JP2012238393A - 組電池、組電池集合体及び電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電池から電流を取り出す部材と電池との接続を確実に確保するとともに内部抵抗を低く抑えた組電池を提供する。
【解決手段】複数の素電池１０ａ，１０ｂと、素電池を電気的に並列に接続する接続部材とを備え、素電池は柱状であって、上面に第１の極を備え、下面に第２の極を備えており、接続部材は、第１の極同士を接続する第１部材２０と、第２の極同士を接続する第２部材３０とを備えており、第２部材は、第１の金属からなる帯状部３２と、該帯状部の側辺の一部から素電池の側面に沿って延びる導電部３４とを備え、帯状部の一方の面には、素電池が下面において接触しているとともに第２の極と帯状部とが電気的に接続されており、帯状部の他方の面には、第１の金属よりも電気抵抗が低い第２の金属からなる通電アシスト部３６が固定されて電気的に接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、組電池、組電池集合体及び電池モジュールに関するものである。

近年、省資源や省エネルギーの観点から、繰り返し使用できるニッケル水素、ニッケルカドミウムやリチウムイオンなどの二次電池の需要が高まっている。中でもリチウムイオン二次電池は軽量でありながら起電力が高く、高エネルギー密度であるという特徴を有している。そのため、携帯電話やデジタルカメラ、ビデオカメラ、ノート型パソコンなどの様々な種類の携帯型電子機器や移動体通信機器の駆動用電源としての需要が拡大している。

一方、化石燃料の使用量の低減やＣＯ_２の排出量を削減するために、自動車などのモータ駆動用の電源として、電池パックへの期待が大きくなっている。この電池パックは、所望の電圧や容量を得るために、複数の電池からなりそれらを並列接続及び直列接続した電池ユニットを複数個搭載して構成されている。特許文献１にはそのような電池ユニットが開示されている。

特許文献１の図５には５本の「１８６５０」と呼ばれる電池が直列に接続された状態が記載されているが、自動車用途としては大きな電流が必要とされるので、このような組電池を複数並列に並べることが必要になる。

特表２００８−５４１３８６号公報

上記のように大きな電流が流れる電池ユニットでは、複数の電池同士が確実に電気的に接続されていないと電流が全く流れなかったり、接続部分が高抵抗になって電池の容量が低下してしまう。そのため、電池と接続部材とは単に接触させるだけではなく溶接等で確実に電気的接続を確保するようにしている。この場合、例えば溶接によって確実に接続することを考えたときに、電池と溶接しやすくて接続部の機械強度を高く確保できる接続部材の材料は電気抵抗が高い場合がある。溶接以外の接続法に関しても、接続の確実性と電気抵抗の低さとが両立しない場合がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電池から電流を取り出す部材と電池との接続を確実に確保するとともに内部抵抗を低く抑えた組電池を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の組電池は、複数の素電池と、前記素電池を電気的に並列に接続する接続部材とを備えた組電池であって、前記素電池は柱状であって、上面に第１の極を備え、下面に第２の極を備えており、前記接続部材は、前記第１の極同士を接続する第１部材と、前記第２の極同士を接続する第２部材とを備えており、前記第２部材は、第１の金属からなる帯状部と、該帯状部の側辺の一部から前記素電池の側面に沿って延びる導電部とを備えており、前記帯状部の一方の面には、前記素電池が前記下面において接触しているとともに前記第２の極と前記帯状部とが電気的に接続されており、前記帯状部の他方の面には、前記第１の金属よりも電気抵抗が低い第２の金属からなる通電アシスト部が固定されて電気的に接続されている構成とした。

前記帯状部と前記第２の極とはスポット溶接によって接続されており、前記帯状部の他方の面におけるスポット溶接された部分に対応する部分は露出していることが好ましい。

前記第１の金属はＮｉまたはＮｉ合金であり、前記第２の金属はＣｕからなっていてもよい。

前記素電池は円柱状であって、前記帯状部の前記一方の面の上に一列に配置されていてもよい。

本発明の組電池集合体は、上述の組電池を複数並べて、隣り合う該組電池の前記第１部材と前記第２部材とを電気的に接続している構成を有している。

本発明の電池モジュールは、上述の組電池集合体と、前記素電池の側面に接触して該素電池を冷却する冷却部と、前記組電池集合体及び前記冷却部を収納するケースとを備えている構成を有している。

