JP5250008B2 - 電池モジュールおよび二次電池の端子連結方法 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池を電気的に連結する構造を有する電池モジュールおよび二次電池の端子連結方法に関する。

二次電池（ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ ｂａｔｔｅｒｙ）は充電および放電が可能な電池である。低容量の二次電池は携帯電話機やノートパソコンおよびカムコーダのように携帯が可能な小型電子機器に用いられ、大容量の二次電池はハイブリッド自動車などのモータ駆動用電源として広く用いられている。

高エネルギー密度の非水電解液を用いた高出力電池モジュールが開発されており、この高出力電池モジュールは大電力を必要とする機器、例えば、電気自動車などのモータ駆動に用いることができるように複数の二次電池を直列に連結して構成される。

また、大容量の二次電池は、通常は直列に連結された複数の二次電池からなり、二次電池は円筒形や角形などからなる。

角形二次電池は、正極と負極がセパレータを間において配置された電極群と、電極群が内蔵される空間を備えたケースと、ケースを密閉して電極端子が挿入される端子ホールが形成されたキャッププレートと、電極群と電気的に連結されて端子ホールに挿入されてケースの外側に突出する電極端子とを含む。

電極端子はナットによってキャッププレートに固定されるが、外部の持続的な振動や衝撃によってナットが緩んでしまう。この場合、二次電池内部の接触抵抗を誘発し、二次電池の出力が低下して寿命が減少してしまう。

このような問題を解決するために、連結部材を正極端子と負極端子に抵抗溶接によって接合することが提案されている。

しかし、通常、正極端子はアルミニウムからなり、負極端子は銅からなるが、連結部材の素材を正極端子および負極端子と同じ素材で構成することが困難となる。連結部材が正極端子または負極端子とは異なる素材で形成される場合には、連結部材と端子を抵抗溶接または超音波溶接によって接合することが困難となる。

本発明は、連結部材と端子を容易かつ安定的に固定可能な、電池モジュールおよび二次電池の端子連結方法を提供しようとするものである。

本発明のある観点によれば、複数の二次電池と、複数の二次電池のうちの１の第１端子と、複数の二次電池のうちの他の１の第２端子とを連結する連結部材とを備え、連結部材は、第１素材からなる第１端子と溶接部により連結され、第２素材からなる第２端子と溶接部により連結され、溶接部のうちの１以上は、連結部材をなす素材と第１端子または第２端子のうちの対応するいずれか１つをなす素材の混合物を含むナゲット部を有する電池モジュールが提供される。

上記溶接部のうちの１以上は摩擦攪拌溶接によって形成されてもよい。

上記第１素材はアルミニウムからなってもよい。

上記第２素材は銅からなってもよい。

上記連結部材は第１素材または第２素材からなってもよい。

上記第１素材と第２素材は互いに異なってもよい。

上記溶接部は、連結部材と第１端子を連結する１以上のスポット溶接と、連結部材と第２端子を連結する１以上のスポット溶接とを有してもよい。

上記第１端子、第２端子、および連結部材は板形状からなってもよい。

上記連結部材は第１端子上と第２端子上に位置してもよい。

上記溶接部は、連結部材の第１端子および第２端子と対向する面とは反対面に形成されるスポット溶接を有してもよい。

上記連結部材は第１端子および第２端子と接触し、溶接部は連結部材と第１端子または第２端子のうちの１つが接触する部分に線状に形成されてもよい。

上記第１端子と第２端子のうちの１以上は突起を有し、連結部材は突起を収容するように形成された溝を有してもよい。

上記溶接部は、連結部材の第１端子および第２端子と対向する面とは反対面に形成されるスポット溶接を有してもよい。

上記スポット溶接のうちの１つは対応する突起および対応する溝と整列されてもよい。

上記ナゲット部は、連結部材を突起と固体状態で混合させて混合物質を形成し、混合物質の動的再結晶化によって形成されてもよい。

上記ナゲット部は、連結部材を第１端子または第２端子のうちの対応する１つと固体状態で混合させて混合物質を形成し、混合物質の動的再結晶化によって形成されてもよい。

上記ナゲット部の周囲に、連結部材と第１端子または第２端子のうちの対応する１つと部分的再結晶化および焼成変形によって形成される熱‐機械的影響部と、熱‐機械的影響部の周囲に、斜線形状の結晶粒を有する熱影響部を有してもよい。

