JP5897121B2 - 信頼性の向上した電池モジュール及びこれを備えた中大型電池パック - Google Patents

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Description

本発明は、複数の板状型電池セルが順次に積層されている電池モジュールであって、該電池モジュールは、２つ以上の直方体のセルユニットが積層された状態で直列連結されている構造になっており、当該セルユニットは、２つ以上の電池セルが互いに密着した状態で直列連結されている構造になっており、セルユニットのうち、最外側に配置された電池セルの電極端子（最外側電極端子）は、電池モジュールの外部入出力端子と連結されており、外力による破たんを防止できるように、残りの電池セルの電極端子に比べて垂直断面積がより広いことを特徴とする電池モジュールに関する。
充放電可能な二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン車両、ディーゼル車両などにおける大気汚染の問題などを解決するための方案として提示されている電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグ−インハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−Ｉｎ ＨＥＶ）などを含めて、高出力・大容量が要求されるデバイスの動力源として注目されている。
このようなデバイスには、高出力・大容量を提供するべく、複数の電池セルを電気的に連結した中大型電池モジュールが使用されている。
中大型電池モジュールは、可能な限り小さい大きさ及び重量で作製されるのが好ましい。そのため、高い集積度で充積可能であり且つ容量対比重量が小さい角形電池、パウチ形電池などが、中大型電池モジュールの電池セル（単位電池）として主に使用されている。特に、近年、アルミニウムラミネートシートなどを外装部材とするパウチ形電池は、軽量、低コスト、及び形態変形の容易さなどの利点から高い関心を集めている。
一方、現在、車両用電池パックに装着される電池モジュールを構成する各電池セルの電極端子の大きさは、１つの電池パック内においていずれも同一になっている。
また、電極端子としては、一般に、厚さが０．５ｍｍ以下である箔（ｆｏｉｌ）が使用されるため、車両に装着されて振動と衝撃を持続して受ける場合には破たんの可能性が高くなる。
特に、アルミニウム素材からなる正極端子であると、銅素材からなる負極端子に比べて素材自体の特性の上強度が弱いため、外部衝撃と振動に対して素材的に弱いという不具合がある。
また、バスバーは電池モジュールに固定されるため、電池モジュールが振動を受けて電池セルと電池モジュールとの相対運動が発生する場合、バスバーと電池セルとを連結する電極端子が、電池セルと電池セルとを連結する電極端子よりも構造的に弱いという不具合もある。
その上、電極端子と電極端子とを又は電極端子とバスバーとを連結する方法には、レーザー溶接又は超音波溶接が、量産の側面から有利であるため、一般に用いられている。しかし、電極端子の厚さを厚くするほど、溶接に必要なエネルギー消耗が大きくなり、不良率が高くなるという不具合がある。
そのため、高出力・大容量の電力を提供する上で、電池セルの電極端子が外部衝撃により内部短絡及び破たんすることを防止できる電池モジュールが強く要望されている。
本発明は、上記のような従来技術の問題点、及び過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
本発明の目的は、セルユニットのうち最外側に配置された電池セルの電極端子を、残り電池セルの電極端子に比べて垂直断面積をより広くすることによって、衝撃又は振動のような外力が電池モジュールに印加されても、電極リード同士の連結信頼性を確保することができる電池モジュールを提供することにある。
本発明の他の目的は、電池セルの低い機械的剛性を效果的に補強しながら、重量と大きさの増加を最小化できるセルユニット及び電池モジュールで構成された高出力・大容量の中大型電池パックを提供することにある。
