JP4713696B2 - 電池モジュールとそれを用いた電池パック - Google Patents

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Description

本発明は、複数の電池が配列されて筐体内に収納された電池モジュールとそれを用いた電池パックに関する。
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、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、直列や並列に複数の電池を接続した電池モジュールを複数個搭載して構成されている。
この時、電池モジュールを構成する電池に異常発熱などの不具合が発生すると、熱暴走などにより、電池の破裂など重大な問題を引き起こす可能性があった。
そこで、パーソナルコンピュータなどの電源に用いられる電池パックでは、温度ヒューズなどを介して電池を直列接続した例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。さらに、電池パックの外部端子間で外部短絡が発生した場合、安全保護回路基板に設けた保護ＩＣで過電流を検出して、ＦＥＴ素子で電流を遮断する機構を設けていた。しかし、温度ヒューズは、電池のリードとはんだなどで接続するため、接続時の温度で温度ヒューズが溶断しないように管理しなければならず、作業性や生産性に課題があった。
そこで、第１接続板と第２接続板を接点部で接続し、その周囲に絶縁性の発泡層を設け、電池の異常加熱により発泡層の厚みを大きくして接点部を開放する電流遮断機構を設けた電池パックが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
また、電池、ＰＴＣ素子およびヒューズを直列に接続する電池パックにおいて、絶縁性基板に薄膜状の線状パターンでヒューズを構成した例が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
特開平１０−５０２８１号公報 特開２０００−１９７２６０号公報 特開２００２−２５５１０号公報
しかしながら、特許文献１から特許文献３に示す電池パックは、直列に接続された電池の１つでも不具合を生じた場合、ヒューズにより切断して電池パックの機能を完全に停止させるため、問題のない電池が無駄となるなどの課題があった。
また、特許文献１から特許文献３に示す電池パックは、複数の電池が並列に接続された時、並列の電池の１つに、例えば内部短絡などの不具合が発生した場合、以下のような課題がある。
まず、並列接続された電池の１つが内部短絡した場合の不具合の現象について、図２０を用いて説明する。
図２０（ａ）は、並列接続された電池モジュールの通常の動作を説明する模式図で、図２０（ｂ）は、並列接続された電池の１つが内部短絡した場合の電池モジュールの動作を説明する模式図である。
図２０（ａ）に示すように、通常動作時、並列に接続されたｎ本からなる電池モジュールの内の１つの電池１０４０から電流（ｉ）が充放電されると、並列に接続した接続端子１０３２には、ｎ×ｉの電流が外部機器との間に流れる。
しかし、図２０（ｂ）に示すように、並列に接続された電池１０４０の１つに内部短絡が発生すると、不具合電池１０４０Ａに、残りの並列電池（ｎ−１）本から、短絡電流（ｎ−１）×Ｅ／ｒ（図面中はＩと記載）の電流が流れる。ここで、Ｅは電池の開放電圧で、ｒは電池の内部抵抗と接続端子の配線抵抗の和である。通常、電池がリチウムイオンの場合Ｅ＝３．６Ｖ、ｒ＝５０ｍΩと仮定すれば、１つの電池の短絡電流は、７２Ａとなる。そのため、１０本の電池を並列に接続すると全短絡電流は、６４８Ａ（＝７２Ａ×９）の電流が、１つの不具合電池に流れ込む。
その結果、不具合電池の異常発熱や、内圧の上昇による噴出ガスへの引火などの影響が周囲電池へ拡大し、連鎖的に各電池モジュールが劣化する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、並列接続された不具合電池を効果的に分離して、不安全動作を未然に防止するとともに、長期間での使用を可能にする電池モジュールとそれを用いた集合パックを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の電池モジュールは、複数の電池が配列されて筐体内に収納された電池モジュールであって、電池は、電池ケースから突出する電極部を備え、電池の電極部側に基体が配設され、各電池の電極部は、基体に設けられた複数の貫通孔にそれぞれ挿入されており、各電池の電極部の上面には、電極部と接続された接続部が形成されており、基体上には、少なくとも複数の貫通孔を塞がない領域に、各電池を並列接続する接続端子が形成されており、接続端子と各電池の接続部とは、貫通孔を跨いでヒューズリンクで接続されている構成を採用する。
この構成により、並列に接続された不具合電池を分離し、不具合動作を確実に防止して、安全で信頼性に優れた電池モジュールを実現できる。また、不具合電池を安全に分離することにより、残りの並列電池を有効に利用して、長期に使用できる電池モジュールを実現できる。
また、本発明の電池パックは、上記電池モジュールが複数個配列された電池パックであって、各電池モジュールは、直列接続及び／又は並列接続されている。これの構成により、用途に応じて、任意の電圧や容量を備えた集合パックを実現できる。
本発明によれば、長期間での使用を可能にする電池モジュールとそれを用いた集合パックを実現できる。
