JP4434237B2 - 車両用の蓄電装置及び車両 - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電体およびこの蓄電体を冷却するための冷却液を筐体に収容した車両用の蓄電装置に関する。
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いる。この電動車両の駆動用又は補助電源として、性能、信頼性、安全性に優れた二次電池の要望が高まっている。
これらの電動車両において、駆動用又は補助電源には高い電力密度を有することが求められており、一つの観点として複数の単電池を直列及び／又は並列に接続した組電池とこの組電池を冷却する冷却液を収容した収容容器を有する蓄電装置が知られている。収容容器は、上側が開口した容器本体とこの容器本体の上側の開口を覆う上蓋とからなり、上蓋は容器本体に対して締結部材により固定されている。
ところで各単電池には、通常、過充電などの際に電解液が電気分解することにより発生したガスを放出させるためのガス放出弁が形成されており、このガス放出弁からガスを放出させることにより、過剰な内圧上昇を抑制している。
各単電池から放出されたガスにより収容容器の内圧が上昇するため、収容容器の耐圧強度を高める必要がある。しかしながら、収容容器の耐圧強度を高めるために、収容容器の厚み寸法を大きくすると、収容容器の重量が増し、蓄電装置の大型化及び重量化を招くことになる。そこで、収容容器の内部に存在するガスを外部に放出する方法が有効となる。
ところで、特許文献１には、樹脂ケース内に電極体及び電解液を注入した電池が開示されており、樹脂ケースにはガスを放出するためのガス排出部材が設けられており、このガス放出部材のガス放出口にはガスを外部に誘導するガス排出パイプが取り付けられている。
この特許文献１に開示された構成を上記蓄電装置に応用して、単電池から発生したガスを収容容器の外部に排出するためのガス排出パイプを上蓋に接続する構成とすることもできる。
特開２００５−７１６７４号公報
しかしながら、各単電池からのガスの発生により収容容器の内圧が急激に上昇した場合には、ガス排出パイプによるガス排出のみではガスの排出が不十分となり、結果的に蓄電装置の大型化及び重量化を招くことになる。
また、上蓋に複数のガス排出パイプを接続する方法では、上蓋の製造工程が煩雑化して、コストも増大する。
そこで、本願発明は、蓄電体から発生するガスによる過剰な内圧上昇を簡易な構成で抑制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、本願発明の車両用の蓄電装置は、蓄電体と、前記蓄電体
を冷却するための冷却液と、前記冷却液を注入するための注入口を有し、前記冷却液及び
前記蓄電体を収容する筐体と、前記蓄電体からガスが発生するガス発生の際に、前記筐体
の内部のガスを車室外に排出するガス排出管と、前記注入口に設けられ、前記ガス発生の
際に、前記筐体の内部の圧力を外部に解放する第１の圧力解放弁とを有することを特徴とする。
ここで、前記ガス発生の際に、前記ガス排出管を介してのガスの排出を許容する第２の圧力解放弁を設けるのが好ましい。また、前記第１の圧力解放弁は、前記第２の圧力解放弁よりも作動圧力値を高く設定することができる。
前記注入口を塞ぐキャップ部材を有し、このキャップ部材に前記第１の圧力解放弁を設けるとよい。
前記ガス発生の際に、前記ガスとともに前記注入口から流出する前記冷却液を収容する収容容器を設けるとよい。
本発明によれば、冷却液注入口に圧力解放弁を設けるという簡単な構成で、蓄電装置の
過剰な圧力上昇を抑制できる。
以下、本発明の実施例について説明する。
図１は蓄電装置の分解斜視図であり、図２は蓄電装置の断面図である。これらの図において、蓄電装置１は、複数の円筒型電池１２２を電気的に接続した組電池（蓄電体）１２、組電池１２及び冷却液２３を収容する電池収容ケース（筐体）１３、電池収容ケース１３の上蓋となるケースカバー（筐体）１４から構成されており、ハイブリッド自動車、電気自動車の駆動用又は補助電源として使用される。本実施例の蓄電装置１は、助手席下部のフロアパネル２上に設置されている。
本実施例の蓄電装置１の概要は下記の通りである。電池収容ケース１３の略中央には、
ガス排出パイプ（ガス排出管）１５が接続されており、このガス排出パイプ１５の接続口
であるガス放出口１３ａにはガスリリーフ弁（第２の圧力解放弁）２１が設けられている。
電池収容ケース１２には、ガス放出口１３ａと異なる位置に冷却液注入口１３ｂが形成
されている。冷却液注入口１３ｂは、キャップ部材１６により塞がれており、キャップ部
材１６には平面視十字形状の破壊弁（第１の圧力解放弁）１６ａが形成されている。
ガスリリーフ弁２１は、破壊弁１６ａよりも作動圧が低く設定されている。なお、破壊
弁１６ａは他のキャップ部材１６の部分よりも薄肉に形成されており、電池収容ケース１
