JP4787509B2 - 電気デバイス集合体 - Google Patents

Description

本発明は、複数のフィルム外装電気デバイスからなる電気デバイス集合体に関するものであり、特に、前記電気デバイス集合体を所定の回路や電極端子などに接続するための構造に関するものである。

電気デバイスの一種として、充放電可能な電気デバイス要素がフィルムによって被覆されたフィルム外装電気デバイスが知られている。例えば、特許文献１には、発電要素がラミネートフィルムによって被覆されたフィルム外装電池が開示されている。例えば特許文献１には次のような基本構造を有するフィルム外装電池が開示されている。特許文献１に開示されているフィルム外装電池は、正極側活電極、負極側活電極、及び電解液からなる発電要素がアルミニウムなどの金属フィルムと熱融着性の樹脂フィルムとを重ね合わせてなる２枚のラミネートフィルムによって被覆されたものである。発電要素を被覆している２枚のラミネートフィルムの対向する４辺は、熱融着によって気密に封止されている。また、熱融着されたラミネートフィルムの一方の短辺からは、フィルム状の正極用電極端子が引き出され、他方の短辺からはフィルム状の負極用電極端子が引き出されている。

上記のような基本構造を備えたフィルム外装電池は、電気自動車やハイブリッド電気自動車（以下、単に「電気自動車等」という）の駆動源である電動モータの電源として注目されている。具体的には、複数のフィルム外装電池を積層状態でケース内に収容してなる電池パックが上記電動モータ用の電源として期待されている。ここで、電池パックやバッテリには、外部の電気回路との電気的接続を確保するための接続部材（一般的に「ターミナル」や「バッテリポスト」などと称される）が設けられている。電池パックやバッテリに設けられたターミナルと、電池パックなどからの給電を受ける電気回路との接続構造については、多数の構造が開発されている。例えば、特許文献２には、バッテリの上面から立ち上げられたバッテリーポスに導電金属板を曲げ加工してなるバッテリ側端子を固定し、このバッテリ側端子にハーネスの先端に装着されたハーネス側端子を重ね合わせてボルト及びナットによって固定した接続構造が開示されている。特許文献２に開示されている接続構造以外にも、外周面に螺子が形成されたターミナルをバッテリに立て、このターミナルとケーブルの先に装着された端子とをターミナルに螺合させたナットを用いて固定する接続構造が広く利用されている。
特開２００１−７６６９１号公報 特開２００２−１４１０５４号公報

従来の電池パックやバッテリでは、ターミナルやバッテリポストなどの接続部材が電池パックやバッテリの筐体やケースにリジットに固定されている。従って、振動その他の要因によって、ターミナルやバッテリポストとこれらに接続された電極端子との接合部に過度の応力が作用すると、ターミナルや端子が破損したり、接合状態が不安定になったりする虞があった。

本発明は、電気デバイス集合体から電気エネルギーを取り出すための導電部材を弾性体によって保持することによって、前記課題を解決することを目的とする。

本発明の電気デバイス集合体は、充放電可能な電気デバイス要素がフィルムによって被覆された２以上のフィルム外装電気デバイスがカバーによって被覆され、前記フィルム外装電気デバイスと電気的に導通した導電部材が前記カバーを貫通して外部に導出されている電気デバイス集合体であって、前記カバーの表面に形成された開口部と、前記開口部の内側に配置された弾性絶縁体と、前記弾性絶縁体を貫通して前記カバーの外側に導出された前記導電部材の露出部分に設けられ、前記弾性絶縁体の表面と対向する接続片と、前記接続片に形成された貫通孔と、前記接続片と対向する前記弾性絶縁体の表面に形成され、前記貫通孔と連通する収容空間と、前記収容空間内に配置されたナットとを有し、前記貫通孔に挿入されたボルトを前記ナットに螺合させることによって、前記接続片と前記弾性絶縁体の表面との間に差し入れられた端子を前記ナットと前記接続片との間に挟持可能であることを特徴する。

前記接続片は、前記弾性絶縁体を貫通して前記カバーの外部に露出している前記導電部材の一部を曲げ加工することによって形成することができる。また、前記２以上のフィルム外装電気デバイスは、所望のケース内に収容して一体化することもできる。

本発明の電気デバイス集合体では、導電部材が弾性絶縁体によって保持されているので、集合体自体や導電部材などに加わった振動や応力などが弾性絶縁体によって吸収される。

以下、本発明の電気デバイス集合体の実施形態の一例について説明する。本例の電気デバイス集合体は、フィルム外装電気デバイスの一種であるフィルム外装電池がその厚み方向に複数積層された組電池がカバーによって被覆されてなる電池パックである。

