JP5161526B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池セルを収容し、収容した電池セルの短絡事故を防止するとともに、強度・剛性に優れた電池パックに関する。

従来から、各種電子機器の電源にバッテリ（二次電池）が利用されている。例えば、リチウムイオンを用いて充放電を行う二次電池などの密閉角形電池は、エネルギー密度が高く、幅広い分野での利用が期待されている。金属缶ケースの中に、所定の電極コイルと電解液、端子接続部品を挿入したリチウムイオン二次電池は、金属缶ケースを負極又は正極に接地した構造を有する場合が多い。なお、いずれの端子が接地されているかは材質に依存し、又、いずれの端子も接地されてない電池セルも存在する。

ここで、二次電池の正極が缶に接地されている場合を考える。すると、当該二次電池のような導電性の部材を別の二次電池上に誤って落下させた場合、負極端子と正極端子、あるいは負極端子と缶とが接触し短絡する事故が起こりうる。このような事故は、複数の電池を組み込む電池パックの組み立て作業中に起こりがちである。

高出力大容量の二次電池を外部短絡させた場合には、大きな電流量の短絡電流が流れることにより、二次電池が発熱し破裂発火に至る可能性が考えられる。また電流量の大きな短絡電流は、短絡部における部材の発熱を引き起こし、作業者に影響を与えることも考えられる。

特許文献１には、組み立てが容易で信頼性の高い電池パックが記載されている。この電池パックは、上ケースと下ケースからなる電池パックのケース内に複数個の角型の電池セルを収容し、当該電池セル間に隙間を設けて積層した状態の電池セルを支える仕切り部材を備える。この仕切り部材は、電池セルの厚みに応じて設けられ、電池セルを周縁部で支える凸部と、凸部に設けられた電池セルを挟持する突起とを有しており、さらに電気的に並列に接続される電池セル間を絶縁する絶縁部材が設けられている。

この電池パックによれば、異極となる電池セルの間に絶縁部材を配しているため、電池セル間での短絡を防止することができる。仕切り部材の一部として絶縁部材が設けられているため、絶縁部品を追加する必要がない。

さらに、仕切り部材の内壁と凸部により、積層状態に嵌挿された電池セルのそれぞれの周縁部をガタつきなく支えるため、絶縁のテープ等を使用することなく、個々の電池セルを浮かせた状態で積層することができ、構造体での強度を強くすることができる。
特開２００５−２０３２０７号公報

一般に短絡事故を防ぐために、電池セルは絶縁外装体（フィルムや塗装）で被覆されている。また、最近では熱収縮性フィルムが絶縁外装体として利用されることが多い。特許文献１に記載の電池パックは、上述したように電池セルの間に絶縁部材を配しているため、電池セル間での短絡を防止することができるが、仮に絶縁外装体で被覆されていない電池セルを用いるとすると、電池パックの組み立て工程において短絡事故が起こり得る。

例えば、電池パックを組み立てる工程において、手作業あるいはロボットアームにより取り出された単セルは、パック構造体に組み込まれる際に、組込み場所の誤りにより既組込みセル上に衝突させられ、あるいは誤って既組込みセル上に落下する可能性があるからである。

しかしながら、特許文献１に記載の電池パックが絶縁外装体で被覆されている電池セルを用いるとすると、設けられた絶縁部材の意義が半減し、また絶縁外装体の厚み公差によりパック構造体の強度・剛性が劣るという問題が生ずる。

複数の電池セルを組み込む電池パックにおいて、各電池セルは、樹脂等の絶縁性の材料で構成されるパックの構造体に固定されることになる。電池セルが絶縁外装に被覆されている場合、絶縁外装の厚み公差は小さいものではない。また、絶縁外装体に熱収縮性フィルムを使うと、当該フィルムは、熱のかけ方で収縮性が異なるためフィルム膜厚にムラが出来る。さらに、塗装による絶縁外装は、物理的耐性を付与するために厚く塗装されるが、塗装ムラが起こりがちであり、依然として寸法公差が劣るという欠点がある。

