JP7488289B2 - 部材の接合構造ならびに電池モジュールおよび電池パック - Google Patents
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Description
本技術は、部材の接合構造ならびに電池モジュールおよび電池パックに関する。
複数の部材を重ね、溶接などにより接合することが従来から行われている。従来の重ね継手構造として、たとえば国際公開第２０１７／１３１１８６号（特許文献１）、特開２０１０－１５８７１７号公報（特許文献２）、および特開２００２－０７９３８７号公報（特許文献３）に記載のものが挙げられる。
接合強度を増大させる観点からは、溶接ないし溶着による接合部の面積を大きくしたいという要請がある。他方、溶接ないし溶着のための熱影響（蓄熱）がクラック等の接合不良に繋がり得るという懸念から、接合部の面積をできるだけ小さくしたいという要請もある。従来の重ね継手構造は、上述の背反する２つの要請を満たすという観点から、必ずしも十分なものとはいえない。
本技術の目的は、接合強度を確保しながら接合時の熱影響を低減させることが可能な部材の接合構造ならびに電池モジュールおよび電池パックを提供することにある。
本技術に係る部材の接合構造は、第１部材と、第１部材と重ねられた重ね合わせ部分、および重ね合わせ部分から第１の方向に沿って張り出す張出部分を含む板状の第２部材とを備える。重ね合わせ部分において第１部材と第２部材とが溶接または溶着により接合される接合部が形成される。接合部は、張出部分に対して逆側に位置する切り欠き部を含む。
本技術に係る電池モジュールは、第１部材としての電極端子を含む電池セルと、第２部材としてのバスバーとを備え、電極端子とバスバーとの接合構造として上述の部材の接合構造を含む。
本技術に係る電池パックは、ケースと、ケースに収納された上述の電池モジュールとを備える。
本技術によれば、荷重が作用した際の応力が高い部分に選択的に接合部分を形成することにより、接合強度を確保しながら接合時の熱影響を低減させることが可能な部材の接合構造ならびにそれを備えた電池モジュールおよび電池パックを提供することができる。
以下に、本技術の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本技術の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本技術にとって必ずしも必須のものではない。また、本技術は、本実施の形態において言及する作用効果を必ずしもすべて奏するものに限定されない。
なお、本明細書において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「有する（ｈａｖｅ）」の記載は、オープンエンド形式である。すなわち、ある構成を含む場合に、当該構成以外の他の構成を含んでもよいし、含まなくてもよい。
また、本明細書において幾何学的な文言および位置・方向関係を表す文言、たとえば「平行」、「直交」、「斜め４５°」、「同軸」、「沿って」などの文言が用いられる場合、それらの文言は、製造誤差ないし若干の変動を許容する。本明細書において「上側」、「下側」などの相対的な位置関係を表す文言が用いられる場合、それらの文言は、１つの状態における相対的な位置関係を示すものとして用いられるものであり、各機構の設置方向（たとえば機構全体を上下反転させる等）により、相対的な位置関係は反転ないし任意の角度に回動し得る。
本明細書において、「電池」は、リチウムイオン電池に限定されず、ニッケル水素電池など他の電池を含み得る。本明細書において、「電極」は正極および負極を総称し得る。また、「電極板」は正極板および負極板を総称し得る。
図１は、電池セル１００を示す斜視図である。図１に示すように、電池セル１００は、平坦面状の略直方体形状に形成されている。電池パック内において、電池セル１００はＹ軸方向（第１の方向）に積層される。
電極端子１１０は、正極端子１１１と、負極端子１１２とを含む。正極端子１１１と負極端子１１２とは、Ｘ軸方向（第２の方向）に並ぶ。電極端子１１０は、角型の筐体１２０の上面に設けられている。
Ｚ軸方向（第３の方向）に沿って対向する筐体１２０の上面および底面は、Ｘ軸方向が長辺方向、Ｙ軸方向が短辺方向となるような略長方形形状を有する。筐体１２０には、電極体および電解液が収容されている。筐体１２０の上面には、ガス排出弁１２１が設けられている。筐体１２０内の圧力が上昇したときは、ガス排出弁１２１が開弁して筐体１２０内のガスが排出される。
なお、本技術に係る電池セルは必ずしも角型の電池セル１００に限定されず、たとえば円筒型の電池セルであっても本技術に係る部材の接合構造が適用され得る。
