JP4757879B2 - 二次電池モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高出力・大容量の二次電池モジュールまたはパックの製造方法に関するもので、一層詳しくは、単位電池の電極タップに特定形状の締結用貫通口を形成し、この貫通口に締結部材を挿入して各単位電池間の結合及び電気的連結をなす二次電池モジュールの製造方法及びその方法で製造された二次電池モジュールを提供する。

最近、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、化石燃料を用いる既存のガソリン車両、ディーゼル車両による大気汚染などを解決するために提示された電気自動車、ハイブリッド電気自動車などのエネルギー源としても注目を受けている。したがって、二次電池を用いるアプリケーションの種類は、二次電池の長所によって多様化されており、今後も、一層多くの分野及び製品に二次電池が適用されると予想される。

このように二次電池の適用分野及び製品が多様化されるにつれて、電池の種類も、それに適した出力及び容量を提供するように多様化されている。併せて、当該分野及び製品に適用される各電池には、小型軽量化が強力に要求されている。

例えば、携帯電話、ＰＤＡ、デジタルカメラ、ノートブックコンピュータなどの小型モバイル機器には、該当製品の小型軽薄化傾向に合わせて、デバイス１台当り一つまたは３〜４個の小型軽量の電池セルが用いられている。その反面、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの中大型デバイスには、高出力・大容量の必要性によって、多数の電池セルを電気的に連結した電池モジュール（または電池パック）が用いられている。電池モジュールの大きさ及び重量は、当該の中大型デバイスの収容空間及び出力などに直接的な関連性があるので、電池製造業体では、可能な限り小型でかつ軽量の電池モジュールを製造しようと努めている。また、電気自転車、電気自動車などのように外部から多くの衝撃及び振動を受けるデバイスは、電池モジュールを構成する各素子間の電気的連結状態と物理的結合状態が安定的であるべきである。さらに、多数の電池を用いて高出力及び大容量を具現すべきであるため、電池モジュールの安全性も重視されている。

一般的に、中大型電池モジュールは、所定大きさのケース（ハウジング）内に収納された多数の単位電池を電気的に連結することで製造される。このような単位電池としては、高い集積度で積層される角形二次電池及びパウチ型二次電池を用いているが、このうち、小さい重量及び相対的に優れた安全性のためにパウチ型電池を多く用いている。

図１は、一般的なパウチ型電池を示す平面模式図である。図１に示すように、パウチ型電池１００は、正極／分離膜／負極の電極組立体（図示せず）が、電解質と一緒にアルミニウムラミネートシートなどのパウチ型ケース１１０に密封された構造を有する。すなわち、電極組立体から延長された電極タップ、または、この電極タップに結合された電極リードが電池の上端に突出されることで、板状の電極端子１２０，１３０を構成する。

しかしながら、上記のような電池を単位電池として用いて電池モジュールを製造するとき、次のような問題点がある。

すなわち、電池外装（ケース）の機械的強度が低いので、多数の電池を用いて堅固な構造のモジュールを製造することが容易でなく、電池自体には各電池の間を結合するための構造が含まれないので、電池モジュールを製造するために別途の結合部材が要求される。

したがって、従来は、１〜３個の電池を収納するカートリッジなどに電池を装着し、このカートリッジを単位体にして多数のカートリッジを積層（または重畳）することでモジュールケースに装着する方法で、電池モジュールを製造した。したがって、多数の電池からなる電池モジュールを製造するために多数のカートリッジとモジュールケースを用いるので、電池モジュールが全般的に大きくなり、電池モジュールの製造過程が複雑になるという問題点があった。

また、板状の各電極端子は、直列または並列方式による電気的連結が容易でないので、電極端子の電気的連結のための過程も複雑になるという問題点があった。一般的に、各電極端子は、ワイヤー、プレート、バスバーなどを用いて溶接などで連結されるので、板状の電極端子を一部折り曲げてから、該当の面にプレート及びバスバーなどを溶接する方法が用いられるが、この方法には熟練した技術が要求され、作業工程が複雑である。また、外部の衝撃などによって結合部位が分離されることで、不良を誘発する場合が多い。

