JP2016012393A - 蓄電池モジュール - Google Patents

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Toshihiro Sakatani
敏宏 坂谷
裕政 杉井
Hiromasa Sugii
裕政 杉井
越智　誠
Makoto Ochi
誠 越智
龍二 川瀬
Ryuji Kawase
龍二 川瀬
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Abstract

【課題】使用時に内部短絡が発生し難く、信頼性が高い蓄電池モジュールを提供する。【解決手段】本発明の蓄電池モジュール５０は、複数の円筒形蓄電池１０Ａ、１０Ｂが接続部材３０を介して互いに直列に接続され、巻回電極体１４には、巻回軸の一方側の端部に第１の集電体が正極板及び負極板の一方に溶接され、他方側の端部に第２の集電体２０が正極板及び負極板の他方に溶接され、第１の集電体は封口体２３に電気的に接続され、第２の集電体２０は、周辺にスリットが形成された平板状であり、中心部が円筒状の外装缶２２の底部内面に溶接されており、接続部材３０は、一方の面が円筒形蓄電池１０Ｂの底部外面に、第２の集電体２０のスリット（２０ｂ、２０ｃ）の位置とは重ならない位置で溶接されており、他方の面が他の円筒形蓄電池１０Ａの封口体２３に溶接されている。【選択図】図７

Description

本発明は、複数の円筒状の蓄電池を直列に接続した蓄電池モジュールに関する。
ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle）、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ：Plug-in Hybrid Electric Vehicle）、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）等の大電流充放電を必要とする用途、又は鉛蓄電池をアイドルストップ機能や減速時のエネルギーを電気エネルギーとして回収する減速エネルギー回生システムを有する車両では、一般的な車両用の電源として汎用されている鉛蓄電池と共に、ニッケル水素蓄電池やリチウム二次電池が多く使用されている。これらの用途は、大電力用のモーターを駆動するため、ニッケル水素蓄電池やリチウム二次電池を多数個直列に接続して蓄電池モジュールを形成し、場合によってはさらにこの蓄電池モジュールを複数個並列に接続し、所定の高電圧で大電流を供給することができるようにしている。
ニッケル水素蓄電池やリチウムイオン二次電池は、金属製の外装体を備える角形のものやラミネート外装体を備える薄板状のものも存在するが、金属製の円筒状外装体を備えた円筒状のものが多く使用されている。これらの円筒状の蓄電池を多数個直列に接続するには、充放電時のそれぞれの電池の膨張・収縮に追従し、さらにそれぞれの電池に設けられている安全弁が所定の圧力で正確に作動できるようにする必要がある。そのため、円筒状の蓄電池を多数個接続してモジュール化するために、種々の接続方法が開発されている。
例えば、下記特許文献１には、一方の電池の封口体の先端部と他方の電池の金属製の外装缶の底部との間に一定の間隔が形成されるように、接続部材を設けた組電池の発明が開示されている。この接続部材は、外周側が他方の電池の外装缶の底部外周側に溶接されているとともに、内周側が一方の電池の封口体の先端に溶接されている。これにより、一方の電池の封口体の先端が他方の電池の外装缶の底部に接触しないようになされているとともに、一方の電池と他方の電池とが直列に接続されている状態となされている。
特開２００６−０９２８２８号公報
上記特許文献１に開示されている組電池では、接続部材の外周側が他方の電池の外装缶の底部外周側に溶接されているので、その分だけ外径が増大する。個々の蓄電池でみれば外形の増大値は小さいが、これらの用途では、多数の電池が組み合わされて蓄電池モジュールが形成されているため、無視できない大きさとなる。このような外形の増大化を抑制するには、接続部材のサイズを蓄電池の外形よりも小さくして、接続部材を他方の電池の外装缶の底部に溶接すればよい。
