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JP5858140B2 - 電気化学セル・モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、電気的に接続されて並設された複数本の筒型電気化学セルの両端を一対のセル・ホルダでそれぞれ保持してなる電気化学セル・モジュールに関するものである。
電気化学セルは、所望の電圧や容量を得るために、複数本の電気化学セルをホルダを用いて組み合わせて組電池を構成し、さらに、１以上の組電池を組み合わせたものを収納ケースに収納して電気化学セル・モジュールを構成して使用するのが一般的である〔例えば、特開２００２−１５７９８４号公報の図２及び図９（特許文献１）〕。またリチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタ等の電気化学セルを収納する収納ケースには、各電気化学セル・各組電池の電圧制御等を行う制御回路が備えられている。組電池の効率的な収納、電気化学セルの保護、電気化学セル・モジュールの運搬に、収納ケースは有用である。
特開２００２−１５７９８４号公報
しかしながら、電気化学セルの保護が重要視されないような場合や、電気化学セル・モジュールに常時振動が加わるような用途で使用する必要がない場合には、必ずしも収納ケースは必要ない。従来は、その場合でも、制御回路を備えるために収納ケースまたはケースに近い構造物が必要であり、このことが結果として電気化学セル・モジュールのコストを高くする原因となっていた。
本発明の目的は、製造コストを削減するために、複数本の電気化学セルをホルダを用いて組み合わせた状態で使用可能にした電気化学セル・モジュールを提供することにある。
本発明の他の目的は、電気化学セルの放熱効率を高めることにある。
本発明のさらに他の目的は、ノイズによる制御の誤作動が生じにくい電気化学セル・モジュールを提供することにある。
本発明の電気化学セル・モジュールは、電気的に接続されて並設された複数本の筒型電気化学セルの両端を一対のセル・ホルダでそれぞれ保持してなる。そして、一対のセル・ホルダのうちの一方のセル・ホルダの外側に、複数本の筒型電気化学セルの電圧を制御する制御回路を収納した制御回路ホルダを装着していることを特徴としている。一対のセル・ホルダの一方に制御回路を収納する制御回路ホルダを装着すると、収納ケースを備えていなくても、制御回路をモジュールに実装することができる。そして、一対のセル・ホルダで構成した組電池のままで電気化学セル・モジュールとして使用可能になる。また、収納ケースがないため、電気化学セルが発する熱がこもりにくく、放熱効率を上げることができる。
一対のセル・ホルダの他方のセル・ホルダには、一対の入出力端子と外部接続端子とを備えた端子ホルダを装着することができる。電気化学セル・モジュールを電源として動作する装置に電力を供給し、また、充電電流が入力される入出力端子と、制御回路に対して制御情報を入出力するための外部接続端子とを、制御回路ホルダを装着した側と反対のセル・ホルダに備えるようにすることで、制御回路の設置スペースを広く確保することができる。
制御回路ホルダの構成は任意であるが、一方のセル・ホルダと対向する対向壁部を有し、対向壁部に１以上のリード線挿入用貫通孔を形成することが可能である。この場合には、リード線挿入用貫通孔を通して、複数本の筒型電気化学セルと制御回路とを電気的に接続する複数本のリード線を制御回路ホルダ内に挿入して、複数本のリード線と制御回路とをコネクタを介して接続することができる。このように構成することで、制御回路を電気化学セルから電気的に絶縁した上で、リード線と制御回路とを電気的に接続をすることが可能になる。
