JP5248781B2 - 電気デバイスモジュール及び電気デバイスモジュール集合体 - Google Patents

Description

本発明の一つは、複数のフィルム外装電気デバイスが一体化された電気デバイスモジュールに関する。本発明の他の一つは、複数の電気デバイスモジュールが相互に電気接続された電気デバイスモジュールの集合体に関する。

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」という）の開発が急速に進められている。電気自動車に搭載される電動モータの電源には、電気自動車の操縦特性や一回の充電での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。かかる要求に応える電源を実現すべく、特開２００１−７６６９１号公報などに開示されているフィルム外装電池が開発される。また、前記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）も開発されている。特開２００１−７６６９１号公報などに開示されているフィルム外装電池の基本構造を図５に示す。このフィルム外装電池１００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１０１がラミネートフィルム１０２によって被覆されている。ラミネートフィルム１０２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が重ね合わされたフィルムである。発電要素１０１を被覆している２枚のラミネートフィルム１０２の対向する４辺は、気密に溶着されている。また、溶着されたラミネートフィルム１０２の一方の短辺からは、フィルム状の正電極端子１０３が引き出され、他方の短辺からはフィルム状の負電極端子１０４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３〜４Ｖ程度である。従って、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接続する必要がある。しかし、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３００Ｖ〜４００Ｖ程度の電圧が必要とされる。３００Ｖ〜４００Ｖの電圧を得るためには、１００個以上のフィルム外装電池が必要となる。１００個以上のフィルム外装電池が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。

本発明の目的は、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ことである。

本発明は、複数のフィルム外装電気デバイスが個別に収容された複数のセルケースが、それらセルケースを貫通する２以上の固定部材によって一体化されていることを主要な特徴とする。

本発明の電気デバイスモジュールは、充放電可能な電気デバイス要素がフィルムによって被覆された複数のフィルム外装電気デバイスと、前記複数のフィルム外装電気デバイスが個別に収容された複数のセルケースと、前記複数のセルケースが積層されて収容されているモジュールケースとを有している。さらに、前記モジュールケースは、積層方向一端のセルケースと接する側板を備えた保持部材と、積層方向他端のセルケースと接する蓋板とを備え、前記保持部材又は前記蓋板に設けられた２以上の挿入孔から挿入された細長の固定部材が、前記モジュールケース内の複数のセルケースをその積層方向に貫通している。

本発明の電機デバイスモジュール集合体は、前記本発明の電気デバイスモジュールがケース内に複数収容され、それら複数の電気デバイスモジュールが相互に電気接続されている。

フィルム外装電池の外観斜視図である。 ケース入りフィルム電池の分解斜視図である。 電池モジュールの分解斜視図である。 電池パックの分解斜視図である。 従来のフィルム外装電池の外観斜視図である。

以下、本発明の電気デバイスモジュール集合体（以下、単に「モジュール集合体」と記す）の実施形態の一例について説明する。本例のモジュール集合体は、ケースに収容された複数のフィルム外装電池（フィルム外装電気デバイス）が直列接続された電池パックである。さらに、前記ケース内に収容されている前記複数のフィルム外装電池は、所定個数ずつ一体化されて電池モジュール（電気デバイスモジュール）を構成している。要するに、本例のモジュール集合体は、複数の電池モジュールがケース内に収容された電池パックである。

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が２枚のラミネートフィルム１２によって気密に包装された二次電池であって、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が重ね合わされたフィルムである。発電要素１１を被覆している上下２枚のラミネートフィルム１２の対向する４辺は気密に溶着されている。

フィルム外装電池の発電要素には、積層型と捲回型とがある。積層型の発電要素では、独立した正極側活電極と負極側活電極とがセパレータを介して積層されている。一方、捲回型の発電要素では、セパレータを介して積層された帯状の正極側活電極と負極側活電極とが捲回され、扁平状に圧縮されている。もっとも、正極側活電極と負極側活電極とが交互に積層されている点では、積層型も捲回型も同じである。図１に示すフィルム外装電池１０の発電要素１１は、積層型及び捲回型のいずれであってもよい。さらに、前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。一般的な正極板は、アルミニウム箔などの両面に、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が塗布されている。一般的な負極板は、銅箔などの両面に、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料が塗布されている。従って、セパレータを介して対向させた前記一般的な正極板と負極板とにリチウム塩を含む電解液を含浸させることによって図１に示す発電要素１１を得ることができる。もっとも、発電要素１１は、特定の発電要素に限定されず、正極、負極および電解質を含む発電要素であれば如何なる発電要素であっても構わない。例えば、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使用することも可能である。

