JP4251234B1 - 蓄電装置及び車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】収容容器の傾斜時であっても、収容容器の外部にガスを容易に放出できる蓄電装置を提供する。
【解決手段】組電池12と、組電池12と熱交換を行う冷却液23と、組電池12および冷却液23を収容する電池収容容器13と、電池収容容器13の周縁部に対応した複数の位置に設けられ、組電池12から発生したガスを排出するためのガス放出部14と、ガス放出部14からのガスの排出を許容して、ガス放出部14からの冷却液23の排出を禁止する機能を備えたフィルタ部材16と、を有することを特徴とする蓄電装置。
【選択図】図2

Description

本発明は、蓄電体と該蓄電体と熱交換を行う液状の熱交換媒体とを収容容器に収容した蓄電装置に関する。
近年、電気自動車、ハイブリッド自動車などの電動車両の開発が活発に行われており、電動車両の駆動用又は補助電源として、性能、信頼性、安全性に優れた蓄電装置への要望が高まっている。
この種の蓄電装置として、高出力による温度上昇を抑制するために、収容容器に収容された絶縁性の冷却液の中に組電池を浸漬させた蓄電装置が提案されている。組電池は、複数の二次電池を電気的に接続することにより構成されている。
ところで、過充電などの電池異常の際に二次電池からガスが放出されると、収容容器の内圧が上昇する。収容容器の内圧を降下させる方法として、収容容器にガス放出弁を設けて、このガス放出弁から収容容器の内部のガスを車外に放出する方法が知られている。
特開平11−162433号公報
しかしながら、坂道走行などにより車両に搭載された収容容器が傾いた場合には、収容容器の周縁部にガスが集中するため、ガス放出弁の位置によっては、ガス放出弁から十分にガスを放出することができない。
そこで、本願発明は、収容容器の傾斜時であっても、収容容器の外部にガスを容易に放出できる蓄電装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本願発明の蓄電装置の構成は、(1)蓄電体と、該蓄電体と熱交換を行う液状の熱交換媒体と、前記蓄電体及び前記熱交換媒体を収容する収容容器と、前記収容容器の周縁部に対応した複数の位置に設けられ、前記蓄電体から発生したガスを排出するための排出部と、前記排出部からのガスの排出を許容して、前記排出部からの前記熱交換媒体の排出を禁止する機能を備えたフィルタ部材と、を有する。
(1)の構成によれば、収容容器の傾斜時であっても、収容容器の外部にガスを容易に放出することができる。
(1)の構成において、前記排出部は、前記収容容器の四隅に対応した位置に設けることができる。これにより、収容容器の外部により一層ガスを放出させやすくなる。
また、別の観点として、(1)の構成において前記収容容器の内部の前記周縁部に沿って前記フィルタ部材を配置することにより、前記収容容器と前記フィルタ部材との間にガス排出路を有する前記排出部を形成することができる。これにより、収容容器の外部により一層ガスを放出させやすくすることができる。
具体的には、前記フィルタ部材を、前記収容容器の前記周縁部の全体に配置したり、前記収容容器の四辺の周縁部のうち少なくとも三辺に配置したり、前記収容容器の四隅を接続するように配置することができる。
本願発明の蓄電装置は、別の観点として、蓄電体と、該蓄電体と熱交換を行う液状の熱交換媒体と、前記蓄電体及び前記熱交換媒体を収容する収容容器と、前記収容容器の周縁部に対応した複数の位置に設けられ、前記蓄電体から発生したガスを排出するための排出部と、前記排出部から流入したガスを車外に排出するためのガス排出管と、前記ガスとともに前記ガス排出管に流入した前記熱交換媒体の車外への流出を禁止する禁止手段とを有する。これにより、収容容器の傾斜時であっても、収容容器の外部にガスを容易に放出することができる。
本発明によれば、収容容器の傾斜時であっても、収容容器の外部にガスを容易に放出することができる。
以下、本発明の実施形態について説明する。
(実施形態1)
図1及び図2を参照しながら、本発明の実施形態である蓄電装置1の構成を説明する。ここで、図1は蓄電装置の斜視図であり、図2は図1の蓄電装置のY1−Y2断面図であり、(A)が電池正常時の状態、(B)が電池異常時の状態を図示している。
