JP2011159445A - バッテリ装置及びバッテリ装置の端子間接続方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池セルの端子と接続バーとの接触面の接合信頼性を向上させたバッテリ装置及びその端子と接続バーの組立を容易に行うことができる端子間接続方法を提供する。
【解決手段】複数の電池セル１の端子２間を接続バー３により相互に接続して構成されたバッテリ装置である。接続バー３には端子２より軟らかい材質を用い、端子２との接続部に加わる圧力により、接続バー３側に塑性変形が生じるように形状設定されている。そして、塑性変形が生じた接続バー３と端子２との接合面をレーザ溶接により溶着している。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の箱状セルのセル端子間を接続してなるバッテリ装置及びその端子間接続方法に関する。

一般に、複数個の箱状二次電池セルを用いたバッテリ装置では、セル端子を設け、他の二次電池セルとの接続はセル端子を接続導体で接続して電池パックを形成している。例えば、携帯性及び可搬性を考慮して小型かつ軽量に設計製作された電機電子機器に搭載される電池パックとしては、内蔵する電気回路が発熱したり、過充電により電池セルの周囲温度が上昇しても、電解液の蒸発ガスによる出火を好適に防止できるようにしたものがある。（例えば、特許文献１参照）。

また、電気自動車用バッテリボックス装置に適用されるものとして、駆動用電源を遮断するブレーカからなるブレーカ装置をバッテリボックス内に収納し、電気自動車用バッテリボックス装置単体でバッテリの電圧チェック、ブレーカの動作、性能確認ができ車両への搭載および保守を効率よく行うことができるようにしたものがある。（例えば、特許文献２参照）。

ところで、二次電池は、近年電池の性能が向上し、小形で高出力が得られるようになってきたため、各種の電源装置として利用されるようになってきた。例えば、自動車や自動搬送機に搭載して、所望の電力を供給する小形で高性能の電源装置が考えられ、そのための提案も多く見られる。このような電源装置では、電力供給対象機器を駆動可能なレベルの電圧、および長時間の使用を可能とする容量を得るため、複数個の電池セルを接続して電源装置を構成している。そこで、複数の電池セルにそれぞれ設けられた出力端子を相互に接続する端子間接続構造が必要となる。

特許第３０１４２９３号公報 特許第３３５０１８９号公報

従来のバッテリ装置では、電池セルを接続するにあたってはセル端子間を接続バーで接続し、接続バーと端子との接触面をレーザ光により接合している。この場合、接続バーを押さえる必要があるため、端子と接続バーを押さえる時に位置ズレが発生したり、押さえが不十分であると接触面が離れたりして、溶接不良が発生する恐れがある。

また、端子と接続バーとを接続する際の、接触面間距離を管理するには、端子、接続バー間が互いに密着するように高精度に加工する必要があり、高い加工性が必要とされる。さらに、端子と接続バーを組付ける際にも細心の注意を払う必要があるため、生産性が向上しない。

本発明の目的は、電池セルの端子と接続バーとの接触面の接合信頼性を向上させたバッテリ装置及びその端子と接続バーの組立を容易に行うことができる端子間接続方法を提供することにある。

本発明のバッテリ装置は、複数の電池セルの端子間を接続バーにより相互に接続して構成されたバッテリ装置であって、前記接続バーには前記端子より軟らかい材質を用い、前記端子との接続部に加わる圧力により、接続バー側に塑性変形が生じるように端子と接続バーとの形状が設定され、前記塑性変形が生じた接続バーと端子との接合面がレーザ溶接により溶着されていることを特徴とする。

また、本発明のバッテリ装置では、前記端子は先端に向って横断面積が縮小するテーパー状に形成され、前記接続バーには、この端子に嵌合するテーパー状の接続口が形成され、これら両者の接合面間に加わる圧力により、前記接続口の端子との接合面が塑性変形するように形状設定されている。

また、本発明のバッテリ装置では、接続バーに形成された接続口のテーパー角度は、接続バー上面の開口縁と下面のとの寸法差が０．５ｍｍ以内である。

また、本発明のバッテリ装置では、前記端子のテーパー角度は、接触面を接合する際に照射するレーザ光の集光角度よりも小さく設定されている。

また、本発明のバッテリ装置では、前記端子は形状が円錐柱や角錐柱である。

また、本発明のバッテリ装置では、前記端子は形状が角柱であり、接続バーには、上記端子の外周に密着係合する凹部が形成され、この凹部の開口幅は、前記端子の係合部分の幅より狭く設定されている構成でもよい。この場合、端子の外面の、接続バーとの係合部には、接続バーの板圧とほぼ等しい開口幅の溝が形成されているとよい。

