JP7060459B2 - 電池ユニット - Google Patents

Description

本発明は、電池ユニットに関する。

組電池（電池パック）は、用途及び収納スペースに合わせて直列又は並列に接続された複数の電池からなり、所望の電力を供給できるよう構成されることにより、様々な電気機器・電子機器の電源装置として広く利用されている。例えば、特許文献１には、組電池を金属筐体に収納した電池ユニットが開示されている。

特許文献１に開示された従来技術は、より具体的には、複数の円筒形電池の端子を覆う絶縁性の副収納ケースにより電池ブロックを構成し、複数の電池ブロックを金属性の外装ケースに収容して電池ユニットを構成している。ここで、当該従来技術の外装ケースは、放熱カバーが挿入配置される矩形開口が形成されることにより、それぞれの円筒形電池の端子と外装ケースとを電気的に絶縁し、当該端子から外装ケースへの放熱経路が形成されている。

特開２０１５－５３２７６号公報

上記のような電池ユニットは、収容される複数の円筒形電池の直列数が増加すると、外装ケースへ放熱すべき熱量も増加するため、副収納ケースに形成された矩形開口における放熱では不十分となる場合がある。このような場合には、副収納ケースの厚み及び放熱カバーをより薄く形成することにより円筒形電池から外装ケースへの放熱経路を短くすることで放熱性能を向上させる対応も考えられる。しかしながら、電池の直列数の増加に伴い組電池の出力電圧が例えば数百ボルトに上昇すると、電池の端子と金属性の外装ケースとの間には、感電に対する安全性を考慮して、数千ボルトの絶縁性能が要求されることがある。そのため、上記のような電池ユニットは、収容する組電池の出力電圧が高く、且つ電池の端子と金属ケースとの距離が近い場合には、たとえ両者の間に絶縁部材を介在させたとしても絶縁部材の表面に沿った短絡が生じてしまう虞が生じる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、組電池の出力電圧が高い場合であっても、放熱性能及び絶縁性能の向上を両立することができる電池ユニットを提供することにある。

＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、並設された複数の円筒形電池と、絶縁性を有し、複数の前記円筒形電池の長手方向の端部が圧入される座繰り部が形成された１組の電池ホルダと、前記円筒形電池及び前記電池ホルダからなる電池ブロックを収容する金属筐体と、絶縁性及び熱伝導性を有し、前記電池ブロックと前記金属筐体の内装面とに挟まれる絶縁放熱シートと、を備え、前記絶縁放熱シートは、前記円筒形電池の円筒側面と前記内装面とに挟まれる放熱部、及び前記電池ホルダと前記内装面とに挟まれる絶縁部を含み、前記絶縁部は、前記放熱部から前記電池ホルダの外側面よりも外側へ切れ目なく延在する、電池ユニットである。

本発明の第１の態様に係る電池ユニットは、組電池が含む複数の円筒形電池の電極端子を一組の電池ホルダの座繰り部により覆う一方、金属筐体と円筒形電池の円筒側面との間に放熱部を有する絶縁放熱シートが、金属筐体と電池ホルダとの間にも絶縁部として延在する構造を備えている。これにより、電池ユニットは、円筒形電池と金属筐体との間における絶縁放熱シートにより、円筒形電池を効率的に放熱させることができる。また、電池ユニットは、電極端子から金属筐体へ至る沿面距離が座繰り部の深さに相当する経路と絶縁放熱シートの絶縁部における表面経路とを含み、両者が絶縁放熱シートの厚み方向に垂直な方向において互いに逆方向である。このため、電池ユニットは、効率的な放熱のために円筒形電池と金属筐体との間隔を狭く設定したとしても、当該間隔に垂直な方向において沿面距離を長く設定することができる。従って、本発明の第１の態様に係る電池ユニットによれば、組電池の出力電圧が高い場合であっても、放熱性能及び絶縁性能の向上を両立することができる。

＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、上記した本発明の第１の態様において、前記絶縁放熱シートは、クッション性を有する、電池ユニットである。

本発明の第２の態様に係る電池ユニットによれば、円筒形電池と金属筐体との間に挟まれる絶縁放熱シートのクッション性により、金属筐体が衝撃を受けた場合であっても円筒形電池への伝わりを低減することができるほか、円筒形電池との接触部分において絶縁放熱シートの表面が湾曲して接触面積が増加し、円筒形電池の効率的な放熱が可能になる。

