JP5577455B2 - 防爆装置、及びこれを備えるパワーバッテリー及びパワーバッテリーモジュール - Google Patents

Description

この開示は二次電池に関し、より具体的には防爆装置、及びこれを備えるパワーバッテリー及びパワーバッテリーモジュールに関する。

二次電池例えばＬｉ―ｉｏｎ電池等では、異常な状況例えば短絡や高い動作温度等が発生すると、電池内で多量のガスが発生し、電池の内部圧力が急激に増すことがある。ガスが適時放出されないと、電池が爆発することがある。従って、通常は防爆装置が電池シェルに搭載されている。

従来の防爆装置として安全バルブがある。電池の内部圧力が臨界値まで上がると、ガス圧力によってバルブが開かれてガスが放出される。電池の内部圧力が臨界値より低いと、バルブは閉じられる。パワーバッテリーは容積が大きく、容量及び電圧が高く、電流が大きく、作動環境が厳しいため、パワーバッテリーの安全基準は高くなっている。

中国実用新案出願第２００８２０１６９９７８号が開示する電池安全バルブでは、バルブ本体とバルブキャップとの結合構造が信頼性に欠け、破損しやすい。更に、バルブコアと電池シェルに形成された通気孔との接触領域が小さく、これにより電池内部における気密性が低くなる。更に、この安全バルブは構造が複雑でコストが高く、寿命が短く、生産、組立、分解が難しい。

本開示の目的は、構造が簡単でコストが低く、寿命が長くて信頼性が高く、生産，組立，分解が容易な防爆装置を提供することである。

本開示の他の目的は、防爆装置を備えたパワーバッテリーを提供することである。

本開示の更に他の目的は、防爆装置を備えたパワーバッテリーモジュールを提供することである。

本開示の一観点における実施形態は、電池の電池シェルに形成された通気孔と、通気孔内に移動可能に配置されて通気孔を密閉及び開放するためのバルブコアと、電池シェルの外壁に搭載された支持部と、両端がそれぞれ支持部とバルブコアに接続されて通常はバルブコアを押圧して通気孔を密閉するための弾性要素と、を備える電池用の防爆装置を提供する。

本開示の他の観点における実施形態は、電池シェルと、電池シェル内に密封された電解質と、電池シェル内に設けられた電極アセンブリと、電池シェルの外壁に搭載された防爆装置と、を備えるパワーバッテリーを提供する。防爆装置は、電池の電池シェルに形成された通気孔と、通気孔内に移動可能に配置されて通気孔を密閉及び開放するためのバルブコアと、電池シェルの外壁に搭載された支持部と、両端がそれぞれ支持部とバルブコアに接続されて通常はバルブコアを押圧して通気孔を密閉するための弾性要素とを備える。

本発明の更に他の観点における実施形態は、複数のパワーバッテリーを備えるパワーバッテリーモジュールを提供する。各パワーバッテリーは、電池シェルと、電池シェル内に密封された電解質と、電池シェル内に設けられた電極アセンブリと、電池シェルの外壁に搭載された防爆装置と、を備える。防爆装置は、電池の電池シェルに形成された通気孔と、通気孔内に移動可能に配置されて通気孔を密閉及び開放するためのバルブコアと、電池シェルの外壁に搭載された支持部と、両端がそれぞれ支持部とバルブコアに接続されて通常はバルブコアを押圧して通気孔を密閉するための弾性要素とを備える。