上記目的を達成するための本発明に係る電池モジュールは、複数の板状型電池セルが順次に積層されている電池モジュールであって、前記電池モジュールは、２つ以上の直方体のセルユニットが積層された状態で直列連結された構造になっており、前記セルユニットは、２つ以上の電池セルが互いに密着した状態で直列連結された構造になっており、前記セルユニットのうち、最外側に配置された電池セルの電極端子（最外側電極端子）は電池モジュールの外部入出力端子と連結されており、外力による破たんを防止するように、残り電池セルの電極端子に比べて垂直断面積が広くなっている。
したがって、本発明に係る電池モジュールは、電池セルの電極端子のうち、電池モジュールの外部入出力端子と連結されている最外側電極端子を、残り電池セルの電極端子に比べて垂直断面積を広く形成することによって、外部の衝撃や振動により破たんすることを未然に防止し、電池モジュールの信頼性と安全性を大きく向上させることができる。また、最外側電極端子以外の残り電池セルの電極端子は、最外側電極端子に比べて垂直断面積をより小さくすることによって、溶接などの製作容易性を満たすことができる。
前記最外側電極端子の垂直断面積は、例えば、残り電池セルの電極端子の垂直断面積を基準に１１０％乃至５００％の大きさであってよい。
一好適例において、前記最外側電極端子の厚さが残り電池セルの電極端子の厚さよりも大きくなっているとよい。
この場合、最外側電極端子は、残り電極端子に比べて、幅（横幅）が同一で且つ厚さが大きい構造、又は幅（横幅）も厚さも大きい構造を考慮でき、前者の構造の方がより好ましい。
このように、電池セルの電極端子のうち最外側電極端子を残り電池セルの電極端子に比べて厚く形成することによって、向上した信頼性及び安全性を達成でき、且つ電極端子の溶接などの製作容易性が得られる。
一方、前記最外側電極端子は、例えば、外部入出力端子に連結されるバスバーと結合される構造であってもよい。
したがって、バスバーに直接連結される最外側電極端子の厚さを、残り電池セルの電極端子の厚さよりも大きくすることによって、電池モジュールの構造的脆弱性を補強することができる。
前記バスバーは、ニッケルメッキ銅からなり、最外側電極端子との容溶接が容易になっている。
具体例において、前記最外側電極端子の厚さは、残り電池セルの電極端子の厚さを基準に１２０％乃至３００％の大きさであるとよい。具体的に、最外側電極端子の厚さが残り電池セルの電極端子の厚さを基準に１２０％未満であると、所望する最外側電極端子の破たんを防止し難く、最外側電極端子の厚さが残り電池セルの電極端子の厚さを基準に３００％を超えると、バスバーとの溶接性が低下するので、好ましくない。
より好ましくは、最外側電極端子の厚さは、残り電極端子の厚さを基準に１５０％乃至２５０％にするとよい。
前記電池セルの電極端子は、アルミニウムからなる正極端子と、ニッケルメッキ銅からなる負極端子とで構成されるとよく、好ましくは、正極端子の厚さは負極端子の厚さよりも大きくなっていればよい。
したがって、アルミニウム正極端子の厚さをニッケルメッキ銅負極端子の厚さよりも大きくすることによって、素材の脆弱性を補強することができる。
具体的な例として、下記の＜表１＞は、正極端子及び負極端子の素材別の機械的特性を示しており、＜表１＞から確認できるように、アルミニウム素材の正極端子の方が銅素材の負極端子に比べて引張強度が低い。
Figure 0005897121
これに対し、本発明に係る電池モジュールは、負極端子に比べて強度の低い正極端子の厚さを、負極端子よりも大きく構成することによって、外部の衝撃又は振動による外力が発生しても、正極端子とバスバーとの溶接部位が破たんすることを防止することができる。
すなわち、電池セルの電極端子のうち、銅素材の負極端子に比べて素材上強度の弱い正極端子を厚く構成することによって、正極端子とバスバーとの連結部品が外力により破たんすることを最小化することができる。
一方、前記最外側電極端子のうち、正極端子の厚さは負極端子の厚さよりも大きくなっているのが好ましい。
その具体例として、最外側電極端子のうち、正極端子の厚さは０．３乃至０．５ｍｍであり、負極端子の厚さは、前記正極端子の厚さよりも小さい範囲において０．１乃至０．３ｍｍであってよい。
