JP6952195B2 - 二次電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、二次電池モジュールに関し、特に車載用途に使用される二次電池モジュールに関する。
本願は、２０１８年７月６日に出願された日本国特願２０１８−１２９０６５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、再充電可能な二次電池の分野では、鉛電池、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池等の水溶液系電池が主流であった。しかしながら、電気機器の小型化、軽量化が進むにつれ、高エネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が着目され、その研究、開発及び商品化が急速に進められた。特に角形リチウムイオン二次電池は、モジュール化（パック化ともいう）した際の体積効率が優れているため、ＨＥＶ（ハイブリッド車）用あるいはＥＶ（電気自動車）用として車載用途への展開も始まっている。

車両では、振動や衝撃等の負荷が二次電池モジュールに加わる場合がある。また、二次電池モジュールを構成する電池セルでは、膨張や収縮によって変形が発生し、これに起因して二次電池モジュールに負荷がかかる場合もある。これらの負荷で壊れにくい構造として、下記特許文献１では、隣接する電池セルの端子同士を電気的に接続するバスバーに凸状に湾曲した振動吸収部を設ける構造が開示されている。また、リチウムイオン二次電池に対する要求性能は年々高まっており、大電流化及び高容量化の要求に対応するため、電池セルを並列に接続したものも検討されている。下記特許文献２では、複数の電池セルを並列に接続するバスバーが設けられた二次電池モジュールが開示されている。

特開２０１３−１９７０１７号公報 特開２０１１−６５７９４号公報

上記特許文献２で開示されている二次電池モジュールでは、複数の電池セルを積層した積層体同士を幅広いバスバーで接続する技術が示されているが、該幅広いバスバーに振動や衝撃等の負荷、電池セルの膨張収縮に起因する負荷を吸収するような構造を設けておらず、大きな振動や衝撃が加わった場合、又は電池セルが長期使用や充放電により膨張収縮した場合、バスバーと電池セルとの接続部に負荷が集中し、接続部が破損する懸念がある。

これに対して、特許文献２の幅広いバスバーに特許文献１で開示された振動吸収構造を適用することが考えられている。例えば図７に示すように、隣接する積層体同士の間に配置された積層体間バスバー４０において、積層体同士の配列方向（すなわち、電池セルの積層方向と直交する方向）に沿って一端から他端まで延びる凸状の振動吸収部４０１を設けることにより、上述の負荷を吸収することが検討される。

しかし、このように構成された積層体間バスバーでは、電池セルの積層方向の振動や衝撃等の負荷、電池セルの膨張収縮に起因する負荷を該振動吸収部で吸収することができるが、積層体同士の配列方向の振動や衝撃等の負荷、積層体間の捩じれに起因する負荷等に対応し難い。このため、積層体間バスバーと電池セルとの接続部に負荷が集中し、接続部が破損する可能性があるので、積層体間バスバーと電池セルとの接続信頼性が損なわれる問題がある。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、積層体間バスバーと電池セルとの接続部への負荷を軽減し、積層体間バスバーと電池セルとの接続信頼性を向上できる二次電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る二次電池モジュールは、それぞれ複数の電池セルを積層してなるとともに、前記電池セルの積層方向と直交する方向に沿って配列される第１積層体と第２積層体と、前記第１積層体と前記第２積層体との間に架け渡され、前記第１積層体の複数の前記電池セルと前記第２積層体の複数の前記電池セルとを電気的に接続する積層体間バスバーと、を備え、前記積層体間バスバーは、前記第１積層体側に配置され、前記第１積層体と前記第２積層体との配列方向に延びる凸状の第１振動吸収部と、前記第２積層体側に配置され、前記第１積層体と前記第２積層体との配列方向に延びる凸状の第２振動吸収部と、前記第１振動吸収部と前記第２振動吸収部との間に配置される分断部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、積層体間バスバーが、第１積層体側に配置されて第１積層体と第２積層体との配列方向に延びる凸状の第１振動吸収部と、第２積層体側に配置されて第１積層体と第２積層体との配列方向に延びる凸状の第２振動吸収部と、第１振動吸収部と第２振動吸収部との間に配置される分断部とを有するので、積層体間バスバーと電池セルとの接続部への負荷を軽減でき、積層体間バスバーと電池セルとの接続信頼性を向上することができる。

