JP2019029126A - 蓄電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電池セルなどの蓄電セルからの排気ガスが周囲の機器に与える影響を小さく抑えることができる蓄電モジュールを提供する。【解決手段】蓄電モジュールは、複数の蓄電セル４３と、複数の蓄電セル４３から排気される排気ガスＧが流れる排気通路８５と、排気通路８５内に配置され、排気ガスＧによって暖められることで膨張する熱膨張部４８，４９とを備える。蓄電セル４３から排気ガスＧが噴出すると、この排気ガスＧは、排気通路８５内を通る。熱膨張部４８，４９は、排気通路８５内を通る排気ガスＧによって暖められ、膨張する。熱膨張部４８，４９が膨張すると、排気通路８５内を排気ガスＧが流れにくくなる。排気ガスＧが流れ難くなると、蓄電モジュールの外部に接続された排気パイプなどと、蓄電モジュールとの間の隙間から漏れる排気ガスＧの漏れ量を少なくすることができる。これにより、漏れ出た排気ガスＧが、蓄電モジュールの周囲に配置された機器に与える影響を小さく抑えることができる。【選択図】図８

Description

本開示は、蓄電モジュールに関する。

従来から複数の電池セルと、複数の電池セルを収容する収容ケースとを備えた電池モジュールが知られている。

電池セルとしては、リチウムイオン電池などが採用される。このような電池セルにおいて、過充電や内部短絡が生じると、電池セル内が高温・高圧となる。そこで、各電池セルに排気弁を設けることで、電池セル内のガスを排気することで、電池セル内が高温・高圧となることを抑制している。

そして、各電池セルから排気された排気ガスを外部に排出する構成を備えた電池モジュールや消火剤が搭載された電池モジュールなどについて、近年、各種提案されている。

たとえば、特開２０１４−１１０１３８号公報に記載された電池モジュールは、モジュールケースと、円筒形状の複数の電池セルと、金属製のホルダーと、正極側バスバーと、負極側バスバーと、絶縁シートと、正極カバーとを備える。

モジュールケースは、内部に複数の電池セルと、ホルダなどとを収容する。ホルダは、モジュールケース内に配置されており、ホルダには、円筒形状の電池セルが挿入される円形の貫通孔が形成されている。

各電池セルは、上端側に形成された正極端子と、下端側に形成された負極端子とを含む。正極端子には、ガス放出弁が形成されている。正極側バスバーは、長尺な板状に形成されている。正極側バスバーは、モジュールケースの上面側に配置されており、複数の電池セルの各正極端子に接続されている。

絶縁シートは、正極側バスバーの上面に配置されている。正極カバーは絶縁シートの上面側に配置されている。そして、絶縁シートと正極カバーとの間には、排煙経路が形成されている。排煙経路は、モジュールケースに形成された排気口に接続されている。

そして、各電池セルから排出された排気ガスは、上記の排煙経路を通って、電池モジュールの外部に排気される。

特開２０１４−３６７１３号公報に記載された電池モジュールは、複数の電池セルと、この複数の電池セルを収容する収容ケースと、収容ケース内に設けられた消火用エアロゾル収納容器とを備えています。

特開２０１４−１１０１３８号公報 特開２０１４−３６７１３号公報

電池セルにおいて、過充電や内部短絡が生じると、電池セル内で各種の発熱反応が起き、電池セル内の温度が上昇すると共に内圧が上昇する。

電池セルのガス放出弁が開放されると、高温の排気ガスがガス放出弁から短時間の間に多量に放出される。その後は、電池セルから比較的長い時間に亘って、小流量の排気ガスが排出され続ける。

高温の排気ガスが排気され続けた際に、電池モジュールの排気口と、この排気口に接続された排気パイプとの間などに隙間があると、当該隙間から排気ガスが排出され続けることになる。高温の排気ガスが漏れ続けると、電池モジュールの周囲の機器に影響を与えるおそれがある。

本開示は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電池セルなどの蓄電セルからの排気ガスが周囲の機器に与える影響を小さく抑えることができる蓄電モジュールを提供することである。

蓄電モジュールは、複数の蓄電セルと、複数の蓄電セルから排気される排気ガスが流れる排気通路と、排気通路内に配置され、排気ガスによって暖められることで膨張する熱膨張部とを備える。

