CN109920945B

CN109920945B - 电池组

Info

Publication number: CN109920945B
Application number: CN201811507035.9A
Authority: CN
Inventors: 江岛恒行
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2022-11-01
Anticipated expiration: 2038-12-11
Also published as: US20190181488A1; JP2019106318A; CN109920945A; US11283099B2

Abstract

本发明提供一种抑制了在汇流条与电极的接合部发生断裂的电池组。电池组具备：一列的多个电池单元，在一个方向上排列；一对端板，从多个电池单元的排列方向的两端夹持一列的多个电池单元；一对连接杆，从与排列方向垂直的方向夹持多个电池单元，并且在排列方向的两端将一对端板紧固；和绝缘物，被夹入连接杆与电池单元的间隙中，绝缘物处于插入间隙之前的初始厚度大于间隙的压缩状态。

Description

电池组

技术领域

本发明涉及在一个方向上排列了多个电池单元的电池组。

背景技术

已知现有的电池组在串联排列多个电池单元并将位于相邻的电池单元的两端的电极端子通过称为汇流条的集电体进行连结时，使用通过激光焊接电极端子与汇流条的方法(例如，参照专利文献1)。

图6是表示上述专利文献1记载的现有的电池组的整体结构的示意立体图。图6表示现有的电池组的整体图。在该图中，电池组1是如下结构，即，串联配置多个电池单元2，并在通过端板3夹持其两端的状态下，通过沿着排列方向延伸的连接杆4对端板3进行连结并同定。此外，在电池单元2的上表面设置有电极端子，通过汇流条5接合相邻的电池单元2中的一个电极端子。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2014/034106号

近几年，如专利文献1的电池组所代表的那样，在锂离子二次电池的电极端子与汇流条的接合中大多使用基于激光等的焊接。作为在此之前的接合电池组的电极端子的方法，使用了将电极端子设成螺纹结构并通过螺栓紧固来接合汇流条的方法，但使用了激光焊接的接合与螺纹止动相比具有工序少的优点。相反，激光焊接与螺栓紧固相比具有接合部的强度弱的缺点。例如，若对电池组赋予因冲击或振动等引起的负荷，则因构成电池组的电池单元的位移，在汇流条焊接部产生载荷。进而，若载荷变得过大，则有可能会在焊接部产生断裂。特别是，在电池单元串联排列的方向(以下称作排列方向。设为y方向)上受到大的冲击的情况下，如图2A所示，在该排列方向上不受端板以外的约束的电池单元会发生大的位移。其结果，在焊接部也会产生大的载荷，会变得非常危险。

发明内容

本发明用于解决上述现有的问题，其目的在于提供一种抑制了在汇流条与电极的接合部发生断裂的电池组。

为了实现上述目的，本发明的电池组具备：一列的多个电池单元，在一个方向上排列；一对端板，从所述多个电池单元的排列方向的两端夹持所述一列的所述多个电池单元；一对连接杆，从与所述排列方向垂直的方向夹持所述多个电池单元，并且在所述排列方向的两端将所述一对端板紧固；和绝缘物，被夹入所述连接杆与所述电池单元的间隙中，所述绝缘物处于插入所述间隙之前的初始厚度大于所述间隙的压缩状态。

发明效果

如上所述，根据本发明涉及的电池组，具备被夹入连接杆与电池单元的间隙中的橡胶或树脂等绝缘物。因此，即使在多个电池单元的排列方向上受到了大的外力的情况下，也能够通过与夹在连接杆和电池单元之间的橡胶或树脂等绝缘物产生的摩擦，减小外力的方向上的电池单元位移，能够抑制汇流条与电极的接合部处的断裂。另外，该绝缘物处于插入间隙之前的初始厚度大于间隙的压缩状态。由此，能够在几乎不改变电池组的外形尺寸的情况下实现上述效果。

