JP2014170633A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】収容部に収容された複数の電池のうち、角または隅に位置する電池に対する放熱性を高めつつ、電池の異常発熱が連鎖的に起こることを抑制する。
【解決手段】電池モジュール１０のある態様は、熱伝導性が良好な第１の収容部３０に収容された円柱状の複数の電池２０ａおよび熱伝導性が良好な第２の収容部４０に収容された円柱状の複数の電池２０ｂを有する。第１の収容部３０は、板状の基部３２および中空状の枠体部３４を有する。第２の収容部４０は、板状の基部４２および中空状の枠体部４４を有する。枠体部３４は基部４２に設けられた開口４６に差し込まれる。枠体部４４は基部３２に設けられた開口に差し込まれる。第１の収容部３０と第２の収容部との間は、断熱層５０や空気によって断熱されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池が格納された電池モジュールに関する。

一般に、電池（単セル）の起電力は低く、起電力が高いといわれるリチウムイオン電池においても４Ｖ程度である。そのため、より高い電圧が必要な場合には、複数個の電池を直列接続してモジュール化することが行われている。

例えば、特許文献１には、千鳥状に配置された複数の電池をケースに収容した電池モジュールが開示されている。

国際特許公開番号ＷＯ２０１３／００１５８５

従来の電池モジュールでは、中央部に位置する電池が異常発熱する場合には、当該電池に隣接する電池の数が多いため、当該電池から熱が拡散する経路が十分に確保され、周囲の電池に熱が集中しにくい。これに対して、角や隅に位置する電池が異常発熱する場合には、当該電池に隣接する電池の数が限られるため、当該電池に隣接する電池に熱が集中し、隣接する電池が連鎖的に異常発熱を起こす場合があった。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、収容部に収容された複数の電池のうち、角または隅に位置する電池に対する放熱性を高めつつ、電池の異常発熱が連鎖的に起こることを抑制することができる技術の提供にある。

本発明のある態様は、電池モジュールである。当該電池モジュールは、第１の電池群および第２の電池群に分類される複数の電池と、前記第１の電池群に属する複数の電池を収容し、熱伝導性を有する材料で形成されている第１の収容部と、前記第２の電池群に属する複数の電池を収容し、前記第１の収容部と断熱され、かつ熱伝導性を有する材料で形成されている第２の収容部と、を備え、前記複数の電池のうち、角または隅に位置する電池を収容する第１の収容部または第２の収容部のいずれかの収容部と、当該電池に隣接する電池を収容する第１の収容部または第２の収容部のいずれかの収容部とが異なることを特徴とする。

本発明によれば、収容部に収容された複数の電池のうち、角または隅に位置する電池に対する放熱性を高めつつ、電池の異常発熱が連鎖的に起こることを抑制することができる。

実施の形態に係る電池モジュールの外観を示す斜視図である。 実施の形態に係る電池モジュールの側面図である。 電池モジュールに組み込まれる電池の断面図である。 実施の形態に係る電池モジュールが有する第１の収容部および第２の収容部の外観を示す斜視図である。 図５（Ａ）は、第１の収容部の基部に設けられた開口に第２の収容部の枠体部が差し込まれた箇所の典型的な断面図である。図５（Ｂ）は、第２の収容部の基部に設けられた開口に第１の収容部の枠体部が差し込まれた箇所の典型的な断面図である。 図６（Ａ）〜（Ｃ）は、第１の収容部の枠体部と第２の収容部の枠体部の配置例を示す平面図である。 図７（Ａ）は、比較例の収容部の配置を示す図である。図７（Ｂ）は、実施例の収容部の配置を示す図である。 比較例および実施例について、電池ブロック角部に位置する電池を強制的に熱暴走させたとき、当該電池に隣接する電池底面における温度変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、実施の形態に係る電池モジュール１０の外観を示す斜視図である。図２は、実施の形態に係る電池モジュール１０の側面図である。

