JP2014170613A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電池モジュールのサイズや重量の増加を抑制しながら、電池から火炎が噴出するような事態が発生した場合でも、電池モジュールから火炎の噴出を防止し、安全性を高める。
【解決手段】電池モジュールは、ガスを排出する開放部を有する複数の素電池１００と、複数の素電池１００を収納する複数の電池収納部２２２を有する伝熱部材２２０と、前記伝熱部材２２０との間に排気室２７１を形成する蓋体２７０を備え、前記伝熱部材２２０は、前記複数の電池収納部２２２の間に前記電池収納部２２２と略並行な貫通孔２２８を有し、素電池１００から排出されたガスを、前記貫通孔２２８を通じて、外部へ排出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電池に発熱などの不具合を生じても他の電池に影響を与えない、複数の電池を備える電池モジュールに関する。

近年、省資源や省エネルギーの観点から、繰り返し使用できるニッケル水素、ニッケルカドミウムやリチウムイオンなどの二次電池への需要が高まっている。中でもリチウムイオン二次電池は、軽量でありながら、起電力が高く、高エネルギー密度であるという特徴を有している。そのため、携帯電話やデジタルカメラ、ビデオカメラ、ノート型パソコンなどの様々な種類の携帯型電子機器や移動体通信機器の駆動用電源としての需要が拡大している。

一方、化石燃料の使用量の低減やＣＯ２の排出量を削減するために、自動車などのモータ駆動用の電源として、リチウムイオン二次電池の電池パックへの期待が大きくなっている。この電池パックは、所望の電圧や容量を得るために、１つ以上の電池からなる電池モジュールを複数個搭載して構成されている。

上記電池モジュールの開発において、自動車など限られた空間に所定の電力を蓄積する電池モジュールを収納するため、電池モジュールの小型化が大きな課題となっている。

そこで、複数の電池からなる電池モジュールにおいて、各電池間の接続や電圧または温度などを検出する配線をプリント基板に形成したパターン配線で接続する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。同様に、複数の電源モジュールをホルダーケースに収納し、エンドプレートを介して連結する電池パックが開示されている（例えば、特許文献２参照）。そして、エンドプレートに、各電源モジュール間を接続するセンサーリードや電源リードを設けることにより、接続不良の低減と小型化が図れるとしている。

また、電池モジュールに収納する電池の高容量化が進むに伴って、利用の形態によっては、電池自身が発熱して高温になる場合がある。そのため、電池自体の安全性とともに、それらを集合した電池モジュールにおける安全性がより重要となっている。すなわち、電池は、過充電、過放電あるいは内部短絡や外部短絡により発生するガスで内圧の上昇を生じ、場合によっては、電池の外装ケースが破裂する可能性がある。そこで、一般に、電池には、ガス抜きのためのベント機構や安全弁などを設け、内部のガスを放出している。このとき、排出されるガスへの引火などにより発煙や、まれに発火を生じる場合があり、信頼性や安全性に課題があった。

そこで、複数の電池をケース内の電池室に収納し、各電池の安全弁と対向する区画壁に開口部を設けることにより、異常状態時に電池から噴射されるガスを排気室を介して排出口から排出する構成の電源装置（電池モジュール）が開示されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０００−２０８１１８号公報 特開２０００−２２３１６６号公報 特開２００７−２７０１１号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に示す電池モジュールは、１個の電池が異常に発熱し安全弁が作動した場合、発熱した電池の熱量や、噴出するガスへの引火による周囲電池への影響を抑制できず、連鎖的に各電池が発熱するという課題がある。すなわち、複数の電池を搭載する電池モジュールにおいては、異常を生じた電池の影響を、いかに周囲の電池への拡大を抑制して最小限に留めるかが課題となっている。

また、特許文献３に示す電池モジュールは、ケースの区画壁に電池の安全弁に対向して開口部を設け、噴出したガスを電池室内に充満させず外部に排出するものである。しかし、噴出したガスの放出については開示しているが、電池の発火を防ぐことなどは、何ら開示も示唆もされていない。そのため、電池が発火した場合、区画壁内でどのように発火を防止するかが不明である。また、発火防止装置などを配置すると電池モジュールを小型化できないという課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するものであり、小型、薄型化を実現するとともに、不具合を生じた電池の異常発火による周囲の電池への影響を最小限に抑制できる電池モジュールを提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明の電池モジュールは、電池内部で発生したガスを排出する開放部を有する複数の素電池と、前記複数の素電池を収納する複数の電池収納部を有する伝熱部材と、前記開放部を覆い、前記伝熱部材との間に排気室を形成する蓋体を備え、前記伝熱部材は、前記複数の電池収納部の間に前記電池収納部と略並行な貫通孔を有する構成である。

