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JP6141732B2 - 電池積層体及び電池パック - Google Patents

電池積層体及び電池パック Download PDF

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JP6141732B2 JP2013192907A JP2013192907A JP6141732B2 JP 6141732 B2 JP6141732 B2 JP 6141732B2 JP 2013192907 A JP2013192907 A JP 2013192907A JP 2013192907 A JP2013192907 A JP 2013192907A JP 6141732 B2 JP6141732 B2 JP 6141732B2
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Description

本発明は、複数の薄板状の電池セルが積み重ねられた電池積層体に関する。また、本発明は、当該電池積層体を筐体内に収納した電池パックに関する。
リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、エネルギー密度が高いという特徴から、自動車やバイク等の各種移動機器、携帯情報端末、無停電電源装置(UPS(Uninterruptible Power Supply))、蓄電装置等の電源として利用されている。更に、所望する電池容量を得るために、直列に接続した複数の二次電池(電池セル)を積層した電池積層体を筐体内に収納した電池パックも実用されている。
電池パックに使用される電池セルとしては、可撓性を有するラミネートシートで薄板状の発電要素を外装したラミネート形電池セルが多用されている。ラミネート型電池セルは、外形が略矩形であるので、円柱状の発電要素を円筒形の金属容器に収納した筒型電池セルに比べて実装効率が高い。また、外装がシートであるので、軽量である。従って、同体積で比較した場合には、ラミネート型電池セルを用いた電池パックは、筒型電池セルを用いた電池パックに比べて、電池容量が大きく、軽量である。
薄板状のラミネート型電池セルを用いた電池パックとしては、複数の電池セルを粘着テープを用いて一体化させた電池積層体を筐体内に収納する構造が知られている(例えば特許文献1参照)。
特開2012−89470号公報(図10)
従来の電池パック用の電池積層体は、一般に、電池セルと、電池セル間の絶縁を確保するための絶縁板とを交互に積み重ねて製造される。電池セルと絶縁板とは両面粘着テープを用いて固着される。ラミネート型電池セルは、発電要素を可撓性を有するシートで外装したものであるから、変形し易く、また、寸法精度が劣る。従って、このような複数の電池セルを位置精度よく積み重ねて電池積層体を製造するのには、非常に手間がかかる。
一方、各電池セルを硬質のケースに収納すれば、電池セルの取り扱い性は向上する。電池セルを収納したケースを順に積み重ねて電池積層体を製造することは比較的容易である。しかしながら、電池積層体が大型化するので、電池セルの実装効率は低下する。
本発明は、実装効率に優れるというラミネート型電池セルの特徴を損なうことなく、製造が容易な電池積層体及び電池パックを提供することを目的とする。
本発明の電池積層体は、複数の薄板状の電池セルと、前記複数の電池セルをそれぞれ収納する複数のケースとを備える。前記複数の電池セルのそれぞれは、発電要素を外装する可撓性を有するシートを備える。前記電池セルの外周辺に沿って、前記シートがシールされたシール領域が形成されている。前記電池セルの片面に、前記発電要素に起因する凸部が、前記シール領域に対して突出している。前記複数のケースのそれぞれは、前記電池セルの前記シール領域を収納するシール領域収納部がその表面に形成されたフレームと、前記フレームで囲まれ且つ前記電池セルの前記凸部を収納する主収納部とを備える。前記主収納部の底面は、互いに平行に且つ離間して配置された複数の短冊板で構成される。隣り合う短冊板間は開口している。前記複数のケースが、その表裏が交互に反転されて積層されている。前記シール領域収納部が形成された前記表面とは反対側の面である裏面同士が対向して互いに隣り合う2つの前記ケースのうちの一方のケースの前記複数の短冊板は、他方のケースの前記複数の短冊板間の複数の開口内にそれぞれ嵌入している。
本発明の電池パックは、上記の本発明の電池積層体と、前記電池積層体を収納する筐体とを備える。
本発明によれば、電池積層体の製造において、電池セルをケースに収納した状態で取り扱うことができるので、電池セルの取り扱い性が向上する。これにより、電池積層体の製造が容易になる。
ケースの主収納部の底面が、複数の短冊板で構成されている。裏面同士が対向して隣り合う2つのケースのうちの一方のケースの複数の短冊板が他方のケースの複数の開口内に嵌入する。これにより、電池セルをケースに収納したことによる実装効率の低下を抑えることができる。しかも、当該2つのケースに収納された2つの電池セル間の絶縁が確保されるので、当該2つの電池セル間に絶縁シートを介在させる必要がない。これにより、電池積層体の製造が容易になる。
従って、本発明によれば、電池セルの実装効率の低下を抑えながら、製造が容易な電池積層体及び電池パックを実現することができる。
