JP5033271B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池が筐体に収容された電池モジュールに関し、特に、電池から排出されたガスを、安全に筐体外に排出する排出機構を備えた電池モジュールに関する。

複数の電池を筐体に収容した電池モジュールは、種々の機器、車両等の電源として広く使用されている。電池モジュール内では、汎用的な電池を並列または直列に接続することによって、所望の電圧及び容量が得られる。この電池モジュールを種々組み合わせることによって、多種多様な用途に対応可能とする技術が採用され始めている。電池モジュールに収容する電池を高性能化すると、電池モジュール自身の小型・軽量化を図ることができるため、電池パックを組み立てる際の作業性や、車両等の限られた空間へ搭載する際の自由度を向上させることができる。

電池モジュールに収容する電池の高性能化に伴い、電池自身の安全性確保に加え、複数の電池が集合した電池モジュールにおける安全性確保も重要になってくる。特に、電池内での内部短絡等による発熱でガスが発生し、安全弁が作動して高温ガスが電池外に放出された場合、周辺の電池が高温ガスに曝されると、正常な電池にまで影響を与え、連鎖的な劣化を引き起こすおそれがある。

このような問題に対して、特許文献１には、複数の電池を収容しているケース内に区画壁を設けることによって、電池を収容する電池室と、電池から放出される高温ガスを排気する排出室とに区画するとともに、電池の安全弁の開口部を排気室に連通させた電源装置が記載されている。排気機構をこのように構成することによって、電池の安全弁から放出される高温ガスを、電池室に流入させることなく排気室に流入させて、ケースの排出口から外部に排出させることができる。これにより、周辺の電池が、異常電池から放出された高温ガスに曝させるのを防止できるため、正常な電池に与える影響を低減することができる。

特開２００７−２７０１１号公報

特許文献１に記載された排気機構では、排気室を密閉構造にすることによって、電池の開口部から排出室に流入したガスが再び電池室に流入するのを防止している。したがって、発生したガスによって正常な電池が連鎖的に劣化するのを防止できる点では優れている。

しかしながら、排気室に流入したガスは、１０００℃以上の高温になる場合もあり、排気室内に流入したガスが酸素と反応して燃焼するおそれがある。その場合、排気室が高温に曝されるため、依然として電池室に収容された電池に影響を及ぼすおそれが残る。

また、複数に並べられた電池の電極の上に平行に排気室を配置するため、電池モジュールの体積が増大し、電池モジュールの単位体積当りの電力量が低減するという課題が残る。

それ故に、本発明の目的は、電池モジュールの体積増加を極力抑制しながら、異常電池から排出された高温ガスを、他の正常な電池に影響を与えることなく筐体外に排出させることのできる安全性の高い電池モジュールを提供することにある。

本発明に係る電池モジュールは、開口部と内部で発生したガスを排出する排出口とを有する筐体と、内部で発生したガスを排出するための開放部が設けられた端子板を有し、端子板を開口部側に向けた状態で筐体の内部に配置される複数の電池と、開口部を覆うように筐体に取り付けられ、平板部と、平板部を含む平面から筐体の内方側に突出して、電池の端子板に接続される複数の凸部とを有する蓋体とを備える。

本発明によれば、集電板に形成された複数の凸部の間にガスの流路を形成することができるため、電池モジュールの体積増加を極力抑制し、異常電池から排出される高温ガスを、他の正常な電池に影響を与えることなく筐体外に排出することができる。したがって、単位体積当りの容量が大きく、かつ、安全性の高い電池モジュールを実現できる。

図１は、第１の実施形態に係る電池モジュールに使用される電池の構成を模式的に示した断面図である。 図２は、第１の実施形態に係る電池モジュールの外観を模式的に示した斜視図である。 図３は、図２に示したＩＩＩ−ＩＩＩラインに沿う断面図である。 図４は、電池の開放部から排出されるガスの流路を示した図である。 図５は、第２の実施形態に係る電池モジュールの外観を模式的に示した斜視図である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電池モジュールに使用される電池１００の構成を模式的に示した断面図である。なお、本発明の電池モジュールに使用される電池は、ノート型パソコン等の携帯用電子機器の電源として単体でも使用できる電池であってもよい（以下、電池モジュールに使用する電池を、「素電池」と呼ぶ）。この場合、高性能の汎用電池を、電池モジュールの素電池として使用することができるため、電池モジュールの高性能化、低コスト化をより容易に図ることができる。

本発明の電池モジュールに使用される素電池１００には、例えば、図１に示すような、円筒形のリチウムイオン二次電池を採用することができる。このリチウムイオン二次電池は、内部短絡等の発生により電池内の圧力が上昇したときに、発生したガスを電池外に放出する安全機構を備えている。以下、図１を参照しながら、素電池１００の具体的な構成を説明する。

図１に示すように、正極１と負極２とがセパレータ３を介して捲回された電極群４が、非水電解液とともに、電池ケース７に収容されている。電極群４の上下には、絶縁板９及び１０が配置されている。正極１は、正極リード５を介してフィルタ１２に接合され、負極２は、負極リード６を介して負極端子を兼ねる電池ケース７の底部に接合されている。

