JP2018185961A - 電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電池セルを備えた電池パックを少ない部品点数によって組立性を向上する。【解決手段】電池パック１０は、対向する側面２１、２３に複数の凹部２２、２４が設けられた複数の板材１４および板材１４を連結する連結棒材１５〜１７を備える支持フレーム１１を有し、支持フレーム１１の凹部２２、２４には複数の電池セル１２が配置される。電池セル１２と支持フレーム１１は、袋体４１により覆われて、袋体４１により電池セル１２は支持フレーム１１に圧接される。袋体４１には、一次側開口４３と二次側開口４４とが設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、複数の電池セルを備えた電池パックに関する。

二次電池としての電池セルは、充電を行うことにより電気を蓄える蓄電機能を有しており、電池セルには、例えば、リチウムイオン二次電池やリチウムイオンキャパシタなどがある。複数の電池セルを備えた電池パックは、ハイブリッド車両や電気自動車の電力供給源として使用される。さらに、電池パックは、工場やオフィスビルにおいて電力をバックアップしたり、風力発電や太陽光発電等の分散型再生可能エネルギーを利用したりするための電力供給源として使用される。電池セルには、正極板と負極板とが円筒形状に捲回された形態の円筒型と、正極板と負極板とを扁平形状に捲回、または直方体形状に積層した形態の角型とがある。

特許文献１には、円柱形状の複数の蓄電セルつまり電池セルがユニットケース内に組み込まれた電池パックつまり蓄電ユニットが記載されている。この蓄電ユニットは、複数の蓄電セルが隙間を隔てて並列に配列される２つの蓄電セル群を有し、２つの蓄電セル群は上下二段に配列される。ユニットケースは、２つの蓄電セル群の間に配置される中央フレームと、下蓋と上蓋と左右の側板とを有しており、両方の蓄電セル群は下蓋と上蓋と側板を備えたユニットケースの内部に収容される。

国際公開２０１６／１１７６８６号

特許文献１に記載されるように、二段の蓄電セル群を有する蓄電ユニットにおいては、上段の蓄電セル群の蓄電セルと下段の蓄電セル群の蓄電セルとが接触しないように中央フレームが両方の蓄電セル群の間に配置され、さらに蓄電セル群を収容するために上蓋と下蓋と左右の側板とを有している。このため、中央フレームに加えて上蓋と下蓋と左右の側板との４つのケース構成部材が必要である。

しかも、これらのケース構成部材は、蓄電セルの個数に合わせた専用の部品であり、蓄電セルの数が相違したり、蓄電セルつまり電池セルの直径や長さが相違したりした複数種類の蓄電ユニットつまり電池パックを製造するには、それぞれの種類に対応させて複数のケース構成部材を製造する必要がある。さらに、蓄電ユニットを組み立てるには、下蓋の上に下段を構成する複数の蓄電セルを配置し、中央フレームの上に上段を構成する複数の蓄電セルを配置した後に、上蓋と左右の側板とを組み付けなければならず、組立作業に時間を要するという問題点がある。

本発明の目的は、複数の電池セルを備えた電池パックを少ない部品点数によって組立性を向上することにある。

本発明の電池パックは、対向する側面に複数の凹部が設けられた複数の板材、および前記複数の板材を連結する連結棒材を備える支持フレームと、前記支持フレームの前記凹部に配置される複数の電池セルと、前記電池セルと前記支持フレームとを覆い、前記電池セルを前記支持フレームに圧接する袋体と、を有し、前記袋体に一次側開口と二次側開口とを設けた。

支持フレームの側面に設けられた複数の凹部に電池セルが配置され、支持フレームと複数の電池セルは袋体により覆われて、電池セルは支持フレームに圧接されるので、袋体により複数の電池セルは支持フレームに固定される。このように、袋体により電池セルを支持フレームに固定するとともに、支持フレームと電池セルとを袋体に収容するようにしたので、支持フレームと電池セルとを収容するためのケースを用いることなく、電池パックを少ない部品点数によって容易に組み立てることができ、電池パックの組立性を向上することができる。