図1Aは、本発明の一実施形態にかかる電池積層体を構成する電池セルの一方の側から見た斜視図、図1Bは、その他方の側から見た斜視図である。 図2は、本発明の一実施形態にかかる電池積層体において、複数の電池セルが直列に接続されて積層される様子を概念的に示した分解斜視図である。 図3は、本発明の一実施形態にかかる電池積層体を構成するケースの斜視図である。 図4Aは、本発明の一実施形態にかかる電池積層体を構成するケースの上面図である。 図4Bは、本発明の一実施形態にかかる電池積層体を構成するケースの下面図である。 図4Cは、図3の矢印4Cに沿って見た、ケースの側面図である。 図4Dは、図3の4D−4D線を含む面に沿ったケースの矢視断面図である。 図5は、本発明の一実施形態において、ケースに電池セルが収納される様子を示した分解斜視図である。 図6は、本発明の一実施形態において、電池セルをそれぞれ収納した2つのケースを積層してなるユニットの分解斜視図である。 図7は、図4Aの7−7線を含む面に沿った貫通孔の拡大断面図である。 図8は、本発明の一実施形態において、図6に示した2つのユニットを積層したユニット積層体の斜視図である。 図9は、図8の9−9線を含む面に沿ったユニット積層体の断面図である。 図10は、本発明の一実施形態において、絶縁シートに形成した切り欠き内に挿入される温度検出素子を示した分解斜視図である。 図11Aは、図8において放熱板が取り付けられたユニット積層体の斜視図である。 図11Bは、図11Aの11B−11B線を含む面に沿ったユニット積層体の断面図である。 図11Cは、図11Bの部分11Cの拡大断面図である。 図12は、図8に示したユニット積層体において、電極タブの接続方法を示した拡大斜視図である。 図13は、本発明の一実施形態にかかる電池積層体の斜視図である。 図14は、回路基板が取り付けられた、本発明の一実施形態にかかる電池積層体の斜視図である。 図15は、本発明の一実施形態にかかる電池パックの断面図である。
上記の本発明の電池積層体において、前記複数の電池ケースは全て同一形状を有することが好ましい。これは、電池積層体の製造の容易化及び効率化に有利である。また、単一種類のケースを量産することが可能になるので、電池積層体を低コスト化することができる。
前記複数のケースのそれぞれの前記フレームに貫通孔が形成されていてもよい。この場合、前記貫通孔が、前記複数のケースの積層方向に連続する連続孔を形成することが好ましい。そして、前記連続孔に挿入された連結部材が、前記複数のケースを連結していることが好ましい。これにより、連続孔に連結部材を挿入することによって複数のケースを連結し一体化させることができるので、従来の両面粘着テープを使用して一体化させる方法に比べて、電池積層体の製造が容易になる。また、万が一、電池積層体を分解する必要が生じた場合には、各電池セルを破損することなく容易に取り出すことができる。
前記貫通孔の前記表面側の開口の端縁が、その周辺領域に比べて突出又は陥没していてもよい。この場合、前記表面同士が対向して互いに隣り合う2つの前記ケースのうちの一方のケースの前記開口の端縁に形成された突出が、他方のケースの前記開口の端縁に形成された陥没に嵌入していることが好ましい。これにより、貫通孔に挿入された連結部材に電池セルのシートが接触して短絡が生じる可能性を低減することができる。
前記凸部とは反対側の面を互いに対向させて隣り合う2つの前記電池セル間に絶縁シートが設けられていてもよい。これにより、当該2つの電池セル間の絶縁をより確実に確保することができる。
本発明の電池積層体は、前記電池セルの温度を検出するための温度検出素子を更に備えていてもよい。この場合、前記温度検出素子は、前記絶縁シートに形成された切り欠き内に挿入されていることが好ましい。これにより、隣り合う電池セル間の絶縁性を確保し且つ電池積層体の厚みの増加を抑えながら、必要な箇所に温度検出素子を設けることができる。
前記複数の電池セルのそれぞれは、一対の電極タブを備えていてもよい。この場合、前記絶縁シートを挟んで隣り合う2つの電池セルのうちの一方の電池セルの一対の電極タブのうちの一方の電極タブは、他方の電池セルの前記一方の電極タブに対向する電極タブと電気的に接続されていてもよい。前記一方の電池セルの他方の電極タブと、前記他方の電池セルの前記他方の電極タブに対向する電極タブとは、前記ケースより外の第1屈曲部にて互いに相手方から離れるように折り曲げられ、前記第1屈曲部よりも前記ケースから遠い第2屈曲部にて前記第1屈曲部とは逆方向に折り曲げられていてもよい。前記他方の電極タブと前記他方の電極タブに対向する前記電極タブとの間で前記ケースからはみ出した前記絶縁シートの部分は、前記第1屈曲部よりも遠く、且つ、前記他方の電極タブの先端及び前記他方の電極タブに対向する前記電極タブの先端よりも近い位置にまで延びていることが好ましい。これにより、これら2つの電極タブ間の絶縁を確保しながら、ケースからはみ出した絶縁シートの部分(絶縁タブ)のケースからの突出長さを小さくすることができる。これは、絶縁シートの小面積化を可能にし、コスト低減に有利である。
隣り合う前記ケース間に放熱板が設けられていてもよい。これにより、電池セルの温度上昇を抑えることができる。
前記放熱板が、裏面同士が対向して互いに隣り合う前記2つのケースの間に設けられていてもよい。この場合、前記放熱板は、ジグザク状に変形されて、前記2つのケースの前記複数の短冊板の間に配置されていることが好ましい。これにより、放熱板を設けたことによって2つのケース間の距離が増大するのを抑えることができる。これは、電池セルの実装効率の低下を抑えるのに有利である。
本発明の電池積層体は、更に、回路基板を備えていてもよい。この場合、前記回路基板は、前記ケースの前記フレームに固定されていることが好ましい。これにより、振動や衝撃が加えられても、回路基板に電池積層体(特にケース)が衝突して回路基板が破損したり損傷したりする可能性が低減する。
前記フレームの外側面に、前記回路基板を固定するためのボルトを締結するためのネジ孔が形成されていることが好ましい。これにより、当該ネジ孔を利用して、回路基板をしっかりと固定することができる。
前記電池セルから導出された電極タブが前記回路基板に半田付けされていることが好ましい。これにより、電池積層体の製造において、電極タブと回路基板とを電気的に接続する工程を大幅に簡単化することができる。
以下に、本発明を好適な実施形態を示しながら詳細に説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。以下の説明において参照する各図は、説明の便宜上、本発明の実施形態の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。従って、本発明は以下の各図に示されていない任意の部材を備え得る。また、以下の各図では、実際の部材の寸法および各部材の寸法比率等が忠実に表されていない。
<電池セル>
本発明の一実施形態にかる電池積層体を構成する電池セル10を説明する。