本発明の組電池は、第２の接続部材に電気抵抗が低い通電アシスト部が固定されて電気的に接続されているので第２の接続部材に電流が流れやすくなって、電気を有効に利用できる。

実施形態に係る組電池の上方からの斜視図である。 実施形態に係る組電池の下方からの斜視図である。 実施形態に係る第２接続部材の断面図である。 実施形態に係る組電池集合体の仮想図である。 実施形態に係る電池モジュールの分解図である。 別の実施形態に係る組電池の下方からの斜視図である。

（定義）
帯状部の一方の面と他方の面とは互いに対向する面であり、言い換えれば帯の表側の面と裏側の面とのことである。

帯状部の他方の面におけるスポット溶接された部分に対応する部分Ａが露出しているというのは、その部分Ａは通電アシスト部に被われていないことを意味する。スポット溶接は前記他方の面に電極が押し付けられて行われるが、この電極が押し付けられる部分（電極当接部）が露出しているということが上記文章の意味するところである。例えば帯状部の他方の面の大部分は通電アシスト部によって覆われていて、電極当接部のところには通電アシスト部が存していなくてスポット溶接のための電極が帯状部に直接接触できるようになっている構成である。

隣り合う組電池の第１部材と第２部材とを電気的に接続するとは、１つの組電池の第１部材とその隣の組電池の第２部材とを電気的に接続する、あるいは１つの組電池の第２部材とその隣の組電池の第１部材とを電気的に接続することである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。

（実施形態１）
＜組電池＞
実施形態１に係る組電池を斜め上方及び斜め下方から見たところを図１，図２に示す。本実施形態の組電池１００は２０本の素電池１０ａ，１０ｂが１列に並べられて、２０本全てが並列に接続されたものである。素電池１０ａ，１０ｂ同士は２種類の接続部材（第１部材２０および第２部材３０）によって並列に接続されている。

本実施形態では素電池１０ａ，１０ｂは、円柱形のリチウムイオン二次電池である。第２部材３０の帯状部３２の上に素電池１０ａ，１０ｂの負極（第２の極）側が載せられて電気的に接続されている。そして、第１部材２０は正極（第１の極）側と接続されている。第１部材２０はＣｕからなる帯状の薄板で、素電池１０ａ，１０ｂの正極側の肩部に絶縁スペーサ５０を介して置かれ、正極と電気的に接続されている。接続はここではスポット溶接で行っているが、レーザー溶接など別の溶接方法を用いてもよいし、導電性接着剤で接着する方法を用いてもよく、接続方法は特に限定されない。

第２部材３０は、素電池１０ａ，１０ｂの負極と電気的に接続されている帯状部３２と、帯状部３２の側辺の一部から素電池１０ａ，１０ｂの側面に沿って正極側へ延びている導電部３４とを備えている。帯状部３２はＮｉ（第１の金属）からなる帯状の薄板であって、２０本の素電池１０ａ，１０ｂが一列に並べられてその上に置かれている。帯状部３２と素電池１０ａ，１０ｂの負極とはスポット溶接によって接続・固定されている。素電池１０ａ，１０ｂの負極は鉄の表面にＮｉめっきを施した板からなっていて、帯状部３２はＮｉからなっているので、スポット溶接により両者は電気的及び機械的に確実かつ強固に接続される。

図３に示すように、帯状部３２の素電池１０ａ，１０ｂを載せる面（一方の面３８）を上面とすると、導電部３４は帯状部３２から垂直に上方に立ち上がっている。帯状部３２と導電部３４は１枚のＮｉの板を折り曲げて作られたものである。導電部３４は素電池１０ａ，１０ｂの直径の２倍程度の幅で帯状部３２から上方へ延びており、帯状部３２の側辺に等間隔で４つ設置されている。導電部３４の上端には、素電池１０ａ，１０ｂから離れる方向に直角に曲げられた負極側連結部４２が形成されている。負極側連結部４２は、この組電池１００の隣に置かれるもう一つの組電池の正極側連結部２２に電気的に接続され固定される。負極側連結部４２および正極側連結部２２には孔が開けられており、その孔を利用して両者はねじ止めなどで連結される。

