WO2014068946A1

WO2014068946A1 - 電池モジュール

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Publication number: WO2014068946A1
Application number: PCT/JP2013/006372
Authority: WO
Inventors: 下司　真也; 永山　雅敏; 仰奥谷
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2014-05-08
Anticipated expiration: 2015-04-30
Also published as: US20150288039A1; JPWO2014068946A1

Abstract

電池モジュール（１０）のある態様は、熱伝導性が良好な収容部（３０）に収容された円柱状の複数の電池（２０）を有する。収容部（３０）は、基部（３２）、第１の枠体部（３４）および第２の枠体部（３６）を有する。基部（３２）は、第１の枠体部（３４）および第２の枠体部（３６）を固定するためのベース部材である。第１の枠体部（３４）は、基部（３２）の一方の主表面側に突出した中空円筒状の部材である。第２の枠体部（３６）は、基部（３２）の他方の主表面に突出した中空円筒状の部材である。第１の枠体部（３４）および第２の枠体部（３６）は互い違いに配置される。各電池（２０）は、半分だけ第１の枠体部（３４）または第２の枠体部（３６）で覆われる。

Description

電池モジュール

　本発明は、複数の電池が格納された電池モジュールに関する。

　一般に、電池（単セル）の起電力は低く、起電力が高いといわれるリチウムイオン電池においても４Ｖ程度である。そのため、より高い電圧が必要な場合には、複数個の電池を直列接続してモジュール化することが行われている。

　例えば、特許文献１には、複数の電池を外装ケースに収容し、隣接する電池間に熱暴走防止壁（具体的には断熱材）を設ける技術が開示されている。また、特許文献２には、電池キャパシタを放熱ブロックに挿入し、充放電の発熱による温度上昇を抑える技術が開示されている。

特開２００７－０６６７３号公報特表２０１１－５０８３６６号公報

　一般に、電池には、異常発熱などにより内部でガスが生じた場合にガスを放出するためのガス抜き用の安全弁が設けられている。従来の電池モジュールでは、電池の一つで異常発熱によりガスが放出された場合に、高温のガスにより周囲の電池が加熱されることにより、電池の異常発熱が連鎖的に異常発熱を起こす場合があった。

　特許文献１の技術では、電池の熱暴走が連鎖的に生じることを抑制することはできるももの、電池周辺に断熱材が設置されることにより、電池が蓄熱しやすくなり、電池の温度の上昇を招き、ひいては電池性能が低下するおそれがあった。また、特許文献２の技術では、電池の放熱性の向上が図られるが、電池が異常発熱した場合に電池で生じたガスにより周囲の電池が連鎖的に異常発熱を起こすことに対する対策が図られていない。

　このように、従来の電池モジュールでは、電池の放熱性を高めることと、電池の一つが異常発熱したときに、周囲の電池の異常発熱を誘発することを両立させる点で改良の余地が残されていた。

　本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、収容部に収容された複数の電池の放熱性を高めつつ、電池の異常発熱が連鎖的に起こることを抑制することができる技術の提供にある。

　本発明のある態様は、電池モジュールである。当該電池モジュールは、複数の電池と、前記複数の電池を収容し、熱伝導性を有する材料で形成されている収容部と、を備え、前記収容部は、平板状の基部と、前記基部の一方の主表面側に突出し、前記基部の他方の主表面側から前記電池を挿入可能な中空状の第１の枠体部と、前記第１の枠体部と隣接して設けられ、前記基部の他方の主表面側に突出し、前記基部の一方の主表面側から前記電池を挿入可能な中空状の第２の枠体部と、を有し、各電池は、前記第１の枠体部または前記第２の枠体部で覆われた領域と、外部に露出する領域を有することを特徴とする。

　本発明によれば、収容部に収容された複数の電池の放熱性を高めつつ、電池の異常発熱が連鎖的に起こることを抑制することができる。

実施の形態１に係る電池モジュールの外観を示す斜視図である。図２は、電池モジュール１０に組み込まれる電池２０の断面図である。実施の形態１に係る電池モジュールが有する収容部の外観を示す斜視図である。図４（Ａ）は、実施の形態１で用いられる収容部の平面図である。図４（Ｂ）は、実施の形態１で用いられる収容部の底面図である。図４（Ｃ）は、図４（Ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面図である。実施の形態２に係る電池モジュールの外観を示す斜視図である。図６（Ａ）は、実施の形態２で用いられる収容部の平面図である。図６（Ｂ）は、実施の形態２で用いられる収容部の底面図である。図６（Ｃ）は、図６（Ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面図である。