電池セル固定に際し、セル外形公差の大きさは、パック構造体の設計難易度に影響を与える。セル外形公差が大きい場合、パック構造体のセルに対する嵌め合い部は、セル寸法に対する許容範囲を大きくした設計とせざるを得ないため、パック構造体に対する強度・剛性を劣化させる。

さらに、熱収縮性フィルムを絶縁外装体に用いた場合には、当該フィルムと金属缶表面が接着されていないため、パック構造とセルの機械的固定(結合）がなされておらず、パック全体の機械的剛性が劣る。
そこで、本発明は、組み立て工程や収納後における電池セルの短絡事故を防止するとともに、強度・剛性の高い電池パックを提供することを課題とする。

本発明に係る電池パックは、上記課題を解決するために、金属缶ケースの外周に正極端子及び負極端子を備えた複数の電池セルをパック構造体の内部に収容する電池パックにおいて、前記複数の電池セルの各々は、前記金属缶ケースの表面部分に設けられ、前記金属缶ケースが前記パック構造体に直接接触する部分以外の部分を被覆する絶縁保護のための絶縁外装体を備えることを特徴とする。

本発明に係る電池パックによれば、組み立て工程や収納後における電池セルの短絡事故を防止するとともに、強度・剛性を高くすることができる。

以下、本発明の電池パックの実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電池パックに収容される電池セル１の構造を示す三面図である。ここで、図１（ａ）は電池セル１の平面図であり、図１（ｂ）は電池セル１の正面図であり、図１（ｃ）は電池セル１の側面図である。また、図２は、複数の電池セル１を備えた電池パックの概略構成図である。

本実施例において、電池セル１は、図１に示すように、正極端子１０、負極端子１２、絶縁ガード１４、金属缶ケース１９、及び金属缶ケース１９の中央部を被覆する絶縁外装体１６で構成されており、正極端子１０が金属缶ケース１９に接地された角型二次電池セルである。なお、この電池セル１は、金属缶ケース１９の外周に正極端子１０及び負極端子１２を備えている。また、金属缶ケース１９は、上部と下部をそれぞれ嵌め合い部１８ａ、嵌め合い部１８ｂとする。

また本発明の電池パックは、図２に示すように、複数の電池セル１をパック構造体２０ａ，２０ｂの内部に収容する。

絶縁外装体１６は、金属缶ケース１９の表面部分に設けられ、金属缶ケース１９がパック構造体２０ａ，２０ｂに直接接触する部分以外の部分を被覆し、絶縁保護を目的とする。本実施例において、絶縁外装体１６は、パック構造体２０ａ，２０ｂに直接接触する部分である金属缶ケース１９の上部である嵌め合い部１８ａと金属缶ケース１９の下部である嵌め合い部１８ｂとを被覆せず、金属缶ケース１９の中央部を腹巻状に被覆する。

電池パックのパック構造体２０ａ，２０ｂの内部に収容された複数の電池セル１の各々は、この絶縁外装体１６を備える。

本実施例において、この絶縁外装体１６は、熱収縮性チューブを使って腹巻状に金属缶ケース１９を被覆しているが、例えば粘着材付きラベルや樹脂塗装を用いて絶縁外装を金属缶ケース１９に施したものでもよい。

絶縁ガード１４ａ，１４ｂは、金属缶ケース１９の表面部分に設けられ、正極端子１０と負極端子１２の少なくとも一方の周囲を囲むとともに、囲まれた正極端子１０又は負極端子１２の高さよりも一部又は全周が高い。本実施例において、絶縁ガード１４ａ，１４ｂは、負極端子１２の周囲を囲む。また、絶縁ガード１４ａは、負極端子１２の高さよりも僅かに（約１ｍｍ）高い。なお、絶縁ガード１４ｂの高さは、負極端子１２の高さとほぼ同じであるが、絶縁ガード１４ａの高さと同じ高さでもよい。

絶縁ガード１４ａ，１４ｂがいずれの端子の周囲に設けられるかについては、いずれの端子が接地されているかに依存する。すなわち、絶縁ガード１４ａ，１４ｂは、正極端子１０と負極端子１２のうち、金属缶ケース１９に接地されていない端子の周囲を囲む。本実施例においては、正極端子１０が金属缶ケース１９に接地されているので、絶縁ガード１４ａ，１４ｂは、負極端子１２の周囲を囲む。

