JP2018116894A - 組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の高容量リチウム二次電池セルを用いた組電池において、バスバー溶接部の負荷を低減してはく離が起こりにくい、安全性の高い電池を提供すること。【解決手段】第１電極と第２電極とをそれぞれ有する複数の電池セルと、上記複数の電池セル間の上記第１電極と上記第２電極間を接続するバスバーと、を有し、上記バスバーには孔があり、上記第１電極には突起があり、上記突起と上記孔とは、上記孔の内面の一部分で接触する組電池を用いる。【選択図】 図２

Description

本発明は、組電池に関するものである。

複数のリチウムイオン二次電池セルから構成される組電池は、残容量が少なくなれば電池外部から電気エネルギーを供給、すなわち充電して電池内部に蓄えることで、電源として繰り返し使用することができる。

組電池への充電方法としては、例えば電気自動車の場合、専用の電気スタンドがあり、最近では家庭用コンセントから充電する方法もある。しかし、これ以外に充電時の電力供給方法は様々知られる。特に、ハイブリッド自動車の場合には、走行中のエンジンの動力を利用して発電機を作動させ、発生した電気を蓄える。近年では、ハイブリッド自動車において、停止時に家庭用のコンセントから充電可能な車種も登場している。更に、自動車の場合、ブレーキをかける際に発生する熱を回生させることで充電する方法もある。

また、蓄電池は、太陽光発電や風力発電と言った、所謂、再生可能エネルギーによって生み出された電気を電池に蓄える方法が主流である。

従来の組電池は、複数の電池セルを直列に並べ、隣り合う電池セルの両端にある電極端子をバスバーと呼ばれる集電体で連結する際に、電極端子とバスバーをレーザーで溶接する方法を用いているもの（例えば、特許文献１および特許文献２参照）が知られている。

図６（ａ）と図６（ｂ）は、特許文献１に記載の従来の組電池を示す図である。図６（ａ）は、従来の組電池の斜視図である。図６（ｂ）は、電極接合部の拡大図を示している。

組電池１は、電池セル２を直列に配置し、交互に配置された負極端子７（第１電極）と正極端子９をバスバー５で接合する構造となっている。バスバー５と負極端子７（第１電極）および正極端子９の接合は、バスバー５の負極端子７（第１電極）や正極端子９と対向する面と反対の面を凹ませることによって形成された薄肉部に設けられた溶接ライン１０において、レーザーを用いて溶接されている。

図７（ａ）と図７（ｂ）は、特許文献２に記載の従来の組電池を示す図である。図７（ａ）は、従来の組電池の全体図を示している。図７（ｂ）は、電極接合部の拡大図を示している。組電池１は、電池セル２を直列に配置し、両端をエンドプレート３で挟んだ状態で、エンドプレート３をバインドバー４で連結固定する構造となっている。電池セル２の上面に設けられる負極端子７（第１電極）と正極端子９が交互に配置され、隣り合う電池セル２の一方の負極端子７（第１電極）と正極端子９がバスバー５で接合される。

特許文献１あるいは特許文献２記載の組電池に代表されるように、リチウムイオン二次電池の電極端子とバスバーの接合には、レーザーなどによる溶接が用いられることが多くなってきている。

これ以前の組電池の電極端子を接合する方法としては、電極端子をネジ構造として、バスバーをボルト締結して接合する方法が用いられていたが、レーザー溶接を用いた接合はネジ留めに比べると工程が少なくなるという利点がある。

国際公開２０１４／０５０３２９号公報 国際公開２０１４／０３４１０６号公報

しかし、ボルト締結に比べるとレーザー溶接の接合部の強度は弱い。組電池の溶接部に衝撃や振動などによる荷重が付与されると、組電池を構成する電池セルの変位によって、溶接部に負荷が生じる。負荷が大きくなりすぎると溶接部で破断することがあり得る。

本発明は、従来の課題を解決するもので、電池において、バスバーと電極との接合部で破断することを抑制するものである。

上記目的を達成するために、第１電極と第２電極とをそれぞれ有する複数の電池セルと、上記複数の電池セル間の上記第１電極と上記第２電極間を接続するバスバーと、を有し、上記バスバーには孔があり、上記第１電極には突起があり、上記突起と上記孔とは、上記孔の内面の一部分で接触する組電池を用いる。

