JP2006318676A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 過大電流が流れた場合でも、素電池内で発生した可燃性ガスが発火することを抑制することのできる電池モジュールを提供する。
【解決手段】 過大電流の流れた際にニッケル水素電池１０内で発生する多量の水素ガスが、ニッケル水素電池１０に設けられたガス排出弁４１およびガス排出口４２を経由して排出されても、過大電流を遮断するために設けられた高抵抗のバスバー３が、排出された水素ガスの流通する経路を除く位置に設けられているため、電池モジュールにおける発火を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、電池モジュールに関し、特に、素電池に対する保護素子の配設形態に関する。

近年、二次電池（蓄電池）の用途が急速に拡大し、パーソナルコンピュータ、携帯電話、電動工具、電気自動車、ハイブリッド車（ＨＥＶ）、電動アシスト自転車等の電源として、蓄電池は広範囲にわたり使用されている。
特に、電気自動車やＨＥＶ等の動力源、電力貯蔵用電源等として蓄電池を使用する場合では、高出力の電源が要求されるため、複数個の蓄電池を、金属製の接続部品により電気的に直列に接続した蓄電池モジュールが用いられる。このとき、上記接続部品には、素電池内部の電気抵抗より電気抵抗の低いものが用いられている。

かかる蓄電池モジュールに、不慮に過大電流が継続的に流れた場合、素電池内において、通常の反応速度を超える負荷がかかることとなって、例えば、素電池として、ニッケル水素電池を用いていると、多量の水素ガスが発生する。
一般に、蓄電池には、ガス排出弁が設けられているので、内圧が規定値に達した時点で弁が開放状態となり、電池外方にガスを放出する。これにより素電池の内圧が大幅に上昇することを抑制できるが、素電池内部の高抵抗部分が発する熱により、残存する水素ガスが発火するという問題がある。

このような問題に対し、特許文献１に記載された考案を適用して、上記接続部品に、素電池内部の電気抵抗よりも電気抵抗が高く設定され、高抵抗時に溶断される部品（可溶片）を用いると、蓄電池モジュールに過大電流が流れた際、電流経路を遮断することができ、かつ、素電池内部での赤熱を抑制できるので、発火を抑制することができる。
実開昭５５−１４１４４８号公報

しかし、特許文献１記載の考案では、過大電流が発生してから電流経路が遮断されるまでに、すでに水素ガスが発生して、ガス排出弁から排出されており、この水素ガスが、赤熱している可溶片により、素電池外で発火する可能性がある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、過大電流が流れても、電池内外の発火を抑制することのできる電池モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、少なくとも対向する２端面を有する筒体で構成され、一方の端面にガス排出弁が設けられている素電池と、電流入出力経路上に設けられた保護素子とを有する電池モジュールに対し、上記保護素子を、素電池の内部抵抗よりも高い電気抵抗に設定し、かつ、ガス排出弁が設けられている端面に対し他方の端面に配設させた。

上記の電池モジュールでは、上記保護素子の電気抵抗を、素電池内部の電気抵抗よりも高くなるように設定したため、万が一、過大電流が流れた場合、素電池外部にある上記保護素子にて高温となり溶断されることで、素電池内部が高温になるのを抑制できるので、素電池内での発火を抑制できる。
なおかつ、上記保護素子を、排出弁の設けられた端面とは異なる端面に配設させたため、ガス排出弁から可燃性ガスが排出されることを想定した場合に、電池外に排出された可燃性ガスが、高温の保護素子に接触することがない。したがって、電池の中でも外でも発火を抑制することができる。

この素電池において、最も電気抵抗の高い部分は、素電池における負極集電体と外装缶との間および正極集電体と封口体との間であることから、上記保護素子の電気抵抗を、これらより高くなるように設定しておくと、実質的に素電池内部の電気抵抗よりも高い電気抵抗に設定したこととなるので、好ましい。
上記素電池に水素原子、酸素原子を含む電池、例えばニッケル水素電池を採用した場合では、過大電流が流れたときに水素を含むガスが発生しても、上記高温の保護素子により発火される可能性を抑制することができるので好ましい。

