(57)【要約】  複数の電池ブロック２００が直列接続されてなる電池モジュール３００であって、電池ブロックは、並列接続された複数の電池１００を有し、電池は、電池内に発生したガスを排出する開放部８ａを備えている。電池ブロックは、複数の電池を、開放部の向きを揃えて収容するホルダー２０と、ホルダー上に配置され、電池の開放部側の電極を並列接続するバスバー２２と、バスバー上に配置され、バスバーとの間で、開放部から排出されたガスを電池ブロック外に排気する排気室３０を区画する蓋体２５とを有し、少なくとも２以上の電池ブロックにおいて、蓋体は互いに物理的に接続されており、蓋体は、アルミニウムで構成され、バスバーは、銅で構成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池ブロックが直列接続されてなる電池モジュールであって、
前記電池ブロックは、並列接続された複数の電池を有し、
前記電池は、該電池内に発生したガスを排出する開放部を備えており、
前記電池ブロックは、
前記複数の電池を、前記開放部の向きを揃えて収容するホルダーと、
前記ホルダー上に配置され、前記電池の開放部側の電極を並列接続するバスバーと、
前記バスバー上に配置され、該バスバーとの間で、前記開放部から排出されたガスを前記電池ブロック外に排気する排気室を区画する蓋体と
を有し、
少なくとも２以上の電池ブロックにおいて、前記蓋体は互いに物理的に接続されており、
前記蓋体は、アルミニウム、またはアルミニウムよりもイオン化傾向の大きな材料で構成され、
前記バスバーは、銅で構成されている、電池モジュール。
【請求項２】
少なくとも２以上の電池ブロックは、並列に配置されており、
前記電池ブロックの蓋体は、共通の蓋体で構成されている、請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項３】
少なくとも２以上の電池ブロックは、積層して配置されており、
前記電池ブロックの蓋体は、互いに背中合わせに接触して積層されている、請求項１に記載の電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電池を備えた電池ブロックが複数個接続されてなる電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の電池をケースに収容して、所定の電圧及び容量を出力できるようにした電池パックは、種々の機器、車両等の電源として広く使用されている。中でも、汎用的な電池を並列及び／又は直列接続して、所定の電圧及び容量を出力する電池ブロックを構成し、この電池ブロックを複数個接続して、電池モジュールを構成する技術が採用され始めている。この電池モジュールを種々組み合わせることによって、多種多様な用途に対応することが可能となる。【０００３】
一方、電池モジュールを構成する電池の高性能化に伴い、電池自身の安全性確保に加え、複数の電池が集合した電池モジュールにおける安全性確保も重要になってくる。特に、電池内での内部短絡等による発熱でガスが発生し、安全弁が作動して高温ガスが電池外に放出された場合、周辺の電池が高温ガスに曝されると、正常な電池にまで影響を与え、連鎖的な劣化を引き起こすおそれがある。【０００４】
このような問題に対して、特許文献１には、複数の電池を収容している筐体を、電池に当接して配設された配線基板によって、電池を収容する収納部と、電池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した構成の電池モジュールが記載されている。このような排気機構を設けることによって、異常の発生した電池から排気室に排出されたガスは、再び収納部に浸入することなく、筐体外に排気されるため、正常な電池が高温ガスに曝されるのを防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４７４９５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に記載された排気機構を有する電池モジュールは、密閉構造になっていないため、例えば、複数の電池モジュールを含む電池パックを、自動車等の車両に搭載した場合、車両が冠水路等を走行した際、電池パックに海水等の水が侵入するおそれがある。【０００７】
