JP7418405B2 - 電池モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、電池モジュールに関する。
例えば車両用等の高い出力電圧が要求される電源として、複数個の電池が電気的に接続された電池モジュールが知られている。一般に、電池モジュールを構成する各電池には、内圧の上昇に応じて開弁する弁部が設けられている。例えば、電池内部で短絡が生じ温度が上昇した場合、化学反応によってガスが発生する。これにより電池内圧が高まると、高温高圧のガスが弁部から噴出する。このような電池を備える電池モジュールに関して、特許文献1には、複数の電池が積層された電池積層体と、電池積層体の一面に各電池の弁部と連結するように固定された排気ダクトと、を備える電池モジュールが開示されている。
電池から噴出したガスが電池モジュールの外部に排出されて外部の酸素と混ざると、電池モジュールの外部で発火に至るおそれがある。電池モジュールの使用者の安全を担保するために、ガス噴出から所定時間(例えば5分間)は、電池モジュール外での発火を遅らせることが求められる。このため、電池モジュールには、様々な発火対策が施されている。
電池モジュール外の発火を抑制する方法として、排気ダクトとモジュール外部とを連通する流路部を設け、電池から噴出したガスをこの流路部を介して時間をかけて徐々に電池モジュール外に漏出させることが考えられる。これにより、電池から噴出したガスや微粒子の温度を下げて、電池モジュール外での発火を抑制することができる。一方で、近年は電池モジュールのさらなる高容量化が求められており、この要求を満たすために電池の高容量化が進んでいる。電池が高容量化すると電池から噴出するガスの量が増えるため、流路部内の圧力が増大する。今後、電池の高容量化がさらに進み、噴出するガスの量がより増大すると、内圧で流路部が破損するおそれが高まり、電池モジュールの安全性が低下するおそれがある。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、電池モジュールの安全性を高める技術を提供することにある。
本発明のある態様は、電池モジュールである。この電池モジュールは、積層された複数の電池を有する電池積層体であって、各電池がガスを噴出する弁部を有する電池積層体と、電池積層体における複数の弁部が配置される面を覆うダクトプレートであって、電池の積層方向に延びて各電池の弁部に接続され、噴出したガスを一時的に貯留する排気ダクトを有するダクトプレートと、ダクトプレートに載置されるカバープレートと、ダクトプレートおよびカバープレートで画成され、排気ダクトから積層方向と交わる第1方向に延び、排気ダクト内のガスを電池モジュールの外部に漏出させる流路部と、を備える。カバープレートは、流路部の途中と電池モジュールの外部とを連通する開口を有する。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、電池モジュールの安全性を高めることができる。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項中に「第1」、「第2」等の用語が用いられる場合には、特に言及がない限りこの用語はいかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
図1は、実施の形態に係る電池モジュールの斜視図である。図2は、電池モジュールの分解斜視図である。電池モジュール1は、電池積層体2と、一対のエンドプレート4と、冷却プレート6と、熱伝導層8と、サイドセパレータ10と、拘束部材12と、ダクトプレート28と、カバープレート60と、を備える。
電池積層体2は、複数の電池14と、セル間セパレータ16と、を有する。各電池14は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル-水素電池、ニッケル-カドミウム電池等の充電可能な二次電池である。また、各電池14はいわゆる角形電池であり、扁平な直方体形状の外装缶18を有する。外装缶18の一面には図示しない略長方形状の開口が設けられ、この開口を介して外装缶18に電極体や電解液等が収容される。外装缶18の開口には、開口を塞ぐ封口板20が設けられる。
封口板20には、長手方向の一端寄りに正極の出力端子22が配置され、他端寄りに負極の出力端子22が配置される。一対の出力端子22はそれぞれ、電極体を構成する正極板、負極板と電気的に接続される。以下では適宜、正極の出力端子22を正極端子22aと称し、負極の出力端子22を負極端子22bと称する。また、出力端子22の極性を区別する必要がない場合、正極端子22aと負極端子22bとをまとめて出力端子22と称する。
外装缶18、封口板20および出力端子22は導電体であり、例えば金属製である。封口板20と外装缶18の開口とは、例えばレーザー溶接により接合される。各出力端子22は、封口板20に形成された貫通孔(図示せず)に挿通される。各出力端子22と各貫通孔との間には、絶縁性のシール部材(図示せず)が介在する。
