JP2016081864A - 蓄電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ガスの排出構造を有する蓄電モジュールの組み付け作業の簡素化及び適切なシール性能の確保を図る。【解決手段】本発明の蓄電モジュールは、複数の蓄電素子と、複数の蓄電素子それぞれが挿入される複数の開口部を有し、所定方向に延びる各蓄電素子の一端を保持するホルダと、ホルダとの間に蓄電素子内で発生したガスの排出スペースを形成するためのカバー部材と、排出スペースをシールするためのシール部材と、を有する。カバー部材は、ガスの圧力によって押圧される方向において排出スペースに面するホルダの第１面と対向する第２面側に設けられ、押圧される方向への移動を規制する折り返し部を備える。シール部材は、複数の蓄電素子の周囲を取り囲むように折り返し部と第２面との間に設けられ、排出スペースにガスが排出されたときに、折り返し部によって押圧される方向と同じ方向に圧縮される。【選択図】 図３

Description

本発明は、蓄電素子からのガスを排出させる構造を備えた蓄電モジュールに関する。

特許文献１には、円筒型の電池セルを複数備え、各電池セルから排出されるガスの排出構造を有する電池モジュールが開示されている。電池セルのガス排出弁側に設けられるエンドカバーは、凹状に形成され、各電池セルが固定されるバスバープレートにシール部材を介して固定される。

特開２００９−１６４０８５号公報

電池異常に伴って電池セルから排出されるガスは、高温・高圧であるため、特許文献１のように、排出スペースからのガス漏れ防止用にシール部材が設けられている。このとき、排出スペース内に排出される高温・高圧のガスに対して必要なシール性能を得るためには、シール部材を圧縮するにように高い組み付け荷重（圧縮力）をかけて、エンドカバーをバスバーに固定する必要がある。

しかしながら、荷重をかけながらエンドカバーを組み付ける作業は、作業性が悪く、組み付け作業のコスト高を招くおそれがある。また、シール部材に対して常に組み付け荷重が加わった状態となるため、時間経過に伴いシール部材が一部塑性変形してしまい、電池セルからのガスの排出時に、必要なシール性能を得られないおそれがある。

そこで、本発明の目的は、ガスの排出構造を有する蓄電モジュールにおいて、蓄電モジュールの組み付け作業の簡素化を図りつつ、蓄電素子からのガスの排出時に排出スペースに対する適切なシール性能を発揮させることができる蓄電モジュールを提供することにある。

本発明である蓄電モジュールは、所定方向に延びて、所定方向と直交する平面内で並んで配置された複数の蓄電素子と、複数の蓄電素子それぞれが挿入される複数の開口部を有し、所定方向における各蓄電素子の一端を保持するホルダと、ホルダとの間に、複数の開口部から露出する蓄電素子の一端側に設けられた排出弁から排出される蓄電素子内で発生したガスの排出スペースを形成するためのカバー部材と、排出スペースをシールするためのシール部材と、を有する。カバー部材は、当該カバー部材が排出スペース内に排出されたガスの圧力によって押圧される方向において排出スペースに面するホルダの第１面と対向する第２面側に設けられ、押圧される方向への移動を規制する折り返し部を備え、シール部材は、複数の蓄電素子の周囲を取り囲むように折り返し部と第２面との間に設けられ、排出スペースにガスが排出されたときに、折り返し部によって押圧される方向と同じ方向に圧縮される。

本発明によれば、カバー部材は、ガスの圧力によって押圧される方向への移動が規制されつつ、折り返し部によって押圧される方向と同じ方向にシール部材が圧縮されるように、ホルダに取り付けられる。したがって、蓄電素子からガスが排出されていない状態（ガスの圧力によって押圧されていない状態）において、排出スペースからのガス漏れ防止に必要なシール性能を得るための圧縮力をシール部材に加えていなくても、蓄電素子からガスが排出されている状態（ガスの圧力によって押圧されている状態）になると、折り返し部がシール部材に圧縮力をかけてガス漏れ防止に必要なシール性能が確保される。

したがって、ガスの排出構造を有する蓄電モジュールの組み付け作業の簡素化を図ることができるとともに、蓄電素子からのガスの排出時に排出スペースに対する適切なシール性能を発揮させることができる。

