JP7368486B2 - 電池モジュール及び電池パック - Google Patents

Description

クロス・リファレンス

本願は、２０１９年０３月０７日に出願された「電池モジュール及び電池パック」という名称の中国特許出願２０１９１０１７３４４９．０に基づくものであり、当該出願の開示全体は援用により本願に組み込まれるものとする。

本願は、エネルギー貯蔵機器の技術分野に関し、特に電池モジュール及び電池パックに関する。

近年、電池セルのエネルギー密度の向上に伴い、電気自動車の発展において安全性を向上させることが急務となっており、熱暴走は電池セルの安全性研究において１つの重要な課題となっている。電池パックは電気自動車の動力源として一般的に電気自動車のシャーシに設置されている。電池パックは、複数の電池モジュールを備え、電池モジュールは、配列して設置された複数の電池セル及び複数の電池セルに接続される複数のバスバーとを備える。

従来技術において、電池パックの電池モジュールには、防火部材が設置されておらず、電池セルに熱暴走が発生した場合、電池セルの防爆弁から火炎及び高温粒子が噴き出され、火炎及び高温粒子は隣接する電池セルを焼損しやすくなり、連鎖反応を起こし、電池パック全体により大きな安全事故を引き起こさせてしまうおそれがある。

このため、従来技術の技術的課題を解決するための電池モジュール及び電池パックを提供する必要がある。

上記の目的を実現するために、発明者は、電池モジュールを提供し、複数の電池セル及び複数の電池セルに電気的に接続される複数のバスバーとを含む電池セル配列構造と、上蓋と、下蓋と、鉛直に設置される防火部材と、を備え、電池セル配列構造は上蓋と下蓋との間に設置されており、そのうち、電池セル配列構造の各電池セルのいずれにも防爆弁が設けられており、電池セル配列構造の防爆弁はいずれも防火部材に対向している。

上記の目的を実現するために、発明者は、電池パックをさらに提供し、収容箱と、収容箱内に設置された複数の上記の発明者によって提供されたいずれかの電池モジュールとを備える。

また、電池モジュールは、２つ以上の電池セル配列構造を備え、そのうち、１つの電池セル配列構造は、第１電池セル配列構造であり、第１電池セル配列構造に隣接するもう一つの電池セル配列構造は、第２電池セル配列構造であり、第１電池セル配列構造の防爆弁と第２電池セル配列構造の防爆弁はいずれも防火部材に対向しており、防火部材は、第１電池セル配列構造の防爆弁と第２電池セル配列構造の防爆弁との間に位置する。

また、防火部材は、防火部材本体と、防火部材本体の上端に接続される第１延出部とを含み、第１延出部は第１電池セル配列構造に近い方向へ延びている。

また、防火部材は、第２延出部をさらに含み、第２延出部は、防火部材本体の上端に接続されており、第２延出部は第２電池セル配列構造に近い方向へ延びている。

また、電池モジュールは消火部材をさらに備え、消火部材は電池セル配列構造の下方に設置されており、消火部材には、消火剤を貯留することができる流体通路が設けられている。

また、防火部材本体、第１延出部及び第２延出部は、一体構造となっている。

また、防火部材は、防火部材本体と、防火部材本体の上端に接続される第３延出部とを含み、第３延出部は電池セルに近い方向へ延びており、及び／又は、防火部材は、防火部材本体と、防火部材本体の下端に接続される第４延出部とを含み、第４延出部は電池セルに近い方向へ延びている。

また、電池セル配列構造は、採集板をさらに含み、採集板は、電池セル配列構造の片側に位置し、採集板は、電池セル配列構造における電池セルに接続されている。

また、防火部材の融点は、５００℃以上である。

従来技術と比べて、本願の実施例において、電池セル配列構造における複数の電池セルの防爆弁をいずれも防火部材に対向させることで、電池セルに熱暴走が発生した場合、電池セルの防爆弁から噴き出される火炎及び高温粒子は防火部材によって遮断され、噴き出された火炎及び高温粒子が隣接する電池セルを焼損することを防止し、熱暴走が発生した電池セルに起因して他の電池セルにも熱暴走が発生することを防止する。