　以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

　図１は、実施の形態１に係る電池モジュール１０の外観を示す斜視図である。図２は、電池モジュール１０に組み込まれる電池２０の断面図である。図３は、実施の形態１に係る電池モジュールが有する収容部の外観を示す斜視図である。図４（Ａ）は、実施の形態１で用いられる収容部の平面図である。図４（Ｂ）は、実施の形態１で用いられる収容部の底面図である。図４（Ｃ）は、図４（Ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面図である。

　電池モジュール１０は、複数の電池２０および収容部３０を有する。

　本実施の形態の電池２０は円柱状の外形を有しているが、電池２０の外形はこれに限られず、例えば、角形でもよい。また、本実施の形態の電池２０はリチウムイオン二次電池であるが、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池などにも適用可能である。

　以下、図２を参照しながら、電池２０の具体的な構成を説明する。図２に示すように、正極２０１と負極２０２とがセパレータ２０３を介して捲回された電極群２０４が、非水電解液（図示せず）とともに、電池ケース２０７に収容されている。電極群２０４の上下には、絶縁板２０９、２１０が配され、正極２０１は、正極リード２０５を介してフィルタ２１２に接合され、負極２０２は、負極リード２０６を介して負極端子を兼ねる電池ケース２０７の底部に接合されている。

　フィルタ２１２は、インナーキャップ２１３に接続され、インナーキャップ２１３の突起部は、金属製の弁体２１４に接合されている。さらに、弁体２１４は、正極端子を兼ねる端子板（電極部）２１８に接続されている。そして、端子板２１８、弁体２１４、インナーキャップ２１３およびフィルタ２１２が一体となって、ガスケット２１１を介して、電池ケース２１７の開口部を封口している。

　電池２０の温度が上昇したり、電池２０に内部短絡等が発生して、電池２０内の圧力が上昇すると、弁体２１４が端子板８に向かって膨れ、インナーキャップ２１３と弁体２１４との接合が外れると、電流経路が遮断される。さらに、電池２０内の圧力が上昇すると、弁体２１４が破断する。これによって、電池２０内に発生したガスは、フィルタ１２の貫通孔２１２ａ、インナーキャップ１３の貫通孔２１３ａ、弁体２１４の裂け目、そして端子板（電極部）２０８８の開放部２０８ａを介して、外部へ放出される。

　なお、電池２０内に発生したガスを外部に放出する安全機構は、図２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３および図４（Ａ）乃至（Ｃ）を参照して収容部３０の構成について説明する。収容部３０は、複数の電池２０を収容する機能と電池２０から熱を放熱させる機能を担う。収容部３０は、基部３２、第１の枠体部３４および第２の枠体部３６（以下、第１の枠体部３４と第２の枠体部３６とを区別せず、単に「枠体部」と呼ぶ場合がある）を有する。基部３２、第１の枠体部３４および第２の枠体部３６は、アルミニウム、銅、マグネシウムなどの熱伝導性が良好な材料で形成されている。

　基部３２は、平板状の部材であり、第１の枠体部３４および第２の枠体部３６を固定するためのベース部材となる。基部３２には、第１の枠体部３４および第２の枠体部３６が設置される領域に応じて開口部３３が形成されている。本実施の形態では、開口部３３は格子状に配置されている。基部３２は熱伝導性を有するため、第１の枠体部３４、第２の枠体部３６に温度のばらつきが生じている場合に枠体部間で熱伝導が生じ、枠体部の温度を均等化が図られる。

　第１の枠体部３４は、基部３２の一方の主表面側に突出した中空円筒状の部材である。第１の枠体部３４は、基部３２に設けられた開口部３３の周縁部に固定されており、開口部３３を通して、電池２０を第１の枠体部３４に挿入可能になっている。第１の枠体部３４は、基部３２とシームレスに一体化されていてもよく、また、第１の枠体部３４は基部３２と別部材として用意し、第１の枠体部３４と基部３２とが溶接などにより固定されていてもよい。

