JP5176312B2

JP5176312B2 - 組電池およびその製造方法

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Publication number: JP5176312B2
Application number: JP2006330998A
Authority: JP
Inventors: 誠二尾藤; 英明蒲原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: JP2008146943A

Description

本発明は、複数の電池を積層して直列および／または並列に接続した組電池、およびその製造方法に関する。

シート状の外装部材内に発電要素を封止し、発電要素に接続された板状の電極タブ（電極端子）を外装部材の外部に導出した扁平型電池を複数積層して形成された電池モジュールが知られている。このような電池モジュールにおいては、積層された複数の扁平型電池の各電極タブにクリップ状の接続端子（接続クリップ）を接続し、各扁平型電池の電圧を検出することによって各扁平型電池の出力電力や容量を制御する制御装置（外部装置）が設けられている（特許文献１参照）。なお、電池モジュールは電気的に接続された複数枚の扁平型電池を含むので、組電池の一種である。

電池モジュールを構成する扁平型電池の電極タブは通常０．５ｍｍ程度の薄板であるので剛性が低く、これにクリップ状の電圧検出用コネクタをそのまま接続するのは困難である。そこで、特許文献１では、電極タブにこれよりも剛性の高い導電性の電圧検出用端子部材を接続し、この電圧検出用端子部材に電圧検出用コネクタを差し込むことによって、電圧検出用端子部材を介して電極タブと接続クリップとを電気的に接続する構造を採用している。
特開２００５−１１６４４０号公報

ところで、特許文献１では、電圧検出用端子部材を介して電極タブと電圧検出用コネクタとを電気的に接続する構造であるので、部品点数が増大し、電極タブと電圧検出用端子部材との接続作業が必要となるため、電池モジュールの組立作業工程における工数も増大して、製造コストを増大させる要因となっていた。

本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、部品点数を削減し、組電池の組立作業工程を簡略化して作業工数を低減することができ、製造コストを低下させることができる組電池およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る組電池は、複数の薄型電池を薄型電池の厚み方向に積層し、積層方向に相隣接する板状の電極タブ同士を接続して、前記複数の薄型電池を電気的に直列および／または並列に接続してなる組電池であって、積層方向に重なり合って相隣接する複数の電極タブの少なくとも１つの電極タブに、電圧検出用コネクタの差し込み方向に対して直交する方向に、電圧検出用コネクタを差し込んで嵌合するための凸状の嵌合部を複数成形し、前記嵌合部は前記積層方向に膨出させた形状を有し、これら嵌合部間に前記電圧検出用コネクタが差し込み接続されることを特徴とする。

上記目的を達成するための本発明に係る組電池の製造方法は、複数の薄型電池を薄型電池の厚み方向に積層し、積層方向に相隣接する板状の電極タブ同士を接続して、前記複数の薄型電池を電気的に直列および／または並列に接続してなる組電池の製造方法であって、複数の薄型電池を薄型電池の厚み方向に積層し、積層方向に重なり合って相隣接する電池同士を位置決めする工程と、前記積層方向に相隣接する電極タブの少なくとも一方を前記積層方向に膨出させるように成形加工して、同一の電極タブに電圧検出用コネクタの差し込み方向に対して直交する方向に、電圧検出用コネクタを差し込んで嵌合するための凸状の嵌合部を複数成形する工程と、を有することを特徴とする。

本発明に係る組電池によれば、重なり合って相隣接する電極タブに凸状または凹状の嵌合部が成形されることにより、電極タブ同士を機械的に接合すると共に、電極タブに剛性をもたせることができる。この剛性を有する嵌合部に電圧検出用コネクタを直接接続するので、部品点数を削減し、組電池の組立作業工程を簡略化して作業工数を低減することができ、製造コストを低下させることができる。

本発明に係る組電池の製造方法によれば、重なり合って相隣接する電極タブに凸状または凹状の嵌合部を成形することにより、電極タブ同士を機械的に接合すると共に、電極タブに剛性をもたせることができる。この剛性を有する嵌合部に電圧検出用コネクタを直接接続するので、部品点数を削減し、組電池の組立作業工程を簡略化して作業工数を低減することができ、製造コストを低下させることができる。

