JP2016048685A - 新規な構造のバスバー及びこれを備えた電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】電池モジュールに用いるレーザー溶接に適したバスバーの提供。
【解決手段】３個の単位電池１０の板状の電極リード１１を垂直断面から見て半円状に上方に折れ曲がっているバスバー２４上に配置し、バスバー２４の突起部２５を中心にして電極リード１１の両側部位を加圧し、バスバー２４に電極リード１１を密着させた後、バスバー２４の突起部２５に接触した電極リード１１の部位Ｂにレーザー溶接機３０よりレーザーを照射してレーザー溶接することで３個の単位電池１０を並列接続するためのバスバー２４。
【選択図】図２
【解決手段】３個の単位電池１０の板状の電極リード１１を垂直断面から見て半円状に上方に折れ曲がっているバスバー２４上に配置し、バスバー２４の突起部２５を中心にして電極リード１１の両側部位を加圧し、バスバー２４に電極リード１１を密着させた後、バスバー２４の突起部２５に接触した電極リード１１の部位Ｂにレーザー溶接機３０よりレーザーを照射してレーザー溶接することで３個の単位電池１０を並列接続するためのバスバー２４。
【選択図】図２
Description
本発明は、新規な構造のバスバー及びこれを備えた電池モジュールに係り、特に、電池モジュールにおいて、電池セル又は単位モジュール（ｐｐｐ単位セルｐｐｐ）の電極リード同士をレーザー溶接による結合方式で電気的連結をするためのバスバーであって、これらの電極リードとバスバーはそれぞれ板状の構造になっており、該バスバーにおいてレーザー照射により電極リードと溶接される部位が電極リードに密着するように、電極リードの位置している方向に突出した突起部が、電極リードとの溶接部位に形成されているバスバーに関する。
近年、充放電可能な二次電池は、ワイヤレスモバイル機器のエネルギー源として広範囲に用いられている。また、二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン車、ディーゼル車などにおける大気汚染の問題などを解決する代案として提示されている電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグ−インハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−Ｉｎ ＨＥＶ）などの動力源としても注目されている。
小型のモバイル機器にはデバイス１台当たり１個又は２〜３個の電池セルが用いられるが、自動車のような中大型のデバイスには、高出力・大容量の必要性から、複数の電池セルを電気的に連結させた電池モジュール、又は複数の電池モジュールを電気的に連結させた電池パックが用いられている。
電池モジュールは、可能な限り小さいサイズ及び重量のものが好ましいことから、高い集積度で積み重ね可能であり且つ容量対比重量の小さい角型電池、パウチ型電池などが、中大型電池モジュールの電池セルとして主として用いられている。特に、アルミニウムラミネートシートなどを外装部材として使用するパウチ型電池は、重量が小さく、製造コストが低いといった利点から、最近では大きく関心を浴びている。
一方、複数の電池セルで構成された電池モジュール又は電池パックをハイブリッド電気自動車、プラグ−インハイブリッド電気自動車、電気自動車などのように、自動車用電池として用いるには、要求される電池の容量に応じて様々な形態の単位電池を連結した電池パックを構成することが非常に重要である。
すなわち、同一の形態の電池モジュール内で様々な形態の電気的直列／並列連結を有する構造は、高い競争力を有することができる。
例えば、電池セルの電気的連結構造において、電池セル同士の電気的並列連結方法には種々の溶接方法が用いられているが、なかでも、超音波溶接が多く用いられている。しかし、このような超音波溶接を用いた電気的連結方法は、媒質に機械的荷重を直接に与えて、震動による摩擦を用いる方式であるがため、溶接部位における品質劣化及び電池セル内部の損傷を招くという問題があった。
このような問題点を解決する代案としては、非接触溶接方法であるレーザー溶接が好適であるが、レーザー溶接を適用するには接触部位の信頼性確保が必要である。
すなわち、レーザー溶接の特性上、接触面の信頼性が極めて重要であることから、一対一溶接の電気的連結にのみレーザー溶接が制限的に用いられている。
