JP2014022166A - バッテリ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】隣接するバッテリセルの側面を対向させて複数のバッテリセルを並べる構造をとる場合に冷却性能を向上する。
【解決手段】バッテリ装置は、バッテリセル群、スペーサおよびバインド部材を有する。前記バッテリセル群は電極を有する上面と、前記上面と対向する下面と、前記上面と前記下面の縁を結んで外壁を構成する側面とを有する複数のバッテリセルを、前記側面どうしを対向させるように並べて配置している。前記スペーサは前記側面どうしの間に配置されている。前記スペーサは前記側面に平行な方向に開口した通気孔を有する。前記バインド部材は前記バッテリセル群を外側から拘束する角環状のものである。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、バッテリ装置に関する。

一般に、電気自動車や家庭用の電源には、例えばリチウムイオン電池などのバッテリセルを複数繋げたバッテリ装置が用いられている。

従来のバッテリ装置は、複数のバッテリセルを並べたバッテリセルの集合体（バッテリセル群またはバッテリユニット）を樹脂ケース等の容器に収容して大容量化および高出力化を図っている。

特開平０７−３２０７９４号公報

ところで、電気自動車等に用いるバッテリ装置は、振動対策および発熱対策が必要であり、複数のバッテリセルを並べて一体化する構造であるため、従来のように樹脂ケースなどの容器に複数のバッテリセルを並べて収めた場合は一旦上がった温度がなかなか下がらないという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、複数のバッテリセルを並べる構造をとる場合に冷却性能を向上することができるバッテリ装置を提供することにある。

実施形態のバッテリ装置は、バッテリセル群、スペーサおよびバインド部材を有する。前記バッテリセル群は電極を有する上面と、前記上面と対向する下面と、前記上面と前記下面の縁を結んで外壁を構成する側面とを有する複数のバッテリセルを、前記側面どうしを対向させるように並べて配置している。前記スペーサは前記側面どうしの間に配置されている。前記スペーサは前記側面に平行な方向に開口した通気孔を有する。前記バインド部材は前記バッテリセル群を外側から拘束する角環状のものである。

第１実施形態のバッテリ装置の分解斜視図である。 第１実施形態のバッテリ装置の上面図である。 図２のバッテリ装置を矢印Ａの方向から見た図である。 第２実施形態のバッテリ装置の分解斜視図である。 第２実施形態のバッテリ装置の上面図である。 図５のバッテリ装置を矢印Ｂの方向から見た図である。 第３実施形態のバッテリ装置の上面図である。 図７のバッテリ装置を矢印Ｂの方向から見た図である。 第４実施形態のバッテリ装置の側面図である。 図９のバッテリ装置を矢印Ｂの方向から見た図である。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は実施形態のバッテリ装置の構成を示す分解斜視図である。
図１乃至図３に示すように、この第１実施形態のバッテリ装置は、複数のバッテリセル１を並べて直列および／または並列に電気的に接続したバッテリセル群２、幅方向間隔保持部材としてのスペーサ９ａ、拘束部材またはバインド部材としての金属プレート４，６などを有している。

バッテリセル１は、例えばリチウムイオン電池などであり、上部に端子８およびガス放出安全弁１０などが設けられている。端子８はバッテリセル１毎に２つあり、２つのうち一つがプラス電極、他の１つがマイナス電極である。

個々のバッテリセル１は、厚さ、幅、高さを有するほぼ直方体の形状のものであり、それぞれの方向を厚さ方向Ｔ、幅方向Ｗ、高さ方向Ｈとする。

個々のバッテリセル１は、電極８が突設された矩形の上面１ａと、この上面１ａと対向する矩形の下面１ｂと、上面１ａと下面１ｂの間に矩形の上面１ａおよび下面１ｂの対向する２辺から垂直に設けられた一対の第１側面１ｃと、上記２辺とは異なる他の２辺から垂直に設けられた一対の第２側面１ｄと、上面１ａに設けられたガス放出安全弁１０とを有している。

換言すると、個々のバッテリセル１は、電極を有する上面１ａと、上面１ａと対向する下面１ｂと、上面１ａと下面１ｂの縁を結んで外壁を構成する側面１ｃ，１ｄとを有する。
なお、側面１ｃはバッテリセル１の幅方向Ｗに平行に配置された一対の側面であり第１側面という。側面１ｄはバッテリセル１の厚さ方向Ｔに平行に配置された一対の側面であり第２側面という。