電池モジュール１０は、複数の電池２０、第１の収容部３０、第２の収容部４０および断熱層５０を有する。複数の電池２０は、第１の電池群と第２の電池群に分類される。第１の電池群に属する電池２０ａは、第１の収容部３０に収容されている。第２の電池群に属する電池２０ｂは、第２の収容部４０に収容されている。図１に示した電池モジュール１０では、電池２０ａの数および電池２０ｂの数がともに１０である。

本実施の形態の電池２０は円柱状の外形を有しているが、電池２０の外形はこれに限られず、例えば、角形でもよい。また、本実施の形態の電池２０はリチウムイオン二次電池であるが、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池などにも適用可能である。

図３は、電池モジュール１０に組み込まれる電池２０の断面図である。以下、図３を参照しながら、電池２０の具体的な構成を説明する。図３に示すように、正極２０１と負極２０２とがセパレータ２０３を介して捲回された電極群２０４が、非水電解液（図示せず）とともに、電池ケース２０７に収容されている。電極群２０４の上下には、絶縁板２０９、２１０が配され、正極２０１は、正極リード２０５を介してフィルタ２１２に接合され、負極２０２は、負極リード２０６を介して負極端子を兼ねる電池ケース２０７の底部に接合されている。

フィルタ２１２は、インナーキャップ２１３に接続され、インナーキャップ２１３の突起部は、金属製の弁体２１４に接合されている。さらに、弁体２１４は、正極端子を兼ねる端子板（電極部）２０８に接続されている。そして、端子板２０８、弁体２１４、インナーキャップ２１３およびフィルタ２１２が一体となって、ガスケット２１１を介して、電池ケース２０７の開口部を封口している。

電池２０の温度が上昇したり、電池２０に内部短絡等が発生して、電池２０内の圧力が上昇すると、弁体２１４が端子板８に向かって膨れ、インナーキャップ２１３と弁体２１４との接合が外れると、電流経路が遮断される。さらに、電池２０内の圧力が上昇すると、弁体２１４が破断する。これによって、電池２０内に発生したガスは、フィルタ２１２の貫通孔２１２ａ、インナーキャップ２１３の貫通孔２１３ａ、弁体２１４の裂け目、そして端子板（電極部）２０８の開放部２０８ａを介して、外部へ放出される。

なお、電池２０内に発生したガスを外部に放出する安全機構は、図３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。

第１の収容部３０に収容された複数の電池２０ｂ、および第２の収容部４０に収容された複数の電池２０ｂは、バスバーなどの電気接続部材（図示せず）を用いて、電気的に直列または並列接続される。

図４は、実施の形態に係る電池モジュールが有する第１の収容部および第２の収容部の外観を示す斜視図である。図４を参照して第１の収容部３０および第２の収容部４０の構成について説明する。第１の収容部３０は、第１の電池群に属する複数の電池２０ａを収容する機能と、複数の電池２０ａから熱を放熱させる機能を担う。同様に、第２の収容部４０は、第２の電池群に属する複数の電池２０ｂを収容する機能と、複数の電池２０ｂから熱を放熱させる機能を担う。

第１の収容部３０は、基部（またはプレート部）３２、枠体部（またはパイプ部）３４を有する。基部３２および枠体部３４は、アルミニウム、銅、マグネシウム、高熱伝導樹脂などの熱伝導性が良好な材料で形成されている。

基部３２は、板状の部材であり、枠体部３４を固定するためのベース部材となる。基部３２には、後述する第２の収容部４０の枠体部４４が挿入される開口３６が形成されている。開口３６の数は、枠体部４４の数と等しい。

枠体部３４は、中空円筒状の部材である。枠体部３４は、基部３２の両主表面側にそれぞれ突出するように基部３２に貫通して設けられている。枠体部３４の数は、第１の電池群に属する電池２０ａの数に応じて設置されており、各枠体部３４内にそれぞれ電池２０ａが収容される。電池２０ａで発生した熱は当該電池２０ａを収容する枠体部３４に伝導することにより、放熱される。また、第１の収容部３０を構成する基部３２および枠体部３４間で熱伝導が生じることにより、発熱した電池２０ａの放熱性が高められる。枠体部３４は、基部３２とシームレスに一体化されていてもよく、また、枠体部３４は基部３２と別部材として用意し、枠体部３４と基部３２とが溶接などにより固定されていてもよい。

