JP7133491B2 - 組電池及び塗布方法 - Google Patents

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Description

本開示は、組電池及び塗布方法に関する。
従来、電池セルに接続されている基板に防湿材を塗布する構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2018-125255号公報
基板に実装されている電子部品の端子間に防湿材が入り込むように、防湿材の溶液の粘度を低くすることがある。この場合、低い粘度を有する防湿材の溶液は、電池セルと電気的に接続しているバスバと基板とを締結する締結部材のように基板から大きく突出している部分から流れ落ちやすい。その結果、締結部材を覆う防湿材の厚みが小さくなってしまう。
かかる観点に鑑みてなされた本開示の目的は、基板及びネジの両方に所定の厚みを有する防湿材を塗布できる組電池及び塗布方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、第1の観点に係る組電池は、電極を有する電池セルと、前記電池セルを保持するホルダと、前記電極と導通しているバスバと、回路基板と、締結部材と、防湿材とを備える。前記回路基板は、前記電池セルを制御する電子部品が実装されている基板面を有する。前記締結部材は、回路基板と、前記バスバと前記回路基板とを前記ホルダに締結する。前記防湿材は、前記回路基板と前記締結部材とを覆う。前記防湿材は、前記基板面のうち前記電子部品が実装されている部分を含む第1領域を覆う第1防湿材と、前記基板面のうち前記締結部材の周囲の部分を含む第2領域と前記締結部材とを覆う第2防湿材とを含む。前記第2防湿材のうち前記基板面の上に位置する部分の厚みは、前記第1防湿材のうち前記基板面の上に位置する部分の厚みよりも大きい。
上記課題を解決するために、第2の観点に係る塗布方法は、第1粘度を有する第1防湿材の溶液を、電極を有する電池セルを制御する電子部品が実装されている回路基板の第1領域に塗布する第1工程を含む。前記塗布方法は、前記第1工程の後、前記電池セルの電極と導通しているバスバと前記回路基板とを、前記電池セルを保持しているホルダに、締結部材によって締結する第2工程を含む。前記塗布方法は、前記第2工程の後、前記第1粘度より高い第2粘度を有する第2防湿材の溶液を、前記締結部材を含む第2領域に塗布する第3工程を含む。前記第1領域は、前記締結部材が当接する領域を含まない。
第1の観点に係る組電池によれば、基板及びネジの両方に所定の厚みを有する防湿材が塗布されうる。
第2の観点に係る塗布方法によれば、基板及びネジの両方に所定の厚みを有する防湿材が塗布されうる。
一実施形態に係る組電池の構造の一例を示す外観斜視図である。 電池セルの一例を示す斜視図である。 バスバと回路基板の配置例を示す平面図である。 回路基板の一例を示す平面図である。 図4のA-A断面図である。
以下、本開示に係る一実施形態が、図面を参照して説明される。図面は、模式的なものである。図面上の寸法又は比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。各図面における各構成部の描写は、部分的に簡略化されることがある。
図1に示されるように、一実施形態に係る組電池100は、ケース110と、ホルダ120とを備える。
本実施形態に係る組電池100は、内燃機関を備えた車両、又は内燃機関と電動機との双方の動力で走行可能なハイブリッド車両等の車両に搭載されて使用されると仮定する。本実施形態に係る組電池100は、Z軸の正の方向が上に向くように車両等に搭載されると仮定する。組電池100は、例えば、車両の座席の下に搭載されてよい。組電池100は、例えば、車両のセンターコンソールに搭載されてよい。組電池100は、車両用に限られず、他の用途で用いられてよい。
組電池100は、図2に例示される電池セル150を備える。電池セル150は、ケース110とホルダ120とによって取り囲まれた状態で、組電池100に設けられている。電池セル150がケース110とホルダ120とによって取り囲まれている構成は、電池モジュールともいう。ケース110と、ホルダ120とは、例えば、PBT(Poly-Butylene Terephthalate)等の樹脂で構成されてよい。
