JP2011222533A - 短絡電流検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の単電池を積層して構成した電池モジュールにおいて、導電性異物がモジュールの外側ケースを貫通してモジュール内部で短絡状態が発生した場合、電池モジュール内部で局所的に短絡電流が流れ、これにより生じる異常発熱を低減する構成の電池モジュールの実現を目的とした。
【解決手段】電池モジュールを構成している、積層した単電池の予め定められた個数毎に内部短絡検出板を挿入し、これら内部短絡検出板間の短絡状態を外部に設けた導通検出部でモニタし、短絡状態が検出された時には電池モジュールの正負電極出力端子をリレー等外部の短絡手段により短絡し、電池モジュール内に発熱が集中しないようにバイパス経路を設ける。
【選択図】 図1
【解決手段】電池モジュールを構成している、積層した単電池の予め定められた個数毎に内部短絡検出板を挿入し、これら内部短絡検出板間の短絡状態を外部に設けた導通検出部でモニタし、短絡状態が検出された時には電池モジュールの正負電極出力端子をリレー等外部の短絡手段により短絡し、電池モジュール内に発熱が集中しないようにバイパス経路を設ける。
【選択図】 図1
Description
本発明は合成樹脂膜と導電性金属箔とを張り合わせたラミネート構造のフィルム状部材を外装部材として用いた平板型セルを積層して形成された電池モジュールに係る。
複数の単電池を結合して所要の電圧を発生させる電池モジュールは電気自動車あるいは携帯用電子機器の電源用として実用に供されている。この複数の単電池を積層して一つのモジュールケースに収納する構造の例としては下記特許文献1において開示されている。また、このような単電池を用いた電池モジュールにおいては過負荷時に電池温度の上昇が問題となる。このため、下記特許文献2に記載の単電池に放熱フィンを設ける構成、あるいは特許文献3等に記載の単電池それぞれの周辺に放熱用の貫通孔を設ける構成等が開示されている。
しかし、これら放熱フィンにおいても、貫通孔において過負荷の程度が軽く温度上昇がさほど激しくない場合、あるいは温度上昇速度が比較的緩慢である場合には一応の効果を示すが、単電池がモジュール内部で短絡状態となるような大電流がパルス状に急激に流れるような場合には十分な効果を得ることが出来ない問題があった。
本発明は上記問題点を解決するために成されたもので、ラミネート構造のフィルム状部材を単電池外装の一部または全体に用いた構造の単電池を積層して構成した電池モジュールの内部で短絡状態が生じても、即応的に内部短絡を検出し、当該電池モジュール内部での発熱が蓄積されることによる外形の変形を軽減する構造の電池モジュールを提供することを目的とした。
上記目的を達成するために、本発明においては、複数の単電池を積層した構造の電池モジュールにおいて、導電性異物がこの電池モジュールのケースを貫通し、電池内部で短絡状態を発生した場合、この短絡状態を即応的に検出する内部短絡検出手段と、これにより内部短絡が検出された時に直ちに電池出力の正負両電極を短絡して電池モジュールの外部においても短絡電流のパスを形成し、これにより電池モジュール内における短絡電流の電流密度を低下させ、電池モジュール内における発熱を抑制する構成とした。
上記構成により、電池モジュールに導電性異物が貫通してきた場合、短絡状となっている電池内部のみならず電池外部にも短絡パスを形成し、短絡電流を分散させることが可能となり、短絡による過度の発熱が二次電池内部で局所的に集中することのないようにした。
(実施の形態1)
図1に本発明による実施の形態1の構成を示す。電池モジュール1は、n個(nは0以外の正の整数とする)の単電池102nと、このn個の複数の単電池を積層して収納しているモジュールケース103と、この積層した構造において電池モジュール101内で発生した単電池102n間の短絡状態を検出するためのm個の内部短絡検出板104m(mは0<m<nの範囲の正の整数)が所定の間隔で複数枚配置された構造となっている。
図1に本発明による実施の形態1の構成を示す。電池モジュール1は、n個(nは0以外の正の整数とする)の単電池102nと、このn個の複数の単電池を積層して収納しているモジュールケース103と、この積層した構造において電池モジュール101内で発生した単電池102n間の短絡状態を検出するためのm個の内部短絡検出板104m(mは0<m<nの範囲の正の整数)が所定の間隔で複数枚配置された構造となっている。
モジュールケース103からは、電池モジュール101の正電極出力端子105および負電極出力端子106に接続されている出力線(図1で太線)、および電池モジュール101内における各内部短絡検出板104mからのm本の検出線107m(図1においては1071〜1073)とが引き出されている。各内部短絡検出板104mからの検出線107mは相隣るk個(k=m−1、ただし、1<m<nの正の整数)の導通検出部108k(図1における1081,1082)に接続されており、この導通検出部108kと内部短絡検出板104mとで内部短絡検出手段を構成している。また、電池モジュール101の正電極および負電極の出力端子105および106にそれぞれ接続されているリレー109は外部短絡手段を構成しており、このリレー109のON/OFF動作を制御するためのリレー駆動部110の入力は各導通検出部108kの出力に接続される。このリレー駆動部110が外部短絡制御手段を構成している。以上、リレー駆動部110およびリレー109により外部短絡回路111を構成している。
