JP6161921B2 - 車両用バッテリーモジュールの安全装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用バッテリーモジュールの安全装置に関するものであり、より詳しくは、バッテリーセルの異常時（過充電、過放電、内部短絡、異常高温等）に電気回路を開放して安定性を確保することができる車両用バッテリーモジュールの安全装置に関するものである。

ハイブリッド電気自動車、燃料電池自動車、電気自動車は、電気モーターを利用して車両を駆動させる構成であり、電気モーターに駆動電力を提供するのに高電圧バッテリーパックを使用している。

高電圧バッテリーパックは、次世代エネルギー貯蔵体として注目されているリチウムイオン二次電池を利用したものがあり、車両用リチウムイオン二次電池は製造社により多様な形態があるが、大きくカンタイプとパウチタイプに分けられ、バッテリーセルの個数及び形態に従ってバッテリーモジュールあるいはバッテリーパックとしている。

一例として、８つのバッテリーセルが直列に連結されて１つのバッテリーモジュールをなし、９つのバッテリーモジュールと、１つのバッテリー管理システム（ＢＭＳ；Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、そして１つの電力継電アッセンブリ（ＰＲＡ；Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｌａｙ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が加えられて１つのバッテリーパックをなすようになる。

上記のような車両用リチウムイオン二次電池は、耐久性はもちろん安全性を確保する技術が必ず適用されており、この安定性確保のための技術として異常時に電気的な遮断を行うことができる安全装置がある〔特許文献１〕。

従来の安全素子として使用されている部品は、正温度係数（ＰＴＣ；Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｃｉｅｎｔ）を応用した部品、温度ヒューズ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｆｕｓｅ）、バイメタルＰＴＣ（Ｂｉ−ｍｅｔａｌ ｗｉｔｈ ＰＴＣ）等があるが、ＰＴＣ部品は、温度が上昇したときに抵抗が増加する素子で、作動温度以下でも抵抗が大きくてバッテリーの充放電効率を低下させ、大電流が瞬間的に流れるときに電圧が下がってバッテリー使用領域が減少する問題があり、また水分、高熱等に長期間放置時、信頼性が低下する問題が発生して１０年以上使用する車両用としては適さない。

温度ヒューズ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｆｕｓｅ）は、温度が上ったとき内部回路が熱によって溶断される素子で、ＰＴＣに比べて抵抗が低く、短絡等による大電流の発生時に良好な動作特性を示すが、低い電流で過充電がされる場合、セルに発生する熱だけで溶断されなければならないのに、設置位置等の制約によって溶断温度まで温度が上がらない場合が多く、低い温度で動作する素子を使用している場合には、車両の瞬間加速時に発生する大電流によって素子が作動することがあり、車両用には適さない。

バイメタルＰＴＣは、一般的なＰＴＣに比べて抵抗を改善されているが、振動／衝撃によってバイメタルが誤作動することが多く、車両用として適さない。

バッテリーモジュールの異常時対策として、温度が高くなった時、あるいは大量の電流が流れた時にきれる回路を備えたバッテリーモジュールの安全装置〔特許文献２〕、バッテリーセルが異常で膨潤したときに、電極端子接続区域で電気的切断を起す安全性を改善したバッテリーモジュール〔特許文献３〕などの提案がある。

大韓民国登録特許公報１０−０５８５３８０号明細書 特表２０１１−５０５６６４号公報 特表２０１１−５０４２８５号公報

本発明は、過充電、過放電、内部短絡、異常高温等バッテリーセルに異常が発生したときにバッテリーセルが膨脹する現象を勘案してなされたものであり、バッテリーセルが膨脹したときに電気回路を開放してそれ以上の充電あるいは放電がないようにして、安全を確保することができる車両用バッテリーモジュールの安全装置を提供するところにその目的がある。

