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1. WO2017130705 - POWER SUPPLY DEVICE, VEHICLE IN WHICH SAME IS USED, AND BUS BAR

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明 細 書

発明の名称 電源装置及びこれを用いる車両並びにバスバー

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004   0005   0006  

先行技術文献

特許文献

0007  

課題を解決するための手段及び発明の効果

発明が解決しようとする課題

0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019  

図面の簡単な説明

0020  

発明を実施するための形態

0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057  

産業上の利用可能性

0058  

符号の説明

0059  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19  

明 細 書

発明の名称 : 電源装置及びこれを用いる車両並びにバスバー

技術分野

[0001]
 本発明は、電源装置、及びこれを用いる車両、並びに電源装置に用いる電池セルを電気的に接続するためのバスバーに関する。

背景技術

[0002]
 二次電池を用いた電源装置が車両の駆動用電源等の用途で利用されている。このような電源装置は、図5の分解斜視図に示すように、複数の電池セル501と、複数の絶縁セパレータ518と、一対のバインドバー515と、一対のエンドプレート514とを備えている。それぞれの絶縁セパレータ518は、隣接する電池セル501の間に介在している。複数の電池セル501と複数の絶縁セパレータ518が交互に積層されることにより、電池積層体599が形成されている。電池セル501の積層方向における電池積層体599の両端面は、それぞれのエンドプレート514によって被覆されている。それぞれのバインドバー515は、電池セル501の積層方向に沿って延在しており、電池積層体599の両端に位置するエンドプレート514に固定される。このような電源装置において、電池セル501の電極端子502は、バスバー540を介して電気的に接続されている。バスバー540は導電性に優れた金属板で構成されている。
[0003]
 電源装置を構成する電池セル等の部材は、製造公差が生じるため、隣接する電極端子間の距離は必ずしも一定でなく、この間のばらつきを吸収する必要が生じる。また、電源装置が外力を受けた場合等に、隣接する電池セル同士が相対的に位置ずれすることがあり、このような場合にバスバーで位置ずれを吸収できるよう、バスバーには弾性変形可能なフレキシブル性を持たせることが求められる。
[0004]
 バスバーにフレキシブル性を持たせる方法として、曲げ加工を施したバスバーが知られている(例えば特許文献1参照)。しかしながら、従来の構成では、電極端子と接続される二つの接続部分の間に、応力を緩衝するための折曲部が位置する形状となっている。この形状では、隣接するセルの端子間の寸法が短いと、バスバーの成形(プレス加工)が難しくなるという問題があった。
[0005]
 また、近年、電池セルとして、高容量のリチウムイオン二次電池が普及しているところ、このようなリチウムイオン二次電池においては、正極にアルミニウム、負極に銅を使用するものが一般的である。このようなリチウムイオン二次電池同士をバスバーで直列に接続する場合、一方のリチウムイオン二次電池ではアルミニウム製の正極と、他方のリチウムイオン二次電池では銅製の負極を、バスバーによって接続することが必要となる。
[0006]
 レーザ溶接で異種金属同士を接合すると、金属間化合物が生成され、接続部分の機械強度が脆くなるため、銅板とアルミニウム板を特殊な圧延加工で接続したクラッド材で形成されたバスバーを用いることが行われている(例えば特許文献2参照)。このクラッド材をバスバーとして用いることで、正極はアルミニウム同士、負極は銅同士となるため、金属間化合物の生成を回避でき、信頼性の高いレーザ溶接が得られる。しかしながら、クラッド材のバスバーは高価になるという課題があった。

先行技術文献

特許文献

[0007]
特許文献1 : 特開2013-197017号公報
特許文献2 : 特開2014-229483号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0008]
 本発明は、このような背景に鑑みてなされたものである。本発明の目的の一は、バスバーと電池セルとの間の接合強度を高め信頼性を向上させた電源装置及びこれを用いる車両並びにバスバーを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

