WO2011151981A1 - 電池モジュール - Google Patents

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WO2011151981A1
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short circuit
battery module
unit cell
internal short
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糸井俊樹
大澤善樹
永山雅敏
中嶋琢也
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module in which a plurality of batteries are arranged in a matrix.
  • a battery pack in which a plurality of batteries are accommodated in a case so as to be able to output a predetermined voltage and current is widely used as a power source for various devices, vehicles and the like.
  • a general-purpose battery for example, a cylindrical secondary battery mounted on a notebook computer etc.
  • modularize an assembled battery that outputs a predetermined voltage and current and various battery modules
  • the battery module itself can be reduced in size and weight by enhancing the performance of the battery housed in the battery module, so that the workability at the time of assembling the battery pack is improved and the limitation of the vehicle etc. It has various merits, such as the improvement of the degree of freedom when it is mounted in the space.
  • the battery constituting the battery module when the battery constituting the battery module generates high temperature gas in the battery due to overcharge, overdischarge, internal short circuit or external short circuit, and the safety valve operates and the high temperature gas is released to the outside of the battery, If the cell is exposed to high temperature gas, it may affect normal cells and cause chain degradation. Further, in a battery module in which a plurality of batteries are connected in parallel, when the battery constituting the battery module is short-circuited or the like and can not function as a battery, the battery becomes a resistor and the performance of the entire battery module becomes large. There is a risk of lowering it.
  • Patent Document 1 shows positive and negative electrodes of each battery.
  • a configuration is described in which the fuse links 220 and 240 respectively connect to the connectors 210 and 230.
  • a battery module When a battery module is configured by arranging a large number of general-purpose batteries, in order to output a predetermined voltage and current, a plurality of batteries are connected in parallel to form a battery assembly, and a plurality of the battery assemblies are configured. A configuration to connect in series is taken.
  • fuse links 220 are connected in series for each battery 200, and the batteries 200 arranged in the row direction (X direction) are connected in parallel by connector 210 (230).
  • the batteries 220 connected and arranged in the column direction (Y direction) are connected in series by the connection body 250.
  • fuse link 220 needs to be provided for each battery 200, so the number of parts is significantly increased, and the cost of the battery module is increased. There is a problem that it causes an increase.
  • the batteries 200 arranged in the column direction are connected in series via the fuse link 220 having a larger resistance than the connection body 250, there is a problem that the fuse link 220 generates heat or high current output can not be obtained. Will occur.
  • Patent Document 4 in a battery assembly in which a plurality of units 310 in which a plurality of batteries 300 are connected in series are connected in parallel, A configuration in which resistors 330 connect between the lines 320 connected in series is described.
  • resistors 330 connect between the lines 320 connected in series.
  • the battery pack having the configuration described in Patent Document 4 can certainly suppress the resistance of the battery pack low and prevent a large short circuit current from flowing when an internal short circuit occurs in the battery, the internal short circuit Since the battery in which the has occurred functions as a resistor, a normal battery is in a state where an external short circuit has occurred. Therefore, the generation of Joule heat due to the external short current may increase the temperature of the normal battery. Further, in order to suppress the magnitude of the internal short current, it is necessary to set the resistance value of the resistor 330 large. Therefore, during normal operation, a current difference between the batteries 300 causes a current to flow to the batteries 300 via the resistor 330. When it flows in, there is a possibility that the loss due to the Joule heat of the resistor 330 may increase.
  • the present invention has been made in view of such problems, and its main object is to provide a simple configuration, and even if a failure occurs in a battery constituting a battery module, it does not affect other batteries, and the battery An object of the present invention is to provide an inexpensive and highly safe battery module which does not reduce the performance of the entire module.
  • the present invention relates to a battery module in which a plurality of unit cells are arranged in a grid, in which unit cells arranged in a row direction are connected in parallel by a first connection body
  • the cells connected in series are connected in series between the cells adjacent in the column direction by the second connection body, and when an internal short circuit occurs in the cells, the second cell is connected to the cell in which the internal short circuit occurs.
  • a structure in which the connection body 1 is fused by Joule heat from the other unit cell in which the internal short circuit does not occur to the unit cell in which the internal short circuit occurs through the first connection body adopt.
  • the first connection body be formed of a metal member having a uniform cross-sectional area.
  • the cross-sectional area of the first connection body is equal to or higher than the melting point of the first connection body due to generation of Joule heat due to the short circuit current flowing to the unit cell in which the internal short circuit occurred.
  • the size is set to As a result, the configuration of the first connection body is simplified, and the first connection body can be easily connected to the respective second connection bodies connecting between the unit cells adjacent in the column direction.
  • the present invention even if a failure occurs in a battery constituting a battery module with a simple configuration, the other batteries are not affected, and the performance of the entire battery module is not reduced. High battery module can be provided.
  • FIG. 13 is an equivalent circuit diagram illustrating another aspect of the fuse function of the first connection body when an internal short circuit occurs in the unit cell in the battery module according to the embodiment of the present invention.
  • it is the graph which plotted the result of measuring the time change of the temperature of the unit cell in which the internal short circuit occurred, and the unit cell adjacent to it. It is the graph which plotted the result of having measured the time change of the temperature of the unit cell which the internal short circuit generate
  • FIG. 1 It is a perspective view of the battery module in other embodiment of this invention. It is the elements on larger scale of the battery module shown in FIG. (A) is a perspective view of a part of the battery module according to another embodiment of the present invention as viewed from below, and (b) is a perspective view of the battery module according to another embodiment of the present invention as viewed from above FIG. It is the side view which looked at the battery module in other embodiments of the present invention from the line direction. It is the elements on larger scale of the battery module shown in FIG. In the battery module shown in FIG. 1, it is an equivalent circuit diagram explaining the function of a current interruption element when an external short circuit occurs. It is the equivalent circuit diagram which showed the structure of the battery module in other embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is an equivalent circuit diagram schematically showing the configuration of a battery module 100 according to an embodiment of the present invention.
  • a plurality of unit cells 10 are arranged in a lattice.
  • the type of the battery (hereinafter simply referred to as "unit cell") 10 constituting the battery module 100 of the present invention is not particularly limited as long as it is a chargeable / dischargeable secondary battery, for example, lithium ion A battery, a nickel hydrogen battery, etc. can be used.
  • the secondary battery may be a battery which can be used alone as a power source of a portable electronic device such as a notebook computer. In this case, since a high-performance general-purpose battery can be used as a unit cell of a battery module, it is possible to easily achieve high performance and cost reduction of the battery module.
  • the cells 10 arranged in the row direction (X direction) are connected in parallel by the first connection body 20, and the cells 10 arranged in the column direction (Y direction) are The unit cells 10 adjacent in the column direction are connected in series by the second connection body 30.
  • the unit cells 10 at both ends of the unit cells 10 arranged in the column direction are connected to the positive electrode output terminal 50 and the negative electrode output terminal 51, respectively.
  • a current blocking element (for example, current fuse) 40 described later is inserted between the unit cell 10 and the positive electrode output terminal 50.
  • the row direction and the column direction define the direction in which the unit cells 10 are connected in parallel and the direction in which the unit cells 10 are connected in series for the sake of convenience, and have no other meaning.
  • FIG. 2 is a perspective view of the battery module 100 in the present embodiment
  • FIG. 3 is a partial enlarged view of the battery module shown in FIG. 2
  • FIG. 4A shows a part of the battery module 100 from below
  • 4B is a perspective view of a part of the battery module 100 as viewed from above
  • FIG. 5 is a side view of the battery module 100 as viewed from the column direction
  • FIG. 6 is shown in FIG.
  • FIG. 6 is a partial enlarged view of the battery module.
  • a plurality of unit cells 10 are arranged in a lattice.
  • an example is shown in which twenty unit cells 10 are arranged in the row direction and seven unit cells 10 in the column direction.
  • the number of unit cells 10 arranged in a grid is not limited.
  • the second connection body 30 for connecting in series the unit cells 10 adjacent in the column direction has a negative electrode terminal on the bottom of the unit cell 10.