複数本のリード線は、例えば、複数本の筒型電気化学セルのそれぞれから制御回路に延びる、複数本の筒型電気化学セルのそれぞれの電圧を検出する電圧検出線と、制御回路から他方のセル・ホルダ内に位置する信号線接続用の外部接続端子に延びる信号線である。電圧検出線及び信号線は、一対のホルダの間に配置されて内部に通路を有する１以上の絶縁性ガイド部材の通路を通して接続することが望ましい。１以上の絶縁性ガイド部材を第１の絶縁性ガイド部材と第２の絶縁性ガイド部材とから構成した場合には、電圧検出線を、第１の絶縁性ガイド部材に通し、信号線を、第２の絶縁性ガイド部材に通すこともできる。このように、電圧検出線と信号線を分けて通すことで、互いに電気的に干渉することがなくなり、ノイズによる制御回路の誤作動等を防止することができる。
絶縁性ガイド部材は、通路に沿って分割面を有する二つ割り構造を有するようにするのが好ましい。このように構成することにより、一体成形で製造するよりも安価に且つ容易に絶縁性ガイド部材を製造することが可能となり、また、コネクタを有するリード線を通路に通すことが可能になる。
本発明の電気化学セル・モジュールの一例を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は左側面図、（Ｄ）は右側面図である。 （Ａ）は、電気化学セル（リチウムイオン電池セル）を取り除いた状態の本発明の電気化学セル・モジュールを一方のセル・ホルダ側から見た斜視図であり、（Ｂ）は、他方のセル・ホルダ側から見た斜視図である。 （Ａ）は、制御回路ホルダを取り除いた状態の本発明の電気化学セル・モジュールの左側面の概略図であり、（Ｂ）は、端子ホルダを取り除いた状態の本発明の電気化学セル・モジュールの右側面の概略図である。 蓋板を取り除いた状態の本発明の電気化学セル・モジュールの左側面図である。 本発明で用いる絶縁性ガイド部材を構成する絶縁性ガイド部材構成部材の一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線端面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ線端面図、（Ｄ）はＤ−Ｄ線端面図である。
以下、図面を参照して、本発明の電気化学セル・モジュールの実施の形態の一例について説明する。
本実施の形態の電気化学セル・モジュール１は、図１（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、主に、電気的に接続されて並設された６本の円筒型電気化学セルである円筒型のリチウムイオン電池セル３と、リチウムイオン電池セル３の両端を保持する一対のセル・ホルダ５，７と、一方のセル・ホルダ５に装着された制御回路ホルダ９と、他方のセル・ホルダ７に装着された端子ホルダ１１とから構成されている。一対のセル・ホルダ５，７の間には、リチウムイオン電池セル３の他に、一対のセル・ホルダ５，７のそれぞれの角部に端部が固定された４本の補強用金属バー１３と、リチウムイオン電池セル３と一対のセル・ホルダ５，７に固定された第１及び第２の絶縁性ガイド部材１５，１７（図２参照）とが配置されている。
