JP6641603B2

JP6641603B2 - 組電池

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Publication number: JP6641603B2
Application number: JP2017060151A
Authority: JP
Inventors: 裕喜永井; 晃士田丸; 僚各務; 岡本　夕紀; 夕紀岡本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2020-02-05
Anticipated expiration: 2037-03-24
Also published as: CN108630854B; US20180277818A1; JP2018163799A; KR20180108461A; KR102076476B1; US10490800B2; CN108630854A

Description

本発明は、組電池に関する。詳しくは、複数の単電池を備えた組電池に関する。

複数の単電池を電気的に接続した組電池は、車両駆動用の高出力電源等として広く用いられている。例えば特許文献１，２には、複数の単電池の外部端子間をバスバーで直列接続した組電池が開示されている。特許文献１の図１等には、一対の電極接続部と、当該一対の電極接続部の間に介在され、Ｕ字状に屈曲した部分を有する連結部と、を備えたバスバーが開示されている。特許文献１には、かかるバスバーを用いて単電池の外部端子間を接続することにより、単電池間の位置ずれを吸収し得る旨が記載されている。

特開２０１３−１９１３３７号公報特開２０１０−２１２１５５号公報

しかしながら、本発明者らの検討により、特許文献１に記載される組電池は、回転方向の変位に弱いことが新たに判明した。すなわち、自動車等の移動体に搭載される組電池は、振動や衝撃等の応力に曝される。しかし、特許文献１の組電池では、例えば振動や衝撃等によって「ねじれ方向」の応力が加えられた場合に、その応力が外部端子とバスバーとの接続部分に集中してしまう。そのため、バスバーが外部端子から外れて、単電池間の電気的な接続が切断される虞がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ねじれ方向の応力が加えられた場合にも、外部端子とバスバーとの電気的な接続が切断され難い組電池を提供することである。

本発明により、所定の配列方向に配列された複数の単電池と、上記複数の単電池の間を電気的に接続するバスバーと、を備える組電池が提供される。上記バスバーは、上記単電池から離反する方向に屈曲する第１屈曲部と、上記第１屈曲部とは逆の方向に屈曲する第２屈曲部とを有する。上記第１屈曲部と上記第２屈曲部とは、上記配列方向に並んで配置されている。上記第１屈曲部と上記第２屈曲部とは、それぞれ上記配列方向と交差して延びている。上記第１屈曲部は、上記第１屈曲部の延びる方向に沿う一の端部から他の端部に向かって漸次幅が広がるように構成されている。上記第２屈曲部は、上記第２屈曲部の延びる方向に沿う上記一の端部から上記他の端部に向かって漸次幅が狭まるように構成されている。

上記組電池のバスバーは、ねじれ方向から応力が加えられた場合に、屈曲部の幅の狭い側を支点として幅の広い側が変形することにより、その応力を分散させることができる。したがって、外部端子とバスバーとの接続部分における応力集中を緩和することができる。また、相対する形状の屈曲する第１屈曲部と第２屈曲部とを有することにより、第１のねじれ方向への変位のみならず、第１のねじれ方向と逆方向の第２のねじれ方向への変位に対しても好適に対応することができる。その結果、外部端子とバスバーとの電気的な接続が切断され難くなり、組電池の耐久性や信頼性を向上することができる。

本発明の好適な一態様では、上記第１屈曲部と上記第２屈曲部とは、上記バスバーの中心を基準とする点対称性、および、上記バスバーの上記配列方向における中心線を基準とする線対称性のうちの少なくとも１方を有するように配置されている。このことにより、第１のねじれ方向への応力と、第１のねじれ方向と逆方向の第２のねじれ方向への応力とを、バランスよく緩和することができる。

