JP2023103471A - 電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】電池セルからの噴出物による導電性材料のパスが電池セルの電極と集電板との間に生成されにくくて、異常高温になった電池セルを電気回路から確実に切り離しできる電池モジュールを提供すること。【解決手段】電池モジュールが、複数の電池セルであって、電池要素と、前記電池要素を収容し、内圧が所定圧力以上になったときに開く安全弁を高さ方向の一方側端部に有するセルケースと、をそれぞれ有する前記複数の電池セルと、前記複数の電池セルの一方側端子を電気的に接続する一方側集電板であって、本体部と、前記本体部から前記貫通孔内に延びて前記電池セルの一方側端子と電気的に接続するリードと、を有する一方側集電板と、前記一方側集電板において前記排気ダクトに面する部分を被覆する絶縁材料と、を備える。前記絶縁材料が、前記本体部の縁の端面を覆う。【選択図】図1
Description
本開示は、電池モジュールに関する。
従来、特許文献1に記載されているように、電池モジュールには、複数の電池セルがマトリクス状に配置され、各電池セルの正極端子が、導電性の平板からなる正極集電板に電気的に接続され、各電池セルの負極端子が、導電性の平板からなる負極集電板にヒューズを介して電気的に接続されているものがある。このようにして、複数の電池セルを並列接続すると共に、定格以上の大電流が流れた電池セルのヒューズをジュール熱で溶断してその電池セルを電気回路から切り離すようにしている。そして、電池セルに大電流が流れて、電池セルが異常発熱することを抑制している。
また、特許文献2に記載されているように、電池モジュールでは、各電池セルの高さ方向一方側にある端面に安全弁を設け、電池セルが異常高温になって電池セルの内圧が高くなると、安全弁が破れて電池から高温のガス等で構成される噴出物を噴出させるようになっている。そして、噴出した当該噴出物を、集電板において電池セルに高さ方向に重なる個所に設けた貫通孔を介して、集電板の電池セル側とは反対側に設けた排気ダクトに導くようになっている。このようにして、当該噴出物を、排気ダクト内を流動させた後、排気ダクトの出口から外部に排出させ、異常高温になった電池セルから噴出した高温のガス等の影響が他の電池セルに及びにくくしている。
上記安全弁が破れた際に電池セルから噴出される噴出物には、銅箔等の導電性材料が多く含まれる。この導電性材料が、電池セルの正極と、集電板との間に跨って位置すると、導電性材料のパスが、電池セルの正極と、集電板との間に生成され、電流が当該導電性材料のパスを流れる。よって、電気回路が、設計したものからかけ離れたものになる。更には、当該導電性材料のパスによって、大電流が、異常高温となった電池セルのヒューズを流れにくくなって、ヒューズが切断されなくなる虞がある。このため、異常高温になった電池セルを並列回路から切り離せなくなり、異常高温になった電池セルが、内部を流れる電流によって更に発熱する虞がある。
そこで、本開示の目的は、電池セルからの噴出物による導電性材料のパスが電池セルの電極と集電板との間に生成されにくくて、異常高温になった電池セルを電気回路から確実に切り離すことができる電池モジュールを提供することにある。
本開示に係る電池モジュールは、複数の電池セルであって、各電池セルが、電池要素と、電池要素を収容し、内圧が所定圧力以上になったときに開く安全弁を高さ方向の一方側端部に有するセルケースと、を有する複数の電池セルと、複数の電池セルの一方側端子を電気的に接続する一方側集電板であって、高さ方向から見たときに安全弁の少なくとも一部と重なる貫通孔を含む本体部と、本体部から貫通孔内に延びて電池セルの一方側端子と電気的に接続するリードと、を有する一方側集電板と、一方側集電板の電池セル側とは反対側に設けられて、複数の電池セルにおける少なくとも1つの電池セルの安全弁が開いたときに当該電池セルから噴出されて貫通孔を通過した噴出物を外部に導く排気ダクトと、一方側集電板において排気ダクトに面する部分を被覆し、絶縁材料で構成される絶縁被膜と、を備える。
