JP6601235B2 - 電池パック - Google Patents

Description

この明細書における開示は、複数の積層された個々の単位電池を電池収納空間に収納している電池パックに関する。

特許文献１の電池パックは、積層方向に延長するスタックフレームを利用して、一対の枠体が互いに離間して取付けられた電池モジュールを順次位置決めして、電池スタックを効率的に形成している。この構造は、エンドプレートの間に挟まれる電池スタックを容易に拘束することが可能である。また、電池スタックを形成するための工程において、一対の枠体を電池モジュールのケースに取付けて積層することで、隣接する別の電池モジュールのケースの位置決めが達成される。そのため、全ての電池モジュールに連結部材を貫通させる作業が不要となる。故に、作業性が良好であり、生産性を向上させることが可能である。

特開２０１２−１８２０８２号公報

特許文献１の電池パック内に単位電池となるラミネート電池を複数積層した場合、ラミネート電池では、電池内で発生したガスで電池内圧が異常上昇する。次に、電池外周のラミネートフィルム融着部が開封してガスが外部に放出される。よって、電池全体を覆うように電池収容空間を構成する必要がある。

このような形態では、ラミネート電池から放出されたガスは、電池収容空間内に充満するため、電池収容空間にガス排出通路を設けて電池収納空間を内圧増大による破壊から保護する必要がある。しかし、電池収容空間の小型化を達成しようとすると、電池周囲のガス排出空間が十分に確保できず、ガス発生時に電池収容空間の内圧が過大になる。そのため、電池収容空間を構成する電池収容ケースに耐圧構造が必要となり、結果として電池収容空間、更には電池パックが大型化するという課題がある。この開示は、電池収納空間の内圧を抑制し、電池収容ケース自体の軽量化又は小型化を図ることを目的としている。

この明細書に開示された複数の態様は、目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。また、特許請求の範囲及びこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例であって、技術的範囲を限定するものではない。

開示された電池パックのひとつは、積層された複数の単位電池（２）と、単位電池を内部に収納する電池収容ケース（３）と、単位電池の相互間に介在すると共に、その一端（６ａ）が電池収容ケースの外部に突出し、電池収容ケースの中を複数の電池収容空間（７）に分ける集熱板（６）と、夫々の電池収容空間に対して連通する排煙ダクト（９）と、電池収容ケースに設けられ排煙ダクトと夫々の電池収容空間とを連通させ単位電池から放出されたガスを排煙ダクトの内部へ逃がす複数のガス排出通路（１０）と、集熱板に設けられ、隣接する電池収容空間の相互間を連通させる連通路（１１）と、を備え、連通路に網状体（２０）が設けられている。

この電池パックによれば、複数のガス排出通路と、集熱板に設けられ隣接する電池収容空間の相互間を連通させる連通路と、を備えるから、単位電池が異常時に発生したガスをガス排出通路に逃がすと共に隣接する電池収容空間にも逃がすことができる。よって部品を増やすことなくガスの排出経路を増やすことができ、電池収容空間及び電池収容ケースから容易にガスを排出できる。そのため、ガス発生時の電池収容ケースの内圧を抑制でき、電池収容ケース自体の軽量化又は小型化が図れる。
開示された電池パックのひとつは、積層された複数の単位電池（２）と、単位電池を内部に収納する電池収容ケース（３）と、単位電池の相互間に介在すると共に、一端（６ａ）が電池収容ケースの外部に突出し、電池収容ケースの中を複数の電池収容空間（７）に分ける集熱板（６）と、夫々の電池収容空間に対して連通する排煙ダクト（９）と、電池収容ケースに設けられ排煙ダクトと夫々の電池収容空間とを連通させ単位電池から放出されたガスを排煙ダクトの内部へ逃がす複数のガス排出通路（１０）と、集熱板に設けられ、隣接する電池収容空間の相互間を連通させる連通路（１１）と、を備え、
集熱板の一端は、冷媒の流れによって冷却され、集熱板は、冷媒の流れの上流側に位置する部分の方が下流側に位置する部分に比べて、連通路の開口面積又は連通路の数が大きくされている。

第１実施形態に係る電池パックの図２に示すＺ１−Ｚ１線に沿う一部断面図である。 第１実施形態に係る電池パックの図１に示すＺ２−Ｚ２線に沿う一部断面図である。 第２実施形態に係る電池パックの一部断面図である。 第３実施形態に係る電池パックの一部断面図である。 第４実施形態に係る電池パックの一部断面図である。 第５実施形態に係る電池パックの一部断面図である。 第６実施形態に係る電池パックの一部断面図である。