バッテリセル群２は、複数のバッテリセル１の隣り合う側面１ｃどうしを対向させるようにして複数のバッテリセル１を並べて配置したものである。すなわちバッテリセル群２は、複数のバッテリセル１をその幅方向Ｗおよび厚さ方向Ｔに列設したものである。

この例では、９個のバッテリセル１を１つのユニットとし、そのうち３個を幅方向Ｗに並べて配置し、その３個の組を厚さ方向Ｔに３列配置しバッテリセル群２としている。

スペーサ９ａは、複数のバッテリセル１の隣り合う側面１ｃどうしの間に介挿されている。スペーサ９ａは、側面１ｃに平行な方向に開口した複数の通気孔１１を有している。

この例では、通気孔１１として、小径の角孔を縦に複数（４つ）並べて設けているが、縦長の孔を１つか２つか３つ設けてもよい。スペーサ９ａの素材は、不燃性で硬質の断熱材および／または例えばセラミックス系絶縁材などの絶縁材料が用いられる。

またこの例では、通気孔１１は、バッテリセル１の上面１ａと下面１ｂを垂直に結ぶ高さ方向Ｈの軸と直交する方向、つまり厚さ方向Ｔに開口（通気経路を形成）するように配置されている。

金属プレート４，６は、平な金属板をバッテリセル群２の外形に合わせて横長の矩形枠環状（または角環状）に屈曲させてバッテリセル群２の周囲に巻き付けて角環状にし、オーバーラップした部分を溶接して拘束する。つまり金属プレート４，６は、バッテリセル群２を外側から付勢するように拘束（バインド）するバインド部材である。金属プレート４，６には、通気孔１１の開口方向にスロット１２が設けられている。

列設されたバッテリセル１の、スペーサ９ａが未挿入のカ所（側面１ｄどうしの間、金属プレート６とバッテリセル１との間、バッテリセル群２の両端縁など）には絶縁フィルムなどの絶縁部材７が介挿されている。

絶縁部材７は、介挿部位に合わせて厚さの異なるものを配置する。絶縁部材７は、各バッテリセル１の間に配置する他、バッテリセル１の上方、バッテリセル１の底などに比較的厚みが薄いものを配置しているが、フィルムの厚みについては、セラミックス系絶縁材などの材料を適切に選択して使用することでその効果は変わらないため、他の素材のものも利用可能である。

バッテリセル群２は、個々のバッテリセル１の端子８をバスバー（図示せず）にて直列または並列に接続して高出力化および大容量化を図ったものである。バッテリセル群２の両端（先端と後端）には、絶縁部材７が配設されている。この絶縁部材７は十分な曲げ剛性を有するものであり、バッテリセル群２を外力（外圧）から保護するものである。

金属プレート４，６は、例えば薄鋼板（例えばSPHC：熱間圧延軟鋼板（JIS G 3131）、SPCC：冷間圧延軟鋼板（JIS G 3141））などの板状の部材である。金属プレート４，６は、バッテリセル群２の厚さ方向Ｔ（第１方向）、幅方向Ｗ（第２方向）、高さ方向Ｈ（第３方向）の軸のうち少なくとも２つの軸周りを、それぞれのプレートを屈曲させてバッテリセル群２を包むように拘束（バインド）している。

各金属プレート４，６は、バッテリセル群２のそれぞれ方向の周囲よりも長く形成されており、バッテリセル群２をバインドしたときに重なり部分（オーバーラップ部分４ｃ、６ａ）ができる。この重なり部分（オーバーラップ部分４ｃ、６ａ）を溶接して固着（固定、結合）している。金属プレート４，６を溶接する際には、治具などで拘束力が強く（高く）なる方向に圧力を加えて、つまり付勢して重なり部分（オーバーラップ部分４ｃ、６ａ）を溶接している。

この他、拘束力を高める方法としては、例えば金属プレート４，６の重なる部分の一端を引っ張る（張力を加える）ようにしてもよい。

なお、図１乃至３では、構造を簡素化するために、幅方向Ｗの軸周りをバインドするための金属プレート５をバインドしていないが、さらに剛性を高める必要がある場合はバインドしてもよい。

金属プレート４は、個々のバッテリセル１の端子８、ガス放出安全弁１０等の突出部の上に絶縁部材７を介して巻き付ける。

金属プレート６は、板状の部材を屈曲させてバッテリセル群２を高さ方向Ｈの軸周りに包むようにバインドする第２のバインド部材である。

これら金属プレート４，６は、樹脂などの可燃性材料で構成されたバッテリケースとは異なり、バッテリセル１を金属プレートで包み込むことで、ケースと同等の筐体機能としており、金属であることから燃えないため、過充電時などの影響で、あるバッテリセル１から発火しても近接するバッテリセル群２への延焼を抑えることができる。

