JP2009105058A

JP2009105058A - 組電池

Info

Publication number: JP2009105058A
Application number: JP2009000022A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Goto; 健介後藤; Toshiaki Konuki; 利明小貫; Tsunemi Aiba; 恒美相羽
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2009-01-05
Publication date: 2009-05-14
Also published as: JP2005222703A; JP4400235B2

Abstract

【課題】効率的に組み立てることができ、かつ、安全に配線作業を行うことができる組電池を提供する。
【解決手段】組電池は、５個の平板状の単電池３が垂直方向に積層され、各単電池３が電気的に接続されている。単電池３の正負極両端子の先端はクランク状に屈曲されて互いに一側に配設されており、垂直方向に隣接配置される別の単電池３の一方の端子と位置合わせされ、電気的に接続されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、組電池に係り、特に、平板状の単電池が垂直方向に積層され互いに電気的に接続された組電池に関する。

近年、二次電池を用いた電源装置の小型化、軽量化を達成するために、例えば、ラミネートフィルム等の絶縁シートで発電部を包み込んだ平板状単電池が開発されている（例えば、特許文献１参照）。このような平板状単電池は、電源装置全体のエネルギー密度を高めるために、複数個を垂直方向に積層して組電池として構成される場合がある。この種の組電池では、平板状単電池間に板状の接続ブスバ（導体）を斜めに配置して、平板状単電池を電気的に直列接続している。また、組電池の両端には外部出力端子が接続されており、この外部出力端子の部分を除き、組電池全体を包持する電気絶縁樹脂製外装ケースないし熱収縮シュリンクチューブで被覆され、組電池外部から電気的に絶縁されている。更に、平板状単電池を積層した組電池も開発されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第３３６３９１０号特開２００３−１７１１２号公報

しかしながら、上記平板状単電池は、発電部がフィルムで包み込まれているため、その形態は柔く（変形し易く）不安定であり、組電池として、不安定な形態の平板状単電池を積層した場合にその固定が困難である。また、電気的な接続を行う際、同一方向に同極端子が配置されている場合に、積層された平板状単電池同士を直列に接続するときには、絶縁物で挟み込んだ金属板を斜め方向に配置する必要があるため、接続作業が煩雑である。特に、リチウム二次電池は、過充電・過放電を防止するために、各単電池の電圧を全て測定する必要があるので、配線作業が相当煩雑で、単電池間を接続する全接続ブスバが露出し、かつ、密集している状態では、組立ないし接続作業の危険を避けるために、作業効率が低下する、という問題がある。

本発明は上記事案に鑑み、効率的に組み立てることができ、かつ、安全に配線作業を行うことができる組電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、平板状の単電池が垂直方向に積層され互いに電気的に接続された組電池であって、前記単電池の正負極両端子の先端がクランク状に屈曲されて互いに一側に配設されており、垂直方向に隣接配置される別の単電池の一方の端子と位置合わせされ、電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明では、組電池を構成する各単電池の正負極両端子が互いに一側に配設されている訳であるが、正負極端子の先端がクランク状に屈曲されているため、単電池同士を接続する際に、各単電池から正負極端子が伸びているため接続距離が短くなると共に、垂直方向に隣接配置される別の単電池の端子と接続され組電池を構成する場合に端子間距離が広くとれるため、作業空間が大きくなり接続作業が容易に行え、且つ、その安全性が向上する。

本発明において、積層された単電池間に、該単電池を位置決め保持する枠体を備えるようにすれば、平板状の単電池がフィルムで密閉されその形態が柔く不安定であっても、組電池として積層した場合に、枠体で各単電池間の位置決めと固定とを行うことができるので、組電池として安定した固定が可能となり、作業性を向上させることができる。この場合に、枠体が、単電池の外周側面の形状に対応した内部形状を有するようにすれば、単電池を側面から保持し単電池の平面部同士の接触を確保することができると共に、単電池自体の形態が不安定であっても、組電池の作業前に枠体を積層することで単電池を積層することができるので、組電池の組立作業性の効率を向上させることができ、組電池の寸法を一定とすることが可能となる。また、積層された単電池のうち端に位置する単電池の両外側に、該単電池を位置決め保持し、且つ、外部出力端子が取り付けられた外枠を備えるようにすれば、組電池の上下方向を固定でき、組電池の寸法を一定とすることができると共に、組電池の外部出力端子への接続作業が簡素化され、組電池の組立及び接続作業を効率的に行うことができる。

