JP5777142B2 - 電池パックおよび電動自転車 - Google Patents
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Description
リチウムイオン電池には正極と負極をセパレータを介して積層したものを卷回した円柱状のもの、正極と負極をセパレータを介して積層した扁平状ものが知られている。
これらのなかでも扁平状のものは正極、負極の面積を大きくしたり、積層する正極、負極の枚数を増加することによって単位電池当たりの容量を大きくすることが容易であるので、機器駆動モータ等の電源用の電池として好適である。
扁平状のリチウムイオン電池の単位電池は、電池要素をフィルム状外装材で外装することによって、リチウムイオン電池の有する高いエネルギー密度を有効に利用することができる。
フィルム外装電池は、各種の用途に用いられているが、例えば、特許文献1(特開2007−257901号公報)には、フィルム外装電池を使用した電動自転車用の電池パックが提案されている。
各種の電池のなかでも、質量エネルギー密度および容積エネルギー密度が大きなリチウムイオン電池は電動自転車には好適である。なかでもフィルム状外装材によって外装したフィルム外装電池は金属製の缶を外装材とした電池に比べてエネルギー効率が大きいという特徴を有している。
一方、エネルギー密度に優れたフィルム外装電池は、厚みが薄いフィルム状外装材で覆われているので金属製の外装缶に収納した電池に比べて衝撃、振動の対策が重要である。
特許文献1の電池パックでは、扁平なフィルム外装電池からの発熱を放熱するために、両端部の集熱板の間に間隔を設けて中間集熱板を配置した集熱部材を設けているが、各集熱板の間の三方が開放された空間に剛性が小さな扁平状電池を変形等を生じさせることなく挿入する作業には手数を必要とする。
また、特許文献1の電池パックでは、集熱部材は三方が開放しているので、フィルム外装電池の固定、振動および衝撃対策には不十分であった。
本発明は、フィルム外装電池を使用した電池パックであって、フィルム外装電池に対して振動、衝撃を緩和して安定した保持が可能であって、電池からの放熱特性も良好であって電動自転車に与える質量増加の影響も小さな電池保護部材を設けた電池パックを提供するものである。
また、本発明の単位電池100は、その形状が扁平であるので扁平状電池とも称す。
単位電池本体部110は、複数のシート状正極と複数のシート状負極とがセパレータを介して積層された積層電極体、および電解液(いずれも図示しない)が、平面視で矩形のフィルム状外装材内に収容された構造となっている。そして、単位電池本体部110の上端部111からは、正極引出タブ120及び負極引出タブ130が引き出されている。
具体的には、アルミニウム箔の外面側に位置する面には、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート等の強度、および耐熱性を有する部材を、内面側には、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱融着性が良好な材料をそれぞれ積層したものを用いることができる。
上記のような単位電池100においては、正極引出タブ120の材質としてはアルミニウムまたはアルミニウム合金が、また、負極引出タブ130の材質としては、ニッケル、ニッケルメッキをした銅、ニッケル−銅クラッドが一般的に用いられている。本実施形態においては、アルミニウム製の正極引出タブ120が、また、ニッケル製の負極引出タブ130がそれぞれ用いられている。
以上の説明では、図1Aに示すように、フィルム状外装材が電池要素の上端部111、下端部112、2つの側端部113を熱融着するものについて説明した。
また、図1Bに示すように、電池要素を一枚のフィルム状外装材を折り曲げて覆い、電池要素の引出タブ部を取り出す上端部111と、両側の側端部113のみが三辺を熱融着によって封口したものであっても良い。この場合には、いずれの端部をフィルム状外装材の折り曲げ部としても良いが、下端部112をフィルム状外装材の折り曲げ部とすることが好ましい。
このための構成について説明する。図1に示すように、電池パックを構成する上では、単位電池100におけるアルミニウム製の正極引出タブ120は上端部111から長さaとされ、ニッケル製の負極引出タブ130は上端部111から長さb(b>a)とされる。次に、長さaのアルミニウム製の正極引出タブ120に対しては、上端部111からの長さがbとなるように、ニッケル製のタブ部材125が超音波溶着によって接合され、継ぎ足される(図2、図3参照)。単位電池100同士を直列接続するために、正極性の引出タブとしてのタブ部材125には穴127が設けられ、負極引出タブ130には穴137が設けられる。なお、以下、タブ部材125が接合されて形成された引出タブ全体を、正極引出タブ120と称することもある。
