以下、本発明の電池モジュールが適用される電池パックの一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
図1は本実施形態に係る電池パックの外観の斜視図であり、図2は、図1の電池パックのケースを一部切り取った状態の斜視図を示している。
電池パック1は、図2に示すように、2つの電池ブロック2を下ケース3と上ケース4で保持している。電池ブロック2は、複数の電池セル5(例えば、図6を参照)を配列して連結固定したものである。2つの電池ブロック2は、電池セル5の電極外部端子が互いに離反する方向に配置されるように、ベースプレート11が互いに対向する状態に配置されている。下ケース3と上ケース4は、閉断面を形成する筐体を構成する。下ケース3は、略平板形状を有しており、これら2つの電池ブロック2よりも更に突出する大きさを有している。上ケース4は、断面が略コ字形状に形成されており、開放部分が下ケース3によって閉塞される構造を有している(例えば、図11を参照)。
電池セル5は、図3に示すように、電力を入出力するための電極外部端子として正極外部端子5aと負極外部端子5bを有する、すべて同じ構成のリチウムイオン二次電池である。電池セル5は、扁平箱形の電池容器を有する、いわゆる角形の電池であり、電池蓋5dには、電極外部端子として正極外部端子5aと負極外部端子5bが設けられている。
電池セル5は、詳細には説明しないが、アルミニウム等の金属箔から構成される正極金属箔と、この正極金属箔の表裏面に塗布された正極合剤層とから構成される正極を有すると共に、銅等の金属薄膜から構成される負極金属箔と、この負極金属箔の表裏面に塗布された負極合剤層とから構成される負極とを有しており、正極と負極とを多孔質で絶縁性を有するセパレータを挟んで樹脂製の板状の芯の周囲に扁平に捲回し、電極群を構成している。
そして、正極から突出する正極タブを正極集電板に超音波溶接し、正極集電板を正極外部端子5aに接続し、負極から突出する負極タブを負極集電板に超音波溶接し、負極集電板を負極外部端子5bに接続している。両外部端子5a,5bは、ボルト状に形成されており、接続端子をナットで固定できる構成となっている。また、電池セル5は、前記の正極外部端子5aと負極外部端子5bとを備える電極群を扁平な角形容器5c内に収容し、電池蓋5dで封口している。電池蓋5dには注液口5eが形成され、注液口5eから非水電解液を角形容器5c内に注入している。
このように構成された電池セル5が高温の環境下に晒されたり、電極やセパレータの劣化、外部短絡、電池形状の変化等による内部短絡、外部電源による強制的な過大電流充電による急激な温度上昇、過大電圧による過充電がなされた場合、電解液が分解あるいは気化してガスが発生し、このガスが電池内に充満することで電池内圧力が上昇する。このため、電池蓋5dには、角形容器5c内の内圧が所定値以上となったときに内部ガスを排出するガス排出弁5fが形成されている。このガス排出弁5fは、内圧上昇時に破断しやすいように3方向に薄肉部が形成されている。このように、1つの電池セル5は角形容器5cの上部開口を電池蓋5dで塞ぎ、電池蓋5dはボルト状の正極外部端子5aと負極外部端子5bとを有すると共に、電池蓋5dの中央部には注液口5eとガス排出弁5fとが形成されている。
電池ユニット6は、図4に示すように、電池セル5と、電池セル5を保持するセルホルダ7によって構成されている。セルホルダ7は、電池セル5の配列方向に2分割された構造を有しており、互いに組み合わせることによって、間に電池セル5を保持するようになっている。
セルホルダ7は、電池セル5の幅広面に対向する正面壁部71と、正面壁部71のセル幅方向両端部で折曲されて電池セル5の幅狭面に対向する側面壁部72と、正面壁部71の下端で折曲されて電池セル5の底面に対向する底面壁部73を有している。セルホルダ7の正面壁部71には、電池セル5の最も面積の大きい面(幅広面)に沿って大きく開口する開口部71aが形成されており、複数の電池ユニット6を配列方向に重ねて並べた配列状態で、互いに隣り合う電池セル5の間に冷却空気を流すための冷却流路8を形成することができるようになっている。
そして、セルホルダ7には、複数の電池ユニット6を配列させた状態で開口部71aに空気を流すための切り欠き部7aが設けられている。切り欠き部7aは、セルホルダ7のセル幅方向両側と、セル高さ方向下側に設けられており、正面壁部71の開口部71aとセルホルダ7のセル幅方向両側との間、及び、正面壁部71の開口部71aとセルホルダ7のセル高さ方向下側との間を連通するようになっている。
セルホルダ7のセル幅方向両側の端面には、2つのセルホルダ7を互いに組み合わせて電池セル5を間に保持した場合に、互いに係合する突起部7bと係合溝7cが設けられている。2つのセルホルダ7は、突起部7bと係合溝7cを係合させることによって、内側に電池セル5を保持し、電池ユニット6を構成する。
