JP2007273353A

JP2007273353A - 電池構造

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Publication number: JP2007273353A
Application number: JP2006099166A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Suzui; 康介鈴井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】電解液を含むバッテリセルが高電圧を得るために多数が直列接続されたバッテリパックにおける電解液の漏出を検知する。
【解決手段】電池部１００は、複数のバッテリモジュール１３０を直列に接続したバッテリパックが、バッテリカバー１０２とロワーケース１２２とで形成される空間に収納されて構成される。ロワーケース１２２とバッテリモジュール１３０との間には、絶縁トレイ２００が設けられる。絶縁トレイ２００のバッテリモジュール１３０側の表面には、繰り返される波状のプリント配線が設けられるとともに、このプリント配線の抵抗値が低下したことが検知されると電解液が漏出したと判断される。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載される二次電池の電池構造に関し、特に、高電圧を得るために多数のバッテリモジュールが直列接続されて半密閉状態とされる二次電池内における漏液の発生を簡易に検知する電池構造に関する。

電気自動車、ハイブリッド車および燃料電池車などモータで車両を駆動させる形式の車両には、比較的大容量の二次電池を有する電源ユニット（バッテリパック）が搭載される。このようなバッテリパックは、鉛蓄電池、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等を直列に多数接続することにより高電圧を得ている。

一般的には、バッテリパックには、必要な電力容量（電圧値）が得られるように、単電池（たとえば出力電圧が１．２Ｖのバッテリセル）を複数（たとえば６個）を接続して一体的に連結して構成された集合型二次電池（バッテリモジュール）が多く採用される。このようなバッテリモジュールをさらに所定の個数だけ直列に接続して、２００Ｖ〜３００Ｖの高電圧の出力を有するバッテリパックが構成される。

このバッテリパックにおいては、たとえば、直方体のバッテリモジュールの幅の広い長側面どうしを互いに対向させて重ねるように配置して、両端のバッテリモジュールの電槽の外側にエンドプレートを当接させ、両エンドプレート間を拘束バンドにて結束することにより一体的に連結して構成されている。

バッテリセル（たとえばニッケル水素電池）は、正極板と負極板をセパレータを介して積層してなる発電要素である極板群を電解液とともに電槽内に収容し、各電槽の開口部を、安全弁を設けた蓋で閉じ、極板群を構成する各正極板の一側部上端から上方にリードを引き出してその上部に正極端子を接続し、また同様にして各負極板の他側部上端から上方にリードを引き出してその上部に負極端子を接続し、これら正極端子および負極端子を蓋に取付けて構成されている。

このような電池について、特開２００２−８３５７９号公報（特許文献１）は、漏出した電解液による端子の短絡が防止される蓄電素子と、漏出した電解液を検知することができる蓄電素子の保持構造を開示する。この蓄電素子は、正極および負極が内蔵された筒状の電池ケースの一端部に、正極および負極にそれぞれ接続された正極端子および負極端子を有する一方、電池ケースの他端部に電解液注入口が形成されているとともに、この電解液注入口が、電池ケースの内圧が所定圧以上となった場合にその内圧を減圧するための安全弁を備えた栓で密封されている。この保持構造は、このような蓄電素子を外部ケース内に収納して保持する構造であって、外部ケース内に、蓄電素子を、栓が下側に配される状態で支持し、外部ケース内には、蓄電素子とは隔絶され、かつ、安全弁が開いた状態において電池ケース内に連通する電解液排出路が設けられている。この電解液排出路には、電解液を検知する電解液検知手段が設けられている。

