JP2013131453A - 電池パック及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池からのガスの噴出方向を制御して電池パック全体を安全な状態に保つことができる電池パックを提供する。
【解決手段】複数の二次電池１００が配列されて樹脂製ホルダ２２に収納された電池パックであって、二次電池は、二次電池内で発生するガスを電池外に排出するガス排出部を有しており、それぞれの二次電池は、金属パイプ２９に挿入されており、ガス排出部は、金属パイプの開口部から外側へ向いており、金属パイプは樹脂製ホルダに保持されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電池パック及びその製造方法に関し、特に複数の二次電池が配列されて樹脂製ホルダに収納された電池パック及びその製造方法に関するものである。

電動アシスト自転車や電動バイク、耕運機、掃除機、電動工具などの可搬電源として使用される電池パックは、充電可能な複数の二次電池を配列させて、直列や並列に接続しているものが多い。このような電池パックは、複数の二次電池を直列に接続して出力電圧を高くし、直列接続した二次電池の列をさらに並列に接続して出力電流を大きくしている。このようにして高い出力を確保するとともに容量を大きくして１回の充電で長時間の運転や駆動が可能になるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

上述の電池パックに用いられる二次電池としては、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等を挙げることができる。ニッケルカドミウム電池はカドミウムが有毒であることなどから、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池への転換が進んでいる。現存する二次電池の中でも、特にリチウムイオン二次電池は高エネルギー密度化に適しており、現在でもその開発が盛んに進められている。

しかし、二次電池のエネルギー密度が高くなることで、過充電や内部短絡が生じた場合に、電池内部の温度が大きく上昇し、電解液の自己分解反応も促進され電池内部でガスが発生することから、電池内圧が急上昇し、電池外部へガスが噴出すると共に爆発するおそれがある。このようなおそれに対処するために、二次電池には安全弁を設けて電池内圧が所定の圧力以上になったら、ガスを安全弁から電池の外部へ安全に排出することが検討されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１１−４９０１１号公報 特開２０１０−２５０９７０号公報

しかしながら、二次電池のエネルギー密度が高くなれば高くなるほどガスの発生や温度の上昇が急激に起こるようになり、ガス発生の箇所が安全弁から遠くに位置する場合に、ガス発生箇所に近い電池ケースが破損してそこからガスが噴出するおそれが出てきた。このような場合、特許文献１に開示されている電池パックでは、ガス噴出に対する対策が取られていないため、噴出した高温のガスが隣の電池を熱し、それにより隣の電池の内圧も上昇させてガス噴出を誘発させてしまうおそれがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電池からのガスの噴出方向を制御して電池パック全体を安全な状態に保つことができる電池パックを提供することにある。

本発明の電池パックは、複数の二次電池が配列されて樹脂製ホルダに収納された電池パックであって、前記二次電池は、前記二次電池内で発生するガスを電池外に排出するガス排出部を有しており、それぞれの前記二次電池は、金属パイプに挿入されており、前記ガス排出部は、前記金属パイプの開口部から外側へ向いており、前記金属パイプは前記樹脂製ホルダに保持されている構造を備えている。

前記二次電池が複数並んだ列が複数並べられて配置されていてもよい。

前記二次電池は柱状の電池であって、前記二次電池の側面は前記金属パイプに覆われており、それぞれの前記二次電池は互いに略平行に並べられて前記ホルダによって保持されていてもよい。

前記二次電池と前記ホルダは、プラスチック製のケースに納められており、前記二次電池の上面側及び下面側と前記ケースとの間には金属製の部材が配置されていてもよい。前記金属製の部材は板状の部材であって、一方の面が前記二次電池の上面側及び下面側に面しており、他方の面が前記ケースに面していることが好ましい。ここで二次電池の上面とは、柱状である二次電池の上面のことであり、二次電池の下面とは柱状である二次電池の底面のことである。なお、一般的には柱状の電池において上面と下面とは、突出した端子が存しているのが上面であり、その反対側の面が下面であるという見分け方で区別される。

前二次電池は、１８６５０型であって電池容量が２．９Ａｈ以上であることが好ましい。

本発明の電池パックの製造方法は、複数の二次電池をそれぞれ金属パイプに挿入する工程と、樹脂製ホルダに、前記金属パイプに挿入された複数の前記二次電池を配列させて収納する工程とを含み、前記二次電池は、前記二次電池内で発生するガスを電池外に排出するガス排出部を有しており、前記ガス排出部は、前記金属パイプの開口部から外側へ向いている。

