电池块的制作方法

专利名称：电池块的制作方法
技术领域：
本发明涉及在电池盒中收纳有多个电池的电池块。
背景技术：
在电池盒中以能够以规定的电压输出规定的电流的方式收纳了多个单元电池的电池块作为各种设备、车辆等的电源被广泛使用。其中，开始采用使电池块模块化并根据用途组合模块的技术。并且，通过使上述单元电池高性能化，实现上述模块本身的小型及轻量化。通过上述单元电池的高性能化，提高组装电池块时的操作性。另外，通过组合上述模块的技术，获得在车辆等有限的空间中的电源配置的自由度提高等优点。另一方面，伴随二次电池的高性能化，除了确保单元电池本身的安全性以外，确保上述模块的安全性也变得重要。特别是在上述模块中，若由单元电池的内部短路等引起的 异常发热的热量传递到其他单元电池，则有时正常的单元电池的特性也恶化，引起异常发热。其结果，有时会引起所收纳的单元电池的连锁性的劣化或异常。对于这种问题，在专利文献I中，提出了如下方法在用于收纳二次电池的、由热传导性的多个筒构成的电池盒中，为了防止热失控(thermalrunaway)而设置与上述筒一体成形的塑料制的壁。在该方法中，上述壁隔断由异常发热的二次电池向配置于其旁边的二次电池的辐射热。图17是表示记载于专利文献I的以往的电池块的热移动的示意图。在图17中，1A、1B都是二次电池。3是用于防止热失控的塑料制的壁。壁3的表面与二次电池1A、1B的表面的间隙为O. 5mm以下。二次电池1A、1B的表面与壁3的表面接触。形成壁3的塑料的热传导率是0.05W/(m*K)以上且3W/(m*K)以下。壁3的厚度是
O.5mm以上且3mm以下。在上述电池块中，由二次电池IA向二次电池IB的辐射热被壁3隔断。另一方面，壁3通过将二次电池IA产生的热量传导至二次电池IB而放出该热量。这样防止相邻的二次电池的热失控。另外，已知在从单元电池到电池盒的热量的吸收方面进行改进的电池块。例如已知以下电池块与电池盒的周缘部的列的部分的壁厚相比，所述电池盒的中央部的列的部分的壁厚更厚的电池块(例如，参照专利文献2);规定了收纳于电池盒的相邻的单元电池间的距离与所述单元电池的直径的关系的电池块(例如，参照专利文献3及4);以及通过具有大的热容量的电池盒吸收从单元电池产生的热量的电池块(例如，参照专利文献5)。另外，已知在从电池盒的热量的放出方面进行改进的电池块。例如已知以下电池块在电池盒的外面具有散热层的电池块，该散热层具有比所述电池盒高的散热性(例如，参照专利文献6);在电池盒与单元电池之间具备了有热传导性的层的电池块(例如，参照专利文献7及8);以及通过使电池盒的中央部的壁厚更薄来提高中央部的散热性的电池块(例如，参照专利文献9)。专利文献I :(日本)特开2006-339017号公报专利文献2 :(日本)特开2011_049011号公报
专利文献3 :(日本)特开2006-222066号公报专利文献4 :美国专利申请公开第2006/0159984号说明书专利文献5 :美国专利申请公开第2010/0151308号说明书专利文献6 :(日本)特开2009-266773号公报专利文献7 :(日本)特开2004-146161号公报专利文献8 :美国专利第7019490号说明书专利文献9 :美国专利申请公开第2010/0028765号说明书但是，在市场上，特别期望作为车辆用电源的二次电池的容量进一步增加。若二次电池的容量进一步增加，则异常发热时的二次电池的发热量进一步增加。在构成为通过配 置于旁边的二次电池吸收异常发热的二次电池的热量的以往的电池块中，二次电池的容量进一步增加了的情况下，难以充分地吸收异常发热产生的二次电池的热量。其结果是，相邻的二次电池发生热失控的危险性进一步提高。另外，其他以往的电池块在收纳的单元电池的容量进一步增加的情况下，也可能无法充分防止热失控的连锁发生。

发明内容
本发明是鉴于上述情况而设立的。本发明的问题在于，提供收纳具有更高容量的单元电池并且即使所述单元电池异常发热时也防止所述单元电池的连锁性的劣化或异常的电池块。解决问题的方案 为了解决上述问题，本发明提供以下所示的电池块。[I]电池块，包括具有多个孔的金属制的电池盒；以及收纳于所述孔的多个单元电池，在设所述单元电池与所述电池盒之间的热传导系数为K1，设相邻的两个所述孔间的所述电池盒的最小壁厚部的热传导系数为K2，并且设室温的基准电池的异常发热温度与使室温的基准电池异常发热的周围温度之比为K3时，所述电池盒具有满足K2/K1 ^ K3-1的关系的所述最小壁厚部。[2]如[I]所述的电池块，多个所述孔的配置是交错配置，所述单元电池的形状是圆柱，在设所述基准电池的电池容量为AO (Ah)，设室温的所述基准电池的异常发热温度为Tl⑷，设使室温的所述基准电池异常发热的周围温度为T2 (K)，设所述单元电池的电池容量为A (Ah)，设所述单元电池的外径为D (m)，设所述单元电池与所述孔的内周壁之间的传热系数为a (ff/(m2 · K))，设所述电池盒的热传导率为λ (ff/(m · K))，并且设所述最小壁厚部分的厚度为X (m)时，满足下述式I的关系式X 彡 O 2X a XD2)/(36X λ )
