(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の二次電池が電気的に連結されることにより構成される電池モジュールであって、
前記複数の二次電池は、それぞれ、正極と負極がセパレータで隔てられて位置する電極群と、前記電極群が内蔵されるケースと、前記ケースの外側に露出されながら前記ケースに連結設置されて前記電極群に電気的に連結される一対の正極端子および一対の負極端子と、を含んでおり、
前記一対の正極端子のうちの一の正極端子は前記ケースの一端に結合される第１のキャップ組立体上に設置されるとともに前記複数の正極端子のうちの他の正極端子は前記ケースの他端に結合される第２のキャップ組立体上に設置されており、
前記複数の負極の端子のうちの一の負極端子は前記第１のキャップ組立体上に設置されるとともに前記複数の負極端子のうちの他の負極端子は前記第２のキャップ組立体上に設置されており、
前記一対の正極端子および前記一対の負極端子を通じて複数の二次電池が電気的に連結されている電池モジュールであって、
各二次電池において前記一対の正極端子および前記一対の負極端子は、雄ねじ形態をしており、
複数の二次電池が、端子の立設する方向に積層されるとともに、端子の立設する方向に直交する面に沿って連続的に並置されており、
前記複数の二次電池のうち、前記端子の立設する方向に積層されて隣接する二次電池間においては、前記ケースの両端部のうち互いに異なる側の端部に設けられている隣接した端部同士が、当該端子同士を両端部において締結できる長さを有する一つのナットである連結導体を介して電気的に連結されており、
前記複数の二次電池のうち、前記端子の立設する方向に直交する面に沿って並置されて隣接する二次電池間においては、前記ケースの両端部のうち同じ側の端部に設けられている隣接した端子同士が、当該端子同士が嵌合されるように両端部にホールが形成された連結部材を介して電気的に連結されており、前記ホールを突出した雄ねじ形態の各端子に締結されるナットによって固定される、ことを特徴とする電池モジュール。
【請求項２】
前記連結部材は、並置されて隣接する二次電池間において正極端子と負極端子とを連結させて当該二次電池間を直列連結させることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項３】
前記連結部材は、並置されて隣接する二次電池間において同一の極性を持った端子同士を連結させて、端子の立設する方向に直交する面に沿って並置されて隣接する当該二次電池間を並列連結させることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項４】
前記連結導体は、端子の立設する方向に積層されて隣接する二次電池間において正極端子と負極端子とを連結させて、端子の立設する方向に直交する面に沿って並置されて隣接する当該二次電池間を直列連結させることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項５】
前記連結導体は、端子の立設する方向に積層されて隣接する二次電池間において同一の極性を持った端子同士を連結させて、端子の立設する方向に直交する面に沿って並置されて当該二次電池間を並列連結させることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池を利用した電池モジュールに関し、特に、他の二次電池と連結するための連結構造を改善した二次電池を利用した電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、二次電池は、充電が不可能であった一次電池とは異なり、充電及び放電が可能な電池であって、最近、高エネルギー密度の非水電解液を利用した高出力二次電池が開発されている。一つの電池セルがパック形態で包装された低容量電池の場合には、携帯電話、ノートパソコン、及びカムコーダのような携帯可能な小型電子機器に使用されている。前記電池セルを数十個ずつ直列または並列に連結した大容量の二次電池は、大電力を必要とする機器、例えば、電気自動車などのモータ駆動用電源として使用されている。
【０００３】
このように一つの大容量二次電池（以下、明細書前半では便宜上“電池モジュール”という）は、通常直列に連結される複数の二次電池（以下、明細書前半では便宜上“単位電池”という）として構成され、前記それぞれの単位電池は電極群とケース及びキャップ組立体を含む。
【０００４】
