JP6846689B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本開示は、電池モジュールに関する。

従来、複数の円筒形電池と、当該各電池をそれぞれ収容する電池収容部が複数設けられた電池ホルダーとを備える電池モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された電池モジュールでは、電池ホルダー内に収納される各電池の温度を均一化するため、電池ホルダーの熱容量がホルダーの外側よりも中央側で大きくなるように設計されている。

特開２０１２−１１９１３６号公報

ところで、電池ホルダー内に収容された円筒形電池の一部が異常発熱した場合、当該電池から発生した熱は、他の正常な電池、特に当該電池の隣りに配置された電池に伝わり易く、かかる熱移動により隣りの電池も異常発熱することが想定される。そして、熱的被害がモジュール内で連鎖的に拡大し、モジュールの周辺機器等に対しても熱的損傷を及ぼすおそれがある。

本開示に係る電池モジュールは、複数の円筒形電池と、各円筒形電池を少なくとも一列に並べた状態で保持する電池ホルダーとを備え、電池ホルダーは、各円筒形電池の一方側に、当該各電池の列に沿って設けられた第１側壁部と、各円筒形電池の他方側に、当該各電池の列に沿って設けられた第２側壁部と、各側壁部よりも熱伝導性が低い部材であって、各側壁部の間に設けられた低熱伝導性部材とを有し、低熱伝導性部材は、円筒形電池の側面の一方側と第１側壁部との間に介在する第１隔壁部と、円筒形電池の側面の他方側と第２側壁部との間に介在する第２隔壁部とが、各円筒形電池の列に沿って交互に形成されてなる。

本開示に係る電池モジュールによれば、電池ホルダー内に収容された電池の一部が異常発熱したとしても、他の正常な電池に対する影響を軽減でき、熱的被害の連鎖的な拡大を十分に抑制できる。

実施形態の一例である電池モジュールの分解斜視図である。 実施形態の一例である電池モジュールの平面図である。 実施形態の一例である電池モジュールの機能を説明するための図である。 実施形態の他の一例である低熱伝導性部材の斜視図である。 実施形態の他の一例である低熱伝導性部材の斜視図である。 実施形態の他の一例である電池モジュールの平面図である。

上述の通り、複数の円筒形電池が電池ホルダーに収容された電池モジュールにおいて、電池の一部が異常発熱した場合に、熱的被害の連鎖的な拡大を抑制することは重要な課題である。本発明者らは、第１隔壁部と第２隔壁部とが交互に形成されてなる低熱伝導性部材を電池ホルダーの２つの側壁部の間に設けて、異常発熱した電池の隣りに配置された電池にその熱を伝わり難くすることで、かかる課題を解決することに成功したのである。本開示の一態様である電池モジュールによれば、円筒形電池の良好な搭載効率を確保しながら、熱的被害の連鎖的な拡大を十分に抑制できる。

従来の電池モジュールでは、電池ホルダー内の電池が異常発熱すると、その熱は当該電池と隣り合う電池に伝わり易く、熱の一部は電池ホルダーの側壁部を介して隣りの電池に伝達される（後述の図３（ｂ）参照）。本開示に係る電池モジュールによれば、異常発熱した電池の隣りに配置された電池に対する熱移動量を減らすことができる。かかる熱移動量の減少は、上述のように、低熱伝導性部材によって実現される。

低熱伝導性部材は、隣り合う電池が電池ホルダーの同じ側壁部と接触することを防止する。例えば、隣り合う第１の電池と第２の電池について、低熱伝導性部材は、第１の電池と第１側壁部との熱移動を妨げ、第２の電池と第２側壁部との熱移動を妨げる。そして、電池ホルダー内に配列された各円筒形電池は、例えば１つ置きに同じ側壁部と接触する。本開示の一態様である電池モジュールにおいても、異常発熱した電池の隣りに配置された電池にその熱は伝わるが、低熱伝導性部材によって側壁部を介した伝熱は大幅に抑制されるので、隣りの電池に対する熱の集中が緩和される。このため、異常発熱の連鎖による熱的被害の拡大を十分に抑制することができる。

