JP7388233B2

JP7388233B2 - 電池装置

Info

Publication number: JP7388233B2
Application number: JP2020025249A
Authority: JP
Inventors: 慎吾河原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-02-18
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2023-11-29
Anticipated expiration: 2040-02-18
Also published as: JP2021131936A

Description

本発明は、電池装置に関するものである。

従来から、車両用電源として複数の電池セルから構成される組電池が利用されている。車両用電源として利用される組電池は、端子間電圧が百Ｖ以上の高電圧となるため、車両の水没時における対策が必要とされている。例えば、特許文献１では、電池パック内に水溜部を設け、組電池は、その水溜部よりも高い位置に配置させていた。これにより、組電池の水没を抑制することができる。

特開２０１７－１０７７９号公報

しかしながら、水溜部の容量は限られており、水溜部の容量以上の水が浸入した場合、組電池の端子間が短絡し、大電流が流れてしまう虞があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、水没時の安全を確保できる電池装置を提供することにある。

上記課題を解決するための第１の手段は、電力を入出力可能な電池装置は、電気的に接続可能な部位であって、電位が異なる複数の部位を備え、複数の前記部位は、所定の電気経路を介して互いに接続されているものであり、複数の前記部位には、前記各部位のうち最も低い電位を有する第１部位と、前記第１部位の電位に対して電位が異なる部位が少なくとも２以上含まれ、前記第１部位と前記第１部位に対して最も電位差が大きくなる第２部位のうち、少なくともいずれか一方は、上下方向において、複数の前記部位のうち、前記第１部位及び前記第２部位以外の他の部位以上の高さとなるように配置されている。

水没した際、所定の電気経路以外で、各部位のうち最も低い電位を有する第１部位と第１部位に対して最も電位差が大きくなる第２部位とが、水を介して通電し、短絡してしまうと、その電位差により、他の部位間で短絡した場合に比較して、漏電により大電流が流れる虞がある。このため、水没によりいずれかの部位間で短絡してしまうのであれば、電位差が小さい部位間が先に短絡してしまうことが望ましい。つまり、電位差が小さい部位間が先に短絡すれば、第１部位と第２部位との間の電位差も低くなる、もしくは電位差がなくなり、そのあとに水を介して第１部位と第２部位との間で短絡しても、大電流が流れることを防止できる。

そこで、第１部位と第２部位のうち、少なくともいずれか一方を、上下方向において、第１部位及び第２部位以外の他の部位以上の高さとなるように配置した。これにより、第１部位と第２部位とが両方とも水没して、通電可能となる前に、または同時に、電位差が低い部位の組み合わせが水没して、短絡することとなる。したがって、電位差が小さい部位間を先に、又は同時に短絡させてしまうことが可能となる。これにより、電池装置が水没したとしても大電流が流れることを抑制し、安全を確保することができる。

電池パック及び電源経路を示す構成図。比較例における水没時の電池パックを示す構成図。比較例における水没時の電池パックの回路図。水没時の電池パックを示す構成図。水没時の電池パックの回路図。別例における電池パックを示す構成図。別例における電池パックを示す構成図。別例における電池パックを示す構成図。別例における電池パックを示す構成図。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、例えば電気自動車やＰＨＶ、ＨＶのようなモータを駆動源として走行する車両において、当該車両のモータ等の各種機器に電力を供給する車載電源として利用される電池装置として具体化するものとしている。なお、エンジンを駆動源として走行する車両の車載電源として利用される電池装置として具現化してもよい。

図１は、電池装置としての電池パック１０の概略構成図である。電池パック１０は、組電池２０と、組電池２０を収容する電池ケースとしての電池パック筐体３０と、を備える。

組電池２０は、例えば百Ｖ以上となる端子間電圧を有し、複数の電池セル２１が直列接続されて構成されている。電池セル２１として、例えば、リチウムイオン蓄電池や、ニッケル水素蓄電池を用いることができる。各電池セル２１は、電解質と複数の電極とを有する蓄電池であり、電源端子２２間の電圧は、２．５～４Ｖ程度である。なお、図１では、図面の都合上、電池セル２１の数を３つとしているが、接続する電池セル２１の数は任意である。

