JP2007087907A

JP2007087907A - 蓄電体セルのケース構造

Info

Publication number: JP2007087907A
Application number: JP2005278739A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Nabeshima; 聡宏鍋島
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】蓄電体セルをパッケージ化する際に容易に電極端子を接続することができ、且つ接続変更に対しても自由度の高いケース構造とする。
【解決手段】終端ハーフケース２０及び中間ハーフケース３０を積層した後、ボルト及びナット等の締結部材を用いてケース全体を締め付け、中間ハーフケース３０と他の中間ハーフケース３０との間の芯部材４０、及び終端ハーフケース２０と中間ハーフケース３０との間の芯部材４０に、積層方向の押圧力を与える。これにより、芯部材４０が弾性変形してケース内壁面に押圧され、その反力により、芯部材４０の外周に重ね合わされた上下の蓄電体セル１のタブが各ハーフケース２０，３０の内壁面に押圧され、タブ同士の電気的接続が確立される。
【選択図】図２

Description

本発明は、外装材によって蓄電要素を封止した平面状の蓄電体セルを収納する蓄電体セルのケース構造に関する。

近年、リチウムイオン二次電池や電気二重層コンデンサ等の略平面矩形状をなす扁平な蓄電体セルが実用化され、エネルギー密度の高さ、コンパクト化等から、各種機器の電力源として有望視されている。

この種の扁平な蓄電体セルは、内部電極及び電解質層の積層体を、例えばアルミニウム系の金属層の表面を樹脂層によって絶縁コーティングしたシート状のラミネートフィルムによって密閉・封止したものであり、この封止部分から金属の薄片状の電極端子（タブ）が延出されている。

このような蓄電体セルを、セル単体或いは複数のセルを集合した組電池としてパッケージ化する場合には、薄片状の電極端子を確実に接続する必要があり、例えば、特許文献１には、複数の電池を積層してモジュール電池とする場合に、電池の電極タブを折り曲げて略Ｌ字状とし、積層方向に隣接する電池の、折り曲げ部同士の少なくとも一部を重ね合わせて接続する技術が開示されている。
特開２００４−６３３４７号公報

しかしながら、従来、複数の蓄電体セルをケースに収納してパッケージ化するには、特許文献１に開示されているように、互いの電極端子をスポット溶接したり、バスバー等の端子部材を溶接する等してセル同士を電気的に接続する必要がある。このため、ケースの組み立て作業に加えて溶接作業を要することになり、作業工程が面倒であるばかりでなく、一旦、接続を完了すると、接続の変更が困難となる等、制約が多い。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、蓄電体セルをパッケージ化する際に容易に電極端子を接続することができ、且つ接続変更に対しても自由度の高い蓄電体セルのケース構造を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明による蓄電体セルのケース構造は、平面状の蓄電体セルを収納して積層する蓄電体セルのケース構造であって、上記蓄電体セルから延出される薄片状の電極端子が巻き付けられて積層方向の上下のセル同士の電極端子を互いに接触させる芯部材と、上記蓄電体セルを収納する収納部と、互いに積層されて上記電極端子を巻き付けた上記芯部材を押圧する電極接続部とを有するケースと、上記ケースを積層した状態で締結する締結部材とを備えたことを特徴とする。

本発明による蓄電体セルのケース構造は、蓄電体セルをパッケージ化する際に容易に電極端子を接続することができ、且つ接続変更に対しても自由度高く対処することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図７は本発明の実施の一形態に係わり、図１はモジュールケースの分解斜視図、図２はモジュールケースの側面図、図３はモジュールケースの端部拡大図、図４はモジュールケースの締め付けを示す説明図、図５は芯部材の押圧状態を示す説明図、図６はタブの押圧状態を示す説明図、図７は芯部材の変形例を示す説明図である。

図１に示すモジュールケース１０は、リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタ等の略平面矩形状をなす扁平な蓄電体セル１を単セル毎に収納して積層し、モジュール化するものであり、ケース自体に個々の蓄電体セル１の電極を接続する電極接続構造を備えている。このモジュールケース１０は、全体が略矩形状に形成されており、積層方向の上下両側でモジュール端子としての終端電極板５０をセットするための終端ハーフケース２０、蓄電体セル１を収納すると共に積層方向で上下の蓄電体セル１を互いに電気的に接続するための中間ハーフケース３０、各蓄電体セル１の電極同士を巻き付けて電気的に接続するための芯部材４０を備えている。