３が所定の圧力に達すると破壊される。この破壊現象が生じるときの圧力値を破壊弁１６
ａの作動圧と定義する。
上述の構成において、過充電などの際に円筒型電池１２２からガスが発生し、電池収容
ケース１３の圧力がガスリリーフ弁２１の作動圧に達すると、ガス排出パイプ１５からガ
スが排出される。
ガス排出パイプ１５からのガス排出の後、電池収容ケース１３の内圧がさらに上昇した場合（ガス排出パイプ１５からのガス排出のみでは内圧上昇を抑制できない場合）には、キャップ部材１６の破壊弁１６ａが破壊され、そこから電池収容ケース１３の外部に
ガスが排出される。
これにより、ガス排出パイプ１５のみでガス排出を行う場合よりも、電池収容ケース１３の耐圧強度を低く設定できる。その結果、蓄電装置１を小型化及び軽量化することがで
きる。
また、破壊弁１６ａをキャップ部材１６に形成するという簡易な構成で、ガス排出能力の高い蓄電装置１を得ることができる。
次に、蓄電装置１の各部の構成を詳細に説明する。
（電池収容ケース１３について）
電池収容ケース１３は、上側が開口した箱型形状であり、ケース外周面には多数の放熱フィン３１が形成されている。このように多数の放熱フィン３１を設けることにより、外気との接触面積を増加させ、組電池１２の放熱を促進することができる。なお、図２では放熱フィン３１を省略して図示している。
電池収容ケース１３には、熱伝導性の高いステンレスなどの金属材料を適用することができる。
なお、電池収容ケース１３の外周面には、不図示の取り付けブラケットが形成されており、この取り付けブラケットは助手席下部のフロアパネル２に固定されている。これにより、蓄電装置１を固定することができる。
（組電池１２について）
組電池１２は、複数の円筒型電池１２２を並設した電池集合体であり、対向配置される一対の電池フォルダ１２３に支持されている。各円筒型電池１２２の両端に設けられた電極ネジ軸部１３１、１３２は、電池フォルダ１２３から突出しており、バスバー１２４を介して直列に接続されている。バスバー１２４は、電極ネジ軸部１３１、１３２に締結ナット１２５を締結することにより固定される。
このように複数の円筒型電池１２２を並設した電池集合体を車両の駆動用又は補助電源として使用する場合には、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となるおそれがある。そこで、本願発明では、気体よりも熱伝導率の高い冷却液２３内に組電池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、電池収容ケース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（例えば、シリコンオイル）を用いることもできる。
次に、図３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。筒状の電池
外套缶１３４の内側には電極体１３５が組み込まれている。
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）、ＬｉＭｎ２Ｏ４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（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、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１３１、１３２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１３１、１３２の取り付け位置とは異なる位置に破壊弁１３９´が形成されており、この破壊弁１３９´は、保持板１３９にパンチ加工を施すことにより形成される。
電池異常状態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）を超えて昇圧されると、破壊弁１３９´が破壊され、そこから円筒型電池１２２の外部にガスが放出される。これにより、電池外套缶１３４の内圧上昇を抑制することができる。
（ケースカバー１４について）
ケースカバー１４は、電池収容ケース１３のカバー取付面１３ｅに不図示の締結ボルト
を締結することにより取り付けられており、ケースカバー１４を電池収容ケース１３に取り付けた状態において、ケースカバー１４及び電池収容ケース１３の限界耐圧値は、１０Ｍｐａよりも高く設定されている。
ケースカバー１４の平面視中央部には、ガス放出口１３ａが形成されており、このガス
放出口１３ａには車外にガスを排出するためのガス排出パイプ１５が接続されている。なお、ガス排出パイプ１５のガス排出口は、不図示の車両のクォータトリム（車室外位置）に接続されている。
