JP5780245B2

JP5780245B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP5780245B2
Application number: JP2013003664A
Authority: JP
Inventors: 充川島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2033-01-11
Also published as: JP2014135234A

Description

この発明は、電池パックに関するものである。

安全弁と難燃剤とフィルタとを備えた電池パックが提案されている。当該電池パックによれば、可燃性ガスが電池から発生した場合、当該可燃性ガスは、安全弁を通過する。当該可燃性ガスは、難燃剤と接触する。当該接触により、可燃性ガスは、不燃性に変化する。当該不燃性ガスは、フィルタを介して電池パックの外側に放出され得る。これに対し、何らかの理由により、電池パックの内側で炎が発生した場合、当該炎は、電池パックの外側に噴出することをフィルタにより防止され得る（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１９２５８８号公報特開平１１−３１７３３４号公報国際公開第２０１０／０３２３１２号公報特開２００７−０７３２９８号公報特開２００５−３３９９３２号公報特開２００６−２６０７７７号公報

しかしながら、特許文献１においては、フィルタの孔の大きさが不明である。このため、フィルタの孔が小さい場合、不燃性ガスは、フィルタを通過しない。これに対し、フィルタの孔が大きい場合、電池パックの内側で炎が発生すると、当該炎は、電池パックの外側に噴出する。

この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、電池から発生した可燃性ガスを不燃性ガスに変化させて放出し、炎が発生した場合に当該炎の噴出を防止することができる電池パックを提供することである。

この発明に係る電池パックは、可燃性ガスを発生させ得る電池と、前記電池を収容した収容体と、前記収容体の外側に設けられ、放出口を有した排気経路と、前記排気経路に設けられ、前記可燃性ガスを不燃性に変化させる吸着剤と、前記収容体内の圧力により開放される安全弁と、前記安全弁を覆った状態で前記収容体と前記排気経路とを連結し、前記可燃性ガスに対応した消炎距離又は消炎直径に合わせて形成された貫通部を有した通気路と、を備え、前記安全弁は、前記通気路の内面に連結され、前記収容体内の圧力により前記通気路の内面との連結から開放され得るように形成された移動体と、前記通気路の内面との間の隙間が前記貫通部となるように前記移動体の前記収容体側とは反対側に設けられ、前記移動体が前記収容体側とは反対側への移動した際に、前記移動体と接触し、前記移動体の前記収容体側とは反対側への移動を止めるストッパと、を備えたものである。

この発明によれば、電池から発生した可燃性ガスを不燃性ガスに変化させて放出し、炎が発生した場合に当該炎の噴出を防止することができる。

この発明の実施の形態１における電池パックの縦断面図である。この発明の実施の形態１における電池パックの消炎素子の平面図である。この発明の実施の形態２における電池パックの消炎素子の平面図である。この発明の実施の形態３における電池パックの消炎素子の平面図である。この発明の実施の形態４における電池パックの消炎素子の平面図である。この発明の実施の形態５における電池パックの縦断面図である。この発明の実施の形態６における電池パックの通気路の縦断面図である。この発明の実施の形態６における電池パックの通気路の縦断面図である。

この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電池パックの縦断面図である。

図１の電池パックは、電気機器、自動車等に利用される。電池パックには、複数の二次電池１ａ〜１ｅが設けられる。例えば、複数の二次電池１ａ〜１ｅは、リチウムイオン電池である。複数の二次電池１ａ〜１ｅは、水平方向に並んで配置される。複数の二次電池１ａ〜１ｅは、一側を同方向に向けて配置される。具体的には、複数の二次電池１ａ〜１ｅは、一側を上方に向けて配置される。

各二次電池１ａ〜１ｅに対応して、収容体２ａ〜２ｅが設けられる。各収容体２ａ等は、対応した二次電池１ａ等を収容する。各収容体２ａ等は、対応した二次電池１ａ等の上端側に開口部を有する。収容体２ａ〜２ｅの上方には、排気経路３が設けられる。排気経路３の一側には、放出口３ａが形成される。放出口３ａは、電池パックの一側に向けて開口する。排気経路３には、吸着剤４が設けられる。吸着剤４は、各収容体２ａ等の上側を覆う。例えば、吸着剤４は、活性炭からなる。例えば、吸着剤４は、揮発性有機溶媒を吸着するナノファイバーフィルター繊維素材からなる。

