JP5932997B2 - 連結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

Description

本発明は、連結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に係り、特に、充放電可能な電池セルに基づく複数の単位モジュールが電気的に連結されている電池モジュールであって、それらの単位モジュール同士間、又は単位モジュール及びバスバー間は、直列方式及び／又は並列方式で電気的連結されており、該電池モジュールには２個以上の電気的連結点が存在し、これら電気的連結点のそれぞれにおいて電気的連結対象体の数は、電池モジュール全体において電気的連結対象体の数よりも少な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、中大型電池パックに装着される電池モジュールは、一般に、複数の電池セルを高密集度で積層し、且つ隣接した電池セルの電極端子を互いに電気的に連結して作製する。

図１は、従来の代表的な電池モジュールの電気的連結構造を模式的に示す斜視図である。

図１を参照すると、電池モジュール５０は、３個の電池セル２０が積層された状態で電極端子２５とバスバー１０とが電気的に連結されている。すなわち、３個の電池セルを順に積層した後、他の電池セルと連結するためのバスバー１０と同時に電気的に連結される。

しかし、積層する電池セルが増加するほど電極リード及びバスバーの膜厚及び幅が大きくなり、溶接時に多いエネルギーが必要となる。

この場合、溶接は、レーザーや抵抗溶接を用いることが困難であり、一般には超音波溶接を用いることになる。このような高いエネルギーの超音波溶接を実行すると、電池セルの他の部位にも超音波が伝達され、電気的に電池セルが損傷する、溶接装置自体の寿命が短縮する、溶接装置と電池セルとがくっついてしまう、といった問題につながることがある。

そこで、少ないエネルギーを用いて電池セルを損傷させず、且つ電気的連結位置を細分化することによって種々の連結方法を活用できる信頼性ある連結部品を確保することが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、少ないエネルギーを用いることによって、電池セル同士の溶接、又は電池セルとバスバーとの溶接時に損傷を最小化し、且つ種々の連結方法を活用できる電池モジュールを提供することにある。

このような目的を達成するための本発明に係る電池モジュールは、充放電可能な電池セルに基づく複数の単位モジュールが電気的に連結されている電池モジュールであって、前記単位モジュール同士間、又は単位モジュールとバスバー間は、直列方式及び／又は並列方式で電気的連結されており、前記電池モジュールには２個以上の電気的連結点が存在し、前記電気的連結点のそれぞれにおいて電気的連結対象体の数は、電池モジュール全体において電気的連結対象体の数よりも小さくなっている。

一般に、電池モジュールは、単位モジュールが積層された状態で、電極端子同士間又は電極端子とバスバー間が一度で溶接される。しかし、多数の電極端子同士間又は電極端子とバスバー間の溶接時に、同一の部位に同時に溶接が行なわれるから、上述したように、電気的に連結される対象体が増加するほど溶接部位の損傷は不回避である。

これに対し、本発明の電池モジュールには２個以上の電気的連結点が存在し、該電気的連結点のそれぞれにおいて電気的連結対象体の数は、電池モジュール全体において電気的連結対象体の数よりも小さくすることによって、各位置別に必要なエネルギー量を減少させ、電気的連結点以外の電池セルの内部及び外部、溶接装置においての損傷を減らすことができる。また、位置別に連結すべき連結対象体の数を減らすことによって様々な連結方法を活用でき、極めて好ましい。

本明細書において「電気的連結点」は、同一の電気的連結対象体同士間に結合又は接続の強化のために２つ以上の個数で溶接点などを形成する場合は、１個の電気的連結点と定義する。

本発明において単位モジュールは１つの電池セルで構成されてもよく、複数の電池セルで構成されてもよい。

一好適例において、前記単位モジュールは１つの電池セルで構成される。１つの電池セルが１つの単位モジュールを構成し、それぞれの電池セルの電極端子ごとに電気的連結点を異にすることによって、それぞれの電気的連結対象体の電気的連結点が重なることなく小さいエネルギーのみでも溶接が可能になり、電池セルの他の部位へ溶接の影響が及ぶのを防止することができる。

