JP2013030382A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】複数の組電池を接続した電池モジュールにおいて、組電池の電気接続部の容積を低減して電池モジュールのエネルギー密度を高めること、および組電池同士の電気接続を容易に行えるようにすること。
【解決手段】複数の素電池を配列した第１の組電池と、複数の素電池を配列した第２の組電池と、第１の組電池の集電板と第２の組電池の集電板とを電気接続するバスバーを備え、第１の組電池及び第２の組電池は、複数の素電池が配置されて、端部に素電池同士の隙間を有し、バスバーが、第１の組電池の隙間および第２の組電池の隙間の少なくとも一方に配置されているので、組電池同士の電気接続部がコンパクトになり、電池モジュールのエネルギー密度が高まる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の素電池を含む組電池同士を電気接続した電池モジュールに関するものである。

大容量の電池モジュールを得るために、複数の素電池を収容する電池ユニット（組電池）を複数電気接続して、大容量の電池モジュールとすることがある（特許文献１を参照）。特許文献１は、各電池ユニットにリード板を設けて、リード板を介して電池ユニット同士を電気接続している。

特開２０００−１３３２２７号公報

近年、電池モジュールの大容量化とともに、その容積を低減すること、つまり、エネルギー密度の高い電池モジュールが求められている。しかし一方で、電池モジュールを構成する電池ユニット（組電池）の電気接続作業が簡便であることも求められている。

そこで本発明は、電池ユニット（組電池）の電気接続部の容積を低減して電池モジュールのエネルギー密度を高めること、および組電池同士の電気接続を容易に行えるようにすることを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電池モジュールは、複数の素電池を配列した第１の組電池と、複数の素電池を配列した第２の組電池と、第１の組電池の集電板と第２の組電池の集電板とを電気接続するバスバーを備え、第１の組電池及び第２の組電池は、複数の素電池が配置されて、端部に素電池同士の隙間を有し、バスバーが、第１の組電池の隙間および第２の組電池の隙間の少なくとも一方に配置されている。

本構成によって、組電池同士の電気接続部がコンパクトであるので、電池モジュールのエネルギー密度が高まる。

本発明の電池モジュールは、複数の素電池を有する組電池の複数を電気接続することで、大容量化されている。しかも、組電池同士の電気接続部がコンパクトであるので、電池モジュールのエネルギー密度が高まる。よって、大容量化とともに、エネルギー密度の向上が望まれる用途の電池モジュールに用いられうる。

本発明の実施の形態１における電池モジュールを構成する組電池の斜視図 本発明の実施の形態１における電池モジュール平面図および正面図 本発明の実施の形態１における接続端子の詳細図 本発明の実施の形態１における接続端子を接続した組電池の斜視図 本発明の実施の形態１における接続端子で組電池同士を並列接続した斜視図 本発明の実施の形態１における接続端子で組電池同士を直列接続した斜視図 本発明の実施の形態１における素電池の配列と、バスバーの配置の関係図 本発明の実施の形態１におけるバスバーの斜視図

本発明の電池モジュールは、２以上の組電池を含み、組電池同士が電気接続されている。組電池同士の電気接続は、直列接続であっても、並列接続であってもよい。組電池同士の電気接続を、バスバーを介して行うことを特徴とする。

組電池において、各素電池は最密充填配列されていることが好ましい。具体的には、複数の円柱状の素電池が配列され、各素電池の柱頂部に配置された集電板と、素電池の柱底部に配置された集電板と、を有する。

以下本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
まず、本発明の電池モジュールを構成する組電池について説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における電池モジュールを構成する組電池の斜視図である。図１に示されるように、組電池１００は、正極集電板１０と、正極側ホルダー２０と、複数の素電池３１を収納するハウジング３０、または、複数の素電池３１の集合体と、負極側ホルダー４０と、負極集電板５０とを有し、正極集電板１０または負極集電板５０に他の組電池１００の正極集電板１０または負極集電板５０を電気的に接続するバスバー６０が接続されている。

