JPWO2012017586A1 - 電池モジュール - Google Patents

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Abstract

複数の電池100がケース20内に収容され、電池100は、電池内で発生したガスを電池外に放出する開放部8aを有し、ケース20は、複数の電池100を収容する収容部50と、電池100の開放部8aから放出されるガスをケース20外に排気する排気経路60とに区画され、電池100の開放部8aは、密閉された接続経路40によって、排気経路60に連通し、接続経路40中またはその一端に、電池100の開放部8aから排気経路60の方向にのみ開放される一方向開放弁70が配置されている。

Description

本発明は、複数の電池がケース内に収容された電池モジュールに関する。
複数の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パックは、種々の機器、車両等の電源として広く使用されている。また、汎用的な電池を並列・直列接続して、所定の電圧及び容量を出力する組電池をモジュール化し、この電池モジュール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。このモジュール化技術は、電池モジュールに収容する電池を高性能化することによって、電池モジュール自身の小型・軽量化が図られるため、電池パック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。
一方、電池モジュールに収容する電池の高性能化に伴い、電池単体の安全性確保に加え、複数の電池が集合した電池モジュールにおける安全性確保も重要になってくる。特に、電池内での内部短絡等による発熱でガスが発生し、安全弁が作動して高温ガスが電池外に放出された場合、周辺の電池が高温ガスに曝されると、正常な電池にまで影響を与え、連鎖的な劣化を引き起こすおそれがある。
このような問題に対して、特許文献1には、複数の電池を収容しているケースを、区画壁によって、電池を収容する電池室と、電池から放出される高温ガスを排気する排出室とに区画するとともに、電池の安全弁の開口部を排気室に連通させた構成の排気機構を備えた電源装置が記載されている。排気機構をこのように構成することによって、電池の安全弁から放出される高温ガスを電池室に流入させることなく排気室に流入させて、ケースの排出口からケース外に排出させることができる。これにより、電池室に高温ガスが充満することで周辺の電池が高温状態に曝されることを防止でき、正常な電池に与える影響を低減することができる。
特開2007−27011号公報
特許文献1に記載された排気機構は、排気室を密閉構造にすることによって、電池の開口部から排出室に流入したガスが、再び電池室に流入するのを防止できるため、正常な電池の連鎖的な劣化を低減できる点では優れている。
しかしながら、特許文献1に記載された技術においては、電池の安全弁の開口部が貫通部を介して排気室と連通しているため、排出室に流入した高温ガスが、他の貫通部を介して周辺の電池に接触することによって、正常な周辺電池に熱的影響を及ぼすおそれがある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、電池内で発生したガスを外部に排気する排気経路を備えた電池モジュールにおいて、電池から放出された高温ガスが、排気経路を介して周辺の電池に接触することを防止した安全性の高い電池モジュールを提供することにある。
上記課題を解決するために、本願発明の電池モジュールは、各電池毎に、電池内で発生したガスを放出する開放部を、密閉された接続経路によって、電池の開放部から放出されたガスを外部に排気する排気経路に連通させ、各接続経路中またはその一端に、電池の開放部から排気経路の方向にのみ開放される一方向開放弁を配置した構成を採用する。
すなわち、本発明に係る電池モジュールは、複数の電池がケース内に収容された電池モジュールであって、電池は、電池内で発生したガスを電池外に放出する開放部を有しており、ケースは、複数の電池を収容する収容部と、電池の開放部から放出されるガスをケース外に排気する排気経路とに区画されており、電池の開放部は、密閉された接続経路によって、排気経路に連通されており、接続経路中またはその一端に、電池の開放部から排気経路の方向にのみ開放される一方向開放弁が配置されている。
このような構成により、電池の開放部から放出された高温ガスによって、一方向開放弁が開放されたとき、接続経路を介して排気経路に流入した高温ガスは、他の接続経路(一方向開放弁は閉塞)を介して周辺の電池に接触することはなく、ケース外に排出されるため、周辺電池への熱的影響を低減することができる。
本発明によれば、電池モジュール内に収容された電池が異常時にガスを放出したときでも、排気経路に流入した高温ガスを、周辺電池に接触させることなく、外部に排出することができ、安全性の高い電池モジュールを実現することができる。
