JP2022094702A - 車載バッテリシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】車載バッテリシステムで用いられるバスバーであって、耐熱性に優れたバスバーを提供する。【解決手段】 車載バッテリシステムは、複数のリチウムイオンバッテリモジュールを内部に収納したバッテリパックと、バッテリパック内においてバッテリモジュール同士を(又は、バッテリモジュールを電気部品に)電気的に接続する、少なくとも二つの端子を有するバスバーと、を備えている。バスバー6は、端子が形成された導電性金属製のバスバー本体60と、端子の間の中間部の表面を覆う絶縁部材61とを備えている。絶縁部材61の表面上には、熱膨張性黒鉛を含む膨張黒鉛層62が形成されている。【選択図】図4
Description
本発明は、複数のバッテリモジュールを収納したバッテリパックを備えた車載バッテリシステムに関するものである。
下記特許文献1は、複数のバッテリモジュールを収納したバッテリパックを備えた車載バッテリシステムを開示している。各バッテリモジュール内には、複数のバッテリセルが収納されている。特許文献1に開示されたシステムでは、バッテリモジュール同士を電気的に接続したり、バッテリモジュールを他の電気部品と電気的に接続したりするバスバーが用いられている。下記特許文献2は、バスバーを開示しており、バスバーの端子の間の中間部を耐熱性のある熱硬化性エラストマー(絶縁材)で被覆することも開示している。
現在、車載バッテリシステムには、ニッケル水素バッテリ又はリチウムイオンバッテリが用いられるのが一般的である。特に、内燃機関を備えずにバッテリに蓄えられた電力のみで走行するバッテリ電気自動車(BEV)では、大容量のバッテリパックを搭載して長い航続距離を実現することが望まれる。このため、BEVでは、エネルギー密度の高いリチウムイオンバッテリが用いられるのが一般的となっている。リチウムイオンバッテリは容量密度も高くバッテリパックの体積も減らせるので車載性が向上する。さらに、リチウムイオンバッテリは出力密度も優れているので、車両運動性能上からも望ましい。このようにリチウムイオンバッテリは、車載バッテリとして多くの利点を有しているので、BEVだけでなく内燃機関も備えたハイブリッド電気自動車(HEV)でも多く利用されている。上記特許文献1が開示しているのもリチウムイオンバッテリである。
バッテリパックの車両搭載性の関係で、バッテリパックの内部にはバッテリモジュールやその他の部品が高密度に収納されている。このため、バスバーの端子間の中間部には、短絡を防止するために絶縁チューブや絶縁カバーなどの絶縁部材が取り付けられている。また、高電圧の電流が流れるバスバーもあり、絶縁部材は、高電圧からの保護という目的もある。また、リチウムイオンバッテリのバッテリモジュールは、過熱時にモジュール内部で発生した高温のガスを外部に排出する構造を有している。従って、バッテリモジュールから排出された高温ガスがバッテリパック内に放出されると、バスバーに取り付けられた絶縁部材を熱損傷させてしまうことが懸念される。
本発明の目的は、耐熱性に優れたバスバーを備えた車載バッテリシステムを提供することにある。
本発明に係る車載バッテリシステムは、複数のバッテリモジュールを内部に収納したバッテリパックと、バッテリパック内においてバッテリモジュール同士を(又は、バッテリモジュールと電気部品とを)電気的に接続する、少なくとも二つの端子を有するバスバーと、を備えている。各バッテリモジュールは、複数のリチウムイオンバッテリセルを収納している。バスバーは、上述した端子が形成された導電性金属製のバスバー本体と、端子の間の中間部の表面を覆う絶縁部材とを備えている。絶縁部材の表面上には、熱膨張性黒鉛を含む膨張黒鉛層が形成されている。
本発明によれば、耐熱性に優れたバスバーを備えた車載バッテリシステムを提供することができる。