つまり、前記単位電池は、多様な形状に製造されているが、代表的な形状としては、円筒形や角形が挙げられ、帯形状の正極と負極との間に絶縁体であるセパレータを介して、これを渦流状に巻いて電極群を形成したり、正極と負極及びセパレータを複数に積層して電極群を形成してから、これをケースに内設して、前記ケースに外部端子が形成されたキャップ組立体を設置して電池を構成する。
【０００５】
前記構成を有する角形の単位電池として、角形のケース上に端子が突設されたキャップが設けられた構造を呈するものがある（特許文献１）。
【０００６】
しかし、前記従来の二次電池において、電池の一つの側面にだけ端子が設置されて、単位電池間の連結が難しく、電池の活用度が落ちる問題がある。
【０００７】
つまり、前記電極群を構成する正極と負極には、電池作用時に発生する電流を集電するために導電性タブや集電板がそれぞれ取り付けられて、前記タブや集電板は、キャップ組立体に設置された正極端子及び負極端子とリードなどを介して連結されて、正極と負極で発生した電流を正極端子及び負極端子に誘導する。
【０００８】
しかし、前記の構造は、正極端子及び負極端子が二次電池のキャップ組立体側にだけ配置されることによって、単位電池を連結して電池モジュールを構成する場合、単位電池間の連結のために連結部材を別に備えなければならないので、連結し難く、単位電池を収容するモジュール枠内の空間活用度が落ちて、単位電池間の多様な連結方式を提供できない問題がある。
【０００９】
図５は、従来の技術による電池モジュールであり、それぞれの単位電池を左から右へ直列に連結して電池モジュール１００を構成した例を示している。例えば、直列接続のためには、各単位電池１１１のキャップ組立体１１３の上部に突出した正極端子１１４及び負極端子１１５の位置を単位電池一個ごとに反転させ、左端から右端に沿って、負端子―正負連結―正負連結―・・・―正負連結―正端子、と成るように連結する。即ち、隣接する単位電池１１１の正極端子１１４及び負極端子１１５と、異なる極同士が連結され、各単位電池１１１を交差配列して、ねじ加工された負極端子１１５と正極端子１１４との間にナット１１７、１１８を介して連結部材１１６を結合する構造となっている。
【００１０】
ところが前記従来の構造は、単位電池のケースの下部が底に向かうように配置した状態で、正極端子及び負極端子が全てケースの上部側にだけ配置されているため、単位電池を直列または並列に連結させるためには、各単位電池を側方向に配置しなければならず、そのために単一空間内に単位電池を多く積載できなくなる。
【００１１】
このような問題は、ＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）の場合さらに深刻であり、ＨＥＶ用二次電池の場合、何より大容量かつ高出力が要求されるので、単一空間内により多くの単位電池が設置されるべきであるが、前記従来の二次電池の構造は、単位電池間の空間配置が電池の側方向に行なわれるので、単位面積対比容量と出力低下の問題が生じる。
【００１２】
また、前記従来の構造は、数個から数十個までの単位電池を連結させて一つの電池モジュールを構成しており、連結部材をナットに連結させなければならないので、作業が困難で時間がかかり、連結部材の使用による原価が上昇する問題がある。
【特許文献１】実開平６−８６２５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、前記の問題を解消するためのもので、本発明の目的は、単位電池の空間活用度を高めて、単位面積当りの出力と容量を高めることができる二次電池と、これを利用した電池モジュールを提供することである。
【００１４】
また、本発明の他の目的は、連結作業及び交換作業にかかる時間と手間を軽減できる二次電池と、これを利用した電池モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
前記の目的を達成するために、本発明の電池モジュールは、複数の二次電池が電気的に連結されることにより構成される電池モジュールであって、前記複数の二次電池は、それぞれ、正極と負極がセパレータで隔てられて位置する電極群と、前記電極群が内蔵されるケースと、前記ケースの外側に露出されながら前記ケースに連結設置されて前記電極群に電気的に連結される一対の正極端子および一対の負極端子と、を含んでおり、前記一対の正極端子のうちの一の正極端子は前記ケースの一端に結合される第１のキャップ組立体上に設置されるとともに前記複数の正極端子のうちの他の正極端子は前記ケースの他端に結合される第２のキャップ組立体上に設置されており、前記複数の負極の端子のうちの一の負極端子は前記第１のキャップ組立体上に設置されるとともに前記複数の負極端子のうちの他の負極端子は前記第２のキャップ組