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電池の断面図 （ａ）本発明の実施の形態１における電池モジュールの外観斜視図、（ｂ）図２（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線断面図、（ｃ）図２（ｂ）の２Ｃ部の拡大断面図 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ヒューズリンクを説明する配線基板の平面図 （ａ）本発明の実施の形態１における電池モジュールのヒューズリンクの別の例１を説明する平面図、（ｂ）本発明の実施の形態１における電池モジュールのヒューズリンクの別の例２を説明する平面図、（ｃ）本発明の実施の形態１における電池モジュールのヒューズリンクのさらに別の例を説明する平面図 本発明の実施の形態１における電池モジュールの別の例を説明する分解斜視図 本発明の実施の形態１における蓋体の別の例を説明する分解斜視図 本発明の実施の形態１における筐体の別の例を説明する分解斜視図 本発明の実施の形態１における筐体のさらに別の例を説明する分解斜視図 本発明の実施の形態１における配線基板の別の例を説明する部分拡大断面図 本発明の実施の形態２における電池モジュールを構成する電池の断面図 （ａ）は本発明の実施の形態２における電池モジュールの外観斜視図、（ｂ）図１２（ａ）の１２Ｂ−１２Ｂ線断面図、（ｃ）図１２（ｂ）の１２Ｃ部の拡大断面図 本発明の実施の形態２における電池モジュールの分解斜視図 本発明の実施の形態２における電池モジュールのヒューズリンクを説明する配線基板の平面図 （ａ）本発明の実施の形態２における電池モジュールのヒューズリンクの別の例１を説明する平面図、（ｂ）本発明の実施の形態２における電池モジュールのヒューズリンクの別の例２を説明する平面図、（ｃ）本発明の実施の形態２における電池モジュールのヒューズリンクのさらに別の例を説明する平面図 （ａ）本発明の実施の形態３における電池パックの組立斜視図、（ｂ）本発明の実施の形態３における電池パックの別の例の組立斜視図 本発明の他の実施の形態における電池モジュールを説明する分解斜視図 （ａ）本発明の各実施の形態において、別の例の配線基板を用いた電池モジュールを説明する断面図、（ｂ）図１８（ａ）の接続端子、配線基板の基体および電池との接続状態を説明する要部拡大斜視図 （ａ）本発明の各実施の形態において、別の例の配線基板を用いた電池モジュールを説明する断面図、（ｂ）図１９（ａ）の接続端子、配線基板の基体および電池との接続状態を説明する要部拡大斜視図 （ａ）並列接続された電池モジュールの通常の動作を説明する模式図、（ｂ）並列接続された電池の１つが内部短絡した場合の電池モジュールの動作を説明する模式図
本発明の一実施形態にける電池モジュールは、複数の電池が配列されて筐体内に収納された電池モジュールであって、電池は、電池ケースから突出する電極部を備え、電池の電極部側に基体が配設され、各電池の電極部は、基体に設けられた複数の貫通孔にそれぞれ挿入されている。各電池の電極部の上面には、電極部と接続された接続部が形成されており、基体上には、少なくとも複数の貫通孔を塞がない領域に、各電池を並列接続する接続端子が形成されており、接続端子と各電池の接続部とは、貫通孔を跨いでヒューズリンクで接続されている。
この構成により、並列に接続された不具合電池を分離し、不具合動作を確実に防止して、安全で信頼性に優れた電池モジュールを実現できる。また、不具合電池を安全に分離することにより、残りの並列電池を有効に利用して、長期に使用できる電池モジュールを実現できる。
ここで、電極部の外側面と、貫通孔の内側面との間には、隙間が設けられているのが好ましい。これにより、接続端子と各電池の接続部とを貫通孔を跨いで接続されたヒューズリンクは、電極部の外側面と貫通孔の内側面との隙間（空間）に配置されるため、ヒューズリンクに過電流が流れたときに発生するジュール熱の放熱を抑制することができる。そのため、ジュール熱による温度上昇で溶断されるヒューズリンクの設計が容易になるとともに、設計上のばらつきも低減することができる。さらに、ジュール熱による温度上昇によって、他の電池や接続端子に与える熱的影響も抑制することができる。
また、電極部、接続端子、及びヒューズリンクは、同一部材で一体的に構成されていることが好ましい。さらに、基体の厚みと、電極部の突出高さとは、略同じであり、電極部、接続端子、及びヒューズリンクは、略同一平面上にあることが好ましい。これにより、簡単な構成で、安全で信頼性に優れた電池モジュールを実現できる。
また、他の実施形態において、接続端子は、各電池の電極部に対応する位置に、複数の開口部が設けられた帯状に形成されており、ヒューズリンクは、開口部を跨いで、接続端子と各電池の接続部との間に形成されていることが好ましい。あるいは、接続端子は、各電池の電極部に対して一側方の位置に、帯状に形成されており、ヒューズリンクは、貫通孔を跨いで、接続端子と各電池の接続部との間に形成されていてもよい。これにより、簡単な構成で、安全で信頼性に優れた電池モジュールを実現できる。
また、他の実施形態において、基体は、平板で構成されており、電池の電極部は、電池内で発生したガスを電池外に排出する開放部を有し、筐体は、基体によって、複数の電池を収納する収納部と、電極部の開放部から排出されるガスを筐体外に排気する排気室とに区画され、電極部の開放部は、基体に形成された貫通孔を介して、排気室に連通していることが好ましい。これにより、電極部の開放部から排出されるガスは、貫通孔を介して排気室に排出され、さらに、筐体外へと排出されるため、隣接する電池へのガスの侵入を防止できる。この結果、電池と同程度の高さの薄型・小型で、安全性の高い信頼性に優れた電池モジュールを実現できる。
ここで、電極部の開放部が、電極部の側面に設けられている場合、貫通孔の内径は、電池ケースに当接している部位よりも、接続端子が形成された部位の方が大きいことが好ましい。あるいは、電極部の開放部が、電極部の上面に設けられている場合、接続部は、開放部を除く領域に形成されていることが好ましい。これにより、電極部の開放部から排出されるガスを、効率よく貫通孔を介して排気室に排出することができる。