各収容体２ａ〜２ｅに対応して、安全弁５ａ〜５ｅが設けられる。各安全弁５ａ等は、対応した収容体２ａ等と排気経路３との間に設けられる。各安全弁５等は、吸着剤４に覆われる。

各収容体２ａ〜２ｅに対応して、通気路６ａ〜６ｅが設けられる。各通気路６ａ等は、対応した収容体２ａ等と排気経路３とを連結する。各通気路６ａ等は、対応した収容体２ａ等に設けられた安全弁５ａ等を覆う。各通気路６ａ等の内周面の一部は、対応した収容体２ａ等に設けられた安全弁５ａ等の外周面に密着する。

各通気路６ａ〜６ｅに対応して、消炎素子７ａ〜７ｅが設けられる。消炎素子７ａは、金属、セラミックス等により形成される。各消炎素子７ａ等は、通気路６ａ等の形状に合わせて形成される。例えば、各消炎素子７ａ等は、円柱状に形成される。各消炎素子７ａ等は、対応した通気路６ａ等が覆った安全弁５ａ等と排気経路３との間に設けられる。各消炎素子７ａ等の外周面は、対応した通気路６ａ等の内周面の一部に密着する。各消炎素子７ａ等は、貫通部（図１においては図示せず）を有する。貫通部は、消炎素子を鉛直方向に貫通する。

電池パックにおいて、二次電池１ａ等内の電解液中には、有機溶剤が含まれる。当該有機溶剤は、過電圧又は製造時の異物混入により過熱され得る。当該過熱により、有機溶剤が分解される。当該分解により、可燃性ガスが発生する。

当該可燃性ガスにより、収容体２ａ等内の圧力が上昇する。当該圧力により、安全弁５ａ等が開放される。当該開放により、可燃性ガスは、通気路６ａ等へ排出される。当該排出により、収容体２ａ等内の圧力は、低下する。

当該可燃性ガスは、消炎素子７ａ等の貫通部を通過する。当該可燃性ガスは、排気経路３に到達する。当該可燃性ガスは、吸着剤４に接触する。この際、吸着剤４は、当該可燃性ガス中の可燃性物質を吸着する。当該吸着により、当該可燃性ガスは、浄化される。当該浄化により、当該可燃性ガスは、不燃性ガスに変化する。当該不燃性ガスは、放出口３ａから電池パックの外側へ放出される。

何らかの理由により、収容体２ａ等内で可燃性ガスに着火すると、炎の一部が安全弁５ａ等から噴出する。当該炎は、消炎素子７ａに到達する。当該炎は、消炎素子７ａの貫通部を通過しようとする。この際、当該炎は消える。その結果、可燃性ガスのみが消炎素子７ａ等から排気経路３に排出される。

何らかの理由により、消炎素子７ａを通過した可燃性ガスに着火すると、炎の一部が消炎素子７ａに到達する。当該炎は、消炎素子７ａの貫通部を通過しようとする。この際、当該炎は消える。すなわち、当該炎は収容体２ａ等に到達しない。

次に、図２を用いて、消炎素子７ａの貫通部を説明する。
図２はこの発明の実施の形態１における電池パックの消炎素子の平面図である。

対向する平板間の距離が短いと、炎は、当該平板間を通過できない。この際の最大の平板の間の距離は、消炎距離と呼ばれる。平板間の距離が消炎距離の場合、炎の発熱速度と伝播路の壁への吸熱速度とが等しくなる。

炎の発熱速度は、燃焼させるガスの種類により異なる。このため、消炎距離も、燃焼させるガスの種類により異なる。具体的には、質量の軽いガスの発熱速度は、質量の重いガスの発熱速度よりも速い。このため、質量の軽いガスの消炎距離は、質量の重いガスの消炎距離よりも短い。

図２に示すように、消炎素子７ａの貫通部８は、水平投影面上においてスリット状に形成される。貫通部８において、ｘは長縁部の長さである。ｘの値は任意である。ｙは短縁部の長さである。ｙの値は、二次電池１ａ等から発生する可燃性ガスに対応した消炎距離に合わせて設定される。