　一方、第２の枠体部３６は、基部３２の他方の主表面に突出した中空円筒状の部材である。第２の枠体部３６は、基部３２に設けられた開口部３３の周縁部に固定されており、開口部３３を通して、電池２０を第２の枠体部３６に挿入可能になっている。第２の枠体部３６は、基部３２とシームレスに一体化されていてもよく、また、第２の枠体部３６は基部３２と別部材として用意し、第２の枠体部３６と基部３２とが溶接などにより固定されていてもよい。

　本実施の形態では、図４（Ａ）に示すように、基部３２を平面視したときに、図４（Ａ）の紙面左右方向に枠体部が並んだある列において第１の枠体部３４と第２の枠体部３６とが互い違いになるように配置され、さらに、この列と直交する列（図４（Ａ）の紙面上下方向の列）においても、第１の枠体部３４と第２の枠体部３６とが互い違いになるように配置されている。言い換えると、隣接する格子点において、第１の枠体部３４と第２の枠体部３６とが互い違いになるように配置されている。したがって、図１に示すように、第１の枠体部３４および第２の枠体部３６にそれぞれ電池２０が収容された状態では、基部３２の一方の側において、第１の枠体部３４に収容された電池２０と、外部に露出している電池２０とが互い違いに配置されている。

　第１の枠体部３４および第２の枠体部３６の軸方向の長さは電池２０の軸方向の長さの約半分である。つまり、電池２０を収容部３０に設置した場合に、電池２０が第１の枠体部３４または第２の枠体部３６で覆われる部分と、電池２０が外部に露出する部分とが約半分ずつとなる。これにより、収容部３０に複数の電池２０を収容したときに、電池モジュール１０の下面および上面をそれぞれ面一にすることができ、無駄なスペースが生じないようにすることができる。なお、電池２０が露出した部分は、隣接する電池２０を覆う枠体部と接しないように設計される。また、枠体部に電池２０を収容した状態で、枠体部と電池２０とが接するように設計されてもよく、枠体部と電池２０との間に隙間が生じるように設計されてもよい。枠体部と電池２０とが接する場合には、電池２０から枠体部への伝熱性を高めることができ、ひいては、枠体部による放熱効果をより高めることができる。一方、枠体部と電池２０との間に隙間を生じさせる場合には、枠体部に電池２０を挿入しやすくすることができ、また、ある程度の電池２０の膨張を許容することで、収容部によって電池２０にストレスが掛かることを抑制することができる。また、枠体部と電池２０との間に空気が断熱層として存在することにより、枠体部から電池２０へ熱が伝わりにくくなり、電池２０の一つが異常発熱によりガスを放出した場合に、枠体部でガスを遮断するだけでなく、ガスの熱を周囲の電池２０に伝わりにくくすることができる。なお、枠体部と電池２０との間の隙間部分に断熱層として断熱材を詰めることにより、枠体部から電池２０へ熱を伝わりにくくすることもできる。

　また、収容部３０に収容された複数の電池２０は、バスバーなどの電気接続部材（図示せず）を用いて、電気的に直列または並列接続される。

　以上説明した電池モジュール１０によれば、収容部３０に収容された電池２０の約半分を第１の枠体部３４または第２の枠体部３６で覆い、残りの約半分が外部に露出している。このため、露出している部分で電池２０が外気に直接触れることで空冷が可能となる。なお、電池モジュール１０の近傍に空冷ファンなどの送風手段を設置し、電池２０に送風することにより電池２０をより効果的に冷却することができる。このように、電池２０の放熱性を高めることにより、電池２０の活物質や電解液の劣化を抑制し、電池性能の向上や長寿命化を図ることができる。

　また、上述した電池モジュール１０によれば、特定の電池が異常発熱を起こし、当該電池の露出部分（枠体部で覆われていない部分）、具体的には、上述した開放部２１８ａから高温のガスが漏洩した場合であっても、当該電池の露出部分に隣接する電池は枠体部で覆われているため、ガスの漏洩元から隣接する電池に直接的にガスが触れることが抑制される。この結果、特定の電池が異常発熱を起こした場合に、周囲の電池で異常発熱が誘発されることを抑制することができる。

