JP2019102421A - バッテリ - Google Patents
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Abstract
【課題】バッテリの異常時に、安全に可燃性ガスをバッテリパックのケースの外部に放出することができるバッテリを提供する。【解決手段】実施形態によれば、バッテリは、内部が密閉されたバッテリケースと、前記バッテリケースに形成されたガス抜き用のガス排出部と、前記バッテリケース内に収納される、複数の電池セルの集合体である電池モジュールと、前記電池セルの一部に形成され、前記電池セルの内部から噴出するベントガスを流出させる圧力リリーフ部と、前記圧力リリーフ部と前記ガス排出部との間で前記ベントガスが流れるベントガス経路、及び前記ベントガス経路内を流れる前記ベントガスの液化を促進し、かつ液化した液体を捕捉する液体捕捉部を構成するベント経路構造体と、を備える。【選択図】 図3
Description
本発明の実施形態は、バッテリに関する。
二次電池などのバッテリパックは、バッテリケースの内部に、複数の電池セル(単電池)集合体である電池モジュールが収納されている。バッテリパックの使用中、短絡またはその他の原因により、ケースの内部の電池セルが熱暴走する可能性がある。
このような事態を想定して、バッテリパックには、電池セルの爆発を防止する安全機構が付いている。この安全機構の一例としては、電池セルに圧力解放用の圧力リリーフ部を設けている。そして、例えば、電池セルの熱暴走により、電池セルの内部に高温の可燃性ガスが発生し、電池セルの内部圧力が上昇した場合には、電池セルの圧力リリーフ部が動作する。
安全機構として、さらに、バッテリケースには、ガス抜き用のガス排出部が形成されている。そして、電池セルの圧力リリーフ部から放出された可燃性のベントガスは、バッテリケースのガス排出部からバッテリパックの外部に放出される。このとき、圧力リリーフ部から放出されるベントガスは、高温の可燃性ガスである。そのため、そのガスをバッテリパックの外部に安全に放出しないと、電池セルの爆発は防止できても、バッテリパックのバッテリケースが爆発、または、発火する可能性がある。
バッテリの異常時に電池セルの圧力リリーフ部から放出される可燃性ガスは、ケースのガス排出部からバッテリパックの外部に放出させている。ここで、可燃性ガスは、電解液が高温により気化したものであるため、噴出したガスの排出経路内で、冷却された場合には液化する可能性がある。
例えば、電池セルの圧力リリーフ部とケース本体のガス排出部との間の排出経路上、狭い部分や複雑な経路(曲がった所や、断面積の不連続な所や、重力の影響で液だまりが発生しやすい所)があるとこれらの部分で乱流が発生しやすい。
そのため、可燃性ガスが低温のケース壁面などとの接触により熱伝達が促進されやすく、液化してガスの排出経路を塞ぐ可能性もある。そして、液化した電解液が噴出したガスに押されてガスの排出経路のコーナー部に溜まったり、液化した電解液が自重で電池セルの圧力リリーフ部を塞ぐ可能性がある。そのため、液化した電解液によりガスの排出経路が詰まり、バッテリパックの外部へのガスの排出が阻害されるおそれがある。
さらに、液化した電解液が溜った部分に電流が流れて二次的な短絡が発生する可能性もある。また、高温の可燃性ガスとの接触により、バッテリパックのケース内部の絶縁体などの樹脂部品が溶け、溶けた樹脂部品がガスの排出経路を塞ぐ可能性もある。そのため、このような事態に対応して安全に可燃性ガスをバッテリパックのケースの外部に放出する対策が要望されている。
実施形態は、バッテリの異常時に、電池セルの内部から可燃性ガスが気体となって吹き出した場合に、安全に可燃性ガスをバッテリパックのケースの外部に放出することができるバッテリを提供することが課題である。
実施形態によれば、バッテリは、内部が密閉されたバッテリケースと、前記バッテリケースに形成されたガス抜き用のガス排出部と、前記バッテリケース内に収納される、複数の電池セルの集合体である電池モジュールと、前記電池セルの一部に形成され、前記電池セルの内部から噴出するベントガスを流出させる圧力リリーフ部と、前記圧力リリーフ部と前記ガス排出部との間で前記ベントガスが流れるベントガス経路、及び前記ベントガス経路内を流れる前記ベントガスの液化を促進し、かつ液化した液体を捕捉する液体捕捉部を構成するベント経路構造体と、を備える。
