JPWO2018096926A1 - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

セルケースと、そのセルケース内に収容される電池要素とをそれぞれ含む複数の電池セルを有して構成される電池モジュールは、前記電池セルの端子と集電体とを電気的に接続するリードと、前記セルケースが所定温度以上になった場合の前記セルケースからの熱により前記端子と前記集電体との電気的な接続を遮断する熱遮断機構と、を備えている。

Description

本開示は、電池モジュールに関する。

従来、電池モジュールとしては、特許文献１に記載されているものがある。この電池モジュールでは、複数の電池セルがマトリクス状に配置されている。各電池セルの正極端子は、導電性の平板からなる正極集電板に電気的に接続され、各電池セルの負極端子は、導電性の平板からなる負極集電板にヒューズを介して電気的に接続されている。このようにして、複数の電池セルを並列接続すると共に、定格以上の大電流が流れた電池セルのヒューズをジュール熱で溶断してその電池セルを電気回路から切り離すようにしている。このようにして、電池セルに大電流が流れ、電池セルが異常発熱することが防止される。

国際公開２０１２−０７３４０３号公報

ヒューズに流れる電流は、電池セルの種類（内部抵抗の違い）、電池セルの並列数、及びモジュール構造（排気構造）などによって変動する。したがって、ヒューズの設計を行うに当たっては、少なくともこれらの３因子を考慮しなければならず、３因子が変わる度にヒューズの再設計が必要になる。よって、電気回路の構成が容易でないという問題がある。

そこで、本開示の目的は、異常発熱する電池セルを切り離し可能な電気回路を、ヒューズを用いる場合との比較で簡単に構成できる電池モジュールを提供することにある。

本開示の一態様である電池モジュールは、複数の電池セルであって、各電池セルが、セルケースと、そのセルケース内に収容される電池要素とを含む複数の電池セルと、各電池セルの端子と集電板とを電気的に接続するリードと、セルケースが所定温度以上になった場合のセルケースからの熱により端子と集電板との電気的な接続を遮断する熱遮断機構と、を備える。

本開示の電池モジュールによれば、熱遮断機構が、電池セルの種類（内部抵抗の違い）、電池セルの並列数、及びモジュール構造（排気構造）の違いによる影響を電池セルの端子を流れる電流よりも受けにくい電池セルのセルケース温度に基づいて異常発熱した電池セルの電気回路からの切り離しを行う。したがって、同一の熱遮断機構を適用できる電池モジュールの範囲が、同一のヒューズを適用できる電池モジュールの範囲よりも広くなる。よって、ヒューズを用いる場合との比較で電気回路を簡単に構成できる。

本開示の第１実施形態に係る電池モジュールの分解斜視図である。 （ａ）は、円筒形電池の負極側リードの構造と、円筒形電池が異常発熱した場合の負極側リードの動作について説明するための模式斜視図である。（ｂ）は、第１実施形態の変形例の（ａ）に対応する模式斜視図であり、（ｃ）は、第１実施形態の他の変形例の（ａ）に対応する模式斜視図である。 変形例の電池モジュールの負極側リードを、その延在方向と、円筒形電池の高さ方向とを含む平面で垂直に二等分したときの断面図である。 第２実施形態の電池モジュールにおける円筒形電池の負極側端部周辺の構造を示す模式断面図であり、負極側リードをその延在方向及び上記高さ方向を含む平面で垂直に二等分したときの模式断面図である。（ａ）は、円筒形電池が正常な状態における模式断面図であり、（ｂ）は、円筒形電池が異常発熱した状態における模式断面図である。 図４（ａ）を、円筒形電池の高さ方向の負極側底面の外方側から見たときの模式平面図である。 第２実施形態の変形例の電池モジュールにおける図４（ａ）に対応する模式断面図である。 （ａ）は、第３実施形態の電池モジュールにおける図４（ａ）に対応する模式断面図であり、（ｂ）は、第３実施形態の電池モジュールにおける図４（ｂ）に対応する模式断面図である。 （ａ）は、第４実施形態の電池モジュールにおける図４（ａ）に対応する模式断面図であり、（ｂ）は、第４実施形態の電池モジュールにおける図４（ｂ）に対応する模式断面図である。

