JP6769176B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数の筒型電池を備える電池モジュールに関する。

従来から、筒型（例えば、円筒、角筒など）の電池セルを近接した状態で複数備えた電池モジュールが知られている。例えば、特許文献１には、複数の円筒電池をケーシングに収容して構成される電池モジュールにおいて、ケーシングの一端に形成された冷却媒体入口から流入した冷却媒体がケーシングの他端に形成された冷却媒体出口から放出されることで、ケーシング内部の円筒電池を冷却媒体によって冷却する構造が開示されている。

特開２０１０−１１３９９９号公報

特許文献１に開示されている従来の電池モジュールは、例えば、電池異常等により１以上の円筒電池が発火した場合に、その周囲の円筒電池が延焼すること防止する構造について全く開示されていない。

本発明は、ケース内部に複数の筒型電池を近接状態で備えた電池モジュールにおいて、延焼を防止できる構造を提供することを目的とする。

本発明に係る電池モジュールは、複数の筒型電池と、複数の筒型電池を互いに近接した状態で収容する箱型形状を有し、箱型形状の周面の一方側壁には、筒型電池を冷却する空気を流入させるための複数の入口開口が形成されており、他方側壁には空気を放出するための出口開口が形成されているケースと、複数の前記入口開口に対応して設けられている複数の一方側貫通孔を有し、かつ、複数の入口開口に複数の一方側貫通孔が位置合わせされた状態で箱型形状の内壁に取り付けられており一方側壁と同じ大きさの長方形形状を有する一方側熱発泡樹脂シートと、複数の出口開口に対応して設けられている複数の他方側貫通孔を有し、かつ、複数の出口開口に複数の他方側貫通孔が位置合わせされた状態で箱型形状の内壁に取り付けられており他方側壁と同じ大きさの長方形形状を有する他方側熱発泡樹脂シートと、を備える。

本発明に係る電池モジュールによれば、１以上の筒型電池が、万一、発火した場合、その熱によって熱発泡樹脂が膨張して、入口開口および出口開口が塞がれる。その結果、ケース内が酸欠状態になって鎮火する。したがって、近接する周囲の筒型電池への延焼を防止または抑制できる。

本発明の一実施形態である電池モジュールの分解斜視図である。 保護ケースの内壁に熱発泡樹脂シートが取り付けられる様子を示す図である。 電池モジュールのＸＹ平面での断面図である。

以下に、本発明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。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、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、それらの構成を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

図１は、本発明の一実施形態である電池モジュール１０の分解斜視図である。図１では、互いに直交する三方向Ｘ、Ｙ、Ｚが矢印で示されている。以下の説明では、電池モジュール１０の長手方向を「Ｘ方向」、電池セル１２の軸方向を「Ｚ方向」、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向を「Ｙ方向」という。

電池モジュール１０は、複数の電池セル（筒型電池）１２を備えている。本実施形態では、電池セル１２は円筒型電池である。電池セル１２は、充放電可能な二次電池であり、例えば、円筒型の電池ケースに収められたニッケル水素電池、リチウムイオン電池等である。電池セル１２の軸方向両端には、電池セル１２の電極である正極および負極が設けられている。

図１に図示する電池モジュール１０は、６０個の電池セル１２を有しており、この６０個の電池セル１２は、４列１５行の配列で並べられている。６０個の電池セル１２は、１５個ごとにグループ分けされ、４つの電池グループを構成する。同一の電池グループに属する１５個の電池セル１２は、後述する正極バスバ２３および負極バスバ２５により並列接続される。また、１５個の電池セル１２を並列接続した電池グループは、後述するグループ間バスバ２６により、他の電池グループまたは外部出力端子に直列接続される。なお、電池モジュール１０を構成する電池セル１２や電池グループの個数は、適宜、変更されてもよい。

電池セル１２の負極側の端面には、電池セル１２内で生じたガスの放出を許容する排出弁（図示せず）が設けられている。この排出弁は、電池セル１２の内圧が上昇したときに開放できるのであれば、その構成は特に限定されない。排出弁は、例えば、電池セル１２の外装ケースを局所的に薄肉にして構成できる。過充電や過放電、短絡等に起因して電池セル１２の内部でガスが発生し、当該電池セル１２の内圧が上昇すると、当該排出弁（薄肉部）が破断して、ガスが電池セル１２の外部へ放出される。

各電池セル１２は、正極および負極の向きを揃えた状態で起立保持される。本実施形態では、電池セル１２は、負極がある端面を下（排煙カバー２０側）に向けた起立姿勢で保持される。各電池セル１２は、その下端部が電池ホルダ１４に設けられた収容孔１５に収容されて、電池ホルダ１４に保持される。電池ホルダ１４は略板形状であり、板平面に収容孔１５が二次元的に配置されている。この実施形態では、収容孔１５は、４列１５行の配列で並べられており、隣の列の収容孔１５同士は、半ピッチずれて配置されている。

