JP5352681B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電池モジュールに関し、特に冷却剤を備えた電池モジュールに関する。

近年、省資源又は省エネルギーの観点から、繰り返し使用できる二次電池を携帯型電子機器又は移動体通信機器等の電源として使用している。また、化石燃料の使用量の削減又は二酸化炭素の排出量の削減等の観点から、このような二次電池を車両等の電源として使用することが検討されている。

中でも、汎用的な電池を並列又は直列に接続して電池モジュールを構成し、この電池モジュールを組み合わせて多種多様な用途に対応させるという技術が採用され始めている。この技術では、電池モジュールを構成する電池（素電池）を高性能化させることにより、電池モジュールの小型化及び軽量化を図ることができる。よって、電池モジュールを組み合わせる際の作業性の向上、及び、車両等の限られた空間へ搭載する際の自由度の向上等のメリットを得ることができる。

素電池を互いに近接させて配置すれば、電池モジュールの高エネルギー密度化及び小型化を図ることができる。しかし、何れかの素電池で内部短絡等が発生したためにその素電池が異常発熱したとき（以下では単に「異常発熱時」と記す）には、異常発熱した素電池（異常な素電池）の周囲に位置する正常な素電池が高温な熱に曝されるため、異常な発熱が連鎖的に拡大する恐れがある。そこで、特許文献１では、異常発熱時に冷却剤を放出可能な冷却チューブが提案されている。冷却チューブは異常発熱時に一部分が溶融するように構成されており、冷却チューブの溶融により冷却剤が放出される。

ＵＳ７，４３３，７９４Ｂ１

異常発熱時に冷却剤を冷却ユニットから放出させるという技術は提案されているものの、冷却ユニットの具体的な構成はほとんど検討されていない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、異常発熱時に冷却剤を放出可能な生産性に優れた冷却ユニットを提案することである。

本発明における冷却ユニットは、素電池の近傍に設けられており、シート状部材が封止されて形成された封止部を有している。封止部の一部には開封部が設けられており、素電池が異常発熱したときには開封部が開封される。

このように本発明における冷却ユニットでは、異常発熱時には、開封部が優先的に開封されて冷却剤が放出される。

また、開封部と難開封部（開封部以外の部分）とでシート状部材の封止条件を変更すれば、本発明における冷却ユニットを作製できる。よって、本発明における冷却ユニットを比較的簡便に作製することができる。ここで、シート状部材の封止条件には、封止圧及び封止時の温度のみならず、封止部を構成する材料及び封止部の形状等も含まれる。

なお、本明細書では、「素電池の近傍」は、異常発熱時に高温（例えば１５０℃以上）に曝される領域であり、異常な素電池に接する領域だけでなく異常な素電池から若干（例えば５ｍｍ以下）離れた領域も含んでいる。

また、本明細書では、「異常発熱」は、例えば、内部短絡又はショート等の発生に起因して素電池を構成する材料が反応を起こしたために素電池が発熱することである。そのため、本明細書における「異常発熱」には、通常の充放電時における素電池の発熱は含まれない。素電池が異常発熱すると、素電池の温度は１５０℃を超え、その温度が５００℃を超えることもある。

本発明によれば、異常発熱時に冷却剤を放出可能な冷却ユニットの生産性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る電池モジュールの平面図である。 図１に示すII−II線における断面図である。 本発明の一実施形態における冷却ユニットの平面図である。 異常発熱時における素電池の外面からの距離と温度との関係を示すグラフ図である。 本発明の別の実施形態に係る電池モジュールの断面図である。 本発明の別の実施形態における冷却ユニットの平面図である。 本発明のまた別の実施形態に係る電池モジュールの平面図である。

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、以下に示す実施形態に限定されない。また、以下では、同一の部材に同一の符号を付している。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る電池モジュール１００の平面図である。図２は、図１に示すII−II線における断面図である。図３は、本実施形態における冷却ユニット２０の平面図である。なお、図２では、素電池１０については側面図を示している。

