JP6781933B2 - 組電池 - Google Patents

Description

本発明は、組電池に関する。詳しくは、二次電池を単電池とし、当該単電池が複数配列されてなる組電池に関する。

リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池などの二次電池あるいはキャパシタなどの蓄電素子を単電池とし、当該単電池を複数備えた組電池は、車両搭載用電源あるいはパソコンや携帯端末等の電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池を単電池とした組電池は、車両搭載用の高出力電源等に好ましく用いられている。

かかる組電池は、例えば、複数の単電池の各々を所定の配列方向に沿って配列し、隣接して配置された単電池の電極端子間をバスバーによって電気的に接続することによって構築される。かかる組電池の構築に用いられるバスバーには、例えば、長尺な板状の導電部材が用いられる。かかるバスバーによって複数の単電池が接続された組電池の一例が特許文献１、２に記載されている。

特開２０１２−１１３８９７号公報 特開２０１０−２１２１５５号公報

ところで、上記した組電池を車両などの移動体に搭載すると、移動時の振動や外部からの衝撃などによって組電池を構成する各単電池が相対的に移動し、バスバーと電極端子との接続部分に応力が繰り返し掛かって、当該接続部分が破損することがある。
このような応力による接続部分の破損を防止する手段の一つとして、上記した特許文献１、２や図３に示すような凸部１３２を有するバスバー１３０を使用し、各々の単電池１０が相対的に移動した際にバスバー１３０の凸部１３２を撓ませることによって、バスバー１３０と電極端子１６０、１６１との接続部分に掛かる応力を緩和させるという手段が考えられる。

しかしながら、組電池１００で使用されるバスバー１３０には設計上の制約が多く存在しており、応力による接続部分の破損を適切に防止できるような凸部１３２を形成することが困難であった。
具体的には、適切な電池性能を保証するという観点から、組電池１００を構成する各単電池１１０の間隔ｙ３は自由に変更できないため、配列方向Ｙにおける凸部１３２の長さｙ２を自由に変更することは困難である。一方、凸部１３２の高さｈ２については、寸法変更の余地が残されているが、十分な効果を発揮させるために凸部１３２の高さｈ２を高くしすぎると、作製後の組電池１００を車両等へ搭載することが困難になる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、設計上の制約が少ない構造によって、バスバーと電極端子との接続部分の破損を適切に防止することができる組電池を提供することを目的とする。

上記目的を実現するべく、本発明によって以下の構成の組電池が提供される。

ここで開示される組電池は、正極および負極の電極端子を有する単電池を複数備え、当該複数の単電池の各々が所定の配列方向に沿って配列されている。
そして、ここで開示される組電池では、隣接して配置された単電池の電極端子間が、配列方向に延びる長尺の板状部材であるバスバーによって電気的に接続されており、バスバーの長手方向の中央部近傍に、配列方向に向かって突出する凸部を複数有する蛇腹状の可撓部が形成されている。

ここで開示される組電池では、バスバーの長手方向の中央部近傍に、配列方向に向かって突出する凸部を複数有する蛇腹状の可撓部が形成されている。かかる組電池では、組電池を構成する各単電池が相対的に移動した場合に上記した可撓部が撓むことによって、バスバーと電極端子との接続部分に掛かる応力を緩和することができるため、当該接続部分の破損を適切に防止することができる。
そして、ここで開示される組電池では、可撓部を構成する凸部が単電池の配列方向に向かって突出しており、当該凸部の配列方向における長さを長くしても、組電池の高さ寸法が大きく変化することがないため、従来の技術に比べて可撓部の寸法を自由に変更することができる。
以上のように、ここで開示される組電池によれば、設計上の制約が少ない構造によって、バスバーと電極端子との接続部分の破損を適切に防止することができる。

本発明の一実施形態に係る組電池を模式的に示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る組電池におけるバスバー近傍を模式的に示す側面図である。 従来の組電池における近傍バスバーを模式的に示す側面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る組電池として、リチウムイオン二次電池を単電池とし、該リチウムイオン二次電池を複数備えた組電池を例に挙げて説明する。なお、ここで開示される組電池において、単電池として用いられる電池はリチウムイオン二次電池に限定されず、例えば、ニッケル水素電池などの種々の二次電池を用いることができる。

また、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明する。なお、各図における寸法関係（長さ、幅、厚み等）は実際の寸法関係を反映するものではない。また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、電極体や電解質の構成および製法など）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。

１．全体構成
図１は本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に示すように、本実施形態に係る組電池１は、扁平な角型の電池ケース５０を有する単電池１０を複数（図１では４個）備えている。本実施形態に係る組電池１では、電池ケース５０の幅広面（扁平面）５０ａが相互に対向するように、各々の単電池１０が配列方向Ｙに沿って配列されており、隣接して配置された各単電池１０の電極端子６０間がバスバー３０によって接続されている。

