JP4900534B2 - 電池モジュールとそれを用いた電池モジュール集合体 - Google Patents

電池モジュールとそれを用いた電池モジュール集合体 Download PDF

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Description

本発明は、電池ユニットを構成する複数の単電池の一つに発熱などの不具合を生じても周囲の単電池に影響を与えない電池モジュールとそれを用いた電池モジュール集合体に関する。
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蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池やリチウムイオン電池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電池は、軽量で、かつ起電力が高く、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、電池モジュールへの期待が大きくなっている。電池モジュールは、所望の電圧や容量を得るために、２つ以上の単電池で構成された電池ユニットで構成されている。
単電池の高容量化が進むに伴って、利用の形態によっては、単電池自身が発熱して高温になる場合がある。そのため、単電池の安全性とともに、複数の単電池を集合した電池ユニットや複数の電池ユニットを組み合わせた電池モジュールにおける安全性がより重要となっている。
単電池では、過充電、過放電あるいは内部短絡や外部短絡により発生するガスで内圧が上昇し、場合によっては、単電池の外装ケースが破裂する虞がある。そこで、一般に、単電池には、ガス抜きのためのベント機構や安全弁などが設けられている。このような機構により内部のガスが放出される。
しかしながら、排出されるガスへの引火などにより、発煙や、まれに発火を生じる場合があり、信頼性や安全性に課題がある。特に、複数の単電池を一体化した電池ユニットにおいては、一つの単電池の異常発熱により、周囲の単電池が異常加熱されたり、発火したりするなど、連鎖的に不具合が誘発される可能性が高い。したがってこのような連鎖を防止することが重要である。そこで、電池パック内に設けた消火剤（例えば、特許文献１参照）や外部から消火剤を電池パック内に噴出させる構成（例えば、特許文献２参照）が提案されている。
特許文献１によれば、電池パック内の下部に設けられた消火剤が、異常時に電池で発生するガス圧により噴出される。しかしながら、このような構成は電池パックの小型化に弊害となる。また、複数の電池を一体化した場合、異常発熱した電池の周囲の電池への伝熱による連鎖的な発熱を防止できない。
また、特許文献２によれば、電池モジュールの異常時に、電池モジュール内にフッ素系不活性液体が噴出される。その蒸発潜熱により不具合電池の温度をフッ素系不活性液体の蒸発温度まで低下させて消火する。しかしながら、このような構成も電池モジュールの小型化に弊害がある。また、フッ素系不活性液体の蒸発温度は、４００℃であるため、例えばリチウムイオン電池などには用いることができない。
特開平９−１６１７５４号公報 特開平４−２８６８７４号公報
本発明は、小型化が可能で、かつ不具合を生じた単電池の異常発熱による周囲の単電池への影響を最小限に抑制できる電池モジュールとそれを用いた電池モジュール集合体である。本発明の電池モジュールは、単電池を２つ以上有する電池ユニットと、筐体と、蓋体と、吸熱部材とを有する。筐体は少なくとも一方が開口端である収納部を有し、この収納部に電池ユニットを収納する。筐体の開口端を覆う蓋体は開口部を有する。吸熱部材は液体またはゲル状の流体からなる吸熱剤と、この吸熱剤を内包する外装フィルムとを有し、電池ユニットの側面に接触している。この外装フィルムは樹脂層と、この樹脂層の軟化温度より高い融点を有し、単電池の発熱で溶融する金属フィルムとの積層構造を有する。より具体的には、外装フィルムはＡｌ箔と樹脂層との積層構造を有する。
この構成により、不具合を起こした単電池の異常発熱を吸熱剤で吸収して、周囲の単電池への伝熱による連鎖的な不具合の発生を未然に防止できる。また、吸熱部材を単電池に接触して設けるため、電池ユニットを小型化できる。また、不具合を起こした単電池の異常発熱が短時間で吸熱部材に伝熱し効果的に発熱や引火などによる発火を抑制できる。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。また、本発明の電池モジュール集合体は、上記電池モジュールを、複数個、直列接続および並列接続の少なくとも一方により組み合わせた構成を有する。この構成により、用途に応じて、任意の電圧や容量を有する安全性の高い電池モジュール集合体を実現できる。
