JP2011210480A - バスバー、及びバスバーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラス端子とマイナス端子とが互いに異種金属で形成されたバッテリに対して用いるバスバーとして、電気腐食を防止しつつ電気抵抗を抑えることができ且つ機械的強度にも優れたものにする。
【解決手段】本発明のバスバー１は、バッテリセル２のプラス端子５と同一金属で形成され当該プラス端子５と接続可能とされた正極接続部１０と、バッテリセル２のマイナス端子６と同一金属で形成され当該マイナス端子６と接続可能とされた負極接続部１１とが金属的結合によって一体に結合されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラス端子とマイナス端子とが互いに異種金属で形成されたバッテリに対し、好適に使用することのできるバスバー及びその製造方法に関する。

電気自動車やハイブリッドカーなどに搭載するバッテリとして、複数のバッテリセルを、互いの正・負極間が直列接続となるようにバスバーで繋いで組電池に構成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような組電池は高出力、高エネルギー密度であることが特徴とされ、バッテリセルには殆どの場合、リチウムイオン電池が用いられている。リチウムイオン電池は、プラス端子がアルミニウム（Ａｌ）を素材として形成されており、マイナス端子が銅（Ｃｕ）を素材として形成されている。

このようなバッテリセルの端子同士を繋ぐための部品として、バスバー(busbar、電気エネルギーの分配に使用される部品であり、ブスバーとも呼ぶ)がある。係るバスバーの製造方法としては、例えば、特許文献２の「発明が解決しようとする課題」に開示されているように、バスバーを構成する部材同士をレーザ溶接するものがある。

特開２００２−３７３６３８号公報 特開２００３−１６３０３９号公報

前述の如く、バッテリセル同士を直列で接続する場合、プラス端子であるアルミニウム製端子と、マイナス端子である銅製端子とをバスバーで繋ぐことになる。そのため、バスバーをアルミニウムによって形成することにしても、又は銅によって形成することにしても、必ず、バスバーと一方の端子との間は異種金属による接続をすることになる。
一般に、異種の金属同士を接続したときに空気中の水分による電気腐食（電気化学的腐食）が起こることは周知である。従って、この電気腐食の進行に伴い、バスバーと端子との間が通電しなくなったりバスバー自体又は端子自体が損壊したりすることが起こり、最終的には、電気自動車を始動できないといった重大問題に至る。

なお、この問題の対策として、特許文献２のように、アルミニウム片と銅片とをレーザ溶接などにより接合してバスバーを製作することが提案されているものの、この方法で試作されたバスバーでは、レーザ溶接部分で二種の金属による共晶が発生し、これが原因で電気抵抗が過大となったり機械的強度（殊に脆性や引張強度）が著しく低下したりする欠点があって、とても実用に耐えるものとはならなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、プラス端子とマイナス端子とが互いに異種金属で形成されたバッテリに対して用いるバスバーであって、電気腐食を防止しつつ電気抵抗を抑えることができ且つ機械的強度にも優れた高性能・高信頼性を有するバスバーと、このバスバーの製造方法とを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は次の手段を講じた。
即ち、本発明に係るバスバーは、プラス端子とマイナス端子とが互いに異種金属で形成されたバッテリに対して用いる端子接続用のバスバーであって、前記バッテリのプラス端子と同一金属で形成され且つプラス端子と接続可能とされた正極接続部と、前記バッテリのマイナス端子と同一金属で形成され且つマイナス端子と接続可能とされた負極接続部とを有し、前記正極接続部と負極接続部とが金属的結合により一体化されていることを特徴とする。

このバスバーであれば、バッテリのプラス端子に当該端子と同金属で形成された正極接続部を接続し、バッテリのマイナス端子に当該端子と同金属で形成された負極接続部を接続することで、端子接合部での電気腐食、それに伴う電気抵抗の増加が抑えられ、バッテリ接続用のバスバーとしての信頼性の向上を図れる。加えて、バスバーの正極接続部と負極接続部とは金属的結合により一体化されているため、この結合部分においても電気腐食、それに伴う電気抵抗の増加が発生することは無い。

なお、「金属的結合」は、結合しようとする異種金属間が金属組織レベルで密着した結合界面を形成させ、その結果として導電性及び機械的結合強度を「バスバーとして実用に適する値」にまで高めた状態を言うものとする。
好ましくは、前記正極接続部は、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成され、前記負極接続部は、銅又は銅合金で形成されているとよい。

一方、上述したバスバーを製造する際には、前記正極接続部を形成する金属元材と負極接続部を形成する金属元材とが面で接する状態となっている対面元材を用意し、高圧の静水圧環境下にて、前記対面元材をダイにより押出加工又は引抜加工する製造方法を採用することが不可欠である。
この製造方法を採用することで、正極接続部を形成する金属材と負極接続部を形成する金属材とが金属的結合して一体化し、バッテリのプラス端子とマイナス端子との間を好適に連結できるバスバーを製造することができる。