一方、第２の収容部４０は、基部（またはプレート部）４２、枠体部（またはパイプ部）４４を有する。基部４２および枠体部４４は、第１の収容部３０と同様にアルミニウム、銅、マグネシウム、高熱伝導樹脂などの熱伝導性が良好な材料で形成されている。

基部４２は、板状の部材であり、枠体部４４を固定するためのベース部材となる。基部４２には、上述した第１の収容部３０の枠体部３４が挿入される開口４６および枠体部３４が保持される切り欠き部４７が形成されている。開口４６と切り欠き部４７を合わせた数は、枠体部３４の数と等しい。

枠体部４４は、中空円筒状の部材である。枠体部４４は、基部４２の両主表面側にそれぞれ突出するように基部４２に貫通して設けられている。枠体部４４の数は、第２の電池群に属する電池２０ｂの数に応じて設置されており、各枠体部４４内にそれぞれ電池２０ｂが収容される。電池２０ｂで発生した熱は、当該電池２０ｂを収容する枠体部４４に伝導することにより、放熱される。また、第２の収容部４０を構成する基部４２および枠体部４４間で熱伝導が生じることにより、発熱した電池２０ｂの放熱性あるいは熱拡散性が高められる。枠体部４４は、基部４２とシームレスに一体化されていてもよく、また、枠体部４４は基部４２と別部材として用意し、枠体部４４と基部４２とが溶接などにより固定されていてもよい。

第１の収容部３０の開口３６に第２の収容部４０の枠体部４４を差し込み、第２の収容部４０の開口４６および切り欠き部４７に第１の収容部３０の枠体部３４を差し込むことにより、電池２０を収容するためのブロック構造が形成される。なお、基部３２と基部４２との間に断熱層５０が設けられている。断熱層５０は、たとえば、ナイロン、ポリアミド（ＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ＡＢＳ、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＦＡ）、ガラスエポキシ、雲母、発泡樹脂などの絶縁材料により形成される。

図５（Ａ）は、基部３２に設けられた開口３６に第２の収容部４０の枠体部４４が差し込まれた箇所の典型的な断面図である。また、図５（Ｂ）は、基部４２に設けられた開口４６に第１の収容部３０の枠体部３４が差し込まれた箇所の典型的な断面図である。図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、枠体部４４または枠体部３４が差し込まれる箇所では、断熱層５０に設けられた開口５２の径は枠体部４４の外径と同等であり、開口５２によって枠体部４４または枠体部３４が保持される。図５（Ａ）では、開口３６の内径は枠体部４４の外径より大きくなっており、枠体部４４が基部３２に接しない構造が形成されている。また、図５（Ｂ）では、開口４６の内径は枠体部３４の外径より大きくなっており、枠体部３４が基部４２に接しない構造が形成されている。

また、枠体部３４と枠体部４４が隣接する場合には、両者の間は空気によって断熱されている。これにより、第１の収容部３０と第２の収容部４０とを組み合わせた状態において、第１の収容部３０と第２の収容部４０との間で熱伝導することが抑制される。なお、枠体部３４同士、または枠体部４４同士が隣接する場合には、それぞれ枠体部３４同士が接し、枠体部４４同士が接することで、熱伝導が生じてもよい。これにより、第１の収容部３０および第２の収容部４０の放熱性を高めることができる。

第１の収容部３０と第２の収容部４０とを組み合わせた状態では、複数の枠体部３４と複数の枠体部４４とが千鳥状に配置されている。さらに、本実施の形態では、角または隅に位置する枠体部３４Ａ（図１参照）には、第２の収容部４０の枠体部４４Ａのみが隣接するように配置されている。したがって、枠体部３４Ａに収容された電池２０ａで発生した熱は、枠体部４４Ａには実質的に伝導せず、少なくとも枠体部４４Ａを間に挟んで位置する第１の収容部３０の枠体部３４Ｂに主に伝導する。このように、本実施の形態では、角または隅に位置する枠体部３４Ａに枠体部４４Ａを隣接させ、枠体部４４Ａをスキップして、枠体部３４Ａから枠体部３４Ｂに熱伝導経路を確保することを満たすことが不可欠であるが、これらの枠体部以外の配置については、枠体部３４の数と枠体部４４の数とが同等になる条件や、枠体部３４と枠体部４４とが互い違いになるような条件を満たすように設計することが好ましい。なお、本実施の形態では、「角または隅に位置する枠体部３４Ａ」に隣接する枠体部４４Ａの数は２であるが、「角または隅に位置する枠体部３４Ａ」に隣接する枠体部４４Ａの数は３以下であればよい。