上記の蓄電モジュールによれば、蓄電セルから排気ガスが噴出すると、この排気ガスは、排気通路内を通る。熱膨張部は、排気通路内を通る排気ガスによって暖められ、膨張する。熱膨張部が膨張すると、排気通路内を排気ガスが流れにくくなる。排気ガスが流れ難くなると、蓄電モジュールの外部に接続された排気パイプなどと、蓄電モジュールとの間の隙間から漏れる排気ガスの漏れ量を少なくすることができる。これにより、漏れ出た排気ガスが、蓄電モジュールの周囲に配置された機器に与える影響を小さく抑えることができる。

本開示に係る電池モジュールによれば、電池セルからの排気ガスが周囲の機器に与える影響を小さく抑えることができる。

蓄電装置１が搭載された車両２を示す模式図である。 蓄電装置１の電池ユニット４を示す斜視図である。 電池モジュール１１を示す分解斜視図である。 電池モジュール１０およびその周囲を示す断面図である。 固定プレート１４を取り外した状態を示す電池ユニット４の斜視図である。 電池モジュール１１の排気口５８およびその周囲の構成を示す断面図である。 熱膨張部４８，４９を模式的に示す斜視図である。 実施の形態に係る蓄電装置１において、円筒電池４３ａから排気ガスが排出されたときの初期状態を模式的に示す断面図である。 熱膨張部４８，４９が膨らんだ状態における断面図である。 比較例に係る蓄電装置の一部を示す断面図である。

図１から図１０を用いて、実施の形態について説明する。なお、図１から図１０に示す構成のうち、同一または実質的に同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。

図１は、蓄電装置１が搭載された車両２を示す模式図である。車両２は、車内に配置された蓄電装置１を含む。なお、蓄電装置１が搭載された車両２としては、ハイブリッド車両および電気自動車などの電動車両や燃料電池車両である。蓄電装置１は、電池ケース３と、電池ユニット４と、ファン５とを含む。電池ユニット４は、電池ケース３内に収容されており、ファン５は電池ケース３内に車室内の空気を供給する。

図２は、蓄電装置１の電池ユニット４を示す斜視図である。電池ユニット４は、複数の電池モジュール１０〜１３と、電池ユニット４の両端に設けられた固定プレート１４，１５とを備える。電池ユニット４は略直方体形状であり、車両２の幅方向に長くなるように配置されている。

固定プレート１４は電池ユニット４の長手方向の一端に設けられており、固定プレート１５は電池ユニット４の他端に設けられている。

固定プレート１４は複数のボルト２０〜２７によって電池モジュール１０〜１３に固定されており、固定プレート１４によって、電池モジュール１０〜１３は互いに固定されている。固定プレート１４は、ボルト２８，２９によって、電池ケース３の底面に固定されている。固定プレート１５も固定プレート１４と同様に、各電池モジュール１０〜１３および電池ケース３の底面に固定されている。

このため、電池モジュール１０〜１３は、固定プレート１４，１５によって互いに連結されると共に、電池ケース３の底面に固定されている。

図３は、電池モジュール１１を示す分解斜視図である。電池モジュール１１は、底蓋４０と、負極バスバーアッセンブリ４１と、散熱板４２と、円筒電池４３と、樹脂カバー４４と、正極バスバー４５と、天井蓋４６と、複数の接続板４７とを含む。

散熱板４２は、金属製の板状部材である。この散熱板４２には散熱板４２の厚さ方向に延びる複数の貫通孔５０が形成されている。貫通孔５０はアレイ状に形成されている。

散熱板４２は、上面５１と、下面５２と、一対の側面５３，５４と、一対の端面５５，５６とを含む。各貫通孔５０は、上面５１から下面５２に達している。

散熱板４２の端面５５および端面５６側には、排気路および排気口が形成されている。なお、この図３においては、端面５５側に形成された排気路５７および排気口５８が図示されているが、端面５６側にも同様の排気路および排気口が形成されている。

排気路５７は、下面５２から散熱板４２内に入り込むように延び、その後、端面５５に向けて延びるように形成されている。そして、排気路５７は、端面５５に形成された排気口５８に接続されている。

円筒電池４３は、充放電可能な二次電池である。円筒電池４３としては、たとえば、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などである。円筒電池４３の上端部に正極６０が形成されており、円筒電池４３の下端部には負極６１が形成されている。なお、本実施の形態としては、単位蓄電部として、円筒電池を採用した例について説明したが、角型電池でもよく、また、キャパシタであってもよい。

円筒電池４３は、散熱板４２に形成された貫通孔５０に挿入されている。円筒電池４３の正極６０は散熱板４２の上面５１よりも上方に配置されており、円筒電池４３の負極６１は散熱板４２の下面５２よりも下方に位置している。