二次電池１ａ等が一般的なリチウムイオン電池の場合、発生する可燃性ガスは、水素、メタン、エタン等である。水素ガスの消炎距離は０．６ｍｍである。メタンガスの消炎距離は２．１ｍｍである。エタンガスの消炎距離は１．８ｍｍである。この場合、短縁部の長さｙは、消炎距離が最も短い水素ガスに合わせて０．６ｍｍ以下に設定される。

発生する可燃性ガスがメタン、エタンのみの二次電池１ａ等の場合、短縁部の長さｙは、発生が予期される中で消炎距離が最も短いエタンに合わせて１．８ｍｍ以下に設定される。

以上で説明した実施の形態１によれば、安全弁５ａ等が設けられる。このため、二次電池１ａ等から発生した可燃性ガスを収容体２ａ等から放出することができる。また、吸着剤４が設けられる。このため、収容体２ａ等から放出された可燃性ガスを不燃性ガスに変化させることができる。また、通気路６ａ等には、消炎素子７ａ等が設けられる。このため、収容体２ａ等内で発生した炎は、消炎素子７ａの貫通部８を通過しようとした際に消える。その結果、炎が消炎素子７ａの外部へ噴出することを防止できる。すなわち、消炎素子７ａは、可燃性ガスのみを迅速に通過させることができる。

また、吸着剤４は、各収容体２ａ等の上側を覆う。このため、複数の二次電池１ａ等に対し、一つの吸着剤４で、可燃性ガスを不燃性ガスに変化させることができる。

また、消炎素子７ａの貫通部８は、スリット状に形成される。この場合、貫通部８の長縁部ｘの長さを任意に設定することができる。このため、可燃性ガスが通過する領域の断面積を増やすことができる。その結果、可燃性ガスを容易に通過させることができる。

また、消炎素子７ａは、金属、セラミックス等により形成される。このため、消炎素子７ａは、高温の可燃性ガスに耐えることができる。

なお、安全弁５ａ等が開放される際の圧力は、収容体２ａ等の強度、発生するガスの種類等を加味して設定される。例えば、当該圧力は、０．２ｋｇ／ｃｍ^２程度に設定される。

また、安全弁５ａ等、吸着剤４、消炎素子７ａ等は、各機能を阻害しない範囲で可能な限り近づければよい。この場合、電池パックを小さくすることができる。

また、放出口３ａを電池パック上部等に設けてもよい。この場合、可燃性ガスが空気よりも軽ければ、当該可燃性ガスを電池パックから容易に放出することができる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２における電池パックの消炎素子の平面図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態１における消炎素子７ａの貫通部８は、水平投影面上においてスリット状に形成されていた。一方、実施の形態２における消炎素子７ａの貫通部８は、水平投影面上において円状に形成される。

貫通部８の内径が小さいと、炎は、貫通部８を通過できない。この際の最大の内径を消炎直径という。スリット状の消炎距離をｙとした場合、円状の貫通部８の消炎直径ｙ_０は、次の（１）式で表される。
ｙ_０＝ｙ／０．７（１）

すなわち、水素ガスの消炎直径は０．８６ｍｍとなる。メタンガスの消炎直径は３．０ｍｍとなる。エタンガスの消炎直径は２．５ｍｍとなる。

以上で説明した実施の形態２によれば、消炎素子７ａの貫通部８は、円状に形成される。このため、貫通部８をドリル等で容易に形成することができる。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３における電池パックの消炎素子の平面図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態１の消炎素子７ａは、１つの貫通部８を備えていた。一方、実施の形態３の消炎素子７ａは、複数の貫通部８を備える。これらの貫通部８は、長手方向と直交する方向に並んで形成される。

以上で説明した実施の形態３によれば、消炎素子７ａは、複数の貫通部８を備える。このため、可燃性ガスが通過する領域の断面積の合計を増やすことができる。その結果、可燃性ガスをより容易に通過させることができる。

実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４における電池パックの消炎素子の平面図である。なお、実施の形態２と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態２の消炎素子７ａは、１つの貫通部８を備えていた。一方、実施の形態４の消炎素子７ａは、複数の貫通部８を備えている。隣接した３つの貫通部８は、互いに直線で結ばれた際に略正三角形となる位置に形成される。