上記した組電池１を構成する各々の単電池１０は、電池ケース５０の内部に、発電素子である電極体（図示省略）を収容することによって構成される。かかる単電池１０の電池ケース５０は、上面が開放された扁平な角型のケース本体５２と、当該上面の開口部を塞ぐ蓋体５４とから構成されている。電池ケース５０は、例えば、金属や樹脂などによって構成されていることが好ましい。
また、図示は省略するが、電池ケース５０内に収容された電極体は、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な正極および負極を備えている。なお、電極体を構成する材料や部材（例えば正極および負極に用いられる電極活物質など）は、従来の一般的なリチウムイオン二次電池に用いられるものと同様のものを制限なく使用可能であり、本発明を特徴づけるものではないため詳細な説明を省略する。
また、電池ケース５０内には、上記した電極体以外に電解質が収容されているが、当該電解質についても、従来からリチウムイオン二次電池に用いられるものと同様のものを特に制限なく使用することができるため詳細な説明を省略する。

そして、上記した電池ケース５０の上面をなす蓋体５４には、正極および負極の電極端子６０、６２が設けられている。電極端子６０、６２の各々は、電池ケース５０の内部で電極体と電気的に接続されていると共に、一部が電池ケース５０外に露出している。そして、隣接して配置された単電池１０間を跨ぐように、バスバー３０を介して各電極端子６０、６２を接続することによって、各々の単電池１０が電気的に接続されて組電池１が構築される。

２．バスバー
以下、本実施形態に係る組電池１におけるバスバー３０の具体的な構造について説明する。図２は本実施形態に係る組電池におけるバスバー近傍を模式的に示す側面図である。

図２に示すように、本実施形態におけるバスバー３０は、長尺の板状部材であり、アルミニウムや銅などの導電性材料によって構成されている。
かかるバスバー３０の両端部の各々には、単電池１０の電極端子６０、６２と接続される接続部３１、３３が形成されている。本実施形態におけるバスバー３０の接続部３１、３３は、それぞれ平坦な板状に成形されており、当該接続部３１、３３の底面が電極端子６０、６２の上面に溶接されている。なお、バスバーの接続部の構造は、電極端子の構造に応じて適宜変更することができ、上記した構造に限定されない。例えば、電極端子として高さ方向に突出した棒状の電極端子を用いた場合には、当該棒状の電極端子を挿通させるための挿通孔をバスバーの接続部に形成すると好ましい。

そして、本実施形態におけるバスバー３０には、長手方向の中央部近傍（換言すると、接続部３１、３３の間）に可撓部３２が設けられている。かかるバスバー３０の可撓部３２は、単電池１０の配列方向Ｙに向かって突出する複数の凸部３２ａ、３２ｂによって構成されている。より具体的には、本実施形態においては、長尺な板状部材であるバスバー３０が蛇腹状に折り曲げられて、２つの凸部３２ａ、３２ｂから構成される可撓部３２が形成されている。そして、本実施形態におけるバスバー３０では、可撓部３２と接続部３３とが繋がるように、上側の凸部３２ｂから接続部３３に向かって下り傾斜になるように傾斜部３４が形成されている。
なお、かかる蛇腹状の可撓部３２を有するバスバー３０を作製する方法は、特に限定されない。例えば、高さ方向Ｚに突出する凸部を有したバスバーを作製し、当該凸部を配列方向Ｙに向かって折り曲げることによって、図２に示すような蛇腹状の可撓部３２を形成することができる。また、かかる可撓部３２は、平板状のバスバー３０を折り曲げる以外の方法で形成することができる。例えば、バスバー３０を成形する際に蛇腹状の可撓部３２が形成されるような成形鋳型を用いてもよい。

かかる構造のバスバー３０は、上記した可撓部３２を構成する各々の凸部３２ａ、３２ｂにおいて撓むように構成されている。このため、本実施形態に係る組電池１では、外部からの振動や衝撃によって各々の単電池１０が相対的に移動した場合に、各単電池１０を接続するバスバー３０の可撓部３２を撓ませることができるため、バスバー３０と電極端子６０、６２との接続箇所に掛かる応力を緩和することができる。
さらに、本実施形態におけるバスバー３０の可撓部３２は、従来のバスバー１３０の凸部１３２（図３参照）よりも多くの屈曲点を有しているため、図１に示す単電池の幅方向Ｘ、配列方向Ｙ、高さ方向Ｚの何れの方向に単電池１０が相対的に移動した場合でも、当該単電池１０の移動に対応して可撓部３２を適切に撓ませることができる。
このように、本実施形態に係る組電池１によれば、単電池１０の相対的な移動によって生じる応力を適切に緩和することができるため、バスバー３０と電極端子６０、６２との接続部分が破損することを好適に防止できる。