具体的に、前記正極端子の厚さが０．３ｍｍ未満であると、所望する正極端子の強度を維持できず、正極端子の厚さが０．５ｍｍを超えると、正極端子とバスバーとの溶接性が低下するので、好ましくない。
同様に、負極端子の厚さが０．１ｍｍ未満であると、所望する負極端子の強度を維持できず、負極端子の厚さが０．３ｍｍを超えると、負極端子とバスバーとの溶接性が低下するので、好ましくない。
電極端子の垂直断面積が互いに異なる好適例において、最外側電極端子は残りの電極端子に比べて幅（横幅）が広い構造であってもよい。
この構造において、前記最外側電極端子の幅又は横幅は、残り電池セルの電極端子の幅（横幅）を基準に１３０％乃至２００％であればよい。
このような構造の電池モジュールは、電池セルの電極端子のうち、電池モジュールの外部入出力端子と連結されている最外側電極端子の幅又は横幅を、残り電池セルの電極端子に比べて広く形成することによって、向上した信頼性と安全性を達成することができる。
本発明において、前記板状型電池セルは、電池モジュールの構成のために充積された時に全体大きさを最小化できるように、薄い厚さと相対的に広い幅及び長さを有する二次電池である。
このような二次電池の好ましい例としては、樹脂層及び金属層を含むラミネートシートの電池ケースに正極／分離膜／負極構造の電極組立体が内蔵されており、前記電池ケースの両端に正極端子及び負極端子が突出している構造の二次電池が挙げられ、具体的に、アルミニウムラミネートシートのパウチ形ケースに電極組立体が内蔵されている構造であってよい。このような構造の二次電池を「パウチ形電池セル」と呼ぶものとする。
好ましくは、セルユニットは、電池セルが互いに密着した状態で金属ハウジングに内蔵されていればよく、金属ハウジングは、２つ以上の電池セル、及び前記正極端子及び負極端子の部位を除いた電池セル積層体の外面全体を覆うように相互結合されていればよい。
一例として、前記金属ハウジングは、電池セル積層体の外面形状に対応する内面構造を有しており、且つ組立締結方式で結合されるとよい。
他の例として、前記金属ハウジングにおいて断面結合部は、金属ハウジングが互いに対面するように接触させた状態で加圧した時、弾力的な結合により噛み合うことができるように雌雄の結合構造にしてもよい。
一方、二次電池では、充放電過程で発熱がおき、発生した熱を外部に效果的に放出することが電池の寿命延長に重要な要素となる。そのため、前記金属ハウジングは、内部の電池セルで発生する熱が外部へより放出しやすくなるように、高い熱伝導性の金属板材で作製されるとよい。
前記セルユニットは、上述したように、２つ以上の電池セルが直列連結された状態で金属ハウジングに内蔵された構造になっており、好ましくは、２つの電池セルからなるとよい。
好ましい例において、前記セルユニットの直列連結は、第１セルユニットの電極端子の端部と第２セルユニットの電極端子の端部がそれぞれ断面
Figure 0005897121
状に折れ曲がり、互いに重なる面が溶接されてなるとよい。
一方、中大型電池パックでは高出力・大容量の性能確保のために複数の電池セルが使用されるが、このような中大型電池パックを構成する電池モジュールには、限られた装着空間内での安全性の確保のために、より高い装着効率性、構造的安全性及び放熱効率性が要求される。
そこで、本発明は、前記電池モジュールを所望の出力及び容量に応じて複数個組み合わせてなる中大型電池パックを提供する。
本発明に係る中大型電池システムは、所望の出力及び容量に応じて電池パックを組み合わせて製造でき、よって、上述のような装着効率性、構造的安全性などの側面から、限られた装着空間を有し且つ頻繁な振動及び強い衝撃などに露出される電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグ−インハイブリッドなどに好適に使用可能である。
パウチ形電池の斜視図である。 図１のパウチ形電池２個が直列に連結された電池セルの斜視図である。 図１のパウチ形電池２個が直列に連結された電池セルの斜視図である。 本発明の一実施例に係るセルユニット積層体の斜視図である。 本発明の他の実施例に係る電池モジュールの分解斜視図である。 図４のセルユニット積層体の平面図である。 図６のＡ部分を拡大した部分拡大図である。 本発明の他の実施例に係るセルユニットにおいて電極端子部位の部分詳細図である。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例について説明するが、これは、本発明のより容易な理解を助けるためのもので、本発明の範ちゅうを限定するものではない。
