JP2017016856A - バスバー及びバッテリーモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】低電気抵抗、低発熱で、且つ、十分なフレキシビリティーを備える低コストで容易に製造可能なバスバー及び、このバスバーを備えたバッテリーモジュールを提供すること。【解決手段】本実施形態に係るバスバーは、ブロック状の肉厚部と、肉厚部の両側にそれぞれ配置された２つの肉薄部と、を有する。そして、一方の肉薄部は、複数の電池セルのいずれか一つである第１の電池セルの第１端子と接続する第１端子接続部を備える。また、他方の肉薄部は、第１の電池セルと隣接する第２の電池セルの第２端子と接続する第２端子接続部を備える。そして、本実施形態に係るバスバーは、肉厚部の両端近傍に変形可能なベンド部を備え、肉薄部のベンド部と反対側の端には、発熱による温度上昇を抑圧するための熱容量の大きな肉厚部を備える。【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、電池の端子間を電気的に接続するバスバー及びバッテリーモジュールに関する。
バスバーは、例えば、二次電池のバッテリーモジュールの電極の端子間を電気的に接続する。
大きな電流が流れる電極の端子間を接続するバスバーは、電気抵抗を低くするために所定の厚みが必要である。一方、バスバーは、外部からの衝撃や熱、電池の膨らみによる歪みに対応するため、接続される端子との位置精度を保持するためのフレキシビリティーも必要である。
一般的に用いられているバスバーは、電気抵抗を抑えることが可能な板厚を備える板材に２つの平板状の端子接続部を設け、この２つの端子接続部の間にアーチ状のベンド部を設けている。これにより、電気抵抗を低く保ち、且つ、ある程度のフレキシビリティーを備える構成としている。
特開２００９−８７７６１号公報
しかしながら、従来のバスバーは、組み付け時にアーチ状のベンド部に係る荷重の端子側からの反力により、２つの端子と２つの端子接続部との間に隙間が生じる虞がある。そして、この隙間を無くして端子と端子接続部とを溶接する作業は、熟練を必要とする。
そこで、本実施形態が解決しようとする課題は、低電気抵抗、低発熱で、十分なフレキシビリティーを備え、且つ、容易に組み付け可能で、低コストに製造可能なバスバー及び、このバスバーを備えたバッテリーモジュールを提供することである。
本実施形態に係るバスバーは、正極部と負極部の端子を備える電池セルを複数連結して形成されるバッテリーモジュールのそれぞれの前記端子を電気的に接続するバスバーであって、ブロック状の肉厚部と、肉厚部の両側にそれぞれ配置された２つの肉薄部と、を有する。そして、一方の肉薄部は、複数の電池セルのいずれか一つである第１の電池セルの第１端子と接続する第１端子接続部を備える。また、他方の肉薄部は、第１の電池セルと隣接する第２の電池セルの第２端子と接続する第２端子接続部を備える。そして、本実施形態に係るバスバーは、肉厚部の両端近傍に変形可能なベンド部を備え、肉薄部のベンド部と反対側の端には、発熱による温度上昇を抑圧するための熱容量の大きな肉厚部を備える。
図１は、本実施形態に係るバッテリーモジュールの分解斜視図である。 図２は、図１のバッテリーモジュールに用いられるバスバーを示す斜視図である。 図３は、図２のバスバーをＦ３‐Ｆ３で切断した状態を示す断面図である。 図４は、図２のバスバーを電池セルに取り付けた状態を示す断面図である。 図５は、図２のバスバーを端子に取り付けるときに生じる曲げモーメントを示す説明図である。 図６は、従来のバスバーを端子に取り付けるときに生じる曲げモーメントを示す説明図である。 図７は、バスバーの第１の変形例を示す側面図である。 図８は、バスバーの第２の変形例を示す側面図である。
以下、第１の実施形態に係るバスバー１０について、図面を用いて説明する。
まず初めに、バスバー１０が取り付けられるバッテリーモジュール１について図１を用いて説明する。
