CN104813535B - 电池块及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种电池块，其为收容多个单电池的部件，在发生异常发热时能够均匀地使热量迅速且高效地扩散到电池块整体，且收容单电池的部分的尺寸精度较高。本发明提供一种电池块，包括：金属壳体，包括多个管状部件；及单电池，分别收容于上述多个管状部件。上述多个管状部件互相接合而一体化地构成，且相邻的管状部件彼此的接合部的长度为上述管状部件的全长的70％以上。

Description

电池块及其制造方法
技术领域
本发明涉及电池块及其制造方法。
背景技术
一般而言，已知有如下内容：通过将多个单电池收容于一个收容部件而得到电池块，并将该电池块作为电动车用蓄电池等大容量蓄电池。作为这样的收容部件，已知有对圆筒金属管彼此进行点焊而成的集合体、将多个具有收容孔的壳体互相面接合而形成一体的集合体等(参照专利文献1)。此外还已知一种高温蓄电池，将多个蓄电池单元以预定排列配置，相邻的蓄电池单元通过外侧壳体局部地互相接合(参照专利文献2及3)。
然而，上述专利文献中提到的蓄电池单元由于与外侧壳体仅在数点进行接合，因此无法使单电池产生的热量扩散，难以抑制局部的温度上升。
今后，在市场中，特别是作为电动车用蓄电池，要求大容量化。其中，在因高容量化而导致二次电池的发热量增加的情况下，难以使发热的二次电池的热量被相邻的壳体充分地吸收，相邻的二次电池引起热失控的危险性提高。因此，对于可高效地进行热量扩散的电池块的电池壳体的要求不断提高。
专利文献1：日本特开平2-256174号公报
专利文献2：日本特开昭60-119084号公报
专利文献3：美国专利第4546056号说明书
发明内容
在收容蓄电池的单电池的部件中，为了使单电池的温度分布迅速地均匀化、或在单电池引起异常发热(单电池内部的短路等)的情况下使热量扩散来抑制局部的温度上升，从而防止连锁的单电池的老化、异常，收容单电池的部分的尺寸精度非常重要。
例如，若收容单电池的部分的尺寸精度差，则在蓄电池设置于受到振动的场所的情况下，存在所收容的单电池会振动等情况。由于所收容的单电池振动，会使单电池无法发挥充分的电池功能、加速单电池的老化、电池配线被切断等，有损蓄电池的性能。
另外，近年来强烈要求蓄电池的大容量化。为了使蓄电池大容量化，必须在收容部件收容较多的单电池。为了在每单位体积收容更多的单电池，需要缩小单电池与单电池的间隔。为了缩小单电池与单电池的间隔，需要使收容部件更薄。若收容部件变薄，则必然难以使热量扩散。另外，收容单电池的部分的尺寸精度也容易降低。
因此，本发明的目的在于提供一种电池块，其为收容多个单电池的部件，在发生异常发热时能够均匀地使热量迅速且高效地扩散到电池块整体，且收容单电池的部分的尺寸精度较高。
本发明提供一种电池块，包括：金属壳体，包括多个管状部件；及单电池，分别收容于上述多个管状部件。上述多个管状部件互相接合而一体化，相邻的管状部件彼此的接合部的长度为上述管状部件的全长的70％以上、且95％以下，在上述管状部件的接合面的中空内表面形成突起。
另外，本发明提供一种电池块的制造方法，包括以下步骤：在使多个管状部件互相接触的状态下对上述多个管状部件进行固定而得到上述管状部件的集合体；以及对上述管状部件彼此的接触面进行激光接合并使上述管状部件彼此的激光接合长度为上述管状部件的全长的70％以上、且95％以下，在上述管状部件的接合面的中空内表面形成突起而得到金属壳体。
发明效果
根据本发明的电池块，作为单电池的收容容器的金属壳体由于收容单电池的部分的尺寸精度较高，因此使单电池的温度分布迅速地均匀化。即使万一在一个单电池引起异常发热的情况下，热量也会传递到金属壳体而扩散，从而抑制局部的温度上升。
另外，优选的是收容单电池的部分的尺寸精度较高，因此抑制了所收容的单电池的振动等。因此，能够避免相邻的单电池引起异常发热而防止连锁的电池老化、异常，无损作为蓄电池的性能。
由此，提供了一种作为在容易受到振动的环境中使用的蓄电池也有效的电池块。在容易受到振动的环境中使用的蓄电池例如是指汽车用蓄电池。