以上のように、本発明の組電池によれば、組電池に衝撃や振動などの外部からの負荷が付与されたときに、電極端子とバスバーの溶接部にかかる反力を小さくすることができるため、溶接部による破断の危険性を小さくすることができる。

本発明の実施の形態１における組電池の斜視図 （ａ）本発明の実施の形態１における電池セルおよび電極端子の斜視図、（ｂ）本発明の実施の形態１における電池セルおよび電極端子の斜視図、（ｃ）本発明の実施の形態１におけるバスバーおよび電極端子接合の斜視図 （ａ）本発明の実施の形態１におけるシミュレーションのモデルの斜視図、（ｂ）本発明の実施の形態１におけるシミュレーションのモデルの斜視図、（ｃ）本発明の実施の形態１におけるシミュレーションのモデルの斜視図、（ｄ）（ｂ）の負極端子（第１電極）を拡大した図、（ｅ）（ｃ）の負極端子（第１電極）を拡大した図 本発明の実施の形態２におけるバスバーおよび電極端子の斜視図 （ａ）実施の形態３のバスバーの平面図、（ｂ）実施の形態３における電池セルおよび電極端子の斜視図、（ｃ）実施の形態３における負極端子突起の斜視図（ｄ）実施の形態３におけるバスバーおよび電極端子の斜視図、（ｄ）実施の形態３の負極端子突起を有する電極端子に、図４に示したバスバーを接合した状態を示す斜視図 （ａ）特許文献１に記載された従来の組電池を示す斜視図、（ｂ）特許文献１に記載された従来の組電池の電極近傍拡大断面図 （ａ）特許文献２に記載された従来の組電池を示す斜視図、（ｂ）特許文献２に記載された従来の組電池の電極近傍拡大斜視図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における組電池１の全体の斜視図を示す。図１において、図６および図７と同じ構成要素については同じ符号を用いる。電池セル２は組電池１の基本となる部品で、発電装置で生成された電気を蓄え、必要に応じて接続された電気製品やデバイスに電気を供給する。複数の電池セル２は直列に配置され、エンドプレート３がその両端に１枚ずつ、端のセルに接して配置される。一対のエンドプレート３はバインドバー４によって、リベットや溶接、あるいはボルト締結などの方法で結合される。なお、エンドプレート３は、アルミニウムや鉄などの金属材料を用いることが多い。

この場合、エンドプレート３と端の電池セル２の間には絶縁材料を挟むことが多い。電池セル２は充放電を繰り返す過程で膨張するため、バインドバー４にはハイテンなどの引張に強い金属材料が用いられる。

電池セル２の上面には、電池セル２から電気を取り出すための、銅の負極端子７（第１電極）とアルミニウムの正極端子９（第２電極）が設けられる。以降、負極端子７（第１電極）と正極端子９（第２電極）を合わせて電極端子と呼ぶ。電池セル２が複数存在する組電池１の中では、バスバー５を介して異なる電池セル２の電極間を接続する。バスバー５の材質は負極端子７（第１電極）と同じアルミニウムとする。

図２（ａ）は、図１に示した組電池１に使用される電池セル２と電極端子を示した斜視図である。図２（ｂ）は、負極端子７（第１電極）を拡大した斜視図である。図２（ｃ）は、電極端子にバスバー５を配置した斜視図である。

コの字型のバスバー５の両端には円形のバスバー孔６が設けられ、一方、負極端子７（第１電極）には負極端子突起８が設けられる。組電池１において、全てのバスバー５は、組電池１の内側にくるように配置される。

負極端子７（第１電極）には上面に負極端子突起８を設けている。負極端子突起８の大きさはバスバー５のバスバー孔６の半分よりも小さく、バスバー５の２つのバスバー孔６の中心を通る直線よりも組電池１の内側方向に配置される。負極端子突起８の側面はバスバー孔６の内面の一部と接する。一部とのみ接するのがより好ましい。

図２（ｂ）に示す負極端子突起８は、扇形形状である。扇形形状の開き角は、バスバー５の負極端子７（第１電極）付近の長方形の長手方向である一点鎖線に対して、１５０度である。開き角度は、組電池１の内側に開く角度である。