上記溶接部のそれぞれは表面と表面から陥没した溶接溝を有してもよい。

上記連結部材は第１端子と第２端子のうちの対応する１つと接触し、上記ナゲット部は連結部材と第１端子および第２端子のうちの対応する１つの接触面を横切って形成されてもよい。

本発明の他の観点によれば、第１二次電池の第１端子と第２二次電池の第２端子を連結する方法であって、第１端子または第２端子のうちの１つをなす素材と異なる素材を含む連結部材を準備する段階と、連結部材を第１端子および第２端子のそれぞれに溶接してそれぞれの溶接部を形成する段階とを備え、連結部材と第１端子または第２端子のうちの１つの間の溶接部は摩擦攪拌溶接によって形成される、二次電池の端子連結方法が提供される。

上記摩擦攪拌溶接は、連結部材を第１端子または第２端子のうちの１つと固体状態で混合させて混合物質を形成し、混合物質の動的再結晶化によって形成される連結部材と、第１端子または第２端子のうちの１つをなす素材の混合物を含むナゲット部とを形成してもよい。

本発明によれば、連結部材と端子を容易かつ安定的に固定可能な、電池モジュールおよび二次電池の端子連結方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る電池モジュールを示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る電池モジュールを示す部分斜視図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う切断面を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る電池モジュールの一部を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る電池モジュールの一部を示す分解斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る電池モジュールの連結部材と端子を溶接する過程を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る電池モジュールの連結部材と端子を溶接する過程を示す断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は本発明の第１実施形態に係る電池モジュール１００を示す斜視図であり、図２は本発明の第１実施形態に係る電池モジュール１００を示す部分斜視図である。

図１および図２を参照しながら説明すれば、本実施形態に係る電池モジュール１００は、正極端子１３０と負極端子１４０を有する複数の二次電池１１０と、複数の二次電池１１０を電気的に連結する連結部材１６０とを含む。

本実施形態に係る電池モジュール１００は、二次電池１１０を直列に連結して構成される。ただし、本発明がこれに制限されるものではなく、二次電池１１０は並列に連結して構成されてもよい。

本実施形態に係る二次電池１１０は角形状をなし、ケース１１２と、ケース１１２の開口に結合されるキャッププレート１１４と、ケース１１２の外側に突出した正極端子１３０および負極端子１４０とを含む。本実施形態では角形の二次電池１１０を例示して説明するが、本発明がこれに限定されるものではなく、二次電池１１０は円筒形またはその他の形状でもよい。

また、端子１３０、１４０は、キャッププレート１１４の外側に突出するようにキャッププレート１１４に固定設置され、キャッププレート１１４と端子１３０、１４０の間には絶縁および密封のためのガスケット１２３が設けられる。正極端子１３０と負極端子１４０は大略板形状をなし、ケース１１２内に挿入されている電極群（図示せず）と電気的に連結される。また、正極端子１３０はアルミニウムからなり、負極端子１４０は銅からなる。

キャッププレート１１４には、内部圧力の上昇時に開放するベント部材１１６と、電解液注入口を密封するための密封キャップ１１８とが設けられる。

並んで配列された複数の二次電池１１０は連結部材１６０によって直列に連結されるが、隣接する二次電池１１０の正極端子１３０と負極端子１４０が交差するように配置された状態で、一側の二次電池１１０の正極端子１３０とこれに隣接する二次電池１１０の負極端子１４０に連結部材１６０が溶接によって接合される。

連結部材１６０は板形状をなし、正極端子１３０および負極端子１４０の上に正極端子１３０と負極端子１４０を覆うように設けられる。連結部材１６０は正極端子１３０と負極端子１４０に摩擦攪拌溶接によって接合される。

摩擦攪拌溶接のために、連結部材１６０を端子１３０、１４０の上に重ねて配置した状態で工具１８０を回転させ、動的流動によって組織を再結晶させて連結部材１６０と端子１３０、１４０を溶接することで溶接部１５０を形成する。工具１８０はピン１８２とピン１８２を固定するシャンク（ｓｈａｎｋ）１８１を含み、シャンク１８１からピン１８２が突出する断面をショルダー１８３という。