附图说明
图1A是本发明的电池块的立体图，图1B是本发明的电池块的分解立体图。
图2A～图2D是表示管状部件的形状的例子的图。
图3A及图3B是表示管状部件的排列状态的图。
图4A及图4B是对得到管状部件的手法的例子进行说明的图。
图5A是表示具有贯通口的情况下的管状部件的图，图5B是表示具有切口的情况下的管状部件的图。
图6A～图6C是表示构成金属壳体的多个管状部件中的接合部的位置的图。
图7是对构成金属壳体的管状部件彼此的接合部进行说明的图。
图8是表示在管状部件收容有单电池的状态的图。
图9中的图9A及图9B是表示电池块的金属壳体的制造流程的一例的图。
图10是表示在金属壳体收容有多个单电池的状态的一例的图。
图11是表示在实验例中将管状部件载置于平面型加热器的状态的图。
具体实施方式
本发明的电池块具有金属壳体与多个单电池。金属壳体具有多个管状部件，在各管状部件的中空部收容有单电池。电池块所包含的单电池具有蓄电性能，因此，优选电池块作为高容量的蓄电池发挥功能。
[电池块]
在图1A、B中示出了本发明的电池块例的概要。图1A是电池块100的立体图。图1B是电池块100的分解立体图。如图1B所示，电池块100具备：电极板10、支架20、作为管状部件31(31a、31b…31t)的集合体的金属壳体、多个单电池40(40a、40b…40t)、支架50及电极板60。
如图1B所示，单电池40(40a、40b…40t)收容于各自对应的管状部件31(31a、31b…31t)。所收容的单电池40由支架20及支架50支撑。单电池的一电极41连接于电极板10，另一电极42连接于电极板60。由多个管状部件31构成的集合体构成电池块中的“金属壳体”。
构成金属壳体的多个管状部件31(31a、31b…31t)是互相接合而一体化的集合体。更具体而言，多个管状部件31(31a、31b…31t)的各自的侧表面彼此接合而一体化。一个电池壳体所包含的管状部件31的集合体由两个以上的管状部件31构成即可。管状部件31的个数没有限制。
管状部件31可以是如图2A所示的圆形管311，也可以是如图2B所示的四边形等多边形管312。另外，管状部件31也可以是如图2C所示的有接合面35的圆形管311，也可以是如图2D所示的有接合面35的四边形等多边形管312。
管状部件31(31a、31b…31t)的内部沿着管的轴向形成空洞。在管状部件31(31a、31b…31t)的空洞收容单电池40(40a、40b…40t)。各单电池40(40a、40b…40t)通常为圆筒状。
构成金属壳体的管状部件31(31a、31b…31t)的排列方式没有特别限定。例如，在管状部件31(31a、31b…31t)为圆形管的情况下，如图3A所示，也可以使其为最密填充排列。另外，如图3B所示，也可以使各管状部件31(31a、31b…31u)为正方排列。
管状部件31优选为金属制。构成管状部件31的金属优选为导热性高的金属，具体而言，为铝、铜、黄铜、不锈钢或者它们的合金等。为了使管状部件31轻量化，优选为铝。
构成管状部件31的板的厚度优选为0.2～1mm，例如0.4mm。厚度越薄，则越能够使金属壳体轻量化，因此优选，但过薄的话则无法获得作为电池块的金属壳体的强度。
管状部件31的中空尺寸对应于收容于管状部件31的单电池40的大小来设定。即，中空的截面的直径优选比收容于管状部件31的单电池40的截面积的直径稍大。这是因为需要在中空部收容单电池。管状部件31的中空截面的直径与收容于管状部件31的单电池40(在单电池被绝缘片覆盖的情况下，包含该绝缘片)的截面的直径之差(间隙)优选为0.01mm以上且0.38mm以下。若间隙过大，则所收容的单电池无法高效地进行热量扩散，因此不优选。若间隙过小，则有时会无法顺利地收纳单电池。