附图说明

图1A是表示本发明的实施方式1涉及的电池组的整体结构的示意立体图。

图1B中，(a)是表示图1A的电池组的一个端部的电池单元与端板之间的电池单元、薄的绝缘物和连接杆的结构的分解图，(b)是在经过图1A的电池组的虚线A-A′且与排列方向(y方向)垂直的电池组的截面上仅表示(a)的电池单元、连接杆和绝缘物的示意剖视图。

图1C中，(a)是表示图1A的电池组的一个端部的电池单元与端板之间的电池单元、厚的绝缘物和连接杆的结构的分解图，(b)是在经过图1A的电池组的虚线A-A′且与排列方向(y方向)垂直的电池组的截面上仅表示(a)的电池单元、连接杆和绝缘物的示意剖视图。

图2A中，(a)是表示本发明的实施方式1中的电池组受到了排列方向上的冲击时的部件的运动的图，(b)是表示因(a)的排列方向上的冲击而各电池单元在排列方向上被压缩的情况的示意图。

图2B中，(a)是表示与图1B(b)同样地在电池单元与连接杆的间隙夹入了初始厚度与上述间隙相同的薄的绝缘物的电池组的截面结构的示意剖视图，(b)是表示(a)的电池组受到了排列方向上的冲击时的连接杆的变形的示意剖视图。

图2C中，(a)是表示与图1C(b)同样地在电池单元与连接杆的间隙夹入了初始厚度比上述间隙厚的绝缘物的电池组的截面结构的示意剖视图，(b)是表示(a)的电池组受到了排列方向上的冲击时的连接杆的变形及绝缘物的复原的示意剖视图。

图3是本发明的实施方式1涉及的仿真的模型图。

图4是表示在本发明的实施方式1涉及的仿真中得到的连接杆与电池单元的间隙的等高线图。

图5A是表示在本发明的实施方式1涉及的仿真中得到的作用于电极和汇流条的焊接部的剥离力与绝缘物的压缩率之间的关系的图。

图5B是表示绝缘物的摩擦系数与压缩率的关系的图。

图6是表示专利文献1记载的现有的电池组的整体结构的示意立体图。

符号说明

1 电池组

2 电池单元

3 端板

4 连接杆

5 汇流条

6 电极端子

7 绝缘物

8 夹具

9 电池壳

11 冲击

具体实施方式

第1方式涉及的电池组具备：在一个方向上排列的一列的多个电池单元；从所述多个电池单元的排列方向的两端夹持所述一列的多个电池单元的一对端板；从与所述排列方向垂直的方向夹持所述多个电池单元并且在所述排列方向的两端将所述一对端板紧固的一对连接杆；和夹入所述连接杆与所述电池单元的间隙中的绝缘物，所述绝缘物处于插入所述间隙之前的初始厚度大于所述间隙的压缩状态。

第2方式涉及的电池组是在上述第1方式中，将所述电池单元和所述连接杆与所述绝缘物之间的摩擦系数设为μ、将所述绝缘物的压缩率设为ΔL时，可以满足以下关系：0.2＜μ＜0.4时，ΔL>13μ²-11.55μ+2.63；0.4≤μ时，ΔL>0.125μ²-0.275μ+0.18。

第3方式涉及的电池组是在上述第1或第2方式中，所述绝缘物可以与所述连接杆或所述电池单元的至少一方粘接。

第4方式涉及的电池组是在上述第1至第3方式的任一方式中，将所述电池单元的电极的设置面设为上侧时，所述绝缘物的所述初始厚度可以随着接近所述上侧而变大。

以下，参照附图来说明本发明的实施方式涉及的电池组。另外，在附图中对实质上相同的部件附加相同的符号。

(实施方式1)

图1A是表示本发明的实施方式1涉及的电池组1的整体的立体图。图1B的(a)是表示图1A的电池组1的一个端部的电池单元2与端板3之间的电池单元2、薄的绝缘物7和连接杆4的结构的分解图。图1B的(b)是在经过图1A的电池组1的虚线A-A′且与排列方向(y方向)垂直的电池组1的截面上仅表示(a)的电池单元2、连接杆4和绝缘物7的示意剖视图。图1C的(a)是表示图1A的电池组1的一个端部的电池单元2与端板3之间的电池单元2、厚的绝缘物7和连接杆4的结构的分解图。图1C的(b)是在经过图1A的电池组1的虚线A-A′且与排列方向(y方向)垂直的电池组1的截面上仅表示(a)的电池单元2、连接杆4和绝缘物7的示意剖视图。