＜本発明の第３の態様＞
本発明の第３の態様は、上記した本発明の第１又は２の態様において、前記絶縁部は、前記電池ホルダの前記外側面よりも外側へ延在するシート端部が、前記外側面に沿って前記金属筐体から離間するように配置される、電池ユニットである。

本発明の第３の態様に係る電池ユニットは、絶縁放熱シートが電池ホルダの外側面よりも外側へ延在するシート端部において金属筐体から離間するように配置されている。これにより、本発明の第３の態様に係る電池ユニットによれば、電池ホルダの外側へ延在するシート端部の長さを有効に利用して沿面距離を延ばすことができ、絶縁性能を向上させることができる。

＜本発明の第４の態様＞
本発明の第４の態様は、上記した本発明の第１の態様において、前記金属筐体は、複数の前記電池ブロックを収容し、前記絶縁放熱シートは、互いに隣接する複数の前記電池ブロックに亘って一体に形成されている、電池ユニットである。

本発明の第４の態様に係る電池ユニットは、切れ目のない一続きの絶縁放熱シートにより金属筐体が含む複数の電池ブロックを覆うように形成されている。これにより、本発明の第４の態様に係る電池ユニットによれば、複数の電池ブロックが互いに隣接する部分においては、円筒形電池の電極端子から金属筐体へ至る沿面経路が形成されないため、耐圧性能を向上させることができる。

本発明によれば、組電池の出力電圧が高い場合であっても、放熱性能及び絶縁性能の向上を両立することができる電池ユニットを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る電池ユニットの概略構成を示す分解斜視図である。 電池ブロックの構造を示す分解斜視図である。 一対の絶縁放熱シートの構造を示す斜視図である。 複数の円筒形電池と絶縁放熱シートとの接触状態を示す断面図である。 電池ブロックが金属筐体に収容された状態の電池ユニット１の断面図である。 絶縁放熱シートを介して金属筐体に対向する円筒形電池の長手方向の端部を拡大して示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る電池ユニットにおける絶縁放熱シートの断面図である。 本発明の第３実施形態に係る電池ユニットにおける絶縁放熱シートの断面図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施の形態の説明に用いる図面は、いずれも構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、または省略などを行っており、構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。また、本発明の実施形態について参照する各図面では、三次元空間の互いに直行する各方向を符号Ｘ、Ｙ、Ｚで示す。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る電池ユニット１の概略構成を示す分解斜視図である。電池ユニット１は、大まかな構成として、金属筐体１０及び複数の電池ブロック２０を備える。電池ユニット１は、詳細を後述するように、直列に接続された複数の電池を備えることにより所望の電力を供給できるよう構成され、例えば様々な電気機器・電子機器の電源装置として使用することができる。

金属筐体１０は、外形が直方体形状であり、内部に収容する電池ブロック２０を支持及び保護するための筐体である。より具体的には、金属筐体１０は、筐体の底部を構成する下面板金１１、ＸＹ方向の四方を囲む側面板金１２、及び筐体の蓋部を構成する上面板金１３からなる。

電池ブロック２０は、詳細を後述するように、複数の円筒形電池３１とそれらを一体に支持する部材からなり、所定の電圧を出力できるよう構成されている。尚、本実施形態においては、金属筐体１０の内部に６個の電池ブロック２０が並置された形態を例示しているが、電池ブロック２０の数はこれに限定されるものではなく、少なくとも１個の電池ブロック２０が金属筐体１０に収容されていればよい。また、電池ブロック２０は、後述する絶縁放熱シート５０（図１では図示を省略）を介して金属筐体１０の下面板金１１及び上面板金１３によりＺ方向の両側から挟持されることにより、金属筐体１０に固定される。

図２は、電池ブロック２０の構造を示す分解斜視図である。電池ブロック２０は、組電池３０及び一組の電池ホルダ４０からなる。また、組電池３０は、並設された複数の円筒形電池３１と複数のリード板３２を含む。

円筒形電池３１は、長手方向の両側に正極及び負極として設けられた電極端子３３を有し、円筒側面３４が熱収縮性の絶縁皮膜により絶縁されている。また、円筒形電池３１は、長手方向をＸ方向とし、Ｙ方向にｎ列、Ｚ方向に４列並べられているものとする。ただし、Ｙ方向に並ぶ円筒形電池３１の数はＺ方向の列によって異なり、電池間の隙間を小さくするようにＺ方向の列を互いに若干ずらして配置している。また隣接する２つの円筒形電池３１は、極性が互いに逆向きになるように並べられている。尚、各列の円筒形電池３１の個数は図示する数に限定されるものではない。