図２（Ａ）は、リチウムイオン電池セル３及び補強用金属バー１３を取り除いた状態の電気化学セル・モジュール１をセル・ホルダ５の側から見た場合の斜視図であり、図２（Ｂ）は、セル・ホルダ７の側から見た場合の斜視図であり、図３（Ａ）は、制御回路ホルダ９を取り除いた状態のセル・ホルダ５の状態を示す電気化学セル・モジュール１の左側面の概略図であり、図３（Ｂ）は、端子ホルダ１１を取り除いた状態のセル・ホルダ７の状態を示す電気化学セル・モジュール１の右側面の概略図である。一対のセル・ホルダ５，７は、内側に６本のリチウムイオン電池セル３の端部を収納する外側に向かって凸になった膨出部を有する円柱形のセル端部収納凹部６Ａ乃至６Ｆ，８Ａ乃至８Ｆを有している。セル・ホルダ５，７の周壁部５Ａ，７Ａの輪郭形状は矩形状を呈している。そして、セル・ホルダ５，７の周壁部５Ａ，７Ａの内側の四隅には、後述する補強用金属バー１３の端部が挿入される筒部１０が一体に設けられている。セル・ホルダ５，７の底壁部５Ｂ，７Ｂには、それぞれ第１及び第２の絶縁性ガイド部材１５，１７に対応して設けられたリード線導出孔６３Ａ及び６５Ａ並びに６３Ｂ及び６５Ｂが設けられている。
セル・ホルダ５の外側には、制御回路ホルダ９がネジ止めされており、セル・ホルダ７の外側には、端子ホルダ１１がネジ止めされている。一対のセル・ホルダ５，７の底壁部５Ｂ，７Ｂの四隅には、筒部１０と連通して、補強用金属バー１３を固定するための貫通孔１９，２１が設けられている。筒部１０に補強用金属バー１３の端部を嵌合した上で、貫通孔１９，２１にネジ２０，２２を挿入し、補強用金属バー１３の端部に設けたネジ孔にネジ止めして補強用金属バー１３は固定されている。
セル端部収納凹部は、６Ａと８Ａ、６Ｂと８Ｂのように、対向するように配置されている。セル端部収納凹部６Ａ乃至６Ｆ，８Ａ乃至８Ｆのそれぞれの底部には、リチウムイオン電池セル３の端部に設けられた端子を構成するネジ部が貫通する貫通孔が形成されている。これら貫通孔を貫通してセル・ホルダ５，７の外側に突出するネジ部には、ナット５７Ａ乃至５９Ｅを用いてバスバ６１が固定されている。
制御回路ホルダ９は、セル・ホルダ５の外側に配置されたバスバ６１を覆う、一面開口状のバスバ収納部２３と、バスバ収納部２３と一部が一体に設けられて内部に制御回路基板を収納する制御回路基板収納部２５とを有している。制御回路基板収納部２５は、一面開口状に形成されており、開口部は蓋板３５によって塞がれている。バスバ収納部２３は、四隅に湾曲部が形成された矩形状の形状を有している。バスバ収納部２３には、ネジ孔２７Ａが６カ所設けられており、ネジ２９でセル・ホルダ５に設けられた有底のネジ孔２７Ｂに固定されている。制御回路基板収納部２５は、図１（Ｃ）に示すように、バスバ収納部２３上の中央部寄りに配置されている。制御回路基板収納部２５は、バスバ収納部２３と制御回路基板収納部２５との間に位置する隔壁部３１と、バスバ収納部２３から立ち上がる周壁部３３と、蓋板３５とから構成されている。蓋板３５には、８カ所の貫通孔３７Ａが形成され、周壁部３３の適合する位置に設けられた有底のネジ孔３７Ｂに、ネジ３９で固定されている。
制御回路４１が実装された制御回路基板４３は、図１（Ｃ）に点線で示すように、制御回路基板収納部２５内に形成されている空間内に配置されている。図４は、蓋板３５を透明なものとして示した図であり、回路素子を省略した制御回路基板４３が収納されている状態を示している。図４に点線で示すように、隔壁部３１には、リード線挿入用貫通孔４５，４７が設けられており、後述のリード線（電圧検出線及び信号線）を通すように構成されている。なお、隔壁部３１の存在によって、制御回路基板４３とリチウムイオン電池セル３とが電気的に絶縁されている。
端子ホルダ１１は、バスバ収納部２３と同様に、バスバ６１と端子部を覆っており、四隅に湾曲部を備えた矩形状の形状を有している。端子ホルダ１１には、正極端子４９と負極端子５１が一対となった入出力端子と、制御回路４１用の制御信号の入出力を行う外部接続端子５２が設けられている。端子ホルダ１１には、ネジ孔５３Ａが６カ所設けられており、ネジ５５でセル・ホルダ７に設けられた有底のネジ孔５３Ｂに固定されている。
