JP5984009B2 - 電池パック及びそれを備えた電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池を備えた電池パック、及びそれを備えた電源装置に関する。

一般に、二次電池は、電池内の内圧が上昇したときに、電池内の圧力を開放する安全弁を備えている。このような二次電池を複数個並べて、ケース内に収容して電池パックを構成した場合、ある電池の安全弁が作動して、電解液がケース内に漏出すると、電解液は導電性を有するため、電解液を介して、電池同士が短絡するおそれがある。

このような問題に対して、特許文献１には、複数の電池を下から支持する支持部材に、各電池から漏出した電解液を受けるための凹部を、各電池毎に個別に設けた電池パックが記載されている。仮に、電池から電解液が漏出しても、電解液は、漏出した電池に対応した凹部に独立して留まるため、他の電池に接触するのを防止することができる。

特開２００９−１４６６０６号公報

特許文献１に記載された電池パックでは、電池の外側面と凹部の内側面との間に、数ｍｍ程度のクリアランスがあり、その隙間に、電解液が溜まる。そのため、複数の電池を高密度に配列した電池パックでは、隣接する電池の凹部同士が接近しているため、電解液が漏出した電池の凹部に溜まった電解液が溢れて、隣の電池の凹部に入り込むと、電解液を介して、電池の短絡が発生するおそれがある。また、複数の電池パックを集合させて電源装置を構成した場合、電池から漏出した電解液が、電池パックの外に流出すると、電解液を介して、電池パックの短絡が発生するおそれもある。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、漏出した電解液を介した電池の短絡発生を防止した電池パックを提供することにある。また、複数の電池パックを集合した電源装置において、漏出した電解液を介した電池パックの短絡発生を防止した電源装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、複数の電池を備えた電池パックにおいて、複数の電池を保持するホルダーに、各電池を挿入する複数のリブを設け、互いに隣接するリブの対向する部位から周方向に離れた部位に、切り欠け部を設けた構成を採用する。

すなわち、本発明に係る電池パックは、複数の円筒形の電池と、該電池を保持するホルダーとを備え、ホルダーは、一方が開口された有底箱形のケースと、該ケースの内底面に配設された複数の円筒形のリブとを有し、複数のリブは、少なくとも１列に配列されており、複数の電池は、該電池の下部が、それぞれ各リブに挿入され、かつ、直列接続されており、各リブは、互いに隣接するリブの対向する部位から周方向に離れた部位に、リブの側壁の高さが、他の部位よりも低くなった切り欠け部を有していることを特徴とする。

このような構成により、電解液が漏出した電池が挿入されたリブに電解液が一杯になっても、隣接するリブの対向する部位から離れた部位に設けられた切り欠け部から、電解液が優先的に溢れるため、隣の電池が挿入されたリブに電解液が入り込むことを防止することができる。これにより、複数の電池を高密度に配列しても、電解液を介した電池の短絡発生を防止することができる。

本発明によれば、複数の電池が直列接続された電池パックにおいて、漏出した電解液を介した電池の短絡発生を防止することができる。

本発明の第１の実施形態における電池パックに使用される電池の構成を模式的に示した斜視図である。 本発明の第１の実施形態における電池パックの構成を模式的に示した斜視図である。 本発明の第１の実施形態における電池パックの分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態における第１のホルダーの斜視図である。 本発明の第１の実施形態における第２のホルダーの斜視図である。 （ａ）は、隣接する電池における電解液を介した短絡の発生を示した概念図で、（ｂ）及び（ｃ）は、その等価回路図である。 本発明の第１の実施形態における電池パックの部分斜視図である。 電解液が電池パック外に流出したときの電解液を介した短絡の発生を示した概念図で、（ｂ）はその等価回路図である。 電解液が電池パック外に流出したときの電解液を介した短絡の発生を示した概念図で、（ｂ）はその等価回路図である。 本発明の第２の実施形態における電池パックの部分斜視図である。 本発明の第２の実施形態に電池パックの変形例を示した部分断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における電池パックに使用される電池の構成を模式的に示した斜視図である。

本実施形態における電池１は、円筒形の電池で、その種類は特に限定されないが、代表的には、ニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池を用いることができる。

図１に示すように、円筒形の電池ケース５内に、正極及び負極がセパレータを介して捲回された電極群が、電解液とともに収容されている。電池ケースの開口部は、封口板６で封口され、封口板６には、安全弁２が設けられている。また、封口板６には、正極端子３及び負極端子４が形成されている。なお、電池ケース５の側面及び底面の一部は、絶縁フィルムで被覆されているが、電池ケース５の底面の一部は、露出して負極になっている。

