JP4186781B2 - 組電池 - Google Patents

Description

本発明は、高エネルギー密度かつ小型軽量で大きなエネルギーを供給する電力源として最適な組電池に関する。

近年、環境意識の高まりを受けて、自動車の動力源を、化石燃料を利用するエンジンから電気エネルギーを利用するモータに移行しようとする動きがある。このため、モータの電力源となる電池の技術も急速に発展しつつある。

自動車には、小型軽量で、大きな電力を頻繁に充放電可能な、耐震動性、放熱性に優れた電池の搭載が望まれる。大きな電力を供給することができる放熱性に優れた組電池としては、下記特許文献１に示すようなものがある。

特許文献１に開示されている組電池は、直列、並列または直並列に電気的に接続された複数の単電池を、当該単電池の厚み方向に所定の間隔で配置し、単電池間に両側の単電池を押圧する押圧部材を配置して、外装部材によって複数の単電池を固定したものである。このような構造とすることによって単電池の放熱特性を良好にして組電池としてのサイクル特性、レート特性を向上させている。

このような組電池においては、外装部材に単電池を固定し、上下に積層した後に、各単電池から突出された電極タブ同士を接続部材により接続している（下記特許文献２参照）。
特開２０００−１９５４８０号公報（段落番号「００１４」〜段落番号「００２９」、段落番号「００４０」、段落番号「００４１」および図１、図２、図４の記載を参照） 特開平７−１８３０２２号公報（段落番号「０００８」段落番号「００１９」および図１、図２、図４、図５の記載を参照）

特許文献１の組電池は、単電池として扁平型電池を用いているため、扁平型電池以外の電池を用いて構成した従来の組電池に比較してエネルギー密度が高く、同一の電力容量の電池であれば小型化が可能である。このため、扁平型電池で構成された組電池は、小型、高エネルギー密度という点では車両搭載用電池として適している。

しかしながら、この組電池は、蓄電システム用に開発された組電池であるため、生産効率性、小型軽量化が要求される車両用の組電池として供するにはその構造に大きな改良を加える必要がある。

これを解決するために、たとえば、特許文献２に記載されているように、一平面上に複数の扁平型単電池を載置すると共にこれら複数の単電池を互いに接続して一層の単位組電池とし、この一層の単位組電池を複数積層して互いに接続することにより小型軽量で生産効率のよい組電池を形成することが考えられる。このような組電池における複数の単電池同士の接続は、導電部材を各単電池の電極タブ（電極端子）に溶接して行なわれる。

ところが、上述のように電極タブと導電部材とを溶接して各単電池同士を接続する場合、一つの単電池の電極タブと導電部材の一方端とを溶接した後に他の単電池の電極タブと導電部材の他方端とを溶接することになるが、他の単電池の電極タブと導電部材の他方端とを溶接するときに、この他方端に振動が付与されると、付与された振動が導電部材の一方端へ伝達し、既に溶接されている導電部材の一方端と電極タブとの溶接が剥れたり、溶接部位の接続不良を起こす可能性がある。また、導電部材の他方端を溶接する場合には、導電部材の一方端と電極タブとを治具などで一体に固定して振動を防止することも考えられるが、このようにすれば導電部材の他方端を溶接する毎に導電部材の一方端と電極タブとの治具などで固定する必要があり、溶接作業性が悪いという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、車両用の組電池として使用でき、溶接作業性の面でも有利な組電池の提供を目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の組電池は、少なくとも一対の扁平型単電池と、前記各単電池の厚み方向と直交する方向に突出した、単電池の電極端子としての電極タブと、前記各単電池の内の一の単電池の電極タブと、他の単電池の電極タブとを相互に電気的に接続する接続部材と、を有し、前記接続部材は、少なくとも前記一の単電池の電極タブとの接合部と他の単電池の電極タブとの接合部との間での共振を防止する共振防止手段が設けられていることを特徴とする。