立体上に設置されており、前記一対の正極端子および前記一対の負極端子を通じて複数の二次電池が電気的に連結されている電池モジュールであって、各二次電池において前記一対の正極端子および前記一対の負極端子は、雄ねじ形態をしており、複数の二次電池が、端子の立設する方向に積層されるとともに、端子の立設する方向に直交する面に沿って連続的に並置されており、前記複数の二次電池のうち、前記端子の立設する方向に積層されて隣接する二次電池間においては、前記ケースの両端部のうち互いに異なる側の端部に設けられている隣接した端部同士が、当該端子同士を両端部において締結できる長さを有する一つのナットである連結導体を介して電気的に連結されており、前記複数の二次電池のうち、前記端子の立設する方向に直交する面に沿って並置されて隣接する二次電池間においては、前記ケースの両端部のうち同じ側の端部に設けられている隣接した端子同士が、当該端子同士が嵌合されるように両端部にホールが形成された連結部材を介して電気的に連結されており、前記ホールを突出した雄ねじ形態の各端子に締結されるナットによって固定される、ことを特徴とする電池モジュールを提供する。
【００２６】
ここで、前記連結部材は、並置されて隣接する二次電池間において正極端子と負極端子とを連結させて当該二次電池間を直列連結させ得る。また、前記連結部材は、並置されて隣接する二次電池間において同一の極性を持った端子同士を連結させて、端子の立設する方向に直交する面に沿って並置されて隣接する当該二次電池間を並列連結させ得る。
【００２７】
前記連結導体は、端子の立設する方向に積層されて隣接する二次電池間において正極端子と負極端子とを連結させて、端子の立設する方向に直交する面に沿って並置されて隣接する当該二次電池間を直列連結させ得る。前記連結導体は、端子の立設する方向に積層されて隣接する二次電池間において同一の極性を持った端子同士を連結させて、端子の立設する方向に直交する面に沿って並置されて当該二次電池間を並列連結させ得る。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によると、二次電池の端子構造が改善されることによって、複数の単位電池を並列連結及び直列連結することが容易となり、複数の単位電池を効果的に積層できるようになる。また、複数の単位電池を積層して連結するときに、連結される単位電池の配列構造を多様に構成できるようになり、より多くの単位電池を積載することができて、単位電池の空間活用度を高めて、単位面積当りの出力と容量を極大化させることができるようになる。
【００３２】
さらに、二次電池の端子構造が改善され、電池間の連結構造が単純化されることによって、連結作業及び交換作業にかかる時間と手間を軽減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の好ましい実施例について添付図を参照して詳細に説明する。
【００３４】
図１は、本発明の実施例による二次電池を示した概略的な斜視図であり、図２ａは、ジェリーロールタイプの電極群の斜視図であり、図２ｂは、積層型の電極群の分解斜視図である。  図３は、本発明の実施例による二次電池の正面図であり、図４は、本発明の実施例によって単位電池を連結して電池モジュールを構成した状態を示した概略的な斜視図である。
【００３５】
前記図面を参照して、まず大容量の電池モジュール１０を構成する各単位電池１１は、正極と負極がセパレータを隔てて位置する電極群１２と、電極群１２が内蔵される空間部を備えたケース１３と、ケース１３を立てた時、ガスケットを介してケースの上段と下段を結合させて、これを密閉するキャップ組立体１４ａ、１４ｂと、正極１２ａ及び負極１２ｂとタブ１５を介して電気的に連結されて各キャップ組立体１４ａ、１４ｂの外側にそれぞれ突出する正極端子１６ａ、１７ａおよび負極端子１６ｂ、１７ｂと、を含む。
【００３６】
ケース１３は、アルミ、アルミ合金、またはニッケルがメッキされたスチールのような導電性金属で製作されて、その形状は電極群が内蔵される空間部を備えた六面体またはそれ以外の形状で構成される。
【００３７】
そして、本実施例で前記各単位電池１１において、キャップ組立体１４ａ、１４ｂから二つの端子（正極端子と負極端子）が間隔を維持した状態で突出して、各端子１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂの外周面は、ねじ山が形成された構造を呈する。
【００３８】
また、キャップ組立体１４ａ、１４ｂにおいて、前記端子が外側面に固設されて、ケース１３とキャッププレート１４０ａ、１４０ｂとを絶縁させるガスケット（図示せず）を含み、設定された圧力条件下で破損することによってガスを放出して電池の爆発を防止するベントプレート（図示せず）をさらに含むことができる。
