JP5405037B2

JP5405037B2 - バッテリ装置

Info

Publication number: JP5405037B2
Application number: JP2008085156A
Authority: JP
Inventors: 美暁黒澤
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: JP2009238654A

Description

本発明は、ハイブリッド車両や電気自動車に搭載して好適なバッテリ装置に関する。

電動機を駆動源としたハイブリット車両や電気自動車には、電動機駆動用の高電圧のバッテリ装置が搭載されている。この種のバッテリ装置においては、例えば夏期などに周辺温度が高温に上昇すると、内蔵の素電池の自己放電が激しくなり発熱することがある。このように、温度が非常に高い環境下で発熱量が多くなると、素電池が熱暴走し、当該素電池から非常に高温の燃焼ガスが噴出することがある。特に、自動車を駆動するための高電圧のバッテリ装置は、大容量の素電池を多数に使用しているので、高温時における自己放電による発熱量が極めて大きく、熱暴走する確率が高くなる。
そこで従来では、バッテリ装置のケースの破損や、素電池の液漏れといった異常を検出して異常信号を発する異常検出手段と、異常信号が発せられたときに冷却剤をバッテリーケース内に噴射する装置とを備えた安全装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−７４６０３号公報

しかしながら、従来のものは、電気信号により異常を発する構成であるため、バッテリ装置の破損に起因して車両側の電源系統の電力が遮断されたり、制御システムに電気的な障害が生じたりした場合には、異常信号が発せられずに安全装置が動作できない。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、車両側の電源系統や制御系統の状態に依らずに素電池を冷却することができるバッテリ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、素電池をバッテリーケースに納めたバッテリ装置において、前記バッテリーケース内で、前記素電池から発生する燃焼ガスに曝される箇所に、不燃性の冷媒を貯留した冷媒タンク、又は該冷媒タンクに接続した熱交換器を設け、前記冷媒タンク、又は前記熱交換器に減圧装置、及び所定の冷媒圧力で開放する圧力バルブを順に接続し、前記冷媒タンク、又は前記熱交換器の前記燃焼ガスによる加熱に伴って前記圧力バルブが開放し、前記減圧装置で減圧されて膨張した冷媒を前記バッテリーケース内に噴射し、前記素電池のケース体に前記燃焼ガスを噴出する安全バルブを設け、前記バッテリーケース内に、複数の前記素電池を、前記安全バルブの配設側を一方向に揃えて並べて配置し、各素電池の安全バルブと対向させて、前記冷媒タンク、又は前記熱交換器を延在させたことを特徴とする。

また本発明は、上記のバッテリ装置において、前記バッテリーケースは、密閉構造を成し、内部圧力が所定の圧力に達したときに開放し内外を連通する排気用バルブを有することを特徴とする。

本発明によれば、バッテリーケースに納めた素電池から熱暴走等により高温の燃焼ガスが発生した場合、この燃焼ガスの発生に伴って圧力バルブが開放し、減圧装置で減圧されて膨張した冷媒がバッテリーケース内に自動的に噴射されるため、燃焼ガス発生時に素電池を速やかに冷却することができる。
また、燃焼ガスと冷媒との熱交換によって圧力バルブを作動させる構成であるため、車両側の電源系統や制御系統にトラブルが発生している場合でも、これら電源系統や制御系統の状態に依らずに圧力バルブを作動させて素電池を冷却することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係るバッテリ装置１０を搭載した四輪の電気自動車１の構成を示す図である。電気自動車１は、前輪２及び後輪３と、これら前輪２及び後輪３のいずれか、或いは、両方（図示例は前輪２のみ）の各々に設けられた車両駆動用モータ４とを備えている。この車両駆動用モータ４は車両を動かす駆動源を構成するものである。また、電気自動車１の車室５には、運転座席６及び後部座席７が前後に配置され、運転座席６の正面にはハンドル８や図示せぬメータパネル等が配置されている。
後部座席７の後方にはトランク９が設けられ、このトランク９内に、高電圧のバッテリ装置１０が配置されている。バッテリ装置１０は、上記車両駆動用モータ４に給電して駆動するものであり、バッテリ装置１０から引き出された電力供給線としての高電線１１を介して車両駆動用モータ４に送電が行われる。