バッテリーモジュール１は、複数の電池セル３０と、複数のセパレータ５０と、複数のバスバー１０と、１つの筐体７０とを有している。セパレータ５０は、隣り合う電池セル３０の間に配置される。バスバー１０は、複数の電池セル３０を電気的に接続する。筐体７０は、複数の電池セル３０を一つのユニットとして囲み固定する。
電池セル３０は、矩形箱状のケース体３１を有する。ケース体３１は、対向して配置される略方形の第１面３５と、第２面３７を備える。また、ケース体３１は、第１面３５と第２面３７の間に４つの側面３２を備える。
４つの側面３２の一つの面である端子面３９には、２つの電極の端子３３が設けられている。端子３３は、一方を正極とし、他方を負極とする。ケース体３１の内部には、電池材料が充填され、電池として機能する。例えば、電池セル３０は、二次電池である。
本実施形態においては、電池セル３０は、端子３３が設けられた端子面３９を揃え、且つ、隣り合う電池セル３０の正極側と負極側の各端子３３が交互に並ぶように配置されている。言いかえれば、電池セル３０は、端子面３９を揃えた状態で、隣接する電池セル３０のそれぞれの第１面３５又は第２面３７がそれぞれ対向するように１８０度反転して重ねて配置されている。
セパレータ５０は、隣り合う２つの電池セル３０の間に配置される絶縁性の矩形枠状のフレームである。
セパレータ５０は、図１に示すように、電池セル３０の第１面３５よりも僅かに大きな方形の内周を両面に備える枠体である。セパレータ５０は、その両側に隣り合う電池セル３０を嵌め込み固定する。セパレータ５０の材料としては、例えば、絶縁性を有する樹脂材料を用いて形成する。
筐体７０は、複数の電池セル３０及び複数のセパレータ５０を囲むように配置される枠体である。具体的には、本実施形態において、筐体７０は、上面フレーム７１と、下面フレーム７５と、端子面フレーム８０と、端面カバー９０とを有する。筐体７０内は、例えば、１１個の電池セル３０とその間に嵌め込まれた１０個のセパレータ５０の並設体を囲み電池セル３０を固定するものである。本実施形態においては、筐体７０は、金属性の材料を用いて作製した。なお、必要な強度を有していれば、筐体７０の材料は金属に限られず、樹脂等も用いることができる。
上面フレーム７１は、複数並設された電池セル３０の上面４１よりも僅かに大きな外周を有する方形の枠体である。また、上面フレーム７１は、その側面７２に並んで設けられる複数の孔７３を備える。孔７３は、セパレータ５０の両側の端縁にＬ字状に折り曲げた折り曲げ部５１の略中央に設けられた突起５２と嵌合し、上面フレーム７１を上面４１に固定する。
同様に、下面フレーム７５は、複数並設された電池セル３０の下面（図示せず）よりも僅かに大きな外周を有する方形の枠体を有する。また、下面フレーム７５は、その側面７４に並んで設けられる複数の孔７７を備える。孔７７は、セパレータ５０の折り曲げ部５１の略中央に設けられた突起５２と嵌合し固定される。
すなわち、複数並設された電池セル３０は、上面フレーム７１と下面フレーム７５を用いて上下から挟み固定される。
また、端子面フレーム８０は、電池セル３０の端子面３９と対向して配置される枠体である。端子面フレーム８０は、方形の複数の孔を形成する孔部８１を備えている。各孔部８１には、バスバー１０がそれぞれ固定される。
バスバー１０は、図１に示すように、隣接する電池セル３０の隣り合う端子３３（例えば、正極と負極）を電気的に接続する板状の部材である。すなわち、バスバー１０は、各電池セル３０同士を接続するための電気回路の一部として機能する。なお、バスバー１０は、端子面フレーム８０の孔部８１に配置され、端子３３と固定される。
バスバー１０は、具体的には、図２及び図３に示すような構造を有している。図２は、本実施形態に係るバスバー１０の斜視図である。図３は、図２のバスバー１０をＦ３‐Ｆ３において切断した状態を示す断面図である。