以上で説明した実施の形態４によれば、消炎素子７ａは、複数の貫通部８を備える。このため、可燃性ガスが通過する領域の断面積の合計を増やすことができる。その結果、可燃性ガスをより容易に通過させることができる。

実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５における電池パックの縦断面図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態５の排気経路３は、実施の形態１の排気経路３の他側に取り入れ口３ｂを付加したものである。取り入れ口３ｂには、ファン９が設けられる。

排気経路３内には、複数の吸着剤１０ａ〜１０ｅが設けられる。各吸着剤１０ａ等は、各収容体２ａ等に対応して設けられる。排気経路３内において、隣接した吸着剤４は、隙間を空けて配置される。

電池パックにおいて、ファン９が動作すると、電池パックの外部の空気が排気経路３内に導入される。当該空気は、各吸着剤１０ａ等を通過する。当該空気は、放出口３ａから電池パックの外部へ放出される。

排気経路３の上流側の二次電池１ａにおいて可燃性ガスが多量に発生した際、当該可燃性ガスは、可燃性のまま高温状態で吸着剤１０ａを通過し得る。この場合、当該可燃性ガスは、ファン９による風により冷却された状態で、可燃性のまま吸着剤１０ａと吸着剤１０ｂの間に抜け出る。当該可燃性ガスは、排気経路３の外壁に接触する。当該接触により、当該可燃性ガスは、さらに冷却される。

当該可燃性ガスは、ファン９による風に押される。その結果、当該可燃性ガスは、下流側の吸着剤１０ｂ〜１０ｅを通過する。この際、当該可燃性ガスは、浄化される。当該浄化により、当該可燃性ガスは、不燃性ガスに変化する。当該不燃性ガスは、放出口３ａから電池パックの外部へ放出される。

排気経路３の下流側の二次電池１ｅにおいて可燃性ガスが発生した際、当該可燃性ガスが可燃性のまま吸着剤４を通過し得る。この場合、当該可燃性ガスは、ファン９からの風により、放出口３ａから電池パックの外側へ速やかに放出される。当該可燃性ガスは、電池パックの外気とすぐに混ざる。その結果、電池パックの外部においては、可燃性ガスの濃度が薄まる。

以上で説明した実施の形態５によれば、複数の吸着剤１０ａ等は、隙間を空けて配置される。このため、吸着剤１０ａの使用量を削減できる。

また、排気経路３には、ファン９が設けられる。このため、吸着剤１０ａ等が可燃性ガスを通過させる上で抵抗となっても、可燃性ガスを排気経路３内で拡散させることができる。当該拡散により、可燃性ガスは、吸着剤１０ａ等の全体に行き渡る。すなわち、可燃性ガスが大量に発生した場合でも、ガスが溜まることを防止できる。また、上流側の二次電池１ａ等から急激に発生した可燃性ガスの噴出速度が速い場合、上流側の吸着剤１０ａ等で吸着しきれない可燃性ガスを下流側の吸着剤１０ｂ等で吸着することができる。すなわち、その結果、複数の吸着剤１０ａ等により、可燃性ガスを効率的に不燃性に変化させることができる。

また、高温の可燃性ガスは、排気経路３の外壁と外気とに接触する。このため、可燃性ガスを急速に冷却することができる。

なお、異常が検知された場合のみにファン９を動作させてもよい。例えば、安全弁５ａ等の作動時のみにファン９を動作させてもよい。例えば、二次電池１ａ等が予め設定された温度以上になったときのみにファン９を動作させてもよい。この場合、必要時のみに、排気経路３内のガスの流動性を高めることができる。このため、吸着剤１０a等が目詰まりするまでの時間を長くすることができる。すなわち、吸着剤１０ａ等の交換回数を少なくすることができる。

実施の形態６．
図７と図８とはこの発明の実施の形態６における電池パックの通気路の縦断面図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態１の通気路６ａ等には、消炎素子７ａ等が設けられていた。一方、実施の形態６においては、消炎素子７ａが設けられていない。

図７に示すように、実施の形態６の安全弁５ａ等は、移動体１１、ストッパ１２を備える。

移動体１１は、円柱形に形成される。移動体１１の下部には、フランジ部１１ａが形成される。フランジ部１１ａの外縁部には、薄肉部１１ｂが形成される。薄肉部１１ｂは、通気路６ａ等の内面に連結される。

