JP7072910B2 - 安全性を向上可能なバッテリモジュール - Google Patents

Description

本発明は、並列に接続されたセルが故障したセルを異常充電することで故障したセルが溶融又は爆発するとの事態を防止可能とし、バッテリモジュールの安全性向上に有利となる安全性を向上可能なバッテリモジュールを提供する。

充電式バッテリは、例えば、ノートパソコン、タブレットＰＣ、モバイル通信装置、電動自転車、電動バイク又は電気自動車といった多くの製品に幅広く応用されている。通常は、複数のセル（Ｃｅｌｌ）を接続してバッテリ群を形成し、各セルの直列及び／又は並列を調整することでバッテリ群から製品が要する電圧を出力可能とする。

一般的には、複数のセルを固定フレームに設置し、導電片を介して各セルを直列及び並列に接続することでバッテリ群を形成するとともに、バッテリ群を製品に取り付ける。

実際に応用する際には、バッテリ群の１つのセルが故障して短絡した場合、その他の正常なセルが短絡したセルを大電流で充電することで、短絡したセルの温度が異常に上昇する。そして、温度がセル内部のセパレータの耐熱温度を上回ると、セパレータが溶解してセルの正極及び負極材料を短絡させるため、セルの溶融又は爆発が誘発される。

本発明の目的の一つは、複数のセル、複数の導電片及び複数の保護手段を含み、導電片がセルを直列に接続するために用いられ、保護手段がセルを並列に接続するために用いられる安全性を向上可能なバッテリモジュールを提供することである。保護手段の温度が過剰に高くなった場合、及び／又は、電流が過剰に大きくなった場合には、保護手段が溶融して、故障したセルと並列に接続された正常なセルとを切断することで、故障したセルの溶融又は爆発を防止する。

本発明の目的の一つは、複数のセル、少なくとも１つの固定フレーム、複数の導電片及び複数の保護手段を含み、セルが固定フレームに設置されるとともに、マトリクス形式で配列され得る安全性を向上可能なバッテリモジュールを提供することである。第１の方向において隣り合うセルは、正極と負極が互いに反対となるよう設置され、第２の方向におけるセルは正極と負極が同じとなるよう設置される。各導電片は、それぞれ第１の方向において隣り合う２つのセルを直列に接続する。また、各保護手段は、第２の方向において隣り合う２つの導電片を接続するために用いられる。これにより、第２の方向において隣り合う２つの導電片に接続されているセルは、保護手段を介して並列に接続される。

本発明は、安全性を向上可能なバッテリモジュールを提供する。前記バッテリモジュールは、少なくとも１つの固定フレーム、固定フレームに設置される複数のセル、それぞれ２つのセルを直列に接続する複数の導電片、及び、２つの導電片を接続することで、導電片に接続されているセルを並列に接続する少なくとも１つの保護手段を含む。保護手段の温度が所定の温度よりも高くなった場合、或いは、保護手段を流れる電流が所定の電流よりも大きくなった場合、保護手段は切断される。

上記の安全性を向上可能なバッテリモジュールにおいて、保護手段は、温度ヒューズ、電流ヒューズ、はんだワイヤ、単芯銅線、リセッタブルヒューズ又は抵抗である。

上記の安全性を向上可能なバッテリモジュールにおいて、複数のセルは、第１の方向及び第２の方向に沿ってマトリクス形式で配列される。第１の方向は第２の方向と垂直である。第１の方向において隣り合うセルの設置方向は互いに反対であり、第２の方向において隣り合うセルの設置方向は互いに同じである。

上記の安全性を向上可能なバッテリモジュールにおいて、導電片はセルを直列に接続して直列セル群を形成し、保護手段は、２つの直列セル群におけるセルを並列に接続する。

上記の安全性を向上可能なバッテリモジュールにおいて、固定フレームの一方の表面は、セルを収容及び固定するための複数のセル凹溝を含み、固定フレームの他方の表面は、導電片を収容するための複数の導電片凹溝を含む。且つ、前記セル凹溝は導電片凹溝と連通する。

上記の安全性を向上可能なバッテリモジュールにおいて、固定フレームの数は２つであり、それぞれセルの両端に設置される。

上記の安全性を向上可能なバッテリモジュールは、第１導電片及び第２導電片を含む。第１導電片及び第２導電片は、それぞれ一部のセルを並列に接続するとともに、安全性を向上可能なバッテリモジュールの出力端子又は入力端子となる。

上記の安全性を向上可能なバッテリモジュールは、複数の第１導電片及び複数の第２導電片を含む。各第１導電片及び各第２導電片はそれぞれ１つのセルに接続される。また、２つの第１導電片が保護手段を介して接続され、２つの第２導電片が保護手段を介して接続される。