バスバー１０は、図２に示すように、平板状に形成される肉厚部１２０と、肉厚部１２０の両側に直線状に略平行に設けられる第１肉薄部１１０及び第２肉薄部１１３を有する。言い換えれば、第１肉薄部１１０は、溝部１１２の底部を形成する。また、第２肉薄部１１３は、溝部１１４の底部を形成する。
第１肉薄部１１０は、例えば、第１の電池セル３０ａ（図１参照）の第１端子３３ａと接続する第１端子接続部１１１を備える。第１端子接続部１１１は、第１端子３３ａに組み付けたときに容易に半田や溶接を可能とするため、肉薄に形成される。第２肉薄部１１３は、第１の電池セル３０ａと隣接する第２の電池セル３０ｂ（図１参照）の第２端子３３ｂと接続する第２端子接続部１１５を備える。第２端子接続部１１５は、第２端子３３ｂに組み付けたときに容易に半田や溶接を可能とするため、肉薄に形成される。
また、第１肉薄部１１０及び第２肉薄部１１３は、後述する第１ベンド部１５０及び第２ベンド部１５２と共働して、第１端子３３ａ及び第２端子３３ｂと第１端子接続部１１１及び第２端子接続部１１５との相対位置がずれることを防止する。
肉厚部１２０は、図２に示すように、第１肉薄部１１０及び第２肉薄部１１３の間に一体に形成される。肉厚部１２０は、第１肉薄部１１０及び第２肉薄部１１３よりも高い熱容量を有するとともに、低電気抵抗を備えるブロック状の板状部分である。
肉厚部１２０には、対向する位置に、第１肉薄部１１０及び第２肉薄部１１３が一体に設けられている。肉厚部１２０と第１肉薄部１１０の間には、図３に示すように、裏面１３から表面１１に向かって切り込まれ、第１肉薄部１１０に沿って延びる第１スリット１３０が設けられている。肉厚部１２０と第２肉薄部１１３の間には、裏面１３から表面１１に向かって切り込まれ、第２肉薄部１１３に沿って延びる第２スリット１３１が設けられている。
言い換えれば、図３に示すように、第１肉薄部１１０と肉厚部１２０は、第１肉薄部１１０の肉厚部１２０と近接する側の一辺から略垂直方向に折り曲げられ、肉厚部１２０の図示上方で接続される第１ベンド部１５０を介して接続されている。第１ベンド部１５０と肉厚部１２０との接続部は、肉薄に形成され、第１肉薄部１１０とともに変形可能なフレキシビリティーを備えている。
同様に、図３に示すように、第２肉薄部１１３と肉厚部１２０は、第２肉薄部１１３の一辺から略垂直方向に折り曲げられ、肉厚部１２０の図示上方で接続される第２ベンド部１５２を介して接続されている。第２ベンド部１５２と肉厚部１２０との接続部は、肉薄に形成され、第２肉薄部１１３とともに変形可能なフレキシビリティーを備えている。
また、本実施形態に係るバスバー１０は、第１肉薄部１１０の第１ベンド部１５０が設けられている側と反対側の辺に沿って、肉厚部である第１吸熱部材１７０を備える。また、バスバー１０は、第２肉薄部１１３の第２ベンド部１５２が設けられている側と反対側の辺に沿って、肉厚部である第２吸熱部材１７１を備える。なお、本実施形態において、第１吸熱部材１７０、第２吸熱部材１７１は、肉厚部１２０、第１肉薄部１１０、第２肉薄部１１３及び第１ベンド部１５０、第２ベンド部１５２と一体に形成されている。
第１吸熱部材１７０は、第１肉薄部１１０に沿って設けられる肉厚のブロック状の部分である。第１吸熱部材１７０は、通電時に発生する熱を吸熱し、局所的なバスバー１０の温度上昇を抑制する。
第２吸熱部材１７１は、第２肉薄部１１３に沿って設けられる肉厚のブロック状の部分である。第２吸熱部材１７１は、通電時に発生する熱を吸熱し、局所的なバスバー１０の温度上昇を抑制する。
また、本実施形態において、バスバー１０は、例えば、押し出し成形により一体に形成後、必要な長さに切断される。なお、バスバー１０の形成方法については、これに限られない。例えば、切削加工やプレス加工を用いて作製することも可能である。
