JP2013016441A - 電池モジュール、その製造方法、車両及び電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電池セルを収容するケースを用いることなく電池モジュールを構成する。
【解決手段】第一の電池セル２と、第二の電池セル２と、第一の電池セルの電極端子１０ａ、１０ｂと第二の電池セル２の電極端子１０ｂ、１０ａとを連結するバスバー１１と、第一の電池セル２を挟持する第一の連結部材３（又は、４、５）と、第二の電池セル２を挟持する第二の連結部材４（又は、５、３）と、を備え、第一の連結部材３（又は、４、５）は、第二の連結部材４（又は、５、３）と第一の電池セル２および第二の電池セル２の高さ方向の位置決めをし、第一の電池セル２および第二の電池セル２の積層方向の位置決めをする。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、複数のセルユニットを連結して製造された電池モジュール、電池モジュールの製造方法、電池モジュールを搭載した車両及び電気機器に関する。

近年、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、電動自転等の車両の電源、あるいは、テレビ等の電気機器の電源として、二次電池セルが広く用いられている。例えば、非水系二次電池セルであるリチウムイオン二次電池セルは、高出力、高エネルギー密度を有することから、電気自動車等の電源として注目されている。

一般に、二次電池セルを車両等の電源として利用する場合には、高容量化、高出力化を図るため、複数の二次電池セルを樹脂製のケース内に収容することにより電池モジュールを製造している（下記特許文献１参照）。

特開２０１１−７６９３６号公報

しかしながら、各二次電池セルの寸法公差や、ケースの反りなどにより、ケースと二次電池セルとの間に隙間ができるという問題や、二次電池セルがケース内に収容できないという問題が発生している。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、複数の電池セルを接続した電池モジュールを製造する場合、電池セルを収容するケースを用いることなく、かつ、各電池セルの電極端子の高さ位置を一定にしてバスバーによる電極端子同士の接続を容易に及び確実に行うことができる電池モジュール、この電池モジュールの製造方法、この電池モジュールを搭載した車両及び電気機器を提供することである。

実施形態のセルユニットは、電池セルと、電池セルに設けられた連結部材と、を備え、連結部材は、隣り合って位置する他の電池セルに設けられた他の連結部材と連結可能である。

本発明の実施形態に係る電池モジュールを示す斜視図である。 図１に示す電池モジュールの分解斜視図である。 図１に示す電池モジュールを構成する一つのセルユニット示す斜視図である。 図３に示すセルユニットの分解斜視図である。 図１に示す電池モジュールの一端側に位置する他のセルユニットの連結部材を示す斜視図である。 図１に示す電池モジュールの他端側に位置する他のセルユニットの連結部材を示す斜視図である。 図１に示す電池モジュールを搭載した車両を示す模式図である。 図１に示す電池モジュールを搭載したテレビを示す模式図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は電池モジュール１を示す斜視図である。この電池モジュール１は図１に示すように、電池セルである二次電池セル２に形状の異なる連結部材３、４、５のいずれかを取付けた複数のセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃを有し、これらのセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃが直線状に積層して連結されている。なお、セルユニット６ａ、６ｂ、６ｃが直線状に積層された場合には、それに伴って各セルユニット６ａ、６ｂ、６ｃを構成する複数の二次電池セル２も直線状に積層される。隣り合って位置するセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃの連結部材３、４、５同士は連結可能であり、溶接によって連結されている。なお、この電池モジュール１は、一端側に位置する１個のセルユニット６ａと、他端側に位置する１個のセルユニット６ｃと、その間に位置する１０個のセルユニット６ｂとの、合計１２個のセルユニットから構成されている。電池モジュール１の上部側には上面カバー７が設けられ、この上面カバー７に対して各連結部材３、４、５の上端側が溶接されている。