しかしながら、単純に接続部材を他方の電池の外装缶の底部外面に溶接することによって蓄電池モジュールを形成すると、使用中に蓄電池モジュールの電圧が低下しているものが見出された。蓄電池の市場のおける不具合の多くは、電池電圧が低下するいわゆるショートによるものであり、これらの用途などに用いられる多数の蓄電池を直列接続した蓄電池モジュールでは、１セルの蓄電池のショートでも高額な交換費用が必要となる。個々の蓄電池の出荷時には品質チェックが入念に行なわれているが、出荷時の検査のみでは軽微なショートが発生した蓄電池を拭いきることは困難であり、蓄電池モジュールが市場で使用されている間にショートに至ることが大半であった。そのため、多数の蓄電池を直列接続した蓄電池モジュールにおいて、蓄電池のショートに対する本質的な対策が望まれている。
発明者等が蓄電池モジュールのショートを起こした蓄電池を分解して調べたところ、スパッタされた金属粒子が巻回電極体の内部に侵入して内部短絡を起こしていることが主原因であることが分かった。外装缶の底部内面に巻回電極体の集電体を溶接する際には、溶接部は外装缶の内部に挿入される抵抗溶接用電極によって遮蔽されるため、スパッタされた金属粒子は巻回電極体の内部に侵入し難い。そうすると、内部短絡を起こす原因となるスパッタされた金属粒子は、接続部材を蓄電池の外装缶の底部外面に溶接する際に生成するものと考えられる。
本発明の一態様によれば、接続部材を蓄電池の外装缶の底部外面に溶接する際に、蓄電池の内部でスパッタされた金属粒子が発生し難く、使用時に内部短絡が生成し難い蓄電池モジュールを提供することができる。
本発明の一態様によれば、
複数の円筒形蓄電池が接続部材を介して互いに直列に接続され、
前記円筒形蓄電池は、
正極板と負極板とがセパレータを介して互いに絶縁された状態で巻き回された巻回電極体と、
前記巻回電極体及び電解液を収納する、一方極の端子を兼ねる金属製の円筒状外装缶と、
前記円筒状外装缶の開口部に電気的に絶縁された状態で取り付けられた、他方極の端子を兼ねる封口体とを備え、
前記巻回電極体には、巻回軸の一方側の端部に第１の集電体が正極板に溶接され、他方側の端部に第２の集電体が負極板に溶接され、
前記第１の集電体は前記封口体に電気的に接続され、
前記第２の集電体は、周辺にスリットが形成された平板状であり、中心部が前記円筒状外装缶の底部内面に溶接されており、
前記接続部材は、一方の面が前記円筒形蓄電池の底部外面に、前記第２の集電体のスリット位置とは重ならない位置で溶接されており、他方の面が前記他の円筒形蓄電池の前記封口体に溶接されている、
蓄電池モジュール、が提供される。
接続部材と円筒形蓄電池の底部外面への溶接位置が、第２の集電体のスリットの位置と重なっていると、溶接電流の通電経路上に、第２の集電体のスリットエッジ部と、底部内面の接触が不安定な箇所で、金属粒子がスパッタされやすくなる。それに対して、接続部材と円筒形蓄電池の底部外面への溶接位置が、第２の集電体のスリット位置が異なることで、第２の集電体の平板部と、缶部内面が接触状態となり、溶接電流の通電経路が安定するため、金属粒子がスパッタされ難くなる。そのため、本発明の一態様の蓄電池モジュールによれば、使用時に内部短絡が発生し難く、信頼性が高い蓄電池モジュールが得られる。
実施形態の蓄電池モジュールで使用した円筒状のニッケル水素蓄電池の縦断面図である。 図２Ａは正極リードの平面図であり、図２Ｂは正面図である。 図３Ａは正極集電体の平面図であり、図３Ｂは正極集電体と正極リードとを結合した状態の平面図である。 負極集電体の平面図である。 図５Ａは実施形態の接続部材の平面図であり、図６Ａは正面図である。 実施形態の蓄電池モジュールにおいて、接続部材を断面で示した正面図である。 図６のVII部分の拡大断面図である。