後述するように、本発明に係る電池パックにおいては、複数の単位電池100を電気接続する上では、ニッケル製部材同士(タブ部材125、負極引出タブ130)が接触するようにして、異なる極性の引出タブ同士を連結するので、隣り合う単位電池同士の電気接続部は、同種の金属材料による電気接続となり、電位差の問題がなく、年月の経過による導電性の劣化が発生することがほとんどなくなる。
図4(C)は図4(A)のX−X’断面を示す図であり、図4(D)はホルダ部材200を側面から見た図である。
ホルダ部材200は、第1面210と、この第1面210と表裏の関係にある第2面250が形成されてなるABS樹脂などの合成樹脂製の部材である。ホルダ部材200の第1面210の第1列211には、図4(A)でみて、上から下に引出タブ挿通穴215が並んで形成されている。同じく、第1面210の第2列212側にも、上から下に引出タブ挿通穴215が並んで形成されている。ホルダ部材200に単位電池100を取り付けられる際には、この第1面210側に設けられた引出タブ挿通穴215が利用される。引出タブ挿通穴215は、第1面210側から第2面250側に貫通する穴で、単位電池100の引出タブを挿通可能な穴である。
第1列211側においては、引出タブ案内リブ203による規制に基づいて、直列接続される複数の単位電池100のうちの端部側の単位電池100の引出タブが、第1面210側から第2面250側に、引出タブ引回部213を通るようにして、案内されるようになっている。
また、第2列212側においては、引出タブ案内リブ203による規制に基づいて、直列接続される複数の単位電池100のうちの端部側の単位電池100の引出タブが、第1面210側から第2面250側に、引出タブ引回凹部214を通るようにして、案内されるようになっている。
位置合わせ用突起部263は、基板300をホルダ部材200に取り付ける際の位置合わせに用いられる突起で、第1列211側及び第2列212側のそれぞれに1つずつ配されている。また、上記の位置合わせ用突起部263を用いて、基板300をホルダ部材200に取り付けた後に、基板300とホルダ部材200とを固着するために利用されるネジ穴270が、第1列211側及び第2列212側のそれぞれに1つずつ設けられている。
図5は本発明の実施形態に係る電池パックで単位電池100の直列接続の利用される基板300の斜視図である。
主としてガラスエポキシなどを基材として構成されてなる基板300はホルダ部材200の第2面250側に取り付けられて利用されるものであり、基板300の外周形状は、ホルダ部材200の第2面250側の外周形状に略一致するようになっている。基板300の外周の2箇所には、ホルダ部材200の引出タブ引回凹部214に対応するように引出タブ引回切欠部314が形成されている。
また、基板300には、ホルダ部材200の引出タブ挿通穴215に対応するように、引出タブ引出穴315が設けられている。また、基板300には、ホルダ部材200の仕切り片260に対応するように、仕切り片引出穴317が設けられている。また、基板300には、ホルダ部材200の引出タブ挿通穴215と仕切り片260の双方に対応するような、引出タブ・仕切り片引出穴316が設けられている。これらの穴は、いずれも基板300の一方の主面から、他方の主面に貫通する穴であり、単位電池100の引出タブや、仕切り片260などが挿通可能に構成されるものである。
単位電池100の引出タブが、ボルトナットで基板300に固着される箇所には、薄膜電極部320a、薄膜電極部320b、薄膜電極部320cが設けられている。
また、薄膜電極部320bは、コネクタ340の不図示の端子部と導通が図られており、個々の単位電池100のモニタを行うための電位が、コネクタ340を介して測定できるようになっている。なお、コネクタ340は、単位電池100の温度を測定する温度測定センサ(不図示)からの信号を取り出せるように構成することもできる。
基板300には、ホルダ部材200の第2面250側に設けられている位置合わせ用突起部263に対応する位置合わせ穴328が2つ形成されており、2つの位置合わせ用突起部263を、位置合わせ穴328に貫通させることにより、簡便にホルダ部材200と基板300とを固着する際の位置合わせが行えるようになっており、生産性向上に寄与している。また、基板300に形成されている基板固着ネジ穴329は、ホルダ部材200と基板300とを固着するために利用される基板固着ネジ271を挿通する穴である。
図6は本発明の実施形態に係る電池パックを構成する電池保護部材400を説明する図であり、図6(A)は単位電池100の主面が貼着される第一の板状部410を臨むように電池保護部材400を見た図であり、図6(B)は図6(A)の上側から電池保護部材400を見た図である。
電池保護部材400は、単位電池100を載置する際に、載置された単位電池100間に介挿されるようにして利用されるものであり、単位電池100を載置する際に、載置された単位電池100間に介挿されるようにして利用されるものである。
電池保護部材400は、ABS樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂などの合成樹脂で形成することができる。こういった材料を用いることで、電池保護部材400を軽量かつ安価に実現できる。