本発明の好適な一態様では、上記単電池は、発電要素と、上記発電要素を収容する電池ケースと、上記電池ケースの外部に付設された外部端子と、を有している。上記バスバーは、上記外部端子と電気的に接続されている。上記外部端子と上記バスバーとが接続される位置に溶接接合部が形成されている。外部端子とバスバーとが溶接接合されている場合、当該溶接接合部がいったん破断されると、修復不能となる場合がある。したがって、外部端子とバスバーとが溶接接合されている場合に、本発明を適用することの効果がより良く発揮される。

一実施形態に係る組電池を模式的に示す斜視図である。図１のバスバーを模式的に示す斜視図である。図１のバスバーを模式的に示す断面図である。図１のバスバーを模式的に示す平面図である。他の実施形態に係るバスバーを模式的に示す平面図である。他の実施形態に係るバスバーを模式的に示す平面図である。

以下、適宜図面を参照しながら、ここで開示される組電池の一実施形態を説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。

図１は、本実施形態の組電池１を模式的に示す斜視図である。組電池１は、４つの単電池１０と、これら単電池１０を相互に電気的に接続する３つのバスバー２０と、を備えている。なお、以下の図面において、符号Ｕ、Ｄ、Ｆ、Ｒｒ、Ｌ、Ｒは、それぞれ上、下、前、後、左、右を意味するものとする。また、符号Ｙは単電池１０の並んだ配列方向、符号Ｘは符号Ｙと直交し単電池１０の長辺に沿う延伸方向、符号Ｚは単電池１０の高さ方向をそれぞれ意味するものとする。ただし、これらは説明の便宜上の方向であり組電池１の設置態様を何ら限定するものではない。

４つの単電池１０はいずれも扁平な角型であり、同一形状を有している。４つの単電池１０は、一対の平坦な側面（幅広面）が相互に対向するように、配列方向Ｙ（図１の前後方向）に沿って一列に並んでいる。４つの単電池１０は、図示しない拘束バンド等によって一体的に保持されている。４つの単電池１０は、バスバー２０によって直列に電気接続されている。ただし、組電池１を構成する単電池１０の形状やサイズ、個数、配置、接続方法等は特に限定されず、適宜変更することができる。また、４つの単電池１０の間には、例えば、単電池１０で発生する熱を効率よく放散させるための放熱部材や、長さ調整手段としてのスペーサ等が配置されていてもよい。

単電池１０は、図示しない発電要素が筐体となる電池ケースに収容されて構成されている。単電池１０の構成については従来と同様でよく、特に限定されない。単電池１０は、典型的には充放電可能な二次電池、例えばリチウムイオン二次電池である。発電要素は、典型的には正極と負極と電解質とを有している。正極と負極とは、それぞれ、電荷担体を可逆的に吸蔵及び放出可能な活物質を含んでいる。電解質は、例えば、非水溶媒とリチウム塩等の支持塩とを含んでいる。電池ケースは、例えば、アルミニウム等の軽量な金属製である。

単電池１０の上面１０ｕには、正極端子１２と負極端子１４とが付設されている。正極端子１２と負極端子１４とは、延伸方向Ｘ（図１の左右方向）において、単電池１０の左右の端部に配置されている。正極端子１２は、例えば、アルミニウム、ニッケル、ステンレス等の金属製である。正極端子１２は、電池ケースの内部に配置された正極（図示せず）と電気的に接続されている。負極端子１４は、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス等の金属製である。負極端子１４は、電池ケースの内部に配置された負極（図示せず）と電気的に接続されている。正極端子１２と負極端子１４とは、外部端子の一例である。単電池１０は、正極端子１２と負極端子１４とを介して充放電される。

本実施形態では、正極端子１２と負極端子１４とは、それぞれ、上端が矩形な平板形状に形成されている。言い換えれば、正極端子１２と負極端子１４とは、それぞれ、単電池１０の上面１０ｕと平行な平坦面を有している。また、本実施形態では、正極端子１２と負極端子１４とは、それぞれ、延伸方向Ｘの幅が配列方向Ｙの幅よりも長い。ただし、正・負極端子１２、１４の形状やサイズ、配置等は特に限定されず、適宜変更することができる。例えば、正極端子１２と負極端子１４とは、それぞれ、ボルト形状のネジ締結部分を有していてもよい。

