JP5601739B2 - 高出力及び大容量のバッテリーパック - Google Patents
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Description
本願発明は、高出力、大容量のバッテリーパックに関し、そして、より詳細には、高出力、大容量の電気を提供するため、それぞれに電気的に接続された複数のユニットセルを有するバッテリーパックに関し、前記バッテリーパックは、２以上のユニットセルであって各ユニットセルがそれらの両端で形成される電極端子を有し、前記ユニットセルは電極端子が同じ方向を向くように横方向に配置され、接続部材は、そのそれぞれが、ユニットセルの電極端子に溶接により接続された第１導電性プレート形状の接続部分及び第１プレート形状の接続部分の外側に結合された第２プレート形状の接続部分を備え、前記第２プレート形状接続部分はスルーホールを備え、バッテリーセルと第１プレート形状の接続部分を溶接するためにその中に溶接ロッドが挿入されて、ユニットセルと接続部材の外側を覆うためのパックケースを有する。
モバイル装置が急速に発展してきているのにつれて、そのようなモバイル装置のための需要が増大しており、エネルギー源としての二次電池についての需要もまた急激に増大している。
そのような二次電池が使用される外部装置の種類に依存して、二次電池は単一の電池の形態で又は互いに電気的に接続された複数のユニットセルを有するバッテリーパックの形態で使用されることができる。例えば、小さなサイズの装置、例えば携帯電話は、１つの電池の出力及び容量で予め定められた期間、稼動されることができる。一方、バッテリーパックは、中型又は大型の装置で、例えば、ラップトップコンピューター、ポータブルＤＶＤプレーヤー、小型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、電気自動車及びハイブリッド自動車で、使用される必要がある。なぜなら高出力及び大容量がそのような中型又は大型の装置のためには必要だからである。
そのようなバッテリーパックは、保護回路を互いに直列及び／又は並列に接続された複数のユニットセルを有するコアパックに接続することにより製造される。角柱又はポーチ形状の電池がユニットセルとして使用される場合において、角柱又はポーチ形状の電池は、角柱又はポーチ形状の電池の大きな寸法の表面が互いに向かい合うように積まれて、次いで角柱又はポーチ形状の電池の電極端子が接続部材により互いに接続される。したがって、六面体構造の３次元二次バッテリーパックが製造されるべき場合においては、角柱又はポーチ形状の電池は、バッテリーパックのユニットセルとして好ましく使用される。
一方、円柱状電池は、通常角柱又はポーチ形状の電池より大きな電気容量を有する。しかしながら、円柱状電池の外形のため、円柱状電池が積まれた構造を有するように、円柱状電池を配置することは難しい。バッテリーパックが、通常、ライン型構造又は平面型構造を有するように構成されている場合においては、しかしながら、円柱状電池は、構造的に、角柱又はポーチ形状の電池よりも有利である。
詳しくは、大容量バッテリーパック中の円柱状電池セルの並列接続が、図１に典型的に示されており、円柱状電池セルの一つのケースと接続部材の厚みが、図２の部分図に典型的に示されている。
これらの図面を参照すると、円柱状バッテリーセル１０は、バッテリーセル１０の同じ極性を有する電極端子１５０は同じ向きに向けられ、長いバー型の接続部材２０は、バッテリーセル１０が互いに並列に接続されるように溶接することにより同じ極性を有するバッテリーセル１０の電極端子１５に接続されている。
円柱状バッテリーセル１０のそれぞれのケースは、約０．２ｍｍの厚みｔを有している。５０Ａの高い電流又はそれ以上が、接続部材２０の中で流れ、接続部材２０により、円柱状バッテリーセル１０は、互いに並列に接続されている。この理由のため、接続部材のそれぞれが、それらの電気的又は構造的接続を基にして約３ｍｍの厚みＴを有することが必要である。
しかしながら、接続部材がそれぞれの円柱状バッテリーセルのケースに溶接により接続されている場合においては、円柱状バッテリーセルのそれぞれのケース及び接続部材のそれぞれとの間の厚みにおける差が増大するにつれて抵抗差が起こり、抵抗溶接により接続部材をそれぞれの円柱状バッテリーセルのケースに接続することが困難となるという結果になる。
結果的に、接触抵抗が最小化される一方、製造効率が改善される、高い出力で、大きな容量のバッテリーパックの必要性が高い。
したがって、本願発明は、上の問題及び解決されるべき他の技術上の問題を解決するためになされた。