[0009]
 本発明の第1の側面に係る電源装置によれば、正負の電極端子を備える複数の電池セルと、前記複数の電池セルの内、互いに隣接して配置される電池セル間で対向する前記電極端子同士を電気接続するバスバーとを備える電源装置であって、前記バスバーが、一方の電池セルの電極端子に接続される第一接続部と、他方の電池セルの電極端子に接続される、前記第一接続部と略平行な第二接続部と、前記第一接続部から折曲された第一折曲部を介して連続する、前記第一接続部と略平行な第一中間部と、前記第二接続部から折曲された第二折曲部を介して連続する、前記第二接続部と略平行な第二中間部とを備えており、前記第一中間部と第二中間部とを、断面視をU字状とする第三折曲部で連続して接続することができる。上記構成により、第一接続部と第二接続部は、第一折曲部、第二折曲部、第三折曲部の3箇所で接続されており、これらが変形することにより第一折曲部と第二接続部との位置関係が変位しても吸収することができ、電池セル間のずれ等を吸収して、電気接続状態を維持でき、ひいては電源装置の信頼性を向上することができる。
[0010]
 また、第2の側面に係る電源装置によれば、前記第二中間部が第一中間部よりも面積を大きく形成されており、前記第二中間部にさらに、端子接続用の切り欠きを形成することができる。
[0011]
 さらに、第3の側面に係る電源装置によれば、前記端子接続用の切り欠きを、前記第二中間部に開口された接続穴とできる。
[0012]
 さらにまた、第4の側面に係る電源装置によれば、前記接続穴を円形状とできる。
[0013]
 さらにまた、第5の側面に係る電源装置によれば、前記正負の電極端子が、互いに異なる金属で構成されており、前記バスバーを構成する金属が、前記正負の電極端子を構成する金属のいずれかと同種であり、前記バスバーの第一接続部と第二接続部の内、同種金属の電極端子と接合される側を、異種金属の電極端子と接続される側よりも、部分的に幅狭となる領域を形成することができる。上記構成により、レーザ溶接される際に接合強度が相対的に強くなる同種金属同士の接合面と連なる領域を、接合強度が相対的に弱くなる異種金属同士の接合面と連なる領域よりも細くすることで、正負の電極間で接合強度に差が生じることを抑制できる。
[0014]
 さらにまた、第6の側面に係る電源装置によれば、前記第一接続部と、第二接続部に、それぞれ、部分的に肉厚を薄くした薄肉領域を形成することができる。
[0015]
 さらにまた、第7の側面に係る電源装置によれば、前記バスバーを、一枚の金属板を折曲して構成することができる。上記構成により、高価なクラッド材等を用いることなく、一枚の金属板で一体的に形成することができ、コストを安価に抑えることが可能となる。
[0016]
 さらにまた、第8の側面に係る電源装置によれば、前記電極端子の表面を、該電極端子と異なる金属でめっきすることができる。
[0017]
 さらにまた、第9の側面に係る電源装置によれば、前記電極端子が、銅製であり、前記めっきがニッケル製であり、前記バスバーを、アルミニウム製とできる。
[0018]
 さらにまた、第10の側面に係る車両は、上記いずれかの電源装置を備える。
[0019]
 さらにまた、第11の側面に係るバスバーによれば、電池セルの電極端子を接続するためのバスバーであって、一方の電池セルの電極端子に接続される第一接続部と、他方の電池セルの電極端子に接続される、前記第一接続部と略平行な第二接続部と、前記第一接続部から折曲された第一折曲部を介して連続する、前記第一接続部と略平行な第一中間部と、前記第二接続部から折曲された第二折曲部を介して連続する、前記第二接続部と略平行な第二中間部とを備えており、前記第一中間部と第二中間部とが、断面視をU字状とする第三折曲部で連続して接続することができる。上記構成により、第一接続部と第二接続部は、第一折曲部、第二折曲部、第三折曲部の3箇所で接続されており、これらが変形することにより第一折曲部と第二接続部との位置関係が変位しても吸収することができ、電池セル間のずれ等を吸収して、電気接続状態を維持でき、ひいては電源装置の信頼性を向上することができる。

図面の簡単な説明

[0020]
[図1] 本発明の一実施例にかかる電源装置の斜視図である。
[図2] 図1に示す電源装置の電池セルとバスバーの連結構造を示す概略斜視図である。
[図3] 図2に示す電池セルとバスバーの連結構造を示す分解斜視図である。
[図4] 図3のバスバーを示す斜視図である。
[図5] 従来のバスバーによる電極端子との接続状態を示す分解斜視図である。
[図6] バスバーの第一接続部の一例を示す拡大平面図である。
[図7] 比較例の電池セル積層体を示す平面図である。
[図8] 図7のバスバーを治具で押圧する様子を示す斜視図である。
[図9] 図8の治具でバスバーを押圧した状態を示す断面図である。
[図10] 図7のバスバーを治具で押圧する領域を示す拡大平面図である。
[図11] 図6のバスバーを治具で押圧する様子を示す斜視図である。
[図12] 変形例に係るバスバーの第一接続部を示す拡大平面図である。
[図13] 他の変形例に係るバスバーの第一接続部を示す拡大平面図である。
[図14] 図6のバスバーに対するレーザ溶接パターンの一例を示す拡大平面図である。
[図15] 図12のバスバーに対するレーザ溶接パターンの一例を示す拡大平面図である。
[図16] レーザ溶接パターンの他の例を示す拡大平面図である。
[図17] レーザ溶接パターンのさらに他の例を示す拡大平面図である。
[図18] エンジンとモータで走行するハイブリッド車に電源装置を搭載する例を示すブロック図である。
[図19] モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示すブロック図である。

