JP4977356B2

JP4977356B2 - 電気デバイス集合体

Info

Publication number: JP4977356B2
Application number: JP2005311437A
Authority: JP
Inventors: 忠島守
Original assignee: NEC Corp; Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp; NEC Corp
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2025-10-26
Also published as: JP2007122968A

Description

本発明は、電気的エネルギーを貯留および出力する電気デバイス（例えば電池やキャパシタ等）が複数集合した電気デバイス集合体に関し、特に、電気デバイス同士を電気的に接続するための構造に関する。

従来、薄型電池の一種としてフィルム外装電池が知られており、該フィルム外装電池は、ラミネートフィルム等からなる包装袋内に電池要素が電解液と共に収容される構成となっている。例えば電気自動車の駆動源としてこの種の電池を利用する場合、数十個ものフィルム外装電池が利用されることもある。このように、複数の電池が集合した電池は「組電池」とも呼ばれ、また、それぞれのフィルム外装電池は「電池セル」とも呼ばれる。

電池セルをいくつ用いるかは組電池に求められる仕様（どの程度の電圧を必要とするか）によって様々であるが、いずれにしても、複数の電池セルを用いる場合には、当然ながら電池セル同士を電気的に接続する必要がある。特許文献１には、この電気的接続にフレキシブルプリント配線板（以下、ＦＰＣ）を用いた例が開示されている。以下これについて図８を参照して簡単に説明する。

図８に示す組電池２５０は、ノート型のパーソナルコンピュータ等の電源として利用されるものであり、一例として３つの電池セル２２０を有している。電池セル２２０は、例えばリチウムイオン二次電池として機能するものであり、フィルム包装袋の外周部からシート状の電極タブ２２５が引き出されている。各電極タブ２２５は、ＦＰＣ２４１上の電気配線（不図示）に接続されるようになっており、ＦＰＣ上には制御回路２３１やコネクタ２１８等が設けられている。
特開２００４−９５３５７号公報

多数の電池セルを用いる場合、例えば、図８に示したような平置きの電池セルモジュールを複数段に積層する構成が採られることも多い。これについて図５（ｂ）を参照して簡単に説明する。図５（ｂ）の構成では、平置きの電池セルモジュールが４段重ねとなっており各モジュールごとにＦＰＣ１４１が設けられている。また、各ＦＰＣ１４１には、それぞれ同じ場所にコネクタ１４５が配置されている。

このような構成は従来一般的であるが、この構成ではコネクタ１４５のサイズがネックとなって組電池全体の薄型化が図れないといった問題が生じ得る。特に、近年では、例えば厚みが５ｍｍ程度といった薄型の電池セルが利用されることもあり、この場合、積層方向おける電極タブ同士のピッチが狭まることから（換言すれば、ＦＰＣ同士の距離が狭まることから）上記問題はより顕在化する。この問題を解決するためには、より薄型のコネクタを使用すればよいとも考えられるが、この対策では製造コストの上昇を招くおそれもある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、いくつかの電気デバイスからなるモジュールごとに電圧取出し用のコネクタが設けられた構成において、小型のコネクタを用いることなく全体の小型化を実現可能な電気デバイス集合体を提供することにある。

上記目的を実現するための本発明の電気デバイス集合体は、電極タブを介して電気的エネルギーを出力する扁平な電気デバイスがその厚さ方向に積層されると共に、前記電気デバイス同士が直列および／または並列に電気的接続された電気デバイス集合体であって、前記各電気デバイスの電極タブには、前記厚さ方向に直交する方向に配されたいくつかの前記電気デバイスからなるサブモジュールごとに電圧を検出するための配線板が接続され、かつ、前記厚さ方向において互いに隣接する前記配線板のそれぞれに設けられたコネクタが、互いに異なる位置に互い違いに配置されている。

このような構成によれば、厚さ方向（電気デバイスの積層方向に同じ）に互いに隣接するコネクタ同士が干渉しないようになっているため、小型のコネクタを用いなくとも電気デバイス集合体の小型化を実現することが可能である。

上記本発明は具体的には、前記配線板として、前記コネクタの取付け位置がそれぞれ異なる第１の配線板と第２の配線板とを有し、これら第１および第２の配線板が前記厚さ方向に交互に配置されているものであってもよい。また、上記に言う「互い違いに配置されている」とは、前記第１の配線板の前記コネクタと前記第２の配線板の前記コネクタとが、前記電極タブの幅方向に位置をずらして配置されているものであってもよい。あるいは、前記第１の配線板の前記コネクタと前記第２の配線板の前記コネクタとが、前記電極タブの引き出し方向（上記幅方向に直交する方向）に位置をずらして配置されているものであってもよい。さらに、一の前記配線板上の前記コネクタと干渉しないように、前記一の配線板に近接する他の前記配線板の一部が切除されていることが好ましい。

