JP6258858B2 - 蓄電装置及び溶接方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本願は、日本国特願２０１２−２１４０６５号の優先権を主張し、日本国特願２０１２−２１４０６５号の内容は、引用によって本願明細書の記載に組み込まれる。

本発明は、外部端子を有する蓄電素子と、外部端子に接続されるバスバーとを備える蓄電装置に関する。また、本発明は、蓄電素子の外部端子とバスバーとの溶接方法に関する。

近年、電池（リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等）、キャパシタ（電気二重層キャパシタ等）といった充放電可能な蓄電素子が車両（自動車、自動二輪車等）、各種機器（携帯端末、ノート型パソコン等）の動力源として採用されている。例えば、電池には、種々のタイプのものが提供されている。その一つとして、複数の電池セルの外部端子同士を導電性のバスバーで接続し、一つの電池として構成した電池モジュールが提供されている（特許文献１）。

ところで、斯かる電池モジュールにおいて、複数の電池セルの外部端子同士をバスバーで接続するために、外部端子とバスバーとがレーザ溶接されている。このとき、レーザ光がバスバーの上部から照射される。このため、板状であるバスバーを厚み方向に溶かすだけの熱量が必要となる。したがって、外部端子の熱損傷、さらには、電池セルの内部構造である電極体の熱損傷が大きくなる。

日本国特開２０１２−４３７１４号公報

よって、本発明は、かかる事情に鑑み、蓄電素子の外部端子への熱損傷を軽減することができる蓄電装置、及び蓄電素子の外部端子とバスバーとの溶接方法を提供することを課題とする。

本発明に係る蓄電装置は、
外部端子を有する蓄電素子と、
接続部を有し、該接続部にて外部端子に接続されるバスバーとを備え、
外部端子は、蓄電素子内に挿入される軸部を有し、
該バスバーの接続部は、貫通孔を有し、
貫通孔は、バスバーにおいてその一部が軸部の一部と重なる箇所に配置され、
該貫通孔を画定する内側面部と、前記外部端子と、が溶接されている。

本発明に係る蓄電装置の一態様として、
貫通孔を画定する内側面部の外部端子側と、外部端子と、が溶接されている、
ようにしてもよい。

また、本発明に係る蓄電装置の他態様として、
前記内側面部における周方向の一部又は前記内側面部の全周と、外部端子とが溶接されている、
ようにしてもよい。

また、本発明に係る蓄電装置の別の態様として、
貫通孔を画定する内側面部と、外部端子のうちの軸部の軸心と交差する方向に当該軸部から離れた箇所と、が溶接されている、
ようにしてもよい。

本発明に係る蓄電素子の外部端子とバスバーとの溶接方法は、
外部端子を有する蓄電素子の当該外部端子とバスバーとを溶接する方法であって、
外部端子と、バスバーに形成された貫通孔を画定する内側面部とが接触する境界線よりも内側面部側に向けてレーザ光を照射して、内側面部と外部端子とを溶接すること、を備え、
外部端子は、蓄電素子内に挿入される軸部を有し、
貫通孔は、バスバーにおいてその一部が軸部の一部と重なる箇所に配置されている。

図１は、本発明の一実施形態に係る電池モジュールの斜視図を示す。 図２は、同電池モジュールの平面図を示す。 図３は、同電池モジュールを構成する電池セルの斜視図を示す。 図４は、同電池セル同士を接続するためのバスバーの斜視図を示す。 図５は、同バスバーの図４のＶ−Ｖ線拡大断面図を示す。 図６は、同バスバーが外部端子に溶接される状態の一部拡大断面図を示す。 図７は、同バスバーが外部端子に溶接される箇所の一態様を表す平面図を示す。 図８は、同バスバーが外部端子に溶接される箇所の他態様を表す平面図を示す。 図９は、本発明の他の実施形態に係る電池モジュールの一部平面図を示す。 図１０は、本発明のさらに他の実施形態に係る電池モジュールの一部拡大断面図を示す。 図１１は、本発明のさらに他の実施形態に係る電池モジュールの一部平面図を示す。 図１２は、同電池モジュールの図１１のＸII−ＸII線拡大断面図を示す。

本発明に係る蓄電装置は、
外部端子を有する蓄電素子と、
接続部を有し、該接続部にて外部端子に接続されるバスバーとを備え、
外部端子は、蓄電素子内に挿入される軸部を有し、
該バスバーの接続部は、貫通孔を有し、
貫通孔は、バスバーにおいてその一部が軸部の一部と重なる箇所に配置され、
該貫通孔を画定する内側面部と、外部端子と、が溶接されている。