本実施形態の蓄電装置1は、ハイブリッド車両、電気自動車、燃料電池自動車の駆動用または補助電源として用いることができる。また、本実施形態の蓄電装置1は、助手席の下部、コンソールボックス、後部座席の下部、トランクルームなどに配置することができる。
蓄電装置1は、組電池(蓄電体)12、この組電池12を冷却する冷却液(液状の熱交換媒体)23、これらの組電池12及び冷却液を密閉する電池収容容器(収容容器)13を含む。電池収容容器13は、上側が開口した収容容器本体131及びこの収容容器本体131の開口を覆う上蓋132からなる。この組電池12からは、電池異常の際に、電解液が電気分解することによりガスが発生する場合がある。
Z軸方向視(平面視)において、電池収容容器13の四隅には、収容容器本体131の内部のガスを放出するためのガス放出部(排出部)14が設けられている。ガス放出部14には、ガスの排出路となる管路14aが形成されており、この管路14aの内部にフィルタ部材16が設けられている。このフィルタ部材16は、ガスの通過を許容して、冷却液23の通過を禁止する機能を有している。
上述の構成において、電池異常により組電池12から発生したガスは、冷却液23よりも比重が軽いため、電池収容容器13の上蓋132に向かって上側に移動する。このとき、坂道走行などにより電池収容容器13が傾いている場合には、収容容器本体131の上部における周縁部にガスが集中する。
したがって、収容容器本体131の周縁部に対応した電池収容容器13の四隅にガス放出部14を設けることにより、電池収容容器13の傾斜時であっても、電池収容容器13の外部に容易にガスを逃がすことができる。
次に、図3を参照しながら、本実施形態の蓄電装置1を搭載したハイブリッド車両について説明する。ここで、図3はハイブリッド車両のブロック図である。
ハイブリッド車両は、エンジン11と、発電機20と、パワーコントロールユニット30と、蓄電装置1と、モータ50と、ハイブリッドECU60とを含む。
エンジン11が発生する動力は、動力分割機構70により、2経路に分割される。一方は減速機80を介して車輪90を駆動する経路である。他方は、発電機20を駆動させて発電する経路である。
発電機20は、動力分配機構70により分配されたエンジン11の動力により発電するが、発電機20により発電された電力は、車両の運転状態、蓄電装置1のSOCに応じて使い分けられる。例えば、通常走行時や急加速時では、発電機20により発電された電力はそのままモータ50を駆動させる電力となる。
一方、蓄電装置1のSOCが予め定められた値よりも低い場合には、発電機20により発電された電力は、パワーコントロールユニット30のインバータ30aにより交流電力から直流電力に変換され、パワーコントロールユニット30のコンバータ30bにより電圧が調整された後、蓄電装置1に蓄えられる。蓄電装置1の代わりに、キャパシタを用いることもできる。
モータ50は、三相交流モータであり、蓄電装置1に蓄えられた電力および発電機20により発電された電力の少なくともいずれか一方の電力により駆動する。モータ50は、エンジン11をアシストして車両を走行させたり、モータ50からの駆動力のみにより車両を走行させたりする。
一方、ハイブリッド車両の回生制動時には、減速機80を介して車輪90によりモータ50が駆動され、モータ50が発電機として作動する。これによりモータ50は、制動エネルギを電力に変換する回生ブレーキとして作用する。モータ50により発電された電力は、インバータ30aを介して蓄電装置1に蓄電される。
ハイブリッドECU60は、CPU(中央演算処理装置)60aとメモリ60bとを含む。CPU60aは、車両の運転状態や、アクセル開度センサにより検知されたアクセル開度、アクセル開度の変化率、シフトポジション、蓄電装置1のSOC、メモリ60bに保存されたマップおよびプログラムなどに基づいて演算処理を行う。これにより、ハイブリッドECU60は、車両が所望の運転状態となるように、車両に搭載された機器類を制御することになる。
蓄電装置1のガス排出管15は、車両のクウォータトリムに接続されており、このクウォータトリムから車外にガスが排出される。図1に図示するように、各ガス放出部14の管路14aは接続管17に連通しており、これらの接続管17はガス排出管15に接続されている。