図面を参照しつつ、実施形態に係る車載バッテリシステムについて説明する。図1に示されるように、バッテリシステムは、複数のバッテリモジュール1を内部に収納したバッテリパック2を備えている。図2に示されるように、各バッテリモジュール1は、その内部に複数のリチウムイオンバッテリセル3を収納している。バッテリモジュール1は、その外面に接続端子4(図3参照)を有している。バッテリモジュール1は、この接続端子4により、他のバッテリモジュール1と電気的に接続されたり、他の電気部品と電気的に接続されたりする。
リチウムイオンバッテリは、過熱すると高温ガスを発生する。このため、バッテリモジュール1には、この高温ガスを排出するためのベントホール5が形成されている。図2では、ベントホール5はリチウムイオンバッテリセル3毎に設けられている。なお、ベントホール5は、リチウムイオンバッテリセル3で発生する高温ガスをバッテリモジュール1の外部に排出できればよく、バッテリモジュール1の内部構造にもよるが、リチウムイオンバッテリセル3毎に設けられなければならないというわけではない。
バッテリパック2は、図1に示されるように、上ケース2U及び下ケース2Lからなる構造を有している。上ケース2U及び下ケース2Lによって形成される内部空間に上述したバッテリモジュール1が複数収納されている。バッテリパック2は重量物であり、車両運動性能の観点から車両重心を低く設定するために車室フロア下に搭載される。また、BEVの場合は、十分な航続距離を得るためには多くのバッテリモジュール1を搭載する必要があるため、その体積も大きくなる。このため、バッテリパック2の内部には、できるだけ体積を小さくするために、バッテリモジュール1及び付随する電気部品が高密度に収容されている。
図3に、バッテリパック2の内部の一部を拡大して示す。図3に示されるように、バッテリモジュール1同士、又は、バッテリモジュール1と電気部品とを電気的に接続するために、バスバー6(6A,6B)が用いられている。バスバー6Aは、隣り合うバッテリモジュール1同士を直列に接続している。バスバー6Bは、直列接続された一組のバッテリモジュール1同士を接続したり、バッテリモジュール1を電子部品に接続したりする。
図3におけるIV-IV線断面図である図4に示されるように、バスバー6は、電導率の高い導電性金属(銅)で形成されたバスバー本体60を備えている。バスバー本体60は、その両端に端子60T(図3参照)を備えており、端子60Tを介してバッテリモジュール1や電気部品と電気的に接続される。図3において、バスバー6Aの端子60Tは、バッテリモジュール1の上述した接続端子4に接続されており、その接続部は短絡防止のためにカバーで保護されている。バスバー6Bの端子60Tは、バスバー6Bを下方より支持する、熱硬化性樹脂製の支持部材7(7B)の内部で電子部品などの他の接続端子と接続されている(図3中左側の支持部材7B参照)。この接続部は、短絡防止のために支持部材7の内部に配置されている。
バスバー6Bは、その端部だけでなく、その他の部分でも支持部材7Bによって下方より支持されている(図3中右側の支持部材7B参照)。なお、図4は、図3におけるIV-IV線断面図であり、バスバー6Bの断面図であるが、バスバー6Aも同様の断面を備えている。また、バスバー6(6A,6B)は、端子60Tを少なくとも二つ有しており、端子60Tを三つ以上備えていてもよい。隣接する二つの端子60Tの間の中間部は、後述する絶縁部材61によって短絡防止のために覆われている。また、端子60Tは、バスバー本体60(バスバー6)の両端に設けられなければならないというわけではない。
