JP6680128B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数の筒型電池を電池ホルダで起立保持した電池モジュールに関する。

従来から、電力を充放電するために、複数の電池素子を直列または並列に接続した電池モジュールが知られている。こうした電池モジュールは、設置スペースが限られた機器、例えば、電動車両（ハイブリッド自動車や電気自動車等）等に搭載されることが多い。そのため、電池モジュールは、さらなる小型化や、エネルギ密度の向上が望まれている。そこで、エネルギ密度の高い筒型の二次電池（以下「筒型電池」という）を用いた電池モジュールが従来から提案されている。

ここで、筒型電池は、温度によって、その性能が変化する。したがって、複数の筒型電池の性能のバラツキを抑えるためには、複数の筒型電池は、温度が均等に保たれることが望ましい。そこで、複数の筒型電池の温度を均等に近づけるために、当該複数の筒型電池を保持する電池ホルダは、通常、伝熱性の高い材料、例えば、アルミ等で構成される。伝熱性に優れた電池ホルダで筒型電池を保持することで、各筒型電池の熱が均等に分散し、筒型電池の温度のバラツキが抑えられる。

特開２０１３−１８７１１９号公報

しかしながら、こうした伝熱性に優れた電池ホルダは、筒型電池が異常発熱した場合には、問題となる。すなわち、筒型電池は、異常反応等に起因して、異常発熱し、数百度まで上昇することがある。こうした異常発熱の熱が、電池ホルダを介して周辺の筒型電池に伝わると、当該周辺の筒型電池も、連鎖的に熱劣化するおそれがある。つまり、筒型電池の保持構造は、筒型電池が正常駆動している場合には、高い伝熱性を持つことが望まれる一方で、筒型電池が異常発熱した場合には、遮熱性を持つことが望まれている。

特許文献１には、複数の筒型電池を保持するための電池ホルダが開示されている。この電池ホルダは、電池保持用穴を有する支持体と、各電池保持用穴の内側には第二スペーサが、さらに、第二スペーサの内側には第一スペーサが、同心に配されている。筒型電池は、第一スペーサの内側に配される。第二スペーサの材料は、第一スペーサの材料より融点が低い。そのため、一部の筒型電池が高温になった場合には、第二スペーサのみが溶融して流出し、第一スペーサと電池保持用穴との間に熱遮断用の空気層が形成される。その結果、一部の筒型電池の熱が、他の筒型電池に伝わりにくくなり、他の筒型電池の熱による劣化を抑制できる。しかし、特許文献１の構成では、支持体の他に、さらに、二重構造のスペーサを設ける必要があり、部品点数の増加や組み付け工数の増加といった問題があった。

そこで、本発明では、簡易な構成でありながら、筒型電池の劣化を防止できる電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の電池モジュールは、軸方向両端に端子が形成された複数の筒型電池と、前記筒型電池が挿通される挿通孔が複数形成され、前記複数の筒型電池を起立保持する電池ホルダと、前記筒型電池および前記電池ホルダの下方に配され、一部が上方に突出して前記端子に接触する下側バスバ板と、前記挿通孔の内周面と前記筒型電池の外周面との間に塗布されて、前記筒型電池を前記挿通孔内に固定する熱可塑性接着剤と、を備え、前記下側バスバ板と、前記筒型電池の下面との間には、溶融した前記熱可塑性接着剤が滞留する滞留空間が形成されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、熱可塑性接着剤により筒型電池を挿通孔内に固定しているため、異常発熱時には、熱可塑性接着剤が溶融して、筒型電池と挿通孔との間に空気層が形成される。その結果、筒型電池の熱が電池ホルダに伝わりにくくなり、他の筒型電池が熱劣化することが防止される。また、熱可塑性接着剤の溶融に伴い電池ホルダから分離した筒型電池は、下側に落下するが、この下側の滞留空間には、溶融した熱可塑性接着剤が滞留している。下側に落下した筒型電池は、この溶融した熱可塑性接着剤に接触することになる。そして、温度低下後に、滞留している熱可塑性接着剤が硬化することで、筒型電池の動きが規制される。電池ホルダから分離した筒型電池の動きが規制されない場合は、当該筒型電池が他部材に衝突することで、他部材の劣化や、騒音が発生する。しかし、本発明では、筒型電池の動きが規制されるため、他部材の劣化および騒音が効果的に抑制される。つまり、本発明によれば、専用の部品の追加が不要な簡易な構成でありながら、筒型電池の劣化を防止できる。