以下、図1の外部短絡回路110を含む電池モジュール101の動作を説明する前に、先ず、単電池102nの構造を図4により説明しておく。図4は単電池102nの断面図を示すもので、正電極側導体401と負電極側導体402とが交互に配置され、それら正負各電極側導体間はセパレータ403を介して絶縁的に隣接している。すなわち、セパレータ403は正電極側導体401と負電極側導体402との短絡を防止する目的で挿入されている。
二次電池として作用する電解質材料は液状のもので図4において単電池102nの外装部材である単電池ケース404内に充填されている。また、正電極側導体401はアルミニウム、ニッケルあるいは銅等の金属による導電体箔の両面に正電極として作用する活物質層を形成したものであり、負電極側導体402は同じく金属箔の両面に負電極として作用する活物質層を形成したものである。単電池ケース404は正負両電極405および406、セパレータ403および電解質材料を内包し、このようにして構成した発電要素を上下両部材404で構成した外装部材内に封止した構成としている。この上下両部材404は通常は金属箔を樹脂層で挟んだラミネート構造のフィルム状部材を使用する。また、正電極側導体401および負電極側導体402は正電極側引き出し線407と負電極側引き出し線408とを介してそれぞれ正電極端子板405および負電極端子板406に接続されている。
図1において、例えば、導電性、伝熱性に優れた金属板を成型加工して構成したモジュールケース103を導電性異物112が貫通した場合、内部短絡検出板104mおよび外部短絡回路110が存在しない従来の構造においては、短絡電流は導電性異物112とこれに接触している単電池とで構成されるループのみを経路として流れ、したがって、これによる二次電池の発熱は二次電池内部の当該ループの箇所に集中し、したがって電池モジュール101の内圧上昇も局所的に集中し、モジュールケース103の局所的膨張とそれに伴う変形が生じる可能性があった。
このため、本発明においては、予め設定された個数のセル間隔で内部短絡検出板104m(mは内部検出板の数で1<m<nの範囲内にある正の整数)をそれぞれ相接する各単電池102nに対して絶縁的に設置し、導通検出部108k(kは通常k=m−1個で構成される)によりこれら内部短絡検出板104m間の導通を検出する。導通検出部108kの入力側は、図1に示すように、検出線1071および1072(全検出線に対しては107m)を経て所定の個数の単電池102nを挟んだ両側に配置されている内部短絡検出板104mおよび104(m+1)(図1においては1041および1042)に接続されている。導通検出部108kとしては、導通検出手段108k側から内部短絡検出板104mおよび104(m+1)に所定の電圧を掛けておき、導電性異物112が貫通してきた場合、例えば図1における導通検出部1081→内部短絡検出板1041→導体性異物112→内部短絡検出板1042→導通検出部1081で形成されるループに流れる電流の有無をチェックする方法により電池モジュール101内部における単電池間の短絡状態を検知することが出来る。
このようにして内部短絡が検出されると、導通検出部108kの出力でリレー駆動部110によりリレー109を駆動し、リレー109の接点部で電池モジュール101の出力端子105および106間を短絡し、電池モジュール101外においても短絡電流を流すようにしている。これにより、短絡電流の一部を電池モジュール101外の外部回路にバイパスさせることが出来るようになり、電池モジュール101内部で局所的に過度な発熱を生じるのを防止することが出来るようになる。
(実施の形態2)
図2は本発明による電池モジュール101の実施の形態2を示す。図2においては、所定の個数の単電池102nを挟んで互いに相隣る位置に配置された内部短絡検出板104mおよび104(m+1)(図2においては内部短絡検出板1041および1042)毎に外部短絡手段であるリレー109(m−1)を配置した構成としている。この構成によれば、n個の単電池102nのうち内部短絡検出板104mおよび104(m+1)で挟まれたq個(qは0<q<m)の単電池のみを外部短絡回路111で短絡させるので電圧が低下することになり、これにより電池モジュール101内における短絡電流の低減が可能となる。
図2は本発明による電池モジュール101の実施の形態2を示す。図2においては、所定の個数の単電池102nを挟んで互いに相隣る位置に配置された内部短絡検出板104mおよび104(m+1)(図2においては内部短絡検出板1041および1042)毎に外部短絡手段であるリレー109(m−1)を配置した構成としている。この構成によれば、n個の単電池102nのうち内部短絡検出板104mおよび104(m+1)で挟まれたq個(qは0<q<m)の単電池のみを外部短絡回路111で短絡させるので電圧が低下することになり、これにより電池モジュール101内における短絡電流の低減が可能となる。
(実施の形態3)
