JP5364204B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電池モジュールに関するものである。

複数の素電池をケースに収容して、所定の電圧及び容量を出力できるようにした電池モジュールは、種々の機器、車両等の電源及び家庭用電源として広く使用されている。中でも、汎用的な二次電池を並列・直列接続して、所定の電圧及び容量を出力できるとともに充電をできるようにブロック化し、この電池ブロック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。このブロック化技術は、電池ブロックに収容する電池を高性能化することによって、電池ブロック自身の小型・軽量化が図られるため、電池モジュールを組み立てる際の作業性が向上するとともに、車両等の限られた空間へ搭載する際の自由度が向上するなど、様々なメリットも有する。

上述のような電池モジュールは、内蔵されている素電池の容量（ある時点での放電可能な電気容量）がそれぞれの素電池においてほぼ同じであることが要求される。なぜならば素電池の容量にバラツキがあると、特定の素電池に他の素電池よりも充放電の負荷がかかって早く劣化してしまい、結果として電池モジュール自体の寿命が短くなってしまう事態に陥るからである。

特開平７−３２１４２９号公報

上記のような各素電池の容量バラツキを防止する検討はこれまであまり検討が行われていない。特に電気自動車の電源のように、トータルの電源容量が非常に大きい場合は、非常に数多くの素電池を組み合わせて電池モジュールとすることが考えられているが、具体的な素電池の容量バラツキの防止方法は現在検討されているところである。

このような検討の一つとして素電池の容量をモニターすることが考えられている。素電池の容量をモニターするにはモニター用の信号線を電池モジュールの中に設置する必要がある。

しかしながら、電池モジュールの中には電流出力ラインが配置されており、大きな電流が流れる電流出力ラインからのノイズが信号線に影響を与えてしまい、信号線からの信号を基に素電池の容量バラツキの制御を行おうとすると誤作動が起こってしまうという今までに公知となっていない問題を本願発明者らははじめて見出した。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内部の電流出力ラインに起因するノイズが信号線に影響を与えることを防止する電池モジュールを提供することにある。

本発明の第１の電池モジュールは、複数の素電池と、前記複数の素電池の電極端子同士を電気的に接続する電流導通部材と、信号線とを備え、前記電流導通部材は、流れる電流の向きが互いに逆であって略平行に配置された２つの部材からなる平行部と、該平行部の一方の端部において該２つの部材同士を電気的に繋げている連結部とを備え、前記信号線は、前記２つの部材のそれぞれから略等距離に配置されて、該２つの部材に略平行に配置されており、前記信号線の一方の端部は、前記平行部の他方の端部の方へ前記連結部から離れた位置に配置されている構成を備えている。

本発明の第２の電池モジュールは、二次電池である複数の柱状の素電池を金属製のケースに収納した電池モジュールであって、複数の電池ブロックが直列に接続された構造を有しており、前記素電池は、柱状の上面に第１の電極端子、下面に第２の電極端子が配置されており、前記電池ブロックは、前記上面が同じ側に並ぶように側面同士を隣り合わせて並べられているとともに並列に接続されている複数の前記素電池を備えており、隣接する電池ブロックと直列接続部材によって直列接続されており、前記電池ブロックにおいて前記素電池の前記上面側には第１接続部材が配置されて前記第１の電極端子同士を電気的に接続しており、前記下面側には第２接続部材が配置されて前記第２の電極端子同士を電気的に接続しており、前記複数の電池ブロックは２組に分けられて、各組では前記第１接続部材が一列に整列するように並べられ、組同士は向かい合って配置されているとともに２つの組の一方の端部において連結部によって電気的に接続されており、信号線が、向かい合っている２組の前記第１接続部材のそれぞれから略等距離に配置されて、前記信号線の一方の端部は、前記第１接続部の他方の端部の方へ前記連結部から離れた位置に配置されている。

