JP5259152B2

JP5259152B2 - 電池セル、バッテリパックおよび電池セル製造方法

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Publication number: JP5259152B2
Application number: JP2007255498A
Authority: JP
Inventors: 武夫覚地; 吉延牧野; 多文尾崎; 永晃室; 義直舘林; 伸一郎小杉; 克典椎原; 俊江草; 義明阿左美; 勉松井; 法仁冨樫; 務金綱
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: JP2009087707A

Description

本発明は、電池セル、バッテリパックおよび電池セル製造方法に関する。

一般に、複数個の箱状セルを用いた二次電池セルにおいては、箱状セルに端子を設け、他の二次電池セルとの接続はセル端子を接続導体で接続してバッテリパックを形成している。例えば、携帯性及び可搬性を考慮して小型かつ軽量に設計製作された電気電子機器に搭載されるバッテリパックとしては、内蔵する電気回路が発熱したり過充電により電池セルの周囲温度が上昇しても、電解液の蒸発ガスによる出火を好適に防止できるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、電気自動車用バッテリボックス装置に適用されるものとして、駆動用電源を遮断するブレーカからなるブレーカ装置をバッテリボックス内に収納し、電気自動車用バッテリボックス装置単体でバッテリの電圧チェック、ブレーカの動作、性能確認ができ車両への搭載および保守を効率よく行うことができるようにしたものがある（例えば特許文献２参照）。
特許第３０１４２９３号公報特許第３３５０１８９号公報

しかし、従来のものでは、電池セルのセル端子をセル外装缶に取り付けるにあたってはレーザ突き合わせ溶接によりセル端子をセル外装缶に取り付けているが、外装缶側にレーザが漏れ外装缶に穴が開くことがある。また、電池セルを接続するにあたってはセル端子間を接続バーで接続することになるが、その際のレーザ突き合わせ溶接の際にセル端子に余計な力がかかったりクラックが発生することがある。

本発明の目的は、セル端子の端面と外装缶の突起面との間のレーザ突合せ溶接及びセル端子間の接続バーの接合が容易に行え接合信頼性を向上させることができる電池セル、バッテリパックおよび電池セル製造方法を提供することである。

本発明の電池セルに係わる発明は、略直方体のブロックで形成され外装缶のキャップ体に直接レーザ接合されるセル端子と、前記セル端子を形成する端面と相対するように前記外装缶のキャップ体に設けられ前記セル端子を装着するための凸状突起とを備え、前記外装缶のキャップ体への前記セル端子の接合を前記セル端子の端面と前記キャップ体に設けられた前記凸状突起との接触面の位置で行うことを特徴とする。

本発明によれば、セル端子の端面と外装缶の突起面との間のレーザ突合せ溶接及びセル端子間の接続バーの接合が容易に行え、接合信頼性を向上させることができる。

図１は本発明の実施の形態に係わる電池セルの構成図であり、図１（ａ）は電池セルの側面から見た側面図、図１（ｂ）は電池セルの上面から見たセル端子部分の上面図、図１（ｃ）は電池セルの側面から見たセル端子部分の拡大図である。

図１（ａ）に示すように、電池セル１１の外装缶１２の上部には、キャップ体１３が設けられ、このキャップ体１３に正極及び負極の一対のセル端子１４が設けられている。セル端子１４は略直方体のブロックで形成され、箱状セルを形成する外装缶１２のキャップ体１３の一面と接合している。セル端子１４は、外装缶１２のキャップ体１３の面側に接する面側が広く、先端に向かい段階的に狭く凸状直方体に成形されている。図１では、セル端子１４は直方体のブロックが３段積み重ねのものを示している。

すなわち、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、セル端子１４は直方体のブロックが３段積み重ねで形成されている。そして、外装缶１２のキャップ体１３には、セル端子１４を形成する最下段のブロックの端面と相対する位置に凸状突起１５が設けられている。これにより、セル端子１４のキャップ体１３への装着を容易にしている。図１（ｃ）の凹部１６はキャップ体１３に凸状突起１５を形成する際のプレス加工により生じた凹部である。