図１は本発明の実施の形態１における電池モジュールの電池ユニットを構成する単電池の縦断面図である。 図２Ａは本発明の実施の形態１における電池モジュールの斜視図である。 図２Ｂは図２Ａに示す電池モジュールの２Ｂ−２Ｂ線における断面図である。 図２Ｃは本発明の実施の形態１の電池モジュールに用いられる吸熱部材の要部断面図である。 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４Ａは本発明の実施の形態１による電池モジュールにおいて、単電池の一つが異常発熱を生じた場合の様子を説明する断面図である。 図４Ｂは図４Ａにおける４Ｂ部の拡大断面図である。 図５Ａは本発明の実施の形態１による他の電池ユニットの斜視図である。 図５Ｂは図５Ａに示す電池ユニットの上面図である。 図６Ａは本発明の実施の形態１による他の電池ユニットに用いる吸熱部材の斜視図である。 図６Ｂは図６Ａに示す吸熱部材を用いた電池ユニットの上面図である。 図７Ａは本発明の実施の形態２における電池モジュールの斜視図である。 図７Ｂは図７Ａに示す電池モジュールの６Ｂ−６Ｂ線断面図である。 図８は図７Ａに示す電池モジュールの分解斜視図である。 図９Ａは図７Ａに示す電池モジュールに用いられる電池ユニットの斜視図である。 図９Ｂは図９Ａに示す電池ユニットの上面図である。 図１０Ａは本発明の実施の形態２による電池モジュールにおいて、単電池の一つが異常発熱を生じた場合の様子を説明する断面図である。 図１０Ｂは図１０Ａにおける９Ｂ部の拡大断面図である。 図１１Ａは本発明の実施の形態２による他の電池ユニットの斜視図である。 図１１Ｂは図１１Ａに示す電池ユニットの上面図である。 図１２Ａは本発明の実施の形態２におけるさらに別の電池ユニットの斜視図である。 図１２Ｂは図１２Ａに示す電池ユニットの上面図である。 図１２Ｃは図１２Ａに示す電池ユニットに用いられた吸熱部材の上面図である。 図１３Ａは本発明の実施の形態２におけるさらに別の電池ユニットの斜視図である。 図１３Ｂは図１３Ａに示す電池ユニットの上面図である。 図１３Ｃは図１３Ａに示す電池ユニットに用いられたスペーサの斜視図である。 図１４Ａは本発明の実施の形態３における電池モジュール集合体の斜視図である。 図１４Ｂは本発明の実施の形態３における他の電池モジュール集合体の斜視図である。 図１５は本発明の実施の形態３におけるさらに別の電池モジュール集合体の分解斜視図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、同一部分には同一符号を付して説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。また、以下では単電池として、リチウムイオン電池などの非水電解質二次電池（以下、「単電池」と記す）を例に説明するが、本発明はこれに限定されない。
（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の電池ユニットを構成する円筒形の単電池の縦断面図である。単電池４５は電極群４を有する。電極群４は正極１と、正極１に対向する負極２とをセパレータ３を介して捲回することで形成されている。正極１には例えばアルミニウム（Ａｌ）製のリード８が接続され、負極２には例えば銅製のリード９が接続されている。
電極群４は、上下に絶縁板１０ａ、１０ｂが装着された状態でケース５に挿入される。リード８の端部は封口板６に、リード９の端部はケース５の底部にそれぞれ溶接される。さらに、リチウムイオンを伝導する非水電解質（図示せず）がケース５内に注入されている。すなわち非水電解質は電極群４に含浸し、正極１と負極２の間に介在している。
ケース５の開放端部は、ガスケット７を介してキャップ１６、ＰＴＣ素子などの電流遮断部材１８および封口板６に対しかしめられている。キャップ１６には、電極群４の不具合によって安全弁などのベント機構１９が開放された際に放出されるガスを排出するための排気孔１７が設けられている。
正極１は集電体１ａと正極活物質を含む正極層１ｂとから構成されている。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。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、あるいは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用いることができる。また結着剤として、例えばポリフッ化ビニリデン、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（ＰＰ）、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミドなどを用いることができる。集電体１ａとしては、Ａｌ、炭素、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、このような溶液を高分子で非流動化したいわゆるポリマー電解質が適用可能である。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。有機溶媒としては、例えばエチレンカーボネート、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、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどを用いることができる。
負極２は集電体１１と負極活物質を含む負極層１５とから構成されている。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。負極層１５に含まれる負極活物質としては、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を超える材料を用いることができる。
