JP4877373B2 - 組電池および組電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の二次電池が積層された積層体を収納してなる電池モジュールを、複数有する組電池、および組電池の製造方法に関するものである。

従来より、二次電池を複数収納してなる電池モジュールを複数組み合わせてなる組電池が知られている。このような組電池において、組電池を構成する各電池モジュールに収納された各二次電池の電極タブに電圧検出線を接続し、この電圧検出線を介して各二次電池の電圧を検出し、検出した電圧に基づいて、組電池を構成する各電池モジュールに収納された二次電池の充放電の制御を行う技術が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００７−５９０８８号公報

しかしながら、上記従来技術においては、組電池を構成する各電池モジュールに収納された各二次電池の電極タブに、それぞれ電圧検出線を接続するものであるため、電圧検出線の数が多くなり、電圧検出線の配線作業が煩雑になるという問題があった。特に、扁平型の二次電池を用いた組電池では、一般的に、組電池を構成する二次電池の数が多くなるため、このような問題が顕著であった。

本発明が解決しようとする課題は、複数の二次電池が積層された積層体を収納してなる電池モジュールを、複数有する組電池において、組電池を構成する各電池モジュールに収納された各二次電池の電圧を検出するための電圧検出線の数の削減が可能な組電池およびこのような組電池の製造方法を提供することにある。

本発明は、組電池を構成する電池モジュールを、一対の出力端子と、二次電池の端子電圧を検出するために用いられ、一対の出力端子の定格電流以上の定格電流を有する電圧検出端子とを備えるものとし、複数の電池モジュールの電圧検出端子同士を、バスバにより電気的に接続することにより、上記課題を解決する。

複数の電池モジュールの電圧検出端子同士を、バスバにより電気的に接続することにより、組電池を構成する各電池モジュールに収納された各二次電池の電圧を検出するための電圧検出線の数の削減が可能となる。

図１は、本実施形態に係る電池モジュールを示す斜視図である。 図２は、電池モジュールのセルユニットをタブ導出側から見た斜視図である。 図３は、本実施形態に係る電池モジュールに収納される単電池を示す斜視図である。 図４は、本実施形態に係る電池モジュールの内部構成を示す分解斜視図である。 図５は、電池モジュール１０を構成する単電池３０Ａ〜３０Ｄの電気的な接続構成を示す図である。 図６は、本実施形態に係る組電池を示す斜視図である。 図７は、本実施形態に係る組電池の外部バスバを取り付ける前の状態を示す図である。 図８は、本実施形態に係る組電池を構成する電池モジュールに収容される単電池の電気的な接続構成を示す図である。 図９は、他の実施形態に係る組電池を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、本実施形態に係る電池モジュール１０について、説明する。図１は本実施形態に係る電池モジュール１０を示す斜視図、図２は、電池モジュール１０のセルユニット２０をタブ導出側から見た斜視図、図３は、電池モジュールの内部構成を示す分解斜視図である。

図１に示すように、本実施形態に係る電池モジュール１０は、複数（本例では４つ）の単電池３０を含むセルユニット２０（図２、図３参照）と、このセルユニット２０を内部に収容するケース５０と、を備えている。

セルユニット２０は、図２に示すように、４枚の単電池３０Ａ〜３０Ｄ（第１の単電池３０Ａ、第２の単電池３０Ｂ、第３の単電池３０Ｃ、および第４の単電池３０Ｄ）と、単電池３０Ａ〜３０Ｄの両端に装着されたスペーサ４１〜４５（第１のスペーサ４１、第２のスペーサ４２、第３のスペーサ４３、第４のスペーサ４４、第５のスペーサ４５）と、外部出力正極端子６０、外部出力負極端子７０、および電圧検出用端子８０と、を備えている。

それぞれの単電池（セル）３０は、図３に示すように、たとえば、セパレータを介して正極板と負極板を交互に積層した電極積層体と電解質とから構成される発電要素を、外装部材３１の内部に収容したリチウムイオン二次電池である。なお、単電池３０は、単電池３０Ａ〜３０Ｄの総称である。

この単電池３０の外装部材３１は、たとえば、金属箔の両面に合成樹脂層を積層したラミネートフィルム等から構成されている。この外装部材３１は、発電要素を収容した状態でその四辺を熱融着してフランジ３２を形成することで、発電要素を内部に収容している。