図６（Ａ）〜（Ｃ）は、第１の収容部３０の枠体部３４と第２の収容部４０の枠体部４４の配置例を示す平面図である。図６（Ａ）は、第１の収容部３０の枠体部３４の数が１０、第２の収容部４０の枠体部４４の数が７の場合の配置例である。図６（Ｂ）は、第１の収容部３０の枠体部３４の数が１２、第２の収容部４０の枠体部４４の数が１０の場合の配置例である。図６（Ｃ）は、第１の収容部３０の枠体部３４の数が１６、第２の収容部４０の枠体部４４の数が１２の場合の配置例である。

第１の収容部３０および第２の収容部４０の作製方法は特に限定されず、上述した熱伝導性材料が金属の場合、これを切削加工する方法、基部と枠体部とをレーザ溶接加工する方法、ダイキャスト成形などが挙げられる。熱伝導性材料が樹脂の場合には、射出成形などが挙げられる。

以上説明した電池モジュール１０によれば、角または隅に位置する枠体部３４Ａに収容された電池２０ａが発熱した場合に、当該電池２０ａの熱が枠体部４４Ａをスキップして枠体部３４Ｂまで伝導する。このため、角または隅に位置する枠体部３４Ａに収容された電池２０ａが異常発熱した場合に、枠体部３４Ａに隣接した枠体部４４Ａに枠体部３４Ａからの熱が集中することが抑制される。この結果、枠体部４４Ａに収容された電池２０ｂへの熱影響を抑制することができる。

このように、上述した電池モジュール１０によれば、第１の収容部３０および第２の収容部４０に収容された複数の電池２０の放熱性を高めつつ、角または隅に位置する電池に起因して異常発熱が連鎖的に起こることを抑制することができる。

（熱伝導性評価）
図７（Ａ）は、比較例の収容部の配置を示す。比較例では、電池ブロック全体で、隣接する電池をそれぞれ収容する枠体部間で熱伝導が生じる構造が取られている。図７（Ｂ）は、実施例の収容部の配置を示す。実施例では、図１の電池モジュール１０と同様に、角部に位置する電池を収容する枠体部と、当該電池に隣接する電池を収容する枠体部間が断熱された構造が取られている。

比較例および実施例について、電池ブロック角部に位置する電池を強制的に熱暴走させたとき、当該電池に隣接する電池底面における温度変化をそれぞれ計測した。図８に示すように、実施例は比較例に比べて、角部の電池が熱暴走した場合に、当該電池に隣接する電池の温度が上昇しにくくなることが確認された。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

たとえば、上述した実施の形態では、枠体部３４同士の熱伝導経路が基部３２によって形成され、枠体部４４同士の熱伝導経路が基部４２によって形成されているが、基部３２が枠体部３４を固定する機能を主に担い、枠体部３４間の熱伝導を基部３２とは別の熱伝導性の部材が主に担ってよい。同様に、基部４２が枠体部４４を固定する機能を主に担い、枠体部４４間の熱伝導を基部４２とは別の熱伝導性の部材が主に担ってよい。