また、他の実施形態において、基体は、各電池毎に独立して設けられていてもよい。これにより、任意の構成の電池モジュールを容易に実現できる。
本発明の一実施形態における電池パックは、上記実施形態における電池モジュールが複数個配列された電池パックであって、各電池モジュールは、直列接続及び／又は並列接続されている。この構成により、用途に応じて、任意の電圧や容量を備えた電池パックを実現できる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。なお、以下の実施形態では、円筒型のリチウムイオンなどの非水電解質二次電池（以下、「電池」と記す）を例に説明するが、これに限られないことはいうまでもない。
（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を構成する電池の断面図である。
図１に示すように、円筒型の電池は、例えばアルミニウム製の正極リード８を備えた正極１と、その正極１と対向する、例えば銅製の負極リード９を一端に備えた負極２とをセパレータ３を介して、捲回された電極群４を有する。そして、電極群４の上下に絶縁板１０ａ、１０ｂを装着して電池ケース５に挿入し、正極リード８の他方の端部を封口板６に、負極リード９の他方の端部を電池ケース５の底部に溶接する。さらに、リチウムイオンを伝導する非水電解質（図示せず）を電池ケース５内に注入し、電池ケース５の開放端部をガスケット７を介して、一方の電極部を構成する正極キャップ１６、ＰＴＣ素子などの電流遮断部材１８および封口板６をかしめた構成を有する。そして、正極１は正極集電体１ａと正極活物質を含む正極層１ｂから構成されている。
この時、正極キャップ１６は、電池ケース５の開放端部の上面５Ａから突出して設けられ、電極群４の不具合による安全弁などのベント機構１９の開放により生じるガスを抜くための開放部１７が、正極キャップ１６の側面に設けられている。なお、正極キャップ１６の上面５Ａからの突出量は、以下で説明する、例えば配線基板の厚み程度である。
ここで、正極層１ｂは、例えばＬｉＣｏＯ２やＬｉＮｉＯ２、Ｌｉ２ＭｎＯ４、またはこれらの混合あるいは複合化合物などの含リチウム複合酸化物を正極活物質として含む。また、正極層１ｂは、さらに、導電剤と結着剤とを含む。導電剤として、例えば天然黒鉛や人造黒鉛のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック類を含み、また結着剤として、例えばＰＶＤＦ、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミドなどを含む。
また、正極１に用いる正極集電体１ａとしては、アルミニウム（Ａｌ）、炭素（Ｃ）、導電性樹脂などが使用可能である。
非水電解質には有機溶媒に溶質を溶解した電解質溶液や、これらを含み高分子で非流動化されたいわゆるポリマー電解質層が適用可能である。非水電解質の溶質としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＣＯ２）、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２などを用いることができる。さらに、有機溶媒としては、例えばエチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）などを用いることができる。
また、負極２の負極集電体１１は、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタンなどの金属箔、炭素や導電性樹脂の薄膜などが用いられる。
さらに、負極２の負極層１５としては、黒鉛などの炭素材料や、ケイ素（Ｓｉ）やスズ（Ｓｎ）などのようにリチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する理論容量密度が８３３ｍＡｈ／ｃｍ３を超える負極活物質を用いることができる。
以下、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から図４を用いて詳細に説明する。
図２（ａ）は本発明の実施の形態１における電池モジュールの外観斜視図で、図２（ｂ）は図２（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線断面図、図２（ｃ）は図２（ｂ）の２Ｃ部の拡大断面図である。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分解斜視図である。図４は、本発明の実施の形態１における電池モジュールの切断機構（ヒューズリンク）を説明する配線基板の平面図である。ここで、「ヒューズリンク（fusible link)」とは、所定電流の電流値で溶断されるヒューズ機能を備えた接続手段を意味し、その具体的な構成は特に制限されない。
図２（ａ）と図３に示すように、電池モジュール１００は、例えばポリカーボネート樹脂などの絶縁性樹脂材料よりなる筐体５０および、それと嵌合する蓋体２０を有している。
そして、図２（ｂ）と図３に示すように、筐体５０の内部に、複数の電池の正極キャップ１６を同一方向に並べた電池ブロックを、配線基板３０のヒューズリンクを有する接続端子３２で電気的に並列に接続して構成した電池４０が収納されている。さらに、電池の他方の電極部（負極側）である底部を並列に接続した接続板３３の一部から延伸した延伸部３３Ａを介して、配線基板３０に設けた接続端子３４と接続されている。