配列方向Ｙに隣り合う単電池１０の正極端子１２と負極端子１４とは、バスバー２０で交互に接続されている。言い換えれば、一の単電池１０の正極端子１２は、バスバー２０を介して、配列方向Ｙに隣り合った他の単電池１０の負極端子１４と導通されている。本実施形態では、正極端子１２および負極端子１４の上記平坦面を覆うようにバスバー２０が配置されている。バスバー２０は、例えばレーザー溶接等の従来公知の接合方法によって、正極端子１２および負極端子１４の上記平坦面と接合されている。正極端子１２および負極端子１４の上記平坦面とバスバー２０とが接続される位置には、図示しない溶接接合部が形成されている。これにより、バスバー２０は正極端子１２および負極端子１４と一体化されている。

バスバー２０は、導電性の連結部材である。バスバー２０は、概ね０．１〜１０ｍｍ、例えば０．５〜５ｍｍ程度の厚みを有する板状の部材である。バスバー２０は、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス等の金属製である。組電池１に用いられるバスバー２０の個数は、典型的には（単電池の個数−１）個である。

図２はバスバー２０の斜視図である。図３はバスバー２０の高さ方向Ｚの断面図である。図４はバスバー２０の平面図である。図２〜４に示すように、バスバー２０は、２つの端子接続部２１ａ、２１ｂと、２つの端子接続部２１ａ、２１ｂの間に介在される連結部２２と、を有している。配列方向Ｙにおいて、端子接続部２１ａ、２１ｂは両端部分に配置され、連結部２２は端子接続部２１ａ、２１ｂの中間部分に配置されている。連結部２２は端子接続部２１ａ、２１ｂから延びている。バスバー２０は、例えば一枚の金属板をプレス加工で屈曲させることにより形成されている。

端子接続部２１ａ、２１ｂは、正極端子１２および負極端子１４と接続される部分である。端子接続部２１ａ、２１ｂは、正極端子１２および負極端子１４の上記平坦面に沿う平板形状を有している。本実施形態では、端子接続部２１ａ、２１ｂの延伸方向Ｘの幅が配列方向Ｙの幅よりも長い。端子接続部２１ａ、２１ｂは、平面視において単電池１０の正極端子１２や負極端子１４と同じ形状である。端子接続部２１ａ、２１ｂの平面視における面積は、正極端子１２や負極端子１４の平面視における面積と同じであるか、それよりも小さいとよい。ただし、端子接続部２１ａ、２１ｂの形状やサイズは特に限定されず、適宜変更することができる。例えば、正極端子１２と負極端子１４とがボルト形状のネジ締結部分を有する場合は、端子接続部２１ａ、２１ｂに、当該ネジ締結部分を挿入可能な外径で高さ方向Ｚに貫通する貫通孔を有していてもよい。

連結部２２は、２つの端子接続部２１ａ、２１ｂを電気的に接続する部分である。本実施形態では、連結部２２の延伸方向Ｘの幅が配列方向Ｙの幅よりも長い。連結部２２の延伸方向Ｘの幅は特に限定されないが、概ね１０ｍｍ以上、例えば２０ｍｍ以上であって、概ね１００ｍｍ以下、例えば５０ｍｍ以下であるとよい。連結部２２の配列方向Ｙの幅は特に限定されないが、概ね１０ｍｍ以上、例えば２０ｍｍ以上であって、概ね１００ｍｍ以下、例えば５０ｍｍ以下であるとよい。これにより、ねじれ方向の応力をより良く緩和することができる。

