JP5026525B2 - 等配電型接続部材、及び等配電型接続部材を使用した中型又は大型電池パック - Google Patents

Description

本発明は、等配電型接続部材に関し、特に、外部回路に二以上のデバイスを接続して、外部回路の結合ポイントとデバイスの結合ポイント間における内部抵抗を等しいものとする接続部材、及びこれを包含してなる中型又は大型電池パックに関する。

近年、充放電可能な二次電池が、無線モバイルデバイスのエネルギー源として広く用いられている。また、化石燃料を使用する現行のガソリン車両（自動車）やディーゼル車両（自動車）によって引き起こされる空気汚染等の問題を解決する為に開発されている電気車両やハイブリッド電気車両のエネルギー源としても、二次電池は非常に注目されている。

小型のモバイルデバイスは、一個或いは複数個の電池セルを使用してなる。これに対し、車両等の中型又は大型デバイスは、そのアウトプットを高くし且つ容量を大きくする必要があるため、互いに電気的に接続された複数のユニットセルを備えた中型又は大型電池パックを使用する。

電気車両やハイブリッド電気車両の充放電源として使用される中型又は大型電池パックは、複数の電池モジュールを互いに直列／並列に電気的に接続し、そしてこれらの電池モジュールを機械的に連結することにより製造される。したがって、電池モジュール間の電気的接続は、ワイヤ、銅版、プリント回路基板（PCB）、及びフレキシブルプリント回路基板（フレキシブル−PCB）等の種々のバスバー（bus bar:母線）によって達成される。

しかし、互いに接続された電池モジュールを包含してなる電池パックの構造上の特性により、外部回路の結合ポイントと電池モジュールの結合ポイント間における距離は異なる。とりわけ、外部回路の結合ポイントと各電池モジュールの結合ポイント間に接続されたバスバー（母線）の長さの違いによって、各電池モジュールの結合ポイントにおいて内部抵抗の差が生じてしまい、この結果、充電工程又は放電工程の間に高圧電流が流れた場合、各電池モジュール間において電流の差が生じてしまう。

電気車両用の中型又は大型電池パックは、長時間に亘り作動させる必要があり、また、高温の高圧電流が中型又は大型電池パックに流れる。この結果、内部抵抗のわずかな差を原因とする作動状態の違いによって、電池モジュール（特に、各電池モジュールを構成する電池セル）が劣化しやすくなってしまい、電池パックの全体的な寿命が短くなってしまう。

このため、上述の課題を解決すべくいくつかの研究が行われている。例えば、日本国特開２００３−３４６７７２号公報は、電池セルのカソード板及びアノード板と電極板の結合ポイントとの間に接続された回路（「結合回路」）を開示している。これらの結合回路は、当該結合回路が等しい内部抵抗を有するように、各結合回路間の距離に応じてこれらの結合回路の長さ又は厚さを変化させるという構造において構築されている。

しかし、結合回路の長さ又は厚さを変化させて内部抵抗を等しくするという、この方法においては、各結合回路の断面積を結合回路の長さに基づいて計算して結合回路を設計し、各結合回路が対応する形状（長さ又は厚さ）を有することとなる。その結果、結合回路は複雑な形状を有することになり、それにより、このような結合回路の製造は困難となり、しかも結合回路の製造コストが増加することとなる。

また、中型又は大型電池パックを構築する際、電池モジュールの位置の変化に応じて内部抵抗が等しくなるように、精密に計算された異なる結合回路を製造しなければならない。更に、回路の内部抵抗は温度によって変化する。したがって、結合回路の内部抵抗や、上述のように予め設定された結合回路の長さ又は厚さは、実際の作動状態における温度変化によって変化する可能性がある。これらの正確な推定は、実際には結合回路の構成に限定されている。また、設計変更により結合回路の形状変化がしばしば生じ、したがって結合回路の伸張可能性や可撓性が非常に低くなる。

このため、上記の様々な課題を根本的に解決できる技術が切望されている。

したがって、本発明は、上記の課題及びその他の未解決な技術的課題を解決するためになされたものである。

特に、本発明の目的は、導電ワイヤ或いは回路による内部抵抗の差を縮小することが可能な接続部材を提供することであり、これにより最適な性能を有する電池モジュールと、この電池モジュールを包含してなる中型又は大型電池パックを製造することが可能となる。