また、図２（ｃ）に示すように、電池ケース５から突出した正極キャップ１６は、配線基板３０の各電池に対応して設けた貫通孔３６に内挿され、配線基板３０の接続端子３２と接続部３２０とはヒューズリンク（図示せず）を介して接続されている。この時、配線基板３０は、電池ケース５と当接して密着され、貫通孔３６は正極キャップ１６の側面に設けた開放部１７を塞がないように隙間３６Ａを有している。
すなわち、本実施形態における電池モジュールは、複数の電池４０が配列されて筐体５０内に収納された電池モジュールであって、電池４０は、電池ケース５から突出する電極部１６を備え、電池４０の電極部１６側に基体３０Ａが配されている。具体的には、電極部１６周囲の電池ケース５に当接して配線基板３０の基体３０Ａが配設され、各電池４０の電極部１６は、基体３０Ａに設けられた複数の貫通孔３６にそれぞれ挿入されている。そして、各電池４０の電極部１６の上面には、電極部１６と接続された接続部３２０が形成されており、基体３０Ａ上には、少なくとも複数の貫通孔３６を塞がない領域に、各電池４０を並列接続する接続端子３２が形成されており、接続端子３２と各電池４０の接続部３２０とは、貫通孔３６を跨いでヒューズリンク３２０Ａで接続されている。また、電極部１６の外側面と、貫通孔３６の内側面との間には、隙間３６Ａが設けられている。
具体的には、図４に示すように、電池の正極キャップ１６と接続された接続部３２０は、貫通孔３６の隙間３６Ａの位置の一部を覆うブリッジ部からなるヒューズリンク３２０Ａを介して接続端子３２と接続されている。ここで、ヒューズリンク３２０Ａは、電池が内部短絡を生じた時に流れる所定以上の電流値で、例えば溶断などにより切断する形状で形成されている。具体的なヒューズリンク３２０Ａの形状は、図２０（ｂ）で説明したように、不具合電池の内部短絡時に流れ込む電流値に対して、材質や断面積を考慮して設計される。この時、ヒューズリンク３２０Ａを配線基板３０で保持しない隙間３６Ａの位置でブリッジして設けることにより、ヒューズリンク３２０Ａを溶断するジュール熱の配線基板３０への伝導による溶断時間のばらつきを抑制できる。その結果、並列に接続された不具合電池を確実に短時間で分離することができる。
また、配線基板３０の貫通孔３６と正極キャップ１６間の隙間３６Ａは、電池に不具合が発生し、正極キャップ１６の開放部１７から噴出するガスが排出される空間も兼用している。そして、噴出したガスは、図２（ｂ）と図３に示すように、配線基板３０の接続端子３２と貫通孔３６との隙間３６Ａを介して、蓋体２０の排気室２４の空間を介して外部と連通する開口部２６から排出される。
以下、図面を用いて、電池モジュール１００を構成する各構成要素について説明する。
まず、筐体５０は、図３に示すように、蓋体２０と嵌合する側に開口端を備え、開口端側から電池４０を収納する収納部５４を有している。この時、電池が、例えば外径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの場合、収納部５４の高さは、６５ｍｍに接続板３３の厚みを加えた程度となる。
また、蓋体２０は、図２（ｂ）と図３に示すように、外周壁２２により形成される排気室２４と外周壁２２の一部に設けられた開口部２６を備えている。
また、図２（ｃ）に示すように、配線基板３０の基体３０Ａは、例えばガラス−エポキシ基板やポリイミドからなる耐熱性部材３０ａと、例えばゴム弾性を有する弾性部材３０ｂの少なくとも２層の積層構造を有する。そして、弾性部材３０ｂは電池ケース５の上面５Ａと弾性変形して密着して当接するため、高い気密性を確保することができる。なお、高い気密性を確保できる場合には、特に積層構造の配線基板３０の基体３０Ａとする必要はない。さらに、配線基板３０は、貫通孔３６に挿入された各電池の正極キャップ１６と接続する接続端子３２と、各電池の他方の電極（例えば、負極）を並列に接続する接続板３３の延伸部３３Ａと接続する接続端子３４とを有し、接続端子３２は貫通孔３６を完全に塞がないように設けられている。なお、接続端子３２および接続部３２０や接続板３３は、例えばニッケル板やリード線などで構成され、銅箔などで形成された接続端子３４と、例えばはんだを介して接続される。また、正極キャップ１６と接続端子３２の接続部３２０や、負極と接続板３３とは、例えば電気溶接やスポット溶接などにより接続される。
これにより、電池モジュールを、配線基板を介して接続できるため、電源配線や制御配線などの引き回しに必要なスペースを大幅に削減できる。また、各電池の正極キャップの開放部が、配線基板の貫通孔に収納される。その結果、異常状態の電池から噴出したガスが、隣接する電池に侵入できないので、もしガスが引火により発火しても、炎の侵入を防止し、その影響を確実に阻止できる。
本実施の形態によれば、並列に接続された不具合電池をヒューズリンクで分離することにより、不具合モードを確実に防止して、安全で信頼性に優れた電池モジュールを実現できる。また、不具合電池を安全に分離することにより、残りの並列電池を有効に利用して、長期に使用できる電池モジュールを実現できる。
また、本実施の形態によれば、少なくとも配線基板と筐体により電池モジュールを筐体の収納部内に密閉状態で収納され、不具合の電池から噴出するガスは、配線基板の貫通孔の隙間から、ガスの状態で電池モジュールの外部に排出できる。その結果、ガスへの引火による発火や発煙などが発生しない安全性に優れた電池モジュールを実現できる。
また、本実施の形態によれば、少なくとも配線基板と筐体により電池モジュールを筐体の収納部内に密閉状態で収納できるため、電池を個別に収納する必要はない。その結果、電池モジュールを小型化できる。さらに、電源配線や制御配線などの引き回しに必要なスペースを、配線基板により大幅に削減できる。この結果、より小型で、安全性の高い信頼性に優れた電池モジュールを実現できる。