本実施形態に係る電池モジュール１００は、複数の素電池１０，１０，…がマトリクス状に配列されて構成されている。ここで、各素電池１０は、例えば円筒型のリチウムイオン二次電池であり、封口板１１，１１，…が電池モジュール１００の上側に位置するようにケース３０内に収容されている。そのため、本実施形態では、素電池１０の軸方向はケース３０の高さ方向に対して略平行である。

隣り合う素電池１０，１０の間には、冷却ユニット２０が設けられている。冷却ユニット２０は、平面視方形又は平面視矩形のシート状部材２１が折り返されて形成されており、折り返しにより互いに重なり合った部分の周縁は封止されている。つまり、本実施形態における冷却ユニット２０には、封止部２２が三側方に亘って形成されている。そして、密閉された空間内には水等の冷却剤が収容されている。

シート状部材２１は、例えばラミネートフィルムであり、冷却ユニット２０の内側から外側へ向かう順に、融着層、基材層及び絶縁層が積層されて構成されている。融着層、基材層及び絶縁層の厚みは順に４０μｍ程度、５０μｍ程度及び３０μｍ程度であれば良く、基材層はアルミニウム又はステンレスからなれば良く、絶縁層はナイロン又はポリエチレンテレフタレートからなれば良い。封止部２２では、折り返しにより互いに重なり合った融着層が融着されている。

封止部２２には、異常発熱時に相対的に開封され難い難開封部２３と、異常発熱時に相対的に開封され易い開封部２４とが設けられている。よって、異常発熱時には、冷却ユニット２０が開封部２４において優先的に開封され、冷却剤が開封部２４から放出される。冷却ユニット２０は隣り合う素電池１０の間に設けられているので、開封部２４から放出された冷却剤は異常な素電池１０に供給される。これにより、異常な素電池１０が冷却される。従って、正常な素電池１０が高温な熱に曝されることを防止できるので、異常発熱の連鎖を防止できる。

また、素電池１０が異常発熱すると、冷却ユニット２０は開封部２４において開封されて冷却剤を放出する。よって、電池モジュール１００には、素電池１０の温度を検知する温度センサー、冷却ユニット２０を開封させるための開封機構、及び、温度センサーが検知した温度に基づいて開封機構を駆動させる制御機構等が不要である。従って、電池モジュール１００の小型化及び高エネルギー密度化を図ることができる。

それだけでなく、開封部２４が封止部２２の一部分に設けられているので、開封部２４と難開封部２３とで封止条件を変更すれば冷却ユニット２０を作製できる。これにより、冷却ユニット２０を比較的簡便に作製でき、よって、冷却ユニット２０の生産性を向上させることができる。では、開封部２４の具体的な構成を説明する。

例えば、開封部２４における融着層の融点が難開封部２３における融着層の融点よりも低ければ良い。異常発熱時には、熱が異常な素電池１０から放出されるので、異常な素電池１０の近傍に位置する冷却ユニット２０の温度が上昇する。冷却ユニット２０の温度が開封部２４における融着層の融点を超えると、開封部２４における融着層が溶融する。

また、開封部２４における融着層の融着強度が難開封部２３における融着層の融着強度よりも低ければ良い。異常発熱時には、上述のように、異常な素電池１０の近傍に位置する冷却ユニット２０の温度が上昇する。この温度上昇に伴い冷却剤の温度が上昇するので、冷却剤の蒸気圧が上昇し、よって、冷却ユニット２０の内圧上昇を引き起こす。冷却ユニット２０の内圧が開封部２４における融着層の融着強度を上回ると、開封部２４では融着層の融着状態が解除される。

また、融着層の融点が開封部２４において相対的に低融点であり、且つ、融着層の融着強度が開封部２４において相対的に低強度であっても良い。

開封部２４における融着層の融点が低ければ低いほど、又は、開封部２４における融着層の融着強度が低ければ低いほど、異常発熱時における冷却ユニット２０の開封時期が早くなり、よって、異常な素電池１０を迅速に冷却できる。しかし、開封部２４における融着層の融点が低すぎると、又は、開封部２４における融着層の融着強度が低すぎると、冷却ユニット２０の誤開封を招く恐れがある。これらのことを踏まえて、開封部２４における融着層の融点又は開封部２４における融着層の融着強度を決定すれば良い。

