JP2009117234A - 電源モジュールの製造方法及び電源モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】導電部材及び電極の接続強度の高い電源モジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】複数の角型電池１１１をバスバー１１３を介して電気的に接続した組電池１２の製造方法であって、角型電池１１１の正極１１２に貫通穴部１１２ａを形成し、バスバー１１３に貫通穴部１１２ａに挿入されるテーパー状の突起部１１３ａを形成する。正極１１２はバスバー１１３よりも熱膨張率の高い材料で構成されている。突起部１１３ａを貫通穴部１１２ａに挿入する際に、突起部１１３ａのテーパー面及び貫通穴部１１２ａの当接部分に超音波振動を付与する。超音波振動により加熱された正極１１２が自然冷却されると、焼き嵌め効果により、突起部１１３ａが貫通穴部１１２ａに強固に固定される。さらに、突起部１１３ａのアンカー効果により、接続構造を強化することができる。
【選択図】図３Ｂ

Description

本発明は、複数の電源体を導電部材を介して電気的に接続した電源モジュールの製造方法に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車の駆動用または補助電源として使用される蓄電装置には、高いエネルギ密度が求められている。この種の蓄電装置として、複数の単電池を並設し、当該単電池の電極を互いにバスバーを介して電気的に接続した組電池が知られている。

組電池には、車両走行時に振動が加わるため、電極及びバスバーを強固に接続して、接続不良を防止する必要がある。バスバー及び電極の接続方法として、下記の方法が知られている。

第１の方法は、バスバー及び電極に貫通穴を形成するとともに、当該貫通穴に締結ボルトを挿入して、当該締結ボルトの先端側から締結ナットを締結することにより、バスバーを固定する方法である。

第２の方法は、電極及びバスバーを重ねた状態で加圧しながら電圧を加え、これらの接触部分をジュール発熱により溶融させて、接続する方法（抵抗溶接法）である。特許文献１には、抵抗溶接法を用いて、電極板に金属板を溶接固定する方法が開示されている。

第３の方法は、金属電極と、電極及びバスバーの接触面との間にアークを発生させ、電極及びバスバーの接触面を溶融させて接続する方法（アーク溶接）である。

第４の方法は、バスバー及び電極の間にロウ箔を介在させ、当該ロウ箔を溶融させて接続する方法である。
特開２００２−１４１０５１号公報 特開２００６−３４１５１５号公報 特開２００２−３６７５７９号公報 実開平０３−５１９７９号公報

しかしながら、第１の方法では、締結ボルト、締結ナット及びこれらの締結部材間に介在させるワッシャが必要になるため、コストが増大する。また、バスバー及び電極に穴部を形成し、これらの穴部を位置決めした状態で締結ボルトを挿入する必要があるため、作業工程が煩雑化する。

第２乃至第４の方法では、バスバーと電極との接触面のみを接続しており、さらに、第２及び第３の方法では、電極を溶融させることにより金属間化合物（例えば、アルミ―鉄の金属間化合物）が生成されるため、バスバー及び電極の接続強度が低くなり、接続不良を起こすおそれがある。

さらに、第３の方法では、アークを発生させる際に火花が飛び散り、電池に異物が付着するおそれがある。

そこで、本願発明は、導電部材及び電極の接続強度の高い電源モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電源モジュールの製造方法は、複数の電源体を導電部材を介して電気的に接続した電源モジュールの製造方法であって、前記電源体の電極及び前記導電部材のうち少なくとも一方の部材に開口部を形成し、他方の部材に前記開口部に挿入されるテーパー状の突起部を形成し、前記一方の部材は、前記他方の部材よりも熱膨張率が高く、前記突起部を前記開口部に挿入する際に、前記突起部のテーパー面及び前記開口部の当接部分に超音波振動を付与することにより、前記開口部内に前記突起部を固定したことを特徴とする。

ここで、前記突起部を、前記他方の部材から離れるにしたがって径が漸次小さくなるように形成するのが好ましい。このように、突起部をテーパー状に形成することにより、アンカー効果が得られ、電極及び導電部材を強固に接続することができる。

前記一方の部材を銅からなる前記導電部材、前記他方の部材をアルミからなる前記電源
体の正極で構成することができる。銅よりもアルミのが熱膨張率が高いため、超音波溶接
により温度上昇した正極が自然冷却されると、導電部材よりも高い収縮率で正極は収縮されるため、正極の開口部内に導電部材の突起部を焼き嵌めすることができる。

本発明によれば、導電部材及び電極の接続強度の高い電源モジュールを提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。ここで、図１は組電池一部を図示した斜視図であり、図２は、電極及びバスバーの拡大図である。

（組電池の説明）
組電池（電源モジュール）１２は、電気自動車、ハイブリッド自動車の駆動用または補
助電源として使用されており、複数の角型電池（電源体）１１１（図１では、電池の一部
を省略している）を並設することにより構成されている。角型電池１１１は、リチウムイ
オン電池、ニッケル水素電池などの二次電池で構成されている。

