JP6056559B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、二次電池を用いた電池モジュールに関する。

近年、二次電池の普及は目覚しく、あらゆる分野の製品に展開されている。同時にその安全性は日々向上している。特に、二次電池は充放電時に化学反応を伴うため、その際に発生するガスに対しては、さまざまな対策が講じられている。

たとえば、特許文献１には、単電池毎に設けられた安全弁全てをガスダクト部材で覆い、ガス排出経路を構成した組電池が開示されている。また、特許文献２には、リチウムイオン電池の安全弁を金属箔と破断線から構成し、万が一、使用状態において異常が生じガスが噴出した場合、安全弁の開放と共に破断線を断線し、導通を遮断する検知装置が開示されている。

特開２００６−０４９１３６号公報 特開２００５−３２２４７１号公報

ところで、二次電池が普及するにつれ、次第に電気自動車といった大型の装置にも搭載され始めている。こうした大型の装置に用いられる二次電池には、これまで以上に大きな電力が要求されている。そのため、接続する二次電池の数を増やして接続するか、あるいは接続する二次電池の数を増やさずに、ひとつひとつの二次電池の容量を大きくして、大電力の電池モジュールを構成しなければならない。

当然ながら、接続される二次電池の数が多くなったり、個々の二次電池の容量が大きくなったりすると、電池モジュールの安全性の確保にも一段と細心の注意を払わなければならない。

このように大電力の電池モジュールが大型の装置へ適用されることを考慮すると、特許文献１の組電池では、充放電が繰り返されるたびに、水素ガスが放出され続ける可能性があり、必ずしも安全な状態とはいえない。また、特許文献２の集合電池を用いたとしても、突発的なガス放出が生じたりすると、破断線が断線して導通を遮断した瞬間と同時に、バッテリーセルの内容物が外部に漏れ出すことも考えられる。

そこで本発明は、二次電池の充放電に伴うガス発生をいち早く検知し、二次電池の外部へガスが放出される前に、充放電動作を停止させることが可能な電池モジュールを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の電池モジュールは、基板と二次電池とを備えた電池モジュールであって、前記二次電池のガス開放口は、ガス開放弁に連動する押圧部材を備え、前記基板の一方の面は、ひずみ検出配線パターンと、前記二次電池を接続する接続端子を備え、前記押圧部材は前記ひずみ検出配線パターンと対向するように前記基板の他方の面に当接し、前記ひずみ検出配線パターンが接続される制御手段と前記接続端子間に設けられたスイッチ素子とが接続されていることを特徴とする。

この発明によれば、二次電池の内部に発生したガスが内圧を高めると、ガス開放口内に収納された押圧部材が基板を押し上げ、次第に押し上げられた基板の表面が盛り上がる。そうすると、ガス開放口に対向する基板の表面の配線パターンが変形し、配線パターンの電気抵抗値が変化する。その変化を検出した制御手段から電池モジュールの直列構造を遮断する信号が送られ、電池モジュールの出力を停止し、二次電池の安全性を確保することができる。

さらに、上記の発明において、前記基板のうち、前記ひずみ検出配線パターンが配設された部分の厚みは、他の部分に比べ薄いことが好ましい。このような構成にすることによって、ひずみ検出配線パターンが変形しやすくなり、電気抵抗値がより敏感に変化するようになる。これにより、セル内の内圧の変化に対する検知応答速度が一層向上し、電池モジュールの出力停止までの時間が一段と短縮され、安全性を向上させることができる。

さらに、上記の発明において、前記基板の弾性率よりも大きい部材によって前記基板に固着されていることが好ましい。このような構成にすることによって、ひずみ検出配線パターンが固着されている一部に対し、固着されていないひずみ検出配線パターンが変形しやすくなり、電気抵抗値の変化も大きくなる。これによって、電池モジュールのセル内の内圧の変化を一段と感度よく検出でき、安全性をさらに高めることができる。

本発明によれば、二次電池の充放電に伴うガス発生をいち早く検知し、二次電池の外部へ大量のガスが放出される前に、充放電動作を停止することが可能な電池ジュールを提供することができる。

実施形態に係る電池モジュールの斜視図である。 （ａ）図１のＡ―Ａ´断面図である。（ｂ）ガス開放口に設けられた押圧部材と基板とが当接する部分の拡大図である。 実施形態に係る電池モジュールをひずみ検出配線パターン側から俯瞰した図である。 （ａ）ガスが発生していないときのひずみ検出配線パターンの状態を示す図である。（ｂ）ガス発生時のひずみ検出配線パターンの状態を示す図である。 実施形態の動作原理を説明するための模式図である。 実施形態に係るガス開放口と基板との当接部を拡大した図である。 実施形態に係るひずみ検出配線パターンを拡大した図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、実施形態に係る電池モジュールの斜視図である。

本実施形態の電池モジュール１は、１０個の二次電池２０の接続端子２１が基板１０の貫通孔１１を通して、基板１０上に設けられた基板端子１２にネジ（図示せず）で固定されている。基板端子１２は、隣接する二次電池の陽極と陰極とを繋ぐように基板１０上に印刷されている。ただし、基板端子１２ａと１２ｂとの間は、スイッチ素子４４で接続されている。基板１０上には、個々の二次電池２０に対応して、二次電池２０と同じ数のひずみ検出配線パターン４０が設けられている。