以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を理解するために例示するものであって、本発明をこの実施形態に特定することを意図するものではなく、本発明は特許請求の範囲に示した技術思想を逸脱することなく種々の変更を行ったものにも均しく適用し得るものである。
［ニッケル水素蓄電池］
実施形態の蓄電池モジュールで使用した円筒状のニッケル水素蓄電池１０は、ニッケル正極１１と、水素吸蔵合金負極１２とがセパレータ１３を介して互いに絶縁された状態で巻き回された巻回電極体１４を有している。
ニッケル正極１１は、ニッケルめっき鋼板製のパンチングメタルからなる正極芯体１５の両面に形成された多孔質ニッケル焼結体１６内に、水酸化ニッケルを主成分とし、水酸化亜鉛、水酸化コバルトから選択したいずれかの化合物から添加された正極活物質１７が充填された構成を有している。水素吸蔵合金負極１２は、ニッケルめっきした軟鋼材製のパンチングメタルからなる負極芯体１８の両面に負極活物質としての水素吸蔵合金粉末を有する負極合剤層１９が形成されている。
巻回電極体１４の下部には負極芯体１８に負極集電体２０が抵抗溶接されており、巻回電極体１４の上部には正極芯体１５に正極集電体２１が抵抗溶接されている。巻回電極体１４は、鉄にニッケルめっきを施した金属製の有底円筒状の外装缶２２内に挿入されており、負極集電体２０と外装缶２２の底部との間は中央部でスポット溶接されている。負極集電体２０の詳細な構成については後述する。
外装缶２２の開放端側には、鉄にニッケルめっきを施した封口体２３が、ガスケット２４を介して外装缶２２とは電気的に絶縁された状態で、カシメ固定されている。正極集電体２１は、上面側に正極集電リード２５が溶接されて一体化されており、正極集電リード２５が封口体２３に溶接されて電気的に接続されている。正極集電体２１及び正極集電リード２５の詳細な構成については後述する。正極集電体２１の中央部には開口２６が設けられており、この開口２６には弁体２７が開口２６を塞ぐように配置されている。
また、封口体２３の上面には、開口２６の周囲を覆い、かつ、弁体２７とは一定距離だけ隔てた状態となるように、正極キャップ２８が設けられている。正極キャップ２８には、適宜ガス抜き孔（図示省略）が設けられている。正極キャップ２８の内面と弁体２７との間にはバネ２９が設けられており、弁体２７はバネ２９によって封口体２３の開口２６を塞ぐように押圧されている。この弁体２７は外装缶２２の内部の圧力が高くなった際に、内部の圧力を逃がす安全弁としての機能を有している。
［正極集電体及び正極集電リード］
正極集電体２１は、図３Ａに示すように、略円形に形成されており、中心部に抵抗溶接用電極挿入用の中心開口２１ａが形成されているとともに、この中心開口２１ａの周囲から端部に向けて多数のバーリング孔（例えば、直径２ｍｍ、バーリング高さ０．４ｍｍ、バーリング厚み０．１ｍｍ）２１ｂが形成されている。また、正極集電体２１の外周部には、無効な溶接電流を減少させ、有効な溶接電流を増大させるために、端縁に向けて開口する一対のスリット２１ｃと、２対の半円形状のバーリング孔２１ｄが形成されている。
正極集電リード２５はニッケルめっきが施された鋼板が所定のドーム形状になるように、プレス加工することにより形成されたものであり、図２Ａに示すように、正極集電体２１に溶接される略リング状に形成された平面部２５ａと、この平面部２５ａより湾曲して略ドーム状に突出して形成され、封口体２３に溶接される頭頂部２５ｂとを備えている。略リング状に形成された平面部２５ａの略中心線の円周上で、かつ図３Ａに示した正極集電体２１に形成された円形のバーリング孔２１ｂに一致する位置に、バーリング孔２１ｂと同形状の開孔２５ｃが形成されている。略リング状に形成された平面部２５ａの略中心線の円周上で、かつ開孔２５ｃが配置されていない位置には、略等間隔に正極集電体２１に溶接される第１プロジェクション突起２５ｄが正極集電体２１に向けて突出するように形成されている。
