JP2008146998A - 電池モジュール、電池ケース、電池ケースの巻き締め装置および巻き締め方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バスバーの接続経路を単純化しても同種類のモジュールで対応することができ、出力電極の短絡を防止することができる電池モジュールを提供する。
【解決手段】複数の単電池１０の積層体２０と、単電池積層体２０を収容する電池ケース４０と、から構成された電池モジュール３０であって、電池ケース４０は、上部が開口された箱体状の下部ケース４２と、下部が開口された箱体状の上部ケース４１と、に分割形成され、上下ケース４１、４２の開口側を合わせるように電池ケース４０内に単電池積層体２０を収容し、単電池積層体２０の積層方向の中間部において上下ケース４１、４２の開口端縁部を二重巻き締めして接合部４３を形成し、単電池積層体２０を封止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池ケース内に電池を収容した電池モジュール、電池を収容する電池ケース、該電池ケースの接合部を二重巻き締めする巻き締め装置および巻き締め方法に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される二次電池として、金属製の電池ケース内に複数の単電池を収容して巻き締め封止した電池モジュールが提案されている（特許文献１参照）。

この種の電池ケースは、製缶技術における巻き締め接合（二重巻き締め）を応用した接合構造を採用している。すなわち、電池ケースは、ケース本体（缶胴）と蓋体（缶蓋）とにより構成され、ケース本体内に複数の単電池を収容して蓋体により押さえ、ケース本体の開口端縁部と蓋体の端縁部とを二重巻き締め接合して電池を封止している。
特開平８−２２２１９６号公報

ところで、従来の巻き締め封止された電池ケースを有する電池モジュールでは、電池ケースの巻き締め接合部が蓋体側に片寄って突設しており、電池モジュールが全体として上下非対称な形状を呈している。したがって、電池モジュール同士を直列接続して組電池を構成する場合に、電池モジュールを整列させ、かつバスバーによる接続経路を短縮して単純化するためには、左右の出力電極で極性の異なる二種類の電池モジュールを作製する必要があった。

このような電池モジュールでは、出力電極が電池ケースから外部へ突設し露出しており、組電池の製造工程において、短絡防止のために電極を保護する必要があった。

また、上記電池ケースのケース本体の側壁は電池（単電池積層体）の厚み以上の高さを有しており、このケース本体には、出力電極や電圧検出端子の取り出しのために数箇所の切欠き部を形成する必要がある。さらに、ケース本体と蓋体との断面形状が異なるので、外力に対する曲げ剛性が非対称であった。したがって、巻き締め装置による巻き締め接合時にケース本体の側壁が座屈し易かった。

本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、バスバーの接続経路を単純化しても同種類のモジュールで対応することができ、出力電極の短絡を防止することができる電池モジュール、ケース側壁の座屈を防止することができる電池ケース、該電池ケースの巻き締め装置および巻き締め方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る電池モジュールは、電池と、該電池を収容する電池ケースと、から構成され、前記電池ケースは、上部が開口された箱体状の下部ケースと、下部が開口された箱体状の上部ケースと、に分割形成され、上下ケースの開口側を合わせるように前記電池ケース内に前記電池を収容し、前記電池の厚さ方向の中間部において上下ケースの開口端縁部を二重巻き締め接合して、前記電池の厚さ寸法の範囲内に接合部を形成し、前記電池を封止したことを特徴とする。

本発明に係る電池モジュールによれば、電池を収容する電池ケースが、上部が開口された箱体状の下部ケースと、下部が開口された箱体状の上部ケースと、に分割形成され、上下ケースの開口側を合わせるようにして前記電池の厚さ方向の中間部において上下ケースの開口端縁部が二重巻き締め接合される。したがって、電池ケースの巻き締め接合位置に片寄りがないので、適宜、電池モジュールの上下を逆に配置可能であり、バスバーの接続経路を単純化しても同種類のモジュールで対応することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係る電池モジュールの一実施の形態を示し、（ａ）は正面から見た断面図、（ｂ）は右側面から見た断面図である。図２は本実施の形態に係る電池モジュールの外観を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図である。図３は扁平型電池の一例の斜視図である。なお、図１および図２において、理解を容易にするために、電池ケース３０の肉厚や巻き締め接合部４３等を実際よりも大きく誇張して図示している。