本開示に係る電池モジュールによれば、一方側集電板において排気ダクトに面する部分が絶縁被膜で被覆される。したがって、導電性材料を含む噴出物が排気ダクト内に流入して、排気ダクトの内面と、電池セルの電極とに導電性材料のパスが出来たとしても、そのパスが一方側集電板に到達することが絶縁被膜で防止される。よって、排気ダクト内に噴出した噴出物によって、電池セルの電極と一方側集電板とが電気的に接続することがない。その結果、異常高温になった電池セルからの噴出物によって導電性材料のパスが生成されにくくて、異常高温になった電池セルを電気回路から確実に切り離しできる。
以下に、本開示に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて新たな実施形態を構築することは当初から想定されている。また、以下の説明では、電池モジュール10に搭載される円筒形電池11の高さ方向(軸方向)の正極側(排気ダクト70側)を上側とする。
(第1実施形態)
図1は、本開示の第1実施形態に係る電池モジュール10の模式断面図であり、電池モジュール10が備える複数の円筒形電池11のうちの2以上の円筒形電池11の中心軸を含む模式断面図である。
図1は、本開示の第1実施形態に係る電池モジュール10の模式断面図であり、電池モジュール10が備える複数の円筒形電池11のうちの2以上の円筒形電池11の中心軸を含む模式断面図である。
図1に示すように、電池モジュール10は、複数の円筒形電池11と、電池ホルダー20とを備え、電池ホルダー20には、各円筒形電池11を収容する収容部18が複数設けられる。図1に示す例では、上から見たとき、複数の収容部18は、紙面の左右方向を一方向とし、紙面に垂直な方向を他方向とする格子状に配置されているが、複数の収容部は、上から見たとき、千鳥状に配置されてもよい。
円筒形電池11は、電池セルの一例であり、二次電池、例えば、リチウムイオン二次電池等で構成される。円筒形電池11は、金属製のセルケース12と、セルケース12内に収容された電池要素(図示せず)と、正極端子、負極端子を備える。電池要素には、一対の電極体と、電荷の移動を許容する非水電解質などが含まれる。セルケース12は、電池要素を収容する有底円筒形状のセルケース本体13と、セルケース本体13の開口部を塞ぐ封口板14とで構成される。封口板14には、安全弁16が設けられ、安全弁16は、内圧が所定値を超えたときに優先的に破断する環状の破断部15と、その破断部15に囲まれた部分とで構成され、電池要素の正極と電気的に接続される。封口板14は、円筒形電池11の一方側端子としての正極端子を構成する。本実施例では、セルケース本体13の外周側面が絶縁樹脂フィルムで被覆され、セルケース本体13の底面が負極端子を構成する。なお、セルケース本体の外周側面は、絶縁樹脂フィルムで被覆されなくてもよく、セルケース本体が、円筒形電池の負極を構成してもよい。
電池ホルダー20は、例えば硬化型樹脂で構成される。電池ホルダー20は、各円筒形電池11の上端部を保持する第1ホルダー21と、各円筒形電池11の下端部を保持する第2ホルダー22とを有し、それらを連結して構成される。収容部18は、第1ホルダー21の凹部21aと、第2ホルダー22の凹部22aとによって形成される。円筒形電池11の上端部は凹部21aに挿入され、円筒形電池11の下端部は凹部22aに挿入される。第1及び第2ホルダー21,22の夫々は、高さ方向から見たときに円筒形電池11に重なる箇所に円形開口を有する円筒孔21b,22bを有する。電池モジュール10は、1つの電池ホルダー20を含む電池ブロックを1つ又は複数有していてもよい。また、樹脂製の電池ホルダー20の代わりに、金属製の電池ホルダーを用いてもよい。この場合、各円筒形電池を絶縁するために、複数の円筒形電池と次に説明する集電板との間に絶縁板を設けることが好ましい。
