JP7853276B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置に関する。

多数の二次電池セルを直列、並列に接続した電源装置は、サーバーのバックアップ用電源として、あるいは据え置き型の蓄電用途で家庭用、事業所用、工場用の電源装置として、さらにはハイブリッド車や電気自動車、電動カートや電動スクータなどの車両の駆動用、アシスト自転車や電動工具の駆動用電力源等に用いられている。

このような電源装置は、円筒形の二次電池セルを多数、直列に接続して高出力化を図っている。具体的には、図７に示す電源装置２００のように円筒形の二次電池セル２０１を上下に向けた姿勢に電池ホルダ２１０で保持し、各二次電池セル２０１の端面に設けられた電極をリード板２０４で接続している。一方で各二次電池セル２０１は、正極側に安全弁を設けているものが多い。安全弁は、何らかの異常により二次電池セル２０１の内部が高圧になった際に開弁して、内部の高圧ガスを外部に排出する。このため、電池セルの安全弁を設けた端面（一般には正極側）は、万一の場合に備えてガスを排出するためのガスダクトを設ける必要がある。この結果、電源装置２００の上下にダクトを配置するスペースを確保する必要があった。

これに対して、図８に示す電源装置３００のように二次電池セル３０１をすべて正極側が上面になる姿勢に電池ホルダ３１０で保持することで、ダクトを設ける空間を二次電池セル３０１の上方にのみ確保して、電源装置３００の低背化を図ることが考えられる。しかしながらこの構成では、万一電源装置が水没した場合に、意図しない短絡を生じることがあることが本発明者らの試験により発覚した。具体的には、電源装置を塩水に浸漬した後、塩水をくみ出す試験において、電源装置の内部に残留した水分等によって、数時間～数十時間経過後に異常発熱を生じ得る場合があることが確認された。

特開２０１４－１０２９６８号公報

本発明の目的の一は、安全性を高めた電源装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の目的を達成するために、本発明の第１の形態に係る電源装置は、一方の端面に安全弁を設けた正極を備える複数の二次電池セルと、正極を一方の端面に設けた二次電池セルを複数、正極を鉛直下向きの姿勢にそれぞれ直立姿勢で平行状態に保持する電池ホルダと、前記電池ホルダを収納する内部空間に床面と天面を有する筐体とを備える電源装置であって、前記電池ホルダは、前記筐体の内部で、前記床面から前記二次電池セルの正極を離間させて第一空間を形成した状態に維持されている。上記構成により、二次電池セルの正極と床面との間に第一空間を設けて、安全弁からガスが排出された場合の排気の空間として利用しつつ、さらに電源装置が水没や浸水等に晒された場合に、水分が溜まりやすい床面から正極を離間させて安全性を向上できる。

また本発明の第２の形態に係る電源装置は、上記構成において、前記筐体の内部で、前記床面と前記二次電池セルの正極側端面との第一空間の高さを、前記天面と前記二次電池セルの他方の端面との間の距離よりも大きくしている。上記構成により、安全弁からのガスを排出する空間を二次電池セルを床面から離間させる空間に兼用して、筐体内の空間を効率的に活用し、電源装置の低背化を図ることが可能となる。

さらに本発明の第３の形態に係る電源装置は、上記いずれかの構成において、さらに、前記天面と前記二次電池セルの他方の端面との間に介在され、前記天面と前記二次電池セルの他方の端面とを熱結合状態とする絶縁性の熱伝導層を備えている。上記構成により、筐体内の天面側に配置された二次電池セルの他方の端面を熱伝導層と熱結合させて、この二次電池セルを効率良く放熱することが可能となる。

さらにまた本発明の第４の形態に係る電源装置は、上記いずれかの構成において、前記熱伝導層が、シート状に形成されている。上記構成により、簡単な構成で熱伝導層を介して二次電池セルを筐体と熱結合させることが可能となる。