（実施の形態１）
本実施の形態における電池モジュールについて、図1〜１０を用いて説明する。
＜電池モジュールの構成＞
図１は、本実施の形態における電池モジュールの構成を示す概略構成図である。
図１に示すように、本実施の形態における電池モジュールでは、例えば、２本の柱状の蓄電池ユニット１０１，１０２が、並列になるように配され、かつ電気的に直列になるように接続されている。

蓄電池ユニット１０１，１０２同士を接続する接続部品として、バスバー１が、一方の蓄電池ユニット１０１の負極側端部に設けられた負極用ナット９１と、他方の蓄電池ユニット１０２の正極側端部に設けられた正極用ナット８２とを連結している。
また、外部と電流の入出力をするための接続部品として、バスバー２，３が、図示しない電流ケーブルと蓄電池モジュールとを接続できるように、電池モジュールにおける正極側端部の正極用ナット８１および負極側端部の負極用ナット９２に連結されている。

本実施の形態では、電池モジュールの負極用ナット９２に接続されたバスバー３の電気抵抗が、素電池１０内における正極集電体２１と封口体４０との間および負極集電体２２と外装缶３０との間の抵抗よりも高くなるように、バスバー３が、帯状でかつ幅の短くなった部位を備えた形状を有する。
これにより、本実施の形態における蓄電池モジュールに過大電流が流れても、バスバー３が溶断して、電流経路が遮断されることとなり、バスバー３は、保護素子として機能する。

図２は、バスバー３の第１のバリエーションの形状を示す概略構成図であり、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその斜視図である。図３は、バスバー３の第２のバリエーションの形状を示す概略構成図であり、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその斜視図である。
図２，３に示すように、バスバー３の形状は、上記形状に限定されず、厚み方向に薄くなった部位を備えた形状、また、長手方向に切断した断面を想定するとき、当該断面において、架け橋状の部位を備え、かつ当該架け橋状部位の厚みが、バスバー３において、最も薄くなっている形状など、バスバーの抵抗を高くできる形状であればよい。

＜蓄電池ユニットの構成＞
図４は、本実施の形態における蓄電池ユニットの構成を示す概略構成図である。
図４に示すように、蓄電池ユニット１０１（１０２）では、例えば、素電池１０として、公称容量６［Ａｈ］のＤサイズのニッケル水素電池６個が、金属製接続リング６０および絶縁リング７０を介してスポット溶接により直列に接続されている。

蓄電池ユニット１０１（１０２）の各端部には、接続リング６０を介してプラス電極用ナット８０と、マイナス電極用ナット９０とがスポット溶接により取り付けられている。
蓄電池ユニット１０１（１０２）は、これに限定されず、一本の柱状素電池においてその正極にプラス電極用ナット８０が、負極にマイナス電極用ナット９０が取り付けられていてもよい。

＜素電池の構成＞
図５は、本実施の形態における素電池の構成を示す概略構成図である。本実施の形態では、素電池として、ニッケル水素電池を用いている。
図５に示すように、素電池１０は、有底筒状外装缶３０内に渦巻電極体２０が備えられてなる。

渦巻電極体２０は、正極板１１と、負極板１２とがセパレータ１３を介して渦巻状に巻回されてなる。
正・負両極板１１，１２では、帯状芯材として、パンチングメタルが用いられ、正極芯材の両主面に、水酸化ニッケルが、充填され、負極芯材の両主面に、水素吸蔵合金が、結着剤、導電剤などと共にペースト状にされて、塗着されている。

渦巻電極体２０の巻回軸方向の両端部には、集電体２１，２２が溶接されている。
有底筒型外装缶３０の開口部に、外装缶３０を封する封口体４０が備えられ、過大電流が流れたときに発生する水素ガスを排出可能な弁４１および排出口４２が封口体４０に設けられ、この封口体４０が外装缶３０開口部に装着され、絶縁ガスケット５０を介して開口部がカシメ封口されている。

