JP4107163B2

JP4107163B2 - 組電池

Info

Publication number: JP4107163B2
Application number: JP2003151124A
Authority: JP
Inventors: 昇平松下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: JP2004355914A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，複数個の電池を組み合わせてなる組電池に関する。さらに詳細には，ラミネートフィルムにて発電要素が密封された電池を組み合わせてなる組電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から，複数個の電池を繋ぎ合わせた組電池が各種の電子機器に利用されている。組電池の構成要素となる電池としては，例えばリチウムイオン電池がある。近年，リチウムイオン電池は，携帯型ＰＣや携帯電話を始めとする電子機器のみならず，ハイブリッド車や電気自動車の電源として注目されている。
【０００３】
このリチウムイオン電池では，過充電状態になると，電解液の分解作用によりガスが発生する。そして，そのガスにより内部圧力が上昇するという問題が発生する。従来から，この問題の対策として，過充電によって発生したガス，すなわちラミネートフィルムの内側で発生したガスをラミネートフィルムの外側に放出するための安全弁が設けられている。例えば特許文献１には，個々の電池に安全弁を設け，その電池が複数個まとめてケースに収納された組電池が記載されている。
【０００４】
また，リチウムイオン電池には，発電要素（電極体や電解液等）がラミネートフィルムに収納されているタイプのものがある。具体的には，ラミネートフィルムを熱溶着等によりシールすることで発電要素を密封している。しかし，このラミネートフィルムのシール部は，外部からの衝撃や内部圧力等によって剥離してしまうことがある。この問題の対策として，例えば特許文献２には，シール部を樹脂等のフレームにて挟持することでそのシール部が補強された電池が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特公平４−７９１０６号公報
【特許文献２】
特開平１１−１１６５４６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，前記した従来の技術には以下のような問題があった。すなわち，特許文献１に記載されている組電池では，安全弁およびその周辺部が保護されていない。具体的には，ラミネートフィルムのシール部のうち，安全弁の周辺部以外の部位については，シール部が折り曲げられることによって剥離が抑制されている。しかし，安全弁の周辺部については折り曲げられていない。そのため，内部圧力が上昇すると，シール部の剥離等の不具合が発生する恐れがある。特許文献２についても，安全弁や組電池についての記載はなされていない。
【０００７】
また，特許文献１に記載されている組電池は，剛性があるケースに複数の電池を収納することで組電池としている。そのため，ケースのサイズによって電池の最大個数が決められてしまう。従って，設計自由度が低い。
【０００８】
本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，安全性が高く，組み合わせることが容易で設計自由度が高い組電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題の解決を目的としてなされた組電池は，複数個の電池を組み合わせてなるとともに，各電池が，発電要素と，その発電要素を被覆するラミネートフィルムとを有し，そのラミネートフィルムには，発電要素を封止する封止部と，発電要素から発生するガスをラミネートフィルムの外側に放出するための安全弁とが設けられている組電池であって，組み合わせられた電池のうちの隣り合う一対の電池が，それぞれの電池の安全弁が対向するように配置されて１組の電池群を構成しており，電池群は，両電池の封止部のうちの，対向している部位をまとめて拘束する拘束手段を有しているものである。
【００１０】
すなわち，本発明の組電池では，ラミネートフィルムにて発電要素が密封された一対の電池が，それぞれの電池の安全弁が対向するように配置されている。そして，それらの電池が１組の電池群を構成している。また，拘束手段にて，両電池のラミネートフィルムの封止部のうちの，対向している部位をまとめて拘束している。すなわち，安全弁の周辺の封止部が拘束されている。そのため，ラミネートフィルムの内側でガスが発生し，内部圧力が上昇した場合であっても，封止部の剥離を防止することができる。従って，本発明の組電池の安全性は高い。なお「電池群」は，配線とは必ずしも関係ない。