セル端子１４のキャップ体１３への接合は、レーザ突き合わせ溶接で行われる。すなわち、セル端子１４がキャップ体１３の凸状突起１５で係止されている状態で、セル端子１４の最下段のブロック凸状突起１５の接触面をレーザ溶接する。これにより、レーザ溶接部１７が形成される。

このように、セル端子１４の端面と外装缶１２の凸状突起１５の面とを相対する位置に形成するのでレーザによる突合せ溶接が容易となり接合信頼性が増す。また、セル端子１４を先端に向かい段階的に狭く凸状直方体に成形しているので、レーザ突合せ溶接を行う際に、外装缶１２のキャップ体１３側にレーザが漏れることを抑制でき、外装缶１２のキャップ体１３に穴が開くなどの影響を回避できる。また、セル端子１４と外装缶１２のキャップ体１３との突合せ接合が容易となる。

図２は本発明の実施の形態に係わるバッテリパックの構成図であり、図２（ａ）は２個の電池セルからなるバッテリパックの上面から見たセル端子接続部分の上面図、図２（ｂ）は接続バーの側面図、図１（ｃ）はバッテリパックの側面から見たセル端子接続部分の側面図である。

複数の電池セル１１を接続する場合には、接続バー１８で複数のセル端子１４を接続する。図２（ａ）では２個のセル端子１４を接続バー１８で接続した場合を示している。接続バー１８はセル端子１４の先端形状よりも大きい穴１９が形成されており、この穴１９にセル端子１４の先端部のブロックが挿入される。セル端子１４の先端形状よりも大きい穴１９が形成されているので、複数のセル端子１４間を接合する際に、複数のセル端子１４の固定誤差を吸収することができる。また、セル端子１４は先端に向かい段階的に狭く凸状直方体に成形されているので、電池セル１１の外装缶１２から突出するセル端子１４を大きくでき、セル端子間の接続バー１８を接合し易くできる。

次に、接続バー１８は、図２（ｂ）に示すように、略中央部を凸状に曲げ成形されている。これにより、セル間端子を接続する接続バー１８の剛性が柔らかくなり、セル端子１４にかかる力を軽減できる。また、接続バー１８とセル端子１４との接合は、セル端子１４と接続バー１８との間を連続発振のレーザ溶接で接合する。これにより、セル端子１４と外装缶１２のキャップ体１３、セル端子１４と接続バー１８との間の接合において、これらの材質がＡ１０５０などの純アルミ、Ａ３００３、Ａ５０５２などのアルミ合金である場合に、Ａ１０５０などの純アルミと、Ａ３００３やＡ５０５２などのアルミ合金との間をクラック無しに接合することができる。

次に、本発明の実施の形態に係わる電池セル製造方法について説明する。図３は、本発明の電池セル製造方法を用いて製造した電池セルのセル端子部分の一例を示す説明図であり、図３（ａ）はセル端子部分の一例の側面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ１部の詳細図である。キャップ体１３には、正極及び負極の１対のセル端子１４ａ、１４ｂが設けられている。Ａ１部が正極のセル端子１４ａである。セル端子１４ａ、１４ｂは、それぞれキャップ体１３にレーザ突き合わせ溶接で接合される。その際、負極のセル端子１４ｂは絶縁体２０を介してキャップ体１３に接合される。これは、正極のセル端子１４ａと負極のセル端子１４ｂとがキャップ体１３を介して短絡するのを防止するためである。

そして、その後にキャップ体１３にリード板２１がレーザ突き合わせ溶接される。この場合も負極側においては、リード板２１は絶縁体２０を介してキャップ体１３に接合される。リード板２１は、セル端子１４ａ、１４ｂを電池セルの外装缶の内部に収納される導体に接続するための部材である。