ここで、電池異常により発生したガスは、電池収容ケース１３の内部を上側に移動するため、ガス排出パイプ１５をケースカバー１４に接続することにより、ガスの排出を早めることができる。
ガス排出パイプ１５及びガス放出口１３ａの接続部分には、ガスリリーフ弁２１が設け
られており、このガスリリーフ弁２１は、電池収容ケース１３の内圧が所定の作動圧に達
すると、ガス排出パイプ１５へのガスの排出を許容する。ここで、ガスリリーフ弁２１の
作動圧は、１〜５Ｍｐａに設定するのが好ましい。
他方、電池収容ケース１３の内圧がガスリリーフ弁２１の作動圧に満たない場合（つまり、電池異常でない場合）には、ガスリリーフ弁２１は閉じている。これにより、電池収容ケース１３を密閉構造にできるため、ガス放出パイプ１５を介して電池収容ケース１３の内部に車外の異物が流入するのを阻止できる。その結果、冷却液２３の絶縁性を保持することができる。
ケースカバー１４には、ガス放出口１３ａと異なる位置に冷却液注入口１３ｂが形成されている。この冷却液注入口１３ｂを介して電池収容ケース１３の内部に冷却液２３を充填することができる。
冷却液注入口１３ｂは、冷却液２３を電池収容ケース１３の内部に封止するためのキャップ部材１６により塞がれている。キャップ部材１６には、平面視十字状の破壊弁１６ａが形成されており、この破壊弁１６ａは、電池収容ケース１３の内圧が作動圧に達すると破壊され、そこから電池収容ケース１３の外部にガスが放出される。破壊弁１６ａの作動圧は、５〜１０Ｍｐａに設定するのが好ましい。なお、破壊弁１６ａは、電池の破壊弁１３９´と同様にパンチ加工により形成することができる。
このように、電池収容ケース１３の限界耐圧値よりも、ガスリリーフ弁２１の作動圧、破壊弁１６ａの作動圧を低く設定して、電池異常の際に二本の異なる経路からガスを排出させることにより、電池収容ケース１３の内圧値が限界耐圧値に達する前に、確実に減圧を行うことができる。
これにより、電池収容ケース１３及びケースカバー１４の強度を低くして、蓄電装置１
を小型化及び軽量化することができる。また、キャップ部材１６に破壊弁１６ａを形成することにより、ケースカバー１４に破壊弁を形成する場合よりも、ケースカバー１４の製造工程を簡略化することができる。
次に、蓄電装置１のガス排出動作について、詳細に説明する。
電池異常の際に円筒型電池１２２から発生したガスにより、電池収容ケース１３の内圧
がガスリリーフ弁２１の作動圧に達すると、ガスリリーフ弁２１が開き、ガス放出口１３ａからガス排出パイプ１５にガスが排出される。
ガス排出パイプ１５からのガス排出後に、電池収容ケース１３の内圧がさらに上昇して破壊弁１６ａの作動圧に達すると、破壊弁１６ａが破壊され、そこから電池収容ケース１３の外部にガスが排出される。なお、ガス排出パイプ１５からのガス排出により電池収容ケース１３の内圧が降下した場合には、冷却液注入口１３ｂからのガスの排出は行われない。
ここで、ガス排出パイプ１５からのガス排出のみでは電池収容ケース１３の内圧上昇を抑制できない場合として、例えば円筒型電池１２２からのガス排出量がガスリリーフ弁２１の排出限度量を超えている場合、ガスリリーフ弁２１からガスとともに冷却液２３が排出され、ガスの排出量が制限される場合が考えられる。
このように、本実施例では、電池異常の際に、最初にガス放出パイプ１５からガスの排出を行い、ガス放出パイプ１５からのガス排出のみでは内圧上昇を抑制できない場合には、冷却液注入口１３ｂからガスを排出させ過剰な内圧上昇を抑制している。これにより、ガス排出パイプ１５を複数設ける必要がなくなり、ガス排出性能の高い蓄電装置を低コストで提供することができる。
次に、図４を参照しながら、実施例２を説明する。図４は、実施例２の蓄電装置１００の斜視図であり、（ａ）は電池異常が起こる前の蓄電装置を図示しており、（ｂ）は電池異常が起こった後の蓄電装置を図示している。なお、実施例１と同一の機能を有する部分には、同一符号を付している。
本実施例では、冷却液注入口１３ｂに膨張及び収縮可能な弾性容器（収容容器）１８が
接続されている。弾性容器１８の接続方法としては、溶接、接着剤による接着などを例示
することができる。
弾性容器１８には、ナイロン６６を用いることができる。ここで、弾性容器１８に耐熱
性を持たせるために、ナイロン６６の表面にクロロプレンゴム、シリコンゴムなどをコー
ティングするとよい。
この弾性容器１８の内部には、破壊弁１６ａから電池収容ケース１３の外部に放出され
たガス（ガスとともに冷却液２３が放出される場合も含む）が流入するようになっている。
上述の構成によれば、電池異常の際に破壊弁１６ａから放出されたガスや冷却液２３を
弾性容器１８の内部に収容できるため、蓄電装置１の周辺にガスや冷却液２３が流出する
のを防止できる。
弾性容器１８の内部にガスや冷却液２３が放出される場合であっても、ガス放出パイプ１５からのガス排出は継続しているため、弾性容器１８に一旦流入したガスは、冷却液注入口１３ｂを通って電池収容ケース１３に戻り、ガス放出口１３ａからガス放出パイプ１５に放出される。このガス放出パイプ１５からのガス放出に伴い、弾性容器１８は徐々に収縮する。
