JP7325063B2

JP7325063B2 - 電池モジュール

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Publication number: JP7325063B2
Application number: JP2020538201A
Authority: JP
Inventors: 博章権藤
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2019-06-18
Publication date: 2023-08-14
Anticipated expiration: 2039-06-18
Also published as: JPWO2020039722A1; CN112567564A; US20210313650A1; WO2020039722A1; CN112567564B

Description

本開示は、電池モジュールに関する。

一般的に、電池モジュールを構成する各電池には、内部短絡等の異常が発生して内圧が上昇した際に外装缶の破裂を防止すべく、内圧上昇時に作動する排気弁が設けられている。また、電池モジュールには、電池の排気弁から噴出された高温のガスをモジュールの外部に排出するための排気構造が設けられている。特許文献１には、モジュールケースの側面に形成された通気孔が金属製のメッシュ部材で覆われた電池モジュールが開示されている。特許文献１では、メッシュ部材によって火炎の熱が吸収され、モジュールケースから火炎が放出されることを防止できる、と記載されている。

特開２００９－２１２０８１号公報

ところで、電池モジュールから高温のガスと共に電極材料等の噴出物が排出されると、当該噴出物が火種となって発火に至る可能性がある。このため、電池モジュールでは、かかる発火を防止するための種々の安全対策が施されている。近年、電池の高エネルギー密度化に伴い、異常発生時の発熱量が増加する傾向にあることから、さらなる安全性の向上が求められている。

本開示の一態様である電池モジュールは、排気弁が設けられた電池を複数備える電池モジュールであって、前記排気弁から噴出されるガスを冷却しつつ、モジュールの外部に導くための冷却経路を備える。前記冷却経路は、経路出口における前記ガスの温度Ｔ（℃）が５００℃以下となるように形成され、前記冷却経路には、前記温度Ｔが３５０℃以上となる場合に、前記ガスに含まれる噴出物のサイズを制限する、開口サイズＡ（ｍｍ）が３．５ｍｍ以下のフィルタ、および前記開口サイズＡ（ｍｍ）が３．５ｍｍ以下相当であるバッフル板の少なくとも一方が設置されている。

好ましくは、前記冷却経路は、下記式１の条件に基づいて形成されている。
式１：Ｔ≦３５０－｛Ｌｎ（Ａ／３．５）｝／０．００８

本開示の他の一態様である電池モジュールにおいて、前記冷却経路は、経路出口における前記ガスの温度Ｔが５００℃以下、当該出口から排出される前記ガス中の噴出物の直径Ｂが３．５ｍｍ以下となるように、下記式２の条件に基づいて形成されている。
式２：Ｂ≦３．５ｅ^{｛０．００８（３５０－Ｔ）｝}

本開示に係る電池モジュールによれば、安全性をさらに向上させることができる。

実施形態の一例である電池モジュールを模式的に示す平面図である。実施形態の一例である電池モジュールを模式的に示す正面図である。実施形態の一例である電池モジュールにおいて、フィルタの開口サイズと排気ガス温度の関係を示す図である。実施形態の一例であるフィルタを模式的に示す図である。冷却経路の変形例を示す図である。

近年、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ、ＰＨＥＶ）等の駆動用電源として、リチウムイオン電池等の二次電池が使用されており、電池の体積エネルギー密度の向上が以前にも増して求められている。そして、電池の高エネルギー密度化に伴い、異常発生時の発熱量が増加する傾向にあることから、電池モジュールにおいて、さらなる安全性の向上が求められている。

本発明者らは、上記式１の条件に基づいて冷却経路を構築することにより、電池に異常が発生して電池モジュールから高温（５００℃以下）のガスと共に電極材料等の噴出物が排出された場合であっても、発火の可能性が大きく低減されることを見出した。つまり、電池モジュールに当該冷却経路を適用することで、モジュールの安全性をさらに向上させることができる。

以下、図面を参照しながら、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説する。本実施形態では、電池モジュールを構成する電池として、外装缶と封口板とで構成される角形の金属製ケースを備えた角形電池である電池１１を例示するが、電池はこれに限定されない。