長手方向を言い換えると、負極端子７（第１電極）からライン状に延伸したバスバー５へ繋がるの方向と言える。

電極端子に対して、図２（ｃ）に示すようにバスバー５が取り付けられる。一方、特許文献２に記載されている図７（ａ）に示す組電池１では、図７（ｂ）に示すように、電極端子が円筒状の突起を有し、円形のバスバー孔６が突起にはめ込まれる。バスバー孔６と突起の径とほぼ等しいとしている。寸法のばらつきにより、突起の外径がバスバー孔６の径よりも大きくなることがあり、その場合は突起に端子を挿入することができない。

本実施の形態では、図２（ｃ）に示すように、負極端子突起８の側面とバスバー孔６の側面との全体でなく一部分のみ接触、接続する。この一部分は、一点鎖線の方向で、バスバー５の負極端子７（第１電極）付近の長方形の長手方向である。なお、扇形形状の中心と、バスバー孔６の中心とは一致する。

なお、バスバー５と各電極間とを溶接ライン１０でも接続しても良い。この例では円状となっているが、四角状、ライン状でもよい。負極端子７（第１電極）は、負極端子突起８にて、バスバー５と接続されるが、溶接ライン１０もある方がよい。

また、正極端子９（第２電極）には、突起がなくともよい。バスバー５と正極端子９（第２電極）とは同じ材質であり、溶接ライン１０のみで十分な強度がある。なお、突起があれば、さらに好ましい。

また、バスバー孔６は、円形でなくとも楕円形状、四角形状、一部が欠けていてもよい。負極端子突起８と接続される部分がライン状であればよい。

組電池１は、用途によっては外部から振動や衝撃などの負荷を受ける。特に電気自動車やハイブリッド自動車の用途では顕著に影響を受ける。組電池１にこれらの外部からの負荷がかかるとエンドプレート３およびバインドバー４が変形し、それに伴って電池セル２がエンドプレート３およびバインドバー４から受ける拘束の範囲内で移動する。

＜評価＞
第１の実施の形態による効果を示す事例として、シミュレーションを行った。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は解析に用いたモデルを示す。また、図３（ｄ）は図３（ｂ）の負極端子７（第１電極）を拡大した図、図３（ｅ）は図３（ｃ）の負極端子７（第１電極）を拡大した図を示す。解析検討効率化のため、負極端子７（第１電極）、正極端子９（第２電極）およびバスバー５のみを対象としてモデル化した。

前述のとおり、バスバー５と電極端子の溶接ライン１０にかかるはく離力は、外部からの負荷に起因する、バスバー５が接続する２つの電池セル２の相対変位によって発生する。この検討では、異なる負極端子突起８の形状に対して、同一外力を与えた場合の溶接ライン１０におけるはく離力の相対評価を目的としており、この場合は組電池１への外力をバスバー５が接続する正極端子９と負極端子７の相対変位として置き換えて、解析モデルを簡略化することが可能である。

また、ここでは、正極端子９（第２電極）側の形状は変えず、負極端子７（第１電極）の形状のみを検討の対象としている。バスバー５と正極端子９（第２電極）の材質はアルミニウムとしており、これらの溶接は同種材の溶接となるので比較的強度が大きいのに対し、負極端子７（第１電極）の材質は銅としている。

このことから、バスバー５と負極端子７（第１電極）との溶接は異種材の溶接となり、レーザー照射時に金属が溶融して互いに混じりあい、金属間化合物が形成されることで、同種材の溶接に比べて溶接ライン１０の接合強度が著しく低下する。このことから、負極端子７（第１電極）への対策がより有効となる。

負極端子７（第１電極）の形状については、図３（ａ）に示すように負極端子突起８の無いもの、図３（ｂ）および図３（ｄ）に示すような、頂面が前述の１５０度の開き角を持つ扇形柱状の負極端子突起８を有するもの、さらには図３（ｃ）および図３（ｅ）に示すような、図３（ｂ）および図３（ｄ）と同形状で位置が１８０度異なる負極端子突起８を有するもの、の３種類とした。

ここでは便宜上、図２（ａ）に示した、同一の電池セル２の負極端子７（第１電極）と正極端子９（第２電極）の中心を結ぶ一点鎖線に平行な方向をｘ方向、組電池１を構成する複数の電池セル２が直列に配置される方向をｙ方向、ｘ方向とｙ方向とに垂直な方向をｚ方向と定義する。このモデルに対して、負極端子７（第１電極）の長方形底面を完全拘束し、正極端子９（第２電極）の長方形底面をｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の各方向に±０．２ｍｍ変位させる。すなわち、図３（ａ）〜図３（ｃ）各々の端子形状に対して、６ケースの計算を行い、バスバー孔６に発生するはく離力を評価した。