【００１１】
また，本発明の組電池は，電池群を少なくとも２組有し，それらの電池群の拘束手段同士が連結されているとするとよりよい。これにより，電池群同士を容易に組み合わせることが可能である。また，負荷の要求に合わせて各電池の配列や電池の個数を決定することが可能である。
【００１２】
さらに，本発明の組電池の拘束手段には，それぞれ貫通口が設けられており，各拘束手段は，それらの貫通口同士が重ね合わせられた状態で連結されているとするとよりよい。貫通口同士を重ね合わせることにより，安全弁から放出されたガスを確実に外部に放出することができる。よって，内部圧力の上昇を防止することができる。
【００１３】
また，本発明の組電池は，連結された電池群のうちの，隣り合う電池群の間に位置する放熱板を有することとするとよりよい。これにより，発電要素から発生した熱を組電池の外部に放出することが可能である。よって，発電要素の過熱を防止することができる。
【００１４】
また，本発明の組電池は，連結された電池群のうちの，複数の電池群にわたって，それらの電池群の発電要素をまとめて拘束する発電要素拘束手段を有することとするとよりよい。これにより，各発電要素の膨張を抑制することができる。また，各発電要素を均等に加圧することが可能である。さらには，発電要素ごとに拘束する必要がないため，組電池としてコンパクトである。
【００１５】
また，本発明の組電池の各電池は，封止部の一部が折り曲げられており，電池群は，その折り曲げられている部位を拘束する枠体を有することとするとよりよい。この枠体により，封止部のシール性の強化を図ることができる。よって，内部圧力の上昇等による封止部の剥離を防止することができる。また，外部の衝撃による封止部の変形を防止することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお，本実施の形態は，電気自動車等の車両に搭載される組電池に本発明を適用したものである。
【００１７】
実施の形態に係る組電池１００は，図１に示すようにリチウムイオン電池１１，１２，１３，１４と，電池保持部材２１，２２とを備えている。リチウムイオン電池１１とリチウムイオン電池１２とは，電池保持部材２１を挟んで対向している。そして，リチウムイオン電池１１，１２と，電池保持部材２１とで１組の電池群１０１を構成している。同様に，リチウムイオン電池１３とリチウムイオン電池１４とは，電池保持部材２２を挟んで対向している。そして，リチウムイオン電池１３，１４と，電池保持部材２２とで１組の電池群１０２を構成している。すなわち，組電池１００は，電池群１０１，１０２の２組の電池群によって構成されている。
【００１８】
ここで，リチウムイオン電池１１について説明する。リチウムイオン電池１１は，図２に示すように発電要素１１０と，ラミネートフィルム１１１と，正極端子１１２と，負極端子１１３とを有している。発電要素１１０は，正極の電極シート，負極の電極シート，両電極シートを隔てるセパレータ，および電解液を含むものである。さらに発電要素１１０は，これらの電極シートとセパレータと重ね合わせて捲回したものである。なお，適当な大きさでカットした電極シートとセパレータと重ね合わせて積層したものであってもよい。発電要素の具体例としては，例えば正極の電極シートとしてコバルト酸リチウム，負極の電極シートとして黒鉛化炭素材料，セパレータとしてポリエチレン等の樹脂，さらに電解液としてリチウム塩を溶解させた有機溶媒が利用される。
【００１９】
また，ラミネートフィルム１１１は，アルミニウム層の両面に樹脂層を配したものである。このラミネートフィルム１１１上に発電要素１１０を配置し，ラミネートフィルム１１１を折り返して三方を接合することで発電要素１１０が被覆されている。具体的に，リチウムイオン電池１１では，図２に示したように熱溶着等により発電要素１１０の周囲がシールされている（以下，シールされている部分を「接合部１１５」とする）。これにより発電要素１１０は，密封された状態になっている。さらに接合部１１５の一箇所には，発電要素１１０から発生したガスを放出するための安全弁１１７が設けられている。
【００２０】
また，図２に示したように正極端子１１２および負極端子１１３が接合部１１５から突出している。勿論，正極端子１１２は，発電要素１１０内の正極の電極シートと導通している。また，負極端子１１３は，負極の電極シートと導通している。また，正極端子１１２は，負極端子１１３と比較して，発電要素１１０から突出しているリードが長い。なお，組電池１００に組み込まれる際には，図３に示すように正極端子１１２および負極端子１１３が接合部１１５とともに折り曲げられる。
