WO2011007533A1 - 電池モジュールとそれを用いた電池パック - Google Patents

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WO2011007533A1
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battery module
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electrode
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安井俊介
高崎裕史
糸井俊樹
下司真也
岸井大輔
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パナソニック株式会社
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module including a plurality of batteries, and a battery pack using the same, which does not affect other batteries even if a problem such as heat generation occurs in the batteries.
  • lithium ion secondary batteries are characterized by high electromotive force and high energy density while being lightweight. For this reason, there is an increasing demand for power sources for driving various types of portable electronic devices such as mobile phones, digital cameras, video cameras, laptop computers, and mobile communication devices.
  • This battery pack is configured by mounting a plurality of battery modules including one or more batteries in order to obtain a desired voltage and capacity.
  • an assembled battery composed of a plurality of batteries
  • a configuration is disclosed in which wiring for detecting connection between each battery and voltage or temperature is connected by a pattern wiring formed on a printed circuit board (for example, a patent). Reference 1).
  • a power supply device battery pack in which a plurality of power supply modules are housed in a holder case and connected via an end plate is disclosed (for example, see Patent Document 2).
  • the battery itself may generate heat and become high temperature depending on the form of use. Therefore, not only the safety of the battery itself but also the safety of the battery module in which they are assembled is more important. That is, in the battery, the internal pressure increases due to gas generated by overcharge, overdischarge, internal short circuit or external short circuit, and in some cases, the battery outer case may burst. Therefore, in general, the battery is provided with a vent mechanism for venting gas, a safety valve, and the like to release the internal gas. At this time, there are cases where smoke is emitted due to ignition of the exhausted gas, or in rare cases, ignition occurs, and there are problems in reliability and safety.
  • a power supply device configured to be discharged is disclosed (for example, see Patent Document 3).
  • the battery module shown in Patent Document 3 is provided with an opening on the partition wall of the case so as to face the safety valve of the battery, and the ejected gas is discharged outside without filling the battery chamber.
  • a circuit board built in a resin is disclosed, there is no disclosure or suggestion of a connection method with a battery or the like. Therefore, when the surface of the battery on the side of the safety valve is connected with the connection terminal, it is unclear how to maintain the airtightness with the partition wall. In addition, it is difficult to align the safety valve of the battery and the open portion of the partition wall, and there is a problem that if the positioning is performed by the recess, a space is generated between the batteries and the size cannot be reduced. Further, since the battery and the circuit board are fixed and built in with resin, there is a problem in miniaturization of the battery module.
  • the present invention solves the above-described problems, and achieves a reduction in size and thickness, and a battery module that can minimize the influence on the surrounding battery due to abnormal heat generation of the defective battery.
  • the purpose is to provide a battery pack.
  • a battery module of the present invention is a battery module in which a plurality of batteries are arranged and housed in a housing, and the battery generates gas generated in the battery at the battery electrode portion.
  • the housing has an open portion that discharges outside, and the housing is separated from a storage portion that houses a plurality of batteries by a wiring board disposed in contact with a battery case around the electrode portion of the battery, and an open portion of the electrode portion.
  • the battery is partitioned into an exhaust chamber for exhausting the exhausted gas to the outside of the housing, the battery electrode part is connected to a connection body formed on the wiring board, and the open part of the electrode part is a through hole formed in the wiring board Adopting a configuration communicating with the exhaust chamber via
  • the wiring board is brought into contact with the battery case around the battery electrode part, and the open part of the electrode part is communicated with the exhaust chamber through a through hole formed in the wiring board, thereby venting the battery.
  • the discharge space of the gas ejected by opening the mechanism can be limited within the through hole. Therefore, the gas discharged from the open portion of the electrode portion is discharged to the exhaust chamber through the through hole and further discharged to the outside of the housing, so that the gas can be prevented from entering the adjacent battery.
  • the wiring board can significantly reduce the space required for routing power supply wiring and control wiring. As a result, it is possible to realize a battery module that is as thin and small as a battery and is highly safe and highly reliable.
  • a plurality of the battery modules are connected in series and / or in parallel. With this configuration, a battery pack having an arbitrary voltage and capacity can be realized depending on the application.
  • the present invention it is possible to realize a battery module and a battery pack that can be reduced in size and thickness, and can suppress the influence on the surrounding battery due to abnormal heat generation of the defective battery.
  • Sectional drawing of the battery which comprises the battery module in Embodiment 1 of this invention is an exploded perspective view of a battery module according to Embodiment 1 of the present invention.
  • A In the battery module of Embodiment 1 of this invention, sectional drawing explaining the mode of exhaust of the gas ejected when abnormal heat generation etc. arise in one battery in a battery module, (b) FIG.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view illustrating still another example of the housing according to Embodiment 1 of the present invention. Partial expanded sectional view explaining another example of the wiring board in Embodiment 1 of this invention Sectional drawing of the battery which comprises the battery module in Embodiment 2 of this invention.
  • FIG. 11 A perspective view of a battery module according to Embodiment 2 of the present invention, (b) a cross-sectional view taken along line 11B-11B of FIG. 11 (a), and (c) an enlarged cross-sectional view of a portion 11C of FIG. 11 (b).
  • the exploded perspective view of the battery module in Embodiment 2 of this invention (A) In the battery module of Embodiment 2 of this invention, sectional drawing explaining the mode of exhaust of the gas ejected when abnormal heat_generation
  • FIG. 14 a) Expanded cross-sectional view of part 13B
  • A A perspective view of another example of the battery module according to Embodiment 2 of the present invention, (b) a cross-sectional view taken along the line 14B-14B in FIG. 14 (a), and (c) an enlarged view of a portion 14C in FIG. 14 (b).
  • Cross section A) The assembly perspective view of the battery pack in Embodiment 3 of this invention, (b) The assembly perspective view of another example of the battery pack in Embodiment 3 of this invention. The exploded perspective view explaining the battery module in other embodiments of the present invention.
  • Sectional drawing explaining the shape of another battery which comprises the battery module of each embodiment of this invention (A) Cross-sectional view of the battery module in each embodiment of the present invention using the battery of FIG. 17, (b) Enlarged cross-sectional view of the portion 18B of FIG. 18 (a)
  • a battery module according to the present invention is a battery module in which a plurality of batteries are arranged and housed in a housing, and the battery has an open part for discharging gas generated in the battery to the outside of the battery at the electrode part of the battery.
  • the housing has a housing part for accommodating a plurality of batteries and a gas discharged from the open part of the electrode part by a wiring board disposed in contact with the battery case around the electrode part of the battery.
  • the battery electrode part is connected to a connection body formed on the wiring board, and the open part of the electrode part communicates with the exhaust chamber through a through-hole formed in the wiring board. It has the structure which has.
  • the wiring board is brought into contact with the battery case around the battery electrode part, and the open part of the electrode part is communicated with the exhaust chamber through a through hole formed in the wiring board, thereby venting the battery.
  • the discharge space of the gas ejected by opening the mechanism can be limited within the through hole. Therefore, the gas discharged from the open portion of the electrode portion is discharged to the exhaust chamber through the through hole and further discharged to the outside of the housing, so that the gas can be prevented from entering the adjacent battery.
  • the wiring board can significantly reduce the space required for routing power supply wiring and control wiring. As a result, it is possible to realize a battery module that is as thin and small as a battery and is highly safe and highly reliable.
  • the electrode part of the battery is inserted into the through hole of the wiring board.
  • emitted from the open part of an electrode part can be efficiently discharged
  • the wiring board preferably has a laminated structure of a heat-resistant member and an elastic member, and the lower surface of the elastic member is preferably in contact with the battery case. Thereby, since a wiring board can be stuck to a battery case, the sealed state of a storage part can be raised more.
  • connection body is formed on the upper surface of the wiring board, and the lower surface of the wiring board is in contact with the battery case. Therefore, the electrode part inserted in the through-hole of a wiring board can be easily connected to a connection body.
  • the height of the electrode part is preferably substantially the same as the thickness of the wiring board. Thereby, the electrode part inserted in the through-hole of the wiring board can be more easily connected to the connection body.
  • the size of the through hole formed in the wiring board is smaller than the size on the connection body side on the side in contact with the battery case. Therefore, the gas discharged
  • the open part of the electrode part is provided on the upper surface of the electrode part, and the connecting body connected to the electrode part may have a through hole at least at a part where the open part is formed.
  • connection body connected to the electrode portion is formed across a plurality of through holes formed in the wiring board. Thereby, an electrode part can be easily connected to a connection body in a through-hole.
  • the open part of the electrode part is provided on the side surface of the electrode part, and it is preferable that a gap is provided between the through hole formed in the wiring board and the electrode part. Thereby, since the gas discharged from the open part of the electrode part is discharged to the exhaust chamber through the gap, it can be efficiently discharged out of the housing.
  • the plurality of batteries are connected in parallel by a connection body connected to the electrode portion of each battery.
  • a connection body connected to the electrode portion of each battery.
