JP5748380B2 - 安全性の向上した電池パック - Google Patents

Description

本発明は、安全性の向上した電池パックに係り、特に、電池モジュールが２列以上配列されている電池モジュール配列体と、電池モジュール配列体の前面及び後面をそれぞれ支持する１対の側面支持部材（前面支持部材及び後面支持部材）と、電池モジュール配列体の下端を支持する下端支持部材と、側面支持部材の上端が結合されており、倒立した電池モジュールの上端が結合されている第１上部装着部材と、第１上部装着部材と垂直に交差するようにして第１上部装着部材の上端に結合されている第２上部装着部材と、電池モジュール配列体の後面に配置される後面装着部材と、を備え、１対の側面支持部材のうち少なくと一方には、スウェリング発生時に電池モジュールの局部的な変形を誘導して断電とさせるように、体積膨脹に弱い部位である脆弱部が部分的に形成されている電池パックに関する。

モバイル機器の技術開発と需要が増加するに伴い、エネルギー源としての二次電池の需要も急増しつつある。二次電池の中でも、高いエネルギー密度と放電電圧を有するリチウム二次電池に対する研究が多く行われ、現在、商用化して広く使用されている。

二次電池は、携帯電話、デジタルカメラ、ＰＤＡ、ＰＭＰ、ノートパソコンなどのモバイル、ワイヤレス電子機器の他、電気自転車（Ｅ−ｂｉｋｅ）、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）のような動力装置のエネルギー源としても高い関心を集めている。

携帯電話、カメラなどの小型デバイスには、１つの電池セルがパックキングされている小型電池パックが使われているが、ノートパソコン、電気自動車などの中大型のデバイスには、２つ又はそれ以上の電池セル（以下、「マルチ−セル」ともいう）を並列及び／又は直列に連結した電池パックがパックキングされている中型又は大型の電池パックが使われている。

上述したように、リチウム二次電池は、優れた電気化学的特性を有してはいるが、安全性が低いという問題点がある。例えば、リチウム二次電池は、過充電、過放電、高温への露出、電気的短絡などの異常作動において、電池構成要素である活物質、電解質などの分解反応が起こって熱とガスが発生し、これによる高温高圧の条件は上記分解反応をより促し、ついには発火又は爆発につながることもある。

そのため、リチウム二次電池には、過充電、過放電、過電流時に電流を遮断する保護回路、温度上昇時に抵抗が大きく増加して電流を遮断するＰＴＣ素子（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｅｌｅｍｅｎｔ）、ガス発生による圧力上昇時に電流を遮断したりガスを排気したりする安全ベントなどの安全システムが備えられている。例えば、円筒形の小型二次電池では、円筒形の缶に内蔵されている正極／分離膜／負極の電極組立体（発電素子）の上部にＰＴＣ素子及び安全ベントが一般的に設けられており、角形又はパウチ型の小型二次電池では、発電素子が封止された状態で内蔵されている角形缶又はパウチ型のケースの上端に、保護回路モジュール、ＰＴＣ素子などが一般的に搭載されている。

リチウム二次電池の安全性問題はマルチ−セル構造の電池パックにおいてより深刻である。マルチ−セル構造の電池パックでは複数の電池セルが使用されているから、一部の電池セルでの作動異常は他の電池セルへと連鎖反応を引き起こし、それによる発火及び爆発は大型事故につながりがちなためである。そのため、電池パックには、過放電、過充電、過電流などから電池セルを保護するためのヒューズ、バイメタル、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）などの安全システムが備えられている。

しかしながら、リチウム二次電池は、継続した使用、すなわち、継続した充放電過程で発電素子、電気的接続部材などが次第に劣化していくため、例えば、発電素子の劣化は、電極材料、電解質などの分解によりガス発生を誘発し、これにより電池セル（缶、パウチ型のケース）は漸次膨脹することになる。また、正常の状態では、安全システムであるＢＭＳが過放電、過充電、過電流などを探知して電池パックを制御／保護しているが、異常状況でＢＭＳが作動しないと危険性が大きくなり、安全のための電池パック制御が困難となる。また、電池パックは、一般に、複数の電池セルが一定のケース内に固定した状態で装着されている構造となっているため、それぞれの膨脹した電池セルは、限られたケース内でより加圧され、異常作動の条件下で発火及び爆発の危険性が大幅に高まってしまう。

図１は、従来の電池パックの回路模式図である。図１を参照すると、従来の電池パック９００は、複数の電池セル又は単位モジュールが直列に連結されてモジュールケースに内蔵されている構造の電池モジュールが複数個電気的に接続した状態で配列されている電池モジュールアセンブリー９１０、電池モジュールアセンブリー９１０の作動状態に関する情報を検出してそれを制御するＢＭＳ
９２０、及びＢＭＳ ９２０の作動命令に応じて、電池モジュールアセンブリー９１０と外部入出力回路（インバータ）９４０との接続を開閉する電源開閉部（リレー）９３０などで構成されている。

ＢＭＳ ９２０は、電池モジュールアセンブリー９１０の正常作動の条件では電源開閉部９３０をオン（ｏｎ）状態に維持し、異常が感知されるとオフ（ｏｆｆ）状態に切り替えて電池モジュールアセンブリー９１０の充放電作動を中止させる。一方、ＢＭＳ
９２０の誤作動又は非作動時には、ＢＭＳ ９２０ではいかなる制御も行われず、電源開閉部９３０は継続してオン（ｏｎ）状態に維持され、異常作動状態においても電池モジュールアセンブリー９１０では継続して充放電作動がなされるという問題点がある。

