JP5535597B2 - 単電池の接続装置、この接続装置を具備する組電池およびその製造方法 - Google Patents

単電池の接続装置、この接続装置を具備する組電池およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、単電池の接続装置、この接続装置を具備する組電池およびその製造方法に関し、特に、大電流の対応性および熱の放散性などを向上する技術に関する。
近年、環境問題などから電気自動車が注目され、これに使用される大容量の組電池に対する要求が高まっており、従来では、例えば、単電池（単セルとも称する）を直列や並列に接続した組電池、例えば、複数の電池を接続した電池ユニットやこの電池ユニットをさらに複数接続して構成した電池モジュールを、容器本体（ケーシング）内に組み込んだ大容量の組電池が提案されている（特許文献１〜３参照）。
特開２００３−１５１５２９号公報 特開２００３−３３１８１６号公報 特開２００４−１１１０９８号公報
ところで、上記のような組電池を製造する場合、従来では、例えば、図１０に示すように、複数の単電池１３を、正電極１３Ａ同士および負電極（図示せず）同士がそれぞれ同一面にあるように縦横に並べ、平板からなる電極接続片１４を正電極１３Ａ側と負電極側にそれぞれ配して、この電極接続片１４により、正電極１３Ａ同士、負電極同士をそれぞれ接続し、正電極１３Ａ側の電極接続片１４と負電極側の電極接続片（図示せず）とに、それぞれリード線１５を半田付けなどで直接接続するようにしている。
しかしながら、従来では、このように、比較的薄肉の平板からなる電極接続片１４自体に直接リード線１５を半田付けなどで直接接続している構成であるため、大電流には耐え難い。
また、このようなユニット化、モジュール化した大容量の組電池においては、この組電池が大型化すればするほど、その充放電時に電池内部で発生する熱がこの電池内部に蓄積し、電池の内部温度が上昇するため、このような電池ユニットや電池モジュールでは電池内部で発生する熱を如何に効率良く放散するかが重要な課題になる。
しかし、従来では、縦横に隣接する単電池１３相互の隙間が電極接続片１４によって塞がれてしまうため、該隙間に空気が流れ難く、熱が逃げないため、組電池内部で発生する熱を効率良く放散することはできず、冷却性に劣るという問題点があった
本発明は、上記のような課題を解決するためなされたものであり、組電池を形成する際の電極接続構造やリード部の構造の改良を図ることにより、大電流に耐え易くし、熱の放散性を高めて、冷却性の向上などを図った単電池の接続装置、この接続装置を具備する組電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記した課題を解決するため、請求項１に係る発明の単電池の接続装置は、正電極同士および負電極同士が同一面にあるように縦横にそれぞれ複数列ずつ並べた多数の単電池を接続する装置であって、互いに平行をなして離間し、縦または横の列毎にそれぞれ一方向に並ぶ電極同士を電気的に接続する導電性材料からなる複数の内部接続片と、該複数の内部接続片に固定されて、該内部接続片同士を電気的に接続する導電性材料からなる１つ以上の外部接続片とを、単電池の正電極および負電極に対応して備え、前記外部接続片は、その一端部から突出し、連結固定部として機能すると共にリード線が接続可能なリード部を有することを特徴とする。
請求項２に係る発明は、前記内部接続片同士は、前記外部接続片の固着位置に沿って延びる連結桟部により連結され、該内部接続片と該連結桟部とが一体成形されることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、正電極同士および負電極同士がそれぞれ同一面にあるように縦横にそれぞれ複数列ずつ並べた多数の単電池を接続する装置であって、同一面に並ぶ電極同士を電気的に接続する導電性材料からなる１つの内部接続片と、該内部接続片に電気的に接続された導電性材料からなる１つ以上の外部接続片とを、単電池の正電極および負電極に対応して備え、前記内部接続片は、縦横に隣接する単電池相互の隙間位置に対応した位置に開口された通気穴を有し、前記外部接続片は、その一端部から突出し、連結固定部として機能すると共にリード線が接続可能なリード部を有することを特徴とする。
