JP5858457B2 - 電池パックおよび電動自転車 - Google Patents
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Description
リチウムイオン電池には正極と負極をセパレータを介して積層したものを卷回した円柱状のもの、正極と負極をセパレータを介して積層した扁平状ものが知られている。
これらのなかでも扁平状のものは正極、負極の面積を大きくしたり、積層する正極、負極の枚数を増加することによって単位電池当たりの容量を大きくすることが容易であるので、機器駆動モータ等の電源用の電池として好適である。
扁平状のリチウムイオン電池の単位電池は、電池要素をフィルム状外装材で外装することによって、リチウムイオン電池の有する高いエネルギー密度を有効に利用することができる。
フィルム外装電池は、各種の用途に用いられているが、例えば、特許文献1(特開2007−257901号公報)には、フィルム外装電池を使用した電動自転車用の電池パックが提案されている。
各種の電池のなかでも、質量エネルギー密度および容積エネルギー密度が大きなリチウムイオン電池は電動自転車には好適である。なかでもフィルム状外装材によって外装したフィルム外装電池は金属製の缶を外装材とした電池に比べてエネルギー効率が大きいという特徴を有している。
一方、エネルギー密度に優れたフィルム外装電池は、厚みが薄いフィルム状外装材で覆われているので金属製の外装缶に収納した電池に比べて衝撃、振動の対策や放熱性が重要視されていることが多いが、電動自転車に電池パックを装着する場合には自動車と異なって電池パックが外気に触れやすく、電池パックが水分にさらされやすいことに関する対策はあまり考慮されていない。
特許文献1の電池パックでは、扁平なフィルム外装電池からの発熱を放熱するために、両端部の集熱板の間に間隔を設けて中間集熱板を配置した集熱部材を設けているが、水分に対する考慮はされていない。
本発明はまた、電池要素がフィルム状外装材で外装された扁平状電池が複数積層された電池連結構造体を収容する底部の区画と電池の充放電時の保護をする保護回路基板を収容する上部の区画を有し、前記底部の区画に水抜き穴を設けた設けた電池パックである。
前記電池連結構造体が、第一の板状部と、前記第一の板状部の幅方向の両端部に一体に結合し、前記第一の板状部の両面に対して略垂直方向に延びる第二の板状部とを有した電池保護部材を備え、前記第一の板状部に前記扁平状電池を載置したものである前記の電池パックである。
本発明において、略直角とは、垂直及び所望の作用効果を実質的に得ることができる状態を含み、例えば、80°〜100°の角度をなすものも含む。
前記扁平状電池の載置面が前記第一の板状部の両面に形成されている前記の電池パックである
前記扁平状電池の平板面が前記第一の板状部に積層されている前記の電池パックである。
前記保護部材の第一の板状部の長手方向に前記扁平状電池の引出タブが取り出された前記の電池パックである。
前記扁平状電池に両面接着テープの一方の接着面を接着して、前記第一の板状部または隣接する扁平状電池面に接着した前記の電池パックである。
前記の電池パックを備えた電動自転車である。
また、電池パックには、複数個の水抜き穴を設けているので,内部に浸入した水、結露で生じた水を速やかに外部へ放出することができるので、信頼性が大きな電池パックを提供することができる。
特に、電気自転車等の車両は使用しないときに横置きで放置される可能性もあることから複数区画にわけて常に水抜きできるようにすることが非常に効果的である。
また、本発明の単位電池100は、その形状が扁平であるので扁平状電池とも称す。
単位電池本体部110は、複数のシート状正極と複数のシート状負極とがセパレータを介して積層された積層電極体、および電解液(いずれも図示しない)が、平面視で矩形のフィルム状外装材内に収容された構造となっている。そして、単位電池本体部110の上端部111からは、正極引出タブ120及び負極引出タブ130が引き出されている。
以上の説明では、フィルム状外装材が電池要素の上端部111、下端部112、2つの側端部113を熱融着するものについて説明したが、例えば、電池要素を一枚のフィルム状外装材を折り曲げて覆い、電池要素の三辺を熱融着によって封口したものであっても良い。この場合には、いずれの端部をフィルム状外装材の折り曲げ部としても良いが、下端部112をフィルム状外装材の折り曲げ部とすることが好ましい。
具体的には、アルミニウム箔の外面側に位置する面には、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート等の強度、および耐熱性を有する部材を、内面側には、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱融着性が良好な材料をそれぞれ積層したものを用いることができる。
