JP6636340B2 - 組電池 - Google Patents

Description

この発明は、略矩形の電池を複数個積層した組電池に関し、特に、回路遮断用のリレーを一体に備えた組電池に関する。

例えば車両の駆動用電源や各種電気製品の可搬式電源等として用いられる蓄電装置にあっては、要求される比較的高い電圧ならびに容量を実現するために、複数の電池を電池スタックとして積層し、少なくとも一部が直列回路となるように電池同士を接続したいわゆる組電池が用いられている。

このような比較的高い電圧を有する組電池は、回路の保護のためにリレーを具備することが望ましいが、独立した筐体を有するリレーは、例えば特許文献１に開示されているように、一般に、電池スタックとは別に、パックケースに取り付けられた構成となっている。また、ヒューズ等を収容するジャンクションボックスも、多くの場合は、パックケースに支持されている。

一方、特許文献２は、複数個の電池を両端のエンドプレートとともに積層して電池スタックを構成し、一方のエンドプレートに出力端子を設けるとともに、電池スタックの側面に矩形のベースプレートを取り付け、このベースプレートにリレーを支持させた構成を開示している。

特開２０１５−６２１５３号公報 特開２０１４−２０３７４７号公報

組電池は、複数個の電池を電池スタックとして積層することで構成されているが、電圧や容量が異なる蓄電装置を提供するために、エンドプレート等の一部部品を共通化したまま、積層する電池の個数を変更することで、仕様変更を行うことがある。

このような電池の個数の変更による仕様変更に関し、特許文献１のようにパックケース側にリレーを支持させた構成では、電池個数の変更は比較的容易である。しかしながら、パックケース内にリレーを配置するためのスペースならびに該リレーと電池スタックとを結線するためのバスバーやハーネスの取り回しのためのスペースが必要となり、スペース効率が悪い。

また、特許文献２の構成では、リレーが電池積層方向と直交する側方に張り出す形となるので、電池スタックの実質的な断面積がリレーの分だけ拡大する。従って、積層する電池の個数が増えると、組電池全体の容積が不必要に増加してしまい、組電池の小型化の上で不利である。また、リレーを支持するベースプレートの大きさが電池の個数（電池スタックの全長）に対応しているため、電池の個数が異なる電池スタックには共用することができない。つまり、特許文献２の組電池は、そもそも電池個数の変更といった拡張性には乏しい。

この発明は、略矩形の電池を一端の第１エンドプレートおよび他端の第２エンドプレートとともに複数個積層してなる電池スタックと、これらの電池を接続してなる回路の末端の少なくとも一方に設けられたリレーと、を備えてなる組電池であって、
当該組電池の出力端子が上記第１エンドプレート側に配置されているとともに、上記リレーが上記第１エンドプレートに支持されている、ことを特徴としている。
好ましい一つの態様では、各電池の端子が上記電池スタックの第１の面に並んで配置されているとともに、上記リレーは、上記第２エンドプレート側の端部に位置する電池の端子に導電部材を介して接続されており、この導電部材は、上記電池スタックの上記第１の面に隣接した第２の面に配索されている。
好ましい他の一つの態様では、上記回路の中間部に挿入される手動スイッチを備えており、各電池の端子が上記電池スタックの第１の面に並んで配置されており、上記手動スイッチは、上記電池スタックの上記第１エンドプレート側の端部に配置されており、上記電池スタックの中間積層位置にある１つの電池の端子と上記手動スイッチとを接続する導電部材が、上記電池スタックの上記第１の面に隣接した第２の面に配索されている。
好ましいさらに他の一つの態様では、上記回路の末端のそれぞれに２つのリレーを備え、これら２つのリレーが上記第１エンドプレートに支持されており、第１のリレーが上記第２エンドプレート側の端部に位置する電池の端子に、第２のリレーが上記第１エンドプレート側の端部に位置する電池の端子に、それぞれ導電部材を介して接続されており、各電池の端子が並んで配置された上記電池スタックの第１の面に近い側に第２のリレーが配置され、第１の面から離れた側に第１のリレーが配置されている。