以下、本開示に係る電池モジュールの実施形態の一例について詳細に説明する。但し、本開示に係る電池モジュールは、以下で説明する実施形態に限定されない。実施形態の説明で参照する図面は模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法などは以下の説明を参酌して判断されるべきである。なお、本明細書において「略〜」とは、略同一を例に説明すると、完全に同一はもとより、実質的に同一と認められるものを含む意図である。

以下では、説明の便宜上、円筒形電池の列が延びる方向を電池モジュールの「横方向」、第１側壁部、低熱伝導性部材、及び第２側壁部が重なる方向を電池モジュールの「縦方向」とする。また、各円筒形電池の軸方向に沿った方向を電池モジュールの「上下方向」とし、電池の正極端子側を「上」とする。

図１は実施形態の一例である電池モジュール１０の斜視図、図２は電池モジュール１０の平面図である。図１及び図２に例示するように、電池モジュール１０は、複数の円筒形電池１１と、各円筒形電池１１を少なくとも一列に並べた状態で保持する電池ホルダー２０とを備える。電池ホルダー２０は、第１側壁部を構成する第１側壁部材２２と、第２側壁部を構成する第２側壁部材２４と、各側壁部材よりも熱伝導性が低い部材であって、各側壁部材の間に設けられた低熱伝導性部材３０とを有する。低熱伝導性部材３０は、円筒形電池１１と第１側壁部材２２との間に介在する第１隔壁部３１と、円筒形電池１１と第２側壁部材２４との間に介在する第２隔壁部３２とが、各円筒形電池１１の列１３に沿って交互に形成されてなる。

円筒形電池１１は、金属製の電池ケースと、当該ケース内に収容された発電要素とを備える。発電要素には、例えば巻回構造を有する電極体と、非水電解質とが含まれる。電池ケースは、発電要素を収容する有底円筒形状のケース本体と、ケース本体の開口部を塞ぐ封口体とで構成される。円筒形電池１１（ケース本体）の側面１２は、軸方向全長にわたって湾曲している。封口体は、例えば弁体、キャップ等を含む積層構造を有し、円筒形電池１１の正極端子として機能する。ケース本体の側面１２には樹脂フィルムが装着され、円筒形電池１１と電池ホルダー２０との絶縁性が確保される。この場合、ケース本体の底面が負極端子となる。

電池ホルダー２０は、列１３を形成する複数の円筒形電池１１を第１側壁部材２２と第２側壁部材２４とで縦方向両側から挟んだ構造を有する。例えば、各側壁部材に図示しない締結部材を取り付け、或いは各側壁部材を図示しないケースに収容することで、各円筒形電池１１を挟む電池ホルダー２０の構造が維持される。第１側壁部材２２と第２側壁部材２４とを対向配置することで、各側壁部材の間には、各円筒形電池１１をそれぞれ収容する収容部２１が複数形成される。電池ホルダー２０の上下方向長さは、例えば円筒形電池１１の軸方向長さ（上下方向長さ）と略同一であるが、軸方向長さより短くてもよい。

電池ホルダー２０の上には、例えば、各円筒形電池１１の正極端子と電気的に接続されるリード板が設けられ、その上にはリード板と電気的に接続される正極集電板が設けられる。電池ホルダー２０の下には、例えば、各円筒形電池１１の負極端子と電気的に接続されるリード板が設けられ、その上にはリード板と電気的に接続される負極集電板が設けられる。電池ホルダー２０に収容される各円筒形電池１１は、各リード板によって並列接続される。電池ホルダー２０と各リード板の間には、各円筒形電池１１の端子部分を露出させる複数の貫通孔を有する絶縁板を配置することが好ましい。

第１側壁部材２２は、各円筒形電池１１の一方側に、列１３に沿って設けられる。第２側壁部材２４は、各円筒形電池１１の他方側に、列１３に沿って設けられる。第１側壁部材２２及び第２側壁部材２４は、横方向に長い板状部材であり、互いに平行に対向配置されて電池ホルダー２０の側壁部を構成する。各側壁部材は、複数の収容部２１を形成して各円筒形電池１１を保持すると共に、例えば通常動作時における各円筒形電池１１の均熱化を図り、電池が発熱したときには熱を拡散させる放熱部材としても機能する。