図３（ｂ）に示すように、正極のセル端子１４ａは、キャップ体１３の面側に接する面側が広く先端に向かい段階的に狭く凸状直方体に成形されている。図３（ｂ）では、セル端子１４ａは直方体のブロックが３段積み重ねのものを示している。そして、キャップ体１３に設けられた凹部に、セル端子１４ａの最下段のブロックが挿入されて、セル端子１４ａはキャップ体１３に装着され、この状態でレーザ溶接される。

これにより、キャップ体１３のリガメントを確保でき、２方向の位置決めを容易することができ、固定時の接合信頼性を向上することができる。レーザ溶接は、連続発振でもパルス発振でも用いることができる。

図４は、本発明の電池セル製造方法を用いて製造した電池セルのセル端子部分の他の一例を示す説明図であり、図４（ａ）はセル端子部分の他の一例の側面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ２部の詳細図である。図３に示した一例と異なる点は、セル端子１４をキャップ体１３に装着するにあたり、キャップ体１３の凹部に代えて、キャップ体１３に凸状突起１５を設けたものである。つまり、図１及び図３に示したものと同様に、キャップ体１３に設けられた凸状突起１５にセル端子１４を装着する。なお、符号１６は凸状突起１５をプレス加工した場合に生じる凹部である。

この場合においても、キャップ体１３とセル端子１４とを接合し、その後に外装缶の内部に収納されるリード板２１とキャップ体１３とをレーザ溶接により接合する。

ここで、セル端子１４は、例えば、アルミ合金（Ａ3000番）系もしくは純アルミＡｌ（Ａ1000番）系材料で構成され、リード板２１は純アルミＡｌ（Ａ1000番）系材料で構成される。これにより、セル端子１４の電気伝導度や製造性を向上させることができる。

図５は、図３に示したセル端子部分のレーザ溶接の説明図である。まず、セル端子１４ａ、１４ｂをキャップ体１３に予めレーザ溶接で接合しておく。そして、図５（ａ）に示すように、セル端子１４ａ、１４ｂを下向きにして溶接治具２２にセットする。溶接治具２２は、セル端子１４ａ、１４ｂの先端部及びキャップ体１３の一部を冷却板２３を介してバネ２４で保持する。また、必要に応じてキャップ体１３の一部に冷却板（例えば銅板）２３をセットする。

この状態で、ノズル２５からレーザ光２６を照射し、図５（ｂ）に示すように、セル端子１４とキャップ体１３とのレーザ溶接部１７ａの反対側（リード板２１側）からレーザ溶接して、キャップ体１３にリード板２１を接合する。そうすると、図５（ｃ）に示すように、リード板２１側からのレーザ溶接部１７ｂとセル端子１４側からのレーザ溶接部１７ａとが対面することになり、図５（ｄ）に示すように、リード板２１側からのレーザ溶接部１７ｂとセル端子１４側からのレーザ溶接部１７ａとが一体となるまでレーザ溶接する。

すなわち、リード板２１とセル端子１４との接合は、レーザ溶接での溶込み深さが１．０〜１．９ｍｍまでとする。この場合、例えば、レーザ溶接条件を下記のように設定する。
レーザ出力：７００W〜２０００W
溶接速度：７００ｍｍ/分〜３０００ｍｍ/分
シールドガス流量：１０〜１００リットル/分
レーザ照射スポット径：０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍ
レーザ入射角度：面直から±３０°
それにより、溶け込み深さをリード板２１とキャップ体１３の合計の板厚までとするレーザ溶接部１７を形成することができる。

以上の説明では、キャップ体１３とセル端子１４とを予めレーザ溶接で接合しておき、その後に、キャップ体１３とリード板２１とをレーザ溶接で接合するようにしたが、セル端子１４、リード板２１およびキャップ体１３とを、１度にレーザ溶接で接合するようにしてもよい。この場合には、セル端子１４、リード板２１およびキャップ体１３の３つの部材を１工程のレーザ溶接で固着することができる。

図６は、図４に示したセル端子部分のレーザ溶接の説明図である。この場合も、図５の場合と同様に、セル端子１４ａ、１４ｂをキャップ体１３に予めレーザ溶接で接合しておき、図６（ａ）に示すように、セル端子１４ａ、１４ｂを下向きにして溶接治具２２にセットする。