図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれ、実施形態の一例である電池モジュール１０を模式的に示す平面図および正面図である。図１Ａでは、モジュールケース１４の天板を取り外した状態を示している。電池モジュール１０は、排気弁１２が設けられた電池１１を複数備える。また、電池モジュール１０は、排気弁１２から噴出されるガスを冷却しつつ、モジュールの外部に導くための冷却経路１３を備える。詳しくは後述するが、冷却経路１３は、経路の出口１３ａにおける排気ガスの温度Ｔ（℃）が５００℃以下となるように形成される。さらに、冷却経路１３には、出口１３ａにおける排気ガスの温度Ｔが３５０℃以上となる場合に、排気ガスに含まれる噴出物のサイズを制限するフィルタが設置される。フィルタの開口サイズ（開口の内接円の直径）Ａ（ｍｍ）は３．５ｍｍ以下であり、冷却経路１３は、下記式１の条件に基づいて形成されている。
式１：Ｔ≦３５０－｛Ｌｎ（Ａ／３．５）｝／０．００８

電池モジュール１０は、複数の電池１１を収容するモジュールケース１４を備える。モジュールケース１４は、例えば略長方体状のケースであって、その内部に冷却経路１３が形成されている。複数の電池１１は、モジュールケース１４の長手方向に並び、排気弁１２が同じ方向（鉛直上方）に向いた状態でケース内に配置されている。隣り合う電池１１の間にはスペーサが設けられていてもよい。図１Ａに示す例では、複数の電池１１の各排気弁１２が、モジュールケース１４の長手方向に沿って１列に並んでいる。

電池モジュール１０は、複数の電池１１を含む電池集積体を電池１１の積層方向の両側から挟む一対のエンドプレート、および各エンドプレートにわたって取り付けられ、複数の電池１１を結束するバインドバーを備えていてもよい。或いは、複数の電池１１がモジュールケース１４内に収容されることで、複数の電池１１が結束されていてもよい。複数の電池１１は、一般的にバスバーを用いて電気的に接続される。各電池１１は、直列または並列に接続されていてもよく、隣り合う電池１１間で正負端子の向きが互いに反対側に位置するように配置されてもよい。

モジュールケース１４は、金属製、樹脂製のいずれであってもよいが、金属製ケースを用いた場合は、樹脂製ケースを用いた場合と比べて、一般的に冷却経路１３の冷却機能が向上する。モジュールケース１４がアルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属製である場合、例えば、冷却経路１３の出口１３ａにおけるガスの温度を５００℃以下とするために必要な経路長を短くすることができる。

電池１１は、例えば有底角形筒状の外装缶と、外装缶の開口を塞ぐ封口板とで構成された電池ケースを備える。電池ケースは、上述の通り、角形の金属製ケースであり、電池１１は角形電池である。電池ケース内には、電極体および電解質が収容されている。電極体は、金属製の芯体および芯体の表面に形成された合材層を含む一対の電極（正極、負極）が、セパレータを介して積層された構造を有する。異常発生時に電池１１の排気弁１２から噴出される固形の噴出物は、例えば電極体の構成材料である。電解質は、水系電解質、非水系電解質のいずれであってもよく、また液体電解質、固体電解質のいずれであってもよい。電池１１の一例は、リチウムイオン電池、ニッケル－水素電池、ニッケル－カドミウム電池等の非水電解質二次電池である。

電池１１の外装缶は、例えばモジュールケース１４の短手方向に長い扁平な形状を有する。外装缶は、一般的に金属材料で構成され、外装缶の外面には絶縁性を確保するために樹脂フィルムが装着されていてもよい。封口板は、外装缶の開口を塞いで電池ケースの内部空間を密閉するための部材であって、モジュールケース１４の短手方向に長い略長方形状を有する。封口板には、正極端子と負極端子が設けられてもよい。この場合、封口板の長手方向両端部には貫通孔がそれぞれ形成され、各端子は絶縁性のガスケットを介して当該各貫通孔に取り付けられる。