本発明の第一の態様によれば、上記及び他の目的は、外部回路に二以上のデバイスを接続するための接続部材であって、前記接続部材が、第一の結合回路と、第二の結合回路を包含してなり、第一の結合回路が、外部回路の結合ポイントに接続されてなり、第二の結合回路が、第一の結合回路に連続的に接続されてなり、第二の結合回路が、外部回路の結合ポイントとデバイスの結合ポイント間における結合距離の増加に伴い、第二の結合回路の断面積が増加し、及び／又は、第二の結合回路の長さが減少する、という構造において構築されてなり、それによって、外部回路の結合ポイントとデバイスの結合ポイント間における内部抵抗を等しいものとする、接続部材を提供することによって達成される。

通常、バスバー（母線）はデバイス間の電気的接続を実現するために使用される接続部材である。銅版、プリント回路基板（PCB）、又はフレキシブルプリント回路基板（フレキシブル−PCB）を、バスバー（母線）として使用することができる。

しかし、従来の接続部材を用いて複数のデバイスを相互に接続して結合回路を構築する場合、上述のように外部回路の結合ポイントと各デバイスの結合ポイント間における結合距離が互いに異なっている。この結果、バスバー（母線）の長さの違いにより、内部抵抗に差が生じ、これにより各デバイス間に微弱な電流差が生じる。

これに対して、本発明の接続部材においては、外部回路の結合ポイントと各デバイスの結合ポイントを接続する接続部材が、第一の結合回路と第二の結合回路を包含してなる。外部回路の結合ポイントに結合された第一の結合回路は共通して使用され、第一の回路と各デバイスの結合ポイント間に接続された第二の結合回路は、その断面積及び／又は長さが互いに異なるように製造されている。したがって、上述のように、従来技術に比較して、本発明は製造コストを引き下げ、且つ抵抗に基づく可撓性と伸張可能性を向上させることができる。

また、外部回路の結合ポイントと各デバイスの結合ポイント間における内部抵抗が均一となり、電流差が生じることはない。

第二の結合回路の断面積を増加させ、内部抵抗が均一となる場合、第二の結合回路の断面積は、第二の結合回路の幅及び／又は厚さによって増加させてもよい。

本発明の接続部材において、第一の結合回路は、第一の結合回路が外部回路の結合ポイントに接続されており、第一の結合回路は均一な幅及び厚さを有するという構成において構築されてなることが好適である。

第一の結合回路と第二の結合回路は、互いに独立した銅版、ワイヤ、バスバー（母線）、フレキシブルバスバー（母線）、又は基板に印刷された回路であってよい。例えば、第一の結合回路と第二の結合回路は、単独の基板に印刷されていることができる。この場合、電池モジュールの製造中に、第一の結合回路と第二の結合回路とを簡単にデバイスに取り付けたり取り外したりすることができるため、生産性及び保全性が向上する。

第一の結合回路と第二の結合回路の材料は、第一の結合回路と第二の結合回路が導電性の材料からなる限り、特に限定されない。好ましい実施態様においては、第一の結合回路と第二の結合回路は金属材料からなる。例えば、第一の結合回路と第二の結合回路は、金属ワイヤ或いは金属板であってよい。好適には、金属板が第一の結合回路と第二の結合回路の材料として用いられる。金属板が、デバイスの配置パターンと配置箇所を考慮して計算された抵抗値に基づく所定の形状に応じて容易に切断しうるからである。

第一の結合回路と第二の結合回路は、単独の金属板を切断することにより同時に製造することができる。これにより、材料コストが削減され、且つ生産性が向上する。

この場合、第二の結合回路を構成する金属板は、第一の結合回路を構成する金属板の厚さと同じ厚さを有するが、外部回路の結合ポイントとデバイスの結合ポイント間における結合距離の増加に伴い、第二の結合回路の幅が増加され、及び／又は、第二の結合回路の長さが減少される。これにより、外部回路の結合ポイントと各デバイスの結合ポイント間における内部抵抗が均一となる。