なお、本実施の形態では、ヒューズリンクとして、接続部３２０と接続端子３２を接続するブリッジ部を２方向に設けた例で説明したが、これに限られない。例えば、図５（ａ）や図５（ｂ）に示すように、３方向や４方向にヒューズリンク３２０Ａであるブリッジ部を設けてもよい。さらに、図５（ｃ）に示すように、接続端子３２と接続部３２０とを１方向に設けたヒューズリンク３２０Ａであるブリッジ部で接続してもよい。この時、ヒューズリンク３２０Ａであるブリッジ部の形状は、ブリッジ部の本数などに応じて、所定以上の電流値で溶断するように設計することが好ましい。これにより、並列に接続される電池の本数などに応じて、ブリッジ部の加工性や生産性を考慮して、任意のヒューズリンクを実現することができる。また、特に図５（ｃ）の場合、一箇所のブリッジ部のみを溶断させればよいので、より短時間で確実に、不具合電池を分離できる。
ここで、本実施形態において、接続端子３２の構成は特に制限されないが、例えば、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、接続端子３２を、各電池４０の電極部１６に対応する位置に、複数の開口部を設けて帯状に形成し、ヒューズリンク３２０Ａを、開口部を跨いで、接続端子３２と各電池４０の接続部３２０との間に形成するようにしてもよい。このとき、接続端子３２の開口部の内径と、基体３０Ａの貫通孔３６の内径とを、略同じ大きさにしてもよい。あるいは、図５（ｃ）に示すように、接続端子３２を、各電池４０の電極部１６に対して一側方の位置に帯状に形成し、ヒューズリンク３２０Ａを、貫通孔３６を跨いで、接続端子３２と各電池４０の接続部３２０との間に形成してもよい。
また、本実施の形態では、蓋体２０をポリカーボネート樹脂などの絶縁性材料で構成した例で説明したが、これに限られない。例えば、アルミニウムなどの金属材料の絶縁性樹脂で被覆した構成としてもよい。これにより、機械的強度を向上させて、より薄型の蓋体とし、電池モジュールをさらに小型化できる。さらに、金属材料の高い熱伝導性により噴出するガスの冷却性を高めて、さらに引火などを生じにくい信頼性の高い電池モジュールが得られる。
また、本実施の形態では、筐体５０と蓋体２０の嵌合により、蓋体２０の外周壁２２と筐体５０および各電池ケース５の上面５Ａで配線基板３０を保持する構造を例に説明したが、これに限られない。例えば、図６の電池モジュールの分解斜視図に示すように、蓋体２０と配線基板３０との間に、配線基板３０を支持する支持部材６５を介在させてもよい。この時、支持部材６５は、少なくとも配線基板３０の外周部を支持する外周枠６６と、筐体５０および各電池ケース５の上面５Ａとの当接位置と対向する位置に設けた支持部６８とから構成される。この時、支持部材６５の支持部６８で蓋体２０の排気室の空間が狭くなる場合には、支持部６８の一部に蓋体２０の開口部に連通するように凹部または穴などを設けてもよい。これにより、筐体５０および各電池ケース５の上面５Ａと支持部材６５の支持部６８で配線基板３０を確実に固定できる。その結果、噴出するガスの圧力による配線基板の変形を抑制し、隣接する電池の電池への熱やガスの侵入をさらに効率的に抑制して、信頼性および安全性をさらに向上した電池モジュールを実現できる。
また、上記支持部材６５を設ける代わりに、図７に示すように、蓋体２０の排気室２４に、筐体５０および各電池ケース５の上面５Ａと対向する位置に、開口穴２８Ａを有するリブ部２８を設けてもよい。これにより、筐体および各電池ケース５の上面５Ａと蓋体２０のリブ部２８で配線基板３０を固定できるとともに、電池モジュールをより小型または薄型にできる。
また、本実施の形態では、配線基板に接続端子などの電源配線を形成した例で説明したが、これに限られない。例えば、各電池モジュールの電圧を検出する電圧検出配線や、温度を検出する温度検出配線を配線基板に設けてもよい。この時、温度検出配線には、例えばサーミスタなどの温度検出素子が接続され、温度検出素子を各電池モジュールと接触させて温度を検出することができる。これにより、複数の電池モジュールの電圧および温度を個別に検出して制御できる。その結果、電池モジュールの特性ばらつきや経時変化などを考慮して制御できるため、信頼性や安全性をさらに高めることができる。なお、電圧検出配線や温度検出配線の配線基板上でのパターン幅は、電源配線のパターン幅に比べて大幅に狭くできる。これは、電源配線は、大きな電流が流れるため配線抵抗による電力損失を低減させる必要があるが、電圧検出配線や温度検出配線は微小な電流で検出できるためである。そのため、電源配線と複数対の電圧検出配線と温度検出配線を効率的に配置して配線基板に形成できるので、配線に必要なスペースを大幅に削減できる。
また、本実施の形態では、筐体の一方に開口端を有する例で説明したが、これに限られない。例えば、図８に示すように、筐体５０として、電池モジュールを収納する両端に開口端を有する枠体５０Ａと、その一方の開口端を塞ぐ閉塞部材５０Ｂで構成してもよい。これにより、電池モジュールと配線基板の接続部や接続板との接続などの組立性や作業性を向上させ、生産性に優れた電池モジュールを実現できる。さらに、図７に示す枠体５０Ａの代わりに、図８に示すように各電池を個別に収納する隔壁部５２を有する枠体５０Ｃとしてもよい。これにより、不具合電池の異常発熱の隣接する電池への伝熱や放熱を隔壁部５２によりさらに抑制できるため、より信頼性や安全性に優れた電池モジュールを実現できる。
また、本実施の形態では、配線基板に形成した貫通孔の形状として、厚み方向において同一形状である場合を例に説明したが、これに限られない。例えば、図１０に示すように、電池ケースの上面と密着する貫通孔の大きさを、接続端子３２側の貫通孔の大きさより小さくしてもよい。これにより、電池の正極キャップの開放部から噴出するガスの排出効率を高める（排出抵抗を低減する）ことができる。さらに、電池ケースの上面との密着面積を拡大して、電池ケース側へのガスの侵入を大幅に抑制し、信頼性や安全性を向上できる。
