JP2010282811A

JP2010282811A - パック電池

Info

Publication number: JP2010282811A
Application number: JP2009134703A
Authority: JP
Inventors: Toru Amezutsumi; 徹雨堤; Mikitaka Tamai; 幹隆玉井; Hiroshi Kondo; 浩近藤
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2009-06-04
Filing date: 2009-06-04
Publication date: 2010-12-16

Abstract

【課題】素電池とリード部材とを良好に電気接続することによって、優れた電池性能と安全性を発揮することの可能なパック電池を提供することを目的とする。
【解決手段】
複数の円筒型素電池２を、その軸方向を揃えて併設した状態とし、各両端部方向から一対の電池ホルダー３Ａ、３Ｂに収納する。電池ホルダー３Ａ、３Ｂのプレート部３０Ａ、３０Ｂにおける外表面に、複数のリード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂからなるリード群４Ａ、４Ｂを嵌着する。そしてプレート部３０Ａ、３０Ｂ及びリード板に設けた各開口部を通じ、各素電池２の端部とリード板とを、アルミニウムまたはアルミニウム材からなるワイヤー５でボンディングする。
【選択図】図１

Description

本発明はパック電池に関し、特に素電池とリード板とを良好に電気接続させる技術に関する。

近年、二次電池の用途が急速に拡大し、パーソナルコンピュータ、携帯電話、電動工具、電気自動車、ハイブリッド車、電動アシスト自転車等の電源として広く用いられている。代表的な二次電池としては、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池のほか、リチウムイオン二次電池（ポリマー電池）等が挙げられる。
二次電池は単電池で用いられる場合もあるが、電気自動車、ハイブリッド車、電動自転車、電動工具等、比較的高出力・大電流が求められる用途においては、素電池の二次電池を複数個接続したパック電池（組電池）が用いられる。

一般的なパック電池において、複数の素電池はそれぞれ連結（リードやタブ）部材を介して抵抗溶接により電気接続される。或いは複数の素電池をリード部材を介して接続し、電池モジュールを構成したのち、複数の電池モジュールの端子部分をバスバー等のリード部材で連結して構成する。リード部材は、例えばネジ止め等の方法によって電池モジュールと固定される。

特開２００８−９１２３３号公報特開２００８−６６０００号公報特開２００８−６６００１号公報

しかしながら、従来のパック電池では素電池とリード部材との接続に関して幾つかの問題がある。
パック電池はその出力を良好に発揮するとともに、使用時に温度上昇する素電池を効率よく放熱させることが求められる。この観点では、リード部材として厚みが十分あるものを用いて内部抵抗を十分低減するとともに、熱容量を高めるようにすることが好適である。しかしながら、実際にはリード部材の厚みを増すと、リード部材と素電池を抵抗溶接で電気接続することが難しくなる。

また、リード部材の材質としては、導電性および生産コストの観点では銅（Ｃｕ）や鉄（Ｆｅ）が好適である。しかしながら、これらの材料をリード部材に用いると抵抗溶接がうまく行えず、パック電池を製造する際の歩留まりに影響を与えることがある。
一方、前述の如くリード部材をネジ止めで固定する場合は、このような抵抗溶接の問題は回避できる。しかしながら電気接続部分に可動要素が存在するため、使用時のパック電池に振動や衝撃が加わることでネジが緩み、導電性が不安定になるほか、ネジの脱落によって通電が遮断されるおそれもある。このため、信頼性をさらに向上させるべき課題が残されていると言える。

さらに、パック電池では安全性の面で考慮すべき点がある。使用時に複数の素電池のうちのいずれかが内部ショートを生じた場合、異常を生じた素電池に他の素電池から電流が流れ込む。このため、異常を生じた素電池が過熱状態になり、パック電池が破裂したり、給電対象の機器が損傷するおそれがある。
以上のように、パック電池においては、いまだ解決すべき余地が存在する。