図１から図３を参照して、電池モジュール３０は、後述する組電池（電池パック）８０を組み立てる際の単位ユニットをなし（図８および図９参照）、金属製の電池ケース４０内に電池２０が収容されている。本実施の形態では、電池２０は、電気的に接続された複数枚の扁平型電池（単電池）１０の積層体（単電池積層体）として構成されている。なお、電池モジュール３０は、電気的に接続された複数の単電池を備える点において組電池の一種であるが、本明細書においては、後述する組電池８０を組み立てる際の単位ユニットであって、複数の単電池１０を電池ケース４０内に収容してなるユニットを「電池モジュール」と称することとする。

図３を参照して、扁平型電池（単電池）１０は、たとえば、扁平なリチウムイオン二次電池であり、正極板、負極板、およびセパレータを順に積層した積層型の発電要素（図示せず）がラミネートフィルムなどの外装材１０ａによって封止されている。電池１０は、発電要素に一端が電気的に接続されるとともに板状をなす電極タブ１０ｔ（プラス側電極タブ１０ｐおよびマイナス側電極タブ１０ｍの総称）が外装材１０ａから外部に導出されている。タブ１０ｔは、電池１０の長手方向の両側に延びている。積層型の発電要素を備える電池１０にあっては、電極板間の距離を均一に保って電池性能の維持を図るために、発電要素に圧力を掛けて押さえる必要がある。このため、単電池積層体２０を構成する各電池１０は、発電要素が押さえ付けられるように電池ケース４０内に収納される。

図１および図２を参照して、電池ケース４０は、たとえばステンレス鋼により構成され、上部が開口された箱体状（矩形凹状）の下部ケース４２と、下部が開口された箱体状（矩形凹状）の上部ケース４１と、に分割形成されている。上下ケース４１、４２の開口端縁部には、巻き締め接合を行う巻き締め片４４、４５が外側方へ張り出すように形成されている（図６参照）。なお、巻き締め片４４、４５の形状については後述する。

電池ケース４０は、上下ケース４１、４２の開口側を合わせて内部に単電池積層体２０を収容し、該単電池積層体２０の厚さ方向（積層方向）の中間部、本実施形態では中央部において上下ケース４１、４２の開口端縁部の巻き締め片４４、４５を二重巻き締めして、電池ケース４０の厚さ寸法の範囲内に接合部４３を形成することにより、単電池積層体２０を封止している。単電池積層体２０の前面には正負の出力電極（出力端子）５１、５２が突設されており、該出力端子５１、５２は電池ケース４０内に配置されている。そして、電池ケース４０の前面壁の上記出力電極５１、５２に対応する部位には切り欠き部６１、６２が形成され、これらの切欠き部６１、６２を通して、後述するバスバー９３が出力電極５１、５２に接続されることになる（図８および図９参照）。

次に、図４から図５を参照して、電池ケース４０の巻き締め装置および巻き締め方法を説明する。図４は本実施の形態に係る電池モジュールの製造に用いる巻き締め装置である。図５から図７は本実施の形態に係る巻き締め方法を示し、図５（ａ）は下部ケース保持治具内に下部ケースを保持した状態の説明図、図５（ｂ）は下部ケース内に単電池積層体を収容した状態の説明図、図６は下部ケース内に収容した単電池積層体の上部を上部ケースで被った状態の説明図、図７は巻き締め接合直前の状態の説明図である。

図４を参照して、本実施の形態の巻き締め装置７０は、上記電池ケース４０の上下ケース４１、４２の開口側を合わせて、上下ケース４１、４２の開口端縁部の巻き締め片４４、４５（図６参照）を二重巻き締め接合する装置である。この巻き締め装置７０は、上部ケース４１の外側面を被って保持する上部ケース保持治具７１と、下部ケース４２の外周面を被って保持する下部ケース保持治具７２と、を備えている。上部ケース保持治具７１は、上部ケース４１を内部に保持して外側面を支承するように、下部が開口された箱体状（矩形凹状）の治具である。この上部ケース保持治具７１は、装置上方に設けられた固定側のアンビル７４にその開口部を下方に臨ませて支持されている。一方、下部ケース保持治具７２は、下部ケース４２を内部に保持して外側面を支承するように、上部が開口された箱体状（矩形凹状）の治具である。この下部ケース保持治具７２は、装置下方に設けられた移動側のリフター７５上にその開口部を上方に臨ませて支持されており、上記リフター７５によって昇降可能に設けられている。