連結部材１６０と端子１３０、１４０はスポット溶接によって接合されるが、ショルダー１８３と連結部材１６０が接触する部分が溶接部１５０となり、溶接部１５０にはピン１８２を挿入した位置に溶接溝１５１が形成される。

図３に示すように、溶接部１５０には、動的再結晶によって形成されたナゲット部１５２と、熱‐機械的影響部（ｔｈｅｒｍｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ；ＴＭＡＺ）１５４と、熱影響部（ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ；ＨＡＺ）１５６とが形成される。

ナゲット部１５２は、高い熱と変形量によって回復と再結晶が生じる部分であって、動的再結晶部ともいわれる。ナゲット部１５２は、熱によって溶融が起こる一般的な溶接とは異なり、摩擦熱と攪拌によって固形溶融した素材を動的に再結晶させて形成される。ナゲット部１５２の直径は、ピン１８２の直径よりは大きく、ショルダー１８３の直径よりは小さく形成される。ナゲット部１５２の大きさは工具１８０の回転速度によって異なるが、回転速度が速ければナゲット部１５２の大きさが減少する。ただし、回転速度が極めて速ければ結晶粒の形状が不完全になり、結晶粒が不完全な部分で欠陥が生じることがある。

熱‐機械的影響部１５４は、工具１８０のショルダー１８３と連結部材１６０の間の接触面において摩擦による焼成変形によって部分的な再結晶が生じる部分であって、摩擦による熱変形とショルダー１８３による機械的変形が同時に生じる領域である。熱‐機械的影響部１５４には、素材の大きな焼成流動と変形によって軟化した結晶組織が傾斜して分布する。

熱影響部１５６は、熱‐機械的影響部１５４よりも熱による影響を受ける部分であって、傾斜状の結晶粒が現われ、多数の気孔が現れる。

本実施形態のように、摩擦攪拌溶接によって連結部材１６０を他の素材からなる少なくとも１つの端子に接合すれば、アルミニウムからなる連結部材１６０を用いて銅からなる負極端子１４０とアルミニウムからなる正極端子１３０を容易に接合することができる。銅とアルミニウムは融点が異なるため、抵抗溶接や超音波溶接などによって接合する場合には溶接部１５０に欠陥が生じる可能性が極めて高く、外部の衝撃や振動によって溶接部が脱落することもある。特に、電気自動車やハイブリッド電気自動車などに電池モジュールが適用されると、持続的な振動が連結部材１６０に伝達されるが、このような振動は連結部材１６０と端子１３０、１４０の間の接触不良をもたらす。

しかしながら、実施形態のように摩擦攪拌溶接によって連結部材１６０と端子１３０、１４０を接合すれば固形接合がなされるため、溶融点が異なる連結部材１６０と端子１３０、１４０を安定的に接合することができる。これにより、電池モジュール１００の出力が向上するだけでなく、連結部材１６０と端子１３０、１４０の間の接合寿命が向上するため、電池モジュール１００全体の寿命が向上する。

特に、溶接部１５０の中央に形成されたナゲット部１５２は動的再結晶が起こる領域であって、外部の振動や衝撃に強い構造を有する。また、熱‐機械的影響部１５４は２つの連結部材１６０と端子１３０、１４０が共に回転しながら接合された領域であって、母材が混合しており、外部の衝撃や振動に強い構造的な特徴を示す。

また、摩擦攪拌溶接は、他の溶接と比べて熱源、溶接棒、溶加材などを必要としないため、溶接過程において有害光線や有害物質が排出されない親環境的な溶接である。さらに、動的再結合が生じるため、溶融接合で生じ得る凝固亀裂を防ぐことができ、変形がほとんどなく、機械的な性質に優れている。

図４は本発明の第２実施形態に係る電池モジュール１００’を示す斜視図である。

図４を参照しながら説明すれば、本実施形態に係る電池モジュール１００’は、複数の二次電池１１０と、複数の二次電池１１０を電気的に連結する連結部材１７０とを含む。本実施形態に係る電池モジュール１００’は、溶接部１７５の構成を除けば、上述した第１実施形態に係る電池モジュール１００’と類似した構成を有するため、同一の構成についての重複説明は省略する。

