JP6184987B2

JP6184987B2 - 電池モジュール

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Publication number: JP6184987B2
Application number: JP2014559570A
Authority: JP
Inventors: 長谷川　隆史; 隆史長谷川; 曉高野
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2034-01-28
Also published as: US20150325824A1; JPWO2014119287A1; WO2014119287A1

Description

本発明は、複数の電池を互いに接続して構成される電池ブロックを複数接続して構成される電池モジュールに関する。

所望の電圧と電流を得るために、複数の電池を相互に接続しながら組み合わせて一体化して構成される電池ブロックが用いられ、さらに複数の電池ブロックを接続して構成される電池モジュールが用いられる。

例えば、特許文献１には、電池ブロックに相当するバッテリボックスとして、寝かせた状態で収納される複数の円筒形電池の上と下に配設されるカバープレートとベースプレートと、カバープレートとベースプレートを連結する複数本のボルトと、このボルトに両端部を挿通して連結され、かつ電池を上下で挟着して定位置に配置する挟着バーを備えるものが開示される。

特開２００７−２３４３６９号公報

本発明の目的は、電池モジュールにおいて、複数の電池をよい精度で作業性よく組み合わせて一体化することである。

本発明に係る電池モジュールは、正極側または負極側に安全弁を有する安全弁付の電池の複数を並列接続した電池ブロックの複数を直列接続した電池モジュールであって、電池ブロックは、複数の電池と、複数の電池の各正極側を一方側に揃え各負極側を他方側に揃えて所定の配置関係で整列配置し、一方側と他方側を開口し整列配置された複数の電池の長手方向の外周側に沿って保持するケースと、ケースの一方側の開口に配置され、複数の電池の正極側をそれぞれ並列接続して集電する正極側集電部と、ケースの他方側の開口に配置され、複数の電池の負極側をそれぞれ並列接続して集電する負極側集電部と、ケースの外形において複数の電池の長手方向に直交する方向に沿った辺で互いに向かい合う辺のそれぞれに宛がって配置され絶縁体で構成される２つのホルダと、ケースの外形の向かい合う辺のそれぞれに宛がって配置され絶縁体で構成される２つのホルダと、正極側集電部と負極側集電部を２つのホルダを介して締結する締結部材と、電池の安全弁が設けられる正極側または負極側を安全弁側として、複数の電池ブロックの各ケースの安全弁側に渡って設けられ、安全弁側に配置される正極側集電部または負極側集電部を覆って、安全弁から排出される排ガスを排気するダクト室を構成するダクトカバーと、を備え、締結部材は、ダクトカバーを２つのホルダを介して締結する。

本発明に係る実施の形態の一例における電池モジュールを構成する電池ブロックを示す斜視図である。図１の電池ブロックの分解図である。図１の電池ブロックの上面図、正面図、底面図である。本発明に係る実施の形態の一例における電池モジュールを示す斜視図である。図４の電池モジュールの上面図、側面図、底面図である。本発明に係る実施の形態の一例における電池モジュールにダクト室が設けられたときの正面図と側面図である。図６において、安全弁とダクト室の関係を示す断面図である。図６の電池モジュールにおいて、隣接する電池ブロックの間の接続法を示す断面図である。図８とは別の接続法を示す断面図である。図１０は本発明の変形例に係る電池モジュールを示す斜視図である。図１１は本発明の変形例に係る電池モジュールの分解図を示す斜視図である。

以下に図面を用いて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下で述べる材質、寸法、形状、電池の数、電池モジュールの数等は説明のための例示であって、電池ブロック、電池モジュールの仕様に応じ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（実施の形態）
図１は、電池ブロック１を示す斜視図である。図２は、電池ブロック１の分解図である。図３は、電池ブロック１の三面図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。電池ブロック１は、複数の電池２を並列接続して所定の容量を得るようにしたものである。ここでは、２０個の電池２が用いられる。電池ブロック１は、２０個の電池２について各正極側を一方側に揃え各負極側を他方側に揃えて所定の配置関係で整列配置し、電池２をケース３に保持し、正極側に正極側集電部４を配置し、負極側に負極側集電部５を配置し、ホルダ６，７を介して適当な締結部材２５，２６等で正極側集電部４と負極側集電部５を締結したものである。