本発明の電池パックの別の製造方法は、樹脂製ホルダに、複数の金属パイプを配列させて収納する収納工程と、前記収納工程の後に、複数の二次電池をそれぞれ前記金属パイプに挿入する工程とを含み、前記二次電池は、前記二次電池内で発生するガスを電池外に排出するガス排出部を有しており、前記ガス排出部は、前記金属パイプの開口部から外側へ向いている。

本発明の電池パックでは、二次電池が金属パイプに挿入されて配列されているので、二次電池からガスが排出される場合は金属パイプの開口方向にのみ排出され、樹脂製ホルダにガスが影響を与えることを防止できる。

実施形態に係る電池パックの斜視図である。 実施形態に係る電池パックの内部構造を示す分解図である。 実施形態に係る電池の模式的は断面図である。

本発明の実施形態を説明する前に、本願発明に至った経緯について説明を行う。

特許文献１に開示された電池パックについては安全に関する記載がないため、本願発明者はこの電池パックに対して安全性に関して検討を行った。

特許文献１に記載されている電池は、市場の動向から、安全性は高いが電池容量が小さいＮｉ・Ｍｎ・Ｃｏを含む三元系と呼ばれる正極活物質が用いられていると考えられる。この正極活物質を用いた電池では、特許文献２に記載された安全弁を備えていれば、内部短絡が生じてもガスの温度は比較的低温であって、ほとんどの場合正極端子側に設けられた安全弁からのみこのガスが外部に出ていく。しかしながら、三元系の活物質を使用した電池は、例えば１８６５０のサイズでは２Ａｈ程度の比較的低容量の電池である。より高容量の電池としては、例えば、正極活物質にニッケル系の活物質を使用した電池がある。この電池は１８６５０のサイズで２．９Ａｈ以上という高い容量を有している。この高容量の電池では、もし内部短絡が生じると高温のガスが短時間で発生し、電池缶と呼ばれる外装の金属ケースの、ガス発生場所に近い側面部分が裂けてそこからガスが噴出してしまうおそれがあることが判明した。

上述のようなガス噴出が生じる場合、一つの電池において内部短絡が生じるケースを考えたところ、電池側面から高温のガスが噴出するとこのガスは樹脂製の電池ホルダを溶かして穴を開け、隣の電池に吹きかかってしまうと考えられた。これにより隣の電池内で電解液が分解したりセパレータが溶融したりして、電池内部圧力が急上昇し、この電池からもガスが噴出してしまうおそれがあると考えられ、次々に隣の電池にガス噴出が連鎖的に生じるおそれがあると考えられた。本願発明者は、この安全上の課題を解決するため種々の検討を行い、本願発明を想到するに至った。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。

（実施形態１）
実施形態１に係る電池パックは、主として電動アシスト自転車に装着されて、自転車をこぐ力をアシストするモーターに電力を供給する。特に本実施形態の電池パックは、多数の電池を多段多列に配置して容量を大きくし出力を大きくしているので、電動車両、耕運機、掃除機のように高出力な用途に最適である。従って本実施形態の電池パックは、電動バイク、アシスト自転車、電動車椅子、電動三輪車、電動カート等の電動車両用の電源や、耕運機、掃除機等の電源として最適である。以下、電動アシスト自転車に使用される電池パックを実施例として詳述するが、本発明は電池パックの用途を電動アシスト自転車に特定するものではない。

図１に示す電池パック２００は、複数の二次電池がプラスチック製のケース２３の中に収容されているものである。ケース２３は、上側ケース２３ａと下側ケース２３ｂとから構成されており、両者を係止構造で連結してさらにねじ止めして固定している。ただし上側ケース２３ａと下側ケース２３ｂとを固定するには、ねじ止め、接着剤による接着等どのような固定方法を用いて行ってもよい。

電池パック２００の内部構造を、図２に示す。本実施形態の電池パック２００では、複数の電池（二次電池）１００を多段多列に配置して電池ホルダ２２に収納してパック本体としている。そして、このパック本体が電池ケース２３に収納されている。電池ホルダ２２は二つのホルダユニット２２ａ，２２ａからなっている。さらに電池パック２００は、電池１００にリード板２４を介して接続している回路基板２５を備え、この回路基板２５を電池ホルダ２２の定位置に配置している。リード板２４の外側には絶縁部材２６が配置され、絶縁部材２６の外側には金属製の部材である保護板２７が配置されている。