本実施の形態の説明では、便宜上、封口板20を電池14の上面、封口板20と対向する外装缶18の底面を電池14の下面とする。また、電池14は、上面および下面をつなぐ2つの主表面を有する。この主表面は、電池14が有する6つの面のうち面積の最も大きい面である。また、主表面は、上面および下面の長辺と接続される長側面である。上面、下面および2つの主表面を除いた残り2つの面は、電池14の側面とする。この側面は、上面および下面の短辺と接続される一対の短側面である。
また、便宜上、電池積層体2において電池14の上面側の面を電池積層体2の上面とし、電池14の下面側の面を電池積層体2の下面とし、電池14の側面側の面を電池積層体2の側面とする。これらの方向および位置は、便宜上規定したものである。したがって、例えば、本発明において上面と規定された部分は、下面と規定された部分よりも必ず上方に位置することを意味するものではない。
封口板20には、一対の出力端子22の間に弁部24が設けられる。弁部24は、安全弁とも呼ばれ、各電池14が電池内部のガスを噴出するための機構である。弁部24は、外装缶18の内圧が所定値以上に上昇した際に開弁して、内部のガスを放出できるように構成される。弁部24は、例えば封口板20の一部に設けられる、他部よりも厚さが薄い薄肉部と、この薄肉部の表面に形成される線状の溝とで構成される。この構成では、外装缶18の内圧が上昇すると、溝を起点に薄肉部が裂けることで開弁される。各電池14の弁部24は、後述する排気ダクト38に接続され、電池内部のガスは弁部24から排気ダクト38に排出される。
また、各電池14は、絶縁フィルム26を有する。絶縁フィルム26は、例えば筒状のシュリンクチューブであり、外装缶18を内部に通した後に加熱される。これにより、絶縁フィルム26は収縮し、外装缶18の2つの主表面、2つの側面および底面を被覆する。絶縁フィルム26により、隣り合う電池14間、あるいは電池14とエンドプレート4や拘束部材12との間の短絡を抑制することができる。
複数の電池14は、隣り合う電池14の主表面同士が対向するようにして所定の間隔で積層される。なお、「積層」は、任意の1方向に複数の部材を並べることを意味する。したがって、電池14の積層には、複数の電池14を水平に並べることも含まれる。本実施の形態では、電池14は水平に積層されている。したがって、電池14の積層方向Xは、水平に延びる方向である。以下では適宜、水平で且つ積層方向Xに垂直な方向を水平方向Yとし、積層方向Xおよび水平方向Yに対し垂直な方向を鉛直方向Zとする。
また、各電池14は、出力端子22が同じ方向を向くように配置される。本実施の形態の各電池14は、出力端子22が鉛直方向上方を向くように配置される。また、各電池14は、隣接する電池14を直列に接続する場合、一方の電池14の正極端子22aと他方の電池14の負極端子22bとが隣り合うように積層される。また、隣接する電池14を並列に接続する場合、一方の電池14の正極端子22aと他方の電池14の正極端子22aとが隣り合うように積層される。
セル間セパレータ16は、絶縁スペーサとも呼ばれ、例えば絶縁性を有する樹脂シートからなる。セル間セパレータ16を構成する樹脂としては、ポリプロピレン(PP)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリカーボネート(PC)、ノリル(登録商標)樹脂(変性PPE)等の熱可塑性樹脂が例示される。セル間セパレータ16は、隣接する2つの電池14の間に配置されて、当該2つの電池14間を電気的に絶縁する。
電池積層体2は、一対のエンドプレート4で挟まれる。一対のエンドプレート4は、電池14の積層方向Xにおける電池積層体2の両端に配置される。一対のエンドプレート4は、積層方向Xにおける両端に位置する電池14と、外端セパレータ5を介して隣り合う。外端セパレータ5は、セル間セパレータ16と同じ樹脂材料で構成することができる。各エンドプレート4は、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム等の金属で構成される金属板である。エンドプレート4と電池14との間に外端セパレータ5が介在することで、両者が絶縁される。
各エンドプレート4は、水平方向Yを向く2つの面に締結孔4aを有する。本実施の形態では、3つの締結孔4aが鉛直方向Zに所定の間隔をあけて配置されている。締結孔4aが設けられる面は、拘束部材12の後述する平面部54と対向する。
電池積層体2の上面には、ダクトプレート28が載置される。ダクトプレート28は、電池積層体2の上面、つまり各電池14の弁部24が配置される面を覆う板状の部材である。ダクトプレート28は、各電池14の弁部24に対応する位置に、弁部24を露出させる複数の開口32を有する。複数の開口32は、電池積層体2の上面に沿って延びるベース板33に設けられる。また、ダクトプレート28は、各電池14から噴出したガスを一時的に貯留する排気ダクト38を有する。排気ダクト38は、電池14の積層方向Xに延びて各電池14の弁部24に接続される。各弁部24は、開口32を介して排気ダクト38に連通される。