  • the storage part is hermetically sealed by the wiring board. Thereby, the gas discharged from the open part of the electrode part can be reliably discharged out of the housing through the through hole and the exhaust chamber without affecting other batteries.
  • the “sealed state” does not necessarily mean a completely sealed state, and includes a sealed state in which a gas that does not have an influence is returned from the exhaust chamber to the storage unit.
  • the casing is preferably made of a metal material whose surface is insulated. As a result, the casing is melted by the high-temperature gas to be ejected to form a hole or the like, and ignition or the like due to the supply of oxygen from the hole can be prevented, and the gas can be reliably exhausted through the exhaust chamber.
  • the housing has a housing portion and a lid, and the housing portion is provided with a partition wall portion for individually storing batteries, and the lid body is provided with a rib portion at a position facing the partition wall portion of the housing. Is preferred. Thereby, heat transfer and heat dissipation to adjacent batteries can be significantly suppressed, and the sealing between the housing part and the exhaust chamber can be further improved by securely sandwiching the wiring board between the partition wall part and the rib part.
  • the casing may further include a support member for holding the wiring board between the lid and the wiring board, having a storage portion and a lid. Thereby, the airtightness of a storage part and an exhaust chamber can further be improved.
  • a plurality of the battery modules are connected in series and / or in parallel. With this configuration, a battery pack having an arbitrary voltage and capacity can be realized depending on the application.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a battery constituting the battery module according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a battery module in which a plurality of batteries are connected in parallel will be described as an example, but the battery modules may be connected in series.
  • a cylindrical battery includes, for example, a positive electrode 1 provided with an aluminum positive electrode lead 8, and a negative electrode 2 that is opposite to the positive electrode 1 and provided with a negative electrode lead 9 made of, for example, copper at one end.
  • the electrode group 4 is wound through a separator 3.
  • the insulating plates 10a and 10b are mounted on the upper and lower sides of the electrode group 4 and inserted into the battery case 5, the other end of the positive electrode lead 8 is used as the sealing plate 6, and the other end of the negative electrode lead 9 is used as the battery case 5. Weld to the bottom.
  • a non-aqueous electrolyte (not shown) that conducts lithium ions is injected into the battery case 5, and the open end of the battery case 5 is connected to the positive electrode cap 16 that constitutes one electrode part via the gasket 7, PTC.
  • the current blocking member 18 such as an element and the sealing plate 6 are caulked.
  • the positive electrode 1 is comprised from the positive electrode collector 1a and the positive electrode layer 1b containing a positive electrode active material.
  • the positive electrode cap 16 is provided so as to protrude from the upper surface 5A of the open end portion of the battery case 5, and an open portion 17 for removing gas generated by opening a vent mechanism 19 such as a safety valve due to a failure of the electrode group 4 is provided. It is provided on the side surface of the positive electrode cap 16.
  • the amount of protrusion from the upper surface 5A of the positive electrode cap 16 is, for example, about the thickness of the wiring board described later.
  • a battery provided on substantially the same surface as the upper surface 5A of the battery case 5 may be used.
  • the positive electrode layer 1b includes, for example, lithium-containing composite oxide such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li 2 MnO 4 , or a mixture or composite compound thereof as a positive electrode active material.
  • the positive electrode layer 1b further includes a conductive agent and a binder.
  • the conductive agent include natural graphite and artificial graphite graphite, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, and other carbon blacks
  • examples of the binder include PVDF. , Polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, aramid resin, polyamide, polyimide and the like.
  • the positive electrode current collector 1a used for the positive electrode aluminum (Al), carbon (C), conductive resin, or the like can be used.
  • non-aqueous electrolyte an electrolyte solution in which a solute is dissolved in an organic solvent, or a so-called polymer electrolyte layer containing these and non-fluidized with a polymer can be applied.
  • solute of the non-aqueous electrolyte LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 CO 2 ), LiN (CF 3 SO 2 ) 2, etc. should be used. Can do.
  • ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate (EMC), etc. can be used, for example.
  • the negative electrode current collector 11 of the negative electrode 2 is made of a metal foil such as stainless steel, nickel, copper, or titanium, or a thin film of carbon or conductive resin.
  • the negative electrode layer 15 of the negative electrode 2 has a theoretical capacity density of 833 mAh / cm 3 for reversibly occluding and releasing lithium ions such as carbon materials such as graphite, silicon (Si), tin (Sn), and the like. More negative electrode active materials can be used.
  • FIG. 2 (a) is a perspective view of the battery module according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 2 (b) is a cross-sectional view taken along line 2B-2B of FIG. 2 (a)
  • FIG. 2 (c) is a diagram of FIG. It is an expanded sectional view of 2C section of 2 (b).
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the battery module according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the battery module 100 includes a housing 50 made of an insulating resin material such as polycarbonate resin and a lid body 20 fitted thereto.
  • the battery unit 40 in which the positive electrode caps 16 of a plurality of batteries are arranged in the same direction inside the housing 50 is connected to the connection bodies 32 and 34 of the wiring board 30.
  • a plurality of batteries configured to be electrically connected in parallel are housed. Furthermore, it is connected to the connection body 34 provided on the wiring board 30 through an extending portion 33A extending from a part of the connecting plate 33 in which the bottom portion which is one electrode portion (negative electrode side) of the battery is connected in parallel. .
  • the positive electrode cap 16 protruding from the battery case 5 is inserted into a through hole 36 provided corresponding to each battery of the wiring board 30, and the connection body 32 of the wiring board 30. Connected with.
  • the wiring board 30 is in contact with and closely attached to the battery case 5, and the through hole 36 has a gap 36 ⁇ / b> A so as not to block the open portion 17 provided on the side surface of the positive electrode cap 16.
  • the gap 36 ⁇ / b> A forms a space in which a problem occurs in the battery and the gas ejected from the open portion 17 of the positive electrode cap 16 is discharged.
  • the ejected gas further passes through a gap 36 ⁇ / b> A between the connection body 32 of the wiring board 30 and the through-hole 36, and the space in the exhaust chamber 24 of the lid body 20. Through the opening 26 communicating with the outside.
  • the housing 50 has an opening end on the side fitted with the lid 20, and has a storage portion 54 for storing a plurality of batteries from the opening end side.
  • the battery has, for example, an outer diameter of 18 mm and a height of 65 mm
  • the height of the storage portion 54 is about 65 mm plus the thickness of the connection plate 33.
  • the lid 20 includes an exhaust chamber 24 formed by the outer peripheral wall 22 and an opening 26 provided in a part of the outer peripheral wall 22.
  • the wiring board 30 has a laminated structure of at least two layers of a heat resistant member 30a made of, for example, a glass-epoxy substrate or polyimide, and an elastic member 30b having, for example, rubber elasticity.
  • a heat resistant member 30a made of, for example, a glass-epoxy substrate or polyimide
  • an elastic member 30b having, for example, rubber elasticity.
  • the wiring board 30 includes a connection body 32 connected to the positive electrode cap 16 of each battery inserted into the through hole 36 and an extending portion of the connection plate 33 that connects the other electrode (for example, the negative electrode) of each battery in parallel.
  • the connection body 32 is connected to 33A, and the connection body 32 is provided across the through hole 36 so as not to completely block the through hole 36.
  • the connection body 32 and the connection board 33 are comprised, for example with a nickel plate, Cu board, Al board, a lead wire, etc., and are connected with the connection body 34 formed with copper foil etc. via solder, for example. .
  • the positive electrode cap 16 and the connection body 32 and the negative electrode and the connection plate 33 are connected by, for example, electric welding or spot welding.
  • each battery constituting the battery module to be connected via the wiring board, so that the space required for routing power supply wiring and control wiring can be greatly reduced.
  • the open part of the positive electrode cap of each battery is accommodated in the through-hole of a wiring board.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view for explaining a state of exhaust of gas ejected when abnormal heat generation or the like occurs in one battery in the battery module 100 of the present embodiment.
  • FIG. 4B is an enlarged cross-sectional view of a portion 4B in FIG.
  • one battery of the battery module 100 generates heat abnormally, and a vent mechanism, for example, a safety valve is activated by an increase in the gas pressure of the gas generated in the battery case.
  • Gas 45 is ejected from the battery case.
  • the ejected gas 45 is ejected from the opening portion 17 of the positive electrode cap 16 into the gap 36A of the through hole 36 in which the positive electrode cap 16 is inserted.
  • the gas 45 does not fill the gap 36 ⁇ / b> A, and the exhaust chamber of the lid 20 is formed between the through holes 36 that are not blocked by the connection body 32 of the wiring board 30. 24 is exhausted. Then, it is finally discharged from the opening 26 provided in the lid 20 to the outside of the battery module 100.
  • the amount of oxygen in the gap 36A in the through hole 36 is limited, and further, oxygen is not supplied from the outside, so that the possibility of igniting the gas becomes extremely low.
  • the gas 45 is exhausted from the through hole 36 of the wiring board 30. Therefore, since no explosive expansion occurs due to gas ignition, the battery module never ruptures.