平面部２５ａの外周部には、正極集電体２１の外周部に形成された半円形状のバーリング孔２１ｄに一致する位置に、バーリング孔２１ｄと同形状の半円形状の開孔２５ｅが形成されている。この開孔２５ｃと正極集電体２１のバーリング孔２１ｂとは、互いに連通して電解液の注液口の機能を奏するとともに、正極集電リード２５を正極集電体２１に配置する際の位置決めを容易にするために設けられるものである。
また、頭頂部２５ｂには、中心開口２５ｆから所定の距離だけ離間した位置から放射状に複数のスリット２５ｇが等間隔に形成されている。また、頭頂部２５ｂの中心部には中心開口２５ｆが形成されているとともに、この中心開口２５ｆの周囲に略等間隔に封口体２３に溶接される複数の第２プロジェクション突起２５ｈが封口体２３に向けて突出するように形成されている。これらの複数のスリット２５ｇを形成すると、電池の封口時の封口体２３からの押圧力によりドーム状の頭頂部２５ｂが変形しやすくなるので、正極集電リード２５の板厚を厚くして低抵抗の正極集電リード２５とすることが可能となる。
［負極集電体］
また、負極集電体２０は、図４に示したように、略円形に形成されており、中心部に外装缶２２（図１参照）の底部内面側に向かって突出する複数個のプロジェクション突起２０ａが形成されている。負極集電体２０の外周部には、無効な溶接電流を減少させ、有効な溶接電流を増大させるために、端縁に向けて開口する複数のスリット２０ｂと、中心側から所定距離離間した位置から端縁との間に開口する複数のスリット２０ｃとが形成されている。
［ニッケル水素蓄電池の組み立て］
上述のような構成の巻回電極体１４と、正極集電体２１及び正極集電リード２５と、負極集電体２０とを用いて、円筒状のニッケル水素蓄電池１０を作製する方法について図１を参照しながら説明する。まず、巻回電極体１４の下端面に露出する水素吸蔵合金負極１２の負極芯体１８の露出部に負極集電体２０を溶接する。また、巻回電極体１４の上端面に露出するニッケル正極１１の正極芯体１５の露出部に正極集電体２１を溶接する。その後、正極集電体２１の上に正極集電リード２５を配置した後、第１プロジェクション突起２５ｄの上面部に抵抗溶接用電極を押し当てて、正極集電体２１に正極集電リード２５をスポット溶接する。ここでは、正極集電体２１が本発明の一態様における第１の集電体に対応し、同じく負極集電体２０が第２の集電体に対応する。
この後、負極集電体２０、正極集電体２１及び正極集電リード２５が溶接された巻回電極体１４を鉄にニッケルめっきを施した有底筒状の外装缶２２内に収納する。そして、巻回電極体１４の中心部に形成された空間部に抵抗溶接用電極を挿入し、負極集電体２０のプロジェクション突起２０ａが形成された位置に当接し、負極集電体２０を外装缶２２の内底面にスポット溶接する。これにより負極集電体２０の中央部には、外装缶２２の内底面との間に溶接痕Ｘ（図７参照）が形成される。
次いで、外装缶２２の上部外周側に溝入れ加工を施し、外装缶２２の上端部に環状凹部２２ａを形成する。この後、外装缶２２内に７Ｎの水酸化カリウム（ＫＯＨ）を含むアルカリ水溶液からなる電解液を注入する。この後、正極集電リード２５上に封口体２３を配置する。ここで、封口体２３には、正極外部端子となる正極キャップ２８が固定されており、正極キャップ２８内には弁体２７とが設けられている。封口体２３の中央にはガス抜き用の開口２６が形成されているとともに、その周縁には予めガスケット２４が嵌着されている。
次いで、封口体２３の上部と外装缶２２の下部に一対の溶接電極を配置した後、一対の溶接電極間に予め定めた圧力を負荷しながら抵抗溶接を行う。これにより、正極集電リード２５の頭頂部２５ｂに形成された第２プロジェクション突起２５ｈが溶接点となって、封口体２３が正極集電リード２５に溶接される。この後、外装缶２２の開口端縁を内方にかしめて封口することにより、図１に示すようなニッケル水素蓄電池１０が得られる。
［蓄電池モジュールの作製］
