CN100565976C - 单电池间的连接结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可以大幅度降低电池间的电阻，提高机械强度的电池间连接结构。此单电池间的连接结构，串联连接多个具有兼作一个电极端子的有底圆筒状的电池外壳(2、5)和兼作另一个电极端子的封闭电池外壳(2、5)的开口部的封口板(3)的电池(B1、B2)，其特征在于，具有凸缘的第一金属制环(1a)以可导电的方式接合在一个电池(B1)的电池外壳(2)的底部上，具有凸缘的第二金属制环(1b)以可导电的方式接合在另一个电池(B2)的封口板(3)的上部，第一金属制环(1a)和第二金属制环(1b)嵌合。

Description

单电池间的连接结构
技术领域
本发明涉及将多个圆筒形电池串联连接构成模块电池的连接结构，涉及可大幅度降低单电池间的电阻，提高机械强度的单电池间的连接结构。
背景技术
迄今，在将多个单电池串联连接，形成可以得到所希望的输出电压的蓄电池模块的情况下，使用用于连接单电池间的接合体。一般的电池除了圆柱状的一个端面以外，将整体包装的金属外壳兼作电池的负极端子，电池外壳的一个端面的开口部，利用成为正极端子的封口板，隔着绝缘性垫片而被封闭。作为电连接两个该单电池的方法，现在适用的方法是通过点焊，隔着连接体连接一个单电池的正极端子和另一个单电池的负极端子的方法。
点焊方法在将两个金属板从上下连接的情况下可以容易地焊接，但在焊接上述单电池的情况下，是将一个金属板和非金属板状的电池端子焊接起来，基本上难以从上下焊接。因此，采用使两根焊条从一方接近，通过流过焊接电流，使金属板发热直至熔融，将金属板焊接在电池端子上的方法。在该方法中，需要使温度上升到使金属板熔融的温度，在连接的金属板的厚度较厚的情况下，进行可靠的焊接非常困难，即使能进行焊接，也会由于焊接电流使单电池的温度上升过大，造成电池特性的劣化。
该方法只限于连接件呈薄板(约300μm以下)的情况下，发热少，易于焊接，和在使用比较小的电流的用途中，不会有问题，所以被广泛地采用。但是，在存在单电池间的电阻值的问题的谋求大电流放电的用途中，上述的点焊方法，使得焊接部间的距离变长、电阻变大，结果造成放电电压降低、输出特性降低。此外，由于单电池的连接部中的机械强度弱，所以在存在振动问题的汽车用的用途中，必须要另外寻求提高机械强度的措施。
在此情况下，在专利文献1及2中公开的电池中，公开了凸焊法。在这些方法中的任何一种方法中，都需要设法在平面连接的部分上设置突起，使得焊接电流集中流过。
[专利文献1]日本特开平10-106533号公报
[专利文献2]日本特开2000-149907号公报
专利文献1及2等都是在完成了单电池后，将单电池间焊接起来的方法。为了降低电阻、提高机械强度，有必要增大焊接电流，牢固地焊接连接体。此外，在焊接单电池的连接所必要的连接体和单电池的封口板时，或者在焊接上述连接体和电池外壳时，如果焊接电流流过的地方的厚度不同，则存在无法牢固焊接的问题。换句话说，使电池的封口板、电池外壳和连接体的焊接部分呈相同程度的厚度，才能牢固地焊接。因此，存在使用只有连接体的厚度厚而电阻小的材料，无法进行牢固的焊接的问题。
再者，为了牢固地进行焊接，虽然容易设想到采用增大焊接电流的方法改善，但由于焊接电流增大导致焊接部的发热增大，由于热传导使得电池的温度上升是不可避免的。在发生电池的温度上升的情况下，电池内的压力异常上升时，引起使气体放出到外部的橡胶阀体的变形、或从外部密封电池的垫片的变形。这些情况造成电池特性下降，所以只增大焊接电流，牢固地进行焊接是有限的。