フィルタ１２は、インナーキャップ１３に接続され、インナーキャップ１３の突起部は、金属製の弁板１４に接合されている。さらに、弁板１４は、正極端子を兼ねる端子板８に接続されている。端子板８、弁板１４、インナーキャップ１３、及びフィルタ１２が一体となって、ガスケット１１を介して、電池ケース７の開口部を封口している。

素電池１００に内部短絡等が発生して、素電池１００内の圧力が上昇すると、弁板１４が端子板８に向かって膨らむ。弁板１４が膨らむことによって、インナーキャップ１３と弁板１４との接合がはずれると、電流経路が遮断される。さらに素電池１００内の圧力が上昇すると、弁板１４が破断する。これによって、素電池１００内に発生したガスは、フィルタ１２の貫通孔１２ａ、インナーキャップ１３の貫通孔１３ａ、弁板１４に生じた裂け目、そして、端子板８の開放部８ａを介して、外部へ排出される。

なお、素電池１００内に発生したガスを外部に排出する安全機構は、図１に示した構造に限定されず、他の構造のものであってもよい。

図２は、第１の実施形態に係る電池モジュールの外観を模式的に示した斜視図であり、図３は、図２に示したＩＩＩ−ＩＩＩラインに沿う断面図である。

図２及び図３に示すように、電池モジュール２００は、筐体１３０と、筐体１３０内に収容される複数の素電池１００と、素電池１００を保持する電池保持部材１１０と、筐体１３０の開口部を覆うように取り付けられる蓋体１２０とを備える。

筐体１３０は、一面が開放された直方体箱形形状を有する。側面の開口部側部分に電池モジュール２００内で発生したガスを排出するための排出口１３１が設けられている。筐体１３０は、各々の端子板８を開口部側に向けた状態で、複数の素電池１００を収容している。

電池保持部材１１０は、複数の素電池１００を収容するための複数の電池収容部１１１を有する。電池収容部１１１は、電池ケース７の外形に対応する孔であり、電池収容部１１１の内径は電池ケース７の外形とほぼ等しく、電池収容部１１１の深さは電池ケースの外周壁の高さとほぼ等しい。したがって、図３に示すように、素電池１００を電池収容部１１１に挿入すると、端子板８の一部が電池収容部１１１から突出し、電池ケース７の外面と電池収容部１１１の内周面とが密接した状態となる。電池保持部材１１０によってこのように素電池１００を保持すると、素電池１００の開放部８ａからガスが放出された場合に、放出されたガスが電池保持部材１１０の上端、つまり、素電池１００の電池ケース７の側面上端よりも下部に回り込むことが防止されるので、ガスを排出した素電池１００から他の素電池１００への類焼を防ぐことができる。また、電池ケース７の外面と電池収容部１１１の内周壁とが密接していることから、電池保持部材１１０を熱伝導性を有する材料で作成することによって、電池保持部材１１０に熱緩衝材としての機能を付与することもできる。

蓋体１２０は、筐体１３０の開口部を覆うように取り付けられる部材であるが、同時に集電板としての機能も有する。蓋体１２０は、導電性を有する材料よりなり、平板部１２１と、平板部１２１を含む平面から筐体１３０の内方側へと突出する複数のスポット状の凸部１２２とを有する。複数のスポット状の凸部１２２は、蓋体１２０に分散して設けられている。凸部１２２の先端には、平坦面が形成されており、この平坦面に素電池１００の端子板８が接合されている。蓋体１２０に分散させて設けた凸部１２２と端子板８とを接合すると、凸部１２２間に形成される連続的な空間によって、蓋体１２０と、素電池１００を収容した電池保持部材１１０との間に、端子板８から筐体１３０側面の排出口１３１に至る流路が形成される。尚、本実施形態では、素電池１００の数と凸部１２２の数とは等しく、素電池１００と凸部１２２とが一対一で対応している。

図４は、電池の開放部から排出されるガスの流路を示した図である。

上述したように、素電池１００の正極端子と蓋体１２０の凸部１２２との接続部分はガスが通り難く、凸部１２２間に挟まれた空間はガスが通り易い。そのため、図４に示すように、ある素電池１００の開放部８ａから排出されたガスは、凸部１２２に形成される空間を通じて、筐体１３０の排出口１３１から外部へと排気される。

かかる構成によれば、複数の素電池１００を筐体１３０内に密閉するための蓋体１２０の構造によって、素電池１００の上部にガスの流路を形成することができるので、電池モジュール２００の体積増加を極力抑制しつつ、異常電池から排出された高温ガスを、筐体１３０外に排出させることのできる安全性の高い電池モジュールを実現できる。また、蓋体１２０は、集電板としての機能を兼ね備えているので、複数の素電池１００を用いて所望の電圧及び容量を実現する電池モジュールに好適である。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る電池モジュールの外観を模式的に示した斜視図である。本実施形態に係る電池モジュール３００は、蓋体１４０の形状の面で第１の実施形態に係る電池モジュール２００と相違する。以下の説明では、本実施形態と第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