【００２１】
次に，電池保持部材２１について説明する。電池保持部材２１は，図４に示すように一対の拘束部材２１１，２１１により構成されている。拘束部材２１１には，凹部２１２と，開口部２１４と，ネジ穴２１５とが設けられている。ネジ穴２１５は，拘束部材２１１同士をボルト等によって固定するためのものである。実際にリチウムイオン電池１１を保持する際には，安全弁１１７が凹部２１２内に配置される。そして，接合部１１５の一部が一対の拘束部材２１１，２１１にて挟み込まれる。ここで，接合部１１５は拘束されるが，安全弁１１７自体は拘束されない。そのため安全弁１１７は，内部圧力が上昇した場合に開口することが可能である。従って，拘束部材２１１にて接合部１１５を拘束した後であっても，安全弁１１７が開くことによりラミネートフィルム１１１の内側で発生したガスをラミネートフィルム１１１の外側に放出することができる。
【００２２】
図５は，組電池１００が組み合わせられる前の状態を示す図である。図５に示すように，電池保持部材２１を挟んでリチウムイオン電池１１，１２が対向するように配置される。詳細には，リチウムイオン電池１１の安全弁１１７と，リチウムイオン電池１２の安全弁１２７とが向かい合うように配置される。そして，リチウムイオン電池１１の接合部１１５およびリチウムイオン電池１２の接合部１２５を電池保持部材２１により挟み込むことで一組の電池群１０１が形成される。同様に，リチウムイオン電池１３，１４および電池保持部材２２により一組の電池群１０２が形成される。そして，電池群１０１と電池群１０２とを，アルミ板３１を挟んで厚さ方向に積層することで組電池１００が形成される。
【００２３】
そして，リチウムイオン電池１１の正極端子１１２と，リチウムイオン電池１４の負極端子１４３とが超音波溶接にて接合される。これにより，リチウムイオン電池１１とリチウムイオン電池１４とが接続される。同様に，リチウムイオン電池１２の正極端子１２２と，リチウムイオン電池１３の負極端子１３３とが接合されることで，リチウムイオン電池１２とリチウムイオン電池１３とが接続される。なお，接合部分は，漏電等を防止するために，熱収縮フィルム４１等により被覆される（図１参照）。配線の詳細については後述する。
【００２４】
ここで電池群１０１，１０２間を隔てるアルミ板３１について説明する。アルミ板３１は，リチウムイオン電池１１，１２，１３，１４にて発生した熱を組電池１００の外部に放出するための放熱板である。また，アルミ板３１には，電池保持部材２１と同様に，安全弁から放出されたガスの通気口となる開口部と，電池保持部材と連結するためのネジ穴が設けられている。すなわち，電池保持部材の開口部２１４と，アルミ板３１の開口部とを平面上同じ位置に配置して連結することで，リチウムイオン電池から発生したガスを組電池１００の外部に放出する通気口が形成される。なお，アルミ板３１の内部に通気孔を設け，その通気孔に冷却風を流すようにしてもよい。これにより，放熱効果の向上を図ることができる。
【００２５】
次に，リチウムイオン電池１１の内部で発生するガスの移動について説明する。リチウムイオン電池１１が過充電状態になると，発電要素１１０から電解液の電気分解に伴うガスが発生する。そして，そのガスの発生によって，リチウムイオン電池１１の内部圧力が上昇する。そして，内部圧力が上昇すると，安全弁１１７が開口するに至る。そして，安全弁１１７が開口することで，内部で発生したガスが安全弁１１７を介してラミネートフィルム１１１の外側に放出される。安全弁１１７の周辺の接合部１１５は，電池保持部材２１により拘束されているため，内部圧力が上昇したとしても剥離することはない。
【００２６】
リチウムイオン電池１１から放出されたガスは，電池保持部材２１，２２の開口部およびアルミ板３１の開口部を介して組電池１００の外側に放出される。すなわち，開口部同士が重ね合わせられることにより形成された通気口によって，組電池１００の所定の位置から放出される。
【００２７】
なお，組電池１００は，図６に示すように複数の電池群をさらに積層してもよい。積層する際には，電池群と電池群と間に放熱板３１を設けて，その放熱板３１とともに電池群の電池保持部材同士を連結する。すなわち，電池保持部材同士を連結することで，電池群同士を容易に連結することが可能である。また，図６に示したように組電池１００中のリチウムイオン電池全体を金属バンド５１，５２で拘束してもよい。これにより，各発電要素を均等な外圧によって加圧することができる。さらに，発電要素の膨張を抑制することができる。さらには，図６に示したように組電池１００の厚さ方向の両端にエンドプレート６１，６２を設け，全体を圧接しつつ固定してもよい。さらには，図７に示すように組電池１００をケース７１に圧接しつつ収納してもよい。これらによっても各リチウムイオン電池の発電要素の膨張を抑制することができる。
