(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする課題は、部品点数を増加させることなく、保護回路基板を搭載した蓄電モジュールを提供することである。【解決手段】電極リード３を有する複数の蓄電素子１が電極リード３を介して電気的に直列及び／又は並列に接続された蓄電モジュール１０が、蓄電素子１の少なくとも電圧を監視制御する保護回路基板４を有し、保護回路基板４は、ＴＨ接続部５を有し、かつ電極リード３とＴＨ接続部５は直接接合されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極リードを有する複数の蓄電素子が、前記電極リードを介して電気的に直列および／または並列に接続された蓄電モジュールであって、
蓄電モジュールは、前記蓄電素子の少なくとも電圧を監視制御する保護回路基板を有し、
前記保護回路基板は、ＴＨ接続部を有し、かつ
前記電極リードと前記ＴＨ接続部は直接接合されて成る、
前記蓄電モジュール。
【請求項２】
前記電極リードと前記ＴＨ接続部との直接接合の状態は溶接状態である、請求項１に記載の蓄電モジュール。
【請求項３】
前記ＴＨ接続部は、前記保護回路基板の片方の面に配置された導体層である、請求項１または２に記載の蓄電モジュール。
【請求項４】
前記ＴＨ接続部は、前記保護回路基板を厚み方向に貫通した導体層である、請求項１または２に記載の蓄電モジュール。
【請求項５】
前記導体層は、銅または銀を含む金属材料である、請求項３または４に記載の蓄電モジュール。
【請求項６】
前記保護回路基板に設けられた前記ＴＨ接続部と前記電極リードの位置を合わせる工程と、
前記ＴＨ接続部の上面側からレーザー光を照射して前記ＴＨ接続部と前記電極リードとを接合する工程と、
を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の蓄電モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電、風力発電等の負荷平準化装置、瞬時電圧低下対策装置、電気自動車又はハイブリッドカーのエネルギー回生装置等のような蓄電システムにおいては、エネルギー容量が大きくて且つ急速充放電が可能な蓄電素子が必要とされている。
【０００３】
近年、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等の蓄電素子を用いた蓄電モジュールが開発されている。蓄電モジュールは、複数の蓄電素子が直列又は並列接続された蓄電体を含み、高電圧又は大容量の状態で充放電することができるため、電源装置として様々な用途に用いられている。
【０００４】
蓄電モジュールは、蓄電池を厚み方向に積層し、蓄電池同士を電気的に接続して、外装部品等によって締結保持されて構成されている。平板形状の蓄電池の内、ラミネートフィルムを用いたパウチ型の外装体で作製される蓄電池は、その作製が容易であり、かつ薄型化及び軽量化し易いといった利点と、それ自体が薄型の為に放熱性に優れるといった利点とを有する。
【０００５】
蓄電モジュールは、蓄電素子の過充電、過放電、温度異常などを防止する目的で、蓄電素子の電圧又は温度を監視し制御するための保護回路基板を内蔵している。一般に、蓄電モジュールに内蔵される保護回路基板と蓄電素子とは、電線ハーネスを用いて接続されている。また、電線ハーネスと蓄電素子とはネジ締結や溶接などによって接続が行われ、電線ハーネスと保護回路基板とはコネクタ端子などを介して接続が行われる（特許文献１）。
これに対し、より小型な蓄電モジュールを提供できる構造として、蓄電素子に電極端子部品を取り付けて、保護回路基板に設けた貫通孔を電極端子部品が貫通するように配設し、保護回路基板の電圧検知部分と電極端子部品を半田付け接続して成る蓄電モジュールが提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１２７２２９号公報
【特許文献２】特開２００１−９３４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１には、アルミニウム製またはアルミニウム合金製の芯線を絶縁被覆で被覆して成る電圧検知用の電線を備えることで、軽量化した配線モジュールを提供できることが記述されている。しかしながら、特許文献１に記載の蓄電モジュールには、配線モジュール自体の部品点数が多く、また取り付けが煩雑になる課題がある。
【０００８】