請求項４に係る発明は、前記内部接続片は、隣接する単電池間位置に対応した内側部分に位置し前記外部接続片が嵌め込まれる凹溝を有することを特徴とする。
請求項５に係る発明は、前記外部接続片は、前記リード部が外側に張り出した階段状に形成されたことを特徴とする。
請求項６に係る発明は、前記リード部の連結固定部としての機能は、連結固定部同士を連結固定する機能および連結固定部を接続された単電池の収納部の壁部に連結固定する機能のうち少なくともいずれか一方であることを特徴とする。
請求項７に係る発明の単電池の接続装置を具備する組電池は、請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の単電池の接続装置を具備する組電池であって、縦横にそれぞれ複数列ずつ並べた多数の単電池を接続して電池ユニットとしたことを特徴とする。
請求項８に係る発明は、前記電池ユニットを複数列接続して電池モジュールとしたことを特徴とする。
請求項９に係る発明の組電池の製造方法は、請求項７記載の組電池の製造方法であって、複数の単電池を横方向に列状に並べて、それぞれをテープで張り付け固着した電池群を複数形成し、該電池群を縦方向に列状に並べ、内部接続片と外部接続片との一体化物を、前記列状の電池群の正電極と負電極にそれぞれ固着して電池ユニットを形成したことを特徴とする。
請求項１０に係る発明は、前記電池ユニットを複数直列に並べ、隣接する電池ユニット同士のリード部を互いに向き合わせて接触させ、両リード部の連結固定部同士を連結固定して、隣接する電池ユニット同士が接続された電池モジュールを形成したことを特徴とする。
請求項１に係る発明によれば、正電極同士および負電極同士がそれぞれ同一面にあるように縦横にそれぞれ複数列ずつ並べた複数の単電池を接続する装置として、複数の内部接続片とこれら内部接続片同士を接続する外部接続片とを設け、内部接続片に、単電池の電極接続を担わせるようにすると共に、外部接続片の一端部にリード部を突出形成して、該外部接続片に、リード線の接続を担わせるようにした結果、大容量の組電池に流れる大電流に耐えられる接続構造となる。
また、複数の内部接続片同士の間には、それぞれ間隙があり、縦横に隣接する単電池相互の隙間が外部に開放されるため、該隙間に空気が流れ易くなり、つまり、通気性が良くなって、熱が逃げるため、単電池内部で発生する熱を効率良く放散することができるようになり、冷却性を向上することができる。
請求項２に係る発明によれば、大電流に耐えられる接続構造となり、冷却性を向上することができるのは勿論のこと、多数の内部接続片を製作しなくとも良く、部品数の低減を図ることができ、また、多数の内部接続片を設けたもののように、これらを外部接続片に嵌め込まなくて良いと共に、外部接続片に対して、位置決めする必要もないため、製作性に優れている。
請求項３に係る発明によれば、大電流に耐えられる接続構造となり、冷却性を向上することができる、また、製作性に優れているのは勿論のこと、１枚の板部材などに通気穴を開口形成しただけであるため、内部接続片の強度を向上することができる利点がある。
請求項４に係る発明によれば、内部接続片の、隣接する単電池間位置に対応した内側部分に、外部接続片が嵌め込まれる凹溝を形成するようにしたから、外部接続片の内部接続片に対する取付位置が明らかになり、外部接続片の位置決めが容易となると共に、外部接続片と内部接続片とを固着する前に、外部接続片を内部接続片に仮止めすることができ、内部接続片と外部接続片との固定取付性を向上することができる。
請求項５に係る発明によれば、外部接続片を、そのリード部が外側に張り出すように階段状に形成した結果、例えば、電池ユニット同士を接続した場合に、互いに向き合うリード部間に隙間ができず、確実に接触するため、両リード部同士の例えば締結具による締結状態が確実なものとなる。因みに、外部接続片のリード部が外側に張り出していないと、互いに向き合うリード部間に内部接続片の板厚分の隙間ができてしまい、リード部同士の接触状態が確実なものとはならない。