(式 I) X ((T1/T2) X (A/A0)-1) · · · · 。[3]如[I]或[2]所述的电池块，所述电池盒的周缘部的壁厚比所述电池盒的中央
部的壁厚厚。[4]如[I] [3]中任一项所述的电池块，所述电池盒具有周缘部的一列为η个的m列所述孔，所述电池盒的周缘部的热容量是2X (n+m+1)个所述单元电池的热容量。[5]如[I] [4]中任一项所述的电池块，所述电池盒的周缘部的、所述孔的轴向上的中央部的壁厚比在所述轴向上的端部的壁厚厚。[6]如[I] [5]中任一项所述的电池块，所述单元电池包含电极组， 所述孔的长度比所述电极组的长度长，至少所述电极组的整体被收纳于所述孔。[7]如[I] [6]中任一项所述的电池块，所述电池盒由多个具有所述孔的圆形或多边形的筒互相接合而构成。[8]如[7]所述的电池块，还包括凸部，其配置于所述筒的外壁；以及凹部，其配置于所述筒的外壁，且能够与所述凸部嵌合。[9]如[I] [8]中任一项所述的电池块，所述孔的形状是多边形，所述孔以相邻的所述孔的形状中的角相对的方式配置。[10]如[I] [9]中任一项所述的电池块，所述电池盒的周缘部的所述孔的开口面积比所述电池盒的中央部的所述孔的开口面积大。[11]如[I] [10]中任一项所述的电池块，所述电池盒由铝合金制成。[12]如[I] [11]中任一项所述的电池块，所述电池盒由以不同的金属材料制成的两种以上的部件构成。[13]如[I] [12]中任一项所述的电池块，还包括覆盖所述电池盒的外表面的绝缘层。在所述电池块中，根据所述单元电池的容量恰当地保持所述电池盒的热传导率与最小壁厚的平衡。因此，即使在高容量的单元电池异常发热的情况下，也能够释放从单元电池产生的热量，以不诱发其相邻的单元电池的异常发热。本发明的电池块即使在收纳了具有较高容量的单元电池，且所述单元电池异常发热时，也能够防止所述单元电池的连锁性的劣化或异常。


图I是表示本发明实施方式I的电池块的图，(a)是示意地表示电池块的立体图，(b)是示意性地表示电池块的俯视图。图2是示意地表示本发明实施方式I的电池块的俯视放大图。图3是表示本发明实施方式I的电池块的图，(a)是电池块的长边侧周缘部的放大图，(b)是电池块的短边侧周缘部的放大图，(C)是电池块的角部的放大图。图4是表示基准电池的异常发热时的温度变化的图。图5是表示改变了基准电池的环境温度时的温度变化的图。图6(a)是表示构成本发明实施方式I的电池盒的圆筒状的芯材的图，(b)是表示电池盒制造时的圆筒状的芯材的配置的图。图7是示意性表示本发明实施方式2的电池块的俯视放大图。图8(a)是表示构成本发明实施方式2的电池盒的六角筒状的芯材的图，(b)是表示电池盒制造时的六角筒状的芯材的配置的图。图9(a)是构成本发明实施方式3的电池盒的四角筒状的芯材的图，(b)是电池盒制造时的四角筒状的芯材的配置的图。图10是示意地表示本发明实施方式4的电池块的俯视图。图11是示意地表示本发明实施方式5的电池块的侧视图。图12是本发明实施方式6的电池决的单元电池插入部的放大图 。图13是示意地表示本发明实施方式7的电池块的俯视放大图。图14是本发明实施方式8的电池盒的俯视图。图15是示意地表示本发明实施方式9的电池块的俯视图。图16是示意地表示本发明实施方式10的电池块的侧视图。图17是表示以往的电池块中的热移动的示意图。图18是表示传热系数α的测定装置的概略的图。标号说明1Α、IB 二次电池3 壁101、101A、101B、101C 单元电池102电池盒102a、116、117A、117B 孔102b最小壁厚部102A 周缘部103贯通孔IO4圆筒件105、109、111 芯材106连接层107保持框108六棱柱件110四棱柱件112 凸部113 凹部114 外框115电极组116A 顶点部116B 边部118 部件119、120 板件131单元电池的壳体
132加热器D单元电池的外径Dl孔117A的内径D2孔117B的内径ml、m2 测定点X最小壁厚部的厚度
具体实施例方式本发明的电池块包括电池盒和单元电池。上述电池盒是金属制的。上述电池盒具有用于收纳单元电池的多个孔。上述孔可以是贯通孔，也可以是有底的孔。多个上述孔的 配置可以是规则整齐的配置，也可以是不规则的配置。所谓上述孔的规则整齐的配置，例如是格子配置或交错配置。上述电池盒能够通过将具有上述孔的筒的外周壁彼此接合而构成。或者上述电池盒能够通过重叠具有成为上述孔的多个开口的板状部件而构成。或者上述电池盒能够通过在金属块上掘凿多个上述孔而构成。上述电池盒包含最小壁厚部。上述最小壁厚部是在沿着上述孔的轴向观察上述电池盒时上述电池盒中的上述孔的周围的、壁厚最小的部分。上述最小壁厚部例如是上述孔彼此之间的部分。另外，在上述电池盒具有上述孔以外的其他孔时，可以是上述孔与上述其他孔之间的部分(图2、图6(b)、图8(b)、图9(b)及图13中的标号X)。上述电池盒具有满足以下关系的上述最小壁厚部。K2/K1 彡 K3-1—般而言，通过将两点间的传热路径上的传热系数(单位W/(m2 · K))、该传热路径的截面面积(单位m2)、以及两点间的温度差(单位K)相乘，可以求出两点间的传热量。上述传热系数表示上述传热路径上的每单位截面面积的热量的传递容易度(单位W/(m2 ·Κ))。