本開示の実施形態に係る防爆装置は電池の安全性確保において高い信頼性を有し、構造が簡単でコストが低く、寿命が長くて信頼性が高く、製造，組立，分解が容易である。

本開示の実施形態のその他の側面及び利点は、次の詳細な説明で部分的に説明され、次の詳細な説明から部分的に明らかになり、或いは本開示の実施形態の実施により学ばれる。

本開示の目的及び利点は図面と共に次の詳細な説明によって明確にされると共により容易に理解される。

本開示の実施形態に係る防爆装置の断面図である。 本開示の他の実施形態に係る防爆装置の断面図である。 本開示のなお他の実施形態に係る防爆装置の断面図である。 本開示の更に他の実施形態に係る防爆装置の部分斜視図である。 バルブコアが閉じて通気孔を密閉している状態の図４に示す防爆装置の断面図である。 バルブコアが通気孔を開放している状態の図４に示す防爆装置の断面図である。 本開示の実施形態に係る防爆装置を備えるパワーバッテリーの概略斜視図である。 本開示の実施形態に係る防爆装置を備えるパワーバッテリーモジュールの概略斜視図である。

本開示の実施形態を詳細に記述する。添付した図面を参照して説明されるこの実施形態
は説明上のもので例示的なものであり、本開示の全般的な理解のために用いられている。
この実施形態は、本開示を限定するものと解釈されてはならない。同一ないし同様の構成
要素、及び、同一ないし同様の機能を有する構成要素には、本明細書を通じて同じ参照番
号を付してある。

この説明において、相対的な用語例えば「低い」、「高い」、「上」等、及びこれらの派生語（例えば「上方へ」等）は説明された或いは説明と共に図面に示された方向を指すものとして解釈されるべきである。これらの相対的な用語は説明を容易にするためのものであって、本開示が特定の方向において構成され或いは操作されることを要求するものではない。

特に特定又は限定されない限り、「搭載された」、「接続された」及びこれらのバリエーションは広義に用いられ、直接的及び間接的な搭載、接続、支持、及び結合の両方を含む。

本開示の実施形態に係る防爆装置について図面を参照して以下に説明する。

本開示の実施形態において、電池のための防爆装置１００は、通気孔５１と、バルブコア１と、支持部と、弾性要素２とを備え得る。

具体的に、通気孔５１は電池の内部と電池の外部（例えば周囲）とを連通させるために電池の電池シェル５に形成されている。バルブコア１は、通気孔５１を閉じたり（密閉したり）開いたりするために、通気孔５１の内側に移動可能に設けられている。支持部は電池シェル５の外壁（図１における上面）に搭載されている。弾性要素２の一端は支持部に接続され、弾性要素２の他端はバルブコア１に接続され、通常は通気孔５１を密閉するためにバルブコア１を押圧する。

電池が正常に作動すると、即ち電池の内部圧力が臨界安全値よりも低いと、弾性要素２によってバルブコア１に加えられる内向きの押圧力は、電池内部のガスによってバルブコア１に加えられる外向きの押圧力よりも大きいため、バルブコア１は通気孔５１を密閉する。

電池が熱又は短絡にさらされると、電池の内部圧力は高くなり、臨界安全値に至るか或いはこれを超えることがある。即ち、ガスによって加えられる外向きの押圧力が高くなる。電池内部のガスによってバルブコア１に加えられる外向きの押圧力が、弾性要素２によってバルブコア１に加えられる内向きの押圧力よりも大きいと、バルブコア１は電池内部のガスにより押され、弾性要素２の内向き押圧力に抗して外側（図１における上側）へ移動する。これにより通気孔５１が開き、バルブコア１と通気孔５１との間の隙間を介してガスが放出されて、内部圧力が抜ける。

ガスが放出されると、内部圧力は低下する。内部圧力が臨界安全値よりも低いと、即ち電池内部のガスによってバルブコア１に加えられる外向きの押圧力が、弾性要素２によってバルブコア１に加えられる内向きの押圧力よりも小さいと、バルブコア１は弾性要素２によって押され、電池内部のガスによる内向きの押圧力に抗して内側へ移動するため、通気孔５１を再び密閉する。

本開示の実施形態によれば、電池シェル５に通気孔５１を形成し、通気孔５１の内にバルブコア１を移動可能に配置し、弾性要素２の一端を電池シェル５に搭載された支持部に接続させ、弾性要素２の他端をバルブコア１に接続させることで、電池の爆発が防止される。従って、防爆装置１００は構造が簡単でコストが低く、寿命が長くて信頼性が高く、製造，組立，分解が容易である。