因此，本发明有必要形成一种单电池间的连接结构：可以焊接连接单电池的连接体、特别是电阻小而厚度厚的材料，虽然在焊接的时刻伴随温度上升，但对上述电池特性不会产生不良影响，可以牢固地进行焊接，结果可以大幅度降低电阻。
此外，由于这种电池要求大电流的充放电，所以工作中电池的温度上升增大。一般说来，在考虑到在电池中使用的材料的耐热性等电池特性的情况下，期望电池温度接近常温，因此在高温时需要采用某种冷却方法。但是，在现有例之一例的专利文献1中，为了降低单电池间的电阻，采用尽量缩短单电池间的距离的方法，所以可期待从单电池间散热的效果的构造是必要的。
发明内容
本发明涉及一种单电池间的连接结构，串联连接多个具有兼作一个电极端子的有底圆筒状的电池外壳，和兼作另一个电极端子的封闭上述电池外壳的开口部的封口板的电池，其特征在于：
具有凸缘的第一金属制环以可导电的方式接合在一个电池的电池外壳底部，具有凸缘的第二金属制环以可导电的方式接合在另一个电池的封口板上部，
上述第一金属制环和上述第二金属制环被嵌合。
本发明还涉及一种单电池间的连接结构，串联连接多个具有兼作一个电极端子的有底圆筒状的电池外壳，和兼作另一个电极端子的封闭上述电池外壳的开口部的封口板的电池，其特征在于：
具有凸缘的第一金属制环以可导电的方式接合在一个电池的电池外壳底部，具有凸缘的第二金属制环以可导电的方式接合在另一个电池的封口板的上部，
上述第一和第二金属制环中，在一个环的圆筒部外侧面和另一个环的圆筒部内侧面上刻有螺纹槽，上述第一与上述第二金属制环被螺纹嵌合。
焊接用于连接单电池的金属制环时，伴随温度上升，在制造电池之前的阶段，金属制环被接合在电池外壳和封口板上。其结果，可提供一种对如上所述的上述电池特性不会产生不良影响，可以牢固焊接的方法。
本发明涉及一种单电池间的连接结构，其特征在于：上述第一和上述第二金属制环中至少一个的凸缘的接合面上，具有可使环内部与大气连通的连通槽。
本发明的单电池间的连接结构，呈由金属制环包围封口板的结构。但是，由于在凸缘的接合面上，具有可使环内部与大气连通的连通槽，所以电池的内压即使上升，也能释放该压力。
本发明涉及一种单电池间的连接结构，其特征在于，上述第一金属制环和上述第二金属制环被焊接，此外，焊接是激光焊接。此外，单电池间的连接结构的特征还在于：上述第一金属制环的凸缘和上述第二金属制环的凸缘的距离为3mm以上，被连接的单电池间可在两点以上固定，具有空气可流通的绝缘性树脂固定框。
此外，金属制环通过嵌合或螺纹嵌合被固定后，为了提高机械强度、降低连接部的电阻，可构成向周边进行热传导少的激光焊接等的结构。
本发明的单电池连接结构，与现有的连接结构相比较，可获得牢固的机械强度，所以能使相邻的单电池间的距离比现有的长。其结果，可以期待从单电池间散热的效果，可抑制是电池特性下降主要原因的温度上升。
本发明涉及一种单电池的制造方法，其特征在于：具有凸缘的第一金属制环以可导电的方式接合在兼作一个电极端子的有底圆筒状的电池外壳的底部，和/或
具有凸缘的第二金属制环以可导电的方式接合在兼作另一个电极端子的封闭上述电池外壳的开口部的封口板的上部，
将包括电极、隔离板、电解液的发电要素装填在上述电池外壳内，将上述电极与上述电池外壳和上述封口板电连接，用上述封口板封闭上述电池外壳的开口部。
目前，将电池的发电要素插入电池外壳内后，在已密封电池的状态下，电连接单电池。根据本发明，在将作为发电要素的电极和隔离板插入有底圆筒状外壳之前，或者隔着垫片用封口板密封电池之前，可以进行具有凸缘的金属制环与有底圆筒状外壳或封口板的焊接。利用该结构，由于在焊接时，不存在由耐热性低于金属的合成树脂构成的隔离板或垫片，所以能提高焊接功率，能进行牢固的焊接。其结果，能增强焊接部的机械强度，在伴随有移动或振动等的用途中，可以说是一种有效的方法。此外，由于连接部的电阻变小，所以在需要大电流的充放电的用途中，也可以说是一种有效的方法。
