JPWO2012035683A1 - 電池ブロック及び電池モジュール - Google Patents

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Abstract

電池ブロック１００は、側面１２２及び底面１２３を有する金属ケース１２０と、金属ケース１２０内に収容された複数の素電池１１０とを備え、素電池１１０は、第１の極と、該第１の極と電気的に絶縁され、素電池１１０の電池ケースを兼ねる第２の極とを有し、複数の素電池１１０は、第１の極の方向を揃えて配列されており、複数の素電池１１０の第１の極は、金属ケース１２０の開口側に配置された接続体１３０に接続されており、複数の素電池１１０の第２の極は、金属ケース１２０の底面１２３に接続されており、金属ケース１２０の側面１２２の高さは、素電池１１０の高さと略同一であって、金属ケース１２０の開口側は、接続体１３０によってほぼ覆われている。

Description

本発明は、複数の素電池を並列接続して大電流を出力する電池ブロック、及びそれを用いた電池モジュールに関する。
近年、省資源や省エネルギーの観点から、繰り返し使用できるニッケル水素やリチウムイオンなどの二次電池の需要が高まっている。中でも、リチウムイオン二次電池は軽量でありながら起電力が高く、高エネルギー密度であるという特徴を有している。そのため、携帯電話やデジタルカメラ、ビデオカメラ、ノート型パソコンなどの様々な種類の携帯型電子機器や移動体通信機器の駆動用電源としての需要が拡大している。
一方、化石燃料の使用量の低減やＣＯ２の排出量を削減するために、自動車などのモーター駆動用の電源として、二次電池への期待が大きくなっている。
この二次電池を集合化した電池パックは、所望の電圧や電池容量を得るために、複数の電池からなり、複数の電池を並列接続及び／又は直列接続した電池ブロックを複数個搭載して構成されている。このような電池ブロックは、例えば、特許文献１等に記載されている。
特表２００８−５４１３８６号公報
複数の電池を並列接続した電池ブロックを、例えば、自動車のモーター駆動用の電源等に用いる場合、電池に大電流が流れるため、電池同士が確実に電気的に接続されていないと、電流が全く流れなかったり、接続部分の抵抗が大きくなって発熱し、大きな電流を流すことができなくなる。そのため、電池と接続部材とは、単に接触させるだけではなく、溶接等で確実に電気的接続を確保する必要がある。
例えば、溶接で接続する場合には、電池の負極端子（例えば、電池ケース）及び正極端子、並びに接続部材の材料や構造等を考慮して、溶接部の機械的強度を高く確保できる溶接工法を選択することが必要になる。一方、接続部材の電気抵抗を小さくするためには、接続部材の厚みや幅を大きくすることが必要になる。
しかしながら、接続部材の厚みや幅を大きくすると、接続部材が空間的に大きな体積を占有するため、電池ブロックが大きくなったり、重たくなったりする問題が生じる。特に、電池ブロックを、自動車のモーター駆動用の電源に用いる場合、航続距離を伸ばすには、電池ブロックは軽くて小さいことが必要であるため、重たく大きい電池ブロックは商品価値が失われる。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数の電池を並列接続した電池ブロックにおいて、電気抵抗が小さく、大電流を流しても電力損失の小さい電池ブロックを提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の電池ブロックは、側面及び底面を有する金属ケースと、金属ケース内に収容された複数の素電池とを備え、素電池は、第１の極と、該第１の極と電気的に絶縁され、素電池の電池ケースを兼ねる第２の極とを有し、複数の素電池は、第１の極の方向を揃えて配列されており、複数の素電池の第１の極は、金属ケースの開口側に配置された接続体に接続されており、複数の素電池の第２の極は、金属ケースの底面に接続されており、金属ケースの側面の高さは、素電池の高さと略同一であって、金属ケースの開口側は、接続体によってほぼ覆われている構成を採用する。
このような構成によって、第２の極（電池ケース）からの電流を、断面積の大きな金属ケースに出力することができるため、電気抵抗の小さな電池ブロックを実現することができる。
本発明によれば、複数の電池を並列接続した電池ブロックにおいて、電気抵抗が小さく、大電流を流しても電力損失の小さい電池ブロックを提供することができる。
