JP2014512089A - 安全性の向上した電池パック - Google Patents

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Abstract

本発明は、２つ以上の電池セル又は電池モジュールが電気的に連結されている電源供給部と、前記電源供給部の異常発生時に電池セル又は電池モジュールの体積膨脹を感知して作動することによって電池パックの一部又は全体に短絡（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ）を誘導する１つ以上の圧力作動スイッチと、電池パックの短絡発生時に電池パック内の電気的接続を遮断するために、電池セル又は電池モジュールの直列連結部位のうち少なくとも一つの直列連結部位に位置している断電（ｃｕｔ−ｏｆｆ）部と、前記電源供給部の最外側に位置している電極端子と接続して外部デバイスに電源を供給する外部入出力用端子と、を備えている電池パックを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、安全性の向上した電池パックに係り、特に、２つ以上の電池セル又は電池モジュールが電気的に連結されている電源供給部と、前記電源供給部の異常発生時に電池セル又は電池モジュールの体積膨脹を感知して作動することによって、電池パックの一部又は全体に短絡(ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ)を誘導する１つ以上の圧力作動スイッチと、電池パックの短絡発生時に電池パック内の電気的接続を遮断するために、電池セル又は電池モジュールの直列連結部位のうち少なくとも一つの直列連結部位に配置されている断電（ｃｕｔ−ｏｆｆ）部と、前記電源供給部の最外側に配置されている電極端子に接続して外部デバイスに電源を供給する外部入出力用端子と、を備えてなる電池パックに関する。
モバイル機器の技術開発と需要が増加するに伴い、エネルギー源としての二次電池の需要も急増しつつある。二次電池の中でも、高いエネルギー密度と放電電圧を有するリチウム二次電池に対する研究が多く行われ、現在、商用化して広く使用されている。
二次電池は、携帯電話、デジタルカメラ、ＰＤＡ、ノートパソコンなどのモバイル、ワイヤレス電子機器の他、電気自転車（Ｅ−ｂｉｋｅ）、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）のような動力装置のエネルギー源としても高い関心を集めている。
携帯電話、カメラなどの小型デバイスには、１つの電池セルがパックキングされている小型電池パックが使われているが、ノートパソコン、電気自動車などの中大型のデバイスには、２つ又はそれ以上の電池セル（以下、「マルチ−セル」ともいう）を並列及び／又は直列に連結した電池パックがパックキングされている中型又は大型の電池パックが使われている。
上述したように、リチウム二次電池は、大容量及び高放電電圧といった優れた電気化学的特性を有してはいるが、安全性が低いという問題点がある。例えば、リチウム二次電池は、過充電、過放電、高温への露出、電気的短絡などの異常作動において、電池構成要素である活物質、電解質などの分解反応が起こって熱とガスが発生し、これによる高温高圧の条件は上記分解反応をより促し、ついには発火又は爆発につながることもある。
そのため、リチウム二次電池には、過充電、過放電、過電流時に電流を遮断する保護回路、温度上昇時に抵抗が大きく増加して電流を遮断するＰＴＣ素子（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｅｌｅｍｅｎｔ）、ガス発生による圧力上昇時に電流を遮断したりガスを排気したりする安全ベントなどの安全システムが備えられている。例えば、円筒形の小型二次電池では、円筒形の缶に内蔵されている正極／分離膜／負極の電極組立体（発電素子）の上部にＰＴＣ素子及び安全ベントが一般的に設けられており、角形又はパウチ型の小型二次電池では、発電素子が封止された状態で内蔵されている角形缶又はパウチ型のケースの上端に、保護回路モジュール、ＰＴＣ素子などが一般的に搭載されている。