本発明の実施形態である電池モジュールの分解斜視図である。 負極バスバ板の平面図である。 電池モジュールのＹＺ平面での断面図である。 接着剤溶融前における図３のＡ部拡大図である。 接着剤溶融後における図３のＡ部拡大図である。

以下、本発明の実施形態である電池モジュール１０について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である電池モジュール１０の分解斜視図である。また、図２は、負極バスバ板２４の平面図、図３は、電池モジュール１０のＹＺ平面での断面図である。なお、以下の説明では、電池モジュール１０の長手方向を「Ｘ方向」、筒型電池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」と呼ぶ。

電池モジュール１０は円筒型の電池素子（以下「筒型電池」と呼ぶ）１２を複数備えている。筒型電池１２は、充放電可能な二次電池であり、例えば、円筒型の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。筒型電池１２の軸方向両端には、筒型電池１２の電極である正極端子および負極端子が設けられている。図１に図示する電池モジュール１０は、６０個の筒型電池１２を有しており、この６０個の筒型電池１２は、４列１５行の配列で並べられている。６０個の筒型電池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個の筒型電池１２は、後述する負極バスバ板２４および正極バスバ板２３により並列接続される。また、１５個の筒型電池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。

筒型電池１２の負極端子側の端面には、筒型電池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、筒型電池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、筒型電池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、短絡等に起因して筒型電池１２の内部でガスが発生し、当該筒型電池１２の内圧が上昇すると、当該排出弁（薄肉部）が破断して、ガスが筒型電池１２の外部へ放出される。

各筒型電池１２は、正極端子および負極端子の向きを揃えた状態で起立保持される。本実施形態では、筒型電池１２は、負極端子がある端面を下（排煙カバー２０側）に向けた起立姿勢で保持される。各筒型電池１２は、その下端部が電池ホルダ１４に設けられた挿通孔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、板平面に挿通孔１５が二次元的に配置されている。この実施形態では、挿通孔１５は、４列１５行の配列で並べられており、隣の列の挿通孔１５同士は、半ピッチずれて配置されている。

各挿通孔１５は、筒型電池１２の円筒形状と嵌まり合う丸孔形状となっている。筒型電池１２は、この丸孔内に挿入され、接着剤６０により、固定される（図３参照）。本実施形態では、この筒型電池１２を固定する接着剤６０として熱可塑性の接着剤を用いているが、その理由については、後に詳説する。

挿通孔１５の中心軸線方向の長さは、保持した筒型電池１２がぐらつかないよう十分な長さとなっている。挿通孔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、筒型電池１２の下端は下方に露出している。また、挿通孔１５の直径は、筒型電池１２の直径よりも大きくなっており、挿通孔１５の内周面と筒型電池１２の外周面との間には、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の間隙が形成されている。電池ホルダ１４は、アルミニウム等の高伝熱材料からなる。これは、一部の筒型電池１２から発生した熱を均等に分散して筒型電池１２間での温度のバラツキを低減するためである。筒型電池１２の性能や寿命は、温度によって変化するため、筒型電池１２の温度のバラツキが低減することで、複数の筒型電池１２の性能や寿命が均一化される。

電池ホルダ１４で保持された複数の筒型電池１２の周囲は、保護ケース１６により覆われている。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の周縁に締結されている。この締結態様は、電池モジュール１０が振動等を受けた際に、保護ケース１６が電池ホルダ１４とともに動ける締結態様であれば、特に限定されない。したがって、保護ケース１６は、例えば、嵌合や螺合、溶接等により電池ホルダ１４に締結される。なお、後述するように、正極バスバ板２３は、保護ケース１６と一体化されている。したがって、正極バスバ板２３は、保護ケース１６を介して、電池ホルダ１４に締結されていると言える。