複数の電池セル１を電池パック内に組み込む際に、最も懸念される事故は、電池セル１同士の接触に基づく短絡事故である。本実施例においては、正極端子１０が金属缶ケース１９に接地されているので、負極端子１２は、他の電池セル１の正極端子１０に触れた場合、他の電池セル１の金属缶ケース１９表面に触れた場合、及び自己の電池セル１の金属缶ケース１９表面に導電性の部材を介して触れた場合のいずれの場合であっても短絡事故が発生する。したがって、これらの短絡事故を防止するために、絶縁ガード１４ａ，１４ｂは、正極端子１０と負極端子１２のうち、金属缶ケース１９に接地されていない端子の周囲を囲む必要がある。

また、絶縁ガード１４ａ及び１４ｂは、例えば絶縁体樹脂により構成され、負極端子１２が他の導体等を介して正極端子１０等と短絡するのを防止する。例えば、絶縁ガード１４ａは、負極端子１２の高さよりも僅かに高いため、直線的な形状の導電体（例えば別の電池セル）が負極端子１２と金属缶ケース１９の表面（又は正極端子１０）とに同時に接触するのを阻む。したがって、電池パックの組み込み工程において、電池セルが別の電池セル上に落下した場合であっても、絶縁ガード１４ａ，１４ｂは、負極端子１２が他の導体等を介して正極端子１０等に短絡するのを防止する。

また、絶縁ガード１４ａ，１４ｂは、金属缶ケース１９と着脱可能である。したがって、作業者あるいはロボットアームは、電池パックに電池セル１の組込みが完了する直前に全ての電池セル１に設けられた絶縁ガード１４ａ，１４ｂを取り除けばよい。例えば、絶縁ガード１４ａ，１４ｂは、粘着材で金属缶ケース１９の表面に取り付けられており、その粘着度を調整することによって、作業者あるいはロボットアームは、電池セル１に設けられた絶縁ガード１４ａ，１４ｂを容易に除去することができる。

パック構造体２０ａ，２０ｂは、例えば樹脂等の絶縁性の材料により構成され、金属缶ケース１９の接触する部分である嵌め合い部１８ａ，１８ｂの形状に精度良く嵌め合わせることができる。嵌め合い部１８ａ，１８ｂは、絶縁外装体１６による被覆がされず、金属缶ケース１９の表面が剥き出しの部分であるため、寸法公差が小さいからである。したがって、パック構造体２０ａ，２０ｂは、嵌め合い部１８ａ，１８ｂに対して嵌め合わせる部分について、セル寸法に対する許容範囲を大きくとった設計とする必要が無く強度・剛性の向上に資する。
次に、上述のように構成された本実施の形態の電池パックの作用を説明する。まず、電池パックを組み立てる工程において、電池セル１は、手作業あるいはロボットアームによりトレイから取り出され、パック構造体２０ａ，２０ｂに組み込まれる。電池パックが図２に示すような構造を有する場合、作業者あるいはロボットアームは、例えば電池セル１の嵌め合い部１８ｂをパック構造体２０ｂに予め設計された窪みに挿入する。ここで、電池セル１の嵌め合い部１８ｂは、絶縁外装体１６による被覆がされておらず金属缶ケース１９の表面が剥き出しであるため、寸法公差が小さい。したがって、上述したように、パック構造体２０ｂは、嵌め合い部１８ｂに対して嵌め合わせる部分について、セル寸法に対する許容範囲を大きくとった設計とする必要が無く、嵌め合い部１８ｂを精度良く嵌め合わせることができる。

