(57)【要約】  電池モジュール１００は、複数の素電池１０が格子状に配列され、行方向に配列された素電池１０は、第１の接続体２０によって並列接続され、列方向に配列された素電池１０は、列方向に隣接する素電池１０間が第２の接続体３０によってそれぞれ直列接続されている。素電池１０に内部短絡が発生したとき、内部短絡が発生した素電池１０に接続された第１の接続体２０は、内部短絡が発生していない他の素電池１０から、第１の接続体２０を介して、内部短絡が発生した素電池１０に流れる短絡電流によるジュール熱によって溶断される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素電池が格子状に配列された電池モジュールであって、
行方向に配列された前記素電池は、第１の接続体によって並列接続され、
列方向に配列された前記素電池は、列方向に隣接する素電池間が第２の接続体によってそれぞれ直列接続されており、
前記素電池に内部短絡が発生したとき、内部短絡が発生した素電池に接続された前記第１の接続体は、内部短絡が発生していない他の素電池から、前記第１の接続体を介して、内部短絡が発生した素電池に流れる短絡電流によるジュール熱によって溶断される、電池モジュール。
【請求項２】
前記第１の接続体は、一様な断面積を有する金属部材で構成されており、
前記第１の接続体の断面積は、該第１の接続体の温度が、内部短絡が発生した素電池に短絡電流が流れることによるジュール熱の発生によって、前記第１の接続体の融点以上になる大きさに設定されている、請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項３】
前記素電池に内部短絡が発生したとき、前記第１の接続体は、内部短絡が発生した素電池と、該素電池に隣接した素電池との間の部位において、ジュール熱の発生により溶断される、請求項２に記載の電池モジュール。
【請求項４】
前記第１の接続体は、列方向に隣接する前記素電池間を接続する各第２の接続体に、それぞれ接続されている、請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項５】
前記第１の接続体は、金属細線または金属リボンで構成されており、前記第１の接続体は、ワイヤーボンディング、レーザ溶接または抵抗溶接により、列方向に隣接する前記素電池間を接続する各第２の接続体に、それぞれ接続されている、請求項４に記載の電池モジュール。
【請求項６】
前記第１の接続体はアルミニウム材で構成されており、前記第１の接続体の断面積は、０．３ｍｍ２以下である、請求項２に記載の電池モジュール。
【請求項７】
前記第１の接続体はアルミニウム材で構成されており、前記第１の接続体の断面積は、０．００７〜０．１２ｍｍ２の範囲である、請求項６に記載の電池モジュール。
【請求項８】
前記第２の接続体の行方向に隣接する素電池間の抵抗値は、前記第１の接続体の隣接する素電池間の抵抗値よりも小さい、請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項９】
列方向に配列された前記素電池の端部にある素電池は、前記電池モジュールの出力端子が接続されており、
前記出力端子と、前記列方向に配列された前記素電池の端部にある素電池であって、行方向に配列された各素電池との間に、電流を遮断または制限する素子が挿入されている、請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項１０】
複数の素電池が格子状に配列された電池モジュールであって、
行方向に配列された前記素電池は、行方向に隣接する素電池間を電流遮断素子を介して第１の接続体によって並列接続され、
列方向に配列された前記素電池は、列方向に隣接する素電池間を第２の接続体によってそれぞれ直列接続されており、
前記素電池に内部短絡が発生したとき、内部短絡が発生した素電池に接続された前記電流遮断素子は、内部短絡が発生していない他に素電池から、前記電流遮断素子を介して、内部短絡が発生した素電池に流れる短絡電流によるジュール熱によって溶断される、電池モジュール。
【請求項１１】
前記電流遮断素子は、電流ヒューズで構成されている、請求項１０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、複数の電池がマトリクス状に配列された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、所定の電圧及び電流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（例えば、ノートパソコン等に搭載される円筒形の二次電池）を並列・直列接続して、所定の電圧及び電流を出力する組電池をモジュール化し、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可能とする技術が採用され始めている。このモジュール化技術は、電池モジュールに収容する電池を高性能化することによって、電池モジュール自身の小型・軽量化が図られるため、電池パックを組み立てる際の作業性が向上するとともに、車両等の限られた空間へ搭載する際の自由度が向上するなど、様々なメリットを有する。【０００３】
ところで、電池モジュールを構成する電池が、過充電や過放電、あるいは内部短絡や外部短絡により電池内で高温ガスが発生し、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。また、複数の電池を並列に接続した電池モジュールにおいては、電池モジュールを構成する電池が内部短絡等で、電池としての機能を果たせなくなると、当該電池が抵抗体となり、電池モジュール全体の性能を大きく低下させてしまうおそれがある。【０００４】
このような問題に対して、特許文献１には、図２０に示すように、複数の電池２００が接続体２１０、２３０を介して並列に接続した集合電池において、各電池の正極、及び負極が、それぞれヒューズリンク２２０、２４０によって接続体２１０、２３０に接続された構成が記載されている。このような構成にすることにより、一つの電池に内部短絡等が発生した場合、この電池に接続されたヒューズが過電流により溶断されることにより、内部短絡等が発生した電池を、他の電池から電気的に分離することができる。同様の構成が、特許文献２、３等にも記載されている。【０００５】
