特許 7144489 蓄電モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-20

(45)【発行日】2022-09-29

(54)【発明の名称】蓄電モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/503 20210101AFI20220921BHJP

   H01M 50/516 20210101ALI20220921BHJP

   H01M 50/521 20210101ALI20220921BHJP

   H01M 50/562 20210101ALI20220921BHJP

   H01M 50/262 20210101ALI20220921BHJP

【ＦＩ】

H01M50/503

H01M50/516

H01M50/521

H01M50/562

H01M50/262 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020129511

(22)【出願日】2020-07-30

(65)【公開番号】P2022026171

(43)【公開日】2022-02-10

【審査請求日】2021-08-03

(73)【特許権者】

【識別番号】520184767

【氏名又は名称】プライムプラネットエナジー＆ソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】田中 知実

(72)【発明者】

【氏名】吉田 敬

(72)【発明者】

【氏名】神足 昌人

【審査官】多田 達也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１７５８１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／１５８４５０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００２７７３４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／０８２９５６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－０３４８２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ５０／５０ － ５０／５９８

Ｈ０１Ｍ ５０／２０ － ５０／２９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

配列方向に沿って積層され、前記配列方向に沿って拘束された複数の蓄電セルと、
前記複数の蓄電セルを電気的に接続する複数のバスバーとを備え、
前記複数のバスバーは、前記配列方向に交差する方向に沿って前記複数の蓄電セルが互いに変位したときに互いに異なる負荷が作用する第１の位置および第２の位置にそれぞれ設けられた第１バスバーおよび第２バスバーを含み、
前記複数の蓄電セルは、溶接により前記第１バスバーおよび前記第２バスバーとそれぞれ接合される第１端子および第２端子を含み、
前記第１の位置および前記第２の位置における前記負荷の違いに対応して、前記第１バスバーおよび前記第１端子の溶接強度と前記第２バスバーおよび前記第２端子の溶接強度とが互いに異なる、蓄電モジュール。

【請求項2】

前記第１バスバーと前記第１端子との溶接部は第１のパターンを有し、
前記第２バスバーと前記第２端子との溶接部は、前記第１のパターンとは異なる第２のパターンを有する、請求項１に記載の蓄電モジュール。

【請求項3】

前記第１のパターンおよび前記第２のパターンは、溶接部の幅、長さ、深さ、および条数からなる群のうち少なくとも１つについて互いに異なる、請求項２に記載の蓄電モジュール。

【請求項4】

前記第１バスバーと前記第１端子との溶接部は同種材により構成され、
前記第２バスバーと前記第２端子との溶接部は異種材により構成される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の蓄電モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、蓄電モジュール、ならびに溶接方法およびそれを用いた蓄電モジュールの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、二次電池セルとセパレータとを交互に積層した電池積層体の両端面に配置されるエンドプレートと、エンドプレート同士を締結する締結部材と、積層体の中間部分に配置される中間ブラケットとを備えた構造が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２０１７／０１７９１３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

二次電池などの蓄電装置の大容量化に伴ない、セルの数が多くなり、モジュールがセルの配列方向に長尺化する傾向にある。この結果、蓄電セルが変位したときにバスバー接合部に作用する力が大きくなる箇所が生じる。このような状況下においても、バスバー接合部の破損を防止する必要がある。

【0005】

他方、バスバー接合部の過度の大型化ならびに過剰設計は、蓄電モジュール全体としての大型化や製造コスト増大に繋がる。

【0006】

本開示の目的は、過度な大型化および過剰設計を抑制しながらバスバー接合部の破損を防止することが可能な蓄電モジュール、ならびに溶接方法およびそれを用いた蓄電モジュールの製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示に係る蓄電モジュールは、配列方向に沿って積層され、配列方向に沿って拘束された複数の蓄電セルと、複数の蓄電セルを電気的に接続する複数のバスバーとを備える。