発明を実施するための形態

[0021]
 以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明は以下のものに特定されない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施形態の部材に特定するものでは決してない。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一若しくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
[0022]
 本発明の電源装置は、ハイブリッド車や電気自動車などの電動車両に搭載されて走行モータに電力を供給する電源、太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーの発電電力を蓄電する電源、あるいは深夜電力を蓄電する電源など、種々の用途に使用され、とくに大電力、大電流の用途に好適な電源として使用される。
[0023]
 図1に示す電源装置は、複数の電池セル1を絶縁セパレータ18を挟んで互いに絶縁して積層状態に固定している。図1には、電池セル1の一例として電池セル1は角形電池が図示されている。さらに、電池セル1は、リチウムイオン二次電池などの電池を用いることができる。ただし、本発明の電源装置は、電池セルを角形電池には特定せず、またリチウムイオン二次電池にも特定しない。電池セルには、充電できる全ての電池、たとえばリチウムイオン二次電池以外の非水系電解液二次電池やニッケル水電池セルなども使用できる。
(角形電池)
[0024]
 角形電池は、図2と図3に示すように、絶縁材11を介して封口板12に正負の電極端子2を固定している。なお、図2及び図3は、電池セル1とバスバー40の接続状態をわかりやすくするために、複数の電池セル1の間に積層される絶縁セパレータ18と複数のバスバー40を定位置に配置するバスバーホルダ20(図1に示す。詳細は後述する。)を省略した図を示している。正負の電極端子2は、接合面2Bを有する端子台と、接合面2Bから突出する突出部2Aと、を有している。接合面2Bは、封口板12の表面と平行な平面状としている。また、この接合面2Bの中央部に突出部2Aを設けている。図3に示す電極端子2は、突出部2Aを円柱状としている。ただ、突出部は、必ずしも円柱状とする必要はなく、図示しないが、多角柱状又は楕円柱状とすることもできる。
[0025]
 積層される複数の電池セル1は、固定部品13で定位置に固定されて直方体の電池ブロック16としている。固定部品13は、積層している電池セル1の両端面に配置される一対のエンドプレート14と、このエンドプレート14に、端部を連結して積層状態の電池セル1を加圧状態に固定する締結部材15とからなる。
[0026]
 電池ブロック16は、電池セル1の電極端子2を設けている面、図2等においては封口板12を同一平面となるように積層している。図1と図2の電源装置は、電池ブロック16の上面に正負の電極端子2を配設している。電池ブロック16は、封口板12の両端部にある正負の電極端子2が左右逆となる状態で電池セル1を積層している。電池ブロック16は、図3に示すように、電池ブロック16の両側において、隣接する電極端子2を金属板のバスバー40で連結して、電池セル1を直列に接続している。
[0027]
 バスバー40は、その両端部を正負の電極端子2に接続して、電池セル1を直列に、あるいは並列に接続する。電源装置は、電池セル1を直列に接続して出力電圧を高くし、電池セル1を直列と並列に接続して、出力電圧と出力電流を大きくできる。
[0028]
 バスバー40は、電極端子2の上に案内することができるように位置決め部を有している。図2と図3のバスバー40は、位置決め部として両端部に開口窓62を設けて、各々の開口窓62に、隣接して配設している電池セル1の電極端子2の突出部2Aを案内している。図2と図3のバスバー40は、開口窓62を貫通孔として、ここに突出部2Aを挿入している。開口窓62は、電極端子2の突出部2Aを案内できる内径としている。なお、バスバーの位置決め部は、必ずしも貫通孔でなくてもよく、電極端子2の突出部2Aを利用してバスバーの位置決めを行うことができる形状であればよい。図示はしないが、例えば、位置決め部をバスバーの一部を切り欠いて形成される切り欠き部とすることもできる。
(バスバーホルダ20)
[0029]
 バスバー40は、図1に示すバスバーホルダ20で定位置に配置されて、電極端子2の突出部2Aを開口窓62に案内する。バスバーホルダ20は、プラスチック等の絶縁材で成形されて、バスバー40を定位置に配置する。バスバーホルダ20は、電池ブロック16に連結されて、バスバー40を定位置に配置する。バスバーホルダ20は、角形電池の間に積層している絶縁セパレータ18に連結されて定位置に配置され、あるいは角形電池に連結されて、電池ブロック16の定位置に連結される。図1に示すバスバーホルダ20は、複数のバスバー40を定位置に配置する枠形状のホルダ本体20Aとホルダ本体20Aの上方開口部を閉塞するカバープレート20Bとを備えている。ホルダ本体20Aは、複数のバスバー40が定位置に配置された状態で電池ブロック16の上面に配置されて、各バスバー40の開口窓62が電極端子2の突出部2Aに配置される。さらに、この状態で、ホルダ本体20Aの上方開口部からレーザ光が照射されて、バスバー40が電極端子2に溶着される。全てのバスバー40が電極端子2に溶着された後、ホルダ本体20Aの上方開口部をカバープレート20Bで閉塞する。
(バスバー40)
[0030]
 バスバー40の斜視図を図4に示す。このバスバー40は、第一接続部41と、第二接続部51と、これらを連結する連結部49を備えている。これらの部材は、金属板を折曲するなどして一体に成形される。また、導電性に優れた部材で構成される。好ましくはアルミニウム製や、銅製等とする。