リード板３２は、互いに隣接する２つの円筒形電池３１の電極端子３３同士を電気的に接続する導通部材であり、電極端子３３に溶接されている。そして、組電池３０は、全ての円筒形電池３１がリード板３２を介して直列に接続されていることにより、比較的高い電圧を出力できるよう構成されている。

一組の電池ホルダ４０は、例えば樹脂等の絶縁性を有する材料で形成され、Ｘ方向の両側から組電池３０を一体に支持すると共に、組電池３０が含む複数の円筒形電池３１の電極端子３３が組電池３０の外部に対して露出しないよう絶縁保護する。

それぞれの電池ホルダ４０は、組電池３０に対向する内側面４１に座繰り部４３が形成されている。座繰り部４３は、それぞれの円筒形電池３１に対応する位置において、円筒形電池３１の直径よりも僅かに小さい略円形の凹部として形成されている。これにより、円筒形電池３１は、リード板３２が溶接された長手方向の端部が座繰り部４３に圧入される状態で保持されることになる。

また、それぞれの電池ホルダ４０は、Ｘ方向に対して組電池３０の外側を向く外側面４２が平面状に形成されている。そして、電池ホルダ４０は、座繰り部４３が内側面４１と外側面４２とを貫通しないように十分な厚みに設定されると共に、組電池３０の重量を支持できる強度を備えている。ここで、電池ブロック２０は、詳細を後述するように、Ｚ方向両側から絶縁放熱シート５０を介して金属筐体１０の下面板金１１と上面板金１３とにより挟持されることで固定される。そのため、電池ホルダ４０は、Ｚ方向の両端面がＸＹ平面と平行な平面状に形成されている。

図３は、一対の絶縁放熱シート５０の構造を示す斜視図である。それぞれの絶縁放熱シート５０は、例えばシリコーン製であり、絶縁性及び熱伝導性に加えクッション性を有する。また、それぞれの絶縁放熱シート５０は、Ｘ方向の中央部に相対的に肉厚の放熱部５１が形成され、放熱部５１からＸ方向の両側へ向かって相対的に肉薄の絶縁部５２が延在するように形成されている。そのため、一対の絶縁放熱シート５０は、上記した電池ブロック２０をＺ方向両側から挟んだ場合に、放熱部５１により組電池３０を挟持し、絶縁部５２により一組の電池ホルダ４０を挟持することになる。ここで、それぞれの絶縁放熱シート５０は、金属筐体１０に接する面が平面状に形成されている。

図４は、複数の円筒形電池３１と絶縁放熱シート５０との接触状態を示す断面図である。ここで、図４においては、複数の円筒形電池３１、絶縁放熱シート５０、及び金属筐体１０のＹＺ平面における部分的な断面を示している。

絶縁放熱シート５０は、表面に粘着性を有し、平面状に形成された面が金属筐体１０の内装面１４に面接触した状態で固定され、また、相対的に肉厚の放熱部５１において複数の円筒形電池３１の円筒側面３４の一部と接触している。このとき、絶縁放熱シート５０は、クッション性を有することから、金属筐体１０が衝撃を受けた場合であっても円筒形電池３１への伝わりを低減することができる。また、絶縁放熱シート５０は、クッション性に伴い複数の円筒形電池３１との接触部分において表面が湾曲することで、円筒形電池３１との接触面積が増加し、発熱した円筒形電池３１の熱を効率的に金属筐体１０へ送り出すことができる。

図５は、電池ブロック２０が金属筐体１０に収容された状態の電池ユニット１の断面図である。より詳しくは、図５は、電池ブロック２０が一対の絶縁放熱シート５０を介して金属筐体１０に固定された状態を示すＸＺ平面における断面図である。尚、図５においては、円筒形電池３１の電極端子３３に接続されたリード板３２の図示を省略している。

図５に示すように、複数の円筒形電池３１は、電極端子３３を含むＸ方向両側の端部が一組の電池ホルダ４０の座繰り部４３に圧入されることにより支持されている。また、一組の電池ホルダ４０は、Ｚ方向の両端面において、絶縁放熱シート５０の絶縁部５２を介して金属筐体１０の下面板金１１及び上面板金１３のそれぞれの内装面１４に固定されている。

また、絶縁放熱シート５０は、放熱部５１において円筒形電池３１の円筒側面３４に接することにより円筒形電池３１を放熱することができる。このとき、絶縁放熱シート５０は、シート状であることにより、円筒形電池３１と金属筐体１０とのＺ方向の距離を短く設定することができ、より効率的な円筒形電池３１の放熱が可能になる。