連結部２２は、変曲線２２Ｍを境界として、配列方向Ｙに２つに区分けされている。変曲線２２Ｍは、端子接続部２１ａ、２１ｂと高さ方向Ｚの位置が同じ点の集合である。連結部２２は、高さ方向Ｚの上方に屈曲する１つの凸部２２ａと、高さ方向Ｚの下方に屈曲する１つの凹部２２ｂと、を有している。凸部２２ａは、単電池１０から離反する方向に屈曲している。凹部２２ｂは、凸部２２ａとは逆の方向、すなわち、単電池１０に近接する方向に屈曲している。凸部２２ａと凹部２２ｂとは、配列方向Ｙに沿って並んで配置されている。凸部２２ａと凹部２２ｂとは、それぞれ配列方向Ｙと交差する方向と交差して延びている。ここでは、凸部２２ａと凹部２２ｂとが、それぞれ延伸方向Ｘに延びている。なお、凸部２２ａは第１屈曲部の一例であり、凹部２２ｂは第２屈曲部の一例である。

なお、凸部２２ａと凹部２２ｂとは、本実施形態のようにそれぞれ１つずつであってもよいし、凸部２２ａおよび／または凹部２２ｂが２つ以上の複数であってもよい。凸部２２ａと凹部２２ｂとは、同じ数であってもよいし、異なっていてもよい。凸部２２ａの数は、例えば、（凹部２２ｂの数±１）である。凸部２２ａおよび／または凹部２２ｂが複数の場合、１つまたは複数の凸部２２ａと、１つまたは複数の凹部２２ｂとは、配列方向Ｙに沿って交互に配置されていることが好ましい。

凸部２２ａと凹部２２ｂとは、断面視において、それぞれ斜円錐が斜めに切断されたような曲面形状をなしている。高さ方向Ｚにおいて、凸部２２ａの屈曲最大高さＨａと凹部２２ｂの屈曲最大高さＨｂとは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。屈曲最大高さＨａ、Ｈｂは特に限定されないが、ねじれ方向の応力をより良く緩和する観点から、それぞれ、典型的には１〜１０ｍｍ、好ましくは１．５ｍｍ以上、例えば２〜５ｍｍ程度であるとよい。屈曲最大高さＨａ、Ｈｂは、例えば、正極端子１２および負極端子１４の高さ方向Ｚの長さ（厚み）よりも小さくてもよい。

凸部２２ａは、第１屈曲部の延びる方向に沿って、右端から左端に向かって漸次幅が広がるように構成されている。言い換えれば、凸部２２ａは、配列方向Ｙの幅が、延伸方向Ｘの右端から左端に向かって漸次広がるように構成されている。凹部２２ｂは、第２屈曲部の伸びる方向に沿って、右端から左端に向かって漸次幅が狭まるように構成されている。言い換えれば、凹部２２ｂは、凸部２２ａとは逆に、配列方向Ｙの幅が、延伸方向Ｘの右端から左端に向かって漸次狭まるように構成されている。
なお、本明細書において「漸次」とは、典型的には直線的に変化することを意味しているが、例えば製造工程などに起因して途中で変化率が多少変化することをも許容し得る用語である。

凸部２２ａの傾斜角度θａ（すなわち、変曲線２２Ｍと、端子接続部２１ｂと連結部２２との境界線とがなす角度）は、凹部２２ｂの傾斜角度θｂ（すなわち、変曲線２２Ｍと、端子接続部２１ａと連結部２２との境界線とがなす角度）と、同じであってもよいし、異なっていてもよい。傾斜角度θａ、θｂは特に限定されないが、ねじれ方向の応力をより良く緩和する観点から、それぞれ、典型的には３〜６０°、例えば５〜４５°程度であるとよい。

凸部２２ａと凹部２２ｂとは、単電池１０に対向するＸＹ面の中心を対称中心点（基準）とした点対称性を有している。連結部２２は、変曲線２２Ｍの延伸方向Ｘの中心を対称中心点（基準）とした点対称性を有している。バスバー２０は、ＸＹ面の中心を基準とした点対称性を有している。このことにより、第１のねじれ方向への応力と、第１のねじれ方向とは反対の第２のねじれ方向への応力とを、バランスよく（均等に）緩和することができる。ただし、例えば組電池１の設置態様等によっては、第１のねじれ方向または第２のねじれ方向のいずれかに変位し易い場合がある。このような場合には、連結部２２あるいはバスバー２０は、線対称性や点対称性を有していなくてもよい。