なお、ガス排出弁４１および排出口４２は、上記位置に限定されず、封口体４０以外に、外装缶３０の側壁周面、または底面などに設けられていてもよい。
また、電極体２０は、これに限定されず、正負極板１１，１２が、巻回されずに、単に積層されているものであってもよく、外装缶３０の外形が角筒状のものであってもよい。
＜バスバー３とガス排出弁４１，排出口４２との位置関係＞
図１で示したように、バスバー３は、負極用ナット９２に接続されているので、素電池１０の両端部中、図５で示すガス排出弁４１，排出口４２が配された端部とは逆の端部に配されている。これにより、弁４１、排出口４２から遠い側の素電池１０端部に、保護素子として機能するバスバー３が配されたことになる。

また、上述したように、ガス排出弁４１、排出口４２が外装缶３０の側壁周面、または底面に設けられた場合には、弁４１、排出口４２から遠い側の素電池１０端部にバスバー３を配すればよい。
例えば、外装缶３０の側壁周面のうち、ガス排出弁４１、排出口４２が正極寄りに配されていれば、バスバー３を負極側に、ガス排出弁４１、排出口４２が負極寄りに配されていれば、バスバー３を正極側に接続すればよい。

＜接続リングの構成＞
図６（ａ）は、本実施の形態における接続リングの構成を示す概略斜視図であり、（ｂ）は、その側面図である。
図６（ａ），（ｂ）に示すように、皿状の接続リング６０では、その主面に、素電池の正極と連結するための連結プレート部６１が設けられている。

連結プレート部６１には、接続リング６０と素電池の端部とをスポット溶接により接続するためのプロジェクション６３が、例えば４箇所設けられている。
また、接続リング６０の円周部にフランジ部６２が所定の間隙を空けて設けられ、フランジ部６２の主面に、接続リング６０と素電池外装缶周面とをスポット溶接により接続するためのプロジェクション６４が設けられている。

＜抵抗の大小関係＞
本実施の形態では、ニッケル水素電池１０において、正極集電体２１と封口体４０との間の電気抵抗値が、０．２０［ｍΩ］で、負極集電体２２と外装缶３０との間の電気抵抗値が、０．２４［ｍΩ］であることから、電池モジュールの負極用ナット９２に接続されたバスバー３の電気抵抗値を、０．３０［ｍΩ］として、正極集電体２１と封口体４０との間の抵抗および負極集電体２２と外装缶３０との間の抵抗よりも高い電気抵抗値に設定している。
《本実施の形態における電池モジュールの効果》
本実施の形態では、ニッケル水素電池（素電池１０）内の抵抗部分よりも抵抗の高いバスバー３を、電池モジュールの負極用ナット９２に接続し、ガス排出弁４１、排出口４２が設けられた素電池１０の端部とは逆の端部に接続している。そのため、電池モジュールに過大電流が流れて、素電池１０内に水素ガスが発生し、素電池封口体４０に設けられたガス排出弁４１およびガス排出口４２を経由して当該水素ガスが流出した場合でも、水素ガスに接触しない位置に保護素子として機能するバスバー３が接続されているので、バスバー３を、封口体４０側に配したものに比べ、当該水素ガスが、赤熱したバスバー３により発火されるのを抑制できる。

また、バスバー３の電気抵抗値を、正極集電体２１と封口体４０との間および負極集電体２２と外装缶３０との間の電気抵抗値より高くなるように設定したことにより、素電池１０内で赤熱が起こるより先にバスバー３が赤熱するので、素電池１０内の赤熱を抑制できる。なおかつ、バスバー３が赤熱により溶断すれば、素電池内に流れる過大電流を遮断でき、したがって、素電池１０内に発生する水素ガス量を最小限に止めることができ、発火をより抑制できる。

｛評価試験｝
本発明にかかる電池モジュールの効果を検証するべく、上記実施の形態で示した電池モジュールにおけるバスバーの抵抗が適宜変更されたサンプルとして、比較例１ないし３、実施例１を用意し、これらサンプルを短絡部品に接続し、外部短絡試験を行った。
（実施例１）
実施例１の電池モジュールは、上記実施の形態において示したものと同様であるので、説明を省略する。

