CN103038933B - 电池模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电池模块，该电池模块迅速地降低由于异常状态而处于高温的单位电池的温度，不对周围的电池产生高温的影响。电池模块（200）构成为：作为二次电池的多个单位电池（100）收纳于盒（90），盒（90）具有分别收纳单位电池（100）的多个收纳部，单位电池（100）以与收纳部非接触的状态收纳于收纳部，并且当由于在单位电池（100）内产生的气体而该单位电池（100）发生了膨胀时，该单位电池（100）和收纳部接触。

Description

电池模块

技术领域

本发明涉及具有多个二次电池的电池模块。

背景技术

近年来，随着电子设备的多样化，需求高容量、高电压、高输出（功率）且高安全性的电池或将多个电池收纳于一个箱体的电池模块。已知特别是为了提供高安全性的电池或电池模块，在电池或电池模块中具有用于防止温度的上升的PTC（PositiveTemperatureCoefficient：正温度系数）或温度保险丝（fuse），而且还具有感知电池的内部压力并切断电流的保护电路等各种保护单元的技术。另外，还已知在电池模块中具有控制电池的充放电以使电池不处于异常状态（例如热失控状态）的控制电路的技术。

但是，即使具有如上所述的保护单元或控制电路，在将电池置于异常的条件下的情况下，电池也有可能处于高温，或者从内部喷出高温的可燃性气体。该情况下，收纳有电池的电池模块的箱体有可能破损、熔化、过热，或者喷出的可燃性气体泄漏到电池模块的外部。

作为防止这种现象的方法，提案有：在箱体中收纳有多个电池的电池模块中，一边使从电池放出的气体在箱体内扩散一边使温度和压力降低，从而向箱体的外部放出的方法（例如，参照专利文献1），或者在排列连接有多个具有在电池的内部的压力升压到规定值以上时放出气体的安全阀的单电池的单电池群中，安装膨胀成为管道状的囊（bag），当产生了大量的气体时通过该囊膨胀而形成管道（duct），之后使电池所放出的气体向外部排出，从而使排出气体的压力降低的方法（参照专利文献2）。

虽然上述的方法为放出产生的气体的方法，但是作为有关安全性的另一个重要的事情，可以举出在一个电池变为异常时，防止其诱发电池模块内的其他的电池的异常。例如专利文献3中公开有一种组电池，该组电池为了有效防止组电池中内置的二次电池的热失控诱发其他二次电池的热失控，将多个二次电池以平行的姿势邻接地收纳于外装盒，并且将利用冷却风冷却二次电池的冷却风管道设置于外装盒内，进而在相邻的二次电池之间设置塑料制的热失控防止壁，并且将该热失控防止壁一体成形在成形为插通二次电池的筒状的热传导筒，使热失控防止壁成为热传导筒的一部分。热传导筒具有将插通的二次电池的表面的一部分外露在冷却风管道的散热区域，利用送风至冷却风管道的冷却风，对外露在散热区域的二次电池的一部分进行冷却。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-322434号公报

专利文献2：日本特开2005-339932号公报

专利文献3：日本特开2007-66773号公报

发明内容

发明需要解决的课题

然而，在专利文献3中公开的技术中，存在以下问题：如专利文献3的图5所示，热失控的电池的温度达到400℃，进而即使从热失控发生开始经过4分钟，该电池的温度也为300℃左右，因此高温且危险的状态长期持续。这说明，只要使用热失控防止壁，改善是非常困难的。

本发明是鉴于所述的问题而完成的，其目的在于，提供一种使由于异常状态而变为高温的单位电池（unitcell）的温度迅速下降并且对周围的电池不产生高温的影响的电池模块。

用于解决课题的技术方案

本发明的电池模块将作为二次电池的多个单位电池收纳于盒中，上述盒具有分别收纳上述单位电池的多个收纳部，所述单位电池构成为，以非接触的方式收纳于上述收纳部，并且当由于在上述单位电池内产生的气体而该单位电池膨胀时，该单位电池和上述收纳部接触。