また、電池パックを組み立てる工程において、手作業あるいはロボットアームにより取り出された電池セル１は、パック構造体２０ｂに組み込まれる際に、組込み場所の誤りにより既組込みセル上に衝突させられ、あるいは誤って既組込みセル上に落下する可能性がある。しかしながら、電池セル１は、金属缶ケース１９の中央部を腹巻状に被覆した絶縁外装体１６を備えるため、金属缶ケース１９の表面が露出している部分（嵌め合い部１８ａ，１８ｂ）の面積は非常に狭く、短絡事故が起こる確率は低い。さらに、絶縁ガード１４ａ，１４ｂは、負極端子１２の周囲を囲み、絶縁ガード１４ａの高さが負極端子１２の高さよりも高いので、金属缶ケース１９の露出部分が負極端子１２に接触する可能性は非常に低く、短絡事故が起きる確率はさらに低いものとなる。

なお、金属缶ケース１９の高さを約１００ｍｍとすると、例えば、嵌め合い部１８ａは、金属缶ケース１９の上底部から６ｍｍの部分とし、嵌め合い部１８ｂは、金属缶ケース１９の下底部から６ｍｍの部分とすることができる。すなわち、金属缶ケース１９全体の大きさに対して、嵌め合い部１８ａ，１８ｂの割合は僅かで済む。

作業者あるいはロボットアームは、必要な複数の電池セル１の各々の嵌め合い部１８ｂをパック構造体２０ｂの挿入すべき場所に挿入すると、絶縁ガード１４ａ，１４ｂを除去する。上述したように、絶縁ガード１４ａ，１４ｂは、粘着材で金属缶ケース１９の表面に取り付けられており、その粘着度を調整することによって、作業者あるいはロボットアームは、電池セル１に設けられた絶縁ガード１４ａ，１４ｂを容易に除去することができる。なお、絶縁ガード１４ａ，１４ｂが取り付けられたままの状態で電池パックに組み込むことができるように、パック構造体２０ａの構造を工夫してもよい。

その後、作業者あるいはロボットアームは、パック構造体２０ａの窪みを各電池セル１の嵌め合い部１８ａと嵌め合わせるようにして、蓋となるパック構造体２０ａを上方から被せる。なお、図２は、パック構造体２０ａとパック構造体２０ｂの一部のみを描いているが、実際には、パック構造体２０ａとパック構造体２０ｂとさらに側壁等により構成されたケース（電池パック）内に複数の電池セル１が収容される。

嵌め合い部１８ｂは、嵌め合い部１８ａと同様に、パック構造体２０ａの窪みに精度良く嵌め合わされる。仮に、嵌め合い部１８ａを金属缶ケース１９の上底部から６ｍｍの部分とすると、パック構造体２０ａの窪みの深さも６ｍｍ程度である。したがって、金属缶ケース１９の露出した部分は、全てパック構造体２０ａ（又は２０ｂ）の内部に挿入され、外部には露出しない。

また、図２に示すように、複数の電池セル１の各々は、正極端子１０（あるいは負極端子１２）をパック構造体２０ａの表面部分から露出し、図示されない配線等により直列又は並列に接続され、電池パック外部に対して所定の電力を出力する。

当該電池パックを使用（充放電）する際に、内部に収容された複数の電池パック１の各々は、膨張する可能性が考えられる。この膨張により隣り合う電池セルが接触した場合でも、各電池セル１は、金属缶ケース１９の中央部を腹巻状に被覆する絶縁外装体１６を備えるので、互いに電気的に接触して外部短絡を起こすことは無い。

上述したように、本発明の実施例１に係る電池パックによれば、組み立て工程や収納後における電池セルの短絡事故を防止するとともに、強度・剛性を高くすることができる。

すなわち、絶縁外装体１６は、金属缶ケース１９がパック構造体２０ａ，２０ｂに直接接触する部分以外の部分を被覆するので、組み立て工程や電池パックへの収容後において電池セル１同士が接触しても、短絡事故による電池セル１の発熱・破裂発火を防止することができる。

