JP6026961B2 - 電池セル、電池ユニットおよび電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電池セル、電池ユニットおよび電池スタックに関する。

従来、この種の電池スタックとして、特許文献１の技術が知られている。図１１は電池スタック１００を上方から見た図、図１２は図１１の矢印ＡＲの方向から見た図である。図１１および図１２において、電池スタック１００は、構成の異なった電池セル１０２と電池セル１１２とを順次積層することにより構成されている。すなわち、電池セル１０２は、ケースの端面に正極端子１０４ｐと負極端子１０４ｎとを備えている。正極端子１０４ｐおよび負極端子１０４ｎは、図示の上方へ突出した後に水平方向へ屈曲したＬ字形に形成されている。一方、電池セル１１２は、ケースの端面に正極端子１１４ｐと負極端子１１４ｎとを備えている。正極端子１１４ｐおよび負極端子１１４ｎは、図示の上方へ突出した後に水平方向へ屈曲したＬ字形であるが、その屈曲方向が電池セル１０２の正極端子１０４ｐと負極端子１０４ｎとで逆方向になっている。そして、電池セル１０２の負極端子１０４ｎと電池セル１１２の正極端子１１４ｐの重なった部位をボルト１２０で締結することにより、電池セル１０２と電池セル１１２とを電気的に接続するとともに機械的に接続している。

特許５１５９１１２号

しかし、従来の電池スタック１００における電池セル１０２と電池セル１１２とは、正極端子１０４ｐ，１１４ｐおよび負極端子１０４ｎ，１１４ｎの屈曲方向が異なっている構成である。このように、電池セル１０２，１１２は、正極端子と負極端子とが異なった形状の２種類のタイプを用いているために、重ね合わせる電池セルを交互に配置しなければならず、作業が面倒であり、また、誤った接続をし易いという課題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
角型の電池セルを複数用いた電池ユニットにおいて、
前記電池セルは、
互いに直交する第１方向（Ｘ）と第２方向（Ｙ）とにより規定される基準面（３２ａ）と、該基準面（３２ａ）の端部から第１方向（Ｘ）および第２方向（Ｙ）に直角である第３方向（Ｚ）に向けて延設された端子支持面（３２ｂ）とを有する電池ケース（３２）と、
上記端子支持面（３２ｂ）に突設され、上記第１方向（Ｘ）に所定距離隔てて配置された正極端子（３４ｐ）および負極端子（３４ｎ）と、
を備え、
上記正極端子（３４ｐ）および負極端子（３４ｎ）は、上記端子支持面（３２ｂ）の中心から、上記第１方向（Ｘ）への距離が異なった位置に配置されており、
前記電池ユニットは、
一方の電池セルを、他方の電池セルに対して上記第２方向（Ｙ）と平行な軸で１８０度回転して、一方の電池セルの基準面（３２ａ）と他方の電池セルの基準面（３２ａ）とを対向させて得られる状態において、一方の電池セルの正極端子（３４ｐ）と他方の電池セルの負極端子（３４ｎ）とが重ならないように配置されるとともに上記第１方向（Ｘ）に配置した内部連結板（６２）を介して接続されおり、
上記内部連結板（６２）と上記正極端子（３４ｐ）とを締結するとともに、上記内部連結板（６２）と上記負極端子（３４ｎ）とを締結する締結部材（６４）と、
上記一方の電池セルの上記基準面（３２ａ）と上記他方の電池セルの上記基準面（３２ａ）との間に配置される絶縁部材（４０）と、
上記絶縁部材（４０）の上部に装着され上記内部連結板（６２）を固定する固定部（６１）と、を備える電池ユニット。

（１）本発明の一形態によれば、角型の電池セルが提供される。電池セルは、互いに直交する第１方向と第２方向とにより規定される基準面と、該基準面の端部から第１方向および第２方向に直角である第３方向に向けて延設された端子支持面とを有する電池ケースと、上記端子支持面に突設され、上記第１方向に所定距離隔てて配置された正極端子および負極端子と、を備え、上記正極端子および負極端子は、上記端子支持面の中心から、上記第１方向への距離が異なった位置に配置されていること、を特徴とする電池セルである。
本形態の電池では、同じ形態の電池を積層することにより、複数の電池を直接に接続することができる。従来の技術で説明したような異なった構成の電池を互い違いに配置する構成と比べて、配線の間違いを生じ難い。