排気ダクト38は、複数の開口32の上方を覆う第1壁部34と、各開口32の側方を囲う一対の第2壁部36と、で画成される。第1壁部34および一対の第2壁部36は、それぞれ積層方向Xに長い長尺状である。一対の第2壁部36は、複数の開口32を挟んで水平方向Yに配列され、それぞれの壁面が電池14の積層方向Xと交わる水平方向Yを向く。第1壁部34は、壁面がダクトプレート28とカバープレート60とが並ぶ鉛直方向Zを向き、各弁部24と対向する。一対の第2壁部36は、ベース板33からカバープレート60に向けて突出し、排気ダクト38の両側面を構成する。第1壁部34は、一対の第2壁部36の上端に固定されて排気ダクト38の天面を構成する。
また、ダクトプレート28は、各電池14の出力端子22に対応する位置に、出力端子22を露出させる開口40を有する。各開口40には、バスバー42が載置される。複数のバスバー42は、ダクトプレート28によって支持される。したがって、ダクトプレート28は、いわゆるバスバープレートとしても機能する。各開口40に載置されたバスバー42によって、隣り合う電池14の出力端子22どうしが電気的に接続される。
本実施の形態のダクトプレート28は、第1壁部34を除いてポリプロピレン(PP)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリカーボネート(PC)、ノリル(登録商標)樹脂(変性PPE)等の樹脂で構成される。第1壁部34は、鉄やアルミニウム等の金属で構成される。また、一対の第2壁部36は、ベース板33と一体成形される。第1壁部34は、ねじ等の締結部材(図示せず)により一対の第2壁部36に固定される。
バスバー42は、銅やアルミニウム等の金属で構成される略帯状の部材である。バスバー42は、一方の端部が一方の電池14の出力端子22に接続され、他方の端部が他方の電池14の出力端子22に接続される。バスバー42は、隣接する複数個の電池14における同極性の出力端子22どうしを並列接続して電池ブロックを形成し、さらに電池ブロックどうしを直列接続してもよい。
積層方向Xにおいて両端に位置する電池14の出力端子22に接続されるバスバー42は、外部接続端子44を有する。外部接続端子44は、外部負荷(図示せず)に接続される。また、ダクトプレート28には、電圧検出線46が載置される。電圧検出線46は、複数の電池14に電気的に接続されて各電池14の電圧を検出する。電圧検出線46は、複数の導線(図示せず)を有する。各導線は、一端が各バスバー42に接続され、他端がコネクタ48に接続される。コネクタ48は、外部の電池ECU(図示せず)等に接続される。電池ECUは、各電池14の電圧等の検知、各電池14の充放電等を制御する。
冷却プレート6は、積層方向Xおよび水平方向Yに延在する平板状であり、アルミニウム等の熱伝導性の高い材料で構成される。冷却プレート6は、電池積層体2に熱的に接続されて、つまり電池積層体2に熱交換可能に接続されて、各電池14を冷却する。本実施の形態では、冷却プレート6の主表面に電池積層体2が載置される。電池積層体2は、下面が冷却プレート6側を向くようにして、冷却プレート6に載置される。したがって、電池積層体2と冷却プレート6とは鉛直方向Zに並ぶ。冷却プレート6は、電池モジュール1の外部、例えば電池モジュール1が搭載される車両の車体等に熱交換可能に接続されてもよい。また、冷却プレート6は、水やエチレングリコール等の冷媒が流れる流路を内部に有してもよい。これらにより、電池積層体2と冷却プレート6との熱交換効率をより高めることができ、ひいては電池14の冷却効率をより高めることができる。
熱伝導層8は、電池積層体2と冷却プレート6との間に介在する絶縁性の部材である。つまり、冷却プレート6は、熱伝導層8を介して電池積層体2に熱的に接続される。熱伝導層8は、電池積層体2の底面全体を覆っている。熱伝導層8の熱伝導率は空気の熱伝導率よりも高い。熱伝導層8は、例えばアクリルゴムシートやシリコーンゴムシート等の、良好な熱伝導性を有する公知の樹脂シート等で構成することができる。また、熱伝導層8は、良好な熱伝導性および絶縁性を有する公知の接着剤、グリス等で構成されてもよい。なお、外装缶18が絶縁フィルム26等で十分に絶縁されている場合には、熱伝導層8は絶縁性を有しなくてもよい。
熱伝導層8を電池積層体2と冷却プレート6との間に介在させることで、各電池14と冷却プレート6との熱的な接続をより確実に得ることができる。このため、各電池14の冷却効率を高めることができるとともに、各電池14をより均一に冷却することができる。また、熱伝導層8が絶縁性を有する場合には、電池積層体2と冷却プレート6とが電気的に接続されてしまうことをより確実に回避することができる。さらに、熱伝導層8によって、電池積層体2と冷却プレート6とのずれを抑制することができる。