この本発明の蓄電素子によれば、電解液の漏出が想定される電解液注入口および安全弁と、端子とが、異なる端部に分けて設けられており、したがって、電解液注入口もしくは安全弁から漏出した電解液によって端子が短絡するおそれがない。この蓄電素子の保持構造によれば、安全弁を備えた栓が下側に配されているので、安全弁が作動して開くと、漏出する電解液はそのまま下方に流動する。その電解液は、漏出した時点で電解液排出路内に流れ込む。電解液排出路は蓄電素子と隔絶されているので電解液は端子に付着せず、し
たがって、端子の短絡はもちろんのこと、周辺機器に飛散することが防止されるとともに、電解液を安全に処理することができる。さらに、電解液排出路に設けられた、電解液を検知する電解液検知手段によって電解液が検知されることにより、安全弁が作動したこと、すなわち蓄電素子に異常があったことが認められ、蓄電素子の交換を速やかに行なうことができる。
特開２００２−８３５７９号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された蓄電素子の保持構造においては、複数の蓄電素子のそれぞれに電解液検知手段が設けられている。すなわち、各蓄電素子に電解液排出路が設けられ、各電解液排出路内に電解液検知手段が設けられている。このため、構造が複雑となり、製造コストの上昇を招くことになる。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、簡易に複数の単位電池（バッテリセルやバッテリモジュール）からの漏液を検知することができる、電池構造を提供することである。

第１の発明に係る電池構造は、車両に搭載された電池の構造であって、電池は複数の単位電池を直列に接続して構成され、単位電池には電解液が封入される。電池構造は、直列に接続された配置形態になるように、複数の単位電池を保持するための保持手段と、電解液に起因する絶縁破壊を回避して必要な絶縁状態を維持する、単位電池の下方に設けられる絶縁トレイとを含む。この絶縁トレイの単位電池側には、単位電池の配置形態に対応して、連続した電極を含む配線が設けられる。

第１の発明によると、この絶縁トレイの単位電池側には、単位電池の配置形態（直列接続）に対応した電極を含む配線が設けられている。この電極は、複数の単位電池の個々に設けられるのではなく、連続している。たとえば、２本の電極を有する配線の一方の電極に正極を他方の電極に負極をそれぞれ接続して電圧をかけておく。電解液が漏出するとこの電極に電解液が接触して配線の抵抗値が変化する（具体的には低下する）。このため、１つの電流センサで連続した電極を含む配線に流れる電流値を検知して、電圧値と電流値とから抵抗値を算出して、この抵抗値が低下すると電解液が漏出したと判断できる。その結果、簡易に複数の単位電池（バッテリセルやバッテリモジュール）からの漏液を検知することができる。

第２の発明に係る電池構造においては、第１の発明の構成に加えて、配線は、平行する２本の電極が波状に配置される。

第２の発明によると、単位電池の配置形態（直列接続）に対応して、平行する２本（１本は正極側、もう１本が負極側）の電極を波状に配置する。このとき、単位電池の底面の全体を覆うように電極を配置する。電極は連続しているため、電極間に流れる電流値を１つのセンサで検知して、この平行する２本の電極の間の抵抗値が低下することを検知すると、電解液が漏出したと判断できる。

第３の発明に係る電池構造においては、第１の発明の構成に加えて、配線は、１本の電極から枝分かれするように配置される。

第３の発明によると、単位電池の配置形態（直列接続）に対応して、１本の電極から、単位電池の底面の全体を覆うように電極を枝分かれさせる。枝分かれさせる前の電極の端
部に電池の端子を接続する。電極は連続しているため、電池と絶縁トレイとの間に流れる電流値を１つのセンサで検知して、電池と絶縁トレイの間の抵抗値が低下することを検知すると、電解液が漏出したと判断できる。

第４の発明に係る電池構造においては、第１〜３のいずれかの発明の構成に加えて、配線の抵抗値は、電池の電圧に対して十分に高い値である。

第４の発明によると、配線の抵抗値が電池の電圧に対して十分に高いので、２ヶ所以上で漏液が発生した場合であっても液絡（電解液が繋がった状態）によるスパーク（漏電）が発生することを防止できる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

