JP6635730B2 - 電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、偏平形状をなすバッテリを拘束した状態でケース内に保持する電池装置の改良に関する。

例えば電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される電池装置は、偏平形状をなすバッテリを、その板厚方向に沿う積層方向に拘束した状態で、ケース内に収容・保持された構造となっている（特許文献１参照）。

このような電池装置では、バッテリセルの膨張等によるバッテリの内圧の過度な上昇を防止するように、内圧が所定の圧力を超えると開作動して内圧を低下させる圧力逃し弁（開裂弁）を設けた構造が知られている。

特開２００６−２６０９７５号公報

しかしながら、鋭意研究の結果、熱暴走した際に、バッテリが積層方向に加圧・拘束されているとエネルギー開放時間が短時間となる現象を発見するに至った。

本発明は、エネルギー開放時間を長くすることで、熱暴走反応の激しさをマイルドにすることができ、熱的機械的損傷の影響を低減することを目的とする。

そこで、本発明は、少なくとも一つの偏平形状をなすバッテリが、拘束された状態でケース内に保持された電池装置において、上記バッテリの内圧がバッテリが開放される圧力より低い圧力である所定の圧力を超えると、上記バッテリを拘束するための圧力を低減もしくは開放する圧力低減手段を有することを特徴としている。

圧力低減手段の例として、上記ケースは、上記バッテリの両側を拘束する一対のプレートと、これら一対のプレートの周縁部で、上記バッテリセルを挟んで上記一対のプレートを固定する固定ボルト等の固定具と、を有し、上記一対のプレートと固定具の少なくとも一方に、上記バッテリの内圧が上記所定の圧力を超えると、上記プレートの移動を許容するように変形して、上記バッテリを拘束するための圧力を低減もしくは開放する脆弱部が設けられている。

この脆弱部は、好ましくは、上記ケースのうち、上記バッテリの端子が設けられる側と反対側の端部にのみ限定して設けられている。これによって、電流の取り付け部側であるバッテリの端子の近傍の変形が抑制され、短絡等の弊害を生じることを抑制・回避することができる。

本発明によれば、エネルギー開放時間を長くすることで、熱暴走反応の激しさをマイルドにすることができ、熱的機械的損傷の影響を低減することができる。

電池装置が適用される電気自動車を示す側面図。 この電気自動車を示す上面図。 本発明の第１実施例に係る電池装置（バッテリモジュール）を示す断面対応図。 本発明の第２実施例に係る電池装置（バッテリパック）を示す断面対応図。 上記第２実施例の上側プレートを示す上面図。 上記第２実施例の電池装置（バッテリパック）の内圧上昇時の状態を誇張して描いた説明図。 上記第２実施例の上側プレートの梁が枠体から外れる態様を誇張して描いた説明図。 本発明の第２実施例の変形例１の電池装置（バッテリパック）を示す断面対応図。 上記第２実施例の変形例２の電池装置（バッテリパック）の圧力解放時の状態を誇張して描いた説明図。 本発明の第２実施例又はその変形例１，２に係る電池装置（バッテリパック）のプレートの変形例を示す平面図。 本発明の第３実施例に係る電池装置（バッテリモジュール）を示す断面対応図。

以下、この発明を電気自動車用の電池装置に適用した実施例について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１および図２は、後述する実施例のバッテリパック１が適用される電気自動車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のエネルギー源となるバッテリパック１は、例えば、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る。

図３は、本発明の第１実施例に係る「電池装置」としてのバッテリモジュール１０を示している。なお、以下の説明では、便宜上、積層方向Ｐ（図３参照）に沿う方向を上下方向として説明しているが、これは必ずしも車載状態での上下方向を意味するものではない。

このバッテリモジュール１０は、第１実施例に係る「バッテリ」としてのバッテリセル１１を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上述したバッテリパック１（図１，図２参照）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１０がバッテリパック１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。

このバッテリモジュール１０は、偏平形状をなす複数個（例えば４個）のバッテリセル１１を、その板厚方向に沿う積層方向Ｐ（図３の上下方向）に積層し、かつ、この積層方向Ｐに加圧・拘束した状態で、ケース１４内に収容・保持したものである。

バッテリセル１１は、例えば、図示しないが一般的なラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池を使用することが出来る。例えば、シート状の正極板と負極板とをセパレータを介して積層してなる発電要素を、電解質とともにフレキシブルなラミネートフィルムからなる外装体の内部に密封した偏平形状のリチウムイオン二次電池である。このリチウムイオン二次電池は複数個（図３では４個）積層したものであり、その一辺より電流取り出し部としての正極・負極の端子１２が導出されている。なお、図示していないが正極・負極の端子１２は直列又は並列又は直並列に接続されてユニット化されている。
また、バッテリセル１１、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圧力逃し弁を設けるようにしても良い。