第1ホルダー21の上には、一方側集電板としての正極集電板30が接合されて配設される。正極集電板30は、金属材料からなるリード板31と、金属材料からなるベース板32とを含み、ベース板32は、リード板31の上面に溶接等により接合される。正極集電板30は、高さ方向から見たときに円筒孔21bに重なって円筒孔21bに滑らかにつながる円筒孔(貫通孔)30aを含み、円筒孔30aは、円筒孔21bの円形開口と略同一の円形開口を有する。また、リード板31は、複数の貫通孔34aを有する本体34と、リード35とを有し、リード35は、本体34の貫通孔34aの内面から貫通孔34aの中央側に延在して円筒形電池11側に屈曲し、先端部が円筒形電池11の正極端子に接合される。ベース板32と、リード35の本体34とは、正極集電板30の本体部73を構成する。正極集電板30は、高さ方向から見たときに安全弁16の全てと重なる円筒孔30aを含む本体部73と、本体部73から円筒孔30a内に延びて各円筒形電池11の正極端子と電気的に接続するリード35と、を有する。
他方、電池ホルダー20の下には、負極集電板40が接合されて配設される。負極集電板40は、金属材料からなるリード板41と、金属材料からなるベース板42とを含み、ベース板42は、リード板41の下面に溶接等により接合される。負極集電板40は、高さ方向から見たときに円筒孔22bに重なって円筒孔22bに滑らかにつながる円筒孔40aを有する。また、リード板41は、複数の貫通孔45aを有する本体45と、リード46とを有し、リード46は、本体45の貫通孔45aの内面から貫通孔45aの中央側に延在して円筒形電池11側に屈曲し、先端部が円筒形電池11の負極端子に接合される。その結果、複数の円筒形電池11は、正極及び負極集電板30,40によって並列接続される。電池モジュール10は、例えば、正極集電板30及び負極集電板40を用いて、隣接配置される別の電池モジュール10とバスバーを介して直列接続される。
正極集電板30において電池ホルダー20に接合されていない箇所には、絶縁性を有する絶縁材料、例えば樹脂材料等で構成される絶縁被膜60が配設される。絶縁被膜60は、正極集電板30の高さ方向の円筒形電池11側とは反対側の表側面を被覆する表側面被覆部61と、円筒孔30aの内周円筒面を被覆する円筒孔被覆部62とを有する。
正極集電板30の高さ方向の円筒形電池11側とは反対側には、排気ダクト70が設けられる。排気ダクト70は、複数の円筒形電池11を収容するモジュールケース80の内壁面において絶縁被膜60よりも上方に位置する上方壁面部と、絶縁被膜60の高さ方向の円筒形電池11側とは反対側の表側面66とで画定される。安全弁16が開いたとき、円筒形電池11の内部は、開いた安全弁16、第1ホルダー21の円筒孔21b、及び正極集電板30の円筒孔30aを介して排気ダクト70に連通する。排気ダクト70の上方壁面部には、外部と連通する出口開口67が設けられる。この場合、円筒形電池11の内部からの高温ガスを含む噴出物は、排気ダクト70内を矢印Aで示す方向に移動して、出口開口67から外部に流出する。
図2は、上から見たときに、1つの円筒形電池11に重なる部分の平面図であり、ケースの図示を省略したときの平面図である。また、図3は、図2において絶縁被膜60の図示を省略したときの平面図である。
図2及び図3に示すように、安全弁16は、円筒形電池11の上端面(軸方向一端面)に設けられ、環状の破断部15と、その破断部15に囲まれた部分とで構成される。環状の破断部15は、例えば封口板14を構成する金属板に形成された溝であって、円筒形電池11に異常が発生して内圧が上昇したときにセルケース12の他の部分よりも優先的に破断する。破断部15の溝17は、一般的に刻印と呼ばれ、セルケース12を外側からプレスして形成される。封口板14において破断部15が形成された部分は、他の部分よりも厚みが薄い薄肉部となる。
安全弁16は、平面視で真円形状を有するが、平面視で、楕円形状、多角形状、又はそれ以外の形状を有してもよい。本実例では、破断部15が円筒形電池11の上端面の真中を中心として直径が略一定の環状に形成され、安全弁16が円筒形電池11の上端面の中央部に設けられる。円筒形電池11では、内圧が所定値を超えて破断部15が破断することにより、安全弁16が円筒形電池11の外側に開いて封口板14に開口が形成され、当該開口か高温のガスを含む噴出部が噴出する。