したがって、本発明は、上記のような従来技術の問題点及び技術的課題を解決することを目的とする。

本発明者たちは、上記のような従来技術の問題点を解決するために多様な研究及び実験を繰り広げた結果、電池モジュール用単位電池において、電池本体から突出された電極端子に特定形状の締結用貫通口を形成し、この貫通口に締結部材を挿入して各電池の間を結合する場合、従来技術のカートリッジなどの部材を使用せずにも、多数の電池が堅固に結合された電池モジュールが製造可能であり、電池モジュールの製造のために積層された各単位電池の電極端子が同一配向に均一に配列されることで、各単位電池の電気的連結を容易に行えることを確認し、本発明を完成するに至った。

本発明に係る電池モジュールの製造方法は、多数の単位電池を電気的に連結して高出力・大容量の電池モジュールを製造するにおいて、単位電池の板状型電極端子に締結用貫通口を穿孔し、前記電極端子が同一配向に配列されるように多数の単位電池を積層した後、前記締結用貫通口に締結部材を挿入して各単位電池を結合する過程を含む方法で電池モジュールを製造し、前記締結用貫通口は、電極端子の幅対比８０％の幅と電極端子の高さ対比８０％の高さに限定される臨界仮想面内に位置し、前記締結用貫通口の最外郭境界面と、電極端子の外周面の少なくとも一面との離隔距離が３mm以上であることを特徴とする。

板状型電極端子は、弱い機械的強度を有すると認識されており、一般的に、各電池間の締結のための直接的な手段として用いられない。すなわち、上述したように、電池自体を別途のカートリッジなどに装着し、これらカートリッジを結合して電池モジュールを製造する方式が一般的である。しかしながら、本発明では、上記のように特定形状の貫通口が穿孔された板状型電極端子が、各電池の締結のための手段として直接用いられる。

本発明の単位電池は、板状型電極端子を含む二次電池であれば特別に制限されなく、例えば、リチウム二次電池、ニッケル―水素（Ｎｉ―ＭＨ）電池、ニッケル―カドミウム（Ｎｉ―Ｃｄ）電池などを用いるが、これらのうち、重量対比高出力を提供するリチウム二次電池を用いることが好ましい。リチウム二次電池は、形態によって円筒形電池、角形電池、パウチ型電池などに区分されるが、これらのうち、高い集積度で積層される角形電池とパウチ型電池を用いることが好ましく、特に、軽い重量のパウチ型電池を用いることが好ましい。

前記電極端子の正極端子及び負極端子は、電池の一面に全て形成されるか、電池の二つ面にそれぞれ形成される。例えば、正極端子と負極端子は、それぞれ対向して電池の上端と下端に形成されることもある。

電極端子は、電極組立体の電気化学反応によって電流が通電される導電性部材からなり、アルミニウム、銅、ニッケルまたはこれらの合金などを用いることが好ましい。

貫通口が形成された電極端子は、上記のような条件を満足する程度の大きさを有して形成されるべきである。電極端子の大きさが過度に小さい場合、電極端子が締結用部材（締結手段）として用いられる程度の機械的強度を持つことができず、貫通口の形成が容易でない。さらに、貫通口が形成された状態で各電極端子間の直列または並列方式の電気的連結をなすための空間が減少し、電極端子の抵抗値が増加するので好ましくない。

電池モジュールは、それが適用される外部機器の種類によって多くの外力が作用し、この外力は、電池モジュール内の各締結手段に伝達される。したがって、電極端子は、締結手段として用いられる場合、外部機器に加えられる衝撃及び振動に耐えうる機械的強度を持つべきである。また、板状の素材に貫通口を形成するとき、代表的に穿孔方法を用いるが、電極端子の厚さが上記の範囲より薄い場合、素材の軟性のためにバー（ｂｕｒｒ）なしに貫通口をスムーズに形成することが難しい。また、電極端子は、各単位電池間の締結手段としてのみならず、各単位電池間の電気的連結のための連結手段としても用いられるべきであるが、電極端子の大きさが上記の範囲より小さい場合、貫通口が形成された状態で連結手段としての十分な空間を提供することが難しく、電極端子の電気抵抗値が増加するという問題点がある。

本発明によると、前記大きさの電極端子には、上記のように定義した臨界範囲内に貫通口が含まれる。貫通口が形成される臨界範囲は、電極端子の幅対比８０％の幅と電極端子の高さ対比８０％の高さからなる四角形状の仮想面であり、この仮想面内の貫通口の最外郭境界面と、電極端子の外周面の少なくとも一面との離隔距離が３mm以上である。貫通口は、前記臨界範囲内で一つまたは二つ以上形成されるが、前記四角形状の仮想面の大きさと位置は、締結要素としての電極端子の機械的強度、貫通口を形成するための穿孔の容易性、電気的連結要素としての電極端子の許容面積などを考慮して定義された。

