JPWO2013161292A1 - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の電池を備えた電池ブロックが複数連結された電池モジュールにおいて、電池ブロック間の強度を高めるとともに、不具合を生じた電池から放出された高温ガスを、安全に電池モジュール外に排出することのできる電池モジュールを提供する。本発明の電池モジュールは、複数の電池ブロック（２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ）が連結された電池モジュール（３００）であって、電池は、電池内で発生したガスを排出する開放部を有し、電池ブロックは、複数の電池を収容するホルダと、電池に当接して配設された平板とを有し、平板の上方に、隣接する電池ブロック間を跨ぐ複数の蓋体（５０Ａ，５０Ｂ）が配設されており、蓋体と平板との空間に、電池の開放部から排出されるガスを、電池モジュール外に排出する排気ダクトが形成されている。

Description

本発明は、複数の電池を備えた電池ブロックが複数連結された電池モジュールに関する。

複数の電池を接続して、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・軽量化を図ることができる。

一方、電池モジュールに収容する電池の高性能化に伴い、電池自身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、周辺の電池が、異常電池から放出された高温ガスに曝させるのを防止できるため、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

電池モジュールを種々組み合わせることによって、用途に応じた電圧及び容量を得ることができるが、よりフレキシブルな対応を可能にするために、複数の電池を備えた電池ブロックを複数連結して電池モジュールを構成することが考えられる。これにより、用途に応じた電圧及び容量を得るための電池モジュール自体の構成も、より多様化できる。

しかしながら、複数の電池ブロックを連結して電池モジュールを構成した場合、電池ブロック間で位置ズレが生じると、電池ブロック間の連結強度が低下し、その結果、電池モジュール自体の強度低下を招く。また、隣り合う電池ブロック間において、排気室同士の連結に隙間が生じ、その隙間から高温ガスが外に排出されるおそれがある。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その主な目的は、複数の電池を備えた電池ブロックが複数連結された電池モジュールにおいて、電池ブロック間の強度を高めるとともに、不具合を生じた電池から放出された高温ガスを、安全に電池モジュール外に排出することのできる電池モジュールを提供することにある。

本発明に係る電池モジュールは、複数の電池を備えた電池ブロックが複数連結された電池モジュールにおいて、電池ブロックは、複数の電池を収容するホルダと、複数の電池に当接して配設された平板とを有し、連結された電池ブロックにおいて、平板の上方に、隣接する電池ブロック間を各々跨ぐ複数の蓋体が、互いに接続して配設された構成を採用する。

ここで、電池は、電池内で発生したガスを電池外に排出する開放部を有し、接続された複数の蓋体と、各電池ブロックの平板との空間に、電池の開放部から排出されるガスを、電池モジュール外に排出する排気ダクトが形成されている。

ある好適な実施形態において、複数の蓋体は、平板の上方に配設された第２の蓋体を介して、互いに接続して配設されている。

ある好適な実施形態において、各蓋体は、各電池ブロックのホルダの側部に固定されている。

本発明によれば、複数の電池を備えた電池ブロックが複数連結された電池モジュールにおいて、電池ブロック間の強度を高めるとともに、不具合を生じた電池から放出された高温ガスを、安全に電池モジュール外に排出することのできる電池モジュールを実現することができる。

本発明の一実施形態における電池ブロックを構成する電池の断面図である。 本発明の一実施形態における電池ブロックの分解斜視図である。 本発明の一実施形態における電池ブロックの斜視図である。 本発明の一実施形態における電池モジュールの分解斜視図である。 本発明の一実施形態における電池モジュールの斜視図である。 本発明の一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側面図である。 本発明の一実施形態における蓋体の構成を示した斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、従来の電池モジュールの構成を模式的に示した側面図である。 本発明の一実施形態における電池モジュールの部分断面図である。 本発明の他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側面図である。 本発明の他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側面図である。 本発明の他の実施形態における蓋体の構成を示した斜視図である。 本発明の他の実施形態におけるホルダの構成を示した斜視図である。