図１に示すように、電池セル２１は、扁平の直方体形状に形成されており、その上面において、長手方向両端に、電源端子２２（正極側電源端子２２ａと負極側電源端子２２ｂ）が設けられている。正極側電源端子２２ａと負極側電源端子２２ｂは、電池セル２１から同方向に同程度突出している。そして、複数の電池セル２１は、長手方向に沿って整列されている。その際、隣接する電池セル２１とは、正極側電源端子２２ａと負極側電源端子２２ｂとが互い違いとなるように配置されている。なお、図１において、複数の電池セル２１は、長手方向に整列させているが、側面が重なるように、短手方向に積層されていてもよい。

そして、各電池セル２１が、直列に接続されるように、電池セル２１の正極側電源端子２２ａは、隣接する一方側の電池セル２１の負極側電源端子２２ｂに第１バスバー２３を介して接続されている。そして、電池セル２１の負極側電源端子２２ｂは、同様に、隣接する他方側の電池セル２１の正極側電源端子２２ａに第１バスバー２３を介して接続されている。

また、組電池２０の正極側端子２０ａ（つまり、組電池２０の端部のうち一方に配置されている電池セル２１の正極側電源端子２２ａ）は、正極側の第２バスバー２４ａを介して、電池パック１０の正極側接続端子１０ａに接続されている。同様に、組電池２０の負極側端子２０ｂ（つまり、組電池２０の端部のうち他方に配置されている電池セル２１の負極側電源端子２２ｂ）は、負極側の第２バスバー２４ｂを介して、電池パック１０の負極側接続端子１０ｂに接続されている。

電池パック１０の正極側接続端子１０ａ及び負極側接続端子１０ｂは、電池パック筐体３０の所定位置に設けられている。そして、電池パック１０の正極側接続端子１０ａ及び負極側接続端子１０ｂは、種々の外部機器に接続されている。例えば、正極側接続端子１０ａ及び負極側接続端子１０ｂは、電気負荷１０１に接続されており、電池パック１０は、電気負荷１０１に対して電力を出力可能に構成されている。また、例えば、正極側接続端子１０ａ及び負極側接続端子１０ｂは、インバータ１０２に接続されており、電池パック１０は、インバータ１０２を介して、モータ１０３との間で電力を入出力可能に構成されている。

第１バスバー２３及び第２バスバー２４ａ，２４ｂは、導電性の材料で、薄板状に構成されている。なお、第１バスバー２３及び第２バスバー２４ａ，２４ｂの代わりに、ワイヤーハーネスなどの導体を利用して端子間を接続してもよい。また、第１バスバー２３及び第２バスバー２４ａ，２４ｂにおいて、電源端子２２や接続端子１０ａ，１０ｂとの接続箇所部分以外の部分は、絶縁被膜により覆われていてもよい。

以上により、正極側電源端子２２ａ、負極側電源端子２２ｂ、正極側接続端子１０ａ、負極側接続端子１０ｂ、第１バスバー２３、及び第２バスバー２４ａ，２４ｂは、導電性材料により構成されており、水（不純物を含むもの）などの導体を介して電気的に接続可能な部位である。以下、これらの部位をまとめて接続可能部位と示す場合がある。

また、これらの接続可能部位は、電池パック１０の内部における電源経路Ｌ１において、互いに接続されている。具体的には、直列に接続されている。電源経路Ｌ１は、正極側接続端子１０ａと負極側接続端子１０ｂとの間における電気経路であり、所定の電気経路に相当する。

また、これらの接続可能部位は、すべて同一の電位を有するものではなく、接続可能部位によっては異なる電位を有するものである。具体的には、負極側接続端子１０ｂが最も電位が低く、正極側接続端子１０ａが最も電位が高くなっている。したがって、負極側接続端子１０ｂが第１部位に相当し、正極側接続端子１０ａが第２部位に相当する。

また、負極側接続端子１０ｂと、負極側接続端子１０ｂに接続される負極側の第２バスバー２４ｂと、当該第２バスバー２４ｂに接続される組電池２０の負極側端子２０ｂは、同電位となっている。したがって、負極側の第２バスバー２４ｂと、組電池２０の負極側端子２０ｂも第１部位に相当する。以下、負極側接続端子１０ｂと、負極側の第２バスバー２４ｂと、組電池２０の負極側端子２０ｂを、まとめて第１接続可能部位２０１と示す。

また、正極側接続端子１０ａと、正極側接続端子１０ａに接続される正極側の第２バスバー２４ａと、当該第２バスバー２４ａに接続される組電池２０の正極側端子２０ａは、同電位となっている。したがって、正極側の第２バスバー２４ａと、組電池２０の正極側端子２０ａも第２部位に相当する。以下、正極側接続端子１０ａと、正極側の第２バスバー２４ａと、組電池２０の正極側端子２０ａを、まとめて第２接続可能部位２０２と示す。

