JP2018116775A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電池間のピッチを狭めて電池モジュールを小型化する。【解決手段】複数の単電池１２を並べて、導電性の正極バスバー２３（負極バスバー２５）に対して単電池１２の電極をボンディングワイヤ４２で接続した構成において、複数の単電池１２のうち一方向（Ｘ方向）に直線状に並べて配置された単電池１２群がＸ方向に沿ったボンディングワイヤ４２ａで導電板２４に接続されているとともに、複数の単電池１２のうち導電板２４の周縁部に配置された少なくとも１つの周縁セルがＸ方向とは異なる方向に向けられたボンディングワイヤ４２ｂで導電板２４に接続される。【選択図】図２

Description

本発明は、複数の電池を直列又は並列に接続した電池モジュールに関する。

従来から、複数の電池を並列、または、直列に接続して成る電池モジュールが知られている。

特許文献１には、こうした電池モジュール（パック電池）が開示されている。具体的には、円柱状の電池（セル）と、電池の端部が嵌合されるホルダと、を備えた組電池（電池モジュール）が開示されている。ホルダには円筒状孔（保持孔）が形成されており、この円筒状孔に円柱状の電池が嵌め込まれて保持される。また、複数の電池を電気的に接続するための板状のバスバーが設けられる。複数の電池は、板状のバスバーと各電池の正極及び負極とをボンディングワイヤにより接続することによって電気的に接続される。このとき、各電池の位置に対応してバスバーに設けられた貫通孔にワイヤボンディング装置のボンディングツールを挿入して、電池の正極及び負極にボンディングワイヤを溶接等で接続する。

特開２０１０−２８２８１１号公報

ところで、電池モジュールを小型化するためには、電池間のピッチを狭くする必要がある。一方、ボンディング用ツールを用いてボンディングワイヤを適切に接続するためには、バスバーに設けられる開口部の穴径はある程度の大きさに維持する必要がある。その結果、電池モジュールの小型化に伴って、バスバー上においてボンディングワイヤを接続するための領域が減ってしまう。

特に、各バスバーにおいて複数の電池を接続し、さらに複数のバスバー間を直列や並列に接続するような構成においては、隣り合うバスバーの間に電気的な絶縁部を設ける必要があり、その絶縁部の領域分だけボンディングワイヤを接続するための領域が狭くなる。

そこで、本発明では、ボンディングワイヤとバスバーとの接続関係を改善することによって、電池間のピッチを狭めて小型化された電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の１つの態様は、複数のセルを並べて、導電性のバスバーに対して複数のセルの電極をボンディングワイヤで接続した電池モジュールであって、複数のセルのうち一方向に直線状に並べて配置されたセル群が前記一方向に沿ったボンディングワイヤでバスバーに接続されているとともに、複数のセルのうちバスバーの周縁部に配置された少なくとも１つの周縁セルが前記一方向とは異なる方向に向けられたボンディングワイヤでバスバーに接続されていることを特徴とする電池モジュールである。

ここで、バスバーを複数備え、電気的な絶縁部を挟んで複数のバスバーを並べて配置し、複数のバスバーの各々に接続されたセル群を含み、前記周縁セルは、当該周縁セルが接続されているバスバーと隣り合うバスバーとの絶縁部周辺に配置されている端部のセルであることが好適である。

また、複数のセルは、複数行に分けて前記一方向に沿って配置されており、前記一方向とは異なる方向に向けられたボンディングワイヤは、１つの行のセルから別の行のセルへ向かう方向に沿って配置されていることが好適である。