在图1A中，对与图6相同的结构要素使用了相同的符号。实施方式1涉及的电池组1具备多个电池单元2、端板3、连接杆4和绝缘物。电池单元2是蓄电池的基本部件，蓄积发电装置生成的电，向根据需要连接的电气产品或设备供电。多个电池单元2被串联配置。在多个电池单元2的两端各配置一片端板3，并且分别与两端的电池单元相接地配置，从而通过端板3从排列方向的两端夹持多个电池单元2。通过连接杆4，从与排列方向垂直的方向夹持多个电池单元2。此外，一对端板3通过连接杆4利用铆接、焊接或螺栓紧固等方法被结合。由于将位于电池组1的两端的电池单元2直接结合到连接杆4非常危险，因此使用了端板3。关于端板3，大多使用铝或铁等金属材料。在该情况下，实施在端板3与两端的电池单元2之间夹入绝缘材料等对策。电池单元2由于在反复充放电的过程中会膨胀，因此关于连接杆4使用高强度钢等抗拉性能强的金属材料。

此外，在电池单元2的上表面设置有用于取出电力的电极端子6，经由汇流条5而不同的电池单元2之间的电极端子6互相连接。

进而，在该实施方式1涉及的电池组1中，在电池单元2与连接杆4的间隙中如图1C(a)所示那样夹入了初始厚度比间隙厚的绝缘物7。作为绝缘物7，例如是橡胶或树脂材料，原始的厚度(初始厚度)比所述间隙尺寸厚。在组装为电池组1时，如图1C(b)那样，绝缘物7以被压缩的状态(压缩状态)夹入到所述间隙中。

另外，作为绝缘物7，如图1B(a)所示，即使在与间隙实质上相同的厚度薄的情况下，在组装为电池组1时，也如图1B(b)所示那样，绝缘物7在厚度无变化的状态下被夹入上述间隙中。

<关于在排列方向上受到了大的外力的情况>

在专利文献1那样的现有的电池组1中，在排列方向上受到了大的外力时，容易在电极端子6与汇流条5的焊接部产生大的剥离力。这是因为，除了端板3以外不存在约束电池单元2在排列方向上的位移的物体，电池单元2容易在该方向上运动。另一方面，关于排列方向以外的方向，由于连接杆4约束电池单元的位移，因此与排列方向相比不易运动，可认为位移被抑制得较小。

图2A(a)是表示实施方式1的电池组1受到了排列方向上的冲击11时的部件的运动的图，(b)是表示因(a)的排列方向上的冲击11而各电池单元在排列方向上被压缩的情况的示意图。图2B(a)是表示与图1B(b)同样地在电池单元2与连接杆4之间的间隙夹入了初始厚度与上述间隙相同的薄的绝缘物7的电池组的截面结构的示意剖视图。图2B(b)是表示图2B(a)的电池组受到了排列方向上的冲击时的连接杆4的变形的示意剖视图。图2C(a)是表示与图1C(b)同样地在电池单元2与连接杆4之间的间隙夹入了初始厚度比上述间隙厚的绝缘物7的电池组的截面结构的示意剖视图。图2C(b)是表示图2C(a)的电池组受到了排列方向上的冲击时的连接杆4的变形及绝缘物7的复原的示意剖视图。另外，图2B和图2C与图1B和图1C同样是图1A的A-A′处的剖视图。

在排列方向(y方向)上受到了大的冲击11的情况下，电池组1产生图2A～图2C所示的变形。也就是说，如图2A(a)及(b)所示，各电池单元2变成向冲击方向(y方向)的前方聚集的被压缩的状态。此外，如图2B(b)和图2C(b)所示，连接杆4发生从电池组1向外侧即x方向凸出地扩展的变形。

