JP6720638B2

JP6720638B2 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP6720638B2
Application number: JP2016066486A
Authority: JP
Inventors: 佳代子沖本; 木下　恭一; 恭一木下
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2020-07-08
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: JP2017183006A

Description

本発明は、電極端子を備える蓄電装置に関する。

ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置としてリチウムイオン電池などの二次電池が搭載されている。この種の二次電池は、例えば、特許文献１に開示されている。図８に示すように、特許文献１の電池は、図示しない電極組立体と電気的に接続された端子部材８１を備える。端子部材８１は筐体８２の蓋部８２ａに存在する孔８２ｂを貫通し、筐体８２の外部に突出している。

端子部材８１は、筐体８２内に配置された板状の集電部品８３と、集電部品８３に固着された電極端子としての端子部品８４とを備える。端子部品８４は軸方向の一端部にクリンチ部８５を備える。端子部品８４は、クリンチ部８５の外周面に粗し面形成部８４ａを備える。端子部品８４は、軸方向の他端側に接続部８４ｂを備え、接続部８４ｂは雄ネジである。この接続部８４ｂにナットを用いてバスバーを締結することにより、電池同士が連結される。

集電部品８３は、端子部品８４の粗し面形成部８４ａが圧入される圧入孔８３ａを備える。そして、圧入孔８３ａにクリンチ部８５が圧入され、集電部品８３と端子部品８４が固着して、導電性が確保されている。

特開２０１０−９７７３２号公報

ところで、端子部品８４にバスバーを締結するため、端子部品８４の接続部８４ｂにナットを螺合する際、端子部品８４に掛かるトルクにより、端子部品８４が回転してクリンチ部８５と圧入孔８３ａとの固着状態が破壊されてしまう虞がある。

本発明の目的は、電極端子にトルクが掛かっても固着状態を維持することができる蓄電装置を提供することにある。

上記問題点を解決するための蓄電装置は、ケースと、前記ケース内に収容された電極組立体と、前記電極組立体に接合された導電部材と、前記導電部材と電気的に接続された電極端子と、を備えた蓄電装置であって、前記電極端子は、筒状部を備える接続部材と、前記接続部材に固着された端子部材と、を有し、前記端子部材は、前記筒状部に対して圧入された状態の極柱部、及び該極柱部から突出し、かつ螺子部を周面に備えた軸部を備え、前記接続部材は、前記極柱部の周面に対して周方向全体に亘って圧接した構造を有する環状突条部を前記筒状部の内周面から突出した形状で複数備えることを要旨とする。

これによれば、接続部材に極柱部が固着された電極端子において、筒状部の内周面に加え、その内周面から突出した環状突条部が極柱部の周面に圧接している。環状突条部では筒状部の内周面よりも極柱部に対する締付力が強くなり、締付力の高い箇所が筒状部の軸方向に複数存在する。このため、端子部材を接続部材に強固に固着できる。その結果、端子部材の軸部にバスバーを締結するため、軸部にネジ部材を螺合する際、端子部材にトルクが掛かっても端子部材が回転することを規制でき、接続部材と端子部材の固着状態を維持することができる。

また、蓄電装置について、複数の前記環状突条部における前記筒状部の内周面からの突出寸法は異なる。
これによれば、極柱部の周面に対する締付力は、環状突条部の方が、筒状部の内周面より突出した分、大きくなる。よって、複数の環状突条部により、極柱部に対する締付力の分布が筒状部の軸方向に沿って異なる。このため、極柱部に対して締付力の大小が存在し、接続部材と端子部材の固着強度を高めることができる。

また、蓄電装置について、複数の前記環状突条部において、前記筒状部の先端面に最も近い前記環状突条部の突出寸法は最も小さいのが好ましい。
これによれば、筒状部に対する極柱部の圧入作業を円滑に行うことができる。