また、上記の発電要素を構成する正極板および負極板は、外装部材３１から導出する正極タブ３４および負極タブ３５にそれぞれ接続されており、これら正極タブ３４および負極タブ３５は、外装部材３１の一方の短辺から導出している。フランジ３２における両側の短辺には、後述するスペーサの固定ピンが挿入される固定孔３３がそれぞれ形成されている。

セルユニット２０において、４枚の単電池３０Ａ〜３０Ｄは、相互に密着し、かつ、電極タブ３４，３５が同一の方向に導出するように積層されており、図２に示すように、電極タブ３４が導出している側の端部に５枚のスペーサ４１〜４５が装着されている。

最下段の第１の単電池３０Ａのフランジ３２は、第１のスペーサ４１と第２のスペーサ４２との間に位置している。また、第２の単電池３０Ｂのフランジ３２は、第２のスペーサ４２と第３のスペーサ４３との間に位置し、第３の単電池３０Ｃのフランジ３２は、第３のスペーサ４３と第４のスペーサ４４との間に位置している。さらに、第４の単電池３０Ｄのフランジ３２は、第４のスペーサ４４と第５のスペーサ４５との間に位置している。なお、特に図示しないが、４枚の単電池３０Ａ〜３０Ｄにおいて電極タブ３４，３５が導出していない側の端部にも、５枚のスペーサが装着されている。

そして、図２に示すように、第１〜第５のスペーサ４１〜４５からは外部出力正極端子６０、外部出力負極端子７０、および電圧検出用端子８０が導出している。

図４は、電池モジュール１０に収納される単電池３０を示す斜視図である。図４に示すように、第１の単電池３０Ａおよび第２の単電池３０Ｂの正極タブ３４は、外部出力正極端子６０と電気的に接続されている内部バスバ６１と超音波溶接等によって接合されている。一方、第１の単電池３０Ａおよび第２の単電池３０Ｂの負極タブ３５は、第３の単電池３０Ｃおよび第４の単電池３０Ｄの正極タブ３４とともに、電圧検出用端子８０と電気的に接続されている内部バスバ８１と超音波溶接等によって接合されており、また、第３の単電池３０Ｃおよび第４の単電池３０Ｄの負極タブ３５は、外部出力負極端子７０と電気的に接続されている内部バスバ７１と超音波溶接等によって接合されている。

このように単電池３０Ａ〜３０Ｄの各電極タブ３４，３５が、内部バスバ６１，７１，８１を介して、外部出力正極端子６０、外部出力負極端子７０、および電圧検出用端子８０にそれぞれ接続されることにより、これら単電池３０Ａ〜３０Ｄは、図５に示すように、２並列２直列の接続構成を形成している。なお、図５は、電池モジュール１０を構成する単電池３０Ａ〜３０Ｄの電気的な接続構成を示す図である。

図５に示すように、電圧検出用端子８０は、電池モジュール１０を構成する単電池３０Ａ〜３０Ｄの電圧を検出するために用いられる端子である。具体的には、第１の単電池３０Ａおよび第２の単電池３０Ｂの電圧については、外部出力正極端子６０と電圧検出用端子８０とを用い、これらの端子間の電圧を測定することにより、検出することができ、また、第３の単電池３０Ｃおよび第４の単電池３０Ｄの電圧については、外部出力負極端子７０と電圧検出用端子８０とを用い、これらの端子間の電圧を測定することにより、検出することができる。

なお、外部出力正極端子６０、外部出力負極端子７０、および電圧検出用端子８０としては、電池モジュール１０に収納される単電池３０の電池容量に応じた電流を流すことができる端子で構成することが望ましく、特に、本実施形態においては、電圧検出用端子８０として、外部出力正極端子６０および外部出力負極端子７０の定格電流以上の定格電流を有する端子（あるいは、流すことができる電流の最大値である最大許容電流が、外部出力正極端子６０および外部出力負極端子７０と同じか、それ以上である端子）を用いる。ここで、電圧検出用端子８０としては、外部出力正極端子６０および外部出力負極端子７０の定格電流以上の定格電流を有する端子を用いればよいが、外部出力正極端子６０および外部出力負極端子７０と同様の端子（すなわち、外部出力正極端子６０および外部出力負極端子７０と同じ定格電流を有する端子）を用いることで、電池モジュール１０の製造工程の簡略化を図ることができる。