[0031]
 第一接続部41は、一方の電池セルの電極端子2(図3においては左側)に接続される。また第二接続部51は、他方の電池セルの電極端子2(図3においてはその右側)に接続される。第一接続部41と第二接続部51は、ほぼ平行に隣接される。これにより、封口板がほぼ同一面となるように積層された電池セル集合体の、隣接する電極端子2同士を接続できる。また、図3、4に図示するように、開口窓62を第一接続部41及び第二接続部51に形成することができる。
(連結部49)
[0032]
 また、第一接続部41と第二接続部51は、連結部49を介して接続されている。連結部49は、第一折曲部43と、第一中間部45と、第二折曲部53と、第二中間部55と、第三折曲部47を備えている。第一接続部41と第一中間部45は、第一折曲部43を介して接続されている。また第二接続部51と第二中間部55は、第二折曲部53を介して接続されている。さらに第一中間部45と第二中間部55とは、第三折曲部47を介して接続されている。
(第一折曲部43)
[0033]
 ここで第一折曲部43は、第一接続部41から第一接続折曲領域42で折曲されており、さらに第一中間部45との間も、第一中間折曲領域44で折曲されている。好ましくは、第一折曲部43と第一接続部41との第一接続折曲領域42も、第一折曲部43と第一中間部45との第一中間折曲領域44も、ほぼ直角に折曲させて、第一接続部41と第一折曲部43と第一中間部45とを階段状に構成する。これらの第一接続部41と第一折曲部43と第一中間部45とを一枚の金属板を折曲して構成し、かつ第一接続部41のみを電池セルに固定する一方、第一中間部45は固定せずに電池セルに対して浮かした状態とすることで、第一接続部41と第一中間部45との距離が相対的に変化しても、第一折曲部43の第一接続折曲領域42と第一中間折曲領域44が折曲して変形することで、これを吸収することができる。
(第二折曲部53)
[0034]
 同様に、第二折曲部53も、第二接続部51から第二接続折曲領域52で折曲されており、さらに第二中間部55との間も、第二中間折曲領域54で折曲されている。好ましくは、第二折曲部53と第二接続部51との第二接続折曲領域52も、第二折曲部53と第二中間部55との第二中間折曲領域54も、ほぼ直角に折曲させて、第二接続部51と第二折曲部53と第二中間部55とを階段状に構成する。これらの第二接続部51と第二折曲部53と第二中間部55も一枚の金属板で構成し、かつ第二接続部51側を電池セルに固定し、第二中間部55を電池セルに対して固定しないことで、第二接続部51と第二中間部55との相対的な距離の変化を第二折曲部53の第二接続折曲領域52と第二中間折曲領域54で吸収することができる。
(第三折曲部47)
[0035]
 さらに第一中間部45と第二中間部55との間は、第三折曲部47を介して接続されている。具体的には第一中間部45と第三折曲部47とは、第三中間折曲領域46を介して、また第二中間部55と第三折曲部47とは、第四中間折曲領域56を介して、それぞれ接続されている。第三折曲部47も、好ましくは第一中間部45と第二中間部55と同じ部材、例えば金属板を折曲して構成されている。さらに第三折曲部47は、垂直断面視においてU字状に形成されており、この部分が変形することで、第一中間部45と第二中間部55との間の距離が相対的に変化しても、これを吸収することができる。なお、第三折曲部の垂直断面形状はU字状に限定されず、例えば逆の山形に構成してもよい。
[0036]
 ここで、第一中間部45と第一接続部41、第二中間部55と第二接続部51を、それぞれほぼ並行に構成する。また第一中間部45と第二中間部55を、それぞれほぼ並行に、好ましくはほぼ同一平面上に構成する。そして、第一中間部45を平面視においてほぼ矩形状として、第一接続折曲領域42と、第三中間折曲領域46とを、ほぼ直角となるように、隣接する辺に設ける。同様に第二中間部55もほぼ矩形状として、第二接続折曲領域52と、第四中間折曲領域56とを、ほぼ直角となるように、隣接する辺に設ける。この結果、図4に示すように、第一接続部41と第二接続部51との距離が、X軸方向に相対的に変化しても、第三折曲部47が変形することで、これを吸収できる。またY軸方向への相対的な変化は、第一折曲部43、第二折曲部53が変形することでこれを吸収できる。さらにZ軸方向への相対的な変化も、これら第一折曲部43、第二折曲部53が変形することでこれを吸収できる。このように、第一折曲部43と、第一中間部45と、第二折曲部53と、第二中間部55と、第三折曲部47で構成される連結部49は、第一接続部41と第二接続部51の相対的な距離が、XYZ方向のいずれに変化しても、これを吸収することができる。この結果、図5の分解斜視図に示すような、電極端子502同士を平板状のバスバー540で直接接続する構成に比べ、図4の構成では、第一接続部41と第二接続部51との相対的な変位によって、電極端子2とバスバー40との溶接部分に負荷がかかって溶接部位が破損、破断、剥離するといった問題を回避することができる。
[0037]
 以上のように、第一接続部41と第二接続部51を連結する連結部49に、XYZ方向に変形可能な緩衝機構を持たせることで、製造時や組立時における電池セルの公差を吸収できる。また電源装置の使用時においても、電池セルの充放電による膨張や、衝撃や振動等の外力により、第一接続部41と第二接続部51の相対位置にずれが生じても、これを連結部49の緩衝機構でもって吸収することで、第一接続部41や第二接続部51に直接負荷が印加されて破損や破断、剥離が生じる事態を回避でき、電池セル同士の接続の信頼性を高めることができる。
[0038]