上述盒的热传导系数优选为50W/mK以上。

也可以热传导系数为0.5W/mK以下并且电绝缘性的保持部件存在于上述单位电池和上述收纳部之间的一部分，利用上述保持部件隔离上述单位电池和上述收纳部。

发明效果

单位电池以非接触的方式收纳于收纳部，在单位电池内产生气体而膨胀时该单位电池与收纳部接触，因此产生了气体的单位电池的热在盒内扩散，而该单位电池的温度下降，在没有产生气体的单位电池中由于没有来自收纳部的热传导，所以温度上升受到抑制而不产生内部短路等异常。

附图说明

图1是示意性地表示实施方式的电池模块所使用的单位电池的结构的截面图。

图2是示意性地表示实施方式的电池模块的结构的截面图。

图3是实施方式的电池模块的一部分的放大截面示意图。

图4是将配置有平板的单位电池的一端部的附近放大的局部截面图。

图5是实施方式的电池模块的分解立体图。

图6是从实施方式的电池模块的从前面侧观察的立体图。

图7是在实施方式的电池模块的单位电池内产生了气体的状态的一部分的放大截面示意图。

图8是另外的实施方式的电池模块的一部分的放大截面示意图。

具体实施方式

首先说明热失控。热失控是指由于内部短路或过充电等一些原因，单位电池的内部温度上升到200℃以上且电池内部的化学反应不断进行从而电池内部的温度不断加速上升的状态。此时，单位电池内的正极活性物质、负极活性物质被热分解，在单位电池内部产生高温的可燃性的气体，从而单位电池膨胀。

下面基于附图详细说明本发明的实施方式。在以下的附图中，为了说明的简洁，以相同的参照符号表示实质上具有相同功能的构成单元。

（实施方式1）

<单位电池>

图1是示意性地表示本发明的实施方式1的电池模块所使用的电池100的结构的截面图。其中，本发明的电池模块所使用的电池也可以是作为笔记本电脑等便携式电子设备的电源能够以单体使用的电池（以下，将电池模块所使用的电池称为“单位电池”）。此时，能够将高性能的泛用电池作为电池模块的单位电池使用，因此能够更加容易实现电池模块的高性能化、低成本化。

本发明的电池模块所使用的单位电池100例如能够采用如图1所示的圆筒形的锂离子二次电池。该锂离子二次电池是通常的结构，并且具有因内部短路等而在电池内部产生气体从而电池内的压力上升时，使气体排出到电池外的安全机构。下面参照图1说明单位电池100的具体的结构。

如图1所示，正极1和负极2隔着隔板（separator）3被卷绕的电极群4与非水电解液一起收纳于电池盒7。在电极群4的上下配置有绝缘板9、10，正极1经由正极导线（lead）5与过滤器（filter）12接合，负极2经由负极导线6与兼做负极端子的电池盒7的底部接合。

过滤器12与内盖（innercap）13连接，内盖13的突起部与金属制的阀片14接合。进而，阀片14与兼做正极端子的端子板8连接。并且，端子板8、阀片14、内盖13以及过滤器12成为一体通过垫圈（gasket）11对电池盒7的开口部进行封口。

当在单位电池100中发生内部短路等，而单位电池100内的压力上升时，阀体14向端子板8膨胀，当内盖13和阀体14的接合分开时，电流通路被切断。而且，单位电池100内的压力上升时，阀体14破裂。由此，在单位电池100内产生的气体经由过滤器12的贯通孔12a、内盖13的贯通孔13a、阀体14的裂缝和端子板8的开放部8a向外部排出。

另外，将单位电池100内产生的气体排出到外部的安全机构并不限于图1所示的结构，也可以是其他的结构。

<电池模块>

图2是示意性地表示本实施方式的电池模块200的结构的截面图。为了优先易于读图，没有表示单位电池100的内部结构，也省略了单位电池100的剖面线。另外，也省略了将单位电池100彼此进行电连接的部件。

图2所示的是多个单位电池100排列并联连接的组电池300的一个示意截面，电池模块200具有多个组电池300收纳在存储箱20内的结构。在此，组电池300是将多个单位电池100并联连接的单元。各单位电池100收纳在高热传导性的铝制（热传导系数：237W/mk）的盒90。大致圆筒形的单位电池100的侧面被盒90所包围。

如图3中放大表示的那样，盒90和单位电池100之间存在狭小的间隙55，处于非接触的状态。该间隙55由夹在盒90与单位电池100之间的第一保持部件23、第二保持部件24形成。即，盒90和单位电池100被第一保持部件23、第二保持部件24隔离。