第１側壁部材２２及び第２側壁部材２４は、互いに形状、寸法が異なっていてもよいが、部品点数削減等の観点から、各側壁部材には同じ部材を用いてもよい。例えば、同じ側壁部材を向きを変えて使用してもよい。各側壁部材は、収容部２１を形成する凹部２３，２５を有し、凹部２３，２５が円筒形電池１１側（電池ホルダー２０の内側）を向くようにそれぞれ配置される。電池ホルダー２０の外側を向いた各側壁部材の外面は、凹凸のない平坦な面である。

第１側壁部材２２の内側には、複数の凹部２３が横方向に連続して形成されることが好ましい。凹部２３は、湾曲した円筒形電池１１の側面１２の形状に合わせて外側に凸となるように湾曲し、第１側壁部材２２の上下方向全長にわたって形成されている。第２側壁部材２４の内側にも、凹部２３と同様の凹部２５が複数形成されている。第１側壁部材２２と第２側壁部材２４は、それぞれの凹部２３，２５が縦方向に丁度重なるように対向配置され、これにより、横方向に一列で並んだ複数の収容部２１が形成される。

第１側壁部材２２は、各円筒形電池１１の列１３に沿って、電池１つ置きに各円筒形電池１１の一部と接触している。他方、第２側壁部材２４は、電池１つ置きに各円筒形電池１１の他の一部と接触している。即ち、第２側壁部材２４は第１側壁部材２２と接触しない電池と接触しており、各円筒形電池１１は各側壁部材の一方と直接接触している。詳しくは後述するが、各円筒形電池１１は各側壁部材の他方とは直接接触せず、低熱伝導性部材３０を介して接触している。

各側壁部材は、熱伝導性の高い材料によって構成されることが好ましい。好適な材料の一例としては、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属、窒化アルミニウム等のセラミックス、高熱伝導性フィラーを含有する樹脂等が挙げられる。側壁部材は、例えば熱伝導性、耐久性、加工性などを考慮して、金属製部材によって構成される。

電池ホルダー２０では、第１側壁部材２２と第２側壁部材２４の間に設けられた低熱伝導性部材３０によって、各側壁部材の接触が防止される。例えば、各側壁部材の横方向端部同士は互いに接触していてもよいが、本実施形態では、各側壁部材の間には必ず低熱伝導性部材３０が介在する。

低熱伝導性部材３０は、上述のように、列１３に沿って交互に形成された第１隔壁部３１と第２隔壁部３２を有する。低熱伝導性部材３０は、各円筒形電池１１といずれか一方の側壁部材との間に介在し、両者の接触を防止する。具体的には、各第１隔壁部３１が各円筒形電池１１の一部と第１側壁部材２２との接触を防止する。他方、各第２隔壁部３２は各円筒形電池１１の残りの一部と第２側壁部材２４との接触を防止する。即ち、電池ホルダー２０の各収容部２１には、第１隔壁部３１と第２隔壁部３２が交互に設けられる。

第１隔壁部３１は、各収容部２１の列に沿って、収容部１つ置きに設けられ、第２隔壁部３２も収容部１つ置きに設けられる。以下では、第１隔壁部３１により第１側壁部材２２との熱移動が妨げられる円筒形電池１１を「円筒形電池１１Ａ」とし、第２隔壁部３２により第２側壁部材２４との熱移動が妨げられる円筒形電池１１を「円筒形電池１１Ｂ」とする。円筒形電池１１Ａ，１１Ｂは、横方向に沿って交互に配置される。低熱伝導性部材３０は、隣り合う円筒形電池１１Ａ，１１Ｂが、同じ側壁部材に接触することを防止する。なお、低熱伝導性部材３０を設けることで、円筒形電池１１Ａ，１１Ｂの中心は各収容部２１の中心からずれる。即ち、各収容部２１において、円筒形電池１１Ａはやや第２側壁部材２４寄りに、円筒形電池１１Ｂはやや第１側壁部材２２寄りに配置される。

