JP2015041532A - 蓄電装置および蓄電装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】２つのセルの電極端子間に大電流を流すことができるとともにセル間に加わる外力を緩和することができる蓄電装置および蓄電装置の製造方法を提供する。【解決手段】バスバー３０は、両端部が電極端子との接続部となっているとともに、両接続部の間の部位において、両接続部間に電流が流れる方向に延びる切れ目３３が電流が流れる方向に直交する方向に開孔する状態で、切れ目３３の列が複数、電流が流れる方向に直交する方向において、隣り合う列の切れ目３３の一部がオーバーラップする状態で並設されている。【選択図】図２

Description

本発明は、蓄電装置および蓄電装置の製造方法に関するものである。

複数のセルを備えた蓄電装置においては、２つのセルの電極端子同士を接続するためにバスバーが用いられているが、車両に用いられる蓄電装置では、車両の振動が各セルに伝達され、各セルの電極端子、及びバスバーに外力が加わる。その外力の悪影響を緩和するために、セル間接続部材として可撓性のものを用いることが考えられる。例えば、特許文献１には、スリッタを用いた打ち抜き加工により、銅箔にメッシュと微細なバリとを形成するエキスパンド加工を施し、この銅箔を複数枚積層したフレキシブル導帯が記載されている。

実開平５−６８０２５号公報

ところで、特許文献１のごとく、打ち抜き加工によりメッシュが形成されると、電流が流れる経路にて実質的な断面積が減っているので、大電流を流すバスバーにはそのまま使用することは適切ではなかった。

本発明の目的は、２つのセルの電極端子間に大電流を流すことができるとともにセル間に加わる外力を緩和することができる蓄電装置および蓄電装置の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決する蓄電装置は、２つのセルの電極端子同士をバスバーにより電気的に接続した蓄電装置であって、前記バスバーは、両端部が前記電極端子との接続部となっているとともに、前記両接続部の間の部位において、前記両接続部間に電流が流れる方向に延びる切れ目が前記電流が流れる方向に直交する方向に開孔する状態で、当該切れ目の列が複数、前記電流が流れる方向に直交する方向において、隣り合う列の前記切れ目の一部がオーバーラップする状態で並設されてなることを要旨とする。

これによれば、バスバーは、両接続部の間の部位において、電流が流れる方向に延びる切れ目が電流が流れる方向に直交する方向に開孔する状態で切れ目の列が複数、電流が流れる方向に直交する方向において隣り合う列の切れ目の一部がオーバーラップする状態で並設されているので、当該両接続部の間の部位においてセル間に加わる外力を吸収し、緩和することができる。また、開孔を形成するにあたり、断面積を減少させる打ち抜き加工を施しておらず、２つのセルの電極端子間に大電流を流すことができる。

上記蓄電装置において、前記切れ目は四角形をなすとよい。
上記課題を解決する蓄電装置の製造方法は、２つのセルの電極端子同士をバスバーにより電気的に接続した蓄電装置の製造方法であって、バスバーとなる平板状の金属板に対し、電流が流れる方向に延びる線状の切れ目の列を、前記電流が流れる方向に直交する方向に複数、隣り合う列の前記切れ目の一部がオーバーラップする状態で並設する線状切れ目形成工程と、前記金属板における前記切れ目を形成した部位を、前記電流が流れる方向に直交する方向に引き伸ばして前記線状の切れ目を多角形状に開孔させる開孔工程と、前記金属板における前記切れ目を形成した部位を挟んだ両側に前記電極端子との接続部を形成する接続部形成工程と、を有することを要旨とする。

これによれば、もととなる平板状の金属板に対し、電流が流れる経路の断面積を実質的に減らすことなく、上記蓄電装置を製造することができる。
上記課題を解決する蓄電装置の製造方法は、２つのセルの電極端子同士をバスバーにより電気的に接続した蓄電装置の製造方法であって、バスバーとなる平板状の金属板に対し、電流が流れる方向に延びる線状の切れ目の列を形成すると同時に前記線状の切れ目を前記電流が流れる方向に直交する方向に引き伸ばして前記線状の切れ目を多角形状に開孔させ、これを、前記電流が流れる方向に直交する方向において一列ずつ前記線状の切れ目の一部がオーバーラップする状態で行う線状切れ目形成・開孔工程と、前記金属板における前記切れ目を形成した部位を挟んだ両側に前記電極端子との接続部を形成する接続部形成工程と、を有することを要旨とする。