なお、以下の説明において、車両に搭載される電池は、二次電池のみならず、燃料電池を含む様々な電池であってよい。また、以下においては、バッテリパックを構成する電池は、ニッケル水素電池として説明する。また。電池の最小単位をバッテリセル、複数のバッテリセルを直列接続したものをバッテリモジュール、複数のバッテリモジュールを直列接続したものをバッテリパックとして説明する。なお、これらのバッテリセル、バッテリモジュール、バッテリパックは、称呼の一例であって、別の称呼であっても構わない。また、単位電池（単電池）とは、バッテリセル、バッテリモジュールのいずれを意味するものであってもよい。

図１および図２を参照して、本発明の実施の形態に係る電池構造について説明する。図１に、電池部１００の展開模式図を、図２に、図１のバッテリパックを構成するバッテリモジュールの斜視模式図を、それぞれ示す。

図１に示すように、電池部１００は、バッテリカバー１０２およびロワーケース１２２からなる外装部材の内部にバッテリパック１２０が収容された構造である。バッテリパック１２０は、複数のバッテリモジュール１３０を積層して形成される。バッテリモジュール１３０としては、ニッケル水素電池などの二次電池を用いることができる。バッテリモジュール１３０はいわゆる角型平板状の外形を有している。

バッテリモジュール１３０は複数のバッテリセルを含む。具体的には、図２に示すように、バッテリモジュール１３０はモジュール外装部材である一体の角型電槽１３８と、この角型電槽１３８の内部の隔壁により仕切られた６つのバッテリセル１４０〜１５０とを備える。角型電槽１３８の長軸方向における端面上には、端子１２８が形成されている。角型電槽１３８の側面上には、バッテリモジュール１３０の間に冷却風流路としての間隙を形成するための突起部１５２が形成されている。バッテリモジュール１３０を積層したバッテリパック１２０（図１参照）では、バッテリモジュール１３０の突起部１５２どうしが当接して、バッテリモジュール１３０の間に間隙が形成される。なお、図２では排気端子１２６（図１参照）の図示を省略するとともに、バッテリセル１４０〜１５０を説明するために角型電槽１３８の一部を除去した状態を示している。

それぞれのバッテリセル１４０〜１５０は基本的に同様の構造を備える。第１のバッテリセル１４０を例として説明すると、バッテリセル１４０は、たとえばシート状の複数の電極部材をセパレータによって絶縁状態として相互に重ねて構成された積層電極体１５４と、積層電極体１５４を挟むように配置された一対の集電板１５６とからなる。なお、積
層電極体１５４には電解液が含浸あるいは注入されている。

積層電極体１５４においては、正極となる電極部材と、負極となる電極部材とが交互に重なった状態となっている。また、正極となる電極部材の端部は、一括して一方の集電板１５６に接続されている。そして、負極となる電極部材の端部は、一括して他方の集電板（図示せず）に接続されている。この結果、正極となるすべての電極部材と一方の集電板１５６とが電気的に接続された状態となる。また、負極となるすべての電極部材と他方の集電板とが電気的に接続された状態となる。バッテリモジュール１３０に含まれるバッテリセル１４０〜１５０は、電気的に直列接続されている。たとえば、バッテリセル１４０〜１５０のそれぞれの定格電圧が１．２Ｖである場合、バッテリモジュール１３０全体の定格電圧は７．２Ｖとなる。なお、バッテリセル１４０〜１５０の構成は、上述したような構成に限らず他の構成であってもよい。

図１に示すように、バッテリパック１２０の両端部には拘束プレート１１６、１１８が配置されている。拘束プレート１１６、１１８は、拘束パイプ１０８、１１０により互いに接続および固定されている。なお、拘束プレート１１６、１１８はロワーケース１２２に固定されている。また、個々のバッテリモジュール１３０もロワーケース１２２に固定されている。

