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JP6101158B2 - 電池パック - Google Patents

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JP6101158B2
JP6101158B2 JP2013131724A JP2013131724A JP6101158B2 JP 6101158 B2 JP6101158 B2 JP 6101158B2 JP 2013131724 A JP2013131724 A JP 2013131724A JP 2013131724 A JP2013131724 A JP 2013131724A JP 6101158 B2 JP6101158 B2 JP 6101158B2
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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気積層体と回路基板とを備え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。このような用途において、エネルギー密度を更に向上させるため、可撓性を有するラミネートシートで発電要素を外装した薄板状のラミネート形リチウムイオン二次電池が多く使用されている。更に、所望する電池容量を得るために、複数の薄板状の二次電池(電池セル)を積み重ねてこれらを直列に接続した電池積層体も実用されている(例えば特許文献1参照)。
複数の電池セルを積層した電池積層体は回路基板とともに筐体内に収納されて電池パックとなる。回路基板には、保護回路が搭載されている。保護回路は、電池積層体を構成する各電池セルの電圧をモニタし、異常を検知すると電池積層体と外部との電気的接続を遮断する。各電池セルの電圧をモニタするために、隣り合う電池セルの電気的に接続された正極タブと負極タブとの接続部分に、電圧監視用の配線(ワイヤ)が接続される。この配線の末端は、回路基板の電池セルとは反対側の面に設けられた端子に接続される(例えば特許文献2参照)。
一般に、電池パックには、複数の電圧監視用の配線が設けられている。この複数の配線を回路基板の電池セルとは反対側の面に設けられた複数の端子にそれぞれ接続する必要がある。特許文献2の電池パックでは、回路基板に単一の切り欠きが形成され、この切り欠きを介して、複数の配線が、回路基板に対して電池セル側からその反対側へ案内される。
特特許第4499977号明細書 特開2012−89470号公報
複数の配線を、回路基板に形成した共通する切り欠きを介して案内する上記の構成は、配線を回路基板上の端子に接続する工程において、配線を本来接続すべき端子とは別の端子に接続してしまうという誤接続が生じる可能性がある。これにより、所望する電圧監視機能が得られないばかりか、短絡により電池セルの異常発熱を生じさせ、最悪の場合には発煙や発火に至る可能性がある。
本発明は、電圧監視用の複数の配線が回路基板上の複数の端子にそれぞれ接続された電池パックにおいて、配線と端子との誤接続が生じる可能性を低減することを目的とする。
本発明の電池パックは、複数の薄板状の電池セルが積み重ねられ且つ前記複数の電池セルが直列に接続された電池積層体と、前記電池積層体とは反対側の面に複数の端子が設けられた回路基板と、前記電池積層体から導出され且つ前記複数の端子にそれぞれ電気的に
接続された電圧監視用の複数の配線とを備える。前記回路基板に、前記複数の端子のそれぞれに対応する複数の略L字形状の切り欠きが形成されている。前記複数の配線のそれぞれは、接続された端子に対応する切り欠きに係止されている。
本発明によれば、複数の端子にそれぞれ対応する複数の略L字形状の切り欠きが回路基板に形成されている。各配線を、端子に接続する前に、接続すべき端子に対応する切り欠きに係止することができる。従って、電池パックの組み立て作業において、作業者が配線と端子との誤接続をしてしまう可能性が低減される。
図1Aは、本発明の一実施形態にかかる電池パックを構成する電池セルの正面側から見た斜視図、図1Bは、その背面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パックを構成する電池積層体の分解斜視図である。 図3は、本発明の一実施形態にかかる電池パックを構成する電池積層体の斜視図である。 図4は、本発明の一実施形態にかかる電池パックの斜視図である。 図5は、本発明の一実施形態にかかる電池パックの分解斜視図である。 図6は、本発明の一実施形態にかかる電池パックを構成する回路基板の平面図である。 図7は、本発明の一実施形態にかかる電池パックにおいて、筐体に固定された回路基板を示した拡大斜視図である。 図8は、本発明の一実施形態にかかる電池パックにおいて、回路基板上の端子に接続された電圧監視用の配線を示した部分拡大斜視図である。 図9は、比較例にかかる電池パックにおいて、筐体に固定された回路基板を示した拡大斜視図である。
上記の本発明の電池パックにおいて、前記複数の切り欠きは直線に沿って配置されていることが好ましい。これにより、電池積層体から延びた複数の配線を、互いに接触することなく複数の切り欠きに係止することが容易になる。これは、配線同士の短絡を防止するのに有利である。