図2に示されているように、電池セル150は、6つの面を有する略直方体形状である。電池セル150の6つの面のうち2つの面は、他の4つの面よりも大きい面積を有する。電池セル150の面のうち比較的面積の大きい2つの面は、扁平面ともいう。電池セル150は、扁平面がZ軸の正の方向の側及び負の方向の側に位置するように配置される。
本実施形態に係る組電池100において、電池セル150は、2段と3段とに分けてZ軸方向に積層されるとする。つまり、組電池100は、5つの電池セル150を備えるとする。電池セル150の数は、4つ以下であってもよいし、6つ以上であってもよい。図3に例示されるように、2段に積層された電池セル150は、Y軸の正の方向の側に配置されている。3段に積層された電池セル150は、Y軸の負の方向の側に配置されている。Y軸の負の方向の側に配置されている電池セル150は、上から順に、電池セル150-1~3として区別される。Y軸の正の方向の側に配置されている電池セル150は、下から順に、電池セル150-4~5として区別される。電池セル150が積層される数量は、組電池100に収容される電池セル150の数量に応じて、適宜変更されうる。電池セル150の配置は、これらの例に限られず、適宜変更されてよい。
電池セル150のX軸の正の方向の側の面は、キャップ面151ともいう。電池セル150は、キャップ面151に、正電極152と、負電極153とを備える。キャップ面151は、長辺と短辺とを有する略長方形状である。正電極152及び負電極153は、キャップ面151の長辺方向の両端付近に設けられる。電池セル150は、正電極152及び負電極153によって、電力を外部機器に供給したり、外部機器から供給される電力を受けたりできる。
組電池100が備える5つの電池セル150は、電極間バスバ160~163を介して直列に接続されている。電極間バスバ160は、電池セル150-1の正電極152と、電池セル150-2の負電極153とを接続している。電極間バスバ161は、電池セル150-2の正電極152と、電池セル150-3の負電極153とを接続している。電極間バスバ162は、電池セル150-3の正電極152と、電池セル150-4の負電極153とを接続している。電極間バスバ163は、電池セル150-4の正電極152と、電池セル150-5の負電極153とを接続している。総プラス電極バスバ164は、電池セル150-5の正電極152に接続している。総マイナス電極バスバ165は、電池セル150-1の負電極153に接続している。つまり、直列に接続されている電池セル150の各電極のうち、正極側の端に位置する正電極152、及び、負極側の端に位置する負電極153はそれぞれ、総プラス電極バスバ164及び総マイナス電極バスバ165に接続されている。電極間バスバ160~163、総プラス電極バスバ164及び総マイナス電極バスバ165は、単にバスバとも称される。バスバは、銅又はアルミニウム等の高い導電率を有する材料で構成されてよい。
電池セル150は、X軸の負の方向に向けてケース110に収容されている。つまり、ケース110は、電池セル150のキャップ面151の反対側の部分を収容している。電池セル150は、キャップ面151の側でホルダ120に保持されている。ホルダ120は、例えば接着剤等によって電池セル150と接合している。ホルダ120は、正電極152及び負電極153それぞれに電気的に接続する各バスバを、電池セル150とあわせて保持している。各バスバは、ホルダ120が電池セル150を保持している部分よりもX軸の正の方向の側に突出している。
