JP5092229B2

JP5092229B2 - 電池モジュール

Info

Publication number: JP5092229B2
Application number: JP2005330109A
Authority: JP
Inventors: 達弘福沢
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-11-15
Filing date: 2005-11-15
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2025-11-15
Also published as: JP2007141511A; JP2011222533A

Description

本発明は合成樹脂膜と導電性金属箔とを張り合わせたラミネート構造のフィルム状部材を外装部材として用いた平板型セルを積層して形成された電池モジュールに係る。

複数の単電池を結合して所要の電圧を発生させる電池モジュールは電気自動車あるいは携帯用電子機器の電源用として実用に供されている。この複数の単電池を積層して一つのモジュールケースに収納する構造の例としては下記特許文献１において開示されている。また、このような単電池を用いた電池モジュールにおいては過負荷時に電池温度の上昇が問題となる。このため、下記特許文献２に記載の単電池に放熱フィンを設ける構成、あるいは特許文献３等に記載の単電池それぞれの周辺に放熱用の貫通孔を設ける構成等が開示されている。

しかし、これら放熱フィンにおいても、貫通孔において過負荷の程度が軽く温度上昇がさほど激しくない場合、あるいは温度上昇速度が比較的緩慢である場合には一応の効果を示すが、単電池がモジュール内部で短絡状態となるような大電流がパルス状に急激に流れるような場合には十分な効果を得ることが出来ない問題があった。

特開２００１−２５６９３４号公報特開平０５−１５９７５７号公報特開平０７−５７７８８号公報

本発明は上記問題点を解決するために成されたもので、ラミネート構造のフィルム状部材を単電池外装の一部または全体に用いた構造の単電池を積層して構成した電池モジュールの内部で短絡状態が生じても、即応的に内部短絡を検出し、当該電池モジュール内部での発熱が蓄積されることによる外形の変形を軽減する構造の電池モジュールを提供することを目的とした。

上記目的を達成するために、本発明においては、複数の単電池を積層した構造の電池モジュールにおいて、導電性異物がこの電池モジュールを構成する複数の単電池を貫通し、導電性異物を介して電池モジュール内部の単電池間の短絡状態が発生したことを検出する内部短絡検出手段を備え、これにより内部短絡が検出された時に直ちに電池出力の正負両電極を短絡して電池モジュールの外部においても短絡電流のパスを形成し、これにより電池モジュール内における短絡電流の電流密度を低下させ、電池モジュール内における発熱を抑制する構成とした。
本発明の一態様においては、前記内部短絡検出手段を、前記単電池の正負両電極に平行な面に、且つ予め定められた個数の前記単電池毎に設けられた、板状の導電性材料またはフィルム状の金属箔からなる内部短絡検出部材と、互いに隣り合う前記内部短絡検出部材の出力間に電気的に接続された導通検出手段とからなるものとし、前記導通検出手段の出力が前記外部短絡手段の動作を制御する前記外部短絡制御手段に接続されているように構成した。
あるいは、本発明の別の態様においては、前記内部短絡検出手段を、前記単電池の正負両電極に平行な端面で、且つ予め定められた個数の前記単電池毎に挟み込まれた導電性材料からなる板状の内部短絡検出板からなる内部短絡検出部材と、互いに隣り合う前記内部短絡検出板の出力間に電気的に接続された導通検出手段とからなるものとし、前記導通検出手段の出力が前記外部短絡手段の動作を制御する前記外部短絡制御手段に接続されているように構成した。

上記構成により、電池モジュールに導電性異物が貫通してきた場合、短絡状となっている電池内部のみならず電池外部にも短絡パスを形成し、短絡電流を分散させることが可能となり、短絡による過度の発熱が二次電池内部で局所的に集中することのないようにした。

（実施の形態１）
図１に本発明による実施の形態１の構成を示す。電池モジュール１は、ｎ個（ｎは０以外の正の整数とする）の単電池１０２ｎと、このｎ個の複数の単電池を積層して収納しているモジュールケース１０３と、この積層した構造において電池モジュール１０１内で発生した単電池１０２ｎ間の短絡状態を検出するためのｍ個の内部短絡検出板１０４ｍ（ｍは０＜ｍ＜ｎの範囲の正の整数）が所定の間隔で複数枚配置された構造となっている。

モジュールケース１０３からは、電池モジュール１０１の正電極出力端子１０５および負電極出力端子１０６に接続されている出力線（図１で太線）、および電池モジュール１０１内における各内部短絡検出板１０４ｍからのｍ本の検出線１０７ｍ（図１においては１０７１〜１０７３）とが引き出されている。各内部短絡検出板１０４ｍからの検出線１０７ｍは相隣るｋ個（ｋ＝ｍ−１、ただし、１＜ｍ＜ｎの正の整数）の導通検出部１０８ｋ（図１における１０８１，１０８２）に接続されており、この導通検出部１０８ｋと内部短絡検出板１０４ｍとで内部短絡検出手段を構成している。また、電池モジュール１０１の正電極および負電極の出力端子１０５および１０６にそれぞれ接続されているリレー１０９は外部短絡手段を構成しており、このリレー１０９のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御するためのリレー駆動部１１０の入力は各導通検出部１０８ｋの出力に接続される。このリレー駆動部１１０が外部短絡制御手段を構成している。以上、リレー駆動部１１０およびリレー１０９により外部短絡回路１１１を構成している。