图2所示的管状部件31的制作方法没有特别限定。例如，有通过拉拔加工得到管状部件31的方法。另外，通过上述的拉拔加工来得到壁厚较薄的管状部件31在制作上比较困难。因此，也可以采用图4A、B所示的制作方法。即，对于管状部件31，也可以通过对金属平板200进行弯曲加工来构成接合面35(图4A)，并且对接合面35进行接合(图4B)。“接合面35”是指，例如对一张金属平板200进行弯曲加工而成为管状时的贴合面。接合面35处的接合方法可采用金属接合等，但优选通过激光220进行激光接合。
[接合面的接合方法与突起的关系]
例如，由图4A、B所示的制作方法得到的管状部件31如图2C及图2D所示的管状部件(311、312)那样，在接合面35中，管的中空内表面具有突起38。突起38并没有特别限定，但优选为通过接合面35中的接合(例如激光接合)而产生的突起。以下，参照图4A、B来对接合方法与突起38的关系进行说明。
如图4A所示，对金属平板200进行弯曲加工而成为管状，能够得到未接合的管状部件(管状金属板)30。此外，未接合的管状部件(管状金属板)30a的制造方法并不特别限定于上述制法。
接着，如图4B所示，从激光照射头210向管状金属板30的接合面35照射激光220，在接合面35进行金属接合来得到管状部件31。在图4B中以激光焊接为例，但并不特别限定于金属接合的方法，也可以是电阻焊接、超声波焊接或TIG焊接(钨极惰性气体保护焊)等。在进行金属接合的情况下，优选在接合面35金属板彼此紧贴。若使紧贴的接合面35金属熔融而进行接合，则有时会形成被称为“焊接突起”的突起。通过积极地形成该焊接突起，在中空内表面形成突起。
管状部件(311、312)的接合面35中的突起38(参照图2C、D)的高度优选对应于管状部件的中空截面的直径与收容于管状部件的单电池(在单电池被绝缘片覆盖的情况下，包含该绝缘片)的截面的直径之差(间隙)来设定，例如，比间隙大。作为基准，使突起38的高度为“间隙与覆盖单电池的绝缘片的厚度的1/5之和”以上、且为“间隙与覆盖单电池的绝缘片的厚度的1/3之和”以下即可。突起38有抑制收容于管状部件31的中空部的单电池的振动、旋转的效果。
如图5A所示，管状部件31也可以在其侧面的一部分具有贯通口32。另外，如图5B所示，也可以在其长度方向的两端部分别具有切口33。这是因为，通过贯通口32或切口33，能够在收容于管状部件31的内部的单电池(未图示)连接外部部件(温度传感器等)。
如上所述，构成电池块的金属壳体包含上述的多个管状部件31。构成金属壳体的多个管状部件31各自互相接触且接合而一体化。具体而言，在各管状部件31的侧表面，各管状部件31在接合部34相互接合而一体化(图6A)。
在金属壳体中，具有接合面35的多个管状部件31(31a、31b、…31e)可以如图6B所示以接合面35朝向同一方向的方式规则地配置；也可以如图6C所示以接合面35成为任意方向的方式配置。
构成金属壳体的管状部件31彼此的接合优选通过金属接合等进行。在金属接合的例子中包含铜焊、扩散接合、焊接等，但更优选焊接。焊接包含激光焊接、电阻焊接、超声波焊接、TIG焊接等，但优选的焊接是激光焊接。例如，使多个管状部件31互相接触而形成固定的集合体，在接触部对管状部件彼此间进行接合，作为接合部34(图6A)。
如图7所示，优选的是管状部件彼此间的接合部34的长度L1为管状部件31的全长L的70％以上。如上所述，若接合部34的长度L1为管状部件31的全长L的70％以上，则在单电池引起异常发热(由单电池内部的短路等引起)的情况下，能够使热量扩散到相邻的管状部件。由此，能够抑制局部的温度上升，防止连锁的单电池的老化、异常(参照后述的实验例)。
在管状部件31的全长范围的中央部分设置图7所示的接合部作为一个接合部，但接合部的方式并不限定于此。例如，也可以是以图7的管状部件31的一端部为起点的一个接合部。另外，接合部可以由一个线接合构成，也可以由多个线接合、点接合构成。无论如何，构成接合部的总接合长度(接合长度L1)为管状部件31的全长L的70％以上即可。