  • a portion 30a connected to (for example, the bottom of the battery case), a portion 30b extending from there along the side of the unit cell 10 to the top of the unit cell 10, and from there to the top of the unit cell 10 adjacent thereto It consists of the part 30c which was taken out and connected to the positive electrode terminal (for example, the protrusion part provided in the sealing plate of the battery case) of the adjacent cell 10.
  • the first connection body 20 connecting the unit cells 10 arranged in the row direction in parallel connects between the unit cells 10 adjacent in the column direction. It connects to the part 30c of each of the 2nd connection body 30 to be.
  • the first connection body 20 is preferably made of a fine metal wire or a metal ribbon, and the first connection body 20 is adjacent in the column direction by, for example, wire bonding, laser welding, resistance welding or the like. It connects to each 2nd connection body 30 which connects between the unit cells 10 which respectively.
  • the unit cells 10 at both ends of the unit cells 10 arranged in the column direction are respectively connected to a positive electrode output terminal (for example, positive electrode bus bar) 50 and a negative electrode output terminal (for example, negative electrode bus bar) 51 It is done.
  • a circuit board 60 is disposed on the unit cell 10 arranged on the positive electrode output terminal 50 side, and on the circuit board 60, the unit cell 10 and the positive electrode A fuse 40 inserted between the output terminal 50 is mounted.
  • a control circuit that detects and controls the charge and discharge of the battery module 100, the voltage of the unit cell 10, and the like may be mounted on the circuit board 60.
  • the inventors of the present application add consideration to the first connection body 20 that connects the cells 10 arranged in the row direction in parallel, as follows: Knowledge was obtained.
  • the magnitude of the current I 2 flowing in the row direction in which a plurality of unit cells 10 are connected in parallel is usually small in potential difference between adjacent unit cells 10 very small because, typically, compared to the magnitude of the current I 1 flowing through the column in which a plurality of unit cells 10 are connected in series, is 1/10 or less.
  • the current I 1 flowing in the column direction is typically about 1 A to 15 A, whereas the current I 2 flowing in the row direction is 0.1 A or less.
  • the first connection body 20 connecting the cells 10 arranged in the row direction in parallel is used with a larger resistance than the second connection body 30 connecting the cells 10 arranged in the column direction in series. Even in normal operation, it can be said that the characteristics of the battery module are hardly affected. Furthermore, when an internal short circuit occurs, if the first connection body 20 connected to the unit cell 10 in which the internal short circuit has occurred is fused by Joule heat due to the short circuit current, the first connection body 20 as a fuse It can be said that it can have a function.
  • the present inventors paid attention to the metal material having a low melting point, and further examine whether it can exhibit the function as a fuse when it is used for the first connection body 20.
  • the time after time t when the current (I) flows through the first connection body 20 The temperature rise ⁇ T due to Joule heat (E) is calculated from the following equation (1).
  • Cp is a specific heat capacity
  • M is a mass
  • R is a resistance
  • ⁇ is a density
  • L is a length
  • r is an electrical resistivity
  • Table 1 shows the results.
  • the pitch in the row direction of the unit cells 10 is 19.2 mm
  • the length (L) of the first connection body 20 connecting adjacent unit cells 10 is 20 mm.
  • the current (I) assuming the normal operation time was 0.1 A
  • the current (I) assumed the internal short circuit time was 100 A.
  • the resistance (R) of the first connection body 20 is 76 m ⁇ even when the cross-sectional area is 0.007 mm 2 , and the current I 2 flowing in the row direction at the time of discharge is 0.1 A or less as described above. Since the voltage drop due to the current I 2 flowing to the first connection body 20 is as small as about 8 mV at most, the characteristics of the battery module are hardly affected.
  • the temperature rise ⁇ T when assuming the internal short circuit time is higher than the melting point (660 ° C.) of aluminum, there is a possibility that the first connection body 20 may not be melted down in consideration of heat dissipation.
  • the internal short circuit occurs.
  • the first connection body 20 connected to the unit cell 10 flows from the other unit cell 10 in which the internal short circuit does not occur to the unit cell 10 in which the internal short circuit occurs through the first connection body 20
  • the unit cell 10 in which the internal short circuit has occurred can be electrically separated from the other unit cells 10 by being configured to be fused by Joule heat due to the short circuit current.
  • the unit cell 10 constituting the battery module 100 with a simple configuration without providing components such as a fuse link the other unit cell 10 is not affected, and the battery module An inexpensive and highly safe battery module 100 can be realized that does not degrade the performance of the entire 100.
  • the value of the temperature rise ⁇ T shown in Table 1 is a value ignoring the heat radiation from the first connection body 20, so the cross-sectional area (diameter) of the first connection body 20 to be actually adopted is It is preferable to determine in consideration of the heat radiation from the first connection body 20. Further, in consideration of ease of handling in manufacture, the diameter of the first connection body 20 is preferably 0.1 mm or more.
  • the first connection body 20 is preferably made of a metal member having a uniform cross-sectional area.
  • the cross-sectional area of the first connection body 20 is determined by the generation of Joule heat due to the temperature of the first connection body 20 causing the short circuit current to flow to the unit cell 10 in which the internal short circuit occurs.
  • the size may be set to a temperature of 20 or more.
  • the first connection body 20 be made of one kind of metal, not an alloy or clad material of different metals.
  • metal for example, an aluminum material is preferable.
  • the cross-sectional area of the first connection body 20 is 0.3 mm 2 or less, more preferably in the range of 0.007 to 0.12 mm 2 .
  • a fuse element 20i is inserted between adjacent unit cells 10 as a first connection body 20 for connecting the unit cells 10 arranged in the row direction in parallel. It is indicated that the first connection body 20 has a function as a fuse in the equivalent circuit, and in the case where the fuse element as a component is inserted. Absent.
  • FIG. 8 is an equivalent circuit diagram for explaining the fuse function of the first connection body 20 when an internal short circuit occurs in the unit cell 10A in the battery module 100 shown in FIG.
  • a short circuit current i flows in the first connection body 20 connected to the unit cell 10A in which the internal short circuit has occurred.
  • the temperature of the first connection body 20 reaches the melting point of the first connection body 20 by Joule heat generated in the first connection body 20.
  • the portions 20B and 20B of the first connection body 20 between the unit cells 10 adjacent to the unit cell 10A in which the internal short circuit has occurred are melted down.
  • the unit cell 10A in which the internal short circuit has occurred is electrically completely separated from the other unit cell 10 connected in parallel, the flow of the short circuit current from the other unit cell 10 can be prevented.
  • the short circuit current flowing through the first connection body 20 is a part located away from the unit cell 10A in which the internal short circuit occurs in the portion 20B closer to the unit cell 10A in which the internal short circuit has occurred. Since a current larger than 20A flows, normally, the portions 20B and 20B of the first connection body 20 between the unit cell 10 adjacent to the unit cell 10A in which the internal short circuit has occurred are melted down.
  • the temperature rise due to the Joule heat of the first connection body 20 does not depend on the length (L) of the first connection body 20 except for the radiation, so the entire first connection body 20 It is considered that the temperature of the glass rapidly reaches the melting point or more. Therefore, as shown in FIG. 9, it may happen that the portion 20C apart from the unit cell 10A in which the internal short circuit has occurred is melted down.
  • the unit cell 10 in which the internal short circuit occurs can be electrically separated from the other cells 10, although the influence exerted on the battery 10 can be suppressed, this effect is exhibited particularly when the unit cells 10 are arranged in proximity.
  • FIGS. 10 and 11 are graphs respectively plotting the results of measuring the time change of the temperature of the unit cell 10A in which the internal short circuit has occurred and the unit cell 10B adjacent thereto, and FIG. In the case of the module 100, FIG. 11 shows the case of the assembled battery of the structure shown by patent document 4, respectively.