  • the battery module is housed in the housing portion of the housing in a sealed state by at least the wiring substrate and the housing, and the gas ejected from the defective battery is released from the gap between the through holes of the wiring substrate.
  • the battery module can be discharged outside the battery module. As a result, it is possible to realize a battery module with excellent safety that does not generate ignition or smoke due to gas ignition.
  • the battery constituting the battery module can be stored in a sealed state in the housing portion of the housing by at least the wiring board and the housing, it is not necessary to store the batteries individually. As a result, the battery module can be easily downsized. Furthermore, the wiring board can significantly reduce the space required for routing power supply wiring and control wiring. As a result, it is possible to realize a battery module that is smaller, safer, and superior in reliability.
  • the example which comprised the cover body 20 by insulating materials, such as polycarbonate resin was demonstrated, it is not restricted to this.
  • a metal material such as aluminum or a structure in which it is coated with an insulating resin may be used.
  • the mechanical strength can be improved, the lid can be made thinner, and the battery module can be further miniaturized.
  • it is possible to prevent the generation of holes due to melting of the lid body by the high-temperature gas to be ejected prevent ignition due to the supply of oxygen from the holes, and reliably exhaust the gas through the exhaust chamber.
  • a structure in which the wiring substrate 30 is held by the outer peripheral wall 22 of the lid 20, the housing 50, and the upper surface 5 ⁇ / b> A of each battery case 5 by fitting the housing 50 and the lid 20 is taken as an example.
  • a support member 65 that supports the wiring board 30 may be interposed between the lid 20 and the wiring board 30.
  • the support member 65 includes an outer peripheral frame 66 that supports at least the outer peripheral portion of the wiring board 30, and a support portion 68 provided at a position facing the contact position between the housing 50 and the upper surface 5 ⁇ / b> A of each battery case 5.
  • the wiring board 30 can be reliably fixed by the upper surface 5 ⁇ / b> A of the housing 50 and each battery case 5 and the support portion 68 of the support member 65.
  • the battery module is further improved in reliability and safety by suppressing the deformation of the wiring board due to the pressure of the gas to be blown out, and further suppressing the heat and gas intrusion into the battery case of the adjacent battery. Can be realized.
  • a portion 28 may be provided.
  • the wiring board 30 can be fixed by the upper surface 5A of the casing and each battery case 5 and the rib portion 28 of the lid 20, and the battery module can be made smaller or thinner.
  • the power supply wiring such as the connection body is formed on the wiring board.
  • a voltage detection wiring for detecting the voltage of each battery or a temperature detection wiring for detecting the temperature may be provided on the wiring board.
  • a temperature detection element such as a thermistor is connected to the temperature detection wiring, and the temperature can be detected by bringing the temperature detection element into contact with each battery.
  • the voltage and temperature of a some battery can be detected separately and controlled.
  • control can be performed in consideration of variations in battery characteristics and changes with time, reliability and safety can be further improved.
  • the pattern width of the voltage detection wiring and the temperature detection wiring on the wiring board can be significantly narrower than the pattern width of the power supply wiring. This is because a large current flows through the power supply wiring, so that it is necessary to reduce the power loss due to the wiring resistance, but the voltage detection wiring and the temperature detection wiring can be detected with a very small current. Therefore, since the power supply wiring, the plurality of pairs of voltage detection wirings, and the temperature detection wiring can be efficiently arranged and formed on the wiring board, the space required for wiring can be greatly reduced.
  • the housing 50 may be configured by a frame body 50 ⁇ / b> A having open ends at both ends for storing a plurality of batteries, and a closing member 50 ⁇ / b> B that closes one open end.
  • a frame body 50A shown in FIG. 7 a frame body 50C having a partition wall portion 52 for individually storing each battery as shown in FIG. 8 may be used.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the battery constituting the battery module according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the battery is configured by providing an open portion 77 on the upper surface of the positive electrode cap 16 that is an electrode portion of the battery, and is different from the battery of the first embodiment.
  • the constituent elements other than the battery are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof may be omitted.
  • FIG. 11A is a perspective view of the battery module according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 11B is a cross-sectional view taken along the line 11B-11B of FIG. 11A
  • FIG. 11C is FIG. 11C is an enlarged sectional view of a portion 11C.
  • FIG. 12 is an exploded perspective view of the battery module according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the battery module 200 includes a casing 50 made of an insulating resin material or a metal material whose surface is covered with a resin and subjected to an insulation process, and a lid that is fitted to the casing 50. 20.
  • the positive caps of a plurality of batteries are arranged in the same direction in the housing portion 54 of the housing 50 and are electrically connected in parallel by the connection body 32 of the wiring board 30.
  • a plurality of batteries configured as described above are accommodated. Furthermore, it is connected to the connection body 34 provided on the wiring board 30 through an extending portion 33A extending from a part of the connecting plate 33 in which the bottom portion which is one electrode portion (negative electrode side) of the battery is connected in parallel. .
  • the positive electrode cap 16 protruding from the battery case 5 is inserted into a through hole 36 provided corresponding to each battery of the wiring board 30, and the connection body 32 of the wiring board 30. Connected with.
  • the wiring board 30 is in contact with and closely attached to the battery case 5, and the through hole 36 has a gap 36 ⁇ / b> A between the positive electrode cap 16 and the through hole 36.
  • the connection body 32 has a through hole 32a at a position corresponding to the open portion 77 so as not to block the open portion 77 formed on the upper surface of the positive electrode cap 16, and the through hole 32a causes a problem with the battery. Is generated, and the gas ejected from the opening 77 of the positive electrode cap 16 is discharged.
  • the ejected gas communicates with the outside from the through hole 32a of the connection body 32 of the wiring board 30 through the exhaust chamber (not shown) of the lid body 20 as shown in FIGS. It is discharged from the opening 26.
  • the wiring board 30 has a laminated structure of at least two layers of a heat-resistant member 30a made of, for example, a glass-epoxy substrate or polyimide, and an elastic member 30b having rubber elasticity, for example.
  • a heat-resistant member 30a made of, for example, a glass-epoxy substrate or polyimide
  • an elastic member 30b having rubber elasticity, for example.
  • the elastic member 30b elastically deforms and comes into close contact with the upper surface 5A of the battery case 5 to ensure high airtightness.
  • the wiring board 30 has a connection body 32 connected to the positive electrode cap 16 of each battery of the battery module inserted into the through hole 36 and a connection plate 33 that connects the other electrode (for example, negative electrode) of each battery in parallel.
  • the extending portion 33A is connected to the connecting body 34, and the connecting body 32 is provided with a through hole 32a so as not to block the open portion 77 of the positive electrode cap 16.
  • each battery of the battery module to be connected via the wiring board, so that the space required for routing power supply wiring and control wiring can be greatly reduced.
  • the open part of the positive electrode cap of each battery directly ventilates the exhaust chamber 24 of the lid 20 through the through hole 32 a of the connection body 32. For this reason, the gas ejected from the battery in the abnormal state is not directly ejected to the wiring board 30, so that the deformation of the wiring board 30 can be significantly suppressed. As a result, even if the gas is ignited by ignition, it is possible to greatly reduce the intrusion of gas or flame into the adjacent battery case.
  • FIG. 13A is a cross-sectional view for explaining the state of exhaust of gas that is ejected when abnormal heat generation or the like occurs in one battery in the battery module 200 of the present embodiment.
  • FIG. 13B is an enlarged cross-sectional view of a portion 13B in FIG.
  • one battery of the battery module 200 generates heat abnormally, and a vent mechanism, for example, a safety valve is activated by the increase in gas pressure of the gas generated in the battery case. Gas 45 is ejected from battery case 5.
  • the jetted gas 45 is jetted from the opening 77 of the positive electrode cap 16 into the exhaust chamber 24 of the lid 20 through the through hole 32 a of the connecting body 32. Then, it is finally discharged from the opening 26 provided in the lid 20 to the outside of the battery module 200.
  • the gas module 45 is exhausted from the through hole 32a of the connection body 32 of the wiring board 30. Therefore, since no explosive expansion occurs due to gas ignition, the battery module never ruptures.
  • At least a plurality of batteries are housed in a housing part of the housing in a sealed state by the wiring substrate and the housing, and the gas ejected from the defective battery is from the through hole of the connection body of the wiring substrate, The gas can be discharged to the outside of the battery module through the exhaust chamber of the lid.
  • the wiring board can significantly reduce the space required for routing power supply wiring and control wiring. As a result, it is possible to realize a battery module that is smaller, safer, and superior in reliability.
  • the configuration in which the gap 36 ⁇ / b> A is provided between the positive electrode cap 16 and the through hole 36 of the wiring board into which the positive electrode cap 16 of the battery is inserted has been described as an example.
  • a through hole having substantially the same shape as the positive electrode cap 16 may be used.
  • Embodiment 3 the battery pack according to Embodiment 3 of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
  • FIG. 15 is an assembled perspective view of the battery pack according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 15A shows a battery pack 400 in which four battery modules according to the above-described embodiments are arranged side by side and connected by a connecting member 450.