本発明によれば、プラス端子とマイナス端子とが互いに異種金属で形成されたバッテリに対して用いることができて、電気腐食を防止しつつ電気抵抗を抑えることができ且つ機械的強度にも優れた高性能・高信頼性を有するバスバーを実現することができる。

第１実施形態のバスバーの使用態様を示した斜視図である。 第１実施形態のバスバーを示したものであって（Ａ）は平面図であり（Ｂ）は正面図である。 本発明に係るバスバーを製造する過程を説明した斜視図である。 第２実施形態のバスバーを示したものであって（Ａ）は平面図であり（Ｂ）は正面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
［第１実施形態］
図１〜図３は、本発明に係るバスバー１の第１実施形態を示している。
図１に示す使用例から分かるように、このバスバー１は、複数のバッテリセル２を直列接続することで構成される組電池３において、バッテリセル２相互間でプラス端子５とマイナス端子６とを接続するために用いる。

なお、各バッテリセル２はリチウムイオン電池であって、プラス端子５はアルミニウム又はアルミニウム合金により形成されており、外周面には雄ねじが形成されている。マイナス端子６は銅又は銅合金により形成されており、外周面には雄ねじが形成されている。
図２に示すように、バスバー１は、長方形の板状に形成されており、長辺側をほぼ二等分する中間位置を境として、その一方側に正極接続部１０が設けられ、他方側に負極接続部１１が設けられたものとなっている。バスバー１の寸法は、バッテリセル２相互の位置や流れる電流量などにより適宜変更可能であるが、例えば、長辺３０〜７０ｍｍ、短辺２０〜６０ｍｍ、厚さ１〜２ｍｍである。

バスバー１の正極接続部１０と負極接続部１１とは、互いに異なる金属により形成されている。正極接続部１０は、バッテリセル２のプラス端子５と同一金属、すなわちアルミニウム又はアルミニウム合金を素材として形成されている。また、負極接続部１１は、マイナス端子６と同一金属、すなわち銅又は銅合金を素材として形成されている。
バスバー１における正極接続部１０と負極接続部１１との境界は、正極接続部１０の金属（Ａｌ）と負極接続部１１の金属（Ｃｕ）とを超高圧下（例えば１０００ＭＰａ程度）で且つ変形を付与するようにして、互いが金属組織レベルで密着した結合界面を形成させ、その結果として導電性及び機械的結合強度を「バスバーとして実用に適する値」にまで高めた状態とされている。

さらに、図２に示すように、正極接続部１０にはバッテリセル２のプラス端子５を差し込む接続孔１２が短辺方向略中央部に設けられ、負極接続部１１にはバッテリセル２のマイナス端子６を差し込む接続孔１３が短辺方向略中央部に設けられている。
図１に示したように、これら各接続孔１２にプラス端子５を差し込んだ状態で、突き抜けたプラス端子５に対しナット１５を螺合させることで、プラス端子５と正極接続部１０とが連結される。同様に、接続孔１３にマイナス端子６を差し込んだ上で、マイナス端子６に対しナット１５を螺合させ、マイナス端子６と負極接続部１１とを連結する。

なお、ナット１５を螺合させた結合ではなく、プラス端子５と正極接続部１０とを溶接すると共にマイナス端子６と負極接続部１１とを溶接してもよい。つまり、バスバーの異種金属部をそれぞれの同種端子に直接溶接してもよい。
図３に示す如く、このような構成のバスバー１を製造するには、超高圧静水圧下における押出加工を行う。この加工に用いる押出装置２０は、得ようとするバスバー１の長辺側断面形状（平面形状）に対応した単一開口のダイ２１を具備したもので、超高圧（〜１０００ＭＰａ程度）の等方圧環境下での押出成形が可能となっている。

バスバー１の製造手順としては、まずバッテリセル２のプラス端子５と同一金属（アルミニウム又はアルミニウム合金）からなる正極用元材１０Ａ（金属元材）と、バッテリセル２のマイナス端子６と同一金属（銅又は銅合金）からなる負極用元材１１Ａ（金属元材）とを準備する。これら正極用元材１０Ａ及び負極用元材１１Ａは、例えばそれぞれ条材とされたものを長手方向に沿って張り合わせ、丸棒状のビレット（対面元材）として形成しておけばよい。

次に、このビレットを、正極用元材１０Ａと負極用元材１１Ａとが互いに並行して押し出されるように、押出装置２０へ装填する。
この状態で、押出装置２０を超高圧の等方圧環境下にて作動させ、押出加工又は引抜作業を行い、正極用元材１０Ａと負極用元材１１Ａとが金属的結合して一体となった成形体１Ａを成形する。