リチウム二次電池の安全性問題はマルチ−セル構造の中型又は大型の電池パックにおいてより深刻である。マルチ−セル構造の電池パックでは複数の電池セルが使用されているから、一部の電池セルでの作動異常は他の電池セルへと連鎖反応を引き起こし、それによる発火及び爆発は大型事故につながりがちなためである。そのため、中型又は大型の電池パックには、過放電、過充電、過電流などから電池セルを保護するためにＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）のような安全システムが備えられている。
一方、リチウム二次電池は、継続した使用、すなわち、継続した充放電過程で発電素子、電気的接続部材などが次第に劣化していくため、例えば、発電素子の劣化は、電極材料、電解質などの分解によりガス発生を誘発し、これにより電池セル（缶、パウチ型のケース）は漸次膨脹することになる。正常状態では、ＢＭＳのような能動コントローラ（ａｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）が電池パックの過放電、過充電、過電流などを探知し、危険な場合に、電池を遮断して電池パックの危険を下げている。
しかしながら、上記のような能動コントローラを使用する場合には、外部からＢＭＳに電気を供給しなければならないが、ＢＭＳに電気が供給されない状態が発生すると、ＢＭＳが電池パックを保護できなくなるという問題につながる。
そこで、上記のような問題点を解決しながら、電池パックの安全性を根本的に確保できる技術が切実に望まれている現状である。
本発明は、上記のような従来技術の問題点と過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
本出願の発明者等は、鋭意の研究と様々な実験を重ねた結果、圧力作動スイッチと断電部を特定の構成として電池パックに含めると、過充電時に圧力作動スイッチが電池セル又は電池モジュールの体積膨脹を感知して作動することで電池パックの一部又は全体に短絡を誘導し、このような意図的短絡発生により断電部が電池パック内の電気的接続を切ることから、電池パックの安全性を所望のレベルに確保可能になることを知見した。
したがって、本発明の目的は、安全性を向上させることができる特定構造の電池パックを提供することにある。
このような目的を達成するための本発明に係る電池パックは、
２つ以上の電池セル又は電池モジュールが電気的に連結されている電源供給部と、
前記電源供給部の異常発生時に電池セル又は電池モジュールの体積膨脹を感知して作動することによって電池パックの一部又は全体に短絡（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ）を誘導する１つ以上の圧力作動スイッチと、
電池パックの短絡発生時に電池パック内の電気的接続を遮断するために、電池セル又は電池モジュールの直列連結部位のうち少なくとも一つの直列連結部位に位置している断電（ｃｕｔ−ｏｆｆ）部と、
前記電源供給部の最外側に位置している電極端子と接続して外部デバイスに電源を供給する外部入出力用端子と、
を備える構成となっている。
上述した通り、複数の電池セル又は電池モジュールが連結された電源供給部を備えている電池パックでは、ＢＭＳが電源供給部の作動状態を感知してその充放電を制御することによって安全性を確保する構造となっているが、電気の供給遮断によりＢＭＳが作動しない場合には、電源供給部の充放電を制御できなくなる問題点があった。
これに対し、本発明に係る電池パックは、ＢＭＳとは独立して作動する圧力作動スイッチと断電部を備えているため、電源供給部の異常発生時に圧力作動スイッチが電池セル又は電池モジュールの体積膨脹を感知して自律的に作動することによって、電池パックの一部又は全体に短絡を誘導し、電池パックのこのような意図的短絡発生時に断電部が電池パック内の電気的接続を切ることによって、電源供給部の過電流又は過電圧が外部入出力用端子に伝達されるのを防止し、電池パックの安全性及び信頼性を確保することができる。
また、本発明に係る電池パックは、電池セル又は電池モジュール単位で過充電時に発生する圧力を用いて、過充電から電池パックを保護することができる。
さらに、本発明に係る電池パックは、既存の電池パック構造を大きく変更することなく、圧力作動スイッチ、断電部などを追加することによって安全な電池パック構造とすることができる。
一つの好ましい例において、前記圧力作動スイッチは、電源供給部のうち少なくとも一つの電池セル又は単位モジュールに電気的接続している構造となっており、異常発生による電池セル又は単位モジュールの体積増加を容易に感知することができる。