融着層の融点を開封部２４において相対的に低くする方法としては、開封部２４における融着層を難開封部２３における融着層よりも低融点な材料で作製することが考えられる。例えば、開封部２４における融着層をポリエチレン樹脂層とし、且つ、難開封部２３における融着層をポリプロピレン樹脂層とすれば良い。又は、開封部２４における融着層を低分子量のポリエチレン樹脂層とし、且つ、難開封部２３における融着層を高分子量のポリエチレン樹脂層としても良い。

融着層の融着強度を開封部２４において相対的に低くする方法としては、次の（ａ）〜（ｄ）のうちの少なくとも１つの方法を選択すれば良い。

（ａ）：融着層の厚みを開封部２４において相対的に薄くする。例えば、開封部２４における融着層の厚みは難開封部２３における融着層の厚みの３０％以上８０％以下であれば良い。

（ｂ）：融着圧を開封部２４において相対的に小さくする。例えば、開封部２４を形成する際の融着圧は難開封部２３を形成する際の融着圧の４０％以上８０％以下であれば良い。

（ｃ）：融着温度を開封部２４において相対的に低くする。例えば、開封部２４を形成する際の融着温度と難開封部２３を形成する際の融着温度との差が１０℃以上３０℃以下であれば良い。

（ｄ）：融着層の幅を開封部２４において相対的に狭くする。例えば、開封部２４における融着層の幅は難開封部２３における融着層の幅の１０％以上５０％以下であれば良い。

このように、異常発熱時には、異常な素電池１０からの熱により冷却ユニット２０の温度が上昇した結果、開封部２４が開封される。冷却ユニット２０が素電池１０の外面に接していれば、異常発熱時には異常な素電池１０からの熱が素早く冷却ユニット２０へ伝わるので、冷却ユニット２０の開封時期を早めることができる。よって、異常発熱の連鎖を防止するという点では、冷却ユニット２０は素電池１０の外面に接していることが好ましく、さらに好ましくは開封部２４が素電池１０の外面に接していることである。しかし、素電池１０の外面に接するように冷却ユニット２０を作製しようとすると、冷却ユニット２０の形状又は大きさ等が制限される場合がある。そこで、本願発明者らは、異常発熱時における素電池１０の外面からの距離（以下では単に「距離」と記す。）と温度との関係を調べた。具体的には、素電池１０の外面には空気層が存在しているので（つまり、上記距離が空気層の厚みに相当する）、空気の熱伝導率を用いて距離と温度との関係を算出した。その結果を図４に示す。

図４に示すように、距離が３ｍｍ程度の地点では温度は１５０℃程度である。また、異常な素電池１０の温度が高いときには、距離が５ｍｍ程度の地点でも温度は１５０℃を超えている。これらのことから、距離が５ｍｍ以下であれば、冷却ユニット２０は異常発熱時に開封部２４において開封可能であると考えられる。よって、異常発熱の連鎖を防止可能な冷却ユニット２０を形状及び大きさ等にそれほど制限されることなく作製できる。

なお、素電池１０の種類（例えば、素電池１０の構成材料）又は電池モジュールの置かれる環境等が変わると、図４に示すグラフの形状は変わる。しかし、何れの場合であっても、開封部２４又は冷却ユニット２０が素電池１０の外面に接していなくても異常発熱の連鎖を防止できる。

開封部２４についてさらに説明する。開封部２４は、電池モジュール１００の上側に位置していても良いし（図２）、電池モジュール１００の下側に位置していても良い。しかし、電池モジュール１００が車両等に組み込まれた状態（電池モジュール１００の使用状態）において開封部２４が素電池１０の重心位置よりも上側に位置していれば、異常発熱時には冷却剤が異常な素電池１０の上側から供給されるため、冷却剤に接触する素電池１０の表面積が大きくなる。よって、開封部２４が素電池１０の重心位置よりも下側に位置している場合に比べて、異常な素電池１０の冷却を図ることができる。従って、開封部２４は電池モジュール１００の使用状態において素電池１０の重心位置よりも上側に位置していることが好ましく、図２に示す状態が電池モジュール１００の使用状態である場合には開封部２４は素電池１０の封口板１１側に位置していることが好ましい。