特許文献２によれば、プリント基板と二次電池の間に隔離プレート等を配設して、プリント基板を二次電池から隔離し、且つ、プリント基板と二次電池を簡単に電気接続する構造を提供している。しかしながら、プリント基板と二次電池との間を電気的に接続するための電極端子部品を、二次電池の電極部分にスポット溶接等の方法で接続する必要があり、その電極端子部品はプリント基板に半田付けして固定する必要がある。電極端子部品を使用するために、特許文献２に記載の蓄電モジュールの組立工程が複雑になり、製造コストが上昇するといった問題点がある。また、電極端子部品を保護回路基板に接続するために半田付け接続が必要であるが、電極端子部品は一般的な電子回路用実装部品と比較して大きい為、多量の半田を乗せることになり半田クラックが生じ易くなる等の信頼性問題がある。さらに、プリント基板には電極端子部品が貫通するための穴を設ける必要があり、プリント基板上における回路パターンはその穴を避けるように設計しなければならず、プリント基板が大きくなり、結果として蓄電モジュールが大きくなってしまう。
したがって、本発明は、部品点数を増加させることなく保護回路基板を搭載した蓄電モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題は、以下の技術的手段によって解決される。
［１］
電極リードを有する複数の蓄電素子が、前記電極リードを介して電気的に直列および／または並列に接続された蓄電モジュールであって、
蓄電モジュールは、前記蓄電素子の少なくとも電圧を監視制御する保護回路基板を有し、
前記保護回路基板は、ＴＨ接続部を有し、かつ
前記電極リードと前記ＴＨ接続部は直接接合されて成る、
前記蓄電モジュール。
［２］
前記電極リードと前記ＴＨ接続部との直接接合の状態は溶接状態である、［１］に記載の蓄電モジュール。
［３］
前記ＴＨ接続部は、前記保護回路基板の片方の面に配置された導体層である、［１］または［２］に記載の蓄電モジュール。
［４］
前記ＴＨ接続部は、前記保護回路基板を厚み方向に貫通した導体層である、［１］または［２］に記載の蓄電モジュール。
［５］
前記導体層は、銅または銀を含む金属材料である、［３］または［４］に記載の蓄電モジュール。
［６］
前記保護回路基板に設けられた前記ＴＨ接続部と前記電極リードの位置を合わせる工程と、
前記ＴＨ接続部の上面側からレーザー光を照射して前記ＴＨ接続部と前記電極リードとを接合する工程と、
を含む、［１］〜［５］のいずれか１項に記載の蓄電モジュールの製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に依れば、回路基板に設けられたＴＨ接続部と蓄電素子に配設された電極リードとが直接接合されて成ることによって、部品点数を増加させることなく保護回路基板を搭載した蓄電モジュールを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の第一の実施形態に係る蓄電モジュール１０の内部構造を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ’線における蓄電モジュール１０の内部構造の断面図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る蓄電モジュール１０において、ＴＨ接続部５と電極リード３とが直接接合されている部分を拡大した模式図であり、かつ図３（ｂ）は、ＴＨ接続部５と電極リード３とを直接接合する工法について説明した模式図である。
【図４】図４は、本発明の第二の実施形態に係る蓄電モジュール１０の内部構造を示す斜視図である。
【図５】図５は、図４のＢ−Ｂ’線における蓄電モジュール１０の内部構造の断面図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明の第二の実施形態に係る蓄電モジュール１０において、ＴＨ接続部５と電極リード３とが直接接合されている部分を拡大した模式図であり、かつ図６（ｂ）は、ＴＨ接続部５と電極リード３とを直接接合する工法について説明した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本願の蓄電モジュール及び蓄電モジュールの製造方法の実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により、本発明が限定されるものではない。
【００１３】
＜実施形態１＞
図１は、本発明の第一の実施形態に係る蓄電モジュール１０の内部構造を示す斜視図である。