この他、図示はしていないが、バッテリセル群２の上部には、各バッテリセル１を充放電制御するための回路基板を収容した基板ユニットが配置されている。

この第１実施形態のバッテリ装置の製造方法を説明する。
この第１実施形態の場合、複数のバッテリセル１をその幅方向Ｗに３個並べて配置し、それぞれのバッテリセル１の間にスペーサ９ａを介挿し、そのバッテリセル１の組を厚さ方向Ｔに３列並べ、バッテリセル群２とする。

そして、そのバッテリセル群２を、まず金属プレート６で高さ方向Ｈの軸周りに包んで拘束（バインド）し、オーバーラップ部分６ａを溶接して固着（固定、結合）する。

この際、スペーサ９ａの通気孔１１が開口する方向に金属プレート６のスロット１２が位置するようにする。

続いて、バッテリセル群２の上部に絶縁部材７をあてがった上で、個々のバッテリセル１の端子８をバスバーなどで接続し、その上に基板ユニットを取り付ける。

最後に、基板ユニットを取り付けたバッテリセル群２を金属プレート４で厚さ方向Ｔの軸周りに包んで拘束（バインド）し、オーバーラップ部分４ｃを溶接して固着（固定、結合）する。

このようにこの第１実施形態によれば、複数のバッテリセル１を幅方向Ｗに並べて隣り合うそれぞれの側面１ｃの間にスペーサ９ａを介挿したことで、隣接するバッテリセル１間で熱が伝わり難くなり、バッテリ装置の冷却性能を向上することができる。

また、スペーサ９ａの通気孔１１が開口する方向の金属プレート６にスロット１２（通気窓）を設けたことで、バッテリ装置内部の熱が外部へ放熱されるようになり、バッテリ装置の冷却性能を向上することができる。

さらに、バッテリセル群２を、バッテリセル１の厚さ方向Ｔおよび高さ方向Ｈの２軸周りに金属プレート４，６で包むようにバインドして溶接する構造としたことで、バッテリセル群２を収容する容器の収容場所の確保が不要になり、またバッテリセル１どうしを固着するための接着剤とその塗布作業および乾燥時間などが不要になる。

この結果、隣接するバッテリセル１の側面どうしを対向させて複数のバッテリセル１を並べる構造をとる場合に冷却性能を向上することができるバッテリ装置を提供することができる。

なお、この第１実施形態の例ではバッテリセル群２の周囲には、金属プレート４，６をバインドしたが、金属プレート５に通気口１１へ対向するスロットを設ければ、さらに幅方向Ｗの軸周りに金属プレート５（図４参照）をバインドすることにより、バッテリ厚さ方向Ｔへの倒れに対する剛性を向上することができる。これにより加振されてバッテリ装置が倒れたときのがたつきや個々のバッテリセル１の並びのズレなどを抑えることができる。

この他、例えば温度によるバッテリ厚さ方向Ｔの伸び縮み、経年によるバッテリ膨張、過充電時などの発火に対応できる。

なお、この第１実施形態では、金属プレート４，６にてバッテリセル１の２つの方向（厚さ方向Ｔ、高さ方向Ｈ）それぞれの軸周りでバッテリセル群２を拘束したが、金属プレート５に通気口１１へ対向するスロットを設ければ、金属プレート５，６または金属プレート４，５でバインドしてもよく、少なくとも２つの方向の軸周りでバッテリセル群２を拘束すればよい。

（第２実施形態）
次に、図４〜図６を参照して第２実施形態を説明する。
上記第１実施形態では、複数のバッテリセル１を厚さ方向Ｔと幅方向Ｗに並べて、幅方向Ｗの隣り合うそれぞれの側面１ｃの間にスペーサ９ａを介挿したが、この第２実施形態では、複数のバッテリセル１の厚さ方向Ｔの隣り合う側面１ｄの間にスペーサ９ｂを介挿した例を示す。

また、上記第１実施形態では、厚さ、幅、高さ方向などといった３軸周りにバインドする金属プレート４，５，６のうち、金属プレート４，６を用いてバッテリセル群２をバインドする例を説明したが、この第２実施形態では、金属プレート５，６を用いてバッテリセル群２をバインドした例を説明する。

すなわち、図４〜図６に示すように、この第２実施形態の場合、複数のバッテリセル１の厚さ方向Ｔの隣り合う側面１ｄの間にスペーサ９ｂが介挿されている。スペーサ９ｂには通気孔１１が設けられているが、通気孔１１は、側面１ｄと平行でかつ幅方向Ｗに向けて開口されている。通気孔１１は、バッテリセル１の上面１ａと下面１ｂを垂直に結ぶ軸と直交する方向に開口されている。