他の好適例において、前記単位モジュールは１つの電気的連結点で連結されている２つ以上の電池セルの組合せで構成されてもよい。例えば、単位モジュールは、２個乃至４個の電池セルで構成されてもよい。場合によっては、前記単位モジュール内の電池セルも、単位モジュール同士の電気的連結におけると同様に、２つ以上の電気的連結点を持つように構成されてもよい。

本発明において、前記電池セルは、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膜厚及び相対的に広い幅及び長さを持つ二次電池であり、好ましくは、積層が容易な構造の板状型電池セルであればよい。

このような板状型電池セルは、
ａ）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、前記電池ケースの一側又は両側端部に正極端子及び負極端子が突出している構造のパウチ形電池セル、又は
ｂ）金属又はプラスチック素材の角形電池ケースに正極／分離膜／負極構造の電極組立体が内蔵されており、前記電池ケースの一側又は両側端部に正極端子及び負極端子が突出している構造の角形電池セル
であると好ましい。

一具体例において、前記単位モジュールはその電極端子同士が電気的に連結された状態でバスバーに電気的に連結されており、電池セル同士間及び電池セルとバスバー間には２個以上の電気的連結点が含まれている構造であってもよい。

前記構造において、前記単位モジュールの個数がｎ個であり、バスバーの個数が１個であるとき、電気的連結点の個数は２個乃至ｎ個であればよい。

一好適例において、前記電気的連結点において電気的連結対象体の数は４個以下であり、より好ましくは、電気的連結点において電気的連結対象体の数は２個であるとよい。

したがって、多数の電気的連結対象体を構成する場合にも、それぞれの電気的連結対象体を小さいエネルギーのみで溶接することが可能である。

他の好適例において、前記単位モジュールの個数がｎ個であり、バスバーの個数が１個であるとき、電気的連結点の個数はｎ個であってもよい。

前記構造において、前記電気的連結点のそれぞれにおいて電気的連結対象体の数は２個であり、好ましくは、隣接した電気的連結点の位置は互いにずれているとよい。

具体的に、前記電気的連結点はその位置が順次にずれており、電気的連結対象体が積層されていても連結が容易である。ここで、電気的連結点の位置がずれているということは、電気的連結点が互いに重ならないことを意味し、順次にずれているということは、複数の電気的連結点がそれぞれの位置において互いに重ならないように一側方向に順次に分布していることを意味する。

したがって、このような構造の電池モジュールは、所望の構造に応じて、電気的連結対象体の電気的連結点が重なることなく順次に電気的連結をなすことによって、電池モジュールの製造工程性を向上させることができる。

一方、前記電極端子の膜厚及び幅が小さすぎると、電極端子を通る電流が大きくなるため熱発生が多くなり、結果として電池セルの寿命及び安全性に不都合を及ぼし、逆に、電極端子の膜厚及び幅が大きすぎると、電池ケースと電極端子間の密封性が低下し、水分の侵入などが発生することがあるため、好ましくない。そのため、例えば、電極端子の膜厚は５０〜１０００μｍの範囲とし、電極端子の幅は１〜２０ｃｍの範囲とすればよいが、これに限定されず、電池セルの仕様に応じて適宜の範囲にすればよい。すなわち、従来よりも厚い膜厚と広い幅の電極端子に対しても電気的連結を行うことができ、これはバスバーについても同様である。

前記電気的連結点で電気的連結対象体を容易に結合できる手段であれば特に限定されず、例えば、ボルティング、リベット、クリンピング（ｃｒｉｍｐｉｎｇ）、ソルダリング、レーザー溶接、超音波溶接、及び抵抗溶接からなる群から選ばれる１種以上の手段が使用可能である。

これによれば、電池セルを積層するほど電極リードとバスバーの膜厚及び幅が増加するが、超音波溶接でのみ結合する従来の構造とは違い、様々な方法で電気的連結対象体を結合可能となる。

本発明はまた、充放電可能な電池セルに基づく複数の単位モジュールが電気的に連結されている電池モジュールであって、前記単位モジュール同士間、又は単位モジュールとバスバー間は、直列方式及び／又は並列方式で電気的連結されており、相互対面する電気的連結対象体てある第１電気的連結対象体と第２電気的連結対象体とが第１電気的連結点で電気的に連結されており、前記第１電気的連結対象体又は第２電気的連結対象体に対面する第３電気的連結対象体が、第１電気的連結対象体又は第２電気的連結対象体と第２電気的連結点で電気的に連結されている電池モジュールをを提供する。