散熱板４２の貫通孔５０の内周面と、円筒電池４３の外周面との間には樹脂などが配置されており、円筒電池４３が散熱板４２に固定されている。

樹脂カバー４４は、散熱板４２の上面５１に配置されている。樹脂カバー４４は下方に向けて開口するよう形成されており、樹脂カバー４４は、天板６５と、一対の側壁６６，６７と、一対の端壁６８，６９とを含む。

側壁６６には、複数の通風口７３が形成されている。通風口７３は、側壁６６の長手方向に間隔をあけて形成されている。側壁６７にも、側壁６６と同様に複数の通風口が形成されている。側壁６６，６７の下端部と、端壁６８，６９の下端部は、散熱板４２の上面５１に配置される。

複数の正極バスバー４５は、樹脂カバー４４の天板６５側に配置されている。各正極バスバー４５は、たとえば、１０個程度の円筒電池４３の正極６０を並列に接続する。

天井蓋４６は、正極バスバー４５の上方に配置されている。天井蓋４６は樹脂などの絶縁材料によって形成されている。

負極バスバーアッセンブリ４１は、散熱板４２の下面５２側に配置されている。負極バスバーアッセンブリ４１は、図示されていない複数の負極バスバーと、この複数の負極バスバーをモールドする樹脂モールドとを含む。負極バスバーの外形形状と、正極バスバー４５の外形形状とは近似している。そして、負極バスバーアッセンブリ４１（負極バスバー）には、複数の穴７５が形成されている。各穴７５には、穴７５の内周面から突出するように形成された端子７６を含む。端子７６は、円筒電池４３の負極６１に接続される。

負極バスバーは、正極バスバー４５と同じ円筒電池４３の負極６１を並列に接続するように形成されている。

複数の接続板４７は、側壁６６に設けられている。各接続板４７は、正極バスバー４５および複数バスバーを接続する。複数の接続板４７は、複数の正極バスバー４５および複数の負極バスバーを直列に接続する。ここで、正極バスバー４５および負極バスバーによって並列に接続された複数の円筒電池４３を円筒電池群とすると、複数の円筒電池群が接続板４７によって直列に接続される。

負極バスバーアッセンブリ４１の一端には排気路７７が形成されており、他端には排気路７８が形成されている。排気路７７，７８は、いずれも、負極バスバーアッセンブリ４１の厚さ方向に貫通するように形成されている。

排気路７７は、散熱板４２に形成された排気路５７と連通している。排気路７８は散熱板４２の端面５６側に形成された排気路と連通している。

底蓋４０は、負極バスバーアッセンブリ４１の下面側に配置されている。底蓋４０は、アルミニウムなどの金属によって形成されている。

図４は、電池モジュール１１およびその周囲を示す断面図である。この図４に示すように、底蓋４０および負極バスバーアッセンブリ４１によって、排気路８０が形成されている。円筒電池４３の底面には、安全弁８１が形成されており、安全弁８１は排気路８０に露出している。安全弁８１は、たとえば、円筒電池４３の底板の一部を薄肉にすることで形成されている。

なお、通風口７３には、図１に示すファン５からの冷却風が供給される。冷却風は、電池モジュール１１内に入り込み、複数の円筒電池４３を冷却した後、側壁６７に形成された通風口から排気される。

図５は、固定プレート１４を取り外した状態を示す電池ユニット４の斜視図である。この図５に示すように、電池モジュール１１の一方の端面には、排気口５８と、ボルト穴３０，３１が形成されている。

電池モジュール１０の一方の端面には、排気口１００と、ボルト穴３２，３３とが形成されている。電池モジュール１２の一方の端面には、排気口１０２と、ボルト穴３４，３５とが形成されている。電池モジュール１３の一方の端面には、排気口１０４と、ボルト穴３６，３７とが形成されている。

固定プレート１４のボルト２０〜２７は、ボルト穴３０〜３７に挿入されている。各ボルト穴３０〜３７の内表面には各ボルト２０〜２７のネジ軸２０ａ〜２７ａと螺合するネジ部が形成されており、固定プレート１４が電池モジュール１０，１１，１２，１３の一方端に固定されている。

固定プレート１４は、板状に形成されており、固定プレート１４は外側面１１１と対向面１１０とを含む。対向面１１０は、電池ユニット４と対向する面である。

固定プレート１４の対向面１１０には、複数の排気口１２０，１２１，１２３，１２４が形成されており、固定プレート１４内には、排気通路１３０および排気通路１３１が形成されている。