以下、本発明に係る組電池およびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る組電池について説明する。図１は本発明に係る組電池の一実施形態を示す斜視図である。図２は電圧検出コネクタが接続された際の組電池の図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図３は本実施形態に係る組電池の第１例を構成する２枚の扁平型電池を示し、（Ａ）は上方斜視図、（Ｂ）および（Ｃ）は下方斜視図である。図４は本実施形態に係る組電池の第２例を構成する２枚の扁平型電池を示し、（Ａ）は上方斜視図、（Ｂ）および（Ｃ）は下方斜視図である。図５は本実施形態に係る組電池の第３例を構成する２枚の扁平型電池を示し、（Ａ）および（Ｂ）は上方斜視図である。図６は本実施形態に係る組電池の第４例を構成する２枚の扁平型電池を示し、（Ａ）は上方斜視図、（Ｂ）および（Ｃ）は下方斜視図である。図７は本実施形態に係る組電池の第５例を構成する２枚の扁平型電池を示し、（Ａ）は上方斜視図、（Ｂ）および（Ｃ）は下方斜視図である。

図１および図２を参照して、本実施の形態の組電池１は一般に電池モジュールと呼ばれ、車載用組電池を組み立てる単位ユニットをなし、扁平型電池（以下、「単電池」という。）１０を複数枚多段（図示例では８枚）に積層したものを含むセルユニット（積層体）２０がケース２８内に収納されている。組電池１は、上下の単電池１０の正極タブ１４および負極タブ１５に直列に接続する凹凸状の嵌合部２１を備え、ケース２８の外部に導出される入出力端子２３，２４を通じて充放電すべく、積層体２０内の単電池１０同士を直列に接続すると共に、積層体２０を入出力端子２３，２４に接続している。凹凸状の嵌合部２１は単電池１０の電圧検出端子部であり、外部から電圧検出コネクタ２６を接続することにより、単電池１０の電圧を検出することができる。積層体２０内において上下の嵌合部２１は、短絡を防止するために樹脂などの電気を通さない絶縁プレート２５で隔てられている。積層体２０を収容するモジュールケース２８は、樹脂もしくは金属素材により形成され、積層体２０との隙間には積層体２０の放熱を目的としたヒートシンク２９を配置することも可能である。

図３から図７を参照して、単電池１０は、例えば、扁平なリチウムイオン二次電池であり、正極板、負極板およびセパレータを順に積層した積層型の発電要素（図示せず）がラミネートフィルムなどの外装材１２によって封止されている。電池１０は、発電要素に一端が電気的に接続されるとともに板状をなす電極端子としての電極タブ（正極タブ１４および負極タブ１５）が外装材１２から外部に導出されている。電極タブ１４，１５は電池１０の長手方向の両側に延びており、たとえば、正極タブ１４はアルミニウム（Ａｌ）により形成され、負極タブ１５は銅（Ｃｕ）により形成されている。積層型の発電要素を備える電池１０にあっては、電極板間の距離を均一に保って電池性能の維持を図るために、発電要素に圧力を掛けて押さえる必要がある。このため、各電池１０は、発電要素が押さえ付けられるようにケース２８に収納される。

図３に示す本実施形態に係る組電池１の第１例では、説明の便宜上から、積層体２０内の上下２枚の単電池１０を直列に接合した状態を示しており、以下の第２例から第５例において同様である。第１例では、上下の単電池１０同士を直列接続している嵌合部２１は円柱状の凸状嵌合部２１ａであり、電池１０の長手方向一方の電極タブ１４，１５の略中央に位置する。円柱状の凸状嵌合部２１ａは電圧検出端子部として機能し、この凸状嵌合部２１ａに、その外周面を挟持するように外部からＵ字状の電圧検出コネクタ２６ａを接続することにより、単電池１０の電圧検出が可能となる（図３（Ｃ）参照）。電圧検出コネクタ２６ａは、たとえば、導電性の良好な銅（Ｃｕ）などにより形成されており、以下の第２例から第５例において同様である。

図４に示す本実施形態に係る組電池１の第２例では、上下の単電池１０同士を直列接続している嵌合部２１は四角柱等の矩形柱状の凸状嵌合部２１ａであり、電池１０の長手方向一方の電極タブ１４，１５の略中央に位置する。矩形柱状の凸状嵌合部２１ａは電圧検出端子部として機能し、この凸状嵌合部２１ａに、その外側面を挟持するように外部から略Ｕ字状の電圧検出コネクタ２６ｂを接続することにより、単電池１０の電圧検出が可能となる（図４（Ｃ）参照）。

