JP4697100B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は電池モジュールに係り、特に、複数個の単電池が直並列に接続された電池モジュールに関する。

従来、二次電池を用いた電池電源装置では、一般に、複数個の二次電池（単電池）を電気的に直並列接続して高電圧化や高容量化がなされている。例えば、電気自動車では、単電池を必要な容量に相当する分だけ複数個直並列に接続した電池モジュールが使用されている。

複数個の単電池を集合化する技術としては、導通部品であるブスバを単電池に溶接して直列あるいは並列接続する技術、または、端部の正、負極にあらかじめ加工されたネジ部を設け、あるいは、加工されたネジ部を有する導通部材を溶接等の接合で単電池に固定して、これらネジ部にブスバを締結固定することが知られている。これら電気接続された集合電池（組電池）は、一般に絶縁性を有する枠体に保持されることにより固定される。これらの集合電池を隣接配置し、隣り合う集合電池に導通部材を装着して高電圧化や高容量化を図った電池モジュールが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、電池モジュールでは、各単電池の容量が異なると、単電池の容量に差が出てくる。容量の差が大きくなると、単電池の寿命が短くなり、また使用可能な電圧範囲も狭くなる。このため、セルコントローラにより、各単電池の電圧を監視し、各単電池の容量を略均一となるように調整する方法が一般的であり、具体的には、容量の大きな単電池に対しスイッチ素子を介して抵抗を並列に接続して容量を調整する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−１８２５８３号公報 特開２０００−０９２７３２号公報

しかしながら、電池モジュールの用途によって、同じ電圧でも必要な容量が異なるため、並列で接続する単電池個数を変える必要のある場合がある。その場合、単電池の電圧をセルコントローラが必要な関係上、必要な容量に対して電池モジュールをその都度設計し、作製する必要があった。

本発明は上記事案に鑑み、容量を容易に変更可能な電池モジュール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、複数個の単電池と、前記単電池の各電圧を検出するための電圧検出線を集約した集約部もしくは前記電圧検出線に接続されたセルコントローラと、前記単電池のプラス、マイナスの各端子に導通し前記単電池毎に外部接続可能な２箇所の接続部とを有するメインユニットと、前記メインユニットと同数の単電池と、前記単電池のプラス、マイナスの各端子に導通し前記単電池毎に外部接続可能な２箇所の接続部とを有する少なくとも１つのサブユニットと、を備え、前記メインユニットの各単電池は直列接続されており、前記サブユニットの各単電池は互いに接続されておらず、前記メインユニットと前記サブユニットまたは前記サブユニット同士は前記接続部を介して並列接続されていることを特徴とする。

本発明の電池モジュールは、複数個の単電池と、単電池の各電圧を検出するための電圧検出線を集約した集約部もしくは電圧検出線に接続されたセルコントローラと、単電池のプラス、マイナスの各端子に導通し単電池毎に外部接続可能な２箇所の接続部とを有するメインユニットと、メインユニットと同数の単電池と、単電池のプラス、マイナスの各端子に導通し単電池毎に外部接続可能な２箇所の接続部とを有する少なくとも１つのサブユニットと、を備えている。メインユニットの各単電池は直列接続されており、サブユニットの各単電池は互いに接続されておらず、メインユニットとサブユニットまたはサブユニット同士が接続部を介して並列接続されている。本発明では、接続部を介してサブユニットを増設することができるとともに、セルコントローラへの接続はメインユニットのみで行うことが可能なため、容量を容易に変更可能な電池モジュールを実現することができる。

サブユニットの接続数が多い場合は、電気抵抗によってメインユニットの単電池と端末のサブユニットの単電池とに電圧差が生じやすいため、この電圧差を低減させるために、サブユニットを複数個備える場合には、メインユニットを電池モジュールの中央に位置させることが好ましい。また、メインユニットの２箇所の接続部が凹状を呈し、サブユニットの２箇所の接続部のうち一方が凸状、他方が凹状を呈しており、凹状の接続部に凸状の接続部を嵌合させて並列接続すれば、接続の作業性が向上するとともに、誤接続を防ぎやすくなる。

また、メインユニットおよびサブユニットがそれぞれ電気絶縁性の１枚のプレートをさらに有しており、このプレートがメインユニットおよびサブユニットの全単電池を覆うようにメインユニットおよびサブユニットの上部に配置されているようにすれば、プレートにより電池モジュールの上部が電気的に絶縁されるので、電池モジュールの上部に導通部材が配置されるような場合でも短絡事故を防止することができる。さらに、メインユニットおよびサブユニットの全単電池がプレートにそれぞれ固定されていれば、単電池の遊動を防止することができる。このとき、接続部はプレートの長手方向の両側の直下に位置しており、プレートは、凹状の接続部に対応する箇所が切り欠かれており、凸状の接続部に対応する箇所の上部を覆うように突出していることが好ましい。また、電圧検出線がメインユニットのプレートの裏面側に配線されていれば、電圧検出線はプレートにより上部からの外力から保護されるので、断線の予防となる。さらに、メインユニットのプレートの長手方向と交差する一側に正負極出力端子が配置されていれば、電池モジュールからの電力が取り出し易くなる。