首先，若绝缘物7的厚度薄，则如图2B(b)所示，电池单元2与绝缘物7以及绝缘物7与连接杆4之间的间隔变宽，变得无法保证绝缘物7与连接杆4之间的接触。由此，绝缘物7产生的摩擦力不起作用，无法抑制电池单元2在排列方向(y方向)上的位移。

另一方面，在本实施方式1中，如图1C(a)所示，特征在于设为下述结构，其中，将电池单元2与连接杆4之间的间隙的绝缘物7设为厚度比两者的间隔大，从而组装电池组1时在两者之间进行压缩的同时夹入。作为绝缘物7的材料，例如，可使用橡胶或极限压缩率高的树脂材料。通过设为这样的结构，即使在排列方向上受到了大的冲击的情况下，即使电池单元2与连接杆4之间变宽，如图2C(b)所示那样，也能够通过使被压缩的绝缘物7恢复原始的厚度而使得间隙始终被绝缘物7填充。由此，电池单元2与绝缘物7以及绝缘物7与连接杆4能够保证相互的接触状态，使摩擦力作用于这些物体之间，从而能够抑制电池单元2在排列方向上的位移。

另外，在将电池单元2的电极端子6的设置面设为上侧、即设为铅垂上方侧(z方向)时，绝缘物7的初始厚度也可以随着靠近所述上侧而变大。通过这样设置绝缘物7的初始厚度，特别是在间隙容易变宽的上侧部分，能够使摩擦力高效地发挥作用，从而能够抑制电池单元2在排列方向上的位移。

(实施例)

为了确认本发明的效果，进行了作为实施例的仿真。

图3是在仿真中使用的电池组1和固定该电池组1的夹具8的模型图。在该模型中，假设电池组1搭载在电动汽车等车辆或固定式搭载的情况。电池组1在四角通过螺栓被紧固到夹具8，夹具8是将底面完全固定的结构。在该状态下，考虑向电池组1在排列方向上给予80G的冲击的情况。

在图4所示的电池组1中，设电池单元2的侧面与连接杆4的间隙是0.1mm。作为在电池单元2与连接杆4的间隙夹入的绝缘物7使用杨氏模量为2.45GPa的树脂，初始厚度是与所述间隙相同的0.1mm的厚度以及0.105mm、0.12mm、0.14mm、0.16mm、0.18mm的厚度。关于初始厚度0.105mm～0.18mm的五个厚度，在组装电池组1时被夹在电池单元2与连接杆4之间，刚刚组装后的厚度是0.1mm。考虑各部件间的接触、摩擦，使绝缘物7与电池单元2及连接杆4之间的摩擦系数在0.2～0.8之间变化。实际设备的摩擦系数能够通过由JIS标准确定的试验方法JISK7125来测定。

针对该模型，按以下的顺序对电池组1赋予边界条件。

1)使电池单元2稍微膨胀，对电池单元2赋予捆束力。这相当于在组装电池组1时暂时压缩串联配置的电池单元2和端板3之后利用连接杆固定了两端的端板时产生的反作用力。

2)为了模拟汇流条5配置在预定的位置并被焊接的情况，对于对应的电极和汇流条的焊接面，设定为所有方向的位移相同。

3)对电池组1的四角的螺栓赋予用于固定到夹具8的螺纹紧固力，向夹具8固定电池组1。

4)在排列方向(y方向)、即串联排列了电池单元2的方向施加80G的冲击11。

以下，利用仿真结果说明本发明涉及的电池组的效果。在此，为了便于说明，在与电池单元2的排列方向(y方向)垂直的方向中，将与连接杆4的大的平面垂直的方向定义为x方向。