上述したように、バスバー本体60の隣接する二つの端子60T(本実施形態ではバスバー本体60の両端の端子60T)の間の中間部は、絶縁部材61によって覆われている。絶縁部材61は、中間部の表面を覆っており、他の部品との短絡を防止する。本実施形態の絶縁部材61は、熱硬化性樹脂製の第一カバー61a及び第二カバー61bで構成されている。第一カバー61a及び第二カバー61bは、バスバー本体60を挟んで互いに嵌合されることで、中間部を電気的に保護する絶縁部材61を形成する。このように絶縁部材61を管状ケースとして構成することで、バスバー本体60に絶縁部材61を容易に取り付けることができる。なお、絶縁部材61は、ケースとしてではなく、耐熱性のある樹脂製やゴム製のチューブとして形成されてもよい。
図4に示されるように、絶縁部材61の表面上には熱膨張性黒鉛を含む膨張黒鉛層62が形成されている。本実施形態では、熱膨張性黒鉛を含む可撓性のシート材を形成し、このシート材を絶縁部材61の表面に貼り付けることで、膨張黒鉛層62が形成されている。膨張黒鉛層62は、絶縁部材61の外周面上に形成されており、管状の絶縁部材61の端面や内周面上には形成されない。また、膨張黒鉛層62は、絶縁部材61の外周面の全てを覆い尽くさなければならないわけではなく、例えば、端子60T近傍(即ち、絶縁部材61の端部近傍)には形成されなくてもよい。
熱膨張性黒鉛は、鱗片状黒鉛の層間に酸化剤を挿入したものであり、急熱されると酸化剤が燃焼してガス化し、ガスによって層と層とが押し広げられる。このため、熱膨張性黒鉛は、層の積層方向に膨張する。膨張開始温度は、百数十度~二百数十度であり、酸化剤の種類によって調整可能である。その膨張率も酸化剤によって調整可能である。熱膨張性黒鉛は、樹脂やゴムへのフィラー(特性を変えるための添加剤)として使用することも可能である。上述したように、リチウムイオンバッテリセル3が過熱により高温ガスを発生すると、その高温ガスはベントホール5を通ってバッテリモジュール1の外部、かつ、バッテリパック2の内部に排出される。従って、バスバー6の膨張黒鉛層62は、高温ガスの持つ熱により図5に示されるように膨張する。
膨張した膨張黒鉛層62は、内部に微小な隙間を多数有する多孔体や発泡体のような構造となり、断熱材として機能する。その結果、絶縁部材61が高温ガスの熱に暴露されるのが防止され、絶縁部材61が熱損傷してバスバー本体60が露出することが防止される。なお、上述したように、絶縁部材61は、一般的に熱可塑性樹脂よりも耐熱性に優れている熱硬化性樹脂によって形成されている。しかし、熱硬化性樹脂の種類にもよるが、リチウムイオンバッテリセル3の過熱により発生する高温ガスの温度は、熱硬化性樹脂の耐熱温度を超える場合がある。従って、このように、膨張黒鉛層62を膨張させることで絶縁部材61を高温ガスから保護することができる。
ここで、膨張黒鉛層62は、絶縁部材61の表面に形成させるだけであるので、バスバー6の製造を大きく難しくすることはない。また、通常時は、膨張黒鉛層62は、絶縁部材61の表面に形成されているだけであり、バスバー6のサイズなどをことさら大きくするものではなく、内部に部品が高密度に収納されるバッテリパック2の設計自由度を低下させることもない。膨張黒鉛層62は、リチウムイオンバッテリセル3が過熱により高温ガスを発生したときのみ膨張して、絶縁部材61を高温ガスから保護するという機能を発揮する。この結果、バスバー本体60が露出して短絡(特に地絡)することを確実に防止することができる。
次に、膨張黒鉛層62の形成形態についての変形例について説明する。まず、図6に示される変形例1では、膨張黒鉛層62が、絶縁部材61と同じように管状ケースとして構成されている。即ち、本変形例では、膨張黒鉛層62が、第一カバー62a及び第二カバー62bで構成されている。第一カバー62a及び第二カバー62bは、絶縁部材61を挟んで互いに嵌合されることで、絶縁部材61を保護する膨張黒鉛層62を形成する。
上述したように、熱膨張性黒鉛は、フィラーとして使用することができる。従って、フィラーとして熱膨張性黒鉛を混ぜた樹脂を用いて、第一カバー62a及び第二カバー62bを射出成形することができる。なお、射出成形時の温度では膨張しない熱膨張性黒鉛が使用される。このように膨張黒鉛層62をケース状に構成することで、絶縁部材61を覆うように第一カバー62a及び第二カバー62bを取り付けることで、膨張黒鉛層62を容易に形成することができる。