例えば、前記四角形状の仮想面と電極端子の外周面との間の離隔距離が、電極端子の幅または高さ対比２０％以下であるか、貫通口の最外郭境界面と電極端子の外周面の少なくとも一面との離隔距離が３mm以下であると、締結要素としての機械的強度を提供することができず、貫通口の形成が容易でなく、電気的連結要素としての接触面積が非常に小さく、電気抵抗値が非常に大きくなるという問題点がある。

前記貫通口の最外郭境界面と離隔される電極端子の外周面が少なくとも一面に定義される理由は、貫通口が電極端子の外周面方向に一部開放された場合を含むためである。上記のような構造によると、締結部材は開放型貫通口の側面に挿入される。したがって、上記のような構造も、本発明の範疇内のものと解析されるべきである。

貫通口の面積は、多様な要素によって決定されるが、電極端子の面積の６０％以下であることが好ましく、電極端子の面積の４０％以下であることが一層好ましい。上記のような貫通口の面積は、締結要素として適切な機械的強度を提供し、各電極端子間の電気的連結のために電極端子が他の連結手段と締結または溶接されるとき、広い接触面積を提供するので、電極端子の抵抗値を所望の低いレベルに維持することができる。

貫通口は、多様な形状を有するもので、最外郭境界面が閉曲線をなす円状または楕円状であることが好ましいが、これらに限定されることはない。

一つの好ましい例として、電池モジュールは、隣接した各単位電池の電極端子を電気的に絶縁するために前記各電極端子の間に介在され、前記貫通口に締結される突出部を有する絶縁性部材と、前記絶縁性部材に締結されるもので、前記絶縁性部材に締結された各単位電池の電極端子を直列または並列方式で電気的に連結するコネクティング部材と、を含む。

この場合、前記絶縁性部材は、前記突出部を通して各電極端子を互いに連結する役割も行う。前記締結突出部には、電極端子の貫通口より小さい内径の貫通口が形成されることが好ましく、各単位電池の間に絶縁性部材をそれぞれ介在した状態で各単位電池を積層し、前記締結突出部の貫通口に締結部材を挿入することで、各単位電池を互いに連結することができる。

また、本発明は、上記の方法で製造された電池モジュールを提供する。本発明に係る電池モジュールは、カートリッジなどを使用せずに各単位電池の結合及び電気的連結を行えるので、全般的にコンパクトな構造を有する。

上記のような電池モジュールは、例えば、充放電可能な二次電池である多数の単位電池が積層されるプレートと、電池の作動を制御する回路部と、を含んで構成される。

前記プレートは、各単位電池が積層される構造であれば特別に制限されるものでなく、各単位電池を容易に実装するために、単位電池の大きさに相応する収納部が形成されたケース構造であり、このケースは、積層された各単位電池の上部と下部をそれぞれ覆う分離型構造である。

上記のような電池モジュールは、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの車両、その他の産業用または家庭用機器などの多様な分野で動力源として用いられる。

本発明によると、単位電池の本体から突出された電極端子に特定形状の締結用貫通口を形成し、この貫通口に締結部材を挿入して各電池間の結合を行うことで、従来技術のカートリッジなどの部材を使用せずにも、多数の単位電池を堅固に結合することができ、各単位電池の電気的連結を容易に行える電池モジュールをデザインすることができる。本発明の電池モジュールは、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの中大型電池モジュールに多様に適用される。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳しく説明するが、この実施例によって本発明の範疇が限定されることはない。

図２は、本発明の一つの実施例に係る電極端子に貫通口が形成された単位電池を示す部分拡大図である。

図２に示すように、単位電池１００の上端には、正極端子１２０と負極端子１３０がそれぞれ形成され、各電極端子１２０，１３０には、締結用貫通口１４０が形成される。

貫通口１４０は、電極端子１２０の臨界仮想面１５０内に位置している。貫通口１４０が位置する臨界仮想面１５０は、電極端子１２０の幅Ｗの８０％に該当する幅ｗと、電極端子１２０の高さＨの８０％に該当する高さｈによって限定される面積である。また、貫通口１４０の最外郭境界面と電極端子１２０の外周面との間の離隔幅Ｓ_ｗと離隔高さＳ_ｈは、それぞれ３mm以上である。