以下に、本開示に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて新たな実施形態を構築することは当初から想定されている。以下の説明及び図面において、Ｚ方向は、円筒形電池１１の高さ方向を示す。

（第１実施形態）
図１は、本開示の第１実施形態に係る電池モジュール１０の分解斜視図である。先ず、図１を用いて電池モジュール１０の全体像について説明する。図１に示すように、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を収容する筒状の収容部が複数設けられた電池ホルダー２０とを備える。

円筒形電池１１は、電池セルの一例であり、金属製のセルケース１２と、セルケース１２内に収容された電池要素（図示せず）と、正極端子、負極端子を備える。電池要素には、一対の電極体と、電荷の移動を許容する非水電解質などが含まれる。セルケース１２は、電池要素を収容する有底円筒形状のセルケース本体１３と、セルケース本体１３の開口部を塞ぐ封口体１４とで構成される。セルケース本体１３と封口体１４の間には、ガスケット（図示せず）が設けられる。封口体１４は、例えば弁体、キャップ等を含む積層構造を有し、電池要素の正極と電気的に接続されることで円筒形電池１１の正極端子として機能する。また、セルケース本体１３が、円筒形電池１１の負極として機能するが、通常はセルケース本体１３の外周側面が絶縁樹脂フィルムで被覆されてセルケース本体１３の底面が負極端子として機能する。円筒形電池１１は、電池ホルダー２０の筒状の収容部の穴２１に収容される。

電池モジュール１０は、電池ホルダー２０に取り付けられる一対のポスト３０を備える。各ポスト３０は、電池ホルダー２０の横方向両側面を覆う板状部材であって、一方の面に凸部３１が設けられる。各ポスト３０は、各凸部３１を電池ホルダー２０側に向け、電池ホルダー２０を挟んで互いに対向するように配置される。凸部３１は、電池ホルダー２０の凹部２５に嵌合する。

電池ホルダー２０の上には、正極側リード板４１が、正極絶縁板４２を介して複数の円筒形電池１１の各正極端子と電気的に接続された状態で設けられ、その上には正極側集電板４０が正極側リード板４１と電気的に接続された状態で設けられる。

他方、電池ホルダー２０の下には、負極側リード板４６が、負極絶縁板５３を介して複数の円筒形電池１１の各負極端子と電気的に接続された状態で設けられ、その下には、負極側集電板４５が負極側リード板４６と電気的に接続された状態で設けられる。複数の円筒形電池１１は、正極及び負極側リード板４１,４６によって並列接続される。正極側リード板４１は、正極板本体４３と、正極側リード４７とを含み、正極板本体４３は、正極側リード４７を介して円筒形電池１１の正極に電気的に接続される。また、負極側リード板４６は、負極板本体４８と、負極側リード５０とを含み、負極板本体４８は、負極側リード５０を介して円筒形電池１１の負極に電気的に接続される。

電池ホルダー２０と、正極及び負極側リード板４１,４６の間には、複数の円筒形電池１１の各端子部分を露出させる孔が形成された正極及び負極絶縁板４２,５３が設けられる。正極側集電板４０、負極側集電板４５等は、例えば、図示しないネジを用いて一対のポスト３０に固定される。電池モジュール１０は、例えば正極側集電板４０及び負極側集電板４５を用いて、隣接配置される別の電池モジュール１０と直列接続される。

図２（ａ）は、円筒形電池の１１の負極側リード５０の構造と、円筒形電池１１が異常発熱した場合の負極側リード５０の動作について説明するための模式斜視図である。図２（ａ）に示すように、負極側リード５０は、熱遮断機構の一例としての溶融部材５１と、溶融部材よりも高い融点を有する高融点部材５２とを含む。溶融部材５１は、例えば、錫（融点２３２度）、錫合金（融点３００度程度）又は半田合金（融点１８０度程度）等で構成される。溶融部材５１は、融点が５００度以下の金属材質で構成されると好ましく、融点が４００度以下の金属材質で構成されると更に好ましい。また、高融点部材５２は、アルミニウム（融点６６０度）、銅（融点１０８５度）等で構成され、融点が５５０度以上の金属材質で構成されると好ましい。