終端ハーフケース２０及び中間ハーフケース３０は、例えば、絶縁性の樹脂材料等から形成され、必要に応じて金属等で補強される。これらのハーフケース２０，３０は、電圧仕様や容量仕様等に応じた個数の蓄電体セル１を収納する段数だけ積層され、ボルト・ナット等の締結部材によって締結される。すなわち、各ハーフケース２０，３０を積層した後、各ハーフケース２０，３０の４隅に設けられた貫通孔６０にボルトを挿通してナット等により全体を締結することにより、モジュールケース１０として組み立てられる。そして、モジュールケース１０単体で、或いは複数のモジュールケース１０を接続してパッケージ化することにより、各種の電源装置、例えば、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）等の電源装置等に用いることができる。

以下、本形態においては、３組の中間ハーフケース３０と２組の終端ハーフケース２０とを用いて４個の蓄電体セル１を収納し、モジュールケース１０を構成する例について説明する。

尚、各ハーフケース２０，３０は、以下に説明するように、長手方向の両側（短辺側）が非対称で、１８０度回して交互に積層される。図１においては、蓄電体セル１の両側に配置された正・負極の２つのタブ４，４に対して、一方のタブ４に対する接続構造を示し、他方のタブ４の接続構造は、同様であるため、図示を省略している。

蓄電体セル１は、平面ラミネート型リチウムイオン二次電池に代表されるように、内部電極及び電解質層の積層体を、例えばアルミニウム系の金属層の表面を樹脂層によって絶縁コーティングしたシート状のラミネートフィルムによって密閉・封止している。蓄電体セル１の外観構成としては、電解質層及び電極の積層体からなる蓄電要素をラミネートフィルムからなる外装材で包込んで矩形状に形成された蓄電部２、蓄電部２の周囲に外装材をシート状に延設した封止部３、封止部３の両端から露呈される正，負の電極端子として２つのタブ４，４が備えられている。蓄電部２は蓄電体１全体の厚さを規定する最も肉厚な部分であり、タブ４，４は封止部３よりも更に薄く、金属の薄片で形成されている。

以上の蓄電体セル１は、柔軟且つ可撓性を有するセル構造であるため、取扱い上及び保護の観点から、所定セル数毎にモジュールケース１０に収納される。モジュールケース１０は、蓄電体セル１を収納して積層する収納積層構造と、各蓄電体セル１のタブ４同士の接続及びタブ４と外部接続用のモジュール端子としての終端電極板５０との接続を行う電極接続構造とを同時に備えている。

具体的には、図１〜図３に示すように、モジュールケース１０の主要部となる中間ハーフケース３０は、長手方向に略矩形状の凹部をなして蓄電体セル１の蓄電部２の一面側を収納・保持するセル収納部３１を中央に有し、長手方向の両側（短辺側）が非対称で、１８０度回して交互に積層される構造に形成されている。

すなわち、中間ハーフケース３０の長手方向の一端には、タブ４を他の中間ハーフケース３０との間に押圧してタブ４を接続するためのタブ接続部３２，３３が上下に設けられ、長手方向の他端には、他の中間ハーフケース３０のタブ接続部３２，３３の幅よりも広い幅で矩形状の切欠き部３４が設けられている。後述するように、切欠き部３４の底部３４ａには、芯部材４０が当接される。

タブ接続部３２，３３は、一方のタブ接続部３２が積層方向にタブ４の幅よりも若干広い幅で立ち上げられた側壁部３２ａと、この側壁部３２ａから内側（収納面側）に向かって下降する傾斜部３２ｂとを有している。また、他方のタブ接続部３３は、側壁部３２ａと略同じ幅で反対方向に爪状に立ち上げられ、他の中間ハーフケース３０の側壁部３２ａの内側に嵌合される壁部３３ａと、この壁部３３ａの稜線から内側に下降する傾斜部３３ｂとを有している。

同様に、終端ハーフケース２０も長手方向の両側（短辺側）が非対称に形成され、１８０度回して積層される構造に形成されている。終端ハーフケース２０の中央部には、蓄電体セル１の蓄電部２の一面側を収納・保持するセル収納部２１が設けられ、長手方向一端側には、モジュール端子としての板状の終端電極板５０を収納する終端電極接続部２２が設けられている。

終端電極接続部２２は、終端電極板５０の形状に合わせて形成され、矩形状の凹部をなす収納部２２ａと、短辺に沿って終端電極板５０をケース外に延出するための溝部２２ｂとを有している（図１参照）。収納部２２ａは、終端ハーフケース２０の短辺側で中間ハーフケース３０の側壁部３２ａ及び壁部３３ａの幅よりも若干大きい幅で開口され、その開口部に、側壁部３２ａ或いは壁部３３ａが嵌合されるように構成されている。