請求項６に係る発明によれば、リード部の連結固定部に、連結固定部同士を連結固定する機能および連結固定部を接続された単電池の収納部の壁部に連結固定する機能のうち少なくともいずれか一方を持たせたことにより、別途に連結固定部材などを用意する必要がないなど、機能的に優れている。
請求項７および８に係る発明によれば、請求項１記載の発明のような利点を有する単電池の接続装置を具備した、電池ユニットや電池モジュールとすることができる。
請求項９および請求項１０に係る発明によれば、電池ユニットや電池モジュールを製造するに際しては、テープで張り付け固着した電池群を縦方向に列状に並べて互いに接着し、複数の内部接続片と外部接続片との組付一体化物を、列状の電池群それぞれの正電極と負電極とにそれぞれスポット溶接等で固着して電池ユニットを設け、また、この電池ユニットを複数列接続することにより、電池モジュールを設けるようにしたから、電池ユニットや電池モジュールを簡単に製造できる。
以下、添付図面に基づいて、本発明に係る単電池の接続装置、この接続装置を具備する組電池およびその製造方法の好適な実施の形態を具体的に説明する。
図１には、同上の組電池としての、電気自動車などに使用される電池ユニットの構造が示され、図２には、電池ユニットを複数列接続した電池モジュールの構造が示され、図３〜図７には、同上の接続装置の構造が示されている。
図１において、上記の電池ユニット１は、正電極２Ａ同士および負電極２Ｂ同士がそれぞれ同一面にあるように縦横にそれぞれ複数列（４列）ずつ並べた複数本（１６本）の円柱形状の単電池２を、接続装置の一実施形態を使用して接続したものである。
ここで、図１において、同上の接続装置は、複数（本実施形態では、４つ）の内部接続片３と１つ以上（本実施形態では、１つ）の外部接続片４とを、単電池２の正電極２Ａおよび負電極２Ｂに対応して備えている。
内部接続片３および外部接続片４は正電極用のものと負電極用のものとが共通の構成であり、片方の構成のみ説明すると、内部接続片３は、図３に示す如くの構成であって、導電性材料、例えば、ニッケル等の金属からなる方形の短冊板形状に形成されている。
かかる内部接続片３の長手方向の中央部には、隣接する単電池（後述する）間位置に対応した内側部分に位置し、外部接続片４が嵌め込まれる凹溝３Ａが形成されている。この場合、内部接続片３の長手方向の中央部が方形に屈曲されて、内側が凹形状、外側が凸形状に成形されることで、凹溝３Ａが形成される。
かかる内部接続片３は、例えば、４つが互いに平行をなして離間し、縦または横（本実施形態では、横）の列毎にそれぞれ一方向に並ぶ、単電池２の電極同士を電気的に接続する。
一方、外部接続片４は、図４に示す如くの構成であって、導電性材料、例えば、銅等の金属からなる方形の短冊板形状に形成されており、前記内部接続片３の肉厚寸法よりも、若干厚い肉厚寸法に形成されている。
外部接続片４の一端部には、連結固定部として機能すると共に、リード線が接続可能なリード部４Ａが突出形成されている。この場合、外部接続片４は、それぞれ上記のリード部４Ａが若干外側に張り出すように階段状に形成されている。また、リード部４Ａには、丸孔４ａが開口形成されている。
なお、前記リード部４Ａの連結固定部としての機能は、複数並んで隣接する組電池（後述する電池ユニット）同士を連結固定する機能および収納部（後述するケーシング）に収納される組電池（後述する電池モジュール）を該収納部の壁部に連結固定する機能のことである。
かかる外部接続片４は、図５に示すように、４本の内部接続片３の凹溝３Ａにそれぞれ嵌め込まれて溶着、半田等により固着され、該内部接続片３同士を電気的に接続する。
そして、図５に示すような、内部接続片３と外部接続片４との組付一体化物は、図１に示すように、スポット溶接等により、単電池２の正電極２Ａおよび負電極２Ｂに固着され、単電池２の両端上部に突出して位置するリード部４Ａには、図示しないが、リード線が接続され、縦横にそれぞれ複数列ずつ並べた複数の単電池を接続した、図１に示すような電池ユニット１が形成される。また、この電池ユニット１複数列（実施形態では、２つ）接続して構成した、図２に示すような電池モジュール５が形成される。
