JP6251972B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の蓄電素子が外装に収納され、複数の蓄電素子のそれぞれの端子が互いに接続されることによりなる蓄電装置に関する。

一般的に、リチウムイオン電池などに二次電池は通常の使用状態である通常時では、ガスを排出しない。しかしながら、過充電、内部短絡時などの異常時には、電池に設けられたガス排出弁（安全弁）が開放して、安全弁からガスが排出されるため、当該ガスを人のいない安全な場所に排気する必要がある。よって、安全な場所に排気する排出経路を接続するための排気口を有する蓄電装置（組電池）がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１９５３１１号公報

しかしながら、この排気口は、蓄電装置の外装体の内部空間と外装体の外方の空間とを連通させているため、常に開放状態であると、そこから異物などが侵入する恐れがある。

そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、蓄電装置の外装体の内部空間に異物などが侵入しにくい蓄電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、複数の蓄電素子と、密閉状態の内部空間を形成し、当該内部空間に前記複数の蓄電素子を収納する外装体と、を備え、前記外装体は、前記内部空間と前記外装体の外方とを連通させるための開口部と、前記内部空間内の圧力が所定圧力以下の場合に、前記開口部を塞ぐ第一状態となり、前記内部空間内の圧力が前記所定圧力より大きい場合に、前記開口部において前記内部空間と前記外装体の外方とを連通させる第二状態となる圧力弁と、を有する。

これによれば、蓄電装置の外装体に、外装体の内部空間の圧力が外装体の外方での圧力よりも上昇した場合にのみ内部空間と外装体の外方とを連通させて圧力調整を行う圧力弁が設けられている。このように、内部空間の圧力が上昇した場合、つまり、複数の蓄電素子の少なくともいずれかからガスが排出された場合にのみ、外装体の外方へ当該ガスを排出させることができる。このため、異常時以外の通常時において、内部空間を密閉した状態に保つことができ、外装体の外方からの異物などの侵入を防ぐことができる。

また、前記開口部は、前記蓄電装置が配置された状態における水平面に対して交差している面に形成されてもよい。

これによれば、圧力弁が設置される開口部は、蓄電装置が配置された状態における水平面に対して傾斜している傾斜面に形成される。このため、ガスとともに開口部から排出された液体、または、外装体の外方から侵入してくる液体を圧力弁付近から傾斜面に沿って排出することができる。つまり、圧力弁が設置される開口部を傾斜面に設けているため、当該液体を圧力弁付近に溜まることを防ぐことができる。このため、内部空間の圧力が上昇して圧力弁が開放されたときに、当該液体が開口部から内部空間に浸入することを防ぐことができる。

また、前記外装体は、さらに、前記開口部の外側に設けられ、前記開口部から排出される気体を排気口から前記外装体の外方へ導く導通路を有し、前記導通路は、前記開口部から排出される気体の流れの軸と、前記排気口から前記外装体の外方へ排出される気体の流れの軸とが異なるように形成されてもよい。

これによれば、開口部から排出される気体の流れの軸と、排気口から外装体の外方へ排出される気体の流れの軸とが異なるように導通路が形成されるため、開口部から排出される気体とともに液体または固体が排出されても、当該液体または当該固体を直接排気口に排出することを低減することができる。

また、前記導通路は、前記開口部から第一方向に沿って前記導通路内部に導入した気体を、前記第一方向とは異なる第二方向に導いてもよい。

これによれば、開口部から第一方向に沿って導通路の内部の空間に導入した気体を第一方向とは異なる第二方向に導くため、開口部から排出される気体とともに液体または固体が排出されても、当該液体または当該固体を直接排気口に排出することを低減することができる。また、外装体の外方からの異物などが排気口から導通路に侵入してきた場合にも、当該異物を直接開口部に導くことを低減することができる。つまり、外装体の外方からの異物が内部空間に侵入しにくい構造とすることができる。