一方、終端ハーフケース２０の長手方向他端側は、中間ハーフケース３０のタブ接続部３３と略同様の形状に形成され、中間ハーフケース３０の側壁部３２ａの内側に嵌合される壁部２３ａと、この壁部２３ａの稜線から内側に下降する傾斜部２３ｂとを有するタブ接続部２３として形成されている。

終端ハーフケース２０のタブ接続部２３と中間ハーフケース３０のタブ接続部３２，３３との間、及び中間ハーフケース３０のタブ接続部３２と他の中間ハーフケース３０のタブ接続部３３との間には、上下の蓄電体セル１のタブ４が巻き付けられる棒状の芯部材４０が配設される。芯部材４０は、ゴム等の柔軟性のある材料、金属或いは樹脂材料で弾性変形可能な形状（例えば楕円形の断面形状）に形成され、モジュールケース全体を締結したとき、その締め付け力に対して反力を発生し、互いに重ね合わされた上下の蓄電体セル１のタブ４をケース内壁面に押圧して電気的接続を確立する。

次に、蓄電体セル１を収納するモジュールケース１０の組み付けについて説明する。尚、前述したように、本形態においては、モジュールケース１０は、３組の中間ハーフケース３０と２組の終端ハーフケース２０とを用いて４個の蓄電体セル１を収納するものとする。

先ず、最下層となる終端ハーフケース２０の終端電極接続部２２に、終端電極板５０を取り付け、セル収納部２１に蓄電体セル１の蓄電部２の下面側を収納してタブ４を終端電極板５０の上に重ねる。そして、終端ハーフケース２０の上に、中間ハーフケース３０（２層目の中間ハーフケース３０）を重ね、この２層目の中間ハーフケース３０の下面側のセル収納部３１に蓄電部２の上面側を収納し、長手方向一端側に設けたタブ接続部３３基部の平面部をタブ４上に重ねる。このとき、終端ハーフケース２０のタブ接続部２３と、２層目の中間ハーフケース３０の長手方向他端側に設けた切欠き部３４の底部３４ａとの間に芯部材４０を配設し、この芯部材４０にタブ４を巻き付ける。

次に、２層目の中間ハーフケース３０の上面側に、２層目の蓄電体セル１を配設し、この２層目の蓄電体セル１の蓄電部２の下面側をセル収納部３１に収納すると共に、２層目の蓄電体セル１のタブ４を、１層目の蓄電体セル１のタブ４に重ねて芯部材４０に巻き付ける。更に、２層目の中間ハーフケース３０の上に、３層目の中間ハーフケース３０を積層する。

３層目の中間ハーフケース３０は、２層目の中間ハーフケース３０に対して長手方向の位置関係が逆になるように１８０度回して配置し、下面側となるタブ接続部３３を、最下層の終端ハーフケース２０のタブ接続部２３と２層目の中間ハーフケース３０の切欠き部３４の底部３４ａとの間に配置された芯部材４０（１層目及び２層目の一方のタブ４が重ねて巻き付けられている）の上に配置する。このとき、３層目の中間ハーフケース３０の長手方向他端側には、切欠き部３４の底部３４ａに当接するように芯部材４０を配設し、この芯部材４０に、２層目の蓄電体セル１の他方のタブ４を巻き付ける。

更に、３層目の中間ハーフケース３０の上面側に、３層目の蓄電体セル１を配設し、この３層目の蓄電体セル１の蓄電部２の下面側をセル収納部３１に収納すると共に、３層目の蓄電体セル１のタブ４を、２層目の蓄電体セル１のタブ４に重ねて芯部材４０に巻き付ける。そして、３層目の中間ハーフケース３０の上に、４層目の中間ハーフケース３０を積層する。

この４層目の中間ハーフケース３０は、３層目の中間ハーフケース３０に対して１８０度回転して２層目の中間ハーフケース３０と同じ向きになるように配置し、下面側となるタブ接続部３３を、２層目の中間ハーフケース３０のタブ接続部３２と３層目の中間ハーフケース３０の切欠き部３４の底部３４ａとの間に配置された芯部材４０（２層目及び３層目の一方のタブ４が重ねて巻き付けられている）の上に配置する。このとき、４層目の中間ハーフケース３０の長手方向他端側には、切欠き部３４の底部３４ａに当接するように芯部材４０を配設し、この芯部材４０に、３層目の蓄電体セル１の他方のタブ４を巻き付ける。