本発明は以上の課題に鑑みてなされたものであって、素電池とリード部材とを良好に電気接続することによって、優れた電池性能と安全性を発揮することの可能なパック電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、電極端子が外部露出するように複数の素電池が外装ケースに収納され、外装ケースにはリード部材が配設され、前記素電池の電極端子と前記リード部材がワイヤーボンディングで電気接続されている構成とした。
具体的には、前記素電池は円筒型であり、前記外装ケースは一対の電池ホルダーで構成され、各素電池はその長手方向の両端部周辺が前記一対の電池ホルダーで挟設されるように収納されており、各々の電池ホルダーの外表面には、収納した各素電池の電極端部を外部露出させるための開口部が形成されるとともに、当該外表面には、さらに各々の前記開口部に対応する開口部を有する複数のリード部材が配設され、各素電池の電極端子は、電池ホルダーおよびリード部材の各開口部を介して、リード部材とワイヤーボンディングされている構成とすることができる。

なお、前記外装ケースにおいて、前記リード部材が配設される領域が凹状に形成され、
前記ボンディングしたワイヤーは前記凹状領域に収まるように配されているように構成することもできる。
リード部材はＣｕ、Ｆｅ、Ｎｉのいずれかを含む部材で構成することができる。
また、前記ワイヤーは、直径を１００μｍ以上５００μｍ以下に設定することもできる。

このワイヤーは、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成することもできる。
前記素電池としては、リチウムイオン二次電池が好適である。

以上の構成を有する本発明のパック電池では、素電池はリード部材に対し、ワイヤーボンディングによって電気的に接続されるので、従来のように抵抗溶接を用いて接続する必要がない。ワイヤーボンディングは抵抗溶接のようにリード部材の厚みやその材質の制約を受けにくいので、その分、リード部材の部材厚みを相当に大きくしたり、材質をある程度変更しても、リード部材と素電池とを良好に安定して電気接続することができる。したがって、本発明では従来の抵抗溶接において使用が困難であった厚みの大きなリード部材を用い、リード部材の内部抵抗の低減、熱容量の増加による放熱特性の向上を図ったり、導電性に優れる他の材質でリード部材を構成することができる。

また、本発明ではワイヤーボンディングで素電池とリード部材とを接続するので、ネジ止めによるリード部材の固定方法のように、接続部分に可動要素を持たない。したがって、本発明のパック電池を電気自動車や電動アシスト自転車等の電源に使用しても、振動や衝撃でネジが緩み、接続信頼性を損なう問題を根本的に回避でき、長期にわたって優れた電池性能を維持できるようになっている。

また、ワイヤーボンディングを行う際には、比較的フレキシブルにワイヤー形状を決めることができる。このため、素電池とリード部材とを確実に固定することができ、一層、パック電池の耐振動性を向上させることが可能である。したがって、本発明は電気自動車や電動アシスト自転車、電動工具等、使用時にパック電池に振動や衝撃が加わりやすい用途に特に適していると言える。

さらに本発明では、ワイヤーボンディングを用いたことにより、特定の素電池が使用時に内部ショートを生じ、当該ワイヤーに大電流が流れ込んだ場合には、当該素電池に接続されたワイヤーがジュール熱で迅速に溶断される。このため、異常電流の流通を即座に遮断することができ、高い安全性を発揮できる。しかも、各々の素電池とリード部材とをワイヤーボンディングすることで、異常なジュール熱を生じた素電池のみの通電を遮断することができ、その他の素電池の通電は安定して維持できる。このため、素電池の異常が発生した後も、パック電池全体の出力をある程度維持でき、パック電池全体の出力停止による不具合を防止できるなど、細やかな安全対策を図ることが可能である。なおワイヤーの溶断の設定は、例えばワイヤーの径や素電池１セルあたりのボンディング本数を調節して行うことができるので実用性が高い。

ワイヤーにはアルミニウムまたはアルミニウム合金材料が性能及びコスト面で好適である。
このような本発明は、従来構成のパック電池において、素電池とリード部材をワイヤーボンディングすることで実現できる。このため、比較的低コストで構成でき、高い実現性を有するものである。

実施の形態１のパック電池の構成を示す組図である。パック電池の構成を示す正面図および側面図である。パック電池の内部構成を示す断面図である。パック電池の内部構成を示す拡大断面図である。パック電池の拡大図である。パック電池の製造工程の様子を示す図である。パック電池の製造工程の様子を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態を説明するが、当然ながら本発明はこれらの構成に限定されない。すなわち、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲で適宜変更して実施することができる。
＜実施の形態＞
図１は、実施の形態１のパック電池１の構成を示す組図である。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれパック電池１の側面図、上面図、および正面図である。