以下、図1乃至図5を参照して一実施の形態を説明する。図1は、実施形態のバッテリ11A全体の概略構成を示す斜視図である。図2は、図1のバッテリ11Aの分解斜視図である。図3は、図1のバッテリ11Aの内部のベント経路構造体26を示す縦断面図である。図4は、図3のベント経路構造体26を示す斜視図である。図5は、図4のベント経路構造体を構成する箱体27の裏面となる下面27bを示す斜視図である。
本実施形態のバッテリ11Aは、バッテリケース11と、ベントガス解放部(ガス排出部)25と、電池モジュール15と、安全弁である圧力リリーフ部16と、ベント経路構造体26と、を備えている。
バッテリケース11は、上ケース12と、下ケース13とを有する。図2に示すように下ケース13は、上面開口部13aが形成された矩形箱形の筺体である。この下ケース13は、矩形平板状に構成された底板部13bと、前後左右の4面を構成する側壁部13c、13d、13e、13fとを有する。
下ケース13の内部には、図2に示すように複数の電池セル14の集合体である電池モジュール15が収容されている。本実施形態では、5個の電池セル14が並設された電池モジュール15の例を示している。
電池セル14は、例えばアルミニウムなどの金属容器によって構成されているほぼ直方体のセル缶またはラミネート膜などの筐体14aを有する。筐体14a内には、例えば渦巻き状に巻回している図示しない電極本体(コイル)や、電解液などが収容されている。
筐体14aの上面板14bには、一対のセル端子と、安全弁である圧力リリーフ部16とが配列されている。隣接する電池セル14のセル端子は、バスバ22によって接続されている。本実施形態では、5個の電池セル14のセル端子が、4個のバスバ22によって直列に接続されている。
そして、外側に配置された一方の電池セル14のセル端子に正極のセル端子23が接続されている。外側に配置された他方の電池セル14のセル端子に、負極のセル端子24がそれぞれ接続されている。
圧力リリーフ部16は、図3に示すように、筐体14aの上面板14bの一部が他に対して厚みが薄く形成された薄肉部16aである。換言すると、圧力リリーフ部16は、上面板14bの一部に形成された脆弱部である。本実施形態では、圧力リリーフ部16は、上面板14bの上面の一部がその周囲に対して凹んだ形状に形成されている。
薄肉部16aは、例えば上面板14bの表面に複数の線状の溝を十字状に配置した十字状溝によって形成されている。なお、薄肉部16aは、上面板14bの裏面に設けられていてもよいし、または、上面板14bの表面および裏面の両方に設けられていてもよい。
この圧力リリーフ部16は、筐体14aの内圧があらかじめ設定された設定圧力以上になると薄肉部16aが切れることによって電池セル14の室内を開放し、電池セル14の内部ベントガスを流出させる。
上ケース12は、下面開口部12aが形成された矩形箱形の筺体である。この上ケース12は、上面板部12bと、前後左右の4面を構成する側壁部12c、12d、12e、12fとを有する。
そして、下ケース13の上端部(上面開口部13a側の端部)と、上ケース12の下端部(下面開口部12a側の端部)とを当接させた状態で、上ケース12と下ケース13とが図示しないねじで固定される。これにより、上ケース12と下ケース13とが接合される。このとき、下ケース13と上ケース12との間は、図示しないパッキンによって密閉される。この為、バッテリケース11の内部が密閉される。
上ケース12には、上面板部12bに正極端子18を通す孔と、負極端子19を通す孔と、2つのベントガス解放部25などが設けられている。ベントガス解放部25は、上ケース12に形成された孔25aと、孔25aに設けられてバッテリケース11の内部の防水性を保持しながら、バッテリケース11の内外気を通気させる防水通気フィルタ25bと、を有する。