一実施の形態である電池パックの外観を示す斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 （Ａ）は支持フレームの一例を示す斜視図であり、（Ｂ）は支持フレームの変形例を示す斜視図である。 支持フレームに配置された複数の電池セルからなる電池セル群を示す斜視図である。 複数の電池セルに対するバスバーの接続状態を示す斜視図であり、（Ａ）は電池セルの一端部側を示し、（Ｂ）は電池セルの他端部側を示す。 図４に示された電池セル群と支持フレームを袋体の内部に装着した状態を示す斜視図である。 他の実施の形態である電池パックを示す断面図である。 さらに他の実施の形態である電池パックを示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１および図２に示される電池パック１０は、支持フレーム１１と複数の電池セル１２とを有している。支持フレーム１１は、図３（Ａ）に示されるように、第１の板材１３と第２の板材１４とを有し、両方の板材１３、１４は相互に平行である。板材１３、１４の長手方向の両端部は、板材１３、１４に対して直角方向の端部側の連結棒材１５、１６により連結されている。支持フレーム１１は、側辺のフレーム片としての板材１３、１４と、端辺のフレーム片としての連結棒材１５、１６とにより、全体的にほぼ長方形のフレームつまり枠体である。支持フレーム１１の連結棒材１５、１６の間に位置させて、板材１３、１４は複数の中間側の連結棒材１７により連結されており、それぞれの連結棒材１７は、板材１３，１４に対して直角方向に延びている。連結棒材１７は、任意の本数とすることができ、支持フレーム１１の強度が連結棒材１７により高められる。

図３（Ａ）に示されるように、２つの板材１３、１４はそれぞれの内面が対向しており、内面の反対側の面が支持フレーム１１の外面となっている。板材１３、１４は、それぞれ図３（Ａ）における上側の面を一方の側面２１とし、下側の面を他方の側面２３とする。板材１３の一方の側面２１には、それぞれ円弧面形状の６つの凹部２２が設けられている。板材１４の一方の側面２１は、板材１３の側面２１と同一の平面内に位置しており、板材１４の一方の側面２１にも、同様に６つの凹部２２が設けられている。板材１３に設けられた凹部２２と、板材１４に設けられた凹部２２は、支持フレーム１１の幅方向に対向している。

板材１３の他方の側面２３つまり図において下側の側面には、それぞれ円弧面形状の６つの凹部２４が設けられている。板材１４の他方の側面２３は、板材１３の側面２３と同一の平面内に位置しており、板材１４の他方の側面２３にも、同様に６つの凹部２４が設けられている。板材１３に設けられた凹部２４と、板材１４に設けられた凹部２４は、支持フレーム１１の幅方向に対向している。凹部２２と凹部２４は、板材１３、１４の長手方向において同一位置となって板材１３、１４に設けられている。

長方形の支持フレーム１１の長手方向両端部に配置された連結棒材１５、１６の厚み寸法つまり図３において上下方向の寸法は、他の６つの連結棒材１７の厚み寸法とほぼ同一であり、連結棒材１７の支持フレーム１１の長手方向の幅寸法は、連結棒材１５、１６の幅寸法よりも大きい。２本の連結棒材１５、１６の一方は、電池パック１０としての正面側となり、他方は背面側となる。図３（Ａ）においては、連結棒材１５の側が電池パック１０の正面側となっている。

図４に示されるように、支持フレーム１１の上下両側には、円柱形状の複数の電池セル１２が支持フレーム１１の幅方向に延在して装着される。それぞれの電池セル１２は、リチウムイオン二次電池であり、支持フレーム１１の上側と下側とにそれぞれ電池セル１２が６つずつ並列となって装着される。上側の６つの電池セル１２は板材１３、１４に設けられた凹部２２に配置され、凹部２２は電池セル１２の両端部に接触する。下側の６つの電池セル１２は板材１３、１４に設けられた凹部２４に配置され、凹部２４は電池セル１２の両端部に接触する。それぞれの電池セル１２の両端面は、板材１３、１４の外面よりも突出している。

支持フレーム１１の一方側つまり図４における上側に配置される６つの電池セル１２は、第１の電池セル群３１ａを構成し、支持フレーム１１の他方側に配置される６つの電池セル１２は、第２の電池セル群３１ｂを構成する。全ての電池セル１２と支持フレーム１１とにより、図４に示されるように、全体的にほぼ直方体形状のセル組立体３２が構成される。電池セル１２の両端面からは電極端子が突出しており、一方の電極端子は正極であり、他方の電極端子は負極である。電極端子に装着されるバスバー３３により全ての電池セル１２は相互に直列に電気的に接続される。