另外，接合部的长度L1也可以为管状部件的全长L的100％，但通常小于100％。如图8所示，收容于管状部件的单电池的全长L2比管状部件的全长L短，大约为95％以下，大多为91％以下。假设在单电池发生异常发热的情况下，异常发热的部位有可能会在单电池的全长L2的范围内发生，因此若将与单电池的全长L2相当的管状部件的接合部接合，则能够使热量扩散到相邻的管状部件，也可以不在全长L上进行接合。单电池的全长L2是指正极板、隔板与负极板的层叠体(或者卷绕体)的长度。
另外，难以在全长L上对管状部件进行激光接合。若要由激光对管状部件的两端部进行接合，则向除接合部以外的部位照射激光，激光会发生反射等。由于该激光，有时会使激光装置等设备装置破损。由此，优选接合部的长度L1为管状部件的全长L的95％以下。
分别在构成对多个管状部件31(31a、31b……)的集合体进行金属接合而得到的金属壳体的各管状部件31中收纳单电池。并且，通过附加作为电池的部件而形成电池块。单电池通常被金属制的壳体覆盖，但还可以被绝缘片覆盖。绝缘片通常为树脂膜，其厚度为45μm～75μm。
[电池块的制造方法]
以下，参照图9A、B及图10对作为一例的本发明的电池块(金属壳体)的制造方法进行说明。
首先，如图9A所示，使多个管状部件31(31a、31b…31e)集合，分别向管状部件彼此的接触部照射激光220来进行接合。由此，如图9B所示，得到作为在接合部34相互接合的管状部件31(31a、31b…31e)的集合体的金属壳体。
而且，如图10所示，分别在图9B的金属壳体的多个管状部件31(31a、31b…31e)中收容单电池40(40a、40b…40e)。之后，附加作为电池的必要部件。通过以上制造出电池块。此外，单电池40也可以具有覆盖单电池40的绝缘片45。
[实验例]
准备两个圆筒状的铝管(内径18.2mm、高度70mm、壁厚0.4mm)。将两个铝管接合。在实验例1～4中通过激光焊接进行接合，在实验例5中通过助熔剂接合而进行接合，在实验例6中通过粘接剂而进行接合。
在实验例1中，对两个圆筒状的铝管的接触部中的管的高度方向的中央部的50mm进行了激光接合。同样地，在实验例2中对25mm进行了激光接合，在实验例3中对12.5mm进行了激光接合，在实验例4中对高度方向的两端进行了激光接合。
对各实验例中的两个圆筒状的铝管的接合方法与接合部的状态(接合长度、接合部的长度的比例、接合宽度、接合面积)总结如下。
[表1]
接合方法 接合长度 接合比例 接合宽度 接合面积
实验例1 激光接合 50mm 71％ 1mm 50mm2
实验例2 激光接合 25mm 36％ 1mm 25mm2
实验例3 激光接合 12.5mm 18％ 1mm 12.5mm2
实验例4 激光接合 端部2点 1.2mm2
实验例5 助熔剂接合 70mm 100％ 3mm 210mm2
实验例6 粘接剂接合 70mm 100％ 3mm 210mm2
如图11所示，将互相接合的两个铝管300置于空气环境下的平面型加热器(50mm×100mm)310。设平面型加热器310的表面发热量为1900W/m2。分别在位于各自的中央部的测定位置301与302测定两个管300的温度，求出其温度差ΔT。根据温度差ΔT，求出两个铝管300间的热电阻率R。另外，根据热电阻率R，求出接合部的每单位面积的热电阻率R’。
[表2]
温度差ΔT 热电阻率R 热电阻率R’
实验例1 6.3℃ 0.36x10-4m2K/W 9.29x10-6 m2K/W
实验例2 6.5℃ 0.53x10-4m2K/W 7.24x10-4m2K/W
实验例3 7.9℃ 1.93x10-4m2K/W 1.32x10-5m2K/W
实验例4 12.0℃ 6.46x10-4m2K/W 4.24x10-6m2K/W
实验例5 6.2℃ 0.39x10-4m2K/W 3.90x10-5m2K/W
实验例6 10.0℃ 4.77x10-4m2K/W 4.88x10-4m2K/W
如表2所示，可知激光接合的接合部的长度越长(接合比例越高)，则温度差越低。并且可知，实验例1中的温度差与实验例5中的温度差大致一致。由此可知，通过使接合长度的接合比例为70％以上，能够成为与接合比例为100％时相同的热电阻率R。另一方面，通过粘接剂进行接合的实施例6的温度差较大。