まず、本例の電気パックを構成するフィルム外装電池の基本構造を図１に示す。図１に示されているフィルム外装電池１０は、不図示の正極側活電極、負極側活電極、及び電解液を有する発電要素１１を２枚のラミネートフィルム１２によって厚さ方向上下から包囲したものであって、出力電圧は約3.6[V]である。ラミネートフィルム１２は、アルミニウムなどの金属フィルムと熱融着性の樹脂フィルムとを重ね合わせてなるフィルムであって、発電要素１１を包囲している上下２枚のラミネートフィルム１２の対向する４辺は熱融着によって気密に封止されている。

ここでフィルム外装電池の発電要素には、セパレータを介して積層された正極側活電極と負極側活電極とからなる積層型と、帯状の正極側活電極と負極側活電極とをセパレータを介して重ねこれを捲回した後、扁平状に圧縮することによって正極側活電極と負極側活電極とを交互に積層させた捲回型とがあり、本例の電気パックを構成するフィルム外装電池の発電要素は、上記積層型及び捲回型のいずれであってもよい。さらに、上記正極側活電極及び負極側活電極には、一般的なリチウムイオン二次電池において用いられている正極板及び負極板を用いることができる。すなわち、リチウム・マンガン複合酸化物、コバルト酸リチウム等の正極活物質をアルミニウム箔などの両面に塗布した正極板と、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料を銅箔などの両面に塗布した負極板とを、セパレータを介して対向させ、それにリチウム塩を含む電解液を含浸させることによって上記発電要素を得ることができる。もっとも、発電要素は、正極、負極および電解質を含むものであればよく、通常の電池に用いられる任意の発電要素をそのまま、或いは適宜設計変更して適用可能である。

再び図１を参照すると、フィルム外装電池１０の一方の短辺からは、上記正極側活電極に電気接続された正極用電極端子１３が引き出され、他方の短辺からは、上記負極側活電極に電気接続された負極用電極端子１４が引き出されている。正極用電極端子１３及び負極用電極１４の材料は、その電気的特性を考慮して選択されるが、本例では、正極用電極端子１３にアルミニウム、負極用電極端子１４に銅又はニッケルを用いた。

図２は、本例の電池パック２０の構造を示す分解斜視図である。本例の電池パック２０では、図１に示すフィルム外装電池１０がその厚み方向に９６個積層されて組電池２１を構成している。さらに、組電池２１は、フレーム形状のモジュールケース２２内に収容されると共に、積層方向に隣接するフィルム外装電池１０の正極用電極端子１３（図１参照）と負極用電極端子１４（図１参照）とがモジュールケース２２の上辺部２３と下辺部２５との間に渡されたバスバー２６を介して直列接続されている。加えて、積層方向一端のフィルム外装電池１０は、ケーブル２７を介してモジュールケース２２の一隅に設けられた正極端子２８に電気接続され、積層方向他端のフィルム外装電池１０は、ケーブル３０を介してモジュールケース２２の他の一隅に設けられた負極端子３１に電極接続されている。すなわち、本例の電池パック２０（組電池２１）の出力電圧は、約350[V]である（3.6×96≒350）。

モジュールケース２２の上には、絶縁材製（本例では樹脂製）の蓋部材３２が被せられている。蓋部材３２は、モジュールケース２２の上辺部２３に螺子留めされるフランジ部３３と、該フランジ部３３よりも一段高く形成された天井面３５を備えており、天井面３５の長手方向一方には、排気口３６が形成されている。さらに、天井面３５は、排気口３６が形成されている側から反対側に向けて次第に組電池２１に近接するように傾斜している。

尚、図２では、便宜上一部のフィルム外装電池１０の図示を省略してあるが、実際には上記の通り９６個のフィルム外装電池１０が積層されている。もっとも、組電池２１を構成するフィルム外装電池１０の個数は９６個に限定されるものではなく、所望とする出力電圧に応じて適宜増減させることができる。

以上の構造を有する組電池２１は、下カバー４０と上カバー４１とによって覆われている。具体的には、中央に凹部４２が形成された略長方形の下カバー４０の上に、絶縁材製（本例では樹脂製）の枠体４３を介して組電池２１が載置され、その組電池２１の上から断面形状略コ字形の上カバー４１が被せられている。ここで、下カバー４０に凹部４２が形成されていることに加えて、下カバー４０と組電池２１との間に枠体４３が介在することによって、組電池２１と下カバー４０との間には、下カバー４０の長手方向に沿って細長い空間が形成されている。そして、下カバー４０と枠体４３とを重ね合わせると、これらの長手方向一方に前記空間と連通する流入口４５が形成され、この流入口４５から前記空間内に外気が流入可能となる。前記空間に流入した外気は、組電池２１を構成している各フィルム外装電池１０の間の隙間などを通り抜けて組電池２１の上面に至り、前述した排気口３６から排出される。