図1Aは、電池セル10の一方の側から見た斜視図、図1Bは、その他方の側から見た斜視図である。電池セル10は、平面視形状が略矩形であり、当該略矩形の縦横寸法に比べて厚みが薄い薄板形状を有する。この電池セル10では、ラミネートシート13からなる外装内に、略矩形の平面視形状を有する薄板状の発電要素(図示せず)が電解液とともに封入されている。発電要素は、正極集電体の所定領域の両面に正極活物質を含む正極合剤層が塗布形成された正極と、負極集電体の所定領域の両面に負極活物質を含む負極合剤層が塗布形成された負極とが、セパレータを介して交互に積層されてなる電極積層体である。電池の種類は特に制限はないが、二次電池、中でもリチウムイオン二次電池が好ましい。
ラミネートシート13は、発電要素に比べて薄く、且つ、可撓性を有している。ラミネートシート13は、例えば、アルミニウム等からなる基層の、発電要素に対向する側の面に熱融着性樹脂層(例えば変性ポリオレフィン層)が積層された可撓性を有する多層シートであってもよい。1枚の矩形のラミネートシート13が、発電要素を挟むように下辺(一方の短辺)12bで二つ折りにされ、下辺12b以外の三辺12a,12s,12sに沿って重ね合わされて、シール領域16にてヒートシール法などによりシールされている。
下辺12bに対向する上辺(他方の短辺)12aから、正極タブ11p及び負極タブ11nが導出されている。正極タブ11p及び負極タブ11nは、短冊形状を有し、上辺12aに対して直交する方向(即ち、上辺12aに隣接する一対の側辺(長辺)12sと平行な方向)に沿って延びている。正極タブ11pは、例えばアルミニウムの薄板からなり、発電要素を構成する複数の正極集電体(図示せず)と電気的に接続されている。また、負極タブ11nは、例えば銅の薄板、ニッケルメッキされた銅の薄板、または銅/ニッケルのクラッド材等からなり、発電要素を構成する複数の負極集電体(図示せず)と電気的に接続されている。以下の説明において、正極タブ11p及び負極タブ11nの極性を区別する必要がない場合には、これらを「電極タブ」と称することがある。
図1Aに示されているように、発電要素に起因して長方形の領域が、電池セル10の三辺12a,12s,12sに沿ったシール領域16に対して突出して凸部15が形成されている。上辺12aに沿ったシール領域16には、電極タブ11p,11nをシールすることによって凸部15と同じ側にわずかに突出したタブシール部17p,17nが形成されている。本発明では、シール領域16に対して凸部15が突出する方向を、電池セル10の「厚さ方向」と呼ぶ。電池セル10の、凸部15及びタブシール部17p,17nが突出した面とは反対側の面(背面)は、図1Bに示すように、実質的に凹凸がない一平面をなす。
本発明において、電池セルの構成は上記に限定されない。例えば、発電要素を2枚の矩形状のラミネートシートで挟み、4辺に沿って2枚のラミネートシートをシールした四方シールタイプの電池セルであってもよい。正極タブ11p及び負極タブ11nは、図1A及び図1Bとは逆に配置されていてもよい。
図2に示すように、複数の電池セル10が厚さ方向に積層されて電池積層体20を構成する。本発明の電池積層体20では、後述するように各電池セル10はケース30(図3参照)に収納されるが、図2では、図面を簡単化するために、電池セル10以外の電池積層体20を構成する部材の図示を省略している。電池セル10が積層される方向(図2において横方向)を「積層方向」と呼ぶ。図2に示されているように、複数の電池セル10は、隣り合う2つの電池セル10間において異極のタブ(即ち正極タブ11pと負極タブ11n)同士が積層方向に互いに対向するように、1つおきの電池セル10は裏返されている。二点鎖線21で示すように、積層方向に対向する正極タブ11pと負極タブ11nとが電気的に接続される。その結果、複数の電池セル10が直列に接続される。異極タブと接続されない両端の正極タブ11p’及び負極タブ11n’は、電池積層体20に対して電力の入出力を行う入出力タブとなる。電池積層体20を構成する電池セル10の数は任意に設定することができる。
<ケース>
本発明の一実施形態にかかる電池積層体を構成するケース30を説明する。
図3は、ケース30の斜視図である。図4Aはケース30の上面図、図4Bはケース30の下面図である。図4Cは、図3の矢印4Cに沿って見た、ケース30の側面図である。図4Dは、図3の4D−4D線を含む面に沿ったケース30の矢視断面図である。以下の説明の便宜のために、ケース30の短辺に平行な軸をX軸、長辺に平行な軸をY軸、X軸及びY軸に垂直な軸をZ軸とするXYZ直交座標系を設定する。本発明では、X軸方向を「幅方向」、Z軸方向を「厚さ方向」と呼ぶことがある。
図3に示されているように、ケース30の一方の面には、略矩形の平面視形状を有する凹みである主収納部35が形成されている。主収納部35を、略矩形のフレーム31が囲んでいる。本発明では、主収納部35が形成された面をケース30の「表面」と呼び、表面とは反対側の面をケース30の「裏面」と呼ぶ。
フレーム31の表面のうち、主収納部35側の領域36は、これより外側の領域32に比べてわずかに凹んだシール領域収納部である。フレーム31の一対の短辺のうちの一方の短辺に沿ったシール領域収納部36に、更にわずかに凹んだ一対のタブシール部収納部37が形成されている。当該短辺に沿った外側領域32に、わずかに凹んだ一対のタブ収納部38が形成されている。タブシール部収納部37とタブ収納部38とは連続し、当該短辺を横切っている。
フレーム31の外側領域32の四隅に、フレーム31を厚さ方向(Z軸方向)に貫通する貫通孔33が形成されている。また、フレーム31のタブ収納部38に隣接する外側面31sに一対のネジ孔(雌ネジ)34が形成されている。
主収納部35の底面は、Y軸方向に沿って互いに平行に配置された複数の短冊板41で構成されている。複数の短冊板41は、X軸方向に一定ピッチで、互いに離間して配置されており、全体としてストライプ状をなしている。図4Dに示されているように、隣り合う短冊板41間は、スロット状の開口43である。短冊板41の数やそのピッチは任意に設定することができる。
図4B及び図4Cに示されているように、フレーム31の裏面には、複数の凸条42と複数の凹条44とがX軸方向に交互に配置されている。凸条42は、Y軸方向に平行なリブ状(畝状)の突起であり、短冊板41からY軸方向に延長した領域に形成されている。凸条42の頂面と短冊板41の頂面とは略同一面を構成する。凹条44は、Y軸方向に平行な溝であり、開口43からY軸方向に延長した領域に形成されている。
