JP3849184B2 - 電池モジュールおよび組電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池モジュールおよび組電池に係り、特に電気自動車等に動力源として使用される組電池の電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来の電気自動車の動力源用の一次電池として使用される組電池Ｂの一例の外観斜視図である。
図９に示すように、組電池Ｂは電池ケース１０１の中に多数の電池モジュール１０２が組み込まれ、該電池モジュール１０２は銅等からなるバスパー（連結用端子）１０３により接続されて１００Ｖ〜４００Ｖ程度の直流電圧を得ている。このバスパー１０３は電池モジュール１０２の端子にネジを介して接続されている。
また、感電防止等の安全上の理由により、各電池モジュール１０２はカバーにより覆われている（図示せず）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、組電池を構成するには多数の重量大のバスバーやネジを必要とするので、組電池の総重量が大となり、また、高圧直流電圧を得るためには多数の電池モジュールを組み立てるので、組電池は嵩張る。従って、組電池の重量エネルギ密度や体積エネルギ密度は低く、このことは電気自動車用の組電池としては好ましくない。
また、組電池から電力を取り出す場合には発熱するが（特に高出力時）、前記カバーのために十分に放熱することができない。
【０００４】
更に、図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、電気自動車に組電池Ｂを搭載する場合には、床下に搭載することが多い。この場合には組電池Ｂを薄型に構成しなければならないので、放熱用の空気流通部Ａは狭くなり、十分な放熱ルートを確保するのが困難である。
そこで、本発明の目的は、重量が軽減され、放熱が十分に行え、重量エネルギ密度や体積エネルギ密度が高い電池モジュールおよび組電池を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、外周部に絶縁体を備えてなる筒体と、該筒体に外嵌され、前記絶縁体により互いに絶縁された複数の発電用の単位セルと、前記筒体に外嵌された複数の単位セルを一体的に覆う外筒ケースとを備えたことを特徴とする電池モジュールである。
請求項１記載の発明によれば、例えば図１に示すように、筒体１に複数の電極（単位セル）５ａ，５ｂ，５ｃを外嵌し、外部を外筒ケース２で覆って電池モジュールＭを構成する。このように構成すれば、１個の電池モジュールＭの中に複数（例えば３個）の電極が内蔵され、１個の電池モジュールＭで高い電圧（例えば、１．５×３＝４．５Ｖ）を得ることができる。
【０００６】
また、請求項２記載の発明は、前記単位セル毎に気密性が確保されたことを特徴とする。
また、請求項３の発明は、前記気密性の確保手段として、前記単位セル間に隔壁が配置され、該隔壁の外周部と前記外筒ケースの内面との接触部を外部からカシメてなることを特徴とする。
また、請求項４の発明は、前記気密性の確保手段として、前記単位セル間に隔壁が配置され、該隔壁の外周部と前記外筒ケースの内面との接触部を外部からバンド締めしてなることを特徴とする。
【０００７】
請求項２乃至請求項４記載の発明によれば、カシメあるいはバンド締めにより各単位セル間の気密性が確保される。この気密性の確保により、各単位セル間で液漏れやガス漏れが発生することがなく、たとえ１個の単位セルに異常が発生しても他の単位セルへ悪影響を及ぼすことがない。
【０００８】
また、請求項５記載の発明は、前記筒体に冷媒を流すようにしたことを特徴とする。
請求項５記載の発明によれば、筒体に冷媒（例えば、エアコンの冷気）を流すことにより、電池モジュールの温度上昇を防止することができる。
【００１０】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電池モジュールの少なくとも両端部を保持して構成したことを特徴とする。