絶縁被膜60は、図2に示す平面図を垂直に二等分する平面Pに対して略垂直でかつリードの先端に対して間隔をおいて位置する直線縁60aを有する。図2に示す平面図において、絶縁被膜60は環状形状を有し、その内周側の縁は、直線縁60aと、直線縁60aの両端に繋がる円の一部からなる円状縁60bとで構成される。絶縁被膜60は、高さ方向から見たとき、安全弁16の一部に重なる鍔部39を有し、鍔部39は、絶縁被膜60において円状縁60bを含む円から内周側に突出する突出領域に高さ方向に重なる突出部47で構成される。
安全弁16において直線縁60aに対してリード存在側とは反対側に位置するリード反対側領域部16aが、高さ方向から見たときに鍔部39に重なる。高さ方向から見たとき鍔部39に重なる破断部15の一部15aは、リード35の延在方向(矢印Bで示す)において正極集電板30の円筒孔30a(図1参照)の中心に対してリード接続部(リード35において本体34に接続される部分)が存在する側とは反対側に位置し、リード35に対して間隔をおいて位置する。高さ方向から見たとき、鍔部39は、破断部15の一部15aに重なる一方、リード35に重ならない。
図3に示すように、正極集電板30の円筒孔30aにおける円形開口は、安全弁16の破断部15を構成する円形状の溝17と同心円上にあり、円形状の溝17の直径よりも大きな直径を有する。したがって、高さ方向から見たとき、安全弁16の全てが正極集電板30の円筒孔30aに重なる。
次に、図4、及び図5を用いて、第1実施形態の電池モジュール10の1つの円筒形電池11が異常発熱したときの動作及び作用効果を説明する。図4は、参考例の電池モジュール210における問題点を説明する模式断面図であり、異常発熱して安全弁216が開いた円筒形電池211の中心軸を含む模式断面図である。また、図5は、第1実施形態の電池モジュール10における図4に対応する模式断面図である。
図4に示すように、正極集電板230の外面に一切絶縁被膜が設けられない場合、ある円筒形電池211が例えばセルケース内部の正極と負極との微小短絡などにより異常発熱して、安全弁216が開くと、円筒形電池内部から排気ダクト270に噴出する噴出物に多数含まれる導電性材料が、電池内部と、正極集電板230における排気ダクト270に面する外面部分に跨って位置して、それらの間をブリッジする導電性材料のパス290を形成する虞がある。そして、電流が当該導電性材料のパス290を流れることにより、電気回路が、設計したものからかけ離れたものになる虞がある。更には、大電流が、異常高温となった円筒形電池211のヒューズを流れにくくなって、当該ヒューズが切断されなくなり、異常高温になった円筒形電池211を並列回路から切り離せない虞がある。その結果、異常高温になった円筒形電池211が、内部を流れる電流によって更に発熱する虞がある。
これに対し、第1実施形態の電池モジュール10の場合、正極集電板30において排気ダクト70に面する部分が絶縁被膜60で被覆される。したがって、円筒形電池11が異常発熱して安全弁16が開いて、導電性材料を含む噴出物が矢印Cで示す方向に排気ダクト70内に流入して、排気ダクト70の内面と、円筒形電池11の正極とに導電性材料のパスが出来たとしても、その導電性材料のパスが正極集電板30に到達することが絶縁被膜60で防止される。よって、噴出物が排気ダクト70内に噴出しても、円筒形電池11の正極と正極集電板30とが導電性材料で電気的に接続することがない。その結果、異常高温になった円筒形電池11からの噴出物によって高抵抗のパスが生成されにくくて、電気回路が設計されたものから大きくかけ離れたものになることがない。
また、絶縁被膜60が、正極集電板30の円筒孔30aの内周面におけるリード接続部以外の個所も覆っている。したがって、噴出物に含まれる導電性材料のパスが、円筒形電池11内部と、正極集電板30の円筒孔30aの内周面との間に生じることもない。よって、電気回路が設計されたものから大きくかけ離れたものになることをより確実に防止できる。
更には、高さ方向から見たとき、鍔部39が、破断部15(図2参照)の一部15aに重なる一方、リード35に重ならない。したがって、鍔部39に重なる破断部15の一部15aは、鍔部39にサポートされて押圧されるため、開きにくくなり、図5に示すように、安全弁16におけるリード延在方向のリード接続側のみが開くことになる。よって、安全弁16のリード接続側の開きによって、リード35が切断され、異常発熱した円筒形電池11が電気回路から切り離される。その結果、電池モジュール10の安全性が確実に担保される。