バッテリパック１２０を構成するバッテリモジュール１３０のそれぞれの側面（端面）上には、すでに述べたようにバッテリモジュール１３０へと電流の入出力を行なうための端子１２８が形成されている。このバッテリモジュール１３０の端子１２８を互いに接続するため、バッテリパック１２０の側面上にはバスバーモジュール１１２、１１４が配置されている。バスバーモジュール１１２、１１４がバッテリモジュール１３０のそれぞれの端子１２８に接続されることにより、バッテリパック１２０ではバッテリモジュール１３０が電気的に直列接続されている。

バッテリパック１２０の上部表面上には、バッテリモジュール１３０から排気される水素ガスなどを一括して排出するための安全弁を内蔵した排気端子１２６が形成されている。この排気端子１２６上には、排気端子１２６に接続され、バッテリモジュール１３０から排出される水素ガスなどを電池部１００の外部へ排出するための排気ホース１０４が設置されている。また、バッテリパック１２０の下面には、バッテリパック１２０の温度を測定するための温度センサ１２４およびハーネスが配置されている。この温度センサ１２４の出力に応じて、バッテリパック１２０の温度を所定の範囲に保持するため、バッテリパック１２０へブロアファンなどを用いて車室内から冷却風が供給される。

このバッテリモジュール１３０は、突起部１５２を有するので、図１に示すようにバッテリモジュール１３０を併設した場合、バッテリモジュール１３０間に突起部１５２により、バッテリモジュール１３０間の空隙が形成される。この空隙をバッテリモジュールの１３０の上方から下方に向かって冷却風が流通させる（ダウンフロー方式）。この冷却風によりバッテリモジュール１３０が冷却される。

バッテリセル１４０〜１５０の内部には、正極板、負極板、セパレータおよび電解液を含む。電解液は、KOHなどを電解質とするアルカリ水溶液が用いられる。ニッケル極の充電時には電解液中のOH^-が、活物質内部から拡散してきたH⁺と反応してH₂Oが生成される。放電時には、この逆反応が進行する。

本実施の形態における電池部１００においては、バッテリモジュール１３０から電解液が漏液した場合の安全性を確保するために、バッテリモジュール１３０の下面に接するように絶縁トレイ２００が設けられている。図１および図３に示すように、この絶縁トレイ
２００は、バッテリモジュール１３０とロワーケース１２２との間に設けられる。

この絶縁トレイ２００の表面には、図１および図４に示すように、バッテリモジュール１３０の配置に対応させて、高い抵抗値を有する、繰り返し屈曲する波状のプリント配線２１０が設けられている。なお、図４に示すプリント配線２１０の態様は一例であって、バッテリモジュール１３０の配置に対応させない態様であってもよい。また、プリント配線でなくてもよい。また、高い抵抗値とは電池１００の電圧に対して十分に高いということを意味する。

図４に示すように、プリント配線２１０は、その両端が解放されているとともに、図４の下方側（上方側であっても構わない）の解放端部には漏液検知回路が設けられる。漏液検知回路は、電池部１００（または電池部１００の一部のバッテリモジュール１３０や、電池部１００とは別のバッテリ）と、その電池部１００やバッテリモジュール１３０やバッテリの電圧を検知する電圧センサ１１００と、このプリント配線２１０に流れる電流値を検知する電流センサ１２００と、検知された電圧値および電流値に基づいて、配線の抵抗値を算出して、その変化に基づいて、漏液を検知するＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０００とを含む。

バッテリモジュール１３０から（バッテリセル１４０〜１５０から）漏液が発生していない場合には、プリント配線２１０が図４の上方側において解放されているので、電圧を加わえても電流が流れない（すなわち抵抗値が高い）。

一方、バッテリモジュール１３０から漏液が発生した場合には、プリント配線２１０が図４の上方側において解放されているが、電解液が隣り合うプリント配線を跨ぐため電気的に閉回路を形成して、電圧を加わると電流が流れる（すなわち抵抗値が低くなる）。

