JP2012212558A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー密度の低下が抑制された安全で、電気特性に優れた電池モジュールを提供する。
【解決手段】本発明の電池モジュールは、第１端子および第２端子を有する素電池を、前記第２端子の排出部が同一方向に位置するよう配列した電池室と、前記排出部から排出されたガスを前記ケースの外へ排出する排気ダクトとが、隔離板によって区画されている。前記排出部は、前記隔離板に設けられた貫通孔を介して前記排気ダクトに連通し、前記第２端子が電気的に接続された第２集電板は、前記素電池の配列終端側で折り返され前記素電池の配列始端側へ延出し第２外部端子と連結しており、前記第２集電板の折り返された部分は、少なくとも前記排出部と所定の間隙を有して対向配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の素電池が配列されて構成された電池モジュールに関する。

近年、省資源や省エネルギーの観点から、繰り返し使用できるニッケル水素、ニッケルカドミウムやリチウムイオンなどの二次電池への需要が高まっている。中でもリチウムイオン二次電池は、軽量でありながら、起電力が高く、高エネルギー密度であるという特徴を有している。そのため、携帯電話やデジタルカメラ、ビデオカメラ、ノート型パソコンなどの様々な種類の携帯型電子機器や移動体通信機器の駆動用電源としての需要が拡大している。

一方、化石燃料の使用量の低減やＣＯ_２の排出量を削減するために、自動車などのモータ駆動用の電源として、複数の素電池を収容した電池モジュールへの期待が大きくなっている。

上記電池モジュールの開発において、収容する電池の高容量化が進むに伴って、利用の形態によっては、電池自身が発熱して高温になる場合がある。そのため、電池自体の安全性とともに、それらを集合した電池モジュールにおける安全性がより重要となっている。すなわち、電池は、過充電、過放電あるいは内部短絡や外部短絡により発生するガスで内圧の上昇を生じ、場合によっては、電池ケースが破裂する可能性がある。そこで、一般に、電池には、ガス抜きのためのベント機構や安全弁などを設け、内部のガスを放出している。このとき、排出されるガスに起因して発煙等を生じる場合があり、信頼性や安全性に課題があった。

特に、複数の電池を収容した電池モジュールにおいては、１つの電池の異常発熱により、周囲の電池への異常加熱を連鎖的に誘引して不具合を拡大する可能性が高く、それを防止することが重要である。

上記のような問題に対処する手段として、例えば、電池モジュール内に排気ダクトを設け、発生したガスを排気ダクトにより外部に放出する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１４０６９５号公報

特許文献１のような排気ダクトを有する構造において、排気ガスを効率良く安全に電池モジュールの外部に排出するためには、排気ダクトは大きな内部空間を有していることが好ましい。しかし、排気ダクトの内部空間が大きいと、電池モジュールにおけるデッドスペース（素電池が設けられていない空間）の割合が高くなるため、電池モジュールとしてのエネルギー密度の低下を招く。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、エネルギー密度の低下が抑制され安全性に優れた電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の電池モジュールは、第１端子および第２端子を有す複数の素電池を、多面体形状のケース内に収容して構成された電池モジュールであって、前記ケースは、前記第２端子の排出部が同一方向に位置するよう前記素電池を配列した電池室と、前記排出部から排出されたガスを前記ケースの外へ排出する排気ダクトとを備え、前記電池室と前記排気ダクトとは隔離板によって区画されており、前記排出部は、前記隔離板に設けられた貫通孔によって前記排気ダクトと連通しており、前記第２端子と接続された第２集電板は、前記素電池の配列終端側で折り返され前記素電池の配列始端側へ延出しており、前記第２集電板の折り返された部分は、少なくとも前記排出部と所定の間隙を有して対向配置されることを特徴とする。

このような構成によれば、素電池の排出部から排気ダクトにガスが排出された場合、素電池の排出部と集電板が対向しているため、排出されたガスは、熱伝導性の高い集電板と接触し集電板に沿って拡散する。よって、集電板の放熱効果により瞬時にガスの温度を下げることができる。したがって、排気ダクトの容積を低減することが可能となり、エネルギー密度の低下が抑制され安全性に優れた電池モジュールを得ることができる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、エネルギー密度の低下が抑制され安全性に優れた電池モジュールを提供することができる。