図4A〜図4Dにおいて、一点鎖線30aは、ケース30のX軸方向の中央位置を通るYZ面に平行な面(中央面)である。これらの図から容易に理解できるように、収納部35,36,37,38は中央面30aに対して対称であるのに対して、短冊板41、凸条42、開口43、凹条44は中央面30aに対して対称ではない。中央面30aは、短冊板41(凸条42)と開口43(凹条44)との境界を通る。
ケース30の材料は、制限はないが、絶縁性を有する樹脂材料を用いることができる。ケース30は、このような樹脂材料を用いて射出成形法等により一体的に作成することができる。
図5に示すように、電池セル10は、その凸部15(図1A参照)をケース30の表面に向けて、ケース30に収納(嵌入)される。電池セル10の凸部15及びシール領域16(図1A参照)は、ケース30の主収納部35及びシール領域収納部36にそれぞれ収納される。電池セル10のタブシール部17p,17n(図1A参照)は、ケース30のタブシール部収納部37に収納される。電池セル10の電極タブ11p,11nは、ケース30のタブ収納部38に収納される。フレーム31の外側領域32に対する主収納部35、シール領域収納部36、タブシール部収納部37、タブ収納部38の各深さは、それぞれに収納される凸部15、シール領域16、タブシール部17p,17n、電極タブ11p,11nの各厚さとほぼ同じに設定されている。電池セル10をケース30に収納したとき、電池セル10の凸部15とは反対側の面(背面)は、ケース30の外側領域32と略同一平面を構成する。
電池セル10をそれぞれ収納した複数のケース30が、図2に示したように一つおきの電池セル10が裏返されるように、表裏が交互に反転されて積層される。図6は、電池セル10をそれぞれ収納する2つのケース30を積層して構成されるユニット23の分解斜視図である。ユニット23では、ケース30が、その表面を互いに対向させて積層される。
2つの電池セル10間の絶縁をより確実に確保するために、両電池セル10間に絶縁シート50が設けられ得る。例えば、電池セル10のラミネートシート13が、アルミニウムからなる基層の外表面に絶縁層が形成されている場合でも、当該絶縁層にわずかな傷が形成されると、短絡が生じる可能性があるからである。絶縁シート50は、ケース30(またはフレーム31)の外形と略同一の略矩形を有する。絶縁シート50の外周縁は、2つのケース30のフレーム31の外側領域32により挟持される。絶縁シート50の短辺から絶縁タブ51が突出している。絶縁タブ51は、電池セル10の一対の電極タブ11p,11nのうちの一方と対向する。貫通孔52が、絶縁シート50の四隅のそれぞれに形成されている。貫通孔52の位置は、ケース30の貫通孔33の位置に対応している。
電池セル10は、ケース30の収納部35,36,37,38(図3参照)に嵌入されることで、ケース30に保持される。2つの電池セル10を重ね合わせたとき、電池セル10の電極タブ11p,11nがケース30のタブ収納部38によって積層方向に圧縮され挟持されるように、タブ収納部38の深さが設定されていることが好ましい。これにより、振動や衝撃によって電池セル10がケース30内で仮に変位したとしても、そのような電池セル10の変位がケース30から導出された電極タブ11p,11nに及びす影響を低減できる。その結果、後述するように電極タブ11p,11nを回路基板60に接続した状態(図14参照)において、電極タブ11p,11nに破断や損傷が生じるのを低減できる。
電池セル10の発電要素が内蔵された凸部15は、ケース30の主収納部35に収納される。主収納部35の底面は、互いに離間した複数の短冊板41で構成されている。短冊板41間の開口43を通じて電池セル10を冷却又は保温することができるので、電池セル10の温度を適切に維持することができる。また、開口43を通じて、ケース30に収納された電池セル10を視認することができる。
主収納部35の底面が、開口43が形成されていない連続した板材で構成されている場合に比べて、複数の短冊板41で構成された本実施形態の主収納部35の底面の強度は相対的に弱い。従って、複数の短冊板41は、電池セル10の寸法誤差を、自らが変形して吸収することができる。また、ラミネートシール13内でのガスの発生などによって電池セル10が膨らんだ場合に、複数の短冊板41がその膨らみに応じて適宜変形できる。このため、電池セル10内でのガスの異常発生時に、電池セル10の膨張を容易にすることによって電池セル10内の圧力の異常上昇を抑えることができるとともに、電池セル10の異常膨張を電池積層体20(後述する図13参照)の外観形状から比較的容易に判断することができる。
更に、複数の短冊板41を全て取り除き、フレーム31で囲まれた全領域を開口させた場合に比べて、フレーム31の開口に架橋された複数の短冊板41が電池セル10の凸部15を保持するので、電池セル10はケース30に安定的に保持される。これは、電池セル10を収納した電池セル30を順に積み重ねて電池積層体20(後述する図13参照)を製造する工程において、電池セル10の取り扱い性を向上させる。従って、電池積層体20の製造が容易になる。
ケース30の貫通孔33には、ケース30を連結するための連結部材としてのボルト22が挿入される(後述する図13参照)。ケース30に対する電池セル10の位置ずれや、シール領域16の寸法誤差などによって、シール領域16がシール領域収納部36からはみ出すと、電池セル10を外装しているラミネートシート13がボルト22に接触して短絡を生じる可能性がある。これを防止するための構造がケース30に設けられてもよい。その構造の一例を図7を用いて説明する。図7は、図4Aの7−7線を含む面に沿った貫通孔33の拡大断面図である。ケース30の短辺の両端近傍に形成された2つの貫通孔33のうちの一方の貫通孔(図7の右側の貫通孔)33の表面側の開口の端縁には、その周辺領域に比べて突出した環状の突部331が形成されている。他方の貫通孔(図7の左側の貫通孔)33の表面側の開口の端縁には、その周辺領域に比べて陥没した環状の陥部332が形成されている。