続いて、バスバー１０と電池セル３０（第１の電池セル３０ａ、第２の電池セル３０ｂ）の端子３３（第１端子３３ａ、第２端子３３ｂ）との接続手段について図４を用いて説明する。図４は、図２のバスバー１０を端子３３に取り付けた状態を示す断面図である。なお、図４は、端子３３とバスバー１０との接続状態をわかりやすくするため、主要な部材のみを記載し、その他の部材を省略している。
バスバー１０は、図１に示すように、端子面フレーム８０の孔部８１に配置される。端子面フレーム８０に配置されたバスバー１０は、端子面３９に設けられている電池セル３０の端子３３と当接する。
具体的には、図４に示すように、バスバー１０は、孔が形成された第１端子接続部１１１に第１の電池セル３０ａの第１端子３３ａを当接させるとともに、同じく孔が形成された第２端子接続部１１５に第２の電池セル３０ｂの第２端子３３ｂを当接させる。バスバー１０の位置が確定したら、第１端子３３ａと第１端子接続部１１１、及び、第２端子３３ｂと第２端子接続部１１５とを例えば、半田で固定する。このような構成を備えるバスバー１０は、端子３３と確実に固定することができる。
続いて、ベンド部２５０、第１ベンド部１５０及び第２ベンド部１５２について図５に示す本実施形態のバスバーと、図６に示す従来のバスバーを対比して説明する。図５の（Ａ）は、本実施形態におけるバスバー１０を電池セル３０に固定するときの荷重Ｐと、そのときの端子３３からの反力Ｏ１、Ｏ２を矢印で示している。図５の（Ｂ）は、バスバー１０のせん断荷重を表したせん断力図（S.F.D.（Shear Force Diagram））である。図５の（Ｃ）は、バスバー１０の図５の（Ａ）の状態における曲げモーメントを表した曲げモーメント図（B.M.D.（Bending Moment Diagram））である。
図６の（Ａ）は、従来のバスバー２０を電池セル３０に固定するときの荷重Ｐと、そのときの端子３３からの反力（Ｏ１、Ｏ２）を矢印で示している。図６の（Ｂ）は、バスバー２０のせん断荷重を表したせん断力図（S.F.D.（Shear Force Diagram））である。図６の（Ｃ）は、バスバー２０の図６の（Ａ）の状態における曲げモーメントを表した曲げモーメント図（B.M.D.（Bending Moment Diagram））である。
図６に示すように、従来のバスバー２０は、電極の位置精度を保つために必要なフレキシビリティーを確保するため、平板アーチ状のベンド部２５０を第１平板部２１０及び第２平板部２１３の間に設けている。この状態において、アーチ状のベンド部２５０の頂点に荷重Ｐが係ると、その反力により第１平板部２１０及び第２平板部２１３が、ベンド部２５０との接続部分を中心にそれぞれ矢印Ｏ１及び矢印Ｏ２の方向へ曲る（持ち上がる）。矢印Ｏ１及び矢印Ｏ２方向に第１平板部２１０及び第２平板部２１３が曲がると、組み付け時において、端子３３とバスバー２０との間に隙間を発生させ、組み付け不良の原因となる虞がある（図４参照）。
これは、図６の（Ｃ）に示すように、従来のバスバー２０は、曲げモーメントが最も高くなるところにフレキシビリティーを持たせたベンド部２５０が設けられているためである（破線Ｒで囲った部分）。すなわち、図６の（Ｃ）に示すように、バスバー２０の中で最も曲りやすい部分に曲げモーメントの最も高いところが設けられているためである。これにより、バスバー２０に係る端子側からの反力も大きくなり、第１平板部２１０及び第２平板部２１３は、矢印Ｏ１及び矢印Ｏ２方向に曲げられる。
一方、本実施形態に係るバスバー１０は、図５に示すように、肉厚部１２０の両側に第１スリット１３０及び第２スリット１３１を設け、その外側に第１ベンド部１５０及び第２ベンド部１５２が設けられている。以下、この状態において、肉厚部１２０の中央部分に荷重Ｐが係る場合を検討する。
この場合、図５の（Ｃ）に示すように、最も曲げモーメントの高い荷重Ｐが係る位置には、肉厚の曲げ剛性が高い構造（肉厚部１２０）を備えている。そして、曲げモーメントが比較的に低くなる位置である、肉厚部１２０の両側部分に曲りやすい部分を備えた第１ベンド部１５０及び第２ベンド部１５２が設けられている（破線Ｒで囲った部分）。