高融点部材５２は、負極側リード５０にける負極板本体４８側の部分を構成し、負極板本体４８につながる。また、溶融部材５１は、負極側リード５０の延在方向の一部を構成する。溶融部材５１は、高融点部材５２と負極側底面１８との境界に配設される。詳しくは、溶融部材５１は、高融点部材５２の円筒形電池１１側の端部と、円筒形電池の１１の負極側底面１８との間に配設される。溶融部材５１は、高融点部材５２の円筒形電池１１側の端部と、負極側底面１８とに超音波金属接合やレーザ光によるスポット溶接により接合される。高融点部材５２は、溶融部材５１を介して負極側底面１８に電気的に接続される。

次に、円筒形電池１１が異常発熱した際の負極側リード５０の動作について説明する。円筒形電池１１が例えばセルケース１２内部の正極と負極との微小短絡などにより異常発熱すると、円筒形電池１１のセルケース温度は、例えば、所定温度の一例としての５００度程度の温度にまで上昇する。すると、溶融部材５１は、セルケース１２（負極側底面１８）からの熱により溶融し、高融点部材５２から離れる。その結果、負極側底面１８と高融点部材５２との電気的な接続が失われ、異常発熱した円筒形電池１１が、電気回路（並列回路）から切り離される。

なお、高融点部材５２は、溶融部材５１を介した負極側底面１８への接合によって高融点部材５２自体の弾性により負極側底面１８へ付勢された状態になっていてもよい。この場合、溶融部材５１がセルケース１２からの熱により溶融すると、高融点部材５２を負極側底面１８側に付勢する力が消失し、高融点部材５２が自由に移動できるようになる。そして、高融点部材５２がその内部弾性による歪みを解消するように負極板本体４８側に移動し、溶けた溶融部材５１から離れる。よって、負極側底面１８と、高融点部材５２との電気的な接続を確実に遮断でき、異常発熱した円筒形電池１１を、電気回路から確実に切り離すことができる。

上記実施形態によれば、熱遮断機構が、円筒形電池１１の種類（内部抵抗の違い）、円筒形電池１１の並列数、及びモジュール構造（排気構造）の違いによる影響を円筒形電池１１の負極側端子を流れる電流よりも受けにくい円筒形電池１１のセルケース１２温度に基づいて異常発熱した円筒形電池１１の電気回路からの切り離しを行う。したがって、同一の熱遮断機構を適用できる電池モジュール１０の仕様範囲が、同一のヒューズを適用できる電池モジュール１０の仕様範囲よりも広くなる。よって、ヒューズを用いる場合との比較で電気回路を簡単に構成できる。

なお、上記第１実施形態では、溶融部材５１が、高融点部材５２と負極側底面１８との境界に配設される場合について説明した。しかし、図２（ｂ）に示すように、溶融部材１５１は、負極側リード１５０における延在方向の両端部以外の一部分を構成してもよい。そして、溶融部材１５１が溶融すると、高融点部材１５２が、電池側部分１５２ａと、負極板本体側部分１５２ｂとに分断されることによって、負極側底面１８と、負極板本体４８（図１参照）との電気的な接続が遮断され、異常発熱した円筒形電池１１が、電気回路から切り離されるようにしてもよい。また、この場合、図３、すなわち、負極側リード３５０を、その延在方向とＺ方向とを含む平面で垂直に二等分したときの断面図に示すように、溶融部材３５１を、略扁平形状の金属板片で構成してもよい。そして、その一方側面に高融点部材３５２の電池側部分３５２ａを接合し、その他方側面に高融点部材３５２の負極板本体側部分３５２ｂを接合してもよい。このようにすれば、負極側リード３５０を簡単に構成できて好ましい。

又は、図２（ｃ）に示すように、負極側リード２５０の全てを、溶融部材２５１で構成してもよい。この場合、異常発熱した円筒形電池１１を、電気回路から確実に切り離すことができて好ましい。

また、負極側リード５０の延在方向の少なくとも一部を溶融部材５１で構成したが、正極側リードの延在方向の少なくとも一部を溶融部材で構成してもよく、負極及び正極側リードの夫々で延在方向の少なくとも一部を溶融部材で構成してもよい。また、複数の円筒形電池１１が全て並列接続される場合について説明したが、複数の円筒形電池に直列接続された２以上の円筒形電池が含まれてもよい。また、電池セルが円筒形電池１１である場合について説明したが、電池セルは角型電池でもあってもよい。

