JP2012028171A

JP2012028171A - 電池セパレーター及びそれを用いたパック電池

Info

Publication number: JP2012028171A
Application number: JP2010165638A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nishihara; 毅西原; Masatomo Tanaka; 正智田中; Kaichi Kondo; 嘉一近藤; Kazutaka Nishiwaki; 一貴西脇
Original assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Current assignee: Maxell Ltd
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-02-09

Abstract

【課題】
評価サンプル製作や小ロット生産などにおいて低コストで使用することができる電池セパレーター及びパック電池を提供する。
【解決手段】
２つ以上の円筒型単電池を組み合わせた組電池ユニットを形成するための電池セパレーターであって、前記円筒型単電池の長手方向に沿って前記円筒型単電池の円筒部の一部を保持する電池挿入部と、同種或いは異種の電池セパレーターと組み合わせるための接続機構とを有し、前記同種或いは異種の電池セパレーターを垂直方向と水平方向とに自在に組み合わせることで前記組電池ユニットを構成する前記２つ以上の円筒型単電池を保持する構成とする。
【選択図】図３

Description

本発明は複数の電池からなる組電池に係る電池セパレーター及びそれを用いたパック電池に関するものである。

筒型リチウムイオン電池は単電池としては18650型が多く用いられているものの、様々な機器に対し1直1並列から多直多並列まで仕様が存在する。またその単電池の配置も機器に応じて様々な設計がなされているのが通常である。
特許文献１には、電動工具用電池パックが開示されている。この電池パックは複数の筒型の電池を接続して使用するものであるが、これらの複数の電池を収納するにあたり、特許文献１の図５のセパレータ２０や、図６のセパレータ２１のように電池ケース内に樹脂製の電池セパレーターを設けて、それぞれの電池を分離して保持している。

特開２００７−３０５４０８号公報

電池セパレーターはセルの配置と絶縁を確保する部品であり、最終製品では樹脂の射出成形品である場合が多い。評価サンプルのための成形品セパレーターでも、極力最終製品である成形品に近いセパレーターが求められる。近年、このようなサンプル作製は光造形や粉末成形が用いられるようになってきた。しかしながら評価サンプル毎に専用セパレーターを設計することは設計工数、管理工数の増大を招ことになる。また相応のコストが掛かることも事実である。特に色塗りや研磨などの別仕上げ工程がある場合やサンプル数量が多くなると、大きなコストになる。樹脂成形金型を製作した場合はイニシャルとして、さらに大きなコストが必要となる。そこで本発明では、評価サンプル製作や小ロット生産などにおいて低コストで使用することができる電池セパレーター及びパック電池を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明は以下の構成とする。
２つ以上の円筒型単電池を組み合わせた組電池ユニットを形成するための電池セパレーターであって、前記円筒型単電池の長手方向に沿って前記円筒型単電池の円筒部の一部を保持する電池挿入部と、同種或いは異種の電池セパレーターと組み合わせるための接続機構とを有し、前記同種或いは異種の電池セパレーターを垂直方向と水平方向とに自在に組み合わせることで前記組電池ユニットを構成する前記２つ以上の円筒型単電池を保持する構成とする。

また、前記電池セパレーターの水平方向の接続機構は、面に対して凸と凹で嵌め合わせるロック部と、斜面合わせで接続させるテーパ部とを備え、前記電池セパレーターを水平方向に配置してロックを掛かけた場合、水平方向の移動によるロックの解除が不可能となる接続機構を有する構成とする。また、前記電池セパレーターは樹脂であり射出成形品である。また、前記電池セパレーターには部品をネジ止めするためのボスを有する構成とする。また、前記電池セパレーターは前記円筒型単電池と接する面にサーミスタ又は熱電対を取り付けるための切り欠き穴部を有する構成とする。

また、電池セパレーターに複数の円筒型単電池を組み合わせ、前記円筒型単電池の正極及び負極にタブを抵抗溶接したパック電池であって、前記タブの水平折り曲げ部の一部がセパレーター上に乗せられる構成とする。また、前記パック電池の周りを熱収縮チューブでパックする構成とする。

従来と比較して設計、試作、管理工数の削減を図り、試作、小ロット生産におけるコスト削減と短納期化を実現することができる。また様々なセル配置構成に対応したパック電池を迅速に設計することができる。