第１実施形態に係る二次電池モジュールを示す斜視図である。 電池セルを示す斜視図である。 第１積層体及び第２積層体を示す分解斜視図である。 積層体間バスバーを示す斜視図である。 第２実施形態に係る二次電池モジュールの積層体間バスバーを示す斜視図である。 第３実施形態に係る二次電池モジュールの積層体間バスバーを示す斜視図である。 従来の積層体間バスバーを示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明に係る二次電池モジュールの実施形態について説明する。下記の説明において、上下等の位置は、説明が煩雑になるのを避けるために図面に従って便宜上付けたものであり、実際の使用状態での位置を指すとは限らない、また、説明の煩雑を避けるために、「電池セルの積層方向」を「積層方向」、「第１積層体と第２積層体との配列方向」を「配列方向」と省略する場合がある。

[第１実施形態]
図１は第１実施形態に係る二次電池モジュールを示す斜視図である。本実施形態の二次電池モジュール１は、主に、それぞれ複数の電池セル１０を積層してなるとともに、電池セル１０の積層方向と直交する方向に沿って配列される第１積層体１１と第２積層体１２と、配列された第１積層体１１及び第２積層体１２を挟持する挟持体２０とを備えている。

第１積層体１１及び第２積層体１２は、それぞれ、複数（ここでは、６個）の扁平角形の電池セル１０を所定の規則で配置するとともに、隣接する電池セル１０同士の間に両面突起絶縁板１８を介在させ且つ積層方向の両端に片面突起絶縁板１９を配置した状態で積層されている。第１積層体１１及び第２積層体１２の構造を詳細に説明する前に、図２を基に電池セル１０の構造を説明する。

図２は電池セルを示す斜視図である。図２に示すように、電池セル１０は、扁平型の二次電池であり、電池缶１３及び電池蓋１４を有する。電池缶１３は、いわゆる有底角筒状を呈しており、矩形状に形成された缶底部１３ａと、缶底部１３ａの四周から立ち上がるとともに相対的に面積が大きく形成されて互いに対向する一対の幅広面部１３ｂと、相対的に面積が小さく形成されて互いに対向する一対の幅狭面部１３ｃとを有する。電池缶１３の内部には、例えば扁平状に捲回された電極群及び電解液が収容されている。

電池蓋１４は、缶底部と対向する位置に配置されており、電池缶１３の開口部を塞ぐように電池缶１３と接合されている。接合方法として、レーザ溶接等が挙げられる。図２に示すように、電池蓋１４も幅狭面部であり、該電池蓋１４には正極端子１５と負極端子１６とが突設されている。正極端子１５及び負極端子１６は、レーザ溶接で正極側端部バスバー３１、セル間バスバー３２、負極側端部バスバー３３又は積層体間バスバー３０（後述する）と接合し易くするために、それぞれの端部が平面状に形成されている。

また、電池蓋１４において、負極端子１６寄り側には電解液の注液口を塞ぐための注液栓１７が設けられている。注液栓１７は、例えば注液口を介して電解液を電池セル１０内部に充填した後に、レーザ溶接で電池蓋１４と接合されている。

図３は第１積層体及び第２積層体を示す分解斜視図である。第１積層体１１と第２積層体１２とは、同じ構造を有するため、ここでは第１積層体１１の例を挙げて説明する。図３に示すように、第１積層体１１は、６個の電池セル１０を、幅広面部１３ｂ同士を対向させた状態で積層することにより構成されている。６個の電池セル１０は、２並列２直列に接続されるようになっている。

具体的には、２つの電池セル１０は、一方の電池セル１０の正極端子１５と他方の電池セル１０の正極端子１５とが積層方向に隣り合うように積層されており、１つのセルブロックを構成する。従って、第１積層体１１は、このようなセルブロックを３つ（図１では、積層方向に沿って順に配置された下側セルブロック、中間セルブロック及び上側セルブロック）有する。そして、３つのセルブロックは、隣接する一方のセルブロックの正極端子群（すなわち、２つの正極端子１５）と他方のセルブロックの負極端子群（すなわち、２つの負極端子１６）とが積層方向に隣り合うように交互に１８０°反転された状態で積層されている。