  • the temperature of the unit cell 10A in which the internal short circuit occurred rose to about 760 degrees, but about one second after the internal short circuit occurred, Since the first connection body 20 was melted down by Joule heat due to the internal short current, the temperature of the unit cell 10A decreased to 200 ° C. or less after 150 seconds due to heat dissipation by itself. Also, the temperature of the adjacent unit cell 10B once raised to near 200 ° C. due to the heat radiation from the unit cell 10A, and then, after 150 seconds, with the decrease of the heat radiation amount of the unit cell 10A, to 100 ° C. or less. It has fallen.
  • the temperature of the unit cell 10A in which the internal short circuit occurred rose to about 760. It decreased gradually due to the suppression of short current. However, even if the internal short current is suppressed, the internal short current continues to flow in the unit cell 10A to generate Joule heat, so the temperature drop of the unit cell 10A is compared with the case shown in FIG. It was sluggish, and it was over 300 ° C even after 150 seconds. Further, the temperature of the adjacent unit cell 10B rose to 200 ° C. or more due to the influence of heat radiation from the unit cell 10A, and then dropped gently, but after 150 seconds, it rose sharply again to 700 ° C. or more. It is considered that this is because the unit cell 10B, which was normal, generates heat due to an internal short circuit for the following reason.
  • the unit cell 10A in which the internal short circuit has occurred functions as a resistor
  • the normal unit cell 10B is in the state where the external short circuit has occurred, and the temperature rises due to the generation of Joule heat due to the external short current. Do.
  • the unit cell 10A in which the internal short circuit has occurred is maintained at a high temperature of 300 ° C. or more, the temperature of the unit cell 10B further rises due to the influence of the heat radiation from the unit cell 10A. As a result, even in the unit cell 10B that was normal, the temperature exceeding 150 ° C. continued for 100 seconds or more, so it is considered that the separator was melted and an internal short circuit occurred.
  • an internal short circuit occurs in order to prevent another unit cell 10 from being affected by the unit cell 10 in which the internal short circuit occurs. It is important to quickly electrically isolate the battery 10 from the other batteries 10.
  • the metal material used for the 1st connection body 20 in this invention is not specifically limited, For example, magnesium (melting point: 651 degreeC), zinc (419 degreeC), tin (232 degreeC) whose melting
  • Table 2 is a table showing the results of calculation of the temperature rise of the first connection body 20 in the case of using such a material from the equation (1) in the same manner as shown in Table 1.
  • the temperature rise ( ⁇ T) above the melting point at a current of 0.1 A assumed during normal operation regardless of the cross-sectional area (A) of 0.03 mm 2 or 0.12 mm 2
  • tin has a melting point lower than that of magnesium and zinc and also has a small specific heat capacity (Cp), if the cross-sectional area is too small, the temperature rise ( ⁇ T) becomes too large. Therefore, in order to maintain the function of connecting the cells 10 in parallel during normal operation, it is preferable to set the cross-sectional area to 0.03 mm 2 or more.
  • Table 3 shows the temperature rise ( ⁇ T) of the first connection body 20 when using copper having a high melting point (melting point: 1083 ° C.) and nickel (1455 ° C.) in the same manner as in Table 1. It is the table
  • the short-circuit current 100 A assumed at the internal short circuit instantaneously exceeds the melting point Since a temperature rise can be obtained, it can function as a fuse. However, since the temperature rise before melting is 1000 ° C. or higher, a low melting point metal material having a melting point of 700 ° C. or less shown in Tables 1 and 2 in consideration of the thermal influence on the other unit cells 10 It is preferable to use
  • the battery module 100 in the present invention has the configuration of the equivalent circuit diagram shown in FIG. 1, and the specific configuration thereof may be the configuration illustrated in FIG. 2, but is not necessarily limited to that configuration.
  • the configuration of the second connection body 30 is not limited to the configuration shown in FIG. 2 and can take various configurations.
  • FIG. 12 is a perspective view of the battery module 100 in the present embodiment
  • FIG. 13 is a partial enlarged view of the battery module shown in FIG. 12
  • FIG. 14 (a) is a part of the battery module 100 from below
  • FIG. 14B is a perspective view of a part of the battery module 100 as viewed from above
  • FIG. 15 is a side view of the battery module 100 as viewed from the column direction
  • FIG. FIG. 6 is a partial enlarged view of the battery module.
  • the battery module 100 in this embodiment differs from the battery module 100 shown in FIGS. 2 to 6 only in the configuration of the second connection body 30, the configuration of the first connection body 20 will be described below. The description of the other configurations is omitted.
  • a plurality of unit cells 10 are arranged in a grid, as in FIG.
  • the outer periphery of the battery case of the unit cell 10 is not insulated, and the negative electrode terminal of the unit cell 10 can be taken from the top surface of the unit cell 10 same as the positive electrode terminal.
  • the second connection body 30 connecting the unit cells 10 adjacent in the column direction in series is formed on the top surface of the unit cell 10. It consists of a part 30a connected to a certain negative electrode terminal, a part 30b extended from there to the upper surface of the unit cell 10 adjacent thereto, and a part 30c connected to the positive electrode terminal of the adjacent unit cell 10.
  • part 30a connected to the negative electrode terminal is formed in ring shape along the outer periphery of the upper surface of the unit cell 10, as shown to FIG. 13, FIG. 14 (b).
  • the first connection body 20 connecting in parallel the cells 10 arranged in the row direction connects between the cells 10 adjacent in the column direction. It connects to the part 30b of each 2nd connection body 30 which respectively.
  • the first connection body 20 connected to the unit cell 10 in which the internal short circuit occurs is generated by Joule heat. By melting it does not affect other unit cells 10 and has the effect of not reducing the performance of the entire battery module 100.
  • the output terminals 50 are connected in series in the column direction It can not be prevented that a short circuit current flows into the unit cell 10 as it is.
  • a current interrupting element for example, a fuse or the like
  • the current interrupting element 40 may be inserted between the negative electrode output terminal 51 and the unit cell 10 at the end of the unit cell 10 arranged in the column direction.
  • a current limiting element for example, a PTC element or the like
  • the current interrupting element 40 can prevent short circuit current from flowing into the unit cells 10 connected in series in the column direction.
  • FIG. 17 is an equivalent circuit diagram illustrating the function of current interrupting element 40 when an external short circuit occurs in battery module 100 shown in FIG.
  • FIG. 17 when an external short circuit occurs, a short circuit current flows from the positive electrode output terminal 50 into each current interrupting element 40 inserted for each column, but FIG.
  • the current interrupting elements 40A, 40B, and 40C operate to indicate a state in which the current is interrupted.
  • the unit cells 10A, 10B, 10C, 10D, and 10E show that the internal pressure is increased due to the temperature rise of the electrolytic solution inside the unit cell due to the short circuit current, the current shutoff valve is operated, and the current is shut off.
  • the cells 10 arranged in the row direction are connected in parallel by the first connection body 20.
  • the battery module 110 shown in FIG. 10 may be connected in parallel by the first connection body 20 via a current interrupting element (for example, current fuse) 21.
  • the current interrupting element 21 connected to the unit cell 10 in which the internal short circuit has occurred includes the current interrupting element 21 from the unit cell in addition to the occurrence of the internal short circuit. Since it is melted down by Joule heat by the short circuit current which flows into the unit cell 10 in which the internal short circuit has occurred, the short circuit current can be prevented from flowing into the unit cell in which the internal short circuit has occurred.
  • the current interrupting element 40 is inserted between the positive electrode output terminal 50 and each unit cell 10 arranged in the row direction. As in the battery module 100, the current interrupting elements 40 may be arranged in one at the positive electrode output terminal 50.
  • the present invention is useful as a power supply for driving an automobile, an electric motorcycle, an electric toy or the like.