二次電池１１０は、ケースの外側に突出した板形状の正極端子１３０と負極端子１４０を有する。連結部材１７０は大略四角板状をなし、正極端子１３０と負極端子１４０を覆うように設けられる。連結部材１７０は正極端子１３０および負極端子１４０に摩擦攪拌溶接によって接合され、連結部材１７０および端子１３０、１４０の側端には溶接部１７５が形成される。

連結部材１７０の側端と端子１３０、１４０の側端は互いに接触した状態で溶接されるが、このとき、工具１８０は端子１３０、１４０の側端に沿って移動しながら溶接を実行し、溶接部１７５は線状に形成される。

本実施形態のように、互いに異なる素材からなる連結部材１７０と端子１３０、１４０の側端を摩擦攪拌溶接によって接合すれば、異種金属を安定的に接合することができる。

図５は本発明の第３実施形態に係る電池モジュール２００を示す分解斜視図であり、図６Ａおよび図６Ｂは本発明の第３実施形態に係る端子２３０、２４０と連結部材２６０を溶接する過程を示す断面図である。

図５および図６Ａ、図６Ｂを参照しながら説明すれば、本実施形態に係る電池モジュール２００は、複数の二次電池２１０と、複数の二次電池２１０を電気的に連結する連結部材２６０とを含む。本実施形態に係る電池モジュール２００は、端子２３０、２４０および連結部材２６０の構成を除けば、上述した第１実施形態に係る電池モジュールと類似した構成を有するため、同一の構成についての重複説明は省略する。

二次電池２１０は、ケース２５０の外側に突出した板形状の正極端子２３０と負極端子２４０を有する。正極端子２３０の上面には突出した２つの端子突起２３５が形成され、負極端子２４０の上面には突出した２つの端子突起２４５が形成される。

連結部材２６０は大略四角板状をなし、正極端子２３０と負極端子２４０を覆うように設けられる。また、連結部材２６０の下面には支持溝２６５が形成され、この支持溝２６５に端子２３０、２４０の端子突起２３５、２４５が挿入される。

図６Ａおよび図６Ｂに示すように、この状態で工具２７０を用いて連結部材２６０と端子２３０、２４０のうちの少なくとも１つを摩擦攪拌溶接によって接合する。まず、ピン２７２とシャンク２７１を有する工具２７０を連結部材２６０上に設置する。ピン２７２はシャンク２７１の下端のショルダー２７３から突出形成される。工具２７０を回転して連結部材２６０と端子２３０、２４０を加圧すれば、摩擦熱と攪拌によって連結部材２６０と端子２３０、２４０が固形状に接合される。これにより、溶接部２５０と溶接溝２５１が形成される。

このとき、図６Ａにおいて、端子突起２３５が支持溝２６５に挿入されているため、端子突起２３５が攪拌されながら端子２３０、２４０と連結部材２６０がさらに安定的に接合される。すなわち、端子２３０、２４０の下部まで深く熱と摩擦力の影響を及ぼすことができない場合にも、端子突起２３５が連結部材２６０と共に動的再結合されるため、端子２３０、２４０と連結部材２６０を安定的に接合することができる。

溶接部２５０には、動的再結晶によって形成されたナゲット部２５２と、焼成変形によって部分的な再結晶が起こった熱‐機械的影響部２５４と、熱の影響を受けた熱影響部２５６とが形成される。このとき、ナゲット部２５２は、支持溝２６５と端子突起２３５が結合された部分に形成される。

本発明の実施形態によれば、接触抵抗が減少して電池モジュール１００、１００’、２００の出力を向上させることができるだけでなく、二次電池１１０、２１０の寿命を向上させることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１００、１００’、２００ 電池モジュール
１１０、２１０ 二次電池
１１２ ケース
１１４ キャッププレート
１３０、２３０ 正極端子
１４０、２４０ 負極端子
１５０、１７５、２５０ 溶接部
１５１、２５１ 溶接溝
１５２、２５２ ナゲット部
１５４、２５４ 熱‐機械的影響部
１５６、２５６ 熱影響部
１６０、１７０、２６０ 連結部材
１８０、２７０ 工具
１８１、２７１ シャンク
１８２、２７２ ピン
１８３、２７３ ショルダー
２３５、２４５ 端子突起
２６５ 支持溝

Claims (18)