図示を省略するが、ケース30の他方の短辺の両端近傍に形成された2つの貫通孔33の開口の表面側の端縁にも、図7と同様の凸部331及び陥部332が形成されている。図6に示すように、2つのケース30を重ね合わせると、一方のケース30の突部331が他方のケース30の陥部332に嵌入する。従って、電池セル10のシール領域16がシール領域収納部36からはみ出したとしても、シール領域36が貫通孔33に挿入されたボルト22に接触するのを突部331が防止する。その結果、短絡事故が生じる可能性が低減する。突部331と陥部332との嵌合は、2つのケース30間の位置ずれを低減するという効果をも奏する。絶縁シート50の貫通孔52は、突部331が貫通できる大きさに設定される。突部331は、絶縁シート50をケース30に対して位置決めするという副次的効果をも有する。なお、突部331及び陥部332は、貫通孔33の開口の端縁に沿って環状に連続している必要はない。また、図7に示した突部331及び陥部332は任意であり、これらを省略することも可能である。
上記の突部331及び陥部332と同様の突部及び陥部を、貫通孔33の裏面側の開口の端縁に形成してもよい。この場合には、裏面同士を対向させて2つのケース30(例えば後述する図9のケース30aとケース30b)を重ね合わせると、裏面側に形成された突部と陥部とが嵌合する。これにより、当該2つのケース30間の位置ずれを低減することができる。
図8は、図6に示した2つのユニット23を積層したユニット積層体25の斜視図である。各ユニット23を構成する2つのケース30の間から、2つの電池セル10のそれぞれの電極タブ11p,11nと、絶縁タブ51とが突出している。
図9は、図8の9−9線を含む、積層方向に平行な面に沿った、ユニット積層体25の断面図である。以下の説明において、2つのユニット23及びそれぞれを構成する部材を区別する必要がある場合には、部材の符号に添え字「a」又は「b」を付してこれらを区別する。図9では、実際には接触している上側のユニット23aと下側のユニット23bとを、理解を容易にするためにわずかに離間させている。
2つのユニット23a,23bは、ユニット23aの下側のケース30aの裏面と、ユニット23bの上側のケース30bの裏面とを対向させて積層される。より詳細には、ケース30aの短冊板41aにケース30bの開口43bが対向し、ケース30aの開口43aにケース30bの短冊板41bが対向する。従って、ユニット23aとユニット23bとを積層すると、ケース30a及びケース30bのうちの一方のケースの短冊板41が他方のケースの開口43内に嵌入する。図示を省略するが、同様に、ケース30a及びケース30bのうちの一方のケースの凸条42が他方のケースの凹条44内に嵌入する。
このように、2つのケース30を、その裏面同士を対向させて重ね合わせると、一方のケース30の短冊板41及び開口43が他方のケース30の開口43及び短冊板41に嵌合し、また、一方のケース30の凸条42及び凹条44が他方のケース30の凹条44及び凸条42に嵌合する。ケース30a,30bにそれぞれ収納された電池セル10a,10b間の距離は、短冊板41の一層の厚さにほぼ一致する。従って、本実施形態では、主収納部35の底面を、開口43が形成されていない一定厚さの連続する板材で構成した場合に比べて、ユニット積層体25の全体厚さを小さくすることができる。これは、最終的に得られる電池積層体20(図13参照)及び電池パック70(図15参照)の小型化に有利である。従って、電池セル10をケース30に収納したことによる実装効率の低下が抑えられる。
また、主収納部35の底面が存在しない場合(即ち、複数の短冊板41を全て取り除いた場合)には、隣り合う電池セル10a,10b間の絶縁を確保するために、ユニット23a,23b間にも絶縁シート50を設ける必要がある。本実施形態では、一方のケース30の開口43が他方のケース30の短冊板41で実質的に塞がれるので、絶縁シート50を設けなくても、電池セル10aと電池セル10bとの間の絶縁を確保することができる。このように隣り合うユニット23間に絶縁シート50を設ける必要がない本実施形態では、全ての電池セル10を絶縁シートを介在させて積み重ねる場合に比べて、必要な絶縁シートの数を半分に減らすことができる。これは、電池積層体20(図13参照)及び電池パック70(図15参照)の製造の容易化及び小型化に有利である。また、電池セルの絶縁シートは、難燃性を有することが要求されるので、一般に高価である。従って、絶縁シートの数を少なくすることができることは、電池積層体20及び電池パック70のコストの低減にも有利である。
図4A〜図4Dで説明したように、ケース30の短冊板41、凸条42、開口43、凹条44は、中央面30aに対して非対称に配置されている。その結果、同一形状のケース30を、その裏面同士を対向させて積み重ねると、上述したように、隣り合う2つのケース30間において短冊板41と開口43とが嵌合し、凸条42と凹部44とが嵌合する。このように、本実施形態では、電池積層体20(図13参照)を構成する複数のケース30として、形状が同じ単一種類のケースが用いられる。従って、電池積層体20を組み立てる際に、各ケース30の形状の違いを考慮する必要がないので、組み立てを容易且つ効率的に行うことができる。また、単一の成形金型を用いてケース30を射出成形等により量産することができるので、電池積層体20を低コスト化することができる。
電池セル10の温度を監視するために、温度検出素子を設けることができる。図10は、温度検出素子55の取り付け方法を説明する分解斜視図である。絶縁シート50に、スリット状の切り欠き53が形成されている。温度検出素子55は、切り欠き53内に挿入される。そして、当該絶縁シート50と、切り欠き53内の温度検出素子55とを2つのケース30で挟持する。絶縁シート50と温度検出素子55とは、ほぼ同じ厚みを有することが好ましい。必要に応じて、温度検出素子55が挿入される絶縁シート50が温度検出素子55と同一厚みを有するように、当該絶縁シート50として、他の絶縁シート50とは異なる厚みを有するもの(例えば、他の絶縁シート50より厚いもの)を用いてもよい。
本実施形態のように、絶縁シート50に形成した切り欠き53内に温度検出素子55を挿入することにより、隣り合う電池セル10間の絶縁性を確保し且つ電池積層体20の厚みの増加を抑えながら、必要な箇所に温度検出素子55を設けることができる。