本発明によれば、各配線板におけるコネクタの取付け位置を全て同じにするのではなく互い違いの配置としたことにより、小型のコネクタを用いることなく電気デバイス集合体の小型化が実現可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の電気デバイス集合体の一実施形態である組電池の全体構成を示す斜視図であり、図２は、図１の組電池の電気的接続を説明するための模式図である。図３は、図１の組電池に使用される電池セルを単体の状態で示す斜視図である。

図１に示すように、本実施形態の組電池５０は、枠体付きの電池セル２０が複数集合したものであり、特に限定されるものではないが４段重ねの構成となっている。Ｙ方向（電極タブの幅方向）に沿って互いに隣接する２つの電池セル２０同士はＦＰＣによって電気的に接続され、並列化されている。組電池全体としては、このように２つの電池セル２０が並列化されたサブモジュールが、図２に示すような形態で直列接続されている。これにより、組電池５０はサブモジュールの個数（電池セル総数の２分の１）分の電圧を出力するようになっている。

なお、本実施形態では、コネクタ４５の取付け位置が異なる、第１のＦＰＣ４１と第２のＦＰＣ４２とが用いられている。これら第１のＦＰＣ４１および第２のＦＰＣ４２は、コネクタの取付け位置が異なるのみでその他は同様に構成されている。

電池セル自体は従来一般的なものを利用可能であるが、本実施形態の電池セルは図３のような構成となっている。すなわち、電池セル２０は、外装フィルム２４によって形成された密閉空間内に、所定の起電力（例えば３．６Ｖ）を出力する薄型の電池要素２２（電気デバイス要素）が電解液と共に収容されている。外装フィルム２４は、上下２枚のフィルムを張り合わせた構造となっており、外装フィルム２４の外周部にはフィルム同士を熱シールした封止部２３が形成されている。外装フィルム２４は長方形の輪郭形状を有しており、短辺側の２辺から、正極用の電極タブ２５ａおよび負極用の電極タブ２５ｂが引き出されている。

電池要素２２は、表面に正極活物質が塗布されたシート状の正電極と、同じく表面に負極活物質が塗布されたシート状の負電極とがセパレータを介して複数枚積層されたものであり、その厚さは例えば数ｍｍ程度である。

外装フィルム２４としては特に限定されるものではないが、例えば、熱シール性を備えた内面層と、金属箔膜からなる中間層と、保護層として機能する外面層とが順に積層された３層構造のものであってもよい。内面層は、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリアミド、アイオノマー等の耐電界液性および熱シール性に優れた熱可塑性樹脂からなるものであってもよい。中間層は、例えばアルミ箔またはＳＵＳ箔膜など、可撓性を有し強度にも優れたものを利用すればよい。外面層は、ポリアミド系樹脂またはポリエステル系樹脂など、絶縁性に優れた熱可塑性樹脂からなるものであってもよい。

電極タブ２５ａ、２５ｂ（以下、これらを区別せず単に電極タブ２５とも言う）はいずれも、厚みが例えば５０μｍ〜３００μｍのシート状の導電性部材である。正極用の電極タブ２５ａの材質は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金等である。負極用の電極タブ２５ｂの材質は、例えば銅または合金等である。

枠体２８は、外装フィルム２４の封止部を挟持するように設けられた一対の部材２８ａ、２８ｂから構成されている。枠体２８は図３に示すような形状に限らず種々変更可能であり、例えば、電池セル２０の上下面を覆うケースのような形状であってもよい。

２つの電池セル２０（サブモジュール）ごとに設けられたＦＰＣ４１、４２は、上述したように２つの電池セル２０同士を電気的に接続する機能を有している。各ＦＰＣ上にはコネクタ４５が設けられており、このコネクタ４５を所定の電気回路（不図示）に接続することで、各サブモジュールごとの電圧を検出可能となっている。

ＦＰＣ４１、４２は、上記のような機能を果たすものであれば、ＦＰＣ自体の形態や、ＦＰＣと電極タブとの接続形態は特に限定されるものではない。本実施形態では一例として、図４に示すような構成となっている。すなわち、ＦＰＣ４１（ＦＰＣ４２も同じ）には、パターンが露出されたコンタクト部４３が形成されており、コンタクト部４３とコネクタ４５とは互いに電気的に接続されている。