この構成により、電池からガスなどとともに火炎が噴出するような事態が発生したとしても、噴出した火炎が伝熱部材に設けられた貫通孔を通過するときに火炎を消炎することができる。また、伝熱部材の電池を収納する複数の電池収納部の間の領域で貫通孔を設けているので電池モジュールの小型化を妨げることがない。

本発明の電池モジュールによれば、電池モジュールのサイズや重量の増加を抑制しながら、電池から火炎が噴出するような事態が発生した場合でも、電池モジュールから火炎の噴出を防止し、安全性を高めた電池モジュールを提供することができる。

本発明の実施の形態１における電池モジュールに使用する素電池の断面図 本発明の実施の形態１における電池モジュールを構成する部品の分解斜視図 本発明の実施の形態１における電池モジュールの構成を示す斜視図 （ａ）本発明の実施の形態１における伝熱部材の斜視図、（ｂ）伝熱部材に収納された素電池の斜視図 （ａ）本発明の実施の形態１における伝熱部材に収納された素電池の上面図、（ｂ）電池モジュールに蓋体を付ける前の上面図 本発明の実施の形態１における電池モジュールの断面図 本発明の実施の形態１における電池モジュールの消炎メカニズムの概要図 （ａ）本発明の他の形態における伝熱部材の斜視図、（ｂ）伝熱部材に収納された素電池の斜視図

以下本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電池モジュールに使用する素電池の断面図である。なお、本発明における電池モジュールは、複数の素電池１００が配列され、複数の素電池と筐体などを含めた集合体として構成される。

本発明における電池モジュールを構成する素電池１００は、例えば、図１に示すような、円筒形のリチウムイオン二次電池を採用することができる。このリチウムイオン二次電池は、ノート型パソコン等の携帯用電子機器の電源として使用される汎用電池であってもよい。この場合、高性能の汎用電池を、電池モジュールの素電池として使用することができるため、電池モジュールの高性能化、低コスト化をより容易に図ることができる。また、素電池１００は、内部短絡等の発生により電池内の圧力が上昇したとき、ガスを電池外に放出する安全機構を備えている。以下、図１を参照しながら、素電池１００の具体的な構成を説明する。

図１に示すように、正極１と負極２とがセパレータ３を介して捲回された電極群４が、非水電解液とともに、電池ケース７に収容されている。電極群４の上下には、絶縁板９、１０が配され、正極１は、正極リード５を介してフィルタ１２に接合され、負極２は、負極リード６を介して負極端子を兼ねる電池ケース７の底部に接合されている。

フィルタ１２は、インナーキャップ１３に接続され、インナーキャップ１３の突起部は、金属製の弁体１４に接合されている。さらに、弁体１４は、正極端子を兼ねる端子板８に接続されている。そして、端子板８、弁体１４、インナーキャップ１３、及びフィルタ１２が一体となって、ガスケット１１を介して、電池ケース７の開口部が封口されている。

素電池１００に内部短絡等が発生して、素電池１００内の圧力が上昇すると、弁体１４が端子板８に向かって膨れ、インナーキャップ１３と弁体１４との接合がはずれると、電流経路が遮断される。さらに素電池１００内の圧力が上昇すると、弁体１４が破断する。これによって、素電池１００内に発生したガスは、フィルタ１２の貫通孔１２ａ、インナーキャップ１３の貫通孔１３ａ、弁体１４の裂け目、そして、端子板８の開放部８ａを介して、外部へ排出される。

なお、素電池１００内に発生したガスを外部に排出する安全機構は、図１に示した構造に限定されず、他の構造のものであってもよい。

次に、本発明の実施の形態１における電池モジュールについて、図２及び図３を用いて詳細に説明する。図２は本発明の実施の形態１における電池モジュールを構成する部品の分解斜視図で、図３は本発明の実施の形態１における電池モジュールの構成を示す斜視図である。

図２に示すように、本実施の形態１の電池モジュール２００は、複数（図２では２０個）の素電池１００と、伝熱部材２２０と、正極側ホルダー２５０と、負極側ホルダー２６０と、正極用接続体２３０と、負極用接続体２４０と、蓋体２７０と、複数（図２では４個）のネジ２８０とで構成されている。

複数の素電池１００を、伝熱部材２２０の電池収納部に端子板８の開放部８ａ、つまり、正極が同じ方向（図２では上方）を向くように収納する。そして、素電池１００の負極側には負極側ホルダー２６０を挟んで負極用接続体２４０を複数の素電池１００の負極に溶接する。また、素電池１００の正極側には正極側ホルダー２５０を挟んで正極用接続体２３０を複数の素電池１００の正極に溶接し、蓋体２７０により電池収納部から出ている素電池１００の開放部８ａや正極用接続体２３０を覆い、正極用接続体２３０と蓋体との間に空間（排気室）を形成する。