ケース１４は、側壁１３と、複数のバッテリセル１１の積層方向Ｐの上下両側を拘束・加圧する一対のプレートである下側プレート１５及び上側プレート１６と、つめ部１７と、つめ部１７と側壁１３を固定するボルト及びナットにより構成され、プレート１５，１６の周縁の傾斜部（ケース１４の外側に行くほど広がっている）でつめ部１７により積層方向Ｐに互いに結合して固定した構造となっている。つめ部１７は、バッテリセル１１の内圧が増加することにより折れ曲がり、上側プレート１６又は下側プレート１５が外れ、以降は拘束力がかからない機構になっている。

そして本実施例では、バッテリセル１１の内圧が少なくとも圧力逃し弁によるシール解放時にかかる圧力よりも弱い所定の圧力を超えると、バッテリセル１１を積層方向Ｐに拘束するための圧力を低減もしくは開放する圧力低減手段として構成されている。これにより、エネルギー開放時間を長くすることで、熱暴走反応の激しさをマイルドにすることができ、電池システム等の上位システムに与える熱的機械的損傷の影響を低減することができる。

次に、図４〜図７を用いて、第２実施例を説明する。第１実施例ではバッテリセル１１（バッテリ）を用いてバッテリモジュール１０（電池装置）を構成したが、第２実施例ではバッテリモジュール１１１（バッテリ）を用いてバッテリパック１１０（電池装置）に本発明を適用したものである。まず、図４、図５を用いて構成を説明する。バッテリセル（例えば第１実施例のバッテリセル１１）を複数個、正極・負極の電極面と直行する方向に積層しケース１１４に格納したバッテリモジュール１１１はバッテリセルの正極・負極の電極面と直行する方向に複数個積層され、パックケース１１４の内部に格納される。パックケース１１４は、複数のバッテリモジュール１１１の積層方向Ｐの上下両側を拘束・加圧する一対のプレートである下側プレート１１５と上側プレート１１６とを、周縁部で固定した構造となっている。固定ボルト１１７は、下側プレート１１５に固定されるスタッドボルトであり、複数のバッテリモジュール１１１及び上側プレート１１６を挿通させた後、ナット１１８を締め付けて共締め固定される。

なお、バッテリモジュール１１１は、固定ボルト１１７が挿通する周縁部が中央部よりも若干厚肉化されており、通常の状態では、隣り合うバッテリモジュール１１１の中央部に隙間１１９が確保されている。
そして、パックケース１１４のうち上側プレート１１６は、図５に示すように、この上側プレート１１６の周縁部を構成する枠体１２０と、この枠体１２０を横断するように架け渡される筋交形状の梁１２１と、を有している。枠体１２０の内周縁部の下方側には、断面Ｌ字状に切り欠いた形状をなす係止部１２２が形成されており、この係止部１２２に、梁１２１の両端が下方側より係止する構造となっている。

バッテリモジュール１１１を積層方向Ｐに適宜に加圧・拘束することができるように、梁１２１の本数や形状が設定されており、例えば図５に示すように、枠体１２０を斜めに横切る梁などを適宜に組み合わせて構成されている。そして、図６に示すように、何らかの理由によって一部のバッテリセルが膨張しバッテリモジュール１１１（図６の例では最上段のバッテリモジュール１１１）も膨張すると、これに伴って梁１２１が撓み変形していき、バッテリモジュール１１１の内圧が所定の圧力を超えると、図７に示すように、撓み変形した梁１２１が枠体１２０の係止部１２２から外れる。これによって、エネルギー開放時間を長くすることで、熱暴走反応の激しさをマイルドにすることができ、電池システム等の上位システムに与える熱的機械的損傷の影響を低減することができる。

以下の実施例では、既述した実施例と同じ構成要素には同じ参照符号を付し、重複する説明を適宜省略する。図８は、本発明の第２実施例の変形例に係るバッテリパック１１０Ａのパックケース１１４を示している。このパックケース１１４では、上側プレート１１６Ａも下側プレート１５と同様に単純な板形状をなしている。また、固定ボルト１１７の両端がナット１１８により締め付けられる構造となっている。そして、圧力低減手段として、上側プレート１１６Ａ及び下側プレート１１５には、内圧が所定の圧力（シール解放時にかかる圧力よりも弱い圧力）を超えると、変形もしくは破断して内圧を低減もしくは開放するプレート側脆弱部１２４が設けられている。

このプレート側脆弱部１２４は、上側プレート１１６Ａの上側及び下側プレート１１５の下側に断面三角形状に切り欠かれた形状をなしており、他の一般部に比して脆いものの、たとえば、通常劣化の許容変形幅の三倍以上の変形時に折れるように設定されていると良い。