本発明の一実施形態における電池モジュールの構成を示した図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は、（ａ）の筐体を透視した図である。 本発明の一実施形態における電池モジュールを、各構成に分解した分解図である。 本発明の一実施形態における電池ブロックの構成を模式的に示した斜視図である。 本発明の一実施形態における電池ブロックを各構成に分解した分解図である。 （ａ）は、図３のＡ−Ａ断面図で、（ｂ）は、（ａ）の矢印Ｂの部分の拡大図である。 複数の電池ブロックを配列した電池モジュールの構成を示した概略図である。 本発明の一実施形態における金属ケースの斜視図である。 本発明の一実施形態における素電池の概略図である。 電池ブロックを構成する複数の素電池の配例の一例を示した斜視図である。 金属ケースの変形例を示した斜視図である。 金属ケースの他の変形例を示した斜視図である。 図１１に示した金属ケースの分解図である。 金属ケースの他の変形例を示した図で、（ａ）は素電池の配列を示した斜視図、（ｂ）は金属ケースの斜視図、（ｃ）は素電池が収容された金属ケースの平面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
図１は、本発明の一実施形態における電池モジュール１０の構成を示した図で、図１（ａ）は、斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の筐体を透視した図である。
図１（ｂ）に示すように、電池モジュール１０は、６個の電池ブロック１００の集合からなり、並列に配列した３個の電池ブロック１００が、互いに向かい合わせに配列し、絶縁性の筐体３００内に収納されている。６個の電池ブロック１００は、電気的には直列接続されており、電池モジュール１０の出力は、正極出力端子４００と、負極出力端子５００によって筐体３００の外部に出力される。
図２は、本実施形態における電池モジュール１０を、各構成に分解した分解図である。に示す。
図２に示すように、３個の電池ブロック１００は、電池ブロック１００の第１の極（正極）の接続端子（不図示）と、隣の電池ブロック１００の第２の極（負極）の接続端子（不図示）が接続されている。そして、向い合った３個の電池ブロック１００の一端は、接続部材２００で接続される。このように接続された６個の電池ブロック１００は、筐体３００の下ケース３１０に収納され、蓋３２０で密封される。下ケース３１０には、出力端子口３１１が形成され、そこに、電池ブロック１００の正極及び負極の接続端子にそれぞれ接続された正極出力端子４００と負極出力端子５００とが取り付けられる。
図３は、本実施形態における電池ブロック１００の構成を模式的に示した斜視図で、図４は、電池ブロックを各構成に分解した分解図である。
図３及び図４に示すように、電池ブロック１００は、複数の素電池１１０が正極の方向を揃えて配列されて、側面１２２及び底面１２３を有する金属ケース１２０内に収納されている。図３及び図４に示した例では、１４個の素電池１１０が、六方格子状に５、４、５個の３列に配列されている。
素電池１１０は、円筒形の二次電池で、発電要素が電池ケース内に収容されている。素電池１１０は、正極と、正極と電気的に絶縁され、素電池１１０の電池ケースを兼ねる負極とを有している。
各素電池１１０の正極は、金属ケース１２０の開口側に配置された板状の接続体１３０に正極リード板１３２を介して接続されている。なお、接続体１３０には、各素電池１１０の正極に対向した位置に丸孔１３３が形成されており、この丸孔１３３の部位において、正極リード板１３２を素電池１１０の正極に溶接することができる。また、複数の素電池１１０の負極（電池ケースの底面）は、金属ケース１２０の底面１２３に接続されている。これにより、複数の素電池１１０は、電気的に並列接続されている。
このような構成により、負極（電池ケース）からの電流を、断面積の大きな金属ケース１２０に出力することができるため、電気抵抗の小さな電池ブロック１００を実現することができる。
ここで、金属ケース１２０の側面１２２の高さは、素電池１１０の高さと略同一であって、金属ケース１２０の開口側は、接続体１３０によってほぼ覆われている。これにより、金属ケース１２０及び接続体１３０は、電池ブロック１００の実質的な筐体を構成しており、電池ブロック１００内に収容した素電池１１０を保護している。