各収容孔１５は、電池セル１２の円筒形状と嵌まり合う丸孔形状となっている。電池セル１２は、この丸孔内に挿入され、例えば接着剤などにより固定される。収容孔１５の中心軸線方向の長さは、保持した電池セル１２がぐらつかないよう十分な長さとなっている。また、収容孔１５は、電池ホルダ１４を、その板厚方向において貫通しており、電池セル１２の下端は下方に露出している。電池ホルダ１４は、発生した熱を均等に分散して電池セル１２間での温度のバラツキを低減するために、アルミニウム等の高伝熱材料からなるのが好ましい。

電池ホルダ１４で保持された複数の電池セル１２は、互いに近接した状態で保護ケース（ケース）１６に収容されている。保護ケース１６は、絶縁性を有した樹脂からなり、底部が完全開口した略箱型である。保護ケース１６の下端は、電池ホルダ１４の周縁に例えば、嵌合、ネジ、溶接等によって固定される。

保護ケース１６の上部には、正極バスバ２３が絶縁板（図示せず）を介して取り付けられる。上記絶縁板には、電池セル１２の正極を露出させる円形の貫通開口が各電池セル１２に対応して形成されている。上記貫通開口は、電池セル１２の外形よりも僅かに小径となっている。電池モジュール１２が組み立てられたとき、上記貫通開口の周縁部が電池セル１２の上部に押し付けられた状態で上記絶縁板が配置される。これにより、保護ケース１６の上方から内部に空気が流入できないように構成される。保護ケース１６の上方には、各種配線（例えば電圧検出用配線や、温度検出用配線）が配置されるが、これらの配線は保護ケース１６に取り付けられる絶縁カバー１８で覆われる。

保護ケース１６の周面には、入口開口３４および出口開口３６（図２参照）が形成されている。入口開口３４は、電池セル１２を冷却する空気を、電池モジュール１０の内部に流入させるための開口である。また、出口開口３６は、電池モジュール１０の内部に流れ込んだ空気を外部に放出するための開口である。本実施形態では、入口開口３４は、保護ケース１６のＸ方向の一方側壁１７ａに形成され、出口開口３６は他方側面１７ｂに形成されている。入口開口３４および出口開口３６は、いずれも、複数のスリット孔で構成される。このスリット孔は、高さ方向（Ｚ方向）に長尺であり、長手方向（Ｘ方向）に間隔を開けて複数設けられている。なお、保護ケース１６の側壁１７ａ，１７ｂの内面には、熱発泡樹脂シートが設けられているが、これについては後述する。

電池ホルダ１４の下方には排煙カバー２０が配置される。この排煙カバー２０は、その周縁が上方にせり上がった、略舟形となっている。この排煙カバー２０の周縁は、電池ホルダ１４の周縁に密着して固定され、電池ホルダ１４との間に密閉空間を形成する。この密閉空間は、後述する負極バスバ２５の設置空間として機能するとともに、電池セル１２から放出されたガスが流れる排煙空間２８としても機能する。電池セル１２から排煙空間２８に放出されたガスは、負極バスバ２５の端部に形成された排気孔６２、および、電池ホルダ１４の端部に形成された排気通路６４を介して、電池モジュール１０の外部に排出され、ダクト等によって適切な位置に導かれる。

排煙カバー２０も、保護ケース１６と同様に、電池ホルダ１４に締結されている。排煙カバー２０は、当該排煙カバー２０の周縁から電池ホルダ１４に向かって延びる締結部２０ａを有している。そして、排煙カバー２０は、当該締結部２０ａに設けられた締結孔を介して、電池ホルダ１４にネジ等によって螺合締結されている。ただし、排煙カバー２０は、他の締結手段、例えば、嵌合や溶接等で電池ホルダ１４に締結されてもよい。

電池セル１２の軸方向両側には、電池セル１２の正極同士または負極同士を電気的に接続する正極バスバ２３および負極バスバ２５が設けられている。正極バスバ２３と負極バスバ２５の構成は、ほぼ同じである。そのため、以下では、主に、負極バスバ２５の構成を説明する。

負極バスバ２５は、電池グループと同数（本実施形態では４つ）の導電板２４を、樹脂材料４３で一体化して構成される。４つの導電板２４は、互いに間隔を開けて絶縁を保った状態のまま、樹脂材料４３で一体化されている。この負極バスバ２５は、その周縁が、排煙カバー２０と電池ホルダ１４との間に挟み込まれて保持される。

