JP4107163B2 - 組電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は,複数個の電池を組み合わせてなる組電池に関する。さらに詳細には,ラミネートフィルムにて発電要素が密封された電池を組み合わせてなる組電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から,複数個の電池を繋ぎ合わせた組電池が各種の電子機器に利用されている。組電池の構成要素となる電池としては,例えばリチウムイオン電池がある。近年,リチウムイオン電池は,携帯型PCや携帯電話を始めとする電子機器のみならず,ハイブリッド車や電気自動車の電源として注目されている。
【0003】
このリチウムイオン電池では,過充電状態になると,電解液の分解作用によりガスが発生する。そして,そのガスにより内部圧力が上昇するという問題が発生する。従来から,この問題の対策として,過充電によって発生したガス,すなわちラミネートフィルムの内側で発生したガスをラミネートフィルムの外側に放出するための安全弁が設けられている。例えば特許文献1には,個々の電池に安全弁を設け,その電池が複数個まとめてケースに収納された組電池が記載されている。
【0004】
また,リチウムイオン電池には,発電要素(電極体や電解液等)がラミネートフィルムに収納されているタイプのものがある。具体的には,ラミネートフィルムを熱溶着等によりシールすることで発電要素を密封している。しかし,このラミネートフィルムのシール部は,外部からの衝撃や内部圧力等によって剥離してしまうことがある。この問題の対策として,例えば特許文献2には,シール部を樹脂等のフレームにて挟持することでそのシール部が補強された電池が記載されている。
【0005】
【特許文献1】
特公平4−79106号公報
【特許文献2】
特開平11−116546号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら,前記した従来の技術には以下のような問題があった。すなわち,特許文献1に記載されている組電池では,安全弁およびその周辺部が保護されていない。具体的には,ラミネートフィルムのシール部のうち,安全弁の周辺部以外の部位については,シール部が折り曲げられることによって剥離が抑制されている。しかし,安全弁の周辺部については折り曲げられていない。そのため,内部圧力が上昇すると,シール部の剥離等の不具合が発生する恐れがある。特許文献2についても,安全弁や組電池についての記載はなされていない。
【0007】
また,特許文献1に記載されている組電池は,剛性があるケースに複数の電池を収納することで組電池としている。そのため,ケースのサイズによって電池の最大個数が決められてしまう。従って,設計自由度が低い。
【0008】
本発明は,前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは,安全性が高く,組み合わせることが容易で設計自由度が高い組電池を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この課題の解決を目的としてなされた組電池は,複数個の電池を組み合わせてなるとともに,各電池が,発電要素と,その発電要素を被覆するラミネートフィルムとを有し,そのラミネートフィルムには,発電要素を封止する封止部と,発電要素から発生するガスをラミネートフィルムの外側に放出するための安全弁とが設けられている組電池であって,組み合わせられた電池のうちの隣り合う一対の電池が,それぞれの電池の安全弁が対向するように配置されて1組の電池群を構成しており,電池群は,両電池の封止部のうちの,対向している部位をまとめて拘束する拘束手段を有しているものである。
【0010】
すなわち,本発明の組電池では,ラミネートフィルムにて発電要素が密封された一対の電池が,それぞれの電池の安全弁が対向するように配置されている。そして,それらの電池が1組の電池群を構成している。また,拘束手段にて,両電池のラミネートフィルムの封止部のうちの,対向している部位をまとめて拘束している。すなわち,安全弁の周辺の封止部が拘束されている。そのため,ラミネートフィルムの内側でガスが発生し,内部圧力が上昇した場合であっても,封止部の剥離を防止することができる。従って,本発明の組電池の安全性は高い。なお「電池群」は,配線とは必ずしも関係ない。
【0011】
また,本発明の組電池は,電池群を少なくとも2組有し,それらの電池群の拘束手段同士が連結されているとするとよりよい。これにより,電池群同士を容易に組み合わせることが可能である。また,負荷の要求に合わせて各電池の配列や電池の個数を決定することが可能である。
【0012】
