JP3832397B2

JP3832397B2 - 薄型電池モジュール

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Publication number: JP3832397B2
Application number: JP2002215115A
Authority: JP
Inventors: 祐志中田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2022-07-24
Also published as: JP2004055490A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、薄型二次電池を複数組み合わせて構成された薄型電池モジュールに関し、特に電池モジュールを監視および制御する電池制御基板が装着可能な薄型電池モジュールに関する。
【０００２】
【背景技術】
二次電池（セル）を複数組み合わせた電池モジュールには、当該各二次電池の電圧検出や温度検出あるいは制御などといった、電池モジュールを監視および制御するための電池制御基板(セルコントローラ)が設けられる。この電池制御基板は、電池モジュールを収容する筐体の上部などの位置に、別体で構成されたケースに収容された状態で取り付けられ、各二次電池と電池制御基板との間に、セル電圧検出線、電池温度検出線および制御線を配線した構成となっている（たとえば特開平１０−２４６１１２号公報参照）。
【０００３】
しかしながら、上述したような従来の電池モジュールでは、セル数が増加するにつれて、電池モジュール内を取り廻す配線数が多くなるため、それだけ製造作業が面倒になるといった問題があった。
【０００４】
【発明の開示】
本発明は、セルの監視又は制御用配線の簡素化を図ることを目的とする。
【０００５】
本発明によれば、正極端子と負極端子とが電池外装の外周部の対向する端縁から導出する薄型電池が複数並設され、これら薄型電池それぞれの正極端子又は負極端子の一方の同極端子同士が一対のバスバーにより電気的に並列接続され、これら薄型電池及びバスバー対からなるサブアッセンブリが複数積層されて電気的に直列接続されるとともにこれが筐体内に収容された薄型電池モジュールであって、前記バスバー対の、長さが均一な一方極側のバスバーの端部は、前記薄型電池を制御する電池制御基板の接続部を構成する、前記バスバーの電位を検出する手段に直接接続される薄型電池モジュールが提供される。
【０００６】
本発明では、薄型電池を接続してモジュール化するバスバーをセルの監視又は制御用配線に利用する。すなわち、複数の薄型電池を並列接続した、長さが均一なバスバーの端部を延在させ、これを電池制御基板の接続部を構成する、バスバーの電位を検出する手段に接続することで、この部分の電圧や温度を検出することができる。これにより、別途設けるべき配線が不要となるので、セル数を増やしても電池モジュール内を取り廻す配線が皆無となり、製造作業性が著しく向上する。
また、バスバーの長さが均一なので電圧降下が等しくなり、検出信号の精度が著しく向上する。
さらに、電圧検出線としてバスバーそのものを共用しているので、低電圧信号を送る温度検出線や制御線に磁場や電界の影響を与えることがなくなる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００８】
まず図１０を参照して本発明の実施形態に係る薄型電池について説明する。図１０（Ａ）は本発明の実施形態に係る薄型電池の全体を示す平面図、図１０（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図１０は一つの薄型電池（単位電池、セルとも言う。）を示し、この薄型電池１０を複数組み合わせることにより所望の電圧、容量の電池モジュール（組電池とも言う。）が構成される。
【０００９】
本例の薄型電池１０はリチウム系の薄型二次電池であり、２枚の正極板１０１と、５枚のセパレータ１０２と、２枚の負極板１０３と、正極端子１０４と、負極端子１０５と、上部電池外装１０６と、下部電池外装１０７と、特に図示しない電解質とから構成されている。このうちの正極板１０１，セパレータ１０２，負極板１０３および電解質を特に発電要素１０９と称する。
【００１０】
なお、正極板１０１，セパレータ１０２，負極板１０３の枚数には何ら限定されず、１枚の正極板１０１，３枚のセパレータ１０２，１枚の負極板１０４でも発電要素１０９を構成することができる。必要に応じて正極板、負極板およびセパレータの枚数を選択して構成することができる。
【００１１】
発電要素１０９を構成する正極板１０１は、金属酸化物などの正極活物質に、カーボンブラックなどの導電材と、ポリ四フッ化エンチレンの水性ディスパージョンなどの接着剤とを、重量比でたとえば１００：３：１０の割合で混合したものを、正極側集電体としてのアルミニウム箔などの金属箔の両面に塗着、乾燥させ、圧延したのち所定の大きさに切断したものである。なお、上記のポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョンの混合比率は、その固形分である。