各導電板２４は、１つの電池グループを構成する１５個の電池セル１２の負極を互いに電気的に接続する。この導電板２４は、導電性材料、例えば、銅等からなる平板状部材である。導電板２４には、配列された各電池セル１２に対応する貫通開口４０が設けられている。貫通開口４０は個々の電池セル１２に対して１個ずつが設けられ、対応する電池セル１２の下端の面が排煙空間２８に対して露出するようにしている。貫通開口４０は、電池セル１２の外径よりも僅かに小径となっている。この貫通開口４０を介して、電池セル１２に設けられた排出弁が排煙空間２８に露出する。電池セル１２から放出されたガスは、この貫通開口４０を通過して排煙空間２８に至る。

上記のように貫通開口４０が電池セル１２の外径よりも僅かに小径に形成されていることで、電池モジュール１０が組み立てられた状態では、貫通開口４０の周縁部が電池セル１２の下端周縁に押し付けられた状態で配置される。これにより、貫通開口４０を介して保護ケース１６の内部に空気が流入しないように構成されている。

貫通開口４０内には、導電板２４の一部である接続片（図示せず）が位置している。この接続片は、適度な弾性を有した板バネ状になっており、先端に近づくほど、電池セル１２の負極に近づくように傾斜している。そして、全ての接続片４２の先端は、対応する電池セル１２の負極に接触し、１５個の電池セル１２の負極同士を電気的に接続する。

電池セル１２の上方には、導電板２４と同様の形状の導電板を有した正極バスバ２３が配置されている。負極バスバ２５は、樹脂材料４３によって１つの部品として構成されているが、正極バスバ２３は、保護ケース１６に組み付けられて、保護ケース１６と一体化されている。正極バスバ２３の導電板も、１つの電池グループを構成する１５個の電池セル１２の正極同士を電気的に接続する。そして、この負極バスバ２５および正極バスバ２３により、１つの電池グループを構成する１５個の電池セル１２が並列に接続される。

４つの電池グループは、グループ間バスバ２６により、直列に接続される。具体的には、グループ間バスバ２６は、１つの電池グループに接続された正極バスバ２３の導電板と、隣接する他の電池グループに接続された負極バスバ２５の導電板２４と、を電気的に接続する。グループ間バスバ２６は、銅等の導電性材料からなる略平板状部材であり、保護ケース１６の外側に配置されている。グループ間バスバ２６は、その上端が、１つの電池グループの正極バスバ２３の導電板に、その下端が、隣接する電池グループの負極バスバ２５の導電板２４に接続されるように、Ｚ方向に進むにつれＸ方向にも進むような略平行四辺形状となっている。

図２は、保護ケース１６の内壁に熱発泡樹脂シート３０が取り付けられる様子を示す図である。図３は、電池モジュールのＸＹ平面での断面図である。

熱発泡樹脂シート（熱発泡樹脂）３０は、電池モジュール１０の通常使用時の温度範囲ではシート状を保持し、保護ケース１６の内部が所定温度（例えば４００℃）以上になると発泡して体積膨張する発泡樹脂材料を含んで形成される。

熱発泡樹脂シート３０は、保護ケース１６の側壁１７ａ，１７ｂにそれぞれ設けられる。具体的には、熱発泡樹脂シート３０は、側壁１７ａ，１７ｂとほぼ同じ大きさの長方形状のシートである。熱発泡樹脂シート３０には、入口開口３４および出口開口３６に対応する大きさ及び形状の貫通孔３１が形成されている。すなわち、貫通孔３１は、高さ方向（Ｚ方向）に長尺であり、長手方向（Ｘ方向）に間隔を開けて複数設けられたスリット孔である。熱発泡樹脂シート３０が側壁１７ａ，１７ｂの内面に例えば貼着等によって配置されることで、熱発泡樹脂シート３０の貫通孔３１が入口開口３４および出口開口３６の周縁部に設けられる。

熱発泡樹脂シート３０の貫通孔３１は、熱発泡樹脂材料が側壁１７ａ，１７ｂの入口開口３４および出口開口３６の周縁部またはその近傍に設置されていれば良いので、入口開口３４及び出口開口３６よりも大きく形成されてもよい。このように貫通孔３１を大きく形成することで、熱発泡樹脂シート３０が入口開口３４および出口開口３６を部分的に塞いでしまわないように容易に位置合わせすることができる。また、各熱発泡樹脂シート３０は、複数に分割されたシート部分によってそれぞれ構成されてもよい。