なお、上記第1実施形態において、負極側のリード46がヒューズを含むと、安全弁の開きで、正極側のリードが切断されなかった場合でも、異常発熱した円筒形電池を電気回路から切り離すことができて好ましいが、負極側のリード46は、ヒューズを含まなくてもよい。また、正極側のリード35は、ヒューズを含んでもよく、ヒューズを含まなくてもよい。
また、正極集電板30に設けられる円筒孔30aの内周面におけるリード接続部以外の個所が、絶縁被膜で覆われる場合について説明した。しかし、正極集電板に設けられる貫通孔の内周面におけるリード接続部以外の個所は、絶縁被膜で覆われなくてもよい。
また、正極集電板30の円筒形電池11側の裏側面(高さ方向下側面であり、排気ダクト70に面する側とは反対側の裏側面)37(図1参照)が絶縁被膜60で覆われない場合について説明した。しかし、正極集電板の円筒形電池側の裏側面(高さ方向下側面であり、排気ダクトに面する側とは反対側の裏側面)が絶縁被膜で覆われてもよい。特に、樹脂製の電池ホルダー20の代わりに、金属製の電池ホルダーを用いた場合、円筒形電池11の絶縁のために、各円筒形電池と正極集電板との間に絶縁板を設けることが好ましい。しかし、正極集電板の裏側面も絶縁被膜でコーティングすると、正極集電板の裏側面と円筒形電池内部とを接続するパスが生成されるのを防止できると共に、裏側面を被覆する絶縁被膜に各円筒形電池を絶縁する役割も担わせることができ、絶縁板を省略できて好ましい。
また、正極集電板30が、高さ方向から見たときに安全弁16の全てと重なる円筒孔30aを含む場合について説明したが、正極集電板は、高さ方向から見たときに安全弁の少なくとも一部と重なる貫通孔を有すればよい。また、高さ方向から見たとき、絶縁被膜60が安全弁16の環状の破断部15の一部15aと重なる場合について説明したが、高さ方向から見たとき、絶縁被膜が安全弁の環状の破断部の全てと重ならなくてもよい。
また、一方側端子が正極端子で、一方側集電板が正極集電板30である場合について説明した。しかし、一方側端子が負極端子で、一方側集電板が負極集電板であってもよく、円筒形電池の負極側(高さ方向下側)の底面に安全弁が設けられ、排気ダクトが、負極集電板の円筒形電池側とは反対側に設けられてもよい。そして、負極集電板の排気ダクトに面する個所が、樹脂材料等の絶縁材料で構成される絶縁被膜で覆われてもよい。また、負極集電板の排気ダクトに面する個所に加えて、負極集電板に設けられる貫通孔の内周面におけるリード接続部以外の個所も、絶縁被膜で覆われてもよく、更には、負極集電板の円筒形電池側の裏側面も絶縁被膜で覆われてもよい。
また、円筒形電池の正極側の上面に加えて負極側の底面に安全弁が設けられ、排気ダクトが、正極集電板の円筒形電池側とは反対側に設けられると共に、負極集電板の円筒形電池側とは反対側に設けられてもよい。そして、正極集電板の排気ダクトに面する個所に加えて負極集電板の排気ダクトに面する個所が、樹脂材料等の絶縁材料で構成される絶縁被膜で覆われてもよい。更には、この場合においても、負極集電板の排気ダクトに面する個所に加えて、負極集電板に設けられる貫通孔の内周面におけるリード接続部以外の個所も、絶縁被膜で覆われてもよく、負極集電板の円筒形電池側の裏側面も絶縁被膜で覆われてもよい。
また、電池モジュール10に含まれる複数の円筒形電池11の全てが並列接続される場合について説明したが、電池モジュールに含まれる複数の円筒形電池に直列接続された2以上の円筒形電池が含まれてもよい。また、電池セルが円筒形電池11である場合について説明したが、電池セルは角型電池でもあってもよい。
(第2実施形態)