電流の取り出し効率を上げるとともに各素電池１０ａ，１０ｂからの電流のばらつきを少なくするためには、導電部３４は帯状部３２の側辺全てから立ち上がっている一枚板であることが好ましい。しかし後述するように、素電池１０ａ，１０ｂは冷却部に接触して冷却されないと温度が上昇して電池性能が低下してしまうため、素電池１０ａ，１０ｂの側面はなるべく直接冷却部に接触できるように導電部３４は小さくて面積が小さい方が好ましい。このような２つの関係のバランスをとって、本実施形態では１つの帯状部３２に４つの導電部を等間隔で設置し、１２本の素電池１０ａ，１０ｂの側面が直接冷却部に接触するようにしている。

帯状部３２において、素電池１０ａ，１０ｂが載っている面３８（上面）とは反対側の面（下面、他方の面４０）には、Ｃｕ（第２の金属）からなる通電アシスト部３６が帯状部３２に固定され電気的に接続されている。本実施形態では通電アシスト部３６は、レール状に２本の銅板が帯状部３２の長手方向に連続して延びているものである。帯状部３２の幅方向における中央部には通電アシスト部３６は設置されていない。つまり、帯状部３２の他方の面４０において、一方の面３８側のスポット溶接される部分に対応する部分Ａが露出しているのである。これにより帯状部３２と素電池１０ａ，１０ｂとのスポット溶接が妨げられずに確実に溶接が行われる。なぜならば、Ｎｉ板の上にＣｕ板が載っていて、そのＣｕ板の上に電極を接触させてスポット溶接を行うと、Ｃｕ板のために確実な溶接が妨げられて溶接部の機械強度が小さく電気的な接続も確実性が小さくなってしまうからである。

通電アシスト部３６はＣｕからなっておりＮｉよりも電気抵抗が低い。従って本実施形態では、帯状部３２全体として電気抵抗が低くなって組電池１００全体として電気を有効に利用することができる。また、導電部３４との距離が相対的に小さい素電池１０ａ（側面に導電部が配置されている素電池）と相対的に大きい素電池１０ｂとでは、導電部３４までの通電経路の長さによって電圧降下の量が異なってくるが、通電アシスト部３６が存在すると通電アシスト部３６がない場合に比べて各素電池１０ａ，１０ｂから電流取り出し端子までの電圧降下量がいずれの素電池でも相対的に小さくなり、各素電池１０ａ，１０ｂの電流値のばらつきが小さくなる。

例えば、図１，２に示す２０本の素電池１０ａ，１０ｂの場合、各素電池１０ａ，１０ｂの電圧が全て同じであると仮定して本実施形態の組電池１００において、図の奥側端部から４０Ａの電流を入力し、手前端部を出力側としここでの電圧を０とする条件でシミュレーションを行うと、素電池１０ａ，１０ｂの中で電流値が最大のものは２．０６Ａという電流値となり、電流値が最小のものは１．９２Ａという電流値となり、それぞれの素電池１０ａ，１０ｂの電流値は１．９９±０．０７Ａの範囲内にあるという結果となった。しかしながら、通電アシスト部３６を設置していない第２部材３０を用いた場合は、電流値が最大となる素電池１０ａでは電流値が２．２０Ａ、電流値が最小となる素電池１０ｂでは電流値が１．８１Ａとなり、それぞれの素電池１０ａ，１０ｂの電流値は２．００５±０．１９５Ａであった。このように、通電アシスト部３６がない場合は通電アシスト部３６有りの場合に比べて素電池１０ａ，１０ｂ間での電流のばらつきが非常に大きくなるというシミュレーション結果となった。

このように素電池１０ａ，１０ｂの負極同士を電気的に接続させる第２部材３０において、帯状部３２の裏面４０側に帯状部３２材料よりも電気抵抗が低い材料の通電アシスト部３６を固定し電気的に接続させているので、組電池１００全体の内部抵抗が小さくなり、電気を有効に利用できる。