請求項６記載の発明によれば、例えば、図３に示すように、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の各電池モジュールの少なくとも両端部を支持板１１ｂ、１１ｄで固定保持する。このようにすれば、電池モジュールをしっかりと固定でき、組電池を構成しても剛性を確保できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態例に基づいて説明する。
【００１２】
（１）第１実施形態例
図１は本実施形態例の電池モジュールＭの縦断面図であり、図２（Ａ）は該電池モジュールＭの要部斜視図、図２（Ｂ）は上面図である。
図１，図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、電池モジュールＭは、円筒状の中空芯１と、該中空芯１に外嵌された電極（単位セル）５ａ〜５ｃ，集電リード部固定部材７ａ〜７ｄ等の各種部材と、該各種部材を覆う円筒状の外筒ケース２と、電池モジュールＭ間を相互接続するモジュール間接続部材３ａ，３ｂ等により構成されている。
【００１３】
中空芯１は、ＳＵＳ、アルミニウム等からなる内筒１ａの外側にＰＥ、ＰＰ等の絶縁材からなる外筒１ｂが外嵌されて構成されている。中空芯１の上端部側と下端部側とにはそれぞれ銅、アルミニウム、ＳＵＳ等からなる板状のモジュール間接続部材３ａ、３ｂが嵌入されている。該モジュール間接続部材３ａ、３ｂは、中空芯１にそれぞれ外嵌された＋極のモジュール端子４ａと−極のモジュール端子４ｂとにそれぞれ電気的に接続されている。該モジュール端子４ａ、４ｂは、各電池モジュールＭの電力を取り出すための端子である。
【００１４】
前記モジュール端子４ａと４ｂとの間には、ＰＥ，ＰＰ等の絶縁材フィルムをロール状に巻回し、該巻回フィルムの間に電池用の活物質等を挟持してなる３個の短円筒状の電極（単位セル，発電体）５ａ，５ｂ，５ｃが、中空芯１に等間隔で外嵌されている。
【００１５】
上部の電極５ａの上下端面側には該電極５ａから電気エネルギを取り出す舌片状の＋極用の集電リード６ａと−極用の集電リード６ｂがそれぞれ配置されている。同様に中央部の電極５ｂの上下端面側には集電リード６ｃ，６ｄが配置され、下部の電極５ｃの上下端面側には集電リード６ｅ，６ｆが配置されている。各集電リードの上下端面は、それぞれ次に説明する集電リード部固定部材７，電極５に対してレーザ或いは溶接により電気的に接続されている。
【００１６】
上方に配置された前記モジュール端子４ａと集電リード６ａの間には、該モジュール端子４ａと集電リード部６ａを電気的に接続するための銅，アルミニウム，ＳＵＳ等からなるソロバン玉下半分状の集電リード部固定部材７ａが外嵌され、下方に配置された前記モジュール端子４ｂと集電リード部６ｆとの間にはソロバン玉の上半分状の同様の集電リード部固定部材７ｂが外嵌されている。また、集電リード部６ｂと６ｃとの間には同様の集電リード部固定部材７ｃが外嵌され、集電リード部６ｄと６ｅとの間には同様の集電リード部固定部材７ｄが外嵌されている。
前記電極５ａ〜５ｃ等の各種部材を覆う外筒ケース２の内面側にはＰＥ，ＰＰ等からなる絶縁フィルム８が貼り付けられている。外筒ケース２の上下端部はそれぞれモジュール端子４ａ，４ｂに対して密封状態に形成されている。
【００１７】
また、集電リード部固定部材７ｃ，７ｄの外周部と外筒ケース２，絶縁フィルム８の内面との接触部は、外筒ケース２の外周部からカシメられていて、各電極５ａ，５ｂ，５ｃを含む部分を単位（単位セルＳ）とし、各単位セルＳの気密性が確保されている。即ち、上下両端部の集電リード部固定部材７ａ，７ｂを含め、各集電リード部固定部材７ａ〜７ｄは、各単位セルＳ（電極）を気密性をもって分離する隔壁の役目をなす。
【００１８】
図３は、以上の如く構成された電池モジュールＭを多数（例えば、１２個）組み込んだ組電池Ｂ1 の縦断面図であり、図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は該組電池Ｂ1 の斜視図、およびそれぞれ矢印Ｙ方向から見た場合の電池モジュールＭの配置例の図である。
【００１９】