【００３９】
電極群１２は、図２Ａに示されるように、それぞれの活物質が集電体に被覆されて構成された正極１２ａとセパレータ及び負極１２ｂが積層された状態で、これらが渦流状に巻かれて形成されたジェリーロールタイプからなる。図２Ａにおいて、ジェリーロールタイプの電極群１２の両端には無地部１２ｄ、１２ｅが配置されている。図２Ｂにおいて、正極１２０ａと負極１２０ｂとは、セパレータ１２０ｃを隔てて積層された構造を呈し、両端に無地部１２０ｄ、１２０ｅが配置される積層型の電極群１２０を示されている。
【００４０】
以下、本実施例では、図１に示されているように角形のケース１３の内部に図２ａのジェリーロールタイプ状に巻かれた電極群１２が配置される例を説明する。なお、電極群１２に代えて、図２Ｂに示される積層型の電極群１２０も角形のケース１３の内部に配置されうる。
【００４１】
また、本実施例では各端子と電気的に連結される正極無地部１２ｄと負極無地部１２ｅが、それぞれ電極群１２を構成する各極板の一側端部に形成された構造例を説明する。本発明は前記構造に限定されることなく、電池の形状や無地部の構造に関係なく全て適用可能である。
【００４２】
本実施例において前記二次電池を構成する電極群１２は、正極の無地部１２ｄと負極の無地部１２ｅが電極群１２の両端に対向配置されるようにセパレータを正極１２ａと負極１２ｂとの間に二つの高ジェリーロール形態で巻かれた構造であって、ケース１３を鉛直方向に立ててキャップ組立体１４ａ、１４ｂが各々上、下方向に置かれたときを基準に、ケース１３の両側面に正極１２ａおよび負極１２ｂの無地部１２ｄ、１２ｅが各々位置するように内設され、無地部１２ｄ、１２ｅに各々設置されるタブ１５（または集電板）を介してキャップ組立体１４ａ、１４ｂの端子１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂが電気的に連結される。
【００４３】
上述した構成を有することによって、本発明の二次電池は、図３に示されるように、ケース１３の上段と下段に各々正極端子１６ａ、１７ａと負極端子１６ｂ、１７ｂが突出した構造を構成する。
【００４４】
また、一つの電池モジュール１０は、各単位電池１１の各端子を直列または並列に連結させるようにして、複数の単位電池１１を積層することによって、形成されるが、本実施例では、電池モジュール１０を形成するにあたって、ケース１３を立てて、端子１６ａ、１６ｂと端子１７ａ、１７ｂとがそれぞれ対向するように複数の単位電池１１を鉛直方向（図４のＶ方向）に積層するとともに、単位電池１１を横方向（図４のＨ方向）に並列配置して単位電池を連結させる。
【００４５】
まず、複数の単位電池１１が横方向（Ｈ方向）に並列配置されて連結された構造をみると、図４に示されるように、複数の単位電池１１は一定間隔をおいて配置されて、各単位電池の上部に位置するキャップ組立体１４ａから突出した正極端子１６ａ及び負極端子１６ｂが、隣接する他の単位電池１１の上部に位置するキャップ組立体１４ａから突出した負極端子１６ｂ及び正極端子１６ａとそれぞれ対向するように、各単位電池は交差配列される。
【００４６】
これにより、単位電池１１の中央を基準としてその両側に、正極端子１６ａと負極端子１６ｂとが交互に入れ替わりながら、複数の端子が一定間隔で並ぶ端子列が形成される。つまり、前記端子列は、隣り合う端子の極性が反対となるように、複数の端子が一列に並んで構成される。
【００４７】
電池モジュール１０には、各単位電池１１を直列に連結させるために、互いに隣接する単位電池１１の正極端子１６ａと負極端子１６ｂとを電気的に連結させるための連結部材２０が取り付けられる。連結部材２０は、両端部においてホール２１が形成される板構造を呈し、ホール２１が各端子１６ａ、１６ｂに嵌合することによって、前記端子に締結されたナット１８上に載置され、さらに、ホール２１に嵌合された端子１６ａ、１６ｂにおいて連結部材２０から上に突出する部分にナット２２が締結されることによって、連結部材２０は固定される。
【００４８】
一つの単位電池１１の正極端子１６ａは、Ｈ方向に隣接する単位電池１１の負極端子１６ｂに連結部材２０を介して連結されて、当該隣接する単位電池１１の正極端子１６ａは、Ｈ方向にその次に隣接する単位電池１１の負極端子１６ｂに連結部材２０を介して連結される。これにより、複数の単位電池１１が直列に連結される。
【００４９】