上記した目的を達成するためになされた本発明の車両用バッテリーモジュールの安全装置は、バッテリーセルの陽極端子と陰極端子に該当するセル端子と、バッテリーセルのうち２つの別のバッテリーセルに対角線に配置された２つのセルのセル端子を電気的に連結するように形成され、バッテリーセルが膨張していない正常状態である時には、２つのセルのセル端子間の電気的連結を維持し、バッテリーセルの少なくとも一方が膨脹する異常状態の時には、セル端子間に電気が流れないように回路を開放する安全バスバーと、を有して構成される。

以下、好ましい課題解決手段となる本発明の車両用バッテリーモジュールの安全装置の形態を挙げる。
安全バスバーは、セル端子に貫通して固定設置され、導体と不導体が形成された固定子と、セル端子に貫通されて、固定子に面接触すると同時に、セル端子を中心に回転可能に設置され、導体と不導体が形成された回転子と、回転子の導体と電気的に連結する連結バーと、を含む構成である。

安全バスバーは、固定子の側面とセル端子を一体に貫通して設置され、固定子をセル端子に固定させる固定ピンをさらに含んで構成される。
安全バスバーは、セル端子に分離可能に結合して、回転子がセル端子から離脱するのを防止する回転子キャップをさらに含んで構成される。
安全バスバーは、回転子と回転子キャップの間に設置された絶縁部材を、さらに含んで構成される。

セル端子と回転子キャップは、ボルトとナットの結合方式で互いに分離可能に結合される。

固定子の導体と不導体は、固定子の上面に、円周方向に交互に放射状に形成され、固定子の内周面には、固定子の上面に備えられた導体と電気的に連結が可能な内部導体がさらに備えられている。

また、回転子の導体と不導体は、回転子の下面に、円周方向に交互に放射状に形成され、回転子の内周面には、セル端子との電気的遮断のために内部不導体がさらに備えられる。

バッテリーセルが膨脹していない正常状態の時には、固定子の導体と回転子の導体が互いに連結し、バッテリーセルが膨脹する異常状態の時には、回転子が回転して固定子の導体と回転子の不導体が互いに接触し、同時に固定子の不導体と回転子の導体が互いに接触して電気が流れないようにする。

本発明による車両用バッテリーモジュールの安全装置によれば、バッテリーセルが異常となって膨脹したとき、安全バスバーを構成する回転子の回転動作によってバッテリーセル間の電気的連結を遮断して電気が流れないように回路を開放することができるようになり、これによってバッテリーセルの充電あるいは放電がそれ以上進まなくなることにより安定性が確保できる。

本発明による安全バスバーが設置された車両用バッテリーモジュールの斜視図である。 本発明による安全バスバーの設置構造を説明する断面図である。 本発明による固定子を説明する図面である。 本発明による回転子を説明する図面である。

以下、本発明の車両用バッテリーモジュールの安全装置を、好ましい実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本発明による車両用バッテリーモジュールの安全装置は、図１ないし図４に図示したように、
バッテリーセル１０のセル端子１１と、バッテリーセル１０のうち２つの別のバッテリーセルに対角線に配置された２つのセルのセル端子１１を電気的に連結するように形成され、バッテリーセル１０が膨張していない正常状態である時には、これら２つのセル端子１１間の電気的連結を維持し、バッテリーセル１０の少なくとも一方が膨脹する異常状態の時には、２つのセル端子１１間に電気が流れないように回路を開放する安全バスバー２０とを有している。
つまり、バッテリーセル１０が並んでバッテリーモジュールを構成して、上記のようにバッテリーモジュールを構成するバッテリーセルのうち、同じバッテリーセルではなく、２つの異なるバッテリーセルに斜めに配置された２つのセル端子１１間を、安全バスバー２０が接続するように設定されている。
ここで、上述の安全バスバー２０が接続されているセル端子１１を備えた２つのバッテリーセルは、図１に示すように、互いに隣接する２つのバッテリーセルのものであってもよく、あるいは他のバッテリーセルによって互いに離隔された場合も可能である。
セル端子１１は、バッテリーセル１０の陽極端子と陰極端子に対応する。

