JPWO2006059421A1 - 電気デバイス集合体 - Google Patents

Abstract

本体ケースの振動と、その本体ケース内に収容されたフィルム外装電気デバイスの振動とが共振し難い構造の電気デバイス集合体を提供する。充放電可能なフィルム外装電池が個別に収容された２以上のセルケース２０を一纏めにした電池モジュール３０が本体ケース５１内に複数収容され、本体ケースを構成する下ケース５２及びケース５３と電気モジュール３０との間に、下側ゴムシート５６及び上側ゴムシート５７が配置されている。

Description

本発明は、充放電可能な電気デバイス要素がフィルムによって被覆されてなるフィルム外装電気デバイスがケース内に複数収容された電気デバイス集合体に関するものである。

近年、電動モータを駆動源とする電気自動車やハイブリッド電気自動車（以下、単に「電気自動車」という）の開発が急速に進められている。電気自動車に搭載される電動モータの電源には、電気自動車等の操縦特性や一回の充電での走行距離等を向上させるために、小型軽量化が求められる。かかる要求に応える電源を実現すべく、特開２００１−７６６９１号公報などに開示されているフィルム外装電池が開発されている。また、前記フィルム外装電池をケース内に多数収容して所望の出力電圧が得られるようにした電池パック（「組電池」と呼ばれることもある）も開発されている。特開２００１−７６６９１号公報などに開示されているフィルム外装電池の基本構造を図７に示す。このフィルム外装電池１００は、正極側活電極、負極側活電極、及び電解液からなる発電要素１０１がラミネートフィルム１０２によって被覆されている。ラミネートフィルム１０２は、アルミニウムなどの金属フィルムと熱融着性の樹脂フィルムとが重ね合わされたフィルムである。発電要素１０１を被覆している２枚のラミネートフィルム１０２の対向する４辺は、気密に溶着されている。また、溶着されたラミネートフィルム１０２の一方の短辺からは、フィルム状の正電極端子１０３が引き出され、他方の短辺からはフィルム状の負電極端子１０４が引き出されている。

図７に示す基本構造を有するフィルム外装電池がケース内に多数収容された電池パックを電気自動車などの移動体に搭載するに際し、次のような問題があった。すなわち、移動体の移動中に発生する振動によってケース内のフィルム外装電池の位置にズレが生じたり、フィルム外装電池の外装に亀裂が発生したりする。特に、電気自動車の走行中には、主に１００Ｈｚ以下の振動が連続的に発生している。この振動数とフィルム外装電池の固有振動数が一致すると（共振すると）、非共振時に比べて非常に大きな衝撃がフィルム外装電池に加わるので、上記問題が発生する可能性が高い。

本発明の目的は、ケースの振動と、そのケース内に収容されたフィルム外装電気デバイスの振動とが共振し難い構造の電気デバイス集合体を提供することである。

本発明は、フィルム外装電気デバイスと、そのフィルム外装電気デバイスが収容されたケースとの間に弾性体が介在していることを特徴とする。この弾性体は、フィルム外装電気デバイスに伝わる振動を減衰させ、ケースとフィルム外装電気デバイスとの共振を防止する。

本発明のフィルム外装電気デバイスの一つは、充放電可能な電気デバイス要素がフィルムによって被覆された複数のフィルム外装電気デバイスと、前記複数のフィルム外装電気デバイスが個別に収容された複数のセルケースと、前記複数のセルケースが積層されて収容されている本体ケースと、前記セルケースと前記本体ケースとの間に介在する弾性体とを有する。

本発明のフィルム外装電気デバイスの他の一つは、充放電可能な電気デバイス要素がフィルムによって被覆された複数のフィルム外装電気デバイスと、前記複数のフィルム外装電気デバイスが個別に収容された複数のセルケースと、前記セルケースが所定個数ずつ積層されて収容されている複数のモジュールケースと、前記複数のモジュールケースが収容されている本体ケースと、前記モジュールケースと前記本体ケースとの間に介在する弾性体とを有する。

前記モジュールケースに収容された複数のセルケースを、モジュールケースの側板と蓋板との間に挟んで固定することができる。さらに、モジュールケース内に収容された複数のセルケースに固定部材を貫通させて一体化することもできる。

前記フィルム外装電気デバイスには、正極側活電極、負極側活電極、及び電解液を有する発電要素が２枚のラミネートフィルムによって気密に被覆されたフィルム外装電池が含まれる。