尚、絶縁放熱シート５０は、上記したように絶縁部５２が放熱部５１よりも薄く、電池ホルダ４０のＺ方向の端面と座繰り部４３との距離（図６の線分ＣＤで示される厚み）の分だけ両者の間に段差が形成されることになる。これにより、絶縁放熱シート５０は、円筒形電池３１、電池ホルダ４０、及び金属筐体１０のいずれに対しても面接触する。

次に、本発明の効果について説明する。図６は、絶縁放熱シート５０を介して金属筐体１０に対向する円筒形電池３１の長手方向の端部を拡大して示す断面図である。より具体的には、図６は、図５において一点鎖線で示す領域を拡大して示す断面図である。図６において、点Ａ及び点Ｂは、ＸＺ平面において円筒形電池３１の電極端子３３の直径両端に相当する位置を示している。また、点Ｃは、円筒形電池３１の円筒側面３４において、電池ホルダ４０に形成された座繰り部４３の内外の境界点を示している。点Ｄ及び点Ｅは、電池ホルダ４０において、Ｚ方向の端面と内側面４１及び外側面４２との接点をそれぞれ示している。そして、点Ｆ及び点Ｇは、絶縁放熱シート５０における絶縁部５２の端面、すなわちＸ方向を向く側面の両端をそれぞれ示している。

絶縁放熱シート５０は、上記したように、円筒形電池３１の放熱性能を向上させるために、円筒形電池３１と金属筐体１０とのＺ方向の距離に相当する放熱部５１の厚みが薄く設定されている。ここで、例えば仮に、線分ＤＥで示される電池ホルダ４０のＺ方向の端面を金属筐体１０の内装面１４に直接接続した場合、円筒形電池３１の電極端子３３から金属筐体１０までの沿面距離は、線分ＢＣ及び線分ＣＤの長さに留まってしまう。このとき、出力電圧が高い組電池３０に対しては、十分に安全性を考慮して電極端子３３と金属筐体１０との間に要求される耐圧性能に満たない虞が生じ得る。

これに対し、本発明に係る絶縁放熱シート５０は、絶縁部５２が放熱部５１から電池ホルダ４０の外側面４２よりもＸ方向の外側に向けて切れ目なく延在している。このため、本発明の電池ユニット１は、円筒形電池３１の電極端子３３から金属筐体１０までの沿面距離が図６に示す点Ｂから点Ｇまでを順に経由する経路となるため、例え絶縁放熱シート５０を薄く形成したとしても、沿面距離の拡大に伴い耐圧性能が向上する。

以上のように、本発明の第１実施形態に係る電池ユニット１は、組電池３０が含む複数の円筒形電池３１の電極端子３３を一組の電池ホルダ４０の座繰り部４３により覆う一方、金属筐体１０と円筒形電池３１の円筒側面３４との間に放熱部５１を有する絶縁放熱シートが、金属筐体１０と電池ホルダ４０との間にも絶縁部５２として延在する構造を備えている。これにより、電池ユニット１は、円筒形電池３１と金属筐体１０との間における絶縁放熱シートにより、円筒形電池３１を効率的に放熱させることができる。また、電池ユニット１は、電極端子３３から金属筐体１０へ至る沿面距離が、電池ホルダ４０における座繰り部４３の深さに相当する経路（図６の点Ｂから点Ｃへの経路）と、絶縁放熱シートの絶縁部５２における表面経路（図６の点Ｄから点Ｆへの経路）とを含み、両者がＸ方向に対して互いに逆方向である。このため、電池ユニット１は、効率的な放熱のために円筒形電池３１と金属筐体１０とのＺ方向の間隔を狭く設定したとしても、当該間隔に垂直なＸ方向において沿面距離を長く設定することができる。従って、本発明の第１実施形態に係る電池ユニット１によれば、組電池３０の出力電圧が高い場合であっても、放熱性能及び絶縁性能の向上を両立することができる。

＜第２実施形態＞
続いて、本発明の第２実施形態に係る電池ユニット２について説明する。第２実施形態に係る電池ユニット２は、上記した第１実施形態の電池ユニット１における絶縁放熱シート５０の絶縁部５２の構造が第１実施形態と異なる。以下、第１実施形態と異なる部分について説明することとし、第１実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図７は、本発明の第２実施形態に係る電池ユニット２における絶縁放熱シート５０の断面図である。より具体的には、図７は、上記した第１実施形態の図６に対応する電池ユニット２の部分断面図である。