  • FIG. 15B shows a battery pack 500 in which two battery modules according to the above-described embodiments are juxtaposed and connected vertically by two connecting members 550.
  • the battery pack is configured by connecting each battery module through the connection member in parallel connection or series connection or a combination of series connection and parallel connection.
  • the present embodiment it can be easily realized by arbitrarily combining battery packs with high versatility having necessary voltages and electric capacities in consideration of the arrangement space depending on applications.
  • the gas to be ejected can be exhausted to the outside without being ignited. it can.
  • explosive expansion due to gas ignition does not occur, and thus a battery pack that is safe and highly reliable without any battery module bursting can be realized.
  • FIG. 16 is an exploded perspective view for explaining a battery module 600 according to another embodiment of the present invention.
  • the battery module 600 is different from the above embodiment in that a plurality of battery units 640 connected in parallel are two-dimensionally arranged, connected in series, and integrally stored.
  • the battery module 600 comprised by connecting 11 parallel battery units 640 in 7 series is demonstrated to an example.
  • the assembled battery unit 645 having a capacity of 27.5 Ah (2.5 Ah ⁇ 11) at 25.2 V (3.6 V ⁇ 7) can get.
  • the battery module 600 includes a housing 660 having a storage portion 664, a plurality of 11 parallel 7-series battery units 645 stored in the storage portion 664, and a battery assembly unit 640.
  • Circuit board 630 and connection plate 650 that are connected in series and parallel, and a lid 620 that fits into a housing 660 that houses them in a sealed state.
  • the wiring board 630 has through holes 636 at positions corresponding to the positive electrode caps of the batteries of the assembled battery unit 645, and the assembled battery units 640 are connected in parallel so as not to completely block the through holes 636.
  • a connecting body 632 is provided.
  • the wiring board 630 is disposed in close contact with and in contact with the upper surface of the battery case as in the above embodiments.
  • connection plate 650 connects the negative electrode portion, which is one electrode portion of each battery unit 640, in parallel, and an extension portion provided in a part of the connection plate 650 connected to the connection body 632 of the adjacent battery unit 640.
  • Each battery unit 640 is connected in series by connecting to the connection portion 635 of the wiring board 630 via 650A.
  • the lid 620 is provided with an opening (not shown) for discharging the gas to be ejected to the outside through an exhaust chamber (not shown).
  • the opening may be provided individually corresponding to each battery unit 640 or may be provided integrally.
  • the positive electrode cap 16 which is an electrode portion has been described as an example of the battery shape protruding from the upper surface 5A of the battery case 5, but is not limited thereto.
  • the battery module may be configured by a battery in which the positive electrode cap 16 is provided on substantially the same surface as the upper surface 5 ⁇ / b> A of the battery case 5.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view for explaining the shape of another battery constituting the battery module of each embodiment of the present invention.
  • FIG. 18A is a cross-sectional view of the battery module in each embodiment of the present invention using the battery of FIG. 17, and
  • FIG. 18B is an enlarged cross-sectional view of a portion 18B in FIG.
  • the positive electrode cap 16 provided on substantially the same surface as the upper surface 5 ⁇ / b> A of the battery case 5 and the wiring substrate 30 provided with the through hole 36 at a position corresponding to the positive electrode cap 16 are projected downward. It differs from each said embodiment by the point connected with the connection body 32 which has the shape of the shape part 32C. Since it is the same as that of another structure and each embodiment, description is abbreviate
  • a thin and small battery module 300 can be realized regardless of the positional relationship of the positive electrode cap of the battery electrode portion. Needless to say, another example described in each embodiment can be applied.
  • the charging / discharging of the battery module and the control circuit for detecting and controlling the temperature or voltage are not particularly explained or illustrated, but the control circuit is provided outside or inside the battery module. Needless to say, it may be provided.
  • a cylindrical battery is described as an example of the battery module, but the present invention is not limited to this.