而且，实验例1的接合部的每单位面积的热电阻率R’为9.29×10-6m2K/W，实验例5的热电阻率R’为3.90×10-5m2K/W。即，可知基于激光接合的接合与基于助熔剂接合的接合相比，接合面积的每单位的热电阻率R’低。因此，可以说接合优选为利用激光焊接的接合。
接着，在与现有的电池块的制造方法进行对比，对本发明的电池块的制造方法的作用效果进行说明。以往，有将电池块的金属壳体作为铸件来进行制造的情况。铸件的模具的原料为沙子，模具的面精度较差，作为其转印物的金属壳体的单电池收容部分的尺寸精度也降低。另外，在得到铝制的金属壳体的情况下，由于熔融的铝的成分发生偏差等，因此有时会产生气孔。因此，作为铸件而制造的金属壳体为了提高单电池收容部分的尺寸精度，需要被二次加工，并且难以消除产生的气孔。
作为电池块的金属壳体的其他制造方法，已知有如下方法：将多个电池单元的管状部件以预定图案排列，电池单元的管状部件与相邻的管状部件在数点进行接合。然而，彼此相邻的管状部件彼此仅在数点进行接合，因此难以使单电池的温度分布迅速地均匀化，或在单电池引起异常发热(由单电池内部的短路等引起)的情况下难以使产生的热量扩散。因此，难以抑制局部的温度上升，难以防止连锁的单电池的老化、异常。
对此，根据本发明的电池块的制造方法，能够简易及低价地得到确保了收容电池块的单电池的部分的尺寸精度的电池块。并且，能够使单电池的温度分布迅速地均匀化，或在单电池引起异常发热(由单电池内部的短路等引起)的情况下使产生的热量扩散。因此，能够抑制局部的温度上升，防止连锁的单电池的老化、异常。
本发明的电池块能够抑制所收容的单电池的振动，且通过热扩散来抑制局部的温度上升，因此不易损害作为电池块蓄电池的性能。另外，该电池块轻量且紧凑。作为发挥这些特性的电池块的用途，例如可列举搭载于汽车的蓄电池。
工业实用性
本发明的电池块具有多个单电池及对多个单电池进行收容的金属壳体，收容金属壳体的单电池的部分的尺寸精度较高。由此，也能抑制所收容的单电池的振动等，适当地发挥各单电池的功能。并且，能够简便且低成本地制造金属壳体。
附图标记说明
10 电极板
20 支架
30a 管状金属板
31、31a 管状部件
311 圆形管
312 多边形管
32 贯通口
33 切口
34 接合部
35 接合面
38 突起
40 单电池
41 电极
42 电极
45 覆盖单电池的绝缘片
50 支架
60 电极板
100 电池块
200 金属平板
210 激光照射头
220 激光
300 铝管
301、302 测定位置
310 平面型加热器

Claims (8)

1.一种电池块，包括：金属壳体，包括多个管状部件；及单电池，分别收容于所述多个管状部件，
所述多个管状部件互相接合而一体化，并且，
相邻的管状部件彼此的接合部的长度为所述管状部件的全长的70％以上、且95％以下，在所述管状部件的接合面的中空内表面形成突起。
2.根据权利要求1所述的电池块，其中，
所述相邻的管状部件彼此的接合为金属接合。
3.根据权利要求1所述的电池块，其中，
所述管状部件的接合为焊接。
4.根据权利要求1所述的电池块，其中，
所述管状部件的接合为激光焊接。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的电池块，其中，
所述管状部件为铝、铜、黄铜或不锈钢制。
6.根据权利要求1所述的电池块，其中，
所述管状部件为圆形管或多边形管。
7.一种电池块的制造方法，包括以下步骤：
在使多个管状部件互相接触的状态下对所述多个管状部件进行固定而得到所述管状部件的集合体；以及
对所述管状部件彼此的接触面进行激光接合并使所述管状部件彼此的激光接合长度为所述管状部件的全长的70％以上、且95％以下，在所述管状部件的接合面的中空内表面形成突起而得到金属壳体。
8.根据权利要求7所述的电池块的制造方法，其中，
还包括在所述金属壳体的管状部件的中空部收容单电池的步骤。
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