上述传热路径形成于同一物质的部件中时，上述传热系数通过用该传热路径的长度(单位m)除以构成上述传热路径的材料的热传导率(单位W/(m · K))而求出。上述传热路径形成于两种物质(例如金属部件与空气等)之间时，通过实验或计算可以求出上述传热系数。热传导系数表示两点间的传热路径的热量的传递容易度(单位W/K)。通过将上述传热系数与上述传热路径的截面面积相乘，可以求出上述热传导系数。Kl是上述单元电池与上述电池盒之间的热传导系数。Kl表示上述单元电池与上述电池盒之间的热量的传递容易度(图2中的实线的波浪线箭头)。Kl通过将电池盒与单元电池之间的传热系数和上述孔的内周壁的面积相乘,可以求出KI。K2是相邻的两个上述孔间的、上述电池盒的上述最小壁厚部的热传导系数。K2表示从上述单元电池传递到上述电池盒的热量的、在上述电池盒中的传递容易度(图2中的虚线的波浪线箭头)。K2通过用上述电池盒中传递的热量的传热路径的长度除上述电池盒的材料的热传导率，并乘以位于离连接相邻的两个上述孔间的直线最近处的上述最小壁厚部的截面面积而求出。K3是室温的基准电池的异常发热温度与使室温的基准电池异常发热的周围温度之比。上述基准电池是与被收纳的上述单元电池相同种类的电池。“室温的基准电池的异常发热温度”是从室温起异常发热时的上述基准电池的峰值温度。“室温的基准电池的异常发热温度”通常通过防爆装置中的穿刺测试而求出，其中包括用热电偶等测量上述基准电池的表面温度的方法。上述穿刺测试遵照在电池工业会指南SBA G1101-1997 “锂二次电池安全性评价基准准则”中记载的方法。以下示出上述穿刺测试的条件的一例。在上述基准电池为二次电池时，利用完全充电(100%充电)的上述基准电池。从横断上述基准电池的轴的方向用钉贯通上述基准电池的中央。上述钉的直径是
2.5 5. 0mm。贯通后，将上述基准电池放置6小时以上。图4是表示电池容量为AO (Ah)的基准电池的穿刺测试中的、基准电池的温度的经时性变化的一例的曲线。横轴表不自被钉刺的时间点起的时间。纵轴表不基准电池的表面
温度。图4中的纵轴的原点是室温(例如27°C )。根据图4，基准电池的温度在数十秒内上升到T1，之后在数分钟内降低。即，基准电池上升到T1的热量在数十秒间产生。图4中的T1是“室温的基准电池的异常发热温度”。“使室温的基准电池异常发热的周围温度”是使基准电池的周围温度逐渐上升时的基准温度的温度变化的拐点的温度。通过在测定基准电池的表面温度的同时使收纳上述基准电池的恒温槽内部的温度逐渐(例如以(O. I O. 5) °C /秒)上升，可以求出“使室温的基准电池异常发热的周围温度”。图5是表示使电池容量为AO (Ah)的基准电池的环境温度匀速上升时的、基准电池的表面温度的变化的一例的曲线。横轴表示时间。纵轴表示基准电池的表面温度。图5中的纵轴的原点是室温(例如27°C )。根据图5，初期，基准电池的表面温度相应于环境温度的上升而上升。基准电池的表面温度达到T2时急剧上升。这样，发生异常发热。图5中的T2是“使室温的基准电池异常发热的周围温度”。如图2所示，来自异常发热的单元电池的热量向相邻的单元电池传递。另外，来自异常发热的单元电池的热量在电池盒内传递。并且，根据图4及图5可知，使单元电池的表面温度为T2的量的热量向单元电池传递后，有时发生单元电池的异常发热。因此，需要将某一单元电池升温到Tl时的热量向相邻的单元电池以外释放、或者由相邻的单元电池以外吸收，以使该热量为使上述相邻的单元电池升温到T2的热量以下。更具体而言，使Kl在(K1+K2)中所占的比例为1/K3以下(即K2/K1彡K3_l)。由此，向相邻的单元电池传递的热量被抑制为诱发异常发热的热量以下。具体而言，Κ2由上述最小壁厚部的厚度决定。因此，通过恰当地决定上述最小壁厚部的厚度，能够满足上述的关系 “Κ2/Κ1 彡 Κ3-1”。出于提高上述单元电池的收纳密度的观点，上述最小壁厚部的厚度优选在满足“Κ2/Κ1彡Κ3-1”的范围内较小。另外，出于提高上述单元电池的收纳密度的观点，较为理想的是，上述孔与上述单元电池之间的间隙优选在满足“Κ2/Κ1 3Κ3-1”的范围内较小。并且，出于提高上述单元电池的收纳密度的观点，较为理想的是，每单位面积的上述孔的开口面积优选在满足“Κ2/Κ1 ^ Κ3-1”的范围内较大。上述电池盒在满足“Κ2/Κ1彡Κ3-1”的范围内，还可以包含上述的结构以外的其他结构。作为这种其他结构，例如可以举出适当地设置电池盒的局部壁厚的薄厚的结构、由不同金属材料制成的两种以上的部件构成的结构、以及覆盖电池盒的外表面的绝缘层。上述单元电池例如是具有电极组的通常的二次电池。上述电极组卷绕或层叠正极板、负极板以及配置于上述正极板与上述负极板之间的绝缘层。以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。(实施方式I)利用图I至图6说明本发明实施方式I。首先，用图I说明实施方式I的电池块的结构。图1(a)是示意地表示本发明实施方式I的电池块的立体图，图1(b)是从上方观察图1(a)的电池块的图。