本願発明の目的は、新しい構造を有するように構成された接続部材を使用してユニットセルが互いに安全に電気的に接続され、それにより製造効率を改善する、バッテリーパックを提供することである。
本願発明の１つの態様に一致して、上述及び他の目的が、高出力、大容量の電気を提供するため、互いに電気的に接続された複数のユニットセルを有するバッテリーパックであって、前記バッテリーパックは、２以上のユニットセルであって各ユニットセルがそれらの両端で形成される電極端子を有し、前記ユニットセルは電極端子が同じ方向を向くように横方向に配置され、接続部材は、そのそれぞれが、溶接によりユニットセルの電極端子に接続された第１導電性プレート形状の接続部分及び第１プレート形状の接続部分の外側に結合された第２プレート形状の接続部分を備え、前記第２プレート形状接続部分はスルーホールを備え、バッテリーセルと第１プレート形状の接続部分を溶接するためにその中に溶接ロッドが挿入されて、そして、ユニットセルと接続部材の外側を覆うためのパックケースを有する、バッテリーパックを提供することにより達成されることができる。
すなわち、本願発明による接続部材のそれぞれは、上述されたような特定の構造を有するように構成された第１プレート形状の接続部分と第２プレート形状の接続部分とを含む。結果的に、抵抗溶接を簡単に行うこと及びユニットセルの電極端子に接続された第１導電性プレート形状接続部分の提供により接続部材からの熱の生成に対するバッテリーパックの安全性を著しく改善することが可能になる。
ユニットセルのそれぞれは、繰り返し充電され且つ放電される二次セルであることができる。ユニットセルのそれぞれが、角柱バッテリーセル又は円柱状バッテリーセルであることができる。好ましくは、ユニットセルのそれぞれは、円柱状バッテリーセルである。
ユニットセルの接続は、ユニットセルが、高出力、大容量の電気を提供することができる構造を有するように接続される限り、特には制限されない。例えば、ユニットセルは、互いに、並列に、直列に、又は並列且つ直列に接続されることができる。ユニットセルの数は、特に制限されない。例えば、ユニットセルの数は５から２０であることができる。
具体例において、ユニットセルは、互いに並列に接続されることができ、同じ極性を有するバッテリーセルの電極端子が同じ方向に向けられることができ、そして一組の接続部材がバッテリーセルのカソード及びアノードにそれぞれ接続されることができる。
別の具体例において、ユニットセルは、互いに直列に接続されることができ、異なる極性を有するバッテリーセルの電極端子が交互に向けられることができ、そして接続部材がユニットセルの接続領域にそれぞれ接続されることができる。
また、ユニットセルは、互いに並列及び直列に接続されることができ、２つ以上のユニットセルがバンクを形成するため互いに並列に接続されることができ、バンクが互いに直列に接続されるように異なる極性を有するユニットセルの電極端子が交互に向けられ、そして接続部材がバンクの並列接続領域及び直列接続領域に接続されることができる。
上の構造において、バンクのそれぞれのユニットセルの並列接続及び隣り合うバンクの間の直列接続が達成されてもよく、好ましくは接続部材の一つにより達成される。
結果的に、本願発明による接続部材の提供により様々な形態でユニットセルが互いに接続される、高出力、大容量バッテリーパックを構成することが可能になる。
接続部材は、様々な材料、例えばニッケル、銅、鉛並びにニッケル及びアルミニウムの合金、から作られることができる。好ましくは、第２プレート形状の接続部分は複数のユニットセルを互いに接続するのに必要な低抵抗値の材料からなる。例えば、第２プレート形状の接続部分は、銅材料から作られることができる。
第２プレート形状の接続部分と一緒にユニットセルの電極端子に接続された第１プレート形状の接続部分は、様々な材料で作られることができる。好ましくは、第１プレート形状の接続部分は、ニッケル材料から作られることができる。
接続部材のそれぞれの厚みが、ユニットセルのそれぞれのケースの厚みと大体同じである場合には、抵抗溶接によるユニットセルと接続部材の間の接続は容易に達成される。しかしながら、バッテリーパックを構成するように複数のユニットセルが互いに接続される場合には、接続部材は、その材料の断面積及び抵抗のため生成された熱により容易に切断されうる。この理由のため、接続部材のそれぞれの厚みを増大させることが必要である。
結果的に、ユニットセルの電極端子に接続された第１プレート形状の接続部分は、第２プレート形状の接続部分の５から５０％の厚みに等しい厚みを有するように形成されることで、第１プレート形状の接続部分とユニットセルの電極端子の間の接続を溶接により容易に達成することが可能である。