図２は、電池パック１の外観図である。図２に示すように、電池パック１は、ケース２００を含む。ケース２００は、カバー２１０と、本体２２０と、冷却プレート２３０とを含む。カバー２１０、本体２２０、および冷却プレート２３０は、ケース２００の強度を確保するための構造部材を構成する。
図３は、ケース２００の内部を示す斜視図であり、図４は、ケース２００の内部を示す上面図である。図３，図４に示すように、ケース２００の内部空間には、複数の電池セル１００からなる電池モジュールが収容される。複数の電池セル１００は、Ｙ軸方向（第１の方向）に沿って配列されている。複数の電池セル１００は、Ｙ軸方向に拘束された状態でケース２００の内部空間に収納されている。複数の電池セル１００は、バスバー３００により電気的に互いに接続される。
図５は、電極端子１１０（第１部材）とバスバー３００（第２部材）の接合構造を示す斜視図である。図５に示すように、バスバー３００は、電極端子１１０と重ねられた重ね合わせ部分３１０と、重ね合わせ部分３１０からＹ軸方向に沿って張り出す張出部分３２０とを含む。
重ね合わせ部分３１０には、電極端子１１０とバスバー３００とが接合される接合部１０が形成される。電極端子１１０とバスバー３００とは、溶接または溶着により接合される。具体的な一例として、接合部１０はレーザ溶接または超音波接合により形成されるが、接合部１０の形成方法はこれらに限定されない。
接合部１０は、第１部分１０Ａと、第２部分１０Ｂとを含むように、略Ｃ字状に形成される。
第１部分１０Ａは、Ｙ軸方向に交差する方向に延びる。より具体的には、図５に示す例において、第１部分１０Ａは、Ｙ軸方向に直交するＸ軸方向に延びる。第１部分１０Ａは、複数に分断されていてもよい。
第２部分１０Ｂは、第１部分１０Ａの両端から張出部分３２０に対して逆側に向かってＹ軸方向に延びる。
張出部分３２０には、仮想の力点２０がある。力点２０には、任意の方向の力が作用し得る。たとえば、隣り合う電池セル１００の電極端子１１０どうしがＺ軸方向に位置ずれした場合、力点２０にはＺ軸方向の力が作用し得る。力点２０にＺ軸方向の力が作用したとき、重ね合わせ部分３１０の接合部１０には剥離方向の力が作用する。力点２０にＸ軸方向ないしＹ軸方向の力が作用したとき、重ね合わせ部分３１０の接合部１０にはせん断方向の力が作用する。
図６～図１０は、接合部１０と力点との位置関係の例を示す図である。図６，図７は、比較例に係る接合部１０を示し、図８～図１０は、本実施の形態の実施例に係る接合部１０を示す。
図６～図１０に示すように、仮想の力点２０としては、帯状の力点２０（図６，図８）と、点状の力点２０（図７，図９，図１０）を想定し得る。
図６，図７に示す比較例においては、略矩形状の接合部１０が形成される。図８，図９に示す実施例において、略Ｃ字状の接合部１０は、Ｘ軸方向に延びる第１部分１０Ａと、第１部分１０Ａの両端から力点２０に対して逆側に向かってＹ軸方向に延びる第２部分１０Ｂとを含む。図１０に示す変形例において、略Ｃ字状の接合部１０は、力点２０に対向する曲線状（円弧状）の第１部分１０Ａと、第１部分１０Ａの両端から力点２０に対して逆側に向かって延びる第２部分１０Ｂとを含む。
接合部１０における接合強度を増大させる観点からは、図６，図７に示す比較例のように、接合部１０の面積をできるだけ大きくしたいという要請がある。他方、接合部１０の形成に起因する熱影響（蓄熱）が接合部１０におけるクラック発生等の接合不良に繋がり得るという懸念から、接合部１０の面積をできるだけ小さくしたいという要請もある。互いに背反し得る上記２つの要請を満たす接合部１０の構造が求められる。
図８，図９に示す実施例に係る接合部１０は、Ｘ軸方向に延びる第１部分１０Ａと、Ｙ軸方向に延びる第２部分１０Ｂとを含むため、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のせん断荷重に対して必要な接合強度を確保することができる。また、力点２０に近い側に第１部分１０Ａを設けることにより、力点２０に荷重が作用したときの応力が比較的高い位置に選択的に接合部１０を設けることができる。換言すると、接合強度の低下を抑制しながら、接合部１０の形成時の熱影響を効果的に低減することができる。熱影響を低減することにより、接合部１０における残留歪みに起因する接合不良の発生を抑制することができる。これらの点については、図１０に示す変形例に係る接合部１０においても同様である。
次に、図１１，図１２を参照して、接合部１０の形状の例について説明する。図１１，図１２に示す例において、張出部分３２０および力点２０と反対側に切り欠き部１０Ｃが形成されている。切り欠き部１０Ｃが囲む領域（図１１，図１２に示す二点鎖線と接合部１０の輪郭が囲む領域）の面積は、接合部１０の面積よりも小さい。