電池１００は複数回充放電が可能である二次電池であって、ここではリチウムイオン二次電池である。ただし、電池１００を、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池とすることもできる。さらに、本実施形態では電池１００を円筒型電池としているが、角型電池とすることもできる。

図３は、本実施形態における電池１００の構成を模式的に示した断面図である。本実施形態の電池１００は、上述の通り円筒形のリチウムイオン二次電池であり、このリチウムイオン二次電池は、通常の構成をなすもので、内部短絡等の発生により電池内の圧力が上昇したとき、ガスを電池外に放出する安全機構を備えている。以下、図３を参照しながら、電池１００の具体的な構成を説明する。

図３に示すように、正極２と負極１とがセパレータ３を介して捲回された電極群４が、非水電解液とともに、電池ケース７に収容されている。電極群４の上下には、絶縁板９、１０が配され、正極２は、正極リード５を介してフィルタ１２に接合され、負極１は、負極リード６を介して負極端子を兼ねる電池ケース７の底部に接合されている。

フィルタ１２は、インナーキャップ１３に接続され、インナーキャップ１３の突起部は、金属製の弁板１４に接合されている。さらに、弁板１４は、正極端子を兼ねる端子板８に接続されている。そして、端子板８、弁板１４、インナーキャップ１３、及びフィルタ１２が一体となって、ガスケット１１を介して、電池ケース７の開口部を封口している。

電池１００に内部短絡等が発生して、電池１００内の圧力が上昇すると、弁体１４が端子板８に向かって膨れ、インナーキャップ１３と弁体１４との接合がはずれると、電流経路が遮断される。さらに素電池１００内の圧力が上昇すると、弁体１４が破断する。これによって、電池１００内に発生したガスは、フィルタ１２の貫通孔１２ａ、インナーキャップ１３の貫通孔１３ａ、弁体１４の裂け目、そして、端子板８の開放部（ガス排出部）８ａを介して、円筒の中心軸に沿って外部へと排出される。

なお、電池１００内に発生したガスを外部に排出する安全機構は、図３に示した構造に限定されず、他の構造のものであってもよい。

電池１００はそれぞれ円筒形である金属パイプ２９に挿入されて、円筒形の電池１００の側面の全面が金属パイプ２９により覆われている。電池１００の円筒形状の一方の端面に設けられているガス排出部である開放部８ａは、金属パイプ２９の開口部から金属パイプ２９の外方へ向いて設けられている。本実施形態では金属パイプ２９は鉄からなっている。

図２に示すようにパック本体では、各々の電池１００を平行な姿勢で多段多列に配置して、各々の電池１００の端面を同一面に位置させるように電池ホルダ２２によって金属パイプ２９とともに定位置に保持している。電池１００の端面（円柱の上面、下面）には電極端子が形成されている。本実施形態では複数の電池１００を互いに平行にして１段に１０本を並べて、これを６段に配置して全体で６０本の電池１００を配列しているので、電池１００は６段１０列に配置されている。各段では、電池１００の同一面に並んだ端面において、隣同士が異なる極の電極端子が位置するように並べられている。

また本実施形態においては、上下に隣接する電池１００を互いに谷間に配置して、各列の電池１００をジグザグ状に配置している。本実施形態では、電池１００を６段１０列に配置しているが、本発明は、電池パック２００が備える電池の本数や配列を図に示すものに特定するものではない。

複数の電池１００は、端面にリード板２４を溶着して、互いに直列と並列とに接続されている。リード板２４は、同じ段の電池１００を直列に接続して、ジグザグ状に配置している同列の電池１００を並列に接続している。リード板２４は金属板で、電池１００の端部電極に溶接されている。同列の電池１００をジグザグ状に配置するので、リード板２４の溶接部分もジグザグ状に配置している。電池パック２００は、直列接続する電池１００の数で出力電圧を調整でき、また、並列接続する電池１００の数で出力電流を調整できる。本実施形態の電池パック２００は、１０本の電池１００を直列に接続するので、出力電圧は電池電圧の１０倍となる。したがって、定格電圧を３．７Ｖとするリチウムイオン電池を使用する電池パック２００の出力電圧は３７Ｖとなる。