したがって、圧力作動スイッチは電源供給部の様々な位置に装着すればよく、その装着位置によって、電池パックの一部に短絡を誘導することもあり、電池パック全体に短絡を誘導することもある。
一つの具体的な例において、前記圧力作動スイッチが２個以上からなり、前記電源供給部の最外側にそれぞれ位置している構造であればよく、このような構造により、電源供給部の最外側に位置している電池セル又は電池モジュールの体積を容易に感知することができる。また、圧力作動スイッチが２個以上で構成されているため、電池セル又は電池モジュールの体積増加に対してより敏感に対応することができる。
前記構造において、前記２個以上の圧力作動スイッチは電気的に連結されていればよい。
例えば、前記２個以上の圧力作動スイッチはワイヤーハーネスにより相互に電気的に接続しているとよい。
一方、前記圧力作動スイッチは、電池セル又は電池モジュールの体積膨脹が設定値以上に増加する際に作動するように構成されていればよい。
前記設定値は、電池パックの構造、容量などに基づいて任意に決定すればよい。ただし、設定値が小さすぎると、圧力作動スイッチが電池セル又は電池モジュールの体積膨脹に対して過敏に反応することがあり、逆に、設定値が大きすぎると、圧力作動スイッチが電池セル又は電池モジュールの体積膨脹に対して鈍感に反応することがあるため好ましくない。例えば、前記設定値は、電池セル又は電池モジュールの体積対比１％乃至３０％の体積が増加する場合を基準にして定めるとよい。
好ましくは、前記圧力作動スイッチは、電池セル又は電池モジュールの正常作動条件下で断電状態（ＯＦＦ）に設定されており、電池セル又は電池モジュールの体積が膨脹する際に通電状態（ＯＮ）に切り替わるように構成するとよい。
具体的に、電池セル又は電池モジュールが正常作動条件下にある場合、圧力作動スイッチが断電状態に設定されており、電源供給部で発生した電気は外部デバイスにのみ供給されて外部デバイスを駆動させる。
一方、電池セル又は電池モジュールが異常作動条件下にある場合は、電池セル又は電池モジュールの体積が膨脹して圧力作動スイッチを通電状態に切り替え、これによる通電により電池パックに意図的短絡が誘発され、このような意図的短絡により断電部が切れ、電源供給部から外部デバイスに供給される電気が遮断される。
そのための好ましい例において、電池パックには電源供給部に並列方式で連結された回路がさらに含まれており、前記圧力作動スイッチは前記回路上に位置していればよい。
前記電池セル又は電池モジュールの体積膨脹は、電源供給部の過充電、過電流などの様々な要因から発生する。例えば、電源供給部の過充電又は過電流通電や、電池パックの異常作動又は長期間の充放電による劣化により、電池セル又は電池モジュールが膨脹するスウェリング現象が発生する。
前記電池セル又は電池モジュールの電極端子は、別途の接続部材無しで直接接続していてもよく、又はバスバーにより電気的に接続していてもよい。
前記断電部は、電池パックの短絡発生時に電池パック内の電気的接続を容易に遮断できる部品であれば特に制限されず、例えば、ヒューズであるとよい。
前記電池セルは、円筒形、角形、パウチ型の電池セルなどのいかなる形態にしてもよく、例えば、樹脂層と金属層を含むラミネートシートのケースに電極組立体が内蔵されているパウチ型の電池セルであってよく、好ましくは、パウチ型のリチウム二次電池であるとよい。
本発明に係る電池パックは、所望する出力及び容量に応じて電池モジュールを組み合わせて製造してもよく、装着効率性、構造的安全性から、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグ−インハイブリッド電気自動車、電力貯蔵装置などの電源として好適に用いられてよいが、適用範囲がこれに限定されるものではない。
したがって、本発明は、前記電池パックを電源として含むデバイスを提供し、該デバイスは具体的に、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグ−インハイブリッド電気自動車又は電力貯蔵装置であってよい。
このようなデバイスの構造及び製作方法は当業界では公知のものであり、本明細書ではその詳細な説明を省略する。
図１は、本発明の一実施例に係る電池パックの構成図である。 図２は本発明の他の実施例に係る電池パックの構成図である。 図３は本発明の他の実施例に係る電池パックの構成図である。 図４は、本発明のさらに他の実施例に係る電池パックの回路図である。