蓄電モジュール１０は、電極リード３を有する複数の蓄電素子１を、蓄電素子１の厚み方向に重ね合わせ、其々の蓄電素子１の電極リード３を電気的に直列および／または並列に接続した構造を有している。一例として、図１には８個の蓄電素子１を積層した蓄電モジュール１０の内部構造を示しているが、蓄電素子１の積層個数は限定されない。
両端に位置する蓄電素子１の電極リード３は、一方は、隣接する蓄電素子１の電極リード３に接続されるが、他方は、図示されない蓄電モジュール１０の外部端子に接続される。
【００１４】
蓄電モジュール１０は、積層した蓄電素子１を両端から固定するためのエンドプレート（未図示）や、エンドプレートに接続して蓄電素子１を積層する方向に押圧するための拘束部材（未図示）や、外装ケース（未図示）などが取り付けられる。
【００１５】
蓄電素子１は、図示されない発電要素と、発電要素に電気的に接続された電極リード３（正極リードおよび負極リード）と、金属ラミネート樹脂フィルム製の外装体とを具備する。更に、蓄電素子１には、発電要素が収まる集電部があり、図１において蓄電モジュール１０は、其々の蓄電素子１の集電部同士が重なり合うように積層されている。
【００１６】
蓄電素子１は、例えばリチウムイオンを含む有機電解液および電極積層体が密封された、例えばアルミ箔を樹脂フィルムでラミネートしたラミネートフィルム材などの気密性軟包装材料を外装とする。外装体の最表面は、一般的に、ナイロン材、ＰＥＴ材（ポリエチレンテレフタレート）などから構成される。
【００１７】
本実施形態では、発電要素（図示せず）は、素子において、電気を発生させるか、又は電力以外のエネルギーを電力へ変換させる部材である。発電要素は、対向している一対の電極又はそれらの積層体、２つの電極の間にセパレータが介在する積層体又はその捲回体、その他の電池又はキャパシタ等でよい。
【００１８】
集電部は、内部に発電要素（有機電解液及び電極積層体など）を収めた部分である。
電極積層体は、負極電極体とセパレータと正極電極体とが複数積層されたものである。
負極電極体は、銅箔などから成る負極集電体と、負極集電体の片面上又は両面上に設けられた負極活物質層とを有する。
正極電極体は、アルミニウム箔などから成る正極集電体と、正極集電体の片面上又は両面上に設けられた正極活物質層とを有する。
電極積層体の積層方向を厚み方向と定義する。
【００１９】
電極リード３の材料はアルミニウム、または銅を主材料とする金属によって構成されている。本明細書では、特定の部品又は材料が、特定の含有物を主成分として含むことは、特定の部品又は材料が特定の含有物を５０質量％以上含むことを意味する。また、電極リード３の表面はめっき処理されていてもよく、例えば銅製の母材に対してニッケルめっき表面を有していてもよい。また、電極リード３の厚みは、例えば、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲内である。
【００２０】
隣接する複数の蓄電素子１同士の間で、電気的に直列および／または並列に接続された電極リード３には、蓄電素子１の少なくとも電圧を監視制御する保護回路基板４が接続される。保護回路基板４は、ＴＨ（Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｈｏｌｅ）接続部５を有しており、電極リード３とＴＨ接続部５は直接接合されている。保護回路基板４においてＴＨ接続部５は、電極リード３の位置とほぼ重なる位置に設けられている。図１においてＴＨ接続部５は丸型形状を有しているが、特に限定されるものでは無く、四角型形状などであってもよい。
【００２１】
本実施形態における保護回路基板４は、説明の為、蓄電素子１に対峙する側を下面とし、その対面を上面とする。
本実施形態における直接接合とは、電極リード３とＴＨ接続部５とが、電極端子部品や電線ハーネスやコネクタ端子などを介さずに、電気的に接続される状態を指す。
【００２２】
保護回路基板４は、図示されない保護回路を構成する電子部品などが実装されており、ＴＨ接続部５は保護回路に電気的に接続されている。保護回路は其々の蓄電素子１の電圧値に応じて、過充電および／または過放電の検知及び警告信号出力を行う。
【００２３】
図２は、図１のＡ−Ａ’線における蓄電モジュール１０の内部構造の断面図である。
電極リード３は、保護回路基板４の下面側に位置し、ＴＨ接続部５と直接接合されている。直接接合の方法は特に限定しないが、例えばレーザー溶接などの溶接によって接合させることができる。つまり、保護回路基板４の上面側からＴＨ接続部５にレーザー光を照射して、ＴＨ接続部５と電極リード３とを溶接することができる。このとき、レーザー光の照射時間は数ミリ秒という極めて短時間であるため、保護回路基板４の他の部分、例えば回路パターンや電子部品には影響を与えないで溶接することができる。