サイドセパレータ10は、絶縁性を有し、拘束部材12と電池積層体2とを絶縁するための部材である。本実施の形態では、水平方向Yに一対のサイドセパレータ10が配列される。各サイドセパレータ10は、電池14の積層方向Xに長い長尺状である。一対のサイドセパレータ10の間には、電池積層体2、一対のエンドプレート4、冷却プレート6および熱伝導層8が配置される。各サイドセパレータ10は、例えば絶縁性を有する樹脂からなる。サイドセパレータ10を構成する樹脂としては、セル間セパレータ16と同様に、ポリプロピレン(PP)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリカーボネート(PC)、ノリル(登録商標)樹脂(変性PPE)等の熱可塑性樹脂が例示される。
本実施の形態のサイドセパレータ10は、第1部分50と、第2部分52と、第3部分53と、を有する。第1部分50は、矩形の平板状であり、電池積層体2の側面に沿って電池14の積層方向Xに延びる。第2部分52は、積層方向Xに延びる帯状であり、第1部分50の下辺から電池積層体2側に突出する。第3部分53は、積層方向Xに延びる帯状であり、第1部分50の上辺から電池積層体2側に突出する。したがって、第2部分52および第3部分53は、電池積層体2および冷却プレート6の配列方向で互いに対向する。第2部分52および第3部分53の間には、電池積層体2、冷却プレート6および熱伝導層8が配置される。
拘束部材12は、バインドバーとも呼ばれ、電池14の積層方向Xに長い長尺状の部材である。本実施の形態では、水平方向Yに一対の拘束部材12が配列される。各拘束部材12は金属製である。拘束部材12を構成する金属としては、鉄やステンレス鋼等が例示される。一対の拘束部材12の間には、電池積層体2、一対のエンドプレート4、冷却プレート6、熱伝導層8および一対のサイドセパレータ10が配置される。
本実施の形態の拘束部材12は、平面部54と、一対の腕部56と、を有する。平面部54は矩形状であり、電池積層体2の側面に沿って積層方向Xに延びる。一対の腕部56は、鉛直方向Zにおける平面部54の両側の端部から電池積層体2側に突出する。つまり、一方の腕部56は平面部54の上辺から電池積層体2側に突出し、他方の腕部56は平面部54の下辺から電池積層体2側に突出する。したがって、一対の腕部56は、電池積層体2および冷却プレート6の配列方向で互いに対向する。一対の腕部56の間には、電池積層体2、冷却プレート6、熱伝導層8およびサイドセパレータ10が配置される。
平面部54における各エンドプレート4と対向する領域には、コンタクトプレート68が溶接等により固定される。コンタクトプレート68は、鉛直方向Zに長い部材である。コンタクトプレート68には、エンドプレート4の締結孔4aに対応する位置に、コンタクトプレート68を水平方向Yに貫通する貫通孔70が設けられる。また、平面部54は、コンタクトプレート68の貫通孔70に対応する位置に、平面部54を水平方向Yに貫通する貫通孔58を有する。
各拘束部材12の平面部54に一対のエンドプレート4が係合することで、複数の電池14が積層方向Xに挟み込まれる。具体的には、複数の電池14と複数のセル間セパレータ16とが交互に配列されて電池積層体2が形成され、電池積層体2が外端セパレータ5を介して一対のエンドプレート4で積層方向Xに挟まれる。また、電池積層体2の下面に熱伝導層8が配置され、さらに熱伝導層8を挟んで電池積層体2と対向するように冷却プレート6が配置される。この状態で、電池積層体2、一対のエンドプレート4、冷却プレート6および熱伝導層8が一対のサイドセパレータ10で水平方向Yに挟まれる。さらに、一対のサイドセパレータ10の外側から、一対の拘束部材12が全体を水平方向Yに挟み込む。
一対のエンドプレート4と一対の拘束部材12とは、締結孔4a、貫通孔70および貫通孔58が重なり合うように、互いに位置合わせされる。そして、ねじ等の締結部材59が貫通孔58および貫通孔70に挿通され、締結孔4aに螺合される。これにより、一対のエンドプレート4と一対の拘束部材12とが固定される。一対のエンドプレート4と一対の拘束部材12とが係合されることで、複数の電池14は、積層方向Xにおいて締め付けられて拘束される。これにより、各電池14は、積層方向Xにおいて位置決めされる。
また、拘束部材12は、複数の電池14を積層方向Xに挟み込むとともに、電池積層体2、熱伝導層8および冷却プレート6をこれらの配列方向に挟み込む。具体的には、拘束部材12は、電池14の積層方向Xにおける平面部54の両端部が一対のエンドプレート4と係合することで、複数の電池14を積層方向Xに挟み込む。また、拘束部材12は、一対の腕部56で電池積層体2、熱伝導層8および冷却プレート6を鉛直方向Zに挟み込む。つまり、拘束部材12は、複数の電池14を締結する機能と、電池積層体2と冷却プレート6とを締結する機能とを兼ね備えている。したがって、電池積層体2と冷却プレート6とは、従来の構造とは異なり、ねじで非締結である。