図１には、パウチ形電池の斜視図が模式的に示されている。図１を参照すると、パウチ形電池１００は、２つの正極端子１１０と負極端子１２０が互いに対向して電池本体１３０の上端部と下端部にそれぞれ突出している構造になっている。電池ケース１４０は、上下２単位からなっており、その内面に形成されている収納部に電極組立体（図示せず）を装着した状態で、相互接触部位である両側面１４０ｂ、上端部及び下端部１４０ａ，１４０ｃを貼り合わせることによって電池１００が作製される。電池ケース１４０は、樹脂層／金属箔層／樹脂層のラミネート構造からなり、互いに接する両側面１４０ｂ、上端部及び下端部１４０ａ，１４０ｃに熱と圧力を加えて樹脂層を相互融着させることで貼り合わせることができ、場合によっては接着剤にて張り合わせてもよい。
両側面１４０ｂは、上下電池ケース１４０の同一の樹脂層が直接接するから、溶融により均一な密封が可能である。一方、上端部１４０ａと下端部１４０ｃには正極端子１１０と負極端子１２０が突出しているため、電極端子１１０，１２０の厚さ及び電池ケース１４０との素材異質性から、電極端子１１０，１２０との間にフィルム上のシーリング部材１６０を挟んだ状態で熱融着を行い、密封性を高めている。
図２及び図３には、図１のパウチ形電池２個が直列に連結された電池セルの斜視図が模式的に示されている。
図２及び図３を図１と共に参照すると、２個のパウチ形電池セル１００，１０１をその電極端子１１０，１２０が連続的に相互隣接するように長さ方向に直列配列した状態で、電極端子１１０，１２０を溶接して互いに結合させた後、２つの単位に電池セル１００，１０１が重なるように畳む。図３に示すように、重なるように折り畳まれた状態の電池セル積層体１００ａにおいて、溶接により結合された電極端子連結部位１５０は、平面上
Figure 0005897121
状に折れ曲がっている。
図４には、本発明の一実施例に係るセルユニット積層体の斜視図が模式的に示されており、図５には、本発明の他の実施例に係る電池モジュールの分解斜視図が模式的に示されている。
図４及び図５を参照すると、電池モジュール３００は、４個の直方体のセルユニット２０２，２０３，２０４，２０５が積層された状態で直列連結されたセルユニット積層体２００を側面で直立させた状態で、上下組立型の上部ケース３１１と下部ケース３１２に装着した構造になっており、下部ケース３１２の前面には外部入出力端子３１４が装着されている。
セルユニット積層体２００は、電池セルを金属ハウジング２１０で外囲した構造にした４個のセルユニット２０２，２０３，２０４，２０５を互いに直列に連結された後、ジグザグ状に積層した構造になっている。
一方、金属ハウジング２１０の外面には、長さ方向に間隔を空けて線形突出部２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄ、２１１ｅが形成されており、特に、金属ハウジング２１０の両端には、幅方向の長さが金属ハウジング２１０のそれよりも短い線形突出部２１１ａ，２１１ｅが、互いに対角線位置に形成されている。
図６には、図４のセルユニット積層体の平面図が模式的に示されており、図７には、図６のＡ部分を拡大した部分拡大図が模式的に示されている。
図６及び図７を図４及び図５と共に参照すると、セルユニット２０２，２０３，２０４，２０５のうち、最外側に配置された電池セルの最外側電極端子４００，４０２は、残りの電池セルの電極端子４１０，４１２に比べて厚さがより厚く形成されており、外力による破たんを防止するようになっている。
具体的に、最外側電極端子４００，４０２の厚さＤ２は、残り電池セルの電極端子４１０、４１２の厚さＤ１よりも厚くなっている。すなわち、電極端子４００，４０２，４１０，４１２の幅（横幅）は互いに同一であるが、厚さが異なっており（Ｄ１＞Ｄ２）、結果的に電極端子４００，４０２の垂直断面積は電極端子４１０，４１２よりも大きい。