  • a square battery may be used.
  • the present invention is useful as a battery module or a battery pack that requires a high capacity and a high voltage such as an automobile, a bicycle, and an electric tool, particularly a hybrid car and an electric car, and that requires high reliability and safety. .

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Abstract

 複数の電池が配列されて筐体20内に収納された電池モジュール100において、電池は、電池の電極部16に電池内で発生したガスを電池外に排出する開放部17を有し、筐体20は、電池の電極部16周囲の電池ケース5に当接して配設された配線基板30によって、複数の電池を収容する収納部54と、電極部16の開放部17から排出されるガスを筐体20外に排気する排気室24とに区画され、電池の電極部16は、配線基板30に形成された接続体32に接続され、電極部16の開放部17は、配線基板30に形成された貫通孔36を介して排気室24に連通している。

Description

電池モジュールとそれを用いた電池パック
 本発明は、電池に発熱などの不具合を生じても他の電池に影響を与えない、特に複数の電池を備える電池モジュールとそれを用いた電池パックに関する。
 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、電池パックへの期待が大きくなっている。この電池パックは、所望の電圧や容量を得るために、1つ以上の電池からなる電池モジュールを複数個搭載して構成されている。
 上記電池モジュールの開発において、自動車など限られた空間に所定の電力を蓄積する電池モジュールを収納するため、電池モジュールの小型化が大きな課題となっている。
 そこで、複数の電池からなる組電池(電池モジュール)において、各電池間の接続や電圧または温度などを検出する配線をプリント基板に形成したパターン配線で接続する構成が開示されている(例えば、特許文献1参照)。同様に、複数の電源モジュールをホルダーケースに収納し、エンドプレートを介して連結する電源装置(電池パック)が開示されている(例えば、特許文献2参照)。そして、エンドプレートに、各電源モジュール間を接続するセンサーリードや電源リードを設けることにより、接続不良の低減と小型化が図れるとしている。
 また、電池モジュールに収納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、電池の外装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、排出されるガスへの引火などにより発煙や、まれに発火を生じる場合があり、信頼性や安全性に課題があった。
 そこで、複数の電池をケース内の電池室に収納し、各電池の安全弁と対向する区画壁に開口部を設けることにより、異常状態時に電池から噴射されるガスを排気室を介して排出口から排出する構成の電源装置(電池モジュール)が開示されている(例えば、特許文献3参照)。
特開2000-208118号公報 特開2000-223166号公報 特開2007-27011号公報
 しかしながら、特許文献1および特許文献2に示す電池モジュールは、1個の電池が異常に発熱し安全弁が作動した場合、発熱した電池の熱量や、噴出するガスへの引火による周囲電池への影響を抑制できず、連鎖的に各電池が劣化するという課題がある。すなわち、複数の電池を搭載する電池モジュールにおいては、異常を生じた電池の影響を、いかに周囲の電池への拡大を抑制して最小限に留めるかが課題となっている。
 また、特許文献3に示す電池モジュールは、ケースの区画壁に電池の安全弁に対向して開口部を設け、噴出したガスを電池室内に充満させず外部に排出するものである。しかし、樹脂中に内蔵された回路基板は開示しているが、電池との接続方法などは、何ら開示も示唆もされていない。そのため、電池の安全弁側の面を接続端子で接続する場合、区画壁との気密をどのように保持するかが不明である。また、電池の安全弁と区画壁の開放部との位置合わせが困難であり、凹部で位置決めすると電池間に空間が生じ小型化できないという課題があった。また、電池や回路基板を樹脂で固定し内蔵するため、電池モジュールの小型化に課題があった。
 本発明は、上記の課題を解決するものであり、小型、薄型化を実現するとともに、不具合を生じた電池の異常発熱による周囲の電池への影響を最小限に抑制できる電池モジュールとそれを用いた電池パックを提供することを目的とする。
 上記目的を達成するために、本発明の電池モジュールは、複数の電池が配列されて筐体内に収納された電池モジュールであって、電池は、電池の電極部に電池内で発生したガスを電池外に排出する開放部を有し、筐体は、電池の電極部周囲の電池ケースに当接して配設された配線基板によって、複数の電池を収容する収納部と、電極部の開放部から排出されるガスを筐体外に排気する排気室とに区画され、電池の電極部は、配線基板に形成された接続体に接続され、電極部の開放部は、配線基板に形成された貫通孔を介して排気室に連通している構成を採用する。
 この構成により、配線基板を電池の電極部周囲の電池ケースに当接させるとともに、電極部の開放部を、配線基板に形成された貫通孔を介して排気室に連通させることにより、電池のベント機構の開放によって噴出するガスの排出空間を貫通孔内に制限できる。それ故に、電極部の開放部から排出されるガスは、貫通孔を介して排気室に排出され、さらに、筐体外へと排出されるため、隣接する電池へのガスの侵入を防止できる。また、電源配線や制御配線などの引き回しに必要なスペースを、配線基板により大幅に削減できる。この結果、電池と同程度の高さの薄型・小型で、安全性の高い信頼性に優れた電池モジュールを実現できる。
 また、本発明の電池パックは、上記電池モジュールを、複数個、直列接続および/または並列接続されている。この構成により、用途に応じて、任意の電圧や容量を備えた電池パックを実現できる。
 本発明によれば、小型、薄型化を実現するとともに、不具合を生じた電池の異常発熱による周囲の電池への影響を最小限に抑制できる電池モジュールおよび電池パックを実現できる。
本発明の実施の形態1における電池モジュールを構成する電池の断面図 (a)本発明の実施の形態1における電池モジュールの斜視図、(b)図2(a)の2B-2B線断面図、(c)図2(b)の2C部の拡大断面図 本発明の実施の形態1における電池モジュールの分解斜視図 (a)本発明の実施の形態1の電池モジュールにおいて、電池モジュール内の1つの電池に異常発熱などを生じた場合に噴出するガスの排気の様子を説明する断面図、(b)図4(a)の4B部の拡大断面図 本発明の実施の形態1における電池モジュールの別の例を説明する分解斜視図 本発明の実施の形態1における蓋体の別の例を説明する斜視図 本発明の実施の形態1における筐体の別の例を説明する分解斜視図 本発明の実施の形態1における筐体のさらに別の例を説明する分解斜視図 本発明の実施の形態1における配線基板の別の例を説明する部分拡大断面図 本発明の実施の形態2における電池モジュールを構成する電池の断面図 (a)本発明の実施の形態2における電池モジュールの斜視図、(b)図11(a)の11B-11B線断面図、(c)図11(b)の11C部の拡大断面図 本発明の実施の形態2における電池モジュールの分解斜視図 (a)本発明の実施の形態2の電池モジュールにおいて、電池モジュール内の1つの電池に異常発熱などを生じた場合に噴出するガスの排気の様子を説明する断面図、(b)図13(a)の13B部の拡大断面図 (a)本発明の実施の形態2における電池モジュールの別の例の斜視図、(b)図14(a)の14B-14B線断面図、(c)図14(b)の14C部の拡大断面図 (a)本発明の実施の形態3における電池パックの組立斜視図、(b)本発明の実施の形態3における電池パックの別の例の組立斜視図 本発明の他の実施の形態における電池モジュールを説明する分解斜視図 本発明の各実施の形態の電池モジュールを構成する別の電池の形状を説明する断面図 (a)図17の電池を用いた本発明の各実施の形態における電池モジュールの断面図、(b)図18(a)の18B部の拡大断面図
 本発明に係る電池モジュールは、複数の電池が配列されて筐体内に収納された電池モジュールであって、電池は、電池の電極部に電池内で発生したガスを電池外に排出する開放部を有し、筐体は、電池の電極部周囲の電池ケースに当接して配設された配線基板によって、複数の電池を収容する収納部と、電極部の開放部から排出されるガスを筐体外に排気する排気室とに区画され、電池の電極部は、配線基板に形成された接続体に接続され、電極部の開放部は、配線基板に形成された貫通孔を介して排気室に連通している構成を有する。
 この構成により、配線基板を電池の電極部周囲の電池ケースに当接させるとともに、電極部の開放部を、配線基板に形成された貫通孔を介して排気室に連通させることにより、電池のベント機構の開放によって噴出するガスの排出空間を貫通孔内に制限できる。それ故に、電極部の開放部から排出されるガスは、貫通孔を介して排気室に排出され、さらに、筐体外へと排出されるため、隣接する電池へのガスの侵入を防止できる。また、電源配線や制御配線などの引き回しに必要なスペースを、配線基板により大幅に削減できる。この結果、電池と同程度の高さの薄型・小型で、安全性の高い信頼性に優れた電池モジュールを実現できる。
 ここで、電池の電極部は、配線基板の貫通孔に挿入されていることが好ましい。これにより、電極部の開放部から排出されるガスを、貫通孔を介して効率よく筐体外に排出することができる。
 また、配線基板は、耐熱性部材と弾性部材との積層構造を有し、弾性部材の下面は、電池ケースに当接していることが好ましい。これにより、配線基板を電池ケースに密着させることができるため、収納部の密閉状態をより高めることができる。
 また、接続体は配線基板の上面に形成されており、配線基板の下面は、電池ケースに当接していることが好ましい。これにより、配線基板の貫通孔に挿入された電極部を容易に接続体に接続することができる。
 また、電極部の高さは、配線基板の厚みと略同一であることが好ましい。これにより、配線基板の貫通孔に挿入された電極部をより容易に接続体に接続することができる。
 また、配線基板に形成された貫通孔は、電池ケースと当接する側の大きさが、接続体側の大きさより小さいことが好ましい。これにより、電極部の開放部から排出されるガスを、効率よく筐体外に排出することができる。
 また、電極部の開放部は、電極部の上面に設けられており、電極部に接続された接続体は、少なくとも開放部が形成された部位において貫通穴が形成されていてもよい。これにより、電極部の開放部から排出されるガスを、貫通穴を介して直接排気室に排出されるため、効率よく筐体外に排出することができる。