第１のスペーサ４１は、合成樹脂材料等の電気絶縁性に優れた材料から構成された略板状部材である。図４に示すように、この第１のスペーサ４１の上面には、第１の単電池３０Ａのフランジ３２の固定孔３３に挿入される２つの固定ピン４１１が形成されている。また、この第１のスペーサ４１の両端には、スリーブ４６（図２参照）が挿入されるスリーブ挿入孔４１２が形成されており、このスリーブ挿入孔４１２の近傍には、上方に突出する係合爪４１３が形成されている。この係合爪４１３が第２のスペーサ４２の下面に形成された係合孔（不図示）に係合することで、第１のスペーサ４１と第２のスペーサ４２とが連結する。

また、図２に示す第２〜第４のスペーサ４２〜４４も合成樹脂材料等の電気絶縁性に優れた材料から構成されており、第１のスペーサ４１と同様に、固定ピン、スリーブ挿入孔、および係合爪がそれぞれ形成されている。一方、第５のスペーサ４５も合成樹脂材料等の電気絶縁性に優れた材料から構成されているが、固定ピンおよび係合爪は形成されておらずスリーブ挿入孔のみが形成されている。なお、図４において第２〜第４のスペーサ４２〜４４は図示していない。

図１に戻り、以上のように構成されるセルユニット２０は、図１に示すケース５０の内部に収容されている。このケース５０は、上部が開口している箱状のロアケース５１と、ロアケース５１の開口を閉じるアッパケース５２と、を有している。ロアケース５１とアッパケース５２とは、それぞれの縁部を互いに巻き締めることで固定されている。

図１に示すように、アッパケース５２には、セルユニット２０のスリーブ４６に対応するように、４つのボルト挿入孔５２１が形成されている。特に図示しないが、ロアケース５１にも、セルユニット２０のスリーブ４６に対応するように、４つのボルト挿入孔が形成されている。そして、アッパケース５２の挿入孔５２１、セルユニット２０のスリーブ４６、およびロアケース５１の挿入孔にボルトを挿入することで、ケース５０内においてセルユニット２０が固定される。

図１に示すように、ロアケース５１の側面には２つの切り欠き５１１，５１２，５１３が形成されており、外部出力正極端子６０、外部出力負極端子７０、および電圧検出用端子８０は、これらの切り欠き５１１，５１２，５１３からそれぞれ導出している。

そして、本実施形態では、以上のようにして構成される本実施形態の電池モジュール１０を、図６に示すように、２つ組み合わせることにより、組電池９０とすることができる。図６は、本実施形態に係る組電池９０を示す斜視図、図７は、組電池９０の外部バスバ９１０，９２０，９３０を取り付ける前の状態を示す図である。なお、図６、図７においては、組電池９０を構成する各電池モジュールを、それぞれ第１の電池モジュール１０Ａ、第２の電池モジュール１０Ｂとした。

図６、図７に示すように、本実施形態の組電池９０は、第１の電池モジュール１０Ａ、および第２の電池モジュール１０Ｂを積層して積層体とし、かつ、各電池モジュール１０Ａ，１０Ｂの外部出力正極端子６０、外部出力負極端子７０、および電圧検出用端子８０を、各外部バスバ９１０，９２０，９３０にて電気的に接続することで構成される。具体的には、各電池モジュール１０Ａ，１０Ｂの外部出力正極端子６０同士は外部バスバ９１０で、外部出力負極端子７０同士は外部バスバ９２０で、さらに、電圧検出用端子８０同士は、外部バスバ９３０で、それぞれ電気的に接続されている。なお、各端子６０，７０，８０と各外部バスバ９１０，９２０，９３０とは、たとえば、各端子６０，７０，８０に形成されている雌ネジ部（不図示）に、固定用ボルトを用いて、固定することができ、これにより、各端子６０，７０，８０と各外部バスバ９１０，９２０，９３０とを密着させることで、これらを電気的に接続させることができる。