図４では、ＦＰＣ４１の上面側のコンタクト部４３のみが示されているが、ＦＰＣ４１の下面側にも同様のコンタクト部が形成されている。スペーサ４７は、導電性材料からなり所定の厚みを有し、電極タブ２５ａと一方のコンタクト部４３との間、および、電極タブ２５ｂと他方のコンタクト部４３との間に配置される。電極タブ２５ａ、２５ｂ、スペーサ４７、およびＦＰＣ４１には、いずれも同形状の開口穴が形成されており、この穴に通しボルト（不図示）が挿通されるようになっている。

通しボルトの一端側にナット（不図示）を取り付け、全体の固定を行うことにより、上面側の電極タブ２５ａ、スペーサ４７、およびコンタクト部４３が互いに密着した状態となる。同様に、下面側においても、電極タブ２５ｂ、スペーサ４７、およびコンタクト部４３が互いに密着した状態となる。これにより、最終的には、電極タブ２５ａ、２５ｂが相互に電気的接続されるようになっている。

なお、図４では、導電性のスペーサ４７のみが描かれているが、実際には、図２に示したような電気的接続を実現するために所定箇所に絶縁性のスペーサが配置されている。また、通しボルトによって不要な通電がなされないように、通しボルトを絶縁するための手段も設けられている。

次に、図５を参照して本発明の主たる特徴部について説明する。図５は、電極タブ同士の接続部を説明するための図であり、図１のＡ部を矢印Ｃ方向から見た模式図である。図５（ａ）は本実施形態の構成を示し、図５（ｂ）は比較例の構成を示している。

図５（ａ）に示すように、本実施形態の構成では、コネクタ４５の取付け位置が異なる第１のＦＰＣ４１と第２のＦＰＣ４２とが設けられており、第１のＦＰＣと第２のＦＰＣとが厚み方向に交互に配置されている。

最上段に配置された第１のＦＰＣ４１は、最上段の各電池セル２０から引き出された電極タブ（例として符号２５ａを付す）同士を互いに電気的に接続する。コネクタ４５は、第１のＦＰＣ４１の片側（図示右側）に配置されている。第１のＦＰＣ４１は、他にも上から３段目に配置されており、３段目の電池セル２０同士を電気的に接続している。

同じように、最下段に配置された第２のＦＰＣ４２は、最下段の各電池セル２０から引き出された電極タブ（例として符号２５ｂを付す）同士を互いに電気的に接続する。コネクタ４５は、第１のＦＰＣ４１とは反対側４１に設けられている。第２のＦＰＣ４２は、他にも上から２段目に配置されており、２段目の電池セル２０同士を電気的に接続している。

これに対して、比較例の構成では図５（ｂ）に示すようにＦＰＣ１４１はいずれも同じ構成となっており、全てのコネクタ１４５が同じ側に配置されている。なお、電極タブ１２５およびスペーサ１４７は、本実施形態の電極タブ２５ａ、２５ｂおよびスペーサ４７と同様に構成されている。

図５（ｂ）のように構成した場合、コネクタ１４５のサイズ（厚み）がネックとなって組電池全体の薄型化が困難となる。すなわち、コネクタ１４５同士が互いに干渉するため最終的な組電池の厚みＨ₁₅₀が比較的厚くなってしまうのである。これに対して図５（ａ）に示す本実施形態の構成では、コネクタ４５の位置が左右に互い違いに配置されているためコネクタ４５同士の干渉は生じず、よって、最終的な厚みＨ₅₀も図５（ｂ）の構成の厚みＨ₁₅₀と比較して薄くなる。

さらに言えば、本実施形態の構成は厚みが例えば５ｍｍ程度といった薄型の電池セル２０を用いる場合に好適であると言える。すなわち、このような薄型の電池セルの場合、厚み方向の電極タブのピッチｐ₂₅も当然ながら狭まることとなる。図５（ｂ）のような構成で電極タブのピッチが狭まった場合、それに合わせてコネクタ４５を薄型化する必要が生じることとなり、これが製造コストの上昇につながることもある。これに対して本実施形態の構成では、コネクタ４５が互い違いの配置となっていることから、電極タブのピッチが狭まったとしても、小型薄型のコネクタを用いることなく汎用のコネクタで対応可能である。