また、前記導通路は、前記開口部からの排出物を受容可能な空間を形成している受け部を有してもよい。

これによれば、気体とともに液体または固体が開口部から排出される場合に、受け部が形成されているため、受け部に当該液体または当該固体を溜めておくことができる。つまり、導通路に受け部を形成することにより、導通路が当該液体または当該固体により詰まることを防ぐことができる。

本発明に係る蓄電装置によれば、通常時において内部空間を密閉した状態に保つことができ、外装体の外方からの異物などの侵入を防ぐことができる。

本発明の実施の形態に係る蓄電装置の斜視図である。 蓄電装置の分解斜視図である。 図２における領域Ａ１の部分の拡大図であって、トップカバーを除いた導通路付近の構造を示す図である。 異常時にガスが発生した場合に、蓄電装置の外装体の内部空間から排出されるガスの流れを示す概略図である。 ガスを蓄電装置の内部空間から排出させるための構造を示す概略図である。 図６の（ａ）は、アンブレラバルブの構造を示す断面図であり、図６の（ｂ）は、異常時にアンブレラバルブが開放されたときの構造を示す断面図である。 変形例（１）に係る蓄電装置において、ガスを蓄電装置の内部空間から排出させるための構造を示す概略図である。 変形例（２）に係る蓄電装置において、ガスを蓄電装置の内部空間から排出させるための構造を示す概略図である。 変形例（３）に係る蓄電装置において、ガスを蓄電装置の内部空間から排出させるための構造を示す概略図である。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より好ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る蓄電装置の斜視図である。図２は、蓄電装置の分解斜視図である。図３は、図２における領域Ａ１の部分の拡大図であって、トップカバーを除いた導通路付近の構造を示す図である。図４は、異常時に蓄電素子からガスが発生した場合に、蓄電装置の外装体の内部空間から排出されるガスの流れを示す図である。

これらの図に示すように、蓄電装置１００は、外装体２００と、セルフレーム３００と、複数（本実施の形態では４つ）の蓄電素子４００とを備える。

外装体２００は、セルフレーム３００と複数の蓄電素子４００とを収納する箱状の部材である。つまり、外装体２００は、密閉状態の内部空間Ｓ１を形成し、当該内部空間Ｓ１に複数の蓄電素子４００を収納する。外装体２００は、Ｘ軸方向に並ぶ複数の蓄電素子４００を所定の位置に配置し、各蓄電素子４００を衝撃などから保護し、各蓄電素子４００が不本意に金属部材などに接触することを回避する外装体本体２２０と、蓋体２１０とを有する。外装体２００は、絶縁性の材料、例えば樹脂などにより構成されている。また、外装体２００は、外部正極端子１１０および外部負極端子１２０を有する。外部正極端子１１０および外部負極端子１２０は、外部の負荷へ蓄電装置１００に蓄えられた電力を供給するために外部負荷に接続される端子、または、外部の電力源から供給される電力を蓄電装置１００に蓄えるために外部電源に接続される端子である。

蓋体２１０は、トップカバー２１１と、蓋本体２１３とにより構成される。蓋体２１０には、トップカバー２１１と、蓋本体２１３との間に空間Ｓ４が形成されており、当該空間Ｓ４の内部に制御回路２１２が収納される。また、図３に示すように、蓋体２１０の蓋本体２１３には、外装体２００が形成する内部空間Ｓ１と外装体の外方（以下、「外方空間Ｓ３」という。）とを連通させるための開口部２５０（図４参照）が形成されている。開口部２５０には、圧力弁としてのアンブレラバルブ２３０が開口部２５０を覆うように設けられている。アンブレラバルブ２３０は、復帰型の弁である。なお、ここでいう「復帰型の弁」とは、内部空間Ｓ１と外方空間Ｓ３との間の圧力が均等になるように圧力調整を複数回行うことが可能な弁である。なお、圧力弁は、復帰型の方が好ましいが、復帰型に限るものではない。

