JPWO2014132649A1 - 電池モジュール - Google Patents
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Abstract
電池モジュール10は、複数の電池11と、各電池11をそれぞれ収容する複数の収容部13を含む金属製又はセラミックス製の電池ケース12とを備える。電池モジュール10の収容部13の壁面13aと電池11との間には、断熱材15が設けられる。断熱材15は、収容部13の壁面13aと電池11との間の一部に設けられ、壁面13aと電池11との間に空気層16を形成する。
Description
本発明は、電池モジュールに関する。
リチウムイオン電池等の化学電池は、例えば、内部短絡等による異常な発熱を引き起こし、電池表面の温度が高温(例えば、300〜600℃)になる可能性がある。そのため、複数の電池を備えた電池モジュールには、種々の安全対策が施されている。
例えば、特許文献1には、短絡状態が検出されたときに正負電極出力端子をリレー等の外部短絡手段により短絡し、モジュール内に発熱が集中しないようにバイパス経路を設けた電池モジュールが開示されている。また、特許文献2には、熱を吸収して固体から液体に相変化する相変化媒体を充填した冷却スペーサーが電池に密接して配置された電池モジュールが開示されている。
しかし、特許文献1の技術では、一部の電池が異常発熱した場合に、システム全体が停止し、また異常発熱状態の電池に近接した正常な電池に対する熱影響が大きいという問題がある。一方、特許文献2の技術では、液状に相変化した媒体による汚染を防止するために排液設備が必要になるから、モジュールが大型化するという問題がある。
即ち、本発明の目的は、上記のような問題点を有さず、一部の電池に異常発熱が発生した場合に正常な電池に対する熱影響を抑制できる電池モジュールを提供することである。
本発明に係る電池モジュールは、複数の電池と、各電池をそれぞれ収容する収容部を含む金属製又はセラミックス製の電池ケースと、を備えた電池モジュールであって、収容部の壁面と電池との間に、断熱材が設けられ、断熱材は、収容部の壁面と電池との間の一部に設けられ、壁面と電池との間に空気層を形成することを特徴とする。
本発明に係る電池モジュールによれば、簡便な構造によって、一部の電池に異常発熱が発生した場合に正常な電池に対する熱影響を抑制することができる。
以下、本発明に係る実施形態を例示する。実施形態において参照する図面は、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比率などは、現物と異なる場合がある。具体的な寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
本明細書において「略**」とは、「略同一」を例に挙げて説明した場合には、全く同一はもとより、実質的に同一と認められるものを含む意図である。
図1〜図10を参照しながら、第1〜第3実施形態について詳説する。各実施形態における電池11は円筒型電池として説明するが、電池は円筒型に限定されず角型など他の形態であってもよい。以下では、説明の便宜上、方向を示す用語を使用する。電池11の軸方向に沿った方向を「上下方向」とし、電池11の正極端子11a側を「上」とする。また、図2の紙面縦方向を電池ケース12等の「縦方向」、紙面横方向を電池ケース12等の「横方向」とする(図2の紙面に垂直な方向が電池ケース12の上下方向)。
<第1実施形態>
図1〜図3に第1実施形態である電池モジュール10を示す。
図1は電池モジュール10の全体構成を示す分解斜視図である。図2は電池11が収容された電池ケース12を示す上面図、図3は電池11の軸方向に沿って電池ケース12を切断した断面(図2のAA線断面)の一部を示す図である。
図1〜図3に第1実施形態である電池モジュール10を示す。
図1は電池モジュール10の全体構成を示す分解斜視図である。図2は電池11が収容された電池ケース12を示す上面図、図3は電池11の軸方向に沿って電池ケース12を切断した断面(図2のAA線断面)の一部を示す図である。
