CN108075093A

CN108075093A - 电池组

Info

Publication number: CN108075093A
Application number: CN201711005478.3A
Authority: CN
Inventors: 石井胜; 神谷正人; 北条隆行; 金子哲也
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-11-08
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2018-05-25
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: JP2018077979A; JP6629710B2; KR20180051372A; CN108075093B; KR102092619B1; US11404715B2; US20180131032A1

Abstract

本发明公开的电池组，具备多个单电池排列单元，所述单电池排列单元是以电极体的正极和负极的层叠方向为排列方向排列有多个单电池而成的单元，该多个单电池排列单元以构成各单元的单电池的排列方向平行的方式并列配置。而且，在该电池组中，各个单电池排列单元中所含的单电池，均没有与同一单元中的相邻的单电池形成电直接连结的连接，而且经由母线与构成其他的单电池排列单元的任一单电池进行了电直接连结的连接。

Description

电池组

技术领域

本发明涉及电池组。详细而言，涉及以二次电池为单电池且具备多个该单电池的电池组。

背景技术

以锂离子二次电池、镍氢电池等二次电池或电容器等蓄电元件为单电池、且具备多个该单电池的电池组，作为车辆装载用电源或个人电脑、便携式终端等的电源其重要性不断提高。尤其是以轻量且能得到高能量密度的锂离子二次电池为单电池的电池组被优选用于车辆装载用的高输出电源等。

该电池组的一例如图9所示。该电池组100具备多个扁平的方形的单电池110A～110C，该多个单电池110A～110C沿着排列方向x以宽幅面(扁平面)相互相邻的方式排列。而且，在该电池组100中，在各个单电池110A～110C之间正极端子112和负极端子114通过母线140依次电连接。

但是，对于以这种二次电池为构成要素(单电池)的电池组，要求电池性能优异自不必说，还要求高水平的安全性。为此，曾提出了用于提高电池组的安全性的各种技术。例如，在日本特开2015－2113中公开了在外力作用于蓄电模块(电池组)的情况下可靠地防止在蓄电装置(单电池)间发生短路而使温度急剧上升的技术。

发明内容

然而，在将电池组装载于车辆等移动体来使用时，在如图10所示那样，如钉子那样的锐利的导电性异物F以沿着正极和负极的层叠方向贯穿各单电池的该正极132和该负极135的方式贯穿构成电池组100的多个单电池的情况下，在该被贯穿的各个单电池110A～110C中会产生短路电流，存在因该短路电流的焦耳热而导致单电池110A～110C的温度急剧上升的可能性。此时，在配置于最上游侧的第一个单电池110A中产生的温度上升与导电性异物刺入单个二次电池时产生的温度上升为相同的程度，但在配置于第二个及其以后的位置的单电池110B、110C中会产生比第一个单电池110A急剧的温度上升。

例如，若导电性异物F沿着上述正极和上述负极层叠方向贯穿各个单电池110A～110C，则经由母线140和导电性异物F在多个单电池110A、110B之间发生流通短路电流E1的外部短路。在该情况下，向第二个单电池110B的负极135流入在该第二个单电池110B的内部产生的短路电流E2和上述外部短路的短路电流E1这两种短路电流(合计700A左右)，因此在第二个单电池110B中会产生急剧的温度上升。而且，对于具备2个以上的单电池的电池组而言，在配置于第二个及其以后的位置的单电池(例如图10中的单电池110C)中也会产生因外部短路引起的急剧的温度上升。

本发明提供在锐利的导电性异物刺入连接有多个单电池的电池组时能够抑制在多个单电池之间发生的外部短路，能够很好地抑制由短路电流所致的单电池的急剧的温度上升的电池组。

根据本发明，提供以下构成的电池组。

在此公开的电池组，具备多个彼此相同形状的作为单电池的方形电池，所述方形电池是将层叠有正极和负极的结构的电极体收纳于方形的电池壳内而成的。该电池组具备多个单电池排列单元，所述单电池排列单元是以电极体中的正极和负极的层叠方向为排列方向相互相邻地排列有多个单电池而成的单元，该多个单电池排列单元以构成各单元的单电池的排列方向大致平行的方式并列配置。而且，在此公开的电池组中，各个单电池排列单元中所含的单电池，均没有与同一单电池排列单元中的相邻的单电池形成电直接连结的连接，而且经由母线与构成其他的单电池排列单元的任一单电池进行了电直接连结的连接。