次に、かかる組電池の製造する方法について説明する。先ず、図８に示すように、複数（本実施形態では、４本）の単電池２を、正電極２Ａ同士および負電極２Ｂ同士がそれぞれ同一面に位置するように揃えて、横方向に列状に並べ、それぞれを両面接着テープ６で張り付け固着した電池群７を複数（本実施形態では、４つ）形成する。
次に、かかる電池群７を、縦方向に列状に並べる、即ち、積み上げる。この場合、両面接着テープ６が使用されているため、電池群７同士が接着される（図１参照）。
次に、上述した４つの内部接続片３の凹溝３Ａに外部接続片４を嵌め込んでから、これらをスポット溶接等で固着して、４つの内部接続片３と外部接続片４との組付一体化物を２組設ける。そして、この組付一体化物を、列状の電池群７それぞれの正電極２Ａと負電極２Ｂとにそれぞれ溶着、半田等で固着して、図１に示すような、複数の単電池２が接続された電池ユニット１を製造する。
更に、この電池ユニット１を複数列接続して、図５に示すような電池モジュール５を製造する。この場合、隣接する電池ユニット１同士は、外部接続片４のリード部４Ａが互いに向き合って接触するため（図２参照）、両リード部４Ａ同士の丸孔４ａに通したボルト９Ａとナット９Ｂ等の締結具により、両リード部４Ａ同士を締結して、隣接する電池ユニット１同士を連結固定する（図９参照）。
このようにして製造された電池モジュール５は、上記の実施形態のように、２つの電池ユニット１を接続したものには限らないのは言うまでもなく、多数の電池ユニット１を使用して電池モジュール５を設け、これを、例えば、図９に示されているように、アルミ合金、樹脂等で形成された収納部としての容器本体（ケーシング）８内に収納して使用する。
この場合、端部に位置する電池モジュール１のリード部４Ａが、前記ケーシング８の壁部８Ａに対して、ボルト９Ａとナット９Ｂ等の締結具により締結され連結固定される。また、各電池モジュール１のリード部４Ａのうち必要な箇所にあるリード部４Ａには、リード線１０が接続される。
かかる実施形態によれば、正電極２Ａ同士および負電極２Ｂ同士がそれぞれ同一面にあるように縦横にそれぞれ複数列ずつ並べた複数の単電池２を接続する装置として、複数の内部接続片３とこれら内部接続片３同士を接続する外部接続片４とを設け、内部接続片３に、単電池２の電極接続を担わせるようにすると共に、内部接続片の肉厚寸法よりも、若干厚い肉厚寸法に形成されている外部接続片４の一端部にリード部４Ａを突出形成して、該外部接続片４に、リード線１０（図９参照）の接続を担わせるようにした結果、大容量の電池ユニット１や電池モジュール５に流れる大電流に耐えられる接続構造となる。
しかも、前記リード部４Ａは、複数並んで隣接する電池モジュール１同士を連結固定する機能およびケーシング８に収納される電池モジュール５を該ケーシング８の壁部８Ａ（図９参照）に連結固定する機能を有するため、別途に連結固定部材などを用意する必要がないなど、機能的に優れている。
また、本実施形態においては、内部接続片３の、隣接する単電池２間位置に対応した内側部分に、外部接続片４が嵌め込まれる凹溝４Ａを形成するようにしたから、外部接続片４の内部接続片３に対する取付位置が明らかになり、外部接続片４の位置決めが容易となると共に、外部接続片４と内部接続片３とを固着する前に、外部接続片４を内部接続片３に仮止めしておくことができ、内部接続片３と外部接続片４との固定取付性を向上することができる。
更に、複数の内部接続片３同士の間には、それぞれ間隙があり、縦横に隣接する単電池２相互の隙間が外部に開放されるため、該隙間に空気が流れ易くなり、つまり、通気性が良くなって、熱が逃げるため、組電池内部で発生する熱を効率良く放散することができるようになり、冷却性を向上することができる。