（２） 他の形態において、上記正極端子および上記負極端子は、上記端子支持面から上記第２方向に突出した基部と、該基部の先端部から上記第３方向であって同じ方向に折曲された接続部とを備えている電池セルである。

（３） 他の形態において、一方の電池セルを、他方の電池セルに対して上記第２方向と平行な軸で１８０度回転して、一方の電池セルの基準面と他方の電池セルの基準面とを対向させ、一方の電池セルの正極端子と他方の電池セルの負極端子とを重ならないように配置するとともに上記第１方向に配置した内部連結板を介して接続した電池ユニットである。他の形態において、携帯の電池ユニットは、同じ構成の電池セルを用いて、一方の電池セルに対して、他方の電池セルを１８０度回転して、電池ケースの基準面を対向させて、内部連結機構により一体化することにより、２個の電池セルが電気的に接続されるとともに、機械的に連結することができ、組み付け作業の簡略化ができる。

（４） 他の形態の電池スタックにおいて、上記内部連結板と上記正極端子とを締結するとともに、上記内部連結板と上記負極端子とを締結する締結部材を備えた電池ユニットである。

（５） 他の形態において、上記一方の電池の上記基準面と上記他方の電池の上記基準面との間に配置される絶縁部材と、上記絶縁部材の上部に装着され上記内部連結板を固定する固定部とを備える電池ユニットである。
本形態において、絶縁部材は、電池ユニットの電池の間の絶縁性を高めることができるとともに、正極端子と負極端子とを連結する内部連結板を堅固に支持することができる。

（６） 他の形態にかかる電池ユニットを用いた電池スタックにおいて、複数の電池ユニットを上記第３方向に積層したユニット集合体を備え、一の電池ユニットにおける２つの正極端子および２つの負極端子のうち、上記内部連結板により接続されていない正極端子を、他の電池ユニットの負極端子に接続する外部連結板を備えている電池スタックである。本形態において、複数の電池ユニットを積層した電池スタックを組み付けるには、複数の電池ユニットを第３方向へ積層してユニット集合体を構成する。そして、隣接する電池ユニットの正極端子および負極端子のうち、内部連結板により接続されていない正極端子と負極端子とを外部連結板を介して連結し、電池スタックが組み付けられる。複数の電池ユニットを一体に組み付けるとともに、各々の電池ユニットの正極端子と負極端子とを電気的に接続することにより、電池ユニットの機械的連結も同時に行なうことができる。

本発明の一実施例にかかる複数の電池を保持した電池スタックを示す斜視図である。 図１の電池スタックを示す平面図である。 電池ユニットを示す斜視図である。 電池ユニットを示す平面図である。 電池ユニットの側面図である。 電池ユニットを分解して示す斜視図である。 電池ユニットの組付作業を説明する説明図である。 図７に続く組付作業を説明する説明図である。 図８に続く組付作業を説明する説明図である。 電池ユニットの電気接続経路を説明する説明図である。 従来の技術にかかる電池スタックを上方から見た図である。 図１１の矢印ＡＲの方向から見た図である。

（１） 電池スタックの概略構成
図１は本発明の一実施例にかかる複数の電池セルを保持した電池スタックを示す斜視図、図２は図１の電池スタックを示す平面図である。電池スタック１０は、２個の電池セルからなる電池ユニット２０を複数積層した構成を備えている。電池セル３０は、扁平で角型の汎用の電池であり、例えば、自動車用電源として使用されているリチウムイオン電池を適用することができる。

図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。ここで、本発明との対応において、Ｘ方向が第１方向に相当し、Ｙ方向が第２方向に相当し、Ｚ方向が第３方向に相当する。Ｚ方向には、電池ユニット２０が配列されている。ここで、Ｚ方向に配列されている特定の電池ユニット２０およびその構成部材を示す場合には、（ｎ−１），（ｎ），（ｎ＋１）・・・の添え字を付して表す。