在此公开的电池组中具备多个单电池排列单元，所述单电池排列单元是多个单电池排列而成的，该多个单电池排列单元大致平行地配置。在如钉子那样的锐利的导电性异物刺入该结构的电池组的情况下，导电性异物刺入大致平行配置的多个单电池排列单元之中的一个单电池排列单元，并贯穿构成该一个单电池排列单元的各个单电池。而且，在此公开的电池组中，在同一单电池排列单元中相邻的单电池之间没有形成电直接连结的连接，因此即使导电性异物以贯穿构成电池组的多个单电池排列单元之中的一个单电池排列单元的方式刺入，也不会发生经由该导电性异物和母线的外部短路，因此能够抑制由短路电流所致的单电池的急剧的温度上升。

在此公开的电池组，也可以以母线在与单电池的排列方向不同的方向上延伸的方式构建电连接。

关于在此公开的电池组，也可以以单电池的排列方向与装载有电池组的车辆的行进方向成为相同方向的方式调整电池组的朝向来构成单电池排列单元。

附图说明

参照以下附图，对本发明的典型实施方式的特点、优点、以及技术上和工业上的显著意义进行说明，在所述附图中，同样的标记表示同样的构件，其中：

图1为示意性地表示构成本发明的一个实施方式涉及的电池组的单电池的立体图。

图2为示意性地表示构成本发明的一个实施方式中的电极体的各构件的说明图。

图3为示意性地表示本发明的一个实施方式中的电极体的构成的立体图。

图4为示意性地表示本发明的一个实施方式涉及的电池组的俯视图。

图5为示意性地表示导电性异物刺入本发明的一个实施方式涉及的电池组的状态的说明图。

图6为示意性地表示本发明的另一实施方式涉及的的电池组的俯视图。

图7为示意性地表示试验例3的电池组的俯视图。

图8为示意性地表示试验例4的电池组的俯视图。

图9为示意性地表示相关技术的电池组的俯视图。

图10为示意性地表示导电性异物刺入相关技术的电池组的状态的说明图。

具体实施方式

以下，作为本发明的一个实施方式涉及的电池组，举例说明以锂离子二次电池为单电池、且连接多个该锂离子二次电池而成的电池组。再者，在此公开的电池组中，作为单电池使用的电池并不限定于锂离子二次电池，例如可使用具备层叠电极体的镍氢电池等。

另外，在以下的附图中，对发挥相同作用的构件和部位标记相同的标记进行说明。再者，各图中的尺寸关系(长度、宽度、厚度等)并不反映实际的尺寸关系。另外，在本说明书中除特别提及的事项以外的实施本发明所需的事项(例如电解质的构成和制法、锂离子二次电池的构建所涉及的一般技术等)可以作为该领域中的基于相关技术的技术人员的设计事项来把握。

1.单电池的构成

首先，对构成本实施方式涉及的电池组的单电池进行说明。图1为示意性地表示构成本实施方式涉及的电池组的单电池的立体图，图2为示意性地表示构成本实施方式中的电极体的各构件的说明图，图3为示意性地表示本实施方式中的电极体的构成的立体图。构成本实施方式涉及的电池组的单电池10，通过将图2和图3所示的电极体30收纳于图1所示的方形的电池壳50内来构成。

(1)电池壳

如图1所示，电池壳50由上表面敞开的扁平的方形的壳主体52、和堵塞该上表面的开口部的盖体54构成。电池壳50优选由例如金属、树脂等构成。另外，在构成电池壳50的上表面的盖体54上设有正极端子12和负极端子14。虽然省略了图示，但是，正极端子12与电池壳50内的电极体的正极连接，负极端子14与负极连接。再者，正极端子12优选由铝、铝合金等构成，负极端子14优选由铜、铜合金等构成。