在图I (a)及图1(b)中，101是圆柱形状的单元电池。单元电池101的电池容量是A(Ah)。单元电池101的外径是D(m)。102是收纳单元电池101的电池盒。电池盒102由周缘部102A和位于其内侧的中央部构成。上述中央部配置有多个圆形的孔102a。孔102a具有能够使单元电池101容易地插入的程度的大小。为了提高电池块的体积能量密度(作为模块的每单位体积的电气容量)，多个孔102a的配置是交错配置。另外，电池盒102的周缘部102A比电池盒102的中央部的壁厚厚(图1(b))。与周缘部102A相邻的孔102a沿着电池盒102的长边方向为η个，沿着电池盒102的短边方向为m个。周缘部102A具有相当于2X (n+m+1)个单元电池的热容量(图3(a) 图3(c))。另外，在电池盒102的孔102a之间设置有多个贯通孔103。贯通孔103为了使电池盒102轻量化而设置，具有大致三角形的剖面形状。贯通孔103并不必须贯通电池盒102。如图2所示，电池盒102在孔102a与贯通孔103之间具有最小壁厚部102b。最小壁厚部102b的厚度是X(m)。通过以下的式I可以求出最小壁厚部102b的厚度x。X 彡 O 2X a XD2)/(36X λ )(式 I) X ((Τ1/Τ2) X (A/AO)-I) · · · ·通过将本实施方式的条件应用于上述的关系“K2/K1彡K3-1”，可以导出式I。如图2所示,从异常发热的单元电池发出的热量从X点起向Π点及Y2点在电池盒102中传递。从异常发热的单元电池IOlA发出的热量在电池盒102中传递期间，也向单元电池IOlB传递。因此，通过从X点起到Yl点为止的电池盒102的部分，以及从X点起到Y2点为止的电池盒102的部分的各自的热传导系数，能够表示向相邻的单元电池IOlB传递的热量。此外，在图2中，X点表示位于单元电池IOlA与单元电池IOlB之间的两个贯通孔103间的中间地点。Yl点及Y2点分别是单元电池IOlB与单元电池IOlC的中间地点并且表示位于单元电池IOlB与单元电池IOlC之间的两个贯通孔103、103间的中间地点。单元电池IOlC表示与单元电池IOlB相邻的、单元电池IOlA以外的单元电池。首先，导出K1。将电池盒102与单元电池IOlB之间的传热路径的传热系数和上述传热路径的截面面积相乘，从而求出K1。在上述传热路径中，存在单元电池10IB与孔102a的内周面之间的间隙的空气、以及电池盒102的材料这两种物质。因此，通过实验或计算，求出单元电池IOlB与电池盒102之间的传热系数a (ff/(m2 · K))。上述传热路径的截面面积，是收纳单元电池IOlB的孔102a的内周壁中的、传递来自单元电池IOlA的热量的部分的上述内周壁的长度(La)与孔102a的轴向上的长度之积。但是，在本实施方式的电池块中，孔102a的轴向上的长度及在上述轴向上的电池盒102的长度全部恒定。因此，以后，省略孔102a的长度及电池盒102的长度来构筑算式。在假定从单元电池101发出的热量的传递距离都相同时，传递从单元电池IOlA向单元电池IOlB发出的热量的上述内周壁的部分的长度La是从Yl点起到Y2点为止的圆弧的长度。单元电池101的外径是D(m)。连结Yl点及单元电池IOlB的中心的直线与连结Y2点及单元电池IOlB的中心的直线所成的角是120°。因此，上述传热路径的截面面积求出为“π XD/3”。因此，成为Kl = α X Ji XD/3(I)。接着，导出Κ2。Κ2是通过用从单元电池10IA起不向单元电池10IB传递而向电池盒102传递时的热量的传热路径的长度，除电池盒102的热传导率除，并进一步乘以传热路径的截面面积而求出的。设电池盒102的热传导率为λ (ff/(m · K))。
上述传热路径是从X点起到Yl点为止的传热路径和从X点起到Y2点为止的传热路径这两条。根据单元电池101的外径为D(m)，并且连结Yl点和单元电池IOlB的中心的直线与连结Y2点和单元电池IOlB的中心的直线构成的角为120°，求出一条上述传热路径的长度为“ n XD/6”。因为省略单元电池101的轴向上的电池盒102的长度，所以上述传热路径的截面面积是最小壁厚部102b的宽度x(m)。一条上述传热路径的热传导系数为“6X λ Χχ/(π XD)”。上述热传热路径有两条。因此，成为Κ2 = 12Χ λ Xx/( Ji XD)(2)。接着，导出Κ3。由于因单元电池内部的材料的熔解导致的短路或热反应，引起上述异常发热。异常发热时的发热量与单元电池的电极材料的量即电池容量成正比。因此，异常发热的单元电池的温度与单元电池的电池容量与基准电池的电池容量之比成正比。产生异常发热的周围温度取决于电极材料的物性，不取决于电极材料的量。室温的上述基准电池的异常发热温度为Tl (K)。使室温的上述基准电池异常发热的周围温度是Τ2(Κ)。单元电池101的电池容量是A(Ah)。设上述基准电池的电池容量为AO (Ah) ο因此,成为Κ3 = (Τ1/Τ2) X (Α/Α0) (3)。将上述的式(I) (3)的Κ1、Κ2、Κ3分别代入上述的式“Κ2/Κ1彡Κ3-1”。于是，导出上述式I。最小壁厚部102b的厚度x(m)越大，在电池盒102中热量越容易传递。但是，上述X大到一定程度后，电池盒102A中的热传递促进效果达到顶点。根据这种理由，在本实施方式中，上述X优选为O. 2D以下。另外，出于提高单元电池101的收纳密度的观点，较为理想的是，孔102a的内径与单元电池101的外径之差优选为O. 2mm以下。接着，用图2和图3说明在本实施方式的电池块中单元电池101异常发热时的热