また、上ケース保持治具７２の下端位置の側方には、上部ケース保持治具７１および下部ケース保持治具７２によって保持された上下ケース４１、４２の開口端縁部の巻き締め片４４、４５を二重巻き締めして接合部４３を形成する巻き締めローラ７６が備えてられている。

以上のように構成された巻き締め装置７０を用いて、本実施の形態に係る電池ケース４０の巻き締め方法は次のように実施される。

図５（ａ）を参照して、本実施の形態に係る電池ケース４０の巻き締め方法は、まず、移動側のリフター７５上に支持され、上部が開口された箱体状の上部ケース保持治具７２内に、同様に上部が開口された箱体状の下部ケース４２を保持する。この下部ケース４２の開口縁部には、外側方に張り出した直状の下巻き締め片４５が斜め上方に臨むように形成されている。さらに、図５（ｂ）を参照して、この下部ケース４２内に単電池積層体２０を収容する。

次に、図６を参照して、下部ケース４２内に収容した単電池積層体２０の上部を下部が開口された箱体状の上部ケース４１で被う。この上部ケース４２の開口縁部には、外側方に張り出した略Ｌ字状の上巻き締め片４４が下方に屈曲部を臨ませて形成されている。上部ケース４１を被せる際、上下ケース４１、４２の開口側を合わせて、略Ｌ字状の上巻き締め片４４の屈曲部が下巻き締め片４５の先端部近傍に載るように位置合わせを行う。上巻き締め片４４および下巻き締め片４５の形状は例示であって、図示の形状に限るものではなく、二重巻き締め接合し易いように形状を様々に工夫することができる。

そして、図７を参照して、固定側のアンビル７４に支持され、下部が開口された箱体状の上部ケース保持治具７１内に、上記リフター７５を上昇させて、単電池積層体２０の上部を被う上部ケース４１を保持する。

その後、双方の保持治具７１、７２から外側方へ露出した上下ケース４１、４２の巻き締め片４４、４５を巻き締めローラ７６により二重巻き締めして、単電池積層体２０の積層方向の中央部に接合部４３を形成する（図４参照）。なお、図４および図７において、１台の巻き締めローラ７６が図示されているが、１対の巻き締めローラ７６を対向させて配置してもよい。

次に、上記電池モジュール３０を適宜配列して電気的に接続し、組電池８０を組み立てる場合について説明する。図８は本実施の形態に係る電池モジュールを１０個配列して組電池を組み立てた状態の正面図である。図９は本実施の形態に係る電池モジュールを１２個配列して組電池を組み立てた状態の正面図である。図１０は本実施の形態に係る電池モジュールのバスバー接続状態を示す概略図である。

図８および図９を参照して、電池モジュール３０を任意の個数直並列に接続することによって、所望の電流、電圧、容量に対応できる組電池８０が構成される。組電池８０として配列された各電池モジュール３０は、接続時の電気抵抗を小さくするため、基本的に最短距離で、つまり隣り合うモジュール同士でその正極５１と負極５２とが接続される。

図８の組電池８０は、合計１０個の電池モジュール３０を含んでおり、上段電池群８１および下段電池群８３で構成されている。上段電池群８１および下段電池群８３には、出力電極５１、５２を同一面側（前面側）へ向けた状態で、それぞれ５個（列）の電池モジュール３０が行列（横列）されている。

図８において、下段電池群８３の左から１列目の電池モジュール３０ａの正極５１には、組電池（電池パック）８０のプラス出力端子９１が接続されている。下段電池群８３の左から１列目の電池モジュール３０ａの負極５２と、左から２列目の電池モジュール３０ｂの正極５１とは、横方向（行方向）のバスバー９３によって最短距離で接続されている。同様にして、２列目の電池モジュール３０ｂから右方向へ５列目の電池モジュール３０ｅまで横方向のバスバー９３で接続している。