上記の安全性を向上可能なバッテリモジュールにおいて、導電片はセルを直列に接続するために用いられ、保護手段はセルを並列に接続するために用いられる。

図１は、本発明の安全性を向上可能なバッテリモジュールの一実施例の分解斜視図である。 図２は、本発明の安全性を向上可能なバッテリモジュールの一実施例の斜視図である。 図３は、本発明の安全性を向上可能なバッテリモジュールの一実施例の一方の表面の側面図である。 図４は、本発明の安全性を向上可能なバッテリモジュールの一実施例の他の表面の側面図である。 図５は、本発明の安全性を向上可能なバッテリモジュールの別の実施例の一方の表面の側面図である。 図６は、本発明の安全性を向上可能なバッテリモジュールの別の実施例の他の表面の側面図である。

本発明の安全性を向上可能なバッテリモジュールの一実施例の分解斜視図である図１と、斜視図である図２を参照する。図示するように、本発明の実施例で記載するバッテリモジュール１０は、少なくとも１つの固定フレーム１１、複数のセル１３、複数の導電片１５及び複数の保護手段１７を含む。固定フレーム１１はセル１３を固定するために用いられ、導電片１５はセル１３を直列に接続するために用いられ、保護手段１７はセル１３を並列に接続するために用いられる。

本発明の実施例において、複数のセル１３はマトリクス形式で配列可能であり、セル１３は第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに沿って配列される。且つ、第１の方向Ｘは第２の方向Ｙと垂直である。第１の方向Ｘにおいて隣り合うセル１３の設置方向は互いに反対であり、隣り合うセル１３の正極と負極がそれぞれ反対方向を向いている。例えば、第１の方向Ｘに沿って設置されるセル１３は、正極と負極が交互となるよう配列されている。一方、第２の方向Ｙにおいて隣り合うセル１３の設置方向は互いに同じである。なお、言うまでもなく、上記のセル１３の配列形式は本発明の一実施例にすぎず、実際に応用する際にはセル１３をマトリクス形式で配列しなくてもよい。

固定フレーム１１は、主にセル１３を固定するために用いられる。固定フレーム１１は、セル１３を収容及び固定するための複数のセル凹溝１１１を含んでいてもよい。例えば、セル凹溝１１１をマトリクス形式で固定フレーム１１の一方の表面に設置し、各セル１３をそれぞれ各セル凹溝１１１に挿入することで、セル１３をマトリクス形式で固定フレーム１１に配列すればよい。

本発明の実施例において、固定フレーム１１の数は、類似又は同一の構造を有する２つとし、それぞれをセル１３の両端に設置することで、セル１３を２つの固定フレーム１１の間に固定すればよい。例えば、セル１３の一端を一方の固定フレーム１１に設置して図３又は図５に記載した構造を形成し、セル１３の他端を他方の固定フレーム１１に設置して図４及び図６に記載の構造を形成する。

各導電片１５は、それぞれ２つのセル１３を接続することで２つのセル１３を直列に接続する。例えば、導電片１５は、スポット溶接又はレーザー溶接等で、隣り合う２つのセル１３の正極と負極をそれぞれ接続する。セル１３をマトリクス形式で配列している場合、導電片１５は第１の方向Ｘに沿って設置される隣り合う２つのセル１３を接続する。第１の方向Ｘにおいて隣り合う２つのセル１３の正極と負極は互いに反対方向を向いている。これにより、図３及び図４に示すように、第１の方向Ｘにおける複数のセル１３を複数の導電片１５を介して直列に接続し、直列セル群１３１を形成する。また、導電片１５は金属材質で作製すればよい。例えば、金属材質は、ニッケルプレート、銅プレート等の低抵抗の材料とすればよい。

本発明の実施例において、固定フレーム１１のうちセル凹溝１１１が設けられていない表面には、複数の導電片凹溝１１３を設ければよい。各セル凹溝１１１は、それぞれ導電片凹溝１１３と連通する。導電片１５は導電片凹溝１１３内に設置され、導電片凹溝１１３と連通するセル凹溝１１１内のセル１３と電気的に接続可能である。

各保護手段１７は、それぞれ２つの導電片１５を接続する。これにより、２つの導電片１５が並列に接続されて、導電片１５に接続されているセル１３もまた保護手段１７を介して並列に接続される。保護手段１７の温度が所定の温度よりも高くなった場合、或いは、保護手段１７を流れる電流が所定の電流よりも大きくなった場合、保護手段１７は切断される。

バッテリモジュール１０の１つのセル１３が故障により短絡した場合、その他の正常なセル１３は、保護手段１７を介して並列に接続された短絡セル１３を充電する。これにより、保護手段１７を流れる電流が増加して、保護手段１７の温度が上昇する。保護手段１７の電流が所定の電流よりも大きくなった場合、及び／又は、保護手段１７の温度が所定の温度よりも高くなった場合には、保護手段１７が溶断されて、その他の正常なセル１３と並列に接続された短絡セル１３とが開回路を形成することで、正常なセル１３が並列に接続された短絡セル１３を充電し得なくなる。