図２は、本実施形態における複数の電池を備えた電池パックの構成を模式的に示した斜視図である。

図２に示すように、本実施形態における電池パック１００は、複数の円筒形の電池１が列方向Ａに配列され、かつ、直列接続されている。図２では、５個の電池１が、２列に配列されている。隣接する電池１同士の接続は、一方の電池１の正極端子３と他方の電池１の負極端子４とを、例えば、バスバーで接続することにより行われる。

複数の電池１は、一対の第１のホルダー１０及び第２のホルダー２０によって保持されている。また、一対の第１のホルダー１０及び第２のホルダー２０の列方向Ａに平行な両側部には、一対の外装板３０、３１が取り付けられている。

図３は、図２に示した電池パック１００の分解斜視図である。また、図４は、第１のホルダー１０の斜視図、図５は、第２のホルダー２０の斜視図である。

図４に示すように、第１のホルダー１０は、一方が開口された有底箱形のケース１１と、ケース１１の内底面に配設された複数の円筒形のリブ１２とを有している。ここで、複数のリブ１２は、列方向Ａに配列されている。

また、図５に示すように、第２のホルダー２０は、第１のホルダー１０のケース１１の幅Ｗと略同一の幅Ｗを有する板部材２１と、板部材２１の平面に形成された複数の円筒状の貫通孔２２とを有している。

図３に示すように、第１のホルダー１０の各リブ１２には、各電池１の下部が挿入され、第２のホルダー２０の各貫通孔２２には、各電池１の上部が挿入されている。また、一対の外装板３０、３１には、電池１の冷却用の複数の孔３０ａ、３１ａが設けられており、ケース１１及び板部材２１の列方向に平行な両側部に、一対の外装板３０、３１が取り付けられている。これにより、電池パック１００を構成する複数の電池１は、一対の第１のホルダー１０及び第２のホルダー２０によって保持される。

本実施形態において、電池１の外側面と、第１のホルダー１０のリブ１２の内側面との間には、数ｍｍ程度のクリアランスがあり、その隙間に、電解液が溜まる。しかしながら、複数の電池１を高密度に配列した電池パックでは、隣接する電池１のリブ１２同士が接近しているため、図６（ａ）に示したように、電解液が漏出した電池１Ａのリブ１２に溜まった電解液が溢れて、隣の電池１Ｂのリブ１２に入り込むと、電解液を介して、電池１Ａ、１Ｂで短絡が発生するおそれがある。

図６（ｂ）は、１列に配列した電池において、電池１Ａから漏出した電解液が、隣の電池１Ｂのリブ１２に入り込んだときの短絡モードを模式的に示した等価回路図である。この場合、１個の電池１Ｂにおいて短絡が生じる。その結果、電池１Ｂに短絡電流が流れ、電池１Ｂが発熱するおそれがある。

図６（ｃ）は、２列に配列した電池において、一方の列の電池１Ａから漏出した電解液が、他方の列で、電池１Ａに対向する電池１Ｂのリブ１２に入り込んだときの短絡モードを模式的に示した等価回路図である。この場合、７個の直列に接続された電池において、短絡が生じる。従って、１個の電池の短絡に比べて、電位差の大きな短絡が生じるため、非常に大きな短絡電流が流れ、電池パック全体が異常過熱するおそれがある。

なお、このような電解液を介した電池の短絡は、隣接する電池から同時に電解液が漏出した場合にも発生し得る。

このような電解液を介した電池の短絡は、電池を離して配列すれば回避することもできるが、電池パックの高密度化の要請に反する。

そこで、本願発明者等は、隣接する電池を当接して配列した場合でも、電解液を介した短絡の発生を防止する方法を検討し、本発明を想到するに至った。

図７は、本実施形態における電池パックの部分斜視図である。なお、図７では、説明の便宜上、外装板３０、３１、及び、各列の端に配列された電池１を省略している。

図７に示すように、２列に配列された複数のリブ１２において、各列におけるリブ１２は、互いに隣接するリブ１２の対向する部位から周方向に離れた部位に、リブ１２の側壁の高さが、他の部位よりも低くなった切り欠け部１４を有している。図７に示した例では、各リブ１２の周方向に、４つの切り欠け部１４が設けられている。