すなわち、バスバー１０は、中央部分にかかる曲げモーメントに比して曲げモーメントが低い部分に曲げ剛性の低い第１ベンド部１５０及び第２ベンド部１５２を設けることで、肉厚部１２０の中央部分に表面１１から電池セル３０に向かって荷重Ｐが加えられたときに、第１肉薄部１１０または第２肉薄部１１３の曲りを防ぐ。
これにより、バスバー１０の第１ベンド部１５０及び第２ベンド部１５２に係る曲げモーメントは、低くなる。このため、バスバー１０は、組み付け時におけるバスバー１０と端子３３との間の隙間の発生を抑えることができる。
なお、第１ベンド部１５０及び第２ベンド部１５２の形状は、本実施形態に示した形状に限られない。例えば、図７に示す第１の変形例であるバスバー１０ｂのように、第１肉薄部１１０及び第２肉薄部１１３と肉厚部１２０とを、第１スリット１３０及び第２スリット１３１に加えて、肉厚部１２０の表面１１から裏面１３に向かって２つの第３スリット１３３及び第４スリット１３５を肉厚部１２０の中央側に形成した波状の第１ベンド部１５０ｂ及び第２ベンド部１５２ｂとすることも可能である。
また、図８に示す第２の変形例であるバスバー１０ｃように、第１肉薄部１１０及び第２肉薄部１１３と肉厚部１２０とを所定の傾斜を有する第１ベンド部１５０ｃ及び第２ベンド部１５２ｃによって形成することも可能である。
以上のように、本実施形態に係るバスバー１０は、肉厚部１２０を備えている。このため、例えば、１００アンペアから数百アンペアの大量の電流が数十秒間に亘り通電される場合においても、バスバー１０は、肉厚部１２０において係る電気抵抗を下げることができる。また、肉厚部１２０は、板厚が薄く（曲げ剛性が低く）形成され、電気抵抗が肉厚部１２０と比較して高い第１端子接続部１１１及び第２端子接続部１１５の近傍で発生した熱を吸熱し、第１端子接続部１１１及び第２端子接続部１１５における温度上昇を抑制することができる。
さらに、本実施形態のバスバー１０は、肉厚部１２０と略同じ厚さを備える第１吸熱部材１７０及び第２吸熱部材１７１を備えている。このため、バスバー１０は、大量の電流が供給されたことにより発生した熱を肉厚部１２０に加えて、さらに、第１吸熱部材１７０及び第２吸熱部材１７１でも吸熱することができる。
また、上述の一般的なバスバー２０においては、組み付け時にアーチ状のベンド部２５０に係る荷重Ｐの端子側からの反力により、２つの端子と２つの端子接続部との間に隙間が生じる虞がある。そして、この隙間を無くして端子と端子接続部とを溶接する作業は、熟練を必要とする。
これに対して、本実施形態のバスバー１０は、上述の通り、図５に示すように、肉厚部１２０の両側に２つの第１スリット１３０及び第２スリット１３１を設け、その外側に曲げ剛性の低い第１ベンド部１５０及び第２ベンド部１５２が設けられている。
第１ベンド部１５０及び第２ベンド部１５２が設けられた位置は、中央部分にかかる曲げモーメントに比して曲げモーメントが低い位置である。このため、バスバー１０は、組み付け作業時のような肉厚部１２０の中央部分に表面１１から電池セル３０方向に向かって荷重Ｐが加えられたときに、第１肉薄部１１０または第２肉薄部１１３の曲り（反り）を防ぐことができる。
このため、第１端子３３ａと第１肉薄部１１０との間又は第２端子３３ｂと第２肉薄部１１３との間に上述に記載した従来のバスバー２０を用いたときのような隙間が生じることがない。すなわち、本実施形態のバスバー１０は、組み付け作業が容易になるだけでなく、第１肉薄部１１０及び第２肉薄部１１３との間の隙間を心配することなく、高い位置精度で容易に組み付け作業をすることができる。
また、本実施形態に係るバスバー１０は、第１肉薄部１１０、第２肉薄部１１３、第１ベンド部１５０及び第２ベンド部１５２を備えている。このため、バスバー１０は、例えば、電池セル３０の膨張により隣接する端子間の距離が変化した場合においても、肉薄に形成されている第１肉薄部１１０、第２肉薄部１１３、第１ベンド部１５０及び第２ベンド部１５２が変形し相対位置のずれを吸収することができる。
