JP2014103031A

JP2014103031A - ブスバー基板及びブスバー基板を用いた電池モジュール

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Publication number: JP2014103031A
Application number: JP2012255287A
Authority: JP
Inventors: Koichi Ogura; 廣一小倉; Katsuo Naoi; 克夫直井
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2032-11-21
Also published as: JP6040728B2

Abstract

【課題】ブスバー基板と電池セルの電極端子との間の接触抵抗を小さくし、電力の消耗をできるだけ抑えることが可能なブスバー基板及びこのブスバー基板を用いた電池モジュールを提供する。
【解決手段】ブスバー基板１０は、軸部材に複数の突出部３０を設け、前記突出部３０にブスバー部を設けた事を特徴とする。このような構成にすることによって、電池セルの電極端子とブスバー部との間の機械的な自由度を得て、隙間無く接触させることができる。その結果、電極端子とブスバー部との間の接触抵抗が小さくなり、電池モジュールに用いた場合、電池モジュールの電力の消耗を抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブスバー基板及びブスバー基板を用いた電池モジュールに関する。

電気自動車やハイブリッド車及び定置型の電池モジュールとして、リチウムイオン電池やニッケル水素電池、その他の二次電池等の複数の電池セルを、それぞれブスバーやワイヤーで接続し、これらの電池セルの正負の電極端子間の電圧を管理する制御回路と共に電池モジュールとする構造が知られている。

このような接続構造は部品点数が多く、活電部の結線作業であるため、作業中にブスバーの短絡及び誤接続を発生させる可能性を持っている。

その解決方法として、例えば、特許文献１では、複数のブスバーと制御回路に接続される導電部材とを一体に成型することにより、部品点数の軽減や短絡及び誤接続作業の排除を行い、組立性や安全性の改善を図っている。

特開２００２−１７０５３５号公報

ところで、電池モジュールを構成する電池セルはさまざまな用途において種類が多様化しており、大きさや寸法公差が異なっている。前記文献１のように、ブスバーが成型部品内に埋め込まれた構造では、機械的自由度が制限され、個々の電池セルを配列し電池モジュールを組立てる際、電池セルの高さのバラツキにより、ブスバー基板と電池セルの端子との接触面の傾き或いは隙間が発生してしまう。そのため、ブスバー基板と端子電極との接触が不充分となり、接触抵抗値が増大することから、抵抗値の管理および調整作業による長時間化が発生し易い問題がある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであって、ブスバー基板と電池セルの電極端子との間の接触抵抗値を小さくし、作業時間の短縮を実現することが可能なブスバー基板及びこのブスバー基板を用いた電池モジュールを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明のブスバー基板は、軸部材に複数の突出部が形成され、前記突出部は、ブスバーの略中央部でブスバーを支持していることを第１の特徴とする。

上記特徴の本発明によれば、前記突出部が軸部材に形成され、ブスバーは略中央部で支持されているため、３軸方向の動きに対して柔軟性を保ち、個々の電池セル間に寸法差があったとしても、電池セルの電極端子とブスバー部との間の機械的な自由度を維持できるため、隙間無く接触させることが可能となり、その結果、電極端子とブスバー部との間の接触抵抗を小さくすることができる。

さらに本発明に係るブスバー基板は、前記軸部材の片側に複数の突出部が櫛状に形成され、且つ、前記突出部の隣り合う長さが交互に異なっていることを第２の特徴とする。

上記特徴の本発明によれば、軸部材と櫛状の突出部で構成されたブスバー基板は、形状の特徴から電池モジュールの１つの側面側に沿って配置される。すなわち軸部材の軸部分は、電池の電極よりも外側に配置される。従って電池形状の制限を受けないため、軸部材と突出部の形状寸法は、設計上及び使用上の必要に応じて設定可能な自由度を有している。さらに電池セルの上面電極間に広い空間を確保できるため、軸部材や突出部による電池モジュール内空気の対流に対する抵抗が小さくなる。すなわち、電池セルの放熱に有利な形状を有している。