また、前述のように電極リード３は、隣り合う蓄電素子１同士の電極リード３を接続している為、２つの電極リード３とＴＨ接続部５とを、レーザー光によって溶接してもよい。
【００２４】
電極リード３とＴＨ接続部５との直接接合の状態は溶接状態であってよい。溶接状態とは、お互いの金属が混ざり合って接合した状態であり、溶接状態であるか否かは、接合部の断面形状の観察によって確かめることができる。また、お互いの金属が同種の金属であったとしても、其々の金属の粒界の変化状態や、其々の金属が有する表面層（例えば、自然酸化物層やメッキ層など）の混ざり状態を観察することによって溶接状態か否かを判断することが出来る。
【００２５】
図３（ａ）は、ＴＨ接続部５と電極リード３とが直接接合されている部分を拡大した模式図である。保護回路基板４はプリント回路基板であって、その材料は例えば、紙材を含有したフェノール樹脂、紙材を含有したエポキシ樹脂、ガラス繊維を含有したエポキシ樹脂、またはこれらを複合したコンポジット材料などによって構成されるか、または、保護回路基板４はフレキシブルプリント回路基板であって、その材料は例えば、ポリイミド樹脂やポリエステル樹脂などによって構成される。
【００２６】
ＴＨ接続部５は、保護回路基板４の厚み方向に貫通した導体層であって、例えば銅や銀を主材料とする金属材料によって構成されており、めっき法や導電性ペースト熱硬化成形法などによって設置することができる。
ＴＨ接続部５の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜４．０ｍｍの範囲内で、好適に選択することが出来る。
【００２７】
以上のように、ＴＨ接続部５と電極リード３とは互いに溶接状態を成すことによって直接接続されている。これによって、電極端子部品を用いずとも蓄電素子１と保護回路基板とを電気的に接続することが出来、半田クラックの信頼性問題を解決することが出来る。さらに溶接状態は、お互いの金属が混ざり合うように接合しているため、線膨張係数の差によるクラックが生じ難く、より信頼性の高い接続状態を得ることができる。
【００２８】
次に、本実施形態に係る蓄電モジュールの製造方法について説明する。
まず、電極リード３を有する複数の蓄電素子１を厚み方向に重ね合わせて、其々の電極リード３を電気的に直列および／または並列に接続できる状態にした蓄電モジュール１０の内部構造体を準備する。
【００２９】
次に、保護回路基板４に設けられたＴＨ接続部５と、電極リード３の位置を合わせる工程を実施する。つまり、ＴＨ接続部５の直上／直下に電極リード３が位置するように調整して、ＴＨ接続部５と電極リード３とを接触させる。このとき、治具などを用いてＴＨ接続部５と電極リード３とを押圧して接触させてもよい。
【００３０】
次に、ＴＨ接続部５の上面側からレーザー光を照射してＴＨ接続部５と電極リード３とを接合する工程を実施する。このとき、レーザー光はＴＨ接続部５に第一に照射されてＴＨ接続部５の導体層の一部が溶融して貫通し、その後、レーザー光は電極リード３に第二に照射されて電極リード３の一部が溶融して溶けた導体層と混ざり合い、レーザー光の照射終了と共に、溶融した金属が硬化してＴＨ接続部５と電極リード３の直接接合が完了する。
本実施形態では、レーザー光はＹＡＧレーザーを用いて、エネルギー１３．０ジュールを５ミリ秒の間、φ０．４ｍｍに集光して照射した。
【００３１】
図３（ｂ）は、ＴＨ接続部５と電極リード３とを直接接合する工法について説明した模式図である。直接接合は、前述のようにレーザー光を照射することによって接合でき、図中の点線はレーザー光の照射部分６を示している。レーザー光は第二に照射される電極リード３を貫通しないように照射することが好ましく、レーザー光の照射エネルギー密度、照射時間などを好適に設定することで制御することが出来る。また、レーザー光を照射する点数は１点に限らず複数であってもよい。また、スポット溶接の他、シーム溶接であってもよい。
【００３２】
次に、積層された蓄電素子の両端に位置する蓄電素子の電極リードに外部端子を接続する。また、積層された蓄電素子の両端にエンドプレートを取り付け、エンドプレート同士を接続固定するように拘束部材を取り付ける。最後に外装ケースを取り付けることで蓄電モジュールの組立が完了する。
【００３３】