第一保持部件23、第二保持部件24由低热传导性且电绝缘性的合成树脂构成，分别配置于大致圆筒形的单位电池100的圆筒下端部和上端部。由此，盒90和单位电池100之间的大部分为空气层即间隙55。另外，虽然图2看起来像是存在多个盒90并分别独立配置，但是如后所述实际上存储箱20内的盒90是连续的整体。

如图1所示，单位电池100具有将在单位电池100内产生的气体排出到电池外的开放部8a，存储箱20通过配置于多个单位电池100的一端侧（本实施方式中为正极端子8一侧）的平板（板状部件）30，被划分为收纳有多个单位电池100的电池收纳部和将从单位电池100的开放部8a排出的气体排出到存储箱20外的排气通路部60。并且，单位电池100的开放部8a经由形成于平板30的开口部30a与排气通路部60连通。

排气通路部60形成在平板30和存储箱20的护板（盖部）21之间。从单位电池100的开放部8a排出的气体经由形成于平板30的开口部30a排出到排气通路部60之后，从设置于存储箱20的排出口22排出到存储箱20外，即电池模块200外。

另外，平板30与单位电池100的一端部（本实施方式中为正极端子8一侧的端部）贴紧地配置，因此电池收纳部利用平板30成为密封状态。因此，从单位电池100的开放部8a经由平板30的开口部30a排出到排气通路部60的气体不会再次返回到电池收纳部。

图4是将配置有平板30的单位电池100的一端部的附近放大了的局部截面图。如图4所示，在正极端子8的突起部插入到平板30的开口部30a的状态下，电池盒7的肩部7a和平板30隔着弹性部件31贴紧。从而，从设置于正极端子8的突起部的开放部8a排出的气体，由于单位电池100的收纳部被平板30密封，所以不会再次返回到收纳部。另外，如果弹性部件31具有附着性，则还能够通过平板30赋予保持单位电池100的功能。另外，也可以不经由弹性部件31，将平板30直接与电池盒7的肩部7a贴紧。

接着参照图5、图6进一步具体说明本实施方式的电池模块的结构。

图5是更具体的电池模块的分解立体图，图6是从电池模块的盖部21一侧观察的立体图。

如图5所示，在树脂制的存储箱20内收纳有盒90、组电池300的集合体400、树脂制的中间板（panel）93，存储箱20的上表面被金属制（例如铝制）的护板（盖部）21堵塞，存储箱20的前表面被树脂制的前表面板94堵塞。第一保持部件23隐藏在盒90的下表面侧，第二保持部件24隐藏在将单位电池100彼此电连接的连接群85之下。组电池集合体400具有并联连接有20个单位电池100的组电池300串联连接7个的结构。也就是，20个单位电池100排成一列构成一组组电池300，组电池300排成7列构成组电池集合体400。在存储箱20的后表面设置有用于将从单位电池100产生的气体排出到电池模块200外的开口部（排出口）22。

由盖部21、中间板93和组电池集合体400的上表面形成排气通路部60，该排气通路部60对每个组电池300是独立的。即，构成为该电池模块200中排气通路部60被分为7列，各列彼此通过开口部22连通，但是在此以外的部分中气体互相不流通。也就是，在中间板93上设置有从平板30向盖部21延伸的隔壁部，该隔壁部将排气通路部60分为7列。另外，开口部22大致延伸整个存储箱20的后表面的横宽，与排气通路部60的各列直接相连。

各单位电池100通过连接群85互相串联连接和/或并联连接。连接群85具有将各单位电池100的负极并联连接的负极汇流条（busbar）和将各单位电池100的正极并联连接的正极汇流条。在组电池的集合体400的正极端子87上连接有正极汇流条，该正极端子87连接在设置于前表面板94的外部连接用的正极端子96上。组电池的集合体400的负极端子86上连接有负极汇流条，该负极端子86连接在设置于前表面板94的外部连接用的负极端子95上。

如图5所示，盒90形成有分别收纳构成组电池结合体400的各单位电池100的多个收纳部90a。收纳部90a呈贯通孔形状，孔是圆筒形。在该圆筒形的孔中收纳各单位电池100，但是盒90和单位电池100被第一保持部件23和第二保持部件24以非接触的状态保持。

