JP6350172B2 - 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。

従来、例えばリチウムイオン二次電池等の電池セルを複数配列してなる電池モジュールが知られている。かかる電池モジュールでは、電池セルの配列体を金属プレート等の拘束具で挟み込んで一定の荷重で拘束することで、電池セルにおいて内部抵抗等の特性が変動することを抑制している。

例えば特許文献１に記載の組電池では、両端に屈曲部を有する金属バンドをエンドプレートに固定し、このエンドプレートによって電池ブロックを積層方向に拘束している。また、特許文献２に記載の蓄電装置では、初期状態での拘束荷重の値に応じて電池セルの内圧上昇時の荷重の増加量が異なることを考慮し、荷重の増加量を加味して拘束荷重が設定されている。

特開２０１３−０５５０６９号公報 特開２０１３−２００９７７号公報

電池モジュールに組み込まれる電池セルには、過充電などの異常に起因して電池セルのケース内でガスが発生した場合に電池セルの電流経路を遮断する電流遮断装置（ＣＩＤ：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ）が内蔵される。電流遮断装置は、ガスの発生によってケースの内圧が予め設定された閾値に到達した場合に電池セルの電流経路を物理的に遮断するように作動する。

一方、電池モジュールでは、拘束荷重による電池セルの破損を防止する目的で、配列体と拘束部材との間或いは電池セル間にゴムなどの弾性体を介在させる場合がある。この場合、弾性体が容易に変形することで、ガス発生時に電池セルのケースも容易に膨張するため、ケースの内圧の上昇が設定値に対して緩やかとなり、電流遮断装置が適切なタイミングで作動しなくなるおそれがある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、弾性体が介在する配列体に拘束荷重を付加する場合であっても電流遮断装置を適切なタイミングで作動させることができる電池モジュールを提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明の一側面に係る電池モジュールは、電極組立体がケース内に収容された電池セルを複数配列してなる配列体と、配列体に対して電池セルの配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、配列体と拘束部材との間又は電池セル間に介在する弾性体と、を備え、電池セルは、ケースの内圧が閾値以上に上昇した場合に充電電流を遮断する電流遮断装置を有し、拘束部材による配列体への拘束荷重の下限値は、ケースの内圧が閾値となったときに電池セルにおけるケースの膨張量が予め設定された膨張許容量を超えない最低荷重量以上に設定されている。

この電池モジュールでは、拘束部材による配列体への拘束荷重の下限値が、ケースの内圧が閾値となったときに電池セルにおけるケースの膨張量が予め設定された膨張許容量を超えない最低荷重量以上に設定されている。これにより、電池セルのケース内でガスが発生した場合に、少なくとも電流遮断装置が作動する閾値にケースの内圧が到達するまでは、ケースの膨張量が予め設定された膨張許容量以下に保たれる。したがって、ガス発生時におけるケースの内圧を設定値通りに上昇させることが可能となり、電流遮断装置を適切なタイミングで作動させることができる。

また、最低荷重量は、ケースの内圧の閾値をＰ、配列体における電池セルと隣接部材との接触面積をＡ、荷重量Ｐ×Ａが付加されたときの弾性体の配列方向の厚さをＢ_０、電池セル当たりのケースの膨張許容量をＢ_１、配列体における電池セルの配列数以下の正の値をＮとした場合に、弾性体の配列方向の厚さＢがＢ_０＋（Ｂ_１×Ｎ）となる荷重量であってもよい。このような荷重量を拘束部材による配列体への拘束荷重の下限値として設定することにより、ケースに膨張が生じた場合に弾性体の配列方向の厚さが減少して配列体への拘束荷重が上昇し、少なくとも電流遮断装置が作動する閾値にケースの内圧が到達するまで電流遮断装置の作動に必要な拘束荷重が維持される。したがって、ケースの膨張許容量を設定した場合において、電流遮断装置を適切なタイミングで作動させることができる。また、電池セルの許容膨張量を加味しない場合に比べて、最低荷重量を低くできる。このため、拘束部材に掛かる負荷を低く設定できる。