そして、本実施形態においては、複数の凸部３２ａ、３２ｂの各々が、単電池１０の配列方向Ｙに向かって突出しているため、当該凸部３２ａ、３２ｂの突出長さを長くしても可撓部３２の高さｈ１が変化しない。このため、十分な応力緩和機能を発揮できるように凸部３２ａ、３２ｂの突出長さを長くしても、図３に示す従来のバスバー１３０と異なり、作製後の組電池１の高さ方向Ｚにおける寸法が高くならないため車両などに容易に搭載させることができる。
以上のように、本実施形態に係る組電池１によれば、設計上の制約が少ない構造によって、バスバー３０と電極端子６０、６２との接続部分の破損を防止することができる。

なお、本実施形態における可撓部３２の寸法は、単電池１０の使用環境などを考慮して適宜調整することが好ましい。例えば、可撓部３２の高さｈ１は、１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内に設定すると好ましく、配列方向Ｙにおける可撓部３２の長さｙ１は３ｍｍ〜３０ｍｍの範囲内に設定すると好ましい。
また、本実施形態において、可撓部３２の下側の凸部３２ａの突出長さを長くし過ぎると、単電池１０の間隔を広くする必要が生じたり、下側の凸部３２ａが傾斜部３４と接触して可撓部３２が十分に撓まなくなったりする虞がある。このため、可撓部３２の長さｙ１を長くする場合には、上側の凸部３２ｂの突出長さを長くする方が好ましい。

また、上記した実施形態では、２つの凸部３２ａ、３２ｂから構成された可撓部３２がバスバー３０に形成されている。しかし、ここで開示される組電池におけるバスバーには、２つよりも多くの凸部を有する可撓部が形成されていてもよい。このように、可撓部を構成する凸部の数を多くすることによって、可撓部における屈曲点を多くして、バスバーと電極端子との接続箇所に掛かる応力をより好適に緩和することができる。

［試験例］
以下、本発明に関係する試験を説明するが、以下の説明は本発明を限定することを意図したものではない。

１．各試験例
（１）試験例１
試験例１では、各単電池を接続するバスバーとして、図２に示すような、配列方向Ｙに向かって突出する２個の凸部３２ａ、３２ｂから構成された可撓部３２が形成されたバスバー３０を使用した。なお、可撓部３２の高さｈ１は５ｍｍに設定し、配列方向Ｙにおける長さｙ１は９ｍｍに設定した。

（２）試験例２
試験例２においては、各単電池を接続するバスバーとして、平板状のバスバーを用いたことを除いて試験例１と同じ条件で組電池を構築した。

２．応力解析
上記した各試験例の組電池について、バスバーによって接続された一対の電極端子の内、一方の電極端子との接続部分を支点として組電池を２ｍｍ変位させた際に、他方の電極端子との接続部分に掛かる応力を、応力解析ソフト（Ａｂａｑｕｓ／ＣＡＥ）を使用して解析した。解析結果を表１に示す。

表１に示すように、試験例１では、幅方向Ｘ、配列方向Ｙ、高さ方向Ｚの何れの方向に単電池を移動させた場合でも、バスバーと電極端子との接続部分に掛かる応力が、試験例２よりも小さくなっていた。かかる結果より、試験例１のように、配列方向Ｙに向かって突出する凸部３２ａ、３２ｂを有する蛇腹状の可撓部３２をバスバー３０に形成することによって、バスバー３０と電極端子６０、６２との接続箇所に掛かる応力を緩和して当該接続箇所の破損を適切に防止できることが確認できた。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１、１００ 組電池
１０、１１０ 単電池
３０、１３０ バスバー
３１、３３ 接続部
３２ 可撓部
３２ａ、３２ｂ 凸部
３４ 傾斜部
５０ 電池ケース
５０ａ 電池ケースの扁平面
５２ ケース本体
５４ 蓋体
６０、６２、１６０、１６１ 電極端子
１３２ 凸部
Ｘ 単電池の幅方向
Ｙ 単電池の配列方向
Ｚ 単電池の高さ方向
ｈ１ 可撓部の高さ
ｈ２ 凸部の高さ
ｙ１ 配列方向における可撓部の長さ
ｙ２ 配列方向における凸部の長さ
ｙ３ 単電池の間隔

Claims (1)

1. 正極および負極の電極端子を有する単電池を複数備え、当該複数の単電池の各々が所定の配列方向に沿って配列された組電池であって、
   隣接して配置された前記単電池の電極端子間が、前記配列方向に延びる長尺の板状部材であるバスバーによって電気的に接続されており、
   前記バスバーの長手方向の中央部近傍に、前記配列方向に向かって突出する複数の凸部を有する蛇腹状の可撓部が形成され、
   前記可撓部は、高さ方向に沿って積層された前記複数の凸部から構成され、前記高さ方向において隣接した２つの凸部は、前記配列方向における突出方向が異なっており、当該２つの凸部は、前記配列方向に略平行な前記バスバーの辺によって接続されている、組電池。

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