以下、本実施の形態における電池モジュールを、図２Ａから図５Ｂを用いて詳細に説明する。図２Ａは本実施の形態における電池モジュールの斜視図、図２Ｂは図２Ａの２Ｂ−２Ｂ線断面図、図２Ｃはこの電池モジュールに用いられる吸熱部材の要部断面図である。図３はその電池モジュールの分解斜視図である。
図２Ａ、図２Ｂと図３に示すように、電池モジュール１００は、電池ユニット４０と筐体３０と蓋体２０と吸熱部材５０とを有する。電池ユニット４０はベント機構を有する２つ以上の単電池４５で構成されている。２つの単電池４５は、接続板２８を介して電気的に並列接続されている。筐体３０は例えばポリカーボネート樹脂などの絶縁性樹脂材料で形成されている。筐体３０は少なくとも一方が開口端である収納部３４を有し、電池ユニット４０は収納部３４に収納されている。開口部２６を有する蓋体２０は筐体３０に嵌合し、筐体３０の開口端を覆っている。シート状の吸熱部材５０は電池ユニット４０の側面に接触して設けられている。
図２Ｃに示すように、吸熱部材５０は２組の外装フィルム５８を、例えば融着することにより、吸熱剤６０を内包している。吸熱剤６０は、水などの液体を主成分とする。そしてゲル化剤、界面活性剤凍結防止剤などを添加してもよい。ポリビニルアルコール等のゲル化剤は吸熱剤６０の取扱いを容易にする。界面活性剤は親水性を高めるために添加される。凍結防止剤として、エチレングリコールなどの不凍液を用いることができる。これらを添加することは効果的である。その場合、吸熱剤６０における水などの液体の含有率は例えば５５ｗｔ％〜９９．５ｗｔ％程度である。水を吸熱剤６０に用いる場合、吸熱剤６０は吸熱部材５０の一つ当り少なくとも２ｇ程度の量で内包されていることが好ましい。
各外装フィルム５８は、金属フィルム５２と第１樹脂フィルム５４と第２樹脂フィルム５６を有する。金属フィルム５２は例えばＡｌ層で形成されている。第１樹脂フィルム５４は例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製であり、第２樹脂フィルム５６は例えばポリエチレン製である。第１樹脂フィルム５４は金属フィルム５２の一方の面に、第２樹脂フィルム５６は金属フィルム５２の他方の面に積層されている。金属フィルム５２、第１樹脂フィルム５４、第２樹脂フィルム５６の厚みはそれぞれ、例えば２０μｍ、１２μｍおよび１２μｍ程度である。
このような外装フィルム５８により、吸熱部材５０は８５℃で３０日保存しても吸熱剤６０の漏れを防止する高い耐透液性を有し、外部から加圧（７０ｋｇｆ／シート）されても破裂しない。すなわち、吸熱部材５０の積層構造により、吸熱剤６０を安定に保持し、長期間に亘って高い安全性を有する電池モジュールを実現できる。なお吸熱剤６０を内包する材料は、耐透液性を満たしていれば樹脂を主成分とするものでもよい。
そして、電池ユニット４０に接続基板２５を接続した後、筐体３０の収納部３４と接続基板２５とで形成される密閉に近い空間に収納し、蓋体２０を嵌合して電池モジュール１００が完成する。
以下、図面を参照しながら、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。
図３に示すように、筐体３０は蓋体２０と嵌合する側に開口端を有し、この開口端から電池ユニット４０を収納可能な収納部３４を有している。単電池４５が例えば外径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの大きさを有する場合、筐体３０の高さは、６５ｍｍに、キャップ１６をつなぐ接続板２８の厚みを加えた程度となる。図３に示すように、蓋体２０には、外周壁の一部に開口部２６が設けられている。
接続基板２５は、例えばガラス−エポキシ基板などで構成されている。接続基板２５は、電池ユニット４０のベント機構側の一方の電極（例えば、正極）と接続する接続端子３２と、他方の電極（例えば、負極）と接続する接続板３７と、貫通孔２７を有する。接続端子３２や接続板３７は、例えばニッケル板やリード線などで構成されている。なお、接続基板２５を用いて電池ユニット４０と筐体３０の外部との電気的接続を形成せずに、直接に正極や負極と接続して外部に取り出す構成としてもよい。この場合、接続基板２５の貫通孔２７に相当する連通空間を設けておけばよい。
また、電池ユニット４０では、少なくとも２つ以上の単電池４５が一体化され、その側面に接触して吸熱部材５０が設けられている。吸熱部材５０は単電池４５の排気孔１７と対向する側面に設けることが好ましい。さらに、単電池４５の排気孔１７の高さまで吸熱部材５０の端部を単電池４５の側面から露出させることが好ましい。これにより、確実に吸熱部材５０を開封して吸熱剤６０を各単電池４５に噴出できる。
以下、電池モジュール１００において、単電池４５の一つが異常発熱などを生じた場合の吸熱部材５０の作用や効果、および噴出するガスの排気について、図４Ａ、図４Ｂを用いて説明する。図４Ａは、電池モジュール１００において、電池ユニット４０の単電池４５の一つが異常発熱を生じた場合の様子を説明する断面図、図４Ｂは図４Ａにおける４Ｂ部の拡大断面図である。