角型電池１１１の上部には、正極（一方の部材）１１２及び負極１１４が設けられており、不図示の導電線を介して、これらの電極１１２、１１４から不図示の駆動モータに電力を供給することができる。

各角型電池１１１は、バスバー（導電部材、他方の部材）１１３を介して直列に接続されており、バスバー１１３には、断面が円形の貫通穴部（開口部）１１３ａが形成されている。なお、この貫通穴部１１３ａは、穴開け機を用いてバスバー１１３に形成してもよいし、金型内で一体的に形成してもよい。

次に、バスバー１１３及び電極１１２、１１４の接続方法について説明する。ここで、図３はバスバー１１３及び電極１１２、１１４を接続するための超音波溶接装置の概略図である。

バスバー１１３のＸ軸方向の一端面には、突起部１１３ａが形成されており、この突起部１１３ａは、バスバー１１３から離れるにしたがって径寸法が漸減するテーパー形状に形成されている。この突起部１１３ａは、例えば、バスバー１１３とともに金型内で一体的に形成することができる。

正極１１２の貫通穴部１１２ａの径は、突起部１１３ａの先端部の径よりも大きく、突起部１１３ａの基端部の径よりも小さい。したがって、貫通穴部１１２ａの内部に突起部１１３ａを挿入すると、貫通穴部１１２ａの縁の部分に突起部１１３ａのテーパー面が当接する。つまり、貫通穴部１１２ａの内部に、突起部１１３ａの先端部のみが挿入されている（図３Ａ参照）。

バスバー１１３及び正極１１２は、一対の溶接チップ４１により挟持されており、これらの溶接チップ４１は、Ｘ軸方向視において、正極１１２の貫通穴部１１２ａ及びバスバー１１３の突起部１１３ａに対してオーバラップした位置に配置されている。

一方の溶接チップ４１は、超音波トランデューサ４３に固定された取り付け部材４２に対して着脱可能に接続されている。摩耗した溶接チップ４１を取り付け部材４２から取り外すことにより、溶接チップ４１の交換作業を簡単に行うことができる。

超音波トランデューサ４３は、電気的なエネルギを機械的なエネルルギに変換する電気―機械エネルギ変換素子であり、不図示の超音波発振器から出力された超音波信号を振動エネルギに変換する。超音波トランデューサ４３の振動エネルギは、取り付け部材４２を介して、溶接チップ４１に伝達される。

溶接チップ４１は、不図示のエアシリンダにより、バスバー１１３の板厚方向（Ｘ軸方向）に加圧されており、溶接チップ４１から加圧力を受けてバスバー１１３の突起部１１３ａが貫通穴部１１２ａの内部に押し込まれる。

図３Ａに図示する状態で、溶接チップ４１を振動させると、バスバー１１３及び正極１１２の接触面、つまり、バスバー１１３の突起部１１３ａのテーパー面と正極１１２の貫通穴部１１２ａとの接触部分が互いに擦れ合い、初期の振動により、接触部分に付着した酸化被膜（例えば、正極１１２の表面に付着した酸化アルミ皮膜）や汚れが無くなり、清浄な面同士が接触する。

溶接チップ４１が更に振動すると、エアシリンダの加圧力により、貫通穴部１１２ａ及び突起部１１３ａの接触部分が塑性変形して、固相状態で接合に至る。なお、図３Ｂは、図３Ａの状態から固相状態に至る前の中間の状態を図示している。

固相状態で接合に至るため、抵抗溶接法及びアーク溶接法のように、正極１１２及びバスバー１１３の溶融による金属間化合物の生成がなく、強度の高い接続構造とすることができる。また、アーク溶接のように火花が飛び散ることもないため、電池短絡を招くような異物の付着を阻止できる。

このとき、突起部１１３ａのテーパー面が貫通穴部１１２ａに当接して、貫通穴部１１２ａの径が徐々に拡開する。塑性変形の際に、貫通穴部１１２ａ及び突起部１１３ａの接触部分は、局部的に温度上昇しており、超音波トランデューサ４３による振動動作を停止すると、温度低下により貫通穴部１１２ａが縮径する。

ここで、正極１１２は、バスバー１１３よりも熱膨張率の高い材料で構成されている。したがって、振動動作の停止によって自然冷却された貫通穴部１１２ａは、突起部１１３ａよりも大きく収縮して、貫通穴部１１２ａの内面によって突起部１１３ａを強固に挟持することができる（焼き嵌め効果）。

正極１１２には、アルミを用いることができる。また、バスバー１１３には、銅を用いることができる。アルミは銅よりも熱膨張率が大きいため、焼き嵌め効果を確実に得ることができる。

上述の構成によれば、突起部１１３ａのアンカー効果と、貫通穴部１１２ａによる焼き嵌め効果とにより、正極１１２及びバスバー１１３の接続構造を強化した組電池１２を提供することができる。

負極１１４にも貫通穴部１１２ａに相当する貫通穴部が形成されており、当該貫通穴部に対してバスバー１１３に形成されたテーパー状の突起部を超音波溶接を用いて溶接することができる。