一方で、第１接続可能部位２０１及び第２接続可能部位２０２以外の他の接続可能部位（正極側電源端子２２ａ、負極側電源端子２２ｂ、及び第１バスバー２３）は、接続される電池セル２１の電圧により、それぞれ異なる電位を有する。

ところで、車両が水没する場合、電池パック筐体３０の内部に水が浸入する可能性がある。そして、電池パック筐体３０の内部に導体である水が浸入した場合、水を介して端子間が短絡する可能性がある。

この場合、図２に示すように、正極側接続端子１０ａと負極側接続端子１０ｂとが、下方に配置されている場合、電池パック１０において最も電位差が大きい正極側接続端子１０ａと負極側接続端子１０ｂとが水没する可能性がある。この場合、図３の回路図に示すように、正極側接続端子１０ａと負極側接続端子１０ｂとの間でのみ短絡が生じることとなる。なお、図３では、破線により、水を介して短絡していることを示している。この場合、ほかの端子間、例えば、電池セル２１の電源端子２２間において短絡が生じた場合に比較して、大きな電流が流れる虞がある。そこで、本実施形態では、電池パック１０を以下のようにした。

図１に示すように、車両の上下方向において、各電池セル２１の電源端子２２の位置が同じ位置となるように、各電池セル２１を整列させて配置している。そして、電池セル２１の電源端子２２間を接続する第１バスバー２３は、電源端子２２の上下方向における先端部に接続されており、電源端子２２以上の高さとなるように水平方向に直線状に配線されている。

そして、第１接続可能部位２０１及び第２接続可能部位２０２のうち、少なくともいずれか一方が、上下方向において、複数の接続可能部位のうち、第１接続可能部位２０１及び第２接続可能部位２０２以外の他の接続可能部位以上の高さとなるように配置されている。ここで、他の接続可能部位とは、例えば、電源端子２２（ただし、正極側端子２０ａ又は負極側端子２０ｂを除く）や、第１バスバー２３のことである。

より詳しくは、第１接続可能部位２０１及び第２接続可能部位２０２のうち少なくともいずれか一方が、上下方向において、組電池２０の負極側端子２０ｂ及び正極側端子２０ａ以外の電源端子２２以上の高さとなるように配置されていればよい。なお、上下方向において、第１接続可能部位２０１及び第２接続可能部位２０２はそれぞれ一定の高さ（幅）を有している。このため、第１接続可能部位２０１（又は第２接続可能部位２０２）の下限位置が、電源端子２２以上の高さとなっていればよい。

本実施形態では、電池パック１０の正極側接続端子１０ａ及び負極側接続端子１０ｂは、車両の上下方向において、各電池セル２１の電源端子２２よりも高い位置に配置されている。また、電池パック１０の正極側接続端子１０ａ及び負極側接続端子１０ｂは、車両の上下方向において、第１バスバー２３よりも高い位置に配置されている。また、第２バスバー２４ａ，２４ｂは、上下方向において、電源端子２２の先端に接続されており、第１バスバー２３及び電源端子２２以上の高さとなる位置に、配線されている。

本実施形態では、第２バスバー２４ａ，２４ｂの一方の端部は、電源端子２２（正極側端子２０ａ又は負極側端子２０ｂ）の先端に接続されており、当該電源端子２２との接続箇所から上下方向において上方に延びるように配線されている。そして、上下方向において正極側接続端子１０ａ又は負極側接続端子１０ｂの高さ位置と同じ位置にて屈曲し、正極側接続端子１０ａ又は負極側接続端子１０ｂに向かって水平方向に沿って直線状に形成されている。そして、第２バスバー２４ａ，２４ｂの他方の端部が、正極側接続端子１０ａ又は負極側接続端子１０ｂに接続されている。なお、第２バスバー２４ｂは、第１バスバー２３及び電源端子２２以上の高さに配線されていれば、どのような配線形状であってもよい。

これによれば、第１接続可能部位２０１のうち、上下方向において最も下方に配置されている部位は、負極側端子２０ｂである。また、第２接続可能部位２０２のうち、上下方向において最も下方に配置されている部位は、正極側端子２０ａである。そして、説明したように、正極側端子２０ａ及び負極側端子２０ｂは、正極側端子２０ａ及び負極側端子２０ｂ以外の電源端子２２以上の高さとなるように配置されている。