そこで、電池同士の電気的連結時に、上記のような超音波溶接及びレーザー溶接における問題点を解決できる特定構造のバスバー及びこれを備えた電池モジュールが切実に望まれている現状である。
本発明は、上記のような従来技術の問題点と過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
具体的に、本発明の目的は、電池同士の連結に用いられるバスバーの形態を変更して、レーザー溶接の信頼性を高め且つ工程の単純性を提供することによって、バスバーを用いて電池の電気的／機械的連結時に信頼性あるレーザー溶接を可能にすることにある。
本発明の他の目的は、機械的締め付け及び電気的連結のために多数の部材を使用しなくとも簡単な組立方法で製造することができる電池モジュールを提供することにある。
このような目的を達成するための本発明に係るバスバーは、
電池モジュールにおいて電池セル又は単位モジュール（ｐｐｐ単位セルｐｐｐ）の電極リードをレーザー溶接による結合方式で電気的連結するためのバスバーであって、
前記電極リードとバスバーはそれぞれ板状の構造になっており、
前記バスバーにおいてレーザー照射により電極リードと溶接される部位が電極リードに密着するように、電極リードの位置している方向に突出した突起部が電極リードとの溶接部位に形成されている。
電池モジュールにおいて電池セル又は単位モジュール（ｐｐｐ単位セルｐｐｐ）の電極リードをレーザー溶接による結合方式で電気的連結するためのバスバーであって、
前記電極リードとバスバーはそれぞれ板状の構造になっており、
前記バスバーにおいてレーザー照射により電極リードと溶接される部位が電極リードに密着するように、電極リードの位置している方向に突出した突起部が電極リードとの溶接部位に形成されている。
したがって、本発明に係るバスバーは、電極リードの位置している方向に突出した突起部が電極リードとの溶接部位に形成されているため、電池セル又は単位モジュール（ｐｐｐ単位セルｐｐｐ）の電極リードをレーザー溶接で電気的連結時に、レーザー照射により電極リードに溶接されるバスバーの部位が電極リードに容易に密着する。
具体的に、レーザー溶接時に、高信頼性の接触面を確保するには支持形態の固定構造が必要であるが、これを工程に適用するためには、レーザー溶接機の構造を複雑にさせたり、電池モジュールの構造を複雑に変更しなければならないという問題点がある。
これと関連して、本発明は、レーザー溶接時にバスバーの突起部によりバスバーの突起部と電極リードとが密着するため、レーザー溶接機や電池モジュールの構造を複雑に変更することなく、信頼性あるバスバーと電極リードとのレーザー溶接を可能にする。
また、本発明のバスバーは、単位セルの電極リードをレーザー溶接により電気的に連結するので、従来の超音波溶接を用いる方法に比べて、溶接部位における品質低下と電池セルの内部損傷といった問題点を解決することができる。
一つの好適な例において、前記突起部は、電極リードと溶接される部位が電極リードに密着する形状であれば特に制限されず、例えば、垂直断面からみて、半多角形、半円形、半楕円形の形状などに折れ曲がっている構造であればよく、特に、半円形又は半楕円形の形状に折れ曲がっている構造は、密着部位の滑らかな接触を達成できるので好ましい。
特に、本発明に係るバスバーは、多数の部材を溶接する場合に特に好適であるから、前記単位セルの電気的連結は、好ましくは並列連結であればよい。
前記突起部の突出高さは、上述した目的を達成できるいかなる高さであってもよく、例えば、バスバーの厚さを基準にすると、バスバー厚さの１０％乃至１０００％、好ましくは２０％乃至５００％、より好ましくは３０％乃至４００％であればよい。
前記突起部は、電極リードとの溶接部位に対応して、少なくとも一箇所以上に形成されるとよい。すなわち、レーザー溶接部位が２箇所であるならば、突起部も２箇所にすればよく、レーザー溶接部位の個数に対応して突起部の個数が決定されるとよい。しかし、１箇所の溶接部位に２以上の突起部が形成されてもよいことは勿論である。
前記単位セルは少なくとも２個以上であればよく、例えば、２個乃至１０個であるとよい。
一方、前記レーザー溶接は、バスバー上に電極リードを配置した状態で、好ましくは、バスバーの突起部を中心に電極リードの一側部又は両側部を加圧してバスバーに電極リードを密着させた後、バスバーの突起部に接触した電極リードの部位にレーザーを照射して行えばよい。