本発明の電池セパレーター1を示す図本発明の電池セパレーター2を示す図本発明の電池セパレーター１と電池セパレーター２の組み合わせ図本発明の電池セパレーターの水平部ロック機構を示す図本発明の電池セパレーターの水平接続部のロック方法を示す図本発明のパック電池シュリンクチューブでパックした本発明の電池パック制御基板を取り付けた本発明の電池パック本発明の電池パックの他の例

本発明の電池セパレーター１を図1に示す。電池セパレーター１には円筒電池が配置されるにあたり、隔壁として電池同士を分離する円筒電池挿入部１４が設けられる。電池セパレーター１には、円筒面を有する円筒電池挿入部１４が２つ設けられ、それぞれの円筒面に合わせて円筒電池が配置されことになる。また、電池セパレーター１の左右側には突起状の長手方向接続部１１と１２が設けられている。長手方向接続部１１と１２は互いに紙面水平方向で形状が反転しており、同一部品を本図と同一の向きで左側及び右側を接続させることが可能な構造となっている。また、円筒電池挿入部１４の上部には、上下方向接続部１３が設けられている。上下方向接続部１３は、凹部と凸部をペアで備えており、上下方向接続部１３も同一部品を長手方向軸に180度回転させ、且つ紙面垂直軸上で180度回転させると紙面上面から接続可能である。電池セパレーター１は、円筒電池挿入部とは逆の面にネジボス１５が２箇所設けられている。これは、後述のように制御基板を取り付けるためのものである。

図２には、図１の電池セパレーター１とは異なる電池セパレーター２を示す。図１における電池セパレーター１の場合は、円筒電池挿入部１４は2箇所であったが、電池セパレーター２は円筒面を有する円筒電池挿入部２５は電池セパレーター２の上部の左右及び下部の左右に設けられ、円筒電池挿入部２５は4箇所ある。電池セパレーター２の上部及び下部には、凹部と凸部のペアからなる上下方向接続部２３及び２４がそれぞれ設けられている。従って、電池セパレーター２は、同一部品では図と同一の向きで上下方向にも水平にも無限に電池セパレーターを接続することができる。また図１の電池セパレーターと図２の電池セパレーターはそれぞれの上下方向接続部の凹部と凸部で接続可能となっている。

電池セパレーター２の上部は、図で示されるようにその一部は、円筒電池挿入部２５の隔壁が削除されている。この部分２６はサーミスタ／熱電対の挿入孔として使用することができる。これにより挿入孔のある位置に容易にこれら温度センサーを挿入し、セルの温度を管理することやデータ取りができるようになる。製品安全の観点からも、セルの温度データ取りや管理は重要である。

図３には電池セパレーター１と電池セパレーター２を各々組み合わせ４列×２のセル組用としたセパレーター組を示す。この場合、電池セパレーター１を３つ水平方向に組み合わせて並べ、電池セパレーター２を３つ水平方向に組み合わせ更にそれらの組を電池セパレーター１の組が上にあるようにして上下に重ねたものである。無論更に水平方向や下方向に別の電池セパレーターを組み合わせることにより、様々なセル配置に対応したセパレーターを組むことができるようになる。これにより専用セパレーターを設計する必要が無くなり、設計工数及び管理工数の大幅な削減ができるようになる。さらに部品をストックしておくことにより、様々なセル配置のサンプル作製や小ロット生産においても素早い納期対応が可能となる。

また、図３では電池セパレータ−１に部品取り付けができるようネジボス１５が示されており、これを用いて外装ケースにネジ止めすることや、リチウムイオン電池パックにおいては保護回路基板を実装できるようになる。これにより電池セパレーターの汎用性は更に向上することになる。

図4には、本発明における電池セパレーターのロックの機構を示す。水平方向のロックは電池パック作製において重要であり、不用意に接続が外れてしまうと作業効率が大きく低下するとともに短絡などの危険も伴うことから、本発明の電池セパレーターのロック機構は水平方向の接続が不用意に外れないように工夫をしたものである。