なお、電池モジュールを２列以上配列して電池パックを構成する場合に、どの列の電池モジュールから過充電が発生するかを予測し難いという問題点もある。

そこで、上記の問題点を解決しながら、電池パックの安全性を根本的に確保できる技術が切実に望まれている現状である。

さらに、高出力及び大容量を確保するために２列以上配列される電池モジュールを備える電池パックを、震動及び衝撃に耐えられる耐久性を有し且つコンパクトに構成される特定構造の電池パックにすることが望まれている。

本発明は、上記のような従来技術の問題点と過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。

本出願の発明者等は、鋭意の研究と様々な実験を重ねた結果、電池モジュールが２列以上配列された電池パックにおいて、体積膨脹に対して脆弱な部位である脆弱部を、側面支持部材の少なくとも一方に部分的に形成すると、過充電、過放電、過電流などを含む電池パックの異常作動又は長期間の充放電による劣化により電池セルが膨脹する時、膨脹による応力が前記脆弱部に集中するから、スウェリング発生時に電池モジュールの局部的な変形を誘導して断電とさせることが可能になり、電池パックの安全性を所望のレベルに確保できるということを知見した。

したがって、本発明の目的は、安全性を向上させることができる特定構造の電池パックを提供することにある。

本発明の他の目的は、第１上部装着部材、第２上部装着部材、及び後面装着部材が角管の垂直断面形状を有することによって、上下方向への震動及び衝撃による変形を最小化することができる電池パックを提供することにある。

本発明の他の目的は、電池モジュールを上部方向に、角管構造物からなる第１上部装着部材及び第２上部装着部材に組み立てることによって、電池パックの質量を角管構造物で維持し、且つコンパクトな構造を有する電池パックを提供することにある。

このような目的を達成するための本発明に係る電池パックは、
（ａ）電池セル自体、又は２つ又はそれ以上の電池セルが内蔵された単位モジュールを倒立形態に立てて積層した構造の電池モジュールが２列以上配列されている電池モジュール配列体と、
（ｂ）前記電池モジュール配列体の最外側の電池モジュールに密着した状態で電池モジュール配列体の前面及び後面をそれぞれ支持する１対の側面支持部材（前面支持部材及び後面支持部材）と、
（ｃ）前記側面支持部材の下端に結合されて電池モジュール配列体の下端を支持する下端支持部材と、
（ｄ）前記側面支持部材の上端が結合されており、倒立した電池モジュールの上端が結合されており、且つ一端部が外部デバイスに締め付けられる構造となっている２個以上の第１上部装着部材と、
（ｅ）前記第１上部装着部材と垂直に交差するようにして第１上部装着部材の上端に結合されており、且つ両端部が外部デバイスに締め付けられる構造となっている第２上部装着部材と、
（ｆ）電池モジュール配列体の後面に配置されており、且つ両端部が外部デバイスに締め付けられる構造となっている後面装着部材と、
を備えており、
前記１対の側面支持部材のうち少なくとも一方には、スウェリング発生時に電池モジュールの局部的な変形を誘導して断電とさせるように、体積膨脹に対して脆弱な部位である脆弱部が部分的に形成されている。

上述したように、２列以上配列された電池モジュールを備えている電池パックは、過充電、過放電、過電流などの電池パックの異常作動又は長期間の充放電に起因する劣化により電池セルが膨脹するスウェリング現象により電池モジュールが膨脹するようになり、このような膨脹は電池パックの発火及び爆発につながる。

したがって、本発明に係る電池パックは、最外側の電池モジュールに密着した１対の側面支持部材のうち少なくとも一方に、スウェリング時に体積膨脹に対して脆弱な部位である脆弱部を部分的に形成することによって、スウェリング体積が限界値たる所定値以上になると、側面支持部材の脆弱部に膨脹応力が集中して脆弱部が物理的に変形されながら破裂するように誘導する。脆弱部のこのような破裂により、最外側の電池モジュールの電気的接続が切れて充放電過程が中止するため、スウェリング体積がそれ以上増加することを抑止し、電池パックの発火又は爆発を防止することができ、これは電池パックの安全性を大きく向上させることができる。

また、前記脆弱部が形成された側面支持部材の構造は、センサー、リレーなどの電気的装置を追加することなく、スウェリング発生時に電池パックの安全性を確保可能にし、且つ、従来のように電気的信号を用いる方法ではなく、増加する圧力を用いて断電とさせる方式であるため、作動信頼性が極めて高いという利点がある。さらに、スウェリング現象が発生しない状況では側面支持部材が電池モジュール同士の結束力を向上させ、衝撃又は震動のような環境で電池パックを強固な構造に維持させることができる。

さらに、本発明に係る電池パックは、１対の側面支持部材が電池モジュール配列体の前面及び後面をそれぞれ支持しているため、側面支持部材の下端に結合されている下端支持部材の曲げ剛性を確実に補強することができ、且つ上下方向の震動に対する電池パック全体の構造的信頼性を充分に確保することができる。