したがって、本発明のバスバーは、上記の方法のように、レーザー溶接機が電極リードの一側部又は両側部を加圧した状態で、突起部が電極リードとレーザー溶接機により溶接されるため、レーザー溶接機の構造を変更しなくとも、バスバーと電極リードとの信頼性ある電気的連結を達成することができる。
また、本発明は、前記バスバーを用いて、単位セル同士の電気的連結、及び外部入出力端子への単位セルの電極端子の連結を同時に行う電池モジュールを提供する。
したがって、上記のように基本的なバスバーの形態を維持しながら、装着される位置に応じて様々な形態の電池モジュールを構成することができる。
一つの好適な例において、前記電池モジュールは、
直列及び／又は並列に連結された複数の単位セルが積層されている電池セル積層体と、
前記電池セル積層体の一側面の端部と、上端及び下端の一部を取り囲む構造となっている上ケースと、
前記電池セル積層体の他側面の端部と、上端及び下端の一部を取り囲みながら前記上ケースと結合する構造であり、且つバスバーが装着される装着部を有している下ケースと、
を備えている。
すなわち、前記電池モジュールにおいて電極端子同士が連結されており、且つ高い密集度に積み重なっている前記電池セル積層体は、組立式の締め付け構造で結合する上下分離型のケースに垂直に装着される。
前記上下ケースは、電池セル積層体を上下ケースに装着した後、上下ケースを互いに組み立てた状態で、好ましくは、電池セル積層体の容易な放熱のために、電池セル積層体の外周面のみを取り囲み、その外面がケースの外部に露出する構造となっている。したがって、上述の通り、上ケースは、電池セル積層体の一側面の端部と上端及び下端の一部を取り囲む構造となっており、下ケースは、電池セル積層体の他側面の端部と上端及び下端の一部を取り囲む構造となっている。
また、本発明に係る電池モジュールは、バスバーが下ケースの装着部に装着されているため、全体的に組立過程が簡素化する。
一つの具体例において、前記下ケースの前面部にバスバーが設けられている構造であればよい。
上記構造において、バスバーは、下ケースの前面に密着する本体と、単位セルの電極端子に電気的に連結される電極端子接続部と、からなるとよい。
好ましくは、前記本体において、一側端部は、外部入出力端子と連結される入出力端子接続部であり、他側端部は、下ケースに装着される装着突起であればよい。
前記入出力端子接続部は、外部入出力端子が下方に挿入されるように、内側に湾入した部位が本体の上部に形成されている構造であればよい。
前記電極端子接続部は、本体に対して垂直上方に折れ曲がっている構造であればよい。
前記電池セルは、例えば、電極端子が上端及び下端にそれぞれ形成されている板状型の電池セルであればよい。
前記電池セル積層体は、好ましくは、電極端子が上端及び下端にそれぞれ形成されている板状型の電池セルを備えている複数個の単位モジュールで構成されている。該単位モジュールは、電極端子同士が直列及び／又は並列に連結されている２つ又はそれ以上の電池セルと、前記電池セルの電極端子部位を除いて電池セル積層体の外面全体を取り囲むように互いに結合される１対の高強度セルカバーと、を備えるとよい。
以下では、本発明の実施例に係る図面を参照して説明するが、これは、本発明のより容易な理解を助けるためのもので、本発明の範ちゅうを限定するものではない。
図１は、本発明の一実施例に係るバスバーの平面模式図であり、図２は、本発明の一実施例に係るレーザー溶接過程を示す模式図である。
まず、図１を参照すると、３個の単位セル１０の電極リード１１をレーザー溶接による結合方式で電気的に連結するためのバスバー２２が示されている。
電極リード１１とバスバー２２はそれぞれ板状の構造となっており、電極リード１１の位置している方向に突出した突起部２３が、電極リード１１との溶接部位に形成されているため、バスバー２２は、レーザー照射により電極リード１１と溶接される部位が電極リード１１に密着する。
図１のバスバー２２は、突起部２３が、垂直断面からみて、矩形に上方に折れ曲がっており、図２のバスバー２４は、垂直断面からみて、半円形に上方に折れ曲がっている。
図２を参照すると、バスバー２４上に電極リード１１を配置した状態で、バスバー２４の突起部２５を中心にして電極リード１１の両側部位を加圧（矢印）して、バスバー２４に電極リード１１を密着させた後、バスバー２４の突起部２５に接触した電極リード１１の部位Ｂにレーザーを照射してレーザー溶接を行うことで、３個の単位セル１０の電気的連結を並列連結としている。