このように、各リブ１２に切り欠け部１４を設けることによって、列方向に配列されたリブ１２同士が当接している場合でも、電解液が漏出した電池１が挿入されたリブ１２に電解液が一杯になっても、当接している部位から離れた部位に設けられた切り欠け部１４から、電解液が優先的に溢れるため、隣の電池１が挿入されたリブ１２に電解液が入り込むことを防止することができる。これにより、複数の電池を高密度に配列しても、電解液を介した電池の短絡発生を防止でき、短絡電流による電池の発熱を防止することができる。

なお、本実施形態において、列方向に配列されたリブ１２同士は、必ずしも当接している場合に限らない。例えば、リブ１２に溜まった電解液が、表面張力等で、隣接するリブ１２に入り込む程度に離れている場合も、本発明の効果を発揮し得る。

また、図７では、２列に配列されたリブ１２において、列間で互いに対向するリブ１２を、離間して配列した例を示したが、互いに当接して配列しても、本発明の効果を発揮し得る。この場合、図６（ｃ）に示したように、複数個の直列に接続された電池において、電解液を介した短絡の発生を防止でき、電池パック全体の異常過熱を防止することができる。

なお、図７に示したように、リブ１２から溢れた電解液は、ケース１１の周囲の側壁に囲まれた空間１３に溜まるため、空間１３に溜まった電解液が、リブ１２の側壁の高さを超えない限り、電解液を介した電池１の短絡は発生しない。この場合、ケース１１内において、複数のリブ１２で区画された領域以外の空間は、互いに連通していることが好ましい。これにより、一部の空間で電解液が溢れて、隣接するリブ１２に電解液が入り込むのを防止することができる。

本実施形態において、ケース１１及び複数のリブ１２は、一体成形されていることが好ましい。これにより、複数のリブ１２に設けられた切り欠け部１４を、リブ１２の配列方向Ａにおいて、予め所定の位置に設定することができる。また、リブ１２の周方向に設ける切り欠け部１４の数や形状は、特に制限されない。

（第２の実施形態）
上述したように、電池１から電解液が漏出することによって、電解液を介した電池の短絡が発生するおそれがあるが、電池１から漏出した電解液が、電池パック１００の外に流出することによって、電解液を介した電池パックの短絡が発生するおそれもある。

図８は、電池１から漏出した電解液が、電池パック１００の外に流出することによって、電解液を介した電池パックの短絡が発生する例を示した図で、図８（ａ）は概念図、図８（ｂ）は、等価回路図である。

図８（ａ）に示すように、電池パック１００は、金属シャーシ２００上に載置されて、例えば、電源装置を構成している。このとき、電池パック１００の負極端子が、金属シャーシ２００に接続されている。この場合、例えば、電池パック１００内の電池１Ａから電解液が電池パック１００外に流出して、金属シャーシ２００上に溜まると、図８（ｂ）に示すように、電池１Ａを含む２個の直列接続された電池において、電解液を介した短絡が発生する。もし、直列接続された複数の電池において、電池パック１００の正極端子に最も近い電池１から漏出した電解液が、電池パック１００外に流出して、金属シャーシ２００上に溜まると、電池パックを構成する電池全体の直列接続された電位差による短絡が発生するため、電池パック全体が異常過熱するおそれがある。

図９は、電池１から漏出した電解液が、電池パック１００の外に流出することによって、電解液を介した電池パック間の短絡が発生する例を示した図で、図９（ａ）は概念図、図９（ｂ）は、等価回路図である。

図９（ａ）に示すように、複数の直列に接続された電池パック（本例では、２個の電池パック１００Ａ、１００Ｂが直列接続）が、共通の金属シャーシ２００上に載置されて、例えば、電源装置を構成している。この場合、電池パック１００Ａ内の電池１Ａ、及び電池パック１００Ｂ内の電池１Ｂから、電解液がそれぞれ電池パック１００Ａ、１００Ｂ外に流出して、金属シャーシ２００上に溜まると、図９（ｂ）に示すように、２つの電池パック１００Ａ、１００Ｂに跨って直列接続された複数の電池（本例では、５個の直列接続された電池）において、電解液を介した短絡が発生する。このように、多くの電池が直列接続された電位差の大きな短絡が発生するため、電池パック全体が異常過熱するおそれがある。

このような電解液を介した短絡は、電解液が電池パック１００外に流出しないよう、例えば、電池パック１００を密閉状態にすれば回避することもできるが、複数の電池１を冷却することが困難になるという弊害もある。

