JP5880109B2 - バッテリパックの防爆弁 - Google Patents

Description

この発明は、複数の単電池（以下、セルという）をパックケース内に収容したバッテリパックの防爆弁、特に、電気自動車の動力源となるような比較的大型のバッテリパックの防爆弁に関する。

例えば電気自動車に用いられるバッテリパックは、雨水や洗車水等の内部への進入を防止するために、基本的にパックケースが密閉された状態に構成される。この場合、充放電や日中と夜間との温度変化などに伴うパックケース内の圧力変化を回避するために、パックケース内外を連通する、換言すれば、比較的少量の空気の出入りを許容する通気孔（これは呼吸孔と呼ばれることも多い）を設ける必要がある。この通気孔としては、該通気孔を通した雨水等の進入を回避するために、特許文献１等に開示されているように、液体は通さずに気体のみを選択的に通過させる通気膜と組み合わせるのが一般的である。

一方、バッテリパック内部で多量のガスが急激に発生した場合に内圧を速やかに逃がすことができる防爆弁を設けたバッテリパックが公知である。防爆弁の一つの例は、特許文献２に開示されている。防爆弁は一般に通常時には閉じており、内圧が大きく上昇した場合に、例えば一部部品の破壊を伴って開動作するものである。

なお特許文献１では、通気膜を備えた通気孔が、セルで発生したガスを逃がすためのものである旨、説明されている。

実開昭６０−１６３２６４号公報 特開２０００−５８０１６号公報

通気孔は、バッテリが機能している下での少量の空気の出入りを確保するためのものであるから、それほど大きな通路面積は必要なく、むしろ異物の侵入を阻止するために、最小限の大きさとすることが望ましい。

一方、防爆弁は、かなり大きな通路面積が必要であり、特に、多数のセルを収容した高電圧のバッテリパックにあっては、十分に大きな防爆弁を設けることが望ましい。

従って、例えば特許文献１のように単に１つの孔に通気膜を重ねただけの構成では、通気孔と防爆弁の２つの機能を兼ねることはできない。特許文献１の構成では、防爆弁としては、その大きさが不十分であり、急激な内圧上昇には到底対応できない。また仮に、特許文献１の構成でもって孔の大きさを防爆弁に十分なほどに大きくしたとすると、外部に露出している通気膜が異物との衝突により容易に変形するなどの問題が生じる。

本発明は、防爆弁に少量の空気の出入りを行う通気孔としての機能をも持たせることを目的としている。

本発明に係る防爆弁は、密閉したパックケース内に複数のセルが収容されてなるバッテリパックにおいて、
上記パックケースの一部に設けた開口部を閉塞するように配置され、かつ液体を通過させずに気体を選択的に通過させるとともに、バッテリパック内圧の上昇に伴い破断もしくは変形する通気膜と、
この通気膜の外側に重ねて配置され、かつ所定の圧力差による撓み変形によって脱落するように周縁部で係止保持された板状のプロテクタと、
外部に向かって開口し、上記通気膜を介して少量の空気が通流可能な通気孔と、
を備えて構成されている。

このような構成では、パックケース内と外部との間で、通気孔を通して少量の空気が出入りする。このように出入りする空気は、開口部を閉塞するように配置された通気膜を通過する。この通気膜は、雨水等の液体は通過させずに気体のみを選択的に通過させるものであるので、パックケース内へ雨水が侵入することはない。また、外部に開口する通気孔は十分に小さなものとすることができるので、異物の衝突や侵入のリスクも少ない。

一方、ガスが急激に発生して内圧が急上昇すると、通気膜は容易に破断もしくは変形し、板状のプロテクタが内圧によって外側へ押圧される。そのため、板状のプロテクタは外側へ膨らむように撓み変形し、これに伴って、周縁部の係止が外れ、瞬時に脱落する。換言すれば、通気膜が破断等し、プロテクタが外側へ吹き飛ばされ、防爆弁として、瞬時に大きな通路断面積が確保される。上記プロテクタの外表面に、該プロテクタの変形を容易にするスリットを形成しておくようにしてもよい。

