JP2019160488A

JP2019160488A - 電池モジュール

Info

Publication number: JP2019160488A
Application number: JP2018043134A
Authority: JP
Inventors: 秀渡三橋; Hideto Mihashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-03-09
Filing date: 2018-03-09
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2038-03-09
Also published as: JP7000927B2

Abstract

【課題】所定の積層方向に積層された複数の単電池のうち、中央部に位置する単電池の温度上昇を優先して抑制することができる電池モジュールを提供する。【解決手段】電池モジュール１は、電池モジュール１の長手方向に沿って積層された複数の単電池２と、積層された複数の単電池２を収容した電池ケース１０と、アルゴンガス２９が収容されたガス収容ケース２０とを備える。電池ケース１０は、中央部に位置する単電池２に向けてアルゴンガス２９を噴出する噴出口３５を含む。【選択図】図２

Description

本開示は、電動車両に搭載される電池モジュールに関する。

電池モジュールに含まれる複数の単電池の各々においては、過充電および／または内部短絡などの異常に伴って単電池内が過剰に発熱し、単電池内に可燃性物質を含むガスが発生し得る。このガス（以下「発煙ガス」ともいう）が多量に発生すると、単電池の内部圧力が上昇して単電池の外装体（たとえば、アルミラミネートなど）が破損し、電池モジュール内において発煙ガスに酸素が供給され、電池モジュールが熱暴走に至る可能性が懸念される。

特開２０１５−１１１５７０号公報（特許文献１）には、所定の積層方向に積層された単電池を収容した電池ケースと不活性ガスを収容したガス収容ケースとを備えた電池モジュールが開示されている。この電池モジュールは、単電池が積層された積層方向の一端側の面に設けられた噴出口から電池ケース内に不活性ガスを噴出して、電池ケース内を不活性ガスで満たす。これにより、単電池と不活性ガスとの間で熱交換を行なわせて単電池の温度上昇を抑制することができる。また、発煙ガスが発生した場合に、発煙ガスに酸素が供給されることを防ぎ、熱暴走を抑制することができる。なお、以下においては、不活性ガスとの熱交換により温度上昇を抑制すること、および、不活性ガスにより酸素の供給を遮断することを「不活性化」ともいう。

特開２０１５−１１１５７０号公報特開平１０−９２４７６号公報

所定の積層方向に積層された複数の単電池のうち、積層方向における中央部に位置する単電池は、中央部以外に位置する単電池（たとえば、積層方向の端部側に設けられた単電池）に比べて放熱性が低いため、温度が高温になりやすい。そのため、電池モジュールの熱暴走を的確に防止するためには、中央部以外に位置する単電池より優先して、中央部に位置する単電池の温度上昇を抑制することが望ましい。

特許文献１に記載された電池モジュールは、不活性ガスの噴出口が中央部から離れているために、中央部以外に位置する単電池より優先して、中央部に位置する単電池を不活性化させることができないことが懸念される。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、所定の積層方向に積層された複数の単電池のうち、中央部に位置する単電池の温度上昇を優先して抑制することができる電池モジュールを提供することである。

本開示に係る電池モジュールは、所定の積層方向に積層された複数の電池と、複数の電池を収容可能な電池ケースと、不活性ガスが収容されたガス収容ケースとを備える。電池ケースは、複数の電池のうち積層方向における中央部に位置する電池に向けて不活性ガスを噴射する噴出口を含む。

上記構成によれば、電池モジュールに含まれる積層方向に積層された単電池のうち、最も高温になりやすい積層方向における中央部に位置する単電池に向けて不活性ガスが噴出される。そのため、中央部以外に位置する単電池より優先して、中央部に位置する単電池を不活性化させることができる。これによって、中央部に位置する単電池の温度上昇を優先して抑制することができ、電池モジュールの熱暴走を的確に抑制することができる。

本開示によれば、所定の積層方向に積層された複数の単電池のうち、中央部に位置する単電池の温度上昇を優先して抑制することができる電池モジュールを提供することができる。

実施の形態に係る電池モジュールの構成を模式的に示す図である。電池モジュールを上面視した概略図と所定条件下における複数の単電池の温度分布とを示した図である。実施の形態に係る電動車両のＥＣＵにおいて実行される制御処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜実施の形態＞
本実施の形態においては、本実施の形態に係る電池モジュール１がハイブリッド自動車、電気自動車および燃料電池自動車などの電動車両に搭載される例について説明する。