第１の実施形態に係る蓋体１２０は、素電池１００に接続するための複数のスポット状の凸部１２２が分散して設けられていたのに対し、本実施形態に係る蓋体１４０では、平板部１４１を含む平面から突出する直線状の凸部１４２がストライプ状に設けられており、蓋体１４０がコルゲート状に形成されている。素電池１００の正極端子は、第１の実施形態と同様に、凸部１４２の先端面に接続されるが、本実施形態では、１つの凸部１４２に対して複数の素電池１００が接続される。尚、筐体１３０に設けられる排出口１３１は、筐体１３０の幅方向のほぼ全体にわたって設けられている。本実施形態に係る電池モジュール３００においても、隣接する凸部１４２間に形成される空間によって、素電池１００の正極端子から筐体１３０の排出口１３１に至る流路が形成される。したがって、本実施形態に係る構成によっても、電池モジュール３００の体積増加を極力抑制しつつ、異常電池から排出された高温ガスを筐体１３０外に排出できる安全性の高い電池モジュール３００を実現できる。更に、本実施形態では、隣接する凸部１４２で挟まれた直線状の空間が排出口１３１へと至るガス流路となるが、このガス流路が電池の整列位置とずれているため、異常電池から排出されたガスが他の正常な電池に影響を与えることが防止される。

（その他の変形例）
尚、上記の各実施形態において、蓋体は集電板としての機能も兼ね備えているため、蓋体は導電性材料で形成されているが、蓋体１２０の外面を絶縁するための絶縁部材を更に設けても良い。例えば、銅板等の導電性材料により形成した蓋体１２０の外面に、絶縁材料をコーティングしたり、蓋体１２０の外面を樹脂製の絶縁膜で覆ったりしても良い。また、金属と樹脂のクラッド材としてもよい。

また、上記の各実施形態において、筐体に設ける排出口の数、大きさ、形成位置は任意であり、異常電池から排出されるガスを速やかに筐体外部に排出できるものであれば良い。

更に、上記の各実施形態において、凸部間に形成される空間を電池モジュールの冷却用流路として使用することができる。この場合、筐体または蓋体に、冷却用の媒体を流入させる流入口と排出用の排出口とを設け、凸部間に形成される空間を介して流入口から排出口へと至る流路を形成する。これらの流入口及び排出口は、上述した異常時のガス排出口と兼用しても良い。

更に、上記の各実施形態においては、スポット状または直線状の凸部を例示したが、凸部同士の間に流路が形成される限り、凸部の形状は特に限定されない。

本発明は、自動車、電動バイク又は電動遊具等の駆動用電源として有用である。

１ 正極
２ 負極
３ セパレータ
４ 電極群
５ 正極リード
６ 負極リード
７ 電池ケース
８ 端子板（正極端子）
８ａ 開放部
９、１０ 絶縁板
１１ ガスケット
１２ フィルタ
１２ａ 貫通孔
１３ インナーキャップ
１３ａ 貫通孔
１４ 弁板
１００ 素電池
１１０ 電池保持部材
１２０ 蓋体
１２１ 平板部
１２２ 凸部
２００ 電池モジュール
１３０ 筐体
１３１ 排出口
１４０ 蓋体
１４１ 平板部
１４２ 凸部
３００ 電池モジュール

Claims (6)

1. 電池モジュールであって、
   開口部と内部で発生したガスを排出する排出口とを有する筐体と、
   内部で発生したガスを排出するための開放部が設けられた端子板を有し、前記端子板を前記開口部側に向けた状態で前記筐体の内部に配置される複数の電池と、
   前記開口部を覆うように前記筐体に取り付けられ、平板部と、前記平板部を含む平面から前記筐体の内方側に突出して、前記電池の前記端子板に接続される複数の凸部とを有する蓋体とを備える、電池モジュール。
2. 前記蓋体には、直線状の前記凸部がストライプ状に延びるように形成されており、
   前記凸部の各々に対して、複数の前記電池の前記端子板が接続され、
   前記平板部と前記凸部とで前記排気口に向かう排気路を形成する、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記蓋体には、前記電池の位置に対応してスポット状の前記凸部が分散して形成されており、
   前記凸部の各々に対して、１つの前記電池の前記端子板が接続され、
   前記平板部と前記凸部とで前記排気口に向かう排気路を形成する、請求項１に記載の電池モジュール。
4. 前記筐体内に配置され、前記複数の電池の隙間を埋める電池保持部を更に備える、請求項２または３のいずれかに記載の電池モジュール。
5. 前記蓋体は、前記複数の電池の端子板に電気接続されて、前記複数の電池を並列接続で集電する、請求項２または３のいずれかに記載の電池モジュール。
6. 前記蓋体は、導電性を有する材料によって形成されており、
   前記蓋体の外面を覆う絶縁性部材が更に設けられる、請求項５に記載の電池モジュール。

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