本発明によれば、接続部を介してサブユニットを増設することができるとともに、セルコントローラへの接続はメインユニットのみで行うことが可能なため、容量を容易に変更可能な電池モジュールを実現することができる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る電池モジュールの実施の形態について説明する。

図１および図２に示すように、本実施形態の電池モジュール１０は、１つのメインユニット１と４つのサブユニット２とで構成されており、メインユニット１は電池モジュール１０の中央に位置している。

図３に示すように、メインユニット１は、５個の単電池３、これらの単電池３の上部を覆う電気絶縁性のプレート４、プレート４の長手方向一側端部に固定されたコネクタ８、コネクタ８に近接配置されプレート７に立設された出力端子７を有している。

単電池３には、例えば、リチウムマンガン複酸化物をアルミニウム箔に塗布した正極と、非晶質炭素を圧延銅箔に塗布した負極とを、セパレータを介して捲回し、角型で四隅がＲ付けされた電池容器内に収容したリチウムイオン二次電池を用いることができる。

図４に示すように、メインユニット１は、５個の単電池３が図示を省略した接続ブスバ（導電部材）により直列接続されている。すなわち、隣接する単電池３間の極性の異なる端子間に接続ブスバがスポット溶接されている。各接続ブスバには単電池３の各電圧を検出するための電圧検出線９が予め接続されており、上述したように、プレート４の長手方向一側端部には電圧検出線９を集約したコネクタ８が予め固定されているため、電圧検出線９に、接続ブスバの接続作業のための若干の遊び（長さ）が必要なものの、コネクタ８、電圧検出線９、単電池３間の個別の接続作業は不要である。

また、出力端子７にはプレート４の裏面側で予め出力線１３の一端側が接続されており、出力線１３の他端側はそれぞれ最低電位側の単電池３のマイナス端子、最高電位側の単電池３のプラス端子にスポット溶接されたブスバに予め接続されている。従って、電圧線１３も電圧検出線９と同様に、接続作業のための若干の遊びが必要なものの、個別の接続作業は不要である。これら電圧検出線９および出力線１３は、メインユニット１を構成する単電池３の上部かつプレート４の裏面側に配線されており、電池モジュール１０の組立完了後はプレート４に覆われ（プレート４で保護され）、外部からは目視できない状態となる。なお、出力線１３には、後述するようにサブユニット２の並列接続（増設）を考慮して、最大許容電流が大きく抵抗の小さいケーブル等が使用される。

各単電池３は、プラス、マイナスの各端子に導通し単電池３毎に外部接続可能な２箇所の凹状接続部５を有している（図３も参照）。本実施形態では、配線を少なくするために、単電池３の内部で、プラス、マイナスの各端子に２箇所の凹状接続部５が接続されているが、単電池３の外部で各端子から凹状接続部５にそれぞれ接続するようにしてもよい。

図３に示すように、５個の単電池３はプレート４に固定されている。この固定態様としては、例えば、各単電池３の上部中央に（雌）ネジ孔を形成しておき、プレート４の対応箇所に形成された丸穴を介して固定用（雄）ネジで固定したり、各単電池３の上部複数箇所に溝孔を予め形成し、プレート４の対応箇所に溝孔に嵌合する突起を形成しておき、突起に接着剤を塗布し溝孔に嵌合させた後固化させることで、各単電池３をプレート４に固定することができる。

上述した凹状接続部５はプレート４の長手方向の両側の直下に位置しており、プレート４の凹状接続部５に対応する箇所は凹状接続部５の断面形状と同形状に切り欠かれている。また、各単電池３の凹状接続部５間には凹状に切り欠かれ、切り欠きの断面積が凹状接続部５より小さい凹状嵌合部１１が形成されている。

一方、図５および図６に示すように、サブユニット２は、５個の単電池３、これらの単電池３の上部を覆う電気絶縁性のプレート４’を有しており、原則としてメインユニット１と同様の構造を有しているが、以下の点でメインユニット１とは異なっている。

まず、図６に示すように、サブユニット２の各単電池３は互いに接続されていない。さらに、メインユニット１のように出力端子７やコネクタ８を有しておらず、従って、電圧検出線９や出力線１３がプレート４’の背面側に配線されていない。