電池スタック１０は、複数の電池ユニット２０を組み合わせたユニット集合体２０Ｕを備え、ユニット集合体２０Ｕの両側にそれぞれ支持板１２を配置している。支持板１２の両側部には、取付部１２ａが形成されている。取付部１２ａの箇所で、連結部材１３を介して両側の支持板１２が連結されることにより、複数の電池ユニット２０が一体的に組み付けられている。

（２） 電池スタック１０の各部の構成
図３は電池ユニット２０を示す斜視図、図４は電池ユニット２０を示す平面図、図５は２個の電池ユニット２０を示す側面図である。電池ユニット２０は、２個の電池セル３０Ａ，３０Ｂと、第１絶縁部材４０Ａと、第２絶縁部材４０Ｂと、連結固定機構５０とを備えている。

図６は電池ユニット２０を分解して示す斜視図である。図６において、電池ユニット２０は、２個の電池セル３０Ａ，３０Ｂを備えている。ここで、電池セル３０Ａ，３０Ｂは、同じ構成の電池を用いているが、一方の電池セル３０Ｂの向きが１８０度回転した状態にて配置されている。各々の電池セル３０Ａ，３０Ｂは、電池ケース３２を備えている。電池ケース３２は、アルミニウム、鉄などの金属材料から形成されていることにより、外部から内部へ浸透する水蒸気を遮断している。

電池ケース３２は、側面と端面とにより囲まれた扁平の角型形状である。ここで、電池ケース３２の角型形状は、直方体の他に、その端部が面取りした形状を含むものであり、実質的に同じ幅で積層できる形状をいう。電池ケース３２の側面の１つは、互いに直交するＸ方向とＹ方向とにより規定される基準面３２ａとして表わされる。電池セル３０Ａ，３０Ｂのそれぞれの基準面３２ａは、対向するように配置されている。電池ケース３２の端面のうち１つは、基準面３２ａの上端からＺ方向に向けて延設された端子支持面３２ｂとなっている。端子支持面３２ｂには、正極端子３４ｐおよび負極端子３４ｎが形成されている。

正極端子３４ｐおよび負極端子３４ｎは、同一のＬ字形であり、端子支持面３２ｂからＹ方向に突出した基部３４ａと、基部３４ａの先端部からＺ方向に折曲された接続部３４ｂとを備えている。電池セル３０Ａにて示すように正極端子３４ｐおよび負極端子３４ｎは、端子支持面３２ｂの中心軸ＣＬから、Ｘ方向への距離が異なった距離Ｌｐ、Ｌｎ（Ｌｐ＞Ｌｎ）にそれぞれ配置されている。Ｌｐ，Ｌｎは、中心軸ＣＬと正極端子３４ｐまたは負極端子３４ｎの中心までの距離をいう。電池セル３０Ａ，３０Ｂの正極端子３４ｐと負極端子３４ｎは、電池セル３０Ｂを中心軸ＣＬで１８０度回転することにより、電池セル３０Ａ，３０Ｂの各々の基準面３２ａを対向させたときに、重なり合わないように配置されている（図４参照）。また、端子支持面３２ｂの中央部には、電池セル３０Ａ，３０Ｂ内で発生したガスを逃がすためのガス抜き穴３２ｃが形成されている。

図５において、電池セル３０Ａと電池セル３０Ｂとの間には、第１絶縁部材４０Ａが配置されている。第１絶縁部材４０Ａは、電池セル３０Ａの基準面３２ａと電池セル３０Ｂの基準面３２ａとの間に配置されている。第１絶縁部材４０Ａは、電池ユニット２０の間を絶縁するための電池ユニット２０と側面とほぼ同一の形状の絶縁板４２を備えている。絶縁板４２の側面には、電池セル３０Ａ，３０Ｂを冷却するための複数の冷却路４２ａが形成されている。冷却路４２ａは、Ｙ方向に平行に形成されている（図６）。第１絶縁部材４０Ａとしては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などを用いることができる。第２絶縁部材４０Ｂは、隣接する電池ユニット２０の間に配設されており、第１絶縁部材４０Ａと同様な構成である。