ところで、汎用的な電池を多数配列して電池モジュールを構成する場合、所定の電圧及び電流を出力するために、複数の電池を並列に接続して組電池を構成し、この組電池を複数個直列に接続する構成が取られる。【０００６】
例えば、組電池を特許文献１に記載された構成にした場合、組電池を複数個直列に接続して構成した電池モジュールは、図２１に示すような等価回路図となる。【０００７】
すなわち、格子状に配列した複数の電池２２０において、電池２００毎にヒューズリンク２２０（２４０）が直列に接続され、行方向（Ｘ方向）に配列した電池２００は、接続体２１０（２３０）によって並列接続されるとともに、列方向（Ｙ方向）に配列した電池２２０は、接続体２５０によって直列接続された構成となる。【０００８】
この場合、例えば、１個の電池２００Ａに内部短絡等が発生し、過電流によりヒューズリンク２２０Ａが溶断されることにより、内部短絡等が発生した電池２００Ａを、他の電池から完全に分離することができる。これにより、電池モジュールを構成する電池に不具合が生じても、他の電池に影響を与えることはなく、また、電池モジュール全体の性能を低下させてしまうこともない。【０００９】
しかしながら、不具合を生じた電池を完全に分離するためには、図２１に示すように、ヒューズリンク２２０を、電池２００毎に設ける必要があるため、部品数が大幅に増加し、電池モジュールのコストアップを招いてしまうという問題が生じる。【００１０】
また、列方向に配列した電池２００は、接続体２５０よりも抵抗の大きなヒューズリンク２２０を介して直列接続されているため、ヒューズリンク２２０で発熱したり、高電流出力が得られなくなったりという問題が生じる。【００１１】
このような問題に対して、特許文献４には、図２２に示すように、複数の電池３００が直列接続されたユニット３１０が複数並列に接続された組電池において、ユニット３１０の電池３００間を直列接続する各ライン３２０の間を、抵抗体３３０で接続した構成が記載されている。このような構成において、例えば、電池３００Ａに内部短絡が生じた場合、隣接する電池３００から抵抗体３３０Ａ、３３０Ｂを介して電池３００Ａに電流が流れ込むが、抵抗体３３０Ａ、３３０Ｂの抵抗値を大きく設定することによって、大きな短絡電流が流れるのを防止することができる。また、各電池３００にヒューズリンクが直列に接続されていないため、組電池の抵抗を低く抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第７６７１５６５号明細書
【特許文献２】特表２００１−５１１６３５号公報
【特許文献３】特開平６−２２３８１５号公報
【特許文献４】特開２００４−３１２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献４に記載された構成の組電池は、確かに、組電池の抵抗を低く抑えつつ、電池に内部短絡が発生した場合に大きな短絡電流が流れるのを防止することができるが、内部短絡が発生した電池は抵抗体として機能するため、正常な電池は外部短絡が生じた状態になっている。そのため、外短電流によるジュール熱の発生により、正常な電池の温度が上昇してしまう畏れがある。また、内短電流の大きさを抑えるためには、抵抗体３３０の抵抗値を大きく設定する必要があるため、通常動作時に、各電池３００間の電位差によって抵抗体３３０を介して電池３００に電流が流れ込んだ際、抵抗体３３０のジュール熱による損失が大きくなる畏れがある。【００１４】
本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、簡単な構成で、電池モジュールを構成する電池に不具合が生じても、他の電池に影響を与えることなく、また、電池モジュール全体の性能を低下させない、安価で、安全性の高い電池モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するために、本発明は、複数の素電池が格子状に配列された電池モジュールにおいて、行方向に配列された素電池を、第１の接続体によって並列接続し、列方向に配列された素電池を、列方向に隣接する素電池間が第２の接続体によってそれぞれ直列接続し、素電池に内部短絡が発生したとき、内部短絡が発生した素電池に接続された第１の接続体を、内部短絡が発生していない他の素電池から、第１の接続体を介して、内部短絡が発生した素電池に流れる短絡電流によるジュール熱によって溶断するようにした構成を採用する。【００１６】
このような構成により、電池モジュールを構成する素電池に内部短絡が発生した場合、内部短絡が発生した素電池に接続された第１の接続体をジュール熱により溶断することによって、内部短絡が発生した電池を、他の電池と電気的に分離することができる。これにより、ヒューズリンク等の部品を設けることなく、簡単な構成で、電池モジュールを構成する電池に不具合が生じても、他の電池に影響を与えることなく、また、電池モジュール全体の性能を低下させない、安価で、安全性の高い電池モジュールを実現することができる。【００１７】
ここで、第１の接続体は、一様な断面積を有する金属部材で構成されていることが好ましい。この場合、第１の接続体の断面積は、第１の接続体の温度が、内部短絡が発生した素電池に短絡電流が流れることによるジュール熱の発生によって、第１の接続体の融点以上になる大きさに設定される。これにより、第１の接続体の構成が簡単になるとともに、第１の接続体を、列方向に隣接する素電池間を接続する各第２の接続体に、容易に接続することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、簡単な構成で、電池モジュールを構成する電池に不具合が生じても、他の電池に影響を与えることなく、また、電池モジュール全体の性能を低下させない、安価で、安全性の高い電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態における電池モジュールの構成を示した等価回路図である。
【図２】本発明の一実施形態における電池モジュールの斜視図である。