また、本実施の形態において、電極部１６、接続端子３２、及びヒューズリンク３２０Ａの材料は特に制限されないが、同一部材で一体的に構成することが好ましい。また、基体３０Ａの厚みと、電極部の突出高さとを略同じ大きさにして、電極部、接続端子、及びヒューズリンクを、略同一平面上に形成しもよい。これにより、簡単な構成で、安全で信頼性に優れた電池モジュールを実現できる。
（実施の形態２）
図１１は、本発明の実施の形態２における電池モジュールを構成する電池の断面図である。
図１１に示すように、電池の電極部である正極キャップ１６の上面に開放部７７を設けて電池モジュールを構成した点で、実施の形態１の電池モジュールとは異なる。なお、電池以外の構成要素は、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する場合がある。
以下に、本実施の形態の電池を用いて構成した電池モジュールについて、図１２と図１３を用いて、詳細に説明する。
図１２（ａ）は本発明の実施の形態２における電池モジュールの外観斜視図で、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の１２Ｂ−１２Ｂ線断面図、図１２（ｃ）は図１２（ｂ）の１２Ｃ部の拡大断面図である。図１３は、本発明の実施の形態２における電池モジュールの分解斜視図である。
図１２（ａ）と図１３に示すように、電池モジュール２００は、絶縁性樹脂材料よりなる筐体５０および、それと嵌合する蓋体２０を有している。
そして、図１２（ｂ）と図１３に示すように、筐体５０の収納部５４に、複数の電池の正極キャップを同一方向に並べた電池ブロックを、配線基板３０のヒューズリンクを有する接続端子３２で電気的に並列に接続して構成した電池４０が収納されている。さらに、電池の一方の電極部（負極側）である底部を並列に接続した接続板３３の一部から延伸した延伸部３３Ａを介して、配線基板３０に設けた接続端子３４と接続されている。
また、図１２（ｃ）に示すように、電池ケース５から突出した正極キャップ１６は、配線基板３０の各電池に対応して設けた貫通孔３６に内挿され、配線基板３０の接続端子３２と接続部３２０とはヒューズリンク３２０Ａを介して接続されている。そして、配線基板３０は、電池ケース５と当接して密着され、貫通孔３６は正極キャップ１６との間に隙間３６Ａを有している。この時、接続端子３２の接続部３２０は、正極キャップ１６の上面に形成した開放部７７を塞がないように、開放部７７と対応する位置に貫通穴３２ａを有している。
これにより、各電池の正極キャップの開放部が、接続端子３２の貫通穴３２ａを介して、直接蓋体２０の排気室２４と通気する。そのため、異常状態の電池から噴出したガスが、直接配線基板３０に噴出しないので、配線基板３０の変形を大幅に抑制できる。その結果、もしガスが引火により発火しても、隣接する電池への、ガスや炎などの侵入を大幅に低減することができる。
つまり、図１４に示すように、電池の正極キャップ１６と接続された接続部３２０は、貫通孔３６の隙間３６Ａの位置の一部を覆うブリッジ部からなるヒューズリンク３２０Ａを介して接続端子３２と接続されている。ここで、ヒューズリンク３２０Ａは、電池が内部短絡を生じた時に流れる所定以上の電流値で、例えば溶断などにより切断する形状で形成されている。具体的なヒューズリンク３２０Ａの形状は、図２０（ｂ）で説明したように、不具合電池の内部短絡時に流れ込む電流値に対して、材質や断面積を考慮して設計される。この時、ヒューズリンク３２０Ａを配線基板３０で保持しない隙間３６Ａの位置でブリッジして設けることにより、ヒューズリンク３２０Ａを溶断するジュール熱の配線基板３０への伝導による溶断時間のばらつきを抑制できる。その結果、並列に接続された不具合電池を確実に短時間で分離することができる。
本実施の形態によれば、並列に接続された不具合電池をヒューズリンクにより分離し、不具合動作を確実に防止して、安全で信頼性に優れた電池モジュールを実現できる。また、不具合電池を安全に分離することにより、残りの並列電池を有効に利用して、長期に使用できる電池モジュールを実現できる。
また、本実施の形態によれば、少なくとも配線基板と筐体により電池モジュールを筐体の収納部内に密閉状態で収納され、不具合の電池から噴出するガスは、配線基板の接続端子の接続部に設けた貫通穴から、蓋体の排気室を介して、ガスの状態で電池モジュールの外部に排出できる。その結果、ガスへの引火による発火や発煙などが発生しない安全性に優れた電池モジュールを実現できる。
なお、本実施の形態では、ヒューズリンク３２０Ａとして、接続部３２０と接続端子３２を接続するブリッジ部を２方向に設けた例で説明したが、これに限られない。例えば、図１５（ａ）や図１５（ｂ）に示すように、３方向や４方向にヒューズリンク３２０Ａであるブリッジ部を設けてもよい。さらに、図１５（ｃ）に示すように、接続端子と接続部が１方向に設けたヒューズリンク３２０Ａであるブリッジ部で接続してもよい。この時、ヒューズリンク３２０Ａであるブリッジ部の形状は、ブリッジ部の本数などに応じて、所定以上の電流値で溶断するように設計することが好ましい。これにより、並列に接続される電池の本数などに応じて、ブリッジ部の加工性や生産性を考慮して、任意のヒューズリンクを実現することができる。また、特に図１５（ｃ）の場合、一箇所のブリッジ部のみを溶断させればよいので、より短時間で確実に、不具合電池を分離できる。
また、実施の形態１において、図６から図１０を用いて説明した構成を実施の形態２の電池モジュールに適用できることはいうまでもなく、同様の効果が得られる。
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３における電池パックについて、図１６を用いて詳細に説明する。