また、前記一方向に沿ったボンディングワイヤは、１本で複数のセルをバスバーに接続するボンディングワイヤを含むことが好適である。

また、ボンディングワイヤの各々の端部の少なくとも一方はバスバー上にあることが好適である。

本発明によれば、ボンディングワイヤとバスバーとの接続関係を改善することによって、電池間のピッチを狭めて電池モジュールを小型化することができる。

本発明の実施の形態における電池モジュールの分解斜視図である。 本発明の実施の形態における電池モジュールの電気的な接続構成を示す平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態におけるワイヤボンディング作業を説明するための図である。 本発明の実施の形態におけるボンディング箇所を示す図である。 本発明の実施の形態におけるワイヤボンディングが外れた状態を示す図である。 本発明の実施の形態におけるワイヤボンディングが外れた状態を示す図である。 ボンディングワイヤがバスバー（導電板）の領域を外れた状態を示す図である。 本発明の実施の形態におけるボンディング作業の流れを示す図である。

［電池モジュールの全体構成］
以下、実施形態である電池モジュール１０について図面を参照して説明する。図１は、電池モジュール１０の分解斜視図である。なお、以下の説明では、電池モジュール１０の長手方向を「Ｘ方向」、単電池１２の軸方向を「Ｚ方向」、Ｘ方向およびＺ方向に直交する電池モジュール１０の短手方向を「Ｙ方向」と呼ぶ。

電池モジュール１０は、円柱型の単電池（セル）１２を複数有している。単電池１２は、充放電可能な二次電池であり、例えば、円柱型のケースに収められたニッケル水素電池、リチウムイオン電池等である。単電池１２の軸方向両端には、単電池１２の電極である負極端子および正極端子が設けられている。

図１に図示する電池モジュール１０は、６０個の単電池１２を有しており、この６０個の単電池１２は、Ｘ方向に沿って４行（段）、Ｙ方向に沿って１５列の配列で並べられている。本実施の形態では、Ｘ方向に沿って一方向に直線状に単電池１２が並べられている。また、Ｙ方向には、行（段）毎に単電池１２の位置をＸ方向に交互にずらして並べられている。このように、単電池１２の位置をずらすことによって、行（段）間のピッチを狭めて単電池１２を配置することができる。

４行１５列で並ぶ６０個の単電池１２は、長手方向（Ｘ方向）において、３箇所で区切られ、４つの電池グループに分割される。一つの電池グループは、１５個の単電池１２から成り、同一の電池グループに属する１５個の単電池１２は、後述する正極バスバー２３および負極バスバー２５により並列接続される。また、１５個の単電池１２を並列接続した電池グループは、後述するグループ間バスバー２６により、他の電池グループまたは外部出力端子に直列接続される。

各単電池１２は、正極端子および負極端子の向きを揃えた状態で電池ホルダ１４により起立保持される。なお、「起立保持」とは、単電池１２が電池ホルダ１４に対して起立した状態で保持されていればよく、単電池１２の実際の傾斜角度とは無関係である。したがって、電池モジュール１０が、車両において横向きに搭載され、単電池１２の中心軸が略水平になっていたとしても、そのとき、単電池１２が、その中心軸が電池ホルダ１４の平面に対して略直交する姿勢で、電池ホルダ１４により保持されていれば「起立保持」されているという。

電池ホルダ１４は、複数の保持孔１５が形成された略平板状部材である。単電池１２は、この保持孔１５に挿入されることで、負極端子を下（排煙カバー２０側）に向けた起立姿勢で保持される。また、保持孔１５は、電池ホルダ１４において板厚方向に貫通しており、単電池１２の下端の負極端子は保持孔１５の下方から露出される。各保持孔１５は、単電池１２の円柱形状と嵌まり合う丸孔形状とされる。ただし、保持孔１５は、単電池１２よりも僅かに大径とされており、単電池１２の外周が保持孔１５に嵌まるようにされている。単電池１２の外周面と保持孔１５の内周面との隙間には接着剤が注入され、単電池１２は電池ホルダ１４に固定される。

電池ホルダ１４は、発生した熱を均等に分散して単電池１２間での温度のバラツキを低減するために、伝熱性に優れた金属材料、例えば、アルミニウム等で構成することが好ましい。このとき、単電池１２と電池ホルダ１４とが電気的に導通してしまうことを防止するために、電池ホルダ１４の全面を絶縁材料で被覆することが好ましい。