これによれば、もととなる平板状の金属板に対し、電流が流れる経路の断面積を実質的に減らすことなく、上記蓄電装置を製造することができる。

本発明によれば、２つのセルの電極端子間に大電流を流すことができるとともにセル間に加わる外力を緩和することができる。

（ａ）は実施形態のリチウムイオン二次電池を模式的に示す平面図、（ｂ）はリチウムイオン二次電池を模式的に示す右側面図、（ｃ）はリチウムイオン二次電池を模式的に示す正面図。 （ａ）はバスバーを模式的に示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での模式縦断面図。 図２のＢ部での模式拡大図。 図２のＣ部での模式拡大図。 （ａ）〜（ｄ）はバスバーの製造工程を説明するための模式平面図。 図５（ｂ）のＤ部での模式拡大図。 （ａ），（ｂ）はバスバーの模式平面図。 別例のバスバーの一部を模式的に示す斜視図。 別例のバスバーの一部を模式的に示す斜視図。 別例のバスバーの一部を模式的に示す斜視図。 別例のバスバーの一部を模式的に示す正面図。

以下、車載用リチウムイオン二次電池に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
なお、図面において、水平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向をＺ方向で規定している。

図１に示すように、リチウムイオン二次電池１０は、複数の電池セルＣ１〜Ｃ９を並設して構成される電池モジュール２０と、電池セル同士を電気的に接続するバスバー３０とを有している。各電池セルＣ１〜Ｃ９は角型電池セルであり、電池セルＣ１〜Ｃ９の本体部２１が薄い四角箱型をなしている。本体部２１は、電槽（缶）と、電槽内部において正極とセパレータと負極とを積層して構成された電極組立体と、を有する。電池セルＣ１〜Ｃ９の本体部２１はＹ方向において並設して配置され、隣接する電池セルの本体部２１は側面が接触する状態で固定されている。

各電池セルＣ１〜Ｃ９は、本体部２１の上面には正極用の電極端子２２と負極用の電極端子２３が上方に突出している。両電極端子２２，２３は、雄ねじの電極端子である。図１において、電池セルＣ１は、本体部２１において左側に正極用の電極端子２２が配置され、右側に負極用の電極端子２３が配置されている。電池セルＣ２は、本体部２１において左側に負極用の電極端子２３が配置され、右側に正極用の電極端子２２が配置されている。以下、電池セルＣ３は本体部２１の左側に正極用の電極端子２２が右側に負極用の電極端子２３が、電池セルＣ４は本体部２１の左側に負極用の電極端子２３が右側に正極用の電極端子２２が、電池セルＣ５は本体部２１の左側に正極用の電極端子２２が右側に負極用の電極端子２３が配置されている。電池セルＣ６は本体部２１の左側に負極用の電極端子２３が右側に正極用の電極端子２２が、電池セルＣ７は本体部２１の左側に正極用の電極端子２２が右側に負極用の電極端子２３が配置されている。電池セルＣ８は本体部２１の左側に負極用の電極端子２３が右側に正極用の電極端子２２が、電池セルＣ９は本体部２１の左側に正極用の電極端子２２が右側に負極用の電極端子２３が配置されている。

電池セルＣ１〜Ｃ９は、本体部２１の上面において台座（ナット）２４を電極端子２２，２３が貫通する状態で配置されている。
バスバー３０は、Ｙ方向に延びている。バスバー３０は隣接する電池セルの電極端子２２，２３に締結されている。即ち、バスバー３０の一端側において電極端子２２がバスバー３０を貫通するとともにバスバー３０の上側からナット２５が電極端子２２に螺入され、ナット２５によりバスバー３０が電池セルの電極端子２２に締結されている。バスバー３０の他端側において電極端子２３がバスバー３０を貫通するとともにバスバー３０の上側からナット２６が電極端子２３に螺入され、ナット２６によりバスバー３０が電池セルの電極端子２３に締結されている。