本発明の第1の実施形態における電池モジュールに使用する電池の構成を模式的に示した断面図である。 (a)は、第1の実施形態における電池モジュールの構成を模式的に示した断面図で、(b)は、その部分拡大図である。 (a)は、第1の実施形態の変形例における電池モジュールの構成を模式的に示した断面図で、(b)は、その部分拡大図である。 (a)は、第1の実施形態の他の変形例における電池モジュールの構成を模式的に示した断面図、(b)は、その部分拡大図、(c)は、(a)のA−A線に沿った断面図である。 (a)は、図4(a)の電池モジュールにおける一方向開放弁の開放姿勢を示した断面図で、(b)は、開放姿勢の一方向開放弁の側面図である。 第1の実施形態の他の変形例における電池モジュールの構成を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態の他の変形例における電池モジュールの構成を模式的に示した断面図である。 (a)〜(d)は、平板を配線基板として用いた場合の電池モジュールの構成を示した分解斜視図である。 図8(a)〜(d)の組立後の電池モジュールの斜視図である。 (a)〜(e)は、平板を配線基板として用いた場合の電池モジュールの他の構成を示した分解斜視図である。 図10(a)〜(e)の組立後の電池モジュールの斜視図である。
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。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態における電池モジュールに使用する電池100の構成を模式的に示した断面図である。
本実施形態の電池モジュールに使用する電池100は、例えば、図1に示すような、円筒形のリチウムイオン二次電池を採用することができる。一般的に、リチウムイオン二次電池は、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。以下、図1を参照しながら、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1と負極2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(図示せず)とともに、電池ケース7に収容されている。電極群4の上下には、絶縁板9、10が配され、正極1は、正極リード5を介してフィルタ12に接合され、負極2は、負極リード6を介して負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、金属製の排気弁14に接合されている。さらに、排気弁14は、正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、排気弁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。
電池100に内部短絡等が発生して、電池100内の圧力が上昇すると、排気弁14が端子板8に向かって膨れ、インナーキャップ13と排気弁14との接合がはずれると、電流経路が遮断される。さらに、電池100内の圧力が上昇すると、排気弁14が破断する。これによって、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、排気弁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、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。また、電池100内で発生したガスを電池外に放出する開放部8aは、図1に示した位置に限定されず、例えば、端子板8の突出部の中央に設けられていてもよい。
図2(a)は、本実施形態における電池モジュール200の構成を模式的に示した断面図で、図2(b)は、その部分拡大図である。
図2(a)に示すように、電池モジュール200は、複数の電池100がケース20内に収容された構成を有している。なお、各電池100は、ケース20の底部23に形成されたリブ24によって、規制された位置に固定されている。また、電池100は、図1に示したように、電池100内に発生したガスを電池外に放出する開放部8aを備えている。
ケース20は、複数の電池100の一端側(本実施形態では、正極端子8側)に配設された平板30によって、複数の電池100を収容する収容部50と、電池100の開放部8aから放出されるガスを、ケース20外に排気する排気経路60とに区画されている。
そして、図2(b)に示すように、電池100の開放部8aは、密閉された接続経路40によって、排気経路60に連通している。本実施形態では、開放部8aが、電池100の突出部(端子板)8に設けられており、平板30は、電池100の突出部8が、平板30に形成された貫通孔に挿入された状態で、電池100の突出部8周囲の電池ケースに当接して配設されている。そして、平板30の貫通孔が、接続経路40を構成しており、接続経路40中に、電池100の開放部8aから排気経路60の方向にのみ開放される一方向開放弁70が配置されている。
電池100の開放部8aと排気経路60とを連通する接続経路40は、平常時は一方向開放弁70により閉塞されており、異常時に電池100の開放部8aからガスが放出されることで一方向開放弁70が開放される。また、平板30は、電池100の一端部に密着して配設されるため、接続経路40は、平板30により密閉状態になっている。従って、電池100の開放部8aから放出された高温ガスによって、一方向開放弁70が開放されたとき、接続経路40を介して排気経路60に流入した高温ガスは、他の接続経路40(一方向開放弁70は閉塞)を介して周辺の電池100に接触することはなく、ケース20に設けられた排出口22よりケース20外に排出される。