また、蓄電装置について、前記蓄電装置は二次電池である。

本発明によれば、電極端子にトルクが掛かっても固着状態を維持することができる。

実施形態の二次電池を示す分解斜視図。蓄電モジュールを示す斜視図。二次電池の電極端子付近を示す縦断面図。（ａ）は端子部材を接続部材に圧入する前の状態を示す図、（ｂ）は第１環状突条部に極柱部を圧入した状態を示す図。（ａ）は端子部材を接続部材に圧入する前の環状突条部の金属組織を示す図、（ｂ）は端子部材を接続部材に圧入した状態の環状突条部の金属組織を示す図。接続部材における環状突条部の別例を示す部分断面図。端子構造の別例を示す部分断面図。背景技術を示す図。

以下、蓄電装置を二次電池に具体化した一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
図１又は図２に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、ケース１２を備える。二次電池１０は、ケース１２に収容された電極組立体２０及び図示しない電解液を備える。ケース１２は、開口部１３ｄを有する直方体状のケース本体１３と、ケース本体１３の開口部１３ｄを閉塞する矩形平板状の蓋１４とを有する。ケース本体１３と蓋１４は、何れも金属製（例えば、ステンレスやアルミニウム）である。二次電池１０は、角型のリチウムイオン電池である。

詳細に図示しないが、電極組立体２０は、矩形シート状の正極電極２１と矩形シート状の負極電極２２とを備える。正極電極２１と負極電極２２とは、間にセパレータ２３を介在させて層状とされた積層型である。正極電極２１は、矩形状の正極用金属箔（本実施形態ではアルミニウム箔）と、その正極用金属箔の両面に存在する正極活物質層を備える。負極電極２２は、矩形状の負極用金属箔（本実施形態では銅箔）と、その負極用金属箔の両面に存在する負極活物質層を備える。

正極電極２１は、一辺（長辺）の一部から突出した形状の正極集電タブ２１ｃを有する。負極電極２２は、一辺（長辺）の一部から突出した形状の負極集電タブ２２ｃを有する。正極電極２１は、それぞれの正極集電タブ２１ｃが積層方向に沿って列状に配置されるように積層される。負極電極２２は、それぞれの負極集電タブ２２ｃが、正極集電タブ２１ｃと重ならないように積層方向に沿って列状に配置されるように積層される。複数の正極集電タブ２１ｃは、電極組立体２０における積層方向の一端から他端までの範囲に集められている。また、複数の負極集電タブ２２ｃも同様に、電極組立体２０における積層方向の一端から他端までの範囲に集められている。

二次電池１０は、正極集電タブ２１ｃを集めた正極タブ群２１ｄを備える。二次電池１０は、正極タブ群２１ｄに接合された正極導電部材３３を備える。二次電池１０は、負極集電タブ２２ｃを集めた負極タブ群２２ｄを備える。二次電池１０は、負極タブ群２２ｄに接合された負極導電部材３７を備える。

二次電池１０は、正極導電部材３３に接合された正極の電極端子４１を備える。また、二次電池１０は、負極導電部材３７に接合された負極の電極端子４１を備える。正極の電極端子４１及び負極の電極端子４１は、それぞれ電極組立体２０と電気を授受する。各極の電極端子４１は、ケース１２の内外を蓋１４で貫通し、かつ蓋１４に固定されている。

次に、電極端子４１について説明する。正極の電極端子４１と負極の電極端子４１は形状は同じである。
図３に示すように、電極端子４１は、ボルト状の接続部材４２と、接続部材４２に固着された端子部材５２とを備える。正極の電極端子４１において、接続部材４２は純アルミニウム製である。負極の電極端子４１において、接続部材４２は純銅製である。正極及び負極の端子部材５２は、例えば炭素鋼、クロム鋼、ニッケルクロム鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼等の鉄系高強度鋼合金製である。端子部材５２の材料である鉄系合金は、正極の接続部材４２の材料である純アルミニウム、及び負極の接続部材４２の材料である純銅より硬度が高い。

図１又は図３に示すように、接続部材４２は、四角板状の基部４３を有する。正極の電極端子４１は、基部４３が正極導電部材３３に接合され、負極の電極端子４１は、基部４３が負極導電部材３７に接合されている。

