JP6752404B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は車載用途等に使用される電池パックに関する。

従来、再充電可能な二次電池の分野では、鉛電池、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池等の水溶液系電池が主流であった。しかしながら、電気機器の小型化、軽量化が進むにつれ、高エネルギー密度を有するリチウム二次電池が着目され、その研究、開発及び商品化が急速に進められた。

一方、地球温暖化や枯渇燃料の問題から電気自動車（ＥＶ）や駆動の一部を電気モーターで補助するハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）が各自動車メーカーで開発され、その電源として高容量で高出力な二次電池が求められるようになってきた。このような要求に合致する電源として、高電圧を有する非水溶液系のリチウム二次電池が注目されている。特に角形リチウム二次電池はパック化した際の体積効率が優れているため、ＨＥＶ用あるいはＥＶ用として角形リチウム二次電池の開発への期待が高まっている。

多数個の二次電池を収納したモジュールケースに、二次電池の電圧検出機能や電圧制御機能あるいは検出信号や制御信号の入出力機能を有するセルコントロールユニットを組み付けて構成することで取り扱いを簡便とし、かつ信頼性の向上を図った移動体搭載用バッテリ装置が提案されている。（特許文献１）

特開第２０００−２２８１７８号

最近の自動車において、電池パックは搭載性を良くするため、少しでも小型化することが求められている。特許文献１で開示されているパック構造（バッテリ装置構造）は、多数個の二次電池およびセルコントローラをオールインワンユニットとして構成されている。しかし、本パック構造は小型化することは考慮されていない。そこで、本発明の目的は艇背化・小型化した電池パックを提供することである。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、複数の蓄電池を積層させた電池群と、前記電池群の一端に配置されるブロック部材と、一方側の面にコネクタを有し、前記電池群の充放電を制御する制御基板とを備えた電池パックにおいて、前記ブロック部材は凹部を有し、前記制御基板は、前記凹部に前記コネクタが収納されるように前記ブロック部材に対向することを特徴とする電池パック。

本発明によれば、複数の蓄電池を積層させた電池群の一端に配置されるブロック部材の凹部に制御基板のコネクタを有する側を収納することにより、電池パックを低背かつ小型化できる。

電池パックの外観斜視図。 電池パックの分解斜視図。 図２の反対方向から見た電池パックの分解斜視図。 サイドプレートの斜視図。 端子台の構成を示す斜視図。 図５の反対方向から見た斜視図。 図５の裏側から見た斜視図。 コンタクタボックスの構成を示す斜視図。 図８の裏側から見た斜視図。 サイドプレートとケース本体で形成される流路を示した図。 ファンにより循環する冷媒の循環経路を示した図。 第２の実施形態におけるコンタクタボックスを示す斜視図。 図１２の裏側方向から見たコンタクタボックスを示す斜視図。 第２の実施形態におけるファンにより循環する冷媒の循環経路を示した図。 コントローラ１２を示す図

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

≪実施形態１≫
図１は電池パックの一実施の形態としての外観斜視図である。電池パック１はケース本体２と上カバー３で構成されるケースを備えている。電池パック１の上面の長手方向両端にはＨＶ端子２１，８１がそれぞれ設けられている。ＨＶ端子２１，８１は外部端子であり、電池パック１はＨＶ端子２１と８１にＨＶケーブルを接続することにより、電気自動車やハイブリッド電気自動車あるいは電気機器に電力が供給される。なお、本実施形態ではＨＶ端子２１が（−）側、ＨＶ端子８１が（＋）側である。

電池パック１の側面には信号用コネクタ４が配置されている。信号用コネクタ４は電池パック１のコントローラの信号用コネクタであり、車両側のコントローラと接続されて、情報のやり取りや電源の供給を受ける。

図２は図１に示す電池パック１の分解斜視図である。なお、以降で上下左右前後という言葉を使う場合には、図の左下に記載の方向に従う。ケース本体２は底部２ａを有し、上方が開口されたボックス状の部材である。ケース本体２内には複数の角形二次電池５と隣接する角形二次電池５間に介装された仕切り部材６を積層方向両端から加圧するエンドプレート７とが収容された領域の一端部側（後ろ側）にコンタクタボックス８が収容されている。コンタクタボックス８の角形二次電池５の積層方向の反対側端部（前側）には端子台９が配置されている。角形二次電池群の短側面両側にはサイドプレート１０が配置されている。さらに、角形二次電池群の上部上カバー３側にはバスバーケース１１が配置されている。