また、本発明のバッテリ装置の端子間接続方法は、複数の電池セルの端子間を接続バーにより相互に接続するバッテリ装置の端子間接続方法であって、前記接続バーには前記端子より軟らかい材質を用い、端子との接続部に加わる圧力により、この端子との接合面に塑性変形を生じさせ、前記塑性変形が生じた接続バーと端子との接合面をレーザ溶接により溶着することを特徴とする。

本発明によれば、複数の電池セルの端子相互間を接続バーにより接続する際、接続バーの端子との接合面に塑性変形を生じさせ、この間を一体的に密着させた状態で溶接するようにしたので溶接作業が容易となり、溶接不良が生じることはなく、自動化にも容易に対応することができる。

本発明に係るバッテリ装置の一実施の形態における端子と接続バーとの組み立て過程を説明する図である。 本発明に係るバッテリ装置の一実施の形態を示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 本発明に係る端子間接続方法の一実施例におけるレーザー溶接を説明する図である。 本発明に係る端子間接続方法の一実施例におけるレーザー光の角度とテーパー角度との関係を説明する図である。 本発明の一実施の形態における電池セルの端子形状を示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 本発明の一実施の形態における電池セルの他の端子形状を示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 本発明に係るバッテリ装置の他の実施の形態における端子部分を示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 本発明に係るバッテリ装置の他の実施の形態における接続バーを示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の他の実施の形態における電池セルの端子と接続バーとの関係を示している平面図である。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１及び図２（ａ）（ｂ）はこの実施の形態に係るバッテリ装置のセル端子接続構造を示している。これらの図において、電池セル１の外面（図では上面）には端子２が植設されている。電池セル１は複数個用意され、所定の電圧及び容量を得るべく接続バー３により、それらの端子２が相互に接続され、バッテリ装置を構成している。

ここで、端子２は図１で示すように、先端に向かって横断面積が縮小するテーパー状に形成されている。また、接続バー３には、この端子２と嵌合接続するための接続口３ａが設けられている。この接続口３ａの内周は、前記端子２の外周を密接するようにテーパー状に形成されている。また、端子２には、アルミニウム合金A3003もしくはA5052などの比較的硬度及び強度の高い材質が用いられている。これに対し、接続バー３には、アルミニウム合金A1050などの、端子２に比べ軟らかい材質が用いられている。

これら端子２及び接続バー３に形成された接続口３ａとの嵌合接続に当たっては、図１で示すように押し付け用のポンチ４を使用して、端子２の外周面に接続バー３を押し付け、圧入する。この場合、ポンチ４は、接続バー３と端子２の接触面近傍、例えば接続バー３に開けられた接続口３ａの縁部から０．１ｍｍはなれた位置を押さえるように位置設定する。また、ポンチ４による接続バー３の押し付け力は３０〜１００N/mmの範囲に設定する。

押し付け力を３０〜１００N/mmの範囲に設定したのは次の理由による。押し付け力が３０N/mm以上になると、接続バー３の材質やテーパー角度などの条件にもよるが、接続バー３の接続口３ａの内周が、端子２の外周に対し塑性変形し、端子２の外周に密着状態で一体的に嵌合するためである。一方、押し付け力が１００N/mmを越えると、端子２を含む接続部の機械的強度を越えるおそれがあるためである。すなわち、押し付け力３０〜１００N/mmの範囲で接続バー３の接続口３ａを端子２の外周に圧接させることにより、接続口３ａの内周部分に塑性変形を生じさせ、端子２の外周に対して密着状態で嵌合させることができる。

上記作業を繰り返すことにより、接続バー３に対して、接続する必要がある端子２の全てを圧入して、必要数の電池セル１を組み合わせたパック構造のバッテリ装置を構成する。パック構造となった後、端子２と接続バー３の接合面を、図３で示すように、光ファイバー７により伝送され、溶接ヘッド６にて集光されたレーザ光５で溶接する。レーザ溶接には、YAGレーザやパルスレーザ、ディスクレーザおよびファイバーレーザ等が用いられる。レーザ溶接は、溶接トーチを移動させて溶接しても良いし、パック構造となった電池セルを移動させて溶接してもよい。また、リモート溶接ヘッドを使用して、電池セルを移動させずに溶接することも可能である。なお、リモートヘッドとは、レーザ光を溶接対象部に照射させるミラーの角度を変化させることにより、レーザ光を溶接対象部に沿って移動させる溶接ヘッドのことである。