アンブレラバルブ２３０の詳細な構造については後述する。また、蓋本体２１３の開口部２５０の外側には、内部空間Ｓ１と外方空間Ｓ３とを連通する導通路２４０が設けられる。つまり、導通路２４０は、開口部２５０から排出されるガス（気体）を外方空間Ｓ３へ導くための導通空間Ｓ２を形成する。なお、導通路２４０の終端には、排気口２４３が形成されている。導通路２４０の排気口２４３を形成している第二導通路２４２（後述参照）には、例えば外気と連通している排気ホース（図示せず）などが接続される。

外装体本体２２０は、複数の蓄電素子４００をそれぞれ収納するための複数の仕切板２２１を有する。つまり、複数の蓄電素子４００は、内部空間Ｓ１が複数の仕切板２２１により区切られることにより形成された複数の空間に、個別に収納される。

セルフレーム３００は、複数の蓄電素子４００の上方に設けられ、複数の蓄電素子４００の位置を規制するための規制部材である。セルフレーム３００はまた、複数の蓄電素子４００の上部を一括りに束ねる。セルフレーム３００は、絶縁性の材料、例えば樹脂などにより構成されている。

蓄電素子４００は、充電することができ、また、放電することができる素子であり、導電性を有する容器４１０と、正極端子４２０と、負極端子４３０とを有する。蓄電素子４００は、典型的にはリチウムイオン二次電池であるが、鉛蓄電池であってもよい。蓄電素子４００の容器４１０には、蓄電素子４００が過充電されたとき、内部短絡が起こったときなどの異常時に容器４１０の内部で発生したガスを排出するための安全弁４４０が設けられている。正極端子４２０および負極端子４３０は、容器４１０の上方に突出している。複数の蓄電素子４００は、Ｘ軸方向に一列に並べられる。複数の蓄電素子４００のそれぞれは、異極端子同士が金属製の板状部材であるバスバー３５０により接続される。つまり、複数の蓄電素子４００は、バスバー３５０により直列接続される。バスバー３５０により直列接続された複数の蓄電素子４００は、正極側が外部正極端子１１０に接続され、負極側が外部負極端子１２０に接続される。

図５は、ガスを蓄電装置の内部空間から排出させるための構造を示す概略図である。なお、図５は、導通路の構造を二次元的に表したモデル図である。次に、図４および図５を用いて導通路２４０について説明する。

導通路２４０は、第一導通路２４１と、第二導通路２４２とを有する。第一導通路２４１は、開口部２５０からＺ軸方向（第一方向）に沿って導通空間Ｓ２の内部に導入したガスを、Ｙ軸方向（第一方向とは異なる第二方向）に導く。第二導通路２４２は、第一導通路２４１を通過したガスをＸ軸方向に導く。つまり、導通路２４０は、開口部２５０から排出されるガス（気体）の流れ（図４および図５の白抜き矢印Ｄ１を参照）の第一軸と、排気口２４３から外方空間Ｓ３へ排出されるガスの流れ（図４および図５の白抜き矢印Ｄ３を参照）の第三軸とが異なるように形成される。なお、図５は、導通路２４０の構造を二次元的に表したモデルであり、白抜き矢印Ｄ２および白抜き矢印Ｄ３は、図４とは異なる向きで表現している。

内部空間Ｓ１から排出されるガスは、以下に説明するように導通路２４０を通過して、外方空間Ｓ３に排出される。図４に示すように、まず、白抜き矢印Ｄ１で示すようにＺ軸方向の上向きに内部空間Ｓ１からアンブレラバルブ２３０を介して導通空間Ｓ２に排出される。次に、導通空間Ｓ２に排出されたガスは、導通空間Ｓ２をＹ軸方向の紙面手前側（記号Ｄ２を参照）に流れ、Ｘ軸方向の紙面右側の外方空間Ｓ３に向けて排出される。

図６は、アンブレラバルブについて説明するための図である。図６の（ａ）は、アンブレラバルブの構造を示す断面図であり、図６の（ｂ）は、異常時にアンブレラバルブが開放されたときの構造を示す断面図である。