また、２枚の熱発泡樹脂シート３０は、発泡時の合計体積が、保護ケース１６内で電池セル１２間に形成される冷却風空間１９の体積とほぼ同じになるように設計されてもよい。このようにすれば、冷却風空間１９が膨張した熱発泡樹脂によってほぼ埋まった状態になり、空気の追い出し及び電池セル間の延焼防止に対してより効果的である。

次に、本実施形態の電池モジュール１０において、熱発泡樹脂シート３０を設けた理由について説明する。

電池モジュール１０が例えば車両等に搭載されて充放電動作するとき、電池モジュール１０に含まれる１以上の電池セル１２が例えば内部短絡等によって異常発熱して、発火する可能性がある。そのとき、保護ケース１６の内部が所定温度以上になると、側壁１７ａ，１７ｂの内面に設けられた熱発泡樹脂シート３０が発泡して体積膨張する。これにより、保護ケース１６の入口開口３４および出口開口３６が塞がれて、保護ケース１６内への空気の流入が遮断される。その結果、保護ケース１６が酸欠状態になることで、上記１以上の電池セル１２での燃焼が鎮火する。したがって、上記１以上の電池セル１２の周囲に近接して配置されている他の電池セル１２への延焼を防止または抑制できる。

電池モジュール１０において、内部の温度をセンサ等で検出し、電池セル１２の発火を検出したときには、電池モジュールに設けられた消火設備を作動させて、電池モジュール内に消火剤を供給して消火することが考えられる。しかし、この場合には、消火設備の設置によって構成が複雑になるとともにコスト高になる。

これに対し、本実施形態によれば、保護ケース１６の内面に熱発泡樹脂シート３０を設けるという簡易かつ低コストの構成で、電池モジュール１０内の電池セル１２間での延焼を効果的に防止または抑制できる。

また、熱発泡樹脂シート３０は断熱機能も有するため、電池モジュールの外面に貼り付けている断熱材を省略することができる。

また、熱発泡樹脂シート３０には、入口開口３４および出口開口３６に連通する貫通孔３１が形成されているため、通常使用時における空気の流入および放出を阻害せず、電池セル１２の冷却性能を維持できる。

さらに、熱発泡樹脂シート３０による電池モジュール１２内の消火には、例えば発火の検出や消化設備の作動のための電源を必要としない。したがって、電池モジュール１０が搭載された車両が放置状態（すなわち車両の制御装置が通電されていない状態）でも、電池モジュール１０内の消火動作を実現できる。

なお、本発明は上述した実施形態およびその変形例の構成に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲内において種々の変更が可能である。

例えば、上記においては、保護ケース１６において入口開口３４および出口開口３６が形成された、Ｘ方向に対向する側壁１７ａ，１７ｂに熱発泡樹脂シート３０を設ける例について説明したが、これに限定されない。保護ケース１６においてＹ方向に対向する２つの側壁に入口開口および出口開口を形成した場合には、これらのＹ方向の側壁に熱発泡樹脂シートを設けてもよい。

さらに、上記においては電池セル１２が円筒型電池である場合について説明したが、これに限定されない。電池セルは、例えば直方体状の外形をなす角筒型電池であってもよい。

１０ 電池モジュール、１２ 電池セル、１４ 電池ホルダ、１５ 収容孔、１６ 保護ケース、１８ 絶縁カバー、２０ 排煙カバー、２３ 正極バスバ、２４ 導電板、２５ 負極バスバ、２６ グループ間バスバ、２８ 排煙空間、３０ 熱発泡樹脂シート（熱発泡樹脂）、３１ 貫通孔、３４ 入口開口、３６ 出口開口、４０ 貫通開口、４２ 接続片、４３ 樹脂材料、６２ 排気孔、６４ 排気通路。

Claims (1)

1. 複数の筒型電池と、
   前記複数の筒型電池を互いに近接した状態で収容する箱型形状を有し、前記箱型形状の周面の一方側壁には、前記筒型電池を冷却する空気を流入させるための複数の入口開口が形成されており、他方側壁には空気を放出するための出口開口が形成されているケースと、
   複数の前記入口開口に対応して設けられている複数の一方側貫通孔を有し、かつ、複数の前記入口開口に複数の前記一方側貫通孔が位置合わせされた状態で前記箱型形状の内壁に取り付けられており前記一方側壁と同じ大きさの長方形形状を有する一方側熱発泡樹脂シートと、
   複数の前記出口開口に対応して設けられている複数の他方側貫通孔を有し、かつ、複数の前記出口開口に複数の前記他方側貫通孔が位置合わせされた状態で前記箱型形状の内壁に取り付けられており前記他方側壁と同じ大きさの長方形形状を有する他方側熱発泡樹脂シートと、
   を備える、電池モジュール。

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