説明

電池の製造方法及び溶接方法

【課題】集電板に熱印加によるアニール処理を施すことなく抵抗溶接を行い、シール材の締め付け量を確保する。
【解決手段】隔壁16を介して複数の電槽は互いに連接して二次電池が構成される。隔壁16に貫通穴30が形成され、貫通穴30に集電板20a、20bの接続突部21a、21bが嵌入され、抵抗溶接される。溶接電流を流す前に、溶接電流よりも小さい電流を通電し、その後に溶接電流を流すことで、集電板20a、20bのアニール処理を施すことなくOリング32の締め付け量を確保する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は電池の製造方法及び溶接方法に関し、特に隣接する単電池を電気的に接続する集電板の溶接技術に関する。
【背景技術】
【0002】
車両に搭載されるニッケル水素電池等の二次電池は、直方体状の電槽の短側面を隔壁として用いて相互に連接して構成されるものもある。各電槽内は、正極板と負極板をセパレータを介して積層して構成された極板群とその両側に接合された集電板及び電解液を備える。隣接する電槽間の隔壁には貫通穴が形成され、この貫通穴に集電板の接続突部を嵌入し、接続突部同士を溶接して隣接する単電池同士を電気的に接続する。
【0003】
溶接としては、例えば抵抗溶接が用いられ、集電板の接続突部を互いに当接させた状態で溶接電極を両端支持した状態で押圧し、溶接電極に所定の溶接電流を流すことで溶接する。
【0004】
抵抗溶接(プロジェクション抵抗溶接等)は公知であり、例えば下記の特許文献1には、1打点毎の溶接過程を検出する検出部と、検出部からの信号を打点数としてカウントする第1の記憶部と、所定の打点数に応じた予備溶接条件が記憶された第2の記憶部と、第1の記憶部から出力される打点数に応じて第2の記憶部の予備溶接条件を出力する条件変更部と、条件変更部から出力される予備溶接条件で溶接を制御する制御部を具備した抵抗溶接の予備通電制御装置が開示されている。
【0005】
また、下記の特許文献2には、金属被覆層を表面に設けた金属母材同士を、前記金属母材に形成した突起部で溶接する抵抗溶接方法であって、前記金属被覆層が、前記金属母材より小さい電気抵抗値を有するとともに、前記金属母材より低い融点を有し、前記金属母材に形成した複数の突起部で同時に溶接する際に、通電の中期から終期に到る期間の溶接電流を減少させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開平8−238574号公報
【特許文献2】特開2004−90037号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで、隣接する単電池同士を電気的に接続する際には、隔壁に貫通穴を形成し、この貫通穴に集電板の接続突部を嵌入して溶接するので、貫通穴を密封するためにOリング等のシール材が必要となり、集電板の溶接時には、溶接を確実に行うとともに、シール材を締め付けて確実に貫通穴を密封することが必要となる。
【0008】
溶接前に集電板に熱を印加してアニールすると、集電板の接続突部が熱変形するため溶接時においてシール材を効果的に締め付けることが可能であるが、溶接前に加熱機で別途アニールする必要があるので処理が煩雑となる。そのため、集電板を熱アニールすることなく確実に溶接できるとともにシール材を締め付けることができる方法が望まれている。
【0009】
本発明の目的は、熱を印加してアニールすることなく、又はアニールが不十分な場合でも、被溶接部材(電池の集電板)同士を溶接できると同時に、シール材を十分に締め付けることができる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、互いに隣接する単電池の正極側と負極側の集電板の接続突部同士を溶接する電池の製造方法であって、前記集電板の間にシール材を配する工程と、溶接電流より単位時間当たりの熱量が低い電流を前記接続突部に通電する第1通電工程と、前記第1通電後に、溶接電流を通電して前記接続突部同士を溶接する第2通電工程とを備えることを特徴とする。本発明の1つの実施形態では、前記集電板の間に貫通穴が形成された隔壁が配され、かつ前記集電板と前記隔壁の間に前記シール材が配され、前記貫通穴を用いて前記集電板の溶接部同士の溶接を行う。また、前記第2通電工程は、一定電流の前記溶接電流を所定時間だけ通電する工程と、通電電流を順次減少させる工程とを備える。
【0011】
また、本発明は、互いに隣接する被溶接部材同士を溶接する溶接方法であって、被溶接部材の間のシール材を配する工程と、溶接電流より単位時間当たりの熱量が低い電流を前記被溶接部材に通電する第1通電工程と、前記第1通電後に、溶接電流を通電して前記被溶接部材を溶接する第2通電工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、溶接を行う第2通電に先立って実行される第1通電により、実質的に熱アニールと同様の熱変形を集電板の接続突部に生じさせることで、別途、熱印加によるアニール処理を施すことなく、又はアニール処理が不十分であっても、集電板の接続突部同士を溶接し、シール材の締め付け量を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】実施形態における二次電池の構成図である。