保護ケース１６は、その上端近傍に設けられ、筒型電池１２の正極端子側の端面を負極端子側に向かって押さえる天井板３０（図３参照）を有する。天井板３０には、配列された各筒型電池１２の外径よりも小径の保持開口３２が設けられている。この保持開口３２を介して筒型電池１２の正極端子が外部に露出する一方で、保持開口３２の周縁で筒型電池１２の端面が負極端子側に押さえられる。天井板３０の上面には、正極バスバ板２３が固着されている。さらに、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）が配されるが、これらの配線は、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（図３参照）および出口開口３６（図３参照）が形成されている。入口開口３４は、筒型電池１２を冷却する冷却風を、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冷却風を外部に放出するための開口である。出口開口３６は、複数の筒型電池１２を挟んで、入口開口３４と反対側の側壁に設けられている。入口開口３４および出口開口３６は、いずれも、保護ケース１６の側壁に設けられた複数のスリット孔である。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。

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、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、筒型電池１２から放出されたガスが流れる排煙空間２８として機能する。筒型電池１２から排煙空間２８に放出されたガスは、負極バスバアセンブリ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（図１参照）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。この締結態様も、電池モジュール１０が振動等を受けた際に、排煙カバー２０が電池ホルダ１４とともに動ける締結態様であれば、特に限定されない。本実施形態において、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を介して電池ホルダ１４に螺合締結されている。なお、負極バスバアセンブリ２５の周縁は、排煙カバー２０と電池ホルダ１４とで挟み込まれているため、負極バスバアセンブリ２５は、排煙カバー２０を介して電池ホルダ１４に締結されているといえる。

筒型電池１２の下側には、負極バスバアセンブリ２５が設けられている。負極バスバアセンブリ２５は、電池グループと同数（本実施形態では四つ）の負極バスバ板２４を、樹脂からなる被覆カバー４３で被覆して、一体化したものである。四つの負極バスバ板２４は、互いに間隔を開けて絶縁を保った状態のまま、被覆カバー４３で一体化される。

各負極バスバ板２４は、一つの電池グループを構成する１５個の筒型電池１２の負極を互いに電気的に接続する。この負極バスバ板２４は、導電性材料、例えば、銅等からなる平板状部材である。負極バスバ板２４には、配列された各筒型電池１２に対応する貫通開口４０が設けられている。貫通開口４０は個々の筒型電池１２に対して１個ずつが設けられ、対応する筒型電池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、筒型電池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、筒型電池１２に設けられた排出弁が排煙空間２８に露出する。筒型電池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。

貫通開口４０の周縁は、上側、すなわち、筒型電池１２側に向かって僅かにせり上がって堰部４８を構成する（図４参照）。これは、高熱により溶融した接着剤６０の流出を阻害するためであるが、これについては、後述する。

貫通開口４０の周縁からは、上方に突出して筒型電池１２の負極端子に接触する接続片４２が延びている。この接続片４２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、筒型電池１２の負極端子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、対応する筒型電池１２の負極端子に接触し、１５個の筒型電池１２の負極端子同士を電気的に接続する。

被覆カバー４３は、貫通開口４０を避けて負極バスバ板２４を被覆している。そのため、被覆カバー４３には、貫通開口４０と同心の丸孔４４が形成されている。負極バスバ板２４の上側における丸孔４４の内径は、電池ホルダ１４に形成された挿通孔１５よりも大きい。したがって、電池ホルダ１４の下側に、負極バスバアセンブリ２５を配した際、被覆カバー４３は、電池ホルダ１４の底面には、接触するものの、筒型電池１２の底面には、接触しない。そして、筒型電池１２の底面と、負極バスバ板２４との間には、被覆カバー４３の厚み相当の厚みを有した空間が形成される。この空間は、溶融した接着剤６０が滞留する滞留空間４６として機能する。

筒型電池１２の上方には、負極バスバ板２４と同様の形状の導電板を有した正極バスバ板２３が配されている。この正極バスバ板２３は、保護ケース１６に組み込まれて、保護ケース１６と一体化されている。正極バスバ板２３も、一つの電池グループを構成する１５個の筒型電池１２の正極同士を電気的に接続する。そして、この負極バスバ板２４および正極バスバ板２３により、一つの電池グループを構成する１５個の筒型電池１２が並列に接続される。