図１において、互いに直交する３軸方向として、Ｈ方向、Ｌ方向、Ｗ方向を示した。Ｈ方向は、電池２の長手方向である。Ｌ方向、Ｗ方向は電池２の二次元的配置の配置方向を示すが、ここでは、寸法の大きい方をＬ方向、小さい方をＷ方向とした。以下の図においても同様である。

電池２は、充放電可能な二次電池である。二次電池としては、リチウムイオン電池が用いられる。これ以外に、ニッケル水素電池、アルカリ電池等を用いてもよい。図２（ｃ）に、電池ブロック１に収納配置される状態における２０個の電池２の斜視図を示す。ここに示されるように、２０個の電池２は、隣接する電池の間の隙間を最小にする千鳥型の配置関係とされ、Ｗ方向に３列の電池列が配置され、それぞれの電池列は、Ｌ方向に沿って、７個、６個、７個の電池が配置されている。

電池２は、円筒形の外形を有する。円筒形の両端部のうち一方端が正極端子、他方端が負極端子として用いられる。電池２の一例を挙げると、それぞれは、直径が１８ｍｍ、高さが６５ｍｍ、端子間電圧が３．６Ｖ、容量が２．５Ａｈのリチウムイオン電池である。これは説明のための例示であって、これ以外の寸法、特性値であってもよい。なお、電池２は円筒形の電池に限らず、他の外形を有する電池であってもよい。

ケース３は、２０個の電池２を所定の配置関係で整列配置して保持する保持容器である。図２（ｄ）にケース３の斜視図を示す。ケース３は、電池２の高さと同じ高さを有し、高さ方向の両端側がそれぞれ開口する２０個の電池収納部が設けられる枠体で、それぞれの電池２は、電池収納部の１つに収納配置される。

電池収納部の配置は、図２（ｃ）で説明した電池２の配置関係に対応して、千鳥型の配置関係とされる。すなわち、Ｗ方向に３列の電池収納部が配置され、それぞれの電池収納部列は、Ｌ方向に沿って、７個、６個、７個の電池収納部を有する。したがって、中央の電池収納部列のＬ方向に沿った長さは、両側の電池収納部列のＨ方向に沿った長さよりも短い。これによって、ケース３のＨ方向に沿った両端において、Ｗ方向に沿った中央部に、電池２が配置されない余裕空間としての窪み８，９が形成される。窪み８，９は、電池２の長手方向であるＨ方向に沿って電池２の一方側から他方側に延び、電池２が配置される部分に向かって窪む。

かかるケース３としては、アルミニウムを材料として、押出成形によって所定の形状としたものを用いることができる。

ケース３において、２０個の電池２は、電池収納部に収納配置される際に、電池２の各正極側が一方側に揃えられ、各負極側が他方側に揃えられる。図１では、一方側はＨ方向に沿って紙面の上方側で、他方側はＨ方向に沿って紙面の下方側である。

正極側集電部４は、ケース３の一方側の開口を塞ぐように配置されて、整列配置された電池２の正極側をそれぞれ電気的に接続する接続部材である。図２（ａ）に正極側集電部４を示す。ここに示されるように、正極側集電部４は、正極側絶縁板１０、正極集電体１１、正極板１２で構成される。正極側絶縁板１０、正極集電体１１、正極板１２のそれぞれには、ケース３で説明した窪み８，９に対応した切欠部が設けられる。

正極側絶縁板１０は、ケース３と正極集電体１１、正極板１２との間に配置され、これらの間を電気的に絶縁する板材である。正極側絶縁板１０には、電池２の正極電極を突き出させる２０個の開口が設けられる。かかる正極側絶縁板１０としては、所定の耐熱性と電気絶縁性とを有するプラスチック成型品またはプラスチックシートを所定の形状に加工したものが用いられる。

正極集電体１１は、電池２の正極電極にそれぞれ個別に弾性的に接触する位置関係で配置される２０個の電極接触部を有する薄板である。かかる正極集電体１１としては、電気的導電性を有する金属薄板について、エッチングまたはプレス加工等によって、所定の形状の電極接触部を形成したものを用いることができる。