さらに本発明に係るブスバー基板は、前記軸部材の両側に複数の突出部が枝状に形成され、且つ、前記両側の突出部が互い違いにずれて配設されていることを第３の特徴とする。

上記特徴の本発明によれば、突出部を軸部材の両側に設けることによって、軸部材が電池セルの中央部に位置するため、左右の配置バランスが良好になり、小型化により相対的な剛性を高めつつ、電池セルの電極端子とブスバー部との間の機械的な自由度を維持できるため、隙間無く接触させることができ、その結果、電極端子とブスバー部との間の接触抵抗を小さくすることができる。

さらに本発明に係る電池モジュールは、上記いずれかのブスバー基板と、複数の電池セルと、を備え、前記複数の電池セルの電極端子と前記ブスバー基板のブスバー部で接続されていることを第４の特徴とする。

上記特徴の本発明によれば、上記いずれかのブスバー基板と、複数の電池セルと、を備え、前記複数の電池セルの電極端子と前記ブスバー基板のブスバーで接続されていることにより、複数の電池セル間に寸法公差や種類による高さや大きさのばらつきが生じた場合や電池モジュールに振動が加わった場合であっても、電池セルの電極端子とブスバー部とは機械的な自由度を維持したまま隙間無く接触しているため、電極端子とブスバー部との間の接触抵抗が小さくなり、その結果、電力の消耗を抑えた電池モジュールを提供することができる。

本発明のブスバー基板によれば、ブスバーと電池セルの電極端子との間の接触抵抗を小さくし、作業時間の短縮を実現することが可能なブスバー基板及びこのブスバー基板を用いた電池モジュールを提供することができる。

実施形態１のブスバー基板を示す図である。実施形態２のブスバー基板を示す図である。実施形態２の接続部の拡大図である。実施形態３のブスバー基板を示す図である。実施形態２に係る変形例１のブスバー基板を示す図である。実施形態３に係る変形例２のブスバー基板を示す図である。実施形態２のブスバー基板を用いた電池モジュールを示す実施例１の図である。ブスバーと電極端子を接続するネジを示す図である。電池セルの形状と構成を示す図である。実施形態３のブスバー基板を用いた電池モジュールを示す実施例２の図である。実施形態２に係る変形例１のブスバー基板を用いた電池モジュールを示す実施例３の図である。実施形態３に係る変形例２のブスバー基板を用いた電池モジュールを示す実施例４の図である。実施形態３に係る応用例１を示す図である。実施形態３に係る応用例２を示す図である。比較例として従来のブスバー基板を示す図である。比較例のブスバー基板を用いた電池モジュールを示す図である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみ説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくとも実施形態同士を部分的に組み合わせることも可能である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態１係るブスバー基板１０の構成の基本単位となる形状を示す図である。同図に示すとおり、ブスバー基板１０の軸部材２０に突出部３０が設けられ、この突出部３０の先端にブスバー４０が設けられている。突出部３０は軸部材２０から延伸するように一体に形成され、ブスバー４０の中央を支持している。軸部材や突出部の材料は、ＡＢＳ（ＡｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅＢｕｔａｄｉｅｎｅＳｔｙｒｅｎｅ）やＰＢＴ（ＰｏｌｙＢｕｔｙｌｅｎｅＴｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）など成型可能な難燃性樹脂が好ましい。