電池モジュール１の詳細を、図２の分解斜視図に基づいて説明する。電池モジュール１は、直方体形状に形成された複数の二次電池セル２、各二次電池セル２に取付けられる連結部材３（又は、４、５）、二次電池セル２の上端側を覆う上面カバー７、二次電池セル２と上面カバー７との間を絶縁する絶縁シート８、各二次電池セル２に設けられて上面カバー７に形成され端子用孔９から上方に突出した電極端子である正極端子１０ａと負極端子１０ｂとを接続する複数のバスバー１１、隣り合って位置する二次電池セル２の間に介装されて二次電池セル２間の短絡を防止する絶縁部材である絶縁セパレータ１２を備えている。

直線状に積層された各セルユニット６ａ、６ｂ、６ｃにおいては、積層方向の一端側に位置する１個のセルユニット６ａの二次電池セル２に連結部材３が取付けられ、積層方向の他端側に位置する１個のセルユニット６ｃの二次電池セル２に連結部材５が取付けられ、その間に位置する１０個のセルユニット６ｂの二次電池セル２に連結部材４が取付けられている。本実施形態の連結部材３、４、５は金属材料で形成され、各連結部材３、４、５に対して絶縁フィルム（図示せず）が被覆され、この絶縁フィルムの被覆によって二次電池セル２と連結部材３、４、５との間が絶縁処理されている。このほか、樹脂材料などを用いた絶縁体で連結部材３，４，５を構成しても良い。

図３は、二次電池セル２に連結部材４が取付けられたセルユニット６ｂを示す斜視図であり、図４はその分解斜視図である。

連結部材４は、略Ｕ字形に形成された連結部材本体４ａを有している。この連結部材本体４ａは、略平行に対向する一対の挟持片４ｂとこれらの挟持片４ｂの一端側を繋ぐ繋ぎ片４ｃとにより形成され、一対の挟持片４ｂが互いに接離する方向に可撓性を有している。二次電池セル２への連結部材４の取付けは、セルユニット６ａ、６ｂ、６ｃの積層方向に沿った二次電池セル２の一対の側面を一対の挟持片４ｂで挟持することにより行われている。挟持片４ｂの他端側にはそれぞれ溶接穴４ｄが形成され、これらの溶接穴４ｄは、連結部材４を上面カバー７に溶接する場合に使用される。

さらに、連結部材４には、連結部材本体４ａと一体に形成された突起４ｅ、４ｆが設けられている。突起４ｅは各挟持片４ｂに１個ずつ設けられ、挟持片４ｂの長手方向と直交する方向であって、複数のセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃを連結して電池モジュール１を製造した場合に隣に位置する他のセルユニット６ｂ（又は、６ａ）の方向へ張り出している。突起４ｅが設けられている位置は、二次電池セル２に連結部材４を取付けた場合に、二次電池セル２の高さ方向の略中央部となる位置である。突起４ｆは繋ぎ片４ｃに設けられ、複数のセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃを連結して電池モジュール１を製造した場合に隣に位置する他のセルユニット６ｂ（又は６ａ）の方向へ張り出している。これらの突起４ｅ、４ｆにはそれぞれ溶接穴４ｇが形成されている。これらの溶接穴４ｇは、連結部材４を隣に位置する他の連結部材４（又は３）に溶接する場合に使用される。

図５は、セルユニット６ａの連結部材３を示す斜視図である。連結部材３は、略Ｕ字形に形成された連結部材本体３ａを有している。この連結部材本体３ａは、略平行に対向する一対の挟持片３ｂとこれらの挟持片３ｂの一端側を繋ぐ繋ぎ片３ｃとにより形成され、一対の挟持片３ｂが互いに接離する方向に可撓性を有している。図５では二次電池セル２を図示していないが、二次電池セル２への連結部材３の取付けは、図３及び図４に示した連結部材４の場合と同様に、セルユニット６ａ、６ｂ、６ｃの積層方向に沿った二次電池セル２の一対の側面を一対の挟持片３ｂで挟持することにより行われている。挟持片３ｂの他端側にはそれぞれ溶接穴３ｄが形成され、これらの溶接穴３ｄは、連結部材３を上面カバー７に溶接する場合に使用される。