量的流动。图2是表示在图I所示的电池块中在一个单元电池上发生了异常发热时的热量的流动。在图2中，IOlA是异常发热的单元电池，IOlB是与单元电池IOlA相邻的单元电池。实线的波浪线箭头表示从单元电池IOlA向相邻的单元电池IOlB传递的热量的流动，虚线的波浪线箭头表示在电池盒102中传递的热量的流动。在单元电池异常发热时，由于单元电池的表面附近处的内部短路等，有时发生不平衡的发热。在此情况下，对相邻的单元电池带来的热量最大。图2表示单元电池IOlA内部的、离单元电池IOlB近的部分发生了异常发热的情况。如波浪线箭头所示，从异常发热的单元电池102A发出的热量主要向单元电池IOlB传递，在单元电池IOlB及其周围的电池盒102中传递而扩散。在本实施方式的电池块中，根据上述式I可以求出电池盒102的最小壁厚部102b的厚度X。如果使X更大，则与从单元电池IOlA到单元电池IOlB的传热路径的热阻相比，从单元电池IOlA穿过最小壁厚部102b扩散到电池盒102的热的传热路径的热阻相对变小。因此,从单元电池IOlA发生的热量中的、在电池盒102中传递的热量充分增加。由此，向单元电池IOlB传递的热量变少。因此，单元电池IOlB的异常发热不会发生。因此，能够防止单元电池101间的连锁性的劣化及连锁性的异常。 图3(a)是图1(b)所示的电池块的长边侧的周缘部的放大图。图3(b)是图1(b)所示的电池块的短边侧的周缘部的放大图。图3(c)是上述长边侧的周缘部与上述短边侧的周缘部的角部的放大图。图3(a)至图3(c)分别表示配置于与上述周缘部相邻的位置的单元电池在偏向离上述周缘部近的部分的位置发生异常发热时的热量的流动。图3(a)至图3(c)分别在与单元电池IOlB的热容量同等的范围处从表面上分割周缘部102A而表示。周缘部102A根据来自单元电池IOlA的热量的流动而分割。如图3(c)所示，相对于长边侧的单元电池数n，长边侧的周缘部102A的分割数为n+1个。另外，相对于短边侧的单元电池数m，短边侧的周缘部102A的分割数为m个。即，周缘部102A整体的热容量相当于2X (n+m+1)个单元电池。通过采用这种结构，即使在偏向周缘部102A的位置处的单元电池101异常发热时，与异常发热的单元电池IOlA的相邻的单元电池IOlB同样，周缘部102A能够吸收热。因此，能够实现稳定的热扩散。此外，例如金属适合电池盒102的材料。因为热传导性高、加工性好、轻量，因而尤其优选铝合金。并且，也可以是热传导性高的铜。另外，配置的单元电池的数和单元电池的列数不限于图I所示的形态。说明具体的实施例。假设将外径D为18mm，电池容量A为2. 6Ah的单元电池插入以热传导率λ为200W/(m · K)的铝合金形成的电池盒的孔中来构成电池块。通过实验的测量而求出的、单元电池与电池盒之间的传热系数α是300W/(m2 · K)。传热系数α根据图18所示的测定装置求出。首先，在电池盒102的孔102a中插入空的单元电池的壳体131，在单元电池的壳体131中插入加热器132。接下来，通过加热器132从单元电池的壳体131的内侧对单元电池的壳体131进行加热。然后，以热电偶测定单元电池的壳体131上的测定点ml的温度tl [K]，以热电偶测定电池盒102上的测定点m2的温度t2 [K]，另外以热通量计测定测定点m2的热通量Q[W/m2]。将获得的测定值代入以下的算式，求出传热系数α。
传热系数α = Q/(tl_t2)另外，进行基准电池的穿刺测试及加热测试。其结果是，基准电池的从室温起的异常发热温度Tl是370°C。另外，基准电池从室温达到异常发热的周围温度T2是140°C。此外，通过上述的实验可知，T2为Tl的约四成的热量时，诱发相邻的单元电池的异常发热。将以上的条件应用于上述式1，求出电池盒的最小壁厚部的厚度，结果为O. 22mm。因此，使最小壁厚部的厚度为O. 4mm，制作电池盒102，并制作实施方式I的电池块。并且，在电池盒102内使单元电池101发生异常发热时，确认了异常发热的单元电池IOlA的相邻的单元电池IOlB未发生异常发热。本实施方式的电池块包含具有根据式I求出的厚度X的最小壁厚部。因此，能够将来自异常发热的单元电池的热量快速地分散到模块整体，而不会诱发相邻的单元电池的异常发热。接着，用图6说明实施方式I的电池盒的制造方法。准备图6(a)所示的圆筒件104。圆筒件104由金属制的圆筒状的芯材105和覆盖其外表面的连接层106构成。连接层106由熔点比芯材105低的金属材料构成。接下来，如图6(b)所示，在保持框107中堆积圆筒件104。所堆积的圆筒件104互相接触，并配置成交错形状。接下来，在保持交错配置的状态下，以芯材105的熔点与连接层106的熔点间的温度用加热炉等对圆筒件104加热，从而仅熔解连接层106来将圆筒件104互相接合。例如，圆筒件104是硬钎焊件(销售品)。上述硬钎焊件具有铝合金A3003.的厚度为Imm的芯材和其外表面上的作为焊料的铝合金A4243的厚度为O. Imm的层。