図１に示すように、隣合うバッテリーセル１０において一方のバッテリーセル１０の陽極端子と他方のバッテリーセル１０の陰極端子が異なる側となるときにそれら陽極端子と陰極端子を結ぶバッテリーセルの対角線方向に安全バスバー２０が配置され、それら陽極端子と陰極端子が同じ側となるときには従来からある通常のバスバー３０で電気的に連結する。

安全バスバー２０は、セル端子１１に貫通されて固定設置され、導体２１ａと不導体２１ｂそれぞれの部分を有する固定子２１と、セル端子１１に貫通され、固定子２１に面接触すると同時にセル端子１１を中心として回転可能に設置され、導体２２ａと不導体２２ｂそれぞれの部分を有する回転子２２と、及び回転子２２の導体２２ａを電気的に連結する連結バー２３、を有する構成である。

安全バスバー２０は、固定子２１の側面とセル端子１１を一体に貫通して設置されて、固定子２１をセル端子１１に固定させる固定ピン２４と、セル端子１１に分離可能に結合してセル端子１１からの回転子２２の離脱を防止する回転子キャップ２５、及び回転子２２と回転子キャップ２５間に設置された絶縁部材２６をさらに含んでいる。

セル端子１１はボルトの形状で、回転子キャップ２５はナットの形状であり、セル端子１１と回転子キャップ２５は、ボルトとナットの結合方式で互いに分離可能に結合されている。

絶縁部材２６は、電気的絶縁の役割だけでなく、回転子２２と回転子キャップ２５間での摩擦を小さくする役割もする。

固定子２１には、その上面に導体２１ａと不導体２１ｂがそれぞれ円周方向に交互に放射状に形成され、かつその内周面には導体２１ａと電気的に連結が可能な内部導体２１ｃが形成されている。

回転子２２には、その下面に導体２２ａと不導体２２ｂがそれぞれ円周方向に交互に放射状に形成され、かつその内周面には、セル端子１１との電気的遮断のために内部不導体２２ｃが形成されている。

以下、上記した実施形態の作用について説明する。
車両用高電圧バッテリーパックを構成するバッテリーモジュールは、複数個のバッテリーセル１０が安全バスバー２０と通常のバスバー３０で電気的に連結されている構成である。

すなわち、バッテリーセル１０が正常状態である時には、回転子２２がセル端子１１を中心に回転せず、固定子２１の導体２１ａと回転子２２の導体２２ａが互いに電気的に連結されており、バッテリーモジュールは正常な充電及び放電ができる。

過充電、過放電、内部短絡、異常高温等バッテリーセル１０に異常が発生したとき、バッテリーセル１０は膨脹して外形が膨れ上がる。バッテリーセル１０が膨脹すると、安全バスバー２０を構成する回転子２２は、セル端子１１を中心に時計方向または反時計方向に回転し、これにより固定子２１の導体２１ａと回転子２２の不導体２２ｂが互いに接触し、同時に固定子２１の不導体２１ｂと回転子２２の導体２２ａが互いに接触するようになり、固定子２１と回転子２２の間に電気が流れず、電気回路が開放される。

電気回路が開放されると、バッテリーセル１０はそれ以上充電あるいは放電ができなくなり、これによって安定性が確保されることになる。

上記したように本発明によるバッテリーモジュールの安全装置は、バッテリーセル１０が異常によって膨脹したとき、安全バスバー２０を構成する回転子２２の回転動作によってバッテリーセル１０間の電気的連結を遮断させて電気が流れないようにすることができ、これによってバッテリーセル１０の充電及び放電がそれ以上進まず、安定性が確保される。

本発明のバッテリーモジュールの安全装置は、部品自体の抵抗が低く、温度や湿度、振動等の外部要因に影響をほとんど受けないことにより、誤動作のおそれが少なく、回転子２２の回転トルクを利用してバッテリーセル１０間の電気の流れを遮断するので、その作動は正確である。