 また、電極部に接続された接続体は、配線基板に形成された複数の貫通孔を跨いで形成されていることが好ましい。これにより、貫通孔において、電極部を接続体に容易に接続することができる。
 また、電極部の開放部は、電極部の側面に設けられており、配線基板に形成された貫通孔と電極部との間に隙間が設けられていることが好ましい。これにより、電極部の開放部から排出されるガスを、前記隙間を介して前記排気室に排出されるため、効率よく筐体外に排出することができる。
 また、複数の電池は、各電池の電極部に接続された接続体によって並列接続されていることが好ましい。これにより、容量の大きな電池モジュールをコンパクトに形成することができる。
 また、収納部は、配線基板によって密閉状態になっている。これにより、電極部の開放部から排出されるガスを、他の電池に影響を与えることなく、貫通孔および排気室を介して筐体外へ確実に排出することができる。なお、「密閉状態」は、必ずしも完全に密閉された状態を意味するものでなく、影響の出ない程度のガスが、排気室から収納部に戻るような密閉状態も含む。
 また、筐体は、表面に絶縁加工を施した金属材料からなることが好ましい。これにより、噴出する高温のガスによって筐体が溶融して穴等が生じて、この穴から酸素が供給されることによる引火等を防止でき、排気室を介して確実にガスを排気できる。
 また、筐体は、収納部と蓋体を有し、収納部に、電池を個別に収納する隔壁部を設け、蓋体に、筐体の前記隔壁部と対向する位置にリブ部を設けることが好ましい。これにより、隣接する電池への伝熱や放熱を大幅に抑制できるとともに、隔壁部とリブ部で配線基板を確実に挟んで収容部と排気室との密閉性をさらに向上できる。
 また、筐体は、収納部と蓋体を有し、蓋体と配線基板との間に、配線基板を保持する支持部材をさらに備えていてもよい。これにより、収容部と排気室との密閉性をさらに向上できる。
 本発明の電池パックは、上記電池モジュールを、複数個、直列接続および/または並列接続されている。この構成により、用途に応じて、任意の電圧や容量を備えた電池パックを実現できる。
 以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、同一部分には同一符号を付して説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。また、以下では電池として、円筒型のリチウムイオンなどの非水電解質二次電池(以下、「電池」と記す)を例に説明するが、これに限られないことはいうまでもない。
(実施の形態1)
 図1は、本発明の実施の形態1における電池モジュールを構成する電池の断面図である。なお、以下では、複数の電池を並列に接続した電池モジュールを例に説明するが、電池モジュールとして、直列接続でもよい。
 図1に示すように、円筒型の電池は、例えば、アルミニウム製の正極リード8を備えた正極1と、その正極1と対向する、例えば、銅製の負極リード9を一端に備えた負極2とをセパレータ3を介して、捲回された電極群4を有する。そして、電極群4の上下に絶縁板10a、10bを装着して電池ケース5に挿入し、正極リード8の他方の端部を封口板6に、負極リード9の他方の端部を電池ケース5の底部に溶接する。さらに、リチウムイオンを伝導する非水電解質(図示せず)を電池ケース5内に注入し、電池ケース5の開放端部をガスケット7を介して、一方の電極部を構成する正極キャップ16、PTC素子などの電流遮断部材18および封口板6をかしめた構成を有する。そして、正極1は正極集電体1aと正極活物質を含む正極層1bから構成されている。
 このとき、正極キャップ16は、電池ケース5の開放端部の上面5Aから突出して設けられ、電極群4の不具合による安全弁などのベント機構19の開放により生じるガスを抜くための開放部17が、正極キャップ16の側面に設けられている。なお、正極キャップ16の上面5Aからの突出量は、例えば、後述する配線基板の厚み程度である。また、以下では、正極キャップ16を電池ケース5の上面5Aから突出して設けた例で説明するが、電池ケース5の上面5Aとほぼ同一面に設けた電池でもよい。
 ここで、正極層1bは、例えば、LiCoOやLiNiO、LiMnO、またはこれらの混合あるいは複合化合物などの含リチウム複合酸化物を正極活物質として含む。また、正極層1bは、さらに、導電剤と結着剤とを含む。導電剤として、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック類を含み、また結着剤として、例えば、PVDF、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミドなどを含む。
 また、正極1に用いる正極集電体1aとしては、アルミニウム(Al)、炭素(C)、導電性樹脂などが使用可能である。
 非水電解質には、有機溶媒に溶質を溶解した電解質溶液や、これらを含み高分子で非流動化されたいわゆるポリマー電解質層が適用可能である。非水電解質の溶質としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiAlCl、LiSbF、LiSCN、LiCFSO、LiN(CFCO)、LiN(CFSOなどを用いることができる。さらに、有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート(EMC)などを用いることができる。
 また、負極2の負極集電体11は、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタンなどの金属箔、炭素や導電性樹脂の薄膜などが用いられる。
 さらに、負極2の負極層15としては、黒鉛などの炭素材料や、ケイ素(Si)やスズ(Sn)などのようにリチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する理論容量密度が833mAh/cmを超える負極活物質を用いることができる。
 以下、本発明の実施の形態1における電池モジュールについて、図2から図5を用いて詳細に説明する。
 図2(a)は、本発明の実施の形態1における電池モジュールの斜視図で、図2(b)は、図2(a)の2B-2B線断面図、図2(c)は、図2(b)の2C部の拡大断面図である。図3は、本発明の実施の形態1における電池モジュールの分解斜視図である。
 図2(a)と図3に示すように、電池モジュール100は、例えば、ポリカーボネート樹脂などの絶縁性樹脂材料よりなる筐体50および、それと嵌合する蓋体20を有している。
 そして、図2(b)と図3に示すように、筐体50の内部に、複数の電池の正極キャップ16を同一方向に並べた電池ユニット40を、配線基板30の接続体32、34で電気的に並列に接続して構成した複数の電池が収納されている。さらに、電池の一方の電極部(負極側)である底部を並列に接続した接続板33の一部から延伸した延伸部33Aを介して、配線基板30に設けた接続体34と接続されている。
 また、図2(c)に示すように、電池ケース5から突出した正極キャップ16は、配線基板30の各電池に対応して設けた貫通孔36に内挿され、配線基板30の接続体32と接続されている。このとき、配線基板30は、電池ケース5と当接して密着され、貫通孔36は正極キャップ16の側面に設けた開放部17を塞がないように隙間36Aを有している。この隙間36Aにより、電池に不具合が発生し、正極キャップ16の開放部17から噴出するガスが排出される空間を形成している。
 そして、噴出したガスは、図2(b)と図3に示すように、配線基板30の接続体32と貫通孔36との隙間36Aを介して、さらに、蓋体20の排気室24の空間を介して、外部と連通する開口部26から排出される。
 以下、図面を用いて、電池モジュール100を構成する各構成要素について説明する。
 まず、筐体50は、図3に示すように、蓋体20と嵌合する側に開口端を備え、開口端側から複数の電池を収納する収納部54を有している。このとき、電池が、例えば、外径18mm、高さ65mmの場合、収納部54の高さは、65mmに接続板33の厚みを加えた程度となる。
 また、蓋体20は、図2(b)と図3に示すように、外周壁22により形成される排気室24と外周壁22の一部に設けられた開口部26を備えている。
 また、図2(c)に示すように、配線基板30は、例えば、ガラス-エポキシ基板やポリイミドからなる耐熱性部材30aと、例えば、ゴム弾性を有する弾性部材30bの少なくとも2層の積層構造を有する。そして、弾性部材30bは電池ケース5の上面5Aと弾性変形して密着して当接するため、高い気密性を確保することができる。なお、高い気密性を確保できる場合には、特に積層構造の配線基板30とする必要はない。さらに、配線基板30は、貫通孔36に挿入された各電池の正極キャップ16と接続する接続体32と、各電池の他方の電極(例えば、負極)を並列に接続する接続板33の延伸部33Aと接続する接続体34とを有し、接続体32は貫通孔36を完全に塞がないように、貫通孔36を跨いで設けられている。なお、接続体32や接続板33は、例えば、ニッケル板やCu板、Al板、リード線などで構成され、銅箔などで形成された接続体34と、例えば、はんだを介して接続される。また、正極キャップ16と接続体32や、負極と接続板33とは、例えば、電気溶接やスポット溶接などにより接続される。
 これにより、電池モジュールを構成する各電池を、配線基板を介して接続できるため、電源配線や制御配線などの引き回しに必要なスペースを大幅に削減できる。また、各電池の正極キャップの開放部が、配線基板の貫通孔に収納される。その結果、異常時、電池から噴出したガスが、隣接する電池ケースに侵入できないので、もしガスが引火により発火しても、炎の侵入を防止し、その影響を確実に阻止できる。
 以下、本実施の形態の電池モジュール100において、並列に接続された電池モジュール内の1つの電池に異常発熱などを生じた場合の電池モジュール100の作用効果について、図4を用いて説明する。
 図4(a)は、本実施の形態の電池モジュール100において、電池モジュール内の1つの電池に異常発熱などを生じた場合に噴出するガスの排気の様子を説明する断面図で、図4(b)は図4(a)の4B部の拡大断面図である。
 まず、図4(b)に示すように、電池モジュール100の1つの電池が異常に発熱し、電池ケース内に発生したガスのガス圧の上昇によりベント機構である、例えば、安全弁が作動し、電池ケースからガス45が噴出する。そして、噴出したガス45は、正極キャップ16の開放部17から、正極キャップ16が内挿された貫通孔36の隙間36Aに噴出される。
 つぎに、図4(a)に示すように、ガス45は、隙間36Aを充満することなく、配線基板30の接続体32で塞がれていない貫通孔36の間から蓋体20の排気室24に排気される。そして、最終的に蓋体20に設けた開口部26から、電池モジュール100の外部に排出される。
 このとき、電池モジュール100の不具合電池からガス45が急激に噴出する場合、一般に引火などにより発火する危険性が高くなる。