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Abstract

　電池モジュール１００は、複数の素電池１０が格子状に配列され、行方向に配列された素電池１０は、第１の接続体２０によって並列接続され、列方向に配列された素電池１０は、列方向に隣接する素電池１０間が第２の接続体３０によってそれぞれ直列接続されている。素電池１０に内部短絡が発生したとき、内部短絡が発生した素電池１０に接続された第１の接続体２０は、内部短絡が発生していない他の素電池１０から、第１の接続体２０を介して、内部短絡が発生した素電池１０に流れる短絡電流によるジュール熱によって溶断される。

Description

電池モジュール
　本発明は、複数の電池がマトリクス状に配列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、所定の電圧及び電流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。中でも、汎用的な電池（例えば、ノートパソコン等に搭載される円筒形の二次電池）を並列・直列接続して、所定の電圧及び電流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、様々なメリットを有する。
　ところで、電池モジュールを構成する電池が、過充電や過放電、あるいは内部短絡や外部短絡により電池内で高温ガスが発生し、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。また、複数の電池を並列に接続した電池モジュールにおいては、電池モジュールを構成する電池が内部短絡等で、電池としての機能を果たせなくなると、当該電池が抵抗体となり、電池モジュール全体の性能を大きく低下させてしまうおそれがある。
　このような問題に対して、特許文献１には、図２０に示すように、複数の電池２００が接続体２１０、２３０を介して並列に接続した集合電池において、各電池の正極、及び負極が、それぞれヒューズリンク２２０、２４０によって接続体２１０、２３０に接続された構成が記載されている。このような構成にすることにより、一つの電池に内部短絡等が発生した場合、この電池に接続されたヒューズが過電流により溶断されることにより、内部短絡等が発生した電池を、他の電池から電気的に分離することができる。同様の構成が、特許文献２、３等にも記載されている。
　ところで、汎用的な電池を多数配列して電池モジュールを構成する場合、所定の電圧及び電流を出力するために、複数の電池を並列に接続して組電池を構成し、この組電池を複数個直列に接続する構成が取られる。
　例えば、組電池を特許文献１に記載された構成にした場合、組電池を複数個直列に接続して構成した電池モジュールは、図２１に示すような等価回路図となる。
　すなわち、格子状に配列した複数の電池２２０において、電池２００毎にヒューズリンク２２０（２４０）が直列に接続され、行方向（Ｘ方向）に配列した電池２００は、接続体２１０（２３０）によって並列接続されるとともに、列方向（Ｙ方向）に配列した電池２２０は、接続体２５０によって直列接続された構成となる。
　この場合、例えば、１個の電池２００Ａに内部短絡等が発生し、過電流によりヒューズリンク２２０Ａが溶断されることにより、内部短絡等が発生した電池２００Ａを、他の電池から完全に分離することができる。これにより、電池モジュールを構成する電池に不具合が生じても、他の電池に影響を与えることはなく、また、電池モジュール全体の性能を低下させてしまうこともない。
　しかしながら、不具合を生じた電池を完全に分離するためには、図２１に示すように、ヒューズリンク２２０を、電池２００毎に設ける必要があるため、部品数が大幅に増加し、電池モジュールのコストアップを招いてしまうという問題が生じる。
　また、列方向に配列した電池２００は、接続体２５０よりも抵抗の大きなヒューズリンク２２０を介して直列接続されているため、ヒューズリンク２２０で発熱したり、高電流出力が得られなくなったりという問題が生じる。
　このような問題に対して、特許文献４には、図２２に示すように、複数の電池３００が直列接続されたユニット３１０が複数並列に接続された組電池において、ユニット３１０の電池３００間を直列接続する各ライン３２０の間を、抵抗体３３０で接続した構成が記載されている。このような構成において、例えば、電池３００Ａに内部短絡が生じた場合、隣接する電池３００から抵抗体３３０Ａ、３３０Ｂを介して電池３００Ａに電流が流れ込むが、抵抗体３３０Ａ、３３０Ｂの抵抗値を大きく設定することによって、大きな短絡電流が流れるのを防止することができる。また、各電池３００にヒューズリンクが直列に接続されていないため、組電池の抵抗を低く抑えることができる。
米国特許第７６７１５６５号明細書 特表２００１－５１１６３５号公報 特開平６－２２３８１５号公報 特開２００４－３１２６８号公報
　特許文献４に記載された構成の組電池は、確かに、組電池の抵抗を低く抑えつつ、電池に内部短絡が発生した場合に大きな短絡電流が流れるのを防止することができるが、内部短絡が発生した電池は抵抗体として機能するため、正常な電池は外部短絡が生じた状態になっている。そのため、外短電流によるジュール熱の発生により、正常な電池の温度が上昇してしまう畏れがある。また、内短電流の大きさを抑えるためには、抵抗体３３０の抵抗値を大きく設定する必要があるため、通常動作時に、各電池３００間の電位差によって抵抗体３３０を介して電池３００に電流が流れ込んだ際、抵抗体３３０のジュール熱による損失が大きくなる畏れがある。
　本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、簡単な構成で、電池モジュールを構成する電池に不具合が生じても、他の電池に影響を与えることなく、また、電池モジュール全体の性能を低下させない、安価で、安全性の高い電池モジュールを提供することにある。
　上記の課題を解決するために、本発明は、複数の素電池が格子状に配列された電池モジュールにおいて、行方向に配列された素電池を、第１の接続体によって並列接続し、列方向に配列された素電池を、列方向に隣接する素電池間が第２の接続体によってそれぞれ直列接続し、素電池に内部短絡が発生したとき、内部短絡が発生した素電池に接続された第１の接続体を、内部短絡が発生していない他の素電池から、第１の接続体を介して、内部短絡が発生した素電池に流れる短絡電流によるジュール熱によって溶断するようにした構成を採用する。
　このような構成により、電池モジュールを構成する素電池に内部短絡が発生した場合、内部短絡が発生した素電池に接続された第１の接続体をジュール熱により溶断することによって、内部短絡が発生した電池を、他の電池と電気的に分離することができる。これにより、ヒューズリンク等の部品を設けることなく、簡単な構成で、電池モジュールを構成する電池に不具合が生じても、他の電池に影響を与えることなく、また、電池モジュール全体の性能を低下させない、安価で、安全性の高い電池モジュールを実現することができる。
　ここで、第１の接続体は、一様な断面積を有する金属部材で構成されていることが好ましい。この場合、第１の接続体の断面積は、第１の接続体の温度が、内部短絡が発生した素電池に短絡電流が流れることによるジュール熱の発生によって、第１の接続体の融点以上になる大きさに設定される。これにより、第１の接続体の構成が簡単になるとともに、第１の接続体を、列方向に隣接する素電池間を接続する各第２の接続体に、容易に接続することができる。
　本発明によれば、簡単な構成で、電池モジュールを構成する電池に不具合が生じても、他の電池に影響を与えることなく、また、電池モジュール全体の性能を低下させない、安価で、安全性の高い電池モジュールを提供することができる。
