JP6897730B2 - バッテリパックの圧力開放弁 - Google Patents

Description

この発明は、複数のバッテリをパックケース内に収容したバッテリパックの圧力開放弁、特に、電気自動車の動力源となるような比較的大容量のバッテリパックの圧力開放弁に関する。

例えば電気自動車に用いられるバッテリパックは、雨水や塵埃等の内部への進入を防止するために、パックケースが実質的に密閉された状態に構成される。つまり、充放電や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、比較的少量の空気の出入りを許容するいわゆる呼吸孔等を介してパックケース内外が僅かに連通されているものの、基本的にはパックケースが密閉された状態となっている。

一方、バッテリの内部短絡等によって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は、バッテリパックの内部圧力を速やかに逃がすことが必要である。特許文献１には、バッテリパックの一部に開口部を設けるとともに、スリット状の破断部を備えた金属製の薄板からなる封止板によってこの開口部を覆ってなる圧力開放弁が開示されている。このものでは、バッテリパック内の圧力が急激に上昇すると、破断部を起点として封止板が破断し、開口部が開放されて、内部のガスの放出が行われる。

特開２０１４−４１８４１号公報

高温高圧のガスの急激な噴出やバッテリパック内部での酸化反応の抑制のためには、バッテリからガスが発生し始めた初期の段階つまりバッテリパック内部の圧力が比較的低い段階で圧力開放弁が開放されることが望ましい。このためには、開口部を覆う封止板を例えば薄い金属箔などから形成し、僅かな圧力差で破断するように構成する必要がある。

しかしながら、このように封止板を僅かな圧力差で破断するように強度が低いものとすると、洗車水等の水圧や風圧などによってパックケースの外側から逆方向に僅かな圧力差が作用したときにも封止板が破断ないし変形してしまう懸念が生じ、結果的に、圧力開放の設定圧を十分に低く設定することが困難であった。

本発明に係るバッテリパックの圧力開放弁は、
実質的に密閉されたパックケース内に複数のバッテリ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内部空間と外部空間とを連通するように上記パックケースの壁を貫通して形成され、かつ所定の領域に密集して配置された複数の小孔と、
上記の所定の領域を覆うように上記壁の外側面に重ねて配置され、かつ所定の圧力差によって破断するシート状部材と、
を備えてなり、
上記シート状部材と上記壁の外側面とが、パックケース内部のガス圧力をシート状部材が受けたときに当該シート状部材が剥離可能な接着強度でもって互いに接着されている。

このような構成では、ガス発生時の圧力差によって破断するシート状部材が、その内側面から小孔を有するパックケースの壁でもって支持されるため、逆方向の圧力差によっては変形あるいは破断しない。従って、シート状部材が破断する設定圧を比較的低く設定することが可能となる。ガス発生時には、複数の小孔を通してシート状部材にガス圧力が作用するので、シート状部材が壁から離れて破断に至る。

本発明によれば、洗車水等の水圧や風圧などによってシート状部材に対しパックケースの外側から逆方向に圧力差が作用したときに、シート状部材の変形や破断が生じることがなく、従って、ガス発生時にシート状部材が破断する設定圧を十分に低く設定することが可能となる。

参考例のバッテリパックの外観斜視図。 パックケースアッパを取り除いてバッテリパック内部の構成を示した斜視図。 圧力開放弁の参考例を示すパックケース要部の斜視図。 パックケースの内側から見た圧力開放弁の平面図。 圧力開放弁の分解斜視図。 圧力開放弁の断面図。 切り込み刃を付加した変形例を示す斜視図。 シート状部材に十字形に溝を設けた変形例を示す斜視図。 シート状部材の周囲に円形に溝を設けた変形例を示す斜視図。 本発明の圧力開放弁の一実施例を示すパックケース要部の平面図。 実施例の圧力開放弁の分解斜視図。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明が適用される電気自動車用のバッテリパック１を示す斜視図である。このバッテリパック１は、略矩形の箱状をなすパックケース２内に多数のバッテリ３（図２参照）を収容したものであって、パックケース２は、下側部分を構成するトレイ状のパックケースロア４と、上側部分を構成するパックケースアッパ５と、から構成されている。パックケースロア４およびパックケースアッパ５は、それぞれ適宜な板厚の鋼板をプレス成形することでトレイ形状に形成されており、周縁部において互いに接合され、かつ図示しないボルト等によって互いに結合されている。両者の接合面は液体ガスケット等の適宜なシール材によってシールされており、これによって、パックケース２内は、外部からの雨水や塵埃等の侵入を防ぐように、実質的に密閉された状態となっている。なお、充放電や温度変化などに伴うパックケース２内の圧力変化を回避するために、例えば図示しない呼吸孔等を介して比較的少量の空気の出入りは許容されている。