以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部を説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る電池パック１について、図１及び図２を参照しながら説明する。単位電池（セルとも言う）２は、車両の走行エネルギーを蓄積する二次電池である。この単位電池の一例は、リチウムイオン電池であり、ラミネート型の電池からなる。ラミネート型の電池は、正極と負極を、セパレータを挟んで交互に重ねた電極体をラミネートで封止した構造を有している。図２の右端の単位電池２は、内部の電極体の構造を模式的に示す。

リチウムイオン電池は、巻型リチウムイオン電池と積層型（ラミネート型）リチウムイオン電池に大別される。ラミネート型は、電池異常時のガス噴出可能箇所がラミネートシートの合わせ目全周にわたる。ラミネート型は、パソコン、携帯電話、小型携帯機器などに大量に使用されている。

小型リチウムイオン電池は巻型リチウムイオン電池が大半であるが、車載用として期待されている大型リチウムイオン電池では形状の自由化、重量エネルギー密度の優位性などで、ラミネート型リチウムイオン電池において量産化が行われている。ラミネート型の電池は、巻回型構造を有する一般の缶タイプ電池に比べると熱を放出させやすく、電流を取り出しやすいという長所がある。

単位電池２は、図２に示すように積層されている。図２は８個の単位電池を積層しているが、積層数を増加できることは勿論である。図１に示すように単位電池２を内部に収納する電池収容ケース３（枠体とも言う）を有する。電池収容ケース３は単位電池２の積層体を取り囲み、単位電池２が故障により高温高圧のガスを吹き出したときに、電池収容ケース３の内部圧力である内圧が高くなるが、その内圧に耐えうる耐熱性と耐圧力性を備えた材料（例えば合成樹脂）から構成されている。

図１のように、電池収容ケース３を貫通して、単位電池の電極タブ４、５が外部に突出している。電極タブ４、５の突出方向は、積層方向と直交する方向である。電極タブ４、５は夫々異なる極性を有し、互いに反対方向に突出している。

図２のように、一対の単位電池２が側面を接触させて積層され、更に他の一対の単位電池との間には集熱板６が配置されている。集熱板６は、熱伝導の良い金属板から構成されている。複数の集熱板６は、一対の単位電池２の相互間から一端６ａが電池収容ケース３の外部に突出し、電池収容ケース３を複数の電池収容空間７に分ける。図２では５枚の集熱板６が、電池収容ケース３内を４つの電池収容空間７に分けている一例を図示している。電池収容ケース３には単位電池、電池収容ケース、集熱板などを積層した状態で固定するボルトを通すステー３１が設けられている。

電池収容ケース３は複数に分割されたものを組み合わせて構成している。その分割部分の隙間には充填剤からなる気密部品８が充填されている。この気密部品８は、電池収容空間７の気密性を保つため、一例としてＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）のような弾力性のある弾性変形が容易な部材から成る。この気密部品８となる充填剤の存在により電池収容ケース３の熱膨張が許容され、熱膨張に伴う応力が緩和される。

電池収容ケース３の下部には、排煙ダクト９が取り付けられている。かつ、各電池収容空間７の下部にガス排出通路１０が設けられている。この複数のガス排出通路１０は、電池収容空間７と排煙ダクト９の内部とを連通させる。排煙ダクト９は、車両の外部まで延在している。それにより、ガス排出通路１０は、単位電池２が発生したガスを、排煙ダクト９を介して車両外部に逃がす。

集熱板６には、隣接する電池収容空間７を互いに連通させ、ガスの別の排出経路を形成する連通路１１が設けられている。連通路１１は、図１のように電池収容空間７の中の集熱板６の四隅に設けられている。これにより、単位電池２から一端６ａに放熱される熱の直線経路を避けて連通路１１が設けられている。また、積層方向に見たときに、連通路１１は、単位電池２の本体部又はこの本体部から突出した電極タブ４、５を挟む位置に複数個所に設けられている。

更に、連通路１１は、単位電池２の排煙ダクト９に近い一方側（図１下側）と、この一方側と反対側の他方側（図１上側）とに夫々設けられている。加えて、連通路１１は、単位電池２の本体部と電極タブ４、５とに対して積層方向に重ならない位置に設けられている。