本発明の一実施形態における電池モジュールの構成を示した等価回路図である。 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。 図２に示した電池モジュールの部分拡大図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態における電池モジュールの一部を下方から見た斜視図、（ｂ）は、本発明の一実施形態における電池モジュールの一部を上方から見た斜視図である。 本発明の一実施形態における電池モジュールを列方向から見た側面図である。 図５に示した電池モジュールの部分拡大図である。 内部短絡が発生した素電池に短絡電流が流れ込む状態を説明した図である。 本発明の一実施形態における電池モジュールにおいて、素電池に内部短絡が発生したときの、第１の接続体のヒューズ機能を説明した等価回路図である。 本発明の一実施形態における電池モジュールにおいて、素電池に内部短絡が発生したときの、第１の接続体のヒューズ機能の他の態様を説明した等価回路図である。 本発明の一実施形態における電池モジュールにおいて、内部短絡が発生した素電池と、それに隣接した素電池の温度の時間変化を測定した結果をプロットしたグラフである。 従来の組電池において、内部短絡が発生した素電池と、それに隣接した素電池の温度の時間変化を測定した結果をプロットしたグラフである。 本発明の他の実施形態における電池モジュールの斜視図である。 図１２に示した電池モジュールの部分拡大図である。 （ａ）は、本発明の他の実施形態における電池モジュールの一部を下方から見た斜視図、（ｂ）は、本発明の他の実施形態における電池モジュールの一部を上方から見た斜視図である。 本発明の他の実施形態における電池モジュールを列方向から見た側面図である。 図１５に示した電池モジュールの部分拡大図である。 図１に示した電池モジュールにおいて、外部短絡が発生したときの、電流遮断素子の機能を説明した等価回路図である。 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示した等価回路図である。 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示した等価回路図である。 従来のヒューズリンクを備えた集合電池の構成を示した部分拡大図である。 従来の電池モジュールの構成を示した等価回路図である。 従来の組電池の構成を示した等価回路図である。
　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モジュール１００の構成を模式的に示した等価回路図である。
　図１に示すように、本実施形態における電池モジュール１００は、複数の素電池１０が格子状に配列されている。なお、本発明の電池モジュール１００を構成する電池（以下、単に、「素電池」という。）１０は、充放電可能な二次電池であれば、特にその種類は制限されず、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等を使用することができる。また、二次電池は、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、電池モジュールの素電池として使用することができるため、電池モジュールの高性能化、低コスト化をより容易に図ることができる。
　本実施形態における電池モジュール１００において、行方向（Ｘ方向）に配列された素電池１０は、第１の接続体２０によって並列接続され、列方向（Ｙ方向）に配列された素電池１０は、列方向に隣接する素電池１０間が第２の接続体３０によってそれぞれ直列接続されている。また、列方向に配列した素電池１０の両端にある素電池１０は、それぞれ正極出力端子５０、負極出力端子５１に接続されている。また、素電池１０と正極出力端子５０との間には、後述する電流遮断素子（例えば、電流ヒューズ）４０が挿入されている。なお、行方向及び列方向は、素電池１０が並列接続された方向、及び素電池１０が直列接続された方向を便宜的に定めたもので、それ以外の意味をなすものではない。
　次に、図２～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１００の具体的な構成を説明する。ここで、図２は、本実施形態における電池モジュール１００の斜視図、図３は、図２に示した電池モジュールの部分拡大図、図４（ａ）は、電池モジュール１００の一部を下方から見た斜視図、図４（ｂ）は、電池モジュール１００の一部を上方から見た斜視図、図５は、電池モジュール１００を列方向から見た側面図、図６は、図５に示した電池モジュールの部分拡大図である。
　図２に示すように、電池モジュール１００は、複数の素電池１０が格子状に配列されている。なお、本実施形態では、素電池１０が、行方向に２０個、列方向に７個配列された例を示すが、勿論、格子状に配列される素電池１０の数に制限はない。
　列方向に隣接する素電池１０間を直列接続する第２の接続体３０は、図４（ａ）、（ｂ）、図５、図６に示すように、素電池１０の底面にある負極端子（例えば、電池ケースの底面）に接続された部位３０ａと、そこから素電池１０の側面に沿って素電池１０の上面まで延出した部位３０ｂと、そこから隣接する素電池１０の上面まで延出されて、隣接する素電池１０の正極端子（例えば、電池ケースの封口板に設けられた突出部）接続された部位３０ｃからなる。
　一方、行方向に配列された素電池１０を並列接続する第１の接続体２０は、図１、図２、図５、図６に示すように、列方向に隣接する素電池１０間を接続する各第２の接続体３０の部位３０ｃに、それぞれ接続されている。
　ここで、第１の接続体２０は、好ましくは、金属細線または金属リボンで構成されており、第１の接続体２０は、例えば、ワイヤーボンディングまたはレーザ溶接、抵抗溶接などにより、列方向に隣接する素電池１０間を接続する各第２の接続体３０に、それぞれ接続されている。
　また、図２に示すように、列方向に配列した素電池１０の両端にある素電池１０は、それぞれ正極出力端子（例えば、正極バスバー）５０、負極出力端子（例えば、負極バスバー）５１に接続されている。さらに、図２、図３に示すように、正極出力端子５０側に配列した素電池１０上には、回路基板６０が配設されており、この回路基板６０上には、素電池１０と正極出力端子５０との間に挿入されるヒューズ４０が搭載されている。なお、回路基板６０には、ヒューズ４０以外に、例えば、電池モジュール１００の充放電や、素電池１０の電圧、温度等を検出して制御する制御回路等が搭載されていてもよい。
　本願発明者等は、図１に示した等価回路図で構成された電池モジュール１００において、行方向に配列された素電池１０を並列接続する第１の接続体２０について考察を加え、以下のような知見を得た。
　図１に示すように、電池モジュール１００の放電時においては、複数の素電池１０が並列接続された行方向に流れる電流Ｉ２の大きさは、通常、隣接する素電池１０間の電位差が小さいため非常に小さく、典型的には、複数の素電池１０が直列接続された列方向に流れる電流Ｉ１の大きさに比べて、１／１０以下である。例えば、リチウムイオン電池の場合、典型的には、列方向に流れる電流Ｉ１が１Ａから１５Ａ程度であるのに対して、行方向に流れる電流Ｉ２は、０．１Ａ以下である。
　また、電池モジュール１００の充電時においても、複数の素電池１０が並列接続された行方向には、隣接する素電池１０間の電位差を解消する程度の小さな電流しか流れない。なお、このような電流が流れる結果、隣接する素電池１０間の電位差はより小さくなり、これにより、放電時における行方向に流れる電流Ｉ２の大きさはさらに小さくなる。
　一方、図７に示すように、行方向に並列接続された素電池１０のうち、１つの素電池１０Ａに内部短絡が発生した場合、一つの素電池の短絡電流をＩｓとすると、内部短絡が発生した素電池１０Ａには、残りの（ｎ－１）個の素電池１０から（ｎ－１）Ｉｓの短絡電流が流れる。例えば、リチウムイオン電池の場合、内部抵抗を５０ｍΩとすると、短絡電流Ｉｓは５０Ａから１００Ａ程度となる。
　このように、複数の素電池１０が並列接続された行方向に流れる電流Ｉ２の大きさは、通常動作時には非常に小さいのに対して、内部短絡時には非常に大きいという顕著な特性をもつ。従って、行方向に配列された素電池１０を並列接続する第１の接続体２０を、列方向に配列された素電池１０を直列接続する第２の接続体３０よりも抵抗の大きなものを用いても、通常動作時において、電池モジュールの特性にほとんど影響を与えないと言える。さらに、内部短絡が発生したとき、内部短絡が発生した素電池１０に接続された第１の接続体２０が、短絡電流によるジュール熱によって溶断されれば、第１の接続体２０にヒューズとしての機能を持たせることができると言える。
　そこで、本願発明者等は、融点の低い金属材料に着目して、これを、第１の接続体２０に用いた場合に、ヒューズとしての機能を発揮し得るか否かについて、さらに検討を行った。
　第１の接続体２０が、一様な断面積（Ａ）を有する金属部材で構成されているとした場合、第１の接続体２０に電流（Ｉ）が流れたときの、時間ｔ後のジュール熱（Ｅ）による温度上昇ΔＴは、以下の式（１）から算出される。