電池モジュール10は、複数の電池11と、各電池11を収容する電池ケース12とを備える。電池ケース12は、上下方向に貫通する複数の貫通孔が形成されたブロック形状を有し、当該貫通孔が各電池11をそれぞれ収容する複数の収容部13となる。本実施形態では、電池ケース12が上面視において略矩形形状を呈し、横方向に長くなっている。電池ケース12では、20個の独立した収容部13が設けられているが、収容部13の数はこれに限定されない。また、電池ケース12では、複数の収容部13がケースの横方向に沿って列状に並んでいる。かかる列は、ケースの縦方向に3つ設けられ、中央の列が6個、両端の列が7個の収容部13からなる。中央の列の収容部13は、両端の列の2つの収容部13の間に形成され、隣接する各列の収容部13は千鳥状に配置されている。
電池ケース12には、後述のホルダー20,21を取り付けるための凹状部14を形成することが好適である。凹状部14は、例えば、電池ケース12の横方向両端部にそれぞれ形成される上下方向に延びた溝である。
収容部13となる貫通孔は、電池11の形状に合わせて丸孔とすることが好適である。貫通孔(収容部13)は、その直径(以下、「孔径」という)が電池11の直径よりもやや大きく、電池11を収容可能である。なお、収容部13の壁面13aと電池11との隙間には、後述の断熱材15が設けられる。本実施形態では、収容部13の長手方向長さ(以下、単に「長さ」という)と電池11の軸方向長さとが略同等である。
電池モジュール10は、電池ケース12に取り付けられるホルダー20,21を備えることが好適である。ホルダー20,21は、電池ケース12の横方向両端面を覆う程度の寸法を有する板状部材であって、一方の面に凸状部20a,21aがそれぞれ形成されている。ホルダー20,21は、凸状部20a,21aを電池ケース12側に向け、電池ケース12を挟んで互いに対向するように配置される。凸状部20a,21aは、電池ケース12の凹状部14に嵌合する形状を有し、電池ケース12の上方又は下方から各凹状部14に挿入される。
電池ケース12の上方には、各電池11の正極端子11aを接続する正極用接続部材22が設けられる。電池ケース12の下方には、各電池11の負極端子11bを接続する負極用接続部材23が設けられる。正極用接続部材22、負極用接続部材23は、図示しないビス等を用いてホルダー20,21に固定される。電池ケース12と正極用接続部材22、負極用接続部材23との間には、複数の電池11の各端子部分を露出させる孔が形成された板状の絶縁部材24,25が設けられている。絶縁部材24,25には、例えば、ガラス不織布にエポキシ樹脂(ガラスエポキシ)を含浸させた基板が用いられる。
正極用接続部材22は、第1プレート22aと第2プレート22bの積層体とすることが好適であり、第2プレート22bの接続体22cが溶接等により各電池11の正極端子11aに接続される。第1プレート22aには、外部接続端子22dが設けられており、例えば、隣接する電池モジュール10の負極側の外部接続端子23dに接続される。負極用接続部材23も、第1プレート23aと第2プレート23bの積層体とすることが好適である。第2プレート23bの接続体23cが溶接等により各電池11の負極端子11bに接続され、第1プレート23aの外部接続端子23dが、例えば、隣接する電池モジュール10の正極側の外部接続端子22dに接続される。
なお、各電池11には、例えば、正極端子11a側に図示しないガス排出弁が設けられている。電池ケース12には、正極端子11a側に図示しないダクトが設けられ、異常発熱等によりガスが発生した場合には、当該ダクトを通って高温のガスが排出される。なお、ガス排出弁は負極端子11b側に設けることもできる。ダクトは、ガス排出弁を覆うように設けられる。
以下、電池ケース12の構成、特に収容部13の構成について、さらに詳説する。
電池ケース12は、金属製又はセラミックス製の電池収容部材である。電池ケース12は、熱伝導率が150W/mK以上の金属又はセラミックで構成されることが好適である。熱伝導率が高い材料で電池ケース12を構成することにより、各電池11の均熱化を図ることができると共に、一部の電池11が異常発熱した場合に、その熱を外部に放熱し易くなる。電池ケース12は、高い熱伝導性に加えて、軽量性や材料コスト、機械的強度等の観点からアルミニウム製であることが好ましい。なお、アルミニウムは、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛、ニッケル等の他の金属元素を含有するアルミニウム合金であってもよい。