最後に、電池モジュール２００の上及び下方向からネジ２８０を正極側ホルダー２５０にネジ固定を行い、全ての構成部品が結合した電池モジュール２００となる。電池モジュール２００は図３に示すように、複数の素電池１００は覆われているので、外部からは素電池１００は見えない。また、正極用接続体２３０の端部の正極出力端子２３２と、負極用接続体２４０の端部の負極出力端子２４２が電池モジュール２００から電流を取出すために、電池モジュール２００の外部に飛び出た構造となっている。

次に、本発明の実施の形態１における電池モジュールの素電池の周囲の構造について、図４〜図６を用いて詳細に説明する。図４（ａ）は本発明の実施の形態１における伝熱部材の斜視図で、図４（ｂ）は伝熱部材に収納された素電池の斜視図である。また、図５（ａ）は本発明の実施の形態１における伝熱部材に収納された素電池の上面図で、図５（ｂ）は電池モジュールに蓋体を付ける前の上面図である。また、図６は本発明の実施の形態１における電池モジュールの断面図である。

図４のように、伝熱部材２２０は素電池１００を収納する電池収納部２２２と貫通孔２２１が上下方向に貫通している。電池収納部２２２は、円柱形状の素電池１００を収納するために素電池１００の外径より０．２ｍｍ程度大きな内径の丸孔で、六方最密格子状に並べられている。そして、貫通孔２２１は、最も隣接した３つの電池収納部２２２の重心に配置されている。

伝熱部材２２０の貫通孔２２１は、素電池１００が異常発火を発生させたとき、発生した火炎を通過させながら消炎するため、長細い貫通孔としている。そのため、貫通孔２２１は、長さが２０〜２００ｍｍ、開口面積０．５〜５０ｍｍ^２で、更に、長さは、開口断面の内壁から最も遠い距離に対し２０倍以上であることが望ましい。例えば、素電池１００に「１８６５０」のサイズの電池（外径１８．２ｍｍＭＡＸ．、高さ６５ｍｍ）を用いた場合、電池収納部２２２の高さは、５５ｍｍで、電池収納部２２２は内径φ１８．４ｍｍの丸孔とし、貫通孔２２１は内径φ３ｍｍの丸孔とする。

また、伝熱部材２２０は、素電池１００のいずれかが異常に発熱したときに、速やかに異常発熱を電池モジュールの外部へ放熱すべく、熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属またはセラミック材料で形成されている。例えば、本実施の形態１では、熱伝導率が２３６Ｗ／（ｍ・Ｋ）のアルミニウムを用いている。

図５（ａ）に示すように、伝熱部材２２０に素電池１００を収納したとき、素電池１００の周りを６０°間隔で貫通孔２２１を配置した構造となる。特に、伝熱部材２２０の中央付近で周りを６個の他の素電池１００で囲まれた素電池１００は、６個の貫通孔２２１を周り配置した構造となっている。

更に、図５（ｂ）、図６のように、複数の素電池１００を収納した伝熱部材２２０に対して、正極側に正極側ホルダー２５０と正極用接続体２３０を、負極側に負極側ホルダー２６０と負極用接続体２４０を組合せる。正極側ホルダー２５０、正極用接続体２３０、負極側ホルダー２６０、負極用接続体２４０は、伝熱部材２２０と組合せたとき、貫通孔２２１と同じ位置に、同じ大きさの貫通孔２５４、２３３、２６２、２４３を各々有しているので、電池モジュール２００は正極用接続体２３０から負極用接続体２４０まで組合せで貫通した貫通孔を有することとなる。

更に、正極側ホルダー２５０、負極側ホルダー２６０は、伝熱部材２２０と組合せたとき、電池収納部２２２と同じ位置に、同じ大きさ、かつ、同じ寸法の貫通孔を有している。そして、正極用接続体２３０、負極用接続体２４０は、電池収納部２２２と同じ位置に、正極用接続端子２３１、負極用接続端子２４１を配置し、素電池１００と電気的に接続される。正極用接続体２３０の正極用接続端子２３１の周りには、素電池１００の開放部８ａからの異常ガスや異常火炎を放出する半月孔２３４を配置させている。

本実施の形態では、素電池１００が正極側のみに異常ガスや異常火炎を放出する開放部８ａを有しているので、負極用接続体２４０には半月孔は必要ないが、正極用接続体２３０と負極用接続体２４０を同じ部品で使用することも可能である。

次に、本発明の実施の形態１における電池モジュールの消炎メカニズムについて、図７を用いて詳細に説明する。図７は本発明の実施の形態１における電池モジュールの消炎メカニズムの概要図である。

