CN102598397B

CN102598397B - 电池模块

Info

Publication number: CN102598397B
Application number: CN201180003968.4A
Authority: CN
Inventors: 清水启介; 横山智彦; 藤川万乡; 安井俊介; 岸井大辅
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2031-07-20
Also published as: US9088031B2; WO2012060031A1; JP5520320B2; JPWO2012060031A1; US20120231317A1; CN102598397A

Abstract

提供一种具备多个单元电池(10)的电池模块(100)，其中，在单元电池(10)的附近配置有密封有冷却剂的冷却单元(20)，冷却剂由粘度被调节至2～350Pa·S的范围的液体构成，冷却单元(20)具备开封部(23)，该开封部(23)在单元电池(10)异常发热时其的一部分开封而释放出冷却剂。

Description

电池模块

技术领域

本发明涉及电池模块，特别是涉及具备冷却剂的电池模块。

背景技术

近年来，从节省资源或节能的观点考虑，将能够反复使用的二次电池用作便携式电子设备或移动体通信设备等的电源。另外，从化石燃料的使用量的削减或二氧化碳的排放量的削减等观点考虑，正在研究使用这样的二次电池作为车辆等的电源。

其中，开始采用如下技术：将广泛使用的电池并联或串联连接来构成电池模块，组合该电池模块来适应于多种多样的用途。该技术是通过使构成电池模块的电池(以下记为“单元电池”)高性能化，从而可以实现电池模块的小型化以及轻量化。由此，能够得到组合电池模块时的作业性提高、以及在车辆等有限的空间中搭载时的自由度提高等优点。

如果使单元电池彼此接近地配置，则能够实现电池模块的高能量密度化以及小型化。但是，如果相邻的单元电池间的距离过短，则某些单元电池由于内部短路等而异常发热时(以下记为“异常发热时”)，位于异常发热的单元电池的周围的单元电池暴露在高温的热中，有可能连锁地扩大异常发热。

在专利文献1中记载了如下技术：在单元电池的附近配置冷却管，从而当异常发热时，使冷却管的一部分熔融而释放出冷却剂，由此使单元电池散热。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第7433794号说明书

发明内容

发明所要解决的课题

在单元电池异常发热时，单元电池的温度急剧上升，因此为了防止向周边的单元电池进行热扩散，需要使异常发热的单元电池的温度迅速降低。专利文献1中记载的冷却方法是对异常发热的单元电池释放出冷却剂(液体)，通过其气化热将单元电池冷却，所以因冷却效率大而是优良的。

例如，在冷却剂中使用水的情况下，水的比热容为4.2J/g·K，相对于此，气化热非常高，约为2250J/g，因此如果使水直接与单元电池接触，利用水的气化热将单元电池冷却，则能够期待将异常发热的单元电池的温度迅速地降低。

但是，水的粘度(20℃下为约1mPa·s)低，因此即使将从冷却管释放出的水与异常发热的单元电池接触，也会在充分量的水气化前从单元电池中流出。因此，无法得到充分的冷却效果。另一方面，如果将多个单元电池浸渍到水中，则可以得到充分的冷却效果，但会在电池模块内大量含有没有气化的多余的水，因此使电池模块的单位质量的能量密度降低。

本发明正是鉴于上述的点而完成的，其主要目的在于提供在构成电池模块的单元电池异常发热时能够使异常发热的单元电池的温度迅速降低的冷却效率高的电池模块。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明的电池模块将释放到异常发热的单元电池中的冷却剂的粘度规定在使冷却剂与单元电池接触的时间长且气化的冷却剂的量增多的范围内。

即，本发明的电池模块是具备多个单元电池的电池模块，其中，在单元电池的附近配置有密封有冷却剂的冷却单元，冷却剂由粘度被调节至2～350Pa·S的范围的液体构成。另外，冷却单元具备开封部，该开封部在单元电池异常发热时其的一部分开封而释放出冷却剂。优选的是，调节至规定的粘度范围内的液体由添加有增稠剂的水构成。