図３は、本発明の他の実施例に係るバスバーの垂直断面模式図である。
図３を参照すると、バスバー２６は、突起部２６ａ，２６ｂが両側に形成されており、左側に位置している単位セル４０ａの電極リード４１とバスバー２６の左側突起部２６ａとがレーザー溶接されることで、左側に位置している２個の単位セル４０ａ同士が電気的に並列連結される。
また、右側に位置している単位セル４０ｂの電極リード４２とバスバー２６の右側突起部２６ｂとがレーザー溶接されることで、右側に位置している２個の単位セル４０ｂ同士が電気的に並列連結される。
したがって、左側の単位セル４０ａと右側の単位セル４０ｂとがバスバー２６により電気的に直列連結され、２Ｐ（並列）−２Ｓ（直列）連結構造が達成される。
図４は、本発明のさらに他の実施例に係る電池モジュールを模式的に示す部分斜視図であり、図５は、図４のＡ部位を拡大して模式的に示す部分斜視図である。
図４及び図５を参照すると、電池モジュール２００は、バスバー１１０により、単位モジュール１２０同士間の電気的連結、及び外部入出力端子（図示せず）への単位モジュール１２０の電極端子の連結を同時に行っている。
また、電池モジュール２００は、電池セル積層体１４０、上ケース（図示せず）、及び下ケース１３０で構成されている。
電池セル積層体１４０は、電気的に並列連結された４個の単位モジュール１２０が側面方向に積層されており、上ケース（図示せず）は、電池セル積層体１４０の一側面の端部と上端及び下端の一部を取り囲む構造になっている。
また、下ケース１３０は、電池セル積層体１４０の他側面の端部と上端及び下端の一部を取り囲みながら上ケースと結合する構造になっており、且つバスバー１１０が装着される装着部１３２を有している。
バスバー１１０は、下ケース１３０の前面部に設けられており、下ケース１３０の前面に密着する本体１１２と、単位モジュール１２０の電極端子１２６に電気的に連結される電極端子接続部１１４と、で構成されている。
また、本体１１２において、一側端部は外部入出力端子と連結される入出力端子接続部１１６となっており、他側端部は下ケース１３０の装着部１３２に装着される装着突起１１８となっている。
入出力端子接続部１１６は、内側に湾入した部位が本体１１２の上部に形成されていて外部入出力端子が下方に挿入され、電極端子接続部１１４は、本体１１２に対して垂直上方に折れ曲がっている。
また、電極端子接続部１１４の中央部には、単位モジュール１２０の電極端子１２６の方向に半楕円形に折れ曲がって突出した突起部１１５が形成されている。
一方、単位モジュール１２０は、電極端子が並列に相互連結されている２個の電池セル１２４、及び電池セル１２４の電極端子以外の、電池セル１２４の外面全体を取り囲むようにして相互結合されている１対の高強度セルカバー１２２を備えている。
図６は、板状型の電池セルの一例を示す模式図である。
図６を参照すると、板状型の電池セル１０は、２つの電極リード１１，１２が向かい合って電池本体１３の上端部と下端部からそれぞれ突出した構造となっている。外装部材１４は、上下２単位からなり、その内面に形成されている収納部に電極組立体（図示せず）を装着した状態で、相互接触部位である両側面１４ｂ、上端部１４ａ及び下端部１４ｃを貼り合わせることで電池セル１０が作られる。外装部材１４は、樹脂層／金属箔層／樹脂層のラミネート構造となっており、互いに接する両側面１４ｂ、上端部及び下端部１４ａ，１４ｃに熱と圧力を加え、それぞれの樹脂層を相互融着させることによって貼り合わせればよく、場合によっては、接着剤を使って貼り合わせてもよい。両側面１４ｂは、上下外装部材１４のそれぞれにおける同一の樹脂層が接するので、溶融により均一な封止が可能となる。一方、上端部１４ａと下端部１４ｃには電極リード１１，１２が突出しているため、電極リード１１，１２の厚さ、及び電極リード１１，１２と外装部材１４との素材の異質性を考慮して封止性を高めるように、電極リード１１，１２との間にフィルム状のシーリング部材１６を介在した状態で熱融着させた構造になっている。
以上では本発明の実施例に係る図面を参照して説明してきたが、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、以上の内容に基づいて本発明の範ちゅう内で様々な応用及び変形が可能であろう。