 また、中間部を、中間電位の検出端子として利用することもできる。特にリチウムイオン二次電池を電池セルとして用いる場合等、電池の状態を正確に管理するために中間電位の検出が行われており、このため中間電位を検出するための中間電位検出用端子を接続する必要がある。このため、衝撃吸収機構を有する中間部を、このような中間電位検出用端子を接続するための部材に兼用できる。
(端子接続用の切り欠き)
[0039]
 図4の例では、一方の中間部である第二中間部55に、端子接続用の切り欠きを形成している。この例では、第二中間部55を第一中間部45よりも面積を大きく形成しており、その一部に端子接続用の切り欠きを形成し易くしている。また端子接続用の切り欠きは、第二中間部55に開口された接続穴58としている。接続穴58は、図4の例では円形としている。円形の接続穴58は、中間電位検出用端子をねじ止め等で固定し易く、また端子との接触面積を広くして接触抵抗を低減できる等利点がある。ただ、この構成に限らず、端子接続用の切り欠きを矩形状や長穴、楕円などとしてもよい。また、開口に限らず、凹部等とすることもできる。
(薄肉領域61)
[0040]
 また、このようなバスバー40は、電池セルの電極端子2とレーザ溶接するための溶接領域、すなわち接合領域を設けている。具体的には、接合領域の一態様として、第一接続部41と第二接続部51にそれぞれ、他の領域よりも部分的に肉厚を薄くした薄肉領域61を設けている。一例として、第一接続部41の薄肉領域61を示すバスバーの拡大平面図を図6に示す。
(開口窓62)
[0041]
 また薄肉領域61の一部に、部分的に開口された開口窓62を形成している。レーザ溶接する際は、電極端子2の接合面2Bの上に密着させるように重ねて配置された薄肉領域61に対して、上面からレーザ光を照射し、薄肉領域61を貫通させて接合面2Bと一緒に溶かし、溶接させている。この際、バスバー40と電極端子2とを正確に位置決めする必要がある。そこで、図6の拡大平面図に示すように開口窓62から電極端子2の突出部2Aを表出させて、これをバスバー40と電極端子2との相対的な位置決め用のガイドとして利用する。また、レーザ光を照射させる溶接位置を制御するための位置決めとしても利用できる。例えば、開口窓62から表出させた電極端子2の突出部2Aを、画像処理によって検出して、この位置を基準としてレーザ光の走査位置を制御する。これにより、バスバー40と電極端子2の端子台との間に接合部が形成される。
[0042]
 開口窓62は、電池セルの積層方向に沿って延長された矩形状に形成されている。矩形状の開口窓62は、電極端子2の突出部2Aの外径よりも大きい幅に形成することもできるが、好ましくは、矩形状の開口窓62の幅を、電極端子2の突出部2Aよりも狭くしつつ、開口窓62の長手方向の略中央を幅広にして、突出部2Aを挿入できる大きさに形成する。このようにすることで、開口窓62の幅狭部分に突出部2Aが誤挿入されることを防止しながら、突出部2Aの両側の開口窓62から端子台の接合面2Bを露出させることができる。開口窓62から露出される接合面2Bは、バスバーの高さ検出に利用される。また、開口窓62の面積を小さく抑えることができ、その分だけレーザ溶接可能な薄肉領域61の面積を確保し、接続強度を向上させることができる。図6の例では、横方向に長い長方形状の開口窓62の中央に、突出部2Aの円形状の外形に沿った円弧状の幅広領域63を形成している。
(薄肉領域61の形状)
[0043]
 薄肉領域61は、電池セルの積層方向に長い楕円形状に形成している。これによって、バスバーの小型化とレーザ溶接の強度確保を両立することができる。この様子を、図7~図10に示す比較例に基づいて説明する。比較例の薄肉領域61は、円形状に形成されている。この構成のバスバー740を用いて、図7の平面図に示すような複数枚の角型電池セル701を積層した電池セル積層体で電極端子702と溶接する際、図8の斜視図に示すように、各バスバー740を電池セル701の電極端子702上に配置した状態で、治具JGを用いてバスバー740を上面から押圧して、さらに図9の断面図に示すようにレーザ光を走査させてバスバー740と電極端子702を溶接していた。しかしながらこの構成では、図10の拡大平面図に示すように、円形状のレーザ溶接パターンLPの周囲に、治具JGで押圧する押圧領域PAを設ける必要があり、この分だけバスバー740の面積を大きくしなければならず、小型化の妨げとなる。一方で、近年は電源装置の小型化、軽量化の要求も強く、特に車載用途においては燃費向上等の観点からも、一層の小型化が求められている。この要求に応えるため、バスバーのサイズを大きくすることなく、上述したレーザ溶接を行おうとすれば、治具や絶縁壁の配置スペースの関係上、溶接可能な面積が狭くなり、バスバーの溶接強度を向上させることの妨げとなる。このように、バスバーの溶接強度と小型化の要求とは相反するため、これらを両立させることが困難であった。
[0044]
 そこで本実施の形態においては、図6の平面図に示すように、薄肉領域61を円形でなく、電池セル1の積層方向、図において横方向に長くして、逆に縦方向に短くした楕円形状に形成している。さらに、溶接時にバスバー40を押圧する治具JG’の押圧領域を、左右すなわち電池セル1の積層方向においては排除し、薄肉領域61を挟む上下方向のみとした(図11の斜視図参照)。これにより、治具を配置していたスペースを、溶接に利用できるようになり、その分だけ接合強度を増すことが可能となる。この結果、バスバー40の左右方向を広く確保する必要をなくし、バスバーの小型化にも寄与できる。
(開口窓62の偏心配置)
[0045]