ここで、バッテリ装置１０の電池（後述する組電池１８）を電気自動車１の駆動にのみ用いていると、自然放電を含めて電池は放電していく。この放電を補うため、制御の切り替えにより電気自動車１の減速時には車両駆動用モータ４を発電機として用い、運動エネルギを電池の補充電に活用する回生ブレーキを利用できる。そこで本実施形態のバッテリ装置１０は車両駆動用モータ４に対して、双方向で需給電できる構成となっている。

図２はバッテリ装置１０の構成を模式的に示す図である。
バッテリ装置１０は、容器体１２と蓋板１４とを有した密閉構造のバッテリーケース１６に、車両駆動用モータ４に給電する電力を蓄える組電池１８を収容して構成されている。さらに、このバッテリ装置１０は、組電池１８の通常の冷却を行う通常冷却機構２０と、異常時に組電池１８を自動で冷却する異常冷却機構２２とを備えている。

上記組電池１８は、複数の素電池（セル）２４を組みにして相互に電気的に接続したものであり、素電池２４は、その内部に正極及び負極をセパレータを介して巻回した発電要素を含む非水電解質二次電池を、図３に示すように、アルミニウム又はアルミニウム合金製の角型平板状のケース体２６に収納して構成されたものであり、その上面２６Ａには、その両端側に正負の電極２８がそれぞれ設けられ、その上面２６Ａの略中央に安全バルブ３０が設けられている。

上記非水電解質二次電池には、例えばリチウムイオン二次電池等が好適に用いられる。リチウムイオン二次電池等は、特に過充電された場合や充電状態で電池内部で短絡した場合、熱暴走が生じて発熱し、ケース内部で高温の燃焼ガスが発生することで内圧が急激に上昇することがある。このように、ケース体２６の内圧が急激に上昇した場合には、内圧によって安全バルブ３０が開放し内部の燃焼ガスが外部に噴出されるようになっている。これにより、内部の圧力が外に逃げるため熱暴走発生時のケース体２６の破裂が防止される。

また、素電池２４から燃焼ガスが噴射された場合、バッテリーケース１６の内圧も上昇し破裂する恐れがある。そこで、このような場合でも、バッテリーケース１６の破裂を未然に防ぐために、バッテリーケース１６には、排気用安全バルブ３２が設けられている。排気用安全バルブ３２は、バッテリーケース１６の内圧が所定の内圧に達した場合に、この内圧により栓が押し出されて開放し、バッテリーケース１６の内部のガスを外部へ放出することで、バッテリーケース１６の破裂を防止する。なお、この排気用安全バルブ３２は、車室５への燃焼ガスの進入を防止すべく、車両外に向けて燃焼ガスを排出するように構成されている。

通常冷却機構２０は、組電池１８の各素電池２４を冷却し、良好な充放電効率を実現可能な温度に維持するためのものであり、冷却プレート４０と、冷媒循環配管４２Ａ、４２Ｂとを備えている。
冷却プレート４０は、アルミニウム又はアルミニウム合金製の長板状に形成され、その一端から、冷媒循環配管４２Ａ、４２Ｂが引き出されている。この冷媒循環配管４２Ａ、４２Ｂには、例えば電気自動車１に既設の空気調和機（カーエアコン）の冷媒が導入される。
上記冷却プレート４０は、バッテリーケース１６の底面１６Ａに外側から密着させて配置され、バッテリーケース１６の内部に配置された組電池１８を底面１６Ａを介して熱伝導により冷却する。

異常冷却機構２２は、素電池２４から熱暴走等によって燃焼ガスが噴出した場合に、速やかに素電池２４を冷却するものであり、冷媒タンク５０と、熱交換器５２と、減圧装置としての膨張弁５４と、圧力バルブ５６とを備えている。
冷媒タンク５０は、冷媒を貯留した貯留タンクであり、バッテリーケース１６の外に並設され、冷媒の導入経路を形成する冷媒管５１がバッテリーケース１６内に引き込まれ、この冷媒管５１に、上記の熱交換器５２、膨張弁５４及び圧力バルブ５６が順に設けられる。冷媒タンク５０に貯留される冷媒は、燃焼ガスを噴射した素電池２４を冷却するために使用される。このため、冷媒には、例えばＣＯ₂冷媒等の不燃性の冷媒が用いられる。