上記の本発明の電池パックにおいて、前記複数の配線は、前記複数の電池セルの異極タブ同士が接続された複数のタブ接続部にそれぞれ接続されていることが好ましい。この場合、前記直線は、前記複数のタブ接続部の配置方向に略平行であることが好ましい。これにより、電池積層体から延びた複数の配線を、互いに接触することなく複数の切り欠きに係止することが更に容易になる。これは、配線同士の短絡を防止するのに有利である。
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かる電池パックを構成する電池セルについて説明する。
図1Aは、電池セル10の正面側から見た斜視図、図1Bは、その背面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)14bで二つ折りにされ、下辺14b以外の三辺に沿って重ね合わされてヒートシール法などによりシールされている。
下辺14bに対向する上辺(他方の短辺)14a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14aに対して直交する方向(即ち、上辺14aに隣接する一対の側辺(長辺)14s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。
図1Aに示されているように、発電要素に対応する長方形の領域16が電池セル10の三辺14a,14s,14sに沿ったラミネートシート13のシール領域に対して突出している。領域16が突出した面を、電池セル10の「正面」と呼ぶ。一方、図1Bに示されているように、略一平面をなす、正面とは反対側の面を、電池セル10の「裏面」と呼ぶ。
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。
<電池積層体>
図2は、本発明の一実施形態にかかる電池パックを構成する電池積層体20の分解斜視図である。電池積層体20は、複数の電池セル10が積層されて構成される。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23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。
図3は、電池積層体20の斜視図である。本実施形態の電池積層体20は直列に接続された14個の電池セル10で構成されている。図示を省略しているが、隣り合う電池セル10間に、薄い板材を介在させてもよい。板材の材料は任意であるが、例えば電池セル10間の絶縁性を向上させる目的であればポリカーボネート等の絶縁性を有する樹脂材料を用いることができ、放熱性を向上させる目的であれば銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属材料を用いることができる。隣り合う電池セル10(更には、その間の板材)は、例えば両面粘着テープを用いて一体化されている。
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てタブ接続部11cを形成している。本実施形態の電池積層体20は、13個のタブ接続部11cを有している。入出力用正極タブ11p’と入出力用負極タブ11n’とを結ぶ直線に沿って6個のタブ接続部11cが配置され、この直線と平行な直線に沿って7個のタブ接続部11cが配置されている。13個のタブ接続部11cのそれぞれに、電圧監視用の配線(後述する図5に示された配線22)が接続される。タブ接続部11cは、図3において下向きに折り返されてもよい。
<電池パック>
図4は本発明の一実施形態にかかる電池パック1の斜視図、図5は電池パック1の分解斜視図である。以下の説明の便宜のために、図4の紙面の上下方向を電池パック1の「上下方向」と呼び、上下方向と垂直な方向を「水平方向」と呼ぶ。但し、この「上下方向」及び「水平方向」は、電池パック1の実際の使用時の向きを意味するものではない。
図5に示されているように、上方が開口した中空の略直方体形状を有する筐体30内に、電池積層体20が収納されている。21pは、電池積層体20の入出力用正極タブ11p’(図3参照)に接続された短冊状の正極リードであり、21nは、電池積層体20の入出力用負極タブ11n’(図3参照)に接続された短冊状の負極リードである。22は、電池積層体20のタブ接続部11c(図3参照)に接続された電圧監視用の配線(ワイヤ)である。図5では、図面を簡単化するために、電池積層体20を構成する電池セル10やこれから上方に向かって導出された正極タブ11p及び負極タブ11nの図示を省略し、電池積層体20の上面を単なる一平面で示している。
筐体30の上側の開口を塞ぐように、回路基板40が筐体30に固定される。図6は回路基板40の平面図である。回路基板40は、略矩形の平面視形状を有する板状部材である。回路基板40の電池積層体20とは反対側の面(上面)には、保護回路(例えばIC)41、複数(本実施形態では13個)の端子42、正極端子45p、負極端子45n、入出力用端子ボックス47等が搭載されている。端子42、正極端子45p、負極端子45n、端子ボックス47は、回路基板40上又は回路基板40内に形成された配線回路(図示せず)を介して保護回路41に接続されている。
