JP5022222B2 - 絶縁カバーおよびフィルム外装電気デバイス集合体 - Google Patents

Description

本発明はケース内に複数のフィルム外装電気デバイスを収容配置したフィルム外装電気デバイス集合体に関し、特にフィルム外装電気デバイス集合体内の絶縁カバーに関する。

近年、電動モータを駆動源とする電気自動車やハイブリッド電気自動車（以下、単に「電気自動車等」という）の開発が急速に進められつつある。電気自動車等に搭載される電動モータの電源には、電気自動車等の操縦特性や一充電走行距離等を向上させるために、小型軽量化が求められる。このため、特開２００１−７６６９１号公報等に開示されているフィルム外装電池が開発されている。また、この種のフィルム外装電池をケース内に多数収容して所望の出力電圧が得られるようにした電池パック（「組電池」と呼ばれることもある）が開発されている。特開２００１−７６６９１号公報等にはフィルム外装電池の基本構造が開示されている。

フィルム外装電池は、正極側活電極、負極側活電極、及び電解液からなる発電要素がアルミニウムなどの金属フィルムと熱融着性の樹脂フィルムとを重ね合わせてなるラミネートフィルムによって被覆されたものである。尚、発電要素を被覆している２枚のラミネートフィルムの対向する４辺は、熱融着によって気密に封止されている。また、熱融着されたラミネートフィルムの一方の短辺からは、フィルム状の正極用電極端子が引き出され、他方の短辺からはフィルム状の負極用電極端子が引き出されている。

フィルム外装電池１個あたりの出力電圧は３〜４［Ｖ］程度である。実用的な出力電圧を得るためには、多数のフィルム外装電池を直列に電気接続する必要がある。しかしながら、接続されるフィルム外装電池の数が多くなると、実装、運搬、保管等に手間が掛かる。例えば、電動モータによって自動車を走行させるためには、一般的に３００〜４００［Ｖ］程度の電圧が必要とされる。よって、必要とする電圧を得るためには１００個程度のフィルム外装電池が必要となる。しかし、これら大量のフィルム外装電池はバラバラの状態では非常に扱い難く、電池パックの組立にも手間や時間を要する。

そこで、フィルム外装電気デバイスを所定個数ずつモジュール化することによって、大量のフィルム外装電気デバイスを取り扱う際の利便性を向上させる手法が採用される。

１つのモジュールを構成する電池セルの個数は出力電圧が５０［Ｖ］以下となるように電池セルの個数を設定することが安全性の観点からは望ましい。１つの電池セルの出力電圧は、約３．６［Ｖ］であるので、１２個の電池セルを直列接続することでモジュールの出力電圧は、約４３．２［Ｖ］となる。よって、電気自動車の電源として３００〜４００［Ｖ］程度を得るためには、７〜９個のモジュールを構成しておき、これらモジュールを例えばバスバーによって接続し高電圧を得る。モジュール間の電気的な接続が終了した後は、組電池を取り扱う際の安全性を考慮して電気的接続がなされた部分は絶縁性のカバーで覆われる。

組電池の最終的な使用形態は絶縁カバーで覆われることで安全性が確保されているものの、モジュール同士を接続する作業中においてはモジュールを接続しているバスバーが露出している状態にあり、接続作業は危険を伴うものである。

そこで、本発明は、モジュール間を接続する作業中の安全を確保することができる絶縁カバーおよびフィルム外装電気デバイス集合体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の絶縁カバーは、フィルム外装電気デバイスが所定の個数積層され、各フィルム外装電気デバイスの電極端子がバスバーによって電気的に接続されることでデバイスモジュールが構成され、並列配置された複数のデバイスモジュールのバスバーを覆うように取り付けられた絶縁カバーにおいて、
デバイスモジュールに取り付けられることで、隣接するデバイスモジュールのバスバー同士に当接してデバイスモジュール同士を電気的に接続させるモジュール用バスバーと、デバイスモジュールの個々に対応した複数のモジュールカバーと、を有し、各モジュールカバー同士がモジュール用バスバーによって接続されてなることを特徴とする。