【図2】図1におけるA部拡大図である。
【図3】実施形態の通電プロファイルを示すグラフである。
【図4】従来技術の通電プロファイルを示すグラフである。
【図5】第1通電を変化させたときの締め込み量変化を示すグラフである。
【図6】他の実施形態の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について、車両に搭載する二次電池を例にとり説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【0015】
図1に、本実施形態における二次電池の構成を示す。二次電池10は、幅の狭い短側面と幅の広い長側面を有する直方体状の電槽12をその短側面を隔壁16として共用して相互に連接してなる。図においては、6個の電槽12が示されているが、その数は任意である。各電槽12の上面開口は一体の蓋体13で一体的に閉鎖される。
【0016】
各電槽12内には、正極板と負極板をセパレータを介して積層して構成された極板群14とその両側に接合された集電板20a、20bからなる発電要素が電解液とともに収容され、単電池を構成する。極板群14の正極板と負極板は互いに反対の側部に突出してそれぞれ集電板20a、20bに接合される。
【0017】
隣接する電槽12、12間の隔壁16の上部には接続用の貫通穴が形成される。また、集電板20a、20bの上部にはそれぞれ隔壁16の貫通穴に嵌入する接続突部が形成され、隣接する電槽12,12間で集電板20aの接続突部と集電板20bの接続突部同士が抵抗溶接(好ましくはプロジェクション溶接)により溶接される。抵抗溶接の方法については、さらに後述する。
【0018】
両端の電槽12の外側の短側面にも貫通穴が形成され、それぞれ正極端子22及び負極端子24が装着される。正極端子22には、正極端子22に隣接する電槽12の集電板20aが接続される。負極端子24には、負極端子24に隣接する電槽12の集電板20bが接続される。
【0019】
以上のようにして、複数の単電池が互いに直列接続され、両端の正極端子22、負極端子24間に所定の直流電圧を出力する。
【0020】
図2に、図1におけるA部、すなわち隔壁16に形成された貫通穴における集電板20a、20bの溶接部位を示す。
【0021】
隔壁16の一部に貫通穴30が形成され、集電板20aの接続突部21aと、集電板20bの接続突部21bがともにこの貫通穴30に嵌入されて当接する。貫通穴30と接続突部21a、21bとの間には、シール材としてのOリング32が装着される。Oリング32が装着された状態において、一対の溶接電極を集電板20a、20bの接続突部21a、21bを挟むように配置し、接続突部21a、21bを両側から押圧して所定の荷重を印加した状態で溶接電流を流すことにより接続突部21a、21bを抵抗溶接する。
【0022】
このような構成において、従来においては集電板20a、20bはともに熱印加によるアニール処理が施された後に抵抗溶接しており、集電板20a、20bの接続突部21a、21bがアニールにより熱変形するため抵抗溶接時においてシール材としてのOリング32を効果的に締め付けることが可能であるが、溶接前に加熱機で別途アニールする必要があるので処理が煩雑となる。
【0023】
そこで、本実施形態では、集電板20a、20bに熱印加によるアニール処理が施されていない状態で抵抗溶接を行う。具体的には、集電板20a、20bの接続突部21a、21bに溶接電流を流す前に、これに先立って第1通電を行い、第1通電により接続突部21a、21bを加熱して実質的に熱印加によるアニール処理と同様の熱変形を生じさせる。第1通電の目的は接続突部21a、21b同士の溶接ではないので、接続突部21a、21bを溶接するために必要な所定の溶接電流よりもその電流値は小さくし、単位時間当たりの熱量を第2通電より小さくしている。
【0024】
すなわち、本実施形態では、以下の2つの工程により集電板20、20bの接続突部21a、21b同士を溶接する。
(1)溶接電流よりも小さい電流値を通電する(第1通電)。
(2)その後に、溶接電流を通電して溶接する(第2通電)。
【0025】
図3に、本実施形態における通電プロファイルを示す。図において、横軸は時間を示し、縦軸は通電電流値を示す。
【0026】
まず、ある時刻t1において第1通電100を開始する。この第1通電100では溶接電流よりも小さい一定の電流を接続突部21a、21bに流す。そして、時刻t2において第1通電を終了するとともに、次に、第2通電102を開始する。この第2通電102では、接続突部21a、21b同士を溶接するために必要な溶接電流を流す。第2通電102は、時刻t2から時刻t3まで一定値であり、その後、時刻t3から時刻t4までは順次減少して時刻t4でゼロとなる。