素電池３１は、円柱状のリチウムイオン電池などの二次電池で、柱頂部に正極、柱底部に負極を有するものである。

素電池３１の各々は、ハウジング３０などに収容されてもよいし、ハウジング３０に収容されない素電池３１の単なる集合体であってもよく、これらは正極側ホルダー２０および負極側ホルダー４０で支持される。また、素電池３１は最密充填構造で配置されている。つまり、３つの素電池３１が正三角形の頂点になるように、６０°の角度で配置されている。図１においては、例えば組電池１００の中に素電池３１が７個（ｎ個）、６個（ｎ−１個）、７個（ｎ個）と３列以上で配置され、最密充填構造で配置されている。このとき、６個の列（ｎ−１個の列）において、組電池１００の端部に素電池３１の半分のサイズの隙間が形成されている。

また、ハウジング３０は、例えば、図１のように各素電池を収容可能なパイプ状部材の集合体、各素電池を収容可能な孔を設けたブロックなどでありうる。ハウジング３０は、銅、鉄、ニッケル、アルミニウなどの金属や樹脂で形成される。金属の場合は、鋳物や、切削加工物などであり任意の形状を作ることができる工法で形成されたものである。そして、金属で形成した場合は、素電池３１が発生した熱をハウジング３０が吸熱し、放熱することができる。

正極集電板１０は、複数の素電池３１の正極に接続されて組電池１００の正極となる。また、負極集電板５０は、複数の素電池３１の負極に接続されて組電池１００の負極となる。正極集電板１０及び負極集電板５０は、金属導体で、銅、鉄、ニッケル、アルミニウム、またはそれらの合金が含まれ、バスバー６０は、それらの金属単体やそれらを含む複層の合板で構成される。また、正極集電板１０及び負極集電板５０は、金属導体にめっきなどの皮膜形成なされたものでもかまわない。

正極側ホルダー２０は、正極集電板１０と複数の素電池３１の間に配置され、正極集電板１０と複数の素電池３１の側面を絶縁すると共に、正極集電板１０と複数の素電池３１とを固定している。また、負極側ホルダー４０は、負極集電板５０と複数の素電池３１の間に配置され、負極集電板５０と複数の素電池３１の側面を絶縁すると共に、負極集電板５０と複数の素電池３１とを固定している。正極側ホルダー２０及び負極側ホルダー４０は、樹脂または表面を絶縁コーティングされた金属などで構成されている。

バスバー６０は、正極集電板１０には接続させるが、一方で、同じ組電池の負極集電板５０には接続させない。同様に、負極集電板５０に接続させるとき、同じ組電池の正極集電板１０には接続させない。バスバー６０は、正極集電板１０に一体不可分に接続させていてもよいし、着脱可能に接続させていてもよい。例えば、正極集電板１０にバスバー６０を冶金的に接合させれば、通常は一体不可分になり、正極集電板１０にバスバー６０をねじで固定させれば、脱着可能に接続される。また、バスバー６０は組電池１００の素電池３１が１個少ない６個の列（ｎ−１個の列）の隙間に配置される。

バスバー６０は、組電池１００の端部に形成される隙間に収まるサイズで、一つの素電池３１を包含するハウジング３０のサイズ、または素電池３１のサイズと同等または若干小さいサイズで、かつ、正六角形状であることが好ましい。正六角形状のコーナー角はＲ状になっていてもよいし、接合される組電池１００側の方だけを六角にしてもよい。この場合は、組電池１００の端面から隙間に対して６０°の角度で挿入される形状、つまり、ハウジング３０または素電池３１に接しながら、組電池１００の端面に対して６０°の角度をもった線の組合せのみとなり、接合されない組電池側では六角でなく円形状であったり、多角形であったりしてもかまわない。但し、複数配列される素電池の隙間に入ることが前提の形状である。