图4是表示在本发明的实施方式1涉及的仿真中得到的连接杆与电池单元的间隙的等高线图。在图4中，示出了绝缘物7的初始厚度为0.1mm的电池组1结构中、与连接杆4的大的平面平行的电池单元2的短侧面和连接杆4的大的平面之间的间隙(x方向上的位移差)的等高线。图中，用阴影表示的间隙在0.1以下的部位表示电池单元2和连接杆4隔着绝缘物7而相接的情况。间隙大于0.1的部位表示在绝缘物7、电池单元2、连接杆4之间产生了间隙、即变得不能确保接触的情况。由于电池组1在四角固定于夹具8的状态下在排列方向(y方向)上受到冲击，因此对电池单元在排列方向(y方向)上作用压缩的力。由此，在x方向上产生要向外侧鼓起的位移。另一方面，连接杆4也在排列方向上受到压缩的力，从而大的平面向外侧鼓起，产生x方向上的位移。连接杆4的x方向位移大的部位会产生间隙，位移小的部位可确保与电池单元2、绝缘物7的接触。由于电池组1的下侧接近固定于夹具8的点，因此电池单元2、连接杆4不易运动，所以是几乎不会产生间隙的结构。另一方面，越往上越会产生间隙，在电池单元2和连接杆4最初接触的面的大约45％的区域会产生间隙。在该区域中表现出电池单元2、绝缘物7和连接杆4的摩擦没有有效地发挥作用。另外，此时在电极与汇流条的焊接部产生的剥离力的最大值如图5A所示那样超过了允许值。

基于图4所示的结果，可认为若绝缘物7的初始厚度大于0.1mm(将压缩率设为大于0)，则在上述区域中摩擦也能有效地发挥作用。

图5A是表示在本发明的实施方式1涉及的仿真中得到的对电极和汇流条的焊接部施加的剥离力与绝缘物的压缩率之间的关系的图。图5B是表示绝缘物的摩擦系数与压缩率之间的关系的图。图5A表示计算出将初始厚度设为0.105mm～0.18mm时在电极与汇流条的焊接部产生的剥离力的最大值，并将该关系图表化的结果。在此，横轴为绝缘物的压缩率，如以下那样定义。

绝缘物的压缩率＝(绝缘物的初始厚度-电池单元和连接杆的初始间隙)/绝缘物的初始厚度

＝1-(电池单元和连接杆的初始间隙/绝缘物的初始厚度)

即，对于绝缘物7的初始厚度0.105mm、0.12mm、0.14mm、0.16mm、0.18mm，压缩率分别是0.048、0.167、0.286、0.375、0.444。另外，初始厚度为0.1mm时压缩率为零。此外，关于图5A的纵轴所示的焊接部的最大剥离力，将绝缘物7的初始厚度为0.1mm时的值设为1，作为相对于此的比率，用无量纲化焊接部剥离力来表示。根据图5可知，表现出了随着压缩率变大而焊接部的最大剥离力变小，经由被压缩的绝缘物7，摩擦有效地发挥作用，能够抑制冲击引起的电池单元2的位移。

若将图5A所示的无量纲化焊接部剥离力作为指标，则设计上的允许值小于图5A的虚线所示的0.67。在绝缘物的初始厚度为0.1mm时该值为1，超过了允许值，但是例如摩擦系数为0.4时，通过将压缩率设为0.09以上，从而能够减小允许值。因此，其成为绝缘物7所需的压缩率。此外，在摩擦系数为0.2时，即使增大压缩率，无量纲化焊接部剥离力也不会小于允许值，因此可知摩擦系数必须大于0.2。由此，根据图5A，若针对各摩擦系数求出无量纲化焊接部剥离力小于0.67的压缩率，则其关系可用图5B所示的图表来表示。若存在于图5B所示的图表的上侧的区域，则能够将焊接部的最大剥离力抑制在允许值以下，由此可知，将摩擦系数设为μ、压缩率设为ΔL时，只要满足下式的范围即可。