なお、平板30は、電池100の一端部に密着して配設されるため、収容部50も、平板30により密閉状態になっている。そのため、電池100の開放部8aから接続経路40を介して排気経路60に流入した高温ガスが再び収容部50に流入することはない。
図2(b)を参照して、本実施形態における一方向開放弁70の構成を説明する。
図2(b)に示すように、電池100の開放部8aと排気経路60を接続する接続経路40は、一方向開放弁70によって閉塞されている。一方向開放弁70が閉塞している状態において、接続経路40の電池100側と排気経路60側とは、一方向開放弁70により遮断されている。
本実施形態において、接続経路40は、平板30に形成された貫通孔によって構成されており、接続経路40の内側面の一部は、電池100側に向けて錐状に形成されたテーパ部を有している。また、一方向開放弁70は、接続経路40のテーパ部に対応した形状を有する錐状に形成されており、接続経路40のテーパ部に当接あるいは圧入されて配設されている。これにより、一方向開放弁70は排気経路60側にのみ開放することが可能な構造になっている。
一方向開放弁70は、異常時に電池100の開放部8aからガスが放出され、異常電池100における接続経路40の電池100側の圧力が排気経路60側よりも高まることにより開放される。このとき、異常電池100から放出されたガスは、接続経路40を介して排気経路60内に流入するため、周辺の電池100における接続経路40の排気経路60側の圧力は電池100側の圧力より高くなり、一方向開放弁70は開放することなく閉塞状態を保つ。
従って、電池モジュール200に収容されたいずれかの電池100が異常時にガスを放出した場合、ガスを放出した電池100における接続経路40中の一方向開放弁70が排気経路60側に開放され、異常電池100から放出されたガスは、接続経路40を介して、排気経路60に流入する。この際、周辺の電池100における接続経路40中の一方向開放弁70は、閉塞状態を保つため、排気経路60に流入したガスは、周辺の電池100に接触することなく、排出口22からケース20外に排出される。これにより、異常電池100から放出された高温ガスが、周辺の電池100に及ぼす熱的影響を低減することができる。
ここで、本発明における「一方向開放弁70」は、一方向開放弁70が配された接続経路40における電池100側の圧力と排気経路60側の圧力の差によって、電池100の開放部8aから排気経路60の方向にのみ開放されるように規制された開放弁を意味し、その具体的な構成は特に制限されない。なお、接続経路40における電池100側の圧力及び排気経路60側の圧力は、異常時に電池100の開放部8aから放出されるガスの圧力によって規制される。また、一方向開放弁70が接続経路40に配される位置は特に制限されず、例えば、図2(b)に示したように、接続経路40中に配する代わりに、接続経路40の一端(電池100側または排気経路60側の一端)に配してもよい。
また、本発明における「接続経路40」は、電池100の開放部8aと排気経路60とを、各電池100毎に独立し、かつ、密閉状態で通連するものであれば、その構成は特に制限されない。また、接続経路40は、排気経路60と一体的に形成されたもの、あるいは、電池100の本体と一体的に形成されたものであってもよい。
なお、本実施形形態において、図2(a)に示したように、電池100の突出部(正極端子)8の周囲の電池ケースに当接して配設された平板30によって、電池100の収容部50と排気経路60とを区画するとともに、電池100の突出部8が挿入された平板30の貫通孔を接続経路40とすることによって、収容部50を排気経路60から密閉状態にするとともに、接続経路40を密閉状態にすることができる。
(第1の実施形態の変形例)
図3(a)は、第1の実施形態の変形例における電池モジュール210の構成を模式的に示した断面図で、図3(b)は、その部分拡大図である。本変形例では、図2(a)に示した一方向開放弁70の他の形態を示し、電池モジュール200の他の構成は同じである。
図3(a)に示すように、ケース20は、複数の電池100の一端側に配設された平板30によって、電池100を収容する収容部50と、電池100の開放部8aから放出されるガスを排気する排気経路60とに区画されている。
そして、図3(b)に示すように、電池100の突出部8が、平板30に形成された貫通孔に挿入された状態で、電池100の突出部8周囲の電池ケースに当接して配設されており、平板30の貫通孔が、電池100の開放部8aと排気経路60とを連通する接続経路40を構成している。
平板30の排気経路60側の面には、平板30の貫通孔を塞いだ状態で、板状部材70が当接されており、板状部材70には、貫通孔の周辺であって、平板30に当接した部位に薄肉部71が形成されている。本変形例では、この薄肉部71が一方向開放弁を構成している。