また、図５に示すように、各単電池３は、プラス、マイナスの各端子に導通し単電池３毎に外部接続可能な２箇所の接続部を有する点でメインユニット１と同じであるが、単電池３毎に外部接続可能な２箇所の接続部のうち、一方がメインユニット１の場合と同じ凹状接続部５を有し、他方が凸状接続部６を有している点でメインユニット１とは異なっている。

このため、プレート４’の凹状接続部５に対応する箇所は凹状接続部５の断面形状と同形状に切り欠かれているが、凸状接続部６に対応する箇所は凸状接続部６の断面形状と同形状で凹状接続部６の上部を覆うように突出している。なお、凸状接続部６および凹状接続部５はプレート４’の長手方向の一側および他側に直下に位置している。また、各単電池３の凹状接続部５間には凹状に切り欠かれ、切り欠きの断面積が凹状接続部５より小さい凹状嵌合部１１が形成されているのに対し、各単電池３の凸状接続部６間には凸状に突出し、突出部の断面積が凸状接続部６より小さい凸状嵌合部１２が形成されている。

図１および図２に示すように、メインユニット１とサブユニット２またはサブユニット２同士は、凹状接続部５に凸状接続部６、凹状嵌合部１１に凸状嵌合部１２がワンタッチ嵌合することにより、並列接続され電池モジュール１０を構成している。換言すれば、メインユニット１およびサブユニット２の接続部は、増設される側のユニットの接続部が凹状を呈し、増設する側のユニットの接続部が凸状を呈している。この関係は、凹状嵌合部１１と凸状嵌合部１２との間でも同じである。

次に、本実施形態の電池モジュール１０の効果等について説明する。

本実施形態の電池モジュール１０は、５個の単電池３、電圧検出線９を集約したコネクタ８、単電池３のプラス、マイナスの各端子に導通し単電池３毎に外部接続可能な２箇所の凹状接続部５を有するメインユニット１と、メインユニットと同数の単電池３、単電池３のプラス、マイナスの各端子に導通し単電池３毎に外部接続可能な凹状接続部５、凸状接続部６を有する４つのサブユニット２と、を備えている。メインユニット１の各単電池３は直列接続されており、サブユニット２の各単電池３は互いに接続されておらず、メインユニット１とサブユニッ２またはサブユニット２同士が凹状接続部５、凸状接続部６を介して並列接続されている。本実施形態よれば、凹状接続部５、凸状接続部６を介してサブユニット２の並列接続数を増設することができるとともに、セルコントローラへの接続はコネクタ８によりメインユニット１のみで行うことができ、増設部分（サブユニット２）を考慮しなくても並列数の変更が可能となる。このため、容量を容易に変更可能な電池モジュールを実現することができる。

また、本実施形態では、メインユニット１を電池モジュール１０の中央に配置している。このため、サブユニット２の並列接続数が多い場合でも、接続部や単電池３内部の電気抵抗によって生じる、メインユニット１の単電池３と端末のサブユニット２の単電池３との電圧差を低減させることができる。

さらに、本実施形態では、メインユニット１の単電池３毎の２箇所の接続部が凹状を呈し、サブユニット２の単電池３毎の２箇所の接続部のうち一方が凸状、他方が凹状を呈しており、凹状接続部５に凸状接続部６をワンタッチ嵌合させて並列接続するため、接続の作業性が向上するとともに、誤接続を防ぎやすくなる。

さらにまた、本実施形態では、メインユニット１およびサブユニット２はそれぞれプレート４、４’をさらに有しており、プレート４、４’がメインユニット１およびサブユニット２の全単電池３を覆うようにメインユニット１およびサブユニット２の上部に配置されている。また、プレート４、４’は、凹状接続部５に対応する箇所が切り欠かれており、凸状接続部６に対応する箇所の上部を覆うように突出している。このため、並列接続後、プレート４、４’により電池モジュール１０の上部が電気的に絶縁されるので、電池モジュール１０の上部に導通部材が配置されるような場合でも短絡事故を防止することができる。

さらに、本実施形態では、メインユニット１およびサブユニット２の全単電池３がプレート４、４’にそれぞれ固定されている。このため、電池モジュール１０に振動等の外力が加わっても、単電池３の遊動を防止することができる。しかも、各単電池３は角形であり、互いに遊動を規制し合う。また、メインユニット１およびサブユニット２は接続部および嵌合部を介して嵌合し一体となっているため、電池モジュール１０の全体が外力に対して振動や遊動を生じない構造を有している。

また、本実施形態では、電圧検出線９および出力線１３がメインユニット１のプレート４の裏面側に配線されているので、電圧検出線９および出力線１３はプレート４により上部からの外力から保護され、断線の予防となる。