角形二次電池は例えば、リチウムイオン二次電池である。角形二次電池５は電池缶５２と電池蓋５１とを接合して構成された電池容器内に不図示の発電要素が収容され、非水電解液が注入されている。電池蓋５１の幅方向（前後方向）の一端側付近には正極外部端子５３が、他端側付近には負極外部端子５４が設けられている。正・負極外部端子５３、５４は、それぞれ、発電要素の正・負極の電極に接続されている。正・負極外部端子５３、５４は、電池蓋５１の平坦な上面から上方に突出している。

角形二次電池５は、電池蓋５１と反対側の底面、左右方向に対向する大面積の表裏面および前後方向に対向する小面積の一対の側面を有する。角形二次電池５は、表裏面を対向して、正極外部端子５３、負極外部端子５４が交互に反対側に配置されるように直線状に配列されている。

角形二次電池５の間には仕切り部材６が配設されて電池モジュール１Ｒを構成している。この仕切り部材６は、一端部側（後ろ側）の角形二次電池５の左側および右端側の角形二次電池５の右側（配列方向の前後端）にも配設されている。仕切り部材６は板形状で、例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の樹脂により形成される。

角形二次電池５は複数個が一方向に整列して配置されている。このとき、角形二次電池５は互いに離れて配置されている一対のエンドプレート７の間に、角形二次電池５の幅広面が互いに向かい合うように配置されている。一対のエンドプレート７は最も外側に位置する仕切り板６とそれぞれ面接触するように配置され、複数の角形二次電池５を内側に加圧している。このとき複数の角形二次電池５を加圧した状態に保つために、一対のエンドプレート７にはサイドプレート１０が締結される。このときサイドプレート１０の本体部は角形二次電池の短側面と接触した状態になっている。

図３は図２の反対方向から見た電池パック１の分解斜視図である。本図に示すように、端子台９には、通信用コネクタ１２ａ、メインリレー駆動用コネクタ１２ｂ、電圧検出用コネクタ１２ｃが配置されている面を向けてコントローラ１２（制御基板１２）が収納され、端子台９と一体化されている。このような構造にすることによってコントローラ１２に配置されたコネクタ分の厚みを抑えることができ、電池パック１の前後方向への大型化を防ぐことができる。また、後述するが、この端子台９はファン２２を内蔵する構造となっているため、ファン２２分の厚みを抑えることができ、さらに電池パック１の前後方向への大型化を防ぐことが可能となる。なお、コントローラ１２の詳細構造については図１５を用いて詳細に説明する。

続いてサイドプレート４について説明する。図４はサイドプレートの斜視図である。サイドプレート１０はＬ字型形状をしていて、角形二次電池５の短側面と接触している本体部１０ａと本体部から曲がっていてケースに固定される固定部１０ｂ及び本体部から曲がっていてエンドプレート７に締結される締結部１０ｃからなっている。サイドプレートの締結部１０ｃにはボルト挿入用の穴１０ｄが設けられていて、エンドプレート７の締結部とボルトにより締結される。また、サイドプレート１０の固定部１０ｂにはボルト挿入用の穴１０ｅが設けられていて、ケース本体２にボルト１３により締結されて、電池モジュール１Ｒはケース本体２に固定される。つまり、金属で設けられたサイドプレート１０が直接電池モジュール１Ｒの側面に接触していること、およびサイドプレート１０がケース本体２に直接接触していることから、角形二次電池５の熱をケース本体２に流す経路が増えることになる。したがって、このような構造にすることによって、電池モジュール１Ｒの冷却がより促進される。

続いて本発明の特徴部となる端子台９について説明する。端子台９の斜視図を図５から図７に示す。図５及び図６は端子台をコントローラ１２が配置されていない面側から見たもの、図７は端子台９をコントローラ１２が配置されている側から見た図である。端子台９には（−）側のＨＶ端子２１とファン２２及びコントローラ１２が備えられている。ファン２２は端子台９の下部中央に設けられた空間に収納されている。一方、コントローラ１２は通信用コネクタ１２ａ、メインリレー駆動用コネクタ１２ｂ、電圧検出用コネクタ１２ｃを半田により接続されている。またコントローラ１２は制御基板上にシャント抵抗１２ｄをネジ固定されている。コントローラ１２は上記コネクタ有する側を端子台９に設けられた端子台凹部９ａにコネクタを収納するよう取り付けられ、端子台の電池モジュールと反対側の面にボルトにより取り付けられている。コントローラ１２は、角形二次電池５を接続するセル間バスバに電気的に接続され、各角形二次電池５の電圧を測定、監視している。セル間バスバは、角形二次電池の積層方向に隣接する一方の角形二次電池５の正極外部端子５３と、他方の角形二次電池５の負極外部端子５４とに溶接等により接合され、電池モジュール１Ｒを構成する角形二次電池５のすべてを直列に接続する。コントローラ１２には電池パック１全体の監視や制御を行うための回路が実装されている。