図１のように、軸部材２０から延伸するように一体に形成された突出部３０は柔軟性を持っており、突出部３０の先端に設けられたブスバー４０が端子接続部３１の部分で後に述べる電極端子１０１（具体的な構造は図７Ｃを参照）に接続固定された際に、容易に変形して撓み、ブスバー４０と電極端子１０１の固定状態に倣いやすくなる。すなわちこのように構成されたことにより、ブスバー基板１０を一体成型にて作製する際、後に述べる隣接する複数の矩形状の電池セル１００（具体的な構造は図７Ａを参照）の電極端子１０１を接続するブスバー４０の接触抵抗を小さくすることができ、性能向上が実現できる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係るブスバー基板１１の構成を示す図である。同図に示すとおり、ブスバー基板１１の軸部材２０に櫛状突出部３２が設けられ、且つ、前記突出部３０の隣り合う長さが相互に異なっている。この櫛状突出部３２の先端にブスバー４１が設けられている。櫛状突出部３２は軸部材２０から延伸するように一体に形成され、ブスバー４１の中央を支持している。図１に示す実施形態１に係るブスバー基板１０と異なる点は、前記基本単位形状を構成する突出部３０を軸部材２０の片側に複数設け、櫛状突出部３２の形状に配置したことである。またブスバー４０の形状も異なっているが、特に機能的に差はない。ここで櫛状とは、ベースとなる１本の帯状の基部（軸部材２０）から複数の櫛の歯（突出部３０）が突出している状態であることを意味する。

さらに図２のような櫛状突出部３２を持つブスバー基板１１を作製することにより、後に述べる複数の矩形状の電池セル１００（具体的な構造は図７Ａを参照）からなる電池モジュール１１０に対応した一体形状のブスバー基板１１が実現できる。図２のブスバー基板１１は、突出部の隣り合う長さが相互に異なっており、軸部材２０が、電池モジュール１１０の配列した各電極端子１０１よりも外側に配置可能となっているので、結果、電池セル１００の形状による制限を受けないため、軸部材２０と突出部３０の形状寸法は、設計上及び使用上の要求に応じて設定可能な自由度を有している。したがって、このような形状でブスバー基板１１を作製することにより、端子接続部３１と電極端子１０１との間の接触抵抗が小さく、且つ、実用的な形状のブスバー基板１１を実現できる。

また、図３は軸部材２０と櫛状突出部３２の接続部５０を拡大した図である。図３のように短い突出部の接続部５０のみにザグリ部６０を設け、突出部３０の幅を小さくすることで、３軸の変位方向６２，６３，６４に柔軟性を持たせ、長い突出部と同等の可動範囲を付与することにより、電極端子１０１とブスバー４１とは、両者の間の機械的な自由度を維持することができて、隙間無く接触させることができる。これにより端子接続部３１と電極端子１０１との間の接触抵抗を小さくすることができる。

（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態に係るブスバー基板１２の構成を示す図である。軸部材２０の両側に突出部３０を配置したブスバー基板１２である。図４に示す第３の実施形態に係るブスバー基板１２と、図２に示す第２の実施形態に係るブスバー基板１１と異なる点は、突出部３０を軸部材２０の両側に複数設け、枝状突出部３３の形状に配置したことである。ここで枝状とは、ベースとなる１本の帯状の基部（軸部材２０）の両端から複数の櫛の歯（突出部３０）が枝状に突出している状態であることを意味する。

この場合、後に述べる隣接する複数の矩形状の電池セル１００(具体的な構造は図８を参照)の短手方向中央部に軸部材２０が位置するため、軸部材２０の両側に配置した突出部３０は長さがほぼ均等になり、短くなる。したがってそれぞれのブスバー４０の動きが同等になりブスバー基板１２全体の剛性も高まり、端子接続部３１と電極端子１０１との間の接触抵抗を安定して小さくすることができる。

さらに第３の実施形態において、枝状突出部３３は軸部材２０から互い違いに配置していることが望ましい。このような構成にすると、軸部材２０を中心に枝状突出部３３が非対称となるため、接続部５０に掛かる負荷がバランスよく分散され、ブスバー基板１２の強度の劣化を抑えることができる。

次に本発明の第２と第３の実施形態に係る他の第４と第５の実施形態を図５および図６に示しながら説明する。これらの実施形態は、ブスバー基板１１とブスバー基板１２の更なる剛性を高める対策を講じたものである。

また、従来の一体成型されたブスバー基板１７と同等の工程を利用した組立てが可能であり、新たな工程を設けずに作業時間の短縮を実現することができ、第１〜第３の実施形態と同様な効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
図５は、第２の実施形態を変形させた第４の実施形態を示す図である。この構成においては、軸部材２０が櫛状突出部３２を囲むように環状に延伸し、櫛状突出部３２の先端部と環状部２１を接続したブスバー基板１３である。