まず、図４Ｂに示すように、単電池４５の一つが異常に発熱した場合、単電池４５の内部に発生したガスによって図１に示したケース５内の圧力が上昇し、ベント機構１９が作動し、キャップ１６の排気孔１７からガスが噴出する。そして、このガスは、排気孔１７から接続基板２５と筐体３０で形成された収納部３４内に噴出する。このとき、単電池４５からガスが急激に噴出した場合、一般に引火などにより発火し炎が発生しやすい。
この炎により、吸熱部材５０の一部５１が開封され、内部から吸熱剤６０が収納部３４内に噴出し、単電池４５に付着する。さらに、付着した吸熱剤６０は、発熱した単電池４５や炎により気化する。吸熱剤６０は、気化する際に蒸発潜熱を吸収するため、単電池４５の温度を低下させるとともに、炎を消火して噴出したガスの状態に戻す。具体的には、吸熱剤６０が水を主成分として含む場合、水１ｇの蒸発潜熱は、約５６０ｃａｌであり、上述した大きさのリチウムイオン電池である単電池４５の温度を、約３７℃程度を下げることができる。このように、吸熱剤６０が水を主成分として含めば、水の高い蒸発潜熱で効果的に不具合を起こした単電池４５の温度を低下させることができる。なお、以上の説明では、炎により吸熱部材５０の一部５１が開封される例で説明したが、これに限られない。例えば、単電池４５の異常発熱により、吸熱部材５０の内部の空気や吸熱剤６０が膨張し、内圧の上昇により吸熱剤６０を放出させてもよい。
このように吸熱剤６０は、異常発熱した単電池４５の温度を低下させ、周囲の単電池４５への伝熱を大幅に低減することができる。その結果、電池ユニット４０内での伝熱による連鎖的な加熱などを未然に防止し、電池モジュール１００の不具合を最小限に止めることができる。また、吸熱部材５０から放出された吸熱剤６０により、単電池４５から噴出した高温のガスが排気途中で引火点以下まで冷却されて電池モジュール１００から排気される。その結果、引火などによる炎の発生を防止して、単電池４５から噴出したガスをそのままの状態で電池モジュール１００から排気できる。
このように、吸熱剤６０として液体やゲル状の流体を用いることにより、少量で発熱や発火を防止できる。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。
また吸熱部材５０が、シート状であることにより、電池ユニット４０を構成する各単電池４５に吸熱部材５０を広い面積で接触できる。そのため、不具合を起こした単電池４５の異常発熱による温度上昇を効率的に低減できる。
なお、本実施の形態では、シート状の吸熱部材５０を例に説明したが、これに限定されない。例えば図５Ａ、図５Ｂに示すように筒状の吸熱部材７０を単電池４５の側面に接触させて配置してもよい。図５Ａ、図５Ｂは、本実施の形態による他の電池ユニットを示す斜視図と上面図である。すなわち、筒状の吸熱部材７０を各単電池４５間で、各単電池４５の側面に接触して設けてもよい。なお、吸熱部材７０の配置位置を決めるために、筐体３０の側壁や内底面に凹部を設けることが好ましい。
この構成では、電池ユニット４０の外周側面を覆うように吸熱部材を設けなくてもよいので、電池モジュール１００を、さらに小型化できる。また、筐体３０の凹部に吸熱部材７０を嵌め込むことにより、組み立て性や作業性を向上できる。なお、筒状の吸熱部材７０に限られず、単電池４５間の隙間に挿入できる形状であれば形状は限定されない。
さらに、電池ユニットを構成する単電池の側面にできるだけ沿うように吸熱部材を形成することが好ましい。そのような形状の吸熱部材１５０を、図６Ａ、図６Ｂを参照しながら説明する。図６Ａは本発明の実施の形態１による他の電池ユニットに用いる吸熱部材の斜視図、図６Ｂは図６Ａに示す吸熱部材を用いた電池ユニットの上面図である。
吸熱部材１５０は、電池ユニットを構成する各単電池４５の側面に沿う複数の円筒面１５１を有する。そして一列に並べた複数の単電池４５で構成された電池ユニット１４０は２枚の吸熱部材１５０で挟まれている。吸熱部材１５０は図３に示す吸熱部材５０や図５Ａに示す吸熱部材７０に比べて単電池４５との接触面積が大きい。そのため単電池４５の１つが発熱すると、その熱の影響を受けやすい。したがってより確実に吸熱部材１５０の一部が開放され、内部の吸熱剤が発熱した単電池４５に対して噴出する。
吸熱部材１５０は、例えば、円筒面１５１と上下面とを構成する部分と、背面を構成する部分とを熱溶着することで作製できる。円筒面１５１と上下面とを構成する部分はＰＰやポリエチレン樹脂等を真空成形することで形成できる。背面を構成する部分はＰＰをラミネートしたＡｌ箔で構成することができる。そして円筒面１５１と上下面とを構成する部分を、円筒面１５１を下にして置き、円筒面１５１の裏面に液状の吸熱剤を注入した後、Ａｌ箔にラミネートされたＰＰと熱溶着すればよい。
この構成において、円筒面１５１と上下面とを構成する部分と、背面を構成する部分とを外周部分のみで熱溶着することが好ましい。このようにすれば吸熱部材１５０の内部空間が一体に連通する。そのため吸熱部材１５０には不具合を起こした一つの単電池４５の温度を低下できる量の吸熱剤を内包させればよい。