この防水通気フィルタ25bは、例えば、多孔質PTFE膜を有する。そして、ベントガス解放部25は、周囲大気の気圧変化や、温度上昇などによるバッテリケース11の内部圧力の変化に対しては、防水性を保持しながら、内外気を通気させて(入れ替えて)、バッテリケース11の内外に気圧差をかけない構造になっている。
また、電池モジュール15の上側には、ベント経路構造体26と、制御基板17と、その他の構造材などが配置されている。制御基板17には、電池モジュール15の正極タブ20と、負極タブ21とが接続されている。正極タブ20の上端部には、正極端子18が接続されている。正極タブ20の下端部には、電池モジュール15の正極のセル端子23が接続されている。負極タブ21の上端部には、負極端子19が接続されている。負極タブ21の下端部には、電池モジュール15の負極のセル端子24が接続されている。
また、ベント経路構造体26は、図3に示すように電池モジュール15の上側に配置された箱体27によって形成されている。この箱体27は、図4に示すように上面に上面開口部28aが形成された下側部材28と、上面開口部28aを閉塞する蓋となる平板状の上側部材29とを有する。これらの下側部材28と、上側部材29とは、例えば樹脂などの絶縁体によって形成されている。
下側部材28は、電池モジュール15の5個の電池セル14の並設方向の長さとほぼ同じ長さを有している。図5に示すように下側部材28の底面27aには、5個の電池セル14の各圧力リリーフ部16と連通する連通孔30が形成されている。なお、底面27aは、箱体27の内部空間の下面である。
具体的に説明すると、本実施形態では圧力リリーフ部16は、上面板14bの上面の一部がその周囲に対して凹む形状に形成されることにより構成されている。連通孔30が圧力リリーフ部16に対向するとともに、連通孔30の周縁部が圧力リリーフ部16の周縁部に密着されてシールされることにより、圧力リリーフ部16と連通孔30とが連通する。なお、下側部材28は、下側部材28の下面27bが電池モジュール15の上面に密着した状態で、接着や固定部材等の固定手段により、電池モジュール15に固定されている。
上側部材29には、上ケース12の2つのベントガス解放部25のそれぞれと対応する位置に連通孔31が形成されている。なお、対応する位置とは、本実施形態では、一例として、制御基板17を間に挟んで対向する位置である。
制御基板17は、上側部材29の上面に配置される。さらに、制御基板17には、2つの中間連通孔32が形成されている。中間連通孔32は、制御基板17を厚み方向に貫通している。一方の中間連通孔32は、一方の連通孔31及び一方のベントガス解放部25の孔25aに連通している。他方の中間連通孔32は、他方の連通孔31及び他方のベントガス解放部25の孔25aに連通している。
具体的に説明すると、制御基板17の下面では、中間連通孔32の周縁部と連通孔31の周縁部とが密着することで互いの間がシールされており、中間連通孔32が連通孔31に連通している。制御基板17の上面では、中間連通孔32の周縁部とベントガス解放部25の孔25aの周縁部とが密着することで互いの間のシールされており、中間連通孔32が孔25aに連通している。
これにより、箱体27の内部空間と制御基板17の中間連通孔32とによって、圧力リリーフ部16とベントガス解放部25との間でベントガスが流れるベントガス経路33が形成されている。そして、箱体27によってこのベントガス経路33の一部を囲む。ベントガス経路33は、重力方向と直交する方向に延設されている。
さらに、ベント経路構造体26は、ベントガス経路33内を流れるベントガスの液化を促進し、かつ液化した液体を捕捉する液体捕捉部34を有する。ここで、下側部材28の底面27aには、上向きに突出する複数の微細な凸部35、及び隣接する凸部35間の凹部が複数の電池セル14の並ぶ方向に沿って並ぶ第1のヒートシンク部36が形成されている。