次に、図1及び図2を参照しながら、蓄電装置1の構成を詳細に説明する。
(電池収容容器13について)
電池収容容器13は、上側に平面視(Z軸方向視)矩形の開口部を有する収容容器本体131と、この収容容器本体131の開口部を覆う上蓋132とを含む。図1に図示するように、上蓋132の四隅には、ガス放出部(排出部)14が設けられている。電池収容容器13には、熱伝導性の高いステンレスなどの金属材料を用いることができる。
ガス放出部14は、上蓋132に形成された破壊式の弁14bと、上蓋132に固定された管路14aとからなり、この管路14aの内側にはフィルタ部材16が設けられている。
管路14aは、弁14bの真上に位置しており、上下方向に延びている。管路14aの先端部には接続管17が接続されている。管路14a及び接続管17には、樹脂、金属を用いることができる。
ガス放出部14の位置は、収容容器本体131の周縁部に対応した領域内において適宜変更することができる。ここで、周縁部とは、収容容器本体131のXY平面方向における周縁部を意味しており、周縁部に対応した領域とは、当該周縁部の真上の領域を意味している。また、周縁部を換言すると、収容容器本体131が傾斜したときに、ガスがたまりやすい領域と言うこともできる。したがって、周縁部は、電池収容容器13の形状、走行条件などに応じて、適宜変更することができる。
さらに、ガス放出部14の個数については、複数であればよく、四つに限定されるものではない。ただし、少なくとも車両の前方側に位置する周縁部に対応した領域及び車両の後方側に位置する周縁部に対応した領域には、ガス放出部14を設けるのが好ましい。坂道走行時において、車両の前方側又は後方側に車体が傾くため、収容容器本体131の車両前方側の周縁部又は車両後方側の周縁部にガスがたまりやすくなるからである。
フィルタ部材16は、管路14aの径方向に配置され、管路14aを塞いでいる。このフィルタ部材16は、ガス及び冷却液23のうちガスのみを選択的に通過させる機能を有している。フィルタ部材16としては、ゴアテックス(登録商標)を用いることができる。ゴアテックスは、防水性及び透湿性を有しており、ガスの通過を許容して、冷却液23の通過を禁止する。
また、フィルタ部材16として、網目状に形成されたシートを積層した積層フィルタを用いることもできる。このように、編目状のシートを積層することにより、編目の孔が小さくなり、ガスの通過を許容して、冷却液23の通過を禁止することができる。
さらに、フィルタ部材16として、熱溶融繊維からなる多数の微粒子を加圧してシート化したフィルタを用いることもできる。これにより、各微粒子の隙間を介してガスの通過を許容して、冷却液23の通過を禁止することができる。
このように、本実施形態によれば、管路14aの内部にフィルタ部材16を配置する簡易な構成で、冷却液23の流出を防止できる。
(組電池12について)
組電池12は、複数の円筒型電池(蓄電要素)122を直列に接続することにより構成されている。各円筒型電池122を直列に接続する接続部材として、バスバーなどの導電部材を用いることができる。
このように複数の円筒型電池122を並設した電池集合体では、充放電に伴う発熱温度が高くなるため、冷却風を用いた気体冷却のみでは冷却不足になる。そこで、本願発明では、気体よりも冷却能力に優れた冷却液23に組電池12を浸漬させることにより、組電池12を冷却している。
ここで、冷却液23としては、比熱、熱伝導性と沸点が高く、電池収容容器13、組電池12を腐食させず、熱分解、空気酸化、電気分解などを受けにくい物質が適している。さらに、電極端子間の短絡を防止するために、電気的絶縁性の液体が望ましい。例えば、フッ素系不活性液体を使用することができる。フッ素系不活性液体としては、スリーエム社製フロリナート、Novec HFE(hydrofluoroether)、Novec1230を用いることができる。
また、フッ素系不活性液体以外の液体、たとえば、水を用いることができる。この場合、電池収容容器13に水を収容する際に、異物の混入を阻止して、電池短絡を防止する必要がある。
次に、図4を参照しながら、各円筒型電池122の構成を詳細に説明する。ここで、図4は、円筒型電池の断面図である。