好ましくは、第２プレート形状の接続部分は、約０．５から２０ｍｍの厚みを有している。この場合において、接続部材のそれぞれの断面積が増大されることで、接続部材の内部抵抗及び接続部材の電気伝導中に生成された熱を効果的に減少させることが可能になる。
すなわち、好ましくは、ユニットセルの電極端子に接続された第１プレート形状の接続部分は、ユニットセルのそれぞれのケースの厚みと大体同じ厚みを有する。より好ましくは、第１プレート形状の接続部分は、約０．１から０．５ｍｍの厚みを有する。結果的に、接触抵抗を最小化する一方バッテリーパックのユニットセルを互いに容易に接続することが可能である。
好ましい実施例において、第１プレート形状の接続部分及び第２プレート形状の接続部分は、様々な結合方法を使用して互いに結合されることができる。例えば、第１プレート形状の接続部分及び第２プレート形状の接続部分は、クリームはんだづけ、超音波溶接又はレーザー溶接により互いに結合されることができる。
具体例において、第１プレート形状の接続部分及び第２プレート形状の接続部分は、クリームはんだづけにより互いに結合されることができ、そしてはんだペーストは、クレームはんだづけを実現するため第１プレート形状の接続部分及び第２プレート形状の接続部分の間に付着されることができる。また、そのはんだペーストには、第２プレート形状の接続部分のスルーホールに対応する位置に形成される開口部が備えられることができる。結果的に、製造工程が単純化されることで、製造工程を容易に自動化することが可能である。
その一方で、接続部材は、様々な溶接方法を使用してユニットセルの電極端子に結合されることができる。例えば、接続部材は、抵抗溶接、レーザー溶接又は超音波溶接によりユニットセルの電極端子に結合されることができる。
別の好ましい実施例において、第２プレート形状の接続部分は、その一端部に、入力及び出力端子を備えることができ、そこを通じてバッテリーパックは外部装置に接続される。
上の構造において、入力及び出力端子が形成される、第２プレート形状の接続部分の端部は、ユニットセルの最も外側の１つに対して曲げられるので、その結果バッテリーパックは小型構造を有する。
好ましくは、パックケースは、絶縁性のプラスチック材料又は金属材料、例えばアルミニウムから作られる。パックケースがプラスチックから作られる場合において、パックケースのための材料は、特には制限されない。例えば、パックケースは、ポリオレフィン樹脂、例えば、ポリプロピレン、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）樹脂、ゴム樹脂、又はアラミドベースの樹脂、例えばＮｏｍａｘから作られることができる。パックケースが金属材料から作られる場合において、パックケースの内側は、絶縁性フィルムでコーティングされることが好ましい。
本願発明によるバッテリーパックの設置効率及び構造安定性がバッテリーパックの所望の出力及び容量に依存することを考慮すると、バッテリーパックは、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、電動バイク又は電動自転車のための電源として使用されるのが好ましい。
特に、上の構造を有するように構成されたバッテリーパックは、コンパクトであり、したがって、緊急時に電力を供給するため通信会社の中継基地に設置されるエネルギー貯蔵システム又は無停電電源（ＵＰＳ）としてバッテリーパックを使用することが可能である。
上の記載から明らかなように、本願発明によるバッテリーパックは、それぞれ第１プレート形状の接続部分及び第２プレート形状の接続部分を含む一組の接続部材がユニットセルの電極端子を覆うように、構成される。結果的に、バッテリーパックの製造効率を改善しながら容易に溶接を実行でき、それによりバッテリーパックの安全性を改善することが可能である。
本願発明の上述の及び他の目的、特徴及び他の利点は、添付した図面と合わせて以下の詳細な説明から明確に理解されうる。
ここで、本願発明の好ましい実施形態が添付の図面を参照して詳細に記載される。しかしながら、本願発明の範囲は、例示された実施形態により限定されるものではないことを留意すべきである。
図３は、本願発明の実施形態によるユニットセルと一組の接続部材を示す典型図である。
図３を参照すると、１０の円柱状バッテリーセル１００は、同じ極性を有するバッテリーセル１００の電極端子１１０が同じ方向に向くように配置され、そして導電性接続部材２００は、バッテリーセル１００が互いに並列に接続され高出力、大容量の電気を供給するように、バッテリーセル１００の対応する電極端子１１０に抵抗溶接により接続される。
