JP6286354B2 - 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２０１２−２１４０６３号の優先権を主張し、日本国特願２０１２−２１４０６３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、外部端子への熱損傷、さらには、その内部構造である電極体へ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、外部端子と対向する一部分に薄肉部を有し、
薄肉部は、バスバーの周縁より内側で、且つ、該バスバーにおける該薄肉部の一部が軸部の一部と重なる箇所に配置され、
該薄肉部と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、
薄肉部は、接続部の一部をコイニング加工することによって形成されている、
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、
薄肉部の所定箇所と、外部端子のうち、軸部から当該軸部の軸心と交差する方向に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、
外部端子との対向面と反対側を凹ませることによってバスバーに形成された薄肉部にレーザ光を照射して、該薄肉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、
薄肉部は、バスバーの周縁より内側で、且つ、該バスバーにおける該薄肉部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。 図１３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。

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、外部端子と対向する一部分に薄肉部を有し、
薄肉部は、バスバーの周縁より内側で、且つ、該バスバーにおける該薄肉部の一部が軸部の一部と重なる箇所に配置され、
該薄肉部と前記外部端子とが溶接されている。

かかる構成によれば、薄肉部がバスバーの接続部に設けられており、その薄肉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、
薄肉部は、接続部の一部をコイニング加工することによって形成されている、
ようにしてもよい。

かかる構成によれば、薄肉部は、コイニング加工によって高い精度で形成される。そのため、薄肉部を外部端子に対して平坦にすることができる。そして、バスバーの薄肉部と外部端子とを溶接するための熱量を、薄肉部において均等にすることができる。

また、本発明に係る蓄電装置の他態様として、
薄肉部の所定箇所と、外部端子のうち、軸部から当該軸部の軸心と交差する方向に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、外部端子は、軸部の軸心と交差する方向において、軸部から離れた箇所で薄肉部の所定箇所と溶接されている。これにより、軸部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。

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、
外部端子との対向面と反対側を凹ませることによってバスバーに形成された薄肉部にレーザ光を照射して、該薄肉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、
薄肉部は、バスバーの周縁より内側で、且つ、該バスバーにおける該薄肉部の一部が軸部の一部と重なる箇所に配置されている。

かかる方法において、薄肉部は、バスバーの接続部に設けられている。そして、薄肉部にレーザ光を照射することで、薄肉部と外部端子とが溶接される。これにより、レーザ光をバスバーの上部から照射することで、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、外部端子へ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へ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が、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が、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、その貫通開口が蓋板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。二つの貫通開口を介して外部ガスケット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、これと直交する方向の寸法が大きい長方形状である。

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レベルにある。

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は、直列接続された電池セル１のうちの一端の外部端子４と前記直列接続された電池セル１のうちの他端の外部端子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、及び平坦面５ａと平行で且つ平坦面５ａの反対側において外部端子４と対向する対向面５ｂを有する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。

接続部７には、外部端子４との対向面５ｂと反対側（平坦面５ａ）が凹むことによって薄肉部８が形成されている。本実施形態の薄肉部８は、平面視矩形状（正方形状）に形成されている。また、この薄肉部８は、対向面５ｂと交差する方向に略均一に凹んでいる。薄肉部８の内側面部８ａは、バスバー５の対向面５ｂと直交するように配置されている。薄肉部８の底面部８ｂは、バスバー５の対向面５ｂと平行である。薄肉部８は、接続部７の一部をコイニング加工することによって形成されている。なお、薄肉部８は、平面視矩形状に限られない。例えば、薄肉部８は、円形状（真円形状、楕円形状）や多角形状でもよい。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、薄肉部８の底面部８ｂが外部端子４と溶接される。

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、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でバスバー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の薄肉部８の上方に移動する。このとき、溶接ヘッド２１は、レーザ光Ｌの光軸が薄肉部８の底面部８ｂと直交するようにして、底面部８ｂに向けてレーザ光Ｌを出射している。具体的には、レーザ光Ｌは、底面部８ｂ上に焦点が位置す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（部位）Ｗは、薄肉部８の内側面部８ａから所定距離内側に離間した位置の閉じた経路の全周である。具体的には、レーザ光Ｌを照射する範囲Ｗは、矩形状の経路の全周である。より具体的には、レーザ光Ｌを照射する範囲Ｗは、薄肉部８の外縁（内側面部８ａによって構成される薄肉部８の外形線）と相似形である。なお、レーザ光Ｌを照射する範囲Ｗは、図８に示す如く、矩形状に形成された経路の一辺と略平行な複数の直線状の辺であってもよい。