本発明によれば、正負極端子の先端がクランク状に屈曲されているため、単電池同士を接続する際に、各単電池から正負極端子が伸びているため接続距離が短くなると共に、垂直方向に隣接配置される別の単電池の端子と接続され組電池を構成する場合に端子間距離が広くとれるため、作業空間が大きくなり接続作業が容易に行え、且つ、その安全性が向上する、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る組電池及び組電池間の接続構造の実施の形態について説明する。

（構成）
図２に示すように、本実施形態の組電池１は、全体として、単電池３を、枠体２を介して積層した構造を有しており、図１に示すように、積層された５個の単電池３、４個の枠体２、２個の外枠５、水平ブスバ１３ａ及び垂直ブスバ１３ａで構成される一組のブスバ１３、図示を省略した四角ナット、並びに、１個の配線シート６の６種の部品で構成されている。

単電池３には、例えば、正極活物質にマンガン酸リチウム等を主要構成材料とし、負極活物質にグラファイト粉末等を主要構成材料としたリチウム二次電池が用いられている。また、単電池３は、端子を有する電極群を、例えば、ポリアミド樹脂層、アルミニウム箔層、ポリエチレン樹脂層等からなる多層膜で覆い、電解液を注液後、多層膜全周囲を熱エネルギーで溶着・密閉した平板状の形状を有している。このため、単電池３の側面には、多層膜の溶着部を境に上下方向にそれぞれ傾斜が形成されている。

図２に示すように、単電池３の一側からは、段差を形成するようにクランク状に屈曲した端子４が導出されている。垂直方向に隣接して積層（配置）される単電池３間では、同一極性の端子同士が同一方向にクランク状に屈曲しており、正負極の配置が逆となっている。つまり、図２に示す上側の単電池３の正負極の端子の配置と下側の単電池３の正負極の端子の配置とが図２に示す左右方向で逆となっている。従って、本実施形態の組電池１では、厳密に云えば、端子４の屈曲方向で異なる２種類の単電池３が用いられている。図１（図４も参照）に示すように、これらの端子４は、垂直方向に隣接して積層される別の単電池３の一方の端子４と位置合わせされており、例えば、超音波溶接等により電気的に接続されている。なお、端子４は、正極にはアルミニウム製板材が用いられ、負極には銅製板材が用いられている。

枠体２は、樹脂製部材で構成されている。枠体２の内部には、単電池３側面の形状に対応する傾斜部が形成されており、この傾斜部に接着剤を塗布した後、単電池３が挿入されることで、枠体２を介して、多層膜で（外形）形状が変形しやすい単電池３を固定する構造が採られている。

枠体２は、単電池３の端子４が位置する箇所に、それぞれ窪み突設部７を有している。窪み突設部７は、高さ方向（図２の上下方向）の上下両側で、枠体２の上下面に対し僅かに低い窪み７ａを形成している。また、図３に示すように、窪み突出部７は、単電池３の端子４を支えるために、枠体２の側面から僅かに突出している。

図４に示すように、組電池１では、同一形状の２つの外枠５が上下方向を逆さまにして用いられている。外枠５は、単電池３の端子４が位置する箇所に僅かに段差を形成した端子部窪み１０を有している。図４及び図５に示すように、外枠５の一側（単電池３の端子４が配置される側）には、略中央部が配線シート６を挿入するためのスリットとして矩形状に切り欠かれた延出部１２が形成されている。外枠５の延出部１２には、図示を省略した四角ナットを収容するためのナット挿入窪み８、ブスバ１３（水平ブスバ１３ａ、垂直ブスバ１３ｂ）を仮固定するためのブスバ用ツメ１１、ブスバ１３と単電池３の端子４とを溶接するための溶接用通し穴９が形成されている。

図１及び図６に示すように、上側に配置される外枠５のツメ１１には、板状で先端部を僅かに下方にクランクさせた水平ブスバ１３ａの後端部が挿入されている。この状態（ツメ１１に水平ブスバ１３ａの後端部が挿入された状態）で、水平ブスバ１３ａの後端部は、溶接用通り穴９の部分を除き、上方が外枠５の延出部１２で覆われており、水平ブスバ１３ａの先端部は露出した状態で単電池３の端子４が配置された方向と交差する方向（側面方向）に組電池１から突出している。また、上側及び下側に配置された外枠５のツメ１１には、板状で垂直方向に伸び断面コ字状の垂直ブスバ１３ｂの両端部が挿入されている。垂直ブスバ１３ｂが挿入された状態で、垂直ブスバ１３ｂの上方の端面は露出している。なお、水平ブスバ１３ａの先端部側及び垂直ブスバ１３ｂの上方の端部には、ボルト締結用の円形穴が形成されている。