固定プレート１４が電池ユニット４に固定された状態において、排気口１２０は、排気口５８に接続される。排気口１２１は、排気口１００に接続される。

排気口１２３は、排気口１０２に接続される。排気口１２４は排気口１０４に接続される。

排気口１２０および排気口１２１は、排気通路１３０に接続されている。排気通路１３０は、固定プレート１４の下面に形成された排気口に接続されている。

排気口１２３および排気口１２４は、排気通路１３１に接続されている。排気通路１３１は、固定プレート１４の下面に形成された排気口に接続されている。

図６は、電池モジュール１１の排気口５８およびその周囲の構成を示す断面図である。蓄電装置１および固定プレート１４の下面側には、排気ダクト８８が配置されている。排気ダクト８８内には、排気通路８９が形成されており、固定プレート１４の排気通路１３０は排気通路８９と連通している。排気通路８９は車外と連通している。

図３および図６において、排気路８０は、負極バスバーアッセンブリ４１の端部に形成された排気路７７と連通している。排気路７７は、散熱板４２に形成された排気路５７に連通している。

そして、排気路８０と、排気路７７と、排気路５７とによって、排気通路８５が形成されている。排気通路８５は、排気口５８に接続されている。同様に、図３に示す排気路８０と、排気路７８と、端面５６側に形成された排気路とによって、排気通路８６が形成されている。

図６に示す排気路５７は、鉛直路５７ａと、水平路５７ｂとを含む。鉛直路５７ａは、排気路７７との接続部分から上方に向けて延びるように形成されている。水平路５７ｂは、鉛直路５７ａとの接続部分から水平方向に延びるように形成されている。水平路５７ｂは、排気口５８に接続されている。

排気路５７内には、熱膨張部４８および熱膨張部４９が配置されている。具体的には、熱膨張部４８，４９は、水平路５７ｂ内に配置されている。熱膨張部４８および熱膨張部４９は、互いに間隔をあけて配置されており、熱膨張部４８および熱膨張部４９の間には隙間が形成されている。この図６に示す例においては、熱膨張部４８および熱膨張部４９は、上下方向に間隔をあけて配置されている。

熱膨張部４８，４９は、たとえば、６０℃以下の通常環境温度では、膨張するように変形しない。熱膨張部４８，４９は、たとえば、１００℃以上４００℃以下程度の温度で膨張するように変形する。

熱膨張部４８，４９としては、たとえば、フィブロック（積水化学工業社製）などを採用することができる。

図７は、熱膨張部４８，４９を模式的に示す斜視図である。熱膨張部４８および熱膨張部４９は、板状に形成されている。熱膨張部４８は、主面９０ａ、９０ｂと、端面９１ａ、９１ｂと、側面９２ａ、９２ｂとを含む。主面９０ａ，９０ｂの面積は、端面９１ａ、９１ｂの面積および側面９２ａ，９２ｂの面積よりも広い。主面９０ａは、水平路５７ｂの内表面に接触するように配置されている。

熱膨張部４９は、主面９５ａ，９５ｂと、端面９６ａ，９６ｂと、側面９７ａ，９７ｂとを含む。主面９５ａ，９５ｂの面積は、端面９６ａ，９６ｂの面積および側面９７ａ，９７ｂの面積よりも広い。主面９５ｂは、水平路５７ｂの内表面に接触するように配置されている。

熱膨張部４８の主面９０ｂと、熱膨張部４９の主面９５ａとは、互いに間隔をあけて配置されており、主面９０ｂと主面９５ａとの間には隙間が形成されている。

次に、比較例に係る蓄電装置と、実施の形態に係る蓄電装置１とにおいて、たとえば、電池モジュール１１の円筒電池４３ａ内で内部短絡が生じたり、円筒電池４３ａが過充電状態になったりした場合について説明する。

円筒電池４３ａ内において内部短絡などが生じると、円筒電池４３ａ内の温度が上昇して、円筒電池４３ａ内の内圧が上昇する場合がある。

円筒電池４３ａ内の内圧が所定圧以上になると、円筒電池４３ａの安全弁８１が開放され、円筒電池４３ａから高温のガスが吹き出る。

図８は、実施の形態に係る蓄電装置１において、円筒電池４３ａから高温の排気ガスが排出されたときの初期状態を模式的に示す断面図である。

安全弁８１が開放された直後は、高温の排気ガスＧが勢いよく円筒電池４３ａから噴出する。排気ガスＧの温度は、たとえば、１００℃以上４００℃以下程度である。

この排気ガスＧは、排気路８０内に入り込み、その後、排気路７７および排気路５７を通り、固定プレート１４の排気口１２０から排気通路１３０内に入り込む。排気通路１３０内に入り込んだ排気ガスＧは、その後、車外に排気される。