図3に示されるように、組電池100は、回路基板400をさらに備える。回路基板400は、各バスバと電気的に接続されている。図4及び図5に示されるように、回路基板400は、電子部品410及び420を備える。回路基板400は、基板面400a及び400bを有する。基板面400bは、回路基板400がバスバに接続されたときに、バスバと対向する面に対応する。基板面400aは、基板面400bの反対側の面に対応する。電子部品410及び420は、基板面400a及び400bに実装されている。電子部品410は、比較的大きいIC(Integrated Circuit)等を含むとする。電子部品420は、比較的小さい抵抗又はキャパシタ等のディスクリート部品を含むとする。回路基板400は、電子部品410及び420を接続する配線を含む。電子部品410及び420並びに配線は、組電池100の充放電を制御するBMS(Battery Management System)を構成しているとする。BMSは、各電池セル150の端子電圧又は充放電電流を取得し、取得した情報に基づいて、組電池100の充放電を制御する。
回路基板400は、エポキシ又はポリイミド等の樹脂によって構成されてよい。回路基板400は、締結部材60(図5参照)によって、電極間バスバ162として例示されているバスバとともに、ホルダ120に含まれる締結部122に締結されている。締結部材60は、ボルトであるとする。締結部材60は、ボルトに限られず、他の構成を含んでもよい。締結部材60がボルトである場合、締結部122は、ナットを含むとする。締結部材60は、頭部62と軸部64とを有する。軸部64は、回路基板400の内面430で囲まれている空間として形成されている孔と、電極間バスバ162の内面162aで囲まれている空間として形成されている孔とを貫通し、締結部122と螺合している。頭部62は、ワッシャ66を介して、内面430の外側に位置する基板面400aをホルダ120に向けて押圧している。このようにすることで、締結部材60は、回路基板400と電極間バスバ162とを締結部122に締結している。ワッシャ66は、設けられなくてもよい。
回路基板400は、バスバとともに締結されることによって、バスバを電池セル150と電気的に接続しているとともに、熱的に接続している。電池セル150の熱容量は、回路基板400等の組電池100の他の構成の熱容量よりも大きい。組電池100の外部の温度が変化した場合、比較的小さい熱容量を有するケース110等は、比較的大きい熱容量を有する電池セル150よりも外部の温度の変化に追従しやすい。しかし、回路基板400は、比較的小さい熱容量を有するものの、バスバを介して接続している電池セル150の温度の影響を受ける。その結果、回路基板400のうち、バスバと締結されている部分から所定範囲内の部分の温度は、外部の温度の変化に追従しにくい。例えば、組電池100全体の温度が冷房によって外気よりも低い車庫内の温度になっている場合に、組電池100を搭載する車両が車庫内よりも高い温度の車庫外に移動した場合、回路基板400の温度は、車庫内の温度から車庫外の温度に近づき始める。しかし、回路基板400の温度が車庫外の温度に到達するまでに時間がかかる。回路基板400のうち、バスバと締結されている部分から所定範囲内の部分の温度は、所定範囲外の部分の温度よりも、長い時間をかけて車庫外の温度に変化する。つまり、車庫外に移動した後の所定時間において、回路基板400のうち、バスバと締結されている部分から所定範囲内の部分の温度は、車庫外の温度よりも低い。この場合、回路基板400のうち、バスバと締結されている部分から所定範囲内の部分において、その部分の温度と車庫外の温度との間の差に起因する結露が発生しやすい。
回路基板400で発生する結露は、回路基板400に実装されている電子部品410及び420、その配線、並びに、電池セル150の電極と導通している締結部材60の短絡を引き起こしうる。短絡は、BMSの動作不良又は故障を引き起こす。本実施形態に係る組電池100において、回路基板400に防湿材が塗布されることによって、回路基板400における結露に起因するBMSの動作不良又は故障が低減しうる。
図5に示されているように、防湿材は、第1防湿材10と、第2防湿材20とを含む。第1防湿材10は、電子部品410及び420が実装されている部分を含む第1領域A1を覆っている。第2防湿材20は、締結部材60の頭部62と、ワッシャ66と、基板面400aにおいてワッシャ66の座面が当接している部分の周囲を含む第2領域A2とを覆っている。第1防湿材10は、第1領域A1と第2領域A2との境界から、第2領域A2にはみ出すことがある。第2防湿材20は、第1領域A1と第2領域A2との境界から、第1領域A1にはみ出すことがある。第1防湿材10と第2防湿材20とは、第1領域A1と第2領域A2との境界又はその近傍において重なってもよい。