四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、一つの電池グループに接続された正極バスバ板２３と、隣接する他の電池グループに接続された負極バスバ板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、図１、図３に示すように、保護ケース１６の外側に配されている。グループ間バスバ２６は、その上端が、一つの電池グループの正極バスバ板２３に、その下端が、隣接する電池グループの負極バスバ板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。

ここで、これまで説明したように、本実施形態では、筒型電池１２を電池ホルダ１４の挿通孔１５に固定するための接着剤６０として、熱可塑性接着剤を用いている。このような熱可塑性接着剤を用いる理由について説明する。

筒型電池１２は、温度に応じて、その性能や寿命が変化することが知られている。したがって、筒型電池１２の温度や寿命のバラツキを抑えるためには、複数の筒型電池１２の温度が均等であることが望ましい。そのため、本実施形態では、伝熱性に優れた電池ホルダ１４で筒型電池１２を保持し、各筒型電池１２からの熱を電池ホルダ１４を介して、均等に分散している。

しかしながら、伝熱性に優れた電池ホルダ１４は、筒型電池１２が異常発熱した場合には、問題となる。すなわち、筒型電池１２は、その内部で異常な化学反応が生じて、多量のガスが発生することがある。ガスの発生に伴い、電池ケース内の圧力が一定以上になれば、排出弁からガスが放出される。しかし、このガス放出の直前までは、圧力上昇に伴い、筒型電池１２の温度も急激に上昇し、数百度にまで達する。こうした異常発熱が生じた筒型電池１２の熱が、電池ホルダ１４を介して他の筒型電池１２にまで迅速に伝達されると、他の筒型電池１２まで連鎖的に熱劣化する。つまり、筒型電池１２の保持構造は、筒型電池１２が正常駆動している場合には、高い伝熱性を持つことが望まれる一方で、筒型電池１２が異常発熱した場合には、遮熱性を持つことが望まれている。

こうした要望を満たすために、本実施形態では、筒型電池１２を固定するための接着剤６０として熱可塑性接着剤を用いている。熱可塑性接着剤は、所定の溶融温度以上になれば溶融し、その後、温度が低下すれば固化する。かかる熱可塑性の接着剤６０を用いて筒型電池１２を固定した場合について図４、図５を参照して説明する。図４、図５は、負極端子近傍の拡大図（図３のＡ部拡大図）であり、図４は、接着剤６０が溶融する前の、図５は、接着剤６０が溶融した後の図である。

筒型電池１２が正常に駆動している場合、図４に示す通り、筒型電池１２と挿通孔１５との間に位置して、筒型電池１２を挿通孔１５に固着している。各筒型電池１２で生じた熱は、接着剤６０を介して電池ホルダ１４に伝わり、他の筒型電池１２に均等に分散される。

一方、筒型電池１２が異常発熱し、数百度まで上昇した場合には、当該異常発熱した筒型電池１２の周囲の接着剤６０は、溶融する。溶融した接着剤６０は、図５に示す通り、電池ホルダ１４の下方へと流出する。その結果、筒型電池１２の外周面と、挿通孔１５の内周面との間には、空気層が形成される。この空気層は、筒型電池１２から電池ホルダ１４への伝熱を阻害する遮熱層として機能する。その結果、異常発熱した筒型電池１２の熱の伝熱が効果的に阻害され、他の筒型電池１２の熱劣化を効果的に防止できる。

ところで、既述した通り、本実施形態では、筒型電池１２と負極バスバ板２４との間に、滞留空間４６が形成されている。また、貫通開口４０の周縁は、溶融した接着剤６０の流出を阻害するように、上方にせり上がって、堰部４８（図４参照）を構成する。その結果、異常発熱により溶融した接着剤６０は、この滞留空間４６に滞留することになる。

さらに、接着剤６０が溶融する筒型電池１２は、その自重により下方、すなわち、負極バスバ板２４側に落下する。負極バスバ板２４の上には、溶融した接着剤６０が滞留しているため、落下した筒型電池１２の底面は、この滞留した接着剤６０に接触することになる。