バッテリーケース１６内には、各素電池２４が安全バルブ３０が上方に位置するように並べて配置され、上記熱交換器５２は、各素電池２４の安全バルブ３０と対向するように延在しており、いずれかの素電池２４から高温の燃焼ガスが噴出した場合には、当該燃焼ガスと冷媒管５１内の冷媒とが熱交換器５２により熱交換し冷媒が加熱される。
膨張弁５４は、熱交換器５２から流入する冷媒を減圧、膨張して圧力バルブ５６に向けて流すものであり、圧力バルブ５６は冷媒管５１の終端部に設けられ、所定値以上の冷媒圧力で開放し、膨張した冷媒をバッテリーケース１６内に噴射する。

圧力バルブ５６の開放について説明すると、燃焼ガスとの熱交換によって冷媒管５１内の冷媒が加熱され該冷媒の温度が上昇すると、図４に示すように、その温度上昇に比例して、圧力バルブ５６での冷媒圧力も上昇する。
したがって、燃焼ガスとの熱交換によって冷媒が加熱されたときに達する冷媒の温度Ｔ０と、この温度Ｔ０における圧力バルブ５６での冷媒の圧力Ｐ０とが予め実験等により求められており、冷媒の圧力が圧力Ｐ０（又は、圧力Ｐ０よりも所定マージン分だけ低い圧力）に達したときに圧力バルブ５６が開放するように構成されている。これにより、図５に示すように、素電池２４のガスが発生したときに速やかに圧力バルブ５６が開放し、膨張した冷媒ガスがバッテリーケース１６内に噴射され、素電池２４が冷却される。

このような熱暴走発生時の一連の動作について図６を参照してより詳細に説明する。
図６に示すように、組電池１８のいずれかの素電池２４が熱暴走すると（ステップＳ１）、その素電池２４のケース体２６内での燃焼ガスの発生により安全バルブ３０が開放し（ステップＳ２）、高温の燃焼ガスがバッテリーケース１６内に噴出する（ステップＳ３）。これにより、素電池２４の安全バルブ３０の上方に配置された熱交換器５２が高温の燃焼ガスに曝されて加熱される（ステップＳ４）。

熱交換器５２が加熱された結果、冷媒管５１の冷媒の温度が上昇して冷媒圧力が高まり（ステップＳ５）、圧力バルブ５６が開放する（ステップＳ６）。これにより、膨張弁５４にて減圧、膨張した冷媒ガスが圧力バルブ５６からバッテリーケース１６内に噴射される（ステップＳ７）。これにより、熱暴走により発熱した素電池２４が冷媒ガスによって速やかに冷却されるため、素電池２４の熱暴走が停止し、また、熱暴走時の発熱によって他の素電池２４にも熱暴走が連鎖的に引き起こされるという事態も防ぐことができる。

さて、圧力バルブ５６から冷媒ガスが噴射された場合には、膨張弁５４での冷媒の減圧に伴って、熱交換器５２には冷媒タンク５０から冷媒が導入され熱交換器５２の温度が低下するものの（ステップＳ８）、素電池２４から燃焼ガスが発生している間は、燃焼ガスから熱を吸収し（ステップＳ９）、冷媒圧力が高められるため（ステップＳ５）、冷媒ガスの噴射が持続する。そして、冷媒ガスの冷却によって素電池２４の熱暴走が収まり、燃焼ガスの発生が停止すると、熱交換器５２での加熱も収まるため、冷媒ガスの噴射が自動的に停止される。

また、冷媒ガスがバッテリーケース１６内に噴射された場合には、バッテリーケース１６の内部圧力が上昇するため、このバッテリーケース１６に設けられた排気用安全バルブ３２が開放し、燃焼ガスと共に冷媒ガスがバッテリーケース１６の外に排出される（ステップＳ１０）。
上述の通り、冷媒ガスにはＣＯ₂等の不燃性ガス冷媒が用いられているため、排気用安全バルブ３２が開放した場合、冷媒ガスの噴射に伴ってバッテリーケース１６内の空気が外部に押し出され、バッテリーケース１６内には冷媒ガスが充満することになる。この結果、バッテリーケース１６内の酸素が希薄になるため、バッテリーケース１６内で燃焼が生じている場合には、その燃焼が速やかに消火される。