本発明の前記バッテリモジュール１０によれば、従来技術のように前記その他の正常なセル１３が短絡したセル１３に大電流充電を行い続けるとの事態を防止可能となる。これにより、短絡したセル１３の異常な温度上昇を回避可能なため、セル１３の溶融又は爆発の発生を効果的に減少させることができ、バッテリモジュール１０の使用上の安全性が向上する。

具体的に、本発明で記載する保護手段１７には、温度ヒューズ、電流ヒューズ、はんだワイヤ、単芯銅線、リセッタブルヒューズ（ＰＴＣ）、抵抗等の電流及び／又は温度の上昇に伴って切断される部材が含まれ得るが、これらに限らない。例えば、はんだワイヤの融点は相対的に低い。そのため、はんだワイヤの温度が上昇した場合には、はんだワイヤが溶断されることで、短絡したセルと並列に接続された正常なセルとが切断される。はんだワイヤは設置コストが低い。且つ、一般的な電気はんだごて又は溶接トーチを使用するだけで、はんだワイヤ（保護手段１７）を２つの導電片１５に接続し、セル１３を並列に接続することが可能である。また、単芯銅線及び抵抗の特性もはんだワイヤに近く、類似の方式で設置することが可能である。よって、同様に、設置コストが低く、設置が容易であるとの利点を有する。

実際に応用する際には、保護手段１７の材料、長さ、幅及び／又は断面積によって、所定の温度及び／又は所定の電流の大きさを変更可能である。所定の温度で説明すると、一般的に、鉛含有はんだワイヤは摂氏１９０度程度で溶断し、鉛フリーはんだワイヤは摂氏２２０度程度で溶断する。セル１３が機能を喪失した場合に発生する温度が摂氏６００度以上の場合には、セル１３が過熱、溶融又は爆発する前にはんだワイヤ（保護手段１７）が先に溶断し、機能を喪失したセル１３と並列に接続された正常なセル１３との接続が切断される。また、所定の電流で説明すると、一般的なはんだワイヤは、約４０～５０Ａの電流が流れた場合に高温となって溶断する。セル１３が短絡した場合に流れる電流は１００～２００Ａのため、セル１３の電流が大きくなりすぎる前に、はんだワイヤ（保護手段１７）が先に溶断し、機能を喪失したセル１３と並列に接続された正常なセル１３との接続が切断される。なお、セル１３が短絡した場合に流れる電流値は、セル１３の特性及び並列に接続されたセル１３の数量に関係する。

このほか、０６０３サイズの１Ωの抵抗を保護手段１７として選択した場合には、約１／１０Ｗのエネルギーに耐えることができる。そのため、瞬間電流が１００Ａになった場合には、発生するエネルギーが抵抗の耐え得る範囲を遥かに超えて抵抗が溶断するため、同様に、機能を喪失したセル１３と並列に接続された正常なセル１３との接続を切断可能となる。

バッテリモジュール１０は、更に、少なくとも１つの第１導電片１５１及び少なくとも１つの第２導電片１５３を含む。図１～図４に示すように、第１導電片１５１及び第２導電片１５３は、一部のセル１３を並列に接続するために用いられるとともに、バッテリモジュール１０の出力端子及び／又は入力端子となる。例えば、セル１３は充電式バッテリとし、第１導電片１５１及び第２導電片１５３から電気エネルギーを出力可能とするか、第１導電片１５１及び第２導電片１５３を経由して各セル１３に充電する。一般的に、第１導電片１５１及び第２導電片１５３は、通常は最も側辺寄りの１又は複数のセル１３に接続され、例えば、最も側辺寄りの第２の方向Ｙに沿って設置される複数のセル１３を接続又は並列に接続する。

本発明の他の実施例において、第１導電片１５１及び第２導電片１５３の数は複数とし、図５及び図６に示すように、各第１導電片１５１及び各第２導電片１５３をそれぞれ１つのセル１３に接続すればよい。また、隣り合う２つの第１導電片１５１及び隣り合う第２導電片１５３をそれぞれ保護手段１７を介して接続することで、第１導電片１５１及び第２導電片１５３に接続されているセル１３を保護する。