发明效果

根据本发明，在构成电池模块的单元电池异常发热时，密封有冷却剂的冷却单元的一部分开封，从而使调节至规定的粘度范围内的冷却剂释放到异常发热的单元电池中，由此通过由充分量的冷却剂产生的气化热，能够使异常发热的单元电池的温度迅速降低。由此，能够实现单位质量的能量密度高、安全性优良的电池模块。

附图说明

图1是表示用于验证由于冷却剂的粘度不同而产生的冷却效果的差异的试验方法的图。

图2是示意地表示本发明中的冷却单元的构成的侧视图。

图3是示意地表示本发明的一个实施方式中的电池模块的构成的俯视图。

图4是沿图3的A-A的剖视图。

图5是表示距离异常发热的单元电池的某些地点处的温度的曲线图。

图6是示意地表示本发明的其他实施方式中的电池模块的构成的俯视图。

图7是示意地表示本发明的其他实施方式中的电池模块的构成的俯视图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式详细地进行说明。需要说明的是，本发明并不限于以下的实施方式。另外，在不脱离发挥本发明的效果的范围内，可以进行适当变更。另外，也可以是与其他实施方式的组合。

如图1所示，将18650尺寸(直径18mm×长度65mm)的圆筒型锂离子电池(容量为2.6Ah)10A、10B隔着1mm的间隔排列，在电池10A、10B之间配置了密封有冷却剂的冷却单元20。

图2是示意地表示冷却单元20的构成的侧视图。如图2所示，冷却单元20是通过折叠层压膜21而形成的，将通过折叠而彼此重合的三侧的边缘进行熔融粘接来进行密封。另外，作为冷却剂的2g水被密封在层压膜21内。在层压膜21的边缘处进行熔融粘接而成的密封部22、22、23之中，位于与折叠部相反一侧的密封部23成为熔接强度比其他密封部22、22的熔接强度弱的开封部。因此，在异常发热时，冷却单元20会优先地在开封部23开封，从开封部23释放出冷却剂。

如图1所示，在通过加热器H对单元电池10A的侧面进行加热而使单元电池10A热失控时，单元电池10A异常发热而使温度上升。这样，在单元电池10A的附近配置的冷却单元20的温度上升，从而冷却单元20的开封部23开封，冷却剂被释放到异常发热的单元电池10A中。

在此，作为冷却剂，准备了在2g水中以在0.3～5.0质量％的范围内变化地添加作为增稠剂的羧甲基纤维素、从而使粘度在0.3～400Pa·s的范围内变化的冷却剂。另外，将这些冷却剂密封在冷却单元20中，考察由开封部23释放出的冷却剂产生的冷却效果。具体而言，使单元电池10A热失控，从而将冷却单元20的开封部23开封，将冷却剂释放到单元电池10A中，对此后的单元电池10B的最高到达温度进行测定。在此，冷却剂的粘度使用BH型粘度计(东机产业株式会社制)、在转子的直径为15mm、转子的转速为2次/分钟、测定温度为25℃的条件下进行测定。另外，单元电池10B的温度使用K热电偶进行测定。需要说明的是，热失控后的单元电池10A的最高到达温度为约500℃。

将其结果在表1中示出。如表1所示，在冷却剂的粘度为0.3Pa·s的情况下，相邻接的单元电池10B的最高温度为168℃，但将冷却剂的粘度设定为2Pa·s以上时，相邻接的单元电池10B的最高温度降低至约100℃。另外，在增大冷却剂的粘度时，超过350Pa·s后，相邻接的单元电池10B的最高温度开始缓慢地上升，当冷却剂的粘度达到400Pa·s时，相邻接的单元电池10B的最高温度再次达到170℃。需要说明的是，虽然表1中没有示出，但在使用没有添加增稠剂的纯净的水(粘度：1mPa·S(20℃))作为冷却剂的情况下，相邻接的单元电池10B的最高温度达到175℃。