さらに,本発明の組電池の拘束手段には,それぞれ貫通口が設けられており,各拘束手段は,それらの貫通口同士が重ね合わせられた状態で連結されているとするとよりよい。貫通口同士を重ね合わせることにより,安全弁から放出されたガスを確実に外部に放出することができる。よって,内部圧力の上昇を防止することができる。
【0013】
また,本発明の組電池は,連結された電池群のうちの,隣り合う電池群の間に位置する放熱板を有することとするとよりよい。これにより,発電要素から発生した熱を組電池の外部に放出することが可能である。よって,発電要素の過熱を防止することができる。
【0014】
また,本発明の組電池は,連結された電池群のうちの,複数の電池群にわたって,それらの電池群の発電要素をまとめて拘束する発電要素拘束手段を有することとするとよりよい。これにより,各発電要素の膨張を抑制することができる。また,各発電要素を均等に加圧することが可能である。さらには,発電要素ごとに拘束する必要がないため,組電池としてコンパクトである。
【0015】
また,本発明の組電池の各電池は,封止部の一部が折り曲げられており,電池群は,その折り曲げられている部位を拘束する枠体を有することとするとよりよい。この枠体により,封止部のシール性の強化を図ることができる。よって,内部圧力の上昇等による封止部の剥離を防止することができる。また,外部の衝撃による封止部の変形を防止することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下,本発明を具体化した実施の形態について,添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお,本実施の形態は,電気自動車等の車両に搭載される組電池に本発明を適用したものである。
【0017】
実施の形態に係る組電池100は,図1に示すようにリチウムイオン電池11,12,13,14と,電池保持部材21,22とを備えている。リチウムイオン電池11とリチウムイオン電池12とは,電池保持部材21を挟んで対向している。そして,リチウムイオン電池11,12と,電池保持部材21とで1組の電池群101を構成している。同様に,リチウムイオン電池13とリチウムイオン電池14とは,電池保持部材22を挟んで対向している。そして,リチウムイオン電池13,14と,電池保持部材22とで1組の電池群102を構成している。すなわち,組電池100は,電池群101,102の2組の電池群によって構成されている。
【0018】
ここで,リチウムイオン電池11について説明する。リチウムイオン電池11は,図2に示すように発電要素110と,ラミネートフィルム111と,正極端子112と,負極端子113とを有している。発電要素110は,正極の電極シート,負極の電極シート,両電極シートを隔てるセパレータ,および電解液を含むものである。さらに発電要素110は,これらの電極シートとセパレータと重ね合わせて捲回したものである。なお,適当な大きさでカットした電極シートとセパレータと重ね合わせて積層したものであってもよい。発電要素の具体例としては,例えば正極の電極シートとしてコバルト酸リチウム,負極の電極シートとして黒鉛化炭素材料,セパレータとしてポリエチレン等の樹脂,さらに電解液としてリチウム塩を溶解させた有機溶媒が利用される。
【0019】
また,ラミネートフィルム111は,アルミニウム層の両面に樹脂層を配したものである。このラミネートフィルム111上に発電要素110を配置し,ラミネートフィルム111を折り返して三方を接合することで発電要素110が被覆されている。具体的に,リチウムイオン電池11では,図2に示したように熱溶着等により発電要素110の周囲がシールされている(以下,シールされている部分を「接合部115」とする)。これにより発電要素110は,密封された状態になっている。さらに接合部115の一箇所には,発電要素110から発生したガスを放出するための安全弁117が設けられている。
【0020】
また,図2に示したように正極端子112および負極端子113が接合部115から突出している。勿論,正極端子112は,発電要素110内の正極の電極シートと導通している。また,負極端子113は,負極の電極シートと導通している。また,正極端子112は,負極端子113と比較して,発電要素110から突出しているリードが長い。なお,組電池100に組み込まれる際には,図3に示すように正極端子112および負極端子113が接合部115とともに折り曲げられる。
【0021】