このようにして、セル間接続用導電部材としてのバスバー３０により２つの電池セルの電極端子同士を電気的に接続して、各電池セルＣ１〜Ｃ９が直列接続されている。これにより高電圧化している。

バスバー３０について図２，３，４を用いて説明する。
図２に示すように、バスバー３０は直線的に延びる銅製の平板よりなり、長辺方向であるＹ方向において一方の端部には円形の貫通孔３１が形成されているとともに他方の端部には円形の貫通孔３２が形成されている。この貫通孔３１，３２に電極端子２２，２３が通る。このように、バスバー３０は、両端部が電極端子２２，２３との接続部となっている。

バスバー３０の長辺方向であるＹ方向において貫通孔３１と貫通孔３２との間の部位が幅広となっている。この幅広部において図２，３，４に示すように菱形の切れ目３３が多数形成され、網目構造となっている。つまり、バスバー３０は、電極端子２２，２３との両接続部の間の部位において切れ目３３が多数設けられている。

切れ目３３は、電極端子２２，２３との両接続部間に電流が流れるＹ方向に延びている。切れ目３３は、電流が流れるＹ方向に直交するＸ方向に開孔する状態で設けられている。切れ目３３はＹ方向において一列に並べられているとともに、この切れ目３３の列がＸ方向において並設されている。図２のバスバー３０における網目構造となっている部位における中央部付近では、図３に示すように、切れ目３３が形成されている。また、バスバー３０における網目構造となっている部位における中央部から離れた境界部付近では、図４に示すように、切れ目３３が形成されている。

Ｙ方向に延びる切れ目３３がＸ方向に開孔する状態で、切れ目３３の列が複数、電流が流れるＹ方向に直交するＸ方向において、隣り合う列の切れ目３３の一部がオーバーラップする状態で並設されている。詳しくは、図３では隣り合う列の切れ目３３の一部が所定値Ｗ１だけオーバーラップし、図４では隣り合う列の切れ目３３の一部が所定値Ｗ２だけオーバーラップしている。

また、中央部付近（図３）におけるメッシュの短目方向であるＸ方向の中心間距離ｒ１と、境界部付近（図４）におけるメッシュの短目方向中心間距離ｒ２との関係として、中央部付近におけるメッシュの短目方向であるＸ方向の中心間距離ｒ１が、境界部付近におけるメッシュの短目方向中心間距離ｒ２よりも大きくなっている。即ち、中央部付近では開孔率が高く、拡がったようになる。一方、接続部分との境界部付近は目が細かい部位になる。バスバー３０における切れ目３３の開孔率が大きいほど変形しやすい。

次に、バスバー３０の製造方法について説明する。
図５（ａ）に示すように、バスバーとなる平板状の金属板としての銅板４０を用意する。そして、図５（ｂ）に示すように、平板状の銅板４０における長辺方向であるＹ方向での中央部分、即ち、電極端子２２，２３との両接続部の間の部位において切れ目加工を施して、電流が流れる方向である長辺方向に延びる線状の切れ目４１（図６参照）を多数形成する。詳しくは、図６に示すように、１つの切れ目４１は、平板状の銅板４０の長辺方向であるＹ方向に一定の長さを有し、短辺方向であるＸ方向の幅は小さい。この線状の切れ目４１の列をＸ方向に複数、隣り合う列の切れ目４１の一部が所定値Ｗ３だけオーバーラップする状態で並設する。つまり、切れ目４１が電流が流れる長辺方向であるＹ方向において一定間隔で並べられ、この切れ目４１の列をＸ方向において位相をずらし、かつ、一部が所定値Ｗ３だけオーバーラップする状態で並設する。即ち、Ｙ方向に延びる一列が短辺方向であるＸ方向に一定間隔をおいて長辺方向であるＹ方向にずれて形成され、また、Ｙ方向に並び、Ｘ方向に並設された切れ目４１は、Ｙ方向において所定値Ｗ３だけオーバーラップしている（重なっている。）。

