JP5857254B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数の二次電池を備えた電池モジュールに関するものである。

近年、電子機器の多様化にともない高容量、高電圧、高出力であって、かつ安全性の高い電池や複数の電池を一つの筐体に収めた電池モジュールが求められている。特に安全性の高い電池や電池モジュールを提供するために、電池や電池モジュールに、温度の上昇を防ぐためのＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）や温度ヒューズ、さらには電池の内部圧力を感知して電流を遮断させる保護回路等、種々の保護手段を備える技術が知られている。また、電池が異常状態（例えば熱暴走状態）にならないように電池の充放電を制御する制御回路を電池モジュールに備える技術も知られている。

しかしながら、上述のような保護手段や制御回路を備えていても、電池が異常な条件下に置かれた場合、電池が高温になったり、内部から高温の可燃性ガスが噴出したりする可能性がある。その場合、電池を収納している電池モジュールの筐体が破損や溶融、過熱したり、噴出した可燃性ガスが電池モジュールの外部に漏れ出したりするおそれがある。

このような現象を防止する方法として、複数の電池を筐体に収納した電池モジュールにおいて、電池から放出されたガスを筐体内で拡散させながら温度と圧力を低下させて、筐体の外部へ放出する方法（例えば、特許文献１参照。）や、電池の内部の圧力が所定値以上に昇圧したときにガスを放出する安全弁を持つ単電池を複数個配列して接続した単電池群に、膨張してダクト状になるバッグを取り付け、大量のガスが発生した場合にこのバッグが膨張することでダクトが形成され、その後、電池が放出したガスを外部へ排出させ、排出ガスの圧力を低下させる方法（特許文献２参照）が提案されている。

上記の方法は発生したガスを放出する方法であるが、安全性に関してもう一つ重要なこととして１つの電池が異常になったときに電池モジュール内の別の電池への異常の誘発を防止することが挙げられる。例えば特許文献３には組電池において内蔵される二次電池の熱暴走が他の二次電池の熱暴走を誘発するのを効果的に防止するため、複数の二次電池を平行な姿勢で隣接して外装ケースに収納すると共に、二次電池を冷却風で冷却する冷却風ダクトを外装ケース内に設け、さらに、隣接する二次電池の間にプラスチック製の熱暴走防止壁を設けると共に、この熱暴走防止壁を、二次電池を挿通する筒状に成形している熱伝導筒に一体的に成形して、熱暴走防止壁を熱伝導筒の一部としている組電池が開示されている。熱伝導筒は、挿通している二次電池の表面の一部を冷却風ダクトに表出させる放熱領域を有し、冷却風ダクトに送風される冷却風でもって、放熱領域に表出される二次電池の一部を冷却している。

特開２００５−３２２４３４号公報 特開２００５−３３９９３２号公報 特開２００７−６６７７３号公報

しかしながら特許文献３に開示された技術では、特許文献３の図５に示されているように、熱暴走した電池の温度が４００℃に達し、さらに熱暴走が発生してから４分たってもその電池の温度は３００℃近辺であるため、高温で危険な状態が長期に渡って続くという問題があった。これは熱暴走防止壁を使用する限り改善することは非常に難しい。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、異常状態により高温となった素電池の温度を速やかに下げるとともに、周囲の電池に高温の影響を及ぼさない電池モジュールを提供することにある。

本発明の電池モジュールは、二次電池である複数の素電池をケースに収納し、前記ケースは、前記素電池をそれぞれ収容する複数の収容部を備えており、前記素電池は前記収容部に非接触で収容されているとともに、前記素電池内に発生したガスにより当該素電池が膨張した際には当該素電池と前記収容部とが接触する構成を備えている。

前記ケースの熱伝導率は５０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。

熱伝導率が０．５Ｗ／ｍＫ以下であって電気絶縁性の保持部材が前記素電池と前記収容部の間の一部に存しており、前記保持部材により前記素電池と前記収容部とが離隔されていてもよい。