本発明の絶縁カバーは、デバイスモジュール同士を電気的に接続させるモジュール用バスバーを備えており、デバイスモジュールに取り付けられることで隣接するデバイスモジュールのバスバー同士を電気的に接続させる。よって、絶縁カバーを取り付けることでデバイスモジュール同士の最終的な電気的な接続がなされるため、デバイスモジュールの総電圧を５０Ｖ以下の比較的安全としておくことで、絶縁カバーを取り付ける前の段階では安全な状態で作業を行うことができる。

また、本発明の絶縁カバーは、デバイスモジュールの個々に対応した複数のモジュールカバーを有し、各モジュールカバー同士がモジュール用バスバーによって接続されてなるものであってもよい。このような構成とすることで、デバイスモジュールの個数を増やしたり減らしたりした場合、これに応じてモジュールカバーの枚数を増減させて対応させることができる。

また、本発明の絶縁カバーは、各モジュールカバーが、モジュールカバーの側端部に取り付けられたモジュール用バスバーを覆うバスバーカバー部を有するものであってもよい。この構成の場合、モジュール用バスバーが露出していないので安全である。

また、本発明の絶縁カバーは、バスバーカバー部がモジュール用バスバーを冷却するための冷却風が通過する冷却路を構成するものであってもよい。この場合、バスバーカバー部を冷却路として機能させることで、別途冷却路を構成することなく発熱したモジュール用バスバーを冷却することができる。

本発明のフィルム外装電気デバイス集合体はフィルム外装電気デバイスが所定の個数積層され、各フィルム外装電気デバイスの電極端子がバスバーによって電気的に接続されることでデバイスモジュールが構成され、並列配置された複数のデバイスモジュールからなるフィルム外装電気デバイス集合体であって、本発明の絶縁カバーを有するものである。

本発明によれば、絶縁カバーを取り付けることでデバイスモジュール同士の最終的な電気的な接続がなされるため、デバイスモジュールの総電圧を所定の比較的安全な電圧としておくことで、絶縁カバーを取り付ける前の段階では比較的安全な状態で作業を行うことができる。

本発明の電気デバイス集合体を構成するフィルム外装電池の一例を示す外観斜視図である。 本発明の電気デバイス集合体を構成するケース入りフィルム電池の一例を示す分解斜視図である。 本発明の電気デバイスジュール集合体を構成する電池モジュールの分解斜視図である。 本発明の電気デバイスジュール集合体および絶縁カバーの分解斜視図である。 図４を１８０度回転させて見た図である。 本発明の電気デバイスジュール集合体および絶縁カバーの平面図である。

以下、本発明の電気デバイス集合体の実施形態の一例について詳細に説明する。

［フィルム外装電池］
まず、本例の電池パックを構成しているフィルム外装電池について図１を参照しながら説明する。図１に示すフィルム外装電池１０は、不図示の正極側活電極、負極側活電極、及び電解液を有する発電要素１１を２枚のラミネートフィルム１２によって気密に包装したものであり、出力電圧は約３．６Ｖである。ラミネートフィルム１２は、アルミニウムなどの金属フィルムと熱融着性の樹脂フィルムとを重ね合わせてなるフィルムであって、発電要素１１を包囲している上下２枚のラミネートフィルム１２の対向する４辺は熱融着によって気密に封止されている。