このように、本実施形態によれば、バッテリーケース１６に納めた素電池２４から熱暴走等により高温の燃焼ガスが発生した場合、この燃焼ガスの発生に伴って圧力バルブ５６が開放し、膨張弁５４で減圧されて膨張した冷媒ガスがバッテリーケース１６内に自動的に噴射される構成としたため、素電池２４からの高温の燃焼ガスの発生時に、この素電池２４を速やかに冷却することができる。また、これにより、素電池２４の間で熱暴走が連鎖することも防止できる。
また、燃焼ガスと冷媒との熱交換によって圧力バルブ５６を作動させる構成であるため、車両側の電源系統や制御系統にトラブルが発生している場合でも、これら電源系統や制御系統の状態に依らずに圧力バルブ５６を作動させ素電池２４を冷却することができる。

さらに、燃焼ガスとの熱交換により冷媒を加熱し圧力を高めることで、冷媒の噴射を生じさせる構成であるため、冷媒の噴射によって冷媒タンク５０の圧力が減少しても、燃焼ガスが生じている限り冷媒圧力が継続的に高められるため、冷媒の噴射を持続させることができる。これにより、燃焼ガスが発生しているにもかかわらず、冷媒タンク５０内の圧力低下に伴って冷媒の噴射が停止してしまう、といった事もない。

また本実施形態によれば、複数の素電池２４の各々の安全バルブ３０と対向させて、熱交換器５２を延在させる構成としたため、燃焼ガスがどの素電池２４から発生しようとも、熱交換器５２を燃焼ガスに曝すことができ、冷媒による冷却を行うことができる。

また本実施形態によれば、内部圧力が所定の圧力に達したときに開放し内外を連通する排気用安全バルブ３２をバッテリーケース１６に設ける構成としたため、燃焼ガスや冷媒ガスの噴射に伴って排気用安全バルブ３２を開放し、内部の空気を押し出すことで、バッテリーケース１６内に不燃性の冷媒ガスを充満させることができる。これにより、バッテリーケース１６内で燃焼が発生している場合には、これを速やかに消火することができる。

＜第２実施形態＞
図７は、本発明の第２実施形態に係るバッテリ装置１１０の構成を模式的に示す図である。なお、同図において、第１実施形態で説明したものについては同様の符号を付し、その説明を省略する。
この図に示すように、本実施形態のバッテリ装置１１０は、異常冷却機構１２２が熱交換器５２を備える代わりに、冷媒タンク１５０がバッテリーケース１６内に、各素電池２４の安全バルブ３０と対向するように延在して設けられており、いずれかの素電池２４から燃焼ガスが発生した場合には、その燃焼ガスに曝される。冷媒タンク１５０の筐体は、燃焼ガスと十分に熱交換可能な熱伝導性を有する材質から構成されており、燃焼ガスの発生に伴って、冷媒タンク１５０内の冷媒が加熱されることで、膨張弁５４を介して圧力バルブ５６から冷媒が噴射される。

このように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様な効果を奏すると共に、さらに、冷媒タンク１５０がバッテリーケース１６内に設けられているため、バッテリーケース１６から冷媒管５１を引き出す必要がなく、装置構成の簡易化が図られる。

＜第３実施形態＞
図８は、本発明の第３実施形態に係るバッテリ装置２１０が備える異常冷却機構２２２と、その周辺構成のみを示す図である。
なお、同図において、第１又は第２実施形態で説明したものについては同様の符号を付し、その説明を省略する。
この図に示すように、本実施形態の異常冷却機構２２２は、第２実施形態の異常冷却機構１２２に対し、膨張弁５４に代えて、減圧装置としてキャピラリーチューブ２５４を設けたものである。
本実施形態によれば、第１及び第２実施形態と同様な効果を奏する。

＜第４実施形態＞
図９は、本発明の第４実施形態に係るバッテリ装置３１０が備える異常冷却機構３２２と、その周辺構成のみを示す図である。
なお、同図において、第１〜第３実施形態で説明したものについては同様の符号を付し、その説明を省略する。
この図に示すように、本実施形態のバッテリ装置３１０は、複数の素電池２４を並べて組んで成る組電池１８を複数組有している。そして、異常冷却機構３２２においては、各組電池１８ごとに、第１実施形態と同様の熱交換器３５２Ａ、３５２Ｂが設けられている。
これにより、本実施形態によれば、第１実施形態で述べた効果に加え、組電池１８の数が増えることでバッテリ装置３１０の出力電力が高められると共に、どの組電池１８のどの素電池２４から燃焼ガスが発生しても、その燃焼ガスと冷媒とを熱交換させて冷媒ガスを速やかに噴射させることができる。