素電池は収容部に非接触で収容されていて、素電池内にガスが発生して膨張するとその素電池が収容部に接触するようになるので、ガス発生した素電池の熱はケース内を拡散して該素電池の温度が下がり、ガス発生していない素電池には収容部からの伝導伝熱がないため温度上昇が抑止されて内部短絡等の異常は生じない。

実施形態における電池モジュールに使用する素電池の構成を模式的に示した断面図である。 実施形態における電池モジュールの構成を模式的に示した断面図である。 実施形態における電池モジュールの一部の拡大断面模式図である。 平板が配設された素電池の一端部の近傍を拡大した部分断面図である。 実施形態における電池モジュールの分解斜視図である。 実施形態における電池モジュールの前面側からの斜視図である。 実施形態における電池モジュールの素電池内にガスが発生した状態の一部の拡大断面模式図である。 別の実施形態における電池モジュールの一部の拡大断面模式図である。

まず熱暴走について説明する。熱暴走とは、内部短絡や過充電等のなんらかの原因によって素電池の内部温度が２００℃以上に上昇し且つ電池内部の化学反応が進んで電池内部の温度上昇が加速的に進む状態のことである。この場合、素電池内の正極活物質・負極活物質が熱分解されて高温の可燃性のガスが素電池内部に発生して素電池が膨張する。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。

（実施形態１）
＜素電池＞
図１は、本発明の実施形態１における電池モジュールに使用する電池１００の構成を模式的に示した断面図である。なお、本発明の電池モジュールに使用する電池は、ノート型パソコン等の携帯用電子機器の電源として単体でも使用できる電池であってもよい（以下、電池モジュールに使用する電池を、「素電池」と呼ぶ）。この場合、高性能の汎用電池を、電池モジュールの素電池として使用することができるため、電池モジュールの高性能化、低コスト化をより容易に図ることができる。

本発明の電池モジュールに使用する素電池１００は、例えば、図１に示すような、円筒形のリチウムイオン二次電池を採用することができる。このリチウムイオン二次電池は、通常の構成をなすもので、内部短絡等によって電池内部にガスが発生して電池内の圧力が上昇したとき、ガスを電池外に放出する安全機構を備えている。以下、図１を参照しながら、素電池１００の具体的な構成を説明する。

図１に示すように、正極１と負極２とがセパレータ３を介して捲回された電極群４が、非水電解液とともに、電池ケース７に収容されている。電極群４の上下には、絶縁板９、１０が配され、正極１は、正極リード５を介してフィルタ１２に接合され、負極２は、負極リード６を介して負極端子を兼ねる電池ケース７の底部に接合されている。

フィルタ１２は、インナーキャップ１３に接続され、インナーキャップ１３の突起部は、金属製の弁板１４に接合されている。さらに、弁板１４は、正極端子を兼ねる端子板８に接続されている。そして、端子板８、弁板１４、インナーキャップ１３、及びフィルタ１２が一体となって、ガスケット１１を介して、電池ケース７の開口部を封口している。

素電池１００に内部短絡等が発生して、素電池１００内の圧力が上昇すると、弁体１４が端子板８に向かって膨れ、インナーキャップ１３と弁体１４との接合がはずれると、電流経路が遮断される。さらに素電池１００内の圧力が上昇すると、弁体１４が破断する。これによって、素電池１００内に発生したガスは、フィルタ１２の貫通孔１２ａ、インナーキャップ１３の貫通孔１３ａ、弁体１４の裂け目、そして、端子板８の開放部８ａを介して、外部へ排出される。

なお、素電池１００内に発生したガスを外部に排出する安全機構は、図１に示した構造に限定されず、他の構造のものであってもよい。

＜電池モジュール＞
図２は、本実施形態における電池モジュール２００の構成を模式的に示した断面図である。図の見やすさを優先するため、素電池１００の内部構造は示さず、素電池１００のハッチングも省略している。また、素電池１００同士を電気的に接続する部材も省略している。