本发明是用具有凸缘的金属制环连接单电池的结构，与现有的连接结构相比较，得到了即使单电池间的距离变长，连接部的电阻也不增大的结构。利用该结构，单电池间的焊接可以采用激光焊接等不接触焊接部、功率密度大的焊接方法。此外，由于能进行功率密度大的焊接，所以能提高焊接强度，使焊接部分集中化，抑制焊接部周边的温度。在使用现有的单电池间的连接方法产生焊接不良的情况下，至少造成两个以上的单电池不良，但在本发明中只造成电池的零件不良。在焊接不良率相同的情况下，不良的损失金额少，工业上价值大。
附图说明
图1是表示本发明的单电池间的连接结构的连接前的状态的概略截面图。
图2是表示具有凸缘的第一和第二金属制环的立体图。
图3是表示本发明的单电池间的连接结构的连接状态的概略截面图。
图4是表示采用螺纹嵌合进行连接时单电池间的连接结构的连接前的状态的概略截面图。
图5是表示相邻的单电池的连接结构的概略截面图。
图6是表示固定框的立体图。
符号说明
1a第一金属制环；1b第二金属制环；2有底圆筒状外壳(单电池的下部)；3封口板；4垫片；5有底圆筒状外壳(单电池的上部)；6橡胶阀体；7连通口；8内螺纹槽；9外螺纹槽；11、12连接用螺栓；13、14内螺纹加工部；15连接板；1c第一连接件；1d第二连接件；17连通孔；18固定框；A连接状态中的凸缘间距离
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的一个实施方式。图1是表示本发明的单电池间的连接结构的连接前的状态的概略截面图。在上部所示的电池B1中，具有凸缘的第一金属制环1a预先以可导电的方式接合在有底圆筒状外壳2的底面上。在下部所示的电池B2中，具有凸缘的第二金属制环1b预先以可导电的方式接合在封口板3的上部。优选采用焊接等方法进行接合。
被接合为一体的封口板3和第二金属制环1b形成隔着垫片4，密闭电池的结构。在该图中，第一金属制环1a的内径和第二金属制环1b的外径设计成大致相同的尺寸。通过这样设计，第一金属制环1a和第二金属制环1b可以无间隙地嵌合。利用该结构，单电池B1和单电池B2可以电连接和机械连接。其中，第一金属制环1a和第二金属制环1b的间隙中夹有金属箔(未图示)，由此嵌合，可以进一步抑制电阻。金属箔材料优选是铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、或以它们为主要材料的合金。
本发明人认为在无间隙嵌合的状态下，固定使用时或低电流的充放电等时，由嵌合部的松弛引起的机械强度的下降或接触电阻的增大不会成为大问题。可是，在汽车等移动的用途中，由于振动不可避免，所以要充分考虑嵌合部的松弛引起的危险性。由此，要考虑到发生机械强度下降或接触电阻增大的问题，使用电池时会发生故障。因此，优选在嵌合的状态下，对金属制环的圆筒部外周进行激光焊接，例如大致以90度间隔焊接4点，或者以60度间隔焊接6点，由此可以提高嵌合部的机械强度，降低电阻。本发明嵌合后能适用激光焊接或电弧焊接等，能实现可以提高连接强度的结构。在利用该方法进行焊接接合的情况下，只就嵌合后的接合部电阻来说，确认了电阻的实际测量值下降为0.2～0.3mΩ的电阻。例如，在混合电动汽车等中使用的电池中，电流值有时瞬间达到150A。在以这样大的电流使用的情况下，根据上述电阻值能测算出电池电压下降30～45mV，混合电动汽车用的电池中，本发明的此连接部的电阻下降成为重要的因素。