なお、上述の各実施の形態に係る発明は、以下に記載する項目によって特定されてもよい。
（項目１）
第１の電池群および第２の電池群に分類される複数の電池と、
前記第１の電池群に属する複数の電池を収容し、熱伝導性を有する材料で形成されている第１の収容部と、
前記第２の電池群に属する複数の電池を収容し、前記第１の収容部と断熱され、かつ熱伝導性を有する材料で形成されている第２の収容部と、
を備え、
前記第１の収容部または前記第２の収容部うち、一方の収容部が前記複数の電池のうち、角または隅に位置する電池を収容し、
前記第１の収容部または前記第２の収容部のうち、他方の収容部が当該電池に隣接する電池を収容することを特徴とする電池モジュール。
（項目２）
前記一方の収容部は、当該電池に隣接し前記他方の収容部に収容された電池に隣接する他の電池をさらに収容する項目１に記載の電池モジュール。
（項目３）
第１の収容部および第２の収容部によって、前記複数の電池が千鳥状に配列されている項目１または２に記載の電池モジュール。
（項目４）
前記第１の収容部は、板状の第１の基部と、前記第１の基部の一方または両方の主表面側に突出し、前記第１の電池群に属する電池を挿入可能な中空状の複数の第１の枠体部を有し、
前記第２の収容部は、板状の第２の基部と、前記第２の基部の一方または両方の主表面側に突出し、前記第２の電池群に属する電池を挿入可能な中空状の複数の第２の枠体部を有し、
前記第１の基部に前記第２の枠体部を挿入可能な第１の開口が設けられ、
前記第２の基部に前記第１の枠体部を挿入可能な第２の開口が設けられている項目１乃至３のいずれか１項に記載の電池モジュール
（項目５）
前記第１の基部と前記第２の基部とが断熱性を有する部材を介して積層されている項目４に記載の電池モジュール。
（項目６）
前記第１の開口の内径が前記第２の枠体部の外径より大きく、前記第２の開口の内径が前記第１の枠体部の外径より大きい項目４または５に記載の電池モジュール。
（項目７）
前記角または隅に位置する電池に隣接する電池の数が３以下である項目１乃至６のいずれか１項に記載の電池モジュール。

１０ 電池モジュール、２０ 電池、３０ 第１の収容部、３２ 基部、３４ 枠体部、３６ 開口、４０ 第２の収容部、４２ 基部、４４ 枠体部、４６ 開口、４７ 切り欠き部、５０ 断熱層

Claims (7)

1. 第１の電池群および第２の電池群に分類される複数の電池と、
   前記第１の電池群に属する複数の電池を収容し、熱伝導性を有する材料で形成されている第１の収容部と、
   前記第２の電池群に属する複数の電池を収容し、前記第１の収容部と断熱され、かつ熱伝導性を有する材料で形成されている第２の収容部と、
   を備え、
   前記第１の収容部または前記第２の収容部うち、一方の収容部が前記複数の電池のうち、角または隅に位置する電池を収容し、
   前記第１の収容部または前記第２の収容部のうち、他方の収容部が当該電池に隣接する電池を収容することを特徴とする電池モジュール。
2. 前記一方の収容部は、当該電池に隣接し前記他方の収容部に収容された電池に隣接する他の電池をさらに収容する請求項１に記載の電池モジュール。
3. 第１の収容部および第２の収容部によって、前記複数の電池が千鳥状に配列されている請求項１または２に記載の電池モジュール。
4. 前記第１の収容部は、板状の第１の基部と、前記第１の基部の一方または両方の主表面側に突出し、前記第１の電池群に属する電池を挿入可能な中空状の複数の第１の枠体部を有し、
   前記第２の収容部は、板状の第２の基部と、前記第２の基部の一方または両方の主表面側に突出し、前記第２の電池群に属する電池を挿入可能な中空状の複数の第２の枠体部を有し、
   前記第１の基部に前記第２の枠体部を挿入可能な第１の開口が設けられ、
   前記第２の基部に前記第１の枠体部を挿入可能な第２の開口が設けられている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電池モジュール
5. 前記第１の基部と前記第２の基部とが断熱性を有する部材を介して積層されている請求項４に記載の電池モジュール。
6. 前記第１の開口の内径が前記第２の枠体部の外径より大きく、
   前記第２の開口の内径が前記第１の枠体部の外径より大きい請求項４または５に記載の電池モジュール。
7. 前記角または隅に位置する電池に隣接する電池の数が３以下である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電池モジュール。

Images