JP4543653B2

JP4543653B2 - 組電池

Info

Publication number: JP4543653B2
Application number: JP2003351722A
Authority: JP
Inventors: 剛榎田; 悦夫大上; 正司渡辺; 竜一雨谷
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: JP2005116430A

Description

本発明は、複数の単電池を有する組電池に関する。

近年、環境意識の高まりを受けて、自動車の動力源を、化石燃料を利用するエンジンから電気エネルギーを利用するモータに移行しようとする動きがある。そのため、モータのパワーソースとなる電池の技術も急速に発展しつつある。

従来の組電池においては、直列および／又は並列に接続された単電池を、所定の間隔で積層し、最外層に位置する単電池を介して全体を押圧し、外装部材によって固定することによって、単電池の放熱特性を向上させ、良好なサイクル特性およびレート特性を有する組電池を得ている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−１９５４８０号公報

しかし、組電池は、多数の単電池を組み込む必要があり、単電池の取り扱いに非常な手間を要し、作業工数が増加する問題を有する。

一方、複数の単電池を配置したフレームを単位として取り扱う場合、作業性を向上させることが可能である。しかし、フレームは、変形することなく、複数の単電池を保持するための強度（剛性）が必要であるため、小型軽量化が困難であり、高価である。そのため、組電池の重量を増加させ、製造コストを上昇させる問題を有している。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、安価で小型軽量の組電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、
複数の単電池が並列に配置される保持部と前記保持部を支持するための補強部とを有するフレームが、積層されてなる電池ユニットを有する組電池であって、
前記補強部は、内部に空間を有し、前記空間を縮小させることによって、前記フレームの積層方向の厚みが削減される
ことを特徴とする組電池である。

上記のように構成した本発明によれば、単電池を保持するフレームの補強部の内部の空間を縮小させることによって、フレームの積層方向の厚みが削減されている（フレームの積層後に縮小している）ため、電池ユニットの大型化が避けられる。また、フレームの積層前においては、フレームの厚みは相対的に大きく、十分な強度を有するため、高強度を有する重たくかつ高価な材料でフレーム全体を形成する必要はなく、フレームを軽量化することが可能であり、また、安価となる。したがって、安価で小型軽量の組電池を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、実施の形態１に係る組電池を説明するための斜視図である。

実施の形態１に係る組電池１００は、積層されたフレーム３００を有する電池ユニット２００と、電池ユニット２００の両側に配置されるヒートシンク（上部ヒートシンクおよび下部ヒートシンク）５００，５４０と、下部ヒートシンク５４０および上部ヒートシンク５００を介して電池ユニット２００を固定するための固定手段６００とを有する。なお、符号２４０は、例えば、充電装置あるいは動力源（モータ）に接続される電力端子である。

電池ユニット２００は、フレーム３００の間に配置される中間ヒートシンク５２０を有する。固定手段６００は、ナット６１０と、ナット６１０と螺合する締結ボルト６２０とを有する。

図２は、実施の形態１に係るフレームを説明するための斜視図、図３は、実施の形態１に係るフレームの正面図、図４は、実施の形態１に係るフレームの積層状態を説明するための斜視図、図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、実施の形態１に係るフレームのハンドリングを説明するための側面図である。

フレーム３００は、保持部３１０、補強部３２０、ワッシャ３３０、通り穴３４０，３５０を有する。保持部３１０は、単電池４００を保持するための開口部３１１が並列に配置される。補強部３２０は、保持部３１０を支持し、保持部３１０のたわみを抑制する抑制手段である。補強部３２０は、保持部３１０の端部下方に配置され、フレーム３００の長手方向に延長している。

複数の単電池４００が並列に配置される保持部３１０は、補強部３２０によって支持されるため、高強度を有する重たくかつ高価な材料で、フレーム全体を形成する必要はなく、フレーム３００を軽量化することが可能であり、また、安価となる。