上記のように、バスバー６０を組電池１００の端面から隙間に対して６０°の角度で挿入される形状、つまり、正六角形状、または、ハウジング３０または素電池３１に接しながら、組電池１００の端面に対して６０°の角度をもった線の組合せの形状にすることにより、素電池３１の６０°で形成されて最密充填構造に挿入する際に、一つの素電池３１を包含するハウジング３０または素電池３１の円形と同等の断面積で電気的接続ができると共に、バスバー６０の外周面に最も長い直線部を有することができるので、バスバー６０と正極集電板１０または負極集電板５０との接合面積を増やすことができ、かつ、接合強度を強くすることができる。

また、バスバー６０は、組電池１００の集電板同士を電気接続させる導体部材であればよく、柔軟な配線部材であってもよいし、剛直な金属棒であってもよい。組電池１００同士の接続作業を容易にするという視点から、剛直な金属棒とする場合もある。金属の例には、銅、鉄，ニッケル，アルミニウム、またはそれらの合金が含まれ、バスバー６０は、それらの金属を含む複層の合板であってもよい。また、バスバー６０は、金属導体にめっきなどの皮膜形成なされたものでもかまわない。

正極集電板１０、負極集電板５０は、端部に素電池３１が１個少ないｎ−１個の列の隙間の位置にバスバー６０の正六角形状を対称の頂点で半分にした台形と同じサイズの凹部を有している。これにより、バスバー６０と正極集電板１０または負極集電板５０を溶接する際、より長い直線で溶接することができる。正極集電板１０、負極集電板５０の台形状の凹部には、正極集電板１０、負極集電板５０に対して直角方向に飛出た溶接部を備えていてもよい。この飛び出しは折り曲げ加工や段付き切削加工、鍛造プレス加工などであってもよい。

次に、本発明の電池モジュールについて説明する。

図２は、本発明の実施の形態１における電池モジュールの平面図および正面図である。

電池モジュール２００は複数個の組電池１００を組合せて構成される。図２では、電池モジュール２００の組合せの例として、２個の組電池１００ａ、１００ｂの組合せを説明する。組電池１００ａの構成部品を、正極集電板１０ａ、正極側ホルダー２０ａ、ハウジング３０ａ、素電池３１ａ、負極側ホルダー４０ａ、負極集電板５０ａと現し、組電池１００ｂの構成部品を、正極集電板１０ｂ、正極側ホルダー２０ｂ、ハウジング３０ｂ、素電池３１ｂ、負極側ホルダー４０ｂ、負極集電板５０ｂと表す。

図２（ａ）の平面図に示されるように、組電池１００ａのハウジング３０ａと組電池１００ｂのハウジング３０ｂの間に、バスバー６０が挟まれて配置されている。そして、図２（ｂ）の正面図に示されるように、バスバー６０の一部は、ハウジング３０ａ、３０ｂの隙間に入り込んでいる。このように、バスバー６０の軸方向と、ハウジング３０ａ、３０ｂで示される素電池３１の軸方向とは平行していることが好ましい。

図２（ｂ）の正面図に示されるように、バスバー６０の一端は組電池１００ａの正極集電板１０ａに接合している。一方、バスバー６０の他端は、組電池１００ａの負極集電板５０ａに接合しておらず、他の部材に接合することができる。図２（ｂ）の正面図においては組電池１００ｂの負極集電板５０ｂに接合されている。バスバー６０の正極集電板１０ａ、５０ｂへの接合は、ネジ止めやかしめなどによる機械的接合、またはＴＩＧ溶接、レーザー溶接などによる冶金的接合がなされる。溶接を行う際、バスバー６０と正極集電板１０または負極集電板５０が正六角形の長い直線で接合できるので、溶接面積を増やすことができ、かつ、溶接強度を強くすることができる。