図３に示すように、隣接する電池セル１０同士の間には、突起１８ａを有する両面突起絶縁板１８が介在されている。また、積層方向において最も外側に位置する電池セル１０の外側には、突起１９ａを有する片面突起絶縁板１９が配置されている。両面突起絶縁板１８及び片面突起絶縁板１９は、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の樹脂材料によって形成されている。

図１に示すように、第１積層体１１を構成する３つのセルブロックのうち、下側セルブロックの正極端子１５同士は、正極側端部バスバー３１によって並列に接続されている。一方、下側セルブロックの負極端子１６同士は、セル間バスバー３２によって並列に接続されつつ、更に該セル間バスバー３２によって隣接する中間セルブロックの正極端子１５同士と直列に接続されている。すなわち、セル間バスバー３２は、下側セルブロックの負極端子１６同士、中間セルブロックの正極端子１５同士をそれぞれ並列に接続した状態で、更にこれらの端子を直列に接続している。

同様に、中間セルブロックの負極端子１６同士は、セル間バスバー３２によって並列に接続されつつ、更に該セル間バスバー３２によって隣接する上側セルブロックの正極端子１５同士と直列に接続されている。そして、上側セルブロックの負極端子１６同士は、積層体間バスバー３０（後述する）によって並列に接続されつつ、更に該積層体間バスバー３０によって第２積層体１２の上側セルブロックの正極端子１５と直列に接続されている。

正極側端部バスバー３１は、特許請求の範囲に記載の「積層体内バスバー」に相当するものである。この正極側端部バスバー３１は、例えばニッケル材料によって板状に形成されており、隣接する正極端子１５同士を覆うようにこれらの端子の上に載せられた状態、レーザ溶接やネジ止めでこれらの端子と接合されている。図１に示すように、正極側端部バスバー３１は、隣接する正極端子１５同士の間に位置する凸状の振動吸収部３１ａと、二次電池モジュール１の外方に張り出してモジュール外部接続端子として機能する張出部３１ｂとを有する。振動吸収部３１ａは、断面略Ｕ字状を呈しており、二次電池モジュール１と第２積層体１２との配列方向に延びている。このように振動吸収部３１ａを設けることで、電池セル１０の積層方向の振動や衝撃等の負荷、電池セル１０の膨張収縮に起因する負荷を吸収することができる。

セル間バスバー３２は、特許請求の範囲に記載の「積層体内バスバー」に相当するものである。このセル間バスバー３２は、例えばニッケル材料によって平板状に形成されており、隣接する正極端子１５同士及び負極端子１６同士を覆うようにこれらの端子の上に載せられた状態、レーザ溶接やネジ止めでこれらの端子と接合されている。図１に示すように、セル間バスバー３２において、隣接する正極端子１５同士の間、隣接する負極端子１６同士の間、及び隣接する正極端子１５と負極端子１６との間には、それぞれ１つずつの凸状の振動吸収部３２ａが配置されている。各振動吸収部３２ａは、断面略Ｕ字状を呈しており、二次電池モジュール１と第２積層体１２との配列方向に延びている。

第２積層体１２は、第１積層体１１と同様にセル間バスバー３２のほか、負極側端部バスバー３３を更に備えている。図１に示すように、負極側端部バスバー３３は、第２積層体１２における下側セルブロックの負極端子１６同士を並列に接続している。この負極側端部バスバー３３は、特許請求の範囲に記載の「積層体内バスバー」に相当するものであり、隣接する負極端子１６同士の間に位置する凸状の振動吸収部３３ａと、二次電池モジュール１の外方に張り出してモジュール外部接続端子として機能する張出部３３ｂとを有する。振動吸収部３３ａは、断面略Ｕ字状を呈しており、二次電池モジュール１と第２積層体１２との配列方向に延びている。

一方、挟持体２０は、第１積層体１１と第２積層体１２との配列方向の両側に配置される一対のサイドプレート２１と、電池セル１０の積層方向の両側に配置される一対のエンドプレート２２と、第１積層体１１と第２積層体１２とを仕切るように一対のサイドプレート２１の間に配置されるセンタープレート２３とを有する。サイドプレート２１、エンドプレート２２及びセンタープレート２３は、例えば金属材料によって形成されており、複数のネジ２４で互いに固定されている。