一対の拘束部材12が一対のエンドプレート4に固定された状態で、サイドセパレータ10の第1部分50は、電池積層体2の側面と拘束部材12の平面部54との間に介在する。これにより、各電池14の側面と平面部54とが電気的に絶縁される。サイドセパレータ10の第2部分52は、冷却プレート6と拘束部材12の下側の腕部56との間に介在する。これにより、冷却プレート6と下側の腕部56とが電気的に絶縁される。サイドセパレータ10の第3部分53は、電池積層体2の上面と拘束部材12の上側の腕部56との間に介在する。これにより、各電池14の上面と上側の腕部56とが電気的に絶縁される。
一対の腕部56によって電池積層体2、熱伝導層8および冷却プレート6が鉛直方向Zに挟み込まれた状態で、熱伝導層8は、電池積層体2および冷却プレート6に押圧されて、弾性変形または塑性変形する。これにより、電池積層体2と冷却プレート6との熱的な接続をより確実に得ることができる。また、電池積層体2全体の冷却の均一化を図ることができる。さらに、電池積層体2と冷却プレート6とのXY平面方向のずれをより一層抑制することができる。
一例として、これらの組み付けが完了した後に、電池積層体2にダクトプレート28が載置される。例えば、ダクトプレート28は、一対のサイドセパレータ10の第3部分53が係合することで電池積層体2に対して固定される。そして、各電池14の出力端子22にバスバー42が取り付けられて、複数の電池14の出力端子22どうしが電気的に接続される。例えばバスバー42は、溶接により出力端子22に固定される。
ダクトプレート28の上面には、カバープレート60が載置される。カバープレート60は、ダクトプレート28の上方を覆う板状の部材である。本実施の形態のカバープレート60は、電池モジュール1の外郭の一部、具体的には電池モジュール1の上面を構成する、いわゆるトップカバーである。カバープレート60により、電池14の出力端子22や弁部24、バスバー42等への結露水や塵埃等の接触が抑制される。カバープレート60は、例えば絶縁性を有する樹脂からなる。カバープレート60は、鉛直方向Zで外部接続端子44と重なる位置に絶縁カバー部62を有する。また、カバープレート60は、開口96を有する。各開口96は、後述する流路部76に接続される。
カバープレート60は、第1方向(本実施の形態では水平方向Y)における両端部がダクトプレート28に固定される。本実施の形態のカバープレート60は、スナップフィットによりダクトプレート28に固定される。具体的には、ダクトプレート28は、水平方向Yにおける両端部に、積層方向Xに間隔をあけて複数の係合爪72を有する。また、カバープレート60は、鉛直方向Zから見て各係合爪72と重なる位置に係合孔74を有する。カバープレート60がダクトプレート28に載置されると、各係合孔74に各係合爪72が挿入される。これにより、カバープレート60の水平方向Yにおける両端部がダクトプレート28に固定される。カバープレート60がダクトプレート28に載置された状態で、外部接続端子44が絶縁カバー部62で覆われる。
図3は、電池モジュール1のダクトプレート28およびカバープレート60を含む領域の断面側面図である。図4は、電池モジュール1のダクトプレート28およびカバープレート60を含む領域の断面斜視図である。図3および図4では、電池14の内部構造の図示を省略している。
電池モジュール1は、流路部76を備える。流路部76は、排気ダクト38内のガスを電池モジュール1の外部に漏出させる流路である。流路部76は、ダクトプレート28およびカバープレート60で画成され、排気ダクト38から積層方向Xと交わる第1方向(本実施の形態では水平方向Y)に延びる。本実施の形態では、排気ダクト38を挟んで水平方向Yの両側に流路部76が配置される。各流路部76は、排気ダクト38の水平方向Yを向く第2壁部36に接続される。より具体的には、第2壁部36には開口78が設けられ、各流路部76の一方の端部は開口78に接続される。各流路部76の他方の端部は、電池モジュール1の水平方向Yの端部に配置される流路出口80に接続される。
第2壁部36には積層方向Xに所定の間隔をあけて複数の開口78が設けられ、流路部76の一方の端部は複数の開口78に接続される。また、流路出口80は、積層方向Xに長い開口である。したがって、流路部76は、積層方向Xおよび水平方向Yに拡がる平面状の流路である。カバープレート60は、排気ダクト38の弁部24と対向する第1壁部34との間に所定の隙間Gが設けられるように配置される。つまり、第1壁部34とカバープレート60とは、隙間Gだけ鉛直方向Zに離間している。隙間Gは、水平方向Yの両端部が流路部76に接続される。したがって、水平方向Yに並ぶ2つの流路部76は、隙間Gを介して連通される。