＜組電池集合体＞
図４は、組電池１００を７つ仮想的に並べた組電池集合体２００の仮想図である。組電池集合体２００は組電池１００を直列に接続して構成されている。隣り合う組電池１００同士は負極側連結部４２と正極側連結部２２とで電気的に接続されている。負極側連結部４２は第２部材３０の上端に設けられていて、正極側連結部２２は組電池１００の上部において第１部材２０の側方に突き出して設けられている。組電池１００同士を並べて接続する際は、負極連結部４２と正極連結部２２とが重なるように組電池１００同士を並べて、負極連結部４２および正極連結部２２にそれぞれ開いている孔の位置を合わせて、そこにねじなどを差し込んで固定すればよい。

本実施形態では組電池１００において２０本の素電池１０ａ，１０ｂを並列に接続している。一般的には、特許文献１の図５に示すように各素電池を直列に接続する。なぜならば並列接続では各素電池間の電流値のばらつきが大きくなってしまうからである。しかしながら、本実施形態では、通電アシスト部３６を採用することにより各素電池１０ａ，１０ｂ間の電流値のばらつきを小さくすることができるようにした。このように組電池１００において素電池１０ａ，１０ｂを並列に接続すると、素電池１０ａ，１０ｂの１つが充放電を行わないようになっても組電池１００および組電池集合体２００としては充放電が可能である。一方、組電池において素電池を直列接続すると、１つの素電池に不具合が生じると、組電池集合体さらには組電池集合体を複数繋いだ電池パックも充放電しないようになってしまう。こうなると、例えば電気自動車において走行中に素電池が１本壊れると電力が供給されなくなって自動車は止まってしまうことになり、交通事故等が生じる危険がある。本実施形態の組電池１００、組電池集合体２００においてはこのような危険はなく、電気自動車用の電源として高い安全性を確保できる。

＜電池モジュール＞
図５は、組電池集合体２００を使用した電池モジュール３００の分解図である。電池モジュール３００は、ケース２２０と冷却部２１０と組電池集合体２００と上蓋２３０と端子側蓋２４０とを備えている。ケース２２０は冷却部２１０と組電池集合体とを収納している。冷却部２１０は各素電池１０ａ，１０ｂに対応する凹部２１６を備えていて、素電池１０ａ，１０ｂの側面が凹部１０ａ，１０ｂ表面に接触する構成となっている。組電池集合体２００を冷却部２１０に組み込む際には、各素電池１０ａ，１０ｂを凹部２１６に押し込み、素電池１０ａ，１０ｂ側面を凹部２１６表面に接触させる。冷却部２１０は水冷式であり、水入口２１２と水出口２１４を備えている。

電池モジュール３００の組立は、まず冷却部２１０に組電池集合体２００を組み込み、それに端子側蓋２４０を填めこんでモジュール本体を組み立てることから始まる。次にケース２２０にモジュール本体を組み込んで、上蓋２３０をかぶせて固定することで電池モジュール３００が出来上がる。

本実施形態では、導電部３４が側面側に存する素電池１０ａ以外の素電池１０ｂは、側面の大半が冷却部２１０に接触して効率的に冷却される。導電部３４が側面側に存する素電池１０ａも側面の１／３程度は冷却部２１０に接触して冷却されるので、電池モジュール３００内の素電池１０ａ，１０ｂが全てほぼ同じ温度に保たれ、温度の高低による電池特性のばらつきが抑制できる。また、１本の素電池が充放電不可になった場合にも電池モジュール３００としては充放電が可能なことは、組電池集合体２００のところで説明したとおりである。

＜変形例＞
図６は通電アシスト部３７の形状のみが異なる変形例に係る組電池１１０の斜視図である。この変形例においては通電アシスト部３７が２本のレール状ではなく、帯に円形の孔を素電池１０ａ，１０ｂの数だけ開けた形状を有している。この孔の位置で帯状部３２と負極とのスポット溶接が行われる。このような形状により、帯状部３２トータルの電気抵抗をより低くすることができる。