また、このプレート側脆弱部１２４には、振動等による脆化抑制のために、合成樹脂等の充填剤が充填されている。但し、振動等による脆化のおそれがないような場合には、充填材を充填しない構成としても良い。

同様に、固定ボルト１１７には、圧力低減手段として、内圧が所定の圧力（シール解放時にかかる圧力よりも弱い圧力）を超えると破断して内圧を開放するボルト側脆弱部１２５が設けられている。このボルト側脆弱部１２５もまた、上側プレート１１６Ａ及び下側プレート１１５の近傍の外周面に断面三角形状に切り込みを入れた形状をなしており、他の一般部に比して脆いものの、通常劣化の許容変形幅の三倍以上の変形時に折れるように設定されている。

また、このボルト側脆弱部１２５にも、振動等による脆化抑制のために、合成樹脂等の充填剤が充填されている。但し、振動等による脆化のおそれがないような場合には、充填材を埋めない構成としても良い。

なお、各バッテリモジュールの電流取り出し部である端子１１２は直列又は並列又は緒並列に接続されユニット化されている。

ここで、端子１１２やバスバー（図示省略）から遠い図８の右側の端部の近傍にのみ、上記のプレート側脆弱部１２４やボルト側脆弱部１２５を設けるようにしても良い。これによって、パックケース１１４の変形時にも、電流取り出し部側の変形が抑制されるために、短絡等の弊害を生じること更に確実に抑制・回避することができる。

なお、上記のボルト側脆弱部１２５に代えて、固定ボルト１１７の材料やナット１１８の厚みを適切に選定し、内圧が所定の圧力（シール解放時にかかる圧力よりも弱い圧力）を超えると、図９に示す第２実施例の変形例２のように、ネジ山が潰れてナット１１８が外れ、固定を解除するようにしても良い。次に、図１０を参照して第２実施例又はその変形例１，２に係る電池装置（バッテリパック）のプレートの変形例を説明する。図１０では、第２実施例又はその変形例の圧力低減手段として、上側プレート１１６Ｂ及び下側プレート１１５Ｂがラプチャーディスクとして構成されている。図１０の上側プレート１１６Ｂを例にとって説明すると、上側プレート１１６Ｂの中央部分には、下側（つまり、バッテリモジュール１１１側）に凹んだ変形部（脆弱部）１２６が設けられており、内圧が所定の圧力（シール解放時にかかる圧力よりも弱い圧力）を超えると、中央の変形部１２６が上方向に凸に反転するように変形することで、加圧力を速やかに低減することができる。

この変形例として、上側プレート１１６Ｂ及び下側プレート１１５Ｂの中央部分にミシン目のような破断ライン１２６Ａを設けて、内圧が所定の圧力（シール解放時にかかる圧力よりも弱い圧力）を超えると、破断ライン１２６Ａが破れて中央部分が脱落し、バッテリモジュール１１１に対する積層方向Ｐの加圧力を速やかに低減・開放するように構成しても良い。図１１は本発明の第３実施例に係るバッテリモジュール１０Ｃ（電池装置）を示している。このバッテリモジュール１０Ｃのケース１４Ｃは、アルミ合金からなる箱状の筐体をなしており、このケース１４Ｃの内部に、複数個（この実施例では６個）のバッテリセル１１Ｃ（バッテリ）が板厚に沿う積層方向Ｐに積層した状態で拘束・保持されている。バッテリセル１１Ｃの両端部は合成樹脂製のセル支持体２７，２８により保持されている。具体的には、バッテリセル１１Ｃの一端部から導出された電極端子２９が一方のセル支持体２７により保持され、バッテリセル１１Ｃの電流取り出し端子である端子２９と反対側のバッテリセル１１Ｃの他端部では、ラミネートフィルムからなる外装体の端部３０が他方のセル支持体２８により保持されている。バッテリセル１１Ｃの端子２９はバスバー３１に接続されており、このバスバー３１には、ケース１４の外部に導出されたバッテリモジュール１０Cの電流取り出し部である端子１１２Ｃが接続されている。

そして、バッテリセル１１Cの内力をアクティブに検出する検出手段として、この実施例では、端子２９と反対側のセル支持体２８に、シート状の圧力センサ３２が取り付けられている。定常時には、端子２９と反対側のセル支持体２８とバッテリセル１１Ｃの端部との間には適宜な隙間３３が確保されているために、圧力センサ３２がバッテリセル１１Ｃに押圧されることはないが、バッテリセル１１Ｃの膨張によってバッテリセル１１が積層方向Ｐに加圧されるときには、セル支持体２７，２８が圧力センサ３２と接触して、内圧に対応する検出値が検知される。なお、圧力センサ３２の設置位置としては、隣り合うバッテリセル間やの第２実施例のバッテリモジュール間でも良い。