開封部２４は、折返部２５とは反対側に設けられていても良いし（図３）、図３に示す難開封部２３の位置に設けられていても良い。しかし、開封部２４が電池モジュール１００の上側に位置していれば、上記効果（異常発熱時には冷却剤に接触する素電池１０の表面積が大きくなる）を得ることができる。また、折返部２５を下にして冷却ユニット２０をケース３０内に収容すれば、冷却ユニット２０とケース３０との接触面積を稼ぐことができるので、冷却ユニット２０をケース３０内に安定して収容することができる。これらのことを考慮すれば、開封部２４は、折返部２５とは反対側に設けられていることが好ましい。

また、開封部２４は冷却ユニット２０の一側端の一部分に設けられていても良いし、１つの冷却ユニット２０に対して２つ以上の開封部２４が設けられていても良い。冷却ユニットの作製容易性、異常発熱時における冷却ユニット２０の開封容易性及び冷却ユニット２０の誤開封防止等を考慮に入れて冷却ユニット２０における開封部２４の位置及び大きさ等を決めれば良い。

（変形例）
本変形例では、電池モジュールにおける素電池の配列形態及び冷却ユニットの構成が上記実施形態とは異なる。以下では、上記実施形態とは異なる点を重点的に説明する。

図５は、本変形例に係る電池モジュール２００の断面図である。図６は、本変形例における冷却ユニット４０の平面図である。なお、図５では、素電池１０については側面図を示している。

本変形例に係る電池モジュール２００では、素電池１０，１０，…は、水平方向且つ鉛直方向に配列されており、封口板１１，１１，…が電池モジュール２００の側方に位置するようにケース３０内に収容されている。そのため、本変形例では、素電池１０の軸方向はケース３０の高さ方向に対して垂直である。

隣り合う素電池１０，１０の間には、冷却ユニット４０が設けられている。冷却ユニット４０は、２枚のシート状部材２１，２１を用いて形成されたものであり、平面視矩形又は平面視方形である。具体的には、シート状部材２１，２１の長手方向の端部同士を融着させて筒状部材を作製してから、その筒状部材の開放端をそれぞれ融着させる。これにより、本変形例における冷却ユニット４０が作製される。よって、本変形例における冷却ユニット４０は、４つの封止部２２を有している。そのうち２つの封止部２２は、冷却ユニット４０の周縁に位置しており、互いに向かい合っている。残りの２つの封止部２２は、冷却ユニット４０の周縁に位置する２つの封止部２２，２２を連結しており、互いに向かい合っている。

この封止部２２には、難開封部２３と開封部２４とが設けられている。開封部２４の構成は上記実施形態で説明した通りであり、よって、本変形例においても、異常な素電池１０からの熱により冷却ユニット４０の温度が上昇した結果、開封部２４が開封される。従って、上記実施形態で説明したように、冷却ユニット４０（特に開封部２４）は、図５に示すように素電池１０の外面に接触していても良いし、素電池１０の外面から若干（距離が５ｍｍ以下程度）離れていても良い。

図６では、難開封部２３は冷却ユニット４０の周縁に位置する封止部２２に設けられており、開封部２４は２つの難開封部２３を連結する封止部２２に設けられている。ここで、冷却ユニット４０における開封部２４の位置及び大きさ等は図６に限定されず、開封部２４は図６に示す難開封部２３の位置に設けられていても良い。しかし、開封部２４が図６に示す難開封部２３の位置に設けられている場合には、電池モジュール２００では開封部２４は素電池１０の軸方向外側又は径方向外側に位置する。そのため、異常発熱時には冷却剤が異常な素電池１０にほとんど供給されることなく流れ落ちる恐れがある。一方、開封部２４が図６に示す位置に設けられている場合には、電池モジュール２００では開封部２４は素電池１０の軸方向内側に位置する。よって、異常発熱時には、冷却剤は、異常な素電池１０の大部分に供給されることになる。これらのことから、本変形例では、開封部２４は図６に示す位置に設けられていることが好ましい。

開封部２４が図６に示す位置に設けられている場合、開封部２４が素電池１０の軸方向に延びるように冷却ユニット４０をケース３０内に収容しても良い。この場合であっても、異常発熱時には冷却剤を異常な素電池１０の大部分に供給できる。