さらにまた本発明の第５の形態に係る電源装置は、上記いずれかの構成において、前記電池ホルダは、前記筐体の床面と対向する面に、嵩上部を設けており、前記嵩上部でもって前記第一空間を画成している。上記構成により、筐体の内部で電池ホルダを床面から嵩上部を介して容易に離間させて、ガスを排気させる第一空間を形成することが可能となる。

さらにまた本発明の第６の形態に係る電源装置は、上記いずれかの構成において、さらに、前記二次電池セルの一方の端面側で、正極及び負極に固定されたリード板を備える。上記構成により、二次電池セルの一方の端面側で正極と負極に接続させることが可能となり、従来のように二次電池セルの両側の端面にそれぞれリード板を配置する構成と比べて省スペース化に寄与できる。

さらにまた本発明の第７の形態に係る電源装置は、上記いずれかの構成において、前記リード板が、エッチングされた金属板で構成されている。上記構成により、カスタマイズが容易なエッチングリード板でもって安価に正極と負極を二次電池セルの同じ端面から接続する構成を実現できる。

さらにまた本発明の第８の形態に係る電源装置は、上記いずれかの構成において、前記電池ホルダが、前記複数の二次電池セルを個別に収納する収納空間を樹脂製の隔壁でもって形成している。上記構成により、隣接する二次電池セル同士を個別に隔離して絶縁して、安全性を向上できる。

さらにまた本発明の第９の形態に係る電源装置は、上記いずれかの構成において、前記電池ホルダが、複数のサブホルダに分割されて、前記複数の二次電池セルを各端面から挟持し、該二次電池セルの中間部分を前記電池ホルダから露出させている。上記構成により、二次電池セルの中間を露出させて放熱性を向上させることができる。

さらにまた本発明の第１０の形態に係る電源装置は、上記いずれかの構成において、前記二次電池セルが、円筒状の外装缶を備えている。

本発明の一実施形態に係る電源装置を示す斜視図である。 図１の電源装置の分解斜視図である。 図２の電池ユニットの分解斜視図である。 図３の電池ユニットを斜め下方から見た分解斜視図である。 図１の電源装置のＶ－Ｖ線における垂直断面図である。 図５の電源装置の要部拡大模式断面図である。 比較例に係る電源装置を示す模式断面図である。 他の比較例に係る電源装置を示す模式断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明は以下のものに特定されない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一若しくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

本発明の電源装置は、サーバー用のバックアップ電源、ハイブリッド車や電気自動車などの電動車両に搭載されて走行モータに電力を供給する電源、太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーの発電電力を蓄電する電源、あるいは深夜電力を蓄電する電源用など、種々の用途に使用され、特に大電力、大電流の用途に好適な電源として使用される。以下、本発明の一実施形態として、サーバー用のバックアップ電源として用いる電源装置について説明する。
［実施形態１］

本発明の実施形態１に係る電源装置１００を図１～図６に示す。これらの図において、図１は本発明の実施形態１に係る電源装置１００を示す斜視図、図２は図１の電源装置１００の分解斜視図、図３は図２の電池ユニット５の分解斜視図、図４は図３の電池ユニット５を斜め下方から見た分解斜視図、図５は図１の電源装置１００のＶ－Ｖ線における垂直断面図、図６は図５の電源装置１００の要部拡大模式断面図を、それぞれ示している。これらの図に示す電源装置１００は、筐体２０と、筐体２０に収納される電池ユニット５を備える。
（筐体２０）

筐体２０は、図１、図２に示すように中空の箱形であり、例えば金属ケース等で構成される。図１の例では、上ケース２１Ａと下ケース２１Ｂに二分割されており、その内部に一以上の電池ユニット５を収納する。図２の例では、上ケース２１Ａを、下方を開放した断面視コ字状とし、下ケース２１Ｂを、上方を開放したトレイ状として、螺合等により固定される。また筐体２０は、内部空間を画成する天面２３と床面２２を、ほぼ平坦面としている。また天面２３と床面２２には、必要に応じてその内面に絶縁シートを貼付するなどして、絶縁性を確保している。
（電池ホルダ１０）