なお図６Ｂでは５個の単電池４５で電池ユニット１４０を構成した例を示しているが、電池ユニット１４０を構成する単電池４５の数は限定されない。また円筒形の単電池４５を例に説明したが、角形の単電池を用いて電池ユニットを構成してもよい。すなわち、吸熱部材は、電池ユニットを構成する各単電池の側面に沿う形状の面を複数有することが好ましい。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における電池モジュールについて、図７Ａから図１０Ｂを用いて詳細に説明する。図７Ａは本実施の形態における電池モジュールの斜視図、図７Ｂは図７Ａの６Ｂ−６Ｂ線断面図である。図８は、この電池モジュールの分解斜視図である。図９Ａ、図９Ｂはこの電池モジュールに用いられた電池ユニットの斜視図と上面図である。図１０Ａは、この電池モジュールにおいて、電池ユニットの単電池の一つが異常発熱を生じた場合の様子を説明する断面図、図１０Ｂは図１０Ａの９Ｂ部の拡大断面図である。
図７Ｂ、図８に示すように、電池モジュール２００の筐体２３０には隔壁２３２により複数の収納部２３４が設けられ、各収納部２３４に電池ユニット２４０が収納されている。この点で電池モジュール２００は実施の形態１の電池モジュール１００とは異なる。なお、本実施の形態では、３つの単電池４５を一体化した構成の電池ユニット２４０を例に説明する。また、本実施の形態では、配線基板２２５を介して各電池ユニット２４０を接続した例を説明するが、実施の形態１と同様に、接続基板を介して接続してもよい。
図７Ａ〜図８に示すように、電池モジュール２００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２３０および、それと嵌合する蓋体２２０を有する。筐体２３０の内部には配線基板２２５と電気的に接続される複数の電池ユニット２４０が収納されている。吸熱剤を内包したシート状の吸熱部材５０は、電池ユニット２４０の側面に接触して設けられている。このとき、各電池ユニット２４０は、筐体２３０の収納部２３４と配線基板２２５とで形成される空間に収納される。後述するように、この空間は配線基板２２５に形成された貫通孔２３６から、蓋体２２０に形成された排気室２２４を介して、開口部２２６により外部の空間と連通される。
次に、電池モジュール２００を構成する各構成要素について、図８を用いて説明する。筐体２３０は蓋体２２０と嵌合する側に開口端を有する。筐体２３０は、隔壁２３２で仕切られた複数の収納部２３４を有している。電池ユニット２４０は上記開口端から収納部２３４に個別に収納される。このとき、電池ユニット２４０の単電池４５が、例えば外径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの場合、隔壁２３２の高さは、６５ｍｍに後述する接続端子２２７が配線基板２２５から突出する高さを加えた程度となる。
蓋体２２０は、外周壁２２２を有する。外周壁２２２は図７Ｂに示す排気室２２４を形成している。また外周壁２２２の一部には開口部２２６が設けられている。
電池ユニット２４０は図９Ａ、図９Ｂに示すように、例えば３つの単電池４５が一体化され、その側面に接触して吸熱部材５０が設けられている。なおスペーサ２４７を用いて各単電池４５を所定の位置に保持することが好ましい。スペーサ２４７を用いれば各単電池４５を分離することができ、単電池４５間の伝熱を抑制できる。このような観点からもスペーサ２４７を用いることが好ましい。また、図１０Ｂに示すように、単電池４５の排気孔１７と対向する側面に吸熱部材５０を設けることが好ましい。さらに、単電池４５の排気孔１７の高さまで吸熱部材５０の端部を単電池４５の側面から露出させることが好ましい。これらの効果は実施の形態１と同様である。
配線基板２２５は図８に示すように、例えばガラス−エポキシ基板で形成されている。配線基板２２５は接続端子２２７と接続板２２８と貫通孔２３６と図示しない電源配線（パワーライン）を有する。接続端子２２７は各電池ユニット２４０を構成する単電池４５のベント機構側の一方の電極（例えば、正極）と接続される。接続板２２８は他方の電極（例えば、負極）と接続される。電源配線は少なくとも隣接する接続端子２２７と接続板２２８とを接続している。なお、接続端子２２７や接続板２２８は、例えばニッケル板やリード線などで構成され、配線基板２２５上に銅箔などで形成された電源配線と、例えばはんだを介して接続されている。
貫通孔２３６は、各電池ユニット２４０に対向する位置であって接続端子２２７と異なる配線基板２２５の領域に設けられている。図７Ｂに示すように、接続端子２２７は配線基板２２５の厚み方向において突出して設けられ、電池ユニット２４０の一方の電極と、例えばスポット溶接により電気的に接続される。これにより、各電池ユニット２４０を、配線基板２２５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。そのため、収納部２３４を形成する隔壁２３２に、隙間や貫通する穴を設ける必要がない。したがって、隔壁２３２と配線基板２２５で形成された収納部２３４に、互いに熱影響を及ぼさないように隔離して電池ユニット２４０を収納できる。すなわち、異常状態の電池ユニットから噴出したガスが、隣接する電池ユニットの収納部に侵入できない。そのため、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。