そして、この例では、厚さ方向Ｔおよび幅方向Ｗにそれぞれ列設した複数のバッテリセル１から構成されるバッテリセル群２に対して、バッテリセル１の高さ方向Ｈの軸周りに金属プレート６がバインドされ、端部どうしの重なったオーバーラップ部分６ａが溶接により結合されて、角環状（角枠状）とされている。

また、この例では、バッテリセル群２に対して、バッテリセル１の幅方向Ｗの軸周りに金属プレート５がバインドされている。ここで、金属プレート５は金属プレート５ａ，５ｂの２ピース構造であり、金属プレート５ａ，５ｂどうしが重なったオーバーラップ部分５ｃに溶接が施されて、角環状（角枠状）とされている。

なお、列設されたバッテリセル１の、スペーサ９ｂが未挿入のカ所（側面１ｃどうしの間、金属プレート６とバッテリセル１との間、バッテリセル群２の両端縁など）には絶縁フィルムなどの絶縁部材７が介挿されている。

このようにこの第２実施形態によれば、複数のバッテリセル１を幅方向Ｗおよび厚さ方向Ｔに並べて、厚さ方向Ｔの隣り合うそれぞれの側面１ｄの間にスペーサ９ｂを介挿したことと、スペーサ９ｂの通気孔１１が開口する方向の金属プレート６の側面にスロット１２（通気窓）を設けたことで、通気孔１１が設けられているスペーサ９ｂを介してバッテリセル１から放熱し、バッテリ装置の冷却性能を向上することができる。

また、バッテリセル群２の周囲最直近の位置にバッテリ高さ方向Ｈの軸周りに金属プレート６をバインドすることにより、低温から高温まで広い温度レンジでの動作が求められ、低温でバッテリセル１が厚さ方向に縮んだ場合でも、圧力（張力）を加えつつ金属プレート６をバインドしておけばバッテリセル１の相互間、バッテリセル１と金属プレート６との間に空間（隙間）ができることがなく、加振時にガタガタするようなことなく振動値を低く抑えることができる。

また、経年変化によって個々のバッテリセル１が厚み方向Ｔに膨張したとしても、バインドするにあたり十分な断面積を有する金属プレート６を用いること、また十分な曲げ剛性を有した絶縁部材７をバッテリセル群２の端部（先端と後端）と金属プレート６との間に配置すること、などにより、バッテリのケースの機能としての剛性が高まり、外形の変形を抑えることができる。

（第３実施形態）
次に、図７，図８を参照して第３実施形態を説明する。
上記第２実施形態では、複数のバッテリセル１を厚さ方向Ｔと幅方向Ｗに並べて、厚さ幅方向Ｔの隣り合うそれぞれの側面１ｄの間にスペーサ９ｂを介挿したが、この第３実施形態では、高さ方向Ｈに開口した通気孔１１を有するスペーサ９ｃを側面１ｄの間に介挿した例を示す。

また上記第２実施形態では、厚さ、幅、高さ方向などといった３軸周りにバインドする金属プレート４，５，６のうち、金属プレート５，６を用いてバッテリセル群２をバインドする例を説明したが、この第３実施形態についても第２実施形態と同様とする。

すなわち、図７，図８に示すように、この第３実施形態は、複数のバッテリセル１の厚さ方向Ｔの隣り合う側面１ｄの間にスペーサ９ｃが介挿されている。スペーサ９ｃには通気孔１１が設けられているが、通気孔１１は、側面１ｄと平行でかつ高さ方向Ｈに向けて開口されている。通気孔１１は、バッテリセル１の上面１ａと下面１ｂを垂直に結ぶ軸の方向に開口されている。

なお、この例の場合、金属プレート６ではなく、金属プレート５の上面および下面にスロット１２を設ける。スロット１２は、通気孔１１の開口方向に設けられている。

そして、この例では、バッテリセル群２に対して、第２実施形態と同様に、バッテリセル１の高さ方向Ｈの軸周りに金属プレート６がバインドされ、バッテリセル１の幅方向Ｗの軸周りに金属プレート５がバインドされる。

なお、列設されたバッテリセル１の、スペーサ９ｃが未挿入のカ所（側面１ｃどうしの間、金属プレート６とバッテリセル１との間、バッテリセル群２の両端縁など）には絶縁フィルムなどの絶縁部材７が介挿されている。