また、図２に示されるように、組電池１００ａの負極集電板５０ａは、バスバー６０が配置される位置の反対側に、接続部位５１ａを有している。接続部位５１ａは、更なる他の組電池１００に接続されたバスバー６０が接合したり、外部との接続が可能な接続端子を接合したりする。

図３に本発明の実施の形態１における接続端子の斜視図を示す。外部との接続可能な接続端子とは、例えば、図３（ａ）のような板形状であってもよいし、図３（ｂ）のような受け止め形状であってもよい。この外部との接続可能な部品は、組電池１００の幅、長さより飛び出してもかまわないし、組電池１００との接合代以外は多角形や円形など形状にこだわらない。ただし、バスバー６０と同様に、正極集電板１０または負極集電板５０の台形状の凹部に溶接するために、正六角形状を対称の頂点で半分にした台形、または、ハウジング３０または素電池３１に接しながら、組電池１００の端面に対して６０°の角度をもった線の組合せの形状の溶接部７１が必要である。また、平板部に接続部７２を備えている。図３では、接続部７２を孔としているが、ネジなどの突起物としてもよい。

図４に本発明の実施の形態１における接続端子を接続した組電池の斜視図を示す。図１のバスバー６０の代わりに接続端子７０が、溶接部７１で正極集電板１０に接続されている。そして、接続部７２にリード線などを接続して、電池モジュール２００の外部に電池モジュール２００の電流を放電する。

また、図５に本発明の実施の形態１における接続端子で組電池同士を並列接続した斜視図を示す。図５に示すように、組電池１００ａの正極集電板１０ａおよび組電池１００ｂの正極集電板１０ｂに接続端子７０ａおよび接続端子７０ｂを接続し、接続端子７０ａの接続部７２ａと接続端子７０ｂの接続部７２ｂを接続板で接続することで、組電池１００ａと組電池１００ｂを並列接続することができる。

また、図６に本発明の実施の形態１における接続端子で組電池同士を直列接続した斜視図を示す。図６に示すように、組電池１００ａの正極集電板１０ａおよび組電池１００ｂの負極集電板５０ｂに接続端子７０ａおよび接続端子７０ｂを接続し、接続端子７０ａの接続部７２ａと接続端子７０ｂの接続部７２ｂを接続板で接続することで、組電池１００ａと組電池１００ｂを直列接続することができる。

最後に、本発明の素電池の配列とバスバーの配置について説明する。

図７に、本発明の実施の形態１における素電池の配列と、バスバーの配置の関係図を示す。

組電池１００における素電池３１は、同一平面に配列されていることが好ましい。その配列は特に限定されないが、配列された素電池同士の隙間が設けられる必要がある。素電池は、例えば、図７に示されるように、最密充填配列されていることが好ましい。

図７に示されるように、素電池３１が６０°の角度で正三角形に配置されるように最密充填配列されている場合には、素電池３１同士の隙間の位置６１に、点線６２を中心としてバスバー６０を配置すればよい。このようにバスバー６０を配置することで、バスバー６０の一部が、組電池１００同士の隙間に配置される。このとき、バスバー６０を組電池１００の端面から隙間に対して６０°の角度で挿入される形状、つまり、正六角形状、または、ハウジング３０または素電池３１に接しながら、組電池１００の端面に対して６０°の角度をもった線の組合せの形状にしている。

バスバー６０の一部が、組電池１００同士の隙間に配置されていればよいが、隙間に配置されるとは、例えば図７に示されるように、素電池３１の縁を結ぶ直線（共通の接線）６３よりも内側にバスバー６０の一部が配置されていればよい。

かかる構成によれば、本発明の電池モジュールは、複数の素電池を有する組電池の複数を電気接続することで、大容量化されている。しかも、組電池同士の電気接続部がコンパクトであるので、電池モジュールのエネルギー密度が高まる。よって、大容量化とともに、エネルギー密度の向上が望まれる用途の電池モジュールに用いられうる。