拡大正面図の左側のロックは部分側面図の通り、紙面表側の先端部が凸形状になっている。拡大正面図右側のロックは紙面裏側が凸部よりやや深く広い凹になっている。また左側ロック部の根元部はカギ状になっており、右側ロック部の根元は同一テーパーでカギ状となっている。ロック合わせ面は組み合わせ時に凸側及び凹側もほぼ同面となっている。またロック部は正面図において上下方向に沿って凸部ロックと凹部ロックが互い違いになるように配置している。正面図では４つのロック組であるが、２つ以上であればいくつあっても良い。ロックが効いた状態で、ロック合わせ面は紙面鉛直方向に対しても互い違いになり、この方向にも外れないようになる。

次に図５にその組み合わせ方を示す。上図の矢印の通り右側部品をスライドさせて凸部と凹部を嵌め合わせる。同時にカギ部テーパーも最深部まで嵌め合いロックが完了し下図のように接続完了の状態となる。この状態では前述の通り紙面鉛直方向にも外れないようになっている。左右方向はカギのテーパー面が効いてロック解除は不能となり、上図の逆の手順でのみロックを解除することができるようになる。この機構により、電池セパレーターは水平方向に確実にロックされ、電池パック製作の作業効率とセパレーター組の品質は大きくアップする。

本発明の電池セパレーターは、金型を用いて射出成形により成形した樹脂成形品である。本発明の電池セパレーターは汎用性が高く、使用する機会も多い。樹脂成形品とすることで、汎用樹脂が使え光造形品などと比較してより安価で高性能なセパレーターを作製できるようになる。特にコスト低減効果は使用数量が増えるほどより大きくなる。

次に図６には本発明のパック電池を示す。図6は電池セパレータ−１及び２を組み合わせた電池セパレーターと単電池３を組み合わせ、更に単電池の正極、負極にタブ４を抵抗溶接しており、タブの水平折り曲げ部４１の一部が電池セパレーター上に乗せられた形であることを特徴とするパック電池である。電池セパレーターには、単電池の長手方向の位置を規制する部材は設けておらず、単電池の正極及び負極は電池セパレーターから露出している。従って、正極及び負極にタブ４を抵抗溶接するにあたっては、１つのタブに対し溶接する単電池を自由に選択することができる。これにより、様々な形で複数の単電池の電気的な接続が可能となる。また、図６においては、組み合わされた電池セパレーターの各部分全てに単電池が搭載されているが、最終的なパック電池の仕様によっては、電池セパレーターによって作られる単電池の挿入部分の一部には単電池を搭載しないでおくことも可能である。

本発明の電池セパレーターは図４及び図５で説明したように水平方向にロックはあるものの、垂直方向の上下方向接続部にはロック機構を設けていない。これは射出成形金型の製作を前提で考えた場合、垂直方向にもロック部を持たせようとするとアンダーカットが発生し、金型費用の増大を招くことを考慮したためである。

しかし、図６のパック電池はタブ４に水平折り曲げ部４１を設け、それを電池セパレーター上部のフラット部に乗せることにより、抵抗溶接された単電池と電池セパレーターが固定され、電池セパレーターに垂直方向のロックを設置する必要も無くなる。これによるコスト削減が可能となる。

図7は、図6におけるパック電池を更に熱収縮チューブ５でシュリンクパックしたものである。熱収縮チューブは絶縁性があればどのようなものを用いても良い。図6のパック電池は電池セパレーターのロックとタブ４の折り曲げ部のみでパック電池の形状を維持するものであった。輸送などではさらに耐久性を強化する必要があり、この点について改善を試みたものである。図7の形態ではチューブの収縮により、電池パック全体が強固になる。本実施の形態をとれば、輸送や機器組み込みなどの殆どの使用に耐えうるパック電池とすることができる。

図8は、制御基板６を取り付けた本発明のパック電池である。リチウムイオン電池の場合、安全性の確保のため充放電制御やセル電圧監視回路が必要であり、これらの回路を搭載した制御基６板を電池に対し取り付ける必要がある。前述のように、本発明における電池セパレーター１は、ネジボス１５を有している。制御基板６の電池セパレーターへの取り付け穴は一部丸穴で一部長穴になっている。本発明の電池セパレーターは接続によって組み合わせることにより、多くのセル配置を実現できることは前述の通りであるが、組み合わせるセパレーターの数量が多くなればなるほど、部品寸法のバラツキにより累積公差が大きくなってしまう。一方制御基板が小さい場合は一部の電池セパレーターのネジボスを利用して取り付ければ問題ないが、制御基板６が図8のように長くなってくると、上記累積公差の影響を無視することができない。そこで制御基板６の取り付け穴を一部長穴とし、累積公差の影響を受けない構成としたものが図８のパック電池である。制御基板６の取り付け穴は理想的には基準穴は丸穴（図では後方の2つの丸穴）とし、電池セパレーターの追加方向に対し、徐々に長穴を広げた構成とすることが望ましい。