また、後面装着部材と第２上部装着部材の両端部、及び第１上部装着部材の一端部がそれぞれ外部デバイスに締め付けられる構造となっているため、電池パックが外部デバイスとの締め付け位置よりも下方に位置していても、電池パックを外部デバイスに容易で安定的に装着することができる。

なお、単位モジュールを倒立形態に立てて積層した構造の電池モジュールが２列以上配列されているため、１個の電池モジュールで構成された構造の従来の電池パックに比べて、高出力・大容量の電気容量を提供することができる。

参考として、側面支持部材は、本明細書において必要によって、電池モジュール配列体の前面を支持する「前面支持部材」や電池モジュール配列体の後面を支持する「後面支持部材」と表現することもあり、本明細書において各方向は、電池モジュール配列体の前面に密着している前面支持部材の方向から電池モジュールを透視した状態を基準に、「前」、「後」、「左」、「右」、「上」、「下」と表現する。

前記電池セルは、限られた空間で高い積層率を提供しうるように、好適には、板状型の電池セルであり、例えば、ラミネートシートの電池ケースに電極組立体が内蔵されている構造とすればよい。

具体的には、電池セルは、正極／分離膜／負極構造の電極組立体が電解液と共に電池ケースの内部に封止されているパウチ型の二次電池であって、全体的に幅対比厚さが小さい略直方体構造の板状型になっている。このようなパウチ型の二次電池は、一般的にパウチ型の電池ケースで構成されており、該電池ケースは、耐久性に優れた高分子樹脂からなる外部被覆層と、水分、空気などに対して遮断性を発揮する金属素材からなる遮断層と、熱融着可能な高分子樹脂からなる内部シーラント層と、が順次に積層されているラミネートシート構造となっている。

電池モジュールが２列以上配置される場合に、どの列の電池モジュールで過充電現象が発生するか予測できない問題点がある。そのため、前記脆弱部は、電池モジュールの単位列別に１対の側面支持部材のうち少なくとも一方に形成されると好ましく、例えば、相互対称に前面支持部材と後面支持部材上にそれぞれ形成されてもよく、又は電池モジュールの単位列別に前面支持部材上に全部形成されてもよく、又は電池モジュールの単位列別に後面支持部材上に全部形成されてもよい。

具体的には、電池モジュールが２列に配置されている電池モジュール配列体では、スウェリング発生時に前面支持部材及び／又は後面支持部材上に形成された脆弱部により単位列別に最外側の電池モジュールの局部的な変形を誘導して断電となるようにすることができる。

すなわち、前記脆弱部が相互対称に前面支持部材と後面支持部材上にそれぞれ形成されていると、過充電時にスウェリングされた電池モジュールは相互反対方向に外部に突出し、所望の安全性を確保することができる。

一方、前記脆弱部が電池モジュールの単位列別に前面支持部材上に全部形成されたり、又は電池モジュールの単位列別に後面支持部材上に全部形成されていたりすると、過充電時にスウェリングされた電池モジュールはいずれも同一方向に外部に突出し、所望の安全性を確保することができる。

また、前面支持部材又は後面支持部材が、２列以上配列された電池モジュールの前面又は後面の全体を支持する一体型に構成されているため、前面支持部材及び／又は後面支持部材の脆弱部は、過充電発生時に電池モジュール配列体のいかなる単位列の過充電も防止することができる。

前記脆弱部は、断電効果を極大化するように、好ましくは、最外側の電池モジュールの直列連結部位に対応する位置又はその隣接部位に形成されていればよい。こうすると、電池セルなどがスウェリングされる場合に、その内部圧力が最外側の電池モジュールの直列連結部位に集中するから、より容易に所望の断電過程が進行されるようにすることができる。

前記脆弱部は、スウェリング発生による体積膨脹に対して容易に変形される構造であれば特に制限されず、例えば、電池モジュールの直列連結部位が開放されている切取り部としてもよい。

前記切取り部は、電池モジュール同士の直列連結部位、電池モジュール内の電池セル同士の直列連結部位、電池モジュール内の単位モジュール同士の直列連結部位、又は電池セル同士の直列連結部位が開放されるように側面支持部材上に形成される。

前記直列連結部位は、電極端子を直列に接続させた部位で、相互連結された電極端子そのもの、電極端子を接続させるワイヤー、バスバーなどの接続部材であってもよい。

したがって、スウェリング現象が発生した時、直列連結部位は側面支持部材の開放された切取り部から突出し、このように変形過程で前記直列連結部位が破裂されながら断電となる。

前記切取り部を通って露出される直列連結部位に対応して位置する直列連結部位の大きさは、スウェリング時に意図した短絡を誘発しうるような大きさであれば足りる。

したがって、側面支持部材に切取り部の占める大きさも、前記大きさに準じて決定されるとよく、例えば、側面支持部材の表面積を基準に、例えば１０乃至８０％の大きさであればよい。ただし、切取り部の大きさが側面支持部材の表面積を基準に小さすぎると、電池モジュールの体積膨脹による直列連結部位の変形を誘発し難いことがあり、逆に、大きすぎると、電池モジュールアセンブリーを外力から保護する所定の強度を維持し難いことがある。より好適には、切取り部が形成された部位の大きさは、側面支持部材の表面積を基準に２０乃至７０％であるとよい。

