特許 7597635 組電池の製造方法

(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】2024-12-02

(45)【発行日】2024-12-10

(54)【発明の名称】組電池の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/516 20210101AFI20241203BHJP

   H01M 50/262 20210101ALI20241203BHJP

   H01M 50/55 20210101ALI20241203BHJP

【ＦＩ】

H01M50/516

H01M50/262 Z

H01M50/55 101

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2021075379

(22)【出願日】2021-04-27

(65)【公開番号】P2022169375

(43)【公開日】2022-11-09

【審査請求日】2023-06-01

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(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】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山崎 信之

(72)【発明者】

【氏名】柴田 義範

(72)【発明者】

【氏名】櫻本 誠一

【審査官】山本 雄一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１３８７６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１３０７０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－２４６９９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１５７２６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／１９４７８３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ５０／５０－５０／５９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

組電池の製造方法であり、
電池セルの複数個を積層する工程と、
積層された電池セル群を積層方向に加圧する工程と、
加圧された電池セル群の各セル端子の位置を計測する工程と、
セル端子群の位置の分布の中心を通る直線を求める工程と、
その直線を基準として、バスバーをセル端子に押圧する位置を決定する溶接治具を位置決めする工程と、
溶接治具によってセル端子に向けて付勢させているバスバーをセル端子に溶接する工程と、
を備える製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書では、改良された組電池と、その製造方法を開示する。

【背景技術】

【0002】

電池セル（以下ではセルという）の複数個をバスバーによって接続した組電池が、特許文献１と２に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－８７７０４号公報

【文献】国際公開 ＷＯ２０１２／１３３７１１Ａ１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

組電池の組立工程では、修正作業を必要とする頻度が高い。本明細書では、修正作業の必要頻度を低下させ、組電池の生産性を向上させる技術を開示する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書の技術では、セル端子にバスバーを押圧して溶接する工程を改善する。この工程では、セル端子群が直線に沿って分布しているとは限られず、非直線、例えば湾曲線に沿って分布していることがあり得る。セル端子群が非直線状に分布していることに起因して修正作業が必要となることが判明した。そこで本明細書の技術では、セル端子群の分布を計測し、その計測結果に基づいてバスバーの押圧位置を決定する。この技術によると、セル端子群が非直線状に分布していても、セル端子の位置に対してバスバーの押圧位置が大きく離間するのを防止でき、修正作業の必要頻度が低下する。

【0006】

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】組電池の製造工程を説明する。

【図2】課題が生じる理由を説明する。

【図3】改良された製造工程によって課題が解決される理由を説明する。

【図4】バスバーと押圧位置の関係を示す。

【図5】分布の中心を通る直線を特定する第１段階を示す。

【図6】分布の中心を通る直線を特定する第２段階を示す。

【発明を実施するための形態】

【0008】

（組電池の組立工程）
図１（Ａ）はセル２の上面図を示す。セル２は略扁平直方体状であり、上面に正極端子３と負極端子４が露出している。正極端子３と負極端子４を総称してセル端子５という。セル端子５に関する記載は、正極端子３と負極端子４に共通する。セル端子５はセル２の外表面形成部材から絶縁されている。

【0009】

図１（Ｂ）は、セル２の複数個を積層した状態を示している。隣接するセル２の扁平面同士が対向する姿勢で積層する。セル群を直列に接続する場合、正極端子３と、隣接するセル２の負極端子４が隣接し、負極端子４と、隣接するセル２の正極端子３が隣接する姿勢で積層する。ここでは積層方向をｘ方向といい、セル上面の長手方向をｙ方向といい、セルの高さ方向をｚ方向という。図では、中間範囲に配置されているセル群の図示を省略している。積層するセル数には特に限定がないが、積層数ｎは例えば２８～３４である。添え数字は、ｘ方向の位置、すなわちセル２の積層順位を示している。

【0010】

図１（Ｃ）は、積層されたセル群を積層方向に加圧して圧縮した状態を示す。ｘ方向に延びる矢印８は加圧力を示す。圧縮された積層セル群をスタックという。以下では、ｙ方向プラス側のセル端子に参照番号６を付し、ｙ方向マイナス側のセル端子に参照番号７を付す。