 薄肉領域61に開口窓62を設けたことで、薄肉領域61を上下方向、すなわち楕円形状の短辺方向に概ね二分したことになる。ここで、開口窓62を薄肉領域61に設ける位置は、図12の平面図に示す例では、楕円形状の短辺方向、いいかえると電池セル1の積層方向と交差する方向(図において上下方向)における薄肉領域61のほぼ中央としている。ただ、好ましくは、図6の変形例に示すように、開口窓62を、短辺方向において、第一接続折曲領域42から遠ざかる方向に偏心させて設けることが好ましい。このようにすることで、レーザ光を走査させるレーザ溶接パターンLPの面積を、第一接続折曲領域42側でより広く確保することができる。上述の通り、バスバー40は連結部49の変形でもって、第一接続部41と第二接続部51との相対的な位置ずれを吸収している。第一接続部41に着目すると、第一接続折曲領域42を介して第一折曲部43と連続されている。ここで、隣接する電池セル1間で相対的な位置ずれが生じ、電極端子2の位置が変位すると、第一接続折曲領域42で折曲される等して、変位分を吸収しようとする。いいかえると、第一接続折曲領域42で折曲が生じる。このような第一接続折曲領域42の折曲は、第一接続部41が電極端子2の接合面2Bから剥離される方向に働く。いいかえると、第一接続部41の接合領域である薄肉領域61は、第一接続折曲領域42に近い側に、より応力が作用する傾向にあるということができる。そこで、このような応力が作用しやすい部位をより強固に溶接するよう、薄肉領域61の内、第一接続折曲領域42に近い側で広い面積にて溶接されるよう、開口窓62を第一接続折曲領域42から遠ざける方向に偏心させている。この結果、肉薄領域の楕円形状の長辺側の上下の肉薄領域は、第一接続折曲領域42と近い側の方が、遠い側よりも広くなり、広い面積で連続的にレーザ溶接が行われて、より強い接合強度を発揮し易くなり、この部分での剥離や破断等を回避でき、レーザ溶接の信頼性の向上に寄与しうる。
[0046]
 また、上記の観点から薄肉領域61の楕円形状は、第一接続折曲領域42側に、直線状の領域を設けることが好ましい。図10に示すような比較例の円形の薄肉領域761の場合、上述のように第一接続部41を剥離する方向に応力が働くと、第一接続折曲領域42と最も近い点CPに応力が集中することとなる。一点に応力が集中すると、破断等の可能性が高くなる。そこで、図12、図6等に示すように、第一接続折曲領域42と近い側を直線状とすることで、応力を点でなく線で受けることができ、耐性を高めることが可能となって信頼性向上に寄与しうる。このような観点から、薄肉領域61の楕円形状は、長辺側を直線状としたトラック形状とすることが好ましい。あるいは、図13の変形例に示すように、第一接続折曲領域42に近い側のみを直線状とした楕円形状としてもよい。あるいはまた、後述する図16、図17等に示すように、面取りした長方形に近い形状等としてもよい。このような形状も、本明細書においては楕円形状に含める意味で使用する。また、応力集中の観点では、必ずしも接合部を楕円形状に限る必要はない。剥離する方向に対して直交する向きに直線状の接合部が形成されていれば、バスバーに大きな力が加わった際にバスバーの破断を防止することができる。従って、例えば、図16に図示する他の実施形態のように、薄肉領域61の長径方向に沿って延在する複数の直線状接合部を形成するようにレーザ光を走査させてもよい。なお、上述のとおり、第一接続折曲領域42に近い側に応力が集中するため、第一接続折曲領域42に近い側の直線状接合部が形成性される範囲は、第一接続折曲領域42に遠い側の直線状接合部が形成される範囲よりも広くなるように構成することが好ましい。
[0047]
 以上の通り、連結部49側(第一接続折曲領域42に近い側)が短径方向となる楕円状に楕円接合部を形成する、あるいは、連結部49側に直線状接合部を形成することで、第一接続部41を剥離する方向に働く応力に対して、接合強度を高めることができる。接合強度を向上できることで、バスバーを安価な金属板で構成することが可能となる。従来よりレーザ溶接に用いるバスバーには、接合強度の信頼性の観点からクラッド材が用いられてきた。近年、電池セルとして、高容量のリチウムイオン二次電池が普及しているところ、このようなリチウムイオン二次電池においては、正極にアルミニウム、負極に銅を使用するものが一般的である。このようなリチウムイオン二次電池同士をバスバーで直列に接続する場合、一方のリチウムイオン二次電池ではアルミニウム製の正極を、他方のリチウムイオン二次電池では銅製の負極を、それぞれ接続することが必要となって、正極側と負極側で金属材量が異なることになる。しかしながら、レーザ溶接でこのような異種金属同士を接合する際、金属間化合物が生成され、接続部分の機械強度が脆くなるという問題があった。これを回避するため、バスバーに銅板とアルミニウム板を特殊な圧延加工で接続したクラッド材を用いることが行われている。このクラッド材をバスバーとして用いることで、正極はアルミニウム同士、負極は銅同士となるため、金属間化合物の生成を回避でき、信頼性の高いレーザ溶接が得られる。しかしながら、クラッド材のバスバーは高価になるという課題があった。これに対して、上述の通り治具JG’を工夫して、図11に示すように電池セルの積層方向には治具を配置しないようにすることで、その分だけ溶接可能な薄肉領域を増やし、レーザ溶接の面積を大きくすることで接合強度を確保している。この結果、クラッド材を使用せずとも、一の金属板のみで構成したバスバーを利用可能として、コストの大幅な削減が可能となる。この例では、バスバーを安価なアルミニウム製としているが、銅製とすることもできる。
[0048]
 さらに、必要に応じて電極端子の表面にめっきを施してもよい。特に、異種金属間接合となる負極側の銅製の電極端子を、アルミニウム製のバスバーと接合しようとすると、電位差によって局部電池が形成され、ガルバニック腐食(異種金属接触腐食)が生じ、強度が低下したり、電気抵抗が劣化する可能性があった。そこで、銅製の負極側電極端子の表面にニッケルめっきを施すことで、腐食防止効果を高めることができる。