【図３】図２に示した電池モジュールの部分拡大図である。
【図４】（ａ）は、本発明の一実施形態における電池モジュールの一部を下方から見た斜視図、（ｂ）は、本発明の一実施形態における電池モジュールの一部を上方から見た斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態における電池モジュールを列方向から見た側面図である。
【図６】図５に示した電池モジュールの部分拡大図である。
【図７】内部短絡が発生した素電池に短絡電流が流れ込む状態を説明した図である。
【図８】本発明の一実施形態における電池モジュールにおいて、素電池に内部短絡が発生したときの、第１の接続体のヒューズ機能を説明した等価回路図である。
【図９】本発明の一実施形態における電池モジュールにおいて、素電池に内部短絡が発生したときの、第１の接続体のヒューズ機能の他の態様を説明した等価回路図である。
【図１０】本発明の一実施形態における電池モジュールにおいて、内部短絡が発生した素電池と、それに隣接した素電池の温度の時間変化を測定した結果をプロットしたグラフである。
【図１１】従来の組電池において、内部短絡が発生した素電池と、それに隣接した素電池の温度の時間変化を測定した結果をプロットしたグラフである。
【図１２】本発明の他の実施形態における電池モジュールの斜視図である。
【図１３】図１２に示した電池モジュールの部分拡大図である。
【図１４】（ａ）は、本発明の他の実施形態における電池モジュールの一部を下方から見た斜視図、（ｂ）は、本発明の他の実施形態における電池モジュールの一部を上方から見た斜視図である。
【図１５】本発明の他の実施形態における電池モジュールを列方向から見た側面図である。
【図１６】図１５に示した電池モジュールの部分拡大図である。
【図１７】図１に示した電池モジュールにおいて、外部短絡が発生したときの、電流遮断素子の機能を説明した等価回路図である。
【図１８】本発明の他の実施形態における電池モジュールの構成を示した等価回路図である。
【図１９】本発明の他の実施形態における電池モジュールの構成を示した等価回路図である。
【図２０】従来のヒューズリンクを備えた集合電池の構成を示した部分拡大図である。
【図２１】従来の電池モジュールの構成を示した等価回路図である。
【図２２】従来の組電池の構成を示した等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態における電池モジュール１００の構成を模式的に示した等価回路図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態における電池モジュール１００は、複数の素電池１０が格子状に配列されている。なお、本発明の電池モジュール１００を構成する電池（以下、単に、「素電池」という。）１０は、充放電可能な二次電池であれば、特にその種類は制限されず、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等を使用することができる。また、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単体でも使用できる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。
【００２３】
本実施形態における電池モジュール１００において、行方向（Ｘ方向）に配列された素電池１０は、第１の接続体２０によって並列接続され、列方向（Ｙ方向）に配列された素電池１０は、列方向に隣接する素電池１０間が第２の接続体３０によってそれぞれ直列接続されている。また、列方向に配列した素電池１０の両端にある素電池１０は、それぞれ正極出力端子５０、負極出力端子５１に接続されている。また、素電池１０と正極出力端子５０との間には、後述する電流遮断素子（例えば、電流ヒューズ）４０が挿入されている。なお、行方向及び列方向は、素電池１０が並列接続された方向、及び素電池１０が直列接続された方向を便宜的に定めたもので、それ以外の意味をなすものではない。
【００２４】
次に、図２〜図６を参照しながら、本実施形態における電池モジュール１００の具体的な構成を説明する。ここで、図２は、本実施形態における電池モジュール１００の斜視図、図３は、図２に示した電池モジュールの部分拡大図、図４（ａ）は、電池モジュール１００の一部を下方から見た斜視図、図４（ｂ）は、電池モジュール１００の一部を上方から見た斜視図、図５は、電池モジュール１００を列方向から見た側面図、図６は、図５に示した電池モジュールの部分拡大図である。
【００２５】
図２に示すように、電池モジュール１００は、複数の素電池１０が格子状に配列されている。なお、本実施形態では、素電池１０が、行方向に２０個、列方向に７個配列された例を示すが、勿論、格子状に配列される素電池１０の数に制限はない。
【００２６】
列方向に隣接する素電池１０間を直列接続する第２の接続体３０は、図４（ａ）、（ｂ）、図５、図６に示すように、素電池１０の底面にある負極端子（例えば、電池ケースの底面）に接続された部位３０ａと、そこから素電池１０の側面に沿って素電池１０の上面まで延出した部位３０ｂと、そこから隣接する素電池１０の上面まで延出されて、隣接する素電池１０の正極端子（例えば、電池ケースの封口板に設けられた突出部）接続された部位３０ｃからなる。
【００２７】
一方、行方向に配列された素電池１０を並列接続する第１の接続体２０は、図１、図２、図５、図６に示すように、列方向に隣接する素電池１０間を接続する各第２の接続体３０の部位３０ｃに、それぞれ接続されている。
【００２８】
ここで、第１の接続体２０は、好ましくは、金属細線または金属リボンで構成されており、第１の接続体２０は、例えば、ワイヤーボンディングまたはレーザ溶接、抵抗溶接などにより、列方向に隣接する素電池１０間を接続する各第２の接続体３０に、それぞれ接続されている。
【００２９】