この発明によれば、リレーが一方のエンドプレートとりわけ出力端子側のエンドプレートに支持されているので、電池スタックの全長変化に容易に対応でき、電池スタックを構成する電池の個数を変更可能な拡張性に優れたものとなる。

また、リレーが電池積層方向と直交する側方に張り出した特許文献２のような構成に比較して、電池の個数が増えたときの組電池の容積増加が必要最小限のものとなる。しかも、リレーと接続するための配線経路を電池スタックの外側面に沿って配索できるため、全体として組電池の小型化が図れる。

第１実施例の組電池を側方から見た側面図。 第１実施例の組電池を上方から見た上面図。 第１実施例の組電池を第１エンドプレート側から見た正面図。 第２実施例の組電池を側方から見た側面図。 第２実施例の組電池を上方から見た上面図。 第１実施例の変形例を示す（ａ）要部の側面図および（ｂ）要部の上面図。 第１実施例のさらに変形例を示す要部の側面図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１〜図３は、例えば可搬式のポータブル電源装置に用いられる組電池の第１実施例を示している。図示するように、組電池は、要求仕様における電圧ならびに容量を満たすように、複数個の電池２を含んでおり、偏平な略矩形の箱形に構成された複数個の電池２を、一端の第１エンドプレート３および他端の第２エンドプレート４とともに積層し、かつ４本のタイロッド５で締め付けることで、全体として直方体形状をなす電池スタック１が構成されている。この電池スタック１は、金属製もしくは硬質合成樹脂製のパックケース６の内部に収容されている。パックケース６の底面には、電池スタック１をエンドプレート３，４を介して所定位置に固定支持する金属製のベースプレート７が配置されている。なお、図１〜図３では、電池スタック１を囲むパックケース６の一部のみを示している。

各電池２は、詳しくは、複数個の単電池を偏平な略矩形の箱形をなすモジュールケース内に収容したいわゆる電池モジュールである。より具体的には、単電池として、シート状の正極および負極をセパレータを介して交互に多数積層してなる電極積層体を、ラミネートフィルムからなる可撓性を有する外装体の内部に電解液とともに収容した偏平なリチウムイオン電池が用いられている。そして、各々の電池モジュールは、例えば４個の単電池をモジュールケース内に重ねて収容し、かつ２個ずつ並列に接続した上で直列に接続した、いわゆる「２並２直」の構成となっている。

モジュールケースの側面に設けられた各電池２の正負の端子（図示せず）は、電池スタック１の第１の面１ａに並んで配置されている。第１の面１ａは、パックケース６のベースプレート７に接する面を電池スタック１の底面とすると、一方の側面に相当する面である。なお、電池スタック１の底面とは反対側の上面を電池スタック１の第２の面１ｂと呼び、第１の面１ａとは反対側となる他方の側面を電池スタック１の第３の面１ｃと呼ぶこととする。

ここで、電池スタック１における各電池２の向きは、正負の端子が交互に配列されるように、１つずつ逆向きに積層されている。例えば、図１の左端に位置する電池２（符号２Ａで示す）は、正端子が上方に、負端子が下方に、それぞれ位置し、その隣りに位置する２番目の電池２は、負端子が上方に、正端子が下方に、それぞれ位置している。左端から３番目の電池２では、正端子が上方に位置し、負端子が下方に位置する。従って、電池スタック１としては、ある電池２の正端子と次の電池２の負端子とが隣り合って配置されている。

このように配置された複数の電池２は、比較的長さが短い導電部材としてのバスバー１１によって、隣接する正端子と負端子とが順次に接続され、全体として直列に接続されている。つまり、図１右端の電池２（符号２Ｂで示す）の負端子が直列回路の一端の端子となり、図１左端の電池２（２Ａ）の正端子が直列回路の他端の端子となっている。なお、図１に付記した「＋」および「−」の記号は、各電池２の正端子および負端子を表している。

第１エンドプレート３および第２エンドプレート４は、剛性の高い金属性の板状部材であり、電池２の外形状に対応した矩形状をなしている。詳細には図示していないが、電池スタック１の四隅に配置されたタイロッド５が電池２のモジュールケースを貫通するとともに両エンドプレート３，４を貫通しており、各タイロッド５に螺合する図示せぬナットを締め付けることで、電池スタック１が一体化されている。