また、端子台９には仕切り板２４と突出部２５が設けられている。仕切り板２４はケース本体２との間のすきまをふさぎ、突出部２５は電池モジュール１Ｒとの間のすきまをふさぐために設けられている。また、端子台９には開口部２６が設けられている。ファン２２で吸い込まれた冷媒はこの開口部２６を通ってサイドプレート固定部１０ｂとケース本体２とで形成される流路側に移動する。

ここで、図１５を用いてコントローラ１２について詳細に説明する。前述した通り、通信用コネクタ１２ａ、メインリレー駆動用コネクタ１２ｂ、電圧検出用コネクタ１２ｃがコントローラ１２にそれぞれ設けられている。この通信用コネクタ１２ａとメインリレー駆動用コネクタ１２ｂは弱電系のコネクタであり、電圧検出用コネクタ１２ｃは強電系のコネクタである。そのため、本実施形態では弱電系コネクタをコントローラ１２の左側に、強電系コネクタをコントローラ１２の右側に分けた。このような構成にすることによって、強電系コネクタから弱電系コネクタにノイズが乗ることを抑制することができる。なお、本実施形態ではコントローラ１２の右側と左側に分けたが、右側左側に限らず。コントローラ１２の対向する一対の端辺にそれぞれ分けて配置することができれば、弱電系にノイズが乗ることを抑制する、という効果は得られる。また、本実施形態ではコネクタの数は３つだが、前後方向への小型化という点を考慮すると、コントローラ１２に設けられるコネクタの数は１つであっても、２つであって、それ以上であってもよい。

さらに、本実施形態ではシャント抵抗１２ｄがコントローラ１２の上側に設けられている。このような構成にすることによって、角形二次電池の端子にシャント抵抗１２ｄが近い位置となり、バスバー配線が簡素化されて短くすることが可能となる。

続いてコンタクタボックス８の斜視図を図８と図９に示す。図８はコンタクタボックス８を前面から、図９はコンタクタボックス８を後面から見た図である。コンタクタボックス８には（＋）側のＨＶ端子８１とフューズ８２およびリレー８３が備えられている。このように、フューズ８２とリレー８３をコンタクタボックス８に収納することによって、一括でケース本体２に取り付けることが可能となり、作業性が向上する。なお、図９に示すように、コンタクタボックス８は肉抜きしており、軽量化がされている。

続いて本発明の流路構造について説明する。サイドプレート１０とケース本体で形成される流路を図１０に示す。角形二次電池５の短側面がサイドプレート１０に接触した状態で固定部１０ｂがケース本体２にボルト１３で固定されている。サイドプレート１０の本体部１０ａと固定部１０ｂおよびケースの側面で冷媒を流す左側流路１４ａと右側流路１４ｂを形成することができる。この左側流路１４ａは、図面の奥行き方向が端子台９の仕切り板２４で塞がれることになる。そのため、ファン２２に空気が漏れなく流れるため、電池モジュール１Ｒの冷却効率が向上する。

本発明の電池パック１はケース本体２と上カバー３で作られる空間内を空気が循環するシステムになっている。ファン２２により循環する冷媒の循環経路を図１１に示す。図１１に示す通り、本発明の冷却流路はいくつかの流路に分類される。具体的には、サイドプレート１０とケース本体２で形成された流路１４（１４ａ、１４ｂ）、端子台９の仕切り板から端子台９の突出部２５に至るまでの流路であって、端子台９とエンドプレート７との間に設けられた流路１５ａ、端子台９の内部でファン２２につながっている流路１５ｂ、コンタクタボックス８とエンドプレート７で形成される流路１６、コンタクタボックス８とケース本体２との間に形成される流路１７である。これらの流路にファン２２を用いて冷媒を循環させる。角形二次電池５の短側面からサイドプレートに伝わった熱は循環している冷媒に伝わる。本発明の特徴の一つは角形二次電池５の間に冷媒を流すのではなく、サイドプレート１０に冷媒を当ててサイドプレート１０から熱を奪う構造としている。このような構造にすることによって、ケース内の冷媒の温度は均一になるので、サイドプレート１０を効率的に冷却することができる。サイドプレート１０はケース本体２に固定されているので、角形二次電池５の短側面からサイドプレート１０に伝わった熱はケース本体２に伝わる。ケース本体２に熱が伝わることでサイドプレート１０が冷却されるので、角形二次電池を冷却することができる。