電池ケース12には、収容部13の壁面13aと電池11との間に断熱材15が設けられる。断熱材15は、各電池11に取り付けられてもよく、収容部13の壁面13aに取り付けられてもよい。断熱材15は、例えば、接着剤を用いて壁面13aに固定される。図2に示す例では、全ての収容部13において、壁面13aと電池11との間に断熱材15が設けられている。
断熱材15は、電池ケース12を構成する材料よりも熱伝導率が低く、且つ300℃で固体であり熱分解開始温度が300℃以上であることが好ましい。断熱材15の熱伝導率は、1W/mK以下であることが好ましい。なお、電池11には、絶縁のためにポリエチレンテレフタレート(PET)等の樹脂フィルムが装着されるが、当該フィルムは上記耐熱性を有さず、断熱材15として機能しない。
断熱材15は、一部の電池11が異常発熱した場合に、他の正常な電池11に対する熱影響を抑制して熱暴走を防止する役割を果たす。異常発熱により電池11の表面温度は300℃を超える場合があるから、断熱材15は、かかる高熱に曝されても断熱機能を発揮する必要がある。ゆえに、断熱材15は、少なくとも300℃、好ましくは400℃、より好ましくは500℃で固体であり、高温下においても流動せず壁面13aと電池11との間に留まることが要求される。
断熱材15の熱分解開始温度は、少なくとも300℃であり、好ましくは400℃以上、より好ましくは500℃以上である。熱分解開始温度は、断熱材15の温度を徐々に上げたときに断熱材15の重量減少が始まる温度であって、熱重量/示差熱分析装置(TG−DTA)を用いて測定できる。
断熱材15には、上記のように、低い熱伝導性に加えて、高い耐熱性が要求される。このため、断熱材15を構成する好適な材料は、耐熱性の高い樹脂を含む材料であり、上記ガラスエポキシ等の有機無機複合材料や、ポリベンゾイミダゾール、ポリイミド等の高耐熱性樹脂などが例示できる。かかる樹脂は、ガラス転移温度(Tg)が好ましくは300℃以上、より好ましくは350℃以上、特に好ましくは400℃以上であり、ポリイミドを主成分とすることが好ましい。また、断熱材15は、発泡体など多数の気孔が導入された材料から構成されてもよい。
断熱材15の好適な形状としては、外径が収容部13の孔径と略同等であり、内径が電池11の直径と略同等であるリング形状が挙げられる。リング形状の断熱材15を用いることで、電池11の外周面の全域に亘って壁面13aとの接触を防止することができる。そして、電池11を安定に支持して壁面13aとの接触を防止するため、少なくとも収容部12の長手方向両端部に位置する壁面13a(以下、「壁面13a*」とする)に断熱材15を設けることが好適である。
断熱材15は、収容部13の壁面13aの全域を覆うように、即ち壁面13aと電池11との間の全域に設けることもできるが、壁面13aと電池11との間の一部に設けることが好適である。これにより、壁面13aと電池11との間に空気層16を形成することができる。空気は、断熱材15よりも熱伝導率が低いことから、断熱材15の設置面積を小さくして空気層16の面積を増やすことで断熱機能を向上させることができる。
断熱材15は、電池11を安定に支持しながら断熱性を向上させるため、壁面13a*に限定して設けることが特に好適である。即ち、上下2箇所の壁面13a*のみに断熱材15を設ける。断熱材15の上下方向長さは、支持性に問題のない範囲で短いことが好ましく、18650型セルを収容する収容部13の場合(長さ約65mm)、1mm〜10mm程度が好ましく、1mm〜5mm程度がより好ましい。断熱材15は、例えば、壁面13aの総面積の5%以下の領域に設けられる。なお、断熱性を損なわない範囲で壁面13a*以外の部分に小さな断熱材15を設けた構成は、本構成と均等なものである。
断熱材15の厚みは、電池ケース12がアルミニウム製である場合、0.3mm〜0.7mmが好ましい。断熱材15の厚みと空気層16の厚みは同じであるから、換言すると、空気層16の厚みt16を上記範囲内とすることが好ましい。厚みt16が上記範囲内であれば、通常使用時における各電池11の均熱性を損なうことなく、効率良く熱暴走を防止できる。なお、好ましい厚みt16は、例えば、第2実施形態で説明するシミュレーションにより求めることができる。