次に、電池モジュール9の構成について、図5、図6を参照して詳細に説明する。
電池モジュール9は、電池セル5をセルホルダ7で保持した電池ユニット6を複数並べてセル幅方向に2列に配列したユニット群と、ユニット群のセル幅方向中央で2列の間に介在されるセンタプレート10と、センタプレート10を間に介してユニット群のセル幅方向両側に対向して配置される一対のサイドプレート12と、ユニット群のセル高さ方向下側に対向して配置されてセンタプレート10と一対のサイドプレート12が固定されるベースプレート11と、ユニット群のセル高さ方向上側に対向して配置されてセンタプレート10とサイドプレート12に取り付けられる押さえ部材16、17を有する。
センタプレート10は、ベースプレート11の中央に垂直に固定されている。センタプレート10は、電池ユニット6の配列方向に亘って延在して、ユニット群をセル幅方向一方側(以下、A側)と他方側(以下、B側)に区画する平板形状を有している。2つのサイドプレート12は、それぞれベースプレート11のA側とB側の端部に沿ってセンタプレート10と平行になるように固定されている。
複数の電池ユニット6は、センタプレート10と一対のサイドプレート12とベースプレート11に接する位置に、隣接する電池セル5,5…の正極外部端子5aと負極外部端子5bとが交互に位置するように並べて配置される。また、ベースプレート11、センタプレート10、サイドプレート12に設けられたシール部13が電池セル5に接触し、電池ユニット6の配列方向の複数の冷却流路8同士の空気の漏れを抑止する。
2つのシールシート14と2つの絶縁カバー15が、A側とB側のそれぞれの電池ユニット6の正極外部端子5a、負極外部端子5b側にそれぞれ1つ被せてある。2つの押さえ部材16と1つの押さえ部材17が、それぞれサイドプレート12とセンタプレート10のベースプレート11の反対側に締結され、押さえ部材16、17とベースプレート11との間に絶縁カバー15、シールシート14、電池ユニット6を挟み込む。
これにより、シールシート14が電池ユニット6を構成している電池蓋5dに密着し、電池ユニット6の複数の冷却流路8同士の電池蓋5d側からの空気の漏れを抑止する。また、シールシート14は電池蓋5dに密着することにより、正極外部端子5a、負極外部端子5b側の空間と冷却流路8を分離している。
なお、シールシート14と絶縁カバー15を押さえ部材16、17で挟まずに、両面テープや別の付勢手段で電池蓋5dにシールシート14を密着させ、直接電池セル5又は電池ユニット6を押さえ部材16、17で挟み込んでも良い。
冷却流路8の延長上にあるベースプレート11とサイドプレート12には、冷却流路8に冷却空気を流すためのベースプレート貫通穴11aとサイドプレート貫通穴12aが設けられている。サイドプレート貫通穴12aは、サイドプレート12をセル幅方向に貫通して一端が冷却流路28、29に連通し他端がセルホルダ7の開口部71aに連通する。
ベースプレート11には、ベースプレート貫通穴11aにつながる冷却流路を形成するための凹部11bが設けられている。凹部11bは、2つの電池ブロック2の各ベースプレート11の下面同士を互いに接面させることによって電池ユニット6の配列方向に沿って延在して冷却流路27を形成するように構成されている。ベースプレート貫通穴11aは、ベースプレート11をセル高さ方向に貫通して一端がベースプレート11の凹部11bに連通し、他端がセルホルダ7の開口部71aに連通する。
なお、ベースプレート11側ではなく、冷却流路8の延長上にあるセンタプレート10とサイドプレート12に、冷却流路8に空気を流すための貫通穴を設け、ベースプレート11の貫通穴11aと凹部11bを省略しても良い。並べて配置された複数の電池ユニット6の端の電池ユニット6の外側の面に絶縁プレート18が取り付けられる。
次に、電池ブロック2の構成を、図7、8を参照して詳細に説明する。
電池ブロック2は、複数の電池モジュール9と、これら複数の電池モジュール9の間に介在されるセクションプレート19と、これら複数の電池モジュール9の配列方向両側に対向して配置されるエンドプレート20と、セクションプレート19とエンドプレート20を固定するバンド21を有している。
複数の電池モジュール9を、セクションプレート19を介して絶縁プレート18の面で当接する。電池ブロック2の端に配置される電池モジュール9の絶縁プレート18の面には、エンドプレート20を配置する。セクションプレート19とエンドプレート20の端面にバンド21をネジ締結することにより、エンドプレート20とセクションプレート19の間に電池モジュール9を保持し、電池ブロック2を構成する。