金属板を切断して結合回路を得る場合、第二の結合回路が第一の結合回路に接続されるように、金属板を切断してもよい。一方、金属板を第二の結合回路が第一の結合回路から別となるように切断し、その後、第二の結合回路を第一の結合回路に溶接又ははんだ付けにより接続させてもよい。或いは、貫通孔を導電性の接続部材の端部に形成し、その後、第一の結合回路と第二の結合回路間の電気的接続を実現するように、各結合回路を貫通孔に螺着させてなる。

デバイスは、それらが電気的接続を必要とする構造に構築されている限り、特に限定されない。好適には、各デバイスは、充放電可能な電池セルか、或いは複数の電池セルを包含してなる電池モジュールである。特に、本発明による接続部材を使用して複数の電池モジュールが互いに直列及び／又は並列に接続させてなる構造において構築された、中型又は大型電池パックを製造することが可能となる。

本発明の他の態様によれば、当該接続部材を使用して電池パックの電気的接続を実現してなる構造において構築された、中型又は大型電池パックが提供される。

本発明による中型又は大型電池パックは、電気自転車（ｅ−バイク）、電気オートバイ、電気車両、又はハイブリッド電気車両等の車両（自動車）の電源、或いは産業用又は家庭用の機器を含む種々の装置や製品の電源として使用することができる。好適には、中型又は大型電池パックは、電気車両（自動車）の充放電源として使用される。

本発明による中型又は大型電池パックにおいて、電池モジュール間の電気的接続が、等配電型接続部材を使用して実現されている。したがって、高い電流下でも電池モジュール間における電流差が生じないため、中型又は大型電池パックの長期間に亘る使用中に、特定の電池モジュール又は特定の電池モジュール内の二次電池セルの劣化が防止される。

本発明の好適な実施の形態による等配電型接続部材の構造を示す概念図である。 本発明の好適な実施の形態による図１に示す等配電型接続部材の製造方法を示す概念図である。 図２に示す方法により製造された等配電型接続部材の状況に応じた切断と使用を示す概念図である。

本発明による先の記載及びその他の目的、特徴、及びその他の利点は、添付図面とともに以下の詳細な説明から更に明確に理解されるであろう。

本発明の好適な実施態様を添付図面により詳しく説明する。しかし、本発明の範囲は、図示された実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の好適な実施形態による等配電型接続部材の構造を典型的に示す概念図である。

図１を参照すると、本発明による接続部材１００は、デバイスとしての電池モジュールＭ１、
M２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５を互いに電気的に並列に接続してなる。特に、接続部材１００は、外部回路の結合ポイント１１０に接続された第一の結合回路Ａ_０と、第一の結合回路Ａ_０と各電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５との間に順次接続された第二の結合回路Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５を包含してなる。

第一の結合回路Ａ_０は均一な幅と厚さを有している。

一方、第一の結合回路Ａ_０に接続された第二の結合回路Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５は、同一の長さＬ_１と厚さを有するが、第二の結合回路Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５の幅は、外部回路の結合ポイント１１０と電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５間における電気的接続距離の増加に伴い次第に増加している。この結果、外部回路の結合ポイント１１０と各デバイスの結合ポイント間における内部抵抗が等しくなっている。

図１に示す構造とは異なり、第二の結合回路Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５を、第二の結合回路Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５の幅及び厚さを同一とし、第二の結合回路Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５の長さを順次増加するように構成することも可能である。或いは、第二の結合回路Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５を、第二の結合回路Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５の長さ及び幅を同一とし、第二の結合回路Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５の厚さを順次増加するように構成することも可能である。或いは、第二の結合回路Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５を、第二の結合回路Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５の長さ、厚さ、及び幅という３つの要素のうちのひとつの要素を同一とし、第二結合回路Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５の残りの２つの要素を変化させるように構成することも可能である。

図２は、本発明の好適な実施の形態による図１に示す等配電型接続部材の製造方法を典型的に示す概念図である。

図２を参照すると、各デバイスの抵抗値が計算されることにより、第１の結合回路Ａ_０と第二の結合回路Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５の断面積及び長さが決定されている。次に、第１の接続部材Ａ_０と第二の接続部材Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５が単独の金属板１０に描かれ、次いで単独の金属板１０が、特別な切断部材（図示せず）を用いて描線に沿って切断される。単独の金属板１０の切断中、第１の結合回路Ａ_０と第二の結合回路Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５間における接続は維持されるため、生産性が向上する。

