子に対して９０度以上の角度で配置されており、前記カートリッジの第二カートリッジに隣接している前記カートリッジの第三カートリッジの電極端子が前記カートリッジの第一カートリッジの電極端子と同じ向きで配置されており、前記カートリッジの第一カートリッジの電極端子がそれぞれ前記カートリッジの第三カートリッジの電極端子に電気的に接続されており、前記カートリッジの第二カートリッジの電極端子がそれぞれ前記カートリッジの第四カートリッジの電極端子に電気的に接続されており、前記カートリッジの最後のカートリッジの電極端子がそれぞれ前記カートリッジの隣接するカートリッジの電極端子に電気的に接続されている、電池パックにより達成することができる。
好ましくは、前記隣接カートリッジの前記電極端子間の配向角は１８０度である。この場合、第一カートリッジ及び第二カートリッジは、第二カートリッジの前部が第一カートリッジの後部に隣接するよう互いに積層する。その結果、カートリッジを交互に１８０度の角度で容易に配向させることができる。
電池パックにおけるカートリッジの積層数は、特に限定されない。カートリッジの数は、所望の電池出力に応じて設定する。例えば、４〜２０個のカートリッジを互いに積層して電池パックを構成できる。
また、カートリッジの構造は、複数のユニットセルが各カートリッジに取り付けられるとともに、ユニットセルが互いに電気的に接続されている限りは限定されない。各カートリッジに取り付けられているユニットセルの数は、特に限定されない。各カートリッジに取り付けられるユニットセルを直列に接続してもよいし、又はユニットセルを直列に接続した後ユニットセルを並列に接続してもよい。好ましくは、ユニットセルを、互いに直列に接続する。
各カートリッジに取り付けられるユニットセルは、充放電できるセルである。好ましくは、高密度で電気を蓄積する角形セル又はポーチ形セルを、ユニットセルとして使用する。より好ましくは、ポーチ形セルをユニットセルとして使用する。
ユニットセルの各々は、カソードと、アノードと、分離膜と、電解質とを、密封セルケースに取り付けて備えている。薄膜状カソードとアノードとの間に微細な多孔質分離膜を備えている電極アセンブリを巻き付けてもよいし、又はカソード／分離膜／アノード構造のフルセル又は２セルを順次互いに積層してもよい。カソード及びアノードに適用される活物質は、特に限定されない。好ましくは、カソード活物質は、高い安全性を有するリチウムマンガン系酸化物からなり、アノード活物質は、カーボンからなる。好ましいユニットセルは、リチウムイオンセル又はリチウムイオンポリマーセルである。
前記カートリッジの電極端子間の電気的接続が、対応の電極端子に、例えば、溶接、リベット打ち又はネジ止めにより固定された導電金属バー、電線又は印刷回路板を用いてなされている。カートリッジの電極端子は、直列に電気的に接続されていてもよいし、又は前記カートリッジの電極端子を直列に電気的に接続した後に前記カートリッジの電極端子を並列に電気的に接続してもよい。好ましくは、カートリッジの電極端子は、互いに直列に電気的に接続されている。
交互配向法で積層したカートリッジの最後の一つ（ｎ番目カートリッジ）は、隣接するカートリッジ（ｎ−１番目カートリッジ）に電気的に接続されている。このようにして、異なる配向のカートリッジを互いに電気的に接続して、電池パックを完成する。
本発明の電池パックは、高出力大容量電源として使用される。好ましくは、電池パックは、電気車両又はハイブリッド電気車両の電源として使用される。
本発明の好ましい実施態様を、添付図面を参照しながら説明する。しかしながら、本発明の範囲は、これらの実施態様には限定されない。
図３は、本発明の実施態様による電池パックにおけるカートリッジの電気的接続を示す典型的な図であり、図４は図３に示す構造のカートリッジ（そのうちの一つは図１に示すものである）を積層することにより構成される電池パックを示す斜視図である。理解を容易にするために、図４に示すカートリッジは、互いに電気的に接続していない状態で示してある。
図３及び図４において、電池パック３００は、１０個のカートリッジを備えている。これらのカートリッジは、交互に１８０度配向する方法で互いに直列で接続する。すなわち、第一カートリッジ１０１の電極端子１５１及び１６１と第二カートリッジ１０２の電極端子１５２及び１６２とを反対の向きで配置する。一方、第三カートリッジ１０３の電極端子１５３及び１６３と第一カートリッジ１０１の電極端子１５１及び１６１とを、同じ向きで配置する。また、第四カートリッジ１０３の電極端子１５４及び１６４と第二カートリッジ１０２の電極端子１５２及び１６２とを、同じ向きで配置する。電極端子のこのような交互配向は、全てのカートリッジについても同じである。その結果、奇数のカートリッジ１０１、１０３、１０５、１０７及び１０９の電極端子並びに偶数のカートリッジ１０２、１０４、１０６、１０８及び１１０の電極端子を、交互１８０度配向法で配置する。