図５に示す本実施形態に係る組電池１の第３例では、上下の単電池１０同士を直列接続している嵌合部２１は矩形状の凹状嵌合部２１ｂであり、電池１０の長手方向一方の電極タブ１４，１５の略中央に位置し、端面が開口している。矩形状の凹状嵌合部２１ｂは電圧検出端子部として機能し、この凹状嵌合部２１ｂ内に外部から先端側が短冊状の電圧検出コネクタ２６ｃを挿入接続することにより、単電池１０の電圧検出が可能となる（図５（Ｂ）参照）。

図６に示す本実施形態に係る組電池１の第４例では、上下の単電池１０同士を直列接続している嵌合部２１は四角柱等の矩形柱状の一対の凸状嵌合部２１ａであり、電池１０の長手方向一方の電極タブ１４，１５の略中央の２箇所に間隔を隔てて位置する。矩形柱状の凸状嵌合部２１ａは電圧検出端子部として機能し、この凸状嵌合部２１ａ同士の間に外部から先端側が短冊状の電圧検出コネクタ２６ｄを差し込み接続することにより、単電池１０の電圧検出が可能となる（図６（Ｃ）参照）。

図７に示す本実施形態に係る組電池１の第５例では、上下の単電池１０同士を直列接続している嵌合部２１は円柱状の一対の凸状嵌合部２１ａであり、電池１０の長手方向一方の電極タブ１４，１５の略中央の２箇所に間隔を隔てて位置する。円柱状の凸状嵌合部２１ａは電圧検出端子部として機能し、この凸状嵌合部２１ａ同士の間に外部から先端側が短冊状の電圧検出コネクタ２６ｆを差し込み接続することにより、単電池１０の電圧検出が可能となる（図７（Ｃ）参照）。

次に、本実施形態に係る組電池の製造方法について説明する。図８は本実施形態に係る組電池を構成する単電池を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図である。図９は単電池の内部構成を示す模式図である。図１０は本実施形態の組電池の組立工程を示す斜視図である。図１１は本実施形態の組電池の接合工程を示し、（Ａ）は接合前の状態の説明図、（Ｂ）は接合状態の説明図である。図１２は単電池の積層状態を示す縦断面図である。図１３は本実施形態の組電池の一側面を示す模式図である。図１４は本実施形態の組電池の組立工程におけるスポット溶接工程を示す説明図である。図１５は本実施形態の組電池の組立工程における超音波溶接工程を示す説明図である。図１６は本実施形態の組電池の組立工程におけるレーザ溶接工程を示す説明図である。図１７は凸状嵌合部の他の構造を示す説明図である。

〔単電池の製造工程〕
図８および図９を参照して、単電池１０は、発電要素としての扁平形状の積層電極１１を、外装材１２としての一対のラミネートフィルム１２ａ，１２ｂの中央部に配置し、これらラミネートフィルム１２ａ，１２ｂによって積層電極１１の両面を挟むように覆い、ラミネートフィルム１２ａ，１２ｂの周縁部を熱溶着接合することにより、ラミネートフィルム１２ａ，１２ｂ間に積層電極１１とともに電解質層を密閉したものである。

積層電極１１は、複数枚の正極板１１ａおよび負極板１１ｂをそれぞれセパレータ１１ｃを介在させつつ順次積層したものである。各正極板１１ａは、正極リード１３ａを介して正極タブ１４に接続されるとともに、各負極板１１ｂは、負極リード１３ｂを介して負極タブ１５に接続され、これら正極タブ１４および負極タブ１５がラミネートフィルム１２ａ，１２ｂの接合部分１２ｃから外部に引き出され、単電池１０の長手方向の両側に延びている。なお、単電池１０の本体の四隅には、後述する組電池１の組立工程における位置決め用の貫通孔１６が形成されている。

電極タブ１４，１５は、たとえば、正極タブ１４がアルミニウム（Ａｌ）により形成され、負極タブ１５が銅（Ｃｕ）により形成されている。

〔組電池の組立工程〕
このように構成された単電池１０は、以下のように組み立てられる。

図１０を参照して、まず、単電池１０の本体の四隅に位置する貫通孔１６に位置決め用のロケートピン３０を通し、一方の単電池１０の正極タブ１４と隣接する単電池１０の負極タブ１５が重なるように２つの単電池１０を積層する。