望ましい一つの態様では、上記通気孔は上記プロテクタの周縁部に沿って配置されており、例えば、プロテクタの周縁を切り欠いた切欠部として形成することもできる。

一つの態様では、上記切欠部は、上記通気膜と重ならないように該通気膜の外形状よりも外周側に位置しており、該切欠部から流入した空気を通気膜側へ案内する案内溝が通気膜外周側に設けられている。

このようにすれば、通気膜と直交する方向に沿って通気孔から流入してきた空気に含まれる微小な異物が、案内溝の底面に衝突するため、通気膜に直接に衝突することがない。従って、通気膜の部分的な破損が防止される。

なお、本発明では、通気孔は、例えばプロテクタの中央部に貫通孔として形成されているものであってもよい。

上記の防爆弁は、パックケースにそのまま取り付けることも可能であるが、一つの態様では、１つのユニットとして上記通気膜および上記プロテクタを保持する環状の防爆弁ケースをさらに備えており、この防爆弁ケースが、複数の係止爪によって上記パックケースの上記開口部に装着される。

この発明によれば、防爆弁が通気孔としての機能を含むものとなり、比較的小さく開口した通気孔および通気膜を介して少量の空気の出入りが許容されると同時に、内圧が急上昇した場合には、防爆弁として十分に大きな通路断面積でもってパックケース内部を開放することができる。従って、通気孔と防爆弁とを別々に具備する場合に比べて、構成の簡素化が図れる。

バッテリパックを備えた電気自動車の側面図。 この電気自動車の底面図。 バッテリパックの斜視図。 ロアケースの防爆弁部分の斜視図。 防爆弁の分解斜視図。 防爆弁を背面から見た斜視図。 通気孔を通る面に沿った防爆弁の断面図。 プロテクタの係止突起を示す要部の拡大斜視図。 プロテクタが変形して脱落した状態を示す斜視図。

以下、この発明の防爆弁を電気自動車用のバッテリパックに適用した一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１および図２は、この発明に係る防爆弁を備えたバッテリパック１が用いられる電気自動車２の概略を示している。この電気自動車２は、車体３の前部に駆動モータユニット４が搭載され、前輪５を駆動する構成となっている。駆動モータユニット４のエネルギ源となるバッテリパック１は、全体としてほぼ矩形の箱状をなしており、後輪６よりも前方の位置において、車体フロア３ａの下面に下側から取り付けられている。従って、バッテリパック１は、その下面が車両下面側に露出しているとともに、周囲の車体フロア３ａに比較して下方へ突出した状態となっている。

図３は、上記バッテリパック１を車両の斜め後方側から見た斜視図である。このバッテリパック１は、下側部分を構成するロアケース１１と上側部分を構成するアッパケース１２とからなる密閉されたパックケース１０内に、多数のセルを収容したものである。セルの配置は図示していないが、例えばラミネートフィルムでシールされた平坦形状のリチウムイオンセルが用いられ、複数個（例えば４個）のセルを重ねて平坦な矩形の箱状の金属ケース内に収容したものとして、バッテリモジュールが構成される。このバッテリモジュールはさらに複数個積層して互いに固定したスタックとして構成され、最終的には、複数個のスタックがパックケース１０内に収容される。例えば、合計で数十個のバッテリモジュールがパックケース１０内に収容されるとともに互いに直列に接続され、車両の駆動に必要な数百ボルトの電圧を得ている。なお、上記リチウムイオンセルには、内圧が上昇するとシール部分が剥離して内部圧力を放出する防爆シール弁が設けられていてもよい。

ロアケース１１およびアッパケース１２はいずれもアルミニウム合金のダイキャストからなり、周縁部において複数本のボルトにより互いに結合されている。両者の接合面には、その接合の際に、予めシール材として液体ガスケットが塗布されており、これによってパックケース１０内が密閉空間となっている。従って、外部からの水分等の流入が防止され、バッテリモジュールの接続部等の腐食が抑制される。