そこで、本願発明者等は、複数の電池の冷却効果を維持しつつ、電解液が電池パック外に流出することによる電解液を介した短絡を防止する方法を検討し、その解決方法を見出した。

図１０は、本発明の第２の実施形態における電池パックの構成を示した部分斜視図である。なお、本実施形態における電池パックの基本的な構成は、図２及び図３に示した電池パックの構成と同じである。

すなわち、図２及び図３に示したように、本実施形態における電池パックは、複数の円筒形の電池１と、電池１を保持する一対の第１のホルダー１０及び第２のホルダー２０を備えている。複数の電池１は、少なくとも１列に配列され、かつ、直列に接続されている。第１のホルダー１０は、一方が開口された有底箱形のケース１１と、ケース１１の内底面に配設された複数の円筒形のリブ１２とを有し、各リブ１２に、各電池１の下部が挿入されている。また、第２のホルダー２０は、ケース１１と幅が略同一の板部材２１と、板部材２１の平面に形成された複数の円筒状の貫通孔２２とを有し、各貫通孔２２に、各電池１の上部が挿入されている。ケース１１及び板部材２１の列方向Ａに平行な両側部に、一対の外装板３０、３１が取り付けられ、外装板３０、３１には、電池１の冷却用の複数の孔３０ａが設けられている。これにより、列方向Ａに配列した複数の電池１は、列方向Ａと垂直な方向から、孔３０ａを通過する空気によって冷却される。

図１０に示すように、第２のホルダー２０は、板部材２１の側部において、当該側部の上端部２１ａの位置が、貫通孔２２に挿入された電池１の上端部１ａの位置よりも高くなるような段差を有している。これにより、電池１の安全弁２から漏出した電解液は、板部材２１の側部上端部２１ａを乗り越えることなく、電池１の側面と貫通孔２２との隙間を下降して、電池１の下部が挿入されたリブ１２に溜まることになる。

もし、板部材２１の側部に、電池１の上端部１ａの位置より高くなった段差がなければ、電池１の安全弁２から漏出した電解液は、板部材２１の側部上端部２１ａを乗り越えて、板部材２１と外装板３０、３１の内側面との隙間に流れ込む。隙間に流れ込んだ電解液の一部は、外装板３０、３１の孔３０ａ、３１ａを通り抜けて、外装板３０、３１の外側面に沿って下降して、電池パック外に流出することになる。その場合、図８（ａ）、図９（ａ）に示したような状態が生じると、電池パック内の複数の電池、あるいは、２つ以上の電池パックに跨る複数の電池において、電解液を介した短絡が発生するおそれがある。

本実施形態における電池パックは、第２のホルダー２０の板部材２１の側部に、電池１の上端部１ａの位置より高くなった段差を設けることによって、電池１の安全弁２から漏出した電解液を、優先的に、電池１の側面と貫通孔２２との隙間を下降させて、電池１の下部が挿入されたリブ１２に溜めることができ、これにより、電解液の電池パック外への流出を防止することができる。

なお、図１０に示した第２のホルダー２０において、板部材２１の側部から、貫通孔２２の一部を覆うように突出した突出部２３を設けている。この突出部２３は、電池１の上端部１ａを押さえる機能を有し、これにより、電池１を、より安定して、第２のホルダー２０に保持することができる。従って、板部材２１の側部に設ける段差は、突出部２３の厚みを利用して、電池１の上端部１ａと突出部２３との間に設けてもよい。

図１１は、本発明の第２の実施形態に電池パックの変形例を示した部分断面図である。

図１１に示すように、本変形例における電池パックは、貫通孔２２の側部が板部材２１の側部に接近した部位の近傍において、板部材２１の側部と外装板３０との間に、１ｍｍ以上の隙間４０が設けられている。これにより、電池１の安全弁２から漏出した電解液が、板部材２１の側部上端部２１ａを乗り越えて、板部材２１と外装板３０、３１の隙間４０に流れ込んだとしても、隙間４０の間隔が十分に離れているため、電解液は、板部材２１の側部のみを下降し、外装板３０、３１には伝わらない。従って、板部材２１の側部上端部２１ａを乗り越えた電解液を、板部材２１の側部、及び電池１の側面を下降させて、電池１の下部が挿入されたリブ１２に溜めることができ、これにより、電解液の電池パック外への流出を防止することができる。