かかる構成によれば、バスバーの接続部の貫通孔を画定する内側面部と、外部端子と、が溶接されている。これにより、バスバーを厚み方向全体に溶かしてバスバーと外部端子とを溶接する構成と比較して、溶接するための熱量が小さくなる。したがって、外部端子の熱損傷を軽減することができる。

ここで、本発明に係る蓄電装置の一態様として、
貫通孔を画定する内側面部の外部端子側と、外部端子と、が溶接されている、
ようにしてもよい。

かかる構成によれば、貫通孔を画定する内側面部の外部端子側と、外部端子とが溶接されている。これにより、溶接するための熱量がさらに小さくなるため、外部端子の熱損傷をさらに軽減することができる。

また、本発明に係る蓄電装置の他態様として、
内側面部における周方向の一部又は内側面部の全周と、外部端子とが溶接されている、
ようにしてもよい。

かかる構成によれば、内側面部における周方向の一部又は内側面部の全周と、外部端子とが溶接されている。これにより、バスバーと外部端子とを、電気的及び機械的に確実に接続することができる。

また、本発明に係る蓄電装置の別の態様として、
貫通孔を画定する内側面部と、外部端子のうちの軸部の軸心と交差する方向に当該軸部から離れた箇所とが溶接されている、
ようにしてもよい。

かかる構成によれば、蓄電素子内に挿入される軸部が外部端子に設けられている。そして、外部端子における軸部の軸心と交差する方向に当該軸部から離れた箇所と、貫通孔を画定する内側面部とが溶接されている。これにより、軸部の熱損傷を防止でき、その結果、内部構造である電極体の熱損傷を防止できる。

本発明に係る蓄電素子の外部端子とバスバーとの溶接方法は、
外部端子を有する蓄電素子の当該外部端子とバスバーとを溶接する方法であって、
外部端子と、バスバーに形成された貫通孔を画定する内側面部と、が接触する境界線よりも内側面部側に向けてレーザ光を照射して、内側面部と外部端子とを溶接すること、を備え、
外部端子は、蓄電素子内に挿入される軸部を有し、
貫通孔は、バスバーにおいてその一部が軸部の一部と重なる箇所に配置されている。

かかる方法では、外部端子と、バスバーの接続部に設けられた貫通孔を画定する内側面部と、が接触する境界線よりも内側面部側に向けてレーザ光を照射する。これにより、外部端子と、貫通孔を画定する内側面部とが溶接される。このため、レーザ光をバスバーの上部から照射してバスバーを厚み方向全体に溶かすことでバスバーと外部端子とを溶接する方法と比較して、溶接するための熱量が小さくなる。したがって、外部端子の熱損傷を軽減することができる。

以上の如く、本発明によれば、蓄電素子の外部端子の熱損傷を軽減することができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明に係る蓄電装置の一実施形態である電池モジュールについて、図面を参酌しつつ説明する。本実施形態に係る電池モジュールは、図１及び図２に示す如く、複数の電池セル（蓄電素子）１，…と、該複数の電池セル１，…を収容するハウジング１０とを備えている。

電池セル１は、図３に示す如く、ケース２を備えている。ケース２は、開口部を有するケース本体２ａと、該ケース本体２ａの開口部を塞いで密閉する蓋板２ｂとを有する。電極体（図示せず）は、ケース２内に収容されている。

電池セル１は、外観直方体状の角形電池や、外観円柱状の丸形電池を採用し得る。本実施形態に係る電池セル１は、角形電池である。そのため、ケース本体２ａは、幅方向に偏平な有底角筒状である。また、蓋板２ｂは、該ケース本体２ａの開口部に対応した長方形状の板材である。

外部ガスケット３は、ケース２の外面、より詳しくは、蓋板２ｂの外面に配置されている。そして、外部端子４は、外部ガスケット３の外面に配置されている。本実施形態においては、外部ガスケット３が凹部を有しており、外部端子４が該凹部内に配置されている。