補強部３２０は、中空状のシャフト部材３２１と、シャフト部材３２１が着脱自在に配置される嵌合部３２５とを有する。

嵌合部３２５は、断面Ｕ字状の凹部３２６を有し、シャフト部材３２１を側方から凹部３２６に着脱自在に配置可能である。嵌合部３２５は、例えば、絶縁ゴムなどの絶縁性の弾性材料から形成されている。しかし、嵌合部３２５は、弾性材料によって形成されることに限定されず、例えば、スポンジゴムや発砲スチロール等の発泡樹脂材料を適用することも可能である。

補強部３２０は、シャフト部材３２１の着脱に基づいて、積層方向の厚みが調整自在である。補強部３２０の厚みは、フレーム３００の積層後において、シャフト部材３２１を取り外すことによって形成される空間を、縮小させることによって、削減することが可能である。したがって、図４に示されるように、補強部３２０は、フレーム３００の積層後において、その厚みが削減されるため、電池ユニットの大型化が避けられる。

なお、シャフト部材３２１を取り外すことによって形成される空間は、外力Ｆを加えて、空間を圧潰することによって、縮小させることが可能である。外力Ｆを付加する手段は、特に限定されず、例えば、専用の押圧プレートを設けたり、中間ヒートシンク５２０や上部ヒートシンクを利用することも可能である。外力Ｆは、固定手段６００による電池ユニット２００の固定の際の締結力を利用することも可能である。

フレーム３００は、例えば、図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示されるロボットハンド３６０を利用して、容易にハンドリングすることが可能である。

詳述すると、ロボットハンド３６０は、駆動装置３７０、上部アーム３８０および下部アーム３８５、基部３９０を有する。駆動装置３７０は、空圧シリンダなどのリニアー駆動手段であり、基部３９０に固定され、上部アーム３８０を駆動する。上部アーム３８０は、中空状の緩衝部材３８１（例えば、ゴム製）が固定される先端部３８２と、ブッシュ３８３が配置される開口部３８４とを有する。

下部アーム３８５は、シャフト部材３２１が固定されている先端部３８６を有する。基部３９０は、ブッシュ３８３およびストッパ３９２が配置されるガイド３９１を有する。ストッパ３９２は、上部アーム３８０の移動を規制する。ガイド３９１の自由端は、下部アーム３８５の基端部３８７が固定される。

したがって、ロボットハンド３６０の操作においては、まず、シャフト部材３２１を有する下部アーム３８５の先端部３８６を、補強部３２０の嵌合部３２５に、側方から挿入する（図５（Ａ）参照）。

駆動装置３７０は、上部アーム３８０をフレーム３００に向かって、移動させ、上部アーム３８０の緩衝部材３８１を変形させる（図５（Ｂ）参照）。変形した緩衝部材３８１は、フレーム３００に損傷を与えることなく、フレーム３００を安定した状態で保持する。また、上部アーム３８０の過度の移動は、ストッパ３９２によって防がれる。

以上のように、ロボットハンド３６０は、フレーム３００を容易にハンドリングすることが可能である。

ワッシャ３３０は、単電池４００毎に設けられており、保持部３１０の端部に埋め込まれ、対応する単電池４００の電極タブに形成されている開口部と位置合わせされている（図２参照）。ワッシャ３３０は、導通ワッシャおよび絶縁ワッシャの２種類が使用される。導通ワッシャは、フレーム３００に保持されている単電池と、積層方向に隣接するフレームに保持されている単電池４００とを電気的に接続する場合に適用される。つまり、導通ワッシャが適用されるフレーム３００と、絶縁ワッシャが適用されるフレーム３００とが、交互に積層される。

ワッシャ３３０は、周囲が絶縁処理されている連結ボルトが貫通する。連結ボルトは、上部ヒートシンク５００および下部ヒートシンク５４０に配置されるナットによって締結され、単電池４００の電極タブの一方を固定する。単電池４００の電極タブの他方は、例えば、超音波溶接によって接合され、電気的に接続される。

通り穴３４０は、下部ヒートシンク５４０のロケートピンが貫通し、フレーム３００を位置決めするために使用される。通り穴３５０は、固定手段６００の締結ボルト６２０が貫通する。