実施例１の電池モジュールの上面図である。 図１のＹ１−Ｙ１断面図である。 図１のＸ１−Ｘ１断面図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
実施例１である電池モジュール（本発明の蓄電モジュールに相当する）について説明する。図１は、電池モジュールの上面図である。図２は、図１に示すＹ１−Ｙ１断面図である。図３は、図１に示すＸ１−Ｘ１断面図である。図１から図３において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸である。本実施例では、鉛直方向に延びる軸をＺ軸としている。本実施例の電池モジュール１は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車などの車両に搭載することができ、走行用モータに電力を供給する電源装置として使用される。

電池モジュール１は、複数の単電池（本発明の蓄電素子に相当する）１０と、ホルダ２０と、モジュールケース３０と、カバー部材４０と、を有する。電池モジュール１を構成する単電池１０の数は、適宜設定することができる。単電池１０としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタを用いることができる。

単電池１０は、いわゆる円筒型電池である。円筒型電池とは、円筒形状の電池ケースと、この電池ケースに収容された発電要素とを有する電池である。電池ケースの内部は、密閉状態となっている。発電要素とは、充放電を行う要素である。発電要素は、正極板と、負極板と、正極板および負極板の間に配置されたセパレータとを有する。発電要素の構成は公知であるため、詳細な説明は省略する。

複数の単電池１０は、Ｘ−Ｙ平面内において並んでいる。各単電池１０は、Ｚ方向に延びている。Ｘ−Ｙ平面における単電池１０の断面は、円形に形成されている。例えば、Ｘ方向を第１の配列方向として複数の単電池１０を並べ、かつＹ方向を第２の配列方向として、第１の配列方向に並べられた複数の単電池１０を複数段並べて、電池モジュールを形成することができる。Ｙ方向に配列される各単電池１０は、Ｘ方向にずれている。

ホルダ２０は、各単電池１０の一部を保持する。ホルダ２０は、単電池１０の外形に沿った開口部２１を有しており、開口部２１に単電池１０が挿入されている。図２に示すように、各単電池１０の下端面１２は、ホルダ２０の下端面２２に沿って配置されている。開口部２１の数は、電池モジュール１を構成する単電池１０の数と等しい。ホルダ２０は、アルミニウム金属などの金属材料で構成することができる。

単電池１０と開口部２１とは、絶縁されている。具体的には、絶縁材料で形成された層を単電池１０の外面に形成することにより、単電池１０およびホルダ２０の間の絶縁性を確保することができる。また、単電池１０および開口部２１の間に、絶縁性材料の充填剤を設けることで、単電池１０およびホルダ２０の間の絶縁性を確保することができる。

なお、本実施例では、単電池１０毎に開口部２１を形成しているが、これに限るものではない。すなわち、ホルダ２０を用いて、電池モジュール１を構成する、すべての単電池１０を保持することができればよい。例えば、１つの開口部２１に複数の単電池１０を挿入することにより、これらの単電池１０を保持することができる。

単電池１０の長手方向（Ｚ方向）における両端面（上端面１１および下端面１２）は、正極端子および負極端子として用いられる。すなわち、長手方向一方の端面を正極端子として用い、他方の端面を負極端子として用いることができる。ここでいう正極端子および負極端子とは、後述するバスバーと接続される部分（単電池１０の一部）である。図２に示す構造において、正極端子および負極端子の向きは、適宜設定することができる。

単電池１０は、図２に示すように、ホルダ２０の上端面２３側がモジュールケース３０によって覆われている。モジュールケース３０の下端が、ホルダ２０の上端面２３に接触するように、ホルダ２０にモジュールケース３０を固定することができる。

ホルダ２０およびモジュールケース３０によって囲まれたスペースは、単電池１０の温度調節に用いられる熱交換媒体の移動経路となる。例えば、モジュールケース３０のＸ方向の沿った側面の両方に、モジュールケース３０内部と挿通する不図示のスリットを複数設けることができる。空気などの熱交換媒体をモジュールケース３０に対してＹ方向に流すことで、モジュールケース３０の片側側面から内部に熱交換媒体が流入し、他方側の側面からモジュールケース３０外に排出される。なお、熱交換媒体としては、気体（空気など）や液体を用いることができる。