ストッパ１２は、移動体１１の上方に配置される。ストッパ１２は、下方に開口する。ストッパ１２は、移動体１１の上面と外周面とを覆う。ストッパ１２の外周面と通気路６ａ等の内周面との間には、貫通部８が形成される。貫通部８は、二次電池１ａ等から発生し得る可燃性ガスに対応した消炎距離に合わせて形成される。

図８に示すように、電池パックにおいて、収容体２ａ等内の圧力が上昇すると、移動体１１の薄肉部１１ｂが折れる。移動体１１は、噴出した可燃性ガスにより押される。その結果、移動体１１は、上方に移動する。当該移動により、移動体１１のフランジ部１１ａがストッパ１２の下縁部に接触する。当該接触により、移動体１１が止まる。当該可燃性ガスは、ストッパ１２と通気路６ａ等の貫通部８を通過する。

何らかの理由により、収容体２ａ等内で可燃性ガスに着火すると、炎の一部は、ストッパ１２と通気路６ａ等の間の貫通部８を通過しようとする。この際、当該炎は消える。その結果、可燃性ガスのみが貫通部８から排出される。

以上で説明した実施の形態６によれば、安全弁５ａ等は、消炎素子７ａと同様に、可燃性ガスに着火した炎を消す機能を備える。このため、部品点数を削減しつつ、可燃性ガスに着火した炎を消すことができる。また、通気路６ａ等の長さを短くすることができる。

なお、過電圧等により可燃性ガスを発生させ得るリチウムイオン電池以外の二次電池に対し、実施の形態１〜６の電池パックを適用してもよい。また、可燃性ガスを発生させ得る一次電池に対し、実施の形態１〜６の電池パックを適用してもよい。

また、単電池のみに対し、本実施の形態１〜６の電池パックを適用してもよい。

また、実施の形態１〜６の収容体２ａ等を電池パックの外郭としてもよい。

また、実施の形態１〜６の電池パックの向きを上下反転させてもよい。

１ａ〜１ｅ二次電池、２ａ〜２ｅ収容体、３排気経路、３ａ放出口、３ｂ取り入れ口、４吸着剤、５ａ〜５ｅ安全弁、６ａ〜６ｅ通気路、７ａ〜７ｅ消炎素子、８貫通部、９ファン、１０ａ〜１０ｅ吸着剤、１１移動体、１１ａフランジ部、１１ｂ薄肉部、１２ストッパ

Claims

可燃性ガスを発生させ得る電池と、
前記電池を収容した収容体と、
前記収容体の外側に設けられ、放出口を有した排気経路と、
前記排気経路に設けられ、前記可燃性ガスを不燃性に変化させる吸着剤と、
前記収容体内の圧力により開放される安全弁と、
前記安全弁を覆った状態で前記収容体と前記排気経路とを連結し、前記可燃性ガスに対応した消炎距離又は消炎直径に合わせて形成された貫通部を有した通気路と、
を備え、
前記安全弁は、
前記通気路の内面に連結され、前記収容体内の圧力により前記通気路の内面との連結から開放され得るように形成された移動体と、
前記通気路の内面との間の隙間が前記貫通部となるように前記移動体の前記収容体側とは反対側に設けられ、前記移動体が前記収容体側とは反対側への移動した際に、前記移動体と接触し、前記移動体の前記収容体側とは反対側への移動を止めるストッパと、
を備えた電池パック。
前記電池は、一側を同方向に向けて配置された複数の単電池からなり、
前記収容体は、前記単電池の各々に対応して設けられ、
前記排気経路は、複数の収容体の一側に連結され、
前記吸着剤は、前記複数の収容体の一側を覆い、
前記安全弁は、前記収容体の各々に対応して設けられ、
前記通気路は、前記収容体の各々に対応して設けられ、対応した収容体と前記排気経路とを連結した請求項１に記載の電池パック。
前記吸着剤は、前記収容体の各々に対応するように隙間を空けて配置された請求項２に記載の電池パック。
前記排気経路の放出口とは反対側に設けられ、前記排気経路の放出口に向けて風を送るファン、
を備えた請求項２又は請求項３に記載の電池パック。