図６において、連結固定機構５０は、内部連結機構６０と、外部連結機構７０とを備えている。
内部連結機構６０は、電池ユニット２０内にて電池セル３０Ａと電池セル３０Ｂとを電気的に接続するとともに機械的に連結する機構である。内部連結機構６０は、固定部６１と、内部連結板６２と、ナット６３と、締結部材６４とを備えている。固定部６１は、内部連結板６２を支持するための部材であり、絶縁板４２の上端部に一体形成されている。固定部６１の上面には、装着穴６１ａがＸ方向に沿って２個配置されている。各々の装着穴６１ａは、Ｙ方向に形成されており、ナット６３を嵌合装着して、ナット６３を回り止めするように六角形に形成されている。ナット６３の穴には、締結部材６４に締結されるネジが形成されている。
内部連結板６２は、長尺の金属製の板材であり、第１接続部６２ａと第２接続部６２ｂとを備え、その間を連結部６２ｃで連結一体になっている。第１接続部６２ａと第２接続部６２ｂには、貫通穴がそれぞれ形成されている。なお、内部連結機構６０の連結作業については、後述する。

外部連結機構７０は、電池ユニット２０（ｎ−１）、２０（ｎ）・・・を電気的に接続するとともに機械的に連結する機構である（図１，図２参照）。外部連結機構７０は、固定部７１と、外部連結板７２と、ナット７３と、ボルトとしての締結部材７４とを備えている。固定部７１は、外部連結板７２を支持するための部材であり、絶縁板４２の上端部に一体形成されている。固定部７１の上面には、装着穴７１ａがＸ方向に沿って２個配置されている。各々の装着穴７１ａは、Ｙ方向に形成されており、ナット７３を嵌合装着して、ナット７３を回り止めするように六角形に形成されている。ナット７３の穴には、締結部材７４に締結されるネジが形成されている。外部連結板７２は、金属製の板材であり、第１接続部７２ａと第２接続部７２ｂとを備え、これらを連結部７２ｃで連結している。第１接続部７２ａと第２接続部７２ｂには、貫通穴が形成されている。なお、外部連結機構７０の連結作業については、後述する。

（３） 電池ユニット２０および電池スタック１０の組付作業
図７および図８は電池ユニット２０の組付作業を説明する説明図である。図７において、まず、第１絶縁部材４０Ａの上部に形成された固定部６１の装着穴６１ａにナット６３をそれぞれ嵌合するとともに、固定部７１の装着穴７１ａにナット７３をそれぞれ嵌合する。続いて、電池セル３０Ａの基準面３２ａを第１絶縁部材４０Ａの一方の側面に合わせる。次に、電池セル３０Ｂを電池セル３０Ａに対して、中心軸ＣＬを中心として１８０度回転し、電池セル３０Ｂの基準面３２ａを第１絶縁部材４０Ａの他方の側面に合わせる（図８の状態）。続いて、図８に示すように電池セル３０Ａの負極端子３４ｎ、電池セル３０Ｂの正極端子３４ｐ上に、内部連結板６２を載置する。締結部材６４で締結することにより、内部連結板６２を固定部６１に固定するとともに、電池セル３０Ａの負極端子３４ｎと電池セル３０Ｂの正極端子３４ｐとを電気的に接続する（図９の状態）。これにより、電池ユニット２０が一体化する。

次に、複数の電池ユニット２０を組み付ける作業について、図９にしたがって、２つの電池ユニット２０（ｎ−１），２０（ｎ）を組み付ける場合にて説明する。予め組み付けた複数の電池ユニット２０（ｎ−１），２０（ｎ）の間に、第２絶縁部材４０Ｂを介在させて、電池ユニット２０（ｎ−１），２０（ｎ）を合わせる。
次に、外部連結板７２（ｎ）の第１接続部７２ａを電池ユニット２０（ｎ）の正極端子３４ｐに載置し、さらに、第２接続部７２ｂを電池ユニット２０（ｎ−１）の負極端子３４ｎに載置する。その状態にて、外部連結板７２（ｎ）を締結部材７４により締結する。これにより、電池ユニット２０（ｎ−１），２０（ｎ）が電気的に接続されると同時に、機械的に連結される。同様に、他の電池ユニット２０の正極端子３４ｐと負極端子３４ｎとを外部連結板７２により順次接続する。これにより、図１および図２に示す電池スタック１０が得られる。