図２は、パックケースアッパ５を取り除いた状態でバッテリパック１の内部の構成を示している。この実施例においては、各々のバッテリ３は、外装体としてラミネートフィルムでシールされた平坦な形状のリチウムイオンセルを、複数個（例えば４個）重ねて箱状の金属ケース内に収容したバッテリモジュールとして構成されている。偏平な直方体形状をなす複数個のバッテリ３は、パックケース２の長手方向（図中のＹ方向）の一端部においては、いわゆる縦置きに複数個並べて配置されており、パックケース２の残部の領域においては、いわゆる平積み形式に並べて配置されている。パックケース２の長手方向の他端部には、冷却ファン６やジャンクションボックス７等が配置されている。

図２に明らかなように、バッテリ３を縦置きとした領域では、バッテリ３を平積み形式に並べた領域に比較して、上下方向（図中のＺ方向）の寸法が大きなものとなる。図１に示すように、パックケースアッパ５の天井面は、このようなバッテリ３の配置の凹凸に対応した形状に構成されている。

本発明の圧力開放機構１１は、パックケース２の任意の位置に設けることができるが、一実施例においては、パックケースアッパ５の略中央部に圧力開放弁１１が配置されている。

図３〜図６は、圧力開放弁１１の参考例を示している。この圧力開放弁１１は、パックケース２の内部空間と外部空間とを連通するようにパックケースアッパ５の壁５Ａに開口形成された円形の開口部１２と、この開口部１２を覆うように配置され、かつ所定の圧力差によって破断するシート状部材１３と、このシート状部材１３を内側から補強する通気性を有する補強板１４と、を主体として構成されている。

上記シート状部材１３は、アルミニウム、銅、ステンレススチール、真鍮、などの金属の箔、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、などの合成樹脂の薄板ないしシート、アルミナ、ジルコニア、などのセラミックスの薄板、などから構成されている。一実施例では、比較的小さな圧力差でもって破断し得るように、厚さが０．０５ｍｍのアルミニウム箔が用いられている。

上記補強板１４は、アルミニウム、銅、ステンレススチール、などの金属材料、アルミナ、ジルコニア、などのセラミックス材料、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイドなどの合成樹脂材料、天然繊維、などを用いて、多孔板、網、メッシュ（平織、綾織など）、多孔体、発泡体、多孔質焼結体、などの通気性と適度な剛性とを有する形態に構成したものである。一例では、厚さが１ｍｍのステンレススチール板に多数の小孔１４ａを打ち抜き形成したパンチングメタルが用いられている。なお、このパンチングメタルからなる補強板１４は、アルミニウム箔からなるシート状部材１３よりも強度が高く、かつ鋼板からなるパックケースアッパ５の壁５Ａよりは強度が低いものとなる。

上記のシート状部材１３および補強板１４は、図５に示すように、それぞれ開口部１２よりも僅かに大きな径の円形に形成されており、補強板１４がシート状部材１３の内側に位置するように互いに重ねられた上で、円環状のフロントプレート１５およびリヤプレート１６を介して壁５Ａの外側面上に固定されている。壁５Ａの外側面と補強板１４周縁部との間には、円環状のシート状をなすゴムパッキング１７が介装され、シート状部材１３周縁部とフロントプレート１５との間には、円環状のゴムパッキング１８が介装されている。壁５Ａの外側に位置するフロントプレート１５と壁５Ａの内側に位置するリヤプレート１６とは、複数本例えば４本のネジ２０によって互いに締結されており、この両者の締付によって、シート状部材１３および補強板１４がゴムパッキング１７，１８とともに挟持されている。ネジ２０は、ゴムパッキング１７の貫通孔２１および壁５Ａの貫通孔２２を貫通し、かつ、リヤプレート１６のネジ孔２３に螺合している。円形をなすシート状部材１３および補強板１４は、４本のネジ２０で囲まれることにより径方向に位置決めされている。

ここで、シート状部材１３と補強板１４とは、単に重ね合わせるだけでもよいが、好ましくは、パックケース２内部のガス圧力を受けたときに容易に剥離し得る比較的弱い接着強度でもって互いに接着しておくとよい。このように互いに接着しておくことで、車両走行振動などに起因した両者間の振動が抑制される。