このような電池モジュールも、上述と同様の効果を奏する。

また、本発明は、電池モジュールの製造方法を提供する。

一具体例として、単位モジュールが順次に積層された状態でバスバーに電気的に連結される構造を含む電池モジュールを製造する方法であって、
ｎ個の単位モジュールの電極端子が互いに電気的に連結された状態で１個のバスバーに電気的に連結されている構造において、
ａ）積層された単位モジュールのうち最上段の単位モジュール（第１単位モジュール）の電極端子を、該第１単位モジュールに隣接して積層された第２単位モジュールの電極端子に連結することで第１電気的連結点を形成するステップと、
ｂ）前記第１電気的連結点からずれた位置において、前記第２単位モジュールの電極端子を、該第２単位モジュールに隣接して積層された第３単位モジュールの電極端子に連結することで第２電気的連結点を形成するステップと、
ｃ）前記ステップｂ）を反復して最終的に第ｎ−１電気的連結点が形成されるように、ｎ個の単位モジュールの電極端子を電気的に連結するステップと、
ｄ）前記第ｎ−１電気的連結点からずれた位置において、第ｎ単位モジュールの電極端子を、該第ｎ単位モジュールに隣接して接触されているバスバーに連結することで第ｎ電気的連結点を形成するステップと、
を含む、電池モジュールの製造方法が提供される。

これによれば、小さいエネルギーでも複数の単位モジュールとバスバーの連結が可能であり、様々な構造の連結方法を活用して向上した工程性をもって所望の電気的連結を行うことができる。

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−インハイブリッド電気自動車又は電力貯蔵装置の電源などに好適に使用可能である。

これらデバイスの構造及び作製方法は当業界には公知であり、本明細書ではその詳細な説明を省略する。

図１は、従来の代表的な電池モジュールの電気的連結構造を示す斜視図である。 図２は、本発明の一実施例に係る電池モジュールの電気的連結構造を示す斜視図である。 図３は、図２における電極端子及びバスバーの一連の連結過程を示す模式図である。 図４は、本発明の他の実施例に係る電池モジュールの電気的連結構造を示す模式図である。 図５は、本発明の他の実施例に係る電池モジュールの電気的連結構造を示す模式図である。

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２は、本発明の一実施例に係る電池モジュールの電気的連結構造を示す斜視図であり、図３は、図２における電極端子及びバスバーの一連の連結過程を示す模式図である。

図２及び図３を参照すると、３個の電池セル１００が順次に積層された状態でバスバー１２０に電気的に連結される構造を有する電池モジュール３００が示されている。すなわち、３個のパウチ形電池セル１００の電極端子が互いに電気的に連結された状態で１個のバスバー１２０に溶接により電気的に連結されている構造であり、電気的連結点の個数は３個となる。

具体的に、積層された電池セル１００のうち、最上段の電池セル（第１電池セル）１０１の電極端子１１０を、第１電池セル１０１に隣接して積層された第２電池セル１０２の電極端子１１２に連結することで、第１電気的連結点２００を形成する。

第１電気的連結点２００からずれた位置、すなわち、所定間隔を置いた位置において、第２電池セル１０２の電極端子１１２を、第２電池セル１０２に隣接して積層された第３電池セル１０３の電極端子１１０に連結することで、第２電気的連結点２１０を形成する。

その後、同様に、第２電気的連結点２１０からずれた位置において、第３電池セル１０３の電極端子１１３を、第３電池セル１０３に隣接して接触しているバスバー１２０に連結することで、第３電気的連結点２２０を形成する。

図４は、本発明の他の実施例に係る電池モジュールの電気的連結構造を示す斜視図である。

図４を図２と共に参照すると、６個の電池セル１００，１００’の電極端子がそれぞれ互いに電気的に連結された状態で１個のバスバー１２０に溶接により電気的に連結されている構造では、電気的連結点の個数が６個となる。