ここで、フィルム外装電池の発電要素には、セパレータを介して積層された正極側活電極と負極側活電極とからなる積層型と、帯状の正極側活電極と負極側活電極とをセパレータを介して重ねこれを捲回した後、扁平状に圧縮することによって正極側活電極と負極側活電極とを交互に積層させた捲回型とがある。図１に示すフィルム外装電池１０の発電要素１１は、上記積層型及び捲回型のいずれであってもよい。さらに、上記正極側活電極及び負極側活電極には、一般的なリチウムイオン二次電池において用いられている正極板及び負極板を用いることができる。すなわち、リチウム・マンガン複合酸化物、コバルト酸リチウム等の正極活物質をアルミニウム箔などの両面に塗布した正極板と、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料を銅箔などの両面に塗布した負極板とを、セパレータを介して対向させ、それにリチウム塩を含む電解液を含浸させることによって上記発電要素１１を得ることができる。もっとも、発電要素１１は、正極、負極および電解質を含むものであればよく、通常の電池に用いられる任意の発電要素をそのまま、或いは適宜設計変更して適用可能である。

再び図１を参照すると、フィルム外装電池１０の一方の短辺からは、上記正極側活電極に接続された正極用電極端子１３が引き出され、他方の短辺からは、上記負極側活電極に接続された負極用電極端子１４が引き出されている。正極用電極端子１３及び負極用電極端子１４の素材は、その電気的特性を考慮して選択されるが、本例では、正極用電極端子１３にアルミニウム、負極用電極端子１４に銅又はニッケルを用いた。

本例の電池パックでは、上記構造を有するフィルム外装電池１０が１つずつセルケース２０に収容され、セルケース２０に収容されたフィルム外装電池１０（以下「ケース入りフィルム電池２６」）が所定個数ずつ一体化されて電池モジュール３０を構成している。セルケース２０の構造を図２に示し、電池モジュール３０の構造を図３に示す。

［セルケース］
図２に示すように、セルケース２０は、ケース本体２１と枠体２２とから構成されている。ケース本体２１は、略枠状の底板２３と、底板２３の周縁から立ち上げられた側壁２４とを有し、側壁２４の内側に図１のフィルム外装電池１０を収容可能な形状及び寸法を有する。一方、枠体２２は、ケース本体２１の側壁２４の内側に嵌合可能な形状及び寸法を有する。また、枠体２２は、ケース本体２１に収容されたフィルム外装電池１０の上に被せることによって、フィルム外装電池１０の周縁をケース本体２１の底板２３との間に挟持する。また、ケース本体２１の底板２３には、７個の貫通孔２５が形成されている。これら貫通孔２５は、ケース本体２１内に収容されたフィルム外装電池１０、及びそのフィルム外装電池１０の上に被せられた枠体２２と重複しない位置に形成されており、ケース入りフィルム電池２６の表裏面に連通するように設計されている。尚、セルケース２０に収容されたフィルム外装電池１０の正極用電極端子１３及び負極用電極端子１４は、ケース本体２１の短辺に設けられている２つの切り欠き２７を通してセルケース２０の外部にそれぞれ引き出されている。

［電池モジュール］
次に、電池モジュール３０について説明する。図３に示すように、電池モジュール３０は、樹脂製の保持部材３１及び蓋板３２を有するモジュールケース内に１２個のケース入りフィルム電池２６を収容し、これらケース入りフィルム電池２６を一体化したものである。

保持部材３１は、側板３３と、側板３３の四隅から蓋板３２に向けて突設されたアーム３４とを有する。さらに、各アーム３４の内側には、ケース入りフィルム電池２６（セルケース２０）及び蓋板３２の四隅がそれぞれ嵌合可能な略Ｌ字形の案内溝３５が長手方向に沿って形成されている。１２個のケース入りフィルム電池２６は、案内溝３５の案内に従って４本のアーム３４の内側に収容され、厚み方向に積層されている。

蓋板３２は、１２個のケース入りフィルム電池２６がアーム３４の内側に収容された後に、同じく案内溝３５の案内に従って４本のアーム３４の内側に嵌め込まれる。そして、蓋板３２は積層方向最も手前のケース入りフィルム電池２６ａに当接する。ここで、アーム３４の長さは、１２個のケース入りフィルム電池２６の厚みの合計よりも蓋板３２の厚み分だけ長い。このため、１２個のケース入りフィルム電池２６に次いでアーム３４の内側に嵌め込まれた蓋板３２の表面とアーム３４の端面とは面一になっている。尚、側板３３及びアーム３４の表面には、補強のために多数のリブが形成されている。