図７に示すように、素電池１００ｘが異常状態になって発火したとき、素電池１００ｘの正極側の端子板８にある開放部８ａから７００〜１０００℃の高温ガスが排出される。開放部８ａから排出された高温ガスは正極用接続体２３０の半月孔２３４を通って、正極用接続体２３０と蓋体２７０で囲まれた排気室２７１に放出される。排気室２７１の体積では、放出された高温ガスの全ては入りきらないため、排気室２７１に放出された高温ガスは、貫通孔２３３、２５４、２２１、２６２、２４３が組合された貫通孔を通って、負極用接続体２４０の外（図では下方）へ押し出される。

組合された貫通孔は、素電池１００ｘから排出される高温ガスの単位時間に対する排出量を放出するに充分な開口面積を有していないので、早急な排出ができない。そのため、組合された貫通孔、特に、伝熱部材２２０の貫通孔２２１の内壁に高温ガスが触れながら排出される。高温ガスが貫通孔２２１の内壁に触れることで、高温ガスの７００〜１０００℃の熱を熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の伝熱部材２２０で吸収する。更に、高温ガスが貫通孔２２１を通じて排出される間は、排気室２７１は大気圧より高圧になり外部から空気が流入してこないので、高温ガスに酸素が継続的に供給されず、新たな燃焼による熱量の発生はない。

また、高温ガスの単位時間に対する排出量を放出するに充分な開口面積を有していないことで、高温ガスは排出経路を流れるに従い、徐々に大気圧に向かって圧力が下がることになり、この時、断熱膨張によりガスの温度が下がることになる。更に、伝熱部材２２０の外面から空気層へ熱輻射や、伝熱部材２２０に接続された素電池１００などの構成部品へ熱伝達する。これらにより、高温ガスは、３００℃程度まで冷却される。

そして、７００〜１０００℃高温ガスにより炎が発生した場合であっても、貫通孔２２１を通過する間に、高温ガスが３００℃程度まで温度が下がるので、炎が消炎される。

かかる構成によれば、伝熱部材に複数の電池収納部の間に電池収納部と略並行な貫通孔を有することにより、素電池が異常時に排気する高温ガスが貫通孔を通過する際に冷却されるので、高温ガスによる炎を消炎することができる。

なお、本実施例において、伝熱部材が金属などの直方体に丸孔の電池収納部と貫通孔を有する構造としたが、伝熱部材を筒状部材の接続による構造としても良い。例えば、図８のように、板厚０．４ｍｍ、内径φ１８．４ｍｍ、高さ５５ｍｍの筒状部材を六方最密格子で２０個配置する。こうすることで、伝熱部材２２５は、筒状部材２２６の内部に電池収納部２２７を、最も隣接した３つの筒状部材２２６の重心に貫通孔２２８を有することができる。

本発明は、小型化および軽量化とともに安全性が要求される、電池などを収納した電池モジュール、電池モジュールを備えた電子機器および電池収納部を備えた電子機器として有用である。

１００ 素電池
２００ 電池モジュール
２２０ 伝熱部材
２２１ 貫通孔
２２２ 電池収納部
２２５ 伝熱部材
２２６ 筒状部材
２２７ 電池収納部
２２８ 貫通孔
２３０ 正極用接続体
２３１ 正極用接続端子
２３２ 正極出力端子
２３３ 貫通孔
２３４ 半月孔
２４０ 負極用接続体
２４１ 負極用接続端子
２４２ 負極出力端子
２４３ 貫通孔
２５０ 正極側ホルダー
２５４ 貫通孔
２６０ 負極側ホルダー
２６２ 貫通孔
２７０ 蓋体
２７１ 排気室
２８０ ネジ

Claims (7)

1. 電池内部で発生したガスを排出する開放部を有する複数の素電池と、
   前記複数の素電池を収納する複数の電池収納部を有する伝熱部材と、
   前記開放部を覆い、前記伝熱部材との間に排気室を形成する蓋体を備え、
   前記伝熱部材は、前記複数の電池収納部の間に前記電池収納部と略並行な貫通孔を有する電池モジュール。
2. 前記貫通孔は、長さが２０〜２００ｍｍ、開口面積０．５〜５０ｍｍ^２である請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記貫通孔は、長さが、開口断面の内壁から最も遠い距離に対し２０倍以上である請求項１に記載の電池モジュール。
4. 前記電池収納部は円筒形状で、前記伝熱部材に六方最密格子で配置され、前記貫通孔を最も隣接した３つの電池収納部の重心に配置する請求項１に記載の電池モジュール。
5. 前記伝熱部材は、筒状部材の接続により構成された請求項１に記載の電池モジュール。
6. 前記伝熱部材は、熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属またはセラミック材料である請求項１に記載の電池モジュール。
7. 前記伝熱部材は、アルミニウムである請求項６に記載の電池モジュール。