【0011】

図１（Ｄ）は、スタックの上面にバスバー１０を配置した状態を示す。図では、ｘ方向の位置に応じて添え数字を付加している。バスバー１０－１，１０－３，・・・はｙ方向マイナス側に配置されており、バスバー１０－２，１０－４，・・・はｙ方向プラス側に配置されている。バスバー１０－１，１０－２，・・・はすべて同じものであり、共通の事象については添え数字を省略して説明する。バスバー１０は、隣接する正極端子３と負極端子４に亘っている。

【0012】

図１（Ｅ）は、１個のバスバー１０の上面を拡大して示す。図示しない溶接治具を利用してｚ方向上方からバスバー１０の上面を押圧してセル端子５に押付け、その状態でバスバー１０とセル端子５を溶接した状態を示す。押圧位置を参照番号１２，１３で示し、溶接位置を参照番号１６で示す。バスバー１０は隣接する正極端子３と負極端子４の夫々に溶接され、隣接する正極端子３と負極端子４を導通させる。図１（Ｅ）は、溶接位置１６のｙ方向両側を押圧する場合を例示している。

【0013】

図１（Ｄ）で示すように、バスバー１０には、ｙ方向マイナス側に配置されているバスバー１０－１，１０－３，・・・と、ｙ方向プラス側に配置されているバスバー１０－２，１０－４，・・・が存在する。以下では、図４に示すように、ｙ方向プラス側に配置されているバスバー１０－２，１０－４，・・・の押圧位置を１２，１３とし、ｙ方向マイナス側に配置されているバスバー１０－１，１０－３，・・・の押圧位置を１４，１５とする。添え数字は、セル２の積層順位を示している。

【0014】

バスバー１０の上面をセル端子５に押圧する部材は、図示しない溶接治具によって位置決めされており、図４に示すように、各バスバーあたり４か所を押圧する。例えば、ｙ方向マイナス側のバスバー１０－１に対しては、ｙ方向プラス側の位置１４－１，１４－２と、ｙ方向マイナス側の位置１５－１，１５－２で押圧する。ｙ方向プラス側のバスバー１０－２に対しては、ｙ方向プラス側の位置１２－２，１２－３と、ｙ方向マイナス側の位置１３－２，１３－３で押圧する。添え数字は積層順序を示す。

【0015】

ｙ方向マイナス側のバスバー１０－１，１０－３，・・・のｙ方向マイナス側の押圧位置１５－１，１５－２，１５－３，１５－４，・・・は、溶接治具によって直線２８上に位置決めされており、ｙ方向プラス側の押圧位置１４－１，１４－２，１４－３，１４－４，・・・は、溶接治具によって直線２６上に位置決めされている。ｙ方向プラス側のバスバー１０－２，１０－４，・・・のｙ方向マイナス側の押圧位置１３－２，１３－３，１３－４，１３－５，・・・は、溶接治具によって直線２４上に位置決めされており、ｙ方向プラス側の押圧位置１２－２，１２－３，１２－４，１２－５，・・・は、溶接治具によって直線２２上に位置決めされている。

【0016】

（課題）
図１（Ｃ）の圧縮工程によって、図２（Ａ）に示すように、セル端子５の位置がｙ方向に変位し、それによって修正作業の必要頻度が上昇することが判明した。図２（Ａ）において、５Ｃはセル端子５の中心位置を示しており、添え数字は積層順位を示す。図２（Ａ）は、中心５Ｃが直線に沿って分布せず、湾曲線に沿って分布している場合を例示している。