ここで、第１エンドプレート３の外側面（つまり電池２（２Ｂ）と接した内側面とは反対側の面）には、ジャンクションボックス１３が取り付けられている。ジャンクションボックス１３の内部には、回路遮断用の第１リレー１５と第２リレー１６とが収容されている。換言すれば、第１リレー１５および第２リレー１６は、ジャンクションボックス１３を介して第１エンドプレート３に支持されている。これらの２つのリレー１５，１６は、図３のように第１エンドプレート３を正面から見たときに、基本的に同一の高さ位置に並んで配置されており、第２リレー１６は、相対的に電池スタック１の第１の面１ａ寄りに位置し、第１リレー１５は、相対的に第１の面１ａから離れた側つまり第３の面１ｃ寄りに位置している。なお、図３には、ジャンクションボックス１３の前面が開放された形に描かれているが、前面を覆う蓋部材を備えていてもよい。

第１リレー１５の入力端子１５ａ（図３参照）は、導電部材としてのバスバー１９を介して、直列回路の一方の末端となる第２エンドプレート４側の電池２（２Ａ）の正端子に接続されている。第２リレー１６の入力端子１６ａ（図３参照）は、導電部材としてのバスバー２０を介して、直列回路の他方の末端となる第１エンドプレート３側の電池２（２Ｂ）の負端子に接続されている。このように、直列回路の末端の双方にリレー１５，１６を具備することにより、より確実な回路の遮断が可能である。

バスバー１９は、ジャンクションボックス１３の上部から電池スタック１の第２の面１ｂ（換言すれば上面）に沿って配索されており、図２に示すように、矩形をなす第２の面１ｂのほぼ対角線に沿って延びている。そして、第２エンドプレート４側の先端部分１９ａが、電池スタック１の積層方向と直交する方向に延びているとともに、電池スタック１の第２の面１ｂから第１の面１ａへと９０°折れ曲がって形成されており、第２エンドプレート４側の電池２（２Ａ）の上側に位置する正端子に接続されている。

一方、バスバー２０は、ジャンクションボックス１３の側部から電池スタック１の第１の面１ａに沿って電池スタック１の積層方向に延びており、第１エンドプレート３側の電池２（２Ｂ）の上側に位置する負端子に接続されている。

図３に示すように、第１リレー１５の出力端子１５ｂおよび第２リレー１６の出力端子１６ｂには、導電部材としてのバスバー２１，２２がそれぞれ接続されている。これらのバスバー２１，２２は、ジャンクションボックス１３の側方へと延びている。詳しくは、組電池の第１の面１ａの方向へと延びている。これらのバスバー２１，２２の先端部２１ａ，２２ａが、組電池の直列回路の末端である正負の出力端子となる。従って、この実施例では、組電池の正負の出力端子となるバスバー２１，２２が、リレー１５，１６を介して第１エンドプレート３に支持された構成となっている。

外部の機器のプラグが接続される外部コネクタ２４は、パックケース６に支持されている（図２，図３参照）とともに、第１エンドプレート３の側方（電池スタック１の第１の面１ａ側）に位置している。詳しくは、バスバー２１，２２の先端部２１ａ，２２ａの位置に対応して、ジャンクションボックス１３の側方に位置している。そして、外部コネクタ２４の一対の端子が、組電池の出力端子となるバスバー２１，２２の先端部２１ａ，２２ａにそれぞれ接続されている。

また、この実施例では、直列回路を手動操作で遮断するための手動スイッチ（いわゆるＳＤスイッチ）３１を備えている。この手動スイッチ３１は、第１エンドプレート３側に設けられており、第１，第２リレー１５，１６よりもスタック積層方向の外側に位置している。そして、手動スイッチ３１は、図１に示すように、電池スタック１の第２の面１ｂを覆うパックケース６の天井面部分に支持されている。