カバー部材４０は、ホルダ２０の下端面２２全体を覆うように、電池モジュール１の底部側に設けられる。カバー部材４０は、ホルダ２０との間に、複数の各開口部２１から露出する単電池１０の下端面１２に設けられた弁１３から排出される単電池１０内で発生したガスの排出スペースＳを形成する。ホルダ２０およびカバー部材４０によって囲まれた排出スペースＳは、単電池１０から排出されるガスの移動経路となる。

カバー部材４０には、排出スペースＳと電池モジュール１の外部とを連通させる排出口４４が設けられている。排出口４４を通じて、排出スペースＳ内から電池モジュール１の外部にガスが排出される。排出口４４には、車外と連通する排出ホースなどを取り付けることができる。

カバー部材４０は、図２及び図３に示すように、ホルダ２０によって複数の単電池１０が保持されたＺ方向一端側（ホルダ２０の下端面２２）に配置され、ホルダ２０の下端面２２の下方から取り付けられる。カバー部材４０は、排出スペースＳを形成するようにＺ方向に凹状となっている。カバー部材４０は、例えば、放熱性の高い金属材で構成することができる。

カバー部材４０は、ホルダ２０の下端面２２において、各開口部２１から露出する複数の単電池１０の下端面１２と対向する蓋部４１と、Ｘ−Ｙ平面に延びる蓋部４１の周縁に設けられ、Ｚ方向に突出した側壁部４２と、側壁部４２からＸ−Ｙ平面において内側に延設された折り返し部４３と、を含んで構成されている。なお、上述した排出口４４が、蓋部４１に設けられている態様を一例に示しているが、側壁部４２などに設けることも可能である。

ホルダ２０は、Ｘ−Ｙ平面に延びる周縁に、カバー部材４０の折り返し部４３が係止される係止部２４が設けられている。係止部２４は、ホルダ２０の周縁において、上端面２３よりも下端面２２側に位置する係止面２４ａを有する段差部である。

係止面２４ａの上方には、カバー部材４０の折り返し部４３が配置される。側壁部４２は、カバー部材４０の周縁からホルダ２０のＸ方向端部の外側を通り、係止面２４ａまで上方に延びている。そして、折り返し部４３は、Ｚ方向に延びる側壁部４２が下端面２２と対向する係止面２４ａに沿って、ホルダ２０のＸ方向端部の外側から内側に折り返されることで、形成することができる。

折り返し部４３は、ホルダ２０の上端面２３側において、係止面２４ａと略平行に配置され、かつ係止面２４ａの上方に位置する。したがって、図２に示すように、カバー部材４０は、係止部２４にぶら下がるように取り付けられ、折り返し部４３が係止面２４ａに近づく方向への移動が規制される。

折り返し部４３の内面と係止面２４ａとの間には、シール部材６０が設けられている。本実施例では、カバー部材４０によって形成されるホルダ２０の下端面２２側の排出スペースＳに対し、Ｚ方向に対向するホルダ２０の上端面２３側に、当該排出スペースＳのシール部が形成されるように、カバー部材４０がホルダ２０に取り付けられている。

ここで、図３に示すように、開口部２１から露出する単電池１０の下端面１２には、バスバー５１が固定されている。単電池１０の上端面１１には、バスバー５２が固定されている。端面１１，１２に対するバスバー５１，５２の固定方法としては、例えば、溶接を用いることができる。

バスバー５１，５２は、例えば、Ｘ−Ｙ平面に延びる板状部材であり、複数の単電池１０の配列位置それぞれに対応した複数の接続タブを備えている。バスバー５１の各接続タブと単電池１０の下端面１２（負極端子）とを接続し、バスバー５２の各接続タブと上端面１１（正極端子）とを接続することで、電池モジュール１に含まれる複数の単電池１０を直列又は並列に接続することができる。

単電池１０の下端面１２には、弁１３が設けられている。弁１３は、単電池１０（電池ケース）の内部で発生したガスを、単電池１０の外部（排出スペースＳ）に排出させる。単電池１０（発電要素）の過充電などによって、単電池１０（電池ケース）の内部にガスが溜まることがある。電池ケースは密閉状態であるため、ガスの発生に伴って、単電池１０（発電要素を収容する外装缶ケース）の内部における圧力（内圧）が上昇する。

単電池１０の内圧が上昇して、弁１３の作動圧に到達すると、弁１３は、閉じ状態から開き状態に変化する。これにより、単電池１０の内部に存在するガスは、弁１３を通過して、単電池１０の外部に排出される。弁１３の構造としては、公知の構造を適宜採用することができる。例えば、単電池１０の内圧の上昇に応じて、弁１３を破断又は変形させることにより、弁１３を閉じ状態から開き状態に変化させることができる。