以下、図面を参照して本発明の内容を詳述するが、これに本発明の範ちゅうが限定されるものではない。
図１は、本発明の一実施例に係る電池パックの模式的構成図である。
図１を参照すると、電池パック９００は、複数の電池モジュール１１０，１２０，１３０，１４０が電気的に連結されている電源供給部１００、１対の圧力作動スイッチ２００，２１０、一つの断電部３００、及び外部デバイス４００と電気的に接続している１対の外部入出力用端子２２０，２３０で構成されている。
圧力作動スイッチ２００，２１０は、電源供給部１００の異常発生時に電池モジュール１１０，１２０，１３０，１４０の体積膨脹を感知して作動することによって、電池パック９００の全体に短絡を誘導する。
断電部３００であるヒューズは、中央に配置されている電池モジュール１２０，１３０の直列連結部位に位置しており、電池パック９００の短絡発生時に電池パック９００内の電気的接続を切る。
外部入出力用端子２２０，２３０は外部デバイス４００に電源を供給するために、電源供給部１００の最外側に位置している電池モジュール１１０，１４０の負極端子１１２及び正極端子１１４にそれぞれ電気的に接続している。
また、１対の圧力作動スイッチ２００，２１０は、電源供給部１００のうち、最外側に位置している電池モジュール１１０，１４０の外面に近接してそれぞれ位置しており、最外側に位置している電池モジュール１１０，１４０の体積膨脹が設定値以上に増加する際、断電状態から通電状態に切り替わる。
具体的に、圧力作動スイッチ２００，２１０は、電池モジュール１１０，１２０，１３０，１４０の正常作動条件下では断電状態（ＯＦＦ）に設定されており、電源供給部１００の過充電、過電流の通電条件で電池モジュール１１０，１２０，１３０，１４０の体積が膨脹すると、電池モジュール１１０，１２０，１３０，１４０の体積膨脹を感知して通電状態（ＯＮ）に切り替わる。
また、圧力作動スイッチ２００，２１０は、ワイヤーハーネス１６０により相互に電気的に接続しており、電池モジュール１１０，１２０，１３０，１４０の電極端子は、バスバー１５０により電気的に接続している。
図２及び図３はそれぞれ、本発明の他の実施例に係る電池パックの模式的構成図である。
図２及び図３を参照すると、図２の電池パック９００ａは、圧力作動スイッチ２５０の一方の端子２５２が、最外側に位置している電池モジュール１１０の負極端子とワイヤーにより接続しており、他方の端子２５４は、中央に位置している電池モジュール１２０の正極端子とワイヤーにより接続している以外は、図１の電池パック９００と同様の構造となっている。
図３の電池パック９００ｂは、ヒューズ３１０が、電源供給部１００の左側に位置している電池モジュール１１０，１５０の負極端子と正極端子とを電気的に接続している以外は、図１の電池パック９００と同様の構造となっている。
図４は、本発明のさらに他の実施例に係る電池パックの模式的回路図である。
図４を参照すると、電池パック９００ｃは、電源供給部１００に並列方式で接続された並列回路５００を備えており、圧力作動スイッチ２００は並列回路５００上に配置されている。
具体的に、電源供給部１００が正常状態の場合には、圧力作動スイッチ２００が断電状態に設定されているので、電源供給部１００で発生した電流は外部デバイスに正常に流れる。
しかし、電源供給部１００が異常状態の場合には、電源供給部１００の電池モジュールが体積膨脹をすることになり、圧力スイッチ２００はこのような電池モジュールの体積膨脹を感知して通電状態に切り替わる。
この場合、電流は、抵抗の大きい外部デバイス４００の方よりは、抵抗の小さい並列回路５００と抵抗体であるヒューズ３１０の方に急に多く流れることになり、ヒューズ３１０は急激な電流により熱が発生して切れてしまう。ヒューズ３１０の切れにより電池モジュールの充放電が停止し、電池パック９００ｃの安全性が確保される。
本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、以上の内容に基づいて本発明の範ちゅう内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
以上で説明した通り、本発明に係る電池パックは圧力作動スイッチと断電部を特定の条件として含むことによって、異常作動状態において、圧力作動スイッチが電池セル又は電池モジュールの体積膨脹を感知して作動することによって、電池パックの一部又は全体に短絡を誘導し、電池パックのこのような意図的短絡発生により、断電部が電池パック内の電気的接続を切ることによって、電池パックの安全性を大きく向上させることができる。