次に上述の円筒状のニッケル水素蓄電池を複数個直列に接続した蓄電池モジュールについて図５〜図７を用いて説明する。この蓄電池モジュール５０は、例えば図６に示したように、複数個のニッケル水素蓄電池１０Ａ、１０Ｂ・・・が直列接続されたものであり、それぞれの円筒状のニッケル水素蓄電池１０Ａ、１０Ｂ・・・の間には接続部材３０が配置されている。
接続部材３０は、図５に示したように、例えばニッケルめっきが施された鋼板が所定の皿状になるように、プレス加工することにより形成されたものであり、円筒状の外装缶２２の底部外面に溶接される略リング状に形成された平面部３０ａと、この平面部３０ａより湾曲して皿状に窪んだ形状を有し、封口体２３の上面に溶接される底部３０ｂとを備えている。底部３０ｂの中央部には開口３０ｃが形成されており、この開口３０ｃからは放射状に部分的に延在するように複数のスリット３０ｄが等間隔に形成されている。
開口３０ｃは、接続部材３０の底部３０ｂを封口体２３の表面側からかぶせた際に、底部３０ｂの外面が封口体２３の表面に接触することができるように、正極キャップ２８が突出できる大きさに形成されているものである。接続部材３０の平面部３０ａと底部３０ｂとの間の高さは、正極キャップ２８の高さよりも大きく、かつ、蓄電池モジュール５０に対して充放電が行われることにより、それぞれのニッケル水素蓄電池１０Ａ、１０Ｂ・・・に膨張・収縮が生じても、正極キャップ２８の先端が直列接続される相手方のニッケル水素蓄電池１０Ａ、１０Ｂ・・・の円筒状の外装缶２２の底部外面に接触しない高さ（図７参照）とされている。
平坦部３０ａには円筒状の外装缶２２の底部外面に向かって突出する複数の第１プロジェクション突起３０ｅが形成されており、底部３０ｂには封口体２３側に向かって突出する複数の第２プロジェクション突起３０ｆが形成されている。
平面部３０ａの外周部には、正複数個の半円形状の開孔３０ｇが形成されている。この開孔３０ｇ及び放射状に形成されたスリット３０ｄは、抵抗溶接時の無効電流を減らして、抵抗溶接用電流が第１プロジェクション突起３０ｅないし第２プロジェクション突起３０ｆに集中して流れるようにするために設けられている。また、放射状に形成されたスリット３０ｄは、蓄電池モジュール５０に対して充放電が行われることにより、それぞれのニッケル水素蓄電池１０に膨張・収縮が生じた際に、底部３０ｂが変形しやすくなるので、接続部材３０の板厚を厚くして低抵抗の接続部材３０とすることを可能とする機能をも有している。
この接続部材３０の溶接方法を説明する。最初に第１のニッケル水素蓄電池１０Ａの正極キャップ２８を接続部材３０の皿状の底部側から開口３０ｃ内に挿通し、接続部材３０の第２プロジェクション突起３０ｆを封口体２３の外表面に当接させる。この状態で第２プロジェクション突起３０ｆの裏側から抵抗溶接用電極（図示省略）を当接させ、所定の押圧力を印加しながら封口体２３と抵抗溶接用電極との間に所定の抵抗溶接用電流を印加し、スポット溶接を行う。これにより第２プロジェクション突起３０ｆが形成されていた位置において、接続部材３０と封口体２３との間に溶接痕Ｙが形成される。
次いで、直列に接続させる第２のニッケル水素蓄電池１０Ｂの外装缶２２の底部外面に接続部材３０の平坦部３０ａに形成されている第１プロジェクション突起３０ｅを当接させる。そして、第１のニッケル水素蓄電池１０Ａと第２のニッケル水素蓄電池１０Ｂとの間に所定の押圧力を印加しながら、第１のニッケル水素蓄電池の封口体２３と第２のニッケル水素蓄電池１０Ｂの外装缶２２との間に所定の抵抗溶接用電流を印加し、スポット溶接を行う。この際、第１のニッケル水素蓄電池１０Ａの封口体２３と第２のニッケル水素蓄電池１０Ｂの外装缶２２との間の短絡を防止する目的で、両者の間に絶縁部材を配置しておく。これにより第１プロジェクション突起３０ｅが形成されていた位置において、第２のニッケル水素蓄電池１０Ｂの外装缶２２の底部外面と接続部材３０との間に溶接痕Ｚが形成される。