【0008】

１つの局面では、複数のバスバーは、配列方向に交差する方向に沿って複数の蓄電セルが互いに変位したときに互いに異なる負荷が作用する第１の位置および第２の位置にそれぞれ設けられた第１バスバーおよび第２バスバーを含み、複数の蓄電セルは、溶接により第１バスバーおよび第２バスバーとそれぞれ接合される第１端子および第２端子を含み、第１の位置および第２の位置における負荷の違いに対応して、第１バスバーおよび第１端子の溶接強度と第２バスバーおよび第２端子の溶接強度とが互いに異なる。

【0009】

他の局面では、複数の蓄電セルのうちの一部の蓄電セルを固定する固定部をさらに備え、複数のバスバーは、配列方向に沿った固定部からの距離が互いに異なる第１の位置および第２の位置にそれぞれ設けられた第１バスバーおよび第２バスバーを含み、複数の蓄電セルは、溶接により第１バスバーおよび第２バスバーとそれぞれ接合される第１端子および第２端子を含み、第１バスバーおよび第１端子の溶接強度と第２バスバーおよび第２端子の溶接強度とが互いに異なる。

【0010】

本開示に係る溶接方法は、配列方向に沿って積層された複数の蓄電セルの複数の電極端子と複数のバスバーとを溶接する溶接方法であって、複数の電極端子は、配列方向に沿って異なる位置にある第１の位置および第２の位置にそれぞれ配置された第１端子および第２端子を含み、複数のバスバーは、第１端子および第２端子にそれぞれ溶接により接合される第１バスバーおよび第２バスバーを含み、溶接方法は、第１バスバーと第１端子とを第１の方法を用いて溶接する工程と、第１の方法とは異なる第２の方法を用いて、第２バスバーと第２端子とを溶接する工程とを備える。

【0011】

本開示に係る蓄電モジュールの製造方法は、複数の電極端子を含む複数の蓄電セルを配列方向に沿って積層する工程と、複数の電極端子上に複数のバスバーを配置する工程と、上述した溶接方法を用いて複数の電極端子と複数のバスバーとを溶接する工程とを備える。

【発明の効果】

【0012】

本開示によれば、過度な大型化および過剰設計を抑制しながらバスバー接合部の破損を防止することが可能な蓄電モジュール、ならびに溶接方法およびそれを用いた蓄電モジュールの製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】組電池の基本的構成を示す図である。

【図2】図１に示す組電池における電池セルを示す図である。

【図3】図１に示す組電池におけるバスバーの配置を示す図である。

【図4】バスバー形状の一例を示す図である。

【図5】バスバー形状の他の例を示す図である。

【図6】バスバー形状のさらに他の例を示す図である。

【図7】バスバー形状のさらに他の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下に、本開示の実施の形態について説明する。以下に説明する実施の形態において、個数、量等に言及する場合、特に記載がある場合を除き、本開示の範囲は必ずしもその個数、量等に限定されない。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、本開示にとって必ずしも必須のものではない。

【0015】

図１は、組電池１の基本的構成を示す図である。図２は、組電池１における電池セル１００を示す図である。

【0016】

図１，図２に示すように、「蓄電モジュール」の一例としての組電池１は、電池セル１００と、拘束部材２００とを備える。複数の電池セル１００は、矢印ＤＲ１方向（配列方向）に並ぶように設けられる。電池セル１００は、電極端子１１０を含む。複数の電池セル１００の間には、図示しないセパレータが介装されている。

【0017】

一例として、電池セル１００はリチウムイオン電池であるが、電池セル１００はニッケル水素電池など他の電池であってもよい。また、本開示において「蓄電モジュール」は組電池１に限定されず、電池セル１００に代えて、たとえばキャパシタが「蓄電セル」として用いられてもよい。