また、カバープレート60は、流路部76の途中と電池モジュール1の外部とを連通する開口96を有する。本実施の形態のカバープレート60は、排気ダクト38を挟んで水平方向Yの両側に、積層方向Xに所定の間隔をあけて複数の開口96が設けられている(図1,2も参照)。鉛直方向Zにおける各開口96の一端は、流路部76の開口78から流路出口80までの間の領域に接続される。鉛直方向Zにおける各開口96の他端は、電池モジュール1の外部に接続される。
弁部24から電池14内のガスが噴出すると、ガスは弁部24と対向する第1壁部34に衝突する。第1壁部34に衝突したガスは、第1壁部34に沿って流れて開口78から流路部76に流入する。流路部76に流入したガスの大部分は、流路部76内を水平方向Yおよび積層方向Xに流れ、流路出口80から電池モジュール1の外部に漏出する。
電池14から噴出するガスの少なくとも一部は、可燃性のガスである。また、電池14から噴出するガスには、電池構造物の破片等の微粒子も含まれる。電池モジュール1の外部に高温の可燃性ガスと高温の微粒子とが排出され、これらとモジュール外の酸素とが混ざると、電池モジュール1の外部で発火に至るおそれがある。これに対し、本実施の形態では弁部24から噴出したガスを一旦排気ダクト38で受け、その後に流路部76を経由して電池モジュール1の外部に放出している。これにより、ガスや微粒子が電池モジュール1の外部に放出されるまでに、その温度を下げることができるため、電池モジュール1の外部での発火を抑制することができる。
排気ダクト38から流路部76に流入したガスの一部は、カバープレート60に設けられた開口96から電池モジュール1の外部に排出される。これにより、流路部76内の圧力が低下する。したがって、流路部76内の圧力が過度に上昇することを抑制することができる。
また、開口96の内側壁によって形成される、流路部76と電池モジュール1外とをつなぐ連通路は、流路部76においてガスが流れる方向、つまり積層方向Xおよび/または水平方向Yに対して直交する鉛直方向Zに延びる。ガスに対し質量の大きい微粒子は、慣性力によって流路部76内を積層方向Xおよび/または水平方向Yに進みやすい。つまり、微粒子の進行方向は、鉛直方向Zに変化しにくい。このため、微粒子は開口96から電池モジュール1の外部に排出されにくい。微粒子は、ガスに比べて温度が極めて高く、且つ温度が低下しにくいため、流路部76により長い時間留めておくことが望ましい。したがって、より多くの微粒子を開口96からではなく流路出口80から排出することで、電池モジュール1の外部での発火をより抑制することができる。
本実施の形態において、各開口96の大きさは、開口96における流路抵抗が流路部76の流路抵抗よりも大きくなるように設定される。流路部76の流路抵抗は、例えば開口78から流路出口80に至るまでの領域において流路抵抗の最も大きい箇所における流路抵抗である。これにより、各開口96からのガスの流出量が流路出口80からのガスの流出量を上回ることを抑制することができる。
以上説明したように、本実施の形態に係る電池モジュール1は、積層された複数の電池14を有する電池積層体2と、電池積層体2に載置されるダクトプレート28と、ダクトプレート28に載置されるカバープレート60と、ダクトプレート28およびカバープレート60で画成される流路部76と、を備える。電池積層体2の各電池14は、ガスを噴出する弁部24を有する。ダクトプレート28は、排気ダクト38を有し、電池積層体2における複数の弁部24が配置される面を覆う。排気ダクト38は、電池14の積層方向Xに延びて各電池14の弁部24に接続され、噴出したガスを一時的に貯留する。流路部76は、排気ダクト38から電池14の積層方向Xと交わる第1方向に延び、排気ダクト38内のガスを電池モジュール1の外部に漏出させる。カバープレート60は、流路部76の途中と電池モジュール1の外部とを連通する開口96を有する。
各弁部24を排気ダクト38に接続することで、噴出したガスの衝撃や圧力を排気ダクト38で受けることができる。特に、ガスの噴出初期に生じる大きな衝撃や急激に上昇する圧力を排気ダクト38で受けることができる。また、排気ダクト38に噴出したガスは、流路部76から徐々に電池モジュール1の外部に漏出する。これにより、電池モジュール1の外部にガスが勢いよく噴出することを抑制することができる。また、流路部76から徐々にガスを漏出させることで、ガスや微粒子が流路出口80に至るまでにその温度を下げることができる。これにより、電池モジュール1の外部での発火を抑制することができる。
また、カバープレート60に開口96を設けることで、流路部76内のガスの一部を開口96から排出することができる。これにより、流路部76内の圧力を下げることができるため、流路部76内の圧力が過度に上昇することを抑制することができる。これにより、電池14からのガスの噴出によって流路部76が破損することを抑制することができる。よって、本実施の形態によれば、電池モジュール1の安全性を高めることができる。また、電池モジュール1の安全性を維持しながら電池モジュール1の高容量化を図ることができる。