次に、本実施例のガスの排出スペースＳのシール構造について詳細に説明する。図３に示すように、弁１３から排出されるガスは、単電池１０の下端面１２から排出スペースＳ内に吹き出される。このとき、排出スペースＳ内に吹き出されるガスは、その圧力で弁１３と対向するカバー部材４０の蓋部４１をＺ方向下方に押す。このため、蓋部４１は、点線で示すように、ガスの圧力によってホルダ２０の下端面２２から離れる方向に押圧されることになる。

従来は、排出スペースＳのシール部が、ホルダ２０の下端面２２側に設けられていた。例えば、下端面２２と蓋部４１との間にシール部材が設けられていた。したがって、必要なシール性能を発揮させるためにシール部に加えなければならない荷重と、ガスによって蓋部４１が押圧される方向とがＺ方向において逆となる。このため、ガスによって蓋部４１が押圧される方向に対し、シール部に逆向きの組み付け荷重をかけてカバー部材４０をホルダ２０に取り付ける必要があった。

荷重をかけながらカバー部材４０をホルダ２０に組み付ける作業は、容易ではなく、作業性が悪い。また、必要なシール機能を確保するために、シール部に対して常に組み付け荷重を加えた状態としなければならないため、時間経過に伴いシール部が一部塑性変形してしまい、単電池１０からのガスの排出時に、必要なシール性能を得られないおそれがあった。

そこで、本実施例のカバー部材４０は、排出スペースＳ内に排出されたガスの圧力によってカバー部材４０が押圧される方向において排出スペースＳに面するホルダ２０の下端面２２（第１面に相当する）と対向する上端面２３側の係止面２４ａ（第２面に相当する）側に設けられ、押圧される方向への移動を規制する折り返し部４３を備えている。

折り返し部４３及び係止面２４ａは、ホルダ２０の上端面２３の周縁に設けられ（図１参照）、シール部材６０が、複数の単電池１０の周囲を取り囲むように折り返し部４３と係止面２４ａとの間に設けられる。排出スペースＳにガスが排出されたときに、折り返し部４３が係止面２４ａとの距離を縮めるように、カバー部材４０（蓋部４１）が押圧される方向と同じ方向にシール部材６０を圧縮する。

このように本実施例では、カバー部材４０が、ガスの圧力によって押圧される方向への移動が規制されつつ、単電池１０からのガスの排出時に、折り返し部４３によって押圧される方向と同じ方向にシール部材６０が圧縮されるように、ホルダ２０に取り付けられる。このため、単電池１０からガスが排出されていない状態（ガスの圧力によって押圧されていない状態）において、排出スペースＳからのガス漏れ防止に必要なシール性能を得るための圧縮力をシール部材６０に加えていなくても、単電池１０からガスが排出されている状態（ガスの圧力によって押圧されている状態）になると、折り返し部４３がシール部材６０に圧縮力をかけてガス漏れ防止に必要なシール性能を発揮させるようにすることができる。

シール部材６０は、図３に示すように、カバー部材４０の折り返し部４３の内側と、上端面２３側の係止面２４ａとの間に設けることができる。点線で示すように、ガスの圧力によってホルダ２０の下端面２２から離れる方向に蓋部４１が押圧されると、折り返し部４３が係止面２４ａに近づく。このとき、シール部材６０は、折り返し部４３によって、ガスの圧力によって蓋部４１が押圧される方向（白抜き矢印）と同じ方向（矢印Ｐ）に荷重がかかり、排出スペースＳ内に排出されたガスの圧力によってシール性能を発揮し、単電池１０から排出スペースＳに排出されたガスが、排出スペースＳから漏れ出ることを防止することができる。

ガスは、高温・高圧で排出スペースＳ内に吹き出されるため、蓋部４１の排出口４４からガスが排出されるまでの間、折り返し部４３は、シール部材６０を押圧し、シール部材６０による必要なシール機能が発揮される。ガスが排出口４４から電池モジュール１の外部に排出された後は、折り返し部４３が係止面２４ａに近づく力、言い換えれば、排出スペースＳを広げようとする力が加わらなくなるので、ガス漏れ防止のためのシール機能は解除される。ガスの圧力によって蓋部４１が押圧されていない状態では、シール部材６０に、シール性能確保のために圧縮力が加わらない状態となる。