外部端子４は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等のアルミニウム系金属材料で形成されている。ここで、貫通開口（図示しない）が蓋板２ｂに形成されている。また、貫通開口（図６参照）は、外部ガスケット３にも形成されている。外部ガスケット３は、当該外部ガスケット３の貫通開口が蓋板２ｂの貫通開口と一致するようにして蓋板２ｂの外面に配置されている。外部端子４は、それら貫通開口を貫通する軸部４ａ（図６参照）を有している。二つの貫通開口を通じて外部ガスケット３及び蓋板２ｂを貫通した外部端子４の軸部４ａは、集電体（図示しない）に接続されている。この集電体は、電極体に接続されている。これにより、外部端子４は、電極体に電気的に接続されている。

正極用の外部ガスケット３及び外部端子４と、負極用の外部ガスケット３及び外部端子４とが電池セル１に設けられている。正極用の外部ガスケット３及び外部端子４は、蓋板２ｂの長手方向における一端部に配置されている。負極用の外部ガスケット３及び外部端子４は、蓋板２ｂの長手方向における他端部に配置されている。外部ガスケット３及び外部端子４は、平面視長方形状である。外部ガスケット３及び外部端子４は、蓋板２ｂの幅方向の寸法が小さく且つ前記幅方向と直交する方向の寸法が小さな長方形状を有する。

外部端子４の上部は、平坦面４ｂである。外部端子４が平面視長方形状であるので、平坦面４ｂも長方形状である。外部端子４の平坦面４ｂは、蓋板２ｂの外面から離れている。外部端子４の平坦面４ｂは、外部ガスケット３から突出している。正極用の外部端子４の平坦面４ｂと、負極用の外部端子４の平坦面４ｂとは、蓋板２ｂの外面に対して同じ高さ位置にある。

図１及び図２に戻り、複数の電池セル１，…は、蓋板２ｂの短手方向に並ぶように並列配置されている。本実施形態においては、１０個の電池セル１，…が並列配置されている。また、隣り合う電池セル１，１は、極性が反対となるように配置されている。これにより、隣り合う外部端子４，４を接続することで、全ての電池セル１が直列接続され、一つの電池が構成される。

蓋板２ｂの短手方向に並ぶ電池セル１，１の外部端子４，４同士は、バスバー５によって接続されている。より詳しくは、隣り合う電池セル１，１のうちの一方の電池セル１の正極用の外部端子４と、前記隣り合う電池セル１，１のうちの他方の電池セル１の負極用の外部端子４とは、近接している。そして、これらの外部端子４，４同士がバスバー５によって接続されている。

なお、外部接続用のバスバー５Ａが、直列接続された複数の電池セル１のうちの一端の電池セル１の外部端子４と、前記直列接続された複数の電池セル１のうちの他端の電池セル１の外部端子４とに、それぞれ接続されている。かかるバスバー５Ａは、別の電池モジュール、別の機器、負荷、又は電源に接続される外部接続用のバスバーである。

バスバー５は、図４及び図５に示す如く、本体部６と、該本体部６の両端に設けられる一対の接続部７，７とを有している。接続部７は、外部端子４の平坦面４ｂに載置され、外部端子４に接続される部分である。本体部６は、一対の接続部７，７を連結している。本実施形態において、バスバー５は、平坦面５ａを有して平面視長方形状の平板状に形成されている。このバスバー５は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等のアルミニウム系金属材料の板材によって形成されている。

貫通孔８が接続部７に設けられている。本実施形態の貫通孔８は、平面視矩形状（正方形状）に形成されている。また、この貫通孔８は、貫通方向の各位置において同じ大きさとなるように、接続部７を貫通している。したがって、貫通孔８を画定する（囲う）内側面部８ａは、バスバー５の平坦面５ａと直交する。なお、貫通孔８は、平面視矩形状に限られない。例えば、貫通孔８は、平面視において、円形状（真円形状、楕円形状）、多角形状等でもよい。また、後述するが、外部端子４とバスバー５とを電気的及び機械的に接続するために、貫通孔８を画定する内側面部８ａと外部端子４とが溶接される。具体的には、内側面部８ａにおける外部端子４側の部位と、外部端子４と、が溶接される。

ここで、電池セル１に対するバスバー５の接続方法（電池モジュール１の製造方法）について説明する。

まず、複数の電池セル１，…は、ベルトコンベア等の搬送装置（図示しない）上で電池モジュールの完成時と同じ並列状態に配置される。並列状態に配置された複数の電池セル１，…は、該搬送装置によって溶接装置２０の作動領域（以下、溶接エリアという）に搬送される。なお、本実施形態の溶接装置は、例えば、レーザ溶接装置である。複数の電池セル１，…が溶接エリアに到達すると、溶接装置２０に隣接して配置されるバスバー自動供給装置（図示しない）は、バスバー５を保持可能に構成された保持体によってバスバー５を受け取る。そして、バスバー自動供給装置は、図６に示す如く、受け取ったバスバー５を隣り合う電池セル１，１の外部端子４，４に跨るように配置する。