次に、図7に示される変形例2では、膨張黒鉛層62が、絶縁部材61の第一カバー61a及び第二カバー61bと一体成形されている。第一カバー61aを射出成形する際に、まず、熱膨張性黒鉛を含まない樹脂でバスバー本体60と接する部分を射出成形する。その後、射出成形された部分を金型内にセットした状態で、熱膨張性黒鉛を含む樹脂で膨張黒鉛層62を射出成形(金型成形)する。第二カバー61bについても同様に成形する。即ち、インサート成形によって、絶縁部材61と膨張黒鉛層62とを一体成形する。なお、膨張黒鉛層62を成形した後に、この成形された膨張黒鉛層62に対してバスバー本体60と接する部分を一体成形してもよい。
なお、第一カバー61aと第二カバー61bとの嵌合面には膨張黒鉛層62は形成されない。熱膨張性黒鉛及び膨張後の熱膨張性黒鉛(以下、膨張化黒鉛と呼ぶ)は、導電性を有する。従って、熱膨張性黒鉛や膨張化黒鉛は、端子60Tを含むバスバー本体60に直接接しないように配置される。このように、絶縁部材61及び膨張黒鉛層62がインサート成形により一体化されていると、部品数が減り、かつ、一度の取り付け操作によって絶縁部材61及び膨張黒鉛層62をバスバー本体60に対して形成することができる。また、絶縁部材61及び膨張黒鉛層62がインサート成形されているため、膨張黒鉛層62内の熱膨張性黒鉛が膨張しても、膨張黒鉛層62が絶縁部材61から剥離したり脱落したりすることがない。この結果、絶縁部材61が膨張黒鉛層62によって確実に保護される。
次に、図8に示される変形例3について説明する。上述したように、バッテリモジュール1には、高温ガス排出用のベントホール5が形成されている。従って、膨張黒鉛層62のベントホール5に面する部分が最も高温ガスに曝されることになる。そこで、本変形例では、バスバー6Bの膨張黒鉛層62のベントホール5に面する部分62X(図3に示されるように膨張黒鉛層62の下面)の層厚さが、その他の部分の層厚さよりも厚くされている。このため、より確実に、膨張黒鉛層62によって絶縁部材61を保護することができる。
また、上述したように、バスバー6Bは、支持部材7Bによって下方より支持されている。ここで、支持部材7Bが高温ガスで熱損傷した場合、バスバー6Bは支持を失うことになる。この場合、バスバー6Bの支持部材7Bの近傍が重力で下方に変位して、バスバー本体60が他の部品等と接触して短絡(地絡)する可能性が生じる。本実施形態(及びその変化例)では、膨張黒鉛層62と、この膨張黒鉛層62によって保護された絶縁部材61とによってバスバー本体60が保護されているため、このようなことは生じない。
しかし、このような場合に他の部品等と接触する部分の膨張黒鉛層62の層厚さをその他の部分の層厚さよりも厚くしておくことで、より確実に絶縁部材61及びバスバー本体60を保護することができる。そこで、本変形例の膨張黒鉛層62では、支持部材7B近傍の下面部分62Xの層厚さがその他の部分の層厚さよりも厚くされている。このため、より確実に、膨張黒鉛層62によって絶縁部材61及びバスバー本体60を保護することができる。
なお、ここでは、バスバー6Bを例に説明したが、バスバー6Aに関しても同様である。例えば、図3に示される部材7Aが、バスバー6Aを下方より支持する支持部材として機能する場合を考える。この場合、バスバー6Aに関しても、膨張黒鉛層62の支持部材7Aの近傍の下面部分62Xの層厚さをその他の部分の層厚さよりも厚くすることで、より確実に、膨張黒鉛層62によって絶縁部材61及びバスバー本体60を保護することができる。