次に,電池保持部材21について説明する。電池保持部材21は,図4に示すように一対の拘束部材211,211により構成されている。拘束部材211には,凹部212と,開口部214と,ネジ穴215とが設けられている。ネジ穴215は,拘束部材211同士をボルト等によって固定するためのものである。実際にリチウムイオン電池11を保持する際には,安全弁117が凹部212内に配置される。そして,接合部115の一部が一対の拘束部材211,211にて挟み込まれる。ここで,接合部115は拘束されるが,安全弁117自体は拘束されない。そのため安全弁117は,内部圧力が上昇した場合に開口することが可能である。従って,拘束部材211にて接合部115を拘束した後であっても,安全弁117が開くことによりラミネートフィルム111の内側で発生したガスをラミネートフィルム111の外側に放出することができる。
【0022】
図5は,組電池100が組み合わせられる前の状態を示す図である。図5に示すように,電池保持部材21を挟んでリチウムイオン電池11,12が対向するように配置される。詳細には,リチウムイオン電池11の安全弁117と,リチウムイオン電池12の安全弁127とが向かい合うように配置される。そして,リチウムイオン電池11の接合部115およびリチウムイオン電池12の接合部125を電池保持部材21により挟み込むことで一組の電池群101が形成される。同様に,リチウムイオン電池13,14および電池保持部材22により一組の電池群102が形成される。そして,電池群101と電池群102とを,アルミ板31を挟んで厚さ方向に積層することで組電池100が形成される。
【0023】
そして,リチウムイオン電池11の正極端子112と,リチウムイオン電池14の負極端子143とが超音波溶接にて接合される。これにより,リチウムイオン電池11とリチウムイオン電池14とが接続される。同様に,リチウムイオン電池12の正極端子122と,リチウムイオン電池13の負極端子133とが接合されることで,リチウムイオン電池12とリチウムイオン電池13とが接続される。なお,接合部分は,漏電等を防止するために,熱収縮フィルム41等により被覆される(図1参照)。配線の詳細については後述する。
【0024】
ここで電池群101,102間を隔てるアルミ板31について説明する。アルミ板31は,リチウムイオン電池11,12,13,14にて発生した熱を組電池100の外部に放出するための放熱板である。また,アルミ板31には,電池保持部材21と同様に,安全弁から放出されたガスの通気口となる開口部と,電池保持部材と連結するためのネジ穴が設けられている。すなわち,電池保持部材の開口部214と,アルミ板31の開口部とを平面上同じ位置に配置して連結することで,リチウムイオン電池から発生したガスを組電池100の外部に放出する通気口が形成される。なお,アルミ板31の内部に通気孔を設け,その通気孔に冷却風を流すようにしてもよい。これにより,放熱効果の向上を図ることができる。
【0025】
次に,リチウムイオン電池11の内部で発生するガスの移動について説明する。リチウムイオン電池11が過充電状態になると,発電要素110から電解液の電気分解に伴うガスが発生する。そして,そのガスの発生によって,リチウムイオン電池11の内部圧力が上昇する。そして,内部圧力が上昇すると,安全弁117が開口するに至る。そして,安全弁117が開口することで,内部で発生したガスが安全弁117を介してラミネートフィルム111の外側に放出される。安全弁117の周辺の接合部115は,電池保持部材21により拘束されているため,内部圧力が上昇したとしても剥離することはない。
【0026】
リチウムイオン電池11から放出されたガスは,電池保持部材21,22の開口部およびアルミ板31の開口部を介して組電池100の外側に放出される。すなわち,開口部同士が重ね合わせられることにより形成された通気口によって,組電池100の所定の位置から放出される。
【0027】
なお,組電池100は,図6に示すように複数の電池群をさらに積層してもよい。積層する際には,電池群と電池群と間に放熱板31を設けて,その放熱板31とともに電池群の電池保持部材同士を連結する。すなわち,電池保持部材同士を連結することで,電池群同士を容易に連結することが可能である。また,図6に示したように組電池100中のリチウムイオン電池全体を金属バンド51,52で拘束してもよい。これにより,各発電要素を均等な外圧によって加圧することができる。さらに,発電要素の膨張を抑制することができる。さらには,図6に示したように組電池100の厚さ方向の両端にエンドプレート61,62を設け,全体を圧接しつつ固定してもよい。さらには,図7に示すように組電池100をケース71に圧接しつつ収納してもよい。これらによっても各リチウムイオン電池の発電要素の膨張を抑制することができる。
【0028】
