JP5454364B2

JP5454364B2 - 組電池及び車両

Info

Publication number: JP5454364B2
Application number: JP2010127348A
Authority: JP
Inventors: 広隆渡辺; 孝訓金森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2030-06-02
Also published as: JP2011253735A

Description

本発明は、複数の単電池を並べた組電池に関する。

車両用の蓄電装置として、複数の単電池をバスバーを介して直列に接続した組電池が知られている。単電池には、電解液が収容されており、電池異常になるとこの電解液がガス化して単電池の内圧が高まる。そこで、単電池には、ガスを放出するためのガス放出弁が設けられる。組電池は充放電により発熱するため、冷却風により冷却される。この冷却風の風路がガス放出弁に沿って形成される場合、冷却風がガス放出弁に接触することにより、ガス放出弁が劣化するおそれがある。特に、冷却風の塩分濃度が高い場合には、劣化の問題が大きくなる。

特許文献１及び２は、電池封口板に保護フィルムを貼り付けることにより、ガス放出弁を保護する組電池を開示する。

国際公開第９８／０５６０５２号パンフレット国際公開第９９／０４０６３７号パンフレット

しかしながら、保護フィルムを使用する方法では、部品点数が増加し、コストが増大するという問題があった。そこで、本願発明は、部品点数及びコストの削減を図りながら、ガス放出弁を保護することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の組電池は、（１）それぞれガス放出弁を有し、所定方向に配列される複数の単電池と、前記所定方向に隣接する単電池を接続するためにそれぞれ設けられる複数のバスバーをユニット化するためのバスバーモジュールと、前記複数のガス放出弁に沿って流れる冷却風の風路を形成するチャンバと、を有し、前記バスバーモジュールの一部は、前記チャンバと前記ガス放出弁との間に位置する弁保護部であることを特徴とする。

（２）（１）の構成において、前記弁保護部は、前記ガス放出弁からガスが放出された際に、前記チャンバ内へのガスの排出を許容する脆弱構造部を有してもよい。（２）の構成によれば、ガス放出弁から放出されたガスのガス排出が、バスバーモジュールに阻害されるのを抑制できる。

（３）（２）の構成において、前記脆弱構造部は、前記バスバーモジュールの他の領域よりも厚みが薄い薄肉部とすることができる。（３）の構成によれば、脆弱構造部が熱溶融或いは破断することにより、ガスを排出させることができる。

（４）（２）の構成において、前記脆弱構造部は、前記バスバーモジュールの他の領域よりも熱溶融温度が低い低融点部とすることができる。（４）の構成によれば、脆弱構造部が熱溶融することにより、ガスを排出させることができる。

（５）（２）の構成において、前記脆弱構造部は、前記ガス放出弁からガスが放出された際に、ガスが放出された方向に屈曲することにより前記チャンバ内へのガスの排出を許容する屈曲部とすることができる。（５）の構成によれば、脆弱構造部が屈曲することにより、ガスを確実に排出することができる。

（６）（２）の構成において、前記脆弱構造部は、前記ガス放出弁を収容する下方側が開口した凹部であり、前記凹部の下端面は前記単電池の外面に接触してもよい。（６）の構成によれば、ガス放出弁が外気から封止され、より効果的にガス放出弁を腐食から保護することができる。

（７）（１）〜（６）の構成において、前記単電池の端子電極及び前記ガス放出弁は、前記単電池の上端面に位置させるとよい。（７）の構成によれば、チャンバとガス放出弁との間に弁保護部を位置させる工程を簡素化することができる。

本発明によれば、部品点数及びコストの削減を図りながら、ガス放出弁を保護することができる。

組電池の分解斜視図である。単電池の断面図である。変形例１の単電池の断面図である。変形例２の単電池の断面図である。変形例３の延出部の部分斜視図である（正常時）。変形例３の延出部の部分斜視図である（電池異常時）。変形例５の単電池の断面図である。

図１及び図２を参照して、本実施形態に係る組電池について説明する。図１は組電池の分解斜視図であり、チャンバ及びバスバーモジュールを省略して図示している。図２は単電池１１をＹ―Ｚ面で切断した断面図であり、チャンバ及びバスバーモジュールを組電池に取り付けた状態を図示している。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに直交する三軸であり、Ｘ軸方向は単電池の積層方向に対応しており、Ｚ軸方向は冷却風が流れる方向に対応している。