排気弁１２は、例えば封口板の長手方向中央部に設けられる。排気弁１２は、環状の溝に囲まれた部分である。溝が形成された部分は、他の部分よりも厚みが薄くなっているので、電池１１に異常が発生して内圧が上昇したときに他の部分よりも優先的に破断する。そして、排気弁１２からガスが排出されることで、外装缶の破裂が防止される。図１Ａでは、平面視楕円形状の排気弁１２を例示しているが、排気弁１２の形状は特に限定されず、真円形状、半円形状等であってもよい。

冷却経路１３は、上述の通り、排気弁１２から噴出されるガスを冷却しつつ、電池モジュール１０の外部に導くための経路である。冷却経路１３は、排気ダクトとも呼ばれる。冷却経路１３は、例えばモジュールケース１４の内部に、経路を規定する仕切板１５ａ，１５ｂを設けることで形成される。本実施形態では、モジュールケース１４の内部において、排気弁１２が設けられた各電池１１の封口板の上方に冷却経路１３が形成されている。モジュールケース１４には、排気弁１２から噴出されるガスをケースの外に排出するための、冷却経路１３の出口１３ａとなる開口が形成されている。図１Ａおよび図１Ｂに示す例では、モジュールケース１４の長手方向一端の側壁１４ａに出口１３ａが形成されている。

冷却経路１３は、出口１３ａから噴出される排気ガスの温度Ｔを少なくとも５００℃まで下げる。温度Ｔが５００℃を超えると、ガス中に大きな噴出物が存在しなくても発火に至る可能性が上昇するためである。冷却経路１３を通過することによって下がる排気ガスの温度は、例えば冷却経路１３の長さ（経路長）、経路を構成する部材（モジュールケース１４、仕切板１５ａ，１５ｂ等）の熱伝導率などによって異なる。一般的に、経路長が長いほど、出口１３ａにおける排気ガスの温度Ｔは下がり易い。但し、経路長を長くすると、電池モジュール１０が大型化する等の不具合が考えられるため、安全性を十分に考慮した効率の良い経路設計が重要となる。

図１Ａおよび図１Ｂに示す例では、電池１１の封口板の上方に位置する空間において、各排気弁１２が並ぶモジュールケース１４の長手方向に沿って仕切板１５ａ，１５ｂが設けられている。仕切板１５ａ，１５ｂは、排気弁１２の列を両側から挟むように互いに平行に配置される。仕切板１５ａは、排気弁１２の列に沿ってモジュールケース１４の長手方向一端の側壁１４ａから長手方向他端の側壁１４ｂにわたって形成されている。なお、冷却経路１３の出口１３ａとなる開口は、側壁１４ａの短手方向一端部に形成されている。仕切板１５ｂは、排気弁１２の列に沿って側壁１４ａから側壁１４ｂの近傍にわたって形成されている。すなわち、仕切板１５ｂの先端と側壁１４ｂとの間には隙間が存在する。

冷却経路１３は、仕切板１５ａ，１５ｂによって略Ｕ字状に形成されている。冷却経路１３は、上流側部分が仕切板１５ａ，１５ｂの間に形成され、出口１３ａが形成された側壁１４ａと反対側の側壁１４ｂの近傍で折り返して、下流部分が仕切板１５ｂとモジュールケース１４の短手方向一端の側壁１４ｃとの間に形成されている。冷却経路１３は、例えば、モジュールケース１４の側壁１４ａ，１４ｂ，１４ｃ、仕切板１５ａ，１５ｂによって区切られ、また経路の下方が各電池１１で、上方が図示しないモジュールケース１４の天板で塞がれた排気ダクトである。

なお、冷却流路は、経路出口からガスが排出されるまでの間にガスを冷却できる経路であればよく、その配置、形状等は特に限定されない。例えば、モジュールケースの内部において、電池群の下方または側方に冷却流路が形成されていてもよい。また、モジュールケースに排気ダクトを取り付けて、当該ダクトを冷却経路としてもよい。