次に,組電池100における電池同士の配線を説明する。図8は,電池群を8組積層した場合の,厚さ方向の電池の接続状態を示す図である。図8中の上側が図1の上面に相当する。なお,組電池100は,各電池群内で接続されているわけではない。すなわち,電気的な接続の観点からは,「群」に特段の意味はない。ただし,電池群内でまず接続し,さらに電池群間でも接続するようにしても問題ない。図8中のNo.1,No.3,No.5,No.7の電池は,上側に正極端子,下側に負極端子となるように配置されている。一方,図8中のNo.2,No.4,No.6,No.8の電池は,上側に負極端子,下側に正極端子となるように配置されている。すなわち,上側,下側ともに正極端子と負極端子とが交互に突出するように配置されている。そして上側では,No.1の正極端子とNo.2の負極端子,No.3の正極端子とNo.4の負極端子,No.5の正極端子とNo.6の負極端子,No.7の正極端子とNo.8の負極端子がそれぞれ接続されている。一方,下側では,No.2の正極端子とNo.3の負極端子,No.4の正極端子とNo.5の負極端子,No.6の正極端子とNo.7の負極端子がそれぞれ接続されている。これにより,No.1〜No.8の電池が直列に接続される。そして,No.1の負極端子が全体の負極端子となる。また,No.8の正極端子が全体の正極端子となる。
【0029】
上記の説明から,電池群を8組積層した場合の組電池100の配線について,図9および図10を基に説明する。これらの図中の縦方向の組合せ(例えば,No.1とNo.16,No.2とNo.15)が一組の電池群に相当する。図9は,No.1からNo.16までの電池を直列に接続した場合の接続状態を示す図である。No.1からNo.8までの電池(以下,「上ブロックの電池」とする。なお,図10についても同様とする)およびNo.9からNo.16までの電池(以下,「下ブロックの電池」とする。図10についても同様とする)については,それぞれ図8と同様に接続されている。そして,No.1の負極端子とNo.16の正極端子とが接続されている。これにより,上ブロックの電池と下ブロックの電池とが直列に接続される。そして,No.8の正極端子が全体の正極端子となる。また,No.9の負極端子が全体の負極端子となる。図10は,上ブロックの電池と,下ブロックの電池とをそれぞれ直列に接続し,上ブロックの電池と下ブロックの電池とを並列に接続した場合の接続状態を示す図である。ここでは,No.1の負極端子とNo.16の負極端子とが接続されている。また,No.8の正極端子とNo.9の正極端子とが接続されている。これにより,上ブロックの電池と下ブロックの電池とが並列に接続される。
【0030】
以上詳細に説明したように本形態の組電池100は,安全弁117を有するリチウムイオン電池11と,安全弁127を有するリチウムイオン電池12とを一対として,それぞれの安全弁117,127が向かい合うように配置されている。そして,そのリチウムイオン電池11とリチウムイオン電池12との間に電池保持部材21が配置され,その電池保持部材21によりリチウムイオン電池11とリチウムイオン電池12とが対向している部位を拘束することとしている。その際,両リチウムイオン電池の安全弁の周辺の接合部を拘束することとしている。これにより,ラミネートフィルムの内側でガスが発生して内部圧力が上昇した場合であっても,安全弁のみを開口して接合部の剥離を防止することができている。従って,安全性が高い組電池が実現されている。
【0031】
また,本形態の組電池100の各電池保持部材は,他の電池保持部材と容易に連結することが可能である。これにより,負荷の要求に合わせて各電池の配列や電池の個数を決定することが可能である。よって,設計自由度が高い。また,各電池保持部材には,開口部が設けられている。そして,複数の電池群を積層する場合であっても,その開口部を合わせることで通気口を形成することができる。この通気口により,安全弁から放出されたガスを所定の位置から放出することができる。従って,組み合わせることが容易であり,安全性が高い組電池が実現されている。
【0032】
また,本形態の組電池100は,電池群を積層するとともに,電池群と電池群との間にアルミ板31を配置することとしている。これにより,各リチウムイオン電池の発電要素から発生した熱を散熱することができている。また,組電池100内の発電要素を金属バンド51,52,エンドプレート61,62,ケース71等により,まとめて拘束することとしている。これにより,各発電要素を均等に加圧することができ,かつ各発電要素の膨張を抑制することができている。
【0033】
[変形例]
次に,実施の形態の変形例を示す。本変形例の組電池のリチウムイオン電池15は,図11に示すようにラミネートフィルム151の接合部155を折り曲げ,折り曲げ箇所を含む接合部155全体をモールドした枠体81を有するものである。枠体81はリチウムイオン電池全体を覆うものであってもよいし,一部のみを覆うものであってもよい。すなわち,折り曲げ箇所に密着してその部分を拘束できていればよい。また,接合部155を折り曲げない場合には,図12に示すように接合部155を摘むことで拘束する枠体82を設けてもよい。枠体81,82の材質としては,例えばPET,ABS等の熱可塑性樹脂が該当する。