また、カバープレート60への開口96の設置により流路部76の内圧を低減しているため、流路部76の体積を大きくすることで流路部76内の圧力が過度に上昇することを抑制する場合に比べて、電池モジュール1の大型化を抑制することができる。また、カバープレート60に開口96を設けるだけであるため、部品点数の増加を伴わず、電池モジュール1の構造の複雑化や大型化を抑制することができる。
各開口96の大きさは、開口96における流路抵抗が流路部76の流路抵抗よりも大きくなるように設定される。これにより、各開口96からのガスの流出量が流路出口80からのガスの流出量を上回ることを抑制することができる。流路出口80から漏出するガスは、開口96から漏出するガスに比べてより長く流路部76に留まっているため、温度がより下がった状態で電池モジュール1の外部に排出される。したがって、流路出口80からのガスの流出量を各開口96からのガスの流出量よりも増やすことで、流路部76の内圧上昇の抑制と、電池モジュール1外での発火の抑制とをより確実に両立させることができる。
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明した。前述した実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体例を示したものにすぎない。実施の形態の内容は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、請求の範囲に規定された発明の思想を逸脱しない範囲において、構成要素の変更、追加、削除等の多くの設計変更が可能である。設計変更が加えられた新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形それぞれの効果をあわせもつ。前述の実施の形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「本実施の形態の」、「本実施の形態では」等の表記を付して強調しているが、そのような表記のない内容でも設計変更が許容される。実施の形態に含まれる構成要素の任意の組み合わせも、本発明の態様として有効である。図面の断面に付したハッチングは、ハッチングを付した対象の材質を限定するものではない。
(変形例1)
図5(A)は、変形例1に係る電池モジュール1の一部を模式的に示す断面図である。図5(A)では、電池14の内部構造および第1壁部34の図示を省略している。変形例1の電池モジュール1では、カバープレート60およびダクトプレート28が並ぶ方向(本変形例では鉛直方向Z)から見て、開口96における流路部76側の第1端部96aと反対側の第2端部96bとは少なくとも一部がずれている。これにより、鉛直方向Zから見て露出する流路部76の面積を減らすことができるため、微粒子が開口96を介して電池モジュール1の外部に排出されることをより抑制することができる。
図5(A)は、変形例1に係る電池モジュール1の一部を模式的に示す断面図である。図5(A)では、電池14の内部構造および第1壁部34の図示を省略している。変形例1の電池モジュール1では、カバープレート60およびダクトプレート28が並ぶ方向(本変形例では鉛直方向Z)から見て、開口96における流路部76側の第1端部96aと反対側の第2端部96bとは少なくとも一部がずれている。これにより、鉛直方向Zから見て露出する流路部76の面積を減らすことができるため、微粒子が開口96を介して電池モジュール1の外部に排出されることをより抑制することができる。
また、本変形例の第2端部96bは、第1方向(本変形例では水平方向Y)において第1端部96aよりも排気ダクト38寄りに配置される。第1端部96aと第2端部96bとをつなぐ連通路96cは、第1端部96aから第2端部96bに向かって直線状に延びる。したがって、連通路96cは、第1端部96aから第2端部96bに向かって徐々に排気ダクト38に近づくように傾斜している。
流路部76におけるガスの主流は、開口78から水平方向Yに延びて流路出口80に向かう。したがって、第2端部96bを第1端部96aよりも排気ダクト38側に配置することで、ガスの主流に対して連通路96cを鋭角に接続することができる。これにより、微粒子が開口96から電池モジュール1の外部に排出されることをより抑制することができる。
(変形例2)
図5(B)は、変形例2に係る電池モジュール1の一部を模式的に示す断面図である。図5(B)では、電池14の内部構造および第1壁部34の図示を省略している。変形例2の電池モジュール1は、変形例1と同様にカバープレート60およびダクトプレート28が並ぶ方向(本変形例では鉛直方向Z)から見て、第1端部96aと第2端部96bとは少なくとも一部がずれている。