集熱板６の一端６ａは、冷媒が流れる空間である冷媒室２１内に突出しており、集熱板６の一端６ａは、冷媒室２１に収納されている。冷媒室２１の内部に集熱板６の一端６ａを冷却する冷媒となる冷却空気が流れる。

（第１実施形態の作用効果）
この電池パック１によれば、ガス排出通路１０と、集熱板６に設けられ隣接する電池収容空間７の相互間を連通させガスの新たな排出経路を形成する複数の連通路１１と、を備える。それ故、単位電池２が異常時に発生したガスをガス排出通路１０に逃がすと共に、隣接する電池収容空間７にも連通路１１を介して逃がすことができる。よって、部品を増やすことなく、ガスの排出経路を増やすことができ、電池収容空間７及び電池収容ケース３から容易にガスを排出できるため、ガス発生時の電池収容ケース３の内圧を低減できる。このため、電池収容ケース３自体の軽量化又は小型化が図れる。

連通路１１は、集熱板６の複数個所に設けられているから、個々の連通路１１の大きさを小さくしても十分な大きさの排煙通路を構成できる。連通路１１は、単位電池２の排煙ダクト９に近い一方側と、この一方側と反対側の他方側とに夫々設けられている。それ故、ガスが一方側である例えば下方に向けて吹き出しても、他方側である例えば上方に向けて吹き出しても、速やかに隣の電池収容空間７にガスを逃がすことができる。

この電池パック１によれば、連通路１１は、単位電池２の内部における電極体に対して、単位電池２が積層された方向に重ならない位置に設けられている。なお、電極体とは、単位電池２の内部において正極と負極とを、セパレータを挟んで交互に重ねたものである。連通路１１は、単位電池２から突出する電極タブ４、５に対しても積層方向に重ならない位置に設けられている。つまり、連通路１１は、単位電池２から突出する電極タブ４、５の外側（横）に設けられている。そのため、ガスが連通路１１から隣の電池収容空間７に吹き出すときに、電極タブ４、５又は単位電池２の本体部に衝突しないからスムーズにガスを排出でき、内圧を下げやすい。

具体的には、連通路１１は、電池収容ケース３内における集熱板６の四隅に設けられている。それ故に、ガスが連通路１１から隣の電池収容空間７に吹き出すときに単位電池２に衝突しないでスムーズにガスを排出でき、十分に内圧を下げることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る電池パック１について、図３を参照しながら説明する。先行する実施形態と同一部分は説明を省略する。第２実施形態においては、連通路１１は、集熱板６の電池収容ケース３内における四隅以外の箇所にも設けられており、ガス排出通路１０まで連続して延長されている。これによれば、連通路１１によるガス排出の通路断面積を更に拡大でき、内圧低減効果を向上できる。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る電池パック１について、図４を参照しながら説明する。第３実施形態における排煙ダクト９は、電池収容ケース３の一部を膨出させて電池収容ケース３と連続一体に構成されている。つまり、同一部品として構成されている。換言すれば、電池収容ケース３に対して別部材の排煙ダクト９を取り付けるのでなく、同じ樹脂成形材料で一つの部材として電池収容ケース３と排煙ダクト９とが一体に成形されている。端的に言えば、排煙ダクトは、電池収容ケースの一部である。

この電池パックによれば、排煙ダクトは、電池収容ケースの一部を膨出させて連続一体に構成されているから、排煙ダクトとして別部材を追加するものに比べるとコストを下げることができる。また、連通路１１には、網状体２０が設けられている。

この網状体２０は、連通路１１に対して別部材として張られていても良いし、集熱板６をプレスによってパンチング加工して連通路と一体の網部として網状体２０が形成されても良い。網状体２０を１２０℃程度になる高温ガスが通過するときに、ガスの温度又は圧力を網状体２０とガスの接触により低下させることができる。また、網状体２０によって連通路１１が形成された集熱板６の強度低下を少なくすることができる。つまり、連通路１１に設けた網状体２０によって、内圧低減と構造強化とを両立させることができる。