図６は、実施の形態１に係るフレームに配置される単電池を説明するための斜視図である。なお、単電池４００は、図２〜図４の場合と表裏が逆になって示されている。

単電池４００は、リチウムイオン電池、固体電解質電池、ゲル電解質電池などの二次電池であり、周辺部を熱溶着によって接合されたラミネートフィルムからなる外装ケース４１０と、外装ケース４１０から引き出される電極タブ４４０，４５０とを有する。熱溶着は、例えば、超音波溶着を適用することが可能である。

ラミネートフィルムの材質は、特に限定されず、例えば、高分子フィルムからなる外装保護層、金属フィルム層、高分子フィルムからなる熱溶着層を一体化して構成された高分子−金属複合材が挙げられる。

外装ケース４１０は、矩形かつ扁平状であり、発電要素を収容するための凸部４２０と、内部をシールするための熱溶着部４３０とを有する。発電要素は、例えば、正極板、正極集電体、セパレータ、負極板、負極集電体、電解液（電解質）を有している。正極集電体は、外装ケース４１０の内部において、正極板と電極タブ４５０の一端とを接続するため部材である。負極集電体は、外装ケース４１０の内部において、負極板と電極タブ４４０の一端とを接続するため部材である。

電極タブ４４０，４５０は、一方の端面に位置している。電極タブ４４０は、箔状の銅から形成され、負極である。電極タブ４５０は、箔状のアルミニウムから形成され、正極である。電極タブ４４０，４５０の一方には、連結ボルトを挿入するための開口部４６０が形成されている。

図７は、図６に示される単電池の接続状態を説明するための配線図である。

フレーム３００の保持部３１０の同一位置に配置される単電池４００は、積層方向に直列に接続されており、電気的に独立した積層体２２０を形成する。フレーム３００は、４つの単電池４００を保持しているため、積層体２２０は４つ形成される。つまり、実施の形態１における電池ユニット２００は、４つの積層体２２０（２２１〜２２４）を有する。

積層体２２０は、上部ヒートシンク５００および下部ヒートシンク５４０に配置されるバスバー２３０（２３１〜２３３）によって直列に接続される。バスバーは、接続導体であり、例えば、銅から形成されている。

つまり、積層体２２１の最下層に位置する単電池４００と、積層体２２１に隣接する積層体２２２の最下層に位置する単電池４００とは、下部ヒートシンク５４０に配置されるバスバー２３１によって接続される。積層体２２２の最上層に位置する単電池４００と、積層体２２２に隣接する積層体２２３の最上層に位置する単電池４００とは、上部ヒートシンク５００に配置されるバスバー２３２によって接続される。

積層体２２３の最下層に位置する単電池４００と、積層体２２３に隣接する積層体２２４の最下層に位置する単電池４００とは、下部ヒートシンク５４０に配置されるバスバー２３３によって接続される。なお、積層体２２１の最上層に位置する単電池４００および積層体２２４の最上層に位置する単電池４００は、電力端子２４０に接続される。

図８は、図１に示される下部ヒートシンクを説明するための斜視図である。

下部ヒートシンク５４０は、ロケートピン５４１、溝５４５、挿入孔５５０、通気口５５８を有する。ロケートピン５４１は、フレーム３００の通り穴３４０に挿入され、フレーム３００を位置決めするために使用される。

溝５４５は、積層体２２１，２２２および積層体２２３，２２４を直列に接続するためのバスバー２３１，２３３を埋め込むために使用される。なお、下部ヒートシンク５４０とバスバー２３１，２３３とは、絶縁されている。また、溝５４５は、連結ボルト２１０の端部を挿入し、連結ボルト２１０を立設するための挿入孔５４６を有する。

挿入孔５５０は、締結ボルト６２０の一端が挿入され、直接固定される。したがって、下部ヒートシンク５４０に、締結ボルト６２０を固定するためのナットを配置することが不要であり、組電池１００の小型化および軽量化を図ることが可能である。