一方、上カバー４１の上面４６には、丸穴４７ａ及び４７ｂと、組電池２１に被せられた際に排気口３６に連通する矩形穴４８とが形成されている。丸穴４７ａには、弾性絶縁体（本例ではゴムであるが、樹脂その他であってもよい）によって形成された保持部材５０ａが嵌め込まれ、この保持部材５０ａを貫通して金属板５１ａの一端が上カバー４１の外に導出されている。また、丸穴４７ｂには、弾性絶縁体（本例ではゴムであるが、樹脂その他であってもよい）によって形成された保持部材５０ｂが嵌め込まれ、この保持部材５０ｂを貫通して金属板５１ｂの一端が上カバー４１の外に導出されている。さらに、金属板５１ａの他端は、組電池２１の正極端子２８に接続され、金属板５１ｂの他端は負極端子３１に接続されている。より具体的には、保持部材５０ａ、５０ｂは、略円筒形の外観を呈し、長手方向中央に周方向に沿った溝５３が形成されている。保持部材５０ａ、５０ｂは、図３に示されているように、前記溝５３に丸穴４７ａ、４７ｂの縁を嵌め込むことによって上カバー４１に固定されている。そして、金属板５１ａ、５１ｂの上部は、保持部材５０ａ、５０ｂをその長手方向に貫いているスリット５５を通して上カバー４１の外に導出されている。さらに、保持部材５０ａ、５０ｂを貫通して上カバー４１から導出された金属板５１ａ、５１ｂの上部は、保持部材５０ａ、５０ｂの上面５６と平行になるように略９０度折り曲げられて接続片５７をなしており、接続片５７の中央には、ボルト５８の軸部を挿入可能な貫通孔６０が形成されている。

さらに、各保持部材５０ａ、５０ｂのスリット５５の近傍には、凹状の収容空間６１が形成され、該収容空間６１内にナット６２が収容されている。また、収容空間６１の直下には、ナット６２に螺合されたボルト５８の軸部を受け入れる縦穴６３がスリット５５と平行に形成されている。尚、縦穴６３の径はナット６２の外径よりも小さく、ボルト５８とナット６２との螺合が解除されたとしても、ナット６２が縦穴６３に落ち込むことはない。

以上の構造を有する本例の電池パック２０によれば、接続片５７と保持部材５０ａ、５０ｂの上面５６との間の隙間６４に、図３に示されているような略Ｕ字形の板状端子７０を差し入れた後、貫通孔６０から挿入され、ナット６２に螺合されたボルト５８を所定位置まで締め込むことによって、ボルト５８の頭部とナット６２との間に接続片５７及び板状端子７０を挟持することができる。尚、板状端子７０の内側面をボルト５８の軸部に宛がうことによって、板状端子７０を位置決め可能であることは自明である。また、ボルト５８をナット６２にある程度螺合させてから隙間６４に板状端子７０を差し入れ、その後、ボルト５８を所定位置まで締め込むことも可能である。さらに、ボルト５８をナット６２に螺合させる前に板状端子７０を隙間６４に差し入れる場合には、環状の板状端子などを用いることも可能である。要するに、板状端子７０の形状は、隙間６４に差し入れ可能であって、かつ、ナット６２に螺合されたボルト５８を締め込むと、接続片５７とナット６２との間に挟持される形状であれば如何なる形状であっても構わない。

これまで説明したように、本例の電池パック２０では、導電部材としての金属板５１ａ、５１ｂが弾性を有する保持部材５０ａ、５０ｂによって保持されている。従って、電池パック２０に加わった振動や金属板５１ａ、５１ｂと板状端子７０との接合部に作用した応力などが保持部材５０ａ、５０ｂによって吸収される。この結果、振動や外力などに起因する金属板５１ａ、５１ｂや板状端子７０の破損、接合状態の劣化などが可及的に回避される。

尚、図２を参照すると、金属板５１ｂの下端には、金属板５１ａの下端には装着されていない部材が幾つか装着されている。例えば、図中に符号８０で示されている部材は、ヒューズである。また、符号８１で示されている部材は、ヒューズ８０がセットされるヒューズボックスであり、符号８２で示されている部材は、ヒューズ８０と金属板５１ｂ（負極端子３１）とを接続するための導電部材である。もっとも、これらの部材は必ずしも金属板５１ｂに装着する必要はなく、金属板５１ａに装着してもよく、不要であれば省略することもできる。すなわち、ヒューズ８０、ヒューズボックス８１及び導電部材８２を設けるか否か、設ける場合には何処に設けるかなどは、設計事項である。

