JP5528571B2 - 電池モジュールと電池モジュール溶接方法 - Google Patents

電池モジュールと電池モジュール溶接方法 Download PDF

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Description

本発明は、複数の電池を組み合わせて形成された電池モジュールに関するものである。
近年、化石燃料の使用量の低減や、COの排出量を削減するために、自動車などのモータ駆動用の電源として、電池モジュールの需要が高まっている。この電池モジュールは、所望の電圧や容量を得るために、電池を複数個搭載して構成されている。
ここで用いられる電池としては、省資源や省エネルギーの観点から、繰り返し使用できるニッケル水素、ニッケルカドミウムやリチウムイオンなどの2次電池が挙げられるが、中でも、リチウムイオン2次電池は、軽量でありながら、起電力が高く、高エネルギー密度であるため、電池モジュール用の電池として期待が大きくなっている。
筒型のリチウムイオン2次電池は、例えば、図10に示すように、アルミニウム製の正極リード1を備えた正極2と、銅製の負極リード3を備え前記正極2と対向する負極4とを有する。
そして、正極2と負極4を、セパレータ5を介して捲回した電極群6を、その上下に絶縁板7a,7bを装着して電池ケース8に挿入し、正極リード1の他方の端部を封口板10に、負極リード3の他方の電池ケース8の底部に溶接する。
さらに、リチウムイオンを電解する非水電解質を電池ケース8内に注入し、電池ケース8の開放端部を、ガスケット9を介して封口板10等とともにかしめた構成を有している。11は正極キャップである。
この筒型のリチウムイオン2次電池を複数連結して構成された電池モジュール12は、図11〜図13に示すように構成されている。
電池モジュール12は図11に示したように、例えばポリカーボネート樹脂などの絶縁性樹脂材よりなる筐体13および蓋体14を有し、その内部に配線基板15と複数の筒電池16を収納して構成されている。配線基板15は図12の(a)(b)(c)に示すように、例えばガラス−エポキシ基板からなり各筒電池16の正極と接続する接続端子17と、各筒電池16の負極と接続する接続板18とを備え、隣接する接続端子17と接続板18とを接続する電源配線(パワーライン 図示せず)から構成されている。
なお、接続端子17や接続板18は、例えばニッケル板やリード線などで構成され、銅箔などで形成された前記電源配線と接続されている。
そして、図13に示すように、配線基板15と電池ケース8の間には絶縁体19が介装されている。筒電池16の正極キャップ11は、配線基板15の接続端子17と正極溶接部20において接続されている。各筒電池16,16,・・・の負極21は、負極溶接部22において接続板18と接続されている。
特開2010−140695号公報
しかしながら、特許文献1に開示されるような電池モジュールでは、筒電池の底部で負極溶接を行うために接続板18が必要となり、材料費が高くなるとともに、体積および重量が増加するという問題がある。
また、電池の昇温や冷却を行う際に、接続板18が存在することがその効率を低下させるという問題がある。
本発明は、低コストで小型軽量な電池モジュール、また、電池の昇温や冷却を効率良く行える電池モジュールを実現することを目的とする。
本発明の電池モジュールは、片端が開放している筒状の電池ケースの開放端を封口して、前記開放端の周囲に負極である曲率を有した肩部と、前記開放端の中央に正極の突起部とを配置した複数の筒電池の正極と負極を電気的に接続した電池モジュールであって、前記正極の突起部を配置した側の前記筒電池の端部で、前記筒電池の負極である電池ケースの開放端側の周囲の曲率を有した肩部と、接続板とを、負極溶接部にて接続し、前記正極の突起部と接続端子とを正極溶接部にて接続したことを特徴とする。