本発明の実施形態における素電池としてのリチウムイオン二次電池の断面図 本発明の実施形態１における（ａ）電池モジュールの分解斜視図、（ｂ）電池モジュールの断面図 本発明の実施形態２における（ａ）電池モジュールの分解斜視図、（ｂ）電池モジュールの断面図 本発明の実施形態３における（ａ）電池モジュールの分解斜視図、（ｂ）電池モジュールの断面図 本発明の実施形態４における（ａ）電池モジュールの分解斜視図、（ｂ）電池モジュールの断面図 本発明の実施形態５における（ａ）電池モジュールの分解斜視図、（ｂ）電池モジュールの断面図

本発明の電池モジュールは、第１端子および第２端子を有す複数の素電池を、多面体形状のケース内に収容して構成された電池モジュールであって、前記ケースは、前記第２端子の排出部が同一方向に位置するよう前記素電池を配列した電池室と、前記排出部から排出されたガスを前記ケースの外へ排出する排気ダクトとを備え、前記電池室と前記排気ダクトとは隔離板によって区画されており、前記排出部は、前記隔離板に設けられた貫通孔によって前記排気ダクトと連通しており、前記第２端子と接続された第２集電板は、前記素電池の配列終端側で折り返され前記素電池の配列始端側へ延出しており、前記第２集電板の折り返された部分は、少なくとも前記排出部と所定の間隙を有して対向配置されることを特徴とする。

このような構成によれば、素電池の排出部から排気ダクトにガスが排出された場合、素電池の排出部と集電板が対向しているため、排出されたガスは、熱伝導性の高い集電板と接触し集電板に沿って拡散する。よって、集電板の放熱効果により瞬時にガスの温度を下げることができる。そのため、より排気ダクトの容積を小さくしても、その素電池から排出されるガスへの引火等の危険性を避けることが可能となり、さらに１つの電池の異常発
熱により、周囲の電池への異常加熱を連鎖的に誘引されることも避けることができる。したがって、排気ダクトの容積を低減することが可能となり、エネルギー密度の低下が抑制され安全性に優れた電池モジュールを得ることができる。

また、本発明の電池モジュールにおいて、前記第１端子と接続された第１集電板は、第１外部端子と連結されており、前記第２集電板は、第２外部端子と連結されており、前記第１外部端子および前記第２外部端子は、前記ケースの同一の外面に設けられていることが好ましい。このような構成では、第１外部端子と第２外部端子とが同一面に位置するため、電池モジュール外部の電気回路と接続する際、接続作業が容易になり、かつ、接続スペースの割合を低くできる。

また、本発明の電池モジュールにおいて、前記第２集電板の折り返された部分は、少なくとも前記排出部と対向する箇所に、溶断部が形成されていることが好ましい。このような構成にすることで、電池モジュール内で素電池に異常が発生し、高温のガスが排出された際、その熱により、前記排出部と対向する箇所を溶断し、第２集電板に接続された素電池の全てを電気回路から隔離できる。

また、本発明の電池モジュールにおいて、前記溶断部は、前記第２の集電板の厚みを薄くすることで構成されることが好ましい。このような構成にすることで、上記した高温ガスの排出が生じた際、排出部と対向する溶断部が溶断し易くなり、より確実に第２集電板に接続された素電池の全てを電気回路から隔離できる。

また、本発明の電池モジュールにおいて、前記隔離板は、前記第２の集電板と一体化して構成されることが好ましい。このような構成とすることで、部品点数が削減し、組立てが容易になる。さらに、集電板そのものを隔離板として全面に配置させることで、さらなる部品点数の削減、デッドスペースの低減が可能となり、排気ダクト内における集電板の面積の増加により、一層の排出ガスの冷却効果が得られる。

さらに上記電池モジュールの構成において、複数の前記素電池は、１番目からｎ番目まで順に配列されて、前記第１端子および前記第２端子が、それぞれ第１集電板および前記第２集電板と電気的に並列に接続されており、前記第１集電板と接続される第１外部端子は、前記素電池のうち１番目の素電池との間で最短の電流経路を形成しており、前記第２集電板と接続される第２外部端子は、前記素電池のうちｎ番目の素電池との間で最短の電流経路を形成していることが好ましい。このような構成では、上記効果に加え、それぞれの素電池に対する回路抵抗のばらつきを解消できるため、電池特性も向上することができる。