上記のように構成された圧力開放弁１１においては、セルの内部短絡などによってガスが発生し、パックケース２内の圧力が上昇すると、シート状部材１３が補強板１４から離れて膨張し、やがて破断して開口部１２が開放される。これにより、パックケース２内の高温高圧のガスが放出され、過度の高圧化が回避される。上記実施例では、シート状部材１３の破断が生じる設定圧が比較的低く設定されており、セルからのガスの放出が始まった比較的初期の段階でパックケース２内から内部の空気（つまり酸素）とともにガスを外部へ放出できるので、パックケース２内部での急激な酸化の進行を抑制することができる。

ここで、補強板１４は、シート状部材１３の内側面に重ねられているものの、パンチングメタル等として十分な通気性を有しているので、パックケース２内の圧力が補強板１４を通してシート状部材１３に確実に作用する。なお、補強板１４の強度はパックケース２の壁５Ａの強度よりは低いので、圧力上昇の程度が急激な場合には、シート状部材１３が破断した後に、パックケース２内の圧力によってさらに補強板１４が破断することもあり得る。

一方、通常の使用時には、シート状部材１３が補強板１４によって内側から支持されているため、パックケース２の外側から例えば洗車水が衝突したり大きな風圧が作用したとしても、シート状部材１３の内側への変形が抑制され、破断に至ることがない。

なお、上記のパンチングメタルの場合、補強板１４に開口形成される多数の小孔１４ａの径は、外側からの圧力に対してシート状部材１３が破断しない耐圧性の観点から、その最大径が定まる。例えば、シート状部材１３が前述した厚さ０．０５ｍｍのアルミニウム箔であれば、シート状部材１３が破断しないために必要な耐圧性を３．２ｋＰａとしたときに、最大径が約１５ｍｍとなる。従って、パンチングメタルからなる補強板１４の小孔１４ａの径を１５ｍｍよりも小さいものとすれば、外側から加わる３．２ｋＰａの圧力に耐えることができる。

次に、図７は、シート状部材１３の周縁部の表面に対向して切り込み刃３１を付加した変形例を示している。切り込み刃３１は、帯状金属片を略Ｌ字形に折り曲げ、先端に略三角形の鋭端部３１ａを形成したものであり、圧力開放弁１１を組み立てる前述のネジ２０の１本を利用して、フロントプレート１５の上に重ねて固定されている。鋭端部３１ａは、シート状部材１３の周縁部の表面に対向して位置しており、初期状態では、シート状部材１３の表面に接触しないものの十分に接近した状態となっている。

この例においては、パックケース２内の圧力が上昇してシート状部材１３が外側に僅かに膨らんだ段階において、該シート状部材１３が鋭端部３１ａに接触する。これにより、鋭端部３１ａを起点としてシート状部材１３の破断が生じる。従って、所望の圧力においてより確実にシート状部材１３の破断つまりは圧力開放弁１１の開放動作を生じさせることができる。特に、圧力が上昇し始めてからシート状部材１３が破断するまでの遅れが小さくなる。

次に、図８および図９は、シート状部材１３の一部に破断を促進する脆弱部を設けた例を示している。図８の例では、シート状部材１３の表面に、脆弱部となる凹溝３５が十字形に形成されている。図９の例では、シート状部材１３の表面に、脆弱部となる凹溝３６がゴムパッキング１８の内周に沿って円形に形成されている。

この例においては、パックケース２内の圧力が上昇してシート状部材１３が外側に僅かに膨らんだ段階において、脆弱部である凹溝３５，３６を起点としてシート状部材１３の破断が生じる。従って、図７の例と同様に、所望の圧力においてより確実にシート状部材１３の破断つまりは圧力開放弁１１の開放動作を生じさせることができる。特に、圧力が上昇し始めてからシート状部材１３が破断するまでの遅れが小さくなる。

なお、脆弱部としては、線状に連続したものでなくともよく、点線のように並んで配置した点状のもの、あるいは離散配置した点状のもの、などであってもよい。

次に、図１０および図１１に基づいて、本発明に係る圧力開放弁１１の実施例を説明する。この実施例は、パックケース２の壁５Ａ自体を補強板として利用するようにしたものであって、パックケース２の内部空間と外部空間とを連通するように壁５Ａを貫通して多数の小孔５１が形成されている。この多数の小孔５１は、壁５Ａの所定の領域に密集して配置されており、図示例では、正方形をなす領域５２に小孔５１が行列状に並べられている。一つの例では、直径２〜３ｍｍ程度の小孔５１が、２９個×２９個（総計８４１個）の形で配列されている。