 しかし、本発明の上記構成の電池モジュール100によれば、貫通孔36内の隙間36A内の酸素量は限られ、さらに外部から酸素が供給されないので、ガスに引火する可能性は極めて低くなる。その結果、配線基板30の貫通孔36からガス45の状態で排気される。そのため、ガスの引火による爆発的な膨張を生じないので、電池モジュールが破裂することは皆無となる。
 本実施の形態によれば、少なくとも配線基板と筐体により電池モジュールを筐体の収納部内に密閉状態で収納され、不具合の電池から噴出するガスは、配線基板の貫通孔の隙間から、ガスの状態で電池モジュールの外部に排出できる。その結果、ガスへの引火による発火や発煙などが発生しない安全性に優れた電池モジュールを実現できる。
 また、少なくとも配線基板と筐体により電池モジュールを構成する電池を筐体の収納部内に密閉状態で収納できるため、電池を個別に収納する必要はない。その結果、電池モジュールを容易に小型化できる。さらに、電源配線や制御配線などの引き回しに必要なスペースを、配線基板により大幅に削減できる。この結果、より小型で、安全性の高い信頼性に優れた電池モジュールを実現できる。
 なお、本実施の形態では、蓋体20をポリカーボネート樹脂などの絶縁性材料で構成した例で説明したが、これに限られない。例えば、アルミニウムなどの金属材料や、それを絶縁性樹脂で被覆した構成としてもよい。これにより、機械的強度を向上させて、より薄型の蓋体とし、電池モジュールをさらに小型化できる。また、金属材料の高い熱伝導性により噴出するガスの冷却性を高めて、さらに引火などを生じにくい信頼性の高い電池モジュールが得られる。さらに、噴出する高温のガスによる蓋体の溶融での穴の発生を防止して、穴からの酸素の供給による引火などを防ぎ、排気室を介して確実にガスを排気できる。
 また、本実施の形態では、筐体50と蓋体20の嵌合により、蓋体20の外周壁22と筐体50および各電池ケース5の上面5Aで配線基板30を保持する構造を例に説明したが、これに限られない。例えば、図5の電池モジュールの分解斜視図に示すように、蓋体20と配線基板30との間に、配線基板30を支持する支持部材65を介在させてもよい。このとき、支持部材65は、少なくとも配線基板30の外周部を支持する外周枠66と、筐体50および各電池ケース5の上面5Aとの当接位置と対向する位置に設けた支持部68とから構成される。このとき、支持部材65の支持部68で蓋体20の排気室の空間が狭くなる場合には、支持部68の一部に蓋体20の開口部に連通するように凹部または穴などを設けてもよい。これにより、筐体50および各電池ケース5の上面5Aと支持部材65の支持部68で配線基板30を確実に固定できる。その結果、噴出するガスの圧力による配線基板の変形を抑制し、隣接する電池の電池ケースへの熱やガスの侵入をさらに効率的に抑制して、信頼性および安全性をさらに向上した電池モジュールを実現できる。
 また、上記支持部材65を設ける代わりに、図6に示すように、蓋体20の排気室24に、筐体50および各電池ケース5の上面5Aと対向する位置に、開口穴28Aを有するリブ部28を設けてもよい。これにより、筐体および各電池ケース5の上面5Aと蓋体20のリブ部28で配線基板30を固定できるとともに、電池モジュールをより小型または薄型にできる。
 また、本実施の形態では、配線基板に接続体などの電源配線を形成した例で説明したが、これに限られない。例えば、各電池の電圧を検出する電圧検出配線や、温度を検出する温度検出配線を配線基板に設けてもよい。このとき、温度検出配線には、例えば、サーミスタなどの温度検出素子が接続され、温度検出素子を各電池と接触させて温度を検出することができる。これにより、複数の電池の電圧および温度を個別に検出して制御できる。その結果、電池の特性ばらつきや経時変化などを考慮して制御できるため、信頼性や安全性をさらに高めることができる。なお、電圧検出配線や温度検出配線の配線基板上でのパターン幅は、電源配線のパターン幅に比べて大幅に狭くできる。これは、電源配線は、大きな電流が流れるため配線抵抗による電力損失を低減させる必要があるが、電圧検出配線や温度検出配線は微小な電流で検出できるためである。そのため、電源配線と複数対の電圧検出配線と温度検出配線を効率的に配置して配線基板に形成できるので、配線に必要なスペースを大幅に削減できる。
 また、本実施の形態では、筐体の一方に開口端を有する例で説明したが、これに限られない。例えば、図7に示すように、筐体50として、複数の電池を収納する両端に開口端を有する枠体50Aと、その一方の開口端を塞ぐ閉塞部材50Bで構成してもよい。これにより、各電池と配線基板や接続板との接続などの組立性や作業性を向上させ、生産性に優れた電池モジュールを実現できる。さらに、図7に示す枠体50Aの代わりに、図8に示すように各電池を個別に収納する隔壁部52を有する枠体50Cとしてもよい。これにより、不具合電池の異常発熱の隣接する電池への伝熱や放熱を隔壁部52によりさらに抑制できるため、より信頼性や安全性に優れた電池モジュールを実現できる。
 また、本実施の形態では、配線基板に形成した貫通孔の形状として、厚み方向において同一形状である場合を例に説明したが、これに限られない。例えば、図9に示すように、電池ケースの上面と密着する貫通孔の大きさを、接続体32側の貫通孔の大きさより小さくしてもよい。これにより、電池の正極キャップの開放部から噴出するガスの蓋体の排気室への排出効率を高める(排出抵抗を低減する)ことができる。さらに、電池ケースの上面との密着面積を拡大して、電池ケース側へのガスの侵入を大幅に抑制し、信頼性や安全性を向上できる。
(実施の形態2)
 図10は、本発明の実施の形態2における電池モジュールを構成する電池の断面図である。
 図10に示すように、電池の電極部である正極キャップ16の上面に開放部77を設けて電池を構成した点で、実施の形態1の電池とは異なる。なお、電池以外の構成要素は、実施の形態1と同様であるので、説明を省略する場合がある。
 以下に、本実施の形態の電池を用いて構成した電池モジュールについて、図11と図12を用いて、詳細に説明する。
 図11(a)は本発明の実施の形態2における電池モジュールの斜視図で、図11(b)は図11(a)の11B-11B線断面図、図11(c)は図11(b)の11C部の拡大断面図である。図12は、本発明の実施の形態2における電池モジュールの分解斜視図である。
 図11(a)と図12に示すように、電池モジュール200は、絶縁性樹脂材料もしくは表面を樹脂で被覆して絶縁加工を施した金属材料よりなる筐体50および、それと嵌合する蓋体20を有している。
 そして、図11(b)と図12に示すように、筐体50の収納部54に、複数の電池の正極キャップを同一方向に並べ、配線基板30の接続体32で電気的に並列に接続して構成した複数の電池が収納されている。さらに、電池の一方の電極部(負極側)である底部を並列に接続した接続板33の一部から延伸した延伸部33Aを介して、配線基板30に設けた接続体34と接続されている。
 また、図11(c)に示すように、電池ケース5から突出した正極キャップ16は、配線基板30の各電池に対応して設けた貫通孔36に内挿され、配線基板30の接続体32と接続されている。そして、配線基板30は、電池ケース5と当接して密着され、貫通孔36は正極キャップ16との間に隙間36Aを有している。このとき、接続体32は、正極キャップ16の上面に形成した開放部77を塞がないように、開放部77と対応する位置に貫通穴32aを有し、この貫通穴32aにより、電池に不具合が発生し、正極キャップ16の開放部77から噴出するガスが排出される。
 そして、噴出したガスは、図11(b)と図12に示すように配線基板30の接続体32の貫通穴32aから、蓋体20の排気室(図示せず)を介して外部と連通する開口部26から排出される。
 以下、図面を用いて、電池モジュール200を構成する各構成要素について説明する。なお、電池モジュール200の筐体50および蓋体20の構成は実施の形態1と同様であるので、説明を省略し、異なる配線基板を主に説明する。
 図11(c)と図12に示すように、配線基板30は、例えば、ガラス-エポキシ基板やポリイミドからなる耐熱性部材30aと、例えば、ゴム弾性を有する弾性部材30bの少なくとも2層の積層構造を有する。そして、弾性部材30bは電池ケース5の上面5Aと弾性変形して密着して当接し、高い気密性を確保する。
 また、配線基板30は、貫通孔36に挿入された電池モジュールの各電池の正極キャップ16と接続する接続体32と、各電池の他方の電極(例えば、負極)を並列に接続する接続板33の延伸部33Aと接続する接続体34とを有し、接続体32には、正極キャップ16の開放部77を塞がないように貫通穴32aが設けられている。
 これにより、電池モジュールの各電池を、配線基板を介して接続できるため、電源配線や制御配線などの引き回しに必要なスペースを大幅に削減できる。また、各電池の正極キャップの開放部が、接続体32の貫通穴32aを介して、直接蓋体20の排気室24と通気する。そのため、異常状態の電池から噴出したガスが、直接配線基板30に噴出しないので、配線基板30の変形を大幅に抑制できる。その結果、もしガスが引火により発火しても、隣接する電池ケースへの、ガスや炎などの侵入を大幅に低減することができる。
 以下、本実施の形態の電池モジュール200において、並列に接続された電池モジュール内の1つの電池に異常発熱などを生じた場合の電池モジュール200の作用効果について、図13を用いて説明する。
 図13(a)は、本実施の形態の電池モジュール200において、電池モジュール内の1つの電池に異常発熱などを生じた場合に噴出するガスの排気の様子を説明する断面図で、図13(b)は図13(a)の13B部の拡大断面図である。
 まず、図13(b)に示すように、電池モジュール200の1つの電池が異常に発熱し、電池ケース内に発生したガスのガス圧の上昇によりベント機構である、例えば、安全弁が作動し、電池ケース5からガス45が噴出する。
 そして、図13(a)に示すように、噴出したガス45は、正極キャップ16の開放部77から、接続体32の貫通穴32aを介して、蓋体20の排気室24に噴出される。そして、最終的に蓋体20に設けた開口部26から、電池モジュール200の外部に排出される。
 本発明の電池モジュール200によれば、配線基板30の接続体32の貫通穴32aからガス45の状態で排気される。そのため、ガスの引火による爆発的な膨張を生じないので、電池モジュールが破裂することは皆無となる。
 本実施の形態によれば、少なくとも配線基板と筐体により複数の電池を筐体の収納部内に密閉状態で収納され、不具合の電池から噴出するガスは、配線基板の接続体の貫通穴から、蓋体の排気室を介して、ガスの状態で電池モジュールの外部に排出できる。その結果、ガスへの引火による発火や発煙などが発生しない安全性に優れた電池モジュールを実現できる。
 また、少なくとも配線基板と筐体により複数の電池を筐体の収納部内に密閉状態で収納できるため、電池を個別に収納する必要はない。その結果、電池モジュールを容易に小型化できる。さらに、電源配線や制御配線などの引き回しに必要なスペースを、配線基板により大幅に削減できる。この結果、より小型で、安全性の高い信頼性に優れた電池モジュールを実現できる。