[0049]
 さらに、ニッケルめっきにより、レーザ溶接を行い易くできる利点も得られる。銅製の電極端子は、光沢があるためレーザ光を照射すると表面で反射されて加熱、溶融が進み難いという問題がある。これに対してニッケルめっきを表面に施すことで、ニッケルと銅との融点の差により、ニッケルが先に溶融されることで、銅が溶融され易くなる。この結果、銅表面の光沢が失われて、レーザ光が反射されずに吸収される成分が多くなり、溶融が促進される結果、レーザ溶接をスムーズに進行させることが可能となる。
(電源装置の製造方法)
[0050]
 ここで、電源装置の製造方法として、バスバー40を電極端子2にレーザ溶接する方法について説明する。まず、正負の電極端子2を一面に備える電池セル1を、複数枚積層した電池セル積層体を用意する。そして、隣接する電池セル1の電極端子2同士の上に、バスバー40を、電極端子2に対して位置決めして配置する。さらに、肉薄領域にレーザ光を走査させて、バスバー40と電極端子2とを溶接して接合する。
(レーザ溶接パターンLP)
[0051]
 次に、図6に示した楕円形状の薄肉領域61に対して、レーザ光を照射する走査パターン、すなわちレーザ溶接パターンLPの例を、図14の平面図に示す。この図において太線で示すように、開口窓62を薄肉領域61のほぼ中央に形成した例においては、レーザ光を開口窓62の周囲を幾重にも囲むように楕円状に走査させる。これにより、電極端子2の端子台とバスバー40とを楕円形状に接合する楕円接合部が形成される。
[0052]
 また、図12の平面図に示すように、第一接続折曲領域42側を広く確保するように開口窓62を下側に偏心させた構成においては、図15の拡大平面図に示すように、開口窓62の周囲でレーザ光を回転させるように円弧状に走査させることに加えて、上側の広い領域は、横方向に往復させるように走査させて、効率良くレーザ光を走査させることが可能となる。レーザ光を走査させる順序としては、最初に開口窓62の周囲を内側から外側に向かって渦巻き状に走査させ、所定の幅の環状に走査し終えた後、そのまま開口窓62の上側で水平方向に直線状の往復走査を行い、往復移動の端縁に至ると下から上に向かって移動させて、往復走査を繰り返す。あるいは、端縁での移動に代えて、ジグザグ状に走査してもよい。
[0053]
 以上の例では、開口窓62の左右、すなわち電池セル1の積層方向における開口窓62と薄肉領域61との間にもレーザ光を走査させて、レーザ溶接される接合面積を確保している。この構成により、接合面積を増やして接合強度を高めている。ただ、本発明はこの構成に限らず、開口窓の側面をレーザ溶接しないで、開口窓の上下のみを溶接するよう構成することもできる。特に、バスバーを一層小型化した結果、開口窓の側面に、薄肉領域61が殆どないような場合や、レーザ光の走査精度等の関係から、正確なレーザ光の走査制御が困難な場合等には、このような部位へのレーザ光走査を省略して、作業工程を簡略化しタクトタイムの短縮を図ることもできる。このような例を、変形例として図16、図17に示す。図17の例では、開口窓62の上下で、レーザ光を水平方向に往復走査させてレーザ溶接を行っている。特に、薄肉領域61が円形よりも矩形状に近いような形状においては、このような走査パターンも有効である。あるいは、図17に示すように、開口窓62の上下で渦巻き状にレーザ光を走査させて、これらの領域を埋めるようにレーザ溶接してもよい。
[0054]
 なお、上述の通り薄肉領域は電極端子とレーザ溶接するための領域であるが、薄肉領域のすべてを溶接する必要はなく、薄肉領域の一部を溶接しない状態としてもよい。レーザ光の走査速度や走査精度、要求される接続強度等に応じて、薄肉領域の必要な面積をレーザ溶接できれば足り、このような態様も本願発明の範囲内とする。
[0055]
 以上の電源装置は、車載用の電源として利用できる。電源装置を搭載する車両としては、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド車やプラグインハイブリッド車、あるいはモータのみで走行する電気自動車等の電動車両が利用でき、これらの車両の電源として使用される。
(ハイブリッド車用電源装置)
[0056]
 図18に、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両HVは、車両HVを走行させるエンジン96及び走行用のモータ93と、モータ93に電力を供給する電源装置100と、電源装置100の電池を充電する発電機94とを備えている。電源装置100は、DC/ACインバータ95を介してモータ93と発電機94に接続している。車両HVは、電源装置100の電池を充放電しながらモータ93とエンジン96の両方で走行する。モータ93は、エンジン効率の悪い領域、例えば加速時や低速走行時に駆動されて車両を走行させる。モータ93は、電源装置100から電力が供給されて駆動する。発電機94は、エンジン96で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、電源装置100の電池を充電する。
(電気自動車用電源装置)
[0057]
 また図19に、モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両EVは、車両EVを走行させる走行用のモータ93と、このモータ93に電力を供給する電源装置100と、この電源装置100の電池を充電する発電機94とを備えている。モータ93は、電源装置100から電力が供給されて駆動する。発電機94は、車両EVを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、電源装置100の電池を充電する。