単電池１１は、角型の電池ケース１１Ｅの内部に図示しない発電要素を収容したリチウムイオン電池である。発電要素は、電池ケース１１Ｅの内部に巻かれた状態で収納されている。発電要素は、正極体と、負極体と、正極体と負極体との間に配置されたセパレータとで構成される。正極体は、集電体と、集電体の表面に形成された正極層とで構成される。正極層は、正極に応じた活物質や導電剤などを含む層のことである。正極層の活物質として、リチウム−遷移金属複合酸化物を用いることができる。負極体は、集電体と、集電体の表面に形成された負極層とで構成される。負極層は、負極に応じた活物質や導電剤などを含む層のことである。負極層の活物質として、カーボンを用いることができる。また、導電剤として、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維、カーボンナノチューブを用いることができる。

電池ケース１１Ｅのケース上面１１Ｄには、突状の正極端子１１Ａ及び負極端子１１Ｂが設けられる。これらの正極端子１１Ａ及び負極端子１１ＢはＹ軸方向に並んでいる。Ｘ軸方向に隣接する単電池１１は、互いに正極端子１１Ａ及び負極端子１１Ｂの位置が逆である。すなわち、一方の単電池１１の正極端子１１Ａ及び他方の単電池１１の負極端子１１ＢはＸ軸方向において向き合っており、バスバー２１により電気的及び機械的に接続されている。

正極端子１１Ａ及び負極端子１１Ｂの間には、ガス放出弁１１Ｃが形成されている。ガス放出弁１１Ｃは、破壊式の弁である。ガス放出弁１１Ｃは、過充電などの際に発生したガスにより電池ケース１１Ｅの内圧が高まると破壊される。これにより、単電池１１の内圧上昇を抑制できる。

Ｘ軸方向に隣接する単電池１１の間には、スペーサ部材１３が介在する。組電池１のＸ軸方向の両端部には、一対のエンドプレート１９Ａが位置する（一方のエンドプレート１９Ａは、不図示である）。これらのエンドプレート１９Ａは、図示しない拘束バンドにより連結されており、拘束バンドにより互いに接近する方向に加圧されている。これにより、組電池１の電池性能を維持することができる。

エンドプレート１９ＡのＹ軸方向の端面には、足部１９０Ａが形成されている。足部１９０Ａは、Ｙ軸方向に張り出している。足部１９０Ａは、不図示のロアケースに載置される。足部１９０Ａには、貫通穴１９１Ａが形成されている。この貫通穴１９１Ａに不図示の締結ボルトを締結することにより、該ロアケース及び足部１９０Ａを固定することができる。

スペーサ部材１３は、Ｘ軸方向に隣接する単電池１１の間に配置される。スペーサ部材１３は、スペーサ本体部１３０を含む。スペーサ本体部１３０は、平板状に形成されている。スペーサ本体部１３０は、樹脂からなる。スペーサ本体部１３０のＹ軸方向の端面には、足部１３０Ｘが形成されている。足部１３０Ｘは、該ロアケースに載置されている。

スペーサ本体部１３０のＸ軸方向の一端面には複数のリブ部１３１が形成されている。これらのリブ部１３１はそれぞれ、Ｚ軸方向に延びており、Ｙ軸方向に等間隔に配列されている。スペーサ本体部１３０のＸ軸方向の他端面にはリブ部１３１が形成されていない。したがって、スペーサ部材１３を挟んだ一方側に位置する単電池１１は、スペーサ本体部１３０のリブ部１３１に接触し、他方側に位置する単電池１１は、スペーサ本体部１３０の前記他端面に接触する。

リブ部１３１が単電池１１に接触することにより、スペーサ本体部１３０、リブ部１３１及び単電池１１により囲まれた冷却風の通路が形成される。

次に、図２を参照して、バスバーモジュール２について詳細に説明する。バスバーモジュール２は、バスバー２１を保持するための複数の凹部２２を有する。バスバー２１は、正極端子１１Ａが挿通されるバスバー開口部２１Ａと、負極端子１１Ｂが挿通されるバスバー開口部２１Ｂとを有する。

凹部２２は、Ｘ−Ｙ面方向において、バスバー２１を包囲するように位置する。各バスバー２１が対応する各凹部２２に収容されることにより、複数のバスバー２１をユニット化することができる。これにより、複数のバスバー２１を、組電池１に対して簡単に取り付けることができる。

凹部２２は、バスバー開口部２１Ａに対応する位置に正極端子１１Ａが挿通される挿通開口部２２Ａを有し、バスバー開口部２１Ｂに対応する位置に負極端子１１Ｂが挿通される挿通開口部２２Ｂを有する。バスバーモジュール２は、凹部２２間に延在する延出部２３を有する。延出部２３は、Ｚ軸方向視において、正極端子１１Ａ及び負極端子１１Ｂに挟まれた領域を覆っている。そのため、Ｚ軸方向視において、ガス放出弁１１Ｃは延出部２３により覆われている。バスバーモジュール２は、絶縁性の樹脂から形成してもよい。