そして、保持体がバスバー５を外部端子４に押し付けた状態で、レーザ光Ｌを出射する溶接ヘッド２１がバスバー５の内側面部８ａに沿って移動する。このとき、溶接ヘッド２１は、レーザ光Ｌの光軸が内側面部８ａに対して傾斜状態で交差するように、内側面部８ａにおける外部端子４側の部位に向けてレーザ光Ｌを出射する。具体的には、レーザ光Ｌは、内側面部８ａと外部端子４との境界よりも、やや内側面部８ａ側の部位が焦点位置となるように照射されている。また、本実施形態において、図７に示す如く、レーザ光Ｌを照射する範囲Ｗは、内側面部８ａの全周である。なお、レーザ光Ｌを照射する範囲Ｗは、図８に示す如く、内側面部８ａにおける周方向の一部でもよい。

このように、溶接ヘッド２１がレーザ光Ｌを出射しつつ移動することで、バスバー５の接続部７と、外部端子４の平坦面４ｂとが溶接される。このとき、溶融した内側面部８ａの一部が、貫通孔８の内側に向けて流れる。そして、レーザー光Ｌの照射が終わると、そのままの状態で固まる。このように、溶接装置２０によってバスバー５の接続部７と外部端子４とが溶接されると、バスバー５は、電池セル１の外部端子４に対して電気的及び機械的に接続される。その後、バスバー５を介して電気的に接続された複数の電池セル１，…がハウジング１０に収容される。これにより、大容量の電池（電池モジュール）が完成する。

以上のように、本実施形態に係る電池モジュールでは、バスバー５の接続部７に設けられた内側面部８ａの外部端子４側の部位と、外部端子４と、が溶接されている。これにより、バスバー５を厚み方向全体に溶かしてバスバー５と外部端子４とを溶接する構成と比較して、溶接するための熱量が小さくなる。したがって、外部端子４の熱損傷を軽減することができ、その結果、内部構造である電極体の熱損傷を軽減することができる。また、外部端子４が熱変形することも防止できるため、外部端子４の変形に起因する電池セル１内部の密封性の低下も防止できる。

また、本実施形態に係る電池モジュールによれば、内側面部８ａの全周（又は、周方向の一部）と、外部端子４とが溶接されている。これにより、バスバー５と外部端子４とが、電気的及び機械的に、確実に接続される。

なお、本発明に係る蓄電装置及び溶接方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。また、下記する各種の変更例に係る構成や方法等を任意に選択して、上記した実施形態に係る構成や方法等に採用してもよいことは勿論である。

上記実施形態においては、貫通孔８を画定する内側面部８ａにおいて、外部端子４の軸部４ａの軸心方向における軸部４ａと重なる箇所が、外部端子４と溶接される。しかしながら、他の実施形態を示す図９やさらに他の実施形態を示す図１０に示す如く、貫通孔８を画定する内側面部８ａは、外部端子４のうちの軸部４ａから当該軸部４ａの軸心と交差する方向に離れた箇所と溶接されてもよい。しかも、図９及び図１０に示す如く、貫通孔８は、外部端子４における軸部４ａから当該軸部４ａの軸心と交差する方向に離れた箇所に対して軸心方向に重なる位置に配置されてもよい。かかる構成によれば、軸部４ａの熱損傷を防止できるため、内部構造である電極体の熱損傷を防止できる。

図９に示す貫通孔８，８は、バスバー５の短手方向において、軸部４ａを挟むように配置されている。図１０に示す貫通孔８は、バスバー５の長手方向において、中央部寄りに配置されることで、軸部４ａから離れている。図１０に示す負極用の外部端子４では、軸部４ａと、軸部４ａに嵌合される板状体４ｃとが別部材によって構成されている。具体的には、軸部４ａは、例えば、銅で形成されており、板状体４ｃは、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等のアルミニウム系金属材料で形成されている。