第1防湿材10及び第2防湿材20は、例えば、アクリル又はポリオレフィン等の絶縁性の樹脂を含んでよい。第1防湿材10の材質と第2防湿材20の材質とは、同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。第1防湿材10及び第2防湿材20は、アクリル又はポリオレフィン等の材料を溶媒に溶かした溶液を回路基板400に塗布し、溶媒を乾燥させることによって、基板面400a及び400b、並びに、締結部材60を覆うように設けられるとする。防湿材を溶かす溶媒は、例えば、トルエン、キシレン、MEK(Methyl Ethyl Ketone)又はメチルシクロヘキサン等を含んでよい。
第1防湿材10は、基板面400aに実装されている電子部品410及び420と、基板面400bに実装されている電子部品410及び420とを両方とも覆うように設けられる。つまり、第1防湿材10は、回路基板400の両面に設けられる。第1防湿材10が回路基板400の両面に設けられることによって、回路基板400における結露に起因するBMSの動作不良又は故障がより一層低減しうる。第2防湿材20は、締結部材60の頭部62とワッシャ66とを覆う。防湿材を回路基板400に塗布するタイミングは、回路基板400をホルダ120に締結するタイミングより先か後かによって特定される。
仮に、回路基板400がホルダ120に締結された後に、第1防湿材10が塗布される場合、第1防湿材10を基板面400bに塗布することは困難である。したがって、第1防湿材10は、回路基板400がホルダ120に締結される前に、基板面400a及び400bの第1領域A1に塗布される。
仮に、回路基板400がホルダ120に締結される前に、第2防湿材20が塗布される場合、第2防湿材20は、締結部材60及びワッシャ66を覆うことができない。また、第2防湿材20は、基板面400aのうちワッシャ66が当接する部分にも塗布されるとともに、回路基板400の内面430、及び、孔を貫通した先の基板面400bにも塗布される。したがって、第2防湿材20は、回路基板400がホルダ120に締結された後に、基板面400aの第2領域A2と、締結部材60及びワッシャ66とに塗布される。
結果として、回路基板400に防湿材を塗布する方法は、以下の工程を含む。
(第1工程)第1防湿材10の溶液が回路基板400の第1領域A1に塗布される。
(第2工程)第1工程の後に回路基板400が締結部材60によってホルダ120に締結される。
(第3工程)第2工程の後に第2防湿材20の溶液が第2領域A2と締結部材60とに塗布される。
第1防湿材10が塗布される第1領域A1は、締結部材60の頭部62の座面又はワッシャ66の座面が基板面400aに当接する領域を含まない。仮に、頭部62の座面又はワッシャ66の座面が当接する領域に第1防湿材10が設けられる場合、締結部材60は、第1防湿材10を介して、回路基板400とバスバとを締結部122に締結する。この場合、第1防湿材10の劣化によって、締結部材60が緩む可能性がある。締結部材60の緩みは、組電池100の信頼性を低下させる。本実施形態において、頭部62の座面又はワッシャ66の座面が基板面400aに当接する領域を第1領域A1が含まないことによって、組電池100の信頼性が向上しうる。
第1防湿材10は、電子部品410及び420の端子を覆う必要がある。電子部品410がICである場合、その端子は、狭ピッチとなっている。第1防湿材10が狭ピッチの端子の間に入り込むように、第1防湿材10の粘度が低くされてよい。第1防湿材10の溶液の濃度が低くされることによって、第1防湿材10の溶液の粘度が低くされる。第1防湿材10の溶液の粘度は、第1粘度とも称される。
第2防湿材20は、締結部材60の頭部62を覆う必要がある。頭部62は、電子部品410及び420よりも、基板面400aから大きく突出している。したがって、第2防湿材20の溶液は、頭部62の上面から側面にかけての位置にとどまりにくい。第2防湿材20が頭部62の上面及び側面にとどまりやすいように、第2防湿材20の粘度は、第1防湿材10の粘度よりも高くされてよい。第2防湿材20の溶液の濃度が高くされることによって、第2防湿材20の溶液の粘度が高くされる。第2防湿材20の溶液の粘度は、第2粘度とも称される。