リード板２４の外側（電池１００とは反対側）にはシート状の絶縁部材２６が配置されている。さらにその外側には保護板２７が置かれており、絶縁部材２６はリード板２４と保護板２７との間に電気的導通が生じないようにするために配置されている。なお、保護板２７の一方の面は絶縁部材２６側に面しており、他方の面はケース２３の内面に面している。

電池ホルダ２２を構成しているホルダユニット２２ａにおいては、電池１００を挿入して定位置に配置する挿入部が隔壁によって区画されて設けられている。電池１００と隔壁との間には、金属パイプ２９が介在している。このホルダユニット２２ａは、絶縁材のプラスチックを成形して製作される。本実施形態においては６０本の電池１００を備えるので、ホルダユニット２２ａは６０個の挿入部を隔壁によって区画して設ける形状として、全体をプラスチックで一体的に成形されている。挿入部は、ここに挿入される電池１００の端部電極を外部に露出できるように、その両端を開口させている。

本実施形態の電池１００は金属パイプ２９に挿入されて側面を金属パイプ２９に覆われている。従って、万が一いずれかの電池１００において内部短絡が発生して、電池１００の側面から高温のガスが噴き出したとしても、そのガスは金属パイプ２９によって行く手が遮られて、ホルダユニット２２ａの方には行かない。ガスは金属パイプ２９の内面に沿って金属パイプ２９の開口部から噴き出す。この噴き出し先には金属製の保護板２７が配置されており、ガスがケース２３に噴出して直接当たってしまうことを防止している。ガスは、この後ケース２３内に拡散して温度が下がり、ケース２３等のプラスチック製の部材に接触しても穴を開けたり変形させたりすることは生じない。

このように電池１００が金属パイプ２９に挿入されているので、一つの電池１００から万が一高温のガスが噴出したとしても、隣に存する電池１００にそのガスが直接接触することはない。従って一つの電池１００から万が一高温のガスが噴出したとしても、その隣の電池１００は比較的低温に保たれて、内部短絡等の異常は生じない。

また、電池１００内部の異常によって発生したガスがガス排出部から排出される場合は、そのガスは保護板２７に当たってケース２３内に拡散していく。そのため上記の場合と同様に、ケース２３に穴が開いたり変形したりすることはないし、隣の電池１００も比較的低温に保たれて、内部短絡等の異常は生じない。

電池１００側面と金属パイプ２９の側面とはできるだけ近い方がよいが、電池１００を金属パイプ２９に挿入する際に電池１００の外壁が金属パイプ２９により傷つかない程度に金属パイプ２９の内径が電池１００の外径よりも大きい方が好ましい。

また、金属パイプ２９を電池１００に固定してもよい。ここで電池１００の電池ケース側面の厚みを大きくすることにより電池１００側面からのガスの噴出を防ぐことも検討したが、例えば電池ケース側面の厚みを０．５ｍｍにしても電池ケースの側面が裂けてガスの噴出を完全に防ぐことはできないが、電池ケース側面の厚みを０．３ｍｍ、金属パイプ２９の厚みを０．２ｍｍとすると電池ケースの側面のみが裂けて金属パイプ２９によりガスの噴出を防ぐことができることが判明した。従って、金属パイプ２９を用いる方がガスの噴出を防止できるとともに、電池容量も大きく確保できる。

次に本実施形態の電池パック２００の製造方法について、２つの方法を以下に説明する。

一つ目の方法は、（１）各電池１００を金属パイプ２９に挿入して、側面が金属パイプ２９により覆われた電池１００を作製する。（２）ホルダユニット２２ａの挿入部に、金属パイプ２９に挿入した電池１００を挿入して配列させた後、もう一つのホルダユニット２２ａを連結して電池１００が収納された電池ホルダ２２とする。（３）各々の電池１００の端面電極に、リード板２４を溶着して固定する。（４）電池ホルダ２２の上面に回路基板２５を固定する。回路基板２５は、これを貫通する止ネジを介して電池ホルダ２２に固定する。（５）リード板２４の接続部をリード線を介して回路基板２５に接続する。（６）絶縁部材２６と保護板２７とを電池ホルダ２２に固定をして、これらの全体を下側ケース２３ｂに納める。（７）その上に上側ケース２３ａを被せて係止させたあと、上側ケース２３ａと下側ケース２３ｂとをねじにより固定する。こうして、ケース２３にパック本体が収納された電池パック２００が出来上がる。