電池ホルダ１４で保持された複数の単電池１２の周囲は、底部が完全開口した略箱型の保護ケース１６により覆われる。保護ケース１６は、絶縁性を有した樹脂で構成することができる。保護ケース１６の下端は、電池ホルダ１４の周縁に固定される。保護ケース１６は、その上端近傍に設けられ、単電池１２の正極側の端面を負極側に向かって押さえる天井板３０を有する。天井板３０には、配列された各単電池１２の外径よりも小径の保持開口３２が設けられる。この保持開口３２を介して単電池１２の正極端子５６（図２参照）が外部に露出する。

単電池１２の軸方向両側には、単電池１２の正極端子同士または負極端子同士を電気的に接続する負極バスバー２５および正極バスバー２３が設けられている。

正極バスバー２３は、保護ケース１６の上面に固着された四つの導電板２４（２４ａ〜２４ｄ）を備える。導電板２４は、互いに間隔を開けて絶縁を保った状態のまま、保護ケース１６に固定される。絶縁は、例えば、隣り合う導電板２４の間に絶縁部３４を設ければよい。導電板２４は、それぞれ一つの電池グループを構成する１５個の単電池１２の正極端子５６を互いに電気的に接続する。具体的には、各導電板２４には配列された各単電池１２に対応する貫通孔４０が設けられ、後述するボンディングワイヤ４２によって各導電板２４は一つの電池グループを構成する１５個の単電池１２の正極に電気的に接続される。これによって、一つの電池グループを構成する１５個の単電池１２は並列に接続される。

単電池１２の負極側に設けられる負極バスバー２５も正極バスバー２３と同様に構成される。すなわち、負極バスバー２５は、４つの導電板２４を含んで構成される。負極バスバー２５に含まれる導電板２４は樹脂等でモールドして一体化してもよい。負極バスバー２５に対しても同じ電池グループに属する単電池１２の負極がボンディングワイヤ４２を介して１つの導電板２４に電気的に接続される。

各電池グループは、グループ間バスバー２６によって直列に接続される。具体的には、グループ間バスバー２６は、一つの電池グループに接続された正極バスバー２３の導電板２４と、隣接する他の電池グループに接続された負極バスバー２５の導電板２４と、を電気的に接続する。グループ間バスバー２６は、銅等の導電性材料からなる略平板状部材であり、図１に示すように、保護ケース１６の外側に配される。

電池ホルダ１４の下方には排煙カバー２０が配置される。排煙カバー２０は、アルミニウム等の金属製とすることができ、プレス加工等で成型することができる。排煙カバー２０の周縁は、負極バスバー２５の周縁に気密に取り付けられる。これにより、排煙カバー２０は、電池ホルダ１４との間に気密にシールされた排煙空間を形成する。この排煙空間２８によって、単電池１２から放出されたガスを電池モジュール１０の外部に排出させることができる。

［電気的な接続構成］
図２（ａ）は、電池モジュール１０の平面図、図２（ｂ）は、ラインＡ−Ａに沿った断面図である。電池モジュール１０では、ボンディングワイヤ４２（４２ａ，４２ｂ）によって各単電池１２が導電板２４に電気的に接続される。

ボンディングワイヤ４２（４２ａ，４２ｂ）を介して、正極バスバー２３の各導電板２４（２４ａ〜２４ｄ）と各単電池１２の正極とが電気的に接続される。同様に、ボンディングワイヤ４２（４２ａ，４２ｂ）を介して、負極バスバー２５の各導電板２４（２４ａ〜２４ｄ）と各単電池１２の負極とが電気的に接続される。ボンディングワイヤ４２は、導電性の線状部材又は板状部材である。本実施の形態の電池モジュール１０では、同一の導電板２４に接続された複数の単電池１２が同じ電池グループとして電気的に並列に接続される。