接続部材４２は、基部４３の中央から立設した円筒状の筒状部４４を備える。筒状部４４は、電極端子４１における蓋１４の貫通方向に基部４３から延出している。接続部材４２は、筒状部４４の外周面に雄ネジ４４ａを備える。接続部材４２において、筒状部４４の中心軸線Ｌの延びる方向を軸方向とする。接続部材４２は圧入凹部４５を筒状部４４に備える。圧入凹部４５は、軸方向に沿って筒状部４４の先端面から円形状に凹む形状である。

図４（ａ）に示すように、接続部材４２は、筒状部４４の先端面寄りの内周面に第１環状突条部４６ａを備える。この第１環状突条部４６ａは、筒状部４４の内周面から中心軸線Ｌに向けて円環状に突出した形状である。接続部材４２は、筒状部４４の基端寄り内周面に第２環状突条部４６ｂを備える。この第２環状突条部４６ｂは、筒状部４４の内周面から中心軸線Ｌに向けて円環状に突出した形状である。第１環状突条部４６ａ及び第２環状突条部４６ｂは、筒状部４４の周方向全体に亘って存在する。

第１環状突条部４６ａと第２環状突条部４６ｂは、接続部材４２の軸方向に一定の距離をおいて存在する。第１環状突条部４６ａにおいて、接続部材４２内周面から中心軸線Ｌに向けた突出寸法を高さとする。第１環状突条部４６ａの高さが最も高くなる頂点Ｐ１における接続部材４２の内径をｒ１とする。

第２環状突条部４６ｂにおいて、接続部材４２内周面から中心軸線Ｌに向けた突出寸法を高さとする。第２環状突条部４６ｂの高さが最も高くなる頂点Ｐ２における接続部材４２の内径をｒ２とする。第１環状突条部４６ａにおいての筒状部４４の内径ｒ１は、第２環状突条部４６ｂにおいての筒状部４４の内径ｒ２より大きい。よって、第１環状突条部４６ａ及び第２環状突条部４６ｂのうち、筒状部４４の先端面に最も近い第１環状突条部４６ａの突出寸法（高さ）が最も小さい（低い）。このため、筒状部４４の内径は、先端から奥に向かって小さくなっている。なお、第１環状突条部４６ａ及び第２環状突条部４６ｂは、頂点Ｐ１，Ｐ２を境とした筒状部４４の先端側及び反対側について斜面勾配が同じである。また、第１環状突条部４６ａ及び第２環状突条部４６ｂは、頂点Ｐ１，Ｐ２に向かって緩やかに傾斜した形状である。

図１又は図４（ａ）に示すように、端子部材５２は、ケース１２の外側に配置されている。端子部材５２は、円柱状の極柱部５３と、極柱部５３の中心軸線Ｍの延びる方向に沿って突出した軸部５４とを備える。極柱部５３の直径ｒ３は、第１環状突条部４６ａにおける筒状部４４の内径ｒ１及び第２環状突条部４６ｂにおける筒状部４４の内径ｒ２より大きい。軸部５４は、外周面に螺刻された螺子部５４ａを備える。

図３に示すように、接続部材４２の筒状部４４には、端子部材５２の極柱部５３が圧入されている。言い換えると、端子部材５２の極柱部５３は、筒状部４４に対し圧入された状態である。圧入状態では、第１環状突条部４６ａ及び第２環状突条部４６ｂを含む筒状部４４の内周面が拡径方向に塑性変形し、第１環状突条部４６ａ及び第２環状突条部４６ｂを含む筒状部４４の内周面が、極柱部５３の周面に対し、周方向全体に亘って圧接している。特に、第１環状突条部４６ａ及び第２環状突条部４６ｂは、高さが低くなる状態に押し潰されている。また、第１環状突条部４６ａ及び第２環状突条部４６ｂの突出端付近は、極柱部５３の圧入方向に沿って塑性流動している。