　このように、上述した電池モジュール１０によれば、収容部３０に収容された複数の電池２０の放熱性を高めつつ、電池の異常発熱が連鎖的に起こることを抑制することができる。

　なお、本実施の形態では、枠体部の列とこれに直交する列の両方において、第１の枠体部３４と第２の枠体部３６とが互い違いになるように配置されているが、いずれか一方の列において第１の枠体部３４と第２の枠体部３６とが互い違いになるように配置されていれば、少なくともその列においては、上述したような、電池の異常発熱が連鎖的に起こることを抑制するという効果を得ることができる。
（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係る電池モジュール１０の外観を示す斜視図である。図６（Ａ）は、実施の形態２で用いられる収容部の平面図である。図６（Ｂ）は、実施の形態２で用いられる収容部の底面図である。図６（Ｃ）は、図６（Ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面図である。

　実施の形態１では、枠体部が格子状に配列されているが、枠体部の配列の態様は格子状に限られない。本実施の形態では、第１の枠体部３４および第２の枠体部３６が最密充填状に配置（千鳥配置ともいう）されている。言い換えると、図６（Ａ）の紙面左右方向に枠体部が並んだある列に対してこれに隣接する列では、隣接する枠体部の中心位置間の半分の距離だけずれて各枠体部が配置されている。

　本実施の形態では、実施の形態１と同様に、収容部３０に収容された複数の電池２０の放熱性を高めることができる。さらに、少なくとも図６（Ａ）の紙面左右方向に枠体部が並んだある列に対してこれに隣接する列において、実施の形態１と同様に、電池の異常発熱が連鎖的に起こることを抑制するという効果を得ることができる。

　本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

　なお、上述の各実施の形態に係る発明は、以下に記載する項目によって特定されてもよい。
（項目１）
　複数の電池と、前記複数の電池を収容し、熱伝導性を有する材料で形成されている収容部と、を備え、前記収容部は、平板状の基部と、前記基部の一方の主表面側に突出し、前記基部の他方の主表面側から前記電池を挿入可能な中空状の第１の枠体部と、前記第１の枠体部と隣接して設けられ、前記基部の他方の主表面側に突出し、前記基部の一方の主表面側から前記電池を挿入可能な中空状の第２の枠体部と、を有し、各電池は、前記第１の枠体部または前記第２の枠体部で覆われた領域と、外部に露出する領域を有することを特徴とする。
（項目２）
　前記第１の枠体部および前記第２の枠体部が格子状に配置されている項目１に記載の電池モジュール。
（項目３）
　前記第１の枠体部および前記第２の枠体部が最密充填状に配置されている項目１に記載の電池モジュール。
（項目４）
前記第１の枠体部と前記電池との間、および前記第２の枠体部と前記電池との間に断熱層を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電池モジュール。
（項目５）
　前記電池の軸方向において、前記第１の枠体部または前記第２が枠体部で覆われた領域の長さと、前記電池が外部に露出する領域の長さが同等である項目１乃至４のいずれか１項に記載の電池モジュール。

１０　電池モジュール、２０　電池、３０　収容部、３２　基部、３４　第１の枠体部、３６　第２の枠体部

Claims

　複数の電池と、
　前記複数の電池を収容し、熱伝導性を有する材料で形成されている収容部と、
を備え、
　前記収容部は、平板状の基部と、
　前記基部の一方の主表面側に突出し、前記基部の他方の主表面側から前記電池を挿入可能な中空状の第１の枠体部と、
　前記第１の枠体部と隣接して設けられ、前記基部の他方の主表面側に突出し、前記基部の一方の主表面側から前記電池を挿入可能な中空状の第２の枠体部と、
を有し、
　各電池は、前記第１の枠体部または前記第２の枠体部で覆われた領域と、外部に露出する領域を有することを特徴とする電池モジュール。
　前記第１の枠体部および前記第２の枠体部が格子状に配置されている請求項１に記載の電池モジュール。
　前記第１の枠体部および前記第２の枠体部が最密充填状に配置されている請求項１に記載の電池モジュール。
　前記第１の枠体部と前記電池との間、および前記第２の枠体部と前記電池との間に断熱層を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電池モジュール。
　前記電池の軸方向において、前記第１の枠体部または前記第２が枠体部で覆われた領域の長さと、前記電池が外部に露出する領域の長さが同等である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電池モジュール。