正極端子１１Ａ及び負極端子１１Ｂの外面には、ネジ溝が形成されている。正極端子１１Ａ及び負極端子１１Ｂには、ナット部材２８が締結される。これにより、バスバーモジュール２が、組電池１に固定される。

延出部２３の上には、チャンバ３１が載置されている。チャンバ３１は、Ｚ軸方向の一端側（下端側）が開口している。不図示のファンから送風された冷却風は、チャンバ３１に流入した後、Ｘ軸方向に進む。チャンバ３１内をＸ軸方向に移動する冷却風は、隣接する単電池１１の間に形成された前記通路内に分岐流入する。前記通路内に分岐流入した冷却風は、リブ部１３１に沿ってＺ軸方向に移動しながら、各単電池１１を冷却する。

ここで、チャンバ３１内を流れる冷却風とガス放出弁１１Ｃとの間には、バスバーモジュール２の延出部２３が位置する。これにより、冷却風がガス放出弁１１Ｃに接触するのを防止できる。その結果、ガス放出弁１１Ｃが冷却風により腐食されるのを防止できる。特に、冷却風の塩分濃度が高い場合には、冷却風がガス放出弁１１Ｃに接触することにより腐食が進行する。本実施形態の構成によれば、このような塩分濃度の高い冷却風により、ガス放出弁１１Ｃが腐食されるのを防止できる。

また、バスバーモジュール２の一部がガス放出弁１１Ｃを保護しているため、ガス放出弁１１Ｃを覆うためのフィルム、或いは皮膜が不要となる。これにより、部品点数及びコストが削減される。また、バスバーモジュール２は、組電池１の分野において、汎用性がある部材であるため、バスバーモジュール２の共通化によるコスト削減を図ることができる。

バスバーモジュール２が樹脂で構成されることにより、バスバーモジュール２の形状の自由度を高めることができる。これにより、複数のバスバー２１のユニット化というバスバーモジュール２本来の機能を損なうことなく、ガス放出弁１１Ｃを保護することができる。

バスバーモジュール２は、単電池１１の端子１１Ａ、１１Ｂと、ガス放出弁１１Ｃとが位置する組電池１の上面側から取り付けられるため、取り付け工程を簡素化できる。したがって、ガス放出弁１１Ｃの保護対策を、簡単に行うことができる。

延出部２３は、脆弱部２３Ａを有する。チャンバ３１及びガス放出弁１１Ｃは、脆弱部２３Ａを挟んでＺ軸方向において向き合っている。脆弱部２３Ａは、延出部２３の他の部分よりも、Ｚ軸方向の厚みが薄く形成されている。換言すると、脆弱部２３Ａは、下端部が開口した凹形状に形成されている。ガス放出弁１１Ｃからガスが放出されると、脆弱部２３Ａは放出されたガスの熱により熱溶融或いは放出されたガスの圧力により破断する。これにより、ガス放出弁１１Ｃから放出されるガスの放出動作が、バスバーモジュール２の延出部２３により阻害されるのを防止できる。

延出部２３は、単電池１１のケース上面１１Ｄに接触している。したがって、ガス放出弁１１Ｃは、脆弱部２３Ａの凹部及びケース上面１１Ｄにより覆われた密閉空間に位置する。これにより、ガス放出弁１１Ｃが外気から封止されるため、より効果的にガス放出弁１１Ｃを腐食から保護することができる。

また、延出部２３は、正極端子１１Ａ及び負極端子１１Ｂにナット部材２８を締結することにより、固定される。これにより、延出部２３を固定するための独立した固定部材が不要となるため、コストを削減できる。

（変形例１）
上述の実施形態では、バスバーモジュール２を単電池１１のケース上面１１Ｄに接触させたが、本発明はこれに限られるものではなく、図３に図示するように、バスバーモジュール２を単電池１１のケース上面１１Ｄから離間した位置に配置してもよい。この構成であっても、チャンバ３１の内部を流れる冷却風が、ガス放出弁１１Ｃに直接接触するのを防止できる。