一つ又は複数の実施例は、対応する添付の図面における図で例示的に説明されるが、これらの例示的な説明は、実施例を限定するものではなく、添付の図面における同じ参照番号を持つ部品は類似の部品を表し、特に断りのない限り、添付の図面における図は比例上の制限を形成しない。

図１は、本願の実施例に係る電池パックの分解図である。

図２は、本願の実施例に係る電池モジュールの分解図である。

図３は、本願の実施例に係る電池モジュールの断面図である。

図４は、本願の実施例に係る電池セル配列構造の分解図である。

図５は、本願の実施例に係る電池セル配列構造の構成を示す図である。

図６は、本願の実施例に係る防火部材の構成を示す図である。

図７は、本願の他の実施例に係る防火部材の構成を示す図である。

図８は、本願の実施例に係る電池セルの分解図である。

図９は、本願の実施例に係る電極ユニットが巻回型構造である断面図である。

図１０は、本願の実施例に係る電極ユニットが積層シート型構造である断面図である。

本願の目的、技術考案及び利点をより明確にするために、以下、図面及び実施例を組み合わせて本願の一部の実施例をさらに詳しく説明する。ここで記載される具体的な実施例は、本願を解釈するためのものであり、本願を限定するものではないと理解すべきである。

図１を参照すると、本実施例は、電池パックに関し、当該電池パックは、収容箱と、収容箱内に設置された複数の電池モジュール１とを備え、複数の電池モジュール１は、水平方向（矢印ｘで示される長手方向又は矢印ｙで示される幅方向）に沿って配列されてもよいし、鉛直方向（矢印ｚで示される方向）に沿って配列されてもよい。

例えば、収容箱は、箱蓋２及び箱体３を含み、箱体３に複数の固定ビーム３１が設けられている。また、他の実施例において、固定ビーム３１は箱蓋２に設けられてもよい。本実施例において、固定ビーム３１は、箱体３の底部から上方へ突出する突起ビームであってもよいし、単独で部品として箱体３の底部に溶接されてもよい。

電池パックは、ビード４をさらに備え、ビード４は、電池モジュール１の両端を固定ビーム３１に押し付けることで電池モジュール１を箱体３に固定する。この場合、ビード４によって電池モジュール１を固定する。

図２に示されるように、本実施例では、電池モジュール１は、上蓋１３、下蓋１４、防火部材１７、消火部材１８及び２つの電池セル配列構造１０（３つ以上の電池セル配列構造１０であってもよい）を備え、そのうち、１つの電池セル配列構造１０は、第１電池セル配列構造１０１であり、第１電池セル配列構造１０１に隣接するもう一つの電池セル配列構造１０は、第２電池セル配列構造１０２である。第１電池セル配列構造１０１と第２電池セル配列構造１０２とはいずれも上蓋１３と下蓋１４との間に設置されている。

本実施例では、第１電池セル配列構造１０１と第２電池セル配列構造１０２はいずれも長手方向（矢印ｘで示される長手方向）に沿って配列された１４個の電池セル１１を含む。勿論、必要に応じて電池セル１１の数、長さ、高さ、体積等を調整することができる。

他の実施例では、電池モジュール１には、１つの電池セル配列構造１０のみが設けられてもよく、電池セル配列構造１０において、各電池セル１１のいずれにも防爆弁１１６が設けられており、電池セル配列構造１０の防爆弁１１６はいずれも防火部材１７に対向している。

防火部材１７は鉛直に設置され、第１電池セル配列構造１０１の防爆弁１１６と第２電池セル配列構造１０２の防爆弁１１６はいずれも防火部材１７に対向しており、防火部材１７は、第１電池セル配列構造１０１の防爆弁１１６と第２電池セル配列構造１０２の防爆弁１１６との間に位置する。

この場合、防火部材１７は第１電池セル配列構造１０１の防爆弁１１６と第２電池セル配列構造１０２の防爆弁１１６との間に設置されており、防火部材１７は、第１電池セル配列構造１０１の電池セル１１と第２電池セル配列構造１０２の電池セル１１を離間させ、熱暴走が発生した電池セル１１に起因して隣接する電池セル１１にも熱暴走が発生することを防止する。