通気口５５８は、下部ヒートシンク５４０の長手方向に延長して貫通しており、放熱効率を向上させる。なお、通気口５５８を設けることは、必須ではなく、フレーム３００に保持される単電池４００の発熱量を考慮し、適宜省略することも可能である。

下部ヒートシンク５４０の構成材料は、銅、アルミニウム、マグネシウムなどが好ましく、放熱性や軽量化を考慮すると、アルミニウムが特に好ましい。

図９は、図１に示される中間ヒートシンクを説明するための斜視図である。

中間ヒートシンク５２０は、適当な間隔、例えば、フレーム３００を６枚積層した毎に、設けられており、通り穴５２１，５２５および貫通孔５１０を有する。通り穴５２１は、ロケートピン５４１が貫通し、通り穴５２５は、締結ボルト６２０が貫通する。貫通孔５１０は、連結ボルト２１０が貫通する。

連結ボルト２１０には、中間ヒートシンク５２０に対して電気的に絶縁される導通部材（不図示）が挿入される。導通部材は、中間ヒートシンク５２０を挟んで配置されるフレーム３００に保持されている単電池の電極タブを、電気的に接続するために使用される。

中間ヒートシンク５２０の構成材料は、下部ヒートシンク５４０と同一であっても構わないが、軽量化を考慮し、表面が波型形状に加工された樹脂を適用することも可能である。また、通気口を設けることで、放熱効率を向上させることも好ましい。

なお、中間ヒートシンク５２０を配置することは、必須ではなく、フレーム３００に保持される単電池４００の発熱量を考慮し、適宜省略することも可能である。

図１０は、図１に示される上部ヒートシンクを説明するための斜視図である。

上部ヒートシンク５００は、通り穴５０１、貫通孔５０５，５１０、開口部５１５、通気口５１８を有する。通り穴５０１は、ロケートピン５４１が貫通する。貫通孔５０５は、締結ボルト６２０の一端を挿入し、ナット６１０と螺合させるために使用される。貫通孔５１０は、連結ボルト２１０が貫通する。

なお、上部ヒートシンク５００は、下部ヒートシンク５４０に相対する面に、バスバー２３２を埋め込むため溝（不図示）が形成されている。上部ヒートシンク５００とバスバー２３２とは、絶縁されている。

開口部５１５は、電力端子２４０を取り付けるために使用される。通気口５１８は、下部ヒートシンク５４０の長手方向に延長して貫通しており、放熱効率を向上させる。なお、通気口５１８を設けることは、必須ではなく、フレーム３００に保持される単電池４００の発熱量を考慮し、適宜省略することも可能である。

上部ヒートシンク５００の構成材料は、銅、アルミニウム、マグネシウムなどが好ましく、放熱性や軽量化を考慮すると、アルミニウムが特に好ましい。

なお、上部ヒートシンク５００および下部ヒートシンク５４０は、固定手段６００のナット６１０および締結ボルト６２０によって外力が加えられ、積層方向の両面から電池ユニット２００を加圧して、一体的に保持する。つまり、上部ヒートシンク５００および下部ヒートシンク５４０は、電池ユニット２００が有する単電池４００に、積層方向の面圧を付与する加圧手段としての機能を有する。

以上のように、実施の形態１に係る組電池は、すべての単電池が直列に接続されており、大きな電力を供給することが可能である。また、単電池を保持するフレームの積層方向の厚みは、フレームの積層後に縮小しているため、電池ユニットの大型化が避けられる。さらに、フレームの積層前においては、フレームの厚みは相対的に大きく、十分な強度を有するため、高強度を有する重たくかつ高価な材料でフレーム全体を形成する必要はなく、フレームを軽量化することが可能であり、また、安価となる。したがって、安価で小型軽量の組電池を提供することができる。

なお、補強部の嵌合部に配置されるシャフト部材は、中空状に限定されず、中実とすることも可能である。また、固定手段は、例えば、電池ユニットおよびその両面に配置されるヒートシンクの側方に断面Ｕ字状の凹部を設け、固定手段を、側方から凹部に配置するように構成することも可能である。この場合、作業性が向上させることが可能である。