上記のような条件内であれば、貫通口１４０は、臨界仮想面１５０の何れの箇所にも形成可能であるが、図２に示すように、電極端子１２０の幅Ｗを基準にして中央に位置することが好ましい。

また、貫通口１４０の穿孔面積は、電極端子１２０の面積（Ｗ×Ｈ）の７０％以下であるが、電極端子１２０の面積（Ｗ×Ｈ）の５０％以下であることが好ましい。

図３は、本発明に係る電極端子に形成される貫通口の多様な形状を示す例示図である。

図３に示すように、各貫通口１４０は、正方形状（ａ）、円状（ｂ）、楕円状（ｃ）、長方形状（ｄ）、角部が曲線をなす長方形状（ｅ）など多様であり、その他の形状も可能である。また、１個の電極端子１２０に形成される貫通口１４０の数は、（ａ）〜（ｅ）のように１個であるか、（ｆ）のように２個であるが、２個以上も可能である。

図４は、本発明の一つの実施例に係る貫通口が形成された電極端子によって各単位電池を結合し、電池モジュールを製造する過程を示す一部模式図である。

図４に示すように、本発明に係る電池モジュール２００において、互いに分離された下部ケース２１０と上部ケース２２０との間には、各単位電池１００，１０１の電極端子１２０，１２１が同一配向に配列されるように多数の単位電池１００，１０１が積層される。各電極端子１２０，１２１の間には、電気的絶縁のための絶縁部材３００が介在され、この絶縁部材３００上には、電極端子１２０の貫通口１４０に挿入される突出部３１０が形成され、この突出部３１０の中央には、小さい内径の貫通口３２０が穿孔される。

各単位電池１００，１０１を収納する大きさの下部ケース２１０と上部ケース２２０の上端部にも、突出部３１０の貫通口３２０に相応する連通口２１１，２２１が穿孔される。下部及び上部ケース２１０，２２０にそれぞれ形成された連通口２１１，２２１の内径は、絶縁部材３００に形成された貫通口３２０の内径とほぼ同一である。その反面、電極端子１２０に形成された貫通口１４０の内径は、前記連通口２１１，２２１及び貫通口３２０より大きく、突出部３１０の外径とほぼ同一である。

したがって、前記穴２２１，１４０，２１１が同一線上に位置するように、下部ケース２１０上に各単位電池１００，１０１と、それら単位電池１００，１０１の間に介在される絶縁部材３００とを積層した後、上部ケース２２０を覆い、締結部材としてのファスナー４００を各穴２２１，１４０，２１１に挿入することで、各単位電池１００，１０１を結合することができる。そして、ファスナー４００の下端部に形成されたねじ線４１０に対応するナット（図示せず）を下部ケース２１０の下端に締結することで、各単位電池１００，１０１を固定することができる。

図４は、二つの単位電池１００，１０１を結合する過程を模式的に示しているが、単位電池の数は、電池モジュール２００の容量及び出力によって変わる。

各電極端子１２０，１２１は、絶縁部材３００に締結する導電性のコネクティング部材（図示せず）によって直列または並列方式で連結され、このコネクティング部材は、多様な構造で製造される。導電性のコネクティング部材が絶縁部材３００に直接締結されることで、前記コネクティング部材と電極端子１２０，１２１との電気的連結が物理的接触によって容易に達成される。また、場合によっては、接触部位を溶接することで、前記コネクティング部材と電極端子１２０，１２１との結合力を高めることもできる。

また、単位電池２００のケース上端面に両面接着テープ５００がそれぞれ２個ずつ付着されるので、積層される各単位電池１００，１０１の安定的な結合を一層保障することができる。さらに、積層された各単位電池１００，１０１が両面接着テープ５５０の厚さだけ離隔されるが、この離隔溝によって、充放電時に各単位電池１００，１０１の体積変化が緩衝されることで、充放電時の各単位電池１００，１０１の発熱が効果的に行われる。

図５は、本発明の一つの実施例によって製造された電池モジュールを示す模式的斜視図である。

図５に示すように、電池モジュール２００は、上部ケース２２０、下部ケース２１０、多数の単位電池１００、第１回路部２３０、第２回路部２４０及び第３回路部２５０を含んで構成される。各単位電池１００は、互いに分離された上部ケース２２０と下部ケース２１０との間に積層されており、電池モジュール２００の正面には第１回路部２３０が位置し、電池モジュール２００の底面には第２回路部２４０が位置し、電池モジュール２００の背面には第３回路部２５０が位置する。