上記の２つの構成では、信号線は電池モジュールの電流出力ラインとは交差していない。

電池モジュールの信号線が電流導通部材の平行部の間に置かれていて電流出力ラインとは交差していないので、信号線にノイズが重畳することを防止できる。

実施形態における電池ブロックに使用する素電池の構成を模式的に示した断面図である。 実施形態における電池ブロックの構成を模式的に示した断面図である。 実施形態における電池モジュールの構成を示した図である。 図３の電池モジュールに蓋をかぶせた状態の模式的なＡ−Ａ線断面図である。 電池モジュールにおける電流の流れを示した図である。 別の実施形態における電池ブロックに使用する素電池の構成を模式的に示した図である。 別の実施形態における電池ブロックの構成を模式的に示した図である。 別の実施形態における電池モジュールの構成を示した図である。

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。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。

（実施形態１）
＜素電池＞
図１は、実施形態１における電池ブロックに使用する電池１００の構成を模式的に示した断面図である。なお、本実施形態の電池ブロックに使用する電池は、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、電池ブロックに使用する電池を、「素電池」と呼ぶ）。この場合、高性能の汎用電池を、電池ブロックの素電池として使用することができるため、電池ブロックの高性能化、低コスト化をより容易に図ることができる。

本実施形態の電池ブロックに使用する素電池１００は、例えば、図１に示すような、円柱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、通常の構成をなすもので、内部短絡等の発生により電池内の圧力が上昇したとき、ガスを電池外に放出する安全機構を備えている。なお、この素電池１００は本実施形態に用いられる電池の一例であるので本実施形態に用いることができる電池はこの電池に限定されず、例えば角柱形のリチウムイオン二次電池を本実施形態の素電池として用いてもよい。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２と負極１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。発電要素である正極２と負極１とをからなる電極群４が電池ケース７に収容されている部分を素電池の本体部ということができる。電極群４の上下には、絶縁板９、１０が配され、正極２は、正極リード５を介してフィルタ１２に接合され、負極１は、負極リード６を介して負極端子（第２の電極端子）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（第１の電極端子）を兼ねる端子板８に接続されている。そして、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。図１においては、円筒形の上面側に正極端子が、下面側に負極端子が配置されている。

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、弁体１４が端子板８に向かって膨れ、インナーキャップ１３と弁体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、弁体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、弁体１４の裂け目、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。

＜電池ブロック＞
図２は、本実施形態における電池ブロック２００の構成を模式的に示した断面図である。本実施形態においては、電池ブロック２００は複数の素電池１００の集合体の最小単位であり、１つの電池ブロック２００中の素電池１００同士は互いに並列に接続されている。

図２に示されているのは、複数の素電池１００が配列されて並列に接続されている模式的な断面（素電池の断面はハッチングを付けずに図を見やすくしている）であり、電池ブロック２００は複数の素電池１００が容器２０内に収容されている構成を有している。

各素電池１００の本体部は、容器２０内に収納された冷却ブロック２４に形成された円筒形の貫通孔に挿入されて、素電池１００の本体部同士（円柱形の側面同士）が隣り合うように並べられている。また、素電池１００は、図１に示したように、素電池１００内に発生したガスを電池外に排出する開放部８ａを備えていて、これらの開放部８ａは電池ブロック２００内において同じ側（図２では上側）を向くように素電池１００が並べられている。

第１接続部材３４は、金属板からなり、各素電池１００の正極端子同士を接続している。一方、冷却ブロック２４の貫通孔の下側出口に出ている複数の素電池１００の他端側（本実施形態では、負極端子側）には、金属板からなる第２接続部材３６が接合されており、第２接続部材３６によって負極端子同士が接続されている。第１接続部材３４及び第２接続部材３６は電流導通部材の一部である。

第１接続部材３４は容器２０の左側側面の外面全体に設置された直列接続部材３５に電気的に接続している。この直列接続部材３５は電池ブロック２００を複数並べたときに、隣接する電池ブロック２００の第２接続部材３６の端部３７に接触して電気的に接続され、隣り合う電池ブロック２００同士の電気的な直列の連結を行う。

なお、平板３０は、素電池１００の一端部（本実施形態では、正極端子８側の端部）に密着して配設されるため、収容部３１は、平板３０により密閉状態になっている。

＜電池モジュール＞
図３は、本実施形態に係る電池モジュール３００を、金属製のケース４０の上蓋を取り外して上から見た状態を模式的に示したものである。電池モジュール３００は偶数個の電池ブロック２００，２００，…（ここでは６つ）をケース４０に収納している。この図では上下に２個の電池ブロック２００が一つの対を成しており、３つの対が横に並んでいる。そこで以下、３つの対が並んでいる方向、即ち図の左右方向を電池モジュール３００の長手方向ということにする。別の言い方をすると、電池モジュール３００の長手方向に並ぶ３つの電池ブロック２００，２００，２００が組を成していて、２組が平行して並んでいる。また、電池モジュール３００自体はほぼ直方体形状である。