次に、電池モジュール２００において、電池ユニット２４０を構成する単電池４５の一つが異常発熱などを生じた場合の、吸熱部材５０の作用や効果について、図１０Ａ、図１０Ｂを用いて説明する。
図１０Ｂに示すように、単電池４５の一つが異常に発熱した場合、実施の形態１で説明したようにキャップ１６の排気孔１７からガスが噴出する。このガスは、配線基板２２５と筐体２３０の隔壁２３２で形成された収納部２３４内に噴出する。このとき、単電池４５に接触して設けられた吸熱部材５０中の空気や吸熱剤６０も同時に加熱されて、内圧の上昇により吸熱部材５０が膨張する。
そして、吸熱部材５０を封止する接着力以上に内圧が高まると吸熱部材５０の一部５１が開封され、内部から吸熱剤６０が筐体２３０の収納部２３４内に噴出し浮遊するとともに、単電池４５に付着する。さらに、付着した吸熱剤６０は、発熱した単電池４５により気化する。このとき、吸熱剤６０が気化する際に、蒸発潜熱により、不具合を起こした単電池４５の温度を低下させるとともに、単電池４５から噴出したガスの温度も低下させる。
なお、上述の説明では加熱による内圧の上昇で吸熱部材５０の一部が開封される例で説明したが、これに限られない。前述のように樹脂材料を主体とする外装フィルムを用いて吸熱部材５０を構成すると、単電池４５のいずれか１つが発熱した場合に、この熱で軟化した部分が吸熱部材５０の内圧で膨張し破裂する。あるいは溶融して破裂する。また図２Ｃに示す金属フィルム５２をＡｌ箔で形成しても、単電池４５が７００〜８００℃まで加熱されれば同様のメカニズムで吸熱部材５０が破裂する。これは、Ａｌの融点が６６０℃程度であるためである。
このように、吸熱部材５０の外装フィルム５８を、単電池４５の発熱で溶融する、あるいは強度が低下して内圧上昇により破裂する程度の強度で構成することが好ましい。これにより、最も温度上昇の大きい箇所で外装フィルム５８が破れ、温度を低下させるべき単電池に対し直接吸熱剤６０が噴出する。なおこのような構成を実施の形態１に適用してもよい。
またこれらのように吸熱部材５０を構成する場合、単電池４５にベント機構がなくても吸熱剤６０を噴出させることができる。もちろん単電池４５にベント機構があれば実施の形態１と同様に、例えば、噴出するガスに引火して発生する炎により、吸熱部材５０が開封される場合もある。単電池４５単独での安全性の観点からも単電池４５がベント機構を有するほうが好ましい。
このように吸熱剤６０は、異常発熱した単電池４５の温度を低下させ、周囲の単電池４５への伝熱を大幅に低減する。その結果、電池ユニット２４０内での伝熱による連鎖的な発熱などを未然に防止し、電池モジュール２００の不具合を最小限に止めることができる。
また、電池モジュール２００では、収納部２３４内の酸素量は限られ、さらに密閉状態に近い空間であるため、外部から酸素が供給されず、噴出するガスに引火する可能性は極めて低い。しかしながら、噴出したガスは、図１０Ａに示すように、蓋体２２０の排気室２２４を経由して、開口部２２６から排気され、外部の空中の酸素と反応して炎が発生する虞がある。
本実施の形態では、噴出するガスの排気中に、吸熱部材５０から放出された吸熱剤６０が、ガスの温度をガスの引火点以下に低下させる。その結果、不具合を起こした単電池４５を収納する収納部２３４内のガスや、外部に排気されるガスは、引火による爆発的な膨張を生じずガスの状態で排気される。そのため、開口部２２６から排気されたガスの発火を効果的に防止でき、電池モジュール２００の破裂を確実に防止することができる。
また、筐体２３０の隔壁２３２は、異常に発熱した電池ユニット２４０の熱が隣接する周囲の電池ユニット２４０へ伝達することを防止する。その結果、異常に発熱した電池ユニット２４０が収納された収納部２３４から、別の収納部２３４に収納された電池ユニット２４０への伝熱による影響を大幅に抑制できる。
なお、以上の説明では、配線基板２２５として、ガラス−エポキシ基板を例に説明したが、これに限られない。例えば、銅箔などで形成された電源配線（図示せず）や制御配線（図示せず）をポリイミド樹脂やＰＥＴなどで挟んだ構成からなるフレキシブル基板と、フレキシブル基板と貼り合せた補強部材で配線基板２２５を構成してもよい。このとき、電池ユニット２４０の一方の電極と接続される接続端子２２７は、スポット溶接などを考慮して、例えばニッケル板などを露出した状態で形成することが好ましい。また、補強部材としては、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、フェノール樹脂、ユニレート、ガラスエポキシ樹脂、セラミックなどを用いることができる。
なお、これらの樹脂中に、炭素繊維やガラス繊維などのフィラーを含有させてもよい。また、配線基板２２５として、補強部材と同じ材料の間にバスバーなどをインサート成型して構成してもよい。これらにより、配線基板２２５の機械的強度を高めて、噴出するガスの圧力による配線基板２２５の耐変形性や耐熱性を向上させ、さらに信頼性や安全性を高めることができる。