また、コンタクタボックス８に配置されているリレー８３に電流が流れると発熱によりリレーの温度が上昇する。ファンにより循環される冷媒はコンタクタボックス８の両面を流れることになるので、リレー８３を冷却することができる。また、本発明の特徴の一つとなる部分でいうと、端子台９の内部にファン２２につながっている流路１５ｂが設けられている点があげられる。ファン２２は端子台９内部の流路１５ｂに冷媒を引き込む。この時、ファン２２と端子台９を介してコントローラ１２が対向して配置されるため、コントローラ１２の電子部品が発熱したとしても十分な冷却が可能となる。なお、本実施形態ではファン２２とコントローラ１２との間に端子台９を介在させることとしたが、間に端子台９の部材を介さずファン２２とコントローラ２２が連通する構造であってもよい。このような構造にした場合にはコントローラ１２の冷却がより促進されることとなる。

また、本発明では端子台９の厚みを利用してコントローラ１２を収納することとしたが、電池パック内に収納される別のブロック部材（端子台９がない電池パックの場合にはエンドプレート７等）をコントローラ１２の収納に使用してもよい。このような構成とした場合であったとしても、電池パック１を前後方向に小型にすることが可能となる。

以上、本発明について簡単にまとめる。従来、電圧検出線の接続を効率化するために角形二次電池５の端子側（上面側）に配置されていたコントローラを、本発明では角形二次電池５の側面側に持ってきたことによって、電池パック１を上下方向に小型化した点が優れている。一方で、単に角形二次電池５の側面側にコントローラ１２を持ってきただけでは、電圧検出線やその他の配線とコントローラ１２との接続が難しくなるため、コントローラ１２にコネクタ（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）を設けたが、その分コントローラ１２が厚くなってしまうという問題があった。そこで本発明に記載の電池パック１は、複数の蓄電池（５）を積層させた電池群（１Ｒ）と、電池群（１Ｒ）の一端に配置されるブロック部材（７、９）と、一方側の面にコネクタ（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）を有し、電池群（１Ｒ）の充放電を制御する制御基板（１２）と、を備え、ブロック部材（７，９）は凹部（９ａ）を有し、制御基板（１２）は、凹部（９ａ）にコネクタ（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）が収納されるようにブロック部材（７、９）に対向することとした。このような構成にすることによって、もともと厚みが必要である部材（端子台９やエンドプレート７）にコントローラ１２のコネクタ（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）を収納してコンパクトにでき、電池パック１の上下方向、前後方向に小型化することが可能となる。

また、本発明のブロック部材は、端子が配置された端子台（９）である。エンドプレート７はある程度大きな力で押しつける必要があるため、そこまで大きな力のかからない端子台９の方が基板への影響が少なくなり、歩留まりが向上する。

また、本発明に記載の電池パックは、制御基板（１２）が２つのコネクタ（１２ａ、１２ｃ）を有し、一方のコネクタ（１２ｃ）は他方のコネクタ（１２ａ）よりも高電圧の部材と接続され、一方のコネクタ（１２ｃ）は電池群（１Ｒ）の一方の側面側に、他方のコネクタ（１２ａ）は電池群（１Ｒ）の他方の側面側に配置されるように制御基板（１２）が設けられる。このような構成にすることによって、弱電系と強電系の配線を分けることができ、強電系の配線による弱電系の配線のノイズの影響を小さくすることができる。また、コントローラ１２の左右方向にそれぞれ弱電系配線と強電系配線を配置することによって、ある程度空間がある流路１４ａ、１４ｂで配線作業をできるため、作業性が向上する。

また、本発明に記載の制御基板（１２）はシャント抵抗（１２ｄ）を有し、シャント抵抗（１２ｄ）は電池群（１Ｒ）の上面側に配置されるように、制御基板（１２）に設けられる。このような構成にすることによって、角形二次電池の端子にシャント抵抗１２ｄが近い位置となり、バスバー配線が簡素化されて短くすることが可能となる。