このような構成にすると、片持ち状の実施形態２に比べ、環状に延伸し、櫛状突出部３２の先端部と環状部２１を接続したため、ブスバー基板１１の剛性が一段と高まって取り扱い易くなり、突出部３０の柔軟性のある形状効果により端子接続部３１と電極端子１０１との間の接触抵抗を、従来の一体成型タイプよりも軽減させることができる。

（第５の実施形態）
図６は、第３の実施形態を変形させた第５の実施形態を示す図である。この構成においては、軸部材２０が枝状突出部３３を囲むように両側に環状に延伸し、枝状突出部３３の先端部と環状部２１を接続したブスバー基板１４である。

このような構成にすると、片持ち状の実施形態３に比べ、一段とブスバー基板１０の剛性が高まって取り扱い易くなり、枝状突出部３３の柔軟性のある形状効果により端子接続部３１と電極端子１０１との間の接触抵抗を、従来の一体成型タイプよりも軽減させることができる。

以下に、本発明の第５の実施形態に係る電池モジュールの応用例について、説明する。以下の応用例は、単なる一例に過ぎない。

（応用例１）
＜電池モジュール＞
図１１は、本発明の第５の実施形態の応用例１を示す図である。この構成においては、ブスバー基板１４を、プリント回路基板で構成し、ブスバー４０を０．５ｍｍ以上の厚銅で、回路部を通常の１２〜３５ミクロンのパターン厚みで作製された多層基板を採用することにより、ブスバー４０を支持している突出部３０の領域以外のブスバー基板１５上に大電流の電源回路部品（ヒューズ２００、出力制御回路２１０）を同時に搭載しモジュール化することができる。

その結果、ブスバー基板１５上にヒューズ２００や出力制御回路２１０、回路コネクタ２２０などを設けた場合に、仮に電池モジュール１１０に不具合が生じても、電池としての機能が停止するような電池システムがブスバー基板１５上で実現可能となる。

（応用例２）
図１２は、同じく実施形態５の応用例２を示す図である。応用例１と同様に、プリント基板で構成し、ブスバー基板１６上に温度検出素子２３０、電圧モニター部２４０を設け、温度及びセル電圧のモニタリング回路を構成する。

その結果、電池セルの温度監視及び電圧を制御する電池システムとすることもできる。

本発明の効果を、以下の実施例及び比較例を参照してより具体的に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
図７Ａは、第２の実施形態のブスバー基板１１を用いて１２個の電池セル１００を直列に接続し、電池モジュール１１０とした実施例１の図である。電池モジュール１１０は、図７Ｃに示す電池セル１００の電極端子１０１とブスバー４１に設けられた端子接続部３１とをねじ止め等により接続することにより構成されている。図７Ａを例にすると、１２個の電池セル１００の電極端子１０１を、図７Ｂに示すネジ１０２でブスバー４０に接続することで、直列構造の電池モジュール１１０を得ることができる。なお、直列構造の場合、ブスバー基板１１の長さを適宜変更すると、接続される電池セル１００の個数を増減でき所望の電圧の電池モジュール１１０を得ることができる。

図７Ａの電池モジュール１１０において、ブスバー基板１１の櫛状突出部３２は軸部材２０に片持ち状に支持されているため、寸法公差や使用によって個々の電池セル１００間に高さや大きさのばらつきが生じた場合や電池モジュールに振動が加わった場合であっても、櫛状突出部３２が柔軟に撓むことになる。そのため、端子接続部３１と電極端子１０１との間を隙間無く接触させることができ、端子接続部３１と電極端子１０１との間の接触抵抗を小さくすることができる。したがって接触抵抗の小さい電池モジュール１１０を構成することができる。なお、直列接続した複数の電池セル１００を収納するケース１２０を使用しているが、たとえ使用しない場合においても本実施形態のブスバー基板を用いることで上記と同様な効果が得られる。