13個の端子42のうちの6個が回路基板40の側端40aに沿って一定ピッチで配置され、残りの7個が側端40aとは反対側の側端40bに沿って一定ピッチで配置されている。
13個の略L字形状の切り欠き43が、回路基板40に形成されている。切り欠き43と端子42とは一対一に対応し、切り欠き43は対応する端子42の近傍に形成されている。即ち、6個の切り欠き43が回路基板40の側端40aに沿って端子42と同一ピッチで配置され、残りの7個の切り欠き43が側端40aとは反対側の側端40bに沿って端子42と同一ピッチで配置されている。各切り欠き43は、回路基板40の側端40a又は40bに開口している。
正極端子45pの近傍にスリット状の開口46pが形成されている。同様に、負極端子45nの近傍にスリット状の開口46nが形成されている。
端子ボックス47は、図示していないが正極端子及び負極端子を備え、電池パック1に対して電力の入出力を行うために使用される。
回路基板40は、図7に示すように筐体30に固定される。回路基板40が筐体30の開口内に嵌入されて、当該開口を塞いでいる。
正極リード21p及び負極リード21nが、開口46p及び開口46nをそれぞれ貫通して、回路基板40よりも上側に案内されている。正極リード21p及び負極リード21nは、正極端子45p及び負極端子45nにそれぞれ接続される。
各切り欠き43に1本の電圧監視用の配線22が係止されて、回路基板40よりも上側に案内されている。図7のように回路基板40を筐体30に固定した後、各配線22は対応する端子42に接続される。
即ち、図8に示すように、各配線22は、回路基板40側に湾曲されて対応する端子42に接続される。配線22と端子42との接続方法は任意である。本実施形態では、配線22の末端(上端)に取り付けたオス型コネクタ(図示せず)をメス型コネクタとして機能する端子42に挿入することで、配線22を端子42に接続している。但し、これ以外の方法、例えばはんだ付けによる方法など公知の方法を用いることもできる。
電池積層体20と回路基板40との間の電気的な接続を行った後、カバー50(図5参照)が、回路基板40の上方からかぶせられ、筐体30に固定される。図4に示すように、回路基板40及び配線22はカバー50で覆われる。
<作用>
本実施形態の電池パック1の作用を、比較例にかかる電池パックと比較しながら説明する。
図9は、比較例にかかる電池パックにおいて、筐体30の開口に固定された回路基板140を図7と同様に示した拡大斜視図である。図9において、図7に示した部材と同じ部材には同一の符号を付してある。
図9を図7と比較すれば容易に理解できるように、比較例にかかる回路基板140には、複数の略L字形状の切り欠き43が形成されていない。その代わりに、側端40a及び側端40bに沿ってそれぞれただ1つの略矩形状の切り欠き143が形成されている。側端40a側の切り欠き143を介して、6本の電圧監視用の配線22が回路基板140よりも上側に案内されている。同様に、側端40b側の切り欠き143を介して、7本の電圧監視用の配線22が回路基板140よりも上側に案内されている。この後、各配線22は、本実施形態の配線22と同様に、対応する端子42に接続される。比較例の電池パックは、上記を除いて、本実施形態の電池パックと同じである。
比較例の電池パックでは、図9に示されているように、複数の配線22が共通する切り欠き143を介して回路基板140の下側から上側に案内される。回路基板140を筐体30に固定した後は、各配線22がどのタブ接続部11c(図3参照)に接続されているのかを目視することは困難である。従って、この後の配線22を端子42に接続する結線工程において、配線22を本来接続すべきである端子42とは別の端子42に誤って接続してしまうという誤接続が生じる可能性がある。
これに対して、本発明の電池パック1では、配線22が接続される端子42の近傍に、当該端子42に一対一に対応して切り欠き43が形成されている。回路基板40を筐体30に固定する際に、各配線22は、所定の切り欠き43に係止されて、回路基板40の下側(電池積層体20側)から上側(端子42側)に案内される。図9に示した比較例の切り欠き143と異なり、1つの切り欠き43に複数の配線22が係止されることはない。従って、図7に示すように、複数の配線22を対応する切り欠き43にそれぞれ係止して回路基板40を筐体30に固定すれば、各配線22をどの端子42に接続すべきかは一目瞭然である。作業者は、各配線22を、当該配線22を係止する切り欠き43に対応する(即ち、最も近くにある)端子42に順次接続すれば、配線22の結線工程が完了する。この結線工程において、作業者が、配線22を本来接続すべきである端子42とは別の端子42に誤って接続してしまうという誤接続が生じる可能性は極めて低い。その結果、配線の誤接続により、所望する電圧監視機能が得られないという事態や、短絡により電池セル10が異常発熱して発煙や発火に至るという事態が生じる可能性は低い。