この溶接痕Ｚは、ニッケル水素電池の１０Ｂの負極集電体２０のスリット（２０ｂ、２０ｃ）の位置と重なっていないので、接続部品溶接時の通電電流経路上に、接触が不安定な箇所が存在せず、大電流が流れても、スパッタされた金属粒子が発生し難く、第２のニッケル水素蓄電池１０Ｂの外装缶２２内に配置されている巻回電極体１４の内部短絡が生じ難くなる。このような操作を繰り返すことにより、所定数のニッケル水素蓄電池を直列接続することができる。
なお、上記実施形態では、外装缶側が負極となるようにした例を示したが、逆に外装缶側が正極となるようにした場合においても適用可能である。また、上記実施形態では、円筒状のニッケル水素蓄電池の場合について適用した場合を示したが、円筒状のリチウムイオン二次電池や円筒状のニッケルカドミウム蓄電池等、円筒状の蓄電池の場合に対して適用しても、同様の作用効果を奏する。
１０、１０Ａ、１０Ｂ…ニッケル水素蓄電池 １１…ニッケル正極
１２…水素吸蔵合金負極 １３…セパレータ １４…巻回電極体
１５…正極芯体 １６…多孔質ニッケル焼結体 １７…正極活物質
１８…負極芯体 １９…負極合剤層 ２０…負極集電体
２０ａ…プロジェクション突起 ２０ｂ、２０ｃ…スリット ２１…正極集電体
２１…正極集電体 ２１ａ…中心開口
２１ｂ、２１ｄ…バーリング孔 ２１ｃ…スリット ２２…外装缶
２２ａ…環状凹部 ２３…封口体 ２４…ガスケット
２５…正極集電リード ２５ａ…平面部 ２５ｂ…頭頂部
２５ｃ、２５ｅ…開孔 ２５ｄ、２５ｈ…プロジェクション突起
２５ｆ…中心開口 ２５ｇ…スリット ２６…開口
２７…弁体 ２８…正極キャップ ２９…バネ
３０…接続部材 ３０ａ…平面部 ３０ｂ…底部
３０ｃ…開口 ３０ｄ…スリット
３０ｅ、３０ｆ…プロジェクション突起 ３０ｇ…半円形状の開孔
３０ａ…平坦部 ５０…蓄電池モジュール Ｘ、Ｙ、Ｚ…溶接痕

Claims (4)

  1. 複数の円筒形蓄電池が接続部材を介して互いに直列に接続され、
    前記円筒形蓄電池は、
    正極板と負極板とがセパレータを介して互いに絶縁された状態で巻き回された巻回電極体と、
    前記巻回電極体及び電解液を収納する、一方極の端子を兼ねる金属製の円筒状外装缶と、
    前記円筒状外装缶の開口部に電気的に絶縁された状態で取り付けられた、他方極の端子を兼ねる封口体とを備え、
    前記巻回電極体には、巻回軸の一方側の端部に第１の集電体が正極板及び負極板の一方に溶接され、他方側の端部に第２の集電体が正極板及び負極板の他方に溶接され、
    前記第１の集電体は前記封口体に電気的に接続され、
    前記第２の集電体は、周辺にスリットが形成された平板状であり、中心部が前記円筒状外装缶の底部内面に溶接されており、
    前記接続部材は、一方の面が前記円筒形蓄電池の底部外面に、前記第２の集電体のスリット位置とは重ならない位置で溶接されており、他方の面が他の円筒形蓄電池の前記封口体に溶接されている、
    蓄電池モジュール。
  2. 前記接続部材は、前記一方の円筒形蓄電池の円筒状外装缶の底部外面と前記他方の円筒形蓄電池の封口体との間に、予め定めた一定距離の隙間が形成されるように、皿状とされている、請求項１に記載の蓄電池モジュール。
  3. 前記接続部材には中心部に開口が形成されており、
    前記封口体には一方極の端子となる突起が形成されており、
    前記接続部材は、
    前記皿状の底部から前記突起が突出するように、前記開口に前記突起が挿入され、前記突起の周囲で前記他方の円筒形蓄電池の前記封口体に溶接されているとともに、前記皿状の縁側で前記一方の円筒形蓄電池の底部外面に溶接されている、請求項２に記載の蓄電池モジュール。
  4. 前記接続部材は、
    前記他方の円筒形蓄電池の封口体との間の溶接部に前記封口体側に向かって突出する凸部と、前記一方の円筒形蓄電池の底部外面側に向かって突出する凸部とが形成されており、前記凸部でそれぞれ前記他方の円筒形蓄電池の封口体及び前記一方の円筒形蓄電池の底部外面と溶接されている、請求項１〜３のいずれかに記載の蓄電池モジュール。
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