次に、図１１（Ａ）を参照して、積層した一方の単電池１０の正極タブ１４に相隣接する単電池１０の負極タブ１５の上方に加圧ロッド４０を凸型先端部４０ａが下向きになるように配置し、下方に受けロッド４１を凹部４１ａが上向きになるように配置する。そして、図１１（Ｂ）を参照して、ロッド４０，４１で２枚重ねの電極タブ１４，１５を挟み込むことによって、重なり合った正極タブ１４と負極タブ１５とが同時にかしめ加工されて凸状または凹状の嵌合部２１が成形される。なお、重なり合った正極タブ１４と負極タブ１５とを同時に成形することができれば、プレス加工等のかしめ加工以外の他の成形加工方法を採用してもよい。この工程により、積層した２つの単電池１０は、一方の単電池１０の正極タブ１４と相隣接する単電池１０の負極タブ１５を介して機械的に接合されて、電気的に直列に接合されると共に嵌合部２１が成形される。この２枚の接続された単電池１０をサブアッシとして４組を同様に作製する。

図１２を参照して、この４組のサブアッシを嵌合部２１がある電極タブ１４，１５を同じ方向に絶縁プレート２５を間に挟み、８個の単電池積層厚み分のロケートピン３０で位置決めして積層する（図１０参照）。続いて、既に接合された嵌合部２１の反対側の電極タブ１４，１５を接合するが、８枚の電極タブ１４，１５が同時に積層された状態であるので、２枚ずつを容易に接合すべく、接合しない電極タブは上方向または下方向に曲げて逃しておき、上から２枚目と３枚目の電極タブ１４，１５をロッド４０，４１で２枚重ね状態で挟み込むことによって接合する。４枚目と５枚目、６枚目と７枚目も同様にして接合し、組電池１のプラス入出力端子２３を１枚目タブ１４と、マイナス入出力端子２４を８枚目タブ１５とをロッド４０，４１によって接合し、上下の接合部間に絶縁プレート２５を挿入する。最後に、積層体２０の上下に冷却用のアルミニウム素材のヒートシンク２９を貼り付け、組電池のケース２８に収納することにより、組電池１が完成する。

図１３を参照して、組電池１のケース２８はその長手方向の両方向が開口しており、両開口部３１にコネクタハウジング（図示せず）を嵌め込むことによって、各タブ１４，１５の凸状または凹状の嵌合部２１に外部から電圧検出コネクタ２６を接続することができ、これにより各単電池１０の電圧を検出することができる。

また、ロッド４０，４１により２枚重ねの電極タブ１４，１５を挟み込んで凸状または凹状の嵌合部２１を形成する工程（図１１（Ｂ）参照）の後に、図１４に示すように、抵抗スポット溶接機の溶接電極４２，４３により嵌合部底面２２に電流を印加してスポット溶接し、嵌合部２１の接合強度を向上させることが可能であり、これにより電気的な接合性能も向上する。また、かしめ加工した嵌合部２１に溶接するので、溶接部の位置決めが容易で大電流部に溶接することができる。その他、図１５で示す超音波溶接機のホーン４４とアンビル４５により嵌合部底面２２を超音波接合したり、図１６で示すレーザ溶接機のレーザ集光体４６から嵌合部底面２２にレーザ光４７を発してレーザ溶接することも可能である。

正極タブ１４と負極タブ１５が異種金属であっても、ロッド４０，４１により２枚重ねのタブ１４，１５を挟み込んで凸状または凹状の嵌合部２１を形成することにより機械的接合が可能であるが、特に、正極タブ１４および負極タブ１５の表面にニッケル（Ｎｉ）などの導電性の高い金属めっきを被覆しておけば、抵抗スポット溶接、超音波溶接およびレーザ溶接の溶接効果を向上させることができる。

なお、以上の説明では正極タブ１４および負極タブ１５を重ね合わせて、ロッド４０，４１により同時に２枚重ねのタブ１４，１５を挟み込んで成形加工して凸状または凹状の嵌合部２１を形成したが、これに限るものではなく、図１７に示すように、ロッド４０，４１により一方の電極１５（または１４）のみを成形加工して凸状の嵌合部２１ａを形成しておき、抵抗スポット溶接等により、この嵌合部２１ａを有する電極タブ１５（または１４）を他方の平板状の電極タブ１４（または１５）に嵌合部２１ａの周囲部３２で溶接接合してもよい。このようにして、各タブ１４，１５に凸状の嵌合部２１ａを形成した場合にも、嵌合部２１ａの外側面に電圧検出コネクタ２６を接続することが可能である（図３および図４参照）。