また、本実施の形態では、シート状の吸熱部材５０を例に説明したが、これに限定されない。実施の形態１と同様に、図１１Ａ、図１１Ｂに示すように筒状の吸熱部材７０を単電池４５の側面に接触させて配置してもよい。図１１Ａ、図１１Ｂは、本実施の形態による他の電池ユニットの斜視図と上面図である。この構成では筒状の吸熱部材７０が電池ユニット２４０の各単電池４５間で、各単電池４５の側面に接触して設けられている。このとき、吸熱部材７０の配置位置を決めるために、筐体２３０に凹部（図示せず）を設けることが好ましい。
この構成では、電池ユニット２４０の外周側面を覆うように吸熱部材を設けなくてもよいので、電池モジュール２００を、さらに小型化できる。また、筐体２３０の凹部に吸熱部材７０に嵌め込むことにより、組み立て性や作業性を向上できる。
次に、本実施の形態における電池ユニットに用いられる吸熱部材のさらに他の例について、図１２Ａ〜図１３Ｃを用いて説明する。図１２Ａ、図１２Ｂは本実施の形態におけるさらに他の電池ユニットの斜視図と上面図である。また、図１２Ｃは、この電池ユニットに用いられる吸熱部材の上面図である。図１３Ａ、図１３Ｂは、本実施の形態におけるさらに別の電池ユニットの例を示す斜視図と上面図である。図１３Ｃは、この電池ユニットに用いられるスペーサの斜視図である。
図１２Ａ〜図１２Ｃに示す構成において、吸熱部材２８０は電池ユニット２４０の外周の形状に応じて密着するように構成されている。例えば３つの吸熱部材を一体化して吸熱部材２８０を構成してもよい。これにより、作業性や組み立て性が大幅に向上する。この場合、伸縮性を有する、例えば、弾性ゴムなどの部材２８５で各吸熱部材を一体化することが好ましい。これにより、各単電池４５と吸熱部材２８０との確実な接触状態を保持できる。
図１３Ａ〜図１３Ｃに示す構成では、スペーサ２９０の内部に吸熱剤を内包させて吸熱部材と兼用している。スペーサ２９０は、例えばブロー成型などにより中空状で形成した後、例えば水などの吸熱剤を注入し、その注入口を熱融着などにより封止して形成できる。
これにより、電池ユニット２４０を構成する単電池４５を所定の位置および所定の間隔に位置決めして配置できる。また、一つのスペーサ２９０が電池ユニット２４０の全ての単電池４５と接触して配置できる。したがってスペーサ２９０は電池ユニット２４０のどの単電池４５が不具合を起こしても対応可能である。そのためスペーサ２９０には不具合を起こした一つの単電池４５の温度を低下できる量の吸熱剤を内包すればよいので、図９Ａ等の構成に比べて吸熱剤の全量を大幅に減らすことができる。これにより、電池モジュール２００をさらに小型化できる。
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３における電池モジュール集合体について、図１４Ａ、図１４Ｂを用いて詳細に説明する。図１４Ａ、図１４Ｂは本実施の形態における電池モジュール集合体の斜視図である。
図１４Ａに示す電池モジュール集合体３００は、実施の形態２の電池モジュール２００を４個並置して配置し、接続部材３５０で接続して構成されている。また、図１４Ｂに示す電池モジュール集合体４００は、電池モジュール２００を２個並置するとともに、その並置体を縦に２段に重ね接続部材４５０で接続して構成されている。すなわち、複数の電池モジュール２００を、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３５０、４５０を介して接続することにより、電池モジュール集合体３００、４００が構成されている。
このように、汎用性の高い電池モジュール２００を、用途に応じ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、必要な電圧や電気容量を有する電池モジュール集合体を容易に実現できる。
次に、本実施の形態による別の電池モジュール集合体について、図１５を用いて説明する。図１５は、本実施の形態による別の電池モジュール集合体の分解斜視図である。電池モジュール集合体５００は、複数の電池ユニット５４０を、２次元配置で一体的に収納する点で、実施の形態１、２と異なる。
電池モジュール集合体５００は、筐体５３０と複数の電池ユニット５４０と複数の配線基板５２５とＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５６０と蓋体５２０を有する。筐体５３０は隔壁５３２により２次元配置で仕切られた収納部５３４を有する。各電池ユニット５４０は、それぞれの収納部５３４に収納されている。
各配線基板５２５は、電池ユニット５４０間を１次元で接続している。配線基板５２５は、電池の温度や電圧を検知して制御するとともに、外部機器に対して情報などを送受信できる。また、配線基板５２５には、各電池ユニット５４０における単電池のベント機構部に対向する位置に貫通孔５２６が設けられている。ＥＣＵ５６０は配線基板５２５を、並列接続または直列接続、あるいは直並列接続している。
蓋体５２０は筐体５３０と嵌合し、電池ユニット５４０と配線基板５２５を密閉に近い状態にしている。蓋体５２０には、排気室（図示せず）が設けられるとともに、噴出するガスを排出する開口部（図示せず）が、例えば各配線基板５２５に対応して設けられている。以上のように筐体５３０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集合体５００を実現できる。