次に、図１のＡ−Ａ´断面を表す図２（ａ）を基に、ガス開放口３０とひずみ検出配線パターン４０の位置関係を説明する。

二次電池２０を構成するケース２２の上端には、ガス開放口３０が設けられており、このガス開放口３０を塞ぐようにガス開放弁３１が設けられ、ケース２２の内容物を封止している。ガス開放弁３１の上部には、ガス開放口３０内に収納されるように押圧部材３２が備えられている。押圧部材３２の外径は、ガス開放口３０の内径より僅かに小さく、先端が曲面となった略円柱形状である。この押圧部材３２が、基板１０の他方の面に設けられたひずみ検出配線パターンに対向するように、基板１０の一方の面に当接している。

基板１０に用いられる素材は、ＦＲ４のような一般的な素材で構わないが、その場合は、押圧部材３２には、基板１０の硬度よりも固い、たとえばポリプロピレンのような素材を用いることが好ましい。なぜなら、押圧部材３２の押圧で基板１０を変形させなければならないからである。

ケース２２は、その一つが、たとえば、縦１５０ｍｍ、横１３５ｍｍ、幅２５ｍｍの直方体をなし、外部からの衝撃に耐えられるように、鉄、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金などといった十分に強度を保つことができる材料からなっている。

図２（ｂ）は、押圧部材３２が基板１０に当接する部分の拡大図である。この図に示すとおり、ガス開放弁３１上の押圧部材３２の先端は、基板１０の下面に当接している。ケース２２の内部が減圧状態となっているため、ガス開放弁３１はケース２２の内側方向に偏っている。このガス開放弁３１には、樹脂をアルミの金属箔で覆ったアルミラミネート材のような十分な強度を持つ材料が望ましい。

続いて、図３を用い基板１０の上面側をさらに詳細に説明する。ひずみ検出配線パターン４０は、個々のケース２２のガス開放口３０に設けられた押圧部材３２に対応するように基板１０の上面側に配置されている。ひずみ検出配線パターン４０は、基板１０に印刷などにより直接形成されている。

これらのひずみ検出配線パターン４０は、制御手段５０の一方の出力端子６０から導線部４２によって引き出される。導線部４１は、ひずみ検出配線パターン４０ａ、４０ｃ、４０ｅ、４０ｇ、４０ｉの合計５つのひずみ検出パターン４０をミアンダ状に連続して形成し、ひずみ検出配線パターン４０ｉを周回して、出力端子６０に戻る。

同様に制御手段５０の他方の端子６１から引き出された導線部４２は、ひずみ検出配線パターン４０ｂ、４０ｄ、４０ｆ、４０ｈ、４０ｊの合計５つのひずみ検出パターン４０をミアンダ状に連続して形成し、ひずみ検出配線パターン４０ｉを周回して、出力端子６１に戻る。

同時に制御手段５０は、基板端子１２ａと１２ｂとの間に設けられたスイッチ素子４４に無線や優先で制御信号を送信できるように接続されている。（図示せず）

制御手段５０は、例えば、マイクロコンピュータやデジタルシグナルプロセッサ、または、それらを組み合わせたＩＣなどの半導体素子から構成される。なお、本実施形態においては、制御手段５０は基板１０上に設けられているが、電池モジュール１とは切り離して、別に設けてもよい。

スイッチ素子４４は、導通と非導通を制御する信号を受信する端子を有している。制御手段５０がひずみを検知したときは、スイッチ素子４４を非導通とする制御信号が送信される。

スイッチ素子４４は、例えば、リレーを含む機械スイッチ、ＭＯＳ−ＦＥＴ（電界効果トランジスタ：Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌｏｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体素子である。

次に、上述した構成に従い、図４（ａ）、（ｂ）を参考に本実施形態の電池モジュール１の動作について説明する。

電池モジュール１を構成する二次電池２０のケース２２の内部には、リチウムイオンを挿入脱可能な正極、負極、セパレータ、およびリチウムイオンを含む電解液が封入されている。この電解質液中のリチウムイオンが正極から負極へ移動することにより充電され、逆にリチウムイオンが負極から正極へ移動することにより放電され、充放電が繰り返されるたびに化学反応が生じることになる。そして、充電時に電池内に蓄えられたエネルギーを放電することによって、電力が生じることになる。

通常、二次電池は、電解液が分解反応を起こさないような電位窓範囲で充放電が行われるため、ガスの発生は殆ど生じない。よって、ケース２２の内圧はほぼ一定に保たれ著しい変動が生じることはない。

ところが、電池モジュール１を構成する二次電池２０のいずれかが、他の二次電池に比べ著しく電池容量が減少すると、急速に充電が進み、二次電池の電圧が上昇し、電解液の酸化還元反応が起きガスが発生する。同様に、いずれかの二次電池の電圧が低下すると、電極を構成しているイオン導電性膜が分解しガスが発生する。さらに、温度上昇が伴うと、電解液の酸化還元反応や、イオン導電体膜の分解が著しく加速され、たちまち発生するガスが増えケース２２内部の圧力が高まることになる。