一つの好ましい例において、本発明の電池パックを構成する前記電池モジュールは、充放電時の体積変化に対しても電池セル又は単位モジュールの積層状態が維持されるように固定されており、且つ電池セルのスウェリングによる膨脹応力が電池セル又は単位モジュールの電極端子連結部位に集中して、スウェリングが所定値以上の時、前記電極端子連結部位が破裂されながら断電となるように、電極端子連結部位の一部は体積膨脹に対して脆弱な構造となっていればよい。

したがって、前記電池モジュールは、電池セル又は単位モジュールの電極端子連結部位を、スウェリング時に電池セル又は単位モジュールの体積膨脹に対して脆弱な構造とすることによって、スウェリング体積が限界値たる所定値以上になると、電極端子連結部位に膨脹応力が集中して電極端子連結部位が物理的に変形されながら破裂されるように容易に誘導することができる。

このような構造は、側面支持部材に形成された脆弱部に加えて、電池モジュールの電極端子連結部位にも脆弱な構造が形成されている二重安全構造であるから、電池パックの安全性をより向上させることができる。

このような構造において、前記電池セル又は単位モジュールは高強度ケースで覆われており、且つ電池セルの過度なスウェリング時に破裂される前記電極端子連結部位が開放されていたり、又はそれに対応して前記ケースにノッチが形成されていたりすればよい。

すなわち、単位モジュールにおいて電極端子連結部位の一部を膨脹応力に対して脆弱な構造である開放構造又はノッチの形成された構造とすることによって、スウェリング時に電池セルの過度な膨脹応力が電極端子連結部位の開放部位又はノッチ部位に集中するように誘導することができる。

その具体例は、前記単位モジュールは、電極端子が直列に相互連結されており、前記電極端子の連結部が折れ曲がって積層構造となっている電池セル、及び前記電極端子部位以外の前記電池セルの外面を取り囲むように相互結合される１対のセルカバーを備えており、前記電極端子連結部位と隣接しているセルカバーの部位には、スウェリング時に電池セルの局部的な変形を誘導する形状の切取り部又はノッチ部が形成されている構造であればよい。

例えば、電池セルは、合成樹脂又は金属素材の高強度セルカバーで覆われて一つの単位モジュールを構成すればよく、前記高強度セルカバーは、機械的剛性の低い電池セルを保護しながら充放電時の反復的な膨脹及び収縮の変化を抑制することで電池セルのシール部位が分離されることを防止する。このようなセルカバーにおいて電極端子連結部位と隣接した一部の部位に所望形状の切取り部又はノッチ部を形成し、スウェリング時に電池セルの膨脹応力がセルカバーの切取り部又はノッチ部に集中するように容易に誘導することができる。

前記電池モジュールは、例えば、電極端子が電池ケースの前後対向部位にそれぞれ形成されている板状型の電池セルを有してなる単位モジュール複数個からなっている。これらの単位モジュールは、冷却のための冷媒の流動のために所定の間隔で離間されながら側面方向に立てられた形態でケースに装着されればよい。

前記構造において、切取り部又はノッチ部は最外側の単位モジュールのセルカバーに形成されており、電池セルの異常作動による電池セルの膨脹応力を、最外側の単位モジュールのセルカバーに形成された切取り部又はノッチ部の方向に集中させて、最外側の単位モジュールの電極端子連結部位を破裂させることによって、充放電のための電気的接続を容易に切ることができる。

前記切取り部又はノッチ部の大きさは電極端子連結部位の破裂設定条件によって異なり、好ましくは、電池セルスウェリングが電池セルの厚さを基準に１．５乃至５倍の体積増加を招く時に電極端子連結部位が破裂されるように設定すればよい。このような設定範囲は、所望する電池モジュールの安全性試験規格に従って変わってもよい。ただし、切取り部又はノッチ部が大きすぎると、セルカバーによる電池セルの機械的剛性の補完及び正常作動条件での電池セルの膨脹抑制という本質的な機能を充分に発揮できないことがあるから、このような点を考慮して適正な範囲で切取り部又はノッチ部の大きさを設定する必要がある。

前記ノッチ部は、電極端子連結部位と隣接しているセルカバーの部位に形成されていれば形状において特別な制限はなく、例えば一字形であってよい。

一つの好ましい例において、前記第１上部装着部材、第２上部装着部材、及び後面装着部材は、角管の垂直断面形状を有するものであってよい。

したがって、本発明に係る電池パックは、第１上部装着部材と第２上部装着部材が角管の垂直断面形状を有するため、電池パックの震動及び衝撃による変形を、高い慣性モーメント値を有する角管により最小化することができる。

前記角管は、中空型の四角バー（ｂａｒ）形状又は密閉型の四角バー形状であってよく、好ましくは中空型の四角バー形状であればよい。これらの形状は、板材を所定の形態に折り曲げたＩ形を持つ従来のフレームに比べて、慣性モーメント値が大きいため、電池パックの震動に耐えられる耐震性を向上させることができる。ここでいう「四角バー形状」は、四角形だけでなく、角張った形状、面取りした形状、１面又は２面以上が直線である形状又は緩やかに屈曲した形状などのいずれの概念と理解してもよい。