フィルム外装電池の外観斜視図である。 ケース入りフィルム電池の分解斜視図である。 電池モジュールの分解斜視図である。 電池パックの分解斜視図である。 電池パックの上ケースが外された状態の斜視図である。 電池モジュールと本体ケースとの固定構造を示す断面図である。 従来のフィルム外装電池の外観斜視図である。

以下、本発明の電気デバイス集合体の実施形態の一例について詳細に説明する。本例の電気デバイス集合体は、複数個のフィルム外装電池（フィルム外装電気デバイス）が一体化された電池モジュールが、ゴムや樹脂などの弾性体を介してケース内に複数個収容されている電池パックである。

本例の電池パックを構成しているフィルム外装電池について図１を参照しながら説明する。図１に示すフィルム外装電池１０は、不図示の正極側活電極、負極側活電極、及び電解液を有する発電要素１１が２枚のラミネートフィルム１２によって気密に包装された二次電池である。このフィルム外装電池１０の出力電圧は、約３．６Ｖである。ラミネートフィルム１２は、アルミニウムなどの金属フィルムと熱融着性の樹脂フィルムとが重ね合わされたフィルムである。発電要素１１を被覆している上下２枚のラミネートフィルム１２の対向する４辺は気密に溶着されている。

フィルム外装電池の発電要素には、積層型と捲回型とがある。積層型の発電要素では、独立した正極側活電極と負極側活電極とがセパレータを介して積層されている。一方、捲回型の発電要素では、セパレータを介して積層された帯状の正極側活電極と負極側活電極とが捲回され、扁平状に圧縮されている。もっとも、正極側活電極と負極側活電極とが交互に積層されている点では、積層型も捲回型も同じである。図１に示すフィルム外装電池１０の発電要素１１は、積層型及び捲回型のいずれであってもよい。さらに、正極側活電極及び負極側活電極には、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられている正極板及び負極板を用いることができる。一般的な正極板は、アルミニウム箔などの両面に、リチウム・マンガン複合酸化物、コバルト酸リチウム等の正極活物質が塗布されている。一般的な負極板は、銅箔などの両面に、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料が塗布されている。従って、セパレータを介して対向させた前記一般的な正極板と負極板とにリチウム塩を含む電解液を含浸させることによって図１に示す発電要素１１を得ることができる。もっとも、発電要素１１は、特定の発電要素に限定されず、正極、負極および電解質を含む発電要素であれば如何なる発電要素であっても構わない。例えば、通常の電池に用いられる任意の発電要素をそのまま、或いは適宜設計変更して使用することも可能である。

再び図１を参照する。フィルム外装電池１０の一方の短辺からは、前記正極側活電極に接続された正電極端子１３が引き出され、他方の短辺からは、前記負極側活電極に接続された負電極端子１４が引き出されている。正電極端子１３及び負極用電極１４の材料は、電気的特性を考慮して選択される。図１に示すフィルム外装電池１０では、正電極端子１３にアルミニウム、負電極端子１４に銅又はニッケルが用いられている。

本例の電池パックでは、上記構造を有するフィルム外装電池１０が１つずつセルケース２０に収容されている。さらに、セルケース２０に収容されたフィルム外装電池１０（以下「ケース入りフィルム電池２１」）が所定個数ずつ一体化されて電池モジュール３０を構成している。そこで、セルケース２０の構造を図２に示し、電池モジュール３０の構造を図３に示す。

図２に示すように、セルケース２０は、ケース本体２１と枠体２２とから構成されている。ケース本体２１は、枠状の底板２３と、底板２３の周縁から立ち上げられた側壁２４とを有する。側壁２４は、その内側に、図１に示されているフィルム外装電池１０を収容可能な形状及び寸法を有する。一方、枠体２２は、ケース本体２１の側壁２４の内側に嵌合可能な形状及び寸法を有する。枠体２２をケース本体２１に収容されたフィルム外装電池１０の上に被せると、フィルム外装電池１０の周縁が、本体ケース２１の底板２３と枠体２２との間に挟まれる。ケース本体２１の底板２３には、７個の貫通孔２５が形成されている。これら貫通孔２５は、ケース本体２１内に収容されたフィルム外装電池１０、及びそのフィルム外装電池１０の上に被せられた枠体２２と重複しない位置に形成されている。換言すれば、貫通孔２５の開口位置は、ケース入りフィルム電池２１の表裏面に連通するように設計されている。尚、セルケース２０に収容されたフィルム外装電池１０の正電極端子１３及び負電極端子１４は、ケース本体２１の短辺に設けられている２つの切り欠き２６を通してセルケース２０の外部にそれぞれ引き出されている。