再び図１を参照する。フィルム外装電池１０の一方の短辺からは、前記正極側活電極に接続された正電極端子１３が引き出され、他方の短辺からは、前記負極側活電極に接続された負電極端子１４が引き出されている。正電極端子１３及び負極用電極１４の材料は、電気的特性を考慮して選択される。図１に示すフィルム外装電池１０では、正電極端子１３にアルミニウム、負電極端子１４に銅又はニッケルが用いられている。

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に収容されている。さらに、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２１」）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。そこで、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。

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、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とを有する。側壁２４は、その内側に図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。枠体２２をケース本体２１に収容されたフィルム外装電池１０の上に被せると、フィルム外装電池１０の周縁が、本体ケース２１の底板２３と枠体２２との間に挟まれる。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いる。換言すれば、貫通孔２５の開口位置は、ケース入りフィルム電池２１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の正電極端子１３及び負極用電極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２６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。

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、モジュールケース内に、複数のケース入りフィルム電池２１を収容し、収容された複数のケース入りフィルム電池２１を一体化したものである。モジュールケースは、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は、１２個のケース入りフィルム電池２１が収容されている。

モジュールケースの保持部材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２１（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２１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、セルケース２０の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２１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。嵌め込まれた蓋板３２は、積層方向最も手前のケース入りフィルム電池２１ａに接触する。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２１の厚みの合計よりも蓋板３２の厚み分だけ長くなっている。従って、１２個のケース入りフィルム電池２１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。

保持部材３１の側板３３には、各セルケース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にも、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。そして、保持部材３１のロッド挿入孔３６から挿入された固定部材としてのロッド３８が、全てのケース入りフィルム電池２１を貫いて、蓋板３２のボルト挿入孔３７に達している。ロッド３８は、細長中空で、その内周面には不図示の螺子が形成されている。ボルト挿入孔３７に達したロッド３８の一端には、ロッド３８と反対側からボルト挿入孔３７に挿入されたボルト３９が螺合されている。すなわち、保持部材３１、１２個のケース入りフィルム電池２１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。

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。ロッド３８の頭部４０を前記凹部に嵌合させることによって、ロッド３８の一端にボルト３９を螺合する際のロッド３８の共回りが防止される。前記凹部の深さは、該凹部に嵌合した頭部４０が側板３３の表面から突出することがないように、頭部４０の厚み以上とされている。また、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、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。

ボルト挿入孔３７の内径は、ロッド３８の外径よりも小さい。従って、蓋板３２に接しているケース入りフィルム電池２１ａを貫通したロッド３８は、ボルト挿入孔３７には挿入されない。このことは、複数のケース入りフィルム電池２１を挟んでいる保持部材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可能であることを意味する。さらに、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ので、側板３３と蓋板３２との間の距離をより正確に規定可能であることを意味する。また、側板３３と蓋板３２との間の距離が正確に規定されるということは、その間の複数のケース入りフィルム電池２１が均一な圧力によって積層方向に加圧されることを意味する。

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２１は、上下のアーム３４間に架け渡されたバスバー４２を介して直列接続されている。従って、１つの電池モジュール３０の出力電圧は約４３Ｖである。もっとも、各電池モジュール３０を構成するケース入りフィルム電池２１の数は１２個に制限されない。但し、人間は、５０Ｖ以下であれば感電による即死を免れるとされているので、安全性の観点からは、出力電圧が５０Ｖ以下となる数が望ましい。