第2防湿材20が塗布される部分の段差は、所定値以上であるともいえる。一方で、第1防湿材10が塗布される部分の段差は、所定値未満であるともいえる。
第1防湿材10は、例えばスプレー塗布機によって回路基板400に塗布されてよい。スプレー塗布機は、比較的低い粘度を有する溶液を塗布する用途で用いられることがある。スプレー塗布機は、回路基板400の基板面400a及び400bの上の座標の指定に基づいて、第1領域A1に第1防湿材10を塗布できる。スプレー塗布機は、溶液の噴射スピード、噴射量、噴射角、又はノズルの移動速度等の種々のパラメータに基づいて制御されうる。第1防湿材10は、スプレー塗布機に限られず他の種々の形式の装置によって塗布されてもよい。
第2防湿材20は、例えばディスペンサによって回路基板400及び締結部材60に塗布されてよい。ディスペンサは、比較的高い粘度を有する溶液を塗布する用途で用いられることがある。ディスペンサは、回路基板400の基板面400aの上の座標の指定に基づいて、第2領域A2及び締結部材60の上に第2防湿材20を塗布できる。ディスペンサは、溶液の供給スピード、供給量、又はノズルの移動速度等の種々のパラメータに基づいて制御されうる。第2防湿材20は、ディスペンサに限られず他の種々の形式の装置によって塗布されてもよい。
第2防湿材20が塗布される第2領域A2は、第1防湿材10が塗布されている領域に囲まれている。これによって、第2防湿材20は、第1防湿材10がブロックすることによって濡れ広がりにくくなり、締結部材60の周囲にとどまりやすくなる。その結果、締結部材60が第2防湿材20で覆われやすくなるとともに、第2防湿材20の塗布量が少なくされうる。
本実施形態において、防湿材の厚みは、防湿材が設けられている各部の外面の法線方向に沿って防湿材が存在する距離として定義されるとする。防湿材の厚みは、基板面400a及び400bの法線方向に沿って防湿材が存在する距離として定義されてもよいし、他の基準によって定義されてもよい。防湿材の厚みは、防湿材が設けられた回路基板400の断面の観察によって測定されてよい。例えば、防湿材が設けられた回路基板400を、防湿材とは異なる材料でコーティングした上で回路基板400の断面をカットすることによって、防湿材の形状を維持したままでその断面を観察できる。断面は、例えば、SEM(Scanning Electron Microscope)又はTEM(Transmission Electron Microscope)等によって観察されてよい。
第1防湿材10が設けられている第1領域A1に含まれる構造の外面の段差は、締結部材60の段差よりも小さい。防湿材の溶液は、大きい段差を有する部分に溜まりやすい。したがって、段差が小さいほど、そこに設けられている防湿材の厚みのばらつきが小さくなる。また、第1防湿材10の溶液の粘度は、第2防湿材20の溶液の粘度よりも低い。防湿材の溶液の粘度が低いほど、塗布した膜厚のばらつきが小さくなる傾向にある。以上のことから、第1防湿材10の厚みのばらつきは、第2防湿材20の厚みのばらつきよりも小さくなりうる。
第2防湿材20の厚みのばらつきは、第1防湿材10の厚みのばらつきよりも大きい。第2防湿材20が第2領域A2と締結部材60とを覆うことができるように、第2防湿材20の溶液の塗布量が大きくされてよい。この場合、基板面400aの上に位置する第2防湿材20の乾燥後の厚みは、基板面400aの上に位置する第1防湿材10の乾燥後の厚みよりも大きくなる。第1防湿材10と第2防湿材20とが同一の基板面400aの上に位置する場合、その基板面400aの上において、第2防湿材20の厚みが第1防湿材10の厚みよりも大きくされることによって、第2防湿材20が締結部材60を覆いやすくなる。図5において、基板面400aの上に位置する第1防湿材10及び第2防湿材20それぞれの乾燥後の厚みは、T1及びT2として表されている。