図３に示すように、上側の組の３つの電池ブロック２００，２００，２００における第１接続部材３４，３４，３４と下側の組の３つの電池ブロック２００，２００，２００における第１接続部材３４，３４，３４とが向かい合い、電池モジュール３００の長手方向に略平行に延びている。

これら２組の第１接続部材３４，３４，３４が電流導通部材の平行部であり、図の右端側に設置された連結部４６によって右端側の電池ブロック２００，２００の対における第１接続部材３４，３４（２つの部材）同士の右端側が電気的に繋がっている。向かい合う一対の第１接続部材３４，３４同士は略平行に配置されており、流れる電流の向きは逆方向である。

また、電池モジュール３００の左側側面には出力端子４３，４５が設けられている。ここで略平行というのは、数学的に厳密な意味での平行ではなく、設計上の事情や組み付けのバラツキなどによって１０°程度の違いがあっても構わない。また、隣り合う第１接続部材３４，３４，３４同士は、その隣接部で接続されていないが、上側の組の第１接続部材３４，３４，３４と下側の組の第１接続部材３４，３４，３４とはそれぞれ一列に並んでいて、その列の並びが平行である。ただし、数学的に厳密な意味での平行ではなく、設計上の事情や組み付けのバラツキなどによって１０°程度の違いがあっても構わない。

図５に電池モジュール３００における電流の流れを模式的に示す。図５は図３の下側の組の３つの電池ブロック２００，２００，２００の蓋を外した模式的な図である。電流は右側の電池ブロック２００から左側へと流れていく。電流の流れは矢印で示している。詳しく説明すると、右端の電池ブロック２００（２つの部材のうちのひとつ）の負極側の第２接続部材３６から素電池１００を介して正極側の第１接続部材３４に電流が流れ、第１接続部材３４から右端電池ブロック２００の左側に配置されている直列接続部材３５を上から下へと電流が流れる。直列接続部材３５の下端は、左隣の電池ブロック２００の第２接続部材３６と電気的に接続しており、電流は真ん中の電池ブロック２００の第２接続部材３６を流れる。後は同じように中央の電池ブロック２００の第１接続部材３４から直列接続部材３５、さらに左端の電池ブロック２００でも同じように電流が流れていく。

図３のように、電池モジュール３００内では、電流は上側の組の第１接続部材３４，３４，３４の左端Ｙから右側へ流れていき、連結部４６を流れて下側の組の第１接続部材３４，３４，３４の右端Ｘから左側へ流れていく。従って、上側の組と下側の組とでは、第１接続部材３４，３４，３４に流れる電流の向きは逆方向である。上側の組の第１接続部材３４，３４，３４と下側の組の第１接続部材３４，３４，３４とが平行部であり、これらの右側の端部同士（２つの部材の端部同士）を連結部４６が繋いでおり、平行部と連結部４６とを備えた電流導通部材はＵ字型構造を有している。

図４は図３の電池モジュール３００に蓋をかぶせた状態の模式的なＡ−Ａ線断面図である。なお素電池１００のハッチングは省略している。

信号線５０は、電池モジュール３００の左端（平行部の左端）から連結部４６の手前まで長手方向に延びており、第１接続部材３４、３４と略平行となっている。ここでも厳密な意味での平行は要求されない。電池モジュール３００の左端からは集合線４８となって外に延び、その端部にはコネクタ４９が取り付けられている。コネクタ４９は不図示のコントロールユニットに接続されている。図３では信号線５０は容器２０に隠されていて図示されていないが、ケース４０の左端から連結部４６の手前まで延びている。即ち、信号線５０は連結部４６にまでは達していない。そして、信号線５０の連結部４６側の端部は、連結部４６から離れた位置に配置されていて、その離れている方向は、連結部４６から、平行部である第１接続部材３４，３４，３４の左端（他方の端部）の方へ向かう方向である。