【００２８】
次に，組電池１００における電池同士の配線を説明する。図８は，電池群を８組積層した場合の，厚さ方向の電池の接続状態を示す図である。図８中の上側が図１の上面に相当する。なお，組電池１００は，各電池群内で接続されているわけではない。すなわち，電気的な接続の観点からは，「群」に特段の意味はない。ただし，電池群内でまず接続し，さらに電池群間でも接続するようにしても問題ない。図８中のＮｏ.１，Ｎｏ.３，Ｎｏ.５，Ｎｏ.７の電池は，上側に正極端子，下側に負極端子となるように配置されている。一方，図８中のＮｏ.２，Ｎｏ.４，Ｎｏ.６，Ｎｏ.８の電池は，上側に負極端子，下側に正極端子となるように配置されている。すなわち，上側，下側ともに正極端子と負極端子とが交互に突出するように配置されている。そして上側では，Ｎｏ.１の正極端子とＮｏ.２の負極端子，Ｎｏ.３の正極端子とＮｏ.４の負極端子，Ｎｏ.５の正極端子とＮｏ.６の負極端子，Ｎｏ.７の正極端子とＮｏ.８の負極端子がそれぞれ接続されている。一方，下側では，Ｎｏ.２の正極端子とＮｏ.３の負極端子，Ｎｏ.４の正極端子とＮｏ.５の負極端子，Ｎｏ.６の正極端子とＮｏ.７の負極端子がそれぞれ接続されている。これにより，Ｎｏ.１〜Ｎｏ.８の電池が直列に接続される。そして，Ｎｏ.１の負極端子が全体の負極端子となる。また，Ｎｏ.８の正極端子が全体の正極端子となる。
【００２９】
上記の説明から，電池群を８組積層した場合の組電池１００の配線について，図９および図１０を基に説明する。これらの図中の縦方向の組合せ（例えば，Ｎｏ.１とＮｏ.１６，Ｎｏ.２とＮｏ.１５）が一組の電池群に相当する。図９は，Ｎｏ.１からＮｏ.１６までの電池を直列に接続した場合の接続状態を示す図である。Ｎｏ.１からＮｏ.８までの電池（以下，「上ブロックの電池」とする。なお，図１０についても同様とする）およびＮｏ.９からＮｏ.１６までの電池（以下，「下ブロックの電池」とする。図１０についても同様とする）については，それぞれ図８と同様に接続されている。そして，Ｎｏ.１の負極端子とＮｏ.１６の正極端子とが接続されている。これにより，上ブロックの電池と下ブロックの電池とが直列に接続される。そして，Ｎｏ.８の正極端子が全体の正極端子となる。また，Ｎｏ.９の負極端子が全体の負極端子となる。図１０は，上ブロックの電池と，下ブロックの電池とをそれぞれ直列に接続し，上ブロックの電池と下ブロックの電池とを並列に接続した場合の接続状態を示す図である。ここでは，Ｎｏ.１の負極端子とＮｏ.１６の負極端子とが接続されている。また，Ｎｏ.８の正極端子とＮｏ.９の正極端子とが接続されている。これにより，上ブロックの電池と下ブロックの電池とが並列に接続される。
【００３０】
以上詳細に説明したように本形態の組電池１００は，安全弁１１７を有するリチウムイオン電池１１と，安全弁１２７を有するリチウムイオン電池１２とを一対として，それぞれの安全弁１１７，１２７が向かい合うように配置されている。そして，そのリチウムイオン電池１１とリチウムイオン電池１２との間に電池保持部材２１が配置され，その電池保持部材２１によりリチウムイオン電池１１とリチウムイオン電池１２とが対向している部位を拘束することとしている。その際，両リチウムイオン電池の安全弁の周辺の接合部を拘束することとしている。これにより，ラミネートフィルムの内側でガスが発生して内部圧力が上昇した場合であっても，安全弁のみを開口して接合部の剥離を防止することができている。従って，安全性が高い組電池が実現されている。
【００３１】
また，本形態の組電池１００の各電池保持部材は，他の電池保持部材と容易に連結することが可能である。これにより，負荷の要求に合わせて各電池の配列や電池の個数を決定することが可能である。よって，設計自由度が高い。また，各電池保持部材には，開口部が設けられている。そして，複数の電池群を積層する場合であっても，その開口部を合わせることで通気口を形成することができる。この通気口により，安全弁から放出されたガスを所定の位置から放出することができる。従って，組み合わせることが容易であり，安全性が高い組電池が実現されている。
【００３２】
また，本形態の組電池１００は，電池群を積層するとともに，電池群と電池群との間にアルミ板３１を配置することとしている。これにより，各リチウムイオン電池の発電要素から発生した熱を散熱することができている。また，組電池１００内の発電要素を金属バンド５１，５２，エンドプレート６１，６２，ケース７１等により，まとめて拘束することとしている。これにより，各発電要素を均等に加圧することができ，かつ各発電要素の膨張を抑制することができている。
【００３３】
［変形例］