次に、複数の単位電池１１が鉛直方向（Ｖ）に積層されて連結される構造を見ると、図４に示されるように、ひとつの単位電池１１下部のキャップ組立体１４ｂに設置された正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂと、Ｖ方向に連続して隣接する単位電池１１上部のキャップ組立体１４ａに設置された正極端子１６ａと負極端子１６ｂとは互いに対向するように配置されて、各単位電池１１の正極端子１７ａは、隣接する単位電池１１の正極端子１６ａと、ナットである連結導体３０を介してねじ締結され、また、各単位電池１１の負極端子１７ｂは、隣接する単位電池１１の負極端子１６ｂと、ナットである連結導体３０を介してねじ締結される。これにより、各単位電池１１は、鉛直方向に隣接する単位電池１１と電気的に連結される。
【００５０】
すなわち、一つの連結導体３０に対して上側に配置される単位電池１１の下部キャップ組立体１４ｂに設置された正極端子（または負極端子）と、当該連結導体３０に対して下側に配置される単位電池１１の上部キャップ組立体１４ａに設置された正極端子（または負極端子）とは、互いに対向するように配置されて、連結導体３０を介して締結される。
【００５１】
このため、二つの単位電池１１は、一つの連結導体３０を通して、それぞれ電池に設けられた端子が連結されることにより電気的に並列連結される。この結果、複数の単位電池を横方向（Ｈ）だけでなく鉛直方向（Ｖ）にも電気的に連結させることが可能となり、多くの単位電池１１を積載して電池モジュール１０の容量を極大化させることができる。
【００５２】
また、前記単位電池は、並列連結構造だけでなく、直列連結構造を行なうことができるが、鉛直方向（Ｖ）に配列された単位電池において、各単位電池１１の端子位置を変えれば、単位電池は鉛直方向（Ｖ）に正極端子と負極端子とが
交互に入れ替わりながら一定間隔で並ぶ端子列が形成される。すなわち、鉛直方向に隣接する２つの単位電池１１において、各電池の正極端子１７ａと負極端子１６ｂは、ナットである連結導体３０を介して、隣接する電池の負極端子１６ｂと正極端子１７ａに連結されることによって、前記２つの単位電池１１は直列に連結されるようになる。
【００５３】
この場合、横方向や鉛直方向に配列された全ての単位電池が直列に連結されて、電池モジュールの出力を極大化させることができるようになる。
【００５４】
以上のような本発明の二次電池と電池モジュールは、高出力／大容量が要求されるハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、無線掃除機、電動自転車、電動スクーターなどのようにモータを使用して作動する機器において、当該機器のモータを駆動するためのエネルギー源として用いることができる
前記では、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付図の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これらの変形例も、本発明の範囲に属するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施例による二次電池を示した概略的な斜視図である。
【図２ａ】ジェリーロールタイプの電極群の斜視図である。
【図２ｂ】積層型の電極群の分解斜視図である。
【図３】本発明の実施例による二次電池の正面図である
【図４】本発明の実施例によって単位電池を連結して電池モジュールを構成した状態を示した概略的な斜視図である。
【図５】従来の技術による二次電池モジュールを示した概略的な斜視図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０    電池モジュール、
１１    電池、
１２    電極群、
１２ａ    正極、
１２ｂ    負極、
１２ｄ，１２ｅ，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ，１２０ｅ    無地部、
１３    ケース、
１４ａ，１４ｂ    キャップ組立体、
１５    タブ、
１６ａ，１７ａ    正極端子、
１６ｂ，１７ｂ    負極端子、
２０    連結部材１４０ａ、
２１    ホール、
３０    連結導体、
１４０ｂ    キャッププレート。
【図１】
0004515961.tif 000002
【図２ａ】
0004515961.tif 000003
【図２ｂ】
0004515961.tif 000004
【図３】
0004515961.tif 000005
【図４】
0004515961.tif 000006
【図５】
0004515961.tif 000007