手動スイッチ３１の一対の端子は、電池スタック１の中で中間積層位置にある互いに隣接した電池２Ｃの正端子および電池２Ｄの負端子に、それぞれ導電部材としてのバスバー３３，３４を介して接続されている。従って、回路的には、手動スイッチ３１は、直列回路の中の中間電位となる中間部に挿入されている。

バスバー３３，３４は、手動スイッチ３１から電池スタック１の第２の面１ｂに沿って配索されている。そして、各々の先端部分３３ａ，３４ａが、電池スタック１の積層方向と直交する方向に延びているとともに、電池スタック１の第２の面１ｂから第１の面１ａへと９０°折れ曲がって形成されており、電池２Ｃの上側に位置する正端子および電池２Ｄの上側に位置する負端子にそれぞれ接続されている。電池スタック１の第２の面１ｂにおいて、２本のバスバー３３，３４は、前述したバスバー１９とほぼ平行に延びており、バスバー１９の内側つまりバスバー１９よりも電池スタック１の第１の面１ａ寄りに配置されている。すなわち、３本のバスバー１９，３３，３４が電池スタック１の第２の面１ｂ上において、互いに交差することなくほぼ平行に配索されている。

上記のように構成された第１実施例の組電池にあっては、組電池として、電池スタック１に第１，第２リレー１５，１６や手動スイッチ３１が一体に設けられているので、組電池全体を小型化できる。例えば、電池スタックから独立してリレーや手動スイッチを設けた場合には、ハーネス等の取り回しのための余分なスペースが必要となるが、上記実施例の構成では、このような余分なスペースが不要である。

そして、比較的長い距離を接続する３本のバスバー１９，３３，３４が、電池２の端子が配列された電池スタック１の第１の面１ａではなく、該第１の面１ａに隣接する第２の面１ｂに沿って配索されているので、各電池２の外縁の輪郭に近接させてバスバー１９，３３，３４を配置することができ、組電池の実質的な外形寸法が小さくなる。特に、バスバー１９が接続される第１リレー１５を第１の面１ａから離れた位置（第３の面１ｃ寄りの位置）に配置し、バスバー１９を第１の面１ａから相対的に遠い経路に沿って配索するとともに、バスバー３３，３４をバスバー１９よりも第１の面１ａ寄りに配索することで、３本のバスバー１９，３３，３４が互いに交差することがなくなり、これらバスバー１９，３３，３４を第２の面１ｂに近付けて配置することが可能となる。従って、図１に示すように、電池スタック１とパックケース６との間の狭小な隙間を通してバスバー１９，３３，３４を配索でき、省スペースとなる。換言すれば、電池スタック１の外形に比較して、パックケース６の小型化が図れる。

また、第１，第２リレー１５，１６、手動スイッチ３１、ジャンクションボックス１３、出力端子となるバスバー２１，２２、といった機能部品が、電池スタック１一端の第１エンドプレート３側に集約されており、電池スタック１の他端に位置する第２エンドプレート４はリレー等の機能部品を具備しない単純な構成となるので、組電池の電圧ないし容量の変更のために第２エンドプレート４側で電池２の個数を増減することが可能である。電池２の個数の変更に伴い電池スタック１の全長が変化すると、例えば第１リレー１５用のバスバー１９の長さの変更やタイロッド５の長さの変更など一部部品の変更が必要となるが、第１，第２エンドプレート３，４、第１，第２リレー１５，１６、手動スイッチ３１、ジャンクションボックス１３、出力端子となるバスバー２１，２２、手動スイッチ３１用のバスバー３３，３４、などは、基本的に共用することが可能である。従って、仕様変更が容易な拡張性が高い組電池が提供される。

しかも、上記構成では、電池２の個数を増やしたときの組電池全体の容積増加が最小限となる。すなわち、リレー１５，１６が第１エンドプレート３の外側面つまり積層方向から見た電池２外縁の投影面積内に位置するので、リレーを電池スタックの側面に配置した場合のように、電池スタックの全長が伸びたときの無駄なスペースの増加がない。また、上述したように、バスバー１９，３３，３４が電池スタック１の第２の面１ｂの近くに位置するので、電池スタック１の全長が伸びたときのバスバー１９，３３，３４によるスペース増加が少ない。従って、実質的に個々の電池２の容積分だけ組電池全体の容積が増加するに過ぎない。