以下、図１に図４を加えて積層体間バスバー３０の構造を説明する。図４は積層体間バスバーを示す斜視図である。積層体間バスバー３０は、例えばニッケル材料によって板状に形成されており、第１積層体１１と第２積層体１２との間に架け渡され、第１積層体１１の上側セルブロックと第２積層体１２の上側セルブロックとを電気的に接続している。この積層体間バスバー３０は、第１積層体１１側に配置され、第１積層体１１と第２積層体１２との配列方向に延びる凸状の第１振動吸収部３０１と、第２積層体１２側に配置され、第１積層体１１と第２積層体１２との配列方向に延びる凸状の第２振動吸収部３０２と、第１振動吸収部３０１と第２振動吸収部３０２との間に配置される分断部３０３と、を有する。

第１振動吸収部３０１は、断面略Ｕ字状を呈しており、隣接する負極端子１６同士の間に位置するように積層体間バスバー３０の第１積層体１１側に形成されている。第２振動吸収部３０２は、断面略Ｕ字状を呈しており、隣接する正極端子１５同士の間に位置するように積層体間バスバー３０の第２積層体１２側に形成されている。本実施形態において、第１振動吸収部３０１と第２振動吸収部３０２とは、同軸上に配置されているが、互いにずれる（すなわち、オフセットになる）ように配置されても良い。また、第１振動吸収部３０１及び第２振動吸収部３０２は、配列方向における長さ、凸出高さ、積層方向における幅等が同じであっても良く、異なっても良い。また、第１振動吸収部３０１及び第２振動吸収部３０２は、必ずしも断面略Ｕ字状を呈する必要がなく、断面Ｖ字状、断面矩形状を呈しても良い。

分断部３０３は、第１振動吸収部３０１と第２振動吸収部３０２との間に形成された平坦部である。

また、第１振動吸収部３０１を挟んで該第１振動吸収部３０１の両側、及び、第２振動吸収部３０２を挟んで該第２振動吸収部３０２の両側には、貫通孔３０４がそれぞれ設けられている。貫通孔３０４は、積層体間バスバー３０を正極端子１５又は負極端子１６と接合させるときに、接合用ネジの挿入孔又はレーザ溶接時の位置決め孔として機能する。

以上の構成を有する二次電池モジュール１では、積層体間バスバー３０は、第１積層体１１側に配置されて第１積層体１１と第２積層体１２との配列方向に延びる凸状の第１振動吸収部３０１と、第２積層体１２側に配置されて配列方向に延びる凸状の第２振動吸収部３０２と、第１振動吸収部３０１と第２振動吸収部３０２との間に配置される分断部３０３とを有する。このため、配列方向に延びる第１振動吸収部３０１及び第２振動吸収部３０２を介し、電池セル１０の積層方向の振動や衝撃等の負荷、電池セル１０の膨張収縮に起因する負荷を吸収することができる。

また、第１振動吸収部３０１と第２振動吸収部３０２との間に配置される分断部３０３によって、第１積層体１１と第２積層体１２との配列方向の振動や衝撃等の負荷、第１積層体１１及び第２積層体１２の間の捩じれに起因する負荷を吸収することができる。その結果、積層体間バスバー３０と正極端子１５との接続部（すなわち、積層体間バスバー３０と正極端子１５との接合部）、積層体間バスバー３０と負極端子１６との接続部（すなわち、積層体間バスバー３０と負極端子１６との接合部）への負荷を軽減することができ、積層体間バスバー３０と正極端子１５又は負極端子１６との接続信頼性を向上することができる。

[第２実施形態]
図５は第２実施形態に係る二次電池モジュールの積層体間バスバーを示す斜視図である。本実施形態の二次電池モジュールは、積層体間バスバーの形状において上述の第１実施形態と相違している。以下の説明では、その相違点のみを説明する。

図５に示すように、積層体間バスバー３０Ａの分断部３０３Ａは、電池セル１０の積層方向に沿って一端から他端まで延びる凸状の振動吸収部である。該分断部３０３Ａは、断面略Ｕ字状を呈しており、積層体間バスバー３０Ａを横断するように、第１振動吸収部３０１と第２振動吸収部３０２との間に配置されている。

このような積層体間バスバー３０Ａを備える二次電池モジュールによれば、第１実施形態と同様な作用効果を得られるほか、分断部３０３Ａが凸状の振動吸収部であるので、第１実施形態と比べて配列方向の振動や衝撃等の負荷、第１積層体１１及び第２積層体１２の間の捩じれに起因する負荷を吸収する効果を更に高めることができる。