そして、検出値が所定のしきい値（圧力逃し弁が作動する開封圧力よりも低い圧力に対応する値）を超えると、適宜な圧力低減手段を作動させて、バッテリセル１１Ｃを積層方向Ｐに拘束するための圧力を低減もしくは開放するように構成している。この圧力低減手段としては、図示していないが、例えばエアバック等で用いられているように火薬を用いてケース１４の一部を変形もしくは破壊するものなどを用いることができる。

圧力低減手段を作動させる圧力センサのセンサ指示値の動作レベルの一例としては、設計上の最大値から十分なマージンを見込んだ状態よりも大きく、かつ、圧力逃がし弁（開裂弁）によりバッテリセルが開封する状態よりも十分に低い範囲に設定される。従って、バッテリセルが開封する前にバッテリセルへの拘束圧力が開放されることとなる。

これにより、エネルギー開放時間を長くすることで、熱暴走反応の激しさをマイルドにすることができ、電池システム等の上位システムに与える熱的機械的損傷の影響を低減することができる。

なお、検出手段としては、圧力センサの他、バッテリセルの膨張等に起因するバッテリモジュールの内圧に関連する検出値を検出できるものであれば良く、例えばバッテリセルの発熱，膨張，電圧降下等を検知可能なセンサを用いることができる。

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、圧力低減手段として、バッテリケースをアルミ合金により形成するとともに、その一部を巻き締め構造として、内圧が所定の圧力を超えると、巻き締め部分の拘束が外れる構造としても良い。また、上記実施例では電気自動車用のバッテリモジュールに本発明を適用した例を説明したが、これ以外の用途、例えば定置用電源のバッテリモジュールにも同様に適用し得る。

また、上記第１，３実施例では複数のバッテリセルを積層したバッテリモジュールに本発明を適用しているが、単一のバッテリセルをケースで拘束したものにも本発明を同様に適用することができるし、第２実施例又はその変形例のバッテリパックも単一のバッテリモジュールに適用することができる。また、バッテリモジュールを積層したバッテリパックの例に、第１実施例における拘束の方法及び圧力低減手段を適用することができるし、反対に、バッテリセルを積層したバッテリモジュールに第２実施例やその変形例の拘束の方法及び圧力低減手段を適用することができる。更に、巻回型バッテリセルや九十九折型電極構造のバッテリセルにも本発明を同様に適用可能である。

１…バッテリパック
１１０，１１０A…バッテリパック(電池装置)
１０…バッテリモジュール（電池装置）
１１１…バッテリモジュール(バッテリ)
１１，１１Ｃ…バッテリセル（バッテリ）
１２…端子
１４，１４C…ケース
１１４，１１４A・・・パックケース
１５…下側プレート（プレート）
１６…上側プレート（プレート）
１７・・・つめ部
１１５，１１５Ｂ…下側プレート（プレート）
１１６，１１６Ａ，１１６Ｂ…上側プレート（プレート）
１１７…固定ボルト（固定具）
１２０…枠体
１２１…梁
１２２…係止部
１２４…プレート側脆弱部（脆弱部）
１２５…ボルト側脆弱部（脆弱部）
１２６…変形部（脆弱部）
３２…圧力センサ（検出手段）

Claims (3)

1. 少なくとも一つの偏平形状をなすバッテリが、拘束された状態でケース内に保持された電池装置において、
   上記バッテリの内圧が上記バッテリが開放される圧力より低い圧力である所定の圧力を超えると、上記バッテリを拘束するための圧力を低減もしくは開放する圧力低減手段を有し、
   上記ケースは、上記バッテリの両側を拘束する一対のプレートと、これら一対のプレートの周縁部で、上記バッテリを挟んで上記一対のプレートを固定する固定具と、を有し、
   上記圧力低減手段として上記一対のプレートと固定具の少なくとも一方に、上記バッテリの内圧が上記所定の圧力を超えると変形して、上記バッテリを拘束するための圧力を低減もしくは開放する脆弱部が設けられ、
   上記脆弱部が、上記ケースのうち、上記バッテリの端子が設けられる側と反対側の端部にのみ設けられていることを特徴とする電池装置。
2. 上記バッテリは、シート状の正極板と負極板とをセパレータを介して積層し、ラミネートフィルムからなる外装体内に電解質と共に格納した少なくとも一つのバッテリセルであり、
   上記バッテリセルを拘束する方向が、上記正極板及び負極板の電極面と直交する方向であることを特徴とする請求項１に記載の電池装置。
3. 上記バッテリは、シート状の正極板と負極板とをセパレータを介して積層し、ラミネートフィルムからなる外装体内に電解質と共に格納した少なくとも一つのバッテリセルをケース内に格納したバッテリモジュールであり、
   上記バッテリモジュールを拘束する方向が、上記正極板及び負極板の電極面と直交する方向であることを特徴とする請求項１に記載の電池装置。

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