JP4936744B2

JP4936744B2 - パック電池とその製造方法

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Publication number: JP4936744B2
Application number: JP2006052846A
Authority: JP
Inventors: 雅良服部; 尚苗村
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: JP2007234328A

Description

本発明はパック電池に関し、特に製造効率の向上技術に関する。

近年、ポータブル型PCをはじめ、携帯電話機、トランシーバー、携帯情報端末（PDA）、デジタルスチルカメラ等の携帯電子機器、或いは電動工具、モバイルプリンタ、アシスト自転車、電気自動車などの主電源またはバックアップ電源として、二次電池を素電池（セル）に利用したパック電池が広く用いられている。
パック電池は、例えば前記素電池を複数にわたり直列に接続して出力を確保することで構成されるが、素電池の種類や使用条件等によっては充放電時の特性に鑑みて素電池を管理する必要がある。このためパック電池は、一般には特許文献1に示すように、複数のセルからなるセル群を保護回路基板に接続し、これを一体的に外装体でパックして構成される。

ここで、一般なパック電池の製造方法では、特許文献2に示すように、セル群は数段にわたり積み重ねたセルユニットとして構成され、保護回路基板に接続されるが、前記セル群が配設されるホルダーを位置決め手段として利用し、当該ホルダーの上に各セルを載置させながら互いに抵抗溶接して接続する方法がある。これによれば、オペレータはホルダーを中心としてセルの抵抗溶接を行えばよいので、その点でメリットがあると言える。

近年では携帯電子機器の多様化に伴い、ユーザの個々の機器に応じた専用の形状を持つパック電池の設計が要求される。このためパック電池は複数にわたるセル群の搭載形態と保護回路基板との合理的なスペース配置に工夫を行い、ユーザー所望の形状でパック電池のエネルギー密度を維持する必要がある。
特開平6-333547号公報特開平10-334864号公報

しかしながら上記パック電池では、例えば前記セルにリチウムイオン二次電池を使用する場合、当該セルの管理上、保護回路基板において隣接セル間の中間電圧を検出するための引き出しリード部材をセル間に接続する必要がある。この場合、上記従来の製造方法のようにホルダーに各セルを載置した後に、隣接セルの狭いスペースにリード部材を配設して個々に抵抗溶接しようとすれば、作業効率を低下させるおそれがある。

また、このような接続方法を行う場合には、抵抗溶接電極に対し、ホルダー上の各セルにおける溶接部分を当接させるために、当該ホルダーごと各セルを頻繁に方向転換させる必要もあり、作業上煩雑である。
さらに、射出成型された樹脂ホルダー上で頻繁に抵抗溶接を行うと、溶接時の加熱によってホルダーが熱損傷し、歩留まりを低下させる等の問題も生じうる。

以上のように、比較的複雑なセル群の搭載形態を有するパック電池の製造方法については、未だ解決すべき余地がある。
本発明は以上の課題に鑑みてなされたものであって、第一の目的として、比較的複雑なセル群の搭載形態を有するパック電池であっても、従来に比べて良好な製造効率で作製することが可能なパック電池の製造方法を提供する。

また第二の目的として、エネルギー密度及びスペース効率に優れるパック電池を提供する。

上記課題を解決するため、本発明は、ホルダー本体に複数のセルを配設するパック電池の製造方法であって、リード部材で前記複数のセルを互いに接続し、第一及び第二のサブユニットからなるセル群を含むセルユニットを作製する組立ステップと、前記セルユニットの組立後に、ホルダー本体の第一領域に対して前記第一サブユニットを近接するように前記セルユニットを一体的に載置する第一載置ステップと、第一サブユニットを前記ホルダー本体の第一領域において保持しつつ、前記リード部材を中心に前記第二サブユニットを折り返してホルダー本体の第二領域に載置する第二載置ステップとを経るものとした。

ここで、前記第二領域に第二サブユニットを載置した後に、前記セルユニットに保護回路基板を接続する基板接続ステップと、前記保護回路基板をホルダー本体に対して配設する基板配設ステップとを有し、前記組立ステップでは、互いにセル段数の異なる第一及び第二のサブユニットを含むセルユニットを作製し、前記基板配設ステップでは、前記第一及び第二のサブユニット間の段差に対応するホルダー本体部分に対し、保護回路基板に実装された部品の少なくとも一部を相補的に収納して配設することもできる。