また、図２に示すように、列方向に配列した素電池１０の両端にある素電池１０は、それぞれ正極出力端子（例えば、正極バスバー）５０、負極出力端子（例えば、負極バスバー）５１に接続されている。さらに、図２、図３に示すように、正極出力端子５０側に配列した素電池１０上には、回路基板６０が配設されており、この回路基板６０上には、素電池１０と正極出力端子５０との間に挿入されるヒューズ４０が搭載されている。なお、回路基板６０には、ヒューズ４０以外に、例えば、電池モジュール１００の充放電や、素電池１０の電圧、温度等を検出して制御する制御回路等が搭載されていてもよい。
【００３０】
本願発明者等は、図１に示した等価回路図で構成された電池モジュール１００において、行方向に配列された素電池１０を並列接続する第１の接続体２０について考察を加え、以下のような知見を得た。
【００３１】
図１に示すように、電池モジュール１００の放電時においては、複数の素電池１０が並列接続された行方向に流れる電流Ｉ２の大きさは、通常、隣接する素電池１０間の電位差が小さいため非常に小さく、典型的には、複数の素電池１０が直列接続された列方向に流れる電流Ｉ１の大きさに比べて、１／１０以下である。例えば、リチウムイオン電池の場合、典型的には、列方向に流れる電流Ｉ１が１Ａから１５Ａ程度であるのに対して、行方向に流れる電流Ｉ２は、０．１Ａ以下である。
【００３２】
また、電池モジュール１００の充電時においても、複数の素電池１０が並列接続された行方向には、隣接する素電池１０間の電位差を解消する程度の小さな電流しか流れない。なお、このような電流が流れる結果、隣接する素電池１０間の電位差はより小さくなり、これにより、放電時における行方向に流れる電流Ｉ２の大きさはさらに小さくなる。
【００３３】
一方、図７に示すように、行方向に並列接続された素電池１０のうち、１つの素電池１０Ａに内部短絡が発生した場合、一つの素電池の短絡電流をＩｓとすると、内部短絡が発生した素電池１０Ａには、残りの（ｎ−１）個の素電池１０から（ｎ−１）Ｉｓの短絡電流が流れる。例えば、リチウムイオン電池の場合、内部抵抗を５０ｍΩとすると、短絡電流Ｉｓは５０Ａから１００Ａ程度となる。
【００３４】
このように、複数の素電池１０が並列接続された行方向に流れる電流Ｉ２の大きさは、通常動作時には非常に小さいのに対して、内部短絡時には非常に大きいという顕著な特性をもつ。従って、行方向に配列された素電池１０を並列接続する第１の接続体２０を、列方向に配列された素電池１０を直列接続する第２の接続体３０よりも抵抗の大きなものを用いても、通常動作時において、電池モジュールの特性にほとんど影響を与えないと言える。さらに、内部短絡が発生したとき、内部短絡が発生した素電池１０に接続された第１の接続体２０が、短絡電流によるジュール熱によって溶断されれば、第１の接続体２０にヒューズとしての機能を持たせることができると言える。
【００３５】
そこで、本願発明者等は、融点の低い金属材料に着目して、これを、第１の接続体２０に用いた場合に、ヒューズとしての機能を発揮し得るか否かについて、さらに検討を行った。
【００３６】
第１の接続体２０が、一様な断面積（Ａ）を有する金属部材で構成されているとした場合、第１の接続体２０に電流（Ｉ）が流れたときの、時間ｔ後のジュール熱（Ｅ）による温度上昇ΔＴは、以下の式（１）から算出される。
【００３７】
ΔＴ＝Ｅ／（Ｃｐ・Ｍ）
＝（Ｉ２・Ｒ・ｔ）／（Ｃｐ・ρ・Ａ・Ｌ）
＝（Ｉ２・ｒ・Ｌ／Ａ・ｔ）／（Ｃｐ・ρ・Ａ・Ｌ）
＝（Ｉ２・ｒ・ｔ）／（Ｃｐ・ρ・Ａ２）      ・・・式（１）
ここで、Ｃｐは比熱容量、Ｍは質量、Ｒは抵抗、ρは密度、Ｌは長さ、ｒは電気抵抗率である。
【００３８】
式（１）から、物性的には、比熱容量（Ｃｐ）と密度（ρ）が小さく、電気抵抗率（ｒ）が大きい材料ほど、また、形状的には、断面積（Ａ）が小さいほど、温度上昇ΔＴが大きくなる。なお、放熱が無視できる程度に小さければ、温度上昇ΔＴは、第１の接続体２０の長さ（Ｌ）に依存しないことが分かる。
【００３９】
そこで、融点が比較的低いアルミニウムを第１の接続体２０に用いた場合に、内部短絡時に想定される温度上昇ΔＴを、式（１）を使って算出した。
【００４０】
表１は、その結果を示した表である。ここで、素電池１０の行方向のピッチを１９．２ｍｍとして、隣接する素電池１０間を接続する第１の接続体２０の長さ（Ｌ）を２０ｍｍとした。また、通常動作時を想定した電流（Ｉ）を０．１Ａとし、内部短絡時を想定した電流（Ｉ）を１００Ａとした。
【００４１】
【表１】
2011151981.tif 000003
【００４２】
表１に示すように、断面積（Ａ）が０．００７ｍｍ２（直径が約０．１ｍｍ）の場合、通常動作時を想定した電流（Ｉ＝０．１Ａ）での１００秒後（ｔ＝１００ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは、アルミニウムの融点（６６０℃）より低い２２３℃で、内部短絡時を想定した電流（Ｉ＝１００Ａ）での０．１秒後（ｔ＝０．１ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは、アルミニウムの融点（６６０℃）を超える２２２，５５８℃となった。すなわち、このような断面積を有する第１の接続体２０は、内部短絡が発生すると、瞬時に溶断すると考えられる。従って、このような断面積を有するアルミニウムを第１の接続体２０に用いることによって、通常動作時は、行方向に配列された素電池１０を並列接続する機能を維持しつつ、内部短絡時には、ヒューズとしての機能を持たせることができる。
【００４３】
なお、第１の接続体２０の抵抗（Ｒ）は、断面積が０．００７ｍｍ２の場合でも、７６ｍΩであり、上述したように、放電時に行方向に流れる電流Ｉ２は０．１Ａ以下と小さく、第１の接続体２０に電流Ｉ２が流れることによる電圧降下は高々８ｍＶ程度と非常に小さいため、電池モジュールの特性にはほとんど影響はない。
【００４４】
また、断面積（Ａ）が０．０３ｍｍ２（直径が約０．２ｍｍ）の場合、通常動作時を想定した電流（Ｉ＝０．１Ａ）での１００秒後（ｔ＝１００ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは１２℃で、内部短絡時を想定した電流（Ｉ＝１００Ａ）での０．１秒後（ｔ＝０．１ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは、１２，１１７℃となった。すなわち、このような断面積を有するアルミニウムを第１の接続体２０に用いた場合でも、内部短絡が発生すると、瞬時に溶断すると考えられる。従って、このような断面積を有するアルミニウムを第１の接続体２０に用いることによって、通常動作時は、行方向に配列された素電池１０を並列接続する機能を維持し、内部短絡時には、ヒューズとしての機能を持たせることができる。