さらに、連結部材３には、一対の挟持片３ｂの略中央部分を繋いだ側面押え片３ｅが設けられている。側面抑え片３ｅは、一端側が一方の挟持片３ｂと一体に形成されて繋がっており、他端側が他方の挟持片３ｂに溶接されて繋がっている。この側面押え片３ｅは、複数のセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃを連結して電池モジュール１を製造した場合に、二次電池セル２におけるセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃの積層方向と直交する方向の外側に位置する一方の側面を押える。

図６は、セルユニット６ｃの連結部材５を示す斜視図である。連結部材５は、略Ｕ字形に形成された連結部材本体５ａを有している。この連結部材本体５ａは、略平行に対向する一対の挟持片５ｂとこれらの挟持片５ｂの一端側を繋ぐ繋ぎ片５ｃとにより形成され、一対の挟持片５ｂが互いに接離する方向に可撓性を有している。図６では二次電池セル２を図示してないが、二次電池セル２への連結部材５の取付けは、図３及び図４に示した連結部材４の場合と同様に、セルユニット６ａ、６ｂ、６ｃの積層方向に沿った二次電池セル２の一対の側面を一対の挟持片５ｂで挟持することにより行われている。挟持片５ｂの他端側にはそれぞれ溶接穴５ｄが形成され、これらの溶接穴５ｄは、連結部材５を上面カバー７に溶接する場合に使用される。

また、連結部材５には、連結部材本体５ａと一体に形成された突起５ｅ、５ｆが設けられている。突起５ｅは各挟持片５ｂに１個ずつ設けられ、挟持片５ｂの長手方向と直交する方向であって、複数のセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃを連結して電池モジュール１を製造した場合に隣に位置する他のセルユニット６ｂの方向へ張り出している。突起５ｅが設けられている位置は、二次電池セル２に連結部材５を取付けた場合に、二次電池セル２の高さ方向の略中央部となる位置である。突起５ｆは繋ぎ片５ｃに設けられ、複数のセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃを連結して電池モジュール１を製造した場合に隣に位置する他のセルユニット６ｃの方向へ張り出している。これらの突起５ｅ、５ｆにはそれぞれ溶接穴５ｇが形成されている。これらの溶接穴５ｇは、連結部材５を隣に位置する他の連結部材４に溶接する場合に使用される。

さらに、連結部材５には、一対の挟持片５ｂの略中央部分を繋いだ側面押え片５ｈが設けられている。側面抑え片５ｈは、一端側が一方の挟持片５ｂと一体に形成されて繋がっており、他端側が他方の挟持片５ｂに溶接されて繋がっている。この側面押え片５ｈは、複数のセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃを連結して電池モジュール１を製造した場合に、二次電池セル２におけるセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃの積層方向と直交する方向の外側に位置する一方の側面を押える。

図１に戻って、直線状に積層された複数のセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃの連結は、連結部材３、４、５同士を溶接することにより行われている。例えば、セルユニット６ａの連結部材３とセルユニット６ｂの連結部材４とが溶接され、セルユニット６ｂの連結部材４と隣り合う他のセルユニット６ｂの連結部材４とが溶接され、セルユニット６ｂの連結部材４とセルユニット６ｃの連結部材５とが溶接されている。連結部材３、４、５同士の溶接は、例えば、連結部材４と連結部材５との溶接においては、連結部材５の突起５ｅを連結部材４の挟持片４ｂの外側面上に重ね、溶接穴５ｇを使用して突起５ｅと挟持片４ｂとを溶接することにより行われている。また、図１には図示しないが、連結部材５の突起５ｆが連結部材４の繋ぎ片４ｃの外側面上に重ねられ、溶接穴５ｇを使用して突起５ｆと繋ぎ片４ｃとが溶接されている。この溶接方法としては、例えば、レーザ溶接を行うことができる。連結部材３と連結部材４との溶接、及び、連結部材４と連結部材４との溶接も同様に行われている。