また、前記組立ステップの後に、前記第二サブユニットにおける各セルの間隙に、ホルダー本体とは別体のスペーサーを介設することもできる。
さらに本発明は、複数のセル群がリード部材で一体的に接続されてなるセルユニットと、当該セルユニットが配設されるホルダー本体とを備え、前記セルユニットにおける各セルが前記ホルダー本体に対し、互いにセル段数の異なる第一及び第二のサブユニットに振り分けられて配設され、前記セル段数の異なる第一及び第二のサブユニット間に形成されるホルダー本体の段差部分に対応して、保護回路基板に実装された部品の少なくとも一部が相補的に収納するように配設された相補部を有し、前記リード部材をホルダー側面に沿わせて、前記リード部材がホルダー本体の前記セルユニットが配設された面に対向する上面部に案内され、前記上面部に載置された前記保護回路基板と接続されることで、前記セルユニットとホルダー本体とが固定される構成のパック電池とした。

ここで、前記第一及び第二のサブユニットのいずれかにおいて、隣接する各セルの間隙に前記ホルダー本体と別体のスペーサーが介設された構成とすることもできる。
また、前記セル群のうち少なくとも一部がリード部材で直列接続され、当該直列接続されたリード部材がセル電圧検出用の配線部材として兼用される構成とすることもできる。

以上の構成を持つ本発明のパック電池によれば、各セル群はホルダー本体に組み付ける前に、予めリード部材を用いてセルユニットとしてまとめて接続される。これにより、本発明ではパック電池の製造時において、ホルダー本体上で各セルを個別に接続させる必要はなく、作製したセルユニットを一体的にホルダーに組み付けるだけでよい。
従って本発明では、従来のように、ホルダー本体上で個々のセルを接続する煩雑さが解消される他、樹脂製のホルダー上で抵抗溶接を行うことで樹脂が熱損傷するといった問題の発生が抑制される。

さらに組立ステップでは、所望のセルに対して一体的に抵抗溶接で接続するために、メインホルダーを取り回す手間が低減され、効率よくパック電池を組み立てられる効果も奏される。
また、本発明のパック電池では、セルユニットをセル段数の互いに異なる第一及び第二サブユニットに振り分け、当該各サブユニット間で生じる段差部分に保護回路基板の突出部を相補的に収納させる構成を持つため、パック電池内で無駄なスペースの発生が防止でき、体積エネルギー密度の低下を最小限に抑えることが可能であるといった特徴も有している。

以下では、本発明を実施するための最良の形態について、各図面を参酌しながら説明する。なお、以下で示す具体例は、本発明の構成およびその構成から奏される作用・効果を分かりやすく説明するために用いる一例であって、本発明は、特徴とする構成以外の部分について、以下の例示に何ら限定を受けるものではない。
＜実施の形態1＞
（パック電池の全体構成）
以下、本発明の一適用例であるパック電池1について説明する。図1(a)はパック電池の外観を表す斜視図である。図1（b）はパック電池1内部に収納されるインナーユニットの構成を示す斜視図である。

図1(a)に示すパック電池1は、モバイルプリンタ用電源として使用されるものであって、全体としてx方向を長手方向とする直方体状の形状を持ち、インナーユニット3、外装容体2A、蓋体2Bとで構成される。当該パック電池1の主要部品であるインナーユニット3は、外部端子部401を開口部200から外部に露出した状態で、外装容体2A、蓋体2Bに覆われ、超音波溶着により封止されてなる。当該パック電池1の規格は、一例として公称電圧21.6V、公称容量1500mAhとすることができるが、当然ながらこの数値に限定するものではない。

インナーユニット3は、メインホルダー30、セルユニット35、保護回路基板4等で構成される。
セルユニット35は、6本のセルA〜B、及び所定の形状のリード部材L1〜L7（S字型リード部材L1、L2、L字型リード部材L5、及びタブ型リード部材L3、L4、ストレート型リード部材L6、L7）で構成される。