この場合、バスバー１２０を中心にしてそれぞれ３個の電池セル１００，１００’の電気的連結点の位置が順次にずれている。

図５は、本発明のさらに他の実施例に係る電池モジュールの電気的連結構造を示す斜視図である。

図５を参照すると、２個の単位モジュール１００Ａ、１００Ｂはそれぞれ、３個の電池セル１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ、及び３個の電池セル１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃが積層された構造となっている。

第１単位モジュール１００Ａの電池セル１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃの電極端子１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃは、第２単位モジュール１００Ｂの最上段の電池セル１０２ａの電極端子１１２ａと第１電気的連結点２００ａを形成する。

続いて、第１電気的連結点２００ａからずれた位置において第２単位モジュール１００Ｂの残りの電池セル１０１ｂ，１０１ｃの電極端子１１２ｂ，１１２ｃと第２電気的連結点２１０ａを形成した後、第２単位モジュール１００Ｂの最下段の電池セル１０２ｃの電極端子１１２ｃに隣接して接触されているバスバー１２０と第３電気的連結点２２０ａを形成する。

図５の電気的連結構造において、単位モジュール１００Ａを構成する電池セル１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃは、図１に示すように、１つの電気的連結点で電気的に連結されており、これは、単位モジュール１００Ｂについても同様である。

したがって、このような構造の電池モジュールは、所望の構造に応じて、電気的連結対象体の電気的連結点が重なることなく電気的連結をなすことができ、電池モジュールの製造工程性を向上させることができる。

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、２個以上の電気的連結点が存在し、これら電気的連結点のそれぞれにおいて電気的連結対象体の数が、電池モジュール全体において電気的連結対象体の数よりも小さくなっているため、各位置別に要求されるエネルギー量を減らし、単位モジュールの損傷を最小化でき、且つ種々の連結方法を活用し、電池モジュールの効率性を向上させることができる。

１００ ・・・電池セル
１００’ ・・・電池セル
１００Ａ ・・・第１単位モジュール
１００Ｂ ・・・第２単位モジュール
１０１ ・・・第１電池セル
１０１ａ ・・・電池セル
１０１ｂ ・・・電池セル
１０１ｃ ・・・電池セル
１０２ ・・・第２電池セル
１０２ａ ・・・電池セル
１０２ｂ ・・・電池セル
１０２ｃ ・・・電池セル
１０３ ・・・第３電池セル
１２０ ・・・バスバー
２００ ・・・第１電気的連結点
２００ａ ・・・第１電気的連結点
２１０ ・・・第２電気的連結点
２１０ａ ・・・第２電気的連結点
２２０ ・・・第３電気的連結点
２２０ａ ・・・第３電気的連結点

Claims (17)