また、本発明の一側面に係る電池モジュールは、電極組立体がケース内に収容された電池セルを複数配列してなる配列体と、配列体に対して電池セルの配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、配列体と拘束部材との間又は電池セル間に介在する弾性体と、を備え、電池セルは、ケースの内圧が閾値以上に上昇した場合に充電電流を遮断する電流遮断装置を有し、拘束部材による配列体への拘束荷重の下限値は、ケースの内圧が閾値となったときに電池セルにおけるケースに膨張を生じさせない最低荷重量以上に設定されている。

この電池モジュールでは、拘束部材による配列体への拘束荷重の下限値が、ケースの内圧が閾値となったときに電池セルにおけるケースに膨張を生じさせない最低荷重量以上に設定されている。したがって、ガス発生時におけるケースの内圧を設定値通りに上昇させることが可能となり、電流遮断装置を適切なタイミングで作動させることができる。

また、最低荷重量は、ケースの内圧の閾値をＰ、配列体における電池セルと隣接部材との接触面積をＡとした場合に、Ｐ×Ａで表される荷重量であってもよい。このような荷重量を拘束部材による配列体への拘束荷重の下限値として設定することにより、少なくとも電流遮断装置が作動する閾値にケースの内圧が到達するまで電流遮断装置の作動に必要な拘束荷重が維持される。したがって、電流遮断装置を適切なタイミングで作動させることができる。

本発明によれば、弾性体が介在する配列体に拘束荷重を付加する場合であっても電流遮断装置を適切なタイミングで作動させることができる。

本発明に係る電池モジュールの一実施形態を示す図である。 図１に示した電池モジュールを構成する電池セルの内部構成を示す断面図である。 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 弾性体の圧縮特性の一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る電池モジュールの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る電池モジュールの一実施形態を示す図である。同図に示すように、電池モジュール１は、複数の電池セル１１を配列してなる配列体２と、配列体２に対して電池セル１１の配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材３と、配列体２と拘束部材３との間に介在する弾性体４とを備えている。

配列体２では、例えば伝熱プレート５を介し、複数の電池セル１１が配列されている。電池セル１１は、例えばリチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。弾性体４は、図１に示すように、例えばウレタン製のゴムスポンジによって矩形の板状に形成されている。弾性体４の面積は、例えば電池セル１１のケース１２における配列方向の側面１２ａの面積よりも小さくなっており、配列体２における電池セル１１の配列方向の一端に配置されている。

弾性体４の形成材料としては、例えばエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、クロロプレンゴム、シリコンゴムなどが挙げられる。また、弾性体４は、ゴムに限られず、バネ材などであってもよい。弾性体４は、拘束荷重による電池セル１１の破損を防止する目的で用いられる部材であり、電池セル１１の配列方向の両端に配置されていてもよく、電池セル１１，１１間に配置されていてもよい。

拘束部材３は、例えば一対のエンドプレート３１と、エンドプレート３１同士を締結する締結部材３２とを備えている。エンドプレート３１は、例えば電池セル１１を配列方向から見た場合の面積よりも大きい面積を有する略矩形の板状をなしており、エンドプレート３１の外縁部分が電池セル１１の外縁部分よりも外側に張り出した状態で、配列体２及び弾性体４の配列方向の両端にそれぞれ配置されている。

締結部材３２は、例えば長尺のボルト３３と、ボルト３３に螺合されるナット３４とによって構成されている。ボルト３３は、例えばエンドプレート３１の外縁部分において、配列体２の四隅に対応する位置でエンドプレート３１に挿通されている。各ボルト３３の両端にエンドプレート３１の外側からナット３４が螺合されることで、電池セル１１、弾性体４、及び伝熱プレート５が挟持されてユニット化されると共に拘束荷重が付加される。