電池ユニット５は、図３、図４の分解斜視図に示すように、多数の円筒形の二次電池セル１と、これを保持する電池ホルダ１０と、熱伝導層３０を備える。電池ホルダ１０は、複数の二次電池セル１を直立させた姿勢で互いに平行状態に保持する。この電池ホルダ１０は、複数のサブホルダ、ここでは上ホルダ１０Ｂと下ホルダ１０Ａに二分割されており、各二次電池セル１を上下で保持する。電池ホルダ１０で保持された状態で、二次電池セル１は図５の断面図に示すように、中間部分を電池ホルダ１０から露出させており、放熱性を向上させている。上ホルダ１０Ｂと下ホルダ１０Ａは、それぞれ絶縁性の部材、例えばポリカーボネートやＡＢＳ等の樹脂材料で構成される。この例では下ホルダ１０Ａは、隔壁１４でもって複数の二次電池セル１を個別に収納する収納空間１３Ａを形成している。収納空間１３Ａは、二次電池セル１の外装缶の形状に沿う形状に形成される。この例では収納空間１３Ａは円筒状に形成される。このように樹脂製の隔壁１４でもって隣接する二次電池セル１同士を個別に隔離することで絶縁性を高め、安全性が向上される。さらに下ホルダ１０Ａの下側には、二次電池セル１の正極２を表出させる開口窓１５を設けている。各二次電池セル１は、開口窓１５から正極２を表出させた状態で、リード板４により直列や並列に接続される。

上ホルダ１０Ｂは、下ホルダ１０Ａと同様に形成してもよいが、異なる形状としてもよい。図３及び図４の例では、上ホルダ１０Ｂは、板状に形成され、二次電池セル１の端部を挿入する収納空間１３Ｂとして、穴を形成している。このように収納空間１３Ｂを薄くすることで、二次電池セル１の周囲を電池ホルダ１０から表出させる面積を広く確保し、放熱性能を向上できる。
（二次電池セル１）

各二次電池セル１は、その外装缶を円筒形とする円筒形二次電池セルである。円筒形二次電池セルは、両側の端面に電極面を有する。また一方の電極面には、安全弁を備えている。安全弁は、外装缶の内圧が上昇すると開弁して、内部のガスを放出するための部材である。なお安全弁は一般には正極２側に設けられるが、本発明は安全弁を設ける位置を正極側に特定するものでなく、他の位置、例えば負極側としてもよい。このような二次電池セル１には、円筒形のリチウムイオン二次電池が好適に利用できる。ただ本発明の電池パックは、二次電池セルを円筒形電池には特定せず、またリチウムイオン二次電池にも特定しない。二次電池セルには、充電できるすべての電池、例えばニッケル水素電池やニッカド電池なども使用できる。
（リード板４）

二次電池セル１の下端面には、図４に示すようにリード板４が固定される。リード板４を介して、複数の二次電池セル１は直列や並列に接続される。リード板４は金属板で構成され、二次電池セル１と溶接される。リード板４を所定の位置に位置決めするよう、電池ホルダ１０の外面には、リード板４の外形に沿ったリード位置決めガイド１６が形成される。二次電池セル１を電池ホルダ１０の収納空間１３Ａに挿入した後、電池ホルダ１０から表出された二次電池セル１の電極面に対して、リード位置決めガイド１６で位置決めされたリード板４をレーザ溶接や超音波溶接等により固定する。