本発明の実施例において、複数のセル１３は９×３のマトリクスとなるよう配列される。図３及び図４に示すように、第１の方向Ｘには９つのセル１３を配列し、第２の方向Ｙには３つのセル１３を配列する。且つ、第１の方向Ｘは第２の方向Ｙと略垂直である。換言すると、バッテリモジュール１０は、２７個のセル１３、２４個の導電片１５及び１６個の保護手段１７を含み得る。第１の方向Ｘにおける９つのセル１３は、８つの導電片１５を介して直列に接続されて、直列セル群１３１を形成する。また、第２の方向Ｙにおける３つのセル１３は、２つの保護手段１７を介して並列に接続される。例えば、３つの直列セル群１３１を積層し、８つの保護手段１７によって隣り合う２つの直列セル群１３１を接続する。保護手段１７は、隣り合う２つの導電片１５を接続することで、隣り合う２つの直列セル群１３１のセル１３を並列に接続する。

換言すると、本発明の上記実施例では、主に、第１の方向Ｘにおける９つのセル１３を直列に接続することでバッテリモジュール１０から出力される電圧を上昇させ、第２の方向Ｙにおける３つのセル１３を並列に接続することでバッテリモジュール１０の電気量を増加させる。具体的に、セル１３が３．７Ｖのリチウム電池セルの場合、バッテリモジュール１０は３３．３Ｖの電圧を発生させられる。なお、言うまでもなく、前記セル１３、導電片１５及び保護手段１７の数及び設置方式は本発明の一実施例にすぎず、本発明の権利範囲を制限するものではない。実際に応用する際には、セル１３、導電片１５及び保護手段１７の数及び設置方式を製品要求に応じて調整すればよい。

本発明の実施例において、バッテリモジュール１０は、セル１３に電気的に接続される保護プレート１９を含み得る。保護プレート１９は、保護回路基板及びＰＴＣ（リセッタブルヒューズ）等の電流デバイスを含み、セル１３の電圧及び充放電を正確に監視・制御することで、電流回路の開閉を速やかに制御し、高温環境下でのセル１３の破損を防止可能とする。

以上は本発明の好ましい実施例にすぎず、本発明の実施範囲を限定するものではない。即ち、本発明の特許請求の範囲に記載する形状、構造、特徴及び精神に基づきなされる等価の変形及び補足は、いずれも本発明の特許請求の範囲に含まれる。

１０ バッテリモジュール
１１ 固定フレーム
１１１ セル凹溝
１１３ 導電片凹溝
１３ セル
１３１ 直列セル群
１５ 導電片
１５１ 第１導電片
１５３ 第２導電片
１７ 保護手段
１９ 保護プレート

Claims (6)

1. 安全性を向上可能なバッテリモジュールであって、
   少なくとも１つの固定フレーム、及び
   前記固定フレームに設置される複数のセルを含み、
   複数の前記セルは、第１の方向及び第２の方向に沿ってマトリクス形式で配列され、前記第１の方向は前記第２の方向と垂直であり、前記第１の方向において隣り合う前記セルの設置方向は互いに反対であり、前記第２の方向において隣り合う前記セルの設置方向は互いに同じであり、
   前記第１の方向に沿って配列された複数の前記セルを自身を介して直列に接続することで直列セル群が形成されるように、第1の方向において隣り合うそれぞれ２つの前記セルを接続する複数の導電片、及び
   前記第２の方向において隣り合う２つの直列セル群の２つの前記導電片を接続することで、２つの前記導電片に対応する直列セル群を並列に接続する少なくとも１つの保護手段を更に含み、
   前記保護手段の温度が所定の温度よりも高くなった場合、或いは、前記保護手段を流れる電流が所定の電流よりも大きくなった場合、前記保護手段は切断されるバッテリモジュール。
2. 前記保護手段は、温度ヒューズ、電流ヒューズ、はんだワイヤ、単芯銅線、リセッタブルヒューズ又は抵抗である請求項１に記載の安全性を向上可能なバッテリモジュール。
3. 前記固定フレームの一方の表面は、前記セルを収容及び固定するための複数のセル凹溝を含み、前記固定フレームの他方の表面は、前記導電片を収容するための複数の導電片凹溝を含み、前記セル凹溝は前記導電片凹溝と連通する請求項１に記載の安全性を向上可能なバッテリモジュール。
4. 前記固定フレームの数は２つであり、それぞれ前記セルの両端に設置される請求項３に記載の安全性を向上可能なバッテリモジュール。
5. 第１導電片及び第２導電片を含み、前記第１導電片及び前記第２導電片は、それぞれ一部の前記セルを並列に接続するとともに、前記安全性を向上可能なバッテリモジュールの出力端子又は入力端子となる請求項１に記載の安全性を向上可能なバッテリモジュール。
6. 複数の第１導電片及び複数の第２導電片を含み、各前記第１導電片及び各前記第２導電片はそれぞれ１つの前記セルに接続され、２つの前記第１導電片が前記保護手段を介して接続され、２つの前記第２導電片が前記保護手段を介して接続される請求項１に記載の安全性を向上可能なバッテリモジュール。

Images