以上説明した通り、本発明に係るバスバーは突起部を有しているため、レーザー溶接の信頼性を高め、工程の単純性を提供することによって、バスバーを用いて電池の電気的／機械的連結時に信頼性あるレーザー溶接を可能にする。
また、本発明に係る電池モジュールは、上述した構造のバスバーを有しているため、機械的締め付け及び電気的連結のために多数の部材を使用しなくとも簡単な組立方法で製造することができる。
Claims (17)
- 電池モジュールにおいて電池セル又は単位モジュール（単位セル）の電極リードをレーザー溶接による結合方式で電気的連結するためのバスバーであって、
前記電極リードとバスバーはそれぞれ板状の構造になっており、前記バスバーにおいてレーザー照射により電極リードと溶接される部位が電極リードに密着するように、電極リードの位置している方向に突出した突起部が、電極リードとの溶接部位に形成されていることを特徴とする、バスバー。 - 前記突起部は、垂直断面からみて、半円形又は半楕円形に折れ曲がっていることを特徴とする、請求項１に記載のバスバー。
- 前記単位セル同士の電気的連結は、並列連結であることを特徴とする、請求項１に記載のバスバー。
- 前記突起部は、少なくとも一箇所以上に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載のバスバー。
- 前記単位セルは少なくとも２つ以上であることを特徴とする、請求項１に記載のバスバー。
- 前記レーザー溶接は、バスバー上に電極リードを配置した状態で、バスバーの突起部を中心に電極リードの一側部又は両側部を加圧してバスバーに電極リードを密着させた後、バスバーの突起部に接触した電極リードの部位にレーザーを照射して行われることを特徴とする、請求項１に記載のバスバー。
- 請求項１乃至６のいずれかに記載のバスバーを用いて単位セル同士の電気的連結、及び外部入出力端子への単位セルの電極端子の連結、を同時に行うことを特徴とする電池モジュール。
- 前記電池モジュールは、
直列及び／又は並列に連結された複数の単位セルが積層されている電池セル積層体と、
前記電池セル積層体の一側面の端部と、上端及び下端の一部を取り囲む構造となっている上ケースと、
前記電池セル積層体の他側面の端部と、上端及び下端の一部を取り囲みながら前記上ケースと結合する構造となっており、且つバスバーが装着される装着部を有している下ケースと、
を備えることを特徴とする、請求項７に記載の電池モジュール。 - 前記下ケースの前面部にバスバーが設けられていることを特徴とする、請求項８に記載の電池モジュール。
- 前記バスバーは、下ケースの前面に密着する本体と、単位セルの電極端子に電気的に連結される電極端子接続部と、からなることを特徴とする、請求項９に記載の電池モジュール。
- 前記本体において、一側端部は、外部入出力端子と連結される入出力端子接続部であり、他側端部は、下ケースに装着される装着突起であることを特徴とする、請求項１０に記載の電池モジュール。
- 前記入出力端子接続部は、外部入出力端子が下方に挿入されるように、内側に湾入した部位が本体の上部に形成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の電池モジュール。
- 前記電極端子接続部は、本体に対して垂直上方に折れ曲がっていることを特徴とする、請求項１０に記載の電池モジュール。
- 前記電池セルは、電極端子が上端及び下端にそれぞれ形成されている板状型の電池セル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。
- 前記単位モジュールは、
電極端子同士が直列及び／又は並列に相互連結されている２つ又はそれ以上の電池セルと、
前記電池セルの電極端子部位を除いて電池セルの外面全体を取り囲むように相互結合する１対の高強度セルカバーと、
を備えることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。 - 前記電池セルは板状型であり、前記突起は、前記電極リードの平坦部に溶接される、請求項１記載のバスバー。
- 少なくとも二つの前記突起部が、前記バスバーの長手方向に沿って形成されている、請求項１記載のバスバー。
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