また、上記実施形態の複数の電池セル１，…は、蓋板２ｂの短手方向に並ぶようにして並列配置されていたが、この構成に限定されない。例えば、図１１及び図１２に示す如く、複数の電池セル１，…は、蓋板２ｂの長手方向に並ぶように並列配置されてもよい。そして、蓋板２ｂの長手方向における一端部に配置されている正極用の外部端子４と、蓋板２ｂの長手方向における他端部に配置されている負極用の外部端子４とは、これら正極用の外部端子４と負極用の外部端子４とに跨って配置されるバスバー５の内周面部８ａと溶接されることで、電気的に接続されている。

また、上記実施形態の溶接装置２０では、溶接ヘッド２１が移動する（首を振る）ように構成されていたが、この構成に限定されない。例えば、ミラーが、溶接ヘッド２１から出射したレーザ光Ｌの光軸を変更する構成でもよく、また、ワーク（蓄電素子）が、固定されている溶接ヘッド２１に対して移動してもよい。

また、上記実施形態においては、溶接ヘッド２１から出射するレーザ光Ｌの光軸が外部端子４の平坦面４ｂに対して傾斜状態で交差するように、レーザ光Ｌが照射されている。これにより、レーザ光Ｌの光軸が貫通孔８の内側面部８ａに対して傾斜するように、レーザ光Ｌが内側面部８ａに照射される。しかし、この構成に限定されない。例えば、貫通孔８を画定する内側面部８ａが、バスバー５の平坦面５ａに対して傾斜するように配置される。このとき、溶接ヘッド２１から出射するレーザ光Ｌの光軸が外部端子４の平坦面４ｂと直交するようにレーザ光Ｌを照射することで、レーザ光Ｌの光軸が内側面部８ａに対して傾斜するようにレーザ光Ｌを照射してもよい。

また、上記実施形態の外部端子４及びバスバー５は、アルミニウム系金属材料で構成されているが、これに限定されない。例えば、外部端子４及びバスバー５は、銅、ＳＵＳ、スチール等の金属材料（合金を含む）であってもよい。すなわち、外部端子４及びバスバー５は、導電性を有し、互いに溶接可能な金属材料であればよい。

上記実施形態においては、レーザ溶接によってバスバー５と電池セル１の外部端子４とを接続したが、これに限定されない。例えば、一般的なアーク溶接、ガス溶接等によってバスバー５と外部端子４とを接続してもよい。

本発明は、種々の二次電池、その他、一次電池や、電気二重層キャパシタ等のキャパシタにも適用可能である。そして、電池の種類や大きさ（容量）は任意である。

１…電池セル（蓄電素子）、２…ケース、２ａ…ケース本体、２ｂ…蓋体、３…外部ガスケット、４…外部端子、４ａ…軸部、４ｂ…平坦面、４ｃ…板状体、５…バスバー、５Ａ…（外部接続用の）バスバー、５ａ…平坦面、６…本体部、７…接続部、８…貫通孔、８ａ…内側面部、１０…ハウジング、２０…溶接装置、２１…溶接ヘッド、Ｌ…レーザ光

Claims (5)

1. 外部端子を有する蓄電素子と、
   接続部を有し、該接続部にて前記外部端子に接続されるバスバーとを備え、
   前記外部端子は、前記蓄電素子内に挿入される軸部を有し、
   前記バスバーの接続部は、貫通孔を有し、
   前記貫通孔は、前記バスバーにおいてその一部が前記軸部の一部と重なる箇所に配置され、
   該貫通孔を画定する内側面部と、前記外部端子と、が溶接されている
   蓄電装置。
2. 前記貫通孔を画定する前記内側面部の前記外部端子側と、前記外部端子と、が溶接されている
   請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記内側面部における周方向の一部又は前記内側面部の全周と、前記外部端子とが溶接されている
   請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。
4. 前記貫通孔を画定する前記内側面部と、前記外部端子のうちの前記軸部の軸心と交差する方向に当該軸部から離れた箇所と、が溶接されている
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の蓄電装置。
5. 外部端子を有する蓄電素子の当該外部端子とバスバーとを溶接する方法であって、
   前記外部端子と、前記バスバーに形成された貫通孔を画定する内側面部と、が接触する境界線よりも前記内側面部側に向けてレーザ光を照射して、前記内側面部と前記外部端子とを溶接すること、を備え、
   前記外部端子は、前記蓄電素子内に挿入される軸部を有し、
   前記貫通孔は、前記バスバーにおいてその一部が前記軸部の一部と重なる箇所に配置されている、
   蓄電素子の外部端子とバスバーとの溶接方法。
   

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