【００１２】
正極活物質としては、例えばニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ_２）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）などのリチウム複合酸化物や、カルコゲン（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）化物を挙げることができる。
【００１３】
発電要素１０９を構成する負極板１０３は、例えば非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、または黒鉛などのように、正極活物質のリチウムイオンを吸蔵および放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体材料としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンをたとえば固形分比１００：５で混合し、乾燥させたのち粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これに、アクリル樹脂エマルジョンなどの結着剤をたとえば重量比１００：５で混合し、この混合物を、負極側集電体としてのニッケル箔或いは銅箔などの金属箔の両面に塗着、乾燥させ、圧延したのち所定の大きさに切断したものである。
【００１４】
特に負極活物質として非晶質炭素や難黒鉛化炭素を用いると、充放電時における電位の平坦特性に乏しく放電量にともなって出力電圧も低下するので、通信機器や事務機器の電源には不向きであるが、電気自動車等の電源として用いると急激な出力低下がないので有利である。
【００１５】
また、発電要素１０９のセパレータ１０２は、上述した正極板１０１と負極板１０３との短絡を防止するもので、電解質を保持する機能を備えてもよい。セパレータ１０２は、例えばポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）などのポリオレフィン等から構成される、厚さが２５μｍ〜５０μｍの微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって膜の空孔が閉塞され電流を遮断する機能をも有する。
【００１６】
なお、本発明に係るセパレータ１０２は、ポリオレフィンなどの単層膜にのみ限られず、ポリプロピレン層をポリエチレン層でサンドイッチした三層構造や、ポリオレフィン微多孔膜と有機不織布などを積層したものも用いることができる。セパレータ１０２を複層化することで、過電流の防止機能、電解質保持機能およびセパレータの形状維持（剛性向上）機能などの諸機能を付与することができる。また、セパレータ１０２の代わりにゲル電解質又は真性ポリマー電解質等を用いることもできる。
【００１７】
以上の発電要素１０９は、上から正極板１０１と負極板１０３とが交互に、且つ当該正極板１０１と負極板１０２との間にセパレータ１０２が位置するような順序で積層され、さらに、その最上部及び最下部にセパレータ１０２が一枚ずつ積層されている。そして、２枚の正極板１０１のそれぞれは、正極側集電部１０４ａを介して、金属箔製の正極端子１０４に接続される一方で、２枚の負極板１０３は、負極側集電部１０５ａを介して、同じく金属箔製の負極端子１０５に接続されている。なお、正極端子１０４も負極端子１０５も電気化学的に安定した金属材料であれば特に限定されないが、正極端子１０４としてはアルミニウムやアルミニウム合金などを挙げることができ、負極端子１０５としてはニッケル、銅またはステンレスなどを挙げることができる。また、本例の正極側集電部１０４ａも負極側集電部１０５ａの何れも、正極板１０４および負極板１０５の集電体を構成するアルミニウム箔やニッケル箔、銅箔を延長して構成されているが、別途の材料や部品により当該集電部１０４ａ，１０５ａを構成することもできる。
【００１８】
発電要素１０９は、上部電池外装１０６及び下部電池外装１０７により封止されている。これら上部電池外装１０６および下部電池外装１０７は、例えばポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂フィルムや、アルミニウムなどの金属箔の両面をポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂でラミネートした、樹脂−金属薄膜ラミネート材など、柔軟性を有する材料で形成されている。特に、電池外装１０６，１０７の内面を構成する樹脂フィルムを、電解質に対する耐薬品性に優れ、外周縁のヒートシール性にも優れた、たとえばポリエチレン、ポリプロピレン、アイオノマー樹脂等により構成するとともに、中間にたとえばアルミニウム箔やステンレス箔などの可撓性及び強度に優れた金属箔を介在させ、電池外装１０６，１０７の外面を構成する樹脂フィルムを、電気絶縁性に優れたたとえばポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等で構成することができる。