さらに、保持部材３１の側板３３には、ケース入りフィルム電池２６のセルケース２０に設けられている貫通孔２５（詳しくは図２参照）と連通するロッド挿入孔３６が複数形成されている。また、蓋板３２には、同じく貫通孔２５と連通するボルト挿入孔３７が複数形成されている。ロッド挿入孔３６から挿入された細長中空の固定部材（ロッド３８）は全てのケース入りフィルム電池２６を貫くこととなる。さらに、このロッド３８の内周面には不図示の螺子が形成されており、蓋板３２のボルト挿入孔３７から挿入されたボルト３９がロッド３８の内周面に形成されている螺子に螺合されている。すなわち、保持部材３１、１２個のケース入りフィルム電池２６及び蓋板３２は、これらを貫く７本のロッド３８によって一体化（モジュール化）されている。尚、ロッド３８の他端には矩形の頭部４０が形成され、ロッド挿入孔３６の周縁には頭部４０が嵌合可能な矩形の凹部（不図示）が形成されている。これは、ケース入りフィルム電池２６を貫通したロッド３８の一端にボルト３９を螺合するに際して、ロッド３８が共回りすることがないようにするためである。さらに、この凹部に嵌合したロッド３８の頭部４０が側板３３の表面から突出することがないように、凹部の深さは頭部４０の厚み以上とされている。

また、蓋板３２のボルト挿入孔３７の周縁にもボルト３９の頭部４１が嵌合可能な凹部が形成されている。これは、ロッド３８に螺合されたボルト３９の頭部４１が蓋板３２の表面から突出しないようにするためである。

ここで、ボルト挿入孔３７の内径は、ロッド３８の外径よりも小さい。このため、蓋板３２に当接しているケース入りフィルム電池２６ａを貫通したロッド３８がさらにボルト挿入孔３７に挿入されることはない。これにより、複数のケース入りフィルム電池２６を挟持している保持部材３１の側板３３と蓋板３２との間の距離をロッド３８の長さによって規定している。また、金属製のロッド３８は、樹脂製の保持部材３１及び蓋板３２に比べて寸法精度が高い。このため、保持部材３１の側板３３と蓋板３２との間の距離をより正確に規定することができる。そして、保持部材３１の側板３３と蓋板３２との間の距離が正確に規定されることで、その間の複数のケース入りフィルム電池２６が均一な圧力によって積層方向に加圧されることとなる。

上記のようにしてモジュール化された１２個のケース入りフィルム電池２６は、上下のアーム３４間に架け渡されたバスバー４２を介して直列に電気接続されている。この接続により電池モジュール３０の出力電圧は約４３Ｖとなる。もっとも、電池モジュール３０を構成するケース入りフィルム電池２６の個数は１２個に制限されるものではない。但し、一般的に５０Ｖ以下であれば感電による即死を免れるとされており、安全性の観点からは、出力電圧が５０Ｖ以下となる個数が望ましい。

［電池パックおよび絶縁カバー］
図４に本例の電池パックおよび絶縁カバーの分解斜視図を示す。また、図５に図４を１８０度回転させて見た斜視図を示す。また、図６に本例の電池パックおよび絶縁カバーの平面図を示す。本例の電池パック５０は、電池モジュール３０が８個並列配置されてなる。図４および図５に示す各電池モジュール３０はまだこの段階では電気的に接続されていない。すなわち、各電池モジュール３０の出力電圧は５０Ｖ以下の比較的安全な状態にある。