この圧接により、極柱部５３の回転及び接続部材４２からの抜け出しが規制され、端子部材５２は接続部材４２に固着されている。また、圧接により、接続部材４２と端子部材５２が電気的に接続されている。

図３の矢印Ｙに示すように、筒状部４４の内周面、第１環状突条部４６ａ及び第２環状突条部４６ｂから、極柱部５３の周面に対し締付力が作用している。第１環状突条部４６ａと第２環状突条部４６ｂの高さが異なるため、締付力の分布は、図３の２点鎖線に示すように、接続部材４２の軸方向に沿って異なる。高さの高い第２環状突条部４６ｂの締付力の方が、第１環状突条部４６ａの締付力より大きい。

図５（ａ）に、極柱部５３が筒状部４４に圧入される前の第１環状突条部４６ａ及び第２環状突条部４６ｂの金属組織を模式的に示す。圧入前、第１環状突条部４６ａ及び第２環状突条部４６ｂは、塑性流動の発生していない金属結晶粒層αを構成している。

図５（ｂ）に、極柱部５３が筒状部４４に圧入された後の第１環状突条部４６ａ及び第２環状突条部４６ｂの金属組織を模式的に示す。圧入後、第１環状突条部４６ａ及び第２環状突条部４６ｂの突出端付近は、金属結晶粒が破壊された微細結晶粒層βを構成している。さらに、第１環状突条部４６ａ及び第２環状突条部４６ｂの突出端より外周側は、金属結晶粒が圧入方向に流れた塑性流動層γを構成している。この塑性流動層γより外周側は、金属結晶粒が塑性変形していない金属結晶粒層αを構成している。

図１又は図３に示すように、二次電池１０は、基部４３に装着された樹脂製の端子カバー５０を備える。端子カバー５０は、ケース１２と各極性の電極端子４１とを電気的に絶縁する。二次電池１０は、基部４３に支持されたＯリング５６を備える。Ｏリング５６は、筒状部４４を取り囲む状態である。筒状部４４の一部及び軸部５４は、蓋１４の挿通孔１４ｂよりケース１２の外部に突出（露出）している。電極端子４１の基部４３は、ケース１２内に位置する。二次電池１０は、円筒状の絶縁部材１９を備える。絶縁部材１９は、蓋１４の挿通孔１４ｂの内周面と、筒状部４４の外周面とを絶縁する。

接続部材４２の雄ネジ４４ａにはナット５５が螺合されている。蓋１４とナット５５との間には、絶縁部材１９のフランジ部１９ａが挟圧され、フランジ部１９ａによってナット５５と蓋１４が絶縁されている。

ナット５５が筒状部４４の雄ネジ４４ａに螺合されることによって、ナット５５と基部４３との間に、フランジ部１９ａ、蓋１４、Ｏリング５６及び端子カバー５０が狭圧されるとともに電極端子４１が蓋１４に締結されている。Ｏリング５６は、圧縮状態で蓋１４及び基部４３に密接し、挿通孔１４ｂの周囲をシールしている。

図２に示すように、各二次電池１０は、正極の電極端子４１が隣り合う二次電池１０の負極の電極端子４１に、負極の電極端子４１が隣り合う二次電池１０の正極の電極端子４１にそれぞれバスバー６０を介して接続され、接続された複数の二次電池１０によって蓄電モジュール７１が構成されている。

図１に示すように、二次電池１０同士を電気的に接続するバスバー６０は、矩形板状である。バスバー６０は、一対の挿通部６０ａを有する。端子部材５２における軸部５４の螺子部５４ａには、バスバー固定用のネジ部材としてのナット６１が螺合されている。ナット６１によってバスバー６０が端子部材５２に固定されている。

次に、接続部材４２と端子部材５２を一体化する方法について説明する。
端子部材５２の極柱部５３を筒状部４４の圧入凹部４５に圧入するには、第１環状突条部４６ａ側に極柱部５３を配置する。そして、図示しない圧入嵌合装置の固定治具により接続部材４２を把持し、端子部材５２を可動治具により把持して、該端子部材５２を接続部材４２の第１環状突条部４６ａに圧入していく。