また、図３では、板状端子７０を該板状端子７０が隙間６４に差し入れられる向きとは異なる向きで図示してある。板状端子７０を図３に示すような向きで図示したのは、板状端子７０の形状を明らかにするためである。実際の板状端子７０は、保持部材５０ａ、５０ｂの上面５６と平行な向きで隙間６４に差し入れられる。

また、電池パック２０が搭載される環境によっては、電気パック２０の振動の完全に抑制することが困難な場合もある。この場合、保持部材５０ａ、５０ｂの固有振動数を電池パック２０の振動数との共振周波数域から外すことが望ましい。

また、フィルム外装電池１０をモジュールケース２２に収容して組電池２１を構成するにあたっては、各フィルム外装電池１０をセルケースに個別に収容した上でモジュールケース２２に収容することもできる。そこで、図４にセルケースの一例を示す。図４に示すセルケース９０は、ケース本体９１と保持体９２とから構成されている。ケース本体９１は、枠状の底板９３と、該底板９３の周縁から立ち上げられた側壁９４とを有し、側壁９４の内側に図１に示すフィルム外装電池１０を収容可能な形状及び寸法を有する。一方、保持体９２は、ケース本体９１の側壁９４の内側に嵌合可能な寸法を有する枠状体であって、ケース本体９１に収容されたフィルム外装電池１０の上に被せることによって、フィルム外装電池１０の周縁部を本体ケース９１の底板９３との間に挟持する。

図４を参照すると、ケース本体９１の底板９３に７個の通孔９５が形成されていることが分かる。この通孔９５は、積層された複数のセルケース９０に共通のロッド（不図示）を貫通させるための孔である。具体的には、フィルム外装電池１０が収容された複数のセルケース９０を積層し、連通した各セルケース９０の通孔９５にロッドを通すことによって、複数のセルケース９０をロッドに串刺しにして保持することができる。

これまでは、フィルム外装電気デバイスがフィルム外装電池である場合を例にとって、本発明の電気デバイス集合体の実施形態について説明してきた。しかし、本発明の電気デバイス集合体を構成するフィルム外装電気デバイスは、フィルム外装電池に限られない。例えば、電気二重層キャパシタなどのキャパシタや電解コンデンサなどに代表されるキャパシタ要素のようなデバイス要素を外装用のフィルムで封止したフィルム外装電気デバイスも含まれる。

フィルム外装電池の一例を示す斜視図である。 電池パックの一例を示す分解斜視図である。 図２に示す保持部材及びその近傍の拡大断面図である。 セルケースの一例を示す斜視図である。

符号の説明

１０ フィルム外装電池
２０ 電池パック
２１ 組電池
２２ モジュールケース
２６ バスバー
２７ ケーブル
２８ 正極端子
３０ ケーブル
３１ 負極端子
３２ 蓋部材
４０ 下カバー
４１ 上カバー
４７ 丸穴
５０ａ、５０ｂ 保持部材
５１ａ、５１ｂ 金属板
５３ 溝
５５ スリット
５６ 上面
５７ 接続片
５８ ボルト
６０ 貫通孔
６１ 収容空間
６２ ナット
６３ 縦穴
６４ 隙間
７０ 板状端子
９０ セルケース

Claims (3)

1. 充放電可能な電気デバイス要素がフィルムによって被覆された２以上のフィルム外装電気デバイスがカバーによって被覆され、前記フィルム外装電気デバイスと電気的に導通した導電部材が前記カバーを貫通して該カバーの外側に導出されている電気デバイス集合体であって、
   前記カバーの表面に形成された開口部と、
   前記開口部の内側に配置された弾性絶縁体と、
   前記弾性絶縁体を貫通して前記カバーの外側に導出された前記導電部材に設けられ、前記弾性絶縁体の表面と対向する接続片と、
   前記接続片に形成された貫通孔と、
   前記接続片と対向する前記弾性絶縁体の表面に形成され、前記貫通孔と連通する収容空間と、
   前記収容空間内に配置されたナットとを有し、
   前記貫通孔に挿入されたボルトを前記ナットに螺合させることによって、前記接続片と前記弾性絶縁体の表面との間に差し入れられた端子を前記ナットと前記接続片との間に挟持可能な電気デバイス集合体。
2. 前記接続片が前記弾性絶縁体を貫通して前記カバーの外側に導出された前記導電部材の一部を折り曲げることによって形成されている請求項１記載の電気デバイス集合体。
3. 前記２以上のフィルム外装電気デバイスがケース内に収容されて一体化されている請求項１又は請求項２記載の電気デバイス集合体。

Images