このように、抵抗値が変化（低下）したことをＥＣＵ１０００が検知して、ダイアグとして漏液の発生を記憶させたり、ユーザに漏液の発生を報知したりすることができる。

なお、図４に示すように、プリント配線２１０の上方側端部が閉じられていても構わない。この場合であっても、漏液が発生した場合には、その箇所で電気的な閉回路が形成されるため、漏液が発生していない場合に比べて、プリント配線の抵抗値が低下する。

さらに、図５および図６を用いて、上述した態様とは異なるプリント配線の態様および漏液検知回路について説明する。

図５に示すように、この絶縁トレイ２２０の表面には、図４とは異なる態様のプリント配線２３０が設けられている。絶縁トレイ２２０の表面には、バッテリモジュール１３０の配置に対応させて、高い抵抗値を有する、１本の配線から枝分かれした多数の配線から構成されるプリント配線２３０が設けられている。なお、図５に示すプリント配線２３０の態様も一例であって、バッテリモジュール１３０の配置に対応させない態様であってもよい。また、プリント配線でなくてもよい。この枝分かれした配線の端部は解放されている。

図５および図６に示すように、プリント配線２３０の枝分かれしていない側の端部と電池部１００のプラス側の端子１２８とが接続される。漏液検知回路は、プリント配線２３０の端部と電池部１００のプラス側の端子１２８との接続線に設けられた電流センサ１２１０と、電流センサ１２１０により検知された電流値と電池部１００の電圧値とに基づいて、電池部１００の電極と絶縁トレイ２２０と間の抵抗値を検知するＥＣＵ１１００とを含む。

バッテリモジュール１３０から漏液が発生していない場合に比べて、バッテリモジュール１３０から漏液が発生した場合には、電池部１００の電極と絶縁トレイ２２０と間の抵抗値が低く変化する。

このように、抵抗値が変化（低下）したことをＥＣＵ１１００が検知して、ダイアグとして漏液の発生を記憶させたり、ユーザに漏液の発生を報知したりすることができる。

なお、図４および図５に示すいずれのプリント配線２１０もプリント配線２３０も、その抵抗値を高い値とすることにより、２ヶ所以上で漏液が発生した場合であっても液絡（電解液が繋がった状態）によるスパークが発生することを防止できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本実施の形態に係るバッテリパックの展開模式図である。図１のバッテリパックを構成するバッテリモジュールの斜視模式図である。図１のバッテリパックの断面図である。絶縁トレイに配設された高抵抗プリント配線を示す図（その１）である。絶縁トレイに配設された高抵抗プリント配線を示す図（その２）である。図５を補足して説明するための図である。

符号の説明

１００電池部、１０２バッテリカバー、１０４排気ホース、１０８，１１０拘束パイプ、１１２，１１４バスバーモジュール、１１６，１１８拘束プレート、１２０バッテリパック、１２２ロワーケース、１２４温度センサ、１２６排気端子、１２８端子、１３０バッテリモジュール、１３８角型電槽、１４０〜１５０バッテリセル、２００，２２０絶縁トレイ、２１０，２３０高抵抗プリント配線。

Claims

車両に搭載された電池の構造であって、前記電池は複数の単位電池を直列に接続して構成され、前記単位電池には電解液が封入され、
前記直列に接続された配置形態になるように、前記複数の単位電池を保持するための保持手段と、
前記電解液に起因する絶縁破壊を回避して必要な絶縁状態を維持する、前記単位電池の下方に設けられる絶縁トレイとを含み、
前記絶縁トレイの前記単位電池側には、前記単位電池の配置形態に対応して、連続した電極を含む配線が設けられる、電池構造。
前記配線は、平行する２本の電極が波状に配置される、請求項１に記載の電池構造。
前記配線は、１本の電極から枝分かれするように配置される、請求項１に記載の電池構造。
前記配線の抵抗値は、前記電池の電圧に対して十分に高い値である、請求項１〜３のいずれかに記載の電池構造。