セルA〜Fには、一例として直径13mm×長さ50mmのサイズを持つ円筒型リチウムイオン二次電池（電圧3.6V、容量1500mAh）が素電池として用いられている。セルA〜Fの各々は、所定の出力を得るために全体として直列接続されている。具体的に各セルA〜Fは、ニッケルクロム合金、リン酸銅等の導電板材を所定の形状で打ち抜き加工してなるリード部材L1〜L7により、スポット溶接部SP1〜SP12において一体的に抵抗溶接されている。

セルユニット35はメインホルダー30上では形態的に2並×2段数のセル群からなる第一サブユニット351と、2並×1段数のセル群からなる第二サブユニット352として振り分けられ、それぞれメインホルダー本体31上の第一領域（313C、313F）及び第二領域（310A、310D）に搭載されている。
なお、当該明細書中において、「2並×1段数」或いは「2並×2段数」等の表記における「並」とは、物理的なセル同士の配列を意味し、当該セル同士の電気的接続（並列接続）を指すものではない。従って、セル同士が物理的に並列されていても、電気的には直列接続、並列接続のいずれも可能である。本実施の形態1では、各セルA〜Fの接続は全て直列接続でなされる場合を例示している。

L字型リード部材L1、L2、L5は容体2A内部で余分なスペースを取らないよう、セル側面及びホルダー側面318に密着させて配される。ここで、図1（b）に示すP1は、リード部材L2とセルAとを良好に絶縁させるための絶縁シートである。なおP1はセルDについても配されている。
また、ストレート型リード部材L6、L7は、インナーユニット3のx方向端部に位置するセルB、C、E、Fの端部から、上面部301における最短距離で保護回路基板4に対して接続されている。タブ型リード部材L3、L4は第一領域（313C、313F）からメインホルダー本体31を貫通して、前記保護回路基板4に対して接続されている（図5（b）を参照）。当該リード部材L3、L4は、リチウムイオン二次電池の管理の際において、セル間の中間電圧の検出に用いられるものである。

なおインナーユニット3では、リード部材L1、L2、L5をセルA、D側面及びホルダー側面318に沿わせて上面部301に案内させることで、上面部301に載置された保護回路基板4とリード部材L1、L2、L5の側面部分とが不要なショートを生じないように工夫がなされている。
（メインホルダー30の構成）
メインホルダー30は、メインホルダー本体31とスペーサ32の2部品からなり、いずれも耐熱性・機械的強度に優れるポリカーボネート等の樹脂成型品で構成されている。

メインホルダー本体31は、図2に示すように、前記セルユニット35における第一サブユニット351と、第二サブユニット352に合わせて第一領域（313C、313F）及び第二領域（310A、310D）が設けられ、さらにその間に段差部311が設けられた形状を持つ。
第一領域（313C、313F）は、セル形状に合わせた半円断面形状の表面を持ち、当該表面にスペーサ32と嵌合されるための嵌合孔319a〜319dが形成されている。

第二領域（310A、310D）も基本的には前記第一領域（313C、313F）と同様の表面形状を有しており、さらにセルA、Dを隔離するためのリブ312が形成されている。
メインホルダー本体31において、第一サブユニット（ここではセルB、C、E、Fによる2並×2段数）に対し、段数の小さい（ここではセルA、Dによる2並×1段数）第二サブユニット352と当接する部分には、一定のスペースを確保するための相補部33が形成されている。当該相補部33は、メインホルダー本体31の上面部301側から開口されており、当該上面部301に配設される保護回路基板4に実装された嵩の比較的大きい実装部品が当該相補部33にコンパクトに収納されるようになっている。このため、パック電池の容積を増大させることがない。

なお314は外装蓋体2Bとの嵌合ツメであり、315C、315F、317は各リード部材のガイド部である。
スペーサ32は、板体322、323を十字断面形状となるように組み合わせてなる構造を有し、第一領域（313C、313F）に別途組み合わせて構成される。当該スペーサ32は、第一サブユニット351における各セルB〜Fを互いに隔離して絶縁するためのセルスペース320B〜320Eを備え、各セルB〜F同士を位置決めする役目を持つ。324は、セルB〜Fの保持部材である。