しかしながら、従来、何らかの原因で、電池パック内に海水等の水が侵入した場合の電池パックの安全性については、ほとんど考慮されていなかった。【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その主な目的は、万一、電池パック内に海水等の水が侵入した場合でも、安全性を維持することができる電池パックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る電池モジュールは、複数の電池ブロックが直列接続されてなる電池モジュールであって、電池ブロックは、並列接続された複数の電池を有し、電池は、該電池内に発生したガスを排出する開放部を備えている。電池ブロックは、複数の電池を、開放部の向きを揃えて収容するホルダーと、ホルダー上に配置され、電池の開放部側の電極を並列接続するバスバーと、バスバー上に配置され、該バスバーとの間で、開放部から排出されたガスを前記電池ブロック外に排気する排気室を区画する蓋体とを有し、少なくとも２以上の電池ブロックにおいて、蓋体は互いに物理的に接続されている。蓋体は、アルミニウムで構成され、バスバーは、銅で構成されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、万一、電池パック内に海水等の水が侵入した場合でも、電池パックの安全性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態における電池ブロックに使用する電池の構成を示した断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における電池モジュールを構成する電池ブロックの構成を示した分解斜視図である。
【図３】図２に示した電池ブロックを組み立てた状態の斜視図である。
【図４】図３に示した電池ブロックの断面図である。
【図５】電池モジュールが海水等に浸水したときに生じる現象を模式的に示した図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、図５で示した状態の等価回路図である。
【図７】互いに積層して配置された電池ブロックの各正極バスバー上に析出した析出物が、各蓋体の内面に達した状態を示した図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、図７示した状態の等価回路図である。
【図９】蓋体の溶け出しによる短絡パスの遮断を模式的に示した図である。
【図１０】蓋体の溶け出しによる短絡パスの遮断を模式的に示した図である。
【図１１】電池ブロック間を直列接続する方法の一例を示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
本発明に係る電池モジュールは、複数の電池を備えた電池ブロックが複数個接続された構成をなす。各電池ブロックを構成する複数の電池は並列接続され、電池モジュールを構成する複数の電池ブロックは直列接続されている。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態における電池ブロックに使用する電池１００の構成を示した断面図である。なお、本発明の電池ブロックに使用する電池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用いることができる。
【００１５】
以下、図１を参照しながら、電池１００の具体的な構成を説明する。なお、本発明の電池ブロックに使用される電池１００は、以下の実施形態に限定されない。
【００１６】
図１に示すように、正極１と負極２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（不図示）とともに、電池ケース７に収容されている。電極群４の上下には、絶縁板９、１０が配され、正極１は、正極リード５を介してフィルタ１２に接合され、負極２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。
【００１７】
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、弁体１４に接合されている。さらに、弁体１４は、正極端子を兼ねる封口板８に接続されている。封口板８の突起部には、電池内に発生したガスを排出する開放部８ａを備えている。そして、封口板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の開口部を封口している。
【００１８】
図２は、本実施形態における電池モジュールを構成する電池ブロックの構成を示した分解斜視図である。
【００１９】
図２に示すように、複数の電池１００が、正極端子８（開放部８ａ）の向きを揃えて配置されており、各電池１００は、それぞれ、中空筒状のホルダー２０の収容部２０ａに収容される。
【００２０】
ホルダー２０上には、絶縁性のスペーサ２１を介して、正極バスバー２２が配置されている。正極バスバー２２には、各電池１００の正極端子８に対応する位置に、接続端子２２ａがそれぞれ形成されており、電池１００の正極端子８は、スペーサ２１に形成された開口部２１ａを介して、接続端子２２ａにそれぞれ接続される。これにより、複数の電池１００の正極端子８は、正極バスバー２２によって、電気的に並列接続される。