図３，図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、鉄，ＳＵＳ，アルミニウム等からなる構造部材により強固な箱１１ａが構成されている。前記箱１１ａは、鉄，ＳＵＳ，アルミニウム等からなる上支持板１１ｂと中支持板１１ｃと下支持板１１ｄとを備え、各支持板１１ｂ，１１ｄにより各電池モジュールＭの中空芯１の上端部と下端部とがそれぞれ絶縁用のスリーブ１２を介して固定されている。各電池モジュールＭの中央部は中支持板１１ｃにより固定されている。
また、各電池モジュールＭはモジュール間接続部材３ａ，３ｂによって直列接続され、組電池Ｂ1 の上方の左右隅部には外部に接続するための組電池端子１４が配設されている。
１３は、組電池Ｂ1 を覆うアルミニウム，ＳＵＳ，鉄等からなる組電池ケースである。
【００２０】
次に作用を説明する。
電池モジュールＭまたは中空芯１の上端部，中央部，下端部は、それぞれ上支持板１１ｂ，中支持板１１ｃ，下支持板１１ｄにより支持されているので、剛性が大きくなり、電気自動車（図１１（Ａ），（Ｂ）参照）に搭載しても強度を十分に確保することができる。
【００２１】
電池モジュールＭの中に例えば３個の電極を構成できるので、１個当りの電池モジュールＭの発生電圧が高くなる。即ち、図１０に示す従来の電池モジュールは１．５Ｖであったのに対し、本実施形態例の電池モジュールＭでは１．５Ｖ×３＝４．５Ｖとなる。従って、本実施形態例によれば、同一電圧を発生する場合に、重量的にも体積的にも小さくできるので、重量エネルギおよび体積エネルギを向上させることができる。
【００２２】
なお、電池モジュールの中の電極の数を４個以上に構成することも勿論可能である。
また、中空芯１の中空部に冷却用エアを流すことにより、電池モジュールＭを冷却することができる。特に電池モジュールから大きな出力を取り出すために温度が上昇した場合には（例えば、登坂時）、例えばエアコン用の冷気を流すようにしてもよい。
更に、図４（Ｃ）に示すように、電池モジュールＭをずらして配置すれば、組電池の高さＨ1 を更に低く構成することができる。
【００２３】
（２）第２実施形態例
本実施形態例と第１実施形態例との相違点は、電池モジュールＭの異常を検出する異常検知手段を備えた点である。
図５は本実施形態例の電池モジュールＭ1 の縦断面図であり、図６は異常検出回路のブロック図である。なお、既に説明した部分には同一符号を付し、重複記載を省略する。
【００２４】
図５に示すように、中空芯１の内面側には各単位セルＳ毎に異常を検出する異常検出回路２１ａ，２１ｂ，２１ｃが配設され、各回路２１ａ，２１ｂ，２１ｃには異常を検出した場合に点灯するＬＥＤ（発光ダイオード）２３ａ，２３ｂ，２３ｃが取り付けられている。
【００２５】
各集電リード部固定部材７ａ〜７ｄの内面には端子２５ａ〜２５ｄが中空芯１の内面側に向けて突設され、各端子２５ａ〜２５ｄと各異常検出回路２１ａ〜２１ｃとの間は、接続ケーブル２２ａ，２２ｂ…により接続されている。
中空芯１の上端部にはフォトトランジスタ等からなる光センサ２６が配設され、前記ＬＥＤ２３ａ，２３ｂ，２３ｃの点灯を検出する。
また、図６に示すように、電池モジュールＭの各単位セルＳには電圧計Ｖが接続され、電圧計Ｖの検出値はＡ／Ｄ変換されてＣＰＵに入力される。そして、ＣＰＵからＩ／Ｏを介してＬＥＤ２３が点灯される。
【００２６】
このようにすれば、単位セルＳの過充電，過放電，セル温度の異常上昇時には、その異常に対応した単位セルＳのＬＥＤ２３が点灯され、その点灯光は光センサ２６により検出され、ＣＰＵを介してブザー（図示せず）等により警報が発せられる。従って、電池モジュールに異常が発生した場合には直ちに対策を講じることができる。
なお、ＬＥＤ２３の点灯は中空芯１の内部で発生するので、微弱な光度の光でも容易に検出することができる。また、異常検出回路２１が中空芯１の内部に設置されているので、誤って組電池Ｂ1 に異常外力が加えられても、異常検出回路２１が故障を起こすおそれが殆どない。
【００２７】
（３）第３実施形態例
本実施形態例と第１実施形態例（図４参照）との相違点は、強制冷却手段を備えた点である。
図７に示すように、各電池モジュールＭの中空芯１の上端部側には冷媒を導入する取入ダクト３１が配置され、該取入ダクト３１から各中空芯１に導入管３１ａを介してエアコン，ラジエタ等からの冷気が流れ込む。
【００２８】
各電池モジュールＭの中空芯１の下端部側には冷媒を回収する回収ダクト３２が配置され、各回収管３２ａを介して冷却済みの排気が回収される。