从上述的构成可知，即使组电池集合体400内的一个单位电池100中发生异常而处于热失控的状态，从单位电池100喷出的气体也会从排气通路部60排出，产生的热不对周围的无异常的单位电池100产生大的影响，即不使周围的无异常的单位电池100产生热失控，这样地被扩散放出。该热的扩散、放出的机制（mechanism）是通过在单位电池100和盒90之间形成有间隙55来进行的热的扩散、放出的机制。

从单位电池100放出的高温的气体通过排气通路部60从开口部22排出时，电池收纳部和排气通路部60被平板30隔离，因此即使从一个单位电池100产生高温的气体，气体也不会与其他的单位电池100接触，并且气体通过排气通路部60排出到电池模块200外。

接着更详细地说明上述的热的扩散、放出的机制。

构成组电池集合体400的各单位电池100全部在通常（正常）的状态下进行充放电时，各单位电池100和盒90被隔离，在两者之间存在间隙55。但是，任意单位电池100中发生异常而处于热失控的状态时，该热失控状态的单位电池100由于在电池内部产生的可燃性的气体而膨胀，并与盒90接触，由于热失控而产生的热传递到盒90。图7表示单位电池100的侧壁和盒90接触的状态。盒90由高热传导性的铝（0℃情况下热传导系数237W/mK）构成，因此热失控状态的单位电池100的热迅速扩散到盒90整体，从盒90外表面散出热。

虽然通过热的扩散，热扩散之后的盒90的温度达到100℃左右，但是热失控状态的单位电池100以外的单位电池100由于处于与盒90非接触的状态，因此温度不会因来自盒90的热传导而上升。因而热失控状态的单位电池100以外的单位电池100不会处于异常的状态，热失控也不会连锁地在组电池集合体400之中扩散。虽然热失控状态的单位电池100以外的单位电池100由于来自盒的辐射而温度上升，但是温度不会上升到导致热失控的程度。并且，由于从盒90外表面散出热，所以盒90的温度迅速下降。

在专利文献3中公开的技术中，通过停止热的扩散来防止热传递到正常的单位电池，与此相比，本实施方式中通过使热迅速扩散到广的范围来降低温度，并且使该热不热传导到正常的单位电池100。

为了使上述的热的扩散、放出的机制发挥作用，重要的是间隙55中的盒90与单位电池100的距离（以下称为隔离距离（间距））和盒90与单位电池100之间的间隙55所占的比例（以下称为间隙比例）。根据单位电池100的大小、形状、内部的活性物质和电解质等物质的种类等，隔离距离（间距）改变为适当的距离。例如，如果是18650型锂离子电池，则隔离距离优选为0.5mm以下。但是，考虑制作盒90时的尺寸公差和电池本身的尺寸公差时，设定很小的隔离距离很困难。另外，间隙比例越大越好。间隙比例若为60%以上，则能够担保热失控时的盒90和单位电池100的接触，因此予以优选，若为80%以上，则能够可靠地进行热的扩散，因此更加予以优选。

另外，第一保持部件23和第二保持部件24由低热传导性的物质（例如热传导系数为0.26W/mK的聚氨酯（polyurethane））构成，因此实际上尽管两个保持部件23、24与盒90和单位电池100两者接触，也以使盒90和单位电池100实质上在热方面非接触的状态对它们进行隔离保持，并且具有满足上述的隔离距离和间隙比例的形状、大小。

如上所述，本实施方式的电池模块200使盒90和单位电池100为在热方面非接触的状态，并在两者之间设置有间隙55，因此即使一个单位电池100发生异常而处于热失控状态，除此之外的单位电池100中也不会连锁地发生热失控，能够防止电池模块200整体变为高温。另外，由于盒90采用铝制，因此能够使电池模块200减轻重量。如果对盒90的外表面进行氧化铝膜（alumite）处理，则在单位电池100成为失控状态之后，即使为了修理而人接触到盒90，也由于盒90外表面是电绝缘的，而很安全。