また、本発明に係る電池パックは、ＢＭＳとは独立して、電源供給部の作動状態に対応して電池パック内の電気的接続を切る断電部を備えているため、ＢＭＳが作動しない場合にも安全性を確保することができ、信頼性も大幅に向上させることができる。
さらに、上記圧力作動スイッチと断電部を電池パック内部の空間に装着できるため、構造変更無しで電池パックを容易に製造することができる。

Claims (14)

  1. ２つ以上の電池セル又は電池モジュールが電気的に連結されている電源供給部と、
    前記電源供給部の異常発生時に電池セル又は電池モジュールの体積膨脹を感知して作動することによって電池パックの一部又は全体に短絡（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ）を誘導する１つ以上の圧力作動スイッチと、
    電池パックの短絡発生時に電池パック内の電気的接続を遮断するために、電池セル又は電池モジュールの直列連結部位のうち少なくとも一つの直列連結部位に位置している断電（ｃｕｔ−ｏｆｆ）部と、
    前記電源供給部の最外側に位置している電極端子と接続して外部デバイスに電源を供給する外部入出力用端子と、
    を備えていることを特徴とする、電池パック。
  2. 前記圧力作動スイッチは、電源供給部のうち少なくとも一つの電池セル又は単位モジュールと電気的に接続していることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
  3. 前記圧力作動スイッチは、２個以上からなり、前記電源供給部の最外側にそれぞれ位置していることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
  4. 前記２つ以上の圧力作動スイッチは電気的に連結されていることを特徴とする、請求項３に記載の電池パック。
  5. 前記２つ以上の圧力作動スイッチは、ワイヤーハーネスにより相互に電気的に接続していることを特徴とする、請求項３に記載の電池パック。
  6. 前記圧力作動スイッチは、電池セル又は電池モジュールの体積膨脹が設定値以上に増加する際に作動するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
  7. 前記圧力作動スイッチは、電池セル又は電池モジュールの正常作動条件下で断電状態（ＯＦＦ）に設定されており、電池セル又は電池モジュールの体積が膨脹する際に通電状態（ＯＮ）に切り替わることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
  8. 前記電池パックは、電源供給部に並列方式で連結された回路をさらに備えており、前記圧力作動スイッチは、前記回路上に位置していることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
  9. 前記電池セル又は電池モジュールの体積膨脹は、電源供給部の過充電又は過電流時に発生することを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
  10. 前記電池セル又は電池モジュールの電極端子はバスバーにより電気的に接続していることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
  11. 前記断電部はヒューズからなることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
  12. 前記電池セルは、樹脂層と金属層を含むラミネートシートのケースに電極組立体が内蔵されているパウチ型の電池セルであることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
  13. 請求項１に記載の電池パックを電源として含むことを特徴とするデバイス。
  14. 前記デバイスは、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグ−インハイブリッド電気自動車又は電力貯蔵装置であることを特徴とする、請求項１３に記載のデバイス。
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