以下、図１の外部短絡回路１１０を含む電池モジュール１０１の動作を説明する前に、先ず、単電池１０２ｎの構造を図４により説明しておく。図４は単電池１０２ｎの断面図を示すもので、正電極側導体４０１と負電極側導体４０２とが交互に配置され、それら正負各電極側導体間はセパレータ４０３を介して絶縁的に隣接している。すなわち、セパレータ４０３は正電極側導体４０１と負電極側導体４０２との短絡を防止する目的で挿入されている。

二次電池として作用する電解質材料は液状のもので図４において単電池１０２ｎの外装部材である単電池ケース４０４内に充填されている。また、正電極側導体４０１はアルミニウム、ニッケルあるいは銅等の金属による導電体箔の両面に正電極として作用する活物質層を形成したものであり、負電極側導体４０２は同じく金属箔の両面に負電極として作用する活物質層を形成したものである。単電池ケース４０４は正負両電極４０５および４０６、セパレータ４０３および電解質材料を内包し、このようにして構成した発電要素を上下両部材４０４で構成した外装部材内に封止した構成としている。この上下両部材４０４は通常は金属箔を樹脂層で挟んだラミネート構造のフィルム状部材を使用する。また、正電極側導体４０１および負電極側導体４０２は正電極側引き出し線４０７と負電極側引き出し線４０８とを介してそれぞれ正電極端子板４０５および負電極端子板４０６に接続されている。

図１において、例えば、導電性、伝熱性に優れた金属板を成型加工して構成したモジュールケース１０３を導電性異物１１２が貫通した場合、内部短絡検出板１０４ｍおよび外部短絡回路１１０が存在しない従来の構造においては、短絡電流は導電性異物１１２とこれに接触している単電池とで構成されるループのみを経路として流れ、したがって、これによる二次電池の発熱は二次電池内部の当該ループの箇所に集中し、したがって電池モジュール１０１の内圧上昇も局所的に集中し、モジュールケース１０３の局所的膨張とそれに伴う変形が生じる可能性があった。

このため、本発明においては、予め設定された個数のセル間隔で内部短絡検出板１０４ｍ（ｍは内部検出板の数で１＜ｍ＜ｎの範囲内にある正の整数）をそれぞれ相接する各単電池１０２ｎに対して絶縁的に設置し、導通検出部１０８ｋ（ｋは通常ｋ＝ｍ−１個で構成される）によりこれら内部短絡検出板１０４ｍ間の導通を検出する。導通検出部１０８ｋの入力側は、図１に示すように、検出線１０７１および１０７２（全検出線に対しては１０７ｍ）を経て所定の個数の単電池１０２ｎを挟んだ両側に配置されている内部短絡検出板１０４ｍおよび１０４（ｍ＋１）（図１においては１０４１および１０４２）に接続されている。導通検出部１０８ｋとしては、導通検出手段１０８ｋ側から内部短絡検出板１０４ｍおよび１０４（ｍ＋１）に所定の電圧を掛けておき、導電性異物１１２が貫通してきた場合、例えば図１における導通検出部１０８１→内部短絡検出板１０４１→導体性異物１１２→内部短絡検出板１０４２→導通検出部１０８１で形成されるループに流れる電流の有無をチェックする方法により電池モジュール１０１内部における単電池間の短絡状態を検知することが出来る。

このようにして内部短絡が検出されると、導通検出部１０８ｋの出力でリレー駆動部１１０によりリレー１０９を駆動し、リレー１０９の接点部で電池モジュール１０１の出力端子１０５および１０６間を短絡し、電池モジュール１０１外においても短絡電流を流すようにしている。これにより、短絡電流の一部を電池モジュール１０１外の外部回路にバイパスさせることが出来るようになり、電池モジュール１０１内部で局所的に過度な発熱を生じるのを防止することが出来るようになる。

（実施の形態２）
図２は本発明による電池モジュール１０１の実施の形態２を示す。図２においては、所定の個数の単電池１０２ｎを挟んで互いに相隣る位置に配置された内部短絡検出板１０４ｍおよび１０４（ｍ＋１）（図２においては内部短絡検出板１０４１および１０４２）毎に外部短絡手段であるリレー１０９（ｍ−１）を配置した構成としている。この構成によれば、ｎ個の単電池１０２ｎのうち内部短絡検出板１０４ｍおよび１０４（ｍ＋１）で挟まれたｑ個（ｑは０＜ｑ＜ｍ）の単電池のみを外部短絡回路１１１で短絡させるので電圧が低下することになり、これにより電池モジュール１０１内における短絡電流の低減が可能となる。