（変形例２）
上述の実施形態では、脆弱部２３Ａの厚みを、延出部２３の他の部分よりも薄く形成したが、図４に図示するように、同じ厚さに形成してもよい。この場合、脆弱部２３Ａを前記他の部分よりも熱溶融温度が低い材料で形成するとよい。ガス放出弁２３Ａから放出されるガスにより、脆弱部２３Ａは、より低い温度で熱溶融する。これにより、ガス放出弁１１Ｃから放出されるガスの放出動作が、バスバーモジュール２の延出部２３によって阻害されるのを防止できる。

（変形例３）
図５Ａは延出部２３の部分斜視図であり、ガス放出弁１１Ｃからガスが放出される前の状態を示す。図５Ｂは延出部２３の部分斜視図であり、ガス放出弁１１Ｃからガスが放出された時の状態を示す。同図を参照して、延出部２３には、Ｘ軸方向に延びる二本のスリット部２３Ｄが形成されている。これらのスリット部２３Ｄにより挟まれた領域が、脆弱部２３Ａに相当する。つまり、脆弱部２３Ａは、Ｘ軸方向の両端のみが支持される脆弱な構造である。スリット部２３Ｄは、幅が狭小であるため、チャンバ３１の内部を流れる冷却風が脆弱部２３Ａの下方に流入するのを抑制できる。これにより、ガス放出弁１１Ｃが冷却風により腐食されるのを防止できる。

他方、ガス放出弁１１Ｃからガスが放出されると、放出されたガスの圧力により、脆弱部２３Ａは、上側に屈曲する。脆弱部２３Ａが上側に屈曲すると、延出部２３と脆弱部２３Ａとの間に隙間が形成され、この隙間からガスが排出される。これにより、ガス放出弁１１Ｃから放出されるガスの放出動作が、バスバーモジュール２の延出部２３によって阻害されるのを防止できる。

（変形例４）
上述の実施形態では、単電池１１のケース上面１１Ｄ側にガス放出弁１１Ｃ及び端子電極１１Ａ〜１１Ｂを形成したが、本発明はこれに限られるものではなく、ガス放出弁１１Ｃ及び端子電極１１Ａ〜１１Ｂをそれぞれ、電池ケース１１Ｅの異なる面に形成してもよい。

（変形例５）
図６に図示するように、チャンバ３１を省略して、延出部２３から離間した位置にチャンバ６１を設けてもよい。延出部２３は、ナット部材２８を用いることにより固定されるため、チャンバ３１を延出部２３の上面に当接させて、延出部２３を固定する必要はない。これにより、チャンバ３１をＹ軸方向に大きくすることができる。

（変形例６）
バスバーモジュール２が、ガス放出の際に破断する程度の強度である場合には、脆弱部２３Ａを省略することができる。この場合であっても、バスバーモジュール２の延出部２３によって、ガス放出弁１１Ｃの腐食を防止することができる。

１組電池２バスバーモジュール１１単電池１１Ａ正極端子
１１Ｂ負極端子１１Ｃガス放出弁１１Ｄケース上面２１バスバー
２２凹部２３延出部２３Ａ脆弱部３１６１チャンバ

Claims

それぞれガス放出弁を有し、所定方向に配列される複数の単電池と、
前記所定方向に隣接する単電池を接続するためにそれぞれ設けられる複数のバスバーをユニット化するためのバスバーモジュールと、
前記複数のガス放出弁に沿って流れる冷却風の風路を形成するチャンバと、を有し、
前記バスバーモジュールの一部は、前記チャンバと前記ガス放出弁との間に位置する弁保護部であることを特徴とする組電池。
前記弁保護部は、前記ガス放出弁からガスが放出された際に、前記チャンバ内へのガスの排出を許容する脆弱構造部を有することを特徴とする請求項１に記載の組電池。
前記脆弱構造部は、前記バスバーモジュールの他の領域よりも厚みが薄い薄肉部であることを特徴とする請求項２に記載の組電池。
前記脆弱構造部は、前記バスバーモジュールの他の領域よりも熱溶融温度が低い低融点部であることを特徴とする請求項２に記載の組電池。
前記脆弱構造部は、前記ガス放出弁からガスが放出された際に、ガスが放出された方向に屈曲することにより前記チャンバ内へのガスの排出を許容する屈曲部であることを特徴とする請求項２に記載の組電池。
前記脆弱構造部は、前記ガス放出弁を収容する下方側が開口した凹部であり、前記凹部の下端面は前記単電池の外面に接触することを特徴とする請求項２に記載の組電池。
前記単電池の端子電極及び前記ガス放出弁は、前記単電池の上端面に位置することを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一つに記載の組電池。
請求項１乃至７のうちいずれか一つに記載の組電池を搭載した車両。