上段電池群８１は、下段電池群８３に対して上下（天地）を転倒させた状態で行列され、上下の電池モジュール３０、３０で左右の極性が異なっている。下段電池群８３の左から５列目の電池モジュール３０ｅの負極５２と、上段電池群８１の左から５列目の電池モジュール３０Ｅの正極５１とは、縦方向（列方向）のバスバー９３で接続されている。さらに、上段電池群８１の左から５列目の電池モジュール３０Ｅの負極５２と、左から４列目の電池モジュール３０Ｄとは、安全スイッチ９４で接続されている。

上段電池群８１において、左から４列目の電池モジュール３０Ｄから左方向へ１列目の電池モジュール３０Ａまで横方向のバスバー９３で接続している。そして、上段電池群８１の左から１列目の電池モジュール３０Ａの負極５２には、組電池（電池パック）８０のマイナス出力端子９２が接続されている。

図９の組電池８０は、合計１０個の電池モジュール３０を含んでおり、上段電池群８１、中段電池群８２および下段電池群８３で構成されている。上段電池群８１、中段電池群８２および下段電池群８３は、出力電極５１、５２を同一面側（前面側）へ向けた状態で、それぞれ４個（列）の電池モジュール３０が行列（横列）されている。

図９において、中段電池群８２の左から１列目の電池モジュール３０ｙａの正極５１には、組電池（電池パック）８０のプラス出力端子９１が接続されている。中段電池群８２の左から１列目の電池モジュール３０ｙａの負極５２と、２列目の電池モジュール３０ｙｂの正極５１とは、横方向（行方向）のバスバー９３によって最短距離で接続されている。同様にして、左から２列目の電池モジュール３０ｙｂと３列目の電池モジュール３０ｙｃとは、横方向のバスバー９３で接続している。

上段電池群８１および下段電池群８３は、中段電池群８２に対して上下転倒させた状態で行列され、上段と中段、中段と下段とで電池モジュール３０、３０で左右の極性が異なっている。中段電池群８２の左から３列目の電池モジュール３０ｙｃの負極５２と、下段電池群８３の左から３列目の電池モジュール３０ｚｃの正極５１とは、縦方向（列方向）のバスバー９３で接続されている。さらに、左方向へ下段電池群８３の左から１列目の電池モジュール３０ｚａまで横方向のバスバー９３で接続している。そして、下段電池群８３の左から１列目の電池モジュール３０ｚａの負極５２と、左から４列目の電池モジュール３０ｚｄの正極５１とは、安全スイッチ９４で接続されている。

下段電池群８３の左から４列目の電池モジュール３０ｚｄの負極５２と、中段電池群８２の左から４列目の電池モジュール３０ｙｄの正極５１とは、縦方向のバスバー９３で接続されている。さらに、中段電池群８２の左から４列目の電池モジュール３０ｙｄの負極５２と、上段電池群８１の左から４列目の電池モジュール３０ｘｄの正極５１とは、縦方向のバスバー９３で接続されている。

上段電池群８１において、左から４列目の電池モジュール３０ｘｄから左方向へ１列目の電池モジュール３０ｘａまで横方向のバスバー９３で接続している。そして、上段電池群８１の左から１列目の電池モジュール３０ｘａの負極５２には、組電池（電池パック）８０のマイナス出力端子９２が接続されている。

図１０を参照して、本実施の形態に係る電池モジュール３０は出力電極５１、５２が電池ケース４０内に配置されているので、隣接配置した電池モジュール３０、３０の出力電極５１、５２同士の電気的接続は門型のバスバー９３を用いて行う。門型バスバー９３の両端部は相反する方向に張り出しており、その張出部９３ａ、９３ｂが電池ケース４０の切欠き部６１、６２からケース内に挿入され、出力電極５１、５２への接続部となる。この門型バスバー９３の張出部９３ａ、９３ｂには不図示の貫通孔が形成され、たとえば、ボルト９５によって出力電極５１、５２に固定される。