この実施形態の構成によれば、以下の効果を有する。

水没した際、所定の電気経路としての電源経路Ｌ１以外で、水を介して正極側接続端子１０ａと負極側接続端子１０ｂとの間で通電し、短絡してしまうと、その電位差により、他の接続可能部位間（例えば、いずれかの電池セル２１の電源端子２２間）で短絡した場合に比較して、漏電により大電流が流れる虞がある。このため、水没によりいずれかの接続可能部位間で短絡してしまうのであれば、電位差が小さい接続可能部位間が先に短絡してしまうことが望ましい。つまり、電位差が小さい接続可能部位間が先に短絡すれば、正極側接続端子１０ａと負極側接続端子１０ｂとの間の電位差も低くなる、もしくは電位差がなくなり、そのあとに水を介して正極側接続端子１０ａと負極側接続端子１０ｂとの間で短絡しても、大電流が流れることを防止できる。

そこで、各接続可能部位のうち最も低い電位を有する第１接続可能部位２０１と第１部位に対して最も電位差が大きくなる第２接続可能部位２０２のうち、少なくともいずれか一方は、第１接続可能部位２０１及び第２接続可能部位２０２以外の他の接続可能部位以上の高さを有する位置に配置されているようにした。具体的には、電池セル２１の電源端子２２を一番低い位置に配置し、正極側接続端子１０ａ、負極側接続端子１０ｂ、第１バスバー２３及び第２バスバー２４ａ，２４ｂを電源端子２２以上の高さとなるように配置した。

上記構成によれば、電源経路Ｌ１において、接続可能部位のうち、電池セル２１の電源端子２２が、上下方向において最も下方に配置されている。このため、電池パック１０が水没する場合、図４、図５に示すように、電池パック１０の正極側接続端子１０ａと負極側接続端子１０ｂとの間で短絡する前に、いずれかの電池セル２１の電源端子２２間において水を介して短絡させることができる。そして、電源経路Ｌ１のいずれかにおいて短絡させれば、第１接続可能部位２０１と第２接続可能部位２０２との間の電位差を小さくすることができる。このため、その後において、第１接続可能部位２０１と第２接続可能部位２０２とが水没し、短絡したとしても、大電流が流れることを防止することができる。これにより、電池パック１０が水没したとしても大電流が流れることを抑制し、安全を確保することができる。

なお、この実施形態では、すべての電源端子２２が同じ高さ位置にあるため、いずれかの電池セル２１の電源端子２２間で導通可能となると同時に、正極側端子２０ａと負極側端子２０ｂとの間で導通可能となる可能性が高い。しかしながら、図３に示すように、各電池セル２１の内部抵抗は、組電池２０が有する内部抵抗に比較して、小さい。このため、同時に導通可能となった場合、いずれかの電池セル２１の電源端子２２間で短絡し、正極側端子２０ａと負極側端子２０ｂとの間で短絡することはない。

（他の実施形態）
以下に、上記実施形態の別例について説明する。なお、以下では、各実施形態及び別例で互いに同一又は均等である部分には同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

・上記実施形態において、図６に示すように、組電池２０の正極側端子２０ａと負極側端子２０ｂ以外の電源端子２２が最も下方に配置されていてもよい。これによれば、正極側端子２０ａと負極側端子２０ｂ以外の電源端子２２間を先に短絡させることができる。

・上記実施形態において、図７に示すように、第１接続可能部位２０１を、組電池２０の正極側端子２０ａと負極側端子２０ｂ以外のいずれかの電源端子２２以下の高さに配置する一方で、第２接続可能部位２０２を、組電池２０の正極側端子２０ａと負極側端子２０ｂ以外のいずれかの電源端子２２以上の高さに配置するようにしてもよい。第１接続可能部位２０１を、電源端子２２以下の高さに配置するとは、第１接続可能部位２０１の上限位置を電源端子２２以下とするという意味である。このようにすれば、車両が横転し、上下反転したとしても、第１接続可能部位２０１と第２接続可能部位２０２が短絡するよりも前に、又は同時に、電池セル２１の電源端子２２間を短絡させることができる。なお、第１接続可能部位２０１と第２接続可能部位２０２の上下の配置を入れ替えてもよい。