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、本発明の実施形態における電池モジュールに使用する電池（以下、「素電池」という）１００の構成を模式的に示した断面図である。なお、本発明における電池モジュールは、複数の素電池１００が少なくとも一列に配列された素電池の集合体として構成される。

本発明における電池モジュールを構成する素電池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採用することができる。このリチウムイオン二次電池は、ノート型パソコン等の携帯用電子機器の電源として使用される汎用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。また、素電池１００は、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、素電池１００の具体的な構成を説明する。

図１に示すように、正極２と負極１とがセパレータ３を介して捲回された電極群４が、非水電解液とともに、電池ケース７に収容されている。電極群４の上部および下部には、それぞれ上部絶縁板９、下部絶縁板１０が配され、正極２は、正極リード５を介してフィルタ１２に接合され、負極１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の開口部をかしめて封口されている。

素電池１００に内部短絡等が発生して、素電池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。さらに素電池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、素電池１００内に発生したガスは、フィルタ１２の開口部１２ａ、インナーキャップ１３の開口部１３ａ、弁体１４の裂け目、そして、端子板８の排出部８ａを介して、外部へ排出される。

なお、素電池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。

（実施の形態１）
次に、本発明の実施形態１について図２を用いて詳細に説明する。図２（ａ）は、本発明の実施形態１における電池モジュールの分解斜視図を示す。また、図２（ｂ）は、本発明の実施形態１における電池モジュールの断面図を示す。

一列に配列された複数（図では３個）の筒状の素電池１００は、ケース容器４０および蓋５０からなるケースの内部に収容されて、電池モジュール２００を構成している。ここで、ケース容器４０の内底面には負極集電板３０が配置され、その上に一列に配列された複数の素電池が収容される。図１に示したように、素電池１００の正極端子となる端子板８には排出部８ａを有しており、その排出部が同一面になるよう配列される。その複数の素電池１００の上部には、それぞれの端子板８に対応する貫通孔７０ａを有する隔離板７０が載置されている。よって、電池モジュール２００は、この隔離板７０により、電池室８０と排気ダクト６０とが区画される。さらに、その隔離板７０の上部には正極集電板２０が配置され、これらを覆うように、ケース容器４０の開口端は蓋５０で封じられる。

それぞれの素電池１００の正極端子となる端子板８は、隔離板７０の貫通孔７０ａに挿入され、正極集電板２０と密着させることで電気的に接続されている。また、各素電池１００の負極端子（電池ケース７の底部）は、負極集電板３０と接して配置され、電気的に接続されている。これにより、各素電池１００は、正極集電板２０及び負極集電板３０によって電気的に並列接続されている。

素電池１００の排出部８ａは、正極集電板２０の貫通孔２０ａを介して、隔離板７０と蓋５０とで囲まれた排気ダクト６０に連通している。これにより、素電池１００の排出部
８ａから排出される高温ガスは、正極集電板２０の貫通孔２０ａを介して排気ダクト６０に排出される。また、排気ダクト６０は、隔離板７０により、複数の素電池１００に対して略密閉状態で区画されているため、排気ダクト６０に排出された高温ガスは、周辺の素電池１００に曝されることなく、排気ダクト６０を介して、蓋５０に設けられた排出口５０ａから電池モジュール２００の外部に放出させることができる。

素電池１００は、外部端子が配置されるケース面に近い配列始端から、一列に配列終端まで配列されている。ここで、正極集電板２０は、配列始端から配列終端までの全ての素電池１００の正極端子と電気的に接続されている。さらに、正極集電板２０は配列終端側で、屈曲され折り返されて延出している。また、正極集電板２０の折り返された部分は、素電池１００の排出部８ａと対向しかつ所定の距離を有するよう配置される。したがって、素電池１００の排出部８ａから排気ダクト６０へガスが排出した場合、排出されたガスが瞬時に排出部８ａと対向する正極集電板２０に接触し正極集電板２０に沿って拡散し、排出口５０ａから電池モジュール２００の外部へ放出される。そのため、正極集電板２０の放熱効果により、すばやく排出ガスを冷却することができ、排気ダクト６０の容積を小さくすることができる。

このような放熱効果がより効率的に得られるように、正極集電板２０の材質は、電気伝導性が良く、かつ、熱伝導性のよい材質が好ましい。たとえば銅、アルミニウム等が好ましい。