堆积成交错形状的上述硬钎焊件在氮气环境或真空中在610°C下保持5分钟。通过该加热，仅作为连接层106的铝合金A4243熔解，上述硬钎焊件的接触的部分互相接合。在本实施方式的方法中，使圆筒件104横向搁置而堆积，并互相接合。为此，能够容易地将圆筒件104配置成交错形状。另外，能够高精度地维持圆筒件104的交错配置。在本实施方式中，利用焊料作为连接层106，但也可以利用树脂等其他材料的层。通过本实施方式的方法，能够以较低的成本制造上述的本实施方式的电池块的电池盒。(实施方式2)用图7说明实施方式2。图7是实施方式2的电池块的、异常发热的单元电池IOlA附近的俯视放大图。 本实施方式的电池块除了不具有贯通孔103以外，是与实施方式I相同的结构。本实施方式的电池盒102的最小壁厚部102b的厚度X为单元电池IOlB与单元电池IOlC间的壁厚。本实施方式中的最小壁厚部102b的厚度X也与实施方式I同样，根据上述式I求出。本实施方式的电池盒102与实施方式I的电池盒相比，能够使单元电池间的距离进一步变窄而配置。因此，能够进一步提高电池块的体积能量密度。并且，与实施方式I同样，能够将来自异常发热的单元电池的热量快速地分散到模块整体，而不诱发相邻的单元电池的异常发热。用图8说明实施方式2的电池盒的制造方法。首先准备图8(a)所示的六棱柱件108。六棱柱件108由具有圆形的孔102a的六边形的筒即芯材109以及覆盖芯材109外表面的连接层106构成。芯材109的材料例如是铝合金。连接层106例如是焊料层。接着，如图8(b)所示，将多个六棱柱件108重叠多段。在重叠六棱柱件108时，与实施方式I同样地以保持框进行整理。接下来，以加热炉等对重叠的六棱柱件108加热，仅熔解连接层106。通过该加热，六棱柱件108互相接合，形成电池盒 102。在该制造方法中，六棱柱件108的侧面彼此相接，由此规定六棱柱件108的位置。 并且，能够使插入单元电池101的多个孔102a配置成交错状。此外，本实施方式的电池盒也能够通过金属的挤压成型、切削加工、放电加工等制造。本实施方式的制造方法与这些其他方法相比，能够以更低的成本制造电池盒102。(实施方式3)用图9说明实施方式3。图9是表示实施方式3的电池盒的制造方法的图。图9(a)表示能够插入一个单元电池的棒材的四棱柱件110，图9(b)是沿着单元电池的插入方向观察重叠了多个四棱柱件110的电池盒的侧视图。如图9(a)所示，四棱柱件110由具有圆形的孔102a的四边形的筒即芯材111、沿芯材111的长边方向形成于一对侧壁各自的中央的凸部112、沿芯材111的长边方向切去四个侧缘所形成的凹部113以及覆盖芯材111的外表面的连接层106。形成凹部113，以使通过并排两个四棱柱件110而合体的两个凹部113与凸部112嵌合。如图9(b)所示，重叠四棱柱件110。此时，四棱柱件110的侧面彼此相接。另外，位于四棱柱件110的侧壁的中央的凸部112与在并排的两个四棱柱件110之间形成的凹部113互相嵌合。这样，四棱柱件110配置成交错状。与实施方式I同样地，以保持框整理重叠的四棱柱件110。接下来,通过以加热炉等加热熔解连接层106，来将四棱柱件110互相接合。这样形成电池盒102。在该制造方法中，通过凸部112和凹部113嵌合来规定四棱柱件110的位置。并且，能够使插入单元电池101的孔102a配置成交错状。(实施方式4)用图10说明实施方式4。图10是示意地表示实施方式4的电池块的俯视图。114是以与电池盒102不同种类的材料构成的、收纳电池盒102的外框。本实施方式的电池块除了周缘部102A包含外框114以外，与实施方式I同样地构成。孔102a在电池盒102上配置成横向η个纵向m个时，外框114具有2X (n+m+1)个单元电池的热容量。外框114的材料例如是树脂或镁合金
等金属材料等。在使用电池块作为电源时，尤其在需要使多个电池块连结以输出高电压、大电流时，存在触电、短路引起的起火等危险性。因此，需要电池块绝缘。在此情况下，作为外框114的材料，树脂等绝缘体很有效。在此情况下，形成覆盖电池盒102外表面的绝缘层。另外，对于作为汽车用电源的电池块，为了延长行驶距离，要求轻量以及具有优异的散热性。在此情况下，作为外框114的材料，低密度并且高热传导性的镁合金等很有效。本实施方式的电池块即使在与电池盒的周缘部相邻的位置的单元电池发生了异常发热时，也能够将来自异常发热的单元电池的热量快速地分散到模块整体，而不诱发相邻的单元电池的异常发热。本实施方式的电池块还包括绝缘性、轻量化、高热传导性等复合的功能。(实施方式5)用图11说明实施方式5。图11是示意地表示实施方式5的电池块的侧视图。本实施方式的电池盒102的周缘部在孔102a的轴向的两端处的厚度薄，在中央部处的厚度厚。本实施方式中的上述周缘部的热容量与实施方式I的电池盒的周缘部102A的热容量相同。本实施方式的电池块除了周缘部的形状以外，与实施方式I同样地构成。