図２に示されているのは、複数の素電池１００が配列されて並列に接続された組電池３００の一つの模式的断面であり、電池モジュール２００は複数の組電池３００が格納箱２０内に収容されている構成を有している。ここで組電池３００は、複数の素電池１００を並列接続したユニットである。各素電池１００は高熱伝導性のアルミ（熱伝導率：２３７Ｗ／ｍＫ）製のケース９０に収容されている。略円筒形である素電池１００の側面はケース９０に取り囲まれている。

図３に拡大されて示されているように、ケース９０と素電池１００との間は狭いすき間５５があり非接触の状態となっている。このすき間５５は、ケース９０と素電池１００との間に挟み込まれた第１保持部材２３，第２保持部材２４により形成されている。すなわち第１保持部材２３，第２保持部材２４によってケース９０と素電池１００とは離隔されているのである。

第１保持部材２３，第２保持部材２４は低熱伝導性かつ電気絶縁性の合成樹脂からなっていて、略円筒形の素電池１００の円筒下端部と上端部とにそれぞれ配置されている。このことにより、ケース９０と素電池１００との間の大部分は空気層であるすき間５５となっている。なお、図２ではケース９０が複数存在していてそれぞれ独立に配置されているように見えるが、後述するように、実際には格納箱２０内のケース９０は連続した一体のものである。

素電池１００は、図１に示したように、素電池１００内に発生したガスを電池外に排出する開放部８ａを備えており、格納箱２０は、複数の素電池１００の一端側（本実施形態では、正極端子８側）に配設された平板（板状部材）３０によって、複数の素電池１００を収めている電池収納部と、素電池１００の開放部８ａから排出されるガスを格納箱２０外に排気する排気経路部６０とに区画されている。そして、素電池１００の開放部８ａは、平板３０に形成された開口部３０ａを介して排気経路部６０に連通している。

排気経路部６０は、平板３０と格納箱２０の外装板（蓋部）２１との間で形成されている。素電池１００の開放部８ａから排出されるガスは、平板３０に形成された開口部３０ａを介して排気経路部６０に排出された後、格納箱２０に設けられた排出口２２より、格納箱２０外、すなわち電池モジュール２００外に排出される。

なお、平板３０は、素電池１００の一端部（本実施形態では、正極端子８側の端部）に密着して配設されるため、電池収納部は、平板３０により密閉状態になっている。そのため、素電池１００の開放部８ａから平板３０の開口部３０ａを介して排気経路部６０に排出されたガスは、再び、電池収納部に戻ることはない。

図４は、平板３０が配設された素電池１００の一端部の近傍を拡大した部分断面図である。図４に示すように、正極端子８の突起部が、平板３０の開口部３０ａに挿入された状態で、電池ケース７の肩部７ａと平板３０とが弾性部材３１を介して密着している。従って、正極端子８の突起部に設けられた開放部８ａから排出されたガスは、平板３０によって素電池１００の収容部が密閉されているため、再び、収容部に戻ることはない。また、弾性部材３１に接着性を持たせば、平板３０によって、素電池１００を保持する機能も付与させることができる。なお、弾性部材３１を介さずに、平板３０を直接電池ケース７の肩部７ａに密着させてもよい。

次に図５、図６を参照しながら、本実施形態における電池モジュールの構成をさらに具体的に説明する。

図５は、より具体的な電池モジュールの分解斜視図で、図６は、電池モジュールの蓋部２１側から見た斜視図である。

図５に示すように、樹脂製の格納箱２０内に、ケース９０、組電池３００の集合体４００、樹脂製の中間パネル９３が収容され、格納箱２０の上面は金属製（例えばアルミニウム製）の外装板（蓋部）２１で塞がれており、格納箱２０の前面は樹脂製の前面パネル９４で塞がれている。第１保持部材２３はケース９０の下面側に隠れており、第２保持部材２４は素電池１００同士を電気的に接続している接続群８５の下に隠れている。組電池集合体４００は、２０個の素電池１００が並列接続された組電池３００が、７個直列接続された構成をなしている。つまり素電池が１００が２０個一列に並んで一組の組電池３００を構成しており、組電池３００が七列並んで組電池集合体４００を構成している。格納箱２０の後面には素電池１００から発生したガスを電池モジュール２００外に排出するための開口部（排出口）２２が設けられている。