外套缶134の内側には電極体135が収容されている。この電極体135は、両面に正活物質が塗布された帯状の正電極体135bと両面に負活物質が塗布された帯状の負電極体135cとをセパレータ135aを介して渦巻状に巻き回すことにより構成されている。電池外套缶134には、電解液が注入されている。なお、この電解液は、セパレータ135aの中に含浸させてもよい。
正活物質として、リチウム−遷移元素複合酸化物であるLiCoO2、LiNiO2
LiFeO2、LiCuO2、LiMnO2、LiMO2(MはCo、Ni、Fe、Cu
及びMnよりなる群から選ばれた少なくとも2種の遷移元素)、LiMn24を例示で
きる。負活物質としては、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵及び放出することが可能な
ものであれば特に限定されない。具体例としては、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス、有機
物焼成体、金属カルコゲン化物を例示することができる。
電解液の溶質として使用するリチウム塩としては、LiClO4、LiCF3SO3
LiPF6、LiN(CF3SO22、LiN(C25SO22、LiBF4 、LiSbF6及びLiAsF6 を例示でき、リチウム塩を溶かすために使用する有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の環状炭酸エステルと、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等の鎖状炭酸エステルとの混合溶媒を例示することができる。
電極体135の電池長手方向(Y方向)の両端には、円板状の集電板136が溶接され
ている。集電板136の資材としては、アルミニウム箔、ステンレス箔、銅箔を例示でき
る。
集電板136は、導電線137を介して、正及び負極ネジ軸部123、124を保持す
る保持板139に電気的及び機械的に接続されている。
保持板139には、正及び負極ネジ軸部123、124の取り付け位置とは異なる位置
に破壊式の弁139´が形成されており、この破壊式の弁139´はパンチ加工により形成される。
電池異常の際に発生したガスにより、電池外套缶134の内圧が限界圧力値(例えば、2気圧)以上に昇圧されると、破壊式の弁139´が破壊され、そこから円筒型電池122の外側にガスが放出され、電池外套缶134の内圧上昇を抑制することができる。
次に、図2を参照しながら、蓄電装置1のガス排出動作について説明する。ここで、図2(B)に図示するように、坂道走行によって車両に搭載された蓄電装置は傾いているものとする。
電池異常により、円筒型電池122の弁139´が破壊されると、そこからガスが放出される。円筒型電池122から放出されたガスは、冷却液23内を収容容器本体131の図中左側の周縁部に向かって移動する。円筒型電池122からさらにガスが放出されると、収容容器本体131の内圧が上昇して、ガス放出部14の弁14bが破壊される。
ガス放出部14の弁14bが破壊されると、そこからガス放出部14の管路14a内にガスが流入する。管路14a内に流入したガスは、フィルタ部材16を通過して、接続管17及びガス排出管15を介して車外に排出される。これにより、電池収容容器13の傾斜時であっても、電池収容容器13の外部に容易にガスを排出することができる。したがって、電池収容容器13の耐圧強度を低くして、蓄電装置1を軽量化することもできる。
他方、ガス放出部14の弁14bが破壊されたときに、ガスとともに冷却液23が管路14aに流入する。ガス放出部14の管路14aに流入した冷却液23は、フィルタ部材16に当接した後に、重力落下して、電池収容容器13の内部に戻る。これにより、冷却液23が車外の環境に流出するのを防止できる。
(実施形態2)
次に、図5及び図6を参照しながら、実施形態2の蓄電装置を説明する。ただし、実施形態1と同一の機能を有する構成要素には、同一符号を付している。ここで、図5は蓄電装置の断面図であり、(A)が電池正常時の状態、(B)が電池異常時の状態を示している。図6は、蓄電装置の平面図であり、ガス排出管15を省略するとともに、ガス放出部を投影して図示している。