このようにこの第３実施形態によれば、複数のバッテリセル１を幅方向Ｗおよび厚さ方向Ｔに並べて、厚さ方向Ｔの隣り合うそれぞれの側面１ｄの間に、スペーサ９ｃを介挿したことと、スペーサ９ｃの通気孔１１が開口する方向の金属プレート５の側面にスロット１２（通気窓）を設けたことで、通気孔１１が設けられているスペーサ９ｃを介してバッテリセル１から放熱し、バッテリ装置の冷却性能を向上することができる。

（第４実施形態）
次に、図９，図１０を参照して第４実施形態を説明する。
この第４実施形態は、第２実施形態（図４の例）と第３実施形態の応用例であり、同じ構成には同一の符号を付しその説明は省略する。

図９，図１０に示すように、この第４実施形態は、第２実施形態（図４の例）のように金属プレート６の側面にスロット１２を設ける以外に、第３実施形態のように、金属プレート５の下面にもスロット１２を設け、バッテリセル１の側面１ｄ間には円柱状の細いスペーサ９ｄを点在配置する。なお、この場合、金属プレート５の上面にはスロット１２は設けない。

すなわち、この第４実施形態の場合、複数のバッテリセル１の厚さ方向Ｔの隣り合う側面１ｄの間に複数のスペーサ９ｄが介挿されている。これらのスペーサ９ｄは円柱状をなす細いものである。したがって側面１ｄ間にできた隙間では側面１ｄと平行な方向であれば、さまざまな方向へ通気できる。

また、この例では、バッテリセル１の高さ方向Ｈの軸周りにバインドした金属プレート６の前面（矢印Ｂの位置）と背面の、スペーサ９ｄの介挿により生じた隙間に対応する位置にスロット１２（図４参照）を設けると共に、バッテリセル１の幅方向Ｗの軸周りにバインドした金属プレート５の下面（バッテリ底部）にもスロット１２を設けている。

この他、列設されたバッテリセル１の、スペーサ９ｄが未挿入のカ所（側面１ｃどうしの間、金属プレート６とバッテリセル１との間、バッテリセル群２の両端縁など）には絶縁フィルムなどの絶縁部材７が介挿されている。

このようにこの第４実施形態によれば、バッテリセル１の側面１ｄに円柱状のスペーサ９ｄを複数点在させるように配置し、金属プレート５の底面（バッテリ底部）と金属プレート６の側面にそれぞれスロット１２を設けたことで、気流がバッテリ底部から高さＨ方向に通風し、幅方向Ｗに流出するようになるので、バッテリセル１の側面１ｄの表面から直接、気流へ放熱できるようになり、冷却性能を向上することができ、バッテリ装置の温度を下げることができる。

なお、金属プレート５と金属プレート６とが交差する部分を溶接することでプレート間の相対的な動きを封じることができ、バッテリセル群２がソリッドのようになり、曲げ剛性などをさらに向上することができる。これにより加振時に曲がりを含めたさまざまな状況での振動によるがたつきや並びのズレなどを抑えることができる。

以上のように本発明の実施形態を説明したが、上記の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…バッテリセル、２…バッテリセル群、４，５，６…金属プレート、７…絶縁部材、８…端子、９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ…スペーサ、１０…ガス放出安全弁、１１…通気孔、１２…スロット（通気窓）。

Claims (6)

1. 電極を有する上面と、前記上面と対向する下面と、前記上面と前記下面の縁を結んで外壁を構成する側面とを有する複数のバッテリセルを、前記側面どうしを対向させるように並べて配置したバッテリセル群と、
   前記側面どうしの間に配置され、前記側面に平行な方向に開口した通気孔を有するスペーサと、
   前記バッテリセル群を外側から拘束する角環状のバインド部材と
   を具備するバッテリ装置。
2. 前記バインド部材は、
   前記通気孔の開口方向に設けられた通気窓を備える請求項１記載のバッテリ装置。
3. 前記通気孔が、前記バッテリセルの前記上面と前記下面を垂直に結ぶ軸の方向に開口されている請求項１記載のバッテリ装置。
4. 前記通気孔が、前記バッテリセルの前記上面と前記下面を垂直に結ぶ軸と直交する方向に開口されている請求項１記載のバッテリ装置。
5. 前記スペーサが、断熱性および／または絶縁性の部材である請求項１記載のバッテリ装置。
6. 前記バインド部材は、
   平な金属板を屈曲させて前記バッテリセル群の周囲に巻き付けて角環状にし、オーバーラップした部分を溶接して前記バッテリセル群を拘束する請求項１記載のバッテリ装置。

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