蓋部２１と中間パネル９３と組電池集合体４００の上面とによって排気経路部６０が形成されているが、この排気経路部６０は各組電池３００毎に独立している。即ち、この電池モジュール２００では排気経路部６０が７列に分かれていて、各列同士は開口部２２によって連通しているがそれ以外の部分ではお互いにガスが行き来しないように構成されている。つまり中間パネル９３に、平板３０から蓋部２１に向かって延びる隔壁部が設けられていて、この隔壁部が排気経路部６０を７列に分けている。また開口部２２は格納箱２０の後面の横幅ほぼいっぱいに延びていて、排気経路部６０の各列と直接繋がっている。

各素電池１００は、接続群８５によって、互いに直列および／または並列に接続されている。接続群８５は、各素電池１００の負極を並列に接続している負極バスバーと、各素電池１００の正極を並列に接続している正極バスバーを備えている。組電池の集合体４００の正極端子８７には、正極バスバーが接続されており、この正極端子８７は、前面パネル９４に設けられた外部接続用の正極端子９６に接続されている。組電池の集合体４００の負極端子８６には、負極バスバーが接続されており、この負極端子８６は、前面パネル９４に設けられた外部接続用の負極端子９５に接続されている。

ケース９０は、図５に示すように、組電池集合体４００を構成する各素電池１００をそれぞれ収容する複数の収容部９０ａが形成されている。収容部９０ａは貫通孔形状をしており、孔は円筒形である。この円筒形の孔に各素電池１００が収容されるが、ケース９０と素電池１００とは第１保持部材２３と第２保持部材２４とにより非接触の状態で保持される。

上記の構成から、組電池集合体４００の内の一つの素電池１００に異常が生じて熱暴走の状態になっても、素電池１００から噴出したガスは排気経路部６０から排出され、発生した熱は周囲の異常のない素電池１００に大きな影響を与えることなく、すなわち周囲の異常のない素電池１００に熱暴走を生じさせることなく、拡散され放出される。この熱の拡散・放出のメカニズムは素電池１００とケース９０との間にすき間５５が形成されていることによる熱の拡散・放出のメカニズムである。

素電池１００から放出される高温のガスが排気経路部６０を通って開口部２２から排出される際には、電池収納部と排気経路部６０とが平板３０によって隔離されているので、１つの素電池１００から高温のガスが発生しても他の素電池１００にガスが接触することなくガスは排気経路部６０を通過して電池モジュール２００外に排出される。

次に上記の熱の拡散・放出のメカニズムをより詳しく説明する。

組電池集合体４００を構成する各素電池１００の全てが通常（正常）の状態で充放電を行っているときには、各素電池１００とケース９０とは離隔されていて両者の間にすき間５５が存在している。しかしいずれかの素電池１００に異常が生じて熱暴走の状態となると、その熱暴走状態の素電池１００は電池内部に発生する可燃性のガスによって膨張し、ケース９０と接触し、熱暴走により生じた熱をケース９０に伝達する。図７に素電池１００の側壁とケース９０とが接触した状態を示す。ケース９０は高熱伝導性のアルミ（０℃における熱伝導率２３７Ｗ／ｍＫ）からなっているので、熱暴走状態の素電池１００の熱は速やかにケース９０全体に拡散していきケース９０外面から熱を放出する。