本発明の組電池では、接続部材の一方の端部を一の単電池の電極タブと溶接した状態で、接続部材の他方の端部を他の単電池の電極タブと超音波溶接により接合する場合、接続部材の一方端と他方端との共振点がずれ、これにより大きな振動を防止することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る組電池の実施形態を説明するが、まず、組電池に使用される単電池について説明し、組電池の構造および組電池を構築するための電極タブと接続部材との溶接について説明する。

＜単電池＞
図１は単電池を示す斜視図である。本実施形態で使用される単電池Ｂは、図１に示すように、矩形状の扁平な二次電池であり、正極板、負極板およびセパレータを順に積層した発電要素（不図示）を外装材１の内部に複数有している。この発電要素は、たとえば、リチウムイオン二次電池である。

ここで使用されている外装材１は、たとえば、ポリアミド樹脂等の樹脂フィルムに間にアルミ箔を挟んで三層構造にしたラミネートフィルムであるが、前記扁平型単電池Ｂの成形に当たっては、このラミネートフィルムを２枚準備し、１枚をプレス加工により扁平な椀状に形成し、他方はシート状のまま使用し、両ラミネートフィルム間に前記発電要素を設置し、周縁部を熱融着接合し封止している。なお、以下、このような扁平型の単電池Ｂを単に単電池Ｂと称す。

外装された単電池Ｂからは、たとえば、板厚０．２ｍｍ程度のアルミニウム薄板で構成された＋電極の電極タブＴａと、たとえば、板厚０．２ｍｍ程度の銅薄板で構成された−電極の電極タブＴｂが外部に引き出されているが、本実施の形態では、対向する２辺から極性の異なる電極タブＴ（電極タブＴａとＴｂの総称）が引き出されているタイプの単電池を用いて組電池を構成する。

＜組電池の構造＞
図２は本実施形態にかかる組電池の概略斜視図、図３は単電池をフレームに設ける状態を示す概略斜視図である。

本実施形態にかかる組電池１０について概説すれば、図２〜４に示すように、平坦なフレームＦに４つの単電池Ｂを面方向に配置し、これら単電池Ｂを直列に接続したものを、複数積層し、積層方向の両面から保持手段１１（図４参照）により加圧して一体的に保持している。

このフレームＦは、図３に示すように、単電池Ｂの周縁部を支持する支持枠ｆが形成され、ここに単電池Ｂが載置されるが、積層時に上下に隣接する単電池Ｂの外装面が直接接触するように、内部には単電池Ｂの大きさよりやや小さい開口部Ｏが設けられている。

フレームＦに載置された４つの単電池Ｂは、支持枠ｆにより位置決めされるが、電極タブＴａ，Ｔｂは支持枠ｆ上に位置し、フレームＦの周辺から外部にはみ出すことはない。

各フレームＦの４つの単電池Ｂは、相互に隣接された各単電池Ｂの＋電極の電極タブＴａと−電極の電極タブＴｂを、導電部材である接続部材２０を介して直列接続するが、この接続は、超音波溶接により行う。なお、接続部材２０に関しては、後に詳述する。

本実施形態の組電池は、４個単電池Ｂが設けられたフレームＦを２４層積み重ね、合計９６個の単電池を直列接続したものであるため、４つの単電池Ｂが載置された各フレームＦは、２４層積み重ねられ、各フレームＦ相互が直列接続される。

このフレームＦ相互の接続方法は、種々あるが、本実施形態では、図４に示すように、端部に導通ワッシャＷａが埋め込まれたフレームＦａと、絶縁ワッシャＷｂが埋め込まれたフレームＦｂを用いて行う。この方法では、フレームＦａとフレームＦｂを交互に積層し、電極タブＴａやＴｂが各層のワッシャＷａまたはＷｂと当接し、電気的直列接続とする。なお、図４においては、３層しか積層していないが、実際は６層積層され、中間ヒートシンクＨ３を載置し、さらに同様の作業を繰り返すことになる。