[第３実施形態]
図６は第３実施形態に係る二次電池モジュールの積層体間バスバーを示す斜視図である。本実施形態の二次電池モジュールは、積層体間バスバーの形状において上述の第１実施形態と相違している。以下の説明では、その相違点のみを説明する。

図６に示すように、積層体間バスバー３０Ｂの分断部３０３Ｂは、該積層体間バスバー３０Ｂを貫通する孔部である。該分断部３０３Ｂは、連通する第１振動吸収部３０１及び第２振動吸収部３０２を分断するように、第１振動吸収部３０１と第２振動吸収部３０２との間に配置されている。

このような積層体間バスバー３０Ｂを備える二次電池モジュールによれば、第１実施形態と同様な作用効果を得られるほか、分断部３０３Ｂが積層体間バスバー３０Ｂを貫通する孔部であるので、第１実施形態と比べて配列方向の振動や衝撃等の負荷、第１積層体１１及び第２積層体１２の間の捩じれに起因する負荷を吸収する効果を更に高めることができるとともに、積層体間バスバー３０Ｂに使用する材料を削減することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、上述の実施形態において、積層体間バスバー３０、正極側端部バスバー３１、セル間バスバー３２及び負極側端部バスバー３３がニッケル材料によって形成される例を説明したが、銅、アルミニウム等の金属材料、または金属複合材料によって形成されても良い。

１ 二次電池モジュール
１０ 電池セル
１１ 第１積層体
１２ 第２積層体
１５ 正極端子
１６ 負極端子
１７ 注液栓
１８ 両面突起絶縁板
１８ａ，１９ａ 突起
１９ 片面突起絶縁板
２０ 挟持体
２１ サイドプレート
２２ エンドプレート
２３ センタープレート
２４ ネジ
３０，３０Ａ，３０Ｂ 積層体間バスバー
３１ 正極側端部バスバー
３１ａ 振動吸収部
３１ｂ 張出部
３２ セル間バスバー
３２ａ 振動吸収部
３３ 負極側端部バスバー
３３ａ 振動吸収部
３３ｂ 張出部
４０ 積層体間バスバー
３０１ 第１振動吸収部
３０２ 第２振動吸収部
３０３，３０３Ａ，３０３Ｂ 分断部
３０４ 貫通孔
４０１ 振動吸収部

Claims (4)

1. それぞれ複数の電池セルを積層してなるとともに、前記電池セルの積層方向と直交する方向に沿って配列される第１積層体と第２積層体と、
   前記第１積層体と前記第２積層体との間に架け渡され、前記第１積層体の複数の前記電池セルと前記第２積層体の複数の前記電池セルとを電気的に接続する積層体間バスバーと、
   を備え、
   前記積層体間バスバーは、
   前記第１積層体側に配置され、前記第１積層体と前記第２積層体との配列方向に延びる凸状の第１振動吸収部と、
   前記第２積層体側に配置され、前記第１積層体と前記第２積層体との配列方向に延びる凸状の第２振動吸収部と、
   前記積層体間バスバーを貫通する孔部により形成され、前記第１振動吸収部と前記第２振動吸収部とを分断する分断部と、
   を有することを特徴とする二次電池モジュール。
2. 前記第１積層体と前記第２積層体とは、それぞれ、複数の前記電池セルを並列に接続したものを更に直列に接続してなる請求項１に記載の二次電池モジュール。
3. 前記電池セルは、幅広面部と幅狭面部とを有する扁平型の二次電池であり、
   前記幅狭面部には正極端子と負極端子とが設けられ、
   前記第１積層体と前記第２積層体とは、それぞれ、複数の前記電池セルを前記幅広面部同士を対向させるように積層してなり、
   前記積層体間バスバーは、前記第１積層体の複数の前記負極端子と、前記第２積層体の複数の前記正極端子とを接続する請求項１又は２に記載の二次電池モジュール。
4. 前記第１積層体と前記第２積層体とは、各積層体において隣接する前記電池セル同士を電気的に接続する積層体内バスバーをそれぞれ有し、
   前記積層体内バスバーは、前記配列方向に延びる凸状の振動吸収部を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の二次電池モジュール。

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