低熱伝導性部材３０は、第１隔壁部３１と第２隔壁部３２が連続した波形形状を有する。第１隔壁部３１及び第２隔壁部３２はいずれも、円筒形電池１１の側面１２に沿うように湾曲した板状部分である。但し、各隔壁部は互いに反対方向に凸となるように湾曲している。第１隔壁部３１は、第１側壁部材２２側に凸となるように湾曲し、凹部２３に沿って配置される。他方、第２隔壁部３２は、第２側壁部材２４側に凸となるように湾曲し、凹部２５に沿って配置される。そして、第１隔壁部３１と第２隔壁部３２は円筒形電池１１Ａ，１１Ｂの間で互いに接続されている。このため、低熱伝導性部材３０は、凹凸が規則的に繰り返された波形形状となる。

各第１隔壁部３１は、例えば各円筒形電池１１Ａを収容する収容部２１Ａにおいて、各円筒形電池１１Ａの側面１２Ａと第１側壁部材２２の凹部２３に略隙間なく接触している。収容部２１Ａでは、円筒形電池１１Ａが第１隔壁部３１を介して第１側壁部材２２と接触しており、第１隔壁部３１によって円筒形電池１１Ａと第１側壁部材２２との熱移動が妨げられている。他方、収容部２１Ａでは、例えば円筒形電池１１Ａの側面１２Ａが第２側壁部材２４の凹部２５に略隙間なく接触しており、円筒形電池１１Ａと第２側壁部材２４との熱移動は良好に維持されている。

各第２隔壁部３２は、例えば各円筒形電池１１Ｂを収容する収容部２１Ｂにおいて、各円筒形電池１１Ｂの側面１２Ｂと第２側壁部材２４の凹部２５に略隙間なく接触している。収容部２１Ｂでは、円筒形電池１１Ｂが第２隔壁部３２を介して第２側壁部材２４と接触しており、第２隔壁部３２によって円筒形電池１１Ｂと第２側壁部材２４との熱移動が妨げられている。他方、収容部２１Ｂでは、例えば円筒形電池１１Ｂの側面１２Ｂが第１側壁部材２２の凹部２３に略隙間なく接触しており、円筒形電池１１Ｂと第１側壁部材２２との熱移動は良好に維持されている。

なお、第１隔壁部３１の第１側壁部材２２との接触面を凹凸に形成したり粗面化することにより第１隔壁部３１と第１側壁部材２２との間の熱抵抗を増加させ、これにより円筒形電池１１Ｂと第１側壁部材２２との熱移動を低減させると共に、第２隔壁部３２の第２側壁部材２４との接触面を凹凸に形成したり粗面化することにより第２隔壁部３２と第２側壁部材２４との間の熱抵抗を増加させ、これにより円筒形電池１１Ｂと第２側壁部材２４との熱移動を低減させることも好適である。

低熱伝導性部材３０は、各円筒形電池１１の底面を支持する基部３３を有する。基部３３は、各隔壁部の下端部から円筒形電池１１の底面を覆うように内側（収容部２１内）に張り出し、例えば円筒形電池１１の底面の周縁部に当接する。基部３３には、各円筒形電池１１の底面の中央部を露出させる開口部３３ａが形成されている。電池ホルダー２０の下には絶縁板を介して負極リード板が設けられるが、リード板は開口部３３ａを通して負極端子として機能する円筒形電池１１の底面にアクセス可能である。

基部３３は、各隔壁部の下端部を囲むように形成された立壁部３３ｂを有する。本実施形態では、第１側壁部材２２及び第２側壁部材２４が、基部３３の立壁部３３ｂ上に載せられている。即ち、基部３３によって各側壁部材が支持されている。各側壁部材の上下方向長さは、低熱伝導性部材３０の上下方向長さよりも短く、例えば各側壁部材が立壁部３３ｂ上に載せられた状態で各部材の上端の位置が一致する。基部３３を設けることにより、低熱伝導性部材３０によって各円筒形電池１１及び各側壁部材を支持することができ、また低熱伝導性部材３０の強度が向上する。