図１は、本実施の形態に係る電池モジュール１の構成を模式的に示す図である。電池モジュール１は、複数の単電池２と、電池ケース１０と、ガス収容ケース２０と、供給ダクト３０と、排出部４０とを備える。

複数の単電池２は、図１に示されるように、電池モジュール１（電池ケース１０）の長手方向（図１のｘ軸方向）に沿って積層されている。なお、以下においては、複数の単電池２が積層された方向（電池モジュール１の長手方向）を「積層方向」ともいう。

単電池２は、充放電可能な二次電池である。単電池２としては、たとえば、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池（リチウムポリマー二次電池を含む）などである。また、単電池２は、正極と負極との間に液体電解質を有する電池であってもよいし、固体電解質を有する電池（全固体電池）であってもよい。

ガス収容ケース２０は、電池ケース１０の短手方向（図１におけるｙ軸方向）を一辺とした面に隣接して設けられている。ガス収容ケース２０には、アルゴンガス、窒素ガスおよびフッ素ガスなどの不活性ガスが収容されている。本実施の形態においては、ガス収容ケース２０には、不活性ガスとしてアルゴンガス２９が収容されている例について説明する。

ガス収容ケース２０に収容されているアルゴンガス２９は、電動ポンプ２５によって供給ダクト３０を通じて電池ケース１０に設けられた噴出口３５から電池ケース１０内に噴出される。

供給ダクト３０は、ガス収容ケース２０と電池ケース１０とを連通させるように構成されている。供給ダクト３０には、逆止弁２７が設けられており、ガス収容ケース２０から電池ケース１０の方向にアルゴンガス２９が流入するように構成されている。

電池ケース１０は、積層された複数の単電池２を収容可能に構成されている。電池ケース１０には、電池ケース１０内の気体を電池ケース１０外へ排出するための排出部４０が設けられている。排出部４０は、ガス収容ケース２０が隣接する電池ケース１０の面と対向する面の側に設けられ、その一端が図示しない排気ダクトに連通している。排気ダクトは、電池モジュール１が搭載される電動車両の外部と連通している。排出部４０には、逆止弁１５が設けられており、電池ケース１０内の圧力が一定圧力以上になると電池ケース１０内から電池ケース１０外へ電池ケース１０内の気体が排出されるように構成されている。

積層された複数の単電池２のうち、積層方向の中心に位置する単電池２Ａには、温度センサ５０が設けられている。温度センサ５０は、積層方向の中心に位置する単電池２Ａの温度を検出して、電動車両のＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００に出力する。温度センサ５０には、たとえば、熱電対が用いられる。

ＥＣＵ１００は、温度センサ５０により検出された単電池２Ａの検出温度Ｔに基づいて、ガス収容ケース２０から電池ケース１０に流入されるアルゴンガス２９の流量を制御する。具体的には、ＥＣＵ１００は、ガス収容ケース２０に含まれる電動ポンプ２５を制御することによりガス収容ケース２０から電池ケース１０に流入されるアルゴンガス２９の流量を制御する。

図２は、電池モジュール１を上面視した概略図（図２の上図）と所定条件下における複数の単電池２の温度分布（図２の下図）とを示した図である。図２に示された温度分布には、所定条件下（たとえば、数十分間継続して電池モジュール１を使用した直後）における実験結果が示されている。図２に示された温度分布の横軸には単電池２の位置が示されており、縦軸には単電池２の温度が示されている。

温度分布は、図２に示されるように、積層された複数の単電池２のうち積層方向の中心に位置する単電池２Ａを頂点として山なりのグラフｇｆを描くことが実験的に導かれている。また、所定条件下を変更した場合（たとえば、数分間あるいは数時間継続して電池モジュール１を使用した直後）においては、図２に示されたグラフｇｆが図２における縦軸（温度）の方向に上下することが実験的に導かれている。つまり、種々の条件下において、積層された複数の単電池２のうち、積層方向の中心に近い位置にある単電池ほど温度が高くなることが示されている。これは、積層方向の端部側に位置する単電池よりも、積層方向の中心に近い位置にある単電池の方が放熱性が低いためである。