なお、本実施形態においては、外部バスバ９１０，９２０，９３０は、各電池モジュール１０Ａ，１０Ｂに収納される単電池３０の電池容量に応じた電流を流せるような材質および形状（特に、断面形状）とすることが望ましく、本実施形態では、外部出力正極端子６０、外部出力負極端子７０および電圧検出用端子８０の定格電流（あるいは、最大許容電流）以上の電流を、発熱などの不具合を生ずることなく、流すことが可能な構成とする。具体的には、図６に示すように、外部バスバ９１０，９２０，９３０を、板状の導電性部材で構成することができる。

また、図６に示すように、各外部バスバ９１０，９２０，９３０には、それぞれ電圧検出線９１１，９２１，９３１が接続されており、これらは図示しない電圧センサに接続されている。

図８に、組電池９０を構成する電池モジュール１０Ａ，１０Ｂに収容される単電池の電気的な接続構成を示す。なお、図８においては、電池モジュール１０Ａを構成する各単電池を単電池３０Ｅ〜３０Ｈで表し、電池モジュール１０Ｂを構成する各単電池を単電池３０Ｉ〜３０Ｌで表した。

図８に示すように、組電池９０を構成する電池モジュール１０Ａ，１０Ｂは、外部出力正極端子６０、外部出力負極端子７０および電圧検出用端子８０が、それぞれ外部バスバ９１０，９２０，９３０で接続されることにより、４並列２直列の回路構成を有するものとなる。

そして、外部バスバ９１０に接続された電圧検出線９１１と、外部バスバ９３０に接続された電圧検出線９３１とを、電圧センサ（不図示）に接続することにより、単電池３０Ｅ，３０Ｆ，３０Ｉ，３０Ｊの電圧を検出することが可能となる。また、同様にして、外部バスバ９２０に接続された電圧検出線９２１と、外部バスバ９３０に接続された電圧検出線９３１とを、電圧センサ（不図示）に接続することにより、単電池３０Ｇ，３０Ｈ，３０Ｋ，３０Ｌの電圧を検出することが可能となる。

以上のように、本実施形態においては、組電池９０を構成する電池モジュール１０Ａ，１０Ｂを、外部出力正極端子６０および外部出力負極端子７０の定格電流以上の定格電流を有する、電圧検出用の電圧検出用端子８０を備える構成とし、かつ、電池モジュール１０Ａ，１０Ｂの電圧検出用端子８０を、外部バスバ９３０により電気的に接続している。そのため、本実施形態によれば、組電池９０を構成する電池モジュール１０Ａ，１０Ｂを構成する各単電池３０Ｅ〜３０Ｈ，３０Ｉ〜３０Ｌの端子電圧を検出するための電圧検出線を、電圧検出線９１１，９２１，９３１の３本と少なくすることができ（最低限の本数とすることができ）、そのため、電圧検出線の配線作業を簡略化することが可能となる。また、電圧検出線を少なくすることができることにより、制御基板側のピン数を減らすことがきる等、省コスト・省スペース化が可能となる。

加えて、本実施形態においては、電圧検出用端子８０を、外部出力正極端子６０および外部出力負極端子７０の定格電流以上の定格電流（あるいは、外部出力正極端子６０および外部出力負極端子７０の最大許容電流以上の最大許容電流）を有する端子で構成している。そのため、電池モジュール１０Ａ，１０Ｂを構成する各単電池３０Ｅ〜３０Ｈ，３０Ｉ〜３０Ｌのうち、たとえば、電池モジュール１０Ａ（または、１０Ｂ）を構成する単電池に故障が発生し、これにより、故障していない単電池、特に、他方の電池モジュール１０Ｂ（または、１０Ａ）を構成する単電池に流れる電流量が増加した場合でも、他方の電池モジュール１０Ｂ（または、１０Ａ）の電圧検出用端子８０の発熱や、破損などの不具合の発生を有効に防止することができる。特に、電池モジュール１０Ａ，１０Ｂを構成する単電池が、短絡により故障した場合においては、故障した単電池に充電されていた電力が出力され、これにより、瞬間的に比較的大きな電流が流れることとなるが、このような場合においても、電圧検出用端子８０の発熱や、破損などの不具合の発生を有効に防止することができる。