【００２１】
また、電池１００の負極端子（電池ケース７の底部）側には、絶縁性のスペーサ２３を介して、負極バスバー２４が配置されている。スペーサ２３には、各電池１００の負極端子に対応する位置に開口部２３ａが形成されており、電池１００の負極端子は、開口部２３ａを介して負極バスバー２４に接続される。これにより、複数の電池１００の負極端子は、負極バスバー２４によって、電気的に並列接続される。
【００２２】
図３は、図２に示した電池ブロックを組み立てた状態の斜視図で、図４は、その断面図である。
【００２３】
図３に示すように、本実施形態における電池ブロック２００では、正極バスバー２２上に、さらに、蓋体２５が配置されている。そして、図４に示すように、蓋体２５と正極バスバー２２との間には、電池１００の開放部８ａから排出されたガスを、電池ブロック２００外に排出する排気室３０が区画されている。図４中の矢印で示すように、開放部８ａから排気室３０に排出されたガスは、排気室３０を通って、蓋体２５の端部に形成された排出口２５ａから、電池ブロック２００外に排出される。
【００２４】
ところで、蓋体２５には、排気室３０に排出されたガスを電池ブロック２００外に排出するために、排出口２５ａが形成されている。そのため、複数の電池ブロック２００を備えた電池モジュールに海水等の電気伝導度を有する水（以下、「海水等」という）が浸水すると、電池ブロック２００内にも海水等が浸入するおそれがある。
【００２５】
図５は、電池モジュール３００が海水等に浸水したときに生じる現象を模式的に示した図である。図５に示した電池モジュール３００は、３個の電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃが、直列接続されている。ここで、隣接する電池ブロック間は、一方の電池ブロックの負極バスバー２４と、他方の電池ブロックの正極バスバー２２とを、接続バー２６で接続することにより、直列接続されている。また、電池モジュール３００の正極端子２７及び負極端子２８は、それぞれ、電池ブロック２００Ａの正極バスバー２２、及び電池ブロック２００Ｃの負極バスバー２４から、それぞれ導出されている。
【００２６】
ここで、各電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃの蓋体２５は、共通の蓋体で構成されている。これにより、各電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃの蓋体２５は、互いに物理的に接続された状態になっている。換言すれば、蓋体２５が金属（例えば、鉄等）で構成されている場合、各電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃの蓋体２５は、電気的に導通した状態になっている。なお、図５では、図４で示した絶縁性のスペーサ２１を省略しており、蓋体２５と正極バスバー２２とは、電気的に絶縁されている。
【００２７】
ここで、電池ブロック２００内に海水等が浸入して、正極バスバー２２が海水等に冠水した場合、正極バスバー２２が、例えば、銅で構成されていると、正極バスバー２２から銅が海水等に溶け出して、再び、正極バスバー２２上に析出する現象が起きる。
【００２８】
正極バスバー２２上に析出した析出物が成長すると、その析出物が、排気室３０の天面、すなわち、蓋体２５の内面に達することが想定される。
【００２９】
図５は、電池ブロック２００Ａと２００Ｃの正極バスバー２２上に析出した析出物４０ａ、４０ｂが、共通の蓋体２５の内面に達した状態を示している。
【００３０】
図６は、この状態を等価回路図で示したもので、（ａ）は、実際の配置に則して記載した等価回路図、（ｂ）は、電池ブロックを単位として記載した等価回路図である。
【００３１】
図６（ａ）に示すように、電池ブロック２００Ａの正極バスバー２２と、電池ブロック２００Ｃの正極バスバー２２とは、蓋体２５及び析出物４０ａ、４０ｂを介して、互いに接続された状態になっている。すなわち、図６（ｂ）に示すように、直列接続された電池ブロック２００Ａ及び２００Ｂの正極と負極とは、蓋体２５及び析出物４０ａ、４０ｂを介して短絡している。
【００３２】
この状態が続くと、短絡電流が継続的に流れることによって、電池ブロック２００Ａ及び２００Ｂを構成している電池１００が発熱し、電池１００が発火に至るおそれがある。
【００３３】
図５に示した電池モジュール３００は、各電池ブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃの蓋体２５が、共通の蓋体２５で構成されているため、上記のような短絡モードが発生し得る。すなわち、複数の電池ブロックが直列接続されてなる電池モジュールにおいて、各電池ブロックの蓋体が、互いに物理的に接続されている場合に、上記のような短絡モードが発生し得る。