また、本発明に記載の端子台（９）にはファン（２２）が内蔵され、さらに端子台（９）の内部にはファン（２２）の流路（１５ｄ）を有する。このような構成にすることによって、コントローラ１２の電子部品が発熱したとしても十分な冷却が可能となる。

≪実施形態２≫
続いて第２の実施形態について説明する。本実施形態が第１の実施形態と大きく異なる点は、コンタクタボックス８の後ろ側の冷却流路をなくす構成とした点である。このような構造にすることによって、冷媒の温度上昇を防ぎ、よりコントローラ１２を効率よく冷却することが可能となる。

第２の実施形態を図１２から図１４を用いて説明する。図１２がコンタクボックス８を前側から見た図、図１３がコンタクタボックス８を後ろ側から見た図である。本実施形態ではコンタクタボックス８の後ろ側の冷却流路をなくす構成とするために、コンタクタボックス８に２つの仕切り板８４及び８５を設けた。より具体的にはコンタクタボックス８の幅方向両側にケース本体２側に向かって仕切り板８４，８５を設置した。この仕切り板８４及び８５が、第１の実施形態でいう流路１４ａ、１４ｂと流路１７との間の壁になることによって、コンタクタボックス８の後ろ側を冷媒が通らなくなる。したがって、流路全体の圧損が少なくなり、コントローラ１２をより効果的に角形二次電池５を冷却することが可能となる。

図１４は本実施形態にかかる冷却流路を示す図である。本実施形態の流路は基本的には第１の実施形態と変わらないが、コンタクタボックス８に設けられた右側の仕切り板８４と左側の仕切り板８５によって、第１の実施形態に記載された流路１７につながる流路が塞がれることとなる。そのため、ファン２２による冷媒は電池モジュール１Ｒの周り流路１４，１５，１６を循環することになり、より効率的に角形二次電池５を冷却することが可能となる。

以上、本実施形態について簡単にまとめる。本実施形態に記載の電池パックは、電池群（１Ｒ）の他端側にはコンタクタボックス（８）が配置され、コンタクタボックス（８）と電池群（１Ｒ）との間に流路が配置される。さらに、コンタクタボックス８に設けられた右側の仕切り板８４と左側の仕切り板８５によって、第１の実施形態に記載された流路１７につながる流路を塞ぐ構造とした。このような構造にすることによって、流路の圧損が少なくなり、冷媒がコントローラ１２をより効率的に角形二次電池５を冷却することが可能となる。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 電池パック
２ ケース本体
３ 上カバー
５ 角形二次電池
８ コンタクタボックス
９ 端子台
９ａ 端子台凹部
１０ サイドプレート
１２ コントローラ
１２ａ 通信用コネクタ
１２ｂ メインリレー駆動用コネクタ
１２ｃ 電圧検出用コネクタ
１２ｄ シャント抵抗
１４、１５、１６，１７ 流路
２１ ＨＶ端子（−）側（外部端子）
２２ ファン
２４ 仕切り板
２５ 突出部
８１ ＨＶ端子（＋）側（外部端子）

Claims (3)

1. 複数の蓄電池を積層させた電池群と、前記電池群の一端に配置される、端子が配置された端子台と、一方側の面にコネクタを有し、前記電池群の充放電を制御する制御基板と、を備えた電池パックにおいて、
   前記端子台は、凹部を有し、
   前記制御基板は、前記凹部に前記コネクタが収納されるように前記端子台の前記電池群と反対側の面に前記端子台に対向するように取り付けられ、
   前記端子台は、前記制御基板と対向するようにファンが内蔵され、前記端子台の内部に前記ファンにつながる流路を有し、前記ファンによって前記流路に冷媒が引き込まれる
   ことを特徴とする電池パック。
2. 請求項１に記載の電池パックにおいて、
   前記制御基板は２つのコネクタを有し、
   一方のコネクタは他方のコネクタよりも高電圧の部材と接続され、
   前記一方のコネクタは前記電池群の一方の側面側に、前記他方のコネクタは前記電池群の他方の側面側に配置されるように前記制御基板に設けられることを特徴とする電池パック。
3. 請求項１乃至２の何れかに記載の電池パックにおいて、
   前記制御基板はシャント抵抗を有し、
   前記シャント抵抗は前記電池群の上面側に配置されるように、前記制御基板に設けられることを特徴とする電池パック。

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