（第４実施形態）
第４実施形態に係る電池パック１について、図５を参照しながら説明する。第４実施形態においては、集熱板６の一端６ａが、冷媒室２１内に突出している。集熱板６の一端６ａに隣接して設けられ、四隅の連通路１１の一部となる隣接連通路１１ａが設けられている。隣接連通路１１ａは一端６ａに隣接してればよく単一の通路であっても良いし、図５のように複数の並んだ通路であっても良い。一端６ａが存在する冷媒室２１の内部に一端６ａを冷却する冷媒が矢印Ｙ５１の方向に流れる。冷媒室２１は冷媒となる空気が流れる空間であればよく閉鎖された空間でなくても良い。

電池収容空間７の中に複数並んで設けられた隣接連通路１１ａは、冷媒室を流れる冷媒の流れの上流側に位置する第１集熱板部分６１の方が下流側に位置する第２集熱板部分６２に比べて多く設けられている。図５では、上流側に４か所の隣接連通路１１ａが設けられているが下流側には、設けられていない。なお、隣接連通路１１ａの数を多くしてトータルの開口面積を大きくする代わりに、単一の隣接連通路１１ａの開口面積を大きくしても良い。

隣接連通路１１ａは、単位電池２から一端６ａに向かう放熱経路に存在している。つまり、隣接連通路１１ａは伝熱経路を一部削減する。その代わりに、隣接連通路１１ａは、集熱板６において冷媒の流れの上流側部分の方が下流側部分の方より大きく開口しているか、又は、冷媒の流れの上流側部分の方が下流側部分の方よりも数多く設けられている。

冷媒の流れの上流側における第１集熱板部分６１の方が下流側に位置する第２集熱板部分６２よりも冷媒によって効率良く冷却される。そのため、第１集熱板部分６１の方に大きな又は数の多い隣接連通路１１ａを設けても、局部的に単位電池２の上流側の温度が上昇しすぎることが無い。また隣接連通路１１ａを設けることで、連通路１１全体の通路断面積（開口面積）を拡大でき、ガス排出時の内圧の上昇を更に抑制できる。

（第５実施形態）
第５実施形態に係る電池パック１について、図６を参照しながら説明する。第５実施形態においては、電池収容ケース３の一部に介在する気密部品８は、弾力のあるＥＰＤＭから構成されている。この気密部品８によって枠体の寸法変動を吸収できる。

図６においては、単位電池２と気密部品８の間に壁３ｗを形成している。壁３ｗは電池収容ケース３の一部である。気密部品８と電池収容空間７との間には、屈曲された通路を含むラビリンス３ｒが設けられている。これにより、高温高圧の排出されたガスが気密部品８に作用するためには、壁３ｗの横に存在する屈曲された通路となるラビリンス３ｒを通過する必要がある。このラビリンス３ｒによって電池異常時に発生する高温高圧のガスが減圧又は低温化され、気密部品８を保護できる。なお、この開示に言うラビリンス３ｒは、屈曲している必要はなく、広い空間に接続された細い通路であればよい。

（第６実施形態）
第６実施形態に係る電池パック１について、図７を参照しながら説明する。第６実施形態においては、気密部品８の位置が第５実施形態と異なり、ラビリンス３ｒの途中に気密部品８が設けられている。単位電池２と気密部品８の間に壁３ｗが形成され、気密部品８の外周に壁３ｗがめぐらされている。そして、ラビリンス３ｒの途中に設けられた気密部品８によって電池収容ケース３の寸法変動が吸収される。気密部品８は、壁３ｗとラビリンス３ｒとによって囲まれている。図７では、ラビリンス３ｒが電池収容空間７側と集熱板６の一端側とに設けられている。

（他の実施形態）
この明細書の開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品、要素の組み合わせに限定されず、種々変形して実施することが可能である。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品、要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品、要素の置き換え、又は組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示される技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、更に特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

前述の実施形態では、ラミネートタイプの単位電池を使用したが、これに限るものではなく缶タイプの単位電池を使用しても良い。集熱板は、アルミニウムの板を使用したが、熱伝導性の優れた材料であれば良い。また、集熱板を冷却する冷却媒体として空気を使用したが空気以外のガス又は液冷媒を使用しても良い。

集熱板に連通路１１となる４か所の孔を設けたが、この孔の数は４か所に限らない。また、孔の位置は単位電池２と対向しない位置でかつ集熱板の熱伝導を極力阻害しない位置が好ましいが、四隅でなくても良い。また、連通路１１の形は矩形でなく丸い孔としても良い。集熱板６の一端６ａが収容される冷媒室２１は、冷媒がながれるダクトによって構成された閉鎖空間であるが、一端６ａを閉鎖空間でなく外気にさらされる空間に露出させても良い。この場合は一端６ａから熱が自然対流に沿って放出される。