・上記実施形態において、図８に示すように、電池セル２１の上下方向における位置を階段状に異ならせるように変更してもよい。そして、第１接続可能部位２０１を、組電池２０の正極側端子２０ａと負極側端子２０ｂ以外のいずれかの電源端子２２よりも低く配置する一方で、第２接続可能部位２０２を、組電池２０の正極側端子２０ａと負極側端子２０ｂ以外のいずれかの電源端子２２よりも高く配置してもよい。これによれば、車両が上下反転しても、第１接続可能部位２０１と第２接続可能部位２０２が短絡するよりも前に、電池セル２１の電源端子２２間を確実に短絡させることができる。

・上記実施形態において、図９に示すように、第１接続可能部位２０１を、車両の左右方向において、組電池２０の正極側端子２０ａと負極側端子２０ｂ以外のいずれかの電源端子２２と同じ又はそれよりも右側に配置する一方で、第２接続可能部位２０２を、組電池２０の正極側端子２０ａと負極側端子２０ｂ以外のいずれかの電源端子２２と同じ又はそれよりも左側に配置するようにしてもよい。これにより、車両が横転し、横倒しとなったとしても、第１接続可能部位２０１と第２接続可能部位２０２が短絡するよりも前に、又は同時に、電池セル２１の電源端子２２間を短絡させることができる。なお、第１接続可能部位２０１と第２接続可能部位２０２の左右の配置を入れ替えてもよい。

・上記実施形態において、電池パック筐体３０の内部を、絶縁性の液体冷媒で満たし、各電池セル２１を液体冷媒に浸漬してもよい。

・上下実施形態において、組電池２０は、複数の電池セル２１の一部又は全部を並列に接続するものであってもよい。例えば、複数の電池セル２１が直列に接続された電池モジュールを並列に接続して組電池２０を構成してもよい。

１０…電池パック、１０ａ…正極側接続端子、１０ｂ…負極側接続端子、２０ａ…正極側端子、２０ｂ…負極側端子、２２…電源端子、２２ａ…正極側電源端子、２２ｂ…負極側電源端子、２３…第１バスバー、２４ａ…第２バスバー、２４ｂ…第２バスバー、２０１…第１接続可能部位、２０２…第２接続可能部位。

Claims

電力を入出力可能な電池装置（１０）は、
電気的に接続可能な部位であって、電位が異なる複数の部位（１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂ，２２，２２ａ，２２ｂ，２３，２４ａ，２４ｂ，２０１，２０２）を備え、
複数の前記部位は、所定の電気経路（Ｌ１）を介して互いに接続されているものであり、
複数の前記部位には、前記各部位のうち最も低い電位を有する第１部位（１０ｂ，２０ｂ，２４ｂ，２０１）と、前記第１部位の電位に対して電位が異なる部位が少なくとも２以上含まれ、
前記第１部位と前記第１部位に対して最も電位差が大きくなる第２部位（１０ａ，２０ａ，２４ａ，２０２）のうち、少なくともいずれか一方は、上下方向において、複数の前記部位のうち、前記第１部位及び前記第２部位以外の他の部位以上の高さとなるように配置されており、
前記電池装置は、車両に搭載されるものであり、
前記第１部位と前記第２部位のうち一方は、車両の左右方向において、複数の前記部位のうち、前記第１部位及び前記第２部位以外の他の部位と同じ又はそれよりも右側に配置され、他方は、複数の前記部位のうち、前記第１部位及び前記第２部位以外の他の部位と同じ又はそれよりも左側に配置されている電池装置。
前記第１部位と前記第２部位のうち一方は、上下方向において、複数の前記部位のうち、前記第１部位及び前記第２部位以外の他の部位以上の高さとなるように配置され、他方は、複数の前記部位のうち、前記第１部位及び前記第２部位以外の他の部位以下の高さとなるように配置されている請求項１に記載の電池装置。
前記電池装置は、複数の電池セル（２１）が直列又は並列に接続された組電池（２０）を備え、
複数の前記部位には、前記各電池セルの電源端子（２０ａ，２０ｂ，２２，２２ａ，２２ｂ）が含まれ、
上下方向において、前記電池セルの正極側電源端子と負極側電源端子とは同じ高さ位置となるように配置されており、
前記第１部位と前記第２部位のうち少なくともいずれか一方は、上下方向において、複数の前記部位のうち、前記組電池の負極側端子（２０ｂ）及び前記組電池の正極側端子（２０ａ）以外の前記電池セルの電源端子以上の高さとなるように配置されている請求項１又は２に記載の電池装置。