【0034】
これらの枠体81,82により,内部圧力や,外部の衝撃から接合部155を保護することができている。特に枠体81を利用する場合は,接合部155が折り曲げられているため,枠体82を利用した場合と比較してコンパクトである。また,安全弁の周辺の接合部155は,電池保持部材により保護される。よって,各リチウムイオン電池の接合部155全体の剥離が強固に防止されているため,本変形例の組電池の安全性は高い。
【0035】
なお,本実施の形態は単なる例示にすぎず,本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に,その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良,変形が可能である。例えば,組電池の構成部品である電池はリチウムイオン電池に限るものではない。すなわち,ニッケル水素電池やニッカド電池でも本発明を適用できる。
【0036】
なお,上述した本発明の実施形態には,特許請求の範囲に記載した発明以外にも,以下の付記に示すような発明が含まれる。
【0037】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば,安全性が高く,組み合わせることが容易で設計自由度が高い組電池が提供されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態に係る組電池の外観を示す斜視図である。
【図2】実施の形態に係る組電池の構成部品であるリチウムイオン電池(折り曲げ前)を示す図である。
【図3】実施の形態に係る組電池の構成部品であるリチウムイオン電池(折り曲げ後)を示す図である。
【図4】実施の形態に係る組電池の構成部品である電池保持部材を示す図である。
【図5】組電池が組み合わせられる前の状態を示す図である。
【図6】実施の形態に係る組電池を金属バンドおよびエンドプレートで拘束した状態を示す図である。
【図7】実施の形態に係る組電池を拘束してケースに収納した状態を示す図である。
【図8】実施の形態に係る組電池の接続状態を示す模式図である。
【図9】電池を直列に接続したときの接続状態を示す模式図である。
【図10】電池を並列に接続したときの接続状態を示す模式図である。
【図11】変形例に係るリチウムイオン電池の接合部(折り曲げ有り)を示す図である。
【図12】変形例に係るリチウムイオン電池の接合部(折り曲げなし)を示す図である。
【符号の説明】
11 リチウムイオン電池
21 電池保持部材
31 アルミ板
51 金属バンド
81 枠体
100 組電池
110 発電要素
111 ラミネートフィルム
115 接合部
117 安全弁
211 拘束部材
214 開口部
Claims (6)
- 複数個の電池を組み合わせてなるとともに,
各電池が,発電要素と,その発電要素を被覆するラミネートフィルムとを有し,そのラミネートフィルムには,発電要素を封止する封止部と,発電要素から発生するガスをラミネートフィルムの外側に放出するための安全弁とが設けられている組電池において,
組み合わせられた電池のうちの隣り合う一対の電池が,それぞれの電池の安全弁が対向するように配置されて1組の電池群を構成しており,
前記電池群は,両電池の封止部のうちの,対向している部位をまとめて拘束する拘束手段を有していることを特徴とする組電池。 - 請求項1に記載する組電池において,
電池群を少なくとも2組有し,
それらの電池群の拘束手段同士が連結されていることを特徴とする組電池。 - 請求項2に記載する組電池において,
前記拘束手段にはそれぞれ貫通口が設けられており,
各拘束手段は,それらの貫通口同士が重ね合わせられた状態で連結されていることを特徴とする組電池。 - 請求項2または請求項3に記載する組電池において,
連結された前記電池群のうちの,隣り合う電池群の間に位置する放熱板を有することを特徴とする組電池。 - 請求項2から請求項4のいずれか1つに記載する組電池において,
連結された前記電池群のうちの,複数の電池群にわたって,それらの電池群の発電要素をまとめて拘束する発電要素拘束手段を有することを特徴とする組電池。 - 請求項1から請求項5のいずれか1つに記載する組電池において,
組み合わせられた各電池では,封止部の一部が折り曲げられており,
前記電池群は,その折り曲げられている部位を拘束する枠体を有することを特徴とする組電池。
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