図10では、切り欠き53はスリット形状を有しているが、切り欠き53の形状は、これに限定されず、温度検出素子55の形状に一致するように適宜変更しうる。電池積層体に設けられる温度検出素子55の数は任意である。電池積層体を構成する複数の絶縁シート50のうち温度検出素子55を設ける必要がある位置の絶縁シート50のみに、図10に示したように切り欠き53を形成して温度検出素子55を挿入すればよい。
電池セル10の温度上昇を抑えるために、隣り合うケース30間(即ち、隣り合う電池セル10間)に放熱板を設けてもよい。図11Aは、放熱板57a,57bが取り付けられたユニット積層体25の斜視図である。図11Bは、図11Aの11B−11B線を含む面に沿ったユニット積層体25の断面図である。放熱板57a,57bとしては、伝熱特性に優れた金属(例えばアルミニウム、銅など)の薄板材を用いることができる。放熱板57a,57bに絶縁性を付与するために、必要に応じて、その両面に、絶縁性塗料を塗布したり、絶縁性シートを貼付したりしてもよい。
本実施形態では、このように絶縁性を付与した放熱板57aを、絶縁シート50(図6参照)の代わりに用いている。放熱板57aには、絶縁シート50に設けられた絶縁タブ51と同様のタブが設けられる。更に、ユニット23間にも放熱板57bを設けている。従って、全てのケース30(電池セル10)は、放熱板57a又は57bを介して隣り合う。図示を省略するが、放熱板57a,57bの、ケース30の貫通孔33に対応する位置には、貫通孔が形成される。
ケース30の長辺に沿った両側面から、放熱板57a,57bが突出している。放熱板57a,57bの突出した部分を放熱フィンとして機能させることができる。あるいは、放熱板57a,57bの突出した部分を他の部材(例えば電池パックの筐体の内面)に接触させて、熱伝導を促進させてもよい。
図11Cは、図11Bの放熱板57bを含む部分11Cの拡大断面図である。放熱板57bは、2つのケース30の短冊板41の間を縫うようにジグザク状(波状)に変形している。このように放熱板57bが変形していることにより、放熱板57bを設けたことによって2つのケース30間の距離が増大するのを抑えることができる。これは、電池積層体20(図13参照)及び電池パック70(図15参照)の小型化に有利である。放熱板57bは絶縁性を有しているので、放熱板57bを介して隣り合う2つの電池セル10間の絶縁は確保される。短冊板41の幅を適切に設定することにより、短冊板41と放熱板57bとの間に隙間58が形成される。この隙間58は、図11Cの紙面に垂直な方向に連続し、ケース30外に連通する。従って、隙間58内に空気が流れ、これにより電池セル10を冷却することができる。その結果、冷却効率が更に向上する。
なお、図11A〜図11Cでは全ての隣り合う電池セル10間に放熱板を配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図11A及び図11Bにおいて、放熱板57a及び放熱板57bのいずれか一方を省略することができる。絶縁性を有しない放熱板を用いることもできる。その場合には、必要に応じて放熱板の両側に絶縁シートを配置してもよい。
複数の電池セル10が図2に示したように直列に接続されるように、各電池セル10の電極タブ11p,11nが接続される。図8において、ケース30から突出した電極タブ11p,11nを接続する方法を、図12を用いて説明する。
図12において、各ユニット23を構成する2つのケース30間から突き出した、対向する異極の電極タブ11p,11nのうち、奥側の電極タブ11p,11nは、互いに重ね合わされ、その先端部分はケース30側に折り返される。
一方、手前の、絶縁タブ51(図6参照)を挟む電極タブ11p,11nは、第1屈曲部111にて互いに相手方から離れるように折り曲げられ、第1屈曲部111よりケース30から遠い第2屈曲部112にて第1屈曲部111とは逆方向に折り曲げられる。第1屈曲部111及び第2屈曲部112での電極タブ11p,11nの折り曲げ角度(折り曲げ前のまっすぐな状態を基準に定義される)は、図12では約90度であるが、本発明はこれに限定されず、好ましくは90度以下で任意に設定できる。絶縁タブ51を挟む電極タブ11p,11nの折り曲げ形状は、絶縁タブ51を含む面に対して略対称である。折り曲げられた電極タブ11p,11nの先端部分(第2屈曲部112より上側の部分)は、隣り合うユニット23から突出した異極の電極タブの先端部分と重ね合わされる。絶縁タブ51の先端51tは、ケース30から見て、第1屈曲部111より遠く、且つ、電極タブ11p,11nの先端よりも近い位置まで延びている。即ち、電極タブ11p,11nは、絶縁タブ51の先端51tよりケース30に近い第1屈曲部111にて互いに離れるように折り曲げられる。絶縁タブ51を介して互いに対向する異極の電極タブ11p,11nをこのように折り曲げることにより、電極タブ11p,11n間の絶縁を確保しながら、絶縁タブ51のケース30からの突出長さを小さくすることができる。これにより、絶縁シート50の面積を小さくすることができる。また、絶縁シート50を、例えば長尺の原反シートから切り出す場合には、使用されずに廃棄される原反シートの面積を小さくすることができるので、原反シートの利用効率が向上する。従って、絶縁タブ51のケース30からの突出長さを短くすることは、低コスト化に有利である。
図12では、2つのユニット23のみが示されているが、更に多くのユニット23を積み重ねる場合には、図12と同様にして電極タブ11p,11nが加工される(後述する図13を参照)。
<電池積層体>
図13は、本発明の一実施形態にかかる電池積層体20の斜視図である。この電池積層体20は、それぞれが電池セル10を収納した14個のケース30を備える。14個のケース30は、その表裏が交互に反転されて積層されている。各ケース30の四隅に形成された貫通孔33(図3参照)が積層方向に連続して4つの連続孔を形成する。この連続孔に連結部材として寸切りボルト22を挿入し、その両端にナット23を締結する。これにより、14個のケース30が連結され強固に一体化される。寸切りボルト22は、各電池セル22の位置ずれを低減する。各電池セル10の寸法誤差とはほぼ無関係に、電池積層体20の外寸法の精度は良好である。