正極板１２は、正極集電体１１と電気的に接続され、２０個の電極接触部を相互接続して１つの正極側出力端子とする電極板である。正極板１２は、正極集電体１１に対応する平面部１３と、平面部１３のＬ方向の端部からＨ方向に沿って負極側集電部５に向かって折れ曲がった側面部１４とから構成される折れ曲がり板である。平面部１３から側面部１４への折れ曲がりは、Ｌ方向の端部であって図２の紙面上の左側のホルダ７の側において行われる。平面部１３には、正極集電体１１の各電極接触部が弾性変形できるように、２０個の開口が設けられる。側面部１４のＨ方向に沿った長さは、電池ブロック１として形成されたときに、先端部１５のＨ方向に沿った位置が、負極側集電部５の配置位置となるように設定される。

かかる正極板１２としては、電気的導電性を有し、適当な厚さと強度を有する金属薄板を用いることができる。正極板１２としては、エッチングまたはプレス加工等で、平面部１３に所定の形状の電極接触部を形成し、曲げ加工によって、平面部１３に対し直角に折り曲げて側面部１４を形成したものを用いることができる。

負極側集電部５は、ケース３の他方側の開口に配置され、整列配置された電池２の負極側をそれぞれ電気的に接続する接続部材である。図２（ｅ）に負極側集電部５を示す。ここに示されるように、負極側集電部５は、負極側絶縁板１６、負極集電体１７、負極板１８で構成される。負極側絶縁板１６、負極集電体１７のそれぞれには、ケース３で説明した窪み８，９に対応した切欠部が設けられる。負極板１８には、窪み８，９に対応した箇所に、締結部材２５，２６用のねじ穴が設けられる。

負極側絶縁板１６は、ケース３と負極集電体１７、負極板１８との間に配置され、これらの間を電気的に絶縁する板材である。負極側絶縁板１６には、電池２の負極電極を露出させる２０個の開口が設けられる。かかる負極側絶縁板１６としては、所定の耐熱性と電気絶縁性とを有するプラスチック成型品またはプラスチックシートを所定の形状に加工したものが用いられる。

負極集電体１７は、電池２の負極電極にそれぞれ個別に弾性的に接触する位置関係で配置される２０個の電極接触部を有する薄板である。かかる負極集電体１７としては、電気的導電性を有する金属薄板について、エッチングまたはプレス加工等によって、所定の形状の電極接触部を形成したものを用いることができる。

負極板１８は、負極集電体１７と電気的に接続され、２０個の電極接触部のそれぞれを相互接続して１つの負極側出力端子とする電極板である。負極板１８は、平面部１９と、平面部１９のＬ方向の端部からＨ方向に沿って図２の紙面上で下側に向かって折れ曲がった先端部２０とで構成される。平面部１９から先端部２０への折れ曲がりは、Ｌ方向の端部であって図２の紙面上の右側のホルダ６の側において行われる。すなわち、負極板１８における折れ曲がりと正極板１２の折れ曲がりとは、電池ブロック１のＬ方向に沿って、互いに逆の端部で行われる。

平面部１９から先端部２０への折れ曲がり量は、電池ブロック１として形成されたときに、先端部２０のＨ方向に沿った位置が、正極板１２の側面部１４の先端部１５のＨ方向に沿った位置と同じとなるように設定される。図３（ｂ）において、先端部２０と先端部１５のＨ方向に沿った位置が同じであることを示した。

かかる負極板１８としては、電気的導電性を有し、適当な厚さと強度を有する金属薄板を、エッチングまたはプレス加工等で、所定の形状の電極接触部を形成し、曲げ加工によって、平面部１９に対し直角に折り曲げて先端部２０を形成したものを用いることができる。

ホルダ６，７は、ケース３の一方側に配置される正極側集電部４と他方側に配置される負極側集電部５を、締結部材を用いて締結し、ケース３、正極側集電部４、負極側集電部５と共に、全体として一体化するための部材で、絶縁材料で構成される。図２（ｂ）にホルダ６，７を示す。ここでは、ケース３のＬ方向の両端部において、紙面上の右側にホルダ６が、左側にホルダ７が配置される。