図６に示すように、アンブレラバルブ２３０は、軸部２３１と、軸部２３１の端部から周方向に延びる傘状の傘部２３２とにより構成される。アンブレラバルブ２３０が設けられる内部空間Ｓ１と導通空間Ｓ２との境界には、上述した開口部２５０と、貫通孔２５１とが形成されている。貫通孔２５１は、アンブレラバルブ２３０の軸部２３１により貫通される。つまり、アンブレラバルブ２３０は、貫通孔２５１を軸部２３１が貫通することにより、所定の位置に固定される。開口部２５０は、貫通孔２５１の周囲に複数形成されている。開口部２５０は、アンブレラバルブ２３０の傘部２３２により塞がれている。

アンブレラバルブ２３０は、通常時である内部空間Ｓ１と導通空間Ｓ２（外方空間Ｓ３）との圧力差が所定圧力差未満とき、図６の（ａ）に示すように傘部２３２が開口部２５０を塞いでいる。一方で、アンブレラバルブ２３０は、異常時に内部空間Ｓ１の圧力が導通空間Ｓ２（外方空間Ｓ３）の圧力よりも所定圧力差以上大きいとき、図６の（ｂ）に示すように傘部２３２が開口部２５０から浮いた状態となり、内部空間Ｓ１と導通空間Ｓ２（外方空間Ｓ３）とが連通された状態となる。つまり、アンブレラバルブ２３０は、内部空間Ｓ１内の圧力が所定圧力以下の場合に、開口部２５０を塞ぐ第一状態となり、内部空間Ｓ１内の圧力が所定圧力より大きい場合に、開口部２５０において内部空間Ｓ１と外装体の外方空間Ｓ３とを連通させる第二状態となる。要するに、アンブレラバルブ２３０は、第二状態となることにより、内部空間Ｓ１内の圧力を外装体２００の外方空間Ｓ３での圧力に近づける圧力調整を行っており、第一状態および第二状態の切替を複数行うことが可能な復帰型の弁として機能する。なお、「所定圧力」とは、外装体２００の外方空間Ｓ３での圧力よりも高い圧力である。なお、上記の所定圧力は、アンブレラバルブ２３０の形状または材料の違いなどによって定まるものであり、所望の所定圧力に応じたアンブレラバルブ２３０を選定することができる。

（特徴）
本実施の形態に係る蓄電装置１００によれば、蓄電装置１００の外装体２００に、外装体２００の内部空間Ｓ１の圧力が外方空間Ｓ３での圧力よりも上昇した場合にのみ内部空間Ｓ１と外方空間Ｓ３とを連通させて圧力調整を行うアンブレラバルブ２３０が設けられている。このように、内部空間Ｓ１の圧力が上昇した場合、つまり、複数の蓄電素子４００の少なくともいずれかからガスが排出された場合にのみ、外方空間Ｓ３へ当該ガスを排出させることができる。このため、異常時以外の通常時において、内部空間Ｓ１を密閉した状態に保つことができ、外方空間Ｓ３からの異物などの侵入を防ぐことができる。

また、本実施の形態に係る蓄電装置１００によれば、圧力弁としてアンブレラバルブ２３０を採用しているため、蓄電装置１００の外装体２００への圧力弁の設置が容易である。

また、本実施の形態に係る蓄電装置１００によれば、開口部２５０から排出されるガスの流れＤ１の軸と、排気口２４３から外方空間Ｓ３へ排出されるガスの流れＤ３の軸とが異なるように導通路２４０が形成されるため、開口部２５０から排出されるガスとともに液体または固体が排出されても、当該液体または当該固体を直接排気口２４３に排出することを低減することができる。