このとき、二次電池２０のケース２２の内部でガスが発生すると、次第に内部の圧力が高まり、ガス開放弁３１が上方に向って膨れ上がる。膨れ上がったガス開放弁３１は、押圧部材３２を押し上げる。押し上げられた押圧部材３２は、基板１０を押し上げ、それまで図４（ａ）のような状態にあったひずみ検出配線パターン４０が、基板１０と一緒に変形しだし、図４（ｂ）のように変形し、その形状ばかりでなく線幅も変化する。そうすると、ひずみ検出配線パターン４０の電気抵抗値に変化が生じることになる。

ここで、図５を用い、ひずみ検出配線パターンの電気抵抗値の変化によるひずみ検出の原理を説明する。たとえば、長さがＬ、直径ｄの金属細線があるとし、その電気抵抗値はＲとする。電気抵抗値Ｒは、長さが長いほど、直径が小さいほど大きくなるが、この金属細線に一様な引張ひずみが加わると、長さがσｌ延び、直径がｄからｄ´まで変化する。この変化により、金属細線の電気抵抗値は大きくなる。このときの電気抵抗値の増加量をσＲとすると、金属細線に加わるひずみεとの関係は、式（１）で表される。
σＲ／Ｒ＝Ｋ・ε （１）

このとき、Ｋはひずみ感度と呼ばれ、ひずみに対する抵抗の変化率の割合であり、抵抗体固有の特性を表す値である。Ｋが一定値であれば、ひずみと電気抵抗値の変化は比例関係になる。ひずみ検出配線パターンに使用される材料は、通常のプリント基板に使用される銅でも構わないが、例えば銅とニッケルの合金材料などのひずみ感度が一定な材料を用いることが好ましい。

特にひずみ検出配線パターンに、一般にひずみ感度Ｋが一定であるような銅とニッケルの合金、特に銅とニッケルの重量比が５０：５０であれば、そのＫの値はほぼ２となり、電気抵抗値の変化を安定的に検知できる。

引き続き、本実施形態の動作について説明する。

ひずみ検出配線パターン４０の電気抵抗値に変化があると、直ちに導線部４１、４２を介して制御手段５０にその信号が送られる。制御手段５０は、ひずみ検出配線パターン４０の電気抵抗値の変化を検知すると、スイッチ素子４４に向って、基板端子１２ａと１２ｂとの間の導通を遮断する信号を送信し、電池モジュール１の直列構造が遮断される。

こうして、電池モジュール１を構成する二次電池２０の直列構造の一部が、スイッチ素子４４の働きによって遮られ電池モジュール１の動作を停止させる。

電池モジュール１の停止をより感度良く行うため、図６のように押圧部３２が当接する基板１０の肉厚を薄くしてもよい。部分的に基板の厚みが薄くなれば、肉厚の厚い部分に比べ、変形する割合も大きくなるからである。

また、図７のようにひずみ検出配線パターンの一部を基板よりも弾性率が大きい部材で覆い、基板１０に押さえつけるように固定してもよい。図７においては、ひずみ検出配線パターンのおよそ半分の領域に基板よりも弾性率が大きいアルミナ製の絶縁体７０を配置し、その上から銅の膜部材７１で固定している。こうすると、表面に露出したひずみ検出配線パターンは、固定された領域に比べ、変形しやすくなるため、ケース２２内のガスによる内圧の高まりがより少ない場合であっても、電池モジュール１を安全に停止させることができる。

１ 電池モジュール、１０ 基板、１１ 貫通孔、１２、１２ａ、１２ｂ 基板端子
２０ 二次電池、２１ 接続端子、２２ ケース、３０ ガス開放口、３１ ガス開放弁、３２ 押圧部材、４０（４０ａ,４０ｂ〜４０ｊ） ひずみ検出配線パターン、４１ 導線部、４２ 導線部、４４ スイッチ素子、５０ 制御手段、６０ 出力端子、６１ 出力端子、７０ 絶縁体、７１ 膜部材

Claims (3)

1. 基板と二次電池とを備えた電池モジュールであって、
   前記二次電池のガス開放口は、ガス開放弁に連動する押圧部材を備え、
   前記基板の一方の面は、ひずみ検出配線パターンと、前記二次電池を接続する基板端子を備え、
   前記押圧部材は前記ひずみ検出配線パターンと対向するように前記基板の他方の面に当接し、
   前記ひずみ検出配線パターンが接続される制御手段と前記基板端子間に設けられたスイッチ素子とが接続されていることを特徴とする電池モジュール。
2. 前記基板のうち、前記ひずみ検出配線パターンが配設された部分の厚みは、他の部分に比べ薄いことを特徴とする請求項１の電池モジュール。
3. 前記ひずみ検出配線パターンの少なくとも一部が、前記基板の弾性率よりも大きい部材によって前記基板に固着されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電池モジュール。
   

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