電池セル１１は、例えば図２及び図３に示すように、例えば略直方体形状をなす中空のケース１２と、ケース１２内に収容された電極組立体１３とを備えている。ケース１２は、例えばアルミニウム等の金属によって形成され、ケース１２の内部には、例えば有機溶媒系又は非水系の電解液が注入されている。ケース１２の頂面には、図２に示すように、正極端子１５と負極端子１６とが互いに離間して配置されている。正極端子１５は、絶縁部材１７を介してケース１２の頂面における幅方向の一方側に固定され、負極端子１６は、絶縁部材１８を介してケース１２の頂面における幅方向の他方側に固定されている。

電極組立体１３は、図３に示すように、例えば正極２１と、負極２２と、正極２１と負極２２との間に配置された袋状のセパレータ２３とによって構成されている。電極組立体１３では、セパレータ２３内に正極２１が収容されており、この状態で正極２１と負極２２とがセパレータ２３を介して交互に積層された状態となっている。

正極２１は、例えばアルミニウム箔からなる金属箔２１ａと、金属箔２１ａの両面に形成された正極活物質層２１ｂとを有している。正極活物質層２１ｂは、正極活物質とバインダとを含んで形成されている。正極活物質としては、例えば複合酸化物、金属リチウム、硫黄等が挙げられる。複合酸化物には、例えばマンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも１つと、リチウムとが含まれる。また、正極２１の上縁部には、正極端子１５の位置に対応してタブ２１ｃが形成されている。タブ２１ｃは、正極２１の上縁部から上方に延び、導電部材２４を介して正極端子１５に接続されている。

一方、負極２２は、例えば銅箔からなる金属箔２２ａと、金属箔２２ａの両面に形成された負極活物質層２２ｂとを有している。負極活物質層２２ｂは、負極活物質とバインダとを含んで形成されている。負極活物質としては、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素等が挙げられる。また、負極２２の上縁部には、負極端子１６の位置に対応してタブ２２ｃが形成されている。タブ２２ｃは、負極２２の上縁部から上方に延び、導電部材２５を介して負極端子１６に接続されている。

セパレータ２３は、例えば袋状に形成され、内部に正極２１のみを収容している。セパレータ２３の形成材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース等からなる織布又は不織布等が例示される。なお、セパレータ２３は、袋状に限られず、シート状のものを用いてもよい。

また、図２に示すように、電池セル１１のケース１２内には、過充電などの異常に起因して電池セル１１のケース１２内でガスが発生し、ケース１２の内圧が閾値以上に上昇した場合に充電電流を遮断する電流遮断装置２６が設けられている。電流遮断装置２６は、負極端子１６と導電部材２５との間に設けられている。電流遮断装置２６は、不図示の通電経路を有し、当該通電経路によって負極端子１６と導電部材２５とを直列に接続している。

電流遮断装置２６は、ケース１２の内圧が予め設定された閾値を超えて上昇した場合に、通電経路を遮断して電極組立体１３と負極端子１６との通電を遮断する。電流遮断装置２６で設定されるケース１２の内圧の閾値は、電池セル１１が過充電状態となったときのケース１２の内圧を意味する。この閾値は、例えば電池セル１１の容量や出力電圧といった条件に基づいて適宜設定されている。

通常、電池モジュールでは、配列体に対して拘束部材による拘束荷重が付加されているため、過充電などの異常に起因して電池セルのケース内でガスが発生した場合でもケースの膨張が抑えられる。したがって、ガスの発生に伴ってケースの内圧が上昇し、内圧が閾値以上となったときに電流遮断装置が作動する。

一方、電池モジュール１では、上述したように、配列体２と拘束部材３との間に弾性体４が介在している。このため、過充電などの異常に起因して電池セル１１のケース１２内でガスが発生した場合、弾性体４が容易に変形することで、ケース１２が配列方向に膨張してしまうことが考えられる。このため、ケース１２の内圧の上昇が設定値に対して緩やかとなり、電流遮断装置２６が適切なタイミングで作動しなくなるおそれがある。