また、電池保護部材400は、金属製部材、良熱伝導性材料粒子を分散した合成樹脂製部材製でも形成することができる。こういった材料を用いることで、電池保護部材400を熱伝導性が良好であってかつ軽量に実現できる。
具体的には、金属製部材が、アルミニウム、アルミニウム合金、銅から選ばれるいずれかであり、良熱伝導性材料粒子が窒化アルミニウム、窒化ケイ素、アルミナのいずれかである。
合成樹脂材料としては、ABS樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂を挙げることができ、これらに良熱伝導性材料粒子を分散した材料を挙げることができる。
これらのなかでも、アルミニウム、アルミニウム合金が好ましい。
アルミニウム、アルミニウム合金等の場合には、表面をアルマイトを処理して絶縁層をしたり、絶縁性皮膜を形成することが好ましい。これによって、万一保護部材に電圧の印加部が接触しても問題の発生を防止することができる。
電池保護部材400の第一の板状部410は、単位電池100と、これと直列接続される単位電池100との間に挟まれる部材である。一方、第一の板状部410の両端部からは、第一の板状部410に垂直な方向に第二の板状部440が延在するように設けられている。したがって、図6(B)に示すように、電池保護部材400は断面がH字状の部材となる。
まず、図7に示す工程においては、ホルダ部材200の第2面250に設けられている全てのナット収容部255に対してナット256を装着する。ナット収容部255の内周は、ナット収容部255にナット256が内嵌されると、ナット256が簡単には外れない程度の寸法とされている。
続く図8に示す工程では、ホルダ部材200の位置合わせ用突起部263を、基板300の位置合わせ穴328に挿通させることで、ホルダ部材200と基板300との位置合わせを行う。続いて、2つの基板固着ネジ271を、基板固着ネジ穴329に挿通させて、ネジ穴270にネジ止めすることで、ホルダ部材200と基板300とを固着する。なお、基板固着ネジ穴329としては、様々な種類のネジを利用することができるが、タッピング用のネジを用いることで、製造時の作業効率が向上する。
第2番目の単位電池100の上端部111がホルダ部材200の第1面210に突き当てられるまで押し込まれたことを確認した上で、次の基板300側の作業に移行する。
一方、第2番目に取り付けられた単位電池100の負極引出タブ130は図で示す上側に折り曲げられ、第3番目に取り付けられた単位電池100の正極引出タブ120との連結の準備を行う。
また、単位電池100は、第一の板状部420からの第二の板状部440の高さ方向の上端部を越えて載置している。このように、第二の板状部440の上端部を越えて単位電池を載置することによって、単位電池の周囲からの放熱が良好にすることができる。
上記の第二の板状部の上端部を越えて載置する電池は、図上で上部または下部のいずれか、あるいは両者の電池保護部材400に載置することができる。
第10番目の単位電池100の負極引出タブ130については、引出タブ引回部213を利用して、基板300薄膜電極部(図示せず)に固着する。これにより、第1番乃至第10番目までの単位電池100の各引出タブが、基板300上で連結されて、10個の単位電池100の直列接続が完了して二つの電池保護部材ブロック450を備えた電池連結構造体500が完成する。
したがって、載置した単位電池100には、上下の電池保護部材400の第二の板状部440の間からも周囲の空気が流通することになり単位電池100の放熱特性が向上する。
二つの電池保護部材ブロック450を備えており、直列接続された10個の単位電池100への充放電は、基板300に取り付けられた正極端子用電極座金321及び負極端子用電極座金322を利用して行われる。正極端子用電極座金321には端子部材331が、また、負極端子用電極座金322には端子部材332が取り付けられている。
また、複数の単位電池100の互いに異なる極性の引出タブ同士を引出タブ接続ボルト257とナット256により基板300上で連結するように構成されているので、複数の単位電池100同士を簡単に電気接続することができ、電池バックを製造する上での作業効率が高くなり、生産性が向上する。
図18に示す工程では、電池連結構造体500を収容するための第1ケース体600に対して、第1ケース体600に設けられている放電端子取付凹部611及び充電端子取付凹部612を利用して、放電端子613及び充電端子614をネジ止めする。
図19に示す工程では、第1ケース体600の第2収容部602に第1緩衝部材621を、また、回路収容部603に第2緩衝部材622を接着剤などで取り付ける。
図20に示す工程では、第2ケース体660の第2収容部662に第3緩衝部材663を接着剤などで取り付ける。