なお、こうした互い違いの配置構造は、図１のＡ部とＢ部との双方で採用されている。ここで、Ｂ部とは、組電池５０の端部に位置する折返し部分での接続部であり、図２に示すように２つの接続部Ｂ₁、Ｂ₂が設けられている。図２からも明らかなように上下２つの電池セル２０に対して１つのＦＰＣが配置されている。一方、Ａ部では、４つの接続部Ａ₁〜Ａ₄が設けられており各接続部ごとにＦＰＣが配置されている。つまり、Ａ部とＢ部とでは、ＦＰＣの配置ピッチ（積層方向に互いに隣接するＦＰＣ同士の距離）が異なっており、Ａ部における配置ピッチの方がより狭くなっている。このことからすれば、上述したような互い違いの配置による作用効果はＡ部においてより顕著に得られるものとなる。
（第２の実施形態）
以上、本発明の実施の形態について図１〜図５を参照して説明してきたが、本発明は上記に限定されるものではなく種々変更可能である。これについて、以下、図６、図７を参照して説明する。図６は、本発明の他の実施形態を説明するための斜視図であり、図７は、図６の組電池の電気的接続部周辺を矢印Ｄ方向に見た側面図である。

第１の実施形態では、図１に示すようにコネクタ４５が図示Ｙ方向に互い違いに配置された構成について説明したが、コネクタ４５は、図６に示すようにＸ方向（電極タブの引出し方向）に互い違いに配置されていてもよい。第１のＦＰＣ４１’ではコネクタ４５はＸ方向奥側に固定されており、第２のＦＰＣ４２’ではコネクタ４５はＸ方向手前側に固定されている。各ＦＰＣ４１’、４２’には切欠き部４４が形成されており、このようにＦＰＣの一部が切除されることによって、コネクタ４５と、それに隣接するＦＰＣとが干渉しないようになっている。

以上説明したように、コネクタ４５をＸ方向に互い違いに配置した場合であっても本発明による作用効果は上記実施形態と同様に得られることとなる。なお、当然ながら、上記第１の実施形態と第２の実施形態との双方を組み合わせて利用することも可能である。

本明細書における「電気デバイス」とは、上記実施形態で言えば電池セル２０がこれに相当する。電池セル２０の種類としては、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドニウム電池、リチウムメタル一次／二次電池、またはリチウムポリマー電池など特に限定されるものではなく、また、フィルム外装電池に限られるものでもない。例えば、外装フィルム２４（図３参照）の代わりに剛性のある缶などによって電池要素２２が密閉された電池セルを利用することも可能である。さらには「電気デバイス」は、電池に限らずキャパシタ等であってもよい。

本発明の電気デバイス集合体の一実施形態である組電池の全体構成を示す斜視図である。図１の組電池の電気的接続を説明するための模式図である。図１の組電池に使用される電池セルを単体の状態で示す斜視図である。電極タブ同士の接続部の構成を示す斜視図である。図１のＡ部を矢印Ｃ方向から見た図であり、図５（ａ）は本発明による構成を示し図５（ｂ）は比較例を示す。本発明の他の実施形態の構成を示す斜視図である。図６の組電池の電気的接続部周辺を矢印Ｄ方向に見た側面図である。電極タブがＦＰＣに接続された従来の組電池の一例を示す斜視図である。

符号の説明

２０電池セル
２３封止部
２４外装フィルム
２５ａ、２５ｂ電極タブ
２８枠体
４１、４２ＦＰＣ
４３コンタクト部
４４切欠き部
４５コネクタ
４７スペーサ
５０組電池

Claims

電極タブを介して電気的エネルギーを出力する扁平な電気デバイスがその厚さ方向に複数段積層されると共に、前記電気デバイス同士が直列および／または並列に電気的接続された電気デバイス集合体であって、
前記各電気デバイスの電極タブには、前記厚さ方向に直交する方向に配されたいくつかの前記電気デバイスからなるサブモジュールごとに電圧を検出するための配線板が接続され、かつ、前記厚さ方向において互いに隣接する前記配線板のそれぞれに設けられたコネクタが、互いに異なる位置に互い違いに配置されている電気デバイス集合体。
前記配線板として、前記コネクタの取付け位置がそれぞれ異なる第１の配線板と第２の配線板とを有し、前記第１の配線板および第２の配線板が前記厚さ方向に交互に配置されている、請求項１に記載の電気デバイス集合体。
前記第１の配線板の前記コネクタと前記第２の配線板の前記コネクタとは、前記電極タブの幅方向に位置をずらして配置されている、請求項２に記載の電気デバイス集合体。
前記第１の配線板の前記コネクタと前記第２の配線板の前記コネクタとは、前記電極タブの引き出し方向に位置をずらして配置されている、請求項２に記載の電気デバイス集合体。
一の前記配線板上の前記コネクタと干渉しないように、前記一の配線板に近接する他の前記配線板の一部が切除されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の電気デバイス集合体。