図１１は、実施の形態２に係るフレームを説明するための断面図、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）は、実施の形態２に係るフレームの積層方法を説明するための断面図であり、積層方向の厚みの調整前後をそれぞれ示している。

実施の形態２に係るフレーム３００Ａは、保持部３１０Ａを支持する補強部３２０Ａの構造に関し、実施の形態１に係るフレーム３００と概して異なる。詳述すると、補強部３２０Ａは、シャフト部材３２１が着脱自在に配置される嵌合部３２５を有しておらず、内部に微小な空間を有する材質、例えば、発泡樹脂材料、段ボール材料、ハニカム材料などから形成される。

したがって、図１２（Ａ）に示されるように、下部ヒートシンク５４０Ａにフレーム３００Ａを適当な枚数積層し、中間ヒートシンク５２０Ａ（あるいは上部ヒートシンク５００Ａ）によって外力（押圧力）Ｆを加えることによって、図１２（Ｂ）に示されるように、フレーム３００Ａに保持される単電池４００Ａを隙間なく、積層される。つまり、補強部３２０Ａは、フレーム３００Ａの積層後において、その厚みが削減されるため、電池ユニットの大型化が避けられる。

以上のように、実施の形態２に係る補強部も、フレームの積層後において、その厚みを削減することが可能である。なお、補強部３２０Ａおよび保持部３１０Ａを、同一材料から形成したり、あるいは異なる材料から形成したり、適宜設定することが可能である。

図１３は、実施の形態３に係るフレームを説明するための斜視図、図１４は、図１３の線ＸＩＶ−ＸＩＶに関する断面図、図１５は、実施の形態３に係るフレームにおける積層方向の厚みの調整後を示している断面図である。

実施の形態３に係るフレーム３００Ｂは、保持部３１０Ｂを支持する補強部３２０Ｂの構造に関し、実施の形態１に係るフレーム３００と概して異なる。詳述すると、補強部３２０Ｂは、貫通穴３２６Ｂを有する嵌合部３２５Ｂと、貫通穴３２６Ｂに挿入される中実のシャフト部材３２１Ｂとを有する。また、嵌合部３２５Ｂは、内部に微小な空間を有する材質、例えば、発泡樹脂材料、段ボール材料、ハニカム材料などから形成される。

したがって、フレーム３００Ｂを積層した後、シャフト部材３２１Ｂを取り外し、外力Ｆを加えることで、図１５に示されるように、嵌合部３２５Ｂ（嵌合部３２５Ｂの内部にある空間および貫通穴３２６Ｂ）が圧潰され、フレーム３００Ｂに保持される単電池４００Ｂが隙間なく、積層される。つまり、補強部３２０Ｂは、フレーム３００Ｂの積層後において、その厚みが削減されるため、電池ユニットの大型化が避けられる。

以上のように、実施の形態３に係る補強部も、フレームの積層後において、その厚みを削減することが可能である。なお、補強部の嵌合部に配置されるシャフト部材は、中実に限定されず、中空状することも可能である。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。

例えば、フレームの補強部の厚みの削減は、外力を加えることに限定されず、例えば、フレームの補強部を溶かすことによっても、達成することが可能である。

実施の形態１に係る組電池を説明するための斜視図である。実施の形態１に係るフレームを説明するための斜視図である。実施の形態１に係るフレームの正面図である。実施の形態１に係るフレームの積層状態を説明するための斜視図である。（Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１に係るフレームのハンドリングを説明するための側面図である。実施の形態１に係るフレームに配置される単電池を説明するための斜視図である。図６に示される単電池の接続状態を説明するための配線図である。図１に示される下部ヒートシンクを説明するための斜視図である。図１に示される中間ヒートシンクを説明するための斜視図である。図１に示される上部ヒートシンクを説明するための斜視図である。実施の形態２に係るフレームを説明するための断面図である。（Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態２に係るフレームの積層方法を説明するための断面図である。実施の形態３に係るフレームを説明するための斜視図である。図１３の線ＸＩＶ−ＸＩＶに関する断面図である。実施の形態３に係るフレームにおける積層方向の厚みの調整後を示している断面図である。