すなわち、異常時に電池100の開放部8aからガスが放出され、異常電池100における接続経路40の電池100側の圧力が排気経路60側よりも高まり、板状部材70に所定の圧力が作用することで薄肉部71が破断して、一方向開放弁が開放される。このとき、異常電池100から放出されたガスは、接続経路40を介して排気経路60内に流入するため、周辺の電池100における接続経路40の排気経路60側の圧力は電池100側の圧力より高くなるが、板状部材70に形成された薄肉部71は、平板30に当接した部位に形成されているため、板状部材70に所定の圧力が作用しても破断されることはない。従って、このように形成された薄肉部71は、電池100の開放部8aから排気経路60の方向にのみ開放される一方向開放弁を構成することができる。
ここで、薄肉部71は、平板30に当接した部位であれば、板状部材70の両面に形成されていても、あるいは、片面のみに形成されていてもよい。また、形成する薄肉部71の形状(例えば、リング状、直線状等)や、個数等も特に制限されない。
図4(a)は、第1の実施形態の他の変形例における電池モジュール220の構成を模式的に示した断面図、図4(b)は、その部分拡大図、図4(c)は、図4(a)のA−A線に沿った断面図である。なお、本変形例では、図3(a)に示した一方向開放弁70の他の形態を示し、電池モジュール210の他の構成は同じである。
本変形例における一方向開放弁は、図3(a)、(b)に示した薄肉部71において、その一部に難破断部72をさらに設けた構成からなる。
すなわち、図4(b)、(c)に示すように、板状部材70に形成された薄肉部71の一部に難破断部72が設けられている。この難破断部72は、例えば、図4(c)に示すように、板状部材70の電池100側の面にはリング状の薄肉部71を形成し、板状部材70の排気経路60側の面には、その一部が欠けた半リング状の薄肉部71を形成することによって形成することができる。
一方向開放弁を、このような形状の薄肉部71で構成すると、電池100の開放部8aから異常時にガスが放出された場合、薄肉部71が破断し、一方向開放弁が排気経路60側に開放されるが、薄肉部71の一部に難破断部72を設けているため、図5(a)に示すように、一方向開放弁は板状部材70から完全に分離することなく、特定の方向に傾斜した開放姿勢となる。従って、この開放姿勢を、電池100の開放部8aから接続経路40を介して排気経路60に放出されるガスを、排気経路60の排出口22の方向に整流する方向に傾斜させることによって、電池100の開放部8aから放出されたガスをケース20外にすみやかに排出することができる。これにより、周辺電池100に与える熱的影響をより低減することが可能となる。なお、この開放姿勢は、薄肉部71及び難破断部72の形状、位置等により規制することができる。
なお、図5(b)に示すように、一方向開放弁となる板状部材70の部位の電池100側の面70aに、排気経路60の排出口22の方向に平行な部材70b(例えば、突条部材)を設けておけば、開放時に、部材70bによってさらに整流作用を付加することができるため、ガスをケース20外によりすみやかに排出することができる。
図6は、第1の実施形態の他の変形例における電池モジュール230の構成を模式的に示した断面図である。なお、本変形例では、図3(a)に示した接続経路40の他の形態を示し、電池モジュール210の他の構成は同じである。
図6に示すように、平板30には、複数の中空部材30aが形成されており、中空部材30aの内周部は、電池100の電池ケースの外周部に嵌合されている。そして、本変形例では、中空部材30aが、接続経路40を構成している。ここで、中空部材30aは、平板30と一体的に形成しても、あるいは、貫通孔を有する平板30に、中空部材30aを接合させて形成してもよい。
図7は、第1の実施形態の他の変形例における電池モジュール240の構成を模式的に示した断面図である。なお、本変形例では、図3(a)に示した接続経路40の他の形態を示し、電池モジュール210の他の構成は同じである。
図7に示すように、電池100の突出部8bは、その一端が開放された状態で延伸して、平板30の貫通孔内に嵌合されている。そして、本変形例では、突出部8bが、接続経路40を構成している。ここで、突出部8bは、正極端子を兼ねたものであってもよく、この場合、突出部8bの一端は開放されているため、図1に示したような開放部8aを設ける必要がなくなる。
ところで、第1の実施形態では、電池100を収容する収容部50と、電池100の開放部8aから放出されるガスを排気する排気経路60とを、ケース20内に配された平板30によって区画したが、この平板30を、電池モジュールを構成する複数の電池100を電気的に接続する機能を備えた配線基板で構成してもよい。
図8(a)〜(d)は、平板30を配線基板で構成した場合の電池モジュールの構成を示した分解斜視図で、図9は、組立後の電池モジュール300の斜視図である。なお、本変形例において説明する電池100の接続構造は、第1の実施形態において説明した排気機構を何ら制限するものでない。
図8(b)に示すように、配線基板30には、貫通孔40が形成され、配線基板30の表面には、正極接続体31と負極接続体32とが形成されている。また、正極接続体31には、貫通孔40と同じ位置に開口部40aが形成されている。電池100の正極端子8の突起部は、配線基板30の貫通孔40に挿入されて、配線基板30に形成された正極接続体31に接続されている。また、電池100の負極端子(電池ケースの底部)は、負極バスバー33で並列接続されており、負極バスバー33の一部から延伸した導通部34を介して、配線基板30に形成された負極接続体32に接続されている。これにより、各電池100は、配線基板30に形成された正極接続体31及び負極接続体32によって並列接続される。正極接続体31の端部31a及び負極接続体32の端部32aは、図9に示すように、ケース20の蓋21に形成された排出口22からケース20の外側に露出しており、電池モジュール300の外部端子となる。