このように基本的に密閉状態となるパックケース１０内と外部との間での比較的少量の空気の出入りを許容するとともに、急激な内圧上昇の開放を行うために、車両後方へ向かうロアケース１１の後部壁１１ａに、図４にも示すように、左右２箇所に、防爆弁２１が配置されている。

この防爆弁２１は、全体として偏平な円盤状をなすものであって、図５に示すように、円環状をなす合成樹脂製の防爆弁ケース２２と、この防爆弁ケース２２とロアケース１１との間をシールするＯリング２３と、防爆弁ケース２２の中央開口部２２ａを閉塞するように該ケース２２に取り付けられる円形のシート状の通気膜２４と、この通気膜２４の外側に重ねて配置される同じく円形の板状をなす合成樹脂製のプロテクタ２５と、から構成されている。

上記防爆弁ケース２２は、図６，図７にも示すように、中央開口部２２ａを構成する内周側の円筒壁３１が裏面側へ僅かに突出するように形成され、この円筒壁３１の４箇所からさらに軸方向に係止爪３２が延びている。これらの係止爪３２は、合成樹脂材料の弾性によって径方向に弾性変形可能であるとともに、先端に、外径方向へ膨らんだ係止部３２ａをそれぞれ備えている。防爆弁２１が取り付けられるロアケース１１の後部壁１１ａには、図７に示すように、予め上記円筒壁３１の径に対応した円形の開口部２７が形成されており、上記防爆弁ケース２２は、上記円筒壁３１が上記開口部２７に嵌合し、かつ４箇所の係止爪３２によって抜け止め保持されている。Ｏリング２３は上記円筒壁３１の外周に装着されており、図７に示すように、ロアケース１１の後部壁１１ａと、防爆弁ケース２２の環状溝３３底面との間で挟持される。

なお、防爆弁２１の内部ないしロアケース１１の環状溝３３に水滴が溜まることがないように、防爆弁ケース２２の裏面側の最下部に、図６に示すように水抜き孔３５が形成されている。そして、この水抜き孔３５の位置と１８０度異なる位置において防爆弁ケース２２外周面にロケートピン３６が形成されており、このロケートピン３６は、取付基準面となる防爆弁ケース２２外周縁よりも裏面側へ突出している。このロケートピン３６に対応して、ロアケース１１の後部壁１１ａには、図示しないロケート凹部が形成されており、防爆弁２１の取付時に両者を嵌め合わせることで、防爆弁ケース２２が正しい姿勢（つまり水抜き孔３５が鉛直方向下方となった状態）で取り付けられるようになっている。

一方、防爆弁ケース２２の表面側においては、外周縁の円環状のリム部３８内周に円筒面３８ａを有するとともに、リム部３８先端面３８ｂから所定量後退した位置に、第１支持面３９が円環状（詳しくは後述するように部分的に欠損した円環となる）に形成され、さらにこの第１支持面３９からさらに所定量後退した位置に、第２支持面４０が円環状に形成されている。換言すれば、リム部３８の先端面３８ｂから第１支持面３９および第２支持面４０へと階段状に後退しつつ小径となっていき、第２支持面４０が中央開口部２２ａに隣接している。なお、これらのリム部３８先端面３８ｂ、第１支持面３９および第２支持面４０は、いずれも、防爆弁ケース２２の中心を通る中心軸（図示せず）に対し直交する平面をなす。

通気膜２４は、液体を通過させずに気体のみを選択的に通過させ得る公知の材料からなるシート状の膜であり、例えば、撥水性を有するポリテトラフルオロエチレンの多孔質膜などが用いられる。本発明においては、この通気膜２４の材質は何ら限定されるものではなく、どのようなものであってもよい。円形をなす通気膜２４は、上記の第２支持面４０に対応する径を有し、外周縁がこの第２支持面４０の上に支持されているとともに、適宜な接着剤によって接着固定されている。通気膜２４は薄い膜であり、上記第２支持面４０と上記第１支持面３９との間の段差は、通気膜２４の厚みよりも大きいため、通気膜２４と第１支持面３９とは、上記中心軸の軸方向に互いに離れている。