また、外部接続片４を、そのリード部４Ａが若干外側に張り出すように階段状に形成した結果、電池ユニット１同士を接続した場合に、互いに向き合うリード部４Ａ間に内部接続片３の板厚分の隙間ができず、確実に接触するため、両リード部４Ａ同士の締結具による締結状態が確実なものとなる。因みに、外部接続片４のリード部が真っ直ぐの場合は、互いに向き合うリード部４Ａ間に内部接続片３の板厚分の隙間ができてしまい、リード部４Ａ同士の接触状態が確実なものとはならない。
更に、電池ユニット１や電池モジュール５を製造するに際しては、両面接着テープ６で張り付け固着した電池群７を縦方向に列状に並べて互いに接着し、複数の内部接続片３と外部接続片４との組付一体化物を、列状の電池群７それぞれの正電極２Ａと負電極２Ｂとにそれぞれスポット溶接等で固着して電池ユニット１を設け、また、この電池ユニット１を複数列接続することにより、電池モジュール５を設けるようにしたから、電池ユニット１や電池モジュール５を簡単に製造できる。
なお、内部接続片は、次のように構成しても良い。即ち、図６に示す実施形態では、各内部接続片３同士を、外部接続片４の固着位置に沿って延びる板状の連結桟部１１により連結し、各内部接続片３と各連結桟部１１とを一体成形する。この場合、１枚の板部材をプレス加工して、その形状に打ち抜けば良い。
かかる一体構造の内部接続片３では、先の実施形態の内部接続片３と同様に、大電流に耐えられる接続構造となり、冷却性を向上することができるのは勿論のこと、複数の短冊状の内部接続片を製作しなくとも良く、部品数の低減を図ることができ、また、複数の短冊状の内部接続片を設けたもののように、これらを外部接続片４に１つずつ嵌め込まなくて良いと共に、外部接続片４に対して、内部接続片を位置決めする必要もないため、製作性に優れている。
また、内部接続片を、略方形などの１枚の板部材から形成するようにしても良い。即ち、図７の実施形態では、内部接続片１２は、面積の大きい方形の板形状に形成されており、図の縦中央位置には、隣接する単電池２間の内側に位置し、外部接続片４が嵌め込まれる凹溝１２Ａが形成される。
また、内部接続片１２には、縦横に隣接する単電池２相互の隙間位置に対応した位置で、凹溝１２Ａを間に挟んだ位置にそれぞれ開口された、例えば、丸形の通気穴１２Ｂが複数形成されている。この場合、１枚の板部材をプレス加工して、その形状に打ち抜けば良い。
かかる内部接続片１２では、先の実施形態の内部接続片３と同様に、大電流に耐えられる接続構造となり、冷却性を向上することができ、また、製作性に優れているのは勿論のこと、１枚の板部材に通気穴を開口形成しただけであるため、内部接続片の強度を向上することができる利点がある。かかる実施形態の構造の内部接続片を適用しても、電池ユニットや電池モジュールの製造方法は上記の実施形態と同様であり、同様に製作性に優れている。
なお、上記の説明においては、外部接続片４を、上記の各実施形態では、図の左右中央部に１つだけ設けたが、その数や形成位置はこれらに限るものではない。また、上記の説明においては、電気自動車などに好適な円柱形状の単電池について述べたが、その他の形状や種類などの単電池でも良い。
正電極同士および負電極同士がそれぞれ同一面にあるように縦横にそれぞれ複数列ずつ並べた複数の単電池を接続して、大容量の組電池を製造するに際して、大電流に耐えられる接続構造となり、電池の冷却性を向上することができ、また、製作性に優れているため、電気自動車に使用される大容量の電池モジュールなどに有利となる。
本発明に係る単電池の接続装置を具備する組電池の一実施形態を示す図で、電気自動車などに使用される電池ユニットの構造を示す斜視図 本発明に係る接続装置を具備する組電池の他の実施形態を示す図で、同上の電池ユニットを接続した電池モジュールの構造を示す斜視図 本発明に係る単電池の接続装置のうちの内部接続片の一実施形態を示す斜視図 本発明に係る単電池の接続装置のうちの外部接続片の一実施形態を示す斜視図 同上の内部接続片と外部接続片の組付一体化物を示す斜視図 同上の内部接続片の他の実施形態を示す斜視図 同上の内部接続片の更に他の実施形態を示す斜視図 本発明に係る組電池の製造方法の一実施形態における電池群の形成方法を示す斜視図 同上の製造方法の一実施形態における電池モジュールの収納方法を示す斜視図 従来の組電池の構造および製造方法を説明する斜視図