なお、本開示の実施形態の説明においては、電池内部に向かう方向を内側方向（図１における下方向）と称し、電池外部に向かう方向を外側方向（図１における上方向）と称する点に注意すべきである。

図１に示す様に、本開示の幾つかの実施形態においては、支持部は複数の支持バー３とプレート４とを備えてもよい。複数の支持バー３は通気孔５１の周囲に配置されてもよく、各支持バー３の一端は電池シェル５の外壁に搭載される。プレート４は通気孔５１に対向するように支持バー３の他端に搭載される。弾性要素２の他端はプレート４に固定されてもよい。本開示の実施形態によれば、支持部は構造が簡単でコストが低く、信頼性が高くて製造及び組立が容易である。

図１に示す様に、支持バー３はボルトでもよい。従って、プレート４には複数の第１ネジ孔が形成され、電池シェル５には複数の第２ネジ孔が形成されている。支持バー３の一端は、プレート４の第１ネジ孔を挿通して電池シェル５の対応する第２ネジ孔に螺着されることで、電池シェル５の外壁に接続されている。弾性要素４の弾性変形量は、電池シェル５に螺着された支持バー３の長さを調整することで調整でき、これにより圧力、即ちバルブコア１が通気孔５１を開放する状態における電池内のガス圧力の臨界安全値を調整できる。更に、ボルトによる製造，組立，分解は容易であるため、弾性要素２及びバルブコア１を容易に交換することができる。

或いは、プレートが複数の第１孔を有し、電池シェルが複数の第２ネジ孔を有し、各支持バーの一端がプレートの第１孔の１つを挿通して電池シェルの第２ネジ孔の１つに螺着されてもよい。

本開示の実施形態によれば、図１に示す様に、弾性要素２はバネ例えば圧縮バネ等でもよい。バネによって加えられる力がバルブコア１に均一に分配されるように、バネの下端をバルブコア１の外端面の中央に接続してもよい。或いは、弾性要素２は金属製の弾性シート又はエアバッグでもよい。

本開示の幾つかの実施形態においては、バネの長さ直径比は具体的には約２：１〜約１：１でよい。バネの長さ直径比が大きすぎると、バルブコア１が外方向に移動した際に、非半径方向変形（バネの横断方向における曲げ）がバネに生じ、その結果、バルブコア１がスムーズに開かず、電池内のガスの放出に影響を与えることがある。もしバネの長さ直径比が小さすぎると、バルブコア１の外側への移動が小さく（即ち、通気孔５１とバルブコア１との間の隙間が小さく）なり、ガスはゆっくりと放出される。

図１に示す様に、具体的に、バルブコア１と通気孔５１の内面とが高い気密性でもって互いに接触し、通気孔５１とバルブコア１が容易に機械加工および製造されるように、通気孔５１とバルブコア１の双方は逆円錐台形状を有する。しかしながら、本開示はこれに限定されず、例えばバルブコア１はピラミット形状を有し、通気孔５１はバルブコア１に適合した形状を有しても良い。

幾つかの実施形態では、バネの単一コイルの領域とバルブコア１の外端面（図１のバルブコア１の上端面）の領域との関係を考慮すれば、バネの外半径はバルブコア１の外端面の半径の（２／３）^１／２より小さくないが、バルブコア１の外端面の半径よりも大きくない。バネの単一コイルの領域がバルブコア１の外端面の領域に対して小さすぎると、電池内のガス圧力が臨界安全値に達していなくてもバルブコア１が通気孔５１を開放するかもしれない。更に、バルブコア１はガス圧力によって横転するかもしれず、これはガスの放出にとって不都合である。バネの単一コイルの領域がバルブコア１の外端面の領域の２／３より小さくないのが好ましいことが実験により証明された。