熱の拡散により熱拡散直後のケース９０の温度は１００℃程度になるが、熱暴走状態の素電池１００以外の素電池１００はケース９０と非接触の状態であるので、ケース９０からの熱伝導により温度が上昇することはない。従って熱暴走状態の素電池１００以外の素電池１００が異常な状態となることはなく、熱暴走が連鎖的に組電池集合体４００の中に拡がっていくことはない。熱暴走状態の素電池１００以外の素電池１００はケースからの輻射により少しは温度が上昇するが、熱暴走に至るほどには温度は上昇しない。そしてケース９０外面から熱を放出するので、ケース９０の温度は速やかに低下していく。

特許文献３に開示されている技術では、熱の拡散をストップすることによって正常な素電池に熱が伝達することを防ぐのに対して、本実施形態では熱を速やかに広範囲に拡散させることにより温度を下げ、かつ正常な素電池１００にはその熱が伝導伝熱しないようにしている。

上記の熱の拡散・放出のメカニズムが機能するためには、すき間５５におけるケース９０と素電池１００との距離（以下離隔距離という）及びケース９０と素電池１００との間におけるすき間５５が占める割合（以下すき間割合という）が重要である。離隔距離は素電池１００の大きさや形状、内部の活物質・電解質等の物質の種類などにより適切な距離が変わってくる。例えば１８６５０型リチウムイオン電池であれば、離隔距離は０．５ｍｍ以下が好ましい。ただし、ケース９０の作製時における寸法公差及び電池自体の寸法公差を考慮するとあまり小さな離隔距離を設定することは困難である。またすき間割合は大きいほどよい。すき間割合が６０％以上であれば熱暴走時のケース９０と素電池１００との接触を担保できるので好ましく、８０％以上であれば熱の拡散を確実に行えるためより好ましい。

なお第１保持部材２３および第２保持部材２４は低熱伝導性の物質（例えば熱伝導率が０．２６Ｗ／ｍＫであるポリウレタン）からなっているので、実際にはケース９０と素電池１００との両方に両保持部材２３，２４が接触しているにもかかわらず、ケース９０と素電池１００とを実質的に熱的に非接触の状態で離隔して保持しており、かつ上記の離隔距離およびすき間割合を満たす形状・大きさを有している。

以上のように本実施形態の電池モジュール２００は、ケース９０と素電池１００とを熱的に非接触にして両者の間にすき間５５を設けているので、一つの素電池１００が異常となって熱暴走状態になってもそれ以外の素電池１００に熱暴走の連鎖が生じることがなく、電池モジュール２００全体が高温になることを防止できる。またケース９０をアルミ製にしているので、電池モジュール２００を軽量にすることができる。ケース９０の外面をアルマイト処理としておくと、素電池１００が暴走状態となった後に修理のためにケース９０に人が触れてもケース９０外面は電気絶縁性であるので、安全である。

（実施形態２）
実施形態２に係る電池モジュールは、ケースと素電池とを離隔する保持部材が実施形態１とは異なっており、それ以外は実施形態１とは同じであるので、実施形態１と異なっている点を以下に説明する。

本実施形態に係る電池モジュールは、図８に示すように、素電池１００の側面上端近辺と下端近辺とに低熱伝導率の物質からなるリング２３’、２４’を填めてリング２３’、２４’と素電池１００とを固定した素電池１００を使用している。このリング２３’、２４’が保持部材である。リング２３’、２４’の素材としては実施形態１の第１保持部材２３、第２保持部材２４の素材と同じものを用いればよい。リング２３’、２４’を填める位置は、素電池１００内に可燃性のガスが発生したときにケース９０に接触する素電池１００の側面の面積ができるだけ大きくなるように、素電池１００の側面上端近辺と下端近辺とが好ましい。リング２３’、２４’を素電池１００に填めて固定してから素電池１００をケース９０の収容部に挿入するのであるが、挿入時の摩擦抵抗を考慮してリング２３’、２４’は接着剤で固定したり、弾性力により素電池１００を締め付けて固定したりすることが好ましい。なお、リング２３’、２４’のケース９０と接触する側の表面が、ケース９０との摩擦係数が小さくなるように潤滑剤を塗布したり、摩擦抵抗の小さい材料を用いたりすることが好ましい。