図４は図２におけるＡ−ＡまたはＡ’−Ａ’線に沿う断面図であるが、図２においては、説明の都合上、図４に示す保持手段１１は記載していない。

前記保持手段１１は、図４に示すように、通しボルト１５と、ナット１６と、上下端のヒートシンクＨ１，Ｈ２とから構成され、通しボルト１５の下端は、下端側のヒートシンクＨ２に固定されている。

上下端のヒートシンクＨ１，Ｈ２は、硬質のものであって放熱性を発揮するように多孔質材料あるいは内部に通路を有する金属プレートなどが使用され、所定の面圧が各単電池に加わるようにしている。なお、通しボルト１５が挿通される上端ヒートシンクＨ１の通孔には，導通部材１７が設けられている。

＜組電池の組立て＞
組電池１０を組立てるには、まず、図３に示すように、フレームＦの支持枠ｆに４つの単電池Ｂを面方向に載置し、位置決めする。各単電池Ｂの電極タブＴａ，Ｔｂは、フレームＦ上に位置しており、この上に外形が板状の導電性部材からなる接続部材２０を載置し、単電池Ｂの電極タブＴａやＴｂと超音波溶接する。この超音波溶接については後に詳述する。

このようにして形成されたフレームＦと４つの単電池Ｂからなる電池ユニットは、図４に示すように、各フレームＦのワッシャＷａ，Ｗｂを通しボルト１５に通しつつ積み重ねる。この通しボルト１５は、保持手段１１の下端側のヒートシンクＨ２に立設されているので、電池ユニットは、下端側のヒートシンクＨ２の上面に載置され、次々と積層される。

電池ユニットが６層積層されると、中間ヒートシンクＨ３を載置する。この作業を繰り返し、電池ユニットを２４枚積層する。

電池ユニットの積層完了後、この上に上端ヒートシンクＨ１を載置し、通しボルト１５にナット１６を取付け、締め付ける。この締め付けにより、上下端のヒートシンクＨ１，Ｈ２を介して各単電池Ｂには所定の面圧が加えられることになるが、この通しボルト１５の締め付けは、また、端部に位置する単電池Ｂから突出された電極タブＴａ，ＴｂとワッシャＷａ，Ｗｂとを電気的に接続することにもなるので、これにより所定数すべての単電池Ｂが直列接続された組電池１０が構築されることになる。
＜電極タブと接続部材との溶接＞
この組電池１０においては、電極タブＴと接続部材２０とを超音波溶接により溶接接続する。これは次の２つの理由による。

第１の理由は、超音波溶接は、接合される部分に高周波振動を与えることによって金属の原子を拡散させ、再結晶させることによって機械的な接合を行うため、同種、異種の金属の重ね溶接に対して非常に効果的であること。本実施形態の単電池は、＋電極の電極タブＴａがアルミニウム薄板、−電極の電極タブＴｂが銅薄板であり、接続部材２０（通称、バスバー）は銅製であることから、接合は異種金属同士の接合になる。

第２の理由は、超音波溶接は、接合時に高い温度に達することなく、接合面の最高温度は融点の３５〜５０％程度に抑えることができるため、高温溶接を行ったときに生じる母材の溶融やもろい鋳造組織が形成されることがない点である。本実施の形態で用いている単電池は、外装材がラミネート材であり電極タブＴをあまり高い温度に上げることができないため、単電池Ｂを高温状態にさらすことなく、非常に薄い金属で形成されている電極タブＴを接合するのには最適である。

電極タブＴと接続部材２０とを超音波溶接により溶接する場合には、最初に、接続部材２０の一方端と電極タブを溶接した後、次に、接続部材２０の他方端と電極タブを溶接することになるが、接続部材２０の他方端と電極タブとの溶接時に発生する振動が電極タブＴに伝達されると、接続不良や溶接剥れなど種々の不具合が起こる虞があることから、接続部材２０の一方端から他方端への振動の伝達は極力回避することが好ましい。