＜第５実施形態＞
図１０は、本発明の第５実施形態に係るバッテリ装置４１０の構成を示す斜視図、図１１はその断面図、図１２はその内部の主要構成を示す斜視図である。
なお、これらの図において、第１〜第４実施形態で説明したものについては同様の符号を付し、その説明を省略する。
これらの図に示すように、本実施形態のバッテリ装置４１０は、バッテリーケース１６の中に、冷却プレート４０を納め、その冷却プレート４０の上に、複数の素電池２４を並べて組んで成る２つの組電池１８を並べて配置して構成されている。
本実施形態の異常冷却機構４２２においては、冷媒タンク５０が冷却プレート４０上に組電池１８と横並びに配置され、また、各組電池１８の上側には、その上方を熱交換用プレート４５３が配置され、冷媒タンク５０から引き出した２本の冷媒管５１の各々が各熱交換用プレート４５３に跨って延びてＵ字状に折り返すことで熱交換器４５２が構成され、各冷媒管５１の端部に減圧装置としての膨張弁４５４が取り付けられている。
これにより、本実施形態によれば、第１実施形態で述べた効果に加え、冷媒タンク５０を、組電池１８を冷却する冷却プレート４０の上に配置しているため、通常時には、組電池１８と共に冷媒タンク５０も冷却される。これにより、例えば夏期等にバッテリーケース１６の中の温度が高温に達するなどした場合に、この高温による異常冷却機構４２２の誤作動が防止可能となる。

なお、上述した各実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。
例えば、上述した各実施形態では、電気自動車１に搭載されるバッテリ装置について説明したが、これに限らず、高電圧を要する車両であれば、ハイブリット自動車や二輪の自動車、又は、電車、飛行機等の任意の車両の電力源として本発明のバッテリ装置を用いることができる。さらには、車両に限らず、高電圧を要する任意の機器の電力源としても本発明のバッテリ装置を用いることができる。

本発明の第１実施形態に係るバッテリ装置を搭載した四輪の電気自動車の構成を示す図である。バッテリ装置の構成を示す図である。素電池の構成を示す図である。冷媒の温度及び圧力の関係と共に、圧力バルブが開放する冷媒の圧力を示す図である。異常冷却機構による冷却動作を模式的に示す図である。素電池で熱暴走が発生した時の動作説明図である。本発明の第２実施形態に係るバッテリ装置を示す図である。本発明の第３実施形態に係るバッテリ装置を示す図である。本発明の第４実施形態に係るバッテリ装置を示す図である。本発明の第５実施形態に係るバッテリ装置の構成を示す斜視図である。同バッテリ装置の断面図である。同バッテリ装置の内部の主要構成を示す斜視図である。

符号の説明

１電気自動車
４車両駆動用モータ
１０、１１０、２１０、３１０、４１０バッテリ装置
１６バッテリーケース
１８組電池
２２、１２２、２２２、３２２、４２２異常冷却機構
２４素電池
３０安全バルブ
３２排気用安全バルブ
５０、１５０冷媒タンク
５１冷媒管
５２、３５２Ａ、３５２Ｂ熱交換器
５４、４５４膨張弁（減圧装置）
５６圧力バルブ
２５４キャピラリーチューブ（減圧装置）

Claims

素電池をバッテリーケースに納めたバッテリ装置において、
前記バッテリーケース内で、前記素電池から発生する燃焼ガスに曝される箇所に、不燃性の冷媒を貯留した冷媒タンク、又は該冷媒タンクに接続した熱交換器を設け、前記冷媒タンク、又は前記熱交換器に減圧装置、及び所定の冷媒圧力で開放する圧力バルブを順に接続し、
前記冷媒タンク、又は前記熱交換器の前記燃焼ガスによる加熱に伴って前記圧力バルブが開放し、前記減圧装置で減圧されて膨張した冷媒を前記バッテリーケース内に噴射し、
前記素電池のケース体に前記燃焼ガスを噴出する安全バルブを設け、
前記バッテリーケース内に、複数の前記素電池を、前記安全バルブの配設側を一方向に揃えて並べて配置し、各素電池の安全バルブと対向させて、前記冷媒タンク、又は前記熱交換器を延在させたことを特徴とするバッテリ装置。
請求項１に記載のバッテリ装置において、
前記バッテリーケースは、密閉構造を成し、内部圧力が所定の圧力に達したときに開放し内外を連通する排気用バルブを有することを特徴とするバッテリ装置。