引き続き、図５（ｃ）に示すように、銅板４０における切れ目４１を形成した部位、つまり、平板状の銅板４０における長辺方向であるＹ方向での中央部分において、両側面から短辺方向であるＸ方向に互いに離間する方向に引き伸ばす。これにより、線状の切れ目４１を多角形状、具体的には、四角形状に開孔させる。このとき、中心部付近におけるメッシュの短目方向中心間距離ｒ１（図３参照）と、境界部付近におけるメッシュの短目方向中心間距離ｒ２との関係として、中心部付近におけるメッシュの短目方向中心間距離ｒ１が、境界部付近におけるメッシュの短目方向中心間距離ｒ２よりも大きくなる。

その後、図５（ｄ）に示すように、平板状の銅板４０における切れ目を形成した部位を挟んだ両側、即ち、長辺方向であるＹ方向での両方の端部に穴開けして電極端子と接続するための貫通孔３１，３２を形成する。

次に、このようにして製造されたバスバー３０を組付けた車載用リチウムイオン二次電池１０の作用について説明する。
リチウムイオン二次電池１０に車両の振動が加わることにより電池セル間をつなぐバスバー３０に外力が加わる。特に、サスペンションがない産業車両においては振動が大きくなりやすい。この電池に作用する外力を、バスバー３０における切れ目３３の形成領域で次のようにして吸収することができる。

図７（ａ），（ｂ）に示すように、電池に作用する外力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を、両方の電極端子２２，２３との接続部（貫通孔３１，３２）の間の部位で効果的に吸収することができる。

例えば、図７（ａ）に示すように、バスバー３０における貫通孔３１と貫通孔３２との間を縮めるような外力Ｆ１，Ｆ２が加わった場合、Ｘ方向に拡がるように（変位方向β１参照）変形して外力が吸収されるとともにバスバー３０における貫通孔３１と貫通孔３２との間の距離がそれまでよりも短くなる（Ｌ１になる）。

また、図７（ｂ）に示すように、バスバー３０における貫通孔３１と貫通孔３２との間を伸ばすような外力Ｆ３，Ｆ４が加わった場合、Ｘ方向に縮むように（変位方向β２参照）変形して外力が吸収されるとともにバスバー３０における貫通孔３１と貫通孔３２との間の距離がそれまでよりも長くなる（Ｌ２になる）。

換言すれば、バスバー３０を電極端子２２，２３に組み付ける際に、図７（ａ）に示すように、電極端子２２と電極端子２３の距離が短い場合には、貫通孔３１と貫通孔３２との間の部位がＸ方向に延びて電極端子２２，２３と貫通孔３１，３２とを位置合わせすることができる。また、図７（ｂ）に示すように、電極端子２２と電極端子２３の距離が長い場合には、貫通孔３１と貫通孔３２との間の部位がＸ方向に縮んで電極端子２２，２３と貫通孔３１，３２とを位置合わせすることができる。即ち、貫通孔３１と貫通孔３２との間の長さも調整可能である。

このように、バスバー３０は、簡易な構成であるとともに、電極端子２２，２３との接触通電部分以外の部位、即ち、両方の電極端子２２，２３との接続部の間で電池に作用する外力を効果的に吸収することができる。特に、バスバー３０における切れ目４１の開孔率（平面における空間部分の面積／全面積）は例えば５０％を最大とするとよい。即ち、拡げ過ぎると（拡孔率を大きくし過ぎると）、強度的に弱くなってしまう。

また、銅板に、断面積を減少させる打ち抜き加工をしているわけではないので、断面積はほとんど変更せず、バスバー３０における電気が流れる電通路断面積はほとんど変わらない。そのため電気抵抗の増大を招くことも抑制できる。

また、バスバー３０の貫通孔３１，３２を用いてバスバー３０を電極端子２２，２３にボルト締結することにより電池セルＣ１〜Ｃ９の電極端子２２，２３と強固に結合することができる。