図１６は、本発明の実施の形態３における電池パックの組立斜視図である。
図１６（ａ）は、上記各実施の形態の電池モジュールを４個並置して配置し、接続部材４５０で接続して電池パック４００を構成したものである。また、図１６（ｂ）は、上記各実施の形態の電池モジュールを２個並置するとともに、それを縦に２段に重ね接続部材５５０で接続して電池パック５００を構成したものである。この時、接続部材は、各電池モジュールは、並列接続または直列接続、あるいは直列接続と並列接続を組み合わせて接続部材を介して接続することにより、電池パックが構成される。
本実施の形態によれば、用途に応じて、必要な電圧や電気容量を有する汎用性の高い電池パックを、配置スペースを考慮して任意に組み合わせることにより、容易に実現できる。
また、本実施の形態によれば、上記各実施の形態と同様に、いずれかの電池モジュールの電池に内部短絡などの不具合を生じても、接続端子に設けたヒューズリンクにより、不具合電池を安全で確実に分離し、残りの並列電池を有効に利用して、長期に使用できる電池モジュールを実現できる。
また、本実施の形態によれば、たとえヒューズリンクの動作が機能せず、不具合電池に流れ込む電流により、電池が異常に発熱して正極キャップの開放部からガスが噴出しても、ガスに引火することなく、蓋体の排気室を介してガスの状態で外部に排気することができる。その結果、ガスの引火による爆発的な膨張を生じないので、電池モジュールが破裂することが皆無な、安全で信頼性に優れた電池パックを実現できる。
（他の実施の形態）
以下に、本発明の電池モジュールにおける他の実施の形態について、図１７を用いて説明する。
図１７は、本発明の他の実施の形態における電池モジュール６００を説明する分解斜視図である。このとき、電池モジュール６００は、複数の並列に接続された組電池６４０を、２次元に配置して直列に接続し一体的に収納する点で、上記実施の形態１，２と異なる。なお、図１７においては、１１並列の組電池６４０を７直列で接続して構成した電池モジュール６００を例に説明する。例えば、容量２５００ｍＡｈで、平均電圧３．６Ｖのリチウムイオン電池で構成した場合、２５．２Ｖ（３．６Ｖ×７）で２７．５Ａｈ（２．５Ａｈ×１１）の容量を有する集合組電池６４５が得られる。
すなわち、図１７に示すように、電池モジュール６００は、収納部６６４を有する筐体６６０と、収納部６６４に収納される複数の１１並列で７直列からなる集合組電池６４５と、組電池６４０を直並列に接続する配線基板６３０と接続板６５０と、それらを密閉状態で収納する筐体６６０と嵌合する蓋体６２０で構成されている。
そして、配線基板６３０には、集合組電池６４５の各電池の正極キャップと対応する位置に貫通孔６３６を有し、各貫通孔６３６を完全に塞がないように組電池６４０を並列に接続する接続部７２０を有する接続端子６３２が設けられている。この時、上記各実施の形態と同様に、電池の正極キャップ１６と接続された接続部７２０は、貫通孔６３６の隙間６３６Ａの位置の一部を覆うブリッジ部からなるヒューズリンク７２０Ａを介して接続端子６３２と接続されている。そして、配線基板６３０は、上記各実施の形態と同様に電池ケースの上面と密着して当接させて配置される。
また、接続板６５０は、各組電池６４０の一方の電極部である負極部を並列に接続するとともに、隣接の組電池６４０の接続端子６３２と接続する接続板６５０の一部に設けた延伸部６５０Ａを介して配線基板６３０の接続ランド部６３５と接続して、各組電池６４０を直列に接続する。
また、蓋体６２０には、排気室（図示せず）を介して、噴出するガスを外部に排出する開口部（図示せず）が設けられている。このとき、開口部は、各組電池６４０に対応させて個別に設けても、一体化して設けてもよい。
上記実施の形態によれば、実施の形態１、２と同様の効果が得られるとともに、筐体を一体化することにより、さらに小型化した電池モジュールを実現できる。
なお、上記各実施の形態では、並列に接続する複数の電池の正極キャップに対応する複数の貫通孔を有する配線基板の基体を例に説明したが、これに限られない。例えば、図１８と図１９を用いて説明するように、各電池と一対一に対応する固定部材で配線基板の基体を構成してもよい。
図１８（ａ）は、本発明の各実施の形態において、別の例の配線基板を用いた電池モジュールを説明する断面図で、図１８（ｂ）は図１８（ａ）の接続端子、配線基板の基体および電池との接続状態を説明する要部拡大斜視図である。
また、図１９（ａ）は、本発明の各実施の形態において、さらに別の例の配線基板を用いた電池モジュールを説明する断面図で、図１９（ｂ）は図１９（ａ）の接続端子、配線基板の基体および電池との接続状態を説明する要部拡大斜視図である。
まず、図１８に示すように、配線基板の基体として、並列に接続される各電池と個別に対応し、外形形状が電池の外形と略同一の、例えばポリカーボネート樹脂などの絶縁性樹脂からなる固定部材８３０を用いたものである。ここで、固定部材８３０は、各電池４０の正極キャップ１６と対応して、正極キャップ１６が内挿される貫通孔８３６が設けられ、貫通孔８３６と正極キャップ１６間には隙間８３６Ａを有している。
そして、固定部材８３０は、電池ケースの上面と密着して当接されるとともに、貫通孔８３６に内挿された正極キャップ１６は、接続端子８３２に設けた接続部８２０と接続される。
さらに、図１８（ｂ）に示すように、電池の正極キャップ１６と接続された接続部８２０は、貫通孔８３６の隙間８３６Ａの位置の一部を覆うブリッジ部からなる、例えばヒューズリンク構造などのヒューズリンク８２０Ａを介して接続端子８３２と接続されている。なお、上記各実施の形態と同様に、ヒューズリンク８２０Ａは、電池が内部短絡を生じた時流れる所定以上の電流値で、例えば溶断などにより切断して、不具合電池を、残りの電池から分離する。