【0017】

従来の技術では、左端のセル端子５の中心５Ｃ－１と、右端のセル端子５の中心５Ｃ－ｎを通る直線１８を算出し、その直線１８を基準として溶接治具の位置を決定する。すなわち、直線１８の位置を基準にして、図４の直線２２，２４，２６，２８の位置を決定する。その結果、左端のセル２－１では、図２（Ｂ）に示すように、セル端子５の形成範囲と、押圧位置１２，１３が予定した位置関係となり、セル端子５とバスバー１０が予定通りに溶接できる。これに対して、図２（Ｃ）は、セル端子５の位置がｙ方向に大きく変位レている場合を示し、セル端子５の位置がｙ方向に大きくズレている場合は、押圧位置１２，１３がセル端子５の形成範囲からズレてしまう現象が生じ、これに起因してセル端子５とバスバー１０が予定通りに溶接できないという結果が生じる。図２（Ａ）の場合、積層方向（ｘ方向）の中間範囲では、セル２とセル端子５の位置が予定位置からｙ方向に大きく変位しており、その中間範囲で溶接不良が生じやすく、修正作業の必要頻度が増大する。図２ではｙ方向プラス側のバスバー群に生じる現象を示しているが、ｙ方向マイナス側のバスバー群にも同様の現象が生じる。

【0018】

(解決手段)
図３（Ａ）の分布図は、図２（Ａ）の分布図と同じであり、セル端子５の中心位置５Ｃが直線状に分布しておらず、湾曲線に沿って分布している場合を示している。
本明細書に記載の技術では、個々のセル端子５の中心位置５Ｃの全部を計測してその分布を特定し、その分布の中心を通る直線２０を算出し、その直線２０を基準として溶接治具を位置決めする。

【0019】

図３（Ｂ）は、直線２０を基準として溶接治具の位置を決定した場合の、左端のセル端子５と押圧位置１２，１３の関係を示している。左端では、押圧位置１２，１３に対してセル端子５の位置が予定よりｙ方向マイナス側に変位しており、セル端子５のｙ方向プラス側に偏った位置を押圧することを示している。図３（Ｂ）の場合、押圧位置１２，１３がセル端子５のｙ方向プラス側に偏ってはいても、押圧位置１２、１３でバスバー１０の上面を押圧してセル端子５に押付ける現象には影響せず、溶接不良を招かない。

【0020】

図３（Ｃ）は、直線２０を基準として溶接治具の位置を決定した場合の、積層方向の中央付近のセル端子５と押圧位置１２，１３の関係を示している。中央付近では、押圧位置１２，１３に対してセル端子５の位置が予定よりｙ方向プラス側に変位しており、セル端子５のｙ方向マイナス側に偏った位置を押圧することを示している。図３（Ｃ）の場合、押圧位置１２，１３がセル端子５のｙ方向マイナス側に偏ってはいても、押圧位置１２、１３でバスバー１０の上面を押圧してセル端子５に押付ける現象には影響せず、溶接不良を招かない。

【0021】

以上のように、個々のセル端子５の中心位置５Ｃの全部を計測してその分布を特定し、その分布の中心を通る直線２０を算出し、その直線２０を基準として押圧位置１２，１３を決定すれば、セル端子５と押圧位置１２，１３のＹ方向の位置ズレが正負の値を取るようになり、位置ズレ量の絶対値を半減することができる。これによって溶接不良の発生を抑制し、修正作業の必要頻度を低下させることができる。図３ではｙ方向プラス側のバスバー群に生じる現象を示しているが、ｙ方向マイナス側のバスバー群にも同様の現象が生じる。

【0022】

ここで分布の中心を通る直線とは、一次回帰直線であってもよいし、より簡単な計算式で求めたものであってもよい。例えば、図３（Ａ）は、左端のセル端子５の中心５Ｃ－１と、右端のセル端子５の中心５Ｃ－ｎを通る直線１８に平行な直線２０であり、直線２０からのｙ方向プラス側の最大ズレ量Ｙ＋ＭＡＸの絶対値とｙ方向マイナス側の最大ズレ量Ｙ－ＭＡＸの絶対値が等しくなる直線２０を求め、それを分布の中心を通る直線としている。
ｙ方向プラス側のズレ量の絶対値の平均値と、ｙ方向マイナス側のズレ量の絶対値の平均値が等しくなる直線２０を求めてもよい。直線の左右（両側）にセル端子中心５Ｃが分布している直線であればよい。