このリード板４は、二次電池セル１の正極２と負極を、同じ端面側、すなわち下端面側で接続している。一般に円筒型二次電池は、一方の端面の中心に正極２を、その周囲を囲むように負極を、それぞれ配置している。したがって、リード板４を部分的に折曲して正極２側に突出させた状態で溶接する一方、端面の周囲を他のリード板４に溶接することで、二次電池セル１の一方の面のみで正極２と負極に接続することが可能となる。これにより、図７に示す電源装置２００のように、二次電池セル２０１の両側にそれぞれリード板２０４を溶接する構成と比べ、片方のリード板４のみで済むことから省スペース化に有利となる。また片面の溶接のみで済むため、製造タクトも短縮できる。このようなリード板４は、例えば金属板をエッチングにより加工して成形される。エッチングリード板は、成型金型が不要で、複雑な形状にできる利点が得られる。

また電池ユニット５は、回路基板を設けてもよい。回路基板には、二次電池セル１が直列や並列に接続された電池集合体の中間の電位を検出する電圧検出回路や、充放電を制御する制御回路、安全回路等の電子回路が実装される。電池集合体を構成する直列接続された複数の二次電池セル１の中間電位は、リード板４の電位から検出されて電圧検出回路に入力される。
（嵩上部１７）

各二次電池セル１は、図６の模式断面図に示すように、安全弁を設けた正極２側が下向きの姿勢となるように、電池ホルダ１０で保持される。さらに電池ホルダ１０の下面には、筐体２０の床面２２から二次電池セル１の下端面を離間させて第一空間ＳＰ１を形成している。第一空間ＳＰ１を形成するため、電池ホルダ１０は図４に示すように、筐体２０の床面２２と対向する面に、嵩上部１７を設けている。嵩上部１７は、電池ホルダ１０の底面側の縁部に沿って複数個が離間して設けられる。このような嵩上部１７は、電池ホルダ１０と一体に形成することが好ましい。ただ、電池ホルダと別部材で嵩上げ部を設けてもよい。

このような構成により、二次電池セル１の正極２側に設けられた安全弁からガスが排出された場合に、排出ガスを電源装置１００の外部まで案内するガスダクトとして利用できる。加えて、電源装置１００が水没や浸水等に晒された場合には、水分が溜まりやすい床面２２から正極２を離間させることで、安全性を向上できる。このように、二次電池セル１の上端側でなく下端側に隙間を設け、かつ二次電池セル１を正極２側が下向きとなる姿勢に保持することで、ガス排出空間を、水分から電極を保護する空間に兼用でき、電源装置１００の低背化に寄与できる。また第一空間ＳＰ１の高さは、筐体２０内部の天面２３と二次電池セル１の上端面との間の距離Ｄ２よりも大きくすることが好ましい。これにより、電源装置１００の一層の低背化が図られる。
（熱伝導層３０）

さらに筐体２０内部の天面２３と二次電池セル１の上端面との間には、熱伝導層３０が介在される。熱伝導層３０は、天面２３と二次電池セル１の上端面とを熱結合する。この熱伝導層３０は、熱伝導性に優れた材質で構成される。また熱伝導層３０は、絶縁性を備えており、二次電池セル１の上端面、例えば負極端子を金属製の筐体２０と絶縁する。このような熱伝導層３０には、シリコーン樹脂シート等が好適に利用できる。またシート状の熱伝導層３０は、筐体２０の天面２３に両面テープ等で貼付して固定できる。

熱伝導層３０の厚さは、二次電池セル１の上端面との間の距離Ｄ２と同じか、これよりも若干厚く形成する。また熱伝導層３０は、好ましくは可撓性を備え、二次電池セル１上面と筐体２０天面２３との間で押圧されて、隙間なく密着させる。これにより空気層が形成されることで熱伝導が阻害される事態を回避できる。また熱伝導層３０は、シート状の板材などの別部品とする他、例えば未硬化の樹脂や接着材を二次電池セル１と筐体２０天面２３との間に塗布して硬化させた層状としてもよい。これにより、隙間の発生を低減できる。