産業上の利用可能性

[0058]
 本発明に係る電源装置及びこれを用いる車両並びにバスバーは、EV走行モードとHEV走行モードとを切り替え可能なプラグイン式ハイブリッド電気自動車やハイブリッド式電気自動車、電気自動車等の電源装置として好適に利用できる。またコンピュータサーバのラックに搭載可能なバックアップ電源装置、携帯電話等の無線基地局用のバックアップ電源装置、家庭内用、工場用の蓄電用電源、街路灯の電源等、太陽電池と組み合わせた蓄電装置、信号機等のバックアップ電源用等の用途にも適宜利用できる。

符号の説明

[0059]
1…電池セル2…電極端子2A…突出部2B…接合面11…絶縁材12…封口板13…固定部品14…エンドプレート15…締結部材16…電池ブロック18…絶縁セパレータ20…バスバーホルダ20A…ホルダ本体20B…カバープレート40…バスバー41…第一接続部42…第一接続折曲領域43…第一折曲部44…第一中間折曲領域45…第一中間部46…第三中間折曲領域47…第三折曲部48…切り欠き凹部49…連結部51…第二接続部52…第二接続折曲領域53…第二折曲部54…第二中間折曲領域55…第二中間部56…第四中間折曲領域58…接続穴61…薄肉領域62…開口窓63…幅広領域93…モータ94…発電機95…DC/ACインバータ96…エンジン100…電源装置501、701…電池セル502、702…電極端子514…エンドプレート515…バインドバー518…絶縁セパレータ720…バスバーホルダ540、740…バスバー761…薄肉領域599…電池積層体LP…レーザ溶接パターンPA…押圧領域JG、JG’…治具HV…ハイブリッド車EV…電気自動車

請求の範囲

[請求項1]
 正負の電極端子を備える複数の電池セルと、
 前記複数の電池セルの内、互いに隣接して配置される電池セル間で対向する前記電極端子同士を電気接続するバスバーとを備える電源装置であって、
 前記バスバーが、
  一方の電池セルの電極端子に接続される第一接続部と、
  他方の電池セルの電極端子に接続される、前記第一接続部と略平行な第二接続部と、
  前記第一接続部から折曲された第一折曲部を介して連続する、前記第一接続部と略平行な第一中間部と、
  前記第二接続部から折曲された第二折曲部を介して連続する、前記第二接続部と略平行な第二中間部と、を備えており、
 前記第一中間部と第二中間部とが、断面視をU字状とする第三折曲部で連続して接続されてなる電源装置。
[請求項2]
 請求項1に記載される電源装置であって、
 前記第二中間部が第一中間部よりも面積を大きく形成されており、
 前記第二中間部はさらに、端子接続用の切り欠きを形成してなる電源装置。
[請求項3]
 請求項2に記載される電源装置であって、
 前記端子接続用の切り欠きが、前記第二中間部に開口された接続穴である電源装置。
[請求項4]
 請求項3に記載される電源装置であって、
 前記接続穴が円形状である電源装置。
[請求項5]
 請求項1~4のいずれか一項に記載される電源装置であって、
 前記正負の電極端子が、互いに異なる金属で構成されており、
 前記バスバーを構成する金属が、前記正負の電極端子を構成する金属のいずれかと同種であり、
 前記バスバーの第一接続部と第二接続部の内、同種金属の電極端子と接合される側を、異種金属の電極端子と接続される側よりも、部分的に幅狭となる領域を形成してなる電源装置。
[請求項6]
 請求項1~5のいずれか一項に記載される電源装置であって、
 前記第一接続部と、第二接続部が、それぞれ、部分的に肉厚を薄くした薄肉領域を形成してなる電源装置。
[請求項7]
 請求項1~6のいずれか一項に記載される電源装置であって、
 前記バスバーが、一枚の金属板を折曲して構成されてなる電源装置。
[請求項8]
 請求項1~7のいずれか一項に記載される電源装置であって、
 前記電極端子が、その表面を、該電極端子と異なる金属でめっきしてなる電源装置。
[請求項9]
 請求項8に記載される電源装置であって、
 前記電極端子が、銅製であり、
 前記めっきがニッケル製であり、
 前記バスバーが、アルミニウム製である電源装置。
[請求項10]
 請求項1~9に記載の電源装置を備える車両。
[請求項11]
 一対の電池セルの電極端子を接続するためのバスバーであって、
 一方の電池セルの電極端子に接続される第一接続部と、
 他方の電池セルの電極端子に接続される、前記第一接続部と略平行な第二接続部と、
 前記第一接続部から折曲された第一折曲部を介して連続する、前記第一接続部と略平行な第一中間部と、
 前記第二接続部から折曲された第二折曲部を介して連続する、前記第二接続部と略平行な第二中間部と、を備えており、
 前記第一中間部と第二中間部とが、断面視をU字状とする第三折曲部で連続して接続されてなるバスバー。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]

[ 図 13]

[ 図 14]

[ 図 15]

[ 図 16]

[ 図 17]

[ 図 18]

[ 図 19]