表1

例如，在锂离子电池的情况下，在发生内部短路，由于焦耳热而使得单元电池10的温度上升，从而使电池温度超过约150℃时，电极与电解液有可能发生反应，从而出现异常发热。因此，为了防止从异常发热的单元电池向周围的单元电池连锁地扩大异常发热，将周边的单元电池的温度控制在约150℃以下是有效的。

由表1所示的结果可知，通过将冷却剂的粘度调节至2～350Pa·s的范围内，从而可以将相邻接的单元电池10B的温度控制在150℃以下。即，通过将冷却剂的粘度调节在2～350Pa·s的范围内，能够防止从异常发热的单元电池10向周围的单元电池10连锁地扩大异常发热。

这可以认为是由于，通过将冷却剂的粘度调节至2～350Pa·s的范围内，从冷却单元20释放出的冷却剂与异常发热的单元电池10A接触的时间延长，其结果，气化的冷却剂的量增多，通过由充分量的冷却剂产生的气化热来冷却单元电池10A。另一方面，冷却剂的粘度超过350Pa·s时，相邻接的单元电池10B的温度再次上升至150℃以上，这可以认为是由于，冷却剂发生气化后，没有向单元电池10A中持续地供给新的冷却剂，冷却效率反而降低。

需要说明的是，由上述冷却剂产生的冷却效果是通过调节冷却剂的粘度而得到的，所以冷却剂中使用的材料没有特别的限定。特别是水的气化热大(约2250J/g)并且化学上也稳定，从而优选用作提高冷却效率的材料。另外，除了水以外，例如也可以使用硅油、离子液体等作为冷却剂。

另外，关于冷却剂的粘度调节，除了在冷却剂中添加在上述试验中使用的羧甲基纤维素之外，也可以在冷却剂中添加规定量的例如黄原胶、明胶、藻酸等增稠剂。

另外，冷却单元20的构成没有特别的限定，但可以优选地使用如图2所示的密封了冷却剂的层压膜。

层压膜优选使用例如具有熔融粘接层、基材以及绝缘层的3层膜。在此，作为熔融粘接层，可以使用厚度为约40μm的聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)等；作为基材，可以使用厚度为约50μm的铝或不锈钢等；作为绝缘层，可以使用尼龙或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。

在图2所示的冷却单元20中，在层压膜21的边缘处进行熔融粘接而成的密封部22、22、23之中，如果由聚乙烯构成密封部(开封部)23的熔融粘接层、由聚丙烯构成其他密封部22、22的熔融粘接层，则由于聚乙烯的熔点(120～130℃)比聚丙烯的熔点(160～180℃)低，因此当在异常发热时冷却单元的温度上升时，冷却单元20的开封部23优先地熔融，从而从开封部23释放出冷却剂。

这样构成的冷却单元20当在单元电池10异常发热时，开封部达到规定的温度时，会自动地开封，因此不需要多余的温度传感器和开封机构，因此能够实现简单且小型的冷却单元20。

需要说明的是，开封部23只要是熔接强度比其他密封部22、22的熔接强度弱的部位即可，这样的构成可以通过如下方法形成：除了改变密封部22的熔点以外，例如，使开封部23的熔接压力小于其他密封部22、22的熔接压力，或者使开封部23的熔接宽度窄于其他密封部22、22的熔接宽度，或者使开封部23的熔接温度低于其他密封部22、22的熔接温度等。

另外，设置开封部23的位置没有特别的限定，但在电池模块100的使用状态下，如果开封部23位于单元电池10的重心位置的上侧，则从开封部23释放出的冷却剂施加到异常发热的单元电池10的上侧部分，因此能够进一步提高冷却效率。