第2防湿材20の溶液の濃度は、第1防湿材10の溶液の濃度よりも高い。基板面400aの上に、第1防湿材10の溶液、及び、第2防湿材20の溶液それぞれを同じ量だけ塗布した場合、乾燥後の第2防湿材20の厚みは、乾燥後の第1防湿材10の厚みよりも大きくなる。つまり、第2防湿材20のうち基板面400aの上に位置する部分の厚みは、第1防湿材10のうち基板面400aの上に位置する部分の厚みよりも大きい。
第1防湿材10及び第2防湿材20それぞれの厚みは、第1領域A1と第2領域A2との境界から所定範囲内の位置における厚みで比較されてもよい。第1防湿材10及び第2防湿材20それぞれの厚みは、電子部品410及び420、並びに、締結部材60から所定距離以上離れた位置における厚みで比較されてもよい。これらの場合、比較対象となる厚みの測定結果は、基板面400aの上の段差による影響を受けにくい。これらの場合でも、第2防湿材20の厚みは、第1防湿材10の厚みよりも大きくなっていてよい。
本開示に係る一実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段等を1つに組み合わせたり、あるいは分割したりすることが可能である。
本開示において「第1」及び「第2」等の記載は、当該構成を区別するための識別子である。本開示における「第1」及び「第2」等の記載で区別された構成は、当該構成における番号を交換することができる。例えば、第1防湿材は、第2防湿材と識別子である「第1」と「第2」とを交換することができる。識別子の交換は同時に行われる。識別子の交換後も当該構成は区別される。識別子は削除してよい。識別子を削除した構成は、符号で区別される。本開示における「第1」及び「第2」等の識別子の記載のみに基づいて、当該構成の順序の解釈、小さい番号の識別子が存在することの根拠に利用してはならない。
本開示において、X軸、Y軸及びZ軸は、説明の便宜上設けられたものであり、互いに入れ替えられてよい。本開示に係る構成は、X軸、Y軸及びZ軸によって構成される直交座標系を用いて説明されてきた。本開示に係る各構成の位置関係は、直交関係にあると限定されるものではない。
10、20 第1、第2防湿材
60(62、64) 締結部材(頭部、軸部)
66 ワッシャ
100 組電池
110 下部ケース
120 セルホルダ
122 締結部
150 電池セル
151 キャップ面
152、153 正電極、負電極
160~163 電極間バスバ
164、165 総プラス電極バスバ、総マイナス電極バスバ
250、270 正極端子、負極端子
400 回路基板
400a、400b 基板面
410、420 電子部品
430 内面

Claims (4)

  1. 電極を有する電池セルと、
    前記電池セルを保持するホルダと、
    前記電極と導通しているバスバと、
    前記電池セルを制御する電子部品が実装されている基板面を有する回路基板と、
    前記バスバと前記回路基板とを前記ホルダに締結する締結部材と、
    前記回路基板と前記締結部材とを覆う防湿材と
    を備え、
    前記防湿材は、前記基板面のうち前記電子部品が実装されている部分を含む第1領域を覆う第1防湿材と、前記基板面のうち前記締結部材の周囲の部分を含む第2領域と前記締結部材とを覆う第2防湿材とを含み、
    前記第2防湿材のうち前記基板面の上に位置する部分の厚みは、前記第1防湿材のうち前記基板面の上に位置する部分の厚みよりも大きい、組電池。
  2. 前記第1防湿材の厚みのばらつきは、前記第2防湿材の厚みのばらつきよりも小さい、請求項1に記載の組電池。
  3. 第1粘度を有する第1防湿材の溶液を、電極を有する電池セルを制御する電子部品が実装されている回路基板の第1領域に塗布する第1工程と、
    前記第1工程の後、前記電池セルの電極と導通しているバスバと前記回路基板とを、前記電池セルを保持しているホルダに、締結部材によって締結する第2工程と、
    前記第2工程の後、前記第1粘度より高い第2粘度を有する第2防湿材の溶液を、前記締結部材を含む第2領域に塗布する第3工程と
    を含み、
    前記第1領域は、前記締結部材が当接する領域を含まない、塗布方法。
  4. 前記第1工程において、前記回路基板の両面に前記第1防湿材を塗布する、請求項3に記載の塗布方法。
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