(2)电解液

将电解液与电极体30(参照图3)一起收纳于上述的电池壳50的内部。作为电解液，可以无特别限定地使用与相关技术的锂离子二次电池中所用的电解液同样的电解液，例如可以使用使碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合溶剂(例如体积比为3：4：3)以约1mol/L的浓度含有六氟磷酸锂(LiPF₆)的非水电解液。

(3)电极体

在本实施方式中，使用层叠有正极和负极的结构的电极体。具体而言，如图2和图3所示，本实施方式中的电极体30是通过将多个矩形的片状的正极31和负极35交替地层叠而形成的层叠电极体，在正极31与负极35之间配置有隔板38。再者，本说明书中的“层叠有正极和负极的结构的电极体”并不限定于上述的层叠有多个正极和负极的层叠电极体。例如，作为电极体，也可使用通过将使长的片状的正极和负极隔着隔板而层叠成的长的层叠体在长度方向上卷绕而制作的卷绕电极体。

另外，关于构成电极体30的各材料，可以无特别限定地使用与相关技术的锂离子二次电池中所用的各材料同样的材料。例如，正极31可通过对由矩形形状的铝箔等构成的正极集电体32的表面赋予正极活性物质层33来构成。在正极活性物质层33中包含正极活性物质和其他的添加材料。作为正极活性物质，可以使用包含锂元素和一种或两种以上的过渡金属元素的含锂化合物(锂过渡金属复合氧化物)。作为该锂过渡金属复合氧化物，可列举锂镍复合氧化物(例如LiNiO₂)、锂钴复合氧化物(例如LiCoO₂)、锂锰复合氧化物(例如LiMn₂O₄)或锂镍钴锰复合氧化物(例如LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂)之类的三元系含锂复合氧化物等。作为其他的添加材料，可列举导电材料、粘合剂。作为导电材料，可列举例如炭黑、碳纤维等碳材料等。另外，作为粘合剂，可列举例如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氯乙烯(PVDC)、聚环氧乙烷(PEO)、聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)等。

另一方面，负极35可通过对由矩形形状的铜箔等构成的负极集电体36的表面赋予包含负极活性物质的负极活性物质层37来构成。在负极活性物质层37中包含负极活性物质和其他的添加材料。作为负极活性物质，例如可以使用石墨(graphite)、难石墨化碳(硬碳)、易石墨化碳(软碳)、碳纳米管、或将这些物质组合而成的碳材料。另外，作为其他的添加材料，可以适宜地使用粘合剂、增稠剂、分散剂等。例如，作为粘合剂，可以使用与在上述的正极活性物质层中所使用的粘合剂同样的粘合剂。作为增稠剂，可以使用羧甲基纤维素(CMC)、甲基纤维素(MC)等。

另外，作为隔板38，可使用具备使正极31和负极35电绝缘的功能、保持非水电解质的功能等的树脂制的多孔性片(膜)。作为该隔板38，例如可以使用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酯、纤维素、聚酰胺等。

2.电池组的构成

图4为示意性地表示本实施方式涉及的电池组的俯视图。如图4所示，本实施方式涉及的电池组1，具备6个上述构成的单电池10，通过利用母线将该6个单电池10的正极端子12和负极端子14电连接来构建。以下，对本实施方式涉及的电池组1的构成进行具体说明。再者，以下，为了便于说明，将向外部敞开的具有作为正极端子的正极输出端子12a的单电池10A称为第一个单电池10A，将具有负极输出端子14a的单电池10F称为第六个单电池10F。而且，在利用母线40实现的电连接中，配置在第一个单电池10A与第六个单电池10F之间的单电池分别称为第二个单电池10B～第五个单电池10E。