図２（ｂ）に示されるように、ホルダ６，７は、ケース３の外形の向かい合う辺のそれぞれの窪み８，９に宛がって配置される。窪み８，９は、ホルダ６，７が宛がわれる宛がい部である。ホルダ６，７は、ケース３の側面に宛がわれる壁部２１，２２と、ケース３の窪み８，９にはまり込む軸部２３，２４を含んで構成される。軸部２３，２４のそれぞれの端部には、締結部材用のネジ部が設けられる。かかるホルダ６，７としては、絶縁体の板材を所定の形状に加工したものを用いることができる。なお、ホルダ６，７は別々に構成されていなくてもよく、例えば、ケース３の側面を覆う側部と正極側を覆う上部とを一体に構成してもよいし、ケース３の側面を覆う側部と負極側を覆う下部とが一体に構成されてもよい。

締結部材２５，２６は、ホルダ６，７の軸部２３，２４に設けられるネジ部を用いて、負極側集電部５をホルダ６，７に固定するネジである。同様に、図示されていない他の締結部材を用いて、正極側集電部４がホルダ６，７に固定される。

上記では、正極板１２において平面部１３から側面部１４を折り曲げるものとし、負極板１８において平面部１９から先端部２０を折り曲げるものとしたが、これを逆にしてもよい。すなわち、負極板１８において平面部１９から側面部を折り曲げるものとし、正極板１２において平面部１３から先端部を折り曲げるものとしてもよい。

このように、電池ブロック１は、２０個の電池収納部を有するケースに電池２を収納し、その際に、電池２の各正極側を一方側に揃え、各負極側を他方側に揃え、正極側に正極側集電部４を配置し、負極側に負極側集電部５を配置し、ホルダ６，７を介して適当な締結部材２５，２６等でこれらを一体化する。電池２の整列配置は電池収納部を用いるので、その位置精度が向上し、電池２の正極電極と正極側集電部４との間の位置決め精度、負極電極と負極側集電部５との間の位置決め精度も高くできる。また、電池ブロック１の外形は、電池２の配列によらず、ケース３とこれに宛がわれるホルダ６，７で規定されるので、電池ブロック１の外形の寸法精度が向上する。したがって、複数の電池２をよい精度で作業性よく組み合わせて一体化して電池ブロック１とできる。

上記では、２０個の電池２を並列接続して１つの電池ブロック１とした。これによって、端子間電圧が３．６Ｖ、容量が（２．５Ａｈ×２０）＝５０Ａｈの電池ブロック１を得ることができる。さらに多い容量が必要なときは、複数の電池ブロック１を並列接続して用いることができる。あるいは、電池収納部の数を増加させたケースと、電極接触部の数を増加させた正極側集電部と負極側集電部とを用いるようにしてもよい。これらの場合でも、複数の電池２をよい精度で作業性よく組み合わせて一体化することができる。

図４は、端子間電圧を増大させるために、複数の電池ブロック１を直列接続して構成した電池モジュール３０の斜視図である。ここでは、３つの電池ブロック１が直列に接続される。図５は、電池モジュール３０の三面図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。

電池モジュール３０は、図１で説明した電池ブロック１を、Ｌ方向、Ｗ方向、Ｈ方向をそのままとして、３つの電池ブロック１をＬ方向に並べたものである。このとき、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、隣接する電池ブロック１が向かい合うところで、一方側の電池ブロック１の正極板１２の側面部１４の先端部１５が、他方側の電池ブロック１の負極板１８の先端部２０と接する位置に来る。そこで、一方側の電池ブロック１の正極板１２の先端部１５と他方側の電池ブロック１の負極板１８の先端部２０とを、溶接等の接続固定方法で互いに電気的および機械的に接続する。これを隣接する電池ブロック１の間で繰り返すことで、複数の電池ブロック１は、互いに直列接続される。

このように、正極板１２の先端部１５と負極板１８の先端部２０は、電池ブロック１について同じ側にあって、その高さ位置が同じであるので、配線の引き出しが容易となる。端子間電圧を増加させるために複数の電池ブロック１を直列接続する場合でも、複数の電池ブロック１をよい精度で作業性よく組み合わせて一体化することができる。