前記側面支持部材は、電池モジュールと下端支持部材からの圧力（曲げ荷重）を分散させるように、好ましくは、前記電池モジュール配列体の最外側の電池モジュールに接する本体部、該本体部の外周面から外側方向に突出した形状の上端壁、下端壁、及び１対の側壁で構成されている。ここで、「外側方向」とは、前記圧力に対向する方向、すなわち、側面支持部材の本体部を中心に、電池モジュールと下端支持部材が位置している方向と反対の方向を指す。

したがって、本発明に係る電池パックは、第１上部装着部材に、倒立状態の上端が結合された状態で電池モジュールを側面支持部材で密着させ、前記側面支持部材を下端支持部材で再び固定させるから、電池モジュールを構成する単位モジュールの厚さ方向への移動及びスウェリング現象を防止し、電池モジュールの安全性を向上させ且つ性能低下を效果的に防ぐことができる。

前記構造の一つの好ましい例として、側面支持部材の上端壁は第１上部装着部材に対して溶接又はボルト締めで結合されている構造であってもよい。

一方、前記側面支持部材は、電池モジュール配列体の前面及び後面を容易に支持するいかなる形状にしてもよく、例えば、矩形の平面形状を有するものであればよい。

前記下端支持部材の下部には、両端部が側面支持部材にそれぞれ結合されている下部プレートがさらに装着されており、電池パックに対する外力の印加時に電池モジュール配列体が下方へ移動することを、下端支持部と共に二重で防止することができる。

一つの好ましい例として、電池モジュールが２列に配列されて電池モジュール配列体を構成する場合に、前記下端支持部材は、各電池モジュールの両側下端部をそれぞれ支持するように４個の部材からなっていればよい。

前記第１上部装着部材は、倒立した電池モジュールの上端を容易に装着し得るいかなる構造にしてもよいが、例えば、電池モジュール配列体の両側上端部にそれぞれ結合される２個の両端部材と電池モジュール配列体の中央に結合される１個の中央部材とで構成され、全体的に電池モジュール配列体の質量を均等に維持できる構造であるとよい。

前記第１上部装着部材の、外部デバイスとの締め付けのための端部は、好ましくは、第１上部装着部材の上端に結合される第２上部装着部材の高さだけ上方に折れ曲がっており、第１上部装着部材の端部と第２上部装着部材の上端面が同一の高さを維持するように構成するとよい。

場合によっては、電池モジュール配列体の上端面を補強するために、前記電池モジュール配列体と第１上部装着部材との間に上部プレートがさらに装着されている構造であってもよい。

前記構造の一つの例として、電池モジュール配列体は、電池モジュール配列体の質量を第１上部装着部材が維持できるように、第１上部装着部材の下端に固定された上部プレートに結合されている。

他の例として、前記上部プレートは、第１上部装着部材に対応する部位が湾入している構造とし、全体的に電池パックの高さを低く維持することができる。

一方、一般的に電池パックは電気的配線構造を含んでいるから、前記下部プレートは、電線の一種であるワイヤーが通過する空間を確保するために、後面装着部材の後方に伸延している構造であってもよい。

場合によっては、前記第１上部装着部材と後面装着部材との結合力を向上させるように、第１上部装着部材の他側端部は後面装着部材の上端に結合されていてもよい。

さらに他の例として、前記第２上部装着部材と平行に第１上部装着部材の上端に補強ブラケットがさらに装着されており、第１上部装着部材と第２上部装着部材との結合構造をより補強することができる。

一方、前記第１上部装着部材のうち少なくとも一方の上端には、安全プラグを固定するためのＵ字形のブラケットがさらに装着されていてもよい。

一つの例として、前記後面装着部材は、電池モジュール配列体の後面に装着される冷却ファンの両側面と下面を容易に取り囲む構造であれば特に制限はないが、好ましくは、Ｕ字形のフレーム構造とすればよい。

他の例として、前記後面装着部材の両端部は、外部デバイスとの結合が容易となるように、第２上部装着部材と平行に折れ曲がっており、折れ曲がった部位には締め付け孔が形成されていてもよい。

本発明はまた、前記電池パックを電源とし、限られた装着空間を有し、且つ頻繁な震動と強い衝撃などに露出される電気自動車、ハイブリッド電気自動車、又はプラグ−インハイブリッド電気自動車を提供する。

自動車の電源として用いられる電池パックは、所望する出力及び容量に応じて組み合わされて作製されるとよい。

この場合、前記自動車は、電池パックが車のトランク下端部、又は車のリアシートとトランクとの間に装着される電気自動車、ハイブリッド電気自動車、又はプラグ−インハイブリッド電気自動車であってよい。

電池パックを電源として用いる電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグ−インハイブリッド電気自動車などは当業界では公知のものであり、その詳細な説明は省略する。

図１は、従来の電池パックの回路模式図である。 図２は、本発明の一実施例に係る電池パックの斜視図である。 図３は、図２の電池パックを後面からみた斜視図である。 図４は、図２の電池パックを上面からみた平面図である。 図５は、図２の電池パックに用いられる電池モジュールの斜視図である。 図６は、図２の電池パックに用いられる電池モジュールの斜視図である。 図７は、図５の電池モジュールにおいて単位モジュールを構成する１対の電池セルとセルカバーの斜視図である。 図８は、図５の電池モジュールにおいて単位モジュールを構成する１対の電池セルとセルカバーの斜視図である。 図９は、単位モジュール積層体の斜視図である。 図１０は、スウェリングにより電極端子が破裂した様子を示す電池モジュールの実験写真である。 図１１は、図６の電池モジュールにおいてＤ部位を模式的に示す垂直断面図である。