そこで、電池モジュール１では、弾性体４の変形によるケース１２の膨張を考慮し、拘束部材３による配列体２への初期の拘束荷重が設定されている。以下、当該拘束荷重の設定について詳細に説明する。

拘束部材３による配列体２への初期の拘束荷重を設定するにあたっては、配列体２に配置する弾性体４についての厚さと拘束荷重との関係（圧縮特性）を用いる。図４は、弾性体４がウレタン製のゴムスポンジである場合の圧縮特性の一例を示す図である。同図に示す例では、横軸が弾性体４の厚さ、縦軸が拘束部材３による拘束荷重となっており、弾性体４の圧縮特性曲線がプロットされている（グラフＡ）。弾性体４の厚さが大きい領域（圧縮量が小さい領域）では、厚さの減少と共に荷重量が増加する（グラフＡのＡ１部分）。弾性体４の厚さの減少が進むと、厚さの減少に対する荷重量の増加が緩やかとなり（グラフＡのＡ２部分）、更に弾性体４の厚さの減少が進むと、荷重量の増加に対して弾性体４の厚さが殆ど減少しなくなる（グラフＡのＡ３部分）。

ここで、ケース１２の内圧の閾値をＰ、配列体２における電池セル１１と隣接部材との接触面積をＡとした場合、まず、Ｐ×Ａで表される荷重量Ｋ_０を求め、荷重量Ｋ_０と圧縮特性曲線との交点から、荷重量Ｐ×Ａが付加されたときの弾性体４の配列方向の厚さＢ_０を求める。閾値Ｐは、電流遮断装置２６において予め設定される。接触面積Ａは、電池セル１１における配列方向の側面１２ａに接している隣接部材との接触面積のうちの大きい方の面積である。

図１に示した例では、配列体２の配列方向の中間に位置する電池セル１１には、側面１２ａと同面積の伝熱プレート５が隣接部材として側面１２ａ，１２ａにそれぞれ接している。また、配列体２の配列方向の一方の端部に位置する電池セル１１には、側面１２ａよりも小さい面積の弾性体４が隣接部材として側面１２ａの一方に接し、側面１２ａと同面積の伝熱プレート５が隣接部材として側面１２ａの他方に接している。配列体２の配列方向の他方の端部に位置する電池セル１１には、側面１２ａと同面積の伝熱プレート５が隣接部材として側面１２ａ，１２ａにそれぞれ接している。したがって、いずれの電池セル１１についても、接触面積Ａは、側面１２ａの面積と一致することとなる。

荷重量Ｐ×Ａが付加されたときの弾性体４の配列方向の厚さＢ_０を求めた後、電池セル１１当たりのケース１２の膨張許容量をＢ_１、配列体２における電池セル１１の配列数以下の正の値をＮとした場合に、弾性体４の配列方向の厚さＢがＢ_０＋（Ｂ_１×Ｎ）となる荷重量Ｋ_１を、厚さＢ_０＋（Ｂ_１×Ｎ）と圧縮特性曲線との交点から求める。この荷重量Ｋ_１は、ケース１２の内圧が閾値Ｐとなったときに電池セル１１におけるケース１２の膨張量が予め設定された膨張許容量Ｂ１を超えないようにするために必要な最低荷重量である。拘束部材３による配列体２への初期の拘束荷重の下限値は、荷重量Ｋ_１以上となるように設定される。

膨張許容量Ｂ_１は、電池セル１１の配列方向へのケース１２の膨張許容量であり、電流遮断装置２６の閾値Ｐを考慮して適宜設定される。正の値Ｎは、各電池セル１１が均一に膨張する理想的なモデルでは電池セル１１の配列数と一致させればよいが、配列体２に含まれる電池セル１１のうちの一部のみが膨張し、電池セル１１間の膨張量にばらつきが生じることも考えられる。このような電池セル１１間の膨張量のばらつきを考慮する場合には、０より大きくＮ未満となる範囲から適宜設定される。正の値Ｎは、整数に限られず、小数（純小数及び帯小数）であってもよい。