図６は、電池２が安全弁を備える場合に、安全弁からの排ガスを排出するためのダクト室４１を形成するダクトカバー４２を設けた電池モジュール４０の構成を示す図である。図６（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。図７は、図６（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。図７では、安全弁４５は、電池２の正極側に設けたが、電池２の負極側に設けることもできる。また、安全弁４５を負極側に設ける場合、ダクトカバー４２およびダクト室４１を電池２の負極側に設ける必要がある。

安全弁４５は、電池２の内部で行われる電気化学反応によって発生するガスの圧力が予め定めた閾値圧力を超すときに、電池内部から外部に排ガスとして放出する機構である。安全弁４５は、２０個の電池２のそれぞれに設けられる。

ダクトカバー４２は、電池ブロック１の正極側端部を覆い、電池ブロック１のケース３のＬ方向に延びる側面と気密に接合して、電池ブロック１の正極側端部の側にガスを流すことができるダクト室４１を形成する部品である。ダクトカバー４２は、電池ブロック１のホルダ６，７の軸部２３，２４を用い、締結部材４３，４４によって、電池ブロック１に固定される。

電池ブロック１を構成する電池２は、正極側に安全弁４５を有するが、ダクト室４１を利用することで、安全弁４５から排出される排ガスを他に漏らすことなく、ダクト室４１を通って所定の排気口から外部に排出することができる。図６には、排ガスの流れ４６を白抜き矢印で示した。かかるダクトカバー４２としては、所定の耐熱性と強度を有する材料を用いて、所定の形状に加工したものが用いられる。

図８は、電池ブロック１のホルダ６，７の軸部２３，２４を用いてダクトカバー４２が固定される様子を示す断面図である。ここでは、図２で説明したように、軸部２３，２４はいずれも絶縁体である。

図８に示されるように、隣接する電池ブロック１Ａ，１Ｂが向かい合うところで、一方側の電池ブロック１Ａの軸部２３には、正極側でダクトカバー４２が締結部材４３で固定され、負極側で負極側集電部５が締結部材２５で固定される。同様に、他方側の電池ブロック１Ｂの軸部２４には、正極側でダクトカバー４２が締結部材４４で固定され、負極側で負極側集電部５が締結部材２６で固定される。

このとき、他方側の電池ブロック１Ｂにおける正極板１２の側面部１４は、隣接する電池ブロック１Ａ，１Ｂが向かい合う隙間を通って、正極側から負極側に延び、その先端部１５が一方側の電池ブロック１Ａの負極板１８の先端部２０と接触する位置に来る。そこで、先端部１５と先端部２０とを溶接等で接続固定することで、隣接する電池ブロック１Ａ，１Ｂの間が直列接続される。

図９は、図８における２つの軸部２３，２４を一体化して１つの共通軸部５０とし、さらに共通軸部５０の内部にＨ方向に延びる導電性部材５１を設け、正極板１２の側面部１４をなくす構成を示す断面図である。ここで、共通軸部５０は導電性部材５１の部分を除き絶縁体である。また、図９において紙面の右側に図示される他方側の電池ブロック１Ｂの正極板は、平面部１３のみで構成され、紙面の左側に図示される一方側の電池ブロック１Ａの負極板も平面部１９のみで構成される。

共通軸部５０には、正極側で、他方側の電池ブロック１Ｂの正極板である平面部１３が締結部材５４で電気的に接続され、負極側で一方側の電池ブロック１Ａの負極板である平面部１９が締結部材５３で電気的に接続される。これによって、溶接等を用いずに、隣接する電池ブロック１Ａ，１Ｂの間が直列接続される。なお、ダクトカバー４２は、共通軸部５０に締結部材５２によって固定される。

このように、図９の構成によれば、正極板、負極板が簡単な構造となり、また隣接する電池ブロック１Ａ，１Ｂの間の直列接続も溶接装置等を要せず、容易に行うことができる。

（実施の形態の変形例）
図１０は本願発明の変形例に係る電池モジュールを示す斜視図である。図１１は本発明の変形例に係る電池モジュールの分解図を示す斜視図である。実施の形態の変形例は、複数の電池ブロック１をＷ方向に接続して構成した電池モジュール３０を説明する。なお、実施の形態と異なる部分を中心に説明する。