図21の工程においては、第1の電池連結構造体500に対して、端部の単位電池100に肉厚の第4緩衝部材504が取り付けられ、全ての電池保護部材の第二の板状部に、第4緩衝部材504より薄い第5緩衝部材505が取り付けられる。第4緩衝部材504・第5緩衝部材505を各部に取り付ける際には接着剤などが利用される。
一方、図22の工程においては、第2の電池連結構造体500に対して、端部の単位電池100に第4緩衝部材504が取り付けられ、一方側の電池保護部材の第二の板状部にのみ、第5緩衝部材505が取り付けられる。先ほど同様、第4緩衝部材504・第5緩衝部材505を各部に取り付ける際には接着剤などが利用される。
図24に示す工程においては、第1及び第2の電池連結構造体500と保護回路基板700とが結線されると共に、第1ケース体600の第1収容部601に第1及の電池連結構造体500を、また、第2収容部602に第2の電池連結構造体500をそれぞれ収容する。
図25に示す工程において、第1ケース体600と第2ケース体660とがネジ止めされることで、本発明に係る電池パックが完成する。
図26は、本発明の電池パックを装着した電動自転車を説明する図である。
電動自転車1は、フレーム2に、本発明の電池パック4を装着しており、電動自転車の駆動機構3に対して電力を供給している。
本発明の電池パック4は、路面からの振動、衝撃を受けるフレーム2に直接装着しているが、電池パック4内には、振動、衝撃の対策が施されているので、安定した作動が実現できる。
Claims (11)
- 第一の板状部と、
前記第一の板状部の幅方向の両端部に一体に結合し、前記第一の板状部の両面に対して略垂直方向に延びる第二の板状部とを有する電池保護部材と、
前記第一の板状部の少なくともいずれか一方の面に前記第二の板状部の前記第一の板状部からの高さを越えて扁平状電池を載置した電池保護部材ブロックを備え、
前記電池保護部材ブロックの複数個を、前記第二の板状部の高さを越えて載置した扁平状電池面同士を前記第一の板状部を介することなく対面させて一体化したことを特徴とする電池パック。 - 第一の板状部と、
前記第一の板状部の幅方向の両端部に一体に結合し、前記第一の板状部の両面に対して略垂直方向に延びる第二の板状部とを有する電池保護部材と、
前記第一の板状部の少なくともいずれか一方の面に前記第二の板状部の前記第一の板状部からの高さを越えて扁平状電池を載置した電池保護部材ブロックを備え、
前記電池保護部材ブロックの複数個を、前記第二の板状部の高さを越えて載置した扁平状電池面同士を接触させて一体化したことを特徴とする電池パック。 - 前記扁平状電池の載置面が前記第一の板状部の両面に形成されていることを特徴とする請求項1または2記載の電池パック。
- 前記第一の板状部上に扁平状電池を積層したことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の電池パック。
- 前記扁平状電池の平板面が前記第一の板状部に載置されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載の電池パック。
- 前記扁平状電池がフィルム外装電池であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項記載の電池パック。
- 前記保護部材の第一の板状部の長手方向に前記扁平状電池の引出タブが取り出されたことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項記載の電池パック。
- 前記扁平状電池に両面接着テープの一方の接着面を接着して、前記第一の板状部または隣接する扁平状電池面に接着したことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項記載の電池パック。
- 請求項1から8のいずれか1項記載の電池パックを備えたことを特徴とする電動自転車。
- 第一の板状部と、
前記第一の板状部の幅方向の両端部に一体に結合し、前記第一の板状部の両面に対して略垂直方向に延びる第二の板状部とを有する電池保護部材と、
前記第一の板状部上に扁平状電池を載置した電池保護部材ブロックと、
前記電池保護部材ブロックの複数個を前記扁平状電池面同士を前記第一の板状部を介することなく対面させて一体化した電池連結構造体を備え、
前記対面させて一体化した扁平状電池の総高さが、前記第二の板状部の前記第一の板状部からの高さの2倍より大きいことを特徴とする電池パック。 - 第一の板状部と、
前記第一の板状部の幅方向の両端部に一体に結合し、前記第一の板状部の両面に対して略垂直方向に延びる第二の板状部とを有する電池保護部材と、
前記第一の板状部上に扁平状電池を載置した電池保護部材ブロックと、
前記電池保護部材ブロックの複数個を前記扁平状電池面同士を接触させて一体化した電池連結構造体を備え、
前記対面させて一体化した扁平状電池の総高さが、前記第二の板状部の前記第一の板状部からの高さの2倍より大きいことを特徴とする電池パック。
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