【0018】

拘束部材２００は、エンドプレート２１０と、締結部材２２０とを含む。エンドプレート２１０は、矢印ＤＲ１方向（配列方向）において組電池１の両端に配置されている。エンドプレート２１０は、組電池１を収納するケースなどの基台に固定される。締結部材２２０は、組電池１の配列方向の両端に位置する２つのエンドプレート２１０を互いに接続するとともに、２つのエンドプレート２１０を拘束する。

【0019】

２つのエンドプレート２１０に挟持された複数の電池セル１００は、エンドプレート２１０によって押圧され、２つのエンドプレート２１０の間で拘束されている。

【0020】

図２に示すように、電池セル１００は、平坦面状の直方体形状に形成されている。電極端子１１０は、正極端子１１１と、負極端子１１２とを含む。電極端子１１０は、収容ケース１２０上に形成されている。収容ケース１２０には、図示しない電極体および電解液が収容されている。

【0021】

図３は、組電池１におけるバスバーの配置を示す図である。図３に示す例は、複数の電池セル１００を直列接続するものである。すなわち、図３の例では、隣接する電池セル１００の正極端子１１１と負極端子１１２とがバスバー３１０，３２０，３３０により電気的に接続される。

【0022】

本明細書において、「バスバー」とは、２つ以上の電池セルの電極端子を電気的に接続する部材を意味する。図３の例では、電池セル１００が直列接続される構造が示されているが、本開示の範囲はこれに限定されず、電池セル１００が並列接続される構造も含む。

【0023】

電極端子１１０とバスバー３１０，３２０，３３０とは、典型的には溶接により接合される。電極端子１１０は、たとえば銅により形成される。バスバー３１０，３２０，３３０は、アルミニウムからなるもの（アルミバスバー）であってもよいし、該アルミバスバーよりも剛性が高くて、アルミニウム部材の表面に銅からなるクラッド層を有するもの（クラッドバスバー）であってもよい。電極端子１１０が銅からなる場合、アルミバスバーを用いた場合は異種材接合（溶接）となり、クラッドバスバーを用いた場合は同種材接合（溶接）となる。

【0024】

組電池１の矢印ＤＲ１方向（配列方向）の両端に位置する電池セル１００は、「拘束部」としてのエンドプレート２１０により直接固定される。組電池１を含む電池モジュールに外部荷重が作用したとき、当該部分において隣接する２つの電池セル１００の電極端子１１０を繋ぐバスバー３１０（第１バスバー）に作用する負荷、およびバスバー３１０と電極端子１１０との接合部に作用する負荷は比較的大きい。

【0025】

これに対し、組電池１の矢印ＤＲ１方向（配列方向）の中央部に位置する電池セル１００は、「拘束部」としてのエンドプレート２１０から離れた位置にある。組電池１を含む電池モジュールに外部荷重が作用したとき、当該部分において隣接する２つの電池セル１００の電極端子１１０を繋ぐバスバー３２０（第２バスバー）に作用する負荷、およびバスバー３２０と電極端子１１０との接合部に作用する負荷は比較的小さい。

【0026】

電池モジュールの高出力化が求められる中で、組電池１を構成する電池セル１００の数が多くなり、電池セル１００の配列方向（矢印ＤＲ１方向）に沿って組電池１が長くなる傾向にある。この結果、外部荷重が作用したときのバスバー３１０（第１バスバー）およびバスバー３２０（第２バスバー）に作用する負荷の差は、大きくなる傾向にある。

【0027】

上述のとおり、組電池１に外部荷重が作用したとき、バスバー３１０に作用する負荷、およびバスバー３１０と電極端子１１０との接合部に作用する負荷は大きい。したがって、バスバー３１０を変形を吸収しやすい形状にすることによりバスバー３１０の破損を防止するか、バスバー３１０の剛性を高めるなどしてバスバー３１０が大きな負荷に耐え得るようにすることによりバスバーの破損を防止することが求められる。同様に、バスバー３１０と電極端子１１０との接合部における溶接強度を高め、接合部が大きな負荷に耐えて得るようにすることが求められる。