接続部材の他の製造方法によれば、第１の接続部材Ａ_０と第二の接続部材Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５が単独の金属板１０に描かれる。次に、単独の金属板１０が、第１の結合回路Ａ_０が第二の結合回路Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５から別となるように描線に沿って切断され、次いで第２の結合回路Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５が第１の結合回路Ａ_０に連結される。後者の場合、接続部材が、設計変更による形状の変化に柔軟に対応することが可能となり、また、接続部材の再利用が可能となる。

図３は、図２に示す方法により製造された等配電型接続部材の状況に応じた切断と使用を示す概念図である。図示のように、本発明による接続部材は、所定の寸法、すなわち標準的な寸法で製造することができ、その後、使用されるデバイスの数に応じて適宜切断することができる。

本発明の好適な実施形態を例示目的として開示したが、当業者は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲及び概念から逸脱することなく、種々の変更、付加、及び改変が可能であることを適切に理解するであろう。

上述の説明から明らかなように、接続部材は、２つの部品、すなわち第１の結合回路と第２の結合回路を包含してなる。したがって、本発明は、設計変更に対応して可撓性と伸張可能性を向上させ、且つ各回路による内部抵抗の差を縮小する効果を有し、これにより高電流の伝導下でも電流差の発生を防止することができる。したがって、一例として、本発明による接続部材を中型又は大型電池パックに使用した場合、電池モジュール又は電池モジュールを構成する電池セルの劣化を防止することができ、この結果、電池パックの全体的な寿命を長くし、且つ電池モジュール又は電池セルの均一な充放電効果を実現することができる。このため、最適な性能を有する電池モジュールと、これを包含してなる中型又は大型電池パックを容易に製造することが可能となる。

１０ 金属板
１００ 接続部材
１１０ 外部回路の結合ポイント
Ａ_０ 第一の結合回路
Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５ 第二の結合回路
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５ 電池モジュール

Claims (11)

1. 外部回路に二以上のデバイスを接続するための接続部材であって、
   前記接続部材が、第一の結合回路と、第二の結合回路を包含してなり、
   第一の結合回路が、外部回路の結合ポイントに接続されてなり、
   第二の結合回路が、第一の結合回路に連続的に接続されてなり、
   第二の結合回路が、外部回路の結合ポイントとデバイスの結合ポイント間における結合距離の増加に伴い、第二の結合回路の断面積が増加し、及び／又は、第二の結合回路の長さが減少する、という構造において構築されてなり、それによって、
   外部回路の結合ポイントとデバイスの結合ポイント間における内部抵抗を等しいものとする、接続部材。
2. 第二の結合回路の断面積が、第二の結合回路の幅及び／又は厚さによって増加されてなる、請求項１に記載の接続部材。
3. 第一の結合回路が、均一な幅及び厚さを有してなる、請求項１に記載の接続部材。
4. 第一の結合回路と第２の結合回路が、互いに独立した銅版、ワイヤ、バスバー（母線）、フレキシブルバスバー（母線）、又は基板に印刷された回路である、請求項１に記載の接続部材。
5. 第１の結合回路と第二の結合回路が、単独の基板に印刷されてなる、請求項４に記載の接続部材。
6. 第一の結合回路と第二の結合回路が金属板である、請求項４に記載の接続部材。
7. 第一の結合回路と第２の結合回路が、単独の金属板を切断することにより同時に製造されてなる、請求項６に記載の接続部材。
8. 第二の結合回路を構成する金属板が、第一の結合回路を構成する金属板の厚さと同じ厚さを有してなり、
   外部回路の結合ポイントとデバイスの結合ポイント間における結合距離の増加に伴い、第二の結合回路の幅が増加されてなり、及び／又は、第二の結合回路の長さが減少されてなる、
   請求項７に記載の接続部材。
9. 各デバイスが、充放電可能な電池セル、又は、複数の電池セルを包含してなる電池モジュールである、請求項１に記載の接続部材。
10. 前記電池パックの電気的接続が、請求項１〜９の何れか一項に記載の接続部材を使用することにより実現されてなる構造において構築されてなる、中型又は大型電池パック。
11. 中型又は大型電池パックが、高電流が流れる電気車両の充放電源として使用される、請求項１０に記載の中型又は大型電池パック。

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