（比較例１）
図７は、比較例１のモジュールの構成を示す概略構成図である。図７に示すように、比較例１の電池モジュールでは、バスバー２７３として、バスバー２７１，２７２と同じ抵抗値０．０５［ｍΩ］のものを用いている点が実施例１の構成と異なるのみであるので、その他の構成についての説明を省略する。

比較例１の電池モジュールでは、バスバー２７３として、バスバー２７１，２７２と同じ形状のものが用いられている。
（比較例２）
図８は、比較例２のモジュールの構成を示す概略構成図である。図８に示すように、比較例２の電池モジュールでは、バスバー２８１に高抵抗の接続部品として、電気抵抗値が０．３０［ｍΩ］のものを用い、バスバー２８３に電気抵抗値が０．０５［ｍΩ］のものを用いている以外は、実施例１と同様の構成であるので、説明を省略する。

比較例２の電池モジュールでは、バスバー２８１に高抵抗の接続部品が用いられ、バスバー２８２，２８３に同じ形状の、低抵抗のものが用いられている。
（比較例３）
図９は、比較例３のモジュールの構成を示す概略構成図である。図９に示すように、比較例３の電池モジュールでは、バスバー２９２に高抵抗の接続部品として、電気抵抗値が０．３０［ｍΩ］のものを用い、バスバー２９１，２９３に電気抵抗値が０．０５［ｍΩ］のものを用いている以外は、実施例１と同様の構成であるので、説明を省略する。

比較例３の電池モジュールでは、バスバー２９２に高抵抗の接続部品が用いられ、バスバー２９１，２９３に同じ形状の、低抵抗のものが用いられている。
すべてのサンプルに用いた各部品の電気抵抗値は、表１に示すとおりである。

なお、表１において、正極集電体〜封口体間抵抗および負極集電体〜外装缶間抵抗の抵抗値は、各部品抵抗による抵抗値と溶接抵抗による抵抗値との総和を示す。外部短絡試験の条件を以下に示す。

＜試験条件＞ 短絡部品抵抗値 ０．１［ｍΩ］
試験モジュール充電量 ６．０［Ａｈ］（ＳＯＣ100％）
環境温度 ２５［℃］
試験数量 各１０セット
＜試験結果＞

表２に短絡試験結果を示す。表２に示すように、比較例１〜３、実施例１では、共に赤熱、溶断が発生しているものの、実施例１では、発火のないことを確認した。発火の発生原因を特定するべく、以下、発火要因を調査した結果を示す。

＜調査結果＞

表３に発火部位の調査結果を示す。表３に示すように、比較例１では、セル間で発火が見られた。比較例２，３では、共にそれぞれ抵抗の高いバスバー配置付近から発火が見られた。

さらに詳しく調査するべく、素電池内構成部品、素電池同士を接続する接続部品、電池モジュールに配されたバスバーごとに調査した結果を以下に示す。

表４に発火部位詳細調査結果（赤熱、溶断部位調査結果）を示す。表４に示すように、比較例１〜３では、共にそれぞれモジュールに使用されている構成部品の中で最も抵抗の高い部位で溶断しており、比較例２，３では、その溶断部で発火が見られるが、実施例１では、溶断部で発火が見られなかった。

＜評価試験結果、発火部位調査結果に基づく考察＞
評価試験結果から、本発明における電池モジュールでは、発火抑制効果が高いことが立証された。
調査結果から、電池モジュール内において最も抵抗の高い部位が発火しており、特に比較例２，３では、ガス排出弁の配設位置と一致することから、ニッケル水素電池に過大電流が流れた際に発生する水素ガスが、高抵抗部の発熱により、発火させられたと推測できる。

具体的には、過大電流がニッケル水素電池に流れると、電池内に水素ガスが発生し、比較例１の場合、この水素ガスが、ニッケル水素電池内で最も抵抗の高い負極集電体から外装缶までの間で発生した熱によって発火したと考えられ、比較例２、３の場合、発生した水素ガスが排出弁から噴出し、噴出した水素ガスが、電池モジュール内で最も抵抗の高いバスバーで発生した熱によって発火したと考えられる。