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。

図１は、本発明の一実施形態における電池ブロックに使用する電池１００の構成を示した断面図である。なお、本発明の電池ブロックに使用する電池１００は、ノート型パソコン等の携帯用電子機器の電源として単体でも使用できる電池であってもよい。この場合、高性能の汎用電池を、電池ブロックの電池として使用することができるため、電池ブロックの高性能化、低コスト化をより容易に図ることができる。

なお、本発明において、「電池ブロック」とは、複数の電池が配列してホルダ内に収容された集合体をいい、組電池、電池パック等と区別されるものではない。

本発明の電池ブロックに使用する電池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用いることができる。このリチウムイオン二次電池は、通常の構成をなすもので、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。なお、本発明の電池ブロックに使用される電池１００は、以下の実施形態に限定されない。

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（不図示）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、金属製の弁体１４に接合されている。さらに、弁体１４は、正極端子を兼ねる端子板（電極部）８に接続されている。そして、端子板８、弁体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、弁体１４が端子板８に向かって膨れ、インナーキャップ１３と弁体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、弁体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、弁体１４の裂け目、そして、端子板（電極部）８の開放部８ａを介して、外部へ排出される。

なお、本実施形態において、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。

図２及び図３は、本発明の一実施形態における電池ブロック２００の分解斜視図、及び電池ブロック２００の斜視図である。

図２に示すように、複数の電池１００が千鳥状に配置されており、各電池１００は、個々に、中空筒状のパイプホルダ２０の収容部２０ａに収容されている。なお、複数のパイプホルダ２０は、互いに集合、固着されて、電池１００を収容するホルダ２２を構成している。電池１００が円筒形電池である場合、ホルダ２２の側壁は、電池１００の側面に沿って、軸方向に伸びる湾曲状の側面を有している。また。ホルダ２２の側壁には、隣接する電池１００の境界に対応する部位に、複数の溝部２１が形成されている。

パイプホルダ２０の内周面は、電池１００の外周面と略同一形状をなし、パイプホルダ２０の収容部２０ａに収容された電池１００の外周面は、収容部２０ａの内周面と当接している。これにより、パイプホルダ２０を、例えば、アルミニウム等の熱伝導性の高い材料で構成しておけば、電池１００からの発熱を、効率よくパイプホルダ２０に放熱させることができる。

電池１００の正極端子８側には、絶縁性のスペーサ３０を介して、正極板３１が配置されている。スペーサ３０には、各電池１００の正極端子８に対応する位置に、開口部３０ａが形成されている。正極板３１には、接続端子３１ａが形成されており、各接続端子３１ａは、スペーサ３０の各開口部３０ａを介して、各電池１００の正極端子８にそれぞれ接続されている。これにより、電池ブロック２００を構成する複数の電池１００は、電気的に並列接続している。

また、電池１００の負極端子（電池ケース７の底部）側には、絶縁性のスペーサ４０を介して、負極板４１が配置されている。なお、負極板４１は、各電池１００の負極端子を電気的に並列接続している。

次に、図４〜図６を参照しながら、本実施形態における電池モジュール３００の構成を説明する。ここで、図４は、電池モジュール３００の分解斜視図、図５は、電池モジュール３００の斜視図、図６は、電池モジュール３００の構成を模式的に示した側面図である。

図４〜図６に示すように、電池モジュール３００は、複数の電池を備えた電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃが複数連結されている。連結された電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃにおいて、各正極板３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃの上方に、隣接する電池ブロック（２００Ａ、２００Ｂ）、（２００Ｂ、２００Ｃ）間を各々跨ぐ複数の蓋体５０Ａ、５０Ｂが、互いに接続して配設されている。

なお、電池モジュール３００の端部に位置する電池ブロック２００Ａ、２００Ｂには、蓋体５０Ａ、５０Ｂにそれぞれ接続する蓋体５１Ａ、５１Ｂが配設されている。これらの蓋体５１Ａ、５１Ｂは、電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ側に跨る蓋体５０Ａ、５０Ｂの長さの不足分を補うもので、電池ブロック間を跨るものではない。