このように、一旦膨張した弾性容器１８をガス放出パイプ１５からのガス排出により収縮させることにより、蓄電装置１の交換時に座席の壁面に弾性容器１８が引っ掛かるなどの不具合をなくすことができる。これにより、蓄電装置１の交換作業を容易化することができる。
（他の実施例）
図５はキャップ部材１６の破壊弁１６ａの変形例を示す平面図である。
上述の実施例では、キャップ部材１６の破壊弁１６ａを平面視十字状に形成したが、
（ａ）に図示するように平面視円状の破壊弁（第１の圧力解放弁）としてもよいし、（ｂ）に図示するように平面視円弧状の破壊弁（第１の圧力解放弁）としてもよいし、（ｃ）に図示するように平面視Ｖ字状の破壊弁（第１の圧力解放弁）としてもよい。
また、キャップ部材１６にガスリリーフ弁を設けてもよいし、スプリング式の自動復帰
弁を設けてもよい。すなわち、ガスリリーフ弁２１の作動圧よりも高く、かつ、電池収容ケース１３の限界耐圧値よりも低い圧力値で作動する弁であればよい。
上述の実施例では、ガスリリーフ弁２１の作動圧を破壊弁１６ａの作動圧よりも低く設
定したが、高く設定してもよい。この場合、最初に破壊弁１６ａからガスが排出され、そ
の後さらに内圧上昇した場合にガスリリーフ弁２１が作動して、ガス排出パイプ１５から
ガスが排出される。また、ガスリリーフ弁２１及び破壊弁１６ａの作動圧を同じに設定してもよい。この場合、破壊弁１６ａからのガスの排出と、ガスリリーフ弁２１からのガスの排出が同時に行われることになる。
ガス放出口１３ａからガスとともに冷却液２３が排出される場合もある。そこで、
ガス放出口１３ａから排出された冷却液２３を補足するためのフィルタ部材をガス
排出パイプ１５に設けても良い。これにより、車外に冷却液２３が流出するのを防止でき
る。
上述の実施例では円筒型のリチウムイオン電池について説明したが、ニッケル水素電池
を使用してもよいし、角型電池を使用してもよい。また、電気二重層キャパシタを使用す
ることもできる。この電気二重層キャパシタは、複数の正極及び負極を、セパレータを介
在させて交互に重ね合わせたものである。そして、この電気二重層キャパシタにおいては、例えば、集電体としてアルミ箔、正極活物質及び負極活物質として活性炭、セパレータとしてポリエチレンからなる多孔質膜を用いることができる。
実施例２の弾性容器１８に代えて、膨張及び収縮しない堅牢な容器を使用することもで
きる。この場合も、蓄電装置１の周辺にガスや冷却液２３が流出するのを防止できる。
蓄電装置は、後部座席の下方、トランクルームなどに配置することもできる。
蓄電装置の分解斜視図である。 蓄電装置の断面図である。 円筒型電池の断面図である。 実施例２の蓄電装置の斜視図であり、（ａ）は電池異常が起こる前の蓄電装置の状態を図示しており、（ｂ）は電池異常が起こった後の蓄電装置の状態を図示している。 破壊弁の変形例を示す平面図である。
符号の説明
１ １００ 蓄電装置
２ フロアパネル
１２ 組電池
１３ 電池収容ケース
１４ ケースカバー
１５ ガス排出パイプ
１６ キャップ部材
１６ａ 破壊弁
１８ 弾性容器
２１ ガスリリーフ弁
３１ 放熱フィン
１２２ 円筒型電池
１２３ 電池フォルダ
１２４ バスバー

Claims (6)

  1. 蓄電体と、
    前記蓄電体を冷却するための冷却液と、
    前記冷却液を注入するための注入口を有し、前記冷却液及び前記蓄電体を収容する筐体と、
    前記蓄電体からガスが発生するガス発生の際に、前記筐体の内部のガスを車室外に排出するガス排出管と、
    前記注入口に設けられ、前記ガス発生の際に、前記筐体の内部の圧力を外部に解放する第１の圧力解放弁とを有することを特徴とする車両用の蓄電装置。
  2. 前記ガス発生の際に、前記ガス排出管を介してのガスの排出を許容する第２の圧力解放弁を有することを特徴とする請求項１に記載の車両用の蓄電装置。
  3. 前記第１の圧力解放弁は、前記第２の圧力解放弁よりも作動圧力値が高いことを特徴と
    する請求項２に記載の車両用の蓄電装置。
  4. 前記注入口を塞ぐキャップ部材を有し、
    前記第１の圧力解放弁は、前記キャップ部材に設けられていることを特徴とする請求項
    １乃至３のうちいずれか一つに記載の車両用の蓄電装置。
  5. 前記ガス発生の際に、前記ガスとともに前記注入口から流出する前記冷却液を収容する収容容器を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の車両用の蓄電装置。
  6. 請求項１乃至５のうちいずれか一つに記載の車両用の蓄電装置を有する車両。

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