ボンディングワイヤ４２は、ワイヤボンディング装置を用いて、単電池１２の正極端子５６及び負極端子５８と導電板２４とに溶接やハンダ付け等によって接続される。例えば、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、ワイヤボンディング装置のボンディングツール（ウェッジツール）の先端部６０をボンディングワイヤ４２と共にボンディング箇所６２に押し付ける。そして、ボンディングツールの先端部６０から熱・荷重・超音波等を与えて、ボンディングワイヤ４２をボンディング箇所６２に溶接する。その後、ワイヤボンディング装置からボンディングワイヤ４２を引き出しながら、ボンディングツールの先端部６０を単電池１２の正極端子５６（又は負極端子５８）上及び導電板２４上を移動させ、次のボンディング箇所６２にボンディングワイヤ４２を溶接する。これを必要な回数だけ繰り返した後、ワイヤカッター（図示しない）によってボンディングワイヤ４２を切断する。このようにして、ボンディングワイヤ４２を介して、単電池１２と導電板２４とが電気的に接続される。

図４は、本実施の形態における電池モジュール１０のボンディング箇所６２の例を示す。図４において、黒丸印で示すボンディング箇所６２ａはボンディングワイヤ４２を単に接続する箇所を示し、バツ丸印で示すボンディング箇所６２ｂはボンディングワイヤ４２を接続した後に切断する箇所を示す。図４に示すように、１つの単電池１２の正極端子５６（及び負極端子５８）のそれぞれの２箇所の点から導電板２４の少なくとも２箇所の点にボンディングワイヤ４２を接続することが好適である。

このように、１つの単電池１２の正極端子５６（及び負極端子５８）の２箇所と導電板２４の２箇所をボンディングワイヤ４２によって別々に接続することによって、ボンディング箇所６２の１つが外れた場合であっても単電池１２と導電板２４との電気的接続を維持することができる。

特に、ボンディングワイヤ４２ａのように、１つの単電池１２の正極端子５６（又は負極端子５８）の２箇所と導電板２４の２箇所を１本の連続したワイヤで接続した場合、図５に示すように、正極端子５６（又は負極端子５８）上のボンディング箇所６２のどちらか１点が外れたとしても電流経路を２経路確保することができる。また、図６に示すような状態でボンディング箇所６２の２点が外れた場合であっても少なくとも単電池１２と導電板２４との電気的接続を維持することができる。したがって、電池モジュール１０の信頼性をより高めることができる。

また、本実施の形態における電池モジュール１０では、図２（ａ）に示すように、複数の単電池１２が直線状に並べられた電池モジュール１０の長手方向、すなわちＸ方向に沿って配置されたボンディングワイヤ４２ａと、Ｘ方向とは異なる方向に沿って配置されたボンディングワイヤ４２ｂとが用いられる。

具体的には、正極バスバー２３及び負極バスバー２５を構成する各導電板２４に接続される複数の単電池１２のうち導電板２４の周縁部に配置された少なくとも１つの周縁セルが一方向（Ｘ方向）とは異なる方向に向けられたボンディングワイヤ４２ｂによって導電板２４に接続されることが好適である。本実施の形態では、Ｘ方向に沿って直線状に配置されている複数の単電池１２のうち各導電板２４の両端に配置されているすべての単電池１２においてＸ方向とは異なる方向に沿った配置されたボンディングワイヤ４２ｂを少なくとも１つ設けている。

電池モジュール１０の小型化に伴って単電池１２の配列のピッチを狭くすると、導電板２４の面積も小さくなる。また、図３に示すように、単電池１２の正極端子５６（負極端子５８）に対してボンディングを行うためにはボンディングツールの先端部６０を正極端子５６（負極端子５８）に接触させる必要があり、導電板２４に設けられる貫通孔４０の径はあまり小さくすることはできない。特に、図１及び図２に示すように、導電板２４の周縁部では、絶縁部３４を挟んで隣り合う導電板２４との間において絶縁部３４が占有する領域だけ導電板２４の領域は狭くなる。したがって、図７のボンディングワイヤ４４として示すように、導電板２４の周縁部、特に絶縁部３４を介して隣り合う導電板２４との周縁部では１つの単電池１２に対してＸ方向に沿って２経路以上を配置するための接続領域を導電板２４上に確保することが困難となる。すなわち、図７において領域Ｘとして示すように、導電板２４の周縁部の単電池１２ではボンディングワイヤ４４の端部が導電板２４の領域からはみ出してしまい、導電板２４上にボンディングワイヤ４４との接続を確保することができない。