本実施の形態では、複数のバスバ６１で６本のリチウムイオン電池セル３を直列接続しており、且つ、端子部６０Ａが正極（＋）、端子部６０Ｆが負極（−）となるように、各リチウムイオン電池セル３の正極・負極の向き及びバスバ６１による接続が決められている。具体的には、端子部６０Ａ，６０Ｃ，６０Ｅに正極が現れ、端子部６０Ｂ，６０Ｄ，６０Ｆに負極が現れるようにリチウムイオン電池セル３の向きを合わせて、且つ、端子部５８Ａと５８Ｂ、端子部６０Ｂと６０Ｃ、端子部５８Ｃと５８Ｄ、端子部６０Ｄと６０Ｅ、端子部５８Ｅと５８７Ｆをバスバ６１で接続している。その上で、端子部６０Ａが、正極端子４９と電気的に接続され、端子部６０Ｆが負極端子５１に接続されている。
第１及び第２の絶縁性ガイド部材１５，１７は、内部に通路を有する断面形状が楕円形の筒状になっている。第１の絶縁性ガイド部材１５の一端１５Ａは、セル・ホルダ５のリード線導出孔６３Ａに合わせた状態で固定されており、他端１５Ｂは、セル・ホルダ７のリード線導出孔６３Ｂに合わせた状態で固定されている。また、第２の絶縁性ガイド部材１７の一端１７Ａは、セル・ホルダ５のリード線導出孔６５Ａに合わせた状態で固定されており、他端１７Ｂは、セル・ホルダ７のリード線導出孔６５Ｂに合わせた状態で固定されている。
本実施の形態の電気化学セル・モジュール１は、リチウムイオン電池セル３の電圧値に基づいて、充放電の制御や過充電・過放電の監視等を行うために、各リチウムイオン電池セル３の端子間電圧を検出する電圧検出線（図示せず）と、制御回路４１と外部制御部とで通信を行うための信号線（図示せず）を備えており、電圧検出線及び信号線は、第１及び第２の絶縁性ガイド部材１５，１７を通して接続されている。すなわち、リチウムイオン電池セル３ごとに備えられた電圧検出線（図示せず）は、一端が端子部５９Ａ乃至５９Ｆに電気的に接続されており、リード線導出孔６３Ｂから第１の絶縁性ガイド部材１５に入り、リード線導出孔６３Ａ及びリード線挿入用貫通孔４５を通って、他端が制御回路基板４３にコネクタを介して接続されている。また、信号線（図示せず）は、一端がコネクタを介して制御回路基板４３から延びて、リード線挿入用貫通孔４７を通して、リード線導出孔６５Ａから第２の絶縁性ガイド部材１７に入り、リード線導出孔６５Ｂから出て、他端が外部接続端子５２に接続されている。このように、電圧検出線と信号線とを第１の絶縁性ガイド部材１５と第２の絶縁性ガイド部材１７とに分けて通すことで、互いに電気的に干渉することがなくなり、ノイズによる制御回路の誤作動等を防止することができる。なお、第１及び第２の絶縁性ガイド部材１５，１７の断面形状を楕円形としたのは、円形とする場合に比べて、リチウムイオン電池セル３と第１及び第２の絶縁性ガイド部材１５，１７内を通る電圧検出線及び信号線を離して配置するためである。
第１及び第２の絶縁性ガイド部材１５，１７は、通路に沿って分割面を有する二つ割り構造を有しており、図５（Ａ）乃至（Ｄ）に示す断面形状がＵ字状のガイド部材構成部材６６を２つ組み合わせて筒状にして用いている。ガイド部材構成部材６６には、図５（Ｂ）のＢ−Ｂ線端面図に示されている係合用爪部６７及び被係合部６９と、図５（Ｃ）のＣ−Ｃ線端面図に示されている嵌合用爪部６８及び被嵌合部７０とが形成されている。第１及び第２の絶縁性ガイド部材１５，１７は、組み合わせる２つの構成部材６６のうち一方を１８０°回転させて、係合用爪部６７と被係合部６９、嵌合用爪部６８と被嵌合部７０の位置を合わせて組み合わせることにより行う。このように構成することにより、一体成形で製造するよりも安価に且つ容易に第１及び第２の絶縁性ガイド部材１５，１７を製造することが可能である。また、端部にコネクタが接続されたリード線（電圧検出線及び信号線）を挟んで組み立てることで、組み立てが容易になる。