連結部材３、４、５同士を溶接する場合には、各二次電池セル２の正極端子１０ａと負極端子１０ｂとが同一面内に位置するように各セルユニット６ａ、６ｂ、６ｃの高さ方向の位置決めが行われ、この位置決め後に連結部材３、４、５同士の溶接が行われている。

突起４ｅ、５ｅが設けられている位置は、二次電池セル２に連結部材４、５を取付けた場合に、二次電池セル２の高さ方向の略中央部となる位置である。このため、突起４ｅ、５ｅの溶接穴４ｇ、５ｇを使用して連結部材３、４、５同士を溶接した場合、その溶接位置は、セルユニット６ａ、６ｂ、６ｃの積層方向と直交する方向であって二次電池セル２の高さ方向の略中央部となっている。

上面カバー７と連結部材３、４、５との溶接は、連結部材３の挟持片３ｂと連結部材４の挟持片４ｂと連結部材５の挟持片５ｂとの先端側を上面カバー７の外側面上に重ね、溶接穴３ｄ、４ｄ、５ｄを使用して行われている。

上面カバー７の上面側においては、上面カバー７の端子用孔９から各二次電池セル２の正極端子１０ａと負極端子１０ｂとが上方に突出しており、これらの正極端子１０ａと負極端子１０ｂとにバスバー１１が接続され、このバスバー１１の接続によって複数の二次電池セル２が直列に接続されている。正極端子１０ａ、負極端子１０ｂとバスバー１１との接続は、レーザ溶接により行われている。

尚、本実施形態では、連結部材３、４、５を金属材料で形成し、連結部材３、４、５に絶縁フィルム（図示せず）を被覆することにより二次電池セル２と連結部材３、４、５との間を絶縁処理した場合を例に挙げて説明したが、これらの連結部材を樹脂などの絶縁材料で形成してもよい。その場合の連結部材同士の連結は、例えば、超音波溶着により行うことができる。

図７は、電源として電池モジュール１を搭載した電気自動車の車両１３を示したものである。この車両１３の駆動輪１４には駆動部としてモータ１５が連結され、モータ１５に対して電池モジュール１から給電される。車両１３には複数の電池モジュール１が搭載され、搭載された複数の電池モジュール１は直列に接続されている。

図８は、電源として電池モジュール１を搭載した電気機器であるテレビ１６を示したものである。なお、このテレビ１６では、電源を電池モジュール１と商用電源とに切替える切替え機構を備えることが望ましい。

このような構成において、この電池モジュール１は、各二次電池セル２にいずれか一つの連結部材３、４、５を取付けることにより複数のセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃを形成し、これらの複数のセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃを直線状に積層し、隣り合って位置するセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃ同士を連結することにより製造されている。このため、この電池モジュール１を製造する場合に、複数の二次電池セル２を収容するケースを必要とせず、各二次電池セル２の寸法公差やケースの反りなどが原因となってケースとケース内に収容された二次電池セル２との間に隙間が生じることや、二次電池セル２をケース内に収容できない等の不都合の発生を防止することができる。

複数のセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃを連結する場合には、各二次電池セル２の正極端子１０ａと負極端子１０ｂとが上向きとなるように複数のセルユニット６ａ、６ｂ、６ｂを直線状に積層し、その後、直線状に積層したセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃの向きを、各二次電池セル２の正極端子１０ａと負極端子１０ｂとが下向きとなるように変更する。そして、下向きとなった各二次電池セル２の正極端子１０ａと負極端子１０ｂとを平坦面に押し付け、各二次電池セル２の正極端子１０ａと負極端子１０ｂとを同一面上に位置させる。その後、各二次電池セル２の正極端子１０ａと負極端子１０ｂとを同一面上に位置させた状態で、隣り合って位置する連結部材３、４、５同士を溶接することによりセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃを連結する。このため、各二次電池セル２に寸法公差がある場合でも、全ての二次電池セル２の正極端子１０ａと負極端子１０ｂとを同一面上に位置させることができる。したがって、これらの正極端子１０ａと負極端子１０ｂとをバスバー１１で接続する場合に平板形状のバスバー１１を用いることができ、その接続を容易にかつ確実に行うことができる。