（４） 電池ユニット２０の電気接続経路
図１０は電池ユニット２０の電気接続経路を説明する説明図である。図１０において、電池ユニット２０（ｎ）の電気接続経路を中心に、電池ユニット２０（ｎ−１）、２０（ｎ＋１）との電気接続経路について説明する。なお、図１０において、電池ユニット２０（ｎ）の電気接続経路は、主要な経路を示し、一部の部材を省略して記載している。
電池ユニット２０（ｎ−１）の負極端子に接続された外部連結板７２（ｎ）は、その第１接続部７２ａにて、電池ユニット２０（ｎ）の電池セル３０Ａの正極端子３４ｐに接続される。正極端子３４ｐは、電池セル３０Ａの内部経路、負極端子３４ｎを経て、内部連結板６２に接続される。さらに、内部連結板６２は、電池セル３０Ｂの正極端子３４ｐ、電池セル３０Ｂの内部経路、負極端子３４ｎを経て、外部連結板７２（ｎ＋１）の第２接続部７２ｂに接続される。さらに、外部連結板７２（ｎ＋１）の第１接続部７２ａは、隣接する電池ユニット２０（ｎ＋１）の正極端子に接続される。このように電池ユニット２０の各々電池セル３０Ａ，３０Ｂは、内部連結板６２を介して直列に接続される。さらに複数の電池ユニット２０は、外部連結板７２を介して直列に接続される。

（５） 電池スタック１０の作用・効果
（５）−１ 図１、図７および図８に示すように、電池ユニット２０は、同じ構成の電池セル３０Ａ，３０Ｂを用いて、一方の電池セル３０Ａに対して、他方の電池セル３０Ｂを１８０度回転して、電池ケース３２の基準面３２ａを対向させて、内部連結機構６０により一体化することにより、２個の電池セル３０Ａ，３０Ｂが電気的に接続されるとともに、機械的に連結することができ、組み付け作業の簡略化ができる。しかも、同じ構成の電池セル３０Ａ，３０Ｂを用いているので、従来の技術で説明したような異なった構成の電池を互い違いに配置する構成と比べて、配線の間違いを生じ難い。

（５）−２ 図６に示すように、電池セル３０の正極端子３４ｐと負極端子３４ｎは、電池ケース３２の端子支持面３２ｂで異なった位置に配置されており、つまり、正極端子３４ｐが端子支持面３２ｂの中心から距離Ｌｐであり、負極端子３４ｎが端子支持面３２ｂの中心から距離Ｌｎ（Ｌｐ＞Ｌｎ）である。よって、電池セル３０の正極端子３４ｐか負極端子３４ｎかの識別が容易であり、配線の間違いを生じにくい。

（５）−３ 図９に示すように、複数の電池ユニット２０を組み付けるのに、複数の電池ユニット２０を同一の配置で積層して、外部連結機構７０により一体化することにより、隣接する電池ユニット２０を電気的に接続すると同時に、機械的に連結することができ、組み付け作業の簡略化ができる。しかも、同じ構成の電池ユニット２０を用いているので、配線の間違いを生じ難い。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。
上記実施例において、内部連結機構６０の固定部６１および外部連結機構７０の固定部７１は、絶縁部材４０と一体に形成するほか、内部連結板６２および外部連結板７２を位置決めできる構成であれば、別体であってもよい。

上記実施例において、絶縁部材４０の冷却路４２ａは、空気の冷却通路として構成したが、これに限らず、液冷媒などの冷却媒体を流す構成としてもよい。また、上記実施例のように冷却路４２ａは、絶縁板４２の一方の面に形成するほか、両面に形成してもよい。