如图4所示，在本实施方式涉及的电池组1中，通过沿着排列方向x排列3个单电池10，从而形成2个单电池排列单元A、B。各个单电池排列单元A、B中的单电池10的排列方向x与电极体30的正负极的层叠方向y(参照图3)相同。以下，为了便于说明，将图4中的上侧的单电池排列单元A称为“第一列单电池排列单元A”，将下侧的单电池排列单元B称为“第二列单电池排列单元B”。第一列单电池排列单元A是通过使第二个单电池10B、第四个单电池10D和第六个单电池10F以宽幅面(扁平面)对向的方式相互相邻地排列从而构成的。另一方面，单电池排列单元B是通过使第一个单电池10A、第三个单电池10C和第五个单电池10E以宽幅面对向的方式相互相邻地排列从而构成的。

另外，第一列单电池排列单元A和第二列单电池排列单元B以构成各个单电池排列单元的单电池10的排列方向大致平行的方式并列配置。在本实施方式中，以构成第一列单电池排列单元A的各单电池10的窄幅面与构成第二列单电池排列单元B的各单电池10的窄幅面对向的方式，相互相邻地配置了第一列单电池排列单元A和第二列单电池排列单元B。通过这样配置各个单电池排列单元A、B，第一列单电池排列单元A和第二列单电池排列单元B被大致平行地配置，构成第一列单电池排列单元A的各单电池10B、10D、10F的正极端子12与构成第二列单电池排列单元B的各单电池10A、10C、10E的负极端子14接近。再者，在本说明书中，“大致平行”不仅包括构成各个单电池排列单元的单电池的排列方向完全平行的情况，而且还包含构成第二列单电池排列单元B的各单电池的排列方向相对于构成第一列单电池排列单元A的各单电池的排列方向倾斜－5°～+5°的情况。

另外，在本实施方式涉及的电池组1中，单电池排列单元A、B各自所包含的单电池10A～10F，均没有与同一单电池排列单元中的相邻的单电池电形成电直接连结的连接，而且经由母线40与构成其他的单电池排列单元的任一单电池进行了电直接连结的连接。即，本实施方式涉及的电池组1，与将各个单电池沿着排列方向x依次电连接的相关技术的电池组(参照图9)不同，其以母线40在与单电池的排列方向x不同的方向上延伸的方式构建电连接。具体而言，第二列单电池排列单元B中所含的第一个单电池10A，没有与同一第二列单电池排列单元B中相邻的第三个单电池10C电直接连结地连接，而且经由母线40与作为其他列的单元的第一列单电池排列单元A的第二个单电池10B电直接连结地连接。而且，关于第二个单电池10B也同样，没有与第一列单电池排列单元A中相邻的第四个单电池10D电直接连结地连接，而是与第二列单电池排列单元B的第三个单电池10C电直接连结地连接。以下，虽然省略详细的说明，但在本实施方式涉及的电池组1中，关于第三个单电池10C～第六个单电池10F也同样，没有与同一单电池排列单元中相邻的单电池电直接连结地连接，而且与其他的单电池排列单元中所含的单电池之间形成了电直接连结的连接。

对钉子等导电性异物F刺入具有这样的构成的本实施方式涉及的电池组1的情况进行说明。图5为示意性地表示导电性异物F刺入本实施方式涉及的电池组的状态的说明图。

例如，如图5所示，在如钉子那样的锐利的导电性异物F刺入本实施方式涉及的电池组1的情况下，该导电性异物F刺入大致平行配置的2个单电池排列单元A、B中的任一个单电池排列单元(在图5中为单电池排列单元B)，从而贯穿构成该单电池排列单元B的各单电池10A、10C、10E。此时，在本实施方式涉及的电池组1中，由于没有将构成第二列单电池排列单元B的各个单电池10A、10C、10E彼此经由母线40直接连结地连接，因此即使导电性异物F贯穿构成第二列单电池排列单元B的单电池10A、10C、10E，也不会形成经由母线40和导电性异物F的导电路径。因此，根据本实施方式涉及的电池组1，即使是导电性异物F刺入了的情况也不会产生经由母线40的外部短路的短路电流E1，而仅是在各个单电池10A、10C、10E中产生内部短路的短路电流E2，因此不会产生由外部短路的短路电流E1所致的急剧的温度上升，能够将各个单电池的温度上升抑制在与在导电性异物刺入了单个二次电池的情况下产生的温度上升相同的程度。