符号の説明

１００・・組電池、
２００・・電池ユニット、
２１０・・連結ボルト、
２２０（２２１〜２２４）・・積層体、
２３０（２３１〜２３３）・・バスバー、
２４０・・電力端子、
３００，３００Ａ，３００Ｂ・・フレーム、
３１０，３１０Ａ・・保持部、
３１１・・開口部、
３２０，３２０Ａ，３２０Ｂ・・補強部、
３２１，３２１Ｂ・・シャフト部材、
３２５，３２５Ｂ・・嵌合部、
３２６・・凹部、
３２６Ｂ・・貫通穴、
３３０・・ワッシャ、
３４０，３５０・・通り穴、
３６０・・ロボットハンド、
３７０・・駆動装置、
３８０・・上部アーム、
３８１・・緩衝部材、
３８２・・先端部、
３８３・・ブッシュ、
３８４・・開口部、
３８５・・下部アーム、
３８６・・先端部、
３８７・・基端部、
３９０・・基部、
３９１・・ガイド、
３９２・・ストッパ、
４００，４００Ａ，４００Ｂ・・単電池、
４１０・・外装ケース、
４２０・・凸部、
４３０・・熱溶着部、
４４０，４５０・・電極タブ、
４６０・・開口部、
５００，５００Ａ・・上部ヒートシンク、
５０１・・通り穴、
５０５，５１０・・貫通孔、
５１５・・開口部、
５１８・・通気口、
５２０，５２０Ａ・・中間ヒートシンク、
５２１，５２５・・通り穴、
５４０，５４０Ａ・・下部ヒートシンク、
５４１・・ロケートピン、
５４５・・溝、
５４６・・挿入孔、
５５０・・挿入孔、
５５８・・通気口、
６００・・固定手段、
６１０・・ナット、
６２０・・締結ボルト、
Ｆ・・外力。

Claims

複数の単電池が並列に配置される保持部と前記保持部を支持するための補強部とを有するフレームが、積層されてなる電池ユニットを有する組電池であって、
前記補強部は、内部に空間を有し、前記空間を縮小させることによって、前記フレームの積層方向の厚みが削減される
ことを特徴とする組電池。
前記補強部は、発泡樹脂材料、段ボール材料、あるいは、ハニカム材料から形成されることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
前記補強部は、シャフト部材と、前記シャフト部材が着脱自在に配置される嵌合部とを有し、前記シャフト部材を取り外すことによって形成される空間を、縮小させることによって、前記フレームの積層方向の厚みが削減されることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
前記嵌合部は、貫通穴を有し、前記シャフト部材は、前記貫通穴に挿入されることで、着脱自在に配置されることを特徴とする請求項３に記載の組電池。
前記嵌合部は、断面Ｕ字状の凹部を有し、前記シャフト部材は、側方から前記凹部に挿入されることで、着脱自在に配置されることを特徴とする請求項３に記載の組電池。
前記嵌合部は、発泡樹脂材料あるいは弾性材料から形成されることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の組電池に記載の組電池。
前記補強部の空間は、外力を加えて、前記空間を圧潰することによって、縮小させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の組電池。
前記フレームの積層方向に配置され、前記フレームと接触するヒートシンクを有し、前記外力は、前記ヒートシンクを介して加えられることを特徴とする請求項７に記載の組電池。
前記電池ユニットを固定するための固定手段を有し、前記外力は、前記固定手段によって前記電池ユニットを固定する際の締結力を利用することを特徴とする請求項７に記載の組電池。
前記電池ユニットは、積層方向の両面に、ヒートシンクが配置されており、
前記固定手段は、ナットとボルトとを有し、ボルトの一端は、前記ヒートシンクの一方に直接固定されことを特徴とする請求項９に記載の組電池。