次に，実施の形態の変形例を示す。本変形例の組電池のリチウムイオン電池１５は，図１１に示すようにラミネートフィルム１５１の接合部１５５を折り曲げ，折り曲げ箇所を含む接合部１５５全体をモールドした枠体８１を有するものである。枠体８１はリチウムイオン電池全体を覆うものであってもよいし，一部のみを覆うものであってもよい。すなわち，折り曲げ箇所に密着してその部分を拘束できていればよい。また，接合部１５５を折り曲げない場合には，図１２に示すように接合部１５５を摘むことで拘束する枠体８２を設けてもよい。枠体８１，８２の材質としては，例えばＰＥＴ，ＡＢＳ等の熱可塑性樹脂が該当する。
【００３４】
これらの枠体８１，８２により，内部圧力や，外部の衝撃から接合部１５５を保護することができている。特に枠体８１を利用する場合は，接合部１５５が折り曲げられているため，枠体８２を利用した場合と比較してコンパクトである。また，安全弁の周辺の接合部１５５は，電池保持部材により保護される。よって，各リチウムイオン電池の接合部１５５全体の剥離が強固に防止されているため，本変形例の組電池の安全性は高い。
【００３５】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，組電池の構成部品である電池はリチウムイオン電池に限るものではない。すなわち，ニッケル水素電池やニッカド電池でも本発明を適用できる。
【００３６】
なお，上述した本発明の実施形態には，特許請求の範囲に記載した発明以外にも，以下の付記に示すような発明が含まれる。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば，安全性が高く，組み合わせることが容易で設計自由度が高い組電池が提供されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る組電池の外観を示す斜視図である。
【図２】実施の形態に係る組電池の構成部品であるリチウムイオン電池（折り曲げ前）を示す図である。
【図３】実施の形態に係る組電池の構成部品であるリチウムイオン電池（折り曲げ後）を示す図である。
【図４】実施の形態に係る組電池の構成部品である電池保持部材を示す図である。
【図５】組電池が組み合わせられる前の状態を示す図である。
【図６】実施の形態に係る組電池を金属バンドおよびエンドプレートで拘束した状態を示す図である。
【図７】実施の形態に係る組電池を拘束してケースに収納した状態を示す図である。
【図８】実施の形態に係る組電池の接続状態を示す模式図である。
【図９】電池を直列に接続したときの接続状態を示す模式図である。
【図１０】電池を並列に接続したときの接続状態を示す模式図である。
【図１１】変形例に係るリチウムイオン電池の接合部（折り曲げ有り）を示す図である。
【図１２】変形例に係るリチウムイオン電池の接合部（折り曲げなし）を示す図である。
【符号の説明】
１１リチウムイオン電池
２１電池保持部材
３１アルミ板
５１金属バンド
８１枠体
１００組電池
１１０発電要素
１１１ラミネートフィルム
１１５接合部
１１７安全弁
２１１拘束部材
２１４開口部

Claims

複数個の電池を組み合わせてなるとともに，
各電池が，発電要素と，その発電要素を被覆するラミネートフィルムとを有し，そのラミネートフィルムには，発電要素を封止する封止部と，発電要素から発生するガスをラミネートフィルムの外側に放出するための安全弁とが設けられている組電池において，
組み合わせられた電池のうちの隣り合う一対の電池が，それぞれの電池の安全弁が対向するように配置されて１組の電池群を構成しており，
前記電池群は，両電池の封止部のうちの，対向している部位をまとめて拘束する拘束手段を有していることを特徴とする組電池。
請求項１に記載する組電池において，
電池群を少なくとも２組有し，
それらの電池群の拘束手段同士が連結されていることを特徴とする組電池。
請求項２に記載する組電池において，
前記拘束手段にはそれぞれ貫通口が設けられており，
各拘束手段は，それらの貫通口同士が重ね合わせられた状態で連結されていることを特徴とする組電池。
請求項２または請求項３に記載する組電池において，
連結された前記電池群のうちの，隣り合う電池群の間に位置する放熱板を有することを特徴とする組電池。
請求項２から請求項４のいずれか１つに記載する組電池において，
連結された前記電池群のうちの，複数の電池群にわたって，それらの電池群の発電要素をまとめて拘束する発電要素拘束手段を有することを特徴とする組電池。
請求項１から請求項５のいずれか１つに記載する組電池において，
組み合わせられた各電池では，封止部の一部が折り曲げられており，
前記電池群は，その折り曲げられている部位を拘束する枠体を有することを特徴とする組電池。