収容容器本体131の上部における周縁部に沿って、容器内ガス排出路(ガス排出路、排出部)21が形成されている。この容器内ガス排出路21は、収容容器本体131の周縁部に板状のフィルタ部材22を取り付けることにより形成することができる。
すなわち、フィルタ部材22と電池収容容器13との間に形成される領域が、容器内ガス排出路21となる。フィルタ部材22としては、実施形態1のフィルタ部材16と同様の機能を有するものを用いることができる。なお、周縁部の意味については、実施形態1と同様である。
図6(A)に図示するように、容器内ガス排出路21は、上蓋132の隅に形成された破壊式の弁132aに連通している。弁132aの真上には、上蓋132に固定されたガス排出管15のガス流入端を固定している。実施形態1と同様に、ガス排出管15は車両のクウォータトリムに向かって延びており、そこから車外にガスを排出できるようになっている。
次に、図5を参照しながら、蓄電装置2のガス排出動作について説明する。ここで、図5(B)に図示するように、車両に搭載された蓄電装置は坂道走行によって傾いているものとする。
電池異常により、円筒型電池122の弁139´が破壊されると、そこからガス放出される。円筒型電池122から放出されたガスは、冷却液23内を収容容器本体131の図中左側の周縁部に向かって移動する。周縁部に到達したガスは、フィルタ部材22を通過して、容器内ガス排出路21に流入する。なお、フィルタ部材22により、容器内ガス排出路21に対する冷却液23の流入は阻止される。
このように、電池収容容器13の内部の周縁部に沿って容器内ガス排出路21を設けることにより、蓄電装置2の傾斜方向がいかなる方向であっても、容器内ガス排出路21に対して容易にガスを逃がすことができる。
容器内ガス排出路21へさらにガスが流入すると、内圧上昇により、上蓋132の弁132aが破壊して、ガス排出管15の中にガスが流入する。これにより、電池収容容器13の内圧を低下させることができる。
このように、本実施形態によれば、上蓋132の一箇所に弁を設けるだけで、ガスを電池収容容器13の外部に逃がすことができる。したがって、実施形態1のような、ガス排出管15と複数の弁とを接続するための複数の接続管17を不要とすることができる。これにより、接続管17のスペースを確保する必要がなくなり、接続管17のコストを削減することができる。
(実施形態2の変形例)
容器内ガス排出路21は、図6(B)に図示するように、電池収容容器13の周縁部の三辺に対応した領域のみに配置することもできる。この構成であっても、蓄電装置の傾斜時に、容器内ガス排出路21からガスを逃がすことができる。また、フィルタ部材22を少なくできるため、低コスト化をはかることができる。
また、少なくとも車両の前方側に位置する周縁部に対応した領域及び車両の後方側に位置する周縁部に対応した領域に、容器内ガス排出路21を設けるのが好ましい。坂道走行時において、車両の前方側又は後方側に車体が傾くため、収容容器本体131の車両前方側の周縁部又は車両後方側の周縁部にガスがたまりやすくなるからである。
さらに、フィルタ部材22の形状は、弧の字型、L字型などにすることもできる。すなわち、フィルタ部材22と電池収容容器13の内面との間に、組電池12から発生したガスを逃がすための通路を形成することができれば、どのような形状にしてもよい。
(実施形態3)
次に、図7を参照しながら、実施形態3の蓄電装置を説明する。ここで、図7は蓄電装置3の斜視図である。本実施形態の蓄電装置は、ガス放出部14の管路14aにフィルタ部材16が配置されていない点で実施形態1と相違する。なお、実施形態1と同一の機能を有する構成要素には、同一符号を付している。
ガス放出部14が電池収容容器13の四隅に配置されている点は、実施形態1と同様であり、この構成によれば、電池収容容器13の傾斜時に、電池収容容器13の外部に容易にガスを逃がすことができる。
ここで、本実施形態ではフィルタ部材16を省略しているため、電池異常の際にガスとともに管路14aに流入した冷却液23が車外に流出しないように流出禁止手段を別に設ける必要がある。流出禁止手段として、下記の方法を例示できる。
ガス排出管15の途中に、冷却液23をガスから分離するための分離ラビリンスを設けることができる。分離ラビリンスは、冷却液23に当接する当接部を設けるとともに、この当接部に当接して重力落下した冷却液23を貯留する貯留部を設けることにより構成することができる。