これにより、各実施の形態と同様の効果が得られるとともに、任意の構成の電池モジュール８００を容易に実現できる。
なお、図１８では、固定部材の外形形状が電池の外形と略同一である例で説明したが、図１９（ａ）、図１９（ｂ）に示すように、固定部材９３０として、例えばＬ字状の断面を有する形状としてもよい。これにより、固定部材９３０と電池との位置決めが容易で、生産性や作業性を大幅に向上した電池モジュール９００を実現できる。
また、各実施の形態においては、電池モジュールの充放電や、温度または電圧を検出して制御する制御回路については、特に説明や図示をしていないが、制御回路を電池モジュールの外部や内部に設けてもよいことはいうまでもない。
また、各実施の形態においては、電池モジュールとして円筒型の電池を例に説明したが、これに限られない。例えば、角型の電池であってもよい。
本発明は、自動車、自転車や電動工具などの、特にハイブリッド自動車や電気自動車など高容量、高電圧が必要で、しかも長期間にわたって高い信頼性と安全性が要求される、電池モジュールや電池パックとして有用である。
１ 正極
１ａ 正極集電体
１ｂ 正極層
２ 負極
３ セパレータ
４ 電極群
５ 電池ケース
５Ａ 上面
６ 封口板
７ ガスケット
８ 正極リード
９ 負極リード
１０ａ、１０ｂ 絶縁板
１１ 負極集電体
１５ 負極層
１６ 正極キャップ （電極部）
１７、７７ 開放部
１８ 電流遮断部材
１９ ベント機構
２０、６２０ 蓋体
２２ 外周壁
２４ 排気室
２６ 開口部
２８ リブ部
２８Ａ 開口穴
３０、６３０ 配線基板
３０Ａ 基体
３０ａ 耐熱性部材
３０ｂ 弾性部材
３２、３４、６３２、８３２、１０３２ 接続端子
３２ａ 貫通穴
３３、６５０ 接続板
３３Ａ、６５０Ａ 延伸部
３６、６３６、８３６ 貫通孔
３６Ａ、６３６Ａ、８３６ 隙間
４０ 電池
５０、６６０ 筐体
５０Ａ、５０Ｃ 枠体
５０Ｂ 閉塞部材
５２ 隔壁部
５４、６６４ 収納部
６５ 支持部材
６６ 外周枠
６８ 支持部
１００、２００、６００、８００、９００ 電池モジュール
３２０、７２０、８２０ 接続部
３２０Ａ、７２０Ａ、８２０Ａ ヒューズリンク
４００、５００ 電池パック
４５０、５５０ 接続部材
６３５ 接続ランド部
６４０ 組電池
６４５ 集合組電池
８３０、９３０ 固定部材
１０４０ 電池
１０４０Ａ 不具合電池

Claims (13)

  1. 複数の電池が配列されて筐体内に収納された電池モジュールであって、
    前記電池は、電池ケースから突出する電極部を備え、
    前記電池の電極部側に基体が配設され、前記各電池の電極部は、前記基体に設けられた複数の貫通孔にそれぞれ挿入されており、
    前記各電池の電極部の上面には、該電極部と接続された接続部が形成されており、
    前記基体上には、少なくとも前記複数の貫通孔を塞がない領域に、前記各電池を並列接続する接続端子が形成されており、
    前記接続端子と、前記各電池の接続部とは、前記貫通孔を跨いで、ヒューズリンクで接続されている、電池モジュール。
  2. 前記基体は、前記電池ケースに当接している、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記電極部の外側面と、貫通孔の内側面との間に、隙間が設けられている、請求項２に記載の電池モジュール。
  4. 前記電極部、前記接続端子、及び前記ヒューズリンクは、同一部材で一体的に構成されている、請求項１〜３の何れかに記載の電池モジュール。
  5. 前記基体の厚みと、前記電極部の突出高さとは、略同じであり、前記電極部、前記接続端子、及び前記ヒューズリンクは、略同一平面上にある、請求項４に記載の電池モジュール。
  6. 前記接続端子は、前記各電池の電極部に対応する位置に、複数の開口部が設けられた帯状に形成されており、
    前記ヒューズリンクは、前記開口部を跨いで、前記接続端子と前記各電池の接続部との間に形成されている、請求項１〜４の何れかに記載の電池モジュール。
  7. 前記接続端子の開口部の内径と、前記基体の貫通孔の内径とは、略同じ大きさである、請求項６に記載の電池モジュール。
  8. 前記接続端子は、前記各電池の電極部に対して一側方の位置に、帯状に形成されており、
    前記ヒューズリンクは、前記貫通孔を跨いで、前記接続端子と前記各電池の接続部との間に形成されている、請求項１〜４の何れかに記載の電池モジュール。
  9. 前記基体は、平板で構成されており、
    前記電池の電極部は、前記電池内で発生したガスを電池外に排出する開放部を有し、
    前記筐体は、前記基体によって、前記複数の電池を収納する収納部と、前記電極部の開放部から排出されるガスを前記筐体外に排気する排気室とに区画され、前記電極部の開放部は、前記基体に形成された貫通孔を介して、前記排気室に連通している、請求項２に記載の電池モジュール。
  10. 前記電極部の開放部は、該電極部の側面に設けられており、
    前記貫通孔の内径は、前記電池ケースに当接している部位よりも、前記接続端子が形成された部位の方が大きい、請求項２に記載の電池モジュール。
  11. 前記電極部の開放部は、該電極部の上面に設けられており、
    前記接続部は、前記開放部を除く領域に形成されている、請求項９に記載の電池モジュール。
  12. 前記基体は、前記電池毎に、独立して設けられている、請求項１に記載の電池モジュール。
  13. 請求項１〜請求項１２のいずれかに記載の電池モジュールが複数個配列された電池パックであって、各電池モジュールは、直列接続及び／又は並列接続されている、電池パック。
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