また、異常発熱した円筒形電池１１のセルケース温度が５００度程度の温度である場合について説明した。しかし、異常発熱した円筒形電池のセルケース温度が、仕様毎に異なることは言うまでもなく、溶融部材の材質は、円筒形電池の仕様毎に、異常発熱した円筒形電池のセルケースからの熱で溶融する材質であればよい。異常発熱した円筒形電池のセルケース温度は、例えば、１００度〜６５０度の範囲内のいずれの温度であってもよい。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の電池モジュール４１０における円筒形電池１１のＺ方向の負極側端部周辺の構造を示す模式断面図であり、負極側リード４５０をその延在方向及びＺ方向を含む平面で垂直に二等分したときの模式断面図である。そして、図４（ａ）は、円筒形電池１１が正常な状態である場合の模式断面図であり、図４（ｂ）は、円筒形電池１１が異常発熱した場合の模式断面図である。また、図５は、図４（ａ）を、Ｚ方向の負極側底面１８の外方側から見たときの模式平面図である。

なお、第２実施形態と、後述の第３及び第４実施形態は、第１実施形態と負極側リード周辺の構造のみが異なり、その他の構成は、第１実施形態と同一である。第２乃至第４実施形態では、第１実施形態と同一の作用効果及び変形例についての記載を省略し、第１実施形態と同一の構成については、第１実施形態と同一の参照番号を付して、説明を省略する。

図４（ａ）に示すように、電池モジュール４１０は、円筒形電池１１、負極側リード４５０、及び発泡樹脂部材４６５を備える。負極側リード４５０の延在方向の一端部４５０ａは、円筒形電池１１の負極側底面１８に接合されている。負極側リード４５０は、負極側底面１８から離れるように延在し、負極板本体４８（図１参照）に接続されている。

発泡樹脂部材４６５は、加熱されると発泡して膨張する発泡樹脂材料で構成される。発泡樹脂部材４６５は、例えば、成膜性樹脂及び熱膨張カプセルを含んで加熱によりガスが発生して膨張する材料や、ウレタン樹脂やポリエチレン樹脂を含む材料で構成されることができる。なお、発泡樹脂部材４６５は、加熱されると発泡して膨張する如何なる発泡樹脂材料で構成されてもよい。発泡樹脂部材４６５は、負極側底面１８に固定されている。図５に示すように、発泡樹脂部材４６５は、負極側リード４５０の延在方向の一部（αで示す部分）の全領域に重なっている。発泡樹脂部材４６５は直方体形状を有し、発泡樹脂部材４６５の１つの辺（紙面で下方側かつ左側に位置する辺）で構成される角部４８８は、負極側リード４５０の延在方向の一箇所に、負極側リード４５０の幅方向（矢印Ａで示す）の全領域に亘って接触している。

上記構成において、円筒形電池１１が異常発熱して、円筒形電池１１のセルケース１２（負極側底面１８）が異常に高い温度になると、図４（ｂ）に示すように、発泡樹脂部材４６５が発泡して膨張し、発泡樹脂部材４６５の高さ（Ｚ方向寸法）が高くなる。すると、負極側リード４５０において角部４８８周辺に位置する部分が、発泡樹脂部材４６５において紙面の下方側に膨張した角部周辺領域で切断される。その結果、負極側底面１８と負極板本体４８が分断され、異常発熱した円筒形電池１１が、電気回路から切り離される。

上記第２実施形態によれば、発泡樹脂部材４６５をセルケース１２上に設置するだけで異常発熱した円筒形電池１１を簡単に電気回路から切り離すことができる。なお、負極側リードの一部を、レーザ光を用いたスポット溶接等で発泡樹脂部材に接合しておくと、より確実に負極側リードを切断できて好ましい。また、図６、すなわち、第２実施形態の変形例の電池モジュール５１０における図４に対応する模式断面図に示すように、負極側リード５５０において発泡樹脂部材５６５に接触している部分に切欠５７０や切れ目を設けておくと、円筒形電池１１の異常発熱時に負極側リード５５０が切断され易くなって好ましい。