複数の凸部35は、例えば、下側部材28に板状の別部材を接着等の固定手段で固定することにより、構成されている。なお、凸部35は、下側部材28と一体に形成されてもよい。複数の凸部35のそれぞれは、例えば、下側部材28の、電池セル14が並ぶ方向に沿う一方の内側面から他方の内側面まで延びる矩形の板状に形成されている。複数の凸部35の上端は、同一平面に配置される。すなわち、底面27aに対する複数の凸部35のそれぞれの高さは、同じである。複数の凸部35の高さは、上側部材29の後述する凸部37の下端との間に、主経路33aを構成する高さに設定されている。なお、2つの凸部35間の凹部は、主経路33aに連通する。主経路33aは、バッテリ11Aが設置された状態で重力が作用する方向に直交する方向に延びる。
また、上側部材29には、内面29a(図3中で下面)に下向きに突出する複数の微細な凸部37、及び隣接する凸部37間の凹部が複数の電池セル14の並ぶ方向に沿って並ぶ第2のヒートシンク部38が形成されている。
複数の凸部37は、例えば、上側部材29に板状の別部材を接着剤等の固定手段により固定することで構成されてもよい。なお、凸部37は、上側部材29と一体に形成されてもよい。複数の凸部37のそれぞれは、例えば、上側部材29の、電池セル14が並ぶ方向に沿う一方の縁から他方の縁まで延びる矩形の板状に形成されている。複数の凸部37の下端は、同一平面に配置される。隣り合う2つの凸部37の間の凹部は、主経路33aに連通する。
下側部材28の第1のヒートシンク部36では、隣り合う2つの凸部35の間隔は、毛細管現象を生じる間隔に設定されている。換言すると、隣り合う凸部35の間の凹部の幅は、毛細管現象を生じる間隔に設定されている。上側部材29の第2のヒートシンク部38では、隣り合う2つの凸部37の間隔は、毛細管現象を生じる間隔に設定されている。換言すると、隣り合う凸部37の間の凹部の幅は、毛細管現象を生じる間隔に設定されている。そして、液体捕捉部34は、本実施形態では、下側部材28の第1のヒートシンク部36と、上側部材29の第2のヒートシンク部38とによって形成されている。
本実施形態では下側部材28の第1のヒートシンク部36と、上側部材29の第2のヒートシンク部38との間には、適宜の隙間が形成されている。この隙間は、主経路33aを構成する。
次に、上記構成の本実施形態のバッテリ11Aの作用について説明する。本実施形態のバッテリ11Aの異常時、例えば、電池セル14の熱暴走により、電池セル14の内部に高温の可燃性ガスが発生し、電池セル14の内部圧力が上昇した場合、電池セル14の圧力リリーフ部16が動作する。
すなわち、圧力リリーフ部16は、筐体14aの内圧が設定圧力以上になると薄肉部16aが切れるようにあらかじめ設定されている。これによって電池セル14の内部から噴出するベントガスを薄肉部16aの切れ目を通して流出させる。
このとき、電池セル14の圧力リリーフ部16から放出される可燃性のベントガスは、連通孔30を通してベント経路構造体26に流入する。ベント経路構造体26に流入したベントガスは、箱体27の内部空間であるベントガス経路33を通り、重力方向と直交する方向に流れる。そして、図3中に矢印で示す通り、上側部材29の2つの連通孔31を通り、制御基板17の中間連通孔32と、上ケース12の2つのベントガス解放部25とを順次、介してバッテリケース11の外部に流出する。
ベント経路構造体26内のベントガスは、ミスト状の形態(湯気のような状態)で流れている。このとき、下側部材28の第1のヒートシンク部36と上側部材29の第2のヒートシンク部38とは、表面積が大きいので、熱伝達率が高い。そのため、本実施形態では、毛細管現象を生じる微細な凸凹が連続する下側部材28の第1のヒートシンク部36と上側部材29の第2のヒートシンク部38とにベントガスが接触することによってベントガスの冷却が促進され、ベントガスを液化させやすくすることができる。
さらに、ベントガス経路33内でベントガスが冷却されて液化したものは、下側部材28の第1のヒートシンク部36の各凹部と、上側部材29の各凹部とに、毛細管現象で蓄えることができる。
このとき、液化するベントガスの液の量は微量であり、重力や、ベントガスの流速に打ち勝って下側部材28の第1のヒートシンク部36の各凹部と上側部材29の第2のヒートシンク部38の各凹部とに毛細管現象で、捕捉させることができる。