冷却経路１３は、上述の通り、出口１３ａにおける排気ガスの温度Ｔ（℃）が５００℃以下となるように形成される。当該温度Ｔが３５０℃未満まで下がるのであれば、排気ガスに含まれる噴出物のサイズを制限するフィルタを冷却経路１３に設置しなくてもよいが、フィルタを設置しても構わない。本実施形態では、開口サイズＡ（ｍｍ）が３．５ｍｍ以下のフィルタ１６が出口１３ａに設置されており、冷却経路１３が下記式１の条件に基づいて形成されている。
式１：Ｔ≦３５０－｛Ｌｎ（Ａ／３．５）｝／０．００８

本発明者らは、従来提唱されている「可燃性ガスの任意温度における最小着火エネルギーの予測式（Ｗ_２＝Ｗ_１ｅｘｐ｛０．００８（Ｔ_１－Ｔ_２）｝、ここで、Ｗ_１・Ｗ_２は温度Ｔ_１・Ｔ_２における最小着火エネルギー）」を参考に、実験により式１を求めた。式１を求める実験は、格子状の複数の開口により構成されるフィルタ（メッシュ、図３（ａ）参照）を冷却経路の出口に設置し、開口サイズ（開口の内接円の直径）を変更しながら繰り返し行った。

図２は、冷却経路１３の出口１３ａから放出される固形の噴出物のサイズを制限するフィルタの開口サイズ（開口の内接円の直径）Ａと排気ガス温度Ｔの関係を示す図である。なお、フィルタの開口サイズＡは、開口が円の場合は直径（短径）、矩形の場合は内接円の直径、メッシュの場合は目開きサイズとなる。図２に示される実線は、噴出物を含む排気ガスの発火の閾値を示すものであって、この実線の曲線部分が式１（Ｔ＝３５０－｛Ｌｎ（Ａ／３．５）｝／０．００８）で表される。フィルタ１６の開口サイズＡ、排気ガスの温度が閾値（実線）を超えると、電池モジュール１０の外部で発火が生じる可能性が高くなる。図２に示すように、発火を防止するためには、出口１３ａにおける排気ガスの温度が高くなるほど、噴出物のサイズを小さくする必要がある。他方、噴出物のサイズが大きい場合は、冷却経路１３を延ばす等して排気ガスの温度を下げる必要がある。

冷却経路１３は、フィルタ１６の開口サイズＡと排気ガスの温度Ｔが、図２のハッチングを付した範囲に入るように形成される。図２に示すように、排気ガスの温度が３５０℃以下であれば、噴出物のサイズを制限するフィルタ（或いは、後述するバッフル板）がなくても発火は起こらない。しかし、排気ガスの温度を常に３５０℃以下に抑えるためには、例えば非常に長い冷却経路が必要になる等の問題がある。そこで、排気ガスの温度Ｔを常に３５０℃以下に抑えるのに必要な経路長の冷却経路が確保できない場合、冷却経路１３は、少なくともフィルタ（開口サイズＡ≦３．５ｍｍ）により大きな噴出物を捕捉しつつ、排気ガスの温度Ｔが５００℃以下となるように形成されることが好ましい。

図１Ａおよび図１Ｂに示す例では、モジュールケース１４の側壁１４ａ側に配置される電池１１と、側壁１４ｂ側に配置される電池１１とで、排気弁１２から出口１３ａまでの冷却経路１３に沿った距離が大きく異なる。冷却経路１３に沿って複数の電池１１が配置される場合、冷却経路１３は、経路に沿った排気弁１２から出口１３ａまでの距離が最も短くなる電池１１に基づいて、経路長を設定する必要がある。つまり、最も側壁１４ｂ寄りに配置される電池１１の排気弁１２から噴出した高温のガスが、出口１３ａにおいて５００℃以下となり、式１の条件が満たされるように冷却経路１３の長さ等を決定する。