低熱伝導性部材３０は、各側壁部材よりも熱伝導性が低い部材であればよいが、好ましくは樹脂製部材である。低熱伝導性部材３０は、例えば硬化型樹脂で構成される。硬化型樹脂の好適な一例は、６００℃以上の高温に曝されても溶融しない架橋構造を有する樹脂であって、８００℃〜１０００℃の高温に曝されても溶融せずに炭化して低熱伝導性部材３０の形状を維持する。具体例としては、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。低熱伝導性部材３０を構成する硬化型樹脂には、吸熱フィラーが含有されていてもよい。吸熱フィラーは、熱分解時に吸熱作用を発揮するものであり、具体例としては、水酸化アルミニウム、炭酸水素ナトリウムなどが挙げられる。

図３（ａ）は、上記構成を備えた電池モジュール１０の機能を説明するための図であって、円筒形電池１１ＡＸが異常発熱した場合を示している。図３（ｂ）は、低熱伝導性部材３０が存在しない電池ホルダー１０１を備えた電池モジュール１００を示す図である。円筒形電池１１ＡＸが異常発熱すると、電池モジュール１０，１００のいずれにおいても、その熱は距離的に最も近い隣りの円筒形電池１１ＢＹに伝わる。しかし、電池モジュール１０によれば、電池モジュール１００と比較して、円筒形電池１１ＢＹへの熱移動量を大幅に減らすことができ、円筒形電池１１ＢＹに対する熱影響を低減することが可能である。

図３（ａ）に示すように、電池モジュール１０は、低熱伝導性部材３０によって隣り合う円筒形電池１１Ａ，１１Ｂが同じ側壁部材と直接接触しないように構成されている。円筒形電池１１ＡＸは、第２側壁部材２４と直接接触しているが、第１側壁部材２２との接触は第１隔壁部３１によって防止される。他方、円筒形電池１１ＢＹは、第１側壁部材２２と直接接触しているが、第２側壁部材２４との接触は第２隔壁部３２によって防止される。このため、円筒形電池１１ＡＸの熱は第２側壁部材２４に伝わり易いが、円筒形電池１１ＢＹと第２側壁部材２４との間には第２隔壁部３２が介在しているため、第２側壁部材２４を介した熱移動は起こり難い。また、円筒形電池１１ＢＹが接触する第１側壁部材２２には、円筒形電池１１ＡＸからの熱は伝わり難い。

したがって、円筒形電池１１ＡＸの熱は、例えば円筒形電池１１ＢＹが直接接触しない第２側壁部材２４によって拡散され、円筒形電池１１ＢＹに対する熱の集中が緩和される。つまり、円筒形電池１１ＡＸの熱が円筒形電池１１ＢＹに集中することに起因して発生し得る円筒形電池１１ＢＹの異常発熱が阻止され、熱的被害がモジュール内で連鎖的に拡大することを防止できる。なお、電池ホルダー２０の各収容部２１に配置される低熱伝導性部材３０の各隔壁部は薄板状で大きなスペースをとらないから、電池モジュール１０によれば円筒形電池１１の良好な搭載効率を維持できる。

上述の実施形態は、本開示の目的を損なわない範囲で適宜設計変更できる。例えば、電池ホルダーの第１側壁部と第２側壁部は、別部材から構成されるものではなく、一体的に成形されていてもよい。但し、この場合も、電池ホルダーの横方向両端部のみで第１側壁部と第２側壁部がつながっている等、各側壁部間の熱移動は起こり難いことが好ましい。

図４〜図６は、実施形態の他の一例である電池モジュール、又は電池モジュールを構成する低熱伝導性部材を示す。以下では、上述の実施形態との相違点を主に説明し、上述の実施形態と同様の構成要素には同じ符号を用いて重複する説明を省略する。