図３（ａ）に示す如く、押出装置２０のダイ２１（ダイス）の開口面積はビレットの断面積より小さいため、ダイ２１を通すことで、ビレットが全周的な圧縮を受けて塑性変形する。両素材１０Ａ，１１Ａの合わせ面は、ダイ２１を出た後に正極接続部１０と負極接続部１１との結合界面（金属的結合部）を形成することになる。
このようにして得られた成形体１Ａを、押出方向で所定間隔をおいて切り出す。切り出し後において、正極接続部１０に接続孔１２を設け、負極接続部１１に接続孔１３を設けてバスバー１を完成させる。必要に応じて表面研磨や表面処理などを行ってもよい。

このようにして製造したバスバー１は、バッテリセル２のプラス端子５と同一金属の正極接続部１０と、バッテリセル２のマイナス端子６と同一金属の負極接続部１１とが金属的結合により一体形成された構成であるため、このバスバー１のいずれの部分（バッテリ端子との連結部分、及び正極接続部１０と負極接続部１１との結合面）であっても電気腐食が起こらず電気抵抗を抑えることができ、しかも機械的強度にも優れたものとなっている。
［第２実施形態］
図４は、本発明に係るバスバー１の第２実施形態を示している。

第２実施形態のバスバー１では、正極接続部１０と負極接続部１１との結合界面（金属的結合部）を生じさせる部分に、側面視でクランク折れ形状の段差部２５を形成させ、正極接続部１０と負極接続部１１との間に高低差を生じさせたものである。このような段差部２５を形成させたバスバー１であれば、互いに高低差（又は横ズレ）を生じさせて配置されたバッテリセル２相互を、直に接続することができる。

なお、段差部２５において、正極接続部１０と負極接続部１１との間の高低差をどの程度の寸法にするかは、何ら限定されるものではない。また段差部２５は、正極接続部１０と負極接続６との結合界面に一致させて形成することが限定されるものではなく、正極接続部１０側、又は負極接続部１１側に位置ズレさせて形成することもできる。
更に、段差部２５は、クランク折れによって形成することが限定されるものではなく、なめらかな曲線により、Ｓ字カーブを描くように形成してもよい。

第２実施形態のバスバー１を製造する場合であっても、超高圧（〜１０００ＭＰａ程度）の等方圧環境下での押出又は引抜成形を採用する。図３（ｂ）に示すように、ダイ２１の開口形状を、バスバー１の長辺側断面形状に対応させてクランク形状にしておけばよい。
その他の構成及び作用効果、製造方法は第１実施形態とほぼ同じであり、ここでの詳説は省略する。

超高圧の等方圧環境下での押出又は引抜成形により製造した第１実施形態のバスバーの特性を、表１に示す。
比較対象としては、従来製造法の一つである摩擦攪拌法による接合を行って製造したバスバーと、従来製造法の一つであるレーザ溶接により接合を行って製造したバスバーとを例示する。

表１に示すように、摩擦攪拌法による接合を行って製造したバスバーでは、電気伝導率が４８．５％（片方撹拌）、４９．０％（双方撹拌）となり、伝導率の値が悪いものとなっている。レーザ溶接により接合を行って製造したバスバーでは、電気伝導率が６０．４％であって、摩擦攪拌法に比してよいものとなっている。それらに比べ、第１実施形態のバスバーでは、電気伝導率が６６．１％と非常に高値となっており、複数のバッテリセル２での電力電送をロス無く高効率で行うことができる。

ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、正極接続部１０と負極接続部１１との結合界面（金属的結合部）は、バスバー１における長辺側の中央に配置することが限定されるものではなく、正極接続部１０側、又は負極接続部１１側に偏らせた配置としてもよい。

また、本発明に係るバスバー１は、自動車搭載用のリチウムイオン電池を接続するに際し非常に好適であるが、他用途におけるリチウムイオン電池（バッテリ）の接続に用いても何ら問題はない。

１ バスバー
１Ａ 成形体
２ セル
３ 組電池
５ 正極端子
６ 負極端子
１０ 正極接続部
１０Ａ 正極用元材
１１ 負極接続部
１１Ａ 負極用元材
１２ 接続孔
１３ 接続孔
１５ ナット
２０ 押出装置
２１ ダイ
２５ 段差部

Claims (3)

1. プラス端子とマイナス端子とが互いに異種金属で形成されたバッテリに対して用いる端子接続用のバスバーであって、
   前記バッテリのプラス端子と同一金属で形成され且つプラス端子と接続可能とされた正極接続部と、前記バッテリのマイナス端子と同一金属で形成され且つマイナス端子と接続可能とされた負極接続部とを有し、
   前記正極接続部と負極接続部とが金属的結合により一体化されていることを特徴とするバスバー。
2. 前記正極接続部は、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成され、
   前記負極接続部は、銅又は銅合金で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバスバー。
3. 前記正極接続部を形成する金属元材と負極接続部を形成する金属元材とが面で接する状態となっている対面元材を用意し、
   高圧の静水圧環境下にて、前記対面元材をダイにより押出加工又は引抜加工することで、請求項１又は２に記載されたバスバーを製造することを特徴とするバスバーの製造方法。