図９は本発明のパック電池の他の例である。単電池３を水平方向に８個、垂直方向に２個並べたものであり、各セパレーターは水平及び垂直方向に接続されている。各単電池３はセパレーター空隙に全てに配置されている。各単電池３の正極および負極にセパレーター上部に水平部が乗った形でタブ４が抵抗溶接され単電池３、電池セパレーター、タブ４の構成で一体化している。更に電池セパレーター４内の一部の空隙に温度センサーであるサーミスタが挿入されている。更にタブ４の外側から絶縁テープ７が貼り付けられている。電池セパレーター上部のネジボスに一部の取り付け穴が長穴である制御基板７がネジ止めされており、更にその制御基板には各単電池３に接続されたタブとサーミスタ及び外部出力線６３が結線されている。更に外部出力を除く電池パック全体を熱収縮チューブ５で覆った構成となっている。本図では１６本の単電池３を使用したセル配置構成としているがセパレーターの組み合わせ次第でどのようなセル配置にも対応できることは前述の通りである。本図ではパック電池の温度センサーとしてサーミスタをセパレーター内に挿入して使用している。これにより常時パック電池の温度監視が可能となり、より安全に電池パックを使用することが可能となっている。またパック電池全体を熱収縮チューブで覆っている。これにより、機器内や屋内及び輸送において実用上十分な耐久性や強度を確保できるようになる。

１電池セパレーター１
２電池セパレーター２
３単電池
４タブ
５熱収縮チューブ
６制御基板
７絶縁テープ
８サーミスタ
１１、２１長手方向接続部１
１２、２２長手方向接続部２
１３、２３、２４上下方向接続部
１４、２５円筒電池挿入部
２６サーミスタ／熱電対挿入孔
４１タブ折り曲げ水平部
６１取り付け丸穴
６２取り付け長穴
６３外部出力

Claims

２つ以上の円筒型単電池を組み合わせた組電池ユニットを形成するための電池セパレーターであって、
前記円筒型単電池の長手方向に沿って前記円筒型単電池の円筒部の一部を保持する電池挿入部と、同種或いは異種の電池セパレーターと組み合わせるための接続機構とを有し、前記同種或いは異種の電池セパレーターを垂直方向と水平方向とに自在に組み合わせることで前記組電池ユニットを構成する前記２つ以上の円筒型単電池を保持することを特徴とする電池セパレーター。
請求項1に記載の前記電池セパレーターの水平方向の接続機構は、面に対して凸と凹で嵌め合わせるロック部と、斜面合わせで接続させるテーパ部とを備え、前記電池セパレーターを水平方向に配置してロックを掛かけた場合、水平方向の移動によるロックの解除が不可能となる接続機構を有する電池セパレーター。
請求項１又は２に記載の前記電池セパレーターは樹脂であり射出成形品であることを特徴とする電池セパレーター。
請求項１ないし３のいずれかに記載の前記電池セパレーターには部品をネジ止めするためのボスを有することを特徴とする電池セパレーター。
請求項１ないし４のいずれかに記載の前記電池セパレーターは前記円筒型単電池と接する面にサーミスタ又は熱電対を取り付けるための切り欠き穴部を有することを特徴とする電池セパレーター。
請求項１ないし５のいずれかに記載の電池セパレーターに複数の円筒型単電池を組み合わせ、前記円筒型単電池の正極及び負極にタブを抵抗溶接したパック電池であって、前記タブの水平折り曲げ部の一部がセパレーター上に乗せられることを特徴とするパック電池。
請求項６に記載のパック電池の周りを熱収縮チューブでパックしたことを特徴とするパック電池。
請求項６のパック電池の円筒型単電池はリチウムイオン電池であり、前記電池セパレーターに備えられたボス上に配置された保護回路基板を備え、
前記保護回路基板のネジ止め穴は少なくとも一つ以上の穴が長穴であることを特徴とする保護回路基板を用いたリチウムイオンパック電池。