電池積層体20は、電池セル10を収納したケース30を、一つおきにケース30を裏返して、順次積み重ねることにより製造される。このとき、必要に応じて、ケース30間に、絶縁シート50(図6参照)及び/又は放熱板57a,57b(図11A、図11B参照)を挿入する。2つのケース30を積み重ねたユニット23(図6参照)を予め作成しておき、当該ユニット23を順次積み重ねてもよい。必要な数のケース30を積み重ねた後、寸切りボルト22及びナット23でケース30を一体化する。
電池積層体20の製造作業では、可撓性を有するラミネートシート13で外装された電池セル10を、硬質のケース30に収納した状態で取り扱うことができる。これにより、変形し易いラミネート型電池セル10の取り扱い性が向上するので、電池積層体20の製造が容易になる。また、ケース30の外側面でケース30を正確に位置決めすることができるので、電池セル10のシール領域16で位置決めして製造される従来の電池積層体に比べて、電池セル10を簡単且つ正確に位置決めすることができる。これにより、電池積層体20の製造が更に容易になるとともに、得られる電池積層体20の組み立て精度が向上する。
複数のケース30は、貫通孔33に連結部材22を挿入することにより連結される。これは、従来の両面粘着テープを用いて隣り合う電池セルを一体化させる方法に比べて、電池積層体20の製造をはるかに容易にし、また、連結強度を向上させる。また、一体化させた電池積層体20を何らかの理由で分解する必要が生じた場合には、各電池セル10を破損することなく、容易に取り出すことができる。
電池積層体20を構成する電池セル10及びケース30の数は、任意に設定することができる。例えば、図8に示した4つのケース30を含むユニット積層体25で電池積層体を構成することもできる。電池積層体20を構成するケース30の数に応じて寸切りボルト22の長さを適宜変更することができる。電池積層体20の積層方向の両外側面は、図13に示されているように、ケース30の裏面であることが好ましい。
ケース30の貫通孔33に挿入される連結部材は、寸切りボルト22に限定されず、例えば六角ボルトなど周知のネジ部材を用いてもよい。
図14は、回路基板60が取り付けられた電池積層体20の斜視図である。回路基板60は、4つの基板接合部材68を介して電池積層体20に固定されている。基板接合部材68は、フレーム31に形成されたネジ孔34(図13参照)にボルトを締結することにより、電池積層体20の上面の四隅に固定されている。本発明では、電池セル10がケース30に収納されているので、ケース30のフレーム31に回路基板60を固定することが可能である。
重ね合わされた異極の電極タブ11p,11n(図12参照)及び入出力タブ11p’,11n’(図2参照)は、回路基板60に形成されたスロット状のタブ挿通孔61を貫通している。回路基板60を貫通して上方に突出した電極タブ11p,11n,11p’,11n’は、回路基板60の上面に形成された配線パターン(図示せず)に半田付けされる。電極タブ11p,11n,11p’,11n’と回路基板60とを導電ワイヤで接続する方法に比べて、回路基板60を貫通した電極タブ11p,11n,11p’,11n’を回路基板60に半田付けする本実施形態の方法は、電極タブ11p,11n,11p’,11n’と回路基板60とを電気的に接続する工程を大幅に簡単化することができる。
回路基板60は電池積層体20に固定されているので、回路基板60の電池積層体20に対する相対的位置は一定である。従って、振動や衝撃が加えられても、半田が割れたり、電極タブ11p,11n,11p’,11n’が破断したりするトラブルが起こる可能性は低い。また、回路基板60に電池積層体20が衝突して回路基板60が破損したり損傷したりする可能性も低い。従って、電池積層体20は、高い信頼性を有している。
図示を省略するが、回路基板60には、各電池セル10の電圧を監視する電圧監視回路、電池セル10の温度を監視する温度監視回路、電池パックに接続された外部機器との間の電流を監視する電流監視回路、異常を検知すると外部機器との導通を遮断する制御回路など、電池パックに必要な保護回路や制御回路などの任意の回路を構成するデバイスを搭載することができる。
ネジ孔34を利用した回路基板60の固定方法は、図14に限定されない。例えば、上方から回路基板60を貫通させたボルトをネジ孔34に締結することにより、回路基板60を電池積層体20に固定することもできる。回路基板60と電池積層体20とを離間させるために、必要に応じて両者間にスペーサ(例えば、当該ボルトによって貫通される筒状物)を介在させることができる。
ケース30に設けたネジ孔34を利用して、各種電気配線(ハーネス)や各種部品を更に電池積層体20に取り付けてもよい。これにより、振動や衝撃が加えられることにより、これらの配線や部品が電池積層体20や回路基板60に衝突して回路基板60等が破損や損傷するのを防止できる。
<電池パック>
図15は、回路基板60が取り付けられた図14に示した電池積層体20を、筐体72内に収納した電池パック70の断面図である。図15では、電池積層体20及び回路基板60は、断面図ではなく、側面図として示されている。筐体72は略直方体形状の密閉容器である。電池積層体20は、筐体72に固定された緩衝部材74を介して筐体72内に保持されている。回路基板60と筐体72との間の距離D1,D2,D3は、緩衝部材72の厚さより大きい。従って、電池パック70を落下させる等により電池パック70に衝撃が加えられることによって緩衝部材74の厚みがゼロになったとしても、回路基板60が筐体72の内壁に衝突することはない。また、回路基板60は、筐体72ではなく、電池積層体20に固定されているので、回路基板60と電池積層体20とが衝突することもない。従って、回路基板60が破損したり損傷したりすることはない。また、電池セル10はケース30内に収納されているので、電池セル10が筐体72の内壁に衝突して破損したり損傷したりすることもない。
従来の電池パックでは、回路基板は、電池積層体ではなく、筐体に固定されることが一般的である。この構成では、振動や衝撃によって、大重量の電池積層体が筐体内で変位して回路基板に衝突する事故が生じる可能性があった。本発明の電池パックで70は、このような事故が生じる可能性が低減されており、耐衝撃性に優れ、高い信頼性を有している。