次に、電池モジュール３０について説明する。図３に示すように、電池モジュール３０は、モジュールケース内に、複数のケース入りフィルム電池２１を収容し、収容された複数のケース入りフィルム電池２１を一体化したものである。モジュールケースは、樹脂製の保持部材３１及び蓋板３２を有する。モジュールケース内には、１２個のケース入りフィルム電池２１が収容されている。

モジュールケースの保持部材３１は、側板３３と、側板３３の四隅から蓋板３２に向けて突設されたアーム３４とを有する。さらに、各アーム３４の内側には、ケース入りフィルム電池２１（セルケース２０）及び蓋板３２の四隅がそれぞれ嵌合可能な略Ｌ字形の案内溝３５が長手方向に沿って形成されている。１２個のケース入りフィルム電池２１は、案内溝３５の案内に従って４本のアーム３４の内側に収容され、セルケース２０の厚み方向に積層されている。

蓋板３２は、１２個のケース入りフィルム電池２１がアーム３４の内側に収容された後に、同じく案内溝３５の案内に従って４本のアーム３４の内側に嵌め込まれる。嵌め込まれた蓋板３２は、積層方向最も手前のケース入りフィルム電池２１ａに接触する。ここで、アーム３４の長さは、１２個のケース入りフィルム電池２１の厚みの合計よりも蓋板３２の厚み分だけ長くなっている。従って、１２個のケース入りフィルム電池２１に次いでアーム３４の内側に嵌め込まれた蓋板３２の表面と、アーム３４の端面とは面一になっている。尚、側板３３及びアーム３４の表面には、補強のために多数のリブが形成されている。

保持部材３１の側板３３には、各セルケース２０に設けられている貫通孔２５（詳しくは図２参照）と連通するロッド挿入孔３６が複数形成されている。また、蓋板３２にも、貫通孔２５と連通するボルト挿入孔３７が複数形成されている。そして、保持部材３１のロッド挿入孔３６から挿入された固定部材としてのロッド３８が、全てのケース入りフィルム電池２１を貫いて蓋板３２のボルト挿入孔３７に達している。ロッド３８は、細長中空で、その内周面には不図示の螺子が形成されている。ボルト挿入孔３７に達したロッド３８の一端には、ロッド３８と反対側からボルト挿入孔３７に挿入されたボルト３９が螺合されている。すなわち、保持部材３１、１２個のケース入りフィルム電池２１及び蓋板３２は、これらを貫く７本のロッド３８によって一体化（モジュール化）されている。

ロッド３８の他端には矩形の頭部４０が形成され、ロッド挿入孔３６の周縁には、頭部４０が嵌合可能な矩形の凹部（不図示）が形成されている。ロッド３８の頭部４０を前記凹部に嵌合させることによって、ロッド３８の一端にボルト３９を螺合する際のロッド３８の共回りが防止される。前記凹部の深さは、該凹部に嵌合した頭部４０が側板３３の表面から突出することがないように、頭部４０の厚み以上とされている。また、ロッド３８に螺合されたボルト３９の頭部４１が蓋板３２の表面から突出しないように、蓋板３２のボルト挿入孔３７の周縁にもボルト３９の頭部４１が嵌合可能な凹部が形成されている。

ボルト挿入孔３７の内径は、ロッド３８の外径よりも小さい。従って、蓋板３２に接しているケース入りフィルム電池２１ａを貫通したロッド３８の先端は、ボルト挿入孔３７には挿入されない。このことは、複数のケース入りフィルム電池２１を挟んでいる保持部材３１の側板３３と蓋板３２との間の距離をロッド３８の長さによって規定可能であることを意味する。さらに、金属製のロッド３８は、樹脂製の保持部材３１及び蓋板３２に比べて寸法精度が高いので、側板３３と蓋板３２との間の距離をより正確に規定可能であることを意味する。また、側板３３と蓋板３２との間の距離が正確に規定されるということは、その間の複数のケース入りフィルム電池２１が均一な圧力によって積層方向に加圧されることを意味する。