図５は電池セル１２に対するバスバー３３の接続状態を示す斜視図であり、（Ａ）は電池セル１２の一端部側を示し、（Ｂ）は電池セル１２の他端部側を示す。なお、図５においては、支持フレーム１１は図示省略されている。

それぞれの電池セル群３１ａ、３１ｂを構成する電池セル１２のうち、支持フレーム１１の長手方向に隣り合う２つの電池セル１２の両端部の電極端子は相互に逆極性である。第１の電池セル群３１ａを構成する６つの電池セル１２には、図５においては、括弧を付して示される符号（ａ）〜（ｆ）が付されており、第２の電池セル群３１ｂを構成する６つの電池セル１２にも、同様に、符号（ｇ）〜（ｌ）が付されている。図５（Ｂ）に示されるように、第１の電池セル群３１ａの電池セル１２（ｆ）の電極端子と、第２の電池セル群３１ｂの電池セル１２（ｇ）の電極端子とがバスバー３３により接続される。これにより、１２個の電池セル１２は直列に接続される。電池セル１２（ａ）と、電池セル１２（ｌ）の一方の電極端子には、出力端子３４、３５が設けられており、それぞれの出力端子３４、３５の折り曲げられた端部は、セル組立体３２の一端部側に突出している。一方の出力端子は正極であり、他方の出力端子は負極である。

図１および図２に示されるように、支持フレーム１１と複数の電池セル１２とからなるセル組立体３２は、袋体４１により覆われる。袋体４１により電池セル１２は支持フレーム１１に圧接されて押し付けられる。袋体４１はシュリンクフィルムつまり熱収縮フィルムであり、袋体４１としては、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリオレフィン（ＰＯ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の絶縁材料からなるシートが使用される。

袋体４１としては、図６に示されるように、両端部が開口された筒形の形状つまりチューブ形の形状のものが使用される。袋体４１の内部にセル組立体３２が挿入された状態のもとで、熱風等の加熱媒体を袋体４１の外側に吹き付けると、袋体４１は収縮される。袋体４１が収縮すると、図１および図２に示されるように、セル組立体３２の上下面と左右面の４面には、袋体４１が密着し、全ての電池セル１２は支持フレーム１１に圧接されて押し付けられる。これにより、支持フレーム１１と複数の電池セル１２と袋体４１とからなる電池パック１０が組み立てられる。

それぞれの電池セル１２は袋体４１により支持フレーム１１に固定され、図２に示されるように、支持フレーム１１の長手方向に隣り合う２つの電池セル１２の間には隙間が形成されるとともに、上側の第１の電池セル群３１ａと下側の第２の電池セル群３１ｂとの間には冷却用通路４２が形成される。

筒形の袋体４１の両端部は開口されているので、袋体４１が熱収縮されると、電池パック１０の両端部には、開口４３、４４が形成される。両方の開口４３、４４は、冷却用通路４２に連通しており、一方の開口４３を一次側開口とし、他方の開口４４を二次側開口とすると、一次側開口４３から図２において矢印で示すように供給された冷却風は、冷却用通路４２を流れながら、全ての電池セル１２を冷却し、二次側開口４４から外部に排出される。

連結棒材１７は第１の電池セル群３１ａにおける２つの電池セル１２と、第１の電池セル群３１ａと第２の電池セル群３１ｂとの間に設けられているので、冷却用通路４２を流れる冷却風は、図２において上下に分流されて、左右に隣り合った電池セル１２の間の隙間に入り込み、電池セル１２を冷却する。このように、連結棒材１７は、支持フレーム１１の強度を高めるだけでなく、冷却風が連結棒材１７に衝突して連結棒材１７を通過する際に、電池セル１２の付近で乱流を発生させる。これにより、冷却風が電池セル１２の外周面に当たり、電池セル１２の冷却性を向上する効果が得られる。連結棒材１７を設けない支持フレームや連結棒材を１枚の長板とした場合には、電池セル１２の外周面に沿って流れる冷却風が層流になり、冷却風が電池セル１２に衝突することなく冷却用通路４２を通過してしまう。このため、図２に示されるように、複数の連結棒材１７を設ける場合よりも冷却性能は低くなる。これに対し、上下左右に隣り合う４つの電池セル１２の間のそれぞれのスペースに連結棒材１７を設けると、冷却効果を高めることができる。