0.2＜μ＜0.4时ΔL>13μ²-11.55μ+2.63

0.4≤μ时ΔL>0.125μ²-0.275μ+0.18

关于绝缘物7，满足上述式子地选择材料和初始尺寸即可。作为材料，应用了橡胶或树脂，而从在电池组中使用时要求难燃性的情况出发，期望是氯丁橡胶、丁腈橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、EPDM(丙烯-乙烯)、PTFE(氟树脂)、聚氨酯、聚乙烯、聚碳酸酯、PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)、改性PPE(聚苯醚)等。若是这些材料，则大多情况下与作为金属材料的电池单元2的箱体或连接杆4的摩擦系数会大于0.4，压缩率只要大于0.1(10％)就足矣。上述以外的材料只要满足上述式子就可以使用，但是大多橡胶或树脂的极限压缩率都小于40％，因此期望摩擦系数在0.3以上。此外，根据图5A的图表可知，摩擦系数为0.2时无量纲化剥离力不会小于允许值，因此从这一点考虑，也期望摩擦系数在0.3以上。

(实施方式2)

在实施方式1中，采用的是夹入在电池单元2与连接杆4之间配置的被压缩的绝缘物7的结构，在实施方式2涉及的电池组中，结构的区别在于，组装电池组1时，绝缘物7与连接杆4或电池单元2中的一方或双方粘接。通过绝缘物7被粘接于连接杆4或电池单元2的至少一方，与只有摩擦起作用的实施方式1的情况相比，在排列方向上受到冲击时的电池单元2的位移更小。因此，能够进一步减小对在电极端子6与汇流条5之间起作用的焊接部的载荷。

另外，针对电池单元2的外表面为金属材料的情况或金属材料的连接杆4，通过将表面粗糙化，能够增大摩擦系数，能够得到比实施方式1示出的方法更好的效果。例如，作为连接杆4的材料，如果是经常使用的钢材，则将平均粗糙度Ra设为5～10μm时，摩擦系数就会变成0.4左右。若将平均粗糙度设为比10μm还大，则还能够将摩擦系数增大至某一值，但是如果部件的最外表面处的接触面积变小时，则存在电池组1受到冲击而电池单元2、绝缘物7和连接杆4间的距离变大时摩擦的效果变小的可能性。

另外，本发明包括适当组合前述的各种实施方式和/或实施例中的任意的实施方式和/或实施例的情况，能够起到各实施方式和/或实施例所具有的效果。

产业上的可利用性

本发明的电池组可应用于电动汽车、混合动力车等运输设备或家用蓄电池、应急时的备用电源等用途中。

Claims

1.一种电池组，具备：

一列的多个电池单元，在一个方向上排列；

一对端板，从所述多个电池单元的排列方向的两端夹持所述一列的所述多个电池单元；

一对连接杆，从与所述排列方向垂直的方向夹持所述多个电池单元，并且在所述排列方向的两端将所述一对端板紧固；和

绝缘物，被夹入所述连接杆与所述电池单元的间隙中，

所述绝缘物处于插入所述间隙之前的初始厚度大于所述间隙的压缩状态，

所述连接杆与所述电池单元的上表面以及下表面直接接触，为コ字状，

所述绝缘物未设置在所述电池单元的所述上表面以及所述下表面，设置在所述电池单元的与所述排列方向垂直的方向的整个侧面，

所述绝缘物与所述连接杆直接接触，并且在所述整个侧面与所述电池单元直接接触。

2.根据权利要求1所述的电池组，其中，

在将所述电池单元及所述连接杆与所述绝缘物之间的摩擦系数设为μ、将所述绝缘物的压缩率设为ΔL时，满足以下的关系：

0.2＜μ＜0.4时，ΔL＞13μ²-11.55μ+2.63；

0.4≤μ时，ΔL＞0.125μ²-0.275μ+0.18。

3.根据权利要求1所述的电池组，其中，

所述绝缘物粘接于所述连接杆或所述电池单元的至少一方。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池组，其中，

将所述电池单元的电极的设置面设为上侧时，所述绝缘物的所述初始厚度随着靠近所述上侧而变大。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的电池组，其中，

所述多个电池单元中相邻的电池单元经由所述多个电池单元的上表面的汇流条而互相连接。

6.根据权利要求4所述的电池组，其中，