上記のようにしてモジュール化された１２個のケース入りフィルム電池２１は、上下のアーム３４間に架け渡されたバスバー４２を介して直列接続されている。従って、１つの電池モジュール３０の出力電圧は約４３Ｖである。もっとも、各電池モジュール３０を構成するケース入りフィルム電池２１の数は１２個に制限されない。但し、人間は、５０Ｖ以下であれば感電による即死を免れるとされているので、安全性の観点からは、出力電圧が５０Ｖ以下となる数が望ましい。

図４、図５に示すように、本例の電池パック５０では、図３に示す電池モジュール３０が本体ケース５１内に８個収容されている。本体ケース５１は、電池モジュール３０が搭載される下ケース５２と、下ケース５２に搭載された電池モジュール３０に被せられる上ケース５３と、上ケース５３の長手方向一方の開口部を閉塞するケース蓋５４とから構成されている。上ケースの長手方向他方の開口部は、リレーボックス５５によって閉塞されている。換言すれば、８個の電池モジュール３０は、蓋板５４とリレーボックス５５との間に一列に並べられた状態で本体ケース５１内に収容されている。リレーボックス５５には、ヒューズ、リレー、電流センサ等が収容されている。図４では、上ケース５３、蓋板５４及びリレーボックス５５は、便宜上図示が省略されている。

さらに、図４に最も明確に示されているように、電池モジュール３０の底面と下ケース５２との間に一対の下側ゴムシート５６が、電池モジュール３０の上面と上カバー５３（不図示）との間に一対の上側ゴムシート５７がそれぞれ配置されている。より具体的には、電池モジュール３０の底面と下ケース５２との間には、電池モジュール３０の配列方向に沿って細長い２本の下側ゴムシート５６が所定間隔で平行に配置されている。該下側ゴムシート５６は、電池モジュール３０の底面及び下ケース５２に密着している。一方、電池モジュール３０の上面と上ケース５３との間には、電池モジュール３０の配列方向に沿って細長い２本の上側ゴムシート５７が所定間隔で平行に配置されている。該上側ゴムシート５７は、電池モジュール３０の上面及び上ケース５３に密着している。

以上のような状態で本体ケース５１内に収容されている８個の電池モジュール３０は、下ケース５２及び下側ゴムシート５６又は上ケース５３及び上側ゴムシート５７を貫通する多数の段付きボルト６０によって本体ケース５１に固定されている。段付きボルト６０は、フランジ６４が形成された頭部と、軸部６５と、軸部６５よりも細い先端部とを有する。段付きボルト６０の先端部の外周面には、螺子６２が形成されている。段付きボルト６０による本体ケース５１と電池モジュール３０との固定構造は、全ての段付きボルト６０に関して実質的に共通である。そこで、任意の一つの段付きボルト６０による電池モジュール３０と本体ケース５１との固定構造を図６に示す。

図６には、上ケース５３と任意の一つの電池モジュール３０との固定構造が示されている。上ケース５３に設けられた穴６１から挿入された段付きボルト６０の軸部６５は、上側ゴムシート５７を貫通している。さらに、軸部６５の先に形成されている段付きボルト６０の螺子６２は、電池モジュール３０の上面に形成されているボルト穴６３に螺合されている。一方、段付きボルト６０の頭部に形成されているフランジ６４は、上ケース５３の穴６１の周縁に密着ている。すなわち、上側ゴムシート５７は、上ケース５３と電池モジュール３０とによって垂直方向への移動が規制され、段付きボルト６０によって水平方向への移動が規制されているが、上ケース５３にも電池モジュール３０にも直接には固定されていない。

本例の電池パック５０では、本体ケース５１が振動した際、その振動が上下のゴムシート５６、５７によって減衰される。よって、電池モジュール３０の固有振動数を予想される本体ケース５１の振動数以上に設定しておけば、本体ケース５１の振動数と電池モジュール３０の固有振動数とが一致することをほぼ確実に回避することができる。従って、本体ケース５１と電池モジュール３０との共振をほぼ確実に回避することができる。例えば、電池パック５０が電気自動車に搭載される場合、予想される本体ケース５１の主な振動数は１００Ｈｚ以下である。そこで、電池モジュール３０の固有振動数を１００Ｈｚ以上に設定しておけば、本体ケース５１と電池モジュール３０との共振をほぼ確実に回避することができる。ここで、上下のゴムシート５６、５７による振動減衰量を規定するパラメータの一つにゴム硬度がある。このゴム硬度は、予想される本体ケース５１の振動数その他の条件を考慮して好適な硬度を選択することが可能である。本例では硬度６０（ＪＩＳ
Ｈｓ硬度）のゴムシートを用いた。