以下、図面を参照して、本発明をより詳細に説明するが、それに本発明の範ちゅうが限定されるものではない。

図２は、本発明の一実施例に係る電池パックを模式的に示す斜視図であり、図３は、図２の電池パックを後面からみた斜視図である。

また、図４は、図２の電池パックを上面からみた平面図である。

図２乃至図４を参照すると、電池パック８００は、電池モジュール配列体６００、１対の側面支持部材である前面支持部材４００と後面支持部材４１０、下端支持部材７４０、３個の第１上部装着部材６１０、第２上部装着部材６２０、及び後面装着部材５００で構成されている。

また、スウェリング発生時に電池モジュールの局部的な変形を誘導して断電とさせるように、体積膨脹に対して脆弱な部位である脆弱部４０１，４０２が相互対称に前面支持部材４００と後面支持部材４１０上にそれぞれ形成されている。

或いは、脆弱部４０１，４０２が、電池モジュール６０２，６０４の単位列別に前面支持部材４００上に全部形成されたり、又は電池モジュール６０２，６０４の単位列別に後面支持部材４１０上に全部形成されたりしてもよい。

脆弱部４０１，４０２はそれぞれ、最外側の電池モジュールの直列連結部位が開放された切取り部となっており、切取り部の形成された部位は、前面支持部材４００又は後面支持部材４１０の表面積を基準に略２０％の大きさになっている。

電池モジュール配列体６００は、単位モジュールを倒立形態に立てて積層した構造の電池モジュール６０２，６０４が２列に配列されており、前面支持部材４００と後面支持部材４１０は、電池モジュール配列体６００の最外側の電池モジュールに密着した状態で電池モジュール配列体６００の前面及び後面をそれぞれ支持している。

下端支持部材７４０は、前面支持部材４００と後面支持部材４１０の下端に結合されて電池モジュール配列体６００の下端を支持している。

また、第１上部装着部材６１０は、前面支持部材４００と後面支持部材４１０の上端、及び倒立した電池モジュール６０２，６０４の下端に結合されており、一端部６１６に形成された締め付け孔６１８を介して外部デバイスに締め付けられる。

第２上部装着部材６２０は、第１上部装着部材６１０と垂直に交差して第１上部装着部材６１０の上端に結合されており、両端部６２２，６２４に形成された締め付け孔を介して外部デバイス（例えば、車）に締め付けられる構造となっている。

後面装着部材５００は、電池モジュール配列体６００の後面に配置されており、両端部５０２，５０４に形成された締め付け孔５０６を介して外部デバイス（例えば、車）に締め付けられる。

また、第１上部装着部材６１０、第２上部装着部材６２０、及び後面装着部材５００は、角管状の垂直断面を持つ中空型の四角バーで構成されている。

前面支持部材４００と後面支持部材４１０は、矩形の平面形状を有し、電池モジュール配列体６００の最外側の電池モジュールに接する本体部、本体部の外周面から外側方向に突出した形状の上端壁及び下端壁、及び１対の側壁を有している。

また、前面支持部材４００の上端壁は、第１上部装着部材６１０とボルト締めで結合されている。

下部プレート７１０はその両側端部が前面支持部材４００及び後面支持部材４１０にそれぞれ結合された状態で下端支持部材７４０の下部に装着されており、ワイヤー（図示せず）が通過する空間を確保するために後面装着部材５００の後方に伸延している。

また、下端支持部材７４０は、電池モジュール６０２，６０４の両側下端部をそれぞれ支持する４個の部材からなっている。

第１上部装着部材６１０は、電池モジュール配列体６００の両側上端部にそれぞれ結合される２個の両端部材６１２，６１４と、電池モジュール配列体６００の中央に結合される１個の中央部材６１５と、で構成されており、第１上部装着部材６１０において外部デバイスとの締め付けのための端部６１６は、第２上部装着部材６２０の高さだけ上方に折れ曲がっている。

また、電池モジュール配列体６００と第１上部装着部材６１０との間に上部プレート７００が装着されており、電池モジュール配列体６００は、電池モジュール配列体６００の質量を第１上部装着部材６１０が支持できるように、第１上部装着部材６１０の下端に固定された上部プレート７００に結合されている。

上部プレート７００は、第１上部装着部材６１０に対応する部位が湾入している。

補強ブラケット７２０が第１上部装着部材６１０の上端に結合された状態で第２上部装着部材６２０と平行に装着されており、安全プラグ（図示せず）を固定するためのＵ字形のブラケット７３０が中央部材６１５の上端に装着されている。

後面装着部材５００は、Ｕ字形のフレーム構造となっており、電池モジュール配列体６００の後面に装着される冷却ファン（図示せず）の両側面と下面を取り囲むこととなる。

また、後面装着部材５００の両端部５０２，５０４は、第２上部装着部材６２０と平行に折れ曲がっており、折れ曲がった部位には締め付け孔５０６が形成されているため、外部デバイスとの結合が容易となる。