また、本実施の形態に係る蓄電装置１００によれば、開口部２５０からＺ軸方向に沿って導通空間Ｓ２に導入した気体をＹ軸方向に導くため、開口部２５０から排出されるガスとともに液体または固体が排出されても、当該液体または当該固体を直接排気口２４３に排出することを低減することができる。また、外方空間Ｓ３からの異物などが排気口２４３から導通路２４０に侵入してきた場合にも、当該異物を直接開口部２５０に導くことを低減することができる。つまり、外方空間Ｓ３からの異物が内部空間Ｓ１に侵入しにくい構造とすることができる。

（変形例）
（１）
上記実施の形態に係る蓄電装置１００によれば、導通路２４０は、開口部２５０からＺ軸方向に沿って排出されるガスの流れＤ１をＹ軸方向に沿った流れＤ２に変更している。導通路の構成は、上記構成に限らない。

例えば、図７に示すような、開口部２５０から排出される液体または固体から成る物質６００（つまり、開口部２５０から排出される排出物）を受容可能な空間Ｓ１２ａを形成している受け部２４４をさらに有する導通路２４０ａを採用してもよい。この場合には、導通路２４０ａは、開口部２５０の流れＤ１の下流側である第一導通路２４１ａの一部に受け部２４４が形成される。このように、ガスとともに物質６００が開口部２５０から排出される場合に、受け部２４４が形成されているため、受け部２４４に物質６００を溜めておくことができる。このため、導通路２４０ａに受け部２４４を形成することにより、導通路２４０ａが物質６００により詰まることを防ぐことができる。

（２）
また、上記実施の形態に係る蓄電装置１００によれば、導通路２４０は、第一導通路２４１および第二導通路２４２から構成されており、第一導通路２４１をＹ軸方向に沿って流れるガスを、第二導通路２４２によりＸ軸方向に流れるように流れの向きを変更しているがこれに限らない。つまり、蓄電装置１００では、開口部２５０から排出されるガスの流れを２回変更する導通路２４０が採用されているが、図８に示すような、これに限らずに１回変更する構成の導通路２４０ｂを採用してもよい。

具体的には、導通路２４０ｂは、開口部２５０から排出されるガスの流れＤ１と異なる一方向に沿って導く一つの導通空間Ｓ２２を形成する。つまり、導通路２４０ｂは、開口部２５０から導入したガスの流れＤ１の向きを一回だけ変更した流れＤ２２を形成するような構成となっており、当該流れＤ２２の下流側に排気口２４３ｂが形成されている。要するに、開口部２５０から排出されるガスの流れＤ１の方向を変更する導通路とすれば、ガスに混じって上記で説明したような物質６００が導通路に排出された場合に、ガスの流れＤ１が変更されたときに、変更された箇所で物質６００を留めることができる。

（３）
また、上記実施の形態に係る蓄電装置１００では、特に言及していないが、図９に示すような、蓄電装置１００が配置された状態における水平面２５３に対して傾斜面２５２に形成された開口部２５０ａを採用した蓄電装置としてもよい。このように、開口部２５０ａを水平面２５３に対して傾斜した傾斜面２５２に形成することにより、ガスとともに開口部２５０ａから排出された液体、または、外方空間Ｓ３から侵入してくる液体をアンブレラバルブ２３０付近から傾斜面２５２に向けて排出することができる。つまり、アンブレラバルブ２３０が設置される開口部２５０ａを傾斜面２５２に設けているため、当該液体をアンブレラバルブ２３０付近に溜まることを防ぐことができる。このため、内部空間Ｓ１の圧力が上昇してアンブレラバルブ２３０が開放されたときに、当該液体が開口部２５０ａから内部空間Ｓ１に浸入することを防ぐことができる。

なお、この場合であっても、開口部２５０ａから排出されたガスは、導通路２４０の第一導通路２４１ｂにおいて流れＤ１１から流れＤ２にその流れ方向が変更される。そして、第一導通路２４１ｂを流れたガスは、第二導通路２４２において流れＤ２から流れＤ３にその流れ方向が変更されて、排気口２４３から外方空間Ｓ３に放出される。