そして、小孔５１を配置した領域５２を覆うように、領域５２と同じ大きさの正方形をなすシート状部材５３が壁５Ａの外側面に重ねて配置されている。このシート状部材５３は、前述した参考例のシート状部材１３と同様に、アルミニウム、銅、ステンレススチール、真鍮、などの金属の箔、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、などの合成樹脂の薄板ないしシート、アルミナ、ジルコニア、などのセラミックスの薄板、などから構成されている。一実施例では、比較的小さな圧力差でもって破断し得るように、厚さが０．０５ｍｍのアルミニウム箔が用いられている。

上記シート状部材５３は、図１１に示すように、矩形のフレーム状をなすフロントプレート５５を複数本例えば８本のネジ６０でもって壁５Ａに取り付けることにより、壁５Ａの外側面上に固定されている。フロントプレート５５とシート状部材５３周縁部との間には、シート状をなすゴムパッキング５７が介装されている。ネジ６０は、ゴムパッキング５７の貫通孔６１を貫通し、かつ壁５Ａに形成したネジ孔６３に螺合している。シート状部材５３は、周囲を複数のネジ６０で囲まれることにより所定位置に位置決めされている。なお、壁５Ａにネジ孔６３を加工することが困難な場合には、前述した参考例と同様に壁５Ａの内側にリヤプレートを設けるようにしてもよい。

また、シート状部材５３は、壁５Ａの外側面に単に重ね合わせるだけでもよいが、前述した参考例と同じく、好ましくは、パックケース２内部のガス圧力を受けたときに容易に剥離し得る比較的弱い接着強度でもって互いに接着しておくとよい。このように互いに接着しておくことで、車両走行振動などに起因したシート状部材５３の振動が抑制される。

上記のように構成された実施例の圧力開放弁１１も参考例と同様に作用する。すなわち、セルの内部短絡などによってガスが発生し、パックケース２内の圧力が上昇すると、シート状部材５３が壁５Ａから離れて膨張し、やがて破断して小孔５１が開放される。これにより、パックケース２内の高温高圧のガスが放出され、過度の高圧化が回避される。シート状部材５３の破断が生じる設定圧は比較的低く設定されており、セルからのガスの放出が始まった比較的初期の段階でパックケース２内から内部の空気（つまり酸素）とともにガスを外部へ放出することができ、これにより、パックケース２内部での急激な酸化の進行を抑制することができる。

ここで、壁５Ａにはパンチングメタルと同様に多数の小孔５１が設けられているので、パックケース２内の圧力が多数の小孔５１を通してシート状部材５３に確実に作用する。

一方、通常の使用時には、シート状部材５３がパンチングメタル状の壁５Ａによって内側から支持されているため、パックケース２の外側から例えば洗車水が衝突したり大きな風圧が作用したとしても、シート状部材５３の内側への変形が抑制され、破断に至ることがない。

なお、壁５Ａに形成される小孔５１の個々の径は、前述した参考例と同じく、外側からの圧力に対してシート状部材１３が破断しない耐圧性の観点から、その最大径が定まる。そして、小孔５１の個数は、複数の小孔５１による開口面積の総和が、ガスの放出に必要な開口面積と等しくなるように設定される。

図示はしないが、図７に示したような切り込み刃や図８，図９に示したような脆弱部を第２実施例においても同様に設けることが可能である。

また、上記のように構成される圧力開放弁１１をパックケース２に複数個設けることも可能である。

２…パックケース
５…パックケースアッパ
５Ａ…壁
１１…圧力開放弁
１２…開口部
１３…シート状部材
１４…補強板
３１…切り込み刃
３５，３６…凹溝
５１…小孔
５３…シート状部材

Claims (1)

1. 実質的に密閉されたパックケース内に複数のバッテリ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内部空間と外部空間とを連通するように上記パックケースの壁を貫通して形成され、かつ所定の領域に密集して配置された複数の小孔と、
   上記の所定の領域を覆うように上記壁の外側面に重ねて配置され、かつ所定の圧力差によって破断するシート状部材と、
   を備えてなり、
   上記シート状部材と上記壁の外側面とが、パックケース内部のガス圧力をシート状部材が受けたときに当該シート状部材が剥離可能な接着強度でもって互いに接着されている、
   バッテリパックの圧力開放弁。

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