二つ目の方法は、まず初めに（１’）ホルダユニット２２ａの挿入部に金属パイプ２９のみを挿入し、もう一つのホルダユニット２２ａを連結して金属パイプ２９が収納された電池ホルダ２２とする。（２’）電池ホルダ２２に収納されている金属パイプ２９に電池１００を挿入する。以下の工程は、一つ目の方法の（３）以下と同じである。

これら２つの方法は、金属パイプを用いない従来の方法に比べて、金属パイプに電池を挿入する工程が一つ増えるだけであり、増えた工程も単純かつ容易な作業により行うことができるので、コスト及び製造時間の増加は少ない。なお、最終的に本実施形態の電池パック２００が出来上がるのであれば、これら２つの方法以外の方法で製造しても構わない。

（その他の実施形態）
上述の実施形態は本願発明の例示であって、本願発明はこれらの例に限定されず、これらの例に周知技術や慣用技術、公知技術を組み合わせたり、一部置き換えたりしてもよい。また当業者であれば容易に思いつく改変発明も本願発明に含まれる。電池パック内の二次電池は一列のみの配列であってもよい。金属パイプは鉄以外の金属からなっていても構わない。また、電池が角形電池の場合は、金属パイプも角筒形のものを用いる。電池ホルダは２分割してプラスチックで成形しているが、この構造に特定されない。電池ホルダは、複数の電池を挿入部に入れて定位置に配置できる他の全ての構造とすることができる。電池ホルダは、たとえば、分割することなく全体を一体構造とすることも、また、２つ以上に分割する構造とすることもできる。また、電池ケース内に複数のパック本体を収納していてもよい。この場合は各パック本体毎に保護板を備えていても良いし、隣接するパック本体間には保護板を１枚だけとしてもよい。

以上説明したように、本発明に係る電池パックは、高い安全性を有し、電動車両用電源や農機具、電動工具用電源等として有用である。

８ａ 開放部（ガス排出部）
２２ 電池ホルダ
２３ ケース
２７ 保護板（金属製の部材）
２９ 金属パイプ
１００ 二次電池
２００ 電池パック

Claims (8)

1. 複数の二次電池が配列されて樹脂製ホルダに収納された電池パックであって、
   前記二次電池は、前記二次電池内で発生するガスを電池外に排出するガス排出部を有しており、
   それぞれの前記二次電池は、金属パイプに挿入されており、
   前記ガス排出部は、前記金属パイプの開口部から外側へ向いており、
   前記金属パイプは前記樹脂製ホルダに保持されている、電池パック。
2. 前記二次電池が複数並んだ列が複数並べられて配置されている、請求項１に記載されている電池パック。
3. 前記二次電池は柱状の電池であって、
   前記二次電池の側面は前記金属パイプに覆われており、
   それぞれの前記二次電池は互いに略平行に並べられて前記ホルダによって保持されている、請求項２に記載されている電池パック。
4. 前記二次電池と前記ホルダは、プラスチック製のケースに納められており、
   前記二次電池の上面側及び下面側と前記ケースとの間には金属製の部材が配置されている、請求項３に記載されている電池パック。
5. 前記金属製の部材は板状の部材であって、一方の面が前記二次電池の上面側及び下面側に面しており、他方の面が前記ケースに面している、請求項４に記載されている電池パック。
6. 前二次電池は、１８６５０型であって電池容量が２．９Ａｈ以上である、請求項５に記載されている電池パック。
7. 複数の二次電池をそれぞれ金属パイプに挿入する工程と、
   樹脂製ホルダに、前記金属パイプに挿入された複数の前記二次電池を配列させて収納する工程と
   を含み、
   前記二次電池は、前記二次電池内で発生するガスを電池外に排出するガス排出部を有しており、
   前記ガス排出部は、前記金属パイプの開口部から外側へ向いている、電池パックの製造方法。
8. 樹脂製ホルダに、複数の金属パイプを配列させて収納する収納工程と、
   前記収納工程の後に、複数の二次電池をそれぞれ前記金属パイプに挿入する工程と
   を含み、
   前記二次電池は、前記二次電池内で発生するガスを電池外に排出するガス排出部を有しており、
   前記ガス排出部は、前記金属パイプの開口部から外側へ向いている、電池パックの製造方法。

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