図５及び図６は、図２の電池パックに用いられる電池モジュールを模式的に示す斜視図である。

図５を参照すると、電池モジュール１００は、単位モジュール積層体２００を側面方向に直立の状態で上下組立型の上ケース１２０及び下ケース１３０に装着した構造となっており、上ケース１２０の前面には入出力端子１４０が設けられている。下ケース１３０の前面には、入出力端子１４０との電気的接続のためのバスバー１５０が設けられており、後面には電圧及び温度検出用センサーの接続のためのコネクター１６０が装着されている。

単位モジュール積層体２００において最外側の単位モジュール２１０のセルカバーには、切取り部２１２が形成されており、電池セルの短絡又は過充電による内部発生ガスに起因するスウェリング時に、電池セルの局部的な変形を切取り部２１２へと誘導することができる。

図６の電池モジュール１０２は、最外側の単位モジュール２１１のセルカバーにおいてノッチ部２１４が、電極端子連結部位と隣接している部位に一字形に形成されている点以外は、図５における説明と同一であるため、その詳細な説明は省略する。

図７及び図８は、図５の電池モジュールにおいて単位モジュールを構成する１対の電池セル及びセルカバーを模式的に示す斜視図である。

図７及び図８を参照すると、単位モジュール（図示せず）は、２個の電池セル３０２，３０４を直列に連結し、電極端子３０５，３０６を折り曲げた状態で高強度セルカバー３１０で覆った構造となっている。セルカバー３１０は、電極端子３０５，３０６部位以外の電池セル３０２，３０４の外面を覆うように相互結合する構造となっている。電極端子３０５，３０６連結部位に隣接しているセルカバー３１０の部位には、セルカバー３１０そのものが一部切り取られた形態の切取り部３１２が形成されており、スウェリング時に電池セル３０２，３０４の電極端子連結部位３１４が切取り部３１２の外部へと突出及び変形するように誘導する。

図９は、単位モジュール積層体を模式的に示す斜視図である。

図９を参照すると、単位モジュール積層体２００は、電池セルをセルカバーで覆って製作された４個の単位モジュール２０２，２０３，２０４，２０５を相互直列に連結した後、ジグザグに積層した構造となっており、単位モジュール２０２，２０３，２０４，２０５のうち、最外側に位置している単位モジュール２０２を覆っているセルカバーにおいて、電極端子連結部位と隣接した部位３１８には、所定形状の切取り部３１６が形成されている。

図１０は、スウェリングにより電極端子が破裂された様子を示す電池モジュールの実験写真である。

本発明者等は、図６の構造に基づく電池モジュールを製造し、この電池モジュールに対して過充電試験を行って、本発明の構成による効果を実際的に確認してみた。その結果が図１０に示されている。

図１０を図６と共に参照すると、電池モジュール１０４の過充電条件で電池セル３０２，３０４のスウェリング現象が観察され、このスウェリングによる膨脹は、最外側の単位モジュール２１１のセルカバーに部分的に形成されているノッチ部２１４側に集中した。そのため、ノッチ部２１４での電池セル３０２，３０４の膨脹は、正常の電池セル厚の略３倍となり、このような増加により、電池セル３０２，３０４の電極端子連結部位が破裂されながら直列接続が切れ、断電となった。その結果、それ以上の充電現象は発生しなかった。

参考として、図１０の電池モジュール１０４は、図６の電池モジュール１０２において最外側の単位モジュール２１１のセルカバー構造を、右側面に位置している最外側の単位モジュールのセルカバーに適用した以外は、同様の構造とした。

図１１は、図６の電池モジュールにおけるＤ部位を模式的に示す垂直断面図である。

図１１を図６と共に参照すると、ノッチは、最外側の単位モジュール２１１の一部がスリット状に部分的に切断された構造２１４であってもよく、相対的に浅い深さを有する細長い溝の構造２１６であってもよい。

本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、以上の内容に基づいて本発明の範ちゅう内で様々な応用及び変形が可能であるだろう。

以上説明したように、本発明に係る電池パックは、側面支持部材に、体積膨脹に対して脆弱な部位である脆弱部が部分的に形成されているため、過充電、過放電、過電流などの電池モジュールの異常作動又は長期間の充放電に起因する劣化により電池モジュールが膨脹する場合、前記脆弱な部位が破裂及び断電されるようにすることによって、電池パックの安全性を大きく向上させることができる。

また、本発明に係る中大型の電池パックは、電池モジュールがＢＭＳとは独立して電源開閉部との電気的接続を断電させる構造となっているため、ＢＭＳが誤作動又は非作動する場合にも安全性を確保することができ、信頼性も大きく向上させることができる。

なお、電池モジュールが２列以上配列されているため、１個の電池モジュールで構成された従来の電池パック構造に比べて、より高出力・大容量の電気容量を提供することができ、且つ第１上部装着部材と第２上部装着部材が角管の垂直断面形状を有しているため、上下方向への震動及び衝撃による変形を最小化することができる。

このような電池パックは、車の一部形態を用いて電池パックの一部構造を形成することによって車に安定して装着され、車の内部に占める体積を最小化することができる。

Claims (22)