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。そして、溶接装置２０がバスバー５の接続部７と外部端子４とを溶接することで、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に収容されることで、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、外部端子４と、バスバー５の接続部７において平坦面５ａ（詳しくは、外部端子４との対向面５ｂと反対側の平坦面５ａ）を凹ませることによって形成された薄肉部８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への熱損傷を軽減することができる。これにより、内部構造である電極体へ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の変形によって内部の密封性が低下することも防止できる。

また、本実施形態に係る電池モジュールによれば、薄肉部８は、コイニング加工によって高い精度で形成される。そのため、薄肉部８の底面部８ｂを外部端子７に対して平坦にすることができる。そして、バスバー５の薄肉部８と外部端子７とを溶接するための熱量を、薄肉部８の底面部８ｂにおいて均等にすることができる。

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。

上記実施形態の薄肉部８では、外部端子４の軸部４ａの軸心方向において当該軸部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、薄肉部８は、外部端子４のうち、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。このとき、図９及び図１０に示す如く、薄肉部８は、外部端子４のうち、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前記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の熱損傷をより確実に防止できるため、内部構造である電極体の熱損傷をより確実に防止できる。

図９に示す薄肉部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に示す薄肉部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。そして、図１０に示す負極用の外部端子４は、軸部４ａと、軸部４ａに嵌合される板状体４ｃとが別部材で構成されている。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、これに限定されるものではない。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して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の薄肉部８とそれぞれ溶接されることで、電気的に接続されている。

また、上記実施形態においては、溶接装置２０の溶接ヘッド２１が移動して（首を振って）いたが、これに限定されるものではない。例えば、ミラーが、溶接ヘッド２１から出射したレーザ光Ｌの光軸を変更してもよく、また、ワーク（蓄電素子）側が、固定されている溶接ヘッド２１に対して移動してもよい。

上記実施形態においては、レーザ光Ｌを照射する範囲（部位）Ｗは、薄肉部８の内側面部８ａと接する境界から所定距離内側に離間した底面部８ｂ上の箇所である。しかしながら、他の実施形態を示す図１３に示す如く、レーザ光Ｌを照射する範囲Ｗは、薄肉部８の内側面部８ａと接する底面部８ｂの縁としてもよい。この場合、薄肉部８の内側面部８ａは、バスバー５の外部端子４との対向面５ｂから該対向面と反対側の平坦面５ａに向かうにつれて、薄肉部８の中心から離間する方向に傾斜していることが好ましい。

また、上記実施形態においては、外部端子４及びバスバー５がアルミニウム系金属材料で構成されたが、これに限定されるものではない。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を電池セル１の外部端子４に溶接したが、これに限定されない。例えば、一般的なアーク溶接、ガス溶接等で溶接してもよい。

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、５ｂ…対向面、６…本体部、７…接続部、８…薄肉部、８ａ…内側面部、８ｂ…底面部、１０…ハウジング、２０…溶接装置、２１…溶接ヘッド、Ｌ…レーザ光

Claims (4)

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、前記外部端子と対向する一部分に薄肉部を有し、
   前記薄肉部は、前記バスバーの周縁より内側で、且つ、該バスバーにおける該薄肉部の一部が前記軸部の一部と重なる箇所に配置され、
   前記薄肉部と前記外部端子とが溶接されている
   蓄電装置。
2. 前記薄肉部は、前記接続部の一部をコイニング加工することによって形成されている
   請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記薄肉部の所定箇所と、前記外部端子のうち、前記軸部から当該軸部の軸心と交差する方向に離れた箇所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. 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、
   前記外部端子との対向面と反対側を凹ませることによって前記バスバーに形成された薄肉部にレーザ光を照射して、該薄肉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、
   前記薄肉部は、前記バスバーの周縁より内側で、且つ、該バスバーにおける該薄肉部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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