　ΔＴ＝Ｅ／（Ｃｐ・Ｍ）
　　　＝（Ｉ２・Ｒ・ｔ）／（Ｃｐ・ρ・Ａ・Ｌ）
　　　＝（Ｉ２・ｒ・Ｌ／Ａ・ｔ）／（Ｃｐ・ρ・Ａ・Ｌ）
　　　＝（Ｉ２・ｒ・ｔ）／（Ｃｐ・ρ・Ａ２）　　　・・・式（１）
　ここで、Ｃｐは比熱容量、Ｍは質量、Ｒは抵抗、ρは密度、Ｌは長さ、ｒは電気抵抗率である。
　式（１）から、物性的には、比熱容量（Ｃｐ）と密度（ρ）が小さく、電気抵抗率（ｒ）が大きい材料ほど、また、形状的には、断面積（Ａ）が小さいほど、温度上昇ΔＴが大きくなる。なお、放熱が無視できる程度に小さければ、温度上昇ΔＴは、第１の接続体２０の長さ（Ｌ）に依存しないことが分かる。
　そこで、融点が比較的低いアルミニウムを第１の接続体２０に用いた場合に、内部短絡時に想定される温度上昇ΔＴを、式（１）を使って算出した。
　表１は、その結果を示した表である。ここで、素電池１０の行方向のピッチを１９．２ｍｍとして、隣接する素電池１０間を接続する第１の接続体２０の長さ（Ｌ）を２０ｍｍとした。また、通常動作時を想定した電流（Ｉ）を０．１Ａとし、内部短絡時を想定した電流（Ｉ）を１００Ａとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、断面積（Ａ）が０．００７ｍｍ２（直径が約０．１ｍｍ）の場合、通常動作時を想定した電流（Ｉ＝０．１Ａ）での１００秒後（ｔ＝１００ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは、アルミニウムの融点（６６０℃）より低い２２３℃で、内部短絡時を想定した電流（Ｉ＝１００Ａ）での０．１秒後（ｔ＝０．１ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは、アルミニウムの融点（６６０℃）を超える２２２，５５８℃となった。すなわち、このような断面積を有する第１の接続体２０は、内部短絡が発生すると、瞬時に溶断すると考えられる。従って、このような断面積を有するアルミニウムを第１の接続体２０に用いることによって、通常動作時は、行方向に配列された素電池１０を並列接続する機能を維持しつつ、内部短絡時には、ヒューズとしての機能を持たせることができる。
　なお、第１の接続体２０の抵抗（Ｒ）は、断面積が０．００７ｍｍ２の場合でも、７６ｍΩであり、上述したように、放電時に行方向に流れる電流Ｉ２は０．１Ａ以下と小さく、第１の接続体２０に電流Ｉ２が流れることによる電圧降下は高々８ｍＶ程度と非常に小さいため、電池モジュールの特性にはほとんど影響はない。
　また、断面積（Ａ）が０．０３ｍｍ２（直径が約０．２ｍｍ）の場合、通常動作時を想定した電流（Ｉ＝０．１Ａ）での１００秒後（ｔ＝１００ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは１２℃で、内部短絡時を想定した電流（Ｉ＝１００Ａ）での０．１秒後（ｔ＝０．１ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは、１２，１１７℃となった。すなわち、このような断面積を有するアルミニウムを第１の接続体２０に用いた場合でも、内部短絡が発生すると、瞬時に溶断すると考えられる。従って、このような断面積を有するアルミニウムを第１の接続体２０に用いることによって、通常動作時は、行方向に配列された素電池１０を並列接続する機能を維持し、内部短絡時には、ヒューズとしての機能を持たせることができる。
　また、断面積（Ａ）が０．１２ｍｍ２（直径が約０．４ｍｍ）の場合、通常動作時を想定した電流（Ｉ＝０．１Ａ）での１００秒後（ｔ＝１００ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは１℃で、内部短絡時を想定した電流（Ｉ＝１００Ａ）での０．１秒後（ｔ＝０．１ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは、７５７℃となった。内部短絡時を想定したときの温度上昇ΔＴは、アルミニウムの融点（６６０℃）よりも高くなるが、放熱を考慮した場合、第１の接続体２０が溶断しない可能性もある。しかしながら、内部短絡時を想定した電流（Ｉ＝１００Ａ）での１秒後（ｔ＝１ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは、７，５７３℃となるため、このような断面積を有するアルミニウムを第１の接続体２０に用いた場合でも、内部短絡が発生すると、短時間（約１秒以内）に溶断すると考えられる。従って、このような断面積を有するアルミニウムを第１の接続体２０に用いることによって、通常動作時は、行方向に配列された素電池１０を並列接続する機能を維持し、内部短絡時には、ヒューズとしての機能を持たせることができる。
　また、断面積（Ａ）が０．３ｍｍ２（直径が０．６ｍｍ）の場合、通常動作時を想定した電流（Ｉ＝０．１Ａ）での１００秒後（ｔ＝１００ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは１℃以下で、内部短絡時を想定した電流（Ｉ＝１００Ａ）での０．１秒後（ｔ＝０．１ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは、１２１℃となった。内部短絡時を想定したときの温度上昇ΔＴ（ｔ＝０．１ｓｅｃ）は、アルミニウムの融点（６６０℃）に達していないが、１秒後（ｔ＝１ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは、１，２１２℃となるため、このような断面積を有するアルミニウムを第１の接続体２０に用いた場合でも、内部短絡が発生すると、短時間（約１秒以内）に溶断すると考えられる。従って、このような断面積を有するアルミニウムを第１の接続体２０に用いることによって、通常動作時は、行方向に配列された素電池１０を並列接続する機能を維持し、内部短絡時には、ヒューズとしての機能を持たせることができる。
　以上の検討から、本実施形態における電池モジュール１００において、行方向に配列された素電池１０を並列接続する第１の接続体２０を、素電池１０に内部短絡が発生したとき、内部短絡が発生した素電池１０に接続された第１の接続体２０を、内部短絡が発生していない他の素電池１０から、第１の接続体２０を介して、内部短絡が発生した素電池１０に流れる短絡電流によるジュール熱によって溶断させるような構成にすることによって、内部短絡が発生した素電池１０を、他の素電池１０と電気的に分離することができる。これにより、ヒューズリンク等の部品を設けることなく、簡単な構成で、電池モジュール１００を構成する素電池１０に不具合が生じても、他の素電池１０に影響を与えることなく、また、電池モジュール１００全体の性能を低下させない、安価で、安全性の高い電池モジュール１００を実現することができる。
　なお、表１に示した温度上昇ΔＴの値は、第１の接続体２０からの放熱を無視した値であるため、実際に採用する第１の接続体２０の断面積（直径）は、第１の接続体２０からの放熱を考慮して決めるのが好ましい。また、製造上の取り扱い容易性を考慮すれば、第１の接続体２０の直径は０．１ｍｍ以上であることが好ましい。
　ここで、第１の接続体２０は、安価な素材であるためには、一様な断面積を有する金属部材で構成されていることが好ましい。この場合、第１の接続体２０の断面積を、第１の接続体２０の温度が、内部短絡が発生した素電池１０に短絡電流が流れることによるジュール熱の発生によって、第１の接続体２０の融点以上になる大きさに設定すればよい。
　また、第１の接続体２０は、安価な素材であるためには、異種金属の合金やクラッド材ではなく、一種類の金属で構成することが望ましい。一種類の金属としては、例えば、アルミニウム材が好ましく、この場合、第１の接続体２０の断面積は、０．３ｍｍ２以下、より好ましくは０．００７～０．１２ｍｍ２の範囲である。
　なお、図１に示した電池モジュール１００の等価回路図において、行方向に配列された素電池１０を並列接続する第１の接続体２０として、隣接する素電池１０間に、ヒューズ素子２０ｉが挿入されたように表示しているが、これは、第１の接続体２０が、ヒューズとしての機能を有することを等価回路的に示したもので、部品のとしてのヒューズ素子が挿入されたものではない。