１０…電池スタック
１２…支持板
１２ａ…取付部
１３…連結部材
２０…電池ユニット
２０Ｕ…ユニット集合体
３０Ａ，３０Ｂ…電池
３０…電池
３２…電池ケース
３２ａ…基準面
３２ｂ…端子支持面
３２ｃ…穴
３４ａ…基部
３４ｂ…接続部
３４ｎ…負極端子
３４ｐ…正極端子
４０…絶縁部材
４０Ａ…第１絶縁部材
４０Ｂ…第２絶縁部材
４２…絶縁板
４２ａ…冷却路
５０…連結固定機構
６０…内部連結機構
６１…固定部
６１ａ…装着穴
６２…内部連結板
６２ａ…第１接続部
６２ｂ…第２接続部
６２ｃ…連結部
６３…ナット
６４…締結部材
７０…外部連結機構
７１…固定部
７１ａ…装着穴
７２…外部連結板
７２ａ…第１接続部
７２ｂ…第２接続部
７２ｃ…連結部
７３…ナット
７４…締結部材

Claims (3)

1. 角型の電池セルを複数用いた電池ユニットにおいて、
   前記電池セルは、
   互いに直交する第１方向（Ｘ）と第２方向（Ｙ）とにより規定される基準面（３２ａ）と、該基準面（３２ａ）の端部から第１方向（Ｘ）および第２方向（Ｙ）に直角である第３方向（Ｚ）に向けて延設された端子支持面（３２ｂ）とを有する電池ケース（３２）と、
   上記端子支持面（３２ｂ）に突設され、上記第１方向（Ｘ）に所定距離隔てて配置された正極端子（３４ｐ）および負極端子（３４ｎ）と、
   を備え、
   上記正極端子（３４ｐ）および負極端子（３４ｎ）は、上記端子支持面（３２ｂ）の中心から、上記第１方向（Ｘ）への距離が異なった位置に配置されており、
   前記電池ユニットは、
   一方の電池セルを、他方の電池セルに対して上記第２方向（Ｙ）と平行な軸で１８０度回転して、一方の電池セルの基準面（３２ａ）と他方の電池セルの基準面（３２ａ）とを対向させて得られる状態において、一方の電池セルの正極端子（３４ｐ）と他方の電池セルの負極端子（３４ｎ）とが重ならないように配置されるとともに上記第１方向（Ｘ）に配置した内部連結板（６２）を介して接続されおり、
   上記内部連結板（６２）と上記正極端子（３４ｐ）とを締結するとともに、上記内部連結板（６２）と上記負極端子（３４ｎ）とを締結する締結部材（６４）と、
   上記一方の電池セルの上記基準面（３２ａ）と上記他方の電池セルの上記基準面（３２ａ）との間に配置される絶縁部材（４０）と、
   上記絶縁部材（４０）の上部に装着され上記内部連結板（６２）を固定する固定部（６１）と、を備える電池ユニット。
2. 請求項１に記載の電池ユニットにおいて、
   上記正極端子（３４ｐ）および上記負極端子（３４ｎ）は、上記端子支持面（３２ｂ）から上記第２方向（Ｙ）に突出した基部（３４ａ）と、該基部（３４ａ）の先端部から上記第３方向（Ｚ）であって同じ方向に折曲された接続部（３４ｂ）とを備えている電池ユニット。
3. 請求項２に記載の電池ユニットを用いた電池スタックにおいて、
   複数の電池ユニット（２０）を上記第３方向（Ｚ）に積層したユニット集合体（２０Ｕ）を備え、
   一の電池ユニット（２０）における２つの正極端子（３４ｐ）および２つの負極端子（３４ｎ）のうち、上記内部連結板（６２）により接続されていない正極端子（３４ｐ）を、他の電池ユニット（２０）の負極端子（３４ｎ）に接続する外部連結板（７２）と、
   上記絶縁部材（４０）の上部に装着され上記外部連結板（７２）を固定する固定部（７１）と、を備えている電池スタック。

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