なお、本変形例における接続経路40は、配線基板30の貫通孔40及び正極接続体31の開口部40aで構成される。
図10(a)〜(e)は、平板30を配線基板で構成した場合の電池モジュールの他の構成を示した分解斜視図で、図11は、組立後の電池モジュール310の斜視図である。
本変形例では、図10(c)に示すように、複数の電池100を一例に配列した組電池110を、複数個並列に配列したもので、各電池100の接続構造は、図8(b)、(c)で示した構造と同じである。ただし、隣接する組電池110同士は、図10(b)に示した正極接続体31と負極接続体32とを接続することによって、直列接続がなされている。
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては、電池モジュールを構成する電池100をリチウムイオン二次電池としたが、これ以外の二次電池(例えばニッケル水素電池)であってもよい。また、電池100は、円筒形電池だけでなく、角形電池やラミネート電池であってもよい。
また、一方向開放弁は、可逆弁であってもよい。例えば、樹脂やゴム、金属コイル等の弾性体により、開放弁に作用する圧力が所定値以下になると密閉状態を回復する構成としてもよく、あるいは、開放弁に形状記憶合金を用い、高温ガス通過後に冷却され所定の形状を回復するような構成としてもよい。
本発明における電池モジュールは、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の携帯用電子機器の電源として、あるいは、電動工具、電気自動車等の駆動用電源等に好適に用いられる。
1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 電極群
5 正極リード
6 負極リード
7 電池ケース
8 端子板(正極端子)
8a 開放部
8b 突出部
9、10 絶縁板
11 ガスケット
12 フィルタ
12a、13a 貫通孔
13 インナーキャップ
14 排気弁
20 ケース
21 蓋
22 排出口
23 底部
24 リブ
30 平板(配線基板)
30a 中空部材
31 正極接続体
31a 正極接続体の端部
32 負極接続体
32a 負極接続体の端部
33 負極バスバー
34 導通部
40 接続経路(貫通孔)
40a 開口部
50 収容部
60 排気経路
70 一方向開放弁(板状部材)
70b 部材
71 薄肉部
72 難破断部
100 電池
110 組電池
200、210、220、230、240 電池モジュール
300、310 電池モジュール

Claims (8)

  1. 複数の電池がケース内に収容された電池モジュールであって、
    前記電池は、該電池内で発生したガスを電池外に放出する開放部を有しており、
    前記ケースは、前記複数の電池を収容する収容部と、前記電池の開放部から放出されるガスを前記ケース外に排気する排気経路とに区画されており、
    前記電池の開放部は、密閉された接続経路によって、前記排気経路に連通されており、
    前記接続経路中またはその一端に、前記電池の開放部から前記排気経路の方向にのみ開放される一方向開放弁が配置されている、電池モジュール。
  2. 前記ケースは、該ケース内に配設された平板によって、前記収容部と前記排気経路とに区画されている、請求項1に記載の電池モジュール。
  3. 前記開放部は、前記電池の突出部に設けられており、
    前記平板は、前記電池の突出部が、前記平板に形成された貫通孔に挿入された状態で、前記電池の突出部周囲の電池ケースに当接して配設されており、
    前記貫通孔が、前記接続経路を構成している、請求項2に記載の電池モジュール。
  4. 前記平板には、複数の中空部材が形成されており、
    前記中空部材の内周部は、前記電池の電池ケースの外周部に嵌合されており、前記中空部材が、前記接続経路を構成している、請求項2に記載の電池モジュール。
  5. 前記電池の突出部は、その一端が開放された状態で延伸して、前記平板の貫通孔内に嵌合されており、前記突出部が、前記接続経路を構成している、請求項2に記載の電池モジュール。
  6. 前記平板の前記排気経路側の面に、前記平板の貫通孔を塞いだ状態で、板状部材が当接されており、
    前記板状部材には、前記貫通孔の周辺であって、前記平板に当接した部位に薄肉部が形成されており、該薄肉部が前記一方向開放弁を構成している、請求項2に記載の電池モジュール。
  7. 前記板状部材の前記平板に当接した部位には難破断部がさらに形成されており、
    前記一方向開放弁は、開放されたときの姿勢が、前記電池の開放部から前記接続経路を介して前記排気経路に放出されるガスを、該排気経路の排出口の方向に整流する方向をなす、請求項6記載の電池モジュール。
  8. 前記平板は、前記複数の電池の電極を電気的に接続する接続体が形成された配線基板で構成されている、請求項2に記載の電池モジュール。
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