（噴出口について）
ここで、単電池２においては、過充電および／または内部短絡などの異常に伴って単電池２内が過剰に発熱し、単電池２内に発煙ガスが発生し得る。発煙ガスが多量に発生すると、単電池２の内部圧力が上昇して単電池２の外装体（たとえば、アルミラミネートなど）が破損し、電池モジュール１内において発煙ガスに酸素が供給され、電池モジュール１が熱暴走に至る可能性が懸念される。

上述したとおり、積層された複数の単電池２は、中心に近い位置にある単電池ほど温度が高くなる傾向にある。そこで、複数の単電池２の不活性化が必要となるような場合においては、積層方向の端部側に位置する単電池よりも優先して、積層方向の中心近くに位置する単電池を不活性化させることが望ましい。

そこで、本実施の形態においては、所定条件下における温度分布において、積層方向の中心位置を含み、単電池２の温度が所定温度Ｔｔｈ以上となる領域（以下においては「中央部」ともいう）に位置する単電池２に向かってアルゴンガス２９を噴出させる噴出口３５を電池ケース１０に設けた。

なお、所定温度Ｔｔｈは、任意に設定可能な温度であり、単電池２の特性および温度分布の標準偏差などを考慮して設定される。

図２を用いて中央部に位置する単電池２および噴出口３５が設けられる位置について具体的に説明する。図２においては積層された単電池２のうち、所定温度Ｔｔｈ以上の温度となっている単電池は、ｔｎ番目の単電池（中心の単電池）２Ａ、ｔｎ±１の単電池２、ｔｎ±２の単電池２およびｔｎ±３の単電池２である。ゆえに、これらの単電池２が「中央部に位置する単電池２」である。

そして、噴出口３５は、中央部に位置する単電池２にアルゴンガス２９を噴出させることができる位置、たとえば、ｔｎ番目の単電池（中心の単電池）２Ａの真上に設けられる。これによって、噴出口３５からアルゴンガス２９が噴出された際に、中央部に位置する単電池２、特にｔｎ番目の単電池２Ａを優先的に不活性化させることができる。そして、ｔｎ番目の単電池２Ａに向かって噴出されたアルゴンガス２９は、図１に矢印で示されたように、ｔｎ番目の単電池２Ａの位置付近を基準としてｘ軸方向の正方向側と負方向側に拡散していく。つまり、ｔｎ番目の単電池２Ａに向かって噴出されたアルゴンガス２９は、ｔｎ番目の単電池２Ａの位置付近を基準として、積層方向の中央部に位置する単電池２から順に積層方向の端部側に位置する単電池２へ向かって拡散していく。これによって、積層方向の端部側に位置する単電池よりも優先して、積層方向の中心近くに位置する単電池を不活性化させることができる。

なお、噴出口３５は、たとえば、中央部に位置する単電池２のうちのｔｎ番目の単電池２Ａ以外の単電池２の真上に設けられてもよい。この場合においても、中央部に位置する単電池２を優先的に不活性化させることができる。

さらに、噴出口３５は、中央部に位置する単電池２の真上に設けられることに限られるものではなく、中央部に位置する単電池２に向けてアルゴンガス２９を噴出できればよい。たとえば、噴出口３５は、中央部の真上の領域から外れた領域に設けられ、噴出方向が中央部に位置する単電池２に向くように設けられてもよい。

また、温度センサ５０が設けられる位置は、ｔｎ番目の単電池（中心の単電池）２Ａに限られるものではない。温度センサ５０は、たとえば、ｔｎ番目の単電池２Ａ以外の中央部に位置する単電池２のうちのいずれかの単電池２に設けられてもよい。

以上のように、本実施の形態に係る電池モジュール１は、電池モジュール１の長手方向に沿って積層された複数の単電池２と、積層された複数の単電池２を収容した電池ケース１０と、アルゴンガス２９が収容されたガス収容ケース２０とを備える。電池ケース１０は、中央部に位置する単電池２に向けてアルゴンガス２９を噴出する噴出口３５を含む。これによって、噴出口３５からアルゴンガス２９が噴出された際に、積層された複数の単電池２のうち最も高温になり得る積層方向の中央部に位置する単電池２を、積層方向の中央部に位置しない単電池２よりも優先して不活性化させることができる。ゆえに、電池モジュール１の熱暴走を的確に抑制させることができる。