図１に示されるように、パック電池１はＹ方向を長手方向とし、Ｘ方向を短手（幅）方向とする長尺状の直方体である。発電要素である円筒型素電池２は、複数にわたりＺ方向を軸方向として並設され、一対の電池ホルダー（エンドプレート）３Ａ、３Ｂの間に収納されている。電池ホルダー３Ａ、３Ｂの外表面には、リード群４Ａ、４Ｂが配設され、各々のリード群４Ａ、４Ｂと素電池２とはアルミニウム等からなるワイヤー５を用いてボンディングされている。

このパック電池１は、使用時にはさらに図示しない外装ケースに収納して用いられる。
ここでは素電池２として円筒外装缶に渦巻状の電極体を収納し、封口板で内部封止してなるリチウムイオン二次電池を利用している。素電池２の長手方向両端部が正極端子または負極端子になっている。パック電池１では、計４０本の素電池２を所定の配列（図１の場合、Ｙ方向で隣接する２つの素電池２を１組とし、４組が並列に接続され、全体として５直列×８並列で配列する）で接続して用いられる。この構成により、パック電池１では所定の出力が得られる。
なお、この素電池２の配列及び個数はパック電池１を電動アシスト自転車用途とした場合を想定したものである。したがってパック電池１における素電池２の配列及び個数は、給電対象機器側の要求に応じて任意に設定することができる。

素電池２としては、リチウムイオン二次電池に限定されず、ニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム二次電池、リチウムイオンポリマー二次電池等、その他の二次電池を利用することができる。また、電池の外装形状も円筒型に限定されず、角型等の他の形状であってもよい。
素電池２としてリチウムイオン二次電池を使用する場合には、電池ホルダー３Ａ、３Ｂの内部に図示しない制御基板が収納される。当該制御基板は素電池２の出力を制御するとともに、当該素電池２を温度管理するためのサーミスタ素子、残容量を演算し異常を検出する等の機能を備えるマイコン等が実装されてなる。

一対の電池ホルダー３Ａ、３Ｂは、それぞれ板状のプレート部３０Ａ、３０Ｂに対し、その一方の主面に素電池２を立設して収納する筒状の収納部３１Ａ、３１Ｂが複数にわたり並設された構成を有し、いずれも機械的強度及び絶縁性に優れるエンジニアリングプラスチック材料（ここではＡＢＳ）を射出成型して作製される。プレート部３０Ａ、３０Ｂには、収納部３１Ａ、３１Ｂが形成された位置に合わせて開口部３００Ａ、３００Ｂが設けられ、収納部３１Ａ、３１Ｂに収納された素電池２の各端部が当該開口部３００Ａ、３００Ｂを介して外部に露出される。収納部３１Ａ、３１Ｂの内径は素電池２の外径に対してややきつめに設定され、素電池２を収納した際に当該素電池２の円筒側面と密着し、これを摩擦固定できるようになっている。なお、本発明は摩擦固定に限定するものではなく、ねじ止め等の公知の固定手段を用いてもよい。

ここで図３（ａ）はパック電池の断面図（図２（ａ）のＡ−Ａ断面矢視図）であり、図３（ｂ）は図３（ａ）中のＺ部拡大断面図である。パック電池１において、収納部３１Ａ、３１Ｂは互いの開口部周縁を突き合わせた形態となり、内部に素電池２が長手方向両端から挟設される（図２（ａ）、（ｃ）、図３（ａ）、（ｂ））。このとき、素電池２の電極端子は外部露出するように電池ホルダー３Ａ、３Ｂに収納される。

リード群４Ａ、４Ｂは、それぞれ複数の開口部４００Ａ〜４２０Ａ、４００Ｂ〜４２０Ｂが形成された長尺状の複数のリード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂで構成される。その材料としては導電性に優れるリン酸銅やニッケルメッキ鋼板が望ましいが、これに限定されない。各リード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂは、それぞれ電池ホルダー３Ａ、３Ｂのプレート部３０Ａ、３０Ｂの外表面に設けられた所定位置（図１ではＹ方向に延長された凹状領域３２Ａ、３３Ａ、３４Ａ、３２Ｂ、３３Ｂ、３４Ｂ）に嵌着される。このとき、リード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂの開口部４００Ａ〜４２０Ａ、４００Ｂ〜４２０Ｂの位置は、図２（ｂ）に図示する如く、プレート部３０Ａ、３０Ｂ側の開口部３００Ａ、３００Ｂの位置に合うように設定される。パック電池１では、各リード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２ＢはＹ方向に沿って併設された各素電池２を並列に接続するとともに、Ｘ方向で隣接して併設された素電池２同士で直列に接続するリード部材として用いられる。各リード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂの長手方向一端部（図１では紙面左奥側）は、出力端子または中間電極として利用できるように突出されている。