以上のように、ＴＨ接続部５を貫通するようにレーザー光を照射することによって、ＴＨ接続部５と電極リード３とが直接接合される。これによって、電極端子部品を用いて半田付け工程を実施せずとも蓄電素子１と保護回路基板とを電気的に接続することが出来、半田クラックの信頼性問題を解決することが出来る。さらに溶接状態は、お互いの金属が混ざり合うように接合しているため、線膨張係数の差によるクラックが生じにくく、より信頼性の高い接続状態を得ることができる。
【００３４】
＜実施形態２＞
図４は、本発明の第二の実施形態に係る蓄電モジュール１０の内部構造を示す斜視図であり、図５は、第二の実施形態における、Ｂ−Ｂ’線における蓄電モジュール１０の内部構造の断面図である。第二の実施形態は、保護回路基板４の上面側に電極リード３が配置される点において、第一の実施形態と異なる。
【００３５】
保護回路基板４は、電極リード３に設けられた切欠き部に収まるように設置され、図示していない部品によって固定されている。
ＴＨ接続部５（斜線部）は、保護回路基板４の少なくとも片方の面に設けられた導体層であって、例えば銅や銀を主材料とする金属材料によって充填されている。
【００３６】
電極リード３は、保護回路基板４の上面側に位置し、ＴＨ接続部５と直接接合されている。直接接合の方法は特に限定しないが、例えばレーザー溶接などの溶接によって接合させることができる。つまり、電極リード３の面からＴＨ接続部５にレーザー光を照射して、電極リード３とＴＨ接続部５とを溶接することができる。
【００３７】
図６（ａ）は、本実施形態におけるＴＨ接続部５と電極リード３とが直接接合されている部分を拡大した模式図であり、ＴＨ接続部５の断面形状は逆台形で示されているが、特に限定されるものではなく、矩形や逆三角形などであってもよい。さらに、保護回路基板４の厚み方向に段階的に幅が変化する構造であってもよい。
【００３８】
また、ＴＨ接続部５は、図２に示される第一の実施形態のような保護回路基板４を貫通した導体層であってもよい。この場合にレーザー光による溶接接合を実施する際は、レーザー光がＴＨ接続部５を抜けて蓄電素子１に到達する可能性があるが、レーザー光の強度・照射時間を適切に選択することによって貫通しないようにするか、またはレーザー光が導体層を貫通した先に、治具などの遮蔽物を設置するなどの方法によって、この問題を回避することが出来る。
【００３９】
尚、電極リード３には切欠き部が設けられることによって、電極リード３の電流が流れる方向に対する断面積が減少し、抵抗が増加することが考えられる。しかしながら、予め電極リード３の断面積を大きくするか、または、切欠き部を設けずに電極リード３を延長した部分を設けるなどの方法によってこの問題を回避することが出来る。
【００４０】
続いて、第二の実施形態に係る蓄電モジュールの製造方法について説明する。
レーザー光が照射される順序が、電極リード３に第一に照射されて、ＴＨ接続部５に第二に照射される以外は、第一の実施形態と同様の方法で第二の実施形態に係る蓄電モジュールを製造することができる。
また図６（ｂ）は、ＴＨ接続部５と電極リード３とを直接接合する工法について説明した模式図である。直接接合は、前述のようにレーザー光を照射することによって接合でき、図中の点線はレーザー光の照射部分６を示している。レーザー光は第二に照射されるＴＨ接続部５を貫通しないように照射することが好ましく、レーザー光の照射エネルギー密度、照射時間などを好適に設定することで制御することが出来る。また、レーザー光を照射する点数は１点に限らず複数であってもよい。また、スポット溶接の他、シーム溶接であってもよい。
【００４１】
以上の説明により、回路基板に設けられたＴＨ接続部と蓄電素子に配設された電極リードとが直接接合されて成ることによって、部品点数を増加させることなく保護回路基板を搭載した蓄電モジュールを提供することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の蓄電素子及び蓄電モジュールは、例えば、自動車における内燃機関、燃料電池、又はモーターと、蓄電素子と、を組み合わせたハイブリット駆動システムの分野；瞬間電力ピーク時のアシスト電源用途等として、好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１    蓄電素子
２    セルスタック
３    電極リード
４    保護回路基板
５    ＴＨ接続部
６    レーザー光の照射部分
１０    蓄電モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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