ここで、本実施の形態1では、スペーサ32をメインホルダー31と別途独立して射出成型により作製した点に特徴を持つ。すなわち、一般的な射出成型法では、金型は樹脂成型品に対して所定の一方向にしかスライド離間できないので、スペーサ32とメインホルダー31とが一体であれば、例えば十字断面のスペーサ部分と直角方向に開口される相補部33とを同時成形する工程が非常に行いづらい。そこで本実施の形態1では、メインホルダー本体31とスペーサ32をそれぞれ別々に射出成型することで、複雑な形状を有するメインホルダー30であっても製造できるメリットを有している。

保護回路基板4は、図1（a）に示すようにメインホルダー本体31の上面部301に載置される長方形状の基板である。当該基板4には、エッチングによりパターニングされた所定の回路上に、FET素子やダイオード素子、トランス、コイル、コンデンサ、抵抗素子などをはじめとする複数の電子部品が実装されている。ここで、比較的嵩の高いトランス、コイル、コンデンサ等の部品については、前記相補部33に収納されるように、当該保護回路基板4の裏面にまとめて実装されている。

（保護回路基板4とパック電池1の回路構成）
上記構成を有するパック電池1の回路構成について、図3を用いて簡単に説明する。
図3に示すように、パック電池1では、上記6本のセルA〜Fの他に、回路構成上、制御回路が形成されてなる保護回路基板4を有するが、この制御回路には、MPU（マイクロプロセッサユニット）などからなる主制御部18と、外部の接続機器から供給される電力を昇降圧し、セルA〜Fの充電に供するための回路である充電用昇降圧電源19と、6本のセルA〜Fの各々における電圧を検出するためのセル電圧検出部20とを主要な要素として構成されている。

また、図3に示すように、保護回路基板4の制御回路には、前述した複数の電子部品21ａ〜21ｊが用いられている。なお、6本のセルA〜Fに対しては、形式上、配線が並列になるように接続されているが、これはセル電圧を検出するための配線であって、当該セルA〜Fの出力は、直列接続による出力として、セルAおよびFの両端から取り出されるようになっている。

本実施の形態1に係るパック電池1の回路構成自体は、素電池としてリチウムイオン二次電池を採用する一般的なパック電池の回路構成と相違点はないので、ここでの詳しい説明は省略する。
なお本実施の形態1のパック電池1では、インナーユニット3を利用した構造を採用することで、パック電池1における充放電端子401は、メインホルダー30との相対位置、及び蓋体2Bとの相対位置できめ細かな調整ができるというメリットがある。
（パック電池の製造方法）
次に、本発明のパック電池1の製造方法1について説明する。

本実施の形態1では以下に示すように、各セルA〜Fをメインホルダー30へ配設する前に予めセル同士の接続を行い、セルユニット35を作製する。こうすることで、メインホルダー30上に載置した各セルA〜Fを逐次接続する従来の製造方法に比べ、飛躍的にステップを合理化できる。
また、セルユニット35の作製では各セルA〜Fをまとめて抵抗溶接するため、従来の製造方法のように、メインホルダー30上の各セルの位置に抵抗溶接電極を位置決めするといった操作は不要である。このため、前記操作等の準備により煩雑な従来の製造方法に比較して、本実施の形態1では非常に効率よくセルを抵抗溶接できる特徴を有するものである。

（セルユニット35の組立ステップ）
図4は、セルユニット35の組立ステップの様子を示す図である。図4（a）、図4（b）は、それぞれ図4（c）におけるX’方向、X方向から見た各セルの端部の様子を示す。図4（a）、図4（b）中、セルA〜Fにおいて、「+」はセルの正極方向端部、「-」はセルの負極方向端部をそれぞれ示す。

オペレータは、以下の手順でリード部材L1〜L7を用いて6本のセルA〜Fを直列に接続する。
まず円筒型セルA〜Fの向きを長手方向に揃え、一方の端部を上向きにして所定位置に載置させる。
この状態で、前記セルの各端部にリード部材L1、L2、L3，L4を当接させ、X’方向から抵抗溶接電極を押し当てて抵抗溶接によりスポット溶接する（SP1〜SP6、図4（a））。