さらに、ガス排出管15の管内に冷却液23を吸収する吸収材を設けることにより流出禁止手段としてもよい。
(変形例)
上述の各実施形態では、電池収容容器13を直方体形状に形成したが、円柱形状など他の形状にすることもできる。他の形状であっても、電池収容容器13の周縁部にガス放出部を設けることにより、電池収容容器13の傾斜時に、ガスを容易に車外に逃がすことができる。
上蓋132に形成された破壊式の弁に代えて、ガス放出部14の管路14aにガスリリーフ弁を設けてもよい。この場合、上蓋132にガスを逃がすための貫通穴を形成し、この貫通穴をガス放出部14の管路14aに接続するとよい。
円筒型電池122の代わりに角型電池を用いることもできる。また、キャパシタを用いることもできる。
蓄電装置の斜視図である。 図1の蓄電装置のY1−Y2断面図であり、(A)が電池正常時、(B)が電池異常時の状態を図示している。 車両のブロック図である。 円筒型電池の断面図である。 実施形態2の蓄電装置の断面図であり、(A)が電池正常時、(B)が電池異常時の状態を図示している。 実施形態2の蓄電装置の平面図である。 実施形態3の蓄電装置の斜視図である。
符号の説明
1 2 3 蓄電装置
12 組電池
13 電池収容容器
14 ガス放出部
14a 管路
14b 弁
15 ガス排出管
16 22 フィルタ部材
17 接続管
21 容器内ガス排出路
131 収容容器本体
132 上蓋

Claims (12)

  1. 蓄電体と、
    該蓄電体と熱交換を行う液状の熱交換媒体と、
    前記蓄電体及び前記熱交換媒体を収容する収容容器と、
    前記収容容器の周縁部に対応した複数の位置に設けられ、前記蓄電体から発生したガスを排出するための排出部と、
    前記排出部からのガスの排出を許容して、前記排出部からの前記熱交換媒体の排出を禁止する機能を備えたフィルタ部材と、
    を有することを特徴とする蓄電装置。
  2. 前記排出部は、前記収容容器の四隅に対応した位置に設けられていることを特徴とする請求項1に記載に蓄電装置。
  3. 各前記排出部は、圧力を開放するための圧力解放弁と、前記フィルタ部材とを有することを特徴とする請求項2に記載の蓄電装置。
  4. 車外にガスを排出するためのガス排出管に前記各排出部を接続したことを特徴とする請求項2又は3に記載の蓄電装置。
  5. 前記収容容器の内部の前記周縁部に沿って前記フィルタ部材を配置することにより、前記収容容器と前記フィルタ部材との間にガス排出路を有する前記排出部を形成したことを特徴とする請求項1に記載の蓄電装置。
  6. 前記フィルタ部材は、前記収容容器の前記周縁部の全体に配置されることを特徴とする請求項5に記載の蓄電装置。
  7. 前記フィルタ部材は、前記収容容器の四辺の周縁部のうち少なくとも三辺に配置されることを特徴とする請求項5に記載の蓄電装置。
  8. 前記フィルタ部材は、前記収容容器の四隅を接続するように配置されることを特徴とする請求項7に記載の蓄電装置。
  9. 前記排出部に流入したガスを前記収容容器の外部に放出するためのガス放出弁と、
    前記ガス放出弁から放出されたガスを車外に排出するガス排出管と、
    を有することを特徴とする請求項5乃至7のうちいずれか一つに記載の蓄電装置。
  10. 蓄電体と、
    該蓄電体と熱交換を行う液状の熱交換媒体と、
    前記蓄電体及び前記熱交換媒体を収容する収容容器と、
    前記収容容器の周縁部に対応した複数の位置に設けられ、前記蓄電体から発生したガスを排出するための排出部と、
    前記排出部から流入したガスを車外に排出するためのガス排出管と、
    前記ガスとともに前記ガス排出管に流入した前記熱交換媒体の車外への流出を禁止する禁止手段と、
    を有することを特徴とする蓄電装置。
  11. 前記蓄電体は、複数の蓄電要素を接続した集合体であることを特徴とする請求項1乃至10のうちいずれか一つに記載の蓄電装置。
  12. 請求項1乃至11のうちいずれか一つに記載の蓄電装置を搭載した車両。
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