そのため、バッテリケース11の内部でベントガスが液化されたものが不用意に流れて、ベントガス経路33上の狭い個所、例えば電池セル14の薄肉部16aの切れ目の周辺部分や、上側部材29の2つの連通孔31の周辺部分などを塞いでしまうことを避けることができる。
また、ベント経路構造体26の下側部材28には、電池モジュール15の5個の電池セル14の各圧力リリーフ部16と連通する連通孔30が形成されている。さらに、ベント経路構造体26の上側部材29には、上ケース12の2つのベントガス解放部25と連通する連通孔31が形成されている。そのため、ベントガス経路33の上流側である連通孔30の周囲でまずはベントガスを液化して、流れるベントガスの体積を削減することができる。これにより、ベントガス経路33の内部を流れるベントガスの内圧、及びガス流速を小さくして、ベントガスが液化されたものを捕捉しやすくすることができる。
さらに、上ケース12の2つのベントガス解放部25のようにガスが流れる経路の狭い所や、複雑な所(曲がった所や、断面積の不連続な所や、重力の影響で液だまりが発生しやすい所)の上流のベントガス経路33内に液体捕捉部34が設けられている。そのため、2つのベントガス解放部25への、ベントガスが液化したものの流れ込みが抑制される。
また、液体捕捉部34を構成する下側部材28の第1のヒートシンク部36の複数の凸部35と、上側部材29の第2のヒートシンク部38の複数の凸部37とは、ベントガス経路33の内部を流れるベントガスの流れる方向と直交する方向に突出する形状に構成されている。そのため、液体の捕捉力を高めることができる。なお、液体捕捉部34は、重力の方向と垂直に配置することで、液体の捕捉力を高めることもできる。具体的には、複数の凸部35と、複数の凸部37とが、重力の方向と直交する方向に突出する構成である。この一例としては、図4に示す箱体27を90度回転させた構成である。
上記構成の本実施の形態のバッテリ11Aでは、次の効果を奏する。すなわち、ベントガス経路33の広い個所に下側部材28の第1のヒートシンク部36と上側部材29の第2のヒートシンク部38とを設けることで、ベントガスの冷却を促進して、液化させることができる。
さらに、ベントガスの液化と同時に、ベントガスが液化されたものが、下側部材28の第1のヒートシンク部36の複数の凸部35間と上側部材29の第2のヒートシンク部38の複数の凸部37の間に、毛細管現象で蓄えられる。これにより、ベントガス経路33の内部でベントガスが液化したものが不用意に流れて、ベントガス経路33上の狭い個所を塞いでしまうことを避けることができる。
したがって、本実施形態のバッテリ11Aでは、バッテリの異常時に、バッテリ11Aの電池セル14から高温のベントガスが吹き出した場合に、安全にベントガスをバッテリ11Aのバッテリケース11の外部にスムーズに放出することができる。
図6は、上記実施の形態のバッテリ11Aのベント経路構造体26の変形例であるベント経路構造体41の下側部材28を示す。なお、図6中で、図1乃至図5と同一部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。なお、上側部材29は、図1乃至図5を用いて説明されたものと同じであってよい。
本変形例のベント経路構造体41は、下側部材28の箱体27の下面(底面27a)に上向きに突出するピンフィン形状に形成されている複数の微細な凸部42を有する第1のヒートシンク部43が形成されている。換言すると、複数の凸部35に代えて複数の凸部42が形成される。なお、図6では、下側部材28の第1のヒートシンク部43を示したが、上側部材29も同様に、複数の凸部37に代えてピンフィン形状に形成されている複数の微細な凸部42を有する第2のヒートシンク部を形成してもよいことは勿論である。なお、この場合であっても、第1のヒートシンク部と第2のヒートシンク部との間には、主経路33aが形成される。
本変形例のベント経路構造体41では、ピンフィン形状に形成されている複数の微細な凸部42によってベントガス経路33内を流れるベントガスの液化を促進し、かつベントガスが液化したものを捕捉する液体捕捉部34を構成できる。したがって、本変形例でも上記実施の形態のバッテリ11Aのベント経路構造体26と同様の効果が得られる。