1. 複数の二次電池と、
   前記複数の二次電池のうちの１の第１端子と、前記複数の二次電池のうちの他の１の第２端子とを連結する連結部材と
   を備え、
   前記連結部材は、第１素材からなる前記第１端子と溶接部により連結され、前記第１素材とは異なる第２素材からなる前記第２端子と溶接部により連結され、
   前記溶接部のうちの１以上は、前記連結部材をなす素材と前記第１端子または前記第２端子のうちの対応するいずれか１つをなす素材の混合物を含むナゲット部を有し、
   前記溶接部のうちの１以上は摩擦攪拌溶接によって形成され、
   前記ナゲット部は、前記連結部材を前記第１端子または前記第２端子のうちの対応する１つと固体状態で混合させて混合物質を形成し、前記混合物質の動的再結晶化によって形成される、電池モジュール。
2. 前記第１素材はアルミニウムからなる、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記第２素材は銅からなる、請求項１又は２に記載の電池モジュール。
4. 前記連結部材は前記第１素材または前記第２素材からなる、請求項１から３のいずれか１項に記載の電池モジュール。
5. 前記溶接部は、前記連結部材と前記第１端子を連結する１以上のスポット溶接と、前記連結部材と前記第２端子を連結する１以上のスポット溶接とを有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の電池モジュール。
6. 前記第１端子、前記第２端子、および前記連結部材は板形状からなる、請求項１から５のいずれか１項に記載の電池モジュール。
7. 前記連結部材は前記第１端子上と前記第２端子上に位置する、請求項１から６のいずれか１項に記載の電池モジュール。
8. 前記溶接部は、前記連結部材の前記第１端子および前記第２端子と対向する面とは反対面に形成されるスポット溶接を有する、請求項７に記載の電池モジュール。
9. 前記連結部材は前記第１端子および前記第２端子と接触し、前記溶接部は前記連結部材と前記第１端子または前記第２端子のうちの１つが接触する部分に線状に形成される、請求項７または８に記載の電池モジュール。
10. 前記第１端子と前記第２端子のうちの１以上は突起を有し、前記連結部材は前記突起を収容するように形成された溝を有する、請求項１から９のいずれか１項に記載の電池モジュール。
11. 前記溶接部は、前記連結部材の前記第１端子および前記第２端子と対向する面とは反対面に形成されるスポット溶接を有する、請求項１０に記載の電池モジュール。
12. 前記スポット溶接のうちの１つは前記対応する突起および前記対応する溝と整列される、請求項１１に記載の電池モジュール。
13. 前記ナゲット部は、前記連結部材を前記突起と固体状態で混合させて混合物質を形成し、前記混合物質の動的再結晶化によって形成される、請求項１２に記載の電池モジュール。
14. 前記ナゲット部の周囲に、前記連結部材と前記第１端子または前記第２端子のうちの対応する１つと部分的再結晶化および焼成変形によって形成される熱‐機械的影響部と、前記熱‐機械的影響部の周囲に、斜線形状の結晶粒を有する熱影響部を有する、請求項１に記載の電池モジュール。
15. 前記溶接部のそれぞれは表面と前記表面から陥没した溶接溝を有する、請求項１から１２のいずれか１項に記載の電池モジュール。
16. 前記連結部材は前記第１端子と前記第２端子のうちの対応する１つと接触し、
    前記ナゲット部は前記連結部材と前記第１端子および前記第２端子のうちの対応する１つの接触面を横切って形成される、請求項１から１５のいずれか１項に記載の電池モジュール。
17. 第１二次電池の第１端子と第２二次電池の第２端子を連結する方法であって、
    前記第１端子または前記第２端子のうちの１つをなす素材と異なる素材を含む連結部材を準備する段階と、
    前記連結部材を前記第１端子および前記第２端子のそれぞれに溶接してそれぞれの溶接部を形成する段階と
    を備え、
    前記連結部材と前記第１端子または前記第２端子のうちの１つの間の溶接部は摩擦攪拌溶接によって形成される、二次電池の端子連結方法。
18. 前記摩擦攪拌溶接は、前記連結部材を前記第１端子または前記第２端子のうちの対応する１つと固体状態で混合させて混合物質を形成し、前記混合物質の動的再結晶化によってナゲット部を形成する、請求項１７に記載の二次電池の端子連結方法。
    
    

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