図４は、本願発明の別の実施形態によるユニットセルと接続部材を示す典型図であり、図５は図４の分解図である。
これらの図面に関して、２つの円柱状バッテリーセル１００は、互いに並列に接続され、バンク１５０を形成している。異なる極性を有する電極端子１１０及び１２０は、３つのバンク１５０が互いに直列に接続されるように交互に向いている。結果的に、６つの円柱状バッテリーセル１００は、互いに並列に及び直列に接続されている。
また、各接続部材２００’は、円柱状バッテリーセル１００の並列接続領域及び隣り合うバンクの直列接続領域に接続されている。
図６は、図３に示された接続部材の１つを典型的に示す分解図であり、図７は図３で示された接続部材の１つを示す正面典型図及び背面典型図であり、そして図８は図３のユニットセルの１つと接続部材の１つを典型的に示す部分断面図である。
図３と一緒にこれらの図面を参照すると、接続部材２００のそれぞれは、円柱状バッテリーセル１００の電極端子１１０に溶接により接続された第１導電性プレート形状の接続部分２１０と、第１プレート形状の接続部分２１０の外側に結合された第２プレート形状の接続部分２２０とを含む。第２プレート形状の接続部分２２０は、そこに溶接ロッド５００が挿入されて、バッテリーセル１００と第１プレート形状の接続部分２１０を溶接するために、スルーホール２２５を備える。
第１プレート形状の接続部分２１０はニッケルプレートから作られる。接触抵抗を最小化するため、第１プレート形状の接続部分２１０は０．２ｍｍの厚みｔを有し、それは円柱状バッテリーセル１００のそれぞれを構成するケースの厚みｔと大体同じである。
第２プレート形状の接続部分２２０は、銅材料から作られ、それは低抵抗を示す。結果的に、円柱状バッテリーセル１００は、第２プレート形状の接続部分２２０に容易に接続されることができる。また、第２プレート形状の接続部分２２０は２ｍｍの厚みＴ’を有する。結果的に、接続部材２００の断面積は増大されるので、接続部材２００の電気伝導中に発生した熱を効果的に減少させることが可能である。
第１プレート形状の接続部分２１０及び第２プレート形状の接続部分２２０の間に、クリーム半田付けを実行するのに使用されるはんだペースト２３０が配置される。はんだペースト２３０は、第２プレート形状の接続部分２２０のスルーホールに対応する位置に形成される開口部２３５を備える。
参照のため、接続部材の長さは、図４に示される接続部材のように円柱状バッテリーセルの数を基に変えられることができる。図４に示される接続部材は、図３に示される接続部材と基本的な構造について同じであり、したがって、その詳細な説明を省略する。
図９は、本願発明の実施形態によるバッテリーパックを示す分解図であり、そして図１０は、図９で示されたバッテリーパックの典型図である。
これらの図面と図７を一緒に参照して、バッテリーパック４００は、複数の円柱状バッテリーセル１００と１０１並びに接続部材２００を覆うために、プラスチック材料から作られた、パックケース３００を含む。パックケース３００は、必要により上側ケース３００ａと下側ケース３００ｂとを含むことができる。
そこを通じてバッテリーパックが（示されていない）外部装置に接続される、入力及び出力端子２４０は、第２プレート形状の接続部分２２０のそれぞれの１つの端部で形成される。そこで入力及び出力端子２４０が形成される、第２プレート形状の接続部分のそれぞれの端部は、最も外側のユニットセル１０１に対して曲げられるので、バッテリーパックはコンパクトな構造を有する。
本願発明の好ましい実施形態が、例示的な目的のために開示されてきたが、当業者は、添付の請求項で開示されているように本発明の範囲及び精神から離れることなく、様々な修正、追加及び置換が可能であることを理解しうる。
１００ バッテリーセル
１０１ 最も外側のユニットセル
１１０ 電極端子
１２０ 電極端子
１５０ バンク
２００ 接続部材
２００’ 接続部材
２１０ 第１プレート形状の接続部分
２２０ 第２プレート形状の接続部分
２３０ はんだペースト
２３５ 開口部
２４０ 入力及び出力端子
３００ パックケース
３００ａ 上側ケース
３００ｂ 下側ケース
４００ バッテリーパック
１０１ 最も外側のユニットセル
１１０ 電極端子
１２０ 電極端子
１５０ バンク
２００ 接続部材
２００’ 接続部材
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３００ パックケース
