JP6101158B2 - 電池パック - Google Patents

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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