【００３４】
図７は、上記のような短絡モードの発生が想定できる電池モジュール３００の他の構成を示した図である。
【００３５】
図７に示すように、６個の電池ブロック２００Ａ〜２００Ｆが、接続バー２６を介して、直列接続されている。そして、３個の電池ブロック２００Ａ〜２００Ｃに対して、３個の電池ブロック２００Ｄ〜２００Ｆが、各電池ブロックの蓋体２５を、互いに背中合わせに接触して積層されている。すなわち、積層して配置された電池ブロック２００Ａと２００Ｆ、２００Ｂと２００Ｅ、２００Ｃと２００Ｄの各蓋体２５は、互いに物理的に接続された状態になっている。換言すれば、電池ブロック２００Ａと２００Ｆ、２００Ｂと２００Ｅ、２００Ｃと２００Ｄは、それぞれの蓋体２５が、電気的に導通した状態になっている。なお、図７では、図４で示した絶縁性のスペーサ２１を省略しており、各電池ブロック２００Ａ〜２００Ｆの蓋体２５と正極バスバー２２とは、電気的に絶縁されている。
【００３６】
図７は、互いに積層して配置された電池ブロック２００Ｂと２００Ｅの各正極バスバー２２上に析出した析出物４０ａ、４０ｂが、各蓋体２５の内面に達した状態を示している。
【００３７】
図８は、この状態を等価回路図で示したもので、（ａ）は、実際の配置に則して記載した等価回路図、（ｂ）は、電池ブロックを単位として記載した等価回路図である。
【００３８】
図８（ａ）に示すように、電池ブロック２００Ｂの正極バスバー２２と、電池ブロック２００Ｅの正極バスバー２２とは、互いに接触している蓋体２５、２５及び析出物４０ａ、４０ｂを介して、互いに接続された状態になっている。すなわち、図８（ｂ）に示すように、直列接続された電池ブロック２００Ｂ〜２００Ｄの正極と負極とは、蓋体２５、２５及び析出物４０ａ、４０ｂを介して短絡している。
【００３９】
従来、このような析出物４０ａ、４０ｂ、及び蓋体２５を介して、直列接続された電池ブロックの正極と負極とが短絡することによって、電池ブロック内の電池が発火することに対する安全対策は、全く考慮されていなかった。
【００４０】
本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、万一、電池ブロック内に海水等が侵入した場合でも、析出物の成長による電池ブロックの短絡の発生を防止することのできる電池モジュールを提供するものである。
【００４１】
正極バスバー２２上への銅の析出は、正極バスバー２２が、海水等に冠水したことによる。そして、析出物が蓋体２５まで成長することによって、蓋体２５が短絡パスを形成する。従って、電池ブロックの短絡を防止するには、蓋体２５による短絡パスを遮断すればよい。
【００４２】
そこで、本発明者等は、蓋体２５をアルミニウムで構成すれば、蓋体２５が海水等に冠水したとき、蓋体２５は、下記の反応式により、アルミニウムが電気分解して、海水等に溶け出すことにより、蓋体２５による短絡パスを遮断できることに気がついた。
【００４３】
Ａｌ  →  Ａｌ３＋ ＋ ３e-      （１）
なお、このとき、電子は、正極バスバー２２の銅に引っ張られて、以下の式により水素を発生する。
【００４４】
２Ｈ＋ ＋ ２e-  →  Ｈ２      （２）
図９及び図１０は、蓋体２５の溶け出しによる短絡パスの遮断を模式的に示した図である。ここで、図９は、図５に示した構成の電池モジュール３００に、図１０は、図７に示した構成の電池モジュール３００に、それぞれ対応する。
【００４５】
図９に示すように、蓋体２５を構成するアルミニウムが溶けて、蓋体２５の一部に穴５０が開いて、析出物４０ａと４０ｂとの間にある蓋体２５の導通が遮断されることにより、電池ブロック２００Ａ及び２００Ｂの短絡を防止することができる。
【００４６】
また、同様に、図１０に示すように、積層された電池ブロック２００Ｂ及び２００Ｅの各蓋体２５、２５の一部に穴５０が開いて、析出物４０ａと４０ｂとの間にある蓋体２５、２５の導通が遮断されることにより、電池ブロック２００Ｂ〜２００Ｄの短絡を防止することができる。
【００４７】
なお、図９、図１０では、説明のために、蓋体２５の一部に穴５０が開いた状態を示したが、実際には、蓋体２５は、ほぼ一様に溶けるため、析出物４０ａ、４０ｂがどこに形成されても、蓋体２５による短絡パスの遮断効果は発揮し得る。
【００４８】
ところで、蓋体２５は、排気室３０を区画するものであるから、一定の機械的強度を保つ程度の厚みを要する。従って、所定の厚みを有するアルミニウムが海水等に溶け出す時間が問題になる。
【００４９】