例えば、消火部材１８は電池セル配列構造１０の下方に設置されており、消火部材１８には、消火剤を貯留することができる流体通路が設けられている。消火部材１８は、電池セル１１の配列方向に沿って延在し、長手方向（矢印ｘで示される長手方向）において電池セル配列構造１０の長さと略同じであり、勿論、異なってもよい。

本実施例では、消火部材１８は、下蓋１４の下方に設置されており、消火部材１８内に消火剤を設けることができ、電池モジュール１が正常に作動している時に、消火剤は冷却液として電池セル配列構造１０の電池セル１１を冷却することに用いられることができ、一方、電池セル１１に熱暴走が発生して火災が起こる場合、消火部材１８は、火炎を消すように消火剤を溶融して放出し、電池セル１１の熱暴走による危険性を低減する。

図３に示されるように、電池セル１１（第１電池セル配列構造１０１の電池セル１１又は第２電池セル配列構造１０２の電池セル１１であってもよい）に熱暴走が発生した時に、防爆弁１１６は破裂して火炎及び高温粒子５を噴き出す。この場合、電池セル１１は水平方向（矢印ｘで示される長手方向又は矢印ｙで示される幅方向）に沿って火炎及び高温粒子５を噴き出し、火炎及び高温粒子５は防火部材１７によって遮断され、高温粒子５は、下向きに下蓋１４及び消火部材１８を貫通するように燃やし、これによって、消火部材１８内の消火剤は高温粒子１の温度を下げ、電池セル１１の熱暴走による危険性を低減する。

図４及び図５に示されるように、本実施例において、電池セル配列構造１０は、複数の電池セル１１と、複数の電池セル１１に電気的に接続される複数のバスバー１２とを含み、複数の電池セル１１は、水平方向（矢印ｘで示される長手方向又は矢印ｙで示される幅方向）に沿って配列されている。採集板１５は電池セル配列構造１０の片側に位置しかつ鉛直に設置され、採集板１５は電池セル配列構造１０における電池セル１１に接続されている。

本実施例では、電池セル配列構造１０は、２つのエンドプレート１６をさらに含み、２つのエンドプレート１６は、複数の電池セル１１が水平方向（矢印ｘで示される長手方向又は矢印ｙで示される幅方向）に沿って配列された両端にそれぞれ配置されている。

具体的な実施例では、電池セル１１はその側面に接着剤を塗布することで隣接する電池セル１１に接着され、複数の電池セル１１の両端にエンドプレート１６を設置することにより、電池セル配列構造１０を形成する。電池セル１１と電池セル１１との間は、バスバー１２により電気的に接続されており、電池セル配列構造１０のバスバー１２の箇所に採集板１５が設置されている。電池セル配列構造１０を下蓋１４に平らに置き、電池セル配列構造１０の下面は構造用接着剤により下蓋１４に固定され、電池セル配列構造１０の上面は構造用接着剤により上蓋１３に固定されている。

図６に示されるように、本実施例において、防火部材１７は、防火部材本体１７１と、防火部材本体１７１の上端に接続される第１延出部１７２とを含み、第１延出部１７２は第１電池セル配列構造１０１に近い方向へ延びている。

防火部材１７は、第２延出部１７３をさらに含み、第２延出部１７３は、防火部材本体１７１の上端に接続されており、第２延出部１７３は第２電池セル配列構造１０２に近い方向へ延びている。本実施例において、第１延出部１７２が第１電池セル配列構造１０１に近い方向へ延びており、かつ、第２延出部１７３が第２電池セル配列構造１０２に近い方向へ延びているが、図６における、第１延出部１７２と第２延出部１７３が水平方向（印ｘで示される長手方向又は矢印ｙで示される幅方向）に沿う実施例に限定されず、第１延出部１７２と第２延出部１７３は上向きに又は下向きに斜めに延びたり、円弧状に延びたりしてもよい。