また、ガイド部材構成部材６６の端部には、リード線導出孔（第１の絶縁性ガイド部材１５の場合には、６３Ａ，６３Ｂ、第２の絶縁性ガイド部材１７の場合には、６５Ａ，６５Ｂ）の内側に入り込むように厚みが薄く形成された接合部７１と、図５（Ｄ）のＤ−Ｄ線端面図に示されているセル・ホルダ５，７に固定する際のネジ孔７４を有する固定部７３が備えられている。第１及び第２の絶縁性ガイド部材１５，１７をセル・ホルダ５，７に固定する際には、リード線導出孔に接合部７１を挿入した状態で、セル・ホルダ５，７に設けられた図示しないネジ孔とネジ孔７４を合わせて、ネジでセル・ホルダ５，７の外側から固定する。
上記のように本実施の形態の電気化学セル・モジュール１は収納ケースを備えていなくても、制御回路４１を電気化学セル・モジュール１に実装することができる。そのため、収納ケースにかかるコストを削減することができる。また、収納ケースに囲まれていないため、リチウムイオン電池セル３の放熱効率を上げることができる。
なお、本実施の形態では、電気化学セルとしてリチウムイオン電池セルを用いたが、充放電可能な他の電池セル、キャパシタなどを用いてもよいのはもちろんである。
また、本実施の形態では、リチウムイオン電池セルの数を６本としたが、６本は一例に過ぎず、４本、８本、１２本等、また、奇数本にすることも可能である。
さらに、例えば、６本×２組の並列運転が可能な制御回路４１を１つのモジュール内に備え付けておいて、電池容量が足らない場合等に、別に用意した６本１セットの制御回路を省略した電気化学セル・モジュールを追加して１つの制御回路４１により他のモジュールを並列運転をして電池容量を増やすこともできる。
本発明によれば、セル・ホルダの一方に制御回路を収納する制御回路ホルダを装着しているため、収納ケースを備えていなくても、制御回路をモジュールに実装することができる。そのため、収納ケースにかかるコストを削減することができる。また、収納ケースに囲まれていないため、電気化学セル・モジュールの放熱効率を上げることができる。さらに、電圧検出線と信号線とを第１の絶縁性ガイド部材と第２の絶縁性ガイド部材とに分けて通すことで、互いに電気的に干渉することがなくなり、ノイズによる制御回路の誤作動等を防止することができる。
１ 電気化学セル・モジュール
３ リチウムイオン電池セル
５，７ セル・ホルダ
６Ａ乃至６Ｆ セル端部収納凹部
８Ａ乃至８Ｆ セル端部収納凹部
９ 制御回路ホルダ
１０ 筒部
１１ 端子ホルダ
１３ 補強用金属バー
１５ 第１の絶縁性ガイド部材
１７ 第２の絶縁性ガイド部材
１９，２１ 貫通孔
２０，２２ ネジ
２３ バスバ収納部
２５ 制御回路基板収納部
２７ ネジ孔
２９ ネジ
３１ 隔壁部
３３ 周壁部
３５ 蓋板
３７Ａ 貫通孔
３７Ｂ ネジ孔
３９ ネジ
４１ 制御回路
４３ 制御回路基板
４５，４７ リード線挿入用貫通孔
４９ 正極端子
５１ 負極端子
５２ 外部接続端子
５３ ネジ孔
５５ ネジ
５７Ａ乃至５７Ｆ ナット
５８Ａ乃至５８Ｆ 端子部
５９Ａ乃至５９Ｆ ナット
６０Ａ乃至６０Ｆ 端子部
６１ バスバ
６３Ａ，６３Ｂ リード線導出孔
６５Ａ，６５Ｂ リード線導出孔
６６ ガイド部材構成部材
６７ 係合用爪部
６８ 嵌合用爪部
６９ 被係合部
７０ 被嵌合部
７１ 接合部
７３ 固定部
７４ ネジ孔

Claims (6)

  1. 電気的に接続されて並設された複数本の筒型電気化学セルの両端を一対のセル・ホルダでそれぞれ保持してなる電気化学セル・モジュールであって、
    前記一対のセル・ホルダのうちの一方のセル・ホルダの外側に、前記複数本の筒型電気化学セルの電圧を制御する制御回路を収納した制御回路ホルダが装着されており、