本開示の幾つかの実施形態においては、バルブコア１の材料に制限はなく、例えば、金属、プラスチック、ゴム、或いは他の材料を用いることができる。好適には、バルブコア１はプラスチック製である。プラスチック製のバルブコア１は密閉性能を向上でき、クリープが生じ難く、優れた耐老化性能を有する。更に、プラスチック製のバルブコア１が通気孔５１内で動くと、バルブコア１のみが摩耗にさらされ、これにより電池シェル５の摩耗が減少する。更に、プラスチック製のバルブコア１はコストが低く、交換が容易である。

本開示の実施形態によると、通気孔５１の形成を容易にしコストを抑えるために、通気孔５１は電池シェル５に形成され、バルブコア１は通気孔５１に移動可能に配置される。

本開示の他の実施形態に係る防爆装置１００について図２を参照して以下に説明する。図２に示す様に、電池シェル５の外壁には通気孔５１が貫通するボス５２が形成されている。複数の支持バー３はボス５２にそれぞれ搭載されてもよい。或いは、支持バー３はボス５２の周辺で電池シェル５に搭載されてもよい。勿論、支持バー３をボス５２に直接搭載する場合と比較して、電池シェル５に搭載された支持バー３はより長くなる。通気孔５１の深さ、即ち内外方向（図２における上下方向）のサイズは、電池シェル５の外壁にボス５２を形成することで増加し、これに伴いバルブコア１のサイズも増加する。従ってバルブコア１と通気孔５１との接触領域は増加し、これにより密閉性能が高まる。本開示の幾つかの実施形態においては、ボス５２は電池シェル５と一体であってもよい。ボス５２は別個に形成されてから電池シェル５に溶接されてもよい。図２に示す防爆装置１００のその他の構成は図１に示す防爆装置１００のものと同一でもよいので、その詳細な説明はここでは省略する。

図３は本開示の別の実施形態に係る防爆装置１００を示す。図３に示す様に、バルブコア１の内外方向のサイズは通気孔５１の深さよりも小さくてもよく、バルブコア１の内端面は電池シェル５の内壁面と一直線になっていてもよい。図１及び図２に示す様に、バルブコア１の内外方向のサイズは通気孔５１の深さと実質等しくてもよい。

本開示の更に別の実施形態に係る防爆装置１００について図４乃至図６を参照して以下に説明する。

図４乃至図６に示す様に、電池シェル５の外壁から延長部５３が延出してもよく、延長部５３の外端（図５における上端）にフランジ５４が形成されてもよく、通気孔５１は延長部５３を貫通してもよい。フランジ５４と電池シェル５の外壁面の間には所定の距離があり、支持バー３の下端が貫通孔を挿通してフランジ５４にナットで固定され得るよう、フランジ５４に複数の貫通孔を形成してもよい。従って、支持バー３による組立に便利である。図４に示す防爆装置１００の他の構成は図３に示す防爆装置１００のものと同一でよく、従ってその詳細な説明はここでは省略する。

図５に示す本開示の実施形態によれば、延長部５３を設けることで通気孔５１の深さは増加し、バルブコア１の内外方向のサイズが大きくなり、これによりバルブコア１と通気孔５１との接触領域が増加する。従って、密閉性能が向上する。更に、延長部５３の外端にフランジ５４を形成することで、支持バー３は組立に便利である。

フランジ５４と延長部５２は電池シェル５と一体でもよい。或いは、フランジ５４は別個に形成されてから延長部５３の外端に溶接されてもよい。延長部５３はフランジ５４と一体でもよく、一体的な延長部５３とフランジ５４が電池シェル５に溶接されてもよい。