　図８は、図１に示した電池モジュール１００において、素電池１０Ａに内部短絡が発生したときの、第１の接続体２０のヒューズ機能を説明した等価回路図である。図８に示すように、素電池１０Ａに内部短絡が発生すると、内部短絡が発生した素電池１０Ａに接続された第１の接続体２０に短絡電流ｉが流れる。そして、瞬時に、第１の接続体２０の温度が、第１の接続体２０に発生したジュール熱によって、第１の接続体２０の融点以上に達する。その結果、内部短絡が発生した素電池１０Ａに隣接した左右の素電池１０との間の第１の接続体２０の部位２０Ｂ、２０Ｂが溶断される。これにより、内部短絡が発生した素電池１０Ａは、その並列接続された他の素電池１０と電気的に完全に分離されるため、他の素電池１０から短絡電流が流れ込むことを防止できる。
　なお、図７に示したように、第１の接続体２０に流れる短絡電流は、内部短絡が発生した素電池１０Ａに近い部位２０Ｂの方が、内部短絡が発生した素電池１０Ａから離れた部位２０Ａよりも大きな電流が流れるため、通常は、内部短絡が発生した素電池１０Ａに隣接した素電池１０との間の第１の接続体２０の部位２０Ｂ、２０Ｂが溶断される。
　しかしながら、上述したように、第１の接続体２０のジュール熱による温度上昇は、放熱を除けば、第１の接続体２０の長さ（Ｌ）に依存しないため、第１の接続体２０全体の温度が、瞬時に融点以上に達すると考えられる。そのため、図９に示すように、内部短絡が発生した素電池１０Ａから離れた部位２０Ｃが溶断することも起こり得る。しかし、この場合でも、内部短絡が発生した素電池１０Ａに接続されて、まだ溶断されていない部位には、短絡電流が引き続き流れるため、結局は、内部短絡が発生した素電池１０Ａに隣接した左右の素電池１０との間の第１の接続体２０の部位２０Ｂ、２０Ｂも溶断されることになる。
　このように、本発明における電池モジュール１００は、素電池１０に内部短絡が発生した場合、内部短絡が発生した素電池１０を、他の電池１０と電気的に分離することができるため、他の電池１０に与える影響を抑えることができるが、この効果は、素電池１０が近接して配置されている場合に特に発揮される。
　以下、図１０及び図１１を参照しながら、内部短絡が発生した電池１０が、隣接する電池１０に与える影響について説明する。ここで、図１０及び図１１は、内部短絡が発生した素電池１０Ａと、それに隣接した素電池１０Ｂの温度の時間変化を測定した結果をそれぞれプロットしたグラフで、図１０は、本発明の電池モジュール１００の場合、図１１は、特許文献４に示された構成の組電池の場合をそれぞれ示す。
　測定は、18650サイズ（直径18mm×長さ65mm）の円筒型リチウムイオン電池（容量２．９Ａｈ）を、１９．２ｍｍの間隔で２０個配列し、そのうちの一つの素電池１０Ａに対して釘刺し試験を行い、素電池１０Ａ、及びそれに隣接する素電池１０Ｂの表面温度を測定した。ここで、本発明の電池モジュール１００では、第１の接続体２０として、直径０．２ｍｍ、断面積０．０３ｍｍ２、長さ２０ｍｍのアルミニウム細線（抵抗値１８ｍΩ）を用い、特許文献４に示した構成の組電池では、抵抗体３３０として、酸化金属皮膜抵抗（抵抗値１Ω）を用いた。
　図１０に示すように、本発明の電池モジュール１００の場合には、内部短絡が発生した素電池１０Ａの温度は約７６０度まで上昇したが、内部短絡が発生してから約１秒後には、第１の接続体２０が内短電流によるジュール熱によって溶断されたため、素電池１０Ａの温度は、自身の放熱により、１５０秒後には２００℃以下まで低下した。また、隣接する素電池１０Ｂの温度は、素電池１０Ａからの放熱の影響により、一旦２００℃近くまで上昇したが、その後、素電池１０Ａの放熱量の低下とともに、１５０秒後には１００℃以下まで低下した。
　一方、図１１に示すように、特許文献４に示した構成の組電池の場合には、内部短絡が発生した素電池１０Ａの温度は約７６０度まで上昇したが、その後、抵抗体３３０による内短電流の抑制によって徐々に低下した。しかしながら、内短電流が抑制されたといっても、引き続き、素電池１０Ａには内短電流が流れ続けてジュール熱が発生するため、素電池１０Ａの温度低下は、図１０に示した場合と比べて鈍化しており、１５０秒後でも３００℃以上であった。また、隣接する素電池１０Ｂの温度は、素電池１０Ａからの放熱の影響により、２００℃以上まで上昇し、その後、緩やかに低下したものの、１５０秒後には、再び７００℃以上まで急上昇した。これは、正常であった素電池１０Ｂが、以下のような理由で内部短絡を起こして発熱したものと考えられる。
　すなわち、内部短絡が発生した素電池１０Ａは抵抗体として機能するため、正常な素電池１０Ｂは、外部短絡が生じた状態になっており、そのため、外短電流によるジュール熱の発生によって温度が上昇する。また、内部短絡が発生した素電池１０Ａは、３００℃以上の高い温度が維持されているため、素電池１０Ａからの放熱の影響も加わって、素電池１０Ｂの温度がさらに上昇する。その結果、正常であった素電池１０Ｂにおいても、１５０℃を超える温度が１００秒以上続いたため、セパレータが溶融して、内部短絡に至ったものと考えられる。
　このように、複数の素電池１０が近接して配列された電池モジュール１００において、内部短絡が発生した素電池１０の影響を、他の素電池１０に与えないためには、内部短絡が発生した電池１０を、他の電池１０から速やかに電気的に分離することが重要である。
　なお、本発明における第１の接続体２０に用いる金属材料は特に限定されず、例えば、アルミニウム以外にも、融点の低いマグネシウム（融点：６５１℃）、亜鉛（４１９℃）、スズ（２３２℃）等も用いることが可能である。
　表２は、そのような材料を用いた場合の、第１の接続体２０の温度上昇を、表１に示したのと同様に、式（１）より算出した結果を示した表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示すように、マグネシウム及び亜鉛の場合には、断面積（Ａ）が０．００７ｍｍ２、０．１２ｍｍ２のいずれの場合についても、通常動作時に想定される電流０．１Ａでは、融点以上の温度上昇（ΔＴ）がない一方、内部短絡時に想定される短絡電流１００Ａでは、瞬時（ｔ＝０．１ｓｅｃ）に融点以上の温度上昇（ΔＴ）となる。また、スズの場合にも、断面積（Ａ）が０．０３ｍｍ２、０．１２ｍｍ２のいずれの場合についても、通常動作時に想定される電流０．１Ａでは、融点以上の温度上昇（ΔＴ）がない一方、内部短絡時に想定される短絡電流１００Ａでは、瞬時（ｔ＝０．１ｓｅｃ）に融点以上の温度上昇（ΔＴ）となる。これにより、マグネシウム、亜鉛、スズも、第１の接続体２０に用いることができると言える。
　なお、スズは、マグネシウムや亜鉛よりも融点が低い上に、比熱容量（Ｃｐ）も小さいため、断面積が小さすぎると温度上昇（ΔＴ）が大きくなりすぎる。そのため、通常動作時において、素電池１０を並列接続する機能を維持するには、断面積を０．０３ｍｍ２以上にすることが好ましい。
　一方、表３は、融点の高い銅（融点：１０８３℃）、ニッケル（１４５５℃）を用いた場合の第１の接続体２０の温度上昇（ΔＴ）を、表１に示したのと同様に、式（１）より算出した結果を示した表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３に示すように、断面積（Ａ）を０．０３ｍｍ２程度とすれば、融点の高い銅、ニッケルを用いた場合でも、内部短絡時に想定される短絡電流１００Ａで、瞬時に融点以上の温度上昇が得られるため、ヒューズとしての機能をもたせることができる。ただし、溶断されるまでの温度上昇が１０００℃以上となるため、他の素電池１０への熱的影響を考慮すれば、表１、２に示した融点が７００℃以下の低融点の金属材料を用いることが好ましい。
　本発明における電池モジュール１００は、図１に示した等価回路図の構成を備え、その具体的な構成は、図２に例示したような構成が取りえるが、必ずしもその構成に限定されない。例えば、第２の接続体３０の構成は、図２に示した構成に限定されず、種々の構成を取りうる。
　以下、図１２～図１６を参照しながら、本発明の他の実施形態における電池モジュール１００の構成を説明する。ここで、図１２は、本実施形態における電池モジュール１００の斜視図、図１３は、図１２に示した電池モジュールの部分拡大図、図１４（ａ）は、電池モジュール１００の一部を下方から見た斜視図、図１４（ｂ）は、電池モジュール１００の一部を上方から見た斜視図、図１５は、電池モジュール１００を列方向から見た側面図、図１６は、図１５に示した電池モジュールの部分拡大図である。なお、本実施形態における電池モジュール１００は、図２～図６に示した電池モジュール１００と、第２の接続体３０の構成が異なるだけなので、以下では、第１の接続体２０の構成について説明し、他の構成については説明を省略する。