图2表示第一金属制环1a和第二金属制环1b的立体图，嵌合部分呈圆筒形状，根据嵌合情况下的强度和电阻，其厚度必须为1.5mm以上，优选为2～3mm，由强度和电阻的测定结果可知，厚度的下限在上述的范围内。如果使其更大，则强度或电阻虽然能进一步提高，但电池的重量增大，后面所述的嵌合部的焊接需要大的功率，与其相伴随的焊接时的温度上升会产生不良影响，所以作为圆筒部的厚度，上述的指定范围是适当的。
本发明能充分确保嵌合强度，优选对嵌合部进行激光焊接，因此有必要将金属制环1a、1b的圆筒部分21、22的长度设定为一定长度以上。从这样的观点出发，确认圆筒部分21、22的长度和嵌合部强度的关系、和实际上激光焊接时能否焊接，结果可以确认其长度最低需要3mm以上。因此，在本发明中凸缘状连接体的管状部分的长度在嵌合的状态下，必须要达到3mm以上。但是，长到必要长度以上，会导致连接部的电阻增大，所以必须有上限。利用该结构，能抑制后述的电池的发热。
已知一体化时，直接接触兼作一个电极端子的有底圆筒状电池外壳2或兼作另一个电极端子的封口板3的金属制环1a、1b的凸缘23、24的厚度，在通过点焊进行一体化的情况下，厚度为0.5mm左右，具有提高焊接强度的效果。由于该厚度与构成有底圆筒状电池外壳2、封口板3的材料的厚度几乎相同，所以为了确保焊接强度，优选凸缘23、24的厚度与焊接部分的厚度呈大致相同的尺寸。因此，凸缘23、24的厚度的最佳值随着构成电池的零件的不同而不同，所以有必要根据有底圆筒状电池外壳2、封口板3的厚度设定。
此外，在本发明中，不仅可以采用点焊方法，也可以采用逆变直流电源的所谓逆变焊接法进行焊接。在此情况下，在凸缘23、24的焊接面上且在同一半径上设置突起部，能构成使电流集中流过该部分的结构，更牢固地进行焊接。
虽然有关于第一金属制环1a的内径和第二金属制环1b的外径在嵌合部分呈一定尺寸情况的记载，但通过形成增大第一金属制环1a的嵌合部分前端内径，减小接近凸缘23的部分的内径的形状，并与其对应的减小第二金属制环1b的外径的前端部，增大接近凸缘24的部分的外径，可以有效的进行牢固的固定。当然，也可以采用使第二金属制环1b嵌合在第一金属制环1a的外侧的结构。
如上所述，根据本发明的结构，与以往有很大不同的的特征是，在将电池的发电要素和电解液收容在电池外壳2内之前的阶段，将第一金属制环1a直接焊接在有底圆筒状外壳2上。同样，第二金属制环1b可焊接在封口板3上。即，在作为电池组装前，能将金属接合体作为零件制作，与现有例相比较，能使焊接部分牢固。其结果，能提高第一金属制环1a与有底圆筒状外壳2的焊接强度、和第二金属制环1b与封口板3的焊接强度，所以能期待降低电阻。
其次，在图2中，说明连通槽7。一般来说，这种电池如图1所示，橡胶阀体6安装在封口板3中。在电池内的压力异常上升时，橡胶阀体6变形，气体可从内部放出。但是，在本发明中，第一金属制环1a和第二金属制环1b进行嵌合，环1a、1b的内部呈气密状态，所以异常时所产生的气体无法排放。因此，优选在凸缘23、24的接合面的至少一个面上，刻有气体能排放到外部的连通槽7。
与以往相比较，在本发明中通过将第一金属制环1a和第二金属制环1b的圆筒部21、22的厚度加厚，可以降低电阻。其结果，在图3所示的嵌合状态下，即使凸缘23、24之间的距离A增长，电阻增大的比例也很小。由此，如上所述，除了能对嵌合部进行激光焊接等以外，还能使第一金属制环1a和第二金属制环1b的至少一部分露出，附加了散热性优异的功能。因此，在由于充放电而伴随温度上升的电池系统中，能抑制温度的上升。此外，将固定框18插入单电池间，能提高模块电池相对弯曲的机械强度。这时，形成固定框18完全覆盖单电池间的间隙的结构，则不能进行嵌合部和螺纹嵌合部的焊接，散热性下降。因此，如图6所示，固定框18优选具有可支撑两点以上的支撑部18a，形成可进行嵌合部和螺纹嵌合部的焊接、空气可流通的结构。