【0028】

他方、バスバー３２０に作用する負荷、およびバスバー３２０と電極端子１１０との接合部に作用する負荷は小さい。したがって、バスバー３１０と同じ仕様でバスバー３２０を形成した場合、バスバー３２０が必要以上に大型化する。また、バスバー３１０と電極端子１１０との接合部と同じ仕様でバスバー３２０と電極端子１１０との接合部を形成した場合、必要以上に溶接強度の高い溶接部を形成することになり、結果として不必要な製造コストが増大する。

【0029】

このように、電池セル１００の配列方向（矢印ＤＲ１方向）に沿って負荷状況が異なる状況下において、バスバー３１０，３２０，３３０を一律に同じものとすると、不必要な箇所においてもバスバーが大型化するとともに、溶接部においても不必要に溶接強度の高い過剰設計となる箇所が生じ得る。

【0030】

これに対し、本実施の形態においては、第１の解決策として、外部荷重作用時の負荷状況に応じて、バスバーの形状を互いに異ならせる。

【0031】

より具体的には、エンドプレート２１０からの距離が異なるバスバー３１０（第１バスバー）とバスバー３２０（第２バスバー）とで互いに形状を異ならせる。換言すると、複数の電池セル１００が互いに変位して組電池１が変形するときに互いに異なる負荷が作用するバスバー３１０（第１バスバー）とバスバー３２０（第２バスバー）とを互いに異なる形状のものにする。

【0032】

たとえば、「拘束部」としてのエンドプレート２１０に近いバスバー３１０については、変形を吸収しやすい形状とし、外部荷重が作用したときの応力を低減する。他方、エンドプレート２１０から遠いバスバー３２０については、比較的変形を吸収しにくい形状としても、外部荷重が作用したときの応力が過度に大きくなりすぎることはない。

【0033】

また、エンドプレート２１０に近いバスバー３１０について、剛性を相対的に高くして外部荷重が作用したときの破損を防ぎ得るように構成してもよい。このとき、エンドプレート２１０から遠いバスバー３２０については、バスバー３１０よりも簡易な構造として、過剰設計を防止し得るように構成する。

【0034】

バスバー３１０，３２０の形状を異ならせることは、矢印ＤＲ２方向から見たバスバー平面形状を異ならせること、矢印ＤＲ３方向からみたバスバー側面形状を異ならせること、およびそれら両方の形状を異ならせることを含む。矢印ＤＲ２方向から見たバスバー平面形状を異ならせることは、単にバスバー３１０，３２０の幅を異ならせることを含み、矢印ＤＲ３方向からみたバスバー側面形状を異ならせることは、単にバスバー３１０，３２０の厚みを異ならせることを含む。

【0035】

また、本実施の形態においては、上記第１の解決策とは異なる第２の解決策として、外部荷重作用時の負荷状況に応じて、バスバー３１０および電極端子１１０の溶接強度とバスバー３２０および電極端子１１０の溶接強度を互いに異ならせる。

【0036】

より具体的には、エンドプレート２１０からの距離が異なるバスバー３１０（第１バスバー）とバスバー３２０（第２バスバー）とで、電池セル１００の電極端子１１０との接合部の溶接強度を互いに異ならせる。換言すると、配列方向（矢印ＤＲ１方向）と交差する方向に沿って複数の電池セル１００が互いにずれて組電池１が変形するときに互いに異なる負荷が作用するバスバー３１０（第１バスバー）とバスバー３２０（第２バスバー）とで、電池セル１００の電極端子１１０との接合部の溶接強度を互いに異ならせる。

【0037】

たとえば、「拘束部」としてのエンドプレート２１０に近いバスバー３１０については、電極端子１１０との溶接強度を高くし、外部荷重が作用したときの比較的高い負荷に耐え得るように構成する。他方、エンドプレート２１０から遠いバスバー３２０については、電極端子１１０との溶接強度を特段高くしなくても、外部荷重が作用したときに溶接部に作用する負荷が過度に大きくなりすぎることはない。よって、バスバー３２０については、バスバー３１０よりも簡易な溶接構造として、過剰設計を防止し得るように構成する。