絶縁カバー１００、２００は複数のモジュールカバー１００ａからなるものであり、本例の場合、１枚の絶縁カバー１００、２００はそれぞれ８枚のモジュールカバー１００ａからなる。そして、本例では２枚の絶縁カバー１００、２００が用いられるが、絶縁カバー１００は８枚のモジュールカバー１００ａがそれぞれ独立しているのに対し、絶縁カバー２００は各モジュールカバー１００ａがモジュール用バスバー１０１によって接続され一体化されている。絶縁カバー１００、２００を一体的な構成とせず、複数のモジュールカバー１００ａで構成することで電池モジュール３０の個数を増やしたり減らしたりした場合、これに応じてモジュールカバー１００の枚数を増減させて容易に対応させることができる。

モジュールカバー１００ａの側端部分は、モジュール用バスバー１０１を取り付けるバスバー取り付け部１０３と、モジュール用バスバー１０１を覆うバスバーカバー部１０２が設けられている。一方のモジュールカバー１００ａのバスバー取り付け部１０３にモジュール用バスバー１０１の一端側が取り付けられた状態では、モジュール用バスバー１０１はバスバーカバー部１０２によって半分覆われている。モジュール用バスバー１０１は、モジュール用バスバー１０１の他端側が他方のモジュールカバー１００ａのバスバー取り付け部１０３に取り付けられることで、一方のモジュールカバー１００ａのバスバーカバー部１０２と他方のモジュールカバー１００ａのバスバーカバー部１０２とによって覆われることとなる。すなわち、１つのモジュール用バスバー１０１は、２枚のモジュールカバー１００ａを接続することによって各モジュールカバー１００ａのバスバーカバー部１０２によって覆われ、外部から直接触れることができないようになる。また、本実施形態では、バスバーカバー部１０２はバスバー取り付け部１０３と同一面内になく段差をつけて形成されており、これによりモジュール用バスバー１０１との間に空間が形成される。この空間を冷却路として機能させることで、別途冷却路を設けることなく発熱したモジュール用バスバー１０１を有効に冷却することができる。なお、バスバーカバー部１０２の形状は、バスバー取り付け部１０３に段差をつけて形成されたものに限定されるものではなく、バスバー取り付け部１０３と同一面内に形成されているものであってもよい。

各絶縁カバー１００、２００は並列配置された電池モジュール３０のバスバー４２が配列されている両側面側からモジュール用バスバー１０１を覆うようにして電池モジュール３０に取り付けられる。絶縁性のモジュールカバー１００ａがモジュール用バスバー１０１を覆うことでモジュール用バスバー１０１が剥き出しになるのを防止し、安全性が確保される。ここで、モジュール用バスバー１０１を備えていない絶縁カバー１００は、各モジュールカバー１００ａが各電池モジュール３０に個別に取り付けられる。

同様に、モジュール用バスバー１０１によって一体化された絶縁カバー２００も各モジュールカバー１００ａが各電池モジュール３０に取り付けられることとなるが、絶縁カバー２００を取り付けることで各モジュールカバー１００ａを接続しているモジュール用バスバー１０１が電池モジュール３０のバスバー４２に押し付けられることとなる。絶縁カバー２００を取り付ける前までは、各電池モジュール３０は電気的に独立した状態であるので出力電圧は約４３Ｖであるが、絶縁カバー２００を取り付けることで各電池モジュール３０がモジュール用バスバー１０１によって直列接続され約３５０Ｖとなる。

従来、バスバーが剥き出しの状態で順次電池モジュールを接続する作業が行われていたが、接続するにつれ出力電圧が高くなるため、その接続作業は危険を伴うものであった。しかしながら、本実施形態の場合、絶縁カバー２００を取り付ける前はバスバー４２が剥き出しの状態であるが、出力電圧が５０Ｖ以下であるため比較的安全な状態で作業を行うことができる。つまり、本実施形態の絶縁カバー２００は、その取り付けと同時に各モジュール用バスバー１０１同士の電気的な接続がなされて５０Ｖ以上の高電圧となるので、作業者は直接モジュール用バスバー１０１に触れることもなく各電池モジュール３０を電気的に接続することができる。