（实施方式2）

实施方式2的电池模块中，将盒和单位电池隔离的保持部件与实施方式1不同，而除此之外都与实施方式1相同，因此下面说明与实施方式1不同的点。

本实施方式的电池模块，如图8所示，使用在单位电池100的侧面上端附近和下端附近插入由低热传导系数的物质构成的环23’、24’并将环23’、24’和单位电池100固定的单位电池100。该环23’、24’为保持部件。作为环23’、24’的原材料使用与实施方式1的第一保持部件23、第二保持部件24的原材料相同的原材料即可。插入环23’、24’的位置优选为单位电池100的侧面上端附近和下端附近，使得在单位电池100内产生了可燃性的气体时与盒90接触的单位电池100的侧面的面积尽量大。由于将环23’、24’插入到单位电池100进行了固定之后将单位电池100插入到盒90的收纳部，但是考虑到插入时的摩擦阻力，环23’、24’优选使用粘合剂进行固定或通过弹力紧固单位电池100。另外，优选涂敷润滑剂或使用摩擦阻力小的材料，使得环23’、24’的与盒90接触的一侧的表面与盒90的摩察系数较小。

实施方式2的电池模块起到与实施方式1中的效果同样的效果，并且由于模块侧的零件数量减少，与实施方式1相比，能够削减成本。

（其他的实施方式）

到目前为止说明的实施方式为本发明的例子，本发明并不限于这些例子。电池的形状或大小不特别受到限制。可以是棱柱形状的单位电池或将横截面为将长方形的两个短边取代为半圆的形状的柱状电池，也可以是除此以外的形状。

盒的原材料可以为热传导系数大的金属，也可以使用在塑料中混入热传导系数大的填充物（filler）（例如碳）的原材料或热传导系数大的树脂或碳纤维。作为盒整体，热传导系数为50W/mK以上即可。例如为碳钢（热传导系数：50W/mK）以上的热传导系数即可。作为盒整体若为100W/mK以上，则热的扩散迅速地进行，因此更予以优选。

也可以具有冷却盒的结构。例如，也可以对盒的外表面进行空冷或水冷。

一个模块中具有两个以上的单位电池即可。即，这是因为本发明的主旨在于即使位于一个模块内的单位电池中的一个发生热失控，其他的单位电池也不发生热失控。

第一保持部件23、第二保持部件24的形状为能够隔离单位电池100和盒90的形状即可，不需要是如图2、3所示的与存储箱20或平板30接触的形状。保持部件的热传导系数若为0.5W/mK以下，则能够使单位电池和盒充分地处于在热方面非接触的状态，因而予以优选。作为具有例如0.5W/mK以下的热传导系数的材料，可以考虑聚碳酸酯（0.19W/mK）、聚苯乙烯（0.11W/mK）、空气（0.03W/mK）等。若为0.2W/mK以下，则能够更加有效地将单位电池和盒在热方面进行隔离，因而更予以优选。另外，对于一个单位电池，保持部件可以为一个。另外，也可以将固定于收纳部90a的内壁的多个突起作为保持部件使用。

工业上的可利用性

如上面所说明，本发明的电池模块，能够防止连锁地发生热失控，因此有用于使用锂离子电池的电池模块等。

符号说明

23第一保持部件

24第二保持部件

90盒

90a收纳部

100单位电池

200电池模块

Claims (5)

1.一种电池模块，其特征在于：

该电池模块为将作为二次电池的多个单位电池收纳于盒内的电池模块，

所述盒具有分别收纳所述多个单位电池的多个收纳部，

所述多个单位电池的各单位电池以非接触的方式收纳于所述多个收纳部的各收纳部，并且当所述多个单位电池中的任意单位电池处于热失控状态，在该单位电池的内部产生气体而使该单位电池膨胀时，膨胀了的该单位电池和所述收纳部接触，将膨胀了的所述单位电池的热传导至所述盒，所述热失控状态以外的单位电池处于与所述收纳部非接触的状态。

2.如权利要求1所述的电池模块，其特征在于：

所述盒的热传导系数为50W/mK以上。

3.如权利要求1所述的电池模块，其特征在于：

热传导系数为0.5W/mK以下并且电绝缘性的保持部件存在于所述单位电池和所述收纳部之间的一部分，利用所述保持部件隔离所述单位电池和所述收纳部。

4.如权利要求1～3中的任一项所述的电池模块，其特征在于：

所述单位电池为柱状，

所述收纳部包围所述单位电池的侧面。

5.如权利要求3所述的电池模块，其特征在于：

所述单位电池为柱状，

所述收纳部包围所述单位电池的侧面，

所述保持部件为固定于所述单位电池的侧面上端附近和下端附近的环。