フィルタ１６は、冷却経路１３の途中に設置することもできる。本実施形態では、出口１３ａの全体を覆うように、モジュールケース１４の側壁１４ａの内面にフィルタ１６が設置されている。すなわち、フィルタ１６は、出口１３ａにおいて冷却経路１３の内部に配置されている。フィルタ１６は、例えば出口１３ａの開口面積よりも大きく、フィルタ１６の端部が出口１３ａの周縁部に固定される。フィルタ１６は、樹脂製であってもよいが、耐熱性、強度等を考慮すると、金属製が好ましい。

図３（ａ）に例示するように、フィルタ１６は、複数の四角形状の開口１７を有する格子状の部材であってもよい。図３（ａ）に示すフィルタ１６は、例えば多数の金属線を編み合わせて構成されるメッシュ（金網）である。或いは、図３（ｂ）に例示するように、フィルタ１６は、複数の円形状の開口１７が形成された板状の部材であってもよい。図３（ｂ）に示すフィルタ１６は、例えば金属板に複数の貫通孔が形成されたパンチングメタルである。なお、フィルタ１６の開口１７の形状、配置等は特に限定されない。フィルタ１６は、金属、セラミックス、ガラス系、或いは不織布などにより構成される多孔質材料であってもよい。

フィルタ１６は、上記噴出物を捕捉すると共に、例えば排気ガスの温度を下げ、電池モジュール１０内で発火した場合に出口１３ａから火炎が放出されることを防止する機能を有する。フィルタ１６の開口率（開口面積）および厚みは特に限定されない。フィルタ１６の形状・仕様（開口率、厚み等）は、通気性、強度、耐熱性等を考慮して決定される。

フィルタ１６の開口１７（内接円α）の直径Ａは、３．５ｍｍ以下であり、かつ式１の条件を満たすように設定される。なお、図３（ｂ）に示すように、開口１７が真円である場合は、その直径が直径Ａになる。開口１７（内接円α）の直径Ａが式１の条件を満たすフィルタ１６を用いることで、高温の排気ガスが電池モジュール１０の外部に放出された際の発火が防止される。

開口１７（内接円α）の直径Ａは、例えば０．０５ｍｍ～３．５ｍｍである。冷却経路１３の出口１３ａにおける排気ガスの温度Ｔが高くなるほど、直径Ａを小さくして出口１３ａから排出される噴出物のサイズを小さくする必要がある。例えば、冷却経路１３の長さを延ばすことが難しく、排気ガスの温度が下がり難い場合は、開口１７の小さなフィルタ１６を用いる。

ところで、フィルタの開口サイズＡを設定することは、冷却経路１３の出口１３ａから排出される噴出物のサイズ（直径Ｂ）を制限することと等価であると考えられる。電池モジュール１０の外部での発火を防止するための条件は、噴出物の直径Ｂと排気ガスの温度Ｔとの関係により設定でき、直径Ｂと温度Ｔが図２のハッチングを付した範囲に入るように冷却経路１３が形成される。図２に示される実線は、噴出物を含む排気ガスの発火の閾値を示すものであるので、噴出物のサイズＢ（直径Ｂ）は下記式２で表せる。
式２：Ｂ≦３．５ｅ^{｛０．００８（３５０－Ｔ）｝}

式２に基づいて冷却経路１３の出口１３ａから排出される噴出物のサイズＢを制限すれば、出口１３ａにおける排気ガスの温度Ｔが３５０℃～５００℃である場合に、電池モジュール１０の外部での発火が防止される。すなわち、冷却経路１３は、少なくとも直径Ｂが３．５ｍｍを超えるような大きな噴出物を捕捉しつつ、排気ガスの温度Ｔが５００℃以下となるように形成されることになる。

なお、実際の噴出物は球状ではないので、噴出物のサイズＢ（直径Ｂ）は噴出物が球状であると仮定したときの直径を意味する。式２の元になる図２はフィルタの開口サイズに基づいており、噴出物は当然球状に限定されないが、噴出物が有するエネルギー量の観点から噴出物のサイズＢにより冷却経路１３の構成を設定することに問題はない。