また、正極集電板２０の一端部は、蓋５０の排出口５０ａから外部に延出しており、正極外部端子２０ｂとして電池モジュール２００の外部に露出している。また、負極集電板３０の一端部は、ケース容器４０から外部に延出しており、負極外部端子３０ｂとして電池モジュール２００の外部に露出している。これら外部端子により、電池モジュール２００同士が連結され、また外部電気部品と接続される。このような構成において、正極外部端子２０ｂおよび負極外部端子３０ｂは、電池モジュール２００の同一面に位置させることが好ましい。これにより、上記電気的接続時の作業性を向上することができる。

また、本実施形態において、素電池１００は、外部端子が配置されるケース面に近い配列始端から一列に配列終端まで配列され、正極集電板２０及び負極集電板３０と電気的に並列に接続されている。ここで、図２において、正極外部端子２０ｂは、上記の素電池１００のうち配列終端の素電池（図では最左側）との間で最短の電流経路を形成しており、負極外部端子３０ｂは、上記の素電池のうち配列始端の素電池（図では最右側）との間で最短の電流経路を形成している。これにより、正極外部端子２０ｂと負極外部端子３０ｂとの間の回路抵抗は、それぞれの素電池に対してほぼ等しくなり、電池特性も向上する。

電池モジュール２００は、正極外部端子２０ｂ、負極外部端子３０ｂを除き、外部から絶縁された状態とすることが好ましく。よって、電池モジュール２００における蓋５０およびケース容器４０は、絶縁材料から構成されることが好ましい。具体的には、強度、耐熱性の観点から、ガラスエポキシ樹脂等がより好ましい。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施形態２について、図３を用いて詳細に説明する。図３（ａ）は、本発明の実施形態２における電池モジュールの分解斜視図、図３（ｂ）は、同じく実施形態２における電池モジュールの断面図を示す。本実施形態において、正極集電板２０は、正極集電板２０が折り返された部分であり、排出部８ａに対向する箇所に溶断部２０ｃを設けている。ここで、溶断部２０ｃは、正極集電板２０の一部を薄肉にすることで形成されている。素電池１００の排出部８ａから排出された高温のガスは、正極集電板２０の折り返し部分で排出部８ａと対向する箇所に、集中的に噴出される。よって、その箇所に溶断
部２０ｃを設け、異常時に瞬時に２０ｃを溶断させることで、電池モジュール２００内部の正極集電板２０と接続された全ての素電池１００を電気回路から隔離できる。その結果、電池モジュール２００内部の１セルの素電池１００について異常が生じた場合であっても、周囲の電池への異常加熱を連鎖的に誘引して不具合を拡大する可能性を避けることができる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施形態３について、図４を用いて詳細に説明する。図４（ａ）は、本発明の実施形態３における電池モジュールの分解斜視図、図４（ｂ）は、同じく実施形態３における電池モジュールの断面図を示す。本実施形態において、正極集電板２０は、正極集電板２０の折り返された部分が、幅狭に構成されている。したがって、排出部８ａに対向する正極集電板２０が幅狭であるため、溶断部２０ｃとして機能し、上記同様、異常時に溶断部２０ｃを溶断させることで、電池モジュール２００内部の正極集電板２０と接続された全ての素電池１００を電気回路から隔離できる。よって、電池モジュール２００内部の１セルの素電池１００の異常により、周囲の電池への異常加熱を連鎖的に誘引して不具合を拡大する可能性を避けることができる。

なお、本実施形態においては、折り返し部分を全て幅狭に構成したが、少なくとも排出部８ａと対向する部分が幅狭となるように構成してもよい。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施形態４について、図５を用いて詳細に説明する。図５（ａ）は、本発明の実施形態４における電池モジュールの分解斜視図、図５（ｂ）は、同じく実施形態４における電池モジュールの断面図を示す。本実施形態において、正極集電板２０は、正極集電板２０の折り返された部分が、幅狭に構成されており、さらに排出部８ａに対向する箇所は薄肉にすることで溶断部２０ｃを設けている。したがって、排出部８ａに対向する正極集電板２０が幅狭かつ薄肉であるため、その箇所が溶断部２０ｃとして機能する。よって、上記同様、異常時に２０ｃが溶断し、電池モジュール２００内部の正極集電板２０と接続された全ての素電池１００を電気回路から隔離できる。その結果、電池モジュール２００内部の１セルの素電池１００の異常により、周囲の電池への異常加熱を連鎖的に誘引して不具合を拡大する可能性を避けることができる。また、本発明においては、幅狭かつ薄肉であるため、より溶断性が高く安全な電池とすることができる。