そして、４層目の中間ハーフケース３０の上面側に、４層目の蓄電体セル１を配設し、この４層目の蓄電体セル１の蓄電部２の下面側をセル収納部３１に収納すると共に、４層目の蓄電体セル１のタブ４を、３層目の蓄電体セル１のタブ４に重ねて芯部材４０に巻き付ける。最後に、４層目の中間ハーフケース３０の上に、終端電極板５０をセットした終端ハーフケース２０を積層し、下面側となるタブ接続部２３を、３層目の中間ハーフケース３０のタブ接続部３２と４層目の中間ハーフケース３０の切欠き部３４の底部３４ａとの間に配置された芯部材４０（３層目及び４層目の一方のタブ４が重ねて巻き付けられている）の上に配置する。

モジュールケース１０の積層が完了した後は、図４に示すように、ボルト７０及びナット８０等の締結部材を用いてケース全体を締め付ける。図５に示すように、ボルト７０及びナット８０による締結力は、中間ハーフケース３０と他の中間ハーフケース３０との間の芯部材４０、及び終端ハーフケース２０と中間ハーフケース３０との間の芯部材４０に、積層方向の押圧力として与えられる。

そして、積層方向の押圧力により、図６に示すように、芯部材４０が弾性変形してケース内壁面に押圧され、その反力により、芯部材４０の外周に重ね合わされた上下の蓄電体セル１のタブ４が各ハーフケース２０，３０の内壁面に押圧される。このとき、各ハーフケース２０，３０のタブ接続部２３，３２，３３に、それぞれ設けられた傾斜部２３ｂ，３２ｂ，３３ｂにより、積層方向のケース締結力がタブ４を芯部材４０に押し付ける押圧力に効果的に変換され、タブ４同士の電気的接続を良好に維持することができる。

尚、芯部材４０としては、図１〜図６に図示した楕円の断面形状のもの以外に、種々の形状のものを適用することが可能である。例えば、図７に示すように、芯部材４０に代えて金属材料で形成した芯部材１００を用い、この芯部材１００を略矩形枠の一辺を開口した断面形状とすることにより、弾性を持たせるようにしても良い。更には、芯部材を、弾性を有しない材料或いは形状とすることも可能である。

以上のように、本実施の形態においては、蓄電体セル１をケースに収納して積層した後、ケース全体を締結するだけで各蓄電体セル１の電気的な接続が完了する。すなわち、通常のケース組み立て作業で蓄電体セル１を電気的に接続してモジュール化（パッケージ化）することができ、生産性を向上させることができる。しかも、セル以外の外装構造を必要最低限として重量増加を最小限に抑えることができ、装置全体のエネルギー密度やパワー密度を向上することができる。

また、蓄電体セル１の電極端子を溶接する等して取り外しができなくなるといったことがなく、接続変更にも柔軟に対応することができ、より自由度の高い蓄電体パッケージを構築することができ、モジュール及びパッケージ化における生産性向上と、接続変更にも柔軟に対応可能な由度の高いモジュール及びパッケージの構築とを実現することができる。更には、タブ４をケース内壁と芯部材４０の外周との間に挟み込むことから、溶接による接続に比較して接触面積を大きくすることが可能であり、接触抵抗を小さくして確実な電気的性能を得ることができ、信頼性を向上することができる。

モジュールケースの分解斜視図モジュールケースの側面図モジュールケースの端部拡大図モジュールケースの締め付けを示す説明図芯部材の押圧状態を示す説明図タブの押圧状態を示す説明図芯部材の変形例を示す説明図

符号の説明

１蓄電体セル
２蓄電部
４タブ
１０モジュールケース
２１，３１セル収納部
２３，３２，３３タブ接続部
２３ｂ，３２ｂ，３３ｂ傾斜部
４０芯部材
７０ボルト
８０ナット

Claims

平面状の蓄電体セルを収納して積層する蓄電体セルのケース構造であって、
上記蓄電体セルから延出される薄片状の電極端子が巻き付けられて積層方向の上下のセル同士の電極端子を互いに接触させる芯部材と、
上記蓄電体セルを収納する収納部と、互いに積層されて上記電極端子を巻き付けた上記芯部材を押圧する電極接続部とを有するケースと、
上記ケースを積層した状態で締結する締結部材とを備えたことを特徴とする蓄電体セルのケース構造。
上記ケースの電極接続部に、積層方向に対して傾斜した傾斜面を設けたことを特徴とする請求項１記載の蓄電体セルのケース構造。
上記芯部材を、弾性変形可能に形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の蓄電体セルのケース構造。