图3以及图4是示意地表示本发明的一个实施方式中的电池模块100的构成的图，图3为俯视图，图4是沿图3的A-A的剖视图。

如图3以及图4所示，本实施方式中的电池模块100中配列有多个单元电池10并在壳体30内收容的单元电池10的附近配置有密封有冷却剂的冷却单元20，冷却单元20具有开封部(未图示)，该开封部在单元电池10上升至规定温度以上时其的一部分开封而释放出冷却剂。在此，冷却单元20中收容的冷却剂由通过添加增稠剂而将粘度调节在2～350Pa·S的范围内的液体构成。

单元电池10可以使用例如圆筒形的锂离子二次电池。锂离子二次电池是将正极板和负极板隔着隔膜卷绕而成的电极组与电解液一起收容在电池壳体中。电池壳体的开口部用封口板封口，封口板的突起部11成为正极端子，电池壳体的底部成为负极端子。另外，多个单元电池10在壳体30内彼此串联连接或并联连接。

另外，冷却单元20可以采用例如如图2所示的构成。本实施方式中，冷却单元20配置在相邻的单元电池10之间，而且相对于多个单元电池10，冷却单元20是一体地形成的。

本实施方式中，在构成电池模块100的单元电池10由于内部短路等而异常发热时，位于异常发热的单元电池10的附近的冷却单元受到来自异常发热的单元电池10的热而使温度上升。另外，单元电池10异常发热时，冷却单元20的开封部开封而使被调节至规定的粘度范围内的冷却剂释放到异常发热的单元电池10中。例如，在开封部由熔点比其他密封部的熔点低的熔融粘接层进行熔接的情况下，在开封部的温度达到熔点以上的时间点，开封部开封。另外，在开封部由熔接强度比其他密封部的熔接强度弱的部位构成的情况下，冷却剂被加热而气化，在冷却单元20内达到规定的压力以上的时间点，开封部开封。

这样，当在单元电池10异常发热时，使位于异常发热的单元电池10的附近的冷却单元20的开封部开封，冷却剂被释放到异常发热的单元电池10中时，由于冷却剂被调节至规定的粘度范围内，因此冷却剂能够长时间与异常发热的单元电池10接触。因此，通过由充分量的冷却剂产生的气化热，能够将异常发热的单元电池10冷却，因而可以使异常发热的单元电池10的温度迅速地降低。由此，能够防止从异常发热的单元电池10向周边的单元电池10连锁地扩大异常发热。另外，通过将冷却剂的粘度调节至规定的范围内，冷却剂的冷却效率提高，因此可以通过少量的冷却剂来降低异常发热的单元电池10的温度。其结果，能够实现单位质量的能量密度高、安全性优良的电池模块100。

在此，冷却单元20被配置在单元电池10的附近，其距离只要是来自异常发热的单元电池10的热传导至冷却单元20而使温度上升、从而使冷却单元20的开封部开封的距离即可。

图5是由空气层的导热率(20℃下为0.0234W·m^-1·K^-1)通过计算求出距离异常发热的单元电池10的侧面分别为1mm、3mm、5mm的地点处的温度的值的曲线图。在此，求出单元电池10的侧面的温度分别在300℃、500℃时的各地点处的温度。

如图5所示，相对于单元电池10的侧面的温度300℃、500℃，即使是在距离单元电池10的侧面为1mm的地点处的温度也分别达到210℃、345℃。由此可知，即使将冷却单元20配置在距单元电池10为约1mm的距离处，也能够通过来自异常发热的单元电池10的热传导至冷却单元20而使温度上升，由此使冷却单元20的开封部开封。

这样，冷却单元20只要配置在单元电池10的附近即可，当然也可以与单元电池10的外表面相接触地配置。此时，优选至少冷却单元20的开封部23与单元电池10的外表面相接触地配置。