なお、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。
また、各実施の形態においては、電池ユニットとして円筒形の単電池を例に説明したが、これに限られない。例えば、角形の単電池であってもよい。さらに、正極端子と負極端子およびベント機構が、同じ側に設けた単電池であってもよい。これにより、各電池ユニットと配線基板との組立性や作業性が大幅に向上する。
また、各実施の形態においては、互いにその構成を適用できる。
本発明は、自動車、自転車や電動工具などに用いられる、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モジュール集合体として有用である。
１ 正極
１ａ 集電体
１ｂ 正極層
２ 負極
３ セパレータ
４ 電極群
５ ケース
６ 封口板
７ ガスケット
８ リード
９ リード
１０ａ，１０ｂ 絶縁板
１１ 集電体
１５ 負極層
１６ キャップ
１７ 排気孔
１８ 電流遮断部材
１９ ベント機構
２０，２２０，５２０ 蓋体
２５ 接続基板
２６，２２６ 開口部
２７，２３６，５２６ 貫通孔
２８ 接続板
３０，２３０，５３０ 筐体
３２，２２７ 接続端子
３４，２３４，５３４ 収納部
３７，２２８ 接続板
４０，１４０，２４０，５４０ 電池ユニット
４５ 単電池
５０，７０，１５０，２８０ 吸熱部材
５１ 一部
５２ 金属フィルム
５４ 第１樹脂フィルム
５６ 第２樹脂フィルム
５８ 外装フィルム
６０ 吸熱剤
１００，２００ 電池モジュール
１５１ 円筒面
２２２ 外周壁
２２４ 排気室
２２５，５２５ 配線基板
２３２，５３２ 隔壁
２４７，２９０ スペーサ
２８５ 部材
３００，４００，５００ 電池モジュール集合体
３５０，４５０ 接続部材
５６０ ＥＣＵ

Claims (13)

  1. ２つ以上の単電池で構成された電池ユニットと、
    少なくとも一方が開口端である収納部を有し、前記収納部に前記電池ユニットを収納する筐体と、
    開口部を有し、前記筐体の前記開口端を覆う蓋体と、
    液体またはゲル状の流体からなる吸熱剤と、前記吸熱剤を内包する外装フィルムとを有し、前記電池ユニットの側面に接触して設けられた吸熱部材と、を備え、
    前記外装フィルムは樹脂層と、前記樹脂層の軟化温度より高い融点を有し、前記単電池の発熱で溶融する金属フィルムとの積層構造を有する、
    電池モジュール。
  2. ２つ以上の単電池で構成された電池ユニットと、
    少なくとも一方が開口端である収納部を有し、前記収納部に前記電池ユニットを収納する筐体と、
    開口部を有し、前記筐体の前記開口端を覆う蓋体と、
    液体またはゲル状の流体からなる吸熱剤と、前記吸熱剤を内包する外装フィルムとを有し、前記電池ユニットの側面に接触して設けられた吸熱部材と、を備え、
    前記外装フィルムはＡｌ箔と樹脂層との積層構造を有する、
    電池モジュール。
  3. 前記電池ユニットは、複数の電池ユニットの一つであり、
    前記筐体は、複数の前記収納部を形成する隔壁を有し、
    前記複数の電池ユニットのそれぞれは、前記複数の収納部のそれぞれに収納された、
    請求項１または２に記載の電池モジュール。
  4. 前記筐体と前記蓋体との間に配置され、前記筐体の前記開口端を覆う配線基板をさらに備え、
    前記単電池のそれぞれはベント機構を有し、
    前記配線基板は、前記電池ユニットを構成する前記単電池の前記ベント機構側に設けられ、前記電池ユニットと接続される接続端子を有し、
    前記接続端子と異なる領域であって前記電池ユニットに対向する位置に貫通孔が形成された、
    請求項１または２に記載の電池モジュール。
  5. 前記吸熱剤が水を主成分として含む、
    請求項１または２に記載の電池モジュール。
  6. 前記吸熱部材の前記外装フィルムにおいて、前記樹脂層が前記金属フィルムの両面に形成されている、
    請求項１記載の電池モジュール。
  7. 前記吸熱部材の前記外装フィルムにおいて、前記樹脂層が前記Ａｌ箔の両面に形成されている、
    請求項２記載の電池モジュール。
  8. 前記吸熱部材がシート状である、
    請求項１または２に記載の電池モジュール。
  9. 前記吸熱部材が筒状である、
    請求項１または２に記載の電池モジュール。
  10. 前記電池ユニットの前記単電池間に介在するスペーサをさらに備えた、
    請求項１または２に記載の電池モジュール。
  11. 前記吸熱部材は、前記電池ユニットの前記単電池間に介在するスペーサを兼ねる、
    請求項１または２に記載の電池モジュール。
  12. 前記吸熱部材は、前記電池ユニットを構成する前記単電池のそれぞれの側面に沿う形状の面を複数有する、
    請求項１または２に記載の電池モジュール。
  13. 複数の電池モジュールと、
    前記複数の電池モジュールを、直列接続および並列接続の少なくとも一方により組み合わせて接続する接続部材と、を備え、
    前記複数の電池モジュールのそれぞれは、請求項１または２に記載の電池モジュールである、
    電池モジュール集合体。
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