なお、連結部材３、４、５同士の溶接は、突起５ｅ、４ｅを挟持片４ｂ、３ｂの外側面上に重ねた位置で行うため、各二次電池セル２の正極端子１０ａと負極端子１０ｂとが同一平面上に位置するように各セルユニット６ａ、６ｂ、６ｃの位置を調節した場合でも、連結部材３、４、５同士の溶接を容易に行うことができる。

また、隣り合って位置する連結部材３、４、５同士を溶接して直線状に積層された複数のセルユニット６ａ、６ｂ、６ｂを連結する場合、セルユニット６ａ、６ｂ、６ｃをその積層方向に沿って加圧しながら行うことができる。これにより、セルユニット６ａ、６ｂ、６ｃを連結して電池モジュール１を製造した場合、隣り合って位置するセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃ間のがたつきを防止することができる。

さらに、突起４ｅ、５ｅの溶接穴４ｇ、５ｇを使用した連結部材３、４、５同士の溶接が、各二次電池セル２の高さ方向の略中央部となる位置で行われている。このため、二次電池セル２の内部でガスが発生した場合、そのガスの発生により二次電池セル２の中央部が大きく膨らむということを防止することができ、各二次電池セル２の中央部が膨らんだために電池モジュール１が反りを生ずるということを防止することができる。これにより、電池モジュール１を車両１３やテレビ１６に搭載した場合、電池モジュール１の反りにより搭載状態が不安定になるということを防止することができる。

また、この電池モジュール１では、金属製の連結部材３、４、５に絶縁フィルムが被覆され、この絶縁フィルタの被覆によって二次電池セル２と連結部材３、４、５との間が絶縁処理されている、このため、金属製の連結部材３、４、５を用いた場合で有っても連結部材３、４、５と二次電池セル２との間の短絡を防止することができる。さらに、隣り合う二次電池セル２同士の間に絶縁セパレータ１２が介装されているため、隣り合う二次電池セル２間での短絡を防止することができる。

連結部材３、４、５は略Ｕ字形に形成された可撓性を有する連結部材本体３ａ、４ａ、５ａを有するので、この連結部材本体３ａ、４ａ、５ａで二次電池セル２を挟持することにより、二次電池セル２に連結部材３、４、５を取付ける作業を、手間をかけず容易に行うことができる。さらに、二次電池セル２や連結部材３、４、５に製造時の寸法公差が生じた場合でも、二次電池セル２に連結部材３、４、５を取付けることができる。

ここで、製造された電池モジュール１においては、例えば、一つの連結部材（第一の連結部材）３は、隣り合って位置する他の連結部材（第二の連結部材）４と、連結部材３に挟持された二次電池セル２（第一の電池セル）および連結部材４に挟持された二次電池セル（第二の電池セル）２の高さ方向の位置決めをし、さらに、連結部材３に挟持された二次電池セル２および連結部材４に挟持された二次電池セル２の積層方向の位置決めをしている。同様に、一つの連結部材４（第一の連結部材）は、隣り合って位置する他の連結部材（第二の連結部材）３（又は、４、５）と、連結部材４に挟持された二次電池セル２（第一の電池セル）および連結部材３（又は、４、５）に挟持された二次電池セル（第二の電池セル）２の高さ方向の位置決めをし、さらに、連結部材４に挟持された二次電池セル２および連結部材３（又は、４、５）に挟持された二次電池セル２の積層方向の位置決めをしている。