電池２、ケース３、正極側集電部４、および負極側集電部５は、Ｗ方向に複数個並べたものである。

ホルダ６，７は、複数のケース３の一方側に配置される複数の正極側集電部４と他方側に配置される複数の負極側集電部５を、締結部材を用いて締結し、複数のケース３、複数の正極側集電部４、複数の負極側集電部５と共に、全体として一体化するための部材で、絶縁材料で構成される。ホルダ６，７は、ケース３のＷ方向の両端部において、紙面上の右側にホルダ６が、左側にホルダ７が配置される。

ホルダ６，７は、ケース３の外形の向かい合う辺のそれぞれの窪み８，９に宛がって配置される。ホルダ６，７は、複数のケース３の窪み８，９にはまり込む軸部２３，２４を複数含んで構成される。複数の軸部２３，２４のそれぞれの端部には、締結部材用のネジ部が設けられる。軸部２３、２４は、配置される複数の電池ブロック１の個数と同じ数設けられる。

複数の正極側集電部４は互いに接するように配置され、複数の負極側集電部５は互いに接するように配置され、複数の電池ブロック１は電気的に並列接続される。

このように、ホルダ６，７が複数の軸部２３、２４を有することで、複数の電池ブロック１の外形は、電池２の配列によらず、複数のケース３とこれに宛がわれるホルダ６，７で規定されるので、複数の電池ブロック１の外形の寸法精度が向上する。したがって、複数の電池ブロック１をＷ方向に接続して構成した電池モジュール３０であっても、複数の電池２をよい精度で作業性良く組み合わせて一体化して電池モジュール３０とできる。

１，１Ａ，１Ｂ電池ブロック、２電池、３ケース、４正極側集電部、５負極側集電部、６，７ホルダ、８，９窪み、１０正極側絶縁板、１１正極集電体、１２正極板、１３（正極板の）平面部、１４側面部、１５（正極板の）先端部、１６負極側絶縁板、１７負極集電体、１８負極板、１９（負極板の）平面部、２０（負極板の)先端部、２１，２２壁部、２３，２４，５０軸部、２５，２６，４３，４４，５２，５３，５４締結部材、３０，４０電池モジュール、４１ダクト室、４２ダクトカバー、４５安全弁、５０共通軸部、５１導電性部材。

Claims

正極側または負極側に安全弁を有する安全弁付の電池の複数を並列接続した電池ブロックの複数を直列接続した電池モジュールであって、
前記電池ブロックは、
前記複数の電池と、
前記複数の電池の各正極側を一方側に揃え各負極側を他方側に揃えて所定の配置関係で整列配置し、前記一方側と前記他方側を開口し整列配置された前記複数の電池の長手方向の外周側に沿って保持するケースと、
前記ケースの前記一方側の開口に配置され、前記複数の電池の前記正極側をそれぞれ並列接続して集電する正極側集電部と、
前記ケースの前記他方側の開口に配置され、前記複数の電池の前記負極側をそれぞれ並列接続して集電する負極側集電部と、
前記ケースの外形において前記複数の電池の長手方向に直交する方向に沿った辺で互いに向かい合う辺のそれぞれに宛がって配置され絶縁体で構成される２つのホルダと、
前記正極側集電部と前記負極側集電部を前記２つのホルダを介して締結する締結部材と、
前記電池の前記安全弁が設けられる前記正極側または前記負極側を安全弁側として、前記複数の電池ブロックの前記各ケースの前記安全弁側に渡って設けられ、前記安全弁側に配置される前記正極側集電部または前記負極側集電部を覆って、前記安全弁から排出される排ガスを排気するダクト室を構成するダクトカバーと、
を備え、
前記締結部材は、前記ダクトカバーを前記２つのホルダを介して締結する、電池モジュール。
請求項１に記載の電池モジュールにおいて、
１つの前記電池ブロックの前記正極側集電部または前記負極側集電部の一方の集電部は、前記ケースの前記一方側と前記他方側の間で折れ曲がって他方の集電部が配置される側に延び、隣接する前記電池ブロックの前記他方の集電部と電気的に接続される、電池モジュール。