（実施例２）
図８は、第３の実施形態のブスバー基板１２を用いて隣接する複数の矩形状の電池セル１００を接続してモジュールに置き換えたこと以外は、実施例１と同様にして電池モジュール１１０を作製した。

（実施例３）
図９は、第４の実施形態のブスバー基板１３を用いて隣接する複数の矩形状の電池セル１００を接続してモジュールに置き換えたこと以外は、実施例１と同様にして電池モジュール１１０を作製した。なお、軸部材２０を環状にすることによって、ブスバー基板１１の剛性が高まるばかりでなく、電池モジュール全体の強度を向上させることができる。特に、本実施形態のような環状に軸部材を延伸させた形状のブスバー基板１３は、例えば車のような移動体に搭載される電池モジュールや電池セルの個数が多い構造の電池モジュールの場合のように、強度が求められる電池モジュールに適している。

（実施例４）
図１０は、第５の実施形態のブスバー基板１４を用いて隣接する複数の矩形状の電池セル１００を接続してモジュールに置き換えたこと以外は、実施例１と同様にして電池モジュール１１０を作製した。実施例３と同様に、強度が求められる電池モジュールに適している。

（比較例）
比較例として、図１３に従来のモールド成型ブスバーによる接続であるブスバー基板１７を示す。

上記の各実施例および比較例に１２個の電池を直列接続し、個々の電池モジュールにおけるブスバー基板接続前後の電極間抵抗の平均値とバラツキΣ、及びその作業時間を測定した。この測定結果を下記の表１に示す。

表１に示す結果から、１２個の電池の平均接触抵抗値は、従来例と比較していずれの実施例でも低減された。特に実施例２では、比較例に対して０．０５０／０．１２６ｍΩで約４分の１、バラツキΣも０．０１３７／０．０７２２ｍΩで５分の１程度に抑制できた。

また、作業時間は、接触抵抗値の改善のネジ締め直し作業が発生しなかった為、測定作業も含めて従来の約３５分から１８〜２０分に短縮された。

また、各ブスバー基板の形状による効果の差異については、接触抵抗は実施例２→１→４→３、バラツキでは実施例２→４→１→３、作業時間では実施例３→４→２→１との効果データの順位が得られた。

以上の結果、接続品質における信頼性（接触抵抗値と抵抗値バラツキ）が大幅に改善されると共に、作業時間の短縮に効果が大きいことが確認された。

以上のように、本発明に係るブスバー基板は、複数の電池が直列又は並列に接続された電池モジュールに搭載する場合に好適である。

１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７・・・ブスバー基板
２０・・・軸部材
２１・・・環状部
３０・・・突出部
３１・・・端子接続部
３２・・・櫛状突出部
３３・・・枝状突出部
４０，４１，４２・・・ブスバー
５０・・・接続部
６０・・・ザグリ部
７０・・・枝状突出部
１００・・・電池セル
１０１・・・電極端子
１１０・・・電池モジュール
１２０・・・電池ケース
２００・・・ヒューズ
２１０・・・出力制御回路
２３０・・・温度検出素子
２４０・・・電圧モニター部
２５０・・・温度検出回路
２６０・・・端子間電圧モニター回路

Claims

電池セルの電極端子間を接続するブスバー基板であって、軸部材に複数の突出部が形成され、前記突出部は、ブスバーの略中央部でブスバーを支持していることを特徴とするブスバー基板。
前記基板の軸部材の片側に複数の突出部が櫛状に形成され、且つ、前記突出部の隣り合う長さが相互に異なっていることを特徴とする請求項１記載のブスバー基板。
前記基板の軸部材の両側に複数の突出部が枝状に形成され、且つ、前記突出部が互い違いにずれて配置されていることを特徴とする請求項１記載のブスバー基板。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のブスバー基板と、複数の電池セルと、を備え、前記複数の電池セルの電極端子が前記ブスバー基板で接続されていることを特徴とする電池モジュール。