続いて、セルA〜Fの他方の端部において、X方向からリード部材L5〜L7をスポット溶接する（SP7〜SP12、図4（b））。
このように本実施の形態1では、セルA〜F同士についてはメインホルダー30にこれらを装着する前に予め全て抵抗溶接できるため、メインホルダー30等の樹脂成型品が溶接に係る熱損傷を受ける危険がない。またこの方法によれば、全てのリード部材L1〜L7を予め接続できるので、従来のようにメインホルダー30上に隣接配置したセル同士を個別に抵抗溶接する必要がないため、歩留まりの発生を抑えて良好に作製することができる。

以上のスポット溶接が終了すると、2並×3段数のセルA〜Fからなるセルユニット35が完成する。
（第一載置ステップ）
以上のようにセルユニット35を作製したら、次にオペレータは各セルB、C、E、Fの間にスペーサ32を挿入する。

そしてセルユニット35の各セルA〜Fを積み上げた状態で、第一サブユニット351をメインホルダー本体31の第一領域（313C、313F）に当接させ、これを載置する（図4（c））。このとき、前記スペーサ32の嵌合ツメ321a、321b及び322aを嵌合孔319a、319b及び嵌合溝311aにそれぞれ嵌合させることで、これをメインホルダー本体31に固定させる。また、セルC、Fに接続されたリード部材L3、L4をそれぞれ嵌合孔319d、319cに嵌合させ、先端を上面部301に通す。

なお、この段階では、オペレータは未だセルユニット35をメインホルダー30上で変形させる必要はない。
（第二載置ステップ）
前記第一載置ステップを行った後、オペレータはセルユニット35のうち、第一サブユニット351を指でメインホルダー30側に押さえたまま、図4中の矢印曲線に示すように、リード部材L1、L2の中間部分L11、L21を180°折り返し、第二サブユニット322を180°反転させる（図4（c））。当該リード部材L1、L2は薄い金属板であるため、指で容易に折り返すことができる。これにより、第二サブユニット352は第一領域（313C、313F）に近接される。

その後、オペレータは反転させた第二サブユニット352が、メインホルダー本体上の第二領域（310A、310D）に適正に当接して載置されるように、リブ312等に対して微調整を行う。
（基板接続ステップ及び基板配設ステップ及び外装組み付けステップ）
基板接続ステップとして、前記第二領域に第二サブユニットを載置した後に、前記セルユニットに保護回路基板を接続する。
次に基板配設ステップとして、保護回路基板4をメインホルダー本体31の上面部301へ載置する。ここで本実施の形態1のパック電池1は、保護回路基板4を前記上面部301で位置合わせし、さらに、蓋体3の開口部200において保護回路基板4上の充放電端子401を位置合わせする構成であるため、例えば蓋体2Bに直接充放電端子401を位置合わせする構成に比べ
、より細やかな位置合わせを行うことができる。オペレータはこのとき、前記セル段数が異なる第一及び第二のサブユニット351、352間の段差部分に設けられた相補部33に対し、保護回路基板4の実装部品の少なくとも一部を相補的に収納させて配設させる。この際、
各リード部材L1、L2、L5は相補部33の表面に沿わせて配されるので、前記相補部33に収納された実装部品が前記リード部材L1、L2、L5に対して効果的に絶縁され、不要なショートの発生が防止されるという効果も奏される。

組立ステップの後に、前記第二サブユニットにおける各セルの間隙に、ホルダー本体とは別体のスペーサーを介設する。
次にオペレータは、メインホルダー本体31及びセルユニット35を外装容体2A内に収納する（図5（a））。これにより、メインホルダー本体31及びセルユニット35が外装容体2Aにより良好にホールドされる。
オペレータはこの状態において、図5（b）に示すようにメインホルダー本体31の上面部301から突出した各リード部材L1〜L7の先端を保護回路基板4側に折り曲げ（リード部材L6、L7はガイド部315C、315Fに合わせて折り曲げる）、これに外部より抵抗溶接電極を押圧してスポット溶接する。このとき、溶接部分は図5（a）に示すように上部に解放されているので、溶接効率が低下することがない。また、保護回路基板4上に溶接部分が短時間に形成されるので、メインホルダー30等の樹脂成型品の熱損傷が最低限に抑えられ、本発明の効果を損なうこともない。