 なお、本実施の形態では、電池の正極キャップ16が挿入される配線基板の貫通孔36において、正極キャップ16との間に隙間36Aを有する構成を例に説明したが、これに限られない。例えば、図14に示すように、正極キャップ16とほぼ同一形状の貫通孔としてもよい。これにより、各電池の開放部77と接続体の貫通穴32aとの位置決めが容易で、かつ位置ずれによる貫通穴32aの開口面積のばらつきを抑制できる。その結果、さらに信頼性と安全性に優れた電池モジュールを実現できる。
 また、実施の形態1において、図5から図8を用いて説明した構成を実施の形態2の電池モジュールに適用できることはいうまでもなく、同様の効果が得られる。
(実施の形態3)
 以下、本発明の実施の形態3における電池パックについて、図15を用いて詳細に説明する。
 図15は、本発明の実施の形態3における電池パックの組立斜視図である。
 図15(a)は、上記各実施の形態の電池モジュールを4個並置して配置し、接続部材450で接続して電池パック400を構成したものである。また、図15(b)は、上記各実施の形態の電池モジュールを2個並置するとともに、それを縦に2段に重ね接続部材550で接続して電池パック500を構成したものである。このとき、接続部材は、各電池モジュールは、並列接続または直列接続、あるいは直列接続と並列接続を組み合わせて接続部材を介して接続することにより、電池パックが構成される。
 本実施の形態によれば、用途に応じて、必要な電圧や電気容量を有する汎用性の高い電池パックを、配置スペースを考慮して任意に組み合わせることにより、容易に実現できる。
 また、本実施の形態によれば、上記各実施の形態と同様に、いずれかの電池モジュールに不具合を生じても、噴出するガスが引火することなく、ガスの状態で外部に排気することができる。その結果、ガスの引火による爆発的な膨張を生じないので、電池モジュールが破裂することが皆無な、安全で信頼性に優れた電池パックを実現できる。
(他の実施の形態)
 以下に、本発明の電池モジュールにおける他の実施の形態について、図16を用いて説明する。
 図16は、本発明の他の実施の形態における電池モジュール600を説明する分解斜視図である。このとき、電池モジュール600は、複数の並列に接続された電池ユニット640を、2次元に配置して直列に接続し一体的に収納する点で、上記実施の形態と異なる。なお、図16においては、11並列の電池ユニット640を7直列で接続して構成した電池モジュール600を例に説明する。例えば、容量2500mAhで、平均電圧3.6Vのリチウムイオン電池で構成した場合、25.2V(3.6V×7)で27.5Ah(2.5Ah×11)の容量を有する集合電池ユニット645が得られる。
 すなわち、図16に示すように、電池モジュール600は、収納部664を有する筐体660と、収納部664に収納される複数の11並列で7直列からなる集合電池ユニット645と、集合電池ユニット640を直並列に接続する配線基板630と接続板650と、それらを密閉状態で収納する筐体660と嵌合する蓋体620で構成されている。
 そして、配線基板630には、集合電池ユニット645の各電池の正極キャップと対応する位置に貫通孔636を有し、各貫通孔636を完全に塞がないように集合電池ユニット640を並列に接続する接続体632が設けられている。そして、配線基板630は、上記各実施の形態と同様に電池ケースの上面と密着して当接させて配置される。
 また、接続板650は、各電池ユニット640の一方の電極部である負極部を並列に接続するとともに、隣接の電池ユニット640の接続体632と接続する接続板650の一部に設けた延伸部650Aを介して配線基板630の接続部635と接続して、各電池ユニット640を直列に接続する。
 また、蓋体620には、排気室(図示せず)を介して、噴出するガスを外部に排出する開口部(図示せず)が設けられている。このとき、開口部は、各電池ユニット640に対応させて個別に設けても、一体化して設けてもよい。
 上記実施の形態によれば、実施の形態1、2と同様の効果が得られるとともに、筐体を一体化することにより、さらに小型化した電池モジュールを実現できる。
 なお、各実施の形態においては、電極部である正極キャップ16が電池ケース5の上面5Aから突出した電池形状を例に説明したが、これに限られない。例えば、以下に、図17と図18を用いて説明するように、正極キャップ16を電池ケース5の上面5Aとほぼ同一面で設けた電池で電池モジュールを構成してもよい。
 図17は、本発明の各実施の形態の電池モジュールを構成する別の電池の形状を説明する断面図である。図18(a)は図17の電池を用いた本発明の各実施の形態における電池モジュールの断面図、図18(b)は図18(a)の18B部の拡大断面図である。
 つまり、図18に示すように、電池ケース5の上面5Aとほぼ同一面で設けた正極キャップ16と、正極キャップ16と対応する位置に貫通孔36を設けた配線基板30の、下方向に凸状部32Cの形状を有する接続体32と接続した点で、上記各実施の形態とは異なる。他の構成や各実施の形態と同様であるので説明を省略する。
 これにより、上記各実施の形態と同様の効果が得られる。また、電池の電極部の正極キャップの位置関係にかかわらず、薄型で小型の電池モジュール300を実現できる。なお、各実施の形態で説明した別の例を適用できることはいうまでもない。
 また、各実施の形態においては、電池モジュールの充放電や、温度または電圧を検出して制御する制御回路については、特に説明や図示をしていないが、制御回路を電池モジュールの外部や内部に設けてもよいことはいうまでもない。
 また、各実施の形態においては、電池モジュールとして円筒型の電池を例に説明したが、これに限られない。例えば、角型の電池であってもよい。
 また、各実施の形態においては、互いにその構成を適用できることはいうまでもない。
 本発明は、自動車、自転車や電動工具などの、特にハイブリッド自動車や電気自動車など高容量、高電圧が必要で、しかも高い信頼性と安全性が要求される、電池モジュールや電池パックとして有用である。
 1   正極
 1a  正極集電体
 1b  正極層
 2  負極
 3  セパレータ
 4  電極群
 5  電池ケース
 5A  上面
 6  封口板
 7  ガスケット
 8  正極リード
 9  負極リード
 10a,10b  絶縁板
 11  負極集電体
 15  負極層
 16  正極キャップ(電極部)
 17,77  開放部
 18  電流遮断部材
 19  ベント機構
 20,620  蓋体
 22  外周壁
 24  排気室
 26  開口部
 28  リブ部
 28A  開口穴
 30,630  配線基板
 30a  耐熱性部材
 30b  弾性部材
 32,34,632  接続体
 32a  貫通穴
 32C  凸状部
 33,650  接続板
 33A,650A  延伸部
 36,636  貫通孔
 36A  隙間
 40,640  電池ユニット
 45  ガス
 50,660  筐体
 50A,50C  枠体
 50B  閉塞部材
 52  隔壁部
 54,664  収納部
 65  支持部材
 66  外周枠
 68  支持部
 100,200,300,600  電池モジュール
 400,500  電池パック
 450,550  接続部材
 635  接続部
 645  集合電池ユニット

Claims (17)

  1.  複数の電池が配列されて筐体内に収納された電池モジュールであって、
     前記電池は、該電池の電極部に、前記電池内で発生したガスを電池外に排出する開放部を有しており、
     前記筐体は、前記電池の電極部周囲の電池ケースに当接して配設された配線基板によって、前記複数の電池を収容する収納部と、前記電極部の開放部から排出されるガスを前記筐体外に排気する排気室とに区画されており、
     前記電池の電極部は、前記配線基板に形成された接続体に接続されており、
     前記電極部の開放部は、前記配線基板に形成された貫通孔を介して、前記排気室に連通している、電池モジュール。
  2.  前記電池の電極部は、前記配線基板の貫通孔に挿入されている、請求項1に記載の電池モジュール。
  3.  前記配線基板は、耐熱性部材と弾性部材との積層構造を有し、該弾性部材の下面は、前記電池ケースに当接している、請求項2に記載の電池モジュール。
  4.  前記接続体は前記配線基板の上面に形成されており、前記配線基板の下面は、前記電池ケースに当接している、請求項2に記載の電池モジュール。
  5.  前記電極部の高さは、前記配線基板の厚みと略同一である、請求項4に記載の電池モジュール。
  6.  前記配線基板に形成された前記貫通孔は、前記電池ケースと当接する側の大きさが、前記接続体側の大きさより小さい、請求項4に記載の電池モジュール。
  7.  前記電極部の開放部は、該電極部の上面に設けられており、
     前記電極部に接続された前記接続体は、少なくとも前記開放部が形成された部位において貫通穴が形成されている、請求項2に記載の電池モジュール。
  8.  前記電極部の開放部から排出されるガスは、前記貫通穴を介して前記排気室に排出される、請求項7に記載の電池モジュール。
  9.  前記電極部に接続された前記接続体は、前記配線基板に形成された複数の貫通孔を跨いで形成されている、請求項2に記載の電池モジュール。
  10.  前記電極部の開放部は、該電極部の側面に設けられており、
     前記配線基板に形成された貫通孔と前記電極部との間に、隙間が設けられている、請求項2に記載の電池モジュール。
  11.  前記電極部の開放部から排出されるガスは、前記隙間を介して前記排気室に排出される、請求項10に記載の電池モジュール。
  12.  前記複数の電池は、各電池の電極部に接続された前記接続体によって並列接続されている、請求項2に記載の電池モジュール。
  13.  前記収納部は、前記配線基板によって、密閉状態になっている、請求項2に記載の電池モジュール。
  14.  前記筐体は、表面に絶縁加工を施した金属材料からなることを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。
  15.  前記筐体は、収納部と蓋体を有し、
     前記収納部に、前記電池を個別に収納する隔壁部を設け、
     前記蓋体に、前記筐体の前記隔壁部と対向する位置にリブ部を設けることを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。
  16.  前記筐体は、収納部と蓋体を有し、
     前記蓋体と前記配線基板との間に、前記配線基板を保持する支持部材を、さらに備えることを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。
  17.  請求項1~請求項16のいずれか1項に記載の電池モジュールが複数個配列された電池パックであって、各電池モジュールは、直列接続および/または並列接続されている、電池パック。
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