【0038】

上述した第１の解決策（バスバーの形状を互いに異ならせること）および第２の解決策（電極端子との溶接強度を互いに異ならせること）は、組電池１に対して各々単独で適用可能であるが、第１の解決策および第２の解決策を組み合わせて組電池１に適用してもよい。

【0039】

なお、図３に示すように、バスバー３１０とバスバー３２０との間には、バスバー３３０（第３バスバー）が設けられている。バスバー３３０は、その形状について、およびその電極端子１１０との溶接強度について、バスバー３１０とバスバー３２０との中間的な特性を有する。このように、図３の例では、バスバー形状および接合部の特性が三段階で変化しているが、バスバー３３０を廃止してバスバー３１０，３２０の二段階とされてもよいし、四段階以上に特性を変化させてもよい。ただし、四段階以上の場合は、部品点数が増大するとともに溶接工程も複雑化し、これらが製造コストの増大要因となり得るため、二段階ないし三段階とすることが好ましい。

【0040】

図４～図７を用いて、上述した第１および第２の解決策のために使用され得るバスバーについて説明する。

【0041】

図４には、バスバー３１０の一例としてのバスバー３１０Ａが示される。図５には、バスバー３２０の一例としてのバスバー３２０Ａが示される。

【0042】

バスバー３１０Ａは、電極端子１１０との溶接部３１１Ａと、張出部３１２Ａと、溶接部３１１Ａおよび張出部３１２Ａを接続する接続部３１３Ａとを含む。バスバー３２０Ａは、電極端子１１０との溶接部３２１Ａと、２つの溶接部３２１Ａの間に位置する中間部３２２Ａとを含む。

【0043】

張出部３１２Ａは、矢印ＤＲ２方向（バスバー３１０Ａと電極端子１１０とが重なる方向）からみてＤＲ１方向（配列方向）に直交する方向、すなわち矢印ＤＲ３方向に沿って、溶接部３１１Ａから張り出すように形成される。張出部３１２Ａは、組電池１（電池セル１００）の幅方向外側に向かって張り出してもよいし、組電池１（電池セル１００）の幅方向内側に向かって張り出してもよい。

【0044】

図４に示すように、バスバー３１０Ａは、略コの字状の形状を有する。これにより、矩形状のバスバー３２０Ａと比較して、実効長さが長くなり、変形を吸収しやすい。このため、外部荷重が作用したときの応力が低減され、比較的大きな負荷が作用するバスバー３１０Ａの破損が防止される。

【0045】

なお、本明細書において「実効長さ」とは、バスバーと蓄電セルとの２箇所の接合部の間において、バスバーの延在方向に沿って当該バスバーが延びる長さを意味する。

【0046】

図６には、バスバー３１０の他の例としてのバスバー３１０Ｂが示される。バスバー３１０Ｂは、電極端子１１０との溶接部３１１Ｂと、張出部３１２Ｂと、溶接部３１１Ｂおよび張出部３１２Ｂを接続する接続部３１３Ｂとを含む。

【0047】

張出部３１２Ｂは、矢印ＤＲ３方向（バスバー３１０Ｂと電極端子１１０とが重なる方向に直交する方向）からみてＤＲ１方向（配列方向）に直交する方向、すなわち矢印ＤＲ２方向に沿って、溶接部３１１Ｂから張り出すように形成される。

【0048】

図６に示すバスバー３１０Ｂについても、図４に示すバスバー３１０Ａと同様に、略コの字状の形状を有することにより、矩形状のバスバー３２０Ａと比較して、実効長さが長くなり、変形を吸収しやすい。このため、外部荷重が作用したときの応力が低減され、比較的大きな負荷が作用するバスバー３１０Ｂの破損が防止される。