素電池１１０の電池ケースの正極側の肩部には、絶縁性のスペーサ１１２が配設されており、このスペーサ１１２が、電池ケースと接続体１３０との間に介在することにより、正極（接続体１３０）と負極（電池ケース）との短絡を防止している。
また、複数の素電池１１０は、金属ケース１２０内に収容された絶縁性のホルダー１４０で保持されている。ホルダー１４０は、複数の筒部が一体的に形成された保持部１４１を有し、素電池１１０の外側面を、保持部１４１の筒部の内側面に当接させることによって、素電池１１０を固定している。なお、ホルダー１４０は、素電池１１０を保持するとともに、正極（接続体１３０）と負極（金属ケース１２０）との短絡を防止している。
また、ホルダー１４０は、金属ケース１２０の側面１２２に沿って延びる固定部１４２をさらに有し、固定部１４２の一端において、ホルダー１４０が金属ケース１２０の底面にネジ１５０ｂで固定されている。一方、固定部１４２の他端において、ホルダー１４０が接続体１３０にネジ１５０ａで固定されている。
ここで、素電池１１０の電池ケースと接続体１３０との間に配設したスペーサ１１２を、弾力性のある材料（例えば、シリコンゴム等）で形成しておけば、素電池１１０をホルダー１４０を介して金属ケース１２０に固定する際、クッションの役目を果たすことができる。これにより、例えば、素電池１１０の長さの交差や、配置のバラツキがあっても、素電池１１０を確実に固定することができる。また、電池ブロック１００に加わる振動を緩和させることができる。
図５（ａ）は、図３のＡ−Ａ断面図で、図５（ｂ）は、図５（ａ）の矢印Ｂの部分の拡大図である。
図５（ａ）に示すように、接続体１３０は、金属ケース１２０の側面１２２よりも外方に延出した正極の接続端子（正極外部端子）１３１を有し、また、金属ケース１２０の側面１２２は、その開口側（接続体１３０側）端部において、金属ケース１２０の側面１２２よりも外方に向けて屈曲した負極の接続端子（負極外部端子）１２１を有している。そして、正極の接続端子１３１と負極の接続端子１２１とは、互いに反対方向に位置している。
このように位置に正極の接続端子１３１と負極の接続端子１２１とを設けることによって、複数の電池ブロック１００を配列して電池モジュールを構成したとき、図６に示すように、電池ブロック１００の正極の接続端子１３１を、隣接する電池ブロック１００の負極の接続端子と当接させることによって、容易に直列接続することができる。
なお、正極の接続端子１３１は、必ずしも接続体１３０を金属ケース１２０の側面１２２よりも外方に延出させて形成する必要はなく、負極の接続端子１２１と当接できるような位置にまで、金属ケース１２０の側面１２２近傍に延出していればよい。
また、図５（ｂ）に示すように、素電池１１０の電池ケースの正極１６０側の肩部１６１には、絶縁性のスペーサ１１２が配設されており、このスペーサ１１２が、電池ケースと接続体１３０との間に介在することにより、接続体（正極）１３０と電池ケース（負極）との短絡を防止している。
さらに、図４及び図５（ｂ）に示すように、素電池１１０の電池ケースの外側面は、筒状の伝熱部材１１１で覆われている。隣接する素電池１１０は、互いの伝熱部材１１１同士が接触して配列されているとともに、外側の素電池１１０は、その伝熱部材１１１が金属ケース１２０の側面に接触して配列されている。これにより、いずれかの素電池１１０で発生した熱は、隣接する素電池１１０に伝達し、さらに外側の素電池１１０から金属ケース１２０に伝達されるため、放熱を効率的に行うことができる。伝熱部材１１１としては、金属部材が好ましく、例えば、アルミニウム（熱伝導率２３６Ｗ／（ｍ・Ｋ））、銀（熱伝導率４２０Ｗ／（ｍ・Ｋ））、銅（熱伝導率３９８Ｗ／（ｍ・Ｋ））、金（熱伝導率３２０Ｗ／（ｍ・Ｋ））等を用いることができる。
なお、本実施形態では、スペーサ１１２とホルダー１４０とを別体で形成したが、これらを一体的に形成してもよい。この場合、スペーサ１１２及びホルダー１４０を弾力性の部材で一体形成すれば、電池ブロック１００に加わる振動をより緩和させることができる。
図７は、本実施形態における電池ブロック１００の金属ケース１２０の斜視図である。