在单元电池101发生了异常发热时，单元电池101向图中的上下方向都散热。电池盒102上的上述轴向的中央部与上述轴向的端部相比，相对地难以散热。因此，有时电池盒102的上述中央部的温度变高，电池盒102上产生温度偏差，电池性能受损。在本实施方式的电池块中，孔102a的轴向的中央部的电池盒102的热容量大。因此，来自单元电池101中央部的热量容易扩散，能够进一步降低单元电池101中央部的温度。另外，本实施方式的电池盒102在周缘部的热容量和与周缘部邻接配置的全部单元电池101的热容量相同。因此，使周缘部的中央部的厚度加厚也不发生能量密度的降低。本实施方式的电池块即使在与周缘部相邻的位置的单元电池发生了异常发热时，也能够将来自异常发热的单元电池的热量均等且快速地分散到模块整体，而不诱发相邻的单元电池的异常发热。本实施方式的电池块还能够减小孔102a的轴向上的电池盒102的
温度偏差。(实施方式6)用图12说明实施方式6。图12是实施方式6的电池块的剖视图。115是在单元电池101内部构成的电极组。电极组115在层叠并卷绕正极、负极及使正极和负极绝缘的隔膜的状态下插入圆筒壳体。图中的虚线表示电极组115的轴向上的上端的位置和下端的位置。孔102a与单元电池101的电极组115相比在轴向上长。本实施方式的电池块除了孔102a的长度如上所述确定以外，与实施方式I同样地构成。通常，由于在电极组115内发生短路等异常而发生异常发热。因此，发热在电极组115中变大。本实施方式的电池盒102存在于单元电池101的径向上的、电极组115的外侦U。这样，在本实施方式的电池盒中，电极组115整体收纳于孔102a中，所以能够使热量有效地扩散。本实施方式的电池块中，能够将来自异常发热的单元电池的热量快速且高效率地分散到模块整体，而不诱发相邻的单元电池的异常发热。(实施方式7)用图13说明实施方式7。图13是示意地表示实施方式7的电池块的俯视放大图。图13表示在孔116中插入有单元电池101的状态。本实施方式的电池块除了具有孔116以代替孔102a以外，与实施方式I同样地构成。孔116具有由六个顶点部116A和分别连结两个顶点部116A的相同长度的六个边部构成的六边形的形状。孔116以相邻的两个孔116的六边形的顶点部116A彼此相对的方式配置。单元电池101的外周面与孔116的边部116B相接，并与顶点部116A离开。因此，顶点部116A与单元电池101的间隙介于相邻的单元电池101之间。孔116是六边形。因此，在将单元电池101收纳在最稠密的配置即交错配置的孔116中时，在相邻的全部单元电池101之间，形成相同大小的间 隙。该间隙是单元电池101的外周面与孔116的顶点部116A的间隙。单元电池101在边部116B与孔116的内周壁接触，在顶点部116A不接触。因为单元电池101与边部116B接触，所以单元电池101与电池盒102之间的传热性得以确保。单元电池101与顶点部116A不接触，且以使顶点部116A彼此相对的方式配置了两个孔116，所以在连结两个孔116的直线上，顶点部116A与单元电池101的间隙有两个。因此，从某一单元电池101向相邻的单元电池101移动的热量穿过上述的两个间隙。因此，从某一单元电池101向相邻的单元电池101的热移动得以抑制。本实施方式的电池块在单元电池101异常发热时，抑制向相邻的单元电池的传热，能够使异常发热的热量快速地分散到模块整体。(实施方式8)用图14说明实施方式8。图14是实施方式8的电池块的俯视图。在图14中，电池盒102具有与电池盒102周缘部相接的孔117A和配置于其内侧即中央部的孔117B。孔117A的内径Dl比孔117B的内径D2大O. Imm左右。收纳于孔117A、117B的单元电池的外径都是D (m)。本实施方式的电池块除了孔117A的内径与孔117B的内径不同以外，采用与实施方式I相同的结构。在本实施方式的电池块中，电池盒102的周缘部的孔117A与单元电池101的间隙比中央部的孔117B与单元电池101的间隙大。因此，孔117A与单元电池101之间的热阻比孔117B与单元电池101之间的热阻大。对于电池盒102的周缘部而言，通常在与周缘部相邻的位置的单元电池发生了异常发热时，热量难以扩散，向相邻的单元电池的传热量容易变多。在本实施方式的电池块中，收纳于孔117A的单元电池与电池盒102之间的热移动相比于孔117B与电池盒102之间的热移动更受抑制。本实施方式的电池块即使是在周缘部，也能够将来自异常发热的单元电池的热量快速且高效率地分散到模块整体，而不诱发相邻的单元电池的异常发热。(实施方式9)用图15说明实施方式9。图15是示意性地表示实施方式9的电池块的俯视图。在图15中，电池盒102还具有与电池盒102的金属材料不同的金属材料的部件118。本实施方式的电池块除了还具有部件118以外，是与实施方式I同样的结构。通过在实施方式I的电池盒102的贯通孔103中充满金属材料而形成部件118。在电池盒为铝合金时，部件118的材料例如为镁合金或铜等。部件118的材料为镁合金时，获得热传导性。并且，与铝合金时相比，轻量化、耐振动性提高。另外，部件118的材料为铜时，热传导特性提高，热容量也变大。因此，从电池盒102向单元电池的传热量变小。本实施方式的电池块能够将来自异常发热的单元电池的热量快速且高效率地分散到模块整体，而不诱发相邻的单元电池的异常发热。并且，提供附加了由部件118的材料带来的特性的电池块。