【0023】

（２本の直線）
上記の直線２０は、図１（Ｃ）のｙ方向プラス側のセル端子６の分布から計算することもできるし、ｙ方向マイナス側のセル端子７の分布から計算することもできる。図１（Ｃ）の加圧工程後も、セル２のｙ方向プラス側のセル端子６とｙ方向マイナス側のセル端子７の距離はほぼ同じであり、ｙ方向プラス側のセル端子６の分布から計算した直線２０と、ｙ方向マイナス側のセル端子７の分布から計算した直線２０はほぼ平行であり、両直線間の距離はセル２のｙ方向プラス側のセル端子６とｙ方向マイナス側のセル端子７の距離に等しく、既知である。 その結果、本技術を実施する際には、ｙ方向プラス側のセル端子６の分布から計算した直線を基準として溶接治具の位置を調整してもよいし、ｙ方向マイナス側のセル端子７の分布から計算した直線を基準として溶接治具の位置を調整してもよい。あるいは、ｙ方向プラス側のセル端子６の分布から計算した直線とｙ方向マイナス側のセル端子７の分布から計算した直線の両者を利用し、その平均値から算出した直線を基準として溶接治具の位置を調整してもよい。

【0024】

（バスバー位置の調整）
図４に示したように、押圧位置１２，１３，１４，１５の各々の位置は、図示しない溶接治具によって、直線上に位置決めされている。

【0025】

これに対して、バスバー１０は、隣接する２個のセル端子５の位置によって位置決めされる。すなわち、ｙ方向マイナス側のバスバー１０－１は、図１（Ｃ）のｙ方向マイナス側のセル端子７－１，７－２の位置を基準にして位置決めされ、ｙ方向プラス側のバスバー１０－２はｙ方向プラス側のセル端子６－２，６－３の位置を基準にして位置決めされ、ｙ方向マイナス側のバスバー１０－３はｙ方向マイナス側のセル端子７－３，７－４の位置を基準にして位置決めされ、ｙ方向プラス側のバスバー１０－４はｙ方向プラス側のセル端子６－４，６－５の位置を基準にして位置決めされる。この場合、セル端子５とそれに溶接するバスバー１０の相対的位置関係が一定となる。セル端子５の中心位置の分布と、バスバー１０の中心位置の分布が等しくなる。セル端子５の中心位置が湾曲線に沿って分布する場合は、バスバー１０の中心位置も同じ湾曲線に沿って分布する。図２（Ｂ）（Ｃ）と図３（Ｂ）（Ｃ）では、セル端子５とバスバー１０の相対的位置関係が一定であるとしている。

【0026】

これに対してバスバー配置治具を利用し、ｙ方向マイナス側のバスバー１０－１，１０－３,・・・を直線上に配置しておき、ｙ方向プラス側のバスバー１０－２，１０－４,・・・を直線上に配置しておき、そのバスバー配置治具を図１（Ｃ）のスタックに対して位置決めすることが可能である。この場合は、図３に示した直線２０を特定し、その直線に基づいてバスバー配置治具を位置決めする。これによって、セル端子５が湾曲線に沿って分布している場合に、バスバーが配置されている直線からのセル端子５のｙ方向のズレが正負に分布し、ｙ方向プラス側の最大ズレ量Ｙ＋ＭＡＸの絶対値とｙ方向マイナス側の最大ズレ量Ｙ－ＭＡＸの絶対値が等しくなり、最大ズレ量の絶対値が半減する

【0027】

上記の場合は、上記のように位置決めされたバスバー配置治具を基準にして溶接治具を位置決めすればよい。バスバー配置治具の位置決めの際に本技術が利用され、それを基準に溶接治具を位置決めすれば、溶接治具の位置決めに本技術が利用される。

【実施例】

【0028】

以下、実施例の特徴を説明する。
（絶縁板）
図１（Ｂ）において、本実施例では、隣接するセル２，２の間に図示しない絶縁板を配置する。絶縁板の上面には、バスバー１０を位置決めする形状が形成されている。これによって、ｙ方向マイナス側のバスバー１０－１は図１（Ｃ）のｙ方向マイナス側のセル端子７－１，７－２の位置を基準にして位置決めされ、ｙ方向プラス側のバスバー１０－２はｙ方向プラス側のセル端子６－２，６－３の位置を基準にして位置決めされ、ｙ方向マイナス側のバスバー１０－３はｙ方向マイナス側のセル端子７－３，７－４の位置を基準にして位置決めされ、ｙ方向プラス側のバスバー１０－４はｙ方向プラス側のセル端子６－４，６－５の位置を基準にして位置決めされる。