ワイヤー５は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる細線（一例として直径１００μｍ以上５００μｍ以下）であり、リード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂと素電池２を電気的に接続するためのボンディング材である。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ワイヤー５は素電池２の端部と各リード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂに対してクランク状に接続され、良好な密着強度で接合されている。その接続強度は、パック電池１に多少の振動が加わっても脱落することがない程度に十分確保されている。

図４は、パック電池のワイヤー周辺における拡大断面斜視図である。さらに図５は、ワイヤー５によるボンディングの様子を具体的に示す拡大斜視図である。パック電池１では、素電池２の１端子あたり３本のワイヤーを用いてボンディングがなされているが、ワイヤー５はこの本数に限定されない。
以上の構成を有するパック電池１では、素電池２とリード部材（各リード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂ）との電気接続において、従来のように抵抗溶接やネジ留め等による接続手段を用いず、ワイヤーボンディングで接続するものとしている。ワイヤーボンディングによる接続は、リード部材の形状（厚みを含む）や材質の選択に大きな制約を受けることがない。従って、パック電池１において各リード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂの部材厚みを相当に大きくしても、各リード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂと素電池２とを良好に電気接続することができる。これによりパック電池１では、従来の抵抗溶接において使用が困難であった厚みの大きな（すなわち断面積の大きな）リード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂを用いることが可能である。

また、従来の抵抗溶接では良好に溶接しにくいＦｅやＣｕ等もリード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂの材料として比較的容易に利用できる。このような材料を用いることで、リード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂの内部抵抗を低減するとともに、熱容量を増加させて、パック電池１における放熱特性の向上を効果的に図ることができる。その結果、電力ロスを極力抑制するとともに、使用時の発熱を良好に放熱させることで、優れた電池性能の発揮が期待できる。

さらにパック電池１では、ワイヤーボンディングを採用することで、従来のようにリード部材を素電池側とネジ止めにより固定する必要がない。よって、ネジが緩んだり脱落することによる電気接続の信頼性低下の問題を根本的に回避できる。
また、パック電池１では、素電池２の各端部を複数本（当該例では３本）のワイヤー５で各リード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂとボンディングしているため、仮に一本のワイヤー５が脱落しても、残りの２本のワイヤー５で素電池２とリード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂが接続維持される。したがって、素電池２の各端部における３本一組のワイヤー５の全てが切られない限り、パック電池１の出力を安定に得ることができる。

さらにパック電池１におけるワイヤーボンディングでは、図５に示したように、素電池２の端子の表面とリード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂの表面との段差に合わせてフレキシブルにワイヤー形状を決めることができる。このため、電気接続の際にはワイヤー５に無理なストレス（応力）が加わることがなく、素電池２とリード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂとを確実に固定できる。このように無理なストレス（応力）を掛けずに電気接続を行える分、従来に比べて耐振動性をさらに向上させることが可能である。

このような諸効果は、パック電池１が振動や衝撃に曝されやすい、電気自動車や電動アシスト自転車、電動工具、携帯型電子機器等の電源として用いる場合に特に有効である。
さらにパック電池１では、万一、使用時に特定の素電池２が内部ショートを生じて異常発熱し、当該素電池２に周囲の素電池２から大電流が流れ込んだ際に、当該素電池２に接続されたワイヤー５がジュール熱で溶断される。このため、大電流の流通を即座にカットでき、異常の生じた素電池２の暴走を抑制する安全対策を講じることができる。また、この電流カットは、大電流が流れるワイヤー５の溶断によって行われるので、リード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂのいずれかに共通して電気接続された複数の素電池２のうち、異常を生じた素電池２に絞って溶断を実施でき、これ以外の正常な素電池２の通電を維持することができる。このため、異常発生以後もパック電池１の出力は完全に停止せずにある程度維持できるので、例えばパック電池１をコンピューターに使用する場合には、パック電池１の異常を知ったユーザーがデータをバックアップする一定時間を確保できるなと、細やかな安全対策が実現されるようになっている。