【００１９】
そして、これらの上部電池外装１０６及び下部電池外装１０７によって、上述した発電要素１０９、正極側集電部１０４ａ、正極端子１０４の一部、負極側集電部１０５ａおよび負極端子１０５の一部を包み込み、当該電池外装１０６、１０７により形成される空間に、有機液体溶媒に過塩素酸リチウム、ホウフッ化リチウム等のリチウム塩を溶質とした液体電解質を注入したのち、上部電池外装１０６及び下部電池外装１０７の外周縁を熱融着などの方法により封止する。
【００２０】
有機液体溶媒として、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）などのエステル系溶媒を挙げることができるが、本発明の有機液体溶媒はこれにのみ限定されることなく、エステル系溶媒に、γ−ブチラクトン（γ−ＢＬ）、ジエトシキエタン（ＤＥＥ）等のエーテル系溶媒その他を混合、調合した有機液体溶媒も用いることができる。
【００２１】
同図に示されるように、封止された電池外装１０６、１０７の一方の端部から、正極端子１０４が導出するが、正極端子１０４の厚さ分だけ上部電池外装１０６と下部電池外装１０７との接合部に隙間が生じるので、薄型電池１０内の封止性を維持するために、当該正極端子１０４と電池外装１０６、１０７とが接触する部分に、ポリエチレンやポリプロピレンから構成されたシールフィルムを熱融着などの方法により介在させることもできる。
【００２２】
同様に、封止された電池外装１０６、１０７の他方の端部からは、負極端子１０５が導出するが、ここにも正極端子１０４側と同様に、当該負極端子１０５と電池外装１０６、１０７とが接触する部分にシールフィルムを介在させることもできる。なお、正極端子１０４および負極端子１０５の何れにおいても、シールフィルムは電池外装１０６，１０７を構成する樹脂と同系統の樹脂から構成することが熱融着性の点から望ましい。
【００２３】
以上の薄型電池１０の外観を図２及び図３に示す。本実施形態では、この薄型電池１０を図１の等価回路図に示すように接続して電池モジュール１とするが、その具体的構造を、図４乃至図８を参照しながら説明する。
【００２４】
まず図４に示すように、４つの薄型電池１０を並列に接続する。すなわち、４つの薄型電池１０それぞれの正極端子１０４を一つの第１のバスバー２０に接続するとともに、それぞれの負極端子１０５を一つの第２のバスバー２２に接続する。正極端子１０４と第１のバスバー２０との接続および負極端子１０５と第２のバスバー２２との接続は電気的に接続されればその具体的手段は限定されないが、たとえば溶接等により行うことができる。
【００２５】
ここで、第１のバスバー２０及び第２のバスバー２２は何れも導電性を有する銅、ニッケル、ステンレスなどの材料で構成され、４つの薄型電池１０を並設したときに４つの正極端子１０４及び負極端子１０５が接続できる長さとされている。
【００２６】
また、第１のバスバー２０は平板状とされているのに対し、第２のバスバー２２は中央部に鉛直下向きの凸状部２２ａ（見方を変えれば凹状部）が形成されている。この第２のバスバー２２の凸状部２２ａの鉛直下向きの距離Ｌ１は、図５に示すようにサブアッセンブリ１ａに他のサブアッセンブリ１ｂを積層した際に、当該他のサブアッセンブリ１ｂの第１のバスバー２０に当該サブアッセンブリ１ａの第２のバスバー２２に形成された凸状部２２ａが十分に接触できるような距離である。なお、本例では正極側のバスバー２０を平板状とし、負極側のバスバー２２に鉛直下向きの凸状部２２ａを形成したが、これを逆にして負極側のバスバー２２を平板状とし、正極側のバスバー２０に鉛直下向きの凸状部２２ａを形成しても良い。また、凸状部２２ａは鉛直下向きでなくとも鉛直上向きに形成してもよい。
【００２７】
これに対して第１のバスバー２０の一方の端部２０ａは、第２のバスバー２２の端部よりも長く延在するように形成され、ここに第１の段部２０ｂと第２の段部２０ｃとが形成されている。
【００２８】
第１の段部２０ｂは、図５に示す電池モジュール１を図６に示す筐体３０内に収容したときに、この筐体３０の一面３０ａの内面に当接して、当該第１の段部３０ｂより先端の突出長さを規定するものである。すなわち、図８は筐体３０の一面３０ａに形成された貫通孔３０ｂに第１のバスバー２０の端部２０ａを挿入した状態を示すが、第１のバスバー２０の端部２０ａを貫通孔３０ｂに挿入して第１の段部２０ｂを一面３０ａの内面に当接させる。これにより、筐体３０の一面３０ａと第２の段部２０ｃとの距離Ｌ２が一定となるので、後述する電池制御基板４０を取り付けたときの取付誤差が小さくなる。