本実施例の電池モジュール１によれば、排出スペースＳに排出されるガスの圧力によってカバー部材４０が押圧されるときに、ホルダ２０から離れる方向にカバー部材４０が移動することを規制する折り返し部４３が設けられ、折り返し部４３と係止部２４ａとの間に、シール部材６０が設けられている。このため、必要なシール性能を確保するために、予めシール部材６０に荷重をかけてカバー部材４０をホルダ２０に組み付ける必要がなく、組み付け作業の作業性を向上させることができる。シール部材６０には、単電池１０からガスが発生したときにのみ、必要なシール性能を得るための荷重（圧縮力）がかかるため、シール部材６０のへたり（塑性変形など）を抑制することができ、シール性能の低下を抑制することができる。

なお、シール部材６０は、折り返し部４３と係止面２４ａとの間に配置されていればよいが、例えば、図２及び図３に示すように、折り返し部４３と係止面２４ａとの間の凸部から係止部２４に沿って下端面２２まで延びるように形成することができる。このように構成することで、金属製のカバー部材４０と金属製のホルダ２０との絶縁性を確保することができる。

また、ホルダ２０の上端面２３の周縁に段差状の係止部２４を形成しているが、これに限るものではない。例えば、ホルダ２０の上端面２３の周縁をそのまま係止面２４ａとすることができる。そして、上端面２３の周縁と折り返し部４３との間にシール部材６０を配置することができる。

また、本実施例では、電池モジュール１においてホルダ２０が電池モジュール１の下側に設けられ、排出スペースＳが電池モジュール１の下方に設けられた態様を一例に示したが、これに限るものではない。例えば、電池モジュール１の上側にホルダ２０を設け、排出スペースＳが電池モジュール１の上部側に配置されるように構成することもできる。

この場合、排出スペースＳが位置するホルダ２０の上端面２３と対向する下端面２２側に、係止部２４及び係止面２４ａを設ける。折り返し部４３は、カバー部材４０がガスの圧力によってＺ方向上方へ移動することを規制するように設けられる。そして、折り返し部４３の内面とＺ方向下方に面する係止面２４ａとの間に、シール部材６０を設ける。このように構成することで、単電池１０からのガスの噴出時に、ガス圧によって蓋部４１が押される方向と同じ方向に、シール部材６０に圧縮力が加わり、必要なシール性能を発揮させることができる。なお、カバー部材４０は、単電池１０からガスが排出されていない状態（ガスの圧力によって押圧されていない状態）で、排出スペースＳが形成された状態を維持するように（蓋部４１の内面がホルダ２０の上端面２３と接触しないように）、ホルダ２０に取り付けることができる。

１：電池モジュール、１０：単電池、１１：上端面（正極端子）、１２：下端面（負極端子）、１３：弁、２０：ホルダ、２１：開口部、２２：下端面、２３：上端面、２４：係止部、２４ａ：係止面、３０：モジュールケース、４０：カバー部材、４１：蓋部、４２：側壁部、４３：折り返し部、４４：排出口、５１，５２：バスバー、６０：シール部、Ｓ：排出スペース

Claims (1)

1. 所定方向に延びて、前記所定方向と直交する平面内で並んで配置された複数の蓄電素子と、
   複数の前記蓄電素子それぞれが挿入される複数の開口部を有し、前記所定方向における前記各蓄電素子の一端を保持するホルダと、
   前記ホルダとの間に、複数の前記開口部から露出する前記蓄電素子の一端側に設けられた排出弁から排出される前記蓄電素子内で発生したガスの排出スペースを形成するためのカバー部材と、
   前記排出スペースをシールするためのシール部材と、を有し、
   前記カバー部材は、前記カバー部材が前記排出スペース内に排出された前記ガスの圧力によって押圧される方向において前記排出スペースに面する前記ホルダの第１面と対向する第２面側に設けられ、前記押圧される方向への移動を規制する折り返し部を備え、
   前記シール部材は、複数の前記蓄電素子の周囲を取り囲むように前記折り返し部と前記第２面との間に設けられ、前記排出スペースに前記ガスが排出されたときに、前記折り返し部によって前記押圧される方向と同じ方向に圧縮されることを特徴とする蓄電モジュール。
   

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