上記第１支持面３９には、図５，図７に示すように、円形の板状をなすプロテクタ２５が装着される。プロテクタ２５は、防爆弁ケース２２のリム部３８先端面３８ｂから第１支持面３９までの段差に対応した板厚を有し、かつ外周の円筒面２５ａがリム部３８内周の円筒面３８ａに比較的に密に嵌合するように、その径が設定されている。

また、この実施例では、プロテクタ２５の表面側に、直径方向に延びた凹溝つまりスリット５１が形成されており、このスリット５１に対し９０度異なる位置となる円周の２箇所に、係止突起５２がそれぞれ設けられている。図８は、上記係止突起５２の詳細を示しており、図示するように、プロテクタ２５の円筒面２５ａにおいて、略直方体形状に突出して形成されている。そして、プロテクタ２５の表面側に向かう端面は、係止面５２ａとして円筒面２５ａから垂直に立ち上がっている一方、プロテクタ２５の裏面側へ向かう端面は、案内面５２ｂとして湾曲した円弧面をなしている。

上記係止突起５２に対応して、上記防爆弁ケース２２の円筒面３８ａの２箇所には、係止突起５２がそれぞれ係合可能な矩形の係止凹部５４が形成されている。図示例では、上記係止突起５２および対応する係止凹部５４は、それぞれ防爆弁２１の最上部および最下部となる角度位置に設けられており、従って、係止凹部５４は、防爆弁ケース２２の水抜き孔３５およびロケートピン３６と重なり合う位置にあり、図６に示すように裏面側の水抜き孔３５およびロケートピン３６の部分の凹部と連通した形に成形されている。

上記のように係止突起５２は湾曲した案内面５２ｂを有しているので、プロテクタ２５を単にリム部３８の内側に押し込めば、樹脂材料の僅かな変形を伴って係止突起５２が容易に係止凹部５４に入り込む。そして、一旦、両者が嵌合すれば、垂直な係止面５２ａによって確実に固定保持される。このとき、プロテクタ２５の外周部の裏面は防爆弁ケース２２の第１支持面３９に適度に圧接した状態となる。

ここで、上記プロテクタ２５には、周縁部の４箇所に、通気孔となる略Ｕ字形の切欠部６１が切欠形成されている。図示例では、４つの切欠部６１が９０度毎に配置されている。この切欠部６１は、プロテクタ２５の外周の円筒面２５ａから内周側へ半径方向へ延びているが、図７に明らかなように、通気膜２４とは重ならない範囲にあり、換言すれば、通気膜２４の外形円よりも外周側に切欠部６１が設けられている。

プロテクタ２５は前述したように防爆弁ケース２２の第１支持面３９の上に支持されているが、上記第１支持面３９には、図５，図７に示すように、上記切欠部６１に対応する位置（つまり９０度毎の４箇所）に、切欠部６１の投影形状より僅かに大きな幅の案内溝６３が半径方向に凹設されている。この案内溝６３は、リム部３８内側の円筒面３８ａから第１支持面３９内側の段差面まで延びているものであり、図示例では、その溝底面が第２支持面４０と同一の平面となるように形成されている。案内溝６３は、図示例よりも浅くてもよく、第２支持面４０と第１支持面３９との中間の位置に溝底面が位置していてもよい。

上記のように構成された防爆弁２１にあっては、通気孔となる切欠部６１を介して、パックケース１０内部と外部環境とが常に連通した状態となり、例えば、充放電や日中と夜間との温度変化などに伴い、比較的少量の空気の出入りが可能である。つまり、いわゆる呼吸孔ないし通気孔としての機能が得られる。このように出入りする空気は、必ず通気膜２４を通過することになるので、例えば雨水や洗車水が切欠部６１に入ったとしても、パックケース１０内部に侵入することはない。特に、防爆弁２１全体の大きさに比べて個々の切欠部６１の開口面積は非常に小さなものであり、飛び石など比較的大きな異物に対しては、プロテクタ２５が通気膜２４を保護することになり、強度の低い通気膜２４が破れることがない。しかも、切欠部６１を通る空気の流れは基本的に防爆弁２１の中心軸と平行に流れ、従って、案内溝６３の溝底面に衝突した後に内周側へ方向転換して通気膜２４外周部へ向かい、通気膜２４と実質的に平行な方向へ流れるようになる。そのため、切欠部６１を通るような小さな異物が通気膜２４に直接に衝突する構成に比べて、通気膜２４の部分的な損傷が生じにくい。