このため、本実施形態では、接続部材２０の形態を改良し、防振性の高いものとしている。以下、詳述する。

図５は接続部材の形態を求めるにあたり、当該接続部材を極座標系に配置した状態を示す説明図、図６はＹＺ面での形態を示す正面図、図７はＸＺ面での形態を示す正面図、図８はＸＹ面での形態を示す正面図である。

本発明者は、図５に示すような、外形が板状の導電性部材からなる接続部材２０を中心部が凸形状となるようにコ字状に形成したものについて振動の解析を試みた。接続部材２０では、電極タブＴとの溶接面をＡ，Ｂとし、このＡ，Ｂの中心を基準点ａ，ｂとし、この基準点ａ，ｂを結んだ線分の中心点をｃ（ｍ１＝ｍ２）とする。中心点ｃは、接続部材２０の凸部の中心であり、接続部材２０の重心でもある。

図示するように、接続部材２０を極座標系に配置し、各平面（ＹＺ，ＸＺ，ＸＹ）から見たとき、ｃ点の元の位置からのずれ量｜λ｜が、どの程度相手側接合部への振動抑制効果が得られるか、つまり、ずれ量｜λ｜による共振の抑制効果について様々な条件で比較した。

ここにおいて、ずれ量｜λ｜とは、各平面で傾斜角であったり、出っ張り代であったりする。また、相手側接合部とは、たとえば、先に「ａ」点を超音波溶接した場合には「ｂ」点となる。

まず、図６に示すＹＺ面において、接続部材２０の各片間の角度を、「α」「β」「γ」「δ」とする。図示のように「β」「γ」は、凸部の平坦部２１により形成される面に対する第１傾斜部２２ａあるいは第２傾斜部２２ｂの内角であり、「α」「δ」は、凸部の頂部２３における両端部の内角である。初期条件としては、β＝π／２，γ＝π／２とし、ａ点を超音波溶接した後、ｂ点を超音波溶接することとする。ただし、β＋γ＝π、形状変更後の接続部材２０の総体積は変化しないものとする。

この初期条件（β＝π／２，γ＝π／２）の状態で、ａ点を超音波溶接した後、ｂ点を超音波溶接すると、このｂ点の超音波溶接時に発生する振動がａ点に伝達し、溶接剥れが発生する虞があるので、角βを徐々に小さくしていき（π／２→π／６）、角γを大きくする（π／２→５π／６）と、表１に示すように振動抑制効果が増すが、製造性（作業性の面のみでなく、製造コストも含む）は低下することになり、中間的な角度が好ましいことが分かる。

一方、接続部材２０をプレスにより成形する場合には、角γを大きくすることは、実質的に成形が困難なため、角α，δは鈍角、角β，γは鋭角となることが好ましく、ＹＺ面での接続部材２０は、角βを小さく、角α，δは鈍角とすることが好ましい。

したがって、製造面からすれば、接続部材２０の形状は、各電極タブＴと接合される接合部となる平面形状をした２つの平坦部２１と、一方の平坦部２１から第１の鋭角βで傾斜された第１傾斜部２２ａおよび、他方の平坦部２１から第２の鋭角γで傾斜された第２傾斜部２２ｂと、これら第１および第２傾斜部２２ａ，２２ｂの間に位置し当該傾斜部２２ａ，２２ｂとは所定の鈍角となるように設けられた頂部２３とを有するように形成することが好ましいことになる。

このように形成された接続部材２０は、一方の端部を溶接した状態で、他方の端部を超音波溶接により接合する場合、両傾斜部２２ａ，２２ｂの変形が、発生する振動を吸収し、振動伝達を防止する効果を得ることができ、一方の端部への振動の伝達を防止して、該一方の端部の振動を防止する振動伝達防止手段として機能する。