また、開封部２４は、２つの難開封部２３，２３の間に間欠的に設けられていても良いし（図６の上下方向の一部分に設けられていても良いし）、２つの難開封部２３，２３を連結する封止部２２のどちらか一方（できれば電池モジュール２００の下側に位置する封止部２２）に設けられていても良い。冷却ユニット４０の作製容易性、異常発熱時における冷却ユニット４０の開封容易性及び冷却ユニット４０の誤開封防止等を考慮に入れて、開封部２４の位置及び大きさ等を適宜決めれば良い。

以上説明したように、本変形例では、上記実施形態と同じく封止部２２の一部分に開封部２４が設けられているので、上記実施形態が奏する効果を得ることができる。

（その他の実施形態）
上記実施形態及び上記変形例は、以下に示す構成を有していても良い。

上記実施形態に係る電池モジュールは、上記変形例における冷却ユニットを備えていても良い。しかし、上記実施形態における冷却ユニットの方が簡便に作製できる。よって、上記実施形態に係る電池モジュールは、上記実施形態における冷却ユニットを備えている方が好ましい。

上記変形例に係る電池モジュールは、上記実施形態における冷却ユニットを備えていても良い。しかし、この場合には、開封部が素電池の軸方向内側に位置するように、又は、開封部が素電池の軸方向に延びるように、冷却ユニットを配置することが難しい。よって、上記変形例に係る電池モジュールは、上記変形例における冷却ユニットを備えている方が好ましい。

冷却ユニットは封止部２２及び開封部２４を有していれば良く、冷却ユニット２０，４０は一例に過ぎない。

冷却ユニットは、図１、図２又は図５に示す形状に限定されず、例えば図７に示すように素電池の外周に沿うように成形されていても良い。図７に示す冷却ユニット６０は冷却ユニット２０，４０に比べて多くの冷却剤を収容できるので、異常発熱時に異常な素電池１０に供給される冷却剤の量が多くなる。よって、冷却ユニット２０，４０を用いる場合に比べて、異常な素電池１０の冷却を図ることができる。また、冷却ユニットの平面形状は、矩形又は方形に限定されない。

冷却ユニットは、素電池の封口板側に設けられていても良いし、素電池の電池ケースの底側に設けられていても良い。どちらの場合であっても、異常発熱時には開封部が開封される。しかし、冷却ユニットが隣り合う素電池の間に設けられていれば、冷却ユニットにおける開封部の位置を決定し易い。よって、冷却ユニットの生産性を向上させることができる。また、異常発熱時には冷却剤を無駄なく異常な素電池に供給できるので、異常な素電池を効率良く冷却できる。従って、冷却ユニットは、図１、図２、図５又は図７に示すように、隣り合う素電池の間に設けられていることが好ましい。ここで、上記実施形態では、冷却ユニットは、電池モジュールの行方向及び列方向の少なくとも一方向において隣り合う素電池の間に設けられていれば良い。また、上記変形例では、冷却ユニットは、電池モジュールの高さ方向及び奥行き方向の少なくとも一方向において隣り合う素電池の間に設けられていれば良い。

複数の素電池に対して１つの冷却ユニットが設けられていても良いし、１つの素電池に対して１つの冷却ユニットが設けられていても良い。しかし、冷却ユニットの生産性を考慮すれば、図１又は図７に示すように複数の素電池に対して１つの冷却ユニットが設けられていることが好ましい。

冷却ユニットを構成するシート状部材の枚数は上記枚数に限定されない。しかし、シート状部材の枚数が増えると、冷却ユニットの生産性の低下を招き、また、冷却ユニットが誤開封する確率が高くなる。これらを考慮して、シート状部材の枚数を決めれば良い。

シート状部材は、ラミネートフィルムに限定されず、樹脂からなる単層膜等であっても良い。また、ラミネートフィルムの基材層は樹脂からなっても良く、ラミネートフィルムは保護層を有していなくても良い。また、ラミネートフィルムを構成する融着層、基材層及び保護層の厚みは上記数値に限定されない。