上記構成を備えた電池モジュール10によれば、通常使用時における各電池11の均熱化を図りながら、一部の電池11が内部短絡等により異常発熱が発生した場合に正常な電池11に対する熱影響を抑制できる。つまり、電池モジュール10は、アルミニウム等の熱伝導性の良好な材料から構成される電池ケース12を用いることで、通常使用時における各電池11の温度ばらつきを低減する。そして、収容部13の壁面13aと電池11との間に断熱材15を設けることで、一部の電池11の異常発熱による熱が他の電池11に伝わることを抑制して熱暴走を防止する。
電池モジュール10によれば、一部の電池11が異常発熱した場合であっても他の正常な電池11は動作可能であり、システムの停止を防止できる。また、断熱材15は収容部13の壁面13aと電池11との間に設けられる小型の部品であるから、モジュールを大型化することなく熱暴走を防止できる。
特に、壁面13a*だけに断熱材15を設けて、壁面13aと電池11との間に空気層を形成することで、より効率良く上記熱影響を抑制できる。
なお、上記では、全ての収容部13に断熱材15を設けたが、図4に示すように、一部の収容部13のみに断熱材15を設けてもよい。図4に示す例では、各収容部13のうち最末端に位置する第1収容部13tに隣接した第2収容部13xのみに断熱材15が設けられている。この場合、第2収容部13xの直径は、他の収容部13の直径よりも大きめに設定される。第1収容部13tは、各収容部13のうち最も端に位置し、隣接する収容部13(収容部13x)の数が最も少ない収容部である。ゆえに、第1収容部13tに収容された電池11が異常発熱した場合、熱の拡散性が悪く、これに隣接する第2収容部13xに収容された電池11に対する熱影響が大きくなる。このため、第2収容部13xに断熱材15を設けることが好ましく、第2収容部13xのみに断熱材15を設けると、通常使用時における各電池11の均熱化と熱暴走の防止とを効率良く実現できる。
また、上記では、リング形状の断熱材15を例示したが、図5(電池11が収容された1つの収容部13を上方から見た図)に示すように、電池11の円周方向に間隔をあけて複数の断熱材15a,15b,15cを設けた形態としてもよい。断熱材15a,15b,15cは、例えば、電池11の円周方向に沿って略等間隔で設けられる。即ち、図5に示す例では、断熱材が設けられる部分においても、電池11の円周方向に沿って空気層16a,16b,16cを形成することができる。これにより、断熱材の設置面積をより小さくして空気層の面積を増やし、さらに断熱機能を向上させることができる。
<第2実施形態>
図6,7に第2実施形態である電池モジュール30を示す。
図6は電池11が収容された電池ケース31を示す斜視図、図7は図6のBB線断面の一部を示す図である。以下では、第1実施形態と共通の構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略し、第1実施形態との相違点について詳説する。
図6,7に第2実施形態である電池モジュール30を示す。
図6は電池11が収容された電池ケース31を示す斜視図、図7は図6のBB線断面の一部を示す図である。以下では、第1実施形態と共通の構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略し、第1実施形態との相違点について詳説する。
電池モジュール30は、電池ケース12の代わりに電池ケース31を用いた点で第1実施形態と異なる。電池ケース31は、複数の金属パイプ32を組み合わせて構成されている。複数の金属パイプ32は、例えば、互いに溶接されて1つの電池ケース31を形成する。なお、電池モジュール30は、電池モジュール10と同様に、正極・負極用の接続部材や絶縁部材を備える。但し、電池ケース31を用いたことにより、ケース周囲の構成要素の形態は、電池モジュール10の場合と多少異なったものとなる。