または、ピンフィン形状の凸部42が下側部材28のみに形成され、上側部材29は、平板状に形成されてもよい。この場合、凸部42はその上端が上側部材29に接触する高さを有してもよい。この場合、凸部42間の隙間は、ベントガスが流動可能であって、毛細管現象を生じない隙間に設定される。この場合では、ベントガスの液化を促進することが可能であるが、凸部42間に液を補足することはできない。
なお、本実施形態では、ベント経路は、箱体27と制御基板17とにより構成された。しかしながら、ベント経路は、箱体27のみにより構成されてもよい。この場合は、箱体27の上側部材29に形成される中間連通孔31は、制御基板17を介することなく、ベントガス解放部25の孔25aに連通する。この場合、例えば、上側部材29の中間連通孔31の周縁部が、上ケース12の孔25aの周縁部に当接する。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
11…バッテリケース、11A…バッテリ、11a…ケース本体、12…上ケース、12a…下面開口部、12b…上面板部、12c…側壁部、12d…側壁部、12e…側壁部、12f…側壁部、13…下ケース、13a…上面開口部、13b…底板部、13c…側壁部、13d…側壁部、13e…側壁部、13f…側壁部、14…電池セル、14a…筐体、14b…上面板、15…電池モジュール、16…圧力リリーフ部、16a…薄肉部、17…制御基板、18…正極端子、19…負極端子、20…正極タブ、21…負極タブ、22…バスバ、23…セル端子、24…セル端子、25…ベントガス解放孔(ガス排出部)、26…ベント経路構造体、27…箱体、27a…底面、28…下側部材、28a…上面開口部、29…上側部材、30…連通孔、31…連通孔、32…中間連通孔、33…ベントガス経路、34…液体捕捉部、35…凸部、36…第1のヒートシンク部、37…凸部、38…第2のヒートシンク部、41…ベント経路構造体、42…凸部、43…第1のヒートシンク部。
Claims (5)
- 内部が密閉されたバッテリケースと、
前記バッテリケースに形成されたガス抜き用のガス排出部と、
前記バッテリケース内に収納される、複数の電池セルの集合体である電池モジュールと、
前記電池セルの一部に形成され、前記電池セルの内部から噴出するベントガスを流出させる圧力リリーフ部と、
前記圧力リリーフ部と前記ガス排出部との間で前記ベントガスが流れるベントガス経路、及び前記ベントガス経路内を流れる前記ベントガスの液化を促進し、かつ液化した液体を捕捉する液体捕捉部を構成するベント経路構造体と、
を具備するバッテリ。 - 前記ベント経路構造体は、前記圧力リリーフ部と前記ガス排出部との間に配設される箱体を有し、
前記ベントガス経路は、前記箱体の内部に重力方向と直交する方向に延設されている請求項1に記載のバッテリ。 - 前記箱体は、上面に上面開口部が形成された下側部材と、前記上面開口部を閉塞する蓋状の上側部材とを有し、
前記下側部材には、前記電池セルの前記圧力リリーフ部と連通する連通孔が形成され、かつ内部に面する底面に上向きに突出する複数の凸部、及び隣接する凸部間の凹部を有する第1のヒートシンク部が形成され、
前記上側部材には、前記ガス排出部に連通する連通孔が形成され、かつ内部に面する下面から下向きに突出する複数の凸部、及び隣接する凸部間の凹部を有する第2のヒートシンク部が形成され、
前記第1のヒートシンク部の前記複数の凸部のうち隣り合う2つの凸部の間隔、及び、前記第2のヒートシンク部の前記複数の凸部のうち隣り合う2つの凸部の間隔は、毛細管現象を生じる間隔に設定される
請求項2に記載のバッテリ。 - 前記第1のヒートシンク部の前記複数の凸部のそれぞれは、ピンフィン形状に形成されている請求項3に記載のバッテリ。
- 前記第2のヒートシンク部の前記複数の凸部のそれぞれは、ピンフィン形状に形成されている請求項4に記載のバッテリ。
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