一方、ガスが急激に発生し、パックケース１０内の内圧が急上昇した場合には、脆弱な通気膜２４は容易に変形もしくは破断し（あるいは接着部が剥がれ）、プロテクタ２５に直接的に内圧が作用する。このように圧力を受けると、板状のプロテクタ２５は、図９に示すように、剛性が低くなったスリット５１に沿って折れ曲がるように撓み変形する。このような変形に伴い、スリット５１と直交する方向の位置にある２つの係止突起５２は互いに内側へ移動することとなり、防爆弁ケース２２の係止凹部５４から抜け外れる。従って、プロテクタ２５は、圧力差によって瞬時に脱落し、防爆弁ケース２２の中央開口部２２ａ全体が開放される。つまり、プロテクタ２５が図９のように変形しながら外側へ吹き飛ばされ、瞬時に大きな開口面積が確保される。なお、２つの係止突起５２の一方のみが外れれば、プロテクタ２５は直ちに脱落する。

従って、防爆弁２１として万一の際の内圧の開放が確実に行える。なお、スリット５１の深さや幅などの調節によって、どの程度の圧力差でプロテクタ２５が脱落するかを容易に変更することができる。また、プロテクタ２５の材質を適当に選択すれば、スリット５１を設けずに同様の機能を奏するようにすることもできる。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施例では、通気孔として切欠部６１がプロテクタ２５側に設けられているが、防爆弁ケース２２のリム部３８側に通気孔となる切欠部を形成することもでき、切欠ではなく貫通孔の形で通気孔を設けることもできる。また、通気孔の大きさや通気膜の強度などによっては、通気膜２４と重なり合うプロテクタ２５の中央部の領域内に通気孔を開口形成した構成も可能である。

また、上記実施例では、電気自動車用のバッテリパック１に適用した例を説明したが、これ以外の用途のバッテリパックにも同様に適用し得ることは勿論である。

１…バッテリパック
１０…パックケース
２１…防爆弁
２２…防爆弁ケース
２４…通気膜
２５…プロテクタ
５１…スリット
５２…係止突起
６１…切欠部
６３…案内溝

Claims (6)

1. 密閉したパックケース内に複数のセルが収容されてなるバッテリパックにおいて、
   上記パックケースの一部に設けた開口部を閉塞するように配置され、かつ液体を通過させずに気体を選択的に通過させるとともに、バッテリパック内圧の上昇に伴い破断もしくは変形する通気膜と、
   この通気膜の外側に重ねて配置され、かつ所定の圧力差による撓み変形によって脱落するように周縁部で係止保持された板状のプロテクタと、
   外部に向かって開口し、上記通気膜を介して少量の空気が通流可能な通気孔と、
   を備えてなるバッテリパックの防爆弁。
2. 上記通気孔は上記プロテクタの周縁部に沿って配置されていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリパックの防爆弁。
3. 上記通気孔は、上記プロテクタの周縁を切り欠いた切欠部からなることを特徴とする請求項２に記載のバッテリパックの防爆弁。
4. 上記切欠部は、上記通気膜と重ならないように該通気膜の外形状よりも外周側に位置しており、該切欠部から流入した空気を通気膜側へ案内する案内溝が通気膜外周側に設けられていることを特徴とする請求項３に記載のバッテリパックの防爆弁。
5. １つのユニットとして上記通気膜および上記プロテクタを保持する環状の防爆弁ケースをさらに備え、この防爆弁ケースが、複数の係止爪によって上記パックケースの上記開口部に装着されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のバッテリパックの防爆弁。
6. 上記プロテクタの外表面に、該プロテクタの変形を容易にするスリットが形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のバッテリパックの防爆弁。

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