【００４５】
また、断面積（Ａ）が０．１２ｍｍ２（直径が約０．４ｍｍ）の場合、通常動作時を想定した電流（Ｉ＝０．１Ａ）での１００秒後（ｔ＝１００ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは１℃で、内部短絡時を想定した電流（Ｉ＝１００Ａ）での０．１秒後（ｔ＝０．１ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは、７５７℃となった。内部短絡時を想定したときの温度上昇ΔＴは、アルミニウムの融点（６６０℃）よりも高くなるが、放熱を考慮した場合、第１の接続体２０が溶断しない可能性もある。しかしながら、内部短絡時を想定した電流（Ｉ＝１００Ａ）での１秒後（ｔ＝１ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは、７，５７３℃となるため、このような断面積を有するアルミニウムを第１の接続体２０に用いた場合でも、内部短絡が発生すると、短時間（約１秒以内）に溶断すると考えられる。従って、このような断面積を有するアルミニウムを第１の接続体２０に用いることによって、通常動作時は、行方向に配列された素電池１０を並列接続する機能を維持し、内部短絡時には、ヒューズとしての機能を持たせることができる。
【００４６】
また、断面積（Ａ）が０．３ｍｍ２（直径が０．６ｍｍ）の場合、通常動作時を想定した電流（Ｉ＝０．１Ａ）での１００秒後（ｔ＝１００ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは１℃以下で、内部短絡時を想定した電流（Ｉ＝１００Ａ）での０．１秒後（ｔ＝０．１ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは、１２１℃となった。内部短絡時を想定したときの温度上昇ΔＴ（ｔ＝０．１ｓｅｃ）は、アルミニウムの融点（６６０℃）に達していないが、１秒後（ｔ＝１ｓｅｃ）における温度上昇ΔＴは、１，２１２℃となるため、このような断面積を有するアルミニウムを第１の接続体２０に用いた場合でも、内部短絡が発生すると、短時間（約１秒以内）に溶断すると考えられる。従って、このような断面積を有するアルミニウムを第１の接続体２０に用いることによって、通常動作時は、行方向に配列された素電池１０を並列接続する機能を維持し、内部短絡時には、ヒューズとしての機能を持たせることができる。
【００４７】
以上の検討から、本実施形態における電池モジュール１００において、行方向に配列された素電池１０を並列接続する第１の接続体２０を、素電池１０に内部短絡が発生したとき、内部短絡が発生した素電池１０に接続された第１の接続体２０を、内部短絡が発生していない他の素電池１０から、第１の接続体２０を介して、内部短絡が発生した素電池１０に流れる短絡電流によるジュール熱によって溶断させるような構成にすることによって、内部短絡が発生した素電池１０を、他の素電池１０と電気的に分離することができる。これにより、ヒューズリンク等の部品を設けることなく、簡単な構成で、電池モジュール１００を構成する素電池１０に不具合が生じても、他の素電池１０に影響を与えることなく、また、電池モジュール１００全体の性能を低下させない、安価で、安全性の高い電池モジュール１００を実現することができる。
【００４８】
なお、表１に示した温度上昇ΔＴの値は、第１の接続体２０からの放熱を無視した値であるため、実際に採用する第１の接続体２０の断面積（直径）は、第１の接続体２０からの放熱を考慮して決めるのが好ましい。また、製造上の取り扱い容易性を考慮すれば、第１の接続体２０の直径は０．１ｍｍ以上であることが好ましい。
【００４９】
ここで、第１の接続体２０は、安価な素材であるためには、一様な断面積を有する金属部材で構成されていることが好ましい。この場合、第１の接続体２０の断面積を、第１の接続体２０の温度が、内部短絡が発生した素電池１０に短絡電流が流れることによるジュール熱の発生によって、第１の接続体２０の融点以上になる大きさに設定すればよい。
【００５０】
また、第１の接続体２０は、安価な素材であるためには、異種金属の合金やクラッド材ではなく、一種類の金属で構成することが望ましい。一種類の金属としては、例えば、アルミニウム材が好ましく、この場合、第１の接続体２０の断面積は、０．３ｍｍ２以下、より好ましくは０．００７〜０．１２ｍｍ２の範囲である。
【００５１】
なお、図１に示した電池モジュール１００の等価回路図において、行方向に配列された素電池１０を並列接続する第１の接続体２０として、隣接する素電池１０間に、ヒューズ素子２０ｉが挿入されたように表示しているが、これは、第１の接続体２０が、ヒューズとしての機能を有することを等価回路的に示したもので、部品のとしてのヒューズ素子が挿入されたものではない。
【００５２】
図８は、図１に示した電池モジュール１００において、素電池１０Ａに内部短絡が発生したときの、第１の接続体２０のヒューズ機能を説明した等価回路図である。図８に示すように、素電池１０Ａに内部短絡が発生すると、内部短絡が発生した素電池１０Ａに接続された第１の接続体２０に短絡電流ｉが流れる。そして、瞬時に、第１の接続体２０の温度が、第１の接続体２０に発生したジュール熱によって、第１の接続体２０の融点以上に達する。その結果、内部短絡が発生した素電池１０Ａに隣接した左右の素電池１０との間の第１の接続体２０の部位２０Ｂ、２０Ｂが溶断される。これにより、内部短絡が発生した素電池１０Ａは、その並列接続された他の素電池１０と電気的に完全に分離されるため、他の素電池１０から短絡電流が流れ込むことを防止できる。
【００５３】
なお、図７に示したように、第１の接続体２０に流れる短絡電流は、内部短絡が発生した素電池１０Ａに近い部位２０Ｂの方が、内部短絡が発生した素電池１０Ａから離れた部位２０Ａよりも大きな電流が流れるため、通常は、内部短絡が発生した素電池１０Ａに隣接した素電池１０との間の第１の接続体２０の部位２０Ｂ、２０Ｂが溶断される。