次に、本実施の形態に係る電池モジュール３０および電池ケース４０の作用効果を説明する。以下の説明においては、作用効果の明確化のために、従来構造の電池モジュール１３０およびこれを用いて組電池１８０を形成する場合と比較する。図１１（ａ）は従来の電池モジュールの外観を示す正面図、（ｂ）は正面から見た断面図である。図１２は従来の電池モジュールを１０個配列して組電池を組み立てた状態の正面図である。図１３は従来の電池モジュールを１２個配列して組電池を組み立てた状態の正面図である。

図１１を参照して、既述したように、従来の電池モジュール１３０では、電池ケース１４０がケース本体１４２と蓋体１４１とから構成され、これらを接合する巻き締め接合部１４３が蓋体１４１側に片寄っており、電池モジュール１３０が全体として上下非対称な形状を呈している。すなわち、巻き締め接合部１４３が蓋体１４１の上方に突設しており、出力電極５１、５２が下方側へ片寄っている。したがって、電池モジュール１３０を整列させ、かつバスバー１９３による接続経路を短縮して単純化するためには、左右の出力電極５１、５２で極性の異なる二種類の電池モジュール１３０Ａ、１３０Ｂを作製する必要があった（図１２および図１３参照）。

これに対し、本実施の形態に係る電池モジュール３０によれば、電池ケース４０が、上部が開口された箱体状の下部ケース４１と、下部が開口された箱体状の上部ケース４２と、に分割形成され、上下ケース４１、４２の開口側を合わせるようにして、単電池積層体２０の積層方向の中間部において上下ケース４１、４２の開口端縁部の巻き締め片４４、４５が二重巻き締めされ、接合部４３が形成される。したがって、上下ケース４１、４２が略等しい形状を有し、電池ケース４０の巻き締め接合部４３の位置に概ね片寄りがなく、接合部４３が電池ケース４０の厚さ方向の範囲内にあるので、適宜、電池モジュール３０の上下を逆に転倒配置可能であり、バスバー９３の接続経路を単純化しても同種類のモジュール３０で対応することができる。

また、従来の電池モジュール１３０では、出力電極５１、５２が電池ケース１４０から外部へ突設し露出している。したがって、組電池１８０の製造工程において、短絡防止のために端子カバー等を用いて出力電極５１、５２を保護する必要があった。

これに対し、本実施の形態に係る電池モジュール３０によれば、出力電極５１、５２が電池ケース４０内に配置され、外部へ露出していないので、短絡防止のために出力電極５１、５２を保護する必要がなく、取り扱いが容易である。

さらに、従来の電池ケース１４０のケース本体１４２の側壁は単電池積層体２０の厚み以上の高さを有している。このケース本体１４２には、出力電極５１、５２や電圧検出端子の取り出しのために数箇所の切欠き部を形成する必要があり、ケース本体１４２と蓋体１４１との断面形状が異なるので、外力に対する曲げ剛性が上下非対称である。したがって、巻き締め装置による巻き締め接合時にケース本体１４２の側壁が座屈し易かった。

これに対し、本実施の形態に係る電池ケース４０によれば、上述したように、電池ケース４０の巻き締め接合部４３の位置に片寄りがないので、外力に対する曲げ剛性が上下で略対称となり、外部入力に対して耐性が向上する。また、電池ケース１４０の上下ケース４１、４２の側壁は単電池積層体２０の厚みの略半分の高さとなるので、巻き締め時の座屈耐性を向上させることができる。

なお、上記の実施の形態では、電池モジュール３０を２段５列および３段４列に配置した組電池８０を例示したが、これに限られず、電池モジュール３０を任意の段（行）と列に配置した組電池であっても本発明の適用は可能である。

また、上記の実施の形態では、すべての電池モジュール３０を直列接続して組電池８０を形成しているが、たとえば、複数個の電池モジュール３０を並列接続し、これを直列に接続するなど、電池モジュール３０、３０同士の接続形態は適宜変更可能であることは言うまでもない。