上記のような単位電池100においては、正極引出タブ120の材質としてはアルミニウムまたはアルミニウム合金が、また、負極引出タブ130の材質としては、ニッケル、ニッケルメッキをした銅、ニッケル−銅クラッドが一般的に用いられている。本実施形態においては、アルミニウム製の正極引出タブ120が、また、ニッケル製の負極引出タブ130がそれぞれ用いられている。
以上の説明では、フィルム状外装材が電池要素の上端部111、下端部112、2つの側端部113を熱融着するものについて説明したが、例えば、電池要素を一枚のフィルム状外装材を折り曲げて覆い、電池要素の三辺を熱融着によって封口したものであっても良い。この場合には、いずれの端部をフィルム状外装材の折り曲げ部としても良いが、下端部112をフィルム状外装材の折り曲げ部とすることが好ましい。
このための構成について説明する。図1に示すように、電池パックを構成する上では、単位電池100におけるアルミニウム製の正極引出タブ120は上端部111から長さaとされ、ニッケル製の負極引出タブ130は上端部111から長さb(b>a)とされる。次に、長さaのアルミニウム製の正極引出タブ120に対しては、上端部111からの長さがbとなるように、ニッケル製のタブ部材125が超音波溶着によって接合され、継ぎ足される(図2、図3参照)。単位電池100同士を直列接続するために、正極性の引出タブとしてのタブ部材125には穴127が設けられ、負極引出タブ130には穴137が設けられる。なお、以下、タブ部材125が接合されて形成された引出タブ全体を、正極引出タブ120と称することもある。
後述するように、本発明に係る電池パックにおいては、複数の単位電池100を電気接続する上では、ニッケル製部材同士(タブ部材125、負極引出タブ130)が接触するようにして、異なる極性の引出タブ同士を連結するので、隣り合う単位電池同士の電気接続部は、同種の金属材料による電気接続となり、電位差の問題がなく、年月の経過による導電性の劣化が発生することがほとんどなくなる。
図4(C)は図4(A)のX−X’断面を示す図であり、図4(D)はホルダ部材200を側面から見た図である。
ホルダ部材200は、第1面210と、この第1面210と表裏の関係にある第2面250が形成されてなるABS樹脂などの合成樹脂製の部材である。ホルダ部材200の第1面210の第1列211には、図4(A)でみて、上から下に引出タブ挿通穴215が並んで形成されている。同じく、第1面210の第2列212側にも、上から下に引出タブ挿通穴215が並んで形成されている。ホルダ部材200に単位電池100を取り付けられる際には、この第1面210側に設けられた引出タブ挿通穴215が利用される。引出タブ挿通穴215は、第1面210側から第2面250側に貫通する穴で、単位電池100の引出タブを挿通可能な穴である。
第1列211側においては、引出タブ案内リブ203による規制に基づいて、直列接続される複数の単位電池100のうちの端部側の単位電池100の引出タブが、第1面210側から第2面250側に、引出タブ引回部213を通るようにして、案内されるようになっている。
また、第2列212側においては、引出タブ案内リブ203による規制に基づいて、直列接続される複数の単位電池100のうちの端部側の単位電池100の引出タブが、第1面210側から第2面250側に、引出タブ引回凹部214を通るようにして、案内されるようになっている。
位置合わせ用突起部263は、基板300をホルダ部材200に取り付ける際の位置合わせに用いられる突起で、第1列211側及び第2列212側のそれぞれに1つずつ配されている。また、上記の位置合わせ用突起部263を用いて、基板300をホルダ部材200に取り付けた後に、基板300とホルダ部材200とを固着するために利用されるネジ穴270が、第1列211側及び第2列212側のそれぞれに1つずつ設けられている。
図5は本発明の実施形態に係る電池パックで単位電池100の直列接続の利用される基板300の斜視図である。
主としてガラスエポキシなどを基材として構成されてなる基板300はホルダ部材200の第2面250側に取り付けられて利用されるものであり、基板300の外周形状は、ホルダ部材200の第2面250側の外周形状に略一致するようになっている。基板300の外周の2箇所には、ホルダ部材200の引出タブ引回凹部214に対応するように引出タブ引回切欠部314が形成されている。
また、基板300には、ホルダ部材200の引出タブ挿通穴215に対応するように、引出タブ引出穴315が設けられている。また、基板300には、ホルダ部材200の仕切り片260に対応するように、仕切り片引出穴317が設けられている。また、基板300には、ホルダ部材200の引出タブ挿通穴215と仕切り片260の双方に対応するような、引出タブ・仕切り片引出穴316が設けられている。これらの穴は、いずれも基板300の一方の主面から、他方の主面に貫通する穴であり、単位電池100の引出タブや、仕切り片260などが挿通可能に構成されるものである。