（第３実施形態）
図７（ａ）は、第３実施形態の電池モジュール６１０における図４（ａ）に対応する模式断面図であり、図７（ｂ）は、第３実施形態の電池モジュール６１０における図４（ｂ）に対応する模式断面図である。

図７（ａ）に示すように、電池モジュール６１０は、円筒形電池１１、負極側リード６５０、及びリード付勢部材の一例としての熱可塑性の樹脂部材６６５を備える。樹脂部材６６５は、負極側リード押圧部６６７と、電池連結部６６８とを含む。樹脂部材６６５は、断面略Ｌ字の形状を有し、図７（ａ）の断面において、矩形状の負極側リード押圧部６６７と、矩形状の電池連結部６６８が直交する形状を有する。負極側リード押圧部６６７は、リード接触平面部６６７ａを有し、リード接触平面部６６７ａは、負極側リード６５０の負極側底面１８側の端部における負極側底面１８側とは反対側の表面に固着されるか、又は当該表面に固着されない状態で当接する。リード接触平面部６６７ａは、負極側底面１８と略平行に広がる。電池連結部６６８は、負極側リード押圧部６６７のリード接触平面部６６７ａ以外の部分から負極側底面１８側に延びて、先端部が負極側底面１８に接合されている。

負極側リード６５０の円筒形電池１１側の先端部６５０ａは、リード接触平面部６６７ａと負極側底面１８とで挟持されている。負極側リード６５０の先端部６５０ａは、リード接触平面部６６７ａによって負極側底面１８側に押圧されて付勢され、円筒形電池１１の負極側底面１８に弾性変形により接触している。

上記構成において、円筒形電池１１が異常発熱して、円筒形電池１１のセルケース１２（負極側底面１８）が異常に高い温度になると、図７（ｂ）に示すように、樹脂部材６６５が溶融し、負極側リード６５０を負極側底面１８側に付勢する力が消失し、負極側リード６５０が自由に移動できるようになる。そして、負極側リード６５０がその内部弾性による歪みを解消するように負極板本体４８側に移動し、負極側底面１８から離れる。その結果、負極側リード６５０と、負極側底面１８との電気的な接続が遮断され、異常発熱した円筒形電池１１が、電気回路から切り離される。

なお、リード付勢部材が、円筒形電池１１のセルケース１２が異常に高い温度になると溶融する樹脂部材６６５である場合について説明した。しかし、リード付勢部材（負極側リードを円筒形電池の負極側底面に付勢する部材）は、円筒形電池のセルケースが異常に高い温度になると溶融する金属部材（例えば、錫、錫合金、半田等）であってもよい。

（第４実施形態）
図８（ａ）は、第４実施形態の電池モジュール７１０における図４（ａ）に対応する模式断面図であり、図８（ｂ）は、第４実施形態の電池モジュール７１０における図４（ｂ）に対応する模式断面図である。

第４実施形態では、リード付勢部材（負極側リード６５０を円筒形電池１１の負極側底面１８に付勢する部材）として、樹脂部材６６５の替わりに、バイメタル部７７７を含んだバイメタル含有部材７６５を採用した点が、第３実施形態と異なる。第４実施形態では、第３実施形態と同じ構成には同じ参照番号を付して、説明を省略する。

図８（ａ）に示すように、バイメタル含有部材７６５は、負極側リード押圧部７６７と、電池連結部７６８とを含む。バイメタル含有部材７６５は、断面略Ｌ字の形状を有し、図８（ａ）の断面において、矩形状の負極側リード押圧部７６７と、矩形状の電池連結部７６８が直交する形状を有する。バイメタル含有部材７６５は、断面略Ｌ字の形状を有する第１金属部材７８０と、第２金属部材７８１と、樹脂等の絶縁性材料で構成される絶縁膜７８２とを有する。第２金属部材７８１は、第１金属部材７８０の円筒形電池１１側とは反対側の外面に冷間圧延で貼り合わされる。第２金属部材７８１の熱膨張率は、第１金属部材７８０の熱膨張率と異なる。第２金属部材７８１と、第２金属部材７８１が貼り合わされている第１金属部材７８０の一部分とは、バイメタルの金属板材を構成する。第１及び第２金属部材７８０,７８１の夫々は、例えば、鉄とニッケルの合金に、マンガン、クロム、銅などを添加して構成される。絶縁膜７８２は、第１金属部材７８０において負極側底面１８にＺ方向に隙間を介して対向する内側面に固着されている。絶縁膜７８２の負極側底面１８側の面は、負極側底面１８に略平行に延在している。