第一カートリッジ１０１のアノード端子１６１を、電池管理システム（ＢＭＳ）（図示せず）に接続する。第一カートリッジ１０１のカソード端子１５１を、バスバー１７０を介して第三カートリッジ１０３のアノード端子１６３に接続する。第三カートリッジ１０３のカソード端子１５３を、第五カートリッジ１０５のアノード端子１６５に接続する。その結果、端子間の接続長さ（例えば、端子１５１及び１６３）は、図２に示すよりも少なくとも１個のカートリッジの厚さだけ大きい。また、第一端子接続部４０１と第二端子接続部４０２との間の距離は、図２に示すのと同様に、少なくとも１個のカートリッジの厚さだけ大きい。上記したように、電極端子間の接続長さ及び端子接続部間の距離が増加する。したがって、電極端子の接続が容易になされ、接続部材間の干渉が最小となる。
第一カートリッジ１０１、第三カートリッジ１０３、第五カートリッジ１０５、第七カートリッジ１０７及び第九カートリッジ１０９を、互いに電気的に接続する。それとともに、第五カートリッジ１０９のカソード端子１５９を、第五カートリッジ１０９のカソード端子１５９とは反対の向きで配置されている第十カートリッジ１１０のアノード端子１６０に接続する。この接続は、細長い改良バスバー１７１を用いておこなう。バスバー１７１の形状は、第九カートリッジ１０９及び第十カートリッジ１１０が、このバスバー１７１により互いに電気的に接続される限りは限定されない。
第十カートリッジ１１０、第八カートリッジ１０８、第六カートリッジ１０６、第四カートリッジ１０４及び第二カートリッジ１０２の間の電気的接続は、上記と同様におこなう。最後に、第二カートリッジ１０２のカソード端子１５２を、ＢＭＳ（図示せず）に接続する。
その結果、カートリッジの端子接続部は電池パック３００の両側に分布し、したがって、電池パックを容易に製造できるとともに、感電の恐れが大きく減少する。
本発明の好ましい実施態様を説明の目的で開示したが、添付の請求の範囲に開示されている本発明の範囲及び精神から逸脱することなく種々の修正、追加及び置き換えが可能であることは、当業者には明らかであろう。
上記の記載から明らかなように、本発明による電池パックでは、隣接するカートリッジの電極端子を、交互９０度以上配向法、好ましくは交互１８０度配向法で配置するように構成する。その結果、電気的に接続した端子間の接続長さ及び端子接続部間の距離は、少なくとも１個のカートリッジの厚さ分だけ増加する。したがって、カートリッジ間の接続が容易になされるとともに、接続部材間の干渉が防止される。さらに、端子接続部が電池パックの一方の側に集中しないので、感電の恐れが顕著に減少する。
１００、１０１、１０２、１０３、１０４：カートリッジ
１２０、１２２：カートリッジフレーム
１５０、１５１、１５２、１５３、１５４：カソード端子
１６１、１６２、１６３、１６４、１６５：アノード端子
１７０、１７１：バスバー
２００、２０２：ユニットセル
３００：電池パック
４０１、４０２：端子接続部
１２０、１２２：カートリッジフレーム
１５０、１５１、１５２、１５３、１５４：カソード端子
１６１、１６２、１６３、１６４、１６５：アノード端子
１７０、１７１：バスバー
２００、２０２：ユニットセル
３００：電池パック
４０１、４０２：端子接続部
Claims (8)
- 複数のカートリッジを包含する電池パックであって、
前記複数のカートリッジが積層され、互いに電気的に接続してなり、
前記カートリッジが向きを交互にして積層されており、前記カートリッジのうちの第一カートリッジに隣接している前記カートリッジのうちの第二カートリッジの電極端子が前記カートリッジの第一カートリッジの電極端子に対して９０度以上の角度で配置されており、前記カートリッジの第二カートリッジに隣接している前記カートリッジの第三カートリッジの電極端子が前記カートリッジの第一カートリッジの電極端子と同じ向きで配置されており、
前記カートリッジの第一カートリッジの電極端子がそれぞれ前記カートリッジの第三カートリッジの電極端子に電気的に接続されており、前記カートリッジの第二カートリッジの電極端子がそれぞれ前記カートリッジの第四カートリッジの電極端子に電気的に接続されており、前記カートリッジの最後のカートリッジの電極端子がそれぞれ前記カートリッジの隣接するカートリッジの電極端子に電気的に接続されている、電池パック。 - 前記隣接カートリッジの前記電極端子間の配向角が、１８０度である、請求項１に記載の電池パック。
- 前記カートリッジの各々が、その中に取り付けられたユニットセルを備えてなり、
前記ユニットセルが四角状セル又はポーチ状セルである、請求項１に記載の電パック。 - ユニットセルは、リチウムイオンポリマーセルである、請求項３に記載の電池パック。
- 前記カートリッジの各々が、その中に取り付けられたユニットセルを備えてなり、
前記ユニットセルが直列に接続されているか、又は前記ユニットセルが直列に接続された後に、並列に接続されている、請求項１に記載の電池パック。 - 前記カートリッジの電極端子間の電気的接続が、導電金属バー、電線又は印刷回路板によりなされている、請求項１に記載の電池パック。
- 前記カートリッジの電極端子が直列に電気的に接続されているか、又は前記カートリッジの電極端子を直列に電気的に接続した後に前記カートリッジの電極端子を並列に電気的に接続されている、請求項１に記載の電池パック。
- 前記電池パックが、高出力大容量電気車両又はハイブリッド電気車両用電源として使用されるものである、請求項１に記載の電池パック。
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