ここで、蓋体５０Ａ、５０Ｂ（蓋体５１Ａ、５１Ｂも含む）は、各電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃのホルダ２２の側部に固定されている。なお、蓋体５０Ａ、５０Ｂ（蓋体５１Ａ、５１Ｂも含む）の固定方法は、特に制限されないが、例えば、図７に示すように、蓋体５０の側面５１を湾曲状に形成して、蓋体５０の側面５１の内壁を、ホルダ２２の側壁に嵌合させて固定することができる。あるいは、ホルダ２２以外の部位、例えば、スペーサ３０に固定してもよい。また、蓋体の固定方法は、例えば、接着材を用いた接着固定や、溶接による接合などで固定しても良い。さらに、隣接する蓋体５０同士を、例えば、接着剤や溶接等で接着や接合させてもよい。

本実施形態における電池モジュール３００では、図５に示すように、正極板３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃの上方に配設された蓋体５０Ａ、５０Ｂ（蓋体５１Ａ、５１Ｂも含む）は、隙間なく接続されている。

ところで、図８（ａ）に示すように、電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ毎に、蓋体８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃを配設した電池モジュールでは、電池ブロック（２００Ａ、２００Ｂ）、（２００Ｂ、２００Ｃ）間で位置ズレが生じると、電池ブロック（２００Ａ、２００Ｂ）、（２００Ｂ、２００Ｃ）間の連結強度が低下し、その結果、電池モジュール自体の強度低下を招く。

また、図８（ｂ）に示すように、電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃに、共通の蓋体９０を配設すれば、電池ブッロク間の強度低下を抑制することができる。しかしながら、連結する電池ブロックの数によって、蓋体９０の大きさを変更する必要があり、用途に応じたフレキシブルな対応が難しい。また、電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃに比べて、蓋体９０が大きくなり、電池モジュールを構成する部品として、取り扱いが難しくなる。

本実施形態における電池モジュール３００では、正極板３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃの上方に、隣接する電池ブロック（２００Ａ、２００Ｂ）、（２００Ｂ、２００Ｃ）間を各々跨ぐ複数の蓋体５０Ａ、５０Ｂが、互いに接続して配設されているため、電池ブロック（２００Ａ、２００Ｂ）、（２００Ｂ、２００Ｃ）間の連結強度を高めることができる。また、電池ブロック（２００Ａ、２００Ｂ）、（２００Ｂ、２００Ｃ）間の整列も、容易になる。さらに、蓋体５０Ａ、５０Ｂは、電池モジュールの大きさ（電池ブロックの数）に関係なく、一定の大きさにすることができるため、用途に応じたフレキシブルな対応が可能となる。加えて、蓋体５０Ａ、５０Ｂは、電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃと、ほぼ同じ大きさにすることができるため、電池モジュールを構成する部品として、取り扱いも容易になる。加えて、蓋体５０Ａ、５０Ｂを、熱伝導性の高い材料（例えば、金属材料）で構成すれば、電池ブロック（２００Ａ、２００Ｂ）、（２００Ｂ、２００Ｃ）間の温度を均一化することができ、電池特性のバラツキを抑制することができる。

図９は、本実施形態における電池モジュール３００の部分断面図である。

図９に示すように、隣接する電池ブロック２００Ｍ、２００Ｎにおいて、正極板３１の上方に、電池ブロック２００Ｍ、２００Ｎ間を跨ぐ蓋体５０Ｑが配設されている。なお、電池ブロック２００Ｍと、これに隣接する他の電池ブロック（不図示）間に跨る蓋体５０Ｐが、蓋体５０Ｑに接続して配設されている。同様に、電池ブロック２００Ｎと、これに隣接する他の電池ブロック（不図示）間に跨る蓋体５０Ｒが、蓋体５０Ｑに接続して配設されている。

接続された複数の蓋体５０Ｐ、５０Ｑ、５０Ｒと、各電池ブロック２００Ｍ、２００Ｎの正極板３１との空間には、電池１００の開放部８ａから排出されるガスを、電池モジュール３００外に排出する排気ダクト７０が形成されている。