また、本発明の電池モジュール溶接方法は、電池ケースのかしめて封口され曲率を有した肩部を同一方向にして配置した複数の筒電池の前記肩部に接続板を載せ、前記接続板の前記電池ケースの肩部との密着部または前記密着部を横切る直前から直後にわたる範囲に、前記接続板の前記密着部とは反対側の面からレーザ光線を照射して溶接することで、前記接続板と前記電池ケースが電気接続された負極溶接部を形成することを特徴とする。
この構成によれば、筒電池の肩部で負極を接続板と溶接するので、筒電池の底部に負極接続板を設ける必要がない。また、筒電池の長さにばらつきがあってもその影響を受けることなく接続できる。電池モジュールの昇温や冷却が必要な使用形態において、筒電池の端部の全体を温度調節された中間材料などに接触させて効率よく熱交換することができるため、昇温や冷却の効率を改善できる。
また、接続板と電池ケースとの密着部の予想位置と接するまたは横切ると思われる直前から直後にわたるタイミングにレーザ溶接して線状のレーザ走査を行うことにより、溶接時の筒電池とレーザ軌跡の位置合わせが不要になり、短時間で溶接が可能である。特に、複数の筒電池の配列方向に沿って走査してレーザ光線を照射して負極溶接部を形成しているので、一つの筒電池の接続板への溶接を完了してから次の筒電池の接続板への溶接を実施する場合に比べて、一つの筒電池への単位時間当たりに与える熱の影響が少なく、接続板の歪みも少ない。
本発明に係る実施の形態1において溶接された筒電池の正極および負極の溶接部分を示す横断面図 本発明に係る実施の形態1における筒電池の溶接接合部の横断面図 本発明に係る実施の形態1において筒電池を溶接するレーザ軌跡を示す平面図 本発明に係る実施の形態1において溶接された電池モジュールを示す斜視図 筒電池とレーザ軌跡の新たな課題を説明する平面図 本発明に係る実施の形態2において筒電池を溶接するレーザ軌跡を示す平面図 本発明に係る実施の形態3において筒電池を井桁状に溶接するレーザ軌跡を示す平面図 本発明に係る実施の形態3において筒電池を井桁状に2重溶接するレーザ軌跡を示す平面図 本発明に係る実施の形態5において行われるファイバレーザと半導体レーザを重ね合わせたハイブリッドレーザを用いた溶接を示す構成図 一般的な筒電池の断面図 特許文献1において開示されている電池モジュールの分解斜視図 (a)特許文献1の配線基板とその周辺の斜視図、(b)図12(a)のA−A線断面図、(c)図12(a)の平面図 特許文献1において開示されている電池モジュールの筒電池の正極および負極の溶接部分を示す断面図 本発明に係る実施の形態4において行われるキーホール溶接の拡大説明図
以下、本発明の電池モジュールと電池モジュール溶接方法を、図1〜図9と図14に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1〜図4は、本発明の実施の形態1を示す。
図1は実施の形態1の電池モジュール12を示し、複数の筒電池16,16,・・・の負極21の間を接続板23で電気接続して構成されている。24は負極21と接続板23との負極溶接部で、レーザ溶接されている。正極の突起部としての正極キャップ11は配線基板15の接続端子17と正極溶接部20で電気接続されている。配線基板15と接続板23の間には絶縁体19が介装されている。
なお、各筒電池16,16,・・・の基本的な構造は図10に示したものと同じであって、同じものには同一の符号を付けて説明するが、筒電池の間を電気接続する構造が図11〜図13とは異なる。
筒電池16,16,・・・は、正極2と負極4をセパレータ5を介して捲回した電極群6を、その上下に絶縁板7a,7bを装着して電池ケース8に挿入し、正極リード1の他方の端部を封口板10に、負極リード3の他方の電池ケース8の底部に溶接する。
さらに、リチウムイオンを電解する非水電解質を電池ケース8内に注入し、電池ケース5の開放端部を、ガスケット9を介して封口板10等とともにかしめて封口されている。