また、ツメ１１に水平ブスバ１３ａ及び垂直ブスバ１３ｂが挿入された状態で、垂直ブスバ１３ｂの上面（上方の端部の端面）の高さ位置が、水平ブスバ１３ａの先端部の背面の高さ位置と同一ないし僅かに下方の高さ位置となるように、外枠５の延出部１２にツメ１１が形成されている。

図１及び図６に示すように、配線シート６は、単電池３の端子４間の略中央に配置され、金属線を所定のパターンで配設し樹脂シートで固定したもので、一方の端部が夫々単電池３の端子４同士の接続位置に当たる箇所まで延出され電気的に接続されており、他方の端部はコネクタに接続されている。

図７に示すように、組電池１同士は、一の組電池１の垂直ブスバ１３ｂに対して、隣接する別の組電池１の水平ブスバ１３ａが重なるように配置され、水平ブスバ１３ａの先端部及び垂直ブスバ１３ｂの上方の端部に形成されたボルト締結用の円形穴を介して、上側の外枠５のナット挿入窪み８に予め挿入され図示を省略した四角ナットとの間で、ボルト１４で締結される接続構造を有している。

（組立）
次に、本実施形態の組電池１の組立手順及び組電池１同士の接続手順について説明する。

まず、図４に示すように、枠体２を介して単電池３を接着固定して積層させる。このとき、外枠５をベースとして、そこに単電池３を積層するようにしてもよい。組立作業性から考えると、この作業の方が安全で簡易であろうと考えられる。次に、外枠５で、枠体２で固定された単電池３を、上下から挟みこむ形で固定する。その後、接触している端子４同士を電気的に接続する。これにより、組電池１を構成する５個の単電池３は、直列接続される。この接続には、リベット等による機械的な接続、スポット溶接やレーザ溶接等の溶融させる溶接等、接続方法はいろいろとありうるが、本実施形態では超音波溶接を用いて端子４間の接続を行った。

図６に示すように、外枠５で上下方向から挟み込んだ状態で、配線シート６を上方の外枠５に載せ上述したスリットから押し込んで配置する。このとき、配線シート６のコネクタ部に両面テープを用いて仮固定すると、より作業性が向上する。次いで、この配線シート６の端部と単電池３の端子４（ないし端子同士の接続位置）とを接続する。配線シート６の機能は、各単電池３の電圧検出のみのため、本実施形態ではハンダによる接続を行った。すなわち、単電池３間の接続が超音波溶接で行われているため、更に超音波溶接を行うと切れやクラック発生のおそれがあり、レーザ等で溶融させる方式でも接続箇所を傷めるおそれがあるため、ハンダによる接続が最も簡易で安全であると判断した。

配線シート６を単電池３間に接続した後、組電池１に水平ブスバ１３ａ、垂直ブスバ１３ｂの夫々を接続する。これらのブスバ１３の接続は、図５に示すツメ１１に横からスライドさせるように挿入する。ここで、垂直ブスバ１３ｂを挿入する前に、上方に配置される外枠５の延出部１２に形成されたナット挿入窪み８に四角ナットを予め挿入しておく。ブスバ１３挿入後、外枠５の延出部１２に形成された通し穴９を介して、ブスバ１３と単電池３の端子４（最低電位側及び最高電位側の端子）とを超音波溶接して電気的に接続する。これら、一連の作業にて組電池１が完成する。

次いで、図７に示すように、完成した組電池１同士を接続する。この接続では、一の組電池１の垂直ブスバ１３ｂに対して、隣接する別の組電池１の水平ブスバ１３ａが重なるように配置し、水平ブスバ１３ａの先端部及び垂直ブスバ１３ｂの上方の端部に形成されたボルト締結用の円形穴を介して、上側の外枠５のナット挿入窪み８に予め挿入された四角ナットとの間で、ボルト１４で締結する。