本実施形態では、１２個のセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃを連結した電池モジュール１を例に挙げて説明したが、この電池モジュール１は連結するセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃの数を容易に変更することができ、必要に応じて連結するセルユニット６ａ、６ｂ、６ｃの数を変更することにより必要な容量、出力の電池モジュール１を得ることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、本実施形態では上面カバーや連結部材は金属部材であると記載しているが、接着剤など他の連結媒体を利用して各電池セルの結合を行う場合は、樹脂製のカバーや連結部材を用いても良い。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…電池モジュール、２…二次電池セル（電池セル）、３、４、５…連結部材、６ａ、６ｂ、６ｃ…セルユニット、１０ａ…正極端子（電極端子）、１０ｂ…負極端子（電極端子）、１１…バスバー、１２…絶縁セパレータ（絶縁部材）、１３…車両、１６…テレビ（電気機器）

Claims (9)

1. 第一の電池セルと、
   第二の電池セルと、
   前記第一の電池セルの電極端子と前記第二の電池セルの電極端子とを連結するバスバーと、
   前記第一の電池セルを挟持する第一の連結部材と、
   前記第二の電池セルを挟持する第二の連結部材と、
   を備え、
   前記第一の連結部材は、前記第二の連結部材と前記第一の電池セルおよび前記第二の電池セルの高さ方向の位置決めをし、前記第一の電池セルおよび前記第二の電池セルの積層方向の位置決めをする
   電池モジュール。
2. 前記第一の連結部材は、
   前記第一の電池セルおよび前記第二の電池セルの前記電極端子の高さを同一とするように前記第二の連結部材と連結する
   請求項1記載の電池モジュール。
3. 前記第一の電池セルと前記第二の電池セルとを絶縁する絶縁部材をさらに備え、
   前記第一の連結部材は、
   前記第一の電池セルと前記第二の電池セルとを前記絶縁部材を介して前記第二の連結部材と連結する
   請求項1記載の電池モジュール。
4. 前記第一の連結部材および第二の連結部材は金属材料により形成され、かつ、絶縁処理されている
   請求項１記載の電池モジュール。
5. 前記第一の連結部材および第二の連結部材は絶縁材料により形成されている
   請求項１記載の電池モジュール。
6. 前記連結部材同士の連結は、前記電池セルの積層方向と直交する方向であって前記電池セルの高さ方向の略中央部で行われている
   請求項１記載の電池モジュール。
7. 電池セルに連結部材が設けられた複数のセルユニットを連結して電池モジュールを製造する電池モジュールの製造方法であって、
   前記電池セルに設けられている電極端子が同一面内に位置するように前記セルユニットを位置決めする工程と、
   前記位置決め後に前記連結部材同士を連結する工程と、
   を備える電池モジュールの製造方法。
8. 第一の電池セルと、
   第二の電池セルと、
   前記第一の電池セルの電極端子と前記第二の電池セルの電極端子とを連結するバスバーと、
   前記第一の電池セルを挟持する第一の連結部材と、
   前記第二の電池セルを挟持する第二の連結部材と、
   を備え、
   前記第一の連結部材は、前記第二の連結部材と前記第一の電池セルおよび前記第二の電池セルの高さ方向の位置決めをし、前記第一の電池セルおよび前記第二の電池セルの積層方向の位置決めをする電池モジュール、
   を搭載した車両。
9. 第一の電池セルと、
   第二の電池セルと、
   前記第一の電池セルの電極端子と前記第二の電池セルの電極端子とを連結するバスバーと、
   前記第一の電池セルを挟持する第一の連結部材と、
   前記第二の電池セルを挟持する第二の連結部材と、
   を備え、
   前記第一の連結部材は、前記第二の連結部材と前記第一の電池セルおよび前記第二の電池セルの高さ方向の位置決めをし、前記第一の電池セルおよび前記第二の電池セルの積層方向の位置決めをする電池モジュール、
   を搭載した電気機器。

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