【００２９】
第１のバスバー２０の端部２０ａの先端には第２の段部２０ｃが形成されている。この第２の段部２０ｃは、図６に示すように電池モジュール１を筐体３０内に収容したときに一面３０ａの貫通孔３０ｂから外部へ露出し、かつ図８に示すように電池制御基板４０のランド４１（本発明の接続部に相当する。）の一方に当接する。なお、第２の段部２０ｃより先端はランド４１の貫通孔４２に挿入され、ここでハンダ付けなどが施される。これら第１の段部２０ｂ及び第２段部２０ｃを第１のバスバー２０の端部２０ａに形成することで、電池制御基板４０を取り付けたときの当該電池制御基板４０と筐体３０の一面３０ａとの距離が一定となり、取付誤差が抑制できるとともに、別途スペーサーなどの部品が不要となる。
【００３０】
図４に戻り、４つの薄型電池１０の正極端子１０４及び負極端子１０５に第１のバスバー２０と第２のバスバー２２とを並列接続して構成されたサブアッセンブリ１ａ，１ｂ…，１ｋを同図に示すように積層する。このとき、サブアッセンブリ１ａ，１ｂ…，１ｋが互いに直列接続されるように積層する。同図に示す２つのサブアッセンブリ１ａ，１ｂでいえば、上側のサブアッセンブリ１ａの第２のバスバー２２の凸状部２２ａが、下側のサブアッセンブリ１ｂの第１のバスバー２０の上面に接するように積層する。なお、下側のサブアッセンブリ１ｂの第２のバスバー２２の凸状部２２ａはさらにその下側に位置するサブアッセンブリ（不図示）の第１のバスバー２０の上面に接するように積層する。
【００３１】
以上のようにして１２のサブアッセンブリ１ａ，１ｂ…，１ｋを積層して直列に接続した状態を図５に示す。この電池モジュール１では、４つの薄型電池１０を並列接続するのに用いる第１のバスバー２０を電圧検出線に共用する。すなわち、図５に示す積層された状態の電池モジュール１を図６に示すように筐体３０に収容し、第１のバスバー２０の端部２０ａを筐体３０の一面３０ａの貫通孔３０ｂから外部へ露出させる。そして、図７に示すように露出した端部２０ａを電池制御基板４０の対応するランド４１の貫通孔４２に挿入し、図８に示すようにハンダ付けで固定する。
【００３２】
電池制御基板４０は、絶縁性基板に所定のパターンが形成されたもので電池モジュール１の電圧を検出して制御を実行するためのマイクロコンピュータ４３なども実装されている。本例では、絶縁性基板に１２個のランド４１が形成され、各ランド４１のそれぞれがマイクロコンピュータ４３の所定の端子に電気的に接続されるようにパターニングされている。
【００３３】
ちなみに、４つの薄型電池１０から構成されるサブアッセンブリ１ａ，１ｂ…の各電圧を検出するためには、図１の等価回路図に示すように１１個のサブアッセンブリの正極端子１０４からの電圧信号と、最も端に位置するサブアッセンブリの負極端子からの電圧信号が必要とされるので、図５に示す電池モジュール１の最下層のサブアッセンブリ１ｋにおいては、正極端子１０４を接続するバスバーも負極端子１０５を接続するバスバーの何れも第１のバスバー２０により構成されている。
【００３４】
また、図５に示すように積層されて構成された電池モジュール１においては、最上層のサブアッセンブリ１ａの正極端子１０４を接続する第１のバスバー２０と、最下層のサブアッセンブリ１ｋの負極端子１０５を接続する第１のバスバー２０（図５では奥に位置する第１のバスバー）とが、モータや発電機などの負荷に接続されることになる。このため、電池モジュール１を図６に示す筐体３０に収容する際には、これら２つの正極端子と負極端子とのそれぞれを筐体３０の外部に露出する端子３１に接続する。なお、同図では正極側のみを示し、負極側端子は筐体の向こう面の下方に設けられている。なお、図６において３２は電池制御基板４０を保護するためのカバーである。
【００３５】
また、第１のバスバー２０の端部２０ａを電池制御基板４０のランド４１に接続する方法は図７及び図８に示すハンダ付けにのみ限定されず種々の方法が採用可能である。その一例として図９に示すようなコネクタ４４を介して接続してもよい。同図に示すコネクタ４４は、絶縁性ケース４４１に４本のリード脚４４２が設けられ、各リード脚４４２は電池制御基板４０のランド４１に形成された４つの貫通孔４５に挿入される。この４本のリード脚４４２の基部４４３は弾性を有する接点とされ、ここに第１のバスバー２０の端部２０ａの先端を挿入して挟持する。この端部２０ａの先端とコネクタ４４とランド４１とをハンダ付け等によりさらに固定してもよいが、リード脚４４２の基部４４３の弾性を適当に大きくするとともに、４本のリード脚４４２とランド４１の貫通孔４５とのはめあいを適切に設定すればハンダ付け等による固定を省略又は固定箇所を間引きすることもでき、組立作業性が向上する。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態の電池モジュール１では、サブアッセンブリ１ａ，１ｂ…，１ｋの電圧を検出するに際し、第１のバスバー２０を共用し、これをダイレクトに電池制御基板４０に接続するように構成しているので、従来のような信号配線が不要となり、信号配線の取り廻し作業や信号配線のレイアウトが著しく簡素化される。こうした効果は電池モジュール１を構成する電池１０が増加すればするほど顕著となる。