冷却剤は、水に限定されない。しかし、水の気化熱は非常に大きい。そのため、冷却剤として水を用いれば、異常な素電池を効率良く冷却できる。また、冷却剤は、水にエチレングリコール、プロピレングリコール又はグリセリン等を混合した液体であっても良い。これにより、低温下での冷却剤の凍結を防止できるので、低温下での使用（例えば寒冷地での使用）も可能となる。また、冷却剤は、水にゼラチン等の増粘剤を混合した液体であっても良い。これにより、冷却剤の粘度が高くなるので、冷却剤が異常な素電池に接触する時間が長くなり、よって、異常な素電池を効率良く冷却できる。

開封部が電池モジュールの使用状態において素電池の重心位置よりも上側に位置している場合には、使用状態における上下方向を示すマークが電池モジュールに付けられていることが好ましい。これにより、ユーザが上下方向を誤って電池モジュールを車両等の機器に搭載することを防止できる。よって、異常発熱時には異常な素電池の大部分に冷却剤を供給できるので、異常な素電池を効率良く冷却できる。

素電池は直列接続又は並列接続されていれば良く、電池モジュールは素電池を直列接続又は並列接続するための接続部材を備えていることが好ましい。また、電池モジュールは、素電池の排気孔に連通された排気ダクトを備えていても良い。

電池モジュールを構成する素電池の個数は、図１、図５又は図７に示す個数に限定されない。また、素電池は、電池モジュールにおいて一列に配列されていても良い。

素電池は、角形リチウムイオン二次電池であっても良く、ラミネート電池であっても良く、リチウムイオン二次電池以外の二次電池であっても良い。素電池の構成は、特に限定されず、二次電池の構成として公知の構成であれば良い。素電池が円筒型リチウムイオン二次電池である場合には、正極板と負極板とがセパレータを挟んで捲回されてなる電極群が電解液とともに電池ケース内に収容されていれば良い。

電池モジュールにおけるケースは、例えば、収容部を有する筐体と蓋体とで構成されていても良い。

本発明に係る電池モジュールは携帯型電子機器、移動体通信機器又は車両の電源等に有用である。

１０ 素電池
１１ 封口板
２０，４０，６０ 冷却ユニット
２１ シート状部材
２２ 封止部
２４ 開封部
１００，２００ 電池モジュール

Claims (10)

1. 複数の素電池が配列されて構成された電池モジュールであって、
   前記素電池の近傍には、冷却剤が収容された冷却ユニットが設けられており、
   前記冷却ユニットは、シート状部材が封止されて形成された封止部を有し、
   前記封止部の一部には、前記素電池が異常発熱したときに開封される開封部が設けられている電池モジュール。
2. 請求項１に記載の電池モジュールであって、
   前記封止部は、前記シート状部材における融着層が融着されて形成されており、
   前記融着層は、前記開封部において相対的に低融点である電池モジュール。
3. 請求項１又は２に記載の電池モジュールであって、
   前記封止部は、前記シート状部材における融着層が融着されて形成されており、
   前記融着層の融着強度は、前記開封部において相対的に弱い電池モジュール。
4. 請求項３に記載の電池モジュールであって、
   前記融着層は、前記開封部において相対的に膜薄である電池モジュール。
5. 請求項１から４の何れか１つに記載の電池モジュールであって、
   前記開封部は、前記素電池の外面に接している電池モジュール。
6. 請求項１から５の何れか１つに記載の電池モジュールであって、
   前記シート状部材は、ラミネートフィルムである電池モジュール。
7. 請求項１から６の何れか１つに記載の電池モジュールであって、
   前記冷却ユニットは、隣り合う前記素電池の間に設けられている電池モジュール。
8. 請求項７に記載の電池モジュールであって、
   前記冷却ユニットは、前記素電池の外周に沿うように成形されている電池モジュール。
9. 請求項１から８の何れか１つに記載の電池モジュールであって、
   前記冷却ユニットは、前記複数の素電池に対して一体成形されている電池モジュール。
10. 請求項１から９の何れか１つに記載の電池モジュールであって、
    前記開封部は、使用状態において、前記素電池の重心位置よりも上側に位置している電池モジュール。

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