本例の電池パック５０は、下ケース５２の長辺に突設された固定用ブラケット７０（図４、図５）を用いて不図示の搭載面に固定される。この際、下ケース５２を搭載面にリジットに固定することも、フローティング状態で固定することもできる。上下のゴムシート５６、５７のみでは電池モジュール３０に伝達される振動の周波数を該電池モジュール３０の固有振動数以下に減衰させることが困難な場合には、フローティング状態での固定が望ましい。フローティング状態での固定とは、搭載面と本体ケース５１とをゴム等の弾性体を介して固定することによって、搭載面の振動が直接本体ケース５１に伝達されないようにした固定状態を意味する。

上記のようにして本体ケース５１と一体化された８個の電池モジュール３０は、直列接続されている。具体的には、直列接続された４個の電池モジュール３０と、直列接続された他の４個の電池モジュール３０とが、リレーボックス５０内の安全プラグを介してさらに直列接続されている。従って、電池パック５０の出力電圧は、約３５０Ｖである。

本体ケース５１内に収容される複数のフィルム外装電池は、必ずしもモジュール化されている必要はない。図２に示すケース入りフィルム電池２１を本体ケース５１内に直接収容することもできる。ケース入りフィルム電池２１を本体ケース５１内に直接収容する場合、セルケース２０の底面と下ケース５２との間に下側ゴムシート５６を介在させ、セルケース２０の上面と上ケース５３との間に上側ゴムシート５７を介在させることができる。

これまでは、フィルム外装電気デバイスがフィルム外装電池である場合を例にとって、本発明の実施形態を説明してきた。しかし、本発明の電気デバイスモジュール又は電気デバイスモジュール集合体を構成するフィルム外装電気デバイスは、フィルム外装電池に限られない。例えば、電気エネルギを内部に蓄積可能な電気デバイス要素（例えば、電気二重層キャパシタや電解コンデンサに代表されるキャパシタ素子）が外装用フィルムで被覆されたフィルム外装電気デバイスも含まれる。

本発明では、フィルム外装電気デバイスが個別に収容された２以上のセルケースが弾性体を介して本体ケース内に収容されている。従って、本体ケースが振動した際、その振動が弾性体によって減衰されてセルケースに伝達される。よって、セルケースの固有振動数を予想される本体ケースの振動数以上に設定しておけば、本体ケースとセルケースとの共振がほぼ確実に回避される。

Claims (6)

1. 充放電可能な電気デバイス要素がフィルムによって被覆された複数のフィルム外装電気デバイスと、
   前記複数のフィルム外装電気デバイスが個別に収容された複数のセルケースと、
   前記複数のセルケースが積層されて収容されている本体ケースと、
   前記セルケースと前記本体ケースとの間に介在する弾性体と、
   を有する電気デバイス集合体。
2. 充放電可能な電気デバイス要素がフィルムによって被覆された複数のフィルム外装電気デバイスと、
   前記複数のフィルム外装電気デバイスが個別に収容された複数のセルケースと、
   前記セルケースが所定個数ずつ積層されて収容されている複数のモジュールケースと、
   前記複数のモジュールケースが収容されている本体ケースと、
   前記モジュールケースと前記本体ケースとの間に介在する弾性体と、
   を有する電気デバイス集合体。
3. 前記モジュールケースは、積層方向一端のセルケースが接触する側板を備えた保持部材と、積層方向他端のセルケースが接触する蓋板とを有し、
   前記保持部材又は前記蓋板に設けられた挿入孔から挿入された２本以上の固定部材が、前記モジュールケース内の複数のセルケースをその積層方向に貫通している請求項２記載の電気デバイス集合体。
4. 前記フィルム外装電気デバイスが、正極側活電極、負極側活電極、及び電解
   液を有する発電要素が２枚のラミネートフィルムによって気密に被覆されたフィルム外装電池である請求項１記載の電気デバイス集合体。
5. 前記フィルム外装電気デバイスが、正極側活電極、負極側活電極、及び電解液を有する発電要素が２枚のラミネートフィルムによって気密に被覆されたフィルム外装電池である請求項２記載の電気デバイス集合体。
6. 前記フィルム外装電気デバイスが、正極側活電極、負極側活電極、及び電解液を有する発電要素が２枚のラミネートフィルムによって気密に被覆されたフィルム外装電池である請求項３記載の電気デバイス集合体。
   

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