　図１２に示すように、本実施形態における電池モジュール１００は、図２と同様に、複数の素電池１０が格子状に配列されている。なお、本実施形態では、素電池１０の電池ケースの外周は絶縁されておらず、素電池１０の負極端子は、正極端子と同じ素電池１０の上面から取ることができる。
　列方向に隣接する素電池１０間を直列接続する第２の接続体３０は、図１３、図１４（ａ）、（ｂ）、図１５、図１６に示すように、素電池１０の上面にある負極端子に接続された部位３０ａと、そこから隣接する素電池１０の上面まで延出された部位３０ｂと、隣接する素電池１０の正極端子に接続された部位３０ｃからなる。なお、負極端子に接続された部位３０ａは、図１３、図１４（ｂ）に示すように、素電池１０の上面の外周に沿ってリング状に形成されている。また、行方向に配列された素電池１０を並列接続する第１の接続体２０は、図１２、図１３、図１５、図１６に示すように、列方向に隣接する素電池１０間を接続する各第２の接続体３０の部位３０ｂに、それぞれ接続されている。
　ところで、本発明における電池モジュール１００は、電池モジュール１００を構成する素電池１０に内部短絡が発生した場合に、内部短絡が発生した素電池１０に接続された第１の接続体２０をジュール熱によって溶断することによって、他の素電池１０に影響を与えず、電池モジュール１００全体の性能を低下させない効果を奏するものであるが、外部短絡が発生した場合、出力端子５０から、列方向に直列接続された素電池１０に短絡電流が流れ込むことは防止できない。
　そこで、外部短絡が発生した場合に、列方向に直列接続された素電池１０に短絡電流が流れ込むことを防止するために、図１に示したように、正極出力端子５０と、列方向に配列された素電池１０の端部にある素電池１０であって、行方向に配列された各素電池１０との間に、電流遮断素子（例えば、ヒューズ等）４０を挿入することが好ましい。なお、電流遮断素子４０は、負極出力端子５１と、列方向に配列された素電池１０の端部にある素電池１０との間に挿入してもよい。また、電流遮断素子の代わりに、電流制限素子（例えば、ＰＴＣ素子等）を用いてもよい。
　このように、出力端子５０と、列方向に配列された素電池１０の端部にある素電池１０との間に電流遮断素子４０を挿入することによって、外部短絡が発生した場合でも、電流遮断素子４０によって、列方向に直列接続された素電池１０に短絡電流が流れ込むことを防止することができる。
　図１７は、図１に示した電池モジュール１００において、外部短絡が発生したときの、電流遮断素子４０の機能を説明した等価回路図である。
　図１７に示すように、外部短絡が発生したとき、正極出力端子５０から、列毎に挿入された各電流遮断素子４０に短絡電流が流れ込むことになるが、図１７は、この短絡電流で、電流遮断素子４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃが働き、電流を遮断した状態を示す。また、素電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅが、短絡電流による素電池内部の電解液の温度上昇で、内圧が高まり、電流遮断弁が作動し、電流を遮断したことを示す。
　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、行方向に配列された素電池１０を、第１の接続体２０によって並列接続したが、図１８に示した電池モジュール１１０のように、行方向に隣接する素電池１０間を、電流遮断素子（例えば、電流ヒューズ）２１を介して第１の接続体２０によって並列接続するようにしてもよい。この場合、素電池１０に内部短絡が発生したとき、内部短絡が発生した素電池１０に接続された電流遮断素子２１は、内部短絡が発生していない他に素電池から、電流遮断素子２１を介して、内部短絡が発生した素電池１０に流れる短絡電流によるジュール熱によって溶断されるため、内部短絡が発生した素電池に短絡電流が流れ込むのを防止することができる。
　また、上記実施形態では、図１に示したように、正極出力端子５０と、行方向に配列された各素電池１０との間に、電流遮断素子４０を挿入したが、図１９に示した電池モジュール１００のように、電流遮断素子４０を、正極出力端子５０のところに、一つにまとめて配置してもよい。
　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。
　１０　　　素電池 
　１０Ａ　　素電池 
　２０　　　第１の接続体 
　２０Ａ、２０Ｂ　　第１の接続体の部位 
　２１　　　電流遮断素子 
　３０　　　第２の接続体 
　３０ａ、３０ｂ、３０ｃ　　第２の接続体の部位 
　４０　　　電流遮断素子（ヒューズ） 
　５０　　　正極出力端子
　５１　　　負極出力端子 
　６０　　　回路基板 
　１００、１１０　　　電池モジュール 

Claims (11)

  1. 　複数の素電池が格子状に配列された電池モジュールであって、
    　行方向に配列された前記素電池は、第１の接続体によって並列接続され、
    　列方向に配列された前記素電池は、列方向に隣接する素電池間が第２の接続体によってそれぞれ直列接続されており、
    　前記素電池に内部短絡が発生したとき、内部短絡が発生した素電池に接続された前記第１の接続体は、内部短絡が発生していない他の素電池から、前記第１の接続体を介して、内部短絡が発生した素電池に流れる短絡電流によるジュール熱によって溶断される、電池モジュール。
  2. 　前記第１の接続体は、一様な断面積を有する金属部材で構成されており、
    　前記第１の接続体の断面積は、該第１の接続体の温度が、内部短絡が発生した素電池に短絡電流が流れることによるジュール熱の発生によって、前記第１の接続体の融点以上になる大きさに設定されている、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 　前記素電池に内部短絡が発生したとき、前記第１の接続体は、内部短絡が発生した素電池と、該素電池に隣接した素電池との間の部位において、ジュール熱の発生により溶断される、請求項２に記載の電池モジュール。
  4. 　前記第１の接続体は、列方向に隣接する前記素電池間を接続する各第２の接続体に、それぞれ接続されている、請求項１に記載の電池モジュール。
  5. 　前記第１の接続体は、金属細線または金属リボンで構成されており、前記第１の接続体は、ワイヤーボンディング、レーザ溶接または抵抗溶接により、列方向に隣接する前記素電池間を接続する各第２の接続体に、それぞれ接続されている、請求項４に記載の電池モジュール。
  6. 　前記第１の接続体はアルミニウム材で構成されており、前記第１の接続体の断面積は、０．３ｍｍ２以下である、請求項２に記載の電池モジュール。
  7. 　前記第１の接続体はアルミニウム材で構成されており、前記第１の接続体の断面積は、０．００７～０．１２ｍｍ２の範囲である、請求項６に記載の電池モジュール。
  8. 　前記第２の接続体の行方向に隣接する素電池間の抵抗値は、前記第１の接続体の隣接する素電池間の抵抗値よりも小さい、請求項１に記載の電池モジュール。
  9. 　列方向に配列された前記素電池の端部にある素電池は、前記電池モジュールの出力端子が接続されており、
    　前記出力端子と、前記列方向に配列された前記素電池の端部にある素電池であって、行方向に配列された各素電池との間に、電流を遮断または制限する素子が挿入されている、請求項１に記載の電池モジュール。
  10. 　複数の素電池が格子状に配列された電池モジュールであって、
    　行方向に配列された前記素電池は、行方向に隣接する素電池間を電流遮断素子を介して第１の接続体によって並列接続され、
    　列方向に配列された前記素電池は、列方向に隣接する素電池間を第２の接続体によってそれぞれ直列接続されており、
    　前記素電池に内部短絡が発生したとき、内部短絡が発生した素電池に接続された前記電流遮断素子は、内部短絡が発生していない他に素電池から、前記電流遮断素子を介して、内部短絡が発生した素電池に流れる短絡電流によるジュール熱によって溶断される、電池モジュール。
  11. 　前記電流遮断素子は、電流ヒューズで構成されている、請求項１０に記載の電池モジュール。
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