JP2017004968A - 安全性の向上した電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】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；前記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、下記の圧力作動スイッチにより誘導される電池セル又は電池モジュールの短絡により電池パック内の電気的連結を遮断する断電（ｃｕｔ−ｏｆｆ）部；前記断電部が位置する電池セル又は電池モジュールに並列に連結されており、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、電池セル又は電池モジュールに短絡（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ）を誘導する圧力作動スイッチ；及び、前記電源供給部の最外側に位置している電極端子に連結され、外部デバイスに電源を供給する外部入出力用端子；を備え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；前記電池セル又は電池モジュールの直列連結部位の少なくとも一つの直列連結部位に位置し、下記の圧力作動スイッチにより誘導される電池セル又は電池モジュールの短絡により電池パック内の電気的連結を遮断する断電（ｃｕｔ−ｏｆｆ）部；前記断電部の位置する電池セル又は電池モジュールに並列に連結されており、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、それら電池セル又は電池モジュールに短絡（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ）を誘導する圧力作動スイッチ；及び、前記電源供給部の最外側に位置している電極端子に連結されて外部デバイスに電源を供給する外部入出力用端子；を備える電池パックに関する。

モバイル機器の技術開発と需要の増加に伴い、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関して多くの研究が行われおり、商用化され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」と呼ばれることもある）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。

しかしながら、リチウム二次電池は、大きい容量及び高い放電電圧といった優れた電気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の際に、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進させ、最終的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、角形又はパウチ形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形のケースの上端に、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−セル構造の中大型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多数の電池セルが使用されているため、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る傾向が高いからである。そこで、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、リチウム二次電池では、継続した使用、すなわち、継続した充放電過程で発電素子、電気的連結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、パウチ形のケース）は漸次膨脹することになる。正常の状態では、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することで電池パックにおける危険を軽減している。

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ず、ＢＭＳに電気が供給されなくなるとＢＭＳが電池パックを保護できないという問題点がある。

そこで、上記のような問題点を解決するとともに、電池パックの安全性を根本的に確保できる技術が強く望まれている現状がある。

本発明は、上記のような従来技術の問題点、及び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。

本出願の発明者らは、鋭意の研究と様々な実験を重ねた結果、圧力作動スイッチ及び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に短絡を誘導し、このような意図的な短絡発生により断電部が電池パック内の電気的連結を切ることによって、電池パックの安全性を所望のレベルに担保できるということを見出した。

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、下記圧力作動スイッチにより誘導される電池セル又は電池モジュールの短絡により電池パック内の電気的連結を遮断する断電（ｃｕｔ−ｏｆｆ）部と、

前記断電部の位置する電池セル又は電池モジュールに並列に連結されており、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、電池セル又は電池モジュールに短絡（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ）を誘導する圧力作動スイッチと、

前記電源供給部の最外側に位置している電極端子に連結され、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。

前述したように、多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が備えられ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になっているが、電気供給の遮断によりＢＭＳが作動されなくなる場合には、電源供給部の充放電を制御できなくなるという問題点があった。

これに対し、本発明の電池パックによれば、電池パックの正常作動状態では、大きい負荷を有する、例えば、電気自動車のモーターのような外部デバイスを通して電気が流れるが、電池セル又は電池モジュールの体積膨脹のような電池パックの異常作動状態では、意図的に誘導された短絡により、負荷の小さい圧力作動スイッチなどを通して電気が流れるようになり、これによる過電流により断電部が破断され、電池パック内の電気的連結を切ることによって、安全性を担保する。このような安全性を担保にする圧力作動スイッチ及び断電部がＢＭＳとは独立して作動するように構成されているため、ＢＭＳが作動されなくなるような状況でも電池パックの安全性を担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利用できるため、過充電から電池パックを保護することができる。

さらに、意図的な短絡を誘発する圧力作動スイッチが含まれている回路が、断電部の位置している電池セル又は電池モジュールに直接に又は近接して連結されているため、次のような特別な効果を奏する。

具体的に、圧力作動スイッチを含んでいる回路が電源供給部の最外側に配置される構造では、全体回路が膨脹しつつ切れる危険性が高く、電池パック全体に損傷を与えるのに対し、本発明に係る電池パックの圧力作動スイッチは、断電部の位置している電池セル又は電池モジュールに連結されるため、上記の問題点を未然に防止し、電池パックを構成する電池セル又は電池モジュールの一部のみを短絡させ、損傷した一部のみを入れ替えるだけで済むという効果もある。

なお、本発明に係る電池パックは、既存の電池パックの構造を大きく変更することなく、圧力作動スイッチ及び断電部のみを追加することで安全な電池パック構造を構成でき、且つ回路構成が短いため、実際の電池パックの設計柔軟性が高いという効果もある。

前記電池セル又は電池モジュールの短絡は、それぞれの電池モジュールが有する特性によって異なることがあるが、好ましくは、断電部の作動のための短絡電流は５００Ａ乃至３０００Ａの範囲であってよい。

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連結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、ヒューズであってよい。

一つの好適な例において、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時に作動するように構成できる。

前記設定値は、電池パックの構造、容量などによって任意に決定できる。但し、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過敏に反応するという問題点があり、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鈍感に反応するという問題点があり、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を基準に、１％乃至３０％増加した値でよい。

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時、通電状態（ＯＮ）に切り替わるように構成されるとよい。

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には、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、外部デバイスを駆動させる。