また、接続部材２０は、中心点ｃを通る面Ｚａ−Ｚａに対し非対称であるため、接続部材２０の一方端と他方端との共振点がずれることにもなり、これにより大きな振動を防止する共振防止手段としても機能する。

したがって、本実施形態では、接続部材２０の形状を両端接合部の中間を変形し、防振部３０を形成すると、これにより一方の端部を溶接した状態で、他方の端部を超音波溶接により接合する場合の振動伝達を防止する振動伝達防止手段とすることができ、また、接続部材２０の両傾斜部２２ａ，２２ｂと平坦部２１との角β，γを等しくせず、各電極タブＴの接合部間の中心を通る面Ｚａ−Ｚａに対し左右対称とならない非対称構造とすると、これにより接続部材２０の一方の端部と他方の端部との共振を防止する共振防止手段としての機能を、前記防振部３０に付加できることになり、振動伝達防止手段と共振防止手段とを併有する振動防止手段を備えたものとなる。

次に、図７に示すＸＺ面において、接続部材２０の凸部を角αだけ傾けた状態（図７の破線で示す状態）での、振動抑制効果と製造性を検証した。この場合、溶接点ａ，ｂ間の中心位置ｃが大きくずれることにはならないため、表２からしても明らかなように、振動抑制効果は得られるものの、その効果は小さい。また、製造性に関しても、１枚のプレートを３次元的に曲げ加工する必要があるので、費用的にも好ましくない。特に、接続部材２０が所定に大きさの電池領域よりはみ出す虞もあり、組電池としたときの体積ロスにもなる。

最後に、図８に示すＸＹ面において、接続部材２０に凸部がない場合を想定し、重心点ｃから＋Ｙ方向にτだけずらし、さらに−Ｘ方向にτだけずらした形状とした。この形状の振動抑制効果などを表３に示す。

振動抑制効果は、溶接点ａ，ｂの中心ｃからずれた分、良好であるが、組電池としたときの体積ロスになる。ただし、加工に関しては、１枚の平板を打ち抜くのみであるため、良好である。

このような検証の結果、接続部材２０の形状は、一方の端部を溶接した状態で、他方の端部を超音波溶接により接合する場合、接続部材２０の中間に本実施形態のような変形を加えると、他方の端部で発生する振動が一方の端部に伝達されず、また、他方に加えられる振動により当該接続部材２０の一方の端部と他方の端部とで共振点がずれ、一方の端部に大きな振動の発生が防止でき、電極タブでの溶接剥れ等が発生を防止できる防振部３０が形成できることになる。

たとえば、図９に示すように、接続部材２０は、各電極タブＴと接合される平坦部２１と第１傾斜部２２ａとの角βが小さく、他方の平坦部２１と第２傾斜部２２ｂとの角γが、β＜γの関係で、しかも、接合部間の中心を通る面（前記Ｚａ−Ｚａに相当）に対し左右対称とならないように変形したものであればよい。

また、前記実施形態は、防振性を高めるために、ストレートな形状の接続部材２０自体を変形しているが、これのみでなく、中間部分の幅や肉厚を適宜変更しても良い。さらに、接続部材２０の材料を電極タブの材料より軟質の材料とすれば、接続部材２０自体が変形し、前記同様の振動抑制効果を発揮できる。

本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々変更使用することができる。たとえば、前記実施形態は、組電池の電極タブを接続する接続部材に関するものであるが、これのみに限定されるものではなく、超音波溶接が適用される種々のものにも使用することができる。

本発明は、単電池の電極タブを接続部材により超音波溶接する場合、接続部材に防振部を設け、溶接している部分の振動が電池本体などに伝達するのを防止するので、振動に起因する溶接剥れ等を防止でき、多数箇所溶接部がある組電池の成形には、作業性の面できわめて有利となる。