1. （ａ）電池セル自体、又は２つ又はそれ以上の電池セルが内蔵された単位モジュールを、上部装着部材を介して外部デバイスの下方に位置し得る倒立形態に立てて積層した構造の電池モジュールが２列以上配列されている電池モジュール配列体と、
   （ｂ）前記電池モジュール配列体の最外側の電池モジュールに密着した状態で電池モジュール配列体の前面及び後面をそれぞれ支持する１対の側面支持部材（前面支持部材及び後面支持部材）と、
   （ｃ）前記１対の側面支持部材の下端に結合されて電池モジュール配列体の下端を支持する下端支持部材と、
   （ｄ）前記側面支持部材の上端が結合されており、倒立した電池モジュールの上端が結合されており、且つ一端部が外部デバイスに締め付けられる構造となっている２個以上の第１上部装着部材と、
   （ｅ）前記第１上部装着部材と垂直に交差するようにして第１上部装着部材の上端に結合されており、且つ両端部が外部デバイスに締め付けられる構造となっている第２上部装着部材と、
   （ｆ）電池モジュール配列体の後面に配置されており、且つ両端部が外部デバイスに締め付けられる構造となっている後面装着部材と、を備え、
   前記１対の側面支持部材のうち少なくとも一方には、スウェリング発生時に電池モジュールの局部的な変形を誘導して断電とさせるように、体積膨脹に対して脆弱な部位である脆弱部が部分的に形成されており、
   前記電池モジュールは、充放電時における体積変化に対しても電池セル又は単位モジュールの積層状態が維持されるように固定されており、電池セルの前記スウェリングによる膨脹応力が電池セル又は単位モジュールの電極端子連結部位に集中して、前記スウェリングが所定値以上のとき、前記電極端子連結部位が破裂されながら断電となるように、前記電極端子連結部位が前記体積膨脹に対して脆弱な構造となっていることを特徴とする、
   電池パック。
2. 前記脆弱部は、電池モジュールの単位列別に１対の側面支持部材のうち少なくとも一方に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
3. 前記脆弱部は、相互対称に前面支持部材と後面支持部材上にそれぞれ形成されたり、又は電池モジュールの単位列別に前面支持部材上に全部形成されたり、又は電池モジュールの単位列別に後面支持部材上に全部形成されたことを特徴とする、請求項２に記載の電池パック。
4. 前記脆弱部は最外側の電池モジュールの直列連結部位に対応する位置又はその隣接部位に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
5. 前記脆弱部は、電池モジュールの直列連結部位が開放されている切取り部となっていることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
6. 前記切取り部の形成された部位の大きさは、側面支持部材の表面積の１０乃至８０％であることを特徴とする、請求項５に記載の電池パック。
7. 前記電池セル又は単位モジュールは高強度ケースで覆われており、電池セルの過度なスウェリング時に破裂される前記電極端子連結部位は、部分的に外部に対して開放されていたり、又はノッチが形成されていたりすることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
8. 前記単位モジュールは、電極端子が直列に相互連結されており、前記電極端子の連結部が折れ曲がって積層構造となっている電池セル、及び前記電極端子部位以外の前記電池セルの外面を覆うように相互結合される１対の高強度セルカバーを備えており、
   前記電極端子連結部位と隣接しているセルカバーの部位には、スウェリング時に電池セルの局部的な変形を誘導するための形状の切取り部又はノッチ部が形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の電池パック。
9. 前記切取り部又はノッチ部は、最外側の単位モジュールのセルカバーに形成されていることを特徴とする、請求項８に記載の電池パック。
10. 前記切取り部又はノッチ部の大きさは、電池セルのスウェリングが電池セルの厚さを基準に１．５乃至５倍の体積増加を招くとき、電極端子連結部位が破裂されるように設定されていることを特徴とする、請求項９に記載の電池パック。
11. 前記ノッチ部は、電極端子連結部位と隣接しているセルカバーの部位に一字形に形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の電池パック。
12. 前記第１上部装着部材、第２上部装着部材、及び後面装着部材は、角管の垂直断面形状を有していることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
13. 前記側面支持部材は、電池モジュール配列体の最外側の電池モジュールに接する本体部と、前記本体部の外周面から外側方向に突出した形状の上端壁及び下端壁と、１対の側壁と、を有していることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
14. 前記側面支持部材は、矩形の平面形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
15. 前記下端支持部材の下部には、両側端部が側面支持部材にそれぞれ結合された下部プレートがさらに装着されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
16. 前記第１上部装着部材は、電池モジュール配列体の両側端部にそれぞれ結合される２個の両端部材と、電池モジュール配列体の中央に結合される１個の中央部材と、で構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
17. 前記第１上部装着部材の、外部デバイスとの締め付けのための端部は、第２上部装着部材の高さだけ上方に折れ曲がっていることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
18. 前記電池モジュール配列体と第１上部装着部材との間に上部プレートがさらに装着されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
19. 前記後面装着部材は、電池モジュールの後面に装着される冷却ファンの両側面及び下面を取り囲むようにＵ字形のフレーム構造となっていることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
20. 前記後面装着部材の両端部は、外部デバイスへの結合が容易となるように、第２上部装着部材と平行に折れ曲がっており、折れ曲がった部位には締め付け孔が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
21. 請求項１に記載の電池パックを電源として使用することを特徴とする、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、又はプラグ−インハイブリッド電気自動車。
22. 前記電池パックが車のトランク下端部、又は車のリアシートとトランクとの間に装着されることを特徴とする、請求項２１に記載の電気自動車、ハイブリッド電気自動車、又はプラグ−インハイブリッド電気自動車。

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