電池ユニット２の絶縁放熱シート５０は、絶縁部５２が電池ホルダ４０の外側面４２よりもＸ方向に向かって外側へ延在するシート端部５３が、金属筐体１０から離間するように電池ホルダ４０の外側面４２に沿って折り曲げて配置されている。ここで、点Ｈ及び点Ｉは、絶縁放熱シート５０におけるシート端部５３のＺ方向を向く側面の両端をそれぞれ示している。また、点Ｊは、シート端部５３と金属筐体１０の内装面１４との接点を示している。

電池ユニット２においては、円筒形電池３１の電極端子３３から金属筐体１０までの沿面距離は、点Ｂから点Ｅまでの経路に加えて、点Ｅから点Ｈ及び点Ｉを経由して点Ｊまで至る経路となる。すなわち、電池ユニット２の絶縁放熱シート５０は、電池ホルダ４０の外側面４２よりもＸ方向に向かって外側へ延在するシート端部５３を外側面４２に沿って配置することにより、シート端部５３の両面を沿面距離として計上することができる。これにより、本発明の第２実施形態に係る電池ユニット２によれば、電池ホルダ４０の外側へ延在するシート端部５３の長さを有効に利用して沿面距離を延ばすことができ、絶縁性能を向上させることができる。また、このとき、図１に示すように複数の電池ブロック２０がＸ方向に隣接していたとしても、互いの電池ブロック２０のシート端部５３への干渉を抑制することができる。

＜第３実施形態＞
続いて、本発明の第３実施形態に係る電池ユニット３について説明する。第３実施形態に係る電池ユニット３は、上記した第１実施形態の電池ユニット１における絶縁放熱シート５０の構造が第１実施形態と異なる。以下、第１実施形態と異なる部分について説明することとし、第１実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図８は、本発明の第３実施形態に係る電池ユニット３における絶縁放熱シート５０の断面図である。より詳しくは、図８は、複数の電池ブロック２０が絶縁放熱シート５０を介して金属筐体１０に収容された状態の電池ユニット３のＸＺ平面における断面図である。

第３実施形態に係る電池ユニット３は、金属筐体１０と電池ブロック２０との間に配置される絶縁放熱シート５０が、互いに隣接する複数の電池ブロック２０に亘って一体に形成されている。すなわち、絶縁放熱シート５０は、図８の破線円で示すように、互いに隣接する電池ブロック２０にそれぞれ接する２つの放熱部５１を連続的に接続するように、一続きの絶縁部５２によって切れ目なく形成されている。これにより、本発明の第３実施形態に係る電池ユニット３によれば、複数の電池ブロック２０が互いに隣接する部分においては、円筒形電池３１の電極端子３３から金属筐体１０へ至る沿面経路が形成されないため、耐圧性能を向上させることができる。

１～３ 電池ユニット
１０ 金属筐体
１１ 下面板金
１２ 側面板金
１３ 上面板金
１４ 内装面
２０ 電池ブロック
３０ 組電池
３１ 円筒形電池
３２ リード板
３３ 電極端子
３４ 円筒側面
４０ 電池ホルダ
４１ 内側面
４２ 外側面
５０ 絶縁放熱シート
５１ 放熱部
５２ 絶縁部
５３ シート端部

Claims (4)

1. 並設された複数の円筒形電池と、
   絶縁性を有し、複数の前記円筒形電池の長手方向の端部が圧入される座繰り部が形成された１組の電池ホルダと、
   前記円筒形電池及び前記電池ホルダからなる電池ブロックを収容する金属筐体と、
   絶縁性及び熱伝導性を有し、前記電池ブロックと前記金属筐体の内装面とに挟まれる絶縁放熱シートと、を備え、
   前記絶縁放熱シートは、前記円筒形電池の円筒側面と前記内装面とに挟まれる放熱部、及び前記電池ホルダと前記内装面とに挟まれる絶縁部を含み、
   前記絶縁部は、前記放熱部から前記電池ホルダの外側面よりも外側へ切れ目なく延在する、電池ユニット。
2. 前記絶縁放熱シートは、クッション性を有する、請求項１に記載の電池ユニット。
3. 前記絶縁部は、前記電池ホルダの前記外側面よりも外側へ延在するシート端部が、前記外側面に沿って前記金属筐体から離間するように配置される、請求項１又は２に記載の電池ユニット。
4. 前記金属筐体は、複数の前記電池ブロックを収容し、
   前記絶縁放熱シートは、互いに隣接する複数の前記電池ブロックに亘って一体に形成されている、請求項１又は２に記載の電池ユニット。

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