现在实用化的镍·氢电池由于电池温度的上升，造成充电效率降低和循环寿命降低等电池特性的劣化。在本发明中，如上所述，能形成散热性优异的电池结构，所以在可能由于温度上升产生不良影响的电池系统中，能预料电池特性的下降少。此外，如图3所示，虽然说明了第一金属制环1a和第二金属制环1b可嵌合的结构，但如图4所示，也可以在第一金属制环1a的圆筒部内侧刻出螺纹槽(内螺纹槽)8，在第二金属制环1b的圆筒部外侧刻出对应的螺纹槽(外螺纹槽)9，螺纹连接第一金属制环1a和第二金属制环1b而构成。
图4中，即使在金属制环1a、1b上分别设有螺纹槽8、9的情况下，也与上述的嵌合方式相同，螺纹嵌合连接后，通过对螺纹嵌合部进行激光焊接或电弧焊接，也可牢固地固定，也可以是露出连接部的结构。此外，在用嵌合方式或螺纹嵌合方式进行连接的情况下，使金属箔(未图示)介于第一金属制环1a和第二金属制环1b之间，通过嵌合或螺纹嵌合进行固定，可以进一步提高其强度。金属箔材料优选是铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、或以它们为主要材料的合金。
以上的发明方式，说明了直线式连接单电池的方法。为了获得所希望的电压，有必要将直线式连接的多个电池弯折成180度的状态进行连接。在此情况下，如图5所示，在直线式连接时使用的第一金属制环1a和第二金属制环1b被固定在电池上的状态下，第一和第二金属制连接件1c和1d分别嵌合或螺纹嵌合在第一金属制环1a和第二金属制环1b上。在第一和第二金属制连接件1c和1d的中心设有螺孔13、14，利用螺栓11、12以可导电的方式与连接板15连接，所以可以电固定和机械固定。其中，为了避免密闭状态，优选在具有封口板3的一侧，在嵌合或螺纹嵌合的第二金属制连接件1d上设置连通孔17。
[实施例]
对于本发明的单电池间的连接结构，测定了连接部的电阻。供测定的电池是D尺寸的(单一尺寸，外径32mm、高56mm的圆筒密闭型电池)。如图2所示，将第一金属制环1a焊接在作为正极端子的封口板3上。此时使用的第一金属制环1a的凸缘23的厚度为0.5mm，外径为23mm，圆筒部21的外径为17mm，内径为13.8mm。第二金属制环1b焊接在作为电池的负极端子的电池外壳2的底部上。第二金属制连接环1b的凸缘24的厚度为0.5mm，外径为20mm，圆筒部22的外径为13.7mm，内径为10mm。
表1中示有有无铜箔、有无激光焊接。嵌合方式是图1所示的连接方式，螺纹嵌合方式是图4所示的连接方式。基于降低嵌合部或螺纹嵌合部的接触电阻的目的，所使用的金属箔是厚度为20μm的铜箔。此外，使用激光焊接机(ミヤチテクノス株式会社制，型号ML-2550A)，照射直径为0.6
Figure C20061008790600131
功率为5.4kW，照射了0.1秒。在通过螺纹嵌合进行连接的情况下，在第一金属制环1a的圆筒部内侧面上刻有M16的内螺纹，在第二金属制环1b的圆筒部外侧面上刻有M16的外螺纹，形成螺纹嵌合的结构。
表1.连接方式和连接部的电阻测定结果
Figure C20061008790600141
从表1的电阻测定结果可知，在只进行嵌合的情况下，与只进行螺纹嵌合的情况相比，由于使铜箔介于接合部中，所以可降低接触电阻。此外，可知通过激光进行焊接，确认其效果更显著。由于激光焊接的点数多，所以接触电阻下降，但在将点数增加到必要以上的情况下，有机械强度下降的危险，因此，6～8个点最佳。