図７に示すように、金属ケース１２０は、素電池１１０と接触する底面１２３と、素電池１１０の高さとほぼ同等の４面の側面１２２で構成されている。金属ケース１２０の厚みは、複数の素電池１１０からの電流が流れる断面積を大きくするために、１ｍｍ以上が好ましい。これにより、４面の側面１２２の面積を電流の導電路とするので、大電流が流れたときも、電気抵抗を小さくできるため、金属ケース１２０の発熱が少なく、発熱による電力損失を大幅に抑制することができる。
また、金属ケース１２０の底面１２３には、素電池１１０の電池ケースの底面が当接する部位１２４において、その厚みが薄くなっている。例えば、部位１２４を、素電池１１０の外形とほぼ同等の大きさの凹み部とすることができる。ここで、部位（凹み部）１２４の厚みは、素電池１１０の電池ケースとほぼ同じ厚み（例えば、０．２〜０．３ｍｍ）であることが好ましい。これにより、素電池１１０と金属ケース１２０とをレーザー溶接により容易に溶接することができる。さらに、金属ケース１２０の底面１２３には、金属ケース１２０とホルダー１４０の固定部１４２とをネジ１５０ｂによって固定するためのネジ孔１２５が設けられている。
図８は、本実施形態における素電池１１０の概略図である。
図８に示すように、素電池１１０は、素電池１１０の高さとほぼ同等のアルミパイプ製の伝熱部材１１１で囲まれ、素電池１１０の正極１６０側には、シリコンゴム製のスペーサ１１２が設けられている。
図９は、電池ブロック１００を構成する複数の素電池１１０の配例の一例を示した斜視図である。
図９に示すように、１４個の素電池１１０が、六方格子状に、５、４、５個の３列で並べられている。隣接する素電池１１０は、互いの伝熱部材１１１同士が接触して配列されている。そして、このように配列された複数の素電池１１０を金属ケース１２０内に収納したとき、外側の素電池１１０は、その伝熱部材１１１が金属ケース１２０の側面に接触する。これにより、いずれかの素電池１１０で発生した熱は、隣接する素電池１１０に伝達し、さらに外側の素電池１１０から金属ケース１２０に伝達されるため、放熱を効率的に行うことができる。
図１０は、図７に示した金属ケース１２０の変形例を示した斜視図である。
図１０に示すように、本変形例における金属ケース１２０ｂは、半円状の凹み部１２４と半円状の孔１２６とを有している。これにより、孔１２６から素電池１１０の電池ケースに抵抗溶接用の電極を当てることができるため、電池ケースと金属ケース１２０ｂとを抵抗溶接することで、より確実な接合を行うことができる。
図１１は、図７に示した金属ケース１２０の他の変形例を示した斜視図である。
図１１に示すように、本変形例における金属ケース１２０ｃは、素電池１１０の負極（電池ケース）と接触する面に丸孔１２７を開け、この丸孔１２７のところに、板厚が０．２〜０．３ｍｍの負極リード板１２８が設けられている。この場合、図１２に示すように、金属ケース１２０に１４個の丸孔１２７を開けて、負極リード板１２８を素電池１１０と接する面に配置する。これにより、素電池１１０の電池ケースと負極リード板１２８とにそれぞれに電極を当てて抵抗溶接することで、より確実な接合を行うことができる。ここで、負極リード板１２８と金属ケース１２０ｃと別部材にすることにより、負極リード板１２８は溶接性のよいニッケル、金属ケース１２０ｃには放熱性の良いアルミニウムと、それぞれに最適な金属を選ぶことができる。また、負極リード板１２８は、ニッケルとアルミニウムの２層クラッド板を選択することもできる。
図１３は、図７に示した金属ケース１２０の他の変形例を示した図で、図１３（ａ）は、素電池１１０の配列を示した斜視図、図１３（ｂ）は、金属ケース１２０ｄの斜視図、図１３（ｃ）は、素電池１１０が収容された金属ケース１２０ｄの平面図である。
図１３（ｂ）、（ｃ）に示すように、本変形例における金属ケース１２０ｄは、その側面１２２が、素電池１１０の電池ケースの外側面に沿って形成されている。これにより、金属ケース１２０ｄの側面１２２の全てが、外側に配置された素電池１１０の電池ケースの外側面に接するため、素電池１１０で発生した熱を、より効率的に金属ケース１２０に伝達させることができる。
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態では、素電池１１０の正極を接続体１３０に接続し、素電池の負極（電池ケース）を金属ケース１２０の底面に接続したが、これとは逆に、素電池１１０の負極を接続体１３０に接続し、素電池の正極（電池ケース）を金属ケース１２０の底面に接続してもよい。なお、この場合、素電池１１０の電池ケースが正極を兼ねることになる。また、上記実施形態では、金属ケース１２０を直方体としたが、側面１２２の形状が、その平面視において、六角形等の多角形や、円形、楕円形等であってもいい。