以上、実施形態(及びその変形例1~3)について説明したが、上記実施形態に係る車載バッテリシステムでは、そのバスバー6が、絶縁部材61と膨張黒鉛層62とを備えている。絶縁部材61は、導電性金属で形成されたバスバー本体60の(少なくとも)二つの端子の間の中間部の表面を覆う。膨張黒鉛層62は、熱膨張性黒鉛を含んでおり、絶縁部材61の表面上に形成される。このため、リチウムイオンバッテリセル3の過熱により高温ガスがバッテリパック2の内部に充満すると、膨張黒鉛層62に含まれた熱膨張性黒鉛が膨張する。従って、膨張した膨張黒鉛層62によって絶縁部材61が高温ガスの熱に暴露されるのが防止され、絶縁部材61が熱損傷してバスバー本体60が露出することが防止される。即ち、上記実施形態(及びその変形例1~3)に係る車載バッテリシステムによれば、耐熱性に優れたバスバー6を備えた車載バッテリシステムを提供することができる。
ここで、高温ガスは、ベントホール5を通ってバッテリモジュール1の外部、かつ、バッテリパック2の内部に排出される。上記実施形態の変形例3(図8)によれば、膨張黒鉛層62では、ベントホール5に面する部分の層厚さがその他の部分62Xの層厚さよりも厚くされている。膨張黒鉛層62のベントホール5に面する部分62Xが最も高温ガスに曝されることになるが、当該部分の層厚さが厚くされているので、より確実に、膨張黒鉛層62によって絶縁部材61を保護することができる。なお、「ベントホールに面する部分の層厚さがその他の部分の層厚さよりも厚くされている」とは、ベントホールに面する面にのみ膨張黒鉛層が形成される(その他の面には形成されない)ことを含む。
また、上記実施形態では、樹脂によって形成された絶縁部材61が支持部材7によって支持されている。支持部材7が高温ガスの熱によって熱損傷して膨張黒鉛層62(即ち、膨張黒鉛層62を備えたバスバー6)が支持を失うと、バスバー6の支持部材7近傍の部分が重力によって下方に変位する可能性がある。しかし、上記実施形態の変形例3(図8)によれば、膨張黒鉛層62では、支持部材7近傍の下面部分62Xの層厚さがその他の部分の層厚さよりも厚くされている。このため、バスバー6の支持部材7近傍の部分が重力により下方に変位して膨張黒鉛層62の下面部分62Xが他の部品等と接触しても、当該部分62Xの層厚さが厚くされている。従って、より確実に、膨張黒鉛層62によって絶縁部材61及びバスバー本体60が保護され、当該部分62Xでの短絡(地絡)の発生が確実に防止される。なお、「支持部材近傍の下面部分の層厚さがその他の部分の層厚さよりも厚くされている」とは、支持部材近傍において下面にのみ膨張黒鉛層が形成される(その他の面には形成されない)ことを含む。
さらに、上記実施形態の変形例2によれば、樹脂製の管状ケース状の絶縁部材61と、熱膨張性黒鉛をフィラーとして混入した樹脂で形成される膨張黒鉛層62とがインサート成形により一体化されている。このため、部品数が減り、かつ、一度の取り付け操作によって絶縁部材61及び膨張黒鉛層62をバスバー本体60に対して形成することができる。また、膨張黒鉛層62内の熱膨張性黒鉛が膨張しても、膨張黒鉛層62が絶縁部材61から剥離したり脱落したりすることがないので、絶縁部材61は膨張黒鉛層62によって確実に保護される。
なお、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では、バスバー6Bの下方にベントホール5が位置しているため、バスバー6Bの膨張黒鉛層62の下面部分(ベントホール5に面する部分)62Xの層厚さが厚くされた。しかし、膨張黒鉛層62のベントホール5に面する部分が下面でなく側面であるような場合は、側面の層厚さが厚くされればよい。
また、上記実施形態では、支持部材7はバスバー6を下方から支持している。しかし、支持部材7は、側方や上方からバスバー6(膨張黒鉛層62)を支持してもよい。そのような場合も、支持部材7の熱損傷によってバスバー6(膨張黒鉛層62)が支持を失うと、バスバー6(膨張黒鉛層62)の支持部材7近傍の部分が重力によって下方に変位し得る。その場合も、膨張黒鉛層62の下面部分62Xの層厚さが厚くされているので、より確実に、膨張黒鉛層62によって絶縁部材61及びバスバー本体60を保護することができる。