実施形態２に係る電池モジュールは実施形態１における効果と同様の効果を奏するとともに、モジュール側の部品点数が減るため、実施形態１よりもコストが削減できる。

（その他の実施形態）
今まで説明した実施の形態は、本発明の例示であり本発明はこれらの例に限定されない。電池の形状や大きさは特に限定されない。角柱形状の素電池や横断面が長方形の両短辺を半円に置き換えた形状ある柱状電池であってもよいし、それ以外の形状でもよい。

ケースの素材は熱伝導率が大きい金属であっても良いし、プラスチックに熱伝導率が大きいフィラー（例えばカーボン）を練り込んだ素材や、熱伝導率が大きい樹脂や炭素繊維を用いてもよい。ケース全体として熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上であればよい。例えば、炭素鋼（熱伝導率：５０Ｗ／ｍＫ）以上の熱伝導率であればよい。ケース全体として１００Ｗ／ｍＫ以上であれば熱の拡散が素早く行われるのでより好ましい。

ケースを冷却する構成を備えていてもよい。例えば、ケースの外面を空冷したり水冷したりしてもよい。

１つのモジュール中には２以上の素電池が有ればよい。すなわち、１つのモジュール内にある素電池の１つが熱暴走しても他の素電池が熱暴走しないことが本願のコンセプトであるからである。

第１保持部材２３，第２保持部材２４の形状は、素電池１００とケース９０とを隔離できる形状であればよく、図２，３に示されているような格納箱２０や平板３０と接触している形状である必要はない。保持部材の熱伝導率は０．５Ｗ／ｍＫ以下であれば素電池とケースとを十分に熱的に非接触な状態とすることができて好ましい。例えば０．５Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有する材料として、ポリカーボネート（０．１９Ｗ／ｍＫ）、ポリスチレン（０．１１Ｗ／ｍＫ）、空気（０．０３Ｗ／ｍＫ）などが考えられる。０．２Ｗ／ｍＫ以下であればより効果的に素電池とケースとを熱的に隔離できてより好ましい。また、保持部材は１つの素電池に対して１つであっても構わない。また、収容部９０ａの内壁に固定された複数の凸起を保持部材として用いてもよい。

以上説明したように、本発明に係る電池モジュールは、熱暴走の連鎖を防止するので、リチウムイオン電池を用いた電池モジュール等として有用である。

２３ 第１保持部材
２４ 第２保持部材
９０ ケース
９０ａ 収容部
１００ 素電池
２００ 電池モジュール

Claims (5)

1. 二次電池である複数の素電池をケースに収納した電池モジュールであって、
   前記ケースは、前記素電池をそれぞれ収容する複数の収容部を備えており、
   保持部材が前記素電池と前記収容部の間の一部に存しており、
   前記保持部材により、前記素電池は前記収容部に非接触で収容されているとともに、前記素電池内に発生したガスにより当該素電池が膨張した際には当該素電池と前記収容部とが接触し、前記素電池の熱を前記ケースに熱伝導させる、電池モジュール。
2. 前記ケースの熱伝導率は５０Ｗ／ｍＫ以上である、請求項１に記載されている電池モジュール。
3. 前記保持部材は、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍＫ以下である、請求項１または２に記載されている電池モジュール。
4. 前記素電池は柱状であり、
   前記収容部は前記素電池の側面を取り囲んでいる、請求項１から３のいずれか一つに記載されている電池モジュール。
5. 前記保持部材は前記素電池の側面上端近辺と下端近辺とに固定されたリングである、請求項４に記載されている電池モジュール。

Images