本発明における電池ブロックは、大電流を放電できる電気容量の大きな電源に有用である。
１０ 電池モジュール
１００ 電池ブロック
１１０ 素電池
１１１ 伝熱部材
１１２ スペーサ
１２０、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ 金属ケース
１２１ 負極の接続端子
１２２ 側面
１２３ 底面
１２４ 部位（凹み部）
１２５ ネジ孔
１２６ 孔
１２７ 丸孔
１２８ 負極リード板
１３０ 接続体
１３１ 正極の接続端子
１３２ 正極リード板
１３３ 丸孔
１４０ ホルダー
１４１ 保持部
１４２ 固定部
１５０ａ、１５０ｂ ネジ
１６０ 正極
２００ 接続部材
３００ 筐体
３１０ 下ケース
３１１ 出力端子口
３２０ 蓋
４００ 正極出力端子
５００ 負極出力端子

Claims (14)

  1. 側面及び底面を有する金属ケースと、
    前記金属ケース内に収容された複数の素電池と
    を備えた電池ブロックであって、
    前記素電池は、第１の極と、該第１の極と電気的に絶縁され、前記素電池の電池ケースを兼ねる第２の極とを有し、
    前記複数の素電池は、前記第１の極の方向を揃えて配列されており、
    前記複数の素電池の第１の極は、前記金属ケースの開口側に配置された接続体に接続されており、
    前記複数の素電池の前記第２の極は、前記金属ケースの底面に接続されており、
    前記金属ケースの側面の高さは、前記素電池の高さと略同一であって、前記金属ケースの開口側は、前記接続体によってほぼ覆われている、電池ブロック。
  2. 前記素電池の電池ケースの前記第１の極側の肩部と、前記接続体との間に、絶縁性のスペーサが配設されている、請求項１に記載の電池ブロック。
  3. 前記スペーサは、弾性部材からなる、請求項２に記載の電池ブロック。
  4. 前記複数の素電池は、前記金属ケース内に収容された絶縁性のホルダーで保持されており、
    前記ホルダーは、複数の筒部が一体的に形成されたものからなり、前記素電池の外側面は、前記筒部の内側面に当接して固定されている、請求項１に記載の電池ブロック。
  5. 前記ホルダーは、前記金属ケースの側面に沿って延びる固定部をさらに有し、
    前記固定部の一端において、前記ホルダーが前記金属ケースの底面に固定されている、請求項４に記載の電池ブロック。
  6. 前記固定部の他端において、前記ホルダーが前記接続体に固定されている、請求項５に記載の電池ブロック。
  7. 前記ホルダーは、前記スペーサと一体的に形成されている、請求項４に記載の電池ブロック。
  8. 前記接続体は、前記金属ケースの側面近傍に延出した第１の極の接続端子を有し、
    前記金属ケースの側面は、その開口側端部において、前記金属ケースの側面よりも外方に向けて屈曲した第２の接続端子を有し、
    前記第１の接続端子と前記第２の接続端子とは、互いに反対方向に位置している、請求項１に記載の電池ブロック。
  9. 前記素電池の電池ケースの外側面は、筒状の伝熱部材で覆われており、
    隣接する素電池は、互いの伝熱部材同士が接触して配列されているとともに、外側の素電池は、該素電池の伝熱部材が前記金属ケースの側面に接触して配列されている、請求項１に記載の電池ブロック。
  10. 前記伝熱部材は、金属部材からなる、請求項９に記載の電池ブロック。
  11. 前記素電池の電池ケースの底面は、前記金属ケースの底面に溶接されている、請求項１に記載の電池ブロック。
  12. 前記金属ケースの底面は、前記素電池の電池ケースの底面が当接する部位において、その厚みが薄くなっている、請求項１１に記載の電池ブロック。
  13. 前記素電池の電池ケースの底面が当接する部位の一部に孔が設けられている、請求項１１に記載の電池ブロック。
  14. 請求項８に記載の電池ブロックが複数個、絶縁性の筐体に収容された電池モジュールであって、
    前記電池ブロックの第１の接続端子は、隣接する電池ブロックの第２の接続端子と当接して直列接続されている、電池モジュール。
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