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３００ｂ 下側ケース
４００ バッテリーパック
Claims (16)
- 高出力、大容量の電気を提供するため、互いに電気的に接続された複数のユニットセルを有するバッテリーパックであって、前記バッテリーパックは、
２以上のユニットセルであって各ユニットセルがそれらの両端に形成される電極端子を有し、前記ユニットセルは前記電極端子が同じ方向を向くように横方向に配置される、２以上のユニットセル；
接続部材であって、そのそれぞれが、溶接により前記ユニットセルの前記電極端子に接続された第１導電性プレート形状の接続部分及び前記第１導電性プレート形状の接続部分の外側に結合された第２プレート形状の接続部分を備え、前記第２プレート形状の接続部分はスルーホールを備え、前記ユニットセルと前記第１導電性プレート形状の接続部分を溶接するためにその中に溶接ロッドが挿入される、接続部材；及び
前記ユニットセルと前記接続部材の外側を覆うためのパックケース
を備え、
前記第１導電性プレート形状の接続部分及び前記第２プレート形状の接続部分は、クリームはんだづけにより互いに結合され、そしてはんだペーストが、クリームはんだづけを実現するため前記第１導電性プレート形状の接続部分及び前記第２プレート形状の接続部分の間に配置され、
前記はんだペーストには、前記第２プレート形状の接続部分の前記スルーホールに対応する位置に形成される開口部が備えられ、
前記第２プレート形状の接続部分は、その一端部に、入力及び出力端子が備えられ、そこを通じて前記バッテリーパックは外部装置に接続され、
前記入力及び出力端子が形成される、前記第２プレート形状の接続部分の端部が、前記ユニットセルの最も外側の１つに向かって曲げられるバッテリーパック。 - 前記ユニットセルのそれぞれが円柱状バッテリーセルである、請求項１に記載のバッテリーパック。
- 前記ユニットセルは、互いに、並列、又は直列、又は並列且つ直列に接続される、請求項１に記載のバッテリーパック。
- 前記ユニットセルは、互いに並列に接続され、同じ極性を有する前記ユニットセルの電極端子が同じ方向に向けられ、そして一組の接続部材が前記ユニットセルのカソード及びアノードにそれぞれ接続される請求項１に記載のバッテリーパック。
- 前記ユニットセルは、互いに直列に接続され、異なる極性を有する前記ユニットセルの電極端子が交互に向けられ、そして前記接続部材が前記ユニットセルの直列接続領域にそれぞれ接続される請求項１に記載のバッテリーパック。
- 前記ユニットセルは、互いに並列及び直列に接続され、２つ以上のユニットセルがバンクを形成するため互いに並列に接続され、バンクが互いに直列に接続されるように異なる極性を有する前記ユニットセルの電極端子が交互に向けられ、そして前記接続部材が前記バンクの並列接続領域及び直列接続領域に接続される請求項３に記載のバッテリーパック。
- 前記バンクのそれぞれの前記ユニットセルの並列接続及び隣り合うバンクの間の直列接続が一つの前記接続部材により達成される、請求項６に記載のバッテリーパック。
- 前記第２プレート形状の接続部分は、銅材料から作られる、請求項１に記載のバッテリーパック。
- 前記第１導電性プレート形状の接続部分は、ニッケルプレートから作られる、請求項１に記載のバッテリーパック。
- 前記第１導電性プレート形状の接続部分は、前記第２プレート形状の接続部分の５から５０％の厚みに等しい厚みを有する、請求項１に記載のバッテリーパック。
- 前記第２プレート形状の接続部分は、０．５から２０ｍｍの厚みを有する、請求項１に記載のバッテリーパック。
- 前記第１導電性プレート形状の接続部分は、前記ユニットセルのそれぞれのケースの厚みと同じ厚みを有する、請求項１に記載のバッテリーパック。
- 前記第１導電性プレート形状の接続部分は、０．１から０．５ｍｍの厚みを有する、請求項１に記載のバッテリーパック。
- 前記接続部材は、抵抗溶接、レーザー溶接又は超音波溶接により前記ユニットセルの前記電極端子に結合される、請求項１に記載のバッテリーパック。
- 前記パックケースは、絶縁性のプラスチック材料又は金属材料から作られる、請求項１に記載のバッテリーパック。
- 前記バッテリーパックは、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、電動バイク又は電動自転車のための電源、エネルギー貯蔵システム又は無停電電源（ＵＰＳ）として使用される、請求項１に記載のバッテリーパック。
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