張出部分３２０および力点２０に対して逆側に切り欠き部１０Ｃを設けることにより、力点２０に荷重が作用したときの応力が比較的高い位置に選択的に接合部１０を設けることができる。換言すると、接合強度の低下を抑制しながら、接合部１０の形成時の熱影響を効果的に低減することができる。熱影響を低減することにより、接合部１０における残留歪みに起因する接合不良の発生を抑制することができる。
図１１，図１２に示す例において、Ｘ軸方向に沿った接合部１０の全幅（Ｄ１）は、Ｘ軸方向に沿った切り欠き部１０Ｃの幅（Ｄ２）の２倍以上６倍以下程度（より好ましくは、２倍以上３倍以下程度）である。また、Ｙ軸方向に沿った接合部１０の全幅（Ｈ１）と切り欠き部１０Ｃの幅（Ｈ２）との差（Ｈ１－Ｈ２）は、バスバー３００（第２部材）の板厚（Ｔ）の１．４倍以上４倍以下程度（より好ましくは、１．４倍以上１．７倍以下程度）である。
接合部１０および切り欠き部１０Ｃの寸法関係を上述の範囲に調整することにより、接合強度の低下を抑制しながら、接合部１０の形成時の熱影響を効果的に低減することができる。熱影響を低減することにより、接合部１０における残留歪みに起因する接合不良の発生を抑制することができる。
なお、図１２の例のように接合部１０の輪郭に細かい凹凸が存在する場合、接合部１０の全幅（Ｄ１，Ｈ１）は、基本的には幅が最大になる位置での寸法を意味するが、接合部１０の面積の増減に実質的に寄与しない極端な凹凸については、接合部１０の全幅（Ｄ１，Ｈ１）には含まれない。この点、切り欠き部１０Ｃの幅（Ｄ２，Ｈ２）についても同様である。
図１２の例に示すように、切り欠き部１０Ｃは、接合部１０が形成される部材に設けられた孔部３０を避けるように形成されてもよい。切り欠き部１０Ｃの輪郭形状は、略矩形、略円形、略長円形（略楕円形）の一部に限定されず、図１２に示すように細かい凹凸のある輪郭を有してもよいし、三角形などの多角形状を有してもよい。
本技術に係る部材の接合構造は、上述した電極端子１１０とバスバー３００との接合部１０の例に限定されるものではない。たとえば、電池モジュールにおけるバスバーと電圧検出線との接合部に対しても本技術は適用され得る。また、電極端子１１０およびバスバー３００は典型的には金属部材であるが、樹脂部材を含む接合部に対しても本技術は適用され得る。
以上、本技術の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本技術の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 電池パック、１０ 接合部、１０Ａ 第１部分、１０Ｂ 第２部分、１０Ｃ 切り欠き部、２０ 力点、３０ 孔部、１００ 電池セル、１１０ 電極端子、１１１ 正極端子、１１２ 負極端子、１２０ 筐体、１２１ ガス排出弁、２００ ケース、２１０ カバー、２２０ 本体、２３０ 冷却プレート、３００ バスバー、３１０ 重ね合わせ部分、３２０ 張出部分。
Claims (7)
- 第１部材と、
前記第１部材と重ねられた重ね合わせ部分、および前記重ね合わせ部分から第１の方向に沿って張り出す張出部分を含む板状の第２部材とを備え、
前記重ね合わせ部分において前記第１部材と前記第２部材とが溶接または溶着により接合される接合部が形成され、
前記接合部は、前記張出部分に対して逆側に位置する切り欠き部を含み、
前記接合部に対して張出部分の反対側に位置する前記第２部材に孔部が形成され、
前記孔部を避けるように前記接合部に前記切り欠き部が形成される、部材の接合構造。 - 前記切り欠き部が囲む領域の面積は、前記接合部の面積よりも小さい、請求項１に記載の部材の接合構造。
- 前記第１の方向に直交する第２の方向に沿った前記接合部の全幅（Ｄ１）は、前記第２の方向に沿った前記切り欠き部の幅（Ｄ２）の２倍以上６倍以下である、請求項１または請求項２に記載の部材の接合構造。
- 前記第１の方向に沿った前記接合部の全幅（Ｈ１）と前記切り欠き部の幅（Ｈ２）との差（Ｈ１－Ｈ２）は、前記第２部材の板厚（Ｔ）の１．４倍以上４倍以下である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の部材の接合構造。
- 前記接合部は略Ｃ字状に形成される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の部材の接合構造。
- 前記第１部材としての電極端子を含む電池セルと、
前記第２部材としてのバスバーとを備え、
前記電極端子と前記バスバーとの接合構造として請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の部材の接合構造を含む、電池モジュール。 - ケースと、
前記ケースに収納された請求項６に記載の電池モジュールとを備えた、電池パック。
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