只进行嵌合或螺纹嵌合情况下的电阻值为1.31～1.55mΩ。在作为大电流用的电池实用化的镍·镉电池或镍·氢电池中，假设流过50安培的电流时，电压下降为65.5～77.5mV，由于电池的工作电压为1.2V，所以电压下降5％有余，在实用上没有障碍。

Claims (11)

1.一种单电池间的连接结构，串联连接多个电池，该电池具有兼作一个电极端子的有底圆筒状的电池外壳和兼作另一个电极端子的封闭所述电池外壳的开口部且突出部与中心部电连接的封口板，其特征在于：
具有凸缘的第一金属制环以可导电的方式接合在一个电池的电池外壳底部，具有凸缘的第二金属制环以包围所述突出部的状态且以可导电的方式接合在另一个电池的封口板的上部，
所述第一金属制环和所述第二金属制环被嵌合。
2.一种单电池间的连接结构，串联连接多个电池，该电池具有兼作一个电极端子的有底圆筒状的电池外壳和兼作另一个电极端子的封闭所述电池外壳的开口部且突出部与中心部电连接的封口板，其特征在于：
具有凸缘的第一金属制环以可导电的方式接合在一个电池的电池外壳底部，具有凸缘的第二金属制环以包围所述突出部的状态且以可导电的方式接合在另一个电池的封口板的上部，
所述第一和所述第二金属制环中，在一个环的圆筒部外侧面上和另一个环的圆筒部内侧面上刻有螺纹槽，所述第一与所述第二金属制环被螺合。
3.如权利要求1或2所述的单电池间的连接结构，其特征在于：在所述第一和所述第二金属制环中至少一个的凸缘的接合面上，具有可使环内部与大气连通的连通槽。
4.如权利要求1或2所述的单电池间的连接结构，其特征在于：所述第一金属制环和所述第二金属制环被焊接。
5.如权利要求4所述的单电池间的连接结构，其特征在于：所述焊接是激光焊接。
6.如权利要求1或2所述的单电池间的连接结构，其特征在于：所述第一金属制环的凸缘和所述第二金属制环的凸缘的距离为3mm以上，该连接结构包括绝缘性树脂固定框，该绝缘性树脂固定框能够将被连接的单电池间在两点以上固定，并具有不覆盖该单电池间的全部间隙、能够使该单电池间的间隙与该间隙的外侧之间的空气流通的形状。
7.如权利要求1或2所述的单电池间的连接结构，其特征在于：在已连接单电池的状态下，所述第一和所述第二金属制环的一部分或全部露出到外部。
8.一种单电池间的连接结构，串联连接多个电池，该电池具有兼作一个电极端子的有底圆筒状的电池外壳和兼作另一个电极端子的封闭所述电池外壳的开口部且突出部与中心部电连接的封口板，其特征在于：
具有凸缘的第一金属制环以可导电的方式接合在一个电池的电池外壳底部，具有凸缘的第二金属制环以包围所述突出部的状态且以可导电的方式接合在另一个电池的封口板的上部，
在中心具有螺丝孔的第一和第二金属制连接件分别被嵌合或螺合在所述第一和所述第二金属制环上，连接所述第一和所述第二金属制连接件的金属制连接板利用螺栓以可导电的方式与所述第一和所述第二金属制环连接。
9.如权利要求1、2、8中任一项所述的单电池间的连接结构，其特征在于：所述第一金属制环和所述第二金属制环，隔着金属箔，被嵌合或螺合。
10.如权利要求9所述的单电池间的连接结构，其特征在于：所述金属箔材料是铝、铜、镍、或以它们为主要材料的合金。
11.一种单电池的制造方法，其特征在于：将具有凸缘的第一金属制环以可导电的方式接合在兼作一个电极端子的有底圆筒状的电池外壳的底部，并且，
在兼作另一个电极端子的封闭所述电池外壳的开口部且突出部与中心部电连接的封口板的上部，以包围所述突出部的状态且以可导电的方式接合具有凸缘的第二金属制环，
将包括电极、隔离板、电解液的发电要素填装在所述电池外壳内，将所述电极与所述电池外壳和所述封口板电连接，利用所述封口板封闭所述电池外壳的开口部。
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