そこで、本実施の形態の電池モジュール１０のようにＸ方向に沿って配置されたボンディングワイヤ４２ａと、Ｘ方向とは異なる方向に沿って配置されたボンディングワイヤ４２ｂとを組み合わせて用いることによって、導電板２４との接続領域を確保することができる。すなわち、単電池１２間のピッチの短縮による電池モジュール１０の小型化と同時に、単電池１２毎に２経路以上の電流経路を確保することが可能となる。

また、Ｘ方向に沿って配置されたボンディングワイヤ４２ａとＸ方向とは異なる方向に沿って配置されたボンディングワイヤ４２ｂとを設けることにより、電池モジュール１０に対する振動や衝撃に対する耐久性が向上する。ボンディングワイヤ４２（４２ａ，４２ｂ）において、２つのボンディング箇所６２の間の距離が長くなるほどワイヤの可撓性が高まり、振動の吸収量が増加する。材料力学的には、応力が一定であると考えるとボンディングワイヤ４２を長くすることにより許容できる変位は増える。したがって、Ｘ方向に沿って配置した場合に十分な長さを確保できない場合においてＸ方向とは異なる方向に沿って配置されたボンディングワイヤ４２ｂを適用することによって、ボンディングワイヤ４２ｂの長さを十分に確保することができ、ボンディングの耐久性を高めることができる。

さらに、ボンディングの耐久性には振動や衝撃が加えられる方向への依存性がある。例えば、ボンディングワイヤ４２の長さ方向へ振動や衝撃が加えられた場合と幅方向へ振動や衝撃が加えられた場合ではボンディング箇所６２の外れ易さが異なる。電池モジュール１０に対する振動や衝撃は偶発的に起こる場合が多く、ボンディングワイヤ４２がすべて一方向に沿って配置されているときに弱い方向と振動や衝撃の方向が重なるとすべてのボンディング箇所６２が外れて断線してしまう可能性がある。これに対して、ボンディングワイヤ４２の配置方向を異ならせておくことによって完全な断線を避けられる可能性が高くなる。

また、ボンディングワイヤ４２ｂは、複数行に分けて配置された単電池１２において１つの行の周縁セルに当たる単電池１２から別の行の周縁セルに当たる単電池１２へ向かう方向に沿って配置されていることが好適である。

図８は、電池モジュール１０におけるボンディング作業の流れを示す。図８では、ボンディング作業の流れの方向を分かり易く示すために、電池モジュール１０の構成要素を細破線で示し、ボンディング作業におけるボンディングツールの先端部６０の動きを太矢印で示している。図８の例では、導電板２４ａに対しては、最上段右端の単電池１２から左に向かって左端の単電池１２までボンディングが行われた後、上から二段目左端の単電池１２のボンディングに移り、そこから右に向かって右端の単電池１２までボンディングが行われる。さらに、二段目右端の単電池１２から三段目右端の単電池１２のボンディングに移る。以下、図８の矢印に沿って導電板２４ｂに接続される単電池１２までボンディングが行われる。導電板２４ｃ及び２４ｄに接続される単電池１２についても図８に示す矢印に沿ってボンディングが行われる。

このとき、ボンディングワイヤ４２ｂを１つの行の周縁セルに当たる単電池１２から別の行の周縁セルに当たる単電池１２へ向かう方向に沿って配置することで、ボンディング作業を１つの行から次の行へと連続的に流れるように行うことが可能となる。