図４に例示するように、冷却経路１３には、上記噴出物を捕捉するバッフル板１８が設置されていてもよい。バッフル板１８は、フィルタ１６の代わりに設置されてもよく、フィルタ１６と共に設置されてもよい。冷却経路１３には、噴出物を捕捉するフィルタ１６およびバッフル板１８の少なくとも一方が設置される。例えば、冷却経路１３の途中に複数のバッフル板１８が設置され、冷却経路１３の出口１３ａにフィルタ１６が設置されてもよい。

図４に示す例では、冷却経路１３の対向する各側壁からそれぞれ複数のバッフル板１８が延出している。各バッフル板１８の先端は、例えば冷却経路１３の幅方向中央に位置している。各バッフル板１８と側壁とがなす角度は、冷却経路１３の上流側に対して鋭角であり、一例としては３０°～７０°である。一方の側壁から延びるバッフル板１８と、他方の側壁から延びるバッフル板１８とは、冷却経路１３に沿って交互に配置され、これにより蛇行した冷却経路１３が形成される。この場合、排気ガスが蛇行して冷却経路１３を流れる際に、ガス中に含まれる噴出物がバッフル板１８によって捕捉される。

すなわち、図４に例示する冷却経路１３では、バッフル板１８が図３に示すフィルタ１６の役割を果たしている。冷却経路１３の経路長、経路断面、およびバッフル板１８の設置位置、設置数、形状などにより、バッフル板１８を備える冷却経路１３はフィルタの開口サイズＡ（＝３．５ｍｍ以下）により制限されるような大きな噴出物を捕捉する機能、および経路出口における排気ガスの温度Ｔを５００℃以下とする機能を有する。

以上のように、電池モジュール１０は、噴出物を捕捉するフィルタ１６およびバッフル板１８の少なくとも一方が設置された、上記式１等の条件を満たす冷却経路１３を備える。電池モジュール１０によれば、電池１１に異常が発生してモジュールから高温（５００℃以下）のガスと共に電極材料等の噴出物が放出された場合であっても、発火の可能性が大きく低減され、モジュールの安全性がさらに向上する。

１０電池モジュール、１１電池、１２排気弁、１３冷却経路、１３ａ出口、１４モジュールケース、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ側壁、１５ａ，１５ｂ仕切板、１６フィルタ、１７開口、１８バッフル板

Claims

排気弁が設けられた電池を複数備える電池モジュールであって、
前記排気弁から噴出されるガスを冷却しつつ、モジュールの外部に導くための冷却経路を備え、
前記冷却経路は、経路出口における前記ガスの温度Ｔ（℃）が５００℃以下となるように形成され、
前記冷却経路には、前記ガスに含まれる噴出物のサイズを制限する、開口サイズＡ（ｍｍ）が３．５ｍｍ以下のフィルタ、および前記開口サイズＡ（ｍｍ）が３．５ｍｍ以下相当であるバッフル板の少なくとも一方が設置されており、
前記冷却経路は、下記式１の条件に基づいて形成されている、電池モジュール。
式１：Ｔ≦３５０－｛Ｌｎ（Ａ／３．５）｝／０．００８
前記フィルタは、メッシュ、パンチングメタル、または多孔質部材により構成されている、請求項１に記載の電池モジュール。
前記フィルタは、複数の開口を有し、
前記各開口の内接円の直径は、前記開口サイズＡに相当し、０．０５ｍｍ～３．５ｍｍである、請求項１または２に記載の電池モジュール。
排気弁が設けられた電池を複数備える電池モジュールであって、
前記排気弁から噴出されるガスを冷却しつつ、モジュールの外部に導くための冷却経路を備え、
前記冷却経路は、経路出口における前記ガスの温度Ｔが５００℃以下、当該出口から排出される前記ガス中の噴出物の直径Ｂが３．５ｍｍ以下となるように、下記式２の条件に基づいて形成されている、電池モジュール。
式２：Ｂ≦３．５ｅ^{｛０．００８（３５０－Ｔ）｝}