単電池を示す斜視図である。 本発明に係る組電池の概略斜視図である。 単電池をフレームに設ける状態を示す概略斜視図である。 図２におけるＡ−ＡまたはＡ’−Ａ’線に沿う断面図である。 接続部材を極座標系に配置した状態を示す説明図である。 図５のＹＺ面での接続部材の形態を示す正面図である。 図５のＸＺ面での形態を示す正面図である。 図５のＸＹ面での形態を示す正面図である。 接続部材の具体的形態を示す斜視図である。

符号の説明

１０…組電池、
２０…接続部材、
２１…平坦部、
２２ａ…第１傾斜部、
２２ｂ…第２傾斜部、
２３…頂部、
３０…防振部、
α,δ…鈍角、
β…第１の鋭角、
γ…第２の鋭角、
Ｂ…単電池、
ｃ…中心点、
Ｔａ，Ｔｂ…電極タブ、
Ｚａ−Ｚａ…接合部間の中心点を通る面。

Claims (9)

1. 少なくとも一対の扁平型単電池と、
   前記各単電池の厚み方向と直交する方向に突出した、単電池の電極端子としての電極タブと、
   前記各単電池の内の一の単電池の電極タブと、他の単電池の電極タブとを相互に電気的に接続する接続部材と、
   を有し、
   前記接続部材は、少なくとも前記一の単電池の電極タブとの接合部と他の単電池の電極タブとの接合部との間での共振を防止する共振防止手段が設けられていることを特徴とする組電池。
2. 少なくとも一対の扁平型単電池と、
   前記各単電池の厚み方向と直交する方向に突出した、単電池の電極端子としての電極タブと、
   前記各単電池の内の一の単電池の電極タブと、他の単電池の電極タブとを相互に電気的に接続する接続部材と、
   を有し、
   前記接続部材は、前記一の単電池の電極タブとの接合部と他の単電池の電極タブとの接合部との間の、振動の伝達を防止する振動伝達防止手段と、前記接合部間での共振を防止する共振防止手段とが一体に形成された振動防止手段が設けられていることを特徴とする組電池。
3. 前記共振防止手段は、前記接続部材が前記接合部間の中心点を通る面に対して非対称に形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の組電池。
4. 前記接続部材は、外形が板状の導電性部材からなり、
   前記振動伝達防止手段は、前記導電性部材を、コ字状に折曲して形成した凸部を、前記接合部間に設けたことを特徴とする請求項２に記載の組電池。
5. 前記接続部材は、外形が板状の導電性部材からなり、
   前記振動防止手段は、前記導電性部材を、コ字状に折曲して形成した凸部を、前記接合部間の中心点を通る面に対して非対称に形成したことを特徴とする請求項２に記載の組電池。
6. 前記接続部材は、前記一の単電池の電極タブとの接合部および他の単電池の電極タブとの接合部である平面形状の２つの平坦部を備え、
   前記凸部は、前記平坦部により形成される面に対する内角が鋭角となるように折曲して形成された２つの傾斜部と、該２つの傾斜部の端部における内角が鈍角となるように折曲して形成された頂部と、からなることを特徴とする請求項４又は５に記載の組電池。
7. 前記接続部材は、前記一の単電池の電極タブとの接合部および他の単電池の電極タブとの接合部である平面形状の２つの平坦部を備え、
   前記凸部は、前記２つの平坦部の内の一方の平坦部の端部を、当該平坦部により形成される面に対する内角が鋭角となるように折曲して形成された第１傾斜部と、前記平坦部の内の他方の平坦部の端部を、当該平坦部により形成される面に対する内角が前記第１の鋭角とは異なる第２の鋭角となるように折曲して形成された第２傾斜部と、該２つの傾斜部の端部における内角が鈍角となるように折曲して形成された頂部と、から構成し、前記凸部を前記両接合部間の中心点を通る面に対して非対称に形成したことを特徴とする請求項５に記載の組電池。
8. 前記接続部材の材料は、前記電極タブの材料より軟質の材料であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の組電池。
9. 前記接続部材と電極タブの接合は、超音波溶接により行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の組電池。

Images