図5(B)は、変形例2に係る電池モジュール1の一部を模式的に示す断面図である。図5(B)では、電池14の内部構造および第1壁部34の図示を省略している。変形例2の電池モジュール1は、変形例1と同様にカバープレート60およびダクトプレート28が並ぶ方向(本変形例では鉛直方向Z)から見て、第1端部96aと第2端部96bとは少なくとも一部がずれている。
また、本変形例における、第1端部96aと第2端部96bとをつなぐ連通路96cは、屈曲または湾曲している。図5(B)には、一例としてクランク状に屈曲した連通路96cが図示されている。具体的には、本変形例の第2端部96bも、変形例1と同様に第1端部96aよりも排気ダクト38寄りに配置されている。そして、連通路96cは、第1端部96aから上方に延びて、カバープレート60の厚み方向の中間領域で排気ダクト38側に略直角に折れ曲がる。そして、排気ダクト38に向かって水平方向Yに延び、第2端部96bの直下で第2端部96b側に略直角に折れ曲がって、第2端部96bに接続されている。
連通路96cを屈曲または湾曲した形状とすることで、微粒子が開口96から電池モジュール1の外部に排出されることをより抑制することができる。なお、連通路96cを屈曲または湾曲させる場合は、第1端部96aと第2端部96bとをXY平面方向にずらさなくても、鉛直方向Zから見て露出する流路部76の面積を減らすことができる。
(その他)
電池モジュール1が備える電池14の数は特に限定されない。サイドセパレータ10の形状や、エンドプレート4と拘束部材12との締結構造を含む、電池モジュール1の各部の構造は特に限定されない。電池14は、円筒状等であってもよい。電池積層体2と冷却プレート6との間の熱伝導と摩擦力とが十分に確保できる場合には、熱伝導層8を省略し、PETやPCからなる絶縁シートを電池積層体2と冷却プレート6との間に介在させてもよい。カバープレート60が有する開口96の配置や数は、流路出口80からのガス排出量と開口96からのガス排出量とのバランスや、流路部76の内圧の上昇量などを考慮して適宜設定することができる。変形例2における連通路96cの形状は、積層方向Xに垂直なYZ平面に沿った断面形状がS字形状や、横V字形状(V字を90°回転させた形状)、横U字形状(U字を90°回転させた形状)等であってもよい。
電池モジュール1が備える電池14の数は特に限定されない。サイドセパレータ10の形状や、エンドプレート4と拘束部材12との締結構造を含む、電池モジュール1の各部の構造は特に限定されない。電池14は、円筒状等であってもよい。電池積層体2と冷却プレート6との間の熱伝導と摩擦力とが十分に確保できる場合には、熱伝導層8を省略し、PETやPCからなる絶縁シートを電池積層体2と冷却プレート6との間に介在させてもよい。カバープレート60が有する開口96の配置や数は、流路出口80からのガス排出量と開口96からのガス排出量とのバランスや、流路部76の内圧の上昇量などを考慮して適宜設定することができる。変形例2における連通路96cの形状は、積層方向Xに垂直なYZ平面に沿った断面形状がS字形状や、横V字形状(V字を90°回転させた形状)、横U字形状(U字を90°回転させた形状)等であってもよい。
1 電池モジュール、 2 電池積層体、 14 電池、 24 弁部、 28 ダクトプレート、 38 排気ダクト、 60 カバープレート、 76 流路部、 96 開口、 96a 第1端部、 96b 第2端部、 96c 連通路。
Claims (5)
- 積層された複数の電池を有する電池積層体であって、各電池がガスを噴出する弁部を有する電池積層体と、
前記電池積層体における複数の前記弁部が配置される面を覆うダクトプレートであって、前記電池の積層方向に延びて各電池の前記弁部に接続され、噴出した前記ガスを一時的に貯留する排気ダクトを有するダクトプレートと、
前記ダクトプレートに載置されるカバープレートと、
前記ダクトプレートおよび前記カバープレートで画成され、前記排気ダクトから前記積層方向と交わる第1方向に延び、前記排気ダクト内の前記ガスを電池モジュールの外部に漏出させる流路部と、を備え、
前記カバープレートは、前記流路部の途中と電池モジュールの外部とを連通する開口を有することを特徴とする電池モジュール。 - 前記開口の大きさは、前記開口における流路抵抗が前記流路部の流路抵抗よりも大きくなるように設定される請求項1に記載の電池モジュール。
- 前記カバープレートおよび前記ダクトプレートが並ぶ方向から見て、前記開口における前記流路部側の第1端部と反対側の第2端部とは少なくとも一部がずれている請求項1または2に記載の電池モジュール。
- 前記第2端部は、前記第1方向において前記第1端部よりも前記排気ダクト寄りに配置される請求項3に記載の電池モジュール。
- 前記開口における前記流路部側の第1端部と反対側の第2端部とをつなぐ連通路は、屈曲または湾曲している請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電池モジュール。
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