图6是示意地表示本发明的其他实施方式中的电池模块110的构成的俯视图，与图3所示的电池模块100的构成相比，冷却单元20的构成是不同的。

即，如图6所示，本实施方式中的冷却单元20沿单元电池10的外周配置，并且相对于多个单元电池10，该冷却单元20是一体地形成的。例如，在圆筒形的单元电池10的情况下，沿着单元电池10的侧面的大致半周配置冷却单元20。

在此，冷却单元20具备开封部(未图示)，该开封部在单元电池10上升至规定温度以上时其的一部分开封而释放出冷却剂。另外，冷却单元20中收容的冷却剂由通过添加增稠剂而将粘度调节至2～350Pa·S的范围的液体构成。

本实施方式中，冷却单元20沿单元电池10的外周配置，因此与异常发热的单元电池10相面对的冷却单元20的面积增加，从冷却单元20的开封部释放出的冷却剂完全地向单元电池10的外周供给。其结果，能够更有效地将异常发热的单元电池10冷却。

图7是示意地表示本发明的其他实施方式中的电池模块120的构成的俯视图，与图3所示的电池模块100的构成相比，配置冷却单元20的位置是不同的。

即，如图7所示，本实施方式中的冷却单元20相对于配列的各单元电池10配置在一个方向侧(图7中为单元电池10的上方)。在该情况下，相对于全部单元电池10只要配置1个冷却单元20即可，因此能够缩小在电池模块120内冷却单元20所占的区域。

以上通过优选的实施方式对本发明进行了说明，但这样的记述并不是限定事项，当然也可以进行各种改变。例如，在上述实施方式中，虽然是将构成电池模块的单元电池10设定为锂离子二次电池，但也可以是其他的二次电池(例如镍氢电池)。另外，单元电池10不仅可以是圆筒形电池，也可以是方形电池和层叠电池。

另外，上述实施方式中，虽然是由密封了冷却剂的层压膜构成冷却单元20，但也可以例如是如下的构成：具备检测冷却单元20的温度的温度传感器，具备检测冷却单元20达到规定温度以上而使在冷却单元20中设置的开封部强制开封的机构。另外，在冷却剂中也可以添加有防冻剂。

产业上利用的可能性

本发明中的电池模块适合用于个人电脑、手机等便携用电子设备的电源、或者电动工具、电动汽车等的驱动用电源等。

符号说明

10 单元电池

11 突起部

20 冷却单元

21 层压膜

22 密封部

23 密封部(开封部)

30 壳体

100 电池模块

Claims

1.一种电池模块，其是具备多个单元电池的电池模块，其中，

在所述单元电池的附近配置有密封有冷却剂的冷却单元，

所述冷却剂由粘度被调节至2～350Pa·S的范围的液体构成，

所述冷却单元由密封了所述冷却剂的层压膜构成并且具备开封部，该开封部在所述单元电池异常发热时其的一部分开封而释放出所述冷却剂。

2.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述液体由添加有增稠剂的水构成。

3.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述冷却单元配置在相邻的所述单元电池之间。

4.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述层压膜具有通过将其边缘进行熔融粘接而成的密封部，

所述开封部为所述密封部的一部分，且由熔接强度比该密封部的其他部位的熔接强度弱的部位构成。

5.根据权利要求4所述的电池模块，其中，所述层压膜包含熔点不同的2种熔融粘接层，所述开封部的熔融粘接层的熔点比其他密封部的熔融粘接层的熔点低。

6.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述冷却单元沿所述单元电池的外周配置。

7.根据权利要求1所述的电池模块，其中，相对于所述多个单元电池，所述冷却单元是一体地形成的。

8.根据权利要求2所述的电池模块，其中，所述增稠剂为选自羧甲基纤维素、黄原胶、明胶、藻酸中的至少一种。

9.根据权利要求1或2所述的电池模块，其中，所述冷却剂添加有防冻剂。

10.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述冷却单元的所述开封部与所述单元电池的外表面相接触地配置。