この場合、負極１１４を、バスバー１１３よりも熱膨張率の高い材料で構成することにより、突起部によるアンカー効果及び貫通穴部による焼き嵌め効果を得ることができる。負極１１４には、アルミ（α＝２４．６×１０^−６）を用いることができる。バスバー１１３には、銅（α＝１８×１０^−６）を用いることができる。

なお、負極１１４及びバスバー１１３を同じ材料（例えば、銅）で構成した場合には、アンカー効果のみを得ることができる。この場合、正極１１２及びバスバー１１３については、アンカー効果及び焼き嵌め効果により強固に連結されているため、組電池全体としては、電極及びバスバー１１３の接続構造を強化することができる。

（他の実施例）
バスバー（一方の部材）１１３に貫通穴部を形成して、当該貫通穴部に挿入されるテーパー状の突起部を正極（他方の部材）１１２に形成してもよい。この場合、バスバー１１３を、正極１１２よりも熱膨張率の高い材料で構成することにより、突起部によるアンカー効果及び貫通穴部による焼き嵌め効果を得ることができる。

正極１１２には、モリブデン（α＝５．１×１０^−６）を用いることができる。バスバー１１３には、アルミ（α＝２４．６×１０^−６）又は銅（α＝１８×１０^−６）を用いることができる。

また、上述の実施例では、突起部１１３ａを円錐台形状に形成したが、例えば、図４に図示するように、バスバー１１３の突起部１１３ａを四角錐台形状にすることもできる。この場合、正極１１２の貫通穴部１１２ａの断面を、四角形状に形成する必要がある。さらに、突起部１１３ａを、他のテーパー形状（先細り形状）に形成することもできる。例えば、四角錐台以外の多角錐台形状に形成することもできる。

また、本願発明は、図５に図示する、電源モジュールにも適用することができる。ここで、図５は、上述の実施例とは異なる電源モジュールの斜視図である。

図示するように、一対の電池フォルダ１２２ａ、１２２ｂ間には、複数の円筒型電池１２１がマトリクス状に並設されており、各円筒型電池１２１はバスバー１２５を介して電気的に接続されている。そして、円筒型電池１２１の電極とバスバー１２５との接続構造において、上述の実施例を適用することができる。

また、本願発明は、二次電池以外の、燃料電池、バイポーラ型電池、電気二重層キャパ
シタにも適用することができる。電気二重層キャパシタは、複数の正極及び負極を、セパ
レータを介在させて交互に重ね合わせたものである。そして、この電気二重層キャパシタ
においては、例えば、集電体としてアルミ箔、正極活物質及び負極活物質として活性炭、
セパレータとしてポリエチレンからなる多孔質膜を用いることができる。

組電池の一部を図示する斜視図である。 電極及びバスバーの拡大図である。 超音波溶接装置の概略図であり、超音波溶接をする前の状態を図示している。 超音波溶接装置の概略図であり、超音波溶接中の状態を図示している。 突起部の変形例を図示した電極の斜視図である。 電源モジュールの斜視図である。

符号の説明

１２ 組電池
４１ 溶接チップ
４２ 取り付け部材
４３ 超音波トランデューサ
１１１ 角型電池
１１２ 正極
１１２ａ 貫通穴部
１１３ バスバー
１１３ａ 突起部
１１４ 負極

Claims (8)

1. 複数の電源体を導電部材を介して電気的に接続した電源モジュールの製造方法であって、
   前記電源体の電極及び前記導電部材のうち少なくとも一方の部材に開口部を形成し、他方の部材に前記開口部に挿入されるテーパー状の突起部を形成し、
   前記一方の部材は、前記他方の部材よりも熱膨張率が高く、前記突起部を前記開口部に挿入する際に、前記突起部のテーパー面及び前記開口部の当接部分に超音波振動を付与することにより、前記開口部内に前記突起部を固定したことを特徴とする電源モジュールの製造方法。
2. 前記突起部を、前記他方の部材から離れるにしたがって径が漸次小さくなるように形成したことを特徴とする請求項１に記載の電源モジュールの製造方法。
3. 前記一方の部材は前記導電部材であり、前記他方の部材は前記電源体の正極であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源モジュールの製造方法。
4. 前記導電部材は銅からなり、前記正極はアルミからなることを特徴とする請求項３に記載の電源モジュールの製造方法。
5. 複数の電源体と、
   これらの電源体を電気的に接続する導電部材と、
   前記電源体の電極及び前記導電部材のうち少なくとも一方の部材に形成される開口部と、
   他方の部材に形成され、該開口部に挿入されるテーパー状の突起部とを有し、
   前記一方の部材は、前記他方の部材よりも熱膨張率が高く、前記突起部を前記開口部内に超音波溶接により固定したことを特徴とする電源モジュール。
6. 前記突起部を、前記他方の部材から離れるにしたがって径が漸次小さくなるように形成したことを特徴とする請求項５に記載の電源モジュール。
7. 前記一方の部材は前記導電部材であり、前記他方の部材は前記電源体の正極であることを特徴とする請求項５又は６に記載の電源モジュール。
8. 前記導電部材は銅からなり、前記正極はアルミからなることを特徴とする請求項７に記載の電源モジュール。