以上説明したように、この電池モジュール１では、拘束部材３による配列体２への拘束荷重の下限値が、ケース１２の内圧が閾値となったときに電池セル１１におけるケース１２の膨張量が予め設定された膨張許容量を超えない最低荷重量以上に設定されている。これにより、電池セル１１のケース１２内でガスが発生した場合に、少なくとも電流遮断装置２６が作動する閾値にケース１２の内圧が到達するまでは、ケース１２の膨張量が予め設定された膨張許容量以下に保たれる。したがって、ガス発生時におけるケース１２の内圧を設定値通りに上昇させることが可能となり、電流遮断装置２６を適切なタイミングで作動させることができる。

また、電池モジュール１では、最低荷重量は、ケース１２の内圧の閾値をＰ、配列体２における電池セル１１と隣接部材との接触面積をＡ、荷重量Ｐ×Ａが付加されたときの弾性体４の配列方向の厚さをＢ_０、電池セル１１当たりのケース１２の膨張許容量をＢ_１、配列体２における電池セル１１の配列数以下の正の値をＮとした場合に、弾性体４の配列方向の厚さＢがＢ_０＋（Ｂ_１×Ｎ）となる荷重量となっている。

このような荷重量を拘束部材３による配列体２への拘束荷重の下限値として設定することにより、ケース１２に膨張が生じた場合に弾性体４の配列方向の厚さが減少して配列体２への拘束荷重が上昇し、少なくとも電流遮断装置２６が作動する閾値にケース１２の内圧が到達するまで電流遮断装置２６の作動に必要な拘束荷重が維持される。したがって、ケース１２の膨張許容量を設定した場合において、電流遮断装置２６を適切なタイミングで作動させることができる。また、電池セル１１の許容膨張量を加味しない場合に比べて、最低荷重量を低くできる。このため、拘束部材３に掛かる負荷を低く設定できる。

正の値Ｎを０より大きくＮ未満となる範囲から設定した場合、例えば電池セル１１間の劣化状態の相違や温度の相違などに起因する電池セル１１間の膨張量のばらつきに対応することが可能となる。正の値Ｎを電池セル１１の配列数と一致させた場合には、弾性体４の厚さＢ_０＋（Ｂ_１×Ｎ）に対応する荷重量Ｋ_１が最も小さくなる。これに対し、正の値Ｎを０より大きくＮ未満となる範囲から設定することで、各電池セル１１が均一に膨張する理想的なモデルの場合に比べて荷重量Ｋ_１（すなわち、拘束荷重の下限値）が大きくなる。したがって、電池セル１１間の膨張量のばらつきがあったとしても、ケース１２の膨張によって弾性体４の厚さが減少した場合に配列体２に付加される拘束荷重が電流遮断装置２６の作動に必要な拘束荷重以上に維持される。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、電池セル１１の膨張許容量を考慮して拘束部材３による配列体２への拘束荷重の下限値を設定しているが、電池セル１１の膨張許容量を考慮せず、拘束部材３による配列体２への拘束荷重の下限値を、ケース１２の内圧が閾値となったときに電池セル１１におけるケース１２に膨張を生じさせないようにするために必要な最低荷重量以上となるように設定してもよい。この場合、最低荷重量は、ケース１２の内圧の閾値をＰ、配列体２における電池セル１１と隣接部材との接触面積をＡとした場合に、Ｐ×Ａで表される荷重量となる。