1. 充放電可能な電池セルに基づく複数の単位モジュール及びバスバーが電気的に連結されている電池モジュールであって、前記単位モジュール同士間、又は前記単位モジュールと前記バスバー間は、直列方式及び／又は並列方式で電気的連結されており、前記電池モジュールには２個以上の電気的連結点が存在し、前記電気的連結点のそれぞれにおいて電気的連結対象体の数は、前記電池モジュール全体において電気的連結対象体の数よりも少なく、前記単位モジュールは、それらの電極端子が互いに電気的に連結された状態で前記バスバーに電気的に連結されており、前記単位モジュール同士間には、前記２個以上の電気的連結点のうちの少なくとも１つの電気的連結点が設けられており、前記単位モジュールと前記バスバー間には、前記２個以上の電気的連結点のうちの少なくとももう１つの電気的連結点が設けられており、
   前記電池セルは、積層が容易な構造の板状型電池セルであり、
   前記板状型電池セルは、
   ａ）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、前記電池ケースの一側又は両側端部に正極端子及び負極端子が突出している構造のパウチ形電池セル、又は
   ｂ）金属又はプラスチック素材の角形電池ケースに正極／分離膜／負極構造の電極組立体が内蔵されており、前記電池ケースの一側又は両側端部に正極端子及び負極端子が突出している構造の角形電池セル
   であることを特徴とする、電池モジュール。
2. 前記単位モジュールは１つの電池セルで構成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。
3. 前記単位モジュールは、１つの電気的連結点で連結されている２つ以上の電池セルの組合せで構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
4. 前記単位モジュールは、２個乃至４個の電池セルで構成され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。
5. 前記単位モジュールの個数がｎ個であり、バスバーの個数が１個であるとき、電気的連結点の個数は２個乃至ｎ個であることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
6. 前記電気的連結点において電気的連結対象体の数は４個以下であ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. 前記電気的連結点において電気的連結対象体の数は２個であることを特徴とする、請求項６に記載の電池モジュール。
8. 前記単位モジュールの個数がｎ個であり、バスバーの個数が１個であるとき、電気的連結点の個数はｎ個であることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
9. 前記電気的連結点のそれぞれにおいて電気的連結対象体の数は２個であり、隣接した電気的連結点の位置は互いにずれてい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. 前記電気的連結点の位置は順次にずれていることを特徴とする、請求項６に記載の電池モジュール。
11. 前記電極端子の膜厚は、５０〜１０００μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
12. 前記電極端子の幅は、１〜２０ｃｍであることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
13. 充放電可能な電池セルに基づく複数の単位モジュール及びバスバーが電気的に連結されている電池モジュールであって、前記単位モジュール同士間、又は前記単位モジュールと前記バスバー間は、直列方式及び／又は並列方式で電気的連結されており、前記単位モジュールは、それらの電極端子が互いに電気的に連結された状態で前記バスバーに電気的に連結されており、前記単位モジュール同士間には、前記２個以上の電気的連結点のうちの少なくとも１つの電気的連結点が設けられており、及び前記単位モジュールと前記バスバー間には、前記２個以上の電気的連結点のうちの少なくとももう１つの電気的連結点が設けられており、相互対面する第１電気的連結対象体と第２電気的連結対象体とが第１電気的連結点で電気的に連結されており、前記第１電気的連結対象体又は第２電気的連結対象体に対面する第３電気的連結対象体が、第１電気的連結対象体又は第２電気的連結対象体と第２電気的連結点で電気的に連結されており、
    前記電池セルは、積層が容易な構造の板状型電池セルであり、
    前記板状型電池セルは、
    ａ）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、前記電池ケースの一側又は両側端部に正極端子及び負極端子が突出している構造のパウチ形電池セル、又は
    ｂ）金属又はプラスチック素材の角形電池ケースに正極／分離膜／負極構造の電極組立体が内蔵されており、前記電池ケースの一側又は両側端部に正極端子及び負極端子が突出している構造の角形電池セル
    であることを特徴とする、電池モジュール。
14. 単位モジュールが順次に積層された状態でバスバーに電気的に連結される構造を含む電池モジュールを製造する方法であって、
    ｎ個の単位モジュールの電極端子が互いに電気的に連結された状態で１個のバスバーに電気的に連結されている構造において、
    ａ）積層された単位モジュールのうち最上段の単位モジュール（第１単位モジュール）の電極端子を、該第１単位モジュールに隣接して積層された第２単位モジュールの電極端子に連結することで第１電気的連結点を形成するステップと、
    ｂ）前記第１電気的連結点からずれた位置において、前記第２単位モジュールの電極端子を、該第２単位モジュールに隣接して積層された第３単位モジュールの電極端子に連結することで第２電気的連結点を形成するステップと、
    ｃ）前記ステップｂ）を反復して最終的に第ｎ−１電気的連結点が形成されるように、ｎ個の単位モジュールの電極端子を電気的に連結するステップと、
    ｄ）前記第ｎ−１電気的連結点からずれた位置において、第ｎ単位モジュールの電極端子を、該第ｎ単位モジュールに隣接して接触されているバスバーに連結することで第ｎ電気的連結点を形成するステップと、
    を含むことを特徴とする、電池モジュールの製造方法。
15. 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個以上備える、高出力・大容量の中大型電池パック。
16. 電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグ−インハイブリッド電気自動車又は電力貯蔵装置の電源として用いられることを特徴とする、請求項１５に記載の中大型電池パック。
17. 前記電気的連結点において電気的連結対象体は、ボルティング、リベット、クリンピング（ｃｒｉｍｐｉｎｇ）、ソルダリング、レーザー溶接、超音波溶接、及び抵抗溶接からなる群から選ばれる１種以上の手段で結合される、請求項１４に記載の電池モジュールの製造方法。

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