    前記一対のセル・ホルダの他方のセル・ホルダには、充放電電流が入出力される一対の入出力端子と、前記制御回路に対して制御情報を入出力するための外部接続端子を備えた端子ホルダが装着されており、
    前記制御回路ホルダは、前記一方のセル・ホルダと対向する対向壁部を有しており、
    前記対向壁部には１以上のリード線挿入用貫通孔が形成されており、
    前記複数本の筒型電気化学セルと前記制御回路とを電気的に接続する複数本のリード線が前記リード線挿入用貫通孔を通って前記制御回路ホルダ内に挿入されており、
    前記複数本のリード線と前記制御回路とはコネクタを介して接続されており、
    前記複数本のリード線は、前記複数本の筒型電気化学セルのそれぞれから前記制御回路に延びる前記複数本の筒型電気化学セルのそれぞれの電圧を検出する電圧検出線と、前記制御回路から前記他方のセル・ホルダ内に位置する外部接続端子に延びる信号線とからなり、
    前記電圧検出線及び前記信号線は、前記一対のホルダの間に配置されて内部に通路を有する１以上の絶縁性ガイド部材の前記通路を通して接続されており、
    前記１以上の絶縁性ガイド部材は、第１の絶縁性ガイド部材と第２の絶縁性ガイド部材とからなり、
    前記電圧検出線は、前記第１の絶縁性ガイド部材に通されており、
    前記信号線は、前記第２の絶縁性ガイド部材に通されており、
    収納ケースに囲まれていないことを特徴とする電気化学セル・モジュール。
  2. 電気的に接続されて並設された複数本の筒型電気化学セルの両端を一対のセル・ホルダでそれぞれ保持してなる電気化学セル・モジュールであって、
    前記一対のセル・ホルダのうちの一方のセル・ホルダの外側に、前記複数本の筒型電気化学セルの電圧を制御する制御回路を収納した制御回路ホルダが装着されており、
    前記一対のセル・ホルダの他方のセル・ホルダには、充放電電流が入出力される一対の入出力端子と、制御回路に対して制御情報を入出力するための外部接続端子を備えた端子ホルダが装着されており、
    収納ケースに囲まれていないことを特徴とする電気化学セル・モジュール。
  3. 前記制御回路ホルダは、前記一方のセル・ホルダと対向する対向壁部を有しており、
    前記対向壁部には１以上のリード線挿入用貫通孔が形成されており、
    前記複数本の筒型電気化学セルと前記制御回路とを電気的に接続する複数本のリード線が前記リード線挿入用貫通孔を通って前記制御回路ホルダ内に挿入されており、
    前記複数本のリード線と前記制御回路とはコネクタを介して接続されている請求項２に記載の電気化学セル・モジュール。
  4. 前記複数本のリード線は、前記複数本の筒型電気化学セルのそれぞれから前記制御回路に延びる前記複数本の筒型電気化学セルのそれぞれの電圧を検出する電圧検出線と、前記制御回路から前記他方のセル・ホルダ内に位置する外部接続端子に延びる信号線とからなり、
    前記電圧検出線及び前記信号線は、前記一対のホルダの間に配置されて内部に通路を有する１以上の絶縁性ガイド部材の前記通路を通して接続されている請求項３に記載の電気化学セル・モジュール。
  5. 前記１以上の絶縁性ガイド部材は、第１の絶縁性ガイド部材と第２の絶縁性ガイド部材とからなり、
    前記電圧検出線は、前記第１の絶縁性ガイド部材に通されており、
    前記信号線は、前記第２の絶縁性ガイド部材に通されている請求項４に記載の電気化学セル・モジュール。
  6. 前記絶縁性ガイド部材は、前記通路に沿って分割面を有する二つ割り構造を有している請求項４または５に記載の電気化学セル・モジュール。
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