このような荷重量を拘束部材３による配列体２への拘束荷重の下限値として設定する場合においても、少なくとも電流遮断装置２６が作動する閾値にケース１２の内圧が到達するまで電流遮断装置２６の作動に必要な拘束荷重が維持される。したがって、ガス発生時におけるケース１２の内圧を設定値通りに上昇させることが可能となり、電流遮断装置２６を適切なタイミングで作動させることができる。

また、上記実施形態では、配列体２の配列方向の一方の端部に位置する電池セル１１には、側面１２ａよりも小さい面積の弾性体４が隣接部材として側面１２ａの一方に接しているが、弾性体４の面積を側面１２ａの面積と同等以上としてもよい。この場合も、電池セル１１の接触面積Ａは、いずれも側面１２ａの面積と一致する。なお、伝熱プレート５及び弾性体４の面積を変更し、接触面積Ａが電池セル１１間で異なる場合には、各電池セル１１における電流遮断装置２６の閾値Ｐを調整することで、Ｐ×Ａで表される荷重量を各電池セル１１間で一定にすることが好適である。

また、上記実施形態では、電流遮断装置２６が負極端子１６と導電部材２５との間に設けられているが、電流遮断装置２６は、この位置に限定されるものではなく、電流遮断装置２６を介して電極組立体１３と負極端子１６とを電気的に直列に接続できる構成であればよい。なお、上述したように、弾性体４は、電池セル１１の配列方向の両端に配置されていてもよく、電池セル１１，１１間に配置されていてもよい。このように弾性体４が複数配置されている場合には、各弾性体４の厚さの合計が上記関係式を満たせばよい。

１…電池モジュール、２…配列体、３…拘束部材、４…弾性体、１１…電池セル、１２…ケース、２６…電流遮断装置。

Claims (4)

1. 電極組立体がケース内に収容された電池セルを複数配列してなる配列体と、
   前記配列体に対して前記電池セルの配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、
   前記配列体と前記拘束部材との間又は前記電池セル間に介在する弾性体と、を備え、
   前記電池セルは、前記ケースの内圧が閾値以上に上昇した場合に充電電流を遮断する電流遮断装置を有し、
   前記ケースは、当該ケース内でガスが発生した場合に少なくとも前記配列方向に膨張可能となっており、
   前記拘束部材による前記配列体への拘束荷重の下限値は、
   前記ケースの内圧が前記閾値となったときに前記電池セルにおける前記ケースの膨張量が予め設定された膨張許容量を超えない最低荷重量以上に設定されている電池モジュール。
2. 前記最低荷重量は、前記ケースの内圧の閾値をＰ、前記配列体における前記電池セルと隣接部材との接触面積をＡ、荷重量Ｐ×Ａが付加されたときの前記弾性体の前記配列方向の厚さをＢ_０、前記電池セル当たりの前記ケースの膨張許容量をＢ_１、前記配列体における前記電池セルの配列数以下の正の値をＮとした場合に、前記弾性体の前記配列方向の厚さＢがＢ_０＋（Ｂ_１×Ｎ）となる荷重量である請求項１記載の電池モジュール。
3. 電極組立体がケース内に収容された電池セルを複数配列してなる配列体と、
   前記配列体に対して前記電池セルの配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、
   前記配列体と前記拘束部材との間又は前記電池セル間に介在する弾性体と、を備え、
   前記電池セルは、前記ケースの内圧が閾値以上に上昇した場合に充電電流を遮断する電流遮断装置を有し、
   前記ケースは、当該ケース内でガスが発生した場合に少なくとも前記配列方向に膨張可能となっており、
   前記拘束部材による前記配列体への拘束荷重の下限値は、
   前記ケースの内圧が前記閾値となったときに前記電池セルにおける前記ケースに膨張を生じさせない最低荷重量以上に設定されている電池モジュール。
4. 前記最低荷重量は、前記ケースの内圧の閾値をＰ、前記配列体における前記電池セルと隣接部材との接触面積をＡとした場合に、Ｐ×Ａで表される荷重量である請求項３記載の電池モジュール。

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