さらに、本実施形態では、メインユニット１のプレート４の長手方向と交差する一側にコネクタ８、出力端子７が配置されている。このため、セルコントローラへの接続や電力の取り出しのための接続等が集約された一箇所で行うことができる。

なお、本実施形態では、電圧検出線９を集約してセルコントローラに接続するためのコネクタ８を例示したが、本発明はこれに限らず、電圧検出線９をセルコントローラに直接接続するようにしてもよい。この場合、セルコントローラは、例えば、メインユニット１のプレート４の上部に配置するようにすればよい。

また、本実施形態では、メインユニット１、サブユニット２ないしサブユニット２同士の接続に凹状接続部５、凸状接続部６のワンタッチ嵌合を例示したが、本発明はこれに限らず、接続部をボルト締めするようにしてもよい。また、接続形態を必要な電力や使用形態（例えば、車載用電源のように振動等を考慮する必要の是非）に応じて選択するようにしてもよい。

さらに、本実施形態では、メインユニット１に凹状接続部５、サブユニット２に凹状接続部５、凸状接続部６を例示したが、本発明はこれに制限されるものではない。要は、メインユニット１やサブユニット２の接続部はプラスとマイナスとを間違えないように接続できる形状を有していればよい。

また、本実施形態では、末端のサブユニット２の凹状接続部６の上部側が露出している例を示したが、安全性をさらに高めるために、この箇所にプレート等の絶縁性部材で覆われたダミーの凹状接続部を嵌合させ、電池モジュール１０の上部側での外部短絡事故を完全に予防するようにしてもよい。

そして、本実施形態では、単電池３に捲回式のリチウムイオン二次電池を例示したが、本発明はこれに限らず、例えば、積層式のリチウムイオン二次電池を用いてもよく、さらには、リチウムイオン二次電池に限らず、ニッケル水素二次電池等の他の二次電池を用いるようにしてもよい。

本発明は容量を容易に変更可能な電池モジュールを提供するものであるため、電池モジュールの製造、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電池モジュールの外観斜視図である。 実施形態の電池モジュールの分解斜視図である。 電池モジュールを構成するメインユニットの部分斜視図である。 メインユニットの配線図である。 電池モジュールを構成するサブユニットの部分斜視図である。 サブユニットの配線図である。

符号の説明

１ メインユニット
２ サブユニット
３ 単電池
４ プレート
５ 凹状接続部
６ 凸状接続部
７ 出力端子
９ 電圧検出線
１０ 電池モジュール

Claims (8)

1. 複数個の単電池と、前記単電池の各電圧を検出するための電圧検出線を集約した集約部もしくは前記電圧検出線に接続されたセルコントローラと、前記単電池のプラス、マイナスの各端子に導通し前記単電池毎に外部接続可能な２箇所の接続部とを有するメインユニットと、
   前記メインユニットと同数の単電池と、前記単電池のプラス、マイナスの各端子に導通し前記単電池毎に外部接続可能な２箇所の接続部とを有する少なくとも１つのサブユニットと、
   を備え、前記メインユニットの各単電池は直列接続されており、前記サブユニットの各単電池は互いに接続されておらず、前記メインユニットと前記サブユニットまたは前記サブユニット同士は前記接続部を介して並列接続されていることを特徴とする電池モジュール。
2. 前記サブユニットを複数個備えており、前記メインユニットが前記電池モジュールの中央に位置するように、前記メインユニットと前記サブユニットまたは前記サブユニット同士が前記接続部を介して並列接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記メインユニットの前記２箇所の接続部は凹状を呈し、前記サブユニットの前記２箇所の接続部のうち一方が凸状、他方が凹状を呈しており、前記メインユニットと前記サブユニットまたは前記サブユニット同士は前記凹状の接続部に前記凸状の接続部が嵌合することにより並列接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記メインユニットおよびサブユニットはそれぞれ電気絶縁性の１枚のプレートをさらに有しており、前記プレートは前記メインユニットおよびサブユニットの全単電池を覆うように前記メインユニットおよびサブユニットの上部に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電池モジュール。
5. 前記メインユニットおよびサブユニットの全単電池は前記プレートにそれぞれ固定されていることを特徴とする請求項４に記載の電池モジュール。
6. 前記接続部は前記プレートの長手方向の両側の直下に位置しており、前記プレートは、前記凹状の接続部に対応する箇所が切り欠かれており、前記凸状の接続部に対応する箇所の上部を覆うように突出していることを特徴とする請求項４に記載の電池モジュール。
7. 前記電圧検出線は前記メインユニットのプレートの裏面側に配線されていることを特徴とする請求項４に記載の電池モジュール。
8. 前記メインユニットのプレートの長手方向と交差する一側に正負極出力端子が配置されたことを特徴とする請求項４に記載の電池モジュール。

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