逆に、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には、電池セル又は電池モジュールの体積が膨脹し、圧力作動スイッチが通電状態に切り替わり、このような通電により、電池セル又は電池モジュールの一部に連結されている断電部により意図的短絡が誘発され、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。

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により発生することがある。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しうるが、本発明に係る電池パックは、このような状況で電池パックの安全性を向上させることができる。

前記電池セル又は電池モジュールの電極端子は、例えば、直接連結されるか、又はバスバーにより電気的連結されているが、これに限定されるものではない。

前記電池セルの形態は特に限定されず、円筒形、角形、パウチ形電池セルなどが挙げられる。例えば、前記電池セルは、樹脂層及び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形電池セルでよく、好ましくは、パウチ形リチウム二次電池であってよい。

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でき、装着効率性、構造的安全性などから、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使用できるが、これらに適用範囲が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使用するデバイスを提供でき、前記デバイスは、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。

本発明の一実施例に係る電池パックの構成図である。 本発明の他の実施例に係る電池パックの構成図である。

以下、図面を参照して、本発明をより詳細に説明するが、それに本発明の範ちゅうが限定されるものではない。

図１には、本発明の一実施例に係る電池パックの構成図が模式的に示されている。

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、一つの圧力作動スイッチ２００、一つの断電部３００、及び外部デバイス４００と電気的連結されている一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は、断電部３００が位置する直列連結部位の電池モジュール１２０，１３０に並列連結されている。

断電部３００であるヒューズは、中央に位置し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、圧力作動スイッチ２００は、断電部３００が連結されている電池モジュール１２０，１３０に直接に電気的連結されている。

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にそれぞれ電気的連結されている。

電池モジュール１１０，１２０，１３０，１４０の電極端子は、バスバー１５０により電気的連結されている。

また、圧力作動スイッチ２００は、体積膨脹が設定値以上に増加する時、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は、電池モジュール１２０，１３０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、過電流の通電条件下で電池モジュール１２０，１３０の体積が膨脹する時、電池モジュール１２０，１３０の体積膨脹を感知し、通電状態（ＯＮ）に切り替わる。

すなわち、電源供給部１００が正常状態であれば、圧力作動スイッチ２００は断電状態に設定されているので、電源供給部１００から発生した電流は、大きい負荷の外部デバイスに正常に流れる。

しかし、電源供給部１００が異常状態であれば、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、通電状態に切り替わる。

この場合、電流は、負荷の大きい外部デバイス４００よりは、負荷の小さい抵抗体であるヒューズ３００に急に多く流れるようになり、ヒューズ３００は急に流れてくる電流により熱が発生し、破断する。したがって、ヒューズ３００の破断により一部の電池モジュールの充放電が停止し、電池パック９００の安全性が確保可能になる。

図２には、本発明の他の実施例に係る電池パックの構成図が模式的に示されている。

図２を図１と共に参照すると、電池パック９００ａの圧力作動スイッチ２００が、断電部３００が連結された電池モジュール１２０，１３０に隣接した電池モジュール１１９，１３１に電気的に連結されている以外は、図１の電池パック９００と同様の構造になっている。

すなわち、断電部３００に隣接した位置に圧力作動スイッチ２００が連結され、電池パック９００，９００ａの電池モジュールの一部のみが短絡するため、短絡時に生じうる危険性を顕著に減らし、電池パックの全般的な回路構成を柔軟にデザインすることができる。

したがって、本発明において、断電部の位置する電池セル又は電池モジュールに圧力作動スイッチが電気的に連結されているということは、断電部の位置する電池セル又は電池モジュールに直接連結された場合も、近接して連結された場合も含む意味である。ここで、近接した場合は、例えば、１乃至５個の電池セル又は電池モジュールの間隔を意味できる。

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が可能であるだろう。

以上説明した通り、本発明に係る電池パックの圧力作動スイッチは、断電部の位置している電池セル又は電池モジュールに近接するように連結されているため、異常作動状態で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し、電池モジュールの一部に短絡を誘導し、このような電池パックの意図的短絡の発生により、断電部が電池パック内の電気的連結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連結を遮断できる断電部を含んでいるため、ＢＭＳが作動されなくなる場合にも安全性を担保することができ、信頼性も大きく向上させることができる。

さらに、上記の圧力作動スイッチ及び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。

１００ 電源供給部
１１０、１１９、１２０、１３０、１３１、１４０ 電池モジュール
１１２ 負極端子
１１４ 正極端子
１５０ バスバー
２００ 圧力作動スイッチ
２２０、２３０ 外部入出力用端子
３００ 断電部 ４００ 外部デバイス
９００、９００ａ 電池パック

Claims (10)

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、下記の圧力作動スイッチにより誘導される電池セル又は電池モジュールの短絡により電池パック内の電気的連結を遮断する断電（ｃｕｔ−ｏｆｆ）部と、
   前記断電部の位置する電池セル又は電池モジュールに並列に連結されており、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、電池セル又は電池モジュールに短絡（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ）を誘導する圧力作動スイッチと、
   前記電源供給部の最外側に位置している電極端子に連結され、外部デバイスに電源を供給する外部入出力用端子と、
   を備えることを特徴とする、電池パック。
2. 前記断電部の作動のための短絡電流は、５００Ａ乃至３０００Ａの範囲であ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。
4. 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時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。
5. 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時に通電状態（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。
6. 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。
7. 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連結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。
8. 前記電池セルは、樹脂層及び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形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。
9. 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。
10. 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９に記載のデバイス。