なお、開口部は、蓄電装置が配置された状態における水平面に対する傾斜面に形成されることに限らずに、当該水平面に対する垂直面に形成されてもよい。つまり、開口部は、水平面に対して交差している面に形成されれば、傾斜面と同様の効果を奏するため、その形態は問わない。

本発明は、通常時において内部空間を密閉した状態に保つことができ、外装体の外方からの異物などの侵入を防ぐことができる蓄電装置などとして有用である。

１００ 蓄電装置
１１０ 外部正極端子
１２０ 外部負極端子
２００ 外装体
２１０ 蓋体
２１１ トップカバー
２１２ 制御回路
２１３ 蓋本体
２２０ 外装体本体
２２１ 仕切板
２３０ アンブレラバルブ
２３１ 軸部
２３２ 傘部
２４０、２４０ａ、２４０ｂ 導通路
２４１、２４１ａ、２４１ｂ 第一導通路
２４２ 第二導通路
２４３、２４３ｂ 排気口
２４４ 受け部
２５０、２５０ａ 開口部
２５１ 貫通孔
２５２ 傾斜面
２５３ 水平面
３００ セルフレーム
３５０ バスバー
４００ 蓄電素子
４１０ 容器
４２０ 正極端子
４３０ 負極端子
４４０ 安全弁
Ｓ１ 内部空間
Ｓ２、Ｓ２２ 導通空間
Ｓ３ 外方空間
Ｓ４ 空間
Ｓ１２ａ 空間

Claims (7)

1. 複数の蓄電素子と、
   密閉状態の内部空間を形成し、当該内部空間に前記複数の蓄電素子を収納する外装体と、
   前記複数の蓄電素子の第一方向側に配置され、前記内部空間に収納される回路基板と、
   を備え、
   前記外装体は、
   前記内部空間と前記外装体の外方とを連通させるための開口部と、
   前記内部空間内の圧力が所定圧力以下の場合に、前記開口部を塞ぐ第一状態となり、前記内部空間内の圧力が前記所定圧力より大きい場合に、前記開口部において前記内部空間と前記外装体の外方とを連通させる第二状態となる圧力弁と、
   前記回路基板と前記複数の蓄電素子との間を遮蔽する遮蔽物と、
   前記開口部の前記第一方向の外側に設けられ、前記開口部から排出される気体を排気口から前記外装体の外方へ導く導通路と、を有し、
   前記内部空間は、
   前記複数の蓄電素子が収納される、連続した１つの空間である第一内部空間と、
   前記回路基板が収納され、かつ、前記導通路の、前記第一方向に略直交する方向側に配置される第二内部空間とを有し、
   前記開口部は、前記第一内部空間と前記外装体の外方とを連通させ、
   前記遮蔽物は、前記第一内部空間と前記第二内部空間との間を遮蔽する
   蓄電装置。
2. 前記遮蔽物は、さらに、前記第二内部空間と前記導通路が形成している導通空間との間を遮蔽する
   請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記圧力弁は、前記第一内部空間内の圧力が前記所定圧力より大きい状態から前記所定圧力以下に変化した場合、前記第二状態から前記第一状態に切り替わる
   請求項１または２に記載の蓄電装置。
4. 前記開口部は、前記蓄電装置が配置された状態における水平面に対して交差している面に形成される
   請求項１から３のいずれか１項に記載の蓄電装置。
5. 前記導通路は、前記開口部から排出される気体の流れの軸と、前記排気口から前記外装体の外方へ排出される気体の流れの軸とが異なるように形成される
   請求項２に記載の蓄電装置。
6. 前記導通路は、前記開口部から前記第一方向に沿って前記導通路内部に導入した気体を、前記第一方向とは異なる第二方向に導く
   請求項５に記載の蓄電装置。
7. 前記導通路は、前記開口部からの排出物を受容可能な空間を形成している受け部を有する
   請求項６に記載の蓄電装置。

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