また、ボンディングワイヤ４２（４２ａ，４２ｂ）の各々の端部の少なくとも一方が導電板２４上に位置することが好適である。ボンディング作業においてボンディングワイヤ４２を端部で切断する際には、ボンディングワイヤ４２をワイヤボンディング装置に備わる刃物を土台に押し当てて切断する。このとき、切断の土台となる部分には損傷が生じるおそれがあり、単電池１２の正極端子５６や負極端子５８を土台としてボンディングワイヤ４２を切断することは避けることが好ましい。そこで、ボンディングワイヤ４２の各々の端部の少なくとも一方を導電板２４上に位置させ、その位置でボンディングワイヤ４２を切断すれば単電池１２を損傷させるおそれをなくすことができる。

図２に示す本実施の形態における電池モジュール１０のボンディングワイヤ４２の配置例では、図４に示したようにボンディングワイヤ４２を接続した後に切断するボンディング箇所６２ｂがすべて導電板２４上に位置するようにすることが好ましい。このように、ボンディングワイヤ４２を切断するボンディング箇所６２ｂが導電板２４上となるようにボンディングワイヤ４２を配置することで、ボンディングワイヤ４２の切断に伴う単電池１２の損傷を防ぐことができる。

なお、これまで説明した構成は、一例であり、その構成は、適宜、変更されてもよい。したがって、例えば、単電池１２は、柱状であればよく、円柱状に替えて、角柱状でもよい。また、ボンディングワイヤ４２（４２ａ，４２ｂ）の配置も上記例に限定されるものではない。上記説明した発明の主旨に沿って、発明の作用又は効果の少なくとも一部が得られる配置とすればよい。

１０ 電池モジュール、１２ 単電池、１４ 電池ホルダ、１５ 保持孔、１６ 保護ケース、２０ 排煙カバー、２３ 正極バスバー、２４（２４ａ〜２４ｄ） 導電板、２５ 負極バスバー、２６ グループ間バスバー、３０ 天井板、３２ 保持開口、３４ 絶縁体、４０ 貫通孔、４２（４２ａ，４２ｂ） ボンディングワイヤ、４４ ボンディングワイヤ、５６ 正極端子、５８ 負極端子、６０ 先端部、６２（６２ａ，６２ｂ） ボンディング箇所、６２ａ ボンディング箇所、６２ｂ ボンディング箇所。

Claims (5)

1. 複数のセルを並べて、導電性のバスバーに対して複数のセルの電極をボンディングワイヤで接続した電池モジュールであって、
   複数のセルのうち一方向に直線状に並べて配置されたセル群が前記一方向に沿ったボンディングワイヤでバスバーに接続されているとともに、複数のセルのうちバスバーの周縁部に配置された少なくとも１つの周縁セルが前記一方向とは異なる方向に向けられたボンディングワイヤでバスバーに接続されていることを特徴とする電池モジュール。
2. 請求項１に記載の電池モジュールであって、
   バスバーを複数備え、電気的な絶縁部を挟んで複数のバスバーを並べて配置し、複数のバスバーの各々に接続されたセル群を含み、
   前記周縁セルは、当該周縁セルが接続されているバスバーと隣り合うバスバーとの絶縁部周辺に配置されている端部のセルであることを特徴とする電池モジュール。
3. 請求項１又は２に記載の電池モジュールであって、
   複数のセルは、複数行に分けて前記一方向に沿って配置されており、
   前記一方向とは異なる方向に向けられたボンディングワイヤは、１つの行のセルから別の行のセルへ向かう方向に沿って配置されていることを特徴とする電池モジュール。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池モジュールであって、
   前記一方向に沿ったボンディングワイヤは、１本で複数のセルをバスバーに接続するボンディングワイヤを含むことを特徴とする電池モジュール。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池モジュールであって、
   ボンディングワイヤの各々の端部の少なくとも一方はバスバー上にあることを特徴とする電池モジュール。