（実施の形態３）
図３は本発明による電池モジュールの実施の形態３を示す。本実施の形態３においては実施の形態１および２で用いた内部短絡検出板１０４ｍを省略し、予め定められた個数の単電池毎に、その両端における正負両電極となっている単電池の外装部を形成しているラミネート構造のフィルム状部材を形成しているアルミ等導電体金属層から前記の検出線１０７１および１０７２を直接引き出す構成としている。この構成においては電池モジュール３０１内部における短絡状態の検出線１０７１および１０７２は単電池の電極電位となっているため、導通検出部１０８１においては検出線１０７１および１０７２間の電位差を検出する構成とすることが出来る。すなわち、これら検出線間の電位差が上記予め定められた個数の単電池の電圧に相当する電位差であれば内部短絡状態が発生していない正常な状態であることを示しており、等電位で電位差が発生していなければ短絡状態となっていることを示していることになる。この構成により、図１における電池モジュール１０１のように内部短絡検出板１０４ｍによるモジュール厚の増加を生じることなく、従来のままのサイズで短絡状態の検出機能を有する電池モジュール３０１を構成することが出来、さらに、短絡状態を電位差測定により検出する方法を適用することが可能であるため、前記実施の形態１あるいは実施の形態２の場合のように短絡状態検出に際して、導通試験を行うための電流供給用電源を省略することが出来る。

実施の形態１による外部短絡回路の構成を示す回路図。実施の形態２による外部短絡回路の構成を示す回路図。実施の形態３による外部短絡回路の構成を示す回路図。本発明で使用する単電池の断面構造図。

符号の説明

１０１、２０１、３０１：電池モジュール
１０３：モジュールケース１０５：正電極出力端子
１０６：負電極出力端子１０９：リレー
１１０：リレー駆動部１１１：外部短絡回路
１１２：導電性異物
１０２１、１０２２、１０２３：単電池
１０４１、１０４２、１０４３：内部短絡検出板
１０７１、１０７２、１０７３：検出線
１０８１、１０８２：導通検出部
２０２：外部短絡回路
２０１１、２０１２：リレー駆動部

Claims

正電極板および負電極板の組を複数組積層し、電解液を充填した構成の発電要素を、樹脂層で金属箔を挟んだラミネート構造のフィルム状部材から成る外装部材内に封止した構造の単電池を複数個積層して構成した電池モジュールにおいて、
導電性異物が前記電池モジュールを構成する複数の単電池を貫通し、前記導電性異物を介して前記電池モジュール内部の単電池間の短絡状態が発生したことを検出する内部短絡検出手段と、
該電池モジュールの正負両出力端子を短絡するための外部短絡手段と、
前記内部短絡検出手段の内部短絡検出により前記外部短絡手段の動作を制御する外部短絡制御手段と、を有し、
前記内部短絡検出手段は、
前記単電池の正負両電極に平行な面に、且つ予め定められた個数の前記単電池毎に設けられた、板状の導電性材料またはフィルム状の金属箔からなる内部短絡検出部材と、互いに隣り合う前記内部短絡検出部材の出力間に電気的に接続された導通検出手段とからなり、
前記導通検出手段の出力が前記外部短絡手段の動作を制御する前記外部短絡制御手段に接続されていることを特徴とする電池モジュール。
正電極板および負電極板の組を複数組積層し、電解液を充填した構成の発電要素を、樹脂層で金属箔を挟んだラミネート構造のフィルム状部材から成る外装部材内に封止した構造の単電池を複数個積層して構成した電池モジュールにおいて、
導電性異物が前記電池モジュールを構成する複数の単電池を貫通し、前記導電性異物を介して前記電池モジュール内部の単電池間の短絡状態が発生したことを検出する内部短絡検出手段と、
該電池モジュールの正負両出力端子を短絡するための外部短絡手段と、
前記内部短絡検出手段の内部短絡検出により前記外部短絡手段の動作を制御する外部短絡制御手段と、を有し、
前記内部短絡検出手段は、
前記単電池の正負両電極に平行な端面で、且つ予め定められた個数の前記単電池毎に挟み込まれた導電性材料からなる板状の内部短絡検出板からなる内部短絡検出部材と、互いに隣り合う前記内部短絡検出板の出力間に電気的に接続された導通検出手段とからなり、
前記導通検出手段の出力が前記外部短絡手段の動作を制御する前記外部短絡制御手段に接続されていることを特徴とする電池モジュール。
請求項１または２に記載の電池モジュールにおいて、
前記外部短絡手段は、前記複数個積層された単電池のうち最外部の両単電池を短絡するように接続されていることを特徴とする電池モジュール。
請求項１〜３のいずれかに記載の電池モジュールにおいて、
前記外部短絡手段は、隣り合った二つの前記内部短絡検出部材に挟まれた単電池のうちの最外部の両端電池間を短絡することを特徴とする電池モジュール。
請求項１〜４のいずれかに記載の電池モジュールにおいて、
前記単電池の外装材である前記ラミネート構造のフィルム状部材の金属箔を前記内部短絡検出部材として兼用し、該フィルム状部材に前記導通検出手段を電気的に接続したことを特徴とする電池モジュール。