そして、通常の電気自動車（図１１（Ａ）参照）の走行時には外部から電池モジュールＭに冷却用空気が当たるようにしておく。
【００２９】
また、高出力時（例えば、登坂時）には電池モジュールＭの発熱が多くなるので、取入ダクト３１→導入管３１ａ→中空芯１→回収管３２ａ→回収ダクト３２の経路で冷媒を流し、電池モジュールＭを強制的に冷却する。このようにすれば、高出力時でも電池モジュールＭが過熱されず、従って、出力の低下を防止することができる。
【００３０】
（４）第４実施形態例
本実施形態例は、図８に示すように、外筒ケース２のカシメ部の外周部からＳＵＳ等からなるバンド３５を巻回して締め付け、カシメが緩まないようにしたものである。このようにすれば、各セル毎の機密性の信頼性がより向上する。
また、このバンド３５を利用して組電池を組み立てる際（図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）参照）に電池モジュールＭを固定することも可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように各請求項記載の発明によれば、筒体に複数の発電用の単位セルが外嵌され、該単位セルを外筒ケースで覆い、各単位セル毎に気密性が保たれるようにして電池モジュールが構成されているので、１個の電池モジュール当り重量エネルギおよび体積エネルギが向上され、筒体の内部の通風が良いので放熱性が向上される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態例の電池モジュールの縦断面図である。
【図２】 （Ａ）は同第１実施形態例の要部斜視図、（Ｂ）は上面図である。
【図３】 同第１実施形態例の電池モジュールにより構成した組電池の縦断面図である。
【図４】 （Ａ）は同第１実施形態例の電池モジュールにより構成した組電池の斜視図、（Ｂ），（Ｃ）は矢印Ｙ方向から見た側面図である。
【図５】 同第２実施形態例の縦断面図である。
【図６】 同第２実施形態例に使用される異常検出回路のブロック図である。
【図７】 同第３実施形態例の縦断面図である。
【図８】 同第４実施形態例の要部縦断面図である。
【図９】 従来の組電池の外観斜視図である。
【図１０】 （Ａ）は従来の電気自動車における組電池の取り付け位置を示す図、（Ｂ）は同組電池の斜視図である。
【符号の説明】
Ｂ 組電池
Ｍ 電池モジュール
１ 中空芯
２ ケース（外筒ケース）
３ モジュール間接続部材
４ モジュール端子
５ 電極（単位セル）
６ 集電リード部
７ 集電リード部固定部材
８ 絶縁フィルム
１１ａ 箱
１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 支持板
１２ スリーブ
２３ ＬＥＤ
２６ 光センサ
３１ 冷媒採り入れダクト
３２ 冷媒回収ダクト
３５ カシメバンド

Claims (6)

1. 外周部に絶縁体を備えてなる筒体と、
   該筒体に外嵌され、前記絶縁体により互いに絶縁された複数の発電用の単位セルと、
   前記筒体に外嵌された複数の単位セルを一体的に覆う外筒ケースと、
   を備えたことを特徴とする電池モジュール。
2. 前記単位セル毎に気密性が確保されたことを特徴とする請求項１記載の電池モジュール。
3. 前記気密性の確保手段は、前記単位セル間に隔壁が配置され、該隔壁の外周部と前記外筒ケースの内面との接触部を外部からカシメてなることを特徴とする請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記気密性の確保手段は、前記単位セル間に隔壁が配置され、該隔壁の外周部と前記外筒ケースの内面との接触部を外部からバンド締めしてなることを特徴とする請求項２に記載の電池モジュール。
5. 前記筒体に冷媒を流すようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電池モジュール。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電池モジュールの少なくとも長手方向の両端部を保持して構成したことを特徴とする組電池。

Images