以上のように、本実施形態の組電池１では、バスバー２０に凸部２２ａと凹部２２ｂとを有している。このことにより、組電池１にねじれ方向から応力が加えられた場合には、凸部２２ａの右側の端部あるいは凹部２２ｂの左側の端部が支点となって変形し、その応力を好適に分散することができる。したがって、正・負極端子１２、１４とバスバー２０との接続部分における応力集中を緩和することができる。
また、相対する凸部２２ａと凹部２２ｂとを有することにより、第１のねじれ方向への変位のみならず、第１のねじれ方向とは逆方向の第２のねじれ方向への変位に対しても好適に対応することができる。その結果、正・負極端子１２、１４とバスバー２０との電気的な接続が切断され難くなり、組電池１の耐久性や信頼性を向上することができる。

実際、本発明者らが市販の応力解析ソフトを用いて下記条件でシュミレーションを行ったところ、バスバー２０を用いた本実施形態の組電池１は、凸部２２ａと凹部２２ｂとを有しない平板形状のバスバーを用いた従来例に比べて、正・負極端子１２、１４とバスバー２０との接続部分に集中する応力を緩和する効果があることが示された。

＜応力解析条件＞
・応力解析ソフト：Abaqus/CAE（DASSAULT SYSTEMES社製）
・解析条件：バスバーの一方の端子接続部を支点として組電池を２ｍｍ変位させた際に、他方の端子接続部にかかる応力を解析した。
・入力パラメータ：

＜応力解析結果＞

組電池１は各種用途に利用可能であるが、例えば、ハイブリッド車両等の移動体の動力源（駆動用電源）として好適に利用することができる。

以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態および実施例は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

例えば上記した実施形態では、バスバー２０が、一枚の金属板をプレス加工することにより形成され、凸部２２ａと凹部２２ｂとが、断面視においてそれぞれ曲面形状をなしていたが、これには限定されない。
図５は、他の実施形態に係るバスバー３０の平面図である。バスバー３０は、２つの端子接続部３１ａ、３１ｂと、２つの端子接続部３１ａ、３１ｂの間に介在される連結部３２と、を有している。なお、バスバー３０は、以下の特徴を除き、上記したバスバー２０と同様である。例えば、２つの端子接続部３１ａ、３１ｂは、上述した端子接続部２１ａ、２１ｂと同様である。

連結部３２は、変曲線３２Ｍを境界として、配列方向Ｙに２つに区分けされている。連結部３２は、１つの凸部３２ａと、１つの凹部３２ｂと、を有している。バスバー３０は、一枚の金属板を折り曲げて形成されている。詳しくは、３本の山折り線ｍ１〜ｍ３を凸形状に癖付けすることによって、凸部３２ａが形成されている。また、３本の谷折り線ｖ１〜ｖ３を凹形状に癖付けすることによって、凹部３２ｂが形成されている。凸部３２ａと凹部３２ｂとは、断面視において、それぞれ斜角錐が斜めに切断されたような斜切角錐形状をなしている。凸部３２ａと凹部３２ｂとは、ＸＹ面の中心を対称中心点（基準）とした点対称性を有している。バスバー３０は、ＸＹ面の中心を基準とした点対称性を有している。
以上のようなバスバー３０もまた、バスバー２０と同様に好適に用いることができる。

また、例えば上記した実施形態では、バスバー２０の連結部２２が、凸部２２ａと凹部２２ｂとをそれぞれ１つずつ有していたが、これには限定されない。
図６は、他の実施形態に係るバスバー４０の平面図である。バスバー４０は、２つの端子接続部４１ａ、４１ｂと、２つの端子接続部４１ａ、４１ｂの間に介在される連結部４２と、を有している。なお、バスバー４０は、以下の特徴を除き、上記したバスバー２０と同様である。例えば、２つの端子接続部４１ａ、４１ｂは、上述した端子接続部２１ａ、２１ｂと同様である。