図５及び図６を参照して、本開示の実施形態に係る防爆装置１００の動作について以下に説明する。

図５に示す様に、電池が正常に動作しているとき、即ち電池の内部圧力が臨界安全値よりも小さいときには、弾性要素２によってバルブコア１に加えられる内向き（図５における下向き）の押圧力は、電池内のガスによってバルブコア１に加えられる外向き（図５における上向き）の押圧力よりも大きいため、バルブコア１は通気孔５１の内面に対して強固に接触し、通気孔５１を密閉する。

電池が熱又は短絡にさらされると、内部圧力が上がって臨界安全値に到達し或いはこれを越え、電池内のガスによりバルブコア１に加えられる上向きの押圧力は弾性要素２によりバルブコア１に加えられる下向きの押圧力よりも大きくなり、バルブコア１を上方に移動させて、これにより通気孔５１が開放され、バルブコア１と通気孔５１との間の隙間からガスが放出され、内部圧力が抜ける。

ガスの放出により、内部圧力が下がり、これにより電池の安全性を確保する。電池内の圧力が大きいほど隙間も十分に開き、すなわち通気孔５１の開度も大きくなり、これにより電池内のガスがより速く放出される。

内部圧力が臨界安全値よりも小さいと、電池内のガスによりバルブコア１に加えられる上向きの押圧力は、弾性要素２によりバルブコア１に加えられる下向きの押圧力よりも小さく、これによりバルブコア１は下方に移動して通気孔５１を再び密閉する。

本開示の実施形態によれば、図７に示す様に、防爆装置１００を備えるパワーバッテリー２００が提供される。パワーバッテリー２００は、電池シェル５と、電池シェル５内に密閉された電解質と、電池シェル５に配置された電極アセンブリと、電池シェル５の外壁に搭載された上述の防爆装置１００とを備えてもよい。パワーバッテリー２００のその他の構成は周知であるので、詳細な説明はここでは省略する。

本開示の実施形態に係るパワーバッテリーにおいて、通気孔が電池シェルに形成され、通気孔内にバルブコア１が移動可能に配置されるので、電池の爆発が防止され、構成が簡単で、コストが低く、寿命が長く、信頼性が高く、製造，組立，及び分解が容易となる。

本開示の実施形態によれば、図８に示す様に、パワーバッテリーモジュール３００が提供される。パワーバッテリーモジュール３００は上述したパワーバッテリー２００を複数備えても良い。

本詳細な説明における「実施形態」又は「幾つかの実施形態」への言及は、実施形態或いは例に関連して説明された特定の特徴、構成、材料、又は特性は本開示の少なくとも１の実施形態又は例に含まれることを意味する。従って、本詳細な説明の種々の箇所における文言例えば「幾つかの実施形態において」等の登場は、必ずしも本開示の同一の実施形態又は例を指すものではない。更に、特定の特徴、構造、材料、又は特性は１又は複数の実施形態又は例において適切な方法にて統合される。

実施形態について説明したが、本開示の精神及び本質から逸脱することなく請求の範囲及びこれの同等物の範囲内で実施形態の変形、代替、改良が可能であることは当業者により理解されるべきである。

（関連出願の相互参照）
この出願は、２０１０年４月２３日に出願された中国出願第２０１０２０１７５３５１．３号の優先権を主張し、この出願の全内容は参照によりここに組み込まれる。

Claims (16)