【0027】
図4に、本実施形態の通電プロファイルとの比較のため、従来の通電プロファイルを示す。従来においては、集電板20a、20bは事前に熱印加によるアニール処理が施されており、時刻t1から時刻t5まで溶接電流を流し、その後、時刻t5から時刻t6まで溶接電流よりも低い電流を流す。
【0028】
図3と図4とを比較すると、本実施形態においては、溶接前に第1通電100が存在すること、第2通電102の時刻t3〜t4において順次減少するプロファイルが存在すること、の2点において従来技術と相違する。第1通電100によって接続突部21a、21bを抵抗加熱して熱印加によるアニール処理と同様の熱変形効果を得ることができ、Oリング32の締め付け量を適切な量に調整することができる。そのため、熱印加によるアニール処理を不要とする(アニールレス)。また、第2通電102の時刻t3〜t4における減少により、溶接に必要な熱量を確保するとともに、隔壁16あるいはOリング32へのダメージを最小限に抑制することができる。
【0029】
図5に、第1通電100の通電量を変化させた場合の、Oリング32の締め付け量の変化を示す。第1通電100を時刻t1〜t2において流し、第2通電102を時刻t2〜t4において流す場合に、第2通電102を一定として第1通電100の通電量を変化させた場合である。
【0030】
図において、実線100bは基準通電量であり、これよりも相対的に小さい通電量を一点鎖線100aで示し、基準通電量よりも相対的に大きい通電量を二点鎖線100cで示す。
【0031】
また、通電量100a、100b、100cを流したときのOリング32の締め付け量(あるいは据え込み量)をそれぞれ図中200a、200b、200cで示す。通電量100a、100b、100cにそれぞれ対応する締め付け量は、締め付け量200a、200b、200cである。Oリング32の締め付け量は、例えば0.5mm以上あれば十分なレベルとみなすことができる。
【0032】
第1通電100の通電量が増大すると、これに伴ってOリング32の締め付け量も増大していく。基準通電量100bのときの締め付け量200bは約0.6mmであり、十分なレベルが確保される。
【0033】
相対的に大きな通電量200cのときの締め付け量200cは0.7mmと十分であるが、隔壁16の一部に焼損が生じてしまう。
【0034】
相対的に小さな通電量200aのときの締め付け量200aは0.5mm未満であり、Oリング32の締め付けが不十分となる。
【0035】
第1通電100は、Oリング32の締め付け量を十分に確保できる程度であり、かつ、隔壁16の焼損や接続突部21a、21bの溶解(溶接)を生じない程度とすることが望ましく、その範囲を例示すると以下の通りである。
電流値:2.0KA〜4.0KA
通電時間:20msec〜100sec
電流値が2.0KAより小さい場合や通電時間が20msecより短い場合は、Oリング32の締め付け量を十分に確保できず、電流値が4.0KAより大きい場合や通電時間が100msecより長い場合は、Oリング32や隔壁16に損傷が生じるため好ましくないからである。
【0036】
因みに、本願出願人は、相対的に小さな通電量200aの場合に接続突部21a、21bの抵抗値に変化はなく、基準通電量200bの場合に接続突部21a、21bの抵抗値は穏やかに上昇し、相対的に大きな通電量200cの場合に接続突部21a、21bの抵抗値は溶接電流102を流したときよりも急峻であることを確認している。接続突部21a、21bはともに導体であり、導体の抵抗値は温度とともに上昇することを考慮すると、相対的に小さな通電量200aの場合にはほとんど発熱しておらず、基準通電量200bの場合には発熱が生じ、相対的に大きな通電量200cの場合には溶接時と同様の発熱が生じているということができる。基準通電量200bにおいては、抵抗値は穏やかに上昇し、上昇開始から第2通電開始まで50〜100μΩ程度の上昇を示す。
【0037】
そして、第2通電102の開始時には急激な立ち上がりを示し、ここで初めて溶接に至る発熱が生じる。
【0038】
なお、本願出願人は、第1通電100を行うことなく第2通電102のみで接続突部21a、21b同士を溶接した場合、Oリング32の締め付け量は0.5mm未満で不足であることを確認している。
【0039】
第1通電100の適正な範囲は、通電電流と通電時間により決定されるが、ある一定以上の電流値に設定すると溶接に至り、また、電流値が低すぎると必要以上に通電時間を増大させなければならず非効率となるため、通電電流と通電時間のバランスを抵抗値上昇量を監視しながら決定するのが望ましい。
【0040】
また、第2通電102の通電電流及び通電時間も一定の範囲で増減調整してもよい。その範囲を例示すると以下の通りである。
電流値:5KA〜10KAであり、好適には7KA〜8KA
通電時間:10msec〜30msecであり、好適には15msec〜25msec