連結部４２は、２本の変曲線４２Ｍを境界として、配列方向Ｙに３つに区分けされている。連結部４２は、２つの凸部４２ａ、４２ｃと、１つの凹部４２ｂと、を有している。２つの凸部４２ａ、４２ｃと、１つの凹部４２ｂとは、配列方向Ｙに沿って交互に配置されている。言い換えれば、配列方向Ｙにおいて、２つの凸部４２ａ、４２ｃは、それぞれ２つの端子接続部４１ａ、４１ｂの隣に配置されており、１つの凹部４２ｂは、２つの凸部４２ａ、４２ｃの間に配置されている。

２つの凸部４２ａ、４２ｃは、断面視において、それぞれ斜円錐が斜めに切断されたような曲面形状をなしている。１つの凹部４２ｂは、直円錐が斜めに切断されたような曲面形状（テーパ形状）をなしている。２つの凸部４２ａ、４２ｃの屈曲最大高さは、１つの凹部４２ｂの屈曲最大高さよりも小さい。連結部４２は、ＸＹ面の配列方向Ｙの中央線Ｍを対称中心線（基準）とした線対称性を有している。２つの凸部４２ａ、４２ｃと１つの凹部４２ｂとは、ＸＹ面の配列方向Ｙの中央線Ｍを基準とした線対称性を有している。バスバー４０は、ＸＹ面の配列方向Ｙの中央線Ｍを基準とした線対称性を有している。
以上のようなバスバー４０もまた、バスバー２０と同様に好適に用いることができる。

また、例えば上記した実施形態では、バスバー２０の連結部２２が、凸部２２ａと凹部２２ｂとで構成されていたが、これには限定されない。例えば、凸部２２ａと凹部２２ｂとに加えて、特許文献１に記載されるようなＵ字状の屈曲部分、すなわち、配列方向Ｙの幅が延伸方向Ｘの右端部から左端部まで均一である屈曲部分を、端子接続部２１ａ、２１ｂとの境界部分に有していてもよい。

１組電池
１０単電池
１２正極端子（外部端子）
１４負極端子（外部端子）
２０、３０、４０バスバー
２１ａ、２１ｂ、３１ａ、３１ｂ、４１ａ、４１ｂ端子接続部
２２、３２、４２連結部
２２ａ、３２ａ、４２ａ、４２ｃ凸部（第１屈曲部）
２２ｂ、３２ｂ、４２ｂ凹部（第２屈曲部）

Claims

所定の配列方向に配列された複数の単電池と、
前記複数の単電池の間を電気的に接続するバスバーと、
を備え、
前記バスバーは、前記単電池から離反する方向に屈曲する第１屈曲部と、前記第１屈曲部とは逆の方向に屈曲する第２屈曲部とを有し、
前記第１屈曲部と前記第２屈曲部とは、前記配列方向に並んで配置されており、
前記第１屈曲部と前記第２屈曲部とは、それぞれ前記配列方向と交差して延びており、
前記第１屈曲部は、前記第１屈曲部の延びる方向に沿う一の端部から他の端部に向かって漸次幅が広がるように構成されており、
前記第２屈曲部は、前記第２屈曲部の延びる方向に沿う前記一の端部から前記他の端部に向かって漸次幅が狭まるように構成されている、組電池。
前記第１屈曲部と前記第２屈曲部とは、前記バスバーの中心を基準とする点対称性、および、前記バスバーの前記配列方向における中心線を基準とする線対称性のうちの少なくとも１方を有するように配置されている、請求項１に記載の組電池。
前記単電池は、発電要素と、前記発電要素を収容する電池ケースと、前記電池ケースの外部に付設された外部端子と、を有し、
前記バスバーは、前記外部端子と電気的に接続されており、
前記外部端子と前記バスバーとが接続される位置に溶接接合部が形成されている、請求項１または２に記載の組電池。