図3は本発明による電池モジュールの実施の形態3を示す。本実施の形態3においては実施の形態1および2で用いた内部短絡検出板104mを省略し、予め定められた個数の単電池毎に、その両端における正負両電極となっている単電池の外装部を形成しているラミネート構造のフィルム状部材を形成しているアルミ等導電体金属層から前記の検出線1071および1072を直接引き出す構成としている。この構成においては電池モジュール301内部における短絡状態の検出線1071および1072は単電池の電極電位となっているため、導通検出部1081においては検出線1071および1072間の電位差を検出する構成とすることが出来る。すなわち、これら検出線間の電位差が上記予め定められた個数の単電池の電圧に相当する電位差であれば内部短絡状態が発生していない正常な状態であることを示しており、等電位で電位差が発生していなければ短絡状態となっていることを示していることになる。この構成により、図1における電池モジュール101のように内部短絡検出板104mによるモジュール厚の増加を生じることなく、従来のままのサイズで短絡状態の検出機能を有する電池モジュール301を構成することが出来、さらに、短絡状態を電位差測定により検出する方法を適用することが可能であるため、前記実施の形態1あるいは実施の形態2の場合のように短絡状態検出に際して、導通試験を行うための電流供給用電源を省略することが出来る。
図3は本発明による電池モジュールの実施の形態3を示す。本実施の形態3においては実施の形態1および2で用いた内部短絡検出板104mを省略し、予め定められた個数の単電池毎に、その両端における正負両電極となっている単電池の外装部を形成しているラミネート構造のフィルム状部材を形成しているアルミ等導電体金属層から前記の検出線1071および1072を直接引き出す構成としている。この構成においては電池モジュール301内部における短絡状態の検出線1071および1072は単電池の電極電位となっているため、導通検出部1081においては検出線1071および1072間の電位差を検出する構成とすることが出来る。すなわち、これら検出線間の電位差が上記予め定められた個数の単電池の電圧に相当する電位差であれば内部短絡状態が発生していない正常な状態であることを示しており、等電位で電位差が発生していなければ短絡状態となっていることを示していることになる。この構成により、図1における電池モジュール101のように内部短絡検出板104mによるモジュール厚の増加を生じることなく、従来のままのサイズで短絡状態の検出機能を有する電池モジュール301を構成することが出来、さらに、短絡状態を電位差測定により検出する方法を適用することが可能であるため、前記実施の形態1あるいは実施の形態2の場合のように短絡状態検出に際して、導通試験を行うための電流供給用電源を省略することが出来る。
101、201、301:電池モジュール
103:モジュールケース 105:正電極出力端子
106:負電極出力端子 109:リレー
110:リレー駆動部 111:外部短絡回路
112:導電性異物
1021、1022、1023:単電池
1041、1042、1043:内部短絡検出板
1071、1072、1073:検出線
1081、1082:導通検出部
202:外部短絡回路
2011、2012:リレー駆動部
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Claims (5)
- 正電極板および負電極板の組を複数組積層し、電解液を充填した構成の発電要素を、樹脂層で金属箔を挟んだラミネート構造のフィルム状部材から成る外装部材内に封止した構造の単電池を複数個積層し、モジュールケースに収納して構成した電池モジュールにおいて、
導電性異物が前記モジュールケースを貫通し、前記導電性異物を介して前記電池モジュール内部の単電池同士の短絡状態が発生したことを検出する内部短絡検出手段と、
該電池モジュールの正負両出力端子を短絡するための外部短絡手段と、
前記内部短絡検出手段の内部短絡検出により前記外部短絡手段の動作を制御する外部短絡制御手段と、を有することを特徴とする電池モジュール。 - 請求項1に記載の電池モジュールにおいて、
前記内部短絡検出手段は、
前記単電池の正負両電極に平行な端面で、且つ予め定められた個数の前記単電池毎に挟み込まれた導電性材料からなる板状の内部短絡検出板と、互いに隣り合う前記内部短絡検出板の出力間に検出線を介して接続された導通検出手段とからなり、
前記導通検出手段の出力が前記外部短絡手段の動作を制御する前記外部短絡制御手段に接続されていることを特徴とする電池モジュール。 - 請求項1に記載の電池モジュールにおいて、
前記外部短絡手段は、前記複数個積層された単電池のうち最外部の両単電池を短絡するように接続されていることを特徴とする電池モジュール。 - 請求項1に記載の電池モジュールにおいて、
前記外部短絡手段は、隣り合った二つの前記内部短絡検出板に挟まれた単電池のうちの最外部の両端電池間を短絡することを特徴とする電池モジュール。 - 請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の電池モジュールにおいて、
前記単電池の外装材である前記ラミネート構造のフィルム状部材の金属箔を前記内部短絡検出板として兼用し、該フィルム状部材に前記検出線を介して前記導通検出手段を接続したことを特徴とする電池モジュール。
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