最外側電極端子４００，４０２は、電池モジュールの外部入出力端子３１４と連結されているバスバー５００に溶接により結合されており、最外側電極端子４００，４０２の厚さは、残り電池セルの電極端子の厚さを基準に２００％以上の大きさで形成されている。
具体例において、最外側電極端子のうち、正極端子の厚さは０．４ｍｍであり、負極端子の厚さは、正極端子の厚さよりも薄い範囲において０．２ｍｍとなっている。
電池セルの電極端子は、アルミニウムからなる正極端子４１０とニッケルメッキ銅からなる負極端子４１２とで構成され、バスバー５００は、ニッケルメッキ銅からなっている。
セルユニット２０２，２０３，２０４，２０５は、電池セルが互いに密着した状態で金属ハウジング２１０に内蔵されている構造であり、金属ハウジング２１０は、２個の電池セル、及び正極端子及び負極端子の部位を除いた電池セル積層体の外面全体を覆うように相互結合されている。
また、金属ハウジング２１０は金属板材であって、電池セル積層体の外面形状に対応する内面構造を有しており、且つ組立締結方式で結合される。金属ハウジング２１０の断面結合部は、雌雄の締結構造２２０になっており、金属ハウジング２１０が互いに対面するように接触させた状態で加圧すると弾力的な結合により噛み合うこととなる。
セルユニット２０２，２０３，２０４，２０５の直列連結は、第１セルユニット２０４の電極端子４１２の端部と第２セルユニット２０３の電極端子４１０の端部がそれぞれ断面
Figure 0005897121
状に折れ曲がり、互いに重なる面が溶接されてなる。
図８は、本発明のさらに他の実施例に係るセルユニットにおいて電極端子の部位を示す部分詳細図である。
図８を参照すると、セルユニットを構成する電池セル１００ｂ，１００ｃはそれぞれ、Ｗ１及びＷ２の幅（横幅）を持つ電極端子４０３，４０４を有している。
具体的に、最外側の電極端子を形成する電池セル１００ｃの電極端子４０４の幅Ｗ２は、電池セル１００ｂの電極端子４０３の幅Ｗ１を基準に１３０％乃至２００％の大きさで相対的に広く形成されている。すなわち、厚さは同一であるが、幅が異なっており（Ｗ２＞Ｗ１）、結果として、電池セル１００ｃの電極端子４０４の垂直断面積は電池セル１００ｂの電極端子４０３のそれよりも大きくなっている。
以上、図面を参照して本発明の実施例を説明してきたが、本発明の属する分野における通常の知識を有する者にとっては、上記内容に基づいて本発明の範ちゅう内で様々な応用及び変形が可能であろう。
以上説明した通り、本発明に係る電池モジュールは、セルユニットのうち、最外側に配置された電池セルの電極端子が残り電池セルの電極端子に比べて垂直断面積が広くなっているため、衝撃又は振動のような外力が電池モジュールに印加されても、電極リード同士の連結信頼性を確保することができる。
１００、１０１ パウチ形電池
１１０ 正極端子
１２０ 負極端子
１３０ 電池本体
１４０ 電池ケース
１６０ シーリング部材
２００ セルユニット積層
２０２，２０３，２０４，２０５ セルユニット
２１０ 金属ハウジング
３００ 電池モジュール
３１１ 上部ケース
３１２ 下部ケース
３１４ 外部入出力端子
４００，４０２ 最外側電極端子
４１０，４１２ 電極端子

Claims (22)

  1. 複数の板状型電池セルが順次に積層されている電池モジュールであって、
    前記電池モジュールは、２つ以上の直方体のセルユニットが積層された状態で直列連結された構造になっており、
    前記セルユニットは、２つ以上の電池セルが互いに密着した状態で直列連結された構造になっており、
    前記電池モジュールのうち、最外側に配置された電池セルの電極端子（最外側電極端子）は、電池モジュールの外部入出力端子と連結されており、外力による破たんを防止するように、電極端子の突出方向に対して垂直な方向において残り電池セルの電極端子に比べて垂直断面積が広くなっていることを特徴とする、電池モジュール。