さらに、第１，第２リレー１５，１６が組電池の出力端子（つまりバスバー２１，２２の先端部２１ａ，２２ａ）と同じ第１エンドプレート３上に位置するので、バスバー２１，２２の長さが最小限のものとなる。直列回路の両端に位置することとなるバスバー１９，２０の長さも、電池スタック１の全長に対して必要最小限にすることができる。このため、配線抵抗の低減が図れる。

なお、導電部材となるバスバー１９，２０，２１，２２，３３，３４は、好ましくは銅またはアルミニウムの金属板からなり、特に第２の面１ｂに配索されるバスバー１９，３３，３４にあっては、その厚さは、０．５〜５ｍｍ、より好ましくは１〜３ｍｍ、であることが望ましい。これらのバスバー１９，３３，３４の厚さが薄すぎると配線抵抗が高くなってしまう。一方、厚さが過度に厚いと、電池スタック１の第２の面１ｂとパックケース６との間の隙間をより大きく設定する必要が生じ、スペース効率が悪化するとともに、前述したように電池２の個数を増やしたときの組電池全体の容積増加が大きくなってしまう。

導電部材となるバスバー１９，２０，２１，２２，３３，３４は、端子接続部分を除く表面に絶縁被覆を備えていてもよく、あるいは絶縁被覆を具備しないものであってもよい。

次に、図４および図５は、手動スイッチ３１を具備しない組電池の第２実施例を示している。なお、前述した第１実施例と特に変わりがない部分については同一の符号を付してあり、重複する説明は省略する。

この第２実施例においても、第１エンドプレート３の構成は前述した第１実施例と同様であり、外側面に取り付けられたジャンクションボックス１３の内部に、第１リレー１５と第２リレー１６とが並んで設けられている。第１リレー１５は、バスバー１９を介して第２エンドプレート４側の電池２（２Ａ）に接続されており、第２リレー１６は、バスバー２０を介して第１エンドプレート３側の電池２（２Ｂ）に接続されている。この実施例では、直列回路の中間位置に介在する手動スイッチ３１を具備しないことから、電池スタック１を構成する複数個の電池２は、全て、バスバー１１によって直列に接続されている。

この第２実施例においても、基本的に前述した第１実施例と同様の作用効果が得られる。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、上記実施例ではジャンクションボックス１３が第１エンドプレート３に取り付けられ、該ジャンクションボックス１３の内部にリレー１５，１６が収容されているが、第１エンドプレート３にリレーを直接に取り付けるようにしてもよい。

また、直列回路の末端の一方のみにリレーを具備する構成においても本発明は適用が可能である。

さらに、複数個の電池２を接続する態様としては、上記実施例のような直列接続に限らず、直並列接続あるいは並列接続であっても本発明は適用が可能である。

なお、第１実施例において、手動スイッチ３１に至る一方のバスバー３３は、電池スタック１の第１の面１ａの上を積層方向に沿って延びるように配索してもよい。

また、電池２としては、巻回型の単電池を複数個モジュールケース内に収容した電池モジュールであってもよい。

また、上記実施例では、各部の導電部材としてバスバーを用いているが、導電部材としては、ハーネスであってもよい。

また、第１実施例においては、手動スイッチ３１がパックケース６の天井面部分に支持されているものとして説明したが、手動スイッチ３１を組電池とより確実に一体化させるために、手動スイッチ３１を第１エンドプレート３に対しても支持させるようにすることも可能である。

図６は、手動スイッチ３１を第１エンドプレート３に支持させた変形例の要部を示しており、この例では、電池２（２Ｃ，２Ｄ）と手動スイッチ３１とを接続するバスバー３３，３４が、絶縁部材４１およびネジ４２を介してエンドプレート３の上縁に支持されている。より詳しくは、バスバー３３，３４は、電池２（２Ｃ，２Ｄ）から絶縁部材４１までの間のバスバー３３Ａ，３４Ａと、絶縁部材４１から手動スイッチ３１までの間の導電部材と支持ブラケットとを兼ねたバスバー３３Ｂ，３４Ｂとに分割して構成されており、実質的にはバスバー３３Ｂ，３４Ｂによって手動スイッチ３１が第１エンドプレート３に支持されている。