【００５４】
しかしながら、上述したように、第１の接続体２０のジュール熱による温度上昇は、放熱を除けば、第１の接続体２０の長さ（Ｌ）に依存しないため、第１の接続体２０全体の温度が、瞬時に融点以上に達すると考えられる。そのため、図９に示すように、内部短絡が発生した素電池１０Ａから離れた部位２０Ｃが溶断することも起こり得る。しかし、この場合でも、内部短絡が発生した素電池１０Ａに接続されて、まだ溶断されていない部位には、短絡電流が引き続き流れるため、結局は、内部短絡が発生した素電池１０Ａに隣接した左右の素電池１０との間の第１の接続体２０の部位２０Ｂ、２０Ｂも溶断されることになる。
【００５５】
このように、本発明における電池モジュール１００は、素電池１０に内部短絡が発生した場合、内部短絡が発生した素電池１０を、他の電池１０と電気的に分離することができるため、他の電池１０に与える影響を抑えることができるが、この効果は、素電池１０が近接して配置されている場合に特に発揮される。
【００５６】
以下、図１０及び図１１を参照しながら、内部短絡が発生した電池１０が、隣接する電池１０に与える影響について説明する。ここで、図１０及び図１１は、内部短絡が発生した素電池１０Ａと、それに隣接した素電池１０Ｂの温度の時間変化を測定した結果をそれぞれプロットしたグラフで、図１０は、本発明の電池モジュール１００の場合、図１１は、特許文献４に示された構成の組電池の場合をそれぞれ示す。
【００５７】
測定は、18650サイズ（直径18mm×長さ65mm）の円筒型リチウムイオン電池（容量２．９Ａｈ）を、１９．２ｍｍの間隔で２０個配列し、そのうちの一つの素電池１０Ａに対して釘刺し試験を行い、素電池１０Ａ、及びそれに隣接する素電池１０Ｂの表面温度を測定した。ここで、本発明の電池モジュール１００では、第１の接続体２０として、直径０．２ｍｍ、断面積０．０３ｍｍ２、長さ２０ｍｍのアルミニウム細線（抵抗値１８ｍΩ）を用い、特許文献４に示した構成の組電池では、抵抗体３３０として、酸化金属皮膜抵抗（抵抗値１Ω）を用いた。
【００５８】
図１０に示すように、本発明の電池モジュール１００の場合には、内部短絡が発生した素電池１０Ａの温度は約７６０度まで上昇したが、内部短絡が発生してから約１秒後には、第１の接続体２０が内短電流によるジュール熱によって溶断されたため、素電池１０Ａの温度は、自身の放熱により、１５０秒後には２００℃以下まで低下した。また、隣接する素電池１０Ｂの温度は、素電池１０Ａからの放熱の影響により、一旦２００℃近くまで上昇したが、その後、素電池１０Ａの放熱量の低下とともに、１５０秒後には１００℃以下まで低下した。
【００５９】
一方、図１１に示すように、特許文献４に示した構成の組電池の場合には、内部短絡が発生した素電池１０Ａの温度は約７６０度まで上昇したが、その後、抵抗体３３０による内短電流の抑制によって徐々に低下した。しかしながら、内短電流が抑制されたといっても、引き続き、素電池１０Ａには内短電流が流れ続けてジュール熱が発生するため、素電池１０Ａの温度低下は、図１０に示した場合と比べて鈍化しており、１５０秒後でも３００℃以上であった。また、隣接する素電池１０Ｂの温度は、素電池１０Ａからの放熱の影響により、２００℃以上まで上昇し、その後、緩やかに低下したものの、１５０秒後には、再び７００℃以上まで急上昇した。これは、正常であった素電池１０Ｂが、以下のような理由で内部短絡を起こして発熱したものと考えられる。
【００６０】
すなわち、内部短絡が発生した素電池１０Ａは抵抗体として機能するため、正常な素電池１０Ｂは、外部短絡が生じた状態になっており、そのため、外短電流によるジュール熱の発生によって温度が上昇する。また、内部短絡が発生した素電池１０Ａは、３００℃以上の高い温度が維持されているため、素電池１０Ａからの放熱の影響も加わって、素電池１０Ｂの温度がさらに上昇する。その結果、正常であった素電池１０Ｂにおいても、１５０℃を超える温度が１００秒以上続いたため、セパレータが溶融して、内部短絡に至ったものと考えられる。
【００６１】
このように、複数の素電池１０が近接して配列された電池モジュール１００において、内部短絡が発生した素電池１０の影響を、他の素電池１０に与えないためには、内部短絡が発生した電池１０を、他の電池１０から速やかに電気的に分離することが重要である。
【００６２】
なお、本発明における第１の接続体２０に用いる金属材料は特に限定されず、例えば、アルミニウム以外にも、融点の低いマグネシウム（融点：６５１℃）、亜鉛（４１９℃）、スズ（２３２℃）等も用いることが可能である。
【００６３】
表２は、そのような材料を用いた場合の、第１の接続体２０の温度上昇を、表１に示したのと同様に、式（１）より算出した結果を示した表である。
【００６４】
【表２】
2011151981.tif 000004
【００６５】
表２に示すように、マグネシウム及び亜鉛の場合には、断面積（Ａ）が０．００７ｍｍ２、０．１２ｍｍ２のいずれの場合についても、通常動作時に想定される電流０．１Ａでは、融点以上の温度上昇（ΔＴ）がない一方、内部短絡時に想定される短絡電流１００Ａでは、瞬時（ｔ＝０．１ｓｅｃ）に融点以上の温度上昇（ΔＴ）となる。また、スズの場合にも、断面積（Ａ）が０．０３ｍｍ２、０．１２ｍｍ２のいずれの場合についても、通常動作時に想定される電流０．１Ａでは、融点以上の温度上昇（ΔＴ）がない一方、内部短絡時に想定される短絡電流１００Ａでは、瞬時（ｔ＝０．１ｓｅｃ）に融点以上の温度上昇（ΔＴ）となる。これにより、マグネシウム、亜鉛、スズも、第１の接続体２０に用いることができると言える。
【００６６】
なお、スズは、マグネシウムや亜鉛よりも融点が低い上に、比熱容量（Ｃｐ）も小さいため、断面積が小さすぎると温度上昇（ΔＴ）が大きくなりすぎる。そのため、通常動作時において、素電池１０を並列接続する機能を維持するには、断面積を０．０３ｍｍ２以上にすることが好ましい。
【００６７】
一方、表３は、融点の高い銅（融点：１０８３℃）、ニッケル（１４５５℃）を用いた場合の第１の接続体２０の温度上昇（ΔＴ）を、表１に示したのと同様に、式（１）より算出した結果を示した表である。