負極側リード６５０の円筒形電池１１側の先端部６５０ａは、絶縁膜７８２と負極側底面１８とで挟持されている。負極側リード６５０の先端部６５０ａは、絶縁膜７８２によって負極側底面１８側に押圧されて付勢され、円筒形電池１１の負極側底面１８に弾性変形によって接触している。

上記構成において、円筒形電池１１が異常発熱して、円筒形電池１１のセルケース１２（負極側底面１８）が異常に高い温度になると、図８（ｂ）に示すように、バイメタルの金属板材が負極側底面１８から離れる側に湾曲し、その湾曲にしたがって負極側リード６５０が、内部弾性による歪みを解消するように負極側底面１８から離れる方向に負極板本体４８側に移動する。その結果、負極側リード６５０が、負極側底面１８に対して電気的に遮断され、異常発熱した円筒形電池１１が、電気回路から切り離される。

なお、第３実施形態では、バイメタル含有部材７６５で、負極側リード６５０を負極側底面１８側に付勢する場合について説明した。しかし、リード付勢部材として、バイメタル含有部材の替わりに温度が上がると収縮する性質を有する弾性部材やバネを用いてもよい。そして、円筒形電池１１が正常である場合に、当該弾性部材やバネで負極側リード６５０を負極側底面１８側に付勢する一方、円筒形電池１１が異常発熱した場合には、当該弾性部材やバネが収縮することによって、当該弾性部材やバネの付勢力が消失するようにしてもよい。なお、実施例の最初で述べたように、第１〜第３実施形態及び全ての変形例で説明した構成のうちの２以上の構成を組み合わせて、新たな実施形態を構成してもよい。例えば、熱遮断機構は、第１実施形態の溶融部材と、第２実施形態の発泡樹脂部材と、第３、第４実施形態のリード付勢部材のうちの２以上の部材を含んでもよい。

１０, ４１０, ５１０, ６１０, ７１０ 電池モジュール、１１ 円筒形電池、 １２ セルケース、 １８ 負極側底面、 ４５ 負極側集電板、 ５０, １５０, ２５０, ３５０, ４５０, ５５０, ６５０ 負極側リード、 ５１, １５１, ２５１, ３５１ 溶融部材、 ４６５, ５６５ 発泡樹脂部材、 ６６５ 樹脂部材、 ７６５ バイメタル含有部材、 ７７７ バイメタル部。

Claims (5)

1. セルケースと、そのセルケース内に収容される電池要素とをそれぞれ含む複数の電池セルを有して構成される電池モジュールにおいて、
   前記電池セルの端子と集電体とを電気的に接続するリードと、
   前記セルケースが所定温度以上になった場合の前記セルケースからの熱により前記端子と前記集電体との電気的な接続を遮断する熱遮断機構と、
   を備える電池モジュール。
2. 請求項１に記載の電池モジュールにおいて、
   前記熱遮断機構は、前記熱によって溶融する溶融部材を含み、
   前記溶融部材は、前記リードの延在方向の少なくとも一部を構成する、電池モジュール。
3. 請求項１又は２に記載の電池モジュールにおいて、
   前記熱遮断機構は、前記セルケースに取り付けられた発泡樹脂部材を含み、
   前記リードが前記熱によって発泡して膨張した前記発泡樹脂部材からの力で切断される、電池モジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の電池モジュールにおいて、
   前記熱切断機構は、前記リードを前記セルケース側に付勢することによって前記リードを前記セルケースに接触させるリード付勢部材を含み、
   前記リード付勢部材の付勢力が前記熱によって消失することによって前記リードが前記セルケースから離れる、電池モジュール。
5. 請求項４に記載の電池モジュールにおいて、
   前記リード付勢部材は、前記熱によって溶融する樹脂部材であるか、又は前記熱によって変形するバイメタルを含むバイメタル含有部材である、電池モジュール。

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