ここで、比較例として、可撓（振動吸収）部分にワイヤを編んだ可撓端子を用いた場合、振動でワイヤの一部分が切れてしまい電気抵抗の増加につながるとともに、縮む方向では可撓性があるが伸びる方向では可撓性があまりない。さらに、この場合、両端でほどけ防止のために固定（クランプ）しなければならず距離が長くなってしまうとともに端子接続部を設ける必要があり、これによっても可撓部分が小さくなってしまう。その結果、セル間を隙間なく配置する場合（セル間が短い場合）には、ワイヤで編んだ可撓性端子を用いることができない。

これに対し本実施形態のバスバー３０では、銅板に切れ目を形成した構成となっているので、電気抵抗の増加を抑制できるとともに、縮む方向および伸びる方向でも変形可能である。また、電極端子との接続部を別途設ける必要がないため変形可能領域を広くでき、セル間が短くても外力の悪影響の緩和を図ることができる。

以上のごとく上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）蓄電装置としてのリチウムイオン二次電池１０の構成として、バスバー３０は、両端部が電極端子２２，２３との接続部となっているとともに、両接続部の間の部位において、両接続部間に電流が流れる方向に延びる四角形の切れ目３３が電流が流れる方向に直交する方向に開孔する状態で、切れ目３３の列が複数、電流が流れる方向に直交する方向において、隣り合う列の切れ目３３の一部がオーバーラップする状態で並設されている。よって、バスバー３０は、両接続部の間の部位においてセル間に加わる外力を吸収し、緩和することができる。特に、切れ目３３の開孔率を上げていくと見た目のヤング率が下がっていき変形しやすくなる。また、打ち抜き加工によりメッシュを形成した銅箔を複数枚積層して両端部に接続端子を半田付けする場合に比べ、もととなる平板状の金属板より、電通路断面積を減少させること無く開孔を設けている為、２つのセルの電極端子同士を接続するバスバーに大電流を流すことができる。

さらに、打ち抜き加工によりメッシュを形成した銅箔を複数枚積層して両端部に接続端子を半田付けする場合に比べ、電極端子２２，２３との接続部を容易に設けることができる。

（２）蓄電装置としてのリチウムイオン二次電池の製造方法として、線状切れ目形成工程と開孔工程と接続部形成工程とを有する。線状切れ目形成工程では、バスバー３０となる平板状の金属板としての銅板４０に対し、電流が流れる方向に延びる線状の切れ目４１の列を、電流が流れる方向に直交する方向に複数、隣り合う列の切れ目４１の一部がオーバーラップする状態で並設する。開孔工程では、銅板４０における切れ目４１を形成した部位を、電流が流れる方向に直交する方向に引き伸ばして線状の切れ目４１を多角形状に開孔させる。接続部形成工程では、銅板４０における切れ目４１を形成した部位を挟んだ両側に電極端子との接続部である貫通孔３１，３２を形成する。

これによれば、もととなる平板状の金属板に対し、電流が流れる経路の断面積を実質的に減らすことなく、上記（１）のリチウムイオン二次電池１０を製造することができる。このとき、打ち抜き加工によりメッシュを形成した銅箔を複数枚積層して両端部に接続端子を半田付けする場合に比べ、電極端子との接続部を容易に形成できる。さらに、打ち抜き加工によりメッシュを形成した銅箔を複数枚積層して両端部に接続端子を半田付けする場合における接続端子の取り付けが不要になる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・図８に示すように、バスバー５０の構成として、切れ目を入れながら同時に伸ばすことにより立体的な網目構造としてもよい。即ち、製造方法において図５（ｂ）で全ての切れ目を入れた後に図５（ｃ）で引き伸ばしたが、これに代わり、一列ずつ切れ目を入れながら同時に引き伸ばしていってもよい。