（アルゴンガスの噴出条件および流量制御）
次に、アルゴンガス２９の噴出条件および流量制御について説明する。単電池２の状態に応じて、電池ケース１０内に噴出（流入）されるアルゴンガス２９の流量が制御されることによって、より的確に複数の単電池２を不活性化させることができ、電池モジュール１の熱暴走を抑制することができる。そこで、本実施の形態においては、温度センサ５０が検出した積層方向の中心に位置する単電池２Ａの検出温度Ｔに応じて、電池ケース１０内へのアルゴンガス２９の流入の有無および流入の流量が制御される。

以下においては、検出温度Ｔが、第１温度、第１温度より高い第２温度および第２温度より高い第３温度（第１温度＜第２温度＜第３温度）の３段階に応じて、電池ケース１０内へのアルゴンガス２９の流入の有無および流入の流量が制御される例について説明する。なお、アルゴンガス２９の流入の有無および流入の流量の制御は、上記の３段階に応じて制御されることに限られるものではなく、たとえば、検出温度Ｔに応じてリニアに制御されてもよい。

本実施の形態においては、ＥＣＵ１００は、温度センサ５０が検出した積層方向の中心に位置する単電池２Ａの検出温度Ｔが第１温度以上となった場合に、アルゴンガス２９を電池ケース１０内に流入させるように電動ポンプ２５を制御する。

また、ＥＣＵ１００は、検出温度Ｔが第１温度以上となった場合において、検出温度Ｔに応じて、単位時間当たりのアルゴンガス２９の流入量を変更するように電動ポンプ２５を制御する。具体的には、ＥＣＵ１００は、検出温度Ｔが第１温度以上であり、かつ、第２温度未満である場合（第１温度≦検出温度Ｔ＜第２温度）、第１流入量［ｍ^３／ｍｉｎ］でアルゴンガス２９を電池ケース１０内に流入させるように電動ポンプ２５を制御する。ＥＣＵ１００は、検出温度Ｔが第２温度以上であり、かつ、第３温度未満である場合（第２温度≦検出温度Ｔ＜第３温度）、第１流入量よりも多い第２流入量［ｍ^３／ｍｉｎ］（第１流入量＜第２流入量）でアルゴンガス２９を電池ケース１０内に流入させるように電動ポンプ２５を制御する。ＥＣＵ１００は、検出温度Ｔが第３温度以上である場合（第３温度≦検出温度Ｔ）、第２流入量よりも多い第３流入量［ｍ^３／ｍｉｎ］（第２流入量＜第３流入量）でアルゴンガス２９を電池ケース１０内に流入させるように電動ポンプ２５を制御する。

なお、第１温度、第２温度および第３温度は、単電池２の特性に応じて任意に設定される温度である。第１温度は、単電池２（電池モジュール１）が熱暴走に至る可能性のある温度として設定される。第３温度は、単電池２（電池モジュール１）が熱暴走に至った可能性がある温度として設定される。第２温度は、第１温度と第３温度との中間の温度に設定される。

このように、検出温度Ｔに応じて、電池ケース１０内にアルゴンガス２９を流入させる流量を異ならせることによって、的確に複数の単電池２を不活性化させることができ、電池モジュール１の熱暴走を抑制することができる。また、万一、ある単電池２が熱暴走に至ってしまったような場合であっても、周囲の他の単電池２および周辺の部品などに影響を及ぼすことを抑制して、さらなる故障を防ぐことができる。

図３は、本実施の形態に係る電動車両のＥＣＵ１００において実行される制御処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、電動車両の制御のメインルーチンから呼び出され、所定周期ごとに実行される。図３に示すフローチャートの各ステップは、ＥＣＵ１００によるソフトウェア処理によって実現される場合について説明するが、その一部あるいは全部がＥＣＵ１００内に作製されたハードウェア（電気回路）によって実現されてもよい。

ＥＣＵ１００は、温度センサ５０から取得した検出温度Ｔが第１温度以上であるか否かを判定する（Ｓ１１０）。ＥＣＵ１００は、検出温度Ｔが第１温度未満であると判定した場合は（Ｓ１１０においてＮＯ）、単電池２の使用による正常な範囲の温度であるので、電池ケース１０内にアルゴンガス２９を流入させることなく、処理をメインルーチンに返す。