また、絶縁外装体１６は、金属缶ケース１９の中央部を腹巻状に被覆するのみなので、簡易な構成でありコスト削減に資する。

さらに、嵌め合い部１８ａ，１８ｂは、厚み公差の劣る熱収縮性フィルム等の絶縁外装体１６により被覆されること無く、パック構造体２０ａ，２０ｂと直接接合するため、精度良く嵌め合わせることができ、電池パックの構造的な強度・剛性の向上に資する。なお、仮に熱収縮性フィルム等による絶縁外装体１６が嵌め合い部１８ａ，１８ｂを被覆すると、当該フィルムと金属缶ケース１９表面が接着されていないため、パック構造体２０ａ，２０ｂと金属缶ケース１９との機械的固定(結合)がなされておらず、パック全体の機械的剛性が劣るが、本発明においては、パック構造体２０ａ，２０ｂがフィルムを介さず直接的に嵌め合い部１８ａ，１８ｂ（金属缶ケース１９の表面）に接合され固定するので、電池パック全体の機械的剛性に優れる。

また、絶縁ガード１４ａ，１４ｂは、金属缶ケース１９の表面部分に設けられ、正極端子１０と負極端子１２の少なくとも一方の周囲を囲むとともに、囲まれた正極端子１０又は負極端子１２の高さよりも一部又は全周が高いので、電池セル１同士が衝突した場合に、嵌め合い部１８ａ，１８ｂにおいて金属缶ケース１９の表面が一部露出することによる短絡事故を避けることができる。

さらに、絶縁ガード１４ａ，１４ｂは、正極端子１０と負極端子１２のうち、金属缶ケース１９に接地されていない端子の周囲を囲むので、他の電池セル１の正極端子１０に触れた場合、他の電池セル１の金属缶ケース１９表面に触れた場合、及び自己の電池セル１の金属缶ケース１９表面に導電性の部材を介して触れた場合のいずれの場合についても最小限の構成で防止し、短絡事故の発生を防ぐことができる。

また、絶縁ガード１４ａ，１４ｂは、金属缶ケース１９と着脱可能であるので、作業者あるいはロボットアームは、電池パックに電池セル１の組込みが完了する直前に全ての電池セル１に設けられた絶縁ガード１４ａ，１４ｂを取り除くことができる。

また、当該電池パックを使用（充放電）する際に、内部に収容された複数の電池パック１の各々が膨張し、隣り合う電池セルが接触した場合でも、各電池セル１は、金属缶ケース１９の中央部を腹巻状に被覆する熱収縮性チューブ等の絶縁外装体１６を備えるので、互いに電気的に接触して外部短絡を起こすことは無い。

本発明は、金属缶ケース内に所定の電極コイルと電解液、端子接続部品が収納された複数の電池セルから構成される電池パックに適用可能である。

本発明の実施例１に係る電池パックに収容される電池セルの構造を示す三面図である。 本発明の実施例１に係る電池パックの概略構成図である。

符号の説明

１ 電池セル
１０ 正極端子
１２ 負極端子
１４ａ，１４ｂ 絶縁ガード
１６ 絶縁外装体
１８ａ，１８ｂ 嵌め合い部
１９ 金属缶ケース
２０ａ、２０ｂ パック構造体

Claims (5)

1. 金属缶ケースの外周に正極端子及び負極端子を備えた複数の電池セルをパック構造体の内部に収容する電池パックにおいて、
   前記複数の電池セルの各々は、前記金属缶ケースの表面部分に設けられ、前記金属缶ケースが前記パック構造体に直接接触する部分以外の部分を被覆する絶縁保護のための絶縁外装体を備えることを特徴とする電池パック。
2. 前記絶縁外装体は、前記パック構造体に直接接触する部分である前記金属缶ケースの上部と前記金属缶ケースの下部とを被覆せず、前記金属缶ケースの中央部を腹巻状に被覆することを特徴とする請求項１記載の電池パック。
3. 前記複数の電池セルの各々は、前記金属缶ケースの表面部分に設けられ、前記正極端子と前記負極端子との少なくとも一方の周囲を囲むとともに、囲まれた前記正極端子又は前記負極端子の高さよりも一部又は全周が高い絶縁ガードを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電池パック。
4. 前記絶縁ガードは、前記金属缶ケースと着脱可能であることを特徴とする請求項３記載の電池パック。
5. 前記絶縁ガードは、前記正極端子と前記負極端子のうち、前記金属缶ケースに接地されていない端子の周囲を囲むことを特徴とする請求項３又は請求項４記載の電池パック。

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