つまり、蓄電装置としてのリチウムイオン二次電池の製造方法として、線状切れ目形成・開孔工程と接続部形成工程とを有する。線状切れ目形成・開孔工程では、バスバーとなる平板状の金属板（例えば銅板４０）に対し、電流が流れる方向に延びる線状の切れ目の列を形成すると同時に線状の切れ目を電流が流れる方向に直交する方向に引き伸ばして線状の切れ目を多角形状に開孔させ、これを、電流が流れる方向に直交する方向において一列ずつ線状の切れ目の一部がオーバーラップする状態で行う。接続部形成工程では、金属板（銅板４０）における切れ目を形成した部位を挟んだ両側に電極端子との接続部である貫通孔３１，３２を形成する。これによれば、もととなる平板状の金属板に対し、電流が流れる経路の断面積を実質的に減らすことなく、上記（１）のリチウムイオン二次電池１０を製造することができる。このとき、打ち抜き加工によりメッシュを形成した銅箔を複数枚積層して両端部に接続端子を半田付けする場合に比べ、電極端子との接続部を容易に形成できる。さらに、打ち抜き加工によりメッシュを形成した銅箔を複数枚積層して両端部に接続端子を半田付けする場合における接続端子の取り付けが不要になる。

・図９に示すように、バスバー５１の構成として、スタンダードでも、図１０に示すようにバスバー５２の構成として、グレーチングでもよい。
・図１１に示すように、バスバー５３の構成として、切れ目の長さを長辺方向（Ｙ方向）に変えたりプレスを追加して一つの網目の傾斜角度をθ１，θ２，θ３，θ４のように変えてもよい。

・セルは角型であったが、セルは円筒型であってもよい。即ち、円筒型セルをつなぐバスバーに適用してもよい。
・切れ目の形状は問わない。例えば、図６のオーバーラップする長さであるＷ３値が大きいと開孔後の切れ目の形状が六角形状になり、Ｗ３値が小さいと開孔後の切れ目の形状が四角形状になる。

・蓄電装置はリチウムイオン二次電池であったが、これに限定されることなく、他にも例えば、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、キャパシタ等であってもよい。
・蓄電装置（リチウムイオン二次電池１０）を搭載する車両は問わない。例えば、電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車、産業車両等に搭載するとよい。

・車載用以外の蓄電装置に適用してもよい。

１０…リチウムイオン二次電池、２２，２３…電極端子、３０…バスバー、３１，３２…貫通孔、３３…切れ目、４０…銅板、４１…切れ目、Ｃ１〜Ｃ９…電池セル。

Claims (4)

1. ２つのセルの電極端子同士をバスバーにより電気的に接続した蓄電装置であって、
   前記バスバーは、両端部が前記電極端子との接続部となっているとともに、前記両接続部の間の部位において、前記両接続部間に電流が流れる方向に延びる切れ目が前記電流が流れる方向に直交する方向に開孔する状態で、当該切れ目の列が複数、前記電流が流れる方向に直交する方向において、隣り合う列の前記切れ目の一部がオーバーラップする状態で並設されてなることを特徴とする蓄電装置。
2. 前記切れ目は四角形をなすことを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
3. ２つのセルの電極端子同士をバスバーにより電気的に接続した蓄電装置の製造方法であって、
   バスバーとなる平板状の金属板に対し、電流が流れる方向に延びる線状の切れ目の列を、前記電流が流れる方向に直交する方向に複数、隣り合う列の前記切れ目の一部がオーバーラップする状態で並設する線状切れ目形成工程と、
   前記金属板における前記切れ目を形成した部位を、前記電流が流れる方向に直交する方向に引き伸ばして前記線状の切れ目を多角形状に開孔させる開孔工程と、
   前記金属板における前記切れ目を形成した部位を挟んだ両側に前記電極端子との接続部を形成する接続部形成工程と、
   を有することを特徴とする蓄電装置の製造方法。
4. ２つのセルの電極端子同士をバスバーにより電気的に接続した蓄電装置の製造方法であって、
   バスバーとなる平板状の金属板に対し、電流が流れる方向に延びる線状の切れ目の列を形成すると同時に前記線状の切れ目を前記電流が流れる方向に直交する方向に引き伸ばして前記線状の切れ目を多角形状に開孔させ、これを、前記電流が流れる方向に直交する方向において一列ずつ前記線状の切れ目の一部がオーバーラップする状態で行う線状切れ目形成・開孔工程と、
   前記金属板における前記切れ目を形成した部位を挟んだ両側に前記電極端子との接続部を形成する接続部形成工程と、
   を有することを特徴とする蓄電装置の製造方法。