【００６８】
【表３】
2011151981.tif 000005
【００６９】
表３に示すように、断面積（Ａ）を０．０３ｍｍ２程度とすれば、融点の高い銅、ニッケルを用いた場合でも、内部短絡時に想定される短絡電流１００Ａで、瞬時に融点以上の温度上昇が得られるため、ヒューズとしての機能をもたせることができる。ただし、溶断されるまでの温度上昇が１０００℃以上となるため、他の素電池１０への熱的影響を考慮すれば、表１、２に示した融点が７００℃以下の低融点の金属材料を用いることが好ましい。
【００７０】
本発明における電池モジュール１００は、図１に示した等価回路図の構成を備え、その具体的な構成は、図２に例示したような構成が取りえるが、必ずしもその構成に限定されない。例えば、第２の接続体３０の構成は、図２に示した構成に限定されず、種々の構成を取りうる。
【００７１】
以下、図１２〜図１６を参照しながら、本発明の他の実施形態における電池モジュール１００の構成を説明する。ここで、図１２は、本実施形態における電池モジュール１００の斜視図、図１３は、図１２に示した電池モジュールの部分拡大図、図１４（ａ）は、電池モジュール１００の一部を下方から見た斜視図、図１４（ｂ）は、電池モジュール１００の一部を上方から見た斜視図、図１５は、電池モジュール１００を列方向から見た側面図、図１６は、図１５に示した電池モジュールの部分拡大図である。なお、本実施形態における電池モジュール１００は、図２〜図６に示した電池モジュール１００と、第２の接続体３０の構成が異なるだけなので、以下では、第１の接続体２０の構成について説明し、他の構成については説明を省略する。
【００７２】
図１２に示すように、本実施形態における電池モジュール１００は、図２と同様に、複数の素電池１０が格子状に配列されている。なお、本実施形態では、素電池１０の電池ケースの外周は絶縁されておらず、素電池１０の負極端子は、正極端子と同じ素電池１０の上面から取ることができる。
【００７３】
列方向に隣接する素電池１０間を直列接続する第２の接続体３０は、図１３、図１４（ａ）、（ｂ）、図１５、図１６に示すように、素電池１０の上面にある負極端子に接続された部位３０ａと、そこから隣接する素電池１０の上面まで延出された部位３０ｂと、隣接する素電池１０の正極端子に接続された部位３０ｃからなる。なお、負極端子に接続された部位３０ａは、図１３、図１４（ｂ）に示すように、素電池１０の上面の外周に沿ってリング状に形成されている。また、行方向に配列された素電池１０を並列接続する第１の接続体２０は、図１２、図１３、図１５、図１６に示すように、列方向に隣接する素電池１０間を接続する各第２の接続体３０の部位３０ｂに、それぞれ接続されている。
【００７４】
ところで、本発明における電池モジュール１００は、電池モジュール１００を構成する素電池１０に内部短絡が発生した場合に、内部短絡が発生した素電池１０に接続された第１の接続体２０をジュール熱によって溶断することによって、他の素電池１０に影響を与えず、電池モジュール１００全体の性能を低下させない効果を奏するものであるが、外部短絡が発生した場合、出力端子５０から、列方向に直列接続された素電池１０に短絡電流が流れ込むことは防止できない。
【００７５】
そこで、外部短絡が発生した場合に、列方向に直列接続された素電池１０に短絡電流が流れ込むことを防止するために、図１に示したように、正極出力端子５０と、列方向に配列された素電池１０の端部にある素電池１０であって、行方向に配列された各素電池１０との間に、電流遮断素子（例えば、ヒューズ等）４０を挿入することが好ましい。なお、電流遮断素子４０は、負極出力端子５１と、列方向に配列された素電池１０の端部にある素電池１０との間に挿入してもよい。また、電流遮断素子の代わりに、電流制限素子（例えば、ＰＴＣ素子等）を用いてもよい。
【００７６】
このように、出力端子５０と、列方向に配列された素電池１０の端部にある素電池１０との間に電流遮断素子４０を挿入することによって、外部短絡が発生した場合でも、電流遮断素子４０によって、列方向に直列接続された素電池１０に短絡電流が流れ込むことを防止することができる。
【００７７】
図１７は、図１に示した電池モジュール１００において、外部短絡が発生したときの、電流遮断素子４０の機能を説明した等価回路図である。
【００７８】
図１７に示すように、外部短絡が発生したとき、正極出力端子５０から、列毎に挿入された各電流遮断素子４０に短絡電流が流れ込むことになるが、図１７は、この短絡電流で、電流遮断素子４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃが働き、電流を遮断した状態を示す。また、素電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅが、短絡電流による素電池内部の電解液の温度上昇で、内圧が高まり、電流遮断弁が作動し、電流を遮断したことを示す。
【００７９】
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては、行方向に配列された素電池１０を、第１の接続体２０によって並列接続したが、図１８に示した電池モジュール１１０のように、行方向に隣接する素電池１０間を、電流遮断素子（例えば、電流ヒューズ）２１を介して第１の接続体２０によって並列接続するようにしてもよい。この場合、素電池１０に内部短絡が発生したとき、内部短絡が発生した素電池１０に接続された電流遮断素子２１は、内部短絡が発生していない他に素電池から、電流遮断素子２１を介して、内部短絡が発生した素電池１０に流れる短絡電流によるジュール熱によって溶断されるため、内部短絡が発生した素電池に短絡電流が流れ込むのを防止することができる。
【００８０】
また、上記実施形態では、図１に示したように、正極出力端子５０と、行方向に配列された各素電池１０との間に、電流遮断素子４０を挿入したが、図１９に示した電池モジュール１００のように、電流遮断素子４０を、正極出力端子５０のところに、一つにまとめて配置してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
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】