２ 単位電池
３ 電池収容ケース
６ 集熱板
６ａ 集熱板の一端
７ 電池収容空間
９ 排煙ダクト
１０ ガス排出通路
１１ 連通路

Claims (12)

1. 積層された複数の単位電池（２）と、
   前記単位電池を内部に収納する電池収容ケース（３）と、
   前記単位電池の相互間に介在すると共に、一端（６ａ）が前記電池収容ケースの外部に突出し、前記電池収容ケースの中を複数の電池収容空間（７）に分ける集熱板（６）と、
   夫々の前記電池収容空間に対して連通する排煙ダクト（９）と、
   前記電池収容ケースに設けられ前記排煙ダクトと夫々の前記電池収容空間とを連通させ前記単位電池から放出されたガスを前記排煙ダクトの内部へ逃がす複数のガス排出通路（１０）と、
   前記集熱板に設けられ、隣接する前記電池収容空間の相互間を連通させる連通路（１１）と、を備え、
   前記連通路に網状体（２０）が設けられている電池パック。
2. 前記集熱板の前記一端は、冷媒の流れによって冷却され、前記集熱板は、前記冷媒の流れの上流側に位置する部分の方が下流側に位置する部分に比べて、前記連通路の開口面積又は前記連通路の数が大きくされている請求項１に記載の電池パック。
3. 積層された複数の単位電池（２）と、
   前記単位電池を内部に収納する電池収容ケース（３）と、
   前記単位電池の相互間に介在すると共に、一端（６ａ）が前記電池収容ケースの外部に突出し、前記電池収容ケースの中を複数の電池収容空間（７）に分ける集熱板（６）と、
   夫々の前記電池収容空間に対して連通する排煙ダクト（９）と、
   前記電池収容ケースに設けられ前記排煙ダクトと夫々の前記電池収容空間とを連通させ前記単位電池から放出されたガスを前記排煙ダクトの内部へ逃がす複数のガス排出通路（１０）と、
   前記集熱板に設けられ、隣接する前記電池収容空間の相互間を連通させる連通路（１１）と、を備え、
   前記集熱板の前記一端は、冷媒の流れによって冷却され、前記集熱板は、前記冷媒の流れの上流側に位置する部分の方が下流側に位置する部分に比べて、前記連通路の開口面積又は前記連通路の数が大きくされている電池パック。
4. 前記連通路は、前記単位電池の内部において正極と負極とを、セパレータを挟んで交互に重ねた電極体に対して、前記単位電池が積層された方向に重ならない位置に設けられている請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電池パック。
5. 前記連通路は、前記単位電池から突出した電極タブに対して、前記単位電池が積層された方向に重ならない位置に設けられている請求項１ないし４のいずれか一項に記載の電池パック。
6. 前記連通路は、前記集熱板において、前記排煙ダクトに近い一方側と、この一方側と反対側の他方側とに夫々設けられている請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電池パック。
7. 前記連通路は、前記電池収容ケースの中に位置する前記集熱板の四隅に設けられている請求項１ないし６のいずれか一項に記載の電池パック。
8. 前記排煙ダクトは、前記電池収容ケースの一部である請求項１ないし７のいずれか一項に記載の電池パック。
9. 前記単位電池は、ラミネートシートを合わせて形成されるラミネート型である請求項１ないし８のいずれか一項に記載の電池パック。
10. 前記電池収容ケースは、複数に分割されたものを組み合わせて構成されており、分割部分の隙間に弾力性を有する気密部品（８）が充填されている請求項１ないし９のいずれか一項に記載の電池パック。
11. 前記電池収容ケースの一部となる壁（３ｗ）が前記気密部品の前記電池収容空間の側に設けられ、前記電池収容空間と前記気密部品とを連通する通路は、屈曲された通路を有するラビリンス（３ｒ）を形成する請求項１０に記載の電池パック。
12. 前記電池収容ケースの一部となる壁（３ｗ）が前記気密部品の前記電池収容空間の側と前記一端の側とに設けられ、前記気密部品と前記一端の側とを連通する通路は、前記ラビリンスを形成する請求項１１に記載の電池パック。

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