また、本実施形態に係るバスバー１０は、図２に示すように、押し出し成形により容易に製造することができる。このため、大量生産を容易に可能とするとともに製造コストを抑えることができる。
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、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
すなわち、本実施形態に用いられるバスバー１０は、複数並べられた電池セルの隣接する２つの電池セル３０同士を電気的に接続するために用いられるものであるが、これに限られない。例えば、隣接する複数の電池セル同士をまとめて接続する形式のバスバーにも用いることができる。
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…バッテリーモジュール、１０…バスバー、１０ｂ…バスバー、１０ｃ…バスバー、１１…表面、１３…裏面、２０…バスバー、３０…電池セル、３０ａ…第１の電池セル、３０ｂ…第２の電池セル、３１…ケース体、３２…側面、３３…端子、３３ａ…第１端子、３３ｂ…第２端子、３５…第１面、３７…第２面、３９…端子面、４１…上面、５０…セパレータ、５１…折り曲げ部、５２…突起、７０…筐体、７１…上面フレーム、７２…側面、７３…孔、７４…側面、７５…下面フレーム、７７…孔、８０…端子面フレーム、８３…ネジ、９０…端面カバー、１１０…第１肉薄部、１１１…第１端子接続部、１１２…溝部、１１３…第２肉薄部、１１４…溝部、１１５…第２端子接続部、１２０…肉厚部、１３０…第１スリット、１３１…第２スリット、１３３…第３スリット、１３５…第４スリット、１５０…第１ベンド部、１５０ｂ…第１ベンド部、１５０ｃ…第１ベンド部、１５２…第２ベンド部、１５２ｂ…第２ベンド部、１５２ｃ…第２ベンド部、１７０…第１吸熱部材、１７１…第２吸熱部材、２１０…第１平板部、２１３…第２平板部、２５０…ベンド部。

Claims (3)

  1. 正極部と負極部の端子を備える電池セルを複数連結して形成されるバッテリーモジュールのそれぞれの前記端子を電気的に接続するバスバーであって、
    ブロック状の肉厚部と、
    前記肉厚部の両側にそれぞれ配置された２つの肉薄部と、を有し、
    一方の前記肉薄部は、複数の前記電池セルのいずれか一つである第１の電池セルの第１端子と接続する第１端子接続部を備え、
    他方の前記肉薄部は、前記第１の電池セルと隣接する第２の電池セルの第２端子と接続する第２端子接続部を備え、
    前記肉厚部の両端近傍に、スリットにより形成される変形可能なベンド部を備えることを特徴とするバスバー。
  2. ２つの前記肉薄部の前記ベンド部と接続される側と反対側に前記肉厚部とは別の吸熱用の肉厚部をそれぞれ備えていることを特徴とする請求項１に記載のバスバー。
  3. 正極部と負極部の端子を備える電池セルと、複数並べられた前記電池セルを囲む枠体と、前記電池セルのそれぞれの前記端子を電気的に接続するバスバーと、を備えるバッテリーモジュールであって、
    前記バスバーは、
    ブロック状の肉厚部と、
    前記肉厚部の両側にそれぞれ配置された２つの肉薄部と、を有し、
    一方の前記肉薄部は、複数の前記電池セルのいずれか一つである第１の電池セルの第１端子と接続する第１端子接続部を備え、
    他方の前記肉薄部は、前記第１の電池セルと隣接する第２の電池セルの第２端子と接続する第２端子接続部を備え、
    前記肉厚部の両端近傍に、スリットにより形成される変形可能なベンド部を備えることを特徴とするバッテリーモジュール。
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