図４に示すように、本例の電池パック５０では、図３に示す電池モジュール３０が本体ケース５１内に８個収容されている。本体ケース５１は、電池モジュール３０が搭載される下ケース５２と、下ケース５２に搭載された電池モジュール３０に被せられる上ケース５３と、上ケース５３の長手方向一方の開口部を閉塞するケース蓋５４とから構成されている。上ケース５３の長手方向他方の開口部は、リレーボックス５５によって閉塞されている。換言すれば、８個の電池モジュール３０は、蓋板５４とリレーボックス５５との間に一列に並べられた状態で本体ケース５１内に収容されている。リレーボックス５５には、ヒューズ、リレー、電流センサ等が収容されている。図示は省略されているが、電池モジュール３０と上ケース５３の内側面との間には、絶縁材製のプレートが介在している。

本体ケース５１内に収容された８個の電池モジュール３０は、直列接続されている。具体的には、直列接続された４個の電池モジュール３０と、直列接続された他の４個の電池モジュール３０とが、リレーボックス５５内の安全プラグを介してさらに直列接続されている。従って、電池パック５０の出力電圧は、約３５０Ｖである。

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モジュール又は電気デバイスモジュール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、電気エネルギを内部に蓄積可能な電気デバイス要素（例えば、電気二重層キャパシタや電解コンデンサに代表されるキャパシタ素子）を外装用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。

本発明によれば、フィルム外装電気デバイスが所定個数ずつ一体化される。従って、大量のフィルム外装電気デバイスを取り扱うに際に、それらフィルム外装電気デバイスがバラバラである場合に比べて、運搬、保管その他の多くの場面において非常に便利である。

モジュール化された個々のフィルム外装電気デバイスは、個別にセルケースに収容されている。さらに、２以上の固定部材が、フィルム外装電気デバイスが収容された複数のセルケースを貫通している。従って、モジュール内の複数のフィルム外装電気デバイスが確実に位置決めされ、振動や衝撃によって位置ずれが発生する可能性が極めて低い。

Claims (5)

1. 充放電可能な電気デバイス要素がフィルムによって被覆された複数のフィルム外装電気デバイスと、
   前記フィルム外装電気デバイスが収容された複数のセルケースと、
   前記複数のセルケースが積層されて収容されているモジュールケースと、を有し、
   前記モジュールケースは、積層方向一端のセルケースと接する側板を備えた保持部材と、積層方向他端のセルケースと接する蓋板とを備え、
   前記側板と前記蓋板のうちのいずれか一方に設けられた２以上の挿入孔から挿入された固定部材が、前記モジュールケース内の複数のセルケースをその積層方向に貫通し、前記複数のセルケースを貫通した前記固定部材の先端の面が、前記側板と前記蓋板のうちの他方に接することにより、前記側板と前記蓋板との間の距離が前記固定部材の長さにより規定されており、
   前記側板と前記蓋板のうちの前記他方に、前記固定部材の外径よりも小径のボルト挿入孔が形成され、前記固定部材の内周面に螺子が形成され、
   前記ボルト挿入孔から挿入されたボルトが、前記複数のセルケースを貫通した前記固定部材の内周面に螺合されて、前記側板と前記蓋板のうちの前記他方と前記固定部材とを固定している、電気デバイスモジュール。
2. 前記挿入孔の周縁に、前記挿入孔に挿入された前記固定部材の頭部が嵌合する凹部が形成され、前記ボルト挿入孔の周縁に、該ボルト挿入孔に挿入された前記ボルトの頭部が嵌合する凹部が形成されている、請求項１に記載の電気デバイスモジュール。
3. 前記保持部材に、前記側板の前記セルケースが接する面から前記蓋板に向けて突設された少なくとも一つの案内部を有し、前記案内部には案内溝が形成され、前記複数のセルケースは前記案内溝の案内に従って収容される、請求項１または２に記載の電気デバイスモジュール。
4. 前記フィルム外装電気デバイスが、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を２枚のラミネートフィルムによって気密に被覆してなるフィルム外装電池である、請求項１から３のいずれか１項に記載の電気デバイスモジュール。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の電気デバイスモジュールがケース内に複数収容され、それら複数の電気デバイスモジュールが相互に電気接続されている、電気デバイスモジュール集合体。

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