なお、本発明の実施の形態２〜４において、正極集電板２０の溶断部２０ｃは、薄肉または幅狭とすることで構成したが、それに限られるものではなく、例えば溶断し易い他の材質を接続してもよい。

（実施の形態５）
次に、本発明の実施形態５について、図６を用いて詳細に説明する。図６（ａ）は、本発明の実施形態５における電池モジュールの分解斜視図、図６（ｂ）は、同じく実施形態５における電池モジュールの断面図を示す。本実施形態の電池モジュールにおいて、正極集電板２０は、それぞれの素電池１００と接続され、素電池１００に対して略密閉状態となるよう電池室と排気ダクトとを区画している。したがって、本実施形態の正極集電板２０は、隔離板としての機能も有している。このことにより、部品点数を減らし、デッドスペースの割合を低くすることができる。さらに、排気ダクトの冷却効果を上げることができる。

なお、本発明の実施形態の説明においては、素電池の正極端子側に排気ダクトを設けたが、負極端子に排気部が設けられる場合は、負極端子側でもよい。

また、本発明の実施形態において、素電池が一列に配列した電池モジュールを用いて説明したが、一列に配列され並列接続された素電池の集合体が、複数列含まれるよう電池モジュールを構成しても構わない。

本発明は、安全性を向上した電池モジュールを提供することができる。よって、特に自動車、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 負極
２ 正極
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 端子板
８ａ 排出部
９ 上部絶縁板
１０ 下部絶縁板
１１ ガスケット
１２ フィルタ
１３ インナーキャップ
１２ａ、１３ａ 開口部
１４ 弁体
２０ 正極集電板
２０ｂ 正極外部端子
２０ｃ 溶断部
３０ 負極集電板
３０ｂ 負極外部端子
４０ ケース容器
５０ 蓋
５０ａ 排出口
６０ 排気ダクト
７０ 隔離板
２０ａ、７０ａ 貫通孔
８０ 電池室
１００ 素電池
２００ 電池モジュール

Claims (6)

1. 第１端子および第２端子を有す複数の素電池を、多面体形状のケース内に収容して構成された電池モジュールであって、
   前記ケースは、前記第２端子の排出部が同一方向に位置するよう前記素電池を配列した電池室と、前記排出部から排出されたガスを前記ケースの外へ排出する排気ダクトとを備え、前記電池室と前記排気ダクトとは隔離板によって区画されており、
   前記排出部は、前記隔離板に設けられた貫通孔によって前記排気ダクトと連通しており、
   前記第２端子と接続された第２集電板は、前記素電池の配列終端側で折り返され前記素電池の配列始端側へ延出しており、
   前記第２集電板の折り返された部分は、少なくとも前記排出部と所定の間隙を有して対向配置される電池モジュール。
2. 前記第１端子と接続された第１集電板は、第１外部端子と連結されており、
   前記第２集電板は、第２外部端子と連結されており、
   前記第１外部端子および前記第２外部端子は、前記ケースの同一の外面に設けられた請求項１記載の電池モジュール。
3. 前記第２集電板の折り返された部分は、少なくとも前記排出部と対向する箇所に、溶断部が形成された請求項１または２に記載の電池モジュール。
4. 前記溶断部は、前記第２集電板の厚みを薄くすることで形成された請求項３記載の電池モジュール。
5. 前記隔離板は、前記第２集電板と一体化して構成された請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池モジュール。
6. 複数の前記素電池は、１番目からｎ番目まで順に配列されて、前記第１端子および前記第２端子が、それぞれ第１集電板および前記第２集電板と電気的に並列に接続されており、
   前記第１集電板と接続される第１外部端子は、前記素電池のうち１番目の素電池との間で最短の電流経路を形成しており、
   前記第２集電板と接続される第２外部端子は、前記素電池のうちｎ番目の素電池との間で最短の電流経路を形成している請求項１〜５のいずれか１項に記載の電池モジュール。