本実施形態における電池モジュール３００では、正極板３１の上方に配設された蓋体５０Ｐ、５０Ｑ、５０Ｒは、隙間なく接続されているため、例えば、異常を発生した電池１００Ａの開放部８ａから排気ダクト７０に排出された高温ガスは、電池ブロック２００Ｍ、２００Ｎの連結部から外に漏れることなく、電池モジュール３００の端部まで導かれて、電池モジュール３００外に排出される。

ここで、スペーサ３０及び正極板３１は、電池１００の電極部８側の一端に密着して配設されるため、収容部２０ａは、スペーサ３０及び正極板３１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から排気ダクト７０に排出されたガスは、再び、収容部２０ａに戻ることはない。これにより、不具合を生じた電池１００の異常発熱による周囲の電池１００への熱影響を最小限に抑制することができる。

本実施形態において、蓋体の大きさは特に制限はないが、例えば、複数の蓋体を、全て同じ大きさにすることによって、様々なアプリケーションに対応した電池モジュールに対して、排気ダクトの設計を共通化（プラットフォーム化）することができる。また、蓋体の大きさを、電池ブロックの大きさに合わせれば、最小の部品（蓋体）数で、排気ダクトを構成することができる。

図１０は、本発明の他の実施形態における電池モジュール３１０の構成を模式的に示した側面図である。

図１０に示すように、連結された電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃにおいて、正極板（不図示）の上方に、隣接する電池ブロック（２００Ａ、２００Ｂ）、（２００Ｂ、２００Ｃ）間を跨ぐ蓋体５０Ａ、５０Ｂが配設されている。この蓋体５０Ａ、５０Ｂの大きさは、電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃより小さい。そのため、蓋体５０Ａ、５０Ｂは、正極板（不図示）の上方に配設された第２の蓋体５２Ｂを介して、互いに接続して配設されている。なお、電池モジュール３００の端部に位置する電池ブロック２００Ａ、２００Ｂでは、蓋体５１Ａ、５１Ｂが、第２の蓋体５２Ａ、５２Ｃを介して、蓋体５０Ａ、５０Ｂに接続して配設されている。ここで、第２の蓋体５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃは、同じ大きさからなる。

本実施形態における電池モジュール３１０は、正極板（不図示）の上方に配設された蓋体５０Ａ、５０Ｂ（蓋体５１Ａ、５１Ｂも含む）が、第２の蓋体５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃを介して、隙間なく接続されている。そのため、異常が発生した電池から排気ダクト（不図示）に排出された高温ガスは、電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃの連結部から外に漏れることなく、電池モジュール３１０の端部から外部に排出される。

図１１は、本発明の他の実施形態における電池モジュール３２０の構成を模式的に示した側面図である。

本実施形態における電池モジュール３２０は、図６に示した蓋体５０Ａ、５０Ｂ（蓋体５１Ａ，５１Ｂを含む）に加え、電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃの下方（負極板の下方）にも、蓋体６０Ａ、６０Ｂ（蓋体６１Ａ、６１Ｂも含む）が配設されている。ここで、蓋体６０Ａ、６０Ｂは、蓋体５０Ａ、５０Ｂと同様に、隣接する電池ブロック（２００Ａ、２００Ｂ）、（２００Ｂ、２００Ｃ）間を跨いで配設されている。これにより、電池ブロック（２００Ａ、２００Ｂ）、（２００Ｂ、２００Ｃ）間の連結強度を、より高めることができる。加えて、蓋体６０Ａ、６０Ｂを、熱伝導性の高い材料（例えば、金属材料）で構成すれば、電池ブロック（２００Ａ、２００Ｂ）、（２００Ｂ、２００Ｃ）間の温度を、より均一化することができる。

蓋体６０Ａ、６０Ｂ（蓋体６１Ａ、６１Ｂも含む）と、電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃの負極板（不図示）との間にできる空間は、例えば、排気ダクト、配線ダクト等に利用することができる。排気ダクトとして利用する場合、電池ケースの底部に、電池内で発生したガスを電池外に排出する開放部を設けておけばよい。