ＥＣＵ１００は、検出温度Ｔが第１温度以上であると判定すると（Ｓ１１０においてＹＥＳ）、検出温度Ｔが「第１温度以上かつ第２温度未満」であるか否かを判定する（Ｓ１２０）。ＥＣＵ１００は、「検出温度Ｔが第１温度以上かつ第２温度未満」であると判定した場合には（Ｓ１２０においてＹＥＳ）、電池モジュール１（複数の単電池２、特に中央部に位置する単電池２）が熱暴走に至る可能性がある温度になっているため、電動ポンプ２５を制御して、電池ケース１０内に第１流入量でアルゴンガス２９を流入（噴出口３５から噴出）させる（Ｓ１３０）。

ＥＣＵ１００は、検出温度Ｔが「第１温度以上かつ第２温度未満」でない、すなわち、検出温度Ｔが第２温度以上であると判定すると（Ｓ１２０においてＮＯ）、検出温度Ｔが第３温度未満であるか否かを判定する（Ｓ１４０）。ＥＣＵ１００は、検出温度Ｔが「第２温度以上かつ第３温度未満」であると判定した場合には（Ｓ１４０においてＹＥＳ）、電池モジュール１が熱暴走に至る可能性が高まっているため、電動ポンプ２５を制御して、電池ケース１０内に第２流入量でアルゴンガス２９を噴出口３５から噴出させる（Ｓ１５０）。

ＥＣＵ１００は、検出温度Ｔが「第２温度以上かつ第３温度未満」でない、すなわち、検出温度Ｔが第３温度以上であると判定した場合には（Ｓ１４０においてＮＯ）、電池モジュール１（複数の単電池２、特に中央部に位置する単電池２）が熱暴走に至った可能性がある温度になっているため、電池ケース１０内に最大流量である第３流入量でアルゴンガス２９を流入するように電動ポンプ２５を制御し、電池ケース１０内にアルゴンガス２９を噴出口３５から噴出させる（Ｓ１６０）。そして、ＥＣＵ１００は、電動車両の駆動力を停止させるフラグを出力する（Ｓ１７０）。フラグの出力により、たとえば、電動車両の運転席のパネルに異常表示がさせたり、電動車両の駆動力の起動が禁止させたりする。

なお、電動車両の駆動力を停止させるとは、たとえば、電動車両のシステムメインリレーを開状態とし、車載の蓄電装置と駆動部との接続を切り離したＲＥＡＤＹ−ＯＦＦの状態にすることをいう。また、ハイブリッド自動車であれば、ＲＥＡＤＹ−ＯＦＦ状態に加えて、エンジン起動を停止させた状態にすることをいう。

以上のように、積層方向に積層された複数の単電池２のうちの最も高温となり得る積層方向の中心に位置する単電池２Ａの温度を監視し、単電池２Ａの検出温度Ｔに基づいて、電池ケース１０内にアルゴンガス２９を流入させるか否か、および、電池ケース１０内にアルゴンガス２９を流入させる流量を制御することで、複数の単電池２を不活性化させるために必要なアルゴンガス２９の流量を適切に流入させることができ、電池モジュール１の熱暴走を的確に抑制することができる。また、万一、ある単電池２が熱暴走に至ってしまったような場合であっても、周囲の他の単電池２および周辺の部品などに影響を及ぼすことを抑制して、さらなる故障を防ぐことができる。

なお、本実施の形態においては、検出温度Ｔには、一個の温度センサ５０で検出された温度が用いられたが、複数個の温度センサで検出された温度から算出された値が用いられてもよい。たとえば、中央部に位置する単電池２の各々に温度センサを設け、これらの温度センサで検出された温度の平均値を検出温度Ｔとしてもよい。

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。本開示の範囲は、上記した実施の形態の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。

１電池モジュール、２，２Ａ単電池、１０電池ケース、１５，２７逆止弁、２０ガス収容ケース、２５電動ポンプ、２９アルゴンガス、３０供給ダクト、３５噴出口、４０排出部、５０温度センサ、１００ＥＣＵ、Ｔ検出温度、Ｔｔｈ所定温度。

Claims

所定の積層方向に積層された複数の電池と、前記複数の電池を収容可能な電池ケースと、不活性ガスが収容されたガス収容ケースとを備え、
前記電池ケースは、前記複数の電池のうち前記積層方向における中央部に位置する電池に向けて前記不活性ガスを噴射する噴出口を含む、電池モジュール。