電池ブロック2の正極外部端子5a、負極外部端子5b側には、多数の電池セル5,5…の電圧を検出するための検出部を構成する電圧検出基板22が装着される。この電圧検出基板22は、すべての電池セル5の上部を覆う1つの大きいプリント基板で構成してもよいが、本実施の形態では電池モジュール9ごとに2つに分割されたプリント基板から構成される。この実施例では、特に図8に示されるように、1つの電池モジュール9は9個の電池セル5を2列に並べて合計で18個の電池セル5を有しており、A列側の9個の電池セル5の上部に1つの電圧検出基板22Aが設置され、B列側の9個の電池セル5の上部に別の1つの電圧検出基板22Bが設置されている。
そして、A列側の9個の電池セル5の正極外部端子5a、負極外部端子5b側に装着される電圧検出基板22AでA列側の9個の電池セルの電圧を検出し、B列側の9個の電池セル5の正極外部端子5a、負極外部端子5b側に装着される電圧検出基板22BでB列側の9個の電池セルの電圧を検出する構成となっている。
ここで、1つの電圧検出基板22について、図9、10を参照して詳細に説明する。
電圧検出基板22は、9個の電池セル5,5…の電圧を測定するための測定部を構成するものであり、電池セル5の外部端子5a,5bと接続するための9個又は10個の接続端子23、23…が基板の両側面から突出して固定されている。
接続端子23には外部端子5a,5bのボルトが挿通される貫通孔が形成され、この貫通孔に外部端子5a,5bのボルトを通し、バスバー24と共にナットを締めることで外部端子5a,5bとの接続を行うことができる構成となっている。
電池セル5は外部端子5a,5bが交互になるように並んでおり、バスバー24は隣り合わせの外部端子5a,5bを接続しているので、バスバー24の長さを短くすることができ、電気抵抗を低く抑えることができる。
また、電圧検出基板22に穴22bが設けられ、この穴に止めネジを通して絶縁カバー15に固定される。なお、ネジの代わりに電圧検出基板22を絶縁カバー15に設けられた爪で固定しても良いし、ネジと併用しても良い。
電圧検出基板22上には、それぞれヒューズ25が固定され、ワイヤハーネスと接続するためのコネクタ26が固定されており、それぞれが配線部で接続されている。図示しない制御基板やワイヤハーネスやコネクタ26が短絡故障したとき、ヒューズ25が溶断することにより、ワイヤハーネス、コネクタ26の電流を遮断する。
電圧検出基板22には、中心部に9つの貫通穴22aが一列に並んで形成されている。異常時に各電池セル5,5…のガス排出弁5f、5f…から排出されるガスは、貫通穴22aを通して電圧検出基板22上の空間に排出される。先に述べたように、電池セル5の電池蓋5d側の面は、シールシート14でシールされているため、電池蓋5d側の面から直接前記ガスが冷却流路8に漏れることはない。
電池パック1の構成を図1、図11を参照して詳細に説明する。
電池パック1は、2つの電池ブロック2から構成される。2つの電池ブロック2は、それぞれのベースプレート11の面が対向して電極外部端子が互いに離反する方向に突出する背中合わせの状態に配置され、セクションプレート19、エンドプレート20のセル幅方向一方側の端面部が下ケース3に締結される。
2つの電池ブロック2の互いのベースプレート11が当接する面には、電池ユニット6の配列方向に沿って延在する凹部11bが形成されており、各冷却流路8に通じる冷却流路27を構成する空間が形成される。そして、下ケース3には、電池ユニット6の配列方向に沿って延在する凹溝部3aが形成されており、各電池ブロック2のサイドプレート12との間に、各冷却流路8に通じる冷却流路28が形成される。
上ケース4は、一対の側面部と、各側面部の上端部の間を連結する上面部とを有する断面コ字形状を有しており、各側面部の下端部で互いに離反する方向に折曲されたフランジ部が下ケース3に接面されて締結されている。
上ケース4は、電池ブロック2のセクションプレート19とエンドプレート20の端面の角部及び中央部で締結される。上ケース4は、2つの電池ブロック2の電極外部端子にそれぞれ対向する位置に、上ケース4の側方に向かって隆起して電池ブロック2の配列方向に沿って延在する一対の凸条部4a、4bが形成されており、電池ブロック2のガス排出弁5f側の面と上ケース4との間にガス排出路30となる空間を形成する。そして、上ケース4の上面部には、上ケース4の上方に向かって隆起して電池ブロック2の配列方向に沿って延在する凸条部4cが形成されており、各電池ブロック2のサイドプレート12との間に、各冷却流路8に通じる冷却流路28を形成する。
したがって、上ケース4の上面部と下ケース3とによって一対の第1対向面部が形成され、2つの電池ブロック2のセル幅方向両側にそれぞれ対向してサイドプレート12との間に冷却流路28、29が形成される。そして、上ケース4の各側面部によって一対の第2対向面部が形成され、2つの電池ブロック2のセル高さ方向上側にそれぞれ対向して電池セル5との間にガス排出路30が形成される。