信号線５０は各電池ブロック２００の電圧信号をコントロールユニットへ送っている。これにより、素電池１００の電圧や容量などが計測される。従って、異常状態となって他の素電池１００とは電圧や容量などが異なってくる素電池１００があると、その素電池１００の位置を把握できて、異常が生じたことを電池モジュール３００の使用者・管理者に示すことができる。

信号線５０は図４に示されているように、上側の第１接続部材３４と下側の第１接続部材３４との両方からほぼ等距離の位置に且つどちらとも略平行に置かれている。なお、Ａ−Ａ線断面は中央の電池ブロック２００，２００の対のものであるが、いずれの電池ブロック２００，２００の対も同じ断面図となる。ここで第１接続部材３４は板状の部材であるので、第１接続部材３４と信号線５０との距離は、第１接続部材３４の幅方向中央部と信号線５０との距離のことである。そして上側の第１接続部材３４と下側の第１接続部材３４とは大きさが同じで向きが逆の電流を流している。これら上下の第１接続部材３４，３４の間では逆向きの電流が互いに磁束を打ち消し合うために、高周波が低減される。それによってこれら上下の第１接続部材３４，３４からほぼ等距離にある信号線５０へのノイズが低減される。なお、信号線５０は、上側の第１接続部材３４と下側の第１接続部材３４との両方から厳密に等距離の位置に存していなくても、信号線５０へのノイズは低減される。

また、ケース４０は金属製であって接地されているので、シールドとして働き、外部のノイズから信号線５０を守っている。さらに、ケース４０と容器２０との間、及び容器２０と冷却ブロック２４の間など電池モジュール３００内の隣接する部材同士の間において、図２，４において密着するように示されている部分は、全体の温度コントロールを容易にするため、隙間を無くして密着するように製造されている。このように隙間が電池モジュール３００内にほとんど無いため、外部からのノイズが電池モジュール３００内に入りにくくなっている。

本実施形態の信号線５０は、上述のように電池モジュール３００の出力電流ラインである上下の第１接続部材３４，３４の平行部の間に存していて両者から略等距離であるので、ノイズが低減される。また、信号線５０は連結部４６の手前までしか延びていないので、出力電流ラインと信号線５０とはクロスしておらずこの点でも出力電流ラインの影響を信号線５０は受けない。さらに、金属製のケース４０もシールドの機能を果たすので、信号線５０はノイズから二重三重に保護されている。

（実施形態２）
実施形態２では、図６に示す捲回された電極群と非水電解質とを積層フィルムで密封したいわゆるラミネート形二次電池を素電池１１０として用いて図７に示す電池ブロック２１０を構成し、この電池ブロック２１０を用いて図８に示す電池モジュール３１０を構成している。この素電池１１０は、正極端子１８と負極端子１７とが金属薄片であるリードであって、素電池１１０の上面に両方のリードが突き出す構造となっている。この素電池１１０を、正極端子１８及び負極端子１７が上に出るように容器２０’内に１０個並べて入れて電池ブロック２１０としている。図７では容器２０’の蓋を省略して示しており、蓋をした状態では容器２０’内の各素電池１１０が並列に接続されて蓋の上側に正極端子部１１８と負極端子部１１７が設けられている。

図８に示すように正極端子部１１８と負極端子部１１７は電池ブロック２１０の別々の端部にそれぞれ設けられている。そして、電池モジュール３１０においては、ケース４０’の中に１列３個の電池ブロック２１０が２列収納されている。列内の隣り合う電池ブロック２１０，２１０では正負が逆の端子部同士が隣接して、接続部材３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄにより電気的に接続されている。また列同士はそれらの端部で連結部１４６により電気的に接続されているとともに、反対側の端部では出力端子１４３，１４５に接続されている。

電池モジュール３１０において２つの列の接続部材３４ａと３４ｄ、及び３４ｂと３４ｃは、互いに略平行であって向かい合って設置されている。そして向かい合った接続部材３４ａと３４ｄ、及び３４ｂと３４ｃでは流れる電流の向きが互いに逆方向である。これらの向かい合った接続部材３４ａと３４ｄ、及び３４ｂと３４ｃの双方から略等距離に信号線５０，５０が設置されている。このため、接続部材３４ａと３４ｄ、及び３４ｂと３４ｃとで流れる電流によって発生する磁場が打ち消し合うので、信号線５０，５０を通過する電気信号へノイズが重畳されることが大幅に抑制される。