固定子２１と回転子２２の導体及び不導体の面積比率を調整することによって動作時点の調整が可能であり、さらに、固定子２１と絶縁部材２６間に温度センサー、電圧センサー等のセンサーを設置することができ、これらセンサー設置のために別途の空間及び器具が必要なくなるという長所がある。

以上、特定の実施形態を挙げて本発明を説明したが、以下の特許請求の範囲によって提供される本発明の技術的思想を脱しない範囲で、本発明が多様に改良及び変化することができるということは当業界で通常の知識を有した者にとって自明なことである。

１０；バッテリーセル
１１；セル端子
２０；安全バスバー
２１；固定子
２１ａ，２２ａ；導体
２１ｃ；内部導体
２２ａ，２２ｂ；不導体
２２ｃ；内部不導体
２３；連結バー
２４；固定ピン
２５；回転子キャップ
２６；絶縁部材
３０；従来からある通常のバスバー

Claims (9)

1. バッテリーセルの陽極端子と陰極端子に該当するセル端子と、
   前記バッテリーセルのうち２つの別のバッテリーセルに対角線に配置された２つのセルのセル端子を電気的に連結するように形成され、前記バッテリーセルが膨張していない正常状態である時には前記２つのセルのセル端子間の電気的連結を維持し、前記バッテリーセルの少なくとも一方が膨脹する異常状態の時には前記セル端子間に電気が流れないように回路を開放する安全バスバーと、を有し、
   前記安全バスバーは、
   前記セル端子に貫通して固定設置され、導体と不導体が形成された固定子と、
   前記セル端子に貫通されて、前記固定子に面接触すると同時に、前記セル端子を中心に回転可能に設置され、導体と不導体が形成された回転子と、
   前記回転子の導体と電気的に連結する連結バーと、を含み、
   前記バッテリーセルが膨脹していない正常状態の時には、前記固定子の導体と前記回転子の導体が互いに連結し、
   前記バッテリーセルが膨脹する異常状態の時には、前記回転子が回転して前記固定子の導体と前記回転子の不導体が互いに接触し、同時に前記固定子の不導体と前記回転子の導体が互いに接触して電気が流れないようにすることを特徴とする車両用バッテリーモジュールの安全装置。
2. 前記安全バスバーは、
   前記固定子の側面と前記セル端子を一体に貫通して設置され、前記固定子を前記セル端子に固定させる固定ピンを、さらに含むことを特徴とする請求項１に記載の車両用バッテリーモジュールの安全装置。
3. 前記安全バスバーは、
   前記セル端子に分離可能に結合して、前記回転子が前記セル端子から離脱するのを防止する回転子キャップを、さらに含むことを特徴とする請求項１に記載の車両用バッテリーモジュールの安全装置。
4. 前記安全バスバーは、前記回転子と前記回転子キャップの間に設置された絶縁部材を、さらに含むことを特徴とする請求項３に記載の車両用バッテリーモジュールの安全装置。
5. 前記セル端子と前記回転子キャップは、ボルトとナットの結合方式で互いに分離可能に結合されていることを特徴とする請求項３に記載の車両用バッテリーモジュールの安全装置。
6. 前記固定子の導体と不導体は、前記固定子の上面に、円周方向に交互に放射状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用バッテリーモジュールの安全装置。
7. 前記固定子の内周面には、前記固定子の上面に備えられた導体と電気的に連結している内部導体がさらに備えられていることを特徴とする請求項６に記載の車両用バッテリーモジュールの安全装置。
8. 前記回転子の導体と不導体は、前記回転子の下面に、円周方向に交互に放射状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用バッテリーモジュールの安全装置。
9. 前記回転子の内周面には、前記セル端子との電気的遮断のために内部不導体がさらに備えられたことを特徴とする請求項８に記載の車両用バッテリーモジュールの安全装置。

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