電池ケース8の開放端部をかしめて封口した後に、次のようにして負極21と接続板23を接続する。
電池ケース8の開放端部をかしめて封口した筒電池16は、図2に示すように電池ケース8の負極21の肩部21aは表面に曲率を有するため、平板状の接続板23を上に載置した場合に、接続板23と電池ケース8の肩部との当接個所は図3に二点鎖線で示す円周状の密着部25になる。接続板23の前記電池ケース8との当接面とは反対側の面に、各筒電池16ごとに密着部25を倣うように走査を行ってレーザ光線26を円周状に照射して、接続板23と電池ケース8の当接部を順次溶接して負極溶接部24を形成し、図4に示すように、複数の筒電池16,16,・・・の負極が接続板23に溶接された状態に組み立てられる。
さらに図1に示すように、正極溶接部20において正極キャップ11と接続端子17が接合されるが、接続板23と配線基板15は絶縁体19によって絶縁されており、接続端子17と配線基板15は、はんだ等によって接続されている。
この構成によると、筒電池の底部で負極溶接を行っていた接続板が不要となり、従来に比べて材料費の低廉化、ならびに体積および重量を低減できる。また、隣接する筒電池16の負極21の接続は、各筒電池16の正極キャップ11の周囲に位置している負極21の肩部21aの間を、隣接する筒電池16の正極キャップ11に対応して孔48が形成されていて正極キャップ11と接触しない接続板23を介して、筒電池16の正極キャップ11の側だけで接続しているため、筒電池16の長さにばらつきがあってもその影響を受けることなく接続できる。また、筒電池16の正極キャップ11の側とは反対側の端部49には接続板などを設けなくても済むため、電池モジュールの昇温や冷却が必要な使用形態において、筒電池16の端部49の全体を温度調節された液体または衝撃吸収作用と温度伝達機能を併せ持ったゲルなどの中間材料などに接触させて効率よく熱交換することができるため、昇温や冷却の効率を改善できる。
(実施の形態2)
筒電池の肩部の負極は、図2にも示したように表面に曲率を有するため、筒電池の外形形状精度が低い場合には、図5に示す密着部25と筒電池16自体との間に偏芯が生じ、接続板23との密着部25が楕円形になったりする。さらに筒電池16自体を回転させてレーザ照射する場合には、筒電池16自体が回転することにより密着部25の軌跡が変化するため、レーザ軌跡を密着部25に位置合わせすることが困難となる。その結果、このような円周状の溶接の場合には、密着部25とレーザ軌跡27の間にズレが生じることとなり、電池ケース8の肩かしめ部分とその上に乗せられた接続板23との間に隙間が生じるため、接合面積が小さくなるとともに溶接強度が低下し、さらには隙間が大きい場合には接合されないという不具合が生じる。
またこの微妙な位置ズレによって、溶接強度偏りや溶接強度バラツキが発生し、また円周状にレーザを走査するため溶接歪みが発生する可能性がある。さらに、2個以上の電池を溶接する際に、1個ずつ時系列に溶接する必要があるため、溶接に時間がかかるという問題もある。
この実施の形態2はレーザ光線26の走査を、実施の形態1のそれとは変更することによって、溶接時の電池モジュールとレーザ軌跡の位置合わせが不要にできる。
つまり、図6に示すように、隣接して配置されている複数の筒電池16,16,・・・の上に接続板23(図6では図示せず)を載置した後、接続板23とそれぞれの筒電池16の肩部との密着部25と思われる予想位置を横切るように、レーザを照射する。
具体的には、複数の筒電池16,16,・・・の配列方向(矢印28方向)に沿った軌跡L1,L2,L3,L4でレーザ走査し、各筒電池16の密着部25と接すると思われる、または各筒電池16の密着部25を横切ると思われる、直前から直後にわたるタイミングT1,T2,T3,T4,T5,T6にだけレーザ照射のパワーを溶接できるパワーに切り換えて、接続板23と電池ケース8のかしめ部分の肩部21aの頂部を溶接して負極溶接部24を形成する。このときの負極溶接部24の形状は線状になる。50は各筒電池16の正極キャップ11の中心を通る線である。なお、ここでは筒電池16の正極の中心と正極キャップ11の中心は一致している。