表１にはく離力の一覧を示す。

全ての負荷方向において、図３（ａ）の負極端子突起８がない場合に比べて、図３（ｂ）ではバスバー孔６に発生するはく離力が減少している。

図３（ａ）の場合、接合にかかわる負荷はバスバー孔６で全て受けており、電極端子の移動によってバスバー５が変形した場合でもそれは変わらない。

一方、図３（ｂ）では、バスバー５が変形すると、バスバー孔６の側面と負極端子突起８の側面の間に反力が発生し、この部分で負荷の一部を受けることになる。

その結果、バスバー孔６のはく離力が減少する。この効果を的確に発生させるためには、バスバー５の変形が大きい側に負極端子突起８とバスバー孔６を接触させる必要がある。

図３（ｂ）のように、バスバー５で連結される側に負極端子突起８を配置させなければならない。

図３（ｃ）では、図３（ｂ）と反対側、すなわち、バスバー５の端部側に負極端子突起８を配置している。この負極端子突起８の部分は、電池セル２の変位によるバスバー５の変形が小さい。このために前述のような側面の接触による反力はほとんど発生することなく、バスバー孔６のはく離力は図３（ａ）の場合とほとんど変わらない。

バスバー５は、電極端子が配置される電池セル２の上面と垂直な方向にも寸法を有する立体的な形状である。しかし、図４に示すような、平面的なコの字型のバスバー５でも実施の形態１は効果がある。なお、図４において、負極端子突起８の形状は図３（ｂ）と同じである。図４のバスバーで前述と同様のシミュレーションを行い、バスバー孔６のはく離力を評価した結果を表２に示すが、表１と同様、図４に示す形状の負極端子突起８で、はく離力を小さくすることができる。

（実施の形態２）
実施の形態１では負極端子突起８の頂面形状を開き角１５０度の扇形としたが、外力を受けた際にバスバーが変形する位置で、負極端子突起８とバスバー孔６の側面が接触し、かつ、負極端子突起８の大きさがバスバー孔６の半分よりも小さいという条件を満たせばよい。

表３は、図３（ｂ）および図３（ｅ）に示す負極端子突起８の開き角を変更した形状で実施の形態１と同様のシミュレーションを実施して得られたバスバー孔６におけるはく離力の値を示す。

また、表４は、図４に示す負極端子突起８の開き角を変更した形状で実施の形態１と同様のシミュレーションを実施して得られたバスバー孔６におけるはく離力の値を示す。

開き角１８０度はバスバー孔６のちょうど半分の大きさとなり、この場合もはく離力を小さくする効果は得られていることから、角度は１８０度よりも小さければよい。一方、角度を小さくすると、バスバー５の形状や付加の方向、負極端子突起８とバスバー孔６側面が接触する位置の影響もあるが、おおむね開き角が小さくなるほどはく離力は大きくなる。表３の中では６０度でのはく離力が最も大きい。開き角ゼロは、負極端子突起８がない状態と同等の極限となることから、開き角が６０度よりも小さくなると、はく離力はほぼ単調に増加する。このことから、開き角には下限値が存在する。表３および表４のはく離値を見ると、開き角６０度において、全方向のはく離値の最大値が、表１あるいは表２に記載されている負極端子突起８がない場合のはく離値よりも１０％以上小さくなっており、この角度を下限値とすることが望ましい。
（実施の形態３）
実施の形態１および２では、バスバー５の電極付近の長方形の長手方向に対して開き角６０度以上１８０度未満の平面視が扇形形状の柱体とした。

しかし、バスバー孔６のはく離力を小さくする効果があれば、長方形の長手方向はこれに限らない。例えば、図４に示したバスバー５の場合、図２（ａ）に示す一点鎖線と４５度の角度θをなす点線とバスバー孔６との交点近傍にて、バスバー５の応力が最大となる。

この理由は、以下である。バスバー５を全体としてみると、正方形形状である。その中心に向かって、応力が最大となる。正方形の中心が、一番変位が少なく、応力の中心となる。