（作用等）
次に、本実施形態の組電池１及びその接続構造の作用等について説明する。

本実施形態の組電池１は、平板状の単電池３が複数個垂直方向に積層されており、水平ブスバ１３ａの先端部は、組電池１の側面から突出している。このため、組電池１から突出した水平ブスバ１３ａを基準とすることで、組電池１の配置・接続がし易く、組み立て作業が容易になる。また、本実施形態の組電池１は、外部出力端子として正極、負極のいずれか一方が側面部から突出しており、他方の極は組電池１の上部で露出している。つまり、組電池１間の接続で、組電池１を配置するときに突設した水平ブスバ１３ａの先端部が、隣接する別の組電池１の露出した垂直ブスバ１３ｂの上面に位置合わせされ、夫々が重なるように設置されている。従って、組電池１の配置によって、外部出力端子（ブスバ１３）間は重なり簡易的な電気的接続が可能となり、接続作業が容易かつ安全となる。

また、本実施形態の組電池１は、組電池１の側面から突出している水平ブスバ１３ａの先端部が、隣接する別の組電池１の垂直ブスバ１３ｂと重なるように位置合わせされるが、この位置合わせのとき、突出した水平ブスバ１３ａの先端部の高さ位置に対して、隣接する別の組電池１の垂直ブスバ１３ｂの高さ位置が同一又は僅かに下方の高さ位置となるように設定されているので、夫々のブスバ１３が抵抗なく重なる構造を有している。従って、組電池１の配置によって、外部出力端子間は必然的に重なって簡易的な電気的接続が可能となり、作業上極めて容易になる。

更に、本実施形態の組電池１では、クランク状に屈曲した端子４を有する平板状単電池３を積層させた組電池構造を採用しているが、両極の端子４がクランク状の形状を有していることから、単電池３同士を接続する際に、互いの単電池３から端子４が伸びているため接続距離が短くなると共に、組電池１を構成したときの端子４間の距離が広くとれて、作業空間が大きくなるため、接続作業が容易に行え、且つ、その安全性が向上する。

また、平板状単電池を積層する際、フィルム（樹脂層）で密封された単電池を用いる場合には、その形態は柔く不安定であり、そのような不安定な形態で積層して組電池を構成すると、組電池の固定が困難となる。本実施形態の組電池１では、樹脂層で密閉された単電池１を用いているが、組電池１を構成する単電池３を位置決め保持する枠体２を各単電池３間に配置することで、組電池１を構成する各単電池３の安定した固定状態の確保、ひいては、組電池１自体の安定した固定状態の確保が可能となり、組電池１の組立作業性を向上させることができる。

更に、フィルムで密閉された単電池を用いる場合には、夫々の単電池は柔く不安定な形態であるため、その寸法精度を求めることは困難であり、また、そのような平板状単電池を積層する場合に、各平板状単電池間の固定部は平面部のみであって、単電池の保持としての機能的には不十分である。本実施形態の組電池１では、枠体２が、単電池３の外周側面の形状に対応した内部形状を有しているため、単電池３を側面からも保持し、単電池３の平面部同士の接触をより確実にした固定が可能となる。このため、本実施形態の組電池１の組立作業では、組電池１の作業前に枠体２に単電池３を挿入する形態となり、単電池３を単独で積層するというよりも枠体２を積み重ねるといった作業に近くなるため、組電池１の組立作業性の向上と、組電池１の寸法精度の向上を図ることができる。

また、本実施形態の組電池１は、予め外部出力端子（ブスバ１３）が配設可能な外枠５で、積層された単電池３の両端を挟み込む形態を採用している。単電池３自体は不安定な形態であり、それを積層させたときその固定が困難であると同時に外部出力端子への接続も困難である。このため、本実施形態の組電池１では、外枠５を組電池１の外装としても機能させ、水平ブスバ１３ａ、垂直ブスバ１３ｂを延出部１２のツメ１１に挿入して仮固定することで外部出力端子を外枠５と一体とし、単電池３の端子４（最低電位側及び最高電位側の端子）と溶接することで電気的接続及び機械的固定をする構成を採用し、組電池１の組立及び接続作業性の向上を図った。