図４に例示する低熱伝導性部材４０は、第１隔壁部４１と第２隔壁部４２が交互に形成されている点で、低熱伝導性部材３０と共通する。一方、低熱伝導性部材４０は、第１隔壁部４１と第２隔壁部４２が連続しておらず、各隔壁部の間に形成されたスリット４３を有する点で、低熱伝導性部材３０と異なる。スリット４３を設けることで、低熱伝導性部材４０を介した熱移動も低減される。また、低熱伝導性部材３０を用いた場合は、隣り合う円筒形電池１１Ａ，１１Ｂの間に各隔壁部の連結部が存在するが（図２参照）、低熱伝導性部材４０を用いた場合は、円筒形電池１１Ａ，１１Ｂの間に空隙（スリット４３）が設けられるため、電池間の断熱性が向上する。なお、低熱伝導性部材４０は基部３３を有するため、各隔壁部はバラバラにならず１つの部材を構成している。即ち、各隔壁部は基部３３によって連結されている。

図５に例示する低熱伝導性部材５０は、基部３３を有さない点で、低熱伝導性部材３０と異なる。低熱伝導性部材５０は、交互に形成された第１隔壁部３１と第２隔壁部３２とを有し、各隔壁部が連続した波形形状を有する。低熱伝導性部材５０を用いる場合、円筒形電池１１の底面は、例えば電池ホルダーの下に設けられる絶縁板など、他の部材によって支持される。

図６に例示する電池モジュール６０は、複数の電池ホルダー２０を含む点で、電池モジュール１０と異なる。電池モジュール６０は、各電池ホルダー２０の間に平坦な薄板状の低熱伝導性部材６１を設けて、一方の電池ホルダー２０の第１側壁部材２２と、他方の電池ホルダー２０の第２側壁部材２４とが接触しないように構成されている。図６に示す例では、３つの電池ホルダー２０によってモジュールを構成しているが、電池ホルダーの数は特に限定されない。電池モジュールにおける各円筒形電池１１の列は、２列であってもよく、４列以上であってもよい。

また、電池ホルダーの外面のうち各収容部の間に対応する部分に凹部を形成してもよい。この場合、電池ホルダーの外面のうち収容部に対応する部分が凸部となり、電池ホルダーの外面に凹凸が形成される。そして、隣り合う電池ホルダーにおいて、一方のホルダーの凸部が他方のホルダーの凹部に嵌るように各ホルダーを配置することで、各円筒形電池１１を千鳥状に配置することができる。

１０ 電池モジュール、１１，１１Ａ，１１Ｂ 円筒形電池、１２，１２Ａ，１２Ｂ 側面、１３ 列、２０ 電池ホルダー、２１，２１Ａ，２１Ｂ 収容部、２２ 第１側壁部材、２３，２５ 凹部、２４ 第２側壁部材、３０ 低熱伝導性部材、３１ 第１隔壁部、３２ 第２隔壁部、３３ 基部、３３ａ 開口部、３３ｂ 立壁部

Claims (5)

1. 複数の円筒形電池と、
   前記各円筒形電池を少なくとも一列に並べた状態で保持する電池ホルダーと、
   を備え、
   前記電池ホルダーは、
   前記各円筒形電池の一方側に、当該各電池の列に沿って設けられた第１側壁部と、
   前記各円筒形電池の他方側に、当該各電池の列に沿って設けられた第２側壁部と、
   前記各側壁部よりも熱伝導性が低い部材であって、前記各側壁部の間に設けられた低熱伝導性部材と、
   を有し、
   前記低熱伝導性部材は、前記円筒形電池と前記第１側壁部との間に介在する第１隔壁部と、前記円筒形電池と前記第２側壁部との間に介在する第２隔壁部とが、前記各円筒形電池の列に沿って交互に形成されてなる、電池モジュール。
2. 前記低熱伝導性部材は、前記第１隔壁部と前記第２隔壁部とが連続した波形形状を有する、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記低熱伝導性部材は、熱硬化型樹脂で構成される、請求項１又は２に記載の電池モジュール。
4. 前記各円筒形電池の列に沿って、前記第１側壁部は１つ置きに前記各円筒形電池の一部と接触し、前記第２側壁部は１つ置きに前記各円筒形電池の他の一部と接触している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池モジュール。
5. 前記第１側壁部及び前記第２側壁部は、金属製部材によってそれぞれ構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池モジュール。

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