軌跡L1の走査が終了すると、複数の筒電池16,16,・・・の配列方向(矢印28方向)とは交差する方向にレーザ照射位置を移動させて軌跡L2の走査を行って、各筒電池16の密着部25を横切ると思われる直前から直後にわたるタイミングT7,T8,T9,T10,T11,T12にだけレーザ照射のパワーを溶接できるパワーに切り換えて、筒電池かしめ部分の頂部と接続板23を溶接する。以下、同様に軌跡L3,L4の走査を行ってタイミングT13〜T18,T19〜T24にだけレーザ照射のパワーを溶接できるパワーに切り換えて、接続板23と電池ケース8のかしめ部分の肩部21aの頂部を溶接する。
このように形成された各筒電池16における負極溶接部24の数は複数の8個所であって、各筒電池16の正極キャップ11の中心に対して何れも点対称である。線状の何れの負極溶接部24もその延長線は、各筒電池16の正極キャップ11とは交差しない。また、この8つの負極溶接部24が電池ケース8の周方向に分散して形成されているので、電流集中も無く、良好に電力を取り出せる。これらの点は以下の実施の形態においても同様である。
また、実施の形態2を示す図6では複数の負極溶接部24を、複数の筒電池16の 正極キャップ11の中心を通り、複数の筒電池16の配列方向28に沿った線50に対して、線対称の形状に配置されている。
この溶接方法では、レーザ軌跡は必ず密着している部分を横断するため、位置合わせが不要になるという利点があり、また一直線に複数の筒電池16をまとめて溶接するため短時間で溶接が可能である。さらに、溶接強度の偏りや溶接強度バラツキを無くして強度を均等化および安定化するとともに、溶接歪みを無くして溶接精度および機械精度を向上させることができる。
また、複数の筒電池16の配列方向28に沿って走査してレーザ光線26を照射して負極溶接部24を形成しているので、一つの筒電池16の接続板23への溶接を完了してから次の筒電池16の接続板23への溶接を実施する場合に比べて、一つの筒電池16への単位時間当たりに与える熱の影響が少なく、接続板23の歪みも少ない。
このように複数の筒電池16を共通の接続板23で片側を溶接する場合に、接続板23の歪みが少ないということは、接続された複数の筒電池16を整列状態に維持できる点で非常に好ましく、多くの筒電池を限られたスペースに収めて車載用バッテリーなどを製造する場合に有効である。
(実施の形態3)
実施の形態2ではレーザ光線26の走査を、複数の筒電池16,16,・・・の配列方向(矢印28方向)の軌跡L1,L2,L3,L4で移動させたが、筒電池16の円周方位角に対する接合強度や電池モジュール動作時の電流密度の均一性の観点から、図7に示すような矩形形状である例えば井桁状の溶接も好適に用いられる。ここで接合面積が小さいと、電池モジュール動作時に電流が流れた際の接合部の発熱が大きくなり、温度上昇が許容範囲内に収まらない場合があるが、その場合には図8に示すように溶接線を2重にすることにより接合面積や接合強度を向上させることができる。
図7に示した実施例では、軌跡L1に沿ってレーザ走査位置を移動させて各筒電池16の密着部25と接すると思われる、または筒電池16の密着部25を横切ると思われる、直前から直後にわたるタイミングT1〜T8にだけレーザ照射のパワーを溶接できるパワーに切り換えて、接続板23と電池ケース8のかしめ部分の肩部21aの頂部を溶接する。溶接が終わった筒電池16に隣接した溶接前の筒電池16についても同様に溶接する。