このとき、図４（ｂ）に示すように、極柱部５３はまず第１環状突条部４６ａの斜面に沿って該斜面を径方向外方へ押圧して拡径しつつ弾性変形させる。次に、極柱部５３の先端部が第１環状突条部４６ａを乗り越えると、第２環状突条部４６ｂの斜面を径方向外方へ押圧して拡径しつつ弾性変形させる。そして、極柱部５３全体が圧入凹部４５に圧入されると、圧入作業は終了する。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）接続部材４２に端子部材５２が固着された電極端子４１において、筒状部４４の内周面に加え、第１環状突条部４６ａと第２環状突条部４６ｂが極柱部５３の周面に圧接している。各環状突条部４６ａ，４６ｂでは、筒状部４４の内周面よりも極柱部５３の周面に対する締付力が強くなっており、端子部材５２を接続部材４２に強固に固着できる。その結果、端子部材５２にバスバー６０を締結するため、端子部材５２の軸部５４にナット６１を螺合する際、端子部材５２にトルクが掛かっても端子部材５２が回転することを規制でき、接続部材４２と端子部材５２の固着状態を維持することができる。

また、筒状部４４の内周面、第１環状突条部４６ａ及び第２環状突条部４６ｂが、端子部材５２の極柱部５３に圧接している。このため、接続部材４２と端子部材５２の接触面積を確保して、接続部材４２と端子部材５２の導電性を確保することができる。

（２）正極の電極端子４１において接続部材４２を純アルミニウム製とし、負極の電極端子４１において接続部材４２を純銅製とした。純アルミニウム及び純銅は軟質金属であり塑性変形しやすい。一方、端子部材５２は鉄系合金製であり、高強度である。このため、筒状部４４に極柱部５３を圧入する際、筒状部４４の内周面、第１環状突条部４６ａ及び第２環状突条部４６ｂを塑性変形させ、筒状部４４の割れを防止できるとともに、極柱部５３に対し圧接させることができる。したがって、正極に純アルミニウムを使用し、負極に純銅を使用するリチウムイオン二次電池は、端子部材５２を接続部材４２に圧入する構造を採用するのに好適である。

（３）第１環状突条部４６ａと第２環状突条部４６ｂとは高さが異なる。このため、極柱部５３の周面に対する締付力の分布が軸方向に異なり、締付力の大小が存在する。その結果、接続部材４２と端子部材５２の結合強度を高めることができる。

（４）第１環状突条部４６ａにおいての筒状部４４の内径ｒ１は、第２環状突条部４６ｂにおいての筒状部４４の内径ｒ２より大きい。このため、極柱部５３を圧入凹部４５に圧入する工程において、圧入力が小から大へと二段階に変化し、圧入作業を円滑に行うことができる。

（５）筒状部４４の先端面に最も近い第１環状突条部４６ａの高さは、その第１環状突条部４６ａより奥の第２環状突条部４６ｂの高さより低い。このため、筒状部４４に対する極柱部５３の圧入作業を円滑に行うことができる。

（６）接続部材４２の筒状部４４に端子部材５２の極柱部５３を圧入し、筒状部４４の軸方向全体に極柱部５３が圧入されている。よって、例えば、導電部材の厚み内に極柱部５３を圧入する場合と比べると、圧入長さを長く確保でき、端子部材５２を接続部材４２に強固に固着できる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 第１環状突条部４６ａと第２環状突条部４６ｂの高さを同じにしてもよい。
○ 図６に示すように、第１環状突条部４６ａの頂点Ｐ１を境として、極柱部５３を圧入する側の斜面勾配を緩やかにし、反対側の斜面の勾配を大きくしてもよい。同様に、第２環状突条部４６ｂの頂点Ｐ２を境として、極柱部５３を圧入する側の斜面勾配を緩やかにし、反対側の斜面の勾配を大きくしてもよい。このように構成した場合、極柱部５３の筒状部４４への圧入作業を容易に行うことができる。