本発明では、電池モジュール内で最も抵抗の高いバスバーにて赤熱・溶断が見られたものの、弁から排出された水素ガスが発火する可能性の低い距離を設けて、高抵抗のバスバーが配置されていたので、発火が見られなかったと考えられる。
（その他）
尚、素電池端部に配される接続リングとして、図１０に示すようなものを用いてもよい。図１０は、接続リングの他のバリエーションを示す概略構成図である。

図１０に示すように、接続リング１６０では、その中腹部に、リング１６０の軸に垂直な面において六角形状を有するフランジ部１８０が設けられており、フランジ部１８０の周部に存在する各面１９０に、凹凸部１９１，１９２とガス通路１９３とが設けられている。
凹凸部１９１，１９２は、他の蓄電池ユニットを構成する接続リングと連結する機能を備えており、接続リング１６０に、素電池同士を連結する機能のみならず、蓄電池ユニット同士を連結する機能を与える。

ガス通路１９２は、蓄電池ユニット同士を連結する接続リング１６０間でガスを流通させる。

本発明は、ニッケル水素電池など、過大電流発生時に可燃性ガスが発生する可能性のあるものを素電池に用いても、発火を抑制することができ、安全性が高い。

本実施の形態における電池モジュールの構成を示す概略構成図である。 バスバー３の第１のバリエーションの形状を示す概略構成図であり、（ａ）は、その正面図、（ｂ）は、その斜視図である。 バスバー３の第２のバリエーションの形状を示す概略構成図であり、（ａ）は、その正面図、（ｂ）は、その斜視図である。 本実施の形態における蓄電池ユニットの構成を示す概略構成図である。 本実施の形態における素電池の構成を示す概略構成図である。 （ａ）は、本実施の形態における接続リングの構成を示す概略斜視図であり、（ｂ）は、その側面図である。 比較例１のモジュールの構成を示す概略構成図である。 比較例２のモジュールの構成を示す概略構成図である。 比較例３のモジュールの構成を示す概略構成図である。 接続リングの他のバリエーションを示す概略構成図である。

符号の説明

１，２，３ バスバー
１０ 素電池
１１ 正極板
１２ 負極板
１３ セパレータ
２０ 電極体
２１ 正極集電体
２２ 負極集電体
３０ 外装缶
４０ 封口体
４１ ガス排出弁
４２ ガス排出口
５０ 絶縁ガスケット
６０，１６０ 接続リング
６１ 連結プレート部
６２ フランジ部
６３、６４ プロジェクション
８０、８１、８２ 正極用ナット
９０、９１、９２ 負極用ナット
１０１，１０２ 蓄電池ユニット
１８０ フランジ部
１９０ 面
１９１ 凸部
１９２ 凹部
１９３ ガス通路

Claims (4)

1. 少なくとも対向する２端面を有する筒体で構成され、一方の端面にガス排出弁が設けられている素電池と、電流入出力経路上に設けられた保護素子とを有する電池モジュールであって、
   前記保護素子が、
   素電池の内部抵抗よりも高い電気抵抗を有し、
   かつ、ガス排出弁が設けられている端面に対し他方の端面に配設されていることを特徴とする電池モジュール。
2. 前記素電池には、正負両極板がセパレータを挟んで対向配置された電極体と、前記電極体を収納可能な有底筒型外装缶と、前記外装缶を封口する封口体とが備えられ、正極板の外装缶端部側に設けられた正極集電体が前記封口体と接続され、負極板の外装缶端部側に設けられた負極集電体が前記外装缶と接続されており、
   前記保護素子の電気抵抗は、前記負極集電体と前記外装缶との間および前記正極集電体と前記封口体との間の電気抵抗より高いことを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記素電池は、前記電極体および前記電解液の少なくともいずれかに水素成分、酸素成分の少なくともいずれかを含む電池であることを特徴とする請求項1または２に記載の電池モジュール。
4. 前記素電池は、ニッケル水素電池であることを特徴とする請求項1から３のいずれかに記載の電池モジュール。

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