再者，在上述的说明中，例示了导电性异物F刺入了第二列单电池排列单元B的情况，但关于第一列单电池排列单元A也同样，没有将构成单电池排列单元A的各个单电池10B、10D、10F彼此经由母线40直接连结地连接。因此，即使是导电性异物F刺入了第一列单电池排列单元A的情况，也不会发生经由母线40的外部短路，能够抑制急剧的温度上升。

另外，在将本实施方式涉及的电池组1装载于车辆等移动体时，优选以构成各个单电池排列单元A、B的单电池的排列方向x与车辆等移动体的行进方向成为相同方向的方式调整电池组1的朝向。由此，在导电性异物F刺入电池组1时，该导电性异物F容易仅刺入大致平行配置的2个单电池排列单元A、B中的任一个单电池排列单元，因此能够更好地发挥上述的效果。

再者，在上述的实施方式中，例示了具备两个由3个电池组构成的单电池排列单元A、B的电池组1，但单电池排列单元的数量、构成该单电池排列单元的单电池的数量并无特别限定。例如，如图6所示，即使是并列有三个由3个单电池10构成的单电池排列单元A、B、C的电池组1A的情况，也不将构成同一单电池排列单元的单电池彼此电直接连结地连接，而是将构成其他的单电池排列单元的单电池彼此经由母线40电直接连结地连接，由此能够防止发生经由母线40的外部短路。

[试验例]

以下，对本发明涉及的试验例进行说明，但以下的试验例并不意图限定本发明。

1.试验例的电池组的制作

(1)试验例1

制作了在厚度为12μm的正极集电体(铝箔)的两面形成有将正极活性物质(LiNi_1/ ₃Co_1/3Mn_1/3O₂)、导电材料(乙炔黑)和粘合剂(PVDF)以质量比94：3：3的比例混合得到的正极活性物质层的矩形形状的正极。另一方面，制作了在厚度为10μm的负极集电体(铜箔)的两面形成有将负极活性物质(石墨)、增稠剂(CMC)和粘合剂(SBR)以质量比98：1：1的比例混合得到的负极活性物质层的矩形形状的负极。然后，使上述的正极和负极隔着隔板各层叠70片，由此制作了层叠电极体，将该层叠电极体与电解液一起收纳于图1所示的方形的电池壳(宽度W为148mm、厚度D为26.4mm、高度H为91mm)中，制作出容量为35Ah的单电池。

而且，在试验例1中，制作了6个上述的单电池10，并如图4所示那样形成两个沿着排列方向x排列有3个单电池的单电池排列单元A、B。然后，以构成第一列单电池排列单元A的单电池10B、10D、10F的排列方向与构成第二列单电池排列单元B的单电池10A、10C、10E的排列方向大致平行的方式，并列配置各个单电池排列单元A、B，并以规定的拘束压力来拘束所配置的各个单电池10A～10F。然后，以构成各个单电池排列单元A、B的单电池10没有与同一单电池排列单元中相邻的单电池连接而与构成其他列的单电池排列单元的单电池连接的方式，构建了通过母线40来实现的电连接。

(2)试验例2

在试验例2中，经过与上述的试验例1相同的步骤制作了9个单电池10，然后，如图6所示，形成三个沿着排列方向x排列有3个单电池10的单电池排列单元A、B、C，将该三个单电池排列单元A、B、C并列配置。然后，与试验例1同样，将各个单电池10没有与同一单电池排列单元中相邻的单电池电连接而与构成其他列的单电池排列单元的单电池电连接。

(3)试验例3

在试验例3中，经过与试验例1相同的步骤制作了5个单电池210，然后，如图7所示，使该5个单电池210沿着电极体(省略图示)的层叠方向(即，排列方向x)排列后，将相邻的单电池210间的正极端子212和负极端子214经由母线240进行连接，从而构建了电池组200。再者，在图7所示的电池组200中，在排列方向x的一个端部配置有具备正极输出端子212a的单电池210，在另一端部配置有具备负极输出端子214a的单电池210。