本発明に係る電池モジュールの一実施の形態を示す断面図である。 本実施の形態に係る電池モジュールの外観を示す正面図および右側面図である。 扁平型電池の一例の斜視図である。 本実施の形態に係る電池モジュールの製造に用いる巻き締め装置である。 （ａ）は下部ケース保持治具内に下部ケースを保持した状態の説明図、（ｂ）は下部ケース内に単電池積層体を収容した状態の説明図である。 下部ケース内に収容した単電池積層体の上部を上部ケースで被った状態の説明図である。 巻き締め接合直前の状態の説明図である。 本実施の形態に係る電池モジュールを１０個配列して組電池を組み立てた状態の正面図である。 本実施の形態に係る電池モジュールを１２個配列して組電池を組み立てた状態の正面図である。 本実施の形態に係る電池モジュールのバスバー接続状態を示す概略図である。 （ａ）は従来の電池モジュールの外観を示す正面図、（ｂ）は正面から見た断面図である。 従来の電池モジュールを１０個配列して組電池を組み立てた状態の正面図である。 従来の電池モジュールを１２個配列して組電池を組み立てた状態の正面図である。

符号の説明

１０ 単電池、
２０ 単電池積層体、
３０ 電池モジュール、
４０ 電池ケース、
４１ 上部ケース、
４２ 下部ケース、
４３ 接合部、
４４ 上巻き締め片、
４５ 下巻き締め片、
５１ 出力電極（正極）、
５２ 出力電極（負極）、
７０ 巻き締め装置、
７１ 上ケース保持治具、
７２ 下ケース保持治具、
７４ アンビル、
７５ リフター、
７６ 巻き締めローラ
８０ 組電池、
９３ バスバー。

Claims (6)

1. 電池と、該電池を収容する電池ケースと、から構成され、
   前記電池ケースは、上部が開口された箱体状の下部ケースと、下部が開口された箱体状の上部ケースと、に分割形成され、
   上下ケースの開口側を合わせるように前記電池ケース内に前記電池を収容し、前記電池の厚さ方向の中間部において上下ケースの開口端縁部を二重巻き締めして前記電池の厚さ寸法の範囲内に接合部を形成し、前記電池を封止したことを特徴とする電池モジュール。
2. 前記電池ケース内に、前記電池の出力電極が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記電池が複数の単電池の積層体であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電池モジュール。
4. 電池を収容する電池ケースであって、
   上部が開口された箱体状の下部ケースと、下部が開口された箱体状の上部ケースと、に分割形成され、
   上下ケースの開口側を合わせて内部に前記電池を収容し、前記電池の厚さ方向の中間部において上下ケースの開口端縁部を二重巻き締めして前記電池の厚さ寸法の範囲内に接合部を形成することを特徴とする電池ケース。
5. 上部が開口された箱体状の下部ケースと、下部が開口された箱体状の上部ケースと、からなる電池ケースの上下ケースの開口側を合わせて、上下ケースの開口端縁部を二重巻き締め接合する電池ケースの巻き締め装置であって、
   前記上部ケースの外側面を被って保持すべく、下部が開口された箱体状の上部ケース保持治具と、
   前記下部ケースの外周面を被って保持すべく、上部が開口された箱体状の下部ケース保持治具と、
   前記上部ケース保持治具の開口部を下方に臨ませて支持する固定側のアンビルと、
   前記下部ケース保持治具の開口部を上方に臨ませて支持する移動側のリフターと、
   前記上下ケースの開口端縁部を二重巻き締め接合する巻き締めローラと、
   を備えていることを特徴とする電池ケースの巻き締め装置。
6. 上部が開口された箱体状の下部ケースと、下部が開口された箱体状の上部ケースと、からなる電池ケースの上下ケースの開口側を合わせて、上下ケースの開口端縁部を二重巻き締め接合する電池ケースの巻き締め方法であって、
   移動側のリフターに支持され、上部が開口された箱体状の下部ケース保持治具内に下部ケースを保持する工程と、
   該下部ケース内に電池を収容すると共に、その上部を下部が開口された箱体状の上部ケースで被い、上下ケースの開口側を合わせる工程と、
   固定側のアンビルに支持され、下部が開口された箱体状の上部ケース保持治具内に、前記リフターを上昇させて上部ケースを保持する工程と、
   双方の治具から露出した上下ケースの開口端縁部を巻き締めローラにより二重巻き締め接合する工程と、
   を有することを特徴とする電池ケースの巻き締め方法。

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