バスバー３３はそれぞれの電池セル１２の端面から突出しており、電池セル１２の端面と袋体４１との間には隙間が形成される。したがって、冷却用通路４２を流れる冷却風は、電池セル１２の端面側にも流入して、電池セル１２を冷却する。支持フレーム１１は樹脂製であり、樹脂材料を射出成型等の樹脂成形により、安価に製造することができる。ただし、軽金属等の金属により支持フレーム１１を製造しても良く、金属製の支持フレーム１１とすると、金属は樹脂よりも熱伝導性が高いので、電池セル１２の放熱性を高めることができる。

上述のように、熱収縮性のシュリンクフィルムである袋体４１を用いて１組の電池パック１０をモジュール化すると、電池パック１０はシュリンクモジュール型となる。これにより、従来のように、セル組立体３２を直方体形状のケース内に収容するようにした場合に比して、電池パック１０の部品点数を少なくしつつ、短時間で電池パック１０を容易に組み立てることができる。しかも、ケース内に収容する場合には、電池パック１０のサイズに合わせて、複数種類のケースを準備する必要があるのに対して、袋体４１を用いて電池パック１０をシュリンクモジュール型とすると、チューブ形状に成形された袋体４１の長さを変えることにより、長さの相違する複数の種類の電池パック１０を組み立てることができる。

それぞれの電池セル１２には図示しない電圧センサが設けられており、そのセンサケーブルが一方の開口から繰り出される。さらに、電池セル１２には図示しない温度センサが設けられており、そのセンサケーブルが一方の開口から繰り出される。温度センサを全ての電池セル１２に設けるようにしても良く、最も高温となる電池セル１２のみに温度センサを設けるようにしても良い。ただし、それぞれのセンサケーブルは図示省略されている。

袋体４１としては、熱収縮フィルムつまりシュリンクフィルムに限られず、帯状の樹脂フィルムをセル組立体３２の外側に巻き付けるようにしても良い。その場合には、セル組立体３２の上面と下面と左右の側面とを樹脂フィルムが覆うように、セル組立体３２に樹脂フィルムを横方向に巻き付ける。巻付け枚数により袋体４１としての所望の強度を得ることができる。さらに、袋体４１としては、筒形のゴムチューブを用いることができる。その場合には、ガイド棒等によりゴムチューブの内部空間を広げた状態とし、その内部にセル組立体３２を挿入し、挿入後にゴム自体の弾性により図１および図２に示されるような形状の電池パック１０を組み立てることができる。いずれの形態であっても袋体４１により複数の電池セル１２を支持フレーム１１に容易に固定し、これらを袋体４１の内部に収容することができる。

図３（Ｂ）は支持フレーム１１の変形例を示す斜視図である。この支持フレーム１１は２つの板材１３、１４に加えて、それぞれの板材１３、１４に平行となった第３の板材１８を有している。板材１８は支持フレーム１１の幅方向中央部に配置され、上側の側面２１には凹部２２が設けられ、凹部２２は板材１３、１４に設けられた凹部２２に対向している。下側の側面２３には凹部２４が設けられており、凹部２４は板材１３、１４に設けられた凹部２４に対向している。板材１８の凹部２２、２４は、それぞれ電池セル１２の長手方向中央部の外周面に接触する。

このように、支持フレーム１１を構成する板材は少なくとも２枚以上の複数枚であれば、３枚でもそれ以上でも良い。板材を金属製として３枚以上とすると、電池セル１２の放熱性を２枚の板材からなる支持フレームよりも高めることができる。

１組の電池パック１０を構成する電池セル１２の数は、上述した１２個に限られることなく、任意の数とすることができる。例えば、板材１３、１４の図において上下の側面２１、２３にそれぞれ８つの凹部２２、２４を設けると、１６個の電池セル１２を有する形態の電池パック１０となる。また、支持フレーム１１としては、両側面２１、２３の一方の側面のみに凹部が形成された形態としても良い。その場合には、１つの電池セル群と支持フレームからなる形態の電池パック１０となる。一方の側面のみに凹部が設けられた第２の支持フレームを図２に示された第１の電池セル群３１ａの上に配置し、同様の第３の支持フレームを図２に示された第２の電池セル群３１ｂの下に配置しても良く、その場合には、セル組立体３２の上下にはそれぞれ第２と第３の支持フレームが配置されて、その外側に袋体４１が設けられた形態の電池パック１０となる。この形態の電池パック１０においては、冷却用通路が袋体と電池セルとの間にも形成される。