(4)试验例4

如图8所示，在试验例4中，与上述的试验例1同样地制作了6个单电池310A～310F，沿着排列方向x排列3个单电池310，形成2个单电池排列单元A、B，所形成的单电池排列单元A、B以大致平行的方式并列配置。然后，在试验例4中，以将相邻的单电池彼此从具有正极输出端子312a的第一个单电池310A朝向具有负极输出端子314a的第六个单电池310依次连接的方式，在各个单电池310A～310F之间经由母线340连接正极端子312和负极端子314。具体而言，试验例4的电池组300与试验例1的电池组的不同之处在于：第二个单电池310B与第三个单电池310C的电连接、和第四个单电池310D与第五个单电池310E的电连接成为在同一单电池排列单元中相邻的单电池彼此的连接。

2.评价试验

作为评价所构建的试验例1～试验例4的电池组的评价试验，进行了以下的钉刺试验。在该钉刺试验中，首先，在25℃的温度环境下将上述试验例1～试验例4的电池组调整成SOC100％的充电状态。接着，在电池壳的外表面贴附2个热电偶，将钨制的钉子沿着单电池的排列方向x刺入。再者，该钉子的直径为6mm，尖端的角度为60°，在方形的电池壳的宽幅面的中央附近使该钉子以25mm/秒的速度垂直地扎刺。再者，在试验例1、2、4中，使钉子以贯穿构成多个单电池排列单元之中的单电池排列单元A的各单电池的方式扎刺，在试验例3中，使钉子以贯穿全部单电池的方式扎刺。

(1)短路电流的测定

在对试验例1～试验例4的电池组进行上述钉刺试验的期间，测定了在将各个单电池电连接的母线中流通的电流来作为外部短路的短路电流。在各个试验例中测定出的外部短路的短路电流的最大值示于表1中。

(2)最高温度的测定

在对试验例1～试验例4的电池组进行上述钉刺试验的期间，测定了构成各个电池组的单电池的温度。测定出的温度之中，最高的温度作为单电池的最高温度示于表1中。

表1

	短路电流的最大值(A)	单电池的最高温度(℃)
			试验例1	0	400
试验例2	0	400
			试验例3	700	620
试验例4	700	620

3.评价结果

从表1所示的结果来看，在试验例1和试验例2中，没有产生经由母线的外部短路的短路电流，单电池的最高温度比试验例3、4低。由此可确认到：通过如试验例1和试验例2那样，构建并列配置有多个单电池排列单元的电池组，且不将同一单电池排列单元中相邻的单电池彼此直接连结地连接，而使构成其他单电池排列单元的单电池彼此经由母线直接连结地连接，由此能够防止在导电性异物刺入电池组时发生外部短路，能够抑制由短路电流所致的急剧的温度上升。

以上对本发明的具体例进行了详细说明，但这些具体例只不过是例示，并不限定本发明要保护的范围。将以上例示的具体例进行各种变形、变更后所得到的方案也包含在权利要求书所记载的技术中。

Claims

1.一种电池组，具备多个彼此相同形状的作为单电池的方形电池，所述方形电池是将层叠有正极和负极的结构的电极体收纳于方形的电池壳内而成的，所述电池组的特征在于，包含：

多个单电池排列单元，各所述单电池排列单元是以所述电极体中的所述正极和所述负极的层叠方向为排列方向相互相邻地排列有多个所述单电池而成的单元，其中，

该多个单电池排列单元以构成各单元的单电池的所述排列方向平行的方式并列配置，

各个所述单电池排列单元中所含的单电池，均没有与同一单电池排列单元中的相邻的单电池形成电直接连结的连接，而且经由母线与构成其他的单电池排列单元的任一单电池进行了电直接连结的连接。

2.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，电池组以母线在与单电池的排列方向不同的方向上延伸的方式构建电连接。

3.根据权利要求1或2所述的电池组，其特征在于，以单电池的排列方向与装载有电池组的车辆的行进方向成为相同的方向的方式调整电池组的朝向来构成单电池排列单元。