○ 第１環状突条部４６ａの高さより第２環状突条部４６ｂの高さを低くしてもよい。
○ 端子部材５２において、軸部５４を筒状とし、軸部５４の内周面に雌ネジの螺子部を設けてもよい。この場合、軸部５４にバスバー６０を締結する際、雌ネジ製の螺子部には、ネジ部材として、バスバー６０の挿通部６０ａに挿通されたボルトが螺合される。

○ 二次電池１０の端子構造を変更してもよい。図７に示すように、各極性のタブ群２１ｄ，２２ｄ（図７では負極のタブ群２２ｄのみ図示）に接続された導電部材６２と、導電部材６２に接合され、蓋１４を貫通してケース１２外に突出した引出端子６３と、蓋１４の外面に配置された電極端子６４と、この電極端子６４と引出端子６３とを接続する端子接続部材６５と、を備えたものであってもよい。なお、引出端子６３は、内側絶縁部材６６によって蓋１４の内面から絶縁されるとともに、外側絶縁部材６７によって蓋１４の外面から絶縁される。さらに、外側絶縁部材６７によって電極端子６４が蓋１４の外面から絶縁されている。外側絶縁部材６７は、蓋１４に位置決めされ、その外側絶縁部材６７に端子接続部材６５が位置決めされている。また、電極端子６４は端子接続部材６５に接合され、蓋１４に位置決めされている。電極端子６４は、引出端子６３及び端子接続部材６５を介して導電部材６２と電気的に接続されている。

そして、電極端子６４を、有底円筒状の接続部材６８と端子部材５２とで構成し、接続部材６８の筒状部７０に第１環状突条部６８ａ及び第２環状突条部６８ｂを設けてもよい。

○ 環状突条部は、接続部材４２の軸方向に３箇所以上あり、接続部材４２と極柱部５３とが圧接した箇所は３箇所以上であってもよい。
○ 電極組立体２０は、１枚の帯状の正極電極と１枚の帯状の負極電極とをセパレータで絶縁した状態で捲回軸を中心に捲回した捲回型であってもよい。

○ 蓄電装置は、電気二重層キャパシタ等の他の蓄電装置であってもよい。
○ 実施形態では、二次電池１０はリチウムイオン二次電池であったが、これに限られず、ニッケル水素化物電池等の他の二次電池であってもよい。要は、正極活物質層と負極活物質層との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであればよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（１）前記電極端子は、正極が純アルミニウム製であり、負極が純銅製である蓄電装置。

（２）前記端子部材は、鉄系高強度鋼合金製である蓄電装置。

１０…蓄電装置としての二次電池、１２…ケース、２０…電極組立体、３３…正極導電部材、３７…負極導電部材、４１，６４…電極端子、４２，６８…接続部材、４４，７０…筒状部、４６ａ…第１環状突条部、４６ｂ…第２環状突条部、５２，６９…端子部材、５３…極柱部、５４…軸部、５４ａ…螺子部、６２…導電部材。

Claims

ケースと、
前記ケース内に収容された電極組立体と、
前記電極組立体に接合された導電部材と、
前記導電部材と電気的に接続された電極端子と、を備えた蓄電装置であって、
前記電極端子は、
筒状部を備える接続部材と、
前記接続部材に固着された端子部材と、を有し、
前記端子部材は、前記筒状部に対して圧入された状態の極柱部、及び該極柱部から突出し、かつ螺子部を周面に備えた軸部を備え、
前記接続部材は、前記極柱部の周面に対して周方向全体に亘って圧接した構造を有する環状突条部を前記筒状部の内周面から突出した形状で複数備え、
複数の前記環状突条部における前記筒状部の内周面からの突出寸法は異なることを特徴とする蓄電装置。
複数の前記環状突条部において、前記筒状部の先端面に最も近い前記環状突条部の突出寸法は最も小さい請求項１に記載の蓄電装置。
前記蓄電装置は二次電池である請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。