この場合にも、タイミングT1〜T8にだけレーザ照射のパワーを溶接できるパワーに切り換えて、一つの筒電池の外周に沿って並んだ間欠的な複数の溶接点によって、接続板23と電池ケース8の肩部21aとの負極溶接部24が形成されているので、前記密着部25に沿って連続してレーザ照射して溶接する場合に比べて、各筒電池16および接続板23に作用する熱影響が小さい。
図8に示した実施例では、軌跡L1に沿ってレーザ走査位置を移動させて図7と同様に溶接した後に、軌跡L1の内周側の軌跡L2にレーザ走査位置を移動して、前記密着部25と接すると思われる、または筒電池16の密着部25を横切ると思われる、直前から直後にわたるタイミングT9〜T16にだけレーザ照射のパワーを溶接できるパワーに切り換えて、接続板23と電池ケース8のかしめ部分の頂部を溶接する。溶接が終わった筒電池16に隣接した溶接前の筒電池16についても同様に溶接する。
(実施の形態4)
上記の各実施の形態では、レーザ溶接の形態が熱伝導型であった場合には、電池ケース8をレーザが貫通したり、電池ケース8の温度が上がりすぎたりしないようにレーザパワーを非常に高精度に調節することが必要であるが、レーザ溶接の形態として走査速度の高いキーホール溶接を各実施の形態に採用することによって、ガスケット9の応力緩和が起こらない範囲に電池ケース8の温度上昇を抑え、電解液が漏液しないように溶接を行うことができ、より簡単に、しかも短時間で、接続板23と筒電池16を溶接できる。
キーホール溶接の際には、図14に示すように、接続板23を通して負極21の表面付近までレーザ光線26が届くように、熱伝導型レーザ溶接の場合よりも高出力のレーザ光線26を使用する。このキーホール溶接では、レーザの熱によってレーザ照射位置の接続板23と負極21の肩部が部分的に溶融し、溶融金属の溜まりである溶融池40が形成される。この溶融池40の先端部分でレーザが接続板23を貫通してキーホール41が形成される。このキーホール溶接では、接続板23の熱伝導によって溶融部を拡げる熱伝導型の溶接とは異なり、溶接される接続板23の溶接個所以外の部分の温度上昇を抑えることができ、特に、レーザパワーによって走査速度の速いキーホール溶接を行うことによって、電池ケース8の温度上昇を熱伝導型レーザ溶接の場合よりも低く抑えることができる。図14において矢印42は溶接進行方向、矢印43は溶融池40での溶融の流れ、44は気泡、45はボイド、46はスパッタである。
レーザ光線26の出力制御に際しては、キーホール深さ47の変動とその溶接の際のプラズマ発光の発光量とには相関があるため、プラズマ発光量を計測し、計測によって得られたプラズマ発光量が目標キーホール深さの場合の目標プラズマ発光量に近付くように、レーザ光線26の出力パワーを制御することによって、キーホール41の細長い形状を安定にできる。
(実施の形態5)
上記の各実施の形態におけるレーザ照射の具体例を図9に示す。
この実施の形態5では、ファイバレーザ29と半導体レーザ30を重ね合わせたハイブリッドレーザが好適に用いられる。レーザ鏡筒31はミラー32,33とレンズ34を有している。レーザ鏡筒31に入射したファイバレーザ29は、ミラー32で反射してミラー33とレンズ34を通過して負極溶接部に向けて照射される。レーザ鏡筒31に入射した半導体レーザ30は、ミラー33で反射してレンズ34を通過して負極溶接部に向けて照射される。ここでは、ファイバレーザ29により溶込み深さを制御し、半導体レーザ30によって溶接幅を確保することによって、電池ケースの厚みに対して寸止めの溶込み深さで十分な溶接幅を得ることができる。また、ハイブリッドレーザの特徴として、スパッタやブローホールの発生を抑止し、溶接品質を向上させることができる。
本発明は、高い性能および信頼性とともに省資源や省エネルギーが要求される、自動車などのモータ駆動用の電源に用いるための、電池を複数個搭載した電池モジュールおよびその溶接方法として有用である。
8 電池ケース
9 ガスケット
10 封口板
11 正極キャップ
12 電池モジュール
13 筐体
14 蓋体