このように、端子２と接続バー３をファイバーレーザにて溶接する場合、溶接部の溶け込み深さが接続バー３の板厚以上となるように溶接条件を設定する。例えば、接続バー３の板厚を０．５ｍｍとした場合の溶接条件は次のように設定する。

レーザ出力：３００W〜２０００W
溶接速度：５００ｍｍ/分〜４０００ｍｍ/分
シールドガス流量：１０〜１００リットル/分
レーザ照射スポット径：０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍ
レーザ入射角度：面直から±３０°
上記溶接条件において、各値に幅を持たせているが、これは溶接条件の設定の仕方に対応させるためである。例えば、レーザ出力を低く設定すれば、所定の溶け込み深さを得るためには溶接速度を遅く設定しなければならないためであり、反対にレーザ出力を高く設定した場合は、溶接速度を速く設定するためである。

このような関係で設定することにより、溶け込み深さを接続バー３の板厚以上とした良好な溶接部を得ることができる。すなわち、接続バー３の端子２との接触面近傍のみが、前述のように塑性変形を起こし、接触面に隙間など溶接時に不良が発生する原因となる接触不良なく端子２に圧入されていることで良好な溶接部が得られる。

このように構成された本実施の形態では、端子２に接続バー３の接続口３ａを圧入することにより、接続バー３の端子２との接触部分が塑性変形して端子２に接続されることにより、組付け時に端子２と接続バー３との間に密着力が十分得られる。

また、本実施の形態によれば、端子２と接続バーの接触面を端子２の全周で確保でき、しかも接触面に十分な接触抵抗があることで、レーザ溶接時に端子２と接続バー３とを押さえる固定治具が不要になり、組立時における接触面のバラツキによる溶接不良を発生することなく、作業効率も向上する。

ここで、前記レーザ溶接に当り、図４で示すように、端子２および接続バー３の接続口３ａのテーパー角度は、θ１にテーパー加工が施されているものとする。この場合、端子２の高さよりも接続バー３の厚さを小さくすることにより、接続バー３を端子２に圧入した際に、前述の塑性変形が生じることとなり、接続バー３は端子２に対して固定される。また、レーザ光の集光角度は図示のようにθ２とする。端子２および接続バー３のテーパー角度θ１はレーザ光の集光角度θ２よりも小さいテーパー角度となるように、機械加工、放電加工もしくはプレス加工により加工を行う。

なお、端子２及び接続口３ａのテーパー形状は、図５（ａ）（ｂ）で示すような円錐形や、図６（ａ）（ｂ）で示す四角錐形でもよく、さらにはその他の角錐形であっってもよい。これらのテーパー形状において、テーパー角度θ１は、接続バー３の上面における開口縁と下面における開口縁との寸法差が０．５ｍｍ以内となるように設定する。

このようにテーパー形状を設定した端子２と接続バー３とを、テーパー面が互いに接触する方向となるように組付けを行い、図１に記載したように、接続バー３に対して押し付けポンチ４を用いて３０〜１００N/mm2の押し付け力で圧入する。そして、この圧入により接続された端子２と接続バー３の接触面に、端子２および接続バー３のテーパー角度θ１よりも角度が大きいレーザ集光角θ２のレーザ光を照射して接触面の接合を行う。

このような構成において、テーパー加工された端子２と接続バー３とを圧入により接続することで、接続バー３は端子２の高さ方向の途中で固定される。このため、端子２と接続バー３との接触面を接続バー３の板厚以上にすることができ、接触面を端子２の全周辺とすることが出来る。また、端子２および接続口３ａのテーパー角度θ１を、接続バー３の上面における開口縁と下面における開口縁との寸法差が０．５ｍｍ以内となるような角度に設定したことによって、レーザ溶接時に接触面の融合不良が発生しなくなる。さらに、テーパー角度θ１をレーザ光の集光角度θ２よりも小さくすることで、端子２と接続バー３との接触面の融合不良の発生が防止できる。

このように、端子２に接続バー３の接続口３ａを圧入した際に、端子２と接続バー３とが接触辺全面で密着することから、接触面に十分な接触抵抗が発生し、端子２と接続バー３とが組付け中に外れる問題がなくなる。また、接触面を全周辺にできることから、レーザ溶接を全辺で実施することが出来、接続抵抗を低減することができる。また、レーザ溶接時に融合不良が発生しない角度で組み付けられているため、接触面の融合不良が発生しなくなり作業効率が向上する。