【００３７】
また、従来のような信号配線を用いると信号配線の長さの不均一やばらつき、或いは接続部分の接点損失によって、信号電圧が降下したりばらついたりして検出信号の精度に問題があったが、本実施形態の電池モジュールでは第１のバスバー２０の長さが均一で、しかも接続部分も１カ所であることから、検出信号の精度が著しく向上する。
【００３８】
さらに、従来のものでは、比較的高電圧の検出信号を送る電圧検出配線が、低電圧信号を送る温度検出線や制御線に磁場や電界の影響を与え、これが温度検出信号や制御信号に悪影響を与えるおそれもあったが、本実施形態の電池モジュール１では電圧検出線として第１のバスバー２０そのものを共用しているので、こうした影響はなくなる。
【００３９】
また、電池モジュール１を車両に搭載すると、走行時の振動などによる干渉や断線対策のために追加部品等が必要とされるが、本実施形態の電池モジュール１では電圧検出線として第１のバスバー２０そのものを共用しているので、こうした対策が不要となる。
【００４０】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００４１】
上述した実施形態では、電圧検出に第１のバスバーを共用したが電池温度の検出や電池の制御のためにバスバーを共用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る電池モジュールを示す等価回路図である。
【図２】本発明の実施形態に係る薄型電池を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る薄型電池を示す側面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電池モジュールのサブアッセンブリを示す斜視図である。
【図５】図４に示すサブアッセンブリを組み立てた状態を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施形態に係る電池モジュールを示す一部分解斜視図である。
【図７】本発明の実施形態に係るバスバーの端部と電池制御基板の接続部との接続要領を説明するための斜視図である。
【図８】本発明の実施形態に係るバスバーの端部と電池制御基板の接続部との接続構造の一例を示す三面図である。
【図９】本発明の実施形態に係るバスバーの端部と電池制御基板の接続部との接続構造の他の例を示す三面図である。
【図１０】（Ａ）は本発明の実施形態に係る薄型電池の全体を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【符号の説明】
１…電池モジュール
１ａ，１ｂ…，１ｋ…サブアッセンブリ
１０…薄型電池
１０１…正極板
１０２…セパレータ
１０３…負極板
１０４…正極端子
１０４ａ…正極側集電部
１０５…負極端子
１０６…上部電池外装
１０７…下部電池外装
１０９…発電要素
２０…第１のバスバー
２０ａ…端部
２０ｂ…第１の段部
２０ｃ…第２の段部
２２…第２のバスバー
２２ａ…凸状部
３０…筐体
４０…電池制御基板
４１…ランド
４２…貫通孔
４３…マイクロコンピュータ

Claims

正極端子と負極端子とが電池外装の外周部の対向する端縁から導出する薄型電池が複数並設され、これら薄型電池それぞれの正極端子又は負極端子の一方の同極端子同士が一対のバスバーにより電気的に並列接続され、これら薄型電池及びバスバー対からなるサブアッセンブリが複数積層されて電気的に直列接続されるとともにこれが筐体内に収容された薄型電池モジュールであって、
前記バスバー対の、長さが均一な一方極側のバスバーの端部は、前記薄型電池を制御する電池制御基板の接続部を構成する、前記バスバーの電位を検出する手段に直接接続される薄型電池モジュール。
前記一方極側のバスバーの端部は、前記電池制御基板の接続部にハンダにより直接接続される請求項１記載の薄型電池モジュール。
前記一方極側のバスバーの端部は、前記電池制御基板の接続部にコネクタを介して直接接続される請求項１記載の薄型電池モジュール。
前記一方極側のバスバーの端部は前記筐体外に露出し、筐体の前記バスバーが露出した面に前記電池制御基板が設けられる請求項１乃至３の何れかに記載の薄型電池モジュール。
前記一方極側のバスバーの端部に、前記電池制御基板を前記筐体の面から離間させる段部が形成された請求項４記載の薄型電池モジュール。