（その他の実施形態）
上記の実施形態は本発明の例示であって、本発明はこの例に限定されない。例えば、素電池としては、リチウムイオン二次電池が好ましいが、ニッケル水素二次電池や他の二次電池でも構わない。それぞれの二次電池の内部の構成、原材料などは特に限定されず、公知のものを用いることができる。素電池の形状は円柱形、角柱形、楕円柱形など、柱状のものを用いることができる。

第２部材の材料はＮｉに限定されない。Ｎｉ合金や他のスポット溶接が容易で溶接による高い接続強度及び低い電気抵抗が確保できる金属であればその種類は限定されない。また、通電アシスト部の材料も第２部材の材料よりも電気抵抗が低ければその種類は限定されない。通電アシスト部は金属板に限定されず、金属箔であったり導電性無機物・有機物からなる板や箔などでもよい。

組電池を構成する素電池の数、並び方も特に限定されない。１列に並ばず、複数列に並んでいても構わない。組電池集合体を構成する組電池の数や並び方も特に限定されない。

帯状部の他方の面の前面を覆うように通電アシスト部が貼り合わされていてもよい。この場合は、帯状部と素電池とをスポット溶接してから通電アシスト部を貼り合わせてもよいし、通電アシスト部が貼り合わせられた帯状部に素電池を導電性接着剤等で接続してもよい。

帯状部の他方の面に通電アシスト部を固定させるのは、溶接により行ってもよいし、導電性接着剤により行っても良く、電気的接続が保持されて帯状部と通電アシスト部とが固定されていればどのような手段を用いても構わない。

導電部の形状、大きさ、数量も特に限定されない。素電池の側面に沿うように曲面構造を有していても良い。また、素材もＣｕなどの電気抵抗が低いものが好ましい。実施形態１において導電部の表面にＣｕ板を溶接や接着等によって貼り合わせてもよい。

以上説明したように、本発明に係る組電池は高い電池効率を有し、電気容量の大きな電源として有用である。

１０ａ，１０ｂ 素電池
２０ 第１部材
３０ 第２部材
３２ 帯状部
３４ 導電部
３６、３７ 通電アシスト部
３８ 一方の面（上面）
４０ 他方の面（下面）
１００，１１０ 組電池
２００ 組電池集合体
２１０ 冷却部
３００ 電池モジュール

Claims (6)

1. 複数の素電池と、前記素電池を電気的に並列に接続する接続部材とを備えた組電池であって、
   前記素電池は柱状であって、上面に第１の極を備え、下面に第２の極を備えており、
   前記接続部材は、前記第１の極同士を接続する第１部材と、前記第２の極同士を接続する第２部材とを備えており、
   前記第２部材は、第１の金属からなる帯状部と、該帯状部の側辺の一部から前記素電池の側面に沿って延びる導電部とを備えており、
   前記帯状部の一方の面には、前記素電池が前記下面において接触しているとともに前記第２の極と前記帯状部とが電気的に接続されており、
   前記帯状部の他方の面には、前記第１の金属よりも電気抵抗が低い第２の金属からなる通電アシスト部が固定されて電気的に接続されている、組電池。
2. 前記帯状部と前記第２の極とはスポット溶接によって接続されており、
   前記帯状部の他方の面におけるスポット溶接された部分に対応する部分は露出している、請求項１に記載されている組電池。
3. 前記第１の金属はＮｉまたはＮｉ合金であり、前記第２の金属はＣｕからなる、請求項２に記載されている組電池。
4. 前記素電池は円柱状であって、前記帯状部の前記一方の面の上に一列に配置されている、請求項１から３のいずれか一つに記載されている組電池。
5. 請求項１から４のいずれか一つに記載されている組電池を複数並べて、隣り合う該組電池の前記第１部材と前記第２部材とを電気的に接続している、組電池集合体。
6. 請求項５に記載されている組電池集合体と、前記素電池の側面に接触して該素電池を冷却する冷却部と、前記組電池集合体及び前記冷却部を収納するケースとを備えた、電池モジュール。