次に、図７乃至図９で示す実施の形態を説明する。これまで説明した実施の形態は、端子２の外周及びこれに嵌合する接続バー３の接続口３ａをテーパー形状にしたが、以下に説明する実施の形態では、これらのいずれにもテーパー形状にはせず、両者間のクリアランスを負に設定して圧入することで、接続バー側に塑性変形を生じさせるようにしている。

この実施の形態では、電池セル１に対して、図７で示す端子２０と図８による接続バー３０とにより、バッテリ装置を構成するものである。

端子２０には、図７に示すように、上面から０．１ｍｍ以上、下の側面に、接続バー３厚さと同様の高さで、深さ０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの溝２０ａを機械加工、放電加工、プレス加工により形成している。この端子２０と接続する接続バー３０には、図８で示すように、端子２０の横断面と同形状のコの字形状の接続凹部３０ａが機械加工、放電加工、プレス加工により形成されている。接続バー３０に形成された接続凹部３０ａの開口幅ｗ１は、端子２０の溝部における横断面の幅ｗ２よりも０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍ程度狭いい幅とし、これらのクリアランスを負に設定する。

バッテリ装置として組み立てる場合は、図９で示すように、接続バー３０の側縁部を押し付け用のクランプ１０で保持し、側面に溝２０ａが加工された端子２０に側面から、接続バー３０の接続凹部３０ａ強制的に嵌合させる。すなわち、接続バー３０の凹部３０aを端子２０の溝２０ａに対し３０〜１００N/mm2にて圧入する。

このように、端子２０の溝２０ａに対して接続バー２０の凹部２０ａを側面から圧入することにより、接続バー３０は、その接合部が塑性変形しながら端子２０の溝２０ａ内に挿入される。接続バー３０側が塑性変形することにより端子２０と接続バー３０との接触面が密着し、これらが組付け途中で外れるようなことはなくなる。また、上記のような構成で端子２０と接続バー３０を組付けることによりこれらは３辺で接続することが可能となる。

このように端子２０と接続バー３０とを組み立てた状態で、端子２０の上端面からレーザ溶接を行い、接続バー３０との接触部全面を溶接する。したがって、レーザ溶接時に接触している３辺全ての接合が可能となり、端子２０と接続バー３０との接続抵抗を低減することができる。また、接続バー３０は端子２０に圧入されていることから、溶接時には端子固定用押さえ治具を使用する必要が無くなり、溶接作業の効率が向上するとともに、溶接前に端子と接続バーの接触面が十分に密着していることから溶接不良が発生しなくなる。

１…電池セル
２、２０…端子
３、３０…接続バー
４…押し付け用のポンチ
５…レーザ光
６…溶接ヘッド

Claims (9)

1. 複数の電池セルの端子間を接続バーにより相互に接続して構成されたバッテリ装置であって、
   前記接続バーには前記端子より軟らかい材質を用い、前記端子との接続部に加わる圧力により、接続バー側に塑性変形が生じるように端子と接続バーとの形状が設定され、
   前記塑性変形が生じた接続バーと端子との接合面がレーザ溶接により溶着されている
   ことを特徴とするバッテリ装置。
2. 前記端子は先端に向って横断面積が縮小するテーパー状に形成され、前記接続バーには、この端子に嵌合するテーパー状の接続口が形成され、これら両者の接合面間に加わる圧力により、前記接続口の端子との接合面が塑性変形するように形状設定されていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ装置。
3. 接続バーに形成された接続口のテーパー角度は、接続バー上面の開口縁と下面のとの寸法差が０．５ｍｍ以内であることを特徴とすると請求項２に記載のバッテリ装置。
4. 前記端子のテーパー角度は、接触面を接合する際に照射するレーザ光の集光角度よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項２に記載のバッテリ装置。
5. 前記端子は形状が円錐柱であることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載のバッテリ装置。
6. 前記端子は形状が角錐柱であることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載のバッテリ装置。
7. 前記端子は形状が角柱であり、接続バーには、上記端子の外周に密着係合する凹部が形成され、この凹部の開口幅は、前記端子の係合部分の幅より狭く設定されていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ装置。
8. 端子の外面の、接続バーとの係合部には、接続バーの板圧とほぼ等しい開口幅の溝が形成されていることを特徴とする請求項７に記載のバッテリ装置。
9. 複数の電池セルの端子間を接続バーにより相互に接続するバッテリ装置の端子間接続方法であって、
   前記接続バーには前記端子より軟らかい材質を用い、端子との接続部に加わる圧力により、この端子との接合面に塑性変形を生じさせ、
   前記塑性変形が生じた接続バーと端子との接合面をレーザ溶接により溶着する
   ことを特徴とするバッテリ装置の端子間接続方法。

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