1 バッテリモジュール
2 バッテリパック
3 リチウムイオンバッテリセル
5 ベントホール
6(6A,6B) バスバー
60 バスバー本体
60T 端子
61 絶縁部材
62 膨張黒鉛層
62X (膨張黒鉛層62の)ベントホール5に面する部分/下面部分
7(7A,7B) 支持部材
2 バッテリパック
3 リチウムイオンバッテリセル
5 ベントホール
6(6A,6B) バスバー
60 バスバー本体
60T 端子
61 絶縁部材
62 膨張黒鉛層
62X (膨張黒鉛層62の)ベントホール5に面する部分/下面部分
7(7A,7B) 支持部材
Claims (4)
- 内部に複数のリチウムイオンバッテリセルを収納したバッテリモジュールと、
複数の前記バッテリモジュールを内部に収納したバッテリパックと、
前記バッテリパック内において、前記バッテリモジュール同士を電気的に接続する、又は、前記バッテリモジュールを電気部品に電気的に接続する、少なくとも二つの端子を有するバスバーと、を備えた車載バッテリシステムにおいて、
前記バスバーが、
導電性金属で形成された、前記二つの端子が形成されたバスバー本体と、
前記バスバー本体の前記二つの端子の間の中間部の表面を覆う絶縁部材と、
前記絶縁部材の表面上に形成された熱膨張性黒鉛を含む膨張黒鉛層と、を備えている車載バッテリシステム。 - 前記バッテリモジュールが、過熱時に内部の高温ガスを排出するベントホールを有しており、
前記膨張黒鉛層では、前記ベントホールに面する部分の層厚さがその他の部分の層厚さよりも厚くされている、請求項1に記載の車載バッテリシステム。 - 前記絶縁部材が、樹脂により形成されており、かつ、支持部材によって支持されており、
前記膨張黒鉛層では、前記支持部材近傍の下面部分の層厚さがその他の部分の層厚さよりも厚くされている、請求項1又は2に記載の車載バッテリシステム。 - 前記絶縁部材が、管状ケースとして樹脂により金型形成されており、
前記膨張黒鉛層が、前記熱膨張性黒鉛をフィラーとして混入した樹脂により金型成形されており、
前記絶縁部材及び前記膨張黒鉛層がインサート成形により一体化されている、請求項1~3の何れか一項に記載の車載バッテリシステム。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2024076098A1 (ko) | 2022-10-05 | 2024-04-11 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 방화벽을 포함하는 버스바 어셈블리 및 이를 포함하는 전지팩 |
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2020
- 2020-12-15 JP JP2020207736A patent/JP2022094702A/ja active Pending
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WO2024076098A1 (ko) | 2022-10-05 | 2024-04-11 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 방화벽을 포함하는 버스바 어셈블리 및 이를 포함하는 전지팩 |
KR20240047835A (ko) | 2022-10-05 | 2024-04-12 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 방화벽을 포함하는 버스바 어셈블리 및 이를 포함하는 전지팩 |
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