また、図７は、手動スイッチ３１を略Ｌ字形に折曲したブラケット４５を介して第１エンドプレート３に支持させた第２の変形例を示している。

このように手動スイッチ３１を第１エンドプレート３にも支持させることで、組電池がパックケース６内に収容される前の段階においても手動スイッチ３１が電池スタック１に確実に支持された状態となる。従って、組電池の取り扱いが容易になるとともに、例えば、パックケース６の天井面に手動スイッチ３１を固定する際の作業性が向上する。

１…電池スタック
１ａ…第１の面
１ｂ…第２の面
２…電池
３…第１エンドプレート
４…第２エンドプレート
５…タイロッド
６…パックケース
７…ベースプレート
１１…バスバー
１３…ジャンクションボックス
１５…第１リレー
１６…第２リレー
１９，２０，２１，２２…バスバー
２４…外部コネクタ
３１…手動スイッチ
３３，３４…バスバー

Claims (7)

1. 略矩形の電池を一端の第１エンドプレートおよび他端の第２エンドプレートとともに複数個積層してなる電池スタックと、これらの電池を接続してなる回路の末端の少なくとも一方に設けられたリレーと、を備えてなる組電池であって、
   当該組電池の出力端子が上記第１エンドプレート側に配置されているとともに、上記リレーが上記第１エンドプレートに支持されており、
   各電池の端子が上記電池スタックの第１の面に並んで配置されているとともに、
   上記リレーは、上記第２エンドプレート側の端部に位置する電池の端子に導電部材を介して接続されており、
   この導電部材は、上記電池スタックの上記第１の面に隣接した第２の面に配索されている、ことを特徴とする組電池。
2. 略矩形の電池を一端の第１エンドプレートおよび他端の第２エンドプレートとともに複数個積層してなる電池スタックと、これらの電池を接続してなる回路の末端の少なくとも一方に設けられたリレーと、上記回路の中間部に挿入される手動スイッチと、を備えてなる組電池であって、
   当該組電池の出力端子は、上記第１エンドプレート側に配置されているとともに、上記リレーが上記第１エンドプレートに支持されており、
   各電池の端子が上記電池スタックの第１の面に並んで配置されており、
   上記手動スイッチは、上記電池スタックの上記第１エンドプレート側の端部に配置されており、
   上記電池スタックの中間積層位置にある１つの電池の端子と上記手動スイッチとを接続する導電部材が、上記電池スタックの上記第１の面に隣接した第２の面に配索されている、ことを特徴とする組電池。
3. 上記手動スイッチが上記第１エンドプレートに支持されている、ことを特徴とする請求項２に記載の組電池。
4. 略矩形の電池を一端の第１エンドプレートおよび他端の第２エンドプレートとともに複数個積層してなる電池スタックと、これらの電池を接続してなる回路の末端のそれぞれに設けられた２つのリレーと、を備えてなる組電池であって、
   当該組電池の出力端子が上記第１エンドプレート側に配置されているとともに、上記２つのリレーが上記第１エンドプレートに支持されており、
   第１のリレーが上記第２エンドプレート側の端部に位置する電池の端子に、第２のリレーが上記第１エンドプレート側の端部に位置する電池の端子に、それぞれ導電部材を介して接続されており、
   各電池の端子が並んで配置された上記電池スタックの第１の面に近い側に第２のリレーが配置され、第１の面から離れた側に第１のリレーが配置されている、ことを特徴とする組電池。
5. 上記出力端子を構成する導電部材が上記第１エンドプレートに支持されている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の組電池。
6. 上記出力端子に接続された外部コネクタが、上記第１エンドプレートの側方に配置されている、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の組電池。
7. 上記リレーは、上記出力端子を備えたジャンクションボックスに収容されており、
   このジャンクションボックスが上記第１エンドプレートに取り付けられている、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の組電池。

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