なお、前述の通り、バスバー６０は正六角形状であるが、中実状態でも中空状態であってもよい。組電池１００に接合される面のみにその接合代のみあればよいため、中実の場合は、例えば図８（ａ）〜（ｆ）のような形状でもかまわないし、中空の場合は、例えば図８（ｇ）〜（ｉ）のような形状であってもかまわない。

図８（ａ）〜（ｂ）のバスバー６０ａ、バスバー６０ｂは正六角形の柱で、バスバー６０ｂは角をＲ加工したものである。また、図８（ｃ）〜（ｆ）のバスバー６０ｃ〜６０ｆは、正極集電板１０または負極集電板５０との接続部が六角形状を対称の頂点で半分にした台形を有する形状である。図８（ｇ）のバスバー６０ｇは正六角形の中空柱である。また、図８（ｈ）〜（ｉ）のバスバー６０ｈ〜６０ｉは、正極集電板１０または負極集電板５０との接続部が六角形状を対称の頂点で半分にした台形で中空にした形状である。

本発明の電池モジュールは、互いに電気接続された複数の組電池を有するので大容量の電池モジュールである。しかも、組電池を電気接続する接続部がコンパクトであるので、エネルギー密度の高い電池モジュールである。よって、大容量化とともに、エネルギー密度の向上が望まれる用途の電池モジュールに用いられうる。

１０、１０ａ、１０ｂ 正極集電板
２０、２０ａ、２０ｂ 正極側ホルダー
３０、３０ａ、３０ｂ ハウジング
３１、３１ａ、３１ｂ 素電池
４０、４０ａ、４０ｂ 負極側ホルダー
５０、５０ａ、５０ｂ 負極集電板
６０、６０ａ〜６０ｉ バスバー
７０、７０ａ〜７０ｃ 接続端子
７１、７１ａ〜７１ｃ 溶接部
７２、７２ａ〜７２ｃ 接続部
１００、１００ａ、１００ｂ 組電池
２００ 電池モジュール

Claims (8)

1. 複数の素電池を配列した第１の組電池と、
   複数の素電池を配列した第２の組電池と、
   前記第１の組電池の集電板と前記第２の組電池の集電板とを電気接続するバスバーを備え、
   前記第１の組電池及び前記第２の組電池は、前記複数の素電池が配置されて、端部に素電池同士の隙間を有し、
   前記バスバーが、前記第１の組電池の隙間および第２の組電池の隙間の少なくとも一方に配置されている、電池モジュール。
2. 前記バスバーは、前記集電板との接続部が前記組電池の端面から前記隙間に対して６０°の角度で挿入される形状であることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記バスバーは、前記集電板との接続部が六角形状、もしくは、六角形状を対称の頂点で半分にした台形であることを特徴とする、請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記素電池は、ｎ個（ｎは２以上の整数）、ｎ−１個、ｎ個の列で配列され、かつ、近接する隣の列の２個の電池とで三角形を形成する最密充填配列されており、
   前記隙間はｎ−１個の列の列方向の端部に有することを特徴とする、請求項２に記載の電池モジュール。
5. 前記バスバーは、前記隙間を囲む素電池の中心を結ぶ線の相似形であることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
6. 前記バスバーは、前記第１の組電池の隙間と前記第２の組電池の隙間を組合せて形成される最密充填の位置に配置されることを特徴とする、請求項２に記載の電池モジュール。
7. 前記バスバーは、銅、鉄，ニッケル，アルミニウム、または、それらの合金、もしくはそれらを含む複層の合板からなる、請求項２に記載の電池モジュール。
8. 前記バスバーのある隙間と異なる隙間に、接続端子を備え、
   前記接続端子は、前記集電板との接続部が前記組電池の端面から前記隙間に対して６０°の角度で挿入される形状であることを特徴とする、請求項２に記載の電池モジュール。