更に、本実施形態の組電池１では、組電池１を構成する単電池３の個数を変える場合でも、垂直ブスバ１３ｂの長さと、配線シート６の形状とを変えることによって、その対応を図ることができるため、組電池１の構成単電池数を変化させる場合に特に有効な構造と云うことができる。また、高性能２次電池であるリチウム電池は、各単電池の電圧を全て測定する必要から配線作業が煩雑で、単電池を接続している全接続ブスバが露出し、密集している状態では、作業が危険でもあり効率が悪いといった問題点があったが、本実施形態の組電池１のように、枠体２を用いて単電池３の端子４を支持し、配線シート６にて接続することによって、組立作業の簡素化のみならず、作業時の安全性を確保することができる。

また更に、本実施形態の組電池１では、窪み突設部７が、高さ方向の上下両側で、枠体２の面に対し僅かに低い窪み７ａを形成している。このため、端子４で多層膜の溶着部に形成された盛り上がり箇所による枠体２と単電池３とのガタツキを避けることができる（端子部窪み１０も同じ。）。また、窪み突出部７は、枠体２の側面から僅かに突出しているため、単電池３の端子４を支え、その遊動を防ぐことができる。更に、枠体２を使うことで、樹脂層で密閉された柔く不安定な単電池を固定することが容易となり、且つ、機械化する際チャックし易く、位置決めが容易となり、その作業性が向上する。また、電気的な接続を行う際、同一方向に同極端子が配置されている場合に、直列接続するときには、絶縁物で挟み込んだ金属板を斜め方向に配置する必要があり、作業が極めて困難であったが、本実施形態の組電池１では、単電池３の端子４をクランクさせ、それを枠体２の窪み突設部７で支持することで、端子４への負荷を減らす（端子４の金属疲労を減少させる）ことができる。

また、本実施形態の組電池１では、露出した垂直ブスバ１３ｂの上面及び水平ブスバ１３ａの先端部を外枠５の上面より下方に設定することによって、組電池１が完成した段階で、例えば、スパナ等の金属工具や金属材料を上方から落下させた場合でも、短絡などの被害を最小限に抑えることができる。更に、本実施形態の組電池１の接続構造では、図示を省略した四角ナットを挿入するナット挿入窪み８を外枠５の上面よりも下方に設定すると共に、ボルト締結後のボルト１４の頭が外枠５よりも下方に設定しているので、複数の組電池１を接続した状態でも、金属工具や金属材料を上方から落下させた場合の短絡などの被害を最小限に抑えることができる。

なお、本実施形態では、単電池３を直列接続した組電池１を例示したが、本発明はこれに限らず、単電池３を並列接続ないし直並列接続して組電池１を構成するようにしてもよい。また、組電池１の接続構造においても、直列接続に限らず、並列接続をするようにしてもよい。また、本実施形態では、延出部１２の端部にツメ１１を対で形成した例を示したが、ツメ１１を成形性の問題からアーチ型にしたり、複数個の対を形成しても同様の仮固定の効果が得られる。

本発明は、効率的に組み立てることでき、かつ、安全に配線作業を行うことができる組電池を提供するものであるため、組電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態の組電池の外観斜視図である。実施形態の組電池を構成する単電池及び枠体の分解斜視図である。枠体を介して固定された単電池の外観斜視図である。積層された単電池及び外枠の分解斜視図である。外枠の延出部の拡大斜視図である。ブスバ挿入時の組電池の外観斜視図である。組電池間の接続形態の外観斜視図である。

１組電池
２枠体
３単電池
４端子
５外枠
６配線シート
７窪み突設部
８ナット挿入窪み
９溶接用通し穴
１０端子部窪み
１１ブスバ用ツメ
１２延出部
１３ａ水平ブスバ（外部出力端子の一部）
１３ｂ垂直ブスバ（外部出力端子の一部）
１４ボルト

Claims

平板状の単電池が垂直方向に積層され互いに電気的に接続された組電池であって、前記単電池の正負極両端子の先端がクランク状に屈曲されて互いに一側に配設されており、垂直方向に隣接配置される別の単電池の一方の端子と位置合わせされ、電気的に接続されていることを特徴とする組電池。
前記積層された単電池間に、該単電池を位置決め保持する枠体を備えたことを特徴とする請求項１に記載の組電池。
前記枠体は、前記単電池の外周側面の形状に対応した内部形状を有していることを特徴とする請求項２に記載の組電池。
前記積層された単電池のうち端に位置する単電池の両外側に、該単電池を位置決め保持し、且つ、外部出力端子が取り付けられた外枠を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の組電池。