この基板配設ステップにより、インナーユニット3が完成される。
このようにインナーユニット3が完成したら、外装容体2Aの上部に蓋体2Bを嵌合させ、両者を超音波溶着させる（図1（a））。以上でパック電池1が完成する。
＜その他の事項＞
なお本発明ではセルA〜Fとして上記サイズ規格を持つ円筒型リチウムイオン二次電池を用いているが、本発明は当然ながらこれに限定するものではなく、パック電池のサイズ・形状或いは出力等の要請に合わせ、これ以外のサイズ規格及び種類（角形、ピン型、ボタン型等）、個数であっても構わない。さらに、ニッケルカドミウム二次電池等、他の二次電池も利用可能である。

本発明のパック電池は、モバイルプリンタ用電源の他、例えば携帯電話機、トランシーバー、携帯情報端末（PDA）、デジタルスチルカメラまた電動工具、バックアップ電源、アシスト自転車、車両（二輪、三輪、四輪等のいずれの車両も含む）の主電源又はハイブリッド用電源として利用することが可能である。

本実施の形態1のパック電池の外観図及びインナーユニットの構成を示す斜視図である。メインホルダー及びスペーサの構成を示す組図である。パック電池内部の模式的な回路構成を示す図である。パック電池の製造プロセスを示す図である。パック電池の製造プロセスを示す図である。

符号の説明

A〜F セル（素電池）
L1〜L7 リード部材
P1 絶縁紙
SP1〜SP12 抵抗溶接部
1 パック電池
2A、2B 外装
3 インナーユニット
4 保護回路基板
30 メインホルダー
31 メインホルダー本体
32 スペーサ
33 相補部
35 セルユニット
301 上面部
310A、310D 第二領域
311、312、323 リブ
313C、313F 第一領域
351 第一サブユニット
352 第二サブユニット

Claims

ホルダー本体に複数のセルを配設するパック電池の製造方法であって、
リード部材で前記複数のセルを互いに接続し、第一及び第二のサブユニットからなるセル群を含むセルユニットを作製する組立ステップと、
前記セルユニットの組立後に、ホルダー本体の第一領域に対して前記第一サブユニットを近接するように前記セルユニットを一体的に載置する第一載置ステップと、
第一サブユニットを前記ホルダー本体の第一領域において保持しつつ、前記リード部材を中心に前記第二サブユニットを折り返してホルダー本体の第二領域に載置する第二載置ステップと
を経ることを特徴とするパック電池の製造方法。
前記第二領域に第二サブユニットを載置した後に、前記セルユニットに保護回路基板を接続する基板接続ステップと、
前記保護回路基板をホルダー本体に対して配設する基板配設ステップとを有し、
前記組立ステップでは、互いにセル段数の異なる第一及び第二のサブユニットを含むセルユニットを作製し、
前記基板配設ステップでは、前記第一及び第二のサブユニット間の段差に対応するホルダー本体部分に対し、保護回路基板に実装された部品の少なくとも一部を相補的に収納して配設する
ことを特徴とする請求項1に記載のパック電池の製造方法。
前記組立ステップの後に、前記第二サブユニットにおける各セルの間隙に、ホルダー本体とは別体のスペーサーを介設する
ことを特徴とする請求項1または2に記載のパック電池の製造方法。
複数のセル群がリード部材で一体的に接続されてなるセルユニットと、当該セルユニットが配設されるホルダー本体とを備え、
前記セルユニットにおける各セルが前記ホルダー本体に対し、互いにセル段数の異なる第一及び第二のサブユニットに振り分けられて配設され、
前記セル段数の異なる第一及び第二のサブユニット間に形成されるホルダー本体の段差
部分に対応して、保護回路基板に実装された部品の少なくとも一部が相補的に収納するように配設された相補部を有し、
前記リード部材をホルダー側面に沿わせて、前記リード部材がホルダー本体の前記セルユニットが配設された面に対向する上面部に案内され、前記上面部に載置された前記保護回路基板と接続されることで、前記セルユニットとホルダー本体とが固定される
ことを特徴とするパック電池。
前記第一及び第二のサブユニットのいずれかにおいて、隣接する各セルの間隙に前記ホルダー本体と別体のスペーサーが介設されている
ことを特徴とする請求項4に記載のパック電池。
前記相補部の表面には、前記リード部材の一部が沿うように配設されており、当該リード部材と前記相補部に収納された前記部品とが互いに絶縁されている
ことを特徴とする請求項4または5に記載のパック電池。