溶接電流102の減少プロファイルの全体に対する比率は、例えば時間t3〜t5の30%〜50%とすることができる。
【0041】
本実施形態では、第1通電100と第2通電102の組み合わせにより集電板20a、20bの接続突部21a、21b同士を溶接しており、第1通電100を実行することによって第2通電102の実効時間、すなわち溶接電流の通電時間を短くすることができる効果がある。
【0042】
さらに、第1通電100により接続突部21a、21bをある程度熱変形させているため、第2通電102における溶接電流の変動許容範囲も従来以上に拡大され、ロバスト性確保の観点からも効果がある。すなわち、第1通電100が存在するため、溶接電流の下限値は従来より下方側にシフトし得るとともに、時刻t3〜t4における減少スロープ(ダウンスロープ)により過剰熱量による隔壁16の焼損が防止されるので溶接電流の上限値も従来より上方側にシフトし得る。このようなロバスト性の確保は、二次電池10の量産時において特に大きな意義を有する。
【0043】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
【0044】
例えば、本実施形態では、第1通電100と第2通電102とを連続して実行しているが、第1通電100と第2通電102との間に所定時間だけ間隔を設定してもよい。但し、第1通電100と第2通電102とを連続して実行することで、スループットが向上するとともに、第1通電100により生じた熱変形を第2通電102でより確実に利用できる利点がある。
【0045】
なお、上記実施形態では、正・負極側両方の集電板に接続突部を設け、貫通穴に嵌入しているが、正・負極のいずれか一方のみの集電板に接続突部を設け、他方の集電板の接続部は平坦又は凹部等、突出していない形状としてもよい。
【0046】
また、上記実施形態では、アニールを行っていない集電板を用いたが、アニールが不十分であり、シール材を十分に締め付けることができない場合も有効である。
【0047】
また、上記実施形態では、集電板の溶接について説明したが、本発明は、他の被溶接部材でも、2つの被溶接部材間にシール材を配した状態で溶接する場合であれば利用可能である。例えば、図6に示すように、電池40(図では電池40が10個直列に接続された電池パックを記載)の製造にも利用可能である。具体的には電池40の蓋から突出している+端子60、−端子62は、電解液がケース外に漏れないように、蓋等の部材と、間にシール材を配して溶接を行っているが、その場合の溶接を第1通電、第2通電で行ってもよい。なお、図6(a)は平面図、図6(b)は正面図、図6(c)は右側面図であり、符号64は接続導体、符号66は単電池を一体的に固定するバンドを示す。
【符号の説明】
【0048】
10 二次電池、12 電槽、14 極板群、16 隔壁、20a,20b 集電板、21a,21b 接続突部、30 貫通穴、32 Oリング。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに隣接する単電池の正極側と負極側の集電板の接続突部同士を溶接する電池の製造方法であって、
前記集電板の間にシール材を配する工程と、
溶接電流より単位時間当たりの熱量が低い電流を前記接続突部に通電する第1通電工程と、
前記第1通電後に、溶接電流を通電して前記接続突部同士を溶接する第2通電工程と、
を備えることを特徴とする電池の製造方法。
【請求項2】
請求項1記載の電池の製造方法において、
前記集電板の間に貫通穴が形成された隔壁が配され、かつ前記集電板と前記隔壁の間に前記シール材が配され、
前記貫通穴を用いて前記集電板の溶接部同士の溶接を行うことを特徴とする電池の製造方法。
【請求項3】
請求項1、2のいずれかに記載の電池の製造方法において、
前記第2通電工程は、
一定電流の前記溶接電流を所定時間だけ通電する工程と、
通電電流を順次減少させる工程と、
を備えることを特徴とする二次電池の製造方法。
【請求項4】
互いに隣接する被溶接部材同士を溶接する溶接方法であって、
被溶接部材の間のシール材を配する工程と、
溶接電流より単位時間当たりの熱量が低い電流を前記被溶接部材に通電する第1通電工程と、
前記第1通電後に、溶接電流を通電して前記被溶接部材を溶接する第2通電工程と、
を備えることを特徴とする溶接方法。

【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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【公開番号】特開2012−209156(P2012−209156A)
【公開日】平成24年10月25日(2012.10.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−74589(P2011−74589)
【出願日】平成23年3月30日(2011.3.30)
【出願人】(399107063)プライムアースEVエナジー株式会社 (193)
【Fターム(参考)】