円筒電池４３ａから噴出する排気ガスＧの噴出量は、所定時間経過後には、少量となる。そして、少量の排気ガスＧの噴出が継続する。

排気ガスＧが排気路５７内を流れる過程において、熱膨張部４８，４９は排気ガスＧによって暖められる。熱膨張部４８，４９は、排気ガスＧによって暖められると、膨張する。特に、実施の形態に係る蓄電装置１においては、図７に示すように、熱膨張部４８，４９の面積の広い主面９０ｂ，９５ａの表面を排気ガスＧが通るように配置されているため、排気ガスＧが熱膨張部４８および４９の間の隙間を通ると、熱膨張部４８，４９は、排気ガスＧによって良好に暖められる。その結果、熱膨張部４８，４９は、良好に膨張する。

図９は、熱膨張部４８，４９が膨らんだ状態における断面図である。熱膨張部４８，４９が膨らむことで、熱膨張部４８および熱膨張部４９の間の隙間が閉塞され、排気路５７が熱膨張部４８，４９によって閉塞される。

図１０は、比較例に係る蓄電装置の一部を示す断面図である。比較例の蓄電装置においては、熱膨張部４８，４９が設けられていない。この比較例に係る蓄電装置においても、円筒電池４３ａから噴出した排気ガスＧは、排気通路８５を通り、車外に排気される。

この際、たとえば、固定プレート１４と散熱板４２との密着が不十分である場合には、固定プレート１４および散熱板４２の間から蓄電装置の外部に排気ガスＧが漏れ出るおそれがある。同様に、固定プレート１４と排気ダクト８８との密着が不十分である場合には、固定プレート１４と排気ダクト８８との間から排気ガスＧが漏れ出るおそれがある。

蓄電装置の周囲には、車載機器が配置されており、この車載機器が排気ガスＧに曝され、車載機器が損傷するおそれがある。

その一方で、本実施の形態に係る蓄電装置１においては、図９に示すように、熱膨張部４８，４９が排気路５７を閉塞するため、固定プレート１４および散熱板４２の間に隙間があったとしても、排気ガスＧが蓄電装置１の外部に漏れ出ることを抑制することができる。

同様に、固定プレート１４および排気ダクト８８との間に隙間があったとしても、蓄電装置１の外部に漏れ出ることを抑制することができる。

これにより、本実施の形態１に係る蓄電装置１によれば、蓄電装置１の周囲に配置された車載機器が損傷することを抑制することができる。特に、車両２がＩＧ−ＯＦＦの状態においても、熱膨張部４８，４９は排気ガスＧによって膨張変形するため、排気口５８を閉塞するために各種センサを搭載したり、各種制御を実施する必要がない。このため、円筒電池４３から排気ガスＧが噴出した際には、略何時でも、排気ガスＧの漏れを抑制することができる。

なお、今回開示された実施の形態は全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全ての変更が含まれることが意図される。

１ 蓄電装置、２ 車両、３ 電池ケース、４ 電池ユニット、５ ファン、１０，１１，１２，１３ 電池モジュール、１４，１５ 固定プレート、２０，２７，２８，２９ ボルト、２０ａ，２７ａ ネジ軸、３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７ ボルト穴、４０ 底蓋、４１ 負極バスバーアッセンブリ、４２ 熱板、４３，４３ａ 円筒電池、４４ 樹脂カバー、４５ 正極バスバー、４６ 天井蓋、４７ 接続板、４８，４９ 熱膨張部、５０ 貫通孔、５１ 上面、５２ 下面、５３，５４，９２ａ，９２ｂ，９７ａ，９７ｂ 側面、５５，５６，９１ａ，９６ａ，９６ｂ 端面、５７，７７，７８，８０ 排気路、５７ａ 鉛直路、５７ｂ 水平路、５８，１００，１０２，１０４，１２０，１２１，１２３，１２４ 排気口、６０ 正極、６１ 負極、６５ 天板、６６，６７ 側壁、６８，６９ 端壁、７３ 通風口、７５ 穴、７６ 端子、８１ 安全弁、８５，８６，８９，１３０，１３１ 排気通路、８８ 排気ダクト、９０ａ，９０ｂ，９５ａ，９５ｂ 主面、１１０ 対向面、１１１ 外側面、Ｇ 排気ガス。

Claims (1)

1. 複数の蓄電セルと、
   前記複数の蓄電セルから排気される排気ガスが流れる排気通路と、
   前記排気通路内に配置され、前記排気ガスによって暖められることで膨張する熱膨張部と、
   を備えた、蓄電モジュール。

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