【0029】

（スタック収容体）
図１（Ｃ）に示したスタックは、図示しないケースに挿入されて圧縮状態に保持される。ケースの上面は開放されており、ケース外から、バスバーの配置工程、溶接治具による押圧工程、溶接治具による溶接工程が実行される。

【0030】

スタックをケース内に収容する構造によって、左端のセル端子５の中心５Ｃ－１から右端のセル端子５の中心５Ｃ－ｎを通る直線が、ケースの長手方向に沿って延びる場合がある。図２（Ａ）と図３の（Ａ）はこの場合を示し、ケースの長手方向をｘ軸としている。
これに対して左端のセル端子５の中心５Ｃ－１と右端のセル端子５の中心５Ｃ－ｎを通る直線が、ケースの長手方向に対して傾斜する場合がある。この場合、ケースの長手方向をｘ軸とすると、図２の（Ａ）における直線１８がｘ軸に対して傾斜することになる。この場合、分布の中心を通る直線２０もｘ軸に対して傾斜することになる。

【0031】

図５では、横軸にｘ方向位置（セルの積層順位に対応）を取り、縦軸にセル端子５の中心５Ｃのｙ方向位置を取っている。セル端子５の中心位置５Ｃの分布を示している。直線３０は、左端のセル端子５の中心５Ｃ－１と右端のセル端子５の中心５Ｃ－ｎを通る直線を示し、この直線３０の傾斜角θを求める。これによってスタック収容ケースに対して溶接治具を位置合わせする際に必要な両者の相対回転角度が判明する。

【0032】

図６は、直線３０からのｙ方向のズレ量を縦軸に示すグラフである。セル端子５の中心位置５Ｃは湾曲線に沿って分布している。直線３２は、直線３２からのｙプラス方向の最大ズレ量Ｙ＋ＭＡＸの絶対値と、ｙマイナス方向の最大ズレ量Ｙ－ＭＡＸの絶対値をほぼ半減させる直線である。
この直線３２を基準にして溶接治具を平行移動させれば、スタック収容ケースに対する溶接治具の位置合わせが終了する。溶接治具を上記のように位置合わせすれば、押圧位置とセル端子のＹ方向の最大ズレ量の絶対値が半減し、溶接不良の発生を抑制し、修正作業の必要頻度が減少する。

【0033】

本実施例では、溶接治具を基準にして溶接位置が決定される。
本実施例では、溶接個所のＹ方向両側で押圧するが、溶接位置のｙ方向プラス側だけで押圧してもよいし、ｙ方向マイナス側だけで押圧してもよい。前記のように、溶接治具を基準にして溶接位置が決定されるので、押圧位置と溶接位置の距離が管理される。その距離に依っては、両側で押圧する必要がある場合と片側で押圧すればよい場合が生じる。
本実施例では、バスバーの上面側からの処理によって、バスバーの裏面をセル端子に溶接する溶接技術を利用する。実施例ではレーザー溶接技術を利用する。レーザー溶接に限定されるものでない。またここでいう溶接には、ロウ材を利用するロウ付けが含まれる。

【0034】

本技術によると、スタックを上面視した場合に、セル端子群が非直線状に分布しているのに、押圧処理で生じた押圧痕はその分布の中心を通る直線に沿って延びている組電池が得られる。また、セル端子群が非直線状に分布しているのに、溶接位置はその分布の中心を通る直線に沿って延びている組電池が得られる。

【0035】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許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。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0036】

２：電池セル（セル）
３：正極端子
４：負極端子
５：セル端子
６：ｙ方向プラス側のセル端子
７：ｙ方向マイナス側のセル端子
８：加圧力
１０：バスバー
１２：ｙ方向プラス側のバスバーのｙ方向プラス側の押圧位置
１３：ｙ方向プラス側のバスバーのｙ方向マイナス側の押圧位置
１４：ｙ方向マイナス側のバスバーのｙ方向プラス側の押圧位置
１５：ｙ方向マイナス側のバスバーのｙ方向マイナス側の押圧位置
１６：溶接位置
１８，２０，２２，２４，２６，２８，３０，３２：直線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】