電池ケース31は、電池ケース12と同様に、20個の独立した収容部33を有する。各金属パイプ31の内部が電池11を収容する収容部33となる。即ち、電池ケース31は、20個の金属パイプ32から構成されている。電池ケース31は、電池ケース12と同様に、収容部33の列がケースの縦方向に3つ設けられ、隣接する各列の収容部33は千鳥状に配置されている。
電池ケース31では、一部の収容部33のみに断熱材15が設けられている。具体的には、図4に示す例と同様に、各収容部33のうち最末端に位置する第1収容部33tに隣接した第2収容部33xのみに断熱材15が設けられている。断熱材15は、第2収容部33xの壁面33aの長手方向両端部だけに設けられており、壁面33aと電池11との間には空気層16が形成されている。
なお、第2実施形態においても、図8に示すように、全ての収容部33に断熱材15を設けてもよい。そして、断熱材15を壁面33aの長手方向両端部だけに設ける等して、全ての収容部33に空気層16を形成してもよい。
ここで、図9A,9Bを用いて、空気層16の好適な厚みについて詳説する。図9Aは電池ケース31の第1収容部33tに収容された電池Tが異常発熱した場合を示す図である。図9Aでは、溶接点を黒丸で示している。図9Bは電池Tが異常発熱した場合において、電池X及び電池Yの各下面におけるピーク温度と、電池Xを収容した第2収容部33xにおける熱抵抗率の逆数との関係を示す図である。
好適な空気層16の厚みt16は、以下のシミュレーションにより求めることができる。本シミュレーションでは、電池Tが異常発熱して高温のガスが発生したものと仮定する。そして、電池X及び電池Yの各下面(負極端子11b部分)におけるピーク温度を算出して、厚みt16を求めた。なお、電池Tに隣接する電池Xは、空気層16が形成された第2収容部33x(以下、「類焼対策収容部」という)に収容されており、類焼対策収容部に隣接し第1収容部33tに隣接しない収容部33yに収容された電池Yは、空気層16が形成されない収容部に収容されているものとする。
厚みt16は、電池Xと電池Yの温度が等しくなるように設定することが好適である。図9Bに示すように、類焼対策収容部の熱抵抗率を約1/50m2K/Wとすることで、電池Xと電池Yの温度が等しくなる。当該熱抵抗率を実現するには、断熱材15の設置面積が小さく断熱材15を介した熱伝導が無視できると仮定される場合、空気層16の厚みt16を0.5mmに設定する必要がある。即ち、本モデルでは、厚みt16を0.5mmとすることが好適である。電池Xと電池Yの温度が等しくなるように厚みt16を設定すれば、通常使用時における均熱化と熱暴走の防止とを効率良く両立できる。
本シミュレーションは、市販の流体解析ソフトを用いて行うことができる。好適なソフトとしては、Fluent(ANSYS社製)、CFdesign(CFdesign社製)を用いて行うことができる。本シミュレーションに必要な情報は、下記の材料パラメータ及び境界パラメータに大別される。本シミュレーションでは、下記の電池−ケース間の接触熱抵抗を変化させて計算を実行し、上記観点に基づいて厚みt16を求める。なお、1/125[W/m2K]は、空気層の厚みに換算すると0.2mmとなる。
<材料パラメータ>
・電池;比熱、熱伝導率、密度
・電池ケース;比熱、熱伝導率、密度
・接触熱抵抗;電池−ケース間、金属パイプ間
<境界パラメータ>
・電池発熱条件(発熱量と時間との関係);実際の評価により取得
・電池ケースのガス排気面である上面の熱伝導率(放熱条件);実際の評価によりガス発生条件を取得し、当該条件と他のパラメータを入力した予備シミュレーションにより算出・電池ケースの側面の熱伝達率(放熱条件);ケースの設置条件により適宜設定
・電池ケースの下面の熱伝達率(放熱条件);ケースの設置条件により適宜設定
<材料パラメータ>
・電池;比熱、熱伝導率、密度
・電池ケース;比熱、熱伝導率、密度
・接触熱抵抗;電池−ケース間、金属パイプ間
<境界パラメータ>
・電池発熱条件(発熱量と時間との関係);実際の評価により取得
・電池ケースのガス排気面である上面の熱伝導率(放熱条件);実際の評価によりガス発生条件を取得し、当該条件と他のパラメータを入力した予備シミュレーションにより算出・電池ケースの側面の熱伝達率(放熱条件);ケースの設置条件により適宜設定
・電池ケースの下面の熱伝達率(放熱条件);ケースの設置条件により適宜設定
<第3実施形態>