上記の実施形態は例示にすぎない。本発明は、上記の実施形態に限定されず、適宜変更することができる。
上記の実施形態では、ケース30の複数の短冊板41は、ケース30の長辺と平行であったが、本発明はこれに限定されない。例えば、複数の短冊板41は、ケース30の短辺と平行であってもよく、あるいは、長辺及び短辺のいずれに対しても非平行であってもよい(即ち、長辺及び短辺に対して傾斜していてもよい)。短冊板41の向きに関わらず、凸条42及び凹条44は、常に短冊板41と平行である。
上記の実施形態ではケース30のフレーム31の裏面に凸条42及び凹条44が形成されていたが、本発明はこれに限定されない。2つのケース30をその裏面同士を対向させて積み重ねたときに、一方のケース30の短冊板41が他方のケース30の開口43内に嵌入することができれば、凸条42及び凹条44を省略し、フレーム31の裏面が凹凸のない一平面で構成されていてもよい。
本発明の利用分野は特に制限はなく、自動車、バイク、電動アシスト自転車等の各種移動機器、携帯情報端末、無停電電源装置(UPS)、蓄電装置等の電源に使用される電池積層体及び電池パックとして広範囲に利用することができる。
10 電池セル
11p 正極タブ(電極タブ)
11n 負極タブ(電極タブ)
111 第1屈曲部
112 第2屈曲部
13 ラミネートシート(シート)
15 凸部
16 シール領域
20 電池積層体
22 寸切りボルト(連結部材)
30 ケース
31 フレーム
31s フレームの外側面
33 貫通孔
331 凸部(突出)
332 陥部(陥没)
34 ネジ孔
35 主収納部
36 シール領域収納部
41 短冊板
43 開口
50 絶縁シート
51 絶縁タブ
51t 絶縁タブの先端
53 絶縁シートの切り欠き
55 温度検出素子
57a,57b 放熱板
60 回路基板
70 電池パック
72 筐体

Claims (13)

  1. 複数の薄板状の電池セルと、前記複数の電池セルをそれぞれ収納する複数のケースとを備えた電池積層体であって、
    前記複数の電池セルのそれぞれは、発電要素を外装する可撓性を有するシートを備え、
    前記電池セルの外周辺に沿って、前記シートがシールされたシール領域が形成されており、
    前記電池セルの片面に、前記発電要素に起因する凸部が、前記シール領域に対して突出しており、
    前記複数のケースのそれぞれは、前記電池セルの前記シール領域を収納するシール領域収納部がその表面に形成されたフレームと、前記フレームで囲まれ且つ前記電池セルの前記凸部を収納する主収納部とを備え、
    前記主収納部の底面は、互いに平行に且つ離間して配置された複数の短冊板で構成され、隣り合う短冊板間は開口しており、
    前記複数のケースが、その表裏が交互に反転されて積層されており、
    前記シール領域収納部が形成された前記表面とは反対側の面である裏面同士が対向して互いに隣り合う2つの前記ケースのうちの一方のケースの前記複数の短冊板は、他方のケースの前記複数の短冊板間の複数の開口内にそれぞれ嵌入していることを特徴とする電池積層体。
  2. 前記複数の電池ケースは全て同一形状を有する請求項1に記載の電池積層体。
  3. 前記複数のケースのそれぞれの前記フレームに貫通孔が形成されており、
    前記貫通孔が、前記複数のケースの積層方向に連続する連続孔を形成し、
    前記連続孔に挿入された連結部材が、前記複数のケースを連結している請求項1又は2に記載の電池積層体。
  4. 前記貫通孔の前記表面側の開口の端縁が、その周辺領域に比べて突出又は陥没しており、
    前記表面同士が対向して互いに隣り合う2つの前記ケースのうちの一方のケースの前記開口の端縁に形成された突出が、他方のケースの前記開口の端縁に形成された陥没に嵌入している請求項3に記載の電池積層体。
  5. 前記凸部とは反対側の面を互いに対向させて隣り合う2つの前記電池セル間に絶縁シートが設けられている請求項1〜4のいずれかに記載の電池積層体。
  6. 前記電池セルの温度を検出するための温度検出素子を更に備え、
    前記温度検出素子は、前記絶縁シートに形成された切り欠き内に挿入されている請求項5に記載の電池積層体。
  7. 前記複数の電池セルのそれぞれは、一対の電極タブを備え、
    前記絶縁シートを挟んで隣り合う2つの電池セルのうちの一方の電池セルの一対の電極タブのうちの一方の電極タブは、他方の電池セルの前記一方の電極タブに対向する電極タブと電気的に接続され、前記一方の電池セルの他方の電極タブと、前記他方の電池セルの前記他方の電極タブに対向する電極タブとは、前記ケースより外の第1屈曲部にて互いに相手方から離れるように折り曲げられ、前記第1屈曲部よりも前記ケースから遠い第2屈曲部にて前記第1屈曲部とは逆方向に折り曲げられており、
    前記他方の電極タブと前記他方の電極タブに対向する前記電極タブとの間で前記ケースからはみ出した前記絶縁シートの部分は、前記第1屈曲部よりも遠く、且つ、前記他方の電極タブの先端及び前記他方の電極タブに対向する前記電極タブの先端よりも近い位置にまで延びている請求項5又は6に記載の電池積層体。
  8. 隣り合う前記ケース間に放熱板が設けられている請求項1〜7のいずれかに記載の電池積層体。
  9. 前記放熱板が、裏面同士が対向して互いに隣り合う前記2つのケースの間に設けられており、
    前記放熱板は、ジグザク状に変形されて、前記2つのケースの前記複数の短冊板の間に配置されている請求項8に記載の電池積層体。
  10. 更に、回路基板を備え、
    前記回路基板は、前記ケースの前記フレームに固定されている請求項1〜9のいずれかに記載の電池積層体。
  11. 前記フレームの外側面に、前記回路基板を固定するためのネジ孔が形成されている請求項10に記載の電池積層体。
  12. 前記電池セルから導出された電極タブが前記回路基板に半田付けされている請求項10又は11に記載の電池積層体。
  13. 請求項1〜12のいずれかに記載の電池積層体と、前記電池積層体を収納する筐体とを備えた電池パック。
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