（その他の実施形態）
上記の実施形態は本発明の例であり、本発明はこれらの例に限定されない。素電池の種類・構造・形状も二次電池であればどのような種類・構造・形状であってもよい。信号線の数を変更しても構わない。電池ブロックの構成、構造も上記に限定されない。電池モジュールも、電池ブロックの数・配置が別の数・配置でもよいし、温度コントロール部材や他の部材を組み込んでもよい。信号線には、電池モジュール内の温度の信号をコントロールユニットに送る線が含まれていてもよい。またコントロールユニットからの指令信号を電池モジュール内に送る線が含まれていてもよい。信号線の配置位置も、上下の第１接続部材から等距離であればどこに配置しても構わない。

以上説明したように、本発明に係る電池モジュールは、信号線にノイズが載らない構造を備えており、自動車等の機械製品の電源や家庭用の電源等として有用である。

１ 負極
２ 正極
４ 電極群
７ 電池ケース（負極端子）
８ 端子板（正極端子）
１７ 負極端子
１８ 正極端子
３４ 第１接続部材
３４ａ 接続部材
３４ｂ 接続部材
３４ｃ 接続部材
３４ｄ 接続部材
３６ 第２接続部材
４０ ケース
４０’ ケース
４６ 連結部
５０ 信号線
１００ 素電池
１１０ 素電池
１４６ 連結部
２００ 電池ブロック
２１０ 電池ブロック
３００ 電池モジュール
３１０ 電池モジュール

Claims (5)

1. 複数の素電池と、
   前記複数の素電池の電極端子同士を電気的に接続する電流導通部材と、
   信号線と
   を備え、
   前記電流導通部材は、流れる電流の向きが互いに逆であって略平行に配置された２つの部材を備えた平行部と、該平行部の一方の端部において該２つの部材同士を電気的に繋げている連結部とを備え、
   前記信号線は、前記２つの部材のそれぞれから略等距離に配置されて、該２つの部材に略平行に配置されており、
   前記信号線の一方の端部は、前記平行部の他方の端部の方へ前記連結部から離れた位置に配置されている、電池モジュール。
2. 前記素電池と前記電流導通部材と前記信号線とを収納する金属製のケースを備えている、請求項１に記載されている電池モジュール。
3. 前記電流導通部材は、前記２つの部材の端部同士を前記連結部が繋いでいるＵ字形構造を有している、請求項１または２に記載されている電池モジュール。
4. 前記平行部は前記２つの部材に加えて、流れる電流の向きが互いに逆であって略平行に配置された２ｎ個の部材を備えており（ｎは１以上の整数）、
   前記信号線は、前記２ｎ個の部材のうち、略平行に互いに向かい合っている一対の該部材のそれぞれから略等距離に配置されて、該一対の部材に略平行に延びている、請求項１から３のいずれか一つに記載されている電池モジュール。
5. 二次電池である複数の柱状の素電池を金属製のケースに収納した電池モジュールであって、
   複数の電池ブロックが直列に接続された構造を有しており、
   前記素電池は、柱状の上面に第１の電極端子、下面に第２の電極端子が配置されており、
   前記電池ブロックは、前記上面が同じ側に並ぶように側面同士を隣り合わせて並べられているとともに並列に接続されている複数の前記素電池を備えており、隣接する電池ブロックと直列接続部材によって直列接続されており、
   前記電池ブロックにおいて前記素電池の前記上面側には第１接続部材が配置されて前記第１の電極端子同士を電気的に接続しており、前記下面側には第２接続部材が配置されて前記第２の電極端子同士を電気的に接続しており、
   前記複数の電池ブロックは２組に分けられて、各組では前記第１接続部材が一列に整列するように並べられ、組同士は向かい合って配置されているとともに２つの組の各一方の端部において連結部によって電気的に接続されており、
   信号線が、向かい合っている２組の前記第１接続部材のそれぞれから略等距離に配置されて、
   前記信号線の一方の端部は、前記第１接続部の他方の端部の方へ前記連結部から離れた位置に配置されている、電池モジュール。

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