この状態で、筒型電池１２からガスが放出されると、筒型電池１２の温度は、急激に低下する。そして、温度が一定以下まで低下すると接着剤６０が、筒型電池１２の底面に接触した状態のまま、再度、硬化する。そして、接着剤６０が、完全に硬化することで、筒型電池１２は、負極バスバ板２４に固定される。その結果、挿通孔１５から離脱した筒型電池１２の動きが規制される。ここで、筒型電池１２の動きが規制されず、筒型電池１２が、負極バスバ板２４や電池ホルダ１４等の他部材に対して自由に動ける場合には、筒型電池１２が、他部材に対して振動して衝突することで、騒音が発生したり、他部材が劣化したりする。しかし、本実施形態では、電池ホルダ１４から分離した筒型電池１２が、再固化した接着剤６０により、負極バスバ板２４に固定され、その動きが規制されるため、他部材の劣化や、騒音を効果的に防止できる。

なお、ここで用いる接着剤６０は、熱可塑性であれば、その種類は、特に限定されない。ただし、接着剤６０は、その融点が、正常駆動時の筒型電池１２の最高温度より十分に大きくなければならない。例えば、正常駆動している際、筒型電池１２の温度が７０度を越えないことが分かっている場合には、融点が７０度よりも十分に高い接着剤を用いることが望ましい。本実施形態では、１００度前後で軟化し始め、１５０度前後の融点を持つポリプロピレン系の接着剤を採用している。

以上の説明で明らかな通り、本実施形態では、接着剤６０として熱可塑性接着剤を用いるとともに、負極バスバアセンブリ２５の構成を僅かに替えているだけで、異常発熱時の伝熱を阻害している。換言すれば、本実施形態では、異常発熱時の伝熱を阻害するために、新たな部品を追加していない。その結果、部品点数の増加、および、組み付け性の悪化を招かない簡易な構成で、筒型電池１２の劣化を効果的に防止できる。また、本実施形態では、異常発熱により、電池ホルダ１４から分離した筒型電池１２を、溶融した接着剤６０を利用して、負極バスバ板２４に固着している。その結果、分離後も、当該分離した筒型電池１２の動きを規制することができ、他部材の劣化や、騒音を効果的に抑制できる。

なお、これまで説明した構成は、一例であり、接着剤６０として熱可塑性接着剤を用いるとともに筒型電池１２と負極バスバ板２４との間に滞留空間４６が形成されるのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。例えば、本実施形態では、溶融して滞留空間４６に滞留した接着剤６０と、電池ホルダ１４の底面とが接触することを避けるため、堰部４８の上端を、電池ホルダ１４の底面より低くしている。しかし、電池ホルダ１４の底面に何らかの断熱機構を設けるのであれば、堰部４８の上端と電池ホルダ１４の底面とを同じ高さにしてもよい。また、筒型電池１２の個数や、各種部材の形状等も、適宜、変更されもよい。

１０ 電池モジュール、１２ 筒型電池、１４ 電池ホルダ、１５ 挿通孔、１６ 保護ケース、１８ 絶縁カバー、２０ 排煙カバー、２３ 正極バスバ板、２４ 負極バスバ板、２５ 負極バスバアセンブリ、２６ グループ間バスバ、２８ 排煙空間、３０ 天井板、３２ 保持開口、３４ 入口開口、３６ 出口開口、４０ 貫通開口、４２ 接続片、４３ 被覆カバー、４４ 丸孔、４６ 滞留空間、４８ 堰部、６０ 接着剤、６２ 排気孔、６４ 排気通路。

Claims (1)

1. 軸方向両端に端子が形成された複数の筒型電池と、
   前記筒型電池が挿通される挿通孔が複数形成され、前記複数の筒型電池を起立保持する電池ホルダと、
   前記筒型電池および前記電池ホルダの下方に配され、一部が上方に突出して前記端子に接触する下側バスバ板と、
   前記挿通孔の内周面と前記筒型電池の外周面との間に塗布されて、前記筒型電池を前記挿通孔内に固定する熱可塑性接着剤と、
   を備え、
   前記下側バスバ板と、前記筒型電池の下面との間には、溶融した前記熱可塑性接着剤が滞留する滞留空間が形成されている、
   ことを特徴とする電池モジュール。