上部ケース２２０と下部ケース２１０とが分離されるので、積層される単位電池１００の数は、上部ケース２２０と下部ケース２１０によって限定されない。すなわち、単位電池１００の積層数によって第１回路部２３０及び第３回路部２５０のみを変更することで、所望の電気容量及び出力の電池モジュール２００を容易にデザインすることができる。また、各単位電池１００が露出されるので、充放電時に各単位電池１００の放熱を効率的に行うことができる。

第１回路部２３０は、単位電池１００の電極端子方向に電池モジュール２００の側面に付着される。また、第１回路部２３０は、各単位電池１００を並列または直列に連結するための端子連結部材と、各単位電池１００から電圧及び電流信号を受信し、各単位電池１００の温度を感知するためのセンシングボードアセンブリと、を含んでいる。

第２回路部２４０は、第１回路部２３０に電気的に連結されており、電池モジュール２００を全般的に制御するメーンボードアセンブリを含み、下部基板１２０の下端収納部に装着される。

第３回路部２５０は、第２回路部２４０に電気的に連結されており、充放電時の過電流を防止しながら外部出力端子と連結され、第１回路部２３０の対向側である電池モジュール２００の他側面に付着される。

上記のような構成によると、カートリッジなどの別途の部材を使用せずにも、各単位電池の結合及び電気的連結が可能であり、各回路部がモジュールの側面に連続的に装着されるので、全体的にコンパクトで結合力に優れた電池モジュールが製造可能になる。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて説明してきたが、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、上記の内容に基づいて本発明の範疇内で多様に応用及び変形可能であろう。

従来の一般的なパウチ型電池を示す平面模式図である。 本発明の一つの実施例に係る電極端子に貫通口が形成された単位電池を示す部分拡大図である。 本発明に係る電極端子に形成される貫通口の多様な形状を示す例示図である。 本発明の一つの実施例に係る貫通口が形成された電極端子によって各単位電池を結合し、電池モジュールを製造する過程を示す一部模式図である。 本発明の一つの実施例によって製造された電池モジュールを示す斜視図である。

符号の説明

１００ 単位電池
１１０ 電池ケース
１２０，１３０ 電極端子
１４０ 貫通口
２００ 電池モジュール
２１０ 下部ケース
２２０ 上部ケース
２３０ 第１回路部
２４０ 第２回路部
２５０ 第３回路部
３００ 絶縁部材
４００ ファスナー
５００ 両面接着テープ

Claims (8)

1. 単位電池の板状型電極端子に締結用貫通口を穿孔し、前記多数の単位電池を積層した後、前記締結用貫通口に締結部材を挿入して各単位電池を結合する過程を含む方法で電池モジュールを製造する二次電池モジュールの製造方法であって、
   前記単位電池がパウチ型電池であり、
   前記締結用貫通口を穿孔する工程が、前記電極端子上の幅対比８０％の幅と電極端子の高さ対比８０％の高さに限定される仮想面を臨界仮想面として設定する工程と、及び
   前記臨界仮想面内に位置し、前記締結用貫通口の最外郭境界面と、電極端子の外周面との離隔距離が３mm以上となる位置に前記締結用貫通口を穿孔する工程とを含んでなることを特徴とする、二次電池モジュールの製造方法。
2. 前記単位電池が、リチウム二次電池であることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記貫通口の面積が、電極端子の面積の６０％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
4. 前記貫通口の面積が、電極端子の面積の４０％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
5. 前記貫通口の形状が、その最外郭境界面が閉曲線をなす円状または楕円状であることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
6. 前記貫通口が、電極端子の外周面の少なくとも一面に向かって開放されることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
7. 隣接した各単位電池の電極端子を電気的に絶縁するために前記各電極端子の間に介在され、前記貫通口に締結される突出部を有する絶縁性部材と、前記絶縁性部材に締結されるもので、前記絶縁性部材に締結された各単位電池の電極端子を直列または並列方式で電気的に連結するコネクティング部材とを備えてなることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
8. 前記締結突出部に前記電極端子の貫通口より小さい内径の貫通口が形成されており、各単位電池の間にそれぞれ絶縁性部材を介在した状態で各単位電池を積層し、前記締結突出部の貫通口に締結部材を挿入して各単位電池を互いに連結することを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。

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