このように熱伝導層３０を二次電池セル１の上端面側に配置することで、熱対流により二次電池セル１の上部に伝わった熱を効率良く放熱できる。特に従来の電源装置１００では、図８に示すように二次電池セル１の下端側に放熱板などを配置することが一般的であったところ、この構成に比べて上方に移動した熱を放熱する本実施形態の構成は、伝熱性の点で有利となる。また二次電池セル１の下側に放熱板を配置する構成では、放熱板に水が溜まると意図しない短絡の原因となるところ、上述の通り放熱機構を二次電池セル１の上端面側に配置して、下端面側を第一空間ＳＰ１とすることで、水に触れるリスクを低減し、安全性の面でも有利となる。

本発明に係る電源装置は、コンピュータサーバーの電源モジュールに搭載可能なバックアップ電源装置として好適に利用できる。また、携帯電話等の無線基地局用のバックアップ電源装置、家庭内用、工場用の蓄電用電源、街路灯の電源等、太陽電池と組み合わせた蓄電装置、信号機等のバックアップ電源用、あるいはＥＶ走行モードとＨＥＶ走行モードとを切り替え可能なプラグイン式ハイブリッド電気自動車やハイブリッド式電気自動車、電気自動車等の電源等の用途にも適宜利用できる。

１００、２００、３００…電源装置
１、２０１、３０１…二次電池セル
２…正極
４、２０４…リード板
５…電池ユニット
１０、２１０、３１０…電池ホルダ
１０Ａ…下ホルダ
１０Ｂ…上ホルダ
１３Ａ、１３Ｂ…収納空間
１４…隔壁
１５…開口窓
１６…リード位置決めガイド
１７…嵩上部
２０…筐体
２１Ａ…上ケース
２１Ｂ…下ケース
２２…床面
２３…天面
３０…熱伝導層
ＳＰ１…第一空間
Ｄ２…距離

Claims (9)

1. 一方の端面に安全弁を設けた正極を備える複数の二次電池セルと、
   正極を一方の端面に設けた二次電池セルを複数、正極を鉛直下向きの姿勢にそれぞれ直立姿勢で平行状態に保持する電池ホルダと、
   前記電池ホルダを収納する内部空間に床面と天面を有する筐体と、
   を備える電源装置であって、
   前記電池ホルダは、前記筐体の内部で、前記床面から前記二次電池セルの正極を離間させて第一空間を形成した状態に維持されており、
   前記電池ホルダは、前記筐体の床面と対向する底面であって、前記底面側の縁部に沿って配置された嵩上部を設けており、
   対向する前記縁部に設けられた前記嵩上部同士の間に前記第一空間を画成してなる電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置であって、
   前記筐体の内部で、前記床面と前記二次電池セルの正極側端面との第一空間の高さを、前記天面と前記二次電池セルの他方の端面との間の距離よりも大きくしてなる電源装置。
3. 請求項２に記載の電源装置であって、さらに、
   前記天面と前記二次電池セルの他方の端面との間に介在され、前記天面と前記二次電池セルの他方の端面とを熱結合状態とする絶縁性の熱伝導層を備えてなる電源装置。
4. 請求項３に記載の電源装置であって、
   前記熱伝導層は、シート状に形成されてなる電源装置。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の電源装置であって、さらに、
   前記二次電池セルの一方の端面側で、正極及び負極に固定されたリード板を備える電源装置。
6. 請求項５に記載の電源装置であって、
   前記リード板が、エッチングされた金属板で構成されてなる電源装置。
7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の電源装置であって、
   前記電池ホルダが、前記複数の二次電池セルを個別に収納する収納空間を樹脂製の隔壁でもって形成してなる電源装置。
8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の電源装置であって、
   前記電池ホルダが、複数のサブホルダに分割されて、前記複数の二次電池セルを各端面から挟持し、該二次電池セルの中間部分を前記電池ホルダから露出させてなる電源装置。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の電源装置であって、
   前記二次電池セルが、円筒状の外装缶を備える電源装置。