ここで、モジュール用バスバー１０１と電池モジュール３０のバスバー４２の接続について図４および図６を参照して説明する。なお、ここでは電池モジュール３０ａとこれに隣接して配置される電池モジュール３０ｂとを例に説明する。

バスバー４２ａは、電池モジュール３０ａに取り付けられているバスバー４２のうち、電池モジュール３０ｂ側に最も近い位置に配置されている。バスバー４２ｂは、電池モジュール３０ｂに取り付けられているバスバー４２のうち、電池モジュール３０ａ側に最も近い位置に配置されている。電池モジュール３０ａと電池モジュール３０ｂとが隣接して配置されることによりバスバー４２ａとバスバー４２ｂも隣接することとなる。これら２つの隣接するバスバー４２ａとバスバー４２ｂに対応するのがモジュール用バスバー１０１ａである。すなわち、このモジュール用バスバー１０１ａがバスバー４２ａとバスバー４２ｂに押し付けられることでバスバー４２ａとバスバー４２ｂとがモジュール用バスバー１０１ａによって電気的に接続されることとなる。他の箇所も同様にして接続がなされる。

これまでは、フィルム外装電気デバイスがフィルム外装電池である場合を例にとって、本発明の実施形態を説明してきた。しかし、本発明の電気デバイス集合体を構成するフィルム外装電気デバイスは、フィルム外装電池に限られない。例えば、電気二重層キャパシタなどのキャパシタや電解コンデンサなどに代表されるキャパシタ要素のような、電気エネルギを内部に蓄積し化学反応または物理反応でガスが発生しうる電気デバイス要素を外装用のフィルムで封止したフィルム外装電気デバイスも含まれる。

Claims (8)

1. フィルム外装電気デバイスが所定の個数積層され、前記各フィルム外装電気デバイスの電極端子がバスバーによって電気的に接続されることでデバイスモジュールが構成され、並列配置された複数の前記デバイスモジュールの前記バスバーを覆うように取り付けられる絶縁カバーにおいて、
   前記デバイスモジュールに取り付けられることで、隣接する前記デバイスモジュールの前記バスバー同士に当接して前記デバイスモジュール同士を電気的に接続させるモジュール用バスバーと、
   前記デバイスモジュールの個々に対応した複数のモジュールカバーと、を有し、
   前記各モジュールカバー同士が前記モジュール用バスバーによって接続されてなることを特徴とする絶縁カバー。
2. 前記各モジュールカバーは、前記モジュールカバーの側端部に取り付けられた前記モジュール用バスバーを覆うバスバーカバー部を有する、請求項１に記載の絶縁カバー。
3. １つの前記モジュール用バスバーは、隣接する前記モジュールカバーの２つの前記バスバーカバー部によって覆われている、請求項２に記載の絶縁カバー。
4. 前記バスバーカバー部が前記モジュール用バスバーを冷却するための冷却風が通過する冷却路を構成する、請求項２または３に記載の絶縁カバー。
5. 前記バスバーカバー部は、前記モジュール用バスバーから離れる方向に突出して設けられ、前記バスバーカバー部と前記モジュール用バスバーとの間に空間を有し、該空間が前記冷却路である、請求項４に記載の絶縁カバー。
6. フィルム外装電気デバイスが所定の個数積層され、前記各フィルム外装電気デバイスの電極端子がバスバーによって電気的に接続されることでデバイスモジュールが構成され、並列配置された複数の前記デバイスモジュールからなるフィルム外装電気デバイス集合体であって、
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載の絶縁カバーを有するフィルム外装電気デバイス集合体。
7. 前記デバイスモジュールは、前記絶縁カバーによって覆われた前記バスバーに対して、前記デバイスモジュールの反対側に配された別のバスバーを有し、
   前記別のバスバーは、前記デバイスモジュールの個々に対応した複数のモジュールカバーを有する別の絶縁カバーによって覆われている請求項６に記載のフィルム外装電気デバイス集合体。
8. 出力電圧が５０Ｖ以下である請求項６または７に記載のフィルム外装電気デバイス集合体。

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