１ 電池ユニット
２Ａ 正電極
２Ｂ 負電極
２ 単電池
３ 内部接続片
４ 外部接続片
３Ａ 凹溝
４Ａ リード部
５ 電池モジュール
６ 両面接着テープ
７ 電池群
８ ケーシング
９Ａ ボルト
９Ｂ ナット
１０ リード線

Claims (10)

  1. 正電極同士および負電極同士が同一面にあるように縦横にそれぞれ複数列ずつ並べた多数の単電池を接続する装置であって、
    互いに平行をなして離間し、縦または横の列毎にそれぞれ一方向に並ぶ電極同士を電気的に接続する導電性材料からなる複数の内部接続片と、該複数の内部接続片に固定されて、該内部接続片同士を電気的に接続する導電性材料からなる１つ以上の外部接続片とを、単電池の正電極および負電極に対応して備え、
    前記外部接続片は、その一端部から突出し、連結固定部として機能すると共にリード線が接続可能なリード部を有することを特徴とする単電池の接続装置。
  2. 前記内部接続片同士は、前記外部接続片の固着位置に沿って延びる連結桟部により連結され、該内部接続片と該連結桟部とが一体成形されることを特徴とする請求項１記載の単電池の接続装置。
  3. 正電極同士および負電極同士がそれぞれ同一面にあるように縦横にそれぞれ複数列ずつ並べた多数の単電池を接続する装置であって、
    同一面に並ぶ電極同士を電気的に接続する導電性材料からなる１つの内部接続片と、該内部接続片に電気的に接続された導電性材料からなる１つ以上の外部接続片とを、単電池の正電極および負電極に対応して備え、
    前記内部接続片は、縦横に隣接する単電池相互の隙間位置に対応した位置に開口された通気穴を有し、
    前記外部接続片は、その一端部から突出し、連結固定部として機能すると共にリード線が接続可能なリード部を有することを特徴とする単電池の接続装置。
  4. 前記内部接続片は、隣接する単電池間位置に対応した内側部分に位置し前記外部接続片が嵌め込まれる凹溝を有することを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の単電池の接続装置。
  5. 前記外部接続片は、前記リード部が外側に張り出した階段状に形成されたことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の単電池の接続装置。
  6. 前記リード部の連結固定部としての機能は、連結固定部同士を連結固定する機能および連結固定部を接続された単電池の収納部の壁部に連結固定する機能のうち少なくともいずれか一方であることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の単電池の接続装置。
  7. 請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の単電池の接続装置を具備する組電池であって、
    縦横にそれぞれ複数列ずつ並べた多数の単電池を接続して電池ユニットとしたことを特徴とする単電池の接続装置を具備する組電池。
  8. 前記電池ユニットを複数列接続して電池モジュールとしたことを特徴とする請求項７記載の単電池の接続装置を具備する組電池。
  9. 請求項７記載の組電池の製造方法であって、
    複数の単電池を横方向に列状に並べて、それぞれをテープで張り付け固着した電池群を複数形成し、該電池群を縦方向に列状に並べ、内部接続片と外部接続片との一体化物を、前記列状の電池群の正電極と負電極にそれぞれ固着して電池ユニットを形成したことを特徴とする組電池の製造方法。
  10. 前記電池ユニットを複数直列に並べ、隣接する電池ユニット同士のリード部を互いに向き合わせて接触させ、両リード部の連結固定部同士を連結固定して、隣接する電池ユニット同士が接続された電池モジュールを形成したことを特徴とする請求項９記載の組電池の製造方法。
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