【００８２】
１０      素電池 
１０Ａ    素電池 
２０      第１の接続体 
２０Ａ、２０Ｂ    第１の接続体の部位 
２１      電流遮断素子 
３０      第２の接続体 
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ    第２の接続体の部位 
４０      電流遮断素子（ヒューズ） 
５０      正極出力端子
５１      負極出力端子 
６０      回路基板 
１００、１１０      電池モジュール 
【図１】
2011151981.tif 000006
【図５】
2011151981.tif 000007
【図６】
2011151981.tif 000008
【図７】
2011151981.tif 000009
【図８】
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【図９】
2011151981.tif 000011
【図１０】
2011151981.tif 000012
【図１１】
2011151981.tif 000013
【図１５】
2011151981.tif 000014
【図１６】
2011151981.tif 000015
【図１７】
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【図１８】
2011151981.tif 000017
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
2011151981.tif 000020
【図２２】
2011151981.tif 000021
【図２】
2011151981.tif 000022
【図３】
2011151981.tif 000023
【図４】
2011151981.tif 000024
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年9月8日(2011.9.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素電池が格子状に配列された電池モジュールであって、
行方向に配列された前記素電池は、第１の接続体によって並列接続され、
列方向に配列された前記素電池は、列方向に隣接する素電池間が第２の接続体によってそれぞれ直列接続されており、
前記複数の電池を前記第２の接続体を介して充放電するとき、前記第１の接続体は、行方向に配列された前記素電池の電位差を解消する電流が流れ、
前記素電池に内部短絡が発生したとき、内部短絡が発生した素電池に接続された前記第１の接続体は、内部短絡が発生していない他の素電池から、前記第１の接続体を介して、内部短絡が発生した素電池に流れる短絡電流によるジュール熱によって溶断される、電池モジュール。
【請求項２】
前記第１の接続体は、一様な断面積を有する金属部材で構成されており、
前記第１の接続体の断面積は、該第１の接続体の温度が、内部短絡が発生した素電池に短絡電流が流れることによるジュール熱の発生によって、前記第１の接続体の融点以上になる大きさに設定されている、請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項３】
前記素電池に内部短絡が発生したとき、前記第１の接続体は、内部短絡が発生した素電池と、該素電池に隣接した素電池との間の部位において、ジュール熱の発生により溶断される、請求項２に記載の電池モジュール。
【請求項４】
前記第１の接続体は、列方向に隣接する前記素電池間を接続する各第２の接続体に、それぞれ接続されている、請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項５】
前記第１の接続体は、金属細線または金属リボンで構成されており、前記第１の接続体は、ワイヤーボンディング、レーザ溶接または抵抗溶接により、列方向に隣接する前記素電池間を接続する各第２の接続体に、それぞれ接続されている、請求項４に記載の電池モジュール。
【請求項６】
前記第１の接続体はアルミニウム材で構成されており、前記第１の接続体の断面積は、０．３ｍｍ２以下である、請求項２に記載の電池モジュール。
【請求項７】
前記第１の接続体はアルミニウム材で構成されており、前記第１の接続体の断面積は、０．００７〜０．１２ｍｍ２の範囲である、請求項６に記載の電池モジュール。
【請求項８】
前記第２の接続体の行方向に隣接する素電池間の抵抗値は、前記第１の接続体の隣接する素電池間の抵抗値よりも小さい、請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項９】
列方向に配列された前記素電池の端部にある素電池は、前記電池モジュールの出力端子が接続されており、
前記出力端子と、前記列方向に配列された前記素電池の端部にある素電池であって、行方向に配列された各素電池との間に、電流を遮断または制限する素子が挿入されている、請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項１０】
複数の素電池が格子状に配列された電池モジュールであって、
行方向に配列された前記素電池は、行方向に隣接する素電池間を電流遮断素子を介して第１の接続体によって並列接続され、
列方向に配列された前記素電池は、列方向に隣接する素電池間を第２の接続体によってそれぞれ直列接続されており、
前記複数の電池を前記第２の接続体を介して充放電するとき、前記第１の接続体は、行方向に配列された前記素電池の電位差を解消する電流が流れ、
前記素電池に内部短絡が発生したとき、内部短絡が発生した素電池に接続された前記電流遮断素子は、内部短絡が発生していない他に素電池から、前記電流遮断素子を介して、内部短絡が発生した素電池に流れる短絡電流によるジュール熱によって溶断される、電池モジュール。
【請求項１１】
前記電流遮断素子は、電流ヒューズで構成されている、請求項１０に記載の電池モジュール。
【国際調査報告】
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