なお、この効果を良好に得るために、ワイヤー５の径や素電池１セルあたりのボンディング本数を適宜調節する。このような性能を良好に得やすい素材として、ワイヤー５にはアルミニウムまたはアルミニウム合金材料が性能及びコスト面のバランスから好適である。このように本発明は、比較的簡便な方法でワイヤーの溶断設定ができるので、非常に実用性が高い特徴を有する。

本発明は、従来構成のパック電池の構成の多くを共通させながら、素電池２とリード板を所定の材料でワイヤーボンディングすることで実現できる。このため、比較的低コストで構成できるものであり、高い実現性を有している。
＜パック電池の製造方法＞
ここでは図６、７を用いてパック電池の製造方法を例示する。

まず、電池ホルダー３Ｂを収納部３１Ｂが上面に配置するように、プレート部３０Ｂを水平にする。この状態で、各収納部３１Ｂに素電池２を入れてＺ方向に立設させる（図６（ａ））。素電池２は、Ｘ方向に沿って上下端部が交互になるように立設させてセッティングする。
次に、立設した素電池２の上方から電池ホルダー３Ａを配設する。このとき、電池ホルダー３Ａは収納部３１Ａを下方に向け、素電池２を内部に収納するようにプレート部３０Ａを押下する。このとき素電池２は摩擦により電池ホルダー３Ａ、３Ｂに対して嵌合・固定される（図６（ｂ））。

続いて、電池ホルダー３Ａ、３Ｂの各々の外表面に、リード板４０Ａ〜４２Ａ、４０Ｂ〜４２Ｂを嵌着してセッティングする（図７（ａ））。この状態で、各リード板と、開口部より外部露出している各素電池２の端部とをワイヤーボンディングする（図７（ｂ））。なお、ボンディングされたワイヤー５は、電池ホルダー３Ａ、３Ｂの凹状領域３２Ａ、３３Ａ、３４Ａ、３２Ｂ、３３Ｂ、３４Ｂに収まるように形成される。従って、ワイヤーボンディング処理後の電池ホルダー３Ａ、３Ｂの各面を作業テーブルの表面上に載置しても、作業テーブルの表面に接触することでワイヤー５が変形したり損傷することがない。これにより良好にワイヤー５をボンディングすることができる。

以上の工程を経ることでパック電池１が製造される。

本発明のパック電池は、例えば電動アシスト自転車や電動工具等の電源として幅広く利用することが可能である。特に、比較的大型のパック電池を安定的に使用する場合に有効であると考えられる。

１パック電池
２素電池
３Ａ、３Ｂ電池ホルダー
４Ａ、４Ｂリード群
５ボンディングワイヤー
３０Ａ、３０Ｂ主面部
３１Ａ、３１Ｂ収納部
４０Ａ、４１Ａ、４２Ａ、４０Ｂ、４１Ｂ、４２Ｂリード板
３００Ａ、３００Ｂ開口部
４００Ａ、４１０Ａ、４２０Ａ、４００Ｂ、４１０Ｂ、４２０Ｂリード開口部

Claims

電極端子が外部露出するように複数の素電池が外装ケースに収納され、外装ケースの外表面にはリード部材が配設され、
前記素電池の電極端子と前記リード部材がワイヤーボンディングで電気接続されている
ことを特徴とするパック電池。
前記素電池は円筒型であり、前記外装ケースは一対の電池ホルダーで構成され、
各素電池はその長手方向の両端部周辺が前記一対の電池ホルダーで挟設されるように収納され、
各々の電池ホルダーの外表面には、収納した各素電池の電極端部を外部露出させる開口部が形成されるとともに、当該外表面には、開口部を有する複数のリード部材が、前記電池ホルダーの開口部の位置にリード部材の開口部の位置を合わせるように配設され、
各素電池の電極端子は、電池ホルダーおよびリード部材の各開口部を介して、リード部材とワイヤーボンディングされている
ことを特徴とする請求項１に記載のパック電池。
前記外装ケースにおいて、前記リード部材が配設される領域が凹状に形成され、
前記ボンディングしたワイヤーは前記凹状領域に収まるように配されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載のパック電池。
リード部材は銅、鉄、ニッケルのいずれかを含む材料で構成されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパック電池。
前記ワイヤーは、直径が１００μｍ以上５００μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパック電池。
前記ワイヤーはアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のパック電池。
前記素電池はリチウムイオン二次電池である
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のパック電池。