一方、蓋体２５がアルミニウムで構成されている場合、アルミニウムの電気分解が発生し、上記（１）、（２）の反応が進むため、電池１００の放電が促進される。そのため、仮に、暫くの時間、蓋体２５による短絡パスが形成されていたとしても、大きな短絡電流が流れないため、発火に至る不安全モードは回避することができる。
【００５０】
そこで、本願発明者等は、蓋体２５をアルミニウムで構成した場合の、蓋体２５による短絡パスを遮断する効果を確認するために、以下のような実験をした。
【００５１】
容量２．９ｍＡｈの円筒形リチウムイオン電池を２０個並列接続した電池ブロック２００を用意し、６個の電池ブロック２００を、図７に示したような配列で、直列接続した電池モジュール３００を用意した。
【００５２】
正極バスバー２２は、厚み１ｍｍの銅で構成し、蓋体２５は、厚み２ｍｍのアルミニウムで構成した。なお、正極バスバー２２と蓋体２５との間隔（排気室３０の高さ）は６．５ｍｍとした。なお、比較のために、厚み０．５ｍｍの鉄で構成された蓋体２５も用意した。
【００５３】
この電池モジュール３００を、塩分５％の水に浸けて放置したところ、鉄を蓋体２５に用いた電池モジュール３００では、約１〜３時間後に、電池の温度上昇が検出され、約３０分以内に、電池が発火するのが確認できた。
【００５４】
一方、アルミニウムを蓋体２５に用いた電池モジュール３００では、電池の温度上昇は検出されず、約１０分後には、アルミニウムが溶けて、蓋体２５の一部に穴が開き出した。その間、発火に至った電池は観察されなかった。
【００５５】
以上の実験結果から、蓋体２５をアルミニウムで構成することによって、蓋体２５による短絡パスを遮断する効果を得ることができ、万一、電池パック内に海水等が侵入した場合でも、電池ブロックの短絡発生を防止することができる。
【００５６】
なお、蓋体２５の材料としては、アルミニウム以外に、アルミニウムよりもイオン化傾向の大きな材料（例えば、マグネシウム等）を用いても、同様の遮断効果を発揮し得る。
【００５７】
図１１は、本実施形態において、電池ブロック２００間を直列接続する方法の一例を示した斜視図である。
【００５８】
図２に示したように、ホルダー２０の上下に配設した絶縁性のスペーサ２１及び２３の両端部に切り込み部２１ｂ、２１ｃ、及び２３ｂ、２３ｃを形成しておく。そして、図１１に示すように、スペーサ２１及び２３の一方の端部に設けられた切り込み部２１ｂ、２３ｂに、接続バー２６の側部を嵌め込む。このとき、接続バー２６の下端部は、負極バスバー２４に接触し、接続バー２６の上端部は、正極バスバー２２に接触していない。この状態で、接続バー２６を、隣接する電池ブロックにおけるスペーサ２１及び２３の切り込み部２１ｃ、２３ｃに嵌め込む。このとき、接続バー２６の上端部は、隣接する電池ブロックの正極バスバー２２に接触し、接続バー２６の下端部は、負極バスバー２４に接触していない。これにより、互いに隣接する電池ブロックは、接続バー２６によって、一方の電池ブロックの負極バスバーと、他方の電池ブロックの正極バスバーとを、直列接続することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、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。
【符号の説明】
【００６０】
１      正極 
２      負極 
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      正極端子（封口板） 
８ａ    開放部 
９、１０      絶縁板 
１１    ガスケット 
１２    フィルタ 
１３    インナーキャップ 
１４    弁体 
２０    ホルダー 
２０ａ  収容部 
２１    スペーサ 
２１ａ  開口部 
２１ｂ、２１ｃ  切り込み部 
２２    正極バスバー 
２２ａ  接続端子 
２３    スペーサ 
２３ａ  開口部 
２３ｂ、２３ｃ  切り込み部 
２４    負極バスバー 
２５    蓋体 
２５ａ  排出口 
２６    接続バー 
２７    正極端子 
２８    負極端子 
３０    排気室 
４０ａ、４０ｂ  析出物 
５０    穴 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014038184.tif 000009
【図８】
2014038184.tif 000010
【図９】
2014038184.tif 000011
【図１０】
2014038184.tif 000012
【図１１】
2014038184.tif 000013
【国際調査報告】
2014038184.tif 000014
2014038184.tif 000015
2014038184.tif 000016
2014038184.tif 000017