此外，在实施方式I的制造方法中，在堆积的多个圆筒件104的间隙插入不同种类材料的棒材，其后使连接 层106加热熔解，由此能够制造本实施方式的电池盒102。通过上述加热熔融，在连接层106与上述棒材的界面处发生合金化或化合物的形成。或者，通过热压焊接将圆筒件104与上述棒材一体化。(实施方式10)用图16说明实施方式10。图16是示意性地表示实施方式10的电池块的侧视图。在图16中，电池盒102是富于热传导性的金属制的板件119和由与板件119不同的金属材料构成的板件120的层叠构造体。本实施方式的电池块除了电池盒102是上述层叠构造体以外，是与实施方式I同样的结构。板件119的材料例如是铝合金。板件120的材料例如是实施方式9所示的、与电池盒的金属材料不同的金属材料。本实施方式的电池块与实施方式I同样，能够将来自异常发热的单元电池的热量快速且高效率地分散到模块整体，而不诱发相邻的单元电池的异常发热。并且，能够提供可获得热传导性的提高、耐振动性、轻量化的复合效果的电池块。此外，通过以下方法能够制造本实施方式的电池盒，即，在表面上设置有连接层的金属等平板上，通过冲压加工或切削加工开出能够插入单元电池的大小的孔，重叠多张上述平板，通过加热炉等使连接层加热熔解。在平板彼此的界面上发生合金化或化合物的形成，或者对平板进行热压焊接，由此使平板一体化。也可以在上述平板上开出孔后，在平板的表面上形成连接层。本申请主张基于2011年3月17日申请的日本特愿第2011-058825号的优先权。该申请说明书中所记载的内容全部引用于本申请说明书。工业实用性本发明的电池块即使在单元电池异常发热时，也将因异常发热产生的热量快速且高效率地分散到模块整体，而不诱发相邻的单元电池的异常发热，由此能够防止连锁性的单元电池的劣化或异常。本发明的电池块能够适用于汽车、电动自行车或电动器具等的驱动用电源或蓄电装置等。
权利要求
1.电池块，包括具有多个孔的金属制的电池盒；以及收纳于所述孔的多个单元电池， 在设所述单元电池与所述电池盒之间的热传导系数为K1， 设相邻的两个所述孔间的所述电池盒的最小壁厚部的热传导系数为K2， 并且设室温的基准电池的异常发热温度与使室温的基准电池异常发热的周围温度之比为K3时， 所述电池盒具有满足K2/K1 ^ K3-1的关系的所述最小壁厚部。
2.如权利要求I所述的电池块， 多个所述孔的配置是交错配置， 所述单元电池的形状是圆柱， 在设所述基准电池的电池容量为AO (Ah), 设室温的所述基准电池的异常发热温度为Tl〔K〕， 设使室温的所述基准电池异常发热的周围温度为T2〔K〕， 设所述单元电池的电池容量为A (Ah), 设所述单元电池的外径为D〔m〕， 设所述单元电池与所述孔的内周壁之间的传热系数为a (ff/(Hi2-K)), 设所述电池盒的热传导率为λ (ff/(m · K)), 并且设所述最小壁厚部分的厚度为x(m)时，满足下述式I的关系式X ≥(Ji2X α X D2)/(36 X λ) (式 I) X ((Τ1/Τ2) X (Α/Α0)-1) · · · ·
3.如权利要求I所述的电池块， 所述电池盒的周缘部的壁厚比所述电池盒的中央部的壁厚厚。
4.如权利要求I所述的电池块， 所述电池盒具有周缘部的一列为η个的m列所述孔， 所述电池盒的周缘部的热容量是2X (n+m+1)个所述单元电池的热容量。
5.如权利要求I所述的电池块， 所述电池盒的周缘部的、所述孔的轴向上的中央部的壁厚比在所述轴向上的端部的壁厚厚。
6.如权利要求I所述的电池块， 所述单元电池包含电极组， 所述孔的长度比所述电极组的长度长， 至少所述电极组的整体被收纳于所述孔。
7.如权利要求I所述的电池块， 所述电池盒由多个具有所述孔的圆形或多边形的筒互相接合而构成。
8.如权利要求7所述的电池块，还包括 凸部，其配置于所述筒的外壁；以及 凹部，其配置于所述筒的外壁，且能够与所述凸部嵌合。
9.如权利要求I所述的电池块， 所述孔的形状是多边形， 所述孔以相邻的所述孔的形状中的角相对的方式配置。
10.如权利要求I所述的电池块， 所述电池盒的周缘部的所述孔的开口面积比所述电池盒的中央部的所述孔的开口面积大。
11.如权利要求I所述的电池块， 所述电池盒由铝合金制成。
12.如权利要求I所述的电池块， 所述电池盒由以不同的金属材料制成的两种以上的部件构成。
13.如权利要求I所述的电池块， 还包括覆盖所述电池盒的外表面的绝缘层。
全文摘要
本发明提供电池块，该电池块收纳具有较高容量的单元电池，即使在该单元电池异常发热时，也不引起相邻的单元电池的异常发热，防止被收纳的单元电池的连锁性的劣化或异常。本发明的电池块包括具有满足“K2/K1≥K3－1”的关系的最小壁厚部的电池盒。K1是电池盒与单元电池之间的热传导系数。K2是用于收纳单元电池的、相邻的两个孔之间的电池盒的最小壁厚部的热传导系数。K3是作为基准的电池的异常发热温度与该电池达到异常发热的周围温度之比。
文档编号H01M10/50GK102870253SQ20128000123
公开日2013年1月9日 申请日期2012年3月1日 优先权日2011年3月17日
发明者浅井田康浩, 西川幸男, 滨田秀明, 细谷直人, 岸井大辅 申请人:松下电器产业株式会社