図７は他の実施の形態である電池パック１０を示す断面図である。この電池パック１０は、２つの支持フレーム１１を有しており、図１および図２に示した第１の電池セル群３１ａの上にさらに他の支持フレーム１１を配置し、その上に第３の電池セル群３１ｃを構成するさらに６つの電池セル１２を配置した形態である。このように、１つの電池セル群を構成する電池セル１２の数を図２に示した場合と相違させることなく、電池セル群の段数を増加させるようにした電池パックとしても良い。電池セル群の段数は、３段以上としても良い。

図８はさらに他の実施の形態である電池パック１０を示す断面図である。この電池パック１０は、板材１３、１４の一方の側面２１に設けられた凹部２２と、他方の側面２３に設けられた凹部２４とが、板材１３、１４の長さ方向にずらして設けられている。ずらされる距離は、板材１３、１４の長さ方向に隣り合う凹部２２のピッチをＰとすると、凹部２４は凹部２２に対して板材１３、１４の長さ方向に１／２ピッチずれている。このように、ずらされた凹部２２、２４に電池セル１２を配置すると、電池セル１２は板材１３、１４に対して千鳥配置となる。このような千鳥配置形態の電池パック１０についても、図７に示されるように、電池セル群を３段に配置するようにしても良い。なお、図７および図８においては、バスバー３３と出力端子３４、３５は省略されている。

上述した電池パック１０を電池盤つまり筐体の内部に複数個収容すると、電力貯蔵装置とすることができる。その場合には、袋体４１によりセル組立体３２を覆うようにした電池パック１０は、ケースを備えていないので、電池セル１２の数を変えることなく、電池パック１０を小型化することができ、単一の筐体の内部に多くの電池パック１０を収容することができる。また、電池パック１０を車両の電力供給源として使用すると、所望の充電容量を有する電池パックを車両の限られたスペースに配置することができる。電池パック１０を電池盤の筐体に収容するときには、連結棒材１５、１６に取り付けられるクランプ部材により電池パック１０は筐体に固定される。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、電池セル１２は、リチウムイオン電池であるが、リチウムイオンキャパシタ等の他の二次電池を備えた電池パックにも、本発明を適用することができる。

１０…電池パック、１１…支持フレーム、１２…電池セル、１３…第１の板材、１４…第２の板材、１５〜１７…連結棒材、１８…第３の板材、２１、２３…側面、２２、２４…凹部、３１ａ…第１の電池セル群、３１ｂ…第２の電池セル群、３１ｃ…第３の電池セル群、３２…セル組立体、３３…バスバー、３４、３５…出力端子、４１…袋体、４２…冷却用通路、４３…一次側開口、４４…二次側開口。

Claims (7)

1. 対向する側面に複数の凹部が設けられた複数の板材、および前記複数の板材を連結する連結棒材を備える支持フレームと、
   前記支持フレームの前記凹部に配置される複数の電池セルと、
   前記電池セルと前記支持フレームとを覆い、前記電池セルを前記支持フレームに圧接する袋体と、を有し、
   前記袋体に一次側開口と二次側開口とを設けた、電池パック。
2. 請求項１記載の電池パックにおいて、前記袋体は絶縁材料からなる熱収縮フィルムである、電池パック。
3. 請求項１または２記載の電池パックにおいて、前記電池セルの端部にバスバーが装着される電極端子を備え、複数の前記電池セルは並列に前記支持フレームに配置され、前記袋体は前記バスバーを覆う、電池パック。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池パックにおいて、前記支持フレームは前記電池セルの一端部に配置される第１の板材と、前記電池セルの他端部に配置される第２の板材との少なくとも２つの板材を有する、電池パック。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池パックにおいて、前記板材の両側面にそれぞれ複数の凹部を設け、一方の側面に設けられた前記凹部と他方の側面に設けられた前記凹部とを、前記板材の長さ方向の同一位置にした、電池パック。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池パックにおいて、前記板材の両側面にそれぞれ複数の凹部を設け、一方の側面に設けられた前記凹部と他方の側面に設けられた前記凹部とを、前記板材の長さ方向にずらした、電池パック。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の電池パックにおいて、前記支持フレームは、樹脂製または金属製である、電池パック。

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