しかも、本実施形態においては、電圧検出用端子８０同士を電気的に接続する外部バスバ９３０を、電圧検出用端子８０の定格電流（あるいは、最大許容電流）以上の電流を流すことが可能であるような構成としている。そのため、上記と同様に、電池モジュール１０Ａ，１０Ｂを構成する単電池に故障が発生した場合でも、外部バスバ９３０の発熱や、破損、断線などの不具合の発生を有効に防止することができる。

さらに、本実施形態によれば、外部出力正極端子６０、外部出力負極端子７０および電圧検出用端子８０を、固定用ボルトを用いて、各外部バスバ９１０，９２０，９３０により接続することにより、これら各端子６０，７０，８０同士の電気的な接続をより簡易に行なうことができる。

なお、上述の実施形態において、単電池３０は本発明の二次電池に、外部出力正極端子６０および外部出力負極端子７０は本発明の出力端子に、外部バスバ９１０，９２０，９３０は本発明のバスバに、それぞれ相当する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は、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。

たとえば、上述の実施形態では、接続構成が２並列２直列である電池モジュール１０を用い、これを二つ組み合わせることで、接続構成が４並列２直列である組電池９０を例示したが、組電池を構成する電池モジュールの接続構成、および組電池を構成する電池モジュールの数は特に限定されず、適宜設定することができる。すなわち、たとえば、図９に示すように、１２個の電池モジュール１０を有する構成とし、これら１２個の電池モジュール１０の各端子６０，７０，８０同士を、各外部バスバ９１０ａ，９２０ａ，９３０ａにより、電気的に接続することで、２４並列２直列である組電池９０ａとしてもよい。なお、図９に示すように、組電池９０ａにおいては、各外部バスバ９１０ａ，９２０ａ，９３０ａには、それぞれ電圧検出線９１１ａ，９２１ａ，９３１ａが接続されており、これらは図示しない電圧センサに接続されている。

なお、たとえば、上述した実施形態において、電池モジュール１０を構成する単電池３０の直列数を３以上とする場合には、電池モジュール１０における電圧検出用端子８０の形成数を直列数に応じた数とすればよく、たとえば、直列数をＮ（Ｎは３以上の整数）とした場合に、電池モジュール１０における電圧検出用端子８０をＮ−１個とすればよい。

１０…電池モジュール
２０…セルユニット
３０Ａ〜３０Ｄ…単電池
３４…正極タブ
３５…負極タブ
５０…ケース
６０…外部出力用正極端子
６１…内部バスバ
７０…外部出力用負極端子
７１…内部バスバ
８０…電圧検出用端子
８１…内部バスバ
９０…組電池
９１０，９２０，９３０…外部バスバ
９１１，９２１，９３１…電圧検出線

Claims (5)

1. 複数の二次電池が積層された積層体を収納してなる電池モジュールを、複数有する組電池であって、
   前記電池モジュールは、一対の出力端子と、前記二次電池の端子電圧を検出するために用いられ、前記一対の出力端子の定格電流以上の定格電流を有する電圧検出端子とを備え、
   前記複数の電池モジュールの前記電圧検出端子同士が、バスバにより電気的に接続されていることを特徴とする組電池。
2. 請求項１に記載の組電池において、
   前記バスバが、前記電圧検出端子の定格電流以上の電流を流すことができるものであることを特徴とする組電池。
3. 請求項１または２に記載の組電池において、
   前記バスバが、板状の導電性部材から構成されることを特徴とする組電池。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の組電池において、
   前記複数の電池モジュールの各出力端子同士が、前記電圧検出端子同士を電気的に接続しているバスバとは異なるバスバにより、それぞれ電気的に接続されていることを特徴とする組電池。
5. 複数の二次電池が積層された積層体を収納してなる電池モジュールを、複数有する組電池を製造するための方法であって、
   複数の前記二次電池を積層する工程と、
   前記積層した複数の二次電池の電極タブを、前記電池モジュールの電気回路に応じて、それぞれ、一対の出力端子、および、前記二次電池の端子電圧を検出するために用いられ、前記一対の出力端子の定格電流以上の定格電流を有する電圧検出端子に電気的に接続することでセルユニットを得る工程と、
   前記セルユニットを、モジュールケースに収容することで、電池モジュールを得る工程と、
   前記電池モジュールを、複数積層するとともに、前記複数の電池モジュールの前記電圧検出端子同士を、バスバにより電気的に接続する工程と、を備えることを特徴とする組電池の製造方法。

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