1. 電池用の防爆装置であって、
   前記電池の電池シェルに形成された通気孔と、
   前記通気孔内に移動可能に配置され、前記通気孔を密閉及び開放するためのバルブコアと、
   前記通気孔の周辺に設けられた複数の支持バーと、プレートとを含み、各支持バーの一端は前記電池シェルに搭載され、各支持バーの他端は前記プレートに搭載された支持部と、
   弾性要素と、を備え、
   通常は前記バルブコアを押圧して前記通気孔を密閉するように、前記弾性要素の一端は前記支持部に接続され、前記弾性要素の他端は前記バルブコアに接続されていることを特徴とする防爆装置。
2. 各支持バーはボルトであり、前記プレートは複数の第１孔を有し、前記電池シェルは複数の第２ネジ孔を有し、各支持バーの前記一端は、前記プレートの前記第１孔の内の１つを挿通して前記電池シェルの前記第２ネジ孔の内の１つに螺着されていることを特徴とする請求項１に記載の防爆装置。
3. 前記プレートは複数の第１ネジ孔を有し、前記電池シェルは複数の第２ネジ孔を有し、各支持バーの前記一端は前記プレートの前記第１ネジ孔の内の１つに螺着されて挿通し、各支持バーの前記他端は前記電池シェルの前記第２ネジ孔の内の１つに螺着されていることを特徴とする請求項１に記載の防爆装置。
4. 前記弾性要素はバネであることを特徴とする請求項１に記載の防爆装置。
5. 前記バネの長さの直径比は約２：１〜約１：１であることを特徴とする請求項４に記載の防爆装置。
6. 前記通気孔と前記バルブコアの各々は逆円錐台形状であることを特徴とする請求項４に記載の防爆装置。
7. 前記バネの外半径は前記バルブコアの外端面の半径の（２／３）^１／２より小さくないが、前記バルブコアの前記外端面の半径よりも大きくないことを特徴とする請求項６に記載の防爆装置。
8. 前記バネの他端は前記バルブコアの外端面の中央に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の防爆装置。
9. 前記バルブコアはプラスチック製であることを特徴とする請求項１に記載の防爆装置。
10. 前記電池シェルの外壁には、前記通気孔が貫通するボスが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の防爆装置。
11. 前記ボスは前記電池シェルと一体であることを特徴とする請求項１０に記載の防爆装置。
12. 前記電池シェルの外壁から延長部が延出し、前記延長部の外端にはフランジが形成され、前記通気孔は前記延長部を貫通して延びることを特徴とする請求項１に記載の防爆装置。
13. 前記フランジと前記延長部は前記電池シェルと一体であることを特徴とする請求項１２に記載の防爆装置。
14. 前記バルブコアの内外方向のサイズは前記通気孔の内外方向のそれよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の防爆装置。
15. パワーバッテリーであって、
    電池シェルと、
    前記電池シェル内に密封された電解質と、
    前記電池シェル内に設けられた電極アセンブリと、
    前記電池シェルの外壁に搭載された防爆装置と、を備え、
    当該防爆装置は、
    前記電池シェルに形成された通気孔と、
    前記通気孔内に移動可能に配置され、前記通気孔を密閉及び開放するためのバルブコアと、
    前記通気孔の周辺に設けられた複数の支持バーと、プレートとを含み、各支持バーの一端は前記電池シェルに搭載され、各支持バーの他端は前記プレートに搭載された支持部と、
    弾性要素と、を備え、
    通常は前記バルブコアを押圧して前記通気孔を密閉するように、前記弾性要素の一端は前記支持部に接続され、前記弾性要素の他端は前記バルブコアに接続されていることを特徴とするパワーバッテリー。
16. パワーバッテリーモジュールであって、
    複数のパワーバッテリーを備え、
    当該複数のパワーバッテリーの各々は、
    電池シェルと、
    前記電池シェル内に密封された電解質と、
    前記電池シェル内に設けられた電極アセンブリと、
    前記電池シェルの外壁に搭載された防爆装置と、を備え、
    当該防爆装置は、
    前記電池シェルに形成された通気孔と、
    前記通気孔内に移動可能に配置され、前記通気孔を密閉及び開放するためのバルブコアと、
    前記通気孔の周辺に設けられた複数の支持バーと、プレートとを含み、各支持バーの一端は前記電池シェルに搭載され、各支持バーの他端は前記プレートに搭載された支持部と、
    弾性要素と、を備え、
    前記通気孔を密閉するように、前記弾性要素の一端は前記支持部に接続され、前記弾性要素の他端は前記バルブコアに接続されていることを特徴とするパワーバッテリーモジュール。

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