また、本実施例では、防火部材１７の形状はＴ字状であり、Ｔ字状の防火部材１７と消火部材１８とを合わせることで、火炎及び高温粒子５が鉛直方向（矢印ｚで示される方向）に沿って上に噴き出されて乗客室に危険を及ぼすことを防止できると共に、火炎及び高温粒子５を下に噴き出して消火部材１８を溶融させ、電池セル１１の熱暴走による危険性をさらに低減することができる。

例えば、防火部材本体１７１、第１延出部１７２及び第２延出部１７３は、一体構造となっている。これにより、防火部材１７の加工が容易になる。

図７に示されるように、他の実施例において、防火部材１７は、防火部材本体１７１と、防火部材本体１７１の上端に接続される第３延出部１７４とを含み、第３延出部１７４は電池セル１１に近い方向へ延びており、及び／又は、防火部材１７は、防火部材本体１７１と、防火部材本体１７１の下端に接続される第４延出部１７５とを含み、第４延出部１７５は電池セル１１に近い方向へ延びている。

他の実施例では、防火部材１７は、防火部材本体１７１、第３延出部１７４及び第４延出部１７５を含むが、第３延出部１７４及び第４延出部１７５の位置及び形状が限定されておらず、第３延出部１７４は、火炎及び高温粒子５が鉛直方向（矢印ｚで示される方向）に沿って上に噴き出されることを防止することに用いられ、第４延出部１７５は、火炎及び高温粒子５が鉛直方向（矢印ｚで示される方向）に沿って下に噴き出されることを防止することに用いられ、同様に保護の作用を果たす。火炎及び高温粒子５を遮断し、火炎及び高温粒子５が隣接する電池セルを焼損することを防止できれば、いずれも本実施例の保護範囲内に含まれる。

しかしながら、上記の防火部材１７には、種々の第１延出部１７２、第２延出部１７３、第３延出部１７４、第４延出部１７５の任意の組み合わせの可能性が排除されない。実際の応用において、最良の効果を得るように、実際の状況に応じて防火部材１７の形状、態様を調整することができ、防火部材１７は、本実施例における形状、態様に限定されない。

また、防火部材１７の融点は、５００℃以上であり、これにより、火炎は防火部材１７を溶融させることなく、防火の作用を果たす。具体的に、本実施例における防火部材１７の材質として、マイカ板が用いられ、マイカ板の融点が高い（約１７２３℃である）ため、防火部材１７の耐火需要を満足することができ、また、マイカ板は、優れた加工性能を有する。ただし、マイカ板の実施例に限定されない。

図８に示されるように、電池セル１１は、電極ユニット１１１、電池ケース１１２、電極端子接続部材１１３、カバープレート１１４及び電極端子１１５を備える。電池ケース１１２は、六面体形状又は他の形状を有してもよい。電池ケース１１２は、電極ユニット１１１及び電解液を収容する内部空間を有し、かつ、電池ケース１１２は開口を有する。電極ユニット１１１は電池ケース１１２内に収容され、カバープレート１１４は、開口を覆い、かつ電極ユニット１１１を電池ケース１１２内に封止することに用いられ、電極ユニット１１１と電極端子１１５との間は、電極端子接続部材１１３により電気的に接続されている。本実施例において、電極端子接続部材１１３は、２つあり、即ち、それぞれ正極端子接続部材１１３と負極端子接続部材１１３である。電池ケース１１２は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、又はプラスチック等の材料で製造されることができる。

電極ユニット１１１は電池ケース１１２内に収容され、電極ユニット１１１は、第１極シート１１１１と、第２極シート１１１２と、第１極シート１１１１と第２極シート１１１２との間に設けられるセパレータ１１１３とを含む。第１極シート１１１１は正極シート又は負極シートであってもよく、第２極シート１１１２の極性は第１極シート１１１１の極性と正反対であり、それに対応して、第２極シート１１１２は、負極シート又は正極シートである。そのうち、セパレータ１１１３は、第１極シート１１１１と第２極シート１１１２との間に介在する絶縁体である。電極ユニット１１１は、巻回型構造であってもよいし（図９に示されるように）、積層シート型構造であってもよい（図１０に示されるように）。