15 配線基板
16 筒電池
17 接続端子
18 接続板
19 絶縁体
20 正極溶接部
21 負極
21a 肩部
22 負極溶接部
23 接続板
24 負極溶接部
25 密着部
26 レーザ光線
27 レーザ軌跡
28 複数の筒電池16の配列方向
L1,L2,L3,L4 軌跡
T1〜T6,T7〜T12,T13〜T18,T19〜T24 溶接実行のタイミング
29 ファイバレーザ
30 半導体レーザ
31 レーザ鏡筒
32,33 ミラー
34 レンズ

Claims (13)

  1. 片端が開放している筒状の電池ケースの開放端を封口して、前記開放端の周囲に負極である曲率を有した肩部と、前記開放端の中央に正極の突起部とを配置した複数の筒電池の正極と負極を電気的に接続した電池モジュールであって、
    前記正極の突起部を配置した側の前記筒電池の端部で、前記筒電池の負極である電池ケースの開放端側の周囲の曲率を有した肩部と、接続板とを、負極溶接部にて接続し、前記正極の突起部と接続端子とを正極溶接部にて接続し
    電池モジュール。
  2. 前記負極溶接部の形状が、前記接続板と前記電池ケースの肩部との密着部に交差する線状である
    請求項1に記載の電池モジュール。
  3. 一つの前記筒電池毎に、複数の前記負極溶接部を有する
    請求項1または請求項2に記載の電池モジュール。
  4. 一つの前記筒電池当たりに、複数の前記負極溶接部を有し、複数の前記負極溶接部は、前記正極の突起部の中心に対して点対称の形状となるよう配置されている
    請求項1または請求項2に記載の電池モジュール。
  5. 複数の前記負極溶接部を、複数の筒電池の 前記正極の突起部の中心を通り、前記複数の筒電池の配列方向に沿った線に対して、線対称の形状に配置した
    請求項1または請求項2に記載の電池モジュール。
  6. 線状の前記負極溶接部の延長線が、正極の突起部に交差しない
    請求項2〜請求項5の何れかに記載の電池モジュール。
  7. 前記接続板と前記電池ケースの曲率を有した肩部との間がキーホール溶接されている
    請求項1〜請求項6の何れかに記載の電池モジュール。
  8. 電池ケースのかしめて封口され曲率を有した肩部を同一方向にして配置した複数の筒電池の前記肩部に接続板を載せ、
    前記接続板の前記電池ケースの肩部との密着部または前記密着部を横切る直前から直後にわたる範囲に、前記接続板の前記密着部とは反対側の面からレーザ光線を照射して溶接することで、前記接続板と前記電池ケースが電気接続された負極溶接部を形成する
    電池モジュール溶接方法。
  9. 複数の筒電池の配列方向に沿って走査してレーザ光線を照射して前記負極溶接部を形成する
    請求項8に記載の電池モジュール溶接方法。
  10. 複数の前記筒電池ごとに、前記接続板と前記電池ケースとの密着部または前記密着部を横切る矩形形状の軌跡でレーザ光線を走査して前記負極溶接部を形成する
    請求項8に記載の電池モジュール溶接方法。
  11. キーホール溶接により前記負極溶接部を形成する
    請求項8〜請求項10の何れかに記載の電池モジュール溶接方法。
  12. ファイバレーザと半導体レーザを重ね合わせたハイブリッドレーザを前記接続板に向けて照射し、前記ファイバレーザにより前記負極溶接部の溶込み深さを制御し、前記半導体レーザによって溶接幅を確保して溶接する
    請求項8〜請求項11の何れかに記載の電池モジュール溶接方法。
  13. キーホール溶接個所でのプラズマ発光量を計測し、計測によって得られたプラズマ発光量が目標キーホール深さの場合の目標プラズマ発光量に近付くように、前記レーザ光線の出力パワーを制御してキーホールの形状を制御する
    請求項11に記載の電池モジュール溶接方法。
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