また、切り欠き43の形状や寸法を工夫することにより、切り欠き43に係止された配線22の、回路基板40と平行な方向(水平方向)の位置を規制することができる。例えば、配線22を、回路基板40の側端40a,40bから内側に離れた位置に係止しておくことができる。これにより、切り欠き43に係止された配線22を端子42に接続(図8参照)した後、回路基板40や配線22を覆うようにカバー50を装着する際に、カバー50の側壁50a(図5参照)で配線22を挟んでしまう可能性は低い。従って、各配線22を個別に切り欠き43に係止することは、カバー50を装着する工程の作業性向上に有利である。
電池パック1の搬送や使用の際の振動等によって配線22が、端子42と接続された箇所で破断することが起こりうる。図8に示したように配線22は曲げ変形されて端子42に接続されているから、配線22が破断すると、曲げ変形されていた配線22が弾性回復し、配線22の回路基板40より上側の部分の形状が自由に変化しうる。ところが、各配線22は個別に切り欠き43に係止されているので、配線22が破断したとしてもその水平方向位置の変化は切り欠き43により制限される。従って、破断した配線22が他の配線22に接触するという短絡事故が生じる可能性は低い。
以上のように、本発明の電池パック1では、複数の端子42にそれぞれ対応する複数の切り欠き43が回路基板40に形成されている。電池パック1の組み立て工程において、配線22を端子42に接続する前に、各配線22を、接続しようとする端子42に対応する切り欠きに係止することができる。従って、配線22の結線工程において、作業者が配線22と端子42との誤接続をしてしまう可能性は低い。更に、カバー50の装着作業性が向上する、配線22が破断した場合に短絡事故が生じる可能性が低いという付随的効果をも奏する。
複数の切り欠き43が、直線(端縁40a,40b)に沿って配置されている。当該直線は、好ましくは、電池積層体20のタブ接続部11c(図3参照)の配置方向と略平行である。これにより、電池積層体20から延びた複数の配線22を、互いに接触することなく複数の切り欠き42に係止することができる。従って、電池パック1の組み立て作業が容易になり、また、配線22同士の短絡を低減することができる。
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、種々に変更することができる。
配線22を係止する切り欠き43の形状は、上記の実施形態で示した略L字形状に限定されない。例えば、平面視形状が、略J字形状、略I字形状など任意の形状を採用しうる。切り欠きに係止された配線22が切り欠きから外れることがないように、切り欠きを構成する溝の対向する内側面に、突起が形成されていてもよい。
配線22を係止する機構として、上記の実施形態では回路基板40の側端40a,40bに開口した切り欠き43を形成したが、同様の機能を有する機構であれば、切り欠き43に限定されない。例えば、回路基板40を厚さ方向に貫通する複数の貫通孔を側端から離れた位置に形成してもよい。貫通孔に配線22を挿通することにより、切り欠き43と同様に、配線22を位置決めし且つ案内することができる。貫通孔は、端子42に一対一に対応して、好ましくは対応する端子42の近傍に形成される。1つの貫通孔に1本の配線22が挿通される。切り欠き43とは異なり、貫通孔は、回路基板40の端縁に沿って配置する必要がない。従って、切り欠き43に代えて貫通孔を形成する場合には、端子や貫通孔の回路基板40上での配置の自由度が向上する。好ましくは、複数の貫通孔は、電池積層体20の複数のタブ接続部11c(図3参照)のほぼ真上に、タブ接続部11cの配置方向に平行な直線に沿って配置される。なお、配線22を回路基板40に係止する作業の作業効率の観点からは、貫通孔よりも切り欠き43の方が一般的には優れている。
本発明の電池パックが備える電池積層体の構成は上記の実施形態に限定されない。電池積層体を構成する電池セル10の数は、上記の実施形態より多くてもよく、また、少なくてもよい。電池セル10の数に応じて、配線22、端子42、切り欠き43(又は貫通孔)の数が変更される。
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パックとして広範囲に利用することができる。
1 電池パック
10 電池セル
11p 正極タブ
11n 負極タブ
11c タブ接続部
20 電池積層体
22 電圧監視用の配線
40 回路基板
42 端子
43 切り欠き
50 カバー

Claims (3)

  1. 複数の薄板状の電池セルが積み重ねられ且つ前記複数の電池セルが直列に接続された電池積層体と、
    前記電池積層体とは反対側の面に複数の端子が設けられた回路基板と、
    前記電池積層体から導出され且つ前記複数の端子にそれぞれ電気的に接続された電圧監視用の複数の配線とを備えた電池パックであって、
    前記回路基板に、前記複数の端子のそれぞれに対応する複数の略L字形状の切り欠きが形成されており、
    前記複数の配線のそれぞれは、接続された端子に対応する切り欠きに係止されていることを特徴とする電池パック。
  2. 前記複数の切り欠きは直線に沿って配置されている請求項1に記載の電池パック。
  3. 前記複数の配線は、前記複数の電池セルの異極タブ同士が接続された複数のタブ接続部にそれぞれ接続されており、
    前記直線は、前記複数のタブ接続部の配置方向に略平行である請求項2に記載の電池パック。
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