以上のように構成された組電池１は、積層して相隣接する単電池１０の電極タブ１４、１５に嵌合部２１を形成して機械的に嵌合状態で接合しているため、０．５ｍｍ程度の薄いタブ１４，１５であっても剛性を確保することができる。したがって、従来のように、電極タブ１４，１５に別部品として該タブ１４，１５よりも剛性の高い電圧検出端子部材を接続することなく、電極タブ１４，１５に形成した嵌合部に電圧検出コネクタ２６を直接接続することができる。よって、部品点数が削減され、組立作業工程も簡略化して作業工数を低減することができるので、製造コストを低下させることができる。また、部品点数の削減によりシンプルな構造となり、組電池１を小型化することができるものである。

本発明に係る組電池の一実施形態を示す斜視図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。本実施形態に係る組電池の第１例を構成する２枚の扁平型電池を示し、（Ａ）は上方斜視図、（Ｂ）および（Ｃ）は下方斜視図である。本実施形態に係る組電池の第２例を構成する２枚の扁平型電池を示し、（Ａ）は上方斜視図、（Ｂ）および（Ｃ）は下方斜視図である。本実施形態に係る組電池の第３例を構成する２枚の扁平型電池を示し、（Ａ）および（Ｂ）は上方斜視図である。本実施形態に係る組電池の第４例を構成する２枚の扁平型電池を示し、（Ａ）は上方斜視図、（Ｂ）および（Ｃ）は下方斜視図である。本実施形態に係る組電池の第５例を構成する２枚の扁平型電池を示し、（Ａ）は上方斜視図、（Ｂ）および（Ｃ）は下方斜視図である。本実施形態に係る組電池を構成する単電池を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図である。単電池の内部構成を示す模式図である。本実施形態の組電池の組立工程を示す斜視図である。本実施形態の組電池の接合工程を示し、（Ａ）は接合前の状態の説明図、（Ｂ）は接合状態の説明図である。単電池の積層状態を示す縦断面図である。本実施形態の組電池の一側面を示す模式図である。本実施形態の組電池の組立工程におけるスポット溶接工程を示す説明図である。本実施形態の組電池の組立工程における超音波溶接工程を示す説明図である。本実施形態の組電池の組立工程におけるレーザ溶接工程を示す説明図である。凸状嵌合部の他の構造を示す説明図である。

符号の説明

１組電池、
１０扁平型電池（単電池）、
１４正極タブ、
１５負極タブ、
２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）嵌合部、
２６（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｆ）電圧検出用コネクタ。

Claims

複数の薄型電池を薄型電池の厚み方向に積層し、積層方向に相隣接する板状の電極タブ同士を接続して、前記複数の薄型電池を電気的に直列および／または並列に接続してなる組電池であって、
積層方向に重なり合って相隣接する複数の電極タブの少なくとも１つの電極タブに、電圧検出用コネクタの差し込み方向に対して直交する方向に、前記電圧検出用コネクタを差し込んで嵌合するための凸状の嵌合部を複数成形し、前記嵌合部は前記積層方向に膨出させた形状を有し、これら嵌合部間に前記電圧検出用コネクタが差し込み接続されることを特徴とする組電池。
複数の薄型電池を薄型電池の厚み方向に積層し、積層方向に相隣接する板状の電極タブ同士を接続して、前記複数の薄型電池を電気的に直列および／または並列に接続してなる組電池の製造方法であって、
複数の薄型電池を薄型電池の厚み方向に積層し、積層方向に重なり合って相隣接する電池同士を位置決めする工程と、
前記積層方向に相隣接する電極タブの少なくとも一方を前記積層方向に膨出させるように成形加工して、同一の電極タブに電圧検出用コネクタの差し込み方向に対して直交する方向に、前記電圧検出用コネクタを差し込んで嵌合するための凸状の嵌合部を複数成形する工程と、を有することを特徴とする組電池の製造方法。
前記嵌合部の成形工程の後に、該嵌合部を溶接接合する工程を有することを特徴とする請求項２に記載の組電池の製造方法。