単位電池100の引出タブが、ボルトナットで基板300に固着される箇所には、薄膜電極部320a、薄膜電極部320b、薄膜電極部320cが設けられている。
また、薄膜電極部320bは、コネクタ340の不図示の端子部と導通が図られており、個々の単位電池100のモニタを行うための電位が、コネクタ340を介して測定できるようになっている。なお、コネクタ340は、単位電池100の温度を測定する温度測定センサ(不図示)からの信号を取り出せるように構成することもできる。
基板300には、ホルダ部材200の第2面250側に設けられている位置合わせ用突起部263に対応する位置合わせ穴328が2つ形成されており、2つの位置合わせ用突起部263を、位置合わせ穴328に貫通させることにより、簡便にホルダ部材200と基板300とを固着する際の位置合わせが行えるようになっており、生産性向上に寄与している。また、基板300に形成されている基板固着ネジ穴329は、ホルダ部材200と基板300とを固着するために利用される基板固着ネジ271を挿通する穴である。
図6は本発明の実施形態に係る電池パックを構成する電池保護部材400を説明する図であり、図6(A)は単位電池100の主面が貼着される第一の板状部410を臨むように電池保護部材400を見た図であり、図6(B)は図6(A)の上側から電池保護部材400を見た図である。
電池保護部材400は、電池保護部材400は、単位電池100を載置する際に、載置された単位電池100間に介挿されるようにして利用されるものであり、単位電池100を載置する際に、載置された単位電池100間に介挿されるようにして利用されるものである。
電池保護部材400は、ABS樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂などの合成樹脂で形成することができる。こういった材料を用いることで、電池保護部材400を軽量かつ安価に実現できる。
また、電池保護部材400は、金属製部材、良熱伝導性材料粒子を分散した合成樹脂製部材製でも形成することができる。こういった材料を用いることで、電池保護部材400を熱伝導性が良好であってかつ軽量に実現できる。
具体的には、金属製部材が、アルミニウム、アルミニウム合金、銅から選ばれるいずれかであり、良熱伝導性材料粒子が窒化アルミニウム、窒化ケイ素、アルミナのいずれかである。
合成樹脂材料としては、ABS樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂を挙げることができ、これらに良熱伝導性材料粒子を分散した材料を挙げることができる。
これらのなかでも、アルミニウム、アルミニウム合金が好ましい。
アルミニウム、アルミニウム合金等の場合には、表面をアルマイトを処理して絶縁層をしたり、絶縁性皮膜を形成することが好ましい。これによって、万一保護部材に電圧の印加部が接触しても問題の発生を防止することができる。
電池保護部材400の第一の板状部410は、単位電池100と、これと直列接続される単位電池100との間に挟まれる部材である。一方、第一の板状部410の両端部からは、第一の板状部410に垂直な方向に第二の板状部440が延在するように設けられている。したがい、図6(B)に示すように、電池保護部材400は断面がH字状の部材となる。
また、第一の板状部410には、最も深い切り欠き部である第1切欠部421と、この第1切欠部421の両サイドに配され、第1切欠部421に次いで深い切り欠き部である第2切欠部422と、第2切欠部422の両側に配された最も浅い切り欠き部である第3切欠部423とからなる切欠部420が構成されている。
まず、図7に示す工程においては、ホルダ部材200の第2面250に設けられている全てのナット収容部255に対してナット256を装着する。ナット収容部255の内周は、ナット収容部255にナット256が内嵌されると、ナット256が簡単には外れない程度の寸法とされている。
続く図8に示す工程では、ホルダ部材200の位置合わせ用突起部263を、基板300の位置合わせ穴328に挿通させることで、ホルダ部材200と基板300との位置合わせを行う。続いて、2つの基板固着ネジ271を、基板固着ネジ穴329に挿通させて、ネジ穴270にネジ留めすることで、ホルダ部材200と基板300とを固着する。なお、基板固着ネジ穴329としては、様々な種類のネジを利用することができるが、タッピング用のネジを用いることで、製造時の作業効率が向上する。
第2番目の単位電池100の上端部111がホルダ部材200の第1面210に突き当てられるまで押し込まれたことを確認した上で、次の基板300側の作業に移行する。
一方、第2番目に取り付けられた単位電池100の負極引出タブ130は図で示す上側に折り曲げられ、第3番目に取り付けられた単位電池100の正極引出タブ120との連結の準備を行う。
また、単位電池100は、第一の板状部420からの第二の板状部440の高さ方向の上端部を越えて載置している。このように、第二の板状部440の上端部を越えて単位電池を載置することによって、単位電池の周囲からの放熱が良好にすることができる。
上記の第二の板状部の上端部を越えて載置する電池は、図上で上部または下部のいずれか、あるいは両者の電池保護部材400に載置することができる。
第10番目の単位電池100の負極引出タブ130については、引出タブ引回部213を利用して、基板300薄膜電極部(図示せず)に固着する。これにより、第1番乃至第10番目までの単位電池100の各引出タブが、基板300上で連結されて、10個の単位電池100の直列接続が完了して二つの電池保護部材ブロック450を備えた電池連結構造体500が完成する。
また、この図で示す電池連結構造体500は、電池保護部材の側面の第二の板状部440の第一の板状部420面からの高さ方向の上端部を越えて単位電池100が載置されており、一部の単位電池は、側面が第二の板状部400によって覆われていない。
したがって、載置した単位電池100には、上下の電池保護部材400の第二の板状部440の間からも周囲の空気が流通することになり単位電池100の放熱特性が向上する。
また、フィルム状外装材は、柔軟であるものの熱融着部は、他の部分に比べて硬度が高い部分が形成されているので、側端部113からの加わる力には十分な耐力を有しているので、振動、衝撃等を受け止めることが可能となる。
二つの電池保護部材ブロック450を備えており、直列接続された10個の単位電池100への充放電は、基板300に取り付けられた正極端子用電極座金321及び負極端子用電極座金322を利用して行われる。正極端子用電極座金321には端子部材331が、また、負極端子用電極座金322には端子部材332が取り付けられている。
また、複数の単位電池100の互いに異なる極性の引出タブ同士を引出タブ接続ボルト257とナット256により基板300上で連結するように構成されているので、複数の単位電池100同士を簡単に電気接続することができ、電池バックを製造する上での作業効率が高くなり、生産性が向上する。
図18に示す工程では、電池連結構造体500を収容するための第1ケース体600に対して、第1ケース体600に設けられている放電端子取付凹部611及び充電端子取付凹部612を利用して、放電端子613及び充電端子614をネジ留めする。
本発明の電池パックは、図18,19に示すように、電池パックの底部の水抜き穴682とともに、上部区画部680に水抜き穴681を設けている。
電池パックは、屋外で使用されるので、雨等が浸入したり、電池パック内部の単位電池、保護回路基板部の発熱と冷却によって外部から浸入した水分の結露等によるものであって、電池パック内部には、水分に対する対策が施されているが、速やかに排出することが好ましい。
本発明では、底部の水抜き穴682のみではなく、水分による影響を受ける可能性がある保護回路基板を装着する区画のような上部区画部680にも設けることによって水分による悪影響を回避することができる。特に、電気自転車等の2輪の車両は使用しないときに横置きで放置される可能性もあることから、上記の例に限らず、ケース体内部を複数区画にわけて常に水抜きできるようにすることが効果的であり、水抜き穴も2以上の区画に設けることが有効である。図においては区画の中央部に水抜き穴を設けているが、区画の隅(容器の内壁の2面または3面の交わる付近)に設けることも有効である。また、同じ区画内で複数の方向に水抜き穴を設けることも有効である。
図21及び図22に示す工程は、電池連結構造体500に対して、緩衝材を取り付ける工程が行われる。本発明に係る電池パックにおいては、第1の電池連結構造体500、及び、第2の電池連結構造体500の2つの構造体が電池パックに収容される構成となっている。
図21の工程においては、第1の電池連結構造体500に対して、端部の単位電池100に肉厚の第4緩衝部材504が取り付けられ、全ての電池保護部材の第二の板状部に、第4緩衝部材504より薄い第5緩衝部材505が取り付けられる。第4緩衝部材504・第5緩衝部材505を各部に取り付ける際には接着剤などが利用される。
一方、図22の工程においては、第2の電池連結構造体500に対して、端部の単位電池100に第4緩衝部材504が取り付けられ、一方側の電池保護部材の第二の板状部にのみ、第5緩衝部材505が取り付けられる。先ほど同様、第4緩衝部材504・第5緩衝部材505を各部に取り付ける際には接着剤などが利用される。
緩衝部材を取り付けた第1の電池連結構造体500Aは、第1収容部601に対してクリアランスが正CPを第1収容部601の底面に平行にして、クリアランスが負CMを第1収容部601の底面と垂直方向に配置して収容する。
また、緩衝部材を取り付けた第2の電池連結構造体500Bについても、第2収容部602に対してクリアランスが正CPを第1収容部601の底面に平行にして、クリアランスが負CMを第2収容部602の底面と垂直方向に配置して収容する。