図6は、本開示の第2実施形態に係る電池モジュール110における図1に対応する模式断面図であり、図7は、第2実施形態の電池モジュール110における図5に対応する模式断面図である。なお、第2実施形態は、第1実施形態と同一の作用効果及び変形例についての記載を省略し、第1実施形態と同一の構成については、第1実施形態と同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図6は、本開示の第2実施形態に係る電池モジュール110における図1に対応する模式断面図であり、図7は、第2実施形態の電池モジュール110における図5に対応する模式断面図である。なお、第2実施形態は、第1実施形態と同一の作用効果及び変形例についての記載を省略し、第1実施形態と同一の構成については、第1実施形態と同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図6に示すように、第2実施形態では、第1実施形態と同様に、正極集電板30の排気ダクト170側の表側面及び正極集電板30の円筒孔30aの内周面を被覆する絶縁被膜160が、高さ方向から見たときに破断部15の一部115aに重なる鍔部139を有する。しかし、第1実施形態とは異なり、係る鍔部139は、高さ方向から見たとき、破断部15の一部115aに重なるだけでなく、リード35の一部35aにも重なる。高さ方向から見たとき、絶縁被膜160に重なる破断部15の一部115aは、リード35の延在方向において、正極集電板30の円筒孔30aの中心に対してリード接続部179が存在する側と同じ側に位置する。
また、第2実施形態では、第1実施形態とは異なり、負極側のリード146にヒューズ190が含まれる。円筒形電池11において他方側端子を構成する底部94は、負極側のリード146に電気的に接続される。また、第2実施形態では、第1実施形態とは異なり、排気ダクト170の出口開口167が、紙面の右側でなくて紙面の左側に設けられる。その他の第2実施形態の構成は、第1実施形態と同一である。
図7に示すように、第2実施形態によれば、高さ方向から見たとき、絶縁被膜160の鍔部139が、破断部15の一部115aに重なると共に、リード35の一部35aにも重なる。したがって、鍔部139に重なる破断部15の一部115aは、鍔部139にサポートされて押圧されるため、開きにくくなり、図7に示すように、安全弁16におけるリード延在方向のリード接続側とは反対側のみが開く。したがって、安全弁16が開いて噴出物が矢印Dで示す方向に流動しても、円筒形電池11の正極端子に対するリード35の電気的な接続を維持でき、保護できる。よって、絶縁被膜160によって噴出物に含まれる導電性材料のパスも生成されることがないため、異常発熱した円筒形電池11の負極側のヒューズ190に大電流を確実に流すことができ、ヒューズ190の切断によって異常発熱した円筒形電池11を電気回路から確実に切り離しできる。
11 円筒形電池、 12 セルケース、 15 破断部、 15a, 115a 破断部の一部、 16 安全弁、 30, 130 正極集電板、 30a 円筒孔、 35 リード、 35a リードの一部、 39, 139 鍔部、 60, 160 絶縁被膜、 70,170 排気ダクト、 73 本体部、 190 ヒューズ。
Claims (3)
- 複数の電池セルであって、電池要素と、前記電池要素を収容し、内圧が所定圧力以上になったときに開く安全弁を高さ方向の一方側端部に有するセルケースと、をそれぞれ有する前記複数の電池セルと、
前記複数の電池セルの一方側端子を電気的に接続する一方側集電板であって、本体部と、前記本体部から延びて前記電池セルの一方側端子と電気的に接続するリードと、を有す
る一方側集電板と、
前記一方側集電板において前記電池セルと対応する面の裏面を被覆する絶縁材料と、を
備え、
前記絶縁材料は、前記リードの表面を覆う、
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、
前記絶縁材料が、前記一方側集電板の前記電池セル側の面を覆っている、
電池モジュール。 - 請求項1又は2に記載の電池モジュールにおいて、
前記安全弁は、前記セルケースにおいて前記内圧が前記所定圧力以上になったときに破断する環状の破断部と、その破断部に囲まれた部分とで構成され、
前記リードは、前記安全弁に接合され、
前記高さ方向から見たとき、前記絶縁材料が、前記破断部の一部に重なる鍔部を有し、
前記高さ方向から見たとき、前記鍔部が、前記リードに重ならない、
電池モジュール。
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