第１極シート１１１１を正極シートとし、第２極シート１１１２を負極シートとして例示的に説明する。同様に、他の実施例において、第１極シート１１１１は負極シートであり、第２極シート１１１２は正極シートであってもよい。また、正極活物質は、正極シートの塗布領域に塗布され、負極活物質は、負極シートの塗布領域に塗布されている。塗布領域から延出した未塗布領域をタブとし、電極ユニット１１１は２つのタブを含み、即ち正極タブ及び負極タブであり、正極タブは正極シートの塗布領域から延出し、負極タブは負極シートの塗布領域から延出する。正極タブと正電極端子１１５との間は正極端子接続部材１１３により電気的に接続されており、負極タブと負電極端子１１５との間は負極端子接続部材１１３により電気的に接続されている。

電池ケース１１２は、略六面体構造であり、電池ケース１１２は、２つの第１表面１１２１と２つの第２表面１１２２とを含み、第１表面１１２１の面積は、第２表面１１２２の面積よりも大きい。電池モジュール１において、各電池セル１１の２つの第２表面１１２２は水平方向（例えば、矢印ｘで示される方向の長手方向）に互いに対向し、各電池セル１１の２つの第１表面１１２１は鉛直方向（矢印ｚで示される方向）に互いに対向している。

図９及び図１０に示されるように、電極ユニット１１１が巻回型構造である場合、電極ユニット１１１は扁平状をなし、電極ユニット１１１の外面は、２つの扁平面１１１４を含み、２つの扁平面１１１４はいずれも鉛直方向（矢印ｚで示される方向）に互いに対向しており、即ち、扁平面１１１４は第１表面１１２１と互いに対向している。電極ユニット１１１は略六面体構造であり、扁平面１１１４は、巻回軸線に略平行であり、かつ面積が最も大きい外面である。扁平面１１１４は、相対的に平坦な表面であってもよく、純粋な平面である必要がない。

図１０に示されるように、電極ユニット１１１が積層シート型構造である場合、第１極シート１１１１、セパレータ１１１３及び第２極シート１１１２は鉛直方向（矢印ｚで示される方向）に積層され、即ち、第１極シート１１１１の表面は第１表面１１２１と互いに対向している。

電極ユニット１１１は、充放電過程において必ず第１極シート１１１１の厚さ方向に沿って膨張する（巻回型構造の電極ユニット１１１では、扁平面１１１４に垂直な方向に沿う膨張力が最大である。積層シート型構造の電極ユニット１１１では、第１極シート１１１１及び第２極シート１１１２の積み重ね方向に沿う膨張力が最大である）。

本実施例では、電極ユニット１１１として、巻回型構造又は積層シート型構造を選択してもよい。電極ユニット１１１が巻回型構造である場合、扁平面１１１４は鉛直方向（矢印ｚで示される方向）に向けられる。電極ユニット１１１が積層シート型構造である場合、第１極シート１１１１及び第２極シート１１１２は鉛直方向（矢印ｚで示される方向）に積層される。これから分かるように、電極ユニット１１１には巻回型構造が採用されても積層シート型構造が採用されても、電極ユニット１１１が電池ケース１１２に印加する最大膨張力の方向は、いずれも鉛直方向に向けられている。

従来技術では、電池モジュール１の電池セル１１では、電極ユニット１１１が電池ケース１１２に印加する最大膨張力の方向は、いずれも水平方向に向けられている。電池モジュール１の水平方向に沿うサイズが鉛直方向のサイズよりもはるかに大きいため（例えば、車両のシャーシの高さのサイズの制限により、より多くの電池セル１１を水平方向に沿って積み重ねる必要があり、膨張力が大きく累積する）、従来の電池モジュール１が水平方向において受ける膨張力が非常に大きい。そのため、電池モジュール１の水平方向の両側に非常に厚いエンドプレートを設けて膨張力に抵抗する必要がある。しかし、エンドプレートを厚くすると、電池モジュール１のエネルギー密度が低下してしまう。これに対して、本実施例では、電極ユニット１１１が電池ケース１１２に印加する最大膨張力の方向は、鉛直方向に向けられており、鉛直方向において積み重ねられる電池セル１１の個数が少なく、そのため、従来技術と比べて、電池モジュール１の最大膨張力を大幅に低減することができる。