上記４５度の方向を、言い換えると、負極端子７（第１電極）とバスバー５の中心とを結ぶ方向である。この場合中心とは、バスバー５を平面視で見た時に、外形の四角形の対角線の交わる位置である。四角形の重心の位置とも言える。他の形状の場合も同様に定義できる。

これを図５（ａ）の平面図で説明する。図５（ａ）は、バスバー５の平面図である。一点鎖線と点線とのなす角θが、４５度である。

すなわち、この４５度の近傍でバスバー５の変形が大きい。この近傍で、バスバー孔６と負極端子突起８の側面を接触させることで、バスバー孔６でのはく離力を小さくする効果がある。

図５（ｂ）は、上記の負極端子突起８を有する電池セル２を示し、図５（ｃ）は、上記の負極端子突起８近傍の拡大図を示す。また、図５（ｄ）は、負極端子突起８を有する電極端子に、図４に示したバスバー５を接合した状態を示す。負極端子突起８にて、開き角９０度および６０度の扇形柱状の負極端子突起８をもつ電極端子についても実施の形態１および２と同様のシミュレーションを実施し、溶接ライン１０のはく離力を評価したところ、実施の形態２にて示したものと同等の結果を得られた。

なお、扇形形状の開き角度は、上記の角度がよい。

（全体として）
各実施の形態はそれぞれ組み合わせることができる。

実施の形態１〜３では、負極端子７を扇形柱としたが、要件を満たせば扇形に限定されず、例えば半円状でもよい。また、バスバー孔６は円に限定されず多角形でもよく、電極の突起もバスバー孔６の形に合わせ、要件を満たすものであればよい。

実施の形態１〜３では、バスバー５をアルミニウム、負極端子７（第１電極）を銅として、これらの溶接について述べたが、同種材溶接となるバスバー５と正極端子９（第２電極）との溶接においても、正極端子９（第２電極）の突起に実施の形態１〜３の形状を適用することができる。

また、バスバー５を単一材料でなく、銅とアルミニウムでできた２つの部品の結合体として、銅どうしあるいはアルミニウム同士の接合とする場合に適用しても実施の形態１〜３に述べたものと同様の効果は得られる。

実施の形態１〜３では、負極端子７（第１電極）中心に説明したが、正極端子９（第２電極）と負極端子７（第１電極）との材料を入れ替えて、同様の構造をとることもできる。

本発明の組電池は、電気自動車やハイブリッド車等の輸送機器、あるいは、家庭用の蓄電池、緊急時の備蓄電源等の用途にも適用できる。

１ 組電池
２ 電池セル
３ エンドプレート
４ バインドバー
５ バスバー
６ バスバー孔
７ 負極端子（第１電極）
８ 負極端子突起
９ 正極端子（第２電極）
１０ 溶接ライン

Claims (11)

1. 第１電極と第２電極とをそれぞれ有する複数の電池セルと、
   前記複数の電池セル間の前記第１電極と前記第２電極間を接続するバスバーと、
   を有し、
   前記バスバーには孔があり、前記第１電極には突起があり、
   前記突起と前記孔とは、前記孔の内面の一部分で接触する組電池。
2. 前記孔の内面の一部分は、前記第１電極からライン状に延伸した前記バスバーの方向に存在する請求項１記載の組電池。
3. 前記孔の内面の一部分は、前記第１電極と前記バスバーの中心とを結ぶ方向に存在する請求項１記載の組電池。
4. 前記突起は平面視で扇形形状である請求項１〜３のいずれか１項に記載の組電池。
5. 前記扇形形状は、開き角が６０度以上１８０度未満である請求項４に記載の組電池。
6. 前記扇形形状の中心と前記孔の中心とは一致する請求項４または５に記載の組電池。
7. 前記バスバーは、コの字の形状である請求項１〜６のいずれか１項に記載の組電池。
8. 前記第１電極の材料とバスバーの材料とは異種材料である請求項１〜７のいずれか１項に記載の組電池。
9. 前記第２電極の材料とバスバーの材料とは同種材料である請求項１〜８のいずれか１項に記載の組電池。
10. 前記第１電極と前記バスバーとには、さらに、溶接部で接続されている請求項１〜９のいずれか１項に記載の組電池。
11. 前記第２電極には、突起がない請求項１〜１０のいずれか１項に記載の組電池。
    

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