【0049】

一例として、外部荷重が作用したときに相対的に大きな負荷が作用するバスバー３１０の実効長さは、バスバー３２０の実効長さに対して、好ましくは１倍以上１０倍以下程度である。

【0050】

一例として、バスバー３１０の厚みはバスバー３２０の厚みに対して、好ましくは０．５倍以上５倍以下程度である。なお、バスバー３１０の強度（引張強さ）が高い場合、バスバー３１０の剛性がバスバー３２０の剛性よりも低くてもよい場合があるため、上述のとおり、バスバー３１０の厚みがバスバー３２０の厚みに対して０．５倍程度でよい場合もある。

【0051】

一例として、バスバー３１０の強度（引張強さ）はバスバー３２０の強度に対して、好ましくは０．５倍以上２０倍以下程度である。なお、バスバー３１０の剛性が高い場合、バスバー３１０の強度がバスバー３２０の強度よりも低くてもよい場合があるため、上述のとおり、バスバー３１０の強度がバスバー３２０の強度に対して０．５倍程度でよい場合もある。

【0052】

図７には、バスバー３１０のさらに他の例としてのバスバー３１０Ｃが示される。バスバー３１０Ｃは、電極端子１１０との溶接部３１１Ｃと、２つの溶接部３１１Ｃの間に位置する中間部３１２Ｃとを含む。

【0053】

図７に示すように、バスバー３１０Ｃは矩形状に形成され、その形状は、図５に示されるバスバー３２０Ａと同じである。ただし、バスバー３１０Ｃの溶接部３１１Ｃは、バスバー３２０Ａの溶接部３２１Ａよりも高い溶接強度を有するように形成される。

【0054】

具体的には、溶接部３１１Ｃは、溶接部３２１Ａとは異なるパターン（溶接の幅、長さ、深さ、面積、および条数）を有するように形成される。

【0055】

たとえば、溶接部３１１Ｃにおける溶接の幅、長さ、および深さは、溶接部３２１Ａにおける溶接の幅、長さ、および深さの各々１倍以上５倍以下程度であることが好ましく、溶接部３１１Ｃにおける溶接部の面積は、溶接部３２１Ａにおける溶接部の面積の１倍以上１０倍以下程度であることが好ましい。結果として、溶接部３１１Ｃにおける溶接強度は、溶接部３２１Ａにおける溶接強度の１倍以上１０倍以下程度であることが好ましい。

【0056】

また、溶接部３１１Ｃと溶接部３２１Ａとにおいて、同種材接合と異種材接合とを使い分けることにより溶接強度を異ならせてもよい。すなわち、同種材（銅－銅）接合は、異種材（銅－アルミ）接合よりも溶接強度が高い。

【0057】

また、溶接部３１１Ｃと溶接部３２１Ａとにおいて、異なる溶接方式を使い分けることにより溶接強度を異ならせてもよい。たとえば、レーザ溶接により形成された溶接部の溶接強度は、抵抗溶接により形成された溶接部の溶接強度よりも高い。さらに、溶接の出力ないし速度を異ならせることにより溶接強度を異ならせてもよい。たとえば、同じ出力であっても溶接の速度を遅くすることで、溶接強度は高くなる。

【0058】

以上、本開示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。本開示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及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。

【符号の説明】

【0059】

１ 組電池、１００ 電池セル、１１０ 電極端子、１１１ 正極端子、１１２ 負極端子、１２０ 収容ケース、２１０ エンドプレート、２２０ 締結部材、３１０，３１０Ａ，３１０Ｂ，３１０Ｃ，３２０，３２０Ａ，３３０ バスバー、３１１Ａ，３１１Ｂ，３１１Ｃ，３２１Ａ 溶接部、３１２Ａ，３１２Ｂ 張出部、３１２Ｃ，３２２Ａ 中間部、３１３Ａ，３１３Ｂ 接続部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】