図５の場合と異なるのは、キャップ体１３に凸状突起１５を形成した際のプレス加工により凹部１６が形成されていることである。この凹部１６があるので、セル端子１４とキャップ体１３とのレーザ溶接部１７ａの反対側（リード板２１側）から対面してレーザ溶接することができないので、レーザ溶接部１７ａの位置からずれた位置に対してレーザ溶接し、キャップ体１３にリード板２１を接合する。従って、図５の場合のように、レーザ溶接部１７ａとレーザ溶接部１７ｂとが一体となることはない。

本発明の実施の形態によれば、セル端子１４を略直方体のブロックで形成し外装缶１２のキャップ体１３の一面と接合するので、外装缶１２から突出するセル端子１４を大きくでき、セル端子１４間の接続バー１８の接合をし易くできる。また、セル端子１４の端面と外装缶１２の面と装着する凸状突起や凹部を設けるので、セル端子１４を外装缶１２に精度よく装着できレーザによる突合せ溶接が容易となり接合信頼性が増す。従って、レーザ突合せ溶接を行う際に、外装缶側にレーザが漏れ、外装缶に穴が開くなどの影響を回避できる。

また、セル端子、外装缶、接続バーの材料として、Ａ１０５０などの純アルミ、Ａ３００３やＡ５０５２などのアルミ合金を用いるので、こられの間をクラック無しに接合することができる。

本発明の実施の形態に係わるセル端子構造の構成図。本発明の実施の形態に係わるセル端子間接続構造の構成図。本発明のセル端子製造方法を用いて製造したセル端子構造の一例を示す説明図。本発明のセル端子製造方法を用いて製造したセル端子構造の他の一例を示す説明図。図３に示したセル端子構造のレーザ溶接の説明図。図４に示したセル端子構造のレーザ溶接の説明図。

符号の説明

１１…電池セル、１２…外装缶、１３…キャップ体、１４…セル端子、１５…凸状突起、１６…凹部、１７…レーザ溶接部、１８…接続バー、１９…穴、２０…絶縁体、２１…リード板、２２…溶接治具、２３…冷却板、２４…バネ、２５…ノズル、２６…レーザ光

Claims

略直方体のブロックで形成され外装缶のキャップ体に直接レーザ接合されるセル端子と、
前記セル端子を形成する端面と相対するように前記外装缶のキャップ体に設けられ前記セル端子を装着するための凸状突起とを備え、
前記外装缶のキャップ体への前記セル端子の接合を前記セル端子の端面と前記キャップ体に設けられた前記凸状突起との接触面の位置で行うことを特徴とする電池セル。
前記セル端子を、前記外装缶の面側から先端に向かい段階的に狭く凸状直方体に成形したことを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
前記セル端子と前記外装缶との間を連続発振のレーザ溶接で接合したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電池セル。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電池セルのセル端子間を、前記セル端子の先端形状よりも大きい穴を形成した接続バーによって、接続したことを特徴とするバッテリパック。
前記接続バーの略中央部を凸状に曲げ成形したことを特徴とする請求項４に記載のバッテリパック。
前記セル端子と前記接続バーとの間を連続発振のレーザ溶接で接合したことを特徴とする請求項４または５に記載のバッテリパック。
セル端子を略直方体のブロックで形成し、
前記セル端子を形成する端面と相対するように外装缶のキャップ体に設けられた凸状突起に前記セル端子を装着し、
前記外装缶のキャップ体への前記セル端子の接合は前記セル端子の端面と前記キャップ体に設けられた前記凸状突起との接触面の位置でレーザ接合で行い、
その後に前記外装缶の内部に収納されるリード板と前記キャップ体とを接合することを特徴とする電池セル製造方法。
前記セル端子がアルミ合金（Ａ3000番）系もしくは純アルミＡｌ（Ａ1000番）系で、リード板が純アルミＡｌ（Ａ1000番）系材料で構成されることを特徴とする請求項７に記載の電池セル製造方法。