また、電池セル１１では、充放電過程において電池ケース１１２の内部にもガスを発生させるため、発生したガスは電池ケース１１２に作用力を印加して、電池ケース１１２の外への膨張を激化させる。本願の第１表面１１２１の面積が第２表面１１２２の面積よりも大きく、電池セル１１における２つの第１表面１１２１が鉛直方向に互いに対向するため、発生したガスが電池ケース１１２に印加する最大作用力の方向も鉛直方向に向けられている。従来技術と比べて、電池モジュール１の最大膨張力をさらに低減する。

一つ又は複数の実施例は、対応する添付の図面における図で例示的に説明されるが、これらの例示的な説明は、実施形態を限定するものではなく、添付の図面における同じ参照番号を持つ部品は類似の部品を表し、特に断りのない限り、添付の図面における図は比例上の制限を形成しない。

Claims (7)

1. 電池モジュールにおいて、
   上蓋（１３）と、
   下蓋（１４）と、
   複数の電池セル（１１）及び前記複数の電池セル（１１）に電気的に接続される複数のバスバー（１２）とを含む電池セル配列構造（１０）であって、前記上蓋（１３）と前記下蓋（１４）との間に設置されており、そのうち、前記電池セル配列構造（１０）の各前記電池セル（１１）のいずれにも防爆弁（１１６）が設けられた電池セル配列構造（１０）と、
   前記下蓋（１４）に対して鉛直に設置され、前記電池セル配列構造（１０）に沿って延在し、かつ、前記いずれの防爆弁（１１６）にも対向する防火部材本体（１７１）及び前記防火部材本体（１７１）の前記上蓋（１３）側の上端に接続され、前記電池セル配列構造（１０）に接近する方向へ延びる延出部（１７２，１７３，１７４）を有する防火部材（１７）と、
   前記電池セル配列構造（１０）の前記下蓋（１４）側に設置されており、消火剤を貯留することができる流体通路が設けられている消火部材（１８）と、を有し、
   前記電池モジュール（１）は、２つ以上の前記電池セル配列構造（１０）を備え、そのうち、１つの前記電池セル配列構造（１０）は、第１電池セル配列構造（１０１）であり、前記第１電池セル配列構造（１０１）に隣接するもう一つの前記電池セル配列構造（１０）は、第２電池セル配列構造（１０２）であり、
   前記第１電池セル配列構造（１０１）の前記防爆弁（１１６）と前記第２電池セル配列構造（１０２）の前記防爆弁（１１６）はいずれも前記防火部材本体（１７１）に対向しており、前記防火部材（１７）は、前記第１電池セル配列構造（１０１）の前記防爆弁（１１６）と前記第２電池セル配列構造（１０２）の前記防爆弁（１１６）との間に位置する、
   電池モジュール。
2. 前記延出部は、第１延出部（１７２）を含み、前記第１延出部（１７２）は前記第１電池セル配列構造（１０１）に接近する方向へ延びている、
   請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記延出部は、第２延出部（１７３）をさらに含み、前記第２延出部（１７３）は前記第２電池セル配列構造（１０２）に接近する方向へ延びている、
   請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記防火部材本体（１７１）、前記第１延出部（１７２）及び前記第２延出部（１７３）は、一体構造となっている、
   請求項３に記載の電池モジュール。
5. 前記延出部は、第３延出部（１７４）を含み、前記第３延出部（１７４）は前記電池セル（１１）に接近する方向へ延びており、及び／又は、
   前記防火部材（１７）は、前記防火部材本体（１７１）の下蓋側の下端に接続される延出部（１７５）をさらに含み、前記防火部材本体（１７１）の下蓋側の下端に接続される前記延出部（１７５）は前記
   電池セル（１１）に接近する方向へ延びている、
   請求項１に記載の電池モジュール。
6. 前記防火部材（１７）の融点は、５００℃以上である、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
7. 電池パックであって、
   収容箱と、
   前記収容箱内に設置された複数の請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電池モジュール（１）と、を備える、
   電池パック。