冷却のための空気は、例えば上ケース4に設けられた図示しない吸気口から冷却流路27に取り入れられ、電池ブロック2の内部に設けられた冷却流路8を通過して電池セル5を冷却し、冷却流路28、29に到達し、そこから上ケース4に設けられた図示しない排気口より電池パック1の外に排出される。なお、この逆向きに空気を流してもよい。
電池セル5のガス排出弁5fから排出されるガスは、電圧検出基板22の貫通穴22aを通過してガス排出路30に排出され、上ケース4にガスが衝突することによりガスが冷却された後、上ケース4に設けられた図示しない排出口から電池パック1の外部に排出される。
冷却流路28、29とガス排出路30は、下ケース3と上ケース4が電池ブロック2の角部に位置するセクションプレート19とエンドプレート20とベースプレート11と押さえ部材16に接触することにより分離される。これにより、ガス排出路30に排出されたガスが冷却流路27、28、29に流れ込むことを抑止している。
電池パック1は、複数の電池セル5を配列して連結固定した電池モジュール9をセクションプレート19を介して複数並べ、両端を2つのエンドプレート20で挟んで構成され、2つのエンドプレート20とセクションプレート19を電池セル5の配列方向に沿って複数のバンド21で固定した電池ブロック2を有しており、エンドプレート20とセクションプレート19を、上ケース4と下ケース3に固定した構造を有している。
電池パック1は、複数の電池セル5を、セクションプレート19で所定個の電池セル5ごとに区切り、両端のエンドプレート20で多数の電池セル5を挟み込み、複数のバンド21と上ケース4と下ケース3でセクションプレート19とエンドプレート20を固定しているので、従来のように強固な複数のロッドで締め込み固定する必要がなく、小型化が可能である。
電池パック1は、2つの電池ブロック2を背中合わせにしてベースプレート11同士を重ね合わせた左右の2ブロックで構成し、下ケース3及び上ケース4とから構成される筐体に収容した構成を有している。下ケース3は、電池ブロック2の下側の角部に接触し、エンドプレート20とセクションプレート19に固定され、上ケース4は、電池ブロック2の上側の角部に接触し、エンドプレート20とセクションプレート19に固定されている。また、上ケース4は、下ケース3の外周部に固定され、筺体全体を密閉している。
したがって、上ケース4と電池ブロック2の上部の角との間の空間、下ケース3と電池ブロック2の下の角との間で冷却媒体を流す空間である冷却流路28、29を構成し、上ケース4と下ケース3と電池ブロック2の上下の角の間で電池セル(単電池)5からのガス排出空間を構成することができる。したがって、冷却のためのダクト部品、ガス排出のためのダクト部品を削減することができ、部品点数を削減するとともに、小型化を実現できる。
また、2つの電池ブロック2と上ケース3と下ケース4を、セクションプレート19とエンドプレート20で固定し、2つの電池ブロック2を突き合わせて一体に固定しているので、いわゆるモノコック構造を構成し、電池パック全体が均一に固定され、電池パック全体の強度が増す。
上述のように、電池パック1は、排ガスを流す空間と冷却媒体を流す空間と分離して排出することができると同時に、小型にすることができる。また、電池ブロック2をセクションプレート19とエンドプレート20で上ケース4と下ケース3に固定することにより、電池ブロック2を強固に固定することができる。そして、電池モジュール9が有する電池セル5の数や電池モジュール9の数を容易に増減することができ、電圧や容量等の要求に答えることができる。
したがって、複数の電池セル5を強固に保持し、異常時に発生する電池セル5の容器からの排ガスを冷却空気と分離して排出でき、電池セル5の電圧を測定する基板22を薄型に装着できる電池ブロックと、この電池ブロックを用いて、形状安定性に優れ、小型化、軽量化を達成できる電池パックを提供することができる。
電池ブロック2は、セクションプレート19とエンドプレート20をバンド21で締結することによりセクションプレート19とエンドプレート20の間にセルホルダ7とセル5から構成される電池ユニット6を保持しているが、更に2つの電池ブロック2をベースプレート11の面で当接すると共に、セクションプレート19とエンドプレート20を下ケース3と上ケース4に締結することにより、電池ブロック2単体時より電池ユニット6の保持力を向上している。これにより、振動衝撃に対する耐力や経時変化に伴う電池セル5の圧力増加に対する耐力を向上することができる。
前記の実施の形態では、複数の電池セルとしてリチウムイオン二次電池の例を示したが、これに限られるものでなく、ニッケル水素電池等の他の電池や二次電池の電池セルを複数個配列して構成したものでもよいことは勿論である。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記下実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。