  2. 前記最外側電極端子の垂直断面積は、残り電池セルの電極端子の垂直断面積を基準に１１０％乃至５００％の大きさになっていることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記最外側電極端子は、残り電池セルの電極端子に比べて厚さがより大きいことを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  4. 前記最外側電極端子は、外部入出力端子と連結されるバスバーに結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  5. 前記最外側電極端子の厚さは、残り電池セルの電極端子の厚さを基準に１２０％乃至３００％の大きさになっていることを特徴とする、請求項３に記載の電池モジュール。
  6. 前記電池セルの電極端子は、アルミニウムからなる正極端子と、ニッケルメッキ銅からなる負極端子とで構成されることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  7. 正極端子の厚さは負極端子の厚さよりも大きいことを特徴とする、請求項５に記載の電池モジュール。
  8. 前記最外側電極端子のうち、正極端子の厚さは負極端子の厚さよりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  9. 前記最外側電極端子のうち、正極端子の厚さは０．３乃至０．５ｍｍであり、負極端子の厚さは、前記正極端子の厚さよりも小さい範囲において０．１乃至０．３ｍｍであることを特徴とする、請求項８に記載の電池モジュール。
  10. 前記最外側電極端子は、残り電池セルの電極端子に比べて幅（横幅）が大きいことを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  11. 前記最外側電極端子の幅は、残り電池セルの電極端子の幅を基準に１３０％乃至２００％の大きさであることを特徴とする、請求項１０に記載の電池モジュール。
  12. 前記バスバーは、ニッケルメッキ銅からなることを特徴とする、請求項４に記載の電池モジュール。
  13. 前記板状型電池セルは、樹脂層及び金属層を含むラミネートシートの電池ケースに正極／分離膜／負極構造の電極組立体が内蔵されており、前記電池ケース両端に正極端子及び負極端子が突出していることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  14. 前記セルユニットは、電池セルが互いに密着した状態で金属ハウジングに内蔵されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  15. 金属ハウジングは、２つ以上の電池セル、及び正極端子及び負極端子の部位を除いた電池セル積層体の外面全体を覆うように相互結合されていることを特徴とする、請求項１４に記載の電池モジュール。
  16. 前記金属ハウジングは、電池セル積層体の外面形状に対応する内面構造を有しており、組立締結方式で結合されることを特徴とする、請求項１５に記載の電池モジュール。
  17. 前記金属ハウジングの断面結合部は、金属ハウジングが互いに対面するように接触させた状態で加圧した時、弾力的な結合により噛み合う雌雄の締結構造になっていることを特徴とする、請求項１５に記載の電池モジュール。
  18. 金属ハウジングは金属板材からなることを特徴とする、請求項１５に記載の電池モジュール。
  19. 前記セルユニットは、２つの電池セルが直列連結されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  20. 前記セルユニットの直列連結は、第１セルユニットの電極端子端部と第２セルユニットの電極端子端部がそれぞれ断面
    Figure 0005897121
     状に折れ曲がり、互いに重なる面が溶接されてなることを特徴とする、請求項１に記載の
    電池モジュール。
  21. 出力及び容量に対応して、請求項１に記載の電池モジュールを２つ以上備える、電池パック。
  22. 電気自動車、ハイブリッド電気自動車、又はプラグ−インハイブリッド電気自動車の電源として用いられることを特徴とする、請求項２１に記載の電池パック。
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