図10に第3実施形態である電池モジュール40を示す。
図10は電池モジュール40を電池11の軸方向に沿って切断した断面図であって、上記実施形態の図3,7に対応する図である。
図10に第3実施形態である電池モジュール40を示す。
図10は電池モジュール40を電池11の軸方向に沿って切断した断面図であって、上記実施形態の図3,7に対応する図である。
電池モジュール40は、電池ケース12の代わりに電池ケース41を用いた点で第1実施形態と異なる。電池ケース41は、収容部42の長さ(長手方向長さ)が電池11の軸方向長さよりも短い。そのため、収容部42の両端から電池11がとび出ている。かかる相違に伴い、絶縁部材43,44には、各電池11の収容部42からとび出た部分を囲む凸状部が形成されている。換言すると、絶縁部材43,44には、各電池11の軸方向端部を挿入可能な複数の凹部が形成されている。本実施形態では、絶縁部材43,44が、各電池11の軸方向端部をカバーする保持部として機能する。各極の接続部材としては、第1実施形態と同様のものを用いることができる。
この場合も、収容部42の形状・孔径は、例えば、収容部13と同じである。そして、収容部42の壁面42aと電池11との間には断熱材15が設けられており、壁面42aと電池11との間には空気層16が形成されている。但し、電池モジュール40では、絶縁部材43,44を介した伝熱分を考慮して、第1実施形態の場合よりも断熱材15の設置面積を小さくして空気層16の面積を増やすことが好適である。
10 電池モジュール、11 電池、11a 正極端子、11b 負極端子、12 電池ケース、13 収容部、13a 壁面、14 凹状部、15 断熱材、16 空気層、20,21 ホルダー、20a,21a 凸状部、20b,21b 締結部、22 正極用接続部材、22a,23a 第1プレート、22b,23b 第2プレート、22c,23c 接続片、22d,23d 外部接続端子、23 負極用接続部材、24,25 絶縁部材。
Claims (8)
- 複数の電池と、
前記各電池をそれぞれ収容する収容部を含む金属製又はセラミックス製の電池ケースと、
を備えた電池モジュールであって、
前記収容部の壁面と前記電池との間に、断熱材が設けられ、
前記断熱材は、前記収容部の前記壁面と前記電池との間の一部に設けられ、前記壁面と前記電池との間に空気層を形成する電池モジュール。 - 請求項1に記載の電池モジュールであって、
前記断熱材は、前記電池ケースよりも熱伝導率が低く、且つ300℃で固体であり熱分解開始温度が300℃以上である電池モジュール。 - 請求項1又は2に記載の電池モジュールであって、
前記断熱材は、前記収容部の長手方向両端部に位置する前記壁面のみに設けられる電池モジュール。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の電池モジュールであって、
前記断熱材は、前記収容部の隣接個数が最少である第1収容部に隣接した第2収容部のみに設けられる電池モジュール。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の電池モジュールであって、
前記電池ケースは、アルミニウム製であり、
前記断熱材の厚みが、0.3mm〜0.7mmである電池モジュール。 - 請求項4に記載の電池モジュールであって、
前記断熱材の厚みは、前記第1収容部に収容された前記電池が異常発熱した場合に、前記第2収容部及びこれに隣接する前記第1収容部以外の前記収容部にそれぞれ収容された前記各電池の温度が略同一となるように設定される電池モジュール。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の電池モジュールであって、
前記断熱材は、ポリイミドで構成される電池モジュール。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の電池モジュールであって、
前記収容部の長手方向の長さが、前記電池の軸方向の長さよりも短く、
前記各電池の軸方向の端部を挿入可能な凹部が形成された保持部を有する電池モジュール。
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