図１２は、本発明の他の実施形態における蓋体５０の構成を示した斜視図である。

図１２に示すように、蓋体５０の側壁には、複数の固定軸５３が形成されている。この蓋体５０を、図３に示した電池ブロック２００に固定するには、蓋体５０の固定軸５３を、電池ブロック２００のホルダ２２の溝部２１に嵌合させて、固定することができる。固定軸５３は、別部品として形成し、蓋体５０に溶接、接着してもよく、また固定軸５３および蓋体５０を一体成形で作成してもよい。

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、複数の電池１００を収容するホルダ２２を、複数のパイプホルダ２０を集合して構成したが、図１３に示すように、複数の電池１００を収容する筒状の収容部２０ａを有するブロックで構成してもよい。

また、上記実施形態において、蓋体５０内に形成された排気ダクト７０は、図９に示したように、スペーサ３０及び正極板３１によって区画したが、これに限定されず、電池１００の電極部側の一端に当接して配設された平板によって区画されていてもよい。ここで、平板は、収容部２０ａを密閉状態にするものであれば、どのような形態であってもよい。例えば、平板を弾性部材で構成した場合、蓋体５０の側壁を平板の周縁部に押圧することによって、収容部２０ａの密閉性をより向上させることができる。

また、上記実施形態において、開放部８ａは電極部８に形成されていたが、これに限定されず、例えば、電池ケースの底部に形成されていてもよい。

ここで、本発明における「平板」は、必ずしも平坦な板に限定されず、例えば、電池ケース７の形状に応じた凹凸等があっても、全体的に平坦な板であればよい。また、この平板は配線基板として構成されていてもよい。

また、上記実施形態においては、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、上記実施形態では、複数の電池１００を、互いに千鳥状に配置したが、これ以外の配列であってもよい。

本発明は、自動車、電動バイク又は電動遊具等の駆動用電源として有用である。

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 正極端子（電極部）
８ａ 開放部
９、１０ 絶縁板
１１ ガスケット
１２ フィルタ
１３ インナーキャップ
１４ 弁体
２０ パイプホルダ
２０ａ 収容部
２１ 溝部
２２ ホルダ
３０ スペーサ
３１ 正極板
３１ａ 接続端子
４０ スペーサ
４１ 負極板
５０ 蓋体
５０Ａ、５０Ｂ 蓋体
５１Ａ、５１Ｂ 蓋体
５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ 第２の蓋体
５３ 固定軸
６０Ａ、６０Ｂ 蓋体
６１Ａ、６１Ｂ 蓋体
７０ 排気ダクト
１００ 電池
２００ 電池ブロック
２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ 電池ブロック
２００Ｍ、２００Ｎ 電池ブロック
３００、３１０、３２０ 電池モジュール

Claims (6)

1. 複数の電池を備えた電池ブロックが複数連結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排出する開放部を有し、
   前記電池ブロックは、
   前記複数の電池を収容するホルダと、
   前記複数の電池に当接して配設された平板と
   を有し、
   前記連結された電池ブロックにおいて、前記平板の上方に、隣接する電池ブロック間を各々跨ぐ複数の蓋体が、互いに接続して配設されており、
   前記接続された複数の蓋体と、各電池ブロックの前記平板との空間に、前記電池の開放部から排出されるガスを、前記電池モジュール外に排出する排気ダクトが形成されている、電池モジュール。
2. 前記複数の蓋体は、前記平板の上方に配設された第２の蓋体を介して、互いに接続して配設されている、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記各蓋体は、前記各電池ブロックのホルダの側部に固定されている、請求項１に記載の電池モジュール。
4. 前記複数の蓋体は、同じ大きさからなる、請求項１に記載の電池モジュール。
5. 前記ホルダは、各電池を収容した筒状のパイプホルダが、複数個集合して構成されている、請求項１に記載の電池ブロック。
6. 前記平板は、前記複数の電池を並列接続した配線基板で構成されている、請求項１に記載の電池ブロック。

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