本実施形態において、第１のホルダー１０において、ケース１１の側壁の高さは、リブ１２の側壁の高さよりも高いことが好ましい。これにより、リブ１２から溢れて、ケース１１の周囲の側壁に囲まれた空間１３に溜まった電解液が、ケース１１の側壁を乗り越えて、電池パック外に流出するのを防止することができる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。

また、本発明は、上記実施形態に示した電池パックを、金属シャーシ上に載置した電源装置にも適用することができる。この場合、電池パックの負極端子は、金属シャーシに接続されている。

また、本発明は、上記実施形態に示した電池パックを、複数個直列接続して、金属シャーシ上に載置した電源装置にも適用することができる。

本発明は、例えば、電気自動車等の電源装置に有用である。

１ 電池
２ 安全弁
３ 正極端子
４ 負極端子
５ 電池ケース
６ 封口板
１０ 第１のホルダー
１１ ケース
１２ リブ
１３ 空間
１４ 切り欠け部
２０ 第２のホルダー
２１ 板部材
２２ 貫通孔
２３ 突出部
３０、３１ 外装板
３０ａ、３１ａ 孔
４０ 隙間
１００ 電池パック
２００ 金属シャーシ

Claims (11)

1. 複数の円筒形の電池と、該電池を保持するホルダーとを備えた電池パックであって、
   前記ホルダーは、一方が開口された有底箱形のケースと、該ケースの内底面に配設された複数の円筒形のリブとを有し、
   前記複数のリブは、少なくとも１列に配列されており、
   前記複数の電池は、該電池の下部が、それぞれ前記各リブに挿入され、かつ、直列接続された電池を少なくとも複数個含み、
   前記各リブは、互いに隣接するリブの対向する部位から周方向に離れた部位に、前記リブの側壁の高さが、他の部位よりも低くなった切り欠け部を有している、電池パック。
2. 列方向に配列された前記リブは、互いに当接している、請求項１に記載の電池パック。
3. 前記複数のリブは、２列に配列されており、列間で互いに対向するリブは、離間して配列されている、請求項１または２に記載の電池パック。
4. 前記ケース内において、前記複数のリブで区画された領域以外の空間は、互いに連通している、請求項１に記載の電池パック。
5. 前記ケースの側壁の高さは、前記リブの側壁の高さよりも高い、請求項１に記載の電池パック。
6. 前記ケース及び前記複数のリブは、一体成形されている、請求項１に記載の電池パック。
7. 複数の円筒形の電池と、該電池を保持するホルダーとを備えた電池パックであって、
   前記ホルダーは、一対の第１のホルダーと第２のホルダーとを備え、
   前記複数の電池は、少なくとも１列に配列され、かつ、直列接続された電池を少なくとも複数個含み、
   前記第１のホルダーは、
   一方が開口された有底箱形のケースと、該ケースの内底面に配設された複数の円筒形のリブとを有し、
   前記各リブに、前記各電池の下部が挿入されており、
   前記第２のホルダーは、
   前記ケースと幅が略同一の板部材と、該板部材の平面に形成された複数の円筒状の貫通孔とを有し、
   前記各貫通孔に、前記各電池の上部が挿入されており、
   前記ケース及び前記板部材の列方向に平行な両側部に、一対の外装板が取り付けられ、該外装板には、前記電池の冷却用の複数の孔が設けられており、
   少なくも前記貫通孔の側部が前記板部材の側部に接近した部位の近傍において、前記板部材の側部と前記外装板との間に、１ｍｍ以上の隙間が設けられており、
   前記第２のホルダーは、前記板部材の側部において、該側部の上端部の位置が、前記貫通孔に挿入された前記電池の上端部の位置よりも高くなるような段差を有している、電池パック。
8. 前記ケースの側壁の高さは、前記リブの側壁の高さよりも高い、請求項７に記載の電池パック。
9. 前記ケース及び前記複数のリブは、一体成形されている、請求項７に記載の電池パック。
10. 請求項７〜９の何れか１項に記載の電池パックを備えた電源装置であって、
    前記電池パックは、金属シャーシ上に載置され、かつ、前記電池パックの負極端子が、前記金属シャーシに接続されている、電源装置。
11. 請求項７〜９の何れか１項に記載の電池パックを複数個備えた電源装置であって、
    前記複数の電池パックは、直列接続され電池パックが少なくとも複数個含み、かつ、金属シャーシ上に載置されている、電源装置。

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