なお、クリアランスが正であるとは、収容部の大きさに対して、緩衝部材間の外面の距離が1.5mm〜2mm小さいことを意味し、1.5mmから2mmの隙間が生じることを意味する。また、クリアランスが負であるとは、収容部の大きさに対して、緩衝部材間の外面の距離が3mm〜4mm大きく、緩衝部材を押しつぶすことが必要であることを意味する。
また、緩衝部材には、独立発泡気泡を有する発泡体を用いることができる。具体的には、耐候性、使用温度範囲の広さからクロロプレンゴムを主成分とするネオプレン(デュポン社)を発泡させたネオプレンスポンジが好適である。
緩衝部材を取り付けた第1の電池連結構造体500Aと緩衝部材を取り付けた第2の電池連結構造体500Bは、それぞれ保護回路基板700と配線長が略等しいリード線によって結線されるので、配線を短くすることが可能となるとともに、保護回路基板とそれぞれの電池連結構造体との間のインピーダンスを等しくすることができる。
その結果、二つの電池連結構造体を直列に接続した場合には電池のエネルギーを効率的に取り出すことが可能となる。
一方、第1収容部601の底面に対しては、電池連結構造体の扁平状電池の載置面を平行に配置して、第1の電池連結構造体および第2電池連結構造体の扁平状電池の扁平状電池の載置面を直交するように配置して、同一形状、構造の電池連結構造体を、厚みが厚い第1収容部601と、厚みが薄い第2収容部602に装着する。
この工程において、第1ケース体600上に第2ケース体を載置して、緩衝部材を取り付けた電池連結構造体のクリアランスが負である方向を押圧してネジ止めすることで、振動、衝撃によって電池連結構造体が移動することはない本発明に係る電池パックが完成する。
電動自転車1は、フレーム2に、本発明の電池パック4を装着しており、電動自転車の駆動機構3に対して電力を供給している。
電池パック4は、図24で説明したように、同一形状の電池連結構造体を収容する構造が異なる二つの収容部を有しており、図24の第1収容部601に対応する厚みが厚い電池パック上部41は、サドル5と後輪の間の空間に位置しているので、自転車乗車時には足等が接触することはない。
また、図24の第1収容部602に対応する厚みが薄い電池パック下部42は、シートチューブ6と後輪の間の空間に位置しているが、第1収容部は、厚みが薄いのでペダル7を回転させてもペダルや足が接触することはない。
また、本発明の電池パック4は、路面からの振動、衝撃を受けるフレーム2に直接装着しているが、電池パック4内には、振動、衝撃の対策が施されているので、安定した作動が実現できる。
Claims (10)
- 電池要素がフィルム状外装材で外装された扁平状電池が複数積層された電池連結構造体と、
電池の充放電時の保護をする保護回路基板とをケース体内部に備えた電池パックであって、前記ケース体内部は複数に区画され、少なくとも前記電池連結構造体を収納する区画及び保護回路基板を収納する区画に水抜き穴を設けたことを特徴とする電池パック。 - 電池要素がフィルム状外装材で外装された扁平状電池が複数積層された電池連結構造体を収容する底部の区画と電池の充放電時の保護をする保護回路基板を収容する上部の区画を有し、前記底部の区画に水抜き穴を設けたことを特徴とする請求項1記載の電池パック。
- 前記電池連結構造体が、第一の板状部と、前記第一の板状部の幅方向の両端部に一体に結合し、前記第一の板状部の両面に対して略垂直方向に延びる第二の板状部とを有した電池保護部材を備え、
前記第一の板状部に前記扁平状電池を載置したものであることを特徴とする請求項1または2記載の電池パック。 - 前記扁平状電池の載置面が前記第一の板状部の両面に形成されていることを特徴とする請求項3記載の電池パック。
- 前記扁平状電池の平板面が前記第一の板状部に積層されていることを特徴とする請求項3または4記載の電池パック。
- 前記電池保護部材の第一の板状部の長手方向に前記扁平状電池の引出タブが取り出されたことを特徴とする請求項3から5のいずれか1項記載の電池パック。
- 前記扁平状電池に両面接着テープの一方の接着面を接着して、前記第一の板状部または隣接する扁平状電池面に接着したことを特徴とする請求項3から6